JP2005081396A - レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法 - Google Patents

レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 溶着部分における面圧を充分に確保してレーザ溶着が可能なレーザ溶着装置を提供する。
【解決手段】 本発明のレーザ溶着装置は、レーザ光を発射するレーザトーチ３と、レーザ光を集光させると共にレーザ光を透過させるレーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａを転動する球体レンズ４と、この球体レンズ４をレーザ光透過性樹脂部材１およびレーザ光吸収性樹脂部材２に対して押圧する圧力シリンダー５とを備える。そして、このレーザ溶着装置では、球体レンズ４を、レーザトーチ３のレーザ光発射出口９の真下に設ける。これにより、球体レンズ４を押圧させる位置と、レーザ照射位置とを同一の位置として、レーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光吸収性樹脂部材２との面圧を確保する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法に関し、詳細には、溶着させる２つのワークの面圧を確保してレーザ溶着を行うレーザ溶着技術に関する。
レーザ光を透過させるレーザ光透過性樹脂部材とレーザ光を透過させないレーザ光吸収性樹脂部材とを重ね合わせ、そのレーザ光吸収性樹脂部材側からレーザ光を照射してこれら両部材の接触箇所を加熱溶融させ、両部材を相互に溶着させるレーザ溶着装置が知られている。
このようなレーザ溶着装置としては、例えば、レーザ光出口よりレーザ光を発射するレーザトーチの側面に、溶着させる両部材の接触箇所を転がり可能な球状の押圧子で押さえ付ける押圧治具を一体的に形成したヘッドユニットを備え、このヘッドユニットを移動させながらレーザ光を照射させて両部材を溶着させる構成とされている（例えば、特許文献１など参照）。
このレーザ溶着装置では、レーザトーチに押圧治具を一体的に設けていることからレーザ光の焦点位置を一定に保つことができる。
特開２００１−１０５５００号公報（第１５頁および第１６頁、第１４図）
しかしながら、このレーザ溶着装置では、レーザトーチの側面に押圧治具を一体的に形成し、レーザ光出口と押圧子とを横並びの配列としているので、ヘッドユニットが大型すると共に、レーザ光を照射する位置と押圧子で押さえる位置とが離れているため、レーザ光透過性樹脂部材とレーザ光吸収性樹脂部材の面圧を確保することが難しい。また、このレーザ溶着装置では、ヘッドユニットの走査にベクトル（ヘッドユニット走査時に先頭を一定に保つようにするための方向性）を考慮しなければならず、走査の動きが複雑になる（プログラムおよび設備が複雑になる）。
そこで、本発明は、溶着部分における面圧を充分に確保してレーザ溶着が可能なレーザ溶着装置およびレーザ溶着方法を提供することを目的とする。
前記した目的を達成するために、本発明に係るレーザ溶着装置は、レーザ光を発射するレーザ光発射手段と、レーザ光を集光させると共にレーザ光を透過させるワークの表面を転動する球体レンズと、この球体レンズをワークに対して押圧する押圧手段とを備える。そして、本発明のレーザ溶着装置では、前記球体レンズを、レーザ光発射手段のレーザ光発射出口の真下に設ける。
本発明に係るレーザ溶着装置によれば、レーザ光発射出口の真下に、このレーザ光発射出口より発射されるレーザ光を接触箇所に集光させると共にレーザ光を透過させるワークの表面を転動する球体レンズを設け、この球体レンズをワークに対して押圧させたので、この球体レンズによって、溶着位置の真上からワークを押さ付けることができ、両ワークの面圧を充分に確保させることができる。
また、本発明のレーザ溶着装置によれば、レーザ光を集光させると共にワークの表面を転動する球体レンズをレーザ光発射出口の真下に設けたので、ヘッドユニットを小型化することができる。さらに、本発明のレーザ溶着装置によれば、球体レンズでワークを押さえている位置と、レーザ光が照射される位置とが一致するため、ヘッドユニットの走査にベクトル（方向性）が不要となる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施の形態のレーザ溶着装置の全体構成図、図２はレーザ溶着装置の球体レンズ部分の要部拡大図、図３はレーザ光をワークに照射したときのレーザ光照射部分の説明図である。
本実施の形態のレーザ溶着装置は、図１に示すように、例えばレーザ光を透過させるレーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光を吸収するレーザ光吸収性樹脂部材２といった異なる物性を有した、２つのワークをレーザ光の照射によって溶着させる装置である。このレーザ溶着装置は、レーザトーチなどを有したヘッドユニットと、不活性ガスを供給するガス噴出手段である不活性ガス供給装置とを備えている。
ヘッドユニットは、レーザ光を発射するレーザ光発射手段であるレーザトーチ３と、レーザ光を集光させると共にレーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａを転動する球体レンズ４と、この球体レンズ４をこれらレーザ光透過性樹脂部材１及びレーザ光吸収性樹脂部材２に対して押圧させる押圧手段である圧力シリンダー５と、球体レンズ４を回転可能に保持する回転保持手段である回転保持機構部６と、球体レンズ４をワークに対して押圧する押圧力および球体レンズ４に対するワークからの突き上げ力を緩和させる押圧力緩和手段である弾性体としてのバネ７とから構成されている。
本実施の形態でレーザ溶着するワークには、レーザ光を透過させるレーザ光透過性樹脂部材１と、レーザ光を吸収するレーザ光吸収性樹脂部材２とが使用される。これらレーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光吸収性樹脂部材２は、レーザ光透過性樹脂部材１が上になるように重ねられ、該レーザ光透過性樹脂部材１側からレーザ光が照射されて溶着される。
レーザトーチ３は、レーザ光Ｈｖを発射するレーザ発射手段である。このレーザトーチ３の下端部には、レーザ光Ｈｖを発射させるレーザ光発射出口９が形成されている。また、このレーザトーチ３の上端部には、後述するバネ７の下端部を支えるバネ受け部１０が形成されている。
球体レンズ４は、図２に示すように、レーザ光発射出口９から発射されたレーザ光Ｈｖを透過させると共に、そのレーザ光Ｈｖを所定のスポット径としてレーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光吸収性樹脂部材２の接触箇所である溶着部１１に集光させる機能をする。また、この球体レンズ４は、レーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａを転動しながら溶着する部分を押さえ付ける機能をする。
前記球体レンズ４には、例えば球形状をなす高屈折率の光学レンズが採用される。本実施の形態では、球径５ｍｍ（Φ５）、屈折率１．８であるＳＣＨＯＴＴ ＧＬＡＳ社製のＬａＳＦＮ９（商品名）を球体レンズ４として使用した。このＬａＳＦＮ９からなる球体レンズ４は、通常のレンズと比べて非常に小さく全面が研磨面であり、装置の小型化および軽量化に貢献する。
回転保持機構部６は、図２に示すように、球体レンズ４の表面に接触して当該球体レンズ４を回転自在に保持する複数個のボールベアリング１２と、これらボールベアリング１２を保持するベアリング保持部材１３と、このベアリング保持部材１３を支えるアーム１４とを有している。
ボールベアリング１２は、球体レンズ４の表面に回転自在に接触し、レーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａ上を転動し得るように前記球体レンズ４を回転自在に保持する。このボールベアリング１２を回転自在に保持するベアリング保持部材１３は、少なくとも球体レンズ４の安定した回転を保持させるために、球体レンズ４の球径の略半分以上の部分を覆って形成され、該球体レンズ４の形状に応じた円弧状とされている。このベアリング保持部材１３は、球体レンズ４の安定した回転を保持させるために、少なくとも３つ以上設けられている。そして、このベアリング保持部材１３は、レーザトーチ３の下端部よりワークへと延びるアーム１４の先端に取り付けられている。
圧力シリンダー５は、レーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａ上を転動する球体レンズ４を、レーザ光透過性樹脂部材１およびレーザ光吸収性樹脂部材２に対して押圧させる機能をする。この圧力シリンダー５は、レーザトーチ３の上部に設けられており、このレーザトーチ３に対して押圧力Ｆを付勢するようになっている。この圧力シリンダー５のシリンダー１４には、レーザトーチ３を内部に可動自在に収容させるレーザトーチ収容ホルダー１５が取り付けられている。
このレーザトーチ収容ホルダー１５には、球体レンズ４をワークに対して押圧する押圧力および球体レンズ４に対するワークからの突き上げ力を緩和させるバネ７が配置されている。このバネ７は、レーザトーチ収容ホルダー１５に形成された収容孔１６の底部とレーザトーチ３との間に配置されている。かかるバネ７は、圧力シリンダー５によって球体レンズ４をワークに対し押圧する押圧力および球体レンズ４に対するワークからの突き上げ力が過剰に作用した場合、それら過剰に作用する球体レンズ４への押圧力などを緩和させて小さなものとし、当該球体レンズ４の破損を防止する。
不活性ガス供給装置８は、不活性ガスを球体レンズ４の表面に吹き付けるガス噴出ノズル１７を有している。このガス噴出ノズル１７は、球体レンズ４に向けられており、そのノズル先端から球体レンズ４に向けて不活性ガスを噴出するようになっている。球体レンズ４の表面に付着したゴミや塵などは、このガス噴出ノズル１７の先端より噴出される不活性ガスによって排除される。なお、不活性ガスは、この種の分野で使用される一般的なガスが使用される。
［レーザ溶着方法］
次に、上述のように構成されたレーザ溶着装置を用いたレーザ溶着方法について説明する。
レーザ光吸収性樹脂部材２の上にレーザ光透過性樹脂部材１を重ねた後、このレーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａ上に球体レンズ４を載置させる。そして、圧力シリンダー５を作動させ、レーザトーチ３の先端に設けた回転保持機構部６にて保持させた球体レンズ４を、前記レーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａに押し付ける。
そして、レーザトーチ３のレーザ光発射出口９からレーザ光Ｈｖを発射させる。レーザ光発射出口９から発射されたレーザ光Ｈｖは、図２に示すように、球体レンズ４を透過して集光される。この球体レンズ４にて集光されたレーザ光Ｈｖは、レーザ光透過性樹脂部材１を透過してレーザ光吸収性樹脂部材２の表面に焦点を結ぶ。本実施の形態では、図３に示すように、レーザ光発射出口９から発射されるレーザ光Ｈｖの照射径Ｓ１を直径２．８ｍｍ（Φ２．８）とし、レーザ光吸収性樹脂部材２の表面に焦点を結ぶスポット径Ｓ２を直径０．６ｍｍ（Φ０．６）とした。
レーザ光吸収性樹脂部材２の表面に焦点を結んだレーザ光Ｈｖにより、そのレーザ光Ｈｖが照射されたレーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光吸収性樹脂部材２との接触箇所は、加熱溶融されて溶着される。そして、このレーザ光Ｈｖによる溶着を連続して行うため、ヘッドユニットを図１中矢印Ａで示す方向に移動させる。このとき、球体レンズ４は、回転保持機構部６によって回転自在に保持されていることから、レーザトーチ３の移動に伴ってレーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａ上を転動する。
また、レーザ光Ｈｖを照射してレーザ溶着するに際しては、不活性ガス供給装置８のガス噴出ノズル１７の先端から不活性ガスを噴出させ、その不活性ガスを球体レンズ４の表面に吹き付ける。球体レンズ４の表面に付着したゴミや塵などは、この不活性ガスによって吹き飛ばされる。
［作用効果］
次に、前記したレーザ溶着装置によってレーザ溶着を行った場合の作用効果について説明する。
本実施の形態では、レーザ光発射出口９の真下に設けた球体レンズ４によってレーザ光透過性樹脂部材１を押圧させているので、図３で示す溶着位置ｈ１の真上からレーザ光透過性樹脂部材１を押さえ付けることができる。このため、レーザ光透過性樹脂部材１とレーザ光吸収性樹脂部材２の面圧を充分に確保することができる。従来のレーザ溶着装置では、レーザ光を照射する位置の脇を押圧子で押さえていたため、ワークを押さえる押圧力の効率が悪かった。しかしながら、本実施の形態では、レーザ溶着する箇所の真上を球体レンズ４で押さえ付けることができるため、ワーク押圧力の効率がよい。
また、本実施の形態では、球体レンズ４が３６０度方向に回転自在であり、且つ球体レンズ４がレーザ光透過性樹脂部材１を押圧する位置ｈ２とレーザ光Ｈｖが照射される位置ｈ３とを一致させているため、ヘッドユニットの走査にベクトル（方向性）が不要となる。つまり、従来のようにレーザ光を照射する位置と押圧子でワークを押圧する位置とを離した構造であると、ヘッドユニットを移動走査する際に方向性が必要となりその制御が複雑となる。しかしながら、本実施の形態では、方向性は不要となるため、ヘッドユニットを動かす走査プログラムを簡略化することができると共に設備も簡素化できる。
また、本実施の形態では、レーザトーチ３の真下に球体レンズ４を設けた構成であるので、ヘッドユニットの小型化を実現することができる。また、この実施の形態では、レーザ光発射出口９の真下に球体レンズ４を設けると共に、この球体レンズ４をレーザ光透過性樹脂部材１の表面１ａに接触させているので、レーザ光Ｈｖが空気中を通過する距離が短く、空気中の浮遊物によるレーザ光Ｈｖへの悪影響を抑えることができる。
また、本実施の形態では、球体レンズ４をボールベアリング１２にて回転自在に保持させているので、当該球体レンズ４をスムーズに回転させることができる。また、本実施の形態では、球体レンズ４にかかる圧力シリンダー５からの押圧力およびレーザ光透過性樹脂部材１の表面凸形状からくる突き上げ力をバネ７によって緩和させているので、球体レンズ４に過剰な荷重がかからなくなる。その結果、本実施の形態のレーザ溶着装置では、球体レンズ４の傷や欠けなどを抑えることができる。
また、本実施の形態では、球体レンズ４に不活性ガスを吹き付ける不活性ガス供給装置８を備えていることから、球体レンズ４に付着するゴミや塵などを排除することができる。このため、塵埃などを介さずにレーザ光Ｈｖをワークに照射することができ、当該レーザ光Ｈｖの照射が安定する。
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
例えば、押圧力緩和手段には、コイルスプリングなどのバネ７を使用したが、バネ７の代わりに弾性ゴムや空気バネ或いは油圧バネなどを使用することもできる。
本実施の形態のレーザ溶着装置の全体構成図である。 レーザ溶着装置の球体レンズ部分の要部拡大図である。 レーザ光をワークに照射したときのレーザ光照射部分の説明図である。
符号の説明
１…レーザ光透過性樹脂部材（ワーク）
１ａ…レーザ光透過性樹脂部材の表面
２…レーザ光吸収性樹脂部材（ワーク）
３…レーザトーチ（レーザ発射手段）
４…球体レンズ
５…圧力シリンダー（押圧手段）
６…回転保持機構部
７…バネ（押圧力緩和手段）
８…不活性ガス供給装置（ガス噴出手段）
９…レーザ光発射出口
１２…ボールベアリング
１７…ガス噴出ノズル

Claims (6)

  1. 少なくとも２つのワークの接触箇所に、一方のワークを透過させてレーザ光を照射し、該接触箇所を溶融させて両ワークを溶着させるレーザ溶着装置であって、
    レーザ光を発射するレーザ光発射手段と、
    前記レーザ光発射手段のレーザ光発射出口の真下に設け、このレーザ光発射出口より発射されるレーザ光を前記接触箇所に集光させると共に、レーザ光を透過させる前記ワークの表面を転動する球体レンズと、
    前記球体レンズを前記ワークに対して押圧する押圧手段とを備えた
    ことを特徴とするレーザ溶着装置。
  2. 請求項１に記載のレーザ溶着装置であって、
    前記球体レンズを回転可能に保持する回転保持手段を備えた
    ことを特徴とするレーザ溶着装置。
  3. 請求項２に記載のレーザ溶着装置であって、
    前記回転保持手段は、ボールベアリングである
    ことを特徴とするレーザ溶着装置。
  4. 少なくとも請求項１〜請求項３の何れか一つに記載のレーザ溶着装置であって、
    前記球体レンズを前記ワークに対して押圧する押圧力および該球体レンズに対する該ワークからの突き上げ力を緩和させる押圧力緩和手段を備えた
    ことを特徴とするレーザ溶着装置。
  5. 少なくとも請求項１〜請求項４の何れか一つに記載のレーザ溶着装置であって、
    前記球体レンズに不活性ガスを吹き付けるガス噴出手段を備えた
    ことを特徴とするレーザ溶着装置。
  6. レーザ光透過性樹脂部材とレーザ光吸収性樹脂部材とを重ね合わせ、レーザ光発射手段より発射されたレーザ光を、該レーザ光透過性樹脂部材を透過させてこれら両部材を重ね合わせた接触箇所に照射し、該接触箇所を溶融させて両部材を相互に溶着させるレーザ溶着方法であって、
    前記レーザ光発射手段のレーザ光発射出口の真下にレーザ光を集光させる球体レンズを設け、この球体レンズを前記レーザ光透過性樹脂部材の表面に押し付けた状態でレーザ光による溶着を行う
    ことを特徴とするレーザ溶着方法。
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