JP4413059B2 - 光学部品ユニット用のレーザ接合装置および光学部品ユニットのレーザ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂によって形成された収容部品の内壁に沿って収容された光学部品を内壁に固定するための光学部品ユニット用のレーザ接合装置および光学部品ユニットのレーザ接合方法に関する。

熱可塑性樹脂製の収容部品に光学部品を固定する従来の方法としては、収容部品の光学部品を収める機構に絞めしろを設け、この収容部品を受け治具に固定し、アンビルと呼ばれるもので加える熱と圧力で絞めしろを変形させることで、光学部品を収容部品に固定する熱絞めを用いた固定方法がある。あるいは、紫外線硬化性の接着剤を用いて収容部品に光学部品を接着する固定方法が知られている。

一般的に、精度があまり必要でない場合には熱絞めを用いた固定方法を採用し、精度が必要な場合には紫外線硬化性の接着剤を用いる固定方法を採用する場合が多い。
ところで、従来ではレーザ溶接の方法によるガラスと樹脂との接合は非常に難しいものと考えられてきた。しかし、例えば、特許文献１に記載するように、最近になってレーザを用いてガラスと樹脂との接合が可能となってきた。この方法はレーザによって樹脂を局部的に熱溶融させて粘性流動状態となし、光学部品と樹脂製収容部品との間に樹脂が押し込められるようにするものである。
特願２００３−１３０６８８

前述した熱絞めを用いた固定方法では、光学部品および収容部品に対して各機種毎に専用のアンビルおよび受け治具が必要であり、機種の変更に伴ってアンビルおよび受け治具の作り直し、および位置調整が必要となる。

このため、従来の技術では製造する機種を切り替えて立ち上げるまでの時間が長くかかるので、光学部品と収容部品との固定にミクロンオーダーの精度が必要で、且つ光学部品と収容部品に多機種が存在し、製造工程で機種の切り替えサイクルが短い場合には生産性が低下するという問題が生じる。

一方、前述した紫外線硬化性の接着剤を用いる固定方法では、接着剤に紫外線を弱く照射した状態で光学部品の位置を調整し、その後接着剤が硬化するまで紫外線を照射するが、接着剤の硬化まで早くても１０秒程度の時間がかかるためにタクトが低下し、生産開始初期時から大量生産する場合には、生産性が低下する原因となる問題があった。

また、例えばカメラのレンズのように複数のレンズを一体の収納部品に固定する場合に、光軸方向におけるレンズと受け面との間に接着剤が入り込むことで、レンズの光軸方向の位置ずれによってレンズ間距離が変化して不良を作る原因となることもある。

さらに、光学部品の耐抜け強度がある程度に必要な光学部品ユニットの場合に、光学部品の側面にしか接着剤を塗布できないと、十分な耐抜け強度が得られないという問題もある。

従来のレーザ溶接の方法において、ガラスと樹脂との接合は非常に難しいものと考えられてきた理由は以下のものである。レーザ溶接は原子間の結合および化学的な結合が可能であるということが大きな前提であり、金属同士を接合する場合には原子間の結合が接合強度を左右し、樹脂同士を接合する場合には化学的な結合が接合強度を左右することが多い。

しかし、ガラスと樹脂とを接合する場合には、アンカー効果のような物理的な結合によってしか接合することができないので、原子間の結合および化学的な結合と比較すると、接合強度が２桁程度小さくなる。そのため、ガラスと樹脂とを接合する場合には、接合面積を広くする必要がある。接合面積を広くするためには、樹脂とガラスとの接合部となり得るところに樹脂を可能な限り充填しなければならない。しかし、粘性流動状態にある樹脂は、毛細管現象によって移動する等の性質に乏しいため、樹脂とガラスとの接合部となり得るところに十分に樹脂を充填することができない。

このため、従来のレーザを用いて光学部品を樹脂製の収容部品に固定する方法では、内壁を構成する樹脂を局部的に熱溶融させて粘性流動性状態となし、熱溶融した樹脂に対する重力の作用によって光学部品と内壁の間の隙間に樹脂を押し込んでいる。

しかし、特に内壁の光学部品からの高さが１ｍｍ以下の光学部品ユニットの場合、通常のスポットビームやビーム幅６００μｍ程度のラインビームを用いると、内壁全体が溶融するだけでなく、内壁上面よりも溶融痕が盛り上がり他の部品と干渉してしまう。

また、光学部品下面に対向する収容部品の受け面をレーザ照射してしまい、光学部品の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着したり、受け面の表面が溶融後固化するときに凹凸が生じ、光学部品間距離が変動することにより特性の低下を招く原因になることもある。

本発明の目的は、機種切り替え時の立ち上げ時間を短縮することができ、光学部品の下面へ分解ガスが付着したり、収容部品の受け面の表面に凹凸が生じることを防止できる光学部品ユニット用のレーザ接合装置および光学部品ユニットのレーザ接合方法を提供することにある。

本発明に係る光学部品ユニット用のレーザ接合装置は、樹脂製収容部品の内壁に光学部品を固定する光学部品ユニット用のレーザ接合装置であって、前記収容部品を保持する保持部材と、前記内壁にレーザラインビームを照射するレーザ照射手段と、前記光学部品の周囲全体に対して前記レーザラインビームが照射されるように前記レーザ照射手段を移動させる移動手段とを具備することを特徴とする。

本発明に係る光学部品ユニットのレーザ接合方法は、樹脂製収容部品の内壁に光学部品を固定する光学部品ユニットのレーザ接合方法であって、収容部品の内壁にレーザラインビームを照射するレーザ照射手段を、前記収容部品に嵌めこまれた光学部品の周囲全体に対して前記レーザラインビームが照射されるように移動させることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、様々な製品に対応することができ、樹脂の分解ガスが光学部品の表面へ付着することがなく、光学部品受け面に生じる凹凸に起因するレンズ間距離の変動という不良を防止できる。

本実施の形態に係る光学部品ユニットのレーザ接合方法は、樹脂によって形成された収容部品の内壁に沿って収容する光学部品を前記内壁に固定する光学部品ユニットのレーザ接合方法であって、長辺が前記内壁の周方向に沿った方向となるレーザラインビームを長辺方向に移動させながら前記内壁に照射し、レーザ照射部の樹脂を局部的な熱溶融によって粘性流動状態となし、この粘性流動状態の樹脂を前記光学部品と前記内壁との間に押し込めるものである。

このとき、レーザラインビームの移動方向に対する垂直方向にレーザラインビームの短辺が対向するため、溶融痕（溶融部の幅）が小さくなり、内壁上面よりも溶融痕が盛り上がって他の部品と干渉することが無い。

また、光学部品の下面に対向する収容部品の受け面をレーザラインビームによってレーザ照射することが無く、光学部品の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着することが無い。よって、従来のように、収容部品の受け面の表面が溶融後固化するときに凹凸が生じて、光学部品間距離が変動することにより特性の低下を招くことも無く、固定精度が必要な光学部品の固定において高精度に、かつ高い耐抜け強度を得ることができる。

タクトの面においても、レーザラインビームを長辺方向へ移動させることで、内壁の必要な長さにわたって樹脂を熱溶融させるための時間が短くて済む。このレーザラインビームを照射する方法では、専用治具を使用することなく収容部品の内壁に沿って光学部品を固定することができる。その結果、機種切り替え時の立ち上げ時間を短縮することができる。

前記内壁に照射するレーザラインビームはビーム幅が３００μｍ以下のものが好ましい。
これは、光学部品からの内壁上面までの高さが０．５ｍｍの収容部品にレーザラインビームを十分な耐抜け強度が得られるレーザパワーで照射するときに有効であり、ビーム幅が３００μｍ以下とすることで溶融痕（溶融部の幅）が小さくなり、内壁上面よりも溶融痕が盛り上がって他の部品と干渉することが無ない。また、光学部品の下面に対向する収容部品の受け面をレーザ照射することが無く、光学部品の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着することが無い。さらに、収容部品の受け面の表面が溶融後固化するときに凹凸が生じることに起因して光学部品間距離が変動して特性の低下を招くことも無い。

前記光学部品は、ガラスによって構成されたレンズであることが好ましい。
前記レンズは、凸レンズであることが好ましい。
前記収容部品は、円筒形状あるいは円筒形状の一部分を省いた形状であることが好ましい。

本実施の形態に係る光学部品ユニット用のレーザ接合装置は、樹脂によって形成された収容部品の内壁に沿って収容する光学部品を前記内壁に固定する光学部品ユニット用のレーザ接合装置であって、前記光学部品を収容した収容部品を保持する保持部材と、長辺が前記内壁の周方向に沿った方向となるレーザラインビームを長辺方向に移動させながら前記内壁に照射してレーザ照射部の樹脂を局部的な熱溶融によって粘性流動状態となし、この粘性流動状態の樹脂を前記光学部品と前記内壁との間に押し込める手段とを具備するものである。

上記した構成により、レーザビームの移動方向に対して垂直方向はラインビームの短辺側となるため、溶融痕（溶融部の幅）が小さくなり、内壁上面よりも溶融痕が盛り上がり他の部品と干渉することが無い。また、光学部品の下面に対向する収容部品の受け面をレーザ照射することが無く、光学部品の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着することが無い。

さらに、従来のように、受け面の表面が溶融後固化するときに凹凸が生じて、光学部品間距離が変動することにより特性の低下を招くことも無く、固定精度が必要な光学部品の固定において高精度に、かつ高い耐抜け強度を得ることができる。

タクトの面においても、レーザラインビームを長辺方向へ移動させることで、内壁の必要な長さにわたって樹脂を熱溶融させるための時間が短くて済む。このレーザラインビームを照射する方法では、専用治具を使用することなく収容部品の内壁に沿って光学部品を固定することができる。その結果、機種切り替え時の立ち上げ時間を短縮することができる。

収容部品の内壁にレーザラインビームを照射するレーザ照射手段は、レーザを出射するために設けられたレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した前記レーザを前記収容部品の内壁へ集光する集光光学系とを有することが好ましい。

前記集光光学系は、非球面レンズであることが好ましい。
前記集光光学系は、マスクと対面する２個の凸レンズを具備することが好ましい。
本発明の光学部品ユニット用のレーザ接合装置は、レーザを照射する内壁の位置を変更するためにレーザ照射手段を移動させる照射位置移動装置を具備することが好ましい。

前記照射位置移動装置は、レーザ照射手段を収容部品の内壁の周方向に沿って回転移動させることが好ましい。
前記収容部品は、円筒形状あるいは円筒形状の一部分を省いた形状であることが好ましい。

本実施の形態に係る光学部品ユニットにおいては、樹脂によって形成された収容部品と、前記収容部品の内壁に沿って収容された光学部品とを具備する光学部品ユニットであって、前記光学部品から前記内壁の頂端まで高さが１ｍｍ以下で、前記収容部品の内壁に溶融痕を有し、前記溶融痕は内壁を局部的に熱溶融させて粘性流動状態とした樹脂が前記光学部品と前記内壁との間に押し込められてなり、かつ前記内壁からの盛り上がりが０．１ｍｍ以下であり、且つ収容部品の光学部品受け面に溶融痕がないものである。

上記した構成により、固定精度が必要な光学部品の固定において高精度に、かつ高い耐抜け強度を有している。本実施の形態に係る光学部品ユニットは、本実施の形態に係る光学部品固定装置によって製造されるので、専用治具を使用することなく収容部品の内壁に沿って光学部品を固定することができる。その結果、機種切り替え時の立ち上げを短縮することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る光学部品固定装置１００の構成を示す模式図である。光学部品ユニット用のレーザ接合装置をなす光学部品固定装置１００は、光学部品をなす凸レンズ８が収容された収容部品５を保持する保持部材９を備えている。

収容部品５は内壁６が形成された円筒形状をなしており、ポリカーボネイトにカーボンブラックを混入させた材料によって形成されている。凸レンズ８は収容部品５に形成された内壁６に沿って保持されている。

光学部品固定装置１００にはレーザ照射装置１が設けられており、レーザ照射装置１は集光光学系２およびレーザ光源３を有している。
レーザ光源３は、収容部品５に形成された内壁６を構成する樹脂を粘性流動状態となし、かつ局所的に分解が起こる状態にすることができる波長８１０ｎｍのレーザ１１を照射する。集光光学系２は、レーザ光源３から出射したレーザ１１を収容部品５の内壁６へビーム幅３００μｍ以下のレーザラインビームとするものであり、１個の非球面レンズであることが小型、軽量なため好ましい。集光光学系２は、複数の凸レンズや凹レンズあるいは非球面レンズの組み合わせでも、ビーム幅３００μｍ以下に集光が可能であれば、特に問題は無い。

光学部品固定装置１００は集光光学系駆動装置１０を備えており、集光光学系駆動装置１０は、集光光学系２をｘｙｚ方向と角度をあおることによって、集光光学系２の位置および傾きを調整するために設けられている。

また、光学部品固定装置１００には、収容部品５に収容された凸レンズ８の軸の周りにレーザ照射装置１を回転移動させる照射位置移動装置４が設けられており、照射位置移動装置４によるレーザ照射装置１の回転移動によって、レーザ照射光源３から照射するレーザラインビーム１１が当たる内壁６の位置を、凸レンズ８の周囲全体に対してレーザが照射されるように移動させる。

以下に、光学部品固定装置１００の動作を説明する。図２は、本実施の形態に係る光学部品固定装置１００によって、凸レンズ８を収容部品５の内壁６に固定する方法を説明するための断面図である。

まず、収容部品５を保持部材９に固定する。そして、凸レンズ８を収容部品５の内壁６に沿って嵌め込む。次に、レーザ照射装置１のレーザ光源３からレーザを出射し、集光光学系２を透過したレーザラインビーム１１をその長辺が内壁６の周方向に沿った方向となるように収容部品５の内壁６に照射する。そして、照射位置移動装置４によってレーザ照射装置１を回転移動させてレーザラインビーム１１を長辺方向に移動させる。

レーザラインビーム１１が照射された収容部品５の内壁６は、照射されたレーザラインビーム１１によって加熱されて軟化・溶解する。このとき、レーザラインビーム１１が照射される幅より広い部分で熱伝導により軟化・溶解が起こり、軟化・溶解した内壁６は局所的に分解を始める。

この分解時に発生する反力１２によって、収容部品５の内壁６において粘性流動状態にある樹脂に、重力の作用方向に向かう力が加わり、樹脂が凸レンズ８と収容部品５の内壁６との間の数十マイクロメータ（μｍ）の隙間に押し込められる。その結果、収容部品５に凸レンズ８が固定され、照射位置移動装置４によってレーザ照射装置１が回転移動することにより、凸レンズ８の周縁全体に渡って数秒で固定が行われる。

このとき、レーザラインビーム１１の移動方向に対する垂直方向にレーザラインビーム１１の短辺（幅）が対向してビーム幅３００μｍ以下のレーザラインビーム１１が照射さるので、収容部品５の内壁６に形成される溶融痕（溶融部の幅）が小さくなり、溶融痕が内壁６の上面よりも盛り上がって他の部品と干渉するようなことが無く、凸レンズ８の下面に対向する収容部品５の受け面１３をレーザ照射することが無く、凸レンズ８の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着することが無い。

さらに、収容部品５および凸レンズ８の形状が機種変更によって変わった場合には、レーザ焦点位置およびレーザ照射位置を、集光光学系２を集光光学系駆動装置１０によって動かして変更することで対応する。

以上のように本実施の形態によれば、内壁６へのレーザラインビーム１１の照射によって内壁６を構成する樹脂が局部的に熱溶融して粘性流動状態となり、その熱溶融時に発生する反力１２の作用によって凸レンズ８と内壁６との隙間に樹脂が押し込められるので、専用治具を使用することなく収容部品５の内壁６に沿って凸レンズ８を固定することができる。

また、内壁６の上面からの溶融痕の盛り上がりが無いために他の部品との干渉が起こらず、様々な製品に対応することができる。収納部品の受け面にレーザが照射されないので、受け面の分解ガスが凸レンズ８の裏面へ付着する不良を防止することが可能となり、受け面における溶融痕の凹凸の発生に起因するレンズ間距離の変動という不良を防止することができる。

さらに、レーザラインビーム１１を長辺方向へ移動させることで、内壁６の必要な長さにわたって樹脂を熱溶融させるための時間が短くて済む。また、レーザ焦点位置およびレーザ照射位置を集光光学系駆動装置１０によって変更することで、機種切り替え時の立ち上げ時間を短縮することができる。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態にかかる光学部品固定装置１００の構成を示す模式図である。図１に示した光学部品固定装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図３において、収容部品５は内壁６を形成する円筒形状の一部分を省いた形状をしており、例えば上から見て凸レンズ８の周囲に３等配分して内壁６を形成し、３等配分した内壁６と内壁６の間に間隙を形成する。

光学部品固定装置１００はチャック機構（図示省略）を備えており、チャック機構は収容部品５の３等配分した内壁６と内壁６の間の間隙において作動する爪等の把持手段を有し、凸レンズ８を把持して収容部品５に対する凸レンズ８の位置を数μｍオーダー以下の精度によって調整する構成をなす。チャック機構は凸レンズ８を把持する機構を有するものであれば如何なるものでも適用可能であり、詳細な説明を省略する。

それぞれにレーザ光源３を備えた３つのレーザ照射装置１は１２０°等配分で配置しており、照射位置移動装置４は各レーザ照射装置１から照射するレーザ１１が凸レンズ８の周囲の１／３、つまり３等配分した内壁６にのみに照射されるように各レーザ照射装置１を同時に回転移動させる。

このように構成された光学部品固定装置１００の動作を説明する。まず、収容部品５を保持部材９に固定する。そして、凸レンズ８を収容部品５の内壁６に沿って嵌め込む。次に、レーザ照射装置１のレーザ光源３からレーザ１１を出射し、集光光学系２を透過したレーザラインビーム１１をその長辺が内壁６の周方向に沿った方向となるように収容部品５の内壁６に照射する。そして、照射位置移動装置４によって複数のレーザ照射装置１を回転移動させてレーザラインビーム１１を長辺方向に移動させる。

レーザラインビーム１１が照射された収容部品５の内壁６は、照射されたレーザラインビーム１１によって加熱されて軟化・溶解する。このとき、レーザラインビーム１１が照射される幅より広い部分で熱伝導により軟化・溶解が起こり、軟化・溶解した内壁６は局所的に分解を始める。

この分解時に発生する反力１２によって、収容部品５の内壁６において粘性流動状態にある樹脂に、重力の作用方向に向かう力が加わり、樹脂が凸レンズ８と収容部品５の内壁６との間の数十マイクロメータ（μｍ）の隙間に押し込められる。その結果、収容部品５に凸レンズ８が固定され、照射位置移動装置４によって３台のレーザ照射装置１を同時に回転させることにより、数秒で固定が行われる。

このとき、レーザラインビーム１１の移動方向に対する垂直方向にレーザラインビーム１１の短辺（幅）が対向してビーム幅３００μｍ以下のレーザラインビーム１１が照射さるので、収容部品５の内壁６に形成される溶融痕（溶融部の幅）が小さくなり、溶融痕が内壁６の上面よりも盛り上がって他の部品と干渉するようなことが無く、凸レンズ８の下面に対向する収容部品５の受け面１３をレーザ照射することが無く、凸レンズ８の下面の表面に樹脂の分解ガスが付着することが無い。

また、収容部品５および凸レンズ８の形状が機種変更によって変わった場合には、レーザ焦点位置およびレーザ照射位置を、集光光学系２を集光光学系駆動装置１０によって動かして変更することで対応する。

以上のように、本実施の形態では、凸レンズ８の中心からの１２０゜等配分位置３箇所を同時にレーザ照射するため、熱変形に伴う位置ずれおよび残留応力を緩和することができ、精度の高いレンズ固定を実現することができる。また、３箇所同時にレーザラインビーム１１を照射するため、加工タクトを半減することができる。また、内壁６の上面からの溶融痕の盛り上がりが無いために他の部品との干渉が起こらず、様々な製品に対応することができる。また、受け面１３の溶融痕が無いため、受け面１３の分解ガスが凸レンズ８の裏面へ付着する不良を防止することが可能となる。さらに、受け面１３のレーザ照射による凹凸の発生に起因するレンズ間距離の変動という不良を防止することも可能となる。

（実施の形態３）
本実施の形態は、図４に示すように、レーザ光源３から照射されたレーザを２組の凸レンズからなる集光光学系２により、収容部品５の内壁６にビーム幅３００μｍ以下の集光されたレーザラインビーム１１として照射する以外は、先の実施の形態２と同様である。

ビーム幅をより小さくする場合には、集光光学系２の後ろに、マスク１４を設置しても良い。
本実施の形態においても、凸レンズ８の中心からの１２０゜等配分位置３箇所を同時にレーザ照射するため、熱変形に伴う位置ずれおよび残留応力を緩和することができ、精度の高いレンズ固定を実現することができる。また、３箇所同時にレーザラインビーム１１を照射するため、加工タクトを半減することができる。また、内壁６の上面からの溶融痕の盛り上がりが無いために他の部品との干渉が起こらず、様々な製品に対応することができる。また、受け面１３の溶融痕が無いため、受け面１３の分解ガスが凸レンズ８の裏面へ付着する不良を防止することが可能となる。さらに、受け面１３のレーザ照射による凹凸の発生に起因するレンズ間距離の変動という不良を防止することも可能となる。

以上のように本発明は、溶融痕が内壁の上面から盛り上がらず、他の部品と干渉してしまう不良が生じないためコストが低く生産性が向上し、機種切り替え時の立ち上げ時間が短くて生産性が向上するので、光学部品ユニットのレーザ接合方法、光学部品ユニット用のレーザ接合装置および光学部品ユニットに利用できる。

本発明の実施の形態１に係る光学部品固定装置の構成を示す模式図 同光学部品固定装置によって光学部品を収容部品の内壁に固定する方法を説明するための断面図 本発明の実施の形態２に係る光学部品固定装置の構成を示す模式図 本発明の実施の形態３に係る光学部品固定装置の構成を示す模式図

符号の説明

１ レーザ照射装置
２ 集光光学系
３ レーザ光源
４ 照射位置移動装置
５ 収容部品
６ 内壁
７ 樹脂
８ 凸レンズ
９ 保持部材
１０ 集光光学系駆動装置
１１ レーザ
１２ 反力
１３ 受け面
１４ マスク
１００ 光学部品固定装置

Claims (7)

1. 樹脂製収容部品の内壁に光学部品を固定する光学部品ユニット用のレーザ接合装置であって、前記収容部品を保持する保持部材と、前記内壁にレーザラインビームを照射するレーザ照射手段と、前記光学部品の周囲全体に対して前記レーザラインビームが照射されるように前記レーザ照射手段を移動させる移動手段とを具備することを特徴とする光学部品ユニット用のレーザ接合装置。
2. レーザラインビームのビーム幅が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光学部品ユニット用のレーザ接合装置。
3. レーザ照射手段は、マスクと、対面する２個の凸レンズとを具備することを特徴とする請求項１または２記載の光学部品ユニット用のレーザ接合装置。
4. 前記移動手段として、レーザ照射手段を収容部品の内壁の周方向に沿って回転移動させる照射位置移動手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学部品ユニット用のレーザ接合装置。
5. 樹脂製収容部品の内壁に光学部品を固定する光学部品ユニットのレーザ接合方法であって、収容部品の内壁にレーザラインビームを照射するレーザ照射手段を、前記収容部品に嵌めこまれた光学部品の周囲全体に対して前記レーザラインビームが照射されるように移動させることを特徴とする光学部品ユニットのレーザ接合方法。
6. 内壁に照射するレーザラインビームのビーム幅が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の光学部品ユニットのレーザ接合方法。
7. レーザ照射手段を収容部品の内壁の周方向に沿って回転移動させることを特徴とする請求項５または６記載の光学部品ユニットのレーザ接合方法。

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