JP2002066780A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP2002066780A
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健志 廣瀬
Shinji Ueda
伸治 上田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工精度が高く、かつ高速な加工を可能にす
る。 【解決手段】 レーザ光源１と、レーザ光源１から出射
されたレーザ光線１１を反射させる反射部材である反射
ミラー４と、反射ミラー４を回転駆動する回転駆動手段
であるスピンドルモータ５と、反射ミラー４によって反
射されたレーザ光線１２を集光する集光手段としてのｆ
−θレンズ６とを備え、反射ミラー４はその法線がスピ
ンドルモータ５の回転軸５１に傾けて取付けられた状態
で回転駆動され、該反射ミラー４に入射したレーザ光線
１１の反射光線１２の光軸を才差運動するように偏向さ
せ、ｆ−θレンズ６によって集光されたビームスポット
１３に被加工対象であるワーク７の面上で円軌道を描か
せて加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光線により
板状の被加工対象に円形の穴をあける等の加工を行うレ
ーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、レーザ穴あけ機やレーザマーカ、
あるいは光造形装置など、レーザ光線を連続的に走査あ
るいは位置決めして照射し、そのレーザエネルギにより
被加工物を加熱して焼いたり、昇華させたり、あるいは
光硬化性の樹脂を硬化させて所望の形状に加工する技術
と装置が拡大しつつある。
【０００３】このような加工装置の一つとして、特開平
１１−３３３５７５号公報に記載されているように、レ
ーザ光線をワークに集光して穴をあける加工機がある。
従来の穴あけ機はビームを偏向するガルバノミラーやワ
ークを保持するＸＹテーブルなどの移動によりビームの
位置決めを行い、高パワーのビームの照射をすることに
より、ビームスポットの大きさに応じた穴あけを行って
いる。
【０００４】図４には従来のレーザ加工機による穴あけ
の様子を模式的に示した斜視図である。同図において１
０１は集光されているレーザ光線の光軸であり、７００
は加工対象物であるワークであって、レーザ光線１０１
のビームスポット１０２の位置に配置されている。１０
３はそのビームスポット１０２におけるレーザ光線の光
エネルギの分布を示したグラフである。このように、集
光部のエネルギがある一定の閾値１０４を越えたところ
では、ワーク７００の温度が特に上昇し、ワーク材料が
溶融して昇華あるいは化学的に変質させ、穴を徐々にあ
けていき、最後にワーク７００を貫通する穴７０１をあ
けるものである。
【０００５】しかしこの方法では精度の良い穴形状を得
るのが困難である。それは、ビームスポット１０２のエ
ネルギ分布１０３に応じた形に穴７０１があくのである
が、実際には穴があく閾値１０４のエネルギ分布１０３
が真円形の理想的な分布を確保することが難しいためで
ある。また同じ所に連続的にレーザを照射するために、
熱が部分的にこもってしまうことがあり、穴の入り口が
だれてしまったり、板厚方向位置によって穴径が不安定
になり、穴の円筒度も悪化してしまう。このため、この
方式ではあける穴の真円度は、直径の数％〜１０％程度
しか得ることができない。
【０００６】そこで、穴径よりも小さなビームスポット
で、そのビームスポットを回転させることにより穴の輪
郭を切り取るようにして穴をあける方式が開発されてい
る。図５はこの方式による従来の穴あけ加工の様子を模
式的に示した斜視図である。同図において図４と同じ名
称のものは同じ番号を付して説明を省略する。この方式
では集光部を小さくするため、ビームスポット１０２に
おけるレーザ光線の光エネルギ分布１０３は急峻に変わ
り、コントラストの鋭いエネルギ分布１０３を得ること
ができる。小さいビームスポット１０２を連続的に移動
させてワーク７００に穴２０２をあけることにより、加
工された穴２０２の内面の精度はビームスポット１０２
の軌跡精度と同等の精度で加工することができる。ま
た、何回転もかけて少しずつ彫り込むように加工をして
いくことにより、加工部以外に伝わった余分な熱がワー
ク７００を伝わったり放射して発散しやすいため、熱に
よる穴７０１の入り口のだれや穴径の変動も起こりにく
い。
【０００７】このような穴の真円度と円筒度の高い穴あ
け加工を行うためのレーザ光線の光軸を偏向させる方法
として、従来から図６に示すような２軸のガルバノミラ
ー方式が採用されている。同図において３０１，３０２
はガルバノモータであり、レーザ光源１００から照射さ
れたレーザ光線１１１を各ガルバノモータ３０１，３０
２に取り付けられた反射ミラー３０３，３０４を駆動し
て、２方向に走査を行い、図示しないｆ−θレンズを通
してワーク７００の所望の位置に光線１１２，１１３を
集光する。このとき、ふたつのガルバノモータ３０１，
３０２の動作を協動させて、ワーク７００上のビームス
ポットが円を描くように駆動する。
【０００８】この方式によれば機械的に駆動する部分は
反射ミラー３０３，３０４のみでよいため、たとえば、
図７の他の従来例の概略斜視図に示すような、レーザ光
線１１１と反射ミラー３０５、及び集光レンズ６０１は
固定であり、ワーク７００をＸ−Ｙテーブル８００によ
り２軸に移動させて相対的にワーク７００に円を描かせ
る方式よりも高速に円を描くことが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のガルバ
ノミラーを用いる方式も、穴あけ精度や速度の要求仕様
が厳しくなってきている昨今では、以下の問題があり性
能向上が困難になってきている。 （１）板厚の厚い板に穴をあける場合のように、ビーム
スポットを何周も回転させて穴をあけていくときには加
工時間が長くなるため、ガルバノミラーの位置決め機構
にわずかな位置ドリフト成分があっても、あけられた穴
の真円度や円筒度が悪くなってしまう。 （２）ガルバノミラー方式は可動部がミラーだけではあ
るが、ミラーを往復動作させるものであり、しかも２軸
の協働動作を必要とするためにその運動を高精度に行う
ためには速度に限界がある。
【００１０】本発明は、光線光軸を高精度かつ再現性よ
く回転偏向を行うことにより、上記問題点を解決し、加
工精度が高く、かつ高速にて加工を行えるレーザ加工装
置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、レーザ光線を用いて被加工対象に円形
の加工を行うレーザ加工装置であって、レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光線を反射させる
反射部材と、前記反射部材を回転駆動する回転駆動手段
と、前記反射部材によって反射されたレーザ光線を集光
する集光手段とから構成され、前記反射部材はその法線
が前記回転駆動手段の回転軸に傾けて取付けられた状態
で回転駆動され、該反射部材に入射したレーザ光線の反
射光線の光軸を才差運動するように偏向させて、前記集
光手段によって集光されたビームスポットに被加工対象
の面上で円軌道を描かせて加工を行うものである。穴あ
け等の加工は、その集光されたレーザ光線のエネルギで
被加工対象の前記円軌道上部分を連続的に昇華あるいは
化学的に変質させることで行うことができる。
【００１２】また、前記反射部材からの反射光線を前記
レーザ光源側に戻さないための光線分離手段をもつこと
により、レーザ光線を前記反射部材に前記回転駆動手段
の回転軸と平行かつ同軸に入射させて、反射光軸を完全
な才差運動をするように回転偏向させて、ビームスポッ
トが真円を描くようにさせるものである。
【００１３】また、前記回転駆動手段の回転軸の軸受け
部に空気軸受けを用いたスピンドルモータを用いること
により、高精度かつ高速な回転駆動をさせるものであ
る。
【００１４】また、前記回転駆動手段にブラシレスモー
タを用いたスピンドルモータを用いることにより、駆動
手段の機械的な接点をなくすものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係わるレーザ加工
装置の実施例の概略斜視図である。同図において１はレ
ーザ光源、２はレーザ光源１から出射された光線のう
ち、ある偏光面の成分を反射してその光軸の向きを変え
る偏光ビームスプリッタ、３はレーザ光線の偏光を円偏
光に変換する１／４波長板、４は光線を反射する反射ミ
ラー、５は反射ミラー４を回転駆動するスピンドルモー
タ、６は光線を入射角度に対応した位置に集光するｆ−
θレンズである。７はｆ−θレンズ６の集光位置に位置
するワークである。
【００１６】図２は図１を真横から見た側面図である。
また、図３は図１、図２のワーク上の様子を説明するた
めの要部拡大斜視図である。図２に示されるように、偏
光ビームスプリッタ２により反射され反射ミラー４へ入
射する入射光線１１はスピンドルモータ５の回転軸５１
に平行に入射するように調整配置されている。そして反
射ミラー４はその法線４１がスピンドルモータ５の回転
軸５１に角度θにて、傾けてスピンドルモータ５のター
ンテーブル５２に固定されている。このため、反射ミラ
ー４への入射光線１１はスピンドルモータ５の回転軸５
１に対して２θの角度で反射する。そして再度１／４波
長板３を通過して入射光線１１とは偏光面を９０度回転
した状態で偏光ビームスプリッタ２に入射するため反射
せず、今度は光源１の方へは戻らずに直進してｆ−θレ
ンズ６に入射する。そしてｆ−θレンズ６への入射角度
に対応した位置に光線１２は集光される。尚、本実施例
では偏光ビームスプリッタ２により光線の往路と復路を
分離しているが、ハーフミラー等を使用した他の分離手
段を用いてもよい。
【００１７】このとき、スピンドルモータ５を回転させ
ると反射光線１２の光軸はスピンドルモータ５の回転軸
５１を中心に同回転軸と一定の角度２θを保ちながらス
ピンドルモータ５に同期して才差運動をする。よって、
ワーク７上のビームスポット１３も回転する。図３に示
すように、このときレーザ光源１の出力を高くすると、
ワーク７のビームスポット１３の位置に集中したエネル
ギが高くなり、エネルギ分布１４のある閾値１５を越え
た部分が特に高温になり、ビームスポット位置の材料表
面が昇華する。そして、この高エネルギビームのまま回
転を繰り返すと、ビームスポット１３の軌跡が描く円形
に少しずつ昇華が進み、最後には円形に板厚分の昇華が
進み、円形の輪郭が突き抜けて中央の部分が分離されて
穴７１がくりぬかれる。
【００１８】レーザ光源１はワーク７の材料やあける穴
径、要求精度など利用目的に応じて選択される。金属板
の穴あけ加工のような高い加工エネルギを必要とすると
きには、ＣＯ2 レーザが良く利用されている。樹脂板や
薄い銅板などに直径１００μｍ以下の小さい穴をあける
にはＹＡＧレーザの高調波などの紫外線域のレーザが好
適である。
【００１９】本実施例では、可動部はスピンドルモータ
５の回転駆動を行うだけでビームスポット１３の軌跡を
円形にかつ再現性よく描かせることができる。ビームス
ポット１３の軌跡精度はスピンドルモータ５の回転軸５
１の倒れ量のみに影響されるため、必要に応じた回転精
度のスピンドルモータを選択することにより、必要に応
じた軌跡精度を確保できる。スピンドルモータは要求精
度に応じて種々のものがあり、軸受けに安価なボールベ
アリングを用いたものから空気軸受けや流体軸受けを用
いた非常に回転精度の高いものもあり、あける穴の要求
精度に応じて選択すれば良い。駆動装置が１軸の回転駆
動のみだけであるので、単純な構成で制御も簡便であ
る。また、１０，０００ｒｐｍ以上の高速回転すること
も容易であるため、生産性も良好である。
【００２０】また、本実施例では集光レンズにｆ−θレ
ンズ６を用いているので、入射光線１１の光軸が反射ミ
ラー４の回転中心に入射しなくても、ビームスポット１
３の位置は変化しない。但し、入射光線１１の光軸が回
転軸５１と同軸上にない場合には、反射ミラー４の反射
面の上下動に伴いわずかに反射光線１２の光軸がシフト
する分、ビームスポット１３のエネルギ分布１４が移動
するが、それは集光された状態では元のビーム径に対し
て集光されたビーム径の比率とほぼ同じ量でしか影響し
ない。例えばガウシアンビームのレーザ光線の入射光束
径１０ｍｍで集光ビーム径１０μｍの場合、入射光束の
光軸が回転軸と１ｍｍずれていても、集光ビームの強度
中心のずれにして１μｍのずれにしかならない。実際に
は初期に回転中心と入射光軸を同軸上に合わせておけば
よいので、全く問題にならない。
【００２１】本実施例ではスピンドルモータ５に非接触
方式の空気軸受け５３を用いているため、回転軸の倒れ
が少なく、かつ２０，０００ｒｐｍ以上の高速回転が可
能である。このため、光軸の回転偏向を精度良く高速に
行うことができるため、高品位な穴あけ加工が高い生産
性をもって行うことができる。また、非接触軸受けであ
るため、摩耗がなく寿命も半永久的であり、メンテナン
スの必要もない。
【００２２】また、モータ５４にはブラシレスモータを
用いていることにより、空気軸受け５３と同様に、摩耗
が問題となるような機械的な接触が全くないために、高
精度な回転駆動を半永久的に安定して維持することがで
きる。よって、精度と高速性だけでなく、信頼性の面か
らも空気軸受け５３とブラシレスモータ５４から構成さ
れたスピンドルモータ５は本実施例のようなレーザ加工
機には好適である。
【００２３】本実施例のレーザ加工装置では以下のよう
な効果をもつ。レーザビームスポット１３の回転をスピ
ンドルモータ５の回転駆動のみで行うため、精度と再現
性のよい穴あけ加工を高速にて行うことができる。ま
た、駆動機構と制御系を簡素な構成とすることができ
る。
【００２４】また、入射光線１１の光軸をスピンドルモ
ータ５の回転軸５１と同軸かつ平行に入射させることで
反射光線１２の光軸を完全な才差運動させるものである
から、集光されたビームスポット１３の軌道は完全な真
円を描くため、真円度の高い穴あけ加工を安定して行う
ことができる。
【００２５】また、反射ミラー４を回転駆動するスピン
ドルモータ５に空気軸受け５３を用いるものであるか
ら、高速回転を可能にしながら回転精度も良好にできる
ため、高精度な穴あけ加工と高い生産性を両立すること
ができる。
【００２６】さらにモータ５４にはブラシレスモータを
用いていることにより、空気軸受け５３を使用すること
と相俟って、機械的な接触が皆無なため、メンテナンス
フリーとしながら半永久的に加工精度を維持することが
できる。
【００２７】なお、本発明は、円形の穴あけ加工に限ら
ず、円に沿った溝加工、マーキング加工または光造形加
工にも適用できる。
【００２８】
【発明の効果】本願の請求項１及び２に記載した発明に
よれば、レーザ光線を用いて板状の被加工対象に円形の
加工を行うレーザ加工装置であって、レーザ光源と、レ
ーザ光源から出射されたレーザ光線を反射させる反射部
材と、前記反射部材を回転駆動する回転駆動手段と、前
記反射部材によって反射されたレーザ光線を集光する集
光手段とから構成され、前記反射部材をその法線が前記
回転駆動手段の回転軸に傾けて取付けられた状態で回転
駆動することにより、該反射部材に入射したレーザ光線
の反射光線の光軸を才差運動するように偏向させ、集光
手段によって集光されたビームスポットに円軌道を描か
せ、その集光されたビームのエネルギで被加工対象の前
記円軌道上部分を連続的に昇華させることにより穴あけ
加工を行うものであるから、レーザ偏向のための駆動機
構と制御系を簡易な構成としながら光線光軸を高精度か
つ再現性よく回転偏向できるため、加工された穴等の精
度が高く、かつ高速な穴あけ等の加工を行えるレーザ加
工装置を得ることができる。
【００２９】また、本願の請求項３に記載した発明によ
れば、前記光線反射部材からの反射光線を光源側に戻さ
ないための光線分離手段をもつことにより、レーザ光線
を前記反射部材に前記回転駆動手段の回転軸と平行かつ
同軸に入射させるものであるから、反射光線は完全な才
差運動を行うため、真円度の高い穴あけ等を行えるレー
ザ加工装置を得ることができる。
【００３０】また、本願の請求項４に記載した発明によ
れば、前記回転駆動手段は空気軸受けを用いたスピンド
ルモータとすることにより、良好な回転精度と高速回転
を可能にできるとともに、給油等のメンテナンスも不要
であるため、高精度な穴あけ加工と高い生産性を両立さ
せるとともに、ダウンタイムの少ないレーザ加工装置を
得ることができる。
【００３１】また、本願の請求項５に記載した発明によ
れば、前記回転駆動手段はブラシレスモータを用いたス
ピンドルモータとすることにより、モータの電気・機械
的な接点がないため、信頼性の高いレーザ加工装置を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係わるレーザ加工装置
を示す概略斜視図である。
【図２】 図１の実施の形態を詳細に説明するための側
面図である。
【図３】 図１及び図２の実施の形態を詳細に説明する
ための部分拡大斜視図である。
【図４】 従来のレーザ加工装置の加工原理を説明する
ための部分拡大斜視図である。
【図５】 従来のレーザ加工装置の他の加工原理を説明
するための部分拡大斜視図である。
【図６】 従来のレーザ加工装置の概略斜視図である。
【図７】 従来の他のレーザ加工装置の概略斜視図であ
る。
【符号の説明】
１：レーザ光源、２：偏光ビームスプリッタ、３：１／
４波長板、４：反射ミラー、５：スピンドルモータ、
６：ｆ−θレンズ、７：ワーク、１１：入射光線、１
２：反射光線、１３：ビームスポット、１４：エネルギ
分布、１５：閾値、５１：回転軸、５２：ターンテーブ
ル、５３：空気軸受け、５４：ブラシレスモータ、７
１：加工された穴。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光線を用いて板状の被加工対象に
    円形の加工を行うレーザ加工装置であって、 レーザ光源と、 前記レーザ光源から出射されたレーザ光線を反射させる
    反射部材と、 前記反射部材を回転駆動する回転駆動手段と、 前記反射部材によって反射されたレーザ光線を集光する
    集光手段と、から構成され、 前記反射部材はその法線が前記回転駆動手段の回転軸に
    傾けて取付けられた状態で回転駆動され、該反射部材に
    入射したレーザ光線の反射光線の光軸を才差運動するよ
    うに偏向させ、前記集光手段によって集光されたビーム
    スポットに被加工対象の面上で円軌道を描かせて加工を
    行うことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 【請求項２】 前記集光手段によって集光されたレーザ
    光線のエネルギで被加工対象の前記円軌道上部分を連続
    的に昇華あるいは化学的に変質させることにより加工を
    行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装
    置。
  3. 【請求項３】 前記反射部材からの反射光線を前記レー
    ザ光源側に戻さないための光線分離手段をもつことによ
    り、レーザ光線を前記反射部材に前記回転駆動手段の回
    転軸と平行かつ同軸に入射させることを特徴とする請求
    項１または２に記載のレーザ加工装置。
  4. 【請求項４】 前記回転駆動手段は回転軸の軸受けに空
    気軸受けを用いたスピンドルモータであることを特徴と
    する請求項１、２または３のいずれかに記載のレーザ加
    工装置。
  5. 【請求項５】 前記回転駆動手段はブラシレスモータを
    用いたスピンドルモータであることを特徴とする請求項
    １、２、３または４のいずれかに記載のレーザ加工装
    置。
JP2000260980A 2000-08-30 2000-08-30 レーザ加工装置 Pending JP2002066780A (ja)

Priority Applications (2)

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JP2000260980A JP2002066780A (ja) 2000-08-30 2000-08-30 レーザ加工装置
US09/938,522 US6541732B2 (en) 2000-08-30 2001-08-27 Laser machining apparatus

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JP2000260980A JP2002066780A (ja) 2000-08-30 2000-08-30 レーザ加工装置

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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