JP7033858B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光素子やレンズ等の光学部品を鏡筒内に保持した光モジュールに関する。

発光素子から発せられた光を、レンズや光ファイバ等の光学部品に高効率で入射させるために、光学部品を位置合わせして鏡筒内に固定し、光モジュールの形態として用いられることがある。光モジュール構造にすることにより、他の装置への取り付け等が容易になり、利便性が向上する。

例えば、特許文献１には、発光素子等が内部に配置されたパッケージの光入出射窓の枠部の端面を、光ファイバ結合レンズのホルダの端面と突合せ、突き合わせた部分の周囲から外周に、ＹＡＧレーザー光を照射して溶接した光モジュールが開示されている。また、溶接する部位に金メッキ処理が施されていると、溶接により溶解した合金中に金が溶け込み、取り付け強度不足となるという問題が発生するため、予め切削加工や化学エッチング等により、金メッキを除去することも開示されている。

特開２００５－４９５８８号公報（特に、段落００４５、００７９、図１（ｃ））

特許文献１の技術では、光入出射窓の枠部の端面を、光ファイバ結合レンズのホルダの端面と突き合わせて溶接する構成であるため、突合せ部位を外観から確認できる。また、突合せ部位に外周からＹＡＧレーザーを照射して溶接するため、溶接部位も外部から確認できる。

しかしながら、光モジュールの構造は、特許文献１のように接合部位が突合せ部位であるとは限らず、例えば、パッケージ化された発光素子と、レンズとを鏡筒内の両端からそれぞれ挿入して、それぞれ鏡筒に対して位置合わせして固定する構造の光モジュールがある。この場合、挿入した発光素子やレンズの鏡筒内の位置を外周面から確認することが難しく、鏡筒の端部から鏡筒内を覗いて把握できる情報で、発光素子やレンズの位置を確認することになる。また、挿入した発光素子パッケージとレンズを鏡筒にそれぞれ溶接する場合、鏡筒の端部において、発光素子パッケージやレンズと鏡筒の端面とをＹＡＧレーザーで隅肉溶接することが考えられる。レーザー溶接は、鏡筒の端部をＹＡＧレーザーに向けて治具等を用いて保持し、レーザー光を照射する必要がある。鏡筒の両端の発光素子パッケージとレンズをそれぞれ隅肉溶接するためには、鏡筒の一方の端部をＹＡＧレーザーに向けて配置して溶接を行った後、鏡筒を反転させて、他方の端部をＹＡＧレーザーに向けるように保持し直す必要があり、工数がかかる。

また、鏡筒の外周面から重ね貫通溶接を行うことにより、外周面からのＹＡＧレーザー照射によって、鏡筒と発光素子パッケージとを溶接することも可能であるが、重ね貫通溶接は、内部の溶接部位がどのような状態になっているかを外周から観察できない。このため、溶接品質の検査を行うのが難しい。また、光モジュールを他の装置に取り付ける際等に、鏡筒と発光素子パッケージとに軸方向に互いに逆向きの力が加わると、重ね貫通溶接部にせん断応力が加わり、溶接個所への負荷が大きくなる。

さらに、溶接部への金メッキの混入を防ぐために、予め切削加工や化学エッチングで金メッキを除去すると、工程数が増加するため、製造時間が長くなり、製造コストも増大する。

本発明の目的は、外部から確認しながら、かつ、鏡筒の外周からのレーザー光を照射して鏡筒と光学部品とを溶接できる光モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、本発明の光モジュールは、鏡筒と、鏡筒の端部から挿入された光学部品とを有する。鏡筒には、光学部品の側面が鏡筒の内壁に接している領域に１以上の開口が設けられている。開口から露出された光学部品の一部領域は、当該一部領域に接している鏡筒に溶接されている。

本発明によれば、鏡筒の開口を通して光学部品にレーザー光を照射できるため、外部から確認しながら、かつ、鏡筒の外周からのレーザー光照射により鏡筒と光学部品とを溶接できる。

（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、第１の実施形態の光モジュールの断面図、側面図、下面図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、光モジュールの鏡筒の断面図、側面図、下面図である。 第１の実施形態の光学部品２０の側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態の鏡筒形状および溶接位置のバリエーションを示す一部断面図である。 比較例の光モジュールの断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、第２の実施形態の光モジュールの断面図、上面図、側面図および下面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第３の実施形態の光モジュールの断面図、上面図および側面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第４の実施形態の光モジュールの断面図、上面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、第５の実施形態の光モジュールの断面図および一部の側面図、（ｃ）は、第５の実施形態の光モジュールの鏡筒の側面図および下面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第５の実施形態の光モジュールの別の形態の鏡筒の断面図、上面図および側面図である。

本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

＜＜第１の実施形態＞＞
第１の実施形態の光モジュールについて図面を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、第１の実施形態の光モジュールの断面図、側面図、下面図である。図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、光モジュールの鏡筒の断面図、側面図、下面図である。図３は、光学部品２０の側面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、鏡筒形状および溶接位置のバリエーションを示す一部断面図である。

図１に示すように、本実施形態の光モジュールは、鏡筒１０と、鏡筒１０の端部から挿入（圧入）された光学部品２０とを備えて構成されている。光学部品２０の側面の少なくとも一部は、鏡筒１０の内壁に接することにより、鏡筒１０に対する光学部品２０を、軸方向に垂直な方向（直径方向）に位置決めしている。

鏡筒１０には、光学部品２０の側面が鏡筒１０の内壁に接している領域に、１以上（ここでは３つ）の開口３０が周方向に所定の間隔で設けられ、開口３０から露出された光学部品２０の一部領域と、この一部領域に接している鏡筒とが溶接され、溶接部４０が形成されている。

このように、本実施形態では、鏡筒１０の外周に開口３０を設け、開口３０から露出された光学部品２０と鏡筒１０とが接している領域を溶接する。これにより、開口３０から光学部品２０が露出され、光学部品２０の鏡筒１０内での位置を外部から確認できる。よって、比較例である図５のように、光学部品２０の挿入（圧入）不足により、鏡筒１０の軸方向において光学部品２０が所定の位置まで達していない、大きな隙間のある状態のまま溶接を行う恐れがない。光学部品２０における光学部品２０の位置の確認は、目視で行うことも可能であるし、開口３０内の画像を撮影し、画像処理により自動で検査することも可能である。

また、鏡筒１０の外周から開口３０を通して光学部品２０と鏡筒１０とが接する位置にＹＡＧレーザー等のレーザー光を照射することにより、溶接部４０を形成できるため、外部から鏡筒１０の外周へのレーザー光照射により溶接を行うことができる。よって、鏡筒１０に挿入されている光学部品が複数ある場合でも、いずれの光学部品に対しても外周からのアクセスによって溶接を行うことができるため、従来技術のように鏡筒の端面をレーザー光源に向けて保持し直す必要がなく、工数を低減できる。

また、図１（ｃ）のように、鏡筒１０の周方向に沿って複数（３つ）の開口３０が備えられている場合でも、光学部品２０が圧入された鏡筒１０を、鏡筒１０の軸を中心に、レーザー光源に対して相対的に回転させることにより、複数の開口３０にそれぞれレーザー光を照射して溶接を行うことができる。また３つのレーザー光源を用意し、３つの開口３０に向かって同時にレーザー光を照射して溶接を行ってもよい。同時照射の場合、溶接による歪により、光学部品２０が軸ずれを生じるのを抑制できる。

さらに、本実施形態の光学部品２０は、パッケージ化されたレーザーダイオードである。具体的には例えば、メタル缶(can)パッケージされたレーザーダイオードを用いる。そのため、図１（ａ）および図３のように、光学部品２０は、サブマウント基板が内部に配置された台座部２１と、台座部２１の上に搭載され、半導体発光チップが内部に配置された発光部２２とを備えている。台座部２１は、発光部２２よりも径が大きく、フランジ状に発光部２２よりも張り出して、その外周面２１ａが鏡筒１０の内壁に接している。開口３０は、台座部２１のフランジ状に張り出した外周面２１ａと上面２１ｂとが交わる角部を露出する位置に設けられている。

一方、鏡筒１０の内壁には、光学部品２０の台座２１の角部２１ｃに対応する位置に、図２（ａ）のように段差１１が設けられている。鏡筒１０の内壁の段差１１の内周面１１ａは、光学部品２０の台座部２１の外周面２１ａと接し、段差１１の下面１１ｂは、台座部２１のフランジ状に張り出した部分の上面２１ｂに対して当接している。すなわち、本実施形態では、光学部品２０の台座部２１のフランジ部の上面２１ｂを、鏡筒１０の段差１１の下面１１ｂに突き当てることにより、鏡筒１０の軸方向における光学部品２０の位置決めを行っている。このとき、本実施形態の構成では、開口３０が備えられているため、開口３０を通して、鏡筒１０の段差１１の下面１１ｂと光学部品２０の台座部２１の上面２１ｂとが突き当たっているかどうかを、外部から確認することができる。なお、ここでいう突き当て状態とは、下面１１ｂと上面２１ｂとの間隔が溶接部４０を形成するのに適した値になっていることをいう。具体的には、下面１１ｂと上面２１ｂとの間隔が０～２０μｍであることが好ましく、特に１０μｍ前後であることが好ましい。

このような構成において、図１（ａ）、図２（ａ）のように、開口３０の領域Ａは、台座部２１が露出される貫通穴であり、開口３０の領域Ｂは、深さ（径方向）が設計された底面３０ａを有する穴である。これにより、開口３０から、台座部２１の周縁部の上面２１ｂが一部露出されるため、台座部２１の上面２１ｂと、開口３０の底面３０ａ（鏡筒１０）とが接する「位置ａ」を隅肉溶接により溶接し、溶接部４０を形成することができる。

また、図４（ａ）のように、開口３０の領域Ａは、台座部２１が露出される貫通穴であり、開口３０の領域Ｂは、開口３０の底面３０ａが、台座部２１の外周面２１ａに一致する深さ（径方向）である。この場合、台座部２１の角部２１ｃと、開口３０の底面３０ａ（鏡筒１０）とが接する「位置ｂ」を突合せ継手溶接により溶接し、溶接部４０を形成することができる。

なお、図１（ａ）、図４（ａ）、（ｂ）の溶接において、レーザー光の光軸が、鏡筒１０と光学部品２０との接合面に対して、１０度以上４５度以下の角度αをなすように設定して、レーザー光を照射できる大きさであることが望ましい。このような角度に設定することにより、接合面における溶接範囲が広くなり、強固な溶接部４０を形成できる。

これら図１（ａ）および図４（ａ）の構造においては、光モジュールを他の装置に固定する際に、鏡筒１０を軸方向下方に押し下げ、光学部品２０を軸方向上方に押し上げる力が働いた場合、光学部品２０のフランジ状の台座部２１の上面２１ｂを、当接している鏡筒１０の段差１１の下面１１ｂに押し付ける方向の力が、溶接部４０に働く。この力は、溶接部４０を圧縮する方向の応力であるため、溶接部４０が破断しにくく、光学部品２０を鏡筒１０に対して強固に固定することができる。

また、図４（ｂ）のように、鏡筒１０の開口３０の下端と、光学部品２０の台座部２１の外周面２１ａとが接する「位置ｃ」を隅肉溶接により溶接して溶接部４０を形成してもよい。

＜＜第２の実施形態＞＞
第２の実施形態の光モジュールについて、図６を用いて説明する。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、本実施形態の光モジュールの断面図、上面図、側面図および下面図である。

本実施形態の光モジュールは、開口３０が鏡筒１０の端部まで達した切り欠き形状に形成されている。台座部２１の上面と、開口３０の底面（鏡筒１０）とが接する部分を隅肉溶接により溶接し、溶接部４０が形成されている。他の構成は、第１の実施形態の図１（ａ）の構成と同様である。

本実施形態の開口３０は、切り欠き形状であるため、光学部品２０を鏡筒１０に圧入する際に、光学部品２０へ掛かる圧力が、第１の実施形態の構成よりも低減される。よって、圧入時の圧力に対する強度が小さい光学部品２０を用いる場合に特に適している。

なお、図６の構成において、図４（ａ）のように、開口３０の深さを変え、突合せ継手溶接により溶接部４０を形成することも可能である。

＜＜第３の実施形態＞＞
第３の実施形態の光モジュールについて、図７を用いて説明する。図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本実施形態の光モジュールの断面図、上面図および側面図である。

本実施形態の光モジュールは、開口３０が鏡筒１０の外周面に設けられた肩部７１まで達する切り欠き形状に形成されている。台座部２１の上面と、開口３０の底面（鏡筒１０）とが接する部分を隅肉溶接により溶接し、溶接部４０が形成されている。他の構成は、第１の実施形態の図１（ａ）と同様である。

なお、本実施形態の構成においては、図４（ａ）のように、開口３０の深さを変え、突合せ継手溶接により溶接部４０を形成することも可能であるし、図４（ｂ）のように、開口３０の下端部で隅肉溶接により溶接部４０を形成することも可能である。

＜＜第４の実施形態＞＞
第４の実施形態の光モジュールについて、図８を用いて説明する。図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本実施形態の光モジュールの断面図、上面図および側面図である。

本実施形態の光モジュールは、第１の実施形態の図１の構造に、さらに第２の光学部品として、レンズ５１と金属製の枠５２からなるレンズ５０が鏡筒１０の上端から挿入（圧入）されている。鏡筒１０の上部には、レンズ５０の枠５２を露出させるために開口６０が所定の角度をあけて周方向に３つ設けられている。開口６０の下端は、枠５２と接する位置ｄにおいて、隅肉溶接により溶接され、溶接部７０が形成されている。

図８の例では、開口６０は、鏡筒１０の上端に達する切り欠き状に設けられているが、切り欠き形状ではなく、開口３０と同様の形状にしてもよい。

このように、一つの鏡筒に、複数の光学部品２０，５０が搭載された構成であっても、鏡筒１０の外周に開口３０，６０が設けられているため、外周からのレーザー光の照射により両者に対してそれぞれ溶接部４０，７０を形成できる。よって、鏡筒１０を保持し直す必要がなく、複数の光学部品２０，５０が搭載されている場合も、溶接工程を短時間で行うことができる。

＜＜第５の実施形態＞＞
第５の実施形態の光モジュールについて、図９を用いて説明する。図９（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、第５の実施形態の光モジュールの断面図および一部の側面図、（ｃ）は、第５の実施形態の光モジュールの鏡筒の側面図および下面図である。

本実施形態では、鏡筒１０の開口３０の下部の内壁に突起８０を設けている。これにより、光学部品２０を鏡筒１０に圧入する際に、突起８０が光学部品２０の外周面に当たるため、光学部品２０の移動に伴い突起８０が光学部品２０の外周面の表面を削り落とす。よって、光学部品２０の外周面に金メッキが施されている場合には、金メッキを削り落とされた領域８１が形成される。

溶接時には、光学部品２０の金メッキが削り落とされた領域８１と鏡筒１０の内壁とを溶接することにより、金が溶接による溶融金属に混入しない。よって、強度な溶接部９０を形成することができる。

なお、突起８０は、突出高さは、光学部品２０の外周面に施されている金メッキの厚さよりも大きく、光学部品２０の圧入に支障のない高さに設計する。例えば、金メッキの厚さが、３μｍ以下である場合、突起８０の突出高さを５～２０μｍ程度、特に、１０μｍ程度であることが望ましい。

また、溶接に用いるレーザー光の光軸が、鏡筒１０と光学部品２０の外周面との接合面に対して、１０度以上４５度以下の角度αをなすように設定することが望ましい。特に、本実施形態では、金メッキが削り落とされた領域８１は、鏡筒１０の内壁に対して、突起８０の高さ分だけ離間し隙間を生じているため、レーザー光がこの隙間に侵入し、溶接される面積が大きくなり、溶接部９０の強度がさらに強固になる。

図１０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第５の実施形態の光モジュールの別の形態の鏡筒の断面図、上面図および側面図である。開口３０の形状は、図９の形状に限られるものではなく、図１０のように上方に延びた切り欠き形状にすることも可能である。

また、一つの開口３０に対し、図１０のように、２以上の突起８０を設け、それぞれ溶接部９０を形成することも可能である。

１０…鏡筒、２０…光学部品、２１…台座部、２２…発光部、３０…開口、４０…溶接部、８０…突起、８１…金メッキが削り落とされた領域、９０…溶接部

Claims (8)

1. 鏡筒と、前記鏡筒の端部から挿入された光学部品とを有し、
   前記光学部品は、台座部と当該台座部の上面に搭載され、前記台座部よりも径が小さい発光部とを備え、
   前記台座部の外周面は、前記鏡筒の内壁に接しており、
   前記鏡筒の内壁には、前記台座部の上面の、前記発光部が搭載されていないフランジ状の部分が当接する段差が設けられており、
   前記鏡筒には、前記台座部の外周面の一部を露出させる貫通穴と非貫通の領域とを有し、前記段差と前記台座部の上面との当接部分を露出させる開口が１以上設けられ、
   前記台座部は、前記当接部分または前記開口の近傍において、前記鏡筒の少なくとも一部と溶接されていることを特徴とする光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記開口よりも前記鏡筒の端部側の内壁には、前記端部から挿入される前記光学部品の側面と接触して、前記光学部品の側面の表面の一部を削る突起が設けられ、
   前記突起により削られた前記光学部品の側面の一部と、当該一部に対向する前記鏡筒の内壁とが溶接されていることを特徴とする光モジュール。
3. 請求項１または２に記載の光モジュールであって、前記溶接は、レーザー光を照射して行われたものであり、前記開口の大きさは、前記レーザー光の光軸が、前記鏡筒と前記光学部品との接合面に対して、１０度以上４５度以下の角度をなすように設定して前記レーザー光を照射できる大きさであることを特徴とする光モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光モジュールであって、前記光学部品は、パッケージ化されたレーザーダイオードであることを特徴とする光モジュール。
5. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記台座部は、フランジ状に張り出した上面と外周面とが交わる角部において、前記鏡筒と溶接されていることを特徴とする光モジュール。
6. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記台座部は、フランジ状に張り出した部分の上面が、前記鏡筒の内壁の前記段差と溶接されていることを特徴とする光モジュール。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光モジュールであって、前記開口は、前記鏡筒の端部まで達した切り欠き形状であることを特徴とする光モジュール。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光モジュールであって、前記開口は、複数であり、複数の前記開口は、前記鏡筒の周方向に所定の間隔をあけて配置されていることを特徴とする光モジュール。

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