JP2008073733A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小出力付近での安定したレーザ出力を行うことが可能なレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】レーザ発振器１１から出射されたレーザビームＬ１をビームエクスパンダ１３．１４や集光レンズ１６を配した光路を通してワークＷに照射して加工するものであって、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌ１を、透過率を調整してワーク側へ出射するレーザ光Ｌ２と反射により光路から外して出射するレーザ光Ｌ３とに分割可能な光変調器１２と、その光変調器１２によって反射されたレーザ光Ｌ３を吸収するダンパ１７と、非加工時にレーザ発振器１１から一定の微小出力でレーザ光Ｌ１を出射させておき、その微小出力より小さい出力でワークにレーザ光Ｌ２を照射する場合には光変調器１２の透過率を制御し、その微小出力以上の出力でワークにレーザ光Ｌ２を照射する場合にはレーザ発振器１１を制御するようにしたコントローラ２０とを有するレーザ加工装置１。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ光を用いてワークの表面に凹凸を加工するレーザ加工装置に関し、特に微小出力付近での安定したレーザ出力を行うことが可能なレーザ加工装置に関する。

従来のレーザ加工装置は、例えば図８に示すように構成されている。レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ11を被加工物Ｗに導く光学系が構成されており、レーザ光Ｌ11の光路上に音響光学変換素子１０２が配置され、その音響光学変換素子１０２を透過したレーザ光Ｌ12を被加工物（ワーク）Ｗへ向けて反射させる反射ミラー１０６と、ワークＷの所定位置に集光して照射する集光レンズ１０７が配置されている。音響光学変換素子１０２には高周波電源（以下、ＲＦ電源という）１０３が接続され、高周波出力（以下、ＲＦ信号という）Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦによってレーザ光Ｌ11の回折と透過とを制御するようになっている。そして、レーザ発振器１０１とＲＦ電源１０３には、ＯＮ／ＯＦＦ駆動する駆動タイミング信号（駆動パルス）Ｓ11，Ｓ12を出力するレーザ制御回路１０５が接続されている。

レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光Ｌ11は音響光学変換素子１０２に入力され、ＲＦ電源１０３がＯＦＦの時はそのまま透過し（レーザ光Ｌ12）、ＲＦ電源１０３がＯＮの時は回折することになる（レーザ光Ｌ13）。回折レーザ光Ｌ12は、反射ミラー１０６で反射され集光レンズ１０７で補正され、ワークＷの所定位置に照射されて加工を行う。こうしたレーザ加工装置は、例えば１μｓｅｃ程度の立上がりや立下りの時間で得られ、音響光学変換素子１０２によって得られるレーザ光を用いてレーザ加工を行うことができる。
特開２００３−４８０９３号公報

しかし、こうした従来のレーザ加工装置で、ワークＷに対するレーザ光による加工穴の穴径や加工部の加工深度を変化させる際は、レーザ制御回路１０５によるレーザ発振器１０１の出力制御が行われていた。しかしこの場合、励起出力あるいは光学変換素子単体の応答性は十分速いものの、レーザ発振器１０１の性能によっては、微小出力付近（定格出力が１０％以下で、特に発振と非発振の境目である０％付近）での応答性が悪く、レーザ出力としての変調速度が遅くなることが問題であった。これは、レーザ発振器に運転状態を続ける特性があり、出射時の立ち上がりが遅く、停止時にも瞬時の停止が困難で加工始めと加工終了時の加工が安定しなかった。

また、レーザとは、レーザ媒質にエネルギが蓄積され（励起され）それがまとまって放出される（誘導放出）現象である。発振が開始される直前では、レーザ媒質にエネルギが通常状態よりも多く蓄積されるため（蓄積されないと発振を開始できない）、発振開始直後は一瞬大出力（ジャイアントパルス）が発生して仕上がりを悪くしてしまう。
出力制御には、レーザ発振器１０１の光源を制御する他、そのレーザ発振器１０１内に音響光学変換素子を内蔵し、その音響光学変換素子を制御して行う場合もある。この場合、レーザ出力は、音響光学変換素子に負荷するＲＦパワーをアナログ変調させることで図５に示すようにレーザ出力を増減させることができ、しかも非常に高速駆動（数百ｎｓｅｃオーダー）が可能である。

しかし、発振器内のＱ値を実線で示すように変化させた場合、ＲＦパワーを急激に増減させたファーストパルス現象時のレーザ発振波形は、いずれも直ちに安定することなく不安定な波形変化が現れた。例えば、Ｑ値を急激に減少させた図６（ａ）の場合、ＲＦパワーＭをｔ１時に一気に下げると、それに伴ってレーザ出力Ｎは一瞬急激に値が跳ね上がったジャイアントパルスを発生させ、レーザ出力が所定値に安定するまで一定時間（ｔ21〜ｔ22）かかる。一方、Ｑ値を急激に増加させて図６（ｂ）に示すようにＲＦパワーＭをｔ23時に一気に上げると、レーザ出力Ｎは所定の値にまで下がって安定するまでには一定時間（ｔ23〜ｔ24）かかる。この結果、音響光学変換素子を用いて高速にアナログ変調する場合、こうしてレーザ出力に不安定な変化が生じるため、ワークＷに対して安定したエネルギを供給できないことになり、微細加工に影響を及ぼすことになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、微小出力付近での安定したレーザ出力を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器から出射されたレーザビームをビームエクスパンダや集光レンズを配した光路を通してワークに照射することにより、そのワーク表面に加工を施すものであって、前記レーザ発振器からのレーザ光を、透過率を調整してワーク側へ出射するレーザ光と反射して前記光路から外して出射するレーザ光とに分割可能な光変調器と、その光変調器によって反射されたレーザ光を吸収するダンパと、非加工時に前記レーザ発振器から一定の微小出力でレーザ光を出射させておき、その微小出力より小さい出力でワークにレーザ光を照射する場合には前記光変調器の透過率を制御し、その微小出力以上の出力でワークにレーザ光を照射する場合には前記レーザ発振器を制御するようにしたコントローラとを有することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ発振器が音響光学変換素子を内蔵し、前記コントローラがその音響光学変換素子を制御することによってレーザ光の出力を調整するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ発振器がファイバレーザ発振器であることが好ましい。

本発明によれば、非加工時でもレーザ発振器から安定した状態でレーザ光が出射して非発振状態がないようにしている。そのため、微小出力でワークの加工する場合には、レーザ発振器をそのままに光変調器を制御することによってワークへ照射するレーザ光の出力を変調するようにしたので、微小出力付近での安定したレーザ出力を行うことが可能にある。

次に、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。レーザ加工装置は、ワークの表面に対して凹凸を加工する場合、その深さ方向の加工量を制御する方法として加工速度を変化させる他、レーザ出力を増減する方法があるが、本実施形態ではレーザ出力を増減して凹凸を制御する。図１は、そうした加工を行う本実施形態のレーザ加工装置の要部を簡略化して示した概念図である。

本実施形態のレーザ加工装置は、例えばファイバレーザを用いたレーザ発振器１１が用いられる。このレーザ発振器１１は、本体内部に複数のファイバー付き半導体レーザ素子とダブルクラッドファイバーとを備え、励起光源である半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をレーザ媒質であるダブルクラッドファイバに集め、ダブルクラッドファイバ内で共振されたレーザ光を外部に出射するものである。そのため、従来の半導体レーザ発振器に比べ、きわめて集光性および直進性の高いレーザ光が得られる。

また、本実施形態では、レーザ発振器１１内に音響光学変換素子１８を備え、その音響光学変換素子１８を駆動するＲＦドライバが接続されている。従って、レーザ発振器１１では、音響光学変換素子１８に負荷するＲＦパワーをアナログ変調させることで、図５に示すようにレーザ出力が変化するようになる。
そして、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光の光路上には光変調器であるモジュレータ（ＢＤＭ）１２が配置され、制御信号に応じて出射光の進行方向と直進するレーザ光の透過率を変化させるよう構成されている。

モジュレータ１２は、入射したレーザ光Ｌ１が、そのまま透過して出射するレーザ光Ｌ２と斜め方向に反射して出射するレーザ光Ｌ３とに分割し、レーザ光Ｌ２の透過率を制御することが可能な光変調器である。モジュレータ１２をそのまま透過するレーザ光Ｌ２が被加工物（ワーク）Ｗに照射して加工を行い、回折してワークＷに照射されないレーザ光Ｌ３に対しては、そのレーザ光Ｌ３を吸収するためのダンパ１７が設けられている。

ここで、図２は、レーザ加工装置全体を示した概念図である。このレーザ加工装置１は、図１に示したように、レーザ発振器１１とモジュール１２を有し、そのモジュール１２を透過したレーザ光Ｌ１２について、そのビーム径を拡大するビームエクスパンダを構成する平凹レンズ１３や平凸レンズ１４が順に並べられている。更に、レーザ光Ｌ２の方向を変える反射ミラー１５が置かれ、反射したレーザ光Ｌ２の進む先には集光レンズ１６がワークＷの手前に配置されている。ワークＷはＸＹテーブル２５上の拘束治具に固定され、照射されるレーザ光Ｌ２は、加工データに従ったテーブルの動作によって相対的な位置制御が行われるよう構成されている。

レーザ加工装置１は、記憶された所定の加工プログラムに従ってレーザ発振器１１などを制御するコントローラ２０を有している。そして、そのコントローラ２０は、レーザ発振器１１を駆動させるレーザ電源２１、そのレーザ発振器１１に内蔵された音響光学変換素子１８へＲＦパワーを供給するＲＦ電源２２、更にモジュレータ１２を駆動させるＢＤＭ電源２３を介し、レーザ発振器１１などと接続されている。

レーザ加工装置１は、例えば三次元彫刻をするなどの用途に使用される。具体的には、レーザ光Ｌ２の照射位置をＸ軸方向の一端から他端へ定速度で移動し、他端に達したらＹ軸方向に数十μｍ移動させた後、Ｘ軸方向を逆に移動する。こうしたレーザ光Ｌ２の加工位置はＸＹテーブル２５によるワークＷの移動によって行い、そのワークＷに対する凹凸はレーザ光Ｌ２のＯＮ／ＯＦＦや出力調整によって行われる。ワークＷ表面の凹凸は、例えば図７に示した断面のように階段状に形成され、１ステップ分の幅ｃが数十μｍ程度で形成されている。レーザ加工装置１では、１ステップ毎にレーザ出力を制御した加工深度の調整が行われる。

本実施形態のレーザ加工装置１では、レーザ光Ｌ２のＯＮ／ＯＦＦをモジュレータ１２によって行い、その出力調整をレーザ発振器１１内の音響光学変換素子１８とモジュレータ１２とによって行っている。そして、図７に示すようなワークＷを加工する場合は、図３及び図４に示すようにして出力制御が行われる。図３は、加工出力をコントロールするためのフローを示した図であり、図４は、加工出力の変化をグラフにして示した図である。図４のグラフ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ順にワークＷへの加工出力、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光Ｌ１の出力、そしてレーザ光Ｌ１がモジュレータを透過したその透過率を示している。

レーザ発振器１１から出力されるレーザ光Ｌ１の出力は、音響光学変換素子１８に負荷するＲＦパワーをアナログ変調させることによって調整するが、その際、レーザ出力が定格出力の１０％以下にならないようにしている。これは、図６（ａ）に示すように、ＲＦパワーＭを一気に下げしまいレーザ出力Ｎにジャイアントパルスが発生しないようにするためであり、ワークＷに対してレーザ照射しないときでも常に安定した出力状態でレーザ光Ｌ１を出射させるようにしている。そして、定格出力の１０％より低い値で出力を制御する場合には、モジュレータ１２が使用される。なお、定格出力の１０％に設定したのは、安定したレーザ光を出射することができる最低限の出力が例えば１０％であるとしたからであり、ダンパ１７に吸収させるエネルギを小さくするためである。

レーザ加工装置１では、コントローラ２０からレーザ電源１９へ制御信号が送られ、そのレーザ電源１９を介してレーザ発振器１１の励起源が起動する。そして、音響光学変換素子１８に負荷するＲＦパワーを変調させてレーザ発振器１１から出射されるレーザ出力を調整する。ワークＷへの加工深さや加工速度によってレーザ光の加工出力が変化するが、その出力制御についてはコントローラ２０の記憶手段に所定の加工プログラムが記憶され、それに基づいて実行される。そこで、図３に示すように目標出力が設定されており（Ｓ１）、先ずその値が定格出力の１０〜１００％の間であるかが確認される（Ｓ２）。

その目標出力が１０〜１００％の間である場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、レーザ発振器１１の特に音響光学変換素子１８によって所定の出力でレーザ光Ｌ１を出射するように制御が行われ、またその場合は、モジュレータ１２についても透過率が１００％になるように制御される（Ｓ３）。そのため、レーザ発振器１１から出力されるレーザ光Ｌ１の出力は１０〜１００％の範囲内の所定出力で出射され、その全てがモジュレータ１２を透過したレーザ光Ｌ２としてワークＷへと照射される。

一方、目標出力が１０〜１００％から外れる場合、すなわち１０％未満の出力である場合には（Ｓ２：ＮＯ）、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光Ｌ１は、音響光学変換素子１８によって出力が１０％になるように制御される。そして、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌ１に対し、モジュレータ１２の透過率が目標出力に合わせて制御される（Ｓ４）。すなわち、目標出力が定格出力の８％であるとすると、モジュレータ１２の透過率は８０％になるように制御される。そのため、レーザ発振器１１から出射された出力１０％のレーザ光Ｌ１は、そのうちの８０％がモジュレータ１２を透過し、その結果、ワークＷへは定格出力の８％の出力でレーザ光Ｌ２が照射される。

こうした出力調整によってワークＷに加工が行われ、ワーク表面には図７に示すような傾斜した溝が形成される。そして、図４に示したグラフ（Ａ）は、深さを変化させた加工の制御を単純化して示したものである。そこで、このグラフ（Ａ）に示すワークＷに対するレーザ光の加工出力が連続して変化する場合について説明する。この加工部は、グラフ（Ａ）に示すように、ｔ１時からｔ３時にかけて出力が徐々に増大して加工深さが大きくなり、一定の幅で１００％の出力で加工した後、ｔ４時からｔ６時にかけて出力が減少して加工深さが浅くなるようにしたものである。

レーザ発振器１１からは、グラフ（Ｂ）に示すように、加工のｔ１時に入る前から既に出力１０％の安定した状態でレーザ光Ｌ１が出射している。つまり、ｔ１時経過前の非加工時には、レーザ発振器１１から出射された定格出力１０％のレーザ光Ｌ１がモジュール１２によって変調され、全て斜めに曲げられたレーザ光Ｌ３がダンパ１７へと吸収され、ワークＷにはレーザ光Ｌ２が照射されない。

そして、ｔ１時からｔ３時までの傾斜では、最初のｔ１時からｔ２時までに対応する範囲の浅い加工部に対しては、定格出力の１０％未満でレーザ光Ｌ２がワークＷに照射される。前述したように、ｔ１時経過前の非加工時から既にレーザ光Ｌ１が出射しているが、ｔ１時を経過してもその出力は変わらず、モジュレータ１２側の制御によって出力調整が行われる。すなわち、ｔ１時になったところでモジュレータ１２を真っ直ぐに透過するレーザ光Ｌ２が徐々に増加するような制御が行われる。そのため、モジュレータ１２の透過率がｔ１からｔ２にかけて０％から１００％に変化することで、ワークＷへの加工出力が０％から１０％の間で調整される。

その後、ワークＷに対する加工出力が定格出力の１０％以上で調整される場合には、モジュレータ１２の透過率を１００％にしたまま音響光学変換素子１８を制御することによってレーザ発振器１１から出射されるレーザ光Ｌ１の出力そのものを変化させる。そして、加工出力を低下させるｔ４時からｔ６時の間では、レーザ発振器１１からの出力が１０％に達した後のｔ５後に音響光学変換素子１８の制御からモジュレータ１２の制御に切り換えられる。そして、ｔ６時を経過した非加工時にでもレーザ発振器１１からはそのまま定格出力１０％のレーザ光Ｌ１の出射が継続され、モジュレータ１２によって変調したレーザ光Ｌ３がダンパ１７へ吸収される。

よって、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、非加工時でもレーザ発振器１１から安定した状態でレーザ光Ｌ１が出射し、非発振状態がないようにしているので、レーザ出力に図６（ａ）に示すようなジャイアントパルスが発生することがない。また、常に発振状態にあるレーザ発振器１１からのレーザ光が出射されており、ワークＷ側への加工をモジュレータ１２によってコントロールようにしたため応答時間が早くなった。更に、レーザ発振器１１が常に発振状態にあるため、発振開始や停止前後の発振挙動がないため制御性も良い。

ところで、図１に示すレーザ発振器１１は、音響光学変換素子１８を内蔵し、それに負荷するＲＦパワーを変調させて出射されるレーザ出力を調整していた。しかし、音響光学変換素子１８を除いたレーザ発振器であって励起用光源に与えるエネルギを制御することによってレーザ出力を調整するようにしてもよい。ただし、その場合も微小出力付近（定格出力が１０％以下で、特に発振と非発振の境目である０％付近）での応答性が悪く、レーザ出力としての変調速度が遅くなることが問題である。
従って、図１及び図２に示すようにモジュレータ１２を設け、レーザ発振器からのレーザ光を非加工時にはダンパ１７へ回折させ、定格出力が１０％程度で常にレーザ光が出射するように発振させておく同様の構成にすればよい。これにより、非加工時でもレーザ発振器から安定した状態でレーザ光Ｌ１が出射し、非発振状態がないようになるので、発振開始や停止前後の発振挙動がないため制御性が良く応答時間も早い。

以上、本発明のレーザ加工装置について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、非加工時でも定格出力の１０％でレーザ光を出射するようにしているが、レーザ発振器などの性能によってはその値が上下してもよい。

レーザ加工装置の一実施形態についてその要部を簡略化して示した概念図である。 レーザ加工装置全体を示した概念図である。 加工出力をコントロールするためのフローを示した図である。 加工出力の変化をグラフにして示した図であって、グラフ（Ａ）はワークＷへの加工出力、グラフ（Ｂ）はレーザ発振器から出射されるレーザ光の出力、グラフ（Ｃ）はモジュレータの透過率を示している。 ＲＦパワーとレーザ出力との関係をグラフに示した図である。 Ｑ値の増減に伴うＲＦパワーの波形とレーザ発信波形を示した図である。 ワークの加工端面を示した図である。 従来のレーザ加工装置を概念的に示した図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ モジュレータ
１３ 平凹レンズ
１４ 平凸レンズ
１５ 反射ミラー
１６ 集光レンズ
１７ ダンパ
１８ 音響光学変換素子
２０ コントローラ
２１ レーザ電源
２２ ＲＦ電源
２３ ＢＤＭ電源
２５ ＸＹテーブル
Ｗ ワーク
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レーザ光

Claims (3)

1. レーザ発振器から出射されたレーザビームをビームエクスパンダや集光レンズを配した光路を通してワークに照射することにより、そのワーク表面に加工を施すレーザ加工装置において、
   前記レーザ発振器からのレーザ光を、透過率を調整してワーク側へ出射するレーザ光と反射して前記光路から外して出射するレーザ光とに分割可能な光変調器と、
   その光変調器によって反射されたレーザ光を吸収するダンパと、
   非加工時に前記レーザ発振器から一定の微小出力でレーザ光を出射させておき、その微小出力より小さい出力でワークにレーザ光を照射する場合には前記光変調器の透過率を制御し、その微小出力以上の出力でワークにレーザ光を照射する場合には前記レーザ発振器を制御するようにしたコントローラとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載するレーザ加工装置において、
   前記レーザ発振器は音響光学変換素子を内蔵し、前記コントローラがその音響光学変換素子を制御することによってレーザ光の出力を調整するようにしたものであることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載するレーザ加工装置において、
   前記レーザ発振器は、ファイバレーザ発振器であることを特徴とするレーザ加工装置。

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