JPH03210986A - レーザ溶接装置 - 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、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
良く、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、たとえば、第５図に示すよ
うな、いわゆるＹＡＧレーザを利用したレーザ溶接装置
１がよ（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
を集光し、ワーク４に照射する照射装置５とを備える。 上記照射装置から照射されるレーザ光線は、集光レンズ
７によって上記ワーク上の被照射部６に集束させられ、
上記ワークの上記被照射部６をスポット的に溶融して溶
接作業を行う。

【発明が解決しようとする課題】

ところが、上記レーザ光線の一回の照射によって、微小
な溶接面積をスポット的に溶接すれば足りるワークの場
合は問題が生じないが、強度上ある程度の溶接長さを必
要とする場合、あるいは、ワーク４に線状の溶接部位を
形成する場合には不都合が生じる。すなわち、上記レー
ザ光線が集束するワーク上の被照射部６は、微小な円形
点状であるため、ワーク４上に線状の溶接部位を形成す
るには、レーザ光線を連続的に照射しつつ、ワーク４あ
るいは照射装置５を移動して、ワーク４上の上記被照射
部６を溶接部位に沿って移動させなければならない。と
ころが、上記レーザ溶接装置ｌは、ランプ２による光励
起作用を利用し、レーザ発振装置３の光共振器８内にエ
ネルギを蓄積した後、レーザ光線として発振されるよう
に構成されているため、溶接作業を行える高出力のレー
ザ光線を長時間連続して照射することはできない。 このため、従来、ワーク４上にスポット的溶接点を多数
形成し、それらを線状につなげることによって、ワーク
４上に線状の溶接部位を形成している。 このため、レーザ光線を繰り返し発振させなければなら
ず、溶接作業に長時間を要することととなり、作業性が
きわめて低下する。 また、繰り返しレーザ光線が照射されるため、ワーク４
の温度が上昇し、製品の品質に悪影響を与える恐れもあ
る。 一方、レーザ光線が照射される被照射部６の面積を増加
させ、溶接部位を大きくすることによってレーザ光線の
照射回数を減らすことも考えられるが、レーザ光線のエ
ネルギ密度が低下して、効率のよい溶接加工ができない
ばかりでなく、被照射部６が円形をしているため、溶接
部位以外の部分にレーザ光線が照射されてしまい、製品
の品質に悪影響を与える恐れもある。 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、レーザ光線を楕円状に集束させることにより従来
の上記問題を解決腰ワークを効率よく溶接することので
きるレーザ溶接装置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、本願発明は、レーザ光線を発振するレーザ発
振装置と、上記レーザ発振装置によって発振されたレー
ザ光線を集光してワーク上に照射する照射装置とを備え
、 上記照射装置によって上記レーザ光線をワーク上の被照
射部において集束させ、ワークの溶接加工を行うレーザ
溶接装置であって、 上記照射装置には、上記レーザ光線を楕円状に集束させ
うる光学レンズ系を備えたことを特徴とする。

【発明の作用および効果】

本願発明は、ワーク上に線状の溶接部位を形成する場合
に、照射装置から照射されるレーザ光線を楕円状に集束
させることにより、レーザ光線の発振回数を減少させて
加工時間を短縮し、効率よく溶接加工を行おうとするも
のである。 本願発明にかかるレーザ溶接装置においては、レーザ光
線をワークに照射する照射装置に、レーザ光線をワーク
上で楕円状に集束させることのできる光学レンズ系が備
えられている。上記光学レンズ系は、たとえば、シリン
ドリカルレンズ等を利用した光学レンズ系を採用するこ
とができる。 上記シリンドリカルレンズを採用した光学レンズ系は、
レンズの非点収差を利用して、光軸を直角方向に切った
断面が円形形状をした光線を、楕円状あるいは線状に集
束させることができるレンズ系である。 上記非点収差は、通常の凸レンズの周縁近傍を通過する
光はその光束を非常に細くしても一点に集束せず、レン
ズからの距離に応して楕円あるいは直線状に集束する現
象である。この現象は、凸レンズの周縁近傍においては
、レンズの曲率が方向によって異なるため、レンズ通過
後の光線の波面が二重の曲率をもつようになるために生
しる現象であり、一般に楕円状に集束した像が得られる
。 本願発明で利用しうるシリンドリカルレンズ系９は、た
とえば第３図に示すように、−の凸レンズ９ｂと、円筒
ＩＯの一部をその軸１１に平行な平面で切欠いたような
形状をしたシリンドリカルレンズ９ａとを備えている。 光源１２から出た光は、上記凸レンズ９ｂに入射して集
光され、光路が調整させられて上記シリンドリカルレン
ズ９ａに入射する。上記シリンドリカルレンズ９ａにお
いては、もとの円筒ｌＯの上記軸１１に平行な方向（Ｘ
方向）にはその肉厚の変化がないためレンズとしての集
束機能を備えていない一方、上記軸１１と直角方向（Ｘ
方向）には上記円筒１０の外周面に対応した曲率を備え
、その方向に光線を集束させることができる。このため
、上記シリンドリカルレンズ系に入射した光線は、Ｘ方
向には上記凸レンズ９ｂの集束作用のみによって集束さ
せられる一方、Ｘ方向には上記凸レンズ９ｂとシリンド
リカルレンズ９ａとの協働作用によって集束させられる
。したがって、上記シリンドリカルレンズ系９に、断面
円形の光線が入射すると、第３図に示すようにＸ軸方向
とｙ軸方向とで集束する光路の傾きが異なり、出射され
た光線は上記シリンドリカルレンズ９の出射面からの距
離に応じて、第４ａ図ないし第４ｅ図に示すような直線
状、円形状および楕円状に集束する。 すなわち、第３図における集束点Ａにおいては第４ａ図
に示すようにｙ軸方向に延びる直線状に、集束点Ａと集
束点Ｃとの間においては第４ｂ図に示すようにｙ軸方向
に長径を有する楕円状に、集束点Ｃにおいては円状に、
集束点Ｃと集束点Ｅとの間においてはＸ軸方向に長径を
有する楕円状に、集束点ＥにおいてはＸ軸方向に延びる
直線状に集束する。 本願発明は、上記楕円状の集束点あるいは直線状の集束
点を利用して、レーザ光線をワーク上で楕円状あるいは
直線状に集束させて溶接加工を行うものである。上記非
点収差は、上記シリンドリカルレンズ系９の他、円環状
レンズ系あるいは所定の二次曲面を有するレンズ系にお
いても生しさせることができる。 レーザ光線をある程度偏平した楕円状に集束させること
ができる結果、ワーク上の被照射部を楕円形に溶接する
ことが可能となり、−回の照射でスポット的ではなく、
ある程度長さを有する溶接を行うことが可能となる。ま
た、ワークと照射装置との距離を調整し、第３図におけ
るＡ点あるいはＢ点近傍の集束点を用いれば、はぼ直線
状の溶接も可能となる。 楕円状の溶接部位を形成できる結果、所定の長さを線状
に溶接する場合において、従来のように多数の円形点状
の溶接点を連続させるのではなく、ある程度の長さを有
する楕円状溶接部の長径をつなぐようにして線状の溶接
部位を形成することができる。このため、レーザの発振
回数を大幅に削減することが可能となり、溶接作業の作
業時間を短縮し、作業能率を飛躍的に向上させることが
できる。 また、ワークの接合縁、すなわち二つの被接合ワークの
境界部に上記楕円状の長径を沿わずようにして被照射部
を形成して溶接することができ、レーザ光線を上記境界
部に沿って集束させることができるため非常に効率がよ
い。しかも、レーザ光線の一回の照射によって、従来に
比べて長い溶接部位を形成できるため、強度の高い接合
部を得ることができる。 さらに、ワークの溶接部位の幅が楕円状被照射部の短径
に準じて短くなるため、加工に不必要な部分にレーザ光
線が照射されなくなり、ワーク等に悪影響を及ぼす恐れ
も少なくなる。

【実施例の説明】

以下、本願発明の実施例を第１図ないし第４図に基づい
て具体的に説明する。 第１図はレーザダイオードユニット１４を基板１５に溶
接するためのレーザ溶接装置１６に本願発明を適用した
場合の概略構成図であり、第２図は第１図における要部
の斜視図である。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。 これらの図に示すように、本実施例のレーザ溶接装置１
６は、出力調整可能なＹＡＧレーザ発振装置１７と、上
記ＹＡＧレーザ発振装置１７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１８と、
上記光ファイバの先端に設けられ、上記レーザ光線をワ
ーク４上の所定の部位に照射するための照射装置１９と
、上記レーザ光線の被照射部６を検出するための検出装
置２０とから大略構成される。なお、本実施例において
は、上記レーザダイオードユニット１４の両側部を同時
に溶接加工できるように、上記レーザ発振装置１７から
発振されたレーザ光線が、二つの光路に分岐され２本の
光ファイバ１８．１８を介して一対の照射装置１９．１
９に伝送されている。 上記ＹＡＧレーザ発振装置１７は、両端に反射鏡２１を
有する固体状の光共振器８と、上記光共振器８の両側に
配置され、光エネルギを上記光共振器８に注入するフラ
ッシュライト２２と、上記フラッシュライト２２に電力
を供給し、発光をコントロールする電源部２３とを備え
ている。本実施例のレーザ発振装置１７は、上記電源部
２３において、上記フラッシュライト２２の発光をコン
トロールし、上記光共振器８で発生するレーザ光線の出
力を調節して、小出力の位置調節用レーザ光線を発振で
きるように構成されている。 上記光フアイバ１日は、上記レーザ発振器側の一端にレ
ーザ光線の入射端２４が設けられ、集光レンズ２５によ
って集光されたレーザ光線が上記光ファイバ１８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。 上記検出装置２０は、上記被照射部６の位置および形状
を検出して、ワーク４あるいは照射装置１９の相対位置
を調節するために設けられるものであり、上記ワーク４
の被照射部６の近傍に位置するカメラ部２６と、上記カ
メラ部２６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２７とを備える。上記カメラ部２６
は、内部に電荷結合素子を備えており、上記カメラ部２
６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４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６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
２６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２７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２７は、上記カメラ部２６から送信され
た電気信号を映像に変換し、画面２８に映し出すように
構成されている。 レーザ光線をワーク４上に照射する上記照射装置１９は
、上記光ファイバ１８の先端に連結されており、上記光
ファイバ１８によって伝送されたレーザ光線を取り出す
射出端２９と、上記射出端２９から射出されるレーザ光
線の光路を調整する調整用凸レンズ９ｂと、上記調整レ
ンズ９ｂで調整されたレーザ光線をワーク４上に照射す
るシリンドリカルレンズ９ａとを備える。また、第２図
に示すように、上記照射装置２９は、ワーク４との相対
位置を調節し、被照射部６の位置および形状を調節でき
るように、可動アーム３１によって三次元方向に移動可
能に構成されている。 本実施例においては、上記調整レンズ９ｂと上記シリン
ドリカルレンズ９ａとがシリンドリカルレンズ系９を構
成し、第２図に示すように、その非点収差を利用してレ
ーザ光線を楕円状に集束させ、楕円状の被照射部６を形
成することができる。 すなわち、レーザ光線は、上記レーザ発振装置１７から
発振され、集光レンズ２５、光ファイバ１８および調整
レンズ９ｂを通過するが、上記光路においては、その光
軸に直角方向の断面はほぼ円形を呈している。しかし、
上記シリンドリカルレンズ９ａは、第３図に示すように
、円筒ＩＯの一部をその軸１１に平行な平面で切欠いた
ような形状をしており、調整レンズ９ｂから入射面３０
ａに入射する光線は、上記シリンドリカルレンズ９ａか
ら出射された後、−点には集束せず、上記シリンドリカ
ルレンズ９ａの射出面３０ｂからの距離に応じて楕円状
、円形あるいは直線状に集束する。これは、シリンドリ
カルレンズ９ａにおいては、もとの円筒１０の上記軸１
１に平行な方向にはその肉厚の変化がないためレンズと
しての集束機能を備えていない一方、上記軸１１と直角
方向には上記円筒１０の外周面に対応する肉厚変化があ
り、その方向に光線を集束させることができる。このた
め、第３図に示すように、Ｘ方向とｙ方向とで集光する
光路の傾きが異なり、射出された光線は、上記シリンド
リカルレンズ９ａの射出面３０ｂからの距離に応じて、
第４ａ図ないし第４ｅ図に示すように集束する。 次に、上記構成のレーザ溶接装置１６の使用方法につい
て説明する。 まず、基板１５の上にレーザダイオードユニットＩ４が
図示しないコレット等により載置保持されたワーク４が
、ＸＹ子テーブル２によってレーザ溶接装置１６の所定
の位置に移送される。次に、上記レーザ溶接装置１６の
レーザ発振装置１７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２４から光ファ
イバ１８に入射され、上記光ファイバ１８によって照射
装置１９に伝送される。上記光ファイバ１８の射出端２
９から射出されたレーザ光線は、調整レンズ９ｂによっ
て光路が調整され、上記シリンドリカルレンズ９ａに入
射する。上記シリンドリカルレンズ９ａの入射面９ａか
ら入射した位置調節用レーザ光線は、射出面３０ｂから
ワーク４の溶接部位に照射される。本実施例においては
、上記シリンドリカルレンズ系９によって、上記レーザ
光線がワーク４上で楕円状に集束し、楕円状の被照射部
６が形成される。効率のよい溶接加工を行うには、上記
楕円を偏平状に形成するとともにその長径を上記レーザ
ダイオード１４と基板１５との接合縁３３に沿わずよう
に形成するとよい。本実施例においては、上記位置調整
用レーザ光線の被照射部６における反射光は、上記検出
装置２０のカメラ部２６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２７に送られ、上記モニターテレビ２７の画面２８
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２７の画面２８に映し出される上記被照射部６の楕
円形状の位置および形状等を見ながら上記照射装置１９
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
、上記レーザ溶接装置１６の電源装置！２３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。上記位置調節用レーザ光線
および加工用のレーザ光線は、出力以外の光学的特性が
同しであり、上記加工用レーザ光線は、上記位置調節用
レーザ光線が規定した被照射部６に正確に照射される。 上記加工用レーザ光線の照射が終了すると、ワーク４が
載置されたＸＹ子テーブル３あるいは照射装置１９の可
動アーム３Ｉを操作するとともに位置調整用レーザ光線
を発振させ、上記ワーク４の接合部に沿って被照射部６
を移動させ、再び加工用レーザ光線を照射する。そして
、上記操作を繰り返し、ワーク４上に線状の溶接部位を
形成する。 本実施例においては、上記シリンドリカルレンズ系９の
非点収差を利用して、偏平状の楕円形状をした被照射部
６を形成できるとともに、第１図および第２図に示すよ
うに、レーザダイオードの下縁と基板上面との間に形成
される直線状の接合縁３３に沿って線状に溶接を行うこ
とができる。 レーザ光線をある程度偏平した楕円状に集束させること
ができる結果、レーザ光線の一回の照射で形成される上
記ワーク４上の溶接部位を楕円形に溶接することが可能
となり、スポット的ではなく、ある程度の長さを有する
溶接を行うことが可能となる。その結果、上記のように
所定の長さを線状に溶接する場合において、従来のよう
に多数の円形点状の溶接点を連続させるのではなく、あ
る程度の長さを有する楕円状溶接部の長径をつなぐよう
にして線状の溶接部位を形成することができる。 このため、レーザ光線の発振回数を大幅に削減すること
が可能となり、溶接作業の作業時間を短縮し、作業能率
を飛躍的に向上させることができる。 また、ワークの接合部、すなわち二つの被接合ワークの
接合縁３３に上記楕円状の被照射部６の長径を沿わずよ
うにして溶接することができ、レーザ光線を上記接合縁
３３に沿って集束させることができるため非常に効率が
よい。しかも、レーザ光線の一回の照射によって、従来
に比べて長い溶接部位を形成できるため、強度の高い溶
接接合を得ることができる。 一方、ワーク４の溶接部位の幅が楕円状被照射部６の短
径に準じて短くなるため、加工に不必要な部分にレーザ
光線が照射されなくなり、ワーク４に悪影響を及ぼす恐
れも少なくなる。 しかも、本実施例においては、レーザ発振装置１７から
構成される装置調節用レーザ光線および検出装置２０に
よって、上記楕円状の被照射部６を極めて正確に規定す
ることができるため、さらに作業性を向上させることが
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１７としてＹＡＧレー
ザ発振装置を採用したが、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、レーザ光線を楕円状に集束させるため、−の凸レ
ンズ９ｂと−のシリンドリカルレンズ９ａとから構成さ
れ、上言己シリンドリカルレンズ９ａをワーク４側に配
置したシリンドリカルレンズ系９を用いたが、凸レンズ
９ｂをワーク４側に配置したシリンドリカルレンズ系を
採用することもできる。また、所望の被照射部６を形成
するために複数の凸レンズを採用することも可能である
。 さらに、円環レンズ系あるいは所定の二次曲面をもつレ
ンズ系を採用することもできる。 また、本実施例においては、レーザ光線の被照射部６を
モニタするために、小出力のレーザ光線を利用した検出
システムを採用したが、他の検出装置を設け、あるいは
設けなくとも同様の効果を発揮させることができる。

【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図は第１
図における要部の斜視図、第３図ないし第４ｅ図は本願
発明の詳細な説明する図、第５図は従来例の概略構成図
である。 ｌ・・・レーザ溶接装置、６・・・被照射部、９・・・
光学レンズ系（シリンドリカルレンズ系）、１７・・・
レーザ発振装置、１９・・・照射装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光線を発振するレーザ発振装置と、上記レ
   ーザ発振装置によって発振されたレーザ光線を集光して
   ワーク上に照射する照射装置とを備え、 上記照射装置によって上記レーザ光線をワーク上の被照
   射部において集束させ、ワークの溶接加工を行うレーザ
   溶接装置であって、上記照射装置には、上記レーザ光線
   を楕円状に集束させうる光学レンズ系を備えたことを特
   徴とする、レーザ溶接装置。