專利名稱：通過不接觸焊接來粘接光學(xué)元件的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件例如一種光波導(dǎo)管，一種光準(zhǔn)直儀，一種光衰減器，一種光隔離器等的焊接，特別涉及通過不接觸焊接來粘接光學(xué)元件的裝置和方法。
存在若干焊接電子裝置和光學(xué)元件的公知的方法。第一個方法是通過一個電烙鐵來加熱待焊接的部分，并且供應(yīng)鉛。第二種方法是在光學(xué)元件的周圍放置一個高頻感應(yīng)加熱器，并通過高頻加熱對待焊接的部分不斷加熱。第三種方法是通過將一個激光源用作加熱源來進(jìn)行焊接，這種方法適用于由于高封裝密度而無法使用電烙鐵的部位，或者適用于由于有許多待焊接的部分而有大量工作量的情況，例如，在Joseph R.Adamski等的名稱為“二極管激光器焊接系統(tǒng)”的美國專利4963714中所述。最后，第四方法是通過使用棱鏡改變光路來針對待焊接部分加熱，該第四種方法適用于有許多不同的待焊接部分的情況。這里，在第一和第二方法中使用的鉛呈絲的形式。然而，第三和第四方法使用了鉛粉，該鉛粉涂抹在待粘接部分的周圍。
根據(jù)公知的方法的焊接工藝頻繁的應(yīng)用于電子裝置。然而為了在光學(xué)裝置上應(yīng)用這種焊接工藝，應(yīng)該考慮下列事項(1)在對粘接部分加熱期間可能產(chǎn)生的接觸有可能會影響光學(xué)元件的對準(zhǔn)；(2)光學(xué)元件的粘接部分應(yīng)保持對稱，以防由于熱膨脹而使光學(xué)元件不能對準(zhǔn)；(3)應(yīng)該對對稱的焊接部分均勻的進(jìn)行加熱，以防光學(xué)元件不能對準(zhǔn)；(4)焊接部分應(yīng)完全充滿鉛，以保證光學(xué)元件的可靠性；和(5)應(yīng)確保光學(xué)元件能再造和大量生產(chǎn)。
在前述考慮的基礎(chǔ)上，對上述各焊接方法的缺點考察后，得出結(jié)論認(rèn)為既非第一也非第二焊接方法符合前述所有的五點考慮。至于第三焊接方法，盡管滿足光學(xué)元件對稱的布置在一個平面內(nèi)，但它不符合在三維空間內(nèi)對稱的前述考慮。至于第四焊接方法，盡管所希望的部分可能連接，但卻不能保證對稱。
簡而言之，盡管非常適用于電子裝置，由于存在不對準(zhǔn)的問題，傳統(tǒng)的焊接方法不適用于光學(xué)元件。這就是說，在對焊接部分加熱期間，如果鉛與粘接部分的表面接觸，光學(xué)元件可能不對準(zhǔn)。而且作用到光學(xué)元件的粘接部分上的激光束不能保持對稱，這導(dǎo)致由于熱膨脹和熱的不均勻分布而使光學(xué)元件對不準(zhǔn)。結(jié)果影響了光學(xué)元件的特性，這樣，降低了產(chǎn)品的可靠性。另外，還使光學(xué)元件的再造性和大量生產(chǎn)能力降低。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種通過不接觸焊接來粘接光學(xué)元件的裝置和方法，其中光學(xué)元件的焊接部分內(nèi)部完全密封，以防止潮氣滲入光學(xué)元件內(nèi)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通過不接觸焊接來粘接光學(xué)元件而且能夠最大程度減少光學(xué)元件的特性變化的裝置和方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的粘接光學(xué)元件的一種裝置包括一對內(nèi)含光學(xué)系統(tǒng)并由外殼包圍的光學(xué)元件；固定每個光學(xué)元件的一端并使光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)的一個對準(zhǔn)裝置；激光源，該激光源分別布置在外殼的預(yù)定端，以便發(fā)出激光束，并避免該光束聚焦在外殼的外表面上；分別布置在激光源的上端以便在激光束上供應(yīng)鉛(lead)的供鉛裝置；和自動控制激光源和供鉛裝置的可編程邏輯控制器(PLC)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的粘接光學(xué)元件的一種方法包括的步驟有將一對光學(xué)元件固定在一個對準(zhǔn)裝置上，以便使光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)；從多個激光源發(fā)出激光束并避免光束與光學(xué)元件的粘接部分的橫截面接觸，該光學(xué)元件的焊接部分布置在光學(xué)元件的外殼之間；經(jīng)過一段預(yù)定時間之后，從供鉛裝置向激光束上供應(yīng)鉛；通過激光束熔化鉛，使得鉛流進(jìn)在外殼之間的焊接部分內(nèi)形成的空隙中；經(jīng)過一段預(yù)定時間，在可編程邏輯控制器(PLC)的自動控制下，中斷供鉛裝置的驅(qū)動力；和，在一段預(yù)定時間之后，在PLC控制下中斷激光束。
下面參考附圖，通過詳細(xì)的說明顯然可以更好的從整體上理解本發(fā)明及其附加優(yōu)點，其中相同的參考標(biāo)記表示相同或類似的部件，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，通過不接觸焊接工藝來粘接光學(xué)元件的一個裝置的一個結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，通過不接觸焊接工藝來焊接光學(xué)元件的一個裝置內(nèi)的激光束位置和一個供鉛位置的平面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，內(nèi)部填滿鉛從而以不接觸焊接工藝方式固定的粘接部分的平面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在以不接觸焊接工藝的方式來粘接光學(xué)元件期間，光學(xué)元件的光學(xué)性質(zhì)變化相對于供鉛時間的曲線；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在以不接觸焊接工藝方式來粘接期間，一個焊接部分的溫度變化曲線；和圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在以不接觸焊接工藝方式來粘接期間，供鉛速度曲線。
參見圖1和2，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，粘接光學(xué)元件的裝置包括具有不同的內(nèi)裝光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件26和28，光學(xué)元件的對準(zhǔn)裝置22和24，可連續(xù)工作的激光源10a和10b，供鉛裝置14a和14b，和鉛16a與16b。而且，用來保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)免受周圍環(huán)境影響的一個外殼30設(shè)在光學(xué)元件26的外周邊上。類似的，一個外殼32設(shè)在光學(xué)元件28的外周邊上。通孔34對稱地設(shè)在外殼32的兩側(cè)上，且用來固定外殼30和32的鉛16a和16b流進(jìn)通孔34內(nèi)，與此同時光學(xué)元件26的一端固定到對準(zhǔn)裝置22上，光學(xué)元件28的一端固定到對準(zhǔn)裝置24上。
可連續(xù)工作的激光源10a和10b以一個預(yù)定間距布置在光學(xué)元件26和28的兩側(cè)。激光源10a和10b分別發(fā)出激光束12a和12b，并避免激光束12a和12b的焦點與外殼32的外表面接觸，激光束對一個粘接部分40加熱(見圖2和3更詳細(xì)的表示粘接部分40)并融化鉛16a和16b，從而使光學(xué)元件26和28固定。從激光源10a和10b發(fā)出的光束12a和12b的焦點處直徑約為0.5mm-3mm，而且從激光源10a和10b發(fā)出的光束的電功率約是15W-40W。呈絲的形式提供的鉛16a和16b的供鉛裝置14a和14b布置在每個激光源10a和10b的上端。供鉛裝置14a和14b在激光束12a和12b上提供鉛16a和16b。這就是說，供鉛裝置14a和14b在光束12a和12b上提供鉛16a和16b，因此在鉛16a和16b不與粘接部分40直接接觸的情況下在第一位置鉛與光束接觸。激光源10a和10b和供鉛裝置14a和14b由PLC(可編程邏輯控制器)42來自動控制。即，PLCA2控制激光源10a和10b的接通和關(guān)閉(開/關(guān))，還控制鉛16a和16b的供應(yīng)時間，這樣鉛16a和16b對稱的供應(yīng)到光學(xué)元件26和28的左側(cè)和右側(cè)。
下面，參考圖1至圖6來解釋有關(guān)使用不接觸焊接工藝的光學(xué)元件粘接裝置的機(jī)構(gòu)的操作和方法。
首先，光學(xué)元件26固定和布置在對準(zhǔn)裝置22上，而光學(xué)元件28固定和布置在對準(zhǔn)裝置24上，如圖1所示。在上述過程之后，對準(zhǔn)裝置使光學(xué)系統(tǒng)(未表示)對準(zhǔn)，該光學(xué)系統(tǒng)自動或手動地封裝在光學(xué)元件26和28內(nèi)部。在光學(xué)系統(tǒng)處于最佳位置對準(zhǔn)之后，PLC42控制激光源10a和10b。然后，激光源10a和10b發(fā)出激光束12a和12b，并避免光束與光學(xué)元件26的外殼30和光學(xué)元件28的外殼32的外表面接觸。這就是說，激光源10a和10b發(fā)出光束12a和12b，如圖1和2所示，因此光束可聚焦在該光束的焦點與光學(xué)元件的粘接部分40的外表面不接觸的區(qū)域內(nèi)。換句話說，激光束12a和12b的照射位置是光學(xué)元件的粘接部分40，只要光學(xué)元件26和28布置在光束12a和12b的焦距附近，激光源10a和10b可最大程度的加熱。這里，光束12a和12b在其焦距上的焦點處的直徑約為0.5到3毫米。盡管這取決于使用情況，本發(fā)明的實施例采用了2.5毫米。從激光源10a和10b發(fā)出的光束12a和12b的照射時間包括三個步驟以便提高鉛16a和16b的焊接可靠性。
經(jīng)過一個預(yù)定的時間，即，激光源10a和10b在100℃的溫度附近對粘接部分40的橫截面充分的加熱了一段初始加熱時間“T1”，增加了鉛16a和16b的親和力，如圖4至6所示，PLCA2自動控制供鉛裝置14a和14b。接著，供鉛裝置14a和14b在激光束12a和12b上供應(yīng)鉛16a和16b。即，如圖4至6所示，供鉛裝置14a和14b以恒定速率供應(yīng)鉛16a和16b，這個過程持續(xù)了一主加熱時間“T2”。然后，就在鉛16a和16b接觸粘接部分40之前，該鉛16a和16b在第一位置與激光束12a和12b接觸并融化，從而融化后流進(jìn)粘接部分40的通孔34內(nèi)。這里供鉛裝置14a和14b以約5毫米/秒的速度在光束12a和12b上供應(yīng)鉛16a和16b。此后，在PLC42控制下，供鉛裝置14a和14b在主加熱時間“T2”結(jié)束時，以約-25毫米/秒的速度中斷供應(yīng)鉛16a和16b。如圖4至6所示，接著在PLCA2控制下，激光源10a和10b發(fā)出光束12a和12b，從而后加熱了一段后加熱時間“T3”，使得已經(jīng)供應(yīng)到粘接部分40的鉛16a和16b保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然后，在后加熱時間“T3”結(jié)束之后，PLC42關(guān)閉激光源10a和10b。如前所述，參見圖3，光學(xué)元件26和28以不接觸焊接工藝的方式粘接。在此，通常當(dāng)預(yù)加熱時間太長時，激光源10a和10b的激光束照射時間的預(yù)加熱時間、主加熱時間和后加熱時間將會出現(xiàn)問題，即光學(xué)元件的粘接部分40的橫截面上的電鍍部分可能被燒毀，或者所有的焊劑可能蒸發(fā)掉。因此在本發(fā)明的實施例中，時間分別按預(yù)加熱時間∶主加熱時間∶后加熱時間=1秒∶1.5秒～1.7秒∶1.5秒的比來控制。
盡管本發(fā)明解釋和說明了其優(yōu)選實施例所考慮的內(nèi)容，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不超出本發(fā)明的實質(zhì)的前提下，對本發(fā)明可做不同的變化和修改，而且其元件可由等效物替換。因此，本發(fā)明不限于實施本發(fā)明所公開的特定最佳實施例，本發(fā)明包括落在提出的權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1．一種通過不接觸焊接來粘接光學(xué)元件的裝置，該裝置包括至少兩個光學(xué)元件，每個光學(xué)元件內(nèi)部設(shè)有光學(xué)系統(tǒng)，且每個光學(xué)元件外部由一個單獨的外殼包圍；激光源，該激光源分別布置在所述外殼的徑向相對側(cè)，所述激光源發(fā)出激光束，并避免所述激光束聚焦在所述外殼的外表面上；供鉛裝置，每個供鉛裝置布置在所述激光源的上面，所述供鉛裝置在激光束上供應(yīng)鉛以便將所述外殼焊接在一起；和控制器，自動控制所述激光源和所述供鉛裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述鉛是鉛絲。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述激光束的焦點的直徑為0.5-3毫米。
4．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述激光束的功率為15W-40W。
5．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于從圍繞所述每個光學(xué)元件的所述外殼中選擇出的其中一個外殼具有許多孔，每個孔對應(yīng)一個單獨的激光束，這樣由所述激光束融化的所述鉛通過所述孔流進(jìn)形成于外殼之間的一個粘接部分內(nèi)的一個縫隙中。
6．如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于在一段預(yù)加熱時間、一段主加熱時間和一段后加熱時間期間，所述控制器控制所述激光源和所述供鉛裝置。
7．如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述預(yù)加熱時間、所述主加熱時間和所述后加熱時間分別是1秒、1.5至1.7秒和1.5秒。
8．如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述控制器控制所述供鉛裝置在所述主加熱時間期間以約5毫米/秒的速度輸出鉛，并在所述主加熱時間結(jié)束時以-25毫米/秒的速度中斷供應(yīng)所述鉛。
9．如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括固定在每個所述光學(xué)元件的一預(yù)定端并使光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)的一個對準(zhǔn)裝置。
10．一種粘接光學(xué)元件的方法，該元件至少具有兩個光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有容納光學(xué)系統(tǒng)的外殼使所述光學(xué)元件對準(zhǔn)的一個對準(zhǔn)裝置，用來粘接所述光學(xué)元件的激光源，供鉛裝置，為了焊接，該供鉛裝置用來供應(yīng)由所述激光源產(chǎn)生的激光束加熱的鉛，以及控制所述激光源和所述供鉛裝置的一個控制器，所述方法采用一種不接觸粘接工藝來粘接所述光學(xué)元件，所述方法的步驟包括將所述光學(xué)元件固定在所述對準(zhǔn)裝置上，并使所述光學(xué)元件的所述光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)；從所述激光源發(fā)出所述激光束并將所述激光束聚焦在一區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域位置，在位于所述外殼之間的光學(xué)元件的一個粘接部分，所述激光束的焦點不與所述外殼接觸；在第一預(yù)定時間段之后，在所述控制器控制下，從所述供鉛裝置向所述激光束上供應(yīng)所述鉛；在第二預(yù)定時間段期間，通過激光束融化所述鉛，這樣所述鉛通過孔流進(jìn)其中一個所述外殼內(nèi)，并流進(jìn)形成所述外殼之間的粘接部分內(nèi)的一個縫隙中；在所述第二預(yù)定時間段結(jié)束之后，在所述控制器控制下，中斷所述供鉛裝置的驅(qū)動力；和在第三預(yù)定時間段結(jié)束之后，在所述控制器控制下，中斷所述激光束。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述第一預(yù)定時間段包括一個預(yù)加熱時間，經(jīng)過該預(yù)加熱時間將所述光學(xué)元件的所述粘接部分的一個橫截面加熱到一個預(yù)定溫度。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第二預(yù)定時間段包括一個主加熱時間，在該主加熱時間期間，所述鉛由所述供鉛裝置供應(yīng)并由所述激光束融化以便流進(jìn)位于外殼之間的粘接部分內(nèi)的所述縫隙內(nèi)。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第三預(yù)定時間段包括一個后加熱時間，在此期間加熱所述光學(xué)元件的所述焊接部分的所述橫截面，以便將所述鉛供應(yīng)進(jìn)入位于粘接部分內(nèi)的縫隙中，從而保持穩(wěn)定形狀。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述預(yù)加熱時間、所述主加熱時間和所述后加熱時間的比為1秒∶1.5秒～1.7秒∶1.5秒。
15．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在所述激光束上供應(yīng)鉛的所述步驟包括在所述第二時間段期間以5毫米/秒的速度供應(yīng)所述鉛。
16．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于中斷供應(yīng)所述鉛的所述步驟是在所述第二時間段結(jié)束時以-25毫米/秒的速度進(jìn)行的。
17．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于發(fā)出所述激光束的所述步驟包括以15W-40W的電功率提供所述激光源。
18．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在預(yù)加熱時間、主加熱時間和后加熱時間期間所述激光束以15W-40W的電功率發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)元件的焊接,特別涉及不直接與光學(xué)元件粘接部分接觸來焊接光學(xué)元件以防潮氣滲入光學(xué)元件內(nèi)的裝置和方法。該裝置包括:至少兩個光學(xué)元件,其內(nèi)設(shè)有光學(xué)系統(tǒng),其外由外殼包圍;固定在每個光學(xué)元件一端并使光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)的對準(zhǔn)裝置;分別布置在外殼兩端的激光源,激光源發(fā)出激光束,并避免激光束聚焦在外殼外表面上;分別布置在激光源兩上端的供鉛裝置,以向激光束上供應(yīng)鉛;以及控制激光源和供鉛裝置的一個控制器。
文檔編號B23K26/20GK1221120SQ98120348
公開日1999年6月30日 申請日期1998年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月28日
發(fā)明者金映周 申請人:三星電子株式會社