JP2011143653A - 樹脂部材のレーザー接合方法 - Google Patents

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直之 松尾
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Abstract

【課題】光吸収剤を介して樹脂部材のレーザー接合を行うに際して、照射するレーザー光の利用効率を高めつつ、しかも樹脂部材どうしの接合を良好に行いうる樹脂部材のレーザー接合方法を提供。
【解決手段】ステージ３１上に２以上の樹脂部材１０ａ、１０ｂを載置し、該樹脂部材１０ａ、１０ｂを光吸収剤層２０を介して接触させ、その接触面に対してステージ３１と対向する方向からレーザー光５０を照射して樹脂部材１０ａ、１０ｂを溶着させ、該樹脂部材１０ａ、１０ｂを接合する樹脂部材１０ａ、１０ｂのレーザー接合方法であって、前記ステージ３１が、前記レーザー光５０に対して７０％以上の光反射率を有するレーザー光反射部材３０を備えて構成されていることを特徴とする樹脂部材１０ａ、１０ｂのレーザー接合方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂部材と樹脂部材とを接合させる樹脂部材の接合方法に関する。
従来、樹脂部材と樹脂部材とを接合する方法として、樹脂部材どうしをレーザー光で溶着させる方法が採用されている。この樹脂部材どうしをレーザー光で溶着させる場合には、通常、これら樹脂部材と樹脂部材との表面どうしを面接させた状態で重畳させて、この重ね合わせた部分にレーザー光を照射して樹脂部材の表面を構成する樹脂材料を溶融させて溶着部を形成させる方法や、樹脂部材の端部と端部とを突き合せ、両者に跨るようにして他の樹脂部材を重ね合わせ、その重ね合わせた部分にレーザー光を照射して樹脂部材の表面を構成する樹脂材料を溶融させて溶着部を形成させる方法などが採用されている。
このような樹脂部材の溶着による接合では、溶着させる箇所に光吸収剤を配置しておき、該光吸収剤が配置された箇所に向けてレーザー光を照射し、該照射したレーザー光を樹脂部材の背面側から表面側へと透過させて光吸収剤まで到達させ、該光吸収剤によってレーザー光を吸収させることによりレーザー光の光エネルギーを熱エネルギーに変換させることで、前記樹脂部材の面接箇所を溶着させるという方法で行われる。照射されるレーザー光としては、例えば、赤外線レーザーや近赤外線レーザーが用いられ、樹脂部材の面接触箇所に配置される光吸収剤としては、カーボンブラックや、ポリフィリン系吸収剤など、赤外領域や近赤外領域に吸収ピークを有する物質が用いられている（下記特許文献１及び２参照）。
このような光吸収剤を用いたレーザー溶着方法を用いることで、レーザー光に対して高い透明性を有する樹脂部材どうしの溶着においても、樹脂部材の界面のみを発熱させ、溶融させることによって溶着が可能となっている。
ところで、上記のような光吸収剤を用いたレーザー溶着においては、該光吸収剤の光吸収率が、接合に要するコストや接合体の接着強度等に大きく影響を及ぼすこととなる。つまり、効率的な発熱を得るために、光吸収率が高く（例えば、８０％以上）なるように光吸収剤を配置すると、光吸収剤の塗布層が厚膜となるなど、樹脂部材に対する光吸収剤の量が相対的に多くなることで樹脂部材の溶融による相溶が妨げられるおそれがあり、また、コスト増を招くおそれがある。逆に、樹脂部材の溶融による相溶の妨げとならないよう、樹脂部材に対する光吸収剤の量を相対的に少なくすると、光吸収剤による光吸収率も低下するためにレーザー光のロスが多くなってしまい、ひいてはスループット（処理能力）の低下やエネルギーの過剰投入といった問題を招くこととなる。
特表２００２−５２６２６１号公報 特許００３６８２６２０号公報
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光吸収剤を介して樹脂部材のレーザー接合を行うに際して、照射するレーザー光の利用効率を高めつつ、しかも樹脂部材どうしの接合を良好に行いうる樹脂部材のレーザー接合方法を提供すること、言い換えると、樹脂部材どうしの接合を良好に行いつつ、レーザー光のロスを低減してスループットを向上させうる樹脂部材のレーザー接合方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決すべく成されたものであり、本発明に係る樹脂部材のレーザー接合方法は、ステージ上に２以上の樹脂部材を載置し、該樹脂部材を光吸収剤層を介して接触させ、その接触面に対してステージと対向する方向からレーザー光を照射して樹脂部材を溶着させ、該樹脂部材を接合する樹脂部材のレーザー接合方法であって、前記ステージが、前記レーザー光に対して７０％以上の光反射率を有するレーザー光反射部材を備えて構成されていることを特徴とする。
斯かる構成の樹脂部材のレーザー接合方法によれば、ステージが、レーザー光に対して７０％以上の光反射率を有するレーザー光反射部材で構成されているため、照射されたレーザー光のうち、光吸収層で吸収、反射されなかったレーザー光、すなわち、透過したレーザー光が、レーザー光反射部材で高効率に反射して再び光吸収層へと照射されることとなり、光吸収層における熱エネルギーへの変換効率が高められるこことなる。
また、本発明は、前記樹脂部材のレーザー接合方法において、好ましくは前記レーザー光反射部材が、ガラス板の表面に、金属層又は誘電体多膜層が形成されてなる鏡であることを特徴とする。
また、本発明は、前記樹脂部材のレーザー接合方法において、好ましくは前記レーザー光反射部材に対するレーザー光の入射角が０．５°以上となるように、前記レーザー光の照射角度を前記レーザー光反射部材に対して傾斜させることを特徴とする。
さらに、本発明は、前記樹脂部材のレーザー接合方法において、好ましくは前記レーザー光を前記樹脂部材に対して走査しながら照射するとともに、前記レーザー光を、該走査方向に沿って傾斜させることを特徴とする。
上述のように、本発明に係る樹脂部材のレーザー接合方法によれば、ステージのレーザー光反射部材で反射して再び光吸収層へと照射されるレーザー光の反射光により、光吸収層における熱エネルギーへの変換効率を高められることとなるため、照射するレーザー光の利用効率が高まり、しかも樹脂部材どうしの接合を良好に行いうる樹脂部材のレーザー接合方法を提供することが可能となる。
一実施形態の樹脂部材の接合体製造方法を示す側面図。 他実施形態の樹脂部材の接合体製造方法を示す側面図。 他実施形態の樹脂部材の接合体製造方法を示す側面図。 他実施形態の樹脂部材の接合体製造方法を示す側面図。
以下に、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る樹脂部材の接合方法を示す側面図であり、符号１０ａ、１０ｂがシート状の樹脂部材を表しており、符合５０がレーザー光を表している。
図１に示すように、第一実施形態に係るに樹脂部材の接合方法は、ステージ上においてシート状の樹脂部材１０ａ、１０ｂを上下に重ね合わせた状態とし、該樹脂部材１０ａ、１０ｂの接触面を溶融させて接着を行うものである。具体的には、該樹脂部材１０ａ、１０ｂの接触面には光吸収剤層２０が配置されており、レーザー光５０が照射されることによって該光吸収剤層２０が発熱し、その熱によって前記樹脂部材１０ａ、１０ｂの接触面が溶融し、これら樹脂部材１０ａ、１０ｂの接合が実施されることとなる。
接合対象となる樹脂部材１０ａ、１０ｂについては特に限定されるものではなく、レーザー光の照射により熱溶着が可能な熱可塑性樹脂を備えた樹脂部材であればよく、材質は特に限定されるものではない。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、トリアセチルセルロース、ポリメチルメタクリレート樹脂、シクロオレフィンポリマー、ノルボルネン樹脂、ポリオキシメチレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、エチレンビニルアセテート樹脂などを挙げることができる。
該樹脂部材の厚みとしては、１μｍ以上、２ｍｍ以下が好ましく、１０μｍ以上、２００μｍ以下がより好ましい。該樹脂部材の厚みが上記範囲内であれば、ステージで反射したレーザー光の熱エネルギーへの変換効率がより一層高まるという利点がある。
また、レーザー接合される層、すなわち、樹脂部材１０ａ、１０ｂのうち少なくとも何れか一方の接合面が前記熱可塑性樹脂であればよいので、該樹脂部材は単層であっても、あるいは積層構造であってもよく、積層される別の層に対する材質の制約は特にない。また、接合面の熱可塑性樹脂や、別の層には、酸化防止剤、難燃剤、架橋剤、光安定剤、顔料、充填材などの任意の添加剤が含まれていてもよい。
ただし、レーザー光の照射側に配置される樹脂部材については、樹脂部材全体として３０％以上の光透過率を有することが好ましく、５０％以上の光透過率を有することが更に好ましい。
該光吸収剤としては、特に限定されるものではなく、顔料や染料などの中から、種々のものを採用することができる。また、該光吸収剤の具体的な使用方法としては、前記樹脂部材の接合面上に該光吸収剤を含む層を形成する方法、または前記樹脂部材の接合面に、該光吸収剤を含有させる方法を挙げることが出来る。樹脂部材の接合面に光吸収剤層２０を形成する場合には、例えば、光吸収剤を有機溶媒などで希釈して、適した塗布手段によって塗布する方法を採用しうる。また、乾燥後の該光吸収剤層２０の厚みは１μｍ以下が好ましく、更には、０．５μｍ以下がより好ましい。光吸収剤層２０の厚みが１μｍを超えると、接合される２つの樹脂部材の相溶が阻害されることが懸念される。
該光吸収剤層２０による光吸収性としては、２０％以上が好ましく、３０％以上がより好ましい。また、上限は８０％とすることが好ましい。光吸収剤層の塗布巾はレーザー照射領域に合せて適宜最適化することができる。
光吸収剤としては、例えば、カーボンブラック、ポリフィリン系吸収剤、フタロシアニン系吸収剤、ナフタロシアニン系吸収剤、ポリメチン系吸収剤、ジフェニルメタン系吸収剤、トリフェニルメタン系吸収剤、キノン系吸収剤、アゾ系吸収剤、ジインモニウム塩などを挙げることが出来る。また、例えば、８００〜１２００ｎｍの波長を有するレーザーに対しては、米国ジェンテックス（Ｇｅｎｔｅｘ）社から「Ｃｌｅａｒｗｅｌｄ」の商品名で市販されている光吸収剤を好適に用いることが出来る。
また、光吸収剤の塗布手段としては、例えばニードルチップディスペンサー、インクジェットプリンター、スクリーン印刷、２流体式、１流体式または超音波式スプレー、スタンパーなどの一般的な手法を用いることができる。
樹脂部材どうしを重ね合わせる方法としては、例えば、ステージ上において、接合対象となる少なくとも２枚の樹脂部材１０ａ，１０ｂを重ね合わせるように配置し、その上から加圧手段４０を用いて押圧し、該樹脂部材１０ａ，１０ｂを固定した状態でレーザー光５０を照射することが好ましい。
前記加圧手段としては、用いるレーザー光に対して高い透明性を示すガラスを加圧部材として備えたものを好適に用いることができる。加圧強度としては、０．５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2が好ましく、１〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2が更に好ましい。レーザー照射部に荷重を加えられるものであれば、該加圧部材の形状は特に限定されず、例えば、平板、円筒、球状のものを使用することができる。加圧部材の厚みは特に限定されないが、薄すぎると歪みによって良好な加圧ができず、厚すぎるとレーザー光の利用効率が下がるため、３ｍｍ以上３０ｍｍ未満が好ましく、５ｍｍ以上２０ｍｍ未満が更に好ましい。加圧部材の材質としては、例えば、溶融石英、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラスなどを用いることができる。レーザー光の利用効率を高めるために、ガラス部材は用いるレーザー光波長に対して高い透明性を有することが好ましく、具体的には、光透過率が５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましい。
また、大面積を均一に加圧してその全域にわたって良好な接合を行いうるという観点から、加圧部材と樹脂部材との間には、光透過性が良好でクッション性のあるゴムや樹脂材料等（以下、相間材料という）を挿入することが好ましい。該相間材料としては、例えば、シリコンゴム、ウレタンゴムなどのゴム系材料や、ポリエチレンなどの樹脂材料を挙げることが出来る。相間材料の厚みは、５０μｍ以上５ｍｍ未満が好ましく、１ｍｍ以上３ｍｍ未満がさらに好ましい。５０μｍ未満であると、クッション性に乏しく、５ｍｍ以上の場合は、吸収や散乱によってレーザー光の利用効率が低下するおそれがある。相間材料は、用いるレーザー光波長に対して３０％以上の光透過率を有することが好ましく、５０％以上の光透過率を有することが更に好ましい。
また、前記ステージの具体的構成としては、レーザー光に対して７０％以上、好ましくは８０％以上の光反射率を有するレーザー光反射部材を、その最上面に備えて構成されたものが好適である。
該レーザー光反射部材としては、例えば図１に示すように、ガラス板３０ａの表面に、金属層又は誘電体多膜層３０ｂが形成された鏡が好適である。
前記金属層としては、アルミニウムや銀、白金などの金属や、これらの合金からなる層を挙げることができる。また、前記誘電体多膜層としては、例えば酸化ケイ素と酸化チタンとを交互に蒸着することにより形成された誘電体多層膜を挙げることができ、該誘電体多層膜は、真空蒸着やスパッタリングなどによって形成することができる。
また、広い面積を均一に加圧して良好な接合状態を得るという観点から、前記レーザー光反射部材の下面には、シリコンゴムやウレタンゴム等の弾性部材（図示せず）を備えることが好ましい。
また、照射するレーザー光５０としては、特に限定されるものではなく、例えば、半導体レーザー、ファイバーレーザー、フェムト秒レーザー、ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、ＣＯ2レーザーなどのガスレーザーが挙げられる。
これらの内でも、安価で且つ面内均一な強度のレーザー光が得られ易い点においては、半導体レーザーやファイバーレーザーが好ましい。
また、樹脂自身の分解を防止しつつ溶融を促すことが容易である点において、瞬間的に高いエネルギーを投入するパルスレーザーよりも連続波のＣＷレーザー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ Ｌａｓｅｒ）の方が好適である。
また、レーザーの出力、パワー密度、スポットサイズ、照射回数、走査速度などは、樹脂材料の種類、厚み、光吸収率などから適宜選択され得る。
また、レーザー光５０を照射する位置を、接触面の面方向において移動させることにより、大面積の接触面どうしを溶着させることができる。具体的には、例えば、集光レンズによって所望のビームサイズに集光されたスポットビームを、所望の溶接箇所に走査照射することで大面積の溶着が可能となる。また、ガルバノスキャナーによってレーザーヘッドを固定した状態でビームのみを走査させることも可能であり、更には回折光学素子といった光学素子の使用によって所望の形状にレーザービームを整形し、無走査によって一括して大面積の溶着を実施することも可能である。
また、本発明においては、図１に示すように、前記レーザー光反射部材３０に対するレーザー光５０の入射角αが０．５°以上となるように、前記レーザー光５０の照射角度を前記レーザー光反射部材３０に対して傾斜させることが好ましい。レーザー光の照射角度をステージに対して傾斜させることにより、レーザーの反射光５０’によりレーザー発振器が破損することを防止することができ、斯かる観点から、レーザー光の照射角度（入射角）αは、１°以上とすることがより好ましく、４０°以下が好ましい。
さらに、レーザー光の傾斜方向は、前記ステージに対していずれの方向であってもよいが、レーザー光を走査しながら樹脂部材の溶着を行う際には、該走査方向に沿った方向とすることが好ましい。レーザー光の傾斜方向を、走査方向に沿った方向とすることにより、反射したレーザー光の反射光５０’が加熱対称となる部分の前後に照射されることとなるため、樹脂部材を効率的に加熱でき、より一層エネルギー効率が高まるという利点がある。
また、上記のような樹脂部材の接合方法においては、レーザー光５０の照射条件や上記加圧条件を調整して、溶着箇所における樹脂材料どうしの界面が消失するような状態で溶着させることが好ましい。界面を消失させることで十分な相溶化がなされ、接着強度の向上を図ることができ、また、光の透過性などを良好なものとすることもできる。
本実施形態に係る樹脂部材の接合方法によれば、光吸収剤層を透過したレーザー光がレーザー光反射部材にて反射して再び光吸収剤層へと照射されることとなるため、レーザー光が効率よく熱エネルギーへと変換されてレーザー光照射部を速やかに溶着させうるという利点がある。
また、ステージから反射したレーザー光の利用促進が図られるため、光吸収剤層の塗布層を厚くする必要がなくなり、樹脂部材に対する光吸収剤の量を相対的に減らすことができ、樹脂部材の溶融による相溶も妨げられにくいという利点がある。さらに、光吸収剤層の形成に要するコストを低下させることができる。
さらに、レーザー光の利用効率が高まるため、同一出力のレーザー光であっても、従来よりも高温まで到達しやすくなるため、高耐熱性の樹脂部材をも比較的容易に溶融させて高い接合強度で接合させることが可能となる。
また、本発明によれば、照射するレーザー光とステージから反射したレーザー光とによって、接合されるべき樹脂部材の表裏両面からレーザー光が照射されることとなるため、樹脂部材が均一に熱溶着されやすいという効果がある。
したがって、本発明に係るレーザー接合方法は、例えば、図２に示すように、接合対象となる２つの樹脂部材１０ａ、１０ｂを表裏両面からつなぎ材１１、１１で挟むとともに、これらのつなぎ材１１、１１と２つの樹脂部材１０ａ、１０ｂとの接合面にそれぞれ光吸収剤層２０、２０を配置してレーザー溶着する方法や、図３に示すように、レーザー光に対して光吸収作用のあるシート状部材１２、１２で２つの樹脂部材を表裏両面から挟んでレーザー溶着する方法であってもよい。本発明によれば、照射されるレーザー光５０のみならず、反射したレーザー光５０’により反対側からもレーザーが照射されることとなるため、上記具体例に示したような樹脂部材の接合部分においてレーザー光の透過方向に複数の光吸収剤層（発熱層）が設けられた接合対象物であっても、表裏両面において均一なレーザー接合が可能になる。
また、本発明は、上記のような実施例のみならず、例えば、図４に示すように、接合対象となる２以上の樹脂部材を同一平面上に配置するとともに、これらの樹脂部材の両方に跨るようにしてつなぎ材を片面側にのみ配置し、つなぎ材と樹脂部材との間に配置した光吸収剤層にレーザー光を照射して接合する方法をも採用することができる。
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１において用いた使用材料は以下の通りである。
＜使用材料＞
・ステージ シリコンラバー（３ｍｍ厚）上にミラー（ガラス板の一面に金属層が形成されたもの、光反射率９２％、光透過率０％）を積置したもの
・樹脂部材１ 材質 トリアセチルセルロース（富士フィルム社製）
厚み ８０μｍ
形状 ５０ｍｍ×５０ｍｍ
・樹脂部材２ 樹脂部材１と同じ
・光吸収剤 米国ジェンテックス（Ｇｅｎｔｅｘ）社製、商品名「Ｃｌｅａｒｗｅｌｄ」
・レーザー 波長 ９４０ｎｍ
出力 ６．２Ｗ
スポット ２ｍｍφ
・加圧部材 材質 溶融石英ガラス（厚み１０ｍｍ）にシリコンラバー（１ｍｍ厚）を積層したもの（シリコンラバー側にて樹脂部材を加圧）
＜レーザー接合テスト＞
樹脂部材２の端部に幅５ｍｍ×長さ５０ｍｍの範囲で光吸収剤を塗布して乾燥させ、光吸収剤の塗布層を形成した。この光吸収剤の塗布層は、波長９４０ｎｍのレーザー光に対する透過率が４０％であった。樹脂部材１をステージ上に載置し、光吸収剤の塗布層が該樹脂部材１と接するように樹脂部材２を重ね合わせ、その上から加圧部材で５０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で押圧した。該加圧部材を押圧した状態で、上記条件のレーザー光を速度１００ｍｍ／ｓで１ライン走査照射し、樹脂部材のレーザー接合を行った。その結果、得られた接合体をステージから取り出して簡易的に引っ張り、剥離評価を行ったところ、樹脂部材どうしが良好に溶融接合されており、上記照射条件がレーザーによる溶融しきい値であることも確認された。
（実施例２）
＜使用材料＞
レーザー光の出力を７．８Ｗ、走査速度を７０ｍｍ／ｓとすることを除き、他は実施例１と同様にしてレーザー接合テストを実施した。
レーザー接合テストの結果、実施例１と同様に、樹脂部材どうしが良好に接合されていることが確認された。
（比較例１）
下記ステージを用いたことを除き、他は実施例１と同様にしてレーザー接合テストを実施した。
・ステージ シリコンラバー（３ｍｍ厚、光反射率３３％）上にポリイミド樹脂（デュポン社製、商品名「カプトン」２５μｍ厚）を積層したもの
レーザー接合テストの結果、２つの部材は容易に剥離し、十分な接合が達成できていないことが判明した。なお、比較例１の構成により実施例１と同程度のレーザー接合が可能となるレーザー光の出力を調べたところ、７．８Ｗであることが判明した。つまり、本実施例１では６．２Ｗでも接合が可能であるため、溶融に必要なエネルギーを２０％低減させうることが判明した。
（比較例２）
下記ステージを用いたことを除き、他は実施例２と同様にしてレーザー接合テストを実施した。
・ステージ シリコンラバー（３ｍｍ厚、光反射率３３％）上にポリイミド樹脂（デュポン社製、商品名「カプトン」２５μｍ厚）を積層したもの
レーザー接合テストの結果、２つの部材は剥離強度が低く、十分な接合が達成できていないことが判明した。なお、比較例２の構成により実施例２と同程度のレーザー接合が可能となる走査速度を調べたところ、５０ｍｍ／ｓであることが判明した。つまり、本実施例２では７０ｍｍ／ｓで接合が可能であるため、スループットを４０％向上させうることが判明した。
以上の結果より、レーザー光の反射率を高めたステージを用いた実施例では、反射効率の低いステージを用いた比較例よりも低エネルギーでレーザー接合が可能となり、また、スループットを向上させうることが認められた。
１０ａ、１０ｂ 樹脂部材
２０ 光吸収剤層
３０ レーザー光反射部材
３１ ステージ
４０ 加圧部材
５０ 照射するレーザー光
５０’ 反射したレーザー光

Claims (4)

  1. ステージ上に２以上の樹脂部材を載置し、該樹脂部材を光吸収剤層を介して接触させ、その接触面に対してステージと対向する方向からレーザー光を照射して樹脂部材を溶着させ、該樹脂部材を接合する樹脂部材のレーザー接合方法であって、
    前記ステージが、前記レーザー光に対して７０％以上の光反射率を有するレーザー光反射部材を備えて構成されていることを特徴とする樹脂部材のレーザー接合方法。
  2. 前記レーザー光反射部材が、ガラス板の表面に、金属層又は誘電体多膜層が形成されてなる鏡であることを特徴とする請求項１記載の樹脂部材のレーザー接合方法。
  3. 前記レーザー光反射部材に対するレーザー光の入射角が０．５°以上となるように、前記レーザー光の照射角度を前記ステージに対して傾斜させることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂部材のレーザー接合方法。
  4. 前記レーザー光を前記樹脂部材に対して走査しながら照射するとともに、前記レーザー光を、該走査方向に沿って傾斜させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の樹脂部材のレーザー接合方法。
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