JP2009255163A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光照射による金属部材と樹脂部材の接合の際、樹脂部材の表面ムラの発生を効果的に抑制する。
【解決手段】レーザ光源１０から出力されたレーザ光は、ＤＯＥ１１を経てビームスプリッタ１２により二方向に分岐される。ビームスプリッタ１２を直進した一方のレーザ光は、第１レンズ１３により金属部材５１の表面近傍に集光される。ビームスプリッタ１２により第１ミラー１４方向へ出力された他方のレーザ光は、第１ミラー１４及び第２ミラー１５により反射された後、第２レンズ１６により金属部材５１の表面近傍に集光される。この結果、集光位置近傍の金属部材５１及び樹脂部材５２が加熱されることにより接合される。また、レーザ光のパワー密度は、樹脂部材５２の露出表面を溶かさない程度以下に設定されているため、樹脂部材５２の露出表面近傍では気泡等が発生しない。これにより、樹脂部材の表面ムラの発生が効果的に抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる材料の金属部材と樹脂部材とをレーザ光の照射により接合させるレーザ加工方法に関するものである。

レーザ光照射により対象物を加工する方法の一つとして、所定波長を有するレーザ光の照射により金属部材と樹脂部材を接合する方法が知られている。

以下の非特許文献１では、金属部材として用意されたステンレス鋼部材（ＳＵＳ）上に、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、又はポリプロピレン（ＰＰ）からなる樹脂部材を乗せ、その後、レーザ光をＳＵＳと樹脂部材の界面近傍に照射することにより、ＳＵＳと樹脂部材とを融着させる方法が開示されている。
Seiji Katayama 他３名、"Laser-Assisted Metal and Plastic (LAMP) Joining"、Proceedings of the 4th International Congress on Laser Advanced Materials Processing

発明者らは、上述のような従来のレーザ加工方法について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、上記非特許文献１では、厚みが２ｍｍから２．３ｍｍの樹脂部材をステンレス鋼部材の上に載せた状態でレーザ光照射を行っている。しかしながら、上記非特許文献１に記載された技術を用いて上記厚み（２ｍｍ〜２．３ｍｍ）よりも薄い樹脂部材とステンレス鋼部材を接合しようとする場合、レーザ光が照射されている樹脂領域が集中的に加熱されることになる。このとき、樹脂部材の露出表面（レーザ光が直接到達する表面）が溶けてしまうことがある。また、レーザ光照射により局所的に加熱された樹脂部材の露出表面近傍に気泡が発生した状況において、レーザ光による加熱がさらに進行すると、これら気泡が成長しすぎて破裂する可能性が拡大していく。成長しすぎた気泡が破裂すると、この気泡破裂に起因したくぼみが樹脂部材内に形成され、該樹脂部材の露出表面に凹凸（以下、表面ムラという）ができる。このように樹脂部材に表面ムラが形成されると、外観不良のみならず、絶縁不良の原因となってしまうという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、科学的性質の異なる金属材料と樹脂材料とを接合する際に樹脂材料の表面ムラの発生を効果的に抑制することが可能なレーザ加工方法を提供することを目的としている。

本発明に係るレーザ加工方法は、上述の目的を達成するため、加工対象である金属部材と樹脂部材を用意し、金属材料の上に樹脂材料を載せ、少なくとも２本のレーザ光（３本以上のレーザ光であってもよく、以下、単に複数のレーザ光という）を、金属部材と樹脂部材の界面を構成する該金属部材の表面近傍に各集光点が位置するよう互いに異なる方向から照射する。

金属部材は、樹脂部材が載せられたときに直接面することになる第１表面と、該第１表面に対向する第２表面を有する。また、樹脂部材は、露出表面となる第１表面と、該第１表面に対向するとともに、金属部材上に載せられたときに金属部材に直接面することになる第２表面を有する。したがって、金属材料上に樹脂部材を載せることで、該金属部材の第１表面に該樹脂材料の第２表面が当接する。

複数のレーザ光の各集光点は、金属部材と樹脂部材の界面近傍、すなわち、金属部材の第１表面近傍に設定されている。また、複数のレーザ光の、樹脂部材の第１表面上における各パワー密度は、該樹脂部材の第１表面を溶かさない程度以下に設定されている。

当該レーザ加工方法によれば、上述のように、金属部材と樹脂部材の界面近傍に複数のレーザ光が互いに異なる方向から照射されることにより、金属部材の第１表面が加熱され、さらに、この加熱された金属領域に隣接する樹脂領域が溶解される。これにより、金属部材の第１表面と樹脂部材の第２表面の密着性が高まり、金属部材と樹脂部材と接合される。このとき、複数のレーザ光を、互いに異なる方向から金属部材の第１表面近傍に集光させることで、各レーザ光の光強度が小さくても、複数のレーザ光が同時に金属部材の所定領域に照射されることにより、該金属部材に隣接する樹脂部材の第２表面近傍も十分に加熱されことる。そのため、金属部材と樹脂部材との接合が可能になる。また、複数のレーザ光の光強度が、樹脂の表面に気泡が生じない程度、すなわち、樹脂部材の第２表面が溶けない程度以下に設定されることで、樹脂部材の第２表面における表面ムラの発生が効果的に抑制される。

なお、本発明に係るレーザ加工方法において、金属部材の第１表面に照射される複数のレーザ光は、一つのレーザ光源から出力されたレーザ光を分岐することにより生成することも可能である。一つのレーザ光源から出力されたレーザ光は、容易に複数方向に分岐することができる。したがって、当該レーザ加工方法によれば、それぞれの光強度は低く抑えられている複数のレーザ光を金属部材の第１表面上へ同時にかつ容易に照射することができ、樹脂部材における表面ムラの発生を効果的に抑制することができる。

本発明に係るレーザ加工方法において、照射される複数のレーザ光は、該複数のレーザ光のうち２本以上のレーザ光のビームスポットが金属部材の第１表面において全体的に又は部分的に重なるよう、該金属部材の第１表面に向かって照射されるのが好ましい。効率的に金属部材の第１表面近傍を加熱することが可能になるからである。また、複数のレーザ光の入射方向は、樹脂部材を通過した後に金属部材の第１表面に到達するよう設定されてもよい。

複数のレーザ光は、金属部材の第１表面と樹脂材料の第２表面とが当接された状態で、それらの集光点が金属部材と樹脂部材との界面からの距離が樹脂部材の厚みの１／２以下となる領域内に位置するよう、該金属部材の第１表面に向かって照射されるのが好ましい。より具体的には、例えば厚み０．４ｍｍ以下の薄い樹脂部材を金属部材に接合するような場合、複数のレーザ光は、金属部材の第１表面と樹脂材料の第２表面とが当接された状態で、それらの集光点が該金属部材と樹脂部材との界面からの距離が樹脂部材の厚みの１／２以下、すなわち２００μｍ以下となる領域内に位置するよう、該金属部材の第１表面に向かって照射されるのが好ましい。一方、厚み０．４ｍｍを越える樹脂部材、例えば、厚み０．４ｍｍ〜数ｍｍの樹脂部材と金属部材とを互いに接合する場合でも、複数のレーザ光の各集光点を、金属部材と樹脂部材との界面からの距離が２００μｍ以下となる領域内に設定しておけば、樹脂部材の表面ムラが効果的に抑制され得る。

また、本発明に係るレーザ加工方法において、照射される複数のレーザ光は、それらの集光点が金属部材の内部に位置するよう、該金属部材の第１表面に向かって照射されるのが好ましい。より効果的に金属部材の所望領域の加熱が可能になるからである。また、照射される複数のレーザ光は、一つのレーザ光源から出力されたレーザ光を分岐することにより生成されてもよい。さらに、照射される複数のレーザ光は、互いに異なる波長を有するのが好ましい。照射されるレーザ光の波長が異なる場合、金属部材及び樹脂部材におけるレーザ光それぞれの吸収率は異なってくる。波長が互いに異なり、金属部材及び樹脂部材における吸収率が互いに異なる複数のレーザ光を用いてレーザ加工が行われることで、加工条件に対して適切な波長を有するレーザ光の選択が可能になる。すなわち、より低い光強度のレーザ光を用いてより効率的に、金属部材と樹脂部材を接合することが可能になる。

本発明に係るレーザ加工方法において、金属部材と樹脂材料のとの間の当接面として規定される、該金属部材と樹脂部材との界面近傍は、該金属部材側から加熱されるのが好ましい。熱伝導率の高い金属部材に樹脂部材を接合する場合、該金属部材を加熱することにより金属部材中を熱が伝わって、最終的に金属部材に当接された樹脂部材が加熱される。これにより、樹脂部材の露出表面近傍における気泡発生が抑制される程度の光強度を有するレーザ光、すなわち、樹脂部材の露出表面を溶かさない程度以下に設定されたパワー密度のレーザ光を用いた場合でも、金属部材と樹脂部材の接合が効率的かつ容易に行われる。したがって、より低い光強度のレーザ光を用いてレーザ加工を行うことができるため、樹脂部材の表面ムラの発生が効果的に抑制される。

本発明に係るレーザ加工方法において、照射される複数のレーザ光それぞれの強度分布は、回折光学素子により均一化されるのが好ましい。この場合、各レーザ光間における光強度のばらつきが低減される。すなわち、樹脂部材の露出表面においてレーザ光の光強度のばらつきに起因した気泡の発生が抑制されるため、樹脂部材の表面ムラの抑制が可能になる。

なお、この発明に係る各実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施形態は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施形態を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

本発明によれば、薄い樹脂部材を金属部材に接合する際に発生する可能性が高い、樹脂部材の表面ムラを効果的に抑制することができる。

以下、この発明に係るレーザ加工方法の各実施形態を、図１〜８を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係るレーザ加工方法の第１実施形態を説明するための図である。図１に示されたレーザ加工装置１は、レーザ光源１０、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Elements）１１、ビームスプリッタ１２、第１レンズ１３、第１ミラー１４、第２ミラー１５及び第２レンズ１６を備える。この図１に示されたレーザ加工装置１は、レーザ光源１０からのレーザ光を２本に分岐し、これら分岐された２本のレーザ光を金属部材５１の表面近傍に集光させるよう、金属部材５１及び樹脂部材５２からなる加工対象物に照射する。なお、金属部材５１は、第１表面５１ａと、該第１表面５１ａと対向する第２表面５１ｂを有し、同様に、樹脂部材５２も第１表面５２ａと、該第１表面に対向する第２表面５２ｂを有する。したがって、金属部材５１上に樹脂部材５２を載せることにより、加工対象物が構成されたとき、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂとが当接することになる。また、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂ間の当接面として、金属部材５１と樹脂部材５２の界面が規定される。

この第１実施形態におけるレーザ光源１０は、所定波長のレーザ光を出力する。レーザ光源１０としては、例えば、ＹＡＧレーザ（３０Ｗ）が好適である。なお、図１では図示しないが、レーザ光源１０から出力されたレーザ光は、ビームエキスパンダにより、そのビーム径が拡大されるとともにコリメートされる。

ＤＯＥ１１は、レーザ光源１０とビームスプリッタ１２との間に設けられている。ＤＯＥ１１は、レーザ光源１０から出力されたレーザ光を入力し、この入力レーザ光のビーム内における光強度を均一にする。ＤＯＥ１１において光強度が均一化されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２へ出力される。ビームスプリッタ１２は、ＤＯＥ１１からのレーザ光を分岐するよう機能し、一部のレーザ光Ｌ２を透過することにより第１レンズ１３へ出力する一方、残りのレーザ光Ｌ１を反射することにより第１ミラー１４へ出力する。

第１レンズ１３は、ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光Ｌ２を集光する集光光学系として機能する。この第１レンズ１３により、ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光Ｌ２が加工対象物に照射される。第１実施形態で用いられる第１レンズ１３の焦点距離は、５０ｍｍである。第１レンズ１３は、その集光点が金属部材５１の表面近傍になるように配置されている。したがって、樹脂部材５２が金属部材５１上に載置された状態では、第１レンズ１３から出力されたレーザ光Ｌ２は、金属部材５１と樹脂部材５２の界面（金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂ間の当接面として規定される）近傍へ集光される。

第１ミラー１４は、ビームスプリッタ１２において反射（分岐）されたレーザ光Ｌ１を第２ミラー１５へ向けてさらに反射する。また、第２ミラー１５は、第１ミラー１５からのレーザ光Ｌ１を第２レンズ１６へ向けて反射する。

第２レンズ１６は、第２ミラー１５からのレーザ光Ｌ１を集光する集光光学系として機能する。この第２レンズ１６により、第２ミラー１５で反射されたレーザ光Ｌ１が加工対象物に照射される。第１実施形態で用いられる第２レンズ１６の焦点距離は、５０ｍｍである。第２レンズ１６は、その集光点が金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に位置するよう配置されている。したがって、樹脂部材５２が金属部材５１上に載置された状態では、第２レンズ１６から出力されたレーザ光Ｌ１は、金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍へ集光される。ただし、第１レンズ１３からのレーザ光Ｌ２の集光点と、第２レンズ１６からのレーザ光Ｌ１の集光点は、必ずしも一致する必要はないが、加工領域が微小な場合などは一致させてもよい。

以上のような構造を有するレーザ加工装置１を用いたレーザ加工方法は、以下のように行われる。すなわち、レーザ加工装置１のレーザ光源１０から出力されたレーザ光は、ＤＯＥ１１を経てビームスプリッタ１２により二方向に分岐される。ビームスプリッタ１２を直進したレーザ光Ｌ２は、第１レンズ１３により金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。一方、ビームスプリッタ１２により第１ミラー１４方向へ出力されたレーザ光Ｌ１は、第１ミラー１４及び第２ミラー１５により反射された後、第２レンズ１６により、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。この結果、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光点近傍の金属部材５１及び樹脂部材５２が加熱される。これにより、金属部材５１及び樹脂部材５２は面接合される。なお、レーザ光源１０から出力されるレーザ光の方向は、レーザ光源１０、第１レンズ１３、第１ミラー１４、第２ミラー１５、第２レンズ１６等の配置を調整することにより変更される。したがって、これらの配置を変更することにより、分岐されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２それぞれの集光点を変更することが可能になる。

また、この第１実施形態において、加工対象物の一部を構成する金属部材５１は、板状のステンレス鋼部材（ＳＵＳ）であり、その厚みは１ｍｍである。また、金属部材５１の第１表面５１ａ上に載せられた樹脂部材５２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなり、その厚みは０．４ｍｍである。

上述のような構造を有するレーザ加工装置１を用いて加工対象物に対してレーザ光を集光させるとき、第１レンズ１３及び第２レンズ１６からそれぞれ出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。このようにレーザ光Ｌ１、Ｌ２が集光された金属部材５１の第１表面５１ａ近傍では光強度が増加する。このとき、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光点近傍において、金属部材５１の加熱に起因して、隣接する樹脂部材５２の一部も加熱される（樹脂部材５２内に加熱による気泡が発生する）。金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍において、樹脂部材５２内に発生した気泡が、該気泡周辺の樹脂を金属部材５１の第１表面５１ａに向けて押し出すことにより、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂとが密着する（図３参照）。一方、図１に示されたように、第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、金属部材５１の第１表面５１ａに当接された第２表面５２ｂ側と比較して、レーザ光Ｌ１、Ｌ２はいずれも集光されていない。そのため、樹脂部材５２の第１表面５２ａにおける、レーザ光Ｌ１、Ｌ２のパワー密度が小さいことが分かる。

また、この第１実施形態では、第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。このとき、集光点近傍において、第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２が金属部材５１及び樹脂部材５２を加熱しすぎると、樹脂部材５２で発生した気泡が成長しすぎてしまい、該気泡を破裂させる原因となる。このため、第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれは、樹脂部材５２の第１表面５２ａにおいて、該樹脂部材５２を溶かさない程度のパワー密度に制御されている。すなわち、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光強度は集光点近傍と比較して非常に小さく、樹脂部材５２の第１表面５２ａにおける気泡発生が抑制されている。このように、第１実施形態では、レーザ光照射時における樹脂部材５２の第１表面５２ａにおける気泡発生を抑制されているため、該樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）における凹凸（表面ムラ）の発生が効果的に抑制され得る。

なお、当該第１実施形態において、第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光点は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に設定されている。具体的には、金属部材５１と樹脂部材５２との界面近傍であればよく（界面からの距離が樹脂部材５２の厚みの１／２以内となる領域）、特に、界面からの距離が２００μｍ以下であるのが好ましい。第１実施形態では、樹脂部材５２の厚みが０．４ｍｍであるため、集光点を金属部材５１と樹脂部材５２との界面、その近傍の金属部材５１又は樹脂部材５２に設定することで、樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）におけるレーザ光強度を低くすることができる。このように、樹脂部材５２の厚みが０．４ｍｍ以下の場合には、界面からの距離を樹脂部材５２の厚みの１／２以内に設定することが、樹脂部材５２と金属部材５１の密着性を確保する上で好ましい。一方、集光点が金属部材５１中に位置する場合には、樹脂部材５２の厚みに係らず、界面からの距離は２００μｍ以下であればよい。

図２も、この発明に係るレーザ加工方法の第１実施形態を説明するための図であり、図１に示された実施形態の変形例である。図２では、図１に示されたレーザ加工の場合と比較して、レーザ加工装置１自体の構成は同一であるが、加工対象物の構成が異なる。具体的には、樹脂部材５２上に金属部材５１が載置されることにより、加工対象物が構成されている。第１レンズ１３及び第２レンズ１６から出力されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第２表面５１ｂから入射され、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍で集光される。このように、図２に示されたレーザ加工装置１では、金属部材５１と樹脂部材５２との界面を金属部材５１側から照射することもできる。このような変形例であっても、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射によって金属部材５１が加熱され、該金属部材５１の加熱により隣接する樹脂部材５２の一部も加熱される。これにより、樹脂部材５２内の隣接領域内には微小気泡が発生するため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射される界面近傍において、金属部材５１と樹脂部材５２とが強固に面接合される。また、この図２に示された実施形態でも、樹脂部材５２の第１表面５２ａには、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が集光されないので、該樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）近傍では気泡の発生が抑制され、該樹脂部材５２の表面ムラが抑制効果的にされ得る。

次に、金属部材５１と樹脂部材５２の接合メカニズムを、図３を用いて詳細に説明する。なお、図３（ａ）は、金属部材５１上に樹脂部材５２が載置された状態を示す。図３（ｂ）は、レーザ照射による加熱されている、金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍の拡大図である。図３（ｃ）は、レーザ照射により接合された、金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍の拡大図である。

まず、図３（ａ）に示されたように、金属部材５１上に樹脂部材５２が載置される。このとき、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂとの間の当接面により、金属部材５１と樹脂部材５２の界面が規定される。なお、レーザ光の照射前又は照射直後は、図３（ｂ）に示されたように、金属部材５１と樹脂部材５２の間には隙間が生じている。

金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に向けて照射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、集光点ＳＰにそれぞれ集光される。この集光点ＳＰの位置は、樹脂部材５２が厚みＴを有する場合、金属部材５１の第１表面５１ａから該金属部材５１の内部に向かってＴ／２までの領域内に存在する。この集光点ＳＰが金属部材５１側に位置することにより、まず、金属部材５１自体が加熱され、該金属部材５１の加熱により樹脂部材５２の隣接領域％２０（加熱領域）が加熱される。なお、このとき、樹脂部材５２の第１表面５２ａ上のレーザ光照射領域Ｒ１において、レーザ光Ｌ１、Ｌ２それぞれのパワー密度は、該第２表面５２ａを溶かさない程度（この第１表面５２ａ近傍において気泡が発生しない程度）のパワー密度を有する。

レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射により金属部材５１の加熱が進行すると、図３（ｂ）に示されたように、隣接する樹脂部材５２内の加熱領域５２０内に微小気泡５２１が発生する。このような微小気泡５２１が多くなってくると、これら微小気泡５２１は、周辺の樹脂を図３（ｃ）中の矢印Ａで示された方向、すなわち、金属部材５１の第１表面５１ａに向かう方向に押し出してしまう。その結果、発生した微小気泡５２１により押し出された樹脂は、金属部材５１の第１表面５１ａに形成されている凹凸に入り込むことにより、領域Ｒ２（図３（ｃ）参照）において、金属部材５１と樹脂部材５２とが面接合すると考えられている。

（第２実施形態）
図４は、この発明に係るレーザ加工方法の第２実施形態を説明するための図である。この図４に示されたレーザ加工装置２は、レーザ光源１０、ＤＯＥ１１、第１アキシコンレンズ１７、第２アキシコンレンズ１８及びレンズ１９を備える。この図４に示されたレーザ加工装置２は、複数のレーザ光を個別に集光して、金属部材５１及び樹脂部材５２からなる加工対象物を照射する。なお、この第２実施形態においても、金属部材５１は、第１表面５１ａと、該第１表面５１ａと対向する第２表面５１ｂを有し、樹脂部材５２も第１表面５２ａと、該第１表面に対向する第２表面５２ｂを有する。したがって、金属部材５１上に樹脂部材５２を載せることにより、加工対象物が構成されたとき、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂとが当接することになる。また、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂ間の当接面により、金属部材５１と樹脂部材５２の界面が規定される。

アキシコンレンズは、光が入出力される一方の面が平坦であり、他方の面が円錐形状を有するレンズである。図４に示されたように、第１アキシコンレンズ１７は、ＤＯＥ１１からのレーザ光が平坦面から入射されると、円錐形状部から２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出力する。一方、第２アキシコンレンズ１８は、第１アキシコンレンズ１７と対向するように配置されている。この第２アキシコンレンズ１８は、第１アキシコンレンズ１７からの２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が円錐形状部から入射されると、それぞれを平坦面からレンズ１９へ向けて出力する。すなわち、図４に示されたように、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、円錐形状部により光路を変更して第１アキシコンレンズ１７から出力される。第１アキシコンレンズ１７から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、対向して配置されている第２アキシコンレンズ１８の円錐形状部の中心に対して対角方向の円錐部にそれぞれ入射した後、レンズ１９へ向けて出力される。

レンズ１９は第２アキシコンレンズから出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２を加工対象物に向けて集光する（レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射）。この第２実施形態に用いられるレンズ１９の焦点距離は、５０ｍｍである。また、レンズ１９は、集光点が金属部材５１と樹脂部材５２との界面近傍に位置するよう配置されている。したがって、レンズ１９から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は金属部材５１と樹脂部材５２との界面近傍に集光される。

以上のような構造を有するレーザ加工装置２を用いたレーザ加工方法は、次の通りである。すなわち、レーザ加工装置２のレーザ光源１０から出力されたレーザ光は、ＤＯＥ１１を経て第１アキシコンレンズ１７へ入力される。第１アキシコンレンズ１７により光路が変更されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、第２アキシコンレンズ１８を経てレンズ１９へ入力される。そして、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、レンズ１９により金属部材５１と樹脂部材５２との界面近傍に集光されることにより、該金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍が加熱される。これにより、金属部材５１と樹脂部材５２とが面接合される。なお、レーザ光源１０から出力されるレーザ光の方向は、レーザ光源１０、第１アキシコンレンズ１７、第２アキシコンレンズ１８及びレンズ１９等の配置を調整することにより変更される。これらの配置を変更することにより、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の各集光点を変更することも可能になる。

この第２実施形態では、複数のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が互いに異なる方向から、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。しかしながら、第１実施形態と比較して、この第２実施形態では、レーザ光源１０から出力されたレーザ光がＤＯＥ１１を経た後に辿る光路が相違する。

図４のレーザ加工装置２を用いて、加工対象物にレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射する場合、レンズ１９から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。このようにレーザ光Ｌ１、Ｌ２が同じ位置に集光されることにより、この集光点での光強度が増加すると、これらレーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光点近傍において、金属部材５１が加熱される。この金属部材５１の加熱により、隣接する樹脂部材５２の一部も加熱され、該樹脂部材５２内に気泡が発生する。金属部材５１と樹脂部材５２の界面近傍において、樹脂部材５２の内部（加熱領域５２０）に発生した気泡が、気泡周辺の樹脂を金属部材５１の第１表面５１ａに向けて押し出すことにより、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂが強固に面接合される。一方、図４に示されたように、レンズ１９から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、第２表面５２ｂ近傍と比較してレーザ光強度が比較的小さいことが分かる(レーザ光Ｌ１、Ｌ２が集光されていないため)。したがって、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、気泡の発生が効果的に抑制され、該樹脂部材５２における表面ムラの発生は効果的に抑制される。

また、この第２実施形態では、図４に示されたように、レンズ１９に入力するレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、第１アキシコンレンズ１７及び第２アキシコンレンズ１８を経ることにより、照射範囲が広くなっている。換言すれば、レーザ光源１０から出力された時点と比べて、レーザ光強度が低下している。したがって、樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）では、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍と比較して、レーザ光強度が小さいことが分かる（レーザ光が集光されていないため）。このように、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が個別に照射された場合の金属部材５１及び樹脂部材５２の加熱効果も低減され、該樹脂部材５２の第１表面５２ａ近傍の気泡発生が抑制されている。なお、図４に示されたレーザ加工装置２では、レーザ光照射時に樹脂部材５２の第１表面５２ａにおける気泡発生が抑制されるので、樹脂部材５２における表面ムラの発生が効果的に抑制される。

さらに、この第２実施形態のように、アキシコンレンズを用いることで、同一光源から出力されるレーザ光を容易に複数のレーザ光に分岐することができる。また、上述のような効果を有するレーザ加工装置２が容易に製造され得る

図５は、第２実施形態に係るレーザ加工方法の変形例である。図５では、図４と比較して、レーザ加工装置２の構成は同一であるが、加工対象物の配置が異なっている。すなわち、樹脂部材５２の上に金属部材５１が載置されている。このとき、レンズ１９から出力されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第２表面５１ｂから入射され、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍で集光される。このように、図５のレーザ加工装置２では、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍を、金属部材５１の第２表面５１ｂ側からのレーザ照射により加熱する実施形態であってもよい。この変形例においても、金属部材５１を加熱することにより、隣接する樹脂部材５２の一部が加熱され、該樹脂部材５２内に微小気泡が発生する。そのため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光点近傍において、金属部材５１と樹脂部材５２とが面接合される。逆に、樹脂部材５２の第１表面５２ａ近傍では、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が集光されないことから、該第１表面５２ａ近傍における気泡発生は抑制される。その結果、樹脂部材５２では表面ムラの発生が効果的に抑制される。

（第３実施形態）
図６は、この発明に係るレーザ加工方法の第３実施形態を説明するための図である。この図６に示されたレーザ加工装置３は、第１レーザ光源２０、第１ＤＯＥ２１、第１レンズ２２、第２レーザ光源３０、第２ＤＯＥ３２及び第２レンズ３３を備える。また、図６に示されたレーザ加工装置３は、複数のレーザ光を個別に集光して、金属部材５１と樹脂部材５２で構成された加工対象物に照射する。この第３実施形態においても、金属部材５１は、第１表面５１ａと、該第１表面５１ａと対向する第２表面５１ｂを有し、樹脂部材５２も第１表面５２ａと、該第１表面に対向する第２表面５２ｂを有する。したがって、金属部材５１上に樹脂部材５２を載せることにより、加工対象物が構成されたとき、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂとが当接することになる。また、金属部材５１の第１表面５１ａと樹脂部材５２の第２表面５２ｂ間の当接面により、金属部材５１と樹脂部材５２の界面が規定される。

この第３実施形態において、第１レーザ光源２０は、レーザ光Ｌ２を出力する。第１レーザ光源２０としてはＹＡＧレーザ（１５Ｗ）が用いられる。なお、図６では図示しないが、レーザ光Ｌ２は、レーザ光源２０から出力された後、ビームエキスパンダにより、そのビーム径が拡大されるとともにコリメートされる。

一方、第２レーザ光源３０は、第１レーザ光源２０とは異なる波長のレーザ光Ｌ１を出力する。第２レーザ光源３０としてはＣＯ２レーザ（１０Ｗ）が用いられる。この図６においても図示しないが、レーザ光Ｌ１は、レーザ光源３０から出力された後、ビームエキスパンダにより、そのビーム径が拡大されるっとともにコリメートされる。

第１ＤＯＥ２１は、第１レーザ光源２０と第１レンズ２２との間に設けられている。この第１ＤＯＥ２１は、第１レーザ光源２０から出力されたレーザ光Ｌ２を入力し、該レーザ光Ｌ２のビーム内における光強度を均一する。第１ＤＯＥ２１において光強度が均一化されたレーザ光Ｌ２は、第１レンズ２２へ向けて出力される。また、第２ＤＯＥ３１は、第２レーザ光源３０と第２レンズ３２との間に設けられている。この第２ＤＯＥ３１は、第２レーザ光源３０から出力されたレーザ光Ｌ１を入力し、該レーザ光Ｌ１のビーム内における光強度を均一にする。第２ＤＯＥ３１によいて光強度が均一化されたレーザ光Ｌ１は、第２レンズ３２へ向けて出力される。

第１レンズ２２は、第１ＤＯＥ２１から出力されたレーザ光Ｌ２を集光し、加工対象物に照射する。第３実施形態において用いられる第１レンズ２２の焦点距離は、５０ｍｍであり、その集光点が金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に位置するように配置されている。したがって、第１レンズ２２から出力されたレーザ光Ｌ２は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。

同様に、第２レンズ３２は、第２ＤＯＥ３１から出力されたレーザ光Ｌ１を集光し、加工対象物に照射する。第３実施形態において用いられる第２レンズ３２の焦点距離は、５０ｍｍである。また、レーザ光Ｌ１の集光点は金属部材５１の第１表面５１ａ近傍であり、かつ、第１レンズ２２の集光点と一致している。したがって、第２レンズ３２から出力されたレーザ光Ｌ１及び第１レンズ２２から出力されたレーザ光Ｌ２は、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍へ集光される。

上述のような構造を有するレーザ加工装置３を用いた、当該第３実施形態に係るレーザ加工方法は、次の通りである。すなわち、レーザ加工装置３において、第１レーザ光源２０から出力されたレーザ光Ｌ２は、第１ＤＯＥ２１、第１レンズ２２を順に通過して、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。一方、第２レーザ光源３０から出力されたレーザ光Ｌ１は、第２ＤＯＥ３１、第２レンズ３２を順に通過して、その集光点がレーザ光Ｌ２の集光点と一致するよう、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。このように同一部位に集光されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２により、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍が加熱され、隣接する樹脂部材５２の一部も加熱されることにより、金属部材５１と樹脂部材５２とが面接合される。

この第３実施形態によれば、上述の第１実施形態及び第２実施形態と同様に、第１レンズ２２及び第２レンズ３２から出力されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２が、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。そのため、金属部材５１の第１表面５１ａには、レーザ光Ｌ１、Ｌ２双方の光強度が加算された光強度のレーザ光が照射されことになる。一方で、樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）では、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ異なる部位に照射される（レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射角度は異なる）。そのため、金属部材５１及び樹脂部材５２の界面付近だけ効率的に加熱され、両者を面接合することができる。また、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、第１レンズ２２からのレーザ光Ｌ２と、第２レンズ３２からのレーザ光Ｌ１とがそれぞれ異なる部位に照射されることになるため、各照射部位における光強度は集光点と比較して非常に小さくなる（樹脂部材５２の第１表面５２ａにおける気泡の発生が抑制されている）。したがって、図６に示されたレーザ加工装置３によれば、レーザ加工際に樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）における気泡の発生が効果的に抑制されるため、樹脂部材５２における表面ムラの発生が抑制される。

また、当該第３実施形態では、第１レーザ光源２０（ＹＡＧレーザ）と第２レーザ光源３０（ＣＯ２レーザ）という異なる光源が、互いに異なる波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出力している。この場合、波長が異なることによって得られるレーザ光特性を生かしたレーザ加工が可能になる。

レーザ加工装置３において、第１レーザ光源２０（ＹＡＧレーザ）から出力されるレーザ光Ｌ２は、樹脂部材５２と比較して金属部材５１においてエネルギー吸収が高い波長を有する。したがって、金属部材５１を効率よく加熱することが可能である。一方、第２レーザ光源３０（ＣＯ２レーザ）から出力されるレーザ光Ｌ１は、金属部材５１と比較して樹脂部材５２においてエネルギー吸収が高い波長を有する。したがって、樹脂部材５２を効率よく加熱することが可能である。これらのレーザ光特性を生かして、例えば、予め金属部材５１を加熱する場合には、第１レーザ光源２０の出力を高くしてレーザ光Ｌ２の出射強度を高めておき、金属部材５１の加熱後に樹脂部材５２を加熱する際には、第２レーザ光源３０からレーザ光Ｌ１を出力することで、効率よく樹脂部材５２を加熱する等の加工方法が考えられる。このように、波長の異なる二つの光源を調整しながら用いることで、より低出力のレーザ光を用いて金属部材と樹脂部材との接合を行うことができる。したがって、樹脂部材５２が薄く、該樹脂部材５２の第１表面５２ａ近傍の気泡が発生しやすい条件であっても、照射されるレーザ光の出力強度を抑制することで、気泡の発生が抑制され、その結果、樹脂部材５２における表面ムラの発生が効果的に抑制され得る。

図７は、第３実施形態に係るレーザ加工方法の変形例である。図７では、図６に示されたレーザ加工方法と比較して、レーザ加工装置３の構成は同一であるが、加工対象物の配置が異なっている。すなわち、樹脂部材５２の上に金属部材５１が載置されることで加工対象物が構成されている。そのため、第１レンズ２２及び第２レンズ３２から出力されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、金属部材５１の第２表面５１ｂ側から入射され、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光されている。このように、図７に示されたレーザ加工装置３は、金属部材５１と樹脂部材５２との界面が、金属部材５１側からレーザ照射することもできる。この変形例においても、金属部材５１を加熱することにより、隣接する樹脂部材５２の一部が加熱され、気泡が発生する。そのため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射される金属部材５１の第１表面５１ａ近傍において、金属部材５１と樹脂部材５２を効率的に面接合することができる。また、樹脂部材５２の第１表面５２ａでは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が集光されないことから、気泡発生が抑制され、該樹脂部材２における表面ムラの発生が効果的に抑制される。

（第４実施形態）
図８は、この発明に係るレーザ加工方法の第４実施形態を[説明するための図である。図８に示されたレーザ加工装置４は、レーザ光源１０、回折光学素子１１、ビームスプリッタ１２、第１レンズ１３、第１ミラー１４、第２ミラー１５及び第２レンズ１６を備える。この図８に示されたレーザ加工装置４は、複数のレーザ光を個別に集光して、金属部材５１及び樹脂部材５２からなる加工対象物に照射する。この構造は、図１に示されたレーザ加工装置１の構造と同じである。ただし、当該レーザ加工装置４は、金属部材５１の裏面（第２表面５１ｂ）に当接されたヒーター４０を備える。ヒーター４０としては、セラミックヒーターが用いられる。

この第４実施形態に係るレーザ加工方法では、レーザ光源１０からレーザ光を出力する前に、予めヒーター４０を２００℃に保ち、金属部材５１を加熱する。金属部材５１を一定時間加熱した後、レーザ光源１０からレーザ光を出力する。レーザ光源１０からのレーザ光は、ビームスプリッタ１２により２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐される。分岐された２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２それぞれは、第１レンズ１３及び第２レンズ１６を介して、金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光される。これにより、集光点近傍が効率的に加熱され、金属部材５１と樹脂部材５２とが面接合される。以上のようにレーザ光によるレーザ加工が行われる。

この第４実施形態では、予めヒーター４０により金属部材５１が加熱されているため、レーザ光源１０から出力されるレーザ光によって金属部材５１を加熱する必要がない。したがって、レーザ光源１０から出力されるレーザ光の出力強度を低減させながら、金属部材５１と樹脂部材５２との界面を、該樹脂部材５２の第１表面５２ａを介してレーザ照射することによって、レーザ加工を行うことができる。また、上述の第１実施形態と同様に当該第４実施形態では、ビームスプリッタ１２を用いてレーザ光源１０から出力されたレーザ光を２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐した後、これらレーザ光Ｌ１、Ｌ２が第１レンズ１３及び第２レンズ１６を介して異なる方向から集光される。その結果、レーザ光を分岐しない場合と比較して、樹脂部材５２の第１表面５２ａにおけるレーザ光の光強度は低減されている。したがって、当該第４実施形態に係るレーザ加工方法では、第１実施形態に係るレーザ加工方法と同様に、樹脂部材５２の第１表面５２ａ（露出表面）におけるレーザ光の光強度が低減される他、レーザ光源１０におけるレーザ光の出力強度の低減も図られている。したがって、当該第４実施形態によれば、例えば薄い樹脂部材のように、表面近傍で気泡がより発生しやすい樹脂部材を用いてレーザ加工を行う場合であっても、レーザ加工の際に樹脂部材５２の表面近傍における気泡の発生が抑制される。その結果、樹脂部材５２における表面ムラの発生が効果的に抑制され得る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第４実施形態におけるヒーター４０は、第２又は第３実施形態に係るレーザ加工方法を実現するレーザ加工装置２、レーザ加工装置３に設けられてもよい。また、第１実施形態のようにミラーを用いて光路を変更する方法は、他の実施形態において適用可能である。分岐の数を増やすことにより、より多くのレーザ光を金属部材５１の第１表面５１ａ近傍に集光させてもよい。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

本発明に係るレーザ加工方法の第１実施形態を説明するための図である（その１）。 本発明に係るレーザ加工方法の第１実施形態を説明するための図である（その２）。 金属部材と樹脂部材の接合メカニズムを説明するための図である。 本発明に係るレーザ加工方法の第２実施形態を説明するための図である（その１）。 本発明に係るレーザ加工方法の第２実施形態を説明するための図である（その２）。 本発明に係るレーザ加工方法の第３実施形態を説明するための図である（その１）。 本発明に係るレーザ加工方法の第３実施形態を説明するための図である（その２）。 本発明に係るレーザ加工方法の第４実施形態を説明するための図である。

１、２、３、４…レーザ加工装置、１０…レーザ光源、１１…回折光学素子（ＤＯＥ）、１２…ビームスプリッタ、１３…第１レンズ、１４…第１ミラー、１５…第２ミラー、１６…第２レンズ、１７…第１アキシコンレンズ、１８…第２アキシコンレンズ、１９…レンズ、２０…第１レーザ光源、２１…第１ＤＯＥ、２２…第１レンズ、３０…第２レーザ光源、３１…第２ＤＯＥ、３２…第２レンズ、４０…ヒーター、５１…金属部材、５１ａ…第１表面（接合面）、５１ｂ…第２表面、５２…樹脂部材、５２ａ…第１表面（露出面）、５２ｂ…第２表面（接合面）、５２０…加熱領域、５２１…微小気泡。

Claims (10)

1. 互いに対向している第１及び第２表面を有する金属部材と、前記金属部材に接合させるべき樹脂部材であって、互いに対向している第１及び第２表面を有する樹脂材料とを用意し、
   前記金属部材の第１表面に前記樹脂材料の第２表面が当接するよう、前記金属材料上に前記樹脂部材を載せ、
   ２本のレーザ光は、各集光点が前記金属部材の第１表面近傍に設定されるとともに、前記樹脂部材の第１表面上における各パワー密度が前記樹脂部材の第１表面を溶かさない程度以下に設定され、互いに異なる方向から前記金属部材の第１表面上における所定領域に向かって照射され、前記金属部材と前記樹脂部材とが接合される
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記２本のレーザ光の照射方向は、それぞれのビームスポットが前記金属部材の第１表面において重なるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記２本のレーザ光の照射方向は、前記樹脂部材を通過した後に前記金属部材の第１表面にそれぞれ到達するよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
4. 前記２本のレーザ光の集光点は、前記金属部材の第１表面と前記樹脂材料の第２表面とが当接された状態で、前記金属部材と前記樹脂部材との界面からの距離が前記樹脂部材の厚みの１／２以下となる領域内にそれぞれ位置するよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
5. 前記２本のレーザ光の集光点は、前記金属部材の第１表面と前記樹脂材料の第２表面とが当接された状態で、前記金属部材と前記樹脂部材との界面からの距離が２００μｍ以下となる領域内にそれぞれ位置するよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
6. 前記２本のレーザ光の集光点は、前記金属部材の内部にそれぞれ位置するよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
7. 前記２本のレーザ光は、一つのレーザ光源から出力されたレーザ光を分岐することにより生成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
8. 前記２本のレーザ光は、互いに異なる波長を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
9. 前記金属部材及び前記樹脂材料間の当接面として規定される、前記金属部材と前記樹脂部材との界面近傍は、前記金属部材側から加熱されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
10. 前記２本のレーザ光の強度分布は、回折光学素子によりそれぞれ均一化されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。

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