JP2009012239A - レーザ樹脂溶着装置およびレーザ樹脂溶着方法 - Google Patents

レーザ樹脂溶着装置およびレーザ樹脂溶着方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 確実性と安全性を備え、ハンディータイプにも対応可能なレーザ樹脂溶着装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材３と、レーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材４とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融させて接合するレーザ溶着装置であって、レーザ光を射出する射出部１７Ａと、ここで射出されたレーザ光を溶着箇所の方向に導く導光部１２、２２と、この導光部に嵌合してレーザ光の射出方向に摺動する摺動部と、前記導光部と前記摺動部とのあいだに介在しレーザ光の射出方向に弾性を有する弾性部材１６と、この弾性部材１６が所定量圧縮されたことを検知するセンサー２１と、センサー２１の出力に基づいてレーザ光を発生するレーザ発生源６とを備えた。



【選択図】 図１

Description

本発明は、樹脂部材のレーザ溶着装置およびレーザ溶着方法に係り、さらに詳しくは、レーザ光を透過する透過性樹脂で構成される部材と、レーザ光を吸収する吸収性樹脂で構成される部材とを重ね合わせ、これらの接触面近傍を溶融して接合するレーザ溶着装置とレーザ溶着方法に関するものである。
近年、各分野において軽量化や低コスト化のために、部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが盛んに行なわれている。またこういった場合、異なる性質の部材を併せ持った部品が必要な場合や部品の形状が複雑な場合、あるいは生産性向上の目的や成型金型の都合で予め複数に分割して成型された部材を二次加工として互いに溶着する技術が広く行なわれるようになってきた。加えてこの方法は、金属製ビス等の接続部品を使用しないので、他の接続方法と比較してもリサイクル工程での優位性を有し、環境対策の一部としても注目され始めている。
従来この種の溶着方法としては、例えば図４のような方法がとられてきた、ここで図４（ａ）は多点クランプ法、図４（ｂ）はガラス押さえ法である。図４（ａ）において、符号５１はレーザ透過性樹脂５２とレーザ吸収性樹脂５３とが重ね合わされたワーク（被溶着物）であり、ステージ５４上に載置されている。またさらに５５は複数の加圧クランプであり、ワークの溶着箇所を避けた複数箇所をステージ５３の方向に向けて押圧している。
このようにワーク５１をクランプして、レーザヘッド５６はレーザ発生源５７からのレーザエネルギーをワークに向けて照射する。レーザヘッド５６は内部に光学レンズを有し、レーザ透過性樹脂５１とレーザ吸収性樹脂５２との接触面に所定の発熱が生じるようにレーザ光束５８を絞って照射し、前述の加圧クランプ５５で発生した押圧力のもとで、この照射位置の樹脂を一旦溶融させたのち凝固させることで溶着が行なわれる。
また、図４（ｂ）においては、ステージ５４の上方に押さえガラス５９が固定されている。押さえガラス５９はステージ５４との間隔が増大しないように支柱６０により支持されており、一方ステージ５４には加圧プレート６１がステージ５４に対して上下駆動可能に設けられている。そして、この押さえガラス５９と加圧プレート６１との間隙にワーク５１が搭載され、上下方向に挟持されて加圧を受ける。このような状態でワーク５１が保持され、前述した図４（ａ）と同様の方法でレーザ光の照射が行なわれる。
しかしこれらのワークの保持方法は主にワークの平坦な部分どうしを保持するのには適しているが、ワークの溶着部分が３次元形状であったりワーク自体が大面積である場合には不適である。そこで、特許文献１では図５で示すように、ロボット６２に支持させたレーザヘッド６３のレーザ光射出側にノズル６４を設け、ノズル先端の例えばベアリング等の摺動部６５でワーク６６を押圧しながらレーザ光６７を射出する技術が開示されている。
また特許文献２では図６で示すように、ロボット等に指示させたレーザヘッド６７のレーザ光射出部の中央部に回転可能な球状レンズ６８を設け、この球状レンズ６８でワーク６６を押圧すると共に、レーザ光６９を球状レンズ６８に透過屈折させることでレーザ光束を調整し、ワーク６６の所定の位置を溶融させる技術が開示されている。また、加圧機構と球状レンズ６８との間にスプリング７０を介在させ、機械的な許容差を補償させる（急激な押圧力変化の吸収）としている。
特開２００３−１１７６７４号公報（第２頁、図１） 特開２００４−１３６６７５号公報（第５頁、図１）
しかしながら、図５に基づいて説明した特許文献１の技術は溶着作業で発生したガスがノズル内部に浸入することを前提として、ガス検知器やパージ装置を該ノズルに設けたり、ノズル内部のガスを排出するためにノズルにスリットを設ける技術であるため、一旦ノズル内に浸入したガスに集光レンズが汚染され、この汚染による付着物にレーザ光が照射され燃焼あるいは炭化することで、今度はこの集光レンズが使用に耐えなくなる。また、ノズルにスリットが設けてあれば、そこから反射したレーザ光が放出し、作業者から隔離するための防護ボックス内にこのレーザヘッドがないかぎり作業者の安全に問題が生ずる。
また、図６に基づいて説明した特許文献２の技術では、直接球状レンズが点に近い接触面積でワークを押圧するため、ワーク表面に圧痕あるいは傷が付きやすく、球状レンズにワークから発生した塵埃が付着し、これにレーザ光が照射されることでレンズとしても機能する球状レンズがすぐに汚染されてしまう。
さらに、特許文献１及び２に共通な問題として、ワークを押圧する押圧制御とレーザ光を照射する照射制御が直接連動していないため、これらの構成に加えて外部に両者を制御する制御部を設けて、所定の押圧力でワークがレーザヘッドに押圧されたことを別途設けた検知手段で検知してからレーザ光の照射を開始するようにしなければならず、装置の複雑化と共に、このレーザヘッドをハンディータイプとして使用しようとした場合、安全性の確保が困難になる。
そこで本発明は、ワークへの所定の押圧力付与を直接的に検知してレーザ光が射出されるようにしたハンディータイプとしても使用可能なレーザヘッドであり、さらに内部、特に光学系の汚染が生じないような構造のレーザヘッドを提供すべく創出されたものである。
本発明は第１の態様として、レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材と、レーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融させて接合するレーザ溶着装置であって、レーザ光を射出する射出部と、ここで射出されたレーザ光を溶着箇所の方向に導く導光部と、この導光部に嵌合してレーザ光の射出方向に摺動する摺動部と、前記導光部と前記摺動部とに介在しレーザ光の射出方向に弾性を有する弾性部材と、この弾性部材が所定量圧縮されたことを検知するセンサーと、このセンサーの出力に応じてレーザ光を発生するレーザ発生源とを備えることを特徴とするレーザ樹脂溶着装置を提供する。
また本発明は第２の態様として、前記導光部は前記レーザ光を側方外部に透過しない筒状体であり、内部に集光レンズを備え、前期レーザ光の射出方向先端には、この先端開口部を密封すると共に、被溶着物を押圧するレーザ光透過部材を備えたことを特徴とする第１の態様に記載のレーザ樹脂溶着装置を提供する。
また本発明は第３の態様として、前記導光部は前記レーザ光を側方外部に透過せず、その内壁はレーザ光を高反射率で反射する鏡面仕上げであり、前記レーザ光の射出方向先端には、この先端開口部を密封すると共に、被溶着物を押圧するレーザ光透過部材を備えたことを特徴とする第１の態様として記載のレーザ樹脂溶着装置を提供する。
また本発明は第４の態様として、前記弾性部材は圧縮コイルばねであり、被溶着物を押圧していないときの前記圧縮コイルばねの圧縮長が調整可能となっていることを特徴とする第１乃至３のいずれかの態様として記載のレーザ樹脂溶着装置を提供する。
さらに本発明は第５の態様として、レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材と、レーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融させて接合するレーザ溶着方法であって、自身の先端部で被溶着物を押圧しつつレーザ光を射出するレーザヘッドで被溶着物を押圧し、この押圧が所定の押圧力に達したことを前記レーザヘッドで検知すると共にこの検知の情報をレーザ発生源に送信し、前記情報に基づいて前記レーザ発生源が発生したレーザ光を前記レーザヘッドが被溶着物に射出することを特徴とするレーザ樹脂溶着方法を提供する。
本発明の第１の態様によれば、このレーザヘッドの先端がワークの溶着箇所を含むその近傍のみに所定の押圧力を付与しつつレーザ溶着作業を行なうので、確実に溶着箇所の直上に押圧力を与えながら溶着できる。また、所定の押圧力に到達したことをレーザヘッドが検知してその情報をレーザ発生源が受けることでレーザ光を発射するので、確実な溶着作業を、装置を大掛りにすることなく実現できる。さらに、このレーザヘッドをロボットに装着したりハンディータイプのペン型溶着ヘッドとして使用することで、複雑な３次元形状のワークにも対応することができ、且つワークに所定の押圧力が付与されなければレーザ光が射出されないので安全な作業が行える。
本発明の第２の態様によれば、この導光部の先端をワークに押し当ててレーザ光を射出している状態でも、導光部がレーザ光の不要な反射成分の拡散を遮断するので、高い安全性が得られる。また、導光部の先端を密封しているので、溶着作業で発生するガスや塵埃等が導光部内に浸入せず、高価な集光レンズを長期間汚染されることなく使用できる。
本発明の第３の態様によれば、この導光部の先端をワークに押し当ててレーザ光を射出している状態でも、導光部がレーザ光の不要な反射成分の拡散を遮断するので、高い安全性が得られる。また、導光部の先端を密封しているので、溶着作業で発生するガスや塵埃等が導光部内に浸入せず導光部内壁の反射面が長時間汚染されることなく使用でき、さらに高価な集光レンズを使用しないので低コスト化が図れる。
本発明の第４の態様によれば、所定の押圧力に到達したことをレーザヘッドが検知してその情報をレーザ発生源が受けることでレーザ光を発射するので、確実な溶着作業を装置を大掛りにすることなく実現できる。さらに、ワークに所定の押圧力が付与されなければレーザ光が射出されないので安全な作業が行える。
次に添付図面を参照して本発明に係るレーザ樹脂溶着装置を詳細に説明する。
図１は本発明に係るレーザ樹脂溶着装置を示す側面図である。図１において符号１は作業ステージ、２は治具、３はレーザ光透過性を有する第１の樹脂部材、４はレーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材である。第１の樹脂部材３と第２の樹脂部材４は所定の溶着部位が溶着されて一つの部品を構成するものであり、所定の面が接触するように組み合わされて作業ステージ上に載置された３次元形状のワーク（被溶着物）であり、治具２はこのワークが安定するように設けられたブロックである。
また、５はレーザヘッド、６はレーザ発生源であり、両者間は光ファイバーケーブル７とセンサーケーブル８で接続されている。以上符号１〜８は図１の（ａ）および（ｂ）で共通であり、図１（ａ）ではレーザヘッド５がロボット９に装着された様子、図１（ｂ）では人手１０がレーザヘッド５を把持している様子が描かれている。
ここで、ロボット９あるいは人手１０が溶着作業を開始して、レーザヘッド５をワークの方向に押圧する。そしてその押圧力が所定の値に達すると、このレーザヘッド５内に設けたセンサーがそれを検知し、その信号をセンサーケーブル８を介してレーザ発生源６に伝達する。これを受けたレーザ発生源６がレーザ光を発生し、光ファイバーケーブル７を介してレーザヘッド５から射出するようになっている。
次に図２に基づいて本発明の一実施形態のレーザヘッドを説明する。図２はレーザヘッド５の内部構造を示す断面図であり、外郭を構成する各部品は全てが略円筒状に形成してある。ここでワークは、レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材３とレーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材４を形状を単純化して描いてある。そして、符号１１は摺動部、１２は導光部、１２Ａは導光部１２から上部に突出したシャフト、１３は止め輪１４の嵌合により摺動部１１に対して軸方向を中心とした回転は自在に、軸方向の移動は規制された状態で摺動部１１の内側に設けられた調整管である。
また、この調整管１３の上端１３Ａは周囲にローレットが刻まれ、この部分を持って調整管１３を回転させるためのダイヤルである。そして調整管１３下部の内面には雌ネジ１３Ｂが刻まれており、この雌ネジ１３Ｂにドーナッツ状の調整リング１５の外周面に刻まれた雄ネジが螺合している。さらに調整リング１５の内周面には突起１５Ａが突出しており、これが図示しないシャフト１２Ａに形成された軸方向の溝に嵌合しているので、調整リング１５はシャフト１２Ａに対して上下の移動は自在に、回転は規制された状態で設けられている。
次に、符号１６はシャフト１２Ａに貫挿された圧縮コイルばねであり、その下端は導光部１２の上面、上端は調整リング１５に当接している。したがって、ダイヤル１３Ａを回転させることで調整リング１５が上下に移動し、レーザヘッドがワークを押圧していない状態での圧縮コイルばねの圧縮長を調整することができる。また、符号７は前述した光ファイバーケーブルであり、光ジョイント部７Ａに接続されている。この光ジョイント部７Ａの下方には、シャフト１２Ａの中心軸方向に光ファイバー１７が貫挿されており、その下端１７Ａがレーザ光の射出部となっている。そして導光部１２はこの射出部１７Ａから射出されたレーザ光をワークの溶着箇所に導くものである。
導光部１２の円筒状の外郭はレーザ光を透過しない例えばアルミ合金等の金属で形成されており、その内部空間にはレンズ１８、１９が備えられている。上方のレンズ１８は射出部１７Ａから拡散して射出されるレーザ光を略平行の光束にするコリメートレンズであり、下方のレンズ１９は所定距離離隔した溶着箇所にレーザ光を集束させるための集光レンズである。また、符号２０は導光部１２の先端を密封するように設けられた強化ガラス製のレーザ光透過部材であり、この下面でワークを押圧すると共に溶着で発生するガスや塵埃が導光部１２内に浸入しないようにしている。これにより導光部１２内のレンズは汚染されないが、このレーザ光透過部材２０自体は汚染や傷の発生が予測されるので、容易に交換可能な取付け構造で導光部１２の先端に固定されている。
このような構成のレーザヘッドを使用する場合は、まず摺動部１１を把持して導光部１２の先端にあるレーザ光透過部材２０を所望の溶着箇所の直上に接触させる。その後摺動部１１をワークに向かって押し付けることにより、圧縮コイルばね１６が圧縮され摺動部１１と共に調整管１３が下方に移動する。このとき導光部１２と一体的に形成されたシャフト１２Ａは下方に移動しないので、調整管１３の内壁に備えたマイクロスイッチ２１の作用部がシャフト１２Ａの上端に当接してその信号をレーザ発生源６に伝える。このとき調整リング１５の上下方向の位置を調整しておくことで、マイクロスイッチ２１がシャフト１２Ａとの当接を検知するときの圧縮コイルばね１６の反発力、つまりワークに対する押圧力を調整することができる。
次に図３に基づいて本発明の他の実施形態のレーザヘッドを説明する。図３はレーザヘッド５の内部構造を示す断面図であり、符号２２で示す導光部以外は図２で説明した構成要素と同等なので同じ符号を付し、説明の内容も重複を避けて異なる部分のみを説明する。
本実施形態における導光部２２は円筒状の外郭を有し、その素材はレーザ光を透過しない例えばアルミ合金等の金属で形成されている。また、この円筒部の内壁は高反射率でレーザ光を反射するために鏡面仕上げが施されている。そして射出部１７Ａから拡散して射出されるランダムな射出角度のレーザ光をそのまま導光部２２の内壁で反射し、先端部のレーザ光透過部材２０まで導光する。このレーザ光透過部材２０は集光することなくレーザ光を透過するので、溶着箇所には導光部２２の開口部面積よりも若干広い面積でレーザ光が照射される。
なお、本実施形態の説明では押圧時にワークに接触するのがレーザ光透過部材２０であるため、主にスポット的に溶着を行なうのに好適な形態であるが、このレーザ光透過部材２０の周囲に低摩擦係数を有するリング状の部材やリング状のベアリング部材を追加することにより、本発明に係るレーザヘッドをスキャンさせて帯状の溶着部を形成することも可能である。
本発明の実施形態を示す側面図 本発明の実施形態を示す断面図 本発明の実施形態を示す断面図 従来の技術を示す側面図 従来の技術を示す側面図 従来の技術を示す断面図
符号の説明
１ 作業ステージ
２ 治具
３ 第１の樹脂部材
４ 第２の樹脂部材
５ レーザヘッド
６ レーザ発生源
７ 光ファイバケーブル
８ センサーケーブル
９ ロボット
１０ 人手
１１ 摺動部
１２、２２ 導光部
１３ 調整管
１４ 止め輪
１５ 調整リング
１６ 圧縮コイルばね
１７ 光ファイバ
１８ コリメートレンズ
１９ 集光レンズ
２０ レーザ光透過部材
２１ マイクロスイッチ

Claims (5)

  1. レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材と、レーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融させて接合するレーザ溶着装置であって、レーザ光を射出する射出部と、ここで射出されたレーザ光を溶着箇所の方向に導く導光部と、この導光部に嵌合してレーザ光の射出方向に摺動する摺動部と、前記導光部と前記摺動部とに介在しレーザ光の射出方向に弾性を有する弾性部材と、この弾性部材が所定量圧縮されたことを検知するセンサーと、このセンサーの出力に応じてレーザ光を発生するレーザ発生源とを備えることを特徴とするレーザ樹脂溶着装置。
  2. 前記導光部は前記レーザ光を側方外部に透過しない筒状体であり、内部に集光レンズを備え、前期レーザ光の射出方向先端には、この先端開口部を密封すると共に、被溶着物を押圧するレーザ光透過部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ樹脂溶着装置。
  3. 前記導光部は前記レーザ光を側方外部に透過せず、その内壁はレーザ光を高反射率で反射する鏡面仕上げであり、前記レーザ光の射出方向先端には、この先端開口部を密封すると共に、被溶着物を押圧するレーザ光透過部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ樹脂溶着装置。
  4. 前記弾性部材は圧縮コイルばねであり、被溶着物を押圧していないときの前記圧縮コイルばねの圧縮長が調整可能となっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ樹脂溶着装置。
  5. レーザ光透過性を有する第１の樹脂部材と、レーザ光吸収性を有する第２の樹脂部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融させて接合するレーザ溶着方法であって、自身の先端部で被溶着物を押圧しつつレーザ光を射出するレーザヘッドで被溶着物を押圧し、この押圧が所定の押圧力に達したことを前記レーザヘッドで検知すると共にこの検知の情報をレーザ発生源に送信し、前記情報に基づいて前記レーザ発生源が発生したレーザ光を前記レーザヘッドが被溶着物に射出することを特徴とするレーザ樹脂溶着方法。
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