JP2002239769A - Device and method for laser beam machining - Google Patents
Device and method for laser beam machiningInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工装置及び
レーザ加工方法に関する。The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、レーザ光を対物レンズ等の光学系
で被加工物に集光照射することによって材料を蒸発除去
して加工するレーザ加工方法として、例えば特開昭５８
−３８６８９号公報に記載されたものがある。このよう
なレーザ加工では、照射エネルギ密度の最も大きい焦点
を被加工物の加工すべき位置に合わせることにより、こ
の焦点の部分を蒸発除去し、この焦点の位置を移動させ
ることで被加工物を切断又は孔開けすることができる。2. Description of the Related Art Conventionally, as a laser processing method for condensing and irradiating a workpiece with an optical system such as an objective lens or the like to evaporate and remove a material, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No.
There is one described in JP-A-38689. In such laser processing, the focal point having the highest irradiation energy density is adjusted to the position of the workpiece to be processed, thereby removing the focal point by evaporation, and moving the focal point to move the workpiece. It can be cut or perforated.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のレーザ加工方法では、集光レンズを上下動するこ
とにより、焦点位置を移動させているので被加工物の下
部を加工するために下部に焦点を合わせた時に、比較的
にエネルギ密度の高いレーザ光が被加工物の上部の広範
囲に焦点ぼやけ（ディフォーカス）状態で吸収されてし
まい、加工すべきではない非加工部まで蒸発除去されて
しまうこととなり、下部から上部に拡開するテーパ状と
なってしまい、精度よく加工することができない。However, in the above-described conventional laser processing method, the focal position is moved by moving the condenser lens up and down. When the laser beam is focused, a laser beam having a relatively high energy density is absorbed in a wide area above the workpiece in a defocused state, and is evaporated and removed to a non-processed portion which should not be processed. This results in a tapered shape that expands from the lower part to the upper part, and cannot be machined with high accuracy.
【０００４】したがって、本発明の目的は、高精度にレ
ーザ加工を行うことのできるレーザ加工装置及びレーザ
加工方法を提供することである。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of performing laser processing with high accuracy.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
のレーザ加工装置によれば、その曲面の曲率が変化可能
なレンズ部と、前記レンズ部の曲率を周期的に変化させ
ることのできるレンズ曲率可変機構と、被加工物に前記
レンズ部を介してレーザ光を照射するレーザ光照射手段
とを備え、前記レンズ曲率可変機構は、前記レンズ部を
介して照射されるレーザ光の焦点位置が前記被加工物の
厚さ方向で往復動するように前記レンズ部の曲率を周期
的に変化させることができることを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus comprising: a lens portion having a curved surface whose curvature can be changed; and a lens portion having a periodically changed curvature. A variable lens curvature mechanism, and laser light irradiation means for irradiating the workpiece with laser light through the lens unit, wherein the lens curvature variable mechanism is provided with a focal point of the laser light irradiated through the lens unit. The curvature of the lens portion can be changed periodically so that the position reciprocates in the thickness direction of the workpiece.
【０００６】上記構成により、レンズ部の曲率を変化さ
せているので、被加工物の下部を加工する時に被加工物
の上部に照射されるディフォーカス状態のレーザ光の広
がり角が広くなり、レーザ光のエネルギ密度を低くする
ことができる。そのため、被加工物上部においてディフ
ォーカス状態で照射されたレーザ光は、加工すべきでは
ない非加工部を蒸発させたり、気泡を発生させたりする
ことがない。According to the above configuration, since the curvature of the lens portion is changed, the divergence angle of the laser beam in the defocused state applied to the upper portion of the workpiece when the lower portion of the workpiece is processed is increased, and The energy density of light can be reduced. Therefore, the laser beam irradiated in a defocused state above the workpiece does not evaporate a non-processed portion that should not be processed and does not generate bubbles.
【０００７】本発明の請求項２に記載のレーザ加工装置
によれば、そのレンズ面の形状が凹状及び凸状に変化可
能なレンズ部と、前記レンズ部の形状を周期的にかつ繰
り返し凹状と凸状とに変化させることのできるレンズ曲
率可変機構と、前記レンズ部と集光レンズを介して被加
工物へレーザ光を照射するレーザ光照射手段とを備えて
いることを特徴とする。According to the laser processing apparatus of the second aspect of the present invention, a lens portion whose lens surface shape can be changed into a concave shape and a convex shape, and the shape of the lens portion is periodically and repeatedly formed into a concave shape. It is characterized by comprising a lens curvature variable mechanism capable of changing to a convex shape, and laser light irradiation means for irradiating a laser beam to a workpiece through the lens portion and a condenser lens.
【０００８】本発明の請求項３に記載のレーザ加工装置
によれば、前記被加工物に照射されるレーザ光の焦点位
置が、少なくとも前記被加工物の全厚を含んだ範囲で往
復動するように、前記レンズ曲率可変機構が前記レンズ
部の形状を変化させることにより孔開け加工を行うこと
ができることを特徴とする。According to the laser processing apparatus of the third aspect of the present invention, the focal position of the laser beam applied to the workpiece reciprocates within a range including at least the entire thickness of the workpiece. As described above, the lens curvature changing mechanism changes the shape of the lens unit to perform a perforation process.
【０００９】本発明の請求項４に記載のレーザ加工装置
によれば、前記加工物に照射されるレーザ光の焦点位置
が溶接すべき接合個所の深さ方向に往復動するように、
前記レンズ曲率可変機構が前記レンズ部の形状を変化さ
せることにより、溶接加工を行うことができることを特
徴とする。According to the laser processing apparatus of the present invention, the focal position of the laser beam applied to the workpiece reciprocates in the depth direction of the joint to be welded.
It is characterized in that welding processing can be performed by the lens curvature changing mechanism changing the shape of the lens portion.
【００１０】本発明の請求項５に記載のレーザ加工方法
によれば、被加工物にレーザ光を照射して被加工物を加
工するレーザ加工方法において、前記レーザ光の焦点位
置を前記被加工物の表面側から裏面側に移動するにつれ
て、前記焦点位置を頂点とするレーザ光の広がり角度が
広くなるように、前記レーザ光の焦点位置を前記被加工
物の厚さ方向に移動させることによって、被加工物を加
工することを特徴とする。According to a laser processing method according to a fifth aspect of the present invention, in the laser processing method for processing a workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam, the focal position of the laser light is adjusted by the laser beam. By moving the focal position of the laser light in the thickness direction of the workpiece so that the spread angle of the laser light having the apex at the focal point becomes wider as the object moves from the front side to the back side. And processing the workpiece.
【００１１】本発明の請求項６に記載のレーザ加工方法
によれば、前記レーザ光の焦点位置を少なくとも前記被
加工物の全厚を含む範囲で往復動させることによって、
被加工物を加工することを特徴とする。According to the laser processing method of the sixth aspect of the present invention, by reciprocating the focal position of the laser light within a range including at least the entire thickness of the workpiece,
It is characterized by processing a workpiece.
【００１２】本発明の請求項７に記載のレーザ加工方法
によれば、前記レーザ光の焦点位置を前記被加工物の厚
さ方向に移動させることによって、穴開け加工又は２つ
以上の被加工物を溶接する溶接加工を行うことを特徴と
する。According to the laser processing method of the present invention, the focal position of the laser beam is moved in the thickness direction of the workpiece to form a hole or two or more workpieces. It is characterized by performing a welding process for welding an object.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明のレーザ加工
装置を全体的に示している。１は集光レンズ、２は集光
レンズ１への入射角を変化させるためにレンズ面の曲率
を変えることができる可変焦点レンズ装置、３は反射
板、４はレーザ発振器、５は被加工物をそれぞれ示して
いる。レーザ発振器４で発振したレーザ光は、反射板
３、可変焦点レンズ装置２及び集光レンズ１を介して被
加工物５に照射させられる。また、可変焦点レンズ装置
２は、以下により詳細に説明するバイモルフアクチュエ
ータを駆動させることによりそのレンズ部の曲率を変化
させることができる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows the entire laser processing apparatus of the present invention. 1 is a condenser lens, 2 is a varifocal lens device that can change the curvature of the lens surface to change the angle of incidence on the condenser lens 1, 3 is a reflector, 4 is a laser oscillator, 5 is a workpiece Are respectively shown. The laser light oscillated by the laser oscillator 4 is applied to the workpiece 5 via the reflector 3, the variable focus lens device 2, and the condenser lens 1. In addition, the varifocal lens device 2 can change the curvature of its lens unit by driving a bimorph actuator described in more detail below.
【００１４】次に可変焦点レンズ装置２についてより詳
細に説明する。図２に示すように、可変焦点レンズ装置
２は、可変焦点レンズ部２０と、レンズ部２０の曲率を
変化させるために可変焦点レンズ部２０と接合されてい
る積層圧電アクチュエータ１０とで全体的に構成されて
いる。まず、レンズ部２０について説明する。可変焦点
レンズ部２０は、中央部の表面に配設されている円盤状
の透明板６と、中央部の裏面に配設されている透明弾性
膜７と、両者６、７とで密閉された内部空間を形成して
いる容器８と、同内部空間に隙間なく封入されている作
動流体９とから構成されている。図３により詳細に示し
ているように、容器８は、中空円筒状の外周部分を有し
中央に円形のレンズ孔８０が貫通しているリング部材８
１と、リング部材８１と透明板６とをそれぞれ油密に全
周で接続しているリング状の弾性膜８２と、リング状の
接合部材８３とから構成されている。Next, the variable focus lens device 2 will be described in more detail. As shown in FIG. 2, the varifocal lens device 2 generally includes a varifocal lens unit 20 and a laminated piezoelectric actuator 10 joined to the varifocal lens unit 20 to change the curvature of the lens unit 20. It is configured. First, the lens unit 20 will be described. The varifocal lens section 20 is hermetically sealed by a disc-shaped transparent plate 6 disposed on the front surface of the central portion, a transparent elastic film 7 disposed on the back surface of the central portion, and both 6 and 7. It comprises a container 8 forming an internal space, and a working fluid 9 sealed in the internal space without any gap. As shown in more detail in FIG. 3, the container 8 includes a ring member 8 having a hollow cylindrical outer peripheral portion and a circular lens hole 80 passing through the center.
1, a ring-shaped elastic film 82 that connects the ring member 81 and the transparent plate 6 in an oil-tight manner all around, and a ring-shaped joining member 83.
【００１５】接合部材８３は、弾性膜８２の内周部の表
面に全周で接着されており、積層型圧電アクチュエータ
１０の内周連結部材１８の一端と接合して連動する。ま
た、透明板６は透明封止部材であって、その外周部でリ
ング状の弾性膜８２の内周部に裏側から全周で接着され
ており、弾性膜８２を介して接合部材８３と接合してい
る。The joining member 83 is adhered to the entire surface of the inner peripheral portion of the elastic film 82, and is joined to one end of the inner peripheral connecting member 18 of the multilayer piezoelectric actuator 10 to be interlocked therewith. Further, the transparent plate 6 is a transparent sealing member, which is adhered to the inner periphery of the ring-shaped elastic film 82 from the back side at the entire periphery from the back side, and is joined to the joining member 83 via the elastic film 82. are doing.
【００１６】積層型圧電アクチュエータ１０の貫通孔２
１と、可変焦点レンズ部２０の透明板６、透明弾性膜
７、及び容器８のレンズ孔８０とは、いずれも互いに同
軸に配設されている。そして、透明板６及び透明弾性膜
７と、両者６、７の間に介在する透明な作動流体９と
で、焦点が調整可能な光学レンズが構成されている。こ
こで、透明板６及び透明弾性膜７はいずれも石英ガラス
製であり、作動流体９は所定の成分のシリコンオイルで
あって、上記三者６、７、９の屈折率はほぼ同一であ
る。The through hole 2 of the multilayer piezoelectric actuator 10
The transparent plate 6, the transparent elastic film 7 of the variable focus lens unit 20, and the lens hole 80 of the container 8 are all disposed coaxially with each other. The transparent plate 6 and the transparent elastic film 7 and the transparent working fluid 9 interposed between the both 6 and 7 constitute an optical lens whose focus can be adjusted. Here, the transparent plate 6 and the transparent elastic film 7 are both made of quartz glass, the working fluid 9 is silicon oil of a predetermined component, and the refractive indices of the above three members 6, 7, 9 are almost the same. .
【００１７】また、容器８の外形は回転対称形をしてお
り、容器８のリング部材８１の外周部には、本実施形態
では例えば６０度毎に小さな貫通孔が６箇所で等間隔に
形成されている。この貫通孔には、積層型圧電アクチュ
エータ１０の一端に突出している外周連結部材１７が挿
入されて接着固定されている。すなわち、可変焦点レン
ズ部２０の外周部を形成している容器８のリング部材８
１の外周部には、積層型圧電アクチュエータ１０の外周
連結部材１７が接合されている。また、可変焦点レンズ
部２０の内周部を形成している透明板６には、容器８の
弾性膜８２及び接合部材８３を介して、積層型圧電アク
チュエータ１０の内周連結部材１８の一端が接合されて
いる。それゆえ、容器８を固定して積層型圧電アクチュ
エータ１０に印加電圧を加えると、透明板６が内周連結
部材１８に連動して、積層型圧電アクチュエータ１０の
長手軸線方向に駆動されるように構成されている。Further, the outer shape of the container 8 is rotationally symmetrical, and in this embodiment, small through holes are formed at equal intervals at six locations, for example, every 60 degrees in the outer periphery of the ring member 81 of the container 8. Have been. An outer peripheral connecting member 17 protruding from one end of the laminated piezoelectric actuator 10 is inserted into this through-hole and is adhesively fixed. That is, the ring member 8 of the container 8 forming the outer peripheral portion of the varifocal lens unit 20
The outer peripheral connecting member 17 of the laminated piezoelectric actuator 10 is joined to the outer peripheral portion of the piezoelectric actuator 1. Further, one end of the inner peripheral connecting member 18 of the multilayer piezoelectric actuator 10 is provided on the transparent plate 6 forming the inner peripheral part of the variable focus lens unit 20 via the elastic film 82 and the joining member 83 of the container 8. Are joined. Therefore, when the container 8 is fixed and an applied voltage is applied to the laminated piezoelectric actuator 10, the transparent plate 6 is driven in the longitudinal axis direction of the laminated piezoelectric actuator 10 in conjunction with the inner peripheral connecting member 18. It is configured.
【００１８】次に、可変焦点レンズ装置２のレンズ部２
０の作用について説明する。図４に示すように、積層型
圧電アクチュエータ１０に電圧印加していない状態で
は、透明板６の外面は凹状、透明弾性膜７の外面は凸状
となっている。積層型圧電アクチュエータ１０に印加電
圧を加えると、図５に示すように、透明板６が連動して
長手軸線方向上方に変位して外面形状が凹状から凸状に
なる。一方、透明板６、透明弾性膜７及び容器８で形成
されている密閉空間に封入されている作動流体９が透明
板６に向けて移動し、透明弾性膜７はこの移動に伴って
長手軸線方向上方に移動し、外面形状が凸状から凹状に
なる。すなわち、透明弾性膜７は透明板６及び作動流体
９とで構成した光学レンズ部２０は、正のレンズから負
のレンズに変形する。この変形の過程は連続的であるの
で、この変形過程において、レンズ部２０を通るレーザ
光の光学的特性は連続的に変化する。以上のように、電
圧アクチュエータを印加することにより、レンズ部の光
学的特性を連続的に変化させることができる。また、積
層型圧電アクチュエータ１０を発振器及びアンプにより
高速で往復駆動すれば、可変焦点レンズ装置の焦点位置
を高速で振動（変位）させることができる。Next, the lens unit 2 of the varifocal lens device 2
The operation of 0 will be described. As shown in FIG. 4, when no voltage is applied to the laminated piezoelectric actuator 10, the outer surface of the transparent plate 6 is concave, and the outer surface of the transparent elastic film 7 is convex. When an applied voltage is applied to the laminated piezoelectric actuator 10, as shown in FIG. 5, the transparent plate 6 is interlocked and displaced upward in the longitudinal axis direction to change the outer shape from a concave shape to a convex shape. On the other hand, the working fluid 9 sealed in the closed space formed by the transparent plate 6, the transparent elastic film 7 and the container 8 moves toward the transparent plate 6, and the transparent elastic film 7 moves along the longitudinal axis. In the upper direction, and the outer surface shape changes from convex to concave. That is, the optical lens unit 20 in which the transparent elastic film 7 is composed of the transparent plate 6 and the working fluid 9 is deformed from a positive lens to a negative lens. Since the deformation process is continuous, the optical characteristics of the laser beam passing through the lens unit 20 change continuously during the deformation process. As described above, by applying the voltage actuator, the optical characteristics of the lens unit can be continuously changed. Further, if the laminated piezoelectric actuator 10 is reciprocated at a high speed by an oscillator and an amplifier, the focal position of the varifocal lens device can be vibrated (displaced) at a high speed.
【００１９】次に積層型アクチュエータ１０について説
明する。積層型圧電アクチュエータ１０は、図２に示す
ように、積層された４枚の圧電バイモルフ１６と、各圧
電バイモルフ１６の外周部及び内周部をそれぞれ互いに
連結している外周連結部材１７及び内周連結部材１８と
から構成されている。すなわち、中央部に貫通孔２１を
有する４枚のバイモルフ１６が互いに同軸かつ等間隔に
積層されており、その貫通孔２１に面する内周部にはパ
イプ状の内周連結部材１８が、内周接合部材１９を介し
てそれぞれ接合されている。一方、各バイモルフ１６の
外周部には、６０度毎に配設されている６本の棒状の外
周連結部材１７が、外周接合部材４を介してそれぞれ接
合されている。Next, the laminated actuator 10 will be described. As shown in FIG. 2, the laminated piezoelectric actuator 10 includes four laminated piezoelectric bimorphs 16, an outer connecting member 17 and an inner connecting member that connect the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of each piezoelectric bimorph 16 to each other. And a connecting member 18. That is, four bimorphs 16 having a through hole 21 in the center are stacked coaxially and at equal intervals, and a pipe-shaped inner connecting member 18 is formed on an inner circumferential portion facing the through hole 21. Each is joined via the peripheral joining member 19. On the other hand, on the outer peripheral portion of each bimorph 16, six rod-shaped outer peripheral connecting members 17 arranged at every 60 degrees are joined via the outer joining member 4.
【００２０】各圧電バイモルフ１６は、図６に示すよう
に、中央部に貫通孔２１を有するリング状の弾性板１１
と、弾性板１１の表裏両方の表面にそれぞれ接合されて
いるリング状の圧電板１２、１３とからなる。弾性板１
１は、バネ弾性を有するステンレス鋼製の薄板から形成
されており、圧電板１２、１３の共通電極をも兼ねてい
る。圧電板１２、１３は、それぞれ弾性板１１の表裏の
表面に接合されている圧電材料ＰＺＴからなる薄板であ
り、同圧電材料の分極方向Ｐは長手軸線方向の同じ方向
へ向いている。また、圧電板１２、１３の表面には、銀
の微細粉末を主成分とする導電ペーストが印刷されて焼
成された膜状の表面電極１４、１５が形成されている。As shown in FIG. 6, each piezoelectric bimorph 16 has a ring-shaped elastic plate 11 having a through hole 21 at the center.
And ring-shaped piezoelectric plates 12 and 13 respectively joined to the front and back surfaces of the elastic plate 11. Elastic plate 1
Numeral 1 is formed from a stainless steel thin plate having spring elasticity, and also serves as a common electrode for the piezoelectric plates 12 and 13. Each of the piezoelectric plates 12 and 13 is a thin plate made of a piezoelectric material PZT bonded to the front and back surfaces of the elastic plate 11, and the polarization direction P of the piezoelectric material is oriented in the same longitudinal axis direction. On the surfaces of the piezoelectric plates 12 and 13, film-like surface electrodes 14 and 15 are formed by printing and firing a conductive paste mainly composed of silver fine powder.
【００２１】外周連結部材１７は、ステンレス鋼からな
る細い棒状部材である。そして外周連結部材１７は、同
じくステンレス鋼製のクリップ状の外周接続部材（図示
せず）を介して、圧電バイモルフ１６の弾性板１１の外
周部に、銀鑞付け又はレーザ溶接で接合されている。そ
れゆえ、外周連結部材１７は、弾性板１１に電気的に導
通している。The outer peripheral connecting member 17 is a thin rod-shaped member made of stainless steel. The outer peripheral connecting member 17 is joined to the outer peripheral portion of the elastic plate 11 of the piezoelectric bimorph 16 by silver brazing or laser welding via a clip-shaped outer peripheral connecting member (not shown) also made of stainless steel. . Therefore, the outer peripheral connecting member 17 is electrically connected to the elastic plate 11.
【００２２】内周連結部材１８は、ステンレス鋼製の薄
板からなるパイプ材であり、図３に示すように、内周接
続部材１９を介して圧電バイモルフ１６の内周部に接合
されている。すなわち、内周連結部材１８の外周面は、
絶縁リング５２を介して圧電バイモルフ１６の内周面に
当接しており、圧電バイモルフ１６の弾性板１１と内周
連結部材１８とは互いに絶縁されている。圧電バイモル
フ１６の表裏両側からは、それぞれキャップ状の導電ス
ペーサ部材５１が当接しており、各圧電バイモルフ１６
の内周部は、それぞれ二つの対向する導電スペーサ部材
５１によって挟持されている。The inner connecting member 18 is a pipe made of a thin plate made of stainless steel, and is joined to the inner peripheral portion of the piezoelectric bimorph 16 via an inner connecting member 19 as shown in FIG. That is, the outer peripheral surface of the inner peripheral connecting member 18 is
The elastic plate 11 of the piezoelectric bimorph 16 and the inner peripheral connecting member 18 are insulated from each other by being in contact with the inner peripheral surface of the piezoelectric bimorph 16 via the insulating ring 52. Cap-shaped conductive spacer members 51 are in contact with the front and back sides of the piezoelectric bimorph 16, respectively.
Are sandwiched by two opposing conductive spacer members 51, respectively.
【００２３】導電スペーサ部材５１は、その内周面で内
周連結部材１８の外周面に銀鑞付け又はレーザ溶接で接
合されている。また、導電スペーサ部材５１は、それぞ
れ各圧電バイモルフ１６の表面電極１４、１５に押圧力
をもって当接し、表面電極１４、１５に導通している。
それゆえ、内周連結部材１８は、導電スペーサ部材５１
を介して各圧電バイモルフ１６の表面電極１４、１５に
導通している。The conductive spacer member 51 has its inner peripheral surface joined to the outer peripheral surface of the inner connecting member 18 by silver brazing or laser welding. In addition, the conductive spacer member 51 abuts on the surface electrodes 14 and 15 of each piezoelectric bimorph 16 with a pressing force, and is electrically connected to the surface electrodes 14 and 15.
Therefore, the inner circumference connecting member 18 is
Through the surface electrodes 14 and 15 of each piezoelectric bimorph 16.
【００２４】次に、本実施例の積層型圧電アクチュエー
タ１０の作用について説明する。積層型圧電アクチュエ
ータ１０に外周連結部材１７及び内周連結部材１８を介
して電圧を印加すると、各圧電バイモルフ１６が変形
し、内周連結部材１８が外周連結部材１７に対して長手
軸線方向上方に変位する。なお、内周連結部材１８の変
位の方向は、印加電圧の極性が反転すれば反転させるこ
とができる。また、変位させるための力は所定の電圧ま
ではほぼ印加電圧に比例する。したがって、印加電圧の
量を調整することにより、バイモルフの変位量、すなわ
ち電圧印加後のレンズ形状を調整することができる。こ
のように、積層型圧電アクチュエータ１０を採用するこ
とにより、強い力を発生させることができる。また、従
来では焦点を移動させるためには焦点の移動量だけ集光
レンズを変位させなければならなったが、本発明では、
焦点を移動させるためには、アクチュエータを比較的小
さなストローク分だけを移動させればよいので、本発明
では、焦点を高速で往復させて材料をより早く昇温及び
蒸発させることができ、レーザ加工を効率的に行うこと
ができる。Next, the operation of the multilayer piezoelectric actuator 10 of the present embodiment will be described. When a voltage is applied to the laminated piezoelectric actuator 10 via the outer connecting member 17 and the inner connecting member 18, each piezoelectric bimorph 16 is deformed, and the inner connecting member 18 moves upward with respect to the outer connecting member 17 in the longitudinal axis direction. Displace. Note that the direction of displacement of the inner circumference connecting member 18 can be reversed if the polarity of the applied voltage is reversed. Further, the force for displacing is almost proportional to the applied voltage up to a predetermined voltage. Therefore, by adjusting the amount of applied voltage, the amount of displacement of the bimorph, that is, the lens shape after voltage application can be adjusted. As described above, by employing the multilayer piezoelectric actuator 10, a strong force can be generated. In addition, in the past, in order to move the focal point, the focusing lens had to be displaced by the moving amount of the focal point, but in the present invention,
In order to move the focal point, the actuator only needs to be moved by a relatively small stroke, so that in the present invention, the focal point can be reciprocated at a high speed so that the material can be heated and evaporated more quickly. Can be performed efficiently.
【００２５】次に、可変焦点レンズ装置２の光学的な作
用について説明する。上述のように、バイモルフアクチ
ュエータ１０を駆動することにより、レンズ部２０は、
図４に示すような正のレンズと、図５に示すような負の
レンズとの間で連続的に変形可能である。図４に示すよ
うにレンズ部２０が正のレンズの時、レンズ部２０を出
射した小さな広がり角のレーザ光は、図１０に示すよう
に、集光レンズ１を通過して集光レンズから比較的に短
い距離において焦点ＦAが形成される。また、図５に示
すように、レンズ部２０が負のレンズの時、レンズ部２
０を出射した大きな広がり角のレーザ光は、図１１に示
すように、集光レンズ１を通過して集光レンズ１から比
較的に長い距離において焦点ＦBが形成される。レンズ
の形状が連続的に変形可能であるので、焦点の位置をＦ
AとＦBの範囲で移動させることが可能である。Next, the optical operation of the variable focus lens device 2 will be described. As described above, by driving the bimorph actuator 10, the lens unit 20
It can be continuously deformed between a positive lens as shown in FIG. 4 and a negative lens as shown in FIG. When the lens unit 20 is a positive lens as shown in FIG. 4, the laser beam having a small divergence angle emitted from the lens unit 20 passes through the condenser lens 1 as shown in FIG. The focal point F A is formed at an extremely short distance. Also, as shown in FIG. 5, when the lens unit 20 is a negative lens, the lens unit 2
Laser light of a large spread angle emitted 0, as shown in FIG. 11, the focus F B is formed through the condenser lens 1 in a relatively large distance from the condensing lens 1. Since the shape of the lens is continuously deformable, the position of the focal point is set to F
It is possible to move in the range of A and F B.
【００２６】次に、孔開け加工の操作について説明す
る。まず、レーザの焦点の移動範囲を設定するなど、レ
ーザ加工装置を設定する。次に、被加工物をＸＹテーブ
ル（図示せず）上に固定し、焦点の移動可能な範囲に被
加工物の加工すべき範囲が一致するように被加工物を位
置決めする。次に、レーザ発振器４を作動してレーザ光
を発振すると共に、可変焦点レンズ装置２のアクチュエ
ータを作動する。レーザ光は、反射板３、可変焦点レン
ズ装置２及び集光レンズ１を通って被加工物中において
焦点が定まる。この時、図１０に示すように、可変焦点
レンズは、正のレンズであり、焦点は被加工物の上面又
はその上方にあり（第一焦点位置ＦA）、レーザ光が焦
点近傍で吸収されて焦点近傍が昇温して蒸発する。Next, the operation of drilling will be described. First, the laser processing apparatus is set, for example, by setting the range of movement of the focal point of the laser. Next, the workpiece is fixed on an XY table (not shown), and the workpiece is positioned so that the range in which the workpiece can be processed matches the movable range of the focal point. Next, the laser oscillator 4 is operated to oscillate the laser light, and the actuator of the variable focus lens device 2 is operated. The laser beam passes through the reflector 3, the variable focus lens device 2, and the condenser lens 1, and the focus is determined in the workpiece. At this time, as shown in FIG. 10, the varifocal lens is a positive lens, the focal point is on or above the workpiece (first focal position F A ), and the laser light is absorbed near the focal point. The temperature near the focal point rises and evaporates.
【００２７】さらに、可変焦点レンズ装置２を変形させ
て焦点を下方に移動させ、一定時間後において、可変焦
点レンズは負のレンズとなっており、焦点は被加工物の
下面又はその下方にある（第二焦点位置ＦB）。この
時、レーザ光が焦点近傍で吸収されて焦点近傍が昇温し
て蒸発する。従来の方法では、集光レンズの曲率は一定
であるので、被加工物の下部を加工する時に焦点レンズ
のエネルギ密度を下げることができないのに対し、本発
明では、被加工物の下部を加工するときには焦点位置を
頂点とする広い広がり角度のレーザ光を照射することに
より、上部においてディフォーカス状態で照射されたレ
ーザ光のエネルギ密度を下げることができ、被加工物の
上部はさほど昇温されないので蒸発することがない。こ
うして、加工すべき部分のみを昇温させて蒸発させるこ
とにより、直状の孔を加工することができる。あるい
は、焦点を複数回往復させることによって直状の孔を加
工してもよい。Further, the varifocal lens device 2 is deformed to move the focus downward, and after a certain time, the varifocal lens is a negative lens, and the focus is on the lower surface of the workpiece or below it. (second focus position F B). At this time, the laser light is absorbed near the focal point, and the temperature near the focal point rises and evaporates. In the conventional method, since the curvature of the condensing lens is constant, the energy density of the focus lens cannot be reduced when processing the lower part of the workpiece, whereas in the present invention, the lower part of the workpiece is processed. By irradiating a laser beam having a wide divergence angle with the focal point at the apex, the energy density of the laser beam irradiated in a defocused state at the upper portion can be reduced, and the upper portion of the workpiece is not heated much. So it does not evaporate. Thus, a straight hole can be machined by elevating the temperature of only the portion to be machined and evaporating it. Alternatively, a straight hole may be formed by reciprocating the focal point a plurality of times.
【００２８】また、前述の加工方法では、焦点を比較的
に低速で移動させることによって、加工すべき部分をす
ぐに昇温かつ蒸発させているが、あるいは、焦点を第一
焦点位置ＦAと第二焦点位置ＦBとの間を高速で繰り返し
往復させて加工すべき部分を昇温させることによって蒸
発させることもできる。このように焦点を往復させる場
合には、本実施形態のようにバイモルフアクチュエータ
を用いることによって、従来の機械的機構で焦点位置を
移動させる方法では実現できない程度の高い速度で焦点
を移動させることができる。焦点を往復させる場合、す
なわち、可変焦点レンズ２を周期的に変形させる場合、
その周期及び／又は焦点の移動範囲を変化させても良
い。例えば、加工初期は、被加工物の上面付近の所定範
囲で往復させ、加工が進むにつれて、その範囲を被加工
物の下面に向けて移動させても良い。また、加工初期に
は、焦点を移動させる速度を低速度とし、加工が進むに
つれて移動速度を速めるように、可変焦点レンズ２の変
形周期を変化させても良い。Further, in the above processing method, by moving at low speed focus relatively, but quickly heated and evaporated portion to be machined, or a first focal position F A focus can also be evaporated by raising the temperature of the portion to be machined by repeated back and forth at high speed between the second focus position F B. When the focal point is reciprocated in this way, by using a bimorph actuator as in the present embodiment, it is possible to move the focal point at a high speed that cannot be realized by a method of moving the focal position by a conventional mechanical mechanism. it can. When the focal point is reciprocated, that is, when the varifocal lens 2 is periodically deformed,
The period and / or the moving range of the focal point may be changed. For example, at the beginning of processing, the workpiece may be reciprocated in a predetermined range near the upper surface of the workpiece, and as the processing proceeds, the range may be moved toward the lower surface of the workpiece. Further, in the early stage of processing, the speed at which the focal point is moved may be set to a low speed, and the deformation period of the varifocal lens 2 may be changed so that the moving speed is increased as the processing proceeds.
【００２９】以上の実施例では、拡開して入射するレー
ザ光を集光するために集光レンズが用いられているが、
あるいは、集光レンズを用いない構成でもよい。この場
合、変形する可変焦点レンズ２において変形する形状
は、短い焦点距離を実現する比較的に広がり角の小さな
正のレンズと、長い焦点距離を実現する比較的に広がり
角の大きな正のレンズとの間で連続的に変化するよう
に、可変焦点レンズ装置２のアクチュエータのストロー
クが調節させられる。In the above embodiment, the condensing lens is used to converge the laser beam which is expanded and incident.
Alternatively, a configuration without using a condenser lens may be used. In this case, the deformable varifocal lens 2 is deformed in two forms: a positive lens having a relatively small divergence angle for realizing a short focal length, and a positive lens having a relatively large divergence angle for realizing a long focal length. The stroke of the actuator of the varifocal lens device 2 is adjusted so as to continuously change between.
【００３０】また、上述の実施例では、被加工物の厚さ
方向に垂直にレーザ光を照射する例について説明した
が、被加工物の厚さ方向に対して斜めにレーザ光を照射
して、斜めの孔を形成することもできる。また、以上の
説明では、孔開け加工を例にとり説明したが、切断加工
を行うことも可能である。この場合、孔開け加工と同様
に焦点を厚み方向に振動させると共に、被加工物の切断
すべき面方向に焦点を移動させることによって切断すべ
き面全体に焦点を移動させることによって、切断すべき
面を蒸発させて切断することができる。Further, in the above-described embodiment, an example has been described in which the laser beam is irradiated perpendicularly to the thickness direction of the workpiece. However, the laser beam is irradiated obliquely to the thickness direction of the workpiece. Alternatively, an oblique hole can be formed. Further, in the above description, a hole punching process has been described as an example, but a cutting process can also be performed. In this case, the focal point is oscillated in the thickness direction in the same manner as in the drilling process, and the focal point is moved in the direction of the surface to be cut of the workpiece to move the focal point on the entire surface to be cut, thereby cutting the workpiece. The surface can be cut by evaporating.
【００３１】また、このようなレーザ加工装置を用い
て、可変焦点レンズによって焦点を往復動させて溶接を
行うことも可能である。この場合、二つの部材を接合さ
せるべき溶接ライン（被溶接箇所に沿ったライン）に沿
ってレーザ光の焦点を移動させて溶接する際に、可変焦
点レンズによって焦点を溶接深度（被加工物のレーザ照
射面から溶融が進行する方向の深さ）方向に移動させる
が、焦点が溶接深度方向に進行したときに、焦点を頂点
とするレーザ光の広がり角が広くなるのでレーザ溶接時
に溶接ラインに沿ってキーホールが不安定に発生してブ
ローホールや気泡が発生することがなく、溶接状態を安
定させることができる。また、レーザ溶接時に、焦点位
置を溶接深度方向で振動させても良く、本発明では可変
焦点レンズを使用することにより、このような焦点の振
動を高周波に駆動することができるという利点がある。Further, using such a laser processing apparatus, welding can be performed by reciprocating the focal point by a variable focus lens. In this case, when the focal point of the laser beam is moved along the welding line (the line along the portion to be welded) where the two members are to be joined and welding is performed, the focal point is changed by the variable focus lens to the welding depth (the workpiece depth). The laser beam is moved in the direction from the laser irradiation surface in the direction of melting), but when the focal point advances in the welding depth direction, the divergence angle of the laser beam with the focal point at the top increases, so The welding state can be stabilized without generating a blowhole or bubbles due to unstable generation of a keyhole along. Further, at the time of laser welding, the focal position may be oscillated in the welding depth direction, and the present invention has an advantage that such focal oscillation can be driven to a high frequency by using a variable focus lens.
【図１】本発明のレーザ加工装置の全体を示す概略図で
ある。FIG. 1 is a schematic view showing the entire laser processing apparatus of the present invention.
【図２】本発明の可変焦点レンズの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the variable focus lens of the present invention.
【図３】本発明の可変焦点レンズの分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the variable focus lens of the present invention.
【図４】本発明の可変焦点レンズのレンズ部が凸レンズ
の時の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view when the lens portion of the variable focus lens of the present invention is a convex lens.
【図５】本発明の可変焦点レンズのレンズ部が凹レンズ
の時の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view when the lens portion of the variable focus lens of the present invention is a concave lens.
【図６】本発明の可変焦点レンズのアクチュエータのバ
イモルフの断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a bimorph of the actuator of the variable focus lens of the present invention.
【図７】本発明の可変焦点レンズのアクチュエータの内
周連結部材の周囲の接合部の構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a joint around an inner connecting member of the actuator of the variable focus lens of the present invention.
【図８】従来の集光レンズを用いて被加工物の上面を加
工している様子を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a state in which the upper surface of a workpiece is processed using a conventional condenser lens.
【図９】従来の集光レンズを用いて被加工物の下面を加
工している様子を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a state in which the lower surface of a workpiece is processed using a conventional condenser lens.
【図１０】本発明の可変焦点レンズを用いて被加工物の
上面を加工している様子を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the upper surface of a workpiece is processed using the variable focus lens of the present invention.
【図１１】本発明の可変焦点レンズを用いて被加工物の
下面を加工している様子を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a state in which the lower surface of a workpiece is being machined using the variable focus lens of the present invention.
１…集光レンズ ４…レーザ光照射手段 ５…被加工物 １０…レンズ曲率可変機構 ２０…レンズ部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Condensing lens 4 ... Laser beam irradiation means 5 ... Workpiece 10 ... Lens curvature variable mechanism 20 ... Lens part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪俣 純朋 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 中山 崇志 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 金子 卓 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 川北 晋一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4E068 AF00 BA00 CA11 CD14 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Sumitomo Inomata 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside Denso Corporation (72) Inventor Takashi Nakayama 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Corporation Inside DENSO (72) Inventor Taku Kaneko 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO Corporation (72) Inventor Shinichiro Kawakita 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi F-term (reference) 4E068 AF00 BA00 CA11 CD14
Claims (7)
と、 前記レンズ部の曲率を周期的に変化させることのできる
レンズ曲率可変機構と、 被加工物に前記レンズ部を介してレーザ光を照射するレ
ーザ光照射手段とを備え、 前記レンズ曲率可変機構は、前記レンズ部を介して照射
されるレーザ光の焦点位置が前記被加工物の厚さ方向で
往復動するように前記レンズ部の曲率を周期的に変化さ
せることができることを特徴とするレーザ加工装置。1. A lens portion having a curved surface with a variable curvature, a lens curvature variable mechanism capable of periodically changing the curvature of the lens portion, and a laser beam applied to a workpiece through the lens portion. Irradiating laser light irradiating means, the lens curvature variable mechanism, the lens portion of the lens portion so that the focal position of the laser light irradiated through the lens portion reciprocates in the thickness direction of the workpiece A laser processing apparatus capable of periodically changing a curvature.
化可能なレンズ部と、 前記レンズ部の形状を周期的にかつ繰り返し凹状と凸状
とに変化させることのできるレンズ曲率可変機構と、 前記レンズ部と集光レンズを介して被加工物へレーザ光
を照射するレーザ光照射手段とを備えていることを特徴
とするレーザ加工装置。2. A lens portion whose lens surface shape can be changed into a concave shape and a convex shape; and a lens curvature variable mechanism capable of changing the shape of the lens portion into a concave shape and a convex shape periodically and repeatedly. A laser processing apparatus comprising: a laser beam irradiating unit configured to irradiate a laser beam to a workpiece via the lens unit and a condenser lens.
点位置が、少なくとも前記被加工物の全厚を含んだ範囲
で往復動するように、前記レンズ曲率可変機構が前記レ
ンズ部の形状を変化させることにより孔開け加工を行う
ことができることを特徴とする請求項１又は２に記載の
レーザ加工装置。3. The lens curvature changing mechanism is configured to adjust the shape of the lens portion such that a focal position of a laser beam applied to the workpiece reciprocates within a range including at least the entire thickness of the workpiece. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein a hole can be formed by changing the diameter of the hole.
点位置が溶接すべき接合個所の深さ方向に往復動するよ
うに、前記レンズ曲率可変機構が前記レンズ部の形状を
変化させることにより、溶接加工を行うことができるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装
置。4. The lens curvature changing mechanism changes the shape of the lens portion such that a focal position of a laser beam applied to the workpiece reciprocates in a depth direction of a joint to be welded. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein welding processing can be performed by using the laser beam.
を加工するレーザ加工方法において、 前記レーザ光の焦点位置を前記被加工物の表面側から裏
面側に移動するにつれて、前記焦点位置を頂点とするレ
ーザ光の広がり角度が広くなるように、前記レーザ光の
焦点位置を前記被加工物の厚さ方向に移動させることに
よって、被加工物を加工することを特徴とするレーザ加
工方法。5. A laser processing method for processing a workpiece by irradiating the workpiece with laser light, wherein the focal point of the laser light is moved from a front side to a rear side of the workpiece. Laser processing characterized by processing the workpiece by moving the focal position of the laser light in the thickness direction of the workpiece so that the spread angle of the laser light having the position as the vertex is widened. Method.
記被加工物の全厚を含む範囲で往復動させることによっ
て、被加工物を加工することを特徴とする請求項５に記
載のレーザ加工方法。6. The laser processing method according to claim 5, wherein the workpiece is processed by reciprocating a focal position of the laser beam at least in a range including the entire thickness of the workpiece. .
の厚さ方向に移動させることによって、穴開け加工又は
２つ以上の被加工物を溶接する溶接加工を行うことを特
徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工方法。7. A drilling process or a welding process for welding two or more workpieces by moving a focal position of the laser beam in a thickness direction of the workpiece. Item 7. The laser processing method according to item 5 or 6.
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