JP2003170290A - レーザ光透過溶接法およびその装置 - Google Patents

レーザ光透過溶接法およびその装置

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浩文 鈴木
Tsutomu Funayama
強 船山
Hidenori Arakane
秀則 荒金
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Abstract

(57)【要約】 【課題】特にガラス接合に好適なレーザ光透過溶接法を
提供する。 【解決手段】レーザ光を被接合材の接合界面に照射する
ことにより被接合材を溶融し溶接する方法であって、前
記被接合材1の両接合面にはレーザ光吸収材7を塗布ま
たは添付または成膜し、前記レーザ光吸収材にレーザ光
2を吸収させ被接合材同志を溶接することを特徴とする
レーザ光透過溶接法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いガ
ラスや石英などの透明な無機材料の接合を行う接合方法
に関するものであり、特にガラス接合に好適なレーザ光
透過溶接法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、IT機器用デバイスのニ−ズが増
大している。特に光通信用のマイクロガラス部品や半導
体ラインで使用されるガラス部品の精密マイクロ接合の
開発が待たれている。一般に、ガラス部品では図5
(イ)に示すようにガラス部品同志の間にボンド等の接
着剤を用いる接合が中心であり、この方法では使用環境
の制限や接着剤の凝固時間が不安定なために、位置決め
誤差が生じるなどの問題がある。また他の接合方法とし
て、図5(ロ)に示すようにレーザによってガラス自身
を溶融するガラス溶融接合が行われている。溶融接合で
は接合部の母体全体を溶融するため、ガラス表面を傷つ
ける可能性や感熱による付属部品への悪影響も考えられ
る。
【0003】また、レーザ光を使用した他のレーザ溶着
方法として特開2000−105499号、特開平10
−85965号に開示された方法等も提案されている。
しかしこれら公報に記載された技術は、接合部でのレー
ザ光吸収が不十分であり、ガラス等の無機材料を確実に
溶接することが難しいという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】今後、光通信用デバイ
スにおいては部品の熱伝導率を同等にするため、光学系
にレンズ以外の他の部位にもガラス材を用いたり、半導
体製造ラインでは半導体に対し、金属反応を起こしにく
いガラス部品により製造ラインを構築するなど、このよ
うなガラス部品の使用箇所の接合にはより精密な接合方
法の開発が必要である。
【0005】そこで本発明は、無機材料からなる被接合
材の接合面(ガラス接合面等)に、レーザ光を吸収する
吸収材を塗布あるいは添付あるいは成膜し、この接合面
にレーザ(例えばYAGレ−ザ)を照射することで被接
合材を接合界面のみで溶接するレーザ光透過溶接法を提
供し、上記問題点を解決することを目的とする。本発明
は、レーザ光を透過する2枚の被接合材を上下に突き合
わせ(重ね合わせ)、ファイバ−伝送のYAGレ−ザに
よってその接合界面のみをスポット接合して被接合材同
志を接合することに特徴がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した技術解決手段は、レーザ光を被接合材の接合界面に
照射することにより被接合材を溶融し溶接する方法であ
って、前記被接合材の両接合面にはレーザ光吸収材を塗
布または添付または成膜し、前記レーザ光吸収材にレー
ザ光を吸収させ被接合材同志を溶接することを特徴とす
るレーザ光透過溶接法である。また、前記被接合材に塗
布または成膜するレーザ光吸収材は、少なくとも有色塗
料、金属の真空蒸着膜、金属のスパッタ蒸着膜、セラミ
ック材蒸着膜のいずれか一つであることを特徴とするレ
ーザ光透過溶接法である。また、前記被接合材は、ガラ
ス、石英のいずれかであることを特徴とするレーザ光透
過溶接法である。また、前記被接合材のうちレーザ照射
側は、ガラス、石英のいずれかであることを特徴とする
レーザ光透過溶接法である。また、前記レーザ光はYA
Gレーザであることを特徴とするレーザ光透過溶接法で
ある。また、前記レーザ光は複数ショットで被接合材界
面に照射されることを特徴とするレーザ光透過溶接法で
ある。また、前記レーザ光透過溶接はクラックの発生を
防止するために被接合材に適した高温雰囲気中で行うこ
とを特徴とするレーザ光透過溶接法である。また、レー
ザ光と、このレーザ光を集光し試料上に照射する集光手
段と、レーザ光を走査する走査手段と、被接合材載置用
のステージとによって構成され、前記レーザ光は複数に
分岐され、被接合材に向けて照射できることを特徴とす
るレーザ光透過溶接装置である。また、前記レーザ光
は、YAGレーザであることを特徴とする請求項7に記
載のレーザ光透過溶接装置である。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明すると、図1は本発明に係るレーザ光透過
溶接法に用いる装置の構成図である。
【0008】図において、1は被接合材、2はレーザ
光、3はレンズホルダー、4は光ファイバー、5は3軸
コントロールステージ、6はレーザ発振器である。レー
ザ発振器6で発振されたレーザ光は、光ファイバー4、
レンズホルダー3内のレンズを通して被接合界面に集光
され照射される。この時、レーザスポットはレンズホル
ダー3を支持しているレーザ光走査手段(3軸コントロ
ールステージ)5によって照射したい位置に容易に制御
できる。なお、被接合材1を載置するステージ側を3軸
コントロールし、照射位置を制御することも可能であ
る。さらに必要に応じてレ−ザ発振器から出力されたレ
−ザ光を複数に分岐させた光ファイバにより伝送し、複
数の接合を同時に行うこともできる。また、上記装置で
接合する被接合材1は図2に示すように、接合する互い
の面にレーザ光吸収材7が塗布または添付または成膜さ
れ、それらの面同志を接合した状態で、上記装置にセッ
トされる。
【0009】上記装置によって接合を行う材料として
は、レーザ光を透過する無機材料を対象とすることがで
きる。また、レーザ光としては、透明な被接合材を透過
することができる性質をもつことが重要であり、YAG
レーザなどが好適である。さらに、レーザ光吸収材とし
ては黒色塗料等の他、レーザ光を吸収する有色の油性塗
料、金属の真空蒸着膜、金属のスパッタ蒸着膜、セラミ
ック材蒸着膜などレーザ光を効率良く吸収できる材料が
好適である。
【0010】上記装置を使用してガラスを接合する場合
を例にとって本方法を説明する。先ず被接合材としての
ガラス1の接合面に、図2(イ)に示すようにレーザ光
吸収材(ここでは黒色の油性塗料)7を塗布する。つい
で図2(ロ)に示すようにレーザ光吸収材7を塗布した
面同志を重ね合わせ、重ね合わせたガラス1を上記装置
のステージ上にセットする。この状態でYAGレーザを
ガラス接合界面に照射する。レーザ光はレンズホルダー
内のレンズによって図2(ハ)に示すようにガラスを透
過して接合界面で集光され、接合面に塗布したレーザ光
吸収材で吸収される。この時の吸収熱により図2
(ニ)、図3に示すように接合部8のガラス同志が溶融
して接合する。このように本方法では、ガラス中ではY
AGレーザが透過するため、ガラス表面は傷つけずに、
レーザ光吸収材を塗布した界面でのみ溶接できる。レー
ザ光は微細加工に適しているため、この方法を用いるこ
とによりマイクロ部品の精密溶接も可能である。また、
レーザ光をパルス発振することで、母材に対する熱影響
を少なくすることができ、またレーザを適宜手段で分岐
することで、同時に複数箇所の溶接が容易となる。
【0011】なお、溶接の際、レーザ光吸収材を一方の
被接合材の接合面に塗布した場合、一方の被接合材にレ
−ザ光が吸収されるだけで他方の被接合材はレ−ザを透
過してしまい二枚の被接合材を溶接することはできな
い。このため2枚の被接合材の接合面にレーザ光吸収材
を塗布することが重要である。双方の被接合材の接合界
面にレ−ザ光吸収材を塗布することで、一方の被接合材
に瞬時に吸収されたレ−ザ光は、他方のガラス界面にも
吸収され、また、溶けたガラスは大気中への逃げ場がな
いため、その場で急速に凝固して接合が行われる。ま
た、レーザ光は図4に示すように1ショット、3ショッ
ト(複数ショット)、オーバーラップした状態で接合面
に照射することができ、ショット数を変えた場合には、
溶接条件を制御することができる。
【0012】続いてレーザ光透過溶接法を行う際の条件
について説明する。高温雰囲気下におけるレ−ザ光透過
溶接法常温においてのガラスのレ−ザ透過溶接では、レ
−ザの急熱急冷や熱衝撃によって、接合部にクラックが
入り、これが溶接強度に影響を及ぼすことが考えられ
る。そこで、高温雰囲気下において、レ−ザ透過溶接法
を適用し、接合部のクラックを抑制することができる。
例えば、雰囲気温度を400°C及び600°Cに設定
し溶接した被試験体について、それぞれのせん断部のノ
マルスキ顕微鏡観察とせん断試験を行った結果、常温時
にみられたクラックが抑制されていることが分かった。
これは、高温雰囲気でレ−ザ透過溶接を行うことで、熱
衝撃や急熱急冷が減少したものと考えられる。このよう
に、レーザ光透過溶接法を行う場合には、必要に応じて
加工雰囲気温度を高温状態とすることが有効である。
【0013】接合界面に塗布するレーザ光吸収材前記レ
−ザ透過溶接法を用いてガラス接合を行う実施形態の場
合には、ガラス基板に有色の油性塗料を塗布し、YAG
レ−ザを吸収させることによって、ガラス界面のみの溶
接を行ってきた。しかし、レーザ光吸収材として用いる
油性塗料では、融点が高いため、高融点の石英ガラスな
どに本溶接法を適用する場合、YAGレ−ザが油性塗料
に吸収され発熱するエネルギよりも高融点ガラスの融点
が高いため溶接することは困難である。そこで、石英ガ
ラスよりも融点が高い吸収材として、金属をガラスに真
空蒸着、またはスパッタ蒸着し、YAGレ−ザを金属膜
に吸収材させ、その融解エネルギによってガラスを溶融
させることできる。また、蒸着法では、ガラス基板に均
一に吸収層が形成され、表面も鏡面になるために、ガラ
ス同士の密着性が良好になる。
【0014】以上本発明に係る実施形態について説明し
たが、被接合材は上記したガラス、石英に限定されるこ
となく、レーザ光を透過する材料であれば種々の材料を
対象とすることができる。また、レーザ光吸収材も上記
した例に限定されることはない。また、被接合材はレー
ザ光が透過できる状況であれば3枚以上を重ね、それぞ
れの接合面にレーザ光の焦点を照射し溶接することも可
能である。さらに、本発明はその精神または主要な特徴
から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施でき
る。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例
示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【0015】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、レ−ザ光をファイバ光学系を直交3軸駆動ス
テ−ジに導き、レ−ザ光をガラス接合界面にスポット照
射する。この時ガラス界面にはあらかじめ、レ−ザ吸収
率を高めるために、例えば黒色の油性塗料を塗布してお
き、レ−ザ光を接合界面においてのみ吸収させることに
より被接合材を確実に溶接することができる、という優
れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ光透過溶接法に用いる装置
の構成図である。
【図2】被接合材の接合手順を説明する図である。
【図3】レーザ光によって被接合材を接合する説明図で
ある。
【図4】レーザ光の照射状態を説明する図である。
【図5】従来のガラスの接合方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 被接合材 2 レーザ光 3 レンズホルダー 4 光ファイバー 5 3軸コントロールステージ 6 レーザ発振器 7 レーザ光吸収材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒金 秀則 愛知県豊橋市曙町字南松原101−2−4F Fターム(参考) 4E068 BF00 CD03 CE03 CF01 CJ00 DB12 DB13 4G026 BA04 BB04 BD02 BD04 BD06 BD14 BF01 BF09 BF41 BG02 BG13 BH06

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ光を被接合材の接合界面に照射する
    ことにより被接合材を溶融し溶接する方法であって、前
    記被接合材の両接合面にはレーザ光吸収材を塗布または
    添付または成膜し、前記レーザ光吸収材にレーザ光を吸
    収させ被接合材同志を溶接することを特徴とするレーザ
    光透過溶接法。
  2. 【請求項2】前記被接合材に塗布または成膜するレーザ
    光吸収材は、少なくとも有色塗料、金属の真空蒸着膜、
    金属のスパッタ蒸着膜、セラミック材蒸着膜のいずれか
    一つであることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光
    透過溶接法。
  3. 【請求項3】前記被接合材は、ガラス、石英のいずれか
    であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
    のレーザ光透過溶接法。
  4. 【請求項4】前記被接合材のうちレーザ照射側は、ガラ
    ス、石英のいずれかであることを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2に記載のレーザ光透過溶接法。
  5. 【請求項5】前記レーザ光はYAGレーザであることを
    特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のレー
    ザ光透過溶接法。
  6. 【請求項6】前記レーザ光は複数ショットで被接合材界
    面に照射されることを特徴とする請求項1〜請求項5の
    いずれかに記載のレーザ光透過溶接法。
  7. 【請求項7】前記レーザ光透過溶接はクラックの発生を
    防止するために被接合材に適した高温雰囲気中で行うこ
    とを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の
    レーザ光透過溶接法。
  8. 【請求項8】レーザ光と、このレーザ光を集光し試料上
    に照射する集光手段と、レーザ光を走査する走査手段
    と、被接合材載置用のステージとによって構成され、前
    記レーザ光は複数に分岐され、被接合材に向けて照射で
    きることを特徴とするレーザ光透過溶接装置。
  9. 【請求項9】前記レーザ光は、YAGレーザであること
    を特徴とする請求項8に記載のレーザ光透過溶接装置。
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