(57)【要約】【課題】光透過性樹脂部材同士の選択的な溶着を可能とする、レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法を提供する。【解決手段】レーザ光１２１ｂを照射するレーザ発振器１２ｂと、レーザ光１２１ｂを透過する光透過性の被溶着物２表面を粗面化するためのレーザ光１２１ａを照射するレーザ発振器１２１ａと、被溶着物２表面に対してレーザ光１２１ａを照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対してレーザ光１２１ｂを照射し該粗面化部分を溶融するよう、レーザ発振器１２ａとレーザ発振器１２ｂとを制御する制御部１０とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザ光を照射する第１レーザ発振器と、
前記第１レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面を粗面化するための第２レーザ光を照射する第２レーザ発振器と、
前記被溶着物表面に対して前記第２レーザ光を照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第１レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融するよう、前記第１レーザ発振器と前記第２レーザ発振器とを制御する制御部と
を備えることを特徴とするレーザ溶着装置。
【請求項２】
前記制御部は、複数の前記被溶着物を当接させた状態において、一方の前記被溶着物における他方の前記被溶着物との当接面に対して前記第２レーザ光を照射して該当接面が粗面化した後、該粗面化部分が形成された被溶着物側または該粗面化部分が未形成の被溶着物側の何れか一方から、該粗面化部分に対して前記第１レーザ光を照射して該粗面化部分を溶融することにより前記複数の被溶着物を溶着させることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶着装置。
【請求項３】
前記第１レーザ光の光軸と前記第２レーザ光の光軸とを同軸上に合せて前記被溶着物へ導くための第１光学系
を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ溶着装置。
【請求項４】
前記第１光学系は、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が入射され、前記第１レーザ光または前記第２レーザ光の何れか一方を反射し、他方を透過することにより、前記第１レーザ光の光軸と前記第２レーザ光の光軸とを同軸上に合せるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３記載のレーザ溶着装置。
【請求項５】
前記第１レーザ光の光軸と前記第２レーザ光の光軸とを同軸上に合せるために前記第１レーザ光または前記第２レーザ光のいずれか一方を前記第１光学系へ導く第２光学系と、
前記第２光学系の位置を移動自在に支持する支持部と
を更に備えることを特徴とする請求項３または請求項４記載のレーザ溶着装置。
【請求項６】
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光は回転自在な反射体へ導かれ、
前記反射体により反射された第１レーザ光および前記第２レーザ光が、前記被溶着物へ向かうよう該反射体を回転駆動する駆動部
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザ溶着装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第１レーザ光と共に前記第２レーザ光を連続的に照射するよう前記第１レーザ発振器と前記第２レーザ発振器とを制御し、
前記駆動部は、前記第２レーザ光の前記被溶着物表面に対する照射に追従して、該被溶着物表面における粗面化部分に対して前記第１レーザ光が照射されるよう前記反射体を回転駆動することを特徴とする請求項６記載のレーザ溶着装置。
【請求項８】
第１レーザ発振器から出射される第１レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面に対し、第２レーザ発振器から出射される該被溶着物表面を粗面化するための第２レーザ光を該被溶着物表面へ照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第１レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融することを特徴とするレーザ溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ光により樹脂部材を溶着するレーザ溶着装置、レーザ溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を透過するアクリルなどの光透過性樹脂部材同士を接合する場合、当該部材間を接着剤で接着する手法や、レーザ光を用いて光透過性樹脂部材同士を溶着する手法が試みられている。レーザ光を用いて光透過性樹脂部材同士を溶着する場合、一般的には液状のレーザ吸収剤（例えば、クリアウエルド：登録商標）を接合面に塗付する方法がとられる。このレーザ吸収剤は、レーザ照射前は不透明であるが、レーザ照射後は透明となり高品位な溶着を実現できる。しかしながら、レーザ吸収剤は、有機溶剤に添加物を入れたものであり、不純物の含有を避けたい医療や電子部品関係への使用は許されない。これは、前述した接着剤も同様である。さらに、レーザ吸収剤は価格が高いことが問題となることも多い。
【０００３】
一方、接着剤やレーザ吸着剤を用いずに光透過性樹脂部材同士を溶着する手法も考案されている。具体的には、一方の光透過性樹脂部材の表面をサンドペーパやサンドブラストなどを用いて荒らし、レーザ光を吸収可能な不透明な状態とする。その面に対してレーザ光を照射し、熱を生じさせて溶融化させた後、当該面と他方の光透過性樹脂部材とを当接させることにより光透過性樹脂部材同士の溶着を可能にしている。
【０００４】
関連する技術に、レーザ光の照射によりレーザ光を透過する透過性樹脂部材と当該レーザ光を透過しない非透過性樹脂部材とを溶着させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２６２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述したような光透過性樹脂部材の表面をサンドペーパやサンドブラストなどにより荒らす手法をとる場合、光透過性樹脂部材の表面が全体的に荒らされ、表面全体が不透明になる。そのため、表面のうちの一部分のみを溶着させるといった選択的な溶着が困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、光透過性樹脂部材同士の選択的な溶着を可能とする、レーザ溶着装置およびレーザ溶着方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、第１レーザ光を照射する第１レーザ発振器と、前記第１レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面を粗面化するための第２レーザ光を照射する第２レーザ発振器と、前記被溶着物表面に対して前記第２レーザ光を照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第１レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融するよう、前記第１レーザ発振器と前記第２レーザ発振器とを制御する制御部とを備える。
【０００９】
また、本発明の一態様は、第１レーザ発振器から出射される第１レーザ光を透過する光透過性の被溶着物表面に対し、第２レーザ発振器から出射される該被溶着物表面を粗面化するための第２レーザ光を該被溶着物表面へ照射して該表面が粗面化した後に、該粗面化部分に対して前記第１レーザ光を照射し該粗面化部分を溶融する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光透過性樹脂部材同士の選択的な溶着を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態に係るレーザ溶着装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ダイクロイックミラーを説明するための図である。
【図３】ダイクロイックミラーを説明するための図である。
【図４】本実施の形態に係るレーザ溶着方法を示すフローチャートである。
【図５】被溶着物表面を粗面化する方法を説明するための図である。
【図６】被溶着物同士を溶着する方法を説明するための図である。
【図７】被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図である。
【図８】被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（装置構成）
本実施の形態に係るレーザ溶着装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るレーザ溶着装置の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、レーザ溶着装置１は、制御部１０と、レーザドライバ１１ａ及び１１ｂと、レーザ発振器１２ａ（第２レーザ発振器）及び１２ｂ（第１レーザ発振器）と、光ファイバ１３と、伝搬光学系１４（第２光学系）と、調整ホルダ１５（支持部）と、ダイクロイックミラー１６（第１光学系）と、レーザ走査デバイス１７（反射体、駆動部）とを備える。また、２は、レーザ溶着装置１の加工対象である被溶着物を示している。被溶着物２は、光（後述するレーザ光１２１ａ及び１２１ｂを含む）を透過する光透過性樹脂部材であり、例えばアクリルやポリカーボネートといった有機ガラスである。なお、これに限定されるものではなく、後述する２種のレーザにより表面の粗面化および溶融化可能な物質であればよく、例えば無機ガラスであってもよい。
【００１４】
制御部１０は、レーザドライバ１１ａ及び１１ｂを介してレーザ発振器１２ａ及び１２ｂから出射されるレーザ光の発射タイミングやその強度の制御、レーザ発振器１２ａ及び１２ｂに備えられる図示しない冷却機構の制御、調整ホルダ１５の駆動制御、及び、レーザ走査デバイス１７におけるレーザ光の照射位置制御などを行うものである。例えば、制御部１０としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ、ＨＤＤ（Hard disk drive）等を有する情報処理装置が用いられる。
【００１５】
レーザドライバ１１ａは、図１において点線で示されるレーザ光１２１ａ（第２レーザ光）を照射するレーザ発振器１２ａを作動させるためのものであり、レーザドライバ１１ｂは、図１において一点鎖線で示されるレーザ光１２１ｂ（第１レーザ光）を照射するレーザ発振器１２ｂを作動させるためのものである。
【００１６】
レーザ発振器１２ａは、被溶着物２が光を透過する光透過性樹脂部材であっても、その集光位置を、レーザ光１２１ｂを吸収可能な不透明な状態とする、即ち、光が散乱するよう凹凸状に荒らすこと（以後、粗面化と称する）が可能なレーザ光１２１ａを出射するものである。換言すると、レーザ光１２１ａは、制御部１０とレーザ走査デバイス１７とにより、その集光位置を被溶着物２内部に設定すれば、その内部においても荒らすことができるものである。このようなレーザ光１２１ａとしては、例えばグリーンレーザや短パルスレーザといった固体レーザが挙げられ、その波長は被溶着物２の素材により適宜設定することが好ましい。例えば、被溶着物２がアクリルであれば、レーザ光１２１ａの波長は５３２ｎｍが好ましい。
【００１７】
一方、レーザ発振器１２ｂは、樹脂部材における集光部分を溶融可能な強度を有し、レーザ光１２１ａとは波長が異なるレーザ光１２１ｂを照射するものである。このようなレーザ光１２１ｂとしては、半導体レーザやファイバレーザ等が挙げられ、その波長はレーザ光１２１ａと同様に被溶着物２の素材により適宜設定することが好ましい。例えば、被溶着物２がアクリルである場合、半導体レーザを用いるのであれば、その波長は８０８ｎｍや９４０ｎｍが好ましく、ファイバレーザを用いるのであれば、その波長は１０６４ｎｍや１０７０ｎｍが好ましい。
【００１８】
本実施の形態においては、被溶着物２が光透過性樹脂部材であるため、レーザ光１２１ｂは、粗面化されていない通常の状態における被溶着物２を溶融できずに透過してしまう。そのため、レーザ溶着装置１は、レーザ発振器１２ｂ以外に、前述したレーザ光１２１ａを照射可能なレーザ発振器１２ａを備えている。レーザ光１２１ａで被溶着物２を予め荒らした後にレーザ光１２１ｂを照射することにより、被溶着物２表面を溶融し、他の被溶着物との溶着を可能としている。
【００１９】
レーザ発振器１２ａから出射されたレーザ光１２１ａの光学経路は、図１に示されるように、ダイクロイックミラー１６に向かって進行すると共に当該ダイクロイックミラー１６を通過し、レーザ走査デバイス１７へ進行するようになっている。一方、レーザ発振器１２ｂから出射されたレーザ光１２１ｂの光学経路は、図１に示されるように、光ファイバ１３内を伝搬した後に光ファイバ１３と連結された伝搬光学系１４を通じてダイクロイックミラー１６に進行し、ダイクロイックミラー１６からレーザ走査デバイス１７へ進行するようになっている。レーザ走査デバイス１７に入射した各レーザ光１２１ａ及び１２１ｂは、図１に示されるように被溶着物２へ照射される。
【００２０】
光ファイバ１３と連結された伝搬光学系１４は、光ファイバ１３内を伝搬したレーザ光１２１ｂをダイクロイックミラー１６へ導くための光学系であり、調整ホルダ１５に固定支持されている。この調整ホルダ１５は、伝搬光学系１４の位置を自在に移動可能なＸＹＺ軸の調整機構を有している。なお、制御部１０により制御され、伝搬光学系１４を任意に移動可能な駆動機構を更に備えるようにしてもよく、手動で伝搬光学系１４の位置を変更できるように一定間隔で伝搬光学系１４が係合するためのガイドを設けてもよい。本実施の形態においては、レーザ走査デバイス１７を用いて被溶着物２へ各種レーザ光を照射するため、レーザ走査デバイス１７へ進行する各種レーザ光の光軸を同軸上に合わせることが好ましい。前述した調整ホルダ１５を用いて伝搬光学系１４の位置を調整することにより、各種レーザ光の光軸を同軸上に合わせることを可能としている。
【００２１】
レーザ走査デバイス１７は、その内部に、２枚のミラーと当該ミラーを回転駆動する駆動機構とを備え、入射されるレーザ光１２１ａ及び１２１ｂを２枚のミラーが反射すると共に回転駆動することにより被溶着物２の任意の位置に集光させ、被溶着物２に任意の軌跡を描くものである。具体的には、本装置の使用者から入力されるレーザ光１２１ａ及び１２１ｂの軌跡データ（被溶着物２のどの部分を粗面化または溶融させるかを示す描画データ）や描画速度等に基づいて、制御部１０がミラーの角度や駆動を制御する。この制御により、レーザ走査デバイス１７は、入射されたレーザ光１２１ａ及び１２１ｂを用いて被溶着物２における任意の箇所を粗面化または溶融化させる。このようなレーザ走査デバイス１７によれば、例えば被溶着物２に文字や図形を描画することができる。本実施の形態においては、このレーザ走査デバイス１７を用いることにより、被溶着物２表面の任意の箇所を高速に粗面化または溶融化することを実現し、様々な形状の被溶着物２の溶着加工を可能としている。
【００２２】
また、本実施の形態において、レーザ光１２１ａ及び１２１ｂの波長は互いに異なる。したがって、レーザ走査デバイス１７内における、これらレーザ光を反射するミラーとしては、これらレーザ光を反射可能な２波長コーティングを施したミラーを用いることが好ましい。例えば、レーザ光１２１ａが５３２ｎｍ、レーザ光１２１ｂが８０８ｎｍである場合、５３２ｎｍ／８０８ｎｍのコーティング組み合わせが用いられ、レーザ光１２１ａが５３２ｎｍ、レーザ光１２１ｂが９４０ｎｍである場合、５３２ｎｍ／９４０ｎｍのコーティング組み合わせが用いられる。前述したようなレーザ走査デバイス１７としては、例えば、ミラーに２波長コーティングを施したガルバノスキャナが挙げられる。
【００２３】
次に、ダイクロイックミラー１６について図２及び図３を用いてその詳細を説明する。図２及び図３は、ダイクロイックミラーを説明するための図である。ダイクロイックミラー１６は、特定の波長の光を透過し、特定の波長の光を反射する光学素子であり、本実施の形態においては、図２に示されるようにレーザ光１２１ａを透過し、図３に示されるようにレーザ光１２１ｂを反射するミラーコーティングが施されている。例えば、レーザ光１２１ａが５３２ｎｍ、レーザ光１２１ｂが８０８ｎｍである場合、５３２ｎｍの波長を透過し、８０８ｎｍの波長を反射する５３２ｎｍ／８０８ｎｍのコーティング組み合わせが用いられる。レーザ光１２１ａが５３２ｎｍ、レーザ光１２１ｂが９４０ｎｍである場合、５３２ｎｍの波長を透過し、９４０ｎｍの波長を反射する５３２ｎｍ／９４０ｎｍのコーティング組み合わせが用いられる。また、ダイクロイックミラー１６は、反射するレーザ光１２１ｂの光軸を、透過するレーザ光１２１ａの光軸と合せるために伝搬光学系１４に対して所定の角度が付されており、前述した調整ホルダ１５による伝搬光学系１４の位置調節と組み合わせてレーザ光１２１ａ及び１２１ｂの光軸の一致を実現している。
【００２４】
以上のように構成されるレーザ溶着装置１におけるその動作を、図４〜図８を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係るレーザ溶着方法を示すフローチャートである。図５は、被溶着物表面を粗面化する方法を説明するための図であり、図６は、被溶着物同士を溶着する方法を説明するための図である。図７は、被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図であり、図８は、被溶着物同士が溶着した状態を示す模式図である。本実施の形態においては、２つの被溶着物２ａ及び２ｂを積層した状態で、これら被溶着物間を溶着する場合を例にとり、説明を行う。なお、図７及び図８において斜線で示される４は、粗面化されていない被溶着物２ｂにおける被溶着物２ａとの当接面を示している。
【００２５】
先ず、伝搬光学系１４の位置及びダイクロイックミラー１６の角度が前述した適切な位置に調整された後、制御部１０は使用者に対し、前述した軌跡データなどの各種データ入力を促し、各種データを取得する（ステップＳ１０１）。取得後、制御部１０はレーザドライバ１１ａを介してレーザ発振器１２ａを起動し、レーザ光１２１ａを出射させる。制御部１０は、レーザ光１２１ａの出射と共に、レーザ走査デバイス１７を制御し、被溶着物２ａより下方に設置された被溶着物２ｂ表面を図５に示されるように粗面化する（ステップＳ１０２）。ここで、図５において斜線で示される３ａは、被溶着物２ａと被溶着物２ｂとの当接面のうち、被溶着物２ｂ側の当接面においてレーザ光１２１ａにより粗面化された粗面化部分を示す。
【００２６】
粗面化後、制御部１０はレーザ発振器１２ａを停止させ、レーザドライバ１１ｂを介してレーザ発振器１２ｂを起動し、レーザ光１２１ｂを出射させる。制御部１０は、レーザ光１２１ｂの出射と共に、レーザ走査デバイス１７を制御し、被溶着物２ｂ表面を図６に示されるように溶融し（ステップＳ１０３）、本フローは終了となる。ここで、図６において網掛けで示される３ｂは、被溶着物２ａと被溶着物２ｂとの当接面のうち、被溶着物２ｂ側の当接面においてレーザ光１２１ｂにより溶融された溶融部分を示す。なお、被溶着物２ｂ側の当接面を粗面化、溶融化させると説明したが、被溶着物２ｂ側の当接面を粗面化、溶融化させてもよい。また、レーザ光１２１ａ及び１２１ｂは、積層された被溶着物における何れの側（被溶着物２ａ側または２ｂ側）から照射されてもよいことは言うまでもない。
【００２７】
本実施の形態によれば、レーザ光１２１ｂを透過する被溶着物であっても、前処理としてレーザ光１２１ａにより被溶着物表面を粗面化させることにより、レーザ光１２１ｂを吸収可能な状態とすることができる。したがって、当該粗面化箇所にレーザ光１２１ｂを照射することで他の被溶着物と溶着可能に当該粗面化箇所を溶融することができ、接着剤やレーザ吸着剤を用いずとも、光透過性の被溶着物同士を容易に且つ低コストに溶着することができる。即ち、本実施の形態により作成された被溶着物は、環境に配慮した規格や医療といった衛生面に厳しい規格を満足することができる。また、レーザ光１２１ａを用いて粗面化部分３ａを形成するため、図７及び図８に示されるように、当接面４においては溶融部分３ｂを形成したい箇所（溶着させたい箇所）以外に粗面化部分３ａが形成されることはない。即ち、粗面化部分３ａを局所的に精度良く形成することができる。したがって、上方の被溶着物２ａと下方の被溶着物２ｂとの溶着部分を任意の形状とすることが可能となる。また、被溶着物２を積層させた状態においてその溶着を行うことができるため、予め表面を荒らすといった前処理を必要としない。更に、サンドブラストを用いる場合と比較して、粗面化工程における騒音を低減することも可能となる。
【００２８】
（応用例）
本実施の形態においては、レーザ光１２１ａにより被溶着物２ｂの表面を荒らした後、レーザ光１２１ａの照射を停止し、レーザ光１２１ｂの照射へ移行すると説明したが、レーザ光１２１ａ及び１２１ｂを同時に照射し、連続的に照射し続けることにより粗面化と溶融化を同時進行させるようにしてもよい。レーザ光１２１ａ及び１２１ｂの光軸は同軸上にあるため、被溶着物２ｂにおける同一の箇所にレーザ光１２１ａ及び１２１ｂが同時に照射される。したがって、粗面化するまではレーザ光１２１ｂが透過するものの、粗面化した後はレーザ光１２１ｂにより溶融化が生じることとなる。このように構成することにより、溶着加工時間を大幅に減少させることができ、タクトタイムの改善を図れる。また、レーザ光１２１ｂのみを連続的に照射し、その箇所にレーザ光１２１ａを照射するようにしてもよい。この場合も、レーザ光１２１ａ及び１２１ｂを同時に照射した場合と同様、粗面化と溶融化を同時進行させることができ、同様の効果を得ることができる。
【００２９】
また、ダイクロイックミラー１６を用いて２種のレーザ光の光軸を同軸上とすると説明したが、これに限定されるものではなく、レーザ走査デバイス１７により２種のレーザ光を被溶着物２へ照射できるものであれば、どのような光学系を用いてもよい。また、レーザ走査デバイス１７についても、２種のレーザ光を反射可能なミラーと当該ミラーを駆動する機構を有するものであればよい。
【００３０】
また、本実施の形態においては、２種のレーザ光を被溶着物に照射するために、光ファイバ１３や伝搬光学系１４、ダイクロイックミラー１６、レーザ走査デバイス１７をレーザ溶着装置１が備えると説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ発振器１２ａ及び１２ｂが移動可能な駆動系を構築し、直接、被溶着物２へレーザ光１２１ａ及び１２１ｂが照射されるようにしてもよく、被溶着物２へレーザ光１２１ａ及び１２１ｂが照射される構成であれば、どのような構成であってもよい。
【００３１】
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００３２】
１  レーザ溶着装置
２，２ａ，２ｂ  被溶着物
３ａ  粗面化部分
３ｂ  溶融部分
４  当接面
１０  制御部
１２ａ，１２ｂ  レーザ発振器
１４  伝搬光学系
１５  調整ホルダ
１６  ダイクロイックミラー
１７  レーザ走査デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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