JP4374135B2 - レーザビームによる孔あけ加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームをワークに照射することにより、前記ワークに対して目視できないような微小な貫通孔を形成することが可能なレーザビームによる孔あけ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の車両等において、エアーバッグシステムが普及するに至り、このエアーバッグシステムには、衝撃吸収装置用空気袋として機能するエアーバッグが設けられている。前記エアーバッグは、折り畳まれて収納容器内に収納され、センサによって車両の衝突が検出されたとき、ガス発生器から供給されるガスによって瞬時に膨張することにより、運転者あるいは乗客の衝撃を吸収するクッションとして機能するものである。
【０００３】
また、前記エアーバッグは、例えば、ステアリングホイールカバーまたはインストルメントパネル等の内装部品中に隠された状態で取着され、該エアーバッグが膨張することによりエアーバッグ展開用のドアパネルが強制的に開かれて収納容器の外部に露呈する。
【０００４】
この場合、前記ドアパネルの開放を確実にするために、内装カバーのドアパネルには、例えば、溝、孔部等からなる所定の加工パターンによって脆弱部が形成されている。
【０００５】
ところで、前記脆弱部を形成する方法として、例えば、特開昭５８−１６７８４号公報には、被加工物の加工面と反対面側に光検出器を設け、前記被加工物の貫通孔を通過したレーザビームを前記光検出器によって検知することにより、被加工物に対して孔明け加工する方法が開示されている。
【０００６】
また、特開平８−２８２４２０号公報には、エアーバッグ展開用開口部の自動車用内装カバーのドアパネルに対しレーザビームによって部分的に溝を形成することにより、脆弱部を形成する方法が開示されている。
【０００７】
さらに、特開平１０−８５９６６号公報には、制御可能なパルス状のレーザ放射を用いて線状のウィーク部を形成する方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来技術に係る特開昭５８−１６７８４号公報に開示された技術的思想では、光検出器によってレーザビームを検知してから実際にレーザビームが停止するまでの遅れ時間の影響によって孔明け加工される貫通孔の直径が大きくなり、穿孔された貫通孔が目視できるために外観品質が劣るとともに、強度剛性が低下することによりエアーバッグ用脆弱部としての機能の耐久性が劣化するという不具合がある。
【０００９】
また、前記の従来技術に係る特開平８−２８２４２０号公報に開示された技術的思想では、高価なレーザ検知センサが必要とするため設備投資に多大な負担を及ぼすとともに、脆弱部の厚みを一定とするためにレーザビームの制御が複雑になるという不具合がある。
【００１０】
さらに、前記の従来技術に係る特開平１０−８５９６６号公報に開示された技術的思想では、検知信号を介して得られた積分値と残留強度との相関基準値とを比較する方法が採用されているため、制御装置の構成が複雑になり製造コストが高騰するという不具合がある。
【００１１】
本発明は、前記の不具合を考慮してなされたものであり、多大な設備投資を必要とすることがなく簡便な方法によって穿孔される貫通孔の直径を縮径することが可能なレーザビームによる孔あけ加工方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ワークに向かってレーザビームを照射することにより、前記ワークに貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を通過したレーザビームをセンサによって検知し、前記センサから導出される検出信号に基づいてレーザビームの照射を停止する工程と、
を有し、前記貫通孔を通過したレーザビームをセンサによって検知して該レーザビームの照射が実際に停止するまでの時間が、連続する次のパルス信号がオン状態となるまでの時間よりも短くなるように、前記レーザビームを制御するパルス信号を設定することを特徴とする。
【００１３】
この場合、前記レーザビームは、複数のパルス状のレーザ出力指令信号によって制御され、ワークの貫通孔を通過したレーザビームをセンサが検知してから検出信号を出力するまでの時間をｔ１とし、センサから導出された検出信号が予め設定された閾値を越えるまでの時間をｔ２とし、前記閾値を越えてからレーザビームの照射が実際に停止するまでの時間をｔ３としたとき、前記時間ｔ１〜ｔ３の合計時間を、前記レーザ出力指令信号を構成するパルス信号の１周期（Ｔ２）とパルス幅（Ｔ３）との時間差（Ｔ２−Ｔ３）よりも短くなるように設定するとよい。
【００１４】
なお、前記複数のパルス状のレーザ出力指令信号は、オン／オフ信号または所定値だけレベルシフトしたオン／オフ信号によって構成されるとよい。
【００１５】
本発明によれば、時間ｔ１〜ｔ３の合計時間（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）がレーザ出力指令信号を構成するパルス信号の１周期（Ｔ２）とパルス幅（Ｔ３）との時間差（Ｔ２−Ｔ３）よりも短くなるように設定されたレーザビーム指令信号によってレーザビームを制御することにより、貫通される側の貫通孔の直径を小さく形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るレーザビームによる孔あけ加工方法について、これを実施する装置との関連において好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１７】
図１において、参照数字１０は、本発明の実施の形態に係るレーザビームによる孔あけ加工方法を実施するワーク加工システムを示す。
【００１８】
このワーク加工システム１０は、ワークであるインストルメンタルパネル１２（以下、単にインパネ１２という）を保持するアーム１４を有し前記インパネ１２をＸＹＺの３軸を含む多軸に変位または回動動作させる６軸ロボット１６と、前記６軸ロボット１６を制御するロボット用コントローラ１８とを備える。なお、前記インパネ１２は、図示しないエアーバッグの開口部に設けられたカバーとして機能するものである。
【００１９】
前記インパネ１２の下方側には、該インパネ１２に穿孔された貫通孔を通過したレーザビームを検知するセンサ２０が支持台２２上に載置されている。なお、前記インパネ１２は、レーザビームが照射される側を裏面２４とし、センサ２０と対峙する側が表面２６となるように保持されている。
【００２０】
さらに、前記ワーク加工システム１０は、ベンドミラー２８および集光レンズ３０を経由してインパネ１２にレーザビームを照射することにより、加工パターンに沿って複数の貫通した小孔を穿孔するレーザビーム発振装置３２と、前記レーザビーム発振装置３２を制御するレーザ用コントローラ３４と、前記レーザ用コントローラ３４に接続され、前記センサ２０からの検出信号に基づいてレーザビームの出力を制御するフィードバック回路３６とを備える。
【００２１】
なお、前記レーザビーム発振装置３２としては、例えば、ＣＯ₂、エキシマ、半導体、アルゴンガス、ダイオード等のレーザ発振器等を用いるとよい。また、集光レンズ３０にガスを供給するアシストガス供給装置３８が配設されている。
【００２２】
フィードバック回路３６は、レーザ用コントローラ３４に対してレーザ出力指令信号を導出するデジタル／アナログ変換器４０と、パルス指令信号を導出するタイマコントローラ４２と、センサ２０から出力された検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器４４とを含む。
【００２３】
さらに、前記フィードバック回路３６は、ＲＯＭ４６およびＲＡＭ４８と、後述するように、パルス指令信号の１周期Ｔ１、レーザ出力指令信号の１周期Ｔ２、前記レーザ出力指令信号のパルス幅Ｔ３が予め設定され、前記設定されたデータをメモリとして保持するパルス設定器５０と、レーザビームの出力（パワー）が予め設定され、前記設定されたデータをメモリとして保持するレーザパワー設定器５２とを備える。
【００２４】
この場合、前記デジタル／アナログ変換器４０、タイマコントローラ４２、アナログ／デジタル変換器４４、ＲＯＭ４６、ＲＡＭ４８、パルス設定器５０、およびレーザパワー設定器５２は、それぞれバス線５４を通じてＣＰＵ５６と接続されている。なお、前記ＲＯＭ４６には、インパネ１２に貫通する小孔間の離間距離であるピッチ閾値設定値データが格納されているものとする。
【００２５】
本発明の実施の形態に係るレーザビームによる孔あけ加工方法を実施するワーク加工システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作並びに作用効果について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
ＣＰＵ５６は、パルス設定器５０およびレーザパワー設定器５２に予め設定されているデータを読み出し、周波数（１／Ｔ２）およびデューティー比（Ｔ３／Ｔ２）をタイマコントローラ４２にセットするとともに、レーザ出力をデジタル／アナログ変換器４０にセットする（ステップＳ１）。続いて、ＣＰＵ５６は、パルス開始信号をタイマコントローラ４２に導出し、前記パルス開始信号に基づいてパルス指令信号がオフ状態からオン状態となることにより、パルス停止状態からパルス開始状態となる（ステップＳ２）。
【００２７】
前記パルス指令信号がパルス開始状態となることにより、前記ステップＳ１によってセットされたパルス波形からなるレーザ出力指令信号がデジタル／アナログ変換器４０を介してレーザ用コントローラ３４に出力され、レーザビーム発振装置３２からレーザビームが照射される。このレーザビームは、ベンドミラー２８によって反射され集光レンズ３０を透過した後、ワークであるインパネ１２の裏面２４に向かって照射されることにより前記インパネ１２に対するレーザ加工が施される。
【００２８】
図３の「レーザビーム到達位置」に示されるように、レーザビームによってインパネ１２の裏面２４側から徐々に穿孔が開始され、インパネ１２の裏面２４と表面２６とが貫通するに至る。その際、インパネ１２の貫通孔を通過したレーザビームがセンサ２０によって検知され（ステップＳ３参照）、前記センサ２０から導出された検出信号（フィードバック信号）は、アナログ／デジタル変換器４４によってデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ５６に導入される。ＣＰＵ５６は、タイマコントローラ４２にパルス停止信号を導出してパルス指令信号を停止状態とする（ステップＳ４）。この結果、レーザ出力指令信号がオフ状態となってインパネ１２に対するレーザビームの照射が停止することにより、前記インパネ１２に対する１個の貫通孔の穿孔加工が終了する。
【００２９】
続いて、ロボット用コントローラ１８の制御作用下に６軸ロボット１６のアーム１４を動作させ、脆弱部の加工パターンにしたがって次に穿孔すべき位置にインパネ１２を所定のピッチだけ変位させて位置決めする（ステップＳ５）。
【００３０】
パルス指令信号の１周期Ｔ１に対応する時間が経過するとき（ステップＳ６）、ステップＳ２乃至ステップＳ４にしたがってインパネ１２に対してレーザビームが照射され、新たな貫通孔が穿孔される。このようにして所定の加工パターンにしたがって複数の貫通孔が穿孔されることにより、図４に示されるような脆弱部５８が形成され、インパネ１２に対する加工工程が終了する（ステップＳ７）。
【００３１】
この場合、図３に示されるように、インパネ１２の貫通孔を通過したレーザビームをセンサ２０が検知してから検出信号を出力するまでの時間をｔ１（図示せず）とし、センサ２０からの検出信号がアナログ／デジタル変換器４４に入力されて予めＲＯＭ４６に設定された閾値を越えるまでの時間をｔ２とし、前記閾値を越えてからレーザビームの照射が実際に停止するまでの時間をｔ３としたとき、本実施の形態では、時間ｔ１〜ｔ３の合計時間が（Ｔ２−Ｔ３）の時間よりも短くなるように設定されているため、レーザ出力指令信号を構成する次のパルス信号Ｐ６が出力される前にレーザビームの照射を停止させることができる。
【００３２】
換言すると、時間ｔ１〜ｔ３の合計時間が、レーザ出力指令信号の１周期Ｔ２とパルス幅Ｔ３との差、すなわち、直前のパルス信号Ｐ５と次のパルス信号Ｐ６との間（斜線部分参照）の時間よりも短く設定することにより、次のパルス信号Ｐ６が立ち上がる前に、パルス指令信号をオフ状態とし、次のパルス信号Ｐ６の直前に出力されたパルス信号Ｐ５の立ち下がりによってレーザビームの出力を停止させている。従って、センサ２０がレーザビームを検知してから迅速にレーザビームの照射を停止させることができるため、レーザビームによって貫通される側（インパネ１２の表面２６側）の貫通孔の直径を小さくすることができる（図６参照）。
【００３３】
レーザビームによって貫通される側の貫通孔の直径は、０μｍを含まないで０μｍよりも大きく、しかも５０μｍ以下で目視できない範囲がよい。貫通される側の貫通孔の直径が５０μｍより大きいとその孔部自体を視認できるために外観品質が劣化するとともに、強度剛性が劣るという不具合がある。
【００３４】
最も好ましい貫通孔の直径の範囲は、１０μｍ以上３０μｍ以下であり、エアーバックカバーの外観品質を向上させ、しかも、脆弱部５８の機能の耐久性を増大させることができる。
【００３５】
さらに、加工パターンに沿って形成された貫通孔間の離間間隔（ピッチ）は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲がよい。
【００３６】
なお、図５に示されるように、貫通孔加工を開始したときに連続したレーザ出力指令信号（オン状態が所定時間だけ継続したレーザ出力指令信号）Ｐ１によってレーザ出力を制御するとともに、レーザビームがセンサ２０によって検知される直前、すなわちレーザビームによってインパネ１２に貫通孔を形成する直前にオン／オフからなる複数のパルス信号Ｐ２〜Ｐ４によってレーザ出力を制御するようにしてもよい。その際、次のパルス信号Ｐ５が出力される前にパルス指令信号をオフ状態にするのは前記と同様である。
【００３７】
さらに、図７に示されるように、レベルシフタ（図示せず）を用いて所定値だけレベルシフトしたパルス信号からなるレーザ出力指令信号を用いてインパネ１２にレーザビームを照射するようにしてもよい。この場合、図８に示されるように、レーザビームが照射されるインパネ１２の裏面２４側には連続する溝部が形成され、パルス信号を完全にオフ状態とすることにより（図７参照）、インパネ１２の表面２６側に貫通される貫通孔の直径をより一層小さくすることができる。
【００３８】
次に、一つの孔部の貫通孔加工を連続したレーザ出力によって行った場合を比較例として図９に示す。
【００３９】
この場合、図９に示されるように、インパネ１２の貫通孔を通過したレーザビームをセンサ２０が検知してから検出信号を出力するまでの時間をｔ１（図示せず）とし、センサ２０からの検出信号がアナログ／デジタル変換器４４に入力されて予めＲＯＭ４６に設定された閾値を越えるまでの時間をｔ２とし、前記閾値を越えてからレーザ出力信号をオフ状態とするまでの時間をｔ３とし、レーザ出力信号をオフ状態にしてからレーザビーム発振装置３２からレーザビームの照射が実際に停止するまでの時間をｔ４としたとき、比較例では、前記時間ｔ１〜ｔ４のそれぞれの合計時間が遅れ時間となるため、センサ２０がレーザビームを検知してからレーザビームの照射時間を短縮するのが困難であり、前記レーザビームによって形成される貫通孔の直径を縮径するのに限界がある。
【００４０】
なお、図３、図７および図９中における「レーザビーム到達位置」は、ワークであるインパネ１２の厚さ方向に対して照射されたレーザビームがどこまで到達したかを便宜的に表したものであり、経時的に示されてはいない。この場合、レーザビームの到達位置を示す波形状は、パルス信号による加工状態を表したものであり、実際上は、インパネ１２の移動速度がパルス周波数と比較して遅いため、溝状に加工され、貫通された貫通孔の内周面にギザギザの波形状が形成されることはない。
【００４１】
本実施の形態では、時間ｔ１〜ｔ３をそれぞれ加算した時間が（Ｔ２−Ｔ３）の時間よりも短くなるように設定することにより、比較例と比較して遅れ時間を短縮してレーザビームによって形成される貫通孔（貫通される側の貫通孔）の直径を縮径することができる。また、本実施の形態では、複雑な制御方法を用いることがなく、簡素な装置によって実施することができるため、製造コストを低減することができるという利点がある。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００４３】
すなわち、センサがレーザビームを検知してから迅速にレーザビームの照射を停止させることができるため、レーザビームによって貫通される側の貫通孔の直径を小さくすることができる。
【００４４】
また、複雑な制御方法を用いることがなく、簡素な装置構成によって実施することができるため、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザビームによる孔あけ加工方法を実施するワーク加工システムの概略構成図である。
【図２】レーザビームによってインパネに脆弱部を形成する加工工程を示すフローチャートである。
【図３】インパネにレーザビームを照射する際のタイミングを示すタイムチャートである。
【図４】所定の加工パターンによって脆弱部が形成されたインパネの平面図である。
【図５】インパネにレーザビームを照射する他の方法を示すタイムチャートである。
【図６】本実施の形態に係るレーザビームによる孔あけ加工方法によってインパネに形成された貫通孔を表面側と裏面側からそれぞれ見た平面図である。
【図７】インパネにレーザビームを照射するさらに他の方法を示すタイムチャートである。
【図８】図７に示す方法によってインパネに形成された貫通孔を表面側と裏面側からそれぞれ見た平面図である。
【図９】比較例に係るレーザビームを照射する際のタイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０…ワーク加工システム １２…インストルメントパネル
１６…６軸ロボット １８…ロボット用コントローラ
２０…センサ ２４…裏面
３２…レーザビーム発振装置 ３４…レーザ用コントローラ
３６…フィードバック回路 ４０…デジタル／アナログ変換器
４２…タイマコントローラ ４４…アナログ／デジタル変換器
５０…パルス設定器 ５２…レーザパワー設定器
５６…ＣＰＵ ５８…脆弱部

Claims (3)

1. ワークに向かってレーザビームを照射することにより、前記ワークに貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔を通過したレーザビームをセンサによって検知し、前記センサから導出される検出信号に基づいてレーザビームの照射を停止する工程と、
   を有し、前記貫通孔を通過したレーザビームをセンサによって検知して該レーザビームの照射が実際に停止するまでの時間が、連続する次のパルス信号がオン状態となるまでの時間よりも短くなるように、前記レーザビームを制御するパルス信号を設定することを特徴とするレーザビームによる孔あけ加工方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記レーザビームは、複数のパルス状のレーザ出力指令信号によって制御され、ワークの貫通孔を通過したレーザビームをセンサが検知してから検出信号を出力するまでの時間をｔ１とし、センサから導出された検出信号が予め設定された閾値を越えるまでの時間をｔ２とし、前記閾値を越えてからレーザビームの照射が実際に停止するまでの時間をｔ３としたとき、前記時間ｔ１〜ｔ３の合計時間が、前記レーザ出力指令信号を構成するパルス信号の１周期（Ｔ２）とパルス幅（Ｔ３）との時間差（Ｔ２−Ｔ３）よりも短くなるように設定されていることを特徴とするレーザビームによる孔あけ加工方法。
3. 請求項２記載の方法において、
   前記複数のパルス状のレーザ出力指令信号は、オン／オフ信号または所定値だけレベルシフトしたオン／オフ信号からなることを特徴とするレーザビームによる孔あけ加工方法。

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