JP2012196850A - 溶着方法及び溶着装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】照射光により部材の溶着を行う溶着技術において、照射光の反射ロスを低減し、溶着効率の高い溶着を実現する。
【解決手段】第１の部材１に光透過性のある第２の部材２を密着させ、偏向制御されたレーザ光Ｌを第２の部材２側から照射して溶着面Ｒにおいて両部材を溶着する溶着技術であって、第２の部材２の光照射面側に配設した押え板１４に設けた入射角調整ステップ１４１からなる反射率低減手段によって第１の部材１と第２の部材２の光照射面での光の入射角θ１，θ２を小さくし、光照射面でのレーザ光の反射ロスを低減して溶着効率を向上する。
【選択図】 図３

Description

本発明はレーザ光等の光を照射して被加工物を溶着する際の溶着効率を高めることが可能な溶着方法及び溶着装置に関するものである。
車両用ランプを製造する工程の一つに容器状をしたランプボディに透明な前面カバーを一体的に固着する工程があり、この固着する工程としてランプボディと前面カバーを溶着する方法が用いられている。例えば、図１のように前面を開口した容器状のランプボディ１と、このランプボディ１の当該前面開口に固着する透明な樹脂製の前面カバー２とでランプハウジングを構成する場合に、ランプボディ１の前面開口の周縁に沿ってフランジ３を設け、このフランジ３の前面と前面カバー２の周縁部４の内面（いずれも図１に点描する）を密接し、この密接面を溶着面として両者を溶着して一体化している。この溶着に際し、特許文献１では光吸収性の樹脂で形成したランプボディの前面開口上に光透過性のある樹脂で形成した前面カバーを接触状態に載置し、前面カバーの外面側から溶着面に対してレーザ光を照射することによって当該溶着面をレーザ光の光エネルギで溶融させて両者を溶着させている。また、このような溶着に際してはレーザ光を溶着面に沿って照射させることが必要とされるが、特許文献２ではＸＹ２軸回転ミラーユニット、いわゆるガルバノミラー装置を用いてレーザ光を偏向制御することにより溶着面に沿ってレーザ光を走査する技術が提案されている。
特許文献１や特許文献２の技術を用いて車両用ランプのランプハウジングを製造する溶着装置としては、例えば図２に示す溶着装置が用いられる。この溶着装置はレーザ光源１１から出射されたレーザ光をガルバノミラー等の光偏向手段１２により任意方向に向けて偏向して照射する光偏向装置１０を備える。また当該溶着装置は被溶着物であるランプボディ１を前面開口を上方に向けて配置するワーク台１３を備え、配置したランプボディ１上に前面カバー２を載置し、さらにその上に押え板１４を配設する。この押え板１４によって前面カバー２を下方に押圧し、前面カバー２の周縁部４をランプボディ１の前面開口のフランジ３に当接させる。そして、光偏向装置１０によって偏向制御したレーザ光Ｌをランプボディ１のフランジ３に沿って走査しながら照射することにより、レーザ光Ｌは押え板１４を透過し、さらに前面カバー２を透過して溶着面に照射され、当該溶着面においてランプボディ１と前面カバー２を溶着することが可能になる。この溶着装置ではレーザ光Ｌを全溶着面に対して高速で複数回照射することが可能であり、溶着面を全周にわたって同時に溶着するため高品質の溶着が短時間で実現できる。
特開２００９−５６７５５号公報 特開２００５−２５４６１８号公報
このような光偏向装置を用いた溶着装置では、レーザ光は溶着装置内において位置固定されている光偏向装置１０で偏向制御されて溶着面に対して照射されるため、光偏向装置１０に対する溶着面の相対位置の違いによって溶着面に対するレーザ光の入射角が変化されることになる。すなわち、近年の車両用ランプはデザインニーズによって車両側方に回り込む形状を採用することが多く、そのため前面カバーとランプボディの溶着面が同一平面上に配置されなくなり、光偏向装置１０から離れた箇所の溶着面ではレーザ光の入射角が大きくなる。そのため、入射角が大きくなる箇所では押え板１４の表面や前面カバー２の表面におけるレーザ光の反射率が大きくなり、前面カバー２を透過して溶着面に照射されるレーザ光の光量が低下して、いわゆる反射ロスが顕著になる。このような入射角と反射率の関係は、例えば光学分野において既に知られているところであり、入射角が所定角（この所定角はいわゆるブリュースター角に近い角であって素材の屈折率により異なり、屈折率が１．５前後のガラスにおいては４０〜６０°である）を越えたあたりから反射率が急激に増加することが認められている。このような反射ロスにより、レーザ光による溶着面での溶着効率が著しく低下し、溶着時間が長くなるとともに高い品質の溶着が得られ難いという問題が生じている。特に、前記したような回り込む形状を採用した車両用ランプの回り込み部を有するランプハウジングでは、この回り込み部におけるレーザ光の入射角が所定角を越えることが多く、反射ロスも顕著なものになっている。
本発明の目的は偏向制御した照射光の反射ロスを低減し、溶着効率の高い溶着を実現することを可能にした溶着方法と溶着装置を提供するものである。
本発明の溶着方法は、第１の部材に光透過性のある第２の部材を密着させ、光偏向装置によって偏向制御された光を第２の部材側から照射して密着した面において両部材を溶着する溶着方法であって、第２の部材の光照射面側に配設した反射率低減手段によって第２の部材に照射される光の反射率を低減することを特徴とする。
本発明の溶着装置は、第１の部材と光透過性のある第２の部材を密着状態に保持する手段と、光源から出射した光を偏向制御して第２の部材側から密着した面に照射する光偏向手段を備える溶着装置であって、第２の部材の光照射面側に配設され、照射する光の反射率を低減する反射率低減手段を備えることを特徴とする。
ここで、反射率低減手段は密着した面に入射される光の入射角を低減する光学ステップで構成される。あるいは、反射率低減手段は屈折率の異なる透光性部材を積層した構成とされる。本発明の反射率低減手段は第２の部材を第１の部材に密着させるための押え手段に形成されることが好ましい。
本発明によれば、溶着面に照射される光は反射率低減手段によって第２の部材に照射されるまでの間における反射率が低減されるので、当該第２の部材の照射面に照射される際の反射ロスが低減されて溶着効率の高い溶着が可能になる。
本発明を適用するランプハウジングの一例の斜視図。 溶着装置の全体構成を示す概念構成図。 実施形態１の押え板の要部の拡大断面図。 実施形態１の作用を説明する拡大断面図。 実施形態１の変形例１の押え板の要部の拡大断面図。 実施形態１の変形例２にかかる溶着装置の概念構成図。 実施形態１の変形例２の押え板の要部の拡大断面図。 実施形態２の押え板の要部の拡大断面図。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、図２に示したように、レーザ光を光偏向装置１０によって偏向制御して被加工物としての車両用ランプのランプボディ１と前面カバー２を溶着する例を示している。すなわち、溶着装置の光偏向装置１０はレーザ光源１１を備えており、このレーザ光源１１から出射されたレーザ光はガルバノミラー等の光偏向手段１２により偏向制御され、任意の平面方向に高速で走査されながら照射されるようになっている。なお、ガルバノミラーについては既に知られているのでここでは説明は省略する。また、前記溶着装置のワーク台１３上には溶着が行われるランプボディ１が前面開口を上方に向けて固定されており、このランプボディ１上には当該ランプボディ１に溶着される前面カバー２が載置されている。前記ランプボディ１は少なくとも溶着が行われるフランジ３の部分は光吸収性があってレーザ光によって加熱溶融される樹脂で構成されている。例えばカーボン等の光吸収性のある材料を含んだ樹脂で構成されることが好ましい。前記前面カバー２は光を透過する透明樹脂で構成されているが、加熱されたときに照射された光によって溶融可能な樹脂で構成される。そして、前記ランプボディ１のフランジ３の前面に前記前面カバー２の周縁部４の内面が位置決めされ、その上に配設した押え板１４によって前面カバー２をランプボディ１に対して押圧することで、これら前面と内面が密接されることになる。
（実施形態１）
この溶着装置を前提として、実施形態１の溶着装置は前面カバー２の上に配設した押え板１４の一部に反射率低減手段を構成している。この反射率低減手段は前記光偏向装置１０から出射されたレーザ光Ｌが前面カバー２の外面に照射される際の入射角を前記した所定角よりも小さく、ここでは４０°よりも小さくする機能を有するものである。また、この押え板１４はこれまでと同様に前面カバー２をランプボディ１に対して押圧する機能をも有しており、押え板１４の一部に設けたステム１５を図には表れない押圧機構に連結することにより、当該押圧機構を動作させたときに押え板１４が前面カバー２をランプボディ１に向けて押圧し、前記したランプボディ１のフランジ３と前面カバー２の周縁部４との溶着面での密着性を確保して好適な溶着を実現することが可能とされている。
図３は前記押え板１４の要部の拡大断面図であり、本発明の反射率低減手段を設けている図２のＡ部に相当する部分の断面図である。押え板１４は溶着に用いるレーザ光の光透過性が高く光吸収性の低い透明な材料、例えばアクリル樹脂、ＰＣ（ポリカーボネイト）樹脂、ガラス（石英ガラス等）でほぼ均一な厚みの板状部材で構成されている。なお、ここでは以降の説明を簡略化するために押え板１４のレーザ光に対する屈折率は前面カバー２の屈折率と等しいものとしている。前記押え板１４には前記溶着面Ｒ、すなわちランプボディ１のフランジ３と前面カバー２の周縁部４とが密接されている領域に沿って本実施形態１における反射率低減手段としての入射角調整ステップ１４１が形成されている。この入射角調整ステップ１４１は押え板１４の外面を凹設して板厚方向に傾斜させたテーパ部として構成したものである。このテーパ部の外面は押え板１４の外面よりも前記光偏向装置１０に向けた方向に傾斜されており、この傾斜により入射角調整ステップ１４１は光偏向装置１０から出射されたレーザ光Ｌが当該入射角調整ステップ１４１に入射する際の入射角を小さくするとともに、入射されたレーザ光Ｌを図の下方向に屈折して出射するステップとして構成される。
したがって、この押え板１４を備えた溶着装置においてランプボディ１と前面カバー２との溶着を行う際には、これまでと同様に図２に示した溶着装置のワーク台１３上にランプボディ１を配設し、その上に前面カバー２を載置し、前面カバー２の上側に配設した押え板１４で前面カバー２を押圧してランプボディ１に密接させる。このとき、押え板１４に設けた入射角調整ステップ１４１は両者の溶着面Ｒに対向するように位置決めされることは言うまでもない。そして、光偏向装置１０を駆動してレーザ光源１１からのレーザ光をガルバノミラー１２で偏向させる。これにより光偏向装置１０から出射されるレーザ光Ｌは溶着面Ｒに沿って走査されながら溶着面Ｒに対して照射される。この照射されたレーザ光Ｌは押え板１４の入射角調整ステップ１４１の入射面に照射され、この入射面で屈折されて当該入射角調整ステップ１４１を透過して出射され、さらに前面カバー２の外面に入射され、当該前面カバー２を透過してランプボディ１との溶着面Ｒに照射され、溶着が行われる。
このとき、図３に示すように、入射角調整ステップ１４１の入射面は光偏向装置１０に向けて傾斜されているので、当該入射角調整ステップ１４１に入射されるレーザ光Ｌの入射角θ１は入射角調整ステップ１４１が形成されていない場合の入射角よりも小さくなる。さらにこの入射角調整ステップ１４１はテーパ断面形状をしているので、入射角調整ステップ１４１の内面から出射されるレーザ光Ｌの出射角、すなわち前面カバー２の外面に入射されるときのレーザ光Ｌの入射角θ２も小さくなる。すなわち図４は入射角調整ステップが設けられていないときの押え板１４におけるレーザ光Ｌの入射角を示す図であり、押え板１４への入射角θ１１と前面カバー２への入射角θ１２はいずれも図３の入射角θ１，θ２よりも大きいことが判る。前述したように光が物質に入射されるときの入射面での反射率は当該入射面の光の入射角と密接な関係があり、特に入射角が前記した所定角度を越えると反射率が急激に増加する。したがって、この実施形態のようにレーザ光が入射角調整ステップ１４１によって押え板１４に入射されるときの入射角θ１と、前面カバー２に入射されるときの入射角θ２をそれぞれ所定角度よりも小さくすることで光入射に際しての反射率を低くして反射ロスを低減し、押え板１４と前面カバー２におけるレーザ光Ｌの透過性を高めることが可能になる。これによりランプボディ１と前面カバー２との溶着面Ｒに達するレーザ光Ｌの光エネルギを高めて溶着効率を高め、溶着時間の短縮及び溶着品質の向上が実現できる。
因みに、本発明者によるシミュレーションによれば、押え板１４の入射面に対するレーザ光の入射角を２５°、鉛直方向に対する溶着面の角度を４５°としたときに、入射角調整ステップ１４１が存在しない図４の場合には溶着面に照射されるレーザ光は４５．８％の効率であった。一方、図３の入射角調整ステップ１４１の入射面の傾斜角を４５°とした場合、すなわち当該入射面が鉛直方向に対して垂直方向に向けられた押え板１４を用いた場合には溶着面Ｒに照射されるレーザ光は８５．６％の効率であった。
ここで、本実施形態１の変形例１として、図５に示すように、反射率低減手段として押え板１４の内面に入射角調整ステップ１４２を形成した構成としてもよい。すなわち、押え板１４のランプボディ１のフランジ３と前面カバー２の周縁部４に対向する領域において、当該押え板１４の内面を凹設してテーパ部を形成し、このテーパ部を入射角調整ステップ１４２の光出射面として構成している。この光出射面は光偏向装置１０に向けた方向に大きな角度で傾斜させている。このようにすれば、押え板１４に入射されたレーザ光Ｌは押え板１４に入射するときの入射角θ１１は図４に示した入射角θ１１と同じであるが、入射角調整ステップ１４２から出射される際の出射角θ３は前面カバー２側に向けて大きくなるので入射角調整ステップ１４２から前面カバー２の外面に入射されるときの入射角θ４は図４の入射角θ１２よりも小さくなり、当該前面カバー２の外面での反射ロスを低減し、溶着面Ｒにおけるレーザ光の光エネルギを高めて溶着効率を高めることが可能になる。この実施形態のシミュレーションでは入射角調整ステップ１４２の出射面の傾斜角を３０°とした場合に溶着面Ｒに照射されるレーザ光は８０．９％の効率であった。
図６は本実施形態１の異なる変形例２にかかる溶着装置であり、図２と同一部分には同一符号を付してある。この溶着装置では、押え板１４Ａは平面板状をした透光板として形成されており、下動してワーク台１３上に載置したランプボディ１と前面カバー２を押圧する際に前面カバー２の上面に対して部分的に接触した状態で下方に押圧するように構成されている。この押え板１４Ａには前面カバー２を押圧したときに所定の姿勢を保つ際の案内となるように周辺位置には適宜数のガイドポスト１６が鉛直下方向に延長形成されている。レーザ光源１１から出射されたレーザ光をガルバノミラー等の光偏向手段１２により任意方向に向けて偏向して照射する光偏向装置１０を備えていることは図２の場合と同じである。
この押え板１４Ａの内面には、図７に図６のＢ部を拡大図示するように、前記ランプボディ１と前面カバー２が密着される溶着面Ｒに対向する領域に沿って入射角調整ステップ１４３を形成している。この入射角調整ステップ１４３は基本的には前記変形例１の入射角調整ステップ１４２と同様に当該押え板１４Ａの内面を凹設してテーパ部を形成し、このテーパ部を入射角調整ステップ１４３の光出射面として構成したものであり、この光出射面を光偏向装置１０に向けた方向に傾斜させている。このようにすれば、変形例１とほぼ同様に、押え板１４Ａに入射されたレーザ光Ｌは押え板１４Ａに入射するときの入射角θ１３は図４に示した入射角θ１１よりも小さくなり、さらに入射角調整ステップ１４３から出射角θ３１で出射された上で前面カバー２の外面に入射されるときの入射角θ４１は図４の入射角θ１２よりも小さくなり、当該前面カバー２の外面での反射ロスを低減し、溶着面Ｒにおけるレーザ光の光エネルギを高めて溶着効率を高めることが可能になる。この変形例２では押え板１４Ａは前面カバー２の外面に部分的に接触して押圧しているので、押え板１４Ａを平面板で構成でき、押え板１４Ａの製造が容易となり低コストに製造できる。
以上の実施形態１及びその変形例１では、押え板１４に設けた入射角調整ステップ１４１，１４２は前面カバー２に照射されるレーザ光Ｌが前面カバー２に入射する際の入射角を小さくする機能を発揮するものであり、当該押え板１４は前面カバー２に照射されるレーザ光Ｌの光路に配設されていればよいので、押え板１４は必ずしも前面カバー２の外面に直接接触されていなくてもよく、当該外面に対して離間した状態に配設されていてもよい。すなわち、変形例２のように前面カバー２の一部あるいは複数箇所において部分的に接触して押圧するように構成してもよい。
（実施形態２）
図８は本発明における反射率低減手段としての押え板１４Ｂの実施形態２を示す断面図である。この実施形態２では押え板１４Ｂは入射角調整ステップを設けてはおらず、その代わりに単板構造をした押え板１４ａに屈折率が異なる複数の透光性の薄膜をコーティング等によって積層している。ここでは、それぞれ屈折率が順次小さくなるように屈折率ｎｂ，ｎｃ，ｎｃ（ｎｂ＞ｎｃ＞ｎｄ）の第１，第２，第３の光透過膜１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを密接状態に積層している。なお、第１の光透過膜１４ｂの屈折率ｎｂは押え板１４ａ及び前面カバー２の屈折率と等しい例を示している。
この実施形態２では、押え板１４Ｂに入射されるレーザ光Ｌの入射角θ１１は実施形態１と同じであるが、レーザ光Ｌが第３〜第１の光透過膜１４ｄ，１４ｃ，１４ｂを順次透過する際に各光透過膜間での屈折率の差によって入射角が順次小さくされ、押え板１４ａへの入射角、すなわち前面カバー２の入射角θ５は図４の入射角θ１２よりも小さくなる。このように空気から前面カバー２までのレーザ光の伝播経路において、屈折率を段階的に大きくすることによって、各界面でのフレネル反射による反射ロスの総和が薄膜コートしない場合のフレネル反射による反射ロスの総和よりも少なくなる。これにより前面カバー２に照射される際のレーザ光Ｌの反射率が低減されて反射ロスが少なくなり、溶着面Ｒでの溶着効率を高めることが可能になる。
以上の実施形態では本発明の溶着方法及び溶着装置について、車両のヘッドランプのランプボディと前面カバーとを溶着する例について説明したが、ランプユニットのリフレクタと前面レンズを溶着するための溶着方法及び溶着装置であってもよく、あるいはランプを構成する部材以外の溶着方法及び溶着装置であってもよい。すなわち、本発明は第１と第２の部材を光照射によって互いに溶着するための溶着方法及び溶着装置であれば適用することが可能である。特に、光偏向装置を備えて溶着面に対してレーザ光が大きな入射角で照射させることが余儀なくされるような溶着装置に対して本発明を適用する場合に有効である。
本発明において、光偏向装置は実施形態のガルバノミラーを備える光偏向装置に限られるものではなく光を任意の方向に向けて偏向して走査する機能を有するものであれば適用可能である。さらに、本発明は溶着に用いる光はレーザ光に限られるものではなく、照射されたときに第１と第２の部材を溶着することが可能な光エネルギを備える光であれば適用できる。
本発明は第１の部材と第２の部材を密接し、第２の部材を透して光を密接した面に照射し、当該密接した面を溶着面として２つの部材を溶着する溶着方法及び溶着装置に採用することが可能である。
１ ランプボディ
２ 前面カバー
３ フランジ（溶着面）
４ 周縁部（溶着面）
１０ 光偏向装置
１１ レーザ光源
１２ 光偏向手段（ガルバノミラー）
１３ ワーク台
１４，１４Ａ，１４Ｂ 押え板
１４１，１４２，１４３ 反射率低減手段（入射角調整ステップ）
１４ａ〜１４ｄ 反射率低減手段（光透過板、光透過膜）
１５ ステム
１６ ガイドポスト

Claims (5)

  1. 第１の部材に光透過性のある第２の部材を密着させ、光偏向装置によって偏向制御された光を前記第２の部材側から照射して前記密着した面において両部材を溶着する溶着方法であって、前記第２の部材の光照射面側に配設した反射率低減手段によって前記第２の部材に照射される光の反射率を低減することを特徴とする溶着方法。
  2. 第１の部材と光透過性のある第２の部材を密着状態に保持する手段と、光源から出射した光を偏向制御して前記第２の部材側から前記密着した面に照射する光偏向手段を備える溶着装置であって、前記第２の部材の光照射面側に配設され、前記照射する光の反射率を低減する反射率低減手段を備えることを特徴とする溶着装置。
  3. 前記反射率低減手段は前記密着した面に照射される光の入射角を低減する光学ステップであることを特徴とする請求項２に記載の溶着装置。
  4. 前記反射率低減手段は屈折率の異なる透光性部材を積層した構成であることを特徴とする請求項２に記載の溶着装置。
  5. 前記反射率低減手段は前記第２の部材を前記第１の部材に密着させるための押え手段に形成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の溶着装置。

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