JP2007111927A - 熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置 - Google Patents

熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置 Download PDF

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中村　秀生
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森　博志
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Mitsunobu Nakatani
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Abstract

【課題】 熱可塑性樹脂材から構成された２つの部材を溶着したときの溶着強度が高く、強度ばらつきの小さいレーザ溶着方法と、レーザ溶着装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材２と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材３とを接触させ、レーザ光で接触面４を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置１は、第１の部材３側からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生器１０と、第１の部材と第２の部材とを相互に押圧するクランプ機構２０と、第１の部材と第２の部材との押圧力を調整する調整手段として温度センサ３１と、温度センサの出力に基づいて押圧力を算出するパーソナルコンピュータ３２とを備え、算出された押圧力でクランプ機構を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置に係り、特に、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される部材とを溶融して接合するレーザ溶着方法とレーザ溶着装置に関する。
近年、自動車部品等、各種分野の部品の軽量化および低コスト化等の要求により、これらの部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが頻繁に行われている。また、樹脂成形品が複雑な形状の場合、生産性を向上させるべく、樹脂成形品を予め複数に分割して成形し、これらの分割された成形品を互いに溶融して接合し、複雑な形状の樹脂成形品を形成することが行なわれている。
従来のこの種の樹脂成形品を溶着するレーザ溶着装置は、レーザ発振器より発生したレーザ光を光学系により集光して被加工部材に照射することにより、被加工部材の溶着を行い、光学系の焦点レンズと被加工部材との間に配置された加工ノズルの先端に、被加工部材上を摺動可能な摺動部が設けられると共に、被加工部材を加工ノズル先端の摺動部に対し加圧する加圧装置を設けている（例えば、特許文献１参照）。
また、少なくとも２つのワークの接触箇所に、一方のワークを透過させてレーザ光を照射し、該接触箇所を溶融させて両ワークを溶着させるレーザ溶着装置であって、レーザ光を発射するレーザ光発射手段と、前記レーザ光発射手段のレーザ光発射出口の真下に設け、このレーザ光発射出口より発射されるレーザ光を前記接触箇所に集光させると共に、レーザ光を透過させる前記ワークの表面を転動する球体レンズと、前記球体レンズを前記ワークに対して押圧する押圧手段とを備えたレーザ溶着装置がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１１７６７４号公報 特開２００５−８１３９６号公報
ところで、前記特許文献１，２に記載のレーザ溶着装置は、加圧力や押圧力等のクランプ圧が一定のため、接合部の溶着界面への圧力が不足し、体積収縮の影響により強度不足や強度ばらつきが発生する。また、レーザ溶着システムのレーザ光が通過して接合面を溶着した後、溶着部の圧力が一気に低下するため、溶着界面への圧力が不足し体積収縮の影響により強度不足や、大きな強度ばらつきが発生する。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、溶着しようとする部材同士の接触圧（クランプ圧）を適正に制御することで、熱可塑性樹脂材から構成された２つの部材にレーザ光を照射して溶着したときの溶着強度が高く、強度ばらつきの小さい熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法と、レーザ溶着装置を提供することにある。
前記目的を達成すべく、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、前記第１の部材と第２の部材を相互に押圧し、前記第１の部材側から前記２つの部材の接触面に向けてレーザ光を照射し、前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させ、前記第１の部材と第２の部材との押圧力を調整して溶着することを特徴としている。
前記のごとく構成された本発明の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法は、熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と第２の部材を重ね、両部材の接触面における押圧力を調整しながら第１の部材側からレーザ光を照射し、接触面を加熱溶融して２つの部材を溶着するため、例えば加熱時に緩やかに押圧し、接合面の樹脂が溶融したとき徐々に押圧力を増し、そのあと両者を強く押圧することで、樹脂溶融部の体積収縮を小さくできるため、２つの部材の接合面が均一となって溶着状態が安定し、大きい溶着強度を得ることができると共に強度ばらつきを小さくすることができる。
押圧力の調整とは、溶着部の溶着強度を適正にするように調整することで、例えば、２つの部材を密着させる初期の押圧力に対して、溶融時に押圧力を増加させ、冷却時にさらに押圧力を増加させる調整や、２つの部材を密着させる押圧力に対して、溶融時に押圧力を増加させ、冷却時には元の押圧力に減少させる調整等を行う。押圧力の調整は、溶着しようとする２つの部材の形状や容積等に応じて、適宜設定される。
本発明に係るレーザ溶着方法の好ましい具体的な態様としては、前記押圧力の調整は、前記レーザ光の照射によって溶融する接触面の溶融部の温度を検出してなされることを特徴としている。このように構成されたレーザ溶着方法によれば、レーザ光の照射によって溶融する温度を検出することで溶融部の膨張状態を検出でき、膨張度に合わせて押圧力を増やすようにフィードバック制御することで、溶融部の膨張による２つの部材の離間や、冷却時の体積収縮による２つの部材間の空隙発生を防止して溶着部の密度を高めることができ、溶着強度の向上と、強度ばらつきの低減を達成できる。具体的にはレーザ光を照射するときの押圧力は小さく、溶融が始まると高温になるので徐々に強く押圧し、溶融部が冷却して温度が下がるときにさらに強く押圧することが好ましい。
また、本発明に係るレーザ溶着方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記押圧力の調整は、前記レーザ光の照射によって溶融する接触面の溶融部における圧力を検出してなされることを特徴としている。このように構成されたレーザ溶着方法によれば、レーザ光の照射によって接触面の近傍が溶融するときの圧力上昇や、溶融部が冷却するときの圧力下降を検出することで溶融部の膨張、収縮状態を検出でき、膨張度に合わせて押圧力を変化させるようにフィードバック制御することで、溶融部の膨張による２つの部材の離間や、冷却時の体積収縮による２つの部材間の空隙発生を防止して溶着部の密度を高めることができ、溶着強度の向上と、強度ばらつきの低減を達成できる。具体的にはレーザ光を照射するときの押圧力は小さく、溶融が始まると高温になるので徐々に強く押圧し、溶融部が冷却して温度が下がるときにさらに強く押圧することが好ましい。
さらに、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する装置であって、前記第１の部材側からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生手段と、前記第１の部材と第２の部材とを相互に押圧する押圧手段と、前記第１の部材と第２の部材との押圧力を調整する調整手段とを備えることを特徴としている。
このように構成された熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置は、第１の部材と第２の部材とを接触させ、２つの部材を相互に押圧した状態で接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し、接触面の少なくとも一方の面を溶融する。そして、溶融されると押圧力を増加して２つの部材の離間を防止し、溶融部が冷却するときにはさらに押圧力を増加させることで、溶融部が固化する際に空隙等が発生せず、溶着部の密度を高めることで溶着強度を高めることができる。また、部材の形状等による強度ばらつきを低減することができる。
前記のレーザ溶着装置は、第１の部材と第２の部材のレーザ光照射による溶融部の温度を検出する温度検出手段を備えており、前記調整手段は、温度検出手段の出力に基づいて第１の部材と第２の部材との押圧力を調整することが好ましい。また、前記のレーザ溶着装置は、第１の部材と第２の部材のレーザ光照射による溶融部の圧力を検出する圧力検出手段を備えており、前記調整手段は、圧力検出手段の出力に基づいて第１の部材と第２の部材との押圧力を調整することが好ましい。
このように構成すると、２つの部材の接触面の近傍の溶融状態を温度や圧力により検出することができ、検出された温度や圧力に基づいて２つの部材に適正な押圧力を算出して２つの部材に付与する押圧力を調整するため、溶融して体積が膨張しているときには押圧力を増してより強く密着させ、溶融部が冷却して体積が減少するときには押圧力をさらに増して溶融部が固化する際に空隙が発生することを防止できる。このように、溶融部の温度、圧力を検出して適正な押圧力を付与するため、溶着強度を高めることができ、強度のばらつきを低減することができる。
前記レーザ溶着装置は、前記レーザ光発生器を移動させる移動手段を備えており、前記押圧手段は、第１の部材と第２の部材とを押圧する複数の押圧部を有しており、前記レーザ光発生器の移動に伴って複数の押圧部の押圧力を調整することが好ましい。この構成によれば、レーザ光発生器の移動に伴って溶融部が移動し、溶融部の状態に合わせて複数の押圧部により２つの部材を密着させる押圧力を調整できるため、溶着しようとする個所が長く連続しているときに溶着状態を均一にすることができ、溶着強度の向上と強度ばらつきの低減を達成できる。
前記押圧手段は、ばね圧、油圧、空圧のいずれかまたは複数を用いることができる。押圧手段に、ばね圧、油圧、空圧のいずれかまたは複数を用いることで、２つの部材を互いに安定して密着させることができる。特に、油圧や空圧による押圧力調整は、調整が滑らかに行えると共に、細かく押圧力の制御ができて好ましい。
本発明のレーザ溶着方法、レーザ溶着装置において、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂として用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材を添加したものを用いてもよい。レーザ光を透過するとは、レーザ光に対する透過率が好ましくは２０％以上、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは８０％以上、特に好ましくは９０％以上である。
レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂として用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。レーザ光を吸収するとは、レーザ光に対する透過率が好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは１％以下である。
また、透過性熱可塑性樹脂材、吸収性熱可塑性樹脂材に用いる樹脂の組合せについては、互いに相溶性のあるもの同士の組合せであることが好ましい。このような組合せとしては、ナイロン６同士やナイロン６６同士等、同種の樹脂同士の組合せの他、ナイロン６とナイロン６６との組合せ、ＰＥＴとＰＣとの組合せやＰＣとＰＢＴとの組合せ等を挙げることができる。
本発明のレーザ溶着方法、レーザ溶着装置において、２つの部材の接触面に照射されるレーザ光の種類としては、レーザ光を透過させる透過樹脂材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等との関係から適宜選定して用いることができる。例えば、ガラス：ネオジム３＋レーザ、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、Ｈ２レーザ、Ｎ２レーザ、半導体レーザ等のレーザ光をあげることができる。より好ましいレーザとしては、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザ（レーザ光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザ（レーザ光の波長：５００〜１０００ｎｍ）をあげることができる。
また、レーザ光の出力は、１０〜９００Ｗであることが好ましい。レーザ光の出力が１０Ｗ未満では、出力が低く樹脂材の当接面を互いに溶融させることが困難となり、９００Ｗを超えると、出力が過剰となり樹脂材が蒸発したり、変質するという問題が生じるようになる。
本発明の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置は、溶着しようとする被加工部材を適正な押圧力で押圧するように、リアルタイムで押圧力を制御することにより、溶融部の体積膨張と、溶着部の体積収縮を補正することができ、溶着強度を向上させることができ、溶着強度のばらつきを低減することができる。
以下、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法を実施するレーザ溶着装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の要部構成を示す図、図２は、図１の動作状態を説明する図である。
図１において、本実施形態のレーザ溶着装置１は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材２と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材３とを接触させ、レーザ光で接触面４を溶融して接合するレーザ溶着装置である。レーザ溶着装置１はレーザ光を透過する第１の部材２側からレーザ光Ｒを２つの部材２，３の接触面４に照射するレーザ光発生器１０を備えている。
レーザ光発生器１０はレーザ発振器１１と、このレーザ発振器と光ファイバで接続されたレーザヘッド１２から構成され、レーザヘッドから照射されるレーザ光Ｒは、例えば波長が９４０ｎｍの半導体レーザであり、出力は１０〜９００Ｗ程度のものが好ましい。そして、このレーザヘッド１２には、溶着時に、このレーザヘッドを例えば０．１〜５ｍ／ｍｉｎ程度の加工速度で移動させる移動機構１３が連結されている。移動機構１３としては、レーザヘッド１２に産業用ロボットを接続した構成、二次元ステージや三次元ステージを用いて部材を移動させる構成、光学レンズとミラーとの組み合わせによる焦点位置を制御する構成、あるいは複数のレーザヘッドを用いて複数個所を同時照射する構成等を適宜用いることができる。
第１の部材２を構成するレーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂材は、レーザ光の透過率が２０％以上のものが好ましく、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは８０％以上、特に好ましくは９０％以上である。第２の部材３を構成するレーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂材は、レーザ光の透過率が１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは１％以下である。第２の部材３を構成する樹脂材は、レーザ光をほとんど透過しないため、非透過性熱可塑性樹脂材ということもできる。第２の部材３は、レーザ光が照射されるとほとんど透過しないで吸収するため、その結果、第２の部材内にレーザ光のエネルギーが蓄積されて発熱する。
レーザ溶着装置１は第１の部材２と第２の部材３とに押圧力を付与して密着させる押圧手段として、クランプ機構を備えている。クランプ機構２０は２つの部材２，３を相互に押圧する機構であり、２つの部材の外側から接触面４方向に押圧して接触圧を調整することができる機構である。本実施形態では、油圧装置から圧送される圧油がシリンダに供給され、シリンダのピストンが摺動して２つの部材２，３を相互に密着させるように構成されている。
クランプ機構２０は図示の例では、対向する３対の押圧部を備えており、１対の押圧部２１，２１は２つの部材の左方を上下方向から挟んで押圧する構成である。また、中央の１対の押圧部２２，２２は２つの部材の中央部を上下方向から挟んで押圧し、押圧部２３，２３は２つの部材の右方を上下方向から挟んで押圧する構成である。押圧部は金属等の十分な硬度を持つ材質が好ましい。また、押圧部の個数は、２つの部材の形状や大きさに合わせて適宜設定される。
クランプ機構２０は例えば油圧シリンダ等を用いて３対の押圧部の押圧力を、それぞれ別々に調整できるように構成されている。クランプ機構による押圧力は、重ね合わせた２つの部材を密着させる方向をプラスとした場合、マイナス方向（２つの部材を引き離す方向）の押圧力は付与しない。すなわち、クランプ機構２０はプラス方向の押圧力を調整して、接触面の溶融状態に適した押圧力を付与するように機能する。
レーザ溶着装置１は、押圧力を調整する手段３０として、第１の部材２と第２の部材３のレーザ光照射による溶融部の温度を検出する温度検出手段（温度センサ）３１を備えている。この温度センサ３１は溶融部から放射される熱線Ｓを、透過性を有する第１の部材２側から検出し、例えばモニター装置に写して温度を測定するものである。測定された温度はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３２等の演算装置に入力され、ＰＣ３２は測定された温度に基づいて適正な押圧力を算出し、クランプ機構２０にフィードバックし、押圧力をリアルタイム制御している。したがって、クランプ機構２０から２つの部材に付与される押圧力は、測定された温度に基づいて算出され、フィードバック制御される。温度センサ３１は接触面の溶融部の温度状態を検出できるように、水平方向に移動する移動機構３３に連結されている。なお、温度センサはレーザヘッドの移動を妨げないように、斜め上方から温度を検出する構成でもよいが、真上からの温度検出がより望ましい。
前記のように、溶融部の温度を検出し、この温度に基づいてクランプ機構２０の適正な押圧力を算出し、算出された押圧力で２つの部材２，３を相互に押圧するリアルタイム制御装置としては、得られた溶融部の状況をコンピュータプログラムにより、予め圧力変化プログラムを準備して押圧力を算出し、クランプ機構を制御するように構成してもよい。
前記の如く構成された本実施形態のレーザ溶着装置の動作について以下に説明する。第１の部材２と第２の部材３とを重ね、クランプ機構２０により２つの部材２，３を密着状態に押圧する。２つの部材の重ね方はレーザヘッド１２に透過性を有する部材２が対向するように載置する。このときのクランプ機構２０による押圧力は、全ての押圧部が２つの部材２，３を軽く密着させる程度の押圧力Ｆ１とする。
レーザ光発生手段のレーザ発振器１１を作動させ、２つの部材の溶着領域にレーザヘッド１２からレーザ光Ｒを照射する。レーザ光Ｒはレーザヘッド内の照射レンズで接触面に焦点が合わされているため、レーザ光を吸収する第２の部材３の上方の接触面４付近で発熱する。接触面に所定のレーザエネルギーが投入されると、第２の部材３の接触面４付近が溶融し、これに伴って第１の部材２の接触面も溶融し、両溶融部４ａが融合して第１の部材２と第２の部材３が融合する。このようにして、２つの部材の接触面４が溶融すると、レーザヘッド１２を移動させて溶融部４ａを延長させ、２つの部材の溶融部を連続させることができる。
温度センサ３１は移動機構３３により移動され、溶融部から放射される熱線Ｓを検出して温度を検出する。検出された温度が所定温度以上で接触面の近傍で溶融していることが検出されると、この検出温度がＰＣ３２に入力され、ＰＣでは押圧力の初期値Ｆ１より大きい押圧力Ｆ２を算出する。このようにして算出された押圧力Ｆ２は、クランプ機構２０にフィードバックされ、クランプ機構は検出された温度位置に近い押圧部２１，２１の押圧力Ｆ１をＦ２に増加させる。この押圧力増加により、溶融部での体積膨張による２つの部材の離間を防止することができる。
図２に示されるように、レーザヘッド１２の移動により溶融部が延長していくと、最初に溶融した個所は冷却が始まる。溶融部の冷却を温度センサ３１が検出すると、温度下降がＰＣに入力され、ＰＣ３２は温度下降に基づいて既に付与されている押圧力Ｆ２より大きい押圧力Ｆ３を算出し、クランプ機構２０にフィードバックする。クランプ機構２０は、押圧部２１の押圧力Ｆ２を算出された押圧力Ｆ３に増加させるため、溶融部の収縮に伴う体積減少による溶融部の空隙発生を防止することができる。
レーザヘッド１２が移動機構１３で移動され、溶融部４ａが延長すると共に、最初の溶融部が徐々に冷却し、冷却状態が温度センサ３１により検出されると、その個所に近い押圧部の押圧力を増加させることで、溶融部の空隙発生を防止することができる。連続する全ての溶融部に対して、順次押圧力を増加させ、全ての溶融部が冷却して固化することで２つの部材の溶着が完了する。すなわち、調整手段３０を構成するＰＣ３２は、レーザヘッド１２の移動に伴って押圧力をＦ１〜Ｆ２へ増加させ、さらにＦ３へ増加させるように、複数の押圧部２１〜２３に供給する押圧力を算出している。
このように、押圧力Ｆ１で密着された２つの部材２，３のレーザ光照射に伴う温度変化を検出して初期の小さい押圧力Ｆ１から、接触面が溶融したとき押圧力をＦ２に増加させ、溶融部が冷却するときに、さらに大きい押圧力Ｆ３に増加させ適正押圧力となるように複数の押圧部２１〜２３の押圧力を調整することで、溶着状態が均一となり、溶着部の密度を高く保持することができるため、溶着強度が高くなり、溶着強度のばらつきを減らすことができる。
本発明の他の実施形態を図３に基づき詳細に説明する。図３は本発明に係るレーザ溶着装置の他の実施形態の要部構成を示す図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、２つの部材の接触面を溶融させた溶融部の状態として圧力を検出して押圧力を調整することを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図３において、この実施形態のレーザ溶着装置１Ａは、クランプ機構２０の押圧力を調整する手段４０として、第１の部材２と第２の部材３のレーザ光照射による溶融部の圧力を検出する圧力検出手段（圧力センサ）４１〜４３を備えている。この圧力センサ４１〜４３は、例えば押圧部２１〜２３のピストン部分に装着され、レーザ光Ｒで溶融された溶融部４ａの体積膨張に伴う変形から歪ゲージ等の圧力センサにより圧力を検出している。このように検出された圧力はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４４等の演算装置に入力され、この圧力に基づいて適正な押圧力を算出し、クランプ機構２０にフィードバックし、押圧力をリアルタイム制御している。
このように構成された本実施形態のレーザ溶着装置１Ａでは、２つの部材２，３の接触面４がレーザ光Ｒの照射で溶融すると、溶融部４ａの体積膨張により押圧部２１に装着された圧力センサ４１からの出力が変化する。具体的には、押圧部２１は初期の押圧力Ｆ１で押圧されているが、体積膨張に伴う圧力が加わることで圧力センサ４１から出力される押圧力が増加する。このようにして、レーザ光Ｒが照射された個所が溶融したことを検出すると、圧力センサ４１からの出力に基づいてＰＣ４４は適正圧力となるように押圧力Ｆ１より大きい押圧力Ｆ２を算出する。このようにして算出された押圧力Ｆ２は、クランプ機構２０にフィードバックされ、クランプ機構は検出された圧力位置に近い押圧部２１の押圧力Ｆ１をＦ２に増加させる。この押圧力増加により、溶融部４ａでの体積膨張による２つの部材の離間を防止することができる。
レーザヘッド１２の移動により溶融部４ａが延長していくと、最初に溶融した個所は冷却が始まる。すなわち、溶融して膨張した溶融部が冷却して体積収縮し溶着部４ｂになると、溶融部４ａの冷却を圧力センサ４１が検出する。この圧力下降がＰＣ４４に入力され、ＰＣ４４は圧力下降に基づいて既に付与されている押圧力Ｆ２よりさらに大きい押圧力Ｆ３を算出し、クランプ機構２０にフィードバックする。クランプ機構２０は押圧部２１の押圧力をＦ２からＦ３に増加させる。
クランプ機構２０は押圧部２１の押圧力Ｆ２を算出された押圧力Ｆ３に増加させるため、溶融部４ａの収縮に伴う体積減少による溶着部４ｂの空隙発生を防止することができる。レーザヘッド１２が移動機構１３で移動され、溶融部４ａが延長すると共に、最初の溶融部が徐々に冷却し、冷却状態が圧力センサにより検出されると、その個所に近い押圧部の押圧力を増加させることで、溶着部４ｂの空隙発生を防止することができる。連続する全ての溶融部に対して、順次押圧力を増加させ、全ての溶融部が冷却して固化し溶着部となることで２つの部材の溶着が完了する。
このように、本実施形態においても、密着された２つの部材の圧力状態を検出し、複数の押圧部に付与される押圧力を初期の小さい押圧力Ｆ１から、接触面が溶融したとき押圧力をＦ２に増加させ、溶融部が冷却するときに、さらに大きい押圧力Ｆ３に増加させることで、溶着状態が均一となり、溶着部４ｂの密度を高く保持することができるため、溶着強度が高くなり、溶着強度のばらつきを減らすことができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、２つの部材を相互に押圧する手段として、２つの部材を上下方向から挟んで押圧する構成について述べたが、２つの部材を固定ベース等に載置し、上方から押圧力を付与するように構成してもよい。
熱可塑性樹脂として前記したものの他に、汎用熱可塑性樹脂、汎用エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー等を用いることもできることは勿論である。また、第１の部材を構成するレーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂は透過率が高く、第２の部材を構成するレーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂は透過率が低いことが好ましく、２つの部材の透過率の差が大きいことが好ましい。
本発明は、レーザ光の透過率が異なる透過性熱可塑性樹脂製の第１の部材と、吸収性熱可塑性樹脂製の第２の部材とを選択して、溶着強度を向上でき、強度ばらつきを低減できる溶着が可能であり、また、溶着部にバリ等が発生せず、溶着部の品質を高めることができるため、種々の樹脂製品や樹脂部品の溶着に適用することができる。
本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の一実施形態の要部構成図。 図１の動作状態を説明する図。 本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の他の実施形態の要部構成図。
符号の説明
１，１Ａ：レーザ溶着装置、２：第１の部材（透過性熱可塑性樹脂部材）、３：第２の部材（吸収性熱可塑性樹脂部材）、４：接触面、４ａ：溶融部、４ｂ：溶着部、１０：レーザ光発生器、１１：レーザ発振器、１２：レーザヘッド（レーザ光発生部）、１３：移動機構、２０：クランプ機構（押圧手段）、２１，２２，２３：押圧部、３０，４０：調整手段、３１：温度センサ（温度検出手段）、３２，４４：パーソナルコンピュータ（押圧力の演算装置）、４１，４２，４３：圧力センサ（圧力検出手段）、Ｒ：レーザ光、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３：押圧力、Ｓ：温度検出用の熱線

Claims (8)

  1. レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、
    前記第１の部材と第２の部材を相互に押圧し、前記第１の部材側から前記２つの部材の接触面に向けてレーザ光を照射し、前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させ、前記第１の部材と第２の部材との押圧力を調整して溶着することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
  2. 前記押圧力の調整は、前記レーザ光の照射によって溶融する前記接触面の溶融部の温度を検出してなされることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
  3. 前記押圧力の調整は、前記レーザ光の照射によって溶融する前記接触面の溶融部における圧力を検出してなされることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
  4. レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置であって、
    前記第１の部材側からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生手段と、
    前記第１の部材と第２の部材とを相互に押圧する押圧手段と、
    前記第１の部材と第２の部材との押圧力を調整する調整手段とを備えることを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
  5. 前記レーザ溶着装置は、前記第１の部材と第２の部材のレーザ光照射による溶融部の温度を検出する温度検出手段を備えており、
    前記調整手段は、前記温度検出手段の出力に基づいて第１の部材と第２の部材との押圧力を調整することを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
  6. 前記レーザ溶着装置は、前記第１の部材と第２の部材のレーザ光照射による溶融部の圧力を検出する圧力検出手段を備えており、
    前記調整手段は、前記圧力検出手段の出力に基づいて第１の部材と第２の部材との押圧力を調整することを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
  7. 前記レーザ溶着装置は、前記レーザ光発生器を移動させる移動手段を備えており、
    前記押圧手段は、前記第１の部材と第２の部材とを押圧する複数の押圧部を有しており、前記レーザ光発生器の移動に伴って複数の押圧部の押圧力を調整することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
  8. 前記押圧手段は、ばね圧、油圧、空圧のいずれかまたは複数を用いることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
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