JP2009119480A - Laser beam machining method and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザ加工方法とその装置に関し、より詳しくは、噴射ノズルから被加工物に向けて液柱を噴射するとともに、該液柱を導光路としてこれを通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法とその装置に関する。 The present invention relates to a laser processing method and an apparatus therefor, and more specifically, ejects a liquid column from a spray nozzle toward a workpiece, and uses the liquid column as a light guide to pass laser light to the workpiece. The present invention relates to a laser processing method and an apparatus for irradiating and performing a required processing on a workpiece.
従来のレーザ加工装置として、噴射ノズルから液体を液柱にして噴射する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を導光路としての上記液柱内に案内する光学案内手段とを備え、上記噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたものが知られている(特許文献1、特許文献2)。
そして従来のレーザ加工装置においては、上記噴射ノズルの中心線すなわち該噴射ノズルから噴射される液柱の軸心と、該液柱を通過するレーザ光の光軸とを一致させるようにしている。つまり、液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させることによって、液体流内から外部へのレーザ光の漏れ量を最も少なくしてエネルギーの損失を抑えるようにしている。
In the conventional laser processing apparatus, the center line of the spray nozzle, that is, the axis of the liquid column ejected from the spray nozzle is aligned with the optical axis of the laser beam passing through the liquid column. That is, by aligning the axial center of the liquid flow with the optical axis of the laser light, the amount of leakage of laser light from the liquid flow to the outside is minimized to suppress energy loss.
図8に示すように、液柱Wの軸心とレーザ光Lの光軸とを一致させた場合には、エネルギーの損失を最少とすることができるが、そのときの液柱W内におけるレーザ光Lの強度分布は、中心部が強く、周辺部が弱い山形の強度分布となる。
このような強度分布は、レーザ光Lの強度分布におけるピークが大きくなるので、被加工物2の切断加工には好適となるが、被加工物2に溝を形成する場合や被加工物2に被覆された図示しない皮膜を除去するような加工には不向きであった。
本発明はそのような事情に鑑み、エネルギーの損失を可及的に防止しつつ、液柱内で均質な強度分布が得られるようにすることにより、被加工物に溝を形成する場合や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工に好適なレーザ加工方法とその装置を提供するものである。
As shown in FIG. 8, when the axial center of the liquid column W and the optical axis of the laser beam L coincide with each other, energy loss can be minimized, but the laser in the liquid column W at that time can be minimized. The intensity distribution of the light L is a mountain-shaped intensity distribution with a strong central part and a weak peripheral part.
Such an intensity distribution is suitable for cutting the
In view of such circumstances, the present invention provides a uniform strength distribution in the liquid column while preventing energy loss as much as possible, thereby forming a groove on the workpiece or covering the workpiece. The present invention provides a laser processing method and apparatus suitable for processing that removes a coating film coated on a workpiece.
すなわち請求項1の加工方法は、被加工物に向けて噴射ノズルから液体を液柱にして噴射するとともに、該液柱を導光路として該液柱内にレーザ光を導入して上記被加工物に照射し、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法において、
上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらして設定したことを特徴とするものである。
また請求項2の加工装置は、噴射ノズルから液体を液柱にして噴射する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を導光路としての上記液柱内に案内する光学案内手段とを備え、上記噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すレーザ加工装置において、
上記光学案内手段は、上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらして設定してあることを特徴とするものである。
That is, in the processing method of claim 1, the liquid is ejected from the ejection nozzle toward the workpiece as a liquid column, and laser light is introduced into the liquid column using the liquid column as a light guide path. In the laser processing method that irradiates the workpiece and performs the required processing on the workpiece,
The optical axis of the laser beam is set to be shifted from the center line of the injection nozzle within a range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a processing apparatus comprising: a liquid supply means that ejects liquid from an ejection nozzle as a liquid column; a laser oscillator that oscillates laser light; and the liquid column that uses the laser light from the laser oscillator as a light guide. And an optical guide means for guiding the workpiece to the workpiece by jetting the liquid from the jet nozzle toward the workpiece as a liquid column and irradiating the workpiece with laser light that has passed through the liquid column. In the laser processing equipment that performs the required processing on
The optical guiding means is characterized in that the optical axis of the laser beam is set so as to be shifted within a range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter from the center line of the injection nozzle.
本発明によれば、レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらして設定してあるので、後に詳述するようにレーザ光のエネルギー損失を可及的に防止することができ、しかも液柱内で均質な強度分布が得られるようになるので、被加工物に溝を形成する加工や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工を効率的に行うことができるようになる。 According to the present invention, the optical axis of the laser beam is set so as to be shifted within the range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter from the center line of the injection nozzle. Energy loss can be prevented as much as possible, and a uniform strength distribution can be obtained in the liquid column, so that processing to form grooves in the workpiece and removal of the coating film on the workpiece are removed. Such processing can be performed efficiently.
以下図示実施例について本発明を説明すると、図1において、レーザ加工装置1は液体の噴射により形成した液柱Wにレーザ光Lを導光することで、被加工物2に所要の加工を施すことができるようになっている。
上記レーザ加工装置1は、上記被加工物2を支持する加工テーブル3と、レーザ光Lを発振するレーザ発振器4と、水等の液体を供給する液体供給手段としての高圧ポンプ5と、被加工物2に向けて液体を液柱Wとして噴射するとともに、レーザ光Lを上記液柱Wに導光する加工ヘッド6とを備えている。
上記加工テーブル3は従来公知であるので詳細な説明をしないが、上記被加工物2を加工ヘッド6に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド6は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動するようにされている。
本実施例では、上記レーザ発振器4はYAGレーザであり、加工に応じてCW発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。
さらに、レーザ発振器4としてこの他にも半導体レーザやCO2レーザ等を用いることも可能であるが、CO2レーザのように照射されるレーザ光Lが水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド6より噴射される液体をレーザ光Lが吸収されないような液体にすればよい。
The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiment. In FIG. 1, a laser processing apparatus 1 guides a laser beam L to a liquid column W formed by jetting a liquid, thereby performing a required processing on a
The laser processing apparatus 1 includes a processing table 3 that supports the
The processing table 3 is conventionally known and will not be described in detail. However, the
In the present embodiment, the laser oscillator 4 is a YAG laser, can perform CW oscillation or pulse oscillation according to processing, and can appropriately adjust its output and pulse oscillation period.
In addition to this, a semiconductor laser, a CO 2 laser, or the like can be used as the laser oscillator 4. However, when the laser light L irradiated has a wavelength that is easily absorbed by water, such as a CO 2 laser. The liquid ejected from the
次に上記加工ヘッド6について説明すると、加工ヘッド6は図示しない昇降手段に固定された平板状のフレーム11と、上記レーザ光Lを集光する集光レンズ12と、上記高圧ポンプ5より供給された液体を液柱Wにして噴射するとともに、当該液柱Wにレーザ光Lを導光する噴射ノズル13と、上記集光レンズ12と噴射ノズル13の相対位置や角度を調整する光学案内手段14とを備えている。
なお図1では、説明のため図示下方側(後述する第6プレート41より下方)の断面図は、図2におけるI−Iの断面で切断した断面図となっている。
上記フレーム11はレーザ発振器4によって発振されるレーザ光Lの光軸上に設けられており、レーザ光Lの光軸が通過する位置には円形の貫通孔11aが形成されている。
上記集光レンズ12はレーザ光Lの光軸上に配置され、円筒状のレンズホルダ21の下端に保持されるとともに、このレンズホルダ21は略十字型(図2参照)の取付ステー22を介してフレーム11の下面に固定されている。
なお、図2は、図1におけるII−IIの断面で切断した断面図となっているが、説明のため、下記第2保持円筒28bについては表示を省略している。
また上記噴射ノズル13もレーザ光Lの光軸上に配置されており、この噴射ノズル13は円筒状のノズルホルダ23の下端に保持されると共に、当該ノズルホルダ23は上記光学案内手段14によって移動されるようになっている。
Next, the
In FIG. 1, a cross-sectional view on the lower side of the drawing (below a
The
The condenser lens 12 is disposed on the optical axis of the laser beam L, and is held at the lower end of a
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, but for the sake of explanation, the following
The
図3は上記噴射ノズル13およびノズルホルダ23の拡大図を示し、上記ノズルホルダ23には被加工物2側から順に、小径部23a、中径部23b、大径部23cが形成され、上記噴射ノズル13は上記小径部23aの下端にリング状の保持部材24を用いて固定されている。
上記噴射ノズル13はステンレス製で、噴射ノズル13の中央には噴射孔13aが形成され、該噴射孔13aには、被加工物2に向けて縮径する第1傾斜面13bと、当該第1傾斜面13bよりも被加工物2側に形成されて被加工物2に向けて拡径する第2傾斜面13cとが形成されている。
上記第1傾斜面13bと第2傾斜面13cとは、最小径部13d(図6)で接続されており、上記第1傾斜面13bには、レーザ光Lを反射させるための鏡面加工が施されている。
また、上記第1傾斜面13bの角度は、上記集光レンズ12によって集光されるレーザ光Lの円錐角よりも大きくなるように設定されている。
FIG. 3 is an enlarged view of the
The
The first
The angle of the first
上記噴射ノズルホルダ23の中径部23bには、シール部材25を介してガラス板26がはめ込まれ、このガラス板26は上記中径部23bの内周面に加工されたねじ部に螺合するナット27によって固定されている。
また、上記小径部23aの位置には、小径部23aを中心に同心円上に等間隔に4つの接続口23dが形成されており、この接続口23dは液体通路23eを介して小径部23aに連通し、上記高圧ポンプ5によって送液された液体は上記ガラス板26よりも下方の小径部23a内に供給されるようになっている。
そして上記保持部材24の中央には、上記第2傾斜面13cよりも大径の貫通孔が設けられており、この貫通孔は上記第2傾斜面13cと共に、噴射ノズル13から噴射される液柱Wを囲繞するエアポケットPを構成している。
A
Further, at the position of the
A through hole having a diameter larger than that of the second
上記光学案内手段14は、上記ノズルホルダ23を保持する保持円筒28と、当該保持円筒28を水平方向に移動させるXY軸ステージ29と、XY軸ステージ29を垂直方向に移動させるZ軸ステージ30と、Z軸ステージ30の角度を変更させる角度調整ステージ31とを備えている。
上記保持円筒28は円筒状の第1保持円筒28aおよび第2保持円筒28bから構成され、このうち第1保持円筒28aは上記XY軸ステージ29に固定され、第2保持円筒28bの下端には上記ノズルホルダ23が固定されている。そして噴射ノズル13における噴射孔13aの中心軸と第1,第2保持円筒28a,28bの中心軸とが一致するようになっている。
また、上記第2保持円筒28bの内部には上記レンズホルダ21が相互に接触しないように収容されており、第1保持円筒28aおよび第2保持円筒28bは、上記レンズホルダ21をフレーム11に固定する上記取付ステー22と干渉しないよう、上記4本の連結部材32(図2参照)によって連結されている。
The optical guiding means 14 includes a
The holding
The
上記XY軸ステージ29は、上記第1保持円筒28aを固定する第1プレート33と、第1プレート33を下方から保持する第2プレート34と、第2プレート34を下方から保持する第3プレート35と、第1保持円筒28aを図示左右方向のX軸方向と、図示奥行き方向のY軸方向とに移動させるマイクロメータ36,37とを備えている。
上記第1〜第3プレート33〜35の中央にはそれぞれ貫通孔33a〜35aが形成され、第1プレート33の貫通孔33aには、第1プレート33の上面に固定された固定部材33bにより、上記第1保持円筒28aが垂下するように固定されている。
また図4に示すように、第1〜第3プレート33〜35は平面的に略正方形の形状を有し、その側面がそれぞれ上記X軸方向及びY軸方向を向くように設置されている。
さらに、上記第1プレート33と第2プレート34とは、X軸方向に形成された図示しないレールによってX軸方向に相対移動し、上記第2プレート34と第3プレート35とは、Y軸方向に形成されたレール35b(図1参照)によってY軸方向に相対移動するようになっている。
そして上記マイクロメータ36、37は上記第2プレート34の側面にそれぞれX軸方向及びY軸方向に向けて固定され、第1プレート33の側面には、マイクロメータ36によって押圧可能な位置に突起33cが設けられ、上記第3プレート35の側面には、上記マイクロメータ37の先端によって押圧可能な位置に突起35cが設けられている。
このような構成により、X軸方向を向いたマイクロメータ36によって上記突起33cを押圧することで、ノズルホルダ23を保持円筒28および第1プレート33ごとX軸方向に移動させることができ、またY軸方向を向いたマイクロメータ37を操作することで、ノズルホルダ23を保持円筒28および第1、第2プレート33、34ごとY軸方向に移動させることができる。
The
Through
As shown in FIG. 4, the first to third plates 33 to 35 have a substantially square shape in plan view, and are disposed so that the side surfaces thereof face the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.
Further, the first plate 33 and the
The
With such a configuration, the
上記Z軸ステージ30はその上面に上記第3プレート35を固定する第4プレート38と、上記角度調整ステージ31の上面に固定された第5プレート39と、第4、第5プレート38,39の間に設けられた2つのハンドル40とを備え、第4、第5プレート38,39の中央には、移動する第1保持円筒28aと接触しない範囲で貫通孔38a,39aが形成されている。
ここで、上記ハンドル40は従来公知のジャッキスクリュー方式によって第4プレート38を昇降させるものであり、その構成については詳細な説明を省略する。
そしてこのZ軸ステージ30によれば、上記ハンドル40のいずれか一方を操作することで第4プレート38は第5プレート39に対して平行を保ったまま昇降し、上記ノズルホルダ23を保持円筒28及びXY軸ステージ29ごと昇降させることができる。
The Z-
Here, the
According to the Z-
そして角度調整ステージ31は、その上面に上記Z軸ステージ30を固定する第6プレート41と、上記フレーム11を貫通し、その先端で第6プレート41を下方から保持する支点ボルト42と、同じく第6プレート41を下方から保持する2本の調整ボルト43(図5参照)とを備えている。
図2に示すように、上記第6プレート41は略正方形の形状を有しており、上記支点ボルト42は、第6プレート41の四隅のうちのいずれかの隅部を下面から支持し、上記調整ボルト43は、上記支点ボルト42を挟んだ位置の隅部を下面から支持するようになっている。
図5に示すように、上記支点ボルト42および調整ボルト43の先端は半球状に加工され、その先端は第6プレート41に埋設された受け部材44の凹部44aに収容されるようになっている。
そして、上記調整ボルト43はフレーム11の下面側に位置するダイヤル43aによってボルトの先端を上下に移動させることができるようになっており、これら2つの調整ボルト43を用いることで、第6プレート41のフレーム11に対する傾きを変更することができる。
すなわち、2つの調整ボルト43により、上記ノズルホルダ23のフレーム11に対する傾きを、保持円筒28およびXY軸ステージ29、Z軸ステージ30ごと調整することができる。
このような構成を有する光学案内手段14によれば、XY軸ステージ29および角度調整ステージ31を用いることで、レーザ発振器4より照射されたレーザ光Lの光軸に対し、噴射ノズル13より噴射される液柱Wの位置と角度とを調整することができ、またZ軸ステージ30を用いることで、集光レンズ12によって集光されるレーザ光Lの焦点位置を、液柱Wの方向に沿って移動させることができる。
The
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 5, the distal ends of the
The
That is, the tilt of the
According to the optical guide means 14 having such a configuration, the
図6は上記噴射ノズル13の拡大図を示しており、この図において、レーザ光Lの光軸は、上記光学案内手段14のXY軸ステージ29及び角度調整ステージ31によって、噴射ノズル13より噴射される液柱Wの中心軸すなわち噴射ノズル13の中心線Oからノズル直径の1/5〜1/10の範囲D内でずらして設定してある。
この状態で上記高圧ポンプ5によってノズルホルダ23内に液体を供給すると、当該液体はノズルホルダ23の小径部23a(図3)内を経て、上記噴射ノズル13の噴射孔13aより被加工物2に向けて噴射される。
このとき、第1傾斜面13bの下部には第2傾斜面13c及び保持部材24の貫通孔によって、エアポケットPが形成されているため、噴射された液体は拡散することなく、第1傾斜面13bの最小径部13dの径とほぼ同径の液柱Wとなって噴射される。
次に、レーザ発振器4よりレーザ光Lが発振されると、このレーザ光Lは集光レンズ12によって集光された後、上記ガラス板26とノズルホルダ23の小径部23a内に充満する液体とを透過して、上記噴射ノズル13へと照射される。
本実施例では、上記Z軸ステージ30を調整することで、レーザ光Lの焦点が上記第1傾斜面13bの最小径部13dを越えた液柱W内に位置し、かつ、レーザ光Lが噴射孔13aの最大径部13eよりも小さく集光されるようになっている。
なお、図6には破線により噴射ノズル13がない場合のレーザ光Lの焦点fを示してある。
このようにして集光されたレーザ光Lは、最小径部13dよりも外側の部分が上記第1傾斜面13bによって遮られ、当該部分が第1傾斜面13bで反射された後、上記液柱Wにおける外気との境界面で臨界角より大きい入射角で反射を繰り返しながら、液柱Wを導光路として被加工物2まで導光される。
FIG. 6 shows an enlarged view of the
When a liquid is supplied into the
At this time, since the air pocket P is formed in the lower part of the first
Next, when the laser light L is oscillated from the laser oscillator 4, the laser light L is condensed by the condenser lens 12, and then the liquid filling the
In the present embodiment, by adjusting the Z-
FIG. 6 shows the focal point f of the laser light L when there is no
The laser beam L thus collected is shielded by the first
ところで前述したように、従来は図8で示すように液柱Wの軸心とレーザ光Lの光軸とを一致させていたので、液柱W内におけるレーザ光Lの強度分布は、中心部が強く、周辺部が弱い断面山形の強度分布となっていた。
しかるに本実施例においては、図6に示すように、レーザ光Lの光軸を噴射ノズル13の中心線Oからノズル直径の1/5〜1/10の範囲D内でずらして設定してあるので、図7に示すように、液柱内のレーザ光Lの強度分布は、中心部から周辺部にかけて台形状の均質な強度分布が得られるようになる。したがってこれにより、被加工物2に溝を形成する加工や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工を効率的に行うことができるようになる。
他方、上記レーザ光Lの光軸を、噴射ノズル13の中心線Oからノズル直径の1/5を越えて大きくずらした場合には、図9に示すように、液柱内のレーザ光Lの強度分布が乱れてしまい、レーザ光のエネルギー損失が多くなる。
このように、レーザ光Lの光軸を、噴射ノズル13の中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらすことにより、レーザ光のエネルギー損失を可及的に防止することができると同時に、液柱W内で均質な強度分布が得られるようになる。
具体例として、上記噴射ノズル13の最小径部13dの径を100μmとした場合には、上記ずらす範囲Dは10〜20μmの範囲が好適であり、ずらす範囲を10μm未満とすると均質な強度分布を得ることが困難となり、また20μmを越えるとエネルギー損失が大きくなる。
Incidentally, as described above, conventionally, as shown in FIG. 8, since the axis of the liquid column W and the optical axis of the laser beam L coincide with each other, the intensity distribution of the laser beam L in the liquid column W has a central portion. However, the intensity distribution of the cross-sectional mountain shape was weak and the periphery was weak.
However, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the optical axis of the laser beam L is set to be shifted from the center line O of the
On the other hand, when the optical axis of the laser beam L is largely shifted from the center line O of the
In this way, by displacing the optical axis of the laser beam L within the range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter from the center line of the
As a specific example, when the diameter of the
1 レーザ加工装置 2 被加工物
4 レーザ発振器 5 高圧ポンプ(液体供給装置)
6 加工ヘッド 13 噴射ノズル
13a 噴射孔 13d 最小径部
14 光学案内手段 D 設定範囲
L レーザ光 O 噴射ノズルの中心線
W 液柱
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
6
Claims (2)
上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらして設定したことを特徴とするレーザ加工方法。 The liquid is ejected from the ejection nozzle toward the workpiece as a liquid column, and the liquid column is guided to the workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam. In the laser processing method in which the processing of
A laser processing method, wherein the optical axis of the laser beam is set to be shifted within a range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter from the center line of the injection nozzle.
上記光学案内手段は、上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の1/5〜1/10の範囲内でずらして設定してあることを特徴とするレーザ加工装置。 Liquid supply means for ejecting liquid from the ejection nozzle as a liquid column, a laser oscillator for oscillating laser light, and optical guide means for guiding laser light from the laser oscillator into the liquid column as a light guide A laser processing apparatus that performs a required processing on a workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam that is sprayed from the spray nozzle toward the workpiece as a liquid column and passes through the liquid column. In
The laser processing apparatus, wherein the optical guiding means is set by shifting the optical axis of the laser beam within a range of 1/5 to 1/10 of the nozzle diameter from the center line of the injection nozzle.
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