JP2005152917A - レーザ溶接方法及び光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 光学部品を支持するための第１の部材と、その第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するに際し、第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】 レンズ（光学部品）１６等を支持するハウジング（第１の部材）１１とブッシュ（第２の部材）４との当接部２１にレーザ光ＬＢを照射することで当接部２１を溶融させ、ハウジング１１とブッシュ４とを溶接する。このとき、光強度が最も高いレーザ光ＬＢの中心Ｃをハウジング１１に位置させてレーザ光ＬＢを照射するため、溶融した材料がハウジング１１とブッシュ４との間に入り込むのを抑制することができる。従って、レンズ１６等を支持するハウジング１１がブッシュ４に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レンズや光ファイバ等の光学部品を支持するための第１の部材と、その第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するレーザ溶接方法、及びそのようなレーザ溶接方法により製造された光デバイスに関する。

従来におけるこの種のレーザ溶接方法としては、光学部品を支持するための第１の部材を第２の部材に当接させ、第１の部材と第２の部材との当接部にレーザ光を照射して溶接するもの一般的である（例えば、非特許文献１参照）。
板生 清、他６名、「光デバイス精密加工ハンドブック」、（株）オプトロニクス社、平成１０年７月１２日 第１版第１刷発行、ｐ．１９３−１９６

しかしながら、上述したようなレーザ溶接方法にあっては、レーザ光の照射によって溶融した材料が第１の部材と第２の部材との間に入り込み、光学部品を支持する第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光学部品を支持するための第１の部材と、その第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するに際し、第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができるレーザ溶接方法、及びそのようなレーザ溶接方法により製造された光デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ溶接方法は、光学部品を支持するための第１の部材と、第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するレーザ溶接方法であって、第１の部材又は第２の部材のいずれか一方にレーザ光の中心を位置させて、第１の部材と第２の部材との当接部にレーザ光を照射することを特徴とする。

このレーザ溶接方法においては、光学部品を支持するための第１の部材と第２の部材との当接部にレーザ光を照射することで当接部を溶融させ、第１の部材と第２の部材とを溶接する。このとき、光強度が最も高いレーザ光の中心を第１の部材又は第２の部材のいずれか一方に位置させてレーザ光を照射するため、溶融した材料が第１の部材と第２の部材との間に入り込むのを抑制することができる。従って、光学部品を支持するための第１の部材と、その第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するに際し、第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができる。なお、第１の部材には、光学部品を直接支持するものだけでなく、光学部品を間接的に支持するものも含まれる。

また、レーザ光のビーム半径をＲとした場合に、第１の部材と第２の部材とにより幅Ｒ以下の隙間を当接部に沿って形成することが好ましい。このような隙間を形成することで、レーザ光が絞られて当接部に照射され、また、溶融した材料が当該隙間に収まるため、溶融した材料が第１の部材と第２の部材との間に入り込むのを確実に抑制することができる。ここで、レーザ光のビーム半径とは、レーザ光の進行方向に垂直な平面内において径方向のパワー分布をガウス分布で近似した際に、ピークパワー値から１／（ｅ^２）の強度となる部分までのレーザ光の中心からの距離を意味する。

このとき、第１の部材又は第２の部材のいずれか一方に当接部に沿って面取りを施すことで隙間を形成することが好ましい。これにより、幅Ｒ以下の隙間を当接部に沿って容易に形成することができる。

更に、第１の部材に面取りを施した場合、第１の部材に形成された面取り面と第２の部材とがなす角度より大きい入射角（第２の部材に対する入射角）でレーザ光を照射するとよい。これにより、第２の部材にレーザ光の中心を確実に位置させて、当接部にレーザ光を照射することができる。

一方、第２の部材に面取りを施した場合、第２の部材に形成された面取り面と第１の部材とがなす角度より大きい入射角（第１の部材に対する入射角）でレーザ光を照射するとよい。これにより、第１の部材にレーザ光の中心を確実に位置させて、当接部にレーザ光を照射することができる。

また、本発明に係る光デバイスは、光学部品と、光学部品を支持した第１の部材と、第１の部材に当接し、第１の部材がレーザ溶接により固定された第２の部材とを備え、第１の部材と第２の部材との当接部において、レーザ溶接による溶融部は、第１の部材又は第２の部材のいずれか一方の側に片寄っていることを特徴とする。

この光デバイスにおいては、レーザ溶接による溶融部が第１の部材又は第２の部材のいずれか一方の側に片寄っていることから、光強度が最も高いレーザ光の中心が当接部からずらされてレーザ光が照射されており、第１の部材と第２の部材との間への溶融した材料の入り込みが抑制されている。従って、光学部品を支持した第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすことが防止されている。ここで、溶融部とは、第１の部材及び第２の部材がレーザ光の照射領域において溶融した後、再固化して形成された部分を意味する。

このとき、第１の部材と第２の部材とにより当接部に沿って隙間が形成されており、溶融部は、隙間に掛かる部分で括れた形状を有している場合がある。

以上説明したように、本発明によれば、光学部品を支持する第１の部材と、その第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するに際し、第１の部材が第２の部材に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができる。

以下、本発明に係るレーザ溶接方法及び光デバイスの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
第１実施形態のレーザ溶接方法の説明に先立って、当該レーザ溶接方法が適用される光デバイスについて説明する。図１は、本発明に係る光デバイスの第１実施形態としての合分波モジュールを示す斜視図であり、図２は、図１のI−I線に沿っての断面図である。

図１及び図２に示すように、合分波モジュール１は、所定の距離をとって対面する板状のステンレス鋼製ベース２，２を有しており、各ベース２には貫通孔３が形成されている。一方のベース２には、円筒状のステンレス鋼製ブッシュ４がレーザ溶接により固定されており、ブッシュ４の円柱状の貫通孔５はベース２の貫通孔３に臨んでいる。この一方のベース２に固定されたブッシュ４には、単芯コリメータ６が所定の角度でレーザ溶接により固定されている。同様に、他方のベース２には、ブッシュ４がレーザ溶接により固定されており、ブッシュ４の貫通孔５はベース２の貫通孔３に臨んでいる。この他方のベース２に固定されたブッシュ４には、二芯コリメータ７が所定の角度でレーザ溶接により固定されている。

図２に示すように、単芯コリメータ６は、円筒状のステンレス鋼製ハウジング１１を有している。このハウジング１１のブッシュ４側の端部には球面１１ａが形成されており、この球面１１ａとブッシュ４の貫通孔５の縁部５ａとが当接している。これにより、ブッシュ４に対する単芯コリメータ６の固定角度を連続的に調整することが可能となり、単芯コリメータ６をブッシュ４に対し所定の角度で固定することができる。

更に、ハウジング１１には、球面１１ａと反対側の端部に開口する挿入孔１２と、この挿入孔１２の底面と球面１１ａとの間を貫通する光通過孔１３とがハウジング１１の中心軸線に沿って形成されている。挿入孔１２には、光ファイバ（光学部品）１４を保持したフェルール１５が挿入され、所定の位置でハウジング１２に固定されている。そして、挿入孔１２の底部には、光ファイバ１４から出射された光をコリメートするコリメータレンズ（光学部品）１６が配置されている。

また、二芯コリメータ７は、光ファイバの本数を除いて単芯コリメータ６と同様の構成を有している。すなわち、二芯コリメータ７においては、フェルール１５が２本の光ファイバ（光学部品）１７ａ，１７ｂを保持しており、コリメータレンズ１６が、その光軸側に、各光ファイバ１７ａ，１７ｂから出射された光を偏向する。なお、ベース２，２間において、二芯コリメータ７が取り付けられた他方のベース２には、特定波長域の光を透過させ且つ他の波長域の光を反射するフィルタ１８が貫通孔３を塞ぐように取り付けられている。

以上のように構成された合分波モジュール１においては、次のようにして光の合波が行われる。すなわち、単芯コリメータ６の光ファイバ１４から第１波長の光Ｌ１が出射されると、この光Ｌ１は、コリメータレンズ１６によりコリメートされた後、フィルタ１８を透過する。また、二芯コリメータ７の光ファイバ１７ｂから第２波長の光Ｌ２が出射されると、この光Ｌ２は、コリメータレンズ１６によりコリメート及び偏向された後、フィルタ１８により反射される。そして、フィルタ１８を透過した第１波長の光Ｌ１、及びフィルタ１８により反射された第２波長の光Ｌ２は合成され、光Ｌ３として二芯コリメータ７の光ファイバ１７ａに入射する。

一方、合分波モジュール１においては、次のようにして光の分波が行われる。すなわち、二芯コリメータ７の光ファイバ１７ａから、第１波長の光Ｌ１及び第２波長の光Ｌ２を含む光Ｌ３が出射されると、この光Ｌ３はコリメータレンズ１６によりコリメート及び偏向される。そして、光Ｌ３のうち第１波長の光Ｌ１は、フィルタ１８を透過し、単芯コリメータ６の光ファイバ１４に入射する。また、光Ｌ３のうち第２波長の光Ｌ２は、フィルタ１８により反射され、二芯コリメータ７の光ファイバ１７ｂに入射する。

次に、上述した合分波モジュール１に適用される第１実施形態のレーザ溶接方法について、単芯コリメータ６側のベース２とブッシュ４とのレーザ溶接、及びブッシュ４と単芯コリメータ６のハウジング１１とのレーザ溶接を代表させて説明する。

図３に示すように、ベース２にブッシュ４を当接させて、ベース２に対して所定の位置でブッシュ４を保持する。そして、レーザ光ＬＢの中心Ｃ（ここでは、集光レンズにより集光されたレーザ光ＬＢの集光点における中心）をベース２に位置させて、ベース２とブッシュ４との当接部２０にレーザ光ＬＢを照射する。これにより、ベース２及びブッシュ４がレーザ光ＬＢの照射領域において溶融した後、再固化して溶融部２２が形成され、この溶融部２２によってベース２とブッシュ４とが溶接される。このようなレーザ溶接を当接部２０上の複数箇所（例えば、１２０度間隔で３箇所）に対して行う。なお、このレーザ溶接においては、ブッシュ４が第１の部材に相当し、ベース２が第２の部材に相当する。

ここで、図３の矢印Ａ側から溶融部２２を見てみると、図４に示すように、溶融部２２は、ベース２とブッシュ４との当接部２０において、ベース２側に片寄っている。これは、レーザ光ＬＢの中心Ｃが当接部２０からベース２側にずらされてレーザ光ＬＢが照射されたからである。

更に、図３に示すように、ブッシュ４の貫通孔５の縁部５ａに単芯コリメータ６のハウジング１１の球面１１ａを当接させて、ブッシュ４に対して所定の角度でハウジング１１を保持する。そして、レーザ光ＬＢの中心Ｃをハウジング１１に位置させて、ブッシュ４とハウジング１１との当接部２１にレーザ光ＬＢを照射する。これにより、ブッシュ４及びハウジング１１がレーザ光ＬＢの照射領域において溶融した後、再固化して溶融部２２が形成され、この溶融部２２によってブッシュ４とハウジング１１とが溶接される。このようなレーザ溶接を当接部２１上の複数箇所（例えば、１２０度間隔で３箇所）に対して行う。なお、このレーザ溶接においては、ハウジング１１が第１の部材に相当し、ブッシュ４が第２の部材に相当する。

以上説明したように、第１実施形態のレーザ溶接方法においては、ベース２とブッシュ４とのレーザ溶接では、光強度が最も高いレーザ光ＬＢの中心Ｃをベース２に位置させてレーザ光ＬＢを照射し、また、ブッシュ４とハウジング１１とのレーザ溶接では、光強度が最も高いレーザ光ＬＢの中心Ｃをハウジング１１に位置させてレーザ光ＬＢを照射する。そのため、溶融したステンレス鋼がベース２とブッシュ４との間や、ブッシュ４とハウジング１１との間に入り込むのを抑制することができる。従って、ブッシュ４がベース２に対して、また、ハウジング１１がブッシュ４に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができる。

なお、ベース２とブッシュ４とのレーザ溶接では、レーザ光ＬＢの中心Ｃをブッシュ４に位置させてレーザ光ＬＢを照射し、また、ブッシュ４とハウジング１１とのレーザ溶接では、レーザ光ＬＢの中心Ｃをブッシュ４に位置させてレーザ光ＬＢを照射してもよい。これらの場合にも、上記と同様に、ブッシュ４がベース２に対して、また、ハウジング１１がブッシュ４に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを防止することができる。

また、第１実施形態のレーザ溶接方法においては、当接部２０，２１とレーザ光ＬＢの中心Ｃとの距離をＤとし、レーザ光ＬＢのビーム半径（ここでは、集光レンズにより集光されたレーザ光ＬＢの集光点におけるビーム半径）をＲとした場合に、０．１Ｒ≦Ｄ≦０．９Ｒ、望ましくは０．１Ｒ≦Ｄ≦０．５Ｒ、更には０．２Ｒ≦Ｄ≦０．３Ｒの条件でレーザ光ＬＢを照射することが好ましい。当接部２０，２１とレーザ光ＬＢの中心Ｃとの距離を小さくするほど、溶融したステンレス鋼がベース２とブッシュ４との間や、ブッシュ４とハウジング１１との間に入り込み易くなってしまう。一方、当該距離を大きくするほど、ベース２とブッシュ４との溶接強度や、ブッシュ４とハウジング１１との溶接強度が低くなってしまう。そこで、上述した条件でレーザ光ＬＢを照射すると、溶融したステンレス鋼の入り込み、及び溶接強度の低下を共に抑制することが可能となる。

［第２実施形態］
第２実施形態のレーザ溶接方法が適用される光デバイスは、ベース２とブッシュ４とにより当接部２０に沿って隙間が形成されている点、及びブッシュ４とハウジング１１とにより当接部２１に沿って隙間が形成されている点で、上述した第１実施形態としての合分波モジュール１と異なっている。

すなわち、第２実施形態としての合分波モジュール１では、図５に示すように、ブッシュ４においてベース２側の端面４ａの外縁に面取りが施されることで、ベース２とブッシュ４とにより当接部２０に沿って隙間２３が形成されている。また、ブッシュ４においてベース２と反対側の端面４ｂの内縁に面取りが施されることで、ブッシュ４とハウジング１１とにより当接部２１に沿って隙間２５が形成されている。なお、レーザ光ＬＢのビーム半径（ここでは、集光レンズにより集光されたレーザ光ＬＢの集光点におけるビーム半径）をＲとした場合に、各隙間２３，２５の入口の幅ＧはＲ以下とされている。

このような合分波モジュール１に適用される第２実施形態のレーザ溶接方法について、単芯コリメータ６側のベース２とブッシュ４とのレーザ溶接、及びブッシュ４と単芯コリメータ６のハウジング１１とのレーザ溶接を代表させて説明する。

図５に示すように、ベース２にブッシュ４を当接させて、ベース２に対して所定の位置でブッシュ４を保持する。そして、レーザ光ＬＢの中心Ｃ（ここでは、集光レンズにより集光されたレーザ光ＬＢの集光点における中心）をベース２に位置させて、面取り面２４とベース２とがなす角度θ１より大きい入射角（ベース２に対する入射角）θ２で、ベース２とブッシュ４との当接部２０にレーザ光ＬＢを照射する。これにより、ベース２及びブッシュ４がレーザ光ＬＢの照射領域において溶融した後、再固化して溶融部２２が形成され、この溶融部２２によってベース２とブッシュ４とが溶接される。このようなレーザ溶接を当接部２０上の複数箇所（例えば、１２０度間隔で３箇所）に対して行う。なお、このレーザ溶接においては、ブッシュ４が第１の部材に相当し、ベース２が第２の部材に相当する。

ここで、図５の矢印Ａ側から溶融部２２を見てみると、図６に示すように、溶融部２２は、ベース２とブッシュ４との当接部２０において、ベース２側に片寄っており、しかも、隙間２３に掛かる部分で括れている。溶融部２２がベース２側に片寄っているのは、レーザ光ＬＢの中心Ｃが当接部２０からベース２側にずらされてレーザ光ＬＢが照射されたからである。また、溶融部２２が隙間２３に掛かる部分で括れているのは、溶融部２２が隙間２３内に落ち込むからである。

更に、図５に示すように、ブッシュ４の貫通孔５の縁部５ａに単芯コリメータ６のハウジング１１の球面１１ａを当接させて、ブッシュ４に対して所定の角度でハウジング１１を保持する。そして、レーザ光ＬＢの中心Ｃをハウジング１１に位置させて、面取り面２６とハウジング１１の球面１１ａとがなす角度θ３より大きい入射角（ハウジング１１の球面１１ａに対する入射角）θ４で、ブッシュ４とハウジング１１との当接部２１にレーザ光ＬＢを照射する。これにより、ブッシュ４及びハウジング１１がレーザ光ＬＢの照射領域において溶融した後、再固化して溶融部２２が形成され、この溶融部２２によってブッシュ４とハウジング１１とが溶接される。このようなレーザ溶接を当接部２１上の複数箇所（例えば、１２０度間隔で３箇所）に対して行う。なお、このレーザ溶接においては、ハウジング１１が第１の部材に相当し、ブッシュ４が第２の部材に相当する。

以上説明したように、第２実施形態のレーザ溶接方法においては、レーザ光ＬＢのビーム半径をＲとした場合に、入口の幅ＧがＲ以下の隙間２３，２５が各当接部２０，２１に沿って形成されていることから、レーザ光ＬＢが絞られて各当接部２０，２１に照射され、また、溶融したステンレス鋼が各隙間２３，２５に収まる。そのため、ベース２とブッシュ４との間や、ブッシュ４とハウジング１１との間に溶融したステンレス鋼が入り込むのを確実に抑制することができる。従って、ブッシュ４がベース２に対して、また、ハウジング１１がブッシュ４に対して位置ずれや角度ずれを起こすのを確実に防止することができる。

また、ブッシュ４においてベース２側の端面４ａの外縁に面取りを施すことで、入口の幅ＧがＲ以下の隙間２３を当接部２０に沿って容易に形成することができる。同様に、ブッシュ４においてベース２と反対側の端面４ｂの内縁に面取りを施すことで、入口の幅ＧがＲ以下の隙間２５を当接部２１に沿って容易に形成することができる。

更に、面取り面２４とベース２とがなす角度θ１より大きい入射角θ２で当接部２０にレーザ光ＬＢを照射することで、ベース２にレーザ光ＬＢの中心Ｃを確実に位置させて、当接部２０にレーザ光ＬＢを照射することができる。同様に、面取り面２６とハウジング１１の球面１１ａとがなす角度θ３より大きい入射角θ４で当接部２１にレーザ光ＬＢを照射することで、ハウジング１１にレーザ光ＬＢの中心Ｃを確実に位置させて、当接部２０にレーザ光ＬＢを照射することができる。

なお、各隙間２３，２５は、面取りを施すことで形成されるものに限られない。例えば、図７に示すように、ブッシュ４においてベース２側の端面４ａの外縁を断面矩形状に切り欠くことで、ベース２とブッシュ４とにより当接部２０に沿って隙間２３を形成してもよい。同様に、ブッシュ４においてベース２と反対側の端面４ｂの内縁を断面矩形状に切り欠くことで、ブッシュ４とハウジング１１とにより当接部２１に沿って隙間２５を形成してもよい。このような場合にも、各隙間２３，２５の入口の幅ＧをＲ以下とする。

上記実施形態では、第１及び第２の部材の材料としてステンレス鋼を使用したが、これに限られるものではなく、金属等のレーザ溶接可能な材料であればよい。また、溶接に用いるレーザとしては、ＹＡＧレーザが好適である。

本発明に係る光デバイスの第１実施形態としての合分波モジュールを示す斜視図である。 図１のI−I線に沿っての断面図である。 第１実施形態としての合分波モジュールの要部を示す拡大断面図である。 図３の矢印Ａ側から見た溶融部及びその周辺部分を示す図である。 第２実施形態としての合分波モジュールの要部を示す拡大断面図である。 図５の矢印Ａ側から見た溶融部及びその周辺部分を示す図である。 第２実施形態の変形例としての合分波モジュールの要部を示す拡大断面図である。

符号の説明

２…ベース（第２の部材）、４…ブッシュ（第１の部材又は第２の部材）、１１…ハウジング（第１の部材）、１４，１７ａ，１７ｂ…光ファイバ（光学部品）、１６…コリメータレンズ（光学部品）、２０，２１…当接部、２２…溶融部、２３，２５…隙間、Ｃ…レーザ光の中心、ＬＢ…レーザ光。

Claims (7)

1. 光学部品を支持するための第１の部材と、前記第１の部材に当接する第２の部材とをレーザ溶接により固定するレーザ溶接方法であって、
   前記第１の部材又は前記第２の部材のいずれか一方にレーザ光の中心を位置させて、前記第１の部材と前記第２の部材との当接部に前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記レーザ光のビーム半径をＲとした場合に、前記第１の部材と前記第２の部材とにより幅Ｒ以下の隙間を前記当接部に沿って形成することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記第１の部材又は前記第２の部材のいずれか一方に前記当接部に沿って面取りを施すことで前記隙間を形成することを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接方法。
4. 前記第１の部材に形成された面取り面と前記第２の部材とがなす角度より大きい入射角で前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第２の部材に形成された面取り面と前記第１の部材とがなす角度より大きい入射角で前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接方法。
6. 光学部品と、
   前記光学部品を支持した第１の部材と、
   前記第１の部材に当接し、前記第１の部材がレーザ溶接により固定された第２の部材とを備え、
   前記第１の部材と前記第２の部材との当接部において、前記レーザ溶接による溶融部は、前記第１の部材又は前記第２の部材のいずれか一方の側に片寄っていることを特徴とする光デバイス。
7. 前記第１の部材と前記第２の部材とにより前記当接部に沿って隙間が形成されており、
   前記溶融部は、前記隙間に掛かる部分で括れた形状を有していることを特徴とする請求項６記載の光デバイス。

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