JP2003249701A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大型化やコストアップを回避しつつ、
被加工対象物からの反射光によるレーザ発生手段の破損
を防止することが可能なレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 コントローラ部２００内に位置する光フ
ァイバ３３の途中に光アブソーバ１２０が設けられてい
る。光アブソーバ１２０は例えば４価クロムのＹＡＧ結
晶で構成され、光強度が極めて高い出射レーザ光が入光
すると、ＹＡＧ結晶内の全て分子が励起された飽和状態
となり光吸収率が低下し出射レーザ光を透過させる。一
方、光強度の低い反射レーザ光が入光すると、そのほと
んど全てのエネルギーがＹＡＧ結晶中の分子の励起に使
用され、その励起状態の分子は熱としてエネルギーを放
出して再び基底状態に戻る。即ち、反射レーザ光は光ア
ブソーバ１２０に吸収されることになる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発生手段か
らのレーザ光を照射して被加工対象物の加工を行うレー
ザ加工装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】この種のレーザ加工装置の一例として、
従来、ガルバノスキャニング式のレーザマーキング装置
がある。これは、レーザ発生手段から出射されたレーザ
光を、その光路途中に配したガルバノミラーで方向を変
えて被マーキング対象物上に走査するように照射させる
ことで所望の文字、記号、図形等を印字するものであ
る。 【０００３】ところで、この種のレーザマーキング装置
では、被マーキング対象物上でのレーザ光の反射光が、
そのレーザ光の光路を逆行して再びガルバノミラーを介
してレーザ発生手段に至り、例えばレーザ発生手段内の
レーザ光源を破損させてしまうことがある。レーザマー
キング装置に用いられるレーザ発生手段のなかには、レ
ーザ光源（レーザダイオード）とレーザ出射口との間に
配した希土類ドープ光ファイバ内に、レーザ光源からの
レーザ光を通過させて光増幅させる増幅機能を備えたも
の（ファイバレーザ）がある。このような構成のレーザ
発生手段に前記反射光が入射すると、たとえこの反射光
の光強度が低いものであったとしても、希土類ドープ光
ファイバ内で増幅されて、光強度が高いレーザ光として
レーザ光源に入射してしまい、レーザ光源を破損させる
可能性が特に高くなる。 【０００４】この解決策として、従来、レーザ発生手段
とガルバノスキャナとの間に、レーザ発生手段からのレ
ーザ光の通過のみを許容し、被マーキング対象物からの
反射光の通過を阻止する光アイソレータを設けたものが
ある。より詳しくは、光アイソレータは、レーザ発生手
段からのレーザ光のうち一方向の偏光面を有するレーザ
光のみの通過を許容する偏光子（偏光プリズム）と、そ
の偏光子からのレーザ光の偏光面を所定角度、例えば４
５度だけ回転させるファラデー回転子と、そのファラデ
ー回転子からの回転後の偏光面を有するレーザ光のみの
通過を許容する検光子（偏光プリズム）とをレーザ光の
光路に沿って配列してなる。従って、被マーキング対象
物上から反射光は、検光子を通過後、ファラデー回転子
にて更に偏光面が４５度回転され、その回転後の偏光面
が、偏光子の許容するレーザ光の偏光面に対して９０度
の角度をなすことになり、この偏光子にて通過が阻止さ
れる。これにより前記反射光がレーザ発生手段に入射す
ることを防止できるのである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光アイ
ソレータは、上記したように種々の光学部品からなりコ
ストが高く、また、印字のために光強度が高いレーザ光
が用いられるレーザマーキング装置に使用する場合、そ
の光強度に応じた大きさのものが必要となる。従って、
レーザマーキング装置自体が大型化すると共に製造コス
トが高くなってしまうという欠点があった。 【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、装置の大型化やコストアップを回避し
つつ、被加工対象物からの反射光によるレーザ発生手段
の破損を防止することが可能なレーザ加工装置を提供す
るところにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発生手段か
ら出射されるパルス状の出射レーザ光を被加工対象物上
に照射して、その被加工対象物の加工を行うレーザ加工
装置において、前記レーザ発生手段から出射され前記被
加工対象物に至る前記出射レーザ光の光路途中に配置さ
れ、前記出射レーザ光を透過させ、かつ、相対的に光強
度の低い反射レーザ光を吸収する非線形性の光吸収特性
を有した光アブソーバを設けたところに特徴を有する。 【０００８】 【発明の作用及び効果】光アブソーバは、その結晶中の
分子が入光した光からエネルギーを得て励起状態に移
り、例えば熱としてエネルギーを放出して再び基底状態
に戻るという原理を利用して、入光した光を吸収するも
のである。ところが、図１に示すように、光アブソーバ
は、ある程度以上の光強度の光が入光すると、結晶中の
全ての分子が励起された飽和状態となり光吸収率が低下
して光を透過させる。つまり、光強度に応じて光吸収率
が変化するのである。このことは、光アブソーバが、光
強度の増加に伴ってその光吸収率が低下する特性を有し
ていることを意味する。 【０００９】ここで、レーザ発生手段から出射される出
射レーザ光は光強度が極めて高いのに対し、被加工対象
物で反射して戻ってくる反射レーザ光の光強度は低い
（通常、出射レーザ光の光強度の０〜５０％）。従っ
て、上記光アブソーバの性質を利用して、レーザ発生手
段からの出射レーザ光を透過させる一方で、前記反射レ
ーザ光を吸収するよう構成することが可能である。 【００１０】そこで、本発明では、上記のように構成し
た光アブソーバをレーザ発生手段及び被加工対象物間の
出射レーザ光の光路途中に配置した。光アブソーバは、
常には基底状態にあり、出射レーザ光の各パルス光が入
光する毎に飽和状態に移り出射レーザ光を透過させる。
一方、出射レーザ光の各パルスの透過した後、これから
遅れて戻ってくる被加工対象物からの反射レーザ光は、
基底状態にある光アブソーバに吸収される。 【００１１】このような構成であれば、光アイソレータ
を利用した従来のものに比べて装置の大型化及びコスト
アップを低減しつつ、反射レーザ光によるレーザ発生手
段の破損を防止することができる。 【００１２】 【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図２及び図
３によって説明する。本願実施形態のレーザマーキング
装置は、図２に示されており、コントローラ部２００と
分離型のヘッド部３００とを備えてなり、それぞれに設
けた入出力回路１１０，１１０同士が、電気ケーブル４
００にて接続されている。また、コントローラ部２００
とヘッド部３００との間には光ファイバ３３が延びてお
り、コントローラ部２００で生成した出射レーザ光がこ
の光ファイバ３３を介してヘッド部３００へと与えられ
る。以下、コントローラ部２００、ヘッド部３００の順
で、詳細の構成を説明する。 【００１３】コントローラ部２００に備えたレーザ発生
手段２５０内において、符号１０は、半導体レーザで構
成されたレーザ光源であり、ドライバ１１によりパルス
駆動されてパルスレーザ光を出力する。符号２０Ａ，２
０Ｂ，２０Ｃは、半導体レーザで構成された励起光源で
ある。これら励起光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、ドラ
イバ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにて直流駆動されて、後述
の各希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣの希土
類元素を励起する波長を有する励起光を出力する。 【００１４】符号３０ＡＢは、シングルモードの希土類
ドープ光ファイバであって、この光ファイバ３０ＡＢの
途中には、前方からの戻り光をカットするアイソレータ
９０が設けられている。符号３０ＢＣは、マルチモード
の希土類ドープ光ファイバであって、ボビン状の軸（図
示せず）に複数回、巻回することで、コンパクトな形に
されている。また、これら希土類ドープ光ファイバ３０
ＡＢ，３０ＢＣは、共に希土類を含み屈曲可能なガラス
ファイバで構成されており、希土類の増幅作用によって
パルスレーザ光を増幅する。 【００１５】符号８０Ａは、結合手段であって、レーザ
光源１０から延びた光ファイバ３１と、励起光源２０Ａ
から延びた光ファイバ３２Ａとを、前記希土類ドープ光
ファイバ３０ＡＢに結合する。符号８０Ｂ，８０Ｃも、
やはり結合手段であって、結合手段８０Ｂは、希土類ド
ープ光ファイバ３０ＡＢと励起光源２０Ｂから延びた前
記光ファイバ３２Ｂとを、希土類ドープ光ファイバ３０
ＢＣに結合し、結合手段８０Ｃは、希土類ドープ光ファ
イバ３０ＢＣと励起光源２０Ｃから延びた前記光ファイ
バ３２Ｃとを、光ファイバ３３に結合する。そして、光
ファイバ３３にて、コントローラ部２００とヘッド部３
００とが繋がっている。 【００１６】符号１００は、制御手段であって、これに
は、入力手段４０１（例えば、コンソール）が連なって
おり、その入力手段４０１から、マーキングのプログラ
ムや、マーキング情報を受け、これらに基づいて前記ガ
ルバノミラー５０を制御する。 一方、ヘッド部３００
のうち、符号４０は、コリメータレンズであって、前記
レーザ発生手段２５０からの増幅された出射レーザ光を
平行光にする。符号６０は、ｆθレンズであって、次述
のガルバノミラー５０で反射した出射レーザ光を受け
て、被マーキング対象物Ｗ表面上に集光する。 【００１７】符号５０は、ガルバノミラーであって、Ｘ
軸ガルバノミラー５１およびＹ軸ガルバノミラー５２と
からなり、前記コリメータレンズ４０からの出射レーザ
光が、例えば、Ｘ軸ガルバノミラー５１からＹ軸ガルバ
ノミラー５２へと向かう順序で反射する配置になってい
る。そして、両ガルバノミラー５１，５２の角度変更に
よって、出射レーザ光の照射点が被マーキング対象物Ｗ
上で２次元的に走査される。 【００１８】上記構成により本実施形態に係るレーザマ
ーキング装置は次のように動作する。まず、入力手段４
０１を用いて、レーザパワーや印字速度等の設定値、及
び、文字・図形等のマーキング情報を、制御手段１００
に入力する。すると、制御手段１００は、予め入力され
たプログラムをランして、上記各種の設定値及びマーキ
ング情報から、レーザ出力を制御するための制御信号を
ドライバ１１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに与える。する
と、ドライバ１１は、レーザ光源１０をパルス駆動し、
また、ドライバ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、励起光源２
０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを直流駆動する。 【００１９】次いで、レーザマーキング装置に具備され
た励起用スイッチ（図示せず）をＯＮにすると、直流駆
動されている励起光源２０Ａから励起光が出力され、こ
の励起光が光ファイバ３２Ａ及び結合手段８０Ａを介し
て、両希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣに入
射する。このとき、励起光源２０Ａは、出力が小さくな
るように制御されており、励起光を受けた光ファイバ３
０ＡＢ，３０ＢＣ全体は均一な励起状態とされると共
に、励起されてレーザ光が発生するが、そのレーザ光は
マーキング不能な強度に維持される。 【００２０】マーキングを開始ときには、制御手段１０
０は、レーザ光源１０及び励起光源２０Ｂ，２０Ｃの出
力をオンする。すると、励起光源２０Ｂ，２０Ｃからの
励起光が希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ内に入射され
て、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣが高励起状態にな
ると共に、レーザ光源１０からのパルスレーザ光が希土
類ドープ光ファイバ３０ＡＢに入射される。そして、パ
ルスレーザ光が、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ及び
高励起状態になった希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣを
通過することによって増幅されていく。このとき、パル
スレーザ光は、シングルモードの希土類ドープ光ファイ
バ３０ＡＢを通過することによって、増幅度は少ない
が、光強度分布の整った品質の良いレーザ光が得られ、
マルチモードの希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣを通過
することによって、この品質の良いレーザ光がマーキン
グを行うのに十分な強度に増幅されてレーザ発生手段２
５０から出射されることになる。なお、本実施形態で
は、この出射される出射レーザ光は、パルス間隔が５０
μｓに、また、パルス幅が５ｎｓに設定されている。ま
た、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢの途中にはアイソ
レータ９０が設けられているから、励起光源２０Ｃ等か
らのレーザ光の逆戻りが防がれる。 【００２１】出射レーザ光は結合手段８０Ｃ及び光ファ
イバ３３を介して、コントローラ部２００からヘッド部
３００の方へ伝達される。これと共に、コントローラ部
２００の入出力回路１１０からヘッド部３００へと電気
ケーブル４００を介して、Ｘ軸及びＹ軸の両ガルバノミ
ラー５１，５２の制御信号および駆動電力が送られる。 【００２２】ヘッド部３００では、コントローラ部２０
０側から受けた出射レーザ光が、コリメータレンズ４０
にて平行光に絞られて、ガルバノミラー５０によって方
向が変えられる。ここで、ガルバノミラー５０では、こ
の出射レーザ光をＸ軸ガルバノミラー５１によって一つ
の方向に走査し、Ｙ軸ガルバノミラー５２によって、Ｘ
軸ガルバノミラー５１が走査する方向と直交する方向に
走査することで２次元のあらゆる方向に走査することが
できる。ガルバノミラー５０からの出射レーザ光は、ｆ
θレンズと呼ばれる収束レンズ６０によって平行光から
マーキングを行うためのスポットレーザ光に絞り込まれ
る。この出射レーザ光が被マーキング対象物Ｗ表面上を
走査することにより、所望のマーキングが行われる。 【００２３】ところで、従来説明の欄でも述べたよう
に、レーザマーキング装置では、被マーキング対象物Ｗ
表面上での出射レーザ光の反射光（以下、「反射レーザ
光」）が、その出射レーザ光の光路を逆行して再びガル
バノミラー５０を介してレーザ発生手段２５０に至り、
例えばレーザ光源１０を破損させてしまうおそれがあ
る。特に、本実施形態のような構成では、逆行する反射
レーザ光も希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ，３０ＡＢ
を通過することで増幅されて光強度の高いレーザ光とし
てレーザ光源１０に入射してしまう。従って、レーザ光
源１０を破損させる危険性がより高い。 【００２４】なお、上述したように本実施形態のレーザ
マーキング装置においては、希土類ドープ光ファイバ３
０ＡＢの途中にレーザ光の逆戻りを防止するアイソレー
タ９０が設けられているが、これは光強度の比較的低い
励起光源２０Ｃ等からのレーザ光、或いは、結合手段８
０Ｂの端面等からの反射光に対応して設けたものであ
る。従って、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ，３０Ａ
Ｂ内を通過しつつ増幅された光強度の強い反射レーザ光
の進行を確実に阻止できないおそれがあり、なおもレー
ザ光源１０を破損させる危険性が残り得る。 【００２５】そこで、本実施形態では、コントローラ部
２００内に位置する光ファイバ３３の途中に光アブソー
バ１２０が設けられている。この光アブソーバ１２０
は、セル内に液体が収容されたＤＹＥ型の光アブソーバ
（例えば、Exciton社の「アブソーバＢＤＮ」）や、４
価クロムがドープされたＹＡＧ結晶で構成された固体式
の光アブソーバ（例えば、Racol社の「Cr⁴⁺:YAG Crysta
l Passive Q-Switch」、ALPHALAS社の「Passive Q-Swit
ch Cr⁴⁺:YAG」）を利用することができる。また、半導
体の光アブソーバであってもよい。この光アブソーバ１
２０の作用について、前記固体式のものを例に挙げて説
明すると、光強度が極めて高い出射レーザ光が入光する
と、ＹＡＧ結晶内の全て分子が励起された飽和状態とな
り光吸収率が低下し、出射レーザ光を透過させる。一
方、被マーキング対象物Ｗ表面で反射して戻ってくる、
光強度の低い反射レーザ光が入光すると、そのほとんど
全てのエネルギーがＹＡＧ結晶中の分子の励起に使用さ
れ、その励起状態の分子は熱としてエネルギーを放出し
て再び基底状態に戻る。即ち、反射レーザ光は光アブソ
ーバ１２０に吸収されることになる。 【００２６】ここで、図３には、本実施形態における出
射レーザ光及び反射レーザ光が光アブソーバ（具体的に
は、「アブソーバＢＤＮ」）に至るタイミングを示され
ている。本実施形態では、上記したように出射レーザ光
のパルス周期は５０μｓであり、パルス幅は５ｎｓであ
る。また、上記アブソーバＢＤＮでは、出射レーザ光の
各パルス光の透過後の光アブソーバの励起状態の寿命は
８ｎｓ以下である。また、伝送用の光ファイバ３３の長
さは約５ｍ、ヘッド部３００から被マーキング対象物Ｗ
までの距離（以下、「ワーク距離ｈ」）は約０．１８ｍ
である。これらよりレーザ光が光アブソーバ１２０から
被マーキング対象物Ｗにて反射し、再び光アブソーバ１
２０に戻ってくるまでの往復光路距離（＝{「光ファイ
バ３３の長さ」＋「ワーク距離」}×２）を求めること
ができる。従って、この往復光路距離を光速度で除算る
ことで、出射レーザ光のパルス光が光アブソーバ１２０
を透過した後、それに対応する反射レーザ光のパルス光
が光アブソーバ１２０に戻ってくるまでの時間を算出す
ることができる。本実施形態では約３４．５ｎｓとな
る。そうすると、出射レーザ光が光アブソーバ１２０に
入光してから約１３ｎｓ（パルス幅５ｎｓ＋励起状態の
寿命８ｎｓ）後には光アブソーバは基底状態に戻ってい
るから、反射レーザ光の各パルス光が光アブソーバ１２
０に入光する際には、この光強度の弱い反射レーザ光を
吸収するに十分な光吸収能力を光アブソーバ１２０が有
していることになる。 【００２７】このように、出射レーザ光の光路途中に光
アブソーバ１２０を配置して、この光アブソーバ１２０
により被マーキング対象物Ｗからの反射レーザ光のレー
ザ発生手段２５０への入射を防止するよう構成した。従
って、光アイソレータを利用した従来のものに比べて装
置の大型化及びコストアップを低減しつつ、反射レーザ
光によるレーザ発生手段の破損を防止することができる 【００２８】＜他の実施形態＞本発明は、前記実施形態
に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するよ
うな実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、
下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実
施することができる。 （１）上記実施形態では、ガルバノミラー５０を備えた
ガルバノスキャニング式のレーザマーキング装置を例に
挙げて説明したが、この限りではなく、例えばレーザ発
生手段自体の位置を移動させてレーザ光の照射点を移動
させる構成のものや、いわゆるドットマーキング方式の
レーザマーキング装置であってもよい。更に、レーザマ
ーキング装置以外の他のレーザ加工装置であってもよ
く、特に、マーキングに要する光強度以上のレーザ光を
用いてワークを加工するものでは、本発明を適用するこ
とで、より顕著な効果を得ることができる。 【００２９】（２）また、上記実施形態では、光アブソ
ーバを、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣと伝送用の光
ファイバ３３との間に配置した構成としたが、この限り
ではなく、レーザ発生手段２５０と被マーキング対象物
Ｗとの間の出射レーザ光の光路途中であればよく、例え
ばヘッド部３００に設ける構成であってもよい。また、
光アブソーバを例えばガルバノミラー５０表面上にコー
ティングして一体化した構成であってもよい。 【００３０】（３）上記実施形態では、レーザ発生手段
に希土類ドープ光ファイバによる増幅手段を備える構成
であったが、増幅手段を備えていないレーザ発生手段、
即ち、レーザ光源（例えばレーザダイオード等）そのも
のであったもよい。 【００３１】（４）また、上記実施形態では、希土類ド
ープ光ファイバを使った、いわばファイバレーザをレー
ザ発生手段として用いた構成であったが、この限りでは
なく、例えばＱスイッチ方式のレーザ発生手段を用いた
ものであっても同様の効果を得ることができる。 【００３２】（５）更に、上記実施形態では、コントロ
ーラ部２００内のレーザ発生手段２５０からの出射レー
ザ光を、光ファイバ３３を介してヘッド部２００に与え
るヘッド分離型のレーザマーキング装置を例に挙げて説
明したが、この限りではなく、コントローラ部とヘッド
部とが一体化したものであってもよい。このような構成
の場合、伝送用の光ファイバがない分だけ速いタイミン
グで反射レーザ光の各パルスが光アブソーバに戻ってく
る。従って、出射レーザ光の各パルス光が光アブソーバ
を透過後、その光アブソーバが反射レーザ光を吸収可能
な状態になる前に反射レーザ光の各パルスが光アブソー
バに入光することがないよう構成する必要がある。この
ような構成にするには、例えば、レーザ発生手段からの
出射レーザ光のパルス幅を調整したり、光アブソーバと
被マーキング対象物との距離を調整したりすることで可
能になる。なお、上記（２）で述べた光アブソーバ１２
０をヘッド部３００に設けたものでも上記構成にする必
要が生じ得る。

【図面の簡単な説明】 【図１】入光した光の光強度と光アブソーバの光吸収率
との関係を示したグラフ 【図２】本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装
置のブロック図 【図３】出射レーザ光及び反射レーザ光が光アブソーバ
に至るタイミングを示した図 【符号の説明】 ５０…ガルバノミラー １２０…光アブソーバ ２５０…レーザ発生手段 Ｗ…被マーキング対象物

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 レーザ発生手段から出射されるパルス状
   の出射レーザ光を被加工対象物上に照射して、その被加
   工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、 前記レーザ発生手段から出射され前記被加工対象物に至
   る前記出射レーザ光の光路途中に配置され、前記出射レ
   ーザ光を透過させ、かつ、相対的に光強度の低い反射レ
   ーザ光を吸収する非線形性の光吸収特性を有した光アブ
   ソーバを設けたことを特徴とするレーザ加工装置。