(57)【要約】      （修正有）【課題】均一なエネルギー分布を有する範囲が広く、エネルギーロスとなる光を低減させたトップハット分布光による溶着装置と、前記トップハット分布光を利用した樹脂溶着方法と、溶着された樹脂部材の提供。【解決手段】複数の光線入射部３，４と、前記各光線入射部３，４から溶着光Ｂ１〜Ｂ６を受けたそれぞれが大きさの異なる照射パターンを形成する複数の第一の光学部材５，６と、前記大きさの異なる複数の照射パターンＰ１、Ｐ２について、小さな照射パターンＰ１の周囲に、より大きな照射パターンＰ２を重ねて合成する第二の光学部材７と、前記合成された照射パターンを集光させる第三の光学部材８と、を有する溶着装置を形成する。【選択図】図２
2011126016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光線入射部と、
前記各光線入射部から溶着光を受けたそれぞれが大きさの異なる照射パターンを形成する複数の第一の光学部材と、
前記大きさの異なる複数の照射パターンについて、小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成する第二の光学部材と、
前記合成された照射パターンを集光させる第三の光学部材と、
を有することを特徴とした、溶着装置。
【請求項２】
前記小さな照射パターンの周囲に重ねて合成される、より大きな照射パターンが円環形状の照射パターンであることを特徴とする、請求項１に記載の溶着装置。
【請求項３】
前記第二の光学部材がハーフミラーであることを特徴とした、請求項１または２に記載の溶着装置。
【請求項４】
複数の光線入射部からそれぞれ光を受けた複数の第一の光学部材によって大きさの異なる複数の照射パターンを形成させ、形成された大きさの異なる複数の照射パターンを第二の光学部材によって小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成させ、第三の光学部材によって前記合成された照射パターンを集光させて形成された合成照射光によって樹脂を溶着する、樹脂溶着方法。
【請求項５】
複数の光線入射部からそれぞれ光を受けた複数の第一の光学部材によって大きさの異なる複数の照射パターンを形成させ、形成された大きさの異なる複数の照射パターンを第二の光学部材によって小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成させ、第三の光学部材によって前記合成された照射パターンを集光させて形成された合成照射光によって溶着された複数の樹脂部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被照射体に光を照射することにより、溶着する溶着装置、溶着方法及び溶着された樹脂部材の技術である。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、熱可塑性樹脂からなる透明なレンズと不透明なハウジングとをレーザー光によって溶着するレーザ溶着装置が記載されている（特許文献１の図１を参照）である。特許文献１のレーザ溶着装置は、レーザー照射部から射出したレーザー光を、表面側から透明なレンズに透過させ、接合部分（レンズ背面のリブとハウジングとの合わせ面）に照射することによって、前記レンズとハウジングを溶着するものである。
【０００３】
一般にレーザー照射部には、レーザー光を発生させるレーザー発振機と、レーザー光を透過させて出力パターン形状や集光スポット径を調節する光学レンズが設けられる。レーザー発振機から発生するレーザー光は、ガウシアン形状（正規分布形状）のエネルギー分布を有する照射パターンを形成する（以降は、単にガウシアン分布光という）。ガウシアン分布光においては、照射スポットが照射パターンの中心（正規分布の頂点に該当）に集中して発生し、照射スポットのエネルギー密度が大変高くなる。
【０００４】
従って、ガウシアン分布光をそのまま樹脂部材の接合面に照射した場合には、照射スポットで過剰に加熱されて樹脂に焦げ付きが発生してしまう。この樹脂の焦げ付き部分は、正面から見えるため、車両用灯具としての見栄えが低下してしまう。一方、焦げ付きだけでなく、溶着に必要なエネルギーが樹脂に過剰に照射された場合には、溶着強度が一定とならず、樹脂に負荷がかかった際に溶着部が破壊されてしまう場合も有る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
樹脂の接合部分への照射光は、樹脂に焦げ付き等が生じないように光学レンズで照射スポットを拡散させ、照射パターンをガウシアン形状から、拡散した照射スポット内側のエネルギー分布が一様なトップハット形状（以降は、単にトップハット分布光という。）に変化させた上で照射される。
【０００７】
一方、一つのレーザ発振機から光学レンズを介して形成されるトップハット分布光は、照射パターン内において、照射スポットを拡散させることに限度がある。即ち、照射スポットを拡散し過ぎた場合には、照射範囲中心付近のエネルギー密度が減少して溶着に必要な温度を得られなくなるためである。
【０００８】
しかし、照射スポットの拡散を小さくした場合には、照射スポットの内側に溶着に必要なエネルギー密度が保持される反面、照射スポットの外側にエネルギー密度が足りずに溶着に寄与出来ない光（以降は、ロス光という）が多く発生する点で問題となる。
【０００９】
本願発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、均一なエネルギー分布を有する範囲が従来よりも広く、ロス光を低減させたトップハット分布光を発生させる溶着装置と、前記トップハット分布光を利用した樹脂の溶着方法及び溶着された樹脂部材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために請求項１の溶着装置は、複数の光線入射部と、前記各光線入射部から光を受けたそれぞれが大きさの異なる照射パターンを形成する複数の第一の光学部材と、前記大きさの異なる複数の照射パターンについて、小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成する第二の光学部材と、前記合成された照射パターンを集光させる第三の光学部材と、
を有するようにした。
【００１１】
（作用）複数設けられた光線入射部でそれぞれ発生した光は、第一の複数の光学部材を透過することによって大きさの異なる照射パターンを形成しつつ第二の光学部材に入射する。第二の光学部材を透過した大きさの異なる複数の照射パターンは、より大きな照射パターンが、小さな照射パターンの周囲に合成して配置される。合成された照射パターンは、第三の光学部材を透過することによって、各照射パターンの境界間で隙間が発生しないよう集光された上で複数部材間の接合面に照射される。
【００１２】
即ち、請求項１の溶着装置においては、複数の光線入射部で大きさの異なる照射パターンを複数形成し、照射スポット内側のエネルギー密度が十分保持されつつも照射スポットの拡散範囲が狭いトップハット形状を有する小さな照射パターンの周囲（外側）に、エネルギー密度の低い範囲を照射スポット内側に有するものの、照射スポットの拡散範囲が前記小さな照射パターンよりも広い、大きな照射パターンを重ねて合成している。
【００１３】
トップハット形状の範囲、即ち溶着に有効かつ均等なエネルギー分布を有する範囲は、大小の照射パターンが有効な照射範囲を相互に補完することによって広く形成される。
【００１４】
更に、小さな照射パターンの照射スポットの外側に発生する、溶着に十分なエネルギー密度を持たないロス光の上には、より大きな照射パターンの照射スポットが重ねて配置されるため、ロス光も前記大きな照射パターンと共に溶着に寄与出来る。
【００１５】
尚、本願の溶着装置は、車両用灯具のレンズとボディの締結に用いることが出来る。ただし、本願の用途は、これに限ったものではない。
【００１６】
また、請求項２は、請求項１記載の溶着装置であって、前記小さな照射パターンの周囲に重ねて合成される、より大きな照射パターンを円環形状に形成した
（作用）小さな照射パターンの周囲（外周）に円環形状の大きな照射スポットを有する照射パターンを重ねて配置することで、トップハット形状の範囲、即ち溶着に有効かつ均等なエネルギー分布を有する範囲が広くなると共に、小さな照射パターンの照射スポットの外側で発生していたロス光が、円環形状の照射パターンと共に溶着に寄与する。
【００１７】
また、請求項３は、請求項１または２に記載の溶着装置であって、前記第二の光学部材をハーフミラーにした。
【００１８】
（作用）ハーフミラーは、複数のうち一部の光線入射部から受けた光を透過させ、別の光線入射部から受けた光を反射して、透過光と反射光からなる大きさの異なる複数の照射パターンを形成すると共に、小さな照射パターンの周囲（外周）に、より大きな照射パターンを合成する。
【００１９】
また、請求項４の樹脂溶着方法は、複数の光線入射部からそれぞれ光を受けた複数の第一の光学部材によって大きさの異なる複数の照射パターンを形成させ、形成された大きさの異なる複数の照射パターンを第二の光学部材によって小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成させ、第三の光学部材によって前記合成された照射パターンを集光させて形成された合成照射光によって樹脂を溶着するようにした。
【００２０】
（作用）複数の光線入射部で大きさの異なる照射パターンを複数形成し、溶着に有効な照射範囲が狭い小さな照射パターンの周囲（外側）に、より広く大きな照射パターンを重ねて合成することにより、溶着に寄与しないロス光が発生しにくく、溶着に有効な範囲が広いトップハット分布光によって複数の樹脂を溶着出来る。
【００２１】
また、請求項５の複数の樹脂部材は、複数の光線入射部からそれぞれ光を受けた複数の第一の光学部材によって大きさの異なる複数の照射パターンを形成させ、形成された大きさの異なる複数の照射パターンを第二の光学部材によって小さな照射パターンの周囲に、より大きな照射パターンを重ねて合成させ、第三の光学部材によって前記合成された照射パターンを集光させて形成された合成照射光によって互いに溶着されるようにした。
【００２２】
（作用）小さな照射パターンの周囲（外側）に、より広く大きな照射パターンを重ねて合成することにより、溶着に寄与しないロス光が発生しにくく、溶着に有効な範囲が広いトップハット分布光によって溶着された樹脂を得ることが出来る。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の溶着装置によれば、溶着に寄与できないロス光の発生が低減され、従来よりも有効な照射範囲の広いトップハット分布光を形成することが出来る。
【００２４】
請求項２の溶着装置によれば、小さな照射パターンの周囲（外周）を円環形状の大きな照射パターンが保管することにより、ロス光が発生しにくく、従来よりも有効な照射範囲の広いトップハット分布光を形成することが出来る。
【００２５】
請求項３の溶着装置によれば、ハーフミラーが小さな照射パターンの周囲（外周）に大きな照射パターンを合成することにより、エネルギーロスが無く、従来よりも有効な照射範囲の広いトップハット分布光を形成することが出来る。
【００２６】
請求項４の樹脂溶着方法によれば、ロス光が発生しにくく、有効な照射範囲が広いトップハット分布光によって樹脂を溶着出来る。
【００２７】
請求項５の複数の樹脂部材によれば、ロス光が発生しにくく、有効な照射範囲が広いトップハット分布光で溶着した樹脂を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施例の溶着装置を示す図。
【図２】照射パターンの形成方法を示す、照射ユニットの縦断面図。
【図３】（ａ）図２のＩ−Ｉにおける第一の光学レンズ入射前のガウシアン分布光のエネルギー分布説明図。（ｂ）照射パターンの最内に配置される、照射スポットが最も小さい照射パターンＰ１のエネルギー分布説明図。
【図４】（ａ）照射パターンＰ１の周囲に重ねて配置される、照射スポットがより大きな照射パターンＰ２のエネルギー分布説明図。（ｂ）照射パターンＰ１とＰ２を合成して成るトップハット分布光を有する照射パターンＰ３のエネルギー分布説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、図１から図４により本発明の好適な実施形態を説明する。
【００３０】
図１及び図２に示すとおり、本発明の溶着装置１は、第一の光線入射部３、第二の光線入射部４、第一の光学レンズ５，６（第一の光学部材）、ハーフミラー７（第二の光学部材）、第三の光学レンズ８を備えた光線照射ユニット２を有する。
【００３１】
光線照射ユニット２は、内側に第一の光線入射室Ｓ１を有する第一のユニット本体２ａと、第一のユニット本体２ａの外側面２ｃに突設された第二のユニット本体２ｂが一体になって構成される。第二のユニット本体２ａは、第一の光線入射室Ｓ１と連通する第二の光線入射室Ｓ２を内側に有する。
【００３２】
第一の光線入射部３は、第一のユニット本体２ａの基端部２ｄに設けられると共に、光線伝達ケーブル９を介して第一のレーザー発振機１０に接続される。また、第二の光線入射部４は、第二のユニット本体２ｂの基端部２ｅに設けられると共に、光線伝達ケーブル１１を介して第二のレーザー発振機１２に接続される。
【００３３】
第一の光学レンズ５，６は、光線入射部３、４からそれぞれ入射される拡散レーザー光を平行レーザー光に変化させる複数の非球面レンズであり、第一の光学レンズ５は、円形の照射スポットを有する第一の照射パターンＰ１を形成し、第一の光学レンズ６は、第一の照射パターンＰ１周囲に配置する円環形の照射スポットを有する第二の照射パターンＰ２を形成する。
【００３４】
ハーフミラー７は、第一の光学レンズ５から出射したレーザー光を第一のユニット本体２ａの先端部２ｆに設けられた光線出射部１３に向けて透過させる透過面７ａと、第一の光学レンズ６からの出射光を光線出射部１３に向けて反射する反射面７ｂを備え、第一の光学レンズ５によって形成される第一の照射パターンＰ１における円形の照射スポットＳＰ１の周囲に第二の光学レンズ６によって形成される第二の照射パターンＰ２の円環形の照射スポットＳＰ２を合成する光学部材（請求項１の第二の光学部材）である。
【００３５】
第三の光学レンズ８は、ハーフミラー７によって合成されたレーザー光による照射パターンを集光し、第一の照射パターンＰ１の円形の照射スポットＳＰ１の周囲に第二の照射パターンＰ２の円環形の照射スポットＳＰ２を隙間無く配置して合成照射パターンＰ３を形成する非球面レンズである。
【００３６】
第一の光学レンズ５は、光線入射室Ｓ１内において、第一の光線入射部３と対向するように、その近傍に配置され、第一の光学レンズ６は、光線入射室Ｓ２内において、第二の光線入射部４と対向するように、その近傍に配置される。また、第二の光学レンズ６は、第一の光学レンズ５に対して直角を成すよう配置されている。また、第三の光学レンズ８は、光線入射室Ｓ１内において、第一のユニット本体２ａの先端部２ｆに設けられた開口部である光線出射部１３の近傍で第一の光学レンズ５と対向するよう配置される。
【００３７】
一方、ハーフミラー７は、光線入射室Ｓ１内において、第一及び第二の光学レンズ５，６及び第三の光学レンズ８の間に配置される。更に、ハーフミラー７は、反射面７ｂが第一の光学レンズ６及び第三の光学レンズ８の双方に対して、４５°の角度で対向するよう配置される。
【００３８】
第一及び第二のレーザー発振機１０，１２で発生したレーザー光は、光伝達ケーブル９，１１と、光線入射部３，４を介してそれぞれ光線入射室Ｓ１，Ｓ２に入射し、第一の光学レンズ５，６によって形状の異なる照射パターンに変形され、ハーフミラー７によって合成された後、第三の光学レンズ８で集光されて、溶着する複数の樹脂部材に照射される。
【００３９】
本実施例の溶着装置１は、透明な樹脂部材である車両用灯具の前面レンズ１４と不透明な樹脂部材である車両用灯具のハウジング１５の溶着等に使用できる。合成照射パターンＰ３からなる照射光は、重ねて配置した前面レンズ１４とハウジング１５の前面レンズ１４側（透過側）から照射され、前面レンズ１４を透過し、ハウジング１５を加熱溶融することで、両者を溶着させる。
【００４０】
尚、本実施例の溶着装置１は、透明な樹脂と不透明な樹脂の溶着全般に用いることが出来るため、本実施例の用途は、車両用灯具の前面レンズ１４とハウジング１５の締結に限られない。
【００４１】
ここで、本実施例の溶着装置１によって形成されるレーザー光の照射パターンの形状と照射パターンのエネルギー分布について説明する。図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）の上の図は、それぞれ各光束による照射パターン形状を表し、下の図は、エネルギー分布のグラフを示す。グラフの横軸Ｘは、照射パターンの対応位置を示し、縦軸Ｅは、前記対応位置におけるエネルギー密度を示し、符号Ｋは、溶着に十分なエネルギー密度を示し、これを超えると、樹脂が過剰に加熱されて焦げ付きや溶着部の破壊が生じるものとする。
【００４２】
レーザー発振機１０と１２によって発生し、第一の光学レンズ５，６へ入射する前（図２の符号Ｉ−Ｉ、符号ＩＩ−ＩＩの位置）のレーザー光の光束Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ図３（ａ）のようなガウシアン（正規分布）形状のエネルギー分布を有する。光学レンズ入射前のガウシアン分布レーザー光において、照射スポットＳＰは、エネルギー密度がエネルギー密度Ｅを超えているため溶着面への照射によって焦げ付き等が発生してしまい、照射スポットＳＰの外側から照射パターンの外周ＡＥ（グラフ中ｒ１〜ｒ３とｒ２〜ｒ４の範囲）に至る照射光は、エネルギー密度が不十分であるため、樹脂を溶着出来ない。
【００４３】
そこで、まず、第一のレーザー発振機１０による光束Ｂ１を第一の光学レンズ５に透過させ、照射スポットＳＰのエネルギー密度を放射状に拡散させる。光束Ｂ１は、円形の照射パターンＰ１を形成する。光線伝達ケーブル９を出て一旦拡散された光束Ｂ１は、平行光に変化し、図３（ａ）のガウシアン形状から図３（ｂ）に示すトップハット形状のエネルギー分布を有する光束Ｂ３に変化する。光束Ｂ３のエネルギー分布は、（ａ）図の照射スポットＳＰより広く大きな照射スポットＳＰ１内（グラフ中Ｒ１〜Ｒ２の範囲）で一様かつ溶着に十分なエネルギー密度Ｋを保持するトップハット形状を備える。
【００４４】
一方、照射スポットＳＰ１の外側から照射パターンの外周ＬＯ１（グラフ中Ｒ１〜Ｒ３とＲ２〜Ｒ４の範囲）に至る照射光は、溶着に十分なエネルギー密度が足りず、樹脂の溶着に寄与できず、この範囲の光はエネルギーロスとなる。仮に、第一の光学レンズ５の形状等を調節して照射スポットＳＰ１を更に拡散した場合には、照射スポットＳＰ１の外周でエネルギーロスとなる照射光を減少させることが出来る。
【００４５】
しかし、光学レンズ５は、光束Ｂ１のエネルギー密度を増加させるのでは無く、一定のエネルギー密度を有する光束Ｂ１特定の照射範囲に振り分けるもので有る。従って照射スポットＳＰ１を拡散しすぎた場合には、中心Ｏからエネルギー密度が減少していき、図４（ａ）に示すような、照射パターンの中央に溶着出来ない範囲を有する円環形状の照射パターンが形成されてしまう。
【００４６】
そこで、本実施例においては、円形の照射パターンＰ１の照射スポットＳＰ１をこれ以上拡散させず、照射スポットＳＰ１の外側から照射パターンの外周ＬＯ１に至るエネルギーロスとなる範囲に、図４（ａ）に示す円環形状の照射スポットＳＰ２を有する照射パターンＰ２を重ねて配置することで、ＳＰ１からＬＯ１に至る範囲のエネルギーを溶着に寄与させている。その方法は、以下のように行なわれる。
【００４７】
照射パターンＰ２は、以下のように形成する。まず、第二のレーザー発振機１２による光束Ｂ２を第一の光学レンズ６に透過させ、図３（ａ）に示す照射スポットＳＰのエネルギー密度を放射状に拡散させる。その結果、光線伝達ケーブル１０から光学レンズ６を透過した光束Ｂ２は、図３（ａ）のガウシアン形状から図４（ａ）に示す、中央のエネルギー密度（グラフ中Ｒ１〜Ｒ２の範囲）が低く、周囲に一様かつ樹脂溶着に十分なエネルギー分布（グラフ中Ｒ１〜Ｒ５とＲ２〜Ｒ６の範囲。エネルギー密度はＫ）を有する光束Ｂ４に変化する。光束Ｂ４は、円環の内径ｄ２が照射スポットＳＰ１の外径ｄ１よりも大きな円環形状の照射スポットＳＰ２を有する照射パターンをＰ２を形成する。
【００４８】
尚、円環形状の照射スポットＳＰ２の外側から照射パターンの外周ＬＯ２（グラフ中Ｒ５〜Ｒ７とＲ６〜Ｒ８の範囲）に至る範囲には、円形の照射パターンＰ１と同様に溶着に寄与できない照射光が発生するが、円環形状の照射パターンＰ２は、照射スポットＳＰ２を照射パターンの外周ほぼ一杯まで拡散出来るため、エネルギーロスとなる光の発生は、円形の照射パターンＰ１よりも大幅に少ない。
【００４９】
照射パターンＰ１を形成する光束Ｂ３は、透過面７ａからハーフミラー７を透過して第三の光学レンズ８に入射し、照射パターンＰ２を形成する光束Ｂ４は、ハーフミラー７の反射面７ｂによって直角に反射され、光束Ｂ３の周囲において第三の光学レンズ８に入射する。
【００５０】
第三の光学レンズ８を透過した光束Ｂ３，Ｂ４は、集光されて、それぞれ光束Ｂ５、Ｂ６に変化する。光束Ｂ５は、所定の照射スポット径を有する円形の照射スポットＳＰ１を備えた照射パターンＰ１を形成し、光束Ｂ６の照射パターンＰ２における円環形状の照射スポットＳＰ２は、図４（ｂ）に示すように円環の内周に照射スポットＳＰ１の外周がほぼ内接するように第三の光学レンズ８によって集光される。その結果、前面レンズ１４には、照射スポットＳＰ１の周囲に照射スポットＳＰ２を加え、より大きなスポット径を有する照射スポットＳＰ３を備えた合成照射パターンＰ３のレーザー光が照射される。
【００５１】
その結果、本実施例においては、図４（ｂ）に示すとおり、従来溶着に寄与できずにエネルギーロスとなっていた照射光（グラフ中Ｒ１〜Ｒ３とＲ２〜Ｒ４の範囲）が照射スポットＳＰ２の照射光と共に溶着に寄与し、溶着に寄与できない照射光の範囲（グラフ中Ｒ５〜Ｒ７とＲ６〜Ｒ８の範囲）が、従来より格段に減少している。
【００５２】
尚、本実施例においては、円形の照射パターンＰ１の周囲に円環形状の照射パターンＰ２を配置しているが、これとは逆に、第一のレーザー発振機１０による照射パターンＰ１を円環形に形成し、第二のレーザー発振機による照射パターンＰ２を円形に形成して、照射パターンＰ１を照射パターンＰ２の周囲に重ねても良い。また、レーザー発振機と第一の光線入射部と第一の光学レンズを増やし、重ね合わせる照射パターンを３以上にしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１                溶着装置
３                第一の光線入射部
４                第二の光線入射部
５、６            第一の光学レンズ（複数の第一の光学部材）
７                ハーフミラー（第二の光学部材）
８                第三の光学レンズ（第三の光学部材）
Ｂ１〜Ｂ６        レーザー光の光束（溶着光）
Ｐ１              円形の照射パターン（小さな照射パターン）
Ｐ２              円環形状の照射パターン（大きな照射パターン）
【図１】
2011126016.tif 000003
【図２】
2011126016.tif 000004
【図３】
2011126016.tif 000005
【図４】
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