JP2020054155A - コイル線の被膜層除去方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コイル線に密着した絶縁被膜層の除去作業におけるレーザ照射時間を短縮することである。【解決手段】絶縁被膜層２０の除去予定部２２と残留予定部２１とを分ける絶縁被膜層２０の線状領域２４を除去する分断工程と、絶縁被膜層２０を透過するがコイル線１０に吸収されるレーザ光４１を、除去予定部２２の外面側からコイル線１０の絶縁被膜層２０との境界に向かって照射することにより、除去予定部２２の絶縁被膜層２０とコイル線１０との境界部分をコイル線１０の発熱で炭化させるレーザ照射工程と、除去予定部２２に風を吹き付けることにより除去予定部２２をめくって吹き飛ばす被膜めくり工程とを含む。【選択図】図３

Description

本明細書では、コイル線に密着した絶縁被膜層を除去する方法を開示する。
特許文献１には、コイル線に密着した絶縁被膜層にレーザ光を照射して絶縁被膜層を除去する方法が記載されている。これにより、レーザ光の照射領域を適切に管理することにより、絶縁被膜層の除去を正確かつ迅速に行うことができるとされている。
特開２０００−２３４２８号公報
特許文献１に記載された方法では、絶縁被膜層を除去するために、除去する部分の外面側部分を含めて全部（全体積分）を、レーザ光で炭化させて昇華させる必要がある。これにより、レーザ照射時間が長くなる。レーザ照射時間は、絶縁被膜層の除去作業時間で大きな割合を占める場合があるので、レーザ照射時間を短くすることが望まれる。
そこで、本明細書は、コイル線に密着した絶縁被膜層の除去作業におけるレーザ照射時間を短縮する方法を開示する。
本明細書に開示のコイル線の被膜層除去方法は、コイル線に密着した絶縁被膜層を除去する方法であって、前記絶縁被膜層の除去予定部と残留予定部とを分ける前記絶縁被膜層の線状領域を除去する分断工程と、前記絶縁被膜層を透過するが前記コイル線に吸収されるレーザ光を、前記除去予定部の外面側から前記コイル線の前記絶縁被膜層との境界に向かって照射することにより、前記除去予定部の前記絶縁被膜層と前記コイル線との境界部分を前記コイル線の発熱で炭化させるレーザ照射工程と、前記除去予定部に風を吹き付けることにより前記除去予定部をめくって吹き飛ばす被膜めくり工程とを含む。なお、レーザ照射工程と、被膜めくり工程における除去予定部への風の吹き付けとは同時に行ってもよい。
かかる構成とすることで、レーザ照射工程では、除去予定部の絶縁被膜層とコイル線との境界部分をレーザ照射で炭化させているので、境界部分のコイル線に対する密着度を低下させることができる。そして、被膜めくり工程では、除去予定部に風を吹き付けて除去予定部をめくって吹き飛ばすので、除去予定部の全部（全体積分）はレーザ照射で炭化させる必要なく、除去予定部を除去できる。これにより、絶縁被膜層の除去作業におけるレーザ照射時間を短縮できる。
本明細書に開示のコイル線の被膜層除去方法によれば、絶縁被膜層の除去作業におけるレーザ照射時間を短縮できる。
実施形態のコイル線の被膜層除去方法において、コイル線に密着した絶縁被膜層をレーザ照射する状態を示す図である。 （ａ）は、図１Ａにおいて、レーザマーカ機及びレーザ光の移動軌跡を省略した図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部拡大図である。 コイル線の被膜層除去方法を示すフローチャートである。 コイル線の被膜層除去方法を工程順に示す図である。 （ａ）は、分断工程で除去する絶縁被膜層の線状領域を示しており、（ｂ）は、（ａ）のＢ部拡大図においてレーザ光の移動軌跡を示す図である。 レーザ光の出力波形を示す図である。 （ａ）は、レーザ照射工程で除去予定部におけるレーザ光の移動軌跡を示しており、（ｂ）は、（ａ）のＣ部拡大図である。 被膜めくり工程において、エアーブロー機から被膜付コイル線の一端部に風を吹き付ける状態を示す図である。 被膜付コイル線の単品での被膜除去作業の時間であるサイクルタイムについて、実施例と比較例との比較を示す図である。 実施形態の別例において、分断工程で、絶縁被膜層の線状領域を除去する方法を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状及び材料は、説明のための例示であって、コイル線の被膜層除去方法を適用する被膜付コイル線の仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
図１Ａは、実施形態のコイル線の被膜層除去方法において、コイル線１０に密着した絶縁被膜層２０を除去するためのレーザ照射を示している。図１Ｂ（ａ）は、図１Ａにおいて、レーザマーカ機及びレーザ光の移動軌跡を省略した図であり、図１Ｂ（ｂ）は、図１Ｂ（ａ）のＡ部拡大図である。
被膜層除去方法を適用する被膜付コイル線１は、例えば、電動モータまたは発電機のステータコイルを形成するために用いられる。被膜付コイル線１は、導体素線であるコイル線１０の外周面に、絶縁被膜層２０が密着している。コイル線１０は、例えば銅線である。絶縁被膜層２０は、例えばポリイミド等の樹脂を含んで形成される。図１Ａ、図１Ｂでは、被膜付コイル線１の一端部を示している。被膜付コイル線１の一端部の５面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３,Ｓ４,Ｓ５のうち、互いに反対側にある第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２、そして第５面Ｓ５のそれぞれには、予め絶縁被膜層２０及びコイル線１０の一部を切り落とすように切断加工が施されている。これにより、被膜付コイル線１の一端部は、一端（図１Ａ、図１Ｂ（ａ）の左端）に向かうほど第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２の間隔が小さくなる先細り形状に形成されている。図１Ａ、図１Ｂでは、斜格子部及び砂地部により絶縁被膜層２０を示しており、無地部によりコイル線１０を示している。絶縁被膜層２０のうち、斜格子部は、被膜層を除去しない残留予定部２１を示しており、砂地部は、被膜層を除去する除去予定部２２を示している。コイル線１０は、断面が矩形の平角線である。被膜付コイル線１の一端部に他の導体を接続可能とするために、被膜付コイル線１の両端部では、外周面の一部の絶縁被膜層２０を除去する。このために、以下の被膜層除去方法が用いられる。以下では、被膜付コイル線１の一端部から絶縁被膜層２０の除去予定部２２を除去する場合を説明する。
第３面Ｓ３には絶縁被膜層２０の除去予定部２２が配置され、第４面Ｓ４には絶縁被膜層２０の残留予定部２１が配置される。本例では、被膜付コイル線１の除去予定部２２とは反対側の幅方向一端部（図１Ａ、図１Ｂの下端部）に残留予定部２１を残すようにしているが、この部分は、除去予定部２２と同様に除去することもできる。
被膜層除去方法を用いて、第３面Ｓ３に密着した絶縁被膜層２０を除去する。被膜層除去方法には、レーザマーカ機４０が用いられ、そのレーザマーカ機４０から出射されるレーザ光４１が第３面Ｓ３を照射する。
図２は、コイル線１０の被膜層除去方法を示すフローチャートである。図３は、被膜層除去方法を工程順に示している。被膜層除去方法は、分断工程（Ｓ１０）、照射被膜めくり工程（Ｓ１２、Ｓ１４）、第１クリーニング工程（Ｓ１６）、及び第２クリーニング工程（Ｓ１８）を含んでいる。
図３（ａ）に示す分断工程は、第３面Ｓ３の絶縁被膜層２０の除去予定部２２と残留予定部２１とを分ける、絶縁被膜層２０の線状領域２４を、レーザ照射による炭化と昇華によって除去する。分断工程は、第１レーザ照射工程に相当する。
図４（ａ）は、分断工程で除去する線状領域２４を示しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ部拡大図においてレーザ光４１の移動軌跡４２を示している。図４（ｂ）の移動軌跡４２で示すようにレーザ光４１の照射部を、線状領域２４内で全体的に通過するように方形波状に移動させる。レーザ光４１としては、パルスレーザが用いられる。
図５は、レーザ光４１の出力波形を示している。レーザ光４１は、レーザマーカ機４０で非常に短い周期Ｔでステップ状のパルス出力Ｐを発生させることにより、周期的なパルス状にレーザスポットを照射部に照射する。周期Ｔが非常に短いので、図４（ｂ）に示すように移動軌跡４２は、実線で連続したようになる。
移動軌跡４２の振幅ｄ１（図４（ｂ））は、線状領域２４の幅ｄ２（図３（ａ））とほぼ一致させる。レーザ光４１の波長には、後述の照射被膜めくり工程におけるレーザ照射工程、第１クリーニング工程及び第２クリーニング工程も含めて、約１０６４ｎｍ等の基本波長を使用する。基本波長のレーザ光４１は、絶縁被膜層２０を透過するがコイル線１０には吸収される。レーザ光４１は、線状領域２４の外面側からコイル線１０の絶縁被膜層２０との境界Ｇ１（図３（ａ））に向かって照射させることにより、線状領域２４の絶縁被膜層２０とコイル線１０との境界部分をコイル線１０の発熱で炭化させ昇華によって除去する。このため、線状領域２４は、この境界部分から外面側に向かって炭化される。そして、レーザ光４１の走査速度Ｖ１（図４（ｂ））を適切に規制することにより、線状領域２４において、コイル線１０との境界部分だけでなく線状領域２４の外面も含めて全体を炭化させ昇華させることによって、線状領域２４全体を除去する。走査速度Ｖ１が高すぎると、照射部における単位時間当たりのレーザ入射量が低くなり、線状領域２４の全体ではなく、コイル線１０との境界部分だけが炭化されてしまう。これにより、分断工程では、後述のレーザ照射工程と異なり、走査速度Ｖ１を低く規制する。
図３（ｂ）に示す照射被膜めくり工程は、第３面Ｓ３の除去予定部２２を、レーザ光４１の照射と風の吹き付けとによって除去する。具体的には、図２に示すように、照射被膜めくり工程は、第２レーザ照射工程に相当するレーザ照射工程（Ｓ１２）と、被膜めくり工程（Ｓ１４）とを有する。レーザ照射工程は、基本波長のレーザ光４１を、除去予定部２２の外面側からコイル線１０の絶縁被膜層２０との境界Ｇ２（図３（ｂ））に向かって照射することにより、除去予定部２２の絶縁被膜層２０とコイル線１０との境界部分をコイル線１０の発熱で炭化させる。被膜めくり工程は、除去予定部２２に風を吹き付けることにより除去予定部２２をめくって吹き飛ばす。図３（ｂ）では、矢印αによりエアーブロー機６０からの風の吹き付け方向を示している。以下では、レーザ照射工程と、被膜めくり工程での除去予定部２２への風の吹き付けとを同時に行う場合を説明する。
図６（ａ）は、レーザ照射工程で除去予定部２２におけるレーザ光４１の移動軌跡４３を示しており、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ部拡大図である。レーザ照射工程は、レーザ光４１を除去予定部２２の外面側からコイル線１０の除去予定部２２との境界Ｇ２（図３（ｂ））に向かって照射させることにより、除去予定部２２のコイル線１０との境界部分を炭化させるが、除去予定部２２の外面までは炭化させないようにする。これにより、除去予定部２２のコイル線１０との境界部分には炭化物２５（図３（ｂ））が形成される。境界部分を炭化させるために、図１Ａに示すように、レーザ光４１を、除去予定部２２の外面に一様に通過させるように照射部を方形波状の移動軌跡４３で移動させる。このとき、図６（ａ）に示すように、除去予定部２２上には、レーザ光４１の移動軌跡４３のうち、頂部及び谷部を除く平行線部分のみが用いられる。レーザ照射工程で使用するレーザ光４１のパルス出力Ｐ及びパルスの周期Ｔは、分断工程で使用するレーザ光４１と同様である。
レーザ照射工程で使用するレーザ光４１の走査速度Ｖ２（図６（ｂ））は、分断工程で使用するレーザ光４１の走査速度Ｖ１（図４（ｂ））より高くする。レーザ光４１の走査速度が低くなるほど照射部における単位時間当たりのレーザ入射量が増えるので絶縁被膜層の除去性能は上がるが、その分、加工時間が長くなる。このため、分断工程では絶縁被膜層２０の分断性を高くするために走査速度Ｖ１を低くするが、レーザ照射工程では走査速度Ｖ２を走査速度Ｖ１より高くするので、加工時間を短くできる。
また、レーザ光４１の移動軌跡４３の平行線の間隔であるピッチＰ２を、分断工程の移動軌跡４２（図４（ｂ））のピッチＰ１（図４（ｂ））より大きくする。移動軌跡のピッチが小さくなるほど照射部における単位時間当たりのレーザ入射量が増えるので絶縁被膜層の除去性能は上がるが、その分、加工時間が長くなる。このため、分断工程では絶縁被膜層２０の分断性を高くするためにピッチＰ１を小さくするが、レーザ照射工程ではピッチＰ２をピッチＰ１より大きくするので、加工時間を短くできる。この結果、走査速度Ｖ２を走査速度Ｖ１以下とすると共に、ピッチＰ２をピッチＰ１以下とする場合に比べて、レーザ照射工程の作業時間を短くできる。そして、除去予定部２２において、絶縁被膜層２０とコイル線１０との境界部分を、コイル線１０の発熱で炭化させるが、除去予定部２２の外面までは炭化させないようにする。
図７は、被膜めくり工程において、エアーブロー機６０から被膜付コイル線１の一端部に風を吹き付ける状態を示している。エアーブロー機６０は、ケーシング（図示せず）に配置したファンの駆動により吸入口からエアーを吸入し、エアー噴出部６１からエアーを噴出させる。エアー噴出部６１は、基台５０にコイル押さえ治具５１で固定された被膜付コイル線１の上側に配置し、被膜付コイル線の一端部に向くように、斜め下側に向けて配置する。そして、エアー噴出部６１から、エアーを図７の矢印α方向に噴出させることで、被膜付コイル線１の一端部の除去予定部２２に風を吹き付ける。これによって、図３（ｂ）に示すように、除去予定部２２をめくって吹き飛ばす。本例では、レーザ照射工程での除去予定部２２の外面側からのレーザ光４１の照射と、被膜めくり工程での除去予定部２２への風の吹き付けとを同時に行う。このため、レーザ光４１の照射によって、除去予定部２２のコイル線１０との境界部分が、線状領域側端（図３（ｂ）の右端）からコイル線１０の一端（図３（ｂ）の左端）付近までコイル線１０の発熱で炭化されると、風の吹き付けで除去予定部２２がめくられて吹き飛ばされる。
レーザ照射工程では、除去予定部２２の絶縁被膜層２０とコイル線１０との境界部分をレーザ照射で炭化させているので、境界部分のコイル線１０に対する密着度を低下させることができる。そして、被膜めくり工程では、除去予定部２２に風を吹き付けて除去予定部２２をめくって吹き飛ばすので、除去予定部２２の全部（全体積分）はレーザ照射で炭化させる必要なく、除去予定部２２を除去できる。例えば、除去予定部２２の炭化として、除去予定部２２のコイル線との境界部分のみを炭化させることができる。これにより、被膜除去作業におけるレーザ照射時間を短縮できる。さらに、レーザ照射工程での除去予定部２２の外面側からのレーザ光の照射と、被膜めくり工程での除去予定部２２への風の吹き付けとを同時に行っているので、被膜除去作業の作業時間をさらに短縮できる。
次に、図２のＳ１６、図３（ｃ）に示す第１クリーニング工程を行う。第１クリーニング工程は、被膜付コイル線１における除去予定部２２の除去痕に付着して残った絶縁被膜層２０の炭化物２５（図３（ｃ））を除去する。このために、第１クリーニング工程は、レーザマーカ機４０で除去痕の全体にレーザ光の照射を行い、図２のＳ１２のレーザ照射工程と同様に、矩形波状の移動軌跡で照射部を移動させる。このとき、レーザ光４１の走査速度は、レーザ照射工程での走査速度Ｖ２よりさらに高くする。また、レーザ光４１の移動軌跡におけるピッチは、レーザ照射工程でのピッチＰ２よりさらに大きくする。これにより、第１クリーニング工程の作業時間は、レーザ照射工程の作業時間より短くなる。第１クリーニング工程において、レーザ光４１のパルス出力Ｐ及びパルスの周期Ｔは、分断工程及びレーザ照射工程の場合と同様である。第１クリーニング工程の前には照射被膜めくり工程を行うので、第１クリーニング工程の開始段階で膜状の絶縁被膜層２０はコイル線１０上の除去痕に存在しない。これにより、コイル線１０にレーザ光４１がより吸収されやすくなり、コイル線１０の発熱により炭化物２５を除去しやすくなる。
最後に、図２のＳ１８、図３（ｄ）に示す第２クリーニング工程を行う。第２クリーニング工程の構成は、第１クリーニング工程と同様である。２回のクリーニング工程を行うことで、被膜付コイル線１における除去予定部２２の除去痕の炭化物２５（図３（ｃ））をきれいに除去できる。これにより、被膜付コイル線１の一端部の第３面Ｓ３において、炭化物２５がきれいに除去された新生面が露出されるので、この新生面で他の被膜付コイル線におけるコイル線の露出部と溶接する場合に、良好な導通性を確保できる。第１クリーニング工程の１回で除去痕の炭化物をきれいに除去できるのであれば、第２クリーニング工程は省略してもよい。
図８は、被膜付コイル線１の単品での被膜除去作業の時間であるサイクルタイムについて、実施例と比較例との比較を示している。実施例は、実施形態の被膜除去方法を用いて、被膜付コイル線１の一端部の第３面Ｓ３における絶縁被膜層２０（除去予定部２２）を除去する。一方、比較例は、被膜炭化除去工程を行った後、第１、及び第２クリーニング工程を行う。「被膜炭化除去工程」は、被膜付コイル線１の一端部の第３面Ｓ３における、絶縁被膜層２０の除去予定部２２の全体積分をレーザ光の照射で炭化させて昇華により除去する。比較例における第１、第２クリーニング工程は、上記の実施形態と同様である。図８の比較結果から分かるように、実施例では、照射被膜めくり工程と分断工程でかかる時間を、比較例の被膜炭化除去工程でかかる時間より大幅に短くできるので、サイクルタイムを大きく短縮できる。
さらに、実施形態によれば、１台のレーザマーカ機４０を用いた被膜付コイル線１の一端部の被膜除去作業の時間を短くできる。これにより、複数の被膜付コイル線１の両端部の被膜除去作業を１台または複数台のレーザマーカ機４０を用いて行う場合に、その作業全体の目標時間を達成しつつ１台のレーザマーカ機４０で多くの個所の被膜を除去できる。このため、目標時間達成のために全ての個所の被膜の除去に必要なレーザマーカ機の台数を少なくできるので、設備コストを低減できる。
図９は、実施形態の別例において、分断工程で、絶縁被膜層２０の線状領域２４を除去する方法を示している。本例では図９（ａ）に示すように、コイル線１０の一端部の第３面Ｓ３における線状領域２４の上側に、刃具６３を配置する。刃具６３は、下端に尖った突部６４を有する。そして、図９（ｂ）に示すように、刃具６３を下降させて、線状領域２４に突部６４を押し付けることで、線状領域２４を除去する。その後、レーザマーカ機を用いて、図１Ａ〜図７の構成と同様に照射被膜めくり工程、第１、第２クリーニング工程を行って、除去予定部２２を除去する。この構成によれば、レーザマーカ機を用いることなく、線状領域２４を除去できる。
また、図示を省略するが、実施形態の別例として、分断工程で、図１Ａ〜図７の構成と同様にレーザ光の照射で絶縁被膜層の線状領域を除去する場合に、そのレーザ光として、図１Ａ〜図７の構成の基本波長レーザより波長が短い短波長レーザ（グリーンレーザ）を用いることもできる。短波長レーザは、例えば波長が５３２ｎｍである。短波長レーザは、絶縁被膜層２０への吸収率が基本波長レーザより高いので、短波長レーザを用いた分断工程では、線状領域にレーザ光が吸収されて、その発熱により線状領域が外面側から削られる。短波長レーザの走査速度、移動軌跡のピッチ、パルス出力、及び周期は、図１Ａ〜図７の構成の分断工程で使用したものと同様である。別例のその他の構成は、図１Ａ〜図７の構成と同様である。例えば、レーザ照射工程、第１及び第２クリーニング工程では、基本波長のレーザ光を用いる。このような短波長レーザを用いる場合には、コイル線の発熱を利用せずに線状領域を直接加工するので、線状領域の除去性を高くできる。さらに、短波長レーザでは、レーザ光のビーム径を小さくできると共に直接加工できるので、線状領域を高精度に除去できる。これにより、線状領域に隣接する絶縁被膜層の残留予定部にレーザ光の熱影響が及ぶことを抑制できる。このため、残留予定部の絶縁性能を維持できる。
上記では、レーザ照射工程と、被膜めくり工程での除去予定部への風の吹き付けとを同時に行う場合を説明したが、レーザ照射工程と、被膜めくり工程とを完全に時間的に分けて行ってもよい。この場合には、レーザ照射工程後に、被膜めくり工程の除去予定部への風の吹き付けが開始される。この場合でも、上記の各実施形態と同様に、除去予定部の全部はレーザ照射で炭化させる必要なく、除去予定部を除去できるので、被膜除去作業におけるレーザ照射時間を短縮できる。
１ 被膜付コイル線、１０ コイル線、２０ 絶縁被膜層、２１ 残留予定部、２２ 除去予定部、２４ 線状領域、２５ 炭化物、４０ レーザマーカ機、４１ レーザ光、４２,４３ 移動軌跡、５０ 基台、５１ コイル押さえ治具、６０ エアーブロー機、６１ エアー噴出部、６３ 刃具、６４ 突部。

Claims (1)

  1. コイル線に密着した絶縁被膜層を除去する方法であって、
    前記絶縁被膜層の除去予定部と残留予定部とを分ける前記絶縁被膜層の線状領域を除去する分断工程と、
    前記絶縁被膜層を透過するが前記コイル線に吸収されるレーザ光を、前記除去予定部の外面側から前記コイル線の前記絶縁被膜層との境界に向かって照射することにより、前記除去予定部の前記絶縁被膜層と前記コイル線との境界部分を前記コイル線の発熱で炭化させるレーザ照射工程と、
    前記除去予定部に風を吹き付けることにより前記除去予定部をめくって吹き飛ばす被膜めくり工程とを含む、
    コイル線の被膜層除去方法。
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