JP2007307595A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工品質の良否判定の基準となる温度範囲を各加工対象物毎に算出可能な技術の提供。
【解決手段】加工対象物38の表面に、参照用レーザビームを照射する工程、表面で反射されたビームの強度を反射強度センサで検出する工程、その出力に基づいて加工対象物38の透過率または吸収率を算出する工程、この透過率等に基づいて加工の良否判定基準となる許容温度範囲を算出する工程、加工対象物の表面38に加工用レーザービームを照射する工程、加工対象物38から放射された所定波長の赤外線を第１の赤外線センサで検出する工程、加工対象物38から放射された上記と異なる波長の赤外線を第２の赤外線センサで検出する工程、両赤外線センサからの出力に基づいて加工対象物の温度を算出する工程、加工対象物38の温度が許容温度範囲を逸脱している場合に加工用レーザビームの出力を加減する工程を備えたレーザ加工方法。
【選択図】図１

Description

この発明はレーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特に、加工対象物の加工箇所における温度のみならず、加工対象物の透過率や吸収率に基づいて加工用レーザビームの出力を制御可能なレーザ加工技術に関する。

図４(a)に示すように、レーザ吸収性を備えた樹脂材50とレーザ透過性を備えた樹脂材52とを積層配置させた状態で、レーザ透過性樹脂材52の表面にレーザビームを照射すると、レーザビームはレーザ透過性樹脂材52を透過してレーザ吸収性樹脂材50に到達する。
この結果、まずレーザ吸収性樹脂材50の表面が発熱・溶融し、その伝導熱によってレーザ透過性樹脂材52の対向面が溶融することとなり、図４(b)に示すように、溶融部54を介して樹脂材50,52の対向面同士が融着する。

このレーザ樹脂溶着においては、加工対象物の初期温度の不均一性や、加工の進行に伴って生じる既加工領域からの熱伝導に起因し、加工品質が不安定化する可能性があるため、加工領域の温度管理が極めて重要であるとされている。
例えば、特許文献１においては、加工領域からの放射光を異なる波長に分解し、各波長間の強度比に基づいて加工物の表面温度を求め、これに基づいて表面温度を所定温度に制御する技術が開示されている。
また、特許文献２においては、レーザ加工に際してレーザ照射位置の後部に設定された温度計測領域の温度を計測し、所定の温度範囲から外れた時点で溶接不良と判定する技術が開示されている。
特開平５−２６１５７６ 特開２００５−７４１５

確かに、加工箇所周辺の温度を計測することにより、レーザ溶着の良否を判定すること自体は理にかなっている。
しかしながら、如何なる温度の場合に良好な接合状態となるかは、加工対象物の特性、特にレーザの吸収率（レーザ吸収性樹脂）や透過率（レーザ透過性樹脂）によって大きく異なるものであり、上記の各特許文献にはこの問題に関する解決手段が開示されていない。
このため、加工品質の良否判定の基準となる温度範囲は、結局のところ経験則に基づいて設定する他ないのが現状であった。

この発明は、従来のレーザ加工方法が抱えていた上記問題点を解決するために案出されたものであり、加工品質の良否判定の基準となる温度範囲を各加工対象物毎に算出可能な技術の提供を目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載したレーザ加工装置は、加工用レーザビームを出射する第１のレーザ発振器と、参照用レーザビームを出射する第２のレーザ発振器と、各レーザビームを加工対象物に導く光学系と、上記加工対象物の表面で反射された参照用レーザビームの強度を検出する反射強度センサと、上記加工対象物の加工箇所から放射された所定波長の赤外線を検出する第１の赤外線センサと、上記加工対象物の加工箇所から放射された上記と異なる波長の赤外線を検出する第２の赤外線センサと、制御装置とを備え、この制御装置が、上記反射強度センサからの出力に基づいて、加工対象物の透過率または吸収率を算出する手段と、上記第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサからの出力に基づいて加工対象物の温度を算出する手段と、上記加工対象物の透過率または吸収率と、加工対象物の温度に基づいて、上記加工用レーザビームの出力を加減する手段とを備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載したレーザ加工方法は、加工対象物の表面に、参照用レーザビームを照射する工程と、この加工対象物の表面で反射された参照用レーザビームの強度を、反射強度センサで検出する工程と、この反射強度センサからの出力に基づいて、加工対象物の透過率または吸収率を算出する工程と、この加工対象物の透過率または吸収率に基づいて、レーザ加工の良否判定の基準となる許容温度範囲を算出する工程と、上記加工対象物の表面に、加工用レーザービームを照射する工程と、上記加工対象物の加工箇所から放射された所定波長の赤外線を、第１の赤外線センサを介して検出する工程と、この加工対象物の加工箇所から放射された上記と異なる波長の赤外線を第２の赤外線センサを介して検出する工程と、上記第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサからの出力に基づいて加工対象物の温度を算出する工程と、この加工対象物の温度と上記許容温度範囲とを比較し、加工対象物の温度が許容温度範囲を逸脱している場合には加工用レーザビームの出力を加減する工程とからなることを特徴としている。

この発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法にあっては、加工対象物の表面で反射された参照用レーザビームの強度を検出し、この反射強度に基づいて加工対象物のレーザ透過率（レーザ透過性樹脂材の場合）または吸収率（レーザ吸収性樹脂材の場合）を算出すると共に、この透過率または吸収率に基づいて当該加工対象物のレーザ加工に最適な温度範囲を算出することができる。
そして、この温度範囲を基準に加工の良否を判定できることとなり、結果的にレーザ樹脂溶着の加工品質の均質化、安定化を実現できる。

図１は、この発明に係るレーザ加工装置10の基本構成を示す模式図であり、制御装置としてのパソコン12と、加工用のレーザビームを出射するファイバーレーザ発振器14と、参照用のレーザビームを出射する赤外線レーザ発振器16と、第１の赤外線受光センサ18と、第２の赤外線受光センサ20と、第３の赤外線受光センサ22と、第１の波長選択ミラー（ダイクロックミラー）24と、第２の波長選択ミラー（ダイクロックミラー）26と、第１の集光レンズ28と、第２の集光レンズ30と、第３の集光レンズ32と、第４の集光レンズ34とを備えている。

パソコン12には、インターフェイスボード（図示省略）を介してファイバーレーザ発振器14、赤外線レーザ発振器16、第１の赤外線受光センサ18、第２の赤外線受光センサ20、第３の赤外線受光センサ22が接続されている。
また、パソコン12にはOS及び専用のアプリケーションプログラムがセットアップされており、様々な制御が実行される（詳細は後述）。

第１の波長選択ミラー24は、予め設定された波長（例えば800〜1,200nm）の赤外線を透過し、それ以外の赤外線を反射する特性を備えている。
また、第２の波長選択ミラー26は、ファイバーレーザ発振器14から出射された1,070nm波長のレーザービームを反射し、それ以外の赤外線を透過する特性を備えている。

加工ステージ36上には、加工対象物38が載置されている。
この加工対象物38は、レーザ吸収性樹脂材42とレーザ透過性樹脂材40との積層体よりなる。

つぎに、図２のフローチャートに従い、このレーザ加工装置10の使用方法について説明する。
まずオペレータは、パソコン12を操作して赤外線レーザ発振器16から参照用のレーザビームＡを出射させる（Ｓ10）。
このレーザビームＡは、第１の波長選択ミラー24で反射され、第２の波長選択ミラー26を透過して第１の集光レンズ28に達し、加工対象物38の表面に結像される。

そして、加工対象物38の表面で正反射されたレーザビームは、第２の波長選択ミラー26を透過して第１の波長選択ミラー24に達し、そこで反射されたレーザビームは第４の集光レンズ34を経由して第３の赤外線受光センサ21に入射する。
また、加工対象物38の表面で拡散反射されたレーザビームは、第２の波長選択ミラー26を透過して第１の波長選択ミラー24に達し、そこで反射されたレーザビームは第３の集光レンズ32を経由して第２の赤外線受光センサ20に入射する。
この結果、第２の受光センサ20及び第３の受光センサ22から反射強度を示す信号が出力され、それぞれパソコン12に入力される。

これを受けたパソコン12のCPUは（Ｓ12）、参照用レーザビームの正反射強度及び拡散反射強度に基づいて、加工対象物38のレーザ吸収率を算出する（Ｓ14）。
例えば、赤外線レーザ発振器16からの出力強度を100％とした場合に、正反射強度及び拡散反射強度がそれぞれ30％であれば、レーザ吸収性樹脂材42の吸収率は70％ということになる。

つぎにパソコン12のCPUは、所定のアルゴリズムにこの吸収率を代入し、当該加工対象物38の加工に最適な温度範囲を算出する（Ｓ16）。この最適な温度範囲は、パソコン12のメモリ内に設定される。
つぎにオペレータが、パソコン12に対して加工処理の実行を指令すると、図３に示すように、ファイバーレーザ発振器14の出力部から加工用のレーザビームＢが出射される。
このレーザビームＢは、第２の波長選択ミラー26で反射されて第１の集光レンズ28に到達し、加工対象物38の表面に結像する。
この加工用のレーザビームＢは、レーザ透過性樹脂材40を透過してレーザ吸収性樹脂材42に到達し、その表面を加熱する。
そして、レーザ吸収性樹脂材42の加熱・溶融に伴う伝導熱によってレーザ透過性樹脂材40の対向面が溶融する結果、両樹脂材間が接合される。

このレーザ樹脂溶着に伴う発熱作用により、加工対象物38の表面からは赤外線が放射されることとなるが、この赤外線は第２の波長選択ミラー26を透過して第１の波長選択ミラー24に達する。
そして、特定波長の赤外線Ｃは第１の波長選択ミラー24を透過して第２の集光レンズ30に達し、第１の赤外線受光センサ18に入射する。
また、残りの赤外線Ｄは第１の波長選択ミラー24によって反射され、第３の集光レンズ32を経由して第２の赤外線受光センサ20に入射する。

第１の赤外線受光センサ18及び第２の赤外線受光センサ20からのデータを受けたパソコン12のCPUは、各波長の強度に基づいて加工対象物38の表面における温度を算出する（Ｓ20）。
つぎにパソコン12のCPUは、算出した温度がメモリ上に設定された最適温度範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ22）。

ここで、算出した加工対象物38の表面温度が最適温度範囲内にある場合にはそのまま加工が継続される。
これに対し、加工対象物38の表面温度が最適温度範囲外にある場合、パソコンのCPUはその逸脱の度合に応じてファイバーレーザ発振器14の出力を加減し（Ｓ24）、表面温度が最適温度範囲内に収まるように制御する。
この加工対象物38の表面温度のモニタリング及びファイバーレーザ発振器14の出力制御は、加工が終了するまでリアルタイムで継続されるため（Ｓ26）、加工対象物38の表面温度を常に最適温度範囲内に維持することが可能となる。

上記においては、この発明をレーザ樹脂溶着に適用した例を説明したが、この発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、他のレーザ加工（例えば半田付け）にも適用可能である。

この発明に係るレーザ加工装置の基本構成を示す模式図である。 このレーザ加工装置の制御手順を示すフローチャートである。 この発明に係るレーザ加工装置の基本構成を示す模式図である。 レーザビームを用いてレーザ吸収性樹脂材及びレーザ透過性樹脂材間を接合する様子を示す断面図である。

符号の説明

10 レーザ加工装置
12 パソコン
14 ファイバーレーザ発振器
16 赤外線レーザ発振器
18 第１の赤外線受光センサ
20 第２の赤外線受光センサ
22 第３の赤外線受光センサ
24 第１の波長選択ミラー
26 第２の波長選択ミラー
28 第１の集光レンズ
30 第２の集光レンズ
32 第３の集光レンズ
34 第４の集光レンズ
36 加工ステージ
38 加工対象物
40 レーザ透過性樹脂材
42 レーザ吸収性樹脂材

Claims (2)

1. 加工用レーザビームを出射する第１のレーザ発振器と、
   参照用レーザビームを出射する第２のレーザ発振器と、
   各レーザビームを加工対象物に導く光学系と、
   上記加工対象物の表面で反射された参照用レーザビームの強度を検出する反射強度センサと、
   上記加工対象物の加工箇所から放射された所定波長の赤外線を検出する第１の赤外線センサと、
   上記加工対象物の加工箇所から放射された上記と異なる波長の赤外線を検出する第２の赤外線センサと、
   制御装置とを備え、
   この制御装置が、上記反射強度センサからの出力に基づいて、加工対象物の透過率または吸収率を算出する手段と、
   上記第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサからの出力に基づいて加工対象物の温度を算出する手段と、
   上記加工対象物の透過率または吸収率と、加工対象物の温度に基づいて、上記加工用レーザビームの出力を加減する手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 加工対象物の表面に、参照用レーザビームを照射する工程と、
   この加工対象物の表面で反射された参照用レーザビームの強度を、反射強度センサで検出する工程と、
   この反射強度センサからの出力に基づいて、加工対象物の透過率または吸収率を算出する工程と、
   この加工対象物の透過率または吸収率に基づいて、レーザ加工の良否判定の基準となる許容温度範囲を算出する工程と、
   上記加工対象物の表面に、加工用レーザービームを照射する工程と、
   上記加工対象物の加工箇所から放射された所定波長の赤外線を、第１の赤外線センサを介して検出する工程と、
   この加工対象物の加工箇所から放射された上記と異なる波長の赤外線を第２の赤外線センサを介して検出する工程と、
   上記第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサからの出力に基づいて加工対象物の温度を算出する工程と、
   この加工対象物の温度と上記許容温度範囲とを比較し、加工対象物の温度が許容温度範囲を逸脱している場合には加工用レーザビームの出力を加減する工程とからなることを特徴とするレーザ加工方法。
   

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