KR101889346B1 - 접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체 - Google Patents

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가즈요시 니시카와
아키오 스미야
사토시 히로노
도모유키 하카타
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

접합 구조체의 제조방법은, 제1 부재와 제2 부재가 접합된 접합 구조체의 제조방법으로서, 제1 부재의 표면에 개구를 가지는 천공부를 형성함과 함께, 천공부의 내주면에 내측으로 돌출하는 돌출부를 형성하는 공정과, 제1 부재의 천공부가 형성된 영역과 제2 부재를 인접 배치하는 공정과, 제2 부재측으로부터 제1 부재의 천공부가 형성된 영역에 레이저를 조사하는 것에 의해, 제1 부재의 천공부에 제2 부재를 충전시켜 고화시키는 공정을 구비한다.

Description

접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체 {BONDING STRUCTURE MANUFACTURING METHOD AND BONDING STRUCTURE}
본 발명은, 접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체에 관한 것이다.
종래, 상이한 재료로 이루어지는 제1 부재 및 제2 부재를 접합시키는 접합방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에는, 수지재료인 제1 부재와, 금속재료인 제2 부재를 반도체 레이저에 의해 접합하는 접합방법이 개시되어 있다. 제2 부재의 경계면은, 샌드페이퍼 등에 의해 요철형상으로 거칠어지게 된다. 그리고, 제1 부재 및 제2 부재의 경계면에 반도체 레이저가 조사되는 것에 의해, 제2 부재의 경계면에 있어서 반도체 레이저가 흡수된다. 이것에 의해, 경계면 부근의 제1 부재가 용해되고, 그 제1 부재가 요철에 파고들어 고화 된다. 그 결과, 제1 부재 및 제2 부재가 접합된다.
특허문헌 1: 일본 공개특허 특개2008-162288호 공보
그렇지만, 상기한 종래의 접합방법으로는, 제2 부재의 경계면에 조사된 반도체 레이저가 반사되기 쉽기 때문에, 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환하는 것이 곤란하다. 따라서, 종래의 접합방법으로는, 레이저의 에너지를 높게 할 필요가 있으므로, 수지재료가 열에 의해 열화(예를 들어, 연소, 변색, 변형 등)되기 쉽다고 하는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 제2 부재가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있는 접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 접합 구조체의 제조방법은, 제1 부재와 제2 부재가 접합된 접합 구조체의 제조방법으로서, 제1 부재의 표면에 개구를 가지는 천공부를 형성함과 함께, 천공부의 내주면에 내측으로 돌출하는 돌출부를 형성하는 공정과, 제1 부재의 천공부가 형성된 영역과 제2 부재를 인접 배치하는 공정과, 제2 부재측으로부터 제1 부재의 천공부가 형성된 영역에 레이저를 조사하는 것에 의해, 제1 부재의 천공부에 제2 부재를 충전시켜 고화시키는 공정을 구비한다.
이와 같이 구성하는 것에 의해서, 조사된 접합용 레이저가 돌출부에 의해 천공부의 내부에 갇히기 쉽기 때문에, 접합용 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있다. 이것에 의해, 접합용 레이저의 에너지를 필요한 만큼만 최소한으로 억제할 수 있으므로, 제2 부재가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있다.
상기 접합 구조체의 제조방법에 있어서, 천공부는, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 커지는 제1 확경부와, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 작아지는 제1 축경부가 연속되도록 형성되어 있고, 돌출부가 표면 측에 배치되도록 하여도 좋다.
상기 접합 구조체의 제조방법에 있어서, 천공부는, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 작아지는 제2 축경부와, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 커지는 제2확경부와, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 작아지는 제3 축경부가 연속되도록 형성되어 있고, 돌출부가 저부측으로 들어간 위치에 배치되도록 하여도 좋다.
상기 접합 구조체의 제조방법에 있어서, 제1 부재는, 금속, 열가소성 수지, 또는, 열경화성 수지여도 좋다.
상기 접합 구조체의 제조방법에 있어서, 제2 부재는, 레이저를 투과시키는 수지여도 좋다.
본 발명에 의한 접합 구조체는, 상기된 어느 하나의 접합 구조체의 제조방법에 따라 제조되고 있다.
이와 같이 구성하는 것에 의해서, 조사된 접합용 레이저가 돌출부에 의해 천공부의 내부에 갇히기 쉽기 때문에, 접합용 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있다. 이것에 의해, 접합용 레이저의 에너지를 필요한 만큼만 최소한으로 억제할 수 있으므로, 제2 부재가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체에 의하면, 제2 부재가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 접합 구조체의 단면의 모식도이다.
도 2는 도 1의 접합 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제1 부재에 천공부가 형성된 상태를 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 1의 접합 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제2 부재측으로부터 접합용 레이저가 조사되는 상태를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 접합 구조체의 단면의 모식도이다.
도 5는 도 4의 접합 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제1 부재에 천공부가 형성된 상태를 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 4의 접합 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제2 부재측으로부터 접합용 레이저가 조사되는 상태를 나타낸 모식도이다.
도 7은 실시예의 제1 부재가 레이저에 의해 가공되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 실시예의 제2 부재가 레이저에 의해 제1 부재에 접합되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 9는 실시예의 접합 구조체를 나타낸 사시도이다.
도 10은 제1 실시형태의 제1 변형예에 따른 제1 부재를 나타낸 모식도이다.
도 11은 제1 실시형태의 제2 변형예에 따른 제1 부재를 나타낸 모식도이다.
도 12는 제1 실시형태의 제3 변형예에 따른 제1 부재를 나타낸 모식도이다.
도 13은 제1 실시형태의 제4 변형예에 따른 제1 부재를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 접합 구조체(100)에 대해 설명한다.
접합 구조체(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상이한 재료로 이루어지는 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 접합된 것이다. 제1 부재(10)의 표면(13)에는, 개구를 가지는 천공부(11)가 형성되고, 그 천공부(11)의 내주면에는, 내측으로 돌출하는 돌출부(12)가 형성되어 있다. 그리고, 제1 부재(10)의 천공부(11)에는, 제2 부재(20)가 충전되어 고화되어 있다. 또한, 도 1은, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 접합계면을 확대하여 모식적으로 나타낸 도면으로서, 실제로는 천공부(11)가 복수개 설치되어 있지만, 도 1에서는 하나만 나타낸다.
제1 부재(10)의 재료는, 금속, 열가소성 수지, 또는, 열경화성 수지이다. 제2 부재(20)의 재료는, 레이저를 투과하는 수지이며, 열가소성 수지, 또는, 열경화성 수지이다. 이 제2 부재(20)의, 후술하는 접합시에 조사되는 레이저에 대한 투과율은, 두께가 3mm일 때에 15% 이상인 것이 바람직하다.
상기 금속의 일례로서는, 철계 금속, 스테인리스계 금속, 동계 금속, 알루미늄계 금속, 마그네슘계 금속, 및, 그것들의 합금을 들 수 있다. 또, 금속 성형체여도 좋고, 아연 다이캐스트, 알루미늄 다이캐스트, 분말야금 등이어도 좋다.
상기 열가소성 수지의 일례로서는, PVC(폴리염화비닐), PS(폴리스티렌), AS(아크릴로니트릴스티렌), ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PC(폴리카보네이트), m-PPE(변성 폴리페닐렌 에테르), PA6(폴리아미드6), PA66(폴리아미드66), POM(폴리아세탈), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트), PSF(폴리술폰), PAR(폴리아릴레이트), PEI(폴리에테르이미드), PPS(폴리페닐렌 설파이드), PES(폴리에테르술폰), PEEK(폴리에테르 에테르 케톤), PAI(폴리아미드이미드), LCP(액정 폴리머), PVDC(폴리염화비닐리덴), PTFE(폴리테트라 플루오르 에틸렌), PCTFE(폴리클로로트리플루오르에틸렌), 및, PVDF(폴리불화비닐리덴)를 들 수 있다. 또, TPE(열가소성 엘라스토머)여도 좋고, TPE의 일례로서는, TPO(올레핀계), TPS(스티렌계), TPEE(에스테르계), TPU(우레탄계), TPA(나일론계), 및, TPVC(염화비닐계)를 들 수 있다.
상기 열경화성 수지의 일례로서는, EP(에폭시), PUR(폴리우레탄), UF(유리어 포름알데히드), MF(멜라민 포름알데히드), PF(페놀 포름알데히드), UP(불포화 폴리에스테르), 및, SI(실리콘)를 들 수 있다. 또, FRP(섬유강화플라스틱)여도 좋다.
또한, 상기한 열가소성 수지 및 열경화성 수지에는, 충전제가 첨가되어 있어도 좋다. 충전제의 일례로서는, 무기계 충전제(유리섬유, 무기염류 등), 금속계 충전제, 유기계 충전제, 및, 탄소섬유 등을 들 수 있다.
천공부(11)는, 평면적으로 볼 때 대략 원형의 비관통구멍이며, 제1 부재(10)의 표면(13)에 복수개 형성되어 있다. 천공부(11)의 표면(13)의 개구직경(R1)은, 30㎛ 이상, 100㎛ 이하가 바람직하다. 이것은, 개구직경(R1)이 30㎛를 하회하면, 조사된 접합용 레이저가 천공부(11) 내에 충분히 갇히지 않아, 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환하는 변환 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다. 한편, 개구직경(R1)이 100㎛를 상회하면, 단위면적당 천공부(11)의 수가 감소하여, 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환하는 변환 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다. 또, 천공부(11)의 깊이는, 10㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이것은, 깊이가 10㎛를 하회하면, 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환하는 변환 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다.
또, 천공부(11)의 간격(소정의 천공부(11)의 중심과, 소정의 천공부(11)와 인접하는 천공부(11)의 중심과의 거리)은, 200㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 천공부(11)의 간격이 200㎛를 상회하면, 단위면적당 천공부(11)의 수가 감소하여, 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환하는 변환 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다. 또한, 천공부(11)의 간격의 하한의 일례로서는, 천공부(11)가 중첩하여 망가지지 않는 거리이다. 또, 천공부(11)의 간격은 동일한 것이 바람직하다. 이것은, 천공부(11)가 등간격이면, 접합용 레이저가 조사될 때의 열의 분포가 등방적으로 되기 때문이다.
여기서, 제1 실시형태의 천공부(11)는, 깊이방향(Z방향)에 있어서 표면(13)측으로부터 저부(113)를 향해서 개구직경이 커지는 확경부(111)와, 깊이방향에 있어서 표면(13)측으로부터 저부(113)를 향해서 개구직경이 작아지는 축경부(112)가 연속되도록 형성되어 있다. 확경부(111)는 곡선형상으로 직경이 확대되도록 형성되고, 축경부(112)는 곡선형상으로 직경이 축소되도록 형성되어 있다. 또한, 확경부(111)는 본 발명의 「제1 확경부」의 일례이며, 축경부(112)는 본 발명의 「제1 축경부」의 일례이다.
그리고, 확경부(111)가 표면(13)측에 배치되고, 축경부(112)가 저부(113)측에 배치되어 있다. 이 때문에, 천공부(11)에 있어서, 확경부(111)와 축경부(112)와의 경계 부분의 개구직경(내경)(R2)이 가장 크게 되어 있고, 개구직경(R1)이 개구직경(R2)보다 작게 되어 있다. 이것에 의해, 돌출부(12)가 제1 부재(10)의 표면(13)측에 배치되어 있다. 이 돌출부(12)는, 예를 들어, 원주방향에 있어서의 전체길이에 걸쳐서 형성되어 있고, 환 형상으로 형성되어 있다.
이 천공부(11)는, 예를 들어, 가공용 레이저가 조사되는 것에 의해서 형성된다. 레이저의 종류로서는, 펄스발진이 가능한 관점에서, 파이버 레이저, YAG 레이저, YVO4 레이저, 반도체 레이저, 탄산가스 레이저, 엑시머 레이저가 선택될 수 있으며, 레이저의 파장을 고려하면, 파이버 레이저, YAG 레이저, YAG 레이저의 제2 고조파, YVO4 레이저, 반도체 레이저가 바람직하다. 또한, 레이저의 출력은, 레이저의 조사직경, 제1 부재(10)의 재료의 종류, 제1 부재(10)의 형상(예를 들어 두께) 등을 고려해 설정된다. 예를 들어, 레이저의 출력 상한은 40W가 바람직하다. 이것은, 레이저의 출력이 40W를 넘으면, 에너지가 커서, 돌출부(12)를 가지는 천공부(11)를 형성하는 것이 곤란하기 때문이다.
천공부(11)를 형성하는 장치의 일례로서는, 오므론 제(製)의 파이버 레이저 마커 MX-Z2000 또는 MX-Z2050을 들 수 있다. 이 파이버 레이저 마커로는, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성되는 레이저를 조사하는 것이 가능하다. 이 때문에, 레이저의 에너지를 깊이방향으로 집중시키기 용이하기 때문에, 천공부(11)를 형성하는데 적합하다. 구체적으로는, 제1 부재(10)에 레이저가 조사되면, 제1 부재(10)가 국부적으로 용해되는 것에 의해 천공부(11)의 형성이 진행된다. 이 때, 레이저가 복수의 서브 펄스로 구성되어 있기 때문에, 용해된 제1 부재(10)가 비산되기 어렵고, 천공부(11)의 근방에 퇴적되기 쉽다. 그리고, 천공부(11)의 형성이 진행되면, 용해된 제1 부재(10)가 천공부(11)의 내부에 퇴적되는 것에 의해, 돌출부(12)가 형성된다. 또한, 레이저의 조사방향은, 예를 들어, 표면(13)에 대해서 수직방향이며, 천공부(11)의 축선중심이 표면(13)에 대해서 수직이 된다.
또한, 상기 파이버 레이저 마커에 의한 가공조건으로서는, 서브 펄스의 1주기가 15ns 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 서브 펄스의 1주기가 15ns를 넘으면, 열전도에 의해 에너지가 확산하기 쉬워져, 돌출부(12)를 가지는 천공부(11)를 형성하기 어려워지기 때문이다. 또한, 서브 펄스의 1주기는, 서브 펄스의 1회분의 조사시간과, 그 서브 펄스의 조사가 종료되고 나서 다음번의 서브 펄스의 조사가 개시될 때까지의 간격과의 합계시간이다.
또, 상기 파이버 레이저 마커에 의한 가공조건으로서는, 1펄스의 서브 펄스 수는, 2 이상 50 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 서브 펄스 수가 50을 넘으면, 서브 펄스의 단위당 출력이 작아져, 돌출부(12)를 가지는 천공부(11)를 형성하기 어려워지기 때문이다.
그리고, 제2 부재(20)는, 천공부(11)가 형성된 제1 부재(10)의 표면(13)에 접합되고 있다. 이 제2 부재(20)는, 예를 들어 레이저 용착에 의해서 제1 부재(10)에 접합되고 있다. 이것에 의해, 제2 부재(20)가 천공부(11)에 충전된 상태로 고화되고 있다. 또한, 접합용 레이저의 종류로서는, 파이버 레이저, YAG 레이저, YVO4 레이저, 반도체 레이저, 탄산가스 레이저, 엑시머 레이저가 선택될 수 있다.
이러한 접합 구조체(100)는, 예를 들어, 광전 센서의 금속 케이스(도시생략)에 수지 커버(도시생략)를 접합시키는 경우에 적용 가능하다. 이 경우에는, 금속 케이스가 제1 부재(10)에 상당하고, 수지 커버가 제2 부재(20)에 상당한다.
- 접합 구조체의 제조방법 -
다음에, 도 1 ~ 도 3을 참조하여, 제1 실시형태에 따른 접합 구조체(100)의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 제1 부재(10)의 표면(13)에 천공부(11)를 형성함과 함께, 그 천공부(11)의 내주면에 돌출부(12)를 형성한다. 이 천공부(11) 및 돌출부(12)는, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성된 레이저를 조사하는 것에 의해서 형성된다. 구체적인 예로서는, 상기한 파이버 레이저 마커 MX-Z2000 또는 MX-Z2050을 이용해서 형성한다.
그 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 부재(10)의 표면(13)에 제2 부재(20)가 인접 배치된다. 그리고, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 가압된 상태로, 제2 부재(20)측으로부터 접합용 레이저가 제1 부재(10)의 표면(13)에 조사된다. 이 때문에, 그 레이저의 에너지가 제1 부재(10)의 표면(13)에서 열로 변환되어 제1 부재(10)의 표면(13)의 온도가 높아진다. 이것에 의해, 제1 부재(10)의 표면(13) 부근의 제2 부재(20)가 용해되고, 그 제2 부재(20)가 천공부(11)에 충전된다. 그 후, 제2 부재(20)가 고화되는 것에 의해, 제2 부재(20)가 제1 부재(10)에 접합되어, 접합 구조체(100)(도 1 참조)가 형성된다.
여기서, 제1 실시형태에서는, 천공부(11)의 내주면에 내측으로 돌출하는 돌출부(12)가 형성되어 있는 것에 의해서, 조사된 접합용 레이저가 돌출부(12)에 의해 천공부(11)의 내부에 갇히기 쉽기 때문에, 접합용 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있다. 이것에 의해, 접합용 레이저의 에너지를 필요한 만큼만 최소한으로 억제할 수 있으므로, 제2 부재(20)가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 인접 배치되었을 때에, 제1 부재(10)의 표면(13) 또는 제2 부재(20)의 표면에 레이저 흡수층(도시생략)이 설치되어 있어도 좋다. 이 레이저 흡수층으로서는, 접합용 레이저의 파장에 대해서 흡수성을 가지는 안료계 또는 염료계의 레이저 흡수재 등을 적절히 선택해서 이용할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환하는 변환 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 레이저 흡수층의 두께는, 제2 부재(20)의 천공부(11)로의 충전성을 확보하기 위해서 10㎛ 이하가 바람직하다. 또, 제2 부재(20)가 요구하는 레이저의 투과성을 만족하는 범위 내에 있어서, 제2 부재(20)에 레이저 흡수재가 배합되어 있어도 좋다.
(제2 실시형태)
다음에, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 접합 구조체(200)에 대해 설명한다.
접합 구조체(200)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상이한 재료로 이루어지는 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)가 접합된 것이다. 제1 부재(30)의 표면(33)에는 개구를 가지는 천공부(31)가 형성되고, 그 천공부(31)의 내주면에는 내측으로 돌출하는 돌출부(32)가 형성되어 있다. 그리고, 제1 부재(30)의 천공부(31)에는, 제2 부재(20)가 충전되어 고화되어 있다.
제2 실시형태의 천공부(31)는, 깊이방향(Z방향)에 있어서 표면(33)측으로부터 저부(314)를 향해서 개구직경이 작아지는 축경부(311)와, 깊이방향에 있어서 표면(33)측으로부터 저부(314)를 향해서 개구직경이 커지는 확경부(312)와, 깊이방향에 있어서 표면(33)측으로부터 저부(314)를 향해서 개구직경이 작아지는 축경부(313)가 연속되도록 형성되어 있다. 축경부(311)는 직선형상으로 직경이 축소되도록 형성되고, 확경부(312)는 곡선형상으로 직경이 확대되도록 형성되고, 축경부(313)는 곡선형상으로 직경이 축소되도록 형성되어 있다. 또한, 축경부(311)는 본 발명의 「제2 축경부」의 일례이며, 확경부(312)는 본 발명의 「제2 확경부」의 일례이며, 축경부(313)는 본 발명의 「제3 축경부」의 일례이다.
그리고, 표면(33)측으로부터 저부(314) 측을 향하여 순서대로, 축경부(311), 확경부(312) 및 축경부(313)가 배치되어 있다. 이 때문에, 천공부(31)에 있어서, 축경부(311)와 확경부(312)와의 경계 부분의 개구직경(내경)(R4)이, 표면(33)의 개구직경(R3), 및, 확경부(312)와 축경부(313)와의 경계 부분의 개구직경(R5)보다 작아지게 된다. 이것에 의해, 돌출부(32)가 저부(314) 측으로 들어간 위치에 배치되어 있다. 이 돌출부(32)는, 예를 들어, 원주방향에 있어서의 전체길이에 걸쳐서 형성되어 있어, 환 형상으로 형성되어 있다.
또한, 제1 부재(30)의 그 밖의 구성은, 상기한 제1 부재(10)와 같다.
- 접합 구조체의 제조방법 -
다음에, 도 4 ~ 도 6을 참조하여, 제2 실시형태에 따른 접합 구조체(200)의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 제1 부재(30)의 표면(33)에 천공부(31)을 형성함과 함께, 그 천공부(31)의 내주면에 돌출부(32)를 형성한다. 이 천공부(31) 및 돌출부(32)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성된 레이저를 조사하는 것에 의해서 형성된다. 구체적인 예로서는, 상기한 파이버 레이저 마커 MX-Z2000 또는 MX-Z2050을 이용해서 형성한다. 또한, 제2 실시형태에서는, 제1 실시형태와 달리, 돌출부(32)가 저부(314) 측으로 들어간 위치에 배치되지만, 이러한 차이는, 예를 들어, 제1 부재(30)의 재료나 레이저 조사조건 등의 차이에 기인한다.
그 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 부재(30)의 표면(33)에 제2 부재(20)가 인접 배치된다. 그리고, 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)가 가압된 상태로, 제2 부재(20)측으로부터 접합용 레이저가 제1 부재(30)의 표면(33)에 조사된다. 이 때문에, 그 레이저의 에너지가 제1 부재(30)의 표면(33)에서 열로 변환되어, 제1 부재(30)의 표면(33)의 온도가 높아진다. 이것에 의해, 제1 부재(30)의 표면(33) 부근의 제2 부재(20)가 용해되고, 그 제2 부재(20)가 천공부(31)에 충전된다. 그 후, 제2 부재(20)가 고화되는 것에 의해, 제2 부재(20)가 제1 부재(30)에 접합되어, 접합 구조체(200)(도 4 참조)가 형성된다.
여기서, 제2 실시형태에서는, 천공부(31)의 내주면에 내측으로 돌출하는 돌출부(32)가 형성되어 있는 것에 의해서, 조사된 접합용 레이저가 돌출부(32)에 의해 천공부(31)의 내부에 갇히기 쉽기 때문에, 접합용 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있다. 이것에 의해, 접합용 레이저의 에너지를 필요한 만큼만 최소한으로 억제할 수 있으므로, 제2 부재(20)가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)가 인접 배치되었을 때에, 제1 부재(30)의 표면(33) 또는 제2 부재(20)의 표면에 레이저 흡수층(도시생략)이 설치되어 있어도 좋다.
- 실험예 -
다음에, 도 7 ~ 도 9를 참조하여, 상기한 제2 실시형태의 효과를 확인하기 위해서 행한 실험예 1 및 2에 대해 설명한다.
[실험예 1]
이 실험예 1에서는, 제2 실시형태에 대응하는 실시예 1에 의한 접합 구조체(500)(도 9 참조)와, 비교예 1에 의한 접합 구조체를 제작하고, 각각에 대해 접합강도 및 제2 부재의 외관을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112017006649782-pct00001
우선, 실시예 1에 의한 접합 구조체(500)의 제작방법에 대해 설명한다.
실시예 1의 접합 구조체(500)에서는, 제1 부재(501)의 재료로서 SUS304를 이용함과 함께, 제2 부재(502)의 재료로서 PMMA(미쓰비시 레이온 제의 아크릴라이트(등록상표))를 이용하였다. 제1 부재(501)는, 판 형상으로 형성되어 있고, 길이가 100mm 이며, 폭이 29mm 이며, 두께가 3mm 이다. 제2 부재(502)는, 판 형상으로 형성되어 있고, 길이가 100mm 이며, 폭이 25mm 이며, 두께가 3mm 이다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 부재(501)의 표면의 소정 영역(R)에 레이저를 조사한다. 이 소정 영역(R)은, 접합 구조체(500)가 접합되는 면적으로서, 12.5mm × 20mm 로 하였다. 또, 이 레이저의 조사는, 오므론 제의 파이버 레이저 마커 MX-Z2000을 이용해서 행하였다. 이 레이저에 의한 가공조건은 아래와 같다.
< 레이저 가공조건 >
레이저: 파이버 레이저(파장 1062nm)
발진모드: 펄스발진(주파수 10kHz)
출력: 3.8W
주사속도: 650mm/sec
주사회수: 20회
조사간격: 65㎛
서브 펄스 수: 20
또한, 주파수는, 복수(본 예에서는 20)의 서브 펄스에 의해서 구성되는 펄스의 주파수이다. 즉, 이 조사조건으로는, 1초간에 650mm 이동하면서 65㎛의 간격으로 1만회 레이저(펄스)를 조사하며, 그 펄스가 20의 서브 펄스에 의해서 구성되어 있다. 또한, 주사회수는, 레이저가 동일한 장소에 반복해서 조사되는 회수이다.
이와 같이, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성되는 레이저를 조사하는 것에 의해, 제1 부재(501)의 소정 영역(R)에는 천공부가 형성됨과 함께, 그 천공 부 내에 표면으로부터 들어간 위치에 돌출부가 형성된다. 즉, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개구직경(R4)(도 4 참조)이, 표면의 개구직경(R3)(도 4 참조) 및 개구직경(R5)(도 4 참조)보다 작아지게 된다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 부재(501)의 소정 영역(R)에 제2 부재(502)를 인접 배치하고, 소정의 압력을 부여한 상태로 제2 부재(502)측으로부터 레이저를 소정 영역(R)에 조사하는 것에 의해, 제2 부재(502)가 제1 부재(501)에 접합된다. 이 레이저에 의한 접합조건은, 아래와 같다.
< 레이저 접합조건 >
레이저: 반도체 레이저(파장 808nm)
발진모드: 연속발진
출력: 30W
초점직경: 4mm
주사속도: 1mm/sec
밀착압력: 0.6MPa
이와 같이 하여, 실시예 1의 접합 구조체(500)(도 9 참조)를 제작하였다.
다음에, 비교예 1에 의한 접합 구조체의 제작방법에 대해 설명한다.
비교예 1의 접합 구조체로는, 제1 부재 및 제2 부재의 재료로서 실시예 1과 동일한 것을 이용하였다. 그리고, 비교예 1의 접합 구조체로는, 펄스 컨트롤 기능이 없는 파이버 레이저를 이용해서 천공부를 형성하였다. 즉, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성되어 있지 않은 레이저를 조사하는 것에 의해 천공부가 형성되었다. 이 때문에, 비교예 1의 제1 부재에는, 사발 형상(원추형)의 천공부가 형성되었다. 즉, 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 제1 부재에는, 내주면으로부터 내측으로 돌출하는 돌출부가 형성되지 않고, 실시예 1의 개구직경 R4 및 R5에 대응하는 형상이 형성되어 있지 않다. 또, 비교예 1에서는, 레이저에 의한 접합조건을 아래와 같이 하였다.
< 레이저 접합조건 >
레이저: 반도체 레이저(파장 808nm)
발진모드: 연속발진
출력: 100W
초점직경: 4mm
주사속도: 1mm/sec
밀착압력: 0.6MPa
그리고, 실시예 1의 접합 구조체(500) 및 비교예 1의 접합 구조체에 대해서, 접합강도 및 제2 부재의 외관을 평가하였다.
또한, 접합강도의 평가는, 인스트롱 제의 전기기계식 만능 시험기 5900을 이용해서 행하였다. 구체적으로는, 전단방향 및 박리방향(수직방향) 모두 인장속도 5mm/min으로 시험을 행하고, 제2 부재의 파단 또는 접합계면의 파단으로 시험을 종료하였다. 그리고, 제2 부재가 파단하였을 경우에 접합강도가 합격(○)이라고 평가하고, 접합계면이 파단(박리)하였을 경우에 접합강도가 불합격(×)이라고 평가하였다.
또, 접합 후의 제2 부재의 외관의 평가는, 목시(目視)에 의해서 행하였다. 구체적으로는, 제2 부재에 연소, 변색, 변형이 없는 경우에 합격(○)이라고 평가하고, 제2 부재에 연소, 변색, 변형이 있는 경우에 불합격(×)이라고 평가하였다.
상기한 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 접합 구조체(500)로는, 전단방향 및 박리방향 모두 접합강도가 합격이며, 제2 부재(502)의 외관도 합격이었다. 이것은, 제2 부재(502)를 제1 부재(501)에 접합할 때에, 조사된 레이저가 돌출부에 의해 천공부의 내부에 갇히기 쉽기 때문에, 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있어, 레이저의 에너지를 필요 최소한으로 억제할 수 있기 때문이다. 즉, 실시예 1의 접합 구조체(500)로는, 제2 부재(502)의 열에 의한 열화를 억제할 수 있었다.
이것에 비해서, 비교예 1의 접합 구조체로는, 전단방향 및 박리방향 모두 접합강도가 합격이었지만, 제2 부재에 연소가 발생하고 있어 외관이 불합격이었다. 이것은, 제2 부재를 제1 부재에 접합할 때에, 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환하는 것이 곤란하여, 레이저의 에너지(접합용 레이저의 출력)가 실시예 1에 비해 높게 설정되었기 때문이다.
[실험예 2]
이 실험예 2에서는, 제2 실시형태에 대응하는 실시예 2에 의한 접합 구조체와, 비교예 2에 의한 접합 구조체를 제작하고, 각각에 대하여 접합강도 및 제2 부재의 외관을 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112017006649782-pct00002
이 실험예 2에서는, 제1 부재의 재료를 실험예 1과는 다르게 변경하였다. 구체적으로는, 실험예 2의 접합 구조체로는, 제1 부재의 재료로서 PBT(윈 텍 폴리머 제의 듀라넥스(등록상표) 3316)를 이용하였다. 또, 제1 부재의 재료의 변경에 수반하여, 실시예 2의 레이저 가공조건을 아래와 같이 변경하였다.
< 레이저 가공조건 >
레이저: 파이버 레이저(파장 1062nm)
발진모드: 펄스발진(주파수 10kHz)
출력: 1.1W
주사속도: 650mm/sec
주사회수: 3회
조사간격: 65㎛
서브 펄스 수: 3
또, 실시예 2의 접합조건을 아래와 같이 변경하였다.
< 레이저 접합조건 >
레이저: 반도체 레이저(파장 808nm)
발진모드: 연속발진
출력: 1.0W
초점직경: 4mm
주사속도: 1mm/sec
밀착압력: 0.6MPa
또, 비교예 2의 접합조건을 아래와 같이 변경하였다.
< 레이저 접합조건 >
레이저: 반도체 레이저(파장 808nm)
발진모드: 연속발진
출력: 2.5W
초점직경: 4mm
주사속도: 1mm/sec
밀착압력: 0.6MPa
이와 같이 하여, 천공부에 돌출부가 형성된 실시예 2의 접합 구조체와, 천공부에 돌출부가 형성되어 있지 않은 비교예 2의 접합 구조체가 제작되었다. 또한, 접합강도 및 외관의 평가방법은 실험예 1과 같다.
상기한 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 2의 접합 구조체로는, 전단방향 및 박리방향 모두 접합강도가 합격이며, 제2 부재의 외관도 합격이었다. 즉, 제1 부재의 재료로서 수지인 PBT를 이용한 경우에도, 돌출부를 가지는 천공부를 형성하는 것에 의해, 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환할 수 있으므로, 레이저의 에너지를 필요 최소한으로 억제할 수 있어, 제2 부재가 열에 의해 열화되는 것을 억제할 수 있었다.
이것에 비해서, 비교예 2의 접합 구조체로는, 전단방향 및 박리방향 모두 접합강도가 합격이었지만, 제2 부재에 연소가 발생하고 있어 외관이 불합격이었다. 이것은, 제2 부재를 제1 부재에 접합할 때에, 레이저의 에너지를 효율적으로 열로 변환하는 것이 곤란하여, 레이저의 에너지가 실시예 2에 비해 높게 설정되었기 때문이다.
(다른 실시형태)
또한, 이번에 개시한 실시형태는, 모든 점에서 예시이며, 한정적인 해석의 근거가 되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는, 상기한 실시형태에 의해서만 해석되는 것이 아니고, 특허 청구의 범위의 기재에 근거하여 확정된다. 또, 본 발명의 기술적 범위에는, 특허 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 제1 실시형태에 있어서, 표면(13)이, 평탄해도 좋고, 만곡되어 있어도 좋다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
또, 제1 실시형태에서는, 확경부(111)와 축경부(112)가 연속되도록 형성되는 예를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 확경부와 축경부와의 사이에 깊이방향으로 직선으로 연장되는 부분이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
또, 제1 실시형태에서는, 천공부(11)의 주위가 평탄한 예를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 도 10에 나타내는 제1 변형예에 따른 제1 부재(10a)와 같이, 천공부(11)의 개구의 주위에 표면(13)으로부터 위쪽으로 융기하는 융기부(14)가 형성되어 있어도 좋다. 융기부(14)는, 천공부(11)의 주위를 둘러싸도록 형성되어 있어, 평면적으로 볼 때 대략 원형으로 형성되어 있다. 이 융기부(14)는, 예를 들어, 1펄스가 복수의 서브 펄스로 구성되는 레이저가 조사될 때에, 용해된 제1 부재(10a)가 퇴적되는 것에 의해서 형성된다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
또, 제1 실시형태에서는, 천공부(11)의 축선중심이 표면(13)에 대해서 수직인 예를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 도 11에 나타내는 제2 변형예에 따른 제1 부재(10b)와 같이, 천공부(11b)의 축선중심이 표면(13)에 대해서 경사지도록 형성되어 있어도 좋다. 천공부(11b)의 내주면에는 내측으로 돌출하는 돌출부(12b)가 형성되어 있다. 이 천공부(11b)는, 예를 들어, 레이저의 조사방향을 표면(13)에 대해서 경사지게(45도 이상 90도 미만) 하는 것에 의해 형성된다. 이것에 의해, 천공부(11b)를 형성하는 영역의 위쪽에, 레이저를 조사할 때의 장애물이 존재하는 경우에도, 천공부(11b)를 형성할 수 있다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
또, 제1 실시형태에서는, 천공부(11)에 1개의 돌출부(12)가 형성되는 예를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 도 12에 나타내는 제3 변형예에 따른 제1 부재(10c)와 같이, 천공부(11c)에 복수의 돌출부(121c 및 122c)가 형성되어 있어도 좋다. 이 천공부(11c)는, 예를 들어, 레이저의 출력 조건을 변경하여, 레이저를 동일한 장소에 조사하는 것에 의해 형성하는 것이 가능하다. 이와 같이 구성하면, 천공부(11c)의 표면적이 커지기 때문에, 보다 효율적으로 접합용 레이저의 에너지를 열로 변환할 수 있다. 또한, 도 12에서는 돌출부는 121c 및 122c의 2군데이지만, 3군데 이상 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
또, 도 13에 나타내는 제1 실시형태의 제4 변형예에 따른 제1 부재(10d)와 같이, 위치를 어긋나게 한 복수회의 레이저 조사에 의해 1개의 천공부(11d)를 형성하도록 하여도 좋다. 즉, 레이저 조사에 의해서 형성되는 천공부의 일부가 중첩되는 것에 의해, 1개의 천공부(11d)가 형성되도록 하여도 좋다. 천공부(11d)의 내주면에는 내측으로 돌출하는 돌출부(12d)가 형성되어 있다. 또한, 제2 실시형태에 대해서도 마찬가지이다. 또, 상기한 제1 ~ 제4 변형예를 적절히 조합하도록 하여도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은, 상이한 재료로 이루어지는 제1 부재 및 제2 부재가 접합된 접합 구조체의 제조방법 및 접합 구조체에 이용 가능하다.
10, 10a, 10b, 10c, 10d: 제1 부재
11, 11b, 11c, 11d: 천공부
12, 12b, 121c, 122c, 12d: 돌출부
13: 표면
20: 제2 부재
30: 제1 부재
31: 천공부
32: 돌출부
33: 표면
100: 접합 구조체
111: 확경부(제1 확경부)
112: 축경부(제1 축경부)
113: 저부
200: 접합 구조체
311: 축경부(제2 축경부)
312: 확경부(제2확경부)
313: 축경부(제3 축경부)
314: 저부

Claims (6)

  1. 제1 부재와 제2 부재가 접합된 접합 구조체의 제조방법으로서,
    상기 제1 부재의 표면에 개구를 가지는 비관통구멍인 천공부를 형성함과 함께, 상기 천공부의 내주면에 내측으로 돌출하는 돌출부를 형성하는 공정과,
    상기 제1 부재의 천공부가 형성된 영역과 상기 제2 부재를 인접 배치하는 공정과,
    상기 제2 부재측으로부터 상기 제1 부재의 천공부가 형성된 영역에 레이저를 조사하는 것에 의해, 상기 제1 부재의 천공부에 상기 제2 부재를 충전시켜 고화시키는 공정
    을 구비하며,
    상기 천공부는, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 작아지는 제2 축경부와, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 커지는 제2 확경부와, 깊이방향에 있어서 표면측으로부터 저부를 향해서 개구직경이 작아지는 제3 축경부가 연속되도록 형성되어 있고, 상기 돌출부가 저부 측으로 들어간 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 축경부와 상기 제2 확경부와의 경계 부분의 개구직경은, 상기 천공부의 표면의 개구직경 및 상기 제2 확경부와 상기 제3 축경부와의 경계 부분의 개구직경보다도 작은 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 축경부는, 직선형상으로 직경이 축소되도록 형성되고, 상기 제2 확경부는, 곡선형상으로 직경이 확대되도록 형성되고, 상기 제3 축경부는, 곡선형상으로 직경이 축소되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 부재는, 금속, 열가소성 수지, 또는, 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조방법.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 부재는, 레이저를 투과시키는 수지인 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조방법.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 접합 구조체의 제조방법에 따라서 제조된 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
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