專利名稱：光照射裝置以及熔敷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光照射裝置以及利用該光照射裝置的熔敷方法，適宜 用于例如照射紅外線激光來(lái)熔敷樹(shù)脂部件的樹(shù)脂熔敷用光照射裝置中。
背景技術(shù)：
以往，作為使樹(shù)脂部件彼此接合的方法有利用粘接劑的方法、熱板熔敷、振動(dòng)熔敷、超聲波熔敷、旋轉(zhuǎn)(spin)熔敷等熔敷方法，但最近公知 一種具有不存在對(duì)填充物的影響、不必?fù)?dān)心損壞產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)的激光熔敷方 法。該激光熔敷方法是使相對(duì)激光呈非吸收性(透明性)的樹(shù)脂部件和相 對(duì)激光呈吸收性(非透過(guò)性)的樹(shù)脂部件抵接來(lái)進(jìn)行熔敷的熔敷方法。更 詳細(xì)而言，該方法從非吸收性的樹(shù)脂部件側(cè)向接合面照射激光，通過(guò)激光 的能量使形成接合面的表現(xiàn)吸收性的樹(shù)脂部件被加熱熔融，并且，通過(guò)來(lái) 自該表現(xiàn)吸收性的樹(shù)脂部件的接合面的熱傳導(dǎo)使非吸收性樹(shù)脂部件的接 合面加熱熔融，從而使接合面彼此一體接合(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。 因此，使相對(duì)激光呈非吸收性的樹(shù)脂部件與相對(duì)激光呈吸收性的樹(shù)脂部件 的接合面充分吸收激光的能量，從而使接合面被充分加熱熔融，則會(huì)獲得 高接合強(qiáng)度。另外，在專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了如下技術(shù)為了使來(lái)自二維排列的半導(dǎo) 體激光陣列的激光高效地輸入到光纖后輸出，將從具有矩陣狀排列的多個(gè) 發(fā)光點(diǎn)的堆疊(stack)型半導(dǎo)體激光陣列射出的激光，由準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行校 準(zhǔn)，進(jìn)而通過(guò)聚光透鏡會(huì)聚到垂直和水平兩個(gè)方向，并會(huì)聚入射到光纖陣 列的矩陣狀排列的入射端，該光纖陣列具有條數(shù)少于發(fā)光點(diǎn)的光纖，將該 光纖整理成束。專利文獻(xiàn)l:特開(kāi)昭60—214931號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:特開(kāi)2000—98191號(hào)公報(bào)這里，在專利文獻(xiàn)l等所公開(kāi)的現(xiàn)有激光熔敷方法中，聚光照射到接合面上的激光的光強(qiáng)度曲線(profile)例如如圖6中以虛線A所示那樣，是中心的強(qiáng)度高的曲線(一般，被稱為高斯分布特性)。在這種曲線的激光的照射下，當(dāng)將熔敷面積(熔敷掃描寬度)從寬度WA擴(kuò)展到Wb來(lái)提高接合強(qiáng)度時(shí)，不得不提高激光的發(fā)光功率，成為例如圖6中以雙點(diǎn)劃線B所示的光強(qiáng)度曲線。但是，即便這樣單純地提高所照射的激光的發(fā)光功率，粘接力也不會(huì)增強(qiáng)，僅中心附近的溫度上升，從而產(chǎn)生樹(shù)脂材料蒸汽、氣化或成為孔隙(泡)狀的品質(zhì)劣化，反而存在著接合強(qiáng)度降低的問(wèn)題。另外，在專利文獻(xiàn)2所述的方法中，例如在使用半導(dǎo)體激光器作為激勵(lì)光源時(shí)，激勵(lì)所采用的激光的高輸出化必不可少，但在單一發(fā)光點(diǎn)形成 的半導(dǎo)體激光器中由于輸出強(qiáng)度存在極限，因此為了實(shí)現(xiàn)更高輸出化，可通過(guò)整理光纖使光能量匯聚，來(lái)獲得更強(qiáng)的光強(qiáng)度。因此，即使將專利文 獻(xiàn)2的方法應(yīng)用到激光熔敷等領(lǐng)域，也只不過(guò)可增強(qiáng)所照射的激光的光強(qiáng) 度，并不能消除在擴(kuò)展熔敷面積時(shí)上述專利文獻(xiàn)l中的問(wèn)題。而且，在使激光掃描來(lái)進(jìn)行直線或曲線狀的樹(shù)脂熔敷時(shí)，需要考慮通 過(guò)的射束的積分值，而非瞬間的射束曲線。還可考慮為了擴(kuò)展熔敷面積而 降低掃描速度的方法，但在掃描具有中心強(qiáng)度高的曲線的射束時(shí)，中心部 的積分強(qiáng)度可能會(huì)進(jìn)一步增大，所述僅中心部分的溫度上升的問(wèn)題將更顯 著。但是，在現(xiàn)有的激光熔敷方法中，并未特別考慮積分強(qiáng)度。并且，在熔敷樹(shù)脂時(shí)與有無(wú)激光的掃描無(wú)關(guān)，有時(shí)中心附近低而其周 圍高的表現(xiàn)雙峰性的曲線為好。尤其在樹(shù)脂的導(dǎo)熱率小的情況下，向周邊 部賦予的熱量容易散失，相對(duì)于此，中心部的熱量不易散失。因此，即使 在照射平坦的射束曲線的激光時(shí)，中心部的溫度也變高，有時(shí)會(huì)觀測(cè)到中 心部的劣化。但是，在現(xiàn)有的激光熔敷方法中，對(duì)于降低中心部的激光強(qiáng) 度并未特別考慮。另外，現(xiàn)有的激光熔敷裝置中，在激光采用不可見(jiàn)的例如紅外光時(shí)， 作為引導(dǎo)光同時(shí)輸入了用于掌握照射位置的可見(jiàn)光。但是，由于所述可見(jiàn) 光的射束曲線并不反映實(shí)際的激光的射束曲線，因此，為了觀察實(shí)際的激 光的曲線，需要以射束曲線進(jìn)行測(cè)定或需要卡式激光檢驗(yàn)器等。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明鑒于上述情況而提出，其目的在于，提供一種光照射裝置以及 熔敷方法，可不使發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)到所需要強(qiáng)度以上地獲得適合于擴(kuò)大熔敷 面積等目的的所希望的光強(qiáng)度曲線。為了解決上述課題、實(shí)現(xiàn)目的，技術(shù)方案1的光照射裝置包括光源 部，其在出射面上配置有多個(gè)點(diǎn)光源；和光學(xué)系統(tǒng)，其將來(lái)自所述多個(gè)點(diǎn) 光源的出射光束會(huì)聚成一條光束并向被照射物照射；通過(guò)所述各點(diǎn)光源被 配置的位置與所述各點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，使所述一條 光束成為所希望的光強(qiáng)度曲線。技術(shù)方案2的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述光源 部具備多個(gè)發(fā)光源、和傳輸來(lái)自該各發(fā)光源的光的多條光纖，所述各點(diǎn)光源被配置在所述光源部的出射面，由對(duì)來(lái)自所述發(fā)光源的光進(jìn)行傳輸并 射出所述各光纖的出射端面構(gòu)成。技術(shù)方案3的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源在所述出射面上以規(guī)定的位置關(guān)系排列。技術(shù)方案4的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源配置在同一圓周上的位置。技術(shù)方案5的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源以圓環(huán)狀多重配置在同心圓上的位置。技術(shù)方案6的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源配置在同一直線上的位置。技術(shù)方案7的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源多重配置在多條直線上的位置。技術(shù)方案8的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源射出為了獲得所述所希望的光強(qiáng)度曲線而預(yù)先設(shè)定的規(guī)定強(qiáng)度分布的 光束。技術(shù)方案9的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述點(diǎn)光 源射出為了以根據(jù)該點(diǎn)光源被配置的位置進(jìn)行分組的點(diǎn)光源組為單位來(lái) 獲得所述所希望的光強(qiáng)度曲線而預(yù)先設(shè)定的規(guī)定強(qiáng)度分布的光束。技術(shù)方案10的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，還包括控制單元，其對(duì)所述點(diǎn)光源射出的光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行可變控制，以獲得 所述所希望的光強(qiáng)度分布。技術(shù)方案11的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，還包括 控制單元，其按照使配置在外側(cè)同心圓上的位置的所述點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布，大于配置在內(nèi)側(cè)同心圓上的位置的所述點(diǎn)光源所射出的光 束的強(qiáng)度分布的方式，對(duì)所述點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行可變控 制。技術(shù)方案12的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述控 制單元以根據(jù)所述點(diǎn)光源被配置的位置分組后的點(diǎn)光源組為單位，對(duì)所述 點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行可變控制。技術(shù)方案13的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述所 希望的光強(qiáng)度曲線是在中心附近光強(qiáng)度低、在其周?chē)鈴?qiáng)度變高的表現(xiàn)雙 峰性的曲線。技術(shù)方案14的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述所 希望的光強(qiáng)度曲線是中心附近的光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的曲線。技術(shù)方案15的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述所 希望的光強(qiáng)度曲線是對(duì)任意的軸進(jìn)行掃描時(shí)所獲得的積分強(qiáng)度在中心附 近低、在其周?chē)兏叩谋憩F(xiàn)雙峰性的曲線。技術(shù)方案16的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述所 希望的光強(qiáng)度曲線是對(duì)任意的軸進(jìn)行掃描時(shí)所獲得的積分強(qiáng)度在中心附 近表現(xiàn)平坦性的曲線。技術(shù)方案17的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述光 源部還包括對(duì)所述被照射物照射可見(jiàn)光的引導(dǎo)光用點(diǎn)光源。技術(shù)方案18的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，所述引 導(dǎo)光用點(diǎn)光源在所述出射面被配置于多個(gè)所述點(diǎn)光源的中心位置。技術(shù)方案19的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，在所述 出射面上表示所希望的光強(qiáng)度曲線的輪廓的位置，配置有多個(gè)所述引導(dǎo)光 用點(diǎn)光源。技術(shù)方案20的光照射裝置根據(jù)上述技術(shù)方案，其特征在于，來(lái)自所 述點(diǎn)光源的出射光束是紫外線激光，所述被照射物是通過(guò)照射所述所希望的光強(qiáng)度曲線的光束而被熔敷接合面的樹(shù)脂部件。技術(shù)方案21的熔敷方法是利用技術(shù)方案1 19中任意一項(xiàng)所述的光 照射裝置的烙敷方法，來(lái)自所述點(diǎn)光源的出射光束是紫外線激光，所述被 照射物是通過(guò)照射所述所希望的光強(qiáng)度曲線的光束而被熔敷接合面的樹(shù) 脂部件。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明的光照射裝置以及熔敷方法，由于釆用將來(lái)自在光源部的 出射面上配置的多個(gè)點(diǎn)光源的出射光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚成一條光束、并 向被照射物照射的構(gòu)成，根據(jù)各點(diǎn)光源被配置的位置和從各點(diǎn)光源射出的 光束的強(qiáng)度分布的組合，可使照射到被照射物上的一條光束成為所希望的 光強(qiáng)度曲線，所以，通過(guò)多個(gè)點(diǎn)光源的配置設(shè)定和各個(gè)點(diǎn)光源的強(qiáng)度分布 的設(shè)定與可變控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出的一條光束要求的所希望的光強(qiáng)度曲 線，因此，可不使發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)到所需要強(qiáng)度以上地獲得適合于擴(kuò)大熔敷 面積等目的的所希望的光強(qiáng)度曲線，例如可獲得在中心附近光強(qiáng)度低在其 周?chē)鈴?qiáng)度變高的表現(xiàn)雙峰性的曲線、或在中心附近光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的 曲線的光輸出。進(jìn)而，在使激光進(jìn)行掃描來(lái)進(jìn)行直線或曲線狀的樹(shù)脂熔敷 時(shí)，還起到能使掃描方向與垂直方向的積分強(qiáng)度平坦或形成雙峰形的效 果。另外，通過(guò)在表示所希望的光強(qiáng)度曲線的輪廓的位置上配置多個(gè)引導(dǎo) 光用點(diǎn)光源，還起到可通過(guò)引導(dǎo)光識(shí)別曲線形狀的效果。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的樹(shù)脂熔敷用光照射裝置的構(gòu)成例的概 略立體圖；圖2是表示更詳細(xì)的構(gòu)成例的概略側(cè)視圖；圖3是將多芯毛細(xì)管(capillary)出射面中的多條光纖的出射端面的 配置例與尺寸關(guān)系一起表示的主視圖；圖4是表示在使外側(cè)的強(qiáng)度分布固定、使內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度分布可變的情況 下，通過(guò)聚光透鏡聚光照射到接合面上的一條光束的光強(qiáng)度曲線的變化形 態(tài)的特性圖；圖5是表示在表現(xiàn)雙峰性的特性P5時(shí)的X—Y 二維坐標(biāo)面上觀察時(shí)，光強(qiáng)度曲線的形態(tài)的計(jì)算結(jié)果例的說(shuō)明圖；圖6是用于對(duì)光強(qiáng)度曲線與掃描寬度的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明的說(shuō)明圖； 圖7是照射功率P —粘接力F特性圖；圖8是用于說(shuō)明掃描的方向相對(duì)于出射端面的配置的說(shuō)明圖；圖9是表示與掃描方向垂直的軸位置的積分強(qiáng)度分布的特性圖；圖IO是表示出射端面的配置的變形例的主視圖；圖11是表示出射端面的配置的另一變形例的主視圖；圖12是表示出射端面的配置的又一變形例的主視圖；圖13是表示出射端面的配置的其他變形例的主視圖；圖14是表示出射端面的配置的又一其他變形例的主視圖。圖中101、 102 —樹(shù)脂部件;103a、 103b—接合面;112 —聚光透鏡;113 —光纖；114一出射面；115—出射端面；121 —半導(dǎo)體激光器；122 —光源部；123 —控制部。
具體實(shí)施方式
參照附圖，對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行說(shuō)明。以下所說(shuō)明的本 實(shí)施方式的光照射裝置，被應(yīng)用到向作為被照射物的樹(shù)脂部件的接合面照 射紅外線激光從而使樹(shù)脂部件熔敷的樹(shù)脂熔敷用光照射裝置，但本發(fā)明中 的光照射裝置并不限于樹(shù)脂部件熔敷，還可應(yīng)用于金屬之間的焊接等，另 外，所使用的光束也并不限于紅外線激光。圖1是表示本實(shí)施方式的樹(shù)脂熔敷用光照射裝置的構(gòu)成例的概略立體 圖，圖2是表示更詳細(xì)的構(gòu)成例的概略側(cè)視圖。本實(shí)施方式的樹(shù)脂熔敷用 光照射裝置100包括激光器頭104，其對(duì)填裝在工件(未圖示)上并重 疊的樹(shù)脂部件101、 102的接合面103a、 103b會(huì)聚照射紅外線激光，同時(shí) 沿Y軸方向相對(duì)掃描接合面103a、 103b;激光器主體105，其供給從該激 光器頭104射出的紅外線激光；和光纖引導(dǎo)部106，其將激光器主體105 與激光器頭104柔性結(jié)合，來(lái)傳輸紅外線激光。這里，位于紅外線激光的入射側(cè)的樹(shù)脂部件101只要是相對(duì)于入射的 激光表現(xiàn)透過(guò)性的樹(shù)脂，則可以使用任何種類的樹(shù)脂。例如，可列舉聚酰 胺、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯一丙烯腈共聚物。另外，可根據(jù)需要采用添加了玻璃纖維或碳纖維等加固纖維的材料。另一方面，相對(duì)入射的紅外線 激光位于里側(cè)的樹(shù)脂部件102只要是相對(duì)入射的激光表現(xiàn)吸收性的樹(shù)脂，則可以使用任何種類的樹(shù)脂。這些樹(shù)脂部件101、 102除了具有各自的樹(shù) 脂單獨(dú)具有的希望特性之外，例如，還可在樹(shù)脂部件102—側(cè)分散相對(duì)于激光表現(xiàn)吸收性的添加劑，或者在表面涂敷吸收性的涂料。并且，也可以是在樹(shù)脂部件101、 102之間夾設(shè)吸收性的樹(shù)脂的形態(tài)。作為這樣的樹(shù)脂 部件IOI、 102的具體例，例如可適當(dāng)應(yīng)用特開(kāi)2004—299395號(hào)公報(bào)、特 開(kāi)2004—299395號(hào)公報(bào)中所公開(kāi)的例子。作為一個(gè)例子，對(duì)樹(shù)脂部件101、 102采用聚酰胺、聚丙烯等樹(shù)脂，使樹(shù)脂部件102側(cè)含有用于吸收激光的碳黑。因此，本實(shí)施方式的激光熔敷方法與專利文獻(xiàn)l的情況同樣，其原理 為通過(guò)激光器頭104從非吸收性的樹(shù)脂部件101側(cè)向接合面103a、 103b 聚光照射紅外線激光，利用紅外線激光的能量使形成接合面103b的表現(xiàn) 吸收性的樹(shù)脂部件102被加熱熔融，并且，通過(guò)該表現(xiàn)吸收性的樹(shù)脂部件 102的來(lái)自接合面103b的導(dǎo)熱使非吸收性樹(shù)脂部件101的接合面103a被 加熱熔融，從而使接合面103a、 103b彼此一體接合。激光器頭104如圖2所示，包括多芯毛細(xì)管lll;和構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng) 的聚光透鏡112，該光學(xué)系統(tǒng)用于將從多芯毛細(xì)管Ul射出的多條紅外線 激光所構(gòu)成的出射光束會(huì)聚成一條光束，并向接合面103a、 103b聚光照 射。由聚光透鏡112形成的聚光光點(diǎn)直徑可通過(guò)改變聚光透鏡112與工件 的距離而可變，但即使改變聚光位置，也維持著將從多芯毛細(xì)管lll射出 的多條紅外線激光所構(gòu)成的出射光束會(huì)聚成一條光束時(shí)的光強(qiáng)度曲線。多芯毛細(xì)管111是在多個(gè)光纖插入孔的每一個(gè)中插入有光纖113的圓 柱狀形狀，根據(jù)需要，通過(guò)將該多芯毛細(xì)管lll與圓筒狀的空心軸組合可 構(gòu)成為圓筒狀或四角形狀的多芯套圈(ferrule)。此時(shí)的套圈適宜使用氧 化鋯套圈、玻璃套圈、金屬套圈等。圖3是將多芯毛細(xì)管111的出射面114中的多條光纖113的出射端面 115的配置例與尺寸關(guān)系一起表示的主視圖。多條光纖113的出射端面115 在多芯毛細(xì)管111的出射面114以規(guī)定的位置關(guān)系排列配置。本實(shí)施方式 中，作為一例，在設(shè)定以聚光透鏡112的光軸為中心的內(nèi)側(cè)同心圓Cl和外側(cè)同心圓C2的情況下，通過(guò)在各個(gè)同心圓Cl、 C2上的位置配置于均勻等分的位置，可多重配置為圓環(huán)狀。更具體而言，在內(nèi)側(cè)同心圓Cl上 的位置，如在將該同心圓Cl四等份均勻分割后的4個(gè)位置用黑圓點(diǎn)表示 那樣，配置有內(nèi)側(cè)出射端面115i。因此，將這四個(gè)內(nèi)側(cè)出射端面115i之間 用直線連接則成為正方形的配置。另外，在外側(cè)同心圓C2上的位置，如 在將該同心圓C2八等份均勻分割后的8個(gè)位置用帶斜線的圓點(diǎn)表示那樣， 配置有外側(cè)出射端面115o。因此，將這八個(gè)外側(cè)出射端面115o之間用直 線連接則成為正八角形的配置。這里，按照使外側(cè)同心圓C2上的外側(cè)出 射端面115o與內(nèi)側(cè)同心圓Cl上的內(nèi)側(cè)出射端面115i不在同一半徑上的 位置的方式適當(dāng)?shù)劐e(cuò)開(kāi)設(shè)定。并且，在光軸中心位置，如用白圓點(diǎn)表示那 樣配置有引導(dǎo)光用出射端面115g。插入于多芯毛細(xì)管111的光纖113的入射側(cè)，經(jīng)光纖引導(dǎo)部106被引 入到激光器主體105內(nèi)，與激光器主體105內(nèi)設(shè)置的作為發(fā)光源的各個(gè)半 導(dǎo)體激光器121光結(jié)合。多個(gè)半導(dǎo)體激光器121中的一個(gè)被設(shè)為引導(dǎo)光用 出射端面115g所對(duì)應(yīng)的光纖用半導(dǎo)體激光器121g。另外，與根據(jù)以黑圓 點(diǎn)、帶斜線的圓點(diǎn)表示那樣配置的位置來(lái)分組的出射端面U5i、 115o相對(duì) 應(yīng)，半導(dǎo)體激光器121也被分組為內(nèi)側(cè)半導(dǎo)體激光器121i、外側(cè)半導(dǎo)體激 光器121o。這里，在本實(shí)施方式中，由多個(gè)內(nèi)側(cè)半導(dǎo)體激光器121i、外側(cè)半導(dǎo)體 激光器1210、對(duì)來(lái)自這些內(nèi)側(cè)半導(dǎo)體激光器121i和外側(cè)半導(dǎo)體激光器121o 的光(紅外線激光)進(jìn)行傳輸?shù)亩鄺l光纖113、多芯毛細(xì)管111構(gòu)成光源 部122，多芯毛細(xì)管111的出射面114中的光纖113的出射端面115i、115o 構(gòu)成多個(gè)點(diǎn)光源。另外，引導(dǎo)光用出射端面115g構(gòu)成引導(dǎo)光用點(diǎn)光源。激光器主體105具備對(duì)這些半導(dǎo)體激光器121的發(fā)光功率等進(jìn)行控制 的控制部123。該控制部123構(gòu)成為以被分組的內(nèi)側(cè)半導(dǎo)體激光器121i 和外側(cè)半導(dǎo)體激光器121o為單位對(duì)各個(gè)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光功率進(jìn)行控 制。由此，從出射端面115i、 115o出射的光束的強(qiáng)度分布也以分組后的單 位被控制。這里，對(duì)本實(shí)施方式的具體構(gòu)成的一例進(jìn)行說(shuō)明。作為一例，內(nèi)側(cè)半 導(dǎo)體激光器121i和外側(cè)半導(dǎo)體激光器121o使用發(fā)光功率5W、射出波長(zhǎng)915nm的紅外線激光的器件，作為光纖113，使用芯徑105jim、金屬包層 直徑125pm的多模光纖，其出射端面115i、 115o如圖3所示，以250p間 隔配置在X—Y二維坐標(biāo)面上。另外，作為半導(dǎo)體激光器121g，使用了射 出波長(zhǎng)為650nm的紅色光的器件。圖4是在這種具體的構(gòu)成例下，通過(guò)控制部123使外側(cè)半導(dǎo)體激光器 121o (外側(cè)出射端面1150)側(cè)的強(qiáng)度分布固定為5W、使內(nèi)側(cè)半導(dǎo)體激光 器121i (內(nèi)側(cè)出射端面U5i)側(cè)的強(qiáng)度分布從1W 5W可變時(shí)，表示由 聚光透鏡112聚光照射到接合面103a、 103b上的一條光束的光強(qiáng)度曲線 的變化情形的特性圖。由圖4所示的特性圖可知根據(jù)出射端面115被配置的位置和從這些 出射端面115射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，能夠使由聚光透鏡112聚光 照射到接合面103a、 103b上的一條光束的光強(qiáng)度曲線可變。即，在相對(duì) 于外側(cè)的強(qiáng)度分布將內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度分布設(shè)為.100% ( = 5W)的情況下，如特 性Pl所示那樣，成為接近高斯分布的形式的光強(qiáng)度曲線，但在相對(duì)于外 側(cè)的強(qiáng)度分布將內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度分布設(shè)為80% (=4W)的情況下，如特性P2 所示那樣，成為中心附近的光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的光強(qiáng)度分布曲線，進(jìn)而， 在相對(duì)于外側(cè)的強(qiáng)度分布將內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度分布降低為60% (=3W) 、 40% (=2W) 、 20% ( = 1W)的情況下，分別如特性P3、 P4、 P5所示那樣， 成為中心附近光強(qiáng)度低、其周?chē)鈴?qiáng)度高的表現(xiàn)雙峰性的光強(qiáng)度分布曲 線，內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度分布越低，雙峰性的中心部的凹陷越大。圖5是表示當(dāng)表現(xiàn)雙峰性的特性P5時(shí)在X—Y 二維坐標(biāo)面上(相當(dāng) 于接合面103a、 103b上)觀察時(shí)，光強(qiáng)度曲線的形態(tài)的計(jì)算結(jié)果例的說(shuō) 明圖。越濃(黑)的部分表示越高的強(qiáng)度。俯視觀察可知，中心附近的光 強(qiáng)度低，其周?chē)鈴?qiáng)度以圓環(huán)狀增高。這里，參照?qǐng)D6，考察通過(guò)本實(shí)施方式的出射端面115被配置的位置 和從這些出射端面115射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，能夠表現(xiàn)雙峰性的 特性P3 P5所構(gòu)成的光強(qiáng)度曲線。以往，在將熔敷面積(熔敷掃描寬度) 從寬度W八擴(kuò)展到WB來(lái)提高接合強(qiáng)度時(shí)，不得不如上述那樣提高激光的 發(fā)光功率，例如成為圖6中以雙點(diǎn)劃線B所示的光強(qiáng)度曲線，但根據(jù)本實(shí) 施方式的表現(xiàn)雙峰性的特性P3 P5的光強(qiáng)度曲線可知，可在不使激光的發(fā)光能量那樣增高的情況下將熔敷面積(熔敷掃描寬度)擴(kuò)展為WB。尤其在激光瑢敷中，如圖7的照射功率P —粘接力F特性所示，當(dāng)照射功率P在閾值Pa以下時(shí)成為粘接不足，另外，即使將照射功率P提高到閾值Pb以上也會(huì)因產(chǎn)生氣化或孔隙等熔敷部劣化而無(wú)法獲得良好的接合強(qiáng)度，結(jié)果，閾值Pa Pb之間成為最佳功率范圍。這一點(diǎn)根據(jù)本實(shí)施 方式的表現(xiàn)雙峰性的特性P3 P5的光強(qiáng)度曲線，如圖6中的實(shí)線所示， 在不超過(guò)閾值Pb的范圍內(nèi)(不改變峰值功率)將熔敷面積(熔敷掃描寬 度)擴(kuò)展到寬度WB，可提高接合強(qiáng)度。而且，當(dāng)采用如特性P2所示的中心附近的光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的光強(qiáng) 度分布曲線時(shí)，在不伴隨掃描的斑點(diǎn)(spot)熔敷中，可不特別提高發(fā)光 功率地?cái)U(kuò)展熔敷面積，從而能夠提高接合強(qiáng)度。另外，有時(shí)即使照射平坦的射束曲線的激光，中心部的溫度也升高， 會(huì)觀測(cè)到中心部的劣化?？烧J(rèn)為這是在樹(shù)脂的導(dǎo)熱率小時(shí)賦予周邊部的熱 量容易散失，相對(duì)于此，中心部的熱量不易散失而溫度上升。根據(jù)本實(shí)施 方式中圖4的表現(xiàn)雙峰性的特性P3 P5的光強(qiáng)度曲線，即使在熔敷導(dǎo)熱 率低的樹(shù)脂時(shí)，也能擴(kuò)展熔敷面積，從而提高熔敷強(qiáng)度。因此，例如將這樣的表現(xiàn)雙峰性的特性P5作為所希望的光強(qiáng)度曲線， 將特性P5的光強(qiáng)度曲線的紅外線激光照射到接合面103a、 103b，并沿Y 軸方向掃描，從而，不會(huì)如特性P1和特性P2的情況那樣僅熔敷掃描寬度 的中心部的強(qiáng)度分布變高，而能夠在熔敷掃描寬度的整個(gè)寬度內(nèi)以大致均 勻的強(qiáng)度分布迸行良好的樹(shù)脂熔敷。進(jìn)而，上述的說(shuō)明中在掃描激光時(shí)使掃描的方向恒定，但通過(guò)以圖8 所示的配置使光強(qiáng)度之比最佳，可消除掃描的方向性。圖9是表示該情況 的一例，設(shè)圖8的內(nèi)側(cè)的光強(qiáng)度為外側(cè)的光強(qiáng)度的30%。由于該配置是外 側(cè)為八角形配置、內(nèi)側(cè)為正方形，所以圖8所示的方向A、 B、 C錯(cuò)開(kāi)了 方向性最不同的22.5度、45度。從圖9可知，與高斯分布形狀的通常激 光的積分強(qiáng)度相比，A、 B、 C均擴(kuò)展了射束曲線。例如，若比較具有最大 強(qiáng)度的70%以上強(qiáng)度的范圍，則通常激光為1530|am，相對(duì)于此，方向A、 B均為2670|am即擴(kuò)展到1.75倍，方向C為2400pm即擴(kuò)展到1.57倍。由 此，即使在任意方向上掃描激光，也能實(shí)現(xiàn)積分強(qiáng)度在峰值附近比較平坦的曲線。不會(huì)如高斯分布形狀那樣僅熔敷掃描寬度的中心部的強(qiáng)度分布變 高，能夠在熔敷掃描寬度的整個(gè)寬度內(nèi)以大致均勻的強(qiáng)度分布進(jìn)行良好的 樹(shù)脂熔敷。進(jìn)而，根據(jù)該構(gòu)成，即使在熔敷所述導(dǎo)熱率低的樹(shù)脂的情況下， 也能獲得具有雙峰性的積分強(qiáng)度曲線，可擴(kuò)展熔敷面積提高接合強(qiáng)度。這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，由于采用將來(lái)自出射面114上配置的多個(gè)出 射端面115的出射光束通過(guò)聚光透鏡U2會(huì)聚成一條光束并向接合面103A、 103b照射的構(gòu)成，其通過(guò)各出射端面115被配置的位置和各出射 端面115所射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，可使照射到接合面103A、 103b 上的一條光束成為所希望的光強(qiáng)度曲線，所以，通過(guò)多個(gè)出射端面115的 配置設(shè)定和各個(gè)出射端面115的強(qiáng)度分布的可變控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的一 條光束所要求的其光強(qiáng)度曲線，因此，能夠不使發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)到所需要強(qiáng) 度以上地獲得適合于擴(kuò)大熔敷面積等目的的所希望的光強(qiáng)度曲線，例如， 可獲得在中心附近光強(qiáng)度低在其周?chē)鈴?qiáng)度變高的表現(xiàn)雙峰性的曲線、或 在中心附近光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的曲線的光輸出。另外，不僅是斑點(diǎn)熔敷， 還能實(shí)現(xiàn)使掃描時(shí)的強(qiáng)度曲線的積分值適合于擴(kuò)大熔敷面積等目的的所 希望的光強(qiáng)度曲線，例如，可實(shí)現(xiàn)在中心附近光強(qiáng)度低在其周?chē)鈴?qiáng)度變 高的表現(xiàn)雙峰性的曲線、或中心附近的光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的曲線等。此時(shí)，照射到接合面103a、 103b上的紅外線激光不可見(jiàn)，但由于在 出射端面115i、 115o的中心位置具有射出紅色光的引導(dǎo)光用出射端面 115g，使該紅色光同時(shí)照射到接合面103a、 103b，因此，容易進(jìn)行熔敷位 置的視覺(jué)確認(rèn)。另外，在本實(shí)施方式中具備控制部123，對(duì)從出射端面115i、 115o (半 導(dǎo)體激光器121i、 121o)射出的光束的光強(qiáng)度的至少一方進(jìn)行可變控制， 但也可不采用基于控制部123的控制方式，而采用如下構(gòu)成例如在作為 熔敷條件是所希望的熔敷面積(熔敷掃描寬度)為已知的情況下，射出按 照成為適合于該熔敷面積的所希望的光強(qiáng)度曲線的方式預(yù)先設(shè)定的光強(qiáng) 度的光束。在該情況下，如果為了獲得所希望的光強(qiáng)度曲線而射出以根據(jù) 出射端面115i、115o被配置的位置進(jìn)行分組后的單位預(yù)先設(shè)定的規(guī)定強(qiáng)度 分布的光束，則能更簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。而且，并不限定于在內(nèi)外周的同心圓上多重配置圓環(huán)狀，例如也可以如圖10中以黑圓點(diǎn)所示那樣，單重配置在單一的同一圓周上的位置。此 時(shí)，引導(dǎo)光用出射端面115g可配置在中心位置，但如圖所示，也可配置 在與出射端面115同一圓周上的位置，即，在表示所希望的光曲線的輪廓的位置上配置多個(gè)。在圖示的例子中，按每2個(gè)出射端面115配置一個(gè)引 導(dǎo)光用出射端面115g(在圖3的情況下也可同樣適用)。由此，在熔敷時(shí) 通過(guò)紅色光可視覺(jué)辨認(rèn)熔敷用的斑點(diǎn)直徑，從而能簡(jiǎn)單地確認(rèn)可熔敷的范 圍(熔敷掃描寬度)。并且，出射端面115的配置例并不限于圖3或圖10所示的向圓周上 位置的配置，例如也可以如圖11中用黑圓點(diǎn)所示那樣， 一維配置在同一 直線上的位置，或如圖12中用黑圓點(diǎn)所示那樣，多重配置在多條、例如2 條直線上的位置。在圖11和圖12的情況下，作為聚光照射的光束，可采 用圖中遍及出射端面115的配置范圍在橫長(zhǎng)方向上平坦的光強(qiáng)度曲線，因 此，可進(jìn)行伴隨向箭頭所示方向掃描的擴(kuò)展激光熔敷寬度。此時(shí)，引導(dǎo)光 用出射端面115g配置在多個(gè)出射端面115的中心位置，容易確認(rèn)熔敷位 置，并且還可配置在表示光強(qiáng)度曲線的輪廓的位置、即掃描方向的兩側(cè)位 置，從而易于確認(rèn)可熔敷的范圍(熔敷掃描寬度)。而且，作為出射端面115的配置例，并不限定于基于如上所述的規(guī)定 位置關(guān)系的配置，例如，也可如圖13所示，將多個(gè)出射端面115在出射 面114上二維四方狀地遍及整個(gè)面且緊密地排列整理，并由樹(shù)脂等加固， 由此，選擇為了得到所希望的光強(qiáng)度曲線而需要的輸出端面115來(lái)輸出由 聚光透鏡112形成的一條光束。圖13中，圓點(diǎn)均表示出射端面115，其中， 黑圓點(diǎn)表示被選擇的內(nèi)側(cè)出射端面115i，帶斜線的圓點(diǎn)表示所選擇的外側(cè) 出射端面115o，白圓點(diǎn)表示引導(dǎo)光用出射端面115g，虛線圓點(diǎn)表示未被 選擇的出射端面115n。由此，可實(shí)現(xiàn)各種光強(qiáng)度曲線。并且，作為出射端面115的配置例，如圖14所示，可以是將多個(gè) 出射端面115配置在多條直線上的位置，并且，在與這些直線垂直的方向 上，按照與前面的列不重合的方式配置為鋸齒狀。進(jìn)而，在上述說(shuō)明中，說(shuō)明了將配置在出射面114上的點(diǎn)光源作為光 纖113的出射端面115的例子，但也可將半導(dǎo)體激光器或LED等發(fā)光源 本身直接嵌入到出射面114中。本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行 各種變形。(工業(yè)上的可利用性)如上所述，本發(fā)明的光照射裝置以及熔敷方法在樹(shù)脂部彼此的熔敷接 合中有用，尤其適用于利用紅外線激光的情況。
權(quán)利要求
1、一種光照射裝置，包括光源部，其在出射面上配置有多個(gè)點(diǎn)光源；和光學(xué)系統(tǒng)，其將來(lái)自所述多個(gè)點(diǎn)光源的出射光束會(huì)聚成一條光束并向被照射物照射；通過(guò)所述各點(diǎn)光源被配置的位置與所述各點(diǎn)光源射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，所述一條光束成為所希望的光強(qiáng)度曲線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光照射裝置，其特征在于， 所述光源部具備多個(gè)發(fā)光源、和傳輸來(lái)自該各發(fā)光源的光的多條光纖，所述各點(diǎn)光源被配置在所述光源部的出射面，由對(duì)來(lái)自所述發(fā)光源的 光進(jìn)行傳輸并射出所述各光纖的出射端面構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光照射裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源在所述出射面上以規(guī)定的位置關(guān)系排列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源配置在同一圓周上的位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源以圓環(huán)狀多重配置在同心圓上的位置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源配置在同一直線上的位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源多重配置在多條直線上的位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源射出為了獲得所述所希望的光強(qiáng)度曲線而預(yù)先設(shè)定的規(guī)定強(qiáng)度分布的光束。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述點(diǎn)光源射出為了以根據(jù)該點(diǎn)光源被配置的位置進(jìn)行分組的點(diǎn)光源組為單位來(lái)獲得所述所希望的光強(qiáng)度曲線而預(yù)先設(shè)定的規(guī)定強(qiáng)度分布 的光束。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于，還包括控制單元，其對(duì)所述點(diǎn)光源射出的光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行可變控 制，以獲得所述所希望的光強(qiáng)度分布。
11、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光照射裝置，其特征在于， 還包括控制單元，其按照使配置在外側(cè)同心圓上的位置的所述點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布，大于配置在內(nèi)側(cè)同心圓上的位置的所述點(diǎn)光源 所射出的光束的強(qiáng)度分布的方式，對(duì)所述點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布 進(jìn)行可變控制。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的光照射裝置，其特征在于， 所述控制單元以根據(jù)所述點(diǎn)光源被配置的位置分組后的點(diǎn)光源組為單位，對(duì)所述點(diǎn)光源所射出的光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行可變控制。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1 12中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述所希望的光強(qiáng)度曲線是在中心附近光強(qiáng)度低、在其周?chē)鈴?qiáng)度變高的表現(xiàn)雙峰性的曲線。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1 12中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述所希望的光強(qiáng)度曲線是中心附近的光強(qiáng)度表現(xiàn)平坦性的曲線。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1 13中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述所希望的光強(qiáng)度曲線是對(duì)任意的軸進(jìn)行掃描時(shí)所獲得的積分強(qiáng)度在中心附近低、在其周?chē)兏叩谋憩F(xiàn)雙峰性的曲線。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1 13中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述所希望的光強(qiáng)度曲線是對(duì)任意的軸進(jìn)行掃描時(shí)所獲得的積分強(qiáng)度在中心附近表現(xiàn)平坦性的曲線。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1 16中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于， 所述光源部還包括對(duì)所述被照射物照射可見(jiàn)光的引導(dǎo)光用點(diǎn)光源。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的光照射裝置，其特征在于， 所述引導(dǎo)光用點(diǎn)光源在所述出射面被配置于多個(gè)所述點(diǎn)光源的中心位置。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的光照射裝置，其特征在于， 在所述出射面上表示所希望的光強(qiáng)度曲線的輪廓的位置，配置有多個(gè)所述引導(dǎo)光用點(diǎn)光源。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1 19中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，其特征在于，來(lái)自所述點(diǎn)光源的出射光束是紫外線激光，所述被照射物是通過(guò)照所述所希望的光強(qiáng)度曲線的光束射而被熔敷 接合面的樹(shù)脂部件。
21、 一種熔敷方法，利用權(quán)利要求1 19中任意一項(xiàng)所述的光照射裝置，來(lái)自所述點(diǎn)光源的出射光束是紫外線激光，所述被照射物是通過(guò)照射所述所希望的光強(qiáng)度曲線的光束而被熔敷 接合面的樹(shù)脂部件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光照射裝置，可不使發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)到所需要強(qiáng)度以上地獲得適合于擴(kuò)大熔敷面積等目的的所希望的光強(qiáng)度曲線。采用將來(lái)自在光源部(122)的出射面(114)上配置的多個(gè)出射端面(115)的出射光束通過(guò)聚光透鏡會(huì)成一條光束并向被照射物照射的構(gòu)成，通過(guò)各出射端面(115)被配置的位置和從各出射端面(115)射出的光束的強(qiáng)度分布的組合，可使照射到被照射物上的一條光束成為所希望的光強(qiáng)度曲線，因此，通過(guò)多個(gè)出射端面(115)的配置設(shè)定和各個(gè)出射端面(115)的強(qiáng)度分布的設(shè)定與可變控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的一條光束所要求的所希望的光強(qiáng)度曲線。
文檔編號(hào)H01S5/022GK101218719SQ20068002507
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者上田純二, 東治郎, 中村孝治, 池中芳治, 田中完二, 福永將廣, 藤崎晃, 赤川佳史 申請(qǐng)人:古河電氣工業(yè)株式會(huì)社;宇部興產(chǎn)株式會(huì)社;力克士工業(yè)株式會(huì)社