JPH0815227B2

JPH0815227B2 - 発光モジュールの組立方法および組立装置

Info

Publication number: JPH0815227B2
Application number: JP61033187A
Authority: JP
Inventors: 与元中島; 悟福井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-02-18
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1996-02-14
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPS62190790A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は半導体レーザや発光ダイオード等の発光素
子と光ファイバーを結合する発光モジュールの組立方法
および組立装置に係り、特に光源と光ファイバーの光軸
の調整と調整後の固定を行う方法と装置に関するもので
ある。

［従来の技術］第７図は例えば“光ファイバー通信デバイスの精密組
立を可能にした自動光軸調整機”オプトロニクス（198
2）５に示された従来の組立装置を示すブロック図であ
り、図において、（20）は組立の対象になる発光モジュ
ール、（21）は光軸調整装置のステージ部、（22）は光
軸調整装置の制御部、（24）はステージ、（25）はステ
ージ（24）を駆動するためのモータ、（26）はモータを
動かすためのドライバー、（27）は光軸調整装置を制御
するためのマイクロプロセッサ、（28）はキャップ付発
光器（１）の発光素子を発光させるための光素子ドライ
バー、（29）はキャップ付発光器（１）を電気的に接続
するためのソケット、（30）は光ファイバー（３）から
の光パワーをモニターするための光センサー、（31）は
検出器、（32）は操作盤である。

従来の発光モジュールの組立装置は上記のように構成
され、発光モジュール（20）を組立てるためには、キャ
ップ付発光器（１）のリード端子をソケット（29）に挿
入して、次にファイバーホルダー（２）及び光ファイバ
ー（３）の部品を光軸調整装置に取りつけ、ファイバー
出射端（７）を光センサー（30）に接続し、操作盤（3
2）からスタートボタンを押すと、マイクロプロセッサ
（27）へ信号が送られ、光素子ドライバ（28）を経由し
てソケット（29）からキャップ付発光器（１）へ電流が
送られる。そして、キャップ付発光器（１）から出た光
は光ファイバー（３）を通って光センサー（30）によっ
て光から電気に変換されて検出器（31）にて、そのパワ
ーレベルが検出されてマイクロプロセッサ（27）へ送ら
れる。マイクロプロセッサ（27）ではこの光のレベルの
値とその時のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向を移動するそれぞれ
のステージ１（24a）、ステージ２（24b）、ステージ３
（24c）の位置に情報を記憶しておく。

マイクロプロセッサ（27）はドライバー（26a）、ド
ライバー（26b）、ドライバー（26c）からそれぞれ対応
したモータ（25a）、モータ（25b）、モータ（25c）を
経由してステージ１（24a）、ステージ２（24b）、ステ
ージ３（24c）を移動させながら、検出器（31）からの
パワーが最大になる点を見つけていく。

以上のようにして光軸調整を完了すると、その状態
で、キャップ付発光器（１）とファイバーホルダー
（２）及びファイバー端末の３部品をエポキシ系を接着
剤あるいはハンダ付などで固定する。

［発明が解決しようとする問題点］上記のような従来の発光モジュールの組立装置では、
光軸調整した後に、エポキシ系の接着剤あるいはハンド
付などで固定することが必要であり、これらの固定方法
は硬化時間が長いことと、人手による作業であるため、
光軸の調整作業から接合作業までの組立時間が長くかか
り、生産性が上がらないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
もので、熟練作業者の経験に頼らずに一般の作業者が短
時間に発光モジュールを組立が可能になる発光モジュー
ルの組立方法および組立装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］この発明に係る発光モジュールの組立方法は、キャップ付発光器と、光ファイバーを保持したファイ
バー端末と、上記ファイバー端末が挿入されるファイバ
ーホルダーとを具備し、上記ファイバー端末を上記ファイバーホルダーに挿入
した状態で上記キャップ付発光器からの光が上記光ファ
イバーに最適結合するように上記ファイバー端末を移動
させる工程、上記ファイバー端末を移動させることにより上記キャ
ップ付発光器と光ファイバーとの最適光結合位置を検出
し、その位置状態で上記ファイバー端末とファイバーホ
ルダーとをレーザ溶接して光軸（ｚ軸）方向を固定する
工程、上記キャップ付発光器からの光が上記光ファイバーに
最適結合する位置を、上記キャップ付発光器とファイバ
ー端末を固定したファイバーホルダーとをx,yの二次元
内で相対的に移動させることにより検出し、その位置状
態で上記キャップ付発光器とファイバーホルダーをレー
ザ溶接する工程の順序で組立てるようにしたものであ
る。

また、この発明の発光モジュールの組立方法は、キャップ付発光器と、光ファイバーを保持したファイ
バー端末と、上記ファイバー端末が挿入されるファイバ
ーホルダーとを具備し、上記キャップ付発光器をｘ軸、ｙ軸方向に、また上記
ファイバー端末を上記ファイバーホルダーに挿入した状
態で光軸（ｚ軸）方向に移動させて上記キャップ付発光
器からの光が上記光ファイバーに最大入射する位置を検
出する第１の工程、上記第１の工程後に、上記ファイバー端末とファイバ
ーホルダーとをレーザ溶接して光ファイバーとキャップ
付発光器のｚ軸方向を固定する第２の工程、上記第２の工程後に、上記キャップ付発光器からの光
が上記光ファイバーに最大入射する位置を、上記キャッ
プ付発光器をx,yの二次元内に移動させて検出する第３
の工程、上記第３の工程後に、上記キャップ付発光器とファイ
バーホルダーとをレーザ溶接して光ファイバーとキャッ
プ付発光器のx,y軸方向を固定する第４の工程の順序で
組立てるようにしたものである。さらに、この発明に係
る発光モジュールの組立装置は、第１の手段として、xy
面内を移動可能なステージの上に回転が可能なステージ
を取りつけて、その上にキャップ付発光器を設定できる
ようにしており、第２の手段は第１の手段のｘ方向、ｙ
方向、θ方向のステージにより発光源の位置をxyθ軸の
三次元内で移動させると共に、光ファイバーの取付けら
れたステージをｚ方向で動かして、光ファイバーを最も
効率良く光が入射するようにマイクロプロセッサにより
パワーモニタしながら各ステージ（ｘ、ｙ、ｚ、θ軸）
を移動させて光軸調整を行う。

第３の手段は第２の手段により光軸調整された発光源
と光ファイバーのｚ軸方向を固定する為にｚ軸用対物レ
ンズと発光モジュールの位置を設定できる機構及び制御
系を持っている。次に第４の手段は光ファイバーと発光
源の光軸方向に垂直な面つまりxy軸方向を固定する為に
発光モジュールのキャップ付発光器とファイバーホルダ
ーの付き合わせ部の周上での溶接ケ所がマイクロプロセ
ッサからの指示で自動的に設定できる機構及び制御系を
持っている。そして、第５の手段としては、光軸調整装
置のマイクロプロセッサからの要求に応じて、第３の手
段又は第４の手段と連動してYAG溶接を行うためにｚ軸
固定用又はxy面固定用対物レンズへ必要なパワーのレー
ザ光を分配するためのシステム制御装置を持っている。

［作用］この発明においては、エポキシ系樹脂やハンダの代り
にAGレーザ溶接を使用することと、そのような構造の製
品を製造できる光軸調整からYAGレーザ溶接により接合
する作業までの一連作業が従来に比べて短時間で行える
ようにしたものである。

さらに、θ方向に回転するステージを追加したことに
より、光軸調整時のθ軸の回転を自動的にマイクロプロ
セッサにより制御できるようになったことと、光軸調整
後のxy面内のYAG溶接による固定も同一のθステージを
回転させることにより発光モジュールの周上に複数ケ所
の溶接を自動的に行うことができる。

［実施例］まず、この発明の発光モジュールの組立装置を説明す
る前にこの発明の対象となる発光モジュールの構造とそ
の組立作業フローについて以下に説明する。

第５図はこの発明の対象とする発光モジュールの構造
を示す図であり、（１）はキャップ付発光器、（２）は
光ファイバーを保持するためのファイバーホルダー、
（３）は光ファイバー、（４）は半導体レーザや発光ダ
イオード等の発光素子、（５）は球レンズ、（６）はフ
ァイバー端末、（７）は発光モジュールから外部機器へ
光を送り出すファイバー出射端、（８）はファイバーホ
ルダー（２）とファイバー端末（６）を溶接して固定す
るためのｚ軸固定用溶接ケ所、（９）はキャップ付発光
器（１）とファイバーホルダー（２）を溶接して固定す
るためのxy面固定用溶接ケ所である。

組立装置が対象とする部品はキャップ付発光器（１）
とファイバーホルダー（２）と光ファイバー（３）の３
部品であり、組立とはこの３部品を最適な位置に調整し
固定することをいう。

発光素子（４）から出た光は球レンズ（５）により集
光されて光ファイバー端末（６）で保持された光ファイ
バー（３）へ入射してファイバー出射端（７）から外部
機器へ出射される。

ファイバー端末（６）の位置を移動しながら、ファイ
バー出射端（７）からの光の量をモニタすると、パワー
が最大になる位置が存在するが、その状態でｚ軸固定溶
接ケ所（８）でYAGレーザを矢印の方向へ発射してファ
イバーホルダー（２）とファイバー端末（６）を溶接し
てｚ軸（第５図の高さ方向）方向を固定し、次にxy面固
定溶接ケ所（9a）と（9b）から同時にYAGレーザを発射
して固定する。

第６図は第５図で示される構造を持った発光モジュー
ルの組立作業のフローチャートである。簡単に説明する
と、光軸調整装置にキャップ付発光器（１）とファイバ
ーホルダー（２）と光ファイバー（３）のファイバー端
末（６）を作業者が部品装着（10）して、光軸調整装置
のスタートを行う。

すると光軸調整装置はキャップ付発光器（１）から出
てくる光線の位置を見つけるため、キャップ付発光器
（１）がxy平面内を等間隔で移動して光ファイバー
（３）へ光が入射する位置へ移動する動作を行う。この
光線捜索（11）で見つかった位置をスタート点にして、
光ファイバー（３）へ光が最も大きく入射する位置をxy
zの三次元内で見つける動作（xyzピークサーチ（12））
を行う。次にこの時のパワーレベルの確認（13）を行
い、基準レベル以下の場合は、作業者が光ファイバーを
θ軸方向に回転して、治具に取付けなおす作業（θ軸回
転（14））を行って、xyzピークサーチ（12）とパワー
レベルの確認（13）を繰り返し、光ファイバー（３）へ
の光の入射レベルが基準レベルを越えた時に、その位置
を固定するために、ファイバーホルダー（２）とファイ
バー端末（６）をYAG溶接により固定する作業（ｚ軸YAG
溶接（15））を行って発光素子（４）とファイバー端末
（６）の間隔を固定する。YAGレーザで溶接を行うとフ
ァイバー端末（６）の位置がxy面内で位置ずれを生ずる
ので、再び光ファイバー（３）へ光が最も多く入射する
位置をxy面内で捜す作業（xyピークサーチ（16））を光
軸調整装置を使って行う。次にパワーが最も入射するよ
うになった位置でキャップ付発光器（１）とファイバー
ホルダー（２）を向い合ったxy面固定溶接ケ所（9a）と
（9b）から同時にYAGレーザを発射して固定する作業（x
y面YAG溶接（17））を行う。発光モジュールは円筒で出
来ているので、xy面の固定は付き合わせ部分の円周上で
数点（例えば２点×４回）行って引張強度等に耐えられ
るように製造する。

よって、最初のxy面固定溶接ケ所（９）での溶接後
は、全周溶接の完了確認（18）がOKになるまで発光モジ
ュールを溶接角度回転（19）を行ってxy面YAG溶接（1
7）を繰り返し、全周溶接が完了すると、光軸の調整作
業と接合作業が終了し、発光モジュールの主な組立作業
が終了する。

以上で、この発明が対象とする発光モジュールの構造
及び組立作業フローについて説明を行って来たが、次の
この組立作業を行うための装置について説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図であ
り、第２図は第１図のステージ関係の機構を示すもので
あり、（20）〜（22），（24）〜（32）は上記従来装置
と全く同一のものである。

図において、（23）はYAGレーザ溶接機、（33）はYAG
溶接のためのレーザレベル、パルス巾等を設定するため
のレーザ制御装置、（34）はレーザ発振器、（35）はレ
ーザ発振器（34）からのレーザを分配するための分岐ユ
ニット、（36）はYAG溶接のためのｚ軸固定用対物レン
ズ、（37）はxy面固定用対物レンズ、（38）は各ステー
ジを乗せると共に、水平方向の基準面になる水平定盤、
（39）は水平定盤（38）に垂直でありｚ軸方向に移動す
るステージ３（24c）を固定するための垂直定盤、（4
0）はファイバーホルダー用保持治具、（41）は光ファ
イバー用保持治具、（42）はｚ軸固定用対物レンズ（3
6）の位置を保持するためのマグネットスタンドであ
る。

この発明の一実施例の発光モジュールの組立装置は上
記のように構成され、発光モジュール（20）を組立てる
ためには、キャップ付発光器（１）のリード端子をソケ
ット（29）に挿入して、次にファイバーホルダー（２）
及び光ファイバー（３）の部品を光軸調整装置に取りつ
け、ファイバー出射端（７）を光センサー（30）に接続
し、操作盤（30）からスタートボタンを押すと、マイク
ロプロセッサ（27）へ信号が送られ、光素子ドライバ
（28）を経由してソケット（29）からキャップ付発光器
（１）へ電流が送られる。そして、キャップ付発光器
（１）から出た光は光ファイバー（３）を通って光セン
サ（30）によって光から電気に変換され検出器（31）に
て、そのパワーレベルが検出されてマイクロプロセッサ
（27）へ送られる。マイクロプロセッサ（27）ではこの
光のレベルの値とその時のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向を移動
するそれぞれのステージ１（24a）、ステージ２（24
b）、ステージ３（24c）の位置の情報を記憶しておく。

マイクロプロセッサ（27）はドライバー（26a）、ド
ライバー（26b）、ドライバー（26c）からそれぞれに対
応したモータ（25a）、モータ（25b）、モータ（25c）
を経由してステージ１（24a）、ステージ２（24b）、ス
テージ３（24c）を移動させながら、検出器（31）から
のパワーが最大になる点を見つけていく。

以上のようにして光軸調整を完了すると、その状態
で、キャップ付発光器（１）とファイバーホルダー
（２）及びファイバー端末の３部品をYAGレーザ溶接機
（23）からのYAGレーザをｚ軸固定用対物レンズ（36）
及びxy面固定用対物レンズ（37）により溶接して固定す
る。

レーザ制御装置（33）は作業者からの指令を受けると
レーザ発振器（34）へトリガー信号を送るとともに、あ
らかじめ設定されたレーザのレベルとパルス巾の情報に
より発せらたレーザ光を分岐ユニット（35）へ送られ、
分岐ユニット（35）ではレーザ制御装置（33）からの情
報によりｚ軸固定用対物レンズ（36）又はxy面固定用対
物レンズ（37）の一方へYAGレーザを供給する。作業者
が、ｚ軸固定用溶接ケ所（８）の溶接を終了後対物レン
ズをxy面固定用溶接ケ所（９）へ移動させて使用する場
合には、ｚ軸用対物レンズ（36）とxy面固定用対物レン
ズ（37）は兼用できることは自明のことであり分岐ユニ
ット（35）も不要である。

次にステージの構成について説明する。水平定盤（3
8）の上にｘ軸方向に移動するステージ１（24a）が在
り、その上にｙ軸方向に移動するステージ２（24b）が
配置されており、キャップ付発光器（１）はステージ２
（24b）の上に保持される。ファイバーホルダー（２）
はキャップ付発光器（１）の上にのせ垂直定盤（39）に
連結されたファイバーホルダー用保持治具（40）に固定
される。

そしてファイバー端末（６）はファイバーホルダー
（２）に多小挿入した状態で光ファイバー用保持治具
（41）に固定され、光ファイバー保持治具（41）はステ
ージ３（24c）により垂直定盤（39）の上に移動してｚ
軸方向に上下する。以上は光軸調整に使用されるステー
ジ関係の構造であるが、接合のための位置決めは作業者
によりマグネットスタンド（42）などによりｚ軸固定用
対物レンズ（36）の位置決めが行われる。

また、第３図はこの発明の他の実施例を示すブロック
図であり、第４図は第１図のステージ関係の機構を示す
図であり、（20）〜（42）は上記従来装置と全く同一の
ものである。（24d）はθ方向に回転するステージ４、
（24e）はｚ軸固定用対物レンズ（36）を移動させるた
めのステージ５、（43）はシステム全体を制御及び管理
するためのシステム制御装置、（44）はステージ５（24
e）を駆動させるための支点、（45）はxy面固定用対物
レンズ（37）を保持するための保持治具である。

上記のように構成された発光モジュールの組立装置に
おいては、第６図の作業フローチャートのうち、部品装
着（10）を除いて全ての作業を自動で行うことが可能に
なる。

ステージ（24b）の上に取付けられたステージ４（24
d）によりキャップ付発光器（１）を回転させることが
でき、θ軸回転（14）を調整作業が可能になり、パワー
レベルの確認（13）の作業はマイクロプロセッサ（27）
により自動的に判定可能になる。xyzθの４軸方向での
光軸調整作業を終了するとマイクロプロセッサ（27）は
ステージ５（24e）を支点（44）を中心にして回転させ
てｚ軸固定用対物レンズ（36）を溶接位置まで移動させ
るとともに、システム制御装置（43）へ溶接要求の信号
を出す。すると、システム制御装置（43）からレーザ制
御装置（33）へ送られたデータにより分岐ユニット（3
5）からYAGレーザ光がｚ軸固定用対物レンズ（36）へ供
給されて、ｚ軸YAG溶接（15）の接業が自動的に行われ
る。xy面内のYAG溶接については、ステージ２（24b）の
上に設定された保持治具（45a）と保持治具（45b）で位
置決めされたxy面固定用対物レンズ（37a）と（37b）に
より同時に向い合った２ケ所から発射されて、次にステ
ージ４（24d）を溶接角度分だけ回転してレーザを発射
する動作を繰り返す。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、光軸調整した後の固
定作業を、エポキシ系の樹脂やハンダで作業者が固定し
た作業をレーザ溶接機を使って瞬時に固定する溶接へ変
更すると共に、光軸調整装置と連動して、光軸調整作業
から固定作業までを従来に比べて短時間で行えるように
したことにより、従来は熟練作業者が長時間をかけて行
っていた発光モジュールの組立作業が簡単に行えるよう
になった。

さらに、この発明は、機構的には回転するステージを
追加することにより、光軸調整作業とxy面固定用の溶接
角度回転にも使用できるようにして、マイクロプロセッ
サで自動的に光軸調整を行い、接合をシステム制御装置
の制御で自動的に行えるようにしたことにより、従来は
熟練作業者が長時間かけて行っていた発光モジュールの
組立作業が簡単に行えるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は第１図のステージ関係の機構を示す図、第３図はこの
発明の他の実施例を示すブロック図、第４図は第３図の
ステージ関係の機構を示す図、第５図は対象とする発光
モジュールの構造を説明するための図、第６図は発光モ
ジュールの組立作業フローを説明するための図、第７図
は従来の組立装置を示すブロック図である。図において、（１）はキャップ付発光器、（２）はファ
イバーホルダー、（３）は光ファイバー、（４）は発光
素子、（５）は球レンズ、（６）はファイバー端末、
（７）はファイバー出射端、（８）はｚ軸固定用溶接ケ
所、（９）はxy面固定用溶接ケ所、（10）は部品装着、
（11）は光線捜索、（12）はxyzピークサーチ、（13）
はパワーレベルの確認、（14）はθ軸回転、（15）はｚ
軸YAG溶接、（16）はxyピークサーチ、（17）はxy面YAG
溶接、（18）は全周溶接の完了確認、（19）は溶接角度
回転、（20）は発光モジュール、（21）は光軸調整装置
のステージ部、（22）は光軸調整装置の制御部、（23）
はYAGレーザ溶接機、（24）はステージ、（25）はモー
タ、（26）はドライバー、（27）はマイクロプロセッ
サ、（28）は光素子ドライバ、（29）はソケット、（3
0）は光センサー、（31）は検出器、（32）は操作盤、
（33）はレーザ制御装置、（34）はレーザ発振器、（3
5）は分岐ユニット、（36）はｚ軸固定用対物レンズ、
（37）はxy面固定用対物レンズ、（38）は水平定盤、
（39）は垂直定盤、（40）はファイバーホルダー用保持
治具、（41）は光ファイバー用保持治具、（42）はマグ
ネットスタンド、（43）はシステム制御装置、（44）は
支点、（45）は保持治具である。なお、図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示してある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】キャップ付発光器と、光ファイバーを保持
したファイバー端末と、上記ファイバー端末が挿入され
るファイバーホルダーとを具備し、（ａ）上記ファイバー端末を上記ファイバーホルダーに
挿入した状態で上記キャップ付発光器からの光が上記光
ファイバーに最適結合するように上記ファイバー端末を
移動させる工程、（ｂ）上記ファイバー端末を移動させることにより上記
キャップ付発光器と光ファイバーとの最適光結合位置を
検出し、その位置状態で上記ファイバー端末とファイバ
ーホルダーとをレーザ溶接して光ファイバーとキャップ
付発光器のｚ軸方向を固定する工程、（ｃ）上記キャップ付発光器からの光が上記光ファイバ
ーに最適結合する位置を、上記キャップ付発光器とファ
イバー端末を固定したファイバーホルダーとをx,yの二
次元内で相対的に移動させることにより検出し、その位
置状態で上記キャップ付発光器とファイバーホルダーを
レーザ溶接する工程の順序で組立てることを特徴とする
発光モジュールの組立方法。
【請求項２】キャップ付発光器と、光ファイバーを保持
したファイバー端末と、上記ファイバー端末が挿入され
るファイバーホルダーとを具備し、（ａ）上記キャップ付発光器をｘ軸、ｙ軸方向に、また
上記ファイバー端末を上記ファイバーホルダーに挿入し
た状態で光軸（ｚ軸）方向に移動させて上記キャップ付
発光器からの光が上記光ファイバーに最大入射する位置
を検出する工程、（ｂ）上記（ａ）工程後に、上記ファイバー端末とファ
イバーホルダーとをレーザ溶接して光ファイバーとキャ
ップ付発光器のｚ軸方向を固定する工程、（ｃ）上記（ｂ）工程後に、上記キャップ付発光器から
の光が上記光ファイバに最大入射する位置を、上記キャ
ップ付発光器をx,yの二次元内に移動させて検出する工
程、（ｄ）上記（ｃ）工程後に、上記キャップ付発光器とフ
ァイバーホルダーとをレーザ溶接して光ファイバーとキ
ャップ付発光器のx,y軸方向を固定する工程の順序で組
立てることを特徴とする発光モジュールの組立方法。
【請求項３】キャップ付発光器をｘ方向、ｙ方向及びθ
方向に移動可能な第１の手段と、前記第１の手段により
キャップ付発光器をx,y,θの三次元内で移動させると共
に光ファイバーをｚ方向に移動させて光ファイバーへ最
も光が入射する位置を求める第２の手段と、前記第２の
手段を動作後に光ファイバーとキャップ付発光器のｚ軸
方向を固定するための溶接位置を設定する第３の手段
と、前記第３の手段の動作後に光ファイバーとキャップ
付発光器のxy軸方向を固定するために発光モジュールの
周上の溶接位置を設定する第４の手段と、前記第３およ
び第４の手段と連動してそれぞれ設定された溶接位置に
レーザ溶接機からのレーザ光を分配するための第５の手
段とを具備したことを特徴とする発光モジュールの組立
装置。