JP6075046B2 - レーザ接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ接合装置に関し、より詳細には、第１の部材と第２の部材との積層体にレーザ光を照射して、上記第１の部材と第２の部材とを接合するレーザ接合装置に関するものである。

従来、多光子吸収現象を利用して２つの部材を接合する方法として、重ね合わせたシリカガラス等の接合領域に超短パルスレーザを照射する接合方法が提案されている（特許文献１参照）。この接合方法においては、重ね合わせたシリカガラスの上側の両端部分と下側の中央部分に押圧力が加えられている。すなわち、上側プレートと下側の固定プレートとによって重ね合わせたシリカガラスを挟み込み、上側プレートと下側の固定プレートとを固定ネジで締め付けることによって、上記重ね合わせたシリカガラスの上側の両端部分に印加される押圧力と、上記重ね合わせたシリカガラスの下側の中央部分に印加される押圧力とを調節している。なお、下側の固定プレートの中央には、上記中央部分に押圧力を印かするためのシリカガラスからなる半球状の突起が設けられている。

国際公開第２００８／０３５７７０号

しかしながら、特許文献１に開示された接合方法では、下側の押え部材である半球状の突起と接合領域とが、シリカガラスの面内方向において遠く離れている場合がある。このように接合領域、すなわちレーザが照射される領域が上記突起から離れている領域においては、接合領域において上側のシリカガラスと下側のシリカガラスとの間に僅かな隙間が生じてしまうことがあり、この場合は確実に密着することができない可能性がある。従って、例えば、非常に高い密着性を必要とする透明部材同士の内部接合において、接合不良が起き易くなってしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、第１の部材と第２の部材との積層体にレーザ光を照射して、上記第１の部材と第２の部材とを接合する際、レーザ照射により接合される接合領域において、第１の部材と第２の部材との密着性を向上することが可能なレーザ接合装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、第１の部材と該第２の部材とを積層させた積層体にレーザ光を照射し、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合するレーザ接合装置であって、前記積層体に集光された前記レーザ光を照射するように構成されたレーザ照射部と、前記積層体を前記レーザ照射部側から押えるための第１の押え部材と、前記積層体を、前記レーザ照射部とは反対側から押えるための第２の押え部材と、前記積層体と、前記レーザ照射部、前記第１の押え部材、および第２の押え部材の３つとを所定の方向に沿って相対的に移動させる手段とを備え、前記第１の部材と第２の部材との接合時において、前記第１の押え部材および前記第２の押え部材が前記所定の方向と直交する方向において互いに離間して配置されるように前記第１の押え部材および第２の押え部材は構成され、前記レーザ照射部は、前記接合時において、前記集光されたレーザ光の焦点が、前記直交する方向に前記第１の押え部材から離間して配置された第２の押え部材から前記第１の押え部材までの、前記直交する方向に沿った領域に位置するように、前記集光されたレーザ光を前記積層体に照射することを特徴とする。

本発明によれば、第１の部材と第２の部材との積層体にレーザ光を照射して、上記第１の部材と第２の部材とを接合する際、レーザ照射により接合される接合領域において、第１の部材と第２の部材との密着性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図１に示すレーザ接合装置による接合状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略正面図である。 図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る２つの押え部材の配置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係る溶接用レーザ光の焦点位置を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略正面図である。 図９に示すレーザ接合装置における、補助押え部材の配置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略正面図である。 本発明の一実施形態に係る接合方向を変える構成を説明するための上面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る集光されたレーザ光が複数ある構成を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（本発明を実施するにあたって実行した検討事項）
第１の部材と第２の部材とを積層させ、これらを積層させた際のこれらが合わせられた面（接合面）を密着性良くレーザ接合するためには、次の形態が有効である。すなわち、第１の部材と第２の部材とを重ね合わせた積層体の縁部に沿ってレーザ接合する際に、積層体のレーザ側において、照射されるレーザ光の光軸を挟むように接合方向（接合体において接合が進む方向、すなわち接合予定線に沿った方向）の前後に２つの押え部材を設け、かつ積層体のレーザと反対側において、上記第1の部材と第２の部材との接合面と上記レーザ光とが交わる領域に対して、上記接合面の法線方向に１つの押さえ部材を設けることにより、上記積層体の縁部を３点で押さえつけて固定する形態である。

図１は、上述した密着性を向上させる形態に係るレーザ接合装置の概略側面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
図１、図２に示すように、レーザ接合装置１００は、透明部材１０１ａおよび透明部材１０１ｂを合わせ面（以降、「接合面」とも呼ぶ）１０１ｃを界面として積層させた積層体１０１の接合面１０１ｃにレーザ光１０２を照射し、積層体１０１を接合する。なお、レーザ光１０２により接合面１０１ｃにおいて透明部材１０１ａと透明部材１０１ｂとが接合されれば良く、レーザ光１０２の焦点は接合面１０１ｃ上に位置しなくても良い。

レーザ接合装置１００は、積層体１０１を載置するための載置部１０３と、載置部１０３上の積層体１０１にレーザ光１０２を照射するレーザ光源ユニット１０４と、積層体１０１をレーザ光源ユニット１０４側から押える押え部材１０５、１０６と、積層体１０１をレーザ光源ユニット１０４と反対側から抑える押え部材１０７と、レーザ光源ユニット１０４、および押え部材１０５、１０６、１０７を支持するための支持部１０８と、支持部１０８とレーザ光源ユニット１０４とを連結する連結部１０９と、支持部１０８と押え部材１０５および押え部材１０６を連結する連結部１１０と、支持部１０８と押え部材１０７とを連結する連結部１１１とを備える。ここで、透明部材とは、例えば、ガラス又はサファイア等から形成された部材であり、レーザ光１０２の波長に対して透明であり且つバンドギャップが大きな部材である。

レーザ光源ユニット１０４は、レーザ光を出射するレーザ光源（不図示）と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズ１０４ａとを有し、超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ又はナノ秒レーザ等）、又は炭酸ガスレーザ等のレーザ光１０２を出射する。レーザ光源ユニット１０４は、レーザ接合装置１００の制御装置（不図示）によって、所望のタイミングでレーザ光１０２を出射するように制御される。レーザ光１０２は、接合面１０１ｃまたはその付近に照射される。これにより、積層体１０１のレーザ光１０２が照射された領域に多光子吸収現象を発生させ、透明部材１０１ａおよび透明部材１０１ｂの少なくとも一方を溶融させて両部材を溶接することができる。

押え部材１０５、１０６、１０７はそれぞれ、ローラ１０５ａ、１０６ａ、１０７ａを有している。接合時には、積層体１０１は、図１に示すようにレーザ照射により接合される縁部が載置部１０３から突き出るように配置される。該突き出た積層体１０１の縁部において、透明部材１０１ａにローラ１０５ａおよびローラ１０６ａが接し、透明部材１０１ｂにローラ１０７ａが接するように、上記押え部材１０５、１０６、１０７により３点で積層体１０１を押さえつける。

載置部１０３は、ＸＹステージであり、レーザ接合装置１００の制御装置によってステージが移動することにより、所定の方向に移動することができる。すなわち、載置部１０３が移動することにより、載置部１０３上に配置された積層体１００は、図２の矢印方向Ｐに移動する。このときレーザ光１０２が照射されていると、積層体１００にとっては矢印方向Ｐと反対方向Ｓに沿ってレーザ光１０２が走査されることになるので、矢印方向Ｓは、接合方向（積層体において、レーザ光の走査が進む方向）と言える。

押え部材１０７は、レーザ光１０２の光軸に平行な方向（以下、光軸方向という）に移動可能に構成されており、押圧部１０７ｂを有している。すなわち、ローラ１０７ａは、押圧部１０７ｂによって押圧力が印加され、押圧方向Ｑにおいて積層体１０１を押圧する。押圧部１０７ｂは、例えば、エアシリンダである。また、押え部材１０７は、レーザ光１０２の光軸上に位置する。すなわち、押え部材１０７のローラ１０７ａは、接合面１０１ｃと上記レーザ光１０２とが交わる領域に対して、上記接合面１０３の法線方向に設けられている。一方、押え部材１０５、１０６は、接合方向Ｓの前後においてレーザ光１０２の光軸を挟むように設けられている。

上記構成では、レーザ光１０２の光軸上に位置する押え部材１０７と、該光軸を挟み光路を開放するように位置する押え部材１０５、１０６とによって、積層体１０１を挟んで密着させた状態でレーザ接合することができる。そのため、積層体１０１の、レーザ光１０２が照射される領域において、透明部材１０１ａと透明部材１０１ｂとの間に生じる隙間を減少させることができる。これにより、積層体１０１の接合面１０１ｃの接合領域における密着度を向上させることができる。すなわち、積層体１０１のレーザ光源ユニット１０４と反対側には、積層体１０１のレーザ光１０２が集光される領域に対して、接合面１０３の法線方向に押え部材１０７が設けられ、かつ積層体１０１のレーザ光源ユニット１０４側には、レーザ光１０２の光軸を挟むように抑え部材１０５、１０６が設けられているので、レーザ接合時には、積層体１０１における少なくともレーザ光１０２の焦点が形成される部分に対して、透明部材１０１ａと透明部材１０１ｂとを密着させる力を作用させることができる。これにより、接合面１０１ｃに生じる隙間を減少させることができるので、接合不良が起き難く且つ安定したレーザ接合をすることができる。

このように、図１、２に示すレーザ接合装置１００によれば、積層体１００の、レーザ光１０２が照射されることにより透明部材１０１ａおよび透明部材１０１ｂが接合される接合領域に生じる隙間を減少させることができ、この装置は非常な有効なものである。しかしながら、積層体１００の上面（レーザ光源ユニット１０４側）を押さえつける押え部材１０５、１０６が接合方向Ｓに対してレーザ光１０２の前後方向に沿って設けられているため、積層体１００の縁部に沿って板材（透明部材）の一方端から他方端まで接合しようとする場合、積層体１００の接合開始側の一方端と接合終了側の他方端に、積層体１００を押さえつけることができない領域が生じてしまう。別の言い方をすると、押え部材１０５、１０６、１０７により３点を抑えた状態で、積層体１００の接合方向に沿った一方端から他方端までレーザ接合することができない。すなわち、図３に示すように、積層体１００の接合終了側の他方端３０１側においては、上記３点による押さえ状態を確保するためには、ローラ１０５ａが他方端３０１付近に位置するまでが限界である。この限界までローラ１０５ａが位置した状態においては、接合が為された領域３０２を他方端３０１まで形成できない。また、積層体１００の角部で接合部の方向（接合方向）を変更させようとした場合、押え部材１０５、１０６、１０７に対する押えしろを大きくとる必要がある。
本発明は、上記により説明した検討事項に鑑みてなされたものであり、本発明の幾つかの実施形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、第１の部材と該第２の部材（例えば、第１の部材および第２の部材のうちレーザ光が照射される側は、少なくとも該レーザ光に対して透明である場合など）とを積層させた積層体にレーザ光を照射し、第１の部材と第２の部材との界面（接合面）を接合するレーザ接合装置において、上記積層体の縁部（接合領域を少なくとも含む領域）で、積層体のレーザが照射される側と該レーザが照射される側と反対側とから２つの押え部材により上記積層体を押さえつける。すなわち、上記レーザが照射される側に設けられた第１の押え部材と、積層体のレーザが照射される側と反対側に設けられた第２の押え部材との２つの押え部材により積層体を挟む。該第１の押え部材および第２の押え部材は、レーザ接合時において、第１の押え部材および第２の押え部材が接合方向と直交する方向において互いに離間して配置されるように構成されている。また、本実施形態では、接合のためのレーザ光は、接合面またはその近傍に集光されるが、レーザ接合時において、接合体内の集光されたレーザ光の焦点が形成される領域（例えば、該集光されたレーザ光と積層体における上記接合面とが交わる領域）が、第２の押え部材から第１の押え部材までの、上記直交する方向に沿った領域内（第１および第２の押え部材に対向する領域も含む）に位置するように、集光されたレーザ光は照射される。

図４は、本実施形態に係るレーザ接合装置の正面を示す模式図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
本実施形態では、図４、５に示すように、レーザ接合装置４００は、透明部材４０１ａおよび透明部材４０１ｂを合わせ面（接合面）１０１ｃを界面として積層させた積層体４０１の接合面４０１ｃに集光されたレーザ光４０２を照射し、透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとを接合する。なお、レーザ光４０２の焦点を、該レーザ光４０２により接合面４０１ｃにおいて透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとが接合されるように位置させる。すなわち、上記接合が行われれば、レーザ光４０２の焦点は、接合面４０１ｃ上に位置しても良いし、その近傍に位置しても良い。本実施形態では、上記透明部材４０１ａ、４０１ｂは、レーザ光４０２に対して透明な部材であり、例えば、ガラス又はサファイア等である。該透明部材４０１ａ、４０１ｂは、バンドギャップが大きいことが好ましい。なお、本実施形態では、接合対象となる部材については、レーザ光４０２に対して透明でなくても良い。例えば、接合面を有する積層体のレーザ照射側と反対側の部材はレーザ光４０２に対して透明で無くても良い。すなわち、接合対象となる接合面を形成する２つの部材の少なくともレーザ照射側の部材がレーザ光４０２に対して透明であることが好ましい。

図４、５において、レーザ接合装置４００は、積層体４０１が載置され、該載置された積層体４０１を図４のＸ−Ｙ方向に移動可能なＸＹステージ４０３と、ＸＹステージ４０３上の積層体４０１にレーザ光４０２を照射するレーザ光源ユニット４０４と、積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４側から押える押え部材４０５と、積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４と反対側から抑える押え部材４０６と、架台４０７と、架台４０７に設けられ、レーザ光源ユニット４０４を図４のＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージ４０８と、第１の部材４０５を架台４０７のフレーム部４０７ａに連結する連結部４０９と、積層体４０１の、レーザ接合されない縁部を押える固定部４１０と、を備えている。なお、図４は模式図であって、実際にはＸＹステージ４０３とフレーム部４０７ａとは十分に離間されており、積層体４０１のＸ方向における端が第１の部材４０５、第２の部材４０６、およびレーザ光源ユニット４０４と対向する位置まで積層体４０１を移動させてもＸＹステージ４０３はフレーム部４０７ａにぶつからない。

図６は、本実施形態のレーザ接合装置４００における制御系の概略構成を示すブロック図である。
制御装置６００は、レーザ接合装置４００全体を制御する制御手段としての制御部である。この制御装置６００は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ６０１、およびこのＣＰＵ６０１によって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭ６０２を有する。また、制御装置６００は、ＣＰＵ６０１の処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ６０３、フラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリ６０４等を有する。制御装置６００には、入力操作部６０５および表示部６０６が接続されている。入力操作部６０５は、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む。表示部６０６は、レーザ接合装置４００の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う。さらに、制御装置６００には、レーザ光源４０４ａ、ＸＹステージ４０３、Ｚ軸ステージ４０８が電気的に接続されており、制御装置６００により、レーザ光源４０４ａ、ＸＹステージ４０３、Ｚ軸ステージ４０８を駆動させることができる。

積層体４０１と、レーザ光源ユニット４０４、押え部材４０５、および押え部材４０６の３つとを接合方向Ｓに沿って相対的に移動させる手段としてのＸＹステージ４０３は、制御装置６００の制御により、該ＸＹステージ４０３が有する載置部（積層体４０１が載置される領域）４０３ａを図４、５のＸ−Ｙ方向に移動させることができる。本実施形態では、Ｘ方向に上記載置部４０３ａを搬送方向Ｐに移動させることにより、積層体４０１がレーザ光４０２に対して相対的に移動する。すなわち、レーザ光４０２が接合予定線に沿って走査される。よって、積層体４０１の搬送方向Ｐと反対方向である接合方向Ｓに沿ってレーザ光４０２による接合が進む。なお、本実施形態では、積層体４０１の接合部分である縁部がＸＹステージ４０３から突き出るように積層体４０１はＸＹステージ４０３上に配置される。なお、上記接合方向Ｓとは、レーザ光源ユニット４０４と積層体４０１との相対移動によってレーザ光４０２の走査が進む方向であり、上述のように、レーザ接合が進む方向である。

本実施形態では、レーザ光源ユニット４０４、押え部材４０５、４０６をＸ−Ｙ方向において固定し、積層体４０１を移動させているが、積層体４０１を移動させず、レーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６をそれらの相対的な位置関係を維持しながら移動させても良い。あるいは、積層体４０１を移動させつつ、レーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６をそれらの相対的な位置関係を維持しながら移動させても良い。すなわち、レーザ接合時において、レーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６の相対的な位置関係を維持しながら、積層体４０１と、レーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６の３つとを接合方向Ｓに沿って移動させる手段であればいずれの構成を用いても良い。

積層体４０１に集光されたレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射部としてのレーザ光源ユニット４０４は、レーザ光を出射するレーザ光源４０４ａと、該レーザ光源４０４ａから出射されたレーザ光を集光する集光レンズ４０４ｂとを有し、超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ又はナノ秒レーザ等）、又は炭酸ガスレーザ等の集光されたレーザ光４０２を出射する。また、レーザ光源ユニット４０４は、オートフォーカス機能を有している。レーザ光源ユニット４０４は、制御装置６００によって、所望のタイミングでレーザ光４０２を出射するように制御される。また、レーザ光源ユニット４０４は、集光されたレーザ光４０２の焦点が接合面４０１ｃまたはその付近に位置するようにレーザ光４０２を照射する。これにより、積層体４０１のレーザ光４０２が照射された領域に多光子吸収現象を発生させ、透明部材４０１ａおよび透明部材４０１ｂの少なくとも一方を溶融させて両部材を溶接することができる。

本実施形態では、レーザ光４０２は、パルス幅が３０ｐｓ以下の超短パルスレーザであることが好ましく、パルス幅が２０ｐｓ以下の超短パルスレーザであるよりことがより好ましく、パルス幅が１０ｆｓ以上且つ２０ｐｓ以下の超短パルスレーザであることがさらに好ましい。特に、パルス幅が１ｐｓ以下のフェムト秒オーダーのフェムト秒レーザが好ましい。このような超短パルスレーザを使用すれば、レーザ光４０２の光軸上に、後述する押え部材４０６のローラ４０６ａが位置していても、該ローラ４０６ａにレーザ光４０２が与える熱の影響を抑制することができる。

第１の押え部材４０５は、押え部材４０５と押え部材４０６とに挟まれた積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６に対して相対的に移動可能にしつつ、積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４側から押さえ付ける部材である。押え部材４０５は、回転軸（第１の回転軸）４０５ｂ（図７にて表記）が図４、５のＹ軸と一致するローラ４０５ａと、積層体４０１に対してローラ４０５ａを押圧させる押圧部４０５ｂとを有している。本実施形態では、押え部材４０５は、Ｚ軸方向に移動可能に設けられており、例えばＸＹステージ４０３上への積層体４０１の配置時において、押え部材４０６を図４、５のプラスＺ方向に移動させることにより、積層体４０１の配置を容易に行うことができる。

本実施形態では、押え部材４０５は、押圧部４０５ｂによって押圧力が印加され、押圧方向Ｑに沿って積層体４０１を押圧する。本実施形態では、押圧部４０５ｂはエアシリンダであり、所定のエア圧を供給することによって連結部４０９を基準にローラ４０５ａを押圧している。なお、この押圧部４０５ｂは、エアシリンダに限定されず、コイルバネ、ゴム等の付勢部材を使用することもできる。なお、本実施形態では、例えば、押圧部４０５ｂにより、７０〜１００Ｎの押圧力を積層体４０１に印加する。

一方、第２の押え部材４０６は、押え部材４０５と押え部材４０６とに挟まれた積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４および押え部材４０５、４０６に対して相対的に移動可能にしつつ、積層体４０１をレーザ光源ユニット４０４と反対側から押さえ付ける部材である。押え部材４０６は、ローラ４０５ａの回転軸４０５ｂ方向と平行な回転軸（第２の回転軸）４０６ｂ（図７にて表記）を有するローラ４０６ａを有しており、架台４０７に固定されている。

なお、本実施形態では、押え部材４０５をＺ軸方向に移動可能にし、押え部材４０６をＺ軸方向に固定しているが、これに限らず、押え部材４０５をＺ軸方向に固定し、押え部材４０６をＺ軸方向に移動可能に構成しても良いし、それら双方をＺ軸方向に移動可能に構成しても良い。また、押圧部を押え部材４０５に設けているが、該押圧部を押え部材４０６に設けても良いし、押え部材４０５、４０６の双方に設けても良いことは言うまでも無い。

本実施形態では、押え部材４０５、４０６の積層体４０１との当接部分はローラ４０５ａ、４０６ａである。そのため、ＸＹステージ４０３により積層体４０１が搬送方向Ｐに移動すると、ローラ４０５ａが積層体４０１のレーザ光１０２の入射側の透明部材４０１ａとの摩擦力によって回転し、ローラ４０６ａが積層体４０１のレーザ光１０２の入射側と反対側の透明部材４０１ｂとの摩擦力によって回転する。これにより、積層体４０１において透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとを密着させた状態でレーザ接合することができる。このようなローラ４０５ａ、４０６ａは、高い耐摩耗性を有する軟性材料、例えば、ポリアセタール等の樹脂によって形成することができる。

本実施形態では、レーザ光４０２の照射側と反対側に設けられたローラ４０６ａは、レーザ光４０２の光軸上に位置する。また、レーザ光４０２の照射側に設けられたローラ４０５ａは、レーザ光４０２の光軸よりも積層体４０１について内側に位置する。図７は、本実施形態に係るローラ４０５ａとローラ４０６ａとの位置関係を模式的に説明するための斜視図である。図７に示すように、レーザ光４０２の焦点７０１が透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとの界面である接合面４０１ｃ上またはその近傍に形成され、ＸＹステージ４０３の駆動により積層体４０１が搬送方向Ｐに移動すると、レーザ光４０２が接合予定線に沿って走査され、接合がなされた領域（接合部）７０２が形成される。

図７に示すように、レーザ接合時においては、ローラ４０５ａとローラ４０６ａとは、接合方向Ｓと直交する方向Ｒにおいて互いに離間して配置されている。そして、ローラ４０５ａは、接合方向Ｓに直交し、かつレーザ４０２の光軸を含む直線７０３上に配置されている。ローラ４０５ａ、４０６ａの回転軸４０５ｂ、４０６ｂは、直交方向Ｒと平行である。

本実施形態では、接合方向Ｓと直交する方向Ｒに互いに離間してローラ４０５ａとローラ４０６ａとを設け、ローラ４０５ａにより接合体４０１の該ローラ４０５ａとの当接部分において透明部材４０１ａをマイナスＺ軸方向が凸となるように局所的に撓ませ、かつローラ４０６ａにより接合体４０１の該ローラ４０６ａとの当接部分において透明部材４０１ｂをプラスＺ軸方向が凸となるように局所的に撓ませ、レーザ光４０２の光軸上を押え付けるようにローラ４０６ａを配置している。よって、撓みによって形成された、透明部材４０１ａの凸領域と透明部材４０１ｂの凸領域とが近接して存在することになる。すなわち、接合体４０１の界面である接合面４０１ｃにおいては、ローラ４０５ａによる凸領域の形成よって透明部材４０１ａが透明部材４０１ｂ側に近づく作用が起こり、同時に、該作用が起こる領域に近接してローラ４０６ａによる凸領域の形成によって透明部材４０１ｂが透明部材４０１ａ側に近づく作用が起こる。よって、ローラ４０５ａ、４０６ａが配置された領域近傍においては、それらの作用の結果として透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとが強制的に近づけさせられ、透明部材４０１ａと透明部材４０１ｂとの密着性が高い領域を形成することができる。そして、本実施形態では、レーザ光４０２の光軸上にローラ４０６ａを設けているので、該密着性が高められた領域内にレーザ光４０２の焦点７０１が位置することになり、レーザ光４０２の焦点７０１において、良好な密着状態を作ることができる。また、接合方向Ｓに沿って抑え部材が設けられていないので、積層体４０１の端またはそこに近いところまで溶接を行うことができる。

このように、本実施形態では、接合方向に対して直交方向Ｒにおいて互いに離間して配置された押え部材４０５（ローラ４０５ａ）および押え部材４０６（ローラ４０６ａ）は、積層体４０１が有する透明部材のうち、一方の押え部材による押圧を受ける一方の透明部材が、他方の透明部材側に近づくための形状（撓み）を強制的に形成するように機能する。よって、上記撓みを積極的に（意図的に）に形成することより、積層体４０１を形成する２つの透明部材４０１ａ、４０１ｂがもつ局所的な厚みの変化やそりを、レーザ光４０２の焦点位置（溶接位置）において矯正することができる。

また、ローラ４０５ａを、接合方向Ｓに直交し、かつレーザ４０２の光軸を含む直線７０３上に配置しているので、上記密着性向上を実現しつつ、より積層体４０１の端部近くの位置（例えば、端部まで５ｍｍの位置）までレーザ溶接することができる。すなわち、ローラ４０５ａが溶接方向Ｓに直交する位置に存在するため、溶接方向Ｓについては、該溶接方向Ｓに対しての必要占有スペースをローラ１個分（ローラ４０５ａ、ローラ４０６ａのうち大きい方）と最小限の大きさとすることができる。このように、接合方向Ｓに対しては、ローラ４０６ａ以外にはスペースファクタが無いので、省スペース化を図ることができる。また、溶接方向Ｓに直交する方向Ｒについても、溶接位置（焦点位置７０１）が積層体４０１の面内における最も外側のローラ４０６ａの直上となるため、必要占有面積をローラ４０６ａの１個分と最小限の大きさとすることができる。

さらに、本実施形態では、レーザ光４０２の光軸上にローラ４０６ａが設けられているので、レーザ光４０２の焦点の高さ（Ｚ軸方向の位置）の変化を小さくすることができる。よって、レーザ光源ユニット４０４においてオートフォーカス機能を不要にする、ないしはオートフォーカス機能を簡単なものにすることができる。

上述のように、本実施形態で重要なことは、接合方向Ｓにおけるスペースファクタを最小限にしつつも接合位置における密着性を向上させることであり、そのために、接合時において接合方向Ｓに対して直交する方向に離間して設けられた２つの押え部材４０５、４０６により、積層体４０１の対向する２面から該積層体４０１を押え付けている。これら押え部材４０５、４０６のそれぞれによって意図的に形成された凸部により密着性が向上した領域が形成されることになり、この密着性が向上した領域内においてレーザ光４０２の焦点を形成することが本実施形態の本質である。

図８は、本実施形態に係るレーザ光４０２の焦点の形成位置を説明するための図である。
図８において、押え部材４０５から押え部材４０６までの、接合方向Ｓに直交する方向Ｒに沿った領域Ｗは、上記撓みによる密着性の向上が少なくとも期待できる領域である。何故ならば、透明部材４０１ａについてはローラ４０５ａにより該ローラ４０５ａとの当接部分８０５を中心に透明部材４０１ｂ側に凸状に撓んでおり（図８においては、撓みを反映してない）、透明部材４０１ｂについてはローラ４０６ａにより該ローラ４０６ａとの当接部分８０４を中心に透明部材４０１ａ側に凸状に撓んでおり（図８においては、撓みを反映してない）、これら凸状の撓みを離間して付き合わせた状態が形成されているので、透明部材４０１ａの凸状の撓み部は透明部材４０１ｂに近づき、透明部材４０１ｂの凸状の撓み部は透明部材４０１ａに近づくような構造であるからである。上述のように、領域Ｗは上記撓みによる密着性の向上が少なくとも期待できる領域であるので、本実施形態では、ローラ４０５ａの透明部材４０１ａと接する部分８０５から、ローラ４０６ａの透明部材４０１ｂと接する部分８０４までの、上記方向Ｒに沿った領域Ｗ内に、レーザ光４０２の焦点を形成すれば良いのである。従って、本実施形態では、図８に示すように、レーザ光４０２の焦点位置は、焦点位置７０１の他に焦点位置８０１や焦点位置８０２であっても良い。なお、焦点位置８０２の場合は、光軸８０３のように、レーザ光４０２を透明部材４０１ａの表面の法線に対して傾けて入射させれば良い。

さらに、本実施形態では、接合方向Ｓと直交する方向Ｒにおいて、積層体４０１の面内の外側に押え部材４０６を設け、内側に押え部材４０５を設けているが、これに限らず、上記方向Ｒにおいて、積層体４０１の面内の内側に押え部材４０６を設け、外側に押え部材４０５を設けても良い。

なお、本実施形態では、押え部材４０５、４０６の、積層体４０１との当接部をローラ４０５ａ、４０６ａとしているが、これに限定されず、例えば、ボール等、接合方向Ｓに回転可能な回転体であればいずれを用いても良い。さらに、上記当接部が積層体４０１と摺動できれば、該当接部は回転体でなくともよい。例えば、押え部材は、自己潤滑性を有した樹脂等から形成された非回転体等、積層体４０１と摺動関係にある部材であってもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態では、積層体４０１のレーザ照射側（押え部材４０５と同一側）において、押え部材４０５、４０６よりも積層体４０１の面内においてレーザ光４０２の走査が進行する方向（接合方向Ｓの前方）の後方に補助押え部材を設けている。すなわち、積層体４０１の、レーザ光４０２による接合が終了した領域、またはその近傍を補助的に押えつけるように補助押え部材が設けられている。

図９は、本実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略正面図である。図１０は、図９に示すレーザ接合装置における、補助押え部材の配置を説明するための模式図である。
図９、１０において、本実施形態に係るレーザ接合装置９００は、図４、５に示すレーザ接合装置４００に対してさらに、補助押え部材９０１と、該補助押え部材９０１を架台４０７に連結する連結部９０２を備えている。

補助押え部材９０１は、接合方向Ｓに沿って配置された複数の補助ローラ９０１ａを有する該補助ローラ９０１ａの回転軸はローラ４０５ａ、４０６ａと平行である。該押え部材９０１は、押え部材４０５、４０６に対して接合方向Ｓの後方において、補助ローラ９０１ａの各々が、積層体４０１の接合された領域（溶接跡）１００１に対向するように設けられている。すなわち、積層体４０１について、押え部材４０５、４０６により押さえつけられた領域が押え部材４０５、４０６を通り過ぎた後に補助的に押えられるように補助ローラ９０１ａは設けられている。

本実施形態では、接合方向Ｓの、レーザ光４０２が照射される領域よりも後方に補助押え部材９０１を設けているので、レーザ光４０２による溶接の直後、積層体４０１が搬送方向Ｐに移動しても、補助ローラ９０１ａにより接合された領域１００１またはその近傍に対して押え加重が暫くの間維持されるので、押え部材４０５、４０６による押え力の急激な除荷による溶接箇所（接合された領域１００１）の剥離を防止、または低減することができる。

なお、本実施形態では、補助押え部材９０１の、積層体４０１との当接部を補助ローラ９０１ａとしているが、これに限定されず、例えば、ボール等、接合方向Ｓに回転可能な回転体であればいずれを用いても良い。さらに、上記当接部が積層体４０１と摺動できれば、該当接部は回転体でなくともよい。例えば、押え部材は、自己潤滑性を有した樹脂等から形成された非回転体等、積層体４０１と摺動関係にある部材であってもよい。

（第３の実施形態）
本実施形態では、レーザ光４０２による接合方向を変える構成について説明する。
図１１は、本実施形態に係るレーザ接合装置を示す概略正面図である。図１２は、本実施形態に係る接合方向を変える構成を説明するための上面図である。
図１１において、レーザ接合装置１１００は、図４、５に示すレーザ接合装置４００に対してさらに、押え部材４０５を保持し、架台４０７に連結され、上記保持された押え部材４０５をＸ−Ｙ平面内において移動可能に構成されたロボットアーム１１０１を備える。また、ローラ４０５ａおよびローラ４０６ａはＸ−Ｙ平面内において９０°回転可能に構成されている。

本実施形態では、図１２に示すように、積層体のある辺を含む縁部においてレーザ接合が終了すると、ローラ４０５ａ、４０６ａの回転方向（回転軸）をＸＹステージ４０３の積層体を載置する載置面の法線方向を中心に９０°回転させることにより、接合方向Ｓに対して直交する方向Ｓ’に接合方向を変えることができる。すなわち、図１２において、ロボットアーム１１０１は、押え部材４０５を位置４０５’にくるように押え部材４０５を移動させローラ４０５ａの回転方向（回転軸）を９０°回転させる。さらに、ローラ４０６ａの回転方向（回転軸）についても９０°回転させる。この状態で、ＸＹステージ４０３の駆動を、積層体４０１が搬送方向Ｐ’に移動するように制御することにより、レーザ光４０２は接合方向Ｓ’に沿って走査され、接合方向が９０°回転することになる。本実施形態では、積層体４０１のある辺を含む縁部の接合が終了し、次の縁部の接合を行う際に、積層体４０１を９０°回転して再び載置部に載置する工程を行わなくても、積層体４０１の周方向の縁部をレーザ接合することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、被接合物である積層体４０１に、接合のための、集光されたレーザ光４０２の焦点を１つ形成し、１つの接合部７０２を形成するようにしている。しかしながら、接合のための、集光されたレーザ光の焦点の個数は１つに限らず、複数形成されても良い。ただし、複数の焦点の少なくとも１つの焦点が図８の領域Ｗ内に形成されるように各焦点を形成する。すなわち、本実施形態では、レーザ光源ユニット４０５は、集光されたレーザ光の焦点を複数形成し、該複数の焦点の少なくとも１つの焦点が、上記領域Ｗ内に位置するように複数の集光されたレーザ光を照射するように構成されている。このとき、複数の集光されたレーザ光により形成された複数の焦点のうち、接合方向Ｓの進行方向の最も先頭に位置する少なくとも１つの焦点が上記領域Ｗ内に形成されるように各焦点を形成することが好ましい。なお、集光されたレーザ光により形成された複数の焦点のうち、上記領域Ｗ内に位置する焦点以外の焦点について、該領域Ｗよりも接合方向Ｓに沿って前方に位置させても良い。

上記複数の焦点を形成する構成としては、例えば、レーザ光源４０４ａからレーザ光をビームスプリッタ等により接合方向Ｓ以外の方向（例えば、該接合方向Ｓと直交する方向Ｒ）に沿って分岐し、分岐されたレーザ光の各々を集光レンズによって集光させれば良い。あるいは、レーザ光源ユニット４０５に複数のレーザ光源を設け、それぞれのレーザ光源からのレーザ光により、上記複数の焦点を形成するようにしても良い。

図１３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る、集光されたレーザ光の焦点を複数形成する形態を説明するための図である。図１３（ａ）〜（ｃ）では、集光されたレーザ光により３つの焦点が形成されており、隣り合う焦点の間隔は１００μｍ以内であることが好ましい。図１３（ａ）は、３つの焦点のうち最も内側に形成された焦点１３０１、３つの焦点のうち真ん中に位置する焦点１３０２、および３つの焦点のうち最も外側（端側）に位置する焦点１３０３の３つが上記領域Ｗ内に位置する図である。図１３（ｂ）は、焦点１３０１〜１３０３のうち、焦点１３０３のみが上記領域Ｗ内に位置する図である。図１３（ｃ）は、焦点１３０１〜１３０３のうち、焦点１３０２のみが上記領域Ｗ内に位置する図である。なお、図１３（ａ）〜１３（ｃ）において、符号は、接合が行われた接合部である。

図１３（ａ）〜（ｃ）では、３つの焦点１３０１〜１３０３のうち、接合方向Ｓの進行方向の先頭に位置する焦点（図１３（ａ）では焦点１３０１〜１３０３、図１３（ｂ）では焦点１３０３、図１３（ｃ）では焦点１３０２）は、押え部材４０５および押え部材４０６により規定される本発明に特徴的な領域Ｗに形成される。よって、３つの焦点１３０１〜１３０３のうち、上記進行方向の先頭ではない焦点（図１３（ｂ）では焦点１３０１、１３０２、図１３（ｃ）では焦点１３０１、１３０３）にとっては、これら焦点よりも上記進行方向の前方には、上記先頭に位置する焦点により形成された接合部（図１３（ｂ）においては焦点１３０３により形成された接合部１３０４、図１３（ｃ）においては焦点１３０２により形成された接合部１３０４）が存在することになり、これら接合部が上記進行方向の先頭では無い焦点（図１３（ｂ）では焦点１３０１、１３０２、図１３（ｃ）では焦点１３０１、１３０３）による接合時においては、押え部材の役割を果たす。よって、さらに安定してレーザ接合を行うことができる。また、隣り合う焦点の間隔を１００μｍ以内とすることで、このような効果をより発揮させることができる。

４００、９００、１１００ レーザ接合装置
４０１ 積層体
４０１ａ 透明部材（第１の部材）
４０１ｂ 透明部材（第２の部材）
４０３ ＸＹステージ（移動させる手段）
４０３ａ 載置部
４０４ レーザ光源ユニット（レーザ照射部）
４０５ 第１の押え部材
４０５ａ ローラ
４０５ｂ 第１の回転軸
４０５ｃ 押圧部
４０６ 第２の押え部材
４０６ａ ローラ
４０６ｂ 第２の回転軸

Claims (5)

1. 第１の部材と第２の部材とを積層させた平面状の積層体にレーザ光を照射し、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合するレーザ接合装置であって、
   前記平面状の積層体に集光された前記レーザ光を照射するように構成されたレーザ照射部と、
   前記平面状の積層体を前記レーザ照射部側から押えるための第１の押え部材と、
   前記平面状の積層体を、前記レーザ照射部とは反対側から押えるための第２の押え部材と、
   前記平面状の積層体と、前記レーザ照射部、前記第１の押え部材、および前記第２の押え部材の３つとを所定の方向に沿って相対的に移動させる手段とを備え、
   前記第１の部材と前記第２の部材との接合時において、前記第１の押え部材および前記第２の押え部材が前記所定の方向と直交する方向において互いに離間して配置されるように前記第１の押え部材および前記第２の押え部材は構成され、
   前記レーザ照射部は、前記接合時において、前記集光されたレーザ光の焦点が、前記直交する方向に前記第１の押え部材から離間して配置された前記第２の押え部材から前記第１の押え部材までの、前記直交する方向に沿った領域に位置するように、前記集光されたレーザ光を前記平面状の積層体に照射し、
   前記接合時において、前記第１の押え部材および前記第２の押え部材により２点で前記平面状の積層体を押えた状態で、前記第２の押え部材は前記集光されたレーザ光の光軸上に位置することを特徴とするレーザ接合装置。
2. 前記第１の押え部材は第１の回転軸を中心に回転可能な第１の回転体であり、
   前記第２の押え部材は、前記第１の回転軸と平行に配置された第２の回転軸を中心に回転可能な第２の回転体であり、
   前記第１および第２の回転軸は、前記直交する方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合装置。
3. 前記第１の回転体および前記第２の回転体は、回転軸を前記積層体を載置する載置部の法線方向を中心に９０°回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ接合装置。
4. 前記積層体において、前記集光されたレーザ光の走査が進む方向の、前記第１の押え部材および前記第２の押え部材の後方に設けられ、前記積層体の前記集光されたレーザ光によって接合が為された領域を押え付けるための補助押え部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ接合装置。
5. 前記レーザ照射部は、前記接合時において、複数の、前記集光されたレーザ光の焦点を形成し、かつ該複数の焦点のうち少なくとも１つの焦点が、前記直交する方向に前記第１の押え部材から離間して配置された前記第２の押え部材から前記第１の押え部材までの、前記直交する方向に沿った領域に位置するように、前記集光されたレーザ光を前記積層体に照射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ接合装置。

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