JPWO2007007766A1 - 光照射装置および溶着方法 - Google Patents

Abstract

必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイルの光出力が得られるようにする。光源部１２２の出射面１１４に配置させた複数の出射端面１１５からの出射光束を集光レンズによって１本の光束に集束して被照射物に照射する構成とし、各出射端面１１５の配置された位置と各出射端面１１５の出射する光束の強度分布との組合せにより被照射物に照射される１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにすることで、出力される１本の光束に要求される所望の光強度プロファイルを、複数の出射端面１１５の配置設定やそれぞれの出射端面１１５の強度分布の設定や可変制御によって実現することができるようにした。

Description

本発明は、例えば赤外線レーザ光を照射して樹脂部材を溶着させる樹脂溶着用光照射装置に好適な光照射装置および該光照射装置を用いる溶着方法に関するものである。

従来、樹脂部材同士を接合させる方法として、接着剤を用いる方法、熱板溶着、振動溶着、超音波溶着、スピン溶着等の溶着方法があるが、最近では、充填物への影響、製品へのキズの心配がない等の利点を持つレーザ溶着方法が知られている。

このレーザ溶着方法は、レーザ光に対して非吸収性（透明性）の樹脂部材と、レーザ光に対して吸収性（非透過性）の樹脂部材とを当接させて溶着する溶着方法である。より詳細には、非吸収性の樹脂部材側からレーザ光を接合面に照射し、接合面を形成する吸収性を示す樹脂部材をレーザ光のエネルギーで加熱溶融させるとともに、この吸収性を示す樹脂部材の接合面からの熱伝導により非吸収性の樹脂部材の接合面を加熱溶融させることで、接合面同士を一体的に接合させる方法である（例えば、特許文献１参照）。したがって、レーザ光に対して非吸収性の樹脂部材とレーザ光に対して吸収性の樹脂部材との接合面にレーザ光のエネルギーを十分に吸収させて接合面を十分に加熱溶融させれば、高い接合強度が得られるはずである。

また、特許文献２においては、２次元配列の半導体レーザアレイからのレーザ光を効率的に光ファイバに入力させて出力させるために、マトリクス状配列の多数の発光点を有するスタック型半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を、コリメートレンズによりコリメートし、さらに、集光レンズにより垂直・水平の両方向に集光し、発光点に比べて少ない本数の光ファイバを有する光ファイバアレイのマトリクス状に配列された入射端に集光入射させ、その光ファイバをバンドルとして束ねるようにした技術が開示されている。

特開昭６０−２１４９３１号公報 特開２０００−９８１９１号公報

ここで、特許文献１等に示される従来のレーザ溶着方法において、接合面に集光照射されるレーザ光の光強度プロファイルは、例えば図６中に破線Ａで示すように中心の強度が高いプロファイル（一般には、ガウシアン分布特性と称される）である。このようなプロファイルのレーザ光の照射において、溶着面積（溶着走査幅）を幅Ｗ_Ａから幅Ｗ_Ｂに広げて接合強度を高めようとする場合、レーザ光の発光パワーを高くして、例えば図６中に二点鎖線Ｂで示すような光強度プロファイルにせざるを得ない。しかしながら、このように照射するレーザ光の発光パワーを単純に高くしても、接着力が強くなるわけではなく、中心付近の温度のみが上がり、樹脂材料が蒸発・気化したり、ボイド（泡）状になったりする品質劣化を生じ、逆に、接合強度が低下してしまうという問題があった。

また、特許文献２のものは、例えば半導体レーザを固体レーザの励起光源として用いる場合に、励起に用いられるレーザ光の高出力化が必要不可欠であるが、単一の発光点による半導体レーザでは出力強度に限界があることから、より高出力化を図れるようにすることを意図し、光ファイバを束ねて光パワーを集光させることで、より強い光強度が得られるようにしたものである。したがって、特許文献２のものをレーザ溶着等の分野に応用したとしても、照射するレーザ光の光強度を強くすることができるに過ぎず、溶着面積を広げようとする場合の上記の特許文献１の場合の問題点は何ら解消されない。

また、レーザ光をスキャンさせて、直線又は曲線状の樹脂溶着を行う場合は、瞬間的なビームプロファイルではなく、通過するビームの積分値を考慮する必要がある。溶着面積を広げるためにスキャンスピードを遅くする方法も考えられるが、中心強度が高いプロファイルを持つビームをスキャンさせる場合には、中心部の積分強度はさらに大きくなる可能性があり、前記中心部分の温度のみ上がってしまう問題が強調される。ところが、従来のレーザ溶着方法においては、積分強度に関して特に考慮されていなかった。

また、樹脂を溶着する際にはレーザ光のスキャンの有無に関わらず、中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルがよい場合がある。特に、樹脂の熱伝導率が少ない場合には周辺部に与えた熱は逃げやすいのに対し、中心部の熱は逃げにくい。そのため、平坦なビームプロファイルのレーザ光を当てた場合でも中心部の温度が高くなり、中心部での劣化が観測される場合がある。ところが、従来のレーザ溶着方法においては，中心部のレーザ光強度を低くすることに関して特に考慮されていなかった。

また、従来のレーザ溶着装置でレーザが目に見えない例えば赤外光である場合は、照射位置を把握するための可視光をガイド光として同時に入力していた。しかしながら、前記可視光のビームプロファイルは実際のレーザ光のビームプロファイルを反映するものではないため、実際のレーザ光のプロファイルを見るためにはビームプロファイラで測定することや、カード式のレーザチェッカーなどが必要であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイルの光出力を得ることができる光照射装置および溶着方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に係る光照射装置は、出射面に複数の点光源が配置された光源部と、複数の前記点光源からの出射光束を１本の光束に集束して被照射物に照射する光学系と、を備え、前記各点光源の配置された位置と前記各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより前記１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る光照射装置は、上記発明において、前記光源部は、複数の発光源と該各発光源からの光を伝搬する複数本の光ファイバとを備え、前記各点光源は、前記光源部の出射面に配置されて前記発光源からの光を伝搬して出射する前記各光ファイバの出射端面からなることを特徴とする。

請求項３に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、前記出射面において所定の位置関係で配列されていることを特徴とする。

請求項４に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同一円周上の位置に配置されていることを特徴とする。

請求項５に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同心円上の位置にドーナツ状に多重に配置されていることを特徴とする。

請求項６に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、同一直線上の位置に配置されていることを特徴とする。

請求項７に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、複数本の直線上の位置に多重に配置されていることを特徴とする。

請求項８に係る光照射装置は、上記発明において、前記各点光源は、前記所望の光強度プロファイルを得るためにあらかじめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする。

請求項９に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源は、該点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記所望の光強度プロファイルを得るためにあらかじめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする。

請求項１０に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロファイルが得られるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１１に係る光照射装置は、上記発明において、外側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布が内側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布より大きくなるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１２に係る光照射装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御することを特徴とする。

請求項１３に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロファイルは、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルであることを特徴とする。

請求項１４に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロファイルは、中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする。

請求項１５に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルであるであることを特徴とする。

請求項１６に係る光照射装置は、上記発明において、前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする。

請求項１７に係る光照射装置は、上記発明において、前記光源部は、前記被照射物に対して可視光を照射するガイド光用点光源をさらに備えることを特徴とする。

請求項１８に係る光照射装置は、上記発明において、前記ガイド光用点光源は、前記出射面において複数の前記点光源の中心位置に配置されていることを特徴とする。

請求項１９に係る光照射装置は、上記発明において、前記ガイド光用点光源は、前記出射面において所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることを特徴とする。

請求項２０に係る光照射装置は、上記発明において、前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される樹脂部材であることを特徴とする。

請求項２１に係る溶着方法は、請求項１〜１９のいずれか一つに記載の光照射装置を用いる溶着方法であって、前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される樹脂部材であることを特徴とする。

本発明に係る光照射装置および溶着方法によれば、光源部の出射面に配置させた複数の点光源からの出射光束を光学系によって１本の光束に集束して被照射物に照射する構成とし、各点光源の配置された位置と各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより被照射物に照射される１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたので、出力される１本の光束に要求される所望の光強度プロファイルを、複数の点光源の配置設定やそれぞれの点光源の強度分布の設定や可変制御によって実現することができ、よって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルの光出力を得ることができるという効果を奏する。さらに、レーザ光をスキャンさせて、直線又は曲線状の樹脂溶着を行う場合に、スキャン方向と垂直方向の積分強度を平坦にしたり双峰形にしたりすることができるという効果も奏する。また、ガイド光用点光源が所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることにより、ガイド光によりプロファイル形状が認識できるという効果も奏する。

図１は、本発明の実施の形態の樹脂溶着用光照射装置の構成例を示す概略斜視図である。 図２は、より詳細な構成例を示す概略側面図である。 図３は、多芯キャピラリの出射面における複数本の光ファイバの出射端面の配置例を寸法関係とともに示す正面図である。 図４は、外側の強度分布を固定し内側の強度分布を可変させた場合に集光レンズによって接合面に集光照射される１本の光束の光強度プロファイルの変化の様子を示す特性図である。 図５は、双峰性を示す特性Ｐ５の場合のＸ−Ｙ２次元座標面上で見たときの光強度プロファイルの様子を示す計算結果例による説明図である。 図６は、光強度プロファイルと走査幅との関係について説明するための説明図である。 図７は、照射パワーＰ−接着力Ｆ特性図である。 図８は、出射端面の配置に対するスキャンの方向を説明するための説明図である。 図９は、スキャン方向に垂直な軸位置での積分強度分布を示す特性図である。 図１０は、出射端面の配置の変形例を示す正面図である。 図１１は、出射端面の配置の別の変形例を示す正面図である。 図１２は、出射端面の配置のさらに別の変形例を示す正面図である。 図１３は、出射端面の配置の他の変形例を示す正面図である。 図１４は、出射端面の配置のさらに他の変形例を示す正面図である。

符号の説明

１０１，１０２ 樹脂部材
１０３ａ，１０３ｂ 接合面
１１２ 集光レンズ
１１３ 光ファイバ
１１４ 出射面
１１５ 出射端面
１２１ 半導体レーザ
１２２ 光源部
１２３ 制御部

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。以下に説明する本実施の形態の光照射装置は、被照射物としての樹脂部材の接合面に赤外線レーザ光を照射して樹脂部材を溶着させる樹脂溶着用光照射装置への適用例を示すが、本発明における光照射装置は、樹脂部材溶着に限らず、金属同士の溶接等へも適用可能であり、また、使用する光束も赤外線レーザ光に限らない。

図１は、本実施の形態の樹脂溶着用光照射装置の構成例を示す概略斜視図であり、図２はより詳細な構成例を示す概略側面図である。本実施の形態の樹脂溶着用光照射装置１００は、ワーク（図示せず）上に装填されて重ね合わせた樹脂部材１０１，１０２の接合面１０３ａ，１０３ｂに対して赤外線レーザ光を集光照射しながら、接合面１０３ａ，１０３ｂを相対的にＹ軸方向にスキャニングするレーザヘッド１０４と、このレーザヘッド１０４から出射される赤外線レーザ光を供給するレーザ本体１０５と、レーザ本体１０５とレーザヘッド１０４との間をフレキシブルに結合して赤外線レーザ光を伝搬させるファイバガイド１０６とを備える。

ここで、赤外線レーザ光の入射側に位置する樹脂部材１０１は、入射するレーザ光に対して透過性を示す樹脂であれば、どのような種類の樹脂であってもよい。例えば、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体を挙げることができる。また、必要に応じて、ガラス繊維やカーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。一方、入射する赤外線レーザ光に対して奥側に位置する樹脂部材１０２は、入射するレーザ光に対して吸収性を示す樹脂であれば、どのような種類の樹脂であってもよい。これらの樹脂部材１０１，１０２は、それぞれの樹脂単独で所望の特性を有するものの他、例えば、樹脂部材１０２側についてはレーザ光に対して吸収性を示す添加剤を分散させたものであってもよいし、あるいは表面に吸収性の塗料を塗布したものでもよい。さらに、樹脂部材１０１，１０２の間に吸収性の樹脂を挟んだ形態でも構わない。このような樹脂部材１０１，１０２の具体例としては、例えば特開２００４−２９９３９５号公報、特開２００４−２９９３９５号公報中に例示されているものを好適に用い得る。一例として、本実施の形態では、樹脂部材１０１，１０２にはポリアミド、ポリプロピレン等の樹脂を用い、樹脂部材１０２側にはレーザ光を吸収するためのカーボンブラックを含有させている。

したがって、本実施の形態のレーザ溶着方法は、特許文献１の場合と同様に、非吸収性の樹脂部材１０１側からレーザヘッド１０４によって赤外線レーザ光を接合面１０３ａ，１０３ｂに集光照射し、接合面１０３ｂを形成する吸収性を示す樹脂部材１０２を赤外線レーザ光のエネルギーで加熱溶融させるとともに、この吸収性を示す樹脂部材１０２の接合面１０３ｂからの熱伝導により非吸収性の樹脂部材１０１の接合面１０３ａを加熱溶融させることで、接合面１０３ａ，１０３ｂ同士を一体的に接合させることを原理とする。

レーザヘッド１０４は、図２に示すように、多芯キャピラリ１１１と、多芯キャピラリ１１１から出射される複数本の赤外線レーザ光なる出射光束を１本の光束に集束して接合面１０３ａ，１０３ｂに集光照射する光学系を構成する集光レンズ１１２とを備えている。集光レンズ１１２による集光スポット径はこの集光レンズ１１２とワークとの距離を変えることにより可変とされているが、集光位置を変えても、多芯キャピラリ１１１から出射される複数本の赤外線レーザ光なる出射光束を１本の光束に集束させる場合の光強度プロファイルは維持されるように構成されている。

多芯キャピラリ１１１は、複数の光ファイバ挿入孔のそれぞれに光ファイバ１１３が挿入された円柱状形状のもので、必要に応じて、この多芯キャピラリ１１１を円筒状のスリーブと組合せることにより円筒状又は四角形状の多芯フェルールとして構成される。この場合のフェルールは、ジルコニアフェルール、ガラスフェルール、金属フェルール等が適宜用いられる。

図３は、多芯キャピラリ１１１の出射面１１４における複数本の光ファイバ１１３の出射端面１１５の配置例を寸法関係とともに示す正面図である。複数本の光ファイバ１１３の出射端面１１５は、多芯キャピラリ１１１の出射面１１４において所定の位置関係で配列配置されている。本実施の形態では、一例として、集光レンズ１１２の光軸を中心とする内側同心円Ｃ１と外側同心円Ｃ２とを想定した場合、それぞれの同心円Ｃ１，Ｃ２上の位置で等分に均等割りさせた位置に配置させることによりドーナツ状に多重配置されている。より具体的には、内側同心円Ｃ１上の位置では、この同心円Ｃ１を４等分に均等割りさせた４箇所の位置に黒丸で示すように内側出射端面１１５ｉが配置されている。したがって、これらの４つの内側出射端面１１５ｉ間を直線で結ぶと正方形となる配置である。また、外側同心円Ｃ２上の位置では、この同心円Ｃ２を８等分に均等割りさせた８箇所の位置に斜線を施した丸で示すように外側出射端面１１５ｏが配置されている。したがって、これらの８つの外側出射端面１１５ｏ間を直線で結ぶと正八角形となる配置である。ここで、外側同心円Ｃ２上の外側出射端面１１５ｏは内側同心円Ｃ１上の内側出射端面１１５ｉと同一半径上の位置とならないように適宜ずらして設定されている。さらに、光軸中心位置には、白丸で示すようにガイド光用出射端面１１５ｇが配置されている。

多芯キャピラリ１１１に挿入された光ファイバ１１３の入射側は、ファイバガイド１０６を経てレーザ本体１０５内に引き込まれ、レーザ本体１０５内に設けられた発光源としてのそれぞれの半導体レーザ１２１に光結合されている。複数の半導体レーザ１２１のうち、１つは、ガイド光用出射端面１１５ｇに対応する光ファイバ用の半導体レーザ１２１ｇとされている。また、黒丸、斜線を施した丸で示したように配置された位置に応じてグループ分けされた出射端面１１５ｉ，１１５ｏに対応させて半導体レーザ１２１も内側半導体レーザ１２１ｉ，外側半導体レーザ１２１ｏとしてグループ分けされている。

ここで、本実施の形態では、複数の内側半導体レーザ１２１ｉ，外側半導体レーザ１２１ｏと、これらの内側半導体レーザ１２１ｉ，外側半導体レーザ１２１ｏからの光（赤外線レーザ光）を伝搬する複数本の光ファイバ１１３と、多芯キャピラリ１１１とが光源部１２２を構成し、多芯キャピラリ１１１の出射面１１４における光ファイバ１１３の出射端面１１５ｉ，１１５ｏが複数の点光源を構成している。また、ガイド光用出射端面１１５ｇがガイド光用点光源を構成している。

レーザ本体１０５は、これらの半導体レーザ１２１の発光パワー等を制御する制御部１２３を備えている。この制御部１２３は、グループ分けされた内側半導体レーザ１２１ｉ，外側半導体レーザ１２１ｏ単位でそれぞれの半導体レーザの発光パワーを制御するように構成されている。これにより、出射端面１１５ｉ，１１５ｏから出射する光束の強度分布もグループ分けされた単位で制御される。

ここで、本実施の形態の具体的構成の一例について説明する。一例として、内側半導体レーザ１２１ｉ，外側半導体レーザ１２１ｏとしては、発光パワー５Ｗ、波長９１５ｎｍの赤外線レーザ光を出射するものが用いられ、光ファイバ１１３としては、コア径１０５μｍ、クラッド径１２５μｍのマルチモードファイバが用いられ、その出射端面１１５ｉ，１１５ｏは、図３に例示したように２５０μｍ間隔でＸ−Ｙ２次元座標面上に配置されている。また、半導体レーザ１２１ｇとしては波長６５０ｎｍの赤色光を出射するものが用いられている。

図４は、このような具体的構成例の下に、制御部１２３によって、外側半導体レーザ１２１ｏ（外側出射端面１１５ｏ）側の強度分布は５Ｗに固定とし内側半導体レーザ１２１ｉ（内側出射端面１１５ｉ）側の強度分布を１Ｗから５Ｗまで可変させた場合に集光レンズ１１２によって接合面１０３ａ，１０３ｂに集光照射される１本の光束の光強度プロファイルの変化の様子を示す特性図である。

図４に示す特性図によれば、出射端面１１５の配置された位置とこれらの出射端面１１５から出射する光束の強度分布との組合せにより、集光レンズ１１２によって接合面１０３ａ，１０３ｂに集光照射される１本の光束の光強度プロファイルを可変させ得ることが判る。すなわち、外側の強度分布に対して内側の強度分布を１００％（＝５Ｗ）とした場合には、特性Ｐ１で示すようにガウシアン分布に近い形の光強度プロファイルとなるが、外側の強度分布に対して内側の強度分布を８０％（＝４Ｗ）とした場合には、特性Ｐ２で示すように中心付近の光強度が平坦性を示す光強度分布プロファイルとなり、さらに、外側の強度分布に対して内側の強度分布を６０％（＝３Ｗ），４０％（＝２Ｗ），２０％（＝１Ｗ）に低くした場合には、それぞれ特性Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５で示すように中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示す光強度分布プロファイルとなり、内側の強度分布が低いほど、双峰性の中心部の凹みが大きくなる。

図５は、双峰性を示す特性Ｐ５の場合のＸ−Ｙ２次元座標面上（接合面１０３ａ，１０３ｂ上に相当する）で見たときの光強度プロファイルの様子を示す計算結果例による説明図である。濃い（黒い）部分ほど高い光強度であることを示している。平面的に見た場合、中心付近の光強度が低くその周囲でドーナツ状に光強度が高くなっていることが判る。

ここで、本実施の形態の出射端面１１５の配置された位置とこれらの出射端面１１５から出射する光束の強度分布との組合せにより可能な双峰性を示す特性Ｐ３〜Ｐ５なる光強度プロファイルについて図６を参照して考察する。従来の場合、溶着面積（溶着走査幅）を幅Ｗ_Ａから幅Ｗ_Ｂに広げて接合強度を高めようとする場合、前述したように、レーザ光の発光パワーを高くして、例えば図６中に二点鎖線Ｂで示すような光強度プロファイルにせざるを得ないが、本実施の形態の双峰性を示す特性Ｐ３〜Ｐ５の光強度プロファイルによればレーザ光の発光パワーをそれほど高くすることなく溶着面積（溶着走査幅）を幅Ｗ_Ｂに広げ得ることが判る。

特に、レーザ溶着においては、図７の照射パワーＰ−接着力Ｆ特性に示すように、照射パワーＰが閾値Ｐａ以下の場合には接着不足となる反面、照射パワーＰを閾値Ｐｂ以上に高くしても気化やボイドなどの溶着部劣化が生じてしまうだけで良好なる接合強度が得られず、結局、閾値Ｐａ〜Ｐｂ間が最適パワー範囲となる特性がある。この点、本実施の形態の双峰性を示す特性Ｐ３〜Ｐ５の光強度プロファイルによれば、図６中の実線で示すように、閾値Ｐｂを超えない範囲で（ピークパワーを変えずに）溶着面積（溶着走査幅）を幅Ｗ_Ｂに広げて、接合強度を向上させることができる。

また、特性Ｐ２で示すような中心付近の光強度が平坦性を示す光強度分布プロファイルの場合、スキャニングを伴わないスポット溶着において発光パワーをそれほど高くすることなく溶着面積を広げることができ、接合強度を向上させることができる。

また、平坦なビームプロファイルのレーザ光を照射しても中心部の温度が高くなり、中心部での劣化が観測される場合がある。これは樹脂の熱伝導率が小さいときに、周辺部に与えた熱は逃げやすいのに対し、中心部の熱は逃げにくく温度が上がっていると考えられる。本実施の形態にある図４の双峰性を示す特性Ｐ３〜Ｐ５の光強度プロファイルによれば、熱伝導率が低い樹脂を溶着する場合でも溶着面積を広げて溶着強度を向上させることができる。

そこで、例えばこのような双峰性を示す特性Ｐ５を所望の光強度プロファイルとし、特性Ｐ５の光強度プロファイルの赤外線レーザ光を接合面１０３ａ，１０３ｂに照射してＹ軸方向にスキャニングさせることで、特性Ｐ１や特性Ｐ２の場合のように溶着走査幅の中心部のみ強度分布が高くなるようなことがなく溶着走査幅の全幅に亘ってほほ均一な強度分布の下に良好に樹脂溶着を行うことができる。

さらに、前述の説明ではレーザ光をスキャンさせる場合に、スキャンする方向を一定にしていたが、図８のような配置で光強度の比を最適にすることでスキャンさせる方向性をなくすことができる。図９はその一例を示したものであり、図８の内側の光強度を外側の光強度の３０％にしてある。図８に示す方向Ａ，Ｂ，Ｃは、この配置が外側は正八角形配置、内側は正方形であるため、最も方向性が異なる２２．５度、４５度だけずらしている。図９のようにＡ，Ｂ，Ｃとも、ガウシアン分布形状の通常レーザ光の積分強度に比べ、ビームプロファイルが広がっていることがわかる。例えば、最大強度の７０％以上の強度を持つ範囲を比べると、通常レーザ光が１５３０μｍであるのに対し、方向Ａ，Ｂはともに２６７０μｍと１．７５倍に、方向Ｃは２４００μｍと１．５７倍に広がっていることがわかる。これによれば、レーザ光を任意の方向にスキャンした場合でも積分強度がピーク付近で比較的平坦になるようなプロファイルの実現が可能になる。ガウシアン分布形状のように溶着走査幅の中心部のみ強度分布が高くなるようなことがなく溶着走査幅の全幅に亘ってほほ均一な強度分布の下に良好に樹脂溶着を行うことができる。さらに、この構成によれば前記の熱伝導率の低い樹脂の溶着の場合でも、双峰形を有する積分強度プロファイルを得ることが可能であり、溶着面積を広げて溶着強度を向上させることができる。

このように本実施の形態によれば、出射面１１４に配置させた複数の出射端面１１５からの出射光束を集光レンズ１１２によって１本の光束に集束して接合面１０３Ａ，１０３ｂに照射する構成とし、各出射端面１１５の配置された位置と各出射端面１１５の出射する光束の強度分布との組合せにより接合面１０３Ａ，１０３ｂに照射される１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたので、出力される１本の光束に要求される所望の光強度プロファイルを、複数の出射端面１１５の配置設定やそれぞれの出射端面１１５の強度分布の可変制御によって実現することができ、よって、必要以上に発光強度を強くすることなく溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルの光出力を得ることができる。また、スポット溶着だけでなく、スキャンした場合の強度プロファイルの積分値を、溶着面積の拡大等の目的に適した所望の光強度プロファイル、例えば、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルや中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルなどを実現することができる。

この際、接合面１０３ａ，１０３ｂに照射する赤外線レーザ光は目に見えないが、赤色光を出射するガイド光用出射端面１１５ｇを出射端面１１５ｉ，１１５ｏの中心位置に有して接合面１０３ａ，１０３ｂに同時に照射させるようにしているので、溶着位置の視覚的な確認が容易となる。

なお、本実施の形態では、制御部１２３を備え、出射端面１１５ｉ，１１５ｏ（半導体レーザ１２１ｉ，１２１ｏ）から出射される光束の光強度の少なくとも一方を可変制御するようにしたが、制御部１２３による制御方式を用いずに、溶着条件として例えば所望の溶着面積（溶着走査幅）が既知の場合にはその溶着面積に適した所望の光強度プロファイルとなるようにあらかじめ設定された光強度の光束を出射させるように構成してもよい。この場合も、所望の光強度プロファイルを得るために出射端面１１５ｉ，１１５ｏが配置された位置に応じてグループ分けされた単位であらかじめ設定された所定の強度分布の光束を出射させるようにすれば、より簡単に実現できる。

また、内外周の同心円上へのドーナツ状の多重配置に限らず、例えば、図１０中に黒丸で示すように、単一の同一円周上の位置に一重に配置させてもよい。この場合、ガイド光用出射端面１１５ｇは、中心位置に配置させてもよいが、図示の如く、出射端面１１５と同一円周上の位置、すなわち、所望の光プロファイルの輪郭を示す位置に複数個配置させてもよい。図示例では、２個の出射端面１１５毎に１つのガイド光用出射端面１１５ｇが配置されている（図３の場合も同様に適用できる）。これによれば、溶着時に赤色光によって溶着用のスポット径を視認することができ、溶着可能な範囲（溶着走査幅）を簡単に確認することができる。

さらに、出射端面１１５の配置例は、図３や図１０に示すような円周上位置への配置に限らず、例えば、図１１中に黒丸で示すように、同一直線上の位置で１次元に配置させたり、図１２中に黒丸で示すように、複数本、例えば２本の直線上の位置でそれぞれ多重配置させたりしてもよい。図１１や図１２の場合、集光照射される光束としては、図中、出射端面１１５の配置範囲に渡って横長に平坦となる光強度プロファイルにすることができるため、矢印で示す方向へのスキャニングを伴うレーザ溶着を幅広に行うことができる。この場合、ガイド光用出射端面１１５ｇは、複数の出射端面１１５の中心位置に配置されて溶着位置の確認が容易な上に、光強度プロファイルの輪郭を示す位置、すなわちスキャニング方向の両側位置にも配置されており、溶着可能な範囲（溶着走査幅）の確認を容易にしている。

また、出射端面１１５の配置例としては、前述したような所定の位置関係による配置に限らず、例えば、図１３に示すように、多数の出射端面１１５を出射面１１４において２次元升目状に全面的かつ密に配列して束ねて樹脂などで固めておき、集光レンズ１１２による１本の光束として所望の光強度プロファイルを得るのに必要な出射端面１１５を選択して出力させるようにしてもよい。図１３中、丸はいずれも出射端面１１５を示し、このうち、黒丸が選択された内側出射端面１１５ｉ、斜線を施した丸が選択された外側出射端面１１５ｏ、白丸がガイド光用出射端面１１５ｇを示し、破線丸が選択されなかった出射端面１１５ｎを示している。これによれば、各種の光強度プロファイルの実現が可能となる。

さらに、出射端面１１５の配置例としては、図１４に示すように、複数の出射端面１１５を複数本の直線上の位置に配置させるとともに、これらの直線と直交する方向では前の列と重ならないように千鳥状に配置させてもよい。

さらに、前述の説明では、出射面１１４に配置される点光源を、光ファイバ１１３の出射端面１１５とした例で説明したが、半導体レーザやＬＥＤ等の発光源自体を出射面１１４に直接埋め込み配置させてもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

以上のように、本発明に係る光照射装置および溶着方法は、樹脂部材同士の溶着接合に有用であり、特に、赤外線レーザ光を利用する場合に適している。

Claims (21)

1. 出射面に複数の点光源が配置された光源部と、
   複数の前記点光源からの出射光束を１本の光束に集束して被照射物に照射する光学系と、
   を備え、
   前記各点光源の配置された位置と前記各点光源の出射する光束の強度分布との組合せにより前記１本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにしたことを特徴とする光照射装置。
2. 前記光源部は、複数の発光源と該各発光源からの光を伝搬する複数本の光ファイバとを備え、前記各点光源は、前記光源部の出射面に配置されて前記発光源からの光を伝搬して出射する前記各光ファイバの出射端面からなることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記点光源は、前記出射面において所定の位置関係で配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光照射装置。
4. 前記点光源は、同一円周上の位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
5. 前記点光源は、同心円上の位置にドーナツ状に多重に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
6. 前記点光源は、同一直線上の位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
7. 前記点光源は、複数本の直線上の位置に多重に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
8. 前記各点光源は、前記所望の光強度プロファイルを得るためにあらかじめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光照射装置。
9. 前記点光源は、該点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記所望の光強度プロファイルを得るためにあらかじめ設定された所定の強度分布の光束を出射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光照射装置。
10. 前記所望の光強度プロファイルが得られるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光照射装置。
11. 外側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布が内側同心円上の位置に配置された前記点光源の出射する光束の強度分布より大きくなるように前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
12. 前記制御手段は、前記点光源が配置された位置に応じてグループ分けされた点光源群単位で前記点光源が出射する光束の強度分布を可変制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光照射装置。
13. 前記所望の光強度プロファイルは、中心付近で光強度が低くその周囲で光強度が高くなる双峰性を示すプロファイルであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光照射装置。
14. 前記所望の光強度プロファイルは、中心付近の光強度が平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光照射装置。
15. 前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で低くその周囲で高くなる双峰性を示すプロファイルであるであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光照射装置。
16. 前記所望の光強度プロファイルは、任意の軸に対してスキャンしたときに得られる積分強度が中心付近で平坦性を示すプロファイルであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光照射装置。
17. 前記光源部は、前記被照射物に対して可視光を照射するガイド光用点光源をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の光照射装置。
18. 前記ガイド光用点光源は、前記出射面において複数の前記点光源の中心位置に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の光照射装置。
19. 前記ガイド光用点光源は、前記出射面において所望の光強度プロファイルの輪郭を示す位置に複数配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の光照射装置。
20. 前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、
    前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される樹脂部材であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一つに記載の光照射装置。
21. 請求項１〜１９のいずれか一つに記載の光照射装置を用いる溶着方法であって、
    前記点光源からの出射光束は、赤外線レーザ光であり、
    前記被照射物は、前記所望の光強度プロファイルの光束の照射により接合面が溶着される樹脂部材であることを特徴とする溶着方法。

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