JP2009061459A - レーザ接合方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光を照射してワーク同士の接合を行う場合に、ワークの厚さが接合ラインに沿って異なっていても、常に均一な接合を行うことができるようにする。
【解決手段】レーザ光透過性を有する接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とをレーザ光Ｌの照射により接合する前に、上記接合用ワークＷ１に対し、上記レーザ光Ｌと同波長で低出力の疑似レーザ光Ｌｇを照射すると共に、該接合用ワークＷ１を透過した疑似レーザ光Ｌｇを受光素子１１で受光することにより、その受光光量から該接合用ワークＷ１のレーザ光透過率を求め、そのあと、測定したレーザ光透過率に応じて上記レーザ光Ｌの出力を調整しながら上記接合用ワークＷ１を接合対象ワークＷ２に接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を使用してワークを接合する技術に関するものであり、更に詳しくは、レーザ光透過性を有するワークを、該ワークを通してレーザ光を照射することにより接合対象ワークに接合する技術に関するものである。
レーザ光透過性を有する合成樹脂製のワークを、該ワークを通してレーザ光を照射することにより接合対象ワークに接合する技術は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように従来より公知である。
上記特許文献１に記載された接合技術は、レーザ光透過性を有する合成樹脂製の接合用ワークと、レーザ光吸収性を有する接合対象ワークとを相互に当接させ、上記接合用ワーク側から該接合用ワークを通して上記接合対象ワークにレーザ光を照射することにより、該接合対象ワークの表面を加熱、溶融させ、それに伴って生起する接合用ワークの表面の溶融によってこれらの接合用ワークと接合対象ワークとを相互に接合するものである。
また、上記特許文献２に記載された接合技術は、レーザ光透過性を有する合成樹脂製の２つの接合用ワークを、それらの間にレーザ光吸収体を介在させて当接し、一方の接合用ワーク側からこの接合用ワークを通して上記レーザ光吸収体にレーザ光を照射することにより、該レーザ光吸収体を加熱して両接合用ワークを溶融させるか、あるいは、該レーザ光吸収体を直接溶融させて両接合用ワークの表面の溶融を生起させ、それによって上記接合用ワーク同士を相互に接合するものである。
特開２００３−１４５６２６号公報 特開２００４−１０７１号公報
このように、レーザ光透過性を有する接合用ワークを、該ワークを通してレーザ光を照射することによって接合対象ワークに接合する場合、その接合ラインに沿って接合用ワークの厚さが異なっていると、その部分でレーザ光の透過率が変化するため、均一な接合を行うことが難しい。このような問題は、接合用ワークの厚さを部分的に違えた場合には当然起こり得るが、厚さが一定であると考えられているワークであっても、実際には、成型時の型の特性等によって厚さが部分的に異なっている場合が多いため、このような問題が起こり得る。
そこで本発明の目的は、レーザ光を照射して接合用ワークを接合対象ワークに接合する場合に、接合ラインに沿って上記接合用ワークの厚さが異なっていても、その厚さの変化に応じてレーザ光の出力を調整することにより、常に均一な接合を行うことができるようにすることにある。
上記目的を達成するため、本発明のレーザ接合方法は、レーザ光透過性を有する接合用ワークを接合対象ワークに当接させ、該接合用ワーク側からレーザ光を接合ラインに沿って照射することにより、これらの接合用ワークと接合対象ワークとを相互に接合する方法において、上記接合を行う前に、上記接合用ワークを測定ステージ上に載置し、照射素子から該接合用ワークに向けて、上記レーザ光と同波長で低出力の疑似レーザ光を上記接合ラインに沿って照射位置を移動させながら照射すると共に、該接合用ワークを透過した疑似レーザ光を受光素子で受光することにより、その受光光量から該接合用ワークの上記接合ラインに沿った位置でのレーザ光透過率を求め、レーザ光透過率が測定された上記接合用ワークを、加工ステージ上において上記接合対象ワークに当接させ、測定したレーザ光透過率に応じてレーザ光の出力を調整しながら該レーザ光を上記接合ラインに沿って照射することにより、上記接合用ワークと接合対象ワークとを相互に接合することを特徴とするものである。
また、本発明のレーザ接合装置は、レーザ光透過性を有する接合用ワークと接合対象ワークとを、相互に当接させた状態で載置する加工ステージ、上記加工ステージ上の接合用ワークと接合対象ワークとに対し、接合のためのレーザ光を該接合用ワーク側から接合ラインに沿って照射するレーザヘッド、上記接合を行う前に上記接合用ワークを、レーザ光透過率を測定するために載置する測定ステージ、上記測定ステージ上の接合用ワークに対し、上記レーザ光と同波長で低出力の疑似レーザ光を上記接合ラインに沿って照射する照射素子、及び、上記接合用ワークを透過した疑似レーザ光を受光する受光素子、上記受光素子による受光光量から、上記接合用ワークの上記接合ラインに沿った位置でのレーザ光透過率を求める演算装置、上記接合用ワークと接合対象ワークとを接合する時には上記加工ステージを、また、該接合用ワークのレーザ光透過率を測定する時には上記測定ステージを、接合用ワークに対してレーザ光又は疑似レーザ光が上記接合ラインに沿って照射される方向に駆動するステージコントローラ、上記接合用ワークと接合対象ワークとをレーザ光を照射して接合する時に、測定されたレーザ光透過率に合わせて該レーザ光の出力を調整する制御装置を有することを特徴とするものである。
本発明において、上記レーザ光透過率の測定は、上記接合ライン上の複数の測定ポイントにおいて非連続的に行い、上記レーザ光による接合用ワークと接合対象ワークとの接合は、接合ライン上の上記測定ポイントに対応する位置でレーザ光透過率に合わせてレーザ光の出力を調整しながら連続的に行うことが望ましい。
本発明において好ましくは、上記照射素子が赤外線発光ダイオードであると共に、上記受光素子がフォトトランジスタであって、上記各測定ポイントにおける該フォトトランジスタの出力電圧と、該フォトトランジスタが発光ダイオードからの赤外光を直接受光したときの出力電圧との比から、上記レーザ光透過率を求めることである。
本発明によれば、接合用ワークを接合対象ワークに接合する前に、該接合用ワークの接合ラインに沿った位置でのレーザ光透過率を測定し、その測定結果に応じてレーザ光の出力を調整しながら該接合用ワークと接合対象ワークとを接合するようにしたので、上記接合ラインに沿って接合用ワークの厚さが異なっていても、常に均一な接合を行うことが可能となる。しかも、上記レーザ光透過率の測定を、レーザ光より低出力の疑似レーザ光を用いて行うようにしているため、装置が簡単でコストも安く、安全性も高いという利点がある。
図１は本発明に係るレーザ接合装置の一実施形態を略図的に示すものである。このレーザ接合装置は、接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とにレーザ光の照射による接合加工を施すための加工部１と、上記接合用ワークＷ１のレーザ光透過率を測定するための測定部２と、装置全体の動作を制御する制御部３とで構成されている。
図２及び図３に示すように、上記接合用ワークＷ１は、例えば透明なアクリル系樹脂により形成されていて、その厚さは、接合対象ワークＷ２に接合するための接合ラインＪに沿って変化している。一方、上記接合対象ワークＷ２は、レーザ光吸収性を有する不透明な樹脂によって形成されている。
上記加工部１は、上記接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とを相互に当接させてワーク積層体Ｗ０の状態で載置する加工ステージ５と、この加工ステージ５上のワーク積層体Ｗ０に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド６とを有している。
上記加工ステージ５は、制御部３のステージコントローラ１６に接続されていて、このステージコントローラ１６でＸＹ方向に駆動されるようになっており、この加工ステージ５のＸＹ方向への変位により、上記レーザヘッド６からのレーザ光Ｌが、該加工ステージ５上のワーク積層体Ｗ０に対し、上記接合ラインＪに沿って照射位置を相対的に移動させながら照射されるものである。
また、上記レーザヘッド６は、レーザ光（ＬＤ）Ｌを出力するレーザ発振器と、このレーザ光Ｌを上記ワーク積層体Ｗ０に向けて照射するための光学系とを内蔵するもので、上記レーザ発振器がレーザコントローラ１７に接続され、制御装置１５からの制御信号に基づいて、このレーザコントローラ１７で上記レーザ光Ｌの出力が調整されるようになっている。
上記レーザ発振器としては、例えば半導体レーザが好適に用いられるが、合成樹脂の接合に適するものであればそれ以外のものであっても良い。
なお、上記レーザコントローラ１７にレーザ発振器を設け、このレーザ発振器と上記レーザヘッド６とを光ファイバで接続しても良い。
いま、上記加工部１において、加工ステージ５上に載置されて相互に当接した状態に加圧、保持されたワーク積層体Ｗ０に対し、図２に示すように、上記レーザヘッド６からのレーザ光Ｌが接合用ワークＷ１の表面側から照射されると、該レーザ光Ｌは、上記接合用ワークＷ１を透過して接合対象ワークＷ２の表面７に到達し、該接合対象ワークＷ２に吸収されてその表面７を加熱、溶融させる。このため、熱伝導によって上記接合用ワークＷ１の表面８も溶融し、その結果、これらの接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とが相互に接合されることになる。この場合、上記レーザ光Ｌを図３に示すような接合ラインＪに沿って連続した線状に照射することにより、上記接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とが、この接合ラインＪに沿ってレーザ光Ｌのビーム径に対応する接合幅ａで線状に接合される。また、上記レーザ光Ｌを断続的に照射すれば、上記両ワークは点状に接合されることになる。
一方、上記測定部２は、上記接合用ワークＷ１を載置するための測定ステージ９と、該測定ステージ９上の接合用ワークＷ１に対して疑似レーザ光Ｌｇを照射する照射素子１０と、上記接合用ワークＷ１を透過した疑似レーザ光Ｌｇを受光して受光信号を出力する受光素子１１と、この受光素子１１から出力された受光信号を増幅する増幅器１２と、増幅された受光信号から上記接合用ワークＷ１のレーザ光透過率を求める演算装置１３とを有している。
上記測定ステージ９は、上記ステージコントローラ１６に接続されていて、このステージコントローラ１６でＸＹ方向に駆動されるようになっており、この測定ステージ９のＸＹ方向への変位により、図４に示すように、該測定ステージ９上の上記接合用ワークＷ１に対し、疑似レーザ光Ｌｇが、上記接合ラインＪに沿って照射位置を相対的に移動させながら照射されるものである。
なお、上記測定ステージ９は、上記接合用ワークＷ１を支持する場合に、該接合用ワークＷ１を透過した疑似レーザ光Ｌｇが受光素子１１で障害なく受光されるよう、この疑似レーザ光Ｌｇの授受の妨げとならないように構成されていることはもちろんである。
上記照射素子１０は、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）で形成することができ、また、上記受光素子１１は、フォトトランジスタで形成することができる。従ってこの場合、上記疑似レーザ光Ｌｇは赤外光ということになる。そして、上記フォトトランジスタ１１が接合用ワークＷ１を透過した赤外光を受光したときの出力電圧Ｖｘと、このフォトトランジスタ１１が発光ダイオード１０からの赤外光を直接受光したときの出力電圧Ｖｏとの比Ｖｘ／Ｖｏから、上記演算装置１３においてレーザ光透過率が求められる。例えば、上記Ｖｘが０．９４１（Ｖ）、Ｖｏが４．５６（Ｖ）であった場合、レーザ光透過率は２０．６４（％）ということになる。
上記受光素子１１は、上記レーザ光Ｌのビーム径又は該レーザ光Ｌによる接合幅ａに合った受光幅のものを使用することが望ましい。
上記レーザ光透過率の測定は、接合ラインＪに沿って連続的に行っても良いが、この実施形態においては、図５に示すように、該接合ラインＪ上の複数の測定ポイントＰについて非連続的に行われるようになっている。これらの測定ポイントＰは、接合用ワークＷ１の厚さの変化等に基づいて決められるもので、上記制御装置１５に予め設定できるようになっており、その設定に基づいて、各測定ポイントＰ毎にレーザ光透過率が自動的に算出される。
上記演算装置１３で求められたレーザ光透過率は、上記制御装置１５に送られ、この制御装置１５に保存される。この制御装置１５には、合成樹脂の種類等に応じて、接合に最適なレーザ光Ｌの出力値とレーザ光透過率との関係が予め入力されており、上記演算装置１３からレーザ光透過率が入力されると、この制御装置１５において、各測定ポイントＰ毎の最適なレーザ光Ｌの出力値が求められる。そして、ワークの接合加工時に、この制御装置１５によりレーザコントローラ１７を介して、上記各測定ポイントＰに対応する接合ラインＪ上の各位置で、レーザ光Ｌの出力が、測定されたレーザ光透過率に合わせて最適な出力値となるように調整される。
算出された上記レーザ光透過率及びレーザ光Ｌの最適な出力値は、上記演算装置１３又は制御装置１５に設けられた表示部に表示することができる。
上記構成を有するレーザ接合装置で、図２に示すような接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とを接合するときは、先ず、測定部２において、上記接合用ワークＷ１のレーザ光透過率が測定される。
即ち、該接合用ワークＷ１が図示しないローディング手段によって測定ステージ９上に載置されると、上記照射素子１０及び受光素子１１がオンになると共に、該測定ステージ９がステージコントローラ１６でＸＹ方向に駆動され、該測定ステージ９上の接合用ワークＷ１に対し、上記照射素子１０から疑似レーザ光Ｌｇが上記接合ラインＪに沿って照射され、該接合用ワークＷ１を透過した疑似レーザ光Ｌｇが受光素子１１で受光される。そして、その受光光量から、演算装置１３において、上記接合ラインＪ上の複数の測定ポイントＰにおけるレーザ光透過率が算出される。算出されたレーザ光透過率は上記制御装置１５に送られ、この制御装置１５に保存される。
上記レーザ光透過率の測定が終了すると、上記接合用ワークＷ１は、図示しない搬送手段によって加工ステージ５上に移され、接合対象ワークＷ２に当接されると共に、当接状態に加圧、保持される。そして、上記加工ステージ５がステージコントローラ１６でＸＹ方向に駆動されることにより、上記接合用ワークＷ１に対し、上記レーザヘッド６からのレーザ光Ｌが接合ラインＪに沿って照射され、その照射によってこれらの接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とが、上記接合ラインＪに沿って接合される。その際、上記制御装置１５においては、各測定ポイントＰ毎のレーザ光透過率に対応する最適なレーザ光Ｌの出力値が求められ、この出力値に基づいてレーザコントローラ１７を制御することにより、上記接合ラインＪ上の各測定ポイントＰに対応する各位置で、レーザ光Ｌの出力が上記最適な出力値となるように調整される。
この場合、上記レーザ光Ｌを接合ラインＪに沿って連続的に照射することにより、上記接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とはこの接合ラインＪに沿って線状に接合され、上記レーザ光Ｌを断続的に照射すれば、上記両ワークは点状に接合される。
かくして、予め測定したレーザ光透過率に応じてレーザ光Ｌの出力を調整しながら該接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２とを接合することにより、接合用ワークＷ１の厚さが上記接合ラインＪに沿って異なっていても、常に均一な接合を行うことが可能となる。しかも、上記透過率の測定を、レーザ光Ｌより低出力の疑似レーザ光Ｌｇを用いて行うようにしているため、装置が簡単でコストも安く、安全性も高いという利点がある。
大量生産を行う場合のように、同一構成の複数の接合用ワークＷ１を次々に接合加工する場合には、最初に接合する接合用ワークＷ１について上記レーザ透過率の測定を行い、２つ目以降の接合用ワークＷ１については、最初に測定したデータを使用して接合加工を行えば良い。しかし、各ワーク毎に個々にレーザ透過率を測定しても良いことはもちろんである。
また、上記接合用ワークＷ１の厚さが接合ラインＪに沿って直線的に変化している場合には、図５に示すように、変化部分Ｊｃの少なくとも始端と終端との２つの測定ポイントＰにおいてレーザ透過率を測定し、それから分かる厚さの変化の割合に応じてレーザ光Ｌの出力を連続的に調整しながら接合加工を施すことも可能である。
なお、図示した実施形態においては、分かり易くするため接合ラインＪが直線状をしている場合について説明したが、この接合ラインＪは、図６に示すような矩形やその他の形に折れ曲がっている場合も多く、その場合には、各角部や、角部と角部とを結ぶ中間点等に設定される測定ポイントでレーザ透過率を測定することが望ましい。
また、図示した例では、接合対象ワークＷ２がレーザ光吸収性を有する不透明な樹脂で形成されていて、この接合対象ワークＷ２をレーザ光Ｌで直接溶融させて接合用ワークＷ１と接合するようにしているが、上記接合対象ワークＷ２は、接合用ワークＷ１と同様に透明でレーザ光透過性を有するものであっても良い。この場合には、図７に示すように、上記接合用ワークＷ１と接合対象ワークＷ２との間にレーザ光吸収体１９を介在させ、接合用ワークＷ１側からこの接合用ワークＷ１を通して上記レーザ光吸収体１９にレーザ光Ｌを照射することにより、該レーザ光吸収体１９を加熱して両ワークＷ１及びＷ２を溶融させるか、あるいは、該レーザ光吸収体１９を直接溶融させて両ワークＷ１及びＷ２の表面の溶融を生起させ、それによってこれらのワークＷ１及びＷ２を相互に接合する。
上記レーザ光吸収体１９としては、薄い不透明合成樹脂シートや塗料等を用いることができる。
本発明に係るレーザ接合装置の一実施形態を示す模式的な構成図である。 上記レーザ接合装置で接合される接合用ワークと接合対象ワークの一例を示す断面図である。 図２の平面図である。 接合用ワークの断面図である。 図４の平面図である。 他の接合用ワークの平面図である。 接合用ワークと接合対象ワークとの接合方法の他例を示す断面図である。
符号の説明
Ｗ１ 接合用ワーク
Ｗ２ 接合対象ワーク
Ｌ レーザ光
Ｌｇ 疑似レーザ光
Ｊ 接合ライン
Ｐ 測定ポイント
５ 加工ステージ
６ レーザヘッド
９ 測定ステージ
１０ 照射素子
１１ 受光素子
１３ 演算装置
１５ 制御装置
１６ ステージコントローラ

Claims (6)

  1. レーザ光透過性を有する接合用ワークを接合対象ワークに当接させ、該接合用ワーク側からレーザ光を接合ラインに沿って照射することにより、これらの接合用ワークと接合対象ワークとを相互に接合する方法において、
    上記接合を行う前に、上記接合用ワークを測定ステージ上に載置し、照射素子から該接合用ワークに向けて、上記レーザ光と同波長で低出力の疑似レーザ光を上記接合ラインに沿って照射位置を移動させながら照射すると共に、該接合用ワークを透過した疑似レーザ光を受光素子で受光し、その受光光量から該接合用ワークの上記接合ラインに沿った位置でのレーザ光透過率を求め、
    レーザ光透過率が測定された上記接合用ワークを、加工ステージ上において上記接合対象ワークに当接させ、測定したレーザ光透過率に応じてレーザ光の出力を調整しながら該レーザ光を上記接合ラインに沿って照射することにより、上記接合用ワークと接合対象ワークとを相互に接合することを特徴とするレーザ接合方法。
  2. 上記レーザ光透過率の測定は、上記接合ライン上の複数の測定ポイントにおいて非連続的に行い、上記レーザ光による接合用ワークと接合対象ワークとの接合は、接合ライン上の上記測定ポイントに対応する位置でレーザ光透過率に合わせてレーザ光の出力を調整しながら連続的に行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合方法。
  3. 上記照射素子が赤外線発光ダイオードであると共に、上記受光素子がフォトトランジスタであって、上記各測定ポイントにおける該フォトトランジスタの出力電圧と、該フォトトランジスタが発光ダイオードからの赤外光を直接受光したときの出力電圧との比から、上記レーザ光透過率を求めることを特徴とする請求項２に記載のレーザ接合方法。
  4. レーザ光透過性を有する接合用ワークと接合対象ワークとを、相互に当接させた状態で載置する加工ステージ、
    上記加工ステージ上の接合用ワークと接合対象ワークとに対し、接合のためのレーザ光を該接合用ワーク側から接合ラインに沿って照射するレーザヘッド、
    上記接合を行う前に上記接合用ワークを、レーザ光透過率を測定するために載置する測定ステージ、
    上記測定ステージ上の接合用ワークに対し、上記レーザ光と同波長で低出力の疑似レーザ光を上記接合ラインに沿って照射する照射素子、及び、上記接合用ワークを透過した疑似レーザ光を受光する受光素子、
    上記受光素子による受光光量から、上記接合用ワークの上記接合ラインに沿った位置でのレーザ光透過率を求める演算装置、
    上記接合用ワークと接合対象ワークとを接合する時には上記加工ステージを、また、該接合用ワークのレーザ光透過率を測定する時には上記測定ステージを、接合用ワークに対して上記レーザ光又は疑似レーザ光が接合ラインに沿って照射される方向に駆動するステージコントローラ、
    上記接合用ワークと接合対象ワークとをレーザ光を照射して接合する時に、測定されたレーザ光透過率に合わせて該レーザ光の出力を調整する制御装置、
    を有することを特徴とするレーザ接合装置。
  5. 上記レーザ光透過率の測定は、上記接合ライン上の複数の測定ポイントにおいて非連続的に行い、上記レーザ光による接合用ワークと接合対象ワークとの接合は、接合ライン上の上記各測定ポイントに対応する位置でレーザ光透過率に合わせてレーザ光の出力を調整しながら連続的に行うように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ接合装置。
  6. 上記照射素子が赤外線発光ダイオードであると共に、上記受光素子がフォトトランジスタであって、上記各測定ポイントにおける該フォトトランジスタの出力電圧と、該フォトトランジスタが発光ダイオードからの赤外光を直接受光したときの出力電圧との比から、上記レーザ光透過率を求めるように構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザ接合装置。
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