レーザー光を用いた接合方法
【課題】互いに融着しにくい材料からなる部材同士を、レーザー光を用いた接合方法によって十分な接合強度を持たせて接合できるようにする。
【解決手段】第１部材２と第２部材３との間に、ポリマーアロイからなる中間材５を配置する。ポリマーアロイは、第１部材２を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、第２部材３を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含む。第１部材２を構成する樹脂の溶解性パラメータと第１樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、第２部材３を構成する樹脂の溶解性パラメータと第２樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定する。ポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくする。レーザー光を照射して中間材５を加熱し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３とを融着する。
【解決手段】第１部材２と第２部材３との間に、ポリマーアロイからなる中間材５を配置する。ポリマーアロイは、第１部材２を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、第２部材３を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含む。第１部材２を構成する樹脂の溶解性パラメータと第１樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、第２部材３を構成する樹脂の溶解性パラメータと第２樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定する。ポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくする。レーザー光を照射して中間材５を加熱し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３とを融着する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いて第１部材と第２部材とを接合する接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、樹脂材からなる第１部材及び第２部材を接合する方法として、レーザー光を照射する接合方法が広く用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１〜３では、第１部材及び第２部材の間にレーザー光を吸収するトナーや塗料からなるレーザー光吸収剤を介在させて、このレーザー光吸収剤にレーザー光を吸収させて第１部材及び第２部材の接合部分の加熱し溶融させ、これによって第１及び第２部材を接合するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８１９３１号公報
【特許文献２】特開２００４−１０７１号公報
【特許文献３】特開２００５−２３８４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したレーザー光を用いた接合方法は生産性が高く、その適用範囲を拡大したい。しかしながら、上記特許文献１〜３の接合方法は、第１部材と第２部材とが融着しやすい材料の場合には適用できるものの、第１部材と第２部材との材料の種類が異なり、相溶性が悪い場合のように、融着しにくい材料の場合には、特許文献１〜３の方法を用いたとしても、接合強度を十分に確保することができず、ひいてはレーザー光を用いた接合方法の適用範囲が狭いものとなる。
【０００５】
そこで、互いに融着しにくい材料からなる第１部材と第２部材とを融着する場合に、第１部材の材料と第２部材の材料とを混ぜてポリマーアロイを作っておき、このポリマーアロイを第１部材と第２部材との間に設けてレーザー光で加熱して溶融させることが考えられる。これによれば、ポリマーアロイを第１部材に融着させるとともに、第２部材に融着させることが可能になる。
【０００６】
しかし、第１部材の材料と第２部材の材料とは、そもそも、相溶性が悪く融着しにくいことが前提なので、ポリマーアロイ中の２つの樹脂の結合は弱い。よって、この方法によっても満足できる接合強度は得られないものと考えられる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、互いに相溶性が悪く融着しにくい材料からなる部材同士を、レーザー光を用いた接合方法によって十分な接合強度を持たせて接合できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、第１部材と第２部材との間に配置するポリマーアロイに工夫を凝らすことで、互いに融着しにくい材料からなる部材同士を、レーザー光を用いた接合方法により接合できるようにした。
【０００９】
第１の発明は、樹脂を成形してなる第１部材と、該第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータと２．０以上離れた溶解性パラメータを持つ樹脂を成形してなる第２部材とを、両部材の間にポリマーアロイからなる中間材を配置した状態でレーザー光を照射して接合する接合方法において、上記ポリマーアロイは、上記第１部材を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、上記第２部材を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含んでおり、該ポリマーアロイ中の第１樹脂の溶解性パラメータと上記第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定するとともに、該ポリマーアロイ中の第２樹脂の溶解性パラメータと上記第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、かつ、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を第１部材を構成する樹脂と上記第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さく設定しておき、上記中間材を、上記第１部材と上記第２部材との間に配置し、次いで、上記第１部材、上記中間材及び上記第２部材を重ねた状態で、レーザー光を照射して上記中間材を加熱し、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と上記第１部材とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と上記第２部材とを融着することを特徴とするものである。
【００１０】
この構成によれば、中間材のポリマーアロイ中の第１樹脂と、第１部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差が１．０以下であり、両者の溶解性パラメータが近いので、第１樹脂と第１部材とが融着しやすい。同様に、中間材のポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材とも融着しやすい。また、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差が第１部材を構成する樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さいため、これら第１樹脂及び第２樹脂の結合も強いものとなる。これにより、第１部材及び第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータが２．０以上離れていて融着しにくいものであっても、第１部材及び第２部材の接合強度が十分に得られる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、中間材のポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なくとも一方がエラストマーであることを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、レーザー光の照射によって第１部材と第２部材とを融着する際には、加熱された後冷却されるという、熱サイクルを受ける。このとき、第１部材と第２部材との線膨張係数の違い等が原因となって接合界面に応力が生じることがある。
【００１３】
このことに対し、第２の発明では、ポリマーアロイが弾性を有するので、接合界面の応力がポリマーアロイの弾性変形によって緩和される。
【００１４】
また、第１部材と第２部材との接合後、使用時に熱的なストレスや機械的な力が加わって第１部材と第２部材との接合界面に応力が発生することがあるが、このような応力もポリマーアロイの弾性変形によって緩和される。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、溶解性パラメータが２．０以上離れている樹脂からなる第１部材と第２部材との間に、ポリマーアロイからなる中間材を配置し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差、及び、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差を共に１．０以下とし、しかも、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、第１部材を構成する樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくしている。これにより、第１部材と第２部材とを中間材を介して十分な接合強度を持たせて接合できるので、レーザー光を用いた接合方法の適用範囲を拡大できる。
【００１６】
第２の発明によれば、ポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なく一方をエラストマーとしたので、レーザー光による接合時や接合後に、第１部材と第２部材との接合界面の応力を緩和できる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できるとともに、長期間に亘って使用しても高い接合強度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態にかかるレーザー光を用いた接合方法によって得られた接合品の断面図である。
【図２】各部材を接合する前の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態にかかるレーザー光を用いた接合方法によって得られた接合品１を示すものである。この接合品１は、第１部材２と、第２部材３とが中間材５を介在させた状態で一体化されたものである。第１部材２と、第２部材３とは、詳細は後述するが、互いに異なる種類の樹脂で構成されている。
【００２０】
第１部材２は、板状の部材であり、レーザー光を通さないレーザー光非透過性を有する材料で構成してもよいし、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する材料で構成してもよい。ここで、レーザー光非透過性とは、レーザー光を吸収するレーザー光吸収性のことであり、加熱源としてのレーザー光を一部透過及び／又は反射しても残りを吸収する性質をいい、レーザー光の全てを吸収するものも含む。このような性質を持つ材料としては、例えば、樹脂に顔料や染料を混合した材料がある。
【００２１】
本実施形態では、第１部材２は、例えば、ポリプロピレンで構成されている。ポリプロピレンのＳＰ値（溶解性パラメータ）は、以下に示す算出式を用いた方法、いわゆるＦｅｄｏｒｓ（フェダーズ）法で算出される。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式のδはＳＰ値であり、Ｖはモル体積であり、Ｅcohは結合エネルギーである。ＳＰ値の単位は、（ＭＰａ）１／２である。
【００２４】
上記式を用いてポリプロピレンのＳＰ値を、構造式から算出すると、１６．３（ＭＰａ）１／２となる。求める化合物の構造式は、ＩＲ、ＮＭＲ、マススペクトルなどの通常の構造分析手法を用いて決定すればよい。ポリプロピレンは、特に自動車産業においてリサイクル材料として多用されており、自動車の内装部材やランプのハウジング部分等に使用されている。その他にも、ポリプロピレンは、住宅設備用又は電気製品用外装部材、文房具、家具に至るまで幅広い範囲で使用されており、その用途は広い。
【００２５】
第２部材３は、無色透明で、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する材料で構成された板状の部材である。レーザー光透過性とは、加熱源としてのレーザー光を殆ど反射も吸収もせずに透過させるか、レーザー光を一部透過及び／又は反射しても溶融することなく、残りのレーザー光を透過させることのできる性質をいい、レーザー光の全てを透過させるものも含む。
【００２６】
第２部材３は、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂 (以下ＰＭＭＡ) で構成されている。ＰＭＭＡのＳＰ値は、上記算出法で１９．８（ＭＰａ）１／２となる。ＰＭＭＡは、例えば、工作機械の窓や、電気製品のディスプレー部分、上述の自動車用ランプのハウジングに隣接したレンズカバー等として使用されている。その他にも、ＰＭＭＡは、住宅設備用又は電気製品用外装部材、文房具、家具に至るまで幅広い範囲で使用されており、その用途は広い。
【００２７】
第１部材２を構成する樹脂（ポリプロピレン）のＳＰ値は１６．３であり、第２部材３を構成する樹脂（ＰＭＭＡ）のＳＰ値は１９．８であるため、両者のＳＰ値の差（絶対値）は３．５である。つまり、第１部材２を構成する樹脂のＳＰ値と、第２部材３を構成する樹脂のＳＰ値とは、２．０以上離れている。ＳＰ値が２．０以上離れていると、相溶性が悪いので、レーザー光の照射によって第１部材２及び第２部材３を溶融させた後、固化させても実用に耐え得るほどの接合強度が得られない。つまり、第１部材２と第２部材３との融着性は悪い。
【００２８】
また、第１部材２及び第２部材３を構成する樹脂に対しては、例えば、熱安定剤、酸化防止剤、紫外線安定剤、導電剤、核剤、離型剤、難燃剤、帯電防止剤、加工調剤、着色及び機能性顔料または染料、架橋剤、可塑剤及び加硫剤からなる群から選択された少なくとも一つを混合することも可能である。第２部材３に着色顔料や染料を混合する場合は、第２部材３が無色透明でなくなるが、所定のレーザー光透過性を確保できる程度の量とすればよい。
【００２９】
第１部材２及び第２部材３の厚みは、特に限定されないが、例えば０．５ｍｍ〜数ｍｍ程度である。
【００３０】
中間材５は、第１部材２を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、第２部材３を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含むポリマーアロイからなるものである。中間材５は、基本的にはシート状であるが、形状としてはこれに限られるものではなく、第１部材２と第２部材３とを効果的に接合できる形状であればよい。中間材５の厚さは、例えば、１０μｍ以上２０００μｍ以下が好ましいが、この範囲に限定されるものではない。中間材５は、極めて薄い場合には、フィルム状を呈することになり、一方、厚い場合には板状を呈することになる。また、ポリマーアロイは、弾性を有しており、弾性率は、０．０１以上５００ＭＰａ以下に設定されている。弾性率の値は、第１樹脂や第２樹脂の種類、ポリマーアロイに混合するエラストマーの種類、量等によって任意に設定することが可能である。
【００３１】
ポリマーアロイ中の第１樹脂は、第１部材２を構成する樹脂との相溶性が良好な樹脂であり、例えば、第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂とのＳＰ値の差が１以下となっている。よって、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２との融着性は良い。
【００３２】
つまり、第１部材２を構成する樹脂がポリプロピレンである場合には、第１樹脂としては、ＳＰ値が１５．３以上１７．３以下、即ち、ＳＰ値の差が１．０以下であればよく、例えばこれを満たす材料としては、天然ゴムやブタジエンゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンゴム（ＳＥＢＳ）、スチレン−ブタジエン−スチレンゴム（ＳＢＳ）、スチレン−イソプレン−スチレンゴム（ＳＩＳ）などのスチレン系エラストマーなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、他の樹脂を用いることも可能である。
【００３３】
ポリマーアロイ中の第２樹脂は、第２部材３を構成する樹脂との相溶性が良好な樹脂であり、例えば、第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂とのＳＰ値の差が１以下となっている。よって、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３との融着性は良い。
【００３４】
つまり、第２部材３を構成する樹脂がＰＭＭＡである場合には、第２樹脂としては、ＳＰ値が１８．８以上２０．８以下で、かつ、第１樹脂とのＳＰ値の差が、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さければよく、例えば、クロロプレンゴム、メタクリル酸メチル-アクリル酸ブチル-メタクリル酸ブチル共重合体（以下ＭＡＭ）やアクリル樹脂をベースとした共重合体、アクリロニトリルを共重合した樹脂やエラストマーなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、他の樹脂を用いることも可能である。
【００３５】
上述のようにポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂のＳＰ値の差は、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さい。よって、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との相溶性は、第１部材２の樹脂と第２部材３の樹脂との相溶性よりも良好である。
【００３６】
中間材５には、レーザー光を吸収するレーザー光吸収剤が混合されている。レーザー光吸収剤としては、例えば、カーボンブラック等であるが、これに限られるものではない。
【００３７】
中間材５には、少なくとも上記した第１樹脂及び第２樹脂が含まれていればよいが、例えば、中間材５の耐熱性向上や、止水性向上、良好な加工性を得るなどの実用特性を向上させる目的から、種々の樹脂を添加するようにしてもよい。これら樹脂の添加量としては、中間材５を１００重量部としたときに、添加樹脂を１０重量部以下の割合とするのが好ましいが、例えば、５０重量部以下であってもよい。
【００３８】
中間材５に添加する樹脂が例えば熱可塑性樹脂であれば、具体的には、ポリエチレン(HDPE、LDPE、LLDPE、VLDPE、ULDPE、UHDPE、Polyethylene)、ポリプロピレン(PP Co-Polymer、PP Homo-Polymer、PP Ter-Polymer)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、スチレンアクリロニトリル樹脂(SAN)、K-レジン、SBS樹脂(SBS block co-polymer)、PVDC樹脂、EVA樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、シリコン樹脂、ポリアミド(PA、PA6、PA66、PA46、PA610、PA612、PA6/66、PA6/12、PA6T、PA12、PA1212、PAMXD6)、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフ夕レート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエチレンナフタリン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアセタール、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキサイド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリチオエチルスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン及びポリエーテルイミドなどが挙げられる。
【００３９】
その他、極性官能基が化学的に結合した変性樹脂を中間材５に添加してもよく、具体的には、アクリル酸変性オレフィン樹脂、マレイン酸変性オレフィン樹脂、塩化変性オレフィン樹脂(CPP、CPE)、シラン変性オレフィン樹脂、アイオノマー樹脂、ナイロン変性オレフィン樹脂、エポキシ変性樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂(EVOH)、エチレンビニールアセテート樹脂、ホットメルト接着樹脂などの樹脂が挙げられ、これらと上記熱可塑性樹脂の混合物または共重合組成物であってもよい。
【００４０】
その他、樹脂としての熱可塑性エラストマーを中間材５に添加してもよく、具体的には、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、塩ビ系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリブタジエン系エラストマー、イソプレン系エラストマー、イオンクラスターと非晶性PE系のエラストマー、塩素化PEと非晶性PE系のエラストマー、フッ素系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー、アクリル系エラストマー等が挙げられる。
【００４１】
中間材５には、熱可塑性を阻害しない程度に、熱硬化性樹脂も添加できる。具体的には、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。同様に熱硬化性を有する樹脂としてゴムを添加してもよく、具体的には、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム及びシリコンゴム等が挙げられる。
【００４２】
上記のエラストマーを共重合体したものを中間材５に添加してもよい。
【００４３】
また、中間材５に粘着剤成分を添加してもよい。粘着剤成分としてはゴム系、アクリル系、ウレタン系、シリコン系等が挙げられる。熱可塑性エラストマーはゴム系粘着剤のベースとしても一般的であり、特に限定されないがタッキファイヤやオイル、液状オリゴマー、架橋剤等を配合することで粘着剤になり得る。
【００４４】
中間材５に粘着付与剤を添加してもよく、粘着付与剤としては、具体的に、例えばロジン系粘着付与樹脂、テルペン系粘着付与樹脂、炭化水素系粘着付与樹脂、クマロン系樹脂、クマロンインデン系樹脂などが挙げられる。オイルとしては、大別されるパラフィン系、ナフテン系、アロマ系から選べばよい。液状オリゴマーとしては、アクリル系、スチレン系、ポリイソプレンやブタジエンなどのゴム系、ポリエステル系、その他分子量数百〜数千程度の高粘度の重合体から選択することができる。
【００４５】
また、上述した樹脂に４０重量部以下で補強材や充填材を加えることができる。補強材や充填材としては、例えば、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、炭酸カルシウム等とそのウィスカー、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、アスベスト、炭化ケイ素、セラミック、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、カオリン、クレー、シリカ、パイロフィライト、ベントナイト、セリサイト、ゼオライト、モンモリロナイト、マイカ、雲母、ネフェリンシナイト、タルク、アタルバルシャイト、ウォラストナイト、ＰＭＦ、フェライト、ケイ酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、シリカ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、二硫化モリブデン、黒鉛、石こう、ガラスビーズ、ガラスパウダー、ガラスバルーン、石英、石英ガラスなどが挙げられる。
【００４６】
また、中間材５にフィラーを混合することも可能であり、この場合には、フィラーが中空であってもよい。また、フィラーは２種以上を混合することが可能であり、必要に応じて、シラン系、チタン系などのカップリング剤で予備処理して使用することができる。
【００４７】
中間材５には、有機及び無機の着色顔料や染料を添加できるが、これらと上記の補強材、充填材の量は、中間材５が所定のレーザー光吸収性を確保できる程度の量となるように、適宜調整できる。
【００４８】
中間材５には、その他、必要に応じていろいろな添加剤を配合してもよい。例えば、素練り促進剤、スコーチ防止剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、滑剤、顔料、架橋剤、架橋助剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫もどり防止剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤といった一般的なゴムプラスチック配合薬品が挙げられる。
【００４９】
中間材５に含むことが可能な成分として挙げた上記の中には、熱硬化性のものもあるが、中間材５は後述するレーザー光Ｌの照射時に熱可塑性を有していればよいので、熱硬化性の樹脂を含有していても構わないし、材料加工時に硬化反応が生じても構わないし、レーザー光Ｌの照射時の発熱で硬化反応を伴っても構わないし、レーザー光Ｌの照射後に硬化反応が起こっても構わない。
【００５０】
中間材５のレーザー光非透過性としては、例えば、波長９４０ｎｍのレーザー光の吸収率が１５％以上であることが好ましい。
【００５１】
次に、上記接合品１の製造要領について説明する。
【００５２】
第１部材２と第２部材３との間に中間材５を配置して、第１部材２、中間材５及び第２部材３を重ねる。このとき、第１部材２及び第２部材３を治具（図示せず）を用いて厚み方向にクランプしてもよい。
【００５３】
その後、図１に示すように、レーザー光Ｌを第２部材３側から中間材５へ向けて照射する。このレーザー光Ｌの種類は、接合対象物（第１部材２、中間材５及び第２部材３）の材料、厚さ、形状、レーザー光透過度合い等に応じて適宜選択できる。レーザー光Ｌを照射する装置は、周知の装置を利用することができる。
【００５４】
レーザー光Ｌの種類としては、例えば、ガスレーザー、例えば、固体レーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ励起、半導体レーザー励起など）、半導体レーザー、チューナブルダイオードレーザー、チタンサファイアレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ励起、）等が利用でき、レーザー光Ｌの種類は限定されない。これらのレーザー光のうち、通常、可視光より長波長域の８００〜１６００ｎｍ、好ましくは８００〜１１００ｎｍに発振波長を有するレーザー光が使用される。また、レーザー光Ｌは、１つの波長からなるものであってもよいし、２つ以上の波長を有するものであってもよい。レーザー光Ｌのビーム形状としては、円または楕円、ライン、ドーナツ状なども必要に応じて選択できる。
【００５５】
レーザー光Ｌは、接合対象物の厚み方向中間部分に対して垂直方向から又は斜め方向から照射されるものであってもよい。レーザー光Ｌは、１方向だけでなく複数方向から照射されるものであってもよい。接合対象物を移動させながらレーザー光Ｌの照射を行ってもよいし、スポット照射、パルス照射、ライン照射、融着したい形状に対する一括照射を単独または複数のレーザー光により同時に行ってもよい。
【００５６】
また、レーザー光Ｌの出力が低過ぎると樹脂の接合部分を互いに溶融させ難くなり、出力が高過ぎると樹脂が蒸発したり、変質し強度が低下したりするため、これを回避すべく、接合条件としてのレーザー光Ｌの出力及び走査速度、焦点位置、接合対象物へのクランプ治具によるクランプ圧力等を適宜調整する。
【００５７】
照射されたレーザー光Ｌは、第２部材３を透過して中間材５に到達する。中間材５に到達したレーザー光Ｌは、中間材５のレーザー吸収剤に吸収され、これにより中間材５が加熱される。
【００５８】
中間材５が溶融温度となるまで加熱されると溶融し始める。この中間材５の熱は第１部材２及び第２部材３に伝達されて第１部材２及び第２部材３の接合部分の樹脂も溶融する。
【００５９】
中間材５及び第１部材２の接合部分が溶融すると、中間材５のポリマーアロイが第１部材２の接合部分の樹脂と混ざる。また、中間材５及び第２部材３の接合部分の樹脂が溶融すると、中間材５のポリマーアロイが第２部材３の接合部分の樹脂と混ざる。
【００６０】
また、中間材５にレーザーの吸収性を持たせているので、低出力のレーザー光を用いても、中間材５を確実に加熱して溶融させることができる。従って、第１部材２や第２部材３が熱によって損傷（焦げや変形）してしまうのを抑制できる。
【００６１】
そして、レーザー光Ｌの照射を終了した後、中間材５は冷却・固化される。中間材５が固化すると、中間材５のポリマーアロイ中の第１樹脂が第１部材２を構成する樹脂と融着した状態になるとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂が第２部材３と融着した状態となる。これにより、第１部材２と第２部材３とが接合されて接合品１が得られる。
【００６２】
中間材５のポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂とは、ＳＰ値の差が１．０以下であり、両者の相溶性が良いので、中間材５と第１部材２との接合強度は高い。また、中間材５のポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂とも、ＳＰ値の差が１．０以下であり、両者の相溶性が良いので、中間材５と第２部材３との接合強度は高い。さらに、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂とのＳＰ値の差は、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さいため、これら第１樹脂及び第２樹脂の結合も強いものとなる。
【００６３】
このようにして一体化した接合品１は、融着部位で、実用的に充分な強度を発現している。また、接合品１は、ＪＩＳ Ｋ６８５０−１９９９に準じた引張せん断接着強さ試験を引張速度5mm/分にて行なうと、引張せん断接着強さが５００Ｎ以上である。
【００６４】
また、レーザー光Ｌの照射によって第１部材２と第２部材３とを融着する際には、加熱された後冷却されるという、熱サイクルを受ける。このとき、第１部材２と第２部材３との線膨張係数の違い等が原因となって接合界面に応力が生じることがある。このことに対しては、中間材５が弾性を有していることから、接合界面の応力を緩和することができる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できる。
【００６５】
また、得られた接合品１には、使用時に熱的なストレスや機械的な力が加わって第１部材２と第２部材３との接合界面に応力が発生することがあるが、このような応力も中間材５の存在によって緩和することができる。従って、接合品１を長期間に亘って使用しても接合強度を維持することができる。
【００６６】
以上説明したように、この実施形態にかかるレーザーを用いた接合方法によれば、第１部材２と第２部材３との間に、ポリマーアロイからなる中間材５を配置し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂との溶解性パラメータの差、及び、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差を共に１．０以下とし、しかも、ポリマーアロイ中の第１樹脂２と第２樹脂３との溶解性パラメータの差を、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくしている。これにより、第１部材２及び第２部材３を構成する樹脂の溶解性パラメータが２．０以上離れていて融着しにくいものであっても、第１部材と第２部材とを十分な接合強度を持たせて接合できる。よって、レーザー光を用いた接合方法の適用範囲を拡大できる。
【００６７】
また、ポリマーアロイに弾性を持たせたので、レーザー光による接合時や接合後に、第１部材２と第２部材３との接合界面の応力を緩和できる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できるとともに、長期間に亘って使用しても高い接合強度を維持することができる。
【００６８】
尚、上記実施形態では、第２部材３側からレーザー光を照射するようにしているが、これに限らず、第１部材２をレーザー光透過性を有する部材で構成し、第１部材２側からレーザー光を照射するようにしてもよい。これにより、第１部材２側から照射されたレーザー光が中間材５に到達して中間材５が加熱される。
【００６９】
また、本発明にかかるレーザー光を用いた接合方法は、例えば、自動車用部品、化粧品用ケース、住設用又は電気製品用外装部材以外にも、各種接合品を製造する場合に適用できる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例について表１に基づいて説明する。
【００７１】
【表１】
【００７２】
第１部材２は、比較例１〜３及び実施例の全てで同じ部材であり、ポリプロピレン製の板材である。具体的には、ポリプロピレンは、サンアロマー株式会社製のサンアロマーＰＭ７７１Ｍを用いている。第１部材２の板厚は２ｍｍとし、幅は２５ｍｍとした。レーザー透過率は、７％であり、また、ＳＰ値は、上述したとおり、１６．３である。
【００７３】
第２部材３は、比較例１〜３及び実施例の全てで同じ部材であり、ＰＭＭＡ製の板材である。具体的には、三菱レイヨン株式会社製のアクリライトＬ−００１を用いている。第２部材３の板厚は２ｍｍとし、幅は２５ｍｍとした。レーザー透過率は、９３％であり、また、ＳＰ値は、上述したとおり、１９．８である。
【００７４】
レーザー光Ｌは、半導体レーザー装置から出力し、波長は９４０ｎｍ、出力は２５０Ｗ、走査速度は１．２ｍ／分とした。比較例１〜３及び実施例の全てで同じである。
【００７５】
まず、比較例１について説明する。比較例１では、中間材５を用いずに、第１部材２及び第２部材３を幅２５ｍｍ×奥行き３５ｍｍの範囲で直接重ね、第２部材３側から上記レーザー光Ｌを照射し、幅方向に走査した。結果は、第１部材２及び第２部材３の融着は不可能であった。つまり、殆ど力を加えなくても第１部材２が第３部材３から剥離してしまう。理由は、第１部材２の樹脂と、第２部材３の樹脂とのＳＰ値が２．０以上離れていて相溶性が悪いためである。
【００７６】
次に、比較例２について説明する。比較例２では、第１部材２、中間材（本発明のものとは異なる）及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材は、ＭＡＭで構成しており、大きさは幅２５ｍｍ×奥行き３５ｍｍであり、厚みは０．５ｍｍである。ＭＡＭの品名はＬＡ４２８５である。ＭＡＭのＳＰ値は、１９．７である。結果は、比較例１と同様に融着不可であった。
【００７７】
次に、比較例３について説明する。比較例３では、第１部材２、中間材（本発明のものとは異なる）及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材は、ＳＩＳで構成しており、大きさ及び厚みは比較例２の中間材と同じである。ＳＩＳの品名はクインタック３４２１である。ＳＩＳのＳＰ値は、１７．３である。結果は、接合界面に破壊が起こり、第１部材２を第２部材３から手で容易に剥離することができる程度の弱い接合力しか得られず、実用には耐えられない。具体的には、接合強度の試験方法は、接合状態にある第１部材２及び第２部材３を剪断方向で、かつ、レーザー光Ｌの走査方向と直交する方向に引張力（引張速度５ｍｍ／分）を加えて行った。この試験方法では、５０Ｎの引張力で剥離した。
【００７８】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、第１部材２、中間材５及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材５は、第１樹脂として比較例３の中間材と同じＳＩＳを用い、第２樹脂として比較例２の中間材と同じＭＡＭを用い、これらを混合した。また、中間材５には、レーザー光吸収剤として、近赤外線吸収色素（昭和電工株式会社製のＩＲ−１３Ｆ）を０．５重量部添加した。中間材５の大きさ及び厚みは、比較例１と同じである。結果は、手で剥離するのは困難であった。具体的には、上記試験方法で１０００Ｎの引張力で剥離し、このとき中間材５が凝集破壊を起こしていた。このように、本発明によれば接合強度が十分に得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上説明したように、本発明にかかるレーザー光を用いた接合方法は、例えば、自動車用部品、化粧品用ケース、住設用又は電気製品用外装部材等を製造する場合に使用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１ 接合品
２ 第１部材
３ 第２部材
５ 中間材
Ｌ レーザー光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いて第１部材と第２部材とを接合する接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、樹脂材からなる第１部材及び第２部材を接合する方法として、レーザー光を照射する接合方法が広く用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１〜３では、第１部材及び第２部材の間にレーザー光を吸収するトナーや塗料からなるレーザー光吸収剤を介在させて、このレーザー光吸収剤にレーザー光を吸収させて第１部材及び第２部材の接合部分の加熱し溶融させ、これによって第１及び第２部材を接合するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８１９３１号公報
【特許文献２】特開２００４−１０７１号公報
【特許文献３】特開２００５−２３８４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したレーザー光を用いた接合方法は生産性が高く、その適用範囲を拡大したい。しかしながら、上記特許文献１〜３の接合方法は、第１部材と第２部材とが融着しやすい材料の場合には適用できるものの、第１部材と第２部材との材料の種類が異なり、相溶性が悪い場合のように、融着しにくい材料の場合には、特許文献１〜３の方法を用いたとしても、接合強度を十分に確保することができず、ひいてはレーザー光を用いた接合方法の適用範囲が狭いものとなる。
【０００５】
そこで、互いに融着しにくい材料からなる第１部材と第２部材とを融着する場合に、第１部材の材料と第２部材の材料とを混ぜてポリマーアロイを作っておき、このポリマーアロイを第１部材と第２部材との間に設けてレーザー光で加熱して溶融させることが考えられる。これによれば、ポリマーアロイを第１部材に融着させるとともに、第２部材に融着させることが可能になる。
【０００６】
しかし、第１部材の材料と第２部材の材料とは、そもそも、相溶性が悪く融着しにくいことが前提なので、ポリマーアロイ中の２つの樹脂の結合は弱い。よって、この方法によっても満足できる接合強度は得られないものと考えられる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、互いに相溶性が悪く融着しにくい材料からなる部材同士を、レーザー光を用いた接合方法によって十分な接合強度を持たせて接合できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、第１部材と第２部材との間に配置するポリマーアロイに工夫を凝らすことで、互いに融着しにくい材料からなる部材同士を、レーザー光を用いた接合方法により接合できるようにした。
【０００９】
第１の発明は、樹脂を成形してなる第１部材と、該第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータと２．０以上離れた溶解性パラメータを持つ樹脂を成形してなる第２部材とを、両部材の間にポリマーアロイからなる中間材を配置した状態でレーザー光を照射して接合する接合方法において、上記ポリマーアロイは、上記第１部材を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、上記第２部材を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含んでおり、該ポリマーアロイ中の第１樹脂の溶解性パラメータと上記第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定するとともに、該ポリマーアロイ中の第２樹脂の溶解性パラメータと上記第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、かつ、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を第１部材を構成する樹脂と上記第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さく設定しておき、上記中間材を、上記第１部材と上記第２部材との間に配置し、次いで、上記第１部材、上記中間材及び上記第２部材を重ねた状態で、レーザー光を照射して上記中間材を加熱し、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と上記第１部材とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と上記第２部材とを融着することを特徴とするものである。
【００１０】
この構成によれば、中間材のポリマーアロイ中の第１樹脂と、第１部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差が１．０以下であり、両者の溶解性パラメータが近いので、第１樹脂と第１部材とが融着しやすい。同様に、中間材のポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材とも融着しやすい。また、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差が第１部材を構成する樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さいため、これら第１樹脂及び第２樹脂の結合も強いものとなる。これにより、第１部材及び第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータが２．０以上離れていて融着しにくいものであっても、第１部材及び第２部材の接合強度が十分に得られる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、中間材のポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なくとも一方がエラストマーであることを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、レーザー光の照射によって第１部材と第２部材とを融着する際には、加熱された後冷却されるという、熱サイクルを受ける。このとき、第１部材と第２部材との線膨張係数の違い等が原因となって接合界面に応力が生じることがある。
【００１３】
このことに対し、第２の発明では、ポリマーアロイが弾性を有するので、接合界面の応力がポリマーアロイの弾性変形によって緩和される。
【００１４】
また、第１部材と第２部材との接合後、使用時に熱的なストレスや機械的な力が加わって第１部材と第２部材との接合界面に応力が発生することがあるが、このような応力もポリマーアロイの弾性変形によって緩和される。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、溶解性パラメータが２．０以上離れている樹脂からなる第１部材と第２部材との間に、ポリマーアロイからなる中間材を配置し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差、及び、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差を共に１．０以下とし、しかも、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、第１部材を構成する樹脂と第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくしている。これにより、第１部材と第２部材とを中間材を介して十分な接合強度を持たせて接合できるので、レーザー光を用いた接合方法の適用範囲を拡大できる。
【００１６】
第２の発明によれば、ポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なく一方をエラストマーとしたので、レーザー光による接合時や接合後に、第１部材と第２部材との接合界面の応力を緩和できる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できるとともに、長期間に亘って使用しても高い接合強度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態にかかるレーザー光を用いた接合方法によって得られた接合品の断面図である。
【図２】各部材を接合する前の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態にかかるレーザー光を用いた接合方法によって得られた接合品１を示すものである。この接合品１は、第１部材２と、第２部材３とが中間材５を介在させた状態で一体化されたものである。第１部材２と、第２部材３とは、詳細は後述するが、互いに異なる種類の樹脂で構成されている。
【００２０】
第１部材２は、板状の部材であり、レーザー光を通さないレーザー光非透過性を有する材料で構成してもよいし、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する材料で構成してもよい。ここで、レーザー光非透過性とは、レーザー光を吸収するレーザー光吸収性のことであり、加熱源としてのレーザー光を一部透過及び／又は反射しても残りを吸収する性質をいい、レーザー光の全てを吸収するものも含む。このような性質を持つ材料としては、例えば、樹脂に顔料や染料を混合した材料がある。
【００２１】
本実施形態では、第１部材２は、例えば、ポリプロピレンで構成されている。ポリプロピレンのＳＰ値（溶解性パラメータ）は、以下に示す算出式を用いた方法、いわゆるＦｅｄｏｒｓ（フェダーズ）法で算出される。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式のδはＳＰ値であり、Ｖはモル体積であり、Ｅcohは結合エネルギーである。ＳＰ値の単位は、（ＭＰａ）１／２である。
【００２４】
上記式を用いてポリプロピレンのＳＰ値を、構造式から算出すると、１６．３（ＭＰａ）１／２となる。求める化合物の構造式は、ＩＲ、ＮＭＲ、マススペクトルなどの通常の構造分析手法を用いて決定すればよい。ポリプロピレンは、特に自動車産業においてリサイクル材料として多用されており、自動車の内装部材やランプのハウジング部分等に使用されている。その他にも、ポリプロピレンは、住宅設備用又は電気製品用外装部材、文房具、家具に至るまで幅広い範囲で使用されており、その用途は広い。
【００２５】
第２部材３は、無色透明で、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する材料で構成された板状の部材である。レーザー光透過性とは、加熱源としてのレーザー光を殆ど反射も吸収もせずに透過させるか、レーザー光を一部透過及び／又は反射しても溶融することなく、残りのレーザー光を透過させることのできる性質をいい、レーザー光の全てを透過させるものも含む。
【００２６】
第２部材３は、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂 (以下ＰＭＭＡ) で構成されている。ＰＭＭＡのＳＰ値は、上記算出法で１９．８（ＭＰａ）１／２となる。ＰＭＭＡは、例えば、工作機械の窓や、電気製品のディスプレー部分、上述の自動車用ランプのハウジングに隣接したレンズカバー等として使用されている。その他にも、ＰＭＭＡは、住宅設備用又は電気製品用外装部材、文房具、家具に至るまで幅広い範囲で使用されており、その用途は広い。
【００２７】
第１部材２を構成する樹脂（ポリプロピレン）のＳＰ値は１６．３であり、第２部材３を構成する樹脂（ＰＭＭＡ）のＳＰ値は１９．８であるため、両者のＳＰ値の差（絶対値）は３．５である。つまり、第１部材２を構成する樹脂のＳＰ値と、第２部材３を構成する樹脂のＳＰ値とは、２．０以上離れている。ＳＰ値が２．０以上離れていると、相溶性が悪いので、レーザー光の照射によって第１部材２及び第２部材３を溶融させた後、固化させても実用に耐え得るほどの接合強度が得られない。つまり、第１部材２と第２部材３との融着性は悪い。
【００２８】
また、第１部材２及び第２部材３を構成する樹脂に対しては、例えば、熱安定剤、酸化防止剤、紫外線安定剤、導電剤、核剤、離型剤、難燃剤、帯電防止剤、加工調剤、着色及び機能性顔料または染料、架橋剤、可塑剤及び加硫剤からなる群から選択された少なくとも一つを混合することも可能である。第２部材３に着色顔料や染料を混合する場合は、第２部材３が無色透明でなくなるが、所定のレーザー光透過性を確保できる程度の量とすればよい。
【００２９】
第１部材２及び第２部材３の厚みは、特に限定されないが、例えば０．５ｍｍ〜数ｍｍ程度である。
【００３０】
中間材５は、第１部材２を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、第２部材３を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含むポリマーアロイからなるものである。中間材５は、基本的にはシート状であるが、形状としてはこれに限られるものではなく、第１部材２と第２部材３とを効果的に接合できる形状であればよい。中間材５の厚さは、例えば、１０μｍ以上２０００μｍ以下が好ましいが、この範囲に限定されるものではない。中間材５は、極めて薄い場合には、フィルム状を呈することになり、一方、厚い場合には板状を呈することになる。また、ポリマーアロイは、弾性を有しており、弾性率は、０．０１以上５００ＭＰａ以下に設定されている。弾性率の値は、第１樹脂や第２樹脂の種類、ポリマーアロイに混合するエラストマーの種類、量等によって任意に設定することが可能である。
【００３１】
ポリマーアロイ中の第１樹脂は、第１部材２を構成する樹脂との相溶性が良好な樹脂であり、例えば、第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂とのＳＰ値の差が１以下となっている。よって、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２との融着性は良い。
【００３２】
つまり、第１部材２を構成する樹脂がポリプロピレンである場合には、第１樹脂としては、ＳＰ値が１５．３以上１７．３以下、即ち、ＳＰ値の差が１．０以下であればよく、例えばこれを満たす材料としては、天然ゴムやブタジエンゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンゴム（ＳＥＢＳ）、スチレン−ブタジエン−スチレンゴム（ＳＢＳ）、スチレン−イソプレン−スチレンゴム（ＳＩＳ）などのスチレン系エラストマーなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、他の樹脂を用いることも可能である。
【００３３】
ポリマーアロイ中の第２樹脂は、第２部材３を構成する樹脂との相溶性が良好な樹脂であり、例えば、第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂とのＳＰ値の差が１以下となっている。よって、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３との融着性は良い。
【００３４】
つまり、第２部材３を構成する樹脂がＰＭＭＡである場合には、第２樹脂としては、ＳＰ値が１８．８以上２０．８以下で、かつ、第１樹脂とのＳＰ値の差が、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さければよく、例えば、クロロプレンゴム、メタクリル酸メチル-アクリル酸ブチル-メタクリル酸ブチル共重合体（以下ＭＡＭ）やアクリル樹脂をベースとした共重合体、アクリロニトリルを共重合した樹脂やエラストマーなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、他の樹脂を用いることも可能である。
【００３５】
上述のようにポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂のＳＰ値の差は、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さい。よって、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との相溶性は、第１部材２の樹脂と第２部材３の樹脂との相溶性よりも良好である。
【００３６】
中間材５には、レーザー光を吸収するレーザー光吸収剤が混合されている。レーザー光吸収剤としては、例えば、カーボンブラック等であるが、これに限られるものではない。
【００３７】
中間材５には、少なくとも上記した第１樹脂及び第２樹脂が含まれていればよいが、例えば、中間材５の耐熱性向上や、止水性向上、良好な加工性を得るなどの実用特性を向上させる目的から、種々の樹脂を添加するようにしてもよい。これら樹脂の添加量としては、中間材５を１００重量部としたときに、添加樹脂を１０重量部以下の割合とするのが好ましいが、例えば、５０重量部以下であってもよい。
【００３８】
中間材５に添加する樹脂が例えば熱可塑性樹脂であれば、具体的には、ポリエチレン(HDPE、LDPE、LLDPE、VLDPE、ULDPE、UHDPE、Polyethylene)、ポリプロピレン(PP Co-Polymer、PP Homo-Polymer、PP Ter-Polymer)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、スチレンアクリロニトリル樹脂(SAN)、K-レジン、SBS樹脂(SBS block co-polymer)、PVDC樹脂、EVA樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、シリコン樹脂、ポリアミド(PA、PA6、PA66、PA46、PA610、PA612、PA6/66、PA6/12、PA6T、PA12、PA1212、PAMXD6)、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフ夕レート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエチレンナフタリン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアセタール、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキサイド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリチオエチルスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン及びポリエーテルイミドなどが挙げられる。
【００３９】
その他、極性官能基が化学的に結合した変性樹脂を中間材５に添加してもよく、具体的には、アクリル酸変性オレフィン樹脂、マレイン酸変性オレフィン樹脂、塩化変性オレフィン樹脂(CPP、CPE)、シラン変性オレフィン樹脂、アイオノマー樹脂、ナイロン変性オレフィン樹脂、エポキシ変性樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂(EVOH)、エチレンビニールアセテート樹脂、ホットメルト接着樹脂などの樹脂が挙げられ、これらと上記熱可塑性樹脂の混合物または共重合組成物であってもよい。
【００４０】
その他、樹脂としての熱可塑性エラストマーを中間材５に添加してもよく、具体的には、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、塩ビ系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリブタジエン系エラストマー、イソプレン系エラストマー、イオンクラスターと非晶性PE系のエラストマー、塩素化PEと非晶性PE系のエラストマー、フッ素系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー、アクリル系エラストマー等が挙げられる。
【００４１】
中間材５には、熱可塑性を阻害しない程度に、熱硬化性樹脂も添加できる。具体的には、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。同様に熱硬化性を有する樹脂としてゴムを添加してもよく、具体的には、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム及びシリコンゴム等が挙げられる。
【００４２】
上記のエラストマーを共重合体したものを中間材５に添加してもよい。
【００４３】
また、中間材５に粘着剤成分を添加してもよい。粘着剤成分としてはゴム系、アクリル系、ウレタン系、シリコン系等が挙げられる。熱可塑性エラストマーはゴム系粘着剤のベースとしても一般的であり、特に限定されないがタッキファイヤやオイル、液状オリゴマー、架橋剤等を配合することで粘着剤になり得る。
【００４４】
中間材５に粘着付与剤を添加してもよく、粘着付与剤としては、具体的に、例えばロジン系粘着付与樹脂、テルペン系粘着付与樹脂、炭化水素系粘着付与樹脂、クマロン系樹脂、クマロンインデン系樹脂などが挙げられる。オイルとしては、大別されるパラフィン系、ナフテン系、アロマ系から選べばよい。液状オリゴマーとしては、アクリル系、スチレン系、ポリイソプレンやブタジエンなどのゴム系、ポリエステル系、その他分子量数百〜数千程度の高粘度の重合体から選択することができる。
【００４５】
また、上述した樹脂に４０重量部以下で補強材や充填材を加えることができる。補強材や充填材としては、例えば、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、炭酸カルシウム等とそのウィスカー、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、アスベスト、炭化ケイ素、セラミック、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、カオリン、クレー、シリカ、パイロフィライト、ベントナイト、セリサイト、ゼオライト、モンモリロナイト、マイカ、雲母、ネフェリンシナイト、タルク、アタルバルシャイト、ウォラストナイト、ＰＭＦ、フェライト、ケイ酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、シリカ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、二硫化モリブデン、黒鉛、石こう、ガラスビーズ、ガラスパウダー、ガラスバルーン、石英、石英ガラスなどが挙げられる。
【００４６】
また、中間材５にフィラーを混合することも可能であり、この場合には、フィラーが中空であってもよい。また、フィラーは２種以上を混合することが可能であり、必要に応じて、シラン系、チタン系などのカップリング剤で予備処理して使用することができる。
【００４７】
中間材５には、有機及び無機の着色顔料や染料を添加できるが、これらと上記の補強材、充填材の量は、中間材５が所定のレーザー光吸収性を確保できる程度の量となるように、適宜調整できる。
【００４８】
中間材５には、その他、必要に応じていろいろな添加剤を配合してもよい。例えば、素練り促進剤、スコーチ防止剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、滑剤、顔料、架橋剤、架橋助剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫もどり防止剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤といった一般的なゴムプラスチック配合薬品が挙げられる。
【００４９】
中間材５に含むことが可能な成分として挙げた上記の中には、熱硬化性のものもあるが、中間材５は後述するレーザー光Ｌの照射時に熱可塑性を有していればよいので、熱硬化性の樹脂を含有していても構わないし、材料加工時に硬化反応が生じても構わないし、レーザー光Ｌの照射時の発熱で硬化反応を伴っても構わないし、レーザー光Ｌの照射後に硬化反応が起こっても構わない。
【００５０】
中間材５のレーザー光非透過性としては、例えば、波長９４０ｎｍのレーザー光の吸収率が１５％以上であることが好ましい。
【００５１】
次に、上記接合品１の製造要領について説明する。
【００５２】
第１部材２と第２部材３との間に中間材５を配置して、第１部材２、中間材５及び第２部材３を重ねる。このとき、第１部材２及び第２部材３を治具（図示せず）を用いて厚み方向にクランプしてもよい。
【００５３】
その後、図１に示すように、レーザー光Ｌを第２部材３側から中間材５へ向けて照射する。このレーザー光Ｌの種類は、接合対象物（第１部材２、中間材５及び第２部材３）の材料、厚さ、形状、レーザー光透過度合い等に応じて適宜選択できる。レーザー光Ｌを照射する装置は、周知の装置を利用することができる。
【００５４】
レーザー光Ｌの種類としては、例えば、ガスレーザー、例えば、固体レーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ励起、半導体レーザー励起など）、半導体レーザー、チューナブルダイオードレーザー、チタンサファイアレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ励起、）等が利用でき、レーザー光Ｌの種類は限定されない。これらのレーザー光のうち、通常、可視光より長波長域の８００〜１６００ｎｍ、好ましくは８００〜１１００ｎｍに発振波長を有するレーザー光が使用される。また、レーザー光Ｌは、１つの波長からなるものであってもよいし、２つ以上の波長を有するものであってもよい。レーザー光Ｌのビーム形状としては、円または楕円、ライン、ドーナツ状なども必要に応じて選択できる。
【００５５】
レーザー光Ｌは、接合対象物の厚み方向中間部分に対して垂直方向から又は斜め方向から照射されるものであってもよい。レーザー光Ｌは、１方向だけでなく複数方向から照射されるものであってもよい。接合対象物を移動させながらレーザー光Ｌの照射を行ってもよいし、スポット照射、パルス照射、ライン照射、融着したい形状に対する一括照射を単独または複数のレーザー光により同時に行ってもよい。
【００５６】
また、レーザー光Ｌの出力が低過ぎると樹脂の接合部分を互いに溶融させ難くなり、出力が高過ぎると樹脂が蒸発したり、変質し強度が低下したりするため、これを回避すべく、接合条件としてのレーザー光Ｌの出力及び走査速度、焦点位置、接合対象物へのクランプ治具によるクランプ圧力等を適宜調整する。
【００５７】
照射されたレーザー光Ｌは、第２部材３を透過して中間材５に到達する。中間材５に到達したレーザー光Ｌは、中間材５のレーザー吸収剤に吸収され、これにより中間材５が加熱される。
【００５８】
中間材５が溶融温度となるまで加熱されると溶融し始める。この中間材５の熱は第１部材２及び第２部材３に伝達されて第１部材２及び第２部材３の接合部分の樹脂も溶融する。
【００５９】
中間材５及び第１部材２の接合部分が溶融すると、中間材５のポリマーアロイが第１部材２の接合部分の樹脂と混ざる。また、中間材５及び第２部材３の接合部分の樹脂が溶融すると、中間材５のポリマーアロイが第２部材３の接合部分の樹脂と混ざる。
【００６０】
また、中間材５にレーザーの吸収性を持たせているので、低出力のレーザー光を用いても、中間材５を確実に加熱して溶融させることができる。従って、第１部材２や第２部材３が熱によって損傷（焦げや変形）してしまうのを抑制できる。
【００６１】
そして、レーザー光Ｌの照射を終了した後、中間材５は冷却・固化される。中間材５が固化すると、中間材５のポリマーアロイ中の第１樹脂が第１部材２を構成する樹脂と融着した状態になるとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂が第２部材３と融着した状態となる。これにより、第１部材２と第２部材３とが接合されて接合品１が得られる。
【００６２】
中間材５のポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂とは、ＳＰ値の差が１．０以下であり、両者の相溶性が良いので、中間材５と第１部材２との接合強度は高い。また、中間材５のポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂とも、ＳＰ値の差が１．０以下であり、両者の相溶性が良いので、中間材５と第２部材３との接合強度は高い。さらに、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂とのＳＰ値の差は、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さいため、これら第１樹脂及び第２樹脂の結合も強いものとなる。
【００６３】
このようにして一体化した接合品１は、融着部位で、実用的に充分な強度を発現している。また、接合品１は、ＪＩＳ Ｋ６８５０−１９９９に準じた引張せん断接着強さ試験を引張速度5mm/分にて行なうと、引張せん断接着強さが５００Ｎ以上である。
【００６４】
また、レーザー光Ｌの照射によって第１部材２と第２部材３とを融着する際には、加熱された後冷却されるという、熱サイクルを受ける。このとき、第１部材２と第２部材３との線膨張係数の違い等が原因となって接合界面に応力が生じることがある。このことに対しては、中間材５が弾性を有していることから、接合界面の応力を緩和することができる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できる。
【００６５】
また、得られた接合品１には、使用時に熱的なストレスや機械的な力が加わって第１部材２と第２部材３との接合界面に応力が発生することがあるが、このような応力も中間材５の存在によって緩和することができる。従って、接合品１を長期間に亘って使用しても接合強度を維持することができる。
【００６６】
以上説明したように、この実施形態にかかるレーザーを用いた接合方法によれば、第１部材２と第２部材３との間に、ポリマーアロイからなる中間材５を配置し、ポリマーアロイ中の第１樹脂と第１部材２を構成する樹脂との溶解性パラメータの差、及び、ポリマーアロイ中の第２樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差を共に１．０以下とし、しかも、ポリマーアロイ中の第１樹脂２と第２樹脂３との溶解性パラメータの差を、第１部材２を構成する樹脂と第２部材３を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さくしている。これにより、第１部材２及び第２部材３を構成する樹脂の溶解性パラメータが２．０以上離れていて融着しにくいものであっても、第１部材と第２部材とを十分な接合強度を持たせて接合できる。よって、レーザー光を用いた接合方法の適用範囲を拡大できる。
【００６７】
また、ポリマーアロイに弾性を持たせたので、レーザー光による接合時や接合後に、第１部材２と第２部材３との接合界面の応力を緩和できる。これにより、接合強度の低下や剥がれを防止できるとともに、長期間に亘って使用しても高い接合強度を維持することができる。
【００６８】
尚、上記実施形態では、第２部材３側からレーザー光を照射するようにしているが、これに限らず、第１部材２をレーザー光透過性を有する部材で構成し、第１部材２側からレーザー光を照射するようにしてもよい。これにより、第１部材２側から照射されたレーザー光が中間材５に到達して中間材５が加熱される。
【００６９】
また、本発明にかかるレーザー光を用いた接合方法は、例えば、自動車用部品、化粧品用ケース、住設用又は電気製品用外装部材以外にも、各種接合品を製造する場合に適用できる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例について表１に基づいて説明する。
【００７１】
【表１】
【００７２】
第１部材２は、比較例１〜３及び実施例の全てで同じ部材であり、ポリプロピレン製の板材である。具体的には、ポリプロピレンは、サンアロマー株式会社製のサンアロマーＰＭ７７１Ｍを用いている。第１部材２の板厚は２ｍｍとし、幅は２５ｍｍとした。レーザー透過率は、７％であり、また、ＳＰ値は、上述したとおり、１６．３である。
【００７３】
第２部材３は、比較例１〜３及び実施例の全てで同じ部材であり、ＰＭＭＡ製の板材である。具体的には、三菱レイヨン株式会社製のアクリライトＬ−００１を用いている。第２部材３の板厚は２ｍｍとし、幅は２５ｍｍとした。レーザー透過率は、９３％であり、また、ＳＰ値は、上述したとおり、１９．８である。
【００７４】
レーザー光Ｌは、半導体レーザー装置から出力し、波長は９４０ｎｍ、出力は２５０Ｗ、走査速度は１．２ｍ／分とした。比較例１〜３及び実施例の全てで同じである。
【００７５】
まず、比較例１について説明する。比較例１では、中間材５を用いずに、第１部材２及び第２部材３を幅２５ｍｍ×奥行き３５ｍｍの範囲で直接重ね、第２部材３側から上記レーザー光Ｌを照射し、幅方向に走査した。結果は、第１部材２及び第２部材３の融着は不可能であった。つまり、殆ど力を加えなくても第１部材２が第３部材３から剥離してしまう。理由は、第１部材２の樹脂と、第２部材３の樹脂とのＳＰ値が２．０以上離れていて相溶性が悪いためである。
【００７６】
次に、比較例２について説明する。比較例２では、第１部材２、中間材（本発明のものとは異なる）及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材は、ＭＡＭで構成しており、大きさは幅２５ｍｍ×奥行き３５ｍｍであり、厚みは０．５ｍｍである。ＭＡＭの品名はＬＡ４２８５である。ＭＡＭのＳＰ値は、１９．７である。結果は、比較例１と同様に融着不可であった。
【００７７】
次に、比較例３について説明する。比較例３では、第１部材２、中間材（本発明のものとは異なる）及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材は、ＳＩＳで構成しており、大きさ及び厚みは比較例２の中間材と同じである。ＳＩＳの品名はクインタック３４２１である。ＳＩＳのＳＰ値は、１７．３である。結果は、接合界面に破壊が起こり、第１部材２を第２部材３から手で容易に剥離することができる程度の弱い接合力しか得られず、実用には耐えられない。具体的には、接合強度の試験方法は、接合状態にある第１部材２及び第２部材３を剪断方向で、かつ、レーザー光Ｌの走査方向と直交する方向に引張力（引張速度５ｍｍ／分）を加えて行った。この試験方法では、５０Ｎの引張力で剥離した。
【００７８】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、第１部材２、中間材５及び第２部材３を順に重ね、レーザー光Ｌを照射した。重ねる範囲及びレーザー光Ｌの照射方向は、比較例１と同じである。中間材５は、第１樹脂として比較例３の中間材と同じＳＩＳを用い、第２樹脂として比較例２の中間材と同じＭＡＭを用い、これらを混合した。また、中間材５には、レーザー光吸収剤として、近赤外線吸収色素（昭和電工株式会社製のＩＲ−１３Ｆ）を０．５重量部添加した。中間材５の大きさ及び厚みは、比較例１と同じである。結果は、手で剥離するのは困難であった。具体的には、上記試験方法で１０００Ｎの引張力で剥離し、このとき中間材５が凝集破壊を起こしていた。このように、本発明によれば接合強度が十分に得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上説明したように、本発明にかかるレーザー光を用いた接合方法は、例えば、自動車用部品、化粧品用ケース、住設用又は電気製品用外装部材等を製造する場合に使用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１ 接合品
２ 第１部材
３ 第２部材
５ 中間材
Ｌ レーザー光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を成形してなる第１部材と、該第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータと２．０以上離れた溶解性パラメータを持つ樹脂を成形してなる第２部材とを、両部材の間にポリマーアロイからなる中間材を配置した状態でレーザー光を照射して接合する接合方法において、
上記ポリマーアロイは、上記第１部材を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、上記第２部材を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含んでおり、該ポリマーアロイ中の第１樹脂の溶解性パラメータと上記第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定するとともに、該ポリマーアロイ中の第２樹脂の溶解性パラメータと上記第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、かつ、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、上記第１部材を構成する樹脂と上記第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さく設定しておき、
上記中間材を、上記第１部材と上記第２部材との間に配置し、
次いで、上記第１部材、上記中間材及び上記第２部材を重ねた状態で、レーザー光を照射して上記中間材を加熱し、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と上記第１部材とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と上記第２部材とを融着することを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー光を用いた接合方法において、
中間材のポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なく一方がエラストマーであることを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
【請求項１】
樹脂を成形してなる第１部材と、該第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータと２．０以上離れた溶解性パラメータを持つ樹脂を成形してなる第２部材とを、両部材の間にポリマーアロイからなる中間材を配置した状態でレーザー光を照射して接合する接合方法において、
上記ポリマーアロイは、上記第１部材を構成する樹脂との融着性を有する第１樹脂と、上記第２部材を構成する樹脂との融着性を有する第２樹脂とを含んでおり、該ポリマーアロイ中の第１樹脂の溶解性パラメータと上記第１部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定するとともに、該ポリマーアロイ中の第２樹脂の溶解性パラメータと上記第２部材を構成する樹脂の溶解性パラメータとの差を１．０以下に設定し、かつ、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と第２樹脂との溶解性パラメータの差を、上記第１部材を構成する樹脂と上記第２部材を構成する樹脂との溶解性パラメータの差よりも小さく設定しておき、
上記中間材を、上記第１部材と上記第２部材との間に配置し、
次いで、上記第１部材、上記中間材及び上記第２部材を重ねた状態で、レーザー光を照射して上記中間材を加熱し、上記ポリマーアロイ中の第１樹脂と上記第１部材とを融着するとともに、ポリマーアロイ中の第２樹脂と上記第２部材とを融着することを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー光を用いた接合方法において、
中間材のポリマーアロイの第１樹脂と第２樹脂とのうち、少なく一方がエラストマーであることを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２４０４９７（Ｐ２０１１−２４０４９７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１１６７９（Ｐ２０１０−１１１６７９）
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５９１０００５０６）早川ゴム株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５９１０００５０６）早川ゴム株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]