JP2007008041A - 溶着方法及び溶着装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 微小な領域においても効率的に溶着を行なうことができる溶着技術を提供する。
【解決手段】 第１の樹脂５０と第２の樹脂６０とを溶着させる場合、第１の樹脂５０の表面上に、支持体３５により金属チップ３０を押圧する。そして、溶着装置のレーザ光源１０からレーザ光を発し、この金属チップ３０にパルス的に照射する。レーザ光が照射された領域はプラズマ化し、衝撃波が、樹脂（５０、６０）の接合面に達する。この衝撃波が繰り返されることにより、樹脂（５０、６０）の接合面に摩擦熱が発生し、両樹脂が溶着される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波振動を利用して被溶着物を溶接する溶着方法及び溶着装置に関する。
複数の部材を接合する場合、締結具を使用せず溶接や溶着等の接着が行なわれることが多い。最近では、樹脂部材間の溶着も注目されている。この樹脂部材間の溶着には、例えば、摩擦溶着とレーザ溶着とがある。
摩擦溶着の一つには、２つの樹脂部材を重ね合わせて、一方の樹脂部材側から押し当てたホーンからの超音波により両部材の接合面を溶融させて溶着する超音波溶着方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この超音波溶着方法では、ホーンから発生した超音波が、２つの樹脂部材の接合面に伝達し、その摩擦熱により接合面を溶融させて溶着させる。
一方、レーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性がある透過樹脂材と、このレーザ光に対して透過性のない非透過樹脂材とを重ね合わせた後、透過樹脂材側からレーザ光を照射することにより、透過樹脂材と非透過樹脂材との接合面を加熱溶融させて溶着させる（例えば、特許文献２参照。）。このレーザ溶着方法では、透過樹脂材内を透過したレーザ光が非透過樹脂材の接合面に到達して吸収され、この接合面に吸収されたレーザ光がエネルギとして蓄積される。その結果、非透過樹脂材の接合面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材の接合面からの熱伝達により透過樹脂材の接合面が加熱溶融される。この状態で、透過樹脂材の接合面及び非透過樹脂材の接合面同士を圧着させれば、両者を一体的に接合することができる。
また、この透過樹脂材内を透過する際のレーザ光のエネルギーロスを抑えて、十分な溶着強度を達成する技術も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。この特許文献３に記載の技術によれば、透過樹脂材内の透過率が２６％以上となるような波長を有するレーザ光を加熱源として用いる。これにより、透過樹脂材内を透過するレーザ光のエネルギーロスが低減されるので、接合面で十分な加熱溶融が生じ、十分な溶着強度を達成することができる。
更に安定した接着を実現するためのレーザ接着方法も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この特許文献４に記載の技術によれば、レーザ光の照射される接合部近傍の直上から、押圧治具によって、レーザを透過する接合体を被接合体へ押圧する。そして、押圧により接合体と被接合体とを密着させた状態で、その押圧治具の斜め側方から両者の接合部へレーザを照射する。押圧治具の斜め側方からレーザを照射するため、接合部における密着性を確保しつつ、押圧治具の影響を受けずにレーザを接合部へ照射することができる。
特開２００２−２５４５２１号公報（第１頁、図１） 特開２００４−２１６８３９号公報（図１〜図２） 特開２００１−１０５４９９号公報（第１頁） 特開２００３−２２５９４６号公報（第１頁）
しかし、超音波溶着の場合、超音波を発生させるための発生機構（例えばホーン）が大きくなり、小さな領域での溶着が困難であった。
一方、レーザ溶着に用いられる樹脂材のレーザ光の透過率は、透過樹脂材側の透過率と吸収樹脂材（非透過樹脂材）側の透過率との差が大きいものを用いる必要がある。透過率の差が小さい場合、透過樹脂材側でのレーザ光の吸収により、接合面に十分なエネルギを供給できない場合や、吸収樹脂材側を十分に加熱できない場合には、適切に溶着できない。また、特許文献３に記載された技術のように、透明部材と吸収部材とを組み合わせる必要があり、溶着できる材質が限定される。
また、特許文献４に記載の技術では、押付冶具との関係で、周辺領域しか溶着ができない。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、微小な領域においても効率的に溶着を行なうことができる溶着技術を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、支持部材をプラズマ化できるエネルギビームを発するエネルギ供給源を備えた溶着装置を用いて、少なくとも２以上の樹脂を溶着する方法であって、前記樹脂に支持部材を押圧し、前記支持部材に対して前記エネルギビームのエネルギ密度をパルス的に振動させて照射し、前記支持部材の一部にプラズマを発生させて高周波振動を生成することにより樹脂を接合することを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶着方法において、前記エネルギ供給源はレーザ光源であり、前記エネルギビームはレーザ光であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶着方法において、前記溶着装置は、前記支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段を備え、前記支持部材上のプラズマ発生領域を変更して溶着することを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の溶着方法において、前記移動手段が、テープ状の支持部材を移動させることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一つに記載の溶着方法において、前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、前記フォーカス機構が、前記エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら樹脂を溶着することを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一つに記載の溶着方法において、前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、前記フォーカス機構が、前記エネルギビームの照射領域の面積を振動させながら樹脂を溶着することを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一つに記載の溶着方法において、前記エネルギビームのエネルギ密度を可変とすることを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、樹脂に押圧する支持部材をプラズマ化できるエネルギビームを発するエネルギ供給源を備え、少なくとも２以上の樹脂を溶着するための溶着装置あって、前記支持部材に対して前記エネルギビームのエネルギ密度をパルス的に振動させて照射し、前記支持部材の一部にプラズマを発生させて高周波振動を生成することにより樹脂を接合することを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の溶着装置において、前記エネルギ供給源はレーザ光源であり、前記エネルギビームはレーザ光であることを要旨とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の溶着装置において、前記溶着装置は、前記支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段を備え、前記支持部材上のプラズマ発生領域を変更して溶着することを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の溶着装置において、前記移動手段が、テープ状の支持部材を移動させることを要旨とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項８から１１のいずれか一つに記載の溶着装置において、前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、前記フォーカス機構が、前記エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら樹脂を溶着することを要旨とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項８から１２のいずれか一つに記載の溶着装置において、前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、前記フォーカス機構が、前記エネルギビームの照射領域の面積を振動させながら樹脂を溶着することを要旨とする。
請求項１４に記載の発明は、請求項８から１３のいずれか一つに記載の溶着装置において、前記エネルギビームのエネルギ密度を可変とする溶着強度変更手段を備えたことを要旨とする。
（作用）
請求項１又は８に記載の発明によれば、支持部材に照射されたエネルギビームにより、支持部材の一部がプラズマ化する。プラズマ化が生じた場合、支持部材に圧力が発生する。このエネルギビームのエネルギ密度はパルス的に振動させるので、この押圧は周期的に繰り返される。これにより、樹脂間に摩擦熱が生じ、高周波溶着と同様な効果を得ることができる。エネルギビームのビーム径を絞り込むことにより、微小領域での溶着を行なうことができる。
請求項２又は９に記載の発明によれば、レーザ光源からのレーザ光を用いて高周波振動を生じさせることができる。レーザ光の場合、光学系により光路設定の自由度が高く、溶着する部分の設計の自由度が高い。
請求項３又は１０に記載の発明によれば、支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段により、プラズマ発生領域を変更する。これにより、プラズマ化により支持部材が切削された場合にも、安定して焦点を合わせることができる。
請求項４又は１１に記載の発明によれば、テープ状の支持部材を移動させることにより、プラズマ化により支持部材が切削された場合にも、連続して溶着を行なうことができる。
請求項５又は１２に記載の発明によれば、エネルギビームのフォーカス機構が、エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら、樹脂を溶着する。例えば、エネルギビームのスポット径を一定にすることにより、エネルギ密度を常に一定に保つ。これにより、溶着の途中でプラズマ発生領域の形状が変化した場合にも、追従して焦点を合わせることが可能である。従って、確実に高周波振動を生じさせることができる。
請求項６又は１３に記載の発明によれば、エネルギビームの照射領域の面積を振動させることにより、エネルギ密度をパルス的に振動させることができる。これにより、一定のエネルギ密度のエネルギビームを発するエネルギ供給源を用いる場合にも、支持部材に高周波振動を生じさせることができる。
請求項７又は１４に記載の発明によれば、エネルギビームのエネルギ密度を可変とすることにより、溶着強度や溶着面積等を制御することができる。
本発明によれば、微小な領域においても効率的に溶着を行なうことができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態の溶着装置を図１に基づいて説明する。本実施形態では、第１の樹脂５０と第２の樹脂６０とを溶着する場合を用いて説明する。例えば、微小な樹脂部材に樹脂製のコネクタを取り付ける場合に用いる。
樹脂としては、熱可塑性である限り、樹脂の種類が限定されるものではないが、ポリビニルアルコール，ポリビニルブチラール，ポリビニルアセタール，ポリ酢酸ビニル，ポリ塩化ビニル，ポリビニルピロリドン，ポリスチレン等のビニル系樹脂に用いることができる。また、ポリメチル（メタ）クリレート，ポリブチル（メタ）クリレート，ポリアクリルアミド，ポリアクリロニトリル等のアクリレート樹脂にも適用可能である。更には、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、尿素樹脂、ポリカプロラクタン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスルホン樹脂、シリコーンポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等に対しても適用可能である。
この溶着装置は、エネルギ供給源としてレーザ光源１０、フォーカス機構としてのレンズ１５、制御部２０を含む。
本実施形態では、エネルギビームとしてレーザ光を用いる。具体的には、レーザ光源１０としてＮｄ−ＹＡＧレーザを用いる。波長は１０６４ｎｍである。
このレーザ光源１０は制御部２０によって制御される。この制御部２０は、レーザ光源１０の発振を制御して、周期的なパルス光を発生させる。本実施形態では、パスル１周期におけるデューティ比を１：１０として、周波数１００ｋＨｚの振動を生成する。ここでは、高周波パルスレーザを発振する際の発振方法として、連続バーストを用いるが、断続バーストを用いることも可能である。
このレーザ光源１０から照射されたレーザ光は、フォーカス機構としてのレンズ１５を含む光学系により、支持部材としての金属チップ３０に照射される。この光学系のレンズ位置により、焦点位置や照射領域を変更することが可能であり、レーザ光の焦点が金属チップ３０の表面上に形成される。本実施形態では、金属チップ３０はＳＵＳ４３０により構成された金属ブロックを用いる。
この金属チップ３０は、支持体３５により溶着対象物である第１の樹脂５０に押圧される。ここでは、樹脂（５０，６０）の昇温に必要な摩擦発熱が発生する圧力（例えば、０．５ＭＰａ以上）で押圧する。更に、この支持体３５は、金属チップ３０を冷却する機能を備える。これにより、金属チップ３０全体の溶融を抑制する。
金属チップ３０を所定の圧力で押圧した状態で、レーザ光による連続パルス光を照射すると、金属チップ３０の表面がプラズマ化する。このプラズマ化により、金属チップ３０がレーザ光の光軸方向に第１の樹脂５０を押し、第１の樹脂５０内に衝撃波が伝播する。この衝撃波が樹脂（５０、６０）の界面に伝播した場合、第１の樹脂５０が横方向に押し潰されて延びる。一方、レーザ光の照射が停止し、押圧状態がなくなると元の状態に復帰する。このため、レーザ光をパルス的に照射することにより、この伸縮によって樹脂（５０、６０）の接合面で横方向の摩擦が生じ、この摩擦熱により、樹脂（５０、６０）が溶着される。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
○ 本実施形態では、第１の樹脂５０に金属チップ３０を押圧し、この金属チップ３０にレーザ光源１０からのレーザ光をパルス的に照射する。レーザ光により、第１の樹脂５０の表面がプラズマ化して、衝撃波が第１の樹脂５０内に伝播する。この繰り返しにより、超音波溶着と同様な効果を得ることができる。レーザ光の場合、ビーム径を絞り込むことにより、微小領域にも照射することが可能であり、効率的に溶着を行なうことができる。
○ 本実施形態では、レーザ光源１０としてＮｄ−ＹＡＧレーザを用いる。図２に示すように、光学系として反射鏡１６等を用いてレーザ光の光路を任意に設定することができるため、溶着する部品の設計の自由度が高くなる。例えば、１次元のみならず、ガルバノミラーを用いることにより２次元方向に走査することもできる。特に、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの場合には、光ファイバを用いることも可能である。また、レーザ溶接と異なり、支持部材である金属チップ３０がレーザ光の光路の障害になることがなく、確実な押圧と加熱を行なうことができる。
また、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 本実施形態では、レーザ照射の周波数帯域として、１００Ｈｚを用いたが、これに限られるものではない。また、パスル１周期におけるデューティ比として、１：１０を用いたが、これに限られるものではない。
・ 本実施形態では、金属ブロックとして、ＳＵＳ−４３０を用いたが、プラズマを発生し、これによる振動を伝播できる材質、大きさ、質量等の条件が合致するものであれば、これに限られるものではない。
・ 本実施形態では、溶着条件の設定は一定としたが、エネルギ密度を可変として溶着条件を変更できる溶着強度変更手段を設けてもよい。例えば、制御部２０を溶着強度変更手段として機能させる。この溶着条件には、スポット径、レーザパワー、レーザ波高値、デューティ比の可変も含まれる。これにより、被溶着物の材質に応じて、また、溶着強度や溶着面積に応じて適切な溶着を行なうことができる。
・ 本実施形態では、レーザ光源として、Ｎｄ−ＹＡＧレーザを用い、波長として１０６４ｎｍのレーザ光源を用いたが、これに限られるものではない。レーザ光の種類は、支持体を効率的にプラズマ化できるものであれば、他のレーザ光源を用いてもよい。レーザは接合体や被接合体の材質、接合幅、生産性等を考慮して、波長や出力等の適当なものを選択すればよい。固体レーザ（例えば、ルビーレーザ）や、各種ガスレーザ（例えば、炭酸ガスレーザ、アルゴンイオンレーザ、エキシマレーザ）、半導体レーザ等を用いることができる。
・ 本実施形態では、溶着過程での焦点位置を固定としたが、エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら樹脂を溶着することも可能である。具体的には、例えば、溶着過程で焦点を変動させる、スポット径を一定に維持することも可能である。金属チップ３０の表面がプラズマ化して削られることがあるが、金属チップ３０の表面形状に応じて、焦点を変更することにより、効率的にプラズマを生成し、溶着を行なうことができる。具体的には、制御部２０にレーザ光に照射回数とレンズ位置を特定するためのテーブルを保持させる。そして、制御部２０はレーザ光の照射回数を計数し、この照射回数に応じて、図３に示すようにフォーカス機構によりレンズ位置を変更する。すなわち、金属チップ３０の表面に焦点を合わせる。これにより、溶着に適した位置にレーザ光の焦点を移動させることができる。また、フォーカス距離を算出する手段を設け、焦点変動に追従させて、レーザ光を照射することも可能である。
・ 本実施形態では、時間的に一定のパルスエネルギを照射したが、このエネルギ密度は時間的に変化をさせてもよい。例えば、最初は弱い状態から強い状態に変更する。
・ 本実施形態では、微小な樹脂部材に樹脂製のコネクタを取り付けるために用いたが、適用分野はこれに限られるものではなく、小物体の溶着という場合に適用することができる。
・ 本実施形態では、支持部材はブロック状のものを用いたが、この形状に限られるものではない。例えば、テープ状やシート状のものであってもよい。具体的には、支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段を備える。そして、支持部材上のプラズマ発生領域を変更する。プラズマ化により削れるため、連続的にテープやシートを移動させることにより、プラズマ発生領域の表面形状を維持しながら溶着することができる。
・ 本実施形態では、レーザ光をパルス的に照射することにより、エネルギ密度をパルス的に振動させて照射したが、支持部材を振動させることができるものであれば、この方法に限られるものではない。例えば、図４に示すようにレンズ位置を振動させることにより、照射領域の面積が変動する。これにより、照射するエネルギービーム（ここではレーザ光）のエネルギ密度を振動させて、プラズマ化を繰り返す。この場合、例えば、制御部２０は、所定の周期でフォーカス機構によりレンズ位置を変更する。焦点によりエネルギ密度は臨界点を超えた場合のみプラズマが発生し、デフォーカスされている場合にはプラズマが発生しない。これにより、レーザ光を一定の連続光とした場合にも高周波振動を生じさせることができる。
・ 本実施形態では、エネルギ供給源としてレーザ光源を用いたが、金属をプラズマ化して超音波振動を生成できるものであれば、これに限られるものではない。例えば、エネルギビームとして電子ビームを用いることも可能である。
実施形態における溶着方法の概略説明図。 他の実施形態における溶着方法の概略説明図。 他の実施形態における溶着方法の概略説明図。 他の実施形態における溶着方法の概略説明図。
符号の説明
１０…レーザ光源、１５…レンズ、２０…制御部、３０…金属チップ、３５…支持体、５０、６０…樹脂。

Claims (14)

  1. 支持部材をプラズマ化できるエネルギビームを発するエネルギ供給源を備えた溶着装置を用いて、少なくとも２以上の樹脂を溶着する方法であって、
    前記樹脂に支持部材を押圧し、
    前記支持部材に対して前記エネルギビームのエネルギ密度をパルス的に振動させて照射し、前記支持部材の一部にプラズマを発生させて高周波振動を生成することにより樹脂を接合することを特徴とする溶着方法。
  2. 前記エネルギ供給源はレーザ光源であり、前記エネルギビームはレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載の溶着方法。
  3. 前記溶着装置は、前記支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段を備え、前記支持部材上のプラズマ発生領域を変更して溶着することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶着方法。
  4. 前記移動手段が、テープ状の支持部材を移動させることを特徴とする請求項３に記載の溶着方法。
  5. 前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、
    前記フォーカス機構が、前記エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら樹脂を溶着することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の溶着方法。
  6. 前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、
    前記フォーカス機構が、前記エネルギビームの照射領域の面積を振動させながら樹脂を溶着することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の溶着方法。
  7. 前記エネルギビームのエネルギ密度を可変とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の溶着方法。
  8. 樹脂に押圧する支持部材をプラズマ化できるエネルギビームを発するエネルギ供給源を備え、少なくとも２以上の樹脂を溶着するための溶着装置あって、
    前記支持部材に対して前記エネルギビームのエネルギ密度をパルス的に振動させて照射し、前記支持部材の一部にプラズマを発生させて高周波振動を生成することにより樹脂を接合することを特徴とする溶着装置。
  9. 前記エネルギ供給源はレーザ光源であり、前記エネルギビームはレーザ光であることを特徴とする請求項８に記載の溶着装置。
  10. 前記溶着装置は、前記支持部材上におけるプラズマ発生領域の相対位置の移動手段を備え、前記支持部材上のプラズマ発生領域を変更して溶着することを特徴とする請求項８又は９に記載の溶着装置。
  11. 前記移動手段が、テープ状の支持部材を移動させることを特徴とする請求項１０に記載の溶着装置。
  12. 前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、
    前記フォーカス機構が、前記エネルギビームのエネルギ密度を常に一定に維持させながら樹脂を溶着することを特徴とする請求項８から１１のいずれか一つに記載の溶着装置。
  13. 前記溶着装置は、エネルギビームのフォーカス機構を備え、
    前記フォーカス機構が、前記エネルギビームの照射領域の面積を振動させながら樹脂を溶着することを特徴とする請求項８から１２のいずれか一つに記載の溶着装置。
  14. 前記エネルギビームのエネルギ密度を可変とする溶着強度変更手段を備えたことを特徴とする請求項８から１３のいずれか一つに記載の溶着装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010147123A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Lintec Corp シート剥離装置及び剥離方法

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