概要
多くの場合、レーザーはレンズを用いて集光されます。レーザー加工においては非常に重要なキーパーツです。ここでは、レーザー機器等で使用される光学レンズの製造工程を示します。全体の流れ
以下に全体の流れを示します。- ガラスの溶解
- ガラス切断、丸め
- 荒ずり
- 砂かけ
- 研磨
- 芯取り
- コーティング
2023年8月
BLOG
SHADOW溶接
背景
近年、電子部品の小型化が進み、それに伴って金属薄板接合の需要が高まっています。しかし、薄板は熱による変形が生じやすく、ギャップのコントロールも難しいという問題点があります。
一般に薄板の溶接にはパルスレーザが用いられますが、加熱と冷却の繰り返しや不適切なパラメータの設定により、試料が歪む可能性が高くなってしまいます。
これらの問題を解決するため、フラウンフォーファー・レーザ技術研究所はSHADOW溶接技術を開発しました。これは、高ピークパワーのパルスレーザーを高速で走査する技術で、試料の歪みを抑え、一般的なレーザー溶接の課題となる高反射率の材料溶接にも適応可能という特長があります。
概要
「SHADOW溶接技術」は、”Stepless High Accurate and Discreet One pulse Welding” のイニシャルをとったもので、連続溶接の長所とパルス溶接の長所を併せ持ち、微小部品の高精度溶接に適した技術です。ドイツのフラウンフォーファ研究所とレーザーメーカであるLASAG（現：Coherentグループ）の共同開発により生まれました。1パルスを高速で照射するため、パルスYAGレーザによる連続溶接と考えることもできます。
特徴
- パルス溶接と比較して、より滑らかな溶接ビードが形成可能なため、微小部品の溶接に非常に適しています。
- 1パルスのみの溶接のため、微小部品への熱負荷を最小化することができます。
- 高速度溶接なので、熱による歪は最小限にすることができます。
- 連続溶接なので良好な溶接表面を得ることができます。
最後に
研究所とメーカが共同開発した技術で、理論的のみならず、実践的にも ” 使える ” 技術と言えそうです。微細化が進む分野では特に重要な技術となりそうです。
参考
レンズのクリーニング
はじめに
レーザー加工をしているとレーザーを集光するレンズが汚れることが多くあります。加工対象からのフュームだったり、そもそもの空気中の塵やほこりだったり、原因もさまざま。
このようにレンズが汚れるとレンズをクリーニングする必要があります。その方法等を説明します。
レンズクリーニングの必要性
レンズのクリーニングは必要でしょうか？汚れの程度にもよりますが、通常は必要です。できれば、クリーニングはしないことに越したことはありません。なぜなら、クリーニングしたと思っても逆に汚れを付着させたり、レンズを傷つける可能性があるためです。
レンズのクリーニングの必要性としては、以下があげられます。
- レーザーの仕様効率を上げるため：レンズが汚れていると当然効率は落ちます。落ちても問題ない場合もありますが、通常は、エネルギーを多く消費するため、困ります。
- レンズへの焼けの防止：レンズについた埃等の影響で、レンズが焼けたり、ゴミが付着して取れなくなることがあります。この場合には、レンズそのものの交換が必要になってしまいます。これを防ぐためにもレンズのクリーニングが必要です。
- 加工条件の変化による加工品質の低下：加工対象物から見ると、照射されるレーザエネルギー等が変化してしまします。この場合、おなじように加工したつもりでも加工結果が変化してしまいます。このような加工品質の低下は大きな問題となります。
レンズクリーニング方法
レンズのクリーニングには、レンズクリーニング専用紙（レンズペーパー）とIPA（イソプロピルアルコール、イソプロパノール）を用います。
正方形のレンズペーパーの四隅をひとつにまとめて、指でつまんで軽く持ちます。レンズペーパーの中央部が膨らんだような状態となります。
このふくらみ部にIPAをつけます。
レンズペーパーの中心のふくらみを使って、レンズを拭いていきます。このふくらみ部をレンズ中心に軽く触れさせ、らせんを描くようにレンズ外周に向かってレンズのゴミをとっていきます。
レンズに強い力を加えないように注意します。
また、レンズペーパーが乾いた状態でレンズに接触させないようにします。レンズに傷がついてしまいます。
レンズ中心から、ゆっくりと螺旋を描きながらレンズ外側に向かってレンズ表面をなぞっていきます。最後は、レンズの端でレンズペーパーを止めることなく流れるようにレンズから離します。何度も往復せずに必ず一方向にだけ拭き進めます。
重要な点としては、必ず螺旋状に拭いていくことです。絶対に放射状に拭いてはいけません。筋ができてしまいます。
さいごに
繰り返しになりますが、レンズは、クリーニングしないのがベストです。どうしても必要な時だけクリーニングをします。可能であれば、レンズごと交換する方が良いです。クリーニングは上記の通り丁寧に行います。
光通信における微細レーザー溶接の利用
はじめに
光通信においても、微細レーザー溶接技術が使われています。微細レーザー溶接は、高速で信頼性の高いデバイスの製造やコンポーネントの組み立てに利用されています。以下に光通信分野での微細レーザー溶接の利用例を示します。
製造技術例
ファイバーコネクタの製造:
光ファイバーコネクタの製造において、ファイバーとコネクタの精密な結合が求められます。微細レーザー溶接は、ファイバー端面とコネクタの端面を正確に接合するために使用されます。これにより、低損失で高品質な信号伝送が実現されます。
光モジュールの製造:
光通信機器内の光モジュールの製造においても微細レーザー溶接が利用されます。光送信部分や光受信部分の微細な部品の組み立てや接合に使用され、高い信号品質と安定性が確保されます。接合は、樹脂などで行われる場合が多いです。
レーザーダイオードの製造:
光通信機器に使用されるレーザーダイオード（LD）の製造においても微細レーザー溶接が利用されます。異なる部品や層を高精度に結合することで、高性能なレーザーダイオードを実現します。特に、金属の封止材料等の溶接に多用されます。
ウェーブガイドの接合:
光導波路やウェーブガイドを接合する際に微細レーザー溶接が使用されます。これにより、光信号の伝送や分配において低損失で高い効率を実現できます。また、導波路そのものをレーザーにて加工する研究開発も進められています。
光スイッチの製造:
光スイッチは光信号の切り替えや制御に使用される重要なデバイスです。微細レーザー溶接を使用して、光スイッチ内の微細な部品や導波路を高精度に接合することで、信号の効率的な切り替えが可能となります。
AWG（Arrayed Waveguide Grating）の製造:
AWGは多重波長光信号を分散させるデバイスで、光通信ネットワークで広く使用されています。微細レーザー溶接は、AWGの製造プロセスで導波路の接合や位置調整に使用されます。
最後に
このように、微細レーザー溶接は、光通信機器の高性能化や信頼性の向上に貢献する重要な技術として広く活用されています。
【加工】レーザによる重ね溶接
【前置き】
みなさん、こんにちは！ 今日は非常に興味深く、そして、もしかするとこれまで聞いたことのない技術について語ってみようと思います。それは「レーザによる重ね溶接」です。ステイク溶接とも呼ばれています。
【レーザによる重ね溶接（ステイク溶接）とは】
それでは、いよいよ本題に入っていきましょう。「レーザによる重ね溶接（ステイク溶接）」という用語は、ちょっと聞きなれないかもしれませんね。でも、これが結構すごいんですよ！
まず、「レーザ」とは何か、これは知っていますよね？ 光を増幅し、強力な光線を作り出す装置のことを指します。まるでSF映画のようにも聞こえますが、今や現実の世界で広く使われているんです。
そして、「重ね溶接」、これは一体何なのでしょう？ もっともシンプルに言えば、一つの部品を何層にも重ねて溶接することを指します。それぞれの層が薄いため、とても精密な作業が要求されます。
これら二つを組み合わせたのが、「レーザによる重ね溶接」です。レーザの強力な光線を使って、何層もの薄い部品を溶接し、一つの堅固な部品にするのです。
特に「ステイク溶接」という言葉がついていますが、これは「レーザによる重ね溶接」の一種で、レーザの光線をピンポイントで当てることで、部品の特定の部分だけを溶接する方法を指します。これにより、部品の他の部分を傷つけずに溶接することが可能になります。
まとめると、「レーザによる重ね溶接（ステイク溶接）」は、レーザの強力な光線を使って薄い部品を何層にも重ねて溶接し、その中でも特定の部分だけを精密に溶接する技術なんですね。
いかがでしょうか、すごい技術でしょ？ 次はこの技術がどんな課題を解決してくれるのか、それについて見ていきましょう！
【ステイク溶接を採用することで解決できる課題】
さて、先ほどは「レーザによる重ね溶接（ステイク溶接）」が何かを説明しましたね。でも、実際のところ、どうしてこんな特殊な溶接技術が必要なんでしょう？ 答えは、これが解決できる課題にありますよ！
一言で言うと、ステイク溶接を採用することで解決できる主な課題は、「精密性と安全性の向上」です。
一般的な溶接技術では、熱による影響が避けられません。部品の形状が変わってしまう、表面が損傷する、強度が低下する…。これらは溶接によって引き起こされる典型的な問題です。
しかし、ステイク溶接ならこれらの問題を大きく軽減できます。なぜなら、レーザをピンポイントで当てることができるからです。溶接したい部分だけを的確に熱することで、他の部分への影響を最小限に抑えることができるのです。
また、部品の小さな部分を溶接する必要がある場合、通常の溶接では難しい作業が求められますよね。でもステイク溶接なら、細かい部分もきれいに溶接することが可能になります。これは特に、電子機器や医療機器など、精密さが求められる分野で大きな助けとなります。
以上のように、ステイク溶接を採用することで、一般的な溶接技術では困難だった「部品の小さな部分の溶接」や「部品全体への影響の最小化」などの課題を解決することが可能になります。
これが、ステイク溶接が持つ真の価値なんですよ。次は、このステイク溶接がどんなメリットを持っているのか、具体的に見ていきましょう！
【ステイク溶接のメリット】
最初に挙げられるメリットは、やっぱりその「精密さ」ですね。ステイク溶接を使えば、ミクロン単位の超微細な溶接が可能になるんです。これはまさに「レーザー溶接」の真骨頂。つまり、精密機器の製造においては欠かせない技術なんですよ！
次に、これが本当にすごいんですが、「物質に対する影響が少ない」こと。レーザーによる熱の影響は極めて局所的で、溶接箇所以外への影響を最小限に抑えることができます。つまり、高品質な製品を作る上で、これ以上ないくらい理想的な溶接方法といえるでしょう。
そして、「作業時間の短縮」も見逃せません。レーザーによるステイク溶接は、トラディショナルな溶接技術と比べて大幅に時間を短縮できるんです。これは、生産性向上に大いに貢献しますよ。
さらに、”クリーン”な溶接が可能な点も見逃せません。レーザー溶接は、焼けやスパッタなどの不純物をほとんど発生させない。つまり、製品のクリーンさを維持することができるんです。
もちろん、すべてがメリットだけではありません。設備投資が必要だったり、操作には専門知識が必要だったりと、ハードルは存在します。しかし、そのメリットを考えれば、それらをクリアする価値は十分にあるといえるでしょう。
これがステイク溶接の真のメリットです。次は、この全てをまとめて、ステイク溶接がなぜ「打痕なく綺麗に溶接ができる」のか、その理由を見ていきましょう！
【まとめ：打痕なく綺麗に溶接ができる！】
というわけで、我々が今日までに見てきたステイク溶接、そしてそれが如何に「打痕なく綺麗に溶接ができる」か、そのエッセンスをしっかりと把握できましたか？
まず始めに、レーザによる重ね溶接、つまりステイク溶接の原理を掘り下げました。この超精密なレーザ技術が、どのようにして微細な部分をピンポイントで溶接するのか、そのメカニズムについて触れましたね。
次に、その結果として解決できる課題について考えてみました。従来の溶接法では到底難しかった微細な溶接が、このステイク溶接によって可能になる。それによりどんな問題が解消できるのか、その具体的な例を見ました。
さらに、ステイク溶接の数々のメリットについても詳しく掘り下げました。精密さ、溶接範囲への最小限の影響、作業時間の短縮、クリーンな溶接――これら全てが、ステイク溶接が提供する強力なベネフィットです。
だからこそ、ステイク溶接は「打痕なく綺麗に溶接ができる」んです。そこには確固たる理由と、それを支える技術的な根拠が存在するのです。
もちろん、全てがうまくいくわけではありません。設備投資や専門的な知識が必要など、課題はまだまだあります。ですが、その労力とコストを考えても、ステイク溶接がもたらすメリットは十分に価値があると言えるでしょう。
この記事が、あなたがステイク溶接という驚くべき技術について理解を深める手助けとなることを心から願っています。今後とも、最新の技術とその可能性について、一緒に探求していきましょう！
ここまで読んでいただき、ありがとうございました！この記事が役立つと思ったら、是非シェアをお願いします。
参考
重ね溶接の強度の確保と仕上げ作業の軽減
ファイバーレーザー溶接『ステイク溶接』スポット溶接の打痕問題解消
日本工業規格 JIS Z 3001-5：2013
