JP3925491B2 - レーザ溶着方法、構造およびスロットルバルブ装置 - Google Patents

レーザ溶着方法、構造およびスロットルバルブ装置 Download PDF

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Description

本発明は、樹脂材料同士をレーザ照射によって溶着するレーザ溶着方法およびこの方法を用いて製造されるレーザ溶着構造、スロットルバルブ装置に関する。
従来から、樹脂材料からなる2種類の部品の機械的結合をレーザ照射による溶着によって行う方法が知られている。例えば、内燃機関のスロットルバルブ装置に含まれる樹脂製のスロットルバルブとスロットルシャフトとの結合をレーザ溶着装置を用いて行う方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このスロットルバルブ装置では、溶着対象となる一方の部材であるスロットルバルブがレーザ光を透過しやすい樹脂材料で形成されているとともに、他方の部材であるスロットルシャフトがレーザ光を吸収しやすい樹脂材料で形成されている。スロットルバルブ側からレーザ光を照射することにより、このレーザ光によってスロットルバルブに接するスロットルシャフトの表面が発熱し、これらの境界面を溶融させることができ、これらの部材を相互に溶着することができる。
また、このようなレーザ光の照射による溶着を行った場合には、溶着部分が完成部品の表面に現れないため、溶着の有無等を完成部品の外側から目視によって確認できない不都合がある。このような不都合に対する対策としては、レーザ光の照射側に配置される部品に開孔部を形成し、この開孔部を通して溶着部分を直接目視して溶着の有無を確認する方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2003−13751号公報(第2−3頁、図1−9) 特開平8−86945号公報(第2−3頁、図1−3)
ところで、特許文献2に開示された従来技術では、レーザ光の照射側に配置された部品の溶着箇所に開孔部を形成する必要があるため、機械的な強度が低下するという問題があった。特に、内燃機関のスロットルバルブ装置には、大きな機械的振動や急激な温度変化による熱ストレスが加わるため、強度が低下する構造は好ましくない。
また、スロットルバルブとスロットルシャフトとが接合された溶着部分を開孔部を通して見ることになるため、照明の状態等によっては溶着部分が見づらい場合があり、確認が容易ではなく見落とし等のおそれがあった。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、目視による溶着状態の確認を容易かつ確実に行うことができ、溶着箇所の機械的強度の低下を防止することができるレーザ溶着方法、構造およびスロットルバルブ装置を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂材料からなりレーザ光の照射側の表面に段差部が形成された第1の部品と、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂材料からなる第2の部品とを溶着する方法であって、第1の部品と第2の部品とを互いの溶着部を対向させて配置し、段差部が照射範囲の一部に含まれるように第1の部品の表面から溶着部に向けてレーザ光を照射し第1の部品と第2の部品とを互いに溶着するとともに、段差部を溶融あるいは焼損させてその痕跡を残している。
また、本発明のレーザ溶着構造は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂材料からなり、レーザ光の照射側の表面に段差部が形成された第1の部品と、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂材料からなり、第1の部品の第1の面に対向する第2の面を有する第2の部品と、第1の面の少なくとも一部と第2の面の少なくとも一部がともに溶融して第1の部品と第2の部品とを固着する溶着部と、段差部に形成された溶融あるいは焼損の痕跡とを備えている。
レーザ光の照射側に配置された第1の部品の表面には段差部が形成されており、この段差部においてレーザ光が拡散されて溶融あるいは焼損が発生するため、レーザ溶着の工程が終了した後であっても表面の段差部において発生した溶融あるいは焼損の痕跡を調べるだけで、目視による溶着状態の確認を容易かつ確実に行うことができる。
また、上述したレーザ光の照射は、照射位置を移動させながら行う逐次走査によって行われることが望ましい。逐次走査においては、段差部を含むように走査範囲をわずかに広くするだけで溶着部と段差部の両方に対するレーザ光の照射を行うことができ、レーザ光を照射するレーザ溶着装置側の構成を変える必要がないため、レーザ溶着に要するコストの上昇を抑えることができる。
また、上述したレーザ光の照射は、一列に配置された光源を用いて溶着部と段差部の両方を照射範囲とする一括走査によって行われることが望ましい。一括走査においては、段差部を含むように出射光学系の範囲を広くするだけで溶着部と段差部の両方に対するレーザ光の照射を行うことができ、レーザ光の照射に要する時間や手順を変える必要がないため、レーザ溶着の工程が複雑化することを防止することができる。
また、上述した段差部は、凸部であることが望ましい。凸部においてレーザ光の拡散が生じて凸部の温度が上昇し、しかも凸部は熱容量が小さくその周囲に対して熱が伝わりにくいため、レーザ光照射による凸部の溶融あるいは焼損を確実に生じさせることが可能になる。
また、上述した段差部は、凹部であることが望ましい。凹部においてレーザ光の拡散が生じて凹部の温度が上昇するため、レーザ光照射による凹部の溶融あるいは焼損を確実に生じさせることが可能になる。
また、上述した段差部は、レーザ光照射側の表面から溶着部が形成される面との間に形成された貫通孔であり、痕跡は、貫通孔の表面であって、少なくともレーザ光照射側の表面の近傍に形成されることが望ましい。貫通孔においてレーザ光の拡散が生じて貫通孔の表面近傍部分の温度が上昇するため、レーザ光照射によるこの表面近傍部分の溶融あるいは焼損を確実に生じさせることが可能になる。
また、上述した第1の部品は、複数の成形型を用いた樹脂成形によって製造され、段差部は、樹脂成形時に複数の成形型の合わせ面に対応して形成される凸部であることが望ましい。あるいは、上述した第1の部品は、成形型を用いた樹脂成形によって製造され、段差部は、樹脂成形時に成形型から第1の部品を取り出すために成形型に設けられた押し出しピンに対応して形成される凹凸部であることが望ましい。これにより、特別に段差部を形成する工程を追加することなく、目視による溶着状態の確認が可能になる。
また、本発明のスロットルバルブ装置は、内燃機関に供給する燃料の通路となるスロットルボディ内に備わったスロットルバルブを上述した第1の部品とし、通路に対する傾斜角度を変更可能にスロットルバルブを保持するスロットルシャフトを第2の部品として構成されている。これにより、スロットルバルブとスロットルシャフトの溶着をレーザ光の照射によって行った場合であっても、その溶着状態の確認を溶着作業が終了した後に目視によって確実かつ容易に行うことが可能になる。
以下、本発明を適用した一実施形態のスロットルバルブ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、一実施形態のスロットルバルブ装置の正面図である。図2は、図1に示したスロットルバルブ装置の平面図である。図1および図2に示すように、本実施形態のスロットルバルブ装置100は、スロットルボディ10、スロットルシャフト20、スロットルバルブ30を含んで構成されている。
スロットルボディ10は、内燃機関(図示せず)に燃料を供給する吸気通路12を形成しており、例えばPBT(飽和ポリエステル樹脂)やナイロンなどの樹脂材料により一体成形されている。スロットルボディ10の中間部にはシャフト挿入部14が外側に突出して形成され、このシャフト挿入部14内にシャフト孔16が吸気通路12の中心軸と直角方向に形成される。また、シャフト挿入部14には円環穴が形成されている。この円環穴には、一方端が係止された状態でコイルばね17が収納される。
スロットルシャフト20は、金属棒をインサートしてその外周をPBT等の合成樹脂により包囲するように一体成形され、その端部にはアクセルレバー22が一体成形されている。このスロットルシャフト20は、スロットルボディ10に形成されたシャフト挿入部14のシャフト孔16に回転可能な状態で挿入される。アクセルレバー22には、シャフト挿入部14の円環穴に収納されたコイルばね17の他方端が係止されている。また、スロットルシャフト20の先端部は被覆されておらず、金属の状態でスロットルボディ10の軸受部18に回転可能な状態で挿入されている。
スロットルバルブ30は、バタフライ弁であり、PBT等の樹脂材料によって形成されている。図3は、スロットルバルブ30の平面図である。図4は、スロットルバルブ30の拡大断面図であり、スロットルバルブ30にスロットルシャフト20を組み合わせた断面が示されている。図3に示すように、スロットルバルブ30は、円筒部32と、その外側に一体化された円板状の弁体部34とを有している。円筒部32は、外周の長手方向に沿って平坦部36が形成されている。また、円筒部32と弁体部34との接合部の近傍には、複数のリブ37が形成されており、接合部を補強している。
また、円筒部32の平坦部36は、照射したレーザ光を入射させる部分であり、レーザ光を拡散させずに内部に良好に入射させることができる平面形状に形成されている。この平坦部36の厚さは、表面から入射されたレーザ光がスロットルシャフト20の表面に均一に到達するように例えば2mm以下の一定値に設定されている。円筒部32にはシャフト孔38が形成されている。このシャフト孔38は、スロットルシャフト20を挿入するためのものであり、スロットルシャフト20の軸方向回りにスロットルバルブ30が自由に回転しないような断面形状となっている。例えば図4に示すように、シャフト孔38は、平坦部36に対応する平坦面とそれ以外の円筒面を有しており、同様に、円筒部32に挿入されるスロットルシャフト20も平坦部36に対応する平坦面とそれ以外の円筒面を有している。
また、平坦部36の表面には、円筒部32の長手方向に対して垂直な向きに段差部としての凸部40が形成されている。この凸部40は、溶着領域41に隣接した位置に形成されている。
上述したスロットルバルブ30を形成するために用いられる樹脂材料(特に、平坦部36に対応する部分の樹脂材料)は、レーザ光に対して透過性を有している。一方、スロットルシャフト20を形成するために用いられる樹脂材料(特に、平坦部36に対向する部分の樹脂材料)は、レーザ光に対して吸収性を有している。したがって、スロットルバルブ30の外側から照射されたレーザ光は、スロットルバルブ30の平坦部36を透過してスロットルシャフト20に到達する。
本実施形態のスロットルバルブ装置100はこのような構成を有しており、次に、レーザ溶着装置を用いてスロットルバルブ装置100のスロットルバルブ30とスロットルシャフト20とを組み付ける工程について説明する。
図5は、スロットルバルブ装置の組付工程の説明図である。また、図6はスロットルバルブ装置に対するレーザ溶着工程の説明図である。
まず、図5に示すように、スロットルボディ10のシャフト挿入部14の円環穴15にコイルばね17を装着し、スロットルボディ10の吸気通路12内の所定位置にスロットルバルブ30を配置した状態で、スロットルシャフト20をスロットルボディ10のシャフト挿入部14のシャフト孔16内に差し込む。そして、スロットルシャフト20の先端を、スロットルバルブ30の円筒部32内に挿通し、スロットルシャフト20とスロットルバルブ30の溶着部を互いに対向させながら軸受部18内に嵌挿する。このようにして、スロットルバルブ30の円筒部32がスロットルボディ10内でスロットルシャフト20の所定位置に外嵌される。
次に、図6に示すように、組み立てられたレーザ溶着前のスロットルバルブ装置100が加工室200内の溶着治具210に取り付けられる。この溶着治具210は、XYテーブル212上に載置されており、スロットルバルブ装置100を所定の範囲内で移動することができるようになっている。溶着治具210の上方には、加工室200の外部に設置されたレーザ溶着装置本体220と光ファイバ222を介して接続された出射光学系224が設置されている。この出射光学系224は、複数のレンズを含んでおり、レーザ溶着装置本体220内のレーザ発振器から出力されたレーザ光を集光し、溶着治具210に取り付けられたスロットルバルブ装置100のスロットルバルブ30の円筒部32に照射する。レーザ発振器としては、例えば出力20〜30Wの半導体レーザ発振器が用いられる。また、XYテーブル212の移動速度は、10mm/秒程度に設定される。
出射光学系224からスロットルバルブ30の円筒部32の表面(平坦部36)にレーザ光を照射しながら、溶着治具210を平坦部36の長手方向に移動させる。例えば、XYテーブル212によって溶着治具210を一方向に動かすことにより、図3に矢印Aで示すように、凸部40と反対側の平坦部36の端部から凸部40に向けて、この凸部40を越えるまでレーザ光の照射位置を相対的に移動させる。このとき、出射光学系224からスロットルバルブ30とスロットルシャフト20の各溶着部に向けて照射されたレーザ光は、スロットルバルブ30の円筒部32の平坦部36に入射し、この平坦部36を透過して、内側のスロットルシャフト20の表面に達し、吸収される。このレーザ照射によって、図7に示すように、スロットルシャフト20の表面が溶融し、その熱によってスロットルバルブ30の円筒部32の内側が溶融して、スロットルシャフト20とスロットルバルブ30とが溶着される。また、平坦部36の表面に形成された凸部40にレーザ光が照射されると、凸部40の温度が上昇して溶融あるいは焼損が発生する。
このようにしてスロットルバルブ30の円筒部32の一方の平坦部36に対応するレーザ溶着が終了した後、スロットルバルブ装置100の上下方向を反転させ、他方の平坦部36についてもレーザ溶着が行われる。
次に、凸部40の詳細について説明する。図8は、凸部40の詳細形状を示す斜視図である。図8に示すように、凸部40は、高さがA、根元部分の幅がBであって、レーザ光を走査する向き(図3に示す矢印Aの向き)と直角方向に所定長さを有している。例えば、AとBはともに0.3mm程度に設定される。
上述したように、スロットルシャフト30の円筒部32に設けられた平坦部36は、レーザ光を拡散させずに内部に良好に入射させるために平面形状を有している。これに対して、平坦部36の端部近傍に形成された凸部40にレーザ光が照射されると、この凸部40に入射したレーザ光が拡散されて凸部40の温度が上昇する。しかも、凸部40は、その周辺の平坦部36に比べて熱容量が小さく、しかも熱がその周辺の平坦部36に伝わりにくいため、急激に温度が上昇し、溶融あるいはさらに温度が上がって焼損に至る。
このように、本実施形態のスロットルバルブ装置100では、スロットルバルブ30の円筒部32の平坦部36の端部近傍の表面に凸部40が形成されており、平坦部36にレーザ光を照射してレーザ溶着を行う際に、溶着範囲に隣接する位置に形成された凸部40に対してもレーザ光を照射している。レーザ光が照射されると、凸部40は、溶融あるいは焼損するため、レーザ溶着が終了した後に凸部40に溶融あるいは焼損の痕跡が残り、目視によってこれらの痕跡の有無を観察することにより、レーザ溶着が行われた後のスロットルバルブ装置100であるかレーザ溶着が行われる前のスロットルバルブ装置100であるかを知ることができる。
また、レーザ光の照射は、照射位置を移動させながら行う逐次走査によって行われており、凸部40を含むように走査範囲(レーザ光の照射範囲)をわずかに広くするだけで溶着部と凸部40の両方に対するレーザ光の照射を行うことができ、レーザ光を照射する出射光学系224等の構成を変える必要がないため、レーザ溶着に要するコストの上昇を抑えることができる。
また、平坦部36の表面に凸部40を形成することにより、凸部40においてレーザ光の拡散が生じて凸部40の温度が上昇し、しかも凸部40は熱容量が小さく凸部40からその周囲に対して熱が伝わりにくいため、レーザ光照射による凸部40の溶融あるいは焼損を確実に生じさせることが可能になる。
また、平坦部36の表面に凸部40を形成することにより、平坦部36の剛性を上げることが可能になる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、スロットルバルブ30の円筒部32の平坦部36の端部近傍に凸部40を形成したが、レーザ光の良好な入射を阻害して拡散させることができればよいことから、凸部40以外の段差部に置き換えるようにしてもよい。
図9は、段差部の変形例を示す図である。図9に示す変形例では、凸部40の代わりに凹部42が円筒部32の平坦部36の表面に形成されている。凹部42と反対側の平坦部36の端部から凹部42に向けて、この凹部42に達するまでレーザ光の照射位置を相対的に移動させる。レーザ光の照射位置が凹部42に達すると凹部42の端部近傍においてレーザ光が拡散されるため、この端部近傍の温度が上昇し、凸部40の場合と同様に凹部42の溶融あるいは焼損が発生する。
図10は、段差部の他の変形例を示す図である。図10に示す変形例では、凸部40の代わりに平坦部36の横断面によって構成される段差部44が円筒部32の平坦部36の表面端部に形成されている。段差部44と反対側の平坦部36の端部から段差部44に向けて、この段差部44に達するまでレーザ光の照射位置を移動させる。レーザ光の照射位置が段差部44に達すると段差部44の端部近傍(平坦部36と接する部分の近傍)においてレーザ光が拡散されるため、この端部近傍の温度が上昇し、凸部40の場合と同様に段差部44の溶融あるいは焼損が発生する。
図11は、段差形状の他の変形例を示す図である。図11に示す変形例では、凸部40の代わりに貫通部46が円筒部32の平坦部36の表面に形成されている。貫通部46と反対側の平坦部36の端部から貫通部46に向けて、この貫通部46に達するまでレーザ光の照射位置を移動させる。レーザ光の照射位置が貫通部46に達すると貫通部46の端部近傍(平坦部36と接する部分の近傍)においてレーザ光が拡散されるため、この端部近傍の温度が上昇し、凸部40の場合と同様に貫通部46の溶融あるいは焼損が発生する。
このように、凸部40以外の各種の段差部を用いた場合であっても照射されるレーザ光を平坦部36の表面で拡散することができるため、これらの段差形状において平坦部36の表面近傍の溶融あるいは焼損が発生する。このため、これらの痕跡の有無を目視で調べることにより、レーザ溶着の実施の有無を確認することが可能になる。
また、上述した実施形態では、円筒部32の平坦部36の端部近傍に凸部40を形成したが、端部近傍以外、例えばほぼ中央部に形成するようにしてもよい。また、凸部40は、単純に円錐形状や円柱形状としてもよい。また、平坦部36の表面に複数の凸部40を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、XYテーブル212によってスロットルバルブ装置100を移動させたが、出射光学系224とスロットルバルブ装置100の相対的な位置を変化させればよいことから、出射光学系224側を移動させるようにしてもよい。例えば、図12に示すように、ロボット230のアームの先端に出射光学系224を取り付け、ロボット230によってアームを所定方向に動かして出射光学系224を移動させるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、出射光学系224をスロットルバルブ装置100に対して相対的に移動させる逐次走査を行う場合について説明したが、溶着範囲(図3の溶着領域41)と凸部40を含む全体に対して同時にレーザ光を照射する一括走査を行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、凸部40の溶融あるいは焼損の痕跡を調べることによりレーザ溶着の有無を確認するようにしたが、凸部40の溶融あるいは焼損の程度とレーザ光の出力強度との対応関係を予め調べておくことにより、凸部40の溶融あるいは焼損の痕跡を調べることにより、半導体レーザ発振器の寿命による交換時期の判定を行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、レーザ溶着によってスロットルバルブ装置100の組み立てを行う場合について説明したが、レーザ溶着の対象となる第1および第2の部品としてスロットルバルブ30とスロットルシャフト20以外を組み合わせる場合にも本発明を適用することができる。
一実施形態のスロットルバルブ装置の正面図である。 図1に示したスロットルバルブ装置の平面図である。 スロットルバルブの平面図である。 スロットルバルブの拡大断面図である。 スロットルバルブ装置の組付工程の説明図である。 スロットルバルブ装置に対するレーザ溶着工程の説明図である。 レーザ光照射時のスロットルバルブの断面図である。 凸部の詳細形状を示す斜視図である。 段差部の変形例を示す図である。 段差部の他の変形例を示す図である。 段差部の他の変形例を示す図である。 出射光学系の他の走査方法を示す図である。
符号の説明
10 スロットルボディ
12 吸気通路
14 シャフト挿入部
15 円環穴
16、38 シャフト孔
17 コイルばね
18 軸受部
20 スロットルシャフト
22 アクセルレバー
30 スロットルバルブ
32 円筒部
34 弁体部
36 平坦部
40 凸部
41 溶着領域
42 凹部
44 段差部
46 貫通部
100 スロットルバルブ装置
200 加工室
210 溶着治具
212 XYテーブル
220 レーザ溶着装置本体
222 光ファイバ
224 出射光学系

Claims (12)

  1. レーザ光に対して透過性を有する樹脂材料からなり前記レーザ光の照射側の表面に段差部が形成された第1の部品と、前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂材料からなる第2の部品とを溶着するレーザ溶着方法であって、
    前記第1の部品と前記第2の部品とを互いの溶着部を対向させて配置し、
    前記段差部が照射範囲の一部に含まれるように前記第1の部品の表面から前記溶着部に向けて前記レーザ光を照射し前記第1の部品と前記第2の部品とを互いに溶着するとともに、前記段差部を溶融あるいは焼損させてその痕跡を残すことを特徴とするレーザ溶着方法。
  2. 請求項1において、
    前記レーザ光の照射は、照射位置を移動させながら行う逐次走査によって行われることを特徴とするレーザ溶着方法。
  3. 請求項1において、
    前記レーザ光の照射は、一列に配置された光源を用いて前記溶着部と前記段差部の両方を照射範囲とする一括走査によって行われることを特徴とするレーザ溶着方法。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記段差部は、凸部であることを特徴とするレーザ溶着方法。
  5. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記段差部は、凹部であることを特徴とするレーザ溶着方法。
  6. レーザ光に対して透過性を有する樹脂材料からなり、前記レーザ光の照射側の表面に段差部が形成された第1の部品と、
    前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂材料からなり、前記第1の部品の第1の面に対向する第2の面を有する第2の部品と、
    前記第1の面の少なくとも一部と前記第2の面の少なくとも一部がともに溶融して前記第1の部品と前記第2の部品とを固着する溶着部と、
    前記段差部に形成された溶融あるいは焼損の痕跡と、
    を備えることを特徴とするレーザ溶着構造。
  7. 請求項6において、
    前記段差部は、凸部であることを特徴とするレーザ溶着構造。
  8. 請求項6において、
    前記段差部は、凹部であることを特徴とするレーザ溶着構造。
  9. 請求項6において、
    前記段差部は、レーザ光照射側の表面から前記溶着部が形成される面との間に形成された貫通孔であり、
    前記痕跡は、前記貫通孔の表面であって、少なくとも前記レーザ光照射側の表面の近傍に形成されることを特徴とするレーザ溶着構造。
  10. 請求項6において、
    前記第1の部品は、複数の成形型を用いた樹脂成形によって製造され、
    前記段差部は、樹脂成形時に前記複数の成形型の合わせ面に対応して形成される凸部であることを特徴とするレーザ溶着構造。
  11. 請求項6において、
    前記第1の部品は、成形型を用いた樹脂成形によって製造され、
    前記段差部は、樹脂成形時に前記成形型から前記第1の部品を取り出すために前記成形型に設けられた押し出しピンに対応して形成される凹凸部であることを特徴とするレーザ溶着構造。
  12. 請求項6〜11のいずれかに記載されたレーザ溶着構造を構成する前記第1の部品は、内燃機関に供給する燃料の通路となるスロットルボディ内に備わったスロットルバルブであり、
    前記第2の部品は、前記通路に対する傾斜角度を変更可能に前記スロットルバルブを保持するスロットルシャフトであることを特徴とするスロットルバルブ装置。
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