JP4267286B2 - 樹脂材の溶着方法および樹脂材の溶着装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いた樹脂材の溶着方法および溶着装置に関し、詳しくは、樹脂材の溶着状態を判断しながら樹脂材をレーザ溶着する樹脂材の溶着方法および溶着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二種類の樹脂材を接合する方法として、レーザ光を用いた溶着方法が多く用いられている。例えば、レーザ光を透過する透過性樹脂材と、レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを重ね合わせた後、該透過性樹脂材の方向からレーザ光を照射する溶着方法がある（例えば、特許文献１参照。）。この溶着方法では、以下のようにして二種類の樹脂材が溶着される。照射されたレーザ光は、透過性樹脂材を透過し、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との合わせ面に到達すると吸収性樹脂材に吸収される。吸収されたレーザ光のエネルギーにより、透過性樹脂材との合わせ面となる吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、対向する透過性樹脂材の表面に伝達して、透過性樹脂材も加熱溶融される。透過性樹脂材と吸収性樹脂材とが互いに溶融した状態で圧着されることで両者が溶着される。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２１４９３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記溶着方法で透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着させる場合、溶着させる樹脂材の表面に、製造上不可避的なそりやうねり等が生じていることがある。例えば、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを当接させた場合、各樹脂材の当接面にそりやうねりがあると、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が生じる。上述したように、レーザ光を用いた溶着方法では、レーザ光の照射により吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。溶着される二種類の樹脂材間に隙間がある場合には、吸収性樹脂材の溶融膨張により隙間が埋められ、吸収性樹脂材と透過性樹脂材とが溶着される。つまり、隙間の分だけ吸収性樹脂材の見かけ密度が低下し、結果的に溶着部の強度が低下することとなる。このように、樹脂材間に隙間がある状態で溶着された場合には、その溶着状態は良好とはいえない。また、二種類の樹脂材の当接面に金属粉や水分等の異物が付着している場合や、レーザ光の照射角度が適切ではない場合には溶着が充分にされ難い。このため、溶着状態は悪くなり、溶着部の強度は低下する。このように、樹脂材の溶着状態と、溶着された樹脂材の強度やシール性とは密接な関係がある。したがって、溶着された樹脂材の溶着状態を把握することは極めて重要となる。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、レーザ光を照射して二種類の樹脂材を溶着するとともに、その溶着状態をも判断することのできる樹脂材の溶着方法を提供することを課題とする。また、溶着状態を判断しながら溶着を行うことのできる樹脂材の溶着装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着方法において、前記レーザ光を照射することにより前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させ溶融部を形成するとともに、該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出し、該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断するものであって、予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を照射することにより二種類の樹脂材を溶着するとともに、その溶着状態をも判断することができる溶着方法である。本発明者は、樹脂材の溶着状態が何らかの原因で悪くなる場合には、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融されて形成された溶融部の温度が変動するということを見出した。そして、溶融部の温度を検出することで、その温度に基づいて樹脂材の溶着状態を判断することができると考えた。
【０００８】
上述したように、当接された透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間がある場合には、溶着不良となり易い。樹脂材間に隙間がある場合、レーザ光の吸収により吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、対向する透過性樹脂材の表面に伝達し難くなる。このため、隙間のない場合と比較して、吸収性樹脂材の表面温度は高くなる。つまり、樹脂材間に隙間がある場合には、溶融部の温度が高くなる。したがって、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融され形成された溶融部の温度変動を監視することで、樹脂材間の隙間の有無を把握することができ、溶着状態を判断することができる。このように、本発明の樹脂材の溶着方法によれば、溶着される樹脂材の溶着状態の良否を判断しながら、樹脂材を溶着することができる。
【０００９】
本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着装置であって、前記レーザ光を照射して、前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させて溶融部を形成するレーザ光照射手段と、該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出する温度検出手段と、検出された該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断する溶着状態判断手段とを備え、前記溶着状態判断手段では、予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断することを特徴とする。
【００１０】
本発明の樹脂材の溶着装置は、上記本発明の樹脂材の溶着方法を実施することができる装置である。すなわち、本発明の樹脂材の溶着装置によれば、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着することに加え、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融されて形成された溶融部の温度を検出し、その温度に基づいて樹脂の溶着状態を判断することができる。本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光照射手段の他に、溶融部の温度を検出する温度検出手段と、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を判断する溶着状態判断手段とを備える。つまり、温度検出手段と溶着状態判断手段とを備えるだけで、樹脂材の溶着状態を判断することができるため、簡易かつ低コストで実用的な装置となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置の実施の形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１２】
〈樹脂材の溶着方法〉
本発明の樹脂材の溶着方法では、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる。
【００１３】
本発明の溶着方法で使用するレーザ光は、その種類が特に限定されるものではない。例えば、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ等を使用することができる。なかでも、樹脂材への透過性、コスト、メインテナンス、操作の容易性等を考慮した場合には、半導体レーザを使用することが望ましい。また、レーザ光の波長は、溶着する樹脂材の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、透過性樹脂材にナイロン６を、吸収性樹脂材にカーボンブラックを添加したナイロン６を用いて両者を溶着する場合には、レーザ光の波長を８００〜１１００ｎｍ程度とすればよい。レーザ光の出力も、溶着する樹脂材の種類や厚さ等に応じて適宜選択すればよい。
【００１４】
溶着される樹脂材の一方である透過性樹脂材は、熱可塑性を有し、レーザ光を透過する樹脂を用いれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、ナイロン６やナイロン６，６等のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）等を用いることができる。また、必要に応じて上記樹脂にガラス繊維等を添加して強化したものを、あるいは上記樹脂にレーザ光を吸収しない染料等で着色したものを用いてもよい。
【００１５】
溶着される樹脂材の他方である吸収性樹脂材は、熱可塑性を有し、レーザ光を吸収する樹脂を用いれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック等の顔料を添加したナイロン６やナイロン６，６等のポリアミド、また、同じくカーボンブラック等の顔料を添加したポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）等を用いることができる。また、必要に応じて上記樹脂にガラス繊維等を添加して強化したものを用いてもよい。
【００１６】
本発明の溶着方法では、上記透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを当接させ、透過性樹脂材を介して上記レーザ光を照射する。透過性樹脂材および吸収性樹脂材は、溶着する部分が互いに接するように配置されていればよい。例えば、透過性樹脂材および吸収性樹脂材がそれぞれ薄板状の場合には、両者を重ね合わせて配置すればよい。また、レーザ光は、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面へ照射される。この場合、透過性樹脂材を介してレーザ光を照射する。例えば、薄板状の透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを重ね合わせ、その合わせ面を溶着する場合には、透過性樹脂材の側からレーザ光を照射すればよい。レーザ光の照射角度は、特に限定されるものではない。透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面に対して垂直方向から照射してもよく、また所定の角度から照射してもよい。
【００１７】
上述したように、照射されたレーザ光は、透過性樹脂材を透過し、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面に到達すると吸収性樹脂材に吸収される。吸収されたレーザ光のエネルギーにより、吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、当接する透過性樹脂材の表面に伝達して、透過性樹脂材も加熱溶融される。このように、本発明の溶着方法では、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が加熱溶融され溶融部が形成される。なお、形成された溶融部は、冷却されることにより溶着部となる。
【００１８】
吸収性樹脂材は、照射されたレーザ光を吸収することにより発熱する。そして、発熱した吸収性樹脂材から放射光が放射される。本発明の溶着方法では、溶融部から透過性樹脂材を透過して放射される放射光により溶融部の温度を検出する。つまり、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が存在しない場合には、吸収性樹脂材の表面の温度が溶融部の温度として検出される。溶融部の温度の検出方法は、放射される放射光から温度を検出するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、既に公知の放射温度計等を用いて検出することができる。放射される放射光は様々な波長からなる。また、波長の分布は、レーザ光の種類や溶着する樹脂材の種類等により異なる。したがって、溶融部の温度の検出には、用いるレーザ光や樹脂材に応じて最適な波長を適宜選択すればよい。溶融部の温度を検出するための放射光の波長は、レーザ光の波長と異なることが望ましく、特に、温度を検出する際の精度を考慮した場合には、透過性樹脂材に対する透過率が１０％以上であることが望ましい。透過率の測定には、市販の分光度測定器を用いればよい。
【００１９】
本発明の溶着方法では、検出された溶融部の温度に基づいて透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を判断する。溶着状態の判断方法は、特に限定されるものではない。例えば、溶融部の温度の管理値を予め設定しておき、溶着中の溶融部の温度とその管理値とを比較することで、溶着状態を判断すればよい。本発明の溶着方法における溶着状態の判断手法の一例として、溶着不良品を検出する態様を以下説明する。
【００２０】
（１）実施形態１：透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間の隙間による溶着不良品の検出
図１に、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。図１に示すように、溶着対象となる薄板状の透過性樹脂材５と薄板状の吸収性樹脂材６とが当接されている。透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との間には隙間８が存在している。レーザ光２３は、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射され、溶融部７が形成されている。また、溶融部７から透過性樹脂材５を透過して放射光３１が放射されている。このように、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した場合、隙間の長さや厚み、つまり隙間の大きさが大きい程溶着部の強度は低下すると考えられる。したがって、溶着部の強度の低下を招くような隙間が存在する状態で溶着されたものは、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。この場合、以下のようにして溶着状態を判断すればよい。
【００２１】
まず、図２に概念図として示すように、溶着部の強度と隙間の大きさとの関係を求める。そして、溶着部の強度の許容下限値を設定し、上記溶着部の強度と隙間の大きさとの関係から、許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定する。一方、図３に概念図として示すように、隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係を求める。上記隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値とする。溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理値を超えた場合には、溶着部の強度の低下を招くような隙間が存在すると推測されるため、溶着状態を不良と判断する。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、樹脂材間の隙間の有無を判断することができ、溶着不良品を検出することができる。
【００２２】
（２）参考形態１：異物の混入等による溶着不良品の検出
図４に、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が混入した状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。図４に示すように、溶着対象となる薄板状の透過性樹脂材５と薄板状の吸収性樹脂材６とが当接されている。透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との間には異物９が存在する。レーザ光２３は、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射され、溶融部７が形成されている。溶融部７から透過性樹脂材５を透過して放射光３１が放射されている。このように、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が存在する場合、異物が存在する部分では吸収性樹脂材にレーザ光が照射され難いため、溶着が不充分となり、溶着部の強度は低下すると考えられる。また、異物が透過性樹脂材の外表面に付着している場合や透過性樹脂材の内部に混入している場合等においても、上記同様に、吸収性樹脂材にレーザ光が照射され難くなるため溶着が不充分となり、溶着部の強度は低下すると考えられる。
【００２３】
このように、溶着部の強度の低下を招くような異物が存在する状態で溶着されたものは、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。上述したように、異物が存在する場合には、レーザ光は吸収性樹脂材に到達し難くなり、溶融部の温度は低くなる。一方、炭化物等の異物が透過性樹脂材の外表面に付着した場合には、レーザ光の照射により、吸収性樹脂材に加えて異物が発熱するため、検出される溶融部の温度が高くなる場合もある。したがって、例えば、溶着状態が良好なものの溶着における溶融部の温度範囲を溶融部温度管理範囲と設定し、溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理範囲からはずれた場合には、異物が存在すると推測されるため、溶着状態を不良と判断すればよい。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、樹脂材における異物の付着および混入の有無を判断することができ、溶着不良品を検出することができる。
【００２４】
（３）参考形態２：レーザ光の照射条件に起因した溶着不良品の検出
樹脂材に照射するレーザ光の照射角度が変化した場合、透過性樹脂材を透過するレーザ光の透過距離が変化する。図５および図６に、レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離をそれぞれ示す。図５と図６とでは、レーザ光の照射角度のみが異なる。図５および図６に示すように、溶着対象となる透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６とは当接されている。当接面には、レーザ光２３が照射され、溶融部７が形成されている。図５に示すように、レーザ光を当接面に対して垂直方向から照射した場合には、レーザ光の透過距離はＡとなる。一方、図６に示すように、レーザ光を当接面に対して斜め方向から照射した場合には、レーザ光の透過距離はＢとなる。各々のレーザ光の透過距離を比較すると、Ｂの方が長くなっている。レーザ光の透過距離が長くなると、それだけ透過性樹脂材によるレーザ光の散乱が多くなり、樹脂材の当接面へ到達するレーザ光のエネルギーが低下する。つまり、吸収性樹脂材に吸収されるレーザ光のエネルギーが低下する。このため、吸収性樹脂材は溶融し難くなり、溶着が不充分となる場合がある。したがって、レーザ光を当接面に対して傾斜させて照射した場合には、垂直方向から照射した場合と比較して、溶着部の強度は低下すると考えられる。
【００２５】
また、レーザ光の照射角度が一定であっても、溶着部におけるレーザ光の照射位置が変化することで、レーザ光の透過距離が変化する場合がある。図７および図８に、レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離をそれぞれ示す。図７と図８とでは、レーザ光の照射位置のみが異なる。図７および図８に示すように、棒状の透過性樹脂材５と棒状の吸収性樹脂材６とが、それぞれの端面を合わせて当接されている。当接面には、レーザ光２３が照射され、溶融部７が形成されている。図７に示すように、目的とする溶着部のほぼ中央にレーザ光を照射した場合には、レーザ光の透過距離はＣとなる。一方、図８に示すように、溶着部の端部にレーザ光を照射した場合には、レーザ光の透過距離はＤとなる。各々のレーザ光の透過距離を比較すると、Ｄの方が長くなっている。このように、レーザ光の照射位置が変化することで、上記同様に溶着が不充分となる場合がある。この場合にも、溶着部の強度は低下すると考えられる。このように、レーザ光の照射条件が変化することにより溶着が不充分となった場合には、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。
【００２６】
上記説明したように、レーザ光の透過距離が長くなる場合には、吸収性樹脂材に吸収されるレーザ光のエネルギーが低下するため、吸収性樹脂材の発熱は小さくなり、溶融部の温度は低くなる。したがって、例えば、溶着状態が良好なものの溶着における溶融部の温度範囲の下限値を溶融部温度管理値と設定し、溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理値よりも低い場合には、レーザ光の照射が不充分であるため、溶着状態を不良と判断すればよい。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、レーザ光の照射条件に起因した溶着不良品を検出することができる。
【００２７】
〈樹脂材の溶着装置〉
本発明の樹脂材の溶着装置は、上記本発明の樹脂材の溶着方法を実施することができる装置であり、上述したように、レーザ光照射手段と温度検出手段と溶着状態判断手段とを備える。ここで、本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の構成を説明する。図９に本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の概略を示す。図９に示すように、樹脂材の溶着装置１は、レーザ光照射装置２と、放射温度計３と、溶着状態判断装置４とを備える。
【００２８】
レーザ光照射装置２は、本発明の溶着装置におけるレーザ光照射手段として機能するものであり、レーザ光照射ファイバ２１とレーザ光照射用ミラー２２とからなる。レーザ光照射ファイバ２１は、図示しないレーザ源に接続され、レーザ光を案内する。レーザ源はコンピュータ本体４１と接続され、コンピュータ本体４１によりレーザ光の照射および停止が制御される。レーザ光照射用ミラー２２は、レーザ光照射ファイバ２１により案内されたレーザ光を反射させ、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面にレーザ光２３を照射する。レーザ光２３は、波長９４０ｎｍの半導体レーザ光であり、その出力は３００Ｗである。
【００２９】
ここで、レーザ光２３を透過する透過性樹脂材５は、厚さ３ｍｍの薄板状を呈し、ガラス繊維を３０重量％含むナイロン６からなる。また、レーザ光２３を吸収する吸収性樹脂材６は、厚さ２５ｍｍの板状を呈し、ガラス繊維を３０重量％含み、カーボンブラックが添加されたナイロン６からなる。なお、レーザ光２３が照射されることにより、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面は加熱溶融され溶融部７が形成される。
【００３０】
放射温度計３は、本発明の溶着装置における温度検出手段として機能するものであり、レーザ光照射装置２と一体的に設置され、溶着状態判断装置４に接続されている。放射温度計３は、溶融部７から放射される波長１．８〜２．１μｍの放射光３１を、０．１ｍｓｅｃごとに計測することにより、溶融部７の温度を検出する。なお、計測される放射光３１の透過性樹脂材に対する透過率は２５％である。
【００３１】
溶着状態判断装置４は、本発明の溶着装置における溶着状態判断手段としての機能を有するものであり、コンピュータ本体４１とモニタ４２とからなる。コンピュータ本体４１には、放射温度計３により検出された溶融部７の温度データが入力される。コンピュータ本体４１は、入力された溶融部７の温度に基づいて透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との溶着状態を判断する。また、モニタ４２には、コンピュータ本体４１からの出力データが表示される。
【００３２】
次に、上記本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の動作を説明する。予め、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６とを当接させ、所定の位置に配置しておく。レーザ源からレーザ光照射ファイバ２１により案内されたレーザ光２３は、レーザ光照射用ミラー２２により反射され、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射される。レーザ光２３が照射されると、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面は加熱溶融し、溶融部７が形成される。すると、溶融部７から放射光３１が放射され、放射温度計３にて溶融部７の温度が検出される。放射温度計３で検出された温度データは、コンピュータ本体４１へ入力される。コンピュータ本体４１では、入力された温度データに基づいて透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との溶着状態が判断される。検出された温度データや溶着状態の判断結果はモニタ４２に表示される。なお、レーザ光照射装置２は、４ｍ／ｍｉｎの速度で溶着方向（図９中の矢印方向）へ移動し、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面にレーザ光２３が順次照射される。
【００３３】
ここで、溶着状態の判断を中心に、上記樹脂材の溶着装置による溶着の流れをフローチャートを用いて説明する。図１０に、溶着の流れをフローチャートで示す。図１０に示すように、溶着のルーチンが実行されると、ステップ１（図中「Ｓ１」と略称する。以下同様。）でレーザ光の２３の照射が開始される。次いで、ステップ２にて溶融部７の温度（Ｔ）が検出され、ステップ３へ進む。ステップ３では、検出された溶着部７の温度（Ｔ）と、予め設定された溶融部温度管理値の上限値（Ｔｕ）とが比較される。ここで、Ｔ＞Ｔｕである場合には、ステップ５へ進む。ステップ５では、不良フラグがＯＮの状態とされステップ６へ進む。一方、Ｔ≦Ｔｕである場合には、ステップ４へ進む。ステップ４では、検出された溶着部７の温度（Ｔ）と、予め設定された溶融部温度管理値の下限値（Ｔｌ）とが比較される。ここで、Ｔ＜Ｔｌである場合には、ステップ５へ進む。ステップ５では、不良フラグがＯＮの状態とされステップ７へ進む。一方、Ｔ≧Ｔｌである場合には、ステップ６へ進む。ステップ６では、溶着を終了するか否かが判断される。ここで、溶着を終了させる場合にはステップ７へ進む。溶着を続行する場合には、ステップ１へ戻り、上記ステップ１〜６のルーチンが繰り返される。ステップ７では、レーザ光の２３の照射が停止される。続くステップ８にて、不良フラグがＯＮか否かが判断される。ここで、不良フラグがＯＮとなっていない場合には、ステップ９へ進む。ステップ９では、溶着状態が正常であるという結果をモニタ４２に表示する。その後、溶着ルーチンを終了する。一方、不良フラグがＯＮとなっている場合には、ステップ１０へ進む。ステップ１０では、溶着状態が不良であるという結果をモニタ４２に表示する。その後、溶着ルーチンを終了する。溶着状態が不良とされた溶着品は、不良品と判定される。
【００３４】
このように、本発明の樹脂材の溶着装置を用いることにより、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を随時判断しながら両者を溶着することができる。本実施形態では、レーザ光照射手段となるレーザ光照射装置を移動させて溶着を行う態様を示した。しかし、本発明の樹脂材の溶着装置におけるレーザ光照射手段は、例えば、点溶着を行う場合のように、固定されているものでもよい。
【００３５】
【実施例】
上記実施の形態に基づいて、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着した。溶着は、上記実施の形態で説明した本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置を用いて行った。なお、当接した透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間には、予め所定の大きさの隙間を形成しておいた。そして、溶着方向における隙間の長さを変更して三回溶着を行った。各々の溶着における溶融部の温度変化を図１１に示す。図１１に示すように、隙間が存在する部分では、いずれも溶融部の温度は上昇した。そして、溶着方向における隙間の長さが長いほど、溶融部の温度が上昇している時間が長くなった。この結果より、溶融部の温度変化を監視することで、樹脂材間における隙間の有無を把握することができることが確認された。さらに、レーザ照射装置の移動速度から、溶着方向における隙間の長さも算出することができる。また、本実施例では、いずれも隙間が存在する部分で溶融部の温度が２５０℃を超えた。したがって、例えば、溶融部温度管理値を２５０℃と設定することにより、本実施例の溶着品を溶着不良品として検出することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を照射することにより二種類の樹脂材を溶着するとともに、樹脂材の当接面に形成された溶融部の温度を検出し、その温度に基づいて樹脂材の溶着状態を判断する方法である。樹脂材の溶着状態によって、溶着された樹脂材の強度やシール性は大きく左右される。本発明の樹脂材の溶着方法によれば、樹脂材を溶着すると同時にその溶着状態が把握できるため、溶着不良品の検出に有効となる。
【００３７】
本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光照射手段と温度検出手段と溶着状態判断手段とを備える。本発明の樹脂材の溶着装置によれば、上記本発明の樹脂材の溶着方法を容易に実施することができる。また、レーザ光照射手段の他に、温度検出手段と溶着状態判断手段とを備えるだけで、樹脂材の溶着状態を判断することができるため、簡易かつ低コストで実用的な装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。
【図２】 溶着部の強度と隙間の大きさとの関係を概念的に示す。
【図３】 隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係を概念的に示す。
【図４】 透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が混入した状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。
【図５】 レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図６】 レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図７】 レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図８】 レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図９】 本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の概略を示す。
【図１０】 本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置による溶着の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 溶着における溶融部の温度変化を示す。
【符号の説明】
１：樹脂材の溶着装置
２：レーザ光照射装置
２１：レーザ光照射ファイバ ２２：レーザ光照射ミラー ２３：レーザ光
３：放射温度計
３１：放射光
４：溶着状態判断装置
４１：コンピュータ本体 ４２：モニタ
５：透過性樹脂材 ６：吸収性樹脂材 ７：溶融部 ８：隙間 ９：異物
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いた樹脂材の溶着方法および溶着装置に関し、詳しくは、樹脂材の溶着状態を判断しながら樹脂材をレーザ溶着する樹脂材の溶着方法および溶着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二種類の樹脂材を接合する方法として、レーザ光を用いた溶着方法が多く用いられている。例えば、レーザ光を透過する透過性樹脂材と、レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを重ね合わせた後、該透過性樹脂材の方向からレーザ光を照射する溶着方法がある（例えば、特許文献１参照。）。この溶着方法では、以下のようにして二種類の樹脂材が溶着される。照射されたレーザ光は、透過性樹脂材を透過し、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との合わせ面に到達すると吸収性樹脂材に吸収される。吸収されたレーザ光のエネルギーにより、透過性樹脂材との合わせ面となる吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、対向する透過性樹脂材の表面に伝達して、透過性樹脂材も加熱溶融される。透過性樹脂材と吸収性樹脂材とが互いに溶融した状態で圧着されることで両者が溶着される。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２１４９３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記溶着方法で透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着させる場合、溶着させる樹脂材の表面に、製造上不可避的なそりやうねり等が生じていることがある。例えば、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを当接させた場合、各樹脂材の当接面にそりやうねりがあると、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が生じる。上述したように、レーザ光を用いた溶着方法では、レーザ光の照射により吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。溶着される二種類の樹脂材間に隙間がある場合には、吸収性樹脂材の溶融膨張により隙間が埋められ、吸収性樹脂材と透過性樹脂材とが溶着される。つまり、隙間の分だけ吸収性樹脂材の見かけ密度が低下し、結果的に溶着部の強度が低下することとなる。このように、樹脂材間に隙間がある状態で溶着された場合には、その溶着状態は良好とはいえない。また、二種類の樹脂材の当接面に金属粉や水分等の異物が付着している場合や、レーザ光の照射角度が適切ではない場合には溶着が充分にされ難い。このため、溶着状態は悪くなり、溶着部の強度は低下する。このように、樹脂材の溶着状態と、溶着された樹脂材の強度やシール性とは密接な関係がある。したがって、溶着された樹脂材の溶着状態を把握することは極めて重要となる。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、レーザ光を照射して二種類の樹脂材を溶着するとともに、その溶着状態をも判断することのできる樹脂材の溶着方法を提供することを課題とする。また、溶着状態を判断しながら溶着を行うことのできる樹脂材の溶着装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着方法において、前記レーザ光を照射することにより前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させ溶融部を形成するとともに、該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出し、該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断するものであって、予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を照射することにより二種類の樹脂材を溶着するとともに、その溶着状態をも判断することができる溶着方法である。本発明者は、樹脂材の溶着状態が何らかの原因で悪くなる場合には、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融されて形成された溶融部の温度が変動するということを見出した。そして、溶融部の温度を検出することで、その温度に基づいて樹脂材の溶着状態を判断することができると考えた。
【０００８】
上述したように、当接された透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間がある場合には、溶着不良となり易い。樹脂材間に隙間がある場合、レーザ光の吸収により吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、対向する透過性樹脂材の表面に伝達し難くなる。このため、隙間のない場合と比較して、吸収性樹脂材の表面温度は高くなる。つまり、樹脂材間に隙間がある場合には、溶融部の温度が高くなる。したがって、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融され形成された溶融部の温度変動を監視することで、樹脂材間の隙間の有無を把握することができ、溶着状態を判断することができる。このように、本発明の樹脂材の溶着方法によれば、溶着される樹脂材の溶着状態の良否を判断しながら、樹脂材を溶着することができる。
【０００９】
本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着装置であって、前記レーザ光を照射して、前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させて溶融部を形成するレーザ光照射手段と、該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出する温度検出手段と、検出された該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断する溶着状態判断手段とを備え、前記溶着状態判断手段では、予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断することを特徴とする。
【００１０】
本発明の樹脂材の溶着装置は、上記本発明の樹脂材の溶着方法を実施することができる装置である。すなわち、本発明の樹脂材の溶着装置によれば、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着することに加え、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面が加熱溶融されて形成された溶融部の温度を検出し、その温度に基づいて樹脂の溶着状態を判断することができる。本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光照射手段の他に、溶融部の温度を検出する温度検出手段と、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を判断する溶着状態判断手段とを備える。つまり、温度検出手段と溶着状態判断手段とを備えるだけで、樹脂材の溶着状態を判断することができるため、簡易かつ低コストで実用的な装置となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置の実施の形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の樹脂材の溶着方法および溶着装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１２】
〈樹脂材の溶着方法〉
本発明の樹脂材の溶着方法では、レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる。
【００１３】
本発明の溶着方法で使用するレーザ光は、その種類が特に限定されるものではない。例えば、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ等を使用することができる。なかでも、樹脂材への透過性、コスト、メインテナンス、操作の容易性等を考慮した場合には、半導体レーザを使用することが望ましい。また、レーザ光の波長は、溶着する樹脂材の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、透過性樹脂材にナイロン６を、吸収性樹脂材にカーボンブラックを添加したナイロン６を用いて両者を溶着する場合には、レーザ光の波長を８００〜１１００ｎｍ程度とすればよい。レーザ光の出力も、溶着する樹脂材の種類や厚さ等に応じて適宜選択すればよい。
【００１４】
溶着される樹脂材の一方である透過性樹脂材は、熱可塑性を有し、レーザ光を透過する樹脂を用いれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、ナイロン６やナイロン６，６等のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）等を用いることができる。また、必要に応じて上記樹脂にガラス繊維等を添加して強化したものを、あるいは上記樹脂にレーザ光を吸収しない染料等で着色したものを用いてもよい。
【００１５】
溶着される樹脂材の他方である吸収性樹脂材は、熱可塑性を有し、レーザ光を吸収する樹脂を用いれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック等の顔料を添加したナイロン６やナイロン６，６等のポリアミド、また、同じくカーボンブラック等の顔料を添加したポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）等を用いることができる。また、必要に応じて上記樹脂にガラス繊維等を添加して強化したものを用いてもよい。
【００１６】
本発明の溶着方法では、上記透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを当接させ、透過性樹脂材を介して上記レーザ光を照射する。透過性樹脂材および吸収性樹脂材は、溶着する部分が互いに接するように配置されていればよい。例えば、透過性樹脂材および吸収性樹脂材がそれぞれ薄板状の場合には、両者を重ね合わせて配置すればよい。また、レーザ光は、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面へ照射される。この場合、透過性樹脂材を介してレーザ光を照射する。例えば、薄板状の透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを重ね合わせ、その合わせ面を溶着する場合には、透過性樹脂材の側からレーザ光を照射すればよい。レーザ光の照射角度は、特に限定されるものではない。透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面に対して垂直方向から照射してもよく、また所定の角度から照射してもよい。
【００１７】
上述したように、照射されたレーザ光は、透過性樹脂材を透過し、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との当接面に到達すると吸収性樹脂材に吸収される。吸収されたレーザ光のエネルギーにより、吸収性樹脂材の表面が加熱溶融される。吸収性樹脂材の表面で生じた熱は、当接する透過性樹脂材の表面に伝達して、透過性樹脂材も加熱溶融される。このように、本発明の溶着方法では、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が加熱溶融され溶融部が形成される。なお、形成された溶融部は、冷却されることにより溶着部となる。
【００１８】
吸収性樹脂材は、照射されたレーザ光を吸収することにより発熱する。そして、発熱した吸収性樹脂材から放射光が放射される。本発明の溶着方法では、溶融部から透過性樹脂材を透過して放射される放射光により溶融部の温度を検出する。つまり、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が存在しない場合には、吸収性樹脂材の表面の温度が溶融部の温度として検出される。溶融部の温度の検出方法は、放射される放射光から温度を検出するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、既に公知の放射温度計等を用いて検出することができる。放射される放射光は様々な波長からなる。また、波長の分布は、レーザ光の種類や溶着する樹脂材の種類等により異なる。したがって、溶融部の温度の検出には、用いるレーザ光や樹脂材に応じて最適な波長を適宜選択すればよい。溶融部の温度を検出するための放射光の波長は、レーザ光の波長と異なることが望ましく、特に、温度を検出する際の精度を考慮した場合には、透過性樹脂材に対する透過率が１０％以上であることが望ましい。透過率の測定には、市販の分光度測定器を用いればよい。
【００１９】
本発明の溶着方法では、検出された溶融部の温度に基づいて透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を判断する。溶着状態の判断方法は、特に限定されるものではない。例えば、溶融部の温度の管理値を予め設定しておき、溶着中の溶融部の温度とその管理値とを比較することで、溶着状態を判断すればよい。本発明の溶着方法における溶着状態の判断手法の一例として、溶着不良品を検出する態様を以下説明する。
【００２０】
（１）実施形態１：透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間の隙間による溶着不良品の検出
図１に、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。図１に示すように、溶着対象となる薄板状の透過性樹脂材５と薄板状の吸収性樹脂材６とが当接されている。透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との間には隙間８が存在している。レーザ光２３は、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射され、溶融部７が形成されている。また、溶融部７から透過性樹脂材５を透過して放射光３１が放射されている。このように、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した場合、隙間の長さや厚み、つまり隙間の大きさが大きい程溶着部の強度は低下すると考えられる。したがって、溶着部の強度の低下を招くような隙間が存在する状態で溶着されたものは、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。この場合、以下のようにして溶着状態を判断すればよい。
【００２１】
まず、図２に概念図として示すように、溶着部の強度と隙間の大きさとの関係を求める。そして、溶着部の強度の許容下限値を設定し、上記溶着部の強度と隙間の大きさとの関係から、許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定する。一方、図３に概念図として示すように、隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係を求める。上記隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値とする。溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理値を超えた場合には、溶着部の強度の低下を招くような隙間が存在すると推測されるため、溶着状態を不良と判断する。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、樹脂材間の隙間の有無を判断することができ、溶着不良品を検出することができる。
【００２２】
（２）参考形態１：異物の混入等による溶着不良品の検出
図４に、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が混入した状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。図４に示すように、溶着対象となる薄板状の透過性樹脂材５と薄板状の吸収性樹脂材６とが当接されている。透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との間には異物９が存在する。レーザ光２３は、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射され、溶融部７が形成されている。溶融部７から透過性樹脂材５を透過して放射光３１が放射されている。このように、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が存在する場合、異物が存在する部分では吸収性樹脂材にレーザ光が照射され難いため、溶着が不充分となり、溶着部の強度は低下すると考えられる。また、異物が透過性樹脂材の外表面に付着している場合や透過性樹脂材の内部に混入している場合等においても、上記同様に、吸収性樹脂材にレーザ光が照射され難くなるため溶着が不充分となり、溶着部の強度は低下すると考えられる。
【００２３】
このように、溶着部の強度の低下を招くような異物が存在する状態で溶着されたものは、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。上述したように、異物が存在する場合には、レーザ光は吸収性樹脂材に到達し難くなり、溶融部の温度は低くなる。一方、炭化物等の異物が透過性樹脂材の外表面に付着した場合には、レーザ光の照射により、吸収性樹脂材に加えて異物が発熱するため、検出される溶融部の温度が高くなる場合もある。したがって、例えば、溶着状態が良好なものの溶着における溶融部の温度範囲を溶融部温度管理範囲と設定し、溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理範囲からはずれた場合には、異物が存在すると推測されるため、溶着状態を不良と判断すればよい。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、樹脂材における異物の付着および混入の有無を判断することができ、溶着不良品を検出することができる。
【００２４】
（３）参考形態２：レーザ光の照射条件に起因した溶着不良品の検出
樹脂材に照射するレーザ光の照射角度が変化した場合、透過性樹脂材を透過するレーザ光の透過距離が変化する。図５および図６に、レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離をそれぞれ示す。図５と図６とでは、レーザ光の照射角度のみが異なる。図５および図６に示すように、溶着対象となる透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６とは当接されている。当接面には、レーザ光２３が照射され、溶融部７が形成されている。図５に示すように、レーザ光を当接面に対して垂直方向から照射した場合には、レーザ光の透過距離はＡとなる。一方、図６に示すように、レーザ光を当接面に対して斜め方向から照射した場合には、レーザ光の透過距離はＢとなる。各々のレーザ光の透過距離を比較すると、Ｂの方が長くなっている。レーザ光の透過距離が長くなると、それだけ透過性樹脂材によるレーザ光の散乱が多くなり、樹脂材の当接面へ到達するレーザ光のエネルギーが低下する。つまり、吸収性樹脂材に吸収されるレーザ光のエネルギーが低下する。このため、吸収性樹脂材は溶融し難くなり、溶着が不充分となる場合がある。したがって、レーザ光を当接面に対して傾斜させて照射した場合には、垂直方向から照射した場合と比較して、溶着部の強度は低下すると考えられる。
【００２５】
また、レーザ光の照射角度が一定であっても、溶着部におけるレーザ光の照射位置が変化することで、レーザ光の透過距離が変化する場合がある。図７および図８に、レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離をそれぞれ示す。図７と図８とでは、レーザ光の照射位置のみが異なる。図７および図８に示すように、棒状の透過性樹脂材５と棒状の吸収性樹脂材６とが、それぞれの端面を合わせて当接されている。当接面には、レーザ光２３が照射され、溶融部７が形成されている。図７に示すように、目的とする溶着部のほぼ中央にレーザ光を照射した場合には、レーザ光の透過距離はＣとなる。一方、図８に示すように、溶着部の端部にレーザ光を照射した場合には、レーザ光の透過距離はＤとなる。各々のレーザ光の透過距離を比較すると、Ｄの方が長くなっている。このように、レーザ光の照射位置が変化することで、上記同様に溶着が不充分となる場合がある。この場合にも、溶着部の強度は低下すると考えられる。このように、レーザ光の照射条件が変化することにより溶着が不充分となった場合には、溶着状態が不良であると判断されることが望まれる。
【００２６】
上記説明したように、レーザ光の透過距離が長くなる場合には、吸収性樹脂材に吸収されるレーザ光のエネルギーが低下するため、吸収性樹脂材の発熱は小さくなり、溶融部の温度は低くなる。したがって、例えば、溶着状態が良好なものの溶着における溶融部の温度範囲の下限値を溶融部温度管理値と設定し、溶着中の溶融部の温度が溶融部温度管理値よりも低い場合には、レーザ光の照射が不充分であるため、溶着状態を不良と判断すればよい。このように、溶融部の温度を検出し、所定の管理値と比較することで、レーザ光の照射条件に起因した溶着不良品を検出することができる。
【００２７】
〈樹脂材の溶着装置〉
本発明の樹脂材の溶着装置は、上記本発明の樹脂材の溶着方法を実施することができる装置であり、上述したように、レーザ光照射手段と温度検出手段と溶着状態判断手段とを備える。ここで、本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の構成を説明する。図９に本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の概略を示す。図９に示すように、樹脂材の溶着装置１は、レーザ光照射装置２と、放射温度計３と、溶着状態判断装置４とを備える。
【００２８】
レーザ光照射装置２は、本発明の溶着装置におけるレーザ光照射手段として機能するものであり、レーザ光照射ファイバ２１とレーザ光照射用ミラー２２とからなる。レーザ光照射ファイバ２１は、図示しないレーザ源に接続され、レーザ光を案内する。レーザ源はコンピュータ本体４１と接続され、コンピュータ本体４１によりレーザ光の照射および停止が制御される。レーザ光照射用ミラー２２は、レーザ光照射ファイバ２１により案内されたレーザ光を反射させ、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面にレーザ光２３を照射する。レーザ光２３は、波長９４０ｎｍの半導体レーザ光であり、その出力は３００Ｗである。
【００２９】
ここで、レーザ光２３を透過する透過性樹脂材５は、厚さ３ｍｍの薄板状を呈し、ガラス繊維を３０重量％含むナイロン６からなる。また、レーザ光２３を吸収する吸収性樹脂材６は、厚さ２５ｍｍの板状を呈し、ガラス繊維を３０重量％含み、カーボンブラックが添加されたナイロン６からなる。なお、レーザ光２３が照射されることにより、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面は加熱溶融され溶融部７が形成される。
【００３０】
放射温度計３は、本発明の溶着装置における温度検出手段として機能するものであり、レーザ光照射装置２と一体的に設置され、溶着状態判断装置４に接続されている。放射温度計３は、溶融部７から放射される波長１．８〜２．１μｍの放射光３１を、０．１ｍｓｅｃごとに計測することにより、溶融部７の温度を検出する。なお、計測される放射光３１の透過性樹脂材に対する透過率は２５％である。
【００３１】
溶着状態判断装置４は、本発明の溶着装置における溶着状態判断手段としての機能を有するものであり、コンピュータ本体４１とモニタ４２とからなる。コンピュータ本体４１には、放射温度計３により検出された溶融部７の温度データが入力される。コンピュータ本体４１は、入力された溶融部７の温度に基づいて透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との溶着状態を判断する。また、モニタ４２には、コンピュータ本体４１からの出力データが表示される。
【００３２】
次に、上記本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の動作を説明する。予め、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６とを当接させ、所定の位置に配置しておく。レーザ源からレーザ光照射ファイバ２１により案内されたレーザ光２３は、レーザ光照射用ミラー２２により反射され、透過性樹脂材５側から透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面に照射される。レーザ光２３が照射されると、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面は加熱溶融し、溶融部７が形成される。すると、溶融部７から放射光３１が放射され、放射温度計３にて溶融部７の温度が検出される。放射温度計３で検出された温度データは、コンピュータ本体４１へ入力される。コンピュータ本体４１では、入力された温度データに基づいて透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との溶着状態が判断される。検出された温度データや溶着状態の判断結果はモニタ４２に表示される。なお、レーザ光照射装置２は、４ｍ／ｍｉｎの速度で溶着方向（図９中の矢印方向）へ移動し、透過性樹脂材５と吸収性樹脂材６との当接面にレーザ光２３が順次照射される。
【００３３】
ここで、溶着状態の判断を中心に、上記樹脂材の溶着装置による溶着の流れをフローチャートを用いて説明する。図１０に、溶着の流れをフローチャートで示す。図１０に示すように、溶着のルーチンが実行されると、ステップ１（図中「Ｓ１」と略称する。以下同様。）でレーザ光の２３の照射が開始される。次いで、ステップ２にて溶融部７の温度（Ｔ）が検出され、ステップ３へ進む。ステップ３では、検出された溶着部７の温度（Ｔ）と、予め設定された溶融部温度管理値の上限値（Ｔｕ）とが比較される。ここで、Ｔ＞Ｔｕである場合には、ステップ５へ進む。ステップ５では、不良フラグがＯＮの状態とされステップ６へ進む。一方、Ｔ≦Ｔｕである場合には、ステップ４へ進む。ステップ４では、検出された溶着部７の温度（Ｔ）と、予め設定された溶融部温度管理値の下限値（Ｔｌ）とが比較される。ここで、Ｔ＜Ｔｌである場合には、ステップ５へ進む。ステップ５では、不良フラグがＯＮの状態とされステップ７へ進む。一方、Ｔ≧Ｔｌである場合には、ステップ６へ進む。ステップ６では、溶着を終了するか否かが判断される。ここで、溶着を終了させる場合にはステップ７へ進む。溶着を続行する場合には、ステップ１へ戻り、上記ステップ１〜６のルーチンが繰り返される。ステップ７では、レーザ光の２３の照射が停止される。続くステップ８にて、不良フラグがＯＮか否かが判断される。ここで、不良フラグがＯＮとなっていない場合には、ステップ９へ進む。ステップ９では、溶着状態が正常であるという結果をモニタ４２に表示する。その後、溶着ルーチンを終了する。一方、不良フラグがＯＮとなっている場合には、ステップ１０へ進む。ステップ１０では、溶着状態が不良であるという結果をモニタ４２に表示する。その後、溶着ルーチンを終了する。溶着状態が不良とされた溶着品は、不良品と判定される。
【００３４】
このように、本発明の樹脂材の溶着装置を用いることにより、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着状態を随時判断しながら両者を溶着することができる。本実施形態では、レーザ光照射手段となるレーザ光照射装置を移動させて溶着を行う態様を示した。しかし、本発明の樹脂材の溶着装置におけるレーザ光照射手段は、例えば、点溶着を行う場合のように、固定されているものでもよい。
【００３５】
【実施例】
上記実施の形態に基づいて、透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを溶着した。溶着は、上記実施の形態で説明した本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置を用いて行った。なお、当接した透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間には、予め所定の大きさの隙間を形成しておいた。そして、溶着方向における隙間の長さを変更して三回溶着を行った。各々の溶着における溶融部の温度変化を図１１に示す。図１１に示すように、隙間が存在する部分では、いずれも溶融部の温度は上昇した。そして、溶着方向における隙間の長さが長いほど、溶融部の温度が上昇している時間が長くなった。この結果より、溶融部の温度変化を監視することで、樹脂材間における隙間の有無を把握することができることが確認された。さらに、レーザ照射装置の移動速度から、溶着方向における隙間の長さも算出することができる。また、本実施例では、いずれも隙間が存在する部分で溶融部の温度が２５０℃を超えた。したがって、例えば、溶融部温度管理値を２５０℃と設定することにより、本実施例の溶着品を溶着不良品として検出することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の樹脂材の溶着方法は、レーザ光を照射することにより二種類の樹脂材を溶着するとともに、樹脂材の当接面に形成された溶融部の温度を検出し、その温度に基づいて樹脂材の溶着状態を判断する方法である。樹脂材の溶着状態によって、溶着された樹脂材の強度やシール性は大きく左右される。本発明の樹脂材の溶着方法によれば、樹脂材を溶着すると同時にその溶着状態が把握できるため、溶着不良品の検出に有効となる。
【００３７】
本発明の樹脂材の溶着装置は、レーザ光照射手段と温度検出手段と溶着状態判断手段とを備える。本発明の樹脂材の溶着装置によれば、上記本発明の樹脂材の溶着方法を容易に実施することができる。また、レーザ光照射手段の他に、温度検出手段と溶着状態判断手段とを備えるだけで、樹脂材の溶着状態を判断することができるため、簡易かつ低コストで実用的な装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に隙間が存在する状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。
【図２】 溶着部の強度と隙間の大きさとの関係を概念的に示す。
【図３】 隙間の大きさと溶着における溶融部の温度との関係を概念的に示す。
【図４】 透過性樹脂材と吸収性樹脂材との間に異物が混入した状態で両者を溶着した様子のモデル図を示す。
【図５】 レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図６】 レーザ光の照射角度を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図７】 レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図８】 レーザ光の照射位置を変化させて溶着した場合におけるレーザ光の透過距離を示す。
【図９】 本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置の概略を示す。
【図１０】 本発明の一実施形態である樹脂材の溶着装置による溶着の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 溶着における溶融部の温度変化を示す。
【符号の説明】
１：樹脂材の溶着装置
２：レーザ光照射装置
２１：レーザ光照射ファイバ ２２：レーザ光照射ミラー ２３：レーザ光
３：放射温度計
３１：放射光
４：溶着状態判断装置
４１：コンピュータ本体 ４２：モニタ
５：透過性樹脂材 ６：吸収性樹脂材 ７：溶融部 ８：隙間 ９：異物
Claims (3)
- レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着方法において、
前記レーザ光を照射することにより前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させ溶融部を形成するとともに、該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出し、該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断する樹脂材の溶着方法であって、
予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断する樹脂材の溶着方法。 - 前記溶融部の温度を検出するための前記放射光の波長は、前記レーザ光の波長と異なる波長であり、前記透過性樹脂材に対する透過率が１０％以上である請求項１に記載の樹脂材の溶着方法。
- レーザ光を透過する透過性樹脂材と該レーザ光を吸収する吸収性樹脂材とを当接させ、該透過性樹脂材を介して該レーザ光を照射することにより該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材とを溶着させる樹脂材の溶着装置であって、
前記レーザ光を照射して、前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材との当接面を加熱溶融させて溶融部を形成するレーザ光照射手段と、
該溶融部から該透過性樹脂材を透過して放射される放射光により該溶融部の温度を検出する温度検出手段と、
検出された該溶融部の温度に基づいて該透過性樹脂材と該吸収性樹脂材との溶着状態を判断する溶着状態判断手段とを備え、
前記溶着状態判断手段では、予め、前記透過性樹脂材及び前記吸収性樹脂材間の隙間の大きさと溶着部の強度との関係から、溶着部の強度の許容下限値に対応する隙間の大きさの上限値を設定するとともに、隙間の大きさと溶融部の温度との関係から、隙間の大きさの上限値に対応する溶融部の温度を溶融部温度管理値として設定しておき、検出された前記溶融部の温度と該溶融部温度管理値とを比較することによって溶着状態を判断する樹脂材の溶着装置。
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