JP2019534812A - イメージ具備溶接シームを生成するためのレーザ溶接システム及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザ溶接方法及びシステムが、接合されるべき部品（２０，２１）の部分を彫られた又はエッチングされたベースプレート（２３）に当接して一緒にクランプ固定することにより、複製されるべきイメージを部品（２０，２１）の接合された部分内に形成することと、レーザ放射をクランプ固定された接合されるべき部品（２０，２１）の部分に適用することにより、クランプ固定された接合されるべき部品（２０，２１）のそれらの部分を溶融させて、材料が凝固するときにクランプ固定された部品（２０，２１）の接合された部分内にイメージを複製することと、によって熱可塑性材料の２つの部品（２０，２１）の部分を接合する。部品（２０，２１）の熱可塑性材料は、光学的に透明であってもよいが、レーザ放射の一部分を吸収することにより、両方の部品（２０，２１）は、レーザ放射によって加熱されて溶融させられる。溶融させられた部品材料の一部分がベースプレート（２３）の彫られた又はエッチングされた部分の中に流入して、部品（２０，２１）が接合される範囲の下面に浮彫り面を形成する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１０月１２日に出願された米国特許出願第１５／２９１，６００号への優先権を主張し、この出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、熱可塑性材料のレーザ溶接に関し、より具体的には、レーザ溶接によって生成された溶接領域内に所望のイメージを生成するレーザ溶接に関する。

レーザ溶接は、レーザビームを使用して、制御されたエネルギー量を正確な位置に供給することによって接合範囲の熱可塑性材料を溶融させる。システムは、これまでビームサイズを制御するように開発されてきており、様々な方法が、ビームを正確に位置決めし、動かすために利用可能である。レーザ溶接は、別の溶接技術と同じ材料適合性に関する基礎要件に基づいているけれども、大部分の別のプラスチック溶接プロセスよりも樹脂化学又は溶融温度差に関してより許容性がある場合が多い。ほとんど全ての熱可塑性物質は、妥当なレーザ源及び適切な継目設計を用いて溶接されてもよい。

一実施形態に従って、熱可塑性材料の２つの部品の部分を接合するためのレーザ溶接方法が提供され、本方法は、接合されるべき部品の部分を、彫られた又はエッチングされたベースプレートに当接して一緒にクランプ固定することにより、部品の接合された部分内に複製されるべきイメージを形成することと、クランプ固定された接合されるべき部品の部分にレーザ放射を適用することにより、クランプ固定された接合されるべき部品のそれらの部分を溶融させて、クランプ固定された部品の接合された部分内にイメージを複製することと、によっている。部品の熱可塑性材料は、光学的に透明であってもよいが、レーザ放射の一部分を吸収することにより、両方の部品は、レーザ放射によって加熱されて溶融させられる。溶融させられた部品材料の一部分がベースプレートの彫られた又はエッチングされた部分の中に流入して、部品が接合される範囲の下面に浮彫り面を形成する。レーザ放射は、好ましくは２ミクロンレーザである。レーザ放射の電力及びクランプ固定された部品に沿ったレーザ放射の移動速度が、接合されるべき範囲内の部品を溶融させるように制御される。ベースプレートは、レーザ放射に対して非透過性の材料でできている。

本発明は、また、熱可塑性材料の２つの部品の部分を接合するためのレーザ溶接システムを企図している。本システムは、第１及び第２の部品が表面を接触させながら互いに隣接しているときに、第１及び第２の部品の反対側の側面を係合するように配置された１対のクランプ固定プレートを含み、クランプ固定プレートのうちの１つは、部品の接合された部分内に複製されるべきイメージを形成する彫られた又はエッチングされた空洞を有する。アクチュエータが、クランプ固定プレートのうちの少なくとも１つを他方のクランプ固定プレートに向かって動かすことにより、部品を一緒に押圧し、同時に、レーザ放射が、クランプ固定された接合されるべき部品の部分に適用される。レーザ放射は、彫られた又はエッチングされた部分を有するプレート表面を係合する部品の側面の反対側の側面から適用される。レーザ放射は、クランプ固定された接合されるべき部品の部分を溶融させて、クランプ固定された部品の接合された部分内にイメージを複製する。一実施形態では、レーザ放射は、好ましくは約２ミクロンの波長を有する。空洞は、好ましくは、クランプ固定プレートのうちの１つの表面に彫られているか又はエッチングされている。

溶接領域内に読取り可能な印を形成しながら、２つの熱可塑性シートを溶接するためのレーザ溶接配列の分解斜視図である。 図１の溶接配列内の下側プレートの正面隅角部の拡大図であり、隅角部の先端部が除去されている。 図２から切り離された部分の左側隅角部の拡大分解図である。 分解されていないが、図３に示すのと同じ図であり、レーザビームがベースプレートより上の全ての層に透過している。 溶接がレーザビームによって達成された後における図３に示すのと同じ図である。 分解されているが、図５に示すのと同じ図である。 図６の中央部分の拡大斜視図であるが、その部分の底面に形成された浮彫り面を示すために反転されている。 レーザ溶接動作の初期段階中での図６の中央部分の斜視図である。 レーザ溶接動作の後期段階中での図６の中央部分の斜視図である。

本発明が特定の好ましい実施形態に関連して説明されることになるけれども、本発明がそれらの特定の実施形態に限定されないことが理解されるであろう。逆に、本発明は、添付クレームによって規定されるような発明の主旨及び範囲内に含まれてもよいように、全ての代替、修正及び均等配列を網羅することが意図されている。

ここで図面を参照すると、レーザ源１０がレーザを生成し、レーザは、ファイバケーブル１１を通して取付け台１２ａに取り付けられた走査ヘッド１２まで伝送される。取付け台１２ａは、直交構台１４ａ及び１４ｂに結合されている。走査ヘッド１２内部の１つ又は複数の走査ミラーが、プロセッサ制御駆動ユニット１３によって制御されて、溶接で接合されるべき２つの熱可塑性部品２１及び２３を含む積層体１６上までレーザビーム１５を下方に導く。駆動ユニット１３は、走査ミラーの位置を調整することにより、積層体１６の最上表面にある所定の溶接領域を照明するのに必要な態様でレーザビーム１５を動かすように制御される。

図２に表すように、２つの部品２０及び２１は、１対のクランプ固定プレート２２及び２３によって一緒にクランプ固定され、これは熱可塑性部品のレーザ溶接では通常のことである。上側プレート２２は透過性である、すなわち、レーザビームが実質的な損失を伴わずに上側プレートを通過できる。この上側プレート２２は好ましくはガラスでできている。下側プレート２３は非透過性である、すなわち、レーザが下側プレート２３を透過できず、したがって、「ネスト」と時には呼ばれる下側プレートで回析させられる。両方のクランプ固定プレートは剛性であり、下側プレート２３は好ましくは金属製である。

上側クランプ固定プレート２２は、制御可能なアクチュエータによって上側部品２０上に下方へ押圧されることにより、部品２０及び２１を下側プレート２３に当接してしっかりとクランプ固定する。下向き圧力は、レーザビーム１５が所定の溶接領域又は経路を横断する間、部品２０，２１上に維持されて熱可塑性部品を次第に加熱することにより、溶接領域内の熱可塑性材料を溶融させてその領域内で部品を融着させる。溶接は、次いで、部品が圧力下で冷却することを可能にし、それによって、溶接領域内のレーザによって溶融された熱可塑性材料を凝固させることによって完了させられる。レーザビームが所定の溶接領域に沿って前進させられるにつれて、熱可塑性材料のこの加熱と冷却とがその領域に沿って進行し、その領域は、図１に示す例のように、典型的には部品の全外周の周りに延在する。

図に示す例示的実施形態では、レーザビーム１５は、透明な上側クランプ固定プレート２２と、溶接されるべき部品である熱可塑性材料の２つのシート２０及び２１を通して下方へ透過させられる。２つのシート２０及び２１は、光学的に透明であるにも関わらず、２ミクロン（２μｍ）ファイバレーザであるときには、レーザビーム１１の部分を吸収する。２ミクロンレーザは、フィラー無しポリマーによって大きく増加した吸収作用によって特徴付けられ、それにより、レーザ感受性添加物を必要とせずに光学的に透明であってもよいその部分の厚さによって高度に制御された溶融を可能にする。図４及び５に示すように、両方のシート２０及び２１内でのレーザビーム１５の部分的吸収によって生成された熱が、シート内の材料を十分に溶融させることにより、上側クランプ固定プレート２２が２つのシートを互いに当接した状態で連続的に押圧するにつれて、それらをレーザビーム１５の経路に沿って融着させ、それにより、レーザビーム１５によって横断された溶接領域内に熱可塑性材料の２つのシートの所望の溶接を生成する。結果として生じた溶接シームは、２つの透明な部品が融着されている透明な溶接である。

図４及び５に示すように、下側シート２１がレーザビーム１５の経路内で溶融されるにつれて、そのシートの熱可塑性材料は、下側クランプ固定プレート２３内のエッチングされた又は彫られた空洞３０の中へと押圧される。レーザビーム１５がいずれかの所与の空洞３０を通過した後に、その空洞の中に流入した熱可塑性材料が、融着されたシートの隣接する部分とともに凝固し、それにより、溶接シームの完全性を棄損することなく、溶接シーム上に浮彫り底面３１を生成する。図８及び９に示すように、この浮彫り面３１は、下側クランプ固定プレート２３内の空洞３０によって形成されたイメージを複製しており、このイメージは、浮彫りイメージの反射面のため、溶接されたシートがクランプ固定プレートから取り外されたときに、溶接されたシートの溶接シーム内で明確に視認可能である。クランプ固定圧力は、好ましくは、浮彫り面が完全に凝固して浮彫り面の形状を維持するまで溶接されたフィルム上に維持される。

ベースプレート内にエッチングされた又は彫られたイメージは、会社名、企業ロゴ、商標、販促又は広告材料等であってもよい。イメージは、例えば、所定の日付範囲の間だけ又は指定の顧客に対してだけいずれかの所与のイメージを使用することによって、偽造又は期限切れ医薬品の使用を防ぐように用いられてもよい。イメージは、また、溶接継目が壊されたときはいつでも顕著に変わるように設計されてもよく、それで、パッケージは、事実上「不正開封防止機構付きの」ものになる。

例えば、図８及び９に示すように、溶接シームの全長に沿って連続的に浮彫りにされたイメージを形成することにより、不正開封防止機構付きのシールを形成することが好ましい。すなわち、溶接シームがそれの長さに沿ったいずれかの点で破壊されるならば、シームの破壊が、浮彫りイメージを歪めるか又は引き裂くことにより、破壊されたシームが、単にイメージを見るだけで直ちに検出可能になる。

本発明は、消費財、医薬関連製品及び密封パッケージを必要とする別の製品の包装に適用可能であるが、これらに限定されない。溶接シーム内に生成されたイメージは、商標、マーケティング情報、企業ロゴ又は別の読取り可能な有用情報であってもよい。

本発明の特定の実施形態及び適用が示され、説明されてきたけれども、理解すべきは、本発明は、本明細書に開示されたまさにその構成及び構成要素に限定されず、そして、添付クレームにおいて規定されるような本発明の主旨及び範囲から逸脱することを伴わない様々な修正、変化及び変動が、前述の説明から明らかである場合があることである。

Claims (14)

1. 可視光に対して透明であってもよい熱可塑性材料の２つの部品の部分を接合するためのレーザ溶接方法であって、前記方法は、
   前記接合されるべき部品の部分を、前記部品の接合された部分内に複製されるべきイメージを形成する空洞を具備する上側平面を有するベースプレートに当接して一緒にクランプ固定するステップと、
   前記クランプ固定された接合されるべき部品の部分にレーザ放射を適用するステップであって、それにより、前記クランプ固定された接合されるべき部品のそれらの部分を溶融させて、前記クランプ固定された部品の接合された部分内に前記イメージを複製する、ステップと、
   前記部品がバックプレートに当接して一緒にクランプ固定されたまま、前記部品の溶融させられた部分を凝固させるステップと、
   前記凝固させられた接合された部品を前記バックプレートから取り外すステップと、を含む、方法。
2. 前記空洞は、前記ベースプレートの上側平面内に彫られているか又はエッチングされている、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記部品は、熱可塑性材料の光学的に透明なシートである、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記部品は、前記レーザ放射の一部分を吸収する熱可塑性材料でできていることにより、両方の部品は、前記レーザ放射によって加熱される、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記溶融させられた部品材料の一部分は、前記ベースプレートの彫られた又はエッチングされた部分の中に流入する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記部品の接合された部分の表面上に浮彫り面を生成する請求項５に記載のレーザ溶接方法であって、前記部品は透明フィルムである、方法。
7. 前記レーザ放射は、約２ミクロンの波長を有するビームである、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記レーザ放射の電力及び前記クランプ固定された部品に沿った前記レーザ放射の移動速度は、前記部品を接合されるべき範囲内で溶融させるように制御される、請求項６に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記ベースプレートは、前記レーザ放射に対して非透過性である材料でできている、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
10. 可視光に対して透明であってもよい熱可塑性材料の２つの部品の部分を接合するためのレーザ溶接システムであって、前記システムは、
    第１及び第２の部品が表面を接触させながら互いに隣接しているときに、前記第１及び第２の部品の反対側の側面を係合するように設置された１対のクランプ固定プレートであって、前記クランプ固定プレートのうちの１つは、複製されるべきイメージを前記部品の接合された部分内に形成する空洞を有する、１対のクランプ固定プレートと、
    前記クランプ固定プレートのうちの少なくとも１つを他方のクランプ固定プレートに向かって動かすことにより、前記部品を一緒に押圧するアクチュエータと、
    前記空洞を有するプレート表面を係合する前記部品の側面の反対側の側面から、クランプ固定された接合されるべき部品の部分にレーザ放射を適用することにより、前記クランプ固定された部品のそれらの部分を溶融させて、前記クランプ固定された部品の接合された部分内に前記イメージを複製するレーザ源と、を備える、システム。
11. 前記空洞は、前記クランプ固定プレートのうちの１つの表面内に彫られているか又はエッチングされている、請求項１０に記載のレーザ溶接システム。
12. 前記部品が前記レーザ放射の一部分を吸収する熱可塑性材料でできていることにより、両方の部品は、前記レーザ放射によって加熱される、請求項１０に記載のレーザ溶接システム。
13. 前記レーザ放射は、約２ミクロンの波長を有する、請求項１０に記載のレーザ溶接システム。
14. 前記空洞を有する前記クランプ固定プレートは、前記レーザ放射に対して非透過性である材料でできている、請求項１０に記載のレーザ溶接システム。

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