JP4127986B2

JP4127986B2 - 調芯固定方法および調芯固定装置

Info

Publication number: JP4127986B2
Application number: JP2001244021A
Authority: JP
Inventors: 秀和小寺; 宏敏米澤; 圭一福田; 努太田; 寿夫鈴木; 稔久宮崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003057496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光素子モジュールの製造方法及びその製造装置に関し、特に、光素子モジュールの調芯固定方法及び調芯固定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光素子からの発光をレンズで集光して光ファイバに入射させる通信用光素子モジュールでは、良好な光結合を得るために、特に、光素子とレンズとの光軸調整を行った後に両部品の接合を行っている。
【０００３】
図７は、全体が５００で表される、従来の調芯固定装置の概略図である。調芯固定装置５００は、２つのレーザヘッド部搭載ステージ４、光素子調芯ステージ５、及びレンズクランプ部搭載ステージ２３からなる。
ヘッド部搭載ステージ４上には、レーザヘッド４ａ、４ｂがそれぞれ設けられている。また、光素子調芯ステージ５上には、光素子取り付けカセット８が設けられている。光素子取り付けカセット８には凹部が設けられ、その中に光素子９が載置された基板１１が嵌めこまれる。
【０００４】
レンズクランプ部搭載ステージ２３は、レンズクランプ３を有し、レンズ１０が低融点ガラスで固定されたレンズホルダ１３が、レンズクランプ３により光素子取り付けカセット８上に運ばれる。図８（ａ）に示すように、光素子９が載置された基板１１の側面のレンズ取り付け位置（接合面）１２上に、レンズホルダ１３が載せられる。
【０００５】
光素子取り付けカセット８の上方には、対物レンズ７を備えた撮像カメラ６が載置されている。かかる撮像カメラ６を用いて、光素子９とレンズ１０との光軸調整が行われた後、レンズ取り付け位置１２上にレンズホルダ１３が固定される。
これにより、図８（ｂ）に示すように、光素子９の光軸とレンズ１０の光軸とが一致した光素子モジュールが得られる。かかる光素子モジュールを用いることにより、光素子９からの発光を、その光軸４０上に配置された光ファイバ２１に入射させることができる。
【０００６】
次に、図９を参照しながら、調芯固定装置５００を用いた調芯固定方法について説明する。調芯固定方法は、（１）光素子位置合わせ工程、（２）レンズ位置合わせ工程、及び（３）溶接固定工程からなり、各工程について以下に説明する。
【０００７】
（１）光素子位置合わせ工程：図９（ａ）に示すように、光素子９が載置された基板１１を光素子取り付け用カセット（図示せず）に固定した状態で、光素子９を発光させる。光素子９は、例えば、半導体レーザや発光ダイオードからなる。光素子９からの発光は、対物レンズ７で集光されて、光素子取り付け用カセットの上部に設けられた撮像カメラ６に入る。
符号３１は、撮像カメラ６の視野を示す。光スポット３２が視野３１の基準位置に来るように、光素子調芯ステージ（図示せず）の位置を調整して、光軸４０の調芯を行う。
【０００８】
（２）レンズ位置合わせ工程：図９（ｂ）に示すように、レンズクランプ３により、レンズホルダ１３に固定されたレンズ１０を基板１１上に載置する。光素子９から出射された発光は、レンズ１０を通った後に対物レンズ７で集光されて撮像カメラ６に入射する。続いて、撮像カメラ６を上下方向に移動させて、撮像カメラ６の視野３１上の光スポット３２のピントを合わせる。
【０００９】
（３）溶接固定工程：レーザヘッド（図示せず）からレーザ光を照射して、光素子９を搭載している基板１１とレンズホルダ１３とを溶接して固定する。
以上のような工程で、光素子６とレンズ１０とが一体化された光素子モジュールが完成する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板１１上の所定の位置にレンズホルダ１３を載置した場合であっても、光素子６の基板１１に対する実装精度のばらつきや、レンズホルダ１３に対するレンズ１０の実装精度のばらつきにより、図９（ｂ）に示すように、光スポット３２が視野３１の基準位置からずれる場合がある。即ち、光素子６の光軸４０とレンズ１０の主軸４２が合わない場合がある。
【００１１】
そのため、レンズホルダ１３の位置を移動させ、光スポット３２を視野３１の基準位置に合わせる。即ち、光素子９の光軸４０とレンズ１０の主軸４２を合わせる（光軸調整）。しかしながら、光軸調整時、図１０（ｂ）に示すように、（α）の状態から（β）の状態になるようにレンズホルダ１３を移動させると、レーザ溶接時、レンズホルダ１３の両側に生成される接合部１５ａ、１５ｂが両側で不均一となり（図１０（α）（β））、レーザ溶接不良や、接合面のずれによる光軸ずれが発生するという問題があった。
【００１２】
前項の問題を回避するため、レンズホルダ１３の位置を固定しておいて、光素子９を載置した基板１１の位置を移動させて、光軸を一致させることもできる。即ち、レンズ１０の主軸４２を基準として、光素子９の光軸を合わせる。この場合、次の手順で行う。図１１において、点Ａ、Ｂ、Ｃは、撮像カメラ上の点であり、点Ａはレンズ１０を配置する前の光素子９の光軸位置、点Ｂはレンズ１０を配置した後の光軸の位置である。光素子９を移動させて光軸を合わせるためには、図１１に示される点Ａ、点Ｂの位置、及びレンズ倍率からレンズの主点位置（点C）を求め、ここに、光素子９の光軸が合うように、光素子９を移動させる必要がある。ここで、レンズ倍率は、光素子９とレンズ１０の主点位置の距離ａ、レンズ１０の焦点距離から計算できる。しかしながら、光素子９の基板に対する実装精度のばらつき等により、光素子９とレンズ１０の主点位置の距離ａがばらつくため、レンズ倍率が一意に定まらない。そのため、この方法では、一意にレンズ主点（点C）位置、即ち、光軸調芯ターゲット位置を定めることができないという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、第１に、光素子を固定した状態でレンズを動かして光軸調整を行う光軸の調芯固定において、溶接不良の発生を防止した調芯固定方法及び装置を提供することを目的とする。第２に、レンズを固定した状態で光素子を動かして光軸調整を行う光軸の調芯固定において、光素子やレンズの実装精度に影響されない調芯固定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、光デバイスと光学レンズの光軸を、調芯、固定する方法において、光デバイスを保持する工程と、該光デバイスの発光面に対向するように撮像装置を配置する工程と、該光デバイスを発光させて、その光軸が該撮像装置と交わる基準位置を検出する工程と、該光デバイス上に、光学レンズを保持する工程と、該光学レンズを通過する該光軸が該撮像装置と交わる検出位置を検出する工程と、該光デバイスまたは該光学レンズを移動させて、該検出位置を該基準位置に一致させる移動工程と、該移動工程後に、該光デバイスと該光学レンズにレーザヘッドからレーザ光を照射して、該光デバイス上に該光学レンズを接合する工程とを含み、該移動工程が、該レーザヘッドと該光学レンズとの相対的な配置を変えずに、該光学レンズを移動させる工程、または該レーザヘッドと該光学レンズを固定し、該光デバイスを移動させる工程であることを特徴とする調芯固定方法である。
かかる方法を用いることにより、光デバイスと光学レンズとを均一に溶接することができるため、溶接不良や光軸ずれ等を防止できる。
ここで、光デバイスには、基板に固定された光素子等が該当する。
【００１５】
上記移動工程は、上記光学レンズを保持する保持具と上記レーザヘッドとを同一支持台上に設け、該支持台を移動させる工程であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、光デバイスと光学レンズとの光軸を一致させて固定する調芯固定装置において、光デバイスが固定された固定具と、該光デバイスからの発光が入射するように配置された撮像装置と、該光デバイス上に、光学レンズが保持された保持具と、該光デバイスと該光学レンズにレーザ光を照射して、該光デバイス上に該光学レンズを接合するレーザヘッドと、該保持具と該レーザヘッドとが載置された支持台とを含み、該支持台を移動させて、該光デバイスの光軸上に該光学レンズの位置を調芯して、該光デバイスと該光学レンズとを該レーザ光で溶接する、又は該光デバイスを移動させて、該光デバイスと該光学レンズとの光軸を一致させ、該光デバイスと該光学レンズとを該レーザ光で溶接することを特徴とする調芯固定装置でもある。
かかる調芯固定装置を用いることにより、光デバイスと光学レンズを良好に接合することができる。この結果、信頼性が高く、光軸合わせの精度の高い光モジュールを得ることができる。
【００１７】
上記レーザヘッドと上記光学レンズとの相対的な配置は、一定に保たれる。
【００１８】
上記レーザヘッドは、該レーザヘッドの位置の微調整を行うステージを含むことが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる調芯固定装置の概略図である。図１中、図７と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図１に示すように、調芯固定装置１００は支持台１を有し、支持台１の下方にはレンズ保持部調芯ステージ２が設けられている。支持台１の上には、レンズクランプ機構３を備えたレンズクランプ部搭載ステージ２３と、レーザヘッド４ａ、４ｂを備えた２つのレーザーヘッド部搭載ステージ４とが設けられている。
【００２０】
また、調芯固定装置１００は、光素子調芯ステージ５を含む。光素子調芯ステージ５上には、着脱式の光素子取り付け用カセット８が載置されている。光素子取り付け用カセット８は凹部（図示せず）を備え、光素子９が搭載された基板１１がかかる凹部内に挿入されて保持される。
【００２１】
一方、光素子調芯ステージ５の上方には、例えば赤外線カメラからなる撮像カメラ６と対物レンズ７とが設けられている。これらは、光素子９の光軸調整に用いられる。
【００２２】
図２には、調芯固定装置１００を含む制御システムを示す。図２は、撮像光学系、レンズ位置合わせ部、光素子位置合わせ部、全体制御装置２０、光素子駆動電源部１８、位置合わせ機構駆動部１９、画像処理部１７で構成される。
【００２３】
撮像光学系は、撮像カメラ６、対物レンズ７、及び光素子の光軸方向であるＺ軸方向に移動する移動機構１６を含む。
【００２４】
レンズ位置合わせ部は、レンズホルダ１３を保持するレンズクランプ３、レンズクランプ部搭載ステージ２３を含む。レンズクランプ部搭載ステージ２３は、ＸＹＺの３方向に移動可能な移動機構である。
【００２５】
光素子位置合わせ部は、光素子９を搭載している基板１１を保持、固定する光素子取り付け用カセット８、光素子調芯ステージ５を含む。光素子調芯ステージ５は、ＸＹの２方向に移動可能な移動機構である。
【００２６】
レーザヘッド４ａ、４ｂは、個別に照射位置を調整できるように、ＸＹＺ方向に位置調整が可能なレーザヘッド部搭載ステージ４に載置されている。レーザヘッドとレンズ位置合わせ部は、同一の保持台１上に搭載されている。
【００２７】
図２に示すように、撮像カメラ６は、画像処理部１７に接続される。画像処理部１７において、入力画像データの重心演算等を行なってデータを算出する。全体処理装置２０は、得られたデータを元に、レンズホルダ１３の位置補正量を算出して、そのデータを位置合わせ機構駆動部１９に出力する。位置合わせ機構駆動部１９では、入力されたデータを元に内蔵のモータ等を駆動し、レンズホルダ１３又は光素子１０の位置合わせを行う。
【００２８】
次に、本実施の形態１にかかる調芯固定装置１００を用いた調芯固定方法について、図３を参照しながら説明する。
【００２９】
（１）部品の搭載、及び調芯準備工程（図３（ａ））：光素子９が載置された基板１１を、光素子取り付け用カセット８の凹部に取り付けた後、光素子取り付け用カセット８を光素子調芯ステージ５に取り付ける。次に、光素子９を発光させ、その光軸３１の位置（基準位置）を、対物レンズ７を通して撮像カメラ６により検出する。
【００３０】
（２）レンズの取り付け工程（図３（ｂ））：レンズクランプ機構部３に、レンズホルダ１３を取り付ける。
次に、撮像カメラ６をＺ軸方向に移動させて、光素子９から出射した光のピントが、撮像カメラ６上で合うようにし、その点を検出位置とする。
続いて、検出位置が基準位置と一致するように、保持台１の位置を微調整する。かかる工程では、レーザヘッド４ａ、４ｂの位置は、レンズホルダ１３の位置とともに移動するため、レーザヘッド４ａ、４ｂとレンズホルダ１３との相対的な位置は変化しない。
【００３１】
（３）溶接固定工程（図３（ｃ））：レーザヘッド４ａ、４ｂからレーザ光３０ａ、３０ｂを照射して、基板１１とレンズホルダ１３とを溶接する。
【００３２】
図４（ａ）に、上述の溶接固定工程の概略図を示す。（α）（β）はいずれも光素子９とレンズ１０との光軸を調整した状態であるが、（α）の場合に比べて、（β）の場合は、レンズホルダ１３が基板１１に対して左側にずれている。これは、光素子９やレンズ１０の実装精度のばらつきに起因するものである。
しかしながら、本実施の形態にかかる調芯固定装置１００では、レンズホルダ１３とレーザヘッド４ａ、４ｂとの相対的な位置が変わらないため、（β）の場合でもレンズホルダ１３の両側に均等にレーザビーム３０ａ、３０ｂを照射することができる。このため、上述の図１０の場合とは異なり、レンズホルダ１３の両側にほぼ均等な溶接部１５ａ、１５ｂを形成することができる。よって、レーザの照射位置ずれや焦点位置ずれに起因する溶接不良等の発生を防ぐことができる。
【００３３】
実施の形態２．
図５は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる調芯固定装置の概略図である。図５中、図１と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
調芯固定装置２００は、着脱式の光素子取り付け用カセット８及び撮像カメラ６を備えた光素子調芯ステージ５と、レンズクランプ３を備えたレンズクランプ部搭載ステージ２３と、レーザヘッド４ａ、４ｂを搭載したレーザヘッド部搭載ステージ４から構成されている。
光素子取り付け用カセット８は、光素子調芯ステージ５上に載置されたフレーム２５の上に着脱可能なように固定される。フレーム２５には、撮像カメラ６が取り付けられ、撮像カメラ６が光素子取り付け用カセット８の上方に固定されている。撮像カメラ６には、対物レンズ７が設けられている。
【００３４】
調芯固定装置２００の制御システムは、上記実施の形態１と同じく、図２に示される。撮像カメラ６は、画像処理部１７に接続される。画像処理部１７において、入力画像データの重心演算等を行ってデータを算出する。全体処理装置２０は、得られたデータを元に、光素子１０の位置補正量を算出して、そのデータを位置合わせ機構駆動部１９に出力する。位置合わせ機構駆動部１９では、入力されたデータを元に内蔵のデータ等を駆動し、光素子１０の位置合わせを行う。
【００３５】
次に、本実施の形態２にかかる調芯固定装置２００を用いた調芯固定方法について説明する。
【００３６】
（１）部品の搭載、及び調芯準備工程：上記実施の形態１の場合と同じである。かかる工程で、光素子９を発光させる。図６に示すように、光軸４０が撮像カメラ（図示せず）と交わる位置を、基準位置Ａとする。
【００３７】
（２）レンズの取り付け工程：レンズクランプ部３に、レンズホルダ１３を取付ける。
次に、撮像カメラ６をＺ軸方向に移動させて、光素子９から出射された光のピントが、撮像カメラ６上で合うようにし、その点を検出位置Ｂとする。
続いて、検出位置Ｂが基準位置Ａと一致するように、フレーム２５を移動させる。このように、フレーム２５を移動させると、光素子９と撮像カメラ６が、相対的な配置を変えることなく移動する。この結果、図６に示すように、最初に検出した基準位置Ａに、検出位置Ｂが一致するようにすればよい。
【００３８】
図６に示すように、単に、検出位置Ｂが基準位置Ａに一致するようにフレーム２５を移動させればよく、従来の方法のように、レンズ倍率等を考慮する必要はなく、正確に光軸を調整できる。
【００３９】
なお、レーザヘッド４ａ、４ｂとレンズホルダ１３は、共に移動させないため、相対的な位置関係は変化しない。そのため、最初に、レンズホルダ１３の両側に、接続部１５ａ、１５ｂを均等に形成するよう、レンズホルダ１３に対して、レーザヘッド４ａ、４ｂの位置を設定しておけばよい（図４参照）。
【００４０】
（３）溶接固定工程：レーザヘッド４ａ、４ｂからレーザ光３０ａ、３０ｂを照射して、基板１１とレンズホルダ１３とを溶接する。
【００４１】
実施の形態３．
図４（ａ）（ｂ）に表される光素子９を搭載した基板１１と、その上に結合されるレンズ等の光学部品のうち、レーザヘッドと共に移動するのは、接合面の面積の小さい方であることとする。
即ち、光学部品の接合面積が小さい場合、レーザヘッドと共に移動するのは、光学部品であるとする。本事例として、例えば、実施の形態１（図１）が挙げられる。
また、光素子を搭載した基板の接合面積が小さい場合、レーザヘッドと光デバイスと撮像装置が共に動く構造とする。本事例として、例えば、実施の形態２（図５）において、光素子調芯ステージ５上に載置されたフレーム２５の上に、光素子取り付け用カセット８、撮像カメラ６に加え、レーザヘッド４ａ、４ｂが取り付けられる構造が挙げられる。
【００４２】
図４（ａ）（ｂ）の（α）（β）はいずれも光素子９とレンズ１０との光軸を調整した状態であるが、（α）の場合に比べて（β）の場合は、レンズホルダ１３が基板１１に対して左側にずれている。これは、光素子９やレンズ１０の実装ばらつきに起因するものである。
しかしながら、本実施の形態にかかる上述の調芯固定装置では、レーザヘッド４ａ、４ｂと接合面の面積の小さい方の部品との相対的な位置関係が変わらないため、接合面の面積の小さい方の部品に対し、均等にレーザビーム３０ａ、３０ｂを照射することができる。このため、接合面の面積の小さい方の部品の両側に均等な溶接部１５ａ、１５ｂを形成することができる。よって、レーザの照射位置ずれや焦点ずれに起因する溶接不良や光軸ずれの発生を防ぐことができる。
また、光素子９と撮像カメラ６が相対的な位置を変えることなく移動するため、従来の方法のように、レンズ倍率を考慮する必要がなく、正確に光軸を調整できる。
【００４３】
【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、光デバイスと光学部品を、均一に溶接することができる。
【００４４】
また、本発明によれば、光学部品を固定し光デバイスを移動させて光軸合わせを行う場合にも、正確に光軸合わせを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる調芯固定装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる調芯固定装置を含む制御システムである。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる調芯固定方法の工程図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる調芯固定方法の工程図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる調芯固定装置の概略図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる調芯固定方法の工程図である。
【図７】従来の調芯固定装置の概略図である。
【図８】従来の調芯固定方法の工程図である。
【図９】従来の調芯固定方法の工程図である。
【図１０】従来の調芯固定方法の工程図である。
【図１１】従来の調芯固定方法の工程図である。
【符号の説明】
１支持台、２レンズ保持部調芯ステージ、３レンズクランプ、４レーザヘッド部搭載ステージ、４ａ、４ｂレーザヘッド、５光素子調芯ステージ、６撮像カメラ、７対物レンズ、８光素子取り付け用カセット、９光素子、１０レンズ、１１基板、１２レンズ取り付け位置、１３レンズホルダ、１5ａ、１５ｂ溶接部、１６移動機構、１７画像処理装置、１８光素子駆動用電源、１９位置合わせ機構駆動部、２０全体処理部、３０ａ、３０ｂレーザ光、１００調芯固定装置。

Claims

光デバイスと光学レンズの光軸を、調芯、固定する方法において、
光デバイスを保持する工程と、
該光デバイスの発光面に対向するように撮像装置を配置する工程と、
該光デバイスを発光させて、その光軸が該撮像装置と交わる基準位置を検出する工程と、
該光デバイス上に、光学レンズを保持する工程と、
該光学レンズを通過する該光軸が該撮像装置と交わる検出位置を検出する工程と、
該光デバイスまたは該光学レンズを移動させて、該検出位置を該基準位置に一致させる移動工程と、
該移動工程後に、該光デバイスと該光学レンズにレーザヘッドからレーザ光を照射して、該光デバイス上に該光学レンズを接合する工程とを含み、
該移動工程が、該レーザヘッドと該光学レンズとの相対的な配置を変えずに、該光学レンズを移動させる工程、または該レーザヘッドと該光学レンズを固定し、該光デバイスを移動させる工程であることを特徴とする調芯固定方法。
上記移動工程が、上記光学レンズを保持する保持具と上記レーザヘッドとを同一支持台上に設け、該支持台を移動させる工程であることを特徴とする請求項１に記載の調芯固定方法。
光デバイスと光学レンズとの光軸を一致させて固定する調芯固定装置において、
光デバイスが固定された固定具と、
該光デバイスからの発光が入射するように配置された撮像装置と、
該光デバイス上に、光学レンズが保持された保持具と、
該光デバイスと該光学レンズにレーザ光を照射して、該光デバイス上に該光学レンズを接合するレーザヘッドと、
該保持具と該レーザヘッドとが載置された支持台とを含み、
該支持台を移動させて、該光デバイスの光軸上に該光学レンズの位置を調芯して、該光デバイスと該光学レンズとを該レーザ光で溶接する、又は該光デバイスを移動させて、該光デバイスと該光学レンズとの光軸を一致させ、該光デバイスと該光学レンズとを該レーザ光で溶接することを特徴とする調芯固定装置。
上記レーザヘッドと上記光学レンズとの相対的な配置が一定に保たれることを特徴とする請求項３に記載の調芯固定装置。
上記レーザヘッドが、該レーザヘッドの位置の微調整を行うステージを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の調芯固定装置。