JP6795638B2 - プラスチック溶着用導波管、プラスチック溶着用組立体、溶着方法、並びに導波管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック溶着用の凹導波管及び凸導波管、プラスチック溶着用組立体、プラスチック溶着方法、並びに導波管の製造方法に関する。

一般的に、プラスチック溶着用のレーザー光用導波管が数種類知られている。プラスチック溶着用組立体において、レーザー光源からのレーザー光が溶着対象の部品に導入される前の最後の要素が導波管と呼ばれることが多い。そのため導波管は特に、レーザー光エネルギーが溶着対象の部品に可能な限り均一に導入され、個別の焦点が生じるのを防ぐことができるように、レーザー光の分布を均質化するという目的がある。

そのため、二つのタイプの導波管、つまり凸導波管と凹導波管とでは一般的に区別がなされている。凸導波管は、全反射の法則に従って内部でレーザー光を案内する中実体からなる。このような凸導波管の一例がDE 10 2004 058 221 A1に記載されている。凹導波管は、内部でレーザー光を案内する、反射層で被覆された空洞状の通路を特徴とする。このような凹導波管の一例がDE 11 2007 002 109 T5に記載されている。この文献に記載されている凹導波管は、非円形溶着部を生じる非円錐形縦断面を有する。さらに、円錐形縦断面を有する凹導波管も知られている。

通常、互いに溶着すべき部品の前にある溶着組立体の最後の要素である導波管において、導波管によるエネルギー損失はできる限り少なく抑えることが望ましい。

ドイツ特許出願公開第１０２００４０５８２２１号 ドイツ特許第１１２００７００２１０９号

従って本発明の目的は、導波管によって生じるエネルギー損失が既知の導波管よりも小さく、互いに溶着すべき部品において導波管がより良好なエネルギー分布を行う導波管を提供することにある。本発明のさらなる目的は、これに対応する組立体、対応する溶着方法、並びに対応する導波管の製造方法を提供することにある。

上記の課題は、独立請求項１に記載の凹導波管、独立請求項２に記載の凸導波管、独立請求項１０に記載の凹導波管、独立請求項１１に記載の凸導波管、独立請求項１７に記載の凹導波管、独立請求項１８に記載の凸導波管、独立請求項１９に記載のプラスチック溶着用組立体、独立請求項２１に記載のプラスチック溶着方法、独立請求項２２に記載の凹導波管の製造方法、並びに独立請求項２３に記載の凸導波管の製造方法によって解決される。以下の詳細な説明、図面、及び請求の範囲より、さらなる好ましい実施態様が理解される。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する本発明の第一の凹導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、第一内側面は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が入射端から出射端の方向へ連続的に変化するように、連続的に湾曲する凹形状を含む。

本発明の第一の凹導波管を、以下にプラスチック溶着用組立体、特にレーザー透過溶着用組立体における用途の一部として説明する。レーザー透過溶着は、溶着対象である部品の加熱及び接合工程が略同時に行われる一段階法である。この方法のため、溶着対象である部品の一方は、レーザー波長の範囲で高透過率つまり高透過度でなければならず、他方は、高吸収率つまり高吸収性でなければならない。溶着工程の前に、両部品を所望の端部位置に配置し、接合圧をかける。レーザービームを透明部品をあまり加熱せずに照射する。最初は吸収性部品においてレーザービームは表面近くの層に吸収され、そこでレーザーエネルギーが熱エネルギーに変換され、吸収性材料がその箇所で融解する。熱伝導工程により、透明部品も接合領域において可塑化される。外部からの接合圧力、並びに融解プラスチックの膨張による内部接合圧力によって、二つの部品が接着剤接続される。ここで、同時レーザー透過溶着（以下、同時溶着とも称する）の一部として本発明の凹導波管を使用することが特に好ましい。

同時溶着では、好ましくは溶着対象である部品の溶着輪郭全体若しくは溶着線輪郭を同時に照射する。これにより、工程所要時間を極端に削減することができ、融解により隙間を埋めることができる。さらに、同時溶着は相互作用時間がより高いため、溶着線は、レーザービームを溶接線に沿って案内する輪郭溶着よりも強い。

プラスチック溶着、特にレーザー透過溶着用の組立体の操作において、レーザー光は、レーザー光源から、可撓性である場合が多い導光体つまり可撓性導光体の束を通り、この導光体は、レーザー光源とは反対側の端部で導波管に連結される。レーザー光は導光体や導光体の束を出て導波管に入り、導波管内で均質化され、その後、溶着対象である部品に衝突する。

当初に概説した通り、凹導波管は、内部をレーザー光が案内される空洞を特徴とする。通常、凹導波管は導水管状のデザインや構成である。第一の凹導波管は、入射端と、出射端と、第一反射内側面と、第一内側面と対向する第二反射内側面とを備える。入射端の入射面は、特に導波管の入射端にある第一及び第二内側面の第一端が配置される面によって規定される。有利には、レーザー光は入射端において、入射面に対して垂直に導波管に入る。出射面を有する出射端は、これに対応して、導波管の出射端にある第一及び第二内側面の第二端が配置される面によって、好ましく規定される。特に有利な実施態様では、出射面及び入射面は互いに平行な面に配置される。

好ましくは、出射端は溶着対象である部品の所望の溶着線輪郭に合わせる。例えば、溶接対象である部品が二つの細長い部品である場合、導波管は、導波管を通過するレーザー光の方向を横切る方向に細長い形状とする。第一凹導波管のこの方向への広がりは幅と規定される。別の例によれば、二つの環状部品を溶着する場合、出射端つまり出射面も環状とする。

さらに、導波管の中心平面は、入射端と出射端との間で、入射端から出射端までのレーザー光の方向に中央に延在する。ここで入射端から出射端まで中央にとは、各端部つまり各面の幾何学的中心を意味する。レーザー光の方向を横切る方向に細長い形状である例示的な第一の凹導波管の場合、太さつまり内側面間の第二距離は、入射端及び出射端において例えば５ｍｍである。すると中心平面から第一内側面及び第二内側面までの距離は、入射端及び出射端において２．５ｍｍとなる。これは好ましい実施態様の詳細な説明について以下に説明する。別の例では、太さは入射端と出射端とで等しく、好ましくは３ｍｍ未満、さらに好ましくは２．８ｍｍ未満である。さらに別の例では、入射端における太さは、出射端における太さよりも太くしても良い。例えば、出射端における太さが１．４ｍｍである場合、入射端における太さを２．２〜２．８ｍｍとしてもよい。

本発明によれば、第一内側面は、連続的に湾曲する凹形状を含む。よって導波管の断面図では、第一内側面は外側に湾曲している。この連続的に湾曲する凹形状は、好ましくは楕円の一部である。第一内側面のこのデザインや形状により、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離は、入射端から出射端の方向に連続的に変化する。第二内側面は、第一の変更例では、直線的に延在する。他の実施態様では、第二内側面は他の形状、好ましくは同様に連続的に湾曲する形状を有し、複数の直線部分によって形成される、若しくは楕円、例えば第二の楕円の一部である形状を有する。第二内側面の例示的直線状デザインでは、中心平面と第二内側面との間の第四距離は一定つまり不可変であり、第一内側面の形状により、第三距離のみならず導波管の太さも連続的に変化する。

他の好ましい実施態様では、本発明の第一の凹導波管は、導波管部分の一部若しくは導波管の一体的部分である。例えば、入射端の前及び／又は出射端の後において、さらに直線状の導波管が存在する。第一入射端は、この場合、凹形状の第一内側面が始まる所から始まる。従って出射端は、凹形状の第一内側面が終わる所にある。

この構成の利点は、直線的内側面の導波管よりも、レーザー光のビームが導波管内で互いに相互作用しにくい点にある。さらに、本発明の第一の凹導波管によってレーザー光が出射端においてより強力に集束される。本発明の第一の凹導波管によれば、溶着線において特に均質な出力密度分布が得られる。このように、導波管と溶着対象の部品との間のより大きな公差を補償することができ、本発明の第一の凹導波管を用いた組立体の使用をより簡単にすることができる。特に、導波管と溶着対象の部品の所望の溶着線との間の±１ｍｍまでの公差を、本発明の第一の凹導波管によって補償することができる。さらに、本発明の第一の凹導波管によって、直線状導波管よりもより多くのエネルギーを通過させることができる。これは導波管の表面が磨かれていない場合にも該当する。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、中実体からなる本発明の第一の凸導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、第一内側面は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が入射端から出射端の方向へ連続的に変化するように、連続的に湾曲する凹形状を含む。

本発明の第一の凹導波管についての上記の説明は、本発明の第一の凸導波管にも同様に該当する。本発明の第一の凹導波管と本発明の第一の凸導波管との違いは、凸導波管は中実体からなることである。この中実体は、入射端及び出射端を備える。第一及び第二内側面は、中実体の第一及び第二側面の第一及び第二内側によって形成される。中実体の材料は、中実体内部特に第一及び第二内側面において全反射するように選択される。本発明の第一の凸導波管によって得られる利点は、本発明の第一の凹導波管によって得られる利点に対応している。さらに凸導波管によって、導波管を通して溶着対象の部品へと屈折なくエネルギーを伝達することができる。さらに凸導波管は特に、例えば設置スペースが限られている用途において有用である。また、例えばある材料の薄膜を別の材料の薄膜に溶着する場合等、凸導波管によって溶着加工対象物に直接圧力をかけることができる。

第一の凹導波管及び第一の凸導波管の好ましい実施態様では、第三距離が入射端から出射端の方向へ連続的に増減する。第三距離が入射端から出射端の方向へ増加すると、入射端における太さは出射端における太さよりも細くなる。第三距離が入射端から出射端の方向へ減少すると、入射端における太さは出射端における太さよりも太くなる。これについて、第三距離がまず入射端から出射端の方向へ頂点まで連続的に増加して、その後連続的に減少することが特に好ましい。これは、第三距離に関して、第三距離がまず入射端から出射端の方向へ頂点まで増加し、その後減少することを意味する。ここでも、別の構成とすることも可能である。一例として、入射端における太さは出射端における太さよりも、太い若しくは細い。特に好ましい実施態様によれば、出射端における太さは入射端における太さに対応している。出射端及び入射端は、それぞれの要求に対して特別に適合させることができ、第一の凹導波管及び第一の凸導波管を特に広範囲にわたる用途に使用することができる。

第一の凹導波管及び第一の凸導波管のさらに好ましい実施態様では、第二内側面は第一内側面に対して鏡映対称的に形成される。導波管の中心平面が鏡面として使用される。このように、第二内側面は第一内側面と同様に構成され、どちらも連続的に湾曲する凹形状を有する。第二内側面と導波管の中心平面との間の第四距離も、入射端から出射端の方向へ連続的に変化する。特に、導波管の太さはこのように連続的に変化し、好ましくは太さは入射端から出射端の方向へ頂点まで増加し、その後減少する。この鏡映対称的形状により、導波管内でのレーザービームの相互作用がさらに減少し、溶着線における出力密度分布がさらに向上する。

第一の凹導波管及び第一の凸導波管の好ましい実施態様では、入射端における太さは、導波管の長さの８％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％である。これに加えて、若しくはこれの代わりに、第三距離は好ましくは入射端から出射端の方向へ頂点まで増加し、その後減少し、頂点は導波管２０の長さの１／４〜３／４の範囲、好ましくは１／３〜２／３の範囲、特に好ましくは約１／２に配置することが好ましい。さらに好ましくは、出射端における太さは、入射端における太さに対応する若しくは等しい。第三距離が入射端から出射端の方向へ頂点まで増加し、その後減少し、頂点における太さが、入射端における太さの約１．２〜２倍、好ましくは１．４〜１．８倍、特に好ましくは１．６倍であることも好ましい。特に好ましい実施態様では、上述のように第二内側面は第一内側面に対して鏡映対称的である。これらの特徴一つ一つによって、溶着対象の部品の溶着線における出力密度分布を向上させることができる。

特に好ましい実施態様によれば、第一内側面の連続的に湾曲する凹形状は楕円の一部である。第二内側面が鏡映対称的形状である場合、これは第二内側面にも該当する。第二内側面が非鏡映対称的形状である場合には、第二内側面は、好ましくは第二のさらなる楕円の一部である連続的に湾曲する形状である。楕円は長軸と短軸とを有する。長軸上にある頂点を主頂点と呼び、短軸上にある頂点をサブ頂点や副頂点と呼ぶ。楕円の焦点、つまり第一及び第二焦点は、長軸上で楕円の中心点の両側にある。よって楕円は、焦点からの距離の合計、つまり焦点半径の合計が主頂点間の距離に常に等しい全ての点の幾何学的位置と規定される。頂点を有する上述の実施態様について、頂点は好ましくは楕円のサブ頂点に対応する。これにより、導波管の断面がより細長い形状となり、この形状がレーザー光の伝搬及び均質化を有利に支援する。一般的に、楕円の一部を使用することにより、特に直線的導波管と比較して、レーザービームと導波管の内側面との相互作用がさらに削減される。これは、第二内側面が第一内側面に対して鏡映対称的形状に形成されている場合に特に該当する。特にこの実施態様によれば、直線状導波管よりも、より多くのエネルギーを導波管を通して伝達することができる。これも導波管の表面が磨かれていない場合にも該当する。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する本発明の第二の凹導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、第一内側面は、第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を含み、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する。

凹導波管並びにレーザー透過溶着については、本発明の第一の凹導波管についての上記の説明を参照する。本発明の第二の凹導波管は、本発明の第一の導波管と同様に、プラスチック溶着用組立体に使用することができる。本発明の第一の凹導波管と本発明の第二の凹導波管との違いは、第一内側面の形状並びに出射端に対する入射端の配置である。

第一の凹導波管とは対照的に、第二の凹導波管の入射端は、出射端の反対側には配置されていない。第一内側面が、第一螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を有することはむしろ疑う余地がない。平面図形としての螺旋は一般に、螺旋の半径が原点から連続的に変化するものと規定される。これにより螺旋は、例えば半径が常に一定である円と区別される。第一螺旋の半径は、第一内側面のデザインにより、原点から第一内側面まで導波管に沿って連続的に変化する。これは後に好ましい実施態様の詳細な説明において説明する。

第二内側面は、入射端と出射端との間に、好ましくは直線的に若しくは直線部分として、延在する。別の例では、第二内側面も湾曲して形成することができる。直線部分を有する形状並びに湾曲形状では、第一内側面と第二内側面との間の空間が、第二内側面が入射端と出射端との間に直線的に延在している場合よりも大きくないことが好ましい。第二内側面の湾曲は、よって好ましくは凸状である。

第二の凹導波管の利点は、導波管内部におけるエネルギー損失が低く、レーザー光を導波管中で溶着線まで特に効果的に案内することができることにある。従って、既知の導波管と比較して、特に溶着対象である部品が溶着線にアンダーカットを有している場合、部品の溶着線により多くの溶着エネルギーを提供することができる。さらに、導波管の閉じた角張った形状若しくは角のある形状に対して、特に入射端のコーナー部分において、この領域における第一内側面の螺旋形状により、導光体の衝突を防ぐことができる。これにより、既知の組立体と比較して、組立体がより簡単に使用可能となる。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、中実体からなる本発明の第二の凸導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、第一内側面は、第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を含み、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する。

第二の凹導波管についての上記の説明は、第二の凸導波管にも同様に該当する。凹導波管と比較した凸導波管の構成について、第一の凸導波管についての上記の説明を参照するが、これは第二の凸導波管にも該当する。要するに、第二の凸導波管によって得られる利点は、第二の凹導波管によって得られる利点に対応している。

第二の凹導波管及び第二の凸導波管の好ましい実施態様では、第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点から第一内側面まで導波管に沿って入射端から出射端まで連続的に増加若しくは減少する。このように、導波管の第一内側面を、各用途に合わせた湾曲とすることができる。

さらに好ましくは、入射端と出射端とが、特に入射面と出射面とが、間に３０°〜１５０°、好ましくは４０°〜１２０°の角度をなす。導光体からのレーザー光は、好ましくは入射面に対して垂直に導波管に入り、出射面に対して垂直に導波管を出る。例えば溶着対象の部品にアンダーカットがあるために、各用途について所望の角度に基づいて、並びに利用可能な取付スペースに基づいて、螺旋の所望の部分を選択して第一内側面の凹形状を実現する。

さらに好ましい実施態様では、中心平面が第一内側面と第二内側面との間に規定され、第一内側面及び第二内側面に対する中心平面の距離は、第二内側面も連続的に湾曲した形状となるように、導波管の長さにわたって一定である。この第二内側面の形状は第二螺旋、特に第二自然螺旋の一部であり、第二螺旋の原点から第二内側面までの第二螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する。この形状により、レーザー光は導波管内を非常に効率的に案内される。

さらに好ましくは、導波管の太さは、入射端から出射端の方向へ連続的に減少する。このように、入射端から出射端の方向へのレーザー光のさらなる集束効果が得られる。

特に好ましくは、螺旋の一部である凹状の連続的に湾曲する形状は、双曲線、アルキメデス螺旋、対数螺旋、若しくはフィボナッチ数列に基づく螺旋の一つから選択する。フィボナッチ数列は以下の数列である。

フィボナッチ数列に基づく螺旋は、対数螺旋のサブセットである。この形状により、導波管中でレーザー光を非常に低い損失で、特に溶着対象である部品のアンダーカットへと、案内することができる。

原点０から同じ角度αで延びる全てのビームと交差する曲線は、対数螺旋と規定される。対数螺旋の場合、螺旋の一部が存在すれば、角度αがわかれば原点を決定することができる。螺旋は平面図形であるので、導波管はここでは断面で見なければならない。直線の方向ベクトルはこの場合、第一内側面から第二内側面の方向を指す。第二内側面の形状も螺旋に基づいている場合には、直線の方向ベクトルは、第一内側面から離れる方向を指す。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する本発明の第三の凹導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を含む。特に第一曲線は、円、放物線、指数関数、若しくはその他の曲線で規定してもよい。よって湾曲した凹形状は、円、放物線、若しくは指数関数の一部であってもよい。さらなる特徴及び利点については、本発明の第二の凹導波管を参照する。

プラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用の、中実体からなる本発明の第三の凸導波管は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端と、入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を含む。さらに可能性のある特徴については、本発明の第三の凹導波管並びに本発明の第二の凸導波管を参照する。特に、利点については、本発明の第二の凸導波管を参照する。

本発明のプラスチック溶着、特にレーザー透過溶着用の組立体は、レーザー光源と、導光体、好ましくは複数の導光体と、本発明の導波管とを備え、組立体の操作において、レーザー光はレーザー光源から導光体を通り、次いで導波管を通過する。本発明の組立体は上述した本発明の導波管を使用するので、各導波管の上述の利点は、本発明の組立体にも同様に該当する。

組立体の有利な実施態様において、本発明の第二の凹導波管又は凸導波管を使用すると、第二若しくは第三の凹導波管又は凸導波管の第一内側面の長さは、複数の導光体のうちの各導光体間の距離の３〜４倍の範囲、特に３．５倍である。このように、導波管を特にコンパクトな構成とすることができる。

本発明の組立体による本発明のプラスチック溶着法、特にレーザー透過溶着法は、溶着対象である二つのプラスチック製部品を保持装置に配置する工程と、レーザー光源によってレーザー光を創出する工程とを含み、レーザー光は導光体、好ましくは複数の導光体中を通過し、次いで本発明の導波管を通過し、該方法はさらに、本発明の導波管から出るレーザー光によって、溶着対象であるプラスチック製部品を溶着する工程を含む。

本発明の第一の製造方法は、本発明の第一、第二、第三の凹導波管の製造に関する。本発明の第一の製造法は、第一内側面及び第二内側面を設ける工程と、第一内側面及び第二内側面に反射層を塗布する工程と、第一内側面と第二内側面とを互いに対向するように配置する工程とを含み、第一及び第二内側面の第一端は、レーザー光の入射面を規定する導波管の入射端を規定し、第一及び第二内側面の第二端は、レーザー光の出射面を規定する導波管の出射端を規定し、入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、第一内側面は連続的に湾曲する凹形状を有し、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離は、入射端から出射端の方向へ連続的に変化し、若しくは、第一内側面は、第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を有し、第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点から第一内側面まで導波管に沿って連続的に変化し、若しくは、第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を有する。本発明の製造法により、本発明の第一、第二、及び第三の凹導波管を製造することができ、その利点については、第一、第二、及び第三の凹導波管についての上記説明を参照する。

本発明の第二の製造方法は、本発明の第一又は第二の凸導波管の製造に関する。本発明の第二の製造方法は、導光体材料を中実体とし、該中実体は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端とを備え、前記中実体は、第一内側面を規定する第一側面と、第二内側面を規定する第二側面とを有し、第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、中実体は第一及び第二内側面においてレーザー光を全反射する材料からなり、入射端と出射端との間の第一距離は導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、前記方法は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が、入射端から出射端の方向へ連続的に変化するよう、第一内側面が連続的に湾曲する凹形状を有するように第一側面を形成する工程を含み、若しくは前記方法はさらに、第一内側面が、第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状となるように、第一側面を形成する工程を含み、それにより、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化し、若しくは前記方法はさらに、第一内側面が、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を有するように、第一側面を形成する工程を含む。本発明の第二の製造方法によって、本発明の第一、第二、第三の凸導波管を製造することができ、その利点については、第一、第二、及び第三の凸導波管についての上記説明を参照する。

本発明を、図面を参照して以下に詳細に説明する。図面において、同じ符号は同じ要素及び／又は部品を示す。

図１は、本発明による第一の凹導波管の実施態様を備える、プラスチック溶着用組立体の実施態様を斜視図で示す。 図２は、図１の第一の凹導波管の実施態様の断面図である。 図３aは、導波管を溶着線と精密に一致させた、従来技術による直線状凹導波管中におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図３ｂは、導波管を溶着線と精密に一致させた、図１の第一凹導波管の実施態様におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図４aは、導波管を溶着線から０．５ｍｍずらした、従来技術による直線状凹導波管中におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図４ｂは、導波管を溶着線から０．５ｍｍずらした、図１の第一凹導波管の実施態様におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図５aは、導波管を溶着線から１．０ｍｍずらした、従来技術による直線状凹導波管中におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図５ｂは、導波管を溶着線から１．０ｍｍずらした、図１の第一凹導波管の実施態様におけるレーザー光のコースを断面図で示す。 図６aは、従来技術による直線状凹導波管を使用した場合の、溶着対象の部品より後のレーザー光のコースを示す。 図６ｂは、図１の第一凹導波管の実施態様を使用した場合の、溶着対象の部品より後のレーザー光のコースを示す。 図７aは、図６aの断面の拡大図である。 図７ｂは、図６ｂの断面の拡大図である。 図８aは、従来技術による直線状凹導波管を二本のレーザー光と共に示す断面図であり、レーザー光の相互作用を明らかにする図である。 図８ｂは、図１の第一凹導波管の実施態様を二本のレーザー光と共に示す断面図であり、レーザー光の相互作用を明らかにする図である。 図９は、プラスチック溶着用組立体を、本発明による第二凹導波管の実施態様の断面と共に示す斜視図である。 図１０は、図９の第二凹導波管の実施態様を通るレーザー光のコースを示す。 図１１は、図１０の第二凹導波管の実施態様の断面図である。 図１２は、図１１の断面図の拡大図である。 図１３は、コーナー領域において導光体が衝突しないようにするための、第二凹導波管の実施態様の使用例の概略図である。 図１４は、従来技術の導波管と、本発明による第二凹導波管の実施態様とを重ねて示す図である。 図１５は、本発明による溶着方法の実施態様のフローチャートである。 図１６は、本発明による凹導波管の製造方法の実施態様を示すフローチャートである。 図１７は、本発明による凸導波管の製造方法の実施態様を示すフローチャートである。

一般に、以下に説明する導波管は、レーザー光を溶着部へ案内すべきいかなる方法においても使用することができる。例示として、導波管の使用方法をプラスチック溶着用、特にレーザー透過溶着用組立体において説明する。明瞭にするために、本発明による凹導波管の実施態様も説明するが、各実施態様は凹導波管にも同様に適用される。さらに、以下に説明する実施態様は、個別の導波管を規定するのではなく、導波管部分の一部若しくは導波管の一体的部分とすることができる。一例として、入射端及び／又は出射端の前に、特に直線状導波管が存在する。第一入射端は、この場合、凹形状の第一内側面が始まる所にある。従って出射端は、凹形状の第一内側面が終わる所にある。

レーザー透過溶着では、透過性部品と呼ばれることの多いプラスチック製第一部品を、吸収性部品と呼ばれることの多い第二部品に、圧力をかけ、レーザー光によって、溶着する。透過性部品若しくは透過性部品の一部を、レーザービームがあまり加熱することなく透過するように、導波管に隣接して配置する。吸収性部品若しくは吸収性部品の一部を、透過性部品若しくは透過性部品の一部の導波管とは反対側に配置する。まず吸収性部品において、レーザー光が表面に近い層で吸収され、そこでレーザーエネルギーは熱エネルギーに変換され、吸収性部品が融解する。導波管は、例えば必要な接合圧力をかけるために使用する。熱伝導工程により、透明部品も接合領域において可塑化される。外部からの接合圧力、並びに融解プラスチックの膨張による内部接合圧力によって、二つの部品が接着剤接続される。ここで、同時レーザー透過溶着の一部として本発明の凹導波管及び凸導波管を使用することが特に好ましい。この方法において、好ましくは互いに溶着すべき部品の溶着輪郭全体若しくは溶着線輪郭を同時に照射する。これにより、工程所要時間を極端に削減することができ、融解により隙間を埋めることができる。さらに、同時溶着は相互作用時間がより高いため、溶着線は、レーザービームを溶接線に沿って案内する輪郭溶着よりも強い。

ここで図１を参照すると、本発明にほる第一凹導波管２０の実施態様を備えるプラスチック溶着用組立体１の実施態様を斜視図で示している。組立体１において、レーザー光はレーザー光源から複数の好ましくは可撓性の導光体１０を介して導波管２０まで案内される。導光体１０は入射端２２において導波管２０に接続されている。レーザー光は導波管２０中を溶着対象の部品まで案内されるが、この一方の部品１５を例示的に示す。ここで、導波管２０の一つの目的は、溶着領域や溶着線におけるレーザー光の出力密度分布が可能な限り均一となるように、導光体からのレーザー光を均質化することにある。

さらに図１の第一凹導波管の実施態様の断面図である図２を参照して、導波管２０の構成を説明する。導波管２０は、レーザー光の入射面を規定する入射端２２を備える。導波管２０は、入射端２２の反対側に、レーザー光の出射面を規定する出射端２４を備える。入射端２２と出射端２４との間に第一内側面２６及び第二内側面２８が延在する。この二つの内側面２６及び２８は、互いに対向して配置され、組立体１の作動中にレーザー光を反射する。

入射端２２の入射面は、第一内側面２６及び第二内側面２８の第一端が導波管２０の入射端２２に配置される面によって規定される。図示する実施態様では、レーザー光は入射端２２において入射面に対して垂直に導波管２０に入射する。出射面が規定された出射端２４は、入射面と同様に、第一内側面２６及び第二内側面２８の第二単が導波管２０の出射端に配置される面によって規定される。図示する実施態様では、出射面と入射面とは、互いに平行に延在する面に配置される。

図示する実施態様では、導波管２０が、導波管２０を通るレーザー光の方向を横切る方向に細長い形状を有するように、出射端２４は、溶着対象部品１５の所望の溶着線輪郭に沿っている。第一凹導波管のこの方向の広がりは幅と規定される。別の実施態様では、出射面は別の形状である。例えば出射端、よって出射面は、環状であって、二つの環状部品を互いに溶着することができる。この場合、入射端及び入射面も、出射端及び出射面の反対側に配置されるように同様に形成される。

導波管２０を凹導波管２０として形成することにより、二つの内側面２６、２８間に空洞が存在し、この二つの内側面には反射層が設けられる。通常、凹導波管２０は導水管状の形状である。中実体からなる凸導波管の場合は、二つの内側面間に空洞は存在しない。凸導波管では、適切な材料を選択することにより、導波管内部、特に内側面で全反射が生じることを確実とすることができる。

入射端２２と出射端２４との間の第一距離は、導波管２０の長さＬを規定する。第一内側面２６と第二内側面２８との間の第二距離は、導波管の太さＤを規定する。さらに、導波管２０の中心平面Ｍは、入射端２２から出射端２４まで中央に延在する。ここで、入射端２２から出射端２４まで中央にとは、幾何学的中心を意味する。レーザー光の方向を横切る方向に細長い形状であることが示されている導波管２０に対して、太さＤつまり内側表面２６、２８間の第二距離は、入射端２２並びに出射端２４において例えば５ｍｍである。すると中心平面Ｍから第一内側面２６及び第二内側面２８までの距離は２．５ｍｍとなる。この例において、出射端２４における太さは入射端２２における太さに対応する、若しくは等しいと考えられる。他の形状も可能であり、他の実施態様では、入射端２２における太さが出射端２４における太さよりも太い若しくは細い。

特に図２からわかるように、第一内側面２６は連続的に湾曲する凹形状を含む。導波管２０の断面において、第一内側面２６はよって外側へ湾曲している。図示する実施態様では、この連続的に湾曲する凹形状は楕円の一部である。第一内側面２６のこの形状により、第一内側面２６と導波管２０の中心平面Ｍとの間の第三距離Ｄ_１は、入射端２２から出射端２４へ向かって連続的に変化する。

図示する実施態様では、第二内側面２８は第一内側面２６に対して鏡映対称に形成される。導波管２０の中心平面Ｍが鏡面となる。このように、第二内側面２８は第一内側面２６と同様に構成し、どちらも凹形状となるようにする。従って、第二内側面２８と導波管２０の中心平面Ｍとの間の第四距離Ｄ_２も、入射端２２から出射端２４へ向かって連続的に変化する。第二内側面２８は別の形状とすることも可能であり、例えば直線状若しくは複数の直線状部分からなる形状とすることも可能である。

図２からさらにわかるように、第三距離Ｄ_１はまず入射端２２から出射端２４へ向かって最高点つまり頂点Ｓ_１まで連続的に増加し、その後連続的に減少する。鏡映対称形状であるため、これは第二頂点Ｓ_２を有する第二内側面２８にも該当する。この鏡映対称形状により、導波管２０内におけるレーザービームの相互作用をさらに削減することができ、溶着線の出力密度分布もさらに高めることができる。これについては以下に図３ａ〜図８ａに基づいて詳細に説明する。

第一内側面２６よって同様に第二内側面２８の連続的に湾曲する凹形状は、楕円の一部である。楕円は長軸と短軸を有する。図示する実施態様では、長軸は中心平面Ｍにあり、短軸は頂点Ｓ_１及びＳ_２を通って延在する。長軸上にある最高点を主頂点と呼び、短軸上にある最高点、つまり頂点Ｓ１及びＳ２をサブ頂点や副頂点と呼ぶ。楕円の中心点は長軸と短軸の交差点にある。楕円の焦点は、長軸上で楕円の中心点の両側にある、つまり第一及び第二焦点である。この焦点はよって中心平面Ｍに配置されている。

楕円は、焦点からの距離の合計、つまり焦点半径の合計が主頂点間の距離に常に等しい全ての点の幾何学的位置と規定される。この定義は下記式（７）で表される。楕円の場合、下記式が当てはまる。

式中、
ｘ、ｙは楕円上の点の座標であり、
ａは楕円の主頂点と中心点との距離であり、
ｂは楕円のサブ頂点と中心点との距離であり、
ｔは主頂点からの角度であり、
ｃは焦点間の距離であり、
ｅは楕円の軌道の離心率であり、
ｒ１は第一焦点の焦点半径であり、
ｒ２は第二焦点の焦点半径である。

図示する実施態様において、入射端における太さＤは、導波管２０の長さＬの約１５％である。有利には、導波管２０の長さの８％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％である。頂点Ｓ_１及びＳ_２は長さＬの半分の所に配置されている。ここで頂点を導波管２０の長さの１／４〜３／４の範囲に配置することが有利であり、特に１／３〜２／３の範囲に配置することが好ましい。頂点の太さは、図示する実施態様では、入射端２２の太さの１．６倍であり、１．２倍〜２倍が有利であり、１．４倍〜１．８倍が好ましい。これらの特徴のそれぞれ単独で、溶着対象の部品の溶着線における出力密度分布を改善することができる。

例示的な計算として、また上記の関係式に基づいて、以下が推測される。
入射端及び出射端における太さＤ：５ｍｍ
頂点Ｓ１及びＳ２における太さ：８ｍｍ
導波管長さＬ：３３．３３ｍｍ

ここから楕円の以下の既知の値が導き出される。
ｂ： ４ｍｍ
第一点（ｘ，ｙ） ＋１６．６７ｍｍ，＋２．５ｍｍ
第二点（ｘ，ｙ） −１６．６７ｍｍ，＋２．５ｍｍ
第三点（ｘ，ｙ） ＋１６．６７ｍｍ，−２．５ｍｍ
第四点（ｘ，ｙ） −１６．６７ｍｍ，−２．５ｍｍ

ｘの値が＋１６．６７ｍｍ及び−１６．６７ｍｍである場合の正のｙの値２．５ｍｍは、第一内側面２６であり、負のｙの値は第二内側面２８である。以下において、第一点（１６．６７ｍｍ，２．５ｍｍ）を楕円の計算に用いる。入射端２２と出射端２４の太さが等しく、内側面２６、２８が鏡映対称であるので、上記の既知の値に基づいて楕円、よって第一内側面２６及び第二内側面２８のコースを計算するには、この単一点で十分である。

まず、式（２ｂ）をｓｉｎ（ｔ）について解くと、ｓｉｎ（ｔ）は０．６２５となる。よってｔの値は０．６７５であり、これは角度３８．６８°に対応する。ｔ＝０．６７５を式（２ａ）に代入し、ａについて解く。そこからａが２１．３５ｍｍであることがわかり、よって主頂点は４２．７０ｍｍ離れている。式（３）から焦点間の距離ｃ＝２０．９８ｍｍであることがわかる。よって焦点はｘ軸上の＋１０．４９ｍｍ及び−１０．４９ｍｍに位置する。式（４）から楕円の軌道の離心率としてｅ＝０．９８２が得られる。これに基づいて、楕円のパラメータがこれで明らかになる。

次に図３ａ〜図５ｂを参照して、単に直線的に延在する内側面を有する導波管と本発明の導波管２０とを、内部のレーザー光のコースについて比較する。ここで、図３ａ、図４ａ、図５ａは、内側面が直線的な導波管であり、レーザー光が直線的なコース３となっている。図３ｂ、図４ｂ、図５ｂは、本発明の導波管２０の実施態様に関し、よって光が楕円状のコース５となっている。さらに、レーザー光が導波管を出た後の挙動を、導波管と部品との間に変位なし、つまり変位０ｍｍ（図３）、変位０．５ｍｍ（図４）、変位１．０ｍｍ（図５）で示す。図３ａと図３ｂとの比較から既にわかるように、本発明の導波管２０によって、レーザー光は部品１５においてより良く束ねられる。この効果は、変位が増加するにつれ極めて重大となり、図５ａでは、内側面が直線的に延びている導波管を使用することにより、レーザー光の大半が溶着部に到達しない。これとは対照的に、部品１５と本発明の導波管２０の実施態様とが１．０ｍｍ変位していても、図５ｂに示すようにレーザー光は溶着領域に到達する。図示する実施態様では、溶着領域は導波管とは反対側を向いているＴ字型の部品１５の一部に配置される。

さらに図６ｂ〜図７ｂを参照すると、部品１５より後のレーザー光のコースが示されている。ここでも図６ａ及び図７ａは内側面が直線的な導波管を示し、図６ｂ及び図７ｂは本発明の導波管２０の実施態様を示す。導波管２０の場合、部品１５の後にレーザー光が三つの束に分かれていることがはっきりとわかる。これは溶着領域におけるレーザー光の出力密度分布がより良いことを示している。図７ａ及び図７ｂはそれぞれ図６ａ及び図６ｂの拡大断面図である。

最後に図８ａ及び図８ｂにおいて、各導波管内でのレーザービームの相互作用の比較を示す。図８ａは、内側面並びに入射端８及び出射端９が直線的な導波管７を示す。図８ｂは本発明の導波管２０の実施態様を示す。この比較によって、導波管２０内でのレーザービーム間の相互作用が、内側面が直線的な導波管７と比較して、顕著に減ったことがはっきりとわかり、これは導波管の改良にさらに寄与するものである。

導波管２０のこの実施態様の利点は、内側面が直線的な導波管７と比較して、レーザー光のビームが導波管２０内で互いに相互作用しにくく、導波管２０によってレーザー光が出射端においてより強力に集束される。そのため、導波管によって、溶着線において特に均質な出力密度分布が得られ、導波管２０と溶着対象の部品との間のより大きな公差を補償することができ、導波管２０を用いた組立体の使用をより簡単にすることができる。

ここで図９を参照すると、本発明による第二凹導波管１２０の実施態様を備える、プラスチック溶着用の組立体１００の実施態様を斜視断面図で示している。組立体１００において、レーザー光は、複数の好ましくは可撓性の導光体１１０を介して導波管１２０へと案内される。導光体１１０は、図１１に示すように、入射端１２２で導波管１２０に接続される。レーザー光は導波管１２０中を溶着対象の部品１１５まで案内されるが、その部品の一報は透過性部品１１７であり、他方は旧集成部品１１９である。そのため導波管１２０の目的は、溶着領域若しくは溶着線におけるレーザー光の出力密度分布が可能な限り均一となるように、導光体１１０からのレーザー光を均質化することにある。特に図１１及び図１２からわかるように、二つの部品１１７、１１９を溶着する際、吸収性部品１１９が透過性部品１１７の対応する凹所内へと突出することによって形成されるアンダーカットを考慮しなければならない。以下の説明をより理解しやすくするために、図１０に、組立体１００の操作中における導波管１２０中のレーザー光のコース１１３を示す。

図１１及び図１２を参照して、導波管１２０の詳細な構成を説明する。導波管１２０は、レーザー光の入射面を規定する入射端１２２と、レーザー光の出射面を規定する出射端１２４とを備える。第一内側面１２６及び第二内側面１２８は入射端１２２と出射端１２４との間に延在している。二つの内側面１２６、１２８は互いに対向して配置され、組立体１００の操作中にレーザー光を反射する。別の実施態様では、第二内側面１２８は入射端１２２と出射端１２４との間で直線的である、若しくは複数の直線部分からなる。直線部分を有する実施態様並びに湾曲した実施態様において、第一内側面１２６と第二内側面１２８との間のスペースは、入射端１２２と出射端１２４との間に直線的に延在する第二内側面１２８におけるスペースよりも大きくないことが好ましい。第二内側面１２８の湾曲はよって凸状である。

入射端１２２の入射面は、第一内側面１２６及び第二内側面１２８の第一端が導波管１２０の入射端１２２に配置される面によって規定されている。図示する実施態様では、レーザー光は、入射端１２２において入射面に対して垂直に導波管１２０に入射する。出射面を有する出射端２４は、入射面と同様に、第一内側面１２６及び第二内側面１２８の第二端が導波管１２０の出射端１２４に配置される面によって規定される。図示する実施態様では、出射面と入射面とは約７０°の角度を成している。一般的に、入射端１２２と出射端１２４とがなす角度が３０°〜１５０°の範囲、好ましくは４０°〜１２０°の範囲であると有利である。導光体１１０からのレーザー光は、好ましくは入射面に対して垂直に、導波管１２０に入射する。

入射端１２２及び出射端１２４を有する導波管１２０は、図示する実施態様では、溶着対象の部品１１５の所望の溶着線輪郭に合わせてある。よって導波管１２０は、図９に示すように、縁を丸めた長方形で溶着対象の部品１１５を内包している。

導波管１２０を凹導波管１２０の形状とすることにより、二つの内側面１２６、１２８間に空洞が存在し、二つの内側面には反射層が設けられる。従って通常、凹導波管１２０は導水管状の形状である。中実体からなる凸導波管の場合は、最初に説明したように、二つの内側面間に空洞は存在しない。凸導波管では、適切な材料を選択することにより、導波管内部、特に内側面で全反射が生じることを確実とすることができる。

入射端１２２と出射端１２４との間の第一距離は、導波管１２０の長さＬを規定する。好ましくは、この長さは入射端１２２と出射端１２４との間の直線によって規定されるのではなく、導波管１２０内のレーザー光によって、特に後に説明する中心面Ｍに沿ったガイドビームによって、規定される。第一内側面１２６と第二内側面１２８との間の第二距離は、導波管１２０の太さＤを規定する。導波管１２０の太さＤは、入射端１２２から出射端１２４に向かって連続的に減少する。このように、レーザー光の入射端１２２から出射端１２４へ向かってさらなる集束効果が得られる。

特に図９及び図１１からわかるように、第一内側面１２６は連続的に湾曲する凹形状を有する。この連続的に湾曲する凹形状は、図示する実施態様では、第一螺旋の一部である。第一内側面１２６をこのように形成することにより、第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点Ｕ_１から第一内側面１２６へと導波管１２０に沿って連続的に変化する。第一螺旋の原点Ｕ_１は、第一内側面１２６から延在し、導波管１２０の同じ断面に配置される互いに離隔した二本の直線の交点によって規定される。螺旋は平面図形としては一般に、原点から開始して半径が連続的に変化するものと規定される。これにより、螺旋は、例えば半径が常に一定である円と区別される。

図示する実施態様では、第一内側面１２４の形状はフィボナッチの数列に基づく対数螺旋の一部である。対数螺旋は、原点０から同じ角度αで延びる全てのビームつまり直線と交差する曲線であると定義される。従って、対数螺旋の場合、螺旋の一部が存在すれば、角度αが分かれば原点を決定することができる。螺旋は平面図形であるので、導波管は断面で見なければならない。直線の方向ベクトルはこの場合、第一内側面から第二内側面の方向を指す。第二内側面の形状も、図示する実施態様のように螺旋に基づいている場合には、直線の方向ベクトルは、第一内側面から離れる方向を指す。例示的に、原点Ｕ_１又はＵ_２でそれぞれ交差する直線Ｇ_１１、Ｇ_１２、Ｇ_２１、及びＧ_２２を、明瞭化のために図１１に示す。極座標における対数螺旋の式は、下記式である。

対数螺旋の曲率半径ｒは、下記式で定義される。

ゼロ点が湾曲の漸近点である。第一内側面及び／又は第二内側面の第一端と第二端との間の湾曲の長さは、対数螺旋の場合、下記式で表される。

既存の導波管１２０ではこの長さは測定可能である。

他のタイプの螺旋も使用可能である。別の例によれば、アルキメデス螺旋を第一螺旋として使用する。原点を中心として一定角速度ωで回転するビーム上で、ある点が一定速度νで移動することによって生じる曲線をアルキメデス螺旋と言う。極座標におけるアルキメデス螺旋の式は、下記の通りである。

アルキメデス螺旋の曲率半径ｒについて、下記式が適用される。

さらに別の例では、第一螺旋として双曲螺旋を使用する。双曲螺旋の曲線はｙ軸に対して対称的に延びる二つの部分からなる。どちらの部分も、直線ｙ＝ａが漸近線であり、原点は漸近点である。極座標における双曲螺旋の式は、下記式である。

双曲螺旋の曲率半径ｒについて、下記式が適用される。

図示した実施態様では、第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点Ｕ_１から第一内側面１２６へと、入射端１２２から出射端１２４まで導波管１２０に沿って、連続的に減少する。別の好ましい実施態様では、半径はこの方向に連続的に増加する。各用途について所望される入射端１２２と出射端１２４との角度に基づいて、例えば、溶着対象の部品１１５にアンダーカットがあるために、若しくは利用可能な取付スペースのために、螺旋の所望部分を選択して、第一内側面１２６の凹形状を実現する。

第一内側面１２６と第二内側面１２８との間に中心平面が規定され、第一内側面１２６及び第二内側面１２８に対する中心平面の距離は、第二内側面１２８も連続的に湾曲した形状となるように、導波管１２０の長さにわたって一定である。この第二内側面１２８の形状は第二螺旋、特に第二自然螺旋の一部であり、第二螺旋の半径は、第二螺旋の原点Ｕ_２から第二内側面１２８まで導波管１２０に沿って連続的に変化する。原点Ｕ_２は、上述の第一螺旋の原点Ｕ_１と同様に決められる。この形状により、レーザー光は導波管１２０内を非常に効率的に案内される。

導波管１２０の第一内側面の長さは、複数の導光体１１０のうち各導光体１１０間の距離の３倍〜４倍の範囲、特に３．５倍である。このように、導波管を特にコンパクトな構成とすることができ、図１３に示すように、コーナー領域における導光体１１０の衝突を防止することができる。

完全を期すために、図１４に、直線的に延在する内側面を有する導波管と、上述してきた導波管１２０とを重ね合わせた図を示す。

導波管１２０の利点は、導波管１２０内部でのエネルギー損失が低く、レーザー光を導波管１２０中で溶着線まで特に効果的に案内することができる。これにより、既知の導波管と比較して、特に部品が溶着線にアンダーカットを有している場合、部品１１５の溶着線により多くの溶着エネルギーを提供することができる。さらに、第一内側面の螺旋形状により、コーナー部分における導光体１１０の衝突を削減することができるので、入射端１２２及び出射端１２４の閉じた角張った形状若しくは角のある形状に対して、導光体１１０を、特にコーナー部分において、より効果的にレーザー溶着用組立体１００に組み込むことができる。

ここで図１５に本発明による溶着方法の実施態様を示すフローチャートを示す。プラスチック溶着方法、特に上述の組立体１、１００の一つを用いたレーザー透過溶着方法は、まず溶着対象の二つのプラスチック製部品を保持装置に配置する工程（工程Ａ）を含む。次いで、レーザー光源によってレーザー光を創出する工程（工程Ｂ）が続く。ここでレーザー光は導光体１１０、好ましくは複数の導光体１１０中を通過し、次いで上述の導波管２０、１２０の一つを通過する。工程Ｃにおいて、導波管２０、１２０から出るレーザー光によって溶着対象のプラスチック製部品を溶着する。

図１６に、本発明による凹導波管の製造方法の実施態様を示す。工程ｉにおいて、後の導波管のための第一内側面及び第二内側面を設ける。第二の工程iiにおいて、第一内側面及び第二内側面に反射層を塗布する。或いは、第一内側面及び第二内側面には既に反射層が設けられていても良い。第三工程iiiにおいて、第一内側面及び第二内側面を互いに対向するように配置する。第一及び第二内側面の第一端は、レーザー光の入射面を規定する導波管の入射端を規定し、第一及び第二内側面の第二端は、レーザー光の出射面を規定する導波管の出射端を規定する。入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定する。

製造しようとする導波管２０、１２０によって、製造方法の工程は異なる。導波管２０を製造するための第一変更例において、両内側面は工程iiiにおいて、出射端が入射端の反対側に配置されるように、且つ導波管の中心平面が入射端から出射端まで中央に延在するように、配置される。そのため、第一内側面には連続的に湾曲する凹形状が設けられており、若しくはコーティング前にこのような形状とされている。第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離は、この場合入射端から出射端の方向へ連続的に変化する。

第二の変更例において、第一内側面には連続的に湾曲する凹形状が設けられており、若しくはこのような形状とされており、この形状は第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である。第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点から第一内側面まで導波管に沿って連続的に変化している。従ってこの変更例では工程iiiは割愛されている。

図１７は、本発明による凸導波管の製造方法の実施態様を示すフローチャートを示している。ここで、図１６の製造方法とは対照的に、第一工程Iで導光体材料が中実体とされる。この中実体は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端とを備える。さらにこの中実体は、第一内側面を規定する第一側面と、第二内側面を規定する第二側面とを有する。第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、中実体は第一及び第二内側面において全反射する材料からなる。入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定する。

製造しようとする導波管によって、製造方法の工程は異なる。内側面の形状が楕円の一部である導波管を製造するための第一変更例において、出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在する。この方法はさらに、第一内側面が連続的に湾曲する凹形状を有するように第一側面を形成する第二工程IIを含み、よって第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が、入射端から出射端の方向へ連続的に変化する。

内側面の形状が螺旋の一部である導波管を製造するための第二の変更例において、この方法は、第一内側面が、第一螺旋、特に第一自然螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状となるように、第一側面を形成する第三工程IIIを含む。第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点から第一内側面まで導波管に沿って連続的に変化する。

１ プラスチック溶着用組立体
３ 直線的な光のコース
５ 湾曲若しくは楕円状の光のコース
７ 内側面が直線的な導波管
８ 導波管７の入射端
９ 導波管７の出射端
１０ 導光体
１５ 部品
２０ 導波管
２２ 入射端
２４ 出射端
２６ 第一内側面
２８ 第二内側面
Ｄ 太さ
Ｌ 長さ
Ｍ 中心平面
Ｄ_１ 第三距離
Ｄ_２ 第四距離
Ｓ_１ 第一頂点
Ｓ_２ 第二頂点
１００ プラスチック溶着用組立体
１１０ 導光体
１１３ 光のコース
１１５ 部品
１１７ 透過性部品
１１９ 吸収性部品
１２０ 導波管
１２２ 入射端
１２４ 出射端
１２６ 第一内側面
１２８ 第二内側面
Ｕ_１ 第一螺旋の原点
Ｕ_２ 第二螺旋の原点

Claims (23)

1. プラスチック溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する凹導波管であって、
   レーザー光の入射面を規定する入射端と、
   レーザー光の出射面を規定する出射端と、
   入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
   入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
   出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、
   第一内側面は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が入射端から出射端の方向へ連続的に変化するように、連続的に湾曲する凹形状を含む、
   凹導波管。
2. プラスチック溶着用の、中実体からなる凸導波管であって、
   レーザー光の入射面を規定する入射端と、
   レーザー光の出射面を規定する出射端と、
   入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
   入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
   出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、
   第一内側面は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が入射端から出射端の方向へ連続的に変化するように、連続的に湾曲する凹形状を含む、
   凸導波管。
3. 前記第三距離が、入射端から出射端の方向へ連続的に増加若しくは減少する、請求項１又は２に記載の導波管。
4. 第二内側面が連続的に湾曲する凹形状を有するように、第二内側面が第一内側面に対して鏡映対称的形成され、第二内側面と導波管の中心平面との間の第四距離が、入射端から出射端の方向へ連続的に変化する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導波管。
5. 入射端における太さが、導波管の長さの８％〜２５％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の導波管。
6. 前記第三距離が、入射端から出射端の方向へ頂点まで増加して、その後減少し、前記頂点は、導波管の長さの１／４〜３／４の範囲の所に配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波管。
7. 出射端における太さが入射端における太さに等しい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の導波管。
8. 前記第三距離が、入射端から出射端の方向へ頂点まで増加して、その後減少し、前記頂点における太さが、入射端における太さの約１．２〜２倍である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の導波管。
9. 前記第一内側面の連続的に湾曲する凹形状が楕円の一部である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の導波管。
10. プラスチック溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する凹導波管であって、
    レーザー光の入射面を規定する入射端と、
    レーザー光の出射面を規定する出射端と、
    入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
    入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    第一内側面は、第一螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を含み、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する、
    凹導波管。
11. プラスチック溶着用の、中実体からなる凸導波管であって、
    レーザー光の入射面を規定する入射端と、
    レーザー光の出射面を規定する出射端と、
    入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
    入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    第一内側面は、第一螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を含み、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する、
    凸導波管。
12. 第一螺旋の半径が、第一螺旋の原点から第一内側面まで、入射端から出射端の方向へ導波管に沿って連続的に増加若しくは減少する、請求項１０又は１１に記載の導波管。
13. 入射端と出射端とが間に３０°〜１５０°の角度をなす、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の導波管。
14. 第一内側面と第二内側面との間に中心平面が規定され、該中心平面から第一内側面及び第二内側面までの距離は、第二内側面も、第二螺旋の一部である連続的に湾曲する形状を有するように導波管の長さにわたって一定であり、第二螺旋の原点から第二内側面までの第二螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の導波管。
15. 導波管の太さが、入射端から出射端の方向へ連続的に減少する、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の導波管。
16. 螺旋の一部である前記連続的に湾曲する凹形状を、双曲線、アルキメデス螺旋、対数螺旋、若しくはフィボナッチ数列に基づく螺旋の一つから選択する、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の導波管。
17. プラスチック溶着用の、使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する凹導波管であって、
    レーザー光の入射面を規定する入射端と、
    レーザー光の出射面を規定する出射端と、
    入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
    入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を含む、
    凹導波管。
18. プラスチック溶着用の、中実体からなる凸導波管であって、
    レーザー光の入射面を規定する入射端と、
    レーザー光の出射面を規定する出射端と、
    入射端と出射端との間に配置される第一内側面及び第二内側面とを備え、該第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、レーザー光を反射することが可能であり、
    入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を含む、
    凸導波管。
19. プラスチック溶着用の組立体であって、
    レーザー光源と、
    導光体と、
    請求項１〜１８のいずれか１項に記載の導波管とを備え、
    組立体の操作において、レーザー光はレーザー光源から導光体を通り、次いで導波管を通過する、組立体。
20. 請求項１０〜１８のいずれか１項に記載の導波管並びに複数の導波管を使用する、請求項１９に記載の組立体であって、導波管の第一内側面の長さが、複数の導光体のうちの各導光体間の距離の３〜４倍の範囲である、組立体。
21. 請求項１９又は２０のいずれか１項に記載の組立体を用いたプラスチック溶着方法であって、該方法は、
    ａ．溶着対象である二つのプラスチック製部品を保持装置に配置する工程と、
    ｂ．レーザー光源によってレーザー光を創出する工程とを含み、レーザー光は導光体中を通過し、次いで請求項１〜１８のいずれか１項に記載の導波管を通過し、該方法はさらに、
    ｃ．導波管から出るレーザー光によって、溶着対象であるプラスチック製部品を溶着する工程を含む、方法。
22. 請求項１、１０、１２〜１６と組み合わせ、請求項１０又は１７と組み合わせた、請求項１、３〜９のいずれか１項に記載の使用時に内部をレーザー光が案内される空洞を有する凹導波管の製造方法であって、該方法は、
    ａ．第一内側面及び第二内側面を設ける工程と、
    ｂ．第一内側面及び第二内側面に反射層を塗布する工程と、
    ｃ．第一内側面と第二内側面とを互いに対向するように配置する工程とを含み、
    ｄ．第一及び第二内側面の第一端は、レーザー光の入射面を規定する導波管の入射端を規定し、第一及び第二内側面の第二端は、レーザー光の出射面を規定する導波管の出射端を規定し、
    ｅ．入射端と出射端との間の第一距離は、導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    ｆ１．出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、第一内側面は連続的に湾曲する凹形状を有し、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離は、入射端から出射端の方向へ連続的に変化し、若しくは、
    ｆ２．第一内側面は、第一螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状を有し、第一螺旋の半径は、第一螺旋の原点から第一内側面まで導波管に沿って連続的に変化し、若しくは、ｆ３．第一内側面は、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を有する、
    製造方法。
23. 請求項２、１１、１２〜１６と組み合わせ、請求項１１又は１８と組み合わせた、請求項２、３〜９のいずれか１項に記載の中実体からなる凸導波管の製造方法であって、該方法は、
    ａ．導光体材料を中実体とし、該中実体は、レーザー光の入射面を規定する入射端と、レーザー光の出射面を規定する出射端とを備え、
    ｂ．前記中実体は、第一内側面を規定する第一側面と、第二内側面を規定する第二側面とを有し、第一内側面と第二内側面とは互いに対向して配置され、中実体は第一及び第二内側面においてレーザー光を全反射する材料からなり、
    ｃ．入射端と出射端との間の第一距離は導波管の長さを規定し、第一内側面と第二内側面との間の第二距離は、導波管の太さを規定し、
    ｄ１．出射端は入射端の反対側に配置され、導波管の中心平面は入射端から出射端まで中央に延在し、前記方法は、第一内側面と導波管の中心平面との間の第三距離が、入射端から出射端の方向へ連続的に変化するよう、第一内側面が連続的に湾曲する凹形状を有するように第一側面を形成する工程を含み、若しくは
    ｄ２．前記方法はさらに、第一内側面が、第一螺旋の一部である連続的に湾曲する凹形状となるように、第一側面を形成する工程を含み、それにより、第一螺旋の原点から第一内側面までの第一螺旋の半径は、導波管に沿って連続的に変化し、若しくは
    ｄ３．前記方法はさらに、第一内側面が、第一曲線の一部である連続的に湾曲する凹形状を有するように、第一側面を形成する工程を含む、
    製造方法。

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