WO2016117504A1 - 接合構造体の製造方法および接合構造体 - Google Patents

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WO2016117504A1
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resin
thin film
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佐藤 大輔
和義 西川
彰朗 角谷
聡 廣野
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オムロン株式会社
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    • B29K2505/14Noble metals, e.g. silver, gold or platinum

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a bonded structure and a bonded structure.
  • a laser absorber is disposed between a first laser transmissive member and a second laser transmissive member, and the laser absorber is irradiated with a laser beam.
  • the laser absorber becomes high temperature, the first laser transmissive member and the second laser transmissive member in the vicinity of the laser absorber are melted, and the first laser transmissive member and the second laser transmissive member are melted.
  • the adhesive member is welded.
  • toner or paint which is a substance having excellent absorption characteristics with respect to a laser beam, is used.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to join resin members having transparency to a laser by laser irradiation without using toner or paint. It is to provide a method for manufacturing a bonded structure and a bonded structure.
  • a method for manufacturing a bonded structure according to the present invention is a method for manufacturing a bonded structure in which a first resin member and a second resin member that are transparent to a laser are bonded.
  • a step of joining the mixed layer and the second resin member is a method for manufacturing a bonded structure in which a first resin member and a second resin member that are transparent to a laser are bonded.
  • the step of forming the mixed layer includes the step of forming a metal thin film on the surface of the first resin member and the surface of the first resin member by irradiating a laser on the metal thin film. Forming a layer.
  • the metal thin film may have a thickness of 10 ⁇ m or less.
  • the bonded structure according to the present invention is manufactured by any one of the above-described bonded structure manufacturing methods.
  • resin members having transparency to a laser can be bonded to each other by laser irradiation without using toner or paint.
  • the bonding structure 100 includes resin members 1 and 2 and a mixed layer 3 disposed between the resin members 1 and 2.
  • the resin members 1 and 2 are transparent to the laser and are bonded via the mixed layer 3.
  • the resin members 1 and 2 are examples of the “first resin member” and the “second resin member” in the present invention, respectively. Further, in FIG. 1, the hatching of the resin members 1 and 2 is omitted for easy viewing.
  • the resin members 1 and 2 are thermoplastic resins.
  • PVC polyvinyl chloride
  • PS polystyrene
  • AS acrylonitrile / styrene
  • ABS acrylonitrile / butadiene / styrene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PC polycarbonate
  • m-PPE modified polyphenylene ether
  • PA6 polyamide 6
  • PA66 polyamide 66
  • POM polyacetal
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT Polybutylene terephthalate
  • PSF polysulfone
  • PAR polyarylate
  • PEI polyetherimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PES polyethersulfone
  • PEEK polyether
  • Examples include ether ketone), PAI (polyamideimide), LCP (liquid crystal polymer
  • TPE thermoplastic elastomer
  • examples of TPE include TPO (olefin-based), TPS (styrene-based), TPEE (ester-based), TPU (urethane-based), TPA (nylon-based), And TPVC (vinyl chloride type) is mentioned.
  • a filler may be added to the resin members 1 and 2, and examples thereof include inorganic fillers (glass fibers, inorganic salts, etc.), metal fillers, organic fillers, and Examples thereof include carbon fiber.
  • the resin members 1 and 2 may be formed with the same material, and may be formed with a different material.
  • the mixed layer 3 is formed by mixing a resin (the material of the resin member 1) and a metal, and is provided to join the resin members 1 and 2 having transparency to the laser.
  • the mixed layer 3 has absorptivity with respect to the laser and is formed on the surface 11 of the resin member 1.
  • the metal material of the mixed layer 3 may be any material that can form the mixed layer 3 with the resin member 1. For example, Al (aluminum), Au (gold), Ag (silver), Cu (copper), Ti (titanium), Sn (tin), Pt (platinum), Ni (nickel) and Cr (chromium) can be mentioned.
  • the present invention is not limited to this, and the mixed layer 3 is formed in a joining region where the resin members 1 and 2 are joined.
  • the mixed layer 3 may be partially formed on the surface 11 of the resin member 1.
  • the metal thin film 3a (refer FIG. 2) mentioned later may be provided in the surface 11 of the resin member 1 in area
  • the metal thin film 3a can be used as a reflective film, for example.
  • a metal thin film 3 a is formed on the surface 11 of the resin member 1.
  • the metal thin film 3a has a thickness of 10 ⁇ m or less and is formed, for example, by vapor deposition or sputtering.
  • the present invention is not limited to this, and the metal thin film 3a may be formed at least in the bonding region. That is, the metal thin film 3 a may be partially formed on the surface 11 of the resin member 1.
  • the metal thin film 3a is irradiated with a processing laser L1.
  • a processing laser L1 is irradiated from the opposite side to the resin member 1 toward the metal thin film 3a.
  • Laser L1 is, for example, a fiber laser or an ultraviolet laser.
  • the mixed layer 3 was shown in FIG. 3, not only this but the mixed layer 3 should just be formed in the joining area
  • the mixed layer 3 and the resin member 2 are arranged adjacent to each other.
  • the resin member 2 is arranged on the opposite side to the resin member 1 with respect to the mixed layer 3.
  • the bonding layer 3 is irradiated with the joining laser L2. Accordingly, the mixed layer 3 is heated by the laser L2 being absorbed by the mixed layer 3, and the heat is transmitted to the resin members 1 and 2 in the vicinity of the mixed layer 3. For this reason, the resin members 1 and 2 in the vicinity of the mixed layer 3 are melted and then solidified, whereby the resin members 1 and 2 are welded via the mixed layer 3.
  • laser L2 is irradiated toward the mixed layer 3 from the resin member 2 side.
  • Laser L2 is, for example, a semiconductor laser.
  • 4 shows an example in which the resin members 1 and 2 are welded over the entire surface, the present invention is not limited thereto, and the resin members 1 and 2 may be partially welded.
  • the mixed layer 3 made of resin and metal has laser absorbability, so that the mixed layer 3 can be heated by the laser L2. Can be welded. That is, the laser transmissive resin members 1 and 2 can be joined using the mixed layer 3 made of resin and metal. That is, the resin members 1 and 2 that are transmissive to the laser can be joined by laser irradiation without using toner or paint.
  • region where the resin members 1 and 2 are joined can be formed with high precision by joining the resin members 1 and 2 with the laser L2.
  • a step of forming the metal thin film 3a on the surface 11 of the resin member 1 and a step of forming the mixed layer 3 by irradiating the metal thin film 3a with the laser L1 are provided.
  • the laser absorptive mixed layer 3 which consists of resin and a metal can be formed easily.
  • the resin member 1 can be melted by the laser L1 by setting the thickness of the metal thin film 3a to 10 ⁇ m or less, the mixed layer 3 made of resin and metal is formed on the surface 11 of the resin member 1. Can be formed.
  • the resin member 201 is formed in a plate shape, has a length of 100 mm, a width of 17.5 mm, and a thickness of 0.08 mm.
  • the metal thin film 203 a was formed on the surface of the resin member 201.
  • the metal thin film 203a is made of Al (aluminum) and formed by vapor deposition.
  • the metal thin film 203a was formed over the entire surface of the resin member 201 and had a thickness of 1 ⁇ m or less.
  • the joining region R is a linear region having a length of 10 mm and a width of 1 mm, and is provided so as to extend in the width direction of the resin member 201.
  • the mixed layer 203 is not formed, and the metal thin film 203a is still provided.
  • the processing laser is emitted from the side opposite to the resin member 201 toward the metal thin film 203a.
  • the irradiation conditions of the processing laser are as follows.
  • the mixed layer 203 and the resin member 202 are disposed adjacent to each other.
  • PC polycarbonate
  • the resin member 202 is formed in a plate shape, has a length of 100 mm, a width of 17.5 mm, and a thickness of 1.0 mm.
  • the resin members 201 and 202 were bonded by irradiating the bonding layer 203 in the bonding region R with a laser for bonding.
  • the bonding laser is emitted from the resin member 202 side toward the mixed layer 203.
  • the irradiation conditions of the laser for joining are as follows.
  • Laser Semiconductor laser (wavelength 808 nm) Oscillation mode: Continuous oscillation Output: 8W Focal diameter: 1mm Scanning speed: 30mm / sec Contact pressure: 0.2 MPa Number of scans: 2 In this way, a bonded structure 200 as shown in FIG. 5 was produced.
  • the metal thin film 203a and the resin member 202 were disposed adjacent to each other without irradiating the metal thin film 203a with a processing laser, but were not bonded.
  • the shear direction is a direction deviating along the bonding interface (left-right direction in FIG. 5)
  • the peeling direction is a direction perpendicular to the bonding interface (up-down direction in FIG. 5). That is, in the bonded structure 200 according to the example, the laser transmissive resin members 201 and 202 were bonded using the mixed layer 203 made of resin and metal, and sufficient bonding strength could be secured.
  • the present invention can be used for a method for manufacturing a bonded structure in which resin members having transparency to a laser are bonded to each other and a bonded structure.

Abstract

 接合構造体の製造方法は、レーザに対して透過性を有する第1樹脂部材および第2樹脂部材が接合された接合構造体の製造方法であり、第1樹脂部材の表面に、第1樹脂部材と金属とが混合され、レーザに対して吸収性を有する混合層を形成する工程と、混合層と第2樹脂部材とを隣接配置する工程と、混合層にレーザを照射することにより、混合層と第2樹脂部材とを接合する工程とを備える。

Description

接合構造体の製造方法および接合構造体
 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、2つのレーザ透過性部材をレーザビームの照射によって接合す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の接合方法では、第1のレーザ透過性部材と第2のレーザ透過性部材との間にレーザ吸収体が配置され、そのレーザ吸収体にレーザビームが照射される。これにより、レーザ吸収体が高温になることによって、レーザ吸収体近傍の第1のレーザ透過性部材および第2のレーザ透過性部材が溶融され、第1のレーザ透過性部材と第2のレーザ透過性部材とが溶着される。なお、レーザ吸収体としては、レーザビームに対する吸収特性に優れた物質であるトナーや塗料が用いられている。
特開2004-1071号公報
 しかしながら、特許文献1に記載された接合方法では、第1のレーザ透過性部材と第2のレーザ透過性部材とをレーザビームの照射によって接合することが可能であるが、トナーや塗料を用いる必要がある。
 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、トナーや塗料を用いることなく、レーザに対して透過性を有する樹脂部材同士をレーザの照射によって接合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、レーザに対して透過性を有する第1樹脂部材および第2樹脂部材が接合された接合構造体の製造方法であり、第1樹脂部材の表面に、第1樹脂部材と金属とが混合され、レーザに対して吸収性を有する混合層を形成する工程と、混合層と第2樹脂部材とを隣接配置する工程と、混合層にレーザを照射することにより、混合層と第2樹脂部材とを接合する工程とを備える。
 上記接合構造体の製造方法において、混合層を形成する工程は、第1樹脂部材の表面に金属薄膜を形成する工程と、金属薄膜にレーザを照射することにより、第1樹脂部材の表面に混合層を形成する工程とを含んでいてもよい。
 この場合において、金属薄膜は、厚みが10μm以下であってもよい。
 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。
 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、トナーや塗料を用いることなく、レーザに対して透過性を有する樹脂部材同士をレーザの照射によって接合することができる。
本発明の一実施形態による接合構造体を模式的に示した断面図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、樹脂部材に金属薄膜が形成される工程を示した図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、金属薄膜にレーザが照射されることにより混合層が形成される工程を示した図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、混合層にレーザが照射されることにより樹脂部材が接合される工程を示した図である。 実施例による接合構造体を示した斜視図である。
 以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
 まず、図1を参照して、本発明の一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、樹脂部材1および2と、樹脂部材1および2の間に配置される混合層3とを備えている。樹脂部材1および2は、レーザに対して透過性を有するとともに、混合層3を介して接合されている。なお、樹脂部材1および2は、それぞれ、本発明の「第1樹脂部材」および「第2樹脂部材」の一例である。また、図1では、見やすさを考慮して樹脂部材1および2のハッチングを省略した。
 樹脂部材1および2は、熱可塑性樹脂であり、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。また、樹脂部材1および2には、充填剤が添加されていてもよく、その一例としては、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。なお、樹脂部材1および2は、同じ材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。
 混合層3は、樹脂(樹脂部材1の材料)と金属とが混合されることによって形成されており、レーザに対して透過性を有する樹脂部材1および2を接合するために設けられている。この混合層3は、レーザに対して吸収性を有し、樹脂部材1の表面11に形成されている。混合層3の金属材料は、樹脂部材1とで混合層3を形成可能なものであればよく、一例としては、Al(アルミニウム)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、Ti(チタン)、Sn(スズ)、Pt(白金)、Ni(ニッケル)およびCr(クロム)が挙げられる。
 なお、図1では、樹脂部材1の表面11の全面に混合層3が形成される例を示したが、これに限らず、樹脂部材1および2を接合する接合領域に混合層3が形成されていればよく、混合層3が樹脂部材1の表面11に部分的に形成されていてもよい。また、樹脂部材1および2を接合する接合領域以外の領域における樹脂部材1の表面11に後述する金属薄膜3a(図2参照)が設けられていてもよい。この場合には、その金属薄膜3aをたとえば反射膜として利用することが可能である。
 -接合構造体の製造方法-
 次に、図1~図4を参照して、本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、図2に示すように、樹脂部材1の表面11に金属薄膜3aが形成される。この金属薄膜3aは、厚みが10μm以下であり、たとえば蒸着またはスパッタにより形成される。
 なお、図2では、樹脂部材1の表面11の全面に金属薄膜3aが形成される例を示したが、これに限らず、金属薄膜3aは少なくとも接合領域に形成されていればよい。すなわち、金属薄膜3aは、樹脂部材1の表面11に部分的に形成されていてもよい。
 次に、図3に示すように、金属薄膜3aに加工用のレーザL1が照射される。これにより、金属薄膜3aが高温になるとともに、その金属薄膜3aの熱が樹脂部材1の表面11に伝わり、樹脂部材1の表面11が溶融される。このため、溶融した樹脂部材1と金属薄膜3aとが混合され、その樹脂と金属との混合物が固化されることにより混合層3が形成される。なお、レーザL1は、樹脂部材1とは反対側から金属薄膜3aに向けて照射される。また、レーザL1は、たとえばファイバレーザまたは紫外線レーザである。
 なお、図3では、金属薄膜3aの全体を混合層3にする例を示したが、これに限らず、混合層3は少なくとも接合領域に形成されていればよい。すなわち、金属薄膜3aを部分的に混合層3にするようにしてもよい。
 次に、図4に示すように、混合層3と樹脂部材2とが隣接配置される。このため、樹脂部材2が混合層3に対して樹脂部材1とは反対側に配置される。そして、樹脂部材2が混合層3側(樹脂部材1側)に加圧された状態で、混合層3に接合用のレーザL2が照射される。これにより、レーザL2が混合層3で吸収されることによって混合層3が加熱され、その熱が混合層3近傍の樹脂部材1および2に伝達される。このため、混合層3近傍の樹脂部材1および2が溶融され、その後固化されることによって、樹脂部材1および2が混合層3を介して溶着される。
 なお、レーザL2は、樹脂部材2側から混合層3に向けて照射される。また、レーザL2は、たとえば半導体レーザである。また、図4では、樹脂部材1および2が全面で溶着される例を示したが、これに限らず、樹脂部材1および2が部分的に溶着されていてもよい。
 このようにして、図1に示す接合構造体100が製造される。
 -効果-
 本実施形態では、上記のように、レーザ透過性の樹脂部材1の表面11に混合層3を形成する工程と、その混合層3とレーザ透過性の樹脂部材2とをレーザL2によって接合する工程とが設けられている。このように構成することによって、樹脂と金属とからなる混合層3がレーザ吸収性を有することにより、レーザL2で混合層3を加熱することができるので、レーザ透過性の樹脂部材1および2を溶着することができる。すなわち、樹脂と金属とからなる混合層3を用いてレーザ透過性の樹脂部材1および2を接合することができる。つまり、トナーや塗料を用いることなく、レーザに対して透過性を有する樹脂部材1および2をレーザの照射によって接合することができる。また、レーザL2で樹脂部材1および2を接合することにより、樹脂部材1および2が接合される接合領域を高い精度で形成することができる。
 また、本実施形態では、樹脂部材1の表面11に金属薄膜3aを形成する工程と、金属薄膜3aにレーザL1を照射することにより混合層3を形成する工程とが設けられている。このように構成することによって、樹脂と金属とからなるレーザ吸収性の混合層3を容易に形成することができる。
 また、本実施形態では、金属薄膜3aの厚みを10μm以下にすることによって、レーザL1により樹脂部材1を溶融させることができるので、樹脂と金属とからなる混合層3を樹脂部材1の表面11に形成することができる。
 -実験例-
 次に、図5を参照して、上記した本実施形態の効果を確認するために行った実験例について説明する。
 まず、本実施形態に対応する実施例による接合構造体200の作製方法について説明する。
 実施例による接合構造体200(図5参照)では、樹脂部材201としてPET(ポリエチレンテレフタレート)を用いた。この樹脂部材201は、板状に形成されており、長さが100mmであり、幅が17.5mmであり、厚みが0.08mmである。
 そして、樹脂部材201の表面に金属薄膜203aを形成した。この金属薄膜203aは、材料がAl(アルミニウム)であり、蒸着により形成した。なお、金属薄膜203aは、樹脂部材201の表面の全面にわたって形成され、厚みが1μm以下であった。
 その後、金属薄膜203aの接合領域Rに加工用のレーザを照射することにより、その接合領域Rに混合層203を形成した。この接合領域Rは、長さが10mmで幅が1mmの線状領域であり、樹脂部材201の幅方向に延びるように設けられている。なお、接合領域R以外の領域では、混合層203が形成されておらず、金属薄膜203aが設けられたままである。加工用のレーザは、樹脂部材201とは反対側から金属薄膜203aに向けて照射される。また、加工用のレーザの照射条件は、以下のとおりである。
 <加工用のレーザ照射条件>
 レーザ:ファイバレーザ(波長1062nm)
 周波数:10kHz
 出力:3.7W
 焦点径:50μm
 走査速度:250mm/sec
 走査回数:1回
 そして、混合層203と樹脂部材202とが隣接配置される。樹脂部材202としてはPC(ポリカーボネート)を用いた。この樹脂部材202は、板状に形成されており、長さが100mmであり、幅が17.5mmであり、厚みが1.0mmである。
 そして、接合領域Rの混合層203に接合用のレーザを照射することにより、樹脂部材201および202を接合した。接合用のレーザは、樹脂部材202側から混合層203に向けて照射される。また、接合用のレーザの照射条件は、以下のとおりである。
 <接合用のレーザ照射条件>
 レーザ:半導体レーザ(波長808nm)
 発振モード:連続発振
 出力:8W
 焦点径:1mm
 走査速度:30mm/sec
 密着圧力:0.2MPa
 走査回数:2回
 このようにして、図5に示すような接合構造体200を作製した。
 なお、比較のために、金属薄膜203aに対して加工用のレーザを照射することなく、金属薄膜203aと樹脂部材202とを隣接配置して接合用のレーザを照射したが、接合しなかった。
 そして、イマダ製のデジタルフォースゲージを用いて、接合構造体200に対してせん断方向および剥離方向に引張速度5mm/minで負荷を与えたが、接合部に剥離が生じておらず、接合状態を維持することができた。なお、せん断方向とは、接合界面に沿ってずれる方向(図5における左右方向)であり、剥離方向とは、接合界面に対する垂直方向(図5における上下方向)である。すなわち、実施例による接合構造体200では、樹脂と金属とからなる混合層203を用いてレーザ透過性の樹脂部材201および202を接合するとともに、十分な接合強度を確保することができた。
 -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。
 本発明は、レーザに対して透過性を有する樹脂部材同士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。
 1   樹脂部材(第1樹脂部材)
 2   樹脂部材(第2樹脂部材)
 3   混合層
 3a  金属薄膜
 11  表面
 100 接合構造体

Claims (4)

  1.  レーザに対して透過性を有する第1樹脂部材および第2樹脂部材が接合された接合構造体の製造方法であって、
     前記第1樹脂部材の表面に、前記第1樹脂部材と金属とが混合され、レーザに対して吸収性を有する混合層を形成する工程と、
     前記混合層と前記第2樹脂部材とを隣接配置する工程と、
     前記混合層にレーザを照射することにより、前記混合層と前記第2樹脂部材とを接合す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、
     前記混合層を形成する工程は、
     前記第1樹脂部材の表面に金属薄膜を形成する工程と、
     前記金属薄膜にレーザを照射することにより、前記第1樹脂部材の表面に前記混合層を形成する工程とを含むことを特徴とする接合構造体の製造方法。
  3.  請求項2に記載の接合構造体の製造方法において、
     前記金属薄膜は、厚みが10μm以下であ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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