JP4400243B2 - レーザ溶着装置 - Google Patents

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Description

本発明は、２つの部材を積層してなる積層体の積層面にレーザ光を照射し、熱溶着により２つの部材を一体化させるレーザ溶着装置に関するものである。
従来、レーザ光に対して透過性を有する樹脂からなる第１部材と、レーザ光に対して非透過性を有する第２部材とを一体化させる技術として、例えば特許文献１に開示されるように、第１部材と第２部材との当接面に第１部材側からレーザ光を照射して熱溶着させるレーザ溶着が知られている。尚、第２部材としては、樹脂や金属等が適用される。
ここで、第１部材及び／又は第２部材は、特別な平坦化処理をしない限り、部材自体に反りやうねりが有り、表面も凹凸状となっている。従って、第１部材と第２部材とを積層しただけでは当接面に大きな隙間が生じ、その状態でレーザ光を照射すると、隙間に存在する気体によって当接面の溶着した領域（溶着部）にボイドを生じることがある。また、溶着される時点で、当接面のうち、溶着される領域を取り囲む周囲領域が接しておらず側面側まで隙間が生じていると、外部から気体を巻き込んで、溶着部にボイドを生じたり、溶融した部材（樹脂）がはみ出てバリを生じることがある。すなわち、溶着品質が悪いという問題がある。
そこで、特許文献１においては、第１部材と第２部材とをクランプ装置により圧接した状態でレーザ光の照射を行う構成としている。
特開２００１−７１３８４号公報
しかしながら、クランプ装置により圧接する場合、クランプ部（部材に当接する押さえ部材）が金属からなると、レーザ光を遮光（吸収）するため、当接面における溶着される領域を押さえることができない。従って、ボイド等を生じる恐れがある。また、第１部材と第２部材に押さえ部材の押さえ代が必要となるので、第１部材と第２部材の形状が制約され、一体化された製品の小型化が困難となる。
また、押さえ部材がレーザ光を透過可能なガラスや樹脂（例えばポリカーボネート）からなる場合には、押さえ部材によって溶着される領域を含む当接面の全面を押さえる構成とすることが可能である。しかしながら、押さえ部材がガラスからなる場合、点加重に対して弱いため、隙間を低減するだけの十分な押さえ加重を確保することが困難である。また、押さえ部材が樹脂からなる場合、レーザ光照射による熱や部材の溶融時に生じるガス等により押さえ部材が汚染され、劣化しやすいという問題がある。すなわち、ガラス、樹脂ともに量産には不適である。
本発明は上記問題点に鑑み、溶着品質を確保でき、且つ、量産に好適なレーザ溶着装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する為に、請求項１に記載のレーザ溶着装置は、レーザ光を出力する出力部と、レーザ光に対して透過性を有する樹脂からなる第１部材と、第１部材よりもレーザ光に対する吸収性が良い第２部材とを積層してなる積層体を、レーザ光に対して透過性を有する押さえ部材を介して第１部材側から積層方向に加圧し、第１部材と第２部材とを圧接させる加圧部とを備え、加圧部により積層体を加圧した状態で、出力部から押さえ部材を介して第１部材と第２部材との当接面の所定範囲（溶着される領域）にレーザ光を照射し、第１部材と第２部材とを熱溶着させるものである。そして、押さえ部材は金属材料からなり、レーザ光を透過しつつ積層体を加圧可能なように、レーザ光の照射領域と当該領域を取り囲む周囲領域のうちのレーザ光の照射領域のみに、レーザ光の照射方向に沿って貫通する複数の貫通孔を略均一に配置してなるハニカム構造の多孔部を有することを特徴とする。
このように、本発明のレーザ溶着装置によれば、第１部材と第２部材とを圧接させる加圧部の押さえ部材は、当接面の溶着される領域に対応したレーザ光の照射領域にハニカム構造の多孔部を有するので、溶着される領域が溶着されるだけのレーザ光を透過しつつ溶着される領域を加圧することができる。従って、溶着される領域を含む当接面の全面を加圧することができるので、溶着品質を確保することができる。また、押さえ部材は金属からなるので、ガラスよりも点加重に対して強く、樹脂よりも熱やガス等に対して耐久性があり、量産に好適である。尚、金属からなると冷却効率が良い（熱伝導率が大きい）ので、押さえ部材自体の寿命を伸長することもできる。
また、押さえ部材は、レーザ光の照射領域のみに多孔部を有する。したがって、押さえ部材により、当接面の溶着される領域を取り囲む周囲領域をしっかりと加圧して、ボイドやバリの発生を低減することができる。また、押さえ部材の冷却効率が向上される。
尚、加圧部は固定台（テーブル）上に載置した積層体を押さえ部材を介して第１部材側から加圧する構成であっても良いし、積層体を構成する第１部材及び第２部材の両側からそれぞれ押さえ部材を介して加圧（挟み込んで圧接）するクランプ装置であっても良い。クランプ装置の場合には、少なくとも第１部材側に当接する押さえ部材が上述の構成を有していれば良い。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態におけるレーザ溶着装置を説明するための模式図であり、（ａ）は概略構成を示す断面図、（ｂ）は押さえ部材を出力部側から見た平面図である。尚、図１（ａ）においては、加圧部のうち、本実施形態の特徴部分である押さえ部材のみを図示している。
図１（ａ）に示すように、本実施形態におけるレーザ溶着装置１００は、積層体１０を構成する第１部材１１及び第２部材１２を熱溶着により一体化させるための装置であり、積層体１０に対して所定波長のレーザ光を出力する出力部２０と、レーザ光の照射時に積層体１０を加圧する加圧部３０とにより構成される。
積層体１０は、出力部２０の出力するレーザ光に対して透過性を有する樹脂からなる第１部材１１と、第１部材１１よりもレーザ光に対する吸収性が良い第２部材１２とを積層してなるものである。従って、第１部材１１側から照射されたレーザ光は、第１部材１１を透過し、第２部材１２との当接面に到達するので、第２部材１２がレーザ光を吸収して発熱し、この熱によって第１部材１１及び第２部材１２の少なくとも一方が溶融して熱溶着される。
このような積層体１０を構成する材料としては、少なくとも一方に熱可塑性樹脂を適用する必要がある。その際、第１部材１１はレーザ光を透過する必要があるので、その構成材料としてはレーザ光の透過性が高い樹脂を適用することができる。従って、第１部材１１が熱可塑性樹脂からなる場合には、第２部材１２として第１部材１１よりもレーザ光に対する吸収性が良く、発熱によりそれ自身或いは第１部材１１を溶融可能な材料（例えば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属）を適用することができる。また、第１部材１１が熱硬化性性樹脂からなる場合には、第２部材１２として熱可塑性樹脂を適用することができる。
本実施形態においては、第１部材１１として、熱可塑性樹脂であるポリブレンテレフタレート（ＰＢＴ）に、レーザ光に対して非吸収性を示す黒色染料を添加し、レーザ光の透過率を略２５％に調整したものを適用した。また、第２部材として、ＰＢＴにレーザ光に対して吸収性を示すカーボンブラックを添加してレーザ光の吸収率を高めた（透過率略０％）ものを適用した。このように、積層体１０の当接面の所定範囲（第１部材１１と第２部材１２との接触面のうち熱溶着される領域）において熱溶着が起こるように、第１部材１１のレーザ光透過性と第２部材１２のレーザ光吸収性が確保できる範囲内であれば、第１部材１１及び／又は第２部材１２に対して、カーボンブラック、顔料・染料等の着色剤、及びガラス繊維等を所定量添加したものを適用することができる。尚、第１部材１１としては、レーザ光に対する透過率が高いほど好ましいが、照射されたレーザ光が当接面に到達したときの透過率が略１０％以上あれば良い。
出力部２０は、所定波長のレーザ光２１（図１（ａ）における一点鎖線で囲まれた領域）を出力するレーザ発振器である。レーザ光２１は特に限定されるものではなく、第１部材１１及び第２部材１２を熱溶着させることができるものであれば適用が可能である。例えば半導体レーザやＮｄ：ＹＡＧレーザ等を適用することができる。また、レーザ光２１の照射条件（パワー密度）は、第１部材１１及び第２部材１２の構成材料、レーザ光２１の透過率、厚さ、後述する押さえ部材の多孔部の開口度（単位面積あたりの開口面積の占める割合）等に基づいて決定される。尚、本実施形態においては、波長８００〜１０６４ｎｍの半導体レーザを使用し、レーザ光２１が当接面において所定の照射領域（スポット径）となるように、図示されない集光レンズによりレーザ光２１を集光して積層体１０の当接面に照射する構成としている。
加圧部３０は、積層体１０が位置決め載置される固定台３１と、当該固定台３１に対して第２部材１２が当接するように載置した積層体１０を、第１部材１１側から加圧する押さえ部材３２とにより構成される。尚、押さえ部材３２は図示されない加圧装置に連結されている。
押さえ部材３２は、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属（合金を含む）を構成材料としており、当接面の溶着される領域を溶着可能なレーザ光２１を透過し、且つ、積層体１０の当接面の全面を加圧可能なように、当接面の溶着される領域に対応したレーザ光２１の照射領域（図１（ａ）における破線間の領域）に、レーザ光２１の照射方向に沿って貫通する複数の貫通孔を略均一に配置してなる多孔部３２ａを有している。
多孔部３２ａを構成する貫通孔の断面形状は特に限定されるものではなく、例えば円、多角形、及びそれら複数の形状を併せ持つものであっても良い。また、多孔部３２ａの開口度は、大きければ大きいほどレーザ光２１の透過率が向上できるので好ましいが、その反面、積層体１０への加圧ムラができるので、当接面における隙間（後述する）を低減する効果が小さくなる。また、開口度が小さければ小さいほど当接面を均一に加圧することができるので当接面の隙間を低減することができるが、隣接する貫通孔との間の幅が広いとレーザ光２１の照射ムラができるので、溶着される領域が部分的にしか溶着されない恐れがある。また、隣接する貫通孔との間の幅が狭く、貫通孔の孔径も小さい場合には、多孔部３２ａの形成が困難となる。従って、多孔部３２ａの開口度は、レーザ光２１のパワー密度、第１部材１１及び第２部材１２の構成材料、レーザ光２１の透過率、厚さ、熱溶着後の溶着品質、多孔部３２ａの形成しやすさ等に基づいて決定されれば良い。
尚、本実施形態における押さえ部材３２は、図１（ｂ）に示すように、多孔部３２ａが矩形状の孔断面を有するハニカム構造を有しており、多孔部３２ａを取り囲む周囲部３２ｂは特に加工されておらず、レーザ光２１を遮光する構成となっている。このような押さえ部材３２は、例えば平板と波板とを交互に重ね合わせて多孔部３２ａを形成し、その後平板のみを重ね合わせて形成することができる。それ以外にも、金属単板をレーザ光照射や機械加工等することにより形成することも可能である。
ここで、本実施形態の特徴点である押さえ部材３２の効果について、図１（ａ），（ｂ）、及び、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、押さえ部材３２の効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）は加圧前の状態を示す図、（ｂ）は加圧した状態を示す図、（ｃ）は熱溶着が完了した状態を示す図である。
積層体１０を構成する第１部材１１及び／又は第２部材１２は、特別な平坦化処理をしない限り、部材自体に反りやうねりが有り、表面も凹凸状となっている。従って、第１部材１１と第２部材１２とを積層しただけでは、図２（ａ）に示すように、当接面に大きな隙間１３が生じている。
この状態でレーザ光２１を照射すると、隙間１３に存在する気体によって、溶着後の溶着した領域（溶着部）にボイドを生じることがある。また、当接面のうち、溶着される領域を取り囲む周囲領域が接しておらず側面側まで隙間１３が生じている（図２（ａ）に示す状態）と、溶着時に積層体１０の外部から気体を巻き込んで、溶着部にボイドを生じたり、溶融した樹脂がはみ出てバリを生じることがある。このようにボイドが存在すると接着強度が低下する。また、外観上好ましくない場所にバリがある場合には手直しする必要がある。従って、溶着品質が悪いという問題がある。
この問題を解決するために、従来は第１部材１１と第２部材１２とをクランプ装置により圧接した状態でレーザ光２１の照射を行う構成としている。しかしながら、クランプ装置により圧接する場合、部材に当接する押さえ部材３２が金属からなると、レーザ光２１を遮光（吸収）するため、当接面における溶着される領域を押さえることができない。従って、溶着される領域に大きな隙間１３が残ってボイド等を生じる恐れがある。また、第１部材１１と第２部材１２に押さえ部材３２の押さえ代が必要となるので、第１部材１1と第２部材１２の形状が制約され、一体化された製品の小型化が困難となる。また、押さえ部材３２がレーザ光２１を透過可能なガラスや樹脂（例えばポリカーボネート）からなる場合には、押さえ部材３２によって溶着される領域を含む当接面の全面を押さえる構成とすることが可能である。しかしながら、押さえ部材３２がガラスからなる場合、点加重に対して弱いため、隙間１３を低減するだけの十分な押さえ加重を確保することが困難である。また、押さえ部材３２が樹脂からなる場合、レーザ光２１の照射による熱や樹脂の溶融時に生じるガス等により汚染され、劣化しやすい。すなわち、ガラス、樹脂ともに量産には不適である。
それに対し、本実施形態における押さえ部材３２は、金属を構成材料としており、当接面の溶着される領域に対応する部位（レーザ光２１の照射領域）に、レーザ光２１の照射方向に沿って貫通する複数の貫通孔を略均一に配置してなる多孔部３２ａを有している。これにより、押さえ部材３２は、図１（ａ）及び図２（ｂ）の白抜き矢印に示すように、隙間１３を低減できる十分な押さえ加重（本実施形態においては１４．７ＭＰａ）をもって、溶着される領域を含む積層体１０の当接面の全面を加圧し、第１部材１１と第２部材１２とを圧接することができる。そして、その圧接状態を確保しながら、押さえ部材３２の多孔部３２ａを介して積層体１０の溶着される領域にレーザ光２１を照射することができる。
従って、当接面の隙間１３が低減（図２（ｂ）においては、溶着される領域の隙間１３が低減され、その周囲領域が当接した状態）された状態で、レーザ光２１の照射により熱溶着を実行できる。この場合、図１（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、レーザ光２１の照射により熱溶着された溶着部４０において生じるボイドを低減でき、隙間１３から溶融した樹脂がはみ出て生じるバリも低減できる。すなわち溶着品質を向上できる。また、押さえ部材３２は金属からなるので、ガラスよりも点加重に対して強く、樹脂よりも熱やガス等に対して耐久性があるので、量産に好適である。さらには、ガラスや樹脂よりも冷却効率が良い（熱伝導率が大きい）ので、押さえ部材３２自体の寿命を伸長することもできる。
尚、本実施形態における押さえ部材３２は、溶着される領域に対応する部位のみが多孔部３２ａとなっている。従って、加圧部３２による加圧前の状態で、当接面において周囲領域が当接しておらず、溶着される領域の隙間１３が積層体１０外と通じた状態にあっても、周囲領域をしっかりと加圧することができる。従って、積層体１０外の気体を巻き込んで生じるボイドや、溶融した樹脂がはみ出て生じるバリをより低減することができる。また、押さえ部材３２の冷却効率が向上される。
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。
本実施形態において、加圧部３０が、積層体１０を載置する固定台３１と、図示されない加圧装置に連結された押さえ部材３２とにより構成され、積層体１０を固定台３１上に載置した状態で、第１部材１１側から押さえ部材３２を介して加圧する例を示した。しかしながら、加圧部３０は上記構成に限定されるものではない。それ以外にも、積層体１０を構成する第１部材１１及び第２部材１２の両表面を、それぞれ押さえ部材３２を介して加圧（積層体１０を挟み込んで圧接）するクランプ装置であっても良い。この場合、少なくとも第１部材１１側に当接する押さえ部材３２が、本実施形態に示す押さえ部材３２の構成を有していれば良い。
また、本実施形態において、押さえ部材３２は、積層体１０の溶着される領域に対向した部位（レーザ光２１が照射される領域）のみに多孔部３２ａを有する例を示した。しかしながら、押さえ部材３２の全面が多孔部３２ａで構成されても良い。
本発明の第１の実施形態におけるレーザ溶着装置を説明するための模式図であり、（ａ）は概略構成を示す断面図、（ｂ）は押さえ部材を出力部側から見た平面図である。 押さえ部材の効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）は加圧前の状態を示す図、（ｂ）は加圧した状態を示す図、（ｃ）は熱溶着が完了した状態を示す図である。
符号の説明
１０・・・積層体
１１・・・第１部材
１２・・・第２部材
１３・・・隙間
２０・・・出力部（レーザ発振器）
２１・・・レーザ光
３０・・・加圧部
３２・・・押さえ部材
３２ａ・・・多孔部
３２ｂ・・・周囲部
４０・・・溶着部
１００・・・レーザ溶着装置

Claims (1)

  1. レーザ光を出力する出力部と、
    前記レーザ光に対して透過性を有する樹脂からなる第１部材と、前記第１部材よりも前記レーザ光に対する吸収性が良い第２部材とを積層してなる積層体を、前記レーザ光に対して透過性を有する押さえ部材を介して前記第１部材側から積層方向に加圧し、前記第１部材と前記第２部材とを圧接させる加圧部とを備え、
    前記加圧部により前記積層体を加圧した状態で、前記出力部から前記押さえ部材を介して前記第１部材と前記第２部材との当接面の所定範囲に前記レーザ光を照射し、前記第１部材と前記第２部材とを熱溶着させるレーザ溶着装置において、
    前記押さえ部材は金属材料からなり、前記レーザ光を透過しつつ前記積層体を加圧可能なように、前記レーザ光の照射領域と当該領域を取り囲む周囲領域のうちの前記レーザ光の照射領域のみに、前記レーザ光の照射方向に沿って貫通する複数の貫通孔を略均一に配置してなるハニカム構造の多孔部を有することを特徴とするレーザ溶着装置。
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