JP2005288947A - 接合方法、接合部材及び部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】被溶接部材の上に非透明材料や半透明材料を溶接・溶着することを可能とすること、及びその結果物を提供する。
【解決手段】
第１と第２の光吸収性部材を重ね合わせ、両者が接する面に、第１の光吸収性部材方向から前記レーザ光を照射し、前記接合面近傍を溶融させ、前記第１と第２の光吸収性部材と接合させる接合方法で、第１の光吸収性部材のレーザ光の透過率が、厚さに応じて変化することを利用し、接合部における第１の光吸収性部材の厚さを、レーザ光が透過して前記接合面に到達可能な厚さに形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光を用いた部材等の接合方法及び接合部材に関係する。
樹脂材料を接合させる技術として、被溶接合成樹脂材の上部に透明性の高い合成樹脂材をおき、その外側から赤外線を照射して被溶接合成樹脂材を加熱して溶接する技術が特許文献１に開示されている。
特開平８−２３００４３号公報
上述の従来の方法は、非透明材料又は半透明材料を用いると、赤外線が被溶接合成樹脂材まで到達せず、被溶接合成樹脂材と、非透明材料又は半透明材料とを溶接・溶着することができないという問題がある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、被溶接部材の上に非透明材料や半透明材料を溶接・溶着することを可能とすること、及びその結果物を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の接合方法は、本発明は第１と第２の光吸収性部材を重ね合わせ、前記第１と第２の光吸収性部材とが接する面に、前記第１の光吸収性部材方向からレーザ光を照射し、接合面近傍を溶融させ、前記第１と第２の光吸収性部材と接合させる接合方法であって、前記第１の光吸収性部材は、厚さに応じて前記レーザ光の透過率が変化する材料から構成され、前記接合部における前記第１の光吸収性部材の厚さを、前記レーザ光が透過して前記接合面に到達可能な厚さに形成する、ことを特徴とする。
望ましくは、前記接合部における前記第１の光吸収性部材の厚さを、前記レーザ光が少なくとも３０％以上透過する厚さに形成するとよい。
前記第１の光吸収性部材を、前記レーザ光を３０％未満の透過率で透過する第１の部分と、前記第１の部分よりも薄く前記レーザ光を３０％以上で透過する第２の部分とを備えるように形成し、前記第１の光吸収性部材の前記第２の部分を前記第２の光吸収性部材の接合面の表面側に重ねて配置し、前記第１の光吸収性部材の第２の部分を介して前記接合部に前記レーザ光を照射してもよい。
前記第１の光吸収性部材と前記第２の光吸収性部材のいずれか一方に凹状の部分を設け、前記第１の光吸収性部材と前記第２の光吸収性部材の他方に前記凹状の部分に組み合わされる凸状の部分を設け、両者を組み合わせ、組み合わせ部分にレーザを照射してもよい。
前記一方の部材の凹状の部分に、さらに凸状の部分を設け、前記他方の部材の凸状の部分に、さらに前記一方の部材の凸状の部分に対応する形状の凹状の部分を設け、両者を組み合わせてもよい。
前記接合方法において、接合させる部分の第１の光吸収性部材と、第２の光吸収性部材との間にレーザ光を吸収する材料から構成される第３の部材を配置してもよい。
上記目的を達成するため、本発明の接合部材は、光吸収性部材と、厚さに応じてレーザ光の透過率が変化する材料から構成され、第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分とを備え、前記第２の部分は前記光吸収性部材の表面側に重ねて配置された光非吸収性部材と、前記光吸収性部材と前記光非吸収性部材の第２の部分との重ね合わせ部分が溶着により接合されていることを特徴とする。
前記光非吸収性部材と前記光吸収性部材との一方を駆動する駆動手段と、前記光非吸収性部材と前記光吸収性部材との他方に固定された機能部品とを備え、前記駆動手段による前記一方の部材の駆動に伴って、前記機能部品が動作させてもよい。
本発明の接合方法によれば、光非吸収性部材をレーザ光が透過できる程度の厚さに形成し、これを光吸収性部材に重ねて、レーザ光を照射する。従って、光非吸収性部材と光吸収性部材との接合面にレーザ光が届き、接合面近傍を加熱溶融し、光非吸収性の部材と光吸収性の部材とを結合させることが可能となる。
また、本発明によれば、光非吸収性部材の接合面の厚さが、レーザ光が透過できる程度に形成され、光吸収性部材と接合された接合部材を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る接合方法を図を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本実施の形態に係るレーザ溶接方法を説明するための斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図であり、光非吸収性部材１と光吸収性部材２とをレーザ溶接する方法を示す。
光非吸収性部材１と光吸収性部材２とをレーザ溶接する場合の動作を図１を参照して説明する。まず、レーザ溶接の対象となる光非吸収性部材１と光吸収性部材２とを形成する。
光非吸収性部材１は、溶接に使用するレーザ光の吸収率が比較的小さい、換言すればレーザ光を比較的透過し易い性質を有する材料、例えば、ポリオキシメチレン等から構成され、本体１ａと溶接用の突出部（つば部）１ｂとを備える。光非吸収性部材１は、図２に示すように、波長λと厚さｔによってレーザ光の透過率Ｔが変化する。突出部１ｂの厚さｔａは、溶接に使用するレーザ光を３０％以上透過する程度の厚さに形成されている。
本体１ａのサイズは、用途や材質に応じて任意に形成されることができる。例えば、図１に示す、本体１ａの接合面までの厚さｔｃは、レーザ光を７０％以上吸収して、透過率が３０％未満となる厚さに形成されている。このため、厚さｔｃを通じて光吸収性部材２に対して溶接させることができない。
突出部１ｂのサイズ（ｔａ×Ｗ）は、本体１ａを保持可能な強度を確保できるように形成される。また、突出部１ｂの接合面の面積は、光吸収性部材２との溶接部分が本体１ａを支えることができる程度の溶融域を形成可能な広さが確保されている。
一方、光吸収性部材２は、レーザ光の吸収率が高く、ほとんどレーザ光を透過させない性質の材料、例えばポリカーボネイト等から構成され、その一面に光非吸収性部材１の突出部１ｂの形状に対応するくぼみ部２ａを備える。
また、例えば図２に示すように、波長λと厚さｔによってレーザ光の透過率Ｔが変化する材料を光吸収性部材２として用いる場合は、図１に示す厚みｔｂは、透過率Ｔができるだけ低くなる厚みに形成される。
このように形成された光非吸収性部材１と光吸収性部材２とを、その突出部１ｂとくぼみ部２ａとが契合するように組み合わせる、即ち、光非吸収性部材１の突出部１ｂが光非吸収性部材２の表面側に位置するように配置する。
続いて、光非吸収性部材１の突出部１ｂを通じて接合部分に、所定パワーのレーザ光を所定時間照射し、光吸収性部材２の表面領域（図１（ｂ）に示す溶融域）を加熱し、溶融する。光吸収性部材２の表面領域の加熱によって、光吸収性部材２と接する光非吸収性部材１の表面領域（図１に示す溶融域）も溶融し、その後、自然冷却すると両者は接合される。
なお、溶接の強度が不足する場合には、レーザ光を複数点に照射し、溶融部分の面積を大きくすることもできる。また、光吸収性部材２の融点と、光非吸収性部材１の融点とが近いと、光吸収性部材２が溶融した際、光非吸収性部材１が溶融しやすくなり、光吸収性部材２との接合がより強固になり好ましい。
また、光吸収性部材２と、光非吸収性部材１とが接する部分に、レーザ光の吸収性が高い部材（例えば、炭素粉）を塗布又は配置することによって、光吸収性部材２と光非吸収性部材１とが、容易に溶融するようにしてもよい。
図２は、所定の光非吸収性部材１の厚さｔと光の波長λと透過率Ｔの関係を示す。図示するように、光の透過率Ｔは、光吸収性部材の厚さｔと光の波長λとに依存して変化し、例えば、厚みが１．２mmの場合、例えばYaGレーザの波長である１０６４nmの光を約２５％透過させ、一方、厚みが０．８mmの場合、約３５％透過し、厚みが０．４mmとなると、約６５％の光を透過させる。
レーザ光を用いて接合させる場合、光非吸収性部材は３０％以上の透過率が必要とされ、望ましくは４０％以上の透過率を備えるとよい。なぜなら、透過率が低いと、レーザ光は光非吸収性部材を通過している間に光非吸収性部材に吸収され、接合面を溶融できなくなると共に、光非吸収性部材自体を溶融させたり劣化させたりするおそれがあるためである。
従って、例えば図２に示す特定を有する部材とYaGレーザを用いる場合には、光非吸収性部材１の突出部１ｂの厚みｔａは０．４mm以下の厚みに形成する必要がある。
一方、光吸収性部材２は、表面近傍でレーザ光のほとんどを吸収することが望ましい。
なお、突出部１ｂの強度が不足する場合には、図１（ｃ）に例示するように、本体１ａの下面にも突出部を配置し、複数の突出部と光吸収性部材とを溶接すればよい。更に強度を持たせたい場合は、下面だけでなく側面にも突出部を配置し、光吸収性部材を突出部で囲むように形成してもよい。
また、図１では、光非吸収性部材１が突出部１ｂを備え、光吸収性部材２が、くぼみ部２ａを備える構成としたが、その構成などは任意である。
例えば、図３（ａ）に示すように、光非吸収性部材１が突出部１ｂを備え、光吸収性部材２が平坦な表面を有する構成でもよい。
また、図３（ｂ）に示すように、光非吸収性部材１がくぼみ部１ｃを備え、光吸収性部材２がくぼみ部１ｃに挿入される突出部２ｂを備える構成としてもよい。この場合、組み合わせ状態で突出部２ｂの上に配置される部分の厚さｔａがレーザ光を３０％以上透過する厚さである必要がある。
さらに、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、光非吸収性部材１１の上面と下面に、それぞれ複数の突出部１１ｂを配置し、光吸収性部材１２には、突出部１１ｂに対応する形状のくぼみ部を配置し、光吸収性部材１２の各くぼみ部１２ａに、光非吸収性部材１１の突出部１１ｂを契合するようにしてもよい。
この場合も、図４（ｂ）に示すように、光非吸収性部材１１の各突出部１１ｂに対して垂直の方向からレーザが照射され、光吸収性部材１２のくぼみ部１２ａの底面は溶融され、突出部１１ｂと接合する。また、突出部１１ｂの厚みｔａは、レーザ光を３０％以上透過する厚さである。
図４の構成において、さらに強度を高めるため、図５に示すように、光非吸収性部材１１の光吸収性部材１２と接する面の中心部分に凸部１１ｃを形成し、光吸収性部材１２の光非吸収性部材１１と接する面に、凸部１１ｃに対応する形状の凹部１２ｂを形成する。
この凸部１１ｃと凹部１２ｂを組み合わせることにより、接合部に係る負荷を分散させ、強度を高めることも可能である。
この構成の接合部品は、光非吸収性部材１１の突出部１１ｂの厚みが薄い場合又は、接合部品に強度が必要な場合に適している。
（第２の実施の形態）
以上の説明においては、矩形状の部材同士を溶接する例を示したが、部材の形状は任意である。一例として、円柱状の部材同士を溶接する実施の形態を図６を参照して説明する。
図６において、光非吸収性部材１０１は、円柱状であり、下側の底面に突出部１０１ｂを備えている。また、突出部１０１ｂによって光非吸収性部材１０１に凹状の部分が形成される。
光非吸収性部材１０１の突出部１０１ｂの厚みｔａは、例えば、図２に示された光透過率に基づき０．４mm以下に形成されている。
光非吸収性部材１０１の径φは、部品の強度を保つのに必要な径であり、光非吸収性部材１０１の突出部１０１ｂの厚みｔａ、接合させた部品の利用方法などに従って、接合部品に要求される強度を満足させるように形成される。
光吸収性部材１０２も、光非吸収性部材１０１と同様に円柱状であり、上側の底面に光非吸収性部材１０１の凹状の部分とほぼ同じ直径及び高さを有する円柱状の第１凸状部１０２ａを備える。
光非吸収性部材１０１の凹状の部分と光吸収性部材１０２の第１凸状部１０２ａとを組み合わせた上で、レーザ光を、レーザ光又は接合部品を回転させながら円柱の側面に沿って、接合させる部分に照射し、部材を溶着させる。
図６の構成において、強度を高めたい場合に、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、光吸収性部材１０２の第１凸状部１０２ａの中心に、更に凹状部１０２ｂを形成し、光非吸収性部材１０１の凹状の部分の中心に、更に凸状部１０１ａを配置するような構成としてもよい。
この構成は、特に光非吸収性部材１０１として光吸収性の高い部材を用い、接合部分が薄くなる（ｔａが小さくなる）場合、又は図４における水平方向の強度を確保したい場合等に適している。
図６、図７の構成において、円柱状の部品の周方向への強度を増加させたい場合には、図８に示す構成を採用することも有効である。
図８に示すように、光非吸収性部材１０１は、円柱状であり、側面部分に互いに均等（不均等でもよい）に離間する４つの突出部１０１ｂを備える。また、下側の底面に円柱状の凸状部１０１ａを備える。
一方の光吸収性部材１０２も、円柱状であり、光非吸収性部材１０１の凸状部１０１ａとほぼ同じ直径及び幅を有する凹状部１０２ｂを備える。また、側面に、光非吸収性部材１０１の突出部１０１ｂとほぼ同じ形状の突起部１０２ｃを４つ備える。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の接合部分の水平断面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、光非吸収性部材１０１の突出部１０１ｂと、光吸収性部材１０２の突起部１０２ｃとは交互に配置されている。この配置によって、周方向から接合される部分にかかる力を分散させることができ、周方向に対する強度を高めることができる。
レーザ光は、図８（ａ）における水平方向から、突出部１０１ｂを透過し、接合される部分に対して照射され、突出部１０１ｂと、光吸収性部材１０２の第１凸状部１０２ａとが接する面が溶融され、両者は接合される。
このような構成を採ることによって、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と比較して、接合部品の周方向の力に対する強度を増加させることが可能となる。
図６乃至図８に示す構成を採用することにより、例えば、図９に示す可動部材１１０のように、モータ等のアクチュエータの回転軸に任意の可動部材、例えば、シャッタや絞りのブレードを容易に固定することが可能となる。
なお、本実施例においては、様々な変形及び応用が可能である。
例えば、YaGレーザ以外のレーザ光を用いることも可能である。この場合、材料の光の透過率に応じて厚みは変更される。
第１の実施の形態に係る接合方法を示す図である。 光非吸収性部材の光透過率と厚さとの関係を示す図である。 光吸収性部材及び光非吸収性部材の構成を示す図である。 図１に示す部材の応用例を示す図である。 図４に示す部材の応用例を示す図である。 第２の実施の形態に係る接合させる部材を示す図である。 図６に示す部材の応用例を示す図である。 図７に示す部材の応用例を示す図である。 図８に示す部材の応用例を示す図である。
符号の説明
１ 光非吸収性部材
１ｂ 突出部
１ｃ くぼみ部
２ 光吸収性部材
２ａ くぼみ部
２ｂ 突出部
１１ 光非吸収性部材
１１ｂ 突出部
１１ｃ 凸部
１２ 光吸収性部材
１２ａ くぼみ部
１２ｂ 凹部

Claims (8)

  1. 第１と第２の光吸収性部材を重ね合わせ、前記第１と第２の光吸収性部材とが接する面に、前記第１の光吸収性部材方向からレーザ光を照射し、接合面近傍を溶融させ、前記第１と第２の光吸収性部材と接合させる接合方法であって、
    前記第１の光吸収性部材は、厚さに応じて前記レーザ光の透過率が変化する材料から構成され、
    前記接合部における前記第１の光吸収性部材の厚さを、前記レーザ光が透過して前記接合面に到達可能な厚さに形成する、ことを特徴とする接合方法。
  2. 前記接合部における前記第１の光吸収性部材の厚さを、前記レーザ光が少なくとも３０％以上透過する厚さに形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  3. 前記第１の光吸収性部材を、前記レーザ光を３０％未満の透過率で透過する第１の部分と、前記第１の部分よりも薄く前記レーザ光を３０％以上で透過する第２の部分とを備えるように形成し、
    前記第１の光吸収性部材の前記第２の部分を前記第２の光吸収性部材の接合面の表面側に重ねて配置し、
    前記第１の光吸収性部材の第２の部分を介して前記接合部に前記レーザ光を照射する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
  4. 前記第１の光吸収性部材と前記第２の光吸収性部材のいずれか一方に凹状の部分を設け、前記第１の光吸収性部材と前記第２の光吸収性部材の他方に前記凹状の部分に組み合わされる凸状の部分を設け、両者を組み合わせ、組み合わせ部分にレーザを照射する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接合方法。
  5. 前記一方の部材の凹状の部分に、さらに凸状の部分を設け、前記他方の部材の凸状の部分に、さらに前記一方の部材の凸状の部分に対応する形状の凹状の部分を設け、両者を組み合わせることを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
  6. 前記接合方法において、接合させる部分の第１の光吸収性部材と、第２の光吸収性部材との間にレーザ光を吸収する材料から構成される第３の部材を配置する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の接合方法。
  7. 光吸収性部材と、
    厚さに応じてレーザ光の透過率が変化する材料から構成され、第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分とを備え、前記第２の部分は前記光吸収性部材の表面側に重ねて配置された光非吸収性部材と、
    前記光吸収性部材と前記光非吸収性部材の第２の部分との重ね合わせ部分が溶着により接合されている、ことを特徴とする接合部材。
  8. 前記光非吸収性部材と前記光吸収性部材との一方を駆動する駆動手段と、
    前記光非吸収性部材と前記光吸収性部材との他方に固定された機能部品と、
    を備え、前記駆動手段による前記一方の部材の駆動に伴って、前記機能部品が動作する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の接合部材を用いた部品。
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