JPH03210985A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本願発明はレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関す
る。

【従来の技術】

近年の電子技術の発達により、電子装置の小型化、高集
積化が促進され、より微細な加工技術を開発する必要が
生じている。 電子装置製造工程において、半導体装置等を基板等の所
定位置に接合するために、従来からハンダ等を利用した
接合方法が用いられている。しかしながら、上述のよう
に、上記半導体装置がきわめて小型になり、また、集積
度を高くするためには基板と半導体装置との間で大きな
接合部分をとることができず、上記ハンダ等による接合
方法は限界に達している。 上記問題を解決する加工技術としてレーザ溶接加工が注
目され、種々の加工技術が実用化されている。レーザ光
線は高いエネルギ密度を有する光線であり、また、指向
性および集束性がよく、非接触で溶接加工を行うことが
できるため、その利用範囲はきわめて広い。 上記溶接加工を行うために、第３図に示すように、いわ
ゆるＹＡＧレーザを利用したレーザ溶接装置１がよく用
いられる。上記ＹＡＧレーザは固体レーザの一種であり
、ランプ２による光励起作用によりレーザ光線が発振さ
れるため保守が容易であり、また、大出力を得ることが
できるとともに、集束性がよいため、精密溶接加工に適
している。 上記ＹＡＧレーザを利用したレーザ溶接装置１は、レー
ザ光線の発振源であるＹＡＧレーザ発振装置３と、上記
ＹＡＧレーザ発振装置３によって発振されたレーザ光線
をワーク４に照射する照射装置５とを備える。ところが
、上述したように、上記ＹＡＧレーザ発振装置３によっ
て発振されるレーザ光線は、エネルギ密度が大きく、ま
た非接触の熱源であり、上記ワーク４におけるレーザ光
線の被照射部６を正確に規定しないと、ワーク４の加工
精度を一定にすることができない。 従来、上記ワーク４の上記被照射部６を規定するために
、上記レーザ溶接装置ｌにおいて、上記溶接加工に用い
るレーザ光線とは別途に、肉眼で認識することができ、
かつ、上記ワークの被照射部６に影響を与えない照明光
を発生する照明装置７を設け、上記照明装置７から発せ
られる照明光をワーク４に照射して、レーザ光線の被照
射部６をあらかじめ検出し、ワーク４あるいは照射装置
５の位置調節をして、精度の高い加工を行えるようにし
ている。通常、上記照明光として、ヘリウム−ネオンレ
ーザ等の小出力の可視レーザ光線を発振させ、上記照射
装置５を通して、上記ワーク４上に照射することにより
、その被照射部６を肉眼で検出し、ワーク４あるいは照
射装置５の位置調節等を行ったのち、上記ＹＡＧレーザ
発振装置３から発振される高出力のレーザ光線を照射し
て溶接加工が行われている。

【考案が解決しようとする課題】

ところで、被照射部６において効率の高い溶接加工を行
うためには、上記被照射部６におけるレーザ光線のエネ
ルギ密度を高くする必要がある。 通常、上記照射装置５に集光レンズ８を設け、レーザ発
振装置３によって発振されたレーザ光線をワーク４の所
定位置に集束させ、上記被照射部６にエネルギ密度の高
いレーザ光線を照射できるように構成されている。上記
ワーク４の所望の溶接位置にレーザ光線を集束させるた
めには、上記集光レンズ８が設けられる照射装置５とワ
ーク４との間の距離をも調節しなければならず、上記ワ
ーク４あるいは照射装置５を三次元的に位置調節する必
要がある。 ところが、第３図に示すように、上記ヘリウムネオンレ
ーザを用いた位置調節用レーザ発振装置７ａから構成さ
れる装置調節用レーザ光線と、上記ＹＡＧレーザ発振装
置１から発振される加工用レーザ光線は、同一光路を通
ってワーク４に照射されるように構成しても、それらの
波長が互いに異なるため、上記集光レンズ８を通過する
際の屈折率の相違に起因して焦点位置にずれが生じる。 このため、上記位置調節用のレーザ光線がワーク４上に
集束するように照射装置５あるいはワーク４の相対位置
を調節しても、そのままの状態で加工用レーザ光線を照
射したとき、加工用レーザ光線がワーク上で集束すると
は限らず、上記被照射部６にエネルギ密度の高いレーザ
光線を照射して適正な溶接加工を行うことができない。 また、加工用レーザ光線の被照射部６の面積が大きくな
り、ワーク４の溶接部位以外の部分にレーザ光線が照射
された場合には、製品の品質上問題が生じる恐れがある
。 本願発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであ
って、上記従来の問題を解決し、レーザ光線の被照射部
６を正確に規定するとともに、加工用レーザ光線を被照
射部６において集束させ、高いエネルギ密度のレーザ光
線を照射することのできるレーザ溶接装置およびレーザ
溶接方法を提供することをその課題とする。

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するために、本願発明では、次の技術的
手段を講じている。 すなわち、本願の請求項１に記載した発明は、レーザ光
線によってワークの溶接加工を行うレーザ溶接装置であ
って、 出力調整可能なレーザ発振装置と、 上記レーザ発振装置によって発振されたレーザ光線をワ
ークに照射する照射装置と、 上記照射装置のワークに対する相対位置を調節できる位
置調節装置と、 上記ワークにおけるレーザ光線による被照射部を光学的
にモニタしうる検出装置とを備え、上記照射装置からワ
ーク上に小出力のレーザ光線を照射し、上記検出装置に
よって上記レーザ光線によるワーク上の被照射部を検出
することにより、上記照射装置の位置調節を行うことが
できるように構成したことを特徴とする。 また、本願の請求項２に記載した発明は、出力調整可能
なレーザ発振装置と、 上記レーザ発振装置によって発振されたレーザ光線をワ
ークに照射する照射装置と、 上記照射装置のワークに対する相対位置を調節できる位
置調節装置と、 上記ワークにおけるレーザ光線による被照射部を光学的
にモニタしうる検出装置とを備えるレーザ溶接装置によ
って行われるレーザ溶接方法であって、 上記照射装置からワーク上に小出力のレーザ光線を照射
し、上記検出装置によって上記レーザ光線によるワーク
上の被照射部を検出する第一のステップと、 上記第一のステップによって検出された被照射部の位置
に基づき、上記位置調節装置によって上記照射装置の位
置調節を行う第二のステップと、上記照射装置から上記
ワークの被照射部に大出力のレーザ光線を照射して溶接
加工を行う第三のステップとを含むことを特徴とする。

【発明の作用および効果】

本願発明は、レーザ発振装置を出力調整可能に構成し、
加工を行うレーザ光線を発振するレーザ発振機と同じ発
振機から小出力のレーザ光線を発振させ、上記小出力の
レーザ光線を通常の加工用高出力レーザ光線の光路と同
し光路を通してワークに照射し、上記ワークの被照射部
を光学的にモニターしつる検出装置によって検出するこ
とにより、照射装置およびワークの位置調節を正確に行
おうとするものである。 本願発明においては、ワークあるいは照射装置の位置調
節を行うための小出力の位置調節用レーザ光線が、加工
を行う高出力のレーザ光線を発振する発振機から発振さ
れ、しかも、上記高出力の加工用レーザ光線と同じ光路
を通ってワーク上に照射される。このため、上記ワーク
に照射される上記位置調節用のレーザ光線と加工用のレ
ーザ光線とは、出力のみ異なり、波長等の光学的特性が
ほぼ同じレーザ光線となる。したがって、溶接加工時と
全く同じ状態で位置調節用レーザ光線をワーク上に照射
することが可能となり、上記位置調節用レーザ光線によ
って検出される被照射部に基づいて、ワークあるいは照
射装置の位置調節を行えば、高出力の加工用レーザ光線
の被照射部をきわめて正確に規定することができる。ま
た、上記加工用レーザ光線と位置調節用レーザ光線の集
光レンズを通過する際の屈折率も同じとなるためその焦
点距離も等しくなり、上記位置調節用レーザ光線の被照
射部の大きさ等に基づいてワークと照射装置との間の距
離調節を行えば、加工用レーザ光線を上記ワークの所望
位置に容易に集束させることが可能となる。 また、上記位置調節用レーザ光線は、小出力で発振され
るため消費エネルギが少なく、ある程度連続的に発振す
ることができるため、ワークあるいは照射装置の位置調
節をするにはきわめて好都合である。また、ワーク上の
被照射部を溶融させたり、変質させない程度の小出力に
調整されるため、位置調節の際にワーク表面に悪影響を
与えることはない。 しかしながら、上記小出力の位置調節用レーザ光線をワ
ークの表面に照射するのみでは、ワークあるいは照射装
置の位置調整を行うことができない。これは、上述のよ
うに、ワークの被照射部に悪影響を与えないように、位
置調節用レーザ光線の出力が小さく押さえられるととも
に、上記位置調節用レーザ光線の波長が人間の肉眼では
認識できない波長域にあるためである。 本願発明においては、上記位置調節用レーザ光線の被照
射部を検出するために、上記構成に加え、さらに上記被
照射部を光学的に検出しうる検出装置を設ける。上記検
出装置として、たとえば、シリコンＣＣＤ等の電荷結合
素子を採用したＴＶカメラを使用することができる。上
記電荷結合素子は、シリコンチップ上に多数の感光画素
が配列されたもので、画像を電気信号に変換するもので
ある。上記電荷結合素子は、人間の肉眼では認識できな
い波長をもつ光、あるいは、非常に微弱な光を画像とし
て検出することができる。このため、上記小出力でしか
も人間が認識できない波長を有する上記位置調節用レー
ザ光線の、上記照射部からの反射光を画像として検出し
、電気信号に変換することが可能となる。 上記検出装置によって、上記被照射部を検出し、その検
出情報に基づき照射装置あるいはワークの相対位置を調
節し、所定の位置に正確に大出力の加工用レーザ光線を
照射することが可能となる。 また、上記光電子検出装置は、被照射部の形状を画像情
報として検出することができる。このため、位置調節用
レーザ光線の上記被照射部の面積形状を検出し、上記被
照射部に加工用レーザ光線を集束しうるように、ワーク
の被照射部と照射装置との間の距離をあらかしめ調節す
ることも可能となり、上記被照射部に容易にエネルギ密
度の高いレーザ光線を照射することができる。 上記構成によって、加工用レーザ光線の被照射部の位置
精度が格段に高まり、レーザ溶接加工の加工精度を飛躍
的に向上させることが可能となる。 また、従来のように、加工用レーザ光線発振機と別途に
、照光用の光源等を設ける必要がなくなり、装置が簡単
となりレーザ溶接装置の小型化を図ることも可能となる
。

【実施例の説明】

以下、本願発明の実施例を第１図および第２図に基づい
て具体的に説明する。 第１図および第２図は、レーザダイオードユニット２７
を取付は基板２８に溶接するためのレーザ溶接装置９に
本願発明を適用した場合の概略構成図である。なお、こ
れらの図において、従来例と同一または同等の部材には
同一の符号を付しである。 第１図に示されるレーザ溶接装置９は、出力調整可能な
ＹＡＧレーザ発振装置１０と、上記ＹＡＧレーザ発振装
置１０によって発振されたレーザ光線を所定の加工位置
まで伝送する光ファイバ１１と、上記光ファイバ１１の
先端に設けられ、上記レーザ光線をワーク４上の所望の
部位に照射するための照射装置１２と、上記レーザ光線
の被照射部６を光学的に検出しつる検出装置１３とから
大略構成される。 上記ＹＡＧレーザ発振装置１０は、両端に反射鏡１４を
有する固体状の光共振器１５と、上記光共振器１５の両
側に配置され、光エネルギを上記光共振器１５に注入す
るフラッシュライト１６と、上記フラッノユライト１６
に電力を供給し、発光をコントロールする電源部１７と
を備えている。 本実施例のレーザ発振装置ＩＯは、上記電源部１７にお
いて、上記フラッンユライト１６の発光をコントロール
し、上記光共振器１５で発生するレーザ光線の出力を調
節して小出力のレーザ光線を発振できるように構成され
ている。 上記光ファイバ１１は、上記レーザ発振器ｌＯ側の一端
に、上記レーザ光線の入射端１８が設けられ、集束レン
ズ１９によって集束されたレーザ光線が上記光ファイバ
１１に入射され、上記レーザ光線を、所定の加工位置ま
で伝送する。 上記照射装置１２は、上記光ファイバ１１の他端に連結
されており、上記光ファイバ１１によって伝送されたレ
ーザ光線を取り出す射出端２０と、上記射出端２０から
射出されるレーザ光線を集束させ、ワーク４に照射する
集光レンズ８とを備え、上記ワーク４における被照射部
６の位置を調節できるように、可動アーム２１によって
三次元方向（矢印ｘ、ｙ、ｚ方向）に移動可能に形成さ
れている。 上記検出装置Ｉ３は、上記ワーク４の被照射部６近傍に
位置するカメラ部２２と、上記カメラ部２２によって検
出された被照射部６の映像を映しだすモニターテレビ２
３とを備える。上記カメラ部２２は、内部に電荷結合素
子を備えており、上記カメラ部２２の検出部２４を上記
ワーク４の被照射部６に向けることにより、上記ワーク
上の被照射部６からの反射光を上記電荷結合素子上に結
像させ、上記被照射部を画像情報として検出できるよう
に構成されている。そして、上記カメラ部によって検出
された被照射部６の画像情報は、上記電荷結合素子によ
って電気信号に変換され、上記モニターテレビ２３に送
信されるように構成されている。上記モニターテレビ２
３は、上記カメラ部２２から送信された電気信号を映像
に変換し、画面２５に映し出すように構成されている。 次に、上記構成のレーザ溶接装置９の使用方法について
説明する。 まず、基板２８の上にレーザダイオード２７が載置され
たワーク４が、ＸＹ子テーブル６によってレーザ溶接装
置９の所定の位置に移送される。 次に、上記レーザ溶接装置９のレーザ発振装置ＩＯから
小出力のレーザ光線を発振させる。上記小出力のレーザ
光線は、入射端Ｉ８から光ファイバ１１に入射され、上
記光ファイバ１１によって照射装置１２に伝送される。 上記照射装置１２内の射出端２０から射出されたレーザ
光線は、集光レンズ８によって集束され、ワーク４の溶
接部位に照射される。上記ワーク４上の被照射部６から
の反射光は、上記検出装置１３のカメラ部２２に入射し
、画像情報として電気信号に変換される。そして、上記
電気信号がモニターテレビ２３に送られ、上記モニター
テレビ２３の画面２５に、映像として映し出される。作
業者は、上記モニターテレビ２３の画面２５に映し出さ
れる上記被照射部６の位置および大きさ等を見ながら上
記照射装置１２あるいはワーク４の位置調節を行い、加
工用レーザ光線の被照射部６を規定する。上記被照射部
６を規定した後、レーザ溶接装置９の電源装置１７を操
作し、大出力の加工用レーザ光線を発振させ、上記被照
射部６に照射して溶接加工を行う。 本実施例においては、上記レーザ発振装置１０から、ワ
ーク４あるいは照射装置１２の位置調節を行うための小
出力の位置調節用レーザ光線が発振されるとともに、溶
接加工を行う場合と全く同じ光路を通ってワーク４に照
射される。上記小出力の位置調節用レーザ光線は、被照
射部６に影響を与えない程度の出力に調整されているが
、他の光学的性質は上記溶接作業に用いる大出力の加工
用レーザ光線と同じ性質を有する。したがって、大出力
の加工用レーザ光線を照射して溶接作業を行う場合と全
く同じ状態で、上記位置調節用レーザ光線をワーク４上
に照射することが可能となり、上記ワーク４上に大出力
の加工用レーザ光線と全く同じ被照射部６を形成するこ
とができる。このため、上記位置調節用レーザ光線によ
って検出される被照射部６に基づいて、あらかじめワー
ク４あるいは照射装置１２の位置調節を行えば、上記被
照射部６に大出力の加工用レーザ光線を正確に照射する
ことができる。 また、上記位置調節用レーザ光線は、小出力で、ある程
度連続的に発振させることができるため、ワーク４ある
いは照射装置１２の位置調節をするには、きわめて好都
合である。また、ワーク４上の被照射部６を溶融させた
り、変質させないように小出力に調整されるため、位置
調節の際にワーク４の表面等に悪影響を与えることはな
い。 また、上記小出力の位置調節用レーザ光線は肉眼では認
識することができないが、本実施例においては、シリコ
ンＣＯＤ等の電荷結合素子を採用したカメラ部２２を備
える検出装置１３を設けているため、上記位置調節用の
レーザ光線による被照射部６をモニターテレビ２３の画
面２５上で画像として検出することができる。このため
、上記被照射部を画像として検出し、上記位置調節用レ
ーザ光線の、上記被照射部６からの反射光を肉眼で検出
するのと同様に３次元の位置調節が可能となる。 上記構成によって、ワーク４の所定の位置に正確にレー
ザ光線を照射することはもちろん、上記照被射部６の面
積形状を検出することにより、上記被照射部６に加工用
レーザ光線を集束するように、ワーク４と照射装置６と
の間の距離を調節することが可能となる。その結果、上
記被照射部６にエネルギ密度の高いレーザ光線を照射す
ることが可能となり、加工精度を飛躍的に向上させるこ
とが可能となる。 さらに、従来のように、加工用レーザ光線発振機と別途
に、照光用の光源を設ける必要がなくなり、装置が簡単
となり小型化することも可能となる。 第２図に本願発明の他の実施例を示す。この図に示す実
施例は、照射装置２９から被照射部６に照射された位置
調節用レーザ光線の反射光を、上記照射装置２９を利用
して検出しようとするものである。 被照射部６に照射された位置調節用レーザ光線の反射光
は、上記照射装置２９に再び入射され、レーザ発振装置
ｌＯから発振されたときと同じ光路を逆進する。本実施
例においては、上記光路の途中に、ダイクロイックミラ
ー３０を設置し、逆進する上記被検出光線を別の光路に
分岐させ、検出装置３１に伝送する。ように構成される
。 第２図に示すように、本実施例においては、上記照射装
置２９が反射光線の入射端となっており、被照射部６に
おいて反射された光線は、上記照射装置２９から光ファ
イバー１１に入射され、光ファイバ１１を通って、レー
ザ光線の発振装置ｌＯ側へ出射される。上記逆進光線を
伝送する光ファイバ１１の端部と上記レーザ光線発振装
置１０との間には、逆進する上記被検出光線のみを通過
させるダイクロイックミラー３０が設けられており、上
記ダイクロイックミラー３０によって、上記被検出光線
が、位置調整用レーザ光線の光路から分岐される。上記
分岐された被検出光線は検出装置３１の電荷結合素子を
備えた検出部２２ａに導入され、電気信号に変換されて
モニターテレビ２３に送られる。そして、上記モニター
テレビ２３の画面２５に上記被照射部６が映し出され、
上述の実施例と同様に、照射装置２９あるいはワーク４
の位置調節が行われる。本実施例においては、上述の実
施例のように、上記照射装置２９と別途にカメラ１１２
２を設ける必要がなく、装置をより小型化することが可
能となる。 本願発明は、上述の実施例に限定されることはない。実
施例においては、レーザ発振装置１０として、ＹＡＧレ
ーザ発振装置を用いたが、炭酸ガスレーザ等地のレーザ
発振装置を採用することもできる。また、本願発明は、
ワーク４を溶接するために用いるレーザ溶接装置に関す
るものであるが、本願発明と同一の溶接装置を他のレー
ザ微細加工、たとえば、穴開は加工あるいは切断加工等
に用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明の実施例の概略構成図、第２図は本願
発明の他の実施例の概略構成図、第３図は従来例の概略
構成図である。 ４・・・ワーク、６・・・被照射部、９．３２・・・レ
ーザ溶接装置、ｌＯ・・・レーザ発振装置１．１２．２
９・・・照射装置、 １ ３゜ ３　ｌ・ 検出装置、 ■・・・位置調 節装置 （可動アーム）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光線によってワークの溶接加工を行うレー
   ザ溶接装置であって、 出力調整可能なレーザ発振装置と、 上記レーザ発振装置によって発振されたレーザ光線をワ
   ークに照射する照射装置と、 上記照射装置のワークに対する相対位置を調節できる位
   置調節装置と、 上記ワークにおけるレーザ光線による被照射部を光学的
   にモニタしうる検出装置とを備え、 上記照射装置からワーク上に小出力のレーザ光線を照射
   し、上記検出装置によって上記レーザ光線によるワーク
   上の被照射部を検出することにより、上記照射装置の位
   置調節を行うことができるように構成したことを特徴と
   する、レーザ溶接装置。
2. （２）出力調整可能なレーザ発振装置と、 上記レーザ発振装置によって発振されたレーザ光線をワ
   ークに照射する照射装置と、 上記照射装置のワークに対する相対位置を調節できる位
   置調節装置と、 上記ワークにおけるレーザ光線による被照射部を光学的
   にモニタしうる検出装置とを備えるレーザ溶接装置によ
   って行われるレーザ溶接方法であって、 上記照射装置からワーク上に小出力のレーザ光線を照射
   し、上記検出装置によって上記レーザ光線によるワーク
   上の被照射部を検出する第一のステップと、 上記第一のステップによって検出された被照射部の位置
   に基づき、上記位置調節装置によって上記照射装置の位
   置調節を行う第二のステップと、 上記照射装置から上記ワークの被照射部に大出力のレー
   ザ光線を照射して溶接加工を行う第三のステップとを含
   むことを特徴とする、レーザ溶接方法。