JP2013144318A - 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】金属板などのワークＷを挟んで上方に加工ヘッド２が、下方には加工台４が配置され、集光レンズ１１を備えた加工ヘッド２の開口部からレーザ光ＬをワークＷに照射して切断加工を行うものであって、加工ヘッド２は、保持した集光レンズ１１を移動させるレンズ可動手段１５を有し、この加工ヘッド２を移動させることなくレンズ可動手段１５を駆動させることにより、レーザ光Ｌの焦点を加工ヘッド２の開口部の範囲内で移動させてワークＷに対し加工を行うようにしたレーザ切断装置１。
【選択図】 図２

Description

本発明は、極薄金属板などのワークを上下から挟んだ状態で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変化させるレーザ切断装置に関する。

レーザ切断装置は、極薄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は極薄金属板のワーク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ている。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が固定配置されている。

特開平１１−２５４１６９号公報

ところで、従来のレーザ切断装置では、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程度の孔あけ加工など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を設け、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た。しかし、高速および高精度を満足するには、加工ヘッド１０１の軽量化と、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。

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、金属板などのワークを挟んで上方に加工ヘッドが、下方には加工台が配置され、集光レンズを備えた加工ヘッドの開口部からレーザ光を前記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、保持した前記集光レンズを移動させるレンズ可動手段を有し、当該加工ヘッドを移動させることなく前記レンズ可動手段を駆動させることにより、前記レーザ光の焦点を前記加工ヘッドの開口部の範囲内で移動させて前記ワークに対し加工を行う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、前記加工ヘッドが、ワークに対するレーザ光の照射部分にアシストガスを噴射するノズルを備え、前記レンズ可動手段は、当該ノズル先端の開口部の範囲内でレーザ光の焦点を移動させるようにしたものであるこが好ましい。
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ピエゾ素子又はボイスコイルによってレンズを変位させるようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係るレーザ切断装置は、前記集光レンズが、光軸方向の位置決めを行うホルダによって保持され、そのホルダと一体となって変位が与えられるようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係るレーザ切断装置は、前記加工ヘッドが、ワーク平面に沿って移動可能な駆動手段を有し、レーザ発振器からのレーザ光が光ファイバを介して送られるようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、加工ヘッド内のレンズ可動手段によってノズル孔範囲内の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く、高速高精度の加工が可能になる。

レーザ切断装置の実施形態を示した図であり、特に加工ヘッド側を簡略化して示している。 レーザ切断装置の実施形態において加工ヘッドを示した断面図である。 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。

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、レーザ切断装置の実施形態を示した図であり、特に加工ヘッド側を簡略化して示している。
レーザ切断装置１は、従来のものと同様に、加工ヘッド２がヘッド側ステージ３に固定され、その下には不図示のワーク用テーブルが設けられ、ワークＷがワーク用テーブルの取付枠に周縁部が保持され、加工可能な状態にセットされる。ワークＷは、ワーク用テーブルによってＸＹ平面上を移動し、一方で加工ヘッド２が、ヘッド側ステージ３によってＸＹ平面と平行なＵＶ平面上を移動するよう構成されている。

極薄金属板のワークＷを切断する加工ヘッド２には、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。ヘッド側ステージ３によって移動が可能な加工ヘッド２に対し、光ファイバ５によってレーザ光Ｌを確実に送ることができ、かつヘッド側ステージ３への荷重をかけずに軽量化させるようにしている。ヘッド側ステージ３が加工ヘッド２を高速で移動させるため、なるべく移動部分を軽量化させて制御による位置精度を高め、また装置への負荷を減らすようにするためである。一方、ワークＷの下側は、加工時のアシストガスによってワークＷが撓まないように、加工ヘッド２の直下に加工台４が配置されている。

次に、図２は、加工ヘッド２の断面図である。加工ヘッド２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て図示するように平行光として進入する。加工ヘッド２の筒内の途中にはレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１１が筒状のレンズホルダ１２によって保持されている。集光レンズ１１は、このレンズホルダ１２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Ｗへの焦点位置が調整される。また、加工ヘッド２の下部には、レーザ光Ｌが集光する部分にノズル１３が設けられている。ノズル１３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Ｗに照射されるよう構成されている。

本実施形態では、集光レンズ１１をレーザ光Ｌの光軸Ｏに対して直交方向に移動させ、その焦点位置を制御するよう構成されている。集光レンズ１１を移動させるレンズ可動手段には、加工ヘッド２内にピエゾ素子１５が設けられている。ピエゾ素子１５は、円筒形状であって上方が固定ブロック２１のフランジ部２１ａにネジ止めされ、上方を固定側とし、下方が可動側となって動きを生じるよう構成されている。集光レンズ１１を保持したレンズホルダ１２は、そうしたピエゾ素子１５の可動側に固定されている。そして、ピエゾ素子１５には電極が設けられており、電圧を印加することによって可動側に固定された集光レンズ１１に所定の動作を与えるようになっている。

加工ヘッド２には、ワークＷ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継手１４が固定され、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、このガス継手１４から供給されたアシストガスは、ノズル１３へのガス流路１６を通って流れ、そのノズル１３形状によってワークＷの切断部位に集中的に流れ込むようになっている。

加工ヘッド２は、固定ブロック２１のフランジ部２１ａに、ピエゾ素子１５を覆うように筒体２２が固定され、その筒体２２に対してガス流路１６を構成する流路部材２３が固定されている。流路部材２３は、レンズホルダ１２の形状に沿って構成され、中心に円筒部があり、更に外側へと広がったフランジ部にガス流路１６が形成されている。そして、流路部材２３の中心の円筒部にはレンズカバー２４が保持され、集光レンズ１１側へアシストガスが流れ込まないようになっている。また、加工ヘッド２には、流路部材２３に円筒形状の下部ブロック２５などが固定され、ガス流路１６を構成している。

加工ヘッド２の下端には、ノズル１３を内部に保持した上部ホルダ２６が設けられている。上部ホルダ２６は、レーザ光Ｌが照射されるワーク切断部を上方から押さえるものであり、円筒形状をした内部にノズル１３を配置し、ワークＷと摺接する下面側には、そのワークＷが摺動し易く且つ傷が付かないようにするための滑り材２７が装着されている。一方、ワークＷの下に配置された加工台４は、加工ヘッド２側から送られたアシストガスを吸引するため、中心孔を有するように筒状に形成されている。上部ホルダ２６と対向するように下部ホルダが設けられ、レーザ光Ｌが照射されるワーク切断部を下方から押さえるよう構成されている。

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Ｗ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。加工台４は上下動が可能であり、ＸＹテーブルへのワークＷの取り付け後に上昇して位置決めが行われる。こうしたセッティングによってワークＷが上下のホルダによって挟み込まれる。

加工ヘッド２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１１によって集光したレーザ光Ｌがノズル１３の開口部を通ってワークＷに照射される。ワークＷ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、継手１４から加工ヘッド２内にアシストガスが高圧力で噴射され、ガス流路１６を通ってレンズカバー２４の下部空間へ流れ、ノズル１３によって絞られてワークＷの切断部位に集中的に吹き付けられる。

また、ワークＷ下の加工台４では、下部ホルダを貫通した吸引孔が不図示の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Ｗの切断部を通って加工台の吸引孔内に流れ込み、ワークＷ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。

こうしたレーザ切断装置１では、固定された状態の加工ヘッド２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Ｗ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こうしてＸＹテーブルが操作され、より狭い範囲の切断加工には、ヘッド側ステージ３によって加工ヘッド２をワークＷに対して平行移動させる。更に、本実施形態では、より微小な孔あけなどには、ワークＷと加工ヘッド２をともに不動のままレーザ光Ｌの焦点位置を変化させることによって加工を行う。

それには、ヘッド側ステージ３によってＵＶ平面上で加工ヘッド２を移動させて位置決めした後、ピエゾ素子１５の電極に電圧を印加して所定動作を与えて加工制御を行う。これにより、レンズホルダ１２に保持された集光レンズ１１を光軸Ｏに対して直交方向に移動させ、図３に示すように、ノズル１３先端の開口部３０内でレーザ光Ｌの焦点３１を移動させ、略四角形の微小孔３２などを形成する。

集光レンズ１１によって集光されたレーザ光Ｌは、ノズル１３先端の開口部３０の大きさである直径６００μｍの円の範囲内に、焦点３１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、ピエゾ素子１５によって集光レンズ１１の位置を微小量移動させることにより、ワークＷに対して照射するレーザ光Ｌの焦点３１の位置を移動させて溶融し、ノズル１３先端の開口部３０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３によってワークＷに沿ったＵＶ平面上で加工ヘッド２を移動させて位置決めし、同様にピエゾ素子１５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１によれば、加工ヘッド２内のピエゾ素子１５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１１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２自身を移動させるのに比べてピエゾ素子１５による集光レンズ１１の高速高精度の移動が可能であり、しかも加工ヘッド２とワークＷ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。

一方、より大きな範囲のレーザ切断加工には、ＸＹテーブルを停止させ、固定したワークＷに対して加工ヘッド２をＵＶ平面上に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２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２の自由な移動に対応することが容易である。また、光ファイバ５や微小加工を行うためにピエゾ素子１５などの構成としたため、加工ヘッド２を軽量化することができ、加工ヘッド２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、前記実施形態では集光レンズを移動させるためにピエゾ素子を使用したが、ボイスコイルを使用して微小加工を行うようにしてもよい。
また、前記実施形態では、ノズル１３先端の開口部３０内においてレーザ光Ｌの焦点３１を移動させたが、図４に示す従来例のように、ノズルのないチップシール部材１１０の場合、その開口部内においてレーザ光Ｌの焦点３１を移動させるようにしたものであってもよい。
また、前記実施形態では集光レンズ１２をレンズホルダ１２に保持させて光軸方向の位置調整をしているが、その位置は加工ヘッド２の構造によって様々に変更可能である。

１ レーザ切断装置
２ 加工ヘッド
３ ヘッド側ステージ
４ 加工台
５ 光ファイバ
１１ 集光レンズ
１２ レンズホルダ
１３ ノズル
１５ ピエゾ素子
３０ 開口部
Ｌ レーザ光
Ｏ 光軸
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 金属板などのワークを挟んで上方に加工ヘッドが、下方には加工台が配置され、集光レンズを備えた加工ヘッドの開口部からレーザ光を前記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、保持した前記集光レンズを移動させるレンズ可動手段を有し、当該加工ヘッドを移動させることなく前記レンズ可動手段を駆動させることにより、前記レーザ光の焦点を前記加工ヘッドの開口部の範囲内で移動させて前記ワークに対し加工を行う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に記載するレーザ切断装置において、
   前記加工ヘッドは、ワークに対するレーザ光の照射部分にアシストガスを噴射するノズルを備え、前記レンズ可動手段は、当該ノズル先端の開口部の範囲内でレーザ光の焦点を移動させ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。
3. 請求項１又は請求項２に記載するレーザ切断装置において、
   前記レンズ可動手段は、ピエゾ素子又はボイスコイルによってレンズを変位させ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。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載するレーザ切断装置において、
   前記集光レンズは、光軸方向の位置決めを行うホルダによって保持され、そのホルダと一体となって変位が与え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。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載するレーザ切断装置において、
   前記加工ヘッドは、ワーク平面に沿って移動可能な駆動手段を有し、レーザ発振器からのレーザ光が光ファイバを介して送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。

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