JP2015044224A - Laser processing device - Google Patents
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Abstract
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レーザ加工装置に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus that performs processing by irradiating a member to be processed with a laser.
例えば、特許文献1に記載のレーザ加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザを加工部に集光する集光光学系とを備え、集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光距離が互いに異なる位置に複数のレーザを集光することが示されている。すなわち、ファイバレーザによる光軸方向の集光位置がずれているために、実効的な焦点深度が長くなり、レーザによる加工可能範囲の増加を図る。 For example, a laser processing device described in Patent Document 1 includes a plurality of fiber laser oscillation devices, a laser oscillation control device that controls on / off of oscillation of the fiber laser oscillation device, and a laser emitted from each fiber laser oscillation device. And a condensing optical system for condensing light on the processing section, and condensing a plurality of lasers at positions where the condensing distances in the optical axis direction from the condensing optical system to the condensing position are different from each other. That is, since the condensing position in the optical axis direction by the fiber laser is deviated, the effective depth of focus becomes long, and the processable range by the laser is increased.
また、例えば、特許文献2に記載のレーザ加工装置は、レーザ源で発生させたレーザを所望の焦点距離に集光させる集光光学系であって、球面収差を発生させるように構成されることが示されている。すなわち、球面収差により、これが焦点深度に影響を与え、集光スポットのサイズを小さくしたままで、長い焦点深度を得る。 Further, for example, the laser processing apparatus described in Patent Document 2 is a condensing optical system that condenses a laser generated by a laser source at a desired focal length, and is configured to generate spherical aberration. It is shown. That is, due to spherical aberration, this affects the depth of focus, and a long depth of focus is obtained while the size of the focused spot remains small.
上述した特許文献1に記載のレーザ加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置を備える。また、特許文献2に記載のレーザ加工装置は、単一波長のレーザを球面収差により所望の焦点距離に集光させている。 The laser processing apparatus described in Patent Document 1 described above includes a plurality of fiber laser oscillation apparatuses. Further, the laser processing apparatus described in Patent Document 2 focuses a single wavelength laser at a desired focal length by spherical aberration.
ところで、半導体レーザのように複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ発振器を適用する場合、特許文献1のように光軸方向の集光距離が互いに異なる位置に複数のレーザを集光すれば、焦点深度が長くなり、レーザによる加工可能範囲の増加、例えば厚さのある部材の穴開け、切断、溶接を行うことが可能である。しかし、特許文献1では、図に示すように集光光学系に比較的屈曲率の低いクラウンガラスが用いられているため、焦点深度を長くする効果は小さい。特許文献2は、単一波長のレーザを球面収差により所望の焦点距離に集光させるもので、複数の波長帯のレーザを利用するものではない。 By the way, when applying a laser oscillator that oscillates a laser having a plurality of wavelength bands, such as a semiconductor laser, if a plurality of lasers are condensed at positions where the condensing distances in the optical axis direction are different from each other as in Patent Document 1. It is possible to increase the depth of focus and increase the workable range by laser, for example, drilling, cutting and welding a thick member. However, in Patent Document 1, as shown in the drawing, a crown glass having a relatively low bending rate is used in the condensing optical system, so that the effect of increasing the depth of focus is small. Patent Document 2 focuses a single wavelength laser on a desired focal length by spherical aberration, and does not use a plurality of wavelength band lasers.
本発明は上述した課題を解決するものであり、複数の波長帯を有するレーザを利用して焦点深度をより長くすることのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of increasing the depth of focus by using a laser having a plurality of wavelength bands.
上述の目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系と、前記平行光学系を経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a laser processing apparatus of the present invention includes a parallel optical system that uses a laser having a plurality of wavelength bands as parallel light, and a crown glass that condenses the laser that has passed through the parallel optical system. And a condensing optical system having a condensing glass having a high refractive index.
このレーザ加工装置によれば、各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度をクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成でき、被加工部材に対する加工面の品質を向上することができる。 According to this laser processing apparatus, it is possible to form the actual focal depth including the focal depth of the laser of each wavelength band longer in the optical axis direction than in the case of crown glass, and to improve the quality of the processed surface with respect to the workpiece. it can.
また、本発明のレーザ加工装置では、前記集光ガラスにフリントガラスを適用することを特徴とする。 Moreover, in the laser processing apparatus of this invention, flint glass is applied to the said condensing glass, It is characterized by the above-mentioned.
このレーザ加工装置によれば、フリントガラスは、クラウンガラスよりも屈曲率の高い集光ガラスであり、上述したように各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度をクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成できるもので、被加工部材に対する加工面の品質を向上する効果を実現することができる。 According to this laser processing apparatus, flint glass is a condensing glass having a higher bending rate than crown glass, and as described above, the actual focal depth including the focal depth of the laser in each wavelength band is greater than that of crown glass. Can be formed long in the optical axis direction, and the effect of improving the quality of the processed surface with respect to the workpiece can be realized.
また、本発明のレーザ加工装置では、少なくとも前記集光光学系を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする。 In the laser processing apparatus of the present invention, a cooling mechanism for cooling at least the condensing optical system is provided.
このレーザ加工装置によれば、レーザの発熱に対して光学系の耐久性を向上することができる。 According to this laser processing apparatus, it is possible to improve the durability of the optical system against the heat generated by the laser.
また、本発明のレーザ加工装置では、各波長帯のレーザの焦点深度の各外側端の範囲内に実焦点深度を備えることを特徴とする。 In the laser processing apparatus of the present invention, the actual focal depth is provided within the range of each outer end of the focal depth of the laser in each wavelength band.
このレーザ加工装置によれば、複数の波長帯のレーザの焦点深度を実焦点深度としてより長くすることができる。 According to this laser processing apparatus, the focal depth of the laser of a plurality of wavelength bands can be made longer as the actual focal depth.
また、本発明のレーザ加工装置では、前記実焦点深度のビーム径の範囲を2(W×√2)以下としたことを特徴とする。 In the laser processing apparatus of the present invention, the range of the beam diameter of the actual depth of focus is 2 (W × √2) or less.
このレーザ加工装置によれば、実焦点深度をレーザ加工で品質を担保できる範囲とすることができる。 According to this laser processing apparatus, the actual depth of focus can be set within a range in which quality can be ensured by laser processing.
また、本発明のレーザ加工装置では、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、前記平行光学系および前記集光光学系を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、を備えることを特徴とする。 Further, in the laser processing apparatus of the present invention, a laser output device that oscillates a laser having a plurality of wavelength bands, an irradiation head that has the parallel optical system and the condensing optical system, and irradiates the laser of each wavelength band; A moving mechanism that relatively moves the support base that supports the workpiece and the irradiation head, a relative movement between the support base and the irradiation head by the moving mechanism, and various conditions of the laser output from the laser output device. And a control device for adjustment.
このレーザ加工装置によれば、移動機構による支持台と照射ヘッドとの相対移動およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整することで、各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度を光軸方向でより長く形成して、被加工部材に対する加工面の品質を向上しつつ、レーザによる被加工部材の加工を行うことができる。 According to this laser processing apparatus, by adjusting the relative movement between the support base and the irradiation head by the moving mechanism and various conditions of the laser output from the laser output apparatus, the actual focus including the focal depth of the laser in each wavelength band is added. By forming the depth longer in the optical axis direction and improving the quality of the processed surface with respect to the processed member, the processed member can be processed with a laser.
本発明によれば、複数の波長帯を有するレーザを利用して焦点深度をより長くすることができる。 According to the present invention, the depth of focus can be increased by using a laser having a plurality of wavelength bands.
以下に、本発明に係るレーザ加工装置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、被加工部材に穴を形成する場合、被加工部材を直線上に切断する場合、または被加工部材を溶接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、穴や直線以外の形状、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。 Hereinafter, an embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. For example, although this embodiment demonstrates as a case where a plate-shaped workpiece is processed, the shape of a workpiece is not specifically limited. The shape of the workpiece can be various shapes. Further, in the present embodiment, a case where a hole is formed in a workpiece, a case where the workpiece is cut on a straight line, or a case where the workpiece is welded will be described, but the machining position on the workpiece, that is, By adjusting the laser irradiation position, a shape other than a hole or a straight line, for example, a shape having a bending point or a curved shape can be obtained. In this embodiment, the laser beam and the workpiece are moved relatively by moving the workpiece. However, the laser may be moved, and both the laser and the workpiece are moved. You may let them.
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に表した概略構成図であり、図2は、本実施形態に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図であり、図3は、焦点深度を模式的に表した説明図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically illustrating a laser processing apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically illustrating an irradiation head of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the depth of focus.
レーザ加工装置10は、図1に示すように、レーザ出力装置12と、案内光学系14と、照射ヘッド16と、移動機構18と、支持台20と、制御装置22と、を有する。レーザ加工装置10は、支持台20に設置された被加工部材8にレーザLを照射することで、被加工部材8を加工する。ここで、本実施形態において、レーザ加工装置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。
As shown in FIG. 1, the
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、種々の材料、例えば、インコネル、ハステロイ、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラスなどで作成された部材を用いることができる。また、被加工部材8には、CFRP(炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics)、GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)、GMT(ガラス長繊維強化プラスチック)などの繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミニウム合金などの各種金属、その他複合材料などで作成された部材も用いることができる。また、溶接する際には、溶加材や粉末などを供給する機構を有してもよい。
Here, the
レーザ出力装置12は、レーザを出力する装置である。レーザ出力装置12は、複数(本実施形態では2つ)の波長帯を有するレーザを発振する。このレーザ出力装置12は、例えば、半導体レーザ発振器がある。
The
案内光学系14は、レーザ出力装置12から出力されたレーザを照射ヘッド16に案内する光学系である。本実施形態の案内光学系14は、光ファイバである。案内光学系14は、一方の端部がレーザ出力装置12のレーザの出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド16に接続されている。案内光学系14は、レーザ出力装置12から出力されたレーザを照射ヘッド16の入射端に向かって出力する。なお、案内光学系14の構成はこれに限定されない。レーザ加工装置10は、案内光学系14としてミラーやレンズの組み合わせを用い、レーザを反射、集光などすることで、照射ヘッド16に案内してもよい。または、レーザ出力装置12から照射ヘッド16に直接案内してもよい。
The guide
照射ヘッド16は、案内光学系14から出力されるレーザLを被加工部材8に照射する。照射ヘッド16の詳細は後述する。
The
移動機構18は、図1に示すように、アーム30と、アーム30を移動させる駆動源32と、を有する。アーム30は、先端で照射ヘッド16を支持している。駆動源32は、アーム30をXYZの3軸方向に移動させることができる。移動機構18は、駆動源32でアーム30をXYZ方向に移動させることで、被加工部材8の種々の位置に照射ヘッド16からのレーザLを照射することができる。また、移動機構18は、照射ヘッド16のXYZ方向の位置を検出する位置検出器34を有している。なお、本実施形態は、移動機構18として、アーム30と駆動源32で照射ヘッド16を移動させる機構としたが、XYステージ、XYZステージなどで照射ヘッド16を移動する機構も用いることができる。
As shown in FIG. 1, the moving
支持台20は、被加工部材8を所定位置に支持する。なお、レーザ加工装置10は、支持台20が、被加工部材8をXY方向に移動させるXYステージとして構成されていてもよい。
The support table 20 supports the
制御装置22は、各部の動作を制御する。制御装置22は、レーザ出力装置12から出力するレーザの各種条件を調整したり、移動機構18で照射ヘッド16を移動させ被加工部材8に対する照射ヘッド16の位置を調整したりする。
The
このレーザ加工装置10は、レーザ出力装置12からレーザを出力させる。レーザ加工装置10は、出力されたレーザLを案内光学系14で照射ヘッド16に案内する。レーザ加工装置10は、位置検出器34で照射ヘッド16のXYZ方向の位置を検出しつつ移動機構18により照射ヘッド16を移動させる。これにより、レーザ加工装置10は、被加工部材8を加工することができる。
The
以下、図2に基づいて照射ヘッド16について説明する。照射ヘッド16は、図2に示すように、上述した移動機構18により支持されるケーシング16Aの内部に、案内光学系14から入射されたレーザを平行光とする平行光学系16Bと、平行光学系16Bにより平行光とされたレーザを光軸S上に集光する集光光学系16Cとが設けられている。なお、図2に示す平行光学系16Bは、模式化したものであり、レンズ構成について限定されるものではない。
Hereinafter, the
集光光学系16Cは、平行光学系16Bを経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する。すなわち、集光光学系16Cは、平行光学系16Bにより平行光とされた各波長帯のレーザを、クラウンガラスよりも高い屈折率で屈折させることで光軸S上に集光するため、それぞれの波長帯のレーザL1,L2の焦点距離の差がクラウンガラスの場合よりも大きく、焦点位置F1,F2が光軸方向(光軸Sの延在方向に沿う方向)で大きく離れることになる。このため、各レーザL1,L2の焦点深度B1,B2の位置がクラウンガラスの場合よりも光軸方向に大きく離れることになり、これらレーザL1,L2の焦点深度B1,B2を加えた実焦点深度BPがクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成される。
The condensing
ここで、焦点深度Bについて図3に基づいて説明する。図3に示すように、入射ビーム径DのレーザLが集光光学系16Cにより集光され、最もビーム径が小さくなるのが焦点位置Fである。また、集光光学系16Cから焦点位置Fまでの光軸方向の距離を焦点距離fという。この焦点位置Fにおけるビーム径の半分をビーム半径Wとする。そして、焦点位置Fを基準とした光軸方向の範囲において、ビーム径が2(W×√2)以下となる範囲が焦点深度Bである。焦点深度Bの範囲は、レーザ加工で品質を担保できる範囲であり、この焦点深度Bが被加工部材8の厚さに対して大きい程、加工面の品質が良好となる。なお、図3におけるレーザLの光軸Sに対する角度θは、ビームの広がり角の半分であり、λ/πWで表される。λはレーザの波長である。
Here, the depth of focus B will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the laser beam L having the incident beam diameter D is condensed by the condensing
すなわち、図2に示すように、各波長帯のレーザL1,L2の焦点深度B1,B2を加えた実焦点深度BPがクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成されれば、被加工部材8に対する加工面の品質を向上することができる。なお、実焦点深度BPは、図2に示すように、各波長帯のレーザL1,L2の焦点深度B1,B2の各内側端が重なり合っており、各焦点深度B1,B2の各外側端の範囲において、互いのレーザL1,L2のビーム径の影響により上述した2(W×√2)以下のビーム径となる範囲であり、各焦点深度B1,B2の外側端の範囲よりも小さい範囲となる。 That is, as shown in FIG. 2, if the actual focal depth BP including the focal depths B1 and B2 of the lasers L1 and L2 in the respective wavelength bands is formed longer in the optical axis direction than in the case of crown glass, the workpiece The quality of the processed surface with respect to 8 can be improved. As shown in FIG. 2, the actual focal depth BP is such that the inner ends of the focal depths B1 and B2 of the lasers L1 and L2 in each wavelength band overlap each other, and the range of the outer ends of the focal depths B1 and B2. In FIG. 2, the beam diameter is 2 (W × √2) or less due to the influence of the beam diameters of the lasers L1 and L2, and is smaller than the outer edge range of each of the focal depths B1 and B2. .
このように、本実施形態のレーザ加工装置10は、複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系16Bと、平行光学系16Bを得たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系16Cと、を備えることで、各波長帯のレーザL1,L2の焦点深度B1,B2を加えた実焦点深度BPをクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成でき、被加工部材8に対する加工面の品質を向上することができる。
As described above, the
また、本実施形態のレーザ加工装置10では、集光光学系16Cは、集光ガラスにフリントガラスが適用されていることが好ましい。フリントガラスは、クラウンガラスよりも屈曲率の高い集光ガラスであり、上述したように各波長帯のレーザL1,L2の焦点深度B1,B2を加えた実焦点深度BPをクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成できるもので、被加工部材8に対する加工面の品質を向上する効果を実現することができる。
Moreover, in the
また、本実施形態のレーザ加工装置10は、少なくとも集光ガラスを冷却する冷却機構24を備えることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the
冷却機構24は、例えば、図2に示すような空冷機構であり、照射ヘッド16のケーシング16Aに、ケーシング16Aの内外に通じる送気管24Aが形成されているとともに、同じくケーシング16Aの内外に通じる排気管24Bが形成されている。そして、送気管24Aに送気ポンプ24Cが設けられている。この冷却機構24は、送気ポンプ24Cにより送気管24Aを介してケーシング16Aの内部に冷却ガス(ドライエアもしくはドライ窒素)を供給し、ケーシング16Aの内部のガスを排気管24Bから排出することで、ケーシング16Aの内部の光学系16B,16Cを冷却する。空冷ガスは、例えば、半導体製造で使用されるフィルターによりガス中の微小(ミクロンオーダー)な埃などを除いたあと、供給される。これは、微小な埃などがレンズに付着することでレンズがレーザ光により焼損することを防ぐためである。なお、図2には明示していないが、ケーシング16A内において、送気管24Aと排気管24Bとの間に存在する光学系(図2では)平行光学系16Bは、板状のレンズ支持板により外周部がケーシング16Aに対して支持されており、このレンジ支持板に通気孔を形成することで、送気管24Aと排気管24Bとの間のケーシング16A内に空気を通過させることができる。これにより、空冷ガスは、図2に示すように、レンズ表面をなめるような経路で流すことができ、レンズを効率よく冷却することが可能となる。ここでは、空冷機構のみを記載しているが、水冷機構と空冷機構を併用することで、さらに効率良く冷却することが可能となる。
The
このような冷却機構24を備えることで、レーザの発熱に対して光学系16B,16Cの耐久性を向上することができる。特に、集光光学系16Cの集光ガラスに適用されるフリントガラスは耐熱性が悪い。このため、冷却機構24を備えることで、フリントガラスの耐久性を向上し、装置の耐久性を向上し、加工時間を延長するとともに、加工精度を向上することができる。
By providing such a
10 レーザ加工装置
16 照射ヘッド
16A ケーシング
16C 集光光学系
16B 平行光学系
24 冷却機構
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記平行光学系を経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。 A parallel optical system in which a laser having a plurality of wavelength bands is parallel light;
A condensing optical system having a condensing glass having a refractive index higher than that of the crown glass so as to condense the laser that has passed through the parallel optical system;
A laser processing apparatus comprising:
前記平行光学系および前記集光光学系を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、
被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、
前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。 A laser output device for oscillating a laser having a plurality of wavelength bands;
An irradiation head that has the parallel optical system and the condensing optical system and irradiates a laser of each wavelength band;
A moving mechanism for relatively moving a support base for supporting a workpiece and the irradiation head;
A relative movement between the support base and the irradiation head by the moving mechanism, and a control device for adjusting various conditions of the laser output from the laser output device;
The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising:
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Cited By (1)
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