JP2010214856A - レーザ溶着方法および同方法を用いて形成した筐体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、レーザ光を透過しやすい透過部材、レーザ光を吸収しやすい吸収部材はそのままに、どのような形状の重ね合わせ面でも安定してレーザ溶着させることができるレーザ溶着方法および同溶着方法を用いて形成した筐体を提供する。
【解決手段】本発明のレーザ溶着方法は、第１の接合部材３と第２の接合部材２の重ね合わせ面５，６の端側から、第２の接合部材の重ね合わせ面端にレーザ光を照射し、同レーザ光の吸収による発熱で第２の接合部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で第1の接合部材の重ね合わせ面を溶かし、第1の接合部材と第２の接合部材の重ね合わせ面間を溶着する。本発明の筐体は、重ね合わせた重ね合わせ面の端側から、第２の筐体構成部材の重ね合わせ面端にレーザ光を照射することにより、レーザ光の吸収による発熱で第２の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で第１の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶かし、第1の筐体構成部材と第２の筐体構成部材の重ね合わせ面間を溶着させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光を透過しやすい部材とレーザ光を吸収しやすい部材とを溶着するレーザ溶着方法および同方法を用いて形成した筐体に関する。

２つの樹脂部材を接合する技術として、レーザ溶着方法が知られている。このレーザ溶着方法は、レーザ光を透過しやすい透過部材（例えば透明樹脂部材）と、レーザ光を吸収しやすい吸収部材（例えばカーボンフィラーなど、レーザ光を吸収し熱に換える所定の材料を含有させた樹脂部材）とを用いて行なう。これは、透過部材と吸収部材とを重ね合わせ、レーザ光を、重ね合わせた両部材の重ね合わせ面と直交する方向から吸収部材の重ね合わせ面へ照射することにより行なわれる。このため、通常、レーザ溶着は、レーザ光を、透過部材を通して、吸収部材の重ね合わせ面（界面間）へ照射させる手法を用いている。

同レーザ溶着は、レーザ光が、透過部材を透過して吸収部材の重ね合わせ面（表面）に到達することで、レーザ光を吸収して熱に換わり、吸収部材の重ね合わせ面を溶解させる。このときの熱の伝播で、相手側の透過部材の重ね合わせ面が溶ける。この吸収部材と透過部材との双方が溶融しあうことで、２つの樹脂部材間を溶着させるものである。こうしたレーザ溶着は、各種樹脂製の筐体の形成や、光電センサなど電子機器の本体なす筐体の形成（封止を含む）などに多く用いられる。

ところで、同レーザ溶着は、レーザ光を、透過部材を透過して、吸収部材の重ね合わせ面へ到達させて吸収部材を溶解させ、そのときの熱を利用して透過部材を溶融させるため、レーザ溶着部分の性能は、透過部材に左右されやすい。つまり、透過部材は、重ね合わせ面からレーザ光が入射する地点までの光路が長い形状や、レーザ光が入射する地点にレーザ光の散乱をきたす部分(例えば面取りやアール部など)を有していると、レーザ光の減衰や屈折や反射による外乱により、光エネルギーが変化し、吸収部材の重ね合わせ面での溶解が安定しなくなる。このため、レーザ溶着が安定して行なえず、接合強度が確保されなくおそれがある。特に重ね合わせ面が３次元的な形状で形成されていると、その傾向が強く表れ、安定したレーザ溶着が期待できない。

センサなど各種機器で用いられる筐体は、合わせ面（重ね合わせ面）が３次元的に変化する傾向にあるので、レーザ光が透過する光路が大きく変わりやすく、接合強度が確保しにくい難点がある。
そこで、特許文献１に開示されているように透過部材や吸収部材などに、当初の重なり合う重ね合わせ面の他に、重ね合わせ面とは直交する方向で嵌まり合う重ね合わせ面をそれぞれ形成して、別の経路でレーザ光を吸収部材に到達させることが考えられている。

特開２００７−２５３４１６号公報

しかしながら、同技術は、透過部材や吸収部材に、別途、別な方向で重なり合う重ね合わせ面を形成するため、透過部材や吸収部材の剛性強度が損なわれる。そのため、透過部材や吸収部材は、重ね合わせ面の追加に応じて外形を大きくしないと、剛性強度が確保できない問題があり、製品に対応しきれない。しかも、重ね合わせ面の追加のため、コスト的な負担が強いられる問題もあり、透過部材に左右されずに溶着できるレーザ溶着が要望されている。

そこで、本発明の目的は、レーザ光を透過しやすい透過部材、レーザ光を吸収しやすい吸収部材はそのままに、どのような形状の重ね合わせ面でも安定してレーザ溶着させることができるレーザ溶着方法および同溶着方法を用いて形成した筐体を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、重ね合わせた第１の接合部材（透過部材）と第２の接合部材（吸収部材）の重ね合わせ面の端側から、第２の接合部材の重ね合わせ面端にレーザ光を照射し、同レーザ光の吸収による発熱で第２の接合部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で第1の接合部材の重ね合わせ面を溶かし、第1の接合部材と第２の接合部材の重ね合わせ面間を溶着するものとした。

これにより、第1の接合部材と第２の接合部材のレーザ溶着は、第1の接合部材に依存せずに、第２の接合部材への直接的なレーザ光の照射によって行なわれる。このため、たとえ第１の接合部材、第２の接合部材の重ね合わせ面が複雑な形状、例えば三次元的に形成されていたとしても、レーザ光の減衰や外乱は抑えられるから、レーザ光により良好に重ね合わせ面間の溶着が行える。つまり、どのような形状の重ね合わせ面でも、安定してレーザ溶着される。

請求項２に記載の発明は、さらに効果的にレーザ溶着が行なえるよう、レーザ光が照射される部位は、外部に臨む、第２の接合部材の重ね合わせ面端をなす端面部分とした。
請求項３に記載の発明は、さらに接合強度が各部で確保されやすいよう、更に、第１の接合部材と第２の接合部材の重ね合わせ面間は、重ね合わせ面と直交する方向から、第１の接合部材を通して第２の接合部材の重ね合わせ面にレーザ光を照射することで行なわれるレーザ溶着を併用して溶着した。

請求項４に記載の発明は、さらに、どのような形状の重ね合わせ面もつ筐体でも、レーザ溶着で安定して溶着された構造となるよう、筐体は、重ね合わせた重ね合わせ面の端側から、第２の筐体構成部材の重ね合わせ面端にレーザ光を照射することにより、同レーザ光の吸収による発熱で第２の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で第１の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶かし、第1の筐体構成部材と第２の筐体構成部材の重ね合わせ面間を溶着させるものとした。

請求項５に記載の発明は、さらに効果的にレーザ溶着が行なえるよう、レーザ光が照射される部位は、外部に臨む、第２の筐体構成部材の重ね合わせ面端をなす端面部分とした。
請求項６に記載の発明は、さらに接合強度が筐体各部で確保されやすいよう、更に、第１の筐体構成部材と第２の筐体構成部材の重ね合わせ面間は、重ね合わせ面と直交する方向から、第１の筐体構成部材を通して第２の筐体構成部材の重ね合わせ面にレーザ光を照射することで行なわれるレーザ溶着を併用して溶着した。

請求項１の発明によれば、第１の接合部材と第２の接合部材のレーザ溶着は、第２の接合部材への直接的なレーザ光の照射によって行なわれるから、たとえ重ね合わせ面の形状が三次元的など複雑な形状で形成されていても、レーザ光の減衰や外乱は抑えられ、常に安定した状態で溶着が行なえる。
したがって、どのような形状の重ね合わせ面でも、安定して重ね合わせ面間をレーザ溶着することができる。しかも、透過部材、吸収部材は、そのままですむから、第１の接合部材、第２の接合部材が大形化したり、コスト的な負担が強いられたりすることはない。

請求項２に記載の発明によれば、各接合部材の重ね合わせ面は、レーザ光により効果的に溶融されるので、さらに効果的にレーザ溶着を行なうことができる。
請求項３の発明によれば、さらに第１の接合部材を通して第２の接合部材の重ね合わせ面に照射されたレーザ光によるレーザ溶着の併用により、重ね合わせ面間では、各部に応じた接合強度が確保できる。

請求項４の発明によれば、どのような形状の重ね合わせ面もつ第１，２の筐体構成部材でも、レーザ光の減衰や外乱が抑えられる直接的なレーザ光の照射により、常に筐体は、筐体構成部材の形状に関わらず、レーザ溶着で安定して接合された構造となり、安定した接合強度、良好な封止性能が確保できる。
請求項５の発明によれば、各筐体構成部材の重ね合わせ面は、レーザ光により効果的に溶融されるので、各部が効果的にレーザ溶着された筐体を得ることができる。

請求項６の発明によれば、さらに第１の筐体構成部材を通して第２の筐体構成部材の重ね合わせ面に照射されたレーザ光によるレーザ溶着の併用により、筐体は、各部に応じた接合強度が確保できる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶着方法でレーザ溶着される筐体の分解斜視図。 同レーザ溶着方法を説明する斜視図。 同方法と対比して従来のレーザ溶着の不安定さを説明する断面図。 同方法でレーザ溶着された筐体各部の溶着状態を説明する断面図。 同レーザ溶着により形成された筐体の全体を示す斜視図。 カバーがケースから突き出ているときの溶着状態を説明する断面図。 本発明の第２の実施形態の要部となる２種類のレーザ溶着で重ね合わせ面を部位別に溶着した筐体の斜視図。 本発明の第３の実施形態の要部となる１部位に２種類のレーザ溶着を用いて重ね合わせ面を溶着した筐体の斜視図。

以下、本発明を図１ないし図６に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、本発明のレーザ溶着方法が適用される筐体、例えば光電センサのセンサケース１の分解図を示している。このセンサケース１は、例えば前面側の一部を段状といった複雑な３次元的形状に大きく切欠いた樹脂製の箱形状のケース２（本願の第２の接合部材、第２の筐体構成部材に相当）と、この切欠いた部分を補う半箱形状の樹脂製のカバー３（本願の第１の接合部材、第１の筐体構成部材に相当）とを有する。同センサケース１は、ケース２の切欠き部２ａに、カバー３が嵌まり合うことで形成される。このセンサケース１内に、各種機器を搭載した回路基板４が収められる。

センサケース１のうち、カバー３は透過部材、例えば透明な樹脂部材から形成される。ケース２は吸収部材、例えば着色樹脂部材から形成され、カバー３に比してレーザ光の吸収率が高い部材で形成してある。つまり、透明なカバー３は、レーザ光を透過し、ケース２は、レーザ光を吸収し熱に換える色材を含有している。好適にはカバー３は可視光線を透過するよう構成され、透明なカバー３を通じて、回路基板４から投光が行なわれたり受光が行なわれたり、光電センサの確認表示が行なわれたりする。

これらケース２、カバー３は、カバー３のレーザ光を透過する性質を用い、ケース２のレーザ光が吸収し熱に換える性質を用いて、レーザ溶着させてある。
この場合、レーザ光の照射により、互いに重なり合う、ケース２の段状となった切欠き部２ａの縁部全周で形成される環状の重ね合わせ面５と、同重ね合わせ面５と重なるカバー３の段状となった後端部（形状補間のため）の縁部全周で形成される環状の重ね合わせ面６とを溶着する。

このとき、通常のレーザ溶着の方法だと、図３に示されるようにレーザ光ａを、カバー３の壁部３ｂを透過させてケース２の重ね合わせ面５へ照射して（重ね合わせ面５，６と直交する方向からの照射）、ケース２の重ね合わせ面５を溶解させ、その熱でカバー３の重ね合わせ面６を溶かして、相互に溶融しあうため、重ね合わせ面５に到達するレーザ光量は、カバー３の形状に左右される。例えば図１および図２に示される半箱形状のカバー３の場合、３次元的に変化する重ね合わせ面６の形状となるため、一部にはレーザ光ａが入射する地点から重ね合わせ面６上のレーザ光ａが到達する地点までの光路αが長くなる部位が有ったり、一部には面取り（図示しない）やアール部３ａなどが形成されていたりする。このような場合、レーザ光ａが透過する際、減衰したり、屈折や反射により外乱が生じたりして、重ね合わせ面５に与える光エネルギーが減少するため、ケース２の重ね合わせ面５における溶解（発熱）が不安定となり、不安定なレーザ溶着となってしまう。

そこで、ケース２とカバー３のレーザ溶着には、こうした不安定さを招きやすい、カバー３を透過させてレーザ光ａをケース２の重ね合わせ面５に照射させる手法でなく、図２および図４に示されるようなカバー３を透過させず、レーザ光ａをケース２に直接照射することにより、ケース２の重ね合わせ面５を溶解させて、カバー３とレーザ溶着させる方法を採用している。

同レーザ溶着方法を説明すると、まず、図２に示されるようにケース２の切欠き部２ａにカバー３を嵌め合わせ、段状の切欠き部２ａの縁部で形成される複雑な形状の重ね合わせ面５と、カバー３後部の段状部分３ｃの縁部で形成される複雑な形状の重ね合わせ面６とを重ね合わせる。重ね合わせ面５と重ね合わせ面６とは密着させておく（レーザ溶着が損なわれないため）。このときケース２内には回路基板４が収めてある。

その後、レーザ出射部８（例えば半導体レーザ部などで構成される）を用い、図２および図４（ａ）〜（ｄ）に示されるようにレーザ光ａをケース２およびカバー３の重ね合わせ面５，６の端側、ここでは重ね合わせ面５，６の面方向と略同じ方向から出射し、ケース２の重ね合わせ面５の端にレーザ光ａを照射する。このときレーザ光ａは、重ね合わせ面５，６の端の双方を照射してもかまわない（カバー３ではレーザ光ａが透過するため）。ここでは、効果的にレーザ溶着が行なわれるよう、重ね合わせ面５の端をなす端面部分２ｂ（角部分：図１）に照射する。レーザ出射部８は、図２中の一点鎖線に示されるように重ね合わせ面５，６のラインに沿って移動し、重ね合わせ面５端を連続的に照射する。

すると、複雑な形状の重ね合わせ面５，６の各部、具体的には図２中のＡ〜Ｄ部位といった切欠き部２ａの前部域、右側部域、後部域、左側部域のいずれの重ね合わせ面部分でも、同じように良好にレーザ溶着が行なわれる。
すなわち、重ね合わせ面５端は、レーザ光ａの吸収により発熱し、重ね合わせ面５を溶解させる。この熱の伝播により相手側の重ね合わせ面６端は溶ける。これらケース２とカバー３との双方の樹脂が溶融しあい、重ね合わせ面５，６間が溶着される。このレーザ溶着が、カバー３の段状部分３ｃの全周、ケース２の切欠き部２ａの全周で連続的に行われ、３次元的形状となった複雑な重ね合わせ面５と同じく重ね合わせ面６とが溶着される。図４（ａ）〜（ｄ）中のＸ部は溶着した部分を示す。溶着は、図６に示されるようにカバー３の表面がケース１の表面から突き出るように嵌まる場合でも同じである。

これにより、図５に示されるようにセンサケース２（筐体）が組み上がる。
こうしたケース２、カバー３の重ね合わせ面５，６の端側から、ケース２の重ね合わせ面５端をレーザ光ａで照射するレーザ溶着方法は、不安定なレーザ溶着を招きやすい通常の手法、すなわち重ね合わせ面５，６と垂直な向きからカバー３内を透過させてレーザ光ａを照射するというカバー３に依存した方法でなく、ケース２へ直接的にレーザ光ａを照射させるので、たとえ図１および図２に示されるように重ね合わせ面５，６の形状が三次元的になり、カバー３の壁部３ｂが大きく変動したり、同壁部３ｂに散乱しやすい部分が形成されることがあっても、常に重ね合わせ面５の各部は安定した光エネルギーのもとで溶解される。このため、図４（ａ）〜（ｄ）に示されるように重ね合わせ面５，６は、どの部位においても良好に溶着される。

それ故、同レーザ溶着方法は、レーザ光ａの減衰や外乱の影響を受けずにすむので、レーザ光ａを透過するカバー３、レーザ光ａを吸収するケース２はそのままに、どのような重ね合わせ面５，６の形状でも、常に安定してケース２とカバー３とをレーザ溶着させることができる。特にケース３の重ね合わせ面５端をなす端面部分２ｂ（角部）にレーザ光ａを照射すると、効果的に重ね合わせ面５の溶融がなされるので、さらに効果的なレーザ溶着が約束できる。しかも、同方法は簡単である。そのうえ、ケース２やカバー３は、変更を強いずにすむので、ケース２やカバー３が大形化したり、ケース２やカバー３の成形コストの負担が増えたりすることはない。

またセンサケース１（筐体）を形成する場合、重ね合わせ面５，６は、どのような形状でも、直接的なレーザ光ａの照射によってレーザ溶着されるから、センサケース１は、常に安定した溶着が施される。このため、どのようなセンサケース１（筐体）でも、安定した接合強度や、良好な封止性能が確保できる。つまり、直接的なレーザ光ａの照射によって行なうレーザ溶着は、複雑な形状の筐体には好適である。

図７は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のように直接的なレーザ光ａの照射だけで、ケース２の重ね合わせ面５とカバー３の重ね合わせ面６の全てをレーザ溶着させたのではなく、一部の重ね合わせ面６の部位については、通常のレーザ溶着、すなわち重ね合わせ面５，６とは直交する方向から、カバー３を透過して、レーザ光ｂをケース２の重ね合わせ面５に到達させる手法を用いて溶着させたものである。

ここでは、例えば図７（ａ）に示されるように重ね合わせ面５，６の前部域Ａ、右側部域Ｂ、後部域Ｃ、左側部域Ｄのうち、例えば光路長が短く、レーザ光が散乱する部分の無い、図７（ｃ）に示される右側部域Ｂの下部の奥行き寸法の短い上下域Ｙや同領域と勝手反対となる左側部域Ｄとなる上下域だけ、図７（ｃ）に示されるように重ね合わせ面５，６とは直交する方向からレーザ光ｂを照射して、同レーザ光ｂを、カバー３を通してケース２の重ね合わせ面５に到達させて、ケース２の重ね合わせ面５を溶融、さらに熱の伝播でカバー３の重ね合わせ面６を溶かして、重ね合わせ面５，６を溶着させている。図７（ａ）中の一点鎖線Ｚは、そのレーザ光ｂの照射により溶着された部分を示している。他の重ね合わせ面５，６の領域については、第１の実施形態と同じく直接的なレーザ光ａの照射により溶着させている。

こうした直接的なレーザ光ａの照射でレーザ溶着させる技術と、カバー３を通してケース２の重ね合わせ面６にレーザ光ｂを照射してレーザ溶着させる技術との併用は、ケース２とカバー３の接合強度を部位別に変えたりするのに有効である。むろん、レーザ光ｂの照射は、上記領域に限らず、他の領域に用いてもよい。
図８は、本発明の第３の実施形態を示す。

本実施形態は、第２の実施形態のように重ね合わせ面５，６の領域の一部を、直接的なレーザ光ａの照射によるレーザ溶着から、カバー３を通してレーザ光ｂを照射するレーザ溶着に代えるという併用の仕方ではなく、同一の重ね合わせ面５，６の領域に、双方のレーザ溶着を施すという併用の仕方を採用したものである。
具体的には、例えば図８（ａ），（ｂ）に示されるように重ね合わせ面５，６のうち、前部域Ａだけに、直接的なレーザ光ａの照射によって行なうレーザ溶着と、カバー３を通したレーザ光ｂの照射によって行なうレーザ溶着との双方を施したものである。

こうした併用の仕方は、図８（ｂ）に示されるように重ね合わせ面５，６の内外方向に対して、直接的なレーザ光ａによって形成された溶着部Ｘと、カバー３を通したレーザ光ｂによって形成された溶着部Ｙとが二重（二条）に配置されるので、格段にケース２とカバー３の接合強度を高めたり、格段に封止性を高めたりするには有効である。
但し、第２，３の実施形態において、第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した実施形態は、前面側の一部を切欠いたケースと、同切欠いた部分を補う形状のカバーとを溶着する場合を例に挙げたが、これに限らず、他の機器の２つの部材を接合したり、２つの筐体構成部材を接合したりするときにも本発明を適用してもよい。むろん、上述した実施形態では光電センサを例に挙げたが、これに限らず、他の電子機器の部材の接合に用いてもよいことはいうまでもない。

１ センサケース（筐体）
２ ケース（第２の接合部材、第２の筐体構成部材）
２ｂ 端面部分
３ カバー（第１の接合部材、第１の筐体構成部材）
５，６ 重ね合わせ面
ａ，ｂ レーザ光

Claims (6)

1. 第１の接合部材と前記第１の接合部材に比してレーザ光の吸収率が高い部材で形成された第２の接合部材とを重ね合わせ、レーザ光の照射により、重ね合わせた両接合部材の重ね合わせ面を溶着するレーザ溶着方法であって、
   前記重ね合わせ面の端側から、前記第２の接合部材の重ね合わせ面端に前記レーザ光を照射して、同レーザ光の吸収による発熱で前記第２の接合部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で前記第1の接合部材の重ね合わせ面を溶かし、前記第1の接合部材と第２の接合部材の重ね合わせ面間を溶着する
   ことを特徴とするレーザ溶着方法。
2. 前記レーザ光が照射される部位は、前記第２の接合部材の重ね合わせ面端をなす端面部分であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着方法。
3. 更に、前記第1の接合部材と第２の接合部材の重ね合わせ面間は、前記重ね合わせ面と直交する方向から、前記第１の接合部材を通して前記第２の接合部材の重ね合わせ面にレーザ光を照射することで行なわれるレーザ溶着を併用して溶着される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ溶着方法。
4. レーザ光を透過する部材で形成された第１の筐体構成部材と、前記第１の筐体構成部材に比してレーザ光の吸収率の高い部材で形成された第２の筐体構成部材とを有し、前記第１の筐体構成部材と前記第２の筐体構成部材とを重ね合わせ、レーザ光の照射で、両筐体構成部材の重ね合わせ面をレーザ溶着して形成される筐体であって、
   前記筐体が、前記重ね合わせた重ね合わせ面の端側から、前記第２の筐体構成部材の重ね合わせ面端に前記レーザ光を照射することにより、同レーザ光の吸収による発熱で前記第２の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶解させ、同熱の伝播で前記第１の筐体構成部材の重ね合わせ面を溶かし、前記第1の筐体構成部材と第２の筐体構成部材の重ね合わせ面間を溶着させてなる
   ことを特徴とする筐体。
5. 前記レーザ光が照射される部位は、前記第２の筐体構成部材の重ね合わせ面端をなす端面部分であることを特徴とする請求項４に記載の筐体。
6. 更に、前記第1の筐体構成部材と第２の筐体構成部材の重ね合わせ面間は、前記重ね合わせ面と直交する方向から、前記第１の筐体構成部材を通して前記第２の筐体構成部材の重ね合わせ面にレーザ光を照射することで行なわれるレーザ溶着を併用して溶着される
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の筐体。

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