(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体を絶縁物で被覆してなる被覆線を一定形状に延在する端子部材にレーザ溶接で接合する方法であって、
前記端子部材の一端部に前記被覆線を所定値以下の幅に巻き付ける工程と、
光軸を前記端子部材の前記被覆線巻き付け部より端部先端と反対側の部位に合わせ、かつビームスポット内に前記被覆線巻き付け部の幅が収まるようにして、前記被覆線巻き付け部にレーザ光を照射する工程と
を有する被覆線の接合方法。
【請求項２】
前記レーザ光の光軸を、前記端子部材のレーザ光被照射部における法線に対し、前記端子部材からみて端部先端と反対側に５°〜１５°傾けることを特徴とする請求項１に記載の被覆線の接合方法。
【請求項３】
モータ回転子のコアにコイルとして巻回されている被覆線を一定形状に延在する整流子にレーザ溶接で接合する方法であって、
前記整流子の一端部に前記被覆線を所定値以下の幅に巻き付ける工程と、
光軸を前記整流子の前記被覆線巻き付け部より端部先端と反対側の部位に合わせ、かつビームスポット内に前記被覆線巻き付け部の幅が収まるようにして、前記被覆線巻き付け部にレーザ光を照射する工程と
を有する被覆線の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆線を端子部材に接合する技術に関し、特にレーザ光を用いる接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被覆線は、導体をポリイミド、ポリウレタン、エナメルまたはビニル等の絶縁物で被覆してなる電線である。
【０００３】
従来より、このような被覆線を電気部品等の端子に物理的かつ電気的に接続（接合）する技術として、半田付けが多用されている。たとえば、直流モータにおいて、回転子のコイル（被覆線）との接合に半田付けが使用されている。接合部に半田を当て、半田コテで加熱して半田を溶かすと、接合部における被覆線の絶縁被覆（たとえばポリウレタン）も半田の熱で溶解し、中から露出した導体（一般に銅）が半田を介して整流子につぎ合わされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小型電気部品の半田付けに半田コテを用いる接合方法は、非常に細かくて面倒な手作業を必要とする。たとえば、外径数cm程度の小型直流モータにあっては、整流子の端子部が幅数ｍｍのサイズであり、これに線径１ｍｍ以下のコイルをきれいに半田付けするには、相当熟練した技能が要る。しかも、この種の整流子は３極構造であるから、３極間のバランスが維持されないと、回転トルク等のモータ特性に影響が出る。このため、半田付けに均一性が要求されるのであるが、手作業のため、難しい。
【０００５】
また、最近、半田は鉛を含む有害物質であるため、環境問題の観点からも出来るだけ使用を控えるのが望ましいとされてきている。
【０００６】
そこで、半田付けに代えてレーザ溶接法を使用することが考えられる。しかしながら、従来のレーザ溶接法を適用した場合は、レーザ光のレーザエネルギーによって最初に被覆線の絶縁被覆が溶ける。これにより、中からコイル導体が露出し、レーザ光はこの露出したコイル導体と整流子とを照射することになる。
【０００７】
ところが、上記したような小型直流モータでは、コイル導体も整流子も共に電気伝導度だけでなく光反射率も高い銅で作られているため、接合部に入射したレーザ光の多くがそこで反射してしまい、レーザ溶接のためのエネルギー供給（吸収）効率が低く、接合し難い。
【０００８】
この不具合に対しては、レーザ光のパワー（光強度）を上げる処置が考えられる。しかし、この種の小型直流モータでは、整流子に接した状態で整流子とコアとの間に３極羽根形状の樹脂製絶縁部材が介挿されている。レーザ光のパワーを上げると、この絶縁部材に伝わるレーザ光のエネルギー（熱）が増大し、この絶縁部材が溶けてしまうおそれがある。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、被覆線と端子部材とを効率よく、かつ安定確実に接合するようにした被覆線の接合方法を提供することを目的とする。
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の被覆線の接合方法は、導体を絶縁物で被覆してなる被覆線を一定形状に延在する端子部材にレーザ溶接で接合する方法であって、前記端子部材の一端部に前記被覆線を所定値以下の幅に巻き付ける工程と、光軸を前記端子部材の前記被覆線巻き付け部より端部先端と反対側の部位に合わせ、かつビームスポット内に前記被覆線巻き付け部の幅が収まるようにして、前記被覆線巻き付け部にレーザ光を照射する工程とを有する。
【００１１】
本発明では、１回のレーザ照射において、レーザ光の光軸を被覆線巻き付け部より内側（端部先端と反対側）にずらし、かつビームスポット内に被覆線巻き付け部の幅が収まるようにする。レーザビームスポットの半径片側の部分で被覆線巻き付け部がその幅方向の端から端まで満遍なく照射されることで、被覆線巻き付け部は適度なエネルギー密度で加熱される。一方、端子部材においては、端部先端部にレーザエネルギーの熱が行き場を失って蓄積し、この蓄熱効果により先端の方から内側へ寄せるようにして溶融し、その溶融部が被覆線巻き付け部にも及ぶ。そして、被覆線巻き付け部において、残存していた絶縁被覆がレーザ光から直接受けるレーザエネルギーと溶融状態の端子部材の先端部からの熱とで速やかに溶け、中から露出した導体が端子部材に冶金的に接合する。
【００１２】
本発明の好適な一態様によれば、レーザ光の光軸を、端子部材のレーザ光被照射部における法線に対し、端子部材からみて端部先端と反対側に５°〜１５°傾ける。このような斜め方向のレーザ照射によれば、レーザ光のビームスポットが端子部材の長さ方向（被覆線巻き付け部の幅方向）に長く延びる楕円形になり、レーザ光の照射範囲とエネルギー密度を一層適度に調節することができる。また、仮にレーザ光が側方へ外れても概して端子部材の内側で近接する他の部材へのレーザ照射を回避することができる。
また、本発明は、モータ回転子のコアにコイルとして巻回されている被覆線を整流子に接合するためのレーザ溶接方法に特に好適に適用である。すなわち、本発明の第２の被覆線の接合方法は、モータ回転子のコアにコイルとして巻回されている被覆線を一定形状に延在する整流子にレーザ溶接で接合する方法であって、前記整流子の一端部に前記被覆線を所定値以下の幅に巻き付ける工程と、光軸を前記整流子の前記被覆線巻き付け部より端部先端と反対側の部位に合わせ、かつビームスポット内に前記被覆線巻き付け部の幅が収まるようにして、前記被覆線巻き付け部にレーザ光を照射する工程とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１に、本発明の一実施例による接合方法の適用可能な直流モータの回転子の構成を示す。図２に、このモータ回転子の要部の構成を示す。
【００１５】
このモータ回転子組立体において、コア１０は３極羽根形状の板状コア片１０a を多数枚積み重ねて一体接合してなり、コア１０の中心部に形成されている孔にモータシャフト１２が挿嵌されている。
【００１６】
コア１０の各極の胴部には、銅線をたとえばポリウレタンで被覆してなるコイル（被覆線）１４が所定の巻き回数だけ巻かれており、コイルの巻き始めの端部１４aと巻き終りの端部１４bとが引き出されている。
【００１７】
コア１０の手前には、３極羽根形状の樹脂製絶縁材１６を介して整流子ユニット１８がモータシャフト１２に挿嵌されている。この整流子ユニット１８は、銅板からなる筒状の整流子片２０と、この整流子片２０の外周面に所定の間隔を空けて取り付けられ、コア１０側の部分がＬ状に半径方向外側に屈曲して羽根状に延在している３個の整流子２２と、整流子片２０を軸方向外側から固定する固定リング２４とから構成されている。
【００１８】
各整流子２２の羽根部２３はコア１０の各隣接する２つの極の中間に位置し、両極コイル１４の一方の巻き始めの端部１４aと他方の巻き終りの端部１４bとがこの羽根部２３に物理的かつ電気的に接続（接合）される。
【００１９】
図１および図２には接合工程前の状態が示されている。図示のように、各整流子２２の羽根部２３の先端部に形成されているＶ状の切欠き部２３aに、コイル１４の端部１４a、１４bが巻き付け機(図示せず)によりからげるようにして数回巻かれる。
【００２０】
次に、図３〜図８につき、本実施例において各整流子２２の羽根部２３にコイル１４の端部１４a、１４bをレーザ溶接で接合する方法について説明する。
【００２１】
図３および図４に本実施例におけるレーザ溶接法を示す。
【００２２】
図示の例では、ＹＡＧレーザ発振器（図示せず）で発振出力させたＹＡＧレーザ光ＬＢを光ファイバ２６を介して出射ユニット２８まで導き、出射ユニット２８に内蔵されている光学レンズ（コリメータレンズ、集光レンズ）によりＹＡＧレーザ光ＬＢをコイル巻き付け部３０付近に集光照射する。
【００２３】
ＹＡＧレーザ光ＬＢはパルスレーザ光でよく、たとえば、コイル１４の絶縁被覆がポリウレタンで、整流子２２の羽根部２３が幅数mm程度のサイズである場合は、パルス幅を１０〜２０ms、全照射エネルギーを約１５Ｊに選んでよい。
【００２４】
本実施例のレーザ溶接では、図示のように、ＹＡＧレーザ光ＬＢの光軸ＣＸを整流子羽根部２３のコイル巻き付け部３０より内側の部位に合わせることと、ＹＡＧレーザ光ＬＢの光軸ＣＸを整流子羽根部２３の入射点Ｍにおける法線Ｎに対し整流子羽根部２３からみて内側に幾らか（好ましくは５〜１５゜）傾けることが重要である。
【００２５】
出射ユニット２８より出射されたＹＡＧレーザ光ＬＢは、レーザビームのエネルギー（光量）分布がガウス分布しているが、集光レンズの収差やレーザ光の空間的コヒーレンスの不完全性等により一点（焦点Ｆ）に絞られることはなく、図５に示すようにビームウエストbwの径dまでしか絞られない。このビームウエスト径dは、光ファイバのコア径、集光レンズの焦点距離やビーム拡り角あるいは開口数等によって決まり、たとえば１ｍｍ程度に選定することができる。
【００２６】
一方、この種のコイル１４は線径が１００μｍ程度であるから、これを数回巻いたコイル巻き付け部３０の幅は数１００μｍ程度に収まる。したがって、光軸ＣＸをコイル巻き付け部３０より内側にずらした状態で、ＹＡＧレーザ光ＬＢのビームウエストbw部内にコイル巻き付け部３０を入れる（横断させる）ことができる。
【００２７】
また、ＹＡＧレーザ光ＬＢの光軸ＣＸを整流子羽根部２３からみて内側に傾けるということは、図５においてビームスポット断面Ｋ0を反時計回りに、たとえばＫAまで傾けることと等価である。そうすると、図６に示すように、ビームスポットＳＰの形状が楕円形となり、コイル巻き付け部３０に巻きつけられているコイルの幅方向にビームサイズが拡大し、そのぶん同方向においてエネルギー密度が減少する。
【００２８】
しかして、光軸ＣＸをずらしてＹＡＧレーザ光ＬＢを照射されるコイル巻き付け部３０においては、ＹＡＧレーザ光ＬＢのレーザエネルギーが強すぎるということはない。しかも、図７に示すように、ＹＡＧレーザ光ＬＢが斜め方向から照射するため、レーザエネルギーがコイル１４の上面だけでなく裏面側にも及びやすい。このため、絶縁被覆を溶かすことなく、コイル１４は適度なエネルギー密度で加熱され、吸収した熱を整流子羽根部２３に伝える。
【００２９】
整流子羽根部２３のコイル巻き付け部３０より内側の部分においては、ＹＡＧレーザ光ＬＢの光軸ＣＸの入射点Ｍ付近で入射したレーザ光の多くを反射し、レーザエネルギーの吸収度は低い。また、整流子羽根部２３からの熱は矢印Ｙの方向に基端側へ流れ、絶縁部材１６に伝わる分は少ない。したがって、絶縁部材１６を溶かすおそれはない。
【００３０】
一方、整流子羽根部２３のコイル巻き付け部３０より外側の部分つまり端部２３bにおいては、整流子羽根部２３からの熱がいったんは矢印Ｙ´の方向に流れるものの、行き場を失ってそこに止まり、蓄積する。この蓄熱効果により、整流子羽根部２３の端部２３bは先端の方から内側へ寄せるようにして溶融し、切欠き部２３a付近にてコイル巻き付け部３０を包み込むようにして丸くなる。
【００３１】
この時、コイル巻き付け部３０に残存していた絶縁被覆は、レーザエネルギーの熱と溶融状態の端部２３bからの熱とで速やかに溶ける。そして、中から露出したコイル導体（銅）が端部２３bと冶金的に接合する。
【００３２】
ＹＡＧレーザ光ＬＢの照射が終わると、図８に示すように、整流子羽根部２３の端部は瑠状２３b´に固まり、その中にコイル端部１４a、１４bが埋め込まれるようにしてしっかりと接合される。
【００３３】
なお、ＹＡＧレーザ光ＬＢがたとえ整流子羽根部２３またはコイル巻き付け部３０から側方へ外れた場合でも、レーザ光軸を内側から外側へ傾けているため、コア１０側のコイル巻回部へのレーザ照射を回避することができる。なお、内側からの斜め方向のレーザ照射により、コイル３０に対して、光軸ＣＸを可及的に近接させてずらすことができる。
【００３４】
図９および図１０は、上記したような本実施例によるレーザ溶接工程の後に、整流子スイッチングにおける火花防止用のリングバリスタ３０を整流子羽根部２３の軸方向外側面に半田３４で接合した状態を示している。このリングバリスタ３０の半田付けに際して、整流子羽根部２３の端部（接合部）２３´は何ら影響を受けることもない。その点、従来は、整流子羽根部の端部に半田付けでコイルを接合するため、リングバリスタの半田付け工程において整流子羽根部の端部（コイル半田付け部）に熱が及んで、その端部のコイル半田付け部が溶けて形がくずれるおそれがあり、加工品質上の問題点になっていた。
【００３５】
以上、好適な実施例を説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、種種の変形・変更が可能である。たとえば、接合部に対して、レーザ光ＬＢを横方向（図４において矢印Ｙ，Ｙ´方向と直交する方向）にスキャンしてもよい。必要に応じて、複数のレーザ光ＬＢを同時に照射してもよい。レーザ光ＬＢのパワー、パルス幅、パルス数、全照射レーザエネルギー等の溶接条件は所望の値に設定することができる。
【００３６】
上記実施例ではレーザ光ＬＢの光軸ＣＸを最初から傾けたが、図１１に示すように、レーザ照射時は光軸ＣＸを垂直方向光に設定し、それから矢印の方向に徐々に傾けていくことも可能である。そうすることで、コイル表面のより広い範囲にレーザ光を照射することができ、より適切なエネルギー密度でコイル１４を加熱することができる。
【００３７】
上記実施例では光ファイバ２６と出射ユニット２８を使用したが、これらの光学部品を省き、レーザ発振器からのレーザ光を直接接合部に照射してもよい。また、ＹＡＧレーザの代わりに、他のレーザたとえばＣＯ2レーザ、半導体レーザ等を使用することもできる。
【００３８】
上記実施例は整流子２２の羽根部２３にコイル１４の端部１４a、１４bを接合するアプリケーションに係るものであったが、本発明のレーザ溶接法は金属の端子部材に被覆線を接合する任意のアプリケーションに適用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光軸を端子部材の被覆線巻付け部より内側の部位に合わせて、被覆線巻付け部の一部または全部にレーザ光を照射し、端子部材と被覆線とをレーザ溶接で接合するようにしたので、被覆線と端子部材とを効率よく、かつ安定確実に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による接合方法の適用可能な直流モータの回転子の構成を示す斜視図である。
【図２】実施例におけるモータ回転子の要部の構成を示す一部断面正面図である。
【図３】実施例におけるレーザ溶接法を示す側面図である。
【図４】実施例におけるレーザ溶接法を示す平面図である。
【図５】実施例におけるレーザビームの集束部を示す側面図である。
【図６】実施例におけるレーザスポットのパターンを示す断面図である。
【図７】実施例におけるレーザ照射法を示す一部断面側面図である。
【図８】実施例におけるレーザ溶接法の作用を示す側面図である。
【図９】実施例における後工程でリングバリスタを取付した状態を示す正面図である。
【図１０】実施例における後工程でリングバリスタを取付した状態を示す一部断面側面図である。
【図１１】一変形例によるレーザ照射法を示す側面図である。
【符号の説明】
１０    コア
１２    モータシャフト
１４    コイル
１４a，１４b   コイル端部
１６    絶縁部材
１８    整流子ユニット
２２    整流子
２３    整流子の羽根部
２３    羽根部の端部
２６    光ファイバ
２８    出射ユニット
３０    コイル巻き付け部
【図１】
0003861122.tif 000002
【図２】
0003861122.tif 000003
【図３】
0003861122.tif 000004
【図４】
0003861122.tif 000005
【図５】
0003861122.tif 000006
【図６】
0003861122.tif 000007
【図７】
0003861122.tif 000008
【図８】
0003861122.tif 000009
【図９】
0003861122.tif 000010
【図１０】
0003861122.tif 000011
【図１１】
0003861122.tif 000012