KR20050016573A - 레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저,가공 방법 및, 레이저 가공 온도 측정 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저,가공 방법 및, 레이저 가공 온도 측정 방법

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KR20050016573A
KR20050016573A KR10-2004-7020515A KR20047020515A KR20050016573A KR 20050016573 A KR20050016573 A KR 20050016573A KR 20047020515 A KR20047020515 A KR 20047020515A KR 20050016573 A KR20050016573 A KR 20050016573A
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 광을 이용하여 용접 등의 가공을 할 때의 가공 온도를 고정밀도로 검출할 수 있는 레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 온도 측정 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 레이저 광(LB)을 피가공 부재(DR, UR)에 조사함으로써 피가공 부재(DR, UR)를 가공하는 레이저 가공 장치(1A)로서, 레이저 광(LB)을 발생하는 레이저(반도체 레이저 장치(20A))와, 레이저에서 발생한 레이저 광(LB)을 가공 영역(DA, UA)에 집광하는 광학 수단과, 피가공 부재(DR, UR)와 광학 수단과의 사이에 설치되고, 레이저 광(LB)의 여기에 의해 광학 수단에 있어서 발생하는 형광(FB)의 파장을 차단하는 필터(30)를 구비하고, 가공 영역(DA, UA)의 온도를 측정할 때에 필터(30)로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저, 가공 방법 및, 레이저 가공 온도 측정 방법 {LASER PROCESSING DEVICE, LASER PROCESSING TEMPERATURE MEASURING DEVICE, LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING TEMPERATURE MEASURING METHOD}
본 발명은, 레이저 광을 이용하여 용접 등의 가공을 할 때의 가공 영역의 온도 측정에 유용한 레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 온도 측정 방법에 관한 것이다.
종래, 레이저 광을 이용하여 구멍내기, 절단이나 용접 등의 각종 가공을 행하는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 특공평 5-42336호 공보에는, 레이저에 의한 부재의 접착 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, YAG 레이저의 레이저 광을 흡수하는 성질을 갖는 제1 열가소성 수지 부재 상에 레이저 광을 투과하는 성질을 갖는 제2 열가소성 수지 부재를 겹친다. 그리고, YAG 레이저로부터 제2 열가소성 수지 부재를 통하여 제1 열가소성 수지 부재에 레이저 광을 조사하고, 제1 열가소성 수지 부재를 가열 용융하여 제1 열가소성 수지 부재와 제2 열가소성 수지 부재를 용접한다.
레이저 광에 의해 가공을 행하는 경우, 가공 불량을 방지하기 위해서, 가공 영역의 온도를 관리하는 것이 중요하게 된다. 가공 영역의 온도를 검출하는 경우, 가공 영역으로부터 열복사되는 광을 이용하는 방사 온도계 등이 이용된다. 예를 들면, 특개평 5-261576호 공보에는, 레이저 광에 의해 피가공물을 용접할 때의 피가공물의 표면 온도를 관리하는 가열 가공 장치가 개시되어 있다. 이 가열 가공 장치에서는, 피가공물의 표면으로부터 열복사된 광을 복수로 분할하고, 분할한 광을 각각 다른 파장의 광을 투과하는 필터로 투과한다. 그리고, 필터로 투과된 다른 파장의 광의 강도비에 의해 표면 온도를 검출하고, 그 검출한 표면 온도에 의해 피가공물의 표면 온도를 제어하고 있다.
도 1은 본 발명의 제1 및 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치 및 제1 커트 필터의 측면도이다.
도 3은 반도체 레이저 장치로부터 출사된 노이즈 광의 파장과 강도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 수지 부재에 광을 조사한 경우의 조사한 광의 파장과 수지 부재의 광의 투과율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 반도체 레이저 장치로부터 출사하는 발진 파장의 레이저 광과 부가적인 광 및 용접 영역에서 발생하는 열복사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 반도체 레이저 장치로부터 출사하는 발진 파장의 레이저 광과 부가적인 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 제1 커트 필터의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광이 제1 커트 필터를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1의 용접 영역으로부터 방사되는 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 제2 커트 필터의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 1의 용접 영역으로부터 방사되는 광이 제2 커트 필터를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 및 제5의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 전체 구성도이다.
도 13은 제2의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치 및 제1 커트 필터의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 제3 및 제6의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 전체 구성도이다.
도 15는 제3의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치의 측면도이다.
도 16은 도 15의 집광 렌즈의 코팅의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 14의 반도체 레이저 장치에서 발생한 광이 집광 렌즈를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 14의 용접 영역으로부터 방사되는 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19는 도 14의 밴드패스 필터의 특성으로서 파장과 투과비율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 14의 용접 영역으로부터 방사되는 광이 밴드패스 필터를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21은 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치 및 제1 커트 필터의 측면도이다.
도 22는 제5의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치 및 제1 커트 필터의 측면도이다.
도 23은 제6의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치의 반도체 레이저 장치의 측면도이다.
그렇지만, 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 경우, 용접 온도를 정밀도 좋게 검출할 수 없는 경우가 있고, 용접 온도를 정상적으로 관리할 수 없기 때문에 용접 불량이 발생하였다. 특히, 레이저에 의한 용접에서는, YAG 레이저 등의 고체 레이저 외에 고출력화된 반도체 레이저도 이용되게 되었다. 반도체 레이저를 이용하여 수지 부재 끼리를 용접할 때에 방사 온도계에 의해 용접 영역의 온도를 검출한 경우, 용접 온도를 정확하게 검출할 수 없었다. 또한, 특개평 5-261576호 공보에는, 수지 부재 끼리의 용접에 있어서의 용접 온도의 검출에 대해서는 아무런 기재가 되어 있지 않다.
그래서, 본 발명은 레이저 광을 이용하여 용접 등의 가공을 할 때의 가공 온도를 고정밀도로 검출할 수 있는 레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 온도 측정 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는, 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광을 발생하는 레이저와, 레이저에서 발생한 레이저 광을 가공 영역에 집광하는 광학 수단과, 피가공 부재와 광학 수단과의 사이에 설치되며 레이저 광에 의한 여기(勵起)에 의해 광학 수단에 있어서 발생한 형광의 파장을 차단하는 필터를 구비하고, 가공 영역의 온도를 측정할 때에 필터로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 필터에 의해 광학 수단에서 발생하는 형광 중 가공 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 가공 전에 미리 제거한다. 그 때문에, 광학 수단에서 발생하고 있던 관측 파장과 같은 파장의 형광은 가공 영역으로부터 방사되지 않으므로, 가공 영역에서 열복사되는 광 중 이 필터로 제거된 파장의 광을 사용하면, 광학 수단의 형광에 기인하는 노이즈 광의 영향을 받는 일없이 가공 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는, 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광을 발생하는 레이저와, 레이저에서 발생한 레이저 광을 가공 영역에 집광하는 제1 광학 수단과, 피가공 부재와 제1 광학 수단과의 사이에 설치되며 레이저 광에 의한 여기에 의해 제1광학 수단에 있어서 발생한 형광의 파장을 차단하는 제2 광학 수단을 구비하고, 가공 영역의 온도를 측정할 때에 제2 광학 수단으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 제2 광학 수단에 실시되어 있는 반사 로스를 억제하기 위한 코팅 등에 의해, 제1 광학 수단에서 발생하는 형광 중 가공 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 가공 전에 미리 제거한다. 그 때문에, 제1 광학 수단에서 발생하고 있던 관측 파장과 같은 파장의 형광은 가공 영역으로부터 방사되지 않으므로, 가공 영역에서 열복사되는 광 중 이 제2 광학 수단으로 제거한 파장의 광을 사용하면, 제1 광학 수단의 형광에 기인하는 노이즈 광의 영향을 받는 일없이 가공 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 레이저 가공 장치는, 필터 또는 제2 광학 수단을 레이저 광의 발진 파장 이외의 파장을 차단하도록 구성해도 된다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 광학 수단에서 발생하는 형광 중 가공에 불필요한 발진 파장 이외의 파장의 광을 가공 전에 모두 제거하므로, 가공 영역으로부터 방사되는 광에는 광학 수단에서 발생하고 있는 형광을 일절 포함하지 않는다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 온도 측정 장치는, 상기 레이저 가공 장치로 가공을 행하고 있을 때의 가공 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 장치로서, 가공 영역으로부터 열복사되는 광 중 필터 또는 제2 광학 수단으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 온도 장치에 의하면, 온도 검출 수단에서는 관측 파장의 광으로서 광학 수단에서 발생하는 노이즈 광(형광의 일부 또는 전부)이 혼입되어 있지 않는 열복사광을 이용하여 가공 온도를 검출할 수 있으므로, 가공 온도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 방법은, 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 방법으로서, 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과, 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 광학계에서 가공 영역에 집광하는 집광 공정과, 레이저 광에 의한 여기에 의해 광학계에 있어서 발생한 형광의 파장을, 가공을 행하기 전에 필터로 차단하는 형광 차단 공정을 포함하며, 가공 영역의 온도를 측정할 때에 형광 차단 공정으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 방법에 의하면, 필터에 의해 광학계에서 발생하는 형광 중 가공 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 가공 전에 미리 제거하고 있으므로, 노이즈 광이 혼입되어 있지 않는 열복사광에 의거하여 가공 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 방법은, 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 방법으로서, 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발광 공정과, 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 제1 광학계에서 가공 영역으로 집광하는 집광 공정과, 레이저 광에 의한 여기에 의해 제1 광학계에 있어서 발생한 형광의 파장을 제2 광학계에서 차단하는 형광 차단 공정을 포함하며, 가공 영역의 온도를 측정할 때에 형광 차단 공정으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 방법에 의하면, 제2 광학계에 실시되고 있는 반사 로스를 억제하기 위한 코팅 등에 의해 제1 광학계에서 발생하는 형광 중 가공 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 가공 전에 미리 제거하고 있으므로, 노이즈 광이 혼입되어 있지 않는 열복사광에 의거하여 가공 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 온도 측정 방법은, 상기 레이저 가공 방법으로 가공을 행하고 있을 때의 가공 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 방법으로서, 가공 영역으로부터 열복사되는 광 중 형광 차단 공정으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 온도 측정 방법에 의하면, 관측 파장의 광으로서 광학계에서 발생하는 노이즈 광(형광의 일부 또는 전부)이 혼입되어 있지 않는 열복사광을 사용하여 가공 온도를 검출할 수 있으므로, 가공 온도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는, 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광을 발생하는 반도체 레이저와, 반도체 레이저와 수지 부재와의 사이에 설치되며, 반도체 레이저에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단하는 필터를 구비하고, 용접 영역의 온도를 측정할 때에 필터로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 필터에 의해 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 용접 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접하기 전에 미리 제거한다. 그 때문에, 반도체 레이저가 발생하고 있던 관측 파장과 같은 파장의 광은 용접 영역(가공 영역)으로부터 방사되지 않으므로, 용접 영역에서 열복사되는 광 중 이 필터로 제거한 파장의 광을 사용하면, 반도체 레이저에 기인하는 노이즈 광의 영향을 받는 일없이 용접 영역의 온도(가공 온도)를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는, 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광을 발생하는 반도체 레이저와, 반도체 레이저에서 발생한 레이저 광을 용접 영역에 집광하는 동시에, 반도체 레이저에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단하는 광학 수단을 구비하고, 용접 영역의 온도를 측정할 때에 광학 수단으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 광학 수단에 실시되어 있는 반사 로스를 억제하기 위한 코팅 등에 의해, 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 용접 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접하기 전에 미리 제거한다. 그 때문에, 반도체 레이저가 발생하고 있던 관측 파장과 같은 파장의 광은 용접 영역으로부터 방사되지 않으므로, 용접 영역에서 열복사되는 광 중 이 광학 수단으로 제거한 파장의 광을 사용하면, 반도체 레이저에 기인하는 노이즈 광의 영향을 받는 일없이 용접 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 레이저 가공 장치는, 필터 또는 광학 수단을 반도체 레이저의 발진 파장 이외의 파장의 광을 차단하도록 구성해도 된다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 용접에 불필요한 발진 파장 이외의 파장의 광을 용접하기 전에 제거하므로, 용접 영역으로부터 방사되는 광에는 반도체 레이저가 발생하고 있는 발진 파장 이외의 광을 일절 포함하지 않는다.
또, 본 발명의 상기 레이저 가공 장치는, 필터 또는 광학 수단을 1100㎚로부터 2800㎚의 범위의 파장의 광을 차단하도록 구성해도 된다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 수지 용접에 있어서의 용접 온도 검출에 적합한 파장 범위인 1100㎚로부터 2800㎚의 파장의 광을 용접하기 전에 제거하므로, 용접 영역으로부터 방사되는 광에는 반도체 레이저가 발생하고 있는 용접 온도 검출에 있어서의 노이즈 광을 일절 포함하지 않는다. 또한, 1100㎚ 보다 단파장의 광으로 검출되는 용접 온도에서는, 수지 부재 끼리의 용접이 곤란하다. 또, 2800㎚ 보다 장파장의 광은 수지 부재를 투과하지 않으므로, 수지 부재 끼리의 겹치기 용접의 경우에 용접 온도를 검출하기 위해 이용할 수 없다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 온도 측정 장치는, 상기 레이저 가공 장치로 용접을 행하고 있을 때에 용접 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 장치로서, 용접 영역으로부터 열복사되는 광 중 필터 또는 광학 수단으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 온도 측정 장치에 의하면, 온도 검출 수단으로는 관측 파장의 광으로서 반도체 레이저에서 발생하는 노이즈 광(발진 파장 이외의 광의 일부 또는 전부)이 혼입되어 있지 않는 열복사광을 사용하여 용접 온도(가공 온도)를 검출할 수 있으므로, 용접 온도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 방법은, 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 방법으로서, 반도체 레이저로 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과, 레이저 광 발생 공정에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접을 행하기 전에 필터로 차단하는 필터 공정을 포함하며, 용접 영역의 온도를 측정할 때에 필터 공정으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 방법에 의하면, 필터에 의해 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 용접 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접하기 전에 미리 제거하고 있으므로, 노이즈 광이 혼입되어 있지 않는 열복사광에 의거하여 용접 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 방법은, 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 방법으로서, 반도체 레이저로 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과, 레이저 광 발생 공정에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을, 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 용접 영역에 집광하는 광학계에서 차단하는 필터 공정을 포함하며, 용접 영역의 온도를 측정할 때에 필터 공정으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 방법에 의하면, 광학계에 실시되어 있는 반사 로스를 억제하기 위한 코팅 등에 의해 반도체 레이저로부터 발생하는 광 중 용접 온도 측정의 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접하기 전에 미리 제거하고 있으므로, 노이즈 광이 혼입되어 있지 않는 열복사광에 의거하여 용접 영역의 온도를 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 온도 측정 방법은, 상기 레이저 가공 방법으로 용접을 행하고 있을 때의 용접 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 방법으로서, 용접 영역으로부터 열복사되는 광 중 필터 공정으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 온도 측정 방법에 의하면, 관측 파장의 광으로서 반도체 레이저에서 발생하는 노이즈 광(발진 파장 이외의 광의 일부 또는 전부)이 혼입되어 있지 않는 열복사광을 사용하여 용접 온도를 검출할 수 있으므로, 용접 온도를 고정밀도로 검출할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치, 레이저 가공 온도 측정 장치, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 온도 측정 방법의 실시 형태를 설명한다.
본 발명은 레이저에 의해 각종 가공을 할 때의 가공 온도를 고정밀도에 검출하기 위해, 가공 영역으로부터 열복사되는 광에 노이즈 광이 혼입하지 않게 한다.
본 발명에서는, 그 노이즈 광이 레이저 광을 집광하기 위한 광학계에서 발생하는 형광을 포함하는 경우가 있는 것을 구명(究明)하고, 광학계에서 발생하는 형광 중 가공 온도를 검출하기 위한 관측 파장으로 되는 파장의 광을 가공을 행하기 전에 제거한다. 그를 위해, 본 발명에서는 필터 혹은 레이저의 집광 렌즈 등의 광학계(코팅 등)에 의해, 그 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단한다.
또, 본 발명에서는, 그 노이즈 광이 반도체 레이저에서 발생하는 발진 파장 이외의 광을 포함하는 경우가 있는 것을 구명하고, 반도체 레이저에서 발생한 광 중 용접 온도를 검출하기 위한 관측 파장으로 되는 파장의 광을 용접을 행하기 전에 제거한다. 그를 위해, 본 발명에서는 필터 혹은 반도체 레이저의 집광 렌즈 등의 광학계에 의해, 그 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단한다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 본 발명을 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리의 겹치기 용접을 행하는 수지 용접 장치에 적용한다. 본 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치는, 레이저 광을 출사하기 위해 반도체 레이저 장치 및 용접 영역의 용접 온도를 검출하기 위해 수지 온도 측정 장치를 구비하고 있으며, 수지 온도 측정 장치로 검출한 용접 온도에 의거하여 용접 온도를 관리하고 있다.
제1 내지 제3의 실시 형태는, 노이즈 광이 레이저 광을 집광하기 위한 광학계에서 발생하는 형광을 포함하는 경우이다. 제1 및 제2의 실시 형태에서는 커트 필터에 의해 반도체 레이저 장치의 광학 수단에서 발생한 형광을 커트하고, 특히 제1의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치로서 직접 집광형을 사용하며, 제2의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치로서 파이버 아웃형을 사용하고, 또, 제3의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치(직접 집광형)의 집광 렌즈에 실시된 코팅에 의해 형광 중 일부를 커트한다.
또, 제4 내지 제6의 실시 형태는, 노이즈 광이 반도체 레이저에서 발생하는 발진 파장 이외의 광을 포함하는 경우이다. 제4 및 제5의 실시 형태에서는 커트 필터에 의해 반도체 레이저 장치에서 발생한 발진 파장 이외의 광을 커트하고, 특히 제4의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치로서 직접 집광형을 사용하며, 제5의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치로서 파이버 아웃형을 사용하고, 또, 제6의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치(직접 집광형)의 집광 렌즈에 실시된 코팅에 의해 발진 파장 이외의 광 중의 일부를 커트한다.
<제1의 실시의 형태>
먼저, 제1의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 1을 참조하여, 수지 용접 장치(1A)의 구성에 대해 설명한다. 도 1은 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)의 전체 구성도이다.
수지 용접 장치(1A)는, 용접 온도를 기준 온도 범위 내로 제어하는 동시에, 피용접 부재로 되는 상부측 수지 부재(UR)(예를 들면, 아크릴 수지)와 하부측 수지 부재(DR)(예를 들면, ABS 수지)를 가압하면서 겹치기 용접하는 장치이다. 그를 위해, 수지 용접 장치(1A)는 압력 인가 장치(10), 반도체 레이저 장치(20A), 제1 커트 필터(30), 제2 커트 필터(40), 수지 온도 측정 장치(50A), 로봇 암 장치(60) 및 관리 장치(70)를 구비하고 있다.
상부측 수지 부재(UR)는, 반도체 레이저 장치(20A)의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 투과하는 성질을 갖고 있다. 한편, 하부측 수지 부재(DR)는 반도체 레이저 장치(20A)의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 따라서, 수지 용접 장치(1A)에서는, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사한 레이저 광(LB)이 상부측 수지 부재(UR)를 투과하고, 하부측 수지 부재(DR)의 표면 중 상부측 수지 부재(UR)와 용접되는 영역(용접 영역)(DA)에서 흡수된다. 이 흡수에 의해, 용접 영역(DA)이 가열 용융된다. 또한 이 열에 의해, 상부측 수지 부재(UR)의 표면 중 용접되는 영역(용접 영역)(UA)이 가열 용융되어 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)가 용접된다.
압력 인가 장치(10)는 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가압한다. 이렇게 하는 것은, 용접 영역(DA)과 용접 영역(UA)에 간극이 있으면, 용접 영역(DA)을 가열 용융해도 그 열이 용접 영역(UA)에 전도하기 어렵다. 그 때문에, 용접 불량이 발생한다. 그래서, 가압 인가 장치(10)에 의해 용접 영역(DA)과 용접 영역(UA)을 가입하여 밀착시킨다.
압력 인가 장치(10)는, 베이스판(11), 누름판(12), 조정부(13, 13) 및 제어부(14)를 구비하고 있다. 베이스판(11)은, 그 상부면에 하부측 수지 부재(DR)가 재치되며, 하부측 수지 부재(DR)의 상부면에 상부측 수지 부재(UR)가 재치된다. 누름판(12)은, 레이저 광(LB)을 투과하는 재질로 구성되어 있고, 베이스판(11)의 상부측에 배치된다. 그리고, 누름판(12)은, 베이스판(11)에 겹쳐서 재치되어 있는 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)를 눌러 꼼짝 못하게 한다. 조정부(13, 13)는, 제어부(14)로부터의 제어 신호에 의거하여 누름판(12)을 상하 방향으로 이동시켜, 베이스판(11)과 누름판(12)과의 거리를 조정한다. 제어부(14)는, 관리 장치(70)로부터의 지령 신호에 의거하여 기준 압력 범위로 압력을 제어하기 위한 제어 신호를 조정부(13, 13)에 송신한다.
도 2도 참조하여, 반도체 레이저 장치(20A)에 대해 설명한다. 도 2는 반도체 레이저 장치(20A) 및 제1 커트 필터(30)의 측면도이다.
반도체 레이저 장치(20A)는, 용접 영역(DA)에 레이저 광(LB)(발진파장: 810㎚)을 조사하여, 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가열 용융한다. 그를 위해, 반도체 레이저 장치(20A)는 장치 본체(21) 및 제어부(22)를 구비하고 있다. 장치 본체(21)는, 제어부(22)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 광(LB)을 발생하고, 발생한 레이저 광(LB)을 집광하여 용접 영역(DA)을 향하여 출사한다. 제어부(22)는, 관리 장치(70)로부터의 지령 신호에 의거하여 조사 조건(강도, 초점 지름 등)을 제어하기 위한 제어 신호를 장치 본체(21)에 송신한다.
장치 본체(21)는, 반도체 레이저(21a), 제1 콜리메이트 렌즈(21b,···), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)를 구비하고 있다. 반도체 레이저(21a)는 평판 형상 전극(21e, 21f)을 가지며, 이 평판 형상 전극(21e, 21f) 사이에 히트 싱크(21g,···)를 통하여 복수 개의 레이저 어레이(21h, ···)를 적층하여 레이저 어레이 스택을 형성하고 있다. 각 레이저 어레이(21h)는 복수 개의 레이저 광 출사점(21i, ···)을 1열로 배열시킨 구조로 되어 있고, 각 레이저 광 출사점(21i, ···)으로부터 레이저 광(LB)을 출사한다. 그리고, 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)가, 반도체 레이저(21a)에서 발생한 레이저 광(LB)을 용접 영역(DA)에 집광하는 광학 수단으로 되어 있다.
제1 콜리메이트 렌즈(21b)는, 레이저 어레이(21h)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방 또한 레이저 어레이(21h)에 평행하게 배치되며, 레이저 어레이(21h)마다 설치된다. 제1 콜리메이트 렌즈(21b)는, 원기둥형 렌즈이며, 레이저 어레이(21h)의 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 출사된 레이저 광(LB)을 레이저 어레이(21h)의 짧은 방향(= 반도체 레이저(21a)의 레이저 광 출사점(21i)의 배열 방향)으로 집광한다.
제2 콜리메이트 렌즈(21c)는, 제1 콜리메이트 렌즈(21b,.··)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방 또한 레이저 어레이(21h, ···)의 적층 방향으로 1열로 정렬되어 있는 레이저 광 출사점(21i,···)에 평행하게 배치되고, 그 레이저 어레이(21h,···)의 적층 방향의 레이저 광 출사점(21i,···)의 열마다 설치된다. 제2 콜리메이트 렌즈(21c)는, 기둥 형상 볼록 렌즈이며, 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 출사된 레이저 광(LB)을 레이저 어레이(21h)의 길이 방향으로 집광한다.
집광 렌즈(21d)는 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방으로 배치된다. 집광 렌즈(21d)는 소정의 초점거리를 갖고 있으며, 평행광을 초점(용접 영역(DA))에 집광한다.
장치 본체(21)에서는, 제어부(22)로부터의 제어 신호에 의거하여 평판 형상 전극(21e, 21f) 사이에 전압을 발생시키고, 이 전압에 따라 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 레이저 광(LB)을 출사한다. 그리고, 장치 본체(21)에서는, 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 출사한 레이저 광(LB)을 제1 콜리메이트 렌즈(21b)로 레이저 어레이(21h)의 짧은 방향에 대하여 평행광으로 하고, 또한 제2콜리메이트 렌즈(21c)로 레이저 어레이(21h)의 길이 방향에 대하여 평행광으로 한다. 마지막으로, 장치 본체(21)에서는, 평행광으로 된 레이저 광(LB)을 집광 렌즈(21d)로 용접 영역(DA)에 집광한다.
이상과 같이, 반도체 레이저 장치(20A)는, 다수의 레이저 광 출사점(21i)으로부터 레이저 광(LB)을 출사하고, 다수의 레이저 광(LB)을 모은 고출력의 레이저 장치이다. 또, 반도체 레이저 장치(20A)는, 장치 본체(21)로 레이저 광(LB)을 집광하는 동시에 용접 영역(DA)에 직접 출사하는 직접 집광형이다. 또한, 반도체 레이저 장치(20A)는, 로봇 암 장치(60)에 의해 장치 본체(21)가 상하 방향의 위치가 이동이 자유롭게 되어 있고, 레이저 광(LB)의 초점 위치가 조정된다. 또, 반도체 레이저 장치(20A)는, 로봇 암 장치(60)에 의해 장치 본체(21)가 수평 방향의 위치의 이동이 자유로우며, 용접 속도나 용접 위치가 조정된다.
여기서, 도 3을 참조하여, 반도체 레이저 장치에 대해 실험에 의해 판명된 것을 설명한다. 도 3은, 반도체 레이저 장치로부터 출사된 부가적인 광(여기서는, 형광)의 파장과 강도와의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도면 및 명세서 중에 있어서 「부가적인 광」이라고 한 경우에는, 반도체 레이저 장치에서 발생하는 광 가운데, 반도체 레이저의 발진 파장 이외의 광을 의미하는 것으로 한다.
반도체 레이저 장치는, 단일의 발진 파장의 레이저 광(예를 들면, 810㎚)을 출사하도록 구성되어 있다. 그러나, 각종 실험을 거듭한 결과, 반도체 레이저 장치는 부가적인 광도 출사하고 있는 것을 알았다. 도 3은 가로축이 파장, 세로축이 광의 강도이며, 발진 파장이 810㎚ 및 920㎚ 의 반도체 레이저 장치로부터 출사된 부가적인 광의 파장에 대한 강도의 특성을 나타내고 있다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 반도체 레이저 장치에서는 발진 파장에 관계없이, 발진 파장보다 장파장 측의 1300㎚로부터 2100㎚에 걸쳐 부가적인 광(적외광)을 출사하고 있다. 이 부가적인 광의 강도는, 1300㎚ 부근으로부터 1400㎚ 부근에 걸쳐서 급격하게 커지며, 1400㎚ 부근으로부터 서서히 감소해 간다. 또, 이 부가적인 광의 강도는, 발진 파장의 레이저 광에 대하여 6자릿수 이상 작은 강도이다.
반도체 레이저 장치로부터 부가적인 광이 출사되는 원인의 하나로서, 제1 콜리메이트 렌즈, 제2 콜리메이트 렌즈나 집광 렌즈 등의 반도체 레이저 장치의 광학 수단에 있어서의 형광의 발생이 있다. 왜냐하면, 이들 광학 수단에서는, 반도체 레이저가 출사한 레이저 광을 흡수하여 여기 상태로 되고, 그 레이저 광의 발진 파장보다 장파장의 형광을 발생하고 있기 때문이다. 덧붙여서 말하면, 제1의 실시 형태에 관련되는 반도체 레이저 장치(20A)에서는, 도 6에 나타내는 것과 같은 발진 파장(810㎚)의 레이저 광(LB) 및 부가적인 광인 형광을 출사하고 있다. 도 6은, 반도체 레이저 장치로부터 출사하는 발진 파장의 레이저 광과 부가적인 광(여기서는, 형광)의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이며, 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다.
도 4를 참조하여, 수지 부재의 특성에 대해서도 설명해 둔다. 도 4는 수지 부재에 광을 조사한 경우의 조사한 광의 파장과 수지 부재의 광의 투과율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 가로축이 수지 부재에 조사한 광의 파장, 세로축이 수지 부재의 광의 투과율이며, ABS 수지(백색), 폴리염화비닐(투명), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(투명), 폴리카보네이트(투명), 아크릴 수지(투명)의 5개의 수지 부재의 특성을 나타내고 있다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 5개의 수지 부재 모두, 2800㎚ 보다 장파장의 광을 대부분 투과하지 않는 특성을 갖고 있다. 따라서, 겹치기 용접에서 용접 온도를 검출하는 경우, 방사 온도계에서는 상부측 수지 부재를 투과한 열복사광을 이용하여 용접 온도를 검출하므로, 2800㎚ 보다 장파장의 열복사광을 이용할 수 없다.
또, 수지 부재 끼리를 용접하는 경우, 용접 온도가 200~400도로 낮으므로, 방사 온도계에 의해 200도 정도의 저온도의 열복사광으로부터 용접 온도를 검출하기 위해서는, 1100㎚ 보다 장파장의 열복사광을 사용할 필요가 있다. 따라서, 겹치기 용접으로 용접 온도를 검출하는 경우, 방사 온도계에서는 관측 파장으로서 1100㎚로부터 2800㎚의 범위의 파장을 사용할 필요가 있다.
도 5를 참조하여, 반도체 레이저 장치에서 겹치기 용접을 행한 경우의 열복사광의 파장 및 반도체 레이저 장치의 부가적인 광의 파장과 관측 파장의 관계에 대해서도 설명해 둔다. 도 5는 반도체 레이저 장치로부터 출사하는 발진 파장의 레이저 광과 부가적인 광(여기서는, 형광) 및 용접 영역에서 발생하는 열복사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이며, 발진 파장(810㎚)의 레이저 광, 부가적인 광인 형광, 열복사광의 각 특성을 나타내고 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 형광과 열복사광은 그 출력 특성으로서 1400㎚로부터 2100㎚의 파장 범위에서 겹쳐지고 만다. 또, 형광의 강도는 상기한 바와 같이, 발진 파장의 레이저 광보다 6자릿수 이상 작은 강도이다. 한편, 수지 부재 끼리의 용접의 경우에는 용접 온도가 낮으므로, 열복사광의 강도도 작으며 형광에 영향을 받는 정도의 강도이다. 또한, 수지 부재 끼리의 겹치기 용접의 경우, 방사 온도계의 관측 파장으로서는, 상기한 것처럼 1100㎚로부터 2800㎚의 범위의 파장을 사용한다. 따라서, 종래, 수지 부재 끼리의 겹치기 용접에 있어서 방사 온도계로 용접 온도를 검출한 경우, 반도체 레이저 장치로부터 출사되는 부가적인 광인 형광이 열복사광에 대해서도 노이즈 광으로 되며, 열복사광으로부터 정확하게 용접 온도를 검출할 수 없었다고 생각된다.
그래서, 반도체 레이저 장치에서 발생하는 형광 중 방사 온도계에 있어서 온도 검출에서 사용하는 관측 파장의 광을 용접하기 전에 제거해 두면, 열복사광에 노이즈 광이 혼입하지 않는다. 이 경우, 형광을 모두 제거하거나 혹은, 방사 온도계의 관측 파장 범위인 1100㎚로부터 2800㎚의 광을 제거해 두면, 확실하게 노이즈 광을 배제할 수 있다.
수지 용접 장치(1A)의 구성의 설명으로 돌아와서, 도 2, 도 7 및 도 8도 참조하여 제1 커트 필터(30)에 대해 설명한다. 도 7은 제1 커트 필터(30)의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8은, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사한 광이 제1 커트 필터(30)를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
제1 커트 필터(30)는 용접을 행하기 전, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사되는 형광(FB)을 모두 차단하는 필터이다. 도 7은 가로축이 파장, 세로축이 투과율이며, 제1 커트 필터(30)의 투과 특성(실선)을 나타내고 있다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 커트 필터(30)는 810㎚의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 확실히 투과하는 동시에, 부가적인 광인 형광(FB)을 차단하기 위해, 1200㎚ 보다 단파장의 광을 투과하는 특성을 갖고 있다(즉, 노이즈 광을 모두 차단하는 특성을 갖고 있다). 이러한 특성을 갖는 제1 커트 필터(30)에 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 형광(FB)을 통과시키면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 발진 파장의 레이저 광(LB)만이 통과한다. 도 8은, 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다.
제1 커트 필터(30)는, 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이, 또한 레이저 광(LB) 및 형광(FB)이 통과하는 위치에 설치되는 동시에, 장치 본체(21)의 이동에 수반하여 이동하도록 구성되어 있다. 이 이동하는 구성에서는, 로봇 암 장치(60)에 의해 장치 본체(21)와 함께 이동하도록 구성해도 된다.
또한, 제1 커트 필터(30)의 역할로서는, 용접을 행하기 전에, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사되는 형광(FB) 중 일부 범위 또는 전 범위의 파장을 차단하면 된다. 따라서, 제1 커트 필터(30)의 배치로서는, 반도체 레이저 장치(20A)와 별체로 외측에 배치하는 것 외에도, 형광(FB)의 일부 범위 또는 전 범위의 파장을 발생하고 있는 광학 수단보다 용접 영역(DA, UA)측이면 반도체 레이저 장치(20A)의 내부에 배치해도 된다. 또, 제1 커트 필터(30)의 배치에서는, 레이저 광(LB)의 광속(光束)이 퍼진 개소(에너지 밀도가 낮은 개소)에 배치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 반도체 레이저 장치(20A)는 고출력이므로, 레이저 광(LB)을 집광한 개소에서는 에너지 밀도가 높고, 제1 커트 필터(30)가 열에 의해 데미지를 받기 때문이다.
도 9, 도 10 및 도 11도 참조하여, 제2 커트 필터(40)에 대해 설명한다. 도 9는 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 10은 제2 커트 필터의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 11은 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광이 제2 커트 필터(40)를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
제2 커트 필터(40)는 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광 중 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB)을 차단하는 필터이다. 도 9는 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이며, 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광을 나타내고 있다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접 영역(DA, UA)에서는, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB)의 일부를 반사하는 동시에, 열복사광(RB)을 발생하고 있다. 이 용접 영역(DA, UA)으로부터의 발진 파장의 레이저 광(LB)은, 용접 영역(DA, UA)의 용접 온도를 검출할 때에 노이즈가 된다. 그래서, 제2 커트 필터(40)는 도 10에 나타내는 바와 같이, 열복사광(RB)을 확실히 투과하는 동시에 810㎚의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 차단하기 위해, 1100㎚ 보다 장파장의 광을 투과시키는 특성을 갖고 있다. 이러한 특성을 갖는 제2 커트 필터(40)에 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광을 통과시키면, 도 11에 나타내는 바와 같이 열복사광(RB)만이 통과한다. 도 10 및 도 11은 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다.
제2 커트 필터(40)는 상부측 수지 부재(UR)와 수지 온도 측정 장치(50A)의 집광부(51)의 사이에 설치되는 동시에, 용접 위치의 이동에 수반하여 이동하도록 구성되어 있다. 이 이동하는 구성에서는, 로봇 암 장치(60)에 의해, 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21)와 함께 이동하도록 구성해도 된다.
수지 온도 측정 장치(50A)는, 용접 온도를 용접 영역(DA, UA)으로부터의 열복사광(RB)을 이용하여 측정하는 방사 온도계이다. 덧붙여 말하면, 수지 온도 측정 장치(50A)는, 열복사광(RB) 중 단일의 관측 파장(예를 들면, 1800㎚)의 광에 의거하여 온도를 검출하는 단색식 방사 온도계라도 되며, 열복사광(RB) 중 복수의 관측 파장(예를 들면, 1800㎚와 2000㎚의 2개의 파장)의 광에 의거하여 온도를 검출하는 다색식 방사 온도계라도 된다.
수지 온도 측정 장치(50A)는, 집광부(51), 광 파이버(52) 및 온도 검출부(53)를 구비하고 있다. 집광부(51)는, 용접 영역(DA, UA)으로부터의 제2 커트 필터(40)를 통과한 열복사광(RB)을 집광한다. 그를 위해, 집광부(51)는 열복사광(RB)을 확실히 수광할 수 있는 위치에 설치되는 동시에, 용접 위치의 이동에 수반하여 이동하도록 구성되어 있다. 이 이동하는 구성에서는, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21)와 함께 이동하도록 구성해도 된다. 광 파이버(52)는, 집광부(51)에서 집광한 열복사광(RB)을 온도 검출부(53)에 전송한다. 또한, 수지 온도 측정 장치(50A)는 용접 위치를 검출하는 기능도 갖고 있다.
온도 검출부(53)는, 광 파이버(52)로 전송된 집광된 열복사광(RB)을 콜리메이트 광으로 한 후, 그 콜리메이트 광으로부터 1개 또는 2 이상의 관측 파장의 광을 추출한다. 그리고, 온도 검출부(53)에서는, 각 관측 파장의 광을 집광하여 적외선 검출기에 입사시키고, 적외선 검출기로 각 관측 파장의 광을 광전(光電) 변환에 의해 전기 신호로 변환한다. 또한, 온도 검출부(53)에서는, 이 각 관측 파장의 전기 신호에 의거하여 용접 온도를 산출한다.
로봇 암 장치(60)는, 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 위치나 용접 속도 등을 제어하는 장치이며, 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21)를 3차원 이동시킨다. 또한, 로봇 암 장치(60)를, 제1 커트 필터(30), 제2 커트 필터(40) 및 수지 온도 측정 장치(50A)의 집광부(51)를 3차원 이동시키도록 구성해도 된다.
로봇 암 장치(60)는, 선단부(61), 암부(62) 및 제어부(63)를 구비하고 있다. 선단부(61)는, 장치 본체(21) 및 필요에 따라 제1 커트 필터(30), 제4 커트 필터(40), 집광부(51)가 장착되며, 암부(62)의 동작에 따라 장치 본체(21) 등을 3차원 이동시킨다. 암부(62)는 제어부(63)로부터의 제어 신호에 따라 선단부(61)를 3차원 이동시키는 다관절의 암이다. 제어부(63)는 관리 장치(70)로부터의 지령 신호에 의거하여 선단부(61)를 이동시키기 위한 제어 신호를 암부(62)에 송신한다.
관리 장치(70)는, 수지 용접 장치(1A)를 통괄적으로 관리하는 장치이며, 압력 인가 장치(10)의 제어부(14), 반도체 레이저 장치(20A)의 제어부(22), 수지 온도 측정 장치(50A)의 온도 검출부(53) 및 로봇 암 장치(60)의 제어부(63)에 접속되어 있다.
관리 장치(70)에서는, 수지 온도 측정 장치(50A)로 검출한 용접 온도에 의거하여 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록, 반도체 레이저 장치(20A)의 조사 조건(강도, 초점지름 등), 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 속도 등을 제어하고 있다. 그를 위해, 관리 장치(70)에서는 온도 검출부(53)로부터 검출한 용접 온도를 나타내는 신호를 수신하는 동시에, 제어부(22) 및 제어부(63)에 지령 신호를 송신하고 있다. 또, 관리 장치(70)에서는, 압력 센서(도시하지 않음)로부터 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)와의 사이의 검출 압력에 의거하여, 그 압력이 기준 압력 범위가 되도록 압력 인가 장치(10)의 조정부(13)를 제어하고 있다. 그를 위해, 관리 장치(70)에서는 압력 센서(도시하지 않음)로부터 검출한 압력을 나타내는 신호를 수신하는 동시에, 제어부(14)에 지령 신호를 송신하고 있다.
관리 장치(70)는 다수의 편성에 의한 수지 부재(UR, DR)와 기준 온도 범위와의 관계를 기억하고 있고, 용접 대상으로 되는 2개의 수지 부재(UR, DR)에 따라 기준 온도 범위를 설정한다. 기준 온도 범위는, 상부측 수지부 부재(UR) 및 하부측 수지 부재(DR)의 용융 온도 이상 또한 분해 온도 이하의 범위 내에서 설정된다. 또, 관리 장치(70)는, 다수의 편성의 수지 부재(UR, DR)와 기준 압력 온도 범위와의 관계를 기억하고 있고, 용접 대상으로 되는 2개의 수지 부재(UR, DR)에 따라 기준 압력 범위를 설정한다. 또, 관리 장치(70)는, 용접 중에 수지 부재(UR, DR)와 용접 온도나 압력과의 관계를 기억한다. 그리고, 관리 장치(70)에서는, 용접 후, 용접 불량시의 용접 온도나 압력 및 용접 양호시의 용접 온도나 압력의 데이터를, 기준 온도 범위, 기준 압력 범위나 조사 조건 등에 반영함으로써, 용접 불량률을 더욱 개선하고 있다.
그러면, 도 1 내지 도 11을 참조하여 수지 용접 장치(1A)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가, 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1A)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1A)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21) 등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1A)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록, 반도체 레이저 장치(20A)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20A)는, 발진 파장의 레이저 광(LB)뿐만 아니라 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)에서 발생한 형광(FB)도 출사한다(도 6 참조). 그러나, 이 형광(FB)은 제1 커트 필터(30)에 의해 차단된다. 그 때문에, 하부측 수지 부재(DR)의 용접 영역(DA)에는, 제1 커트 필터(30), 누름판(12) 및 상부측 수지 부재(UR)를 투과한 발진 파장의 레이저 광(LB)만이 도달한다(도 8 참조).
레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에 이르면, 레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에서 흡수되어 용접 영역(DA)이 가열 용융된다. 또한, 이 열에 의해서 상부측 수지 부재(UR)의 용접 영역(UA)이 가열 용융되어, 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지부재(DR)가 용접된다. 이 때, 용접 영역(DA, UA)에서는 열복사광(RB)을 발생하는 동시에, 레이저 광(LB)의 일부를 반사한다(도 9 참조).
그러나, 용접 영역(DA, UA)에서 반사된 레이저 광(LB)은 제2 커트 필터(40)로 차단된다. 따라서, 수지 온도 측정 장치(50A)의 집광부(51)에는, 제2 커트 필터(40)를 투과한 열복사광(RB)만이 도달한다(도 11 참조). 즉, 집광부(51)에는 열복사광(RB)에 대하여 노이즈로 되는 광은 전혀 입사되지 않는다.
따라서, 수지 온도 측정 장치(50A)에서는, 열복사광(RB)에만 의거하여 고정밀도로 안정된 용접 온도를 검출한다. 그리고, 그 정밀도가 높은 용접 온도에 의거하여, 관리 장치(70)에서는 반도체 레이저 장치(20A)의 조사 조건(강도, 초점, 지름 등)이나 로봇 암 장치(60)에 의한 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 속도 등을 제어한다. 또, 관리 장치(70)에서는, 압력 센서(도시하지 않음)로 검출한 압력에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의한 수지 부재(DR, UR) 사이의 압력을 제어하고 있다. 그리고, 수지 용접 장치(1A)에서는, 이 제어된 조사 조건, 초점 위치, 용접 속도 및 압력 등에 의해 레이저 광(LB)을 출사하는 동시에 수지 부재(DR, UR) 사이에 압력을 인가하고, 용접 위치를 변경시키면서 기준 압력 범위내의 압력 또한 기준 온도 범위 내의 용접 온도로 안정된 용접을 행하고 있다.
제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)에 의하면, 용접 영역(DA)에 입사되기 전에 용접 온도를 검출할 때의 노이즈 광으로 되는 광학 수단에서 발생한 형광(FB)을 제1 커트 필터(30)로 확실하게 제거하므로, 수지 온도 측정 장치(50A)에서 고정밀도로 용접 온도를 검출할 수 있다. 따라서, 수지 용접 장치(1A)에서는, 안정된 용접 온도의 관리를 할 수 있어서 용접 불량률이 저감한다. 또, 수지 용접 장치(1A)에 의하면, 종래의 구성에 제1 커트 필터(30)를 추가하는 것만의 간단한 구성으로, 용접 온도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제2의 실시 형태>
다음에, 제2의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 12를 참조하여, 수지 용접 장치(1B)의 구성에 대해 설명한다. 도 12는 제2의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1B)의 전체 구성도이다. 또한, 제2의 실시 형태에서는, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)와 같은 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
수지 용접 장치(1B)는, 용접 온도를 기준 온도 범위 내로 제어하는 동시에, 피용접 부재로 되는 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가압하면서 겹치기 용접하는 장치이다. 그를 위해, 수지 용접 장치(1B)는 압력 인가 장치(10), 반도체 레이저 장치(20B), 제1 커트 필터(30), 제2 커트 필터(40), 수지 온도 측정 장치(50A), 로봇 암 장치(60) 및 관리 장치(70)를 구비하고 있다. 또한, 수지 용접 장치(1B)는, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)에 대하여, 반도체 레이저 장치(20B)의 구성이 파이버 아웃형인 점만 다르다.
도 13도 참조하여, 반도체 레이저 장치(20B)에 대해 설명한다. 도 13은 반도체 레이저 장치(20B) 및 제1 커트 필터(30)의 측면도이다.
반도체 레이저 장치(20B)는, 용접 영역(DA)에 레이저 광(LB)(발진 파장: 810㎚)을 조사하여, 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가열 용융한다. 그를 위해, 반도체 레이저 장치(20B)는, 장치 본체(23), 광 파이버(24), 출사부(25) 및 제어부(22)를 구비하고 있다. 장치 본체(23)는, 제어부(22)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 광(LB)을 발생하고, 발생한 레이저 광(LB)을 집광하여 광 파이버(24)에 출사한다. 광 파이버(24)는 장치 본체(23)로부터의 레이저 광(LB)을 출사부(25)에 전송한다. 출사부(25)는 광섬유(24)로 전송된 레이저 광(LB)을 집광하여 용접 영역(DA)을 향하여 출사한다. 제어부(22)는 관리 장치(70)로부터의 지령 신호에 의거하여 조사 조건(강도, 초점 지름 등)을 제어하기 위한 제어 신호를 장치 본체(23)에 송신한다.
장치 본체(23)는, 제1의 실시 형태에 관련되는 장치 본체(21)와 동일하게 반도체 레이저(21a), 제1 콜리메이트 렌즈(21b,···), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)를 구비하고 있다. 그리고, 장치 본체(23)에서는 장치 본체(21)와 동일하게, 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 레이저 광(LB)을 출사하고, 그 레이저 광(LB)을 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)로 집광한다. 그러나, 장치 본체(23)에서는, 장치 본체(21)와 같이 용접 영역(DA)을 향하여 출사하는 것이 아니고, 집광한 레이저 광(LB)을 광 파이버(24)에 입사시킨다.
출사부(25)는 콜리메이트 렌즈(25a) 및 집광 렌즈(25b)를 구비하고 있다. 콜리메이트 렌즈(25a)는 광 파이버(24)로 전송된 레이저 광(LB)의 출사 방향에 대하여 수직으로 배치된다. 그리고, 콜리메이트 렌즈(25a)는 광 파이버(24)로 전송된 레이저 광(LB)을 평행광으로 한다. 집광 렌즈(25b)는, 콜리메이트 렌즈(25a)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방 또한 콜리메이트 렌즈(25a)에 대하여 평행하게 배치된다. 그리고, 집광 렌즈(25b)는 소정의 초점거리를 가지고 있으며, 평행광을 초점(용접 영역(DA))에 집광한다. 덧붙여서, 제2의 실시 형태에서는 출사부(25)의 콜리메이트 렌즈(25a) 및 집광 렌즈(25b)에서도 형광(FB)을 발생하고 있다.
이상과 같이, 반도체 레이저 장치(20B)는 다수의 레이저 광 출사점(21i)으로부터 레이저 광(LB)을 출사하며, 다수의 레이저 광(LB)을 모은 고출력의 레이저 장치이다. 또, 반도체 레이저 장치(20B)는, 장치 본체(23)에서 레이저 광(LB)을 집광하고, 집광한 레이저 광(LB)을 광 파이버(24)로 전송하여 출사부(25)로부터 용접 영역(DA)에 출사하는 파이버 아웃형이다. 또한, 반도체 레이저 장치(20B)는, 로봇 암 장치(60)에 의해 출사부(25)가 상하 방향의 위치의 이동이 자유로우며, 레이저 광(LB)의 초점 위치가 조정된다. 또, 반도체 레이저 장치(20B)는, 로봇 암 장치(60)에 의해 출사부(25)가 수평 방향의 위치 이동이 자유로우며, 용접 속도나 용접 위치가 조정된다.
제1 커트 필터(30)는, 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이 또한 레이저 광(LB) 및 부가적인 광인 형광(FB)이 통과하는 위치에 설치되는 동시에, 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25)의 이동에 수반하여 이동하도록 구성되어 있다. 제1 커트 필터(30)의 역할로서는, 상기한 것처럼 용접을 행하기 전에, 반도체 레이저 장치(20B)로부터 출사되는 형광(FB) 중 일부 범위 또는 전 범위의 파장을 차단하면 된다. 따라서, 제1 커트 필터(30)의 배치로서는, 반도체 레이저 장치(20B)와 별체로 외측에 배치하는 것 외에도, 형광(FB)의 일부 범위 또는 전 범위의 파장을 발생하고 있는 광학 수단보다 용접 영역(DA, UA)측이면 반도체 레이저 장치(20B)의 내부에 배치해도 된다.
그러면, 도 12 및 도 13을 참조하여, 수지 용접 장치(1B)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가, 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1B)에서는, 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1B)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25)등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1B)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록 반도체 레이저 장치(20B)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20B)에서는, 장치 본체(23)에서 발생하여 집광한 레이저 광(LB)을 광 파이버(24)에 입사한다. 그리고, 반도체 레이저 장치(20B)에서는, 광 파이버(24)로 레이저 광(LB)을 출사부(25)까지 전송하고, 출사부(25)에서 집광하여 레이저 광(LB)을 출사한다.
반도체 레이저 장치(20B)로부터 레이저 광(LB)이 출사한 이후의 동작에 대해서는, 수지 용접 장치(1B)에서는 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)와 동일하게 동작하므로 그 설명을 생략한다. 또한, 제2의 실시 형태에서는, 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(21d)뿐만 아니라, 출사부(25)의 콜리메이트 렌즈(25a) 및 집광 렌즈(25b)에서도 형광(FB)을 발생하고 있으며, 이 발생한 형광(FB)도 출사부(25)로부터 출사된다.
제2의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1B)에 의하면, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)에서의 효과에 더하여, 반도체 레이저 장치(20B)에 있어서 장치 본체(23)와 별체로 출사부(25)를 구성하고 있으므로, 레이저 광(LB)을 출사하는 스페이스를 공간 절약화할 수 있다.
<제3의 실시 형태>
다음에, 제3의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 14를 참조하여, 수지 용접 장치(1C)의 구성에 대해 설명한다. 도 14는 제3의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1C)의 전체 구성도이다. 또한, 제3의 실시 형태에서는, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
수지 용접 장치(1C)는, 용접 온도를 기준 온도 범위 내로 제어하는 동시에, 피용접 부재로 되는 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가압하면서 겹치기 용접하는 장치이다. 그를 위해, 수지 용접 장치(1C)는 압력 인가 장치(10), 반도체 레이저 장치(20C), 수지 온도 측정 장치(50C), 로봇 암 장치(60) 및 관리 장치(70)를 구비하고 있다. 또한, 수지 용접 장치(1C)는, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)에 대하여, 제1 커트 필터(30)를 사용하여 형광(FB)을 차단하는 것이 아니라, 반도체 레이저 장치(20C)의 광학 수단에 가해져 있는 코팅에 의해 형광(FB)의 일부의 파장의 광을 차단하는 점에서 다르다.
도 15, 도 16 및 도 17도 참조하여, 반도체 레이저 장치(20C)에 대해 설명한다. 도 15는 반도체 레이저 장치(20C)의 측면도이다. 도 16은 집광 렌즈(26a)의 코팅(26b)의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 17은 반도체 레이저 장치(20C)에서 발생한 광이 집광 렌즈(26a)를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
반도체 레이저 장치(20C)는, 용접 영역(DA)에 레이저 광(LB)(발진 파장: 810㎚)을 조사하고, 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)를 가열 용융한다. 그를 위해, 반도체 레이저 장치(20C)는 장치 본체(26) 및 제어부(22)를 구비하고 있다. 장치 본체(26)는, 제어부(22)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 광(LB)을 발생하고, 발생한 레이저 광(LB)을 집광하여 용접 영역(DA)을 향하여 출사한다. 제어부(22)는, 관리 장치(70)로부터의 지령 신호에 의거하여 조사 조건(강도, 초점 지름 등)을 제어하기 위한 제어 신호를 장치 본체(26)에 송신한다.
장치 본체(26)는, 반도체 레이저(21a), 제1 콜리메이트 렌즈(21b,···), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(26a)를 구비하고 있다. 장치 본체(26)에서는 집광 렌즈(26a)만이 제1의 실시 형태에 관련되는 장치 본체(21)와 다른 구성이므로, 집광 렌즈(26a)에 대해서만 설명한다. 또한, 제1 콜리메이트 렌즈(21b) 및 제2 콜리메이트 렌즈(21c)가 반도체 레이저(21a)에서 발생한 레이저 광(LB)을 용접 영역(DA)에 집광하는 제1 광학 수단이며, 집광 렌즈(26a)가 레이저 광(LB)의 여기에 의해 제1 광학 수단에 있어서 발생하는 형광(FB)의 일부 범위의 파장을 차단하는 제2 광학 수단이다.
집광 렌즈(26a)는 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방으로 배치된다. 집광 렌즈(26a)는, 소정의 초점거리를 가지고 있으며, 평행광을 초점(용접 영역(DA))에 집광한다. 또, 집광 렌즈(26a)에는, 반사 로스를 억제하기 위해 레이저 광(LB)의 발진 파장에 적합시킨 반사 방지의 코팅(26b)이 렌즈 표면에 가해져 있다. 이 코팅(26b)은, 레이저 광(LB)의 발진 파장 이외의 파장 영역에 대해서는 충분히 고려된 코팅이 아니므로, 제1 콜리메이트 렌즈(21b) 및 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에서 발생한 형광(FB) 중 일부의 파장의 광(FB1)을 차단하는 특성을 갖고 있다. 도 16은 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 투과율이며, 코팅(26b)의 투과 특성(실선)을 나타내고 있다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 코팅(26b)은 810㎚의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 확실히 투과하는 동시에, 부가적인 광인 형광(FB) 중 일부의 파장 범위(1600㎚로부터 1900㎚)의 광(이하, 코팅 차단의 형광이라 기재한다)(FB1)을 차단하는 특성을 갖고 있다. 이와 같은 특성을 갖는 코팅(26b)을 가한 집광 렌즈(26a)에 반도체 레이저(21a)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 형광(FB)을 통과시키면, 도 17에 나타내는 바와 같이, 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 형광(FB)으로부터 일부의 파장 범위(1600㎚로부터 1900㎚)가 제거된 광(이하, 코팅 투과의 형광이라 기재한다)(FB2)이 통과한다. 도 17은 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다.
또한, 집광 렌즈(26a)에서도 형광(FB)을 발생하지만, 이 집광 렌즈(26a)에서 발생하는 형광(FB)의 파장 범위 내를 수지 온도 측정 장치(50C)에 있어서 관측 파장으로서 사용하지 않으면 된다. 또, 집광 렌즈(26a)에 코팅(26b)을 가하는 구성으로 하였으나, 제1 콜리메이트 렌즈(21b)에서 발생하는 형광(FB)의 일부 범위의 파장을 차단하는 특성을 갖는 코팅을 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에 가해도 된다.
장치 본체(26)에서는, 제어부(22)로부터의 제어 신호에 의거하여 평판 형상 전극(21e, 21f) 사이에 전압을 발생시키고, 이 전압에 따라 각 레이저 광 출사점(21i)으로부터 레이저 광(LB)을 출사한다. 그리고, 장치 본체(26)에서는, 각 레이저 광 출사점(21i,···)으로부터 출사한 레이저 광(LB)을 제1 콜리메이트 렌즈(21b)로 레이저 어레이(21h)의 짧은 길이 방향에 대하여 평행광으로 하고, 또한 제2 콜리메이트 렌즈(21c)로 레이저 어레이(21h)의 길이 방향에 대하여 평행광으로 한다. 마지막으로, 장치 본체(26)에서는, 평행광으로 된 레이저 광(LB)을 집광 렌즈(26a)로 용접 영역(DA)에 집광한다. 이 때, 집광 렌즈(26a)에는 코팅(26b)이 가해져 있으므로, 장치(26)에서는 1600㎚로부터 1900㎚의 파장 범위의 광(FB1)을 출사하지 않는다. 그래서, 수지 온도 측정 장치(50C)에 있어서, 이 1600㎚로부터 1900㎚의 파장 범위를 관측 파장으로 하면, 열복사광(RB)에 대하여 노이즈 광이 혼입하지 않는다.
도 18, 도 19 및 도 20도 참조하여, 수지 온도 측정 장치(50C)에 대해 설명한다. 도 18은 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 19는 밴드패스 필터(54a)의 특성으로서 파장과 투과율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 20은 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광이 밴드패스 필터(54a)를 통과한 후의 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
수지 온도 측정 장치(50C)는, 용접 온도를 용접 영역(DA, UA)으로부터의 열복사광(RB)을 이용하여 측정하는 방사 온도계이다. 덧붙여서, 수지 온도 측정 장치(50C)는, 열복사광(RB) 중 단일의 관측 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 단색식 방사 온도계라도 되고, 열복사광(RB) 중 복수의 관측 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 다색식 방사 온도계라도 된다. 특히, 수지 온도 측정 장치(50C)는, 관측 파장 범위가 한정되어 있고, 반도체 레이저 장치(20C)의 집광 렌즈(26a)에 가해져 있는 코팅(26b)에 의해 차단한 1600㎚로부터 1900㎚의 파장 범위로 한정되어 구성된다.
수지 온도 측정 장치(50C)는 집광부(51), 광 파이버(52) 및 온도 검출부(54)를 구비하고 있다. 수지 온도 측정 장치(50C)에서는, 온도 검출부(54)만이 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 온도 측정 장치(50C)와 다른 구성이므로, 온도 검출부(54)에 대해서만 설명한다. 도 18은 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이며, 용접 영역(DA, UA)에서 방사하는 광을 나타내고 있다. 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접 영역(DA, UA)에서는, 반도체 레이저 장치(20C)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB)의 일부 및 코팅 투과의 형광(FB2)의 일부를 반사하는 동시에, 열복사광(RB)을 발생하고 있다. 이 용접 영역(DA, UA)으로부터의 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2)은, 용접 영역(DA, UA)의 용접 온도를 검출할 때에 노이즈로 된다. 그래서, 수지 온도 측정 장치(50C)에서는, 온도 검출부(54)에 있어서 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2)을 제거한다.
그를 위해, 온도 검출부(54)는 밴드패스 필터(54a)를 구비하고 있다. 밴드패스 필터(54a)는, 광 파이버(52)로 전송된 광을 수광하는 위치에 설치되며, 광 파이버(52)로 전송된 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사된 광 중 반도체 레이저 장치(20C)의 코팅(26b)으로 차단된 파장 범위(1600㎚∼1900㎚)에 상당하는 열복사광(RB1)만을 투과시키는 필터이다. 밴드패스 필터(54a)는, 도 19에 나타내는 바와 같이, 코팅(26b)으로 차단된 파장 범위(1600㎚∼1900㎚) 보다 약간 단파장 측에서 길고 또한 장파장 측에서 짧은 파장 범위의 열복사광(이하, 밴드패스 필터 투과의 열복사광)(RB1)을 확실히 투과하는 특성을 갖고 있다. 이와 같은 특성을 갖는 밴드패스 필터(54a)에 용접 영역(DA, UA)으로부터 방사되는 광을 통과시키면, 도 20에 나타내는 바와 같이, 1600㎚∼1900㎚ 보다 약간 단파장 측에서 길고 또한 장파장 측에서 짧은 파장 범위의 열복사광(RB1)만이 통과한다. 도 19 및 도 20은 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다.
밴드패스 필터(54a)를 통과시킨 후, 온도 검출부(54)에서는 밴드패스 필터 투과의 열복사광(RB1)을 콜리메이트 광으로 한 후, 그 콜리메이트 광으로부터 1개 또는 2개 이상의 관측 파장의 광을 추출한다. 이 관측 파장은, 밴드패스 필터(54A)를 투과하는 파장 범위내의 파장으로 설정되어 있다. 그리고, 온도 검출부(54)에서는 각 관측 파장의 광을 집광하여 적외선 검출기에 입사시키고, 적외선 검출기로 각 관측 파장의 광을 광전 변환에 의해 전기 신호로 변환한다. 또한, 온도 검출부(54)에서는, 이 각 관측 파장의 전기 신호에 의거하여 용접 온도를 산출한다.
그러면, 도 14 내지 도 20을 참조하여, 수지 용접 장치(1C)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가, 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1C)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1C)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20C)의 장치 본체(26) 등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1C)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록 반도체 레이저 장치(20C)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20C)에서는, 발진 파장의 레이저 광(LB)뿐만 아니라 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(26a)에서 발생한 형광(FB)도 발생하고 있다. 그러나, 반도체 레이저 장치(20C)에서는, 집광 렌즈(26a)의 코팅(26b)에 의해 형광(FB) 중 일부의 파장 범위의 광(FB1)을 차단하고 있다. 그 때문에, 하부측 수지 부재(DR)의 용접 영역(DA)에는 코팅(26b), 누름판(12) 및 상부측 수지 부재(UR)를 투과한 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2)이 도달한다(도 17 참조).
레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에 도달하면, 레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에서 흡수되어 용접 영역(DA)이 가열 용융된다. 또한, 이 열에 의해 상부측 수지 부재(UR)의 용접 영역(UA)이 가열 용융되어 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)가 용접된다. 이 때, 용접 영역(DA, UA)에서는 열복사광(RB)을 발생하는 동시에, 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2)의 일부를 반사한다(도 18 참조).
그리고, 수지 온도 측정 장치(50C)에서는 집광부(51)에 열복사광(RB), 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2)이 도달하며, 광 파이버(52)로 온도 검출부(54)까지 전송한다. 온도 검출부(54)에서는, 밴드패스 필터(54a)에 의해 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 형광(FB2) 및 열복사광(RB)의 일부를 차단하며, 밴드패스 필터 투과의 열복사광(RB1)만을 투과한다. 즉, 밴드패스 필터(54a)에 의해 노이즈로 되는 광은 제거된다.
따라서, 온도 검출부(54)에서는, 밴드패스 필터 투과의 열복사광(RB1)에만 의거하여 고정밀도로 안정된 용접 온도를 검출한다. 그리고, 그 정밀도가 높은 용접 온도에 의거하여, 관리 장치(70)에서는, 반도체 레이저 장치(20C)의 조사 조건(강도, 초점 지름 등), 로봇 암 장치(60)에 의한 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 속도 등을 제어하고 있다. 또, 관리 장치(70)에서는, 압력 센서(도시하지 않음)로 검출한 압력에 의거하여 압력 인가 장치(10)에 의한 수지 부재(DR, UR) 사이의 압력을 제어하고 있다. 그리고, 수지 용접 장치(1C)에서는 이 제어된 조사 조건, 초점 위치, 용접 속도 및 압력에 의해 레이저 광(LB)을 출사하는 동시에 수지 부재(DR, UR) 사이에 압력을 인가하고, 용접 위치를 변경시키면서 기준 압력 범위내의 압력이나 기준 온도 범위내의 용접 온도로 안정된 용접을 행하고 있다.
제3의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1C)에 의하면, 용접 영역(DA)에 입사되기 전에 용접 온도를 검출할 때의 노이즈 광으로 되는 제1 광학 수단에서 발생한 형광(FB) 중 일부의 파장 범위의 광을 집광 렌즈(26a)에 가해져 있는 코팅(26b)으로 제거하므로, 수지 온도 측정 장치(50C)에서 고정밀도로 용접 온도를 검출할 수 있다. 따라서, 수지 용접 장치(1C)에서는 용접 온도의 관리가 안정되어 용접 불량률이 저감한다. 또, 수지 용접 장치(1C)에 의하면, 형광(FB) 중 일부의 광을, 반도체 레이저 장치(20C)의 광학 수단에 통상적으로 가해져 있는 코팅(26b)에 의해 차단하므로, 별체로 커트 필터 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 수지 용접 장치(1C)에서는 저비용으로 용접 온도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제4의 실시 형태>
다음에, 제4의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1D)는, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)와 같은 구성을 구비하기 때문에, 그 설명을 생략한다. 그렇지만, 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1D)는, 도 21에 나타내는 바와 같이, 반도체 레이저(21a) 자체가 발하는 발진 파장 이외의 광(AB)을 제1 커트 필터(30)로 차단하는 점에 있어서, 제1의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1A)와 다르다(즉, 제1의 실시 형태의 설명 중에 있어서의 「형광(FB)」을 「발진 파장 이외의 광(AB)」으로 생각하면, 제4의 실시 형태에 거의 상당한다).
그 이유는, 반도체 레이저 장치로부터 부가적인 광(반도체 레이저 장치에서 발생하는 광 가운데, 반도체 레이저의 발진 파장 이외의 광)이 출사되는 원인의 하나로서 반도체 레이저 자체로부터의 발진 파장 이외의 광의 발생이 있기 때문이다. 특히, 고출력형의 반도체 레이저의 경우, 다수의 레이저 광 출사점으로부터 레이저 광을 발생하고 있고, 여러 가지 파장의 레이저 광을 발생하고 있다고 생각된다. 이 반도체 레이저에서 발생하고 있는 요인으로서는, 반도체 내부의 불순물 준위 또는 결함 준위 등으로부터 발광하고 있을 가능성이 있다. 즉 용접용의 반도체 레이저는 고출력이므로, 그 공진기(共振器))가 예를 들면, 세로 1㎛, 가로 100㎛ 의 크기를 갖는다. 이 공진기로부터 1W의 레이저 광이 출력했다고 하면, 레이저 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상이 된다. 이와 같은 레이저 파워 밀도라면, 공진기를 구성하는 반도체 내부의 불순물 준위 또는 결함 준위 등으로부터 발진 파장 이외의 광을 발생하는 것은 아닐까 하고 생각된다.
덧붙여 말하면, 제4의 실시 형태에 관련되는 반도체 레이저 장치(20A)에서는, 도 6에 나타내는 발진 파장(810㎚)의 레이저 광(LB) 및 부가적인 광인 발진 파장 이외의 광(AB)을 출사하고 있다. 도 6은 반도체 레이저 장치로부터 출사하는 발진 파장의 레이저 광과 부가적인 광(여기서는, 반도체 레이저 자체로부터의 발진 파장 이외의 광)의 파장과 강도의 관계를 나타내는 도면이며, 가로축이 광의 파장, 세로축이 광의 강도이다. 따라서, 도 5 및 도 7에 있어서의 「부가적인 광」은, 제4의 실시 형태에서는 「발진 파장 이외의 광」으로 된다.
제4의 실시 형태에 관련되는 제1 커트 필터(30)의 역할로서는, 용접을 행하기 전에 반도체 레이저 장치(20A)로부터 출사되는 발진 파장 이외의 광(AB)을 차단하면 된다. 따라서, 제1 커트 필터(30)의 배치로서는 반도체 레이저 장치(20A)와 별체로 외측에 배치하는 것 외에도, 반도체 레이저 장치(20A)의 내부에 배치해도 된다. 예를 들면, 제1 콜리메이트 렌즈(21b)와 제2 콜리메이트 렌즈(21c)와의 사이, 제2 콜리메이트 렌즈(21c)와 집광 렌즈(21d)와의 사이 등에 배치해도 된다. 또, 제1 커트 필터(30)의 배치에서는, 레이저 광(LB)의 광속이 퍼진 개소(에너지 밀도가 낮은 개소)에 배치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 반도체 레이저 장치(20A)는 고출력이므로, 레이저 광(LB)을 집광한 개소에서는 에너지 밀도가 높고, 제1 커트 필터(30)가 열에 의해 데미지를 받기 때문이다.
그러면, 도 1, 도 3 내지 도 11 및 도 21을 참조하여, 수지 용접 장치(1D)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1D)에서는, 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1D)에서는, 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20A)의 장치 본체(21) 등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1D)에서는, 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록 반도체 레이저 장치(20A)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20A)는 발진 파장의 레이저 광(LB)뿐만 아니라, 발진 파장 이외의 광(AB)도 출사한다(도 6 참조). 그러나, 이 발진 파장 이외의 광(AB)은 제1 커트 필터(30)에 의해 차단된다. 그 때문에, 하부측 수지 부재(DR)의 용접 영역(DA)에는, 제1 커트 필터(30), 누름판(12) 및 상부측 수지 부재(UR)를 투과한 발진 파장의 레이저 광(LB)만이 도달한다(도 8 참조).
레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에 도달하면, 레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에서 흡수되어 용접 영역(DA)이 가열 용융된다. 또한, 이 열에 의해 상부측 수지 부재(UR)의 용접 영역(UA)이 가열 용융되어 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)가 용접된다. 이 때, 용접 영역(DA, UA)에서는 열복사광(RB)을 발생하는 동시에, 레이저 광(LB)의 일부를 반사한다(도 9 참조).
그러나, 용접 영역(DA, UA)에서 반사된 레이저 광(LB)은, 제2 커트 필터(40)로 차단된다. 따라서, 수지 온도 측정 장치(50A)의 집광부(51)에는 제2 커트 필터(40)를 투과한 열복사광(RB)만이 도달한다(도 11 참조). 즉, 집광부(51)에는 열복사광(RB)에 대하여 노이즈로 되는 광은 전혀 입사되지 않는다.
따라서, 수지 온도 측정 장치(50A)에서는, 열복사광(RB)에만 의거하여 고정밀도로 안정된 용접 온도를 검출한다. 그리고, 그 정밀도가 높은 용접 온도에 의거하여, 관리 장치(70)에서는, 반도체 레이저 장치(20A)의 조사 조건(강도, 초점 지름 등)이나 로봇 암 장치(60)에 의한 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 속도 등을 제어한다. 또, 관리 장치(70)에서는 압력 센서(도시하지 않음)로 검출한 압력에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의한 수지 부재(DR, UR) 사이의 압력을 제어하고 있다. 그리고, 수지 용접 장치(1D)에서는 이의 제어된 조사 조건, 초점 위치, 용접 속도 및 압력 등에 의해 레이저 광(LB)을 출사하는 동시에 수지 부재(DR, UR) 사이에 압력을 인가하여 용접 위치를 변경시키면서, 기준 압력 범위내의 압력이나 기준 온도 범위내의 용접 온도로 안정된 용접을 행하고 있다.
제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1D)에 의하면, 용접 영역(DA)에 입사되기 전에 용접 온도를 검출할 때의 노이즈 광으로 되는 발진 파장 이외의 광(AB)을 제1 커트 필터(30)로 확실하게 제거하므로, 수지 온도 측정 장치(50A)에서 고정밀도로 용접 온도를 검출할 수 있다. 따라서, 수지 용접 장치(1D)에서는, 안정된 용접 온도의 관리를 할 수 있어서 용접 불량률이 저감한다. 또, 수지 용접 장치(1D)에 의하면, 종래의 구성에 제1 커트 필터(30)만을 추가하는 간단한 구성으로, 용접 온도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제5의 실시 형태>
다음에, 제5의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 제5의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1E)는, 제2의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1B)와 같은 구성을 구비하기 때문에 그 설명을 생략한다. 그렇지만, 제5의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1E)는 도 22에 나타내는 바와 같이, 반도체 레이저(21a) 자체가 발하는 발진 파장 이외의 광(AB)을 제1 커트 필터(30)로 차단하는 점에 있어서, 제2의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1B)와 다르다(즉, 제2의 실시 형태의 설명 중에 있어서의 「형광(FB)」을 「발진 파장 이외의 광(AB)」이라 생각하면, 제5의 실시 형태에 거의 상당한다).
제5의 실시 형태에 관련되는 제1 커트 필터(30)는, 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이 또한 레이저 광(LB) 및 부가적인 광인 발진 파장 이외의 광(AB)이 통과하는 위치에 설치되는 동시에, 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25)의 이동에 수반하여 이동하도록 구성되어 있다. 제1 커트 필터(30)의 역할로서는, 상기한 바와 같이 용접을 행하기 전에, 반도체 레이저 장치(20B)로부터 출사되는 발진 파장 이외의 광(AB)을 차단하면 된다. 따라서, 제1 커트 필터(30)의 배치로서는, 반도체 레이저 장치(20B)와 별체로 외측에 배치하는 것 외에도, 반도체 레이저 장치(20B)의 내부에 배치해도 된다. 예를 들면, 제1 콜리메이트 렌즈(21b)와 제2 콜리메이트 렌즈(21c)와의 사이, 제2 콜리메이트 렌즈(21c)와 집광 렌즈(21d)와의 사이, 집광 렌즈(21d)와 광 파이버(24)와의 사이, 콜리메이트 렌즈(25a)와 집광 렌즈(25b)와의 사이 등에 배치해도 된다.
그러면, 도 12 및 도 22를 참조하여, 수지 용접 장치(1E)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1E)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1E)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20B)의 출사부(25) 등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1E)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위가 되도록 반도체 레이저 장치(20B)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20B)에서는, 장치 본체(23)에서 발생하여 집광한 레이저 광(LB)을 광 파이버(24)에 입사한다. 그리고, 반도체 레이저 장치(20B)에서는, 광 파이버(24)로 레이저 광(LB)을 출사부(25)까지 전송하고, 출사부(25)에서 집광하여 레이저 광(LB)을 출사한다.
반도체 레이저 장치(20B)로부터 레이저 광(LB)이 출사한 이후의 동작에 대해서는, 수지 용접 장치(1E)에서는 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1D)와 동일하게 동작하므로 그 설명을 생략한다.
제5의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1E)에 의하면, 제4의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1D)에서의 효과에 더하여, 반도체 레이저 장치(20B)에 있어서 장치 본체(23)와 별체로 출사부(25)를 구성하고 있으므로, 레이저 광(LB)을 출사하는 스페이스를 공간 절약화할 수 있다.
<제6의 실시 형태>
다음에, 제6의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 제6의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1F)는, 제3의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1C)와 동일한 구성을 구비하기 때문에 그 설명을 생략한다. 그렇지만, 제6의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1F)는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 반도체 레이저(21a) 자체가 발하는 발진 파장 이외의 광(AB)의 일부를, 반도체 레이저 장치(20C)의 광학 수단에 가해져 있는 코팅으로 차단하는 점에 있어서, 제3의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1C)와 다르다(즉, 제3의 실시 형태의 설명 중에 있어서의 「형광(FB)」을 「발진 파장 이외의 광(AB)」으로 생각하면, 제6의 실시 형태에 거의 상당한다).
제6의 실시 형태에 관련되는 집광 렌즈(26a)는, 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에 대하여 레이저 광(LB)의 출사 방향 전방으로 배치된다. 집광 렌즈(26a)는 소정의 초점 거리를 가지고 있으며, 평행광을 초점(용접 영역(DA))에 집광한다. 또, 집광 렌즈(26a)에는, 반사 로스를 억제하기 위해, 레이저 광(LB)의 발진 파장에 적합시킨 반사 방지의 코팅(26b)이 렌즈 표면에 가해져 있다. 이 코팅(26b)은, 레이저 광(LB)의 발진 파장 이외의 파장 영역에 대해서는 충분히 고려된 코팅이 아니므로, 발진 파장 이외의 광(AB) 중 일부의 파장의 광(AB1)을 차단하는 특성을 갖고 있다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 코팅(26b)은 810㎚의 발진 파장의 레이저 광(LB)을 확실하게 투과하는 동시에, 부가적인 광인 발진 파장 이외의 광(AB) 중 일부의 파장 범위(1600㎚로부터 1900㎚)의 광(이하, 코팅 차단의 발진 파장 이외의 광이라 기재한다)(AB1)을 차단하는 특성을 갖고 있다. 이러한 특성을 갖는 코팅(26b)을 가한 집광 렌즈(26a)에 반도체 레이저(21a)로부터 출사된 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 발진 파장 이외의 광(AB)을 통과시키면, 도 17에 나타내는 바와 같이, 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 발진 파장 이외의 광(AB)으로부터 일부의 파장 범위(1600㎚로부터 1900㎚)가 제거된 광(이하, 코팅 투과의 발진 파장 이외의 광이라 기재한다)(AB2)이 통과한다.
또한, 집광 렌즈(26a)에 코팅(26b)을 가하는 구성으로 하였으나, 반도체 레이저 장치(20C) 외의 광학 수단인 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c)에 코팅을 가해도 된다. 또, 제1 콜리메이트 렌즈(21b), 제2 콜리메이트 렌즈(21c) 및 집광 렌즈(26a)가, 반도체 레이저(21a)에서 발생한 레이저 광을 용접 영역(DA)에 집광하는 광학 수단이다.
그러면, 도 14, 도 16 내지 도 20 및 도 23을 참조하여, 수지 용접 장치(1F)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)가 겹쳐져서 베이스판(11)의 소정의 위치에 세트된다. 그러면, 수지 용접 장치(1F)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의해 하부측 수지 부재(DR)와 상부측 수지 부재(UR)와의 사이에 압력을 인가한다. 또, 수지 용접 장치(1F)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 로봇 암 장치(60)에 의해 반도체 레이저 장치(20C)의 장치 본체(26) 등을 초기 위치로 이동시킨다. 그리고, 수지 용접 장치(1F)에서는 관리 장치(70)로부터의 지령에 의거하여, 용접 온도가 기준 온도 범위로 되도록 반도체 레이저 장치(20C)로부터 레이저 광(LB)을 출사한다.
이 때, 반도체 레이저 장치(20C)에서는, 발진 파장의 레이저 광(LB)뿐만 아니라 발진 파장 이외의 광(AB)도 발생하고 있다. 그러나, 반도체 레이저 장치(20C)에서는, 집광 렌즈(26a)의 코팅(26b)에 의해 발진 파장 이외의 광(AB) 중 일부의 파장 범위의 광(AB1)을 차단하고 있다. 그 때문에, 하부측 수지 부재(DR)의 용접 영역(DA)에는 코팅(26b), 누름판(12) 및 상부측 수지 부재(UR)를 투과한 발진 파장의 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 발진 파장 이외의 광(AB2)이 도달한다(도 17 참조).
레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에 도달하면, 레이저 광(LB)이 용접 영역(DA)에서 흡수되어 용접 영역(DA)이 가열 용융된다. 또한, 이 열에 의해 상부측 수지 부재(UR)의 용접 영역(UA)이 가열 용융되며, 상부측 수지 부재(UR)와 하부측 수지 부재(DR)가 용접된다. 이 때, 용접 영역(DA, UA)에서는 열복사광(RB)을 발생하는 동시에, 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 발진 파장 이외의 광(AB2)의 일부를 반사한다(도 18 참조).
그리고, 수지 온도 측정 장치(50C)에서는 집광부(51)에 열복사광(RB), 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 발진 파장 이외의 광(AB2)이 도달하며, 광 파이버(52)로 온도 검출부(54)까지 전송한다. 온도 검출부(54)에서는, 밴드패스 필터(54a)에 의해 레이저 광(LB) 및 코팅 투과의 발진 파장 이외의 광(AB2) 및 열복사광(RB)의 일부를 차단하고, 밴드패스 필터 투과의 열복사광(RB1)만을 투과한다. 즉, 밴드패스 필터(54a)에 의해 노이즈로 되는 광은 제거된다.
따라서, 온도 검출부(54)에서는 밴드패스 필터 투과의 열복사광(RB1)에만 의거하여, 고정밀도로 안정된 용접 온도를 검출한다. 그리고, 그 정밀도가 높은 용접 온도에 의거하여, 관리 장치(70)에서는 반도체 레이저 장치(20C)의 조사 조건(강도, 초점 지름 등), 로봇 암 장치(60)에 의한 레이저 광(LB)의 초점 위치, 용접 속도 등을 제어하고 있다. 또, 관리 장치(70)에서는, 압력 센서(도시하지 않음)로 검출한 압력에 의거하여, 압력 인가 장치(10)에 의한 수지 부재(DR, UR) 사이의 압력을 제어하고 있다. 그리고, 수지 용접 장치(1F)에서는, 이 제어된 조사 조건, 초점 위치, 용접 속도 및 압력에 의해 레이저 광(LB)을 출사하는 동시에 수지 부재(DR, UR) 사이에 압력을 인가하고, 용접 위치를 변경시키면서, 기준 압력 범위내의 압력 또한 기준 온도 범위내의 용접 온도로 안정된 용접을 행하고 있다.
제6의 실시 형태에 관련되는 수지 용접 장치(1F)에 의하면, 용접 영역(DA)에 입사되기 전에 용접 온도를 검출할 때의 노이즈 광으로 되는 발진 파장 이외의 광(AB) 중 일부의 파장 범위의 광을 집광 렌즈(26a)에 가해져 있는 코팅(26b)으로 제거하므로, 수지 온도 측정 장치(50C)에서 고정밀도로 용접 온도를 검출할 수 있다. 따라서, 수지 용접 장치(1F)에서는, 용접 온도의 관리가 안정되어 용접 불량률이 저감한다. 또, 수지 용접 장치(1F)에 의하면, 발진 파장 이외의 광(AB) 중 일부의 광을 반도체 레이저 장치(20C)의 광학 수단에 통상적으로 가해져 있는 코팅(26b)에 의해 차단하므로, 별체로 커트 필터 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 수지 용접 장치(1F)에서는, 저비용으로 용접 온도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 관련되는 실시 형태에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 일없이 여러 가지 형태로 실시된다.
예를 들면, 본 실시 형태에서는 수지 부재 끼리의 겹치기 용접에 적용하였으나, 수지 부재 끼리의 맞대기 용접 등의 다른 수지 용접에 적용해도 되고, 용접 이외의 구멍내기나 절단 등의 다른 가공에 적용해도 된다.
또, 제1 내지 제3의 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치의 광학 수단의 모든 렌즈에서 발생하고 있는 형광을 차단하기 위해, 노이즈 광을 차단하는 제1 커트 필터를 반도체 레이저 장치의 외측에 배치하였으나, 광학 수단의 각 렌즈의 형광의 파장 특성을 조사하고, 광학 수단 중 특정한 렌즈의 형광의 파장 범위를 차단하는 제1 커트 필터를 그 특정한 렌즈보다 용접 영역측에 배치하며, 그 제1 커트 필터로 차단하는 파장 범위 내에 수지 온도 측정 장치에서 사용하는 관측 파장을 설정하도록 해도 된다. 덧붙여서, 복수의 렌즈로 형광의 파장 범위가 겹쳐지고 있는 경우에는, 그 파장 범위가 겹쳐지고 있는 복수의 렌즈보다 용접 영역측에 제1 커트 필터를 배치할 필요가 있다.
또, 본 실시 형태에서는 제1 커트 필터를 노이즈 광을 모두 차단하는 필터로서 구성하였으나, 1100㎚로부터 2800㎚의 관측 파장 범위의 광만을 차단하는 필터라도 되며, 수지 온도 측정 장치에서 사용하는 단일 또는 복수의 관측 파장의 광만을 차단하는 필터라도 된다.
또, 본 실시 형태에서는 반도체 레이저 장치에서 제1 및 제2 콜리메이트 렌즈를 사용하였으나, 볼 렌즈 등의 다른 렌즈를 사용해도 된다.
또, 제3및 제6의 실시 형태에서는 집광 렌즈에 가해진 코팅에 의해 형광의 일부의 파장 범위의 광을 차단하였으나, 반도체 레이저 장치의 광학 수단에 가해진 코팅 이외의 수단, 예를 들면, 광학 렌즈 등의 투과 특성을 이용하는 등에 의해 형광을 차단하는 것이라도 된다. 또, 직접 집광형이 아니고, 파이버 아웃형으로 구성해도 된다.
본 발명에 의하면, 가공을 행하기 전에 광학계에서 발생한 광 중 가공 온도를 검출하기 위한 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단하므로, 가공 온도를 검출할 때에 관측 파장의 열복사광에 대하여 노이즈 광이 혼입하지 않는다. 따라서, 가공 온도를 고정밀도로 검출할 수 있어서 안정된 가공 온도 관리에 의해 가공 불량을 저감할 수 있다.

Claims (15)

  1. 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광을 발생하는 레이저와,
    상기 레이저에서 발생한 레이저 광을 가공 영역에 집광하는 광학 수단과,
    상기 피가공 부재와 전기 광학 수단과의 사이에 설치되고, 상기 레이저 광에 의한 여기(勵起)에 의해 상기 광학 수단에 있어서 발생한 형광의 파장을 차단하는 필터를
    구비하고,
    가공 영역의 온도를 측정할 때에 상기 필터로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광을 발생하는 레이저와,
    상기 레이저에서 발생한 레이저 광을 가공 영역에 집광하는 제1 광학 수단과,
    상기 피가공 부재와 상기 제1 광학 수단과의 사이에 설치되고, 상기 레이저 광에 의한 여기에 의해 상기 제1 광학 수단에 있어서 발생한 형광의 파장을 차단하는 제2 광학 수단을
    구비하고,
    가공 영역의 온도를 측정할 때에 상기 제2 광학 수단으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터 또는 상기 제2 광학 수단은, 상기 레이저 광의 발진 파장 이외의 파장을 차단하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 레이저 가공 장치로 가공을 행하고 있을 때의 가공 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 장치로서,
    상기 가공 영역으로부터 열복사되는 광 중 상기 필터 또는 상기 제2광학 수단으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 온도 측정 장치.
  5. 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 방법으로서,
    레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과,
    상기 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 광학계에서 가공 영역에 집광하는 집광 공정과,
    상기 레이저 광에 의한 여기에 의해 상기 광학계에 있어서 발생한 형광의 파장을, 가공을 행하기 전에 필터로 차단하는 형광 차단 공정을
    포함하고,
    가공 영역의 온도를 측정할 때에 상기 형광 차단 공정으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  6. 레이저 광을 피가공 부재에 조사함으로써 피가공 부재를 가공하는 레이저 가공 방법으로서,
    레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과,
    상기 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 제1 광학계에서 가공 영역에 집광하는 집광 공정과,
    상기 레이저 광에 의한 여기에 의해 상기 제1 광학계에 있어서 발생한 형광의 파장을 제2 광학계에서 차단하는 형광 차단 공정을
    포함하고,
    가공 영역의 온도를 측정할 때에 상기 형광 차단 공정에서 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 기재된 레이저 가공 방법으로 가공을 행하고 있을 때의 가공 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 방법으로서,
    상기 가공 영역으로부터 열복사되는 광 중 상기 형광 차단 공정에서 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 온도 측정 방법.
  8. 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광을 발생하는 반도체 레이저와,
    상기 반도체 레이저와 상기 수지 부재와의 사이에 설치되고, 상기 반도체 레이저에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단하는 필터를
    구비하고,
    용접 영역의 온도를 측정할 때에 상기 필터로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  9. 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광을 발생하는 반도체 레이저와,
    상기 반도체 레이저에서 발생한 레이저 광을 용접 영역에 집광하는 동시에, 상기 반도체 레이저에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을 차단하는 광학 수단을
    구비하고,
    용접 영역의 온도를 측정할 때에 상기 광학 수단으로 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 필터 또는 상기 광학 수단은, 상기 반도체 레이저의 발진 파장 이외의 파장의 광을 차단하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 필터 또는 상기 광학 수단은, 1100㎚ 내지 2800㎚의 범위의 파장의 광을 차단하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 제8항 또는 제9항에 기재된 레이저 가공 장치에서 용접을 행하고 있을 때에 용접 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 장치로서,
    상기 용접 영역으로부터 열복사되는 광 중 상기 필터 또는 상기 광학 수단으로 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 온도 측정 장치.
  13. 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 방법으로서,
    반도체 레이저로 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과,
    상기 레이저 광 발생 공정에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을, 용접을 행하기 전에 필터로 차단하는 필터 공정을
    포함하고,
    용접 영역의 온도를 측정할 때에 상기 필터 공정에서 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  14. 레이저 광을 이용하여 수지 부재 끼리를 용접하는 레이저 가공 방법으로서,
    반도체 레이저로 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 공정과,
    상기 레이저 광 발생 공정에서 발생한 광 중 용접 영역의 온도를 측정할 때에 관측 파장으로 되는 파장의 광을, 상기 레이저 광 발생 공정에서 발생한 레이저 광을 용접 영역에 집광하는 광학계에서 차단하는 필터 공정을
    포함하고,
    용접 영역의 온도를 측정할 때에 상기 필터 공정에서 차단된 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 기재된 레이저 가공 방법으로 용접을 행하고 있을 때의 용접 영역의 온도를 측정하는 레이저 가공 온도 측정 방법으로서,
    상기 용접 영역으로부터 열복사되는 광 중 상기 필터 공정에서 차단된 파장의 광에 의거하여 온도를 검출하는 온도 검출 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 온도 측정 방법.
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