JP2004017540A - 樹脂溶接装置、樹脂温度測定装置、樹脂溶接方法及び樹脂温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する際の溶接温度を高精度に検出できる樹脂溶接装置、樹脂温度測定装置、樹脂溶接方法及び樹脂温度測定方法を提供することを課題とする。
【解決手段】レーザ光ＬＢを利用して樹脂部材ＤＲ，ＵＲ同士を溶接する樹脂溶接装置１Ａであって、レーザ光ＬＢを発生する半導体レーザ（半導体レーザ装置２０Ａ）と、半導体レーザと樹脂部材ＵＲとの間に設けられ、半導体レーザで発生した光のうち溶接領域ＤＡ，ＵＡの温度を測定する際に観測波長となる波長の光を遮断するフィルタ３０とを備え、溶接領域ＤＡ，ＵＡの温度を測定する際にフィルタ３０で遮断された波長の光を用いることを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する際の溶接領域の温度測定に有用な樹脂溶接装置、樹脂溶接方法、樹脂温度測定装置及び樹脂温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光を利用して樹脂部材等を溶接する技術が知られている。例えば、特公平５−４２３３６号公報には、レーザによる部材の接着方法が開示されている。この方法では、ＹＡＧレーザのレーザ光を吸収する性質を有する第１熱可塑性樹脂部材上にレーザ光を透過する性質を有する第２熱可塑性樹脂部材を重ねる。そして、ＹＡＧレーザから第２熱可塑性樹脂部材を介して第１熱可塑性樹脂部材にレーザ光を照射し、第１熱可塑性樹脂部材を加熱溶融して第１熱可塑性樹脂部材と第２熱可塑性樹脂部材とを溶接する。
【０００３】
レーザ光により溶接を行う場合、溶接不良を防止するために、溶接領域の温度を管理することが重要となる。溶接領域の温度を検出する場合、溶接領域から熱輻射される光を利用する放射温度計等が利用される。例えば、特開平５−２６１５７６号公報には、レーザ光によって被加工物を溶接する際の被加工物の表面温度を管理する加熱加工装置が開示されている。この加熱加工装置では、被加工物の表面から熱輻射された光を複数に分割し、分割した光を各々異なる波長の光を透過するフィルタで透過する。そして、フィルタで透過された異なる波長の光の強度比により表面温度を検出し、その検出した表面温度により被加工物の表面温度を制御している。
【０００４】
【課題を解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する場合、溶接温度を精度良く検出することができない場合があり、溶接温度を正常に管理することができないために溶接不良が発生した。特に、レーザによる溶接では、ＹＡＧレーザ等の固体レーザの他に、高出力化された半導体レーザも利用されるようになった。半導体レーザを利用して樹脂部材同士を溶接する際に放射温度計によって溶接領域の温度を検出した場合、溶接温度を正確に検出することができなかった。なお、特開平５−２６１５７６号公報には、樹脂部材同士の溶接における溶接温度の検出については何ら記載されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する際の溶接温度を高精度に検出できる樹脂溶接装置、樹脂温度測定装置、樹脂溶接方法及び樹脂温度測定方法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】
本発明に係る樹脂溶接装置は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接装置であって、レーザ光を発生する半導体レーザと、半導体レーザと樹脂部材との間に設けられ、半導体レーザで発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を遮断するフィルタとを備え、溶接領域の温度を測定する際にフィルタで遮断された波長の光を用いることを特徴とする。
【０００７】
この樹脂溶接装置によれば、フィルタによって、半導体レーザから発生する光のうち溶接温度測定の観測波長となる波長の光を溶接する前に予め取り除く。そのため、半導体レーザが発生していた観測波長と同じ波長の光は溶接領域から放射されないので、溶接領域で熱輻射される光のうちこのフィルタで取り除いた波長の光を用いると、半導体レーザに起因するノイズ光の影響を受けることなく溶接領域の温度を正確に検出することができる。
【０００８】
本発明に係る樹脂溶接装置は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接装置であって、レーザ光を発生する半導体レーザと、半導体レーザで発生したレーザ光を溶接領域に集光するとともに、半導体レーザで発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を遮断する光学手段とを備え、溶接領域の温度を測定する際に光学手段で遮断された波長の光を用いることを特徴とする。
【０００９】
この樹脂溶接装置によれば、光学手段に施されている反射ロスを抑えるためのコーティング等によって、半導体レーザから発生する光のうち溶接温度測定の観測波長となる波長の光を溶接する前に予め取り除く。そのため、半導体レーザが発生していた観測波長と同じ波長の光は溶接領域から放射されないので、溶接領域で熱輻射される光のうちこの光学手段で取り除いた波長の光を用いると、半導体レーザに起因するノイズ光の影響を受けることなく溶接領域の温度を正確に検出することができる。
【００１０】
さらに、本発明の上記樹脂溶接装置は、フィルタ又は光学手段を半導体レーザの発振波長以外の波長の光を遮断するように構成してもよい。
【００１１】
この樹脂溶接装置によれば、半導体レーザから発生する光のうち溶接に不要な発振波長以外の波長の光を溶接する前に取り除くので、溶接領域から放射される光には半導体レーザが発生している発振波長以外の光を一切含まない。
【００１２】
また、本発明の上記樹脂溶接装置は、フィルタ又は光学手段を１５００ｎｍから２８００ｎｍの範囲の波長の光を遮断するように構成してもよい。
【００１３】
この樹脂溶接装置によれば、半導体レーザから発生する光のうち樹脂溶接における溶接温度検出に適している波長範囲である１５００ｎｍから２８００ｎｍの波長の光を溶接する前に取り除くので、溶接領域から放射される光には半導体レーザが発生している溶接温度検出にとってのノイズ光を一切含まない。なお、１５００ｎｍより短波長の光で検出される溶接温度では、樹脂部材同士の溶接が困難である。また、２８００ｎｍより長波長の光は、樹脂部材を透過しないので、樹脂部材同士の重ね溶接の場合に溶接温度を検出するために利用できない。
【００１４】
本発明に係る樹脂温度測定装置は、上記樹脂溶接装置で溶接を行っている際に溶接領域の温度を測定する樹脂温度測定装置であって、溶接領域から熱輻射される光のうちフィルタ又は光学手段で遮断された波長の光に基づいて温度を検出する温度検出手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
この樹脂温度測定装置によれば、温度検出手段では観測波長の光として半導体レーザで発生するノイズ光（発振波長以外の光の一部又は全部）が混入していない熱輻射光を用いて溶接温度を検出することができるので、溶接温度を高精度に検出することができる。
【００１６】
本発明に係る樹脂溶接方法は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接方法であって、半導体レーザでレーザ光を発生するレーザ光発生工程と、レーザ光発生工程で発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を溶接を行う前にフィルタで遮断するフィルタ工程とを含み、溶接領域の温度を測定する際にフィルタ工程で遮断された波長の光を用いることを特徴とする。
【００１７】
この樹脂溶接方法によれば、フィルタによって半導体レーザから発生する光のうち溶接温度測定の観測波長となる波長の光を溶接する前に予め取り除いているので、ノイズ光が混入していない熱輻射光に基づいて溶接領域の温度を正確に検出することができる。
【００１８】
本発明に係る樹脂溶接方法は、レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接方法であって、半導体レーザでレーザ光を発生するレーザ光発生工程と、レーザ光発生工程で発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を、レーザ光発生工程で発生したレーザ光を溶接領域に集光する光学系で遮断するフィルタ工程とを含み、溶接領域の温度を測定する際にフィルタ工程で遮断された波長の光を用いることを特徴とする。
【００１９】
この樹脂溶接方法によれば、光学系に施されている反射ロスを抑えるためのコーティング等によって半導体レーザから発生する光のうち溶接温度測定の観測波長となる波長の光を溶接する前に予め取り除いているので、ノイズ光が混入していない熱輻射光に基づいて溶接領域の温度を正確に検出することができる。
【００２０】
本発明に係る樹脂温度測定方法は、上記樹脂溶接方法で溶接を行っている際の溶接領域の温度を測定する樹脂温度測定方法であって、溶接領域から熱輻射される光のうちフィルタ工程で遮断された波長の光に基づいて温度を検出する温度検出工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
この樹脂温度測定方法によれば、観測波長の光として半導体レーザで発生するノイズ光（発振波長以外の光の一部又は全部）が混入していない熱輻射光を用いて溶接温度を検出することができるので、溶接温度を高精度に検出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る樹脂溶接装置、樹脂温度測定装置、樹脂溶接方法及び樹脂温度測定方法の実施の形態を説明する。
【００２３】
本発明は、半導体レーザによって樹脂部材同士を溶接する際の溶接温度を高精度に検出するために、溶接領域から熱輻射される光にノイズ光が混入しないようにする。そこで、本発明では、そのノイズ光が半導体レーザで発生する発振波長以外の光であることを究明し、半導体レーザで発生した光のうち溶接温度を検出するための観測波長となる波長の光を溶接を行う前に取り除く。そのために、本発明では、フィルタあるいは半導体レーザの集光レンズ等の光学系によって、その観測波長となる波長の光を遮断する。
【００２４】
本実施の形態では、本発明をレーザ光を利用して樹脂部材同士の重ね溶接を行う樹脂溶接装置に適用する。本実施の形態に係る樹脂溶接装置は、レーザ光を出射するために半導体レーザ装置及び溶接領域の溶接温度を検出するために樹脂温度測定装置を備えており、樹脂温度測定装置で検出した溶接温度に基づいて溶接温度を管理している。本実施の形態には、３つの実施の形態があり、第１及び第２の実施の形態ではカットフィルタによって半導体レーザ装置で発生した発振波長以外の光をカットし、特に、第１の実施の形態では半導体レーザ装置として直接集光型を使用し、第２の実施の形態では半導体レーザ装置としてファイバアウト型を使用し、また、第３の実施の形態では半導体レーザ装置（直接集光型）の集光レンズに施されたコーティングによって発振波長以外の光うちの一部をカットする。
【００２５】
まず、第１の実施の形態について説明する。図１を参照して、樹脂溶接装置１Ａの構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａの全体構成図である。
【００２６】
樹脂溶接装置１Ａは、溶接温度を基準温度範囲内に制御するとともに、被溶接部材となる上側樹脂部材ＵＲ（例えば、アクリル樹脂）と下側樹脂部材ＤＲ（例えば、ＡＢＳ樹脂）とを加圧しながら重ね溶接する装置である。そのために、樹脂溶接装置１Ａは、圧力印加装置１０、半導体レーザ装置２０Ａ、第１カットフィルタ３０、第２カットフィルタ４０、樹脂温度測定装置５０Ａ、ロボットアーム装置６０及び管理装置７０を備えている。
【００２７】
上側樹脂部材ＵＲは、半導体レーザ装置２０Ａの発振波長のレーザ光ＬＢを透過する性質を有している。一方、下側樹脂部材ＤＲは、半導体レーザ装置２０Ａの発振波長のレーザ光ＬＢを吸収する性質を有している。したがって、樹脂溶接装置１Ａでは、半導体レーザ装置２０Ａから出射したレーザ光ＬＢが、上側樹脂部材ＵＲを透過し、下側樹脂部材ＤＲの表面のうち上側樹脂部材ＵＲと溶接される領域（溶接領域）ＤＡで吸収される。この吸収によって、溶接領域ＤＡが加熱溶融される。さらに、この熱によって、上側樹脂部材ＵＲの表面のうち溶接される領域（溶接領域）ＵＡが加熱溶融され、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとが溶接される。
【００２８】
圧力印加装置１０は、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加圧する。というのは、溶接領域ＤＡと溶接領域ＵＡとに隙間があると、溶接領域ＤＡを加熱溶融しても、その熱が溶接領域ＵＡに伝導しにくい。そのため、溶接不良が発生する。そこで、加圧印加装置１０によって、溶接領域ＤＡと溶接領域ＵＡとを加圧して密着させる。
【００２９】
圧力印加装置１０は、ベース板１１、押さえ板１２、調整部１３，１３及び制御部１４を備えている。ベース板１１は、その上面に下側樹脂部材ＤＲが載置され、下側樹脂部材ＤＲの上面に上側樹脂部材ＵＲが載置される。押さえ板１２は、レーザ光ＬＢを透過する材質で構成されており、ベース板１１の上方に配置される。そして、押さえ板１２は、ベース板１１に重ねて載置されている下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとを押さえ込む。調整部１３，１３は、制御部１４からの制御信号に基づいて押さえ板１２を上下方向に移動させ、ベース板１１と押さえ板１２との距離を調整する。制御部１４は、管理装置７０からの指令信号に基づいて基準圧力範囲に圧力を制御するための制御信号を調整部１３，１３に送信する。
【００３０】
図２も参照して、半導体レーザ装置２０Ａについて説明する。図２は、半導体レーザ装置２０Ａ及び第１カットフィルタ３０の側面図である。
【００３１】
半導体レーザ装置２０Ａは、溶接領域ＤＡにレーザ光ＬＢ（発振波長：８１０ｎｍ）を照射し、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加熱溶融する。そのために、半導体レーザ装置２０Ａは、装置本体２１及び制御部２２を備えている。装置本体２１は、制御部２２からの制御信号に応じてレーザ光ＬＢを発生し、発生したレーザ光ＬＢを集光して溶接領域ＤＡに向かって出射する。制御部２２は、管理装置７０からの指令信号に基づいて照射条件（強度、焦点径等）を制御するための制御信号を装置本体２１に送信する。
【００３２】
装置本体２１は、半導体レーザ２１ａ、第１コリメートレンズ２１ｂ，・・・、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２１ｄを備えている。半導体レーザ２１ａは、平板状電極２１ｅ，２１ｆを有し、この平板状電極２１ｅ，２１ｆ間にヒートシンク２１ｇ，・・・を介して複数個のレーザアレイ２１ｈ，・・・を積層してレーザアレイスタックを形成している。各レーザアレイ２１ｈは、複数個のレーザ光出射点２１ｉ，・・・を一列に配列させた構造となっており、各レーザ光出射点２１ｉ，・・・からレーザ光ＬＢを出射する。そして、第１コリメートレンズ２１ｂ、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２１ｄが、半導体レーザ２１ａで発生したレーザ光ＬＢを溶接領域ＤＡに集光する光学手段となっている。
【００３３】
第１コリメートレンズ２１ｂは、レーザアレイ２１ｈに対してレーザ光ＬＢの出射方向前方かつレーザアレイ２１ｈに平行に配置され、レーザアレイ２１ｈ毎に設けられる。第１コリメートレンズ２１ｂは、円柱形レンズであり、レーザアレイ２１ｈの各レーザ光出射点２１ｉから出射されたレーザ光ＬＢをレーザアレイ２１ｈの短手方向（＝半導体レーザ２１ａのレーザ光出射点２１ｉの配列方向）に集光する。
【００３４】
第２コリメートレンズ２１ｃは、第１コリメートレンズ２１ｂ，・・・に対してレーザ光ＬＢの出射方向前方かつレーザアレイ２１ｈ，・・・の積層方向に一列に並んでいるレーザ光出射点２１ｉ，・・・に平行に配置され、そのレーザアレイ２１ｈ，・・・の積層方向のレーザ光出射点２１ｉ，・・・の列毎に設けられる。第２コリメートレンズ２１ｃは、柱状凸レンズであり、各レーザ光出射点２１ｉから出射されたレーザ光ＬＢをレーザアレイ２１ｈの長手方向に集光する。
【００３５】
集光レンズ２１ｄは、第２コリメートレンズ２１ｃに対してレーザ光ＬＢの出射方向前方に配置される。集光レンズ２１ｄは、所定の焦点距離を有しており、平行光を焦点（溶接領域ＤＡ）に集光する。
【００３６】
装置本体２１では、制御部２２からの制御信号に基づいて平板状電極２１ｅ、２１ｆ間に電圧を発生し、この電圧に応じて各レーザ光出射点２１ｉからレーザ光ＬＢを出射する。そして、装置本体２１では、各レーザ光出射点２１ｉから出射したレーザ光ＬＢを第１コリメートレンズ２１ｂでレーザアレイ２１ｈの短手方向に対して平行光にし、さらに、第２コリメートレンズ２１ｃでレーザアレイ２１ｈの長手方向に対して平行光にする。最後に、装置本体２１では、平行光となったレーザ光ＬＢを集光レンズ２１ｄで溶接領域ＤＡに集光する。
【００３７】
以上のように、半導体レーザ装置２０Ａは、多数のレーザ光出射点２１ｉからレーザ光ＬＢを出射し、多数のレーザ光ＬＢを集めた高出力のレーザ装置である。また、半導体レーザ装置２０Ａは、装置本体２１でレーザ光ＬＢを集光するとともに溶接領域ＤＡに直接出射する直接集光型である。さらに、半導体レーザ装置２０Ａは、ロボットアーム装置６０によって装置本体２１が上下方向の位置が移動自在であり、レーザ光ＬＢの焦点位置が調整される。また、半導体レーザ装置２０Ａは、ロボットアーム装置６０によって装置本体２１が水平方向の位置が移動自在であり、溶接速度や溶接位置が調整される。
【００３８】
ここで、図３を参照して、半導体レーザ装置について実験によって判明したことを説明する。図３は、半導体レーザ装置から出射された発振波長以外の光の波長と強度との関係を示す図である。
【００３９】
半導体レーザ装置は、単一の発振波長のレーザ光（例えば、８１０ｎｍ）を出射するように構成されている。しかし、各種実験を重ねた結果、半導体レーザ装置は、発振波長以外の光も出射していることが判った。図３は、横軸が波長、縦軸が光の強度であり、発振波長が８１０ｎｍ及び９２０ｎｍの半導体レーザ装置から出射された発振波長以外の光の波長に対する強度の特性を示している。図３から判るように、半導体レーザ装置では発振波長にかかわらず、発振波長より長波長側の１３００ｎｍから２１００ｎｍにかけて発振波長以外の光（赤外光）を出射している。この発振波長以外の光の強度は、１３００ｎｍ付近から１４００ｎｍ付近にかけて急激に大きくなり、１４００ｎｍ付近から徐々に減少していく。また、この発振波長以外の光の強度は、発振波長のレーザ光に対して６桁以上小さい強度である。
【００４０】
半導体レーザ装置から発振波長以外の光を出射する原因としては、半導体レーザ自体から発生していると考えられる。特に、高出力型の半導体レーザの場合、多数のレーザ光出射点からレーザ光を発生しており、様々な波長のレーザ光を発生していると考えられる。この半導体レーザで発生している要因としては、半導体内部の不純物準位または欠陥準位などから発光している可能性がある。すなわち溶接用の半導体レーザは、高出力なので、その共振器が、例えば、縦１μｍ、横１００μｍの大きさを有する。この共振器から１Ｗのレーザ光が出力したとすると、レーザパワー密度は１ＭＷ／ｃｍ^２以上となる。このようなレーザパワー密度であれば、共振器を構成する半導体内部の不純物準位または欠陥準位などから発振波長以外の光を発生するのではないかと考えられる。ちなみに、第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置２０Ａでは、図６に示すような発振波長（８１０ｎｍ）のレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢを出射している。図６は、半導体レーザ装置から出射する発振波長のレーザ光と発振波長以外の光の波長と強度の関係を示す図であり、横軸が光の波長、縦軸が光の強度である。
【００４１】
図４を参照して、樹脂部材の特性についても説明しておく。図４は、樹脂部材に光を照射した場合の照射した光の波長と樹脂部材の光の透過率の関係を示す図である。
【００４２】
図４は、横軸が樹脂部材に照射した光の波長、縦軸が樹脂部材の光の透過率であり、ＡＢＳ樹脂（白）、ポリ塩化ビニル（透明）、ポリエチレンテレフタレート（透明）、ポリカーボネート（透明）、アクリル樹脂（透明）の５つの樹脂部材の特性を示している。図４から判るように、５つの樹脂部材とも、２８００ｎｍより長波長の光を殆ど透過しない特性を有している。したがって、重ね溶接で溶接温度を検出する場合、放射温度計では、上側樹脂部材を透過した熱輻射光を利用して溶接温度を検出するので、２８００ｎｍより長波長の熱輻射光を利用することはできない。
【００４３】
また、樹脂部材同士を溶接する場合、溶接温度が２００〜４００度と低いので、放射温度計によって２００度程度の低温度の熱輻射光から溶接温度を検出するためには、１５００ｎｍより長波長の熱輻射光を用いる必要がある。したがって、重ね溶接で溶接温度を検出する場合、放射温度計では、観測波長として１５００ｎｍから２８００ｎｍの範囲の波長を用いる必要がある。
【００４４】
図５を参照して、半導体レーザ装置で重ね溶接を行った場合の熱輻射光の波長及び半導体レーザ装置の発振波長以外の光の波長と観測波長の関係についても説明しておく。図５は、半導体レーザ装置から出射する発振波長のレーザ光と発振波長以外の光及び溶接領域で発生する熱輻射光の波長と強度の関係を示す図である。
【００４５】
図５は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度であり、発振波長（８１０ｎｍ）のレーザ光、発振波長以外の光、熱輻射光の各特性を示している。図５から判るように、発振波長以外の光と熱輻射光とは、その出力特性として１４００ｎｍから２１００ｎｍの波長範囲で重なってしまう。また、発振波長以外の光の強度は、上記したように、発振波長のレーザ光より６桁以上小さい強度である。一方、樹脂部材同士の溶接の場合には溶接温度が低いので、熱輻射光の強度も、小さく、発振波長以外の光に影響を受ける程度の強度である。さらに、樹脂部材同士の重ね溶接の場合、放射温度計の観測波長としては、上記したように、１５００ｎｍから２８００ｎｍの範囲の波長を用いる。したがって、従来、樹脂部材同士の重ね溶接において放射温度計で溶接温度を検出した場合、半導体レーザ装置から出射される発振波長以外の光が熱輻射光に対してノイズ光となって、熱輻射光から正確に溶接温度を検出できなかったと考えられる。
【００４６】
そこで、半導体レーザ装置から出射する発振波長以外の光のうち放射温度計において温度検出で用いる観測波長の光を溶接する前に取り除いておけば、熱輻射光にノイズ光が混入しない。この場合、発振波長以外の光を全て取り除いたり、あるいは、放射温度計の観測波長範囲である１５００ｎｍから２８００ｎｍの光を取り除いておくと、確実にノイズ光を排除できる。
【００４７】
樹脂溶接装置１Ａの構成の説明に戻って、図２、図７及び図８も参照して、第１カットフィルタ３０について説明する。図７は、第１カットフィルタ３０の特性として波長と透過率の関係を示す図である。図８は、半導体レーザ装置２０Ａから出射した光が第１カットフィルタ３０を通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【００４８】
第１カットフィルタ３０は、溶接を行う前、半導体レーザ装置２０Ａから出射される発振波長以外の光ＡＢを遮断するフィルタである。図７は、横軸が波長、縦軸が透過率であり、第１カットフィルタ３０の透過特性（実線）を示している。図７から判るように、第１カットフィルタ３０は、８１０ｎｍの発振波長のレーザ光ＬＢを確実に透過するとともに発振波長以外の光ＡＢを遮断するために、１２００ｎｍより短波長の光を透過する特性を有している。このような特性を有する第１カットフィルタ３０に半導体レーザ装置２０Ａから出射された発振波長のレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢを通過させると、図８に示すように、発振波長のレーザ光ＬＢのみが通過する。図８は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度である。
【００４９】
第１カットフィルタ３０は、半導体レーザ装置２０Ａの装置本体２１と上側樹脂部材ＵＲとの間かつレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢが通過する位置に設けられるとともに、装置本体２１の移動に伴って移動するように構成されている。この移動する構成では、ロボットアーム装置６０によって、装置本体２１と共に移動するように構成してもよい。
【００５０】
なお、第１カットフィルタ３０の役割としては、溶接を行う前に、半導体レーザ装置２０Ａから出射される発振波長以外の光ＡＢを遮断すればよい。したがって、第１カットフィルタ３０の配置としては、半導体レーザ装置２０Ａと別体で外側に配置する以外にも、半導体レーザ装置２０Ａの内部に配置してもよい。例えば、第１コリメートレンズ２１ｂと第２コリメートレンズ２１ｃとの間、第２コリメートレンズ２１ｃと集光レンズ２１ｄとの間等に配置してもよい。また、第１カットフィルタ３０の配置では、レーザ光ＬＢの光束が広がった箇所（エネルギ密度が低い箇所）に配置されることが望ましい。というのは、半導体レーザ装置２０Ａは高出力なので、レーザ光ＬＢを集光した箇所ではエネルギ密度が高く、第１カットフィルタ３０が熱によりダメージを受けるからである。
【００５１】
図９、図１０及び図１１も参照して、第２カットフィルタ４０について説明する。図９は、溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光の波長と強度の関係を示す図である。図１０は、第２カットフィルタの特性として波長と透過率の関係を示す図である。図１１は、溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光が第２カットフィルタ４０を通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【００５２】
第２カットフィルタ４０は、溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光のうち半導体レーザ装置２０Ａから出射された発振波長のレーザ光ＬＢを遮断するフィルタである。図９は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度であり、溶接領域ＤＡ，ＵＡか放射される光を示している。図９から判るように、溶接領域ＤＡ，ＵＡでは、半導体レーザ装置２０Ａから出射された発振波長のレーザ光ＬＢの一部を反射するとともに、熱輻射光ＲＢを発生している。この溶接領域ＤＡ，ＵＡからの発振波長のレーザ光ＬＢは、溶接領域ＤＡ，ＵＡの溶接温度を検出する際にノイズとなる。そこで、第２カットフィルタ４０は、図１０に示すように、熱輻射光ＲＢを確実に透過するとともに８１０ｎｍの発振波長のレーザ光ＬＢを遮断するために、１１００ｎｍより長波長の光を透過させる特性を有している。このような特性を有する第２カットフィルタ４０に溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射されるの光を通過させると、図１１に示すように、熱輻射光ＲＢのみが通過する。図１０及び図１１は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度である。
【００５３】
第２カットフィルタ４０は、上側樹脂部材ＵＲと樹脂温度測定装置５０Ａの集光部５１の間に設けられるとともに、溶接位置の移動に伴って移動するように構成されている。この移動する構成では、ロボットアーム装置６０によって、半導体レーザ装置２０Ａの装置本体２１と共に移動するように構成してもよい。
【００５４】
樹脂温度測定装置５０Ａは、溶接温度を溶接領域ＤＡ，ＵＡからの熱輻射光ＲＢを利用して測定する放射温度計である。ちなみに、樹脂温度測定装置５０Ａは、熱輻射光ＲＢうちの単一の観測波長（例えば、１８００ｎｍ）の光に基づいて温度を検出する単色式放射温度計でもよいし、熱輻射光ＲＢのうち複数の観測波長（例えば、１８００ｎｍと２０００ｎｍの２つの波長）の光に基づいて温度を検出する多色式放射温度計でもよい。
【００５５】
樹脂温度測定装置５０Ａは、集光部５１、光ファイバ５２及び温度検出部５３を備えている。集光部５１は、溶接領域ＤＡ，ＵＡからの第２カットフィルタ４０を通過した熱輻射光ＲＢを集光する。そのために、集光部５１は、熱輻射光ＲＢを確実に受光できる位置に設けられるとともに、溶接位置の移動に伴って移動するように構成されている。この移動する構成では、ロボットアーム装置６０によって、半導体レーザ装置２０Ａの装置本体２１と共に移動するように構成してもよい。光ファイバ５２は、集光部５１で集光した熱輻射光ＲＢを温度検出部５３に伝送する。なお、樹脂温度測定装置５０Ａは、溶接位置を検出する機能も有している。
【００５６】
温度検出部５３は、光ファイバ５２で伝送された集光された熱輻射光ＲＢをコリメート光にした後、そのコリメート光から１つまたは２つ以上の観測波長の光を抽出する。そして、温度検出部５３では、各観測波長の光を集光して赤外線検出器に入射させ、赤外線検出器で各観測波長の光を光電変換により電気信号に変換する。さらに、温度検出部５３では、この各観測波長の電気信号に基づいて溶接温度を算出する。
【００５７】
ロボットアーム装置６０は、レーザ光ＬＢの焦点位置、溶接位置や溶接速度等を制御する装置であり、半導体レーザ装置２０Ａの装置本体２１を３次元移動させる。さらに、ロボットアーム装置６０を、第１カットフィルタ３０、第２カットフィルタ４０及び樹脂温度測定装置５０Ａの集光部５１を３次元移動させるように構成してもよい。
【００５８】
ロボットアーム装置６０は、先端部６１、アーム部６２及び制御部６３を備えている。先端部６１は、装置本体２１及び必要に応じて第１カットフィルタ３０、第４カットフィルタ４０、集光部５１が取り付けられ、アーム部６２の動作に応じて装置本体２１等を３次元移動させる。アーム部６２は、制御部６３からの制御信号に応じて先端部６１を３次元移動させる多関節のアームである。制御部６３は、管理装置７０からの指令信号に基づいて先端部６１を移動させるための制御信号をアーム部６２に送信する。
【００５９】
管理装置７０は、樹脂溶接装置１Ａを統括的に管理する装置であり、圧力印加装置１０の制御部１４、半導体レーザ装置２０Ａの制御部２２、樹脂温度測定装置５０Ａの温度検出部５３及びロボットアーム装置６０の制御部６３に接続されている。
【００６０】
管理装置７０では、樹脂温度測定装置５０Ａで検出した溶接温度に基づいて、溶接温度が基準温度範囲となるように、半導体レーザ装置２０Ａの照射条件（強度、焦点径等）、レーザ光ＬＢの焦点位置、溶接速度等を制御している。そのために、管理装置７０では、温度検出部５３から検出した溶接温度を示す信号を受信するとともに、制御部２２及び制御部６３に指令信号を送信している。また、管理装置７０では、圧力センサ（図示せず）から上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとの間の検出圧力に基づいて、その圧力が基準圧力範囲となるように、圧力印加装置１０の調整部１３を制御している。そのために、管理装置７０では、圧力センサ（図示せず）から検出した圧力を示す信号を受信するとともに、制御部１４に指令信号を送信している。
【００６１】
管理装置７０は、多数の組み合わせによる樹脂部材ＵＲ，ＤＲと基準温度範囲との関係を記憶しており、溶接対象となる２つの樹脂部材ＵＲ，ＤＲに応じて基準温度範囲を設定する。基準温度範囲は、上側樹脂部部材ＵＲ及び下側樹脂部材ＤＲの溶融温度以上かつ分解温度以下の範囲内で設定される。また、管理装置７０は、多数の組み合わせの樹脂部材ＵＲ，ＤＲと基準圧力温度範囲との関係を記憶しており、溶接対象となる２つの樹脂部材ＵＲ，ＤＲに応じて基準圧力範囲を設定する。また、管理装置７０は、溶接中に、樹脂部材ＵＲ，ＤＲと溶接温度や圧力との関係を記憶する。そして、管理装置７０では、溶接後、溶接不良時の溶接温度や圧力及び溶接良好時の溶接温度や圧力のデータを、基準温度範囲、基準圧力範囲や照射条件等に反映することにより、溶接不良率を更に改善している。
【００６２】
それでは、図１乃至図１１を参照して、樹脂溶接装置１Ａの動作について説明する。
【００６３】
まず、下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとが、重ねられてベース板１１の所定の位置にセットされる。すると、樹脂溶接装置１Ａでは、管理装置７０からの指令に基づいて、圧力印加装置１０により下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとの間に圧力を印加する。また、樹脂溶接装置１Ａでは、管理装置７０からの指令に基づいて、ロボットアーム装置６０により半導体レーザ装置２０Ａの装置本体２１等を初期位置に移動させる。そして、樹脂溶接装置１Ａでは、管理装置７０からの指令に基づいて、溶接温度が基準温度範囲となるように、半導体レーザ装置２０Ａからレーザ光ＬＢを出射する。
【００６４】
この際、半導体レーザ装置２０Ａは、発振波長のレーザ光ＬＢのみならず、発振波長以外の光ＡＢも出射する（図６参照）。しかし、この発振波長以外の光ＡＢは、第１カットフィルタ３０によって遮断される。そのため、下側樹脂部材ＤＲの溶接領域ＤＡには、第１カットフィルタ３０、押さえ板１２及び上側樹脂部材ＵＲを透過した発振波長のレーザ光ＬＢのみが到達する（図８参照）。
【００６５】
レーザ光ＬＢが溶接領域ＤＡに達すると、レーザ光ＬＢが溶接領域ＤＡで吸収され、溶接領域ＤＡが加熱溶融される。さらに、この熱によって上側樹脂部材ＵＲの溶接領域ＵＡが加熱溶融され、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとが溶接される。このとき、溶接領域ＤＡ，ＵＡでは、熱輻射光ＲＢを発生するとともに、レーザ光ＬＢの一部を反射する（図９参照）。
【００６６】
しかし、溶接領域ＤＡ，ＵＡで反射されたレーザ光ＬＢは、第２カットフィルタ４０で遮断される。したがって、樹脂温度測定装置５０Ａの集光部５１には、第２カットフィルタ４０を透過した熱輻射光ＲＢのみが到達する（図１１参照）。つまり、集光部５１には、熱輻射光ＲＢに対してノイズとなる光は全く入射されない。
【００６７】
したがって、樹脂温度測定装置５０Ａでは、熱輻射光ＲＢのみに基づいて、高精度で安定した溶接温度を検出する。そして、その精度の高い溶接温度に基づいて、管理装置７０では、半導体レーザ装置２０Ａの照射条件（強度、焦点径等）やロボットアーム装置６０によるレーザ光ＬＢの焦点位置、溶接速度等を制御する。また、管理装置７０では、圧力センサ（図示せず）で検出した圧力に基づいて、圧力印加装置１０による樹脂部材ＤＲ，ＵＲ間の圧力を制御している。そして、樹脂溶接装置１Ａでは、この制御された照射条件、焦点位置、溶接速度及び圧力等によりレーザ光ＬＢを出射するとともに樹脂部材ＤＲ、ＵＲ間に圧力を印加し、溶接位置を変えながら、基準圧力範囲内の圧力かつ基準温度範囲内の溶接温度で安定した溶接を行っている。
【００６８】
第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａによれば、溶接領域ＤＡに入射される前に溶接温度を検出する際のノイズ光となる発振波長以外の光ＡＢを第１カットフィルタ３０で確実に取り除くので、樹脂温度測定装置５０Ａで高精度に溶接温度を検出することができる。したがって、樹脂溶接装置１Ａでは、安定した溶接温度の管理ができ、溶接不良率が低減する。また、樹脂溶接装置１Ａによれば、従来の構成に第１カットフィルタ３０を追加するだけの簡単な構成で、溶接温度の検出精度を向上させることができる。
【００６９】
次に、第２の実施の形態について説明する。図１２を参照して、樹脂溶接装置１Ｂの構成について説明する。図１２は、第２の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ｂの全体構成図である。なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａと同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
樹脂溶接装置１Ｂは、溶接温度を基準温度範囲内に制御するとともに、被溶接部材となる上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加圧しながら重ね溶接する装置である。そのために、樹脂溶接装置１Ｂは、圧力印加装置１０、半導体レーザ装置２０Ｂ、第１カットフィルタ３０、第２カットフィルタ４０、樹脂温度測定装置５０Ａ、ロボットアーム装置６０及び管理装置７０を備えている。なお、樹脂溶接装置１Ｂは、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａに対して、半導体レーザ装置２０Ｂの構成がファイバアウト型である点のみ異なる。
【００７１】
図１３も参照して、半導体レーザ装置２０Ｂについて説明する。図１３は、半導体レーザ装置２０Ｂ及び第１カットフィルタ３０の側面図である。
【００７２】
半導体レーザ装置２０Ｂは、溶接領域ＤＡにレーザ光ＬＢ（発振波長：８１０ｎｍ）を照射し、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加熱溶融する。そのために、半導体レーザ装置２０Ｂは、装置本体２３、光ファイバ２４、出射部２５及び制御部２２を備えている。装置本体２３は、制御部２２からの制御信号に応じてレーザ光ＬＢを発生し、発生したレーザ光ＬＢを集光して光ファイバ２４に出射する。光ファイバ２４は、装置本体２３からのレーザ光ＬＢを出射部２５に伝送する。出射部２５は、光ファイバ２４で伝送されたレーザ光ＬＢを集光して溶接領域ＤＡに向かって出射する。制御部２２は、管理装置７０からの指令信号に基づいて照射条件（強度、焦点径等）を制御するための制御信号を装置本体２３に送信する。
【００７３】
装置本体２３は、第１の実施の形態に係る装置本体２１と同様に、半導体レーザ２１ａ、第１コリメートレンズ２１ｂ，・・・、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２１ｄを備えている。そして、装置本体２３では、装置本体２１と同様に、各レーザ光出射点２１ｉからレーザ光ＬＢを出射し、そのレーザ光ＬＢを第１コリメートレンズ２１ｂ、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２１ｄで集光する。しかし、装置本体２３では、装置本体２１のように溶接領域ＤＡに向かって出射するのでなく、集光したレーザ光ＬＢを光ファイバ２４に入射させる。
【００７４】
出射部２５は、コリメートレンズ２５ａ及び集光レンズ２５ｂを備えている。コリメートレンズ２５ａは、光ファイバ２４で伝送されたレーザ光ＬＢの出射方向に対して垂直に配置される。そして、コリメートレンズ２５ａは、光ファイバ２４で伝送されたレーザ光ＬＢを平行光にする。集光レンズ２５ｂは、コリメートレンズ２５ａに対してレーザ光ＬＢの出射方向前方かつコリメートレンズ２５ａに対して平行に配置される。そして、集光レンズ２５ｂは、所定の焦点距離を有しており、平行光を焦点（溶接領域ＤＡ）に集光する。
【００７５】
以上のように、半導体レーザ装置２０Ｂは、多数のレーザ光出射点２１ｉからレーザ光ＬＢを出射し、多数のレーザ光ＬＢを集めた高出力のレーザ装置である。また、半導体レーザ装置２０Ｂは、装置本体２３でレーザ光ＬＢを集光し、集光したレーザ光ＬＢを光ファイバ２４で伝送して出射部２５から溶接領域ＤＡに出射するファイバアウト型である。さらに、半導体レーザ装置２０Ｂは、ロボットアーム装置６０によって出射部２５が上下方向の位置が移動自在であり、レーザ光ＬＢの焦点位置が調整される。また、半導体レーザ装置２０Ｂは、ロボットアーム装置６０によって出射部２５が水平方向の位置が移動自在であり、溶接速度や溶接位置が調整される。
【００７６】
第１カットフィルタ３０は、半導体レーザ装置２０Ｂの出射部２５と上側樹脂部材ＵＲとの間かつレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢが通過する位置に設けられるとともに、半導体レーザ装置２０Ｂの出射部２５の移動に伴って移動するように構成されている。第１カットフィルタ３０の役割としては、上記したように、溶接を行う前に、半導体レーザ装置２０Ｂから出射される発振波長以外の光ＡＢを遮断すればよい。したがって、第１カットフィルタ３０の配置としては、半導体レーザ装置２０Ｂと別体で外側に配置する以外にも、半導体レーザ装置２０Ｂの内部に配置してもよい。例えば、第１コリメートレンズ２１ｂと第２コリメートレンズ２１ｃとの間、第２コリメートレンズ２１ｃと集光レンズ２１ｄとの間、集光レンズ２１ｄと光ファイバ２４との間、コリメートレンズ２５ａと集光レンズ２５ｂとの間等に配置してもよい。
【００７７】
それでは、図１２及び図１３を参照して、樹脂溶接装置１Ｂの動作について説明する。
【００７８】
まず、下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとが、重ねられてベース板１１の所定の位置にセットされる。すると、樹脂溶接装置１Ｂでは、管理装置７０からの指令に基づいて、圧力印加装置１０により下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとの間に圧力を印加する。また、樹脂溶接装置１Ｂでは、管理装置７０からの指令に基づいて、ロボットアーム装置６０により半導体レーザ装置２０Ｂの出射部２５等を初期位置に移動させる。そして、樹脂溶接装置１Ｂでは、管理装置７０からの指令に基づいて、溶接温度が基準温度範囲となるように、半導体レーザ装置２０Ｂからレーザ光ＬＢを出射する。
【００７９】
このとき、半導体レーザ装置２０Ｂでは、装置本体２３で発生して集光したレーザ光ＬＢを光ファイバ２４に入射する。そして、半導体レーザ装置２０Ｂでは、光ファイバ２４でレーザ光ＬＢを出射部２５まで伝送し、出射部２５で集光してレーザ光ＬＢを出射する。
【００８０】
半導体レーザ装置２０Ｂからレーザ光ＬＢが出射した以降の動作については、樹脂溶接装置１Ｂでは、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａと同様に動作するので、その説明を省略する。
【００８１】
第２の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ｂによれば、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａでの効果に加えて、半導体レーザ装置２０Ｂにおいて装置本体２３と別体で出射部２５を構成しているので、レーザ光ＬＢを出射するスペースを省スペース化することができる。
【００８２】
次に、第３の実施の形態について説明する。図１４を参照して、樹脂溶接装置１Ｃの構成について説明する。図１４は、第３の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ｃの全体構成図である。なお、第３の実施の形態では、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａと同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８３】
樹脂溶接装置１Ｃは、溶接温度を基準温度範囲内に制御するとともに、被溶接部材となる上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加圧しながら重ね溶接する装置である。そのために、樹脂溶接装置１Ｃは、圧力印加装置１０、半導体レーザ装置２０Ｃ、樹脂温度測定装置５０Ｃ、ロボットアーム装置６０及び管理装置７０を備えている。なお、樹脂溶接装置１Ｃは、第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ａに対して、第１カットフィルタ３０を用いて発振波長以外の光ＡＢを遮断するのではなく、半導体レーザ装置２０Ｃの光学手段に施されているコーティングによって発振波長以外の光ＡＢの一部の波長の光を遮断する点で異なる。
【００８４】
図１５、図１６及び図１７も参照して、半導体レーザ装置２０Ｃについて説明する。図１５は、半導体レーザ装置２０Ｃの側面図である。図１６は、集光レンズ２６ａのコーティング２６ｂの特性として波長と透過率の関係を示す図である。図１７は、半導体レーザ装置２０Ｃで発生した光が集光レンズ２６ａを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【００８５】
半導体レーザ装置２０Ｃは、溶接領域ＤＡにレーザ光ＬＢ（発振波長：８１０ｎｍ）を照射し、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとを加熱溶融する。そのために、半導体レーザ装置２０Ｃは、装置本体２６及び制御部２２を備えている。装置本体２６は、制御部２２からの制御信号に応じてレーザ光ＬＢを発生し、発生したレーザ光ＬＢを集光して溶接領域ＤＡに向かって出射する。制御部２２は、管理装置７０からの指令信号に基づいて照射条件（強度、焦点径等）を制御するための制御信号を装置本体２６に送信する。
【００８６】
装置本体２６は、半導体レーザ２１ａ、第１コリメートレンズ２１ｂ，・・・、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２６ａを備えている。装置本体２６では、集光レンズ２６ａのみが第１の実施の形態に係る装置本体２１と異なる構成なので、集光レンズ２６ａについてのみ説明する。なお、第１コリメートレンズ２１ｂ、第２コリメートレンズ２１ｃ及び集光レンズ２６ａが、半導体レーザ２１ａで発生したレーザ光を溶接領域ＤＡに集光する光学手段である。
【００８７】
集光レンズ２６ａは、第２コリメートレンズ２１ｃに対してレーザ光ＬＢの出射方向前方に配置される。集光レンズ２６ａは、所定の焦点距離を有しており、平行光を焦点（溶接領域ＤＡ）に集光する。また、集光レンズ２６ａには、反射ロスを抑えるために、レーザ光ＬＢの発振波長に適合させたアンチリフレクションのコーティング２６ｂがレンズ表面に施されている。このコーティング２６ｂは、レーザ光ＬＢの発振波長以外の波長域については十分に考慮されたコーティングでないので、発振波長以外の光ＡＢうちの一部の波長の光ＡＢ１を遮断する特性を有している。図１６は、横軸が光の波長、縦軸が光の透過率であり、コーティング２６ｂの透過特性（実線）を示している。図１６から判るように、コーティング２６ｂは、８１０ｎｍの発振波長のレーザ光ＬＢを確実に透過するとともに発振波長以外の光ＡＢうちの一部の波長範囲（１６００ｎｍから１９００ｎｍ）の光（以下、コーティング遮断の発振波長以外の光と記載する）ＡＢ１を遮断する特性を有している。このような特性を有するコーティング２６ｂを施した集光レンズ２６ａに半導体レーザ２１ａから出射された発振波長のレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢを通過させると、図１７に示すように、発振波長のレーザ光ＬＢ及び発振波長以外の光ＡＢから一部の波長範囲（１６００ｎｍから１９００ｎｍ）が取り除かれた光（以下、コーティング透過の発振波長以外の光と記載する）ＡＢ２が通過する。図１７は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度である。
【００８８】
なお、集光レンズ２６ａにコーティング２６ｂを施す構成としたが、半導体レーザ装置２０Ｃの他の光学手段である第１コリメートレンズ２１ｂ、第２コリメートレンズ２１ｃにコーティングを施してもよい。
【００８９】
装置本体２６では、制御部２２からの制御信号に基づいて平板状電極２１ｅ、２１ｆ間に電圧を発生し、この電圧に応じて各レーザ光出射点２１ｉからレーザ光ＬＢを出射する。そして、装置本体２６では、各レーザ光出射点２１ｉ，・・・から出射したレーザ光ＬＢを第１コリメートレンズ２１ｂでレーザアレイ２１ｈの短手方向に対して平行光にし、さらに、第２コリメートレンズ２１ｃでレーザアレイ２１ｈの長手方向に対して平行光にする。最後に、装置本体２６では、平行光となったレーザ光ＬＢを集光レンズ２６ａで溶接領域ＤＡに集光する。集光レンズ２６ａにはコーティング２６ｂが施されているので、装置装置２６では、１６００ｎｍから１９００ｎｍの波長範囲の光ＡＢ１を出射しない。そこで、樹脂温度測定装置５０Ｃにおいて、この１６００ｎｍから１９００ｎｍの波長範囲を観測波長にすると、熱輻射光ＲＢに対してノイズ光が混入しない。
【００９０】
図１８、図１９及び図２０も参照して、樹脂温度測定装置５０Ｃについて説明する。図１８は、溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光の波長と強度の関係を示す図である。図１９は、バンドパスフィルタ５４ａの特性として波長と透過率の関係を示す図である。図２０は、溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光がバンドパスフィルタ５４ａを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【００９１】
樹脂温層測定装置５０Ｃは、溶接温度を溶接領域ＤＡ，ＵＡからの熱輻射光ＲＢを利用して測定する放射温度計である。ちなみに、樹脂温度測定装置５０Ｃは、熱輻射光ＲＢうちの単一の観測波長の光に基づいて温度を検出する単色式放射温度計でもよいし、熱輻射光ＲＢうちの複数の観測波長の光に基づいて温度を検出する多色式放射温度計でもよい。特に、樹脂温度測定装置５０Ｃは、観測波長範囲が限定されており、半導体レーザ装置２０Ｃの集光レンズ２６ａに施されているコーティング２６ｂによって遮断した１６００ｎｍから１９００ｎｍの波長範囲に限定されて構成される。
【００９２】
樹脂温度測定装置５０Ｃは、集光部５１、光ファイバ５２及び温度検出部５４を備えている。樹脂温度測定装置５０Ｃでは、温度検出部５４のみが第１の実施の形態に係る樹脂温度測定装置５０Ｃと異なる構成なので、温度検出部５４についてのみ説明する。図１８は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度であり、溶接領域ＤＡ、ＵＡで放射する光を示している。図１８から判るように、溶接領域ＤＡ，ＵＡでは、半導体レーザ装置２０Ｃから出射された発振波長のレーザ光ＬＢの一部及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２の一部を反射するとともに、熱輻射光ＲＢを発生している。この溶接領域ＤＡ，ＵＡからの発振波長のレーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２は、溶接領域ＤＡ，ＵＡの溶接温度を検出する際にノイズとなる。そこで、樹脂温度測定装置５０Ｃでは、温度検出部５４において発振波長のレーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２を取り除く。
【００９３】
そのために、温度検出部５４は、バンドパスフィルタ５４ａを備えている。バンドパスフィルタ５４ａは、光ファイバ５２で伝送された光を受光する位置に設けられ、光ファイバ５２で伝送された溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射された光のうち半導体レーザ装置２０Ｃのコーティング２６ｂで遮断された波長範囲（１６００ｎｍ〜１９００ｎｍ）に相当する熱輻射光ＲＢ１のみを透過させるフィルタである。バンドパスフィルタ５４ａは、図１９に示すように、コーティング２６ｂで遮断された波長範囲（１６００ｎｍ〜１９００ｎｍ）より若干短波長側で長くかつ長波長側で短い波長範囲の熱輻射光（以下、バンドパスフィルタ透過の熱輻射光）ＲＢ１を確実に透過する特性を有している。このような特性を有するバンドパスフィルタ５４ａに溶接領域ＤＡ，ＵＡから放射される光を通過させると、図２０に示すように、１６００ｎｍ〜１９００ｎｍより若干短波長側で長くかつ長波長側で短い波長範囲の熱輻射光ＲＢ１のみが通過する。図１９及び図２０は、横軸が光の波長、縦軸が光の強度である。
【００９４】
バンドパスフィルタ５４ａを通過させた後、温度検出部５４では、バンドパスフィルタ透過の熱輻射光ＲＢ１をコリメート光にした後、そのコリメート光から１つまたは２つ以上の観測波長の光を抽出する。この観測波長は、バンドパスフィルタ５４ａを透過する波長範囲内の波長に設定されている。そして、温度検出部５４では、各観測波長の光を集光して赤外線検出器に入射させ、赤外線検出器で各観測波長の光を光電変換により電気信号に変換する。さらに、温度検出部５４では、この各観測波長の電気信号に基づいて溶接温度を算出する。
【００９５】
それでは、図１４乃至図２０を参照して、樹脂溶接装置１Ｃの動作について説明する。
【００９６】
まず、下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとが、重ねられてベース板１１の所定の位置にセットされる。すると、樹脂溶接装置１Ｃでは、管理装置７０からの指令に基づいて、圧力印加装置１０により下側樹脂部材ＤＲと上側樹脂部材ＵＲとの間に圧力を印加する。また、樹脂溶接装置１Ｃでは、管理装置７０からの指令に基づいて、ロボットアーム装置６０により半導体レーザ装置２０Ｃの装置本体２６等を初期位置に移動させる。そして、樹脂溶接装置１Ｃでは、管理装置７０からの指令に基づいて、溶接温度が基準温度範囲となるように、半導体レーザ装置２０Ｃからレーザ光ＬＢを出射する。
【００９７】
この際、半導体レーザ装置２０Ｃでは、発振波長のレーザ光ＬＢのみならず、発振波長以外の光ＡＢも発生している。しかし、半導体レーザ装置２０Ｃでは、集光レンズ２６ａのコーティング２６ｂによって、発振波長以外の光ＡＢうちの一部の波長範囲の光ＡＢ１を遮断している。そのため、下側樹脂部材ＤＲの溶接領域ＤＡには、コーティング２６ｂ、押さえ板１２及び上側樹脂部材ＵＲを透過した発振波長のレーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２が到達する（図１７参照）。
【００９８】
レーザ光ＬＢが溶接領域ＤＡに達すると、レーザ光ＬＢが溶接領域ＤＡで吸収され、溶接領域ＤＡが加熱溶融される。さらに、この熱によって上側樹脂部材ＵＲの溶接領域ＵＡが加熱溶融され、上側樹脂部材ＵＲと下側樹脂部材ＤＲとが溶接される。このとき、溶接領域ＤＡ，ＵＡでは、熱輻射光ＲＢを発生するとともに、レーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２の一部を反射する（図１８参照）。
【００９９】
そして、樹脂温度測定装置５０Ｃでは、集光部５１に熱輻射光ＲＢ、レーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２が到達し、光ファイバ５２で温度検出部５４まで伝送する。温度検出部５４では、バンドパスフィルタ５４ａによってレーザ光ＬＢ及びコーティング透過の発振波長以外の光ＡＢ２並びに熱輻射光ＲＢの一部を遮断し、バンドパスフィルタ透過の熱輻射光ＲＢ１のみを透過する。つまり、バンドパスフィルタ５４ａによってノイズとなる光は取り除かれる。
【０１００】
したがって、温度検出部５４では、バンドパスフィルタ透過の熱輻射光ＲＢ１のみに基づいて、高精度で安定した溶接温度を検出する。そして、その精度の高い溶接温度に基づいて、管理装置７０では、半導体レーザ装置２０Ｃの照射条件（強度、焦点径等）、ロボットアーム装置６０によるレーザ光ＬＢの焦点位置、溶接速度等を制御している。また、管理装置７０では、圧力センサ（図示せず）で検出した圧力に基づいて、圧力印加装置１０による樹脂部材ＤＲ，ＵＲ間の圧力を制御している。そして、樹脂溶接装置１Ｃでは、この制御された照射条件、焦点位置、溶接速度及び圧力によりレーザ光ＬＢを出射するとともに樹脂部材ＤＲ、ＵＲ間に圧力を印加し、溶接位置を変えながら、基準圧力範囲内の圧力かつ基準温度範囲内の溶接温度で安定した溶接を行っている。
【０１０１】
第３の実施の形態に係る樹脂溶接装置１Ｃによれば、溶接領域ＤＡに入射される前に溶接温度を検出する際のノイズ光となる発振波長以外の光ＡＢうちの一部の波長範囲の光を集光レンズ２６ａに施されているコーティング２６ｂで取り除くので、樹脂温度測定装置５０Ｃで高精度に溶接温度を検出することができる。したがって、樹脂溶接装置１Ｃでは、溶接温度の管理が安定し、溶接不良率が低減する。また、樹脂溶接装置１Ｃによれば、発振波長以外の光ＡＢうちの一部の光を、半導体レーザ装置２０Ｃの光学手段に通常施されているコーティング２６ｂによって遮断するので、別体でカットフィルタ等を必要としない。したがって、樹脂溶接装置１Ｃでは、低コストで、溶接温度の検出精度を向上させることができる。
【０１０２】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では樹脂部材同士の重ね溶接に適用したが、樹脂部材同士の突合せ溶接等の他の樹脂溶接に適用してもよい。
また、本実施の形態では第１カットフィルタを発振波長以外の光を全て遮断するフィルタとして構成したが、１５００ｎｍから２８００ｎｍの観測波長範囲の光のみを遮断するフィルタでもよいし、樹脂温度測定装置で用いる単一または複数の観測波長の光のみを遮断するフィルタでもよい。
また、本実施の形態では半導体レーザ装置で第１及び第２コリメートレンズを用いたが、ボールレンズ等の他のレンズを用いてもよい。
また、第３の実施の形態では集光レンズに施されたコーティングによって発振波長以外の光の一部の波長範囲の光を遮断したが、半導体レーザ装置の光学手段に施されたコーティング以外の手段、例えば、光学レンズ等の透過特性を利用するなどによって発振波長以外の光を遮断するものでもよい。また、直接集光型でなく、ファイバアウト型で構成してもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接を行う前に半導体レーザで発生した光のうち溶接温度を検出するための観測波長となる波長の光を遮断するので、溶接温度を検出する際に観測波長の熱輻射光に対してノイズ光が混入しない。したがって、溶接温度を高精度に検出でき、安定した溶接温度管理により溶接不良を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る樹脂溶接装置の全体構成図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置及び第１カットフィルタの側面図である。
【図３】半導体レーザ装置から出射された発振波長以外の光の波長と強度との関係を示す図である。
【図４】樹脂部材に光を照射した場合の照射した光の波長と樹脂部材の光の透過率の関係を示す図である。
【図５】半導体レーザ装置から出射する発振波長のレーザ光と発振波長以外の光及び溶接領域で発生する熱輻射光の波長と強度の関係を示す図である。
【図６】図１の半導体レーザ装置から出射する発振波長のレーザ光と発振波長以外の光の波長と強度の関係を示す図である。
【図７】図１の第１カットフィルタの特性として波長と透過率の関係を示す図である。
【図８】図１の半導体レーザ装置から出射した光が第１カットフィルタを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【図９】図１の溶接領域から放射される光の波長と強度の関係を示す図である。
【図１０】図１の第２カットフィルタの特性として波長と透過率の関係を示す図である。
【図１１】図１の溶接領域から放射される光が第２カットフィルタを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る樹脂溶接装置の全体構成図である。
【図１３】図１２の半導体レーザ装置及び第１カットフィルタの側面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る樹脂溶接装置の全体構成図である。
【図１５】図１４の半導体レーザ装置の側面図である。
【図１６】図１５の集光レンズのコーティングの特性として波長と透過率の関係を示す図である。
【図１７】図１４の半導体レーザ装置で発生した光が集光レンズを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【図１８】図１４の溶接領域から放射される光の波長と強度の関係を示す図である。
【図１９】図１４のバンドパスフィルタの特性として波長と透過率の関係を示す図である。
【図２０】図１４の溶接領域から放射される光がバンドパスフィルタを通過した後の光の波長と強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…樹脂溶接装置、１０…圧力印加装置、１１…ベース板、１２…押さえ板、１３…調整部、１４…制御部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…半導体レーザ装置、２１，２３，２６…装置本体、２１ａ…半導体レーザ、２１ｂ…第１コリメートレンズ、２１ｃ…第２コリメートレンズ、２１ｄ，２６ａ…集光レンズ、２１ｅ，２１ｆ…平板状電極、２１ｇ…ヒートシンク、２１ｈ…レーザアレイ、２１ｉ…レーザ光出射点、２２…制御部、２４…光ファイバ、２５…出射部、２５ａ…コリメートレンズ、２５ｂ…集光レンズ、２６ｂ…コーティング、３０…第１カットフィルタ、４０…第２カットフィルタ、５０Ａ，５０Ｃ…樹脂温度測定装置、５１…集光部、５２…光ファイバ、５３，５４…温度検出部、５４ａ…バンドパスフィルタ、６０…ロボットアーム装置、６１…先端部、６２…アーム部、６３…制御部、７０…管理装置、ＡＢ…発振波長以外の光、ＡＢ１…コーティング遮断の発振波長以外の光、ＡＢ２…コーティング透過の発振波長以外の光、ＤＡ，ＵＡ…溶接領域、ＤＲ…下側樹脂部材、ＬＢ…レーザ光、ＲＢ…熱輻射光、ＲＢ１…バンドパスフィルタ透過の熱輻射光、ＵＲ…上側樹脂部材

Claims (8)

1. レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接装置であって、
   レーザ光を発生する半導体レーザと、
   前記半導体レーザと前記樹脂部材との間に設けられ、前記半導体レーザで発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を遮断するフィルタと、
   を備え、
   溶接領域の温度を測定する際に前記フィルタで遮断された波長の光を用いることを特徴とする樹脂溶接装置。
2. レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接装置であって、
   レーザ光を発生する半導体レーザと、
   前記半導体レーザで発生したレーザ光を溶接領域に集光するとともに、前記半導体レーザで発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を遮断する光学手段と、
   を備え、
   溶接領域の温度を測定する際に前記光学手段で遮断された波長の光を用いることを特徴とする樹脂溶接装置。
3. 前記フィルタ又は前記光学手段は、前記半導体レーザの発振波長以外の波長の光を遮断することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する樹脂溶接装置。
4. 前記フィルタ又は前記光学手段は、１５００ｎｍから２８００ｎｍの範囲の波長の光を遮断することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する樹脂溶接装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載する樹脂溶接装置で溶接を行っている際に溶接領域の温度を測定する樹脂温度測定装置であって、
   前記溶接領域から熱輻射される光のうち前記フィルタ又は前記光学手段で遮断された波長の光に基づいて温度を検出する温度検出手段を備えることを特徴とする樹脂温度測定装置。
6. レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接方法であって、
   半導体レーザでレーザ光を発生するレーザ光発生工程と、
   前記レーザ光発生工程で発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を、溶接を行う前にフィルタで遮断するフィルタ工程と、
   を含み、
   溶接領域の温度を測定する際に前記フィルタ工程で遮断された波長の光を用いることを特徴とする樹脂溶接方法。
7. レーザ光を利用して樹脂部材同士を溶接する樹脂溶接方法であって、
   半導体レーザでレーザ光を発生するレーザ光発生工程と、
   前記レーザ光発生工程で発生した光のうち溶接領域の温度を測定する際に観測波長となる波長の光を、前記レーザ光発生工程で発生したレーザ光を溶接領域に集光する光学系で遮断するフィルタ工程と、
   を含み、
   溶接領域の温度を測定する際に前記フィルタ工程で遮断された波長の光を用いることを特徴とする樹脂溶接方法。
8. 請求項６又は請求項７に記載する樹脂溶接方法で溶接を行っている際の溶接領域の温度を測定する樹脂温度測定方法であって、
   前記溶接領域から熱輻射される光のうち前記フィルタ工程で遮断された波長の光に基づいて温度を検出する温度検出工程を含むことを特徴とする樹脂温度測定方法。

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