JP2001235701A - 高速微細レーザ加工方法およびその装置 - Google Patents

高速微細レーザ加工方法およびその装置

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JP2001235701A
JP2001235701A JP2000047470A JP2000047470A JP2001235701A JP 2001235701 A JP2001235701 A JP 2001235701A JP 2000047470 A JP2000047470 A JP 2000047470A JP 2000047470 A JP2000047470 A JP 2000047470A JP 2001235701 A JP2001235701 A JP 2001235701A
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laser
laser beam
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flat glass
condensing lens
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JP2000047470A
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Yasuki Nishiwaki
靖樹 西脇
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Nippon Sharyo Ltd
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Nippon Sharyo Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】簡素な構成によってレーザ光を集光レンズへ偏
心させて入射させ、被加工物上に集光点を走査する高速
微細レーザ加工方法およびその装置を提供する。 【解決手段】レーザ発振器11から集光レンズ3への光
路にレーザ光2をX方向に偏心させる平面ガラス14と
Y方向に偏心させる平面ガラス15を直列に設け、該両
平面ガラス14、15の傾斜角度を回動制御することに
よってレーザ光を被加工物上に走査させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工に関
し、特にレーザ光を被加工物上に走査させて高速微細加
工を行うレーザ加工方法およびその装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】通常、レーザ加工ではレーザ光が常に一
定の位置に集光されるようにし、被加工物をXYテーブ
ルに設置して、X,Y方向へ被加工物を移動させて加工
している。
【0003】このような加工方法においては、被加工物
の加工精度や加工速度は、XYテーブルの性能によって
決まることになり、XY方向へ移動させる機構の機械的
なガタや摺動部の摩耗などが加工精度に影響し、質量の
大きなものを移動させるので制御遅れが避けられず、高
速微細加工には適さない。
【0004】そこで、従来、薄肉の金属板に高速微細加
工を行う場合は、トレパニング方法と称するレーザ加工
方法が採られている。これは、図5に示すように、レー
ザ光を集光レンズ3の中心軸に対し偏心(δ)させて入
射させることにより、集光レンズの中心軸から偏心
(r)した位置にレーザ光を集光させることができるこ
とを利用して、集光レンズを平面内のXY方向に移動さ
せて集光点を被加工物上に走査して加工するようにした
ものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のレーザ加工方法
では、集光レンズを平面内で移動させ、加工時に被加工
物を移動させないので、加工速度を格段に速くできる。
しかしながら、この方法による場合は、集光レンズを平
面内でX,Y方向に移動をさせるための2次元ステージ
を必要とする。この2次元ステージはサーボモータの回
転運動を直線運動に変換して行うので、ボールネジ等の
移動機構におけるバックラッシュや摩擦による伝達遅れ
が避けられず、移動制御の精度に限界がある。そして、
このことは加工速度が速くなるにつれ顕著になるので、
所定の加工精度が要求される場合には加工速度を一定以
下に下げざるをえない。
【0006】なお、2次元ステージを機械的な構成のな
い電磁駆動方式にしたものが開発されている(例えば、
特開平7−9178号公報)が、構造が複雑で高価にな
るばかりでなく、磁性体である被加工物をレーザ加工す
る場合に発生するヒュームなどが侵入しないように防塵
構造にする必要があるといった欠点がある。
【0007】本発明は、このような背景の下になされた
もので、集光レンズを平面内で移動させることなく、簡
素な構成によってレーザ光を集光レンズへ偏心させて入
射させ、被加工物上に集光点を走査する高速微細レーザ
加工方法およびその装置を提供することを目的とするも
のである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では次の手段を採った。即ち、請求項1の発
明では、レーザ光を集光レンズへ偏心させて入射し集光
点を被加工物上に走査させて加工する高速微細レーザ加
工方法において、レーザ発振器から集光レンズへの光路
にレーザ光をX方向に偏心させる平面ガラスとY方向に
偏心させる平面ガラスを直列に設け、該両平面ガラスの
傾斜角度を回動制御することによってレーザ光を被加工
物上に走査させるようにしたことを特徴としている。
【0009】このレーザ加工方法は、薄肉の金属板に高
速で微細加工する場合に特に効果がある。レーザ発振器
から出射されたレーザ光を集光レンズへ偏心させて入射
させる手段は、レーザ発振器と反射鏡の間または反射鏡
と集光レンズの間に設けた2個の平面ガラスによってい
る。
【0010】傾斜した平面ガラスを透過するレーザ光の
偏心量δは、図4に示すように、t・sin(θ1
θ2)/cosθ2=t・sinθ1{1−(1/n)・
(cosθ1/cosθ2)}で求められる。ここで、t
は平面ガラスの板厚、θ1は入射角度、θ2は出射角度、
nは平面ガラスの屈折率である。
【0011】したがって、平面ガラスをレーザ光に対し
て傾斜させて設け、この傾斜角度を制御すれば、傾斜角
度の変化に対応して入射角度θ1が変わり集光レンズへ
の偏心量δを変化させることができる。そして、2個の
平面ガラスを互いに直交する方向に傾斜するように設け
て、それぞれの傾斜角度を制御すれば、集光レンズの中
心軸線に対して直角方向の平面のX方向とY方向の両方
向について入射角度を変えることができ、平面の所望の
位置にレーザ光を集光させることができる。
【0012】ここでいうX方向、Y方向は、特定の方向
を指しているのではなく、集光レンズの中心軸線に対し
て直角方向の平面における任意の座標を意味している。
この平面ガラスの角度は制御装置からの指令によって制
御するが、高速に精度よく作動させる必要があり、電磁
駆動式のものを使用するのが望ましい。
【0013】また、集光点の移動に伴って、アシストガ
スを噴射するノズルの軸線とレーザ光の軸線がズレるこ
とになるので、集光点の移動に対応させてノズルを移動
させるようにするのがよい。この発明を実施するための
レーザ切断装置は、請求項2に記載のように、集光レン
ズを備え下端にアシストガスを噴射するノズルを備えた
レーザトーチとレーザトーチの直下に被加工物を把持す
るXYテーブルを設け、レーザ発振器と集光レンズの間
に傾斜角度を変える回動装置を備えた平面ガラスを2個
直列に、かつ、回動装置の回動軸が直交するように設
け、加工情報に基づいて該回動装置へ制御指令を送る制
御装置を備えたものとするのがよい。
【0014】なお、XYテーブルは平面ガラスの傾斜制
御によって加工された地点から次に加工する地点へ移動
させるのに使用される。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の高速微細レーザ加
工方法の実施形態例を図面に基づいて説明する。レーザ
トーチ4の直下に被加工物1を置き、アシストガス5と
して酸素ガスを噴射させつつレーザ光を照射し、被加工
物1に集光させて加工を行う。
【0016】レーザトーチ4の上方には、平面ガラス1
4と平面ガラス15がそれぞれ回動装置16、17に付
設されて設けられている。図1において、平面ガラス1
4は左右方向に回動できるように配置され、平面ガラス
15は紙面に対し前後方向に回動できるように配置され
ている。そして、レーザ光はレーザ発振器から反射鏡を
介して平面ガラス14へ入射し、さらに平面ガラス15
を通って集光レンズ3へ偏心して入射される。
【0017】回動装置16、17はそれぞれ平面ガラス
14、15を制御装置からの指令に基づいて回動させる
もので、電磁駆動式で現在位置センサを備え、入力信号
に対し高速かつ高精度に作動するもの(ガルバノメータ
スキャナー:ケンブリッジ・テクノロジ製)を使用して
いる。
【0018】図1は、平面ガラス14および平面ガラス
15がそれぞれ45度に傾斜して配置された状態を示し
ており、この時レーザ光2は集光レンズ3の中心軸に入
射するように集光レンズ3が配置されている。この状態
から平面ガラス14および平面ガラス15を回動させれ
ば図2に示すように、レーザ光2は偏心して集光レンズ
3へ入射される。そして、この偏心した量に対応する位
置(集光点2a)に集光される。
【0019】そして、レーザ光による照射によって創出
された溶融物はアシストガスによって吹き飛ばされる。
次に、上記の高速微細レーザ加工方法を行うためのレー
ザ加工装置の実施形態例を図3に基づいて説明する。
【0020】このレーザ加工装置は、レーザ光2を照射
するレーザ機本体と、下端にアシストガスを噴射するノ
ズル6を備えたレーザトーチ4と、その直下に被加工物
1を把持してX軸およびY軸方向に移動させるXYテー
ブル10と、レーザ発振器11と集光レンズ3の間に設
けられたそれぞれ回動装置16を備えた2個の平面ガラ
ス14、15と、加工情報に基づいて平面ガラス14、
15の回動装置16、17へ平面ガラスの傾斜角度を指
令する制御装置20とから構成されている。
【0021】2個の平面ガラス14、15は傾斜角度を
変える回動装置の回動軸が直交するように設けられてい
る。なお、XYテーブル10は制御装置20からの指令
によって移動する。レーザ発振器11はYAGレーザ
(1064nm)で、射出されたレーザ光2は45度の
反射鏡12によって偏向された後、平面ガラス14、1
5によって偏向され、レーザトーチ4内の集光レンズ3
へ偏心して入射される。
【0022】レーザトーチ4の下端にはノズル6が付設
されており、酸素などのアシストガス5が噴射するよう
に構成されている。レーザ光3は、平面ガラス14、1
5の傾斜角度にしたがって偏心量を変え、集光レンズ3
へ入射するが、平面ガラス14、15の傾斜角度の制御
は、制御装置20に記憶されている加工情報に基づいて
演算された指令値に基づいて回動装置16、17を作動
させることによっている。
【0023】この装置によるレーザ加工では、被加工物
1を静止させた状態、すなわち、XYテーブル10を固
定した状態で、平面ガラス14、15の傾斜角度を変え
ながらレーザ光3を被加工物1上に集光点2aを走査さ
せることによって行われる。そして、同時にアシストガ
ス5が噴射され溶融された被加工物1が除去される。
XYテーブル10は、被加工物1の両端を把持して水平
状態に保持する把持具9を備え、被加工物1をX軸およ
びY軸方向へ移動させる移動機構とから構成されてお
り、次の加工点へ移動するときに制御装置20からの指
令によって作動する。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載のレ
ーザ加工方法は、レーザ発振器から集光レンズへの光路
にレーザ光をX方向に偏心させる平面ガラスとY方向に
偏心させる平面ガラスを直列に設け、該両平面ガラスの
傾斜角度を回動制御することによってレーザ光を被加工
物上に走査させるようにしたので、従来の集光レンズを
平面内でXY方向に移動させる場合に比べ、摺動や回転
する機械的な構成を必要としないので、加工精度が高
く、制御信号の伝達遅れが生じない。また、従来の電磁
駆動によって集光レンズを平面内で移動させるものに比
べて、簡素で精度よく高速に作動させることができる。
【0025】また、請求項2記載のレーザ加工装置は、
集光レンズを備え下端にアシストガスを噴射するノズル
を備えたレーザトーチとレーザトーチの直下に被加工物
を把持するXYテーブルを設け、レーザ発振器と集光レ
ンズの間に傾斜角度を変える回動装置を備えた平面ガラ
スを2個直列に、かつ、回動装置の回動軸が直交するよ
うに設け、加工情報に基づいて該回動装置へ制御指令を
送る制御装置を備えたので、従来のように、集光レンズ
をXY方向へ移動させるためのXYステージをレーザト
ーチに付設する必要がないので、レーザトーチを簡素な
ものとすることができ、レーザ加工時は機械的に作動す
る部分がないので、高精度に高速でレーザ加工でき、長
期間の使用に対しても精度が維持される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高速微細レーザ加工方法の一実施形態
例の構成を示す正面図である。
【図2】同 平面ガラスの傾斜角度を変えた場合のレー
ザ光の偏心状態を示す図で、(a)は正面図、(b)は
底面図である。
【図3】同 請求項2記載の発明の実施形態例を示すレ
ーザ加工装置の構成図である。
【図4】平面ガラスによるレーザ光の偏心量についての
説明図である。
【図5】従来のレーザ光を集光レンズへ偏心させて入射
させる構成の説明図である。
【符号の説明】
1…被加工物 2…レーザ光 2a…集光点 3…集光レンズ 4…レーザトーチ 5…アシストガス 6…ノズル 9…把持具 10…XYテーブル 11…レーザ発振器 12…反射鏡 14,15…平面ガラス 16,17…回動装置 20…制御装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ光を集光レンズへ偏心させて入射し
    集光点を被加工物上に走査させて加工する高速微細レー
    ザ加工方法において、レーザ発振器から集光レンズへの
    光路にレーザ光をX方向に偏心させる平面ガラスとY方
    向に偏心させる平面ガラスを直列に設け、該両平面ガラ
    スの傾斜角度を回動制御することによってレーザ光を被
    加工物上に走査させるようにしたことを特徴とする高速
    微細レーザ加工方法。
  2. 【請求項2】集光レンズを備え下端にアシストガスを噴
    射するノズルを備えたレーザトーチとレーザトーチの直
    下に被加工物を把持するXYテーブルを設け、レーザ発
    振器と集光レンズの間に傾斜角度を変える回動装置を備
    えた平面ガラスを2個直列に、かつ、回動装置の回動軸
    が直交するように設け、加工情報に基づいて該回動装置
    へ制御指令を送る制御装置を備えたことを特徴とする請
    求項1に記載の高速微細レーザ加工方法を実施するため
    のレーザ加工装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011524259A (ja) * 2008-06-17 2011-09-01 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド レーザ加工システムにおける後方反射の低減法

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JP2011524259A (ja) * 2008-06-17 2011-09-01 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド レーザ加工システムにおける後方反射の低減法

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