JP2009072987A - レーザー溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー照射によって被照射物体の溶着を高速、高精度に行う。
【解決手段】結像光学群、プリズム群、偏向光学群からなる光学素子を備えた照射ヘッドにより、同時に多点的にレーザーを高速、高精度に円筒状ワークの外周部に向けて照射し、２つの部材を接合する。また、プリズム群と偏向光学群のワークの位置だしの支持機構を備え、加工のたびにワークを確実に支持してずれを防止する。
【選択図】 図１７

Description

本発明は、レーザー光による溶着手段及び接合装置に関するものである。

近年デジタルカメラを始めとするデジタル機器に搭載される機構部品や、これを駆動する小型のモータの小型化、低コスト化が進んでいる。その中で小型の樹脂製部品同士を締結する方法としてレーザー樹脂溶着方法が注目されている。この溶着方法は接合に必要な面積が小さく、接着剤の乾燥時間不要である。一方、モータ類は外装も磁気回路に利用する構造から外装が鉄製であるものが多かったが、組立製や部品点数低減などの効果が得られるため、特許文献１に示すように外観が樹脂製部品で構成されたものが開示されている。

特許文献２に示すように、一部の偏平タイプのモータを除き、一般的に回転軸方向に長い円筒形状であるモータは、何層かのユニットを軸方向から積み重ねて組み立てる。そして、円筒状の結合部材を介し、軸方向に直交する径方向から接着剤の塗布、或いはレーザー光などによって金属溶接を行っている。ここで径方向から溶接する理由は、例えば溶接するために軸方向からレーザー光を照射できるようなツバ部などを設けるとツバ部は外筒から径方向に突出するので円筒形状にならず、装置内のモータの配置に支障をきたすからである。

また、径方向から照射する場合はその接合強度のバランスの関係から、少なくとも外周上に２点、すなわち、１８０度回転した位置の２点に照射する。

一方、レーザー装置は一般的に、電源部、レーザー発振ユニット、制御部とレーザー発振ユニットから照射ヘッドまではガラスファイバー等で接続されている。照射ヘッド１本につき、レーザー発振ユニットも１台必要である。

ワークである被照射物体が平面である場合は、照射ヘッドあるいはワークのいずれかが平面方向、すなわち、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能であればよい。一般的には照射ヘッドは焦点調節の為などから、Ｚ軸のみ上下動可能で、ワークはＸ−Ｙステージ装置に固定される。よって、ワークを動かしながらレーザー光を照射する、いわゆるライン溶着でも、複数の必要な部位のみ溶着するスポット溶着でも対応可能である。

しかし、上記に説明したような小型モータを始めとする円筒形上のユニットの径方向から、その外周を溶接しようとすると様々な問題が発生する。

まず、ワークと照射ヘッドの相対的な位置関係から、３つの方法について考える。例えば、ワークである第１の部材と第２の部材を軸方向に重ねて、外周を重畳するように構成し、その中心軸に垂直な径方向から外周部にレーザー光を照射して溶着しようとする。第１の方法として、照射ヘッド側を中心軸に対して垂直に固定し、円筒形状のワーク側をワーク回転装置に固定して、ワークの中心軸を中心に回転しながらレーザー光を照射する、方法が考えられる。

次に、第２の方法として、ワーク側をステージに固定し、照射ヘッド側をワークの外周に回動させながらレーザー光を照射する方法も考えられる。

さらに、第３の方法として、ワーク側をステージに固定し、ワーク側の中心軸の周囲に複数の照射ヘッドを固定して、ワークの外周の複数箇所にスポット的に照射する方法も考えられる。

また、集光環を形成する又は集光点を円周上に多点的にレーザー光を形成するものは、特許文献３で開示されている。これは、２つの反射部材を用い、１つの反射部材で光線分離及び偏向を行い、もう一方の反射部材で照射物体へ光線を向かわせる作用にて環形状の照射パターンを得る方法である。
特開２００３-７０２２４号 特開平９−３３１６６６号 特開２００３-００１４７４号

しかしながら、第１の方法である照射ヘッドを固定し、ワークを回転させる方法では、ワークを精度よく固定して回転する装置は複雑な構成となり易く、ワークを迅速に固定するチャッキングも容易ではない。結果として、ワークのセット毎にレーザー光の焦点位置とのずれが発生し易い。よって、被照射物体が樹脂又は金属でもレーザー光の焦点面と被照射物体の距離がばらつくことで、溶融エネルギーの変化をもたらし、溶着強度のばらつきに影響する。

また、ワークの外周の複数箇所をスポット的に溶着する場合はワーク回転装置の停止精度も高い必要がある。

次に第２の方法であるワークを固定し、照射ヘッドをワークの周りに回動させる方法では、照射ヘッドは光学系を含む為に長い筒状であることが多い。また照射ヘッドが前述したようにガラスファイバー、及びレーザー発振ユニットと一連になっている。従って、これらを同時に回動させなければならないので、さらに大型の装置となる可能性がある。フレキシブルなガラスファイバーを利用して照射ヘッド部分のみを回転させることも考えられるが、ガラスファイバーの長さはレーザー光の損失に影響するので回動範囲が限られる。さらに、ガラスファイバーのフレキシビリティには耐久性の限界がある。

以上の２種類の方法には更なる問題が生じる。ワーク或いは照射ヘッドを駆動しながらレーザー光を照射するのでワークの溶着開始する部位と終了する部位との時間差が発生する。すなわち、一部が溶融している間に開始する位置に近い部分では既に溶着後の固化が始まるので、溶着開始点と終了点との時間差によりワークの第１の部材と第２の部材の同軸などがずれる可能性がある。特に樹脂溶着の場合は、溶着時の樹脂の固化時に収縮の発生が考えられるのでより顕著にずれが現れる。また、基本的に複数の位置への照射時間、ワークの回転時間が必要となる。

次に第３の方法である固定したワークの周囲に複数の照射ヘッドを固定する方法は、前述したように照射ヘッド毎にレーザー光発振装置が必要である。従って、照射ヘッドは光学系を含む為に長い筒状であることが多いので、ワークの周りに照射ヘッドが取り囲む構成では設備が大型化し、設備費が増大する。

また、特許文献３のような例では、光学系の分割手段として反射光学系が用いられている。しかし、それでは反射光学系を空間に設置しなければならず、支持する機構が必要となるなど、照射ヘッドの構造が複雑となる。よって、大型化、長軸化、大径化する可能性があり、ワークの加工時間、いわゆるタクトタイムに影響する。すなわち、ワークが連続して供給されて、次々にレーザー加工する場合では照射ヘッドの大径化によって隣接するワークに干渉しないように加工するので、ワークの配置のピッチが大きくなる。よって、移動する照射ヘッドの移動距離が大きくなるか、ワークを固定したステージ側の移動距離が大きくなり、１ワークの加工時間が長くなる。さらに、支持機構の複雑化によって組立誤差が大きくなり、結果として照射位置の精度の低下が考えられる。

また、前記した反射部材を用いての複数点や線分パターン形状を得る照射方法は、反射部材の取り付け誤差による照射位置ズレや照射光の特性ズレを招きやすくなると共に照射光学系の大型化及び照射位置の調整方法が煩雑になってしまう問題がある。
本発明では、上記問題点を解消する、特にレーザー照射によって円筒形状の被照射物体の溶着を行うことに適した簡素な構成のレーザー溶着装置を提案する。

本発明の一側面として、レーザー光を被照射物体に照射して被照射物体を溶着するレーザー溶着装置において、光源から発するレーザー光を結像する結像光学系と、頂点方向を前記光源側に向けた錐形状であって、前記結像光学系から射出されたレーザー光が側面部に入射し、底面部から射出するようにする配置される第１のプリズムと、底面方向を前記光源側に向けた錐形状であって、を有し、前記第１のプリズムから射出されたレーザー光が底面部に入射し、側面部から射出するように配置される第２のプリズムと、前記第２のプリズムから射出されたレーザー光を前記被照射物体の外周面に照射するように偏向する偏向光学系とを有することを特徴とする。

本発明によれば、簡素で小型の光学系を用いて単一の光源を使用しても同時に複数のもしくは連続したレーザー光の照射が行える。特に円筒形状のワークに対しての径方向から溶接及び溶着加工が低コスト、小型、省スペースの設備で達成できる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１乃至図４を用いて、本発明の実施例を説明する。

光ファイバーから射出される擬似的な点光源の有効光線束を結像光学系に入射させる。射出される光線の集光点のワーキングディスタンスを確保するため、光源の点像から略点像を形成するような結像光学系を構成する。その光学系の光源側である第１レンズ群は、正の屈折力を有するので、点光源からの発散光を略アフォーカル光に屈折させる。その後方に、光線の集光作用を持たせるため正の屈折力である第２レンズ群を配置する。そして、さらに後方、結像面側に負の屈折力である第３レンズ群を配置することによって結像レンズ光学系全体の焦点距離を長焦点化し大きなワーキングディスタンスの確保を行う。また、光線の収斂作用により結像光学系の結像面側に配置するプリズム群の小型化を行っている。さらに、同時に光学系全体をテレフォト系で構成しレンズ長の短縮と収差の補正を行う。

次に結像光学系の結像面側にプリズム群を配置する。像側テレセントリック光学系は屈折光学素子によって構成される。第１のプリズムである円錐プリズム（Ａ）をプリズムの頂点を光源側に向け、頂点と底辺の中心を光軸上に一致させるような配置を行う。これによりプリズムの側面に入射した光線は同心円状に分離を行いプリズムの底面から光線を射出する。その後、プリズム（Ａ）と底面を向き合わせた第２のプリズムである円錐プリズム（Ｂ）の底面に光線が入射され、プリズムの側面から光線が射出されるときに生ずる屈折作用により略テレセントリックな状態で結像光学系の光軸方向に光線が環形状に照射される。

そして、屈折光学素子によって構成される偏向光学群に入射する。中空な円錐台状の光学部材により、環形状の光線がそのまま、結像光学系の光軸方向に反射され、被照射物体の径方向の外周にレーザー光が照射される。これにより、外周全体の広い範囲において同時に、溶着、溶接ができるので溶着強度が安定した加工が可能となる。

図５乃至図８を用いて、底辺が正三角形形状を有する三角錐プリズムを２個用いて一点光源から３箇所に点像を照射する光学系について説明する。結像光学系は実施例１と共通であり、プリズム群は円錐プリズムを使用する際と同様に底面を向き合わせてプリズムの各頂点を光軸に一致させるように配置する。この際、第１のプリズムである三角錐プリズム（Ａ）の底面と第２のプリズムである三角錐プリズム（Ｂ）の底面の各頂点を、回転中心軸を光軸として、６０°の相対的な回転位相を与えるようにする。すなわち、三角錐プリズム（Ａ）の側面と三角錐プリズム（Ｂ）の側面が略平行面になるような配置となる。これにより三角錐プリズム（Ａ）の側面に入射した光線は３方向に分離され三角錐プリズム（Ａ）の底面から光線を射出する。三角錐プリズム（Ａ）と底面を向き合わせた三角錐プリズム（Ｂ）の底面に光線が入射された後、三角錐プリズム（Ｂ）の側面から光線が射出されることとなる。従って、射出面の屈折作用により略テレセントリックな状態で結像光学系の光軸方向に３本の光線が照射される。その各光線は、偏向光学群であるところの３つの４５°プリズムの一辺に垂直に入射し、４５°の反射面にて全反射する。そして、３本の光線が被照射物体の径方向から、被照射物体の外周の３点（ここでは円周方向１２０度ピッチ）に対してレーザー光が照射される。

図９乃至図１２を用いて、底辺が正四角形形状を有する四角錐プリズムを２個用いて一点光源から４箇所に点像を照射する光学系を説明する。結像光学系は実施例１と共通であり、プリズム群は円錐プリズムを使用する際と同様に底面を向き合わせてプリズムの各頂点を光軸に一致させるように配置する。この際、第１のプリズムである四角錐プリズム（Ａ）の側面と第２のプリズムである四角錐プリズム（Ｂ）の底辺が略平行面になるような配置を行う。これにより四角錐プリズム（Ａ）の側面に入射した光線は４方向に分離され四角錐プリズム（Ａ）の底面から光線を射出する。四角錐プリズム（Ａ）と底面を向き合わせた四角錐プリズム（Ｂ）の底面に光線が入射された後、四角錐プリズム（Ｂ）の側面から光線が射出される。従って、射出面の屈折作用により略テレセントリックな状態で結像光学系の光軸方向に４本の光線が照射される。その各光線は偏向光学群であるところの４つの４５°プリズムの一辺に垂直に入射し、４５°の反射面にて全反射する。そして、４本の光線が被照射物体の径方向から、被照射物体の外周の４点（ここでは円周方向９０度ピッチ）に対して、レーザー光が照射される。

図１３乃至図１６を用いて、底辺が正五角形形状を有する五角錐プリズムを２個用いて一点光源から５箇所に点像を照射する光学系を説明する。

結像光学系は実施例１と共通であり、プリズム群は円錐プリズムを使用する際と同様に底面を向き合わせてプリズムの各頂点を光軸に一致させるように配置する。この際、第１のプリズムである五角錐プリズム（Ａ）の底面と第２のプリズムである五角錐プリズム（Ｂ）の底面の各頂点を、回転中心軸を光軸として、３６°の相対的な回転位相を与えるようにする。すなわち、五角錐プリズム（Ａ）の側面と五角錐プリズム（Ｂ）の側面が略平行面になるように配置される。これよって、五角錐プリズム（Ａ）の側面に入射した光線は４方向に分離され五角錐プリズム（Ａ）の底面から光線を射出する。

五角錐プリズム（Ａ）と底面を向き合わせた五角錐プリズム（Ｂ）の底面に光線が入射された後、五角錐プリズム（Ｂ）の側面から光線が射出される。従って、射出面の屈折作用により略テレセントリックな状態で結像光学系の光軸方向に５本の光線が照射される。その各光線は偏向光学群であるところの５つの４５°プリズムの一辺に垂直に入射し、４５°の反射面にて全反射する。そして、５本の光線が被照射物体の径方向から、被照射物体の外周の５点（ここでは円周方向７２度ピッチ）に対してレーザー光が照射される。

円筒形状同士の接合で、内部構造が複雑になり、レーザー光の照射により不具合が発生する部分が存在し、直径の全周にわたって溶着部分が設けられないなどの場合がある。その場合であっても、実施例３及び実施例４により、任意の溶着部分に正確にピンポイント的にレーザー光を照射することが可能となる。

ｎを整数としたとき、プリズム群のプリズムが正ｎ角錐形状の多角錐プリズム場合、偏向光学群は等ピッチにｎ個の反射光学素子が結像光学系の光軸まわりに配置され、被照射物体の外周のｎ点にレーザーを照射することができる。照射位置が上記のように円周方向で不等ピッチの場合であってもｎ角錐形状を不等ピッチとすることで対応が可能となる。以上により、円筒形状のワーク外周部分のわずかなスペースでもレーザー接合することが可能となって機器の小型化に寄与する。

図１７乃至図２０には、前述した実施例４の五角錐プリズムを用いた光学系と、ワークを支持する機構を組み込んだ照射ヘッドとワークを固定台に固定してレーザー光を多点照射する実施例を示す。

図１７は、固定台の待機状態の光軸方向の部分断面図である。図１８は照射ヘッドの先端部から光源方向を見たときの偏向光学群とワークの回転方向の位相と照射される光束を示した部分図である。図１９はワークのみの断面図であり、図２０は照射ヘッドがワークを支持、レーザー加工する位置まで降下した状態の照射ヘッド先端部の断面図である。

図１７及び図２０において、２１の照射ヘッド全体は筒状であり、内面に反射防止塗装がされたアルミ材などによって作られ、結像光学群、像側テレセントリック光学系及び偏向光学群の各光学系のレンズ及びプリズムが組み込まれている。プリズム群は屈折光学素子で構成され、偏向光学群は反射光学素子で構成されている。不図示のレーザー発振装置から射出され、ガラスファイバーを経たレーザー光２２は、照射ヘッドが短くなるように４５°反射ミラー２３により照射ヘッド２１内に入射させる。２４は結像光学系でスペーサなどにより間隔を決めている。２５、２６はプリズム群であり、２５は２つの向かい合わせにしたプリズムのひとつ第１のプリズムであるプリズムＡ、２６は第１のプリズムであるプリズムＢである。２７は保持ガラスで、ドーナツ状の透明ガラスであり、偏向光学群である５つの４５°プリズム２８が、保持部材２９との間に保持されている。

図１８に示すように４５°プリズム２８は光軸の円周方向７２度ピッチで回転配置され、プリズム群からの５本の光束を、結像光学系の光軸である図１８の中心に向かって反射させるように４５°面を外側、垂直面を内側に向けている。従って、偏向光学群である４５°プリズム２８によって反射された光束は図１８において破線で示したように結像光学系の光軸上で交差している。

３６は付勢部である。３０はガイド部材で反射防止塗装がされたアルミ材からなり、保持ガラス２７に固定されている。３１は支持部材で、ガイド部材３０のガイド部により、結像光学系と同軸で光軸方向に移動可能である。先端に被照射物体であるワークを光軸に同軸に支持する為の、ワークの外径を支持する受け部３１ａを有し、支持部材３１自体が脱落しない為の止め輪３１ｂを有する。３２は付勢手段であるスプリングで、ガイド部材３０と支持部材３１の間に設けた圧縮スプリングである。照射ヘッド２１から支持部材３１を光軸上の光源と反対側に付勢するようにガイド部材３０に固定されている。ガイド部材３０、支持部材３１、スプリング３２などのワーク支持機構は、光軸方向で像側テレセントリック光学系であるプリズムＢ６と偏向光学群である４５°プリズム２８の中間に位置する。

３７はワークである。図１９に示すように、３３は第１の部材であるボビンＡであり、耐熱性の高いレーザー光透過性樹脂として液晶ポリマーのナチュラル色で成形されて導線が巻線される。３４は第２の部材であるボビンＢであり、耐熱性の高いレーザー光吸収性樹脂として液晶ポリマーにカーボンを混入して黒色として材料で成形されて導線が巻線される。３４ａは、中心軸から円周方向７２度ピッチの５ヶ所の桟橋形状の溶着部であり、外径はボビンＡ１３の内径部にガタなく嵌めあって互いが同軸に位置決めされる。ボビンＡ１３とボビンＢ１４が組み合わされ、被照射物体であるワークとなる。ワークはここでは２相ステップモータである。３５は固定台でボビンＡ１３とボビンＢ１４が組み合わされた状態で所定の高さを決め、ワークの外径とその内径が嵌め合って所定の位置決めをする。また、５つの４５°プリズム２８と、ワークであるボビンＢ１４の位置関係は、その中心軸を結像光学系の光軸と概略一致させ、回転方向の位相は５つの溶着部３４ａが５つの４５°プリズム２８の垂直面と対向するようにセットされている。

以上の構成による動作を説明する。図１７のように、固定台３５にワークであるボビンＡ１３とボビンＢ１４が仮組みされた状態でセットされている。次に図２０のように、不図示のＺ軸ステージに固定された照射ヘッド２１が降下し、先ず支持部材２１の受け部３１ａがボビンＢ１４の上面に当接する。更に照射ヘッド２１は下降し、４５°プリズム２８の垂直面がボビンＡ１３とボビンＢ１４の重畳部である溶着部３４ａに対向する高さになる。その際、スプリング３２は圧縮されて所定の押し圧をもって、ワークであるボビンＡ１３とボビンＢ１４をともに固定台３５に押し付けて安定して保持する。同時に、レーザー光が照射されると図１８及び図２０に示すような光束により、レーザー光透過性樹脂からなるボビンＡ１３を透過し、レーザー光吸収性樹脂からなるボビンＢ１４の溶着部３４ａに照射される。その結果、樹脂内のカーボン粒子などにより発熱し、その熱がボビンＡ１３にも伝播して互いの樹脂が溶融し、照射終了後に冷却及び固化して接合される。

以上説明したように、ワークの同軸及び光軸方向の支持部がプリズム群と偏向光学群の中間のスペースに配置され、照射ヘッド全体の大きさに影響しない。また、スプリング３２による付勢力で支持部材３１がワークであるボビンＡ１３とボビンＢ１４が組み合わされた状態のまま、固定台３５に押し付けながら、レーザー光加工する。これによって、ボビンＡ１３とボビンＢ１４の同軸がずれることがないまま、精度よく、安定した溶着加工がなされる。すなわち、位置ずれによって、部材の隙間が発生し、溶着強度が低下することがない。

本実施例の様に被照射物体の一端を付勢部３６で、他端を固定部３５で支持する構成は付勢部３６と固定台３５の位置を入れ替えてもよい。

点光源を集光して結像作用を行う結像光学系の数値データー及び錐形プリズム形状データーの数値実施例 円錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の側面図 円錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の斜視図 円錐プリズムの光学系側面図 三角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の側面図 三角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の斜視図 三角錐プリズムの光学系側面図 三角錐プリズムの光軸方向からの射影図 四角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の側面図 四角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の斜視図 四角錐プリズムの光学系側面図 四角錐プリズムの光軸方向からの射影図 五角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の側面図 五角錐プリズムを用いた光学系及び照射光線形状の斜視図 五角錐プリズムの光学系側面図 五角錐プリズムの光軸方向からの射影図 実施例５の部分断面図 実施例５の光軸方向からの射影図 実施例５のワーク断面図 実施例５の照射ヘッド先端部の断面図

符号の説明

２１ 照射ヘッド
２２ 光源
２３ ４５°ミラー
２４ 結像光学群
２５ プリズムＡ
２６ プリズムＢ
２７ 保持ガラス
２８ ４５°プリズム
２９ 保持部材
３０ ガイド部材
３１ 支持部材
３１ａ 受け部
３１ｂ 止め輪
３２ スプリング
３３ ボビンＡ
３４ ボビンＢ
３４ａ 溶着部
３５ 固定台
３６ 付勢部
３７ ワーク

Claims (4)

1. レーザー光を被照射物体に照射して被照射物体を溶着するレーザー溶着装置において、
   光源から発するレーザー光を結像する結像光学系と、
   頂点方向を前記光源側に向けた錐形状であって、前記結像光学系から射出されたレーザー光が側面部に入射し、底面部から射出するようにする配置される第１のプリズムと、
   底面方向を前記光源側に向けた錐形状であって、を有し、前記第１のプリズムから射出されたレーザー光が底面部に入射し、側面部から射出するように配置される第２のプリズムと、
   前記第２のプリズムから射出されたレーザー光を前記被照射物体の外周面に照射するように偏向する偏向光学系とを有することを特徴とするレーザー溶着装置。
2. 前記偏向光学系は中空な円錐台の反射光学素子からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶着装置。
3. ｎを整数としたとき、前記第１のプリズムおよび第２のプリズムはｎ角錐形状であり、前記偏向光学系はｎ個の反射光学素子を光軸の周りに配置することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー溶着装置。
4. 被照射物体の一端を光軸方向に付勢する付勢部と、前記被照射物体の他端を固定する固定台とを有し、
   前記付勢部又は前記固定台を前記第２のプリズムと前記偏向光学系の間に有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のレーザー溶着装置。