JP4685366B2

JP4685366B2 - 光学部品の接合方法

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Publication number: JP4685366B2
Application number: JP2004117950A
Authority: JP
Inventors: 努櫻井; 嘉朗北村; 敏春木村; 浩司船見; 正弥伊藤; 貢足立; 治郎三政
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP2005300976A

Description

本発明は、接合材または光学部品時体の溶融後の硬化または接合材の硬化を図って光学部品を接合する光学部品の接合方法に関し、特に、精密製都合が要求されるＤＶＤでの読み書き装置などに用いられる光学部品の接合に好適な光学部品の接合方法に関するものである。

従来、光ピックアップの受光素子が固着されているプリント基板が設置されるハウジングの設置部分に、プリント基板よりも少許小幅の広い凹部を形成し、この凹部内にアライメントしたプリント基板の両端と対向する側面に上方から切り込んだ接着溝内にＵＶ接着剤を流し込み、この接着溝からプリント基板側に表面張力にて対称形にて飛び出すＵＶ接着剤部分をプリント基板の対向し合う端部と接触させた状態として、ＵＶ照射によりＵＶ接着剤を硬化させることで、プリント基板の裏側に回り込んでＵＶ照射が行き届かずに硬化が遅れプリント基板を位置ずれさせるようなことを防止する技術が既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、２つの光学部品を１つの円筒体内の前後に嵌め合せて位置決めし、筒内の高反射膜を施した外面からレーザ光、特にＮｄ：ＹＡＧレーザ光を照射して円筒体と前記２つの光学部品とをスポット溶接し、スポット溶接部分の周辺域では高反射面によるレーザ光の反射によって、スポット溶接ごとにレーザエネルギ強度が変動しても、レーザ光が周辺領域へ与える熱影響を安定して少なくできることにより、光学素子の位置決め精度に影響しないようにした技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−３６８２３４号公報特開平８−３０４６６８号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、ＵＶ接着剤硬化のためのＵＶ照射による露光時間が数分と長くなお生産性が低い。また、ＵＶ接着剤の塗布量が左右で異なると、硬化速度、ボリューム変化に差が生じてプリント基板の位置をずらせてしまうので、数十ミクロンオーダの位置精度が得難く、高精度製品では歩留まりが低下する。従って、製品コストが上昇する。

一方、特許文献２に記載のものでは、レーザ光の照射出力が大きく光学部品にダメージを与えやすく、光学部品の種類によっては採用できないし、採用すると勢い歩留まりが低下する。また、光学部品の材質の組み合わせによっては接合できない。

本発明の目的は、レーザ光の照射による、接合材または光学部品の溶融後の硬化または接合材の硬化を伴い、多くの材料の組合せで光学部品を数十秒程度の短い時間でダメージなく歩留まり高く接合することを満足して、しかも、必要に応じ数十ミクロンオーダの位置精度が安定して確保でき、生産性の向上、製品コストの低減が図れる光学部品の接合方法を提供することにある。

本発明の光学部品の接合方法は、母材とそれに接合する接合物との間の接合材をレーザ光の照射により溶融させた後に硬化させて接合する光学部品の接合方法であって、前記接合材は、円柱状の第１接合部材と、前記第１接合部材のまわりに設けられた筒状の第２接合部材とから構成され、前記接合材の前記第２接合部材にレーザ光を照射し、前記第１接合部材を溶融して硬化させることで前記母材と前記接合物とを接合させるに際し、前記第１接合部材および前記第２接合部材は、軸線まわりに対称な横断面を有し、前記母材と前記接合物との間に、前記接合材が複数設けられ、前記接合材の硬化時に前記接合物を前記母材に対して位置ずれさせる作用力を、前記第２接合部材ごとに前記軸線まわりでバランスさせることを特徴としている。

このような構成では、母材とそれに接合する接合物との間に供与した接合材をレーザ光の照射により溶融させた後の硬化を図って接合物どうしを接合するが、接合材は円柱状の第１接合部材と、前記第１接合部材のまわりに設けられた筒状の第２接合部材とから構成され、第２接合材の外部からのレーザ光照射により第１接合材を溶融させてから硬化させることで、第１接合材の硬化時に接合物を母材に対して位置ずれさせる作用力を、接合箇所間でバランスさせて接合物のアライメント位置を保持して接合するので、接合材の硬化の際に接合物に位置ずれさせる作用力を及ぼすあらゆる条件での接合が、数十ミクロンオーダといった高い位置精度をも必要に応じ確保して行うことができる。また、接合は接合材のレーザ光の照射による溶融後の硬化によるもので、ろう材や接着剤を含めた接合材の採用により接合し合える光学部品の材料の種類の組み合わせが多いし、レーザ光の照射出力は数Ｗ級程度と高くなくてよい上に接合時間が数十秒程度の短い時間にて接合できる。

本発明のそれ以上の目的と特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。また、本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限り種々な組み合わせで複合して採用することができる。

本発明にかかる光学部品の接合方法の、第１の特徴によれば、外側の第２接合材外からのレーザ光照射により内側の第１接合材を溶融させてから硬化させることで、第１接合材の硬化時に接合物を母材に対して位置ずれさせる作用力を、接合箇所間でバランスさせて接合物のアライメント位置を保持し、接合材の硬化の際に接合物に位置ずれ作用力を及ぼすあらゆる条件での接合が、レーザ光の照射により数十ミクロンオーダといった高い位置精度をも必要に応じ確保して行える上、接合し合える光学部品の材料の種類の組み合わせが多いし、低出力にて数十秒程度の短い時間にて接合できるので、光学部品にダメージを与えにくく、生産性および歩留まり共に向上し製品コストが高精度なものでも低減する。

本発明の実施の形態について、幾つかの例と共に図を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。

本発明の実施の形態に係る光学部品の接合方法は、図１（ａ）に示す例を参照して母材１とそれに接合する接合物２との接合境界部に供与した接合材３をレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射により硬化または溶融させた後の硬化を図ってそれらを接合するのに、接合材３が硬化する段階で接合物２を母材１に対して位置ずれさせる位置ずれ作用力Ｆの接合箇所ごとまたはおよび接合箇所間での抑制、あるいはバランス度によるアライメント位置の保持またはおよびアライメントを伴い硬化を終えて接合させる。

図1（ａ）に示す例では接合材３は接合物２の外まわりの相対向する接合部２ａ、２ｂにおける、母材１との接合境界部４の隅部に供与してあり、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射により溶融させられて母材１および接合物２の双方に濡れ跨り、硬化する際のボリューム変化、つまり収縮によってフィレット３ａを形成する。このフィレット３ａを形成する硬化段階で接合材３に図１（ａ）に示すような応力τが発生する。接合材３は母材１および接合物２がろう接可能な、例えば同種、異種の金属材料どうしであれば、鉛フリーのろう材、クリーム半田を用いるのが好適であり、それには融点が１３９℃程度と低いＳｎＢｉ１３９ｃ、５８がＵＶ接着剤に比して高温にならず応力τが小さいために位置ずれ作用力Ｆを抑えられるし、早期溶融や早期硬化が図れるので、接合物２が位置ずれしにくく、１秒以下での早期接合ができる。接合材３の塗布量は接合に必要な強度を確保する必要最小限に設定するのが好適であり、精密光学部品では５Ｋｇｆ程度以上が望まれる。また、接合材３の全域に図１（ｄ）に示すような均質な出力のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射すると、フラックスの残渣によるクリーム半田の飛散を防止することができ好適である。よりよくは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は２ｍｍ²以下のスポットサイズに集光させて照射するようにし、必要最小限の微量接合材にて接合するのに好適となるし、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が母材１および接合物２にダメージを与えるのを防止することができる。また、母材１および接合物２の保護のためにはレーザ光Ｌ１、Ｌ２は照射対象である接合材３の受光域の形状、形態に適合した例えば長方形のスポット形状にて照射するのが好適である。

ここで、接合物２は接合部２ａの側が接合部２ｂの側よりもボリュームが大きく、熱容量が大きい。このため、各接合部２ａ、２ｂの側の接合材３の量およびレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力および照射タイミングが同じであると、接合部２ａの側の接合材３は接合部２ｂの側の接合材３よりも遅く溶融して遅く硬化する傾向を示す。このとき先に硬化する側の位置ずれ作用力Ｆ１が接合物２を引っ張って位置ずれさせ母材1上に固定してしまい、後で硬化する接合材３の位置ずれ作用力Ｆ２によっては前記位置ずれを矯正できない。ここに、図１（ａ）に示すような位置ずれ作用力Ｆ１による接合物２の位置ずれが生じる。

このような位置ずれ作用力Ｆ１、Ｆ２の、接合箇所ごとまたはおよび接合箇所間での抑制、あるいはバランス度によって、接合物２のアライメント位置を保持し、またはおよび、アライメントを伴い接合材３の硬化を終えて接合させることにより、接合材３の硬化の際に接合物２に位置ずれ作用力Ｆを及ぼすあらゆる条件での接合が位置ずれなく行える。接合部２ａ、２ｂが図１（ａ）に示すようにＸ−Ｘ方向に対向していればバランス度の調整はＸ−Ｘ方向になるが、これに直交するＹ−Ｙ方向にも対向していればこのＹ−Ｙ方向にも調節することになる。もっとも、奇数の接合箇所間であっても接合物２の位置がずれないよう必要な方向にバランス度調節すればよい。

接合物の機械的なアライメントは高剛性チャックを用いた二重マイクロメータ構造の位置決め機構によって図２（ａ）に示すような加圧アライメントピン１３を介し数十ミクロンオーダといった高い位置精度をも必要に応じ確保して行い、それを保持して接合を終えることができる。図２（ａ）に示す例では接合物２上にＬＤなどの光源１４が搭載されていることを利用して母材１上の接合物２の位置をＣＣＤカメラ５により撮像してモニタしながらアライメントできるようにしている。また、別に、図１（ａ）（ｂ）に示すＣＣＤカメラ５により接合状態を撮像してモニタ５ａにより観察しながら、例えば各接合部２ａ、２ｂでの接合材３が同時に硬化してフィレット３ａを形成するようにレーザ光Ｌ１、Ｌ２の図１（ｃ）に示すような照射出力や照射タイミングを操作パネル６などからの操作によってマイクロコンピュータ７を通じレーザ光源１１、１２を駆動制御することにより、位置ずれ作用力Ｆをバランスさせていて、機械的な位置決めや拘束力なしに接合物２を母材１上へアライメントして搭載した位置を保持して接合させられる。図１（ｃ）の例では照射タイミングだけを調整しており操作が簡単である。また、別に、接合物２の位置の変化をモニタしながら位置ずれ作用力Ｆ１、Ｆ２のバランス度合を調整して接合物２を、アライメントを伴い母材１に接合をさせることもできる。接合は接合材３のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射による硬化または溶融後の硬化によるもので、ろう材や接着剤を含めた接合材３の採用により接合し合える光学部品の材料の種類の組み合わせが多いし、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力は数Ｗ級程度と高くなくてよい上に接合時間が数十秒程度の短い時間にて接合できる。そこで、レーザ光源１１、１２としてレーザダイオードＬＤを用いると、低コストで必要なＷ級出力が得られる上、電流制御によって照射出力を応答性よくきめ細かに制御することができ、照射出力をフィードバック制御するのに好適である。

これらの、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力や照射タイミングの調整につき、特定の接合物２に対して一旦得た適正な照射条件は、同種の接合物２を接合対象とする限り変化しないので、それを図１（ｂ）に示すような記憶手段８などに記憶し、それを以降の接合時に再現すれば自動調整することができる。それには、接合プログラム９により記憶している照射条件を利用するようにプログラムしておけばよい。

図２（ａ）に示す例では接合材３としてろう材フィルム箔を用いて母材１と接合物２との間に挟み込み、前記位置決め力を利用して加圧しながら、接合物２の外まわりに臨出した接合材３の外周２箇所、または４箇所にレーザ光Ｌ１、Ｌ２・・を照射して溶融させた後、図２（ｂ）に示すように硬化させて接合している。この場合、接合物２の接合面に凹部２ｃを設けて、レーザ光Ｌ１、Ｌ２による熱が接合材３の前記臨出部に集中しやすく、また溶融した接合材３を接合物２の外まわりと凹部２ｃの内まわりとに押しやって、母材１に密接させやすくしている。ろう材フィルム箔の厚みは例えば１０〜５０μｍ程度が好適である。

図３に示す例は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の図３（ｂ）（ｃ）に実線で示すような均等照射による接合材３の溶融、硬化では図３（ａ）に実線で示すような位置ずれ量がＳとなる接合物２に対し、図３（ａ）に実線で示すような位置ずれ状態を検出しながら、その時々の位置ずれ量に基づきレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力を図３（ｂ）（ｃ）に破線で示すようにフィードバック制御したところ、図３（ａ）に破線で示すように接合材３の硬化終了時点で位置ずれ量Ｓがほぼ０になった。本発明者等の経験ではレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力を最初最大にしておいて、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射出力を徐々に下げていく開始タイミングｔ１、ｔ２と下げ度合を調整することで好結果が得られることを知見した。一旦得られた好適な照射条件は再現でき、これをプログラム化すれば以降はフィードバック制御に変わるプログラム制御ができる。

なお、位置ずれ作用力Ｆの接合箇所間でのバランス度の調整は、一旦硬化した接合材３を再溶融させて行うこともできる。

図４に示す例では、母材１にアライメントして当てがった接合物２を、その外まわりの図４（ａ）に示す相対向する２つ以上の仮接合箇所２ｄに接着剤２１を供与してレーザ光または紫外線の照射により硬化させて仮固定しておき、図４（ａ）（ｂ）に示すように接合物２の外まわりの相対向する接合部２ａ、２ｂにおける前記途は別の本接合箇所での接合境界部４に接合材３を供与し、直接レーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射することにより、溶融して母材１および接合物２双方に濡れ跨った接合材３を硬化させるようにしている。このようにすることで、位置ずれ作用力Ｆを接着剤２１による前記仮固定力によって抑え、アライメント位置を保持して本固定し、接合を終えられる。

なお、母材１は図４（ｂ）に示すようにポーラスなセラミックなどからなる耐熱性のある断熱部材２２によって支持面２３から離して支持面２３側への熱の逃げを防止している。これにより、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射による加熱効率がよくなり、その分だけレーザＬ１、Ｌ２の照射出力を低減して省エネが図れるし、位置ずれ作用力Ｆを小さく抑えられる。また、母材１や接合物２に与えるダメージも少なくなる。

図５に示す例は、前記ろう材を接合材３として、母材１の接合物２が当接される接合面に１つ以上形成した図５（ｃ）に示すような軸線３１まわりに対称な形状の凹部３２内中心部に供与し、この接合材３を母材１とこれに図５（ａ）に示すように押し付ける接合物２との間で直交するＸＹ２方向のアライメントを伴い押圧部材３３で押圧しながら、図５（ｂ）（ｃ）に示すように外部から前記軸線３１上でレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射し、溶融した接合材３が母材１の凹部３２と接合物２との双方に前記軸線３１を中心に図５（ｄ）に示すように濡れ跨った後、軸線３１まわりで同時に硬化してフィレット３ａを形成させるようにしている。これにより、接合物２が母材１に当接した時点で押圧を解除しても、接合材３の硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力Ｆを接合箇所単位に前記軸線３１まわりでバランスさせてアライメント位置を保持して接合させられる。その位置精度はサブミクロン単位と高いし、母材１や接合物２に大きな加圧力が長い時間働いて損傷などのダメージを与えたり、疲労させたりするようなことを防止できる。前記のような凹部３２は球面とするのが好適であるが、平面形状は角型でもよい。接合物２は接合材３である前記クリーム半田との濡れ性のよい例えば金属などが好適であるが、ガラスや樹脂部材であっても表面にメタライジングを施したものであれば好適な対象となる。また、接合は数ｍＳ〜数十ｍＳと極く短いスポット接合となるので、ＹＡＧレーザの低出力レーザ光を利用することもでき、接合部まわりへの熱影響にも問題がない。この例の場合は特にレーザ光Ｌ１、Ｌ２の高集光を図るのが好適である。なお、押圧部材３３は接合物２の接合に関係のない部分の放熱を促進させて接合物２の熱的安全を図るのに共用できる。また、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は外部からの照射となるが、熱伝達によって透過しなくても接合させられる。透過するほど接合効率は高い。

図６に示す例では、前記クリーム半田を接合材３として、金属製の母材１の接合物２との間の図６（ａ）に示すような接合代Ａを残す凹部４１を有した接合面を含む表面（または接合物２の接合面を含む表面であってもよい）の成膜層に形成しておき、母材１の接合面に接合物２の接合面を図６（ａ）に示すように直交するＸＹ２方向のアライメントを伴い加圧しながら外部からレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射し、溶融した接合材３を接合物２の図６（ｂ）の破線位置から実線位置への成膜層厚分の沈み込みを伴い、母材１および接合物２間の部分から接合物２の外まわりと凹部４１の内まわりに図６（ｂ）に示すように押しやり、そこでの接合境界部４の母材１および接合物２双方に濡れ跨らせた後、フィレット３ａを形成して硬化させるようにしてあり、アライメント位置を保持して接合させられる。本例は接合物２の外周全域での接合に好適であり、その場合のレーザ光Ｌ１、Ｌ２・・の照射はライン照射となる。接合物２が樹脂やガラスである場合はメタライジングしておけば好適な対象物となる。また、接合物２が金属である場合を含めて金メッキやニッケルメッキしておけば接合性が向上し、その場合の鉛フリークリーム半田としてはＣｕＳｎを用いるのが好適である。また、凹部４１および接合物２が軸線３１まわりに対象な形状であると、フィレット３ａの形成による位置ずれ作用力Ｆをどの方向にもバランスさせられる。また、母材１の接合面を基準とした水平アライメントに対して超精密な位置精度が確保できる。それには、母材１の接合面を研磨面としておくのが好適である。

図７に示す例では、前記クリーム半田を接合材３として、接合物２の母材１との接合部２ａ、２ｂに１つ以上形成した図７（ｂ）に示す軸線３１まわりに対称な図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すような形状の貫通穴５１内に供与して直接レーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射し、接合材３を溶融させて前記接合部２ａ、２ｂ下方に図７（ｂ）に示す隙間５２を持って対向する母材１との間に図７（ｃ）に示すように融け跨らせた後に硬化させるようにしており、接合材３のフィレット３ａを形成する硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる図７（ｄ）に示すようなあらゆる方向の作用力Ｆ１〜Ｆ４を貫通穴５１ごとに前記軸線３１まわりでバランスさせてアライメント位置を保持して接合させられる。本例では、接合物２を高剛性チャック５３などにて母材１から離してアライメントするので、ＸＹＺの３方向に位置調節したアライメント位置を保つように接合することができるし、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわり、Ｚ軸まわりの角θＸ、θＹ、θＺもアライメントすることができる。

この場合、接合物２の母材１への接合後、図８（ａ）に示すように接合物２の位置が寄っている接合部２ｂ側と反対の接合部２ａ側の端縁２ｅと母材１とに補助接合材３ｃを図８（ａ）に示すように跨らせて供与し、直接レーザ光Ｌ３を照射して溶融させた後硬化させることにより、補助接合材３ｃの図８（ｂ）に示すようなフィレット３ａを形成する硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力Ｆ５を前記位置が寄っている側と反対の向きに働かせてアライメントすることができる。それには、先に硬化している接合材３はレーザ照射などによって軟化させておくのが好適である。本例では必要なら接合物２の母材１に対するＺ方向位置もアライメントすることができる。また、角度のアライメントもできる。

図９に示す例では、母材１と接合物２の接合部２ａ、２ｂとを図９（ａ）（ｂ）に示すような軸線３１まわりに対称な横断面を有した筒状の接合部材５５を介し当てがい、この接合部材５５内に接合材３として供与した前記クリーム半田など接合部材５５の外部からの図９（ａ）に示すようなレーザ光照射により溶融させてから硬化させるようにしてある。これにより、接合材３の硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力Ｆを接合部材５５内ごとに前記軸線３１まわりでバランスさせてアライメント位置を保持して接合させることができる。

図１０に示す例は、母材１の接合部１ａ、１ｂの両側に設けた溝６１に図１０（ｂ）（ｃ）に示すように跨って接合物２の相対向する接合部２ａ、２ｂを当てがい、前記クリーム半田を接合材３として接合物２の接合部２ａ、２ｂの端面と母材１との間の前記溝６１間にできる接合境界部に供与して直接レーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射し、溶融した接合材３の過剰分の前記溝６１内への落ち込みを伴い、同じ長さａ＝ｂにてフィレット３ａを形成するように硬化させることにより、接合材３の硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力を接合部２ａ、２ｂ間にてバランスさせてアライメント位置を保持して接合させられる。

図１１に示す例では、前記クリーム半田を接合材３として、母材１の接合面を含む表面または接合部２ａ、２ｂの背面側に図１１（ａ）〜（ｃ）に示すような軸線３１まわりに対称な例えば直径ｄの凹部６５を形成した接合物２の接合面を含む表面の成膜層として形成しておき、母材１の接合面に接合物２の接合面をアライメントを伴い加圧しながら、図１１（ａ）（ｃ）に示すように凹部６５から前記軸線３１上でレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射し、母材１および接合物２間の接合材３を前記凹部６５の形状に相似な軸線３１まわりの図１１（ｃ）に黒塗りして示す範囲を溶融させた後、硬化させるようにしてあり、これにより、接合材３の硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力Ｆを接合箇所ごとに前記軸線３１まわりでバランスさせてアライメント位置を保持して接合させられる。レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射スポットの径ｄ₀は凹部６５の直径ｄに等しいかそれよりも若干小さくするのがよい。

図１２に示す例は、前記クリーム半田を接合材３として、母材１の接合面を含む表面または接合部２ａ、２ｂ内に図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような軸線３１まわりに対称な環状の空洞７１を形成した接合物２の接合面を含む表面の成膜層として形成しておき、母材１の接合面に接合物２の接合面をアライメントを伴い押圧しながら外部から前記軸線３１上でレーザ光Ｌ１、Ｌ２を図１２（ａ）（ｃ）に示すように照射し、母材１および接合物２間の接合材３を前記環状の空洞７１が囲う中央部形状に相似な軸線３１まわりの図１２（ｃ）に黒塗りして示す範囲を溶融させた後、硬化させるようにしてあり、これにより、接合材３の硬化時に接合物２を母材１に対して位置ずれさせる作用力Ｆを接合箇所ごとに前記軸線３１まわりでバランスさせてアライメント位置を保持して接合させる。

図１３に示す例は、接合物２の外まわりでの相対向する接合個所での母材１との接合境界部に、レーザ光の照射またはおよび熱により高速硬化する高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、接合物２を母材１上に保持してアライメントした後、高速硬化性接着剤３０に直接にレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射して高速硬化させるようにしてあり、これにより高速硬化性接着剤３０の硬化時の接合物２に対する位置ずれ作用力を、高速硬化性接着剤３０のボリューム変化が少なく、かつ高速硬化することにより抑えてアライメント位置を保持し接合させられる。これにはエポキシ系接着剤を用いるのが好適であり、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を直接または透明または半透明なガラス、樹脂、ないしはメタライジングした透光性光学部品を介して高速硬化性接着剤３０に照射できる場合は、透明な接着剤母材にレーザ光Ｌ１、Ｌ２の吸収性の高いもの、例えば２０％以上金属粒子などを混合させたものが好適である。具体的にはＮｉ、Ｓｎなどの金属粒子がよく、Ａｇは好ましくない。このような高速硬化性接着剤３０を用いると数Ｗ級のレーザ光Ｌ１、Ｌ２によって１０秒〜２０秒程度で硬化し、硬化に数分かかるＵＶ接着剤に比して格段に高速となる。また、高速硬化性接着剤３０はそれ自体の熱伝導性も高いので、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射が直接及ばない部分での硬化も死角なく高速化する。本例では接合物２のアライメントはＸＹＺの３方向に行えるし、それぞれの方向Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のまわりの角度θＸ、θＹ、θＺのアライメントもできるので、図７、図８の例を含め、ＬＤ（半導体レーザ）を搭載してそれの位置調節を行ういわゆる煽り部材の煽りベースに対する接合に適用して好適である。

図１３に示す例では、特に、母材１の対向部１ｃ、１ｄとそれらに外まわりの相対向する接合箇所を対向させた接合物２との間に高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、接合物２を母材１上に橋渡し状態に保持して接合するようにしてあり、前記あらゆる方向にアライメントするのにより好適である。

なお、以上の各場合において、接合物２の外まわりの相対向する一方の接合を優先して行い、その後接合物２の位置ずれを判定し、他方の接合を前記判定した位置ずれが減少ないしは解消するようにレーザ光Ｌの照射出力またはおよび照射タイミングを制御して行うと、接合材３の硬化時に接合物２を位置ずれさせる位置ずれ作用力を利用して容易かつ確実にアライメントすることができる。この場合、他方の接合は、接合を終えている一方の接合材を軟化させてから行うのが先の接合が後の接合時のアライメントを邪魔しないようにすることができる。

図１４に示す例のように前記のような煽り部材を母材１として、ＬＤモジュールを接合物２として接合するのに、それらのボリュームが大きく、それらの接合境界部４が位置調節のためにほぼ球面形態にされた内側に位置して、外部からのレーザ光Ｌ１・・の照射ではレーザ光Ｌ１・・やそれによる熱が届き難い関係になる。それを本例では、鉛フリーなろう材であるＳｎＣｕやＳｎＢｉよりなる半田を接合材３として、母材１と接合物２との一方、具体例では母材１の接合部に設けた図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような凸部７５の端面に図１４（ｂ）（ｃ）に示すようなメッキした成膜層として設けておき、母材１および接合物２間に前記凸部７５によってできる図１４（ｃ）に示すような隙間７６を通じ凸部７５のそれぞれに対して図１４（ａ）（ｃ）に示すようにレーザ光Ｌ１〜Ｌ３を照射し接合材３を溶融させた後、硬化させることにより接合を行うようにしている。

これにより、レーザ光Ｌ１〜Ｌ３の照射を及ばせて、接合材３のレーザ光Ｌ１・・の照射による硬化または溶融後の硬化による接合が行える。また、ろう材や接着剤を含めた接合材３の採用により接合し合える光学部品の材料の種類の組み合わせが多いし、レーザ光Ｌ１・・の照射出力は数Ｗ級程度と高くなくてよい上に接合時間が数十秒程度の短い時間にて接合できるので、光学部品にダメージを与えにくい。しかも、前記接合を接合物２の母材１に対する凸部７５による支持状態でのアライメントを伴い加圧などして行うことにより接合材３の硬化の際に接合物２に及ぼす位置ずれ作用力Ｆを抑えて、数十ミクロンオーダといった高い位置精度をも必要に応じ確保して接合することができる。

なお、本例では接合物２の母材１に対するアライメントのために、母材１の凸部７５による接合物２の支持をその外まわりに図１４（ａ）（ｂ）に示すような遊び７７を設けて支持するようにしてある。また、接合境界部４にはＮ₂などの不活性ガスを例えば２方向からブローして酸化を防止している。また、凸部７５へのレーザ光Ｌ１〜Ｌ３の照射は、図１４(ｃ)に示すように凸部７５の高さ方向のほぼ中間高さ位置での幅ｌ、厚さＢの帯状光として照射するのが、光学部品にダメージなく効率良くかつ確実に接合するのに好適である。

ところで、Ｓｎを接合材とした３点での接合強度は１．３ｋｇｆ前後と小さく、５ｋｇｆ程度の結合強度を得るのが困難である。そこで、前記３点での接合をＳｎを接合材３として行うのに併せ、図１４(ａ)に示す他の凸部７８にもＳｎよりも低融点のＳｎＢｉを接合材３としてメッキしておき、Ｓｎによる接合と同時に、この接合における余熱にて凸部７８と接合物２との間も結合できるようにする。これにより、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の届かない部分をも利用して接合面積を増大することができ、接合強度は合計して５ｋｇｆ程度が容易に得られる。

この場合、さらに、第１の母材１と接合物２との間の複数の凸部７５、７８の端面に、融点が高低異なる２種類のろう材を接合材３として個別に成膜しておき、融点の高い接合材３のレーザ光Ｌ１〜Ｌ３の照射による溶融後の硬化により接合して図１４(ｂ)に示すような接合物モジュール１０１とし、この接合物モジュール１０１と煽り部材である第1の母材１を煽り調節できるように支持する煽りベースとしての第２の母材１０２とをそれらの一方に設けた凸部７９に前記低融点のろう材であるＳｎＢｉを接合材３として成膜しておき、その凸部７９による双方間の隙間８１を利用したレーザ光Ｌ４、Ｌ５の照射による溶融後の硬化により接合を行うようにする。これにより、前記第1の母材１と接合物２との間の凸部７８部での接合を行った接合材３が余熱で軟化、溶融することがあっても、凸部７５部での接合を行った接合材３が軟化、溶融することはなく、接合状態が確保されたままになる。しかも、第２の母材１０２と接合物モジュール１０１との接合が終了するとき、凸部７８部での接合材３も再度硬化するので、前記確保した５ｋｇｆ程度の接合強度は保証される。

図１５に示す例では、樹脂製の鏡筒である母材１に樹脂製のレンズである接合物２を当接またはおよび嵌め合せて母材１および接合物２の接合境界部４にレーザ光Ｌを照射して樹脂部を溶融させた後、高剛性チャック５３などによりアライメントを伴い保持して硬化させることにより接合させるようにしている。これにより、レーザ光Ｌを樹脂製の母材１および接合物２の接合境界部４に直接照射して樹脂部の溶融、硬化を図り接合するので、レーザ光Ｌの照射出力は数Ｗ級程度と高くなくてよい上に接合時間が数十秒程度の短い時間にて接合でき、光学部品にダメージを与えにくいし、アライメントによる高い位置精度を確保できる。図示する例では特に、接合物２を溶融対象に特定してそのほぼ全域に均質なレーザ光Ｌを照射して母材１との接合を実現しており、硬化は全体が同時に終えるように徐々に行うのが好適である。

図１６に示す例では、一方が樹脂製で他方がガラス製の母材１および接合物２どうしを当接またはおよび嵌め合せて母材１および接合物２の接合境界部４に図１６（ａ）に示すようにレーザ光Ｌ１、Ｌ２・・を照射して樹脂部を溶融させた後、高剛性チャック５３などにより接合物２をアライメントを伴い保持して硬化させることにより接合させるようにしている。この場合、母材１および接合物２の嵌めあいが四角形どうしであればレーザ光Ｌ１、Ｌ２・・の照射はライン照射となり、相対向する２辺どうしを接合するだけでもよいし、４辺共接合することもできる。また、図１６(ｂ)に示すように母材１および接合物２が四角形と円形との嵌め合いであるような場合は、接合境界部４が接合物２の外周4箇所となり、レーザＬ１、Ｌ２の照射はスポットとなり、相対向する２箇所を接合するか、4箇所を接合することになる。いずれの場合でも接合物２の光軸に対する振れ精度が求められる方向にアライメントすればよい。ＸＹ２方向で行えば双方の光軸合わせに好適である。これにより、一方が樹脂製で他方がガラス製の母材１および接合物２の組合せであっても、それらの接合境界部４に直接レーザ光Ｌ１、Ｌ２・・を照射して樹脂部の溶融、硬化を図り接合するので、レーザ光Ｌ１、Ｌ２・・の照射出力は数Ｗ級程度と高くなくてよい上に接合時間が数十秒程度の短い時間にて接合でき、光学部品にダメージを与えにくく、アライメントによる高い位置精度を確保できる。

図１７、図１８に示す例は、前記ろう材ＳｎＢｉ５８を接合材３として、亜鉛ダイキャスト部材を母材１としてその接合部を含む表面にメッキしておき、この接合部にメタライズガラス、またはメタライズ樹脂よりなる接合物２を加圧しながら、外部からレーザ光Ｌを照射して接合部の接合材３を溶融させて後硬化させることにより接合させるようにしている。メタライズ材料としては、Ｚｎメッキおよび鉛フリークリーム半田、Ｆｅスパッタ膜、Ａｕスパッタ膜、Ｎｉスパッタ膜などがあり、いずれもレーザ光Ｌを通す程度のものとすると、接合材３にレーザ光Ｌが届くのでその溶融操作に有利である。なお、この接合において必要に応じ接合物２を母材１に対してアライメントを伴い加圧して位置保持し、高い位置精度を確保できるのは勿論である。なお、メタライズ樹脂は前記接合材３の融点１３９℃に対して耐熱性を必要としている。ここで、レーザ光Ｌは接合物２の表面に施されるコート波長に対し反射率が小さく、かつ波長の均質なＬＤレーザ光Ｌを用いるのが接合材３の溶融に好適である。

図１９に示す例は、前記高速硬化性接着剤３０を接合材として、亜鉛ダイキャスト部材よりなる母材１の接合部の表面に塗布しておき、この接合部にガラス（例えば、ＢＫ７）、または樹脂よりなる接合物２を加圧しながら、外部からレーザ光Ｌを照射して接合部の接合材３を硬化させることにより接合させるようにしている。この場合も、レーザ光Ｌは接合物２の表面に施されるコート波長に対し反射率が小さく、かつ波長の均質なＬＤレーザ光Ｌを用いるのが接合材３の溶融に好適である。

図２０に示す例は、鉛フリー半田で接合可能な亜鉛やアルミニウムを始めとする金属製のダイキャスト部材の母材１と、接合面を含む表面に前記鉛フリー半田を接合材３としてメッキした金属材料よりなる接合物２とを加圧してレーザ光Ｌ１、Ｌ２を接合部２ａ、２ｂの外部から照射し、接合材３の溶融と、フィレット３ａを形成しての同時硬化によって互いを接合させている。接合材３のメッキは母材１の側に設けておくこともできる。この場合も、接合物２のアライメントを伴い位置保持すれば高い位置精度が確保できる。ここで、接合材３が溶融しフィレット３ａを形成する部分に亜鉛ダイキャスト用のフラックス１１１を被覆しておくのが接合性を高める上で好適である。さらに、フラックス１１１の上にはさらにフラックス１１１を前記接合によっても露出させず洗浄フリーとするコート１１２を施しておくのがよい。

図２１に示す例は、鉛フリー半田で接合可能な亜鉛やアルミニウムを始めとする金属製のダイキャスト部材の母材１と、ガラス、セラミック、樹脂をはじめとする非金属よりなる接合物２の接合部２ａ、２ｂとの間に前記鉛フリーなろう材フィルム箔を接合材３として設け、外部からレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射して溶融させた後、フィレット３ａを形成して同時に硬化させることにより接合させている。この場合も、接合物２のアライメントを伴い位置保持すれば高い位置精度が確保できる。

図２２（ａ）に示す例は、ブルーレーザよりなる母材９１に対してブルーレーザ用のＰＢＳである接合物９２をアライメント固着している。この場合の接合物９２は波長４００ｎｍのＵＶ光が透過しにくく、波長８１０〜９８０ｎｍのＬＤレーザ光Ｌが透過しやすいことから、前記高速硬化性接着剤３０を接合材としてレーザ光Ｌにより硬化させて互いを接合している。ここで、接合物９２のアライメントを伴い位置保持すれば母材９１に対する高い位置精度が確保できる。もっとも、この場合も図２２（ｂ）に示すように前記鉛フリーなクリーム半田を接合材３として用い、接合物９２の相対向する２箇所を接合部９２a、９２bとしてレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射して溶融、硬化させて接合させるのに、各接合部９２a、９２bにてフィレット３aを形成して同時に硬化するか、その際の位置ずれ作用力Ｆを抑制、またはバランスさせてアライメント位置を保持するようにもできる。

なお、特に図示しないが、上記と関連する部材には同一の符号を付して説明すると、前記のような鉛フリー半田で接合可能な亜鉛やアルミニウムを始めとする金属製のダイキャスト部材よりなる母材１と、接合面を含む表面に鉛フリー半田をメッキした亜鉛ダイキャスト部材よりなる接合物２との間に前記高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、外部からレーザ光Ｌを照射して硬化させることにより接合させられる。この場合、レーザ光Ｌは高速硬化性接着剤３０に照射することはできず、熱伝導による硬化となるが、既述したように熱伝導性がよく光速に硬化する。

また、鉛フリー半田で接合可能な亜鉛やアルミニウムを始めとする金属製のダイキャスト部材よりなる母材１と、接合面を含む表面に鉛フリー半田をメッキした金属材料よりなる接合物２との間に前記高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、それに外部からレーザ光Ｌを照射して硬化させることにより接合させられる。

また、鉛フリー半田で接合困難なマグネットやステンレス鋼などの金属よりなる母材１と、亜鉛ダイカスト部材よりなる接合物２との間に前記高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、それに外部からレーザ光Ｌを照射して硬化させることにより接合させられる。

また、鉛フリー半田で接合困難なマグネットやステンレス鋼などの金属よりなる母材１と、ガラス、樹脂を始めとする非金属よりなる接合物との間に前記高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、それに外部からレーザ光を照射して硬化させることにより接合させられる。

また、鉛フリー半田で接合困難なマグネットやステンレス鋼などの金属よりなる母材１と、鉛フリー半田で接合困難なマグネットやステンレス鋼を始めとする金属よりなる接合物２との間に前記高速硬化性接着剤３０を接合材として供与し、それに外部からレーザ光Ｌを照射して硬化させることにより接合させられる。

本発明は金属またはおよび樹脂よりなる光学部品の接合に実用でき、レーザ光の照射により有利な接合ができる。

本発明の実施の形態における１つの例を示し、（ａ）は接合方法を示す概略図、（ｂ）は接合装置のブロック図、（ｃ）は接合装置によるレーザ光の照射出力の制御状態を示すタイムチャートである。本発明の実施の形態における別の例を示し、（ａ）は接合操作段階の側面図、（ｂ）は接合後の側面図である。本発明の実施の形態における他の例を示す位置ずれ作用力のアンバランスによる接合の位置ずれ状態と、位置ずれ作用力をレーザ光の照射出力を調整してバランスさせる出力制御状態とそれによる接合の位置ずれ防止状態とを示すタイムチャートである。本発明の実施の形態における今１つの例を示し、（ａ）は接合操作段階の平面図、（ｂ）は接合操作段階の側面図である。本発明の実施の形態におけるさらに１つの例を示し、（ａ）は接合操作前の側面図、（ｂ）は接合操作段階の側面図、（ｃ）は接合操作段階の接合部を示す断面図、（ｄ）は接合後の接合部を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるさらに別の例を示し、（ａ）は接合操作段階の断面図、（ｂ）は接合後の断面図である。本発明の実施の形態におけるさらに他の例を示し、（ａ）は接合操作前の平面図、（ｂ）は接合操作段階の断面図、（ｃ）は接合操作後の断面図、（ｄ）は接合部での位置ずれ作用量のバランス状態を示す平面図である。本発明の実施の形態におけるまた１つの例を示し、（ａ）は接合操作後の位置ずれ補正段階の断面図、（ｂ）は位置ずれ補正後の断面図である。本発明の実施の形態におけるまた別の例を示し、（ａ）は接合操作段階の断面図、（ｂ）は接合部に用いる接合部材および接合材の状態を示す斜視図である。本発明の実施の形態におけるまた他の例を示し、（ａ）は接合操作前の平面図、（ｂ）は接合操作段階の側面図、（ｃ）は母材と接合物との関係を示す正面図である。本発明の実施の形態におけるまた１つの例を示し、（ａ）は接合操作段階の断面図、（ｂ）は接合前の接合部の平面図、（ｃ）は接合段階の接合部の側面図である。本発明の実施の形態におけるまた別の例を示し、（ａ）は接合操作段階の断面図、（ｂ）は接合前の接合部の一部を断面して見た平面図、（ｃ）は接合操作段階の接合部の断面図である。本発明の別の実施の形態における１つの例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における１つの例を示し、（ａ）は接合操作段階の平面図、（ｂ）は接合操作段階の断面図、（ｃ）は接合操作段階の接合部の側面図である。本発明の今１つの実施の形態における１つの例を示す接合操作段階の断面図である。本発明の今１つの実施の形態における別の例を示し、（ａ）は接合操作段階の断面図、（ｂ）は接合操作前の一部の平面図である。本発明のさらに１つの実施の形態における１つの例を示す接合操作段階の側面図である図７の接合操作前の平面図である。本発明のさらに１つの実施の形態における別の例を示す接合操作段階の側面図である。本発明のさらに別の実施の形態における１つの例を示す接合操作段階の側面図である。本発明のさらに別の実施の形態における別の例を示す接合操作段階の断面図である。本発明のさらに今１つの実施の形態における１つ例を示し、（ａ）は接合操作段階の斜視図、（ｂ）は別の接合操作方法を示す平面図である。

符号の説明

１、９１、１０２母材
２、９２、１０１接合物
２ａ、２ｂ接合部
３接合材
３ａフィレット
３ｃ補助接合材
４接合境界部
５ＣＣＤカメラ
５ａモニタ
６操作パネル
７マイクロコンピュータ
８記憶手段
９プログラム
１１、１２半導体レーザ（レーザ光源）
２１接着剤
２２断熱部材
２３支持面
３０高速硬化性接着剤
３１軸線
３２凹部
３３押圧部材
４１凹部
５１貫通穴
５２隙間
５３高剛性チャック
５５接合部材
６１溝
６５凹部
７１空洞
７５、７８、７９凸部
７６隙間
１０１接合物モジュール
Ｌレーザ光
Ｆ位置ずれ作用力

Claims

母材とそれに接合する接合物との間の接合材をレーザ光の照射により溶融させた後に硬化させて接合する光学部品の接合方法であって、
前記接合材は、円柱状の第１接合部材と、前記第１接合部材のまわりに設けられた筒状の第２接合部材とから構成され、
前記接合材の前記第２接合部材にレーザ光を照射し、前記第１接合部材を溶融して硬化させることで前記母材と前記接合物とを接合させるに際し、
前記第１接合部材および前記第２接合部材は、軸線まわりに対称な横断面を有し、
前記母材と前記接合物との間に、前記接合材が複数設けられ、
前記接合材の硬化時に前記接合物を前記母材に対して位置ずれさせる作用力を、前記第２接合部材ごとに前記軸線まわりでバランスさせる
ことを特徴とする光学部品の接合方法。