JP2006286845A

JP2006286845A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2006286845A
Application number: JP2005103391A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Akiyama; 山靖裕秋; Junichi Kinoshita; 下純一木
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】穴あけ加工や彫刻加工等を高い加工効率で行うのに適した中間領域のパルス幅を持つレーザビームを発生させることができるとともに、そのレーザビームのピーク強度とパルス幅とを任意に制御することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザビームを発生させるレーザ発振器において、レーザダイオード及びレーザダイオード電源により、レーザ媒体を励起するために１０マイクロ秒程度の立ち上がり時間を持つ立ち上がりの急峻な励起パルス（符号３１の励起用電流波形参照）によりレーザ媒体を励起する。これにより、パルス幅が１マイクロ秒程度のパルスが数マイクロ秒間隔で並んだ一群の緩和発振パルス列を含むレーザビーム（符号３２のレーザパルス波形参照）が発生される。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザビームを被加工物に照射して当該被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工装置に係り、とりわけ、レーザ加工として穴あけ加工や彫刻加工等を行うのに適したレーザ加工装置に関する。

従来から、この種の穴あけ加工や彫刻加工等（例えば、各種の金属に対する彫刻や彫印、鉄鋼板の表面処理、電極材料の表面処理、セラミック等の非金属に対する表面処理や穴溝加工等）を行う際には、レーザビームを被加工物に直接照射して当該被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工装置が広く用いられている。特に、この種の穴あけ加工や彫刻加工等では、Ｑスイッチレーザパルスやジャイアントレーザパルスといったパルス形態のレーザビームが用いられるのが一般的であり、当該レーザビームのピークパワーや繰り返し速度等を制御しながら加工が行われる。具体的には例えば、特許第３２２１４２７号明細書には、Ｑスイッチパルスレーザによりプリント配線基板の穴あけ加工を行う方法が記載されている。また、特許第３３８８０７８号明細書には、Ｑスイッチパルスレーザにより冷間圧延用ワークロールの表面に穴あけ加工を施す方法が記載されている。

ところで、上述した穴あけ加工や彫刻加工等は、通常、次のような加工プロセスに従って行われる。すなわち、レーザビームが被加工物に照射されると、被加工物の表面でレーザビームが吸収されて材料の加熱及び蒸散が起こり、これにより、被加工物に対して所望の穴あけ加工や彫刻加工等が行われる。この際、被加工物の加工状態はレーザビームの強度に著しく依存する。具体的には、レーザビームの強度が低すぎる場合には、被加工物の材料の加熱のみが起こり、蒸散が起こらないので、穴あけ加工や彫刻加工等が十分に行われない。これに対し、レーザビームの強度が高すぎる場合には、被加工物の表面に発生したプラズマにレーザビームのエネルギーの大半が吸収されて、蒸散量が低下することとなる。このため、この場合でも、穴あけ加工や彫刻加工等が十分に行われない。

以上から、被加工物に対して効率良く高速に穴あけ加工や彫刻加工等を行うためには、被加工物の材料に適した適度な強度のレーザビームを用いる必要がある。また、被加工物の材料を効果的に蒸散させるためには、レーザビームの強度だけではなくレーザビームのエネルギー量が重要である。すなわち、被加工物に対して最適な条件で穴あけ加工や彫刻加工等を行うためには、被加工物の材料に応じてレーザビームの強度とエネルギー量とを最適化する必要があり、そのためには、被加工物の材料に応じてレーザビームのピーク強度とパルス幅とを任意に制御できるようにすることが理想的である。

ここで、穴あけ加工の場合を例にとり、十分な加工を可能とする加工速度とレーザビームのレーザ強度（パルス幅）との間の関係を模式的に示すと、図４のようになる。また、穴あけ加工時におけるレーザビーム中の１つのレーザパルスによる加工深さと当該レーザパルスのレーザ強度（パルス幅）との関係を模式的に示すと、図５のようになる。すなわち、図４及び図５から分かるように、加工効率の良い穴あけ加工を実現するレーザビームのレーザ強度（パルス幅）の最適値は、レーザ強度（パルス幅）が大きすぎずかつ小さすぎない中間領域に位置している。
特許第３２２１４２７号明細書特許第３３８８０７８号明細書

しかしながら、上述した穴あけ加工や彫刻加工等で主として用いられるＱスイッチレーザパルスは、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザと音響光学素子や電気光学素子等のＱスイッチ素子とを用いる一般的なＱスイッチ型レーザ発振器であれば、そのパルス幅は数ナノ秒〜５００ナノ秒程度となる。これは、図４及び図５に当てはめて考えると、符号Ｂの領域（レーザ強度の大きい（パルス幅の小さい）領域）に相当するものとなっている。一方で、Ｑスイッチレーザパルス以外の一般的なレーザパルスである電源変調レーザパルスでは、１００マイクロ秒以上のパルス幅が一般的であり、図４及び図５に当てはめて考えると、符号Ａの領域（レーザ強度の小さい（パルス幅の大きい）領域）に相当するものとなっている。すなわち、従来においては、穴あけ加工や彫刻加工等を高い加工効率で行うのに適した中間領域のパルス幅（１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度のパルス幅）を持つレーザビームを簡便に発生させる適切な方法が存在しておらず、その結果、上述したような穴あけ加工や彫刻加工等を行う場合に、その加工速度が制限され、加工効率が悪化する要因となっていた。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、穴あけ加工や彫刻加工等を高い加工効率で行うのに適した中間領域のパルス幅を持つレーザビームを発生させることができるとともに、そのレーザビームのピーク強度とパルス幅とを任意に制御することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザビームを被加工物に照射して当該被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、レーザビームを発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器により発生されたレーザビームを被加工物に照射して当該被加工物にレーザ加工を施す加工ユニットとを備え、前記レーザ発振器は、一対の共振器ミラーと、これらの一対の共振器ミラーの間に配置されたレーザ媒体と、前記レーザ媒体を励起するレーザ励起源とを有し、前記レーザ励起源により発生された立ち上がりの急峻な励起パルスにより前記レーザ媒体を励起することにより、前記レーザ媒体から一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームを発生させることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

なお、本発明において、前記レーザ発振器の前記レーザ励起源により発生される前記励起パルスは、１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度の立ち上がり時間を持つことが好ましい。

また、本発明においては、前記レーザ発振器の前記レーザ励起源により発生される前記励起パルスの立ち上がり時間、励起時間及び繰り返し周波数のうちの少なくとも一つを変化させるよう前記レーザ励起源を制御する制御装置をさらに備えることが好ましい。

さらに、本発明において、前記レーザ発振器の前記レーザ媒体は固体レーザ媒質からなり、前記レーザ励起源は前記固体レーザ媒質を励起する励起光を照射するレーザダイオードを有することが好ましい。

本発明によれば、レーザビームを発生させるレーザ発振器において、レーザ励起源により、レーザ媒体を励起するために立ち上がりの急峻な励起パルスによりレーザ媒体を励起することにより、パルス幅が１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度のパルスが数マイクロ秒間隔で並んだ一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームを発生させるようにしているので、被加工物に対して効率良く高速に穴あけ加工や彫刻加工等を行うことが可能となり、加工効率及び加工速度を著しく高めることができる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザビームＬを被加工物２０に照射して当該被加工物２０にレーザ加工を施すためのものであり、レーザビームＬを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０により発生されたレーザビームＬを被加工物２０に照射して当該被加工物２０にレーザ加工を施す加工ユニット１５とを備えている。

このうち、レーザ発振器１０は、一群のパルス列を含むレーザビームＬを発生させるものであり、一対の共振器ミラー１１ａ，１１ｂと、一対の共振器ミラー１１ａ，１１ｂの間に配置されたＮｄ：ＹＡＧ結晶（固体レーザ媒質）からなるレーザ媒体１２と、レーザ媒体１２を励起する励起光を照射するレーザダイオード１３と、レーザダイオード１３に電源ケーブル１４ａを介して接続されたレーザダイオード電源１４とを有している。なお、レーザダイオード１３及びレーザダイオード電源１４によりレーザ励起源が構成されている。

ここで、レーザダイオード１３は、レーザ媒体１２を励起する励起光として、立ち上がりの急峻な励起パルスを発生する半導体レーザであり、レーザダイオード１３により発生された立ち上がりの急峻な励起パルスによりレーザ媒体１２が励起されることにより、レーザ媒体１２から一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームＬが発生されるようになっている。

より具体的には、レーザダイオード１３はレーザダイオード電源１４により駆動されており、レーザダイオード電源１４により与えられる立ち上がりの急峻な電流パルスに起因して上述した立ち上がりの急峻な励起パルスが発生されるようになっている。なお、レーザダイオード１３により発生される励起パルスは、１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度（より好ましくは１マイクロ秒〜１０マイクロ秒程度）の立ち上がり時間を持つことが好ましい。

また、レーザダイオード電源１４には制御装置１９が接続されており、レーザ発振器１０のレーザダイオード１３により発生される励起パルスの立ち上がり時間、励起時間及び繰り返し周波数のうちの少なくとも一つを変化させるようレーザダイオード電源１４を制御することができるようになっている。

一方、加工ユニット１５は、レーザ発振器１０により発生されたレーザビームＬを被加工物２０に照射するためのものであり、レーザ発振器１０から出射されたレーザビームＬを被加工物２０の方向へ折り返すミラー１６と、ミラー１６により折り返されたレーザビームＬを集光する加工レンズ１７とを有している。なお、被加工物２０は、加工ステージ１８上に固定されており、加工ステージ１８により被加工物２０上でのレーザビームＬの照射位置を相対的に移動させることにより、被加工物２０に対して任意の形状で穴あけ加工や彫刻加工等を行うことができるようになっている。なお、加工ステージ１８は、制御装置１９に接続されている。

次に、このような構成からなるレーザ加工装置１の作用について説明する。

図１に示すレーザ加工装置１のレーザ発振器１０において、レーザダイオード１３がレーザダイオード電源１４により駆動されると、レーザダイオード電源１４により与えられる電流パルスに起因してレーザダイオード１３により励起パルスが発生する。このようにして発生した励起パルスは、レーザ媒体１２を励起する励起光としてレーザ媒体１２に照射される。これにより、レーザ媒体１２が励起状態となり、共振器ミラー１１ａ，１１ｂの間で光が繰り返し反射されることによりレーザビームＬが出射される。

このとき、レーザダイオード電源１４は、レーザダイオード１３から立ち上がりの急峻な励起パルス（１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度の立ち上がり時間を持つ励起パルス）が発生されるよう、立ち上がりの急峻な電流パルスをレーザダイオード１３に与える。これにより、レーザダイオード１３により立ち上がりの急峻な励起パルスが発生されると、この励起パルスによりレーザ媒体１２が励起され、その結果、レーザ媒体１２から一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームＬが発生される。

ここで、図２及び図３は、レーザダイオード電源１４により与えられる励起用電流波形３１，３３と、その結果得られたレーザパルス波形３２，３４との関係を示す図である。図２及び図３に示すように、レーザダイオード電源１４により立ち上がり時間が１０マイクロ秒程度の電流パルスがレーザダイオード１３に与えられると、それに起因して、レーザ媒体１２から、パルス幅が１マイクロ秒程度のパルスが数マイクロ秒間隔で並んだ一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームＬが発生される。

このように本実施形態によれば、レーザビームＬを発生させるレーザ発振器１０において、レーザダイオード１３及びレーザダイオード電源１４により、レーザ媒体１２を励起するために１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度の立ち上がり時間を持つ立ち上がりの急峻な励起パルスによりレーザ媒体１２を励起するようにしているので、パルス幅が１マイクロ秒程度のパルスが数マイクロ秒間隔で並んだ一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームＬを発生させることができる。これにより、被加工物２０に対して効率良く高速に穴あけ加工や彫刻加工等を行うことが可能となり、加工効率及び加工速度を著しく高めることができる。特に、穴あけ加工においては、一群の緩和発振パルス列のみで数十マイクロメータ程度の微細穴あけ加工が可能となる。

また、本実施形態によれば、制御装置１９により、レーザ発振器１０のレーザダイオード１３により発生される励起パルスの立ち上がり時間、励起時間及び繰り返し周波数のうちの少なくとも一つを変化させるようレーザダイオード電源１４を制御するようにしているので、レーザビームＬのピーク強度とパルス幅とを任意に制御して、所望の加工効率及び加工速度で被加工物２０に対する穴あけ加工や彫刻加工等を精度良く行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図。図１に示すレーザ加工装置により発生されるレーザビームの波形の一例を示す図。図１に示すレーザ加工装置により発生されるレーザビームの波形の他の例を示す図。穴あけ加工の加工速度とレーザビームのレーザ強度（パルス幅）との関係を示す模式図。穴あけ加工時におけるレーザビーム中の１つのレーザパルスによる加工深さと当該レーザパルスのレーザ強度（パルス幅）との関係を示す模式図。

符号の説明

１レーザ加工装置
１０レーザ発振器
１１ａ，１１ｂ共振器ミラー
１２レーザ媒体
１３レーザダイオード
１４レーザダイオード電源
１４ａ電源ケーブル
１５加工ユニット
１６ミラー
１７加工レンズ
１８加工ステージ
１９制御装置
２０被加工物
３１，３３励起用電流波形
３２，３４レーザパルス波形
Ｌレーザビーム

Claims

レーザビームを被加工物に照射して当該被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、
レーザビームを発生させるレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により発生されたレーザビームを被加工物に照射して当該被加工物にレーザ加工を施す加工ユニットとを備え、
前記レーザ発振器は、一対の共振器ミラーと、これらの一対の共振器ミラーの間に配置されたレーザ媒体と、前記レーザ媒体を励起するレーザ励起源とを有し、前記レーザ励起源により発生された立ち上がりの急峻な励起パルスにより前記レーザ媒体を励起することにより、前記レーザ媒体から一群の緩和発振パルス列を含むレーザビームを発生させることを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ発振器の前記レーザ励起源により発生される前記励起パルスは、１マイクロ秒〜１００マイクロ秒程度の立ち上がり時間を持つことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振器の前記レーザ励起源により発生される前記励起パルスの立ち上がり時間、励起時間及び繰り返し周波数のうちの少なくとも一つを変化させるよう前記レーザ励起源を制御する制御装置をさらに備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振器の前記レーザ媒体は固体レーザ媒質からなり、前記レーザ励起源は前記固体レーザ媒質を励起する励起光を照射するレーザダイオードを有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。