JP2010023088A - レーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工ヘッドを移動させることなく微小な孔あけ加工が可能なレーザ切断装置を提供すること。
【解決手段】ベース１１に対して加工ヘッド１が吊り下げられるように固定され、集光レンズ２１を備えた加工ヘッド１のノズル２３先端の開口部からレーザ光をワークに照射して切断加工を行うものであって、加工ヘッド１は、集光レンズ２１をレーザ光Ｌの光軸Ｏと直交する平面上で微小変動させるレンズ可動手段３０を有し、そのレンズ可動手段３０には中央部に透過孔３１が形成され、２１集光レンズが透過孔３１の範囲内で変位するようにレンズホルダ２２を介して取り付けられ、そのレンズホルダ２２と干渉しないように透過孔３１を通した柱部材２７によって、ノズル２３側の加工ヘッド構成部材２５，２８，２９がベース１１側に取り付けられたレーザ切断装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、金属板などのワークをレーザ光を照射して切断加工するレーザ切断装置に関し、特に広範囲の切断にはワークを支持するテーブルを移動させ、微小範囲の切断にはレーザ光の光軸を微小変動させるレーザ切断装置に関する。

レーザ切断装置は、金属板のワークに対して集光したレーザ光を照射するとともに、アシストガスを噴射して高精度・高品質な微細切断を行う加工装置である。図４は、従来のレーザ切断装置を示した断面図である。
このレーザ切断装置は、不図示のレーザ発振器から加工ヘッド１０１内の集光レンズ１０２にレーザ光Ｌが入射し、その集光レンズ１０２によって集光されたレーザ光Ｌは金属板のワークＷに焦点を結ぶように照射される。ワークＷは、不図示のワーク用テーブルの取付枠によって周縁部が保持され、ＸＹ平面上の移動が可能になっている。そのワークＷに対し、加工ヘッド１０１からレーザ光Ｌが照射されると、ワークＷ自身が加工ヘッド１０１に対して相対的に移動することにより、所定形状の切断が行われる。

このとき、供給部１０３から入れられたアシストガスは、レーザ光Ｌと同じく、ワークＷを押さえ付けるチップシール部材１１０の開口部１１０ａを通ってワークＷへ吹き付けられ、その切断部Ａを通ってワークＷの裏面へ流出する。これにより、切断部Ａの溶融によって生じた溶融物が吹き飛ばされて除去され、ワークＷへドロスやスパッタの付着が防止される。また、ワークＷは、加工時のアシストガスによって撓まないように、加工ヘッド１０１の直下にはワークＷを裏面から支持する加工台１２０が配置される。
特開平１１−２５４１６９号公報

ところで、従来のレーザ切断装置は、ワークＷの周縁部を保持したワーク用テーブルが、そのワークＷをＸＹ方向に移動させることで所定の切断加工が行われていた。しかし、これでは、電子部品などのように小型かつ高密度化が進み、極めて微小な数百μｍ程度の孔を多数あける加工などが行われるものには十分対応できなかった。そこで、レーザ光Ｌを照射する加工ヘッド１０１側にヘッド側ステージが設けられ、狭い範囲でレーザ光Ｌの照射位置を変化させる構造のものが提案されている。

しかし、高速および高精度を満足するには、加工ヘッド１０１の軽量化や、移動制御にともなって生じる負荷に耐え得る剛性が必要であり、その両立が困難であった。また、ワークＷを有効に利用するには、保持された周縁部付近まで加工できるようにすることが好ましいが、加工ヘッドが大きいとワーク保持部材によって周縁部に近づけず、加工領域が狭くなってしまい、材料の無駄が生じてしまう問題もあった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、加工ヘッドを移動させることなく微小な孔あけ加工が可能なレーザ切断装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ切断装置は、ベースに対して加工ヘッドが吊り下げられるように取り付けられ、集光レンズを備えた当該加工ヘッドのノズル先端の開口部からレーザ光をワークに照射して切断加工を行うものであって、前記加工ヘッドは、前記集光レンズをレーザ光の光軸と直交する平面上で微小変動させるレンズ可動手段を有し、そのレンズ可動手段には中央部に透過孔が形成され、前記集光レンズが当該透過孔の範囲内で変位するようにレンズホルダを介して取り付けられ、そのレンズホルダと干渉しないように前記透過孔を通した柱部材によって、前記ノズル側の加工ヘッド構成部材が前記ベースに対して取り付けられるようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ切断装置は、前記レンズ可動手段が、中央部分に略四角形の透過孔が形成され、下面側に可動テーブルが設けられた圧電アクチュエータであり、前記レンズホルダは、中央に前記集光レンズを保持する保持部を備えた十字形状をしたものであって、前記透過孔の四辺に掛け渡すようにして前記可動テーブルに取り付けられ、前記柱部材は、前記透過孔の四隅に形成された前記レンズホルダとの隙間を通して配置されたものであることが好ましい。

よって、本発明のレーザ切断装置によれば、加工ヘッド内のレンズ可動手段によって微小孔の加工を行うようにしたので、加工ヘッドを移動させることなく集光レンズのみを駆動すればよいため、高速高精度の加工が可能になる。そしてまた、レンズ可動手段が透過孔を有し、そこを通った柱部材によって加工ヘッド構成部材をベース側に取り付け、加工ヘッドを構成するようにしたので、外側を通した支持部材によって構成するのに比べて加工ヘッドをコンパクトにすることができる。そのため、加工ヘッド自身を移動させて加工を行う場合、その加工ヘッドをワークの端部により近づけることが可能になり、材料の無駄を少なくすることができる。

次に、本発明に係るレーザ切断装置について一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、レーザ切断装置の加工ヘッドの断面図である。
本実施形態のレーザ切断装置は、従来のものと同様に、加工ヘッド１がヘッド側ステージ２に固定されている。加工ヘッド１の下には不図示のワーク用テーブルが設けられ、金属板のワークは、その周縁部が保持され、加工可能な状態にセットされる。ワークは、それ自身がワーク用テーブルによってＸＹ平面上を移動し、更にそのワークに対し、加工ヘッド１がヘッド側ステージ２によってＸＹ平面と平行な平面上を移動するよう構成されている。

ワークの下側には、加工時の加工ヘッド１から噴射されるアシストガスによってワークが撓まないように、不図示の加工台が配置され、加工ヘッド１と加工台とによってワークを上下から挟み込むように構成されている。その加工ヘッド１は、図示するようにベース１１の下方に吊り下げられるように固定して取り付けられ、ヘッド側ステージ２のＬＭガイド１２などによって移動可能になっている。加工ヘッド１には、金属板のワークを切断するため、不図示のレーザ発振器から光ファイバ５を介してレーザ光Ｌが送られるようになっている。

加工ヘッド１は筒状に形成され、光ファイバ５を介して送られたレーザ光Ｌが不図示のコリメートレンズを介し、図示するように平行光として進入する。加工ヘッド１の筒内の途中にはレーザ光Ｌを集光する集光レンズ２１が存在し、筒状部を有するレンズホルダ２２によって保持されている。集光レンズ２１は、このレンズホルダ２２によって光軸方向の位置決めが行われ、レーザ光Ｌのワークへの焦点位置が設定されている。加工ヘッド１の下部には、レーザ光Ｌが集光する部分にノズル２３が設けられている。ノズル２３の先端には６００μｍの径の開口部が形成され、その開口部を通ったレーザ光Ｌの焦点位置での直径が３０μｍ以下でワークに照射されるよう構成されている。

加工ヘッド１には、ワークに対するレーザ切断部にアシストガスを吹き付けるためガス管２４が接続され、不図示のガス供給装置からのアシストガスを内部に供給するよう構成されている。そして、このガス管２４から供給されたアシストガスは、ノズル２３へのガス流路を通って流れ、そのノズル２３の形状によってワークの切断部位に集中的に流れ込むようになっている。集光レンズ２１の下には、アシストガスが流れ込まないようにレンズカバー２５を保持したカバーホルダ２６が設けられている。ガス管２４から流れるアシストガスは、このカバーホルダ２６の外側を流れるように流路が形成され、ノズル２３へと吹き込まれるようになっている。

本実施形態では、集光レンズ２１をレーザ光Ｌの光軸Ｏに対して直交方向に微小変動させ、その焦点位置を制御できるように構成されている。集光レンズ２１を変動させるレンズ可動手段には圧電アクチュエータ３０が使用され、それに対してレンズホルダ２２を介して集光レンズ２１が取り付けられている。圧電アクチュエータ３０には、例えば株式会社ナノコントロールから販売されている多軸一体タイプの「ナノサーボステージ（製品名）」を用いることができる。ここで、図２は、圧電アクチュエータ３０による集光レンズの駆動部を装置下方から示した図である。

圧電アクチュエータ３０は、図１に示すような一定の厚みをもち、図２に示すように略四角形の平面形状を有し、その中心には同じく略四角形の透過孔３１が形成されている。この圧電アクチュエータ３０は、その本体３５の四隅にボルト３２が下方から貫通し、図１に示すように、固定部材１３に対してネジ止めされている。固定部材１３はベース１１に対して一体に設けられ、これにより圧電アクチュエータ３０がベース１１側に固定して取り付けられる。圧電アクチュエータ３０は、上面側が固定部材１３に当てられているが、下面側が可動部であって非接触状態で配置されている。

圧電アクチュエータ３０は、その下面側に図２の縦横或いは斜め方向に変位する可動テーブル３３が取り付けられ、電圧を加えて制御することによってその可動テーブル３３が所定方向に変位するよう構成されている。本実施形態のレーザ切断装置では、この可動テーブル３６に集光レンズ２１が取り付けられ、変位可能な構成になっている。集光レンズ２１は、透過孔３１のほぼ中心に設置されており、レーザ光Ｌは、その透過孔３１を通って照射できるようになっている。

可動テーブル３６には、透過孔３１を跨ぐように十字形状のレンズホルダ２２がネジ止めされている。レンズホルダ２２の中心にはレンズ保持部２２ａが形成され、そこに集光レンズ２１が嵌め込まれており、集光レンズ２１が透過孔３１のほぼ中心に位置している。ところで、透過孔３１の四隅には、レンズホルダ２２には塞がれていない貫通部分が存在する。そうした４つの貫通部分には柱部材２７が配置され、ベース１１側の固定部材１３と下方のカバーホルダ２６などを連結させている。

加工ヘッド１は、こうして圧電アクチュエータ３０の透過孔３１を通った柱部材２７によって下方の構造物が取り付けられている。すなわち、カバーホルダ２６の他、加工ヘッド２を構成する円筒形の下部ブロック２８や、ノズル２３を囲むように円筒形状の上部ホルダ２９が取り付けられ、ベース１１に対して固定された構造をしている。この柱部材２７は、可動するレンズホルダ２２の動きに干渉しないようにする必要がある。圧電アクチュエータ３０は、例えば直径が２００μｍ以下の孔あけ加工に使用されるため、レンズホルダ２２の可動範囲は狭い。柱部材２７は、そうしたレンズホルダ２２の可動領域を考慮して設けられている。

次に、本実施形態のレーザ切断装置を使用したレーザ切断加工について説明する。
先ず、ワークは、その周縁部が不図示のＸＹテーブルに保持され、予め設定された切断データに基づいてＸＹ平面上の移動が行われる。ＸＹテーブルへのワークの取り付け後に下の加工台が上昇し、ワークが上下のホルダによって挟み込まれる。

加工ヘッド１からは、光ファイバ５を介して送られたレーザ光Ｌが不図示のコリメートレンズを介して図示するように平行光となって進入し、集光レンズ２１によって集光したレーザ光Ｌがノズル２３の開口部を通ってワークに照射される。ワークはレーザ光Ｌの入熱により局部的かつ瞬間的に溶融し、ＸＹテーブルの設定された移動によって所定の切断が行われる。その際、ガス管２４を通って加工ヘッド１内にアシストガスが高圧力で供給されると、レンズカバー２５の下部空間へて流れた後にノズル２３によって絞られ、ワークの切断部位に集中的に吹き付けられる。

また、ワーク下に位置する不図示の加工台では、吸引装置によって吸引されて負圧になっている。従って、アシストガスはワークの切断部を通って加工台の吸引孔内に流れ込み、ワークの切断に伴って生じるドロスなどの溶融物は、こうしたアシストガスの流れによって吸引管へと引かれて排出される。

レーザ切断装置では、固定された状態の加工ヘッド１からレーザ光Ｌが照射され、ＸＹテーブルの操作によって移動するワークに対して所定の切断加工が行われる。そして、大きな形状の切断加工にはＸＹテーブルが変位し、より狭い範囲の切断加工では、停止したワークに対してヘッド側ステージ２の動作によって加工ヘッド１が移動する。更に、本実施形態では、より微小な孔あけなどには、ワークと加工ヘッド１をともに停止させたままレーザ光Ｌの焦点位置を変化させた加工が行われる。

それには、ヘッド側ステージ２によって加工ヘッド１を移動させて位置決めした後、圧電アクチュエータ３０に電圧を印加して所定動作を与えた加工制御が行われる。すなわち、可動テーブル３３が平面上を所定方向に微小変動することにより、レンズホルダ２２を介して一体に設けられた集光レンズ２１が変位する。こうして集光レンズ２１が光軸Ｏに対して直交する平面上を微小変動し、図３に示すように、ノズル２３先端の開口部２３ａ内でレーザ光Ｌの焦点Ｓを変位させ、略四角形の微少孔４０が形成される。

集光レンズ２１によって集光されたレーザ光Ｌは、ノズル２３先端の開口部２３ａの大きさである直径６００μｍの円の範囲内に、焦点Ｓの直径が３０μｍ以下のレーザ光Ｌによって孔あけ加工が行われる。すなわち、圧電アクチュエータ３０によって集光レンズ２１の位置を微小変動させることにより、ワークに対して照射するレーザ光Ｌの焦点Ｓの位置を変位させて溶融し、ノズル２３先端の開口部２３ａより小さい円形や四角形などの所定形状の微小孔を形成する。そして、ヘッド側ステージ２によってワークに沿った平面上で加工ヘッド１を移動させて位置決めし、同様に圧電アクチュエータ３０を駆動させた微小の孔あけ加工が繰り返される。

従って、本実施形態のレーザ切断装置によれば、加工ヘッド１内の圧電アクチュエータ３０によって微小孔の加工を行うようにしたので、集光レンズ２１のみを駆動すればよく、高速高精度の加工が可能になった。すなわち、加工ヘッド１自身を移動させるのに比べて圧電アクチュエータ３０による集光レンズ２１の高速高精度の変位が可能であり、しかも加工ヘッド１とワークとの摩耗が無いことも高速高精度のレーザ加工に寄与している。

また、レーザ切断装置の加工ヘッド１は、透過孔３１を通して設けられた柱部材２７を介して、圧電アクチュエータ３０下方のカバーホルダ２６や下部ブロック２８、上部ホルダ２９などが支持されていている。従って、こうした加工ヘッド１の部材を圧電アクチュエータ３０の外側から囲むように設けた支持部材では、加工ヘッド１が勢い大きくなってしまうのに対して、コンパクトな構成にすることができるようになった。そのため、加工ヘッド１自身を移動させて加工を行う場合、その加工ヘッド１をワークの端部により近づけることが可能になり、材料の無駄を少なくすることができる。

また、このレーザ切断装置では、ＸＹテーブルの操作による大きな範囲の加工の他、固定したワークに対して加工ヘッド１を移動させることが行われる。その場合、移動する加工ヘッド１には光ファイバ５を介してレーザ光Ｌが送られるため、加工ヘッド１の自由な移動に対応することが容易である。
更に、光ファイバ５や微小加工を行うために圧電アクチュエータ３０などの構成としたため、加工ヘッド１を軽量化することができ、加工ヘッド１を移動させた加工も高速かつ高精度に行うことが可能になる。

以上、本発明に係るレーザ切断装置の一実施形態について説明したが、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。
例えば、集光レンズ２１を微小変動させるためのレンズ可動手段として挙げた圧電アクチュエータ３０に限定されない。

実施形態のレーザ切断装置を構成する加工ヘッドの断面図である。 圧電アクチュエータによる集光レンズの駆動部を装置下方から示した図である。 実施形態のレーザ切断装置における微小孔の加工を示した図である。 従来のレーザ切断装置を示した断面図である。

符号の説明

１ 加工ヘッド
２ ヘッド側ステージ
１１ ベース
２１ 集光レンズ
２２ レンズホルダ
２３ ノズル
２５ レンズカバー
２６ カバーホルダ
２７ 柱部材
３０ 圧電アクチュエータ
３１ 透過孔
３６ 可動テーブル
Ｌ レーザ光
Ｏ 光軸

Claims (2)

1. ベースに対して加工ヘッドが吊り下げられるように取り付けられ、集光レンズを備えた当該加工ヘッドのノズル先端の開口部からレーザ光をワークに照射して切断加工を行うレーザ切断装置において、
   前記加工ヘッドは、前記集光レンズをレーザ光の光軸と直交する平面上で微小変動させるレンズ可動手段を有し、
   そのレンズ可動手段には中央部に透過孔が形成され、前記集光レンズが当該透過孔の範囲内で変位するようにレンズホルダを介して取り付けられ、そのレンズホルダと干渉しないように前記透過孔を通した柱部材によって、前記ノズル側の加工ヘッド構成部材が前記ベースに対して取り付けられるようにしたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
2. 請求項１に記載のレーザ切断装置において、
   前記レンズ可動手段は、中央部分に略四角形の透過孔が形成され、下面側に可動テーブルが設けられた圧電アクチュエータであり、
   前記レンズホルダは、中央に前記集光レンズを保持する保持部を備えた十字形状をしたものであって、前記透過孔の四辺に掛け渡すようにして前記可動テーブルに取り付けられ、
   前記柱部材は、前記透過孔の四隅に形成された前記レンズホルダとの隙間を通して配置されたものであることを特徴とするレーザ切断装置。

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