JP2005007428A

JP2005007428A - レーザ加工装置とその制御方法および生産設備

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Publication number: JP2005007428A
Application number: JP2003174326A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Nagayasu; 同慶長安; Yoshiaki Takenaka; 義彰竹中; Hiroyuki Sakatani; 博之坂谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】加工に際して発生する反射光によるレーザ光源の寿命短縮を軽減できる半導体レーザ加工装置を提供する事を目的とする。
【解決手段】レーザ光源と被加工物の間にＳ波／Ｐ波分離鏡６、１／４波長板７、集光レンズ８を配置し、加工による反射光がレーザ光源に戻りにくくするのと同時に、反射光の影響をレーザ光ダンパ９に設けたサーマルガード４３で観測し、規定温度以上の場合にはサーマルガード４３の温度異常信号によりレーザ光が停止する。
この本発明によれば、加工に際して発生する反射光によるレーザ光源の寿命短縮を軽減する半導体レーザ加工装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ加工装置とその制御方法および生産設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アルミニウムを中心とする高輝材（被加工材料からの反射が大きい材料）のワーク加工が要望されている。
【０００３】
従来のレーザ加工装置は、ワーク、特に高輝材の加工による反射光を再び加工に利用している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図４に従来のレーザ加工装置にアレイ型半導体レーザを搭載した半導体レーザ加工装置の概略構成図を示す。
【０００５】
図中の破線はレーザ光の軌跡を示す。アレイ型半導体レーザ５１には、駆動電源５２と、冷却水を供給するチラー５４が接続され、駆動電源５２，チラー５４は、制御装置５３に接続されている。一方、レーザヘッド６０はアレイ型半導体レーザ５１、Ｓ波／Ｐ波分離鏡５６、１／４波長板５７、集光レンズ５８から構成されている。
【０００６】
以上のように構成されたレーザ加工装置の動作について説明する。アレイ型半導体レーザ５１から出射する、紙面に対して平行な偏光状態の直線偏光レーザ光（以下、Ｐ偏光波と称す）は、Ｓ波／Ｐ波分離鏡５６を透過し、１／４波長板５７により、時計方向の円偏光レーザ光に変換される。
【０００７】
この時計方向の円偏光レーザ光は集光レンズ５８より集光され、高反射材料である高輝材の被加工物である平面ワーク５９上に集光し、平面ワーク５９を加工する。この時、レーザ光の一部は平面ワーク５９の表面で反射されて反時計方向の円偏光反射光となり、集光レンズ５８を通過して、１／４波長板５７に入射し、紙面に対して垂直な直線偏光（Ｓ偏光波とする）に変換される。
【０００８】
Ｓ偏光波はＳ波／Ｐ波分離鏡５６により伝播方向を曲げられ、再帰用手段である再帰用ミラー５５に入射する。再帰用ミラー５５は、レーザ光をＳ波のまま、Ｓ波／Ｐ波分離鏡５６に再帰させ、再帰した光はＳ偏光波となりＳ波／Ｐ波分離鏡５６により伝播方向を曲げられ１／４波長板５７により反時計方向の円偏光レーザ光に変換され集光レンズ５８により集光し、再度平面ワーク５９を加工する。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭５７−１０２８４号公報（第２頁、第３図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワーク形状は平面とは限らない。例えば、平面でない場合、時計方向の円偏光レーザ光で加工した時の反射光は、反時計方向の円偏光レーザ光ではなく、反時計方向の楕円偏光レーザ光となる場合がある。従って、Ｓ波／Ｐ波分離鏡５６を用いても、アレイ型半導体レーザ５１に戻る反射光を完全には除去することはできない。その結果、レーザ光がレーザ光源であるアレイ型半導体レーザ５１に戻り、アレイ型半導体レーザ５１における半導体レーザ素子を加熱し、アレイ型半導体レーザ５１の寿命を短縮するという問題点があった。
【００１１】
本発明は、このようなレーザ加工装置において、加工時に発生する反射光によるレーザ光源の寿命短縮を防止するレーザ加工装置とその制御方法および生産設備を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、前記レーザ光を偏光して被加工物へ照射する偏光手段と、前記レーザ光出射手段と前記偏光手段との間に配置され、前記被加工物からの反射光を反射光受光手段へ分岐するレーザ光分岐手段とを備え、前記反射光受光手段は温度を検出する温度検出手段を有し、温度検出手段で検出した温度が所定値を超えるとレーザ光出射手段から出射されるレーザ光が停止されるものである。
【００１３】
この構成により、加工に際して発生する過大な反射光量を推定し、反射光によるレーザ光源の寿命短縮を軽減するという作用を有する。
【００１４】
また、本発明のレーザ加工装置は、温度検出手段で検出した温度が所定値以下になるように、レーザ光出射手段から出射されるレーザ光の光量を制御するもので、この所定値は、被加工物の材料やレーザ光出射手段の周囲の汚染度やレーザ光出射手段の周囲の湿度により定められるものである。
【００１５】
この構成により、加工に際して発生する過大な反射光量を予防し、レーザ光の寿命短縮を軽減するという作用を有する。
【００１６】
また、本発明のレーザ加工装置の制御方法は、レーザ光出射手段からレーザ光を出射して被加工物を加工するレーザ加工装置の制御方法であって、前記レーザ光は偏光手段によって偏光され被加工物へ照射された後、前記被加工物からの反射光をレーザ光分岐手段で分岐し、その分岐されたレーザ光の温度を検出して、その温度が所定値を越えると前記レーザ光出射手段からのレーザ光の出射を停止するものである。
【００１７】
この構成により許容反射受光量が増加しても、レーザ光の寿命短縮を予防するという作用を有する。
【００１８】
また、本発明の生産設備は、上述のレーザ加工装置を配置した生産設備としたものであり、レーザ加工装置のレーザ光の寿命の短縮がない生産設備が実現するという作用を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、レーザ光源としてアレイ型半導体レーザを搭載したレーザ加工装置について、図面を参照しながら説明する。以下、図においては、紙面に対して平行な偏光状態の偏光をＰ偏光、紙面に対して垂直な偏光をＳ偏光という。
【００２１】
図１に本実施の形態１における概略構成図を示す。図１において、１はアレイ型半導体レーザであり、Ｐ偏光レーザ光を出射する。アレイ型半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、偏光分離手段であるＳ波／Ｐ波分離鏡６を通過し、１／４波長板７を通過して、集光レンズ８で集光されて被加工物であるワーク１４に到達する。なお、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６は伝播方向に対して４５度傾け、１／４波長板７と集光レンズ８は伝播方向に対して直角に配置する。
【００２２】
加えて、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６の伝播方向と直角をなす方向に、レーザ光を吸収するレーザ光ダンパ９と、レーザ光ダンパ９に設けられレーザ光ダンパ９の温度を検出し、基準温度を超えると信号を発生する温度センサであるサーマルガード４３を配置する。
【００２３】
アレイ型半導体レーザ１には電源２，チラ−４が接続されており、各々、電力、冷却水を供給している。電源２，チラ−４，サーマルガード４３は制御装置３に接続されており、制御装置３は電源２，チラ−４を制御し、また、電源２，チラ−４，サーマルガード４３からの出力信号を処理する。
【００２４】
以下、信号の動作を説明する。レーザ光ダンパ９が反射光により基準値を超えて加熱されると、サーマルガード４３から温度異常信号が制御装置３に出力され、制御装置３から電源２に信号を出し、アレイ型半導体レーザ１から出射されるレーザ光を停止する。
【００２５】
次に、レーザ光の伝播について説明する。図１において、破線はレーザ光の軌跡を示している。アレイ型半導体レーザ１から出射されたＰ偏光レーザ光のうち、大部分（望ましくは９９％以上）は、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６を透過し、１／４波長板７により、時計方向の円偏光レーザ光に変換される。この時計方向円偏光レーザ光を集光レンズ８で、被加工物であるワーク１４上に集光し、ワーク１４を加工する。
【００２６】
この時、レーザ光の一部はワーク１４で反射して反時計方向の楕円偏光反射光となり、集光レンズ８を通過後、１／４波長板７によって、所定方向に偏光した直線偏光の反射光となる。この偏光の方向成分は加工に応じて変化するが、何れの場合もＳ偏光成分とＰ偏光成分の合成である。
【００２７】
従って、この反射光のうち、Ｐ偏光成分であるＰ偏光反射光は、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６を透過し、アレイ型半導体レーザ１に到達する。このＰ偏光反射光がアレイ型半導体レーザ１に入射すると、半導体素子の温度が上昇し、その結果、アレイ型半導体レーザ１の寿命が短くなる。一方、Ｓ偏光成分であるＳ偏光反射光はＳ波／Ｐ波分離鏡６により伝播方向を９０度曲げられ、レーザ光ダンパ９に入射して吸収される。
【００２８】
この吸収によりレーザ光ダンパ９の温度が上昇し、所定の基準温度を超えるとレーザ光ダンパ９に設けられたサーマルガード４３が温度異常信号を制御装置３に出力し、制御装置３により電源２が制御され、アレイ型半導体レーザ１から出射されるレーザ光が停止される。これにより、アレイ型半導体レーザ１の寿命短縮を抑制する。
【００２９】
以上のように、ワーク１４からのレーザ光の反射光を受光して熱に変換し、その温度上昇によりレーザ光を停止することにより、レーザ光源であるアレイ型半導体レーザ１の寿命短縮を抑制することができ、経済性の向上が図れ、省エネルギー化にも貢献できる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、反射光による温度上昇でレーザ光を停止したが、基準温度を超えないようにアレイ型半導体レーザ１から出射されるレーザ光の光量を制御しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
本実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
図２に本実施の形態２における概略構成図を示し、その構成を説明する。図２において、実施の形態１と構成が異なるのは、制御装置２３と、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６とレーザ光ダンパ９との間（Ｓ波／Ｐ波分離鏡６の伝播方向と略直角をなす方向）に設けた、反射光を集光する集光レンズ１３と、レーザ光ダンパ９にレーザ光ダンパ９の温度検出手段として熱電対５を設けた点と、Ｓ波／Ｐ波分離鏡６を挟んで集光レンズ１３と相対した出力ダンパ１１を設けて漏れ光を吸収した点と、レーザヘッド２２内部にレーザヘッド２２内部の汚染度を監視するパーティクルモニタ４０，レーザヘッド２２内部の湿度を監視する湿度モニタ４１を設けた点と、流量調整機３９を介してドライエア３７をレーザヘッド２２内部に供給し、ドライエア３７を外部に排気し、外部環境からの汚染を軽減するフィルタ４２を設けた点である。
【００３３】
また、制御が異なるのは制御装置２３に、レーザ光ダンパ９の冷却水量を制御できる流量調整機３８，ドライエア３７の流量を制御できる流量調整機３９，レーザヘッド１２内部の汚染度を計測するパーティクルモニタ４０，レーザヘッド２２内部の湿度を計測する湿度モニタ４１がそれぞれ追加接続され、制御装置２３がこれらの構成物の信号を処理し、制御する点である。
【００３４】
以下、図３に本実施の形態２における加工フローチャートを示し、レーザ光と信号の動作について説明する。但し、反射光が発生する過程は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００３５】
先ず、被加工物であるワーク１４の材料データを入力する。次に、ワーク１４が高輝材の場合でも加工を継続するか否かを入力する。加工の開始に先立ち、制御装置２３は加工前のレーザ光ダンパ９の温度Ｔ_０、さらにレーザヘッド２２内部の汚染度やレーザヘッド２２内部の湿度を計測して記憶する。制御装置２３はこれら被加工物の材料毎，汚染度，湿度に応じた加工許容温度差△Ｔ_ｔｈの算出や、加工許容温度差△Ｔ_ｔｈのデータベースを参照して、その値を記憶する。その後、加工を開始し、加工時にレーザ光ダンパ９の温度Ｔ_ｍを計測（モニタリング）する。
【００３６】
このとき、加工により生じる反射光は集光レンズ１３により集光され、レーザ光ダンパ９に吸収される。この吸収により上昇する加工時レーザ光ダンパの温度Ｔ_ｍを、温度検出手段である熱電対５を用いて経時的に計測する。制御装置２３において、許容温度差Ｔ_ｗ＝（Ｔ_ｍ−Ｔ_０−△Ｔ_ｔｈ）を計算し、その計算値が零以下か否かを判断する。許容温度差Ｔ_ｗが零以下の場合、反射光は許容値以下であると考えられるので、加工を継続する。
【００３７】
また、許容温度差Ｔ_ｗが正の場合、反射光は許容値を超えていると考えられるので、被加工物は高輝材であると判断する。前述の入力において、高輝材の場合でも加工を継続する旨を入力した場合、加工を継続するが、高輝材の場合には加工を継続しない旨を入力した場合、制御装置３から電源２に信号を出力し、レーザ光を停止して、加工を中断、終了する。
【００３８】
なお、本実施の形態２では許容温度差Ｔ_ｗが正で、高輝材と判断した時には加工を継続しない旨を入力した場合、加工を中断して終了するとしたが、レーザヘッド２２を移動手段、例えばロボットに搭載することにより、許容温度差Ｔ_ｗが零以下になるまでレーザヘッド２２を、被加工物であるワーク１４に対して移動、望ましくは傾けることで加工を継続しても良い。
【００３９】
そして、所定時間内に許容温度差Ｔ_ｗが零以下にならない場合は、ロボトやレーザ光を停止させてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態２ではレーザヘッド２２内の汚染度や湿度に応じて加工許容温度△Ｔ_ｔｈを定めたが、汚染度や湿度が基準値（望ましくはレーザ光量と等しい許容温度差Ｔ_ｗより導かれる基準値）を超過する場合に、この基準値を満たすまではレーザ光を出射せず、制御装置２３からの信号により流量調整機３９を介してドライエア３７の流量を増加し、汚染物質をフィルタ４２に吸着させ、湿度をさげることで結露を防止でき構成とし、材料毎に加工許容温度△Ｔ_ｔｈを定める構成としても良い。
【００４１】
そして、前述の基準値を満たすまではレーザ光を出射させないことで、アレイ型半導体レーザ１の寿命の短縮を抑制することができる。
【００４２】
以上のように、偏光分離手段と、１／４波長偏光手段と、レーザ光を受光して熱に変換してその温度を計測する手段を設けてその信号を処理することにより加工材料に合わせたレーザ光源の寿命短縮、すなわち、余分な寿命短縮、を抑制することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、このような半導体レーザ加工装置において、寿命短縮化を軽減可能な半導体レーザ加工装置を提供する事が実現できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における概略構成図
【図２】同実施の形態２における概略構成図
【図３】同実施の形態２における加工フローチャート
【図４】従来の半導体レーザ加工装置概略構成図
【符号の説明】
１アレイ型半導体レーザ
５熱電対
６Ｓ波／Ｐ波分離鏡
７１／４波長板
９レーザ光ダンパ
１１出力ダンパ
１２，２２レーザヘッド
１４ワーク
４０パーティクルモニタ
４１湿度モニタ
４２フィルタ
４３サーマルガード

Claims

レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、前記レーザ光を１／４波長だけ偏光して被加工物へ照射する偏光手段と、前記レーザ光出射手段と前記偏光手段との間に配置され、前記被加工物からの反射光を反射光受光手段へ分岐するレーザ光分岐手段とを備え、前記反射光受光手段は温度を検出する温度検出手段を有したレーザ加工装置。
温度検出手段で検出した温度が所定値を超えるとレーザ光出射手段から出射されるレーザ光が停止される請求項１記載のレーザ加工装置。
温度検出手段で検出した温度が所定値以下になるように、レーザ光出射手段から出射されるレーザ光の光量を制御する請求項２記載のレーザ加工装置。
所定値は、被加工物の材料により定められた請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
所定値は、レーザ光出射手段の周囲の汚染度により定められた請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
所定値は、レーザ光出射手段の周囲の湿度により定められた請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
所定値は、レーザ光出射手段のレーザ出射許容量により定められた請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
レーザ光出射手段からのレーザ光を被加工物に照射するレーザヘッド部と、前記レーザヘッド部の保持と移動を行う駆動手段とを備え、前記レーザ光の制御は前記駆動手段により被加工物へのレーザ光の照射角度を制御する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
温度検出手段で検出した温度が、所定値になるまでレーザ光出射せず、レーザ光出射手段の周囲の汚染を低減する請求項２記載のレーザ加工装置。
温度検出手段で検出した温度が、所定値になるまでレーザ出射せず、レーザ光出射手段の周囲の湿度を低減する請求項２記載のレーザ加工装置。
レーザ光出射手段からレーザ光を出射して被加工物を加工するレーザ加工装置の制御方法であって、前記レーザ光は偏光手段によって１／４波長だけ偏光され被加工物へ照射された後、前記被加工物からの反射光をレーザ光分岐手段で分岐し、その分岐されたレーザ光の温度を検出して、その温度が所定値を越えると前記レーザ光出射手段からのレーザ光の出射を停止するレーザ加工装置の制御方法。
レーザ光出射手段からレーザ光を出射して被加工物を加工するレーザ加工装置の制御方法であって、前記レーザ光は偏光手段によって１／４波長だけ偏光され被加工物へ照射された後、前記被加工物からの反射光をレーザ光分岐手段で分岐し、その分岐されたレーザ光の温度を検出して、その温度が所定値を越えると前記レーザ光出射手段からのレーザ光の前記被加工物への照射角度を変化させるレーザ加工装置の制御方法。
検出された温度が所定値以下になるまで、レーザ光出射手段からのレーザ光の被加工物への照射角度を変化させる請求項１２記載のレーザ加工装置の制御方法。
請求項１から１０のいずれかに記載のレーザ加工装置を配置した生産設備。