JP2004243629A - レーザー溶着方法及び溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の樹脂材料等をレーザー光によって溶着する場合に、溶着不足や過度の温度上昇による溶融を避けて、溶着の品質を向上させる。
【解決手段】透過材４と吸収材５を溶着する時には、透過材４の溶着部分そのもの、或いはそれと同等の部分の透過率を検出器８によって測定し、透過率に応じて溶着加工用のレーザー光源１の出力が増減するように制御する。それによって、吸収材５上へ照射されるレーザー光の量が適正になり、透過率が部分的に変動しても過不足のない発熱が得られる。溶着部分の温度を放射温度計によって測定してレーザー光源１の出力を制御するというように、溶着の品質を左右するファクターを検出してフィードバック制御を行なってもよい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー溶着方法と、その方法を実行する溶着装置に係り、特に、複数の合成樹脂材料をレーザー光によって溶着して結合するのに適した前記レーザー溶着方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の樹脂材料を溶着して結合するための手段の一つとして、レーザー光を殆ど全部透過する樹脂材料と、レーザー光を吸収して発熱する樹脂材料とを接触させて保持し、ＹＡＧレーザー等のレーザー光を透過性の樹脂材料を介して吸収性の樹脂材料の一部に照射して、吸収性の樹脂材料の照射部分にレーザー光のエネルギーを吸収させることによって発熱、溶融させると共に、その熱の一部を照射部分に接触している透過性の樹脂材料の一部にも与えてその部分の温度を上昇させて溶融、融合させた後に、融合部分を冷却、固化させることにより、これら複数の樹脂材料を結合する溶着方法が知られている。
【０００３】
この溶着方法によって結合し得る複数の樹脂材料の一つである透過性の樹脂材料としては、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ＰＡ（ポリアミド）のような透過性の良い樹脂材料から、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）のような透過性の悪い樹脂材料まで、様々なものが使用される。また、耐加水分解性や寸法精度の要求から、ＰＢＴやＰＰＳ等をセンサ或いはアクチュエータに適用している例もある。
【０００４】
レーザー光に対して透過性の悪い樹脂材料の溶着について、従来技術においては条件管理や継ぎ手の工夫、或いは材質、成形条件、アニール（熱処理）時間等の変更によって透過量を増大させることにより、実用上は安定な品質を確保してきた。しかしながら、意匠等の面から樹脂材料を着色しなければならないとか、耐寸法収縮性、或いは環境等の面から、高温のアニールを実施しなければならないというように、近年の高機能な製品のニーズに対しては、これらの技術では十分に対応できない場合があるので、透過性のきわめて悪い樹脂材料に対する信頼性の高い溶着技術の開発が急務となって来ている。
【０００５】
レーザー光の透過性が十分でない樹脂材料と、透過性のない樹脂材料とを溶着する場合に生じる溶着不良を防止するために、高出力のレーザー発振器を使用して透過性が十分でない樹脂材料でも透過する程の強いレーザー光を照射すると、溶着部分以外の部分にまで過度の温度上昇が生じて溶融するため、それがトラブルの原因になるという派生的な問題が起こって来る。また、プロセスウインドウが小さい場合には、成形条件やアニール条件に基づいて設定したレーザー光の出力では、樹脂材料が十分に溶着しないということも懸念される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に鑑み、新規な手段によってそれらの問題を解消して、光の透過性の良い樹脂材料のみならず、透過性の悪いものを含む樹脂材料全般において、レーザー光による溶着を実施するに当り、近年の高機能な製品ニーズに応えるために、溶着部分の更なる品質向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１及び３に記載されたレーザー溶着方法と、それを実行するための請求項８に記載されたレーザー溶着装置を提供する。
【０００８】
樹脂材料のレーザー溶着性は、その材料にとって最適のレーザー出力を与えることによって溶着性が最大限度に達すると考えられることから、請求項１に記載されたレーザー溶着方法においては、レーザー溶着前の樹脂材料の透過率を、平均値、或いは細かく面内分布として予め計測し、その情報をロット単位、或いは各個単位でレーザー溶着機へ供給することにより、照射すべきレーザー光の出力が材料の透過率に対応して変化するように制御する。
【０００９】
請求項３に記載されたレーザー溶着方法においては、レーザー溶着の実行中に照射部分において溶着の品質を示す少なくとも一つのファクター、例えば溶着温度を計測し、その高低に応じて前述の場合と同様に、レーザー光源の出力を制御する。溶着温度は放射温度計によって測定するのが好適である。
【００１０】
本発明による複数の材料のレーザー溶着方法は、それと実質的に同じ内容の段階を順次に実行することができるように構成されたレーザー溶着装置によって、好適に実行され得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図１は本発明のレーザー溶着方法を実行する溶着装置の第１実施例として、そのシステム構成を示すブロック図である。図１において、１は、例えばＹＡＧレーザー発振器のようなレーザー光源である。レーザー光源１において発生するレーザー光３は、レンズ等を組み合わせて構成される光学系２を通過することによって集束し、所定の方向に指向されて被加工材料の溶着すべき部位に照射される。被加工材料はレーザー光３を概ね透過させる樹脂材料からなる透過材４と、それに接触していてレーザー光３を吸収する不透明な樹脂材料からなる吸収材５とからなっている。
【００１２】
第１実施例のレーザー溶着装置における以上の構成は従来のレーザー溶着装置と同様であって、レーザー光源１において発生したレーザー光３が、光学系２から透過材４を殆ど全て透過して不透明な吸収材５に照射され、そこで吸収されることによって発熱して照射された部分の吸収材５を溶融させると共に、その熱の一部が吸収材５の照射部分に接触している透過材４の部分にも伝達され、透過材４のその部分をも溶融させるので、透過材４及び吸収材５の溶融部分が相互に融合し、それらの部分が冷却された時に透過材４及び吸収材５が溶着して結合される。しかし、これだけでは前述のような様々な問題が生じて、透過材４の透過率や吸収材５の性質によっては溶着不足とか、被加工材料の過度の溶融によるトラブルを発生する恐れがある。
【００１３】
第１実施例の特徴の一つとして、レーザー光源１に作用してその出力をリアルタイムに増減制御することができるような、マイクロコンピュータを含む演算装置６が設けられる。なお、レーザー光源１と光学系２が構造的に一体となっている場合には必要でないこともあるが、図１に示すようにそれらが別体となっているような場合には、それらの間を接続してレーザー光を伝達するために可撓性のある光ファイバー７が設けられる。光ファイバー７を設けた場合には、レーザー光源１と光学系２との相対的な位置関係の自由度が高くなる。また、第１実施例の場合は、レーザー光源１と演算装置６との間を導線等によって電気的に接続している。
【００１４】
第１実施例のレーザー溶着装置における他の一つの特徴として、被加工材料のうちの透過材４において、次に溶着される部分以外の、溶着部分と同じ厚さや透過率を有する部分か、或いは透過材４と同じ材料からなり、被加工材料から必要な距離だけ離れた位置に支持されている透過材４と同形の別体のモデルに近接して、それらを透過する光の量を計測する検出器８が設けられる。検出器８が出力する電気的な信号は、導線によって前述の演算装置６へ入力される。更に、透過材４（又はそのモデル）に関して検出器８の反対側には測定用の光源９が設けられると共に、光源９から射出される光線１１を集束させて透過材４を介して検出器８へ入射させるレンズ等からなる光学系１０が設けられる。
【００１５】
測定用の光源９としては、溶着加工用のレーザー光源１と同様な、しかしそれよりも小規模なレーザー光の発振器を使用することができるほか、ハロゲン光源等、様々な光源を使用することができる。勿論、溶着加工用のレーザー光源１そのものを測定用の光源９として流用することも可能である。測定用の光源９によって発生する光線１１は、その波長が溶着加工用のレーザー光源１の発生するレーザー光３の波長と同じであるレーザー光であることが望ましいが、絶対に波長が同じレーザー光でなければならないという訳ではない。なお、この場合も、測定用の光源９とその光学系１０とを別体として、それらの間を可撓性の光ファイバー１２によって接続しているが、光源９と光学系１０とを一体化することによって、光ファイバー１２を省略してもよいことは言うまでもない。
【００１６】
第１実施例のレーザー溶着装置においては、図示しない治具等によって被加工材料の透過材４及び吸収材５を所定の位置にセットすると共に、透過材４の溶着加工を行っていない部分の両面において測定用の光学系１０と検出器８が対向するようにそれらを位置決めする。しかしながら、前述のように、透過材４と同じ樹脂材料から製作したモデルを挟んで光源９及び光学系１０と検出器８からなる測定用のシステムを、溶着加工用のレーザー光源１及び光学系２と被加工材料の透過材４及び吸収材５からなる本体のシステムから必要なだけ離れた位置に別に設けてもよい。
【００１７】
第１実施例のレーザー溶着装置はこのように構成されているから、レーザー溶着を実行する前に予め測定用の光源９から光線１１を透過材４（又は、そのモデル、以下同じ）に照射して、透過材４を透過した光線１１の量を検出器８によって測定し、その信号を演算装置６へ入力することにより透過材４の透過率を算出する。その後にレーザー溶着を実行するが、まず、測定結果として算出された透過率の大きさに応じた出力をレーザー光源１に設定し、そのレーザー光源１から光学系２を介して、設定された強さのレーザー光３を透過材４及び吸収材５からなる被加工材料へ照射する。
【００１８】
それによって、溶着部分へ照射されるレーザー光３の強さがその時に溶着される透過材４の透過率に即応した大きさに変化する。即ち、透過率が高い時はレーザー光３の強さを比較的に弱くする一方、透過率が低い時はレーザー光３の強さを強くして、過不足のない大きさのエネルギーが溶着部分の吸収材５の表面へ与えられるので、吸収材５の表面において適正な大きさの発熱が得られて、発熱量不足による溶着不良とか、反対に過度の発熱量によって吸収材５の過大な面積及び深さに溶融部分が生じることによるトラブルを防止して、高品質のレーザー溶着を行なうことができる。
【００１９】
なお、透過材４及び吸収材５の溶着部分から少し離れた位置における透過材４の一部か、或いは、本来の透過材４から離れた位置に支持されている透過材４と同じ形状を有するモデルにおける対応部分の透過率を測定することによって、溶着部分における透過材４の透過率を推定する場合には、その時の溶着部分と対応する位置の透過率を連続的に測定（即ち、透過率の面内分布を測定）していて、リアルタイムにレーザー光源１の出力が変化するように制御することが可能になるが、例えば測定部分の透過材４やモデルの形状が複雑で、測定用の光線１１が散乱するような場合には、代表的な部分の透過率を測定すると共に、透過率の平均値を算出して、その平均値に対応する出力をレーザー光源１に設定することにより出力制御を行なってもよい。
【００２０】
また、言うまでもないことであるが、より基本的な方法として、実際に溶着を行なう透過材４の溶着部分の全てを予めトレースして、透過率の面内分布を連続的に測定し、そのデータをメモリに蓄積した後に、そのデータに従ってレーザー溶着を実行することも可能である。通常の溶着工程のように、同じ形状の多数の被加工材料を繰り返して溶着する場合には、最初に被加工材料の透過材４について溶着部分全周の透過率を１回だけ測定することにより、同じロットの加工中は演算装置６によってレーザー光源１の出力制御を同じパターンで繰り返すだけでよいから、この方法が最も効率的である。
【００２１】
いずれにしても、被加工材料の一部である透過材４そのもの、或いは透過材４のモデルについて透過率の測定を行い、その後にレーザー溶着を実行するが、透過率測定のタイミングは通常はロット単位で行なうのが効率的である。しかしながら、被加工材料の透過材４の形状が複雑で厚さが一様でないとか、材料内部の結晶の分布が均等ではなくて、透過率が被加工材料の各部分毎に変化しているために、透過材４の透過率の分布をメモリに記憶して定型的に出力制御をすることができない場合には、タクトタイムや制御性に優れたシステムを使用して、時々刻々と変化する透過材４の各部分の透過率を個別に測定して、その測定結果に応じてレーザー光源１の出力がリアルタイムに変化するように制御するとよい。
【００２２】
演算装置６において、検出器８によって検出された透過率からレーザー光源１の出力を算出するために、例えば図２のフローチャートに示したような演算処理を行なう。即ち、透過材４の透過率とレーザー光源１の出力との関係は、透過率ｘとレーザー出力Ｗとの関係を示す図３のような内容のマップとか、関数式
Ｗ＝ｆ（ｘ）
のような形で定義して、演算装置６内のメモリに設定しておく。そして、ステップ２０１において透過率を測定して、得られた値をステップ２０２において定義に当てはめることにより、レーザー光源１の出力の最適値を算出する。一般的なレーザー溶着装置はアナログ式の入力システムを有するから、レーザー光源１は指令値として投入された電圧に対応する大きさのレーザー出力を発生する。従って、ステップ２０３において指令値の電圧波形を変更してレーザー光源１の出力を変化させる。出力変化のパターンについては、溶着順序を示すラインに沿って透過材４の全周にわたる透過率の変化を測定した結果に基づいて多段波形制御を行なうことも可能である。
【００２３】
図４にリアルタイム処理を行なう場合の処理の手順をフローチャートとして例示する。図４の処理と図２の処理が異なる点は、図４においてステップ４０２を設けた点にあるが、この処理は、例えば溶着部分における透過材４の厚さや結晶の分布状態等が複雑に変化することによって、図５に例示したように計測される透過率が刻々と変化する場合に、透過率に関して適切な閾値を設定して、検出された透過率をそれらの閾値と比較することにより、透過率が閾値よりも大きい時はステップ４０３へ進んでレーザー光源１の出力を変更するが、透過率が閾値よりも小さい時は出力を維持して、ステップ４０１へ戻って透過率の測定を繰り返すというように、レーザー光源１の出力を制御する。その結果、図６に例示したようにレーザー光源１の出力が増減変化する。
【００２４】
以上、透過材４の透過率の計測によるレーザー光出力の制御について記載したが、この技術、或いはアルゴリズムによれば、溶着の品質保証の観点におけるフィードバック制御システムの構築も可能である。即ち、レーザー溶着における品質の指標としては、溶着した面積や、ボイド或いは剥離のような溶着部欠陥の発生数等があるが、これらの指標を各種のセンサによって計測し、その結果によってレーザー出力やその他のパラメータを制御して、良好なレーザー溶着を実現する。ここに言う各種のセンサとは、溶着部近傍の温度を計測することができる放射温度計や、溶着部の隙間を計測することができるギャップセンサ等である。
【００２５】
本発明のレーザー溶着方法を実行する溶着装置の第２実施例として、放射温度計１３を用いた品質のフィードバック制御を行い得るシステムを図７に示す。図中１３は、溶着の品質を示すファクターの１つとして、レーザー光が照射される部分の温度、即ち溶着温度を計測する放射温度計であって、１４は放射温度計１３が検出した信号を増幅するアンプである。その他の部分の参照符号は、図１に示した第１実施例の場合と同様である。
【００２６】
第２実施例の制御システムにおいても図４に示したものと概ね同様な制御の手順をとることになるが、この場合は図４のステップ４０１に対応するステップにおいて、溶着の品質を示すファクターとして、レーザー光が照射された部分の溶着温度を放射温度計１３によって計測する。そして、ステップ４０２に対応するステップにおいて、放射温度計１３によって計測された温度を、温度に関して設定された１個以上の閾値と比較して、計測された温度が閾値を超える場合にレーザー出力を変更する一方、超えない場合にレーザー出力を維持するというような制御を行なう。
【００２７】
図８に更に具体的なシミュレーションを例示する。制御のシミュレーションであるから、図８はフィードバック制御の実際の状況を示すものではなく、考え得る溶着温度の変化の全てに対する対応を検討することと、その温度制御に使用する閾値を設定するためのものである。現実には、本発明の方法に含まれる制御の結果として、これ程大きな温度の変動幅が生じることはないので、制御電圧の変化の幅も、より小幅なものとなる。
【００２８】
図８に示した例では破線によって示す４段階の閾値を設定しており、演算装置６の出力としてレーザー光源１に入力される制御電圧の初期値を２．５Ｖとしている。計測される温度が下限１の１８０℃以上であって上限１の閾値２３０℃を超えない範囲内では初期出力の２．５Ｖを維持するが、温度が上限１の２３０℃を超えた時には制御電圧を１Ｖとする。更に、温度が上限２の閾値２５０℃をも超えて上昇した時は、制御電圧を０．５Ｖまで低下させる。それによってレーザー光源１の出力が低下することにより、照射されるレーザー光が弱くなって、溶着部分において計測される温度も低下することになる。
【００２９】
計測される溶着部分の温度が上限２の閾値２５０℃以下で上限１の閾値２３０℃以上の範囲まで低下する時は制御電圧を１Ｖに戻し、更に、上限１の閾値２３０℃以下になる時には制御電圧を２．５Ｖに上昇させる。もし溶着部分の温度が更に低下して下限１の閾値１８０℃以下になる時は制御電圧を３．５Ｖにする。それでも温度が低下し続けて下限２の閾値１１０℃以下になる時は制御電圧を４まで上昇させる。それによって溶着部分の温度も上昇することになる。以下、同様な対応を繰り返すことにより、溶着温度を変動幅の狭い範囲内に収束させて、実質的に一定値となるように制御する。
【００３０】
このような制御を行なうことによって、第２実施例のレーザー溶着方法及び装置においても第１実施例と同様な効果が得られる結果、溶着品質のばらつきがなくなり、不良品の流出を防止することができるだけでなく、不良品の発生そのものを防止することができる。
【００３１】
なお、本発明においては、前述の実施例のように複数の被加工材料の全てを樹脂材料とするとは限らず、透過材４を透明なガラスのような無機材料にする場合や、吸収材５を金属やセラミックスのような不透明な無機材料にする場合、更に透過材４及び吸収材５の双方を樹脂材料以外のものとする場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザー溶着装置の第１実施例を示すシステム構成図である。
【図２】基本的な制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】透過率とレーザー光源の出力との関係を定義するマップである。
【図４】変動する透過率に対応する制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】変動する透過率を測定した結果を例示する線図である。
【図６】変動する透過率に対応するレーザー光源の出力の変化を示す線図である。
【図７】本発明によるレーザー溶着装置の第２実施例を示すシステム構成図である。
【図８】第２実施例に関するシミュレーションを示す線図である。
【符号の説明】
１…溶着加工用のレーザー光源
２，１０…光学系
３…溶着加工用のレーザー光
４…透過材
５…吸収材
６…演算装置
７，１２…光ファイバー
８…光検出器
９…測定用の光源
１１…測定用の光線
１３…放射温度計
１４…アンプ

Claims (8)

1. 光透過性の材料と、それに溶着すべき光吸収性の材料とを密着させて支持する段階と、
   溶着加工用のレーザー光を照射する前に計測用の光線を照射して、溶着すべき部分における前記光透過性の材料の光透過率を直接的に或いは間接的に計測する段階と、
   計測された前記光透過性の材料の光透過率に応じて増減変化するように、溶着加工用のレーザー光源の出力を制御する段階と、
   前記溶着加工用のレーザー光源から前記溶着すべき部分へ溶着加工用のレーザー光を照射すると共に、前記光透過性の材料を透過させて前記光吸収性の材料の照射部分に熱を発生させる段階と、
   前記照射部分に発生した熱によって、前記光吸収性の材料と前記光透過性の材料の少なくとも一方を部分的に溶融させた後に、冷却固化させることによって、それらの材料を溶着させる段階と、
   からなる複数の材料のレーザー溶着方法。
2. 請求項１において、計測用の光線を照射することによって計測される前記光透過性の材料の光透過率に関して閾値を設定し、計測された光透過率が前記閾値を超える時は前記溶着加工用のレーザー光源の出力を変化させる一方、計測された光透過率が前記閾値を超えない時は前記溶着加工用のレーザー光源の出力を維持するように制御する、複数の材料のレーザー溶着方法。
3. 溶着すべき複数の材料を密着させて支持する段階と、
   溶着加工用のレーザー光源から前記材料の溶着すべき部分へ溶着加工用のレーザー光を照射して、照射部分に熱を発生させる段階と、
   前記照射部分において溶着の品質を示す少なくとも一つのファクターを計測する段階と、
   計測された前記ファクターに応じて増減変化するように、前記溶着加工用のレーザー光源の出力をフィードバック制御する段階と、
   前記照射部分に発生した熱によって、前記複数の材料の少なくとも一つを部分的に溶融させた後に、冷却固化させることによって、それらの材料を溶着させる段階と、
   からなる複数の材料のレーザー溶着方法。
4. 請求項３において、計測される前記ファクターに関して閾値を設定し、計測されたファクターが前記閾値を超える時は前記溶着加工用のレーザー光源の出力を変化させる一方、計測された光透過率が前記閾値を超えない時は前記溶着加工用のレーザー光源の出力を維持するように制御する、複数の材料のレーザー溶着方法。
5. 請求項３又は４において、前記ファクターが前記照射部分における前記材料の温度である、複数の材料のレーザー溶着方法。
6. 請求項５において、前記照射部分における前記材料の温度を放射温度計によって計測する、複数の材料のレーザー溶着方法。
7. 請求項３又は４において、前記ファクターが前記照射部分における前記複数の材料の間に形成される隙間の大きさである、複数の材料のレーザー溶着方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかのレーザー溶着方法を実行するように構成されたレーザー溶着装置。

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