(57)【要約】【課題】  大面積あるいは、立体的形状樹脂材料に関して、熱分解による被溶接樹脂の表面劣化を軽減して長期間に亘って輪郭線溶接を可能にする装置を提供する。【解決手段】  レーザー光線１１を吸収する光吸収性樹脂材（５２）と、前記樹脂材（５２）に重ね置かれた透明性樹脂材（５１）とから成る被溶接材料の界面近傍にレーザー光線を集光照射する機構（１２）と、該光照射箇所表面の冷却及び押圧を行う加圧ガス吹付機構（３０、３１）と、上側の樹脂（５１）にローラーが常に密着した状態で移動して、該光照射箇所を押圧することができるローラー機構（２１〜２２）との３個の機構が備わっていて、同時に前記３個の機構を働かせることが可能であり、回転することなく任意方向へと平行移動して輪郭線溶接することができることを特徴とするレーザーヘッド（１）を備えた樹脂用レーザー溶接装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明性樹脂材料（５１）と光吸収性樹脂材料（５２）とを重ね、透明樹脂側からレーザー光（１１）を集光照射して溶接するレーザー溶接装置において、
上部機構枠（４１）に取り付けられたレーザー集光機構（１２）と、同じく該上部機構枠に取り付けられ、被溶接樹脂材に対して前記レーザー光線と同軸方向から加圧ガスを吹き付ける加圧ガス吹付機構（３０、３１）とから成る上部構造と、
下部機構枠（４２）に取り付けられ、一個又は複数の軸受（２１、２３）と、一個又は複数のローラー（２２又は２４）とから成っている事により上部構造とは独立に前記レーザー集光機構（１２）の光軸の周りでの自由な回転と直進運動を可能にする下部構造とから成ることを特徴とするレーザー加工ヘッド（１又は２）を備えた樹脂用レーザー溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載の上部機構枠（４１）と下部機構枠（４２）とが前記光軸を回転軸とする軸受（２１）によって結合されており、該光軸に対する回転軸の傾きを０度から４５度とする複数の円盤状ローラー（２２）が該軸受（２１）の下部の前記光軸の周りに等間隔に取り付けられていることを特徴とするレーザー加工ヘッド（１）を備えた請求項１記載の樹脂用レーザー溶接装置。
【請求項３】
請求項１記載の上部機構枠（４１）と下部機構枠（４２）とが前記光軸を回転軸とする軸受（２１）によって結合されていて、前記光軸に垂直な面内で該光軸からずれた位置の該光軸に対する回転軸の傾きが０度から４５度である１個の軸受（２３）にはめ込まれた１組の円盤状ローラー（２４）が該軸受（２１）の下部に取り付けられていることを特徴とするレーザー加工ヘッド（２）を備えた請求項１記載の樹脂用レーザー溶接装置。
【請求項４】
被溶接樹脂との接触面がゴム或いは粘着テープなどの粘性のある材料によってできていることを特徴とする一輪車と、速度制御が可能な小型電動機とからなる電動機付一輪車（３）に、請求項１記載のレーザー加工ヘッド（１）又は（２）を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の樹脂用レーザー溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、レーザー光線を用いて、光吸収性樹脂材料と光透明性樹脂材料とを重ね合わせて輪郭線溶接を行う技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  相互に接触している透明性樹脂材料と光吸収性樹脂材料との界面に、透明性樹脂材料側からレーザー光を集光照射してレーザー溶接を行う場合、界面の温度が上昇して溶融するだけでなく、界面の熱が伝導して、レーザー光照射側の透明性樹脂材料表面の温度が上昇して、表面が局部的に変形したり、表面の樹脂が熱解離してガスが生じたりすることが知られている。【０００３】  被溶接材料が板状の場合には、透明性樹脂材料と光吸収性樹脂材料との密着性の向上も考慮して、被溶接透明性樹脂板の上に熱伝導性の良好な比較的に重量のある透明固体板（ヒートシンク）を乗せて、ヒートシンク側からレーザー光を集光照射することにより、前記の変形及び熱解離に関する問題を防止して溶接できることがよく知られている。【０００４】  また、立体的形状を含む任意形状の材料に関しては、前記固体板の代わりに球或いは円柱状の透明回転体をヒートシンクと加圧を兼ねたローラーとして、ヒートシンク側からレーザー光を集光照射して溶接する方法が特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３６６７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  前記のような透明固体板（ヒートシンク）を広い面積或いは立体的形状をもつ樹脂の溶接に使う事は経済的に困難である。図６に概略を示した特許文献１に記載されているレーザー溶接ヘッドを用いた場合には、このようなヒートシンクを使わなくて済むのであるが、別の問題が生じる可能性がある。即ち、レーザー光照射により昇温・熱分解して生じるガスが、透明回転体のローラー（１５）表面に持続的に付着固化して透明度が次第に減少すると共に、該ローラー表面に傷がつき光散乱が生じるために、常時該ローラーを２回通過して樹脂溶接部に照射されるレーザービームの光量が使用時間に伴って徐々に低下するという問題がある。このために、長期間に亘っての溶接は難しいと考えられる。【０００７】  従って、本発明にとっての課題は、透明ヒートシンクを使うことなく、レーザービームの被溶接領域への集光照射と、被溶接樹脂の押圧と、被溶着樹脂表面の冷却とを行なった状態で、被溶接樹脂表面上を自由に動くことのできるレーザー加工ヘッドを使って、溶接予定の線に沿って連続的に溶接できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  従来、薄い樹脂板或いは立体的な樹脂板に関しては、技術的経済的に良質な溶接が困難であった。本発明者は、専用のレーザー溶接装置を試作し、透明と黒色のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂の平板及びそれを熱変形して立体的形状にしたものを夫々重ね合わせたものを被溶接材として良質なレーザー溶接が行われるべく、装置の改良を重ねるなかで樹脂シートとしての特性をほぼ失うことなく接合が可能なレーザー溶接方法を見出したのである。【０００９】この結果を基盤にして、以下の課題解決の手段を見出すことができたのである。【００１０】〈１〉  透明性樹脂材料（５１）と光吸収性樹脂材料（５２）とを重ね、透明樹脂側からレーザー光（１１）を集光照射して溶接するレーザー溶接装置において、
上部機構枠（４１）に取り付けられたレーザー集光機構（１２）と、同じく該上部機構枠に取り付けられ、被溶接樹脂材に対して前記レーザー光線と同軸方向から加圧ガスを吹き付ける加圧ガス吹付機構（３０、３１）とから成る上部構造と、
下部機構枠（４２）に取り付けられ、一個又は複数の軸受（２１、２３）と、一個又は複数のローラー（２２又は２４）とから成っている事により上部構造とは独立に前記レーザー集光機構（１２）の光軸の周りでの自由な回転と直進運動を可能にする下部構造とから成ることを特徴とするレーザー加工ヘッド（１又は２）を備えた樹脂用レーザー溶接装置を使うことによって、レーザー光を透明ヒートシンクに通すことなく、レーザーによる輪郭線溶接ができる。【００１１】〈２〉  請求項１記載の上部機構枠（４１）と下部機構枠（４２）とが前記光軸を回転軸とする軸受（２１）によって結合されており、該光軸に対する回転軸の傾きを０度から４５度とする複数の円盤状ローラー（２２）が該軸受（２１）の下部の前記光軸の周りに等間隔に取り付けられていることを特徴とするレーザー加工ヘッド（１）を備えた〈１〉記載の樹脂用レーザー溶接装置を使うことにより、平面或いは立体的形状の樹脂材料を比較的に早く輪郭線溶接できる。【００１２】〈３〉  請求項１記載の上部機構枠（４１）と下部機構枠（４２）とが前記光軸を回転軸とする軸受（２１）によって結合されていて、前記光軸に垂直な面内で該光軸からずれた位置の該光軸に対する回転軸の傾きが０度から４５度である１個の軸受（２３）にはめ込まれた１組の円盤状ローラー（２４）が該軸受（２１）の下部に取り付けられていることを特徴とするレーザー加工ヘッド（２）を備えた〈１〉記載の樹脂用レーザー溶接装置を使うことにより、〈２〉に記載の装置を使う場合に比べて、比較的に凹み程度の大きい立体的形状の樹脂材料の輪郭線溶接も可能である。【００１３】〈４〉  被溶接樹脂との接触面がゴム或いは粘着テープなどの粘性のある材料によってできていることを特徴とする一輪車と、速度制御が可能な小型電動機とからなる電動機付一輪車（３）に、〈１〉記載のレーザー加工ヘッド（１）又は（２）を取り付けたことを特徴とする〈１〉記載の樹脂用レーザー溶接装置を使うことにより、コンピュータへの大量のデータ入力をすることなく、容易に立体的形状の樹脂材料の輪郭線溶接が可能である。
また、前記レーザー加工ヘッドをレーザー加工ヘッドをロボット或いは１〜６次元の電動アクチュエータなどの電子制御移動装置に取り付ければ、再現性よく立体的形状の樹脂材料の輪郭線溶接が可能であることは言うまでもない。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、溶接が行われる透明及び光吸収性樹脂材料の界面へのレーザー光の集光と、ガス吹付によるレーザー照射位置表面の冷却と、前記ガス吹付に伴って生じる押圧とローラーを通じて行われる機械的押圧とによる前記界面の密着とが、加工ヘッドにより同時に実行されると共に、ローラーの自由な動きのために光ファイバー及びガスチューブが回転せずに、数メートル程度の大きな板状及び立体的形状の樹脂について任意形状の輪郭線溶接が可能である。【００１５】  レーザー照射の行われる穴から加圧ガスが同軸上に噴出されるので、透明性樹脂表面が冷やされて熱分解抑えられるだけでなく、吹き付けガスの圧力が大気より高いために、熱分解によって気体が発生したとしても、それは、レーザーヘッド筐体の中にほとんど入り込むことがないので、光学系と被溶接樹脂との間に置かれた保護ガラスの透過率が減少率は極めて低い。【００１６】  この結果、被溶接部には、レーザー光がほとんど減衰することなく照射されるので、光学系に関して補修することなく長期間に亘ってレーザーによる輪郭線溶接が可能となるので、生産性の向上につながる。【００１７】  本発明請求項２記載のレーザー加工ヘッドでは、機械的に可動な部品が少ないので、凹みの程度が低い立体的な樹脂に対しての溶接を比較的に高速で行うことができるのに対して、請求項３のレーザー加工ヘッドでは、レーザー光線とローラーとが溶接予定の線に沿って直列に進行するために、比較的に凹み程度の大きい立体的樹脂の溶接が可能である。このために、被溶接樹脂材料の条件に応じて適切なレーザー加工ヘッドを使うことができ、多様な樹脂製品を生産するうえで好都合である。【００１８】  本発明によるレーザー加工ヘッドを小型電動機付一輪車に取り付けた装置を使って、ローラーの側面或いは前記ヘッドの一部を定規に接触させた状態にて一輪車を一定速度で動かすことにより、溶接程度が一定の輪郭線溶接を比較的簡単に行うことができる。製品の開発、或いは少量の生産の際には、時間を要するコンピュータへのデータ入力をしなくて済むので、短時間での作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】２個のローラーを光軸の周りに設置した第一のレーザー加工ヘッド（１）を概略的に示した断面図である。
【図２】１個のローラーを光軸の周りに設置した第二のレーザー加工ヘッド（２）を概略的に示した断面図である。
【図３】レーザー加工ヘッド（１又は２）を一輪車駆動装置に取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。
【図４】レーザー加工ヘッド（１又は２）をロボットに取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。
【図５】レーザー加工ヘッド（１又は２）を３次元電動アクチュエータに取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。
【図６】特許文献１記載のレーザー加工ヘッドを概略的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  以下、本発明による樹脂用レーザー溶接装置の実施形態について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】  図１は、２個のローラーを光軸の周りに設置した第一のレーザー加工ヘッド（１）を概略的に示した断面図である。図２は、１個のローラーを光軸の周りに設置した第二のレーザー加工ヘッド（２）を概略的に示した断面図である。図３は、レーザー加工ヘッド（１又は２）を一輪車駆動装置に取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。図４は、レーザー加工ヘッド（１又は２）をロボットに取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。図５は、レーザー加工ヘッド（１又は２）を３次元電動アクチュエータに取り付けて３次元溶接を行う状態を示す図である。【００２２】  なお、図面において同一又は相当部分には同一符号を用い、上下左右関係については図面の上下左右に基づくものとする。【００２３】  図１を用いて２個のローラーを光軸の周りに設置した第一のレーザー加工ヘッド（１）の構造について概略的な説明を行う。【００２４】  前記第一のレーザー加工ヘッド（１）は、上部機構枠（４１）にレーザー集光機構（１２）と加圧ガス吹付機構のガスチューブ（３０）とチューブ取付金具（３１）とに取り付けられた上部構造と、下部機構枠（４２）に、光軸と同じ軸を回転軸とする軸受（２１）と前記軸受の回転軸に近接して対称的配置された二個のローラー（２２）とが取り付けられた下部構造とから成っている。図１では、ローラーが２個の場合について示してあるが、ローラーの数は、３個以上でもよく、例えば３個の場合には回転軸の周りに１２０度間隔で配置する。【００２５】  上部機構枠（４１）の上端部に取り付けられた光ファイバー（１０）の先端から放出されたレーザー光（１１）は、集光レンズ１２及び保護ガラス板１４を経由して、被溶接樹脂である光透明性樹脂（５１）と光吸収性樹脂（５２）の界面に集光照射される。【００２６】  レーザー加工ヘッド（１）の上部機構枠を回転させることなく、ローラー（２２）を透明性樹脂材（５１）に常に密着させた状態で、任意曲線形状のレーザー溶接予定線に沿って並進移動させるにつれて、二個のローラー（２２）が最も動摩擦の少ない状態、即ち、レーザー溶接予定線の方向に自然と向くので、結果的にレーザー加工ヘッド（１）は、レーザー溶接予定線に沿って滑らかに移動することができる。【００２７】  レーザー加工ヘッド自身の重力及び上部機構枠（４１）に印加された外部圧力が該二個のローラーを通じて光吸収性樹脂材（５２）の上に重ねられた透明性樹脂材（５１）に印加され、透明性樹脂材（５１）と光吸収性樹脂材（５２）との密着度が上がる。【００２８】  ローラーを円錐台に近い形にすると共に、該ローラーの軸を斜めにして、ローラーによる押圧領域を溶着領域に狭めて光透明性樹脂５１と光吸収性樹脂（５２）の溶着領域をより強く押圧する。被溶着樹脂に対してローラーが鋭く接触して傷が付くことが生じないように、円錐台の角を丸めて滑らかにする。【００２９】  ローラーの形態に関しては多様であるが、例えば、次のようなものがある。
ア．固体材料を適当な円盤状あるいは球及び楕円体などの球形に加工したもの
イ．玉軸受或いは転がり軸受をそのまま用いたもの、或いはまた、
ウ．外形をアのように作り、その中にイの軸受を入れたものが考えられる。
また、材質に関しても、金属、樹脂、ガラス、セラミックスなどであってもよい。【００３０】  図には明示してないが、ローラー（２２）の上部には、急激な上下振動を緩和するためのバネ或いはゴムなどによる弾性体を必要に応じて取り付けてもよい。【００３１】  光吸収性樹脂材（５２）にレーザーが照射されて溶けると同時に、光透明性樹脂（５１）に熱が伝わり、接触面が溶けて溶着が生じるのであるが、熱は、光透明性樹脂（５１）のレーザー入射側表面にまで到達して、表面温度が上がることになり、僅かであっても樹脂表面は熱分解する。【００３２】  しかしながら、チューブ（３０）によって運ばれた相対圧０．５気圧の加圧ガスが、チューブ取付金具（３１）から下部機構枠（４２）の空洞（Ｂ）へと導入され、レーザー光線とほぼ同軸上を流れ、排出口（３２）から出て、光透明性樹脂（５１）のレーザー光照射位置に吹き付けられて冷却されるので、樹脂表面の熱分解によるガス発生は抑えられる。【００３３】  また、小さいガス排出口（３２）から大気圧に比べて高い圧力のガスを吹き付けているために、熱分解によるガスが僅かに発生したとしても、空洞（Ｂ）内に入り込み、保護ガラス（１３）に付着して、照射レーザー光強度が減衰する可能性は非常に低い。【００３４】  従って、このような加工ヘッドを用いることにより、常にほぼ一定の強度を保ったレーザービームの被溶接領域への集光照射と、被溶接樹脂の押圧と、被溶着樹脂表面の冷却とを同時に行なった状態で、溶接予定の線に沿って輪郭線溶接をすることができる。【００３５】  図２を用いて、１個のローラーを光軸の周りに設置した第二のレーザー加工ヘッドについて概略的な説明を行う。【００３６】  第二のレーザー加工ヘッドは、前記２個のローラーを用いた第一のレーザー加工ヘッドとは、上部構造は同じであるが、下部構造が異なる。第二のレーザー加工ヘッドの場合には、第一のレーザー加工ヘッドと同様に軸受（２１）が取り付けられ、該軸受（２１）の下部にあり、前記光軸に垂直な面内で光軸からずれた位置の軸を中心として自転しながら前記光軸の周りを公転することができる軸受（２３）に円盤状ローラー（２４）が１個取り付けられた構造となっている。【００３７】  溶接の予定線に沿って、上部機構枠（４１）を引っ張って移動させると、ローラーと被溶接材料表面との間の摩擦力により、ローラーの向きが調整されて、溶接の予定線上において、レーザー光照射位置を前にして、レーザー光照射位置とローラーとがほぼ直列に並び、レーザー加工ヘッド（２）の移動に伴い、照射されて溶けた樹脂がローラーによって押圧冷却されて溶接が生じる。レーザー照射位置とローラーの位置は僅かにせよ離れているので、レーザー加工ヘッドの移動速度を適切にする必要がある。【００３８】  加圧ガスがレーザー照射位置に吹き付けられるためにレーザー光強度の減衰無しに、長期に亘って溶接作業を行うことができる点は第一のレーザー加工ヘッドを用いた場合と同様である。【００３９】また、図には明示してないが、軸受（２３）の上部或いは、軸受（２３）とローラー（２４）との間には、急激な上下振動を緩和するためのバネ或いはゴムなどによる弾性体を必要に応じて取り付けることについては第一のレーザー加工ヘッドの場合と同様である。【００４０】  更に、ローラーの形態及び材質に関しても、前記第一のレーザー加工ヘッドの場合と同様である。【００４１】  図１に示した第一のレーザー加工ヘッドの場合には、比較的に高速でレーザー加工ヘッドを移動させることが可能ではあるが、レーザー加工ヘッドの進行方向に対して垂直な方向に二個のローラーが並んでいるために、比較的に深い凹みのある立体形状の材料に関する溶接は困難である。【００４２】  これに対して、図２に示した第二のレーザー加工ヘッドの場合には、二個の軸受を使って移動するために、第一のレーザー加工ヘッドに比べて高速の移動は困難であるが、レーザー加工ヘッドの進行方向に沿ってレーザー光照射位置とローラー（２４）とが直列に並んで進行するために、比較的に深いくぼみのある立体形状の溶接が可能である。【００４３】  図３を用いて、レーザー加工ヘッドを一輪車駆動装置に取り付けて３次元溶接を行う方法について説明する。【００４４】  レーザー加工ヘッド（１）又は（２）は、固体結合板（３０）によってゴム製のタイヤを一輪車につけた速度制御が可能な小型電動機つき一輪車（３）に結合されている。前記一輪車には、ゴム製のタイヤがつけられていて、滑ることがないので、鏡面状になめらかな被樹脂材の上であっても、小型電動機に与えられた駆動速度で決まる速度でレーザー加工ヘッドを移動させて、溶接することができる。【００４５】  前記固体板にはレーザー加工ヘッドの全体が急激に大きく傾くことを防止すると共に、レーザー加工ヘッド自身の重力による被溶接樹脂の密着力の急激な変化を避けるためのバネ或いはゴムを含む弾性体がレーザー加工ヘッドとの間に取り付けられている。【００４６】  ２個の異なる形状の平面ではない透明性樹脂材料（５１）が光吸収性樹脂材料（５２）の上に重ねて置かれ、更に樹脂材料（５１）の上には、溶接を行うための図には表示されていない定規が置かれ、レーザー加工ヘッドと一輪車駆動装置夫々の側面の一部が定規に接触を保った状態で矢印の方向へ移動することにより、樹脂材料（５１）と（５２）とは、ローラーによって垂直方向に圧接、冷却されながら略定規に沿った形（４）のように輪郭線溶接される。【００４７】  このように、ロボットなどの電子制御移動装置の場合に必要な移動に関するコンピュータ入力をしなくて済むために、簡単につかうことができる。【００４８】  図４を用いて、レーザー加工ヘッドをロボットに取り付けて３次元溶接を行う方法について説明する。【００４９】  レーザー加工ヘッド（１）又は（２）は、表示されていない固体ブロックによって表示されていないロボットの腕に結合される。前記ブロックにはレーザー加工ヘッドの全体が急激に大きく傾くことを防止すると共に、レーザー加工ヘッド自身の重力による被溶接樹脂の密着力の急激な変化を避けるためのバネ或いはゴムを含む弾性体がレーザー加工ヘッドとの間に取り付けられていてもよい。【００５０】  レーザー加工ヘッドが常に被溶接材料（５１）に垂直に当るようにティーチングすることによって一様性が良好で、再現性の良い溶接を行うことができる。【００５１】  図５を用いて、レーザー加工ヘッド（１又は２）を３次元電動アクチュエータに取り付けて３次元溶接を行う方法について説明する。【００５２】  図５に示すような、比較的に平面に近い材料の溶接については、レーザー加工ヘッド（１）又は（２）を、表示されていない取付金具によって、表示されていない３次元電動アクチュエータに取り付けることによって、ロボットにとりつける場合に比べてより簡易的に３次元溶接を行うことかできる。この場合についても、レーザー加工ヘッドの全体が急激に大きく傾くことを防止すると共に、レーザー加工ヘッド自身の重力による被溶接樹脂の密着力の急激な変化を避けるためのバネ或いはゴムを含む弾性体がレーザー加工ヘッドと３次元電動アクチュエータの取付金具との間に取り付けられていてもよい。
また、図５と同様の図示してない装置にて、レーザー加工ヘッドを固定し、逆に被溶接材料を動かす装置を使って溶接することも可能である。【００５３】  なお本特許による装置は、溶接以外に、ＦＲＰ板などの固体材料の上に、樹脂の粉及び固形材料をのせておき、その上からレーザー光を照射することによって、被溶接材料に溶着した樹脂固体層を形成して補修することなどにも使うことが可能である。
【符号の説明】
【００５３】１  第一のレーザー加工ヘッド
２  第二のレーザー加工ヘッド
３  一輪車駆動装置
４  輪郭溶接線
１０光ファイバー
１１レーザー光
１２レーザー集光機構
１３保護ガラス板
１５透明回転体のローラー
２１光軸と同じ軸を回転軸とする転がり軸受
２２第一のレーザー加工ヘッドのローラー
２３光軸からずれた位置にある軸受
２４第二のレーザー加工ヘッドのローラー
３０ガスチューブ
３１チューブ取付金具
３２小さいガス排出口
３３固体結合板
４１上部機構枠
４２下部機構枠
５１透明性樹脂材料
５２光吸収性樹脂材料
Ａ  上部機構枠の空洞
Ｂ  下部機構枠の空洞
【図１】
2017019262.tif 000003
【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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