WO2007007766A1

WO2007007766A1 - 光照射装置および溶着方法

Info

Publication number: WO2007007766A1
Application number: PCT/JP2006/313793
Authority: WO
Inventors: Kanji Tanaka; Akira Fujisaki; Junji Ueda; Masahiro Fukunaga; Koji Nakamura; Yoshifumi Akagawa; Jiro Azuma; Yoshiharu Ikenaka
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.; Ube Industries, Ltd.; Rex Industries Co., Ltd.
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2007-01-18
Also published as: EP1909366A1; CA2615093A1; JPWO2007007766A1; US20080173392A1; CN101218719A; CN101218719B; EP1909366A4

Abstract

　必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイルの光出力が得られるようにする。光源部１２２の出射面１１４に配置させた複数の出射端面１１５からの出射光束を集光レンズによって１本の光束に集束して被照射物に照射する構成とし、各出射端面１１５の配置された位置と各出射端面１１５の出射する光束の強度分布との組合せにより被照射物に照射される１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにすることで、出力される１本の光束に要求される所望の光強度プロファイルを、複数の出射端面１１５の配置設定やそれぞれの出射端面１１５の強度分布の設定や可変制御によって実現することができるようにした。

Description

光照射装置および溶着方法

技術分野

[0001] 本発明は、例えば赤外線レーザ光を照射して榭脂部材を溶着させる榭脂溶着用光照射装置に好適な光照射装置および該光照射装置を用いる溶着方法に関するものである。

背景技術

[0002] 従来、榭脂部材同士を接合させる方法として、接着剤を用いる方法、熱板溶着、振動溶着、超音波溶着、スピン溶着等の溶着方法があるが、最近では、充填物への影響、製品へのキズの心配がな、等の利点を持つレーザ溶着方法が知られて、る。

[0003] このレーザ溶着方法は、レーザ光に対して非吸収性 (透明性)の榭脂部材と、レーザ光に対して吸収性 (非透過性)の榭脂部材とを当接させて溶着する溶着方法である。より詳細には、非吸収性の榭脂部材側からレーザ光を接合面に照射し、接合面を形成する吸収性を示す榭脂部材をレーザ光のエネルギーで加熱溶融させるとともに、この吸収性を示す榭脂部材の接合面からの熱伝導により非吸収性の榭脂部材の接合面を加熱溶融させることで、接合面同士を一体的に接合させる方法である（例えば、特許文献 1参照)。したがって、レーザ光に対して非吸収性の榭脂部材とレーザ光に対して吸収性の榭脂部材との接合面にレーザ光のエネルギーを十分に吸収させて接合面を十分に加熱溶融させれば、高、接合強度が得られるはずである。

[0004] また、特許文献 2においては、 2次元配列の半導体レーザアレイからのレーザ光を効率的に光ファイバに入力させて出力させるために、マトリクス状配列の多数の発光点を有するスタック型半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を、コリメートレンズによりコリメートし、さらに、集光レンズにより垂直'水平の両方向に集光し、発光点に比べて少ない本数の光ファイバを有する光ファイバアレイのマトリクス状に配列された入射端に集光入射させ、その光ファイバをバンドルとして束ねるようにした技術が開示されている。

[0005] 特許文献 1：特開昭 60— 214931号公報特許文献 2：特開 2000 - 98191号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] ここで、特許文献 1等に示される従来のレーザ溶着方法において、接合面に集光照射されるレーザ光の光強度プロファイルは、例えば図 6中に破線 Aで示すように中心の強度が高いプロファイル (一般には、ガウシアン分布特性と称される）である。このようなプロファイルのレーザ光の照射において、溶着面積 (溶着走査幅）を幅 Wか

A

ら幅 wに広げて接合強度を高めようとする場合、レーザ光の発光パワーを高くして、

B

例えば図 6中に二点鎖線 Bで示すような光強度プロファイルにせざるを得ない。しかしながら、このように照射するレーザ光の発光パワーを単純に高くしても、接着力が強くなるわけではなぐ中心付近の温度のみが上がり、榭脂材料が蒸発'気化したり、ボイド (泡)状になったりする品質劣化を生じ、逆に、接合強度が低下してしまうという問題があった。

[0007] また、特許文献 2のものは、例えば半導体レーザを固体レーザの励起光源として用いる場合に、励起に用いられるレーザ光の高出力化が必要不可欠である力単一の発光点による半導体レーザでは出力強度に限界があることから、より高出力化を図れるようにすることを意図し、光ファイバを束ねて光パワーを集光させることで、より強い光強度が得られるようにしたものである。したがって、特許文献 2のものをレーザ溶着等の分野に応用したとしても、照射するレーザ光の光強度を強くすることができるに過ぎず、溶着面積を広げようとする場合の上記の特許文献 1の場合の問題点は何ら解消されない。

[0008] また、レーザ光をスキャンさせて、直線又は曲線状の榭脂溶着を行う場合は、瞬間的なビームプロファイルではなぐ通過するビームの積分値を考慮する必要がある。溶着面積を広げるためにスキャンスピードを遅くする方法も考えられる力中心強度が高いプロファイルを持つビームをスキャンさせる場合には、中心部の積分強度はさらに大きくなる可能性があり、前記中心部分の温度のみ上がってしまう問題が強調される。ところが、従来のレーザ溶着方法においては、積分強度に関して特に考慮されていなかった。 [0009] また、榭脂を溶着する際にはレーザ光のスキャンの有無に関わらず、中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルがよい場合がある。特に、榭脂の熱伝導率が少ない場合には周辺部に与えた熱は逃げやすいのに対し、中心部の熱は逃げにくい。そのため、平坦なビームプロファイルのレーザ光を当てた場合でも中心部の温度が高くなり、中心部での劣化が観測される場合がある。ところが、従来のレ一ザ溶着方法においては，中心部のレーザ光強度を低くすることに関して特に考慮されていなかった。

[0010] また、従来のレーザ溶着装置でレーザが目に見えな!/、例えば赤外光である場合は

、照射位置を把握するための可視光をガイド光として同時に入力していた。しかしながら、前記可視光のビームプロファイルは実際のレーザ光のビームプロファイルを反映するものではないため、実際のレーザ光のプロファイルを見るためにはビームプロフアイラで測定することや、カード式のレーザチェッカーなどが必要であった。

[0011] 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイルの光出力を得ることができる光照射装置および溶着方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0012] 上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項 1に係る光照射装置は、出射面に複数の点光源が配置された光源部と、複数の前記点光源からの出射光束を 1 本の光束に集束して被照射物に照射する光学系と、を備え、前記各点光源の配置された位置と前記各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより前記 1本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたことを特徴とする。

[0013] 請求項 2に係る光照射装置は、上記発明において、前記光源部は、複数の発光源と該各発光源力ゝらの光を伝搬する複数本の光ファイバとを備え、前記各点光源は、前記光源部の出射面に配置されて前記発光源からの光を伝搬して出射する前記各光ファイバの出射端面力なることを特徴とする。

[0014] 請求項 3に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、前記出射面にぉ、て所定の位置関係で配列されて、ることを特徴とする。

[0015] 請求項 4に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同一円周上の位置に配置されてヽることを特徴とする。

[0016] 請求項 5に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同心円上の位置にドーナツ状に多重に配置されていることを特徴とする。

[0017] 請求項 6に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同一直線上の位置に配置されてヽることを特徴とする。

[0018] 請求項 7に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、複数本の直線上の位置に多重に配置されて、ることを特徴とする。

[0019] 請求項 8に係る光照射装置は、上記発明において、前記各点光源は、前記所望の光強度プロファイルを得るためにあら力じめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする。

[0020] 請求項 9に係る光照射装置は、上記発明にお、て、前記点光源は、該点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記所望の光強度プロファイルを得るためにあら力じめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする。

[0021] 請求項 10に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロフアイルが得られるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

[0022] 請求項 11に係る光照射装置は、上記発明において、外側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布が内側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布より大きくなるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

[0023] 請求項 12に係る光照射装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御することを特徴とする。

[0024] 請求項 13に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロフアイルは、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファィルであることを特徴とする。

[0025] 請求項 14に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロフアイルは、中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする。

[0026] 請求項 15に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロフアイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルであるであることを特徴とする。

[0027] 請求項 16に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロフアイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする。

[0028] 請求項 17に係る光照射装置は、上記発明にお、て、前記光源部は、前記被照射物に対して可視光を照射するガイド光用点光源をさらに備えることを特徴とする。

[0029] 請求項 18に係る光照射装置は、上記発明において、前記ガイド光用点光源は、前記出射面にぉ、て複数の前記点光源の中心位置に配置されて、ることを特徴とする

[0030] 請求項 19に係る光照射装置は、上記発明において、前記ガイド光用点光源は、前記出射面において所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることを特徴とする。

[0031] 請求項 20に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される榭脂部材であることを特徴とする。

[0032] 請求項 21に係る溶着方法は、請求項 1〜19のいずれか一つに記載の光照射装置を用いる溶着方法であって、前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される榭脂部材であることを特徴とする。

発明の効果

[0033] 本発明に係る光照射装置および溶着方法によれば、光源部の出射面に配置させた複数の点光源からの出射光束を光学系によって 1本の光束に集束して被照射物に照射する構成とし、各点光源の配置された位置と各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより被照射物に照射される 1本の光束が所望の光強度プロフアイルとなるようにしたので、出力される 1本の光束に要求される所望の光強度プロフアイルを、複数の点光源の配置設定やそれぞれの点光源の強度分布の設定や可変制御によって実現することができ、よって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルの光出力を得ることができるという効果を奏する。さらに、レーザ光をスキャンさせて、直線又は曲線状の榭脂溶着を行う場合に、スキャン方向と垂直方向の積分強度を平坦にしたり双峰形にしたりすることができるという効果も奏する。また、ガイド光用点光源が所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることにより、ガイド光によりプロファイル形状が認識できるという効果も奏する。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の実施の形態の榭脂溶着用光照射装置の構成例を示す概略斜視図である。

[図 2]図 2は、より詳細な構成例を示す概略側面図である。

[図 3]図 3は、多芯キヤビラリの出射面における複数本の光ファイバの出射端面の配置例を寸法関係とともに示す正面図である。

[図 4]図 4は、外側の強度分布を固定し内側の強度分布を可変させた場合に集光レンズによって接合面に集光照射される 1本の光束の光強度プロファイルの変化の様子を示す特性図である。

[図 5]図 5は、双峰性を示す特性 P5の場合の X— Y2次元座標面上で見たときの光強度プロファイルの様子を示す計算結果例による説明図である。

[図 6]図 6は、光強度プロファイルと走査幅との関係について説明するための説明図である。

[図 7]図 7は、照射パワー P—接着力 F特性図である。

[図 8]図 8は、出射端面の配置に対するスキャンの方向を説明するための説明図である。

[図 9]図 9は、スキャン方向に垂直な軸位置での積分強度分布を示す特性図である。

[図 10]図 10は、出射端面の配置の変形例を示す正面図である。 [図 11]図 11は、出射端面の配置の別の変形例を示す正面図である。

[図 12]図 12は、出射端面の配置のさらに別の変形例を示す正面図である。

[図 13]図 13は、出射端面の配置の他の変形例を示す正面図である。

[図 14]図 14は、出射端面の配置のさらに他の変形例を示す正面図である。

符号の説明

[0035] 101, 102 榭脂部材

103a, 103b 接合面

112 集光レンズ

113 光ファイバ

114 出射面

115 出射端面

121 半導体レーザ

122 光源部

123 制御部

発明を実施するための最良の形態

[0036] 本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。以下に説明する本実施の形態の光照射装置は、被照射物としての榭脂部材の接合面に赤外線レーザ光を照射して榭脂部材を溶着させる榭脂溶着用光照射装置への適用例を示すが、本発明における光照射装置は、榭脂部材溶着に限らず、金属同士の溶接等へも適用可能であり、また、使用する光束も赤外線レーザ光に限らない。

[0037] 図 1は、本実施の形態の榭脂溶着用光照射装置の構成例を示す概略斜視図であり、図 2はより詳細な構成例を示す概略側面図である。本実施の形態の榭脂溶着用光照射装置 100は、ワーク（図示せず)上に装填されて重ね合わせた榭脂部材 101 , 102の接合面 103a, 103bに対して赤外線レーザ光を集光照射しながら、接合面 1 03a, 103bを相対的に Y軸方向にスキャニングするレーザヘッド 104と、このレーザヘッド 104から出射される赤外線レーザ光を供給するレーザ本体 105と、レーザ本体 105とレーザヘッド 104との間をフレキシブルに結合して赤外線レーザ光を伝搬させるファイバガイド 106とを備える。 [0038] ここで、赤外線レーザ光の入射側に位置する榭脂部材 101は、入射するレーザ光に対して透過性を示す榭脂であれば、どのような種類の榭脂であってもよい。例えば、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を挙げることができる。また、必要に応じて、ガラス繊維やカーボン繊維等の補強繊維を添カロしたものを用いてもよい。一方、入射する赤外線レーザ光に対して奥側に位置する榭脂部材 102は、入射するレーザ光に対して吸収性を示す榭脂であれば、どのような種類の榭脂であってもよい。これらの榭脂部材 101, 102は、それぞれの榭脂単独で所望の特性を有するものの他、例えば、榭脂部材 102側についてはレーザ光に対して吸収性を示す添加剤を分散させたものであってもよいし、あるいは表面に吸収性の塗料を塗布したものでもよい。さらに、榭脂部材 101, 102の間に吸収性の榭脂を挟んだ形態でも構わない。このような榭脂部材 101, 102の具体例としては、例えば特開 2004— 299395号公報、特開 2004— 299395号公報中【こ f列示されて!/ヽるものを好適に用い得る。一例として、本実施の形態では、榭脂部材 101, 102にはポリアミド、ポリプロピレン等の榭脂を用い、榭脂部材 102側にはレーザ光を吸収するためのカーボンブラックを含有させている。

[0039] したがって、本実施の形態のレーザ溶着方法は、特許文献 1の場合と同様に、非吸収性の榭脂部材 101側からレーザヘッド 104によって赤外線レーザ光を接合面 103 a, 103bに集光照射し、接合面 103bを形成する吸収性を示す榭脂部材 102を赤外線レーザ光のエネルギーで加熱溶融させるとともに、この吸収性を示す榭脂部材 10 2の接合面 103b力もの熱伝導により非吸収性の榭脂部材 101の接合面 103aをカロ熱溶融させることで、接合面 103a, 103b同士を一体的に接合させることを原理とする。

[0040] レーザヘッド 104は、図 2に示すように、多芯キヤビラリ 111と、多芯キヤビラリ 111から出射される複数本の赤外線レーザ光なる出射光束を 1本の光束に集束して接合面 103a, 103bに集光照射する光学系を構成する集光レンズ 112とを備えている。集光レンズ 112による集光スポット径はこの集光レンズ 112とワークとの距離を変えることにより可変とされているが、集光位置を変えても、多芯キヤビラリ 111から出射される複数本の赤外線レーザ光なる出射光束を 1本の光束に集束させる場合の光強度プ口ファイルは維持されるように構成されて、る。

[0041] 多芯キヤビラリ 111は、複数の光ファイバ揷入孔のそれぞれに光ファイバ 113が揷入された円柱状形状のもので、必要に応じて、この多芯キヤビラリ 111を円筒状のスリーブと組合せることにより円筒状又は四角形状の多芯フエルールとして構成される。この場合のフエルールは、ジルコ-ァフエルール、ガラスフエルール、金属フェルール等が適宜用いられる。

[0042] 図 3は、多芯キヤビラリ 111の出射面 114における複数本の光ファイバ 113の出射端面 115の配置例を寸法関係とともに示す正面図である。複数本の光ファイバ 113 の出射端面 115は、多芯キヤビラリ 111の出射面 114にお、て所定の位置関係で配列配置されている。本実施の形態では、一例として、集光レンズ 112の光軸を中心とする内側同心円 C1と外側同心円 C2とを想定した場合、それぞれの同心円 CI, C2 上の位置で等分に均等割りさせた位置に配置させることによりドーナツ状に多重配置されている。より具体的には、内側同心円 C1上の位置では、この同心円 C1を 4等分に均等割りさせた 4箇所の位置に黒丸で示すように内側出射端面 115iが配置されている。したがって、これらの 4つの内側出射端面 115i間を直線で結ぶと正方形となる配置である。また、外側同心円 C2上の位置では、この同心円 C2を 8等分に均等割りさせた 8箇所の位置に斜線を施した丸で示すように外側出射端面 115οが配置されている。したがって、これらの 8つの外側出射端面 115ο間を直線で結ぶと正八角形となる配置である。ここで、外側同心円 C2上の外側出射端面 115οは内側同心円 C1 上の内側出射端面 115iと同一半径上の位置とならないように適宜ずらして設定されている。さらに、光軸中心位置には、白丸で示すようにガイド光用出射端面 115gが配置されている。

[0043] 多芯キヤビラリ 111に挿入された光ファイバ 113の入射側は、ファイバガイド 106を経てレーザ本体 105内に引き込まれ、レーザ本体 105内に設けられた発光源としてのそれぞれの半導体レーザ 121に光結合されている。複数の半導体レーザ 121のうち、 1つは、ガイド光用出射端面 115gに対応する光ファイバ用の半導体レーザ 121g とされている。また、黒丸、斜線を施した丸で示したように配置された位置に応じてグループ分けされた出射端面 115i, 115οに対応させて半導体レーザ 121も内側半導体レーザ 121i,外側半導体レーザ 121οとしてグループ分けされている。

[0044] ここで、本実施の形態では、複数の内側半導体レーザ 121i,外側半導体レーザ 12 loと、これらの内側半導体レーザ 121i,外側半導体レーザ 121οからの光 (赤外線レ一ザ光)を伝搬する複数本の光ファイバ 113と、多芯キヤビラリ 111とが光源部 122を構成し、多芯キヤビラリ 111の出射面 114における光ファイバ 113の出射端面 115i, 115οが複数の点光源を構成している。また、ガイド光用出射端面 115gがガイド光用点光源を構成している。

[0045] レーザ本体 105は、これらの半導体レーザ 121の発光パワー等を制御する制御部 123を備えている。この制御部 123は、グループ分けされた内側半導体レーザ 121i ,外側半導体レーザ 121ο単位でそれぞれの半導体レーザの発光パワーを制御するように構成されている。これにより、出射端面 115i, 115οから出射する光束の強度分布もグループ分けされた単位で制御される。

[0046] ここで、本実施の形態の具体的構成の一例について説明する。一例として、内側半導体レーザ 121i,外側半導体レーザ 121οとしては、発光パワー 5W、波長 915nm の赤外線レーザ光を出射するものが用いられ、光ファイバ 113としては、コア径 105 μ m、クラッド径 125 μ mのマルチモードファイバが用いられ、その出射端面 115i, 1 15οは、図 3に例示したように 250 m間隔で Χ—Υ2次元座標面上に配置されている。また、半導体レーザ 121gとしては波長 650nmの赤色光を出射するものが用いられている。

[0047] 図 4は、このような具体的構成例の下に、制御部 123によって、外側半導体レーザ 1 21ο (外側出射端面 115ο)側の強度分布は 5Wに固定とし内側半導体レーザ 121i ( 内側出射端面 115i)側の強度分布を 1Wから 5Wまで可変させた場合に集光レンズ 1 12によって接合面 103a, 103bに集光照射される 1本の光束の光強度プロファイルの変化の様子を示す特性図である。

[0048] 図 4に示す特性図によれば、出射端面 115の配置された位置とこれらの出射端面 1 15から出射する光束の強度分布との組合せにより、集光レンズ 112によって接合面 1 03a, 103bに集光照射される 1本の光束の光強度プロファイルを可変させ得ることが判る。すなわち、外側の強度分布に対して内側の強度分布を 100% ( = 5W)とした場合には、特性 PIで示すようにガウシアン分布に近!、形の光強度プロファイルとなる力外側の強度分布に対して内側の強度分布を 80% (=4W)とした場合には、特性 P2で示すように中心付近の光強度が平坦性を示す光強度分布プロファイルとなり、さらに、外側の強度分布に対して内側の強度分布を 60% ( = 3W) , 40% ( = 2W) , 20% ( = 1W)に低くした場合には、それぞれ特性 P3, P4, P5で示すように中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示す光強度分布プロフアイルとなり、内側の強度分布が低いほど、双峰性の中心部の凹みが大きくなる。

[0049] 図 5は、双峰性を示す特性 P5の場合の X—Y2次元座標面上 (接合面 103a, 103 b上に相当する)で見たときの光強度プロファイルの様子を示す計算結果例による説明図である。濃い（黒い）部分ほど高い光強度であることを示している。平面的に見た場合、中心付近の光強度が低くその周囲でドーナツ状に光強度が高くなつていることが判る。

[0050] ここで、本実施の形態の出射端面 115の配置された位置とこれらの出射端面 115 力ゝら出射する光束の強度分布との組合せにより可能な双峰性を示す特性 P3〜P5なる光強度プロファイルについて図 6を参照して考察する。従来の場合、溶着面積 (溶着走査幅）を幅 W力幅 Wに広げて接合強度を高めようとする場合、前述したよう

A B

に、レーザ光の発光パワーを高くして、例えば図 6中に二点鎖線 Bで示すような光強度プロファイルにせざるを得なヽが、本実施の形態の双峰性を示す特性 P3〜P5の光強度プロファイルによればレーザ光の発光パワーをそれほど高くすることなく溶着面積 (溶着走査幅）を幅 W〖こ広げ得ることが判る。

B

[0051] 特に、レーザ溶着においては、図 7の照射パワー P—接着力 F特性に示すように、照射パワー Pが閾値 Pa以下の場合には接着不足となる反面、照射パワー Pを閾値 P b以上に高くしても気化ゃボイドなどの溶着部劣化が生じてしまうだけで良好なる接合強度が得られず、結局、閾値 Pa〜Pb間が最適パワー範囲となる特性がある。この点、本実施の形態の双峰性を示す特性 P3〜P5の光強度プロファイルによれば、図 6中の実線で示すように、閾値 Pbを超えな、範囲で (ピークパワーを変えずに)溶着面積 (溶着走査幅）を幅 Wに広げて、接合強度を向上させることができる。

B

[0052] また、特性 P2で示すような中心付近の光強度が平坦性を示す光強度分布プロファィルの場合、スキャニングを伴わな、スポット溶着にぉ、て発光パワーをそれほど高くすることなく溶着面積を広げることができ、接合強度を向上させることができる。

[0053] また、平坦なビームプロファイルのレーザ光を照射しても中心部の温度が高くなり、中心部での劣化が観測される場合がある。これは榭脂の熱伝導率が小さいときに、周辺部に与えた熱は逃げやすいのに対し、中心部の熱は逃げにくく温度が上がっていると考えられる。本実施の形態にある図 4の双峰性を示す特性 P3〜P5の光強度プロファイルによれば、熱伝導率が低、榭脂を溶着する場合でも溶着面積を広げて溶着強度を向上させることができる。

[0054] そこで、例えばこのような双峰性を示す特性 P5を所望の光強度プロファイルとし、特性 P5の光強度プロファイルの赤外線レーザ光を接合面 103a, 103bに照射して Y 軸方向にスキャニングさせることで、特性 P1や特性 P2の場合のように溶着走査幅の中心部のみ強度分布が高くなるようなことがなく溶着走査幅の全幅に亘つてほほ均一な強度分布の下に良好に榭脂溶着を行うことができる。

[0055] さらに、前述の説明ではレーザ光をスキャンさせる場合に、スキャンする方向を一定にしていたが、図 8のような配置で光強度の比を最適にすることでスキャンさせる方向性をなくすことができる。図 9はその一例を示したものであり、図 8の内側の光強度を外側の光強度の 30%にしてある。図 8に示す方向 A, B, Cは、この配置が外側は正八角形配置、内側は正方形であるため、最も方向性が異なる 22. 5度、 45度だけずらしている。図 9のように A, B, Cとも、ガウシアン分布形状の通常レーザ光の積分強度に比べ、ビームプロファイルが広がっていることがわかる。例えば、最大強度の 70 %以上の強度を持つ範囲を比べると、通常レーザ光が 1530 mであるのに対し、方向 A, Bはともに 2670 mと 1. 75倍に、方向 Cは 2400 mと 1. 57倍に広力 ^つて!/、ることがわ力る。これによれば、レーザ光を任意の方向にスキャンした場合でも積分強度がピーク付近で比較的平坦になるようなプロファイルの実現が可能になる。ガウシアン分布形状のように溶着走査幅の中心部のみ強度分布が高くなるようなことがなく溶着走査幅の全幅に亘つてほほ均一な強度分布の下に良好に榭脂溶着を行うことができる。さらに、この構成によれば前記の熱伝導率の低い樹脂の溶着の場合でも、双峰形を有する積分強度プロファイルを得ることが可能であり、溶着面積を広げて溶着強度を向上させることができる。

[0056] このように本実施の形態によれば、出射面 114に配置させた複数の出射端面 115 力もの出射光束を集光レンズ 112によって 1本の光束に集束して接合面 103A, 103 bに照射する構成とし、各出射端面 115の配置された位置と各出射端面 115の出射する光束の強度分布との組合せにより接合面 103A, 103bに照射される 1本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたので、出力される 1本の光束に要求される所望の光強度プロファイルを、複数の出射端面 115の配置設定やそれぞれの出射端面 115の強度分布の可変制御によって実現することができ、よって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロフアイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルの光出力を得ることができる。また、スポット溶着だけでなぐスキャンした場合の強度プロファイルの積分値を、溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルなどを実現することができる。

[0057] この際、接合面 103a, 103bに照射する赤外線レーザ光は目に見えないが、赤色光を出射するガイド光用出射端面 115gを出射端面 115i, 115οの中心位置に有して接合面 103a, 103bに同時に照射させるようにしているので、溶着位置の視覚的な確認が容易となる。

[0058] なお、本実施の形態では、制御部 123を備え、出射端面 115i, 115ο (半導体レーザ 121i, 121ο)から出射される光束の光強度の少なくとも一方を可変制御するようにしたが、制御部 123による制御方式を用いずに、溶着条件として例えば所望の溶着面積 (溶着走査幅）が既知の場合にはその溶着面積に適した所望の光強度プロファィルとなるようにあら力じめ設定された光強度の光束を出射させるように構成してもよい。この場合も、所望の光強度プロファイルを得るために出射端面 115i, 115οが配置された位置に応じてグループ分けされた単位であら力じめ設定された所定の強度分布の光束を出射させるようにすれば、より簡単に実現できる。

[0059] また、内外周の同心円上へのドーナツ状の多重配置に限らず、例えば、図 10中に黒丸で示すように、単一の同一円周上の位置に一重に配置させてもよい。この場合、ガイド光用出射端面 115gは、中心位置に配置させてもよいが、図示の如ぐ出射端面 115と同一円周上の位置、すなわち、所望の光プロファイルの輪郭を示す位置に複数個配置させてもよい。図示例では、 2個の出射端面 115毎に 1つのガイド光用出射端面 115gが配置されている（図 3の場合も同様に適用できる）。これによれば、溶着時に赤色光によって溶着用のスポット径を視認することができ、溶着可能な範囲（溶着走査幅)を簡単に確認することができる。

[0060] さらに、出射端面 115の配置例は、図 3や図 10に示すような円周上位置への配置に限らず、例えば、図 11中に黒丸で示すように、同一直線上の位置で 1次元に配置させたり、図 12中に黒丸で示すように、複数本、例えば 2本の直線上の位置でそれぞれ多重配置させたりしてもよい。図 11や図 12の場合、集光照射される光束としては、図中、出射端面 115の配置範囲に渡って横長に平坦となる光強度プロファイルにすることができるため、矢印で示す方向へのスキャニングを伴うレーザ溶着を幅広に行うことができる。この場合、ガイド光用出射端面 115gは、複数の出射端面 115の中心位置に配置されて溶着位置の確認が容易な上に、光強度プロファイルの輪郭を示す位置、すなわちスキャニング方向の両側位置にも配置されており、溶着可能な範囲 (溶着走査幅）の確認を容易にしてヽる。

[0061] また、出射端面 115の配置例としては、前述したような所定の位置関係による配置に限らず、例えば、図 13に示すように、多数の出射端面 115を出射面 114において 2次元升目状に全面的かつ密に配列して束ねて榭脂などで固めておき、集光レンズ 112による 1本の光束として所望の光強度プロファイルを得るのに必要な出射端面 1 15を選択して出力させるようにしてもよい。図 13中、丸はいずれも出射端面 115を示し、このうち、黒丸が選択された内側出射端面 115i、斜線を施した丸が選択された外側出射端面 115o、白丸がガイド光用出射端面 115gを示し、破線丸が選択されなかつた出射端面 115ηを示している。これによれば、各種の光強度プロファイルの実現が可能となる。

[0062] さらに、出射端面 115の配置例としては、図 14に示すように、複数の出射端面 115 を複数本の直線上の位置に配置させるとともに、これらの直線と直交する方向では前の列と重ならな、ように千鳥状に配置させてもょ、。

[0063] さらに、前述の説明では、出射面 114に配置される点光源を、光ファイバ 113の出射端面 115とした例で説明したが、半導体レーザや LED等の発光源自体を出射面 1 14に直接埋め込み配置させてもよい。

[0064] 本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

産業上の利用可能性

[0065] 以上のように、本発明に係る光照射装置および溶着方法は、榭脂部材同士の溶着接合に有用であり、特に、赤外線レーザ光を利用する場合に適している。

Claims

請求の範囲

[1] 出射面に複数の点光源が配置された光源部と、

複数の前記点光源からの出射光束を 1本の光束に集束して被照射物に照射する光学系と、

を備え、

前記各点光源の配置された位置と前記各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより前記 1本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたことを特徴とする光照射装置。

[2] 前記光源部は、複数の発光源と該各発光源からの光を伝搬する複数本の光フアイバとを備え、前記各点光源は、前記光源部の出射面に配置されて前記発光源からの光を伝搬して出射する前記各光ファイバの出射端面力なることを特徴とする請求項 1に記載の光照射装置。

[3] 前記点光源は、前記出射面において所定の位置関係で配列されていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の光照射装置。

[4] 前記点光源は、同一円周上の位置に配置されていることを特徴とする請求項 3に記載の光照射装置。

[5] 前記点光源は、同心円上の位置にドーナツ状に多重に配置されていることを特徴とする請求項 3に記載の光照射装置。

[6] 前記点光源は、同一直線上の位置に配置されていることを特徴とする請求項 3に記載の光照射装置。

[7] 前記点光源は、複数本の直線上の位置に多重に配置されていることを特徴とする請求項 3に記載の光照射装置。

[8] 前記各点光源は、前記所望の光強度プロファイルを得るためにあら力じめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする請求項 1〜7のいずれか一つに記載の光照射装置。

[9] 前記点光源は、該点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記所望の光強度プロファイルを得るためにあら力じめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする請求項 1〜7のいずれか一つに記載の光照射装置。

[10] 前記所望の光強度プロファイルが得られるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか一つに記載の光照射装置。

[11] 外側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布が内側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布より大きくなるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項 5に記載の光照射装置。

[12] 前記制御手段は、前記点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御することを特徴とする請求項 10又は 11に記載の光照射装置。

[13] 前記所望の光強度プロファイルは、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルであることを特徴とする請求項 1〜12のいずれか一つに記載の光照射装置。

[14] 前記所望の光強度プロファイルは、中心付近の光強度が平坦性を示すプロフアイルであることを特徴とする請求項 1〜 12の、ずれか一つに記載の光照射装置。

[15] 前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルであるであることを特徴とする請求項 1〜 13の、ずれか一つに記載の光照射装置。

[16] 前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする請求項 1〜1

3の、ずれか一つに記載の光照射装置。

[17] 前記光源部は、前記被照射物に対して可視光を照射するガイド光用点光源をさらに備えることを特徴とする請求項 1〜16のいずれか一つに記載の光照射装置。

[18] 前記ガイド光用点光源は、前記出射面において複数の前記点光源の中心位置に配置されていることを特徴とする請求項 17に記載の光照射装置。

[19] 前記ガイド光用点光源は、前記出射面において所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることを特徴とする請求項 17に記載の光照射装置。

[20] 前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、

前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される榭脂部材であることを特徴とする請求項 1〜 19のいずれか一つに記載の光照射装置。

[21] 請求項 1〜19のいずれか一つに記載の光照射装置を用いる溶着方法であって、前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、

前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される榭脂部材であることを特徴とする溶着方法。