半田付け装置及び半田付け方法
【課題】プリント基板や電子部品などが焦げることを回避して、安定した半田状態を得ることができ、安全性が高い半田付け装置を提供する。
【解決手段】半田付け装置１１０は、（ａ）開口部１５２が尖端に形成されており、開口部１５２に向かって窄む錘状空間が内部に形成された錐体ノズル１５０と、（ｂ）錘状空間にレーザ光１１３を集光させる光学システム（コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３など。）と、（ｃ）錘状空間に糸半田１１１を供給する半田供給手段（糸半田供給装置１６０、パイプ１３０など。）とを備え、（ｄ）レーザ光１１３を集光させて得られた収束光１１５で錘状空間に供給された糸半田１１１の下方先端部分を溶融させて得られた溶融玉１１２が、開口部１５２から供給される。
【解決手段】半田付け装置１１０は、（ａ）開口部１５２が尖端に形成されており、開口部１５２に向かって窄む錘状空間が内部に形成された錐体ノズル１５０と、（ｂ）錘状空間にレーザ光１１３を集光させる光学システム（コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３など。）と、（ｃ）錘状空間に糸半田１１１を供給する半田供給手段（糸半田供給装置１６０、パイプ１３０など。）とを備え、（ｄ）レーザ光１１３を集光させて得られた収束光１１５で錘状空間に供給された糸半田１１１の下方先端部分を溶融させて得られた溶融玉１１２が、開口部１５２から供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を使用して溶融させた半田を半田付け対象部分に塗布する半田付け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半田付け装置に関して色々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
例えば、図７に示すように、半田付け装置１０は、レーザ光１３で半田付け対象部分５５を加熱して、レーザ光１３で加熱した半田付け対象部分５５に糸半田１１を接触させることで、半田付け対象部分５５を半田付けする装置である。ここで、図７については、半田付け装置１０の内部構造を見易くするために、Ｘ−Ｙ面を切断面として、収束光１５の光軸に沿って、半田付け装置１０を切断した状態で表示している。
【０００３】
具体的には、半田付け装置１０では、鏡筒２０の上部中央に貫通穴が形成されている。鏡筒の上部中央に形成された貫通穴に光ファイバ２１が挿入されている。貫通穴に挿入された光ファイバ２１からレーザ光１３が射出される。光ファイバ２１から射出されたレーザ光１３が、コリメータレンズ２２、集光レンズ２３を介して、半田付け対象部分５５を照射する。半田付け対象部分５５を照射する収束光１５で半田付け対象部分５５が加熱される。このとき、半田付け対象部分５５に集光レンズ２３の焦点が位置するように、半田付け装置１０の位置が調節されている。
【０００４】
また、半田付け装置１０では、集光レンズ２３の中心に光軸に沿って貫通穴が形成されている。集光レンズ２３の中心に形成された貫通穴にパイプ３０が挿入されている。貫通穴に挿入されたパイプ３０を介して、鏡筒２０の外部から半田付け対象部分５５に糸半田１１が供給される。パイプ３０から供給された糸半田１１の下方先端部分が、レーザ光１３で加熱された半田付け対象部分５５に接触する。レーザ光１３で加熱された半田付け対象部分５５の熱で、半田付け対象部分５５に接触した糸半田１１の下方先端部分が溶融する。これによって、半田付け対象部分５５が半田付けされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９８４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の半田付け装置１０では、レーザ光１３の照射対象が半田付け対象部分５５である。このため、収束光１５の一部が、半田付け対象部分５５で反射されたり、半田付け対象部分５５で溶融中の半田１２で反射されたりする。これに伴い、反射された収束光１５の一部である反射光１６によって、半田付け対象部分５５の周辺において、プリント基板５１が焦げたり、電子部品５３が焦げたりする場合がある。
【０００７】
例えば、レーザ光１３の照射開始時には、半田付け対象部分５５も冷えている。このため、糸半田１１の溶融具合が悪く、半田付け対象部分５５が濡れ難い。このとき、糸半田１１の下方先端部分を半田付け対象部分５５に接触させても、半田付け対象部分５５が十分に加熱されていないので、糸半田１１の下方先端部分が半球状になる。半球状になった糸半田１１の下方先端部分で収束光１５の一部が反射される。反射された収束光１５の一部である反射光１６によって、プリント基板５１や電子部品５３などが焦げる。
【０００８】
しかしながら、半田付けの対象物の選定や半田付けの条件だしによっては、プリント基板５１や電子部品５３などが焦げることを回避することができる。ただし、半田付けの対象物の選定や半田付けの条件だしに手間がかかる。
【０００９】
また、集光レンズ２３の中心から糸半田１１が供給されても、糸半田１１の残留応力で糸半田１１が傾いたり、糸半田１１が揺れたりして、集光レンズ２３の光軸に沿って糸半田１１を安定供給することができない場合がある。この場合において、糸半田１１の下方先端部分が半田付け対象部分５５の加熱位置からずれると、十分な加熱が得られず、糸半田１１の溶融具合が悪い。糸半田１１の溶融具合が悪いと、予熱や連続加熱するときに、糸半田１１の下方先端部分に対する加熱温度がばらつき、半田状態が安定しない。
【００１０】
また、鏡筒２０から外部にレーザ光１３が射出されるので、安全上、カバーや各種インターロックなどが必要とされる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みて、プリント基板や電子部品などが焦げることを回避して、安定した半田状態を得ることができ、安全性が高い半田付け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係わる半田付け装置は、下記に示す特徴を備える。
（ＣＬ１）本発明に係わる半田付け装置は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、（ｂ）開口部が先端に形成されており、前記開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、（ｃ）前記錐状空間に前記レーザ光を集光させる光学システムと、（ｄ）前記錐状空間に前記半田を供給する半田供給手段とを備え、（ｅ）前記レーザ光を集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、前記開口部から供給される。
【００１２】
（ＣＬ２）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、（ａ）前記錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、（ｂ）前記溶融部分が、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に押し出されたものである。
【００１３】
（ＣＬ３）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、（ａ）前記溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、（ｂ）前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったことが前記赤外線センサーで検出されると、前記レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える。
【００１４】
（ＣＬ４）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、前記錐状空間に面する前記ノズルの内面が光を反射するものである。
なお、本発明は、半田付け装置以外に、下記に示す半田付け方法として実現されるとしてもよい。
【００１５】
（ＣＬ５）本発明に係わる半田付け方法は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、（ｂ）ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むように前記ノズルの内部に形成された錘状空間に前記レーザ光を供給して、前記錘状空間に前記レーザ光を集光させる第１の工程と、（ｃ）前記錘状空間に前記半田を供給して、前記レーザ光を前記錘状空間に集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させる第２の工程と、（ｄ）前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を前記半田付け対象部分に塗布して、前記半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む。
【００１６】
（ＣＬ６）上記（ＣＬ５）に記載の半田付け方法は、前記溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、前記赤外線センサーで測定した結果に基づいて、前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったと判断したときは、前記レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む。
【００１７】
（ＣＬ７）上記（ＣＬ５）に記載の半田付け方法は、前記第３の工程において、前記錘状空間にガスを供給して、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に前記溶融部分を押し出す。
【００１８】
（ＣＬ８）上記（ＣＬ７）に記載の半田付け方法は、（ａ）前記半田がヤニ入り半田であって、（ｂ）前記第２の工程において、前記収束光で、前記ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、（ｃ）前記第３の工程において、前記開口部から噴き出される前記ガスに混じって、揮発したフラックスが前記半田付け対象部分に吹き付けられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、錘状空間における開口部の近傍空間にレーザ光が集光して、開口部から漏れる光が溶融部分で遮断されて、ノズルの内部にレーザ光が殆ど封じ込められる。ノズルの先端から溶融部分が無くなると、レーザ光の供給が即座に停止される。このことから、ノズルの外部に収束光が漏れることを回避することができる。これによって、ノズルの外部に漏れた光でプリント基板や電子部品などを焦がすことが殆ど起こらなくなる。レーザ光を使用するにあたって、安全上、必要とされるカバーなどが不要となる。
【００２０】
また、錘状空間に面するノズルの内面で位置規制されながら、半田が錘状空間に供給される。レーザ光が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部の近傍空間）を、半田が常に通過する。このことから、半田を照射する光のエネルギーのバラツキが小さくなる。これによって、予熱や連続加熱するときに、半田の加熱温度がばらつくことを回避することができる。安定した半田状態を得ることができる。
【００２１】
これらのことから、安全性が高く、半田ごての代わりに、身近に利用することができる半田付け装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態における半田付け装置の構造を示す図である。
【図２】実施の形態における錐体ノズルの内部に集光されるレーザ光の概要を示す図である。
【図３】（Ａ）−（Ｃ）は、実施の形態における半田付け装置において溶融玉が形成される過程を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態における半田付け装置を使用してプリント基板の斜め上方から半田付け対象部分を半田付けする工程を示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態における半田付け装置を使用してプリント基板の裏面から半田付け対象部分を半田付けする工程を示す図である。
【図６】実施の形態の変形例における半田付け装置において形成される溶融玉の様子を示す図である。
【図７】従来の半田付け装置の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について説明する。
＜概要＞
本実施の形態における半田付け装置は、下記（１）−（４）に示す特徴を備える。
【００２４】
（１）半田付け装置は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、（ｂ）開口部が先端に形成されており、開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、（ｃ）錐状空間にレーザ光を集光させる光学システムと、（ｄ）錐状空間に半田を供給する半田供給手段とを備え、（ｅ）レーザ光を集光させて得られた収束光で錘状空間に供給された半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、開口部から供給される。
【００２５】
（２）半田付け装置は、（ａ）錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、（ｂ）溶融部分が、開口部から噴き出されるガスで開口部からノズルの外部に押し出されたものである。
【００２６】
（３）半田付け装置は、（ａ）溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、（ｂ）ノズルの先端から溶融部分が無くなったことが赤外線センサーで検出されると、レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える。
【００２７】
（４）半田付け装置は、錐状空間に面するノズルの内面が光を反射するものである。
なお、本実施の形態における半田付け装置を使用した半田付け方法は、下記（５）−（８）に示す特徴を備える。
【００２８】
（５）半田付け方法は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、（ｂ）ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むようにノズルの内部に形成された錘状空間にレーザ光を供給して、錘状空間にレーザ光を集光させる第１の工程と、（ｃ）錘状空間に半田を供給して、レーザ光を錘状空間に集光させて得られた収束光で錘状空間に供給された半田の一部を溶融させる第２の工程と、（ｄ）半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を半田付け対象部分に塗布して、半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む。
【００２９】
（６）半田付け方法は、溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、赤外線センサーで測定した結果に基づいて、ノズルの先端から溶融部分が無くなったと判断したときは、レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む。
【００３０】
（７）半田付け方法は、第３の工程において、錘状空間にガスを供給して、開口部から噴き出されるガスで開口部からノズルの外部に溶融部分を押し出す。
（８）半田付け方法は、（ａ）半田がヤニ入り半田であって、（ｂ）第２の工程において、収束光で、ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、（ｃ）第３の工程において、開口部から噴き出されるガスに混じって、揮発したフラックスが半田付け対象部分に吹き付けられる。
【００３１】
以上の点を踏まえて、本実施の形態における半田付け装置について説明する。
＜構成＞
まず、本実施の形態における半田付け装置の構成について説明する。
【００３２】
図１に示すように、半田付け装置１１０は、レーザ光１１３で糸半田１１１を溶融させて、溶融させて得られた溶融玉１１２を半田付け対象部分（不図示）に塗布する装置である。ここで、図１については、半田付け装置１１０の内部構造を見易くするために、Ｘ−Ｙ面を切断面として、収束光１５０の光軸に沿って、半田付け装置１１０を切断した状態で表示している。レーザ光１１３の供給装置については、省略しているが、レーザ光を連続供給可能なレーザ装置が光ファイバ１２４に接続されている。ガス１１６の供給装置については、省略しているが、Ｎ２などの不活性ガスや大気ガスなどを供給可能な装置がバイパスパイプ１３１に接続されている。
【００３３】
なお、錐体ノズル１５０が、上記ノズルに該当する。錐体ノズル１５０の尖端が、上記ノズルの先端に該当する。コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３などが、上記光学システムに該当する。光ファイバ１２４、レーザ光１１３の供給装置（不図示）などが、上記レーザ光供給手段に該当する。糸半田供給装置１６０、パイプ１３０などが、上記半田供給手段に該当する。バイパスパイプ１３１、パイプ１３０、ガス１１６の供給装置（不図示）などが、上記ガス供給手段に該当する。糸半田１１１の下方先端部分が、上記半田の一部に該当する。溶融玉１１２が、外部に押し出された溶融部分、すなわち、開口部から供給される溶融部分に該当する。
【００３４】
ここでは、一例として、半田付け装置１１０では、筐体１２０の右側部に、光軸がＸ方向に合わされた状態で、コリメータレンズ１２１が取り付けられている。筐体１２０の中央に、筐体１２０の右側から入射した光が筐体１２０の下側に射出される状態で、ミラー１２２が取り付けられている。筐体１２０の下部に、光軸がＹ方向に合わされた状態で、集光レンズ１２３が取り付けられている。光ファイバ１２４から射出されたレーザ光１１３がコリメータレンズ１２１に入射すると、コリメータレンズ１２１から平行光１１４が射出される。コリメータレンズ１２１から射出された平行光１１４が、ミラー１２２で反射される。ミラー１２２で反射された平行光１１４が集光レンズ１２３に入射すると、集光レンズ１２３から収束光１１５が射出される。
【００３５】
また、半田付け装置１１０では、筐体１２０の上部、ミラー１２２、集光レンズ１２３の各々に、パイプ１３０が挿入可能であって光軸上に位置する貫通穴が形成されている。各貫通穴に、メンテナンスが容易になるように、着脱可能な状態で、パイプ１３０が挿入されている。特に、筐体１２０の上部に形成された穴については、パイプ１３０が挿入された状態で、Ｏリング１２５でシールされている。集光レンズ１２３に形成された貫通穴については、パイプ１３０の先端だけが挿入されている。
【００３６】
また、半田付け装置１１０では、筐体１２０の右側面に、錐体フード１４０が、ネジ１４１で取り付けられている。錐体フード１４０の頂点に、光ファイバ１２４の先端が挿入されている。筐体１２０の下面に、錐体ノズル１５０が、尖端を下にして、ネジ１５１で取り付けられている。錐体ノズル１５０の尖端に、糸半田１１１の径よりも開口径がやや大きくて光軸上に位置する開口部１５２が形成されている。錐体ノズル１５０の内部に、開口部１５２に向かって窄む錘状空間が形成されている。
【００３７】
また、半田付け装置１１０では、少なくとも、錐体ノズル１５０の内側部分が、半田フィレットが形成され難い材料で構成されている。これによって、糸半田１１１の下方先端部分と錐体ノズル１５０の内面との接触面積を小さくすることができる。これに伴い、錐体ノズル１５０に伝わる熱量を小さくすることができる。
【００３８】
また、半田付け装置１１０では、錐体ノズル１５０の内面については、レーザ反射処理が施されている。さらに、収束光１１５の外周部分が錐体ノズル１５０の尖端内面で反射されるように、集光レンズ１２３の焦点距離が設定されている。このとき、図２に示すように、収束光１１５が錐体ノズル１５０の内面で反射されて、集光レンズ１２３の光軸上にビームウエスト１１８が形成される。これによって、収束光１１５の外周部分が錐体ノズル１５０の内面で反射される。これに伴い、錘状空間における開口部１５２の近傍空間のエネルギー密度が上昇する。そのエネルギー密度の分布が緩やかに連続変化する分布を示す。結果、糸半田１１１の溶融可能範囲が広がる。
【００３９】
また、図１に示すように、半田付け装置１１０では、例えば、Ｎ２などの不活性ガスや大気ガスなどのようなガス１１６が、バイパスパイプ１３１から、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給される。これによって、開口部１５２からガス１１６を噴き出すことができる。さらに、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されたときは、ヤニ入り半田に含まれるフラックスが収束光１１５で加熱されて揮発する。しかしながら、開口部１５２から噴き出されるガス１１６に混じって、揮発したフラックスが半田付け対象部分に吹き付けられる。これに伴い、安定した半田状態を得ることができる。集光レンズ１２３にフラックスが付着することを回避することできる。
【００４０】
また、半田付け装置１１０では、錘状空間における開口部１５２の近傍空間の赤外線を集光レンズ１２３越しに測定することができる位置に、赤外線センサー１２６が設置されている。これによって、錘状空間における開口部１５２の近傍空間で溶融した糸半田１１１の下方先端部分の放射エネルギーや表面温度を測定することができる。
【００４１】
また、半田付け装置１１０では、錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなる度に、赤外線センサー１２６で不連続信号が検出されることを利用して、引き半田のときに、赤外線センサー１２６で検出された不連続信号で溶融玉１１２の消失を検出する。溶融玉１１２の消失を検出すると、レーザ光１１３の供給装置（不図示）が、レーザ光の供給を即座に停止する。これによって、錐体ノズル１５０の外部にレーザ光が漏れることを回避することができる。錐体ノズル１５０の外部に漏れたレーザ光で電子部品やプリント基板などを焦がすことが殆ど起こらない。
【００４２】
＜半田付け方法＞
次に、半田付け装置１１０を使用した半田付け方法について説明する。
まず、半田付け装置１１０では、光ファイバ１２４からレーザ光１１３が連続射出される。光ファイバ１２４から連続射出されたレーザ光１１３が、コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３を介して、錘状空間における開口部１５２の近傍空間に集光する。このとき、集光レンズ１２３の光軸上における光の密度が、開口部１５２に近付くに従って、徐々に上昇する。
【００４３】
また、半田付け装置１１０では、糸半田供給装置１６０から糸半田１１１が送り出される。糸半田供給装置１６０から送り出された糸半田１１１が、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給される。このとき、糸半田１１１の下方先端部分が、集光レンズ１２３の中心から開口部１５２に、錐体ノズル１５０の内面で位置規制されながら、集光レンズ１２３の光軸に沿って案内される。
【００４４】
これによって、レーザ光１１３が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部１５２の近傍空間）を糸半田１１１の下方先端部分が常に通過する。このとき、集光レンズ１２３の光軸に沿って供給される糸半田１１１の下方先端部分が、急加熱されることなく、開口部１５２に近付くに従って徐々に加熱されて、錘状空間における開口部１５２の近傍空間で、糸半田１１１の下方先端部分が溶融する。このため、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されていても、半田ボールやフラックスが飛散することを防止することができる。錐体ノズル１５０の内部が汚れることを回避することができる。
【００４５】
さらに、糸半田１１１の下方先端部分が錘状空間における開口部１５２の近傍空間に位置すると、糸半田１１１の下方先端部分が収束光１１５で溶融する。溶融した糸半田１１１の下方先端部分（以下、溶融部分と呼称する。）で開口部１５２が塞がれて、錐体ノズル１５０の内部が密閉状態になる。溶融後、密閉状態になった錐体ノズル１５０の内部に、バイパスパイプ１３１から、パイプ１３０を介して、ガス１１６が供給される。これに伴い、錐体ノズル１５０の内部圧力が上昇して、開口部１５２を塞ぐ溶融部分が錐体ノズル１５０の外部に押し出される。錐体ノズル１５０の外部に押し出された溶融部分が、開口部１５２から噴き出されるガス１１６によって、開口部１５２から浮いた状態で、錐体ノズル１５０の尖端先に保持される。錐体ノズル１５０の外部に押し出された溶融部分が、例えば、線香花火の玉ように、表面張力で球状に形成されて、溶融玉１１２になる。開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断される。このとき、溶融玉１１２の付け根に働く表面張力と、溶融玉１１２に掛かる重力と、ガス１１６の排出圧との間で均衡が保たれている。
【００４６】
また、半田付け装置１１０では、溶融玉１１２の表面から赤外線１１７が放射される。溶融玉１１２の表面から放射された赤外線１１７が、２μ以上の熱線を通過する膜で個別にコーティングされた集光レンズ１２３とミラー１２２とを通過して、赤外線センサー１２６で受光される。溶融玉１１２の表面温度が赤外線センサー１２６で受光された赤外線１１７から特定される。光ファイバ１２４から射出されるレーザ光１１３のパワーが赤外線センサー１２６で特定された溶融玉１１２の表面温度に応じて調節される。これによって、糸半田１１１の送り量やレーザ光１１３の出力を調節して、加熱温度がばらつくことを能動的に軽減することができる。
【００４７】
そして、半田付け対象部分を半田付けするときは、半田付け装置１１０では、開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断された状態で、半田付け対象部分に溶融玉１１２が塗布される。
【００４８】
＜溶融玉の形成過程＞
次に、溶融玉の形成過程について説明する。
ここでは、糸半田１１１の下方先端部分が糸半田１１１の残留応力で曲がるとする。この場合において、半田付け装置１１０では、レーザ光が集光する位置から糸半田１１１の下方先端部分が外れると、糸半田１１１の下方先端部分が半田融点に到達しない。しかしながら、錐体ノズル１５０の内側が開口部１５２に向かって窄んでいる。このため、図３（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０の内壁に糸半田１１１の下方先端部分が接触すると、錐体ノズル１５０の内面で錘状空間における開口部１５２の近傍空間まで糸半田１１１の下方先端部分が案内される。糸半田１１１の下方先端部分が錘状空間における開口部１５２の近傍空間に位置すると、図３（Ｂ）に示すように、糸半田１１１の下方先端部分が収束光１１５で徐々に加熱される。糸半田１１１の下方先端部分に溶融部分が成長する。図３（Ｃ）に示すように、溶融部分で開口部１５２が塞がれた状態で、錐体ノズル１５０の内部にガス１１６が供給される。ガス１１６で開口部１５２から外部に溶融部分が押し出される。これによって、錐体ノズル１５０の尖端から溶融玉１１２が供給される。
【００４９】
＜使用例＞
次に、半田付け装置１１０の使用例について説明する。
＜一例目＞
まず、一例目として、半田付け装置１１０では、図４（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０を傾けても、溶融玉１１２の付け根に働く表面張力で、錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が保持される。錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が保持された状態で、プリント基板１７１のランド１７２と電子部品１７３のリード１７４との部分（以下、半田付け対象部分１７５と呼称する。）に溶融玉１１２が接触する。これに伴い、図４（Ｂ）に示すように、半田付け対象部分１７５が溶融玉１１２で加熱される。溶融玉１１２と半田付け対象部分１７５との間に働く表面張力が増大する。錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が取れる。半田付け対象部分１７５に半田フィレット１７６が形成される。
【００５０】
このとき、半田付け装置１１０では、溶融玉１１２が取れたときに赤外線センサー１２６で受光される赤外線の量が変化することを利用して、錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなったか否かが判断される。溶融玉１１２が無くなったと判断されると、即座に、光ファイバ１２４からレーザ光１１３が射出されることが停止される。
【００５１】
＜二例目＞
次に、二例目として、半田付け装置１１０では、図５（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が形成された状態で、電子部品のリード端子１８４の上方に錐体ノズル１５０が配置される。それから、図５（Ｂ）に示すように、電子部品のリード端子１８４が開口部１５２に差し込まれるまで、錐体ノズル１５０が下降する。プリント基板１８１のランド１８２と電子部品のリード端子１８４との部分（以下、半田付け対象部分１８５と呼称する。）が溶融玉１１２で加熱される。溶融玉１１２と半田付け対象部分１８５との間に働く表面張力と溶融玉１１２に掛かる重力との合計が、糸半田１１１の下方先端部分と溶融玉１１２との間に働く表面張力よりも大きくなると、半田付け対象部分１８５に溶融玉１１２が流れ出して、半田付け対象部分１８５に半田フィレット１８６が形成される。
【００５２】
このとき、半田付け装置１１０では、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されていても、フラックスが飛散する範囲が錐体ノズル１５０の内部に制限される。このため、半田付け対象部分の周辺が汚れることを回避することができる。また、半田付け対象部分と比べて、半田溶融温度における錐体ノズル１５０の尖端部分の濡れ性を悪くしておくことで、半田付け対象部分に溶融玉１１２がより流れ易くなる。
【００５３】
＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、錘状空間における開口部１５２の近傍空間にレーザ光１１３が集光して、開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断されて、錐体ノズル１５０の内部にレーザ光１１３が殆ど封じ込められる。錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなると、レーザ光１１３の供給が即座に停止される。このことから、錐体ノズル１５０の外部に収束光１１５が漏れることを回避することができる。これによって、錐体ノズル１５０の外部に漏れた光でプリント基板や電子部品などを焦がすことが殆ど起こらなくなる。レーザ光を使用するにあたって、安全上、必要とされるカバーなどが不要となる。
【００５４】
また、錐体ノズル１５０の内面で位置規制されながら、集光レンズ１２３の光軸に沿って、糸半田１１１の下方先端部部が開口部１５２に供給される。レーザ光１１３が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部１５２の近傍空間）を、糸半田１１１の下方先端部分が常に通過する。このことから、糸半田１１１の下方先端部分を照射する光のエネルギーのバラツキが小さくなる。これによって、予熱や連続加熱するときに、糸半田１１１の加熱温度がばらつくことを回避することができる。安定した半田状態を得ることができる。
【００５５】
これらのことから、安全性が高く、半田ごての代わりに、身近に利用することができる半田付け装置１１０を実現することができる。
＜変形例＞
（１）なお、図１に示すように、錐体ノズル１５０には、ガス供給口１５５が形成されているとしてもよい。これによって、パイプ１３０の代わりに、またはパイプ１３０以外からも、ガスを供給することができて、錐体ノズル１５０の内部に圧力をかけることができる。
【００５６】
（２）なお、集光レンズ１２３の代わりに、集光レンズ１２３よりも焦点距離が短い集光レンズを使用するとしてもよい。この場合においては、開口部１５２の上方で溶融玉が形成される。開口部１５２の上方で形成された溶融玉が、錐体ノズル１５０の内部に供給されるガスの圧力で糸半田１１１から切り離される。糸半田から切り離された溶融玉で、開口部１５２が塞がれる。開口部１５２が塞がれた状態で、ガスが供給されて、錐体ノズル１５０の内部圧力が上昇する。開口部１５２を塞ぐ溶融玉が、錐体ノズル１５０の外部に飛ばされる。
【００５７】
（３）なお、集光レンズ１２３の代わりに、集光レンズ１２３よりも焦点距離が長い集光レンズを使用するとしてもよい。この場合においては、糸半田１１１の下方先端部分が、錐体ノズル１５０の内部で溶融される代わりに、図６に示すように、錐体ノズル１５０の尖端で溶融される。これによって、錐体ノズル１５０の尖端に溶融玉１１２が形成される。
【００５８】
（４）なお、錐体ノズル１５０の内側部分が、白色セラミック、ＤＬＣ（diamond-like carbon）皮膜されたアルミや銅などのように、レーザ反射性が良好であって半田フィレットが形成され難い材料で構成されているとしてもよい。
【００５９】
（５）なお、糸半田１１１の代わりに、クリーム半田が使用されるとしてもよい。このとき、クリーム半田を連続供給することで、糸状にして落下して鉛筆芯状に固化したものが溶融される。
【００６０】
（６）なお、糸半田１１１の代わりに、例えば、プラスチックスなどのように、他の溶ける材料が使用されるとしてもよい。
（７）なお、バイパスパイプ１３１の代わりに、糸半田供給装置１６０から、ガス１１６が、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給されるとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、レーザ光を使用して溶融させた半田を半田付け対象部分に塗布する半田付け装置などとして利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 半田付け装置
１１ 糸半田
１２ 溶融中の半田
１３ レーザ光
１５ 収束光
１６ 反射光
２０ 鏡筒
２１ 光ファイバ
２２ コリメータレンズ
２３ 集光レンズ
３０ パイプ
５１ プリント基板
５３ 電子部品
５５ 半田付け対象部分
１１０ 半田付け装置
１１１ 糸半田
１１２ 溶融玉
１１３ レーザ光
１１４ 平行光
１１５ 収束光
１１６ ガス
１１７ 赤外線
１１８ ビームウエスト
１２０ 筐体
１２１ コリメータレンズ
１２２ ミラー
１２３ 集光レンズ
１２４ 光ファイバ
１２５ Ｏリング
１２６ 赤外線センサー
１３０ パイプ
１３１ バイパスパイプ
１４０ 錐体フード
１４１ ネジ
１５０ 錐体ノズル
１５１ ネジ
１５２ 開口部
１５５ ガス供給口
１６０ 糸半田供給装置
１７１ プリント基板
１７２ ランド
１７３ 電子部品
１７４ リード
１７５ 半田付け対象部分
１７６ 半田フィレット
１８１ プリント基板
１８２ ランド
１８４ リード
１８５ 半田付け対象部分
１８６ 半田フィレット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を使用して溶融させた半田を半田付け対象部分に塗布する半田付け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半田付け装置に関して色々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
例えば、図７に示すように、半田付け装置１０は、レーザ光１３で半田付け対象部分５５を加熱して、レーザ光１３で加熱した半田付け対象部分５５に糸半田１１を接触させることで、半田付け対象部分５５を半田付けする装置である。ここで、図７については、半田付け装置１０の内部構造を見易くするために、Ｘ−Ｙ面を切断面として、収束光１５の光軸に沿って、半田付け装置１０を切断した状態で表示している。
【０００３】
具体的には、半田付け装置１０では、鏡筒２０の上部中央に貫通穴が形成されている。鏡筒の上部中央に形成された貫通穴に光ファイバ２１が挿入されている。貫通穴に挿入された光ファイバ２１からレーザ光１３が射出される。光ファイバ２１から射出されたレーザ光１３が、コリメータレンズ２２、集光レンズ２３を介して、半田付け対象部分５５を照射する。半田付け対象部分５５を照射する収束光１５で半田付け対象部分５５が加熱される。このとき、半田付け対象部分５５に集光レンズ２３の焦点が位置するように、半田付け装置１０の位置が調節されている。
【０００４】
また、半田付け装置１０では、集光レンズ２３の中心に光軸に沿って貫通穴が形成されている。集光レンズ２３の中心に形成された貫通穴にパイプ３０が挿入されている。貫通穴に挿入されたパイプ３０を介して、鏡筒２０の外部から半田付け対象部分５５に糸半田１１が供給される。パイプ３０から供給された糸半田１１の下方先端部分が、レーザ光１３で加熱された半田付け対象部分５５に接触する。レーザ光１３で加熱された半田付け対象部分５５の熱で、半田付け対象部分５５に接触した糸半田１１の下方先端部分が溶融する。これによって、半田付け対象部分５５が半田付けされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９８４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の半田付け装置１０では、レーザ光１３の照射対象が半田付け対象部分５５である。このため、収束光１５の一部が、半田付け対象部分５５で反射されたり、半田付け対象部分５５で溶融中の半田１２で反射されたりする。これに伴い、反射された収束光１５の一部である反射光１６によって、半田付け対象部分５５の周辺において、プリント基板５１が焦げたり、電子部品５３が焦げたりする場合がある。
【０００７】
例えば、レーザ光１３の照射開始時には、半田付け対象部分５５も冷えている。このため、糸半田１１の溶融具合が悪く、半田付け対象部分５５が濡れ難い。このとき、糸半田１１の下方先端部分を半田付け対象部分５５に接触させても、半田付け対象部分５５が十分に加熱されていないので、糸半田１１の下方先端部分が半球状になる。半球状になった糸半田１１の下方先端部分で収束光１５の一部が反射される。反射された収束光１５の一部である反射光１６によって、プリント基板５１や電子部品５３などが焦げる。
【０００８】
しかしながら、半田付けの対象物の選定や半田付けの条件だしによっては、プリント基板５１や電子部品５３などが焦げることを回避することができる。ただし、半田付けの対象物の選定や半田付けの条件だしに手間がかかる。
【０００９】
また、集光レンズ２３の中心から糸半田１１が供給されても、糸半田１１の残留応力で糸半田１１が傾いたり、糸半田１１が揺れたりして、集光レンズ２３の光軸に沿って糸半田１１を安定供給することができない場合がある。この場合において、糸半田１１の下方先端部分が半田付け対象部分５５の加熱位置からずれると、十分な加熱が得られず、糸半田１１の溶融具合が悪い。糸半田１１の溶融具合が悪いと、予熱や連続加熱するときに、糸半田１１の下方先端部分に対する加熱温度がばらつき、半田状態が安定しない。
【００１０】
また、鏡筒２０から外部にレーザ光１３が射出されるので、安全上、カバーや各種インターロックなどが必要とされる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みて、プリント基板や電子部品などが焦げることを回避して、安定した半田状態を得ることができ、安全性が高い半田付け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係わる半田付け装置は、下記に示す特徴を備える。
（ＣＬ１）本発明に係わる半田付け装置は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、（ｂ）開口部が先端に形成されており、前記開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、（ｃ）前記錐状空間に前記レーザ光を集光させる光学システムと、（ｄ）前記錐状空間に前記半田を供給する半田供給手段とを備え、（ｅ）前記レーザ光を集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、前記開口部から供給される。
【００１２】
（ＣＬ２）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、（ａ）前記錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、（ｂ）前記溶融部分が、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に押し出されたものである。
【００１３】
（ＣＬ３）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、（ａ）前記溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、（ｂ）前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったことが前記赤外線センサーで検出されると、前記レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える。
【００１４】
（ＣＬ４）上記（ＣＬ１）に記載の半田付け装置は、前記錐状空間に面する前記ノズルの内面が光を反射するものである。
なお、本発明は、半田付け装置以外に、下記に示す半田付け方法として実現されるとしてもよい。
【００１５】
（ＣＬ５）本発明に係わる半田付け方法は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、（ｂ）ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むように前記ノズルの内部に形成された錘状空間に前記レーザ光を供給して、前記錘状空間に前記レーザ光を集光させる第１の工程と、（ｃ）前記錘状空間に前記半田を供給して、前記レーザ光を前記錘状空間に集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させる第２の工程と、（ｄ）前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を前記半田付け対象部分に塗布して、前記半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む。
【００１６】
（ＣＬ６）上記（ＣＬ５）に記載の半田付け方法は、前記溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、前記赤外線センサーで測定した結果に基づいて、前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったと判断したときは、前記レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む。
【００１７】
（ＣＬ７）上記（ＣＬ５）に記載の半田付け方法は、前記第３の工程において、前記錘状空間にガスを供給して、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に前記溶融部分を押し出す。
【００１８】
（ＣＬ８）上記（ＣＬ７）に記載の半田付け方法は、（ａ）前記半田がヤニ入り半田であって、（ｂ）前記第２の工程において、前記収束光で、前記ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、（ｃ）前記第３の工程において、前記開口部から噴き出される前記ガスに混じって、揮発したフラックスが前記半田付け対象部分に吹き付けられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、錘状空間における開口部の近傍空間にレーザ光が集光して、開口部から漏れる光が溶融部分で遮断されて、ノズルの内部にレーザ光が殆ど封じ込められる。ノズルの先端から溶融部分が無くなると、レーザ光の供給が即座に停止される。このことから、ノズルの外部に収束光が漏れることを回避することができる。これによって、ノズルの外部に漏れた光でプリント基板や電子部品などを焦がすことが殆ど起こらなくなる。レーザ光を使用するにあたって、安全上、必要とされるカバーなどが不要となる。
【００２０】
また、錘状空間に面するノズルの内面で位置規制されながら、半田が錘状空間に供給される。レーザ光が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部の近傍空間）を、半田が常に通過する。このことから、半田を照射する光のエネルギーのバラツキが小さくなる。これによって、予熱や連続加熱するときに、半田の加熱温度がばらつくことを回避することができる。安定した半田状態を得ることができる。
【００２１】
これらのことから、安全性が高く、半田ごての代わりに、身近に利用することができる半田付け装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態における半田付け装置の構造を示す図である。
【図２】実施の形態における錐体ノズルの内部に集光されるレーザ光の概要を示す図である。
【図３】（Ａ）−（Ｃ）は、実施の形態における半田付け装置において溶融玉が形成される過程を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態における半田付け装置を使用してプリント基板の斜め上方から半田付け対象部分を半田付けする工程を示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態における半田付け装置を使用してプリント基板の裏面から半田付け対象部分を半田付けする工程を示す図である。
【図６】実施の形態の変形例における半田付け装置において形成される溶融玉の様子を示す図である。
【図７】従来の半田付け装置の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について説明する。
＜概要＞
本実施の形態における半田付け装置は、下記（１）−（４）に示す特徴を備える。
【００２４】
（１）半田付け装置は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、（ｂ）開口部が先端に形成されており、開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、（ｃ）錐状空間にレーザ光を集光させる光学システムと、（ｄ）錐状空間に半田を供給する半田供給手段とを備え、（ｅ）レーザ光を集光させて得られた収束光で錘状空間に供給された半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、開口部から供給される。
【００２５】
（２）半田付け装置は、（ａ）錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、（ｂ）溶融部分が、開口部から噴き出されるガスで開口部からノズルの外部に押し出されたものである。
【００２６】
（３）半田付け装置は、（ａ）溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、（ｂ）ノズルの先端から溶融部分が無くなったことが赤外線センサーで検出されると、レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える。
【００２７】
（４）半田付け装置は、錐状空間に面するノズルの内面が光を反射するものである。
なお、本実施の形態における半田付け装置を使用した半田付け方法は、下記（５）−（８）に示す特徴を備える。
【００２８】
（５）半田付け方法は、（ａ）レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、（ｂ）ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むようにノズルの内部に形成された錘状空間にレーザ光を供給して、錘状空間にレーザ光を集光させる第１の工程と、（ｃ）錘状空間に半田を供給して、レーザ光を錘状空間に集光させて得られた収束光で錘状空間に供給された半田の一部を溶融させる第２の工程と、（ｄ）半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を半田付け対象部分に塗布して、半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む。
【００２９】
（６）半田付け方法は、溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、赤外線センサーで測定した結果に基づいて、ノズルの先端から溶融部分が無くなったと判断したときは、レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む。
【００３０】
（７）半田付け方法は、第３の工程において、錘状空間にガスを供給して、開口部から噴き出されるガスで開口部からノズルの外部に溶融部分を押し出す。
（８）半田付け方法は、（ａ）半田がヤニ入り半田であって、（ｂ）第２の工程において、収束光で、ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、（ｃ）第３の工程において、開口部から噴き出されるガスに混じって、揮発したフラックスが半田付け対象部分に吹き付けられる。
【００３１】
以上の点を踏まえて、本実施の形態における半田付け装置について説明する。
＜構成＞
まず、本実施の形態における半田付け装置の構成について説明する。
【００３２】
図１に示すように、半田付け装置１１０は、レーザ光１１３で糸半田１１１を溶融させて、溶融させて得られた溶融玉１１２を半田付け対象部分（不図示）に塗布する装置である。ここで、図１については、半田付け装置１１０の内部構造を見易くするために、Ｘ−Ｙ面を切断面として、収束光１５０の光軸に沿って、半田付け装置１１０を切断した状態で表示している。レーザ光１１３の供給装置については、省略しているが、レーザ光を連続供給可能なレーザ装置が光ファイバ１２４に接続されている。ガス１１６の供給装置については、省略しているが、Ｎ２などの不活性ガスや大気ガスなどを供給可能な装置がバイパスパイプ１３１に接続されている。
【００３３】
なお、錐体ノズル１５０が、上記ノズルに該当する。錐体ノズル１５０の尖端が、上記ノズルの先端に該当する。コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３などが、上記光学システムに該当する。光ファイバ１２４、レーザ光１１３の供給装置（不図示）などが、上記レーザ光供給手段に該当する。糸半田供給装置１６０、パイプ１３０などが、上記半田供給手段に該当する。バイパスパイプ１３１、パイプ１３０、ガス１１６の供給装置（不図示）などが、上記ガス供給手段に該当する。糸半田１１１の下方先端部分が、上記半田の一部に該当する。溶融玉１１２が、外部に押し出された溶融部分、すなわち、開口部から供給される溶融部分に該当する。
【００３４】
ここでは、一例として、半田付け装置１１０では、筐体１２０の右側部に、光軸がＸ方向に合わされた状態で、コリメータレンズ１２１が取り付けられている。筐体１２０の中央に、筐体１２０の右側から入射した光が筐体１２０の下側に射出される状態で、ミラー１２２が取り付けられている。筐体１２０の下部に、光軸がＹ方向に合わされた状態で、集光レンズ１２３が取り付けられている。光ファイバ１２４から射出されたレーザ光１１３がコリメータレンズ１２１に入射すると、コリメータレンズ１２１から平行光１１４が射出される。コリメータレンズ１２１から射出された平行光１１４が、ミラー１２２で反射される。ミラー１２２で反射された平行光１１４が集光レンズ１２３に入射すると、集光レンズ１２３から収束光１１５が射出される。
【００３５】
また、半田付け装置１１０では、筐体１２０の上部、ミラー１２２、集光レンズ１２３の各々に、パイプ１３０が挿入可能であって光軸上に位置する貫通穴が形成されている。各貫通穴に、メンテナンスが容易になるように、着脱可能な状態で、パイプ１３０が挿入されている。特に、筐体１２０の上部に形成された穴については、パイプ１３０が挿入された状態で、Ｏリング１２５でシールされている。集光レンズ１２３に形成された貫通穴については、パイプ１３０の先端だけが挿入されている。
【００３６】
また、半田付け装置１１０では、筐体１２０の右側面に、錐体フード１４０が、ネジ１４１で取り付けられている。錐体フード１４０の頂点に、光ファイバ１２４の先端が挿入されている。筐体１２０の下面に、錐体ノズル１５０が、尖端を下にして、ネジ１５１で取り付けられている。錐体ノズル１５０の尖端に、糸半田１１１の径よりも開口径がやや大きくて光軸上に位置する開口部１５２が形成されている。錐体ノズル１５０の内部に、開口部１５２に向かって窄む錘状空間が形成されている。
【００３７】
また、半田付け装置１１０では、少なくとも、錐体ノズル１５０の内側部分が、半田フィレットが形成され難い材料で構成されている。これによって、糸半田１１１の下方先端部分と錐体ノズル１５０の内面との接触面積を小さくすることができる。これに伴い、錐体ノズル１５０に伝わる熱量を小さくすることができる。
【００３８】
また、半田付け装置１１０では、錐体ノズル１５０の内面については、レーザ反射処理が施されている。さらに、収束光１１５の外周部分が錐体ノズル１５０の尖端内面で反射されるように、集光レンズ１２３の焦点距離が設定されている。このとき、図２に示すように、収束光１１５が錐体ノズル１５０の内面で反射されて、集光レンズ１２３の光軸上にビームウエスト１１８が形成される。これによって、収束光１１５の外周部分が錐体ノズル１５０の内面で反射される。これに伴い、錘状空間における開口部１５２の近傍空間のエネルギー密度が上昇する。そのエネルギー密度の分布が緩やかに連続変化する分布を示す。結果、糸半田１１１の溶融可能範囲が広がる。
【００３９】
また、図１に示すように、半田付け装置１１０では、例えば、Ｎ２などの不活性ガスや大気ガスなどのようなガス１１６が、バイパスパイプ１３１から、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給される。これによって、開口部１５２からガス１１６を噴き出すことができる。さらに、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されたときは、ヤニ入り半田に含まれるフラックスが収束光１１５で加熱されて揮発する。しかしながら、開口部１５２から噴き出されるガス１１６に混じって、揮発したフラックスが半田付け対象部分に吹き付けられる。これに伴い、安定した半田状態を得ることができる。集光レンズ１２３にフラックスが付着することを回避することできる。
【００４０】
また、半田付け装置１１０では、錘状空間における開口部１５２の近傍空間の赤外線を集光レンズ１２３越しに測定することができる位置に、赤外線センサー１２６が設置されている。これによって、錘状空間における開口部１５２の近傍空間で溶融した糸半田１１１の下方先端部分の放射エネルギーや表面温度を測定することができる。
【００４１】
また、半田付け装置１１０では、錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなる度に、赤外線センサー１２６で不連続信号が検出されることを利用して、引き半田のときに、赤外線センサー１２６で検出された不連続信号で溶融玉１１２の消失を検出する。溶融玉１１２の消失を検出すると、レーザ光１１３の供給装置（不図示）が、レーザ光の供給を即座に停止する。これによって、錐体ノズル１５０の外部にレーザ光が漏れることを回避することができる。錐体ノズル１５０の外部に漏れたレーザ光で電子部品やプリント基板などを焦がすことが殆ど起こらない。
【００４２】
＜半田付け方法＞
次に、半田付け装置１１０を使用した半田付け方法について説明する。
まず、半田付け装置１１０では、光ファイバ１２４からレーザ光１１３が連続射出される。光ファイバ１２４から連続射出されたレーザ光１１３が、コリメータレンズ１２１、ミラー１２２、集光レンズ１２３を介して、錘状空間における開口部１５２の近傍空間に集光する。このとき、集光レンズ１２３の光軸上における光の密度が、開口部１５２に近付くに従って、徐々に上昇する。
【００４３】
また、半田付け装置１１０では、糸半田供給装置１６０から糸半田１１１が送り出される。糸半田供給装置１６０から送り出された糸半田１１１が、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給される。このとき、糸半田１１１の下方先端部分が、集光レンズ１２３の中心から開口部１５２に、錐体ノズル１５０の内面で位置規制されながら、集光レンズ１２３の光軸に沿って案内される。
【００４４】
これによって、レーザ光１１３が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部１５２の近傍空間）を糸半田１１１の下方先端部分が常に通過する。このとき、集光レンズ１２３の光軸に沿って供給される糸半田１１１の下方先端部分が、急加熱されることなく、開口部１５２に近付くに従って徐々に加熱されて、錘状空間における開口部１５２の近傍空間で、糸半田１１１の下方先端部分が溶融する。このため、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されていても、半田ボールやフラックスが飛散することを防止することができる。錐体ノズル１５０の内部が汚れることを回避することができる。
【００４５】
さらに、糸半田１１１の下方先端部分が錘状空間における開口部１５２の近傍空間に位置すると、糸半田１１１の下方先端部分が収束光１１５で溶融する。溶融した糸半田１１１の下方先端部分（以下、溶融部分と呼称する。）で開口部１５２が塞がれて、錐体ノズル１５０の内部が密閉状態になる。溶融後、密閉状態になった錐体ノズル１５０の内部に、バイパスパイプ１３１から、パイプ１３０を介して、ガス１１６が供給される。これに伴い、錐体ノズル１５０の内部圧力が上昇して、開口部１５２を塞ぐ溶融部分が錐体ノズル１５０の外部に押し出される。錐体ノズル１５０の外部に押し出された溶融部分が、開口部１５２から噴き出されるガス１１６によって、開口部１５２から浮いた状態で、錐体ノズル１５０の尖端先に保持される。錐体ノズル１５０の外部に押し出された溶融部分が、例えば、線香花火の玉ように、表面張力で球状に形成されて、溶融玉１１２になる。開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断される。このとき、溶融玉１１２の付け根に働く表面張力と、溶融玉１１２に掛かる重力と、ガス１１６の排出圧との間で均衡が保たれている。
【００４６】
また、半田付け装置１１０では、溶融玉１１２の表面から赤外線１１７が放射される。溶融玉１１２の表面から放射された赤外線１１７が、２μ以上の熱線を通過する膜で個別にコーティングされた集光レンズ１２３とミラー１２２とを通過して、赤外線センサー１２６で受光される。溶融玉１１２の表面温度が赤外線センサー１２６で受光された赤外線１１７から特定される。光ファイバ１２４から射出されるレーザ光１１３のパワーが赤外線センサー１２６で特定された溶融玉１１２の表面温度に応じて調節される。これによって、糸半田１１１の送り量やレーザ光１１３の出力を調節して、加熱温度がばらつくことを能動的に軽減することができる。
【００４７】
そして、半田付け対象部分を半田付けするときは、半田付け装置１１０では、開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断された状態で、半田付け対象部分に溶融玉１１２が塗布される。
【００４８】
＜溶融玉の形成過程＞
次に、溶融玉の形成過程について説明する。
ここでは、糸半田１１１の下方先端部分が糸半田１１１の残留応力で曲がるとする。この場合において、半田付け装置１１０では、レーザ光が集光する位置から糸半田１１１の下方先端部分が外れると、糸半田１１１の下方先端部分が半田融点に到達しない。しかしながら、錐体ノズル１５０の内側が開口部１５２に向かって窄んでいる。このため、図３（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０の内壁に糸半田１１１の下方先端部分が接触すると、錐体ノズル１５０の内面で錘状空間における開口部１５２の近傍空間まで糸半田１１１の下方先端部分が案内される。糸半田１１１の下方先端部分が錘状空間における開口部１５２の近傍空間に位置すると、図３（Ｂ）に示すように、糸半田１１１の下方先端部分が収束光１１５で徐々に加熱される。糸半田１１１の下方先端部分に溶融部分が成長する。図３（Ｃ）に示すように、溶融部分で開口部１５２が塞がれた状態で、錐体ノズル１５０の内部にガス１１６が供給される。ガス１１６で開口部１５２から外部に溶融部分が押し出される。これによって、錐体ノズル１５０の尖端から溶融玉１１２が供給される。
【００４９】
＜使用例＞
次に、半田付け装置１１０の使用例について説明する。
＜一例目＞
まず、一例目として、半田付け装置１１０では、図４（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０を傾けても、溶融玉１１２の付け根に働く表面張力で、錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が保持される。錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が保持された状態で、プリント基板１７１のランド１７２と電子部品１７３のリード１７４との部分（以下、半田付け対象部分１７５と呼称する。）に溶融玉１１２が接触する。これに伴い、図４（Ｂ）に示すように、半田付け対象部分１７５が溶融玉１１２で加熱される。溶融玉１１２と半田付け対象部分１７５との間に働く表面張力が増大する。錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が取れる。半田付け対象部分１７５に半田フィレット１７６が形成される。
【００５０】
このとき、半田付け装置１１０では、溶融玉１１２が取れたときに赤外線センサー１２６で受光される赤外線の量が変化することを利用して、錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなったか否かが判断される。溶融玉１１２が無くなったと判断されると、即座に、光ファイバ１２４からレーザ光１１３が射出されることが停止される。
【００５１】
＜二例目＞
次に、二例目として、半田付け装置１１０では、図５（Ａ）に示すように、錐体ノズル１５０の尖端先に溶融玉１１２が形成された状態で、電子部品のリード端子１８４の上方に錐体ノズル１５０が配置される。それから、図５（Ｂ）に示すように、電子部品のリード端子１８４が開口部１５２に差し込まれるまで、錐体ノズル１５０が下降する。プリント基板１８１のランド１８２と電子部品のリード端子１８４との部分（以下、半田付け対象部分１８５と呼称する。）が溶融玉１１２で加熱される。溶融玉１１２と半田付け対象部分１８５との間に働く表面張力と溶融玉１１２に掛かる重力との合計が、糸半田１１１の下方先端部分と溶融玉１１２との間に働く表面張力よりも大きくなると、半田付け対象部分１８５に溶融玉１１２が流れ出して、半田付け対象部分１８５に半田フィレット１８６が形成される。
【００５２】
このとき、半田付け装置１１０では、糸半田１１１としてヤニ入り半田が使用されていても、フラックスが飛散する範囲が錐体ノズル１５０の内部に制限される。このため、半田付け対象部分の周辺が汚れることを回避することができる。また、半田付け対象部分と比べて、半田溶融温度における錐体ノズル１５０の尖端部分の濡れ性を悪くしておくことで、半田付け対象部分に溶融玉１１２がより流れ易くなる。
【００５３】
＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、錘状空間における開口部１５２の近傍空間にレーザ光１１３が集光して、開口部１５２から漏れる光が溶融玉１１２で遮断されて、錐体ノズル１５０の内部にレーザ光１１３が殆ど封じ込められる。錐体ノズル１５０の尖端先から溶融玉１１２が無くなると、レーザ光１１３の供給が即座に停止される。このことから、錐体ノズル１５０の外部に収束光１１５が漏れることを回避することができる。これによって、錐体ノズル１５０の外部に漏れた光でプリント基板や電子部品などを焦がすことが殆ど起こらなくなる。レーザ光を使用するにあたって、安全上、必要とされるカバーなどが不要となる。
【００５４】
また、錐体ノズル１５０の内面で位置規制されながら、集光レンズ１２３の光軸に沿って、糸半田１１１の下方先端部部が開口部１５２に供給される。レーザ光１１３が集光されて光の密度が大きくなる場所（錘状空間における開口部１５２の近傍空間）を、糸半田１１１の下方先端部分が常に通過する。このことから、糸半田１１１の下方先端部分を照射する光のエネルギーのバラツキが小さくなる。これによって、予熱や連続加熱するときに、糸半田１１１の加熱温度がばらつくことを回避することができる。安定した半田状態を得ることができる。
【００５５】
これらのことから、安全性が高く、半田ごての代わりに、身近に利用することができる半田付け装置１１０を実現することができる。
＜変形例＞
（１）なお、図１に示すように、錐体ノズル１５０には、ガス供給口１５５が形成されているとしてもよい。これによって、パイプ１３０の代わりに、またはパイプ１３０以外からも、ガスを供給することができて、錐体ノズル１５０の内部に圧力をかけることができる。
【００５６】
（２）なお、集光レンズ１２３の代わりに、集光レンズ１２３よりも焦点距離が短い集光レンズを使用するとしてもよい。この場合においては、開口部１５２の上方で溶融玉が形成される。開口部１５２の上方で形成された溶融玉が、錐体ノズル１５０の内部に供給されるガスの圧力で糸半田１１１から切り離される。糸半田から切り離された溶融玉で、開口部１５２が塞がれる。開口部１５２が塞がれた状態で、ガスが供給されて、錐体ノズル１５０の内部圧力が上昇する。開口部１５２を塞ぐ溶融玉が、錐体ノズル１５０の外部に飛ばされる。
【００５７】
（３）なお、集光レンズ１２３の代わりに、集光レンズ１２３よりも焦点距離が長い集光レンズを使用するとしてもよい。この場合においては、糸半田１１１の下方先端部分が、錐体ノズル１５０の内部で溶融される代わりに、図６に示すように、錐体ノズル１５０の尖端で溶融される。これによって、錐体ノズル１５０の尖端に溶融玉１１２が形成される。
【００５８】
（４）なお、錐体ノズル１５０の内側部分が、白色セラミック、ＤＬＣ（diamond-like carbon）皮膜されたアルミや銅などのように、レーザ反射性が良好であって半田フィレットが形成され難い材料で構成されているとしてもよい。
【００５９】
（５）なお、糸半田１１１の代わりに、クリーム半田が使用されるとしてもよい。このとき、クリーム半田を連続供給することで、糸状にして落下して鉛筆芯状に固化したものが溶融される。
【００６０】
（６）なお、糸半田１１１の代わりに、例えば、プラスチックスなどのように、他の溶ける材料が使用されるとしてもよい。
（７）なお、バイパスパイプ１３１の代わりに、糸半田供給装置１６０から、ガス１１６が、パイプ１３０を介して、錐体ノズル１５０の内部に供給されるとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、レーザ光を使用して溶融させた半田を半田付け対象部分に塗布する半田付け装置などとして利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 半田付け装置
１１ 糸半田
１２ 溶融中の半田
１３ レーザ光
１５ 収束光
１６ 反射光
２０ 鏡筒
２１ 光ファイバ
２２ コリメータレンズ
２３ 集光レンズ
３０ パイプ
５１ プリント基板
５３ 電子部品
５５ 半田付け対象部分
１１０ 半田付け装置
１１１ 糸半田
１１２ 溶融玉
１１３ レーザ光
１１４ 平行光
１１５ 収束光
１１６ ガス
１１７ 赤外線
１１８ ビームウエスト
１２０ 筐体
１２１ コリメータレンズ
１２２ ミラー
１２３ 集光レンズ
１２４ 光ファイバ
１２５ Ｏリング
１２６ 赤外線センサー
１３０ パイプ
１３１ バイパスパイプ
１４０ 錐体フード
１４１ ネジ
１５０ 錐体ノズル
１５１ ネジ
１５２ 開口部
１５５ ガス供給口
１６０ 糸半田供給装置
１７１ プリント基板
１７２ ランド
１７３ 電子部品
１７４ リード
１７５ 半田付け対象部分
１７６ 半田フィレット
１８１ プリント基板
１８２ ランド
１８４ リード
１８５ 半田付け対象部分
１８６ 半田フィレット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、
開口部が先端に形成されており、前記開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、
前記錐状空間に前記レーザ光を集光させる光学システムと、
前記錐状空間に前記半田を供給する半田供給手段とを備え、
前記レーザ光を集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、前記開口部から供給される
ことを特徴とする半田付け装置。
【請求項２】
前記錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記溶融部分が、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に押し出されたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項３】
前記溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、
前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったことが前記赤外線センサーで検出されると、前記レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項４】
前記錐状空間に面する前記ノズルの内面が光を反射するものである
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項５】
レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、
ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むように前記ノズルの内部に形成された錘状空間に前記レーザ光を供給して、前記錘状空間に前記レーザ光を集光させる第１の工程と、
前記錘状空間に前記半田を供給して、前記レーザ光を前記錘状空間に集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させる第２の工程と、
前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を前記半田付け対象部分に塗布して、前記半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む
ことを特徴とする半田付け方法。
【請求項６】
前記溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、前記赤外線センサーで測定した結果に基づいて、前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったと判断したときは、前記レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む
ことを特徴とする請求項５に記載の半田付け方法。
【請求項７】
前記第３の工程において、前記錘状空間にガスを供給して、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に前記溶融部分を押し出す
ことを特徴とする請求項５に記載の半田付け方法。
【請求項８】
前記半田がヤニ入り半田であって、
前記第２の工程において、前記収束光で、前記ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、
前記第３の工程において、前記開口部から噴き出される前記ガスに混じって、揮発したフラックスが前記半田付け対象部分に吹き付けられる
ことを特徴とする請求項７に記載の半田付け方法。
【請求項１】
レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け装置であって、
開口部が先端に形成されており、前記開口部に向かって窄む錐状空間が内部に形成されたノズルと、
前記錐状空間に前記レーザ光を集光させる光学システムと、
前記錐状空間に前記半田を供給する半田供給手段とを備え、
前記レーザ光を集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分が、前記開口部から供給される
ことを特徴とする半田付け装置。
【請求項２】
前記錐状空間にガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記溶融部分が、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に押し出されたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項３】
前記溶融部分から放射される赤外線を測定する赤外線センサーと、
前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったことが前記赤外線センサーで検出されると、前記レーザ光の供給を停止するレーザ光供給手段とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項４】
前記錐状空間に面する前記ノズルの内面が光を反射するものである
ことを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項５】
レーザ光で半田を溶融させて半田付け対象部分を半田付けする半田付け方法であって、
ノズルの先端に形成された開口部に向かって窄むように前記ノズルの内部に形成された錘状空間に前記レーザ光を供給して、前記錘状空間に前記レーザ光を集光させる第１の工程と、
前記錘状空間に前記半田を供給して、前記レーザ光を前記錘状空間に集光させて得られた収束光で前記錘状空間に供給された前記半田の一部を溶融させる第２の工程と、
前記半田の一部を溶融させて得られた溶融部分を前記半田付け対象部分に塗布して、前記半田付け対象部分を半田付けする第３の工程とを含む
ことを特徴とする半田付け方法。
【請求項６】
前記溶融部分から放射される赤外線を赤外線センサーで測定して、前記赤外線センサーで測定した結果に基づいて、前記ノズルの先端から前記溶融部分が無くなったと判断したときは、前記レーザ光の供給を停止する第４の工程を含む
ことを特徴とする請求項５に記載の半田付け方法。
【請求項７】
前記第３の工程において、前記錘状空間にガスを供給して、前記開口部から噴き出される前記ガスで前記開口部から前記ノズルの外部に前記溶融部分を押し出す
ことを特徴とする請求項５に記載の半田付け方法。
【請求項８】
前記半田がヤニ入り半田であって、
前記第２の工程において、前記収束光で、前記ヤニ入り半田に含まれるフラックスが加熱されて揮発して、
前記第３の工程において、前記開口部から噴き出される前記ガスに混じって、揮発したフラックスが前記半田付け対象部分に吹き付けられる
ことを特徴とする請求項７に記載の半田付け方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５３４９６（Ｐ２０１０−２５３４９６Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０４５８５（Ｐ２００９−１０４５８５）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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