(57)【要約】  加工物の第１の部品を加工物の第２の部品に結合する溶接を生成するための組立体を提供する。組立体は、非干渉光エネルギを生成する第１の非干渉光源と、入射端部および出射端部を有する第１のネガティブ導波路と、を備え、第１の非干渉光源からの非干渉光エネルギおよび第１の反射体によって反射された非干渉光エネルギは、入射端部で第１のネガティブ導波路に入射し、第１のネガティブ導波路を通過し、出射端部で第１のネガティブ導波路から出射する。第１のネガティブ導波路は、非円形溶接ゾーンを生成する非円錐形の長手方向の断面を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の第１のプラスチック部品を加工物の第２のプラスチック部品にプラスチック溶接するための組立体であって、前記組立体は、
非干渉赤外線光エネルギを生成する第１の非干渉赤外線光源と、
入射端部および出射端部を有する第１のネガティブ導波路と、を備え、前記第１の非干渉赤外線光源からの前記非干渉赤外線光エネルギは、前記入射端部で前記第１のネガティブ導波路に入射し、前記第１のネガティブ導波路を通過し、前記出射端部で前記第１のネガティブ導波路から出射し、前記第１のネガティブ導波路は、非円形溶接ゾーンを生成する非円錐形の長手方向の断面を有する、組立体。
【請求項２】
非干渉赤外線光エネルギを生成する第２の非干渉赤外線光源をさらに備え、前記第２の非干渉赤外線光源からの前記非干渉赤外線光エネルギは、前記入射端部で前記第１のネガティブ導波路に入射し、前記第１のネガティブ導波路を通過し、前記出射端部で前記第１のネガティブ導波路から出射する、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記第１の非干渉赤外線光源および前記第２の非干渉赤外線光源がそれぞれ、細長く、同軸に整列される、請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
前記第１の非干渉赤外線光源および前記第２の非干渉赤外線光源がそれぞれ、細長く、互いに対して軸方向にずれている、請求項２に記載の組立体。
【請求項５】
入射端部および出射端部を有する第２のネガティブ導波路をさらに備え、前記第１の非干渉赤外線光源からの前記非干渉赤外線光エネルギは、前記入射端部で前記第２のネガティブ導波路に入射し、前記第２のネガティブ導波路を通過し、前記出射端部で前記第２のネガティブ導波路から出射し、前記第２のネガティブ導波路は、前記第１のネガティブ導波路とは異なる、請求項１に記載の組立体。
【請求項６】
前記第２のネガティブ導波路が、その長手軸が、前記第１のネガティブ導波路の長手軸に対してある角度を成して配置されるように配置される、請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記第１の非干渉赤外線光源が、細長く、前記第１のネガティブ導波路の前記入射端部は、前記第１のネガティブ導波路の前記出射端部に対して略直交である、請求項１に記載の組立体。
【請求項８】
前記第１のネガティブ導波路が、前記入射端部と前記出射端部との間に配置された傾斜表面を備える、請求項７に記載の組立体。
【請求項９】
前記第１のネガティブ導波路が、略Ｕ字形である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１０】
前記第１のネガティブ導波路が、細長い先細りの部材である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１１】
前記第１のネガティブ導波路が、細長い先の広がった部材である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１２】
前記第１のネガティブ導波路が、前記溶接ゾーンが曲線であるような曲線である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１３】
前記第１の非干渉赤外線光源が、曲線である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１４】
前記第１のネガティブ導波路の前記出射端部が、可変幅の曲線形状を備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項１５】
非干渉赤外線光エネルギを生成する第２の非干渉赤外線光源と、
入射端部および出射端部を有する第２のネガティブ導波路と、をさらに備え、前記第２の非干渉赤外線光源からの前記非干渉赤外線光エネルギは、前記入射端部で前記第２のネガティブ導波路に入射し、前記第２のネガティブ導波路を通過し、前記出射端部で前記第２のネガティブ導波路から出射し、前記第２のネガティブ導波路および前記第２の非干渉赤外線光源はそれぞれ、前記第１のネガティブ導波路および前記第１の非干渉赤外線光源に対して略直交する角度で配置される、請求項１に記載の組立体。
【請求項１６】
前記第１のネガティブ導波路が、Ｕ字形であり、前記第１の非干渉赤外線光源は、前記第１のネガティブ導波路の外側曲面に沿って、前記第１のネガティブ導波路と連通して位置決めされる、請求項１に記載の組立体。
【請求項１７】
前記第１のネガティブ導波路が、Ｕ字形であり、前記第１の非干渉赤外線光源は、前記第１のネガティブ導波路の内側曲面に沿って、前記第１のネガティブ導波路と連通して位置決めされる、請求項１に記載の組立体。
【請求項１８】
加工物の第１のプラスチック部品を加工物の第２のプラスチック部品にプラスチック溶接するための組立体であって、前記組立体は、
非干渉赤外線光エネルギをそれぞれ生成する複数の非干渉赤外線光源と、
入射端部および出射端部を有する第１のネガティブ導波路と、を備え、前記複数の非干渉赤外線光源からの前記非干渉赤外線光エネルギは、前記入射端部で前記第１のネガティブ導波路に入射し、前記第１のネガティブ導波路を通過し、前記出射端部で前記第１のネガティブ導波路から出射し、前記第１のネガティブ導波路は、非円形溶接ゾーンを生成する非円錐形の長手方向の断面を有する、組立体。
【請求項１９】
前記複数の非干渉赤外線光源が、互いに隣接して配置され、アレイを形成する、請求項１８に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年８月３１日出願の米国特許出願第１１／２１６，７１１号の一部継続出願である２００６年９月１３日出願の米国特許出願第１１／５２０，２２７号の継続出願である。上記の出願の開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般的に、プラスチック溶接に関し、さらに詳細には、プラスチック溶接用の非干渉赤外線光源と共に用いるための導波路に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、プラスチック部品または樹脂部品の溶接技術は、超音波溶接、熱溶接、ごく最近では、透過赤外線（ＴＴＩｒ：Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）溶接をはじめとする種々の技術を取り込んでいる。
【０００４】
ＴＴＩＲ溶接は、第１のプラスチック部品を通過して第２のプラスチック部品に達する赤外線光を使用する。ＴＴＩＲ溶接は、現在の技術において、赤外レーザ光または非干渉赤外線光のいずれかを用いることができる。現在の技術において赤外レーザ光は、光ファイバ、導波路，または導光路によって、第１のプラスチック部品を通って第２のプラスチック部品に向けられることができる。この第１のプラスチック部品は、一般的に、レーザからのレーザビームを通過させることができるので、透過部品と呼ばれることが多い。第２のプラスチック部品は、一般的に、溶接ゾーンにおいて熱を生成するためにレーザビームの放射エネルギを吸収するので、吸収部品と呼ばれることが多い。溶接ゾーンにおけるこの熱が、透過部品および吸収部品を溶融させ、したがって、共に溶接させる。しかし、従来のレーザシステムによって生成される熱は、高価であることが多く、製造コストの増大につながる。レーザ溶接の代替的な変形例は、米国特許第４，６３６，６０９号明細書において見られることができ、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００５】
よく知られているように、レーザは一般的に、特定の周波数または周波数範囲で、電磁放射線の集束ビームを提供する。溶接ゾーンを加熱に用いる比較的経済的な放射エネルギ源を提供する複数のタイプの使用可能なレーザがある。赤外レーザによって生成されるこの放射エネルギは、たとえば、単一光ファイバ、光ファイバ束、導波路、導光路などの複数の透過デバイスを通じて、または単に対象の溶接ゾーンにレーザビームを向けることによって対象の溶接ゾーンに供給されることができる。光ファイバ束の場合には、光ファイバ束は、スポット溶接のために用いられることが多い単一のレーザビーム点光源、または、直線溶接のために用いられることが多い略直線状に分散されるレーザビームのいずれかを生成するように配置されてもよい。
【０００６】
プラスチックを溶融するために非干渉赤外線光源を用いたプラスチック溶接を行うことができる。そのような実施例は、同一出願人による米国特許第６，５２８，７５５号明細書において見られ、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。非干渉赤外線光と共に用いられる２つの主要なプラスチック溶接処理、すなわち、部品同士の表面加熱赤外線溶接およびＴＴＩｒ溶接がある。
【０００７】
図１Ａから図１Ｃにおいてみられるように、部品同士の表面加熱赤外線溶接は、まず溶接対象のプラスチック部品１１２、１１４を加熱する非干渉赤外線光源１１０を用いる。次に、非干渉光源１１０は除去され（図１Ｂ）、部品１１２、１１４は圧着される（図１Ｃ）。部品が冷却されると、溶接境界１１６に沿って接合部が形成され、それにより、部品を溶接する。
【０００８】
他方、図２において見られるように、上述した溶接と類似のＴＴＩｒ溶接は、非干渉赤外線光１２０を非干渉赤外線光源１２２から溶接対象の第１のプラスチック部品（透過部品）１２４を通過させる。この非干渉赤外線光１２０は、溶接線１２６において溶接対象の第２のプラスチック部品（吸収部品）１２８または溶接ゾーンにおける表面添加物のいずれかに吸収され、それによって、溶接ゾーンに沿って透過部品１２４および吸収部品１２８を加熱して溶融する。冷却されると、第１のプラスチック部品１２４および第２のプラスチック部品１２８は結合する。
【０００９】
なお、これらの処理において用いられる非干渉赤外線光源は、図１Ａから図１Ｃおよび図２において見られるように、そのエネルギを全方向に向けることが認識されるべきである。図３において見られるように、このエネルギを特定の溶接に向けようとする放物面反射体または楕円反射体１４０の使用が試みられているが、そのような反射体は、特定の溶接領域にこのエネルギを確実かつ効率的に向けることができない。放物面反射体または楕円反射体は、実に赤外線光の約５０パーセント（５０％）を集光するが、残りの５０パーセント（５０％）は、非効率的に拡散する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶融対象でない領域に達する赤外線エネルギを最小限に抑えようとするために、マスキングが用いられてきた。マスキングにより、赤外線光が溶融対象でない領域に達しないようにすることができるが、これらのマスキングされた領域に当たる赤外線光は、溶接処理において無駄となる。したがって、より大きくて、さらに高価な非干渉光源が必要とされる。
【００１１】
赤外線電球は、最もよく知られ、よく用いられている非干渉赤外線光源である。通常、これらの電球は、最大出力で動作する場合には、耐用期間が制限される。しかし、本明細書に記載のように、光の伝達の非効率性が理由で、溶接領域に十分なエネルギを提供して溶接のための十分な加熱および溶融を達成するためには、これらの赤外線電球は、最大出力で動作しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本課題に対する解決策は、加工物の第１の部品を加工物の第２の部品に結合する溶接を生成するための組立体を含む。組立体は、非干渉光エネルギを生成する第１の非干渉光源と、入射端部および出射端部を有する第１のネガティブ導波路と、を備え、第１の非干渉光源からの非干渉光エネルギおよび第１の反射体によって反射された非干渉光エネルギは、入射端部で第１のネガティブ導波路に入射し、第１のネガティブ導波路を通過し、出射端部で第１のネガティブ導波路から出射する。第１のネガティブ導波路は、非円形溶接ゾーンを生成する非円錐形の長手方向の断面を有する。
【００１３】
本発明のさらなる適応範囲領域は、以下の詳細な説明から明確となるであろう。詳細な説明および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すと同時に、説明のためのみに意図されており、本発明の範囲を限定することを意図していないことは理解されるべきである。
【００１４】
本発明は、詳細な説明および添付図面からさらに十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】従来技術による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図１Ｂ】従来技術による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図１Ｃ】従来技術による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図２】従来技術によるＴＴＩｒ溶接を示す側面図である。
【図３】従来技術による反射体を示す側面図である。
【図４Ａ】本発明の原理による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図４Ｂ】本発明の原理による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図４Ｃ】本発明の原理による部品同士の表面加熱を示す側面図の１つである。
【図５】本発明の原理によるＴＴＩｒ溶接を示す側面図である。
【図６Ａ】従来技術によるポジティブ導波路の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の原理によるネガティブ導波路の断面図である。
【図７】可撓性のポジティブ導波路を用いた従来技術による溶接を示す概略図である。
【図８】簡単な円錐形導波路を示す概略図である。
【図９】本発明の原理による非円形スポットを生成する複雑な導波路を示す概略図である。
【図１０】本発明の原理による曲線光源および曲線導波路を示す概略図である。
【図１１】本発明の原理による曲線光源および可変幅曲線導波路を示す概略図である。
【図１２】本発明の原理による交差光源および交差導波路を示す概略図である。
【図１３】本発明の原理による細長い光源の平面アレイおよび複雑な導波路を示す概略図である。
【図１４】本発明の原理による複数の点光源および複雑な導波路を示す概略図である。
【図１５】本発明の原理による単一の複雑な導波路と連通する複数の細長い光源を示す概略図である。
【図１６】本発明の原理による複数の複雑な導波路と連通する単一の光源を示す概略図である。
【図１７】本発明の原理による複数の複雑な導波路と連通する複数のさまざまなタイプの光源を示す概略図である。
【図１８】本発明の原理による細長い先細りの導波路と連通する細長い光源を示す概略図である。
【図１９】本発明の原理による外向きに広がった導波路と連通する細長い光源を示す概略図である。
【図２０】本発明の原理による入射に対して約９０°の出射を有する湾曲導波路と連通する細長い光源を示す概略図である。
【図２１】本発明の原理による角度を成した反射コーナーを有する入射に対して約９０°の出射を有する湾曲導波路と連通する細長い光源を示す概略図である。
【図２２】本発明の原理によるＵ字形の導波路と連通し、Ｕ字形の導波路の外側境界の周囲に配置された複数の細長い光源を示す概略図である。
【図２３】本発明の原理によるＵ字形の導波路と連通し、非均一な向きでＵ字形の導波路の内側境界の周囲に配置された複数の細長い光源を示す概略図である。
【図２４】本発明の原理による１対の一次導波路およびそれらの間に配置された間隙充填導波路と連通する１対の細長い光源を示す概略図である。
【図２５】本発明の原理による均一な溶接範囲を提供するために、互いに重なる１対の一次導波路と連通する１対の細長い光源を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の好ましい実施形態の説明は、本質的には例示に過ぎず、本発明、その適用または使用を限定することを全く意図していない。
【００１７】
ここで図４Ａから図４Ｃを参照すると、本教示の原理による、第１の非干渉赤外線光源１４および第２の非干渉赤外線光源１６を用いて、第１のプラスチック部品１０を第２のプラスチック部品１２に溶接するための装置および方法が提供される。具体的には、第１の非干渉赤外線光源１４および第２の非干渉赤外線光源１６はそれぞれ、支持構造１８に取り付けられて、支持構造１８によって保持される。第１の非干渉赤外線光源１４は、第１のネガティブ導波路組立体２０内部に配置される。第１のネガティブ導波路組立体２０は、反射体部分２２およびネガティブ導波路部分２４を備える。いくつかの実施形態において、ネガティブ導波路部分２４は、反射体部分２２と一体に形成され、単一の一体組立体を形成する。いくつかの実施形態において、第１の非干渉赤外線光源１４は、反射体部分２２の焦点に位置決めされる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、反射体部分２２は、第１の非干渉赤外線光源１４からの非干渉赤外線光をネガティブ導波路部分２４に向けるような任意の外形を画定する形状にされることができる。さらに詳細には、反射体部分２２は、第１の非干渉赤外線光源１４からの非干渉赤外線光を所定の方向に向け、ネガティブ導波路部分２４内に分散させることができる楕円外形または放物面外形を画定する形状にされてもよい。いくつかの実施形態において、第１の非干渉赤外線光源１４は、反射体部分２２の焦点に位置決めされる。いくつかの実施形態において、ネガティブ導波路部分２４は、第１の非干渉赤外線光源１４および反射体部分２２からの非干渉赤外線光を受光し、この非干渉赤外線光をその出射端部２６に向けるおよび／または搬送するような形状にされる。同様に、第２の非干渉赤外線光源１６は、第２のネガティブ導波路組立体２８と併せて用いられるように配置される。第２のネガティブ導波路組立体２８は、第１のネガティブ導波路組立体２０と同一であるが、第１のネガティブ導波路組立体２０に対して鏡像関係にある。したがって、簡略にするために、第２のネガティブ導波路組立体２８の詳細な説明は、必要でないと思われる。
【００１９】
動作中、第１の非干渉赤外線光源１４および第２の非干渉赤外線光源１６はそれぞれ、非干渉赤外線光を出射するように作動される。この非干渉赤外線光は、第１の非干渉赤外線光源１４および第２の非干渉赤外線光源１６から均一かつ放射状に分散される。しかし、反射体部分２２に向けられた非干渉赤外線光は、反射体部分２２によってネガティブ導波路部分２４に向かって再指向および／または集束される。さらに、ネガティブ導波路部分２４は、非干渉赤外線光をその出射端部２６に向ける、および／または搬送する。第１のネガティブ導波路組立体２０の出射端部２６および第２のネガティブ導波路組立体２８を出射する非干渉赤外線光は、第１のプラスチック部品１０および第２のプラスチック部品１２の所定の部分に向けられ、第１のプラスチック部品１０の第１の溶接ゾーン３０および第２のプラスチック部品１２の第２の溶接ゾーン３２をそれぞれ局所的に加熱する。一旦、第１の溶接ゾーン３０および第２の溶接ゾーン３２が光エネルギの吸収によって十分に加熱されると、支持構造１８は、第１のプラスチック部品１０および第２のプラスチック部品１２に対して移動され、第１のプラスチック部品１０および第２のプラスチック部品１２を圧着して完成した溶接ゾーン３４を画定することができる。
【００２０】
ここで図５を参照すると、本教示の原理は、ＴＴＩｒ溶接に関して用いられることができる。具体的には、非干渉赤外線光源４０が、ネガティブ導波路組立体４２内に配置される。ネガティブ導波路組立体４２は、反射体部分４４およびネガティブ導波路部分４６を備える。いくつかの実施形態において、ネガティブ導波路部分４６は、反射体部分４４と一体に形成され、単一の一体組立体を形成する。
【００２１】
上述の反射体部分２２と同様に、反射体部分４４は、第１の非干渉赤外線光源４０からの非干渉赤外線光をネガティブ導波路部分４６に向けるような任意の外形を画定する形状にされることができる。さらに詳細には、反射体部分４４は、非干渉赤外線光源４０からの非干渉赤外線光を所定の方向に向け、ネガティブ導波路部分４６内に分散させることができる楕円外形または放物面外形を画定する形状にされてもよい。いくつかの実施形態において、非干渉赤外線光源４０は、反射体部分４４の焦点に位置決めされる。いくつかの実施形態において、ネガティブ導波路部分２４と同様に、ネガティブ導波路部分４６は、非干渉赤外線光源４０および反射体部分４４からの非干渉赤外線光を受光し、この非干渉赤外線光をその出射端部４８に向けるおよび／または搬送するような形状にされることができる。
【００２２】
動作中、非干渉赤外線光源４０は、非干渉赤外線光を出射するように作動される。この非干渉赤外線光は、非干渉赤外線光源４０から均一かつ放射状に分散される。しかし、反射体部分４４に向けられた非干渉赤外線光は、反射体部分４４によってネガティブ導波路部分４６に向かって再指向および／または集束される。さらに、ネガティブ導波路部分４６は、非干渉赤外線光をその出射端部４８に向ける、および／または搬送する。ネガティブ導波路組立体４２の出射端部４８を出射する非干渉赤外線光は、第１の透過部品５０に向けられる。この非干渉赤外線光は次に、第１の透過部品５０と第２の吸収部品５４との間の溶接線５２で吸収される。さらに詳細には、非干渉赤外線光は、第１の透過部品５０を通過して、第２の吸収部品５４によって、または第１の透過部品５０と第２の部品５４との間に設けられた表面添加物によって吸収され、それにより、溶接線５２に沿って第１の透過部品５０および第２の部品５４を加熱して溶融する。一旦、第１の透過部品５０および第２の吸収部品５４が、溶接線５２で光エネルギの吸収を通じて十分に加熱されると、第１の透過部品５０および第２の吸収部品５４は冷却されて、溶接された結合物を結果として生じる。
【００２３】
図５および図６Ｂに示すように、上述の種々の非干渉赤外線光源からの非干渉赤外線光は、ネガティブ導波路を通じて溶接される部品の所定の部分に向けられる。このネガティブ導波路は、非干渉赤外線光が向けられている場所を正確に制御し、それにより、非干渉赤外線光が伝達される効率を著しく増大する。
【００２４】
非干渉赤外線光は、今日、一般的に知られている複数の適切な光源の任意の１つから発することができる。非限定的な実施例として、本明細書に記載の非干渉赤外線光源は、赤外線照射フレーム、耐フィラメント加熱器、フィラメント電球、ガス放電電球、黒体放射体、放射性高温体、その他の非干渉赤外線光源を含む。なお、いくつかの実施形態において、フィラメントハロゲン電球またはレスティブフィラメント加熱器が、コスト効率、有用性および設計の自由度を最大限に発揮することが分かっている。
【００２５】
同様に、複数あるネガティブ導波路の任意の１つが、本発明に関して用いるのに適切であり得る。ネガティブ導波路の反射キャビティは、研磨された金属表面または反射性の高い誘電薄膜コーティングを有していてもよい。さらに、いくつかの実施形態において、ネガティブ形態は、非干渉赤外線光に対して透過性である気体または液体で充填されていてもよい。あるいは、導波路のネガティブ形態は、その中に真空を形成するように空にされることが可能である。なお、最もコスト効果の高い実施形態は、その耐久性、効率およびより高い波長帯域から金属メッキを有する空気充填ネガティブ金属導波路であると思われる。
【００２６】
一般的に、ネガティブ導波路は、その簡単さおよびより高い波長帯域のため、ポジティブ導波路より好ましい。非干渉赤外線光源が広帯域発光体であるために、ネガティブキャビティ導波路のより高い波長帯域が重要となる。
【００２７】
本教示による溶接対象のプラスチック部品は、視覚的に透明、半透明または不透明である材料から構成されることができる。唯一の要件は、部品同士の赤外線溶接処理において、溶接するために、部品が、赤外線に対して吸収性であるかまたは赤外線に対して吸収性である表面添加物を有していなければならないことである。ＴＴＩｒ処理の場合には、必要な局所的加熱を生じて確実な溶接表面をもたらすために、溶接対象の一方の部品が赤外線に対して透過性があり、溶接対象の他方の部品が赤外線に対して吸収性があるか、または、赤外線に対して吸収性がある他方の部品の代わりに、２つの部品の間に吸収性表面添加物が存在する必要がある。
【００２８】
本明細書に述べるように、プラスチックは、裸の非干渉赤外線光源を用いて溶接されることができるが、出力のさらに効率的な利用は、何らかの光学手段を通じて赤外線光をより直接的に溶接領域に向けることである。
【００２９】
産業において一般的に用いられる１つの手段は、部品をマスキングすることである。これは、溶接領域にのみエネルギを与えるが、光源が発している赤外線光の大部分を無駄にする。
【００３０】
産業において一般的に用いられる第２の手段は、放物面反射体または楕円反射体を用いて、光源を反射することである。これは、溶接領域にエネルギの５０パーセントまで集光することができるが、残りの５０パーセントは、非効率的に拡散してしまう。
【００３１】
第３の手段は、レンズを用いることである。残念ながら、大部分の非干渉赤外線光源が呈する黒体スペクトルでは、ガラスレンズおよびプラスチックレンズは、非干渉赤外線光のエネルギの大部分を透過しない。さらに新種の赤外線材料が用いられることができ、産業で用いられているが、コストの理由でこの手法が選択されることは稀である。
【００３２】
第４の手段は、光ファイバまたはポジティブ誘電導波路を用いることである。ガラスレンズおよびプラスチックレンズが非効率的であるという同じ理由から、光ファイバまたはポジティブ誘電導波路は、既存の材料を用いて広帯域の非干渉赤外線光用の透過帯域を有することができないために、非効率的である。
【００３３】
第５の手段は、非干渉光を簡単なスポットに向けるために、光源の下流に簡単な円錐光学集光器を用いることである。これは、赤外線光を溶接領域に集光するために効率的な手法であるが、幾何形状において簡単なスポットに限定される。
【００３４】
第６の手段は、本教示に新規であり、非干渉赤外線プラスチック溶接に一般的なネガティブ導波路を用いることである。ネガティブ導波路の反射キャビティは、研磨された金属表面または反射性の高い誘電薄膜コーティングを有することができる。導波路は、裸の光源より約３倍効率的であり、反射キャビティは、非干渉赤外線光源からそのスペクトル全体にわたって、広帯域の放射線を効率的に透過することができる。簡単な円錐光学集光器は、ネガティブ導波路の特殊な限定されたものであるが、幾何形状において簡単なスポットの生成に限定される。一般的なネガティブ導波路は、２次元および３次元の両方において、任意の溶接幾何形状に概ね適合させ、任意の光源の幾何形状に概ね対応することができるという利点を有するより包括的なものである。さらに、ネガティブ導波路は、コーナー周囲でエネルギを透過し、複数の光源を組み合わせ、複数の溶接領域に透過することができる。
【００３５】
最良の手段は、光源と溶接対象の部品の溶接領域との間で、光源の下流にある一般的なネガティブ導波路と非干渉赤外線光源の背後に放物面反射体または楕円反射体を組み合わせることである。
【００３６】
簡単な円錐光学集光器の幾何形状は、図８において見られることができる。明解にするため、すべての図において、非干渉赤外線光源を灰色で示し、ポジティブ形態はネガティブ導波路のキャビティを表すと理解すべきであるが、導波路はポジティブな形態として示される。集光器は、円錐に限定され、光源から前方に簡単な集光円形スポットを生成する。
【００３７】
他方、一般的なネガティブ導波路は、はるかに複雑な要素であり、はるかに大きな設計の自由度が可能である。設計の自由度は、以下の実施例において見られることができる。
【００３８】
図９において、一般的なネガティブ導波路は、複雑なスポット形状を、すなわち、簡単な円錐集光器より複雑なスポット形状を生成することができることがわかる。また、このネガティブ導波路は、直線または曲線を生成することができる。光源４０の線または曲線の幾何形状は、図１０において見られるように、溶接パターン５２と同一の線または曲線の幾何形状に適合しなくてもよい。さらに、溶接パターン５２の線幅は、図１１において見られるように、均一でなくてもよい。図１１において、曲線光源４０は、曲線経路に沿って幅が異なる導波路４６とともに用いられることができる。このように、溶接パターン５２は、固有の形状を画成することができる。また、図１２において見られるように、交差も一般的なネガティブ導波路に組み込まれることができ、第１の光源４０および第１の導波路４６は、図示されているように９０°などの角度で、第２の光源４０’および第２の導波路４６’と交差する。
【００３９】
図１３および図１４において見られるように、領域は、導波路４６に収容される広帯域の赤外線発光体４０の１次元または２次元のアレイによって画成された方法で照射されることができる。スポット、線、交差および領域を組み合わせることにより、任意の自由な２次元溶接パターンを生成することができる。
【００４０】
個別の光源からの照射は、図１５の場合のように、溶接パターン５２の均一性を保証するように混合されることができ、複数の光源４０は、同軸に整列され、単一の導波路４６によって制御される。なお、いくつかの実施形態において、図１６において見られるように、単一の光源４０は、複数の導波路４６、４６’、４６”を通って複数の場所に投射されることができる。このように、複数の導波路４６、４６’、４６”のそれぞれは、それらの長手軸が互いに対してある角度を成すように位置決めされることができる。なお、複数の異なる光源４０、４０’、４０”は、図１７において見られるように、１つまたは複数の導波路４６を通って、単一の溶接パターン５２に結合されることができる。光源は、図１８において見られるように集光されることができ、または図１９において見られるようにわずかに分散させることができ、光源および溶接強度を異なるようにすることが可能である。
【００４１】
一般的なネガティブ導波路は、３次元における溶接幾何形状を生成するように拡張されることができる。光源からの出力は、図２０の場合のように、湾曲部を通って、または図２１の場合のようにバウンス平面を通って、コーナーの周囲に向けられることができる。このように、導波路４６の入口は、出口に対して、図示されているように９０°などの角度で配置される。図２２において見られるように、外側に上下する溶接幾何形状曲線（フラウンと呼ばれる）の場合には、個別の光源４０が組み合わせられて、外側曲面１００の周囲に均一な照射強度を与える。内側に上下する溶接曲線（スマイルと呼ばれる）は、図２３において見られるように、さらに複雑である。図２３において見られるように、内側曲線１０２で利用可能な空間が制限されるので、均一な強度を達成するために、光源４０は溶接線に対して傾斜され、ジグザグの導波路が間に配置される。図２４において見られるように、外側の上下にコーナーがある場合には、光源は、均一な照射のために離されるが、光源の間に導波路接続部を有し、コーナーに低温スポットを生じないようにする。図２５において見られるように、内側の上下にコーナーがある場合には、内側空間が制限されているので、均一な照射を達成するためには、光源は隣り合っていなければならず、導波路は重なっていなければならない。コーナーの周囲にエネルギを向け、エネルギを溶接曲線およびコーナーの内側および外側に向けることができる組み合わせを用いるほか、２次元技術を組み合わせることにより、実質的に任意の溶接幾何形状の３次元照射が可能になる。
【００４２】
非干渉赤外線プラスチック溶接のための一般的なネガティブ導波路の使用には、複数の利点がある。光学効率の増大のほか、赤外線光が向けられる場所についての精度により、機械において無駄な熱を少なくし、電力消費を少なくする結果となる。赤外線電球が電源に用いられる場合には、効率の増大により、より少ない電力で電球を用いることができ、電球の耐用期間を著しく増大させる。導波路は、光源の幾何形状が溶接対象の部品の幾何形状とは異なることを可能にする。これにより、工具の設計の自由度を許容する。また、これにより、規格化された電球またはフィラメントの使用することができ、特別に製造する電球またはフィラメントより著しくコストが削減される。また、導波路は、赤外線光が溶融すべきでない部品に溶融領域を生じないようにし、溶接の品質を向上させる。
【００４３】
本発明の説明は、本質的に例示に過ぎず、したがって、本発明の主旨を逸脱することのない変形例は、本発明の範囲内であることを意図している。そのような変形例は、本発明の精神および範囲を逸脱するものと見なされるべきではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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