JP6005457B2 - 溶着方法及び溶着装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ光等の光を照射して被加工物を溶着する際の溶着効率を高めることが可能な溶着方法及び溶着装置に関するものである。

車両用ランプを製造する工程の一つに容器状をしたランプボディに透明な前面カバーを一体的に固着する工程があり、この固着する工程としてランプボディと前面カバーを溶着する方法が用いられている。例えば、図１のように前面を開口した容器状のランプボディ１と、このランプボディ１の当該前面開口に固着する透明な樹脂製の前面カバー２とでランプハウジングを構成する場合に、ランプボディ１の前面開口の周縁に沿ってフランジ３を設け、このフランジ３の前面と前面カバー２の周縁部４の内面（いずれも図１に点描する）を密接し、この密接面を溶着面として両者を溶着して一体化している。この溶着に際し、特許文献１では光吸収性の樹脂で形成したランプボディの前面開口上に光透過性のある樹脂で形成した前面カバーを接触状態に載置し、前面カバーの外面側から溶着面に対してレーザ光を照射することによって当該溶着面をレーザ光の光エネルギで溶融させて両者を溶着させている。また、このような溶着に際してはレーザ光を溶着面に沿って照射させることが必要とされるが、特許文献２ではＸＹ２軸回転ミラーユニット、いわゆるガルバノミラー装置を用いてレーザ光を偏向制御することにより溶着面に沿ってレーザ光を走査する技術が提案されている。

特許文献１や特許文献２の技術を用いて車両用ランプのランプハウジングを製造する溶着装置としては、例えば図２に示す溶着装置が用いられる。この溶着装置はレーザ光源１１から出射されたレーザ光をガルバノミラー等の光偏向手段１２により任意方向に向けて偏向して照射する光偏向装置１０を備える。また当該溶着装置は被溶着物であるランプボディ１を前面開口を上方に向けて配置するワーク台１３を備え、配置したランプボディ１上に前面カバー２を載置し、さらにその上に押え板１４を配設する。この押え板１４によって前面カバー２を下方に押圧し、前面カバー２の周縁部４をランプボディ１の前面開口のフランジ３に当接させる。そして、光偏向装置１０によって偏向制御したレーザ光Ｌをランプボディ１のフランジ３に沿って走査しながら照射することにより、レーザ光Ｌは押え板１４を透過し、さらに前面カバー２を透過して溶着面に照射され、当該溶着面においてランプボディ１と前面カバー２を溶着することが可能になる。この溶着装置ではレーザ光Ｌを全溶着面に対して高速で複数回照射することが可能であり、溶着面を全周にわたって同時に溶着するため高品質の溶着が短時間で実現できる。

特開２００９−５６７５５号公報 特開２００５−２５４６１８号公報

このような光偏向装置１０を用いた溶着装置では、レーザ光Ｌは溶着装置に位置固定されている光偏向装置１０において偏向制御されて溶着面に対して照射されるので、光偏向装置１０に対する溶着面の相対位置の違いによって溶着面に対するレーザ光Ｌの入射角が変化されることになる。すなわち、近年の車両用ランプはデザインニーズによって車両側方に回り込む形状を採用することが多く、前面カバー２とランプボディ１の溶着面が同一平面上に配置されなくなり、光偏向装置１０から離れた箇所の溶着面ではレーザ光の入射角が大きくなる。そのため、入射角が大きい箇所では押え板１４の表面や前面カバー２の表面におけるレーザ光の反射率が大きくなり、前面カバー２を透過して溶着面に照射されるレーザ光の光量が低下して、いわゆる反射ロスが顕著になる。このような入射角と反射率の関係は、例えば光学分野において既に知られているところであり、入射角が所定角（この所定角はいわゆるブリュースター角に近い角であって素材の屈折率により異なり、屈折率が１．５前後のガラスにおいては４０〜６０°である）を越えたあたりから反射率が急激に増加することが認められている。この反射ロスにより、レーザ光による溶着面での溶着効率が著しく低下し、溶着時間が長くなるとともに高い品質の溶着が得られ難いという問題が生じている。特に、前記したような回り込む形状を採用した車両用ランプの回り込み部を有するランプハウジングでは、この回り込み部におけるレーザ光の入射角が所定角を越えることが多く、反射ロスも顕著なものになっている。

本発明の目的は偏向制御した照射光の部材表面における反射ロスを低減し、溶着効率の高い溶着を実現することを可能にした溶着方法と溶着装置を提供するものである。

本発明の溶着方法は、第１の部材に光透過性のある第２の部材を密着させ、第２の部材に透光部材を重ね、光偏向装置によって偏向制御された光を透光部材を透過させて第２の部材側から照射して前記密着した面において両部材を溶着する溶着方法であって、光偏向装置から出射された光を、透光部材の一部の領域に配設した光反射手段によって反射し、その反射光を第２の部材に照射するとともに、透光部材の他の領域においては反射することなく当該透光部材を透過して第２の部材に照射することを特徴とする。この溶着方法においては、透光部材は他の領域において、光偏向装置から出射された光を屈折して第２の部材に照射するようにしてもよい。

本発明の溶着装置は、第１の部材と光透過性のある第２の部材を密着状態に保持する手段と、光源から出射した光を偏向制御して第２の部材側から密着した面に照射する光偏向手段と、第２の部材に重なるように配置され、光偏向手段から入射される光を透過して第２の部材に照射する透光部材を備える溶着装置であって、透光部材は、一部の領域に配設されて光偏向装置からの光を反射して第２の部材に照射する光反射手段を備え、透光部材は他の領域において光偏向装置からの光を反射することなく透過して第２の部材に照射する構成であることを特徴とする。

この溶着装置においては、透光部材は他の領域に、光偏向装置から出射された光を屈折して第２の部材に照射する光学ステップを備えていてもよい。

本発明の溶着方法および溶着装置によれば、溶着面に照射される光が第２の部材の光照射面に入射される入射角が大きくなる状況においても、当該光を光反射手段によって反射して第２の部材に入射させるので、第２の部材の光照射面に対して小さな入射角、例えば入射角０°で照射することが可能になり、当該第２の部材の光照射面に照射される際の反射ロスが低減されて溶着効率の高い溶着が可能になる。また、光照射面に入射される光の入射角が小さい場合でも透光部材に設けた光学ステップを利用することで、当該入射角がさらに低減され、第２の部材の光照射面に照射される際の反射ロスが一層低減されて溶着効率の高い溶着が可能になる。

また、本発明の溶着装置では、光反射手段を透光部材の一部に構成することで、光反射手段と透光部材とを１つの部材として構成でき、さらには光学ステップを含めて１つの部材として構成でき、溶着装置の構成を簡略化する上で有利になる。特に、透光部材を溶着装置の押え板として構成することで、既存の押え板を利用して本発明が実現でき、さらなる溶着装置の構成の簡略化が実現できる。

本発明を適用するランプハウジングの一例の斜視図。 溶着装置の全体構成を示す概念構成図。 押え板の概略斜視図と平面図。 図３（ｂ）のａ−ａ，ｂ−ｂにおける拡大断面図。 光反射手段の変形例の断面図。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、図２に示したように、レーザ光を光偏向装置１０によって偏向制御して被加工物としての車両用ランプ、ここではリアコンビネーションランプで例示するランプのランプボディ１と前面カバー２を溶着する例を説明する。溶着装置の光偏向装置１０はレーザ光源１１を備えており、このレーザ光源１１から出射されたレーザ光はガルバノミラー等の光偏向手段１２により偏向制御され、任意の平面方向に高速で走査されながら照射されるようになっている。なお、ガルバノミラーについては既に知られているのでここでは説明は省略する。前記溶着装置のワーク台１３上には溶着が行われるランプボディ１が前面開口を上方に向けて固定されており、このランプボディ１上には当該ランプボディ１に溶着される前面カバー２が載置されている。前記ランプボディ１が本発明の第１の部材となり、前記前面カバー２が本発明の第２の部材となる。

前記ランプボディ１は、図１を参照すると、少なくとも溶着面となるフランジ３の表面部位は光吸収性があってレーザ光によって加熱溶融される樹脂で構成されている。例えばカーボン等の光吸収性のある材料を含んだ樹脂で構成されることが好ましい。前記前面カバー２は光を透過する透明樹脂で構成されているが、加熱されたときに照射された光によって溶融可能な樹脂で構成される。そして、前記ランプボディ１のフランジ３の前面に前記前面カバー２の周縁部４の内面が位置決めされ、その上に配設した押え板１４によって前面カバー２をランプボディ１に対して押圧することで、これらフランジ３の前面と前面カバー４の内面が密接されることになる。

前記押え板１４は、図３（ａ），（ｂ）に概略構成の斜視図と平面図を示すように、全体として前記前面カバー２の前面を覆うように曲面板状に形成されており、図２に示したように前面カバー２上に載置したときに、少なくとも前面カバー２の周縁部４とランプボディ１のフランジ３が重ねられている領域を覆うように構成されている。この押え板１４のほぼ中央部には図には表れない押圧機構に連結された支持柱１５が一体または一体的に設けられており、この支持柱１５は当該押圧機構を動作させたときに押え板１４が前面カバー２をランプボディ１に向けて押圧し、前記したランプボディ１のフランジ３と前面カバー２の周縁部４との密着性を確保するようになっている。

前記押え板１４は溶着に用いるレーザ光の光透過性が高く光吸収性の低い透明な材料、例えばアクリル樹脂、ＰＣ（ポリカーボネイト）樹脂、ガラス（石英ガラス等）で形成されており、全面にわたってほぼ均一な厚みに形成された主面部１４１を有するとともに、この主面部１４１の外周縁に沿って延長され、当該外周縁を厚み方向に立設させた立壁部１４２が一体に設けられている。また、前記押え板１４の外周縁領域のうち、後述する特定領域Ｓ１の立壁部１４２の内周面には光反射膜１４３が形成されており、当該内周面が光反射面として構成されている。一方、この光反射膜１４３が形成されていない前記特定領域Ｓ１を除く領域、すなわち特定外領域Ｓ２では前記立壁部１４２の内周面に光反射膜は形成されていないが、前記主面部１４１の縁部に沿った領域に表面を断面がテーパ状となるように形成した光学ステップ１４４、すなわち入射角調整ステップが設けられている。ここで、前記特定領域Ｓ１は、前記光偏向装置１０から出射されたレーザ光Ｌが前記押え板１４の主面部１４１の表面に入射されるときの入射角が所定の角度以上、ここでは４０°以上になる領域としている。また、特定外領域Ｓ２は入射角が所定の角度よりも小さくなる角度、すなわち４０°よりも小さくなる領域としている。

図４（ａ），（ｂ）は前記押え板のａ，ｂの各部位、すなわち図３（ｂ）におけるａ−ａ線、ｂ−ｂ線に沿った拡大断面図である。なお、これらの断面図では説明を分かり易くするために押え板１４を前面カバー２の周縁部４とランプボディ１のフランジ３上に載置した状態を示している。ａ部位は図１に示したランプの回り込み部に相当する部位であって前記光偏向装置１０から離れた位置にあり、前記特定領域Ｓ１を代表する部位である。このａ部位を含む特定領域Ｓ１においては入射される光の入射角は４０°以上であり、前記立壁部１４２の内周面にアルミニウムや金の蒸着処理やメッキ処理を施して入射光をほぼ１００％の反射率で反射する光反射膜１４３が形成され、光反射面として構成されている。一方、ｂ部位はランプのほぼ正面に向けられる部位であって前記光偏向装置１０に近い位置にあり、前記特定外領域Ｓ２を代表する部位である。このｂ部位を含む特定外領域Ｓ２においては入射される光の入射角は４０°より小さく、立壁部１４２の内周面には光反射膜は形成されておらず、その代わりに主面部１４１の表面に前記した入射角調整ステップ１４４が形成されている。

前記ａ部位について詳細に説明すると、図４（ａ）において、前記光偏向装置１０から入射されるレーザ光Ｌの光軸が立壁部１４２の光反射面（光反射膜、以下同様）１４３に投射する点ｐを定め、この点ｐから主面部１４１のレーザ光の光照射面、すなわち前面カバー２とランプボディ１を溶着する溶着部Ｒに対応する主面部１４１の表面に対して垂直な線分ｌ１を求め、この線分ｌ１と前記レーザ光Ｌとのなす角度θを求める。そして、前記立壁部１４２の点ｐを通る光反射面１４３に垂直な線分ｌ２が当該角度θを二等分する方向に向けられるように立壁部１４２の内周面の面角度、すなわち光反射面１４３の面角度を設計する。換言すれば、内周面がこの面角度となるように立壁部１４２を形成する。

したがって、ａ部位では、光偏向装置１０から出射されたレーザ光Ｌは立壁部１４２の光反射面１４３において反射されるが、その反射光は主面部１４１の光照射面に垂直に入射されて溶着部Ｒに照射されることになる。すなわち、主面部１４１の光照射面に対して入射角が０°ないしほぼ０°で入射されるため、主面部１４１の当該光照射面での光の反射率を低くして反射ロスを低減し、押え板１４におけるレーザ光Ｌの透過性を高めることが可能になる。このことは前面カバー２における光照射面についても言えるので、前面カバー２におけるレーザ光Ｌの透過性を高めることも可能になる。

一方、ｂ部位について説明するが、このｂ部位の構成は本出願人が先に提案している特願２０１１−６１９８１の技術を適用したものである。図４（ｂ）に示すように、入射角調整ステップ１４４は押え板１４の主面部１４１の表面一部、すなわちレーザ光Ｌが照射される光照射面の一部を凹設して板厚方向に傾斜させたテーパ部として構成している。この入射角調整ステップ１４４の表面は押え板１４の外面よりも前記光偏向装置１０に向けた方向に傾斜されており、この傾斜により入射角調整ステップ１４１は光偏向装置１０からのレーザ光Ｌが主面部１４１の平坦な表面に入射する際の入射角θ０に対し光照射面としての入射角調整ステップ１４１の表面に入射する入射角θ１を小さくする。また、入射されたレーザ光Ｌは当該入射角調整ステップ１４４において屈折されるため、下側の前面カバー２の光照射面に入射するレーザ光Ｌの入射角θ２をさらに小さくすることができる。したがって、押え板１４および前面カバー２におけるレーザ光Ｌの透過性を高めることが可能になる。

以上のようにａ，ｂの各部位で代表される特定領域Ｓ１と特定外領域Ｓ２を備えた押え板１４を用いてランプボディ１と前面カバー２の溶着を行う際には、これまでと同様に図２に示した溶着装置のワーク台１３上にランプボディ１を配設し、その上に前面カバー２を載置し、前面カバー２の上側に配設した押え板１４で前面カバー２を押圧してランプボディ１に密接させる。このとき、押え板１４の主面部１４１の周縁領域が前面カバー２とランプボディ１の溶着面Ｒに対向するように位置決めされることは言うまでもない。そして、光偏向装置１０を駆動してレーザ光源１１からのレーザ光をガルバノミラー１２で偏向させる。これにより光偏向装置１０から出射されるレーザ光Ｌは押え板１４の周縁領域に沿って走査され、押え板１４を透過して前面カバー２の表面に照射され、かつ当該前面カバー２を透過してランプボディ１との溶着面Ｒに照射され、溶着が行われる。

このとき、押え板１４の特定領域Ｓ１、すなわちａ部位で代表される領域では、図４（ａ）に示したように、光偏向装置１０からのレーザ光Ｌは立壁部１４２の光反射面１４３に入射され、ここで反射されて主面部１４１の表面にほぼ垂直に入射される。そのため、光偏向装置１０から出射されるレーザ光Ｌが４０°以上の入射角で入射されることが余儀なくされている特定領域Ｓ１においても、主面部１４１ないし前面カバー２への入射角は０°に近い角度とされ、主面部１４１の表面での光反射率はもとより前面カバー２の表面での光反射率も低減される。これにより特定領域Ｓ１におけるランプボディ１と前面カバー２との溶着面Ｒに達するレーザ光Ｌの光エネルギを高めて溶着効率を高め、溶着時間の短縮及び溶着品質の向上が実現できる。

また特定外領域Ｓ２、すなわちｂ部位で代表される領域では、図４（ｂ）に示したように、入射角調整ステップ１４１の入射面は光偏向装置１０に向けて傾斜されているので、当該入射角調整ステップ１４１に入射されるレーザ光Ｌの入射角θ１は入射角調整ステップ１４１が形成されていない場合の入射角θ０よりも小さくなる。さらにこの入射角調整ステップ１４１はテーパ断面形状をしているので、入射角調整ステップ１４１で屈折されて前面カバー２の表面に入射される入射角θ２はさらに小さくなる。特に、この特定外領域Ｓ２では主面部１４１の表面に入射するレーザ光Ｌの入射角は４０°よりも小さいので、この入射角はさらに小さくなり、光反射率を格段に低減して反射ロスを低減し、押え板１４と前面カバー２におけるレーザ光Ｌの透過性を高めることが可能になる。これによりランプボディ１と前面カバー２との溶着面Ｒに達するレーザ光Ｌの光エネルギを高めて溶着効率を高め、溶着時間の短縮及び溶着品質の向上が実現できる。

以上の説明はａ部位とｂ部位における溶着、すなわち特定領域Ｓ１と特定外領域Ｓ２における溶着を分けて説明しているが、実際は光偏向装置１０から出射されてくるレーザ光Ｌは押え板１４の周縁領域に沿って走査されながら各領域に入射されるので、特定領域Ｓ１ではレーザ光Ｌが立壁部１４２の光反射面１４３に入射されるように、また特定外領域Ｓ２ｂではレーザ光Ｌが入射角調整ステップ１４４に入射されるように光偏向装置１０における光走査を制御することになる。このための制御は、例えば押え板１４を設計する際に特定領域Ｓ１と特定外領域Ｓ２を区画する際に求めたデータを光偏向装置１０における光走査データに援用することにより容易に実現することが可能である。

この実施形態では、押え板１４に対するレーザ光の入射角が４０°以上になる特定領域Ｓ１について光反射面１４３を形成しているが、入射角が４０°よりも小さい特定外領域Ｓ２においても、必要に応じて立壁部１４２を設けてその内周面に光反射面１４３を形成し、光偏向装置１０からのレーザ光Ｌを当該光反射面で反射して押え板１４ないし前面カバー２に入射させるようにしてもよい。このようにすることで特定外領域Ｓ２における溶着効率や溶着品質をより高めることが可能である。なお、ここでは光反射率が急激に増加する入射角の最小角度である４０°を境界として特定領域Ｓ１と特定外領域Ｓ２を区別しているが、必ずしも４０°を境界とするものではなく、他の角度、特にこれよりも小さい角度を境界にしてもよい。

また、実施形態では押え板１４の全周縁領域わたって立壁部１４２を設け、この立壁部１４２の特定領域Ｓ１に光反射面１４３を形成しているが、全周縁領域に立壁部を設けるのではなく特定領域Ｓ１にのみ立壁部１４２を設け、この立壁部１４２に光反射面１４３を形成するようにしてもよい。あるいは、押え板の全周縁領域に沿って立壁部を設けて光反射面を形成し、押え板の全周縁領域に反射光を入射させるようにしてもよい。いずれにしても押え板１４の周縁領域に一体に設けた立壁部１４２を利用して光反射面１４３を構成しているので、既存の押え板１４の一部を変更するだけで本発明が実現でき、部品点数の増加やコストの増加を最小限に抑えることができる。

さらに、光反射面１４３は必ずしも押え板に設けた立壁部に形成するものではなく、図５に概略の断面図を示すように、押え板１４とは別体の補助部材１５を用意し、この補助部材１５の内側の側面に光反射膜を形成する等して光反射面１５１を形成してもよい。この補助部材１５は例えば押え板１４に対して着脱自在な構成とし、必要に応じて押え板１４の全周縁領域あるいは全周縁領域の一部領域にのみ取着し、取着した領域において光反射面１５１によってレーザ光を反射させて押え板１４に入射させるようにすればよい。この補助部材１５はレーザ光を反射すればよいので必ずしも透光性部材で形成する必要はない。

実施形態では押え板１４の特定外領域Ｓ２の主面部１４１の表面に入射角調整ステップ１４４を設けているが、この特定外領域Ｓ２はレーザ光Ｌの入射角が小さい領域であると定義しており、この領域はもともと反射率が低い領域とも言えるので、その反射率が無視できる場合には当該入射角調整ステップ１４４を設けなくてもよい。

以上の実施形態では本発明の溶着方法及び溶着装置を、車両のリアコンビネーションランプのランプボディと前面カバーとを溶着する例について説明したが、ランプユニットのリフレクタと前面レンズを溶着するための溶着方法及び溶着装置であってもよく、あるいはランプを構成する部材以外の溶着方法及び溶着装置であってもよい。すなわち、本発明は第１と第２の部材を光照射によって互いに溶着するための溶着方法及び溶着装置であれば適用することが可能である。特に、光偏向装置を備えて溶着部に対してレーザ光が大きな入射角で照射させることが余儀なくされるような溶着装置に対して本発明を適用する場合に有効である。

本発明において、光偏向装置は実施形態のガルバノミラーを備える光偏向装置に限られるものではなく光を任意の方向に向けて偏向して走査する機能を有するものであれば適用可能である。さらに、本発明は溶着に用いる光はレーザ光に限られるものではなく、照射されたときに第１と第２の部材を溶着することが可能な光エネルギを備える光であれば適用できる。

本発明は第１の部材と第２の部材を密接し、第２の部材を透して光を密接した面に照射し、当該密接した面を溶着面として２つの部材を溶着する溶着方法及び溶着装置に採用することが可能である。

１ ランプボディ（第１の部材）
２ 前面カバー（第２の部材）
３ フランジ（溶着部）
４ 周縁部（溶着部）
１０ 光偏向装置
１１ レーザ光源
１２ 光偏向手段（ガルバノミラー）
１３ ワーク台
１４ 押え板
１５ 補助部材
１４１ 主面部
１４２ 立壁部
１４３ 光反射膜（光反射面：光反射手段）
１４４ 入射角調整ステップ（光学ステップ）
１５１ 光反射膜（光反射面：光反射手段）

Claims (4)

1. 第１の部材に光透過性のある第２の部材を密着させ、前記第２の部材に透光部材を重ね、光偏向装置によって偏向制御された光を前記透光部材を透過させて前記第２の部材側から照射して前記密着した面において両部材を溶着する溶着方法であって、前記光偏向装置から出射された光を、前記透光部材の一部の領域に配設した光反射手段によって反射し、その反射光を前記第２の部材に照射するとともに、前記透光部材の他の領域においては反射することなく当該透光部材を透過して前記第２の部材に照射することを特徴とする溶着方法。
2. 前記透光部材は前記他の領域において、前記光偏向装置から出射された光を屈折して前記第２の部材に照射する請求項１に記載の溶着方法。
3. 第１の部材と光透過性のある第２の部材を密着状態に保持する手段と、光源から出射した光を偏向制御して前記第２の部材側から前記密着した面に照射する光偏向手段と、前記第２の部材に重なるように配置され、前記光偏向手段から入射される光を透過して前記第２の部材に照射する透光部材を備える溶着装置であって、前記透光部材は、一部の領域に配設され、前記光偏向装置からの光を反射して前記第２の部材に照射する光反射手段を備え、前記透光部材は他の領域において前記光偏向装置からの光を反射することなく透過して前記第２の部材に照射する構成であることを特徴とする溶着装置。
4. 前記透光部材は、前記他の領域に、前記光偏向装置から出射された光を屈折して前記第２の部材に照射する光学ステップを備えている請求項３に記載の溶着装置。

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