JP2017220634A - 皮膜除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁皮膜層における絶縁被覆物質の厚さがばらついていても、皮膜残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線ごとに皮膜除去完了を判断する。【解決手段】実施形態に係る皮膜除去装置１は、レーザ光線１１の照射により電線６０の絶縁皮膜層６１を除去する皮膜除去装置１であって、電線６０からの熱放射光及び反射光を受光する受光部３０と、受光した熱放射光及び反射光を基に、値Ｘ＝（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）を算出し、値Ｘが所定の閾値以下であるとき除去完了と判断する判断部４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、皮膜除去装置に関するものであり、例えば、電線の絶縁皮膜層をレーザ光線の照射により除去する皮膜除去装置に関する。

絶縁皮膜層で被覆された平角線に局部的にレーザ光線を照射することにより、絶縁皮膜層における絶縁被覆物質をレーザ光線のエネルギーで昇華させて除去する絶縁皮膜除去装置が、特許文献１に開示されている。

特開２０００−０２３４２８号公報

絶縁被覆物質の厚さには、ばらつきがあるため、予め設定された一定の加工条件では、皮膜残りが発生したり、銅線にダメージが入ることがある。絶縁被覆物質を除去した部分をこのまま後工程で接合すると、溶接不良や電気抵抗のばらつきが生じることとなる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、絶縁皮膜層の厚さがばらついていても、皮膜残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線ごとに皮膜除去完了を判断することができる皮膜除去装置を提供する。

本発明の一態様に係る皮膜除去装置は、レーザ光線の照射により電線の絶縁皮膜層を除去する皮膜除去装置であって、前記電線からの熱放射光及び反射光を受光する受光部と、受光した前記熱放射光及び前記反射光を基に、値Ｘ＝（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）を算出し、前記値Ｘが所定の閾値以下であるとき除去完了と判断する判断部と、を備える。このような構成とすることにより、絶縁皮膜層の厚さがばらついていても、皮膜残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線ごとに皮膜除去完了を判断することができる。

本発明により、絶縁皮膜層の厚さがばらついていても、皮膜残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線ごとに皮膜除去完了を判断することができる。

実施形態に係る皮膜除去装置を例示した構成図である。 実施形態に係るレーザ光線の照射位置の掃引により絶縁皮膜層を除去する領域を例示した上面図である。 実施形態に係るレーザ光線の強度（ａ）、熱放射光の強度（ｂ）及び反射光の強度（ｃ）を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は、各光の強度を示す。 実施形態に係る絶縁皮膜層の除去加工完了の判定方法を例示したフローチャート図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態）
実施形態に係る皮膜除去装置１を説明する。図１は、実施形態に係る皮膜除去装置１を例示した構成図である。図１に示すように、皮膜除去装置１は、レーザ発振機１０、ヘッド部２０、受光部３０、判断部４０、レーザ・ヘッド制御部５０を備えている。皮膜除去装置１は、レーザ光線１１の照射により、電線６０の絶縁皮膜層６１における所定の部分（除去する領域６３という。）を除去し、導線６２を露出させる装置である。絶縁皮膜層６１は、例えば、エナメルであり、導線６２は、例えば、銅線である。

レーザ発振機１０は、レーザ光線１１を発振する。レーザ光線１１は、例えば、１０７０ｎｍを中心波長とした光を含んでいる。また、レーザ光線１１は、例えば、１０００ｋHzの周波数で連続発振されたパルス光を含んでいる。レーザ発振機１０は、レーザ・ヘッド制御部５０の制御信号により、レーザ光線１１の発振、レーザ光線１１の停止、レーザ光線１１の出力等が制御される。

ファイバー１２は、レーザ発振機１０とヘッド部２０とを接続している。ファイバー１２は、レーザ光線１１の伝送路となる部材であり、例えば、ケーブル状の透明部材である。レーザ発振機１０で発振されたレーザ光線１１は、ファイバー１２を介してヘッド部２０に伝送される。

ヘッド部２０は、ハーフミラー２１及び２２、ガルバノミラー２３並びにレンズ２４を含んでいる。ヘッド部２０は、ファイバー１２を介してレーザ発振機１０から伝送されたレーザ光線１１を電線６０に対して照射する。また、ヘッド部２０は、レーザ光線１１の照射による電線６０からの戻り光１３を受光する。

戻り光１３は、熱放射光及び反射光を含んでいる。熱放射光は、電線６０における絶縁皮膜層６１がレーザ光線１１の照射により高温となり、昇華することにより生成される光である。レーザ光線１１の照射部分に絶縁皮膜層６１がある場合には、熱放射光の強度は大きくなる。一方、レーザ光線１１の照射部分の絶縁皮膜層６１が除去されると、レーザ光線１１が導線６２の表面で反射するため、電線６０の温度は減少する。このため、熱放射光の強度は小さくなる。

反射光は、レーザ光線１１が電線６０により反射された光である。レーザ光線１１の照射部分に絶縁皮膜層６１がある場合には、レーザ光線１１は絶縁皮膜層６１で吸収される。このため、反射光の強度は小さい。一方、レーザ光線１１の照射部分の絶縁皮膜層６１が除去されると、レーザ光線１１が導線６２の表面で反射する。このため、反射光の強度は大きくなる。

図２は、実施形態にかかるレーザ光線１１の照射位置の掃引により絶縁皮膜層６１を除去する領域６３を例示した上面図である。図１及び図２に示すように、ヘッド部２０のガルバノミラー２３は、除去する領域６３において、レーザ光線１１の照射位置を掃引する。照射位置を、例えば、掃引方向１４に掃引しながら除去加工を行う。

また、ヘッド部２０のガルバノミラー２３は、戻り光１３を受光する。ガルバノミラー２３による照射位置の掃引の開始、停止等は、レーザ・ヘッド制御部５０の制御信号により制御される。ヘッド部２０は、ガルバノミラー２３によりレーザ光線１１の照射位置が掃引される場合に、照射位置の情報を判断部４０に対して出力する。

受光部３０は、ヘッド部２０が受光した電線６０からの熱放射光及び反射光を含む戻り光１３を受光する。そして、受光部３０は、受光した熱放射光及び反射光の強度を検出する。受光部３０は、例えば、フォトダイオード等の受光部材を含んでいる。受光部３０は、熱放射光受光用及び反射光受光用の各受光部材を有していてもよい。受光部３０は、受光した熱放射光及び反射光の強度の情報を判断部４０に対して出力する。

判断部４０は、ヘッド部２０から受け取った照射位置の情報と、受光部３０から受け取った熱放射光及び反射光の強度の情報とを対応付け、照射位置における熱放射光及び反射光の強度の情報を記録する。また、判断部４０は、熱放射光の強度の平均値及び反射光の強度の平均値を算出する。

図２に示すように、平均値を算出する際には、除去する領域６３を、レーザ光線１１の照射方向から見て複数の所定領域６４に分割した時に、各所定領域６４における熱放射光の強度の総和及び反射光の強度の総和を算出して平均値を算出する。なお、図２においては、図が煩雑にならないように、いくつかの所定領域６４のみ図示して、それ以外は省略している。

また、除去する領域６３全体を所定領域として、除去する領域６３全体における熱放射光の強度の平均値及び反射光の強度の平均値を算出してもよい。また、除去する領域６３を複数の所定領域６４に分割する仕方としては、除去する領域６３をＸＹ座標に対応させたときに、Ｘ軸及びＹ軸に沿って均等に分割させた領域でもよいし、掃引方向１４に延びた複数の領域としてもよい。一定の個数のパルス光により照射される領域でもよいし、一定の時間にパルス光で照射される領域でもよい。

判断部４０は、平均値を基に、以下の式が示す値Ｘを算出する。

値Ｘ＝（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）

また、判断部４０は、値Ｘと予め定めた閾値とを比較し、値Ｘが閾値以下かどうか判断する。判断部４０は、値Ｘが所定の閾値以下であるとき除去完了と判断する。判断部４０は、除去完了と判断したときには、レーザ・ヘッド制御部５０に対して、除去が完了したことを含む信号を送信する。

具体的には、判断部４０は、信号記録部及び演算部を含んでいる。信号記録部は、レーザ光線１１の照射位置の情報と、熱放射光及び反射光の強度を電気信号に変換して取り込み、記録する。演算部は、各所定領域６４における熱放射光の強度の平均値及び反射光の強度の平均値を算出し、各所定領域６４における値Ｘを算出する。そして、演算部は、各所定領域６４において、値Ｘと予め定めた閾値とを比較し、値Ｘが所定の閾値以下かどうか判断する。値Ｘが所定の閾値以下であるとき、その所定領域を除去完了と判断する。記録部は、除去完了と判断された所定領域を記録する。

レーザ・ヘッド制御部５０は、制御信号をレーザ発振機１０に送信することにより、レーザ光線１１の発振、レーザ光線１１の停止、レーザ光線１１の出力等を制御する。また、レーザ・ヘッド制御部５０は、制御信号をヘッド部２０に送信することにより、ガルバノミラー２３による照射位置の掃引の開始、停止等を制御する。さらに、レーザ・ヘッド制御部５０は、制御信号を判断部４０に対して送信することにより、判断部４０に、受光された熱放射光及び反射光の強度を基に、値Ｘを算出させる。また、レーザ・ヘッド制御部５０は、判断部４０に、値Ｘが所定の閾値以下であるかどうか判断させる。

次に、皮膜除去装置１の動作として、絶縁皮膜層６１の除去方法を説明する。絶縁皮膜層６１の除去方法を説明する中で、絶縁皮膜層６１の除去加工完了の判定方法も合わせて説明する。

レーザ発振機１０は、レーザ・ヘッド制御部５０からの制御信号により、パルス状のレーザ光線１１を発振する。発振されたレーザ光線１１は、ファイバー１２を介して、ヘッド部２０のハーフミラー２１に入射する。ハーフミラー２１に入射したレーザ光線１１の一部は、ハーフミラー２１により反射し、ガルバノミラー２３に入射する。ガルバノミラー２３に入射し、ガルバノミラー２３で反射されたレーザ光線１１は、レンズ２４で集光され、電線６０を照射する。

図１及び図２に示すように、絶縁皮膜層６１の除去加工は、ガルバノミラー２３を備えたヘッド部２０を用いて行われる。パルス状のレーザ光線１１を連続で電線６０に照射し、照射位置を、例えば、掃引方向１４に掃引しながら除去加工を行う。例えば、ガルバノミラー２３は、レーザ光線１１の照射位置を、電線６０の上面において、Ｙ方向に一定の距離で進めながら、Ｘ方向に掃引する。これにより、図２に示すように、除去した領域６５が形成される。ヘッド部２０は、レーザ光線１１の照射位置の情報を、レーザ光線１１の照射方向から見て、Ｘ方向及びＹ方向の座標として、判断部４０に出力する。

また、レンズ２４及びガルバノミラー２３は、レーザ光線１１の電線６０による熱放射光及び反射光を含む戻り光１３を受光する。ガルバノミラー２３が受光した戻り光１３は、ハーフミラー２１に入射する。ハーフミラー２１に入射した戻り光１３の一部は、ハーフミラー２１を透過し、ハーフミラー２２に入射する。ハーフミラー２２に入射した戻り光１３の一部は反射して、受光部３０に入射する。受光部３０は戻り光１３を受光し、戻り光１３における熱放射光及び反射光の強度を検出する。受光部３０は、検出した熱放射光及び反射光の強度の情報を、判断部４０に出力する。

図３は、実施形態に係るレーザ光線１１の強度（ａ）、熱放射光の強度（ｂ）及び反射光の強度（ｃ）を例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、各光の強度を示す。一周目とは、除去する領域６３をレーザ光線１１で一回だけ掃引した状態を示し、Ｎ周目とは、Ｎ回だけ掃引した状態を示す。Ｎ＋１周目とは、判断部４０が、絶縁皮膜層６１の除去が完了したと判断した状態を示す。

図３（ａ）に示すように、絶縁皮膜層６１の除去に用いられるレーザ光線１１は、一定の周波数で発振され、一定の強度を有するパルス光となっている。よって、一周目、Ｎ周目及びＮ＋１周目を通じて、一定のパルス状の出力となっている。

図３（ｂ）に示すように、一周目において、絶縁皮膜層６１は、レーザ光線１１の照射により高温となり、昇華する。これにより、熱放射光の強度は、一定の出力として検出される。Ｎ周目において、絶縁皮膜層６１は、レーザ光線１１の照射によりさらに高温となって昇華する。このため、熱放射光の強度は大きくなっている。そして、Ｎ＋１周目において、レーザ光線１１の照射により絶縁皮膜層６１が除去されると、銅層が露出する。これにより、レーザ光線１１は銅表面で反射し、電線６０の温度が低下する。よって、熱放射光の強度は小さくなっている。

図３（ｃ）に示すように、一周目及びＮ周目において、レーザ光線１１は絶縁皮膜層６１に吸収される。よって、反射光の強度は小さくなっている。一方、Ｎ＋１周目において、レーザ光線１１の照射により絶縁皮膜層６１が除去されると、銅表面でレーザ光線１１が反射するために、反射光の強度は大きくなっている。このように、レーザ光線１１をＮ＋１回照射することにより、熱放射光の強度は小さくなるのに対して、反射光の強度は大きくなる。

ここで、絶縁皮膜層６１の除去加工完了かどうかの判定方法を説明する。
図４は、実施形態に係る絶縁皮膜層６１の除去加工完了の判定方法を例示したフローチャート図である。図４のステップＳ１に示すように、判断部４０は、受光部３０が検出した熱放射光及び反射光の強度を電気信号に変換して取り込む。その際に、判断部４０は、レーザ光線１１の照射位置の座標を強度に対応させて取り込む。具体的には、判断部４０における信号記録部が、熱放射光及び反射光の強度と、その際のレーザ光線１１の照射位置に対応する座標を電気信号に変換して取り込む。

次に、ステップＳ２に示すように、判断部４０は、取り込んだ熱放射光及び反射光の強度の平均値を算出する。具体的には、判断部４０における演算部が、熱放射光及び反射光の強度の平均値を算出する。平均値を算出する際には、図２に示すように、除去する領域６３を、複数の所定領域６４に分割した時に、各所定領域６４における熱放射光の強度の総和及び反射光の強度の総和を算出し、各所定領域６４における平均値を算出する。

次に、ステップＳ３に示すように、判断部４０における演算部は、各所定領域６４において検出した熱放射光及び反射光の強度の平均値を基に、以下に示す値Ｘを算出する。

値Ｘ＝（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）

そして、ステップＳ４に示すように、判断部４０は、除去する領域６３において、値Ｘが予め定めた閾値Ａよりも大きいか比較する。具体的には、判断部４０における演算部は、除去する領域６３における各所定領域６４において、値Ｘが閾値Ａよりも大きいか比較し、値Ｘが閾値Ａよりも大きいか判断する。また、判断部４０は、判断結果を各所定領域６４に対応させて記録する。閾値Ａは、例えば、絶縁皮膜層６１を完全に除去したものに対してレーザ光線１１を照射したときの値を予め測定したもの等を用いる。

除去する領域６３における各所定領域６４において、１箇所でも値Ｘが閾値Ａよりも大きい（Yesの）場合には、ステップＳ５に示すように、判断部４０は、絶縁皮膜層６１の除去が「除去未完了」と判断する。そして、ステップＳ６に示すように、Ｎ＋１周目の加工を行う。その際、判断部４０は、記録した各所定領域６４の判断結果を基に、フィードバック制御し、値Ｘが閾値Ａ以下の所定領域６４をスキップして加工を行う。すなわち、値Ｘが閾値Ａ以下の所定領域６４においては、レーザ光線１１の照射を停止するとともに熱放射光及び反射光の検出も停止する。値Ｘが閾値Ａよりも大きい所定領域６４においては、レーザ光線１１を照射し、熱放射光及び反射光を検出する。その後、ステップＳ１に戻り、受光部３０が検出した熱放射光及び反射光の強度を電気信号に変換して取り込む。

一方、除去する領域６３における各所定領域６４において、値Ｘが閾値Ａ以下の（Noの）場合には、ステップＳ７に示すように、判断部４０は、絶縁皮膜層６１の除去が「除去完了」と判断する。そして、ステップＳ８に示すように、このワークの加工は完了となる。このように、熱放射光と反射光の強度の変化を総合的に判定することにより、加工完了を検知して制御する。このようにして、絶縁皮膜層６１の除去加工完了の判定方法は行われる。

判断部４０において、絶縁皮膜層６１の除去は完了と判断された場合には、判断部４０は、レーザ・ヘッド制御部５０に対して、絶縁皮膜層６１の除去が完了したという信号を送信する。

レーザ・ヘッド制御部５０は、判断部４０から、絶縁皮膜層６１の除去が完了したという信号を受信した場合には、レーザ・ヘッド制御部５０は、レーザ発振機１０に対してレーザ光線１１の発振を停止させ、ヘッド部２０に対して、ガルバノミラー２３のスキャンを停止させ、受光部３０に対して、熱放射光及び反射光の検出を停止させる。これにより、絶縁皮膜層６１の除去は完了する。

次に、本実施形態に対する比較例について説明する。その後、比較例と対比させて、本実施形態の効果を説明する。

第１の比較例として、特許文献１には、平角絶縁電線を渦巻状に巻回積層したコイルにおいて、コイル端末に位置する電線の絶縁被覆除去方法が開示されている。特許文献１の方法は、コイルの内周面に位置する電線の巻き始め端、及び、コイルの外周面に位置する電線の巻き終わり端がコイル本体に密着して貼りついている状態のままで、レーザ光線を局所的に照射することにより、当該照射領域の絶縁被覆物質をレーザ光線のエネルギーで昇華させて除去している。

しかしながら、特許文献１の方法では、除去加工の状態を観察せずに、あらかじめ設定された照射条件でレーザ光線１１を照射している。このため、絶縁皮膜層における絶縁被覆物質の厚さのバラツキによって、被覆残りが発生する場合がある。照射条件を、絶縁被覆物質の最大の厚さを除去する条件に設定した場合には、銅線にダメージが入る可能性がある。このような場合には、後工程において、電線の巻き始め端及び巻き終わり端を接合した際に、溶接不良や電気抵抗のバラツキを引き起こすこととなる。

これに対して、本実施形態では、除去加工の状態を観察し、除去加工された接合部分の品質をモニタリングしながらフィードバック制御している。よって、絶縁皮膜層６１における絶縁被覆物質の厚さにバラツキがあっても、被覆残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線６０ごとに被膜除去完了を判断することができる。

第２の比較例として、特開２００２−１４４０６８号公報には、金属層と樹脂層の積層基板にレーザ光線を照射し、除去加工中のプラズマ強度及び反射光強度を観測しながら、加工エネルギーを制御する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、加工中にプラズマを発生させる必要があるとともに、積層基板に対して垂直方向からのみレーザ光線を照射しているので、電線の絶縁皮膜層の除去に適用した場合には、精度よく絶縁皮膜層６１のみを除去することはできない。

これに対して、本実施形態は、加工点の温度（熱放射光）と反射光を観測し、銅層の高反射率を利用している。また、熱放射光は加工点から放射される光であるため、レーザ光線１１を斜めに照射した場合でも影響を受けにくい。そして、熱放射光と反射光の双方の強度から算出した値Ｘを、絶縁被覆層の除去の判定に用いている。よって、プラズマ光を発生させる必要もなく、精度よく絶縁被覆層６１のみを除去することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態は、上述した比較例とは異なり、受光した熱放射光及び反射光を基に、（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）の値Ｘを算出し、値Ｘが所定の閾値以下であるとき除去完了と判断している。導線６２、例えば、銅線の表面が露出すると、レーザ光線１１が反射するため、電線６０の温度が低下することにより熱放射光の強度は小さくなる。それとともに、反射光の強度は大きくなる。よって、判断部４０は、熱放射光及び反射光の強度の両方の変化に基づいて加工状態を観察しているので、精度よく高感度で絶縁被覆層６１の除去完了を検知することができる。これにより、絶縁皮膜層６１における絶縁被覆物質の厚さがばらついていても、被覆残りが発生したり、銅線にダメージが入ることなく、電線６０ごとに被膜除去完了を判断することができる。

また、実施形態の皮膜除去装置１は、熱放射光を除去加工完了の判断に用いており、レーザ光線を斜めに照射した場合でも安定して熱放射光を検出することができる。よって、精度よく高感度で絶縁被覆層６１が除去完了されたことを検知することができる。

また、皮膜除去装置１は、所定領域６４ごとに除去加工完了を検知しており、その結果をもとにフィードバック制御している。よって、２周目以降は、除去加工が完了した所定領域６４をスキップする等の除去加工の効率化を図ることができる。さらに、レーザ光線１１を過剰に導線６２に対して照射しないため、導線６２へのダメージを低減させることができる。

以上、本発明に係る皮膜除去装置の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、レーザ光線１１の波長は、絶縁皮膜層６１を除去できるものであれば、任意の波長としてもよい。また、絶縁皮膜層６１は、電線６０における導線６２を被覆するものに限らない。例えば、金属層と絶縁皮膜層６１との積層基板における絶縁皮膜層６１でもよい。

１ 皮膜除去装置
１０ レーザ発振機
１１ レーザ光線
１２ ファイバー
１３ 戻り光
１４ 掃引方向
２０ ヘッド部
２１、２２ ハーフミラー
２３ ガルバノミラー
２４ レンズ
３０ 受光部
４０ 判断部
５０ レーザ・ヘッド制御部
６０ 電線
６１ 絶縁皮膜層
６２ 導線
６３ 除去する領域
６４ 所定領域
６５ 除去した領域

Claims (1)

1. レーザ光線の照射により電線の絶縁皮膜層を除去する皮膜除去装置であって、
   前記電線からの熱放射光及び反射光を受光する受光部と、
   受光した前記熱放射光及び前記反射光を基に、
   値Ｘ＝（熱放射光の強度の平均値）／（反射光の強度の平均値）
   を算出し、
   前記値Ｘが所定の閾値以下であるとき除去完了と判断する判断部と、
   を備える皮膜除去装置。

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