JP5325700B2 - 吸着加圧コレット - Google Patents

Description

本発明は、基台上に実装した受発光素子等の光学素子を水分や塵挨等の異物から保護すると共に外部物体の接触による破損あるいは離脱を防止するために、該光学素子を覆うように設けられる保護キャップの取付装置に用いられる吸着加圧コレットに関する。

従来、この種の吸着加圧コレットに関しては、以下のような特徴を有する発明の提案がなされている。

それは、図７のような、半導体発光素子６０の表面に集光レンズ６１を装荷する方法であり、レンズ６１の装荷装置を、中空体の一端にレンズ６１を着脱するコレット６２と、コレット６２の他端に設けられた管状体のホルダ６３と、ホルダ６３の端部に固定された光ファイバ６４と光ファイバ６４の他端に設けられた受光装置６５を有し、コレット６２の中間部に取り付けられたパイプを通してコレット６２の内圧を加減する真空ポンプ６６を備えた構成としたものである。

そして、上記装荷装置の真空ポンプ６６によりコレット６２内を減圧してコレット６２にレンズ６１を吸着させ、半導体発光素子６０から発せられた光をレンズ６１を介して光ファイバ６４内に導入して受光装置６５で検知しながらコレット６２の位置を調整し、受光光量が最大となる位置でレンズ６１を半導体発光素子６０の表面に押しつけて加熱接着し、その後コレット６２内の減圧を停止してコレット６２の吸着を解除することによりレンズ６１を半導体発光素子６０の表面に配置するものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の手法として図８のような、半導体チップ７０を粘着シート７１から吸着剥離する際に用いるコレット７２であって、コレット７２を、一端に設けられた凹部７３と該凹部７３に連通する吸引孔７４を有するコレット本体７５とコレット本体７５の一端面と面一となるようにコレット本体７５の凹部７３内に収容される多孔質焼結金属体７６とを具備する構成としたものである。

そして、上記コレット７２が装着されたピックアップ装置７７において、半導体チップ７０が貼着された粘着シート７１が搬送されてピックアップ本体７８の案内面７９上に半導体チップ７０が位置するとピックアップ本体７８の負圧部内が減圧されて粘着シート７１が案内面７９側に吸着される。

次いで、コレット７２が下降し、多孔質焼結金属体７６の先端面で半導体チップ７０を真空吸着すると同時にピックアップニードル８０が上昇し、先端が粘着シート７１を介して半導体チップ７０を押し上げると共にコレット７２も持ち上げられて半導体チップ７０が粘着シート７１から剥離され、その後コレット７２は半導体チップ７０を吸着保持した状態で上昇して半導体チップ７０が粘着シート７１からピックアップされる（例えば、特許文献２参照。）。

特開平８−６２４５５号公報 特開２００７−４２６８４号公報

ところで、特許文献１に開示されたコレットをドーム状の保護キャップの装荷に用いる場合、保護キャップがガラス等の硬質材料で形成されているときは、コレットによる装荷時の押圧が保護キャップに有効に印加されるために確実な装荷が可能となる。しかし、肉厚の薄い保護キャップが樹脂などのやわらかい材料によって形成されているときは、保護キャップが真空ポンプによって管状コレット内に吸着されるが、装荷時の押圧によってコレット内に押し込まれるため、コレット内の減圧を停止しても保護キャップがコレットから外れない可能性がある

また、特許文献２に開示されたコレットをドーム状の保護キャップの装荷に用いる場合、肉厚の薄い保護キャップがやわらかい材料によって形成されているときは、装荷時の押圧によって保護キャップが変形して固定部に有効な圧力が加わらなかったり、多孔質焼結金属体による押圧によって保護キャップが傷付いたりする恐れがある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、基台上に実装した受発光素子等の光学素子を覆う保護キャップを、傷付けることなく且つ確実に基台上に載設することが可能な保護キャップ取付装置に用いられる吸着加圧コレットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、保護キャップを吸着し移動して基台上に実装された受発光素子を覆うように前記基台上に載置し加圧して接着部材を介して前記キャップを前記基台上に固定する吸着加圧コレットであって、前記キャップは、ショア硬度Ａが４０〜１００のやわらかい材料からなり、 前記吸着加圧コレットは開口凹部を有する本体部と前記開口凹部に連通する吸引孔を有する吸引部を備え、前記開口凹部の開口径が前記保護キャップの外径の０．０５倍より大きく０．７３倍より小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記開口凹部の内側面は前記開口凹部の底面に向かうにつれて前記コレットの中心線に近づく方向に傾いた傾斜面であり、前記傾斜面の前記中心線となす角度が４３°より大きく７０°より小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項において、前記開口凹部の深さＦは、前記保護キャップの外半径をＮ、前記開口凹部の開口半径をＭとしたときにＦ＞Ｎ−（Ｎ^２−Ｍ^２）^１／２の関係にあることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項において、前記開口凹部の端部の表面粗さＲｚがＲｚ＜１０μｍであることを特徴とするものである

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項において、前記吸引孔の径が前記開口凹部の底面の径よりも小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項において、前記本体部がポリアセタールで形成され、前記吸引部が金属材料で形成されていることを特徴とするものである。

本発明は、保護キャップを基台上の所定の位置に固定する吸着加圧コレットを開口凹部を有する本体部と前記開口凹部に連通する吸引孔を有する吸引部で構成し、開口凹部の開口径の大きさ、開口凹部の内側面の傾斜角度、開口凹部の開口端部の表面粗さ、吸引孔の径、本体部及び吸引部の材質、等を好ましい状態に設定した。

その結果、保護キャップを、傷付けることなく且つ確実に基台上に固定することが可能な吸着加圧コレットを実現することが可能となった。

本発明の実施形態に係る保護キャップの説明図である。 本発明の実施形態の説明図である。 本発明の実施形態に係るシミュレーションモデルの説明図である。 本発明の実施形態に係るシミュレーション説明図である。 本発明の実施形態に係る検討説明図である。 本発明の実施形態に係る実験説明図である。 従来例の説明図である。 同じく、従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図６を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の実施形態に係る吸着加圧コレットによって基台上に載設される保護キャップの説明図、図２は本発明の実施形態に係る吸着加圧コレットの説明図、図３は本発明の実施形態に係るシミュレーションで使用されるシミュレーションモデルの説明図、図４は本発明の実施形態に係るシミュレーションの説明図、図５は本発明の実施形態を検討する説明図、図６は本発明の実施形態に係る実験の説明図である。

本発明は上述したように、基台上に実装した受発光素子等の光学素子を水分や塵挨等の異物から保護すると共に外部物体の接触による破損あるいは離脱を防止するために、該光学素子を覆うように設けられる保護キャップの取付装置に用いられる吸着加圧コレット（以下、コレットと略称する）に関するものである。

このコレットの使用の対象となる保護キャップ５０は、中空状で且つやわらかい透明樹脂材料からなるものであるが、本実施形態においては図１に示すように、一端に開口５１を有し肉厚が均一な中空状の半球形状で前記開口５１部にフランジ部５２を備えており、ショア硬度Ａが４０〜１００の材料からなっている。

保護キャップ５０の半球形状の外径Ａは、半導体受発光素子等の光学素子を実装したサブマウント基板が収容できるような大きさとなるφ５〜１０ｍｍであり、肉厚Ｂは保護キャップ５０の半球形状の外径をＡとすると０．０３Ａ〜０．０８Ａに設定されて極めて薄く、質量も１ｇよりも十分軽い。また、基台に対する保護キャップ５０の固定部となるフランジ部５２の厚みＣは肉厚Ｂの２倍程度（Ｃ≒２Ｂ）に設定されている。

コレット１は図２に示すように、本体部１０と吸引部２０からなり、本体部１０は開口１１を有する凹部１２及び保護キャップの吸着部となる開口端部（以下、吸着部と呼称する）１３を備えており、吸引部２０は凹部１２の底面１４から延びて真空ポンプ（図示せず）に繋がる吸引孔２１を備えている。

コレット１は、本体部１０と吸引部２０とを夫々別個に製作した後に一体化する方法と本体部１０と吸引部２０とを同時に一括形成する方法とが考えられる。いずれの場合も、本体部１０の形成には樹脂材料又は金属材料が挙げられるが、好ましくはポリアセタール（例えば、ジュラコン）樹脂が適当であり、加工性の良好な材料がよい。一方、吸引部２０の形成には金属材料が好ましく、例えばＳＵＳが適当である。

コレットの機能は、コレットの吸着部が保護キャップの頂部に当接した後に真空ポンプにより吸引孔を介して空気を吸引して保護キャップを吸着する。その後コレットを移動して基台上の所定の位置に保護キャップを載置し、コレットを介して保護キャップに加圧して接着部材により基台上に固定する。

その場合、コレットがこのような機能を確実に果たすためには、コレットを以下の仕様で実現することが好ましい。

まず、コレットの先端部の形状は、保護キャップを上面から見た形状に沿ったものが好ましく、例えば、上面から見た保護キャップの形状が球形状の場合はコレットの先端部の形状は円形状が好ましく、上面から見た保護キャップの形状が楕円形状あるいは自由曲面形状等の場合はコレットの先端部の形状は夫々楕円形状あるいは自由曲面形状に沿った形状が好ましい。

また、コレット１が良好な吸着機能を発揮するためには、コレット本体部１０の凹部１２の内側面１５を凹部１２の開口縁１６から底面１４に向かうにつれてコレット１の中心線Ｘに近づく方向に傾いた傾斜面とすることが好ましく、具体的には中心線Ｘに対する傾斜角度αが７０°＞α＞４３°の範囲にあることが好ましい。

傾斜角度αが４３°以下（α≦４３°）の場合は、コレット本体部１０の吸着部１３と内側面１５とのなす角が鋭角となるために、やわらかい材料からなる保護キャップを吸着したときにその吸引力によって鋭角部に接触する部位が傷付く恐れがあり、傾斜角度αが７０°以上（α≧７０°）の場合は、コレット本体部１０で吸着したときの吸引力により引っ張られた部位が傾斜面にくっつき、吸着を解除してもコレット本体部１０から保護キャップが外れなくなる恐れがある。

また、コレット本体部１０の吸着部１３の表面粗さＲｚは１０μｍより小さい（Ｒｚ＜１０μｍ）ことが好ましい。コレットは加工性を重視した硬い材料で形成されているため、表面粗さＲｚが１０μｍ以上（Ｒｚ≧１０μｍ）になると、やわらかい材料で形成された保護キャップを吸着・加圧（荷重を加える）する場合、基台上に取り付ける保護キャップを傷付ける可能性がある。それと同時に、吸着時における保護キャップと吸着部１３との間の気密性が損なわれて吸引力が損失し、確実な吸着確保ができなくなる可能性がある。

一方、コレットが良好な加圧機能を発揮するためには、コレット本体の凹部の開口の大きさ及び凹部の深さを最適値に設定する必要がある。以下に、その設定に当たって行ったシミュレーションモデルによる解析結果を述べる。

シミュレーションモデルは図３（ａ）、（ｂ）のような２種類のコレットを想定した。一種類は（ａ）のモデル１のように、コレットの本体部１０の凹部１２を円柱状とし、外径Ａの半球状の保護キャップに対して凹部１２の直径をＥ、凹部１２の深さをＦ、吸引孔２１の直径をＧとすると、Ｅ、Ｆ、Ｇは夫々Ｅ＝０．６１Ａ、Ｆ＝０．０５Ａ、Ｇ＝０．１２Ａの関係にある。そして、外側面１７は吸着部１３の外縁１８から吸引部２０側に向かうにつれて中心線Ｘから離れる方向に傾いた傾斜面となっている。

他の一種類は（ｂ）のモデル２のように、コレットの本体部１０の凹部１２を円柱状とし、外径Ａの半球状の保護キャップに対して凹部１２の直径をＥ、凹部１２の深さをＦ、吸引孔２１の直径をＧとすると、Ｅ、Ｆ、Ｇは夫々Ｅ＝０．５７Ａ、Ｆ＝０．１２Ａ、Ｇ＝０．１２Ａの関係にある。そして、外側面１７は開口縁１６から吸引部２０側に向かうにつれて中心線Ｘから離れる方向に傾いた傾斜面となっている。

図４（ａ）、（ｂ）は、基台上に載置した保護キャップに上記２種類のコレットのシミュレーションモデルの夫々によって荷重を加えた際の保護キャップの状態を示しており、（ａ）はモデル１により加圧した状態、（ｂ）はモデル２により加圧した状態である。

この図４（ａ）では、やわらかい材料からなる半球状の保護キャップ５０がコレット本体部１０の底面１４によって押し潰されたように状態に変形しており、荷重も中心線Ｘ方向にのみ加わるためにフランジ部５２には加わらない。そのため、接着部材５３に圧力が加わらないために接着部材５３を介するフランジ部５２と基台５４との接着固定が不確実なものとなる。

それに対し、図４（ｂ）では、保護キャップ５０の変形もなく、荷重もフランジ部５２方向に集中的に向かうためフランジ部５２に対して効率的に荷重され、接着部材５３を介するフランジ部５２と基台５４との接着固定が確実に行われる。

なお、図４（ａ）、（ｂ）の符号５５は半導体受発光素子等の光学素子、５６は光学素子５５を実装したサブマウント基板である。

このシミュレーション結果を踏まえて、好ましいコレット本体部１０の凹部１２の深さを検討した。その結果、コレット本体部１０の開口１１から凹部１２の底面１４までの距離（言い換えると凹部１２の深さ）をＦ、開口１１の半径をＭ、保護キャップ５０の外周の半径をＮとすると、ＦとＭの関係はＦ＞Ｎ−（Ｎ^２−Ｍ^２）^１／２となることが好ましい。これにより、開口１１の半径がＭのコレット本体部１０によって外周の半径がＮの半球状の保護キャップ５０を吸着したときに凹部１２の底面１４に保護キャップ５０が接触することがなく、保護キャップ５０を変形させることなく吸着・加圧することができる（図５参照）。

表１は図６に示すように、円筒状に形成したコレットで保護キャップに荷重を加えたときに、コレットの内径に対して基台上に載置された保護キャップのフランジ部に加わる力を実験により求めた結果である。但し、この実験はコレットによる加圧のみ行い吸着は行っていないため実使用時のコレットに設けられる本体部の凹部及び吸引部は形成されていない。

表１に示される実験結果は、コレット１の中空部の内径φを保護キャップ５０の外径Ａの係数ｃ_１倍で表わし、その時に保護キャップ５０のフランジ部５２に加わる荷重Ｇを保護キャップ５０の重さＷの係数ｃ_２倍で表わしたものである。

表１から見た実験結果より、信頼性のある固定を確保するためには、コレットの内径をφ、保護キャップの外径をＡとしたときに、０．７３Ａ≧φ≧０．５０Ａの関係にあることが好ましいことが分かる。

コレットの内径φが０．５０Ａよりも小さい（φ＜０．０５Ａ）と、荷重が保護キャップの頂点近傍に加わることになり、フランジ部に加わる荷重が小さくなる。保護キャップは薄型で、やわらかいものを使うため、コレットの内径φが０．７３Ａより大きい（φ＞０．７３Ａ）と、保護キャップがコレットに嵌ってしまうため、基板に搭載できなくなってしまう。

従って、上記シミュレーション及び実験の結果より、コレット本体部の凹部を以下の仕様とすることが好ましい。なお、以下の仕様は全てのアイテムを満足することが最も好ましいものであるが、そのうちのいくつかのアイテムを満足するだけでもコレットとしての好ましい結果を得ることができる。

つまり、凹部の内側面を、開口縁から底面に向かうにつれてコレットの中心線Ｘに近づく方向に傾斜する傾斜面とし中心線Ｘに対するその傾斜角度αを４３°よりも大きく７０°よりも小さい角度（７０°＞α＞４３°）とし、凹部の開口径φを、保護キャップの外径をＡとしたときに０．５０Ａから０．７３Ａ（０．７３Ａ≧φ≧０．５０Ａ）の範囲とし、凹部の深さＦを、開口半径をＭ、保護キャップの外半径をＮとしたときにＡ−（Ａ^２−Ｒ^２）^１／２よりも大きく（Ｆ＞Ｎ−（Ｎ^２−Ｍ^２）^１／２）することが好ましい。

この仕様に基づいて設計されたコレットを用いて保護キャップを吸着し、基台上の所定の位置に載置して荷重を加えることにより、保護キャップを傷付けることなく確実に基台上に接着部材を介して接着固定することが可能となる。

１ コレット
１０ 本体部
１１ 開口
１２ 凹部
１３ 吸着部（開口端部）
１４ 底面
１５ 内側面
１６ 開口縁
１７ 外周面
１８ 外縁
２０ 吸引部
２１ 吸引孔
５０ 保護キャップ
５１ 開口
５２ フランジ部
５３ 接着部材
５４ 基台
５５ 光学素子
５６ サブマウント基板

Claims (6)

1. 半球状で且つ中空状の保護キャップを吸着し移動して基台上に実装された受発光素子を覆うように前記基台上に載置し加圧して接着部材を介して前記キャップを前記基台上に固定する吸着加圧コレットであって、
   前記キャップは、ショア硬度Ａが４０〜１００のやわらかい材料からなり、
   前記吸着加圧コレットは開口凹部を有する本体部と前記開口凹部に連通する吸引孔を有する吸引部を備え、前記開口凹部の開口径が前記保護キャップの外径の０．０５倍より大きく０．７３倍より小さいことを特徴とする吸着加圧コレット。
2. 前記開口凹部の内側面は前記開口凹部の底面に向かうにつれて前記コレットの中心線に近づく方向に傾いた傾斜面であり、前記傾斜面の前記中心線となす角度が４３°より大きく７０°より小さいことを特徴とする請求項１に記載の吸着加圧コレット。
3. 前記開口凹部の深さＦは、前記保護キャップの外半径をＮ、前記開口凹部の開口半径をＭとしたときにＦ＞Ｎ−（Ｎ^２−Ｍ^２）^１／２の関係にあることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の吸着加圧コレット。
4. 前記開口凹部の端部の表面粗さＲｚがＲｚ＜１０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の吸着加圧コレット。
5. 前記吸引孔の径が前記開口凹部の底面の径よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の吸着加圧コレット。
6. 前記本体部がポリアセタールで形成され、前記吸引部が金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の吸着加圧コレット。

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