(57)【要約】【課題】重合した２つの熱可塑性樹脂を効率的に接合するとともに、接合完了後における接合箇所の強度が高くなるレーザ接合方法とレーザ接合装置を提供する。【解決手段】断面強度分布がトップハットモードのレーザ光ＬをワークＷ（上側材料２、下側材料３）に照射することで、上側材料２と下側材料３の重合部分を効率的に接合する。  具体的には、先ず、上側材料２にトップハットモードのレーザ光Ｌを照射して、上側材料２に貫通孔２Ｂを穿設する（図２（ａ））。次に、トップハットモードのレーザ光Ｌを貫通孔２Ｂを介して下側材料３に向けて照射する。それにより、貫通孔２Ｂの下端とその周辺の下面２Ｃ，上面３Ａが溶融し、そこが接合箇所となって両材料２，３が接合される。両材料２，３の重合部分の複数箇所において上述した要領でレーザ光Ｌが照射されて、両材料２，３の重合部分が接合される。【選択図】  図２
2020138484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ熱可塑性樹脂からなる第１の材料と第２の材料とを重合させた状態で、上記第１の材料にレーザ光を照射して当該第１の材料を貫通する貫通孔を形成する第１レーザ光照射工程と、上記第１レーザ光照射工程によって形成された貫通孔を介して上記第２の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる上記両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料を接合する第２レーザ光照射工程とを備え、
上記第１レーザ光照射工程及び第２レーザ光照射工程においては、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を照射することを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項２】
上記第１レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を上記第１の材料の表面に位置させた状態で当該第１の材料にレーザ光を照射し、
上記第２レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を、上記貫通孔内における第１の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第１の材料の厚さ方向の中央よりも当該第１の材料の表面側に位置させた状態で、第２の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合方法。
【請求項３】
それぞれ熱可塑性樹脂からなる第１の材料と第２の材料とを重合させてなるワークを保持する加工ステージと、上記加工ステージに保持されたワークにレーザ光を照射する加工ヘッドを有するレーザ光照射装置と、上記加工ステージと加工ヘッドとを上記レーザ光の光軸方向と交差する方向に相対的に移動させるワーク移動機構と、上記加工ヘッドから照射されるレーザ光の焦点を上記ワークに対してレーザ光の光軸方向に相対的に移動させる焦点移動機構と、上記ワーク移動機構及び焦点移動機構の作動を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、上記第１の材料にレーザ光を照射して当該第１の材料を貫通する貫通孔を形成する第１レーザ光照射動作と、上記第１レーザ光照射動作によって形成された上記貫通孔を介して上記第２の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料とを接合する第２レーザ光照射動作とを実行し、
上記レーザ光照射装置は、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を上記ワークに照射することを特徴とするレーザ接合装置。
【請求項４】
上記第１レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記第１の材料の表面に位置させた状態で当該レーザ光を照射し、
上記第２レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記貫通孔内の上記第１の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第１の材料の厚さ方向の中央よりも当該第１の材料の表面側に位置させた状態で、第２の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とする請求項３に記載のレーザ接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ接合方法及びレーザ接合装置に関し、より詳しくは、重合させた２枚の熱可塑性樹脂にレーザ光を照射して両者を接合するレーザ接合方法及びレーザ接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、重合させた熱可塑性樹脂同士をレーザ光によって接合する技術として特許文献１が知られている。
特許文献１の装置においては、重合させた２枚の熱可塑性樹脂にその上方側からレーザ光を照射し、レーザ光の照射位置の熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることで、上下の熱可塑性樹脂を溶着させるようになっている。
なお、重合させた金属板にレーザ光を上方から照射して溶接する技術として特許文献２も知られている。特許文献２の溶接装置においては、先ず、上側の金属板にレーザ光を照射して貫通孔を穿設し、次に該貫通孔を介して下側の金属板にレーザ光を照射することで、上下の金属板を溶接するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２１６６５６号公報
【特許文献２】特開昭５８−９７４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１の装置においては、レーザ光を透過しない樹脂を接合する場合に次のような問題があった。すなわち、加工対象が例えば熱可塑性炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＴＰ）の場合には、重合した上下の材料間の接合面に直接レーザ光を照射する事はできない。従って、上側の材料にレーザ光を照射することで該上側の材料が加熱され、その伝熱により接合面を加熱溶融させることで、上下の材料を溶着する事になる。
しかしながら、熱可塑性炭素繊維強化樹脂の厚さ方向（繊維層間）の熱伝導率が悪いため、上側の材料の厚さが例えば３ｍｍの場合には、上下の材料の接合面を、マトリクス樹脂（ナイロンＰＡ６）の溶融温度である約２４０度に温度上昇させる為には上側の材料に対するレーザ照射は５００度を超える温度となる。そのため、マトリクス樹脂が昇華し、あるいは焼損して炭素繊維がむき出しになり、接合完了後における接合箇所の接合状態が劣悪になる。このように接合箇所に炭素繊維が露出すると、接合箇所の強度が極端に低下するという問題があった。
そこで、発明の目的は、熱可塑性樹脂同士のレーザ接合を効率的に行うとともに、接合完了後の接合強度が高いレーザ接合装置とその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような事情に鑑み、第１の本発明は、それぞれ熱可塑性樹脂からなる第１の材料と第２の材料とを重合させた状態で、上記第１の材料にレーザ光を照射して当該第１の材料を貫通する貫通孔を形成する第１レーザ光照射工程と、上記第１レーザ光照射工程によって形成された貫通孔を介して上記第２の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる上記両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料を接合する第２レーザ光照射工程とを備え、
上記第１レーザ光照射工程及び第２レーザ光照射工程においては、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を照射することを特徴とするものである。
また、第２の本発明は、それぞれ熱可塑性樹脂からなる第１の材料と第２の材料とを重合させてなるワークを保持する加工ステージと、上記加工ステージに保持されたワークにレーザ光を照射する加工ヘッドを有するレーザ光照射装置と、上記加工ステージと加工ヘッドとを上記レーザ光の光軸方向と交差する方向に相対的に移動させるワーク移動機構と、上記加工ヘッドから照射されるレーザ光の焦点を上記ワークに対してレーザ光の光軸方向に相対的に移動させる焦点移動機構と、上記ワーク移動機構及び焦点移動機構の作動を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、上記第１の材料にレーザ光を照射して当該第１の材料を貫通する貫通孔を形成する第１レーザ光照射動作と、上記第１レーザ光照射動作によって形成された上記貫通孔を介して上記第２の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料とを接合する第２レーザ光照射動作とを実行し、
上記レーザ光照射装置は、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を上記ワークに照射することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
このような構成によれば、後述する加工後の比較データから理解できるように、熱可塑性樹脂同士のレーザ接合を効率的に行うことができるとともに、接合完了後の接合箇所の強度が高いレーザ接合方法とレーザ接合装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例を示す正面図。
【図２】図１のレーザ接合装置による加工工程を示す図であり、図２（ａ）は第１レーザ光照射工程を示し、図２（ｂ）は第２レーザ光照射工程を示している。
【図３】ガウスモードのレーザ光とトップハットモードのレーザ光の断面強度分布を比較した図。
【図４】トップハットモードのレーザ光で接合した接合箇所を上方から撮影した写真を示す図。
【図５】ガウスモードのレーザ光で接合した接合箇所を上方から撮影した写真を示す図。
【図６】ガウスモードとトップハットモードにおける加工後の結果を比較した図。
【図７】ガウスモードとトップハットモードにおける加工後の結果を比較した図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図２において、１はレーザ接合装置であり、このレーザ接合装置１は、ワークＷとしての上側材料２と下側材料３にレーザ光Ｌを照射してそれらをレーザ接合するようになっている。
上側材料２と下側材料３は、ともに同じ厚さと幅を備えた短冊状の熱可塑性樹脂であり、熱可塑性樹脂は加熱されると溶融する熱溶融性を備えている。そこで、本実施例においては、上側材料２と下側材料３とを重合させた状態において、それらの重合部分における複数箇所に上方からレーザ光Ｌを照射して両材料２，３を接合するようになっている。
【０００９】
本実施例のレーザ接合装置１は、上側冶具５と下側冶具６とによってワークＷ（上側材料２と下側材料３）を水平に保持する加工ステージ７と、Ｘ方向テーブル９とＹ方向テーブル１０とからなり加工ステージ７を水平面のＸ方向とＹ方向に移動させる移動機構１２と、加工ステージ７に保持されたワークＷに向けて加工ヘッド１３からレーザ光Ｌを照射するレーザ照射装置１４と、上記加工ヘッド１３を昇降させて、それに内蔵した集光レンズ１５の焦点の位置を移動させる昇降機構１６と、これら構成要素の作動を制御する制御装置１７を備えている。
上側冶具５は、複数の保持部材１８によって加工ステージ７に水平に固定されており、他方、下側冶具６は、水平状態を維持して保持部材１８に沿って昇降可能であり、かつ、複数のスプリング１９によって常時上方に向けて付勢されている。
一部を重合させた状態の上側材料２と下側材料３とを、上側冶具５と下側冶具６とによって上下から挟持することで、全体としてのワークＷを水平に保持するようになっている。なお、所要に応じて適宜の厚さのスペーサを噛ませることで、ワークＷを上側冶具５と下側冶具６とによって確実に挟持させるようになっている。本実施例では、第１の材料としての上側材料２を、第２の材料としての下側材料３に上方から重合させてあり、これら上側材料２と下側材料３とでワークＷが構成される。
【００１０】
移動機構１２は、水平面のＸ方向に移動されるＸ方向テーブル９と、Ｘ方向と直交する水平面のＹ方向に移動されるＹ方向テーブル１０とからなり、加工ステージ７は、Ｘ方向テーブル９に取り付けられて水平に支持されている。これらＸ方向テーブル９及びＹ方向テーブル１０の駆動源（モータ）の作動は制御装置１７によって制御されるようになっている。制御装置１７がＸ方向テーブル９、Ｙ方向テーブル１０の駆動源の作動を制御することにより、加工ステージ７は、水平面のＸ方向とそれに直交するＹ方向に移動できるようになっている。それにより、ワークＷとレーザ光Ｌとを水平面において相対移動させて、ワークＷに対するレーザ光Ｌの照射位置を変更できるようになっている。
【００１１】
レーザ照射装置１４は、発振波長１０７０〜１０８０ｎｍのレーザ光Ｌを発振するファイバレーザ発振器２１と、ファイバレーザ発振器２１から発振されたレーザ光Ｌを加工ヘッド１３へ導光する光ファイバ２２と、光ファイバ２２によって導光されたレーザ光Ｌをコリメータレンズ２３と集光レンズ１５を介してワークＷに照射する加工ヘッド１３とを備えている。
ファイバレーザ発振器２１の作動は制御装置１７によって制御されるようになっており、制御装置１７がファイバレーザ発振器２１を作動させるとレーザ光Ｌが光ファイバ２２を介して加工ヘッド１３へ導光されるようになっている。
加工ヘッド１３は、昇降機構１６の昇降アーム１６Ａの先端に鉛直下方に向けて取り付けられており、制御装置１７が昇降機構１６の駆動源を介して昇降アーム１６Ａを昇降させることにより、加工ヘッド１３を昇降させるようになっている。それによって、ワークＷをレーザ接合する際に、ワークＷに対する集光レンズ１５の焦点ｆの位置を最適な位置に調整できるようになっている。
加工ヘッド１３におけるケーシングの上面中央部に、上記光ファイバ２２の端部２２Ａが鉛直下方に向けて取り付けられており、この端部２２Ａの下方側の位置にコリメータレンズ２３及び集光レンズ１５が所定距離を隔てて配置されている。
これにより、光ファイバ２２を介して導光されたレーザ光Ｌは、その端部２２Ａから下方側へ照射されて、先ずコリメータレンズ２３によって平行光に調整され、その後、集光レンズ１５によって集光されてから下方側のワークＷに照射されるようになっている。
【００１２】
しかして、本実施例は、ワークＷにトップハットモードのレーザ光Ｌを照射することで、両材料２，３を接合することが特徴となっており、そのために、光ファイバ２２として断面が方形の光ファイバを採用している。
これにより、集光レンズ１５を介してワークＷに照射される照射スポットのレーザ光Ｌは、断面形状が円形ではなく方形となる。また、レーザ光Ｌのビームウェスト径は１５０〜１７０μｍとなるようにしている。このように、本実施例においては、集光レンズ１５の焦点ｆにおけるレーザ光Ｌのスポット形状は方形のトップハットモードとなり、その断面強度分布は図３（ｂ）に示したようになる。
ところで、レーザ光Ｌとしては、外周部側から光軸中心にわたって徐々に出力が増大するガウスモードが知られている（図３（ａ）参照）。
しかしながら、本実施例においては、このガウスモードではなく、光軸中心から外周部付近にわたって実質的に同じ出力となるトップハットモードのレーザ光Ｌを用いてレーザ接合を行うようにしている。
この図３は、レーザ接合（後述する第２レーザ光照射工程Ｓ２、第２レーザ光照射動作）におけるガウスモードとトップハットモードを比較したものであり、図３（ａ）にガウスモードの断面強度分布を示しており、図３（ｂ）にトップハットモードの断面強度分布を示している。なお、前述したように、本実施例では断面が方形のトップハットモードを用いるが、この図３（ｂ）においては、両モードを比較するための便宜上、トップハットモードのスポット形状も円形の場合を示している。
図３（ｂ）に示すトップハットモードにおいては、レーザ光Ｌの照射箇所の略全域においてビーム強度が均一となるため、照射箇所の略全域に亘って蒸発しきい値Ｐ１と溶融しきい値Ｐ２との間のビーム強度でワークＷを加熱することができる。そのため、トップハットモードにおいては、照射箇所の略全域を溶融させることが可能である。
これに対して、図３（ａ）に示したガウスモードの場合には、レーザ光Ｌの照射箇所の中心側（白い円の箇所）が蒸発しきい値Ｐ１を越えるために、そこが蒸発範囲となり、ワークＷにおける当該部分の樹脂・繊維が消失する。そのため、黒い環状に示した領域だけが溶融範囲となってそこが接合箇所となる。その結果、ワークＷ（上側材料２と下側材料３）の接合完了後における接合箇所の強度が低下することになる。なお、このガウスモードにおいては、中心側の領域を溶融範囲にしようとすると、環状の外周部分が溶融範囲から外れることになり、この場合も、ワークＷの接合完了後における接合箇所の強度が低下することになる。
他方、図３（ｂ）に示すように、トップハットモードによるワークＷの接合は、好適な溶融状態を形成するための溶融範囲を広くすることができる（黒い円で表示した部分）。そのため、接合完了後における接合箇所の強度を高めることができる。また、ビーム強度を均一にした状態で、ガウスモードよりも高いビーム強度でレーザ光ＬをワークＷに照射できるので、短時間のうちに必要なエネルギを供給でき、接合加工を短時間で行うことができる。このような理由から、本実施例においては、ガウスモードではなく、図３（ｂ）に示したトップハットモードのレーザ光Ｌを用いてワークＷ（上側材料２と下側材料３）の接合を行うようにしている。
【００１３】
以上の構成において、以下の様にしてワークＷのレーザ接合が行われる。
先ず、作業者がワークＷ（上側材料２と下側材料３）を上側冶具５と下側冶具６との間に挟持させて、上側材料２及び下側材料３を加工ステージ７上に保持させる。
この後、制御装置１７が、移動機構１２、昇降機構１６及びレーザ照射装置１４の作動を制御して、以下の様にしてワークＷとしての上側材料２と下側材料３の接合加工が行われる。
すなわち、この後、移動機構１２のＸ方向テーブル９、Ｙ方向テーブル１０が所要量、水平方向に移動されて停止されるので、両材料２，３の重合部分におけるレーザ光Ｌが最初に照射される箇所が集光レンズ１５の軸心の下方側に停止する（図１参照）。この後、昇降アーム１６Ａを介して加工ヘッド１３が所要量だけ昇降されて停止する。これにより、集光レンズ１５の焦点ｆの高さ位置が、上側材料２の上面（表面）２Ａの高さと一致する（図２（ａ）参照）。
この後、ファイバレーザ発振器２１からレーザ光Ｌが発振されるので、該レーザ光Ｌが光ファイバ２２を介して加工ヘッド１３に導光され、その後、端部２２Ａからコリメータレンズ２３を透過して平行光に調整されてから集光レンズ１５で集光されて上側材料２に照射される。
この際の加工条件は、例えば両材料２，３の板厚は２ｍｍ、ショット数は１回、発振出力は、１８００Ｗ、パルス幅は１．５〜２．０ｍｓｅｃ（０．００１５〜０．００２ｓｅｃ）としている。ここで、前述したように、レーザ光Ｌは断面方形のトップハットモードのレーザ光Ｌであるが、発振出力を１８００Ｗとすることで、ビーム強度が照射箇所の略全域に亘って蒸発しきい値Ｐ１を超過するようにしているため、上側材料２に短時間で貫通孔２Ｂが穿設される。このようにして、先ず、上側材料２に上下方向の貫通孔２Ｂを穿設する（図２（ａ）参照）。
なお、貫通孔２Ｂの下端２Ｂａは下側材料３の上面３Ａによって閉鎖されるので、貫通孔２Ｂはブラインドホールとなっている。この貫通孔２Ｂはか下端２Ｂａが窄まるテーパ状となる。具体的には、焦点ｆの位置のビームウエスト径を１５０μから１７０μとすると、貫通孔２Ｂの上端開口部の口径は２００μ、下端開口部の口径は１００μ程度となる。
本実施例では、トップハットモードのレーザ光Ｌを上側材料２に照射して、それに貫通孔２Ｂを穿設するこの工程が、第１レーザ光照射工程Ｓ１であり、かつ、第１レーザ光照射動作となっている。
【００１４】
この後、昇降アーム１６Ａにより加工ヘッド１３を所定量下降させてそこで停止させる。具体的には、集光レンズ１５の焦点ｆの高さを、上記貫通孔２Ｂの上下方向の略中央の高さ、または該中央よりも上方の高さに位置させる。つまり、貫通孔２Ｂ内の上側材料２の厚さ方向の中央に位置させるか、又は、そこよりも表面２Ａ側（上方側）にずれた高さ位置に焦点ｆを位置させる。なお、焦点ｆを厚さ方向の中央に位置させることには、焦点ｆが完全な中央位置からレーザ光Ｌの光軸に沿って上下に０．１ｍｍ程度ずれる場合も含まれる。以下では、このずれを含む意味で略中央と記載する。また、焦点ｆを、さらに上方（集光レンズ１５側）に位置させて、貫通孔２Ｂの内部ではなく外部に位置させるようにしても良い。
その後、再度、貫通孔２Ｂを介して上方側からレーザ光Ｌを下側材料３に向けて照射する（図２（ｂ）参照）。これにより、貫通孔２Ｂの下端２Ｂａとその周辺となる上側材料２の下面２Ｃ及び下側材料３の上面３Ａが溶融されて、そこが接合箇所となる。この２回目のワークＷへのレーザ光Ｌの照射が第２レーザ光照射工程Ｓ２であり、かつ第２レーザ光照射動作となる。
なお、第２レーザ光照射工程Ｓ２において、集光レンズ１５の焦点ｆの位置を貫通孔２Ｂの上下方向の略中央、またはそこから上方の高さに位置させるのは次のような理由による。つまり、これ以上、焦点ｆの位置を下側材料３に近づけると、レーザ光Ｌの裾が上側材料２に吸収されてしまうので、下穴としての貫通孔２Ｂを形成した意味が無くなるためである。これとは逆に、焦点ｆの位置が下側材料３からあまりに遠すぎると、接合面となる下面２Ｃと上面３Ａでの照射スポット面積が減少し、エネルギ密度が低下して接合箇所での好適な溶融が行われなくなる。
そこで、本実施例では、貫通孔２Ｂの上下方向の略中央の高さ、またはそこから上方に焦点ｆを位置させて、レーザ光Ｌを再度、上側材料２及び下側材料３に向けて照射する（図２（ｂ）参照）。この時の加工条件としては、ショット数は１回、発振出力は１００Ｗ、パルス幅は０．１５ｓｅｃとしている。
これにより、貫通孔２Ｂの下端２Ｂａ及びその周辺の上側材料２の下面２Ｃと下側材料３の上面３Ａが溶融されて、それらが接合されて接合箇所となる。
このように、本実施例においては、最初の接合箇所を対象として第１レーザ照射工程Ｓ１の後に第２レーザ照射工程Ｓ２を行って、当該、最初の接合箇所となる箇所を接合する。
この後、移動機構１２による加工ステージ７の水平方向の移動と、昇降アーム１６Ａによる加工ヘッド１３の昇降作動によって、両材料２，３の重合部分における数十箇所を接合対象として、前述した第１レーザ光照射工程Ｓ１と第２レーザ光照射工程Ｓ２を行って、それら数十箇所を接合する。それにより、上側材料２と下側材料３との重合部分がレーザ接合されるようになっている。
【００１５】
以上のように、本実施例では、断面が方形となるトップハットモードのレーザ光Ｌにより上記第１レーザ光照射工程Ｓ１と第２レーザ光照射工程Ｓ２を実施してワークＷ（両材料２，３）をレーザ接合するようにしている。
本実施例によってワークＷを接合した場合と、ガウスモードでワークＷを接合した場合について、接合完了後の接合箇所の状態をカメラで撮影した比較してみたのが図４、図５である。両モードとも、加工条件は、トップハットモードでは、発振出力：１００Ｗ、パルス幅：０．１５ｓｅｃであり、ガウスモードでは、発振出力：２５Ｗ、パルス幅：０．６ｓｅｃである。いずれも板厚：２ｍｍ、ショット数：１としている。
なお、ガウスモードのレーザ光による加工を、トップハットモードのレーザ光による加工と同じ加工条件にすると、ワークＷにおける樹脂・繊維の蒸散が著しく、接合範囲も狭く、接着自体が行えなかった。そこで、トータルエネルギを両モードとも１５Ｊ（トップハットモードでは、０．１５ｓｅｃ×１００Ｗ×＝１５Ｊ（Ｗ・ｓ）、ガウスモードでは、０．６ｓｅｃ×２５Ｗ＝１５Ｊ（Ｗ・ｓ））となるように加工条件を揃えることで、ガウスモードによる接合においても樹脂・繊維の蒸散を抑えた状態で比較したものである。
また、図４、図５ともに、接合後の上側材料２と下側材料３とを剥がして、下側材料３の接合部分（上面３Ａ）を上方からカメラで撮影したものである。
図４は、トップハットモードのレーザ光を用いた本実施例の場合を示しており、図５は、ガウスモードのレーザ光によって上側材料と下側材料を接合した場合を示している。
図４と図５の写真から明らかなように、図５に示すガウスモードによる加工では、上側材料２の貫通孔２Ｂに対応する位置の近傍まで炭化が進んで真黒になっている。この炭化した部分は接合されていない箇所であり、繊維の破断も生じているため、その分だけ接合箇所の強度が低下することになる。
他方、図４に示すトップハットモードによる加工（本実施例）では、上側材料２の貫通孔２Ｂに対応する部分は、炭化しておらず白くなっている。つまり、炭化することなく溶融されて、そこが確実に接合されている。
図４と図５の写真から明らかなように、図５に示すガウスモードによる加工よりも、図４に示すトップハットモードによる加工（本実施例）の方が接合箇所の強度が高くなることが理解できる。
【００１６】
さらに、図６ないし図７は、上記各モードによる接合加工における引張りせん断強度及びレーザ照射合計時間等を比較した結果を示したものである。なお、加工条件は、各モードにおいて最も好適な接合加工を行った場合のものであり、それを図６に示している。トップハットモード（本実施例）の方が１つの貫通孔に対する溶融面積が大きくなるため、ガウスモードよりも貫通孔の数が少なくなっている。つまり、レーザ光Ｌの照射箇所（接合箇所）は、トップハットモードの場合（本実施例）の方がガウスモードの場合よりも大幅に少なくなっている。結果として、ガウスモードの場合と比較してトップハットモード（本実施例）の方が、引張せん断強度が１８％アップし、加工時間は４分の１に短縮されたことになる。
また、接合完了後において同じ引張せん断強度を得るという条件で、ガウスモードとトップハットモードによる加工結果を比較したものが図７である。この場合においても、ガウスモードと比較してトップハットモード（本実施例）の方が、接合１箇所当たりの引張せん断強度は２７８％アップ、加工時間は８２％短縮されている。
【００１７】
図４ないし図７に示した両モードによる加工後の比較データから理解できるように、本実施例のレーザ接合装置１及びレーザ接合方法によれば、熱可塑性樹脂からなる上側材料２と下側材料３のレーザ接合を効率的に行うことができ、接合完了後における接合箇所の強度が高くなるという効果を得ることができる。
【００１８】
なお、上記実施例は、ワークＷを構成する上側材料２及び下側材料３として熱可塑性樹脂を想定しているが、熱可塑性炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＴＰ）もレーザ接合装置１の加工対象となることは勿論である。
また、レーザ接合装置１の加工対象となる上側材料２（第１の材料）と下側材料３（第２の材料）の組み合わせとしては、次のような組み合わせ（１）〜（４）でも良い。
（１）上側材料：レーザ不透過（有色）の熱可塑性樹脂
下側材料：レーザ不透過（有色）の熱可塑性樹脂
（２）上側材料：繊維強化熱可塑性樹脂
下側材料：レーザ不透過（有色）の熱可塑性樹脂
（３）上側材料：レーザ不透過（有色）の熱可塑性樹脂
下側材料：繊維強化熱可塑性樹脂
（４）上側材料：繊維強化熱可塑性樹脂
下側材料：繊維強化熱可塑性樹脂
また、上記実施例においては、加工ヘッド１３を昇降機構１６で昇降させることで集光レンズ１５の焦点ｆの位置を変更しているが、加工ヘッド１３自体は固定し、それに内蔵した集光レンズ１５を昇降させることで焦点ｆの位置を変更するようにしても良い。
また、上記実施例では、断面が方形の光ファイバ２２を用いてトップハットモードのレーザ光を形成しているが、通常用いられる断面円形の光ファイバと回折光学素子（ＤＯＥ）等のトップハットビームシェイパを使用してトップハットモードのレーザ光Ｌを形成するようにしても良い。
さらに、上記実施例では、上側材料２と下側材料３とを上下で重ねた状態で上方からレーザ光を照射する構成となっているが、ワークＷを９０°回転させて両材料２，３の重合面が鉛直方向となった状態において、横方向からワークＷにレーザ光Ｌを照射する構成を採用しても良い。
【符号の説明】
【００１９】
１‥レーザ接合装置                Ｗ‥ワーク
２‥上側材料（第１の材料）        ２Ｂ‥貫通孔
３‥下側材料（第２の材料）        １２‥移動機構（ワーク移動機構）
１３‥加工ヘッド                  １４‥レーザ照射装置
１５‥集光レンズ                  １６‥昇降機構（焦点移動機構）
１７‥制御装置                    Ｌ‥レーザ光
Ｓ１‥第１レーザ光照射工程        Ｓ２‥第２レーザ光照射工程
【図１】
2020138484.tif 000003
【図２】
2020138484.tif 000004
【図３】
2020138484.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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