JP2013176800A

JP2013176800A - 加工装置及び加工方法

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Publication number: JP2013176800A
Application number: JP2012043332A
Authority: JP
Inventors: Noriko Yamazaki; 紀子山▲崎▼; Toshiya Watanabe; 俊哉渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】より簡単な構成で、かつ高い精度で加工を行うことが可能であること。
【解決手段】第１レーザを出力する第１レーザ出力装置と、第２レーザを短パルスで出力する第２レーザ出力装置と、第１コア層とクラッド層と第２コア層とが同心円上に配置された光ファイバと、第１レーザを第１コア層に入射させ、第２レーザを第２コア層に入射させる案内光学系と、光ファイバから出力された第１レーザと第２レーザとを分岐させ、第１レーザを被加工部材に照射させ、かつ、第１レーザが照射された領域に第２レーザを照射させる照射機構と、照射機構と被加工部材とを相対的に移動させる相対移動機構と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行う加工装置及び加工方法に関する。

被加工部材に対して切断や穴あけ等の加工を行う加工装置として、レーザを用いる加工装置がある（特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１及び特許文献２に記載の加工装置は、被加工部材にレーザを照射することで、被加工部材に対して切断や穴あけを行う。また、特許文献１には、第１の波長を有するレーザと、第２の波長を有するレーザの２つのレーザを用いて加工を行う加工装置が記載されている。特許文献１には、第１のパルス幅のレーザと、第２のパルス幅のレーザの２つのレーザを用いて加工を行う加工装置が記載されている。特許文献２には、高出力連続発振固体レーザを用いて第１の除去加工を行い、超短パルス固体レーザを１秒間に複数回照射して第２の除去加工を行う加工装置が記載されている。

また、本出願人が出願人の特許文献３には、ＣＯ_２レーザ発振器及びエキシマレーザ発振器を備え、ＣＯ_２レーザビームとエキシマレーザビームを２つのレーザとして用い、ＣＯ_２レーザのレーザビームを照射することによりプラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断又は穴あけを行った後、引き続いてエキシマレーザのレーザビームをその切断面及びその近傍に照射して切断面に生起した炭化層或いは熱影響層を除去するレーザによる切断を行う加工装置が記載されている。特許文献３に記載の加工装置は、エキシマレーザビームをその横断面がリング状のレーザビームとし、該レーザビームの中空部にＣＯ_２レーザビームを挿通して、両レーザビームの光軸を同一にした後、両レーザビームを同一の伝送経路で伝送し、プラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断又は穴あけ加工部の近傍まで導き、該近傍にて再び両レーザビームを分離することが記載されている。

特表２０１０−５２８８６５号公報特許第４７３４４３７号公報特許第２８３１２１５号公報

特許文献１から３に記載の加工装置のように、２つのレーザを用いることで被加工部材を適切に加工することができる。しかしながら、特許文献１から３に記載の加工装置を用いて加工を行っても、加工精度が不十分な場合がある。また、特許文献１から３に記載の加工装置は、装置が複雑になる場合もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より簡単な構成で、かつ高い精度で加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工する加工装置であって、第１レーザを出力する第１レーザ出力装置と、第２レーザを短パルスで出力する第２レーザ出力装置と、第１コア層と前記第１コア層の外周側に配置されたクラッド層と、前記クラッド層の外周側に配置された第２コア層とが同心円上に配置された光ファイバと、前記第１レーザを前記第１コア層に入射させ、前記第２レーザを前記第２コア層に入射させる案内光学系と、前記光ファイバから出力された前記第１レーザと前記第２レーザとを分岐させ、前記第１レーザを前記被加工部材に照射させ、かつ、前記第１レーザが照射された領域に前記第２レーザを照射させる照射機構と、前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる相対移動機構と、を有することを特徴とする。

また、前記照射機構は、前記光ファイバからリング形状で出力された前記第２レーザをリング形状で前記被加工部材に照射させることが好ましい。

また、前記照射機構は、前記相対移動機構で前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる方向に直交する面において、前記第２レーザの照射方向を、前記第１レーザの照射方向に対して傾斜させることが好ましい。

また、前記照射機構は、前記相対移動機構で前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる方向に直交する面において、前記第２レーザの照射方向を、前記第１レーザの照射方向に対して直交する方向とすることが好ましい。

また、前記照射機構は、前記第１レーザの照射方向に平行な方向において、前記第２レーザの前記被加工部材における照射領域が、前記第１レーザで切断された前記被加工部材の断面の全面を含むことが好ましい。

また、前記照射機構は、前記第２レーザの前記被加工部材における照射領域を、前記第１レーザの照射方向に平行な方向に走査させることが好ましい。

また、前記第１レーザ出力装置は、ファイバレーザ出力装置であることが好ましい。

また、前記第２レーザ出力装置は、前記第２レーザの周波数を１ｋＨｚ以上１０００ＭＨｚのパルスで出力することが好ましい。

また、前記第２レーザ出力装置は、前記第２レーザのパルス幅を１０００ピコ秒よりも短い時間で出力することが好ましい。

また、前記相対移動機構は、前記照射機構を移動させることが好ましい。

また、前記相対移動機構は、前記被加工部材を移動させることが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工する加工方法であって、第１レーザと、短パルスの第２レーザとを出力するステップと、第１コア層と前記第１コア層の外周側に配置されたクラッド層と、前記クラッド層の外周側に配置された第２コア層とが同心円上に配置された光ファイバに対して、前記第１レーザを前記第１コア層に入射させ、前記第２レーザを前記第２コア層に入射させるステップと、入射された前記第１レーザ及び前記第２レーザを前記光ファイバから出力させるステップと、前記光ファイバから出力された前記第１レーザと前記第２レーザとを分岐させ、前記第１レーザを前記被加工部材に照射させ、かつ、前記第１レーザが照射された領域に前記第２レーザを照射させるステップと、前記第１レーザ及び前記第２レーザの照射位置と前記被加工部材とを相対的に移動させるステップと、を有することを特徴とする。

本発明は、より簡単な構成で、かつ高い精度で加工を行うことが可能であるという効果を奏する。

図１は、加工装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、光ファイバの概略構成を示す断面図である。図３は、光ファイバが案内するレーザの出力分布を説明するための説明図である。図４は、加工装置の動作を説明するための説明図である。図５は、加工装置の動作を説明するための説明図である。図６は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図７は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図８は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図９は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図１０は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図１１は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。

以下に、本発明にかかる加工装置および加工方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、板状の被加工部材を加工する場合として説明するが、被加工部材の形状は特に限定されない。被加工部材の形状は、種々の形状とすることができる。また、本実施形態では、被加工部材を直線状に切断する場合として説明するが、被加工部材上における加工位置、つまりレーザの照射位置を調整することで、直線以外の形状、例えば、屈曲点を有する形状、湾曲した形状とすることもできる。また、本実施形態では、被加工部材を移動させることで、レーザと被加工部材とを相対的に移動させたが、レーザを移動させるようにしてもよく、レーザと被加工部材の両方を移動させてもよい。

［第１実施形態］
図１は、加工装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、光ファイバの概略構成を示す断面図である。図３は、光ファイバが案内するレーザの出力分布を説明するための説明図である。図４は、加工装置の動作を説明するための説明図である。図５は、加工装置の動作を説明するための説明図である。加工装置１０は、図１に示すように、ファイバレーザ出力装置（第１レーザ出力装置）１２と、短パルスレーザ出力装置（第２レーザ出力装置）１４と、レーザ案内光学系１６と、光ファイバ１８と、照射機構２０と、移動機構２２と、を有する。加工装置１０は、移動機構２２に設置された被加工部材８にレーザを照射することで、被加工部材８を加工する。ここで、本件において、加工装置１０は、被加工部材８の表面をＸＹ平面とし、被加工部材８の表面に直交する方向をＺ方向とする。なお、加工装置１０は、加工位置の走査方向（被加工部材８とレーザとの相対的な移動方向）をＸ方向とする。

ここで、本実施形態の被加工部材８は、板状の部材である。被加工部材８としては、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）を用いる場合として説明する。なお、被加工部材８としては、ＣＦＲＰに限定されず、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）等の繊維強化プラスチック、アルミ合金、鉄合金等の各種金属、その他複合材料等を対象とすることができる。

ファイバレーザ出力装置（第１レーザ出力装置）１２は、光ファイバを媒質に用いてレーザを出力する装置である。ファイバレーザ出力装置１２は、第１レーザＬ１を出力する。ファイバレーザ出力装置１２は、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができる。また、ファイバレーザ出力装置１２は、連続波発振（Continuous Wave Operation）とパルス発振（Plused Operation）のいずれの方式を用いるレーザ出力装置でもよい。ファイバレーザ出力装置１２のファイバには、例えば希土類元素（Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ）を添加したシリカガラスを使用することができる。

短パルスレーザ出力装置（第２レーザ出力装置）１４は、短パルスのレーザを出力する装置である。短パルスレーザ出力装置１４は、第２レーザＬ２を短パルスで出力する。ここで、短パルスとは、パルス幅が１０００ピコ秒以下のパルスである。短パルスレーザ出力装置１４は、レーザの発生源として、例えばチタンサファイアレーザを用いることができる。

レーザ案内光学系１６は、ファイバレーザ出力装置１２から出力された第１レーザＬ１と、短パルスレーザ出力装置１４から出力された第２レーザＬ２と、を光ファイバ１８に案内する光学系である。レーザ案内光学系１６は、光ファイバ３０と、光ファイバ３２と、アキシコンレンズユニット３４と、反射部材３６と、ハーフミラー３８と、を有する。レーザ案内光学系１６は、光ファイバ３０で第１レーザＬ１を案内し、光ファイバ３２とアキシコンレンズユニット３４と反射部材３６とハーフミラー３８とで第２レーザＬ２を案内する。また、レーザ案内光学系１６は、短パルスレーザ出力装置１４から出力された第２レーザＬ２の形状を案内する光学系で変形し、中空のリング形状とする。

光ファイバ３０は、一方の端部がファイバレーザ出力装置１２に接続され、他方の端部が光ファイバ１８の入射端と対面している。光ファイバ３０は、ファイバレーザ出力装置１２から出力された第１レーザＬ１を光ファイバ１８の入射端に向かって出力する。なお、光ファイバ３０と光ファイバ１８との間にはハーフミラー３８が配置されている。なお、光ファイバ３０は、ファイバレーザ出力装置１２の光ファイバの一部としてもよい。

光ファイバ３２は、一方の端部が短パルスレーザ出力装置１４に接続され、他方の端部がアキシコンレンズユニット３４の入射端と対面している。光ファイバ３２は、短パルスレーザ出力装置１４から出力された第２レーザＬ２をアキシコンレンズユニット３４の入射端に向かって出力する。なお、光ファイバ３２は、必ずしも設けなくてもよい。

アキシコンレンズユニット３４は、光ファイバ３２と反射部材３６との間に配置されている。アキシコンレンズユニット３４は、２枚のアキシコンレンズの円錐部分を対向する向きで配置したレンズであり、入射された光（光束）の円形状をリング形状（円環形状、円筒形状）、つまり光束の中心に穴が空いた形状とする光学部材である。アキシコンレンズユニット３４は、入射した円形状の第２レーザＬ２を、リング形状の第２レーザＬ２ａとして出力する。

反射部材３６は、アキシコンレンズユニット３４から出力された第２レーザＬ２ａを、ハーフミラー３８に向けて反射させる。ハーフミラー３８は、第１レーザＬ１を透過し、第２レーザＬ２ａを反射させる光学部材である。ハーフミラー３８は、上述したように第１レーザＬ１の光路上に配置されている。ハーフミラー３８は、反射部材３６で反射された第２レーザＬ２ａを光ファイバ１８に向けて反射させる。ここで、反射された第２レーザＬ２ａは、第１レーザＬ１と平行な方向に進む光となる。また、第１レーザＬ１は、第２レーザＬ２ａのリング形状の中空部分（穴の部分）を進む光となる。

レーザ案内光学系１６は、以上のような構成であり、第２レーザＬ２をリング形状の第２レーザＬ２ａとし、さらに、第１レーザＬ１が第２レーザＬ２ａの中空部分を通るように、２つのレーザの位置及び向きを調整して、光ファイバ１８に入射させる。

光ファイバ１８は、第１レーザＬ１と第２レーザＬ２ａとを照射機構２０に案内する導光部材（導波部材）である。光ファイバ１８は、第１レーザＬ１と第２レーザＬ２ａとを別々に案内するいわゆるスイッチコアファイバである。光ファイバ１８は、図２に示すように、断面形状が、第１コア層６０と、クラッド層６２と、第２コア層６４と、クラッド層６６と、で構成されている。第１コア層６０と、クラッド層６２と、第２コア層６４と、クラッド層６６と、は、同心円上に、径方向内側から外側に向かって、この順に配置されている。つまり光ファイバ１８は、第１コア層６０と第２コア層６４との間にクラッド層６２が配置され、第２コア層６４の外側がクラッド層６６に覆われている。このように、第１コア層６０は、外周にクラッド層６２が配置され、断面が中実の円形状となる。第２コア層６４は、内周にクラッド層６２が配置され、外周にクラッド層６６が配置され、断面がリング形状となる。第１コア層６０と第２コア層６４とは、光を透過する工学部材で形成されている。クラッド層６２は、表面の両面（内周面及び外周面）が光を反射する部材で形成されている。クラッド層６６は、内周面が光を反射する部材で形成されている。

光ファイバ１８は、第１コア層６０に入射された光と、第２コア層６４に入射された光と、をクラッド層６２、６６で反射させつつ案内することで、２つの光を別々に案内することができる。光ファイバ１８は、断面の中心側に配置された第１コア層６０に第１レーザＬ１が入射され、断面の外径側に配置された第２コア層６４に第１レーザＬ１の外周を囲う位置で案内されるリング形状の第２レーザＬ２ａが入射される。これにより、光ファイバ１８が案内する光の強度分布は、図３に示す分布となる。光ファイバ１８は、第１コア層６０で、中心に向かうほど出力が大きくなる第１レーザＬ１を案内する。また、光ファイバ１８は、第２コア層６４で、リング状の出力分布となる第２レーザＬ２ａを案内する。以上より、光ファイバ１８は、第１コア層６０の一方の端部（ハーフミラー３８と向かい合う面）から入射された第１レーザＬ１を他方の端部（照射機構２０と向かい合う面）から出力させる。光ファイバ１８は、第２コア層６４の一方の端部（ハーフミラー３８と向かい合う面）から入射されたリング形状の第２レーザＬ２ａを他方の端部（照射機構２０と向かい合う面）からリング形状で出力させる。

照射機構２０は、光ファイバ１８から出力される第１レーザＬ１及び第２レーザＬ２ａを分離し、第１レーザＬ１を照射位置５０に照射させ、第２レーザＬ２ａを照射位置５２に照射させる機構である。照射機構２０は、ハーフミラー４０と、反射部材４２と、集光レンズ４４、４６と、を有する。

ハーフミラー４０は、第１レーザＬ１を透過し、第２レーザＬ２ａを反射させる光学部材である。ハーフミラー４０は、光ファイバ１８の出射面と対面する位置に配置されている。ハーフミラー４０は、光ファイバ１８から出力された第１レーザＬ１を透過させ、光ファイバ１８から出力された第２レーザＬ２ａを反射部材４２に向けて反射させる。反射部材４２は、ハーフミラー３８で反射された第２レーザＬ２ａを、照射位置５２に向けて反射させる。

集光レンズ４４は、ハーフミラー４０と照射位置５０との間に配置され、ハーフミラー４０を通過した第１レーザＬ１を集光させる。これにより、照射位置５０には、集光レンズ４４で集光された第１レーザＬ１が到達する。集光レンズ４６は、反射部材４２と照射位置５２との間に配置され、反射部材４２で反射された第２レーザＬ２ａを集光させる。これにより、照射位置５２には、集光レンズ４６で集光された第２レーザＬ２ａが到達する。

移動機構２２は、被加工部材８を支持しており、照射機構２０に対して被加工部材８を所定方向、本実施形態では矢印α方向に移動させる。なお、移動機構２２は、被加工部材８を、矢印α方向以外の方向、つまり、ＸＹＺの３軸のそれぞれの方向に移動させることができる。

加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置１２から第１レーザＬ１を出力させ、短パルスレーザ出力装置１４から第２レーザＬ２を出力させる。加工装置１０は、出力された第１レーザＬ１と第２レーザＬ２をレーザ案内光学系１６で光ファイバ１８に案内する。レーザ案内光学系１６は、第２レーザＬ２を案内しつつ、リング形状の第２レーザＬ２ａとする。加工装置１０は、レーザ案内光学系１６で案内した第１レーザＬ１を光ファイバ１８の第１コア層６０に入射させ、第２レーザＬ２ａを第２コア層６４に入射させる。加工装置１０は、光ファイバ１８で案内され、出射された第１レーザＬ１及び第２レーザＬ２ａを照射機構２０でそれぞれに分離し、第１レーザＬ１を照射位置５０に照射させ、第２レーザＬ２ａを照射位置５２に照射させる。また、加工装置１０は、照射位置５０、５２にレーザが照射されている間、移動機構２２で被加工部材８を矢印α方向に移動させる。

これにより、加工装置１０は、図４及び図５に示すように、第１レーザＬ１を照射位置５０に照射させ、第２レーザＬ２ａを照射位置５２に照射させることで、照射位置５０、５２にある被加工部材８を加工することができる。また、加工装置１０は、移動機構２２により被加工部材８を移動させることで、被加工部材８上における照射位置５０と照射位置５２が矢印α方向に移動される。これにより、加工装置１０は、被加工部材８の任意の部分が照射位置５０を通過し、第１レーザＬ１で加工された加工領域５４となる。また、加工装置１０は、被加工部材８の加工領域５４となった部分が照射位置５２を通過し、第２レーザＬ２ａで加工された加工領域５６となる。つまり、加工装置１０は、被加工部材８の加工対象の部分に第１レーザＬ１を照射して加工（粗加工）した後、第２レーザＬ２ａを照射して加工（仕上げ加工）する。これにより、加工装置１０は、被加工部材８の加工対象の領域を切断したり、穴あけしたりする。

加工装置１０は、以上のように、ファイバレーザで出力される第１レーザＬ１で被加工部材８を粗加工し、第１レーザＬ１よりも出力が低い短パルスの第２レーザＬ２ａで仕上げ加工を行うことで、被加工部材８の加工精度を高くすることができる。具体的には、第１レーザＬ１で加工することで、被加工部材８を短時間で加工（切断、穴あけ）することができ、その後、第２レーザＬ２ａで加工することで、加工端面の熱影響を除去、低減することができる。

また加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置１２と短パルスレーザ出力装置１４とを用いて、上記加工を行うことでアシストガスを使用しなくても、また少ないアシストガスで好適に被加工部材８を加工することができる。なお、加工装置１０は、アシストガスを使用しなくても好適に被加工部材８を加工することができるが、窒素、酸素等のアシストガスを用いても同様に加工を行うことができる。加工装置１０は、被加工部材の材料等によっては、窒素、酸素等のアシストガスを用いることで、加工速度をより速くすることが出来る場合もある。このように加工装置１０は、レーザの照射位置にアシストガスを供給するアシストガス供給手段をさらに設けていてもよい。

加工装置１０は、短パルスの第２レーザＬ２ａの形状をリング形状とすることで、より好適に被加工部材を加工することができ、仕上げ加工の精度をより向上させることができる。

また、加工装置１０は、２つのコア層が同心円上に配置された１本の光ファイバ１８を用いて、第１レーザＬ１と第２レーザＬ２ａを案内することで、２つのレーザを案内する機構を簡単にすることができる。これにより、装置構成を簡単にすることができる。具体的には、光ファイバ１８を用いることで、レーザの光路を直線以外とすることが可能となる。これにより、ファイバレーザ出力装置１２及び短パルスレーザ出力装置１４のレーザの出力位置から照射機構２０へのレーザの入射位置までの光路の自由度を向上させることができる。また、１本の光ファイバ１８で出力位置のレーザの向きに対する入射位置のレーザの向きを変えることができる。つまり、ミラー等を用いなくても、レーザの向きや位置を変更することができる。これにより、簡単な装置構成で、所望の位置にレーザを案内することができる。つまり、装置構成を簡単にすることができ、かつ取り扱いを簡単にすることができる。また、装置内に設けるレーザが通過する直線の部分を低減することができる。また、加工装置１０は、光ファイバ１８を用いることで、一方のレーザが他方のレーザに干渉することを抑制しつつ、２つのレーザを同軸で案内することができる。これにより、光路の断面において、第２レーザＬ２ａが第１レーザＬ１の外周を囲う配置で、２つのレーザを案内した場合でも、２つのレーザを好適に案内することができる。

さらに、加工装置１０は、光ファイバ１８を用いることで、第１レーザ及び第２レーザを案内する光学系のずれを生じにくくすることができる。具体的には、光ファイバの内部を案内することで、レンズ等の光学系よりの相対位置のずれを生じにくくすることができ、振動やオペレータの干渉によって光軸がずれることを抑制することができる。また、加工装置１０は、光ファイバ１８を用いることで、安全性を高くすることができる。具体的には、被加工部材８を加工するレーザを光ファイバ１８の中に通すことで、レーザが露出している領域を減らすことができる。これにより、レーザが予期せぬ部分に照射されることを抑制でき、安全性を高くすることができる。また、加工装置１０は、光ファイバ１８を用いることで、メンテナンスを行いやすくすることができる。また、加工装置１０は、光ファイバ１８を用いることで、レーザを案内する光学系の交換を安価に行うことができ、メンテナンスコストを低減することができる。

また、加工装置１０は、第２レーザＬ２ａをより外周側の第２コア層６４で案内することで、リング状の第２レーザＬ２ａをリング状のまま、案内することができる。これにより、リング状の第２レーザＬ２ａを照射位置５２に照射することができ、被加工部材８の仕上げ加工を好適に行うことができ、加工精度を向上させることができる。

なお、加工装置１０は、ハーフミラー３８、４０に代えて第１レーザＬ１が到達する部分が透明または空洞で、第２レーザＬ２ａが到達する部分に反射部材が配置されたリング型の反射部材を設けてもよい。このように、反射部材を選択的に設けた構成とすることでも、２つのレーザの光路を同心円上にしたり、同心円上の２つのレーザを分離したりすることができる。

短パルスレーザ出力装置１４は、周波数が１ｋＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下のパルスでレーザを出力することが好ましい。加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力させるレーザのパルスの周波数を１ｋＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下とすることで、第２レーザＬ２ａによる仕上げ加工の精度をより向上させることができ、かつ、加工速度を早くすることができる。

短パルスレーザ出力装置１４は、パルス幅を１０００ピコ秒よりも短い時間で出力することが好ましい。加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力させるレーザのパルスのパルス幅を１０００ピコ秒より短い時間とすることで、第２レーザＬ２ａによる仕上げ加工の精度をより向上させることができる。また、短パルスレーザ出力装置１４は、パルス幅を５００ピコ秒よりも短い時間で出力することがさらに好ましい。加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力させるレーザのパルスのパルス幅を５００ピコ秒より短い時間とすることで、第２レーザＬ２ａによる仕上げ加工の精度をより向上させることができる。また、短パルスレーザ出力装置１４は、パルス幅を１ピコ秒よりも短い時間で出力することがさらに好ましい。加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力させるレーザのパルスのパルス幅を１ピコ秒より短い時間とすることで、第２レーザＬ２ａによる仕上げ加工の精度をより向上させることができる。

ここで、加工装置１０は、パルス幅と周波数の両方が上記範囲を満たす条件で端パルスレーザ出力装置１４からレーザを出力させることが好ましい。これにより、加工装置１０は、加工速度と品質とを高いレベルで両立させることができる。なお、加工装置１０は、上記範囲でパルス幅を調整することで、品質を調整することができ、周波数を調整することで、品質及び加工性（加工速度）を調整することができる。

ここで、第１レーザの出力は、１０Ｗ以上１００００Ｗ以下とすることが好ましい。第１レーザの出力を上記範囲とすることで、短時間でかつ適切に被加工部材を粗加工することができる。第２レーザの出力は、１Ｗ以上５０Ｗ以下とすることが好ましい。第２レーザの出力を上記範囲とすることで、短時間でかつ適切に被加工部材を仕上げ加工することができ、熱影響を好適に低減または除去することができる。

ここで、加工装置１０は、第１レーザの出力を上記範囲で、加工品質を高く維持できる出力とすることが好ましい。これにより、加工装置１０は、第２レーザを照射して実行する仕上げ加工に対する負荷を軽減することができ、被加工部材の加工をより短時間で好適に実行することができる。また、加工装置１０は、上述したように、第２レーサを、パルス幅を１０００ピコ秒以下としつつ、１Ｗ以上５０Ｗ以下の出力とすることで、１パルスあたりのレーザのエネルギーを大きくすることができる。これにより、効率よく高い品質の加工を行うことができる。

また、加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置１２から出力させる第１レーザＬ１の出力、レーザの種類や、短パルスレーザ出力装置１４から出力させる第２レーザＬ２の出力、周波数、パルス幅等を調整可能とすることが好ましい。これにより、加工装置１０は、加工する被加工部材８の厚みや材質、加工時間、許容される加工精度等に対応した適切な第１レーザＬ１及び第２レーザＬ２を出力させることができる。これにより、加工装置１０は、より短時間かつより適切な精度で被加工部材を加工することができる。

加工装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図６から図１１を用いて、他の実施形態について説明する。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図７は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。図８は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。なお、第２実施形態の加工装置は、照射機構の構造、具体的には第２レーザの照射方向を除いて他の構成は、第１実施形態の加工装置１０と同様である。加工装置１０と同様の構成については説明を省略する。

図６から図８に示す加工装置は、被加工部材８の切断面に直交する向きから第２レーザＬ２ｂを照射している。つまり、加工装置は、矢印αに直交する面（ＺＹ平面）において、第２レーザＬ２ｂを、第１レーザＬ１の進行方向に直交する方向に進む光とする。

ここで、加工装置の照射機構は、光ファイバ１８から出力された第２レーザＬ２ａを第２レーザＬ２ｂの向きで進む光とする機構として種々の機構を用いることができる。加工装置の照射機構は、例えば、ハーフミラーで分離された第２レーザＬ２ａを複数の反射部材で反射させることで、第２レーザＬ２ｂの向きで進む光とすることができる。また、加工装置の照射機構は、ハーフミラーで分離された第２レーザＬ２ａが入射する位置に入射面が配置され、被加工部材８の切断面と向かい合う位置に出射面が配置された光ファイバを設けてもよい。この場合、光ファイバで第２レーザＬ２ａを案内し、出射面から出射させることで、第２レーザＬ２ｂの向きで進む光とすることができる。

図６から図８に示す加工装置は、案内部材７０を有する。案内部材７０は、被加工部材８の第１レーザＬ１が照射された後の部分（加工領域５４）の第２レーザＬ２ｂが照射される面とは反対側の面側を、所定方向に案内する機構である。本実施形態の案内部材７０は、被加工部材８の所定部分を鉛直方向下側に案内する板状の部材である。加工装置は、案内部材７０を設けることで第１レーザＬ１が照射されて切断された加工領域５４の一方の面と他方の面とをずらすことができ、加工領域５４の第２レーザＬ２ｂが照射される面を露出させる。

図６から図８に示す加工装置は、矢印αに直交する面において、第２レーザＬ２ｂを、第１レーザＬ１の進行方向に直交する方向に進む光とすることで、第１レーザＬ１で切断された面の仕上げ加工をより高精度に実行することができる。例えば、加工装置は、第１レーザＬ１の進行方向先端側（移動機構２２側）の面にも好適に第２レーザＬ２ｂを照射することができる。これにより、第１レーザＬ１と同じ方向からでは届きにくい位置に対しても、出力の弱い第２レーザＬ２ｂをより確実に到達させることができる。

図９は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。ここで、図６から８に示す加工装置は、矢印αに直交する面において、第２レーザＬ２ｂを、第１レーザＬ１の進行方向に直交する方向に進む光としたがこれに限定されない。加工装置は、図９に示すように、矢印αに直交する面において、第２レーザＬ２ｂの進行方向と第１レーザＬ１の進行方向とのなす角が０度よりも大きければよい。つまり、矢印αに直交する面において、第２レーザＬ２ｂの進行方向が、第１レーザＬ１の進行方向に対して傾斜していればよい。なお、第２レーザＬ２ｂは、矢印αに直交する面において、加工を行う対象の切断面に向けてレーザを照射できる方向に傾斜している。

このように、加工装置は、第２レーザＬ２ｂの進行方向を第１レーザＬ１の進行方向に対して傾斜させることで、切断面（第１レーザＬ１の進行方向に平行な面）の全面に第２レーザＬ２ｂを照射しやすくすることができる。これにより、第１レーザＬ１を照射して加工した面の熱影響をより好適に低減または除去することができる。また、第２レーザＬ２ｂの進行方向と第１レーザＬ１の進行方向とのなす角を９０度未満とすることで、第１レーザＬ１で加工され、切断（分断）された面のうち切断面を加工しない側の面が残っている場合でも、第２レーザＬ２ｂを対象の切断面に照射しやすくすることができる。これにより、例えば、上述した案内部材７０を設けなくても、対象の切断面に第２レーザＬ２ｂを照射することができ、かつ、切断面の全面に第２レーザを照射しやすくすることができる。

図１０は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。ここで、加工装置は、図１０に示すように、照射位置５２において、第２レーザＬ２ｃの照射領域のＺ方向長さが、被加工部材８の切断面のＺ方向の長さよりも長いことが好ましい。つまり、加工装置１０は、第２レーザＬ２ｃの照射領域が、被加工部材８の切断面の全面を通過するように、照射位置５２における第２レーザＬ２ｃの照射領域の大きさを制御することが好ましい。加工装置１０は、集光レンズの焦点距離や配置位置を調整することで、第２レーザＬ２ｃの照射領域の大きさを制御することができる。

図１１は、第２実施形態の加工装置の動作を説明するための説明図である。加工装置は、図１１に示すように、照射位置５２において、第２レーザＬ２ｄの照射領域をＺ方向（矢印８０の方向）に走査させることが好ましい。具体的には、第２レーザＬ２ｄと第２レーザＬ２ｄ´との間をＺ方向に移動させることが好ましい。加工装置は、図１１に示すように、第２レーザＬ２ｄの照射領域をＺ方向に走査させることでも、被加工部材８の切断面の全域に第２レーザＬ２ｄを照射することができる。

加工装置は、図１０に示す機構や、図１１に示す機構を用いて、切断面の全面に第２レーザを照射することで被加工部材８の切断面の熱影響をより好適に低減することができ、切断面の形状をより平坦にすることができ、加工精度をより向上させることができる。

また、上記実施形態の加工装置１０は、第２レーザＬ２をリング形状にする光学部材として、アキシコンレンズユニット３４を用いたがこれに限定されない。加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力された第２レーザＬ２を光ファイバ１８のリング形状の第２コア層６４に選択的に入射させることができればよい。例えば、加工装置１０は、短パルスレーザ出力装置１４から出力された第２レーザＬ２の光路に、第２レーザＬ２の中心部分の成分を吸収する吸収部材（黒い板）や、第２レーザＬ２の中心部分の成分を反射する反射部材を配置し、第２レーザＬ２の外径側の一部の領域のみ通過させて、第２レーザＬ２をリング形状としてもよい。

上記実施形態の加工装置１０は、第１レーザと第２レーザを案内する光ファイバ１８の第１コア層を円形状としたが、リング形状としてもよい。つまり、光ファイバ１８は、第１コア層の中にもクラッド層を配置してもよい。

上記実施形態の加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置１２を用い、粗加工を行うレーザとして、つまり先に被加工部材８に照射されるレーザとしてファイバレーザを用いたがこれに限定されない。加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置１２以外のレーザ出力装置を用いてもよい。例えば、粗加工を行うレーザを出力するレーザ出力装置として、ＣＯ２レーザ出力装置を用いてもよい。

上記実施形態の加工装置１０は、粗加工を行う第１レーザと仕上げ加工を行う第２レーザの２種類のレーザを順番に被加工部材に照射することで、被加工部材を加工したが、これに限定されない。加工装置１０は、粗加工を行うレーザ、つまり仕上げ加工を行う前のレーザを複数種類、つまり粗加工を行うレーザの照射位置を複数位置としてもよい。加工装置１０は、例えば、粗加工用のレーザをＣＦＲＰの被加工部材８の樹脂切断用と、繊維切断用の２つに分けてもよい。この場合、樹脂切断用のレーザは、焦点が合っていない状態で被加工部材８に照射させる。これにより、一定の範囲の樹脂を切断することができる。また、繊維切断用のレーザは、焦点が合っている状態で被加工部材８に照射させる。これにより、繊維を好適に切断することができる。また、加工装置１０は、仕上げ加工を複数のレーザで行うように、つまり仕上げ加工を行うレーザの照射位置を複数位置としてもよい。

加工装置１０は、３つ以上の複数の照射位置にレーザを照射する場合、１つのレーザ出力装置から出力されたレーザを２つに分岐して、２つのレーザとしてもよい。この場合、レーザを波長で２つに分割してもよいし、単純にレーザの出力を２つに分けてもよい。なお、加工装置１０は、同一の波長のレーザを複数のレーザとして用いる場合、光ファイバ１８で同軸上に案内した当該複数のレーザを、各レーザの領域に対応した位置に配置した反射部材で反射して分離することが好ましい。これにより、同一の波長のレーザの場合でも、光ファイバを通過したコア層毎に分離することができる。また、光ファイバ１８は、レーザの本数に合わせてコア層を増やすことで、３つ以上のレーザを同軸上で別々に案内することができる。これにより、レーザを案内する機構を簡単にすることができ、装置を簡略化することができる。

上記実施形態の加工装置１０は、ＣＦＲＰの加工に用いることで、炭素繊維とプラスチックとの両方を好適に切断することができ、かつ、切断面の形状をより好適な形状とすることができる。これにより、加工精度を高くすることができる。加工装置１０は、上記効果を得ることができるため、被加工部材として、ＣＦＲＰを用いることが好ましいが、これに限定されない。加工装置１０は、被加工部材として上述した各種材料を用いることができる。なお、加工装置１０は、ＣＦＲＰと同様の効果を得ることができるため、熱影響（熱ダメージの影響）を低減、除去して、加工を行う必要がある各種材料に用いることが好ましい。

８被加工部材
１０加工装置
１２ファイバレーザ出力装置
１４短パルスレーザ出力装置
１６レーザ案内光学系
１８光ファイバ
２０照射機構
２２移動機構
３０光ファイバ
３２光ファイバ
３４アキシコンレンズユニット
３６、４２反射部材
３８、４０ハーフミラー
４４、４６集光レンズ
５０、５２照射位置
５４、５６加工領域
６０第１コア層
６２、６６クラッド層
６４第２コア層
７０案内部材
８０矢印
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ、Ｌ２ｄレーザ

Claims

被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工する加工装置であって、
第１レーザを出力する第１レーザ出力装置と、
第２レーザを短パルスで出力する第２レーザ出力装置と、
第１コア層と前記第１コア層の外周側に配置されたクラッド層と、前記クラッド層の外周側に配置された第２コア層とが同心円上に配置された光ファイバと、
前記第１レーザを前記第１コア層に入射させ、前記第２レーザを前記第２コア層に入射させる案内光学系と、
前記光ファイバから出力された前記第１レーザと前記第２レーザとを分岐させ、前記第１レーザを前記被加工部材に照射させ、かつ、前記第１レーザが照射された領域に前記第２レーザを照射させる照射機構と、
前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる相対移動機構と、を有することを特徴とする加工装置。
前記照射機構は、前記光ファイバからリング形状で出力された前記第２レーザをリング形状で前記被加工部材に照射させることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記照射機構は、前記相対移動機構で前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる方向に直交する面において、前記第２レーザの照射方向を、前記第１レーザの照射方向に対して傾斜させることを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
前記照射機構は、前記相対移動機構で前記照射機構と前記被加工部材とを相対的に移動させる方向に直交する面において、前記第２レーザの照射方向を、前記第１レーザの照射方向に対して直交する方向とすることを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
前記照射機構は、前記第１レーザの照射方向に平行な方向において、前記第２レーザの前記被加工部材における照射領域が、前記第１レーザで切断された前記被加工部材の断面の全面を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の加工装置。
前記照射機構は、前記第２レーザの前記被加工部材における照射領域を、前記第１レーザの照射方向に平行な方向に走査させることを特徴とする請求項３または４に記載の加工装置。
前記第１レーザ出力装置は、ファイバレーザ出力装置であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の加工装置。
前記第２レーザ出力装置は、前記第２レーザの周波数を１ｋＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下のパルスで出力することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の加工装置。
前記第２レーザ出力装置は、前記第２レーザのパルス幅を１０００ピコ秒よりも短い時間で出力することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の加工装置。
前記相対移動機構は、前記照射機構を移動させることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の加工装置。
前記相対移動機構は、前記被加工部材を移動させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の加工装置。
被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工する加工方法であって、
第１レーザと、短パルスの第２レーザとを出力するステップと、
第１コア層と前記第１コア層の外周側に配置されたクラッド層と、前記クラッド層の外周側に配置された第２コア層とが同心円上に配置された光ファイバに対して、前記第１レーザを前記第１コア層に入射させ、前記第２レーザを前記第２コア層に入射させるステップと、
入射された前記第１レーザ及び前記第２レーザを前記光ファイバから出力させるステップと、
前記光ファイバから出力された前記第１レーザと前記第２レーザとを分岐させ、前記第１レーザを前記被加工部材に照射させ、かつ、前記第１レーザが照射された領域に前記第２レーザを照射させるステップと、
前記第１レーザ及び前記第２レーザの照射位置と前記被加工部材とを相対的に移動させるステップと、を有することを特徴とする加工方法。