KR101240408B1

KR101240408B1 - 광전 센서의 케이스 조립방법 및 광전 센서

Info

Publication number: KR101240408B1
Application number: KR1020090104202A
Authority: KR
Inventors: 히사시 스즈키; 켄이치 소에다; 히데유키 아이자와
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2013-03-08
Also published as: EP2184784A3; KR20100051025A; CN101738222A; US20100112746A1; EP2184784A2; JP2010113938A

Abstract

내부에 센싱 소자를 수납하는 밀폐 케이스를 이루는 제1 및 제2부재를 서로 맞대어 치수 정밀도 양호하게 접합하는 것이 가능한 케이스 조립방법을 제공하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면, 제1부재로서 레이저광을 투과시키는 제1수지재료를 이용하는 동시에, 제2부재로서 레이저광을 흡수하는 제2수지재료를 이용하고, 이들 부재의 각 접합면을 서로 맞댄 상태에서, 제1부재 측에서부터 그 접합면을 향해서 해당 접합면의 폭보다도 작은 직경의 레이저광을 조사하여, 서로 맞댄 접합면 간에 미용착 부분을 남기면서 그 접합면 간을 용착시킨다.

광전센서, 밀폐 케이스, 접합면, 미용착 부분, 조립방법

Description

광전 센서의 케이스 조립방법 및 광전 센서{METHOD OF ASSEMBLING HOUSING OF PHOTOELECTRIC SENSOR AND PHOTOELECTRIC SENSOR}

본 발명은 발광소자 및 수광소자를 내부에 수납하는 광전 센서의 케이스 조립방법 및 광전 센서에 관한 것이다.

광전 센서의 케이스는, 그 내부에 발광소자와 수광소자를 수납하는 것이다. 일반적으로, 상기 케이스는 상자 형상의 제1 및 제2부재를 서로 맞대어, 그 맞댐 면을 접합해서 형성된다. 이 경우, 다양한 사용 환경에서 상기 광전 센서의 사용을 가능하게 하기 위하여, 밀폐성이 높은 케이스를 작성하는 것이 바람직하다. 또, 제1 및 제2부재는 동종 또는 이종의 수지재료로 이루어지고, 그 접합은 맞댐 면을 접착하거나, 그 이음매의 전체 주위를 수지로 덮도록 2차 형성하거나, 또는 초음파 용착시킴으로써 행해진다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 또한, 광전 센서를 대상으로 하는 것은 아니지만, 레이저광을 이용해서 이종의 합성 수지재료를 국소적으로 용착시키는, 소위 스팟 용착의 수법도 제창되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).

또, 이 종류의 광전 센서에 있어서는, 접합 작업에 앞서, 내부에 수납한 발 광소자 및 수광소자에 각각 대치시켜서 설치되는 렌즈를, 전술한 수지제의 제1 또는 제2부재에 일체로 미리 설치해두는 일도 많다. 이 때문에, 제1부재와 제2부재를 서로 맞대어 접합할 때, 상기 발광소자 및 수광소자와 렌즈와의 광학적 거리를 정확하게 설정하는 것이 중요해진다.

특허문헌 1: 일본국 공개특허 평11-329182호 공보

특허문헌 2: 일본국 공개특허 소60-214931호 공보.

그러나, 제1부재와 제2부재를 접착할 경우, 접착제의 취급이 번거로운 데다가, 접착제가 경화되기까지 시간이 걸리므로, 생산성이 나쁘다고 하는 문제가 있다. 또, 2차 성형법을 이용해서 제1부재와 제2부재를 접합할 경우에는, 2차 성형용의 금형이 필요한 데다가, 성형의 수순도 필요로 되는 등, 설비 비용이나 생산성이 문제로 된다. 또, 제1부재와 제2부재를 서로 맞대서 초음파 용착시킬 경우에는, 진동에 따르는 부재 간의 어긋남이 생기기 쉽고, 또, 부재의 접합면에 마련한 에너지 다이렉터가 녹아 잔류하는 등의 용착이 불충분한 개소가 생기는 일이 있어, 양산 시 품질이 안정화되기 어렵다.

본 발명은 이러한 사정을 고려해서 이루어진 것으로, 그 목적은, 수지제의 제1 및 제2부재를 서로 맞대어 접합해서 광전 센서의 케이스를 제작할 때에, 양산성이 우수한 광전 센서의 케이스 조립방법 및 광전 센서를 제공하는 것에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 및 제2부재에 있어서의 각 접합면을 서로 맞대어 접합해서 케이스를 형성하고, 상기 케이스의 내부에 발광소자 및/또는 수광소자를 수납하는 동시에, 상기 제1 또는 제2부재의 상기 발광소자 및/또는 수광소자에 대향하는 부위에 렌즈를 설치한 광전 센서를 실현하는데 바람직한 용기 조립 방법에 관한 것으로,

<a> 상기 제1부재의 적어도 상기 접합면의 구성 부재로서 레이저광을 투과시 키기 쉬운 제1수지재료를 이용하는 동시에, 상기 제2부재의 적어도 상기 접합면의 구성 부재로서, 상기 제1수지재료에 비해서 레이저광을 투과시키기 어려운 제2수지재료를 이용하고,

<b> 상기 제1 및 제2부재의 각 접합면을 서로 맞댄 상태에서, 상기 제1부재 측에서 그 접합면을 향해서 상기 접합면의 폭보다도 작은 직경의 레이저광을 조사하며,

<c> 서로 맞댄 상기 접합면 간에 미용착 부분을 남기면서 상기 제1 및 제2부재의 접합면 간을 용착시켜서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 관련하여, 상기 제1 및 제2부재의 적어도 한쪽은, 일단부측을 개방한 상자 형상을 지니며, 그 개방측 단면을 접합면으로 한 것이다. 또, 상기 제2수지재료로서는, 카본 필러를 함유한 것을 사용함으로써 레이저광의 흡수율을 높이는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 또는 제2부재는 상기 발광소자 및/또는 수광소자에 대향하는 부위에 렌즈를 일체로 형성한 것으로 이루어진 것으로 해도 된다.

상기 방법에 의하면, 케이스를 구성하는 제1 및 제2부재의 서로 맞댄 각 접합면 간에 미용착 부분을 남기면서 상기 제1 및 제2부재의 접합면 간을 용착시키므로, 케이스로서 필요로 하는 밀폐성 및 조립 정밀도를 유지하면서, 생산성이 우수한 광전 센서를 제공할 수 있다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 일 실시형태에 관한 센서 장치의 케이스 조립방법에 대해서 설명한다.

본 발명은, 케이스를 밀폐 케이스로서 형성하고, 이 밀폐 케이스의 내부에 센싱 소자를 수납한 센서 장치, 예를 들어, 광전 센서를 제조하는데 바람직한 것으로서, 특히 광전 센서의 소형화를 도모하기 위하여 유용한 것이다.

구체적으로는, 이 실시형태에 따른 센서 장치는, 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이 발광소자(1)와 수광소자(2)를 탑재한 회로기판(3)을 밀폐 케이스(4)의 내부에 수납해서 구성되는 것이다.

또, 밀폐 케이스(4)는, 평판 형상의 밑면부의 가장자리를 둘러싸는 세워 설치된 벽을 지니고, 그 일단측을 개방한 상자 형상의 제1부재(5) 및 제2부재(6)의 각 개방 단면(5a), (6a)을 서로 맞대어, 그 맞댐 면 간을 수밀(水密)하게 접합함으로써 형성된다. 특히, 제1부재(5)는, 레이저광을 투과시키는 제1수지재료, 예를 들어, PAR(폴리아크릴레이트)로 이루어지고, 또, 제2부재(6)는 레이저광을 흡수하는 제2수지재료, 예를 들어, PBT(폴리뷰틸렌테레프탈레이트)로 이루어진다.

또한, 이 실시형태에 있어서의 제1 및 제2부재(5), (6)는, 예를 들어, 세로 폭 10㎜, 가로 폭 5㎜, 높이 2㎜ 정도의 외관 형상을 가지며, 밑판부 및 벽부의 두께를 0.8㎜ 정도로 해서 그 내부에 상기 회로기판(3)을 수용하는 공간부를 오목 형상으로 형성한 상자 형상의 사출성형품으로 이루어진다. 특히, 상기 제2부재(6)의 내측에는, 전술한 회로기판(3)을 각 방향(폭, 안길이, 깊이)에 대해서 위치 결정해서 수용하기 위한 보스(도시 생략)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 회로기판(3)은 제2부재(6)에 대해서 정확한 위치에 배치되어 고정된다. 또, 제1부재(5)에는 렌 즈(5b), (5b)가 일체로 형성되어 있다. 또한, 별체로서 제조한 렌즈(5b), (5b)를 제1부재(5)에 접착함으로써, 이들을 일체화해두는 것도 가능하다. 이들 렌즈(5b), (5b)는, 상기 회로기판(3)을 내부에 수납해서 상기 제1 및 제2부재(5), (6)의 각 개방 단면(5a), (6a)을 서로 맞댔을 때, 회로기판(3)에 탑재된 발광소자(1) 및 수광소자(2)에 각각 대치시켜, 그 광학계를 형성하는 것이다.

본 발명에 따른 센서 장치의 케이스 조립방법은, 우선 전술한 구조의 제1 및 제2부재(5), (6)를 서로 맞대어, 도시하지 않은 지그를 이용해서 제1 및 제2부재(5), (6)에 왜곡이 생기지 않을 정도의 압력을 가해서 상기 상태를 유지한다. 이어서, 상기 제1 및 제2부재(5), (6)의 각 개방 단면(5a), (6a)을 서로 맞댄 상태에서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 제1부재(5) 측에서부터 그 맞댐 면인 개방 단면(5a), (6a)을 향해서, 예를 들어, 빔 직경을 0.1 내지 0.4㎜로 좁힌 미소 직경의, 파장이 800 내지 1000㎚인 적외 레이저광(L)을 조사하고, 그 레이저광의 조사 부위에 있어서 제1 및 제2부재(5), (6) 간을 용착(레이저 용착)시킨다. 특히, 상기 레이저광(L)의 조사 위치를, 소위 단번에 상기 개방 단면(5a), (6a)을 따라서 이동시킴으로써, 상기 각 개방 단면(5a), (6a) 간을, 그 전체 둘레에 걸쳐서 연속해서 이음매 용착(seam welding)시킨다. 또한, 본 발명에 있어서 말하는 이음매 용착이란, 상기 센서 장치의 케이스를 이용해서 제조되는 센서 장치의 사용 환경에 있어서, 예를 들어 주위의 수분 등이 센서 장치의 내부에 침입함으로써 해당 센서 장치의 동작에 이상이 생기지 않을 정도의 밀폐성을 부여하는 용착이면 충분한 것은 말할 것도 없다.

구체적으로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 서로 맞댄 제1 및 제2부재(5), (6)의 각 개방 단면(맞댐 면)(5a), (6a) 간에 미용착 영역(A)을 남기면서, 미소 직경의 레이저광(L)을 조사한 부위만을 국부적으로 용융시키고, 이것에 의해서 제1 및 제2부재(5), (6) 간을 용착시킨다. 제2부재(6)의 용융은, 제1부재(5)를 투과한 레이저광의 에너지를 흡수해서 발열함으로써 생기고, 또, 제1부재(5)의 용융은 상기 제2부재(6)의 용융 열이 전파함으로써 생긴다. 레이저광(L)의 조사 위치가 서서히 이동함으로써 레이저광이 조사되지 않게 된 부위에서는 온도가 저하되고, 용융된 제1 및 제2부재(5), (6)의 구성 재료가 서로 섞여서 경화되며, 이것에 의해서 제1 및 제2부재(5), (6) 간의 용착이 단시간 중에 행해진다. 미용착 영역(A)은 레이저광(L)의 궤적(도 1의 파선(X))의 양쪽에 남겨진다.

또, 제2부재(6)의 구성 재료로서, 카본 필러를 포함하는 폴리카보네이트(PC10)를 이용한 경우, 레이저광(L)의 조사 부위만을 확실하게 용착할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이와 관련해서, 이 효과는, 카본 필러의 존재에 의해서 상기 레이저광(L)의 조사 부위만이 국부적으로 온도상승하고, 또, 카본 필러의 존재에 의해서 레이저광(L)의 조사 부위로부터의 열확산이 방지되어, 그 주위(레이저광의 비조사 영역)의 온도가 그다지 높게 되지 않는 결과인 것으로 추정된다. 또, 레이저광(L)의 조사 부위만이 국부적으로 온도상승하면 용융 수지가 돌비되어 기포가 발생하는 일이 있다. 이때, 미용착 영역(A)이 존재하면, 기포의 압력을 받아도 용융 수지가 맞댐 면(5a), (6a)의 외부로 비어져 나오는 일은 없어, 양호한 용착 상태가 유지된다.

이렇게 하여, 전술하는 바와 같이 해서 제1 및 제2부재(5), (6)의 서로 맞댄 개방 단면(5a), (6a)에 레이저광을 조사하고, 상기 개방 단면(5a), (6a) 간에 미용착 영역(A)을 남기면서 용착 영역(B)을 연속해서 형성하고, 제1 및 제2부재(5), (6)의 각 개방 단면(5a), (6a) 간을 이음매 용착하는 본 방법에 의하면, 개방 단면(5a), (6a) 간에 미용착 영역(A)이 남겨져 있으므로, 제1 및 제2부재(5), (6) 사이에, 그 개방 단면(5a), (6a)을 서로 맞대기 위한 압력이 가해지고 있어도, 제1 및 제2부재(5), (6)의 용융에 의해서 그 가압 방향의 위치 관계에 어긋남이 생기는 일이 없다. 환언하면, 제1 및 제2부재(5), (6)의 맞댐 방향의 위치 관계를 유지하면서, 상기 제1 및 제2부재(5), (6)를 국부적으로 용융시켜서 양자를 용착시킬 수 있다. 특히, 그 맞댐 면의 전체 둘레에 걸쳐서 연속해서 이음매 용착시키고, 그 사이를 기밀 혹은 수밀하게 밀봉할 수 있다.

여기서, 가령 미용착 영역(A)이 남겨지지 않고, 개방 단면(5a), (6a)이 전체 폭에 걸쳐서 용융되었다고 하면, 지그에 의해서 가해진 압력에 의해서 용융 수지가 접합면으로부터 비어져 나오는 것처럼 변형되어 버려, 제1 및 제2부재(5), (6) 사이에서, 그 가압 방향의 위치 관계에 어긋남이 생길 우려가 있다. 이러한 위치 어긋남은 렌즈(5b)의 초점 위치 어긋남 등, 광학성능에 악영향을 초래할 우려가 있는 데다가, 외관상도 미려하지 않다.

또, 상기 개방 단면(5a), (6a)이 전체 폭에 걸쳐서 용융될 정도의 강한 레이저광을 조사했을 경우에는, 레이저광이 가지는 큰 에너지에 의해서 용융 수지의 온도가 국소적으로 상승해서 돌비를 일으키는 일이 있다. 이 경우, 발생한 기포의 압력으로 용융 수지가 케이스의 내외로 비산할 우려가 있다. 그러면, 케이스 내에 수용되어 있는 회로기판의 발광소자(1) 및 수광소자(2)나 렌즈(5b)에 용융 수지의 비말이 부착되어, 그 광학성능을 저해할 우려가 있다. 게다가, 상기 용융 수지의 비말의 부착은, 외관상의 미려함을 저해한다. 결국, 미용착 영역(A)을 남기지 않는 용착 방법을 채용했을 경우에는 제품의 제조 공정에서의 불량품의 발생률이 높아져, 제조 비용을 높이는 요인으로 된다.

또, 본 발명은, 어디까지나 제1 및 제2부재(5), (6)를 직접 맞대어 이루어진 부분에서의 밀봉성을 제공하는 것으로, 회로기판(3)으로부터의 신호 케이블(전선)(7)의 인출 부분에 대해서는, 레이저광에 의한 용착 방법에서는 충분한 밀착을 얻을 수 없다. 그 때문에, 전술한 특허문헌 2에 개시되는 수법을 이용하는 등 하여, 그 밀봉성을 확보하는 것이 필요하다.

구체적으로는, 신호 케이블(전선)(7)을 통과시키기 위한 구멍(8)은, 미리 케이스를 이루는 상기 제1 및 제2부재(5), (6)의 접합 부분에 형성되어 있어, 회로기판(3)에 접속한 신호 케이블(전선)(7)을 상기 구멍(8)에 통과시킨 상태에서 상기 제1 및 제2부재(5), (6)의 접합이 행해진다. 따라서, 구멍(8)과 신호 케이블(전선)(7) 사이에 간극이 생기는 것을 부정할 수 없다. 그래서, 상기 구멍(8)과 상기 신호 케이블(전선)(7)과의 간극에 제3부재(9)를 충전시키는 등 해서 그 간극을 완전히 덮고, 이것에 의해서 상기 부위에서의 밀봉성을 확보하도록 하면 된다.

그런데, 다음 표는 제1 및 제2부재(5), (6)의 소재(구성 재료)를 대체하여 밀폐 케이스(4)를 조립했을 때의 밀봉성을 검증한 결과를 나타내고 있다. 이와 관 련해서, 이 검증은, 전술한 수법에 의해 제1 및 제2부재(5), (6)를 이음매 용착시켜 조립한, 구성 소재를 달리하는 복수 종의 밀폐 케이스(4)를 물속에 240시간 침지하고, 그 후, 이것을 꺼내어 가열한 후 30분 방치해서 냉각했을 때의 상기 밀폐 케이스(4)의 내부의 흐림 상황을 관찰함으로써 행하였다.

		제1부재
		폴리카보네이트	폴리아크릴레이트	폴리메타크릴산 메틸
제2 부재	PC/ABS계 폴리머 알로이	×(침수)	△(작은 흐림)	△(작은 흐림)
	폴리뷰틸렌테레프탈레이트	△○(미소 흐림)	△○(미소 흐림)	○(극소 흐림)
	폴리카보네이트+카본 필러	△(작은 흐림)	△(작은 흐림)	△(작은 흐림)

이 검증 실험에 있어서는, 제1부재(5)의 구성 재료로서 폴리아크릴레이트(PAR) 또는 폴리메타크릴산메틸(PMMA)을 채용하고, 한편, 제2부재(6)의 구성 재료로서 폴리뷰틸렌테레프탈레이트(PBT)를 채용했을 때, 밀봉성(수밀성)이 우수한 밀폐 케이스(4)를 간이하게 실현할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 단, 카본 필러를 포함하는 수지 재료에 대해서는, 그 함유 비율의 차이가 미치는 영향 등에 대해서 더욱 검증하는 것이 필요하다.

또한, 본 발명은 전술한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 여기에서는 광전 센서의 케이스를 예로 들어 설명하였으나, 전자기의 근접 센서를 수납하는 케이스 등에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 즉, 케이스의 일단면을 센싱 기준면으로서 이용하는 센서 장치로서, 상기 센싱 기준면과, 그 내부에 수납한 센싱 소자와의 거리·위치 관계를 정확하게 규정할 필요한 있는 센서 장치의 전반에 대해서 본 발명을 적용가능하다.

또, 투광부와 수광부를 동일한 센서 장치에 지닌 경우더라도, 예를 들어, 투광부에 상대하는 렌즈를 용기에 형성하고, 수광부에 상대하는 렌즈를 설치하지 않거나, 또는 수광소자에 밀접하게 설치한 바와 같은 경우더라도, 투광부와 이것에 상대하는 렌즈와의 거리·위치 관계를 정확하게 규정하기 위해서 본 발명은 유용하다. 이것에 있어서 투광부와 수광부의 관계를 반대로 해도 마찬가지인 것은 당연히 말할 필요도 없다. 특히, 본 발명은, 소위 소형 부품을 미세 가공해서 제조하기 위한 레이저 용착 기술로서 유용하다. 그 외, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형해서 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 케이스 조립방법을 이용해서 조립할 수 있는 광전 센서의 구조예를 도시한 도면;

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 케이스 조립방법을 이용해서 조립할 수 있었던 케이스의 단면구조를 도시한 도면;

도 3은 케이스를 구성하는 제1부재와 제2부재와의 용착 부분을 모식적으로 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 발광소자 2: 수광소자

3: 회로기판 5: 제1부재

5b: 렌즈 6: 제2부재

7: 신호 케이블(전선) L: 레이저광

A: 미용착 영역 B: 용착 영역

Claims

제1 및 제2부재에 있어 적어도 한쪽은, 일단측을 개방한 상자 형상을 지니며, 해당 상자 형상을 가지는 부재의 개방측 단면과 다른쪽 부재의 임의의 단면을 접합면으로 해서 상기 제1 및 제2부재의 각 접합면을 서로 맞대어 접합해서 케이스를 형성하고,

상기 케이스의 내부에 발광소자 및/또는 수광소자를 수납하는 동시에, 상기 제1 또는 제2부재의 상기 발광소자 및/또는 수광소자에 대향하는 부위에 렌즈를 설치한 광전 센서를 제조함에 있어서,

상기 제1부재의 적어도 상기 접합면의 구성 부재로서 레이저광을 투과시키기 쉬운 제1수지재료를 이용하는 동시에, 상기 제2부재의 적어도 접합면의 구성 부재로서 상기 제1수지재료와 비교해서 레이저광을 투과시키기 어려운 제2수지재료를 이용하여, 상기 제1 및 제2부재의 각 접합면을 서로 맞댄 상태에서, 상기 제1부재 측에서부터 그 접합면을 향해서 해당 접합면의 폭보다도 작은 직경의 레이저광을 조사하여, 서로 맞댄 상기 접합면 간에 미용착 부분을 남기면서 상기 제1 및 제2부재의 접합면 간에 용착 영역을 연속해서 형성함으로써, 상기 제1 및 제2부재를 서로 이음매 용착(seam welding)시켜서 상기 제1 및 제2부재에 의해서 밀폐 케이스를 형성한 것을 특징으로 하는 광전 센서의 케이스 조립방법.
제1항에 있어서, 상기 제2수지재료는 카본 필러를 포함한 것인, 광전 센서의 케이스 조립방법.
제1 및 제2부재에 있어 적어도 한쪽은, 일단측을 개방한 상자 형상을 지니며, 해당 상자 모양 형상을 가지는 부재의 개방 측면 단면과 다른쪽 부재의 임의의 단면을 접합면으로 해서 상기 제 1 및 제 2 부재의 각 접합면을 서로 맞대어 접합해서 케이스를 형성하고, 상기 케이스의 내부에 발광소자 및/또는 수광소자를 수납하는 동시에, 상기 제1 또는 제2부재의 상기 발광소자 및/또는 수광소자에 대향하는 부위에 렌즈를 설치한 광전 센서로서,

상기 제1부재의 적어도 접합면의 구성 부재는 레이저광을 투과시키기 쉬운 제1수지재료로 이루어진 동시에, 상기 제2부재의 적어도 접합면의 구성 부재는 레이저광을 투과시키기 어려운 제2수지재료로 이루어지고,

서로 맞댄 상기 접합면 간에 미용착 부분을 남기면서 상기 제1 및 제2부재의 접합면 간에 용착영역을 연속해서 형성함으로써, 상기 제1 및 제2부재를 서로 이음매 용착(seam welding)시켜서 상기 제1 및 제2부재에 의해서 밀폐 케이스를 형성한 한 것을 특징으로 하는 광전 센서.
제3항에 있어서, 상기 발광소자 및/또는 수광소자에 통전하는 전선을 구비하고, 이 전선을 통과시키기 위한 구멍은 케이스를 이루는 상기 제1 및 제2부재의 접합 부분에 형성되어 있으며, 적어도 상기 구멍과 상기 전선과의 간극이 제3부재에 의해서 완전히 덮여 있는 것을 특징으로 하는 광전 센서.
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