JP3697362B2

JP3697362B2 - 接合方法

Info

Publication number: JP3697362B2
Application number: JP03408899A
Authority: JP
Inventors: 努櫻井; 竜也川村; 赳目黒; 素三佐古田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: JP2000231879A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックを含むガラスと金属との間をレーザー光照射によって接合する接合方法に関するもので、特に、ガラス管内に配設された電極から引き出された金属リードをガラス管からの引き出し位置でガラス管に接合することによりガラス管内を気密封止する照明ランプの製造工程に適した接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
照明ランプではガラス管内に収容した電極に接続された電極リードをガラス管の外に引き出すとき、電極リードとガラス管との間を接合してガラス管内を気密封止すると同時に電極リードを位置固定する必要がある。電極リードは金属線であり、金属とガラスのような異質な材質間の接合を行うために、照明ランプにおいては次に示すような接合方法が用いられている。
【０００３】
図１１は、小型高輝度放電灯の製造工程における電極リードとガラス管との間を接合する第１の従来方法を示すもので、ガラス管１内に対向配置された金属製の放電電極２、２それぞれの延長部である電極リード２ａ、２ａは、ガラス管１の両端に形成されたネック部１ａ内に挿入され、ネック部１ａに接合されることによって位置固定されると同時に、ガラス管１内が気密封止される。この接合方法は、図示するように接合する位置のネック部１ａの電極リード２ａの引き出し位置に、ガラスもしくはセラミックを材料とする封止材４を配置し、これをヒータ６１により溶融させてネック部１ａと電極リード２ａとの間を接合する。
【０００４】
また、図１２は、小型の水銀放電灯の製造工程における電極リードとガラス管との間を接合する第２の従来方法を示すもので、石英ガラス管２１の中央部を球状に形成した放電部２８内に対向配置された放電電極２７、２７からそれぞれモリブデン箔４７を介して引き出された電極リード４８、４８と石英ガラス管２１との間を接合する方法を示している。石英ガラス管２１を回転させつつ真空引きしながら、酸水素バーナ６２の炎により石英ガラス管２１を溶融させることにより、真空引きされていることにより溶融部分は収縮してモリブデン箔４７及び電極リード２７ａに接着するので、これを放電部２８の両側で実施することにより、放電部２８内は気密封止されると同時に放電電極２７は所定位置に固定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、ヒータ加熱による接合方法では、ネック部１ａ、電極リード２ａ、封止材４が同一温度に加熱されるので、封止材４に熱を集中させることによって接合時の濡れ性を向上させるようなきめ細かな制御が困難で、接合品質に限界があった。
【０００６】
また、酸水素バーナ６２を用いた接合方法では、酸水素バーナ６２からの熱の大半は空気中に無駄に放熱され、作業中は炎の発生は継続されるので、エネルギーロスが多い問題点があった。更に、燃焼によって生じた水が石英ガラス管２１内に残るので、黒化の要因を生じさせ、照明ランプとしての点灯寿命に限界を生じさせることになる。
【０００７】
本発明は上記従来の接合方法の課題を解決すべく創案されたもので、接合部材間の濡れ性をよくして安定した接合状態が得られるようにした接合方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る接合方法は、ガラス管内に、このガラス管から一端側が突出するように金属棒が挿入され、ガラス管の金属棒の突出部位に金属棒を取り囲むようにガラスもしくはセラミックによって形成された封止材が配設された被接合物を所定位置に配置し、第１のレーザー光を封止材及び金属棒の所定部位に集光されるように照射すると共に、ガラス管に対する吸収性が高い波長を有する第２のレーザー光をガラス管の所定部位に集光されるように照射し、前記第１のレーザー光の照射によって溶融した封止材が、第１のレーザー光によって加熱された金属棒と第２のレーザー光によって加熱されたガラス管との間の隙間に流入して隙間を充填することにより、ガラス管と金属棒との間を接合することを特徴とする。
【００１１】
上記接合方法によれば、第１のレーザー光の照射によって溶融した封止材は、第１のレーザー光の照射によって金属棒が加熱され、第２のレーザー光によってガラス管が加熱されていることによって、溶融した封止材に対する金属棒及びガラス管の濡れ性が向上し、ガラス管と金属棒との間の隙間に流入した封止材は両者に確実に接着して隙間を充填し、ガラスと金属との間が接合される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態および参考例について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２８】
まず、小型高輝度放電灯において、ガラス管内に配設された放電電極に接続された電極リードをガラス管の外部に引き出すとき、電極リードをその引き出し位置でガラス管に接合して、ガラス管内を気密封止すると共に電極リードを位置固定する第１の参考例に係る接合方法について説明する。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、前記小型高輝度放電灯は、ガラス管１内に金属製の放電電極２、２が対向配置され、各放電電極２、２それぞれの延長部は電極リード２ａ、２ａとしてガラス管１の外部に引き出されている。各電極リード２ａ、２ａは、ガラス管１の両側に形成されたネック部１ａ、１ａの円筒管内を通過して外部に引き出されるので、このネック部１ａにおいて電極リード２ａの金属とネック部１ａのガラスとを接合することによって、ガラス管１内が気密封止されると同時に、電極リード２ａが所定位置に固定される。この電極リード２ａとネック部１ａとの間の接合は、図示するようにネック部１ａの端部に、ネック部１ａから外部に突出する電極リード２ａを取り囲むように配設したリング状の封止材４をレーザー光の照射によって溶融させると共に、電極リード２ａを加熱することによってなされる。
【００３０】
前記レーザー光を照射するレーザー照射部６は、レーザー光発生源であるＬＤユニット１１と、レーザー光の集光光学系１２とを備えて構成されている。前記ＬＤユニット１１は、複数個のレーザーダイオード（ＬＤ）を並列配置したＬＤアレイ１０を複数段に積層して構成されている。また、前記集光光学系１２は、各ＬＤアレイ１０から出力されたファーストアクシス光となるレーザー光をシリンドリカルレンズもしくはロッドレンズにより平行光にするレンズアレイ１４と、この平行光にしたレーザービーム３の集光位置における縦横の幅Δｄ及びΔｆを調整する第１のシリンドリカルレンズ１５及び第２のシリンドリカルレンズ１６とを備えて構成されている。前記第１のシリンドリカルレンズ１５は、その光軸方向の位置を変化させることによって、長方形の集光形状の幅Δｆを調整することができる。また、前記第２のシリンドリカルレンズ１６は、その光軸方向の位置を変化させることによって、長方形の集光形状の幅Δｄを調整することができる。これらの集光光学系１２から出射されるレーザー光の出口位置に、熱線カットカバー１３を配置しておくと、ＬＤアレイ１０を熱線から保護することができる。
【００３１】
小型高輝度放電灯は、図１（ｂ）に示すように、接合による気密封止をする側のネック部１ａを上向きにして、他方のネック部１ａで回転支持手段２０によって支持され、ネック部１ａの電極リード２ａの引き出し位置に封止材４が装着される。この状態で回転支持手段２０によりガラス管１を所定速度で回転させつつレーザー照射部６からレーザー光を照射する。レーザー光の照射は、図示するように、長方形のレーザービーム３の幅Δｄが封止材４の直径に対応し、レーザービーム３の高さΔｆの中央が封止材４の下方になるように集光される。ＬＤユニット１１から出力されるレーザー光は、６００〜９６０ｎｍの波長を有するもので、電極リード２ａや封止材４に対する吸収性がよいので、このレーザー光の照射によって、半透明セラミックもしくはガラス半田からなる封止材４はレーザー光を吸収して加熱溶融され、電極リード２ａもレーザー光を吸収して加熱される。溶融した封止材４は、図２に拡大図示するように、加熱された電極リード２ａとネック部１ａとの間の間隙に毛細管現象で流入し、ネック部１ａと電極リード２ａとの間を接合すると共に間隙を埋めてガラス管１内を気密封止する。
【００３２】
上記構成において、封止材４はレーザー光の吸収性の向上によって溶融をより速やかにするには、有色、特に黒色にすると効果的である。また、急激なレーザー光照射により封止材４が割れるような場合には、レーザー光出力を徐々に上昇させたり、照射時間の後半でレーザー光出力を増加させるような照射時間経過に応じた出力制御や、レーザー光照射の照射強度の分布を変化させて最適の接合状態を得ることができる。
【００３３】
レーザー光照射の照射強度の分布を変化させる方法は、図３に示すように、部分透過コートを施した透過反射板１８をレーザービーム３の光路に沿うように配設して、その角度を調整することにより、封止材４に照射されるレーザー光の照射強度の分布状態を変化させることができる。即ち、接合開始時にはレーザービーム３から外れる角度位置にして、照射部位に対する照射強度分布を均等として徐々に加熱し、封止材４を溶融させるタイミングで図３（ｂ）に示すように反射角度にして封止材４に対するレーザー光の照射強度を増加させる。この照射パワー密度の制御によって、封止材４に対する急激な加熱がなく、封止材４の割れが防止される。また、電極リード２ａが高温状態になったタイミングで封止材４の溶融が開始されるので、電極リード２ａに沿った封止材４の流動が速やかになされる。
【００３４】
このような照射強度分布の制御は、図３に示すように、レーザービーム３の光路上に偏向板による可変アッテネータ１９を配置して、これを回転もしくは移動させることによって調整することもできる。また、シリンドリカルレンズ１５及び／又は１６の曲率を部分的に変えた曲率多重シリンドリカルレンズ１７によって照射強度分布を変化させることもできる。図３に示す構成では、曲率多重シリンドリカルレンズ１７を移動させることにより、封止材４に対する照射強度分布の変化ができるようにしている。
【００３５】
また、図４に示す本発明の実施形態のように、封止材４および電極リード２ａの所定部位に集光されるようにレーザー光を照射するレーザー照射部６ａと、ガラス管１のネック部１ａの所定部位に集光されるようにレーザー光を照射するレーザー照射部６ｂとを設けて構成することができる。この構成によれば、各レーザー照射部６ａ、６ｂをそれぞれ独立して制御できるので、最適の接合状態を設定することができる。
【００３６】
次に、水銀放電灯において、ガラス管内に配設された放電電極の電極リードをガラス管の外部に引き出すとき、電極リードをその引き出し位置でガラス管に接合して、ガラス管内を気密封止する第２の参考例に係る接合方法について説明する。
【００３７】
上記水銀放電灯は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ガラス管２１の中央に球状の放電部２８が形成され、この放電部２８内にタングステン製の放電電極２７、２７が対向配置されている。この放電電極２７はモリブデン箔４７を介して電極リード４８に接続されている。この水銀放電灯の前記放電部２８内を気密封止するために、ガラス管２１の所定部位をレーザー光照射による加熱により軟化させ、軟化したガラス管２１を前記モリブデン箔４７を挟み込むように加圧することによりガラス管２１内の間隙が軟化したガラスで埋められ、放電部２８が気密封止される。尚、放電電極２７から引き出されるリードの構造は、必ずしもモリブデン箔４７を介した構造でなく、棒状の電極リード４８のみを引き出す構造の場合でも同様に対処できる。
【００３８】
レーザー光照射によりガラス管２１を封止接合するために、図６に断面図として示すように構成された加熱治具２６が用いられる。この加熱治具２６は、前記ガラス管２１を自由に挿脱できる直径に形成され、下方に多数の開口部を形成したタングステン製のカラー（筒状体）２４と、このカラー２４を覆って放電部２８を収容できる直径に形成された石英ガラス筒（チャンバ）２３とを上方で接合して一体化され、石英ガラス筒２３はその上部が閉じられ、内部での空気対流による温度分布の不均一状態や熱の放散が生じないようにしている。また、図６（ｂ）に示すように、石英ガラス筒２３の外周面にはレーザー光入射位置を除いて白色セラミック等の熱線反射コート４４、４４が施され、内部の熱の拡散を防止してカラー２４の温度上昇効率の向上が図られている。
【００３９】
図７は、上記加熱治具２６を用いて水銀放電灯８の所定部位を封止接合する加工方法を説明するもので、所定位置に配設された加熱治具２６内に、図示しない回転保持手段によって保持された水銀放電灯８が挿入される。また、加熱治具２６の両側位置に第１及び第２の各レーザー照射部６ａ、６ｂが配置され、それぞれ所定部位に集光されたレーザービーム９ａ、９ｂを照射する。この第１及び第２の各レーザー照射部６ａ、６ｂは、第１の参考例で示したものと同様に構成されたものであり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４０】
第１のレーザー照射部６ａから照射されるレーザービーム９ａは、図７（ａ）（ｂ）に示すように、水銀放電灯８のガラス管２１の直径に対応する短辺幅でカラー２４の開口部が形成された部位の高さに対応する長辺幅の長方形に集光され、カラー２４の開口部のある部位に向けて照射される。このレーザー光は、加熱治具２６の石英ガラス筒２３を透過し、カラー２４に吸収されると共に、開口部を通過して電極リード４８及びモリブデン箔４７に吸収される。一方、第２のレーザー照射部６ｂから照射されるレーザービーム９ｂは、図７（ａ）（ｂ）に示すように、カラー２４の直径に対応する短辺幅で開口部が形成された部位の高さに対応する長辺幅の長方形に集光され、カラー２４の開口部のある部位に向けて照射される。このレーザー光は、加熱治具２６の石英ガラス筒２３を透過し、カラー２４に吸収されると共に、電極リード４８及びモリブデン箔４７に吸収される。水銀放電灯８を回転させつつ、上記のような状態にレーザー光を照射すると、カラー２４が加熱され、電極リード４８及びモリブデン箔４７が加熱されることにより、ガラス管２１はカラー２４の熱により間接加熱されると同時に内部の電極リード４８及びモリブデン箔４７の熱により直接加熱されて軟化する。
【００４１】
ガラス管２１が軟化した状態で、水銀放電灯８は加熱治具２６内から引き出され、図７（ｃ）に示すようにモリブデン箔４７を挟み込むように両側から軟化したガラス管２１の所定部位を一対のピンチングハンド３０で挟圧する。この挟圧により軟化したガラス管２１はモリブデン箔４７及び電極リード４８を挟み込んでガラス管２１内の空間を閉じて封止される。このガラス管２１の軟化封止を放電部２８の両側で実施することにより、放電部２８が気密封止される。
【００４２】
上記構成において、上部が封じられた石英ガラス筒２３内にカラー２４が配設され、石英ガラス筒２３のレーザー光の入射位置以外が熱線反射コート４４で被覆されていることにより、カラー２４の発熱は石英ガラス筒２３内に封じ込まれて温度上昇効率が向上する。また、カラー２４に電流を流すことにより、抵抗体であるタングステンの発熱効率が向上するので、量産時の加工効率の向上を図ることができる。また、レーザー照射部６の数を増して加熱効率の向上を図ることもできる。
【００４３】
次に、ガラス球内に配置された電極から引き出された電極リードをガラス球の一方向に設けられた引き出し位置でガラス球に接合し、ガラス球内を気密封止する第３の参考例について説明する。
【００４４】
図８において、白熱灯２９は、電球状のガラス球３３内に白熱線に構成された電極３４が配設され、その両端から引き出された電極リード３５、３５は、ガラス製のリード保持ブロック３６で保持され、ガラス球の一方向に外部開放された円筒部３３ａから外部に引き出されている。前記円筒部３３ａにおいて、円筒部３３ａのガラスとリード保持ブロック３６との間を接合することにより、ガラス球３３内を気密封止する。この接合は図８に示すように、レーザー光の照射によってなされる。
【００４５】
前記円筒部３３ａに対し、ＬＤレーザー照射部３１から円筒部３３ａで集光されるようにＬＤレーザー光３１ａを照射すると共に、ＣＯ₂レーザー照射部３２から円筒部３３ａで集光されるようにＣＯ₂レーザー光３２ａを照射する。ＬＤレーザー光３１ａは、その波長が６００〜９６０ｎｍで、通常の金属は数１０％の吸収率で吸収され、有色ガラスや有色セラミックは１０％以上の吸収性があるが、透明ガラスや透明セラミックでの吸収はほとんどゼロである。一方、ＣＯ₂レーザー光３２ａは、その波長が１０．６μｍで、ガラスやセラミックでほとんど吸収され、金属での吸収率は数パーセントである。従って、ＬＤレーザー光３１ａとＣＯ₂レーザー光３２ａとが集光された円筒部３３ａの電極リード３５はＬＤレーザー光３１ａの照射によって温度上昇し、円筒部３３ａのガラス及びリード保持ブロック３６はＣＯ₂レーザー光３２ａの照射によって温度上昇することにより溶融する。この温度上昇により接合界面温度は上昇してガラスの溶融により両者間は接合し、ガラス球３３内は気密封止される。
【００４６】
上記ＬＤレーザー光とＣＯ₂レーザー光とを併用した接合方法を小型高輝度放電灯の封止接合に適用した例を第４の参考例として次に説明する。
【００４７】
図９において、石英ガラス管３７の一周面を筒軸方向に切り欠いた位置にＺｎＳｅ（ジンクセレン）によって形成されたＺｎＳｅプレート３８が取り付けられた加熱筒２２内に、小型高輝度放電灯７の一方のネック部１ａに封止材４を配して挿入し、他方のネック部１ａで回転支持手段２０によって支持された状態にして所定位置に配設される。この小型高輝度放電灯７を中心として図示するように両側にＬＤレーザー照射部６とＣＯ₂レーザー照射部４１とが配設されている。
【００４８】
ＬＤレーザー照射部６から出射されるＬＤレーザー光５０は、石英ガラス管３７を通過して電極リード２ａの幅で、封止材４を含む高さの長方形に集光される。
【００４９】
また、ＣＯ₂レーザー照射部４１から出射されるＣＯ₂レーザー光５１は、ＺｎＳｅレンズ４２により長楕円形に変形され、封止材４を含むネック部１ａに照射される。
【００５０】
上記ＬＤレーザー光５０は石英ガラス管３７を透過し、封止材４と電極リード２ａが加熱され、封止材４は溶融する。また、ＣＯ₂レーザー光５１はＺｎＳｅプレート３８を透過し、ネック部１ａの石英ガラス部分及び封止材４を効果的に加熱する。このとき、石英ガラス管３７とＺｎＳｅプレート３８とによって構成された加熱筒２２は、対流防止カバーを形成して外部への熱の放散を防止するので、収容されたネック部１ａ及び電極リード２ａの温度上昇効率を向上させることができる。この加熱により、溶融した封止材４は温度上昇した電極リード２ａとネック部１ａとの間の隙間にスムーズに流入して隙間を充填し、ネック部１ａと電極リード２ａとの間を接合してガラス管１内を気密封止することができる。
【００５１】
上記構成において、加熱筒２２は石英ガラス管３７とＺｎＳｅプレート３８とによって構成されているが、ＺｎＳｅのみによって円筒形に形成してもよく、ＺｎＳｅはＬＤレーザー光の波長をほとんど透過させるので、加熱効果に差は生じない。また、この加熱筒２２は多少効果は低下するものの、これを特に用いなくても接合の効果を得ることができる。また、ＬＤレーザー照射部６とＣＯ₂レーザー照射部４１とは、一直線上の両側に配置する場合は、ＣＯ₂レーザー光がネック部１ａで吸収されることが前提で、ＣＯ₂レーザー光がＬＤレーザー照射部４０に当たらないように、両者の照射方向を所定角度に設定することが望ましい。
【００５２】
次いで、上記ＬＤレーザー光とＣＯ₂レーザー光とを併用した接合方法を水銀放電灯の封止接合に適用した例を第５の参考例として次に説明する。
【００５３】
図１０（ａ）において、一方向が軸方向に切り欠き開放され、下方に多数の開口部が形成されたタングステン製のカラー４５と、これを覆うＺｎＳｅ管４６とによる二重構造の加熱筒２５内に、水銀放電灯８のガラス管２１部分を挿入して所定位置に配設される。この水銀放電灯８に対し、ＬＤレーザー照射部６からＬＤレーザー光５４を前記カラー４５の直径に相当する幅で、カラー４５の開口部形成部位の高さの長方形の集光スポットにして照射する。このＬＤレーザー光５４の照射によってカラー４５が加熱されると同時に、カラー４５の開口部を通過したレーザー光によってモリブデン箔４７及び電極リード４８が加熱される。また、ＣＯ₂レーザー照射部５３から出射されるレーザー光をＺｎＳｅレンズ４２によって長楕円形状のＣＯ₂レーザー光５５にして、前記カラー４５の開放部を通してガラス管２１に照射する。このレーザー光照射によってガラス管２１が直接加熱されると同時に、加熱されたカラー４５による間接加熱により溶融する。水銀放電灯８は、図示しない回転保持手段により所定速度で回転されることによりレーザー光の照射部分が全周にわたって均等に加熱され、ガラス管２１から真空引きされることによって、ガラス管２１が溶融したタイミングで加熱筒２５をガラス管２１上から上方に移動させると、溶融部分は収縮して加熱されたモリブデン箔４７及び電極リード４８に接着して放電部２８内を気密封止する。
【００５４】
上記構成において、ＣＯ₂レーザー照射部５３は、その構成要素が大型化するので、出射方向を鉛直方向として出射されたレーザー光をミラー４９で反射させて水平方向に変換することによって装置の設置面積の低減を図ることができる。
【００５５】
また、レーザー光の強度に応じて前記加熱筒２５を廃止しても封止接合のための加熱を行うことは可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、レーザー光を所定部位に集光して加熱することができるので、所望の部位を集中的に加熱してガラスと金属との接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例に係る接合方法を実施する構成を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図２】接合状態を示す拡大断面図。
【図３】同上構成における照射強度分布の調整方法を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザー照射部を複数に設けた接合方法を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図５】水銀放電灯の構成を示す断面図。
【図６】第２の参考例に係る接合方法に用いる加熱治具の構成を示す（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＡ−Ａ線矢視方向の断面図。
【図７】第２の参考例に係る接合方法を示す（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は加圧状態を示す断面図。
【図８】第３の参考例に係る接合方法を示す模式図。
【図９】第４の参考例に係る接合方法を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図１０】第５の参考例に係る接合方法を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図１１】従来技術による第１の接合方法を示す模式図。
【図１２】従来技術による第２の接合方法を示す模式図。
【符号の説明】
１、２１ガラス管
２ａ、４８電極リード（金属棒）
４封止材
６レーザー照射部
１１ＬＤユニット（レーザー光発生源）
１２集光光学系
２２、２５加熱筒（チャンバ）
２４カラー（筒状体）
２６加熱治具（チャンバ）

Claims

ガラス管内に、このガラス管から一端側が突出するように金属棒が挿入され、ガラス管の金属棒の突出部位に金属棒を取り囲むようにガラスもしくはセラミックによって形成された封止材が配設された被接合物を所定位置に配置し、
第１のレーザー光を封止材及び金属棒の所定部位に集光されるように照射すると共に、第２のレーザー光をガラス管の所定部位に集光されるように照射し、
前記第１のレーザー光の照射によって溶融した封止材が、第１のレーザー光によって加熱された金属棒と第２のレーザー光によって加熱されたガラス管との間の隙間に流入して隙間を充填することにより、ガラス管と金属棒との間を接合することを特徴とする接合方法。