JP2004045835A - 回転揺動溶接方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子や受光素子のような光能動素子と光ファイバを接続するために、光素子モジュールの溶接強度を増すと共に、調芯後の位置精度を保ちながら溶接することを目的とする。
【解決手段】本発明は、光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを突き合わせて光素子と光ファイバの光軸調整をしながら、前記容器と前記カラーとを溶接する光素子モジュールの製造方法において、軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記軸を中心とする回転揺動を発生させる回転揺動溶接方法を用いることによって解決する。
【選択図】　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接手段として超音波による回転揺動を用いる回転揺動溶接方法、回転揺動溶接装置、光素子モジュールの製造方法、光素子モジュールの製造装置、及び光素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子や受光素子のような光能動素子と光ファイバを接続するために、光素子モジュールが利用される。発光素子を封止した光素子モジュールの構造例を図１に示す。図１において、８１は光素子モジュールパッケージ、８２は光ファイバの端部を固定する固定用カラー、８３は光ファイバ、８４は発光素子、８５はレンズ、８６は外部電極、８７は光素子モジュールキャップである。光素子モジュールパッケージ８１の内部に発光素子８４、レンズ８５が固定され、光素子モジュールキャップ８７によって気密封止されている。図１では、光素子モジュールパッケージ８１は下半分だけを表示しているが、実際は光素子モジュールパッケージ８１の全体を覆っている。発光素子８４との電気的接続は外部電極８６を介して行われる。発光素子８４からの出力光を外部に導出するために、光ファイバ８３が光素子モジュールパッケージ８１に導かれ、発光素子８４の出力光が、レンズ８５によって光ファイバ８３に結合される。光ファイバ８３は固定用カラー８２によって光パッケージ側の端部を固定されている。当該光ファイバ８３は、固定用カラー８２で補強されている。固定用カラー８２は固定用カラーのフランジを溶接して光素子モジュールパッケージ８１に固定される。
【０００３】
固定用カラーを光素子モジュールパッケージに溶接して固定する方法を図２に示す。図２（ａ）は固定用カラーを光素子モジュールパッケージに溶接して固定する様子を光素子モジュールキャップの上面方向から見た外観図、図２（ｂ）は固定用カラーを光素子モジュールパッケージに溶接して固定する様子を光ファイバの側から見た外観図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、８１は光素子モジュールパッケージ、８２は固定用カラー、８３は光ファイバ、８７は光素子モジュールキャップ、８８ａ、８８ｂ、８８ｃはそれぞれ溶接用レーザ、８９はナゲットである。光素子モジュールパッケージ８１に対して固定用カラー８２を対向させ、光ファイバ８３からの出力光をモニターしながら、出力光が最大になるように固定用カラー８２を位置合わせ（調芯）する。次に、固定用カラー８２のフランジ部分と光素子モジュールパッケージ８１の接合面に向けて溶接用レーザ８８ａ、８８ｂ、８８ｃをそれぞれ３方向から照射し、溶接接合する。図２（ｂ）に示すように、溶接用レーザ８８ａ、８８ｂ、８８ｃは、溶接周囲に対して１２０度間隔溶で、かつ接点までの距離も均等に配置されている。また、それぞれの出力も均等になるように調節されている。３方向からレーザ照射された光素子モジュールパッケージ８１には、溶接によってそれぞれナゲット８９が３箇所に形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固定用カラーを光素子モジュールパッケージにレーザ溶接して固定する際に、部品の精度誤差、レーザ出力のアンバランス、部品の反射率ばらつきなどにより溶接が不均一に行われ、溶接部がズレを起こすことがある。溶接部がズレを起こした例を図３に示す。図３において、８１は光素子モジュールパッケージ、８２は固定用カラー、８８ａ、８８ｂ、８８ｃはそれぞれ溶接用レーザである。溶接用レーザ８８ｃの出力レベルが他の溶接用レーザ８８ａ、８８ｂよりも弱い場合、レーザ照射時に出来たナゲットが冷えて固まるときに、固定用カラー８２が溶接用レーザ８８ｃと反対方向に引っ張られることがある。
【０００５】
溶接様レーザ８８ｃと反対方向に引っ張られると、発光素子から光ファイバへの結合効率が悪くなり、光ファイバからの出力光が減少してしまう。従来の技術ではこの溶接によるズレを完全になくすことができないため、溶接用レーザの照射方向を変えて、再度、レーザ照射を行う修正打ちを行ったり、機械的に固定用カラー８２を変形させてズレを修正する処理をしていたりした。このため、作業工程数増大によるコストアップ、歩留まり低下によるコストアップ、修正打ちによるナゲット痕の増加など多くの問題を有している。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するために、溶接強度を増すと共に、調芯後の位置精度を保ちながら溶接することを目的とする。また、ナゲット痕のない溶接を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本願発明は、軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記軸を中心とする回転揺動を発生させる回転揺動発生方法である。
【０００８】
本願他の発明は、第一の部材の軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記第一の部材の軸を中心として前記第一の部材を回転揺動させ、前記第一の部材と第二の部材の接触面で発生する摩擦熱によって前記第一の部材と前期第二の部材を溶接する回転揺動溶接方法である。
【０００９】
本願他の発明は、第一の部材の軸を中心とする円周の接線方向に、協同して振動する複数の超音波振動子と、該複数の超音波振動子の振動を変換して、前記第一の部材に、前記第一の部材の軸を中心とした回転揺動を与える回転揺動部と、第二の部材を保持して、回転揺動する前記第一の部材に接触させる保持部とを有する回転揺動溶接装置である。
【００１０】
本願他の発明は、光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを突き合わせて光素子と光ファイバの光軸調整をしながら、前記容器と前記カラーとを溶接する光素子モジュールの製造方法において、溶接に回転揺動溶接方法を用いる光素子モジュールの製造方法である。
【００１１】
本願他の発明は、光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを突き合わせて光素子と光ファイバの光軸調整をしながら、前記容器と前記カラーとを溶接する光素子モジュールの製造方法であって、前記カラーの軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記カラーの軸を中心として前記カラーを回転揺動させ、前記カラーと前記容器の接触面で発生する摩擦熱によって前記カラーと前記容器とを溶接する光素子モジュールの製造方法である。
【００１２】
本願他の発明は、光ファイバの端部を固定するカラーと光素子を収容する容器とを突き合わせて光素子と光ファイバの光結合が最大になるように光素子と光ファイバの光軸調整をする調整部と、前記カラーの軸を中心とする円周の接線方向に協同して振動する複数の超音波振動子と、該複数の超音波振動子の振動を変換して、前記カラーに、前記カラーの軸を中心とした回転揺動を与える回転揺動部と、前記容器を保持して、回転揺動する前記カラーに接触させる保持部とを有する光素子モジュールの製造装置である。
【００１３】
本願他の発明は、光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを接合した光素子モジュールであって、前記カラーの軸を中心として前記カラーを回転揺動させ、前記カラーと前記容器の接触面で発生する摩擦熱によって前記カラーと前記容器とを接合した光素子モジュールである。
【００１４】
また、これらの発明において、２つの部材の間に押圧力を加えることによって、前記摩擦熱の発生を促すことも本願発明に含まれる。
【００１５】
また、これらの発明において、前記超音波振動子の振動の波長及び位相のうちいずれか一方、又は双方を監視して、前記複数の超音波振動子の駆動信号を制御することも本願発明に含まれる。
【００１６】
また、これらの発明において、前記第一の部材と前期第二の部材の接触面との間に、２つの部材のうちいずれか一方、又は双方よりも低い融点の溶接補助材を介在させることも本願発明に含まれる。
【００１７】
ここで、回転揺動とは、軸を中心として時計回りと反時計回りの回転を交互に繰り返す往復運動をいう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本願第１発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態は、超音波振動を利用した回転揺動方法とその装置である。回転揺動の発生方法を図４に示す。図４において、１１ａ、１１ｂは連結器、１２ａ、１２ｂはホーン、１３ａ、１３ｂは超音波振動子、１４はチャック、１５は溶接する部材である。超音波振動子１３ａ、１３ｂは駆動電源により、超音波振動を発生させる。ホーン１２ａ、１２ｂは超音波振動子１３ａ、１３ｂで発生した超音波振動を拡大する機能を持ち、例えば、チタンやステンレス等の金属、セラミックス等で構成される。図４（ａ）は超音波振動子を同一方向に、図４（ｂ）は超音波振動子を反対方向にそれぞれ配設したものである。図４（ａ）、図４（ｂ）において、溶接する部材１５をチャック１４で固定する。チャック１４に取りつけた連結器１１ａ、１１ｂにそれぞれホーン１２ａ、１２ｂを連結する。溶接する部材１５の軸の中心に対して部材１５が回転揺動できるように、チャック１４を配置し、また、チャック１４が微小回転できるように、連結器１１ａ、１１ｂとホーン１２ａ、１２ｂをそれぞれ連結する。
【００１９】
図４（ａ）に示す装置における回転揺動発生方法を図５（ａ）、図５（ｂ）に、図４（ｂ）に示す装置における回転揺動発生方法を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。図５（ａ）はチャック１４が把持した部材１５を反時計回りに回転させる場合を示す。図５（ａ）において、超音波振動子１３ａに超音波振動子が伸びる方向に電圧をかける。この伸びの振幅をホーン１２ａが拡大して連結器１１ａに伝える。連結器１１ａはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して反時計回りに押す方向に働く。一方、超音波振動子１３ｂには超音波振動子が縮む方向に電圧をかける。この縮みの振幅をホーン１２ｂが拡大して連結器１１ｂに伝える。連結器１１ｂはチャック１４を部材１５の中心に対して反時計回りに引く方向に働く。その結果、部材１５はその軸の中心に対して反時計回りに回転することになる。
【００２０】
チャック１４が把持した部材１５を時計回りに回転させる場合を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、超音波振動子１３ａに超音波振動子が縮む方向に電圧をかける。この縮みの振幅をホーン１２ａが拡大して連結器１１ａに伝える。連結器１１ａはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して時計回りに引く方向に働く。一方、超音波振動子１３ｂには超音波振動子が伸びる方向に電圧をかける。この伸びの振幅をホーン１２ｂが拡大して連結器１１ｂに伝える。連結器１１ｂはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して時計回りに押す方向に働く。その結果、部材１５はその軸の中心に対して時計回りに回転することになる。
【００２１】
超音波振動子が伸び縮みを繰り返すように、超音波振動子に高周波電圧を印加すると、図５（ａ）と図５（ｂ）の動作を繰り返すことになる。即ち、部材１５にその軸の中心に対して時計回りと反時計回りを交互に繰り返す回転揺動を与えることができる。
【００２２】
図６（ａ）、図６（ｂ）は図４（ｂ）に示す装置における回転揺動発生方法である。図６（ａ）はチャック１４が把持した部材１５を反時計回りに回転させる場合を示す。図６（ａ）において、超音波振動子１３ａに超音波振動子が伸びる方向に電圧をかける。この伸びの振幅をホーン１２ａが拡大して連結器１１ａに伝える。連結器１１ａはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して反時計回りに押す方向に働く。一方、超音波振動子１３ｂにも超音波振動子が伸びる方向に電圧をかける。この伸びの振幅をホーン１２ｂが拡大して連結器１１ｂに伝える。連結器１１ｂはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して反時計回りに押す方向に働く。その結果、部材１５はその軸の中心に対して反時計回りに回転することになる。
【００２３】
チャック１４が把持した部材１５を時計回りに回転させる場合を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）において、超音波振動子１３ａに超音波振動子が縮む方向に電圧をかける。この縮みの振幅をホーン１２ａが拡大して連結器１１ａに伝える。連結器１１ａはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して時計回りに引く方向に働く。一方、超音波振動子１３ｂにも超音波振動子が縮む方向に電圧をかける。この縮みの振幅をホーン１２ｂが拡大して連結器１１ｂに伝える。連結器１１ｂはチャック１４を部材１５の軸の中心に対して時計回りに引く方向に働く。その結果、部材１５はその軸の中心に対して時計回りに回転することになる。
【００２４】
超音波振動子が伸び縮みを繰り返すように、超音波振動子に高周波電圧を印加すると、図６（ａ）と図６（ｂ）の動作を繰り返すことになる。即ち、部材１５にその軸の中心に対して時計回りと反時計回りを交互に繰り返す回転揺動を与えることができる。
【００２５】
従って、一対の超音波振動子を協同させて、部材を高速に回転揺動させることができた。ここでは、一対の超音波振動子を協同させて部材を回転揺動させたが、３以上の複数の超音波振動子を協同させて部材を回転揺動させることでもよい。また、部材は円柱や円筒などの断面が丸型でなくても、角型でもよいし、断面の形状を問わず回転揺動させることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
本実施の形態は、一対の超音波振動子を協同させて、部材を回転揺動させることによって部材同士を溶接するものである。即ち、実施の形態１で説明したように部材を高速で回転揺動させ、他の部材との接触面で発生する摩擦熱によって、２つの部材をその接触面で溶接するものである。
【００２７】
本発明の回転揺動溶接方法とその装置を図７に示す。図７において、１１は連結器、１２はホーン、１３は超音波振動子、１４はチャック、１５は溶接する部材、１６は溶接部、１７は被溶接部材、２１はステージ、２２は超音波駆動電源、２３は発振器、２４は位相制御回路である。部材１５と被溶接部材１７は、例えば、金属材料であり、図７では同じ直径の中空円筒形状の外周を揃えてその端面を突き合わせ、溶接する場合を示している。即ち、被溶接部材１７をステージ２１に固定し、部材１５をチャック１４で把持して被溶接部材１７の端面上に位置させ、互いの外周が一致するように端面同士を突き合わせる。超音波駆動電源２２は発振器２３を駆動し、発振器２３は超音波周波数で発振する。位相制御回路２４は一対の超音波振動子１３（図７では１つのみ図示）を所定の周波数で振動するように駆動する。図４（ａ）の回転揺動発生方法であれば、互いに逆位相の駆動信号で一対の超音波振動子を駆動し、図４（ｂ）の回転揺動発生方法であれば、同位相の駆動信号で一対の超音波振動子を駆動する。図７は図４（ａ）の回転揺動発生方法の例である。
【００２８】
この状態で、超音波駆動電源２２を起動させて発振器２３を超音波周波数で発振させると、その出力は位相制御回路２４で互いに１８０度位相がずれた２つの超音波駆動信号となり、これらが一対の超音波振動子１３に供給される。一対の超音波振動子１３は逆位相で振動する超音波振動を発生させ、その超音波振動は一対の連結器１１に伝搬し、チャック１４で把持された部材１５はその軸を中心として高速で回転揺動する。部材１５と被溶接部材１７との接触面で発生する摩擦熱によって、部材１５と被溶接部材１７とが溶接部１６で溶接される。ここで、部材１５に押圧力Ｐを加えて被溶接部材１７に圧接すると、部材１５と被溶接部材１７との接触面で効率的に摩擦熱が発生し、部材１５と被溶接部材１７との溶接を容易にすることができる。
【００２９】
従って、部材を高速で回転揺動させ、被溶接部材との接触面で発生する摩擦熱によって部材同士を簡易に溶接することができた。特に、中心の軸が一致する部材同士を、軸を一致させた状態で接触させ、回転揺動により軸精度を保ったままで、発生する摩擦熱で部材や溶接補助材を溶融して溶接することができた。本実施の形態では、部材１５を回転揺動させて溶接したが、被溶接部材１７を回転揺動させたり、両者を相対的に回転揺動させても、２つの部材の接触面で発生する摩擦熱によって部材同士を溶接することができる。２つの部材に押圧力を加えて圧接すると、２つの部材の接触面で効率的に摩擦熱が発生し、溶接を容易にすることができた。また、本実施の形態では、部材１５に押圧力を印加したが、被溶接部材１７に部材１５の方向に押圧力を印加しても、互いに圧接するように両者に押圧力を印加しても、２つの部材の接触面で効率的に摩擦熱を発生させることができる。さらに、本実施の形態では、端面同士を突き合わせて溶接する例を示したが、中空円筒部材の中空部に別の円柱部材又は円筒部材を圧入し、互いに接する円周面を溶接する場合にも利用できる。
【００３０】
（実施の形態３）
本実施の形態は、一対の超音波振動子が適正に協同して振動出来るよう、超音波振動を制御して部材同士を溶接するものである。即ち、超音波振動子の振動を監視し、超音波振動子の振動が適正になるように超音波振動子の駆動信号を制御する。
【００３１】
本発明の回転揺動溶接方法とその装置を図８に示す。図８において、１１ａ、１１ｂは連結器、１２ａ、１２ｂはホーン、１３ａ、１３ｂは超音波振動子、１４はチャック、１５は溶接する部材、２２は超音波駆動電源、２３は発振器、２４は位相制御回路である。位相制御回路２４は超音波振動子１３ａ、１３ｂに駆動信号を供給すると同時に、超音波振動子１３ａ、１３ｂの振動を監視して、その振動が適正になるように駆動信号を制御する機能を持つ。即ち、帰還信号が超音波振動子１３ａ、１３ｂから位相制御回路２４に帰還され、位相制御回路２４はそれぞれ超音波振動子１３ａ、１３ｂからの２つの帰還信号の位相差を測定して、位相差が１８０度になるように駆動信号の位相を制御する。
【００３２】
図８に示す装置における超音波振動子１３ａ、１３ｂの駆動信号と帰還信号を図９に示す。超音波振動子１３ａ、１３ｂに供給される駆動信号は図９に示すように、位相が１８０度ずれている。つまり、逆相になっている。図９に示すように、超音波振動子の駆動信号に対して、帰還信号との間に波長ずれが生じることがある。これは、超音波振動子により部材を回転揺動させる際の抵抗によって生じる。また、図９に示すように、一対の超音波振動子の振動で位相ずれが生じることがある。これは、２つの超音波振動子が均等に動作していない場合に生じる。
【００３３】
図８の位相制御回路２４では、超音波振動子が回転揺動させる波長ずれや位相ずれを監視して、超音波振動子の駆動信号を制御することによって、波長ずれや位相ずれを抑制にすることもできる。この場合に、波長ずれだけを抑制してもよいし、位相ずれだけを抑制してもよい。また、両方を抑制することによって、回転揺動による溶接を効率的にすることができる。波長ずれの制御方法は、駆動信号と帰還信号の波長が一致するように、駆動信号の振幅を調整する。位相ずれの制御方法は、２つの帰還信号の位相が一致するように、駆動信号の振幅及び位相のうちいずれか一方、又は双方を調整する。
【００３４】
従って、超音波振動子の振動を監視し、超音波振動子の駆動信号を制御することによって、一対の超音波振動子が適正に協同出来るようになり、効率的に回転揺動溶接を行うことができた。本実施の形態では、一対の超音波振動子の振動を監視して超音波振動子の駆動信号を制御したが、３以上の超音波振動子であっても、それらの振動を監視して超音波振動子の駆動信号を制御することによって、複数の超音波振動子が適正に協同出来るようになり、効率的に回転揺動溶接を行うことができる。
【００３５】
（実施の形態４）
本実施の形態は、溶接補助材を用いた回転揺動溶接方法である。即ち、溶接する２つの部材の接触面に２つの部材のうちいずれか一方、又は双方よりも低い融点の溶接補助材を介在させ、溶接を効率的に行うものである。
【００３６】
溶接補助材を用いた回転揺動溶接方法を図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示す。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）において、１４はチャック、１５は溶接する部材、１７は被溶接部材、２５は溶接補助材、２６は部材１５の接触面、２７は被溶接部材１７の接触面、２８は溶接部である。溶接補助材２５は溶接する部材１５、又は被溶接部材１７よりも低い融点の材料であって、銀ロウなどが適用できる。まず、溶接する部材１５をチャック１４で把持し、固定された被溶接部材１７の接触面２７に対して、溶接する部材１５の接触面２６を対峙させる。一方、接触面２７には環状の溶接補助材２５を配置する（図１０（ａ））。部材１５又は被溶接部材１７を移動させて溶接補助材２５を挟み込むように押圧する（図１０（ｂ））。さらに、溶接する部材１５又は被溶接部材１７に超音波による回転揺動を与えて、摩擦熱で溶接補助材２５を溶融する。溶接補助材２５は部材１５又は被溶接部材１７よりも融点が低いために、摩擦熱によって部材１５又は被溶接部材１７よりも容易に溶融する。溶融した溶接補助材が冷えて固まると、部材１５と被溶接部材１７は溶接部２８で接合される（図１０（ｃ））。
【００３７】
溶接を効率的にするために、部材１５の接触面２６及び被溶接部材１７の接触面２７のうちいずれか一方、又は双方の粗さを荒らすことによって、溶接補助材２５の摩擦を増加させることができる。あるいは、溶接補助材２５に対するアンカー効果を持たせるための微小な突起を持たせることも摩擦を増加させることに有効である。被溶接部材１７の接触面２７に溶接補助材２５を収める溝を設けることによりアンカー効果を持たせた例を図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に、被溶接部材１７の接触面２７と溶接する部材１５の接触面２６の両方に溶接補助材２５を収める溝２９、溝３０を設けることによりアンカー効果を持たせた例を図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）において、１４はチャック、１５は溶接する部材、１７は被溶接部材、２５は溶接補助材、２６は部材１５の接触面、２７は被溶接部材１７の接触面、２８は溶接部、２９は被溶接部材１７の溝、３０は部材１５の溝である。
【００３８】
被溶接部材１７の接触面２７に溶接補助材２５を収める溝を設けた例を図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）で説明する。まず、溶接する部材１５をチャック１４で把持し、固定された被溶接部材１７の接触面２７に対して、溶接する部材１５の接触面２６を対峙させる。一方、接触面２７の溝２９には環状の溶接補助材２５を配置する（図１１（ａ））。部材１５又は被溶接部材１７を移動させて、溶接補助材２５を挟み込むように押圧する（図１１（ｂ））。さらに、溶接する部材１５又は被溶接部材１７に超音波による回転揺動を与えて、摩擦熱で溶接補助材２５を溶融する。溶融した溶接補助材が冷えて固まると、部材１５と被溶接部材１７は溶接部２８で接合される（図１１（ｃ））。ここでは、被溶接部材１７の接触面２７に溝２９を設けたが、溶接する部材１５の接触面２６に設けてもよい。
【００３９】
溶接する部材１５の接触面２６と被溶接部材２５の接触面２７の双方に溶接補助材２５を収める溝を設けた例を図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）で説明する。まず、溶接する部材１５をチャック１４で把持し、固定された被溶接部材１７の接触面２７に対して、溶接する部材１５の接触面２６を対峙させる。一方、接触面２７の溝２９には環状の溶接補助材２５を配置する（図１２（ａ））。部材１５又は被溶接部材１７を移動させて、溶接補助材２５を挟み込むように押圧する（図１２（ｂ））。さらに、溶接する部材１５又は被溶接部材１７に超音波による回転揺動を与えて、摩擦熱で溶接補助材２５を溶融する。溶融した溶接補助材が冷えて固まると、部材１５と被溶接部材１７は溶接部２８で接合される（図１２（ｃ））。
【００４０】
従って、溶接する２つの部材の接触面に２つの部材のいずれか一方、又は双方よりも低い融点の溶接補助材を介在させることによって、効率的に溶接を行うことができた。さらに、接触面に溝を設けてアンカー効果を持たせることにより、溶接補助材を介在させて効率的に溶接を行うことができた。前述した溶接補助材は銀ロウに限るものではなく、溶接する部材や被溶接部材より融点の低い材料であればよい。また、その形状も、環状に限る必要はなく、薄膜状や板状のものでもよい。その断面も円形である必要はなく、長方形やその他の形状であってもよい。また、溝は溶接補助材を位置決めするためのものであるため、溝でなくても、突起状のもの等のアンカー効果を持たせるものでよい。
【００４１】
（実施の形態５）
本実施の形態は、光軸を有する光学部品同士の接合に超音波による回転揺動溶接を適用するものである。即ち、中心の軸が一致する部材同士を、軸を一致させた状態で接触させ、軸精度を保ったままで、超音波による回転揺動により発生する摩擦熱で部材や溶接補助材を溶融して溶接する。
【００４２】
本発明の超音波溶接は、光入出力を有する光学部品同士の接合にも適用することができる。光素子モジュールの製造方法とその製造装置について図１３で説明する。図１３において、１１は連結器、１２はホーン、１３は超音波振動子、１４はチャック、１６は溶接部、２１はステージ、３１は固定用カラー、３２はパッケージ、３３は外部電極、３４はパワーメータ、３５は超音波駆動系、３６は半導体レーザ駆動電源、３７はステージコントローラ、３８は制御装置、３９は光ファイバ、４０は機械ベースである。パッケージ３２の内部に半導体レーザ素子（図示せず）が固定されている。半導体レーザとの電気的接続は外部電極３３を介して行われる。半導体レーザからの出力光を外部に導出するために、光ファイバ３９がパッケージ３２に導かれている。当該光ファイバ３９は、固定用カラー３１で補強されている。機械ベース４０の上に配置されたステージ２１はステージコントローラ３７からの制御によってＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に可動である。パワーメータ３４は光ファイバ３９からの出力光を検出する。超音波駆動系３５は図８における超音波駆動電源２２、発振器２３、位相制御回路２４を備える。半導体レーザ駆動電源３６は外部電極３３を介して、半導体レーザに電力を供給する。制御装置３８はこれらの装置を制御する機能を有する。
【００４３】
図１３において、パッケージ３２はステージ２１に組付けられたパッケージ固定部によって保持され、ステージ２１は機械ベース４０上に配置されている。ステージ２１の走査によりパッケージ３２はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動可能であり、パッケージ３２と固定用カラー３１との相対位置の調整ができる。更に、このステージ２１は、パワーメータ３４によって読み込まれる半導体レーザ出力光のファイバ内人力に対してステージコントローラ３７や制御装置３８を介して連動して動作し、半導体レーザ出力光のファイバ内入力を最大とするよう、パッケージ３２と固定用カラー３１の位置合わせをするピークサーチ動作を可能としている。本発明の光素子モジュールの製造装置では、ピークサーチ完了後に施すパッケージ３２と固定用カラー３１の接合に超音波を利用した回転揺動により発生する摩擦熱で部材や溶接補助材を溶融して溶接する。この場合、光素子モジュールのパッケージ３２と固定用カラー３１の光軸を一致させつつ、両者を溶接するために、固定用カラー３１に対してその軸を中心とした円周方向に微小範囲で往復運動する回転揺動を加える。この固定用カラー３１への回転揺動の印加は、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）で示した方法と同様な方法で実現可能であり、このため本装置の超音波溶接機構では固定用カラー３１を把持するチャック１４と、一対の連結器１１と、更に一対の連結器１１に逆位相の超音波振動を与える一対のホーン１２と、一対の超音波振動子１３と、超音波駆動系３５を備えている。
【００４４】
以下は本装置を用いた光素子モジュールの製造方法を示す製造工程である。まず、パッケージ３２をステージ２１の固定部に固定し、次に、固定用カラー３１をチャック１４で把持する。この時、パッケージ３２の上端と固定用カラー３１の下端を当接させる。パッケージ３２には、半導体レーザ（図示せず）が所定の位置に予めダイボンディングされている。そこで、半導体レーザ駆動電源３６を外部電極３３に接続し、半導体レーザを発光させる。この状態で半導体レーザの出力光が光ファイバ３９に最大に結合するように、ステージ２１でパッケージ３２の位置を調整する（ピークサーチ）。ピークサーチは、例えば、半導体レーザ出力光のファイバ内入力値を最大にするように先ずＸＹ軸平面内での最大点を求め、次いでＺ軸操作で半導体レーザ出力光のファイバ内入力値を最大にするようにパッケージ３２と固定用カラー３１の距離を調整する。ＸＹ軸平面内での最大点を求める制御とＺ軸での最大点を求める制御を繰り返すことにより、パッケージ３２と固定用カラー３１が接触しない範囲で、出来るだけ近づいた状態で半導体レーザ出力光の光ファイバ３９への入力を最大とする。以上の操作で半導体レーザの出力光の光ファイバ入力が最大となった状態で、パッケージ３２と固定用カラー３１を当接させ、押圧すると同時に制御装置３８からの指示によって超音波振動子１３で超音波振動を発生させ、チャック１４に把持された固定用カラー３１が光ファイバの光軸を中心に円周方向に回転揺動を発生させれば、パッケージ３２と固定用カラー３１の接触面で生じる摩擦熱により両者が溶接され、光素子モジュールが完成する。
【００４５】
従って、本実施の形態では、超音波による回転揺動が固定用カラーの軸を中心としているため、既に調整された光軸に偏りを与えることなく高精度な溶接が実現できた。また、実施の形態３で説明した一対の超音波振動子が適正に協同出来るよう、超音波振動を制御して部材同士を溶接する方法や、実施の形態４で説明した溶接する２つの部材の接触面に溶接する部材よりも低い融点の溶接補助材を介在させれば、溶接中にもパッケージ３２のＸＹ移動が可能となるため、必要に応じて調芯動作を続行させて更に調芯精度を高めることができる。さらに、ここで、説明した光素子モジュールの製造装置と製造方法は半導体レーザを備える光素子モジュールのみならず、受光素子を備える光素子モジュールや、発光素子と受光素子を備える光素子モジュールの製造にも適用することができる。受光素子を備える光素子モジュールの場合は、パワーメータに替えて、光源を接続し、受光素子で受光レベルを測定して、その受光レベルが最大になるようにステージを制御することとなる。
【００４６】
（実施の形態６）
本実施の形態は、回転揺動溶接を利用して、光軸を有する光学部品同士を接合させた光素子モジュールである。即ち、中心の軸が一致する部材同士を、軸を一致させた状態で接触させ、軸精度を保ったままで、回転揺動により発生する摩擦熱で部材や溶接補助材を溶融して溶接した光素子モジュールである。
【００４７】
回転揺動の手段は、前述した超音波振動子を利用してもよいし、電磁力によって振動する電磁振動子を利用してもよい。光ファイバの端部を固定するカラーを、光素子を収容する容器に接触させ、カラーの軸を中心として当該カラーを回転揺動させ、カラーと容器の接触面で発生する摩擦熱によってカラーと容器とを接合すると光素子モジュールが完成する。なお、ここでは、容器を固定してカラーを回転揺動させたが、カラーを固定して容器を回転揺動させてもよい。
従って、本実施の形態では、超音波による回転揺動が固定用カラーの軸を中心としているため、既に調整された光軸に偏りを与えることなく高精度に溶接された光素子モジュールが実現できた。実施の形態４で説明した溶接する２つの部材の接触面に溶接する部材よりも低い融点の溶接補助材を介在させれば、溶接中にもパッケージ３２のＸＹ移動が可能となるため、必要に応じて調芯動作を続行させれば更に調芯精度の高い光素子モジュールが実現できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２つの部材を溶接する際に溶接ズレの発生を最小とすることができる。また、２つの部材の溶接部はリング状になるため、溶接強度が増大する。さらに、溶接ナゲットは２つの部材の接触面に形成され、外部からは見えなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光素子を封止した光素子モジュールの構造例を示す図である。
【図２】固定用カラーを光素子モジュールパッケージに溶接して固定する従来の方法を説明する図である。
【図３】従来の方法によって溶接部がズレを起こした例を説明する図である。
【図４】超音波振動を利用した回転揺動装置と回転揺動方法を説明する図である。
【図５】超音波振動を利用した回転揺動装置と回転揺動方法を説明する図である。
【図６】超音波振動を利用した回転揺動装置と回転揺動方法を説明する図である。
【図７】超音波を利用した回転揺動溶接方法とその装置を説明する図である。
【図８】一対の超音波振動子が適正に協同出来るよう、超音波振動を制御して部材同士を溶接する方法を説明する図である。
【図９】超音波振動子の駆動信号と帰還信号である。
【図１０】溶接する２つの部材の接触面に２つの部材よりも低い融点の溶接補助材を介在させ、溶接を効率的に行う方法を説明する図である。
【図１１】溶接補助材に対するアンカー効果を持たせるための溝について説明する図である。
【図１２】溶接補助材に対するアンカー効果を持たせるための溝について説明する図である。
【図１３】光素子モジュールの製造方法とその製造装置について説明する図である。
【符号の説明】
１１、１１ａ、１１ｂ：連結器
１２、１２ａ、１２ｂ：ホーン
１３、１３ａ、１３ｂ：超音波振動子
１４：チャック
１５：部材
１６：溶接部
１７：被溶接部材
２１：ステージ
２２：超音波駆動電源
２３：発振器
２４：位相制御回路
２５：溶接補助材
２６、２７：接触面
２８：溶接部
２９、３０：溝
３１：固定用カラー
３２：パッケージ
３３：外部電極
３４：パワーメータ
３５：超音波駆動系
３６：半導体レーザ駆動電源
３７：ステージコントローラ
３８：制御装置
３９：光ファイバ
８１：光素子モジュールパッケージ
８２：固定用カラー
８３：光ファイバ
８４：発光素子
８５：レンズ
８６：外部電極
８７：光素子モジュールキャップ
８８ａ、８８ｂ、８８ｃ：溶接用レーザ
８９：ナゲット

Claims (17)

1. 軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記軸を中心とする回転揺動を発生させる回転揺動発生方法。
2. 第一の部材の軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記第一の部材の軸を中心として前記第一の部材を回転揺動させ、前記第一の部材と第二の部材の接触面で発生する摩擦熱によって前記第一の部材と前期第二の部材を溶接する回転揺動溶接方法。
3. 請求項２に記載の回転揺動溶接方法において、前記第一の部材と前期第二の部材との間に押圧力を加えることによって、前記摩擦熱の発生を促すことを特徴とする回転揺動溶接方法。
4. 請求項２又は３に記載の回転揺動溶接方法において、前記超音波振動子の振動の波長及び位相のうちいずれか一方、又は双方を監視して、前記複数の超音波振動子の駆動信号を制御することを特徴とする回転揺動溶接方法。
5. 請求項２乃至４に記載のいずれかの回転揺動溶接方法において、前記第一の部材と前期第二の部材の接触面との間に、該第一の部材及び該第二の部材のうちいずれか一方、又は双方よりも低い融点の溶接補助材を介在させることを特徴とする回転揺動溶接方法。
6. 第一の部材の軸を中心とする円周の接線方向に、協同して振動する複数の超音波振動子と、
   該複数の超音波振動子の振動を変換して、前記第一の部材に、前記第一の部材の軸を中心とした回転揺動を与える回転揺動部と、
   第二の部材を保持して、回転揺動する前記第一の部材に接触させる保持部とを有する回転揺動溶接装置。
7. 請求項６に記載の回転揺動溶接装置において、さらに、前記第一の部材と前記第二の部材との間に押圧力を加える押圧部を有することを特徴とする回転揺動溶接装置。
8. 請求項６又は７に記載の回転揺動溶接装置において、さらに、前記複数の超音波振動子の振動の波長及び位相のうちいずれか一方、又は双方を監視して、前記複数の超音波振動子の駆動信号を制御する制御回路を有することを特徴とする回転揺動溶接装置。
9. 光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを突き合わせて光素子と光ファイバの光軸調整をしながら、前記容器と前記カラーとを溶接する光素子モジュールの製造方法において、溶接に回転揺動溶接方法を用いる光素子モジュールの製造方法。
10. 光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを突き合わせて光素子と光ファイバの光軸調整をしながら、前記容器と前記カラーとを溶接する光素子モジュールの製造方法であって、前記カラーの軸を中心とする円周の接線方向に振動する複数の超音波振動子を協同させて、前記カラーの軸を中心として前記カラーを回転揺動させ、前記カラーと前記容器の接触面で発生する摩擦熱によって前記カラーと前記容器とを溶接する光素子モジュールの製造方法。
11. 請求項９又は１０に記載の光素子モジュールの製造方法において、前記カラーと前期容器との間に押圧力を加えることによって、前記摩擦熱の発生を促すことを特徴とする光素子モジュールの製造方法。
12. 請求項９乃至１１に記載のいずれかの光素子モジュールの製造方法において、前記複数の超音波振動子の振動の波長及び位相のうちいずれか一方、又は双方を監視して、前記複数の超音波振動子の駆動信号を制御することを特徴とする光素子モジュールの製造方法。
13. 請求項９乃至１２に記載のいずれかの光素子モジュールの製造方法において、前記カラーと前期容器の接触面との間に、該カラー及び該容器のうちいずれか一方、又は双方よりも低い融点の溶接補助材を介在させることを特徴とする光素子モジュールの製造方法。
14. 光ファイバの端部を固定するカラーと光素子を収容する容器とを突き合わせて光素子と光ファイバの光結合が最大になるように光素子と光ファイバの光軸調整をする調整部と、
    前記カラーの軸を中心とする円周の接線方向に協同して振動する複数の超音波振動子と、
    該複数の超音波振動子の振動を変換して、前記カラーに、前記カラーの軸を中心とした回転揺動を与える回転揺動部と、
    前記容器を保持して、回転揺動する前記カラーに接触させる保持部とを有する光素子モジュールの製造装置。
15. 請求項１４に記載の光素子モジュールの製造装置において、さらに、前記カラーと前期容器との間に押圧力を加える押圧部を有することを特徴とする光素子モジュールの製造装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の光素子モジュールの製造装置において、さらに、前記複数の超音波振動子の振動の波長及び位相のうちいずれか一方、又は双方を監視して前記複数の超音波振動子の駆動信号を制御する制御回路を有することを特徴とする光素子モジュールの製造装置。
17. 光素子を収容する容器と光ファイバの端部を固定するカラーとを接合した光素子モジュールであって、前記カラーの軸を中心として前記カラーを回転揺動させ、前記カラーと前記容器の接触面で発生する摩擦熱によって前記カラーと前記容器とを接合した光素子モジュール。

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