JP2007175721A - レーザ穴あけ加工方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすること。
【解決手段】出射ユニット32と加工ステージ36上の被加工材36との間にバキューム筒体40が配置された状態で、より詳細にはバキューム筒体40が被加工材38の上面(レーザ照射面)に穴加工点Wを筒の内側に入れて被せられた状態で、さらにはバキューム筒体40内に真空源46からの負圧(バキューム)が供給される条件の下で、レーザ出射ユニット32からのYAGレーザ光LBが被加工材36の穴加工点Wに集光照射される。
【選択図】図2
【解決手段】出射ユニット32と加工ステージ36上の被加工材36との間にバキューム筒体40が配置された状態で、より詳細にはバキューム筒体40が被加工材38の上面(レーザ照射面)に穴加工点Wを筒の内側に入れて被せられた状態で、さらにはバキューム筒体40内に真空源46からの負圧(バキューム)が供給される条件の下で、レーザ出射ユニット32からのYAGレーザ光LBが被加工材36の穴加工点Wに集光照射される。
【選択図】図2
Description
本発明は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法および装置に関する。
レーザ穴あけ加工は、被加工材の表面にレーザ光(レーザビーム)を照射し、その照射した部分をレーザエネルギーで溶融ないし蒸発させて除去し、照射跡に穴を形成する加工法である。被加工材の材質等に応じて、YAGレーザ、CO2レーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザなど様々なレーザが用いられており、またロングパルス(またはノーマルパルス)レーザ、CW(連続発振)変調レーザ、Qスイッチパルスレーザ等も使い分けられている。
いずれのレーザを使用するにしても、従来のレーザ穴あけ加工法は、図10に示すように、被加工材100に対してレーザ出射部102よりレーザ光LAを照射するのと同時にアシストガスGを吹き付け、レーザ光LAのエネルギーにより穴加工点wで生じた溶融物や蒸発物をアシストガスの風力を利用して吹き飛ばし、さらにはアシストガスGに酸素ガス等を使用する場合はアシストガスGによる化学反応熱(酸化熱)で溶融・蒸発を促進するようにしている。
しかしながら、従来のレーザ穴あけ加工法においては、図11に示すように、照射跡に形成される加工穴104の周囲にドロス(溶融付着物)106が残ることと、レーザ照射面側で穴径が大きく広がって穴形状のプロファイルが良くない(アスペクト比が低い)ことが問題になっている。
穴加工点wで生じた溶融物や蒸発物に対してアシストガスGの風力は上から押さえつける方向に働くため、ドロスを吹き飛ばす作用が不十分であり、穴加工の進捗に伴ってレーザ照射面側にドロス106が溜まる。そして、加工穴104が裏側に抜けると(貫通すると)、その瞬間にアシストガスGの圧力によってドロス106の一部または大部分がレーザ照射面側から加工穴104の中を通って裏面側で加工穴104の周囲に付着する。また、加工穴104が大きな広がり角で逆テーパ状になるのは、被加工材100自体の熱影響に加えて、アシストガスによる材料除去促進効果によりレーザ照射面側で穴加工点wの周囲が広範囲に除去されるためである。
一般に、ロングパルスレーザやCW変調レーザを用いる場合は、不活性ガス(たとえば窒素ガス)のアシストガスを併用することから、被加工材100の裏面側で加工穴104の周囲に多量のドロス106が付着する度合いが大きい。また、Qスイッチパルスレーザは、平均パワーが小さく長時間の定点照射による掘り込み工法であるため、酸素ガスやエア等のアシストガスを併用することが多く、この場合は加工穴104の逆テーパ形状の度合いが大きくなる。
いずれにしても、上記のようなドロス106の残留または付着や逆テーパの大きな穴形状プロファイルは、図11および図12に示すように、レーザ穴加工の品質(外観形状)を損なうだけでなく、相隣接する穴加工点w,w間のピッチLを狭めるのが難しく、微細径穴の高密度化を図るうえで大きなネックとなっている。なお、加工穴104の周囲に付着したドロス106を除去するには、穴加工終了後に被加工材100にブラッシングやエアブローを施す工程が必要である。
本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすることができるレーザ穴あけ加工方法及び装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、Qスイッチパルスのレーザ光を用いる穴あけ加工において穴あけ加工能力の大幅な向上を実現するレーザ穴あけ加工方法及び装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ穴あけ加工方法は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法であって、下面が開口し上面に前記レーザ光を透過させるレーザ透過部材を設けた筒状体を、前記被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように被せ、前記筒状体の内側の空間を真空源に接続し、前記レーザ光を前記筒状体のレーザ透過部材を通して前記被加工材の前記穴加工点に照射し、前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去する。
また、本発明のレーザ穴あけ加工装置は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるためのレーザ穴あけ加工装置であって、前記レーザ光を生成するためのレーザ発振部と、前記レーザ発振部より前記レーザ光を受け取って、前記被加工材の所望の穴加工点に前記レーザ光を集光して照射するためのレーザ出射部と、下面が開口し、上面に前記レーザ出射部からのレーザ光を通すレーザ透過部材を設け、前記被加工材のレーザ照射側の面に所望の穴加工点を筒の内側に入れて被さるように前記レーザ出射部と前記被加工材との間に配置される筒状体と、前記筒状体の内側の空間に接続される真空源とを有し、前記レーザ出射部より集光照射される前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去する。
本発明においては、被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように筒状体を被せ、筒状体の内側の空間を真空源に接続した状態の下で、レーザ光が筒状体のレーザ透過部材を通って被加工材の穴加工点に集光照射される。そうすると、被加工材の穴加工点付近の部分がレーザ光のエネルギーを吸収して溶融し、通常はその一部が蒸発する。こうしてレーザ光のエネルギーにより穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物は、真空源からのバキューム力または吸引力によって加工点付近から分離または脱離して上方空間へ巻き上げられて凝固し、固体屑の状態で真空源側へ送られる。このように、筒状体の内側で、穴加工点に対するレーザ光の照射と、それによって生じた溶融物ないし蒸発物のバキューム吸引による除去が同時に行われる。このことにより、レーザ照射中に穴加工点の周囲にドロスが溜まるようなことはなく、加工穴が抜けた(貫通した)直後にドロスが裏面側に回って穴の周囲に付着するようなこともない。また、アシストガスは不要であり、アシストガスを使わないことによって被加工材のレーザ照射面側で穴加工点付近およびその周囲に余分な熱(酸化熱等)を与えなくて済むので、加工穴径の逆テーパ形状の度合いを低減できる。したがって、穴加工ピッチを小さくすることもできる。
本発明のレーザ穴あけ加工装置においては、好適な一態様として、レーザ出射部が、筒状の出射ユニットと、レーザ光を集光させるために出射ユニットの中に配置された光学レンズと、この光学レンズを保護するために出射ユニットの先端部に取り付けられる保護ガラスとを有する。この場合、筒状体を出射ユニットに一体的に設け、出射ユニットの保護ガラスに筒状体のレーザ透過部材を兼用させる構成とすることができる。あるいは、筒状体をレーザ出射部から分離した独立の冶具に構成することも可能である。
本発明の好適な一態様においては、筒状体の下端部に、外の空気を内部に取り込むための通気孔または通気溝が設けられる。また、筒状体の側面に1つまたは複数の排気口が設けられ、真空源に通じるバキューム管が該排気口に接続される。
本発明においては、Qスイッチパルスのレーザ光、ロングパルスのレーザ光または連続発振のレーザ光のいずれも使用可能である。
Qスイッチパルスのレーザ光を用いる場合、本発明の好適な一態様によれば、Qスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、各組のパルス列における周期が、Qスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、相前後するパルス列の間に挿入される休止時間が、パルス列内の周期よりも長く、かつ基準時間の5倍値よりも短い値(最も好ましくは基準時間に略等しい値)に設定される。好適には、各々のパルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも1つが独立(個別)に設定される。このようなQスイッチング制御方式においては、1回の穴あけ加工時間内に最大ピークパワーを有するファーストパルスの出現回数または頻度を適宜選定することで穴あけ加工速度を任意に調整できるとともに、穴あけ加工の各フェーズに応じて最適なレーザ穴加工特性(単位時間当たりのビーム照射回数、パワー密度等)を選定することが可能であり、穴あけ加工能力(加工速度、精細性、多様性)を大幅に向上させることができる。
本発明のレーザ穴あけ加工方法及び装置によれば、上記のような構成および作用により、加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすることができる。さらには、Qスイッチパルスのレーザ光を用いる穴あけ加工において穴あけ加工能力を大幅に改善することができる。
以下、図1〜図9を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図1および図2に、本発明の一実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置の全体の構成および要部の構成をそれぞれ示す。このレーザ穴あけ加工装置はQスイッチパルスのYAGレーザを用いる。
図1において、レーザ発振器10は、平行に対向する一対の光共振器ミラー12,14の間に直線配列型で活性媒質(Nd:YAGロッド)16とQスイッチ18とを配置し、活性媒質16の傍に電気光学励起部20を配置している。電気光学励起部20は、活性媒質16に向けて励起光を発生するための励起光源(たとえばレーザダイオードあるいは励起ランプ)を有し、この励起光源をレーザ電源部22からの励起電流で発光駆動することにより、活性媒質16を持続的にポンピングする。こうして活性媒質16で生成される所定波長(1064nm)の光ビームが光共振器ミラー12,14の間に閉じ込められて増幅される。なお、レーザ電源部22は制御部24の制御の下で電気光学励起部20を発光駆動する。
Qスイッチ18はたとえば音響光学Qスイッチからなる。制御部24がQスイッチドライバ26を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりQスイッチ18を駆動する。高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いQスイッチパルスのYAGレーザ光LBが光共振器ミラー12,14より出力される。
レーザ発振器10で生成されたQスイッチパルスのYAGレーザ光LBは、たとえば折り返しミラー28を有するレーザ伝送系30を通って出射ユニット32へ送られる。出射ユニット32は、集光レンズ34等の光学部品を内蔵しており、レーザ発振器10からのYAGレーザ光LBを加工ステージ36上に位置決めされている被加工材38の穴加工点Wに向けて集光照射する。被加工材38はたとえば金属板である。出射ユニット32の出射口には、集光レンズ34を大気中の塵埃や汚染等から保護するための保護ガラス35が着脱可能に取り付けられる。
この実施形態では、出射ユニット32のレーザ出射口と加工ステージ36上の被加工材38との間に穴加工用の冶具としてバキューム筒体40が配置される。
図2に示すように、このバキューム筒体40は、下面が開口し、上面がガラス板(レーザ透過部材)42で閉塞されており、被加工材38の上面(レーザ照射面)に穴加工点Wが筒の内側に入るように被せられる。バキューム筒体40の側面には排気口44が設けられ、真空源46に通じるバキューム管48が排気口44に接続されている。真空源46は、たとえば真空ポンプ、エジェクタ装置あるいは吸気ファンを用いる。バキューム管48の途中には開閉弁50およびフィルタ52が設けられる。
図2に示すように、このバキューム筒体40は、下面が開口し、上面がガラス板(レーザ透過部材)42で閉塞されており、被加工材38の上面(レーザ照射面)に穴加工点Wが筒の内側に入るように被せられる。バキューム筒体40の側面には排気口44が設けられ、真空源46に通じるバキューム管48が排気口44に接続されている。真空源46は、たとえば真空ポンプ、エジェクタ装置あるいは吸気ファンを用いる。バキューム管48の途中には開閉弁50およびフィルタ52が設けられる。
開閉弁50は、制御部24の切換制御により加工時間の時だけ開(オン)状態になる。開閉弁50が開いていると、真空源46からの負圧(バキューム)がバキューム管48を介してバキューム筒体40内に送られる。バキューム筒体40の側面たとえば側面下端部には、周回方向に適当な間隔を置いて1つまたは複数の通気孔または通気溝54が形成されている。外の空気が各通気孔または通気溝54を通ってバキューム筒体40内に取り込まれ、排気口44からバキューム管48へ吸い込まれるようになっている。
加工ステージ36は、制御部24の制御の下で、ステージ上の被加工材38を出射ユニット32に対してたとえばX、Y、Z、θの4軸で位置決めできるように構成されている。また、図2に示すように、加工ステージ36において出射ユニット32の真下つまり穴加工点Wの裏側に相当する位置には、レーザ通り抜け用の穴56が形成されている。レーザ穴加工において加工穴が貫通した際にレーザ光LBがこのステージ36の穴56を下に通り抜けるようになっている。なお、穴56の底にレーザ吸収体(図示せず)を配置してもよい。
次に、図2〜図5につきこの実施形態におけるレーザ穴あけ加工法の作用を説明する。
上記のように、出射ユニット32と加工ステージ36上の被加工材36との間にバキューム筒体40が配置された状態で、より詳細にはバキューム筒体40が被加工材36の上面(レーザ照射面)に穴加工点Wを筒の内側に入れて被せられた状態で、さらにはバキューム筒体40内に真空源46からの負圧(バキューム)が供給される条件の下で、レーザ出射ユニット32からのYAGレーザ光LBが被加工材36の穴加工点Wに集光照射される。
そうすると、図3に示すように、被加工材36の穴加工点W付近の部分がYAGレーザ光LBのエネルギーを吸収して溶融し、その一部は蒸発する。こうしてYAGレーザ光LBのエネルギーにより穴加工点W付近で生じた溶融物ないし蒸発物Sは、真空源46からのバキューム力または吸引力によって加工点W付近から分離または脱離して上方空間へ巻き上げられ、バキューム筒体40の排気口44よりバキューム管48の中へ吸い込まれる。その際、溶融物ないし蒸発物Sは巻き上げられながら凝固し、固体屑の状態でバキューム管48の中を流れ、途中でフィルタ52(図1)に捕集される。
上記のようにして、バキューム筒体40の内側で、穴加工点Wに対するYAGレーザ光LBの照射と、それによって生じた溶融物ないし蒸発物Sのバキューム吸引による除去が同時に行われる。このことにより、図4に示すように、レーザ照射中に穴加工点Wの周囲にドロスが溜まるようなことはなく、加工穴60が抜けた(貫通した)直後にドロスが裏面側に回って穴60の周囲に付着するようなこともない。したがって、加工穴60を形成した後に被加工材38にブラッシングやエアブローを施す工程は不要である。
なお、穴あけ加工時に溶融物ないし蒸発物Sが凝固して出来る固体の屑の一部がバキューム管48の中へ吸い込まれずにバキューム筒体40の内壁や被加工材36の表面に付いたりすることもある。しかし、これらの固体屑は布などで容易に拭き取ることができる。
また、アシストガスを使用せず、被加工材38のレーザ照射面側で穴加工点W付近およびその周囲に余分な熱(酸化熱等)を与えなくて済むので、加工穴径の逆テーパ形状の度合いを小さくすることができる。すなわち、レーザ照射面側の穴径Dと裏面側の穴径dとの比(D:d)を小さくすることができる。このことによって、穴形状のプロファイルまたはアスペクト比(穴径に対する穴深さの比)を大きく向上させることができる。そして、図5に示すように、相隣接する穴加工点W,W間のピッチLを可及的に狭めることが可能となる。
この実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置は、上記のようにQスイッチパルスのYAGレーザ光LBを用いる。一般に、QスイッチパルスのYAGレーザは金属材料の穴あけに多用されている。ロングパルスのYAGレーザやCW変調YAGレーザに比して熱影響が少ないため微細径の穴加工に有利とされている。しかしながら、平均パワーが小さいため、穴あけ速度が遅いという一面があり、従来は酸素系のアシストガスを使用してその弱点を補っていた。この実施形態では、アシストガスを使用することなく、以下に説明する手法によりQスイッチパルスレーザを用いる穴あけ加工の加工速度を大幅に向上させている。
制御部24は、CPU(中央演算処理装置)、メモリ、入出力装置等を有しており、メモリに格納された所定のプログラムにしたがって装置各部の動作および装置全体のシーケンスを制御する。上記のように、レーザ発振器10内のQスイッチ18に対するQスイッチング制御も制御部24によって行われる。
図6に、この実施形態において1回の穴あけ加工のためのQスイッチング制御によって得られるスイッチパルスYAGレーザ光LBのレーザ出力波形を示す。このQスイッチング制御においては、1回の穴加工時間TS内に生成されるQスイッチパルスが複数組たとえば3組のパルス列A,B,Cで構成され、第1パルス列Aと第2パルス列Bとの間および第2パルス列Bと第3パルス列Cとの間に休止時間Tα,Tβがそれぞれ挿入される。各パルス列A,B,Cの持続時間をそれぞれTA,TB,TCとすると、1回の穴あけ加工時間TSはTS=TA+Tα+TB+Tβ+TCで与えられる。
各パルス列A,B,C内の周期τA、τB,τCは、レーザ発振器10内の反転分布が最小値から最大値または飽和値に到達するのに要する基準時間TRよりも短い値に設定される。一方、休止時間Tα,Tβは各パルス列A,B,C内の周期τA、τB,τCよりも大きく、かつ好ましくは基準時間TRの5倍値よりも小さい値に設定され、最も好ましくは基準時間TRに等しい値に設定される。
一例として、基準時間TRが1ミリ秒の場合において、各パルス列A,B,C内の繰り返し周波数fA、fB,fCはfA=3kHz(τA=0.333ミリ秒)、fB=8kHz(τA=0.125ミリ秒)、fC=3kHz(τA=0.333ミリ秒)にそれぞれ設定され、休止時間Tα,TβはTα=1ミリ秒、Tβ=1ミリ秒にそれぞれ設定される。このように、休止時間Tα,Tβは各パルス列A,B,C内の周期τA、τB,τCよりも格段(好ましくは2倍以上)に大きな値に設定されるのが好ましい。
図7に、Qスイッチ方式によるレーザ発振器10内の反転分布の時間特性を模式的に示す。時刻零(0)でQスイッチングすると、光共振器のQ値が最大になり、反転分布が最小になる。その後、時間の経過とともにQ値が下がり反転分布が増大し、一定時間つまり基準時間TRで反転分布が最大値または飽和値に到達し、そこから先は増加しなくなる。したがって、Qスイッチングの時間間隔が基準時間TR以上であるときは一律に最大のピークパワーPMを有するQスイッチパルスのレーザ光が発振出力され、Qスイッチングの時間間隔が基準時間TRよりも小さいときはその時間間隔の基準時間TRに対する比率を最大ピークパワーPMに乗じた値に略等しい中間ピークパワーを有するQスイッチパルスのレーザ光が発振出力されることになる。
この実施形態では、上記のように休止時間Tα,Tβが好ましくは基準時間TRに等しい値に設定されることで、第1パルス列Aのファーストパルスだけでなく、第2パルス列Bおよび列Bのファーストパルスも最大ピークパワーPMで出力される。そして、各パルス列A,B,C内でファーストパルスの後に続くパルスは、基準時間TRよりも格段に小さい周期でQスイッチングが繰り返されることにより、最大ピークパワーPMよりも相当低いピークパワーPA,PB,PCで出力される。
このようなQスイッチング制御方式においては、1回の穴あけ加工時間(TS)内に最大ピークパワーPMを有するファーストパルスを任意の回数多用できるとともに、穴あけ加工の各フェーズに応じて加工特性(単位時間当たりのビーム照射回数、パワー密度等)を段階的に可変制御することができる。すなわち、ファーストパルスの出現回数または頻度を適宜選定することにより、穴あけ加工速度を任意に調整することができる。また、各パルス列の持続時間および繰り返し周波数を独立に設定し、複数のパルス列の間でそれらのパラメータを適宜組み合わせることにより、穴あけ加工の精細性や多様性に自由度をもたせることができる。このことにより、穴あけ加工能力(加工速度、精細性、多様性)を大幅に向上させることができる。
なお、本発明において休止時間を基準時間TRの5倍値以下とするのは、これを超えると加工時間の短縮化が十分に図れなくなることと、熱引きによってレーザ加工の連続性ないし効率性が失われるためである。
図8に、比較例として、1回の穴あけ加工のための従来方式のQスイッチング制御によって得られるスイッチパルスYAGレーザ光のレーザ出力波形を示す。図示のように、従来は、1回の穴あけ加工時間TS内に生成されるQスイッチパルスが1組のパルス列Dで構成され、本発明の休止時間(Tα,Tβ)に相当するようなものはない。このため、パルス列Dの持続時間をTDとすると、1回の穴あけ加工時間TSはTS=TDで与えられる。したがって、最大ピークパワーPMを有するファーストパルスは1回出るだけであり、その後は加工終了(te)まで最大ピークパワーPMよりも相当低いピークパワーPDでQスイッチパルスが繰り返される。このような従来方式は、レーザ照射の加工条件が一定のパターンに固定されるため、穴あけ加工能力(精細性および多様性)が乏しいうえ、穴加工点Wでレーザ光が散乱されやすくなり、材料除去のレートつまり加工速度が遅い。結果として、穴あけ加工時間TSが長くなる。
一例として、板厚0.8mmのアルミニウム板に対するレーザ穴あけ加工における穴あけ加工時間を実施例(図6)と比較例(図7)とで比較した。
比較例(図8)においては、下記の条件の下で、1穴あたりの穴あけ加工時間TS(TD)は500ミリ秒であった。
繰り返し周波数 fD=3kHz
ファーストパルスのピークパワー PM=50kW
後続パルスのピークパワー PD=4kW
繰り返し周波数 fD=3kHz
ファーストパルスのピークパワー PM=50kW
後続パルスのピークパワー PD=4kW
本実施例(図6)においては、下記の条件により穴あけ加工時間TSを112ミリ秒に短縮できた。
繰り返し周波数 fA=3kHz、fB=8kHz、fC=3kHz
パルス時続時間 TA=50ミリ秒、TB=50ミリ秒、TC=10ミリ秒
休止時間 Tα=1ミリ秒、Tβ=1ミリ秒(但し、TR=1ミリ秒)
ファーストパルスのピークパワー PM=50kW
後続パルスのピークパワー PA=24kW、PB=6kW、PC=24kW
繰り返し周波数 fA=3kHz、fB=8kHz、fC=3kHz
パルス時続時間 TA=50ミリ秒、TB=50ミリ秒、TC=10ミリ秒
休止時間 Tα=1ミリ秒、Tβ=1ミリ秒(但し、TR=1ミリ秒)
ファーストパルスのピークパワー PM=50kW
後続パルスのピークパワー PA=24kW、PB=6kW、PC=24kW
このように、本発明によれば、穴あけ加工時間を従来方式に比して約1/4まで短縮することが可能であり、加工時間の大幅な向上を実現することができる。なお、図6に示すQスイッチパルスレーザの波形パターンおよび上記実施例の数値条件は一例である。パルス列の個数や各パルス列内の持続時間および繰り返し周波数は任意に設定できる。
次に、図9につき、上記実施形態におけるバキューム筒体40回りの変形例を説明する。図示の構成には複数の変形例が含まれている。第1の変形例は、レーザ発振器10(図1)で生成したレーザ光LBを出射ユニット32まで伝送するレーザ伝送系30に光ファイバ62を用いている点である。このように光ファイバ62でレーザ発振器10と出射ユニット32とを光学的に接続する場合は、光ファイバ62の終端面より放射状に出射されるレーザ光LBを平行光にするコリメートレンズ64が出射ユニット32内に設けられる。なお、図示省略するが、出射ユニット32をレーザ発振器10と直結または一体化する構成も可能である。
第2の変形例は、バキューム筒体40を出射ユニット32に一体的に設けている点である。たとえば、図示のように、出射ユニット32の先端筒部を延長してその延長部分をバキューム筒体40の本体とすることができる。このように一体型または組込み型の場合は、出射ユニット32の保護レンズ35にバキューム筒体40のレーザ透過部材42の機能(レーザ光の透過と密閉構造)を兼用させることができる。
第3の変形例は、バキューム筒体40において排気口44を円周方向に一定間隔を置いて複数個(たとえば8個)設ける構成とし、穴加工点Wより巻き上げられた溶融物ないし蒸発物を四方ないし八方で吸引回収するようにしている。この場合、穴加工点Wに対するバキューム力を円周方向で均一化させるために、各排気口44と連通する環状のバッファ室66をバキューム筒体40の外側面に設けるのが好ましい。
第4の変形例は、加工ステージ36において、出射ユニット32の真下、つまり被加工材38の穴加工点Wの裏面の位置にもバキューム空間68を設けている点である。図示の例では、加工ステージ36の上面にバキューム空間68と外気とを結ぶ空気取入れ用の溝70を設けるとともに、加工ステージ36の側面にバキューム空間68とバキューム管72とを結ぶバキューム通路72を設けている。バキューム管72は真空源(図示せず)に通じている。このバキューム管72にも開閉弁74およびフィルタ(図示せず)が設けられる。また、バキューム空間68を形成する密閉板76をガラス板で構成し、穴加工点Wで加工穴60(図4)が貫通した直後にレーザ光LBを下に透過させるようにしている。この密閉板76をレーザ吸収体で構成することも可能である。
このように、被加工材38の穴加工点Wの裏面にバキューム空間68を設けることで、被加工材38からスパッタが飛んでもこれを吸引除去して被加工材38の裏面焼けを防止することができる。もっとも、穴加工点Wで加工穴60(図4)が貫通すると、被加工材38のおもて側と裏側とに上下のバキューム力が同時に加わるので、上下バキューム間のバランスをとる必要がある。上記のように裏面焼けを防止するうえでは、バキューム筒体40側の上部バキュームの吸引力よりも裏側バキューム空間68側の下部バキュームの吸引力を一段大きくするのが好ましい。
他にも、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態はQスイッチパルスのYAGレーザを用いたが、ロングパルスまたはCW変調のYAGレーザも使用可能であり、さらにはCO2レーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザなども使用可能である。本発明の適用可能な被加工材38の材質は金属に限るものではなく、樹脂、セラミックス、ガラスなど任意の材料が可能である。本発明における穴あけ加工は、貫通穴の穴あけに限るものではなく未貫通穴の穴あけにも適用可能である。また、定点(一箇所)レーザ照射による丸穴加工に限らず、多点(多数箇所)レーザ照射による長穴加工または溝加工などにも適用可能である。装置各部の構成も種々の変形が可能であり、たとえばバキューム筒体の形状は上記実施形態におけるような円筒形に限るものではなく、たとえば逆テーパ形状(先細り型)のものも可能である。
10 レーザ発振器
18 Qスイッチ
24 制御部
32 出射ユニット
34 集光レンズ
35 保護ガラス
40 バキューム筒体
42 ガラス板(レーザ透過部材)
44 排気口
46 真空源
48 バキューム管
50 開閉弁
54 通気孔または通気溝
60 加工穴
W 穴加工点
18 Qスイッチ
24 制御部
32 出射ユニット
34 集光レンズ
35 保護ガラス
40 バキューム筒体
42 ガラス板(レーザ透過部材)
44 排気口
46 真空源
48 バキューム管
50 開閉弁
54 通気孔または通気溝
60 加工穴
W 穴加工点
Claims (18)
- 被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法であって、
下面が開口し上面に前記レーザ光を透過させるレーザ透過部材を設けた筒状体を、前記被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように被せ、
前記筒状体の内側の空間を真空源に接続し、
前記レーザ光を前記筒状体のレーザ透過部材を通して前記被加工材の前記穴加工点に照射し、
前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去するレーザ穴あけ加工方法。 - 前記レーザ光がQスイッチパルスのレーザ光である請求項1に記載のレーザ穴あけ加工方法。
- 前記Qスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、
各組のパルス列における周期が、前記Qスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、
相前後する前記パルス列の間に挿入される休止時間が、前記パルス列内の周期よりも長く、かつ前記基準時間の5倍値よりも短い値に設定される請求項2に記載のレーザ穴あけ加工方法。 - 前記休止時間が前記基準時間に略等しい値に設定される請求項3に記載のレーザ穴あけ加工方法。
- 各々の前記パルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも1つが独立した値に設定される請求項3または請求項4に記載のレーザ穴あけ加工方法。
- 前記レーザ光がロングパルスのレーザ光である請求項1記載のレーザ穴あけ加工方法。
- 前記レーザ光が連続発振のレーザ光である請求項1に記載のレーザ穴あけ加工方法。
- 被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるためのレーザ穴あけ加工装置であって、
前記レーザ光を生成するためのレーザ発振部と、
前記レーザ発振部より前記レーザ光を受け取って、前記被加工材の所望の穴加工点に前記レーザ光を集光して照射するためのレーザ出射部と、
下面が開口し、上面に前記レーザ出射部からのレーザ光を通すレーザ透過部材を設け、前記被加工材のレーザ照射側の面に所望の穴加工点を筒の内側に入れて被さるように前記レーザ出射部と前記被加工材との間に配置される筒状体と、
前記筒状体の内側の空間に接続される真空源と
を有し、前記レーザ出射部より集光照射される前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去するレーザ穴あけ加工装置。 - 前記レーザ出射部が、
筒状の出射ユニットと、
前記レーザ光を集光させるために前記出射ユニットの中に配置された光学レンズと、
前記光学レンズを保護するために前記出射ユニットの先端部に取り付けられる保護ガラスと
を有する請求項8に記載のレーザ穴あけ加工装置。 - 前記筒状体が、前記出射ユニットに一体的に設けられている請求項9に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記出射ユニットの保護ガラスが前記筒状体のレーザ透過部材を兼ねる請求項10に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記筒状体が、前記レーザ出射部から分離している請求項8または請求項9に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記筒状体の下端部に、外の空気を内部に取り込むための通気孔を設ける請求項8〜12のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記筒状体の側面に1つまたは複数の排気口を設け、前記真空源に通じるバキューム管を前記排気口に接続してなる請求項8〜13のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記レーザ発振部が、Qスイッチパルスのレーザ光を発振出力する請求項8〜14のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 前記Qスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、
各組のパルス列における周期が、前記Qスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、
相前後する前記パルス列の間に挿入される休止時間が、前記パルス列内の周期よりも長く、かつ前記基準時間の5倍値よりも短い値に設定される請求項15に記載のレーザ穴あけ加工装置。 - 前記休止時間が前記基準時間に略等しい値に設定される請求項16に記載のレーザ穴あけ加工装置。
- 各々の前記パルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも1つが独立した値に設定される請求項16または請求項17に記載のレーザ穴あけ加工装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005374388A JP2007175721A (ja) | 2005-12-27 | 2005-12-27 | レーザ穴あけ加工方法及び装置 |
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- 2005-12-27 JP JP2005374388A patent/JP2007175721A/ja active Pending
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