CN106163726B - 加工装置和加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种更加小型且能够进行高精度加工的加工装置和加工方法。加工装置对被加工部件照射激光，从而对被加工部件进行加工，具有：激光输出装置，其具有输出波长在1070nm以下的激光的多个垂直腔面发射激光器元件、和表面上呈矩阵状地排列有多个垂直腔面发射激光器元件的基板；引导光学系统，其引导从激光输出装置输出的激光；以及控制装置，其控制激光输出装置的输出功率。

Description

加工装置和加工方法
技术领域
本发明涉及一种对被加工部件进行加工的加工装置和加工方法。
背景技术
作为对被加工部件进行切割、开孔、表面处理、堆焊、焊接加工等的加工加工装置，存在使用激光的加工装置。专利文献1和专利文献2所公开的加工装置，通过对被加工部件照射激光，从而对被加工部件进行切割、开孔。例如，在本申请人作为申请人的专利文献1中公开了一种利用激光进行切割的加工装置，该加工装置具备CO2激光振荡器和准分子激光振荡器，将CO2激光束和准分子激光束用作两个激光器，在通过照射CO2激光器的激光束而对塑料部件或者FRP部件进行切割或开孔之后，接着对该切割面及其附近照射准分子激光器的激光束而除去切割面上产生的碳化层或者热影响层。
另外，作为激光输出装置，提出了朝向垂直于基板面的方向输出光束的垂直腔面发射激光器(VCSEL、Vertical Cavity Surface Emitting Laser)(参照专利文献2和专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特许第2831215号公报
专利文献2：日本专利特表2013-504457号公报
专利文献3：日本专利特开2002-26452号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1中的CO2激光束和准分子激光束，输出激光的装置大型化，激光的利用效率的提高有限。另外，专利文献2和专利文献3所公开的半导体激光的垂直腔面发射激光器可以将装置小型化，但仍有改进的余地。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种更加小型且能够进行高精度加工的加工装置和加工方法。
技术方案
为了解决上述问题且实现目的，本发明的加工装置对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工，其特征在于，具有：激光输出装置，其具有输出波长在1070nm以下的激光的多个垂直腔面发射激光器元件、和表面上呈矩阵状地排列有多个所述垂直腔面发射激光器元件的基板；引导光学系统，其引导从所述激光输出装置输出的激光；以及控制装置，其控制所述激光输出装置的输出功率。
另外，优选所述激光输出装置设有多个，且多个所述激光输出装置的输出激光的面相邻而配置。
另外，优选多个所述激光输出装置呈矩阵状地配置。
另外，优选多个所述激光输出装置配置成一列。
为了解决上述问题且实现目的，本发明的加工装置是对被加工部件进行加工的装置，其特征在于，具有：加工头，其对所述被加工部件进行加工；加热头，其具有激光输出装置和引导光学系统并对所述被加工部件进行加热，其中，所述激光输出装置具有输出激光的多个垂直腔面发射激光器元件、和表面上呈矩阵状地排列有多个所述垂直腔面发射激光器元件的基板，所述引导光学系统引导从所述激光输出装置输出的激光；以及控制装置，其控制所述激光输出装置的输出功率，并控制所述被加工部件的加热。
另外，优选所述加工头对所述被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工。
另外，优选所述加热头固定在所述加工头上。
另外，优选所述引导光学系统将从多个所述垂直腔面发射激光器元件输出的激光进行聚光，并照射至所述被加工部件上。
另外，优选所述引导光学系统具有将从多个所述垂直腔面发射激光器元件输出的激光进行聚光的聚光部、和射入所述聚光部聚光后的激光并加以传输的光纤。
另外，优选所述激光输出装置具有对所述基板进行冷却的冷却机构。
另外，优选所述控制装置控制所述激光输出装置的所述垂直腔面发射激光器元件的输出功率分布。
另外，优选所述加工为三维造型、堆焊、焊接、表面处理、开孔、切割、开凿中的任意一种。
为了解决上述问题且实现目的，本发明的加工方法是对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工的方法，其特征在于，从呈矩阵状地配置在表面上的多个垂直腔面发射激光器元件输出波长在1070nm以下的激光，并利用引导光学系统引导输出的激光，从而对所述被加工部件进行加工。
为了解决上述问题且实现目的，本发明的加工方法是对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工的方法，其特征在于，包括：从呈矩阵状地配置在表面上的多个垂直腔面发射激光器元件输出激光，并利用引导光学系统引导输出的激光，从而对所述被加工部件进行加热的工序，以及利用加工头对所述被加工部件进行加工的工序。
有益效果
本发明能够实现更加小型化且能够进行高精度加工的效果。
附图说明
图1是表示加工装置的第1实施方式的大致结构的示意图。
图2是表示图1所示的加工头的大致结构的示意图。
图3是表示激光输出装置的大致结构的示意图。
图4是表示激光输出装置的激光元件的大致结构的示意图。
图5是表示激光输出装置的冷却机构的大致结构的示意图。
图6为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。
图7为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。
图8为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。
图9为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的说明图。
图10是表示激光输出装置的冷却机构的第1改进例的大致结构的立体图。
图11是表示激光输出装置的冷却机构的第2改进例的大致结构的立体图。
图12是从相反侧观察图11的激光输出装置的立体图。
图13是表示激光输出装置的冷却机构的第3改进例的大致结构的立体图。
图14是表示图13所示的激光输出装置的冷却机构的大致结构的示意图。
图15是表示激光输出装置的冷却机构的第4改进例的大致结构的立体图。
图16是表示激光输出装置的冷却机构的第5改进例的大致结构的立体图。
图17是表示激光输出装置的冷却机构的第6改进例的大致结构的立体图。
图18是表示激光输出装置的冷却机构的第7改进例的大致结构的立体图。
图19是表示加工装置的第2实施方式的大致结构的示意图。
图20是表示加工装置的第3实施方式的大致结构的示意图。
图21是表示加工装置的第4实施方式的大致结构的示意图。
图22是表示加工装置的第5实施方式的大致结构的示意图。
图23是表示激光输出装置的配置结构的示意图。
图24是表示加工装置的第6实施方式的大致结构的示意图。
图25是表示加工装置的处理动作的一个例子的流程图。
具体实施方式
接下来，基于附图对本发明中所涉及的加工装置和加工方法的一个实施方式进行详细说明。并且，本发明并不限于此实施方式。例如，在本实施方式中，对于加工板状的被加工部件的情况进行说明，但被加工部件的形状并无特别限定。被加工部件的形状可以是各种各样的形状。另外，本实施方式的加工装置能够进行在被加工部件上形成孔的加工、沿直线切割被加工部件的加工。另外，加工装置通过调整被加工部件上的加工位置、即激光的照射位置，也可以形成为孔、直线以外的形状，例如具有拐点的形状、弯曲的形状。另外，加工装置所进行的加工并不限定于切割、开孔。加工装置也可以使用于三维造型、堆焊、焊接、表面处理、开凿等加工。表面处理包括淬火、加热(例如，以残留应力的除去、金属或半导体等的晶体成长为目的的退火)、抛光、表面清洗、涂膜剥离等。另外，在本实施方式中，通过使被加工部件进行移动，从而使激光器与被加工部件相对移动，但是，也可以使激光器进行移动，还可以使激光器和被加工部件两者进行移动。
[第1实施方式]
图1是表示加工装置的第1实施方式的大致结构的示意图。图2是表示图1所示的加工头的大致结构的示意图。图3是表示激光输出装置的大致结构的示意图。图4是表示激光输出装置的激光元件的大致结构的示意图。图5是表示激光输出装置的冷却机构的大致结构的示意图。如图1所示，加工装置10具有加工头13、移动机构18、支撑台20以及控制装置22。加工装置10通过对设置于支撑台20上的被加工部件8照射激光，从而对被加工部件8进行加工。在此，在本件中，加工装置10将被加工部件8的表面设为XY平面，将与被加工部件8的表面正交的方向设为Z方向。
在此，本实施方式的被加工部件8为板状的部件。被加工部件8可以使用由各种材料、例如Inconel(注册商标)、Hastelloy(注册商标)、不锈钢、陶瓷、钢、碳素钢、陶瓷、硅、钛、钨、树脂、塑料、玻璃、涂敷有涂料的材料等制成的部件。另外，被加工部件8也可以使用由CFRP(碳纤维增强塑料、Carbon Fiber Reinforced Plastics)、GFRP(玻璃纤维增强塑料)、GMT(玻璃长纤维增强塑料)等的纤维增强塑料、钢板以外的铁合金、铝合金等的各种金属、其他复合材料等制成的部件。
加工头13对被加工部件8照射激光(激光束)，从而对被加工部件8进行加工。如图2所示，加工头13具有激光输出装置42、引导光学系统44以及壳体46。
如图3所示，激光输出装置42具有激光输出部50和对激光输出部50进行冷却的冷却机构52。激光输出部50具有基板54、配置于基板54上的多个VCSEL元件(垂直腔面发射激光器元件)56以及电流控制电路58。
基板54是板状的部件，且设置有配线57a、57b。基板54设置有配线59a、59b、59c以及59d。基板54的配线59a、59b、59c以及59d与电流控制电路58连接。
多个VCSEL元件56是朝向垂直于基板面的方向输出光束的垂直腔面发射激光器(VCSEL、Vertical Cavity Surface Emitting Laser)元件。如图4所示，VCSEL元件56呈矩阵状地配置。另外，VCSEL元件56通过配置在板状的基板54的表面上，从而排列配置在一个平面上。
图4的激光输出部50配置有5行5列共25个VCSEL元件56。激光输出部50的外侧一周的16个VCSEL元件56通过配线57a串联连接，并通过配线59a与电流控制电路58连接。另外，从外侧起第二周的8个VCSEL元件56通过配线57b串联连接，并通过配线59b与电流控制电路58连接。激光输出部50的中心1个VCSEL元件56通过配线59c与电流控制电路58连接。另外，激光输出部50的VCSEL元件56的通用电极通过配线59d连接。
电流控制电路58通过配线59a、59b、59c以及59d向各VCSEL元件56供给电流，从而控制各VCSEL元件56的动作。电流控制电路58利用三种配线连接VCSEL元件56，并且联动控制通过各种配线连接的VCSEL元件56。
激光输出部50通过从电流控制电路58向VCSEL元件56供给电流，从而从各VCSEL元件56输出激光。
图4的激光输出部50示出了配置有5行5列共25个VCSEL元件56的情况，但并不限定于此。VCSEL元件56既可以多于25个，也可以少于25个。另外，配置的形状优选如本实施方式那样为矩形、或者圆形，但可以为任意的形状。
冷却机构52具有铜板70、和使冷却水在其与铜板70之间循环的冷却水供给机构72。铜板70与激光输出部50的基板54的配置有VCSEL元件56的面相反侧的面接触。铜板70上排列形成有多个冷却水通道74，并且，铜板70的一端部与集管器76连接，另一端部与集管器78连接。冷却水供给机构72与集管器76和集管器78连接，并向集管器76供给冷却水，从集管器78回收冷却水。冷却水供给机构72具有泵、配管以及使冷却水冷却的冷却部。配管与集管器76和集管器78连接，且配管与泵和冷却部连接，通过铜板70、泵以及冷却部形成一个封闭的流道。另外，冷却水供给机构72也可以不形成封闭的流道，而将使用后的冷却水废弃。
冷却机构52通过利用冷却水供给机构72使冷却水依次流过集管器76、冷却水通道74、集管器78而对铜板70进行冷却，从而对基板54进行冷却，由此对激光输出部50进行冷却。
引导光学系统44是将从激光输出装置42输出的激光引导至被加工部件8的光学系统。引导光学系统44具有透镜，将从激光输出装置42输出的激光进行聚光，并照射至被加工部件8上。引导光学系统44也可以使用反射镜、透镜的组合。加工头13将从激光输出装置42输出且由引导光学系统44引导的激光L照射至被加工部件8上。壳体46保持激光输出装置42和引导光学系统44。
移动机构18具有悬臂30和使悬臂30移动的驱动源32。悬臂30利用前端支撑加工头13的壳体46。驱动源32能够使悬臂30在XYZ三个轴向以及θ方向上移动。移动机构18通过利用驱动源32使悬臂30在XYZ三个轴向或θ方向上移动，从而能够向被加工部件8的各种位置照射激光L。另外，本实施方式的移动机构18为通过悬臂30和驱动源32使加工头13移动的机构，但也可以使用通过XY载物台、XYZ载物台等使加工头13移动的机构。
支撑台20将被加工部件8支撑在规定位置处。另外，加工装置10也可以是使支撑台20和被加工部件8在XY方向上移动的XY载物台。控制装置22控制各部分的动作。
控制装置22调整从激光输出装置42输出的激光的各种条件、或者通过移动机构18使加工头13移动而调整加工头13相对于被加工部件8的位置。加工装置10呈以上所述的构成。
加工装置10从激光输出装置42的VCSEL元件56输出激光L。加工装置10通过利用引导光学系统44将输出的激光L引导、照射至被加工部件8上，从而对被加工部件8进行加工。
加工装置10通过在输出激光的激光输出装置42中使用VCSEL元件56，能够使装置小型化。另外，加工装置10通过利用冷却机构52对激光输出部50进行冷却，能够抑制激光输出部50的温度升高，从而能够稳定地长时间进行工作。另外，通过调整所配置的VCSEL元件56的数量，也可以调整输出的激光的强度。进而，能够从激光输出装置42输出指向性高的激光，可以通过简单的光学系统控制激光。
在此，加工装置10优选将从VCSEL元件56输出的激光的波长设为1070nm以下。由此，能够适当地对被加工部件8进行加工。另外，一个VCSEL元件56的输出功率优选为1mW以上且10mW以下。另外，激光输出装置42的输出功率优选为10W以上且10kW以下。另外，激光输出装置42的输出功率更优选为100W以上且10kW以下，更优选为500W以上10kW以下。通过将一个VCSEL元件56的输出功率设为1mW以上，并将激光输出装置42的输出功率设为10W以上，能够提高各自的输出功率，从而能够减少获得所需输出功率所需的个数。另外，通过设为上述更优选的范围，能够进一步减少获得所需输出功率所需的个数。另外，通过将激光输出装置42的输出功率设为10kW以下，能够使装置小型化。具体而言，能够减少激光输出装置42的发热量，从而能够缩小冷却机构52，由此能够抑制装置整体大型化。另外，通过设为上述更优选的范围，能够抑制装置大型化。
另外，加工装置10通过在输出激光的激光输出装置42中使用VCSEL元件56，能够调整各个VCSEL元件56输出的激光的强度，从而能够将激光L的轮廓形成为任意的形状。具体而言，加工装置10通过利用控制装置22控制从电流控制电路58供给至VCSEL元件56的电流，能够调整从VCSEL元件56输出的激光的强度，从而能够将激光L的轮廓形成为任意的形状。
图6为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。图7为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。图8为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的图表。图9为示出激光输出装置的输出功率分布的一个例子的说明图。例如，当加工装置10如图6所示使中心侧和内周侧的VCSEL元件56的输出功率相同，且降低外周侧的VCSEL元件56的输出功率时，能够形成图7所示那样的平顶型输出功率分布。由此，无需使用DOE等的光学元件，且能够形成平顶型的输出功率分布。另外，当加工装置10使中心侧和外周侧的VCSEL元件56的输出功率降低，且使中心与外周之间的内周侧的VCSEL元件56的输出功率升高时，能够形成图8和图9所示那样输出功率的峰值79在远离中心的位置处呈环状的环型输出功率分布。由此，无需使用日本专利特开2012-230366号公报中公开的光学系统，且能够输出呈环型输出功率分布的光。另外，加工装置10通过从中心侧朝向外周侧减小输出功率，也可以输出呈高斯型输出功率分布的光。
由此，与从一个发光元件输出时相比，加工装置10的输出功率分布的控制简单，且能够输出任意的输出功率分布的激光。另外，在本实施方式中，将VCSEL元件56从中心起依次进行分组且连接至配线，但是，连接各VCSEL元件的模式可以为各种模式。
另外，加工装置10的冷却机构52并不限定于上述例子，可以使用各种机构。使用图10～图18，就冷却机构的其他例子进行说明。另外，冷却机构也可以组合各种特征。
图10是表示激光输出装置的冷却机构的第1改进例的大致结构的立体图。图10所示的激光输出装置42a的冷却机构52a中的铜板70a大于激光输出部50。由此，通过增大铜板70a，能够提高激光输出部50的冷却能力。
图11是表示激光输出装置的冷却机构的第2改进例的大致结构的立体图。图12是从相反侧观察图11的激光输出装置的立体图。图11和图12所示的激光输出装置42b的冷却机构52b，在铜板70a的与激光输出部50相反侧的面上设有散热片80。散热片80是形成有凹凸部，且通过形成凹凸部而增大与空气的接触面积的空冷机构。冷却机构52b通过设置散热片80，能够进一步提高冷却能力。
图13是表示激光输出装置的冷却机构的第3改进例的大致结构的立体图。图14是表示图13所示的激光输出装置的冷却机构的大致结构的示意图。图13和图14所示的激光输出装置42c的冷却机构52c中，铜板70b的冷却水通道74a是剖面呈矩形，且形成于激光输出部50的整个面上的一条流道。由此，能够进一步增大与激光输出部50重叠的部分的面积，从而能够提高冷却性能。另外，冷却水通道74a通过使其在与铜板70b与和激光输出部50的接触面正交的方向上的长度短于其他方向上的长度，能够在维持有助于冷却的面积的同时，能够加快所供给的冷却水的流速。
图15是表示激光输出装置的冷却机构的第4改进例的大致结构的立体图。图15所示的激光输出装置42d的冷却机构52d的铜板70c与激光输出部50的侧面也接触。即，铜板70c上形成有凹陷，激光输出部50设置在凹陷中。冷却水通道74b也形成于铜板70c的与侧面对应的部分中，剖面呈U字形状。冷却水通道74b是与激光输出部50对应而形成的一个流道。由此，能够进一步增大与激光输出部50重叠的部分的面积，从而能够提高冷却性能。
图16是表示激光输出装置的冷却机构的第5改进例的大致结构的立体图。图16所示的激光输出装置42e的冷却机构52e，在铜板70d上形成有冷却水通道74a和冷却水通道75这两条冷却水通道。冷却水通道75形成于与冷却水通道74a平行且远离激光输出部50的位置处。激光输出装置42e通过设置两条冷却水通道，能够提高冷却性能。
图17是表示激光输出装置的冷却机构的第6改进例的大致结构的立体图。图17所示的激光输出装置42f的冷却机构52f设有铜板70e和冷却水供给机构72a。铜板70e形成有冷却水通道74c和集管器76a、78a。冷却水通道74c在与激光输出部50接触的面相反侧的面上形成有冷却水的流入口，在与激光输出部50接触的面正交的四个面中相对置的两个面上形成有冷却水的流出口。集管器76a与形成于与激光输出部50接触的面相反侧的面上的流入口连接。两个集管器78a分别与形成于与激光输出部50接触的面正交的面中的两个面上的流出口连接。冷却水供给机构72a通过从集管器76a向冷却水通道74c供给冷却水，并回收排出至两个集管器78a中的冷却水，从而对铜板70e进行冷却。由此，通过在铜板70e的与激光输出部50接触的面相反侧的面上设置冷却水的流入口，从而能够沿朝向激光输出部50的方向供给冷却水。由此，能够进一步提高冷却能力。
图18是表示激光输出装置的冷却机构的第7改进例的大致结构的立体图。图18所示的激光输出装置42g的冷却机构52g，在铜板70f上形成有冷却水通道82和冷却水通道84两者。即，冷却机构52g在激光输出部50上设有具备冷却水通道82和散热片84这两种结构的铜板70f。由此，能够利用少量部件进一步提高冷却性能。
另外，上述改进例可以将各种进行组合。例如，不具备散热片的冷却机构也可以具备散热片，既可以形成为比激光输出部50大的形状，也可以形成为与激光输出部50相同的形状。
加工装置并不限定于上述实施方式，可以形成为各种实施方式。接下来使用图19～图24，就其他实施方式进行说明。
[第2实施方式]
图19是表示加工装置的第2实施方式的大致结构的示意图。另外，除了加工头的结构之外，第2实施方式的加工装置的构成与第1实施方式的加工装置10相同。对于与加工装置10相同的构成，省略说明。
加工装置110的加工头111具有激光输出装置142、引导光学系统144以及壳体146。加工头111的激光输出装置142和引导光学系统144的一部分配置在壳体146的外部。除了配置位置之外，激光输出装置142的结构与激光输出装置42相同。
引导光学系统144具有入光侧聚光部144a、光纤144b以及照射侧聚光部144c。入光侧聚光部144a将从激光输出装置142输出的激光进行聚光，并射入光纤144b中。光纤144b是柔软的传输器。光纤144b朝向照射侧聚光部144c照射射入的激光。照射侧聚光部144c将从光纤144b输出的激光进行聚光并照射至被加工部件8上。照射侧聚光部144c具有准直透镜和聚光透镜，并在将从光纤144b输出的激光准直后进行聚光。壳体146被支撑在悬臂30上，并支撑光纤144b的一部分和照射侧聚光部144c。
也可以如加工装置110那样使用光纤144b传输从激光输出装置142输出的激光。通过使用VCSEL元件56输出激光，能够输出发散角小、即指向性高的激光，因而能够高效地射入光纤144b中。由此，能够缩小光纤144b的直径，从而能够进一步提高照射至被加工部件8上的激光的品质和聚光性。由此，能够进一步提高加工的精度。
另外，加工装置110的激光输出装置142与壳体146分开设置，但是，也可以将激光输出装置142配置在壳体146的内部，并使用光纤144b传输激光。在如此情况下，也可以通过使用光纤144b而将激光输出装置142配置在壳体146的任意位置上，从而能够提高设计的自由度。
[第3实施方式]
图20是表示加工装置的第3实施方式的大致结构的示意图。另外，除了具备加热头这一点之外，第3实施方式的加工装置的构成与第1实施方式的加工装置10相同。对于与加工装置10相同的构成，省略说明。
如图20所示，加工装置210具有加工头13、移动机构18、支撑台20、控制装置22以及多个加热头215。加热头215与加工头13同样具有VCSEL元件，并将从VCSEL元件输出的激光照射至被加工部件8上，从而对被加工部件8进行加热。加热头215的结构与加工头13相同，故省略说明。加热头215配置在加热头13的壳体周围，并固定在加工头13上。因此，加热头215与加工头13呈一体地移动。加热头215围绕加工头13的轴呈等角度间隔地配置在加工头13周围的四个位置处。
加工装置210通过设置加热头215，对利用加工头13进行加工的区域、或者加工后的区域进行加热，从而能够更高精度地执行加工。另外，加工装置210通过使用VCSEL元件作为加热头215的激光源，并将从VCSEL元件输出的激光照射至被加工部件8上，对被加工部件8进行加热，从而能够将加热头215的包含激光输出装置的部分小型化，能够简单地与加工头13一体化。通过将加热头215与加工头13一体化，能够容易地进行校准，从而容易进行位置控制。另外，通过使用VCSEL元件作为加热头215的激光源，并将从VCSEL元件输出的激光照射至被加工部件8上，对被加工部件8进行加热，从而能够分别控制从各VCSEL元件输出的激光。由此，能够更高精度地控制照射的激光，能够高精度地执行加热。例如，既可以形成为平顶型的输出功率分布，均匀地进行加热，也可以仅提高一部分的强度，进行局部加热。另外，也可以通过呈矩阵状地配置VCSEL元件，利用脉冲振荡控制激光的输出功率，并逐行、逐列依次进行驱动，从而扫描(scanning)照射的激光。
另外，加热头215通过如本实施方式那样呈等间隔地进行设置，能够更加均匀地进行加热，因而较为理想，但并不限定于此。加热头215也可以相对于加工头13仅设置一个，也可以不均匀地进行配置。
另外，在加热头215使用VCSEL元件的情况下，一个VCSEL元件的输出功率优选为10W以上且10kW以下。进而，激光输出装置的输出功率优选为50W以上且10kW以下。通过设为上述范围，能够利用加热头215适当地进行加热。
[第4实施方式]
图21是表示加工装置的第4实施方式的大致结构的示意图。另外，除了加工头的结构之外，第4实施方式的加工装置的构成与第3实施方式的加工装置210相同。对于与加工装置210相同的构成，省略说明。
如图21所示，加工装置310具有加工头313、移动机构18、支撑台20、控制装置22以及多个加热头215。加工头313具有激光输出装置312、光纤314以及照射头316。
激光输出装置312是输出激光的装置。激光输出装置312可以使用：利用光纤作为媒介输出激光的光纤激光输出装置、或者输出短脉冲的激光的短脉冲激光输出装置。作为光纤激光输出装置，可以列举出法布里-珀罗型光纤激光输出装置、或者环型光纤激光输出装置。另外，光纤激光输出装置也可以是使用连续波振荡(Continuous Wave Operation)和脉冲振动(Pulsed Operation)中的任意一种方式的激光输出装置。光纤激光输出装置的光纤可以使用例如添加了稀土类元素(Er、Nd、Yb)的石英玻璃。另外，短脉冲是指脉冲宽度在100皮秒以下的脉冲。作为短脉冲激光输出装置的激光发生源，可以使用例如钛宝石激光器。
光纤314是将从激光输出装置312输出的激光引导至照射头316的光学系统。光纤314的一端部与激光输出装置312的激光射出口连接，另一端部与照射头316连接。光纤314将从激光输出装置312输出的激光L朝向照射头316的入射端输出。另外，引导激光的光学系统并不限定于光纤。加工装置310也可以使用反射镜、透镜的组合作为引导激光的光学系统，并将激光进行反射、聚光等，从而引导至照射头316。
照射头316被支撑在悬臂30上，且内部设有聚光光学系统。照射头316将从光纤314输出的激光L进行聚光并照射至被加工部件8上。
由此，加工装置310的加工头313使用VCSEL元件以外的发光元件。由此，即使在加工头313不使用VCSEL元件的情况下，也可以通过在加热头中设置VCSEL元件，利用从VCSEL元件输出的激光进行加热，从而能够与第3实施方式同样地缩小加热头，并且高精度地控制加热，由此能够提高加工的精度。另外，在第4实施方式中，使用照射激光进行加工的加工头，但也可以将加工头形成为通过机械加工进行的机构。
[第5实施方式]
图22是表示加工装置的第5实施方式的大致结构的示意图。图23是表示激光输出装置的配置结构的示意图。另外，除了加工头413具备多个激光输出装置42这一点之外，第5实施方式的加工装置的构成与第1实施方式的加工装置10相同。对于与加工装置10相同的构成，省略说明。
如图22所示，加工装置410的加工头413具有激光输出单元442和引导光学系统444。如图22和图23所示，激光输出单元442以激光的输出面为同一面的方式呈矩阵状地配置有多个激光输出装置42。引导光学系统444将从多个激光输出装置42输出的激光L进行聚光，并照射至被加工部件8上。
加工装置410通过将从多个激光输出装置42输出的激光L照射至被加工部件8上，从而能够使激光的输出功率更大。由此，能够以更大的输出功率进行加工。另外，激光输出装置42的一个装置小于光纤激光器等，容易在平面上相邻而配置。
另外，激光输出单元442可以将激光输出装置42的数量设为任意数量。另外，本实施方式的激光输出单元442将激光输出装置42呈矩阵状地配置，且将激光输出装置42连接后的激光器的输出面呈矩形，但是，可以为圆形、椭圆形、多边形等各种形状。
[第6实施方式]
图24是表示加工装置的第6实施方式的大致结构的示意图。另外，除了加工头13具备多个激光输出装置42这一点之外，第6实施方式的加工装置的构成与第1实施方式的加工装置10相同。对于与加工装置10相同的构成，省略说明。
如图24所示，加工装置510的加工头513具有激光输出单元542和引导光学系统544。如图24所示，激光输出单元542将多个激光输出装置42以激光的输出面为同一面的方式配置成一列。引导光学系统544是沿多个激光输出装置42的排列方向延伸的圆柱型透镜，将从多个激光输出装置42输出的激光L进行聚光并照射至被加工部件8上。
如图24所示，加工装置510通过将激光输出单元542的激光输出装置42配置成一列，从而能够呈直线状地照射激光。另外，通过对激光输出装置42的VCSEL元件56的输出功率进行控制，能够形成为激光强度均匀的直线状激光。由此，能够适当地进行呈直线状地执行的加工。
接下来，使用图25对加工装置的处理动作进行说明。图25是表示加工装置的处理动作的一个例子的流程图。另外，图25对于在加热的同时进行加工的情况进行说明。在不进行加热的情况下，仅执行与加工相关的处理即可。
控制装置22确定被加工部件和所执行的加工(步骤S12)。控制装置22确定被加工部件的材料、所执行的加工为三维造型、堆焊、焊接、表面处理、开孔、切割、开凿中的哪一种、或者加工量等。
控制装置22在确定被加工部件和所执行的加工后，决定从加工头照射的激光的强度和输出功率分布(步骤S14)，并决定从加热头照射的激光的强度和输出功率分布(步骤S16)。控制装置22既可以并列执行步骤S14和步骤S16的处理，也可以按照相反的顺序执行。控制装置22在决定了加工头和加热头的驱动条件后，根据所决定的条件执行加工(步骤S18)。
由此，加工装置通过设有具有多个VCSEL元件的激光输出装置，能够简单地调整从加工头、加热头照射的激光的强度和输出功率分布。由此，能够进行更高精度的加工。
例如，在作为加工而进行三维造型、堆焊、焊接的情况下，通过利用从具备VCSEL元件的加热头照射的激光进行加热，从而能够进行更高品质的加工。例如，通过利用加热头适当地控制将材料熔融后凝固的过程中的温度，从而能够更高精度地控制从熔融至凝固为止的冷却速度，从而能够进一步提高加工的品质。另外，通过使用具备VCSEL元件的加工头进行上述加工，能够将照射的激光的输出功率分布形成为适当的分布，从而能够进一步提高加工的品质。
另外，在作为加工而进行表面处理(淬火、加热、抛光、表面清洗等)的情况下，通过利用从具备VCSEL元件的加热头照射的激光进行加热，能够进行更高品质的加工。例如，通过利用加热头适当地控制利用加工头进行加工的环境的温度，能够高精度地控制冷却速度，从而能够进一步提高加工的品质。另外，通过使用具备VCSEL元件的加工头进行上述加工，能够将照射的激光的输出功率分布形成为适当的分布，从而能够进一步提高加工的品质。
另外，在作为加工而进行脆性材料或者包含脆性材料的材料以及层压材料的开孔、切割的情况下，通过利用从具备VCSEL元件的加热头照射的激光进行加热，能够进行更高品质的加工。例如，通过利用加热头适当地控制利用加工头进行加工的环境的温度，能够缓和热冲击，能够抑制因为利用加工头进行的加工、尤其是激光加工所产生的热冲击而产生的脆性材料的断裂或者层压材料间的剥离，从而能够进一步提高加工的品质。另外，通过使用具备VCSEL元件的加工头进行上述加工，能够将照射的激光的输出功率分布形成为适当的分布，从而能够进一步提高加工的品质。
另外，加工头13也可以通过使激光L的光路围绕旋转轴旋转，从而使被加工部件8上的照射位置旋转。加工头13通过使激光L的照射位置如画圆那样移动，从而能够适当地进行切割等加工。
符号说明
8 被加工部件
10 加工装置
13 加工头
18 移动机构
20 支撑台
22 控制装置
30 悬臂
32 驱动源
42 激光输出装置
44 引导光学系统
46 壳体
50 激光输出部
52 冷却机构
54 基板
56 VCSEL元件
57a、57b 配线
58 电流控制电路
59a、59b、59c、59d 配线
70 铜板
72 冷却水供给机构
74 冷却水通道
76、78 集管器
80 散热片

Claims (14)

1.一种加工装置，所述加工装置是对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工的装置，其特征在于，具有：
激光输出装置，所述激光输出装置具有输出波长在1070nm以下并且输出功率为1mW以上且10mW以下的激光的多个垂直腔面发射激光器元件、和表面上呈矩阵状地排列有多个所述垂直腔面发射激光器元件的基板，所述激光输出装置输出输出功率为10W以上且10kW以下的激光；
引导光学系统，所述引导光学系统引导从所述激光输出装置输出的激光；和
控制装置，所述控制装置控制所述激光输出装置的输出功率，
所述控制装置通过多个种类的配线连接多个所述垂直腔面发射激光器元件，联动控制通过各种所述配线连接的多个所述垂直腔面发射激光器元件，从而控制所述激光输出装置的所述垂直腔面发射激光器元件的输出功率分布。
2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，
所述激光输出装置设有多个，多个所述激光输出装置的输出激光的面相邻而配置。
3.根据权利要求2所述的加工装置，其特征在于，多个所述激光输出装置呈矩阵状地配置。
4.根据权利要求2所述的加工装置，其特征在于，多个所述激光输出装置配置成一列。
5.一种加工装置，所述加工装置是对被加工部件进行加工的装置，其特征在于，具有：
加工头，所述加工头对所述被加工部件进行加工；
加热头，所述加热头具有激光输出装置和引导光学系统并对所述被加工部件进行加热，其中，所述激光输出装置具有输出输出功率为1mW以上且10mW以下的激光的多个垂直腔面发射激光器元件、和表面上呈矩阵状地排列有多个所述垂直腔面发射激光器元件的基板，所述激光输出装置输出输出功率为10W以上且10kW以下的激光，所述引导光学系统引导从所述激光输出装置输出的激光；和
控制装置，所述控制装置控制所述激光输出装置的输出功率，并控制所述被加工部件的加热，
所述控制装置通过多个种类的配线连接多个所述垂直腔面发射激光器元件，联动控制通过各种所述配线连接的多个所述垂直腔面发射激光器元件，从而控制所述激光输出装置的所述垂直腔面发射激光器元件的输出功率分布。
6.根据权利要求5所述的加工装置，其特征在于，所述加工头对所述被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工。
7.根据权利要求5所述的加工装置，其特征在于，所述加热头使用垂直腔面发射激光器元件作为激光源，多个所述加热头围绕所述加工头的轴呈等角度间隔地固定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述引导光学系统将从多个所述垂直腔面发射激光器元件输出的激光进行聚光，并照射至所述被加工部件上。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述引导光学系统具有将从多个所述垂直腔面发射激光器元件输出的激光进行聚光的聚光部、和射入所述聚光部聚光后的激光并加以传输的光纤。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述激光输出装置具有对所述基板进行冷却的冷却机构。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述控制装置中，所述多个种类的配线将所述呈矩阵状地排列的多个所述垂直腔面发射激光器元件从中心起依次进行分组，分别控制供给的电流。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述加工为三维造型、堆焊、焊接、表面处理、开孔、切割、开凿中的任意一种。
13.一种加工方法，所述加工方法是对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工的方法，其特征在于，
从呈矩阵状地配置在表面上的多个垂直腔面发射激光器元件输出波长在1070nm以下并且输出功率为1mW以上且10mW以下的激光，整体输出10W以上且10kW以下的激光，
联动控制通过多个种类的配线连接的多个所述垂直腔面发射激光器元件，从而利用控制装置控制多个所述垂直腔面发射激光器元件的输出功率分布，
并利用引导光学系统引导输出的激光，从而对所述被加工部件进行加工。
14.一种加工方法，所述加工方法是对被加工部件照射激光，从而对所述被加工部件进行加工的方法，其特征在于，包括：
从呈矩阵状地配置在表面上的多个垂直腔面发射激光器元件输出输出功率为1mW以上且10mW以下的激光，整体输出10W以上且10kW以下的激光，联动控制通过多个种类的配线连接的多个所述垂直腔面发射激光器元件，从而利用控制装置控制多个所述垂直腔面发射激光器元件的输出功率分布，并利用引导光学系统引导输出的激光，从而对所述被加工部件进行加热的工序；以及
利用加工头对所述被加工部件进行加工的工序。
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