JP2008012590A - レーザープラスチック溶着のための自動パーツフィードバック補償 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー源を制御するためのフィードバック制御システムを提供する。
【解決手段】 本フィードバック制御システムは、レーザーエネルギーを出力するレーザー源とレーザーエネルギーを検出する光センサーを含む。光センサーは、レーザーエネルギーの測定量に応じて測定信号を出力する。本システムは、さらに、レーザーエネルギーを受け、該レーザーエネルギーを所定位置に向ける光デバイスを含む。光デバイスは、レーザーエネルギーの第１部分を光センサーの方へ反射する。コントローラーが光センサーからの測定信号を受け、レーザーエネルギーの第１部分の量を計算する。次に、コントローラーがレーザー源を調整して、所定位置で所定量のレーザーエネルギーを得るように、光デバイスから反射するレーザーエネルギーの第１部分と関係があるレーザーエネルギーの損失を補正する。
【選択図】 図２

Description

本開示は、一般的にプラスチック溶着に関し、さらに詳しくは、レーザープラスチック溶着のための自動パーツフィードバック補償に関する。

現在、プラスチック又は樹脂製パーツの溶着技術は、超音波溶着、熱溶着といった種々の技法、また、最も最近では、赤外線透過（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＴＴＩｒ））溶着法を取り入れている。

ＴＴＩｒ溶着法は、第１のプラスチックパーツを通過して第２のプラスチックパーツに進む赤外光を利用する。ＴＴＩｒ溶着法は、現在の技術の赤外レーザー光又はインコヒーレント赤外光のどちらも使用できる。現在の技術の赤外レーザー光は、光ファイバー、導波管、又は光導体によって、第１のプラスチックパーツを通って第２のプラスチックパーツに向けられる。この第１のプラスチックパーツは、一般的にレーザーからのレーザービームを通過させるので、透過性部分と呼ばれることが多い。第２のプラスチックパーツは、多くの場合吸収性部分と呼ばれ、この部分は一般的にレーザービームの放射エネルギーを吸収して溶着ゾーン内で熱を生成する。この溶着ゾーン内の熱が、透過性部分と吸収性部分を融かして一緒に溶着させる。しかし、レーザーの制御は困難であり、現在、所望のレーザー加熱効果を達成するためにはレーザー源の出力の手動調整が必要である。この手動調整は試行錯誤で行われ、非常に労力と時間を消費しうる。

本教示の原理によれば、レーザー源の出力を制御して、適切な溶着を保証することが望ましく、さらに詳しくは、閉ループフィードバック制御の使用を通じてレーザー源の出力を制御することが望ましい。

本明細書で提供する説明から、さらなる適用範囲が明かになるだろう。この説明及び特定の実施例は説明の目的を意図しただけであり、本開示の範囲を制限することを意図していないことを理解すべきである。

本出願で示される図面は説明目的だけのためであり、いかなる場合にも本開示の範囲を制限することを意図しない。

〔詳細な説明〕
以下の説明は、本来、例示しているだけであり、本発明の開示、適用、又は使用を制限することを意図しない。

図１に示されるように、本教示の原理は赤外線透過（ＴＴＩｒ）溶着法で使う方法と装置を提供する。一般に、ＴＴＩｒ溶着法では、赤外レーザー光１００が、光導体、波導管、及び／又は光ファイバー等の光デバイスを通じて１又は２以上のレーザー源１０２から、溶着すべきプラスチックパーツに向けられる。この点に関して、第１のプラスチックパーツ１１０は赤外光に透過性なので、赤外光を通過させる。第２のプラスチックパーツ１１２は赤外光に対して吸収性である。従って、レーザー光は第１の透過性パーツ１１０を通過して第２の吸収性パーツ１１２に進み、そこでレーザー光が熱に変換され、順次、溶着接合面１１４のプラスチックを融かしてパーツを一緒に溶着させる。或いは、両パーツが赤外光に透過性でもよく、この場合、赤外光に対して吸収性の媒体を溶着接合面１１４に配置して、赤外光を吸収し、それを熱に変換してパーツを溶着させることができる。しかし、本教示の原理によれば、レーザー源１０２の出力を制御して適切な溶着を保証することが望ましく、さらに詳しくは、新規な閉ループフィードバック制御の使用を通じて、レーザー源１０２の出力を制御することが望ましい。

さて、図２を参照すると、いくつかの実施形態では、フィードバック制御システム１２を利用してＴＴＩｒレーザープラスチック同時プランジ溶着システム１０でフィードバック情報を提供し、レーザー源１４（レーザー源１０２と同様又は同一でよい）から下流でレーザー強度をモニターする。フィードバック制御システム１２は、レーザー源１４から下流であるが、第１の透過性パーツ１１０と第２の吸収性パーツ１１２から上流に位置する光センサー１６と制御モジュール１７とを含む。いくつかの実施形態では、光センサー１６は光ダイオードである。制御モジュール１７は、レーザー源１４から実時間レーザー強度情報を受けるため光センサー１６と電気通信で操作可能に接続され、かつレーザー源１４の出力強度を制御するためレーザー源１４と電気通信で操作可能に接続されている。

いくつかの実施形態では、光センサー１６が、光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０（図示）の上流に位置してもよく、或いは１又は２以上の光ファイバー部材１８及び波導管２０の下流に位置してもよい。換言すれば、光センサー１６はレーザー源１４と第１の透過性パーツ１１０の間のどの位置にあってもよい。しかし、モニタリング前に、レーザー源１４を設定値にキャリブレーションしなければならない。理想的には、このキャリブレーションプロセスは、適所でパーツ又は他のツールなしで行われる。いくつかの実施形態では、光フィードバックセンサー１６は、光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０などのツールから上流に位置し、それによって、パーツ又はツールの変更の際に、光フィードバックセンサー１６又はフィードバック制御システム１２を変更又は交換する必要を排除する。

本開示の教示は、迅速かつ便利なツール変更を可能にする閉ループフィードバック制御の使用を通じて、ＴＴＩｒ溶着システム１０におけるパーツ及びツールの反射のような事態を自動的に補償する。さらに詳しくは、本開示の教示は、最初にフィードバック制御システム１２をキャリブレーションした後、そのフィードバック信号を無駄にし、又は逆にフィードバック信号を生じさせることなく、ツール変更及びパーツ変更を許容する。

工程１−ＴＴＩｒ溶着システム１０のフィードバック制御システム１２を最初にキャリブレーションするため、まず、いずれのツール（すなわち、光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０）又は溶着すべきパーツも存在しない開ループ様式で、外部メーターで検証される初期パワーレベルパーセンテージ、％Ｐ_初期にてレーザー源１４を発射させる。この状態における光フィードバックセンサー１６からの信号を初期光フィードバック信号、Ｖ_初期として測定し、電子的にストアし、ベースラインとして使用する。これは、ＴＴＩｒ溶着システム１０を最初に製造するとき、又はその後いつ行ってもよいが、一度だけ行わなければならない。

工程２−適所に光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０がある開ループ様式で、ある既知のパワーパーセンテージレベル％Ｐ_ツールにてレーザー源１４を発射させうる。この光フィードバック信号をＶ_ツールとして測定し、電子的にストアする。このツールによる光フィードバック信号、Ｖ_ツールは、ツールから戻る反射光のため、初期光フィードバック信号、Ｖ_初期より高いだろう。換言すれば、光がレーザー源１４から出力すると、光は光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０の下方に伝わる。光フィードバックセンサー１６は、部分的に、この出力光を検出するだろう。しかし、光フィードバックセンサー１６は、光ファイバー部材１８及び／又は波導管２０から反射して光フィードバックセンサー１６に戻ってくる光の部分も検出するだろう。従って、ツールによる光フィードバック信号、Ｖ_ツールは、レーザー源１４からの実際の出力光と、ツールによって光フィードバックセンサー１６に反射して戻ってくる光の量の合計を含む。この工程は、ツールを変更するときだけ行う必要がある。

工程３−適所にツールがあり、かつ後でパーツ１１０、１１２を置く場所に既知の反射率、Ｒ_鏡の鏡がある開ループ様式で、フルパワーレベルのパーセンテージ、％Ｐ_鏡にてレーザー源１４を発射させうる。この光フィードバックをＶ_鏡として測定し、電子的にストアする。この工程は、ツールを変更するときだけ行う必要がある。

しかし、適所にツールがある開ループ（すなわち工程２）及び適所にツールと鏡が両方ある開ループ（すなわち工程３）における光フィードバック信号の測定は、パーツ１１０の上部に送達されるレーザーパワーを補正するためには必要ない工程であることに留意すべきである。しかし、これら工程は、パーツ１１０を通って下方の溶着ゾーン１１４に送達されるレーザーパワーを補償するためには必要である。換言すれば、パーツ１１０の反射及び／又は吸収は、溶着接合面１１４まで通り抜けるレーザー光の量を減らしうるので、この作用に対してレーザー源１４を補償しなければならない。

工程４−最後に、適所にツールとパーツ１１０、１１２の両方がある開ループ様式で、あるパーセンテージのフルパワーレベル、％Ｐ_パーツにてレーザー源１４を発射させる。この光フィードバック信号をＶ_パーツとして測定し、この場合もやはり電子的にストアする。この工程は、新しいパーツのため、最初のパーツランの前、又はパーツのバッチ間変動を明らかにするため一連の新しいパーツの前、又は個々のパーツ変動を明らかにするため個々の各パーツの前に一度行われる。あるパーセンテージのフルレーザーパワーだけを用いるので、パーツ１１０、１１２の溶着閾値未満にパワーを設定することができ、このため、パーツ１１０、１１２の完全性を犠牲にすることなく、フィードバック信号を測定することができる。

閉ループ様式での実際の溶着中、フィードバック信号、Ｖ_実際は、下記式（１）のように補正値Ｖ_補正に修正される。

式中、
Ｖ_補正＝閉ループプロセッサーによって実際に使用される補正フィードバック信号；
Ｖ_実際＝実際の溶着サイクル中に光フィードバックセンサー１６で読み取られたフィードバック信号；
Ｖ_初期＝ツールとパーツなしで最初に読み取られたフィードバック信号；
％Ｐ_初期＝ツールとパーツなしで開ループで使用された全パワーのパーセンテージ；
Ｖ_パーツ＝ツールとパーツのある開ループで全パワーのパーセンテージにて最初に読み取られたフィードバック信号；及び
％Ｐ_パーツ＝ツールとパーツのある開ループで使用された全パワーのパーセンテージ；

閉ループプロセッサーで使用される補正フィードバック値、Ｖ_補正は、光フィードバックセンサー１６で見られる実際のフィードバック信号、Ｖ_実際より小さいだろう。実際のフィードバック信号は追加の偽反射信号を含む。補正フィードバックは、無効にされた当該追加の偽量を有する。これにより、閉ループ制御されたレーザーパワーを、その機械の初期キャリブレーションに従って特定される既知量でパーツの上部に送達することができる。

既知量のレーザーパワーがパーツ１１０の上部に達するようにフィードバック信号を補正するためには、工程１と工程４だけ測定する必要がある。パーツ１１０は、送達されたパワーの数パーセントを、パーツ１１０の遠位面にある溶着接合面１１４から跳ね返すいくらかの反射率を有する。これは、工程２と工程３によってさらに補償されうる。パーツ１１０の既知の実際の反射率によって、レーザー源１４のパワーが増幅されて、溶着接合面１１４に送達されるパワーが必要量（パーツ１１０内のレーザーパワーのいずれの分散も引いた量）に等しくなるようにする。

下記式（２）のとおりに、パーツの反射率、Ｒ_パーツを計算できる。

式中、
Ｒ_パーツ＝パーツの反射率；
Ｒ_鏡＝既知の部分的に反射性の鏡の反射率；
Ｖ_ツール＝ツールはあるがパーツがない開ループで読み取られたフィードバック信号；
％Ｐ_ツール＝ツールはあるがパーツがない開ループで用いられた全パワーのパーセンテージ；
Ｖ_鏡＝ツールと既知の部分的に反射性の鏡がある開ループで読み取られたフィードバック信号；及び
％Ｐ_鏡＝ツールと既知の部分的に反射性の鏡がある開ループで用いられた全パワーのパーセンテージ。

パーツの反射性のため、反射信号によってフィードバック信号が増幅されるのみならず、溶着接合面１１４に到達するレーザーパワーが低減する。レーザー源１４の出力パワーが反射パワーの量によって増幅されるとき、反射によるレーザーパワーの減少が溶着接合面１１４で補償される。この新しいパワーレベルを達成するために必要な新しい補償フィードバック、Ｖ_補償は下記式（３）のとおりである。

式中、
Ｖ_補償＝溶着接合面１１４へのレーザーパワーを増幅してパーツの反射率を補償する、閉ループマイクロコントローラーによって用いられるフィードバック信号。

今や、ＴＴＩｒ溶着システム１０は、必要なレーザーパワーが自動的に溶着接合面１１４に送達されるように、実際の光フィードバック、Ｖ_実際が新しい補償フィードバック、Ｖ_補償に修正された閉ループで操作される。

パーツ１１０、１１２内での光の吸収も、溶着接合面１１４に到達するレーザーパワーの量を減らす。レーザー源１４のパワーが反射パワーと吸収パワーの両方の量で増幅される場合、レーザー源１４から溶着接合面１１４に到達するパワーは、正確にその特定される量だろう。

上式（１）、（２）、及び（３）は、フィードバック信号が光センサー１６に衝突する光と線形であると仮定している。いくつかの実施形態で、応答が非線形である場合、光センサー１６について適切な検索テーブルを用いて、線形応答になるように信号を修正することができる。

レーザー源１４を制御するためのフィードバックループを電子的ハードウェアに埋め込み、機械的ハードウェアに埋め込み、ファームウェアに埋め込み、ソフトウェアに埋め込むなどすることができる。いくつかの実施形態では、ソフトウェアとファームウェアが実施の点で改良されたフレキシビリティーを提供しうる。

本開示の教示をＢｒａｎｓｏｎ ＩＲＡＭ Ｌ−３８６ＦＡｉ赤外レーザープラスチック溶着機で試験した（図３参照）。図４に示されるように、レーザーダイオード２０２からの光は、いずれの光ファイバー及び波導管ツールからも上流にあるレーザーダイオードチャンバー２０４内で光ダイオード２０６によって検出される。種々の開ループフィードバック信号がメモリー上に記録され、補償に必要な種々の機械状態のための制御アルゴリズムが、その機械のコントローラー内のソフトウェアに備わっている。

光フィードバックセンサー１６の下流のツール及びパーツ由来の反射信号について自動閉ループフィードバック信号補正を斟酌することが主な利点である。パーツに達するレーザー源１４のパワーが定量的に分かり、かつそのプロセスは自動である。以前の方法は、フィードバック信号がパーツからの反射によって変化するので、閉ループシステムで所望のパワーレベルを達成するため手動でパワーを調整するという時間を浪費する反復性のアプローチを必要とした。本開示の教示は、正確なベースラインを用いたレーザー源の自動キャリブレーションを提供する。従って、このキャリブレーションのためフィードバック信号が補償される。正確なベースラインと閉ループ制御が、溶着ゾーンへのレーザーパワーの信頼性のある送達を可能にする。

本発明の説明は、本来は単に例示なので、本発明の要旨から逸脱しない変化は本発明の範囲内にあることを意図している。このような変化を本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなすべきでない。

赤外線透過（ＴＴＩｒ）溶着システムを説明する概略図である。 閉ループフィードバック制御を用いた赤外線透過（ＴＴＩｒ）溶着システムを説明する概略図である。 本開示の教示を取り入れた赤外線溶着機を説明する斜視図である。 光ダイオードとレーザーダイオードを有するレーザーダイオードチャンバーを説明する斜視図である。

Claims (11)

1. 以下の要素：
   レーザーエネルギーを出力するレーザー源；
   前記レーザーエネルギーの測定量に応じて測定信号を出力する、前記レーザーエネルギーを検出する光センサー；
   前記レーザーエネルギーを受けて前記レーザーエネルギーを所定位置に向ける光デバイスであって、さらに前記レーザーエネルギーの第１部分を前記光センサーの方へ反射する光デバイス；及び
   前記光センサーからの前記測定信号を受けるコントローラーであって、前記レーザーエネルギーの前記第１部分を計算し、前記レーザー源を調整して、前記所定位置で所定量のレーザーエネルギーを得るように、前記光デバイスから反射する前記レーザーエネルギーの前記第１部分を補正するコントローラー；
   を含んでなる、レーザー源を制御するためのフィードバック制御システム。
2. 前記光デバイスが波導管である、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
3. 前記光デバイスが光ファイバーである、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
4. 前記所定位置が透過性パーツと吸収性パーツとの間に配置される溶着接合面であり、前記透過性パーツと前記吸収性パーツの少なくとも一方のパーツが前記レーザーエネルギーの第２部分を反射及び／又は吸収し；かつ
   前記コントローラーが前記レーザーエネルギーの前記第２部分を計算し、前記レーザー源を調整して、前記透過性パーツと前記吸収性パーツの前記少なくとも一方のパーツから反射し及び／又は前記透過性パーツと前記吸収性パーツの前記少なくとも一方のパーツで吸収する前記レーザーエネルギーの前記第２部分を補正する、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
5. 前記コントローラーが、前記レーザー源からの初期パワーレベル出力と前記光センサーからの初期信号を記録し、さらに、溶着するために被溶着パーツが置かれているときの前記レーザー源からのパーツパワーレベル出力と前記光センサーからのパーツ信号を記録し、かつ前記コントローラーが、前記初期信号を前記初期パワーレベル出力で除した値を、前記パーツ信号を前記パーツパワーレベル出力で除した値で除した比を、前記測定信号に掛けることによって補償信号を決定し、前記補償信号を用いて前記レーザー源を調整する、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
6. 第１パーツを第２パーツに溶着する際に使うためのレーザーエネルギーを出力するレーザー源をキャリブレーションする方法であって、以下の工程を含む方法：
   前記レーザー源を初期パワーレベルパーセンテージ、％Ｐ_初期で活性化してレーザーエネルギーを出力し、前記レーザーエネルギーを初期光フィードバック信号、Ｖ_初期として測定する工程；
   前記レーザー源をパーツパワーレベルパーセンテージ、％Ｐ_パーツで活性化してレーザーエネルギーを出力し、該レーザーエネルギーを前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツに向け、前記レーザーエネルギーをパーツフィードバック信号、Ｖ_パーツとして測定する工程；
   下記関係式：
   

   

   （式中、Ｖ_実際は、実際の溶着操作中に測定されるフィードバック信号である）
   に従って、補正制御値、Ｖ_補正を決定する工程；及び
   前記補正制御値、Ｖ_補正に応じて前記レーザー源を制御する工程。
7. さらに以下の工程：
   前記レーザー源からのレーザーエネルギーを受け、前記レーザーエネルギーを所定位置に向ける光デバイスであって、前記レーザーエネルギーの第１部分を反射する光デバイスを供給する工程；及び
   前記レーザー源をツールパワーレベルパーセンテージ、％Ｐ_ツールで活性化してレーザーエネルギーを出力し、かつ前記レーザー源から直接受けたレーザーエネルギーと前記光デバイスによって反射された前記レーザーエネルギーの前記第１部分に応じて、レーザーエネルギーをツールフィードバック信号、Ｖ_パーツとして測定する工程；
   を含む、請求項６に記載の方法。
8. さらに以下の工程：
   既知の反射率、Ｒ_基体を有する基体を供給する工程；及び
   前記レーザー源を基体パワーレベルパーセンテージ、％Ｐ_基体で活性化して、前記基体にレーザーエネルギーを出力し、レーザーエネルギーを基体フィードバック信号、Ｖ_基体として測定する工程；
   を含む、請求項７に記載の方法。
9. さらに以下の工程：
   前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツの反射率、Ｒ_パーツを下記関係式：
   

   

   に従って決定する工程；
   を含む、請求項８に記載の方法。
10. さらに以下の工程：
    前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツの吸収によるレーザーエネルギーの損失を補償する補償制御値、Ｖ_補償を下記関係式：
    

    

    に従って決定する工程；
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 第１パーツを第２パーツに溶着する際に使うレーザーエネルギーを出力するレーザー源を制御する方法であって、前記レーザー源は、光デバイスを介して前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツに向けてレーザーエネルギーを出力し、前記方法は以下の工程：
    前記光デバイス内の反射と関係があるレーザーエネルギーの損失量を決定する工程；
    前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツからの反射と関係があるレーザーエネルギーの損失量を決定する工程；
    前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツ内におけるレーザーエネルギーの吸収と関係があるレーザーエネルギーの損失量を決定する工程；
    前記レーザー源の出力を調整して、前記光デバイス内の反射と関係がある前記レーザーエネルギーの損失、前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツからの反射と関係がある前記レーザーエネルギーの損失、及び前記第１パーツと前記第２パーツの少なくとも一方のパーツ内におけるレーザーエネルギーの吸収と関係がある前記レーザーエネルギーの損失を補う工程；
    を含む方法。

Images