JP2005254618A - 樹脂溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成が簡素であり制御も容易なレーザビームによる樹脂溶着装置を得る。
【解決手段】 平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置１０と、出力されるレーザビームＬを加工物Ｗに向けて照射するＸＹ２軸回転ミラーユニット２０、４０と、回転軸３１を備えた加工物支持治具３０とで樹脂溶着装置を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は樹脂溶着装置に関し、特に、レーザ透過性樹脂材の表面からレーザビームを照射して樹脂材の対向面を加熱し、溶融した樹脂材を他方の樹脂材に溶着するのに好適に用いられる樹脂溶着装置に関する。

レーザ透過性を備えた樹脂材とレーザ吸収性を備えた樹脂材とを積層配置した状態で、レーザ透過性樹脂材の表面にレーザビームを照射すると、レーザビームはレーザ透過性樹脂材を透過してレーザ吸収性樹脂材に到達する。それにより、レーザ吸収性樹脂材の表面が発熱・溶融し、その伝導熟によってレーザ透過性樹脂材の背面が溶融することとなり、溶融部を介して２つの樹脂材の対向面同士が融着する。また、２つのレーザ透過性樹脂材の間にレーザ吸収体を積層配置させた状態で、レーザ吸収体に向けてレーザビームを照射することによっても、やはり樹脂材同士を溶着することができる。

上記のようなレーザビームによる樹脂溶着を行うに際して、従来は通常のレーザビーム品質のレーザ発振器を備えたレーザ加工装置が用いられていた。特許文献１（ＷＯ０２／０８０９０号）にはそのようなレーザ加工装置の一例が記載されており、図５に示すように、通常のレーザビーム品質のレーザ発振器１と、一式の副ガルバノミラー２および一式の主ガルバノミラー３と、ｆθレンズ４とを備え、ガルバノスキャナー５、６を駆動することで、レーザビーム７は必要な方向に偏向（走査）され、ｆθレンズ４を経由してＸＹステージ８上の加工物９における所要位置に垂直に入射するようになっている。

ＷＯ０２／０８０９０号

しかしながら、図５に示すような従来のレーザ加工装置は、通常のレーザビーム品質のレーザ発振器を用いているため出射レーザビームの広がり角が大きく、例えばコリメータレンズを通して平行度を高めたとしても、主ガルバノミラーからのレーザビームをｆθレンズを用いて集光することが不可欠であった。このため、加工時にはＺ軸方向での焦点合わせが不可欠であり、図６に示すように、加工対象物（レーザ吸収性樹脂材９ａおよびレーザ透過性樹脂材９ｂ）の表面の段差や凹凸によってレーザビーム７の照射位置αが上下する場合には、ＸＹステージとｆθレンズとの距離を調整するなどによって焦点位置を調整する必要があった。さらに、レーザビームの偏向手段にガルバノミラーとガルバノスキャナーからなるガルバノ駆動方式を用いており、そのことからも装置が大がかりなものとなっていた。

また、樹脂溶着において、一筆書き３次元シーム溶着や多面体を溶着することが求められることが多く、この場合、高速性能よりも低速安定性（例えば、加工部分で２００ｍｍ／ｓｅｃ以下）、Ｒ部形状等での高い位置決め精度、１回転以上の広域回転角などが要求されるが、ガルバノ駆動方式では、これに的確に対処することは容易でなく、曲面あるいは傾斜面での品質のよい溶着は不可能であった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡素化した装置構成でありながら、加工物である樹脂材の表面形状などによってレーザビームを照射すべき位置が複雑に上下する場合であっても一々焦点を合わせることなく、そのために、樹脂材間での一筆書き３次元シーム溶着や多面体の溶着、曲面や傾斜面の溶着などを、簡単な操作でもって確実に行うことを可能とする、樹脂溶着装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明による樹脂溶着装置は、基本的に、平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置と、出力されるレーザビームを加工物に向けて照射する第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットと、加工物支持治具とを少なくとも備えることを特徴とする。

本発明において平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置とは、例えば、ファイバーレーザ、ディスクレーザのように平行度のきわめて高い高品質レーザビームを発生することのできるレーザビーム発生装置をいい、それ自体は公知の装置である。また、ファイバーレーザやディスクレーザについては「シングルモールドファイバーレーザによる金属フィルムの微細高速溶接」宮本勇、朴曙可、大家利彦：第５８回レーザ学会論文集（２００３．０３）、中部レーザ応用技術研究会名古屋レーサーニュース第１８号、等の文献に記載されている。

平行度の高い高品質レーザビームを用いることにより、従来装置でのｆθレンズを用いることなく（すなわち、集光や結像を行うことなく）、加工物支持治具に載置した加工物の任意の箇所を同じ品質で樹脂溶着することが可能となる。言い換えれば、図６に示したような、樹脂材の表面に凹凸や段差が存在し、接合箇所がＺ軸方向に上下するような場合であっても、そのたびに焦点合わせを行うことなくそのまま加工を続けることができる。

本発明の装置では、平行度の高い高品質レーザビームを用い、かつ、前記のように焦点合わせなどの作業を必要としないので、出射されるレーザビームを加工物に向けて照射するための手段として、従来知られたＸＹ２軸回転ミラーユニットをそのまま用いることができる。このことからも、装置の簡素化が図られる。

ＸＹ２軸回転ミラーユニットにおけるミラーの駆動手段は任意であるが、サーボモータによる駆動手段は好適である。サーボモータの持つ制御性の良さと、エンコーダの高い（例えば、１００万分割／周以上）分割精度とにより、低速での速度安定性、位置決め精度、制御性を向上させることができる。

本発明による樹脂溶着装置の他の形態では、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットが高品質レーザビーム発生装置からのレーザビームの出射方向に沿って移動可能とされる。この形態では、溶着面の一部に水平面に続く傾斜面を含むような場合であっても、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットのＸＹ軸制御を変更することなく、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットを移動することで、当該傾斜面に対する適切なレーザビーム入射角度を得ることかできる。また、場合によっては、加工物の側面側へもレーザビームを照射することができる。

本発明による樹脂溶着装置の他の形態では、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットからのレーザビームを受けることのできる第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットがさらに備えられ、第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットは加工物の第１の２軸回転ミラーユニットの照射面と交差する面へ向けてレーザビームの照射を行うことができるようにされる。

この態様では、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットにより加工物の１つの面に対する樹脂溶着を行い、その後で、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットを移動して、そこからのレーザビームを第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットで受けられるようにする。その状態で第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットを所要にＸＹ軸制御することにより、先に第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットにより樹脂溶着が行われた面と交差する面での樹脂溶着を行うことができる。すなわち、交差する２面の樹脂溶着を簡単な操作で行うことが可能となる。

本発明による樹脂溶着装置において、加工物支持治具は固定した治具であってもよい。しかし、簡単なＸＹ２軸回転ミラーユニットの制御でもって多くの加工物面に対する樹脂溶着が行えるように、加工物支持治具は、加工物に対する回転１軸を備えるか、回転２軸を備えることが好ましい。上記した第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットを備える形態の本発明による樹脂溶着装置において、加工物支持治具が加工物に対する回転１軸を備える場合には、加工物の上面と全周側面での樹脂溶着、すなわち、加工物の支持治具への載置面を除くすべての面に対する樹脂溶着を容易に行うことができる。また、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットのみを備える形態の樹脂溶着装置の場合には、加工物支持治具を加工物に対する回転２軸を備えるものとすることにより、やはり、加工物の支持治具への載置面を除くすべての面に対する樹脂溶着を容易に行うことができる。

上記のように本発明による樹脂溶着装置では、高品質レーザビーム発生装置からの平行レーザビームが、必要な場合にはコリメートレンズもしくは同等な効果が得られる光学系により、例えば直径０．８ｍｍ〜５．０ｍｍの平行レーザビームとされ、それが第１および第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットを経て、予めティーチされた加工物の溶着部位に照射される。溶着部位へのレーザビームの照射角度は一定であることが一定品質の樹脂溶着を得るには望ましいが、溶着部位が水平面から傾斜面に移るような場合に、溶着部位に対するレーザビームの入射角度が変化して、溶着品質の均質性が失われる場合がある。ＸＹ２軸回転ミラーユニットを適宜ＸＹ軸制御することにより、この不都合を解消することもできるが、制御機構が複雑となりレスポンスも遅くなる。

これに対処するために、本発明による樹脂溶着装置の他の態様では、加工物へのレーザビーム照射角を求める手段と、求められたレーザビーム照射角に応じてエネルギ密度が所定値になるように高品質レーザビーム発生装置の出力を制御する手段とがさらに備えられる。この態様の場合には、ＸＹ２軸回転ミラーユニットのＸＹ軸制御装置を複雑化することなく、高品質レーザビーム発生装置の出力のみを数値制御することでもって、異なった溶着部位での溶着品質を一定化できる利点がある。

本発明の樹脂溶着装置にあっては、平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置を用いたことにより、出力されるレーザビームを加工物に向けて照射するための偏向手段（光走査手段）に、構成が簡素であり制御も容易なＸＹ２軸回転ミラーユニットを用いることが可能となる。そのために、装置構成が簡単でありながら、曲面形状の溶接も可能となり、かつ、安定した溶接品質を達成することができる。

以下、図面を参照して本発明による樹脂溶着装置を説明する。図１は本発明による樹脂溶着装置の一形態をその使用態様と共に示す模式図であり、図２は他の形態の樹脂溶着装置をその使用態様と共に示す模式図である。図３はレーザビームの照射角度と照射面積の関係を説明している。図４はファイバーレーザの場合でのレーザビーム径と距離の関係の一例をグラフで示している。

図１の装置で、１０は平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置の例としてのファイバーレーザ発振器であり、本体内部に複数のファイバー付き半導体レーザ素子とダブルクラッドファイバーとを備えており、励起光源である半導体レーザ素子から出力されたレーザビーム（波長：９２０ｎｍ）をレーザ媒質であるダブルクラッドファイバーに集め、ダブルクラッドファイバー内で共振されたレーザビームＬを外部に出射する機能を備えている。

このファイバーレーザ発振器１０の特性として、従来の半導体レーザ発振器に比べ、きわめて集光性および直進性の高いレーザビームが得られることが挙げられる。具体的には、従来の半導体レーザ発振器の場合には出射レーザビームの広がり角が１００ｍｒａｄ程度であるのに対し、ファイバーレーザ発振器１０の場合には広がり角がわずか０．２ｍｒａｄと各段に小さくなる。図示のファイバーレーザ発振器１０ではコリメートレンズ１１を備えており、より高い平行度を維持した状態で出射するようにしている。図４はファイバーレーザ発振器１０から出射するレーザビームの広がり程度を示しており、例えばレーザビームスポット径が直径２．７ｍｍ程度のものである場合、レーザコリメート端からの光路長が１ｍ以内であれば、レーザビームの広がりはほぼ生じないことを示している。

ファイバーレーザ発振器１０から出射されたレーザビームＬは、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０に向けて直進する。この例において、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０は、Ｘ軸回転ミラー２１とＹ軸回転ミラー２３とを備え、それぞれミラーの駆動手段としてサーボモータ２２、２４を持つ。サーボモータ２２は図示しない制御装置により操作され、Ｘ軸回転ミラー２１に入射するレーザビームＬをＸ軸回りに走査しながらＹ軸回転ミラー２３に向けて送り出す。また、サーボモータ２４も図示しない制御装置により操作され、Ｙ軸回転ミラー２３に入射するレーザビームＬをＹ軸回りに走査しながら加工物Ｗに向けて照射する。

この例において、加工物Ｗは、上ワークＷ１と、中ワークＷ２と、下ワークＷ３とからなる円筒体形状であり、上ワークＷ１と下ワークＷ３とはレーザ透過性を備えた樹脂材で形成され、中ワークＷ２はレーザ吸収性を備えた樹脂材で形成されている。そして、レーザビームＬの照射により３者の接合面の全部または一部が溶融して、接合面での樹脂溶着が行われる。

この例において、加工物Ｗは、加工物に対する回転２軸を備える加工物支持治具３０に載置されており、図１の実線で示す状態では、垂直姿勢にある回転軸３１の上に加工物Ｗが載っている。そして、レーザビームＬは加工物Ｗの上面ａ側に照射している。第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０のＸＹ軸制御および必要な場合には回転軸３１の回転とにより、加工物Ｗの上面ａにおける任意の位置にレーザビームＬを照射することができ、それにより、上ワークＷ１と中ワークＷ２との接合面の樹脂溶着が行われる。その際に、図示のようにレーザビームＬが入射角度の異なる状態で照射しても、あるいは溶着すべき接合面に高さの違いがあっても、ファイバーレーザ発振器１０からのレーザビームＬは高い平行性を備えることから、焦点合わせなどを必要とせずに、所要の樹脂溶着を行うことができる。

加工物支持治具３０を調整して回転軸３１を図に仮想線で示す水平姿勢とするか、水平姿勢にある回転軸３１ａに加工物Ｗを載置し直す。その状態で回転軸３１（３１ａ）を回転しながら、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０のＸＹ軸制御を行う。それにより、加工物Ｗの側面ｂの任意の位置にレーザビームＬを照射することができ、中ワークＷ２と下ワークＷ３との周面ｂに沿った接合面の樹脂溶着を行うことができる。すなわち、この装置では、加工物Ｗの支持治具３０に対する載置面を除くすべての面に対して、レーザビームＬの照射を行うことができ、レーザ透過性を備えた樹脂材とレーザ吸収性を備えた樹脂材とのすべての接合面に所要の樹脂溶着を行うことが可能となる。

図２に示す装置は、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０が、ファイバーレーザ発振器１０からのレーザビームＬの出射方向に沿って移動可能（矢印Ａ参照）とされている点、および、第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット４０をさらに備える点で、図１に示した装置と相違している。また、加工物支持治具３０は、図１に示す回転２軸を備えるものでもよいが、構成を簡素化するために、ここでは加工物に対する回転１軸３１を備えたものを用いている。

この装置では、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０のＸＹ軸制御を行うことなく、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０を仮想線で示す第１の位置Ｐ１に移動することによって、図示されるように、レーザビームＬの照射方向を傾斜した接合面３２に直交した方向とすることができるようになり、簡単な操作でもって品質の高い樹脂溶着面が得られるようになる。

さらに第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０を移動して、図２で仮想線で示す第２の位置Ｐ２とする。その位置では、第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０からのレーザビームＬ１は第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット４０のＸ軸回転ミラー４１に入射するようにされている。第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット４０は実質的に第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０と同じものであり、Ｘ軸回転ミラー４１とＹ軸回転ミラー４３とを備え、それぞれミラーの駆動手段としてサーボモータ４２、４４を持つ。そして、Ｘ軸回転ミラー４１に入射する第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット２０からのレーザビームＬ１は、Ｘ軸回りに走査されながらＹ軸回転ミラー４３に向けて送り出され、Ｙ軸回転ミラー４３に入射するレーザビームＬ１はＹ軸回りに走査されながら加工物Ｗに向けて出射される。

すなわち、第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット４０は、加工物Ｗの第１の２軸回転ミラーユニット２０の照射面である上面ａと交差する面（側面ｂ）に向けてレーザビームＬ１の照射を行うことができ、加工物支持治具３０の垂直な回転軸３１に載った加工物Ｗが回転することにより、側面ｂの任意の位置にレーザビームＬ１の照射が行われ、中ワークＷ２と下ワークＷ３との接合面の樹脂溶着が進行する。上記のように、この樹脂溶着装置においては、第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット４０を備えることにより、加工物支持治具３０が回転１軸構成のものであっても、加工物Ｗの支持治具３０に対する載置面を除くすべての面に対して所要の樹脂溶着を行うことが可能となる。

本発明による樹脂溶着装置では、ＸＹ２軸回転ミラーユニット２０、４０のＸＹ軸制御態様により、あるいは、溶着部位が水平面から傾斜面に移るような場合に、溶着部位に対するレーザビームの入射角度が変化する場合がある。また、加工物Ｗを回転させながら連続したレーザ溶着を行う場合にも、溶着部位に対するレーザビームの入射角度が変化する。図３はその一例を示しており、図３ａでは、レーザビームＬは加工物Ｗに対して垂直に入射しているが、加工物Ｗが回転することにより、図３ｂに示すように、溶着部位に対してレーザビームＬは角度αで入射することになる。そのために、レーザ照射スポット形状Ｌａが図３ａでは円となり、図３ｂでは楕円となって、レーザ照射面での単位面積当たりのエネルギ密度が異なってくる。それにより、溶着品質の均質性が失われる。そのままで差し支えない場合もあるが、均質な溶着品質が求められる場合もある。

そのために、本発明による樹脂溶着装置の他の態様では、加工物ＷへのレーザビームＬの照射角αを求める手段と、求められたレーザビーム照射角αに応じてレーザ照射面での単位面積当たりのエネルギ密度が所定値になるように高品質レーザビーム発生装置１０の出力を制御する手段とがさらに備えられる。このような制御手段を備えることにより、ＸＹ２軸回転ミラーユニット２０、４０の制御装置を複雑化することなく、異なった溶着部位での溶着品質を一定化することが可能となる。

一例として、予め入力された加工物形状データおよびＹ軸回転ミラー２３、４３から加工物Ｗの表面までの距離（ＷＤ）、サーボモータ２４、４４の回転角度から、加工物Ｗの表面でのレーザビームＬの照射スポット形状Ｌａの面積を計算し、それに基づき、リアルタイムにファイバーレーザ発振器１０からのレーザ出力を制御する。また、レーザビームの照射面に傾きがあった場合には、照射面の２点での前記距離ＷＤの変化より角度算出を行い、照射面積の補正をあわせて行うようにする。

上記のＷＤ入力などによる照射角度算出、光路長算出、では精度面で問題がある場合には、そらに高精度の加工を行うため、装置外の３次元オフラインティーチング（ＣＡＤ）データと装置内の加工物位置（傾きを含む）データの整合を取ることも推奨される。さらに、加工物位置を計測するために複数のＣＣＤカメラを観察方向を変えて設置し、加工物の装置基準上から３次元形状データとして生成した加工位置データをデータベースに追加して、それをミラー角度データ等とあわせて用いることにより、等速加工、エネルギ密度一定加工、溶着軌跡の一層正確な制御を行うことができる。

本発明による樹脂溶着装置の一形態をその使用態様と共に示す模式図。 本発明による樹脂溶着装置の他の形態をその使用態様と共に示す模式図。 レーザビームの照射角度と照射面積の関係を説明する図。 ファイバーレーザの場合でのレーザビーム径と距離の関係の一例を示すグラフ。 従来のレーザ加工装置を説明する図。 従来のレーザ加工装置を用いて樹脂溶着を行う場合を模式的に示す図。

符号の説明

１０…平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置、１１…コリメートレンズ、２０…第１のＸＹ２軸回転ミラーユニット、２１…Ｘ軸回転ミラー、２２…サーボモータ、２３…Ｙ軸回転ミラー、２４…サーボモータ、３０…加工物支持治具、３１、３１ａ…回転軸、４０…第２のＸＹ２軸回転ミラーユニット、４１…Ｘ軸回転ミラー、４２…サーボモータ、４３…Ｙ軸回転ミラー、４４…サーボモータ、Ｗ…加工物、Ｗ１…上ワーク、Ｗ２…中ワーク、Ｗ３…下ワーク、ａ…加工物の上面、ｂ…加工物の側面、Ｌ、Ｌ１…レーザビーム、Ｌａ…レーザ照射スポット形状

Claims (6)

1. 平行レーザビームを出力する高品質レーザビーム発生装置と、出力されるレーザビームを加工物に向けて照射する第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットと、加工物支持治具とを少なくとも備えることを特徴とする樹脂溶着装置。
2. 第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットが高品質レーザビーム発生装置からのレーザビームの出射方向に沿って移動可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂溶着装置。
3. 第１のＸＹ２軸回転ミラーユニットからのレーザビームを受けることのできる第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットをさらに備えており、第２のＸＹ２軸回転ミラーユニットは加工物の第１の２軸回転ミラーユニットの照射面と交差する面へ向けてレーザビームの照射を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂溶着装置。
4. 加工物支持治具は加工物に対する回転１軸を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂溶着装置。
5. 加工物支持治具は加工物に対する回転２軸を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂溶着装置。
6. 加工物へのレーザビーム照射角を求める手段と、求められたレーザビーム照射角に応じてエネルギ密度が所定値になるように高品質レーザビーム発生装置の出力を制御する手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の樹脂溶着装置。

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