JP2006205216A - レーザ溶接装置、及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージに対する熱ストレスを抑え、レーザビームによって溶接することが可能なレーザ溶接装置、及びレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】 レーザ溶接装置は、例えば水晶デバイスなどが収納されたパッケージとリッドとを溶接する際に好適に用いられる。レーザ溶接装置は、レーザビームを照射し、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段を備える。照射位置変更手段は、レーザビームがワークに対して照射されている間に、その位置を変更していく。具体的には、照射位置変更手段は、レーザビームがワークに対して照射されている間に、レーザビームの照射位置を、パッケージの縁に沿って移動させる。ここで、レーザビームは、パルスレーザではなく、連続レーザである。連続レーザは、溶接のための照射時間の間、常に一定の出力を保つ。よって、連続レーザは、パッケージに大きな熱ストレスを与えるピークパワーを有さないので、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ワークに対してレーザビームを照射することによって溶接を行うレーザ溶接装置、及びレーザ溶接方法に関する。

従来、例えば光デバイス素子や水晶振動子などのパッケージ封止においては、リッド（蓋）に対してレーザビームを照射することによってパッケージに対してリッドを溶接（即ち、レーザ溶接）することが行われている。

例えば、特許文献１には、内部に発電要素などが収納された角形ケースと蓋板をレーザ
溶接する際に、まず所定の箇所に仮止め溶接を行った後に、ワーク（角形ケースと蓋板）
が搭載されたテーブルを所定量ずつ移動させつつレーザビームを照射することにより、角
形ケースと蓋板を封止する技術が記載されている。このような溶接方法で用いられるレーザビームは、パルスレーザである。パルスレーザは、リッド上にビームスポットを形成し、リッドとパッケージを貫通することによって溶接を行う。

しかしながら、パルスレーザは、この貫通する力のために、平均パワーの何倍ものピークパワーを有する。このため、セラミックを材料とするパッケージにかかる熱ストレスは大きく、特にパッケージの小型化が進んで、パッケージの側壁の厚みが薄くなってきている最近では、このパッケージにかかる熱ストレスによって、パッケージが破壊されてしまうという問題があった。

特開平１１−２４５０６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記のようなものが挙げられる。よって、本発明は、パッケージに対する熱ストレスを抑え、レーザビームによって溶接することが可能なレーザ溶接装置、及びレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明によるレーザ溶接装置は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定のパワーで出射されることを特徴とする
請求項２に記載の発明によるレーザ溶接装置は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によるレーザ溶接方法は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定の出力で出射されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によるレーザ溶接方法は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、レーザ溶接装置は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定のパワーで出射される。

上記のレーザ溶接装置は、例えば水晶デバイスなどが収納されたパッケージとリッドとを溶接する際に好適に用いられる。レーザ溶接装置は、レーザビームを照射し、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段を備える。照射位置変更手段は、レーザビームがワークに対して照射されている間に、その位置を変更していく。具体的には、照射位置変更手段は、レーザビームがワークに対して照射されている間に、レーザビームの照射位置を、パッケージの縁に沿って移動させる。ここで、レーザビームは、パルスレーザではなく、連続レーザである。連続レーザは、溶接のための照射時間の間、溶接のための照射時間の間、常に一定となる出力パワーを保つ。よって、連続レーザは、パッケージに大きな熱ストレスを与えるピークパワーを有さないので、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

本発明の他の実施形態では、レーザ溶接装置は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射される。このような連続レーザビームもパッケージに大きな熱ストレスを与えるピークパワーを有さないので、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

本発明の他の実施形態では、レーザ溶接方法は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定のパワーで出射される。この方法により、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

本発明の他の実施形態では、レーザ溶接方法は、レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射される。この方法によっても、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

本発明のレーザ溶接装置の一態様は、前記ワークは、リッドとパッケージより構成され、前記リッドと前記パッケージの間には、ろう材が設けられ、前記レーザビームの照射によって、前記ろう材を溶解することにより、前記リッドと前記パッケージを溶接する。ろう材としては、銀（Ａｇ）が好適である。レーザビームがリッドに照射されることにより、リッドに発生した熱は、ろう材に伝わり、ろう材の温度は上昇する。ろう材は、その融点を超えると溶解し、リッドとパッケージは、この溶解したろう材によって接着させることができる。これにより、レーザビームの出力パワーは、ろう材が融点を超えて溶融する温度まで熱することができる程度のパワーを有すれば良く、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

本発明のレーザ溶接装置の他の一態様は、前記パッケージの縁上には、金属層が形成されている。金属層は、例えば、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ｃｕ）より構成される。金属層は、ろう材との親和性が高いので、金属層を設けることにより、リッドとパッケージの溶接を、より効果的に行うことができる。

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。

[レーザ溶接装置の構成]
まず、本発明によるレーザ溶接装置１００の概略構成について、図１を用いて説明する。

図１は、レーザ溶接装置１００の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置１００は、主に、レーザビーム出射装置１と、コントローラ２と、テーブル３とを備える。レーザ溶接装置１００は、テーブル３上に配置されたワーク１０に対して溶接を行う装置である。

ここで、図２を用いてワーク１０の基本的な構成について説明する。図２は、ワーク１０の一例を示す斜視図である。ワーク１０は、内部に水晶デバイス１０ｃ（例えば、水晶振動子や水晶フィルタ）などが収納されたパッケージ１０ｂと、リッド１０ａとを備えている。ワーク１０においては、まずパッケージ１０ｂの上部にリッド１０ａを矢印Ｂで示す方向に移動させて配置する作業が行われ、この状態でレーザ溶接装置１００によってリッド１０ａとパッケージ１０ｂとを溶接する作業が行われる。なお、リッド１０ａの材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）よりなる合金であるコバールなどを用いることができ、パッケージ１０ｂの材料としては、セラミックなどを用いることができる。

図１に戻って、レーザ溶接装置１００の構成について説明する。レーザビーム出射装置１は、ワーク１０に対してレーザビームＬＢを出射する。レーザビーム出射装置１は、ワーク１０のリッド１０ａに対してレーザビームＬＢを照射することによって溶接を行う。

コントローラ２は、レーザビーム出射装置１を制御する制御信号Ｓを供給し、レーザビーム出射装置１を制御する。具体的には、制御信号Ｓには、レーザビーム出射装置１が出射すべきレーザビームＬＢのレーザパワーやレーザビームＬＢを発振する周期の情報や、レーザビームＬＢをリッド１０ａ上に照射すべき位置を示す情報などが含まれている。よって、コントローラ２がレーザビーム出射装置１に制御信号Ｓを供給することによって、レーザビームＬＢのレーザパワーや周期の情報などの設定が変更されると共に、レーザビームＬＢがリッド１０ａ上に照射される位置が変更される。

次に、図３を用いて、レーザビーム出射装置１の具体的な構成について説明する。図３は、レーザビーム出射装置１の斜視図を示している。

レーザビーム出射装置１は、主に、レーザ発振器Ｌと、ビームエキスパンダＢＥと、ガルバノミラーＧＭ１、ＧＭ２と、駆動装置４、５と、ｆθレンズ６と、を備える。レーザビーム出射装置１は、レーザビーム出射手段として機能する。

レーザ発振器Ｌは、所定の周期でレーザビームＬＢを発振し、レーザビームＬＢをビームエキスパンダＢＥに対して出射する。ビームエキスパンダＢＥは、レーザビームＬＢの径などを調整し、調整後のレーザビームＬＢをガルバノミラーＧＭ１に対して出射する。

ガルバノミラーＧＭ１は駆動装置４によって矢印Ｒ１で示す方向に回転され、レーザビームＬＢを反射する方向を変化させる。ガルバノミラーＧＭ１で反射されたレーザビームＬＢは、ガルバノミラーＧＭ２に入射される。ガルバノミラーＧＭ２は、駆動装置５によって矢印Ｒ２で示す方向に回転されて、レーザビームＬＢを反射する方向を変化させる。ガルバノミラーＧＭ２で反射したレーザビームＬＢは、ｆθレンズ６に入射される。このように、ガルバノミラーＧＭ１、ＧＭ２は、入射される光ビームＬＢを偏向制御する。また、上記のように、ガルバノミラーＧＭ１及びガルバノミラーＧＭ２を回転させることによって、レーザビームＬＢがｆθレンズ６に入射される位置が変更される。なお、駆動装置４、５は、コントローラ２より供給される制御信号Ｓによって制御される。

ｆθレンズ６は、入射されたレーザビームＬＢを、リッド１０ａの面に対して垂直に照射する。即ち、ｆθレンズ６は、レーザビームＬＢの入射角に関わらず、入射された位置からリッド１０ａの面に対して垂直な方向にレーザビームＬＢを出射する。具体的には、図３に示すように、ｆθレンズ６は、リッド１０ａの面に対して垂直なレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３を出射する。前述したように、ガルバノミラーＧＭ１及びガルバノミラーＧＭ２を回転させると、レーザビームＬＢがｆθレンズ６に入射する位置が変更される。したがって、ガルバノミラーＧＭ１及びガルバノミラーＧＭ２を制御することによって、レーザビームＬＢがリッド１０ａ上に照射される位置も変更される。例えば、ガルバノミラーＧＭ２を固定しガルバノミラーＧＭ１を回転させることによってリッド１０ａおけるレーザビームＬＢの照射位置が一方向に移動し、ガルバノミラーＧＭ１を固定しガルバノミラーＧＭ２を回転させることによってリッド１０ａおけるレーザビームＬＢの照射位置が上記の方向に対して垂直な方向に移動する。このように、コントローラ２は、ガルバノミラーＧＭ１、ＧＭ２を制御することによって、リッド１０ａ上のレーザビームＬＢの照射位置を変更する照射位置変更手段として機能する。

［一般的なレーザ溶接方法］
次に、図４を用いて、レーザビームＬＢをワーク２０上に照射して溶接を行う一般的なレーザ溶接方法について説明する。

図４（ａ）は、一般的なレーザ溶接方法におけるレーザビームの波形を示したものである。図４（ｂ）は、一般的なレーザ溶接方法による溶接の様子を示したワークの断面図である。この図４（ｂ）のワーク２０の断面図は、パッケージ２０ｂの縁に沿った断面図である。レーザビーム出射装置は、所定のパルス周期でレーザビームＬＢを発振し、リッド２０ａ上にビームスポットを形成することによって溶接を行う。よって、一般的なレーザ溶接方法で用いられるレーザビームは、図４（ａ）に示す波形を有するパルスレーザである。パルスレーザは、１つのパルス周期の間に、平均パワーＰａｖの数倍の大きさのピークパワーＰｈを有する。そのため、パルスレーザは、強い貫通性を有す。図４（ｂ）に、このパルスレーザによって溶解する部分２０ｈａを示す。このように、パルスレーザは、リッド２０ａだけでなくパッケージ２０ｂまでも溶解して溶接が可能である。しかしながら、この溶接方法では、パッケージ２０ｂに大きな熱ストレスを与えることとなり、最悪の場合、パッケージ２０ｂは、ひび割れを生じ、破損してしまう。

[本発明のレーザ溶接方法]
本実施例に係るレーザ溶接装置１００及びワーク１０では、本発明のレーザ溶接方法として、パッケージ１０ｂに大きな熱ストレスをかけないレーザ溶接方法を実行する。このレーザ溶接方法では、リッド１０ａとパッケージ１０ｂの間に予め、ろう材を挟み込んでおき、連続レーザをリッド１０ａに照射して、挟み込まれたろう材を溶解することにより、リッド１０ａとパッケージ１０ｂを溶接する。以下、本発明のレーザ溶接方法について詳しく述べる。

まず、本実施例に係るワーク１０の構造について詳しく述べる。図５は、本実施例に係るワーク１０の拡大断面図である。リッド１０ａのパッケージ１０ｂの縁と接する側の面には、例えば、銀（Ａｇ）を材料とするろう材１１が塗布されている。このろう材１１の材料としては、銀の代わりに金錫（Ａｕ−Ｓｎ）を用いてもよい。

一方、パッケージ１０ｂの縁上には、予め、タングステン（Ｗ）を材料とするタングステン層１２、ニッケル（Ｎｉ）を材料とするニッケル層１３、金（Ａｕ）を材料とする金層１４の３つの層より構成される金属層が形成されている。金属とセラミックを、直接、溶接するのは一般的に困難な場合が多い。そこで、本実施例では、予め、セラミックを材料とするパッケージ１０ｂの縁上に、このような金属層を形成しておくことで、ろう材１１との親和性を高めておくこととしている。

パッケージ１０ｂは、セラミックを材料として、作製されている。このため、まず、パッケージ１０ｂの縁上には、セラミックと親和性の高いタングステンが、メタライズ法などを用いて、セラミックに焼付けされる。これにより、タングステン層１２が形成される。タングステン層１２上には、溶接時にパッケージ１０ｂに発生する応力を緩衝するために、ニッケルがめっきされる。これにより、ニッケル層１３が形成される。しかし、このニッケル層１３の表面は、酸化や腐食を起こしやすい。もし、ニッケル層１３が酸化や腐食を起こしている状態で、リッド１０ａとの溶接を行っても、その溶接が行われた部分は馴染みにくく、安定した強度を得ることは難しい。そこで、ニッケル層１３の表面に、さらに、酸化や腐食に強い金（Ａｕ）をめっきすることで、金層１４を形成し、ニッケル層１３の表面の酸化や腐食を防ぐ。なお、ニッケル層１３は、金と拡散を起こしやすく、密着強度が強いので、この点からも、タングステン層１２と金層１４の間には、ニッケル層１３を設けるのが好適である。このように、パッケージ１０ｂの縁上に、金属層を形成することで、ろう材１１との親和性を高め、より効果的な溶接を行うことができる。

図６に、本発明のレーザ溶接方法におけるレーザビームの波形を示す。パッケージ１０ｂの上部にリッド１０ａを矢印Ｂで示す方向に移動させて配置する作業が行われた後、この状態でレーザ溶接装置１００によってレーザビームＬＢが照射される。レーザ溶接装置１００より出射されるレーザビームＬＢとしては、パルスレーザではなく、連続レーザが用いられる。図６（ａ）は、矩形波形を有する連続レーザの一例を示す。この矩形波形を有する連続レーザは、パルスレーザと異なり、所定の周期Ｔの間、時間軸に対し、常に一定のパワーＰｃｓｔで出射される。よって、連続レーザは、パッケージに大きな熱ストレスを与えるピークパワーを有さないので、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。本実施例では、レーザ溶接装置１００より出射される連続レーザは、例えば、所定の周期Ｔが５０ミリ秒程度であり、この所定の周期Ｔの間、常に一定のパワーを有する。

図６（ｂ）は、溶接開始時に強めのパワーで出射され、時間の経過とともにパワーを弱めていく連続レーザの一例を示す。溶接開始時には、ワーク１０の温度は低く、このワーク１０の温度下でろう材１１の温度を融点まで高めるために、このレーザの平均パワーＰｃよりも強めのパワーＰｍでレーザを出射する。時間の経過とともにワーク１０は、レーザの照射による熱を蓄えることで温度を上げるので、それに伴ってレーザのパワーは、時間の経過とともに弱められていく。このようにすることで、溶接箇所の温度を一定に保ち、溶接箇所の溶け過ぎによる強度不足を防ぐことができる。この強めのパワーＰｍは、パルスレーザのピークパワーほどの強さを有するものではないので、このような波形の連続レーザであっても、パッケージにかかる熱ストレスを抑えることができる。

図７は、本発明のレーザ溶接方法による溶接の様子を示したワーク１０の断面図である。この図７のワーク１０の断面図は、パッケージ１０ｂの縁に沿った断面図である。レーザ溶接装置１００より出射されたレーザビームＬＢは、リッド１０ａ上の照射位置１０ｈｂに照射される。リッド１０ａの照射位置１０ｈｂは、レーザビームＬＢが照射されることにより、熱せられる。

リッド１０ａは、コバールなどの合金で作製されているので、熱伝導率は高い。そのため、レーザビームＬＢをリッド１０ａに照射して、リッド１０ａを熱することにより、リッド１０ａとパッケージ１０ｂによって挟み込まれているろう材１１も熱することができる。これにより、ろう材１１の温度は上昇し、ろう材１１は、その融点を超えたところで溶解する。具体的には、図７に示すように、レーザビームＬＢが照射されることにより、リッド１０ａの照射位置１０ｈｂが熱せられる。その照射位置１０ｈｂの直下にあるろう材１１の一部１１ｈは、照射位置１０ｈｂの熱が伝えられることにより、熱せられ、温度が上昇し、その融点を超えたところで溶解する。リッド１０ａと金めっき層１４は、この溶解したろう材１１によって、溶接される。即ち、リッド１０ａとパッケージ１０ｂは溶接される。言い換えれば、本発明における溶接方法とは、リッド１０ａとパッケージ１０ｂを、溶解したろう材を接着剤として用いることにより、接着する方法である。

図８は、レーザビームＬＢのリッド１０ａにおける経路を示す。このように、レーザ溶接装置１００は、レーザビームＬＢを、発振している所定の周期Ｔの間に、リッド１０ａに照射させると共に、その照射位置を経路Ｒに沿って、一周、移動させる。この経路Ｒは、リッド１０ａ上のパッケージ１０ｂの縁に沿った経路である。これにより、経路Ｒに沿ったろう材１１はすべて溶解し、リッド１０ａとパッケージ１０ｂは、溶解したろう材１１によって完全に封止される。

このことから、レーザ溶接装置１００のレーザビームＬＢのパワーＰｃｓｔの大きさとしては、合金からなるリッド１０ａを通して、ろう材１１が融点を超えて溶融する温度まで熱することができる程度のパワーを有すれば良く、リッド１０ａおよびパッケージ１０ｂが溶融する温度まで熱する程のパワーを必要としない。よって、この点からみても、本発明の溶接方法では、先に述べた一般的なレーザ溶接方法と比較して、パッケージ１０ｂが受ける熱ストレスは、小さくて済み、パッケージ１０ｂの破壊を防ぐことができる。

なお、溶接開始時には、ろう材１１の温度は低いので、レーザビームＬＢを照射することによっても、ろう材１１の温度を融点まで十分に上げることができない場合がある。このような場合を想定して、リッド１０ａに対し、経路Ｒで一周、レーザビームＬＢの照射を行った後、さらに加えて、溶接開始時にレーザビームＬＢを照射した位置に対して、レーザビームＬＢを再度、照射するとしてもよい。

また、リッド１０ａに対し、経路Ｒで一周、レーザビームＬＢの照射を行った後であっても、リッド１０ａとパッケージ１０ｂが、十分に溶接されていない場合がある。このような場合には、さらに加えて、レーザ溶接装置１００は、レーザビームＬＢのパワーＰｃｓｔの調整を行った後、リッド１０ａに対し、レーザビームＬＢの照射を再び、経路Ｒで行うこととしてもよい。

レーザ溶接装置の概略構成を示すブロック図である。 ワークの概略構成を示す斜視図である。 レーザビーム出射装置の概略構成を示す図である。 一般的なレーザ溶接方法に係るレーザ溶接方法を示す図である。 本発明の実施例に係るワークの部分断面図である。 本発明の実施例に係るレーザビームの波形である。 本発明のレーザ溶接方法に係るレーザ溶接方法を示す図である。 本発明のレーザ溶接方法に係るレーザ溶接方法を示す図である。

符号の説明

１ レーザビーム出射装置
２ コントローラ
３ テーブル
１０ ワーク
１０ａ リッド
１０ｂ パッケージ
１００ レーザ溶接装置
ＧＭ１、ＧＭ２ ガルバノミラー
Ｌ レーザ発振器
ＬＢ レーザビーム

Claims (6)

1. レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、
   前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、
   前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定のパワーで出射されることを特徴とするレーザ溶接装置。
2. レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射手段と、
   前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更手段と、を備え、
   前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射されることを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 前記ワークは、リッドとパッケージより構成され、
   前記リッドと前記パッケージの間には、ろう材が設けられ、
   前記レーザビームの照射によって、前記ろう材を溶解することにより、前記リッドと前記パッケージを溶接することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記パッケージの縁上には、金属層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。
5. レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、
   前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、
   前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、常に一定のパワーで出射されることを特徴とするレーザ溶接方法。
6. レーザビームを照射して、ワークに対して溶接を行うレーザビーム出射工程と、
   前記レーザビームが照射されるワーク上の位置を移動させる照射位置変更工程と、を備え、
   前記レーザビームは、溶接のための照射時間の間、ワークの溶接箇所が一定の温度となるパワーで出射されることを特徴とするレーザ溶接方法。

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