JP5860522B2 - Thermosetting resin curing method and thermosetting resin curing device - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させる熱硬化性樹脂硬化方法及び熱硬化性樹脂硬化装置に関する。 The present invention relates to a thermosetting resin curing method and a thermosetting resin curing apparatus for curing a thermosetting resin agent by irradiation with laser light.
上記技術分野における従来の熱硬化性樹脂接合方法として、接合すべき部材同士の間に熱硬化性樹脂剤を配置した状態で、少なくとも一方の部材にレーザ光を照射することにより当該部材を発熱させ、その熱によって熱硬化性樹脂剤を硬化させるものが知られている(例えば特許文献1,2参照)。
As a conventional thermosetting resin joining method in the above technical field, in a state where a thermosetting resin agent is arranged between members to be joined, at least one member is irradiated with laser light to cause the member to generate heat. In addition, those that cure the thermosetting resin agent by the heat are known (see, for example,
しかしながら、上述したような熱硬化性樹脂接合方法では、熱硬化性樹脂剤のうち、発熱した部材に接触する表面部は十分に加熱されて硬化しても、内部は十分に加熱されず硬化しないおそれがある。特に、外部への熱硬化性樹脂剤の露出面積が大きい一方で、部材に対する熱硬化性樹脂剤の接触面積が小さい場合(例えば、接合すべき部材同士によって形成された隅部に熱硬化性樹脂剤が盛られるように配置される場合)には、熱硬化性樹脂剤の内部が硬化しないおそれが高まる。 However, in the thermosetting resin bonding method as described above, even if the surface portion of the thermosetting resin agent that contacts the heated member is sufficiently heated and cured, the inside is not sufficiently heated and is not cured. There is a fear. In particular, when the exposed area of the thermosetting resin agent to the outside is large, but the contact area of the thermosetting resin agent to the member is small (for example, the thermosetting resin at the corner formed by the members to be joined together) In the case where the agents are arranged so as to be stacked, the possibility that the inside of the thermosetting resin agent will not be cured increases.
また、接合すべき部材の光吸収率が低いと、そのような部材は、熱硬化性樹脂剤の全体を硬化させるのに十分な熱を発し得ない。そのため、上述したような熱硬化性樹脂接合方法には、接合すべき部材の光吸収率が高い必要があるといった制約も存在する。 Moreover, when the light absorption rate of the members to be joined is low, such a member cannot generate sufficient heat to cure the entire thermosetting resin agent. Therefore, the thermosetting resin bonding method as described above has a limitation that the light absorption rate of the members to be bonded needs to be high.
なお、レーザ光を熱硬化性樹脂剤に照射して吸収させ、熱硬化性樹脂剤自体の発熱によって熱硬化性樹脂剤を硬化させようとすると、熱硬化性樹脂剤においてレーザ光が入射する表面部に、入熱過多による損傷(気泡、白濁、焼損等)が生じるおそれがある。しかも、熱硬化性接着剤の硬化時に網目状架橋反応が進むこと等が光散乱要因となって、熱硬化性樹脂剤の内部にレーザ光が十分に到達せず、熱硬化性樹脂剤の内部が硬化しないおそれがある。 When the thermosetting resin agent is irradiated and absorbed by the laser beam, and the thermosetting resin agent is cured by the heat generated by the thermosetting resin agent itself, the surface on which the laser beam is incident on the thermosetting resin agent There is a risk that damage (bubbles, cloudiness, burnout, etc.) due to excessive heat input may occur in the part. Moreover, the progress of the network cross-linking reaction during curing of the thermosetting adhesive becomes a light scattering factor, so that the laser beam does not reach the inside of the thermosetting resin agent sufficiently, and the inside of the thermosetting resin agent May not cure.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる熱硬化性樹脂硬化方法及び熱硬化性樹脂硬化装置を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the thermosetting resin hardening method and thermosetting resin hardening apparatus which can harden a thermosetting resin agent favorably by irradiation of a laser beam. The task is to do.
上記課題を解決するために、本発明の熱硬化性樹脂硬化方法は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させる熱硬化性樹脂硬化方法であって、レーザ光は、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長域よりも長い波長又は当該波長域よりも短い波長を有しており、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、表面部から内部に入射させられ、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の強度は、第1の光強度から、第1の光強度よりも低い第2の光強度に変化させられることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the thermosetting resin curing method of the present invention is a thermosetting resin curing method in which a thermosetting resin agent is cured by irradiation with laser light, and the laser light is a thermosetting resin. It has a wavelength longer than the wavelength range where the light absorption rate of the agent is the highest or shorter than the wavelength range, so that it converges from the surface portion of the thermosetting resin agent to the inside of the thermosetting resin agent. , are allowed to be incident from the surface portion therein, the intensity of the laser beam irradiated to the thermosetting resin agent, the first light intensity, Ru be varied to a second light intensity lower than the first light intensity It is characterized by that.
ここで、レーザ光は、表面部において、光軸に対して垂直な断面形状が環形状となるように、熱硬化性樹脂剤に照射されることが好ましい。 Here, it is preferable that the laser beam is irradiated to the thermosetting resin agent so that the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis becomes a ring shape on the surface portion.
また、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の集光スポットの位置は、第1の位置から、第1の位置よりも表面部に近い第2の位置に変化させられることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the position of the condensing spot of the laser beam irradiated to the thermosetting resin agent is changed from the first position to the second position closer to the surface portion than the first position.
本発明の熱硬化性樹脂硬化装置は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させる熱硬化性樹脂硬化装置であって、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長域よりも長い波長又は当該波長域よりも短い波長を有するレーザ光を出射する光源と、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、レーザ光を表面部から内部に入射させる集光光学系と、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の強度を、第1の光強度から、第1の光強度よりも低い第2の光強度に変化させる手段と、を備えることを特徴とする。 The thermosetting resin curing device of the present invention is a thermosetting resin curing device that cures a thermosetting resin agent by irradiation with laser light, and is from a wavelength region where the light absorption rate of the thermosetting resin agent is maximum. A light source that emits a laser beam having a longer wavelength or a wavelength shorter than the wavelength range, and the laser beam from the surface portion so as to converge from the surface portion of the thermosetting resin agent to the inside of the thermosetting resin agent. A condensing optical system incident on the thermosetting resin agent, and means for changing the intensity of the laser light applied to the thermosetting resin agent from the first light intensity to a second light intensity lower than the first light intensity; It is characterized by providing.
本発明によれば、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる。 According to the present invention, the thermosetting resin agent can be cured satisfactorily by laser light irradiation.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂硬化方法が用いられた熱硬化性樹脂接合方法によって製造された熱硬化性樹脂接合体の斜視図である。図1に示されるように、熱硬化性樹脂接合体10は、長方形板状の第1の部材11及び第2の部材12が熱硬化性樹脂剤13によって接合されたものである。第1の部材11と第2の部材12とは、第1の部材11の表面11fの一部と第2の部材12の裏面12rの一部とが接触した状態で接合されている。熱硬化性樹脂剤13は、第1の部材11の表面11fと第2の部材12の端面12eとで形成された隅部に盛られるように配置されている。
FIG. 1 is a perspective view of a thermosetting resin joined body manufactured by a thermosetting resin joining method using the thermosetting resin curing method of one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the thermosetting resin joined
なお、各部材11,12の形状としては、長方形板状に限定されず、様々な形状を適用することができる。また、各部材11,12の材料としては、ガラス、金属、樹脂等、様々な材料を適用することができ、光吸収率が高い材料であっても、光吸収率が低い材料であってもよい。また、熱硬化性樹脂剤13による部材11,12の接合は、仮接合であっても、本接合であってもよい。
In addition, as a shape of each
図2は、本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂硬化方法が用いられた熱硬化性樹脂接合方法に用いられる集光光学系の構成図である。図2に示されるように、集光光学系1は、レーザ光Lの光源LS側から順に、コリメート用レンズ2、集光用レンズ3及び円錐凹状のアキシコンレンズ4が光軸OA上に配置されて構成されている。この集光光学系1をレーザ光Lが通過すると、光軸OAに対して垂直なレーザ光Lの断面形状は、集光スポットFSに対して光源LS側で円環形状となり、集光スポットFSに対して光源LSと反対側で中実円形状となる。
FIG. 2 is a configuration diagram of a condensing optical system used in the thermosetting resin bonding method using the thermosetting resin curing method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the condensing
図3は、図2の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。図3に示されるように、レーザ光Lの光強度プロファイルは、集光スポットFS到達前において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている。なお、図3の光強度プロファイルは、光軸OA及びレーザ光Lの進行方向と直交する方向にレーザ光Lの光強度を積分した場合である。 FIG. 3 is a graph showing a light intensity profile of the laser light that has passed through the condensing optical system of FIG. 2 before reaching the condensing spot. As shown in FIG. 3, the light intensity profile of the laser light L has a light intensity profile at the center portion that is opposite to the light intensity profile of the laser light with the Gaussian distribution or the top hat distribution before reaching the focused spot FS. It is lower than the light intensity of the part. 3 is a case where the light intensity of the laser light L is integrated in the direction orthogonal to the optical axis OA and the traveling direction of the laser light L.
ここで、レーザ光Lは、熱硬化性樹脂剤13の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有している。図4は、レーザ光の波長と熱硬化性樹脂剤の光吸収率との関係を示すグラフである。図4に示されるように、熱硬化性樹脂剤には、レーザ光の波長が長くなるに従って光吸収率が徐々に低くなるもの(例1)や、所定の波長において光吸収率のピーク値を有するもの(例2)がある。熱硬化性樹脂剤13が例1や例2の熱硬化性樹脂剤である場合には、レーザ光Lとして、半導体レーザで発振可能な近赤外波長(例えば波長940nm)のレーザ光を用いればよい。なお、熱硬化性樹脂剤には、寸法精度や熱伝導率等といった所望の特性を発揮させるべく、金属粉、無機フィラー、樹脂添加物等が入れられるので、例1や例2のように光吸収特性に違いが生じる。
Here, the laser beam L has a wavelength longer than the wavelength at which the light absorption rate of the
次に、集光光学系1を用いて熱硬化性樹脂接合体10を製造する熱硬化性樹脂接合方法について説明する。まず、図5に示されるように、部材11の表面11fの一部と部材12の裏面12rの一部とが接触した状態で部材11,12を保持する。そして、部材11の表面11fと部材12の端面12eとで形成された隅部に、硬化前の熱硬化性樹脂剤13を配置する。
Next, a thermosetting resin bonding method for manufacturing the thermosetting resin bonded
続いて、図6に示されるように、外部に露出する熱硬化性樹脂剤13の表面部13sを光軸OAが通るように集光光学系1を設定する。そして、熱硬化性樹脂剤13の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光Lを熱硬化性樹脂剤13に照射する。このとき、レーザ光Lは、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに収束するように(すなわち、理論上の(熱硬化性樹脂剤13による散乱や部材11,12の存在を考慮しない場合の)集光スポットFSの位置がレーザ光Lの入射方向において表面部13sの下流側となるように)、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに入射させられる。これにより、熱硬化性樹脂剤13自体が発熱し、その熱によって熱硬化性樹脂剤13が硬化して、熱硬化性樹脂接合体10が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 6, the condensing
なお、レーザ光Lの集光スポットFSは、熱硬化性樹脂剤13の外部に位置していてもよし、熱硬化性樹脂剤13の内部13iに位置していてもよい。また、レーザ光Lは、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sだけでなく、各部材11,12の一部を含むように照射されてもよい。
The condensing spot FS of the laser light L may be located outside the
以上の熱硬化性樹脂接合方法によれば、次に説明するように、レーザ光Lの照射によって熱硬化性樹脂剤13を良好に硬化させることができる。
According to the above thermosetting resin bonding method, the
すなわち、熱硬化性樹脂剤13には、熱硬化性樹脂剤13の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光Lが照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤13においてレーザ光Lが入射する表面部13sで吸収されるレーザ光Lの光量が減少し、熱硬化性樹脂剤13の内部13iに到達するレーザ光Lの光量が増加する。加えて、レーザ光Lが長い波長を有するので、熱硬化性樹脂剤13でのレーザ光Lの散乱が抑制され、熱硬化性樹脂剤13の内部13iにレーザ光Lが進行し易くなる。従って、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sだけでなく内部13iも十分に加熱されて、熱硬化性樹脂剤13の全体が硬化する。
In other words, the
更に、レーザ光Lは、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに収束するように、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに入射させられる。このことと、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sで吸収されるレーザ光Lの光量が減少することが相俟って、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sでの損傷の発生が防止される。
Further, the laser beam L is incident on the inside 13i from the
このような熱硬化性樹脂接合方法は、特に、外部への熱硬化性樹脂剤13の露出面積が大きい一方で、接合すべき部材11,12に対する熱硬化性樹脂剤13の接触面積が小さい上記実施形態のような場合に、特に有効である。
In such a thermosetting resin joining method, in particular, the exposed area of the
また、レーザ光Lは、熱硬化性樹脂剤13に入射する表面部13sにおいて、光軸OAに対して垂直な断面形状が円環形状等の環形状となるように、熱硬化性樹脂剤13に照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤13におけるレーザ光Lの照射領域の中心部に、入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。しかも、レーザ光Lが熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに収束しているため、光吸収によって減衰する光密度が補われて、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに至る熱硬化性樹脂剤13の全体を確実に硬化させることができる。
Further, the laser light L is irradiated on the
図7は、熱硬化性樹脂剤の表面部からの深さとレーザ光の中心部のエネルギ密度との関係を示すグラフである。図7では、光軸OAに対して垂直な断面形状が熱硬化性樹脂剤13の表面部13sにおいて円環形状となり、かつ熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに収束するように、レーザ光Lが熱硬化性樹脂剤13の表面部13sから内部13iに入射させられている。図7に示されるように、熱硬化性樹脂剤13の表面部13sからの深さが5mmの位置では、レーザ光Lの中心部のエネルギ密度が、開口数(NA)0.1で10倍を超え、開口数5で100倍を超えている。このことから、熱硬化性樹脂剤13の表面部13s(特に、レーザ光Lの照射領域の中心部)に入熱過多による損傷が生じるのを防止し得ること、及び光吸収によって減衰する光密度が補われて熱硬化性樹脂剤13の全体を確実に硬化させ得ることが分かる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the depth from the surface portion of the thermosetting resin agent and the energy density of the center portion of the laser beam. In FIG. 7, the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis OA has an annular shape at the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、図8に示されるように、熱硬化性樹脂剤13に照射されるレーザ光Lの強度を、第1の光強度I1から、第1の光強度I1よりも低い第2の光強度I2に変化させてもよい。これによれば、熱硬化性樹脂剤13の温度を硬化開始温度T1以上に素早く上昇させた後、熱硬化性樹脂剤13の温度を硬化開始温度T1以上かつ損傷発生温度T2以下に保持して、熱硬化性樹脂剤13の全体を良好に硬化させることができる。なお、レーザ光Lの強度は、熱硬化性樹脂剤13の温度が硬化開始温度T1に達したときにレーザ出力を切り替えることにより、第1の光強度I1から第2の光強度I2に変化させることができる。
For example, as shown in FIG. 8, the intensity of the laser light L irradiated to the
また、図9に示されるように、熱硬化性樹脂剤13に照射されるレーザ光Lの集光スポットFSの位置を、第1の位置P1から、第1の位置P1よりも熱硬化性樹脂剤13の表面部13sに近い第2の位置P2に変化させてもよい。これによれば、熱硬化性樹脂剤13において、レーザ光Lの進行方向における上流側部分の硬化に起因して(例えば、網目状架橋反応が進むこと等が光散乱要因となって)、当該方向における下流側部分へのレーザ光Lの進行が妨げられることを防止して、熱硬化性樹脂剤13の全体を良好に硬化させることができる。
Further, as shown in FIG. 9, the position of the condensing spot FS of the laser light L irradiated to the
10…熱硬化性樹脂接合体、11…第1の部材、12…第2の部材、13…熱硬化性樹脂剤、13s…表面部、13i…内部、OA…光軸、L…レーザ光、FS…集光スポット。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レーザ光は、前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長域よりも長い波長又は前記波長域よりも短い波長を有しており、前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記表面部から前記内部に入射させられ、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の強度は、第1の光強度から、前記第1の光強度よりも低い第2の光強度に変化させられることを特徴とする熱硬化性樹脂硬化方法。 A thermosetting resin curing method for curing a thermosetting resin agent by irradiation with laser light,
The laser beam has a wavelength longer than the wavelength region where the light absorption rate of the thermosetting resin agent is maximum or shorter than the wavelength region, and from the surface portion of the thermosetting resin agent, In order to converge inside the thermosetting resin agent, it is incident on the inside from the surface portion ,
The intensity of the laser light radiated on the thermosetting resin agent, thermosetting of the first light intensity, wherein Rukoto be varied to a second light intensity lower than the first light intensity Resin curing method.
前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長域よりも長い波長又は前記波長域よりも短い波長を有する前記レーザ光を出射する光源と、
前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記レーザ光を前記表面部から前記内部に入射させる集光光学系と、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の強度を、第1の光強度から、前記第1の光強度よりも低い第2の光強度に変化させる手段と、を備えることを特徴とする熱硬化性樹脂硬化装置。 A thermosetting resin curing device that cures a thermosetting resin agent by irradiation with laser light,
A light source that emits the laser light having a wavelength longer than the wavelength range where the light absorption rate of the thermosetting resin agent is maximum or shorter than the wavelength range;
A condensing optical system that causes the laser light to enter the inside from the surface portion so as to converge from the surface portion of the thermosetting resin agent to the inside of the thermosetting resin agent;
And means for changing the intensity of the laser light applied to the thermosetting resin agent from a first light intensity to a second light intensity lower than the first light intensity. A thermosetting resin curing device.
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