JP3997183B2 - 溶着状態検査方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶着状態検査方法に係り、特にレーザ光を用いて溶着物の溶着状態を高精度に検査することができる溶着状態検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽量化及び低コスト化を図るため、自動車等における各部品を樹脂化した樹脂成形品が用いられることがある。また、樹脂成形品の高生産性化等の観点より、樹脂成形品を予め複数に分割して成形し、これらの分割成形品を互いに接合して用いられている。
【０００３】
一般に樹脂材同士の溶着方法としては、接着剤等による接合が行われていたが、熱による影響で接合が剥がれることがあったため、最近では、レーザ光を用いて樹脂材を過熱溶融させることで接合する方法が利用されている。
【０００４】
また、溶着方法として、レーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材と、レーザ光に対して吸収性のある吸収性樹脂材とを重ね合わせた後、透過性樹脂材側からレーザ光を照射することにより、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面同士を加熱溶融させて両者を一体的に接合するレーザ溶着方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、溶着した溶着物に対して所望の接合ができているかの溶着品質判定を行う場合、作業員が手作業により抜き取り目視検査による品質判定を行っていたため、判定に多大な時間とコストを有していた。これに対応するため、温度センサを設けて溶着前後における被溶着物の近傍の温度差を求め、この温度差に基づいて良否判定を行う溶着判定装置に関する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
更に、光源とイメージセンサとを対応付けて設置し、所定の入射角にて試料に入射させ、試料からの反射光の入射面での干渉光強度分布に基づいて、微小領域の膜厚及び表面形状を計測する技術がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
これらの技術を利用して検査用光源により接合面に照射した溶着状態を受光して溶着状態を検査する方法が考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１０５４９９号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平１０−２４９９４１号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開平８−８２５１１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２では、溶着装置とは別に温度センサ等の装置構成を付加させる必要があるため、コストが増大になってしまう。また、温度センサを判定装置に溶着前後における被溶着物の近傍の温度を夫々検出する少なくとも２以上の温度センサを設ける必要があり、温度センサからの計測温度から温度差を算出し、算出された温度差から求め、更に、温度差から予め設定した規定値との比較して溶着良否を判定するため、制御が複雑となり効率的に溶着状態の判定（検査）を行っているとは言えなかった。
【００１２】
更に、特許文献３の方法を用いた場合、重ね継手により溶着された部位は、表面側の樹脂が透明である場合は、溶着面を目視や検査用光源により溶着状態を検査することは容易である。しかしながら、表面側の樹脂にある程度の色がついていたり検査用光源が暗い場合は、目視や検査用光源による検査は容易ではない。なぜなら、受光部の監視点は検査用光源の照射点に位置付けられ、検査用光源による検査では、接合表面からの反射光と、樹脂内の散乱光の影響により反射光を正確に受光することができないからであり、これらの要因により溶着状態の高精度な検査を行うことができない。
【００１３】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、レーザ光を用いて樹脂からなる溶着された溶着物の溶着状態を高精度に検査することができる溶着状態検査方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【００１５】
請求項１に記載された発明は、レーザ発振器から出力されるレーザ光により、被溶着物を溶着し、溶着された部分の溶着状態を検査するための溶着状態検査方法において、前記被溶着物の溶着面に、溶着状態を検査するためのレーザ光を照射する検査用レーザ光照射段階と、前記検査用レーザ光照射段階にて照射されたレーザ光の照射地点から予め設定された距離に基づいてオフセットさせた地点で、前記レーザ光を前記被溶着物内に入射することで発生する第１の散乱光が前記溶着面で反射して得られる反射光により発生する第２の散乱光を受光する受光段階とを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、受光点を照射地点から所定の距離分オフセットすることにより、被溶着物の溶着状態を高精度に検査することができる。具体的には、レーザ発振器から被溶着物に入射されるレーザ光により発生する散乱光（第１の散乱光）が溶着面に照射され、その反射光は散乱しながら樹脂表面へ到達するため、その散乱光（第２の散乱光）を受光することで、高精度な溶着判定を実現することができる。
【００１７】
請求項２に記載された発明は、前記受光段階は、前記照射地点から予め設定された距離に基づいて前記検査用レーザ光の入射面に対してＸ軸、Ｙ軸、又はＺ軸の少なくとも１つの軸方向へオフセットを行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、Ｘ軸、Ｙ軸、又はＺ軸への立体的な移動を行うことで、溶着物の材質やレーザ光に対する透過率等における散乱光の影響に対応させた高精度な受光を行うことができる。これにより、高精度な溶着判定を実現することができる。
【００１９】
請求項３に記載された発明は、前記受光段階は、前記検査用レーザ光照射段階にて照射される光源の光軸を焦点面に対して水平方向に所定の角度変化させて受光することを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、レーザ光を照射する光軸を焦点面に対して水平方向に所定の角度を設けて受光することにより、第１の散乱光による溶着面からの反射光を直接受光せずに、反射光における散乱光（第２の散乱光）のみを受光することができるため、受光点における光の受光を高精度に行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明における発明の概要について説明する。図１は、樹脂同士の溶着の様子を示す一例の図である。図１において、溶着物１０−１，１０−２が重なり合っており、当接面に対してレーザ光を照射することにより加熱溶融させて溶着させている。
【００２８】
ここで、レーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材の溶着物１０−１から溶着部分を見ると、溶着部１１は、非溶着部分と比較して色の変化が見られる。そこで、計測用の光源として過熱しない程度のエネルギーを持つ光源を溶着された後の溶着物１０−１，１０−２の当接面に照射し、その反射光を受光部で受光することにより良否の判定を行う。
【００２９】
しかしながら、当接面に対して光源より照射される光を照射すると、被溶着物１０−１内で入射した光は散乱する。受光部ではこの散乱光の影響を受けるため、当接面からの反射光による高精度な判断を行うことができない。
【００３０】
そこで、本発明は、光源より照射される光の照射地点から所定の間隔分ずらした位置の光を受光するようにする。ここで、本発明における溶着状態の検査方法の概要について図を用いて説明する。
【００３１】
図２は、本発明における溶着状態の検査方法の概要を示す一例の図である。
【００３２】
図２については、溶着物１０−１及び１０−２の溶着面に検査光源２１を照射して、当接面上の光の内容を受光部２２にて受光する。また、当接面上における入射角θ１に対して照射されるレーザ光と、受光部２２における入射角θ１に対応する受光角θ２に対して、検査光源の入射地点に対応した位置に受光部２２が位置付けられる（図２点線部分）。
【００３３】
しかしながら、このような受光部２２が位置付けられている場合は、図２に示すように反射光と散乱光とが干渉し、正しい反射光のエネルギーを受光することができず、高精度な溶着状態の検査を行うことができない。
【００３４】
そこで、照射地点から所定の間隔（Δｄ）でオフセットさせた位置に受光部２２を位置付けることにより、溶着部１０−１内の反射光を直接受光することなく、反射光の影響を低減させた散乱光を高精度に受光することができる。
【００３５】
なお、オフセットのずらす方向は樹脂の溶着面上におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向へのオフセットだけでなく、Ｚ方向（高さ方向）へのオフセットでもよく、また、ＸＹＺ軸における平面的又は立体的にずらしてもよい。
【００３６】
上述したように本発明は、光源から照射された溶着面に対する反射光を樹脂内の散乱光（第１の散乱光）における影響を受けることなく、受光部にて受光できるようにするため、受光部の監視点を照射地点から所定の距離分オフセットする。つまり、溶着面に照射される樹脂内部の散乱光（第１の散乱光）の反射光は散乱しながら樹脂表面へ到達するため、この散乱光（第２の散乱光）を受光することで、受光部にて受光する光として、照射点表面からの反射光と照射点に照射するレーザ光により得られる散乱光（第１の散乱光）とを減少させることができ、高精度な溶着状態の検査を実現することができる。
【００３７】
次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図３は、本発明における溶着状態検査装置の概略構成図の一例を示す図である。図３の溶着状態検査装置３０は、レーザ発振器３１と、レーザ出射光学系３２と、集光光学系３３と、バンドパスフィルタ３４と、ＣＣＤカメラ３５と、位置決めモニタ３６と、受光センサ３７と、データ計測装置３８と、ステージ３９とを有するよう構成されている。また、溶着物１０は、ステージ３９上に着脱自在に固定設置されている。ここで、溶着物１０の例としては、溶着物１０−１及び１０−２は共にＰＡ（ポリアミド）であるものとし、色については、溶着物１０−１はナチュラル、溶着物１０−２は、カーボンブラックであるものを用いる。なお、材質についてはこの限りではなく、例えば、樹脂であれば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）等を使用することができる。
【００３８】
レーザ発振器３１は、溶着物を加熱溶融させることのないようなエネルギーの検査用レーザ光源を照射する。例えば、ダイオードレーザにおいて波長８０８ｎｍのレーザ光を照射する。
【００３９】
また、ステージ３９は、ＸＹＺθテーブルであり、レーザ光の照射方向に対して前後左右方向（Ｘ、Ｙ方向）及び上下方向（Ｚ方向）への移動が可能であり、かつステージを照射軸に対して傾斜角θ分傾かせることもできる。このようにステージ３９を移動させることで所望する検査領域の検査を行うことができる。また、検査用レーザ光の照射角度、受光角度を変化させることができる。
【００４０】
レーザ発振器３１から出力されるレーザ光源は、ビーム伝送ファイバを介してレーザ出射光学系３２に入力される。
【００４１】
レーザ出射光学系３２では、検査を行う溶着物１０に対して溶着物１０−１の表面にスポット径Φ０．８ｍｍでスポット照射されるように光学系により集光される。また、集光されたレーザ光源は溶着物１０に照射される。
【００４２】
受光側では、受光部の位置を調整するための位置決め用に設けられたＣＣＤカメラ３５からの画像情報を位置決め用モニタ３６で参照しながら所定の間隔分のオフセットを行う。
【００４３】
受光部の監視点を照射地点から所定の距離分オフセットされた後、集光光学系３３では、溶着物１０に照射された接合面に対する反射光を樹脂内の反射光の直接の影響を受けることなく、設定地点における散乱光のみの光を集光し、バンドパスフィルタ３４において、受光したレーザ光の中から所望するレーザ光のみを取り出し受光センサ３７にて受光する。次に、受光センサ３７により受光されたエネルギー情報についてデータ計測装置３８にてＡ／Ｄ変換を行いデータを取得する。
上述の流れをステージ３９に対して所定の動作を行い、溶着部分と非溶着部分との受光エネルギーを継続して取得する。ここで、上述のステージ移動における受光の様子について図を用いて説明する。
【００４４】
図４は、溶着状態の検査の一例を示す図である。なお、図４は、溶着状態検査装置３０におけるレーザ出射光学系３２と集光光学系３３の部分を示している。
【００４５】
上述したように、受光側は、レーザ照射地点から所定の間隔Δｄのオフセットを有しており、反射光の影響を直接受けることがない。ステージ３９上に設置されている溶着物１０は、図４に示す矢印Ａ方向、すなわちＸ軸方向に移動することで、溶着部１１と非溶着部の当接面における反射光を容易に受光することができる。また、ステージ３９は、ＸＹ軸への移動を行うことができるため、当接面の点についての受光データを取得することができる。
【００４６】
データ計測装置３８は、蓄積された所定のエリアの溶着部と非溶着部にて受光した受光レベルを比較することにより、溶着状態の検査を行う。なお、データ計測装置３８にモニタを有することで、受光レベルの蓄積結果や検査結果等の表示出力を容易に行うことができる。
【００４７】
受光部は、反射光の影響を低減させた散乱光を受光することができ、高精度な溶着状態を検査することができる。
【００４８】
なお、図４においては、レーザ出射光学系３２と集光光学系３３においては、同軸上（図４ではＸ軸上）に位置付けられている。つまり、入射角に対応させた反射角により集光光学系３３を有する受光部が位置付けられている。これにより、反射光の影響を受けやすくしている。しかしながら、本発明においては、その反射光と散乱光を受光することにより、樹脂の溶着状態を検査するため、レーザ出射光学系３２においてレーザ光を照射する光軸を焦点面に対して垂直以外の角度を設けて受光部を位置付けることにより反射光を直接受光せずに反射光における散乱光のみを受光するようにできるため、受光点における光の受光を高精度に行うことができる。
【００４９】
ここで、上述の内容について図を用いて説明する。図５は、本発明における受光位置を説明するための図である。なお、図５は、溶着物１０−１側から見た図を示している。図５に示すようにレーザ出射光学系３２が図５に示すＸ軸上に位置付けられているものとする。図４では、レーザ出射光学系３２からのレーザ光の照射地点から所定の間隔（Δｄ）分オフセットさせた位置に受光部５１が位置付けられている。
【００５０】
ここで、上述したように反射光の影響を受けないような所定の角度を設けて移動する。例えば、図５において、受光部５１−１の位置からＹ軸上の５１−２又は受光部５１−３から受光するように位置付けることにより、その位置からレーザ光の照射地点の光を受光することにより、反射光の影響を直接受けていない光を受光することができる。このようにして受光した溶着部の受光レベルと非溶着部の受光レベルとを比較することで、容易に溶着状態の検査を行うことができる。
【００５１】
なお、図５においては、９０°の煽り角を設けて移動を行っているが、本発明においては、この限りではなく他の角度に変化させてもよい。しかしながら、入射するレーザ光の方向と同一方向からの受光は、入射光自体の光も受光してしまうため、図５に示す同軸上に位置付けられた受光部５１−１を基準として−９０°〜９０°の範囲で設定されることが好ましい。また、同軸上に位置付けられていない場合でも、溶着物の材質、反射光、反射光における散乱光等の影響により所定の間隔のオフセットを有することで、より高精度な受光を可能にし、溶着状態の検査を容易に実現することができる。
【００５２】
ここで、本発明における溶着状態検査装置において、受光された受光レベルの例について図を用いて説明する。なお、図６に示す例は、本実施の形態におけるデータ計測装置３８にて蓄積された受光レベルのデータ例である。
【００５３】
図６は、受光レベルに基づく検査内容を示す一例の図である。ここで、図６（ａ）は、オフセットしない状態での受光レベルの様子を示す図を示し、図６（ｂ）は、本発明におけるオフセットを行った状態での受光レベルの様子を示す図である。また、図６（ａ）、（ｂ）の横軸は、時間（ｍｓ）を示し、縦軸は、受光センサのシグナルレベル（Ｖ）を示している。
【００５４】
また、検査される試料としては、上述した材質（溶着物１０−１，１０−２）を用いるものとし、レーザ発振器３１から出力されるレーザ光源は、波長が８０８ｎｍで出力が０．８Ｗのものを用いる。また、レーザ出射光学系から溶着物１０への入射角は２０°で煽り角は０°（すなわち、入射レーザ光軸と同軸上に位置付けられている）で設置されている。
【００５５】
図６（ａ）に示すように受光部の受光点が照射点と同一の場合には、溶着部と非溶着部における受光レベルの差を認識することができない。しかしながら、本発明におけるオフセットさせて受光した結果である図６（ｂ）に示すように溶着部での受光レベルが、非溶着部と比較して変化している（図６（ｂ）マル１、マル２、及びマル３）。つまり、溶着物１０−１，１０−２の溶着面において、非溶着部である場合は溶着物間に隙間が存在するため検査用光源の光は溶着物１０−１の界面で反射される。そのため、受光部に受光される光の強度は大きくなる。一方、溶着部である場合には溶着物間に隙間が存在していないため検査用光源の光は溶着物１０−２に吸収される。そのため、図６（ｂ）マル１、マル２、及びマル３に示すように受光部に受光される光の強度は小さくなる。これにより、溶着状態の良否を高精度に判定することができる。
【００５６】
また、データ計測装置３８は、所定の受光レベルに応じてエラー表示をしたり、データを記録したりする制御を行うことで、より高精度で効率的に樹脂の溶着状態の検査を行うことができる。
【００５７】
上述したように本発明によれば、受光部の受光点を照射地点から所定の距離分オフセットすることにより、これにより、受光部で受光する光としては、照射点表面からの反射光と照射点に照射するレーザ光により得られる散乱光（第１の散乱光）を減少させることができ、高精度に溶着状態の検査をすることができる。これにより、溶着物における溶着部の受光レベルと非溶着部の受光レベルとを比較することで高精度な溶着状態の検査を実現することができる。
【００５８】
また、レーザ光を照射する光軸を焦点面に対して垂直以外の角度を設けて受光部を位置付けることにより、照射点表面からの反射光を直接受光しない位置で光の受光を容易に行うことができる。
【００５９】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、レーザ光を用いて溶着物の溶着状態を高精度に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂同士の溶着の様子を示す一例の図である。
【図２】本発明における溶着状態の検査方法の概要を示す一例の図である。
【図３】本発明における溶着状態検査装置の概略構成図の一例を示す図である。
【図４】溶着状態の検査の一例を示す図である。
【図５】本発明における受光位置を説明するための図である。
【図６】受光レベルに基づく検査内容を示す一例の図である。
【符号の説明】
１０ 溶着物
１１ 溶着部
２１ 検査光源
２２，５１ 受光部
３０ 溶着状態検査装置
３１ レーザ発振器
３２ レーザ出射光学系
３３ 集光光学系
３４ バンドパスフィルタ
３５ ＣＣＤカメラ
３６ 位置決めモニタ
３７ 受光センサ
３８ データ計測装置
３９ ステージ

Claims (3)

  1. レーザ発振器から出力されるレーザ光により、被溶着物を溶着し、溶着された部分の溶着状態を検査するための溶着状態検査方法において、
    前記被溶着物の溶着面に、溶着状態を検査するためのレーザ光を照射する検査用レーザ光照射段階と、
    前記検査用レーザ光照射段階にて照射されたレーザ光の照射地点から予め設定された距離に基づいてオフセットさせた地点で、前記レーザ光を前記被溶着物内に入射することで発生する第１の散乱光が前記溶着面で反射して得られる反射光により発生する第２の散乱光を受光する受光段階とを有することを特徴とする溶着状態検査方法。
  2. 前記受光段階は、
    前記照射地点から予め設定された距離に基づいて前記検査用レーザ光の入射面に対してＸ軸、Ｙ軸、又はＺ軸の少なくとも１つの軸方向へオフセットを行うことを特徴とする請求項１に記載の溶着状態検査方法。
  3. 前記受光段階は、
    前記検査用レーザ光照射段階にて照射される光源の光軸を焦点面に対して水平方向に所定の角度変化させて受光することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶着状態検査方法。
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