概要

EV市場はバッテリー最大の量産市場であり、バッテリー技術および製造効率の進歩を推進しています。バッテリー技術の発展によりもたらされるエネルギー密度、充電サイクル、信頼性の向上などは、民生用自動車のみならず、配送トラックや公共交通機関などの商用車市場にも大きな影響を与えます。バッテリー溶接技術の進歩により、EVとICE車（内燃機関車）の価格は、数年のうちに同等になるとも予想されています。

レーザ溶接の課題

レーザ溶接には、他の製造プロセスとも同様に、バッテリー溶接にもメーカーを悩ませる複数の課題が存在します。
その一つに部品間の大きなばらつきがあります。これは、製品設計の進化とサプライチェーンにおける変化が、溶接部品の品質と再現可能性に影響を与えるためです。

銅とアルミニウムはバッテリー溶接においてよく用いられる金属です。これらの金属は、鋼鉄やステンレス鋼、ニッケルよりも溶接の難易度は上がりますが、どちらも熱伝導率が高く、液粘度が低く、溶融溶接池においてガスと結合する親和性を有します。

銅とアルミニウムの溶接の際は、隣接部品の過熱を防ぐために、非常に高速で熱入力の低い溶接プロセスが要求されます。この溶接プロセスについて、構造接続の場合は、溶接部の強度を可能な限り高くする必要があります。しかし、重量が増加するとエネルギー密度が低下してしまうため、溶接プロセスの対象となる接合領域を大きくすることは避ける必要があります。

電気接続については、電流が流れるように溶接領域を十分に広くしつつ、大きな溶融堆積によって生じるひずみを抑える必要があります。このような課題に加え、サイクル速度や品質に対する要件が加わります。
このように、レーザ溶接エンジニアに求められる技術は非常に高いものとなります。

シングルモードのビーム成形

シングルモードのファイバレーザは、厳しい溶接条件に対する有効な解決策であるとされています。

シングルモードビームは、その小さなスポット径に高い出力密度によって、深い溶け込み溶接を極めて高速に実行することが可能で、さらに熱入力がほとんどなく、ひずみも小さいことが特徴です。また、シングルモードのファイバレーザは、銅とアルミニウムのキーホール溶接時の反射率にも耐えうる強度を有するため、非常に小さな構造の溶接から厚みのある電極溶接まで、多用途で有効なバッテリー加工手段として評価されています。

ビーム成形とシングルモードのビーム品質を単一のレーザ源に組み合わせる方式も考案されています。シングルモードのファイバからのレーザ出力分布を、最大40μmのリングファイバまで動的に変更する技術も開発されています。
銅の溶接時は、最高強度のシングルモードビーム形状により、キーホール溶接モードにて、最も深い溶け込みと高速な溶接速度を得ることができます。
アルミニウム接合部の溶接に関しては、より大きなリングビーム形状が加工時の安定した溶接池とキーホールの維持に有効となります。シングルモードビームの3倍の直径を有する、この40μmのリングビームは、その大きな直径にも関わらず、強度が1kWと高く、アルミニウムの中にガス空洞を形成することができます。

参考文献

ティム・モリス、ブライアン・ヴィクター, バッテリー溶接のためのレー ザビーム成形, Laser Focus World Japan, pp18-21

概要

現在、様々なレーザーが開発、利用されていますが、特に近年の利用が拡大しているのは、ファイバーレーザーではないでしょうか。

ファイバーレーザーとは、希土類を添加した光ファイバーを媒質に用いた固体レーザーです。高出力なCW（連続発振）と低出力なパルス発振のタイプがあります。

光ファイバーは、ガラスや樹脂など透明な誘電体でできており、全反射により光が伝搬していく過程で増幅されます。安定的に光が伝搬されるため、高効率が得られる利点があります。

板金溶接や切断、マーキングなどに利用されます。近年は、波長変換や短パルス化により微細加工への応用も進んでいます。

大出力レーザーでは、100kW以上のものも実用化されています。

原理

ファイバーレーザーでは、通常のクラッド内部に希土類（Yb, Nd, Er, Er:Yb 等）をドープしたコアで形成されたした光ファイバーを使用します。励起光としてLDが使われることが多いです。
励起光は、全反射しながらファイバー内を進んでいきます。その過程で中央のコアで反転分布が起きレーザーが発生します。励起光はコアで減衰しますが、レーザー光はコアの中を全反射しながら励起、増幅を繰り返すことになります。発振される波長は、ドープされる希土類によって異なります。このように、光ファイバそのものが共振器として動作します。

比較的低出力のレーザーには、シングルモードファイバーを、高出力のレーザーにはマルチモードファイバーを利用します。

特徴

• 波長選択性
  コアにドープされる希土類元素による出力波長の選択(例：Yb：1030nm～1100nm　Er：1500nm)
• 高安定性
  光ファイバー中の反射・増幅でレーザー発振するので、低いメンテナンスコストで安定した出力
• 高効率
  変換効率が高い（～30%）

応用例

加工の観点から、以下のような幅広いアプリケーションで使用されています。

• 溶接・切断
• マーキング
• 微細加工
• 医療・ライフサイエンス（レーザーメス等）

歴史

最初のファイバーレーザーは、Snitzerにより開発されたと言われています。フラッシュランプに巻かれたファイバーによりレーザー発振を実現しました。

1980 年代後半には、低損失なガラスファイバーが開発され、光信号をそのまま増幅できるようになり、レーザー媒質としての利用が進みました。また、励起光源として使用するLD の普及と高性能化と共に光ファイバーのレーザー増幅器としての研究開発が急速に進みました。

このようにレーザーの中でも比較的新しい部類に入りますが、近年は、その利用範囲が急拡大しています。

参照

・ファイバーレーザーとは – ケイエルブイ

・ファイバーレーザーの特徴について – UW JAPAN株式会社
・ファイバーレーザの歴史 | オプティペディア – Produced by 光響

概要

ディスクレーザは、固体レーザでありながら独特の冷却法により、レーザビームに与える光学的な歪みは最小となり、「熱レンズ効果」が大幅に低減されるレーザです。

原理

ディスクレーザは、固体レーザのLD励起固体レーザの一種で、円盤状のレーザ媒質を使用して光を発生させる点が大きな特徴です。

以下に、ディスクレーザーの原理をまとめます。

• レーザ媒質の選択
  ディスクレーザでは、レーザ媒質として水晶体やセラミックスなどの固体を用います。レーザ媒質は、通常Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:glass、Er:YAG、Cr:YAGなどが用いられます。

• ポンピング
  ディスクレーザでは、レーザ媒質に外部からポンプ光を照射して、レーザ媒質内に電子を励起することでレーザ発振を起こす。ポンプ光には、フラッシュランプ、ダイオード、光ファイバーなどが使われる。

• 光共振器
  レーザ媒質を光共振器の中に配置し、光が往復するようにすることでレーザ発振を起こす。ディスクレーザでは、円盤状のレーザ媒質を平行な2枚の鏡に挟んで光共振器を形成する。

• 高出力レーザー発振
  ポンプ光によってレーザ媒質内の電子が励起されると、励起された電子が放出する光子が、光共振器内で他の励起された電子と衝突して更に発光が起こります。これによってレーザ光が増幅され、高出力レーザが発生する。

以上が、ディスクレーザの原理です。

特長

ディスクレーザは、非常に高出力で、比較的小型であり、高い効率でレーザ光を生成することができます。このディスクレーザには、以下のような特長があります。

1. 高出力: ディスクレーザは、非常に高出力であり、光ファイバー通信、医療、自動車業界など、様々な分野で使用されています。
2. 高効率: ディスクレーザは、光の反射率が非常に高く、光の損失を最小限に抑えることができます。これにより、ディスクレーザは、効率的なレーザー発振を実現することができます。
3. 短いパルス幅: ディスクレーザは、非常に短いパルス幅でレーザー光を生成することができます。これは、医療用レーザや材料加工用レーザなど、高精度な作業に必要な要件である場合があります。
4. 冷却: ディスクレーザは、レーザ発振によって発生する熱を効果的に放散するために、高度に冷却されています。これにより、ディスクレーザは、安定したレーザ発振を実現することができます。
5. 多様な波長: ディスクレーザは、波長変換により、多様な波長のレーザ光を発生することができます。これにより、ディスクレーザは、様々な用途に使用することができます。
6. 小型化: ディスクレーザは、比較的小型であり、スペースの制限がある分野でも使用することができます。

歴史

ディスクレーザは、現代のレーザ技術における重要な役割を果たすレーザの一種であり、1993年にシュツットガルト大学のDr. Adolf Giesenらによってディスクレーザの実証がなされて以来、シングルディスクによる出力はCW発振で4kWまで向上し、今日では材料加工などに一般的に使われるようになってきました。
初期のディスクレーザは、比較的低出力であり、科学研究に主に使用されていましたが、その後、技術が進歩し、高出力の産業用レーザや医療用レーザにも使用されるようになりました。ディスクレーザの応用範囲は、溶接や切断、加工、医療用途など多岐にわたります。

現在、ディスクレーザの研究は、出力の向上、安定性の向上、コンパクトな設計の開発など、様々な方向に向けられています。また、ディスクレーザは、より多様な材料を処理することができるようになるなど、新しい応用分野が開発される可能性があります。

応用

ディスクレーザは、その高出力と比較的小型化された設計から、現代のレーザ応用において重要な役割を果たしています。今後の可能性としては、以下のようなものがあります。

1. 新しい材料の開発：ディスクレーザの性能を向上させるためには、レーザー材料の改良が必要です。新しい材料の開発により、より高出力かつ効率的なディスクレーザが実現できる可能性があります。
2. より高出力のレーザの開発：ディスクレーザの出力は既に非常に高く、産業や医療、科学などの様々な分野で利用されていますが、さらに高出力のレーザが必要な場合もあります。ディスクレーザの設計の改善や新しいレーザ材料の開発によって、より高出力のディスクレーザが実現できる可能性があります。
3. 新しい応用分野の開拓：ディスクレーザは、現代の科学や工業技術において幅広く応用されていますが、まだまだ新しい応用分野が開拓される余地があります。たとえば、医療分野においては、ディスクレーザを用いたレーザ手術やレーザ治療の新しい技術が開発される可能性があります。
4. 省エネルギー化：ディスクレーザは、その高出力にもかかわらず、比較的省エネルギーで動作することができます。今後は、より省エネルギーかつ環境にやさしいディスクレーザの開発が求められることが予想されます。

参考

ディスクレーザーによる加工

ディスクレーザー

自動車産業において微細レーザ溶接は広範に活用されています。以下に、その主な利点と具体的な応用例をいくつか紹介します。

利点

1. 高い精度と制御性

微細レーザ溶接は非常に高い精度と制御性を持ち、微細な溶接点や接合部を作ることができます。レーザパラメータや条件の適切な設定、自動化された制御システムの導入により、一貫性のある品質と高い製品信頼性を確保し、これにより高品質な溶接が可能となり、製品の強度や耐久性を向上させることができます。

2. 高速な溶接

微細レーザ溶接は、熱エネルギーを狭い領域に集中させるため、高速な溶接を実現できます。これにより、生産性を向上が期待できます。

3. 非接触の溶接

従来の溶接方法では、溶接材料に直接触れて加熱や圧力を与える必要があり、歪みや損傷などのリスクが伴っていました。しかし、微細レーザ溶接は非接触で行われるため、被溶接材料への損傷や歪みを最小限に抑えることができます。また、微細な部品や複雑な形状の接合にも適しています。

4. マテリアルの適用範囲

微細レーザ溶接は、さまざまな材料に適用することができます。自動車産業においては、鋼材、アルミニウム合金、チタン合金などの金属材料に加えて、プラスチックや繊維強化複合材料なども溶接の対象となるため、微細レーザ溶接は非常に有効な溶接手法となります。このように、様々な材料に適用できることは大きなメリットです。

具体的な応用例

1. ボディパネルの接合

自動車のボディパネルの一部は、微細レーザ溶接によって接合されることがあります。ボディパネル同士の接合部や部品の取り付け箇所など、高い強度と美しい仕上がりが求められる場所で使用されます。

2. バッテリーパックの製造

電気自動車やハイブリッド車などのバッテリーパックの製造においても、微細レーザ溶接が活用されています。バッテリーセルや接続部の溶接に使用され、電気的および機械的に安定かつ高精度な接合を実現します。微細レーザ溶接のメリットが活かせる応用です。

3. エンジンコンポーネントの組立

自動車のエンジンコンポーネントにおいて、微細レーザ溶接は部品の組立や接合に使用されます。エンジンのシリンダーヘッドやバルブ、燃料噴射システムの部品など、高い精度と強度が求められる箇所で利用されます。

4. インテリア部品の製造

自動車のインテリア部品にも、微細レーザ溶接が使用されることがあります。ダッシュボードやシートの組立、デザイン要素の取り付けなど、微細な接合や装飾が必要な箇所で活用されます。

まとめ

微細レーザ溶接は、自動車産業において高品質な溶接を実現し、製品の性能や耐久性を向上させる重要な技術です。これにより、接合品質の向上、車体の強度や耐久性の向上、電子部品やエンジン部品の信頼性の向上など、さまざまな利点をもたらします。

概要

音響光学素子（Acousto Optic Device）は、レーザ装置内などで使われるデバイスで、強度変調あるいはビーム位置の電気的制御を行います。音響光学素子は、結晶を圧電素子で振動させ、結晶の中に疎密の定常波を作り、これを回折格子として利用する素子です。このときできる格子幅は結晶にかける振動周波数で制御できるため、できた回折格子で曲げられる光の角度も制御できます。回折格子を作るために結晶にかける振動の周波数は数十MHzから数百MHzで、それを数十kHz変調することで、ビームの高速のスキャンも可能です。

原理

ある媒体内にレーザ光線と音響波が存在するとき、すべての光学媒体において音響光学効果が起こります。音響波が光学 媒体中に入ると、正弦格子（グレーティング）のように作用するある屈折率を持った波が生じます。
入射レーザ光がこのグレーティングを通過するとき、いくつかの次元（オーダー）に回折されます。回折現象とは２本以上の接近したスリットにレーザー光線などを当てると、隣のスリット同士から出る光が干渉し合い、一定の方向の光が強くなる現象です。適切に素子を設計すれば、１次回折光線に最大効率を持たせることができます。この光線は高い周波数ほど偏向角は大きくなります。

構造

様々な音響光学媒体の選択は、波長（光学透過範囲）、偏光、パワー密度などのレーザのパラメータにより決定されます。
音響光学媒体として、可視および近赤外領域では、主にガリウムリン、二酸化テルル、インジウムリン、カルコゲナイトガラスや溶融石英が使用されます。一方の、赤外領域では、ゲルマニウムが使われます。
AOMで使用される結晶は、光学研磨され金属圧縮接着により接合されます。デバイスとして、１GHz レベルの共振周波数まで入力できるようになっています。

応用

開発当時、音響光学素子は、おなじく開発が進む光ファイバー通信で主にスイッチとして脚光を浴びていました。２つのファイバー間にAOMを入れ、AOMをオン／オフすることで光の方向が変わるため、スイッチとして利用できました。
また、別の応用として、AODを使ったレーザー顕微鏡もありました。この顕微鏡は、機械的なミラーのスキャン方式が発表されるまで、世界で唯一の動画観察ができる共焦点レーザー顕微鏡でした。スイッチとして使う場合は、問題となりませんでしたが、レーザー顕微鏡の光源として使用するには、スキャンの均質性やデバイスの物理的な大きさが課題となりました。また、ミラーと違い、点光源から出た光を点光源に戻すこと（デスキャン）ができません。ミラーなら点光源から出た入射光を走査させても、反射光は同じ経路を戻ります。AOMの場合も光学部品を追加して、点光源に戻すことができますが、反射光の経路が通る光学部品の数が多くなれば、それだけ歪みが増えて、部品点数が増えるという欠点もありました。

さいごに

AODは、高速性を有する光路制御デバイスです。

開発当初は、主にレーザーのスイッチングとして注目を浴びたり、動画観察ができるレーザー顕微鏡つぃて利用されました。今後は、ハイスピードカメラや高速なパルス信号を送るデバイスとしての活躍もあるかもしれません。

参考

• 音響光学素子（Acousto-Optics）について
• 音響光学素子 | 顕微鏡のことならKenbikyo.org

概要

EUV（Extreme Ultraviolet）とは、極端紫外線を利用した光学技術の一つで、その波長が 13.5nm と非常に短い光のことを指します。EUV 技術は、半導体製造、リソグラフィ（微細加工技術）、顕微鏡技術、プラズマ研究など、さまざまな科学技術分野で重要な役割を果たしています。しかしながら、その技術的難易度は非常に高く、EUV 露光に必要な装置・部材を供給できる企業は非常に少ないのが現状です。

EUV技術の重要性

EUV技術は、半導体製造の微細加工プロセスにおいて特に重要です。半導体製造における露光工程では、シリコンウェハー上の狭い範囲に複雑な回路を書き込む必要があります。加えて、近年の技術革新に伴い、半導体に書き込む回路が複雑さは増し、同時にチップサイズの小型化のニーズも高まっており、従来よりもさらに短い波長の光源が求められています。EUV リソグラフィを用いることで、このような極めて微細なパターンを半導体ウェハーに書き込むことが可能になります。

歴史

これまで半導体業界では、露光装置の光源を波長の短いものへと変更し続けてきました。過去には、g（水銀）線（波長436nm）、ArF（アルゴン・フッ素）線(波長193nm)など、様々な物質を光源とした露光技術が導入されてきました。その最終形が EUV です。EUV を用いた露光は、7nm 以降の微細回路パターンをシリコンウェーハ上に転写するための技術として、2019年に台湾のTSMCによって初めて量産投入されました。

EUV露光の難しさ

波長が 13.5nm と極端に短い EUV 光を、従来のレンズ方式の露光装置で転写しようとすると、レンズや空気中の成分で吸収されてしまい、ウェーハ上のフォトレジストまで届かなくなってしまいます。このため、EUV 露光では光が通る経路を真空にして、なおかつ照明光学系にミラーを導入し、レンズはパターン縮小に用いる投影光学系に限定して、吸収を最小化する必要があります。

EUVの光源

EUV リソグラフィには、極端紫外線を生成する光源が必要です。これには、プラズマ放電などを使用して EUV 光を生成する装置が使用されます。

さいごに

EUV 技術は、半導体製造だけでなく、X線リソグラフィ、顕微鏡技術、プラズマ研究、リソグラフィの基礎研究など、さまざまな分野で利用されています。しかし、EUV 技術は、微細加工と高性能デバイスの製造において非常に重要であり、半導体業界などの先端技術分野で広く使用されています。新しい製品の開発や性能向上に期待が高まります。

# 参考
– 需要が増えている半導体製造へのEUVの利用と日本の現状
– 半導体の微細化に不可欠なEUV露光技術の現状とこれから

はじめに

今日は、最先端の溶接技術、微細レーザ溶接について深く掘り下げていきます。特に、「シーム溶接」という特殊な手法に焦点を当て、その効率性と精度について解説します。

シーム溶接とは

シーム溶接とは、基本的には、2つの金属板を一緒に溶接するための一連の点溶接のことを指します。これらの点は、連続的な「シーム」を形成します。伝統的なシーム溶接では、高電流が金属を加熱し、融合させます。

これに対して、レーザシーム溶接は、レーザの光束を使用して金属を加熱し、融合させます。この方法は、精密な制御と高い溶接速度を提供し、一般的には、自動車、航空宇宙、電子機器などの製造業界で広く利用されています。

そして、ここで「微細レーザ溶接」という特別な技術が登場します。その名の通り、微細レーザ溶接は非常に小さい部品の溶接に特化しています。これは、レーザの光源が特定のエリアのみを照射し、迅速に溶けて部品を結合するためです。この技術も、医療、自動車、航空宇宙などの産業で重要な役割を果たしています​¹​。

微細レーザシーム溶接

微細レーザシーム溶接がどのように作用するか見てみましょう。微細レーザシーム溶接では、レーザビームが材料に照射され、材料が加熱されて溶け、シームまたは「溶接線」を形成します。溶接線は、材料が冷却されて固まると、2つの部品をしっかりと結合します。

製造業における生産の生産ラインでは、高速な溶接プロセスが必要とされています。微細レーザシーム溶接の優れた性能は、溶接が非常に正確であることだけでなく、溶接が迅速に行われるという特徴も製造に適しています。

さらに、微細レーザシーム溶接の技術として重要なのが、「コンダクションモード溶接」と「キーホールモード溶接」です。前者は低エネルギーを使用して広く浅い溶接を形成する一方、後者はその幅に比べて深い溶接を作成します。これらの方法はそれぞれ、結合される部品に応じて使い分けられます。

微細レーザシーム溶接の応用

では、微細レーザ溶接がどのような産業に利用されているのでしょうか。実際のところ、微細レーザ溶接はあらゆる産業で利益をもたらすことができます。航空宇宙、航空、医療、産業、核、防衛、海洋などの業界で一般的に使用されています。一般的な応用例としては、熱交換器、金属ボックス、ベローズ、金属チューブ、燃料レール、医療器具、歯科器具、コンプレッサ部品などがあります。

微細レーザシーム溶接の特長

微細レーザ溶接は、その高い精度と効率性により、多くの製造プロセスで重要な役割を果たしています。レーザの直接的かつ迅速な熱源と素早い冷却が、変形や損傷の影響を低減します。

さらに、平面だけではなく立体形状へも利用可能であるため、非常に便利です。これにより、正確に行われたときには、どんな部品でも最も信頼性の高い結合が可能となります。

レーザ溶接と微細レーザ溶接を比べた場合、微細レーザ溶接は、非常に精密な制御と低いワット数を組み合わせて、最小の部品に対しても精密な溶接を高効率、低コストで可能にします。

さいごに

微細レーザ溶接は、高精度と高効率、低コストを最大のメリットとする特徴的な加工方法です。この応用範囲はさらに広がりを見せると考えられます。