JP2016043561A - 接合構造体の製造方法および接合構造体 - Google Patents

接合構造体の製造方法および接合構造体 Download PDF

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和義 西川
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彰朗 角谷
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聡 廣野
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Abstract

【課題】第２部材が熱劣化するのを抑制することが可能な接合構造体の製造方法を提供する。【解決手段】接合構造体１００の製造方法は、第１部材１０の表面１３に開口を有する穿孔部１１を形成するとともに、穿孔部１１の内周面に内側に突出する突出部１２を形成する工程と、第１部材１０の穿孔部１１が形成された領域と第２部材２０とを隣接配置する工程と、第２部材２０側から第１部材１０の穿孔部１１が形成された領域にレーザを照射することにより、第１部材１０の穿孔部１１に第２部材２０を充填して固化させる工程とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、接合構造体の製造方法および接合構造体に関する。
従来、異なる材料からなる第１部材および第２部材を接合させる接合方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１には、樹脂材料である第１部材と、金属材料である第２部材とを半導体レーザにより接合する接合方法が開示されている。第２部材の境界面は、サンドペーパなどにより凹凸状に荒らされている。そして、第１部材および第２部材の境界面に半導体レーザが照射されることにより、第２部材の境界面において半導体レーザが吸収される。これにより、境界面付近の第１部材が溶融され、その第１部材が凹凸に食い込み固化される。その結果、第１部材および第２部材が接合される。
特開２００８−１６２２８８号公報
しかしながら、上記した従来の接合方法では、第２部材の境界面に照射された半導体レーザが反射されやすいので、レーザのエネルギを効率的に熱に変換するのが困難である。したがって、従来の接合方法では、レーザのエネルギを高くする必要があるので、樹脂材料が熱劣化（たとえば、焼け、変色、変形など）しやすいという問題点がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、第２部材が熱劣化するのを抑制することが可能な接合構造体の製造方法および接合構造体を提供することである。
本発明による接合構造体の製造方法は、第１部材と第２部材とが接合された接合構造体の製造方法であり、第１部材の表面に開口を有する穿孔部を形成するとともに、穿孔部の内周面に内側に突出する突出部を形成する工程と、第１部材の穿孔部が形成された領域と第２部材とを隣接配置する工程と、第２部材側から第１部材の穿孔部が形成された領域にレーザを照射することにより、第１部材の穿孔部に第２部材を充填して固化させる工程とを備える。
このように構成することによって、照射された接合用のレーザが突出部により穿孔部の内部に閉じ込められやすいので、接合用のレーザのエネルギを効率的に熱に変換することができる。これにより、接合用のレーザのエネルギを必要最小限に抑えることができるので、第２部材が熱劣化するのを抑制することができる。
上記接合構造体の製造方法において、穿孔部は、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が大きくなる第１拡径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第１縮径部とが連なるように形成されており、突出部が表面側に配置されるようにしてもよい。
上記接合構造体の製造方法において、穿孔部は、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第２縮径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が大きくなる第２拡径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第３縮径部とが連なるように形成されており、突出部が底部側に入り込んだ位置に配置されるようにしてもよい。
上記接合構造体の製造方法において、第１部材は、金属、熱可塑性樹脂、または、熱硬化性樹脂であってもよい。
上記接合構造体の製造方法において、第２部材は、レーザを透過する樹脂であってもよい。
本発明による接合構造体は、上記したいずれか１つの接合構造体の製造方法によって製造されている。
このように構成することによって、照射された接合用のレーザが突出部により穿孔部の内部に閉じ込められやすいので、接合用のレーザのエネルギを効率的に熱に変換することができる。これにより、接合用のレーザのエネルギを必要最小限に抑えることができるので、第２部材が熱劣化するのを抑制することができる。
本発明の接合構造体の製造方法および接合構造体によれば、第２部材が熱劣化するのを抑制することができる。
本発明の第１実施形態による接合構造体の断面の模式図である。 図１の接合構造体の製造方法を説明するための図であって、第１部材に穿孔部が形成された状態を示した模式図である。 図１の接合構造体の製造方法を説明するための図であって、第２部材側から接合用のレーザが照射された状態を示した模式図である。 本発明の第２実施形態による接合構造体の断面の模式図である。 図４の接合構造体の製造方法を説明するための図であって、第１部材に穿孔部が形成された状態を示した模式図である。 図４の接合構造体の製造方法を説明するための図であって、第２部材側から接合用のレーザが照射された状態を示した模式図である。 実施例の第１部材がレーザにより加工される状態を示した斜視図である。 実施例の第２部材がレーザにより第１部材に接合される状態を示した斜視図である。 実施例の接合構造体を示した斜視図である。 第１実施形態の第１変形例による第１部材を示した模式図である。 第１実施形態の第２変形例による第１部材を示した模式図である。 第１実施形態の第３変形例による第１部材を示した模式図である。 第１実施形態の第４変形例による第１部材を示した模式図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による接合構造体１００について説明する。
接合構造体１００は、図１に示すように、異なる材料からなる第１部材１０および第２部材２０が接合されたものである。第１部材１０の表面１３には、開口を有する穿孔部１１が形成され、その穿孔部１１の内周面には、内側に突出する突出部１２が形成されている。そして、第１部材１０の穿孔部１１には、第２部材２０が充填されて固化されている。なお、図１は、第１部材１０および第２部材２０の接合界面を拡大して模式的に示した図であり、実際には穿孔部１１が複数設けられているが、図１では１つだけ示した。
第１部材１０の材料は、金属、熱可塑性樹脂、または、熱硬化性樹脂である。第２部材２０の材料は、レーザを透過する樹脂であって、熱可塑性樹脂、または、熱硬化性樹脂である。この第２部材２０の、後述する接合時に照射されるレーザについての透過率は、厚みが３ｍｍのときに１５％以上であることが好ましい。
上記金属の一例としては、鉄系金属、ステンレス系金属、銅系金属、アルミ系金属、マグネシウム系金属、および、それらの合金が挙げられる。また、金属成型体であってもよく、亜鉛ダイカスト、アルミダイカスト、粉末冶金などであってもよい。
上記熱可塑性樹脂の一例としては、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＳ（アクリロニトリル・スチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、および、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が挙げられる。また、ＴＰＥ（熱可塑性エラストマ）であってもよく、ＴＰＥの一例としては、ＴＰＯ（オレフィン系）、ＴＰＳ（スチレン系）、ＴＰＥＥ（エステル系）、ＴＰＵ（ウレタン系）、ＴＰＡ（ナイロン系）、および、ＴＰＶＣ（塩化ビニル系）が挙げられる。
上記熱硬化性樹脂の一例としては、ＥＰ（エポキシ）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＵＦ（ユリアホルムアルデヒド）、ＭＦ（メラミンホルムアルデヒド）、ＰＦ（フェノールホルムアルデヒド）、ＵＰ（不飽和ポリエステル）、および、ＳＩ（シリコーン）が挙げられる。また、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）であってもよい。
なお、上記した熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂には、充填剤が添加されていてもよい。充填剤の一例としては、無機系充填剤（ガラス繊維、無機塩類など）、金属系充填剤、有機系充填剤、および、炭素繊維などが挙げられる。
穿孔部１１は、平面的に見てほぼ円形の非貫通孔であり、第１部材１０の表面１３に複数形成されている。穿孔部１１の表面１３の開口径Ｒ１は、３０μｍ以上、１００μｍ以下が好ましい。これは、開口径Ｒ１が３０μｍを下回ると、照射された接合用のレーザが穿孔部１１内に十分に閉じ込められず、接合用のレーザのエネルギを熱に変換する変換効率が低下する場合があるためである。一方、開口径Ｒ１が１００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少して、接合用のレーザのエネルギを熱に変換する変換効率が低下する場合があるためである。また、穿孔部１１の深さは、１０μｍ以上であることが好ましい。これは、深さが１０μｍを下回ると、接合用のレーザのエネルギを熱に変換する変換効率が低下する場合があるためである。
また、穿孔部１１の間隔（所定の穿孔部１１の中心と、所定の穿孔部１１と隣接する穿孔部１１の中心との距離）は、２００μｍ以下であることが好ましい。これは、穿孔部１１の間隔が２００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少して、接合用のレーザのエネルギを熱に変換する変換効率が低下する場合があるためである。なお、穿孔部１１の間隔の下限の一例としては、穿孔部１１が重畳して潰れない距離である。また、穿孔部１１の間隔は同じであることが好ましい。これは、穿孔部１１が等間隔であると、接合用のレーザが照射される際の熱の分布が等方的になるためである。
ここで、第１実施形態の穿孔部１１は、深さ方向（Ｚ方向）において表面１３側から底部１１３に向けて開口径が大きくなる拡径部１１１と、深さ方向において表面１３側から底部１１３に向けて開口径が小さくなる縮径部１１２とが連なるように形成されている。拡径部１１１は、曲線状に拡径するように形成され、縮径部１１２は、曲線状に縮径するように形成されている。なお、拡径部１１１は、本発明の「第１拡径部」の一例であり、縮径部１１２は、本発明の「第１縮径部」の一例である。
そして、拡径部１１１が表面１３側に配置されるとともに、縮径部１１２が底部１１３側に配置されている。このため、穿孔部１１において、拡径部１１１と縮径部１１２との境界部分の開口径（内径）Ｒ２が最も大きくなっており、開口径Ｒ１が開口径Ｒ２よりも小さくなっている。これにより、突出部１２が第１部材１０の表面１３側に配置されている。この突出部１２は、たとえば、周方向における全長にわたって形成されており、環状に形成されている。
この穿孔部１１は、たとえば、加工用のレーザが照射されることによって形成される。レーザの種類としては、パルス発振が可能な観点から、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザが選択でき、レーザの波長を考慮すると、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧレーザの第２高調波、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザが好ましい。なお、レーザの出力は、レーザの照射径、第１部材１０の材料の種類、第１部材１０の形状（たとえば厚み）などを考慮して設定される。たとえば、レーザの出力上限は４０Ｗが好ましい。これは、レーザの出力が４０Ｗを超えると、エネルギが大きく、突出部１２を有する穿孔部１１を形成することが困難であるためである。
穿孔部１１を形成する装置の一例としては、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００またはＭＸ−Ｚ２０５０を挙げることができる。このファイバレーザマーカでは、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することが可能である。このため、レーザのエネルギを深さ方向に集中させやすいので、穿孔部１１を形成するのに好適である。具体的には、第１部材１０にレーザが照射されると、第１部材１０が局部的に溶融されることにより穿孔部１１の形成が進行する。このとき、レーザが複数のサブパルスで構成されているため、溶融された第１部材１０が飛散されにくく、穿孔部１１の近傍に堆積されやすい。そして、穿孔部１１の形成が進行すると、溶融された第１部材１０が穿孔部１１の内部に堆積されることにより、突出部１２が形成される。なお、レーザの照射方向は、たとえば、表面１３に対して垂直方向であり、穿孔部１１の軸心が表面１３に対して垂直になる。
なお、上記ファイバレーザマーカによる加工条件としては、サブパルスの１周期が１５ｎｓ以下であることが好ましい。これは、サブパルスの１周期が１５ｎｓを超えると、熱伝導によりエネルギが拡散しやすくなり、突出部１２を有する穿孔部１１を形成しにくくなるためである。なお、サブパルスの１周期は、サブパルスの１回分の照射時間と、そのサブパルスの照射が終了されてから次回のサブパルスの照射が開始されるまでの間隔との合計時間である。
また、上記ファイバレーザマーカによる加工条件としては、１パルスのサブパルス数は、２以上５０以下であることが好ましい。これは、サブパルス数が５０を超えると、サブパルスの単位あたりの出力が小さくなり、突出部１２を有する穿孔部１１を形成しにくくなるためである。
そして、第２部材２０は、穿孔部１１が形成された第１部材１０の表面１３に接合されている。この第２部材２０は、たとえばレーザ溶着によって第１部材１０に接合されている。これにより、第２部材２０が穿孔部１１に充填された状態で固化されている。なお、接合用のレーザの種類としては、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザが選択できる。
このような接合構造体１００は、たとえば、光電センサの金属ケース（図示省略）に樹脂カバー（図示省略）を接合させる場合に適用可能である。この場合には、金属ケースが第１部材１０に相当し、樹脂カバーが第２部材２０に相当する。
−接合構造体の製造方法−
次に、図１〜図３を参照して、第１実施形態による接合構造体１００の製造方法について説明する。
まず、第１部材１０の表面１３に穿孔部１１を形成するとともに、その穿孔部１１の内周面に突出部１２を形成する。この穿孔部１１および突出部１２は、たとえば、図２に示すように、１パルスが複数のサブパルスで構成されたレーザを照射することによって形成される。具体例としては、上記したファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００またはＭＸ−Ｚ２０５０を用いて形成する。
その後、図３に示すように、第１部材１０の表面１３に第２部材２０が隣接配置される。そして、第１部材１０および第２部材２０が加圧された状態で、第２部材２０側から接合用のレーザが第１部材１０の表面１３に照射される。このため、そのレーザのエネルギが第１部材１０の表面１３で熱に変換され、第１部材１０の表面１３の温度が高くなる。これにより、第１部材１０の表面１３近傍の第２部材２０が溶融され、その第２部材２０が穿孔部１１に充填される。その後、第２部材２０が固化されることにより、第２部材２０が第１部材１０に接合され、接合構造体１００（図１参照）が形成される。
ここで、第１実施形態では、穿孔部１１の内周面に内側に突出する突出部１２が形成されていることによって、照射された接合用のレーザが突出部１２により穿孔部１１の内部に閉じ込められやすいので、接合用のレーザのエネルギを効率的に熱に変換することができる。これにより、接合用のレーザのエネルギを必要最小限に抑えることができるので、第２部材２０が熱劣化するのを抑制することができる。
なお、第１部材１０および第２部材２０が隣接配置されたときに、第１部材１０の表面１３または第２部材２０の表面にレーザ吸収層（図示省略）が設けられていてもよい。このレーザ吸収層としては、接合用のレーザの波長に対して吸収性を有する顔料系または染料系のレーザ吸収材などを適宜選択して用いることができる。このように構成すれば、接合用のレーザのエネルギを熱に変換する変換効率の向上を図ることができる。なお、レーザ吸収層の厚みは、第２部材２０の穿孔部１１への充填性を確保するために１０μｍ以下が好ましい。また、第２部材２０が要求されるレーザの透過性を満たす範囲内において、第２部材２０にレーザ吸収材が配合されていてもよい。
（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態による接合構造体２００について説明する。
接合構造体２００は、図４に示すように、異なる材料からなる第１部材３０および第２部材２０が接合されたものである。第１部材３０の表面３３には、開口を有する穿孔部３１が形成され、その穿孔部３１の内周面には、内側に突出する突出部３２が形成されている。そして、第１部材３０の穿孔部３１には、第２部材２０が充填されて固化されている。
第２実施形態の穿孔部３１は、深さ方向（Ｚ方向）において表面３３側から底部３１４に向けて開口径が小さくなる縮径部３１１と、深さ方向において表面３３側から底部３１４に向けて開口径が大きくなる拡径部３１２と、深さ方向において表面３３側から底部３１４に向けて開口径が小さくなる縮径部３１３とが連なるように形成されている。縮径部３１１は、直線状に縮径するように形成され、拡径部３１２は、曲線状に拡径するように形成され、縮径部３１３は、曲線状に縮径するように形成されている。なお、縮径部３１１は、本発明の「第２縮径部」の一例であり、拡径部３１２は、本発明の「第２拡径部」の一例であり、縮径部３１３は、本発明の「第３縮径部」の一例である。
そして、表面３３側から底部３１４側に向けて順に、縮径部３１１、拡径部３１２および縮径部３１３が配置されている。このため、穿孔部３１において、縮径部３１１と拡径部３１２との境界部分の開口径（内径）Ｒ４が、表面３３の開口径Ｒ３、および、拡径部３１２と縮径部３１３との境界部分の開口径Ｒ５よりも小さくなっている。これにより、突出部３２が底部３１４側に入り込んだ位置に配置されている。この突出部３２は、たとえば、周方向における全長にわたって形成されており、環状に形成されている。
なお、第１部材３０のその他の構成は、上記した第１部材１０と同様である。
−接合構造体の製造方法−
次に、図４〜図６を参照して、第２実施形態による接合構造体２００の製造方法について説明する。
まず、第１部材３０の表面３３に穿孔部３１を形成するとともに、その穿孔部３１の内周面に突出部３２を形成する。この穿孔部３１および突出部３２は、たとえば、図５に示すように、１パルスが複数のサブパルスで構成されたレーザを照射することによって形成される。具体例としては、上記したファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００またはＭＸ−Ｚ２０５０を用いて形成する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、突出部３２が底部３１４側に入り込んだ位置に配置されるが、このような違いは、たとえば、第１部材３０の材料やレーザ照射条件などの違いに起因する。
その後、図６に示すように、第１部材３０の表面３３に第２部材２０が隣接配置される。そして、第１部材３０および第２部材２０が加圧された状態で、第２部材２０側から接合用のレーザが第１部材３０の表面３３に照射される。このため、そのレーザのエネルギが第１部材３０の表面３３で熱に変換され、第１部材３０の表面３３の温度が高くなる。これにより、第１部材３０の表面３３近傍の第２部材２０が溶融され、その第２部材２０が穿孔部３１に充填される。その後、第２部材２０が固化されることにより、第２部材２０が第１部材３０に接合され、接合構造体２００（図４参照）が形成される。
ここで、第２実施形態では、穿孔部３１の内周面に内側に突出する突出部３２が形成されていることによって、照射された接合用のレーザが突出部３２により穿孔部３１の内部に閉じ込められやすいので、接合用のレーザのエネルギを効率的に熱に変換することができる。これにより、接合用のレーザのエネルギを必要最小限に抑えることができるので、第２部材２０が熱劣化するのを抑制することができる。
なお、第１部材３０および第２部材２０が隣接配置されたときに、第１部材３０の表面３３または第２部材２０の表面にレーザ吸収層（図示省略）が設けられていてもよい。
−実験例−
次に、図７〜図９を参照して、上記した第２実施形態の効果を確認するために行った実験例１および２について説明する。
［実験例１］
この実験例１では、第２実施形態に対応する実施例１による接合構造体５００（図９参照）と、比較例１による接合構造体とを作製し、それぞれについての接合強度および第２部材の外観を評価した。その結果を表１に示す。
Figure 2016043561
まず、実施例１による接合構造体５００の作製方法について説明する。
実施例１の接合構造体５００では、第１部材５０１の材料としてＳＵＳ３０４を用いるとともに、第２部材５０２の材料としてＰＭＭＡ（三菱レイヨン製のアクリライト（登録商標））を用いた。第１部材５０１は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。第２部材５０２は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２５ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
そして、図７に示すように、第１部材５０１の表面の所定領域Ｒにレーザを照射する。この所定領域Ｒは、接合構造体５００が接合される面積であり、１２．５ｍｍ×２０ｍｍとした。また、このレーザの照射は、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００を用いて行った。このレーザによる加工条件は、以下のとおりである。
＜レーザ加工条件＞
レーザ：ファイバレーザ（波長１０６２ｎｍ）
発振モード：パルス発振（周波数１０ｋＨｚ）
出力：３．８Ｗ
走査速度：６５０ｍｍ／ｓｅｃ
走査回数：２０回
照射間隔：６５μｍ
サブパルス数：２０
なお、周波数は、複数（この例では２０）のサブパルスによって構成されるパルスの周波数である。つまり、この照射条件では、１秒間に６５０ｍｍ移動しながら６５μｍの間隔で１万回レーザ（パルス）を照射し、そのパルスが２０のサブパルスによって構成されている。なお、走査回数は、レーザが同じ箇所に繰り返し照射される回数である。
このように、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することにより、第１部材５０１の所定領域Ｒには穿孔部が形成されるとともに、その穿孔部内に表面から入り込んだ位置に突出部が形成される。すなわち、表１に示すように、開口径Ｒ４（図４参照）が、表面の開口径Ｒ３（図４参照）および開口径Ｒ５（図４参照）よりも小さくなっている。
そして、図８に示すように、第１部材５０１の所定領域Ｒに第２部材５０２を隣接配置し、所定の圧力を与えた状態で第２部材５０２側からレーザを所定領域Ｒに照射することにより、第２部材５０２が第１部材５０１に接合される。このレーザによる接合条件は、以下のとおりである。
＜レーザ接合条件＞
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：３０Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
このようにして、実施例１の接合構造体５００（図９参照）を作製した。
次に、比較例１による接合構造体の作製方法について説明する。
比較例１の接合構造体では、第１部材および第２部材の材料として実施例１と同じものを用いた。そして、比較例１の接合構造体では、パルスコントロール機能のないファイバレーザを用いて穿孔部を形成した。すなわち、１パルスが複数のサブパルスで構成されていないレーザを照射することにより穿孔部が形成された。このため、比較例１の第１部材には、すり鉢状（円錐状）の穿孔部が形成された。つまり、表１に示すように、比較例１の第１部材には、内周面から内側に突出する突出部が形成されておらず、実施例１の開口径Ｒ４およびＲ５に対応する形状が形成されていない。また、比較例１では、レーザによる接合条件を以下のようにした。
＜レーザ接合条件＞
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：１００Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
そして、実施例１の接合構造体５００および比較例１の接合構造体について、接合強度および第２部材の外観を評価した。
なお、接合強度の評価は、インストロン製の電気機械式万能試験機５９００を用いて行った。具体的には、せん断方向および剥離方向（垂直方向）ともに引張速度５ｍｍ／ｍｉｎで試験を行い、第２部材の破断または接合界面の破断で試験を終了した。そして、第２部材が破断した場合に、接合強度が合格（○）であると評価し、接合界面が破断（剥離）した場合に、接合強度が不合格（×）であると評価した。
また、接合後の第２部材の外観の評価は、目視によって行った。具体的には、第２部材に焼け、変色、変形がない場合に合格（○）であると評価し、第２部材に焼け、変色、変形がある場合に不合格（×）であると評価した。
上記した表１に示すように、実施例１の接合構造体５００では、せん断方向および剥離方向ともに接合強度が合格であり、第２部材５０２の外観も合格であった。これは、第２部材５０２を第１部材５０１に接合する際に、照射されたレーザが突出部により穿孔部の内部に閉じ込められやすいので、レーザのエネルギを効率的に熱に変換することができることから、レーザのエネルギを必要最小限に抑えることができるためである。つまり、実施例１の接合構造体５００では、第２部材５０２の熱劣化を抑制することができた。
これに対して、比較例１の接合構造体では、せん断方向および剥離方向ともに接合強度が合格であったが、第２部材に焼けが発生しており外観が不合格であった。これは、第２部材を第１部材に接合する際に、レーザのエネルギを効率的に熱に変換するのが困難であることから、レーザのエネルギ（接合用レーザの出力）が実施例１に比べて高く設定されたためである。
［実験例２］
この実験例２では、第２実施形態に対応する実施例２による接合構造体と、比較例２による接合構造体とを作製し、それぞれについての接合強度および第２部材の外観を評価した。その結果を表２に示す。
Figure 2016043561
この実験例２では、第１部材の材料を実験例１から変更した。具体的には、実験例２の接合構造体では、第１部材の材料としてＰＢＴ（ウィンテックポリマー製のジュラネックス（登録商標）３３１６）を用いた。また、第１部材の材料の変更に伴い、実施例２のレーザ加工条件を以下のように変更した。
＜レーザ加工条件＞
レーザ：ファイバレーザ（波長１０６２ｎｍ）
発振モード：パルス発振（周波数１０ｋＨｚ）
出力：１．１Ｗ
走査速度：６５０ｍｍ／ｓｅｃ
走査回数：３回
照射間隔：６５μｍ
サブパルス数：３
また、実施例２の接合条件を以下のように変更した。
＜レーザ接合条件＞
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：１．０Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
また、比較例２の接合条件を以下のように変更した。
＜レーザ接合条件＞
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：２．５Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
このようにして、穿孔部に突出部が形成された実施例２の接合構造体と、穿孔部に突出部が形成されていない比較例２の接合構造体とが作製された。なお、接合強度および外観の評価方法は実験例１と同様である。
上記した表２に示すように、実施例２の接合構造体では、せん断方向および剥離方向ともに接合強度が合格であり、第２部材の外観も合格であった。すなわち、第１部材の材料として樹脂であるＰＢＴを用いた場合であっても、突出部を有する穿孔部を形成することにより、レーザのエネルギを効率的に熱に変換することができるので、レーザのエネルギを必要最小限に抑えることができることから、第２部材が熱劣化するのを抑制することができた。
これに対して、比較例２の接合構造体では、せん断方向および剥離方向ともに接合強度が合格であったが、第２部材に焼けが発生しており外観が不合格であった。これは、第２部材を第１部材に接合する際に、レーザのエネルギを効率的に熱に変換するのが困難であることから、レーザのエネルギが実施例２に比べて高く設定されたためである。
（他の実施形態）
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、第１実施形態において、表面１３が、平坦であってもよいし、湾曲されていてもよい。なお、第２実施形態についても同様である。
また、第１実施形態では、拡径部１１１と縮径部１１２とが連なるように形成される例を示したが、これに限らず、拡径部と縮径部との間に深さ方向に真っ直ぐ延びる部分が形成されていてもよい。なお、第２実施形態についても同様である。
また、第１実施形態では、穿孔部１１の周囲が平坦である例を示したが、これに限らず、図１０に示す第１変形例による第１部材１０ａのように、穿孔部１１の開口の周囲に表面１３から上方に隆起する隆起部１４が形成されていてもよい。隆起部１４は、穿孔部１１の周囲を取り囲むように形成されており、平面的に見てほぼ円形に形成されている。この隆起部１４は、たとえば、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザが照射される際に、溶融された第１部材１０ａが堆積されることによって形成される。なお、第２実施形態についても同様である。
また、第１実施形態では、穿孔部１１の軸心が表面１３に対して垂直である例を示したが、これに限らず、図１１に示す第２変形例による第１部材１０ｂのように、穿孔部１１ｂの軸心が表面１３に対して傾斜するように形成されていてもよい。穿孔部１１ｂの内周面には内側に突出する突出部１２ｂが形成されている。この穿孔部１１ｂは、たとえば、レーザの照射方向を表面１３に対して斜め（４５°以上９０°未満）にすることにより形成される。これにより、穿孔部１１ｂを形成する領域の上方に、レーザを照射する際の障害物が存在する場合であっても、穿孔部１１ｂを形成することができる。なお、第２実施形態についても同様である。
また、第１実施形態では、穿孔部１１に１つの突出部１２が形成される例を示したが、これに限らず、図１２に示す第３変形例による第１部材１０ｃのように、穿孔部１１ｃに複数の突出部１２１ｃおよび１２２ｃが形成されていてもよい。この穿孔部１１ｃは、たとえば、レーザの出力条件を変更して、レーザを同じ箇所に照射することにより形成することが可能である。このように構成すれば、穿孔部１１ｃの表面積が大きくなるため、より効率的に接合用のレーザのエネルギを熱に変換することができる。なお、図１２では突出部は１２１ｃおよび１２２ｃの２箇所であるが、３箇所以上形成されていてもよい。なお、第２実施形態についても同様である。
また、図１３に示す第１実施形態の第４変形例による第１部材１０ｄのように、位置をずらした複数回のレーザ照射により１つの穿孔部１１ｄを形成するようにしてもよい。すなわち、レーザ照射によって形成される穿孔部の一部が重畳されることにより、１つの穿孔部１１ｄが形成されるようにしてもよい。穿孔部１１ｄの内周面には内側に突出する突出部１２ｄが形成されている。なお、第２実施形態についても同様である。また、上記した第１〜第４変形例を適宜組み合わせるようにしてもよい。
本発明は、異なる材料からなる第１部材および第２部材が接合された接合構造体の製造方法および接合構造体に利用可能である。
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 第１部材
１１、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 穿孔部
１２、１２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃ、１２ｄ 突出部
１３ 表面
２０ 第２部材
３０ 第１部材
３１ 穿孔部
３２ 突出部
３３ 表面
１００ 接合構造体
１１１ 拡径部（第１拡径部）
１１２ 縮径部（第１縮径部）
１１３ 底部
２００ 接合構造体
３１１ 縮径部（第２縮径部）
３１２ 拡径部（第２拡径部）
３１３ 縮径部（第３縮径部）
３１４ 底部

Claims (6)

  1. 第１部材と第２部材とが接合された接合構造体の製造方法であって、
    前記第１部材の表面に開口を有する穿孔部を形成するとともに、前記穿孔部の内周面に内側に突出する突出部を形成する工程と、
    前記第１部材の穿孔部が形成された領域と前記第２部材とを隣接配置する工程と、
    前記第２部材側から前記第１部材の穿孔部が形成された領域にレーザを照射することにより、前記第１部材の穿孔部に前記第２部材を充填して固化させる工程とを備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  2. 請求項１に記載の接合構造体の製造方法において、
    前記穿孔部は、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が大きくなる第１拡径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第１縮径部とが連なるように形成されており、前記突出部が表面側に配置されることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  3. 請求項１に記載の接合構造体の製造方法において、
    前記穿孔部は、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第２縮径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が大きくなる第２拡径部と、深さ方向において表面側から底部に向けて開口径が小さくなる第３縮径部とが連なるように形成されており、前記突出部が底部側に入り込んだ位置に配置されることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法において、
    前記第１部材は、金属、熱可塑性樹脂、または、熱硬化性樹脂であることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法において、
    前記第２部材は、レーザを透過する樹脂であることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法によって製造されたことを特徴とする接合構造体。
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