JP2010253500A - レーザ溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】芯線が細く電極の面積が小さい場合であってもレーザ光照射により良好に電極と芯線とを互いに溶接することができるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザ光照射により基板２０上の電極２１と同軸ケーブル１０の芯線１１とを互いに溶接する方法であって、接続箇所において電極２１と芯線１１とを互いに接触させ、レーザ光Ｌ１を透過させる透明材料からなる押圧部材３１を接続箇所周辺に押し当てて押圧部材３１と電極２１との間に芯線１１を挟み、押圧部材３１側からレーザ光Ｌ１を照射して芯線１１の一部を溶融させ、電極２１と芯線１１とを互いに接続する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザ光照射により基板２０上の電極２１と同軸ケーブル１０の芯線１１とを互いに溶接する方法であって、接続箇所において電極２１と芯線１１とを互いに接触させ、レーザ光Ｌ１を透過させる透明材料からなる押圧部材３１を接続箇所周辺に押し当てて押圧部材３１と電極２１との間に芯線１１を挟み、押圧部材３１側からレーザ光Ｌ１を照射して芯線１１の一部を溶融させ、電極２１と芯線１１とを互いに接続する。
【選択図】図１
Description
本発明は、レーザ光照射により電極と芯線とを溶接する方法に関するものである。
特許文献１，２には、レーザ光照射により電極と芯線とを互いに接続する方法に関する発明が開示されている。特許文献１に開示された発明では、基板上の電極と同軸ケーブルの芯線とを互いに接触させた状態でレーザ光を照射して電極と芯線とを互いに接続する。また、特許文献２に開示された発明では、電極に対して芯線の位置を治具により固定した状態でレーザ光を照射して電極と芯線とを互いに接続する。ここで用いられる治具は、一方の主面に芯線の径より大きいサイズの凹部を有していて、その治具の主面と電極面とを互いに接触させた際に生じる空間に芯線を配置することで、電極に対して芯線の位置を固定する。
特許文献１に開示された発明では、単に電極と芯線とを互いに接触させるだけであるから、芯線の細径化に伴い、柔らかい芯線が折れ曲がり易くなって、接続不良が生じ易い。特許文献２に開示された発明では、電極に対して芯線の位置を固定した状態でレーザ光を照射して電極と芯線とを互いに接続するので、このような芯線が折れ曲がることに因り生じる問題を解消し得る。
しかし、特許文献２に開示された発明では、芯線の細径化が進むとともに電極の面積が小さくなると、芯線の位置を固定するための治具と電極との接触面積が小さくなるので、このような治具を用いて芯線を電極に固定することが困難となって、固定が不充分であることに因り接続不良が生じ易い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、芯線が細く電極の面積が小さい場合であってもレーザ光照射により良好に電極と芯線とを互いに溶接することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザ光照射により電極と芯線とを溶接する方法であって、接続箇所において電極と芯線とを接触させ、レーザ光を透過させる透明材料からなる押圧部材を接続箇所周辺に押し当てて押圧部材と電極との間に芯線を挟み、押圧部材側からレーザ光を照射して芯線の一部を溶融させ、電極と芯線とを接続することを特徴とする。
本発明に係るレーザ溶接方法では、透明材料が石英ガラスまたは耐熱樹脂であるのが好適であり、押圧部材がレーザ光を通過させる空間部分を有するのも好適である。
本発明に係るレーザ溶接方法では、銅の融点より低い融点を有する金属の薄層を芯線と押圧部材との間に配置してレーザ光を照射するのが好適であり、金属の薄層が芯線の表面上に形成されたメッキ層であるのも好適である。
本発明に係るレーザ溶接方法では、電極と芯線とが接続された部分の周辺を樹脂で覆うのが好適である。
本発明に係るレーザ溶接方法では、窒素雰囲気下でレーザ光を照射して芯線の一部を溶解させ、電極と芯線とを接続するのが好適である。また、酸素雰囲気下でレーザ光を照射して芯線の一部を溶解させ、電極と芯線とを接続するのも好適である。
本発明に係るレーザ溶接方法では、レーザ光照射により電極と芯線とを接続する前に、レーザ光照射により電極または芯線の表面に凹凸を形成するのが好適である。また、レーザ光照射により電極と芯線とを接続する前に、レーザ光照射またはヒータ加熱により電極または芯線を溶融前の状態に加熱するのも好適である。
本発明に係るレーザ溶接方法によれば、芯線が細く電極の面積が小さい場合であっても、レーザ光照射により良好に電極と芯線とを互いに溶接することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する図である。第１実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光照射により基板２０上の電極２１と同軸ケーブル１０の芯線１１とを互いに溶接する方法であって、接続箇所において電極２１と芯線１１とを互いに接触させ、レーザ光Ｌ１を透過させる透明材料からなる押圧部材３１を接続箇所周辺に押し当てて押圧部材３１と電極２１との間に芯線１１を挟み、押圧部材３１側からレーザ光Ｌ１を照射して芯線１１の一部を溶融させ、電極２１と芯線１１とを互いに接続する。
同軸ケーブル１０は、図２に示されるように、中心にある芯線１１の周囲に順に絶縁体１２、シールド１３および外被１４を有する。芯線１１は、例えば、各々直径２５μｍの７本の銅線が撚り合わされたもので、直径が７５μｍである。また、複数本の同軸ケーブル１０が並列配置されている場合があり、例えば、４８本の同軸ケーブル１０が約３００μｍピッチで並列配置されている場合がある。接続前に、同軸ケーブル１０の一端側の所定範囲において、絶縁体１２、シールド１３および外被１４がレーザ加工等により除去されて、芯線１１が露出される。
電極２１は、回路基板の電極に限られず、コネクタ内の電極であってもよい。電極２１は、例えば、幅が１５０μｍであり、長さが２ｍｍであり、銅からなる。
接続前に、窒素ガスを流した中で芯線１１および電極２１それぞれにレーザ光を照射して、表面の自然酸化膜を除去するとともに、接触面積増加を目的として表面に凹凸を形成することが好ましい。ここで用いられるレーザ光は、例えば、ＹＡＧレーザ（波長１.０６μｍ、２０Ｗ／ｓ、２０ｎｓパルス）、ファイバレーザ、半導体レーザ等が好適である。
押圧部材３１は、レーザ溶接に用いられるレーザ光Ｌ１の波長において透明な材料からなる。この透明材料は石英ガラスまたは耐熱樹脂であることが好ましい。耐熱樹脂としては、低融点金属に対し耐熱性を有するものであればよく、例えばアモルファスフッ素樹脂である旭硝子社製のサイトップ（登録商標）が好適に用いられる。
押圧部材３１と電極２１との間に芯線１１が挟まれることで、芯線１１の位置が固定され、芯線１１と電極２１との接触が確実になる。押圧部材３１と電極２１との間に芯線１１が挟まれた状態で、押圧部材３１側からレーザ光Ｌ１が照射されて芯線１１の一部が溶融され、電極２１と芯線１１とが互いに接続される。
このとき、例えば焦点距離１００ｍｍのレンズによりレーザ光Ｌ１が電極２１および芯線１１に集光照射されて、電極２１および芯線１１が加熱され溶融される。また、並列配置された複数の同軸ケーブル１０の各芯線１１と、該芯線１１に対応する電極２１とを互いに接続する場合には、レーザ光Ｌ１の集光照射位置が各接続位置に走査される。このレーザ光Ｌ１の照射は、電極２１および芯線１１の酸化を抑制するために窒素雰囲気下で行うことが好ましい。
本実施形態では、押圧部材３１により芯線１１を電極２１に押し付けることで芯線１１を固定することにより、芯線１１が細く電極２１の面積が小さい場合であっても、押圧部材３１を経てレーザ光Ｌ１を芯線１１へ照射することができるので、レーザ光Ｌ１の照射により良好に電極２１と芯線１１とを互いに溶接することができる。
なお、電極２１と芯線１１とが互いに接続された部分の周辺を樹脂で覆うのが好適である。このように接続部周辺を樹脂で覆うことで機械強度を確保することができる。
電極２１および芯線１１の材料として銅のように熱伝導が大きく融点が高い材料が使われている場合は、予め、低融点金属であるスズや鉛等の箔を電極２１と芯線１１との間に挟んでおくか、或いは、電極２１および芯線１１に低融点金属をメッキしておくことが好ましい。メッキなしの芯線１１の場合は、レーザ加熱の際に窒素の替わりに酸素を導入して酸素雰囲気とし、酸化熱を利用して高温で溶接することが好ましい。
酸素雰囲気化でも溶接できない場合は、溶接のためのレーザ光Ｌ１の照射前から照射中にかけて、図３に示されるように、他のレーザ光Ｌ２を電極２１および芯線１１に集光照射して電極２１および芯線１１を加熱することが好ましい。例えば、溶接のためのレーザ光Ｌ１はＹＡＧレーザ（波長１.０６μｍ、８０Ｗ／ｓ、５ｍ秒パルス）であり、加熱のためのレーザ光Ｌ２は半導体レーザ（５０Ｗ／ｓ、波長８０８ｎｍ）である。なお、この加熱はヒータによる加熱であってもよい。このように電極２１および芯線１１を予め加熱しておくことにより、溶接のためのレーザ光Ｌ１が低パワーでも接続が可能となり、レーザ光Ｌ１の照射による押圧部材３１等へのダメージが低減される。
ここで、各々直径２５μｍの７本の銅線が撚り合わされた直径７５μｍの芯線１１を銅電極２１に溶接する際に、８０Ｗ／ｓの連続光のファイバレーザＬ１（波長１.０６μｍ）を焦点距離１００ｍｍのレンズにより集光照射して溶接する場合を想定する。高温側については、照射時間を６ｍ秒以下にすると芯線１１が断線しないので好ましい。低温側については、溶融および熱伝導の影響等を考慮し、照射時間を３ｍ秒以下にして芯線１１が溶けずに電極１２側と接続できるか否かを事前に確認する。
解が得られない場合は、照射時間を６ｍ秒以上に上げても芯線１１が溶けない場合、表面の酸化膜が厚い可能性があるので、窒素雰囲気中でパルス型ＹＡＧレーザで照射することで表面の酸化膜を除去することが好ましい。また、レーザ光Ｌ１のパワーが足りずに芯線１１が溶解しない場合も考えられるので、酸素雰囲気中でレーザ光Ｌ１を照射すれば溶接が可能となる。芯線１１のように細い線を電極２１に接続する場合、溶接前に倍率５倍以上のカメラで芯線１１と電極２１との接点を観察して、溶接したい部分の芯線１１が電極２１から離れていれば、抑え部材を使用すれば芯線１１と電極２１とが接し溶接が可能となる。
また、銅線の場合、溶接点は１０８５℃近くまで加熱され、熱伝導により電極２１を配置したエポキシ基板やポリイミド基板まで溶解させてしまう場合がある、その場合は、低融点でも溶接可能にするため予め銅線１１及び銅電極２１の表面に低融点金属である錫（融点２３２℃）等のメッキを施し、表面のメッキ同士を溶接する様にできれば低融点での接続ができる。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する図である。第１実施形態と比較すると、第２実施形態では、押圧部材３１に替えて押圧部材３２を用いる点で相違し、その他の点では同様である。第１実施形態では、電極２１と芯線１１とを互いに溶接するためのレーザ光Ｌ１は押圧部材３１を通過した。これに対して、第２実施形態では、押圧部材３２がレーザ光Ｌ１を通過させる空間部分を有していて、レーザ光Ｌ１は該空間部分を通過して電極２１および芯線１１に集光照射される。
押圧部材３２は、石英ガラスまたは耐熱樹脂からなる透明材料に対してフォトリソグラフィーで加工されて、レーザ光Ｌ１を通過させるための空間部分であるスリットを有する。スリット幅は例えば１００μｍ〜５００μｍである。電極２１と芯線１１とを互いに接触させ、押圧部材３２を接続箇所周辺に押し当てて押圧部材３２と電極２１との間に芯線１１を挟み、押圧部材３２のスリットを通過したレーザ光Ｌ１を照射して芯線１１の一部を溶融させ、電極２１と芯線１１とを互いに接続する。
本実施形態では、押圧部材３２に形成されたスリットをレーザ光Ｌ１が通過するので、レーザ光照射により押圧部材３２が曇る等の劣化が生じることが抑制され、安定したレーザ溶接を行うことができる。
１０…同軸ケーブル、１１…芯線、１２…絶縁体、１３…シールド、１４…外被、２０…基板、２１…電極、３１，３２…押圧部材。
Claims (10)
- レーザ光照射により電極と芯線とを溶接する方法であって、
接続箇所において前記電極と前記芯線とを接触させ、
レーザ光を透過させる透明材料からなる押圧部材を接続箇所周辺に押し当てて前記押圧部材と前記電極との間に前記芯線を挟み、
前記押圧部材側からレーザ光を照射して前記芯線の一部を溶融させ、前記電極と前記芯線とを接続する
ことを特徴とするレーザ溶接方法。 - 前記透明材料が石英ガラスまたは耐熱樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 前記押圧部材が前記レーザ光を通過させる空間部分を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 銅の融点より低い融点を有する金属の薄層を前記芯線と前記押圧部材との間に配置して前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 前記金属の薄層が前記芯線の表面上に形成されたメッキ層であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接方法。
- 前記電極と前記芯線とが接続された部分の周辺を樹脂で覆うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 窒素雰囲気下でレーザ光を照射して前記芯線の一部を溶解させ、前記電極と前記芯線とを接続することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 酸素雰囲気下でレーザ光を照射して前記芯線の一部を溶解させ、前記電極と前記芯線とを接続することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- レーザ光照射により前記電極と前記芯線とを接続する前に、レーザ光照射により前記電極または前記芯線の表面に凹凸を形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- レーザ光照射により前記電極と前記芯線とを接続する前に、レーザ光照射またはヒータ加熱により前記電極または前記芯線を溶融前の状態に加熱することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
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