JP2005035069A - 部材接合装置及び部材接合方法 - Google Patents

部材接合装置及び部材接合方法 Download PDF

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和義 高田
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祐治 阪上
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宜樹 武藤
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Abstract

【課題】接合不良を未然に防止することが可能な部材接合装置を提供する。
【解決手段】部材接合装置１は、レーザ光透過性の第１の部材５０とレーザ光吸収性の第２の部材６０とを重ね合わせ、第１の部材５０側からレーザ光２１を照射し、当該第１の部材５０を通過したレーザ光２１を第２の部材６０に吸収させて加熱することにより、２つの部材５０、６０を溶着部７０で接合する装置であり、重ね合わせた第１及び第２の部材５０、６０が載置される載置台１０と、２つの部材５０、６０にレーザ光２１を照射するレーザ光照射機２０と、前記載置台１０に載置された２つの部材５０、６０を押し付けて固定する固定用シリンダ３０と、レーザ光照射機２０を制御する制御装置４０とを備え、制御装置４０は、圧力センサ１５により検出された面圧に基づいて、レーザ光２１の出力、レーザ光２１の走査速度、及び、レーザ光２１のスポット径等を変化させるようにレーザ光照射機２０を制御して、第１及び第２の部材５０、６０の所望する接合強度が確保されるように、照射するレーザ光２１のエネルギーを変化させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、レーザ光により部材を接合する部材接合装置及びその部材接合方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
レーザ光を透過する（透過率が高い）樹脂とレーザ光を吸収する（吸収率が高い）樹脂とを重ね合わせて載置台に載置し、レーザ光を透過する樹脂側から樹脂を重ね合わせた部分にレーザ光を照射し、レーザ光を吸収する樹脂の一部を溶融させることで、これら樹脂部材同士を接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この接合方法では、例えば、曲面状に形成された載置台に対して、２つの樹脂部材を撓らせて重ね合わせて、エアシリンダ等の固定用シリンダにより当該樹脂部材を押し付けて固定した状態でレーザ光を照射して接合したり、或いは、重ね合わせた樹脂部材をレーザ光透過性シートで覆い、当該シートから空気を吸引して、２つの樹脂部材を密着させて固定した状態でレーザ光を照射して接合が行われる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、レーザ光を透過する樹脂部材及び／又はレーザ光を吸収する樹脂部材が、例えば、凹状又は凸状に変形していたり、反りが生じていたり、或いは、当該樹脂部材の重ね合わせの際の作業上のバラツキ等により、重ね合わせた２つの樹脂部材同士の間や樹脂部材と載置台との間に隙間が生じ、密着度が不均一となっている場合があり、このような状態で、上記のような接合方法によりレーザ光を照射して接合すると、当該接合部における強度が一定にならず、接合不良を生じるおそれがある。
【０００５】
これに対し、このような接合不良を検出する方法として、感温性シートの上に前記２つの樹脂部材を重ね合わせた状態でレーザ光の照射し、当該感温性シートの変色の有無によって当該接合部の接合の良否を判断する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、このような方法では、レーザ光の照射による接合後に、即ち、事後的にしか接合不良個所を検出することが出来ず、当該接合不良の対処は、２つの樹脂部材を改めて載置し、再度レーザ光を照射して接合し直す必要があり、生産効率が良いとは言い難い。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６２−１４２０９２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２５１４０号公報
【０００８】
【発明の開示】
本発明は、レーザ光により部材を接合する部材接合装置及びその部材接合方法に関し、特に、接合不良を未然に防止することが可能な部材接合装置及び部材接合方法を提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明によれば、２つの部材を重ね合わせ、一方の部材側からレーザ光を照射し、前記一方の部材を透過したレーザ光を他方の部材又は前記２つの部材の間に介在する接着剤に吸収させて加熱させることにより、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する部材接合装置であって、前記他方の部材が載置される載置面と、前記２つの部材を前記載置面に固定する固定手段と、レーザ光を照射すると共に、前記載置面に対して相対的に移動可能なレーザ光照射手段と、を少なくとも備えており、前記載置面には、前記２つの部材に印加されている圧力を検出する圧力検出手段が設けられている部材接合装置が提供される。
【００１０】
本発明では、載置面に２つの部材を重ね合わせ、固定手段で固定した状態で、一方の部材側からレーザ光を照射し、前記一方の部材を透過したレーザ光を他方の部材又は前記２つの部材の間に介在する接着剤に吸収させて加熱させることにより、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する部材接合装置において、載置された２つの部材に印加されている圧力（面圧）が不均一であると、当該部材の密着性に欠け、接合不良が発生する事実に基づいて、前記２つの部材が載置される載置面に圧力検出手段を設け、当該圧力検出手段により、前記２つの部材に印可されている圧力を検出し、当該検出された圧力に基づいて接合対象部の密着性を判断する。これにより、レーザ光を照射する前に接合の良否を判断することが出来、接合不良を未然に防止することが可能となる。
【００１１】
特に上記発明においては限定されないが、前記レーザ光照射手段を制御する制御手段をさらに備え、前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させるように、前記制御手段が前記レーザ光照射手段を制御することが好ましい。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、２つの部材を重ね合わせて載置面に載置し、一方の部材側からレーザ光を照射しながら走査して、前記一方の部材を透過したレーザ光を、他方の部材又は前記２つの部材の間に介在する接着剤に吸収させて加熱させることにより、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する部材接合方法であって、前記２つの部材を重ね合わせて前記載置面に載置するステップと、前記２つの部材を前記載置面に固定するステップと、前記２つの部材に印加されている圧力を検出するステップと、前記検出された圧力に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させながら、前記２つの部材にレーザ光を照射するステップと、を備えた部材接合方法が提供される。
【００１３】
本発明では、圧力検出手段による検出結果に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させることにより、２つの部材の密着度に応じて、レーザ光照射による接合対象部の加熱の程度を加減し、接合強度を調整することが出来るので、安定した接合強度を効率的に確保することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施形態に係る部材接合装置の全体構成を示す概略図、図２は本発明の実施形態に係る部材接合装置に樹脂部材を載置した状態を示す断面図、図３は本発明の実施形態に係る部材接合装置に樹脂部材を固定した状態を示す断面図、図４は図３の固定状態において検出された圧力と照射されるレーザ光のエネルギーとの関係の一例を示す図である。
【００１６】
本発明の実施形態に係る部材接合装置１は、図１に示すように、第１の部材５０と第２の部材６０とを重ね合わせ、第１の部材５０側からレーザ光２１を照射し、当該第１の部材５０を通過したレーザ光２１を第２の部材６０に吸収させて加熱することにより、第２の部材６０の一部を溶融させて、２つの部材５０、６０を溶着部７０で接合する装置であり、重ね合わせた第１及び第２の部材５０、６０が載置される載置台１０と、２つの部材５０、６０にレーザ光２１を照射するレーザ光照射機２０（レーザ光照射手段）と、前記載置台１０に載置された２つの部材５０、６０を押し付けて固定する、例えば、エアシリンダ等を有する固定用シリンダ３０（固定手段）と、レーザ光照射機２０を制御する制御装置４０（制御手段）と、を備えている。
【００１７】
本実施形態の部材接合装置１により接合される第１の部材５０を構成する材料としては、レーザ光を透過する染料で着色された合成樹脂を用いることが出来る。これに対し、当該部材接合装置１により接合される第２の部材６０を構成する材料としては、レーザ光を吸収するようにカーボンブラックで着色された合成樹脂を用いることが出来る。
【００１８】
本実施形態の部材接合装置１の載置台１０は、その上面に第２の部材６０が載置される載置面と、先端部が載置面から上方に若干突出するように載置台１０の内部に埋め込まれた３つの圧力センサ１５と、を有しており、当該圧力センサ１５は、所定の区域ＡＲ１、ＡＲ２（図２及び図３参照）における第１及び第２の部材５０、６０に印加される圧力（面圧）をそれぞれ検出可能なように配置されている。
【００１９】
本実施形態の部材接合装置１のレーザ光照射機２０は、載置台１０に載置された２つの部材５０、６０に対して、第１の部材５０側からレーザ光２１（ＹＡＧ）を照射するレーザヘッド２２を有しており、当該レーザヘッド２２は、載置台１０に対して相対的に移動可能に、例えばＸ−Ｙレール等に支持され、当該載置台１０に対して実質的に平行な平面方向に走査可能となっている。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の部材接合装置１では、載置台１０の上に第１及び第２の部材５０、６０が載置され、固定用シリンダ３０により当該２つの部材５０、６０を固定した状態で、レーザ光照射機２０のレーザヘッド２２から第１の部材５０側に向けてレーザ光２１を照射しながら、当該レーザヘッド２２を走査させ、第１の部材５０を通過したレーザ光２１を第２の部材６０に吸収させて加熱することにより、第２の部材６０の一部が溶融し、溶着部７０で第１の部材５０と第２の部材６０とが接合される。
【００２１】
本実施形態の部材接合装置１の制御装置４０は、図１に示すように、載置台１０に埋め込まれた各圧力センサ１５と、レーザ光照射機２０とにそれぞれ接続されており、当該制御装置４０は、各圧力センサ１５により検出された圧力に基づいて、例えば、レーザ光照射機２０におけるレーザ光２１の出力［Ｗ］、レーザヘッド２２の走査速度［ｍｍ／ｓｅｃ］、及び、レーザ光２１のスポット径等を変化させるように制御して、照射されるレーザ光２１のエネルギー［Ｊ／ｍｍ］を変化させることが可能となっている。
【００２２】
以下に作用について説明する。
【００２３】
図２に示すように、先ず、部材接合装置１の載置台１０の上に、レーザ光吸収性の合成樹脂から構成される第２の部材６０を載置し、さらにその上に、レーザ光透過性の合成樹脂から構成される第１の部材５０を載置する。本実施形態においては、第１の部材５０は、その一部が凸状に変形しており、載置台１０の上に載置された状態で、第１の部材５０と第２の部材６０との間には、隙間８０が形成されている。
【００２４】
次に、図３に示すように、固定用シリンダ３０が駆動して、重ね合わせた状態の第１及び第２の部材５０、６０を上方から載置台１０に押し付けて固定し、載置台１０に設けられた３つの圧力センサ１５が２つの部材５０、６０の各区域ＡＲ１、ＡＲ２における面圧をそれぞれ検出する。
【００２５】
この圧力センサ１５による面圧の検出において、固定用シリンダ３０による押し付けの前に隙間８０が形成されていた箇所の下方に位置する圧力センサ１５（図２及び図３において中央に位置する圧力センサ１５）は、同図の第１の区域ＡＲ１の面圧を検出し、同図において左右側にそれぞれ位置する２つの圧力センサは、同図の第２の区域ＡＲ２の面圧をそれぞれ検出するが、本実施形態では、上述のように固定用シリンダ３０による固定前の第１の区域ＡＲ１に隙間部８０が形成されていたことから、第１の区域ＡＲ１の面圧が第２の区域ＡＲ２の面圧より小さく検出される（［ＡＲ１の面圧］＜［ＡＲ２の面圧］）。
【００２６】
次に、図１に示すように、レーザ光照射機２０のレーザヘッド２２がレーザ光２１を照射しながら、載置台１０の載置面に対して実質的に平行な方向に沿って移動して走査して、溶着部７０で第１の部材５０と第２の部材６０とを接合する。
【００２７】
この際、図４に示すように、制御装置４０が、各圧力センサ１５による面圧の検出結果に基づいて、例えば、レーザ光２１の出力、レーザヘッド２２の走査速度、及び、レーザ光２１のスポット径等を変化させるようにレーザ光照射機２０を制御して、２つの部材５０、６０の所望する接合強度が確保されるように、検出された面圧に基づいて、照射するレーザ光２１のエネルギーを変化させる。
【００２８】
より具体的には、隙間部８０が形成されていた第１の区域ＡＲ１は、第２の区域ＡＲ２と比較して面圧が低く、密着性に欠けているので、当該区域ＡＲ１に照射するレーザ光２１の出力を高くするように、制御装置４０はレーザ光照射機２０を制御し、当該照射するレーザ光２１のエネルギーを高くして、溶着部７０の溶着強度が弱くならないようにする。
【００２９】
これに対し、第１の区域ＡＲ１より面圧が低い第２の区域ＡＲ２を接合する場合には、当該区域を照射するレーザ光２１の出力を、第１の区域ＡＲ１を照射するレーザ光２１の出力より低くするように制御装置４０がレーザ光照射機２０を制御して、当該照射するレーザ光２１のエネルギーを低くする。
【００３０】
さらに、例えば、第１の部材５０が凹状に変形したような第１及び第２の区域ＡＲ１、ＡＲ２より面圧が高い区域が存在する場合には、当該区域に照射するレーザ光２１の出力を、第２の区域ＡＲ２に照射するレーザ光２１の出力よりさらに低くするように、制御装置４０がレーザ光照射機２０を制御して、当該照射するレーザ光２１のエネルギーをさらに低くする。
【００３１】
なお、照射するレーザ光２１のエネルギーの調整は、当該レーザ光２１の出力の調整だけでなく、レーザヘッド２２の走査速度を可変させることにより行われても良い。例えば、圧力センサ１５により検出された面圧が低い区域を接合する場合には、レーザヘッド２２の走査速度を遅くし、これに対し、圧力センサ１５により検出された面圧が高い区域を接合する場合には、レーザヘッド２２の走査速度を速くして、検出された面圧に応じて、照射するレーザ光２１のエネルギーを調整する。また、照射するレーザ光２１のエネルギーの調整は、レーザ光２１の出力とレーザヘッド２２の走査速度との両方を可変させることにより行われても良い。
【００３２】
さらに、レーザ光２１のスポット径を可変させることにより、照射するレーザ光２１のエネルギーを調整しても良い。例えば、圧力センサ１５により検出された面圧が低い区域を接合する場合には、レーザ光２１を集光させて当該スポット径を小さくして、照射するレーザ光２１のエネルギーを高くし、これに対し、圧力センサ１５により検出された面圧が高い区域を接合する場合には、当該スポット径を大きくして、照射するレーザ光２１のエネルギーを低くする。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、部材接合装置において第１及び第２の部材が載置される載置面に圧力センサを設け、当該圧力センサにより、第１及び第２の部材に印可されている圧力を検出し、当該検出された圧力に基づいて接合対象部の密着性を判断することにより、レーザ光を照射する前に接合の良否を判断することが出来、接合不良を未然に防止することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、圧力センサによる検出結果に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させることにより、第１及び第２の部材の密着度に応じて、レーザ光照射による接合対象部の加熱の程度を加減し、接合強度を調整することが出来るので、安定した接合強度を効率的に確保することが可能となる。
【００３５】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００３６】
例えば、上記の実施形態では、３つの圧力センサを用いて部材接合装置を構成するように説明したが、本発明においては特にこれに限定されず、１、２又は３つ以上の圧力センサを載置台に設けて部材接合装置を構成するようにしても良い。
【００３７】
また、例えば、上述の実施形態では、被接合体をレーザ光を透過する合成樹脂から成る第１の部材と、レーザ光を吸収する合成樹脂から成る第２の部材とから構成されるものとして説明したが、本発明においては特にこれに限定されず、例えば、第１及び第２の部材のいずれにもレーザ光を透過する樹脂部材やガラス部材等を用い、これら部材間にレーザ光を吸収する接着剤を介在させて接合されるような被接合体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る部材接合装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る部材接合装置に樹脂部材を載置した状態を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る部材接合装置に樹脂部材を固定した状態を示す断面図である。
【図４】図４は、図３の固定状態において検出された圧力と照射されるレーザ光のエネルギーとの関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…部材接合装置
１０…載置台
１５…圧力センサ
２０…レーザ光照射機
２１…レーザ光
２２…レーザ光照射ヘッド
３０…固定用シリンダ
４０…制御装置
５０…第１の部材
６０…第２の部材
７０…溶着部
８０…隙間
ＡＲ１…第１の区域
ＡＲ２…第２の区域

Claims (5)

  1. ２つの部材を重ね合わせ、一方の部材側からレーザ光を照射し、前記一方の部材を透過したレーザ光を他方の部材又は前記２つの部材の間に介在する接着剤に吸収させて加熱させることにより、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する部材接合装置であって、
    前記他方の部材が載置される載置面と、
    前記２つの部材を前記載置面に固定する固定手段と、
    レーザ光を照射すると共に、前記載置面に対して相対的に移動可能なレーザ光照射手段と、を少なくとも備えており、
    前記載置面には、前記２つの部材に印加されている圧力を検出する圧力検出手段が設けられている部材接合装置。
  2. 前記レーザ光照射手段を制御する制御手段をさらに備え、
    前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させるように、前記制御手段が前記レーザ光照射手段を制御する請求項１記載の部材接合装置。
  3. 前記制御手段は、照射するレーザ光の出力、前記載置面に対する前記レーザ光照射手段の相対移動速度、又は、照射するレーザ光のスポット径の少なくとも一つを制御することにより、照射するレーザ光のエネルギーを変化させる請求項２記載の部材接合装置。
  4. ２つの部材を重ね合わせて載置面に載置し、一方の部材側からレーザ光を照射しながら走査して、前記一方の部材を透過したレーザ光を、他方の部材又は前記２つの部材の間に介在する接着剤に吸収させて加熱させることにより、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する部材接合方法であって、
    前記２つの部材を重ね合わせて前記載置面に載置するステップと、
    前記２つの部材を前記載置面に固定するステップと、
    前記２つの部材に印加されている圧力を検出するステップと、
    前記検出された圧力に基づいて、照射するレーザ光のエネルギーを変化させながら、前記２つの部材にレーザ光を照射するステップと、を備えた部材接合方法。
  5. 前記２つの部材にレーザ光を照射するステップにおいて、
    前記２つの部材に照射するレーザ光の出力、照射するレーザ光の走査速度、又は、照射するレーザ光のスポット径の少なくとも一つを制御することにより、照射するレーザ光のエネルギーを変化させる請求項４記載の部材接合方法。
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