JPH03230885A - 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、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４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
非接触の熱源であるため、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１において、上記溶接加工に用い
るレーザ光線とは別途に、上記ワークの被照射部６に影
響を与えない位置調節用光線を発生する位置調節用光線
発生装置７を設け、上記位置調節用光線発生装置７から
発せられる位置調節用光線をワーク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、上記位置調節用光線として
、ヘリウム−ネオンレーザ等の小出力の可視レーザ光線
が用いられる。上記位置調節用光線は、上記照射装置５
を介して上記ワーク４上に照射され、その被照射部６ａ
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、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上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との間のレーザ光線の光軸方向の距離をも調
節しなければならず、レーザ光線を所望の溶接部位に照
射するには上記ワーク４あるいは照射装置５を三次元的
に位置調節する６ 必要がある。 ところが、第３図に示すように、位置調節用光線発生装
置７から構成される装置調節用光線と、上記ＹＡＧレー
ザ発振装置ｌ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、上記位置調節用光線がワーク４上に集束する
ように照射装置５とワーク４の相対位置を調節しても、
そのままの状態でレーザ光線を照射したとき、レーザ光
線がワーク上で集束するとは限らず、位置調節用光線に
よって規定された上記被照射部６ａ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、レーザ光線の被照射部６の面積が太き（なり、ワ
ー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
を正確に規定するとともに、レーザ光線を被照射部にお
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、 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、 上記照射装置を介して、上記ワークに位置調節用光線を
照射しうる位置調節用光線発生装置と、上記ワークにお
ける上記位置調節用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、上記ワーク上に照射された上記位
置調節用光線による被照射部がワーク上の所望の部位に
おいて最小径となるように上記位置調節装置が駆動され
た後において、ワークと照射装置とのレーザ光軸方向の
距離を所定量補正する補正手段と、を備えることを特徴
とする。 また、本願の請求項２に記載した発明は、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、 上記照射部を介して、上記ワークに位置調節用光線を照
射する位置調節用光線発生装置と、上記ワークにおける
位置調節用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、 ワーク上に照射された位置調節用光線による被　９ 照射部を上記検出装置によって検出する第一のステップ
と、 上記位置調節用光線による被照射部がワークの所望の部
位において最小径となるように上記位置調節装置が駆動
される第二のステップと、上記ワークと照射装置とのレ
ーザ光軸方向の距離を所定量補正する第三のステップと
、上記照射装置から上記ワークにレーザ光線を照射して
溶接加工を行う第四のステップと、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、位置調節用光線と溶接用レーザ光線の波長
の相違に基づく焦点距離のずれを補正し、ワーク上の所
望の部位に溶接用レーザ光線を正確に集束させようとす
るものである。 本願発明に係るレーザ溶接装置は、照射装置を介して、
上記ワークに位置調節用光線を照射しうる位置調節用光
線発生装置と、上記ワークにおける位置調節用光線によ
る被照射部を光学的にモニタしうる検出装置と、上記照
射装置のワークに対１０− する相対位置を調節しうる位置調節装置とを備える。上
記検出装置により位置調節用光線の被照射部の位置およ
び形状等が検出され、その情報に基づいて上記被照射部
の位置を調節するとともに、その径が最小となるように
、すなわち、ワーク上の被照射部において上記位置調節
用光線が集束するように、位置調節装置が駆動させられ
、ワークおよび照射装置の相対位置が規定される。 上記位置調節装置によって、上記照射装置とワークの溶
接部位とのレーザ光軸方向の距離も一応規定されるが、
上記レーザ光軸方向の距離はあくまで位置調節用光線が
ワークの所望の溶接部位に集束するように規定される。 ところが、上記位置調節用光線とレーザ光線の波長の相
違から照射装置内の集光レンズの焦点距離にずれが生じ
、上記の位置関係のままでは、レーザ光線を上記位置調
整用光線で規定した被照射部に集束させて溶接加工を行
うことはできない。 本願発明は、上記問題点を解決するため、上記位置調節
用光線によって一応の位置調節を行った後、上記ワーク
と上記照射装置とのレーザ光軸方向の距離を補正する制
御手段を設ける。 上記補正手段は、たとえば、上記照射装置をレーザ光軸
方向に移動させうる補正装置を別途に設けてこれを駆動
させるように構成できるほか、装置全体の制御をつかさ
どる制御手段により、上記位置調節用光線にもとづく位
置調節につづき、上記ワークと照射装置との三次元的相
対位置を変化させて、ワークと照射装置との距離をレー
ザ光軸方向に上記焦点距離の差分だけ移動させるように
構成することもできる。 本願発明においては、上記補正手段によって、レーザ光
線をワーク上の所望の溶接部位に集束させることが可能
となり、しかも、上記照射装置等の調節作業を自動的に
に行うことが可能となるため、溶接作業の作業能率が飛
躍的に向上する。 また、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ることによ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でき、また、レー
ザ光線の焦点のずれによって生じる溶接ミス等を防止す
ることもできる。 しかも、従来のレーザ溶接装置を利用して構成すること
もできるため、設備コストが増加するといったこともな
い。

【実施例の説明】

以下、本願発明の実施例を第１図ないし第３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９を基板１０に溶
接するためのレーザ溶接装置ｌに本願発明を適用した場
合の概略構成図である。また、第２図は第１図における
要部の側面図である。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１１は、ＹＡＧレーザ
発振装置１２と、上記ＹＡＧレーザ発振装置１２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１３と、上記光ファイバ１３の先端に設けら
れ、上記レーザ光線をワーク４上の所望の溶接部位に照
射するための照射装置１４と、上記照射装置１４のワー
クに対１３− する相対位置を調節する位置調節装置１５と、上記照射
装置１４を介して、位置調節用光線を照射しうる位置調
節用光線発生装置７と、上記位置調節用光線の被照射部
６ａを光学的に検出しうる検出装置１６とから大略構成
される。 上記ＹＡＧレーザ発振装置１２は、両端に反射鏡１７を
有する固体状の光共振器１８と、上記光共振器１８両側
に配置され、光エネルギを上記光共振器１８に注入する
フラッシュライト１９．１９と、上記フラッシュライト
１９に電力を供給し、発光をコントロールする電源部２
０とを備えている。 上記光ファイバ１３は、上記レーザ発振装置１２と上記
照射装置１４とを光学的に連結し、上記レーザ発振装置
１２側の一端に設けられた入射端２１に集束レンズ２２
で集光して入射された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１４は、上記光ファイバ１３の他端に連結
されており、上記光ファイバ１３によって伝送されたレ
ーザ光線を取り出す出射端２３と、４ 上記出射端２３から出射されるレーザ光線を集束させ、
ワーク４上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２５を介して位置調節装置１５に連結支持され
ている。 本実施例における位置調整装置１５は、上記可動アーム
２５を介して上記照射装置１４を三次元方向（矢印Ｘ＋
　　ｙ＋　　Ｚ方向）に移動制御可能に支持する照射装
置支持部１５ａと上記ワーク４をＸｙ力方向移動制御し
うるＸＹ子テーブル５ｂとから構成されている。上記位
置調節装置１５は上記検出装置１６によって検出された
情報に基づいて駆動され、上記照射装置１４とワーク４
との相対位置を調節できるように構成されている。 上記位置調節用光線発生装置７は、本実施例においては
、ヘリウム−ネオンレーザ発振装置が採用されており、
位置調節用光線としてヘリウムネオンレーザ光線が用い
られる。上記位置調節用光線発生装置７は、上記光ファ
イバ１３の入射端２１近傍に設けられ、上記溶接用レー
ザ光線の光　１５− 路に、その途中から上記位置調節用光線を入射しうるよ
うに構成されている。 上記検出装置１６は、上記照射装置１４の上部に固定さ
れ、上記ワーク４の溶接部位近傍に位置するカメラ部２
６と、上記カメラ部２６によって検出される位置調節用
光線の被照射部６ａの映像を映しだすモニターテレビ２
７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、検出端２８を上記ワーク４の被照射部
６ａに向けることにより、上記被照射部６ａからの反射
光を上記電荷結合素子上に結像させ、位置調節用光線に
よる上記被照射部６ａ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６ａ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２
７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２９に映し出すとともに、上記被
照射部６ａの位置および形状等を画像認識し、１６− その情報にもとづついて位置調節装置１５を駆動しうる
ように構成されている。 本実施例においては、上記可動アーム２５の先端部に、
上記照射装置１４のレーザ光軸方向の位置を調整しうる
補正装置３０を設ける。上記補正装置３０は、上記照射
装置１４を、レーザ光軸方向に摺動可能に保持する台部
３１と、上記台部３１に内蔵され、上記照射装置１４を
上記台部３１の上縁に沿って摺動させる駆動装置３２と
を備える。そして、上記照射装置１４は、上記位置調節
装置１５によって、上記ワーク４に対する一応の位置が
調節された後、上記補正装置３０によってレーザ光軸方
向の距離が補正される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を用いた溶接方法に
ついて、第１図ないし第３図に基づいて説明する。 まず、基板１０の上にレーザダイオードユニット９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５ｂによってレー１７ ザ溶接装置１１の所定の位置に移送される。次に、上記
位置調節用光線発生装置７から位置調節用光線を発振さ
せる。上記位置調節用光線は、入射端２１から光ファイ
バ１３に入射され、上記光ファイバ１３によって照射装
置１４に伝送される。上記照射装置１４内の出射端２３
から出射された位置調節用光線は、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６ａからの反射光は、検出端２８か
ら上記カメラ部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２９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２９に映し出される上記被照射部６ａの位
置および大きさ等を見ながら、上記位置調節装置１５を
駆動させることにより、位置調節用光線の被照射部６ａ
を所望の溶接位置に調節するとともに、上記被照射部６
ａが最小径となるように、上記照射装置１４の位置を規
定する。なお、上記位置調節用光線の被照射部の設定は
、上記画面２９を見ながら作業者が手動で位置調節装置
１５を操作することによって行ってもよいし、また、上
記モニターテレビを利用した画像認識情報に基づいて、
上記照射装置１４とＸＹ子テーブル支持されたワーク４
との三次元的な相対位置を自動調節することにより行っ
てもよい。 本実施例においては、上記位置調節用光線の被照射部６
ａを規定した後、加工用レーザ光線が上記位置調節用光
線によって規定した被照射部６ａに集束するように、上
記ワーク４と上記照射装置１４の光軸方向の距離を補正
装置３０を駆動して自動的に補正する。 なお、この補正は、ワーク４の搬入、位置調節用光線に
よるワーク上の被照射部６ａの規定、ないし加工用レー
ザ光線による溶接作業にいたる一連の動作を制御するべ
くプログラムされたマイクロコンピュータ等からなる制
御手段に、次の補正ステップを挿入することにより行う
ことができる。 すなわち、第３図に示すように、上記位置調節用光線に
基づく上述の手動もしくは自動による位置調節の終了後
、制御信号が発せられ（ステップＡ）、上記制御信号に
より上記補正装置３０が駆動され、第２図に示すように
、上記照射装置１４がレーザ光軸方向に摺動させられる
ことにより、ワーク４と照射装置１４との距離が所定量
補正される（ステップＢ）。上記照射装置１４の補正量
は、上記位置調節用光線と溶接用レーザ光線との焦点距
離の差であり、上記補正装置３０の駆動装置３２内、ま
たはマイクロコンピュータの記憶装置内に予め設定して
おく。そして、再び上記検出装置１６によって上記位置
調節用光線によるワーク４上の被照射部６ａの径および
位置等が確認された後（ステップＣ）、加工用レーザ光
線を上記ワーク４上に照射して溶接加工を行う（ステッ
プＤ）。 本願発明においては、加工用レーザ光線をワーク４上の
所望の溶接部位に正確に集束させることが可能となり、
しかも、上記補正作業を自動的に行うことが可能となる
。このため、溶接作業の作業能率が飛躍的に向上する。 また、上記構成によって、レーザ光線の被照射部６、す
なわち溶接部位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り
、また焦点距離のずれ等による溶接ミス等を防止するこ
とができる。 しかも、従来のレーザ溶接装置を利用して構成すること
ができるため、設備コストが増加するといったこともな
い。 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、図に示した実
施例においては、照射装置１４を支持する可動アーム２
５の先端部に照射装置１４をその光軸方向にスライド可
能に支持する補正装置３０を別途設け、この補正装置を
駆動することによりワーク４と照射装置１４とのレーザ
光軸方向の距離を補正できるように構成したが、装置全
体を制御する制御手段により上記位置調節装置１５を直
接駆動させて、ワークと照射装置との三次元的な相対位
置を調節し、これにより、上記光軸方向の補正を行うよ
うに構成することもできる。また、上記補正手段は、上
記照射装置１４内の集光レンズ８を複数のレンズ系で構
成し、上記レンズ系の焦点距離を可変させるように構成
してもよい。

【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
図における要部の側面図、第３図は本願発明の制御手段
の作動を示すフローチャート、第４図は従来例の概略構
成図である。 ４・・・ワーク、６・・・被照射部、７・・・位置調節
用光線発生装置、１１・・・レーザ溶接装置、１２・・
・レーザ発振装置、１４・・・照射装置、１５・・・位
置調節装置、１６・・・検出装置、３０・・・補正装置
（補正手段）。

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、 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、 上記照射装置を介して、上記ワークに位置調節用光線を
   照射しうる位置調節用光線発生装置と、 上記ワークにおける上記位置調節用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、 上記ワーク上に照射された上記位置調節用光線による被
   照射部がワーク上の所望の部位において最小径となるよ
   うに上記位置調節装置が駆動された後において、ワーク
   と照射装置とのレーザ光軸方向の距離を所定量補正する
   補正手段と、を備えることを特徴とする、レーザ溶接装
   置。
2. （２）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、 上記照射部を介して、上記ワークに位置調節用光線を照
   射する位置調節用光線発生装置と、 上記ワークにおける位置調節用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、 上記ワーク上に照射された位置調節用光線による被照射
   部を上記検出装置によって検出する第一のステップと、 上記位置調節用光線による被照射部がワーク上の所望の
   部位において最小径となるように上記位置調節装置が駆
   動される第二のステップと、 上記ワークと照射装置とのレーザ光軸方向の距離を所定
   量補正する第三のステップと、上記照射装置から上記ワ
   ークにレーザ光線を照射して溶接加工を行う第四のステ
   ップと、を含むことを特徴とする、レーザ溶接方法。