JP2021005805A - 光電センサ、レーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法、レーザ樹脂溶着方法、レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な光電センサを備えたレーザ加工装置を用いてレーザ光の樹脂透過率を正確に測定し、適切なレーザ樹脂溶着を行う。【解決手段】本発明の光電センサは、レーザ光透過性樹脂からなるワークＷ１を載置する載置台３３ａと、ＬＤ（レーザダイオード）と収束レンズ４５とを有する投光手段と、検出領域ＤＡを通過したレーザ光ＬＢを、載置台３３ａと面一の位置で受光するフォトダイオード５２を備え、収束レンズ４５から投光されたレーザ光ＬＢの光軸がフォトダイオード５２の入射面に直交する方向で入射するとともに、フォトダイオード５２の入射面で焦点を結ぶように設定され、実際の樹脂溶着を行う溶着部分でのレーザ光ＬＢにより与えられる熱量を測定することで溶着に用いられる熱量を正確に算出する。【選択図】図９

Description

投光手段と受光手段とを備えた光電センサ、レーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法、レーザ樹脂溶着方法、レーザ加工装置に係り、詳しくは、樹脂を重ね合せてレーザで溶着を行うに当たって、レーザ透過性樹脂のレーザ溶着のための樹脂透過率判別に適した光電センサ、この光電センサを用いたレーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法、測定した樹脂透過率に基づくレーザ樹脂溶着方法、このレーザ樹脂溶着方法に用いるレーザ加工装置に関する。

樹脂を重ね合せてレーザで溶着するには、レーザ光吸収性樹脂と、その上面に、レーザ光透過性樹脂を重ね合せ、レーザ光透過性樹脂側からレーザ光を照射して、樹脂同士の界面で溶融させて溶着を行う。この場合に、レーザ光透過性樹脂にレーザを透過させて、レーザ光吸収性樹脂との界面の溶着部分を適切に加熱するには、過不足なく適切な熱量を溶着部分に付与することが必要である。そのためには、透過させる方の樹脂の透過率を知ることが重要になる。

そこで、図１２に示す特許文献１に記載された発明では、レーザ溶着を実行する前に予め測定用の光源１０９から光線１１１を透過材１０４に照射する。透過材１０４を透過した光線１１１の量を検出器１０８によって測定することで、透過材１０４の透過率を算出する。この透過率に基づいて、レーザ光源１０１の出力を制御するようになっている。

それによって、溶着部分へ照射されるレーザ光１０３の強さが、透過材１０４の透過率に即応した大きさに変化する。このため過不足のない大きさのエネルギーが溶着部分の吸収材１０５の表面へ与えられるので、吸収材１０５の表面において適正な大きさの発熱が得られて、高品質のレーザ溶着を行なうことができる。

また、図１３に示す特許文献２に記載された発明では、レーザによる溶着ではなくレーザによる分割である。ここで、レーザ加工を行う第１のレーザ光２４５ａとは別に、基体Ｐの材料変質部２４７に斜め方向から照射した第２のレーザ光２４５ｂを透過光量検出部である受光素子２１５１により透過光量を検出して、第２のレーザ光２４５ｂの透過率を演算する。これにより、基体Ｐ内部に材料変質部２４７が精度よく形成されているかどうかを判断することができる。その結果、基体Ｐ内部に材料変質部２４７が形成されているかどうかを判定してから基体Ｐを分割することで、分割不良を抑制することができる。

引用文献１や引用文献２に記載された発明であれば、予めレーザ光の樹脂透過率を測定することで、適切なレーザ加工ができる。

特開２００４−２４３６２９号公報 特開２００７−３１９８８１号公報

このようなレーザ樹脂溶着は多数の業界や分野で利用されている技術であり、重ね合せて溶着する樹脂材料も多岐に亘っており、その材料の１つとして、樹脂に難燃剤を添加した難燃性樹脂の材料を使うケースも多くなっている。難燃性樹脂においては、難燃剤が不純物として添加されている状態なので、難燃剤によりレーザ光が拡散し、レーザ光の樹脂透過率が低くなる。

そこで、図１１に示すように、レーザ樹脂溶着にあたりレーザ光透過性樹脂Ｗ１とレーザ光吸収性樹脂Ｗ２の界面の溶着部分ＷＰにおいて、レーザ光透過性樹脂Ｗ１に狭い溝状の部分を形成する。このようにしてレーザ光透過性樹脂Ｗ１の厚みＤを薄くして、レーザ光ＬＢを透過させやすくする場合がある。

特許文献１では、測定用の光源１０９から光線１１１を透過材１０４に照射して、透過材１０４を透過した光線１１１の量を下方に離間した検出器１０８によって測定する。この場合、透過率が低いと光量が十分でない場合があり、また測定用の光線の径がハロゲン光源のような太い光線の場合は狭い溝状の部分は正確に測ることができない虞がある。

また、特許文献２では、レーザ光２４５ｂの透過量に基づいて、材料の改質状態を認識できるようにしている。しかし、加工用のレーザ光２４５ａに対して別角度からレーザ光２４５ｂを照射しており、実際の加工面とは異なる場所である。さらに受光素子２１５１が加工面から離間されているため、透過率を正確に測れない虞がある。また、斜めに照射すると狭い溝状の部分は正確に測ることができない。

そのため、従来では正確に透過率を測定するには、大型の分光器が用いられていた。このような分光器では、光のビーム幅を小さく絞り、加工用のレーザ光と近似した波長で大出力により光の樹脂透過率が低い難燃性樹脂のようなものでも正確に測定することができた。

しかしながら、このような大型の分光器では、設備が大掛かりで、かつ、規格に沿ったテストピースを作成する必要があるなど、特に製造ラインに組み込んで簡易迅速にレーザ光の樹脂透過率を測定することは困難であった。

上記問題を解決するため、本発明は、簡易な構成で正確にレーザ光の樹脂透過率を測定することができる光電センサ、レーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法、レーザ樹脂溶着方法、レーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を鑑み、本発明の光電センサでは、ワークを載置する載置台と、射出光を発光する発光素子と、前記発光素子から射出された光を検出領域に向けて収束させる収束手段とを有する投光手段と、前記収束手段から前記検出領域を通過した光を、その光軸に沿った方向において前記載置台と面一の位置で受光する受光手段と、を備えた光電センサであって、前記投光手段から投光された光の光軸が前記受光手段の入射面に直交する方向で入射するとともに、当該受光手段の入射面で焦点を結ぶように設定されていることを要旨とする。

また、本発明の異なる態様の光電センサでは、ワークを載置する載置台と、射出光を発光する発光素子と、前記発光素子から射出された光を収束後、検出領域に向けて平行光にするコリメート手段とを有する投光手段と、前記コリメート手段から前記検出領域を通過した光を、その光軸と直交する方向において前記載置台と面一の位置で受光する受光手段と、前記投光手段から射出された光の光軸が、前記受光手段の入射面に直交する方向で入射するように設定されていることを要旨とする。

これらの光電センサにおいて、前記発光素子はレーザダイオードであり、前記光電センサは、前記レーザダイオードの発光領域より狭いコア径の光ファイバを有し、前記投光手段が前記光ファイバを介して射出し前記受光手段で受光される光は、前記レーザダイオードの発光領域より小さいことが好ましい。

また、この場合、前記光ファイバはシングルモードとして構成されていることが好ましい。
また、前記光電センサは、測定した樹脂の樹脂透過率を表示する表示部を備えることも好ましい。

本発明のレーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法では、上記いずれかの光電センサを用い、溶着するレーザ樹脂のうち、レーザを透過させる樹脂のみを、溶着する面を前記受光手段の入射面に載置して測定することを要旨とする。

また、本発明のレーザ樹脂溶着方法では、表示部を備えた光電センサを用い、レーザ溶着する樹脂のうち、レーザを透過させる透過性樹脂の樹脂透過率を測定する工程と、前記表示部に表示された樹脂透過率に基づいて、レーザ加工装置の加工条件を設定する工程と、当該設定した加工条件で前記レーザ加工装置により前記透過性樹脂のレーザ溶着を行う工程とを備えたことを要旨とする。

また、本発明のレーザ加工装置は、上記いずれかの光電センサを備えたレーザ加工装置であって、レーザ加工装置本体が射出するレーザの波長と、前記光電センサが射出するレーザの波長が同一若しくは近似した波長であることを要旨とする。

さらに、本発明の別の態様のレーザ加工装置は、上記いずれかの光電センサを備えたレーザ加工装置であって、前記光電センサにより測定したレーザ光の樹脂透過率のデータを受信し、当該データに基づいてレーザ加工を行うことを特徴とする。

本発明の光電センサ、レーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法、レーザ加工装置によれば、簡易な構成で正確にレーザ光の樹脂透過率を測定することができる。

レーザ加工装置の全体を示す模式図。 レーザ光による樹脂溶着の原理を示す模式図。 光電センサの外観を示す斜視図。 光電センサのカバーを外した斜視図。 光電センサの投光手段の分解斜視図。 光電センサの受光手段の分解斜視図。 光電センサの構成を示すブロック図。 実施形態の樹脂透過率の測定方法を示す模式図。 実施形態の樹脂透過率の測定方法の変更例を示す模式図。 他の実施形態の樹脂透過率の測定方法を示す模式図。 レーザ光による樹脂溶着の例を示す模式図。 従来の光電センサを示す模式図。 従来の光電センサを示す模式図。

（第１の実施形態）
＜レーザ加工装置１の全体構成＞
図１は、本実施形態のレーザ加工装置１の構成を示す模式図である。図２は、レーザ光による樹脂溶着の原理を示す模式図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ加工装置本体２と光電センサ３とから構成される。

レーザ樹脂溶着は、図２に示すようにレーザ光透過性樹脂からなるワークＷ１とレーザ光吸収性樹脂からなるワークＷ２とを用いる。光電センサ３では、予めワークＷ１のみを用いてレーザ光の樹脂透過性を測定し、そのデータをレーザ加工装置本体２にレーザ樹脂溶着における樹脂透過率Ｔを送信し、レーザ加工装置本体２は、この樹脂透過率Ｔのデータを受け取りレーザ樹脂溶着を行う。

＜レーザ加工装置本体２の全体構成＞
レーザ加工装置本体２は、周知のレーザ加工装置であり、ワークの載置台であるステージ２４に載置されたワークＷに対して３次元的にレーザ光２６を照射して、切断や穴あけ、そして溶着を行う。レーザ加工装置本体２では、ステージ２４にワークＷ２を載置し、その上にワークＷ１を重ねて、ガラス板２５で固定する。制御部２１では、受信した樹脂透過率Ｔのデータに基づいてドライバである投光回路２２に制御信号を送信し、投光回路２２ではレーザ光２６の出力を最適化して駆動信号を投光手段２３に送信する。投光手段２３によりレーザ光２６を照射すると、レーザ光２６は、ガラス板２５をほとんど透過し、次にレーザ光透過性樹脂であるワークＷ１を一定の割合で散乱して減衰しながら透過する。このレーザ光２６は、ガラス板２５ではほとんど熱に変換されず、レーザ光透過樹脂からなるワークＷ１でも、光から熱への変換は押さえられる。したがって、ワークＷ１が熱により溶融することはない。そして、レーザ光２６がレーザ光吸収性樹脂からなるワークＷ２に到達すると、ワークＷ２はレーザ光２６を吸収して熱に変換させる。そうするとワークＷ２がその熱で溶融するとともに、その熱をワークＷ１に伝導させワークＷ１の温度も上昇し、ワークＷ２との界面の部分が溶融する。このため、溶融したワークＷ２とワークＷ１とが混ざり合い、冷却して固化すると溶着される。

＜難燃性樹脂＞
ワークＷ１は、レーザ光の樹脂透過率Ｔが高いほど、発熱が少なくレーザ樹脂溶着が容易であるため、ある程度のレーザ光の樹脂透過率Ｔが求められる。さらに溶着するためには、加熱で溶融し冷却すると固化する熱溶融性の樹脂であることが求められる。

ここで、この溶着方法によって結合し得る複数の樹脂材料の一つである透過性の樹脂材料としては、以下のようなものが挙げられる。ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ（アクリロニトリルーブタジエンースチレン共重合体）、ＰＡ（ポリアミド）のような透過性の良い樹脂材料など。また比較的透過性が低いものとしては、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）のようなものが使用されている。

ところで、本実施形態のワークＷ１は、特に難燃性樹脂を例に挙げている。難燃性樹脂には、例えば、テトラフルオラエチレンのようなフッ素樹脂やシリコーンゴムなどもある。しかし、レーザ光の樹脂透過率Ｔが低いので、透過性の高い樹脂に例えば水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムなどの難燃性のフィラーを練り込んで難燃性を確保する場合がある。この場合、難燃性のフィラー自体はレーザ光の透過性がないため、ワークＷ１に入射したレーザ光２６は、内部でフィラーに当たり散乱して溶着部分ＷＰに到達する前に大きく減衰することになる。したがって、ワークＷ１のレーザ光２６の樹脂透過率Ｔに基づいて、レーザ光２６の出力を調整する必要がある。

＜レーザ加工装置本体２の制御部２１・投光回路２２・投光手段２３＞
そこで、本実施形態のレーザ加工装置１では、制御部２１でレーザ光２６の減衰率を樹脂透過率Ｔに基づいて演算して、投光回路２２に投光出力の指示を出す。ドライバである投光回路２２は、投光手段２３に所定の電力を印加して、レーザ光２６を照射する。

本実施形態においては、十分な溶着が行われるためには、レーザ光の樹脂透過率Ｔは、概ね３０％以上あることが望ましい。したがって、生産ラインの川上（上流側）において光電センサ３により例えば樹脂透過率Ｔが３０％以上あるかどうか判定することで、溶着不良を加工前に検査することができる。もちろん適正な樹脂透過率Ｔは、樹脂の種類、レーザの種類、波長等で異なる。

＜レーザ加工装置本体２の投光手段２３＞
投光手段２３は、この実施形態では波長が１０７０ｎｍのＹｂ：ファイバレーザーを用いている。例えば、パナソニック株式会社のＶＬ−Ｗ１Ａ００などが挙げられる。このレーザ発振器から、所定の光学系を経て基本波長（１０７０ｎｍ）のレーザ光２６を照射する。この場合、ワークＷ１とワークＷ２との界面にある溶着部分ＷＰにレーザ光２６の焦点Ｆが合うようにＺ方向の位置が決められる。

図１に示すように、レーザ加工装置本体２には、光電センサ３が接続されている。次に、光電センサ３を図３〜８を参照して説明する。
＜光電センサ３の全体構成＞
図３は、光電センサ３の外観を示す斜視図である。光電センサ３は、背面側（図３の右奥側）に板状のカラム３２を備え、光電センサ３全体のフレームとなっており、その上部には、直方体の箱状の上部筐体３１を備える。この上部筐体３１の下方には、上部筐体３１と幅及び奥行きがほぼ等しく、高さ方向に大きな下部筐体３３が、上部筐体３１と間隔を置いて配設されている。この下部筐体３３の上面は、載置台３３ａとなっている。ここには、レーザ光透過性樹脂からなるワークＷ１のみを溶着部分ＷＰを下方に向けて載置する。

下部筐体３３の前面には、動作を表示するＬＥＤなどから構成される表示ランプ３３ｂ、文字を表示する液晶画面を備えた表示部３３ｃ、操作するためのボタンを備えた操作スイッチ３３ｄを備える。また、下部筐体３３の下面からは、レーザ加工装置本体２に接続するための接続ケーブル３３ｅが延出されている。

続いて、図４を参照して、光電センサ３の内部について説明する。図４は、内部の説明のためにカバーを取り外した状態の光電センサ３の斜視図である。カラム３２は背面側（図４において左奥側）に上端から下端まで延びて配置されている。

＜上部筐体３１の内部構造＞
上部筐体３１の内部には、投光手段４の一部が配設される。下端に水平な板状の基台３１ａがカラム３２に設けられ、この基台３１ａは、やや前側に鉛直方向に貫通した概ね長方形の開口部３１ｂが形成されている。この開口部３１ｂには、投光手段４を構成するコリメータレンズ４４が複数の要素からなる固定具４６により固定されている。この固定具４６は、カラム３２に固定されたＸＹＺ移動ステージ４７により支持されている。ＸＹＺ移動ステージは、Ｘ方向（カラム３２に平行な水平左右方向）及びＹ方向（カラム３２に垂直な水平前後方向）に微動させることができ、レーザ光の光軸を受光手段５に対してＸＹ平面内（入射面内）における位置を調整する。またＺ方向（光軸に沿った方向）に微動させることができ、受光手段５に対して光束が一点に収束するように調整することができる。特に、ワークＷ１の屈折率が異なる場合は、光束が正しく溶着部分ＷＰに収束するように調整することもできる。
なお、ＸＹ方向やＺ方向の移動は省略することもできる。

＜下部筐体３３の内部構造＞
下部筐体３３には、その上端に配置された載置台３３ａを構成する板状の窓枠３３ｆがカラム３２に水平に支持されている。窓枠３３ｆは、上部筐体３１の開口部３１ｂと鉛直方向で対向する位置に、概ね長方形の窓部３３ｇ（図６参照）が開口されている。この窓部３３ｇに、受光手段５が配置される。

カラム３２の下方内側には、受光手段５を構成する受光基板５７と、投光手段４を構成する投光基板４８が配設されている。投光基板４８にはＬＤ４１が配置され、ここで発振されたレーザ光は光ファイバケーブル４２により、カラム３２に沿って上部筐体３１に導出させている。また、表示部３３ｃの裏側内部には制御基板６０（図７参照）を備えた制御手段６が配置されている。この光ファイバケーブル４２は、シングルモードの光ファイバケーブルで、この光ファイバのコア径は５．３μｍである。

＜投光手段４＞
図５は、投光手段４の一部の分解斜視図である。図７は、光電センサ３の電気的構成を示すブロック図である。

投光手段４は、制御手段６の制御基板６０から制御信号を受けて、ドライバである投光回路４０により、投光手段４であるＬＤ４１を発光させ、コリメータレンズ４４などの光学系を介して投光する。

ここで、図５を参照して、ＬＤ４１を発光させ、コリメータレンズ４４などの光学系を介して投光する構成を説明する。
まず、図４に示すように、制御手段６からの制御信号をドライバである投光基板４８が受信して、投光基板４８はＬＤ４１に駆動電流を供給してＬＤ４１が発振する。ＬＤ４１で発振したレーザ光は、光ファイバケーブル４２よりコリメータレンズ４４に導かれ、フォトダイオード５２の入射面である検出領域に照射される。

＜ＬＤ（レーザダイオード）４１＞
発光素子であるＬＤ４１は、所定の発光領域を有し、本実施形態のＬＤ４１の発光領域では、光ファイバケーブル４２のコア径５．３μｍより大きな発光領域であり、その発光領域の形状は基本的に矩形である。光ファイバケーブル４２を通過させることで、均一な断面形状が円形の光線となる。また、光ファイバケーブル４２からの射出は、点光源に近いものとなる。すなわち、ＬＤ４１から射出されたレーザ光ＬＢは、所定の光ファイバケーブル４１により整形される。

このレーザダイオードは、例えば、ファブリペロー半導体レーザ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）などが好適に用いられ、発振モードはシングルモードで、波長はλ＝１０６４ｎｍである。

レーザ加工装置本体２のレーザ発振器は、波長がλ＝１０７０ｎｍであるので、同一ではないが、近似した波長である。ワークＷ１を構成するレーザ光透過樹脂は、波長により樹脂透過率Ｔが大きく変化する。したがって、光電センサ３で樹脂透過率Ｔを大きく異なる波長、例えば波長λ＝７８０〜８５０ｎｍの赤外光で測定しても、レーザ加工装置本体２において、異なる樹脂透過率Ｔを示すため、レーザ加工装置での溶着時の樹脂透過率Ｔを測定できない。

本実施形態では、λ＝１０７０ｎｍで樹脂透過率Ｔを測定すれば、λ＝１０６４ｎｍで加工しても、許容できる樹脂透過率Ｔの誤差で加工できる。また、このような実用上問題のない誤差を許容することで、安価なレーザダイオードを用いることで、光電センサ３をより安価に製造することが可能となる。

＜光ファイバケーブル４２＞
光ファイバケーブル４２は、ＬＤ４１の発光領域に対向する位置に端面を位置させ、ここからレーザ光を導入する。上述のとおりレーザダイオードの発光領域の径が１．０１から数ｍｍであるのに対して、光ファイバケーブル４２のコア径は５．３μｍである。したがって、レーザダイオードで発振したレーザ光は、集光レンズで収斂して、光ファイバケーブル４２の端部から入力させる。光ファイバケーブル４２は、その目的によりステップインデックス・マルチモード光ファイバ（ＳＩ）、レーデッドインデックス・マルチモード光ファイバ（ＧＩ）などの種類があるが、本実施形態では、汎用シングルモード光ファイバ（ＳＭ）を採用している。これはコア径を小さくすることでモードを１つにした光ファイバで、マルチモードで見られるようなモードの違いによる伝搬信号の歪みは発生せず、極めて広帯域な特性を有する。汎用のシングルモード光ファイバは、１３１０ｎｍ帯に零分散波長があるため、伝送損失が低く優れた特性を有する。したがって、ＬＤ４１で発振したレーザ光ＬＢが、焦点Ｆがずれることなく、フォトダイオード５２の入射面である検出領域ＤＡに正確に焦点Ｆを集中させることができる。

具体的には、この光ファイバケーブル４２は、シングルモードの光ファイバケーブルで、この光ファイバのコア径は実施形態では、５．３μｍである。

＜光コネクタ４３＞
光ファイバケーブル４２は、下部筐体３３の投光基板４８からカラム３２に沿って、上部筐体３１に導かれる。光ファイバケーブル４２の端部には、ねじ込みタイプのＦＣ光コネクタが接続され、図５に示すように固定具４６ａにより、フェルール同士をばねで押し付け密着させ、コリメート手段であるコリメータレンズ４４に接続される。光ファイバケーブル４２の端部では、コアを使って伝播してきたレーザ光が発散的に球面波を発する。ファイバのコア同士がよく密着するようにフェルール端面を球面に研磨して接続部での反射を小さくしたＵＰＣ研磨（Ｕｌｔｒａ ＰＣ）がなされている。

＜コリメータレンズ４４（コリメート手段）＞
コリメータレンズ４４は、固定具４６ｂにより所定位置でカラム３２に支持され、このレーザ光の球面波を収束させて平行光にする。コリメータレンズは、例えば調整可能型非球面レンズ付きコリメータレンズ（ｆ＝２．０ｍｍ）などにより好適に実施することができる。

なお、本実施形態のコリメータレンズにおいては、平行光より０．３°程度収束される。さらに、本実施形態のコリメータレンズ４４では、コリメータレンズ４４自体に焦点機構があるため、この焦点機構を利用してもよい。この場合は、コリメータレンズ４４が収束レンズ４５の機能を併せ持つものといえる。

図８に示すように、本実施形態では、コリメータレンズ４４を通過したレーザ光ＬＢは、フォトダイオード５２の入射面の検出領域ＤＡに焦点Ｆを結ばせる。すなわち検出領域ＤＡと焦点Ｆ、さらに溶着部分ＷＰとは、一致する点になる。

なお、レーザ光透過性樹脂からなるワークＷ１を載置した状態で、樹脂を透過する際の屈折による焦点Ｆずれを調整して、より正確に焦点合わせを行う。
＜受光手段５＞
図６は、光電センサ３の一部分解斜視図である。図６を参照しながら受光手段５について説明する。窓枠３３ｆ（図４参照）の窓部３３ｇは透明な薄い樹脂製の透明導電性フィルム５１により覆われる。その下方には、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ−Ｄｉｏｄｅ）５２が入射面を前記透明導電性フィルム５１に密着させる位置で接着剤を介して配置されている。つまり、フォトダイオード５２の入射面は、載置台３３ａと面一になっている。フォトダイオード５２は、ロの字型固定部５３に収容されたＰＤ基板５４に接続されて固定され、Ｌ型金具５５によりカラム３２に固定されている。ＰＤ基板５４は図示しない導線で受光基板５７に接続されている。

＜フォトダイオード５２＞
フォトダイオード５２は、投光手段であるＬＤ４１の波長に適応したものが用いられ、Ｓｉフォトダイオードで、１９０〜１１００ｎｍの波長に感度を有し、投光手段４のＬＤ４１の波長１０６４ｎｍに対応する。

（本実施形態の作用）
＜樹脂透過率Ｔの測定＞
次に、図８を参照して本実施形態の樹脂透過率の測定方法について説明する。光ファイバケーブル４２の端末からレーザ光ＬＢの球面波が射出されると、コリメータレンズ４４に入射される。このレーザ光ＬＢは、コリメータレンズ４４に入射すると、平行光よりも０．３°程度収束され、収束光となる。そして、レーザ光透過性樹脂のワークＷ１に入射し、難燃性のフィラーによりレーザ光ＬＢが拡散されて減衰しながらフォトダイオード５２の入射面、すなわち検出領域ＤＡで焦点Ｆを結ぶ。この検出領域ＤＡは、図１１に示す溶着部分ＷＰと一致する。したがって本実施形態の樹脂透過率の測定方法によれば、実際の溶着部分ＷＰが受ける熱エネルギーを正確に推定することが可能になる。

また、レーザ光ＬＢが収束光であると、レーザ光ＬＢが通過する光束が一定の面積を有したものとなる。そのため、特定の経路のレーザ光ＬＢが難燃性のフィラーによって拡散されて検出領域ＤＡに到達しなくても、他の経路のレーザ光ＬＢがワークＷ１を通過して検出領域ＤＡに到達する。そのため多数の経路のレーザ光ＬＢの平均を測定することとなり、測定値のばらつきが小さくなる。

＜制御手段６＞
次に、図７を参照して、光電センサ３の制御手段による電気的な構成及び作用を説明する。

光電センサ３は、制御手段６を構成する制御基板６０を備える。制御基板６０は、周知のコンピュータの構成を備え、クロック回路６１を参照しながら光電センサ３の制御を行う。具体的には、投光手段４の投光基板４８に搭載された投光回路４０に制御信号を送る。制御信号を受けた投光回路４０はＬＤ４１に所定の電圧を印加してＬＤ４１を発光させる。投光回路４０は、そのレーザ光ＬＢをフォトダイオード（不図示）でモニターし、フィードバックしてＡＰＣ４９（自動出力制御装置・Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）により、一定の光量になるように調整する。

ＬＤ４１から射出されたレーザ光は、ワークＷ１を透過してフォトダイオード５２に入射される。フォトダイオード５２に入射されたレーザ光は、入射光に応じた電流をＩ／Ｖアンプ（電流／電圧変換回路）５６により、電流Ｉを電圧Ｖに変換する。その後、増幅器６２を経て、制御基板６０のＡ／Ｄ変換手段６３で、ディジタル信号に変換され制御基板６０の制御回路に送る。制御基板６０では、ワークＷ１なしの状態でティーチングにより予め測定して設定された樹脂透過率１００％に相当する基準値と、受信したディジタル信号を比較して、ワークＷ１の樹脂透過率Ｔを算出する。
この基準値は、ＬＤ４１の劣化や、光学系の汚損、温度条件により修正が必要になる場合があるため、予め設定しておき随時キャリブレーションで修正したり、あるいはその都度ワークＷ１なしでティーチングにより設定するようにしてもよい。

＜表示手段＞
この樹脂透過率Ｔは、表示部３３ｃに表示される。表示部３３ｃは、液晶パネルにより文字表示が可能に構成されており、樹脂透過率が文字で表示される。

＜ＩＯ−Ｌｉｎｋ＞
樹脂透過率Ｔは、Ｉ／Ｏリンク６４を介してＩ／Ｏリンクマスタ６５にデータを送信する。

ＩＯ−Ｌｉｎｋはポイント・ツー・ポイントによる双方向ディジタル通信により、フィールドバスおよび産業用イーサネット（登録商標）システムに対して、センサやアクチュエータを接続することを目的として設計された産業用インタフェース規格（ＩＥＣ ６１１３１−９）である。

センサやアクチュエータの動作状況および識別情報を制御装置（ＰＬＣ）と通信する事により、従来手作業で管理していた工場内の個々のセンサやアクチュエータの状態や情報を管理者へ提供することができる。それにより、工場のシステム管理の自動化を可能とするシステム構築を実現する技術である。

ＩＯ−Ｌｉｎｋマスタは複数のポートを持ち、１つポートに対して１つのデバイスが接続可能であり、同時に複数のデバイスとの通信を行うことが可能である。そのため、このＩ／Ｏリンクマスタ６５を介して、データがレーザ加工装置本体２に転送される。このデータを受信したレーザ加工装置本体２は、制御部２１において、ワークＷ１の溶着に際しての加工データを算出する。

（本実施形態の効果）
上記実施形態のレーザ加工装置１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、レーザ加工装置１のレーザ樹脂溶着において、溶着前に光電センサ３により加工するレーザ光透過性樹脂の樹脂透過率Ｔを測定することができるため、適切な出力によりレーザ樹脂溶着の作業をすることができる。

（２）特に、光電センサ３を製造ラインの上流に配置する。予めレーザ樹脂溶着を行うワークＷ１の加工する位置の樹脂透過率Ｔを測定する。そして、製造ラインの下流で、その位置で加工すれば、インラインで極めて効率的に、待ち時間なく直ちに品質の高いレーザ樹脂溶着をすることができる。

（３）測定に用いる光電センサ３は、ＬＤ４１を用いて簡易で安価な構成とすることができる。
（４）レーザ光は、ＬＤ４１の発光領域の径より光ファイバのコア径小さくして測定用の光線を射出するため、溝状に形成された溶着部分を正確に測定することができる。

（５）収束レンズ４５を用いてレーザ光を収束し、レーザ光透過樹脂であるワークＷ１を透過して受光手段であるフォトダイオード５２の入射面で焦点Ｆを結ぶ。そのため、実際の溶着部分ＷＰと同一の場所の検出領域ＤＡで樹脂透過率を測定するため、正確な測定ができる。

（６）特に、収束光を用いることで、一直線のレーザ光と異なり広い範囲を経路としてワークＷ１に入射するため、特に、レーザ光を透過しない不燃性のフィラーを含む難燃性樹脂のような樹脂透過率Ｔの低いものでも正確に樹脂透過率Ｔを測定することができる。

（７）測定用のＬＤ４１の波長は、レーザ加工用のレーザの波長と同等であるので、レーザ光透過性樹脂のレーザ光の波長による透過特性を正しく測定できる。
（８）測定用のレーザ光は、加工用のレーザ光と同一の経路で測定するため、正確な測定結果を得ることができる。

（９）また、Ｉ／Ｏリンクマスタ６５を用いることで、光電センサ３で測定した樹脂透過率Ｔにより工場の生産管理の自動化を行うことができる。
（１０）表示部を備え、測定した樹脂透過率Ｔを表示できるため、オフラインで光電センサ３を利用することができる。つまり、ここで測定した樹脂透過率Ｔに従い、レーザ加工装置をマニュアルで出力を樹脂透過率で除することで、適正な出力とすることができる。

（１１）このため、本実施形態の光電センサ３は、外付けや後付けが容易であるため既存の生産設備でも容易に導入することができる。
（変形例）なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

＜収束レンズ４５＞
図９は、上記実施形態の投影光学系を変更した例である。上記実施形態では、コリメータレンズ４４でコリメートされたレーザ光ＬＢは、コリメータレンズ４４自体が収束手段として収束光とされていた。しかしながら、コリメータレンズ４４そのものを完全な平行光とする本来のコリメート手段とし、収束レンズ４５をさらに備える。加えて、この収束レンズ４５により収束されたレーザ光ＬＢを、フォトダイオード５２の入射面、すなわち検出領域ＤＡにおいて焦点Ｆを合わせるように構成してもよい。

・このように構成することで、コリメータレンズ４４により一旦光束の径が大きな平行光として、これを収束レンズ４５により収束させて検出領域で焦点を結ばせることで、レーザ光ＬＢをより広い範囲でワークＷ１を通過させる。そのため、よりワークＷ１の樹脂透過率Ｔを平均化して、正確な測定をする。

・また、拡散が小さくなるような設計もでき、より小さな面積のフォトダイオード５２が使えるため、小型化が可能である。
・さらに、対象の厚みが変わると収束径の再調整が必要とはなるが、パワー密度が高くなりＳ／Ｎ比を向上させることも可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化したレーザ加工装置１の第２の実施形態を図１０を参照して説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の投光手段４の構成を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、コリメータレンズ４４の下流に収束レンズ４５を備え、平行光を収束光に変換する。そしてフォトダイオード５２の入射面の検出領域ＤＡで焦点Ｆを結ぶように構成されていた。本実施形態では、コリメータレンズ４４により、レーザ光ＬＢの光束の径を小さくした直線状の平行光として投光手段４から射出された光の光軸が、フォトダイオード５２の入射面に直交する方向で入射するように設定されている。

なお、図示は省略するが、一旦コリメータレンズ４４により平行光とし、再度収束レンズにより収束して収束光として、さらに、光束の径を絞り切ったところで凹レンズ等でコリメートして径の小さな平行光としてもよい。

従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態に記載の効果（１）〜（４）、（７）〜（１１）に加えて以下の効果を得ることができる。
（１２）レーザ光ＬＢが、光束の径を小さくした直線状の平行光として投光手段４から射出されるため、焦点深度が無限大となるため、焦点Ｆの調節は基本的に必要がない。このため、投光手段４と受光手段５との距離を変化させても、基本的にレーザ光ＬＢは、検出領域ＤＡ、すなわち溶着部分ＷＰで一点に集約されて測定できる。したがって、ワークＷ１の大きさが大きな場合は、投光手段４と受光手段５との距離を大きくすれば測定が可能となる。また、ワークＷ１が薄い場合は、投光手段４と受光手段５との距離を小さくすることで、レーザ光ＬＢの位置精度を高くしたり、パワーの減衰を小さくしたりすることができる。

（１３）また、ワークＷ１の溶着部分ＷＰに設けられた溝状の部分の幅が狭い場合でも、その壁面に干渉して正確に樹脂透過率Ｔが測定できないという場合がない。
（１４）本実施形態では、収束レンズ４５を用いない構成とすることができるので、光学系をより単純化することで、より光電センサ３の構成を簡易にすることができる。

（実施形態の変形例）
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○画像認識により、ワークＷ１の複数の位置を特定し、その部分の樹脂透過率Ｔを測定すれば、溶着部分ＷＰそれぞれの厚みが異なる場合でも、それぞれ適正なレーザ出力で加工することができる。

〇載置台３３ａは、フォトダイオード５２の周囲に広がる平面に限らず、フォトダイオード５２の大きさとしてもよい。このように構成することで、ワークＷ１の下方に突起状の部分がある場合でも、溶着部分ＷＰがフォトダイオード５２から浮きがってしまうようなことが回避できる場合がある。
〇実施形態の光電センサ３のＬＤ４１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを例示したが、発光素子としては、例えば波長が近似するλ＝１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などのレーザダイオードを用いてもよい。

ＬＢ…測定用のレーザ光、Ｔ…（レーザ樹脂溶着における）樹脂透過率、Ｗ…ワーク、Ｗ１…ワーク（レーザ光透過性樹脂）、Ｗ２…ワーク（レーザ光吸収性樹脂）、Ｄ…（溶着部分のワークＷ１の）厚み、ＷＰ…溶着部分、ＤＡ…検出領域、Ｆ…焦点、１…レーザ加工装置、２…レーザ加工装置本体、２１…制御部、２２…投光回路、２３…投光手段、２４…ステージ、２５…ガラス板、２６…レーザ光、３…光電センサ、３１…上部筐体、３１ａ…基台、３２…カラム、３３…下部筐体、３３ａ…載置台、３３ｂ…表示ランプ、３３ｃ…文字表示が可能な表示部、３３ｄ…操作用のスイッチ、３３ｅ…接続ケーブル、４…投光手段、４０…投光回路、４１…ＬＤ（レーザダイオード・発光素子）、４２…光ファイバケーブル、４３…コネクター、４４…コリメータレンズ（コリメート手段）、４５…収束レンズ（収束手段）、４６ａ、４６ｂ…固定具、４７…ＸＹＺ移動ステージ、４８…投光基板４８、４９…ＡＰＣ、５…受光手段、５７…受光基板、５１…透明伝導性フィルム、５２…フォトダイオード（受光素子）、５３…ロの字型固定具、５４…ＰＤ基板、５５…Ｌ型金具５５、５６…Ｉ／Ｖアンプ、６…制御手段、６０…制御基板、６１…クロック回路、６２…増幅器、６３…Ａ／Ｄ変換手段６４…Ｉ／Ｏリンク、６５…Ｉ／Ｏリンクマスタ。

Claims (9)

1. ワークを載置する載置台と、
   射出光を発光する発光素子と、前記発光素子から射出された光を検出領域に向けて収束させる収束手段とを有する投光手段と、
   前記収束手段から前記検出領域を通過した光を、その光軸に沿った方向において前記載置台と面一の位置で受光する受光手段と、
   を備えた光電センサであって、
   前記投光手段から投光された光の光軸が前記受光手段の入射面に直交する方向で入射するとともに、当該受光手段の入射面で焦点を結ぶように設定されている
   ことを特徴とする光電センサ。
2. ワークを載置する載置台と、
   射出光を発光する発光素子と、前記発光素子から射出された光を収束後に検出領域に向けて平行光にするコリメート手段とを有する投光手段と、
   前記コリメート手段から前記検出領域を通過した光を、その光軸と直交する方向において前記載置台と面一の位置で受光する受光手段と、
   前記投光手段から射出された光の光軸が、前記受光手段の入射面に直交する方向で入射するように設定されている
   ことを特徴とする光電センサ。
3. 前記発光素子はレーザダイオードであり、
   前記光電センサは、前記レーザダイオードの発光領域より狭いコア径の光ファイバを有し、
   前記投光手段が前記光ファイバを介して射出し前記受光手段で受光される光は、前記レーザダイオードの発光領域より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電センサ。
4. 前記光ファイバはシングルモードとして構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光電センサ。
5. 前記光電センサは、測定した樹脂透過率を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光電センサを用い、
   レーザ溶着する樹脂のうち、レーザを透過させるレーザ光透過性樹脂のみを、溶着する面を前記受光手段の入射面に載置して測定することを特徴とする
   レーザ樹脂溶着における樹脂透過率の測定方法。
7. 請求項５に記載の光電センサを用い、
   レーザ溶着する樹脂のうち、レーザを透過させるレーザ光透過性樹脂を前記載置台に載置して樹脂透過率を測定する工程と、
   前記表示部に表示された樹脂透過率に基づいて、レーザ加工装置の加工条件を設定する工程と、
   当該設定した加工条件で前記レーザ加工装置により前記レーザ光透過性樹脂のレーザ溶着を行う工程と
   を備えたことを特徴とするレーザ樹脂溶着方法。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光電センサを備えたレーザ加工装置であって、
   レーザ加工装置本体が射出するレーザの波長と、前記光電センサが射出するレーザの波長が同一若しくは近似した波長であることを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光電センサを備えたレーザ加工装置であって、
   前記光電センサにより測定し、当該光電センサから発信されたレーザ光の樹脂透過率のデータを受信し、当該データに基づいてレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。