JP2015116781A - Laser welding apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーザ光により樹脂部材を溶着するレーザ溶着装置、レーザ溶着方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a laser welding apparatus and a laser welding method for welding a resin member with laser light.
従来、光を透過するアクリルなどの光透過性樹脂部材同士を接合する場合、当該部材間を接着剤で接着する手法や、レーザ光を用いて光透過性樹脂部材同士を溶着する手法が試みられている。レーザ光を用いて光透過性樹脂部材同士を溶着する場合、一般的には液状のレーザ吸収剤(例えば、クリアウエルド:登録商標)を接合面に塗付する方法がとられる。このレーザ吸収剤は、レーザ照射前は不透明であるが、レーザ照射後は透明となり高品位な溶着を実現できる。しかしながら、レーザ吸収剤は、有機溶剤に添加物を入れたものであり、不純物の含有を避けたい医療や電子部品関係への使用は許されない。これは、前述した接着剤も同様である。さらに、レーザ吸収剤は価格が高いことが問題となることも多い。 Conventionally, when joining light-transmitting resin members such as acrylic that transmit light, a method of bonding the members with an adhesive or a method of welding light-transmitting resin members using laser light has been attempted. ing. In the case of welding light-transmitting resin members using laser light, generally, a method of applying a liquid laser absorbent (for example, Clearweld (registered trademark)) to the bonding surface is used. This laser absorbent is opaque before the laser irradiation, but becomes transparent after the laser irradiation and can realize high-quality welding. However, the laser absorber is obtained by adding an additive to an organic solvent, and is not allowed to be used for medical or electronic parts related to avoiding the inclusion of impurities. The same applies to the adhesive described above. Furthermore, the high cost of laser absorbers is often a problem.
一方、接着剤やレーザ吸着剤を用いずに光透過性樹脂部材同士を溶着する手法も考案されている。具体的には、一方の光透過性樹脂部材の表面をサンドペーパやサンドブラストなどを用いて荒らし、レーザ光を吸収可能な不透明な状態とする。その面に対してレーザ光を照射し、熱を生じさせて溶融化させた後、当該面と他方の光透過性樹脂部材とを当接させることにより光透過性樹脂部材同士の溶着を可能にしている。 On the other hand, a technique of welding light transmitting resin members without using an adhesive or a laser adsorbent has been devised. Specifically, the surface of one of the light transmissive resin members is roughened using sand paper, sand blasting, or the like to make it an opaque state capable of absorbing laser light. After the surface is irradiated with laser light to generate heat and melt, the surface and the other light-transmitting resin member are brought into contact with each other to enable welding of the light-transmitting resin members. ing.
関連する技術に、レーザ光の照射によりレーザ光を透過する透過性樹脂部材と当該レーザ光を透過しない非透過性樹脂部材とを溶着させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a related technique, a technique is known in which a transparent resin member that transmits laser light by laser light irradiation and a non-transparent resin member that does not transmit laser light are welded (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、前述したような光透過性樹脂部材の表面をサンドペーパやサンドブラストなどにより荒らす手法をとる場合、光透過性樹脂部材の表面が全体的に荒らされ、表面全体が不透明になる。そのため、表面のうちの一部分のみを溶着させるといった選択的な溶着が困難であるという問題がある。 However, when the method of roughening the surface of the light-transmitting resin member as described above with sandpaper or sandblasting is used, the entire surface of the light-transmitting resin member is roughened and the entire surface becomes opaque. Therefore, there is a problem that selective welding such as welding only a part of the surface is difficult.
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、光透過性樹脂部材同士の選択的な溶着を可能とする、レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser welding apparatus and a laser welding method that enable selective welding of light transmitting resin members.
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、第1レーザ光を照射する第1レーザ発振器と、前記第1レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面を粗面化するための第2レーザ光を照射する第2レーザ発振器と、前記被溶着物表面に対して前記第2レーザ光を照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第1レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融するよう、前記第1レーザ発振器と前記第2レーザ発振器とを制御する制御部とを備える。 In order to solve the above-described problems, according to one embodiment of the present invention, a first laser oscillator that irradiates a first laser beam and a light-transmitting deposition target surface that transmits the first laser beam are roughened. A second laser oscillator that irradiates the second laser light, and the surface of the object to be welded is irradiated with the second laser light to roughen the surface, and then the roughened portion is subjected to the first laser light. And a control unit that controls the first laser oscillator and the second laser oscillator so as to melt the roughened portion by irradiating one laser beam.
また、本発明の一態様は、第1レーザ発振器から出射される第1レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面に対し、第2レーザ発振器から出射される該被溶着物表面を粗面化するための第2レーザ光を該被溶着物表面へ照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第1レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融する。 Further, according to one embodiment of the present invention, the surface of the object to be welded emitted from the second laser oscillator is roughened against the surface of the light-transmitted object to be transmitted that transmits the first laser light emitted from the first laser oscillator. After the surface of the object to be welded is irradiated with a second laser beam for surfaceizing and the surface is roughened, the surface of the roughened portion is irradiated with the first laser light. Melt.
本発明によれば、光透過性樹脂部材同士の選択的な溶着を実現できる。 According to the present invention, selective welding of light transmissive resin members can be realized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(装置構成)
本実施の形態に係るレーザ溶着装置の構成について説明する。図1は、本実施の形態に係るレーザ溶着装置の構成を示すブロック図である。図1に示されるように、レーザ溶着装置1は、制御部10と、レーザドライバ11a及び11bと、レーザ発振器12a(第2レーザ発振器)及び12b(第1レーザ発振器)と、光ファイバ13と、伝搬光学系14(第2光学系)と、調整ホルダ15(支持部)と、ダイクロイックミラー16(第1光学系)と、レーザ走査デバイス17(反射体、駆動部)とを備える。また、2は、レーザ溶着装置1の加工対象である被溶着物を示している。被溶着物2は、光(後述するレーザ光121a及び121bを含む)を透過する光透過性樹脂部材であり、例えばアクリルやポリカーボネートといった有機ガラスである。なお、これに限定されるものではなく、後述する2種のレーザにより表面の粗面化および溶融化可能な物質であればよく、例えば無機ガラスであってもよい。
(Device configuration)
The configuration of the laser welding apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the laser welding apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
制御部10は、レーザドライバ11a及び11bを介してレーザ発振器12a及び12bから出射されるレーザ光の発射タイミングやその強度の制御、レーザ発振器12a及び12bに備えられる図示しない冷却機構の制御、調整ホルダ15の駆動制御、及び、レーザ走査デバイス17におけるレーザ光の照射位置制御などを行うものである。例えば、制御部10としては、CPU(Central Processing Unit)やメモリ、HDD(Hard disk drive)等を有する情報処理装置が用いられる。
The
レーザドライバ11aは、図1において点線で示されるレーザ光121a(第2レーザ光)を照射するレーザ発振器12aを作動させるためのものであり、レーザドライバ11bは、図1において一点鎖線で示されるレーザ光121b(第1レーザ光)を照射するレーザ発振器12bを作動させるためのものである。
The
レーザ発振器12aは、被溶着物2が光を透過する光透過性樹脂部材であっても、その集光位置を、レーザ光121bを吸収可能な不透明な状態とする、即ち、光が散乱するよう凹凸状に荒らすこと(以後、粗面化と称する)が可能なレーザ光121aを出射するものである。換言すると、レーザ光121aは、制御部10とレーザ走査デバイス17とにより、その集光位置を被溶着物2内部に設定すれば、その内部においても荒らすことができるものである。このようなレーザ光121aとしては、例えばグリーンレーザや短パルスレーザといった固体レーザが挙げられ、その波長は被溶着物2の素材により適宜設定することが好ましい。例えば、被溶着物2がアクリルであれば、レーザ光121aの波長は532nmが好ましい。
Even if the
一方、レーザ発振器12bは、樹脂部材における集光部分を溶融可能な強度を有し、レーザ光121aとは波長が異なるレーザ光121bを照射するものである。このようなレーザ光121bとしては、半導体レーザやファイバレーザ等が挙げられ、その波長はレーザ光121aと同様に被溶着物2の素材により適宜設定することが好ましい。例えば、被溶着物2がアクリルである場合、半導体レーザを用いるのであれば、その波長は808nmや940nmが好ましく、ファイバレーザを用いるのであれば、その波長は1064nmや1070nmが好ましい。
On the other hand, the
本実施の形態においては、被溶着物2が光透過性樹脂部材であるため、レーザ光121bは、粗面化されていない通常の状態における被溶着物2を溶融できずに透過してしまう。そのため、レーザ溶着装置1は、レーザ発振器12b以外に、前述したレーザ光121aを照射可能なレーザ発振器12aを備えている。レーザ光121aで被溶着物2を予め荒らした後にレーザ光121bを照射することにより、被溶着物2表面を溶融し、他の被溶着物との溶着を可能としている。
In the present embodiment, since the object to be welded 2 is a light-transmitting resin member, the
レーザ発振器12aから出射されたレーザ光121aの光学経路は、図1に示されるように、ダイクロイックミラー16に向かって進行すると共に当該ダイクロイックミラー16を通過し、レーザ走査デバイス17へ進行するようになっている。一方、レーザ発振器12bから出射されたレーザ光121bの光学経路は、図1に示されるように、光ファイバ13内を伝搬した後に光ファイバ13と連結された伝搬光学系14を通じてダイクロイックミラー16に進行し、ダイクロイックミラー16からレーザ走査デバイス17へ進行するようになっている。レーザ走査デバイス17に入射した各レーザ光121a及び121bは、図1に示されるように被溶着物2へ照射される。
As shown in FIG. 1, the optical path of the
光ファイバ13と連結された伝搬光学系14は、光ファイバ13内を伝搬したレーザ光121bをダイクロイックミラー16へ導くための光学系であり、調整ホルダ15に固定支持されている。この調整ホルダ15は、伝搬光学系14の位置を自在に移動可能なXYZ軸の調整機構を有している。なお、制御部10により制御され、伝搬光学系14を任意に移動可能な駆動機構を更に備えるようにしてもよく、手動で伝搬光学系14の位置を変更できるように一定間隔で伝搬光学系14が係合するためのガイドを設けてもよい。本実施の形態においては、レーザ走査デバイス17を用いて被溶着物2へ各種レーザ光を照射するため、レーザ走査デバイス17へ進行する各種レーザ光の光軸を同軸上に合わせることが好ましい。前述した調整ホルダ15を用いて伝搬光学系14の位置を調整することにより、各種レーザ光の光軸を同軸上に合わせることを可能としている。
The propagation
レーザ走査デバイス17は、その内部に、2枚のミラーと当該ミラーを回転駆動する駆動機構とを備え、入射されるレーザ光121a及び121bを2枚のミラーが反射すると共に回転駆動することにより被溶着物2の任意の位置に集光させ、被溶着物2に任意の軌跡を描くものである。具体的には、本装置の使用者から入力されるレーザ光121a及び121bの軌跡データ(被溶着物2のどの部分を粗面化または溶融させるかを示す描画データ)や描画速度等に基づいて、制御部10がミラーの角度や駆動を制御する。この制御により、レーザ走査デバイス17は、入射されたレーザ光121a及び121bを用いて被溶着物2における任意の箇所を粗面化または溶融化させる。このようなレーザ走査デバイス17によれば、例えば被溶着物2に文字や図形を描画することができる。本実施の形態においては、このレーザ走査デバイス17を用いることにより、被溶着物2表面の任意の箇所を高速に粗面化または溶融化することを実現し、様々な形状の被溶着物2の溶着加工を可能としている。
The
また、本実施の形態において、レーザ光121a及び121bの波長は互いに異なる。したがって、レーザ走査デバイス17内における、これらレーザ光を反射するミラーとしては、これらレーザ光を反射可能な2波長コーティングを施したミラーを用いることが好ましい。例えば、レーザ光121aが532nm、レーザ光121bが808nmである場合、532nm/808nmのコーティング組み合わせが用いられ、レーザ光121aが532nm、レーザ光121bが940nmである場合、532nm/940nmのコーティング組み合わせが用いられる。前述したようなレーザ走査デバイス17としては、例えば、ミラーに2波長コーティングを施したガルバノスキャナが挙げられる。
In the present embodiment, the wavelengths of the
次に、ダイクロイックミラー16について図2及び図3を用いてその詳細を説明する。図2及び図3は、ダイクロイックミラーを説明するための図である。ダイクロイックミラー16は、特定の波長の光を透過し、特定の波長の光を反射する光学素子であり、本実施の形態においては、図2に示されるようにレーザ光121aを透過し、図3に示されるようにレーザ光121bを反射するミラーコーティングが施されている。例えば、レーザ光121aが532nm、レーザ光121bが808nmである場合、532nmの波長を透過し、808nmの波長を反射する532nm/808nmのコーティング組み合わせが用いられる。レーザ光121aが532nm、レーザ光121bが940nmである場合、532nmの波長を透過し、940nmの波長を反射する532nm/940nmのコーティング組み合わせが用いられる。また、ダイクロイックミラー16は、反射するレーザ光121bの光軸を、透過するレーザ光121aの光軸と合せるために伝搬光学系14に対して所定の角度が付されており、前述した調整ホルダ15による伝搬光学系14の位置調節と組み合わせてレーザ光121a及び121bの光軸の一致を実現している。
Next, details of the
以上のように構成されるレーザ溶着装置1におけるその動作を、図4〜図8を用いて説明する。図4は、本実施の形態に係るレーザ溶着方法を示すフローチャートである。図5は、被溶着物表面を粗面化する方法を説明するための図であり、図6は、被溶着物同士を溶着する方法を説明するための図である。図7は、被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図であり、図8は、被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図である。本実施の形態においては、2つの被溶着物2a及び2bを積層した状態で、これら被溶着物間を溶着する場合を例にとり、説明を行う。なお、図7及び図8において斜線で示される4は、粗面化されていない被溶着物2bにおける被溶着物2aとの当接面を示している。
The operation of the
先ず、伝搬光学系14の位置及びダイクロイックミラー16の角度が前述した適切な位置に調整された後、制御部10は使用者に対し、前述した軌跡データなどの各種データ入力を促し、各種データを取得する(ステップS101)。取得後、制御部10はレーザドライバ11aを介してレーザ発振器12aを起動し、レーザ光121aを出射させる。制御部10は、レーザ光121aの出射と共に、レーザ走査デバイス17を制御し、被溶着物2aより下方に設置された被溶着物2b表面を図5に示されるように粗面化する(ステップS102)。ここで、図5において斜線で示される3aは、被溶着物2aと被溶着物2bとの当接面のうち、被溶着物2b側の当接面においてレーザ光121aにより粗面化された粗面化部分を示す。
First, after the position of the propagation
粗面化後、制御部10はレーザ発振器12aを停止させ、レーザドライバ11bを介してレーザ発振器12bを起動し、レーザ光121bを出射させる。制御部10は、レーザ光121bの出射と共に、レーザ走査デバイス17を制御し、被溶着物2b表面を図6に示されるように溶融し(ステップS103)、本フローは終了となる。ここで、図6において網掛けで示される3bは、被溶着物2aと被溶着物2bとの当接面のうち、被溶着物2b側の当接面においてレーザ光121bにより溶融された溶融部分を示す。なお、被溶着物2b側の当接面を粗面化、溶融化させると説明したが、被溶着物2b側の当接面を粗面化、溶融化させてもよい。また、レーザ光121a及び121bは、積層された被溶着物における何れの側(被溶着物2a側または2b側)から照射されてもよいことは言うまでもない。
After the roughening, the
本実施の形態によれば、レーザ光121bを透過する被溶着物であっても、前処理としてレーザ光121aにより被溶着物表面を粗面化させることにより、レーザ光121bを吸収可能な状態とすることができる。したがって、当該粗面化箇所にレーザ光121bを照射することで他の被溶着物と溶着可能に当該粗面化箇所を溶融することができ、接着剤やレーザ吸着剤を用いずとも、光透過性の被溶着物同士を容易に且つ低コストに溶着することができる。即ち、本実施の形態により作成された被溶着物は、環境に配慮した規格や医療といった衛生面に厳しい規格を満足することができる。また、レーザ光121aを用いて粗面化部分3aを形成するため、図7及び図8に示されるように、当接面4においては溶融部分3bを形成したい箇所(溶着させたい箇所)以外に粗面化部分3aが形成されることはない。即ち、粗面化部分3aを局所的に精度良く形成することができる。したがって、上方の被溶着物2aと下方の被溶着物2bとの溶着部分を任意の形状とすることが可能となる。また、被溶着物2を積層させた状態においてその溶着を行うことができるため、予め表面を荒らすといった前処理を必要としない。更に、サンドブラストを用いる場合と比較して、粗面化工程における騒音を低減することも可能となる。
According to the present embodiment, even in the case of an object to be welded that transmits the
(応用例)
本実施の形態においては、レーザ光121aにより被溶着物2bの表面を荒らした後、レーザ光121aの照射を停止し、レーザ光121bの照射へ移行すると説明したが、レーザ光121a及び121bを同時に照射し、連続的に照射し続けることにより粗面化と溶融化を同時進行させるようにしてもよい。レーザ光121a及び121bの光軸は同軸上にあるため、被溶着物2bにおける同一の箇所にレーザ光121a及び121bが同時に照射される。したがって、粗面化するまではレーザ光121bが透過するものの、粗面化した後はレーザ光121bにより溶融化が生じることとなる。このように構成することにより、溶着加工時間を大幅に減少させることができ、タクトタイムの改善を図れる。また、レーザ光121bのみを連続的に照射し、その箇所にレーザ光121aを照射するようにしてもよい。この場合も、レーザ光121a及び121bを同時に照射した場合と同様、粗面化と溶融化を同時進行させることができ、同様の効果を得ることができる。
(Application examples)
In the present embodiment, it has been described that the surface of the object to be welded 2b is roughened by the
また、ダイクロイックミラー16を用いて2種のレーザ光の光軸を同軸上とすると説明したが、これに限定されるものではなく、レーザ走査デバイス17により2種のレーザ光を被溶着物2へ照射できるものであれば、どのような光学系を用いてもよい。また、レーザ走査デバイス17についても、2種のレーザ光を反射可能なミラーと当該ミラーを駆動する機構を有するものであればよい。
In addition, although it has been described that the optical axes of the two types of laser beams are coaxial using the
また、本実施の形態においては、2種のレーザ光を被溶着物に照射するために、光ファイバ13や伝搬光学系14、ダイクロイックミラー16、レーザ走査デバイス17をレーザ溶着装置1が備えると説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ発振器12a及び12bが移動可能な駆動系を構築し、直接、被溶着物2へレーザ光121a及び121bが照射されるようにしてもよく、被溶着物2へレーザ光121a及び121bが照射される構成であれば、どのような構成であってもよい。
Further, in the present embodiment, it is described that the
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。 The present invention can be implemented in various other forms without departing from the gist or main features thereof. Therefore, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is shown by the scope of claims, and is not restricted by the text of the specification. Moreover, all modifications, various improvements, substitutions and modifications belonging to the equivalent scope of the claims are all within the scope of the present invention.
1 レーザ溶着装置
2,2a,2b 被溶着物
3a 粗面化部分
3b 溶融部分
4 当接面
10 制御部
12a,12b レーザ発振器
14 伝搬光学系
15 調整ホルダ
16 ダイクロイックミラー
17 レーザ走査デバイス
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面を粗面化するための第2レーザ光を照射する第2レーザ発振器と、
前記被溶着物表面に対して前記第2レーザ光を照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第1レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融するよう、前記第1レーザ発振器と前記第2レーザ発振器とを制御する制御部と
を備えることを特徴とするレーザ溶着装置。 A first laser oscillator for irradiating the first laser beam;
A second laser oscillator for irradiating a second laser beam for roughening a surface of a light-transmitting welded material that transmits the first laser beam;
After irradiating the surface of the object to be welded with the second laser light to roughen the surface, the roughened portion is irradiated with the first laser light to melt the roughened portion. A laser welding apparatus comprising: a control unit that controls the first laser oscillator and the second laser oscillator.
を更に備えることを特徴とする請求項1または請求項2記載のレーザ溶着装置。 The first optical system for guiding the optical axis of the first laser light and the optical axis of the second laser light coaxially to the welding object is further provided. The laser welding apparatus according to 2.
前記第2光学系の位置を移動自在に支持する支持部と
を更に備えることを特徴とする請求項3または請求項4記載のレーザ溶着装置。 The second laser beam guides either the first laser beam or the second laser beam to the first optical system so that the optical axis of the first laser beam and the optical axis of the second laser beam are coaxially aligned. Optical system,
The laser welding apparatus according to claim 3, further comprising: a support portion that movably supports the position of the second optical system.
前記反射体により反射された第1レーザ光および前記第2レーザ光が、前記被溶着物へ向かうよう該反射体を回転駆動する駆動部
を更に備えたことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のレーザ溶着装置。 The first laser light and the second laser light are guided to a rotatable reflector,
The drive part which rotationally drives this reflector so that the 1st laser beam reflected by the said reflector and the said 2nd laser beam may go to the said to-be-welded object is characterized by the above-mentioned. The laser welding apparatus according to any one of the above.
前記駆動部は、前記第2レーザ光の前記被溶着物表面に対する照射に追従して、該被溶着物表面における粗面化部分に対して前記第1レーザ光が照射されるよう前記反射体を回転駆動することを特徴とする請求項6記載のレーザ溶着装置。 The control unit controls the first laser oscillator and the second laser oscillator to continuously irradiate the second laser light together with the first laser light;
The drive unit follows the irradiation of the surface of the object to be welded with the second laser light, and causes the reflector to irradiate the roughened portion on the surface of the object to be welded with the first laser light. The laser welding apparatus according to claim 6, wherein the laser welding apparatus is driven to rotate.
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