JP2004090030A

JP2004090030A - モータシャフトの溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP2004090030A
Application number: JP2002254323A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sakurai; 櫻井　努; Norimasa Takada; 高田　則正; Seiten Sugiura; 杉浦　清天; Hideo Yamabayashi; 山林　秀雄; Toshio Uehara; 植原　敏夫
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP4100099B2

Abstract

【課題】従来の圧入による方法や、従来のレーザ装置をそのまま使うだけでは、スペックを満足させるのが困難となってきている。
【解決手段】レーザビームの出射鏡筒１を、ステンレス製のモータシャフト２の回転中心３に対して、２台対象の位置で約４５度傾斜した配置とし、モータシャフト２と、モータシャフト２と接合される電解Ｎｉメッキされた金属円盤回転体４の境界にて集光し、モータシャフト２の径の半分以下の同一ビーム強度分布のレーザスポット５で、回転させながら金属円盤回転体４を溶接する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の回転体のシャフトと平板との接合において、平板の面ぶれを小さく、かつ強い強度で接合するシャフトの溶接方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、電気製品の小型化にともない、電子部品や機構部品の小型化が進んでいる。なかでも、携帯電話用やマイクロマシン用のモータは、シャフト径が０．５ｍｍ以下のものが多くなり、一方で携帯電話用では、落下による破損防止の為、１０００Ｇの衝撃に耐える溶接強度を確保しつつ、マイクロ化にともなう面ぶれ精度向上が必要となっている。また、パソコンのハードディスクのスピンドルモータでは、記憶容量が飛躍的に増加するにともない、面ぶれ精度もサブミクロンオーダーが要求されている。
【０００３】
図６は、従来のモータシャフトの接合方法を示しており、シャフト２を予め垂直に固定しておき、金属円盤回転体４の全面に上方からの力を加えて圧入する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧入による方法や、従来のレーザ装置をそのまま使うだけでは、スペックを満足させるのが困難となってきている。また、パソコンのハードディスクのスピンドルモータでは、極端な歩留まり低下を招きつつあった。
【０００５】
本発明は上記のような問題点を解決し、高接合強度かつ芯ぶれを極力小さくするばかりでなく、従来困難であったサブミクロンオーダの面ぶれ精度を確保し、さらには、面ぶれ不良品の面ぶれを減らすというモータシャフトの溶接方法及び装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、電解ニッケルメッキした円盤のセンタ穴に、ステンレス製のモータシャフトを圧入し、その接合部に前記円盤を回転させながらレーザ照射することによりレーザ溶接をするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるモータシャフト溶接装置の上面図と側面図を示しており、レーザビームの出射鏡筒１を、ステンレス製のモータシャフト２の回転中心３に対して、２台対象の位置で約４５度傾斜した配置となっている。そして、モータシャフト２と、モータシャフト２と接合される電解Ｎｉメッキされた金属円盤回転体４の境界にて集光し、モータシャフト２の径の半分以下の同一ビーム強度分布のレーザスポット５で、回転させながら金属円盤回転体４を溶接している。これによって、シャフト傾きや芯ぶれが小さく、クラックレスなレーザ溶接を行っている。ステンレスのシャフトは剛性が高いのでレーザ照射による熱歪の残留応力が、剛性の低い回転円盤のレーザ照射部に集中し、クラックが入り安い。しかし電解ニッケルメッキを施したＳＰＣＣ材等の粘りのある鉄系回転円盤との接合は、メッキによる構造欠陥が発生しにくいためクラックが入りにくい。さらにバランスのとれた多点のスポット溶接となるので面ぶれが小さく強度の強い溶接が実現できる。
【０００９】
ここで、レーザビーム６は、レーザ発振器１７内のランプ７とＹＡＧロッド８、２つの平行なリアミラー９と出力ミラー１０から出射されるレーザ光１６を、５０％反射ミラー１１と１００％反射ミラー１２で分岐し、バリアブルアッテネータ１５でパワーバランスを調整して集光レンズ１３で集光し、光ファイバ１４を介して出射鏡筒１に光伝送して得ている。
【００１０】
なお、電解でなく無電解Ｎｉメッキの方が寸法精度を確保しやすいが、製法上、溶接欠陥を生じさせるりん等の化学物質が混入するため、溶接部にクラックが発生しやすく、強度が電解Ｎｉめっき時の数分の１になるという問題点がある。
【００１１】
また、第１の実施形態において、モータシャフトを圧入した回転円盤の接合線より、シャフト中心側にレーザ光センタを照射すると、シャフト材を主に溶かして、回転円盤の溶かし込みを減らすことができ、回転円盤部の熱ひずみが小さくできるので、面ぶれが小さく強度の強い溶接が実現できる。さらに、この工法は、レーザをロングパルスにすることにより、シャフトをまず溶かして、溶けた溶融物を回転円盤にろうづけ材として、回転円盤表面を溶かし、ろうづけ的接合ができるので、シャフトと違う鉄系以外の材質との溶接も可能となる。
【００１２】
図２は、本発明の第２の実施形態によるモータシャフト溶接方法及び装置の上面図と側面図を示している。
【００１３】
まず、複数のＬＤバー１８とＦＡＳＴコリメートレンズ１９を積層してなるＬＤスタック２０から、長方形断面を有するラインコリメートＬＤビーム２１が出射される。そして、ダウンコリメータ２４を構成する凸レンズ２２と凹レンズ２３の距離を調整することにより、ラインコリメートＬＤビーム２１を、ＦＡＳＴ方向がＳＬＯＷ方向より小さい長方形になるように調整して、端面をリアーミラーコートされたＹＡＧロッド２５に対して端面励起を行い、出力ミラー２６からＬＤ励起レーザ光２９を出射させる。このＬＤ励起レーザ光２９を集光する集光レンズ２７付の出射鏡筒形状のＬＤ励起レーザ２８を２台用いて、モータシャフトの回転中心３に対して対象にそれぞれ同じ４５度の角度で傾斜して配置する。モータシャフト２とモータシャフトと接合される金属円盤回転体４の境界に、レーザ光を集光し、回転させながら溶接する。この時集光した長方形スポット３０は、シャフト径の半分以下の大きさで、円周方向より径方向が小さく、同一ビーム強度分布になるようＬＤの電流や光学系を調整している。これによって、接合部近傍のみにレーザ溶接するので、周辺への熱影響が小さく、シャフト傾きや芯ぶれが小さいモータシャフト溶接を実現している。
【００１４】
そして、照射ナゲットのアスペクト比を任意に調整できる出射鏡筒形状のＬＤ励起レーザにより、横長レーザスポットに調整すると、周辺への熱影響が小さく、シャフト傾きや芯ぶれが小さいモータシャフト溶接が実現できる。一方、縦長レーザスポットに調整すると、クラック発生しにくいニッケルメッキ円盤とのレーザ接合面積が増え強度が強く、マシンの回転軸ぶれによる裕度が増え、安定したモータシャフト溶接が実現できる。
【００１５】
図３は、ダウンコリメータ２４を構成する凸レンズ２２と凹レンズ２３の距離を調整することにより、ラインコリメートＬＤビーム２１の４５度照射時はＦＡＳＴ方向：ＳＬＯＷ方向＝１：１．４１、６０度照射時はＦＡＳＴ方向：ＳＬＯＷ方向＝１．７３：２に調整して、モータシャフト回転時の芯ぶれに対してのマージンが大きく、無用な熱影響部の小さい正方形のナゲット３０を得て歪を小さくしている図を示している。
【００１６】
このように、照射角度を変えても、ダウンコリメータ２４内のレンズ間を調整することにより、容易に正方形のナゲット３０が得られる。
【００１７】
また、ＬＤ励起レーザは電流制御による出力制御が簡単なため、予め金属円盤回転体の芯ぶれ振れ量を測定しておき、レーザ照射した場所はレーザパワーにほぼ比例して収縮することを利用して、２つのＬＤ励起レーザの電流値を回転角に応じてリアルタイムに変化させることにより、芯ぶれ量を減らした溶接を行うことも可能である。
【００１８】
図４は、本発明の第３の実施の形態によるモータシャフト溶接方法及び装置の上面図及び側面図で、出射鏡筒１からの出射される回転円錐状レーザビーム６の集光スポット３５より小さなシャフト径の場合のシャフト３１と回転円盤４の接合を示している。
【００１９】
本実施形態では、シャフト径は０．５ｍｍ以下で、シャフト３１と回転円盤４の垂直度と、相対する出射鏡筒１の光軸３３とシャフト３１のセンタ軸３が平行かつ軸間距離３４が０になるように、位置規制ステージ３２で位置規制ないしアライメントした後、ドーナッツ状ないし、円形状ビームのレーザ光を出射鏡筒１より出射してスポット溶接することにより、アライメント固着している。
【００２０】
なお、本実施形態では出射鏡筒を用いた例であるが、端面励起型のＬＤ励起レーザを用いると、ファイバレスでしかも励起した通りのビームが得られるため、ワーク形状に応じて臨機応変に照射ビームを変更でき、より好適であるのは自明である。
【００２１】
そして、出射鏡筒または、出射鏡筒形状のＬＤ励起レーザにより、出射鏡筒からの集光スポットより小さな、シャフトに対して、軸や傾きをアライメントした状態で瞬間的に回転バランス良く溶接できるので、回転機構も不要で、周辺への熱影響が小さく、シャフト傾きや芯ぶれが小さいモータシャフト溶接が実現できる。
【００２２】
図５は、本発明の第４の実施形態によるモータシャフト溶接方法及び装置の側面図を示しており、レーザ照射する前に、予め円盤４を回転させ、面ぶれ測定器で面ぶれを測定しておく。そして、最も面が倒れ落ちた位置が図の右端にくるように円盤を回転する。
【００２３】
次に、２つのレーザ鏡筒１の右側１−ａは、左側１−ｂより、ややレーザのパワーを強く設定しておいてシャフトとの界面５ａ、５ｂに同時照射する。
【００２４】
レーザ溶接の場合、レーザパワーの大きい方が大きく歪んで収縮するので、円盤の面ぶれが減り、また一旦、部分的に接合した後は、多少パワーバランスずれがあっても接合されているため動けないので、後のレーザ照射が面ぶれに対し、悪さをほとんど与えない。
【００２５】
なお、面ぶれ補正量とレーザパワーの関係は相関があるので、予め相関をとっておけば、かなり精度良く面ぶれ補正することができる。
【００２６】
以上のように、予め面ぶれを測定して置き、２つのレーザのアンバランスを利用して面ぶれを減らすことができるので、従来困難であったサブミクロンオーダの面ぶれ精度を確保し、さらには、面ぶれ不良品の面ぶれを減らすことにより、不良を良品によみがえらせることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高接合強度かつ芯ぶれを極力小さくするばかりでなく、従来困難であったサブミクロンオーダの面ぶれ精度を確保し、さらには、面ぶれ不良品の面ぶれを減らすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す上面図
（ｂ）本発明の第１の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す側面図
【図２】（ａ）本発明の第２の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す上面図
（ｂ）本発明の第２の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す側面図
【図３】接合部にて正方形のナゲットを形成したワークの上面図
【図４】（ａ）本発明の第３の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す上面図
（ｂ）本発明の第３の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す側面図
【図５】（ａ）本発明の第４の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す上面図
（ｂ）本発明の第４の実施形態によるモータシャフト溶接装置を示す側面図
【図６】従来のモータシャフト溶接装置の構成図
【符号の説明】
１　出射鏡筒
２　ステンレス製のモータシャフト
３　回転中心
４　金属円盤回転体
５　シャフト径の半分以下の同一ビーム強度分布のレーザスポット
６　レーザビーム

Claims

電解ニッケルメッキした円盤のセンタ穴に、ステンレス製のモータシャフトを圧入し、その接合部に前記円盤を回転させながらレーザ照射することによりレーザ溶接をすることを特徴とするモータシャフトの溶接方法。
レーザの照射は、モータシャフトを圧入した円盤の接合線よりモータシャフト中心側にレーザ光センタにして、モータシャフト材料を主に溶かしてレーザ溶接をすることを特徴とする請求項１に記載のモータシャフトの溶接方法。
長方形断面を有する２つのコリメータ光を、モータシャフトの回転中心に対して対称でかつ同じ角度で傾斜させて前記モータシャフトと金属円盤回転体の境界に集光させ、前記モータシャフト径の半分以下の同一ビーム強度分布のレーザスポットで前記金属円盤回転体との溶接部を回転させながら溶接することを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のモータシャフトの溶接方法。
コリメータ光をダウンコリメータの凸凹レンズ間の距離を調整して、ＬＤビームを鉛直方向に圧縮した長方形ビームにしてレーザ媒体端面に照射することにより、鉛直方向に圧縮した長方形ＬＤ励起レーザビームを得ることを特徴とする請求項３に記載のモータシャフトの溶接方法。
コリメータ光をダウンコリメータの凸凹レンズ間の距離を調整して、ＬＤビームを水平方向に圧縮した長方形ビームにしてレーザ媒体端面に照射することにより、水平方向に圧縮した長方形ＬＤ励起レーザビームを得ることを特徴とする請求項３に記載のモータシャフトの溶接方法。
予め金属円盤回転体の面振れ量を測定しておき、前記金属円盤回転体の面が最も下がっている位置を、先に時間差にてレーザ照射することを特徴とする請求項３に記載のモータシャフトの溶接方法。
予め測定した金属円盤回転体の面振れ量に応じて、２つのコリメータ光のパワーまたは照射位置をアンバランスにしたことを特徴とする請求項３に記載のモータシャフトの溶接方法。
コリメータ光は、出射鏡筒型ＬＤ励起レーザで生成し、このＬＤ励起レーザの電流値を回転角に応じてリアルタイムに変化させることを特徴とする請求項６に記載のモータシャフト溶接方法。
モータシャフトを金属円盤回転体に圧入し、その接合部をスポット径が前記モータシャフト径より大であるレーザ光で、前記モータシャフトと前記金属円盤回転体の垂直度をアライメントした後、このモータシャフト中心に対称なドーナッツ状、円形状または四角形状ビームのレーザ光を集光してスポット溶接することによりアライメント固着することを特徴としたモータシャフト溶接方法。
モータシャフトを位置規正し、円錐形集光レーザビームの回転対象型集光スポットセンタ軸と合せることを特徴とする請求項９に記載のモータシャフト溶接方法。
複数のＬＤバーとＦＡＳＴコリメートレンズを積層したＬＤスタックと、このＬＤスタックからの長方形断面を有するラインコリメート光のビームサイズを小さくするダウンコリメータとを有したＬＤ励起レーザを、前記モータシャフトに照射し、モータシャフトの回転中心に対して対象でかつ同じ角度で傾斜して２台配置したことを特徴とするモータシャフト溶接装置。
ダウンコリメータが凸凹レンズを有し、この凸凹レンズ間の距離を調整する調整機構を有することを特徴とする請求項１１に記載のモータシャフト溶接装置。