(57)【要約】      （修正有）【課題】透過材と吸収材との溶着強度の向上を実現可能なレーザ溶着装置を提供する。【解決手段】レーザを透過する透過材Ｗ１とレーザを吸収する吸収材Ｗ２とを重ね合わせた状態で前記透過材Ｗ１側から両部材の接合面にレーザを照射して両部材を溶着させるレーザ溶着装置Ａにおいて、前記透過材Ｗ１と前記吸収材Ｗ２とを重ね合わせた状態で透過材Ｗ１表面から前記接合面に向かって圧力を加える加圧手段２を備え、前記加圧手段２は、前記透過材Ｗ１表面に設定された複数の加圧箇所に応じて個別に圧力を調整可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを透過する透過材とレーザを吸収する吸収材とを重ね合わせた状態で前記透過材側から両部材の接合面にレーザを照射して両部材を溶着させるレーザ溶着装置において、
前記透過材と前記吸収材とを重ね合わせた状態で透過材表面から前記接合面に向かって圧力を加える加圧手段を備え、
前記加圧手段は、前記透過材表面に設定された複数の加圧箇所に応じて個別に圧力を調整可能であることを特徴とするレーザ溶着装置。
【請求項２】
前記加圧手段は、
前記透過材表面に設定された複数の加圧箇所のそれぞれに個別に接触する押圧部材と、
前記押圧部材のそれぞれに個別に設けられ、該押圧部材に所定の荷重を印加する荷重印加機構と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着装置。
【請求項３】
前記荷重印加機構によって前記押圧部材のそれぞれに個別に印加される荷重は、前記透過材側の接合面及び前記吸収材側の接合面の平面度に応じて設定されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶着装置。
【請求項４】
前記押圧部材のそれぞれは、前記透過材に対するレーザ照射の妨げとならないように形状設定されることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ溶着装置。
【請求項５】
前記透過材表面の加圧箇所は、前記押圧部材のそれぞれによって前記透過材の外周縁部が加圧されるように設定されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のレーザ溶着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶着装置に関し、特に、レーザを透過する透過材とレーザを吸収する吸収材とを重ね合わせた状態で透過材側から両部材の接合面にレーザを照射して両部材を溶着させるレーザ溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、レーザを吸収する吸収性樹脂材料からなる被接合体の上に、レーザを透過する透過性樹脂材料からなる接合体を重ねて配置し、該接合体の直上から押圧治具によって押圧力を加えて接合体と被接合体を密着させた状態で、押圧治具の斜め側方から接合体と被接合体の接合面に向けてレーザを照射することにより、接合体と被接合体とを接着（溶着）させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２５９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の技術では、接合体側或いは被接合体側の接合面に変形等が原因で平面度のバラツキが存在すると、押圧治具によって接合面の全面が均等に押圧されるが故に、平面度の精度が低い部分の密着度が低下し、その部分の溶着が不十分になる虞がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、透過材と吸収材との溶着強度の向上を実現可能なレーザ溶着装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、レーザ溶着装置に係る第１の解決手段として、レーザを透過する透過材とレーザを吸収する吸収材とを重ね合わせた状態で前記透過材側から両部材の接合面にレーザを照射して両部材を溶着させるレーザ溶着装置において、前記透過材と前記吸収材とを重ね合わせた状態で透過材表面から前記接合面に向かって圧力を加える加圧手段を備え、前記加圧手段は、前記透過材表面に設定された複数の加圧箇所に応じて個別に圧力を調整可能であることを特徴とする。
このような特徴を有するレーザ溶着装置によれば、透過材と吸収材の接合面内の場所に応じて個別に加圧圧力を調整できるため、透過材側或いは吸収材側の接合面に変形等が原因で平面度のバラツキが存在する場合であっても、両部材の密着度を高いまま維持することができ、その結果、透過材と吸収材との溶着強度の向上を実現可能である。
【０００７】
また、本発明では、レーザ溶着装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記加圧手段は、前記透過材表面に設定された複数の加圧箇所のそれぞれに個別に接触する押圧部材と、前記押圧部材のそれぞれに個別に設けられ、該押圧部材に所定の荷重を印加する荷重印加機構とを備えることを特徴とする。
このような特徴を有するレーザ溶着装置によれば、透過材表面に設定された複数の加圧箇所に応じて個別に圧力を調整可能な加圧手段を簡単な構成で実現できる。
【０００８】
また、本発明では、レーザ溶着装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記荷重印加機構によって前記押圧部材のそれぞれに個別に印加される荷重は、前記透過材側の接合面及び前記吸収材側の接合面の平面度に応じて設定されることを特徴とする。
このような特徴を有するレーザ溶着装置によれば、より透過材と吸収材との接触状態に適した加圧を行うことができるため、透過材と吸収材との溶着強度の向上に寄与する。
【０００９】
また、本発明では、レーザ溶着装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記押圧部材のそれぞれは、前記透過材に対するレーザ照射の妨げとならないように形状設定されることを特徴とする。
このような特徴を有するレーザ溶着装置によれば、押圧部材を用いた場合でも透過材に対するレーザ照射を確実に行うことができるため、両部材の溶着強度の向上に寄与する。
【００１０】
また、本発明では、レーザ溶着装置に係る第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれか１つの解決手段において、前記透過材表面の加圧箇所は、前記押圧部材のそれぞれによって前記透過材の外周縁部が加圧されるように設定されることを特徴とする。
このような特徴を有するレーザ溶着装置によれば、特に外周縁部が大きく変形するような透過材と吸収材との密着度を高めて、両部材の溶着強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ溶着装置によれば、透過材と吸収材との溶着強度の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るレーザ溶着装置Ａの構成概略図である。
【図２】レーザ溶着装置Ａを用いて透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を溶着させる手順を示すフローチャートである。
【図３】透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を溶着させる手順に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るレーザ溶着装置Ａの構成概略図である。なお、以下では、図中に示すＸＹＺの３軸座標系を参照しながら各部材の位置関係を説明する。ここでは、ＸＹ平面が水平面と平行な面として設定され、Ｚ軸がＸＹ平面に直交して鉛直方向に延びる軸として設定されている。また、装置構成の理解を容易とするために、図１における各部材の大きさを意図的に実際の部材の大きさと異ならせて表示している。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、レーザ溶着装置Ａは、レーザを透過する透過材Ｗ１とレーザを吸収する吸収材Ｗ２とを重ね合わせた状態で透過材Ｗ１側から両部材の接合面にレーザを照射して両部材を溶着させるものであって、ワークセット治具１、加圧装置２、レーザヘッド３、３軸移動機構４、レーザ発振器５、操作盤６及びコントローラ７を備えている。
【００１５】
なお、透過材Ｗ１としては、例えばポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリカーポネード等のレーザ透過性樹脂材料を用いることができる。また、吸収材Ｗ２としては、上述したレーザ透過性樹脂材料にレーザ吸収性を有する着色剤、例えばカーボンブラック等の炭素系材料等を添加したものを用いることができる（特許文献１参照）。
【００１６】
ワークセット治具１は、ワーク、つまり重ね合わされた透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２をＺ軸方向の下方から支持するワークステージ１ａと、コントローラ７による制御に応じてワークステージ１ａをＺ軸方向に上下動させる１軸移動機構１ｂとから構成されている。この１軸移動機構１ｂとしては、例えば油圧シリンダやリニアガイド、ボールネジ機構等のアクチュエータを用いることができる。
【００１７】
加圧装置２（加圧手段）は、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２とを重ね合わせた状態で透過材表面から両部材の接合面に向かって（つまりＺ軸方向の上方から下方へ向かって）圧力を加えるものであって、透過材表面に設定された複数の加圧箇所のそれぞれに個別に接触する押圧ブロック２ａ（押圧部材）と、押圧ブロック２ａのそれぞれに個別に設けられ、該押圧ブロック２ａに所定の荷重を印加する荷重印加機構２ｂと、各押圧ブロック２ａを個別にＺ軸方向の下方から支持するブロックステージ２ｃとから構成されている。
【００１８】
図１（ｂ）は、加圧装置２をＺ軸方向の上方から平面的に視た図である。この図に示すように、本実施形態では、一例として、特に外周縁部での変形が大きい正方形状の透過材Ｗ１及び吸収材Ｗ２を想定しており、このような正方形状の透過材表面の４隅近傍領域を加圧箇所として設定し、これら４つの加圧箇所のそれぞれに個別に接触するように４つの押圧ブロック２ａを平面的に配置している。このように、本実施形態において、透過材表面の加圧箇所は、押圧ブロック２ａのそれぞれによって透過材Ｗ１の外周縁部が加圧されるように設定されている。
【００１９】
また、図１（ｂ）に示すように、押圧ブロック２ａのそれぞれは、透過材Ｗ１に対するレーザ照射の妨げとならないように形状設定されている。本実施形態では、透過材表面の中央付近が露出するように、各押圧ブロック２ａの形状が設定されている。なお、各押圧ブロック２ａの構成材料としては特に限定はなく、金属材料でも樹脂材料でも良い。例えば、特許文献１に記載されているように、レーザ溶着後の透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２との溶着状態を目視にて確認するために、各押圧ブロック２ａを透明なガラスやアクリルによって作製しても良い。
【００２０】
荷重印加機構２ｂとしては、押圧ブロック２ａに対してＺ軸方向の上方から下方に向けて一定の荷重を印加できる機構であれば良く、例えばスプリングの伸長力を利用した機構や油圧シリンダ、サーボモータなどを利用した機構を用いることができる。また、後述するように、各荷重印加機構２ｂによって押圧ブロック２ａのそれぞれに個別に印加される荷重は、透過材Ｗ１側の接合面及び吸収材Ｗ２側の接合面の平面度に応じて設定される。
【００２１】
このように、本実施形態における加圧装置２は、透過材表面に設定された複数（４つ）の加圧箇所に応じて個別に圧力を調整可能な構造となっている。なお、各荷重印加機構２ｂは、Ｚ軸方向の所定位置に固定されているが、各押圧ブロック２ａ及びブロックステージ２ｃは、透過材表面に一定荷重を印加する構造上、Ｚ軸方向に対して一定量のストロークが許容されている。
【００２２】
レーザヘッド３は、レーザ発振器５から光ファイバを介して供給されるレーザ（例えばＹＡＧレーザ）を集光するレンズ等の光学系部品を内蔵しており、そのレーザの出射光軸３ａがＺ軸と平行となるように姿勢が固定された状態で３軸移動機構４に接続されている。３軸移動機構４は、コントローラ７による制御に応じてレーザヘッド３をＸＹＺ軸方向に移動させる機構である。この３軸移動機構４としては、例えばリニアガイドやボールネジ機構等のアクチュエータを用いることができる。
【００２３】
レーザ発振器５は、コントローラ７による制御に応じてレーザ（例えばＹＡＧレーザ）を発生してレーザヘッド３に供給する。操作盤６は、作業者がレーザ溶着装置Ａを操作する上で必要な各種操作キーや、レーザ溶着装置Ａの動作状態や設定情報等を表示する表示パネルを備えており、作業者による各種操作キーの操作情報をコントローラ７へ出力すると共に、コントローラ７から入力されるレーザ溶着装置Ａの動作状態や設定情報を表示パネルに表示させる。
【００２４】
コントローラ７は、操作盤６から入力される操作情報に基づいてレーザ溶着装置Ａの全体動作を制御する制御装置であり、具体的には１軸移動機構１ｂの制御によるワークステージ１ａの上下動、３軸移動機構４の制御によるレーザヘッド３の３軸移動、及びレーザ発振器５の制御によるレーザヘッド３からのレーザ照射を統括制御する。また、このコントローラ７は、レーザ溶着装置Ａの動作状態や設定情報等を操作盤６に出力する機能も有している。
【００２５】
次に、上記のように構成されたレーザ溶着装置Ａを用いて透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を溶着させる手順について図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、レーザ溶着装置Ａを用いて透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を溶着させる手順を示すフローチャートである。この図２に示すように、まず、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２をレーザ溶着装置Ａのワークステージ１ａにセットする前に、透過材Ｗ１側の接合面と吸収材Ｗ２側の接合面の平面度を計測する（ステップＳ１）。
【００２６】
平面度の計測手法としては、測定面の最も高い部分と最も低い部分との高低差を求める手法が知られている。本実施形態では、接合面内にて複数個所測定し、高低差の大きい部分と高低差の小さい部分を把握する。なお、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、特に外周縁部が大きく変形するような透過材Ｗ１を想定しているため、透過材Ｗ１側の接合面において上記外周縁部の平面度の精度が低い（高低差大）傾向となる。
【００２７】
続いて、上記ステップＳ１での平面度の計測結果に基づいて、各荷重印加機構２ｂによって押圧ブロック２ａのそれぞれに個別に印加される荷重を設定する（ステップＳ２）。具体的には、接合面内において、平面度の精度が高い部分(高低差小)の直上に配置される押圧ブロック２ａに対しては小さい荷重が印加されるように、また、平面度の精度が低い部分(高低差大)の直上に配置される押圧ブロック２ａに対しては大きい荷重が印加されるように荷重印加機構２ｂを調整する。例えば、荷重印加機構２ｂがスプリングの伸長力を利用して荷重を発生する機構であれば、バネレートの異なるスプリングに交換すれば良い。
【００２８】
そして、上記ステップＳ２の終了後、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を重ね合わせた状態でレーザ溶着装置Ａのワークステージ１ａにセットし（ステップＳ３）、操作盤６を操作してワークステージ１ａをリフトアップさせるようコントローラ７に指示する（ステップＳ４）。コントローラ７は、操作盤６からリフトアップの指示を受けると、１軸移動機構１ｂを制御してワークステージ１ａをＺ軸方向の上方へ移動させることにより、図３（ｂ）に示すように、透過材表面と各押圧ブロック２ａの下面とを接触させる。
【００２９】
ここで、ワークステージ１ａは、透過材表面と各押圧ブロック２ａの下面とが接触した後も、各押圧ブロック２ａがＺ軸方向の上方へ一定量押し込まれるまでリフトアップ制御される。これにより、各押圧ブロック２ａのそれぞれには、荷重印加機構２ｂによって個別にステップＳ２で設定された荷重が印加されるため、透過材Ｗ１側の接合面に外周縁部の変形が原因で平面度のバラツキが存在していても、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２の密着度を高く維持することができる。
【００３０】
そして、このように透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２の密着度を高く維持した状態で、操作盤６を操作してレーザ照射を開始するようコントローラ７に指示する（ステップＳ５）。コントローラ７は、操作盤６からレーザ照射開始の指示を受けると、３軸移動機構４を制御してレーザヘッド３を予め設定された高さ位置（Ｚ軸位置）に移動させた後、レーザ発振器５を制御してレーザヘッド３からレーザＬを照射させつつ、レーザヘッド３を予めＸＹ平面上に設定されたレーザ照射軌跡に沿って移動させる（図３（ｃ）参照）。
【００３１】
これにより、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２の接合面に対して上記レーザ照射軌跡に沿ってレーザＬが照射され、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２が接合面にて溶着される。なお、コントローラ７は、レーザ照射軌跡の最終端までレーザヘッド３を移動させると、レーザ発振器５を制御してレーザＬの照射を停止させると共に、３軸移動機構４を制御してレーザヘッド３の原点復帰を行う。
【００３２】
そして、レーザ照射終了後、操作盤６を操作してワークステージ１ａをリフトダウンさせるようコントローラ７に指示する（ステップＳ６）。コントローラ７は、操作盤６からリフトダウンの指示を受けると、１軸移動機構１ｂを制御してワークステージ１ａをＺ軸方向の下方へ移動させることにより、ワークステージ１ａを原点復帰させる。最後に、ワークステージ１ａから溶着された透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２を取り外してレーザ溶着作業が終了する（ステップＳ７）。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶着装置Ａによれば、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２の接合面内の場所に応じて個別に加圧圧力を調整できるため、透過材Ｗ１側或いは吸収材Ｗ２側の接合面に変形等が原因で平面度のバラツキが存在する場合であっても、両部材の密着度を高いまま維持することができ、その結果、透過材Ｗ１と吸収材Ｗ２との溶着強度の向上を実現することができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、外周縁部での変形が大きい正方形状の透過材Ｗ１及び吸収材Ｗ２を想定していたため、このような正方形状の透過材表面の４隅近傍領域を加圧箇所として設定し、これら４つの加圧箇所のそれぞれに個別に接触するように４つの押圧ブロック２ａを平面的に配置して透過材Ｗ１の外周縁部が加圧されるように加圧装置２を構成したが、押圧ブロック２ａの個数や配置は透過材Ｗ１及び吸収材Ｗ２の性質に応じて適宜変更可能であることは勿論である。
【００３５】
（２）上記実施形態では、荷重印加機構２ｂがスプリングの伸長力を利用して荷重を発生する機構であれば、バネレートの異なるスプリングに交換することで荷重設定を行う場合を例示したが、例えば荷重印加機構２ｂが電子制御によって荷重を調整可能なものであれば、コントローラ７によって荷重設定を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ…レーザ溶着装置、１…ワークセット治具、２…加圧装置（加圧手段）、３…レーザヘッド、４…３軸移動機構、５…レーザ発振器、６…操作盤、７…コントローラ、２ａ…押圧ブロック（押圧部材）、２ｂ…荷重印加機構、Ｗ１…透過材、Ｗ２…吸収材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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