JP2019072736A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工用レーザ光が照射されている加工対象物の温度を正確にモニタできるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】加工対象物２を加工するレーザ加工装置であって、加工用レーザ光Ｌ１を出力するレーザ光出力装置１０と、加工用レーザ光Ｌ１を照射された状態の加工対象物２から発生する散乱光Ｌ２をリアルタイムで解析して、加工対象物２の温度を検出する検出器６０とを備え、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長が、加工対象物２の温度の上昇に起因して変動したときの散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長と一定の波長差を有するように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物の温度をモニタしながら加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

加工対象物を非接触で加工できることや機械加工では難しい複雑な形状に加工できることから、レーザ光を使用したレーザ加工が材料の切断、穴あけ、溶接などに用いられている。

レーザ加工では、加工対象物の破損の防止などを目的として、加工対象物の状態がモニタされる。例えば、加工用レーザ光が照射されている加工対象物の温度をモニタする（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、加工用レーザ光からのノイズ光が熱輻射される光に混入しないように、熱輻射される光の波長と同じ波長の光を加工用レーザ光からフィルタによって取り除いておく技術が開示されている。

特開２００４−１７１２０号公報

しかしながら、レーザ加工によって加工対象物の温度が上昇するにしたがって、熱輻射スペクトルのピーク波長は短波長側にシフトする。このため、加工用レーザ光の中心波長と熱輻射スペクトルが重なることがある。更に、その場合には、特許文献１に記載の技術では、加工用レーザ光から取り除かれる光とともに熱輻射される光がフィルタによって取り除かれる。このため、加工対象物の正確な温度を測定できない。

上記問題に鑑み、本発明は、加工用レーザ光が照射されている加工対象物の温度を正確にモニタできるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、加工用レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、加工用レーザ光を照射された状態の加工対象物から発生する散乱光をリアルタイムで解析して、加工対象物の温度を検出する検出器とを備え、加工用レーザ光の中心波長が、加工対象物の温度の上昇に起因して変動したときの散乱光の熱輻射スペクトルのピーク波長と一定の波長差を有するように設定されていることを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、加工用レーザ光を加工対象物に照射するステップと、加工用レーザ光を照射された状態の加工対象物から発生する散乱光をリアルタイムで解析して、加工対象物の温度を検出するステップとを含み、加工用レーザ光の中心波長が、加工対象物の温度の上昇に起因して変動したときの散乱光の熱輻射スペクトルのピーク波長と一定の波長差を有するように設定されているレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、加工用レーザ光が照射されている加工対象物の温度を正確にモニタできるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光出力装置の構成例を示す模式図である。 散乱光の熱輻射スペクトルと加工対象物の温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における加工用レーザ光の中心波長と熱輻射スペクトルのピーク波長との波長差を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図１に示す本発明の実施形態に係るレーザ加工装置は、加工対象物２を加工するレーザ加工装置である。このレーザ加工装置は、図１に示すように、加工用レーザ光Ｌ１を出力するレーザ光出力装置１０と、加工用レーザ光Ｌ１を照射された状態の加工対象物２から発生する散乱光Ｌ２をリアルタイムで解析して、加工対象物２の温度を検出する検出器６０とを備える。検出器６０は、熱輻射を含む散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルを解析して、加工対象物２の温度を検出する。なお、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長は、加工対象物２の温度の上昇に起因して変動したときの散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長と、一定の波長差を有するように設定されている。

レーザ光出力装置１０は、例えば図２に示すように、複数のレーザ光源１１と、レーザ光源１１からそれぞれ出射される複数のビームＬｂが入射する結合レンズ１３と、結合レンズ１３によって複数のビームＬｂと結合される光導波路１４とを備える。

レーザ光源１１は半導体レーザなどであり、光導波路１４は、例えば光ファイバである。図２に示したレーザ光出力装置１０は、レーザ光源１１からそれぞれ出射されたビームＬｂが光導波路１４に結合するファイバ結合型である。光導波路１４から、加工用レーザ光Ｌ１が出力される。

なお、レーザ光源１１から出射されるビームＬｂをそれぞれコリメートしてから、結合レンズ１３に入射させてもよい。図２には、レーザ光源１１のそれぞれに対応して配置された光源用コリメートレンズ１２によってビームＬｂをコリメートする場合を示した。

レーザ光出力装置１０から出力された加工用レーザ光Ｌ１は、レーザ光用コリメートレンズ２０によってコリメートされた後、光路変更手段３０によって光路を変更される。光路を変更された加工用レーザ光Ｌ１は、フォーカスレンズ４０によって集光されて加工対象物２に照射される。これにより、加工対象物２のレーザ加工が行われる。

加工用レーザ光Ｌ１が加工対象物２に照射されることにより、加工対象物２で散乱光Ｌ２が発生する。散乱光Ｌ２は、図１に示すように、光路変更手段３０を透過した後、モニタ用レンズ５０に入射する。そして、モニタ用レンズ５０によって集光された散乱光Ｌ２が検出器６０に入射する。

なお、光路変更手段３０には種々の構成を使用可能である。例えば、ダイクロイックミラーやプリズム、ビームスプリッタなどを使用して光路変更手段３０が構成される。

レーザ光出力装置１０からの加工用レーザ光Ｌ１の出力は、レーザコントローラ７０によって制御される。例えば、レーザ光源１１を駆動する駆動電流の供給やレーザ光源１１の温度を、レーザコントローラ７０が設定する。そして、制御装置８０によってレーザコントローラ７０を制御することにより、加工対象物２に照射される加工用レーザ光Ｌ１のパワーや照射時間が制御される。即ち、制御装置８０から、レーザ光出力装置１０に供給される駆動電流の大きさやオン・オフ動作を制御するレーザ制御信号ＲＣがレーザコントローラ７０に送信される。レーザコントローラ７０は、レーザ制御信号ＲＣに従って、レーザ光出力装置１０の動作を制御する。

また、検出器６０は、散乱光Ｌ２を解析して得られた加工対象物２の温度データＤｔを、制御装置８０に送信する。制御装置８０は、加工対象物２の温度を所定の上限温度と比較する。そして、加工対象物２の温度が所定の上限温度を超えた場合に、制御装置８０がレーザコントローラ７０を制御して、加工対象物２に照射される加工用レーザ光Ｌ１のエネルギーを抑制する。

即ち、加工対象物２の温度が上限温度以下であれば、加工対象物２のレーザ加工をそのまま継続する。一方、加工対象物２の温度が上限温度を超えていれば、制御装置８０は、例えば加工用レーザ光Ｌ１のパワーを小さくしたり照射時間を短縮したりするレーザ制御信号ＲＣを、レーザコントローラ７０に送信する。

上記のように、加工用レーザ光Ｌ１が照射されている状態での加工対象物２の温度と所定の上限温度とを比較して、制御装置８０がレーザコントローラ７０を制御する。この上限温度は、例えばレーザ加工において加工対象物２に許容される最高温度であり、レーザ加工に不具合が生じないように設定されている。例えば、加工対象物２を半田付けする場合に、周囲の部材が熱によって溶けない温度に上限温度を設定する。また、加工対象物２を切断する場合に意図しない部分が破損しないように、上限温度が設定される。

ところで、図３に示すように、散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルにおける放射エネルギー密度が最大であるピーク波長λｐは、加工対象物２の温度Ｔが上昇するほど、短波長側にシフトする。即ち、温度Ｔが１３００Ｋから１８００Ｋに上昇するに従い、熱輻射スペクトルのピーク波長λｐが加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃに近づいている。

例えば、図３に示すように加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃを８１０ｎｍ程度に設定すると、加工対象物２の温度Ｔが上昇した場合に、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃと重なる波長での熱輻射スペクトルの放射エネルギー密度が大きくなる。この場合には、加工用レーザ光Ｌ１からのノイズ光が熱輻射される光に混入し、加工対象物２の温度を正確にモニタできない。

このため、図１に示したレーザ加工装置では、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃが、加工対象物２の温度の上昇に起因して変動したときの散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長λｐと一定の波長差を有するように設定されている。これにより、加工用レーザ光Ｌ１からのノイズ光が熱輻射される光に混入することが抑制される。

レーザ加工において加工対象物２に許容される上限温度において、熱輻射スペクトルのピーク波長λｐが中心波長λｃに最も近づく。このため、波長差Δλは、上限温度に応じて設定されることが好ましい。

即ち、図４に示すように、波長差Δλを、加工対象物２の温度が上限温度に達したときの散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長λｐｍと、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃとの差として設定する。波長差Δλは、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃと、散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルとを区別できる大きさに設定される。

ここで、波長差Δλが５０ｎｍ程度では、熱輻射スペクトルのすそ部分に中心波長λｃが重なり、ノイズ光が熱輻射される光に混入すると考えられる。また、半導体レーザをレーザ光出力装置１０に使用した場合、中心波長λｃの幅は数ｎｍ程度と考えられる。そして、中心波長λｃは十数ｎｍの範囲で揺らぐ。このため、波長差Δλは１００ｎｍ以上であることが好ましい。

加工対象物２の正確な温度をモニタするためには、波長差Δλは大きいほうが好ましい。しかし、熱輻射スペクトルのピーク波長λｐを短波長側にシフトさせないために上限温度を低くすると、レーザ加工に要する時間が長くなる、或いは十分な加工ができない、などの不具合が生じる。このため、波長差Δλを２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることが好ましい。

なお、波長差Δλを大きくするために加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃを短くすることが考えられる。しかし、中心波長λｃが紫外線領域の２２０ｎｍ〜３９０ｎｍ程度の短波長であるレーザ光を用いたレーザ加工では、熱による加工ではなく、レーザアブレーションといった非熱加工が優勢になる。この場合、加工対象物２に熱が蓄積しないため、熱輻射スペクトルを測定することが困難である。一方、中心波長λｃを長くすると、上限温度を低くしなければならない。

このため、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃは、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲に含まれることが好ましい。ただし、非熱加工が優勢になる中心波長λｃは加工対象物２の材質などにも依存するため、熱輻射スペクトルを測定できる範囲で中心波長λｃを４００ｎｍより短波長にしてもよい。そして、散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長λｐｍと加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃとの波長差Δλを１００ｎｍ以上、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍになるように、中心波長λｃや上限温度を設定する。これにより、散乱光Ｌ２の熱輻射される光に加工用レーザ光Ｌ１に起因するノイズ光が混入することが抑制される。その結果、加工対象物２の正確な温度をモニタできる。

なお、図１に示したレーザ加工装置では、加工対象物２がステージ９０に搭載される。ステージ９０は、搭載した加工対象物２を移動させる移動機構を有し、この移動機構はステージコントローラ１００によって制御される。制御装置８０は、ステージ９０の移動量や移動速度などを設定するステージ制御信号ＳＣを、ステージコントローラ１００に送信する。ステージコントローラ１００は、ステージ制御信号ＳＣに従って、ステージ９０を移動させる。これにより、加工対象物２の所定の位置に焦点を合わせて加工用レーザ光Ｌ１を照射することができる。

以下に、図５を参照して、図１に示したレーザ加工装置によって加工対象物２を加工するレーザ加工方法を説明する。

まず、図５のステップＳ１において、加工用レーザ光Ｌ１を加工対象物２に照射する。そして、ステップＳ２において、レーザ加工が終了した場合には処理を終了する。

レーザ加工が終了していない場合には、ステップＳ３において、加工用レーザ光Ｌ１を照射された状態の加工対象物２から発生する散乱光Ｌ２を検出器６０によって解析し、加工対象物２の温度をリアルタイムで検出する。検出器６０は、熱輻射を含む散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルを解析して、加工用レーザ光Ｌ１が照射された状態の加工対象物２の温度を検出する。

そして、ステップＳ４において、検出器６０から送信される加工対象物２の温度データＤｔを用いて、制御装置８０によって加工対象物２の温度と上限温度とが比較される。加工対象物２の温度が上限温度以下であれば、ステップＳ１に戻って、加工対象物２のレーザ加工をそのまま継続する。

一方、ステップＳ４において加工対象物２の温度が上限温度を超えていれば、ステップＳ５において、制御装置８０がレーザコントローラ７０を制御して、加工用レーザ光Ｌ１により加工対象物２に照射されるエネルギーを抑制する。例えば、加工用レーザ光Ｌ１のパワーを小さくしたり照射時間を短縮したりして、レーザ加工を継続する。或いは、レーザ光出力装置１０のレーザ出力を停止させ、レーザ加工を中止する。

以上に説明したように、図１に示したレーザ加工装置を使用したレーザ加工方法では、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃが、散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルのピーク波長λｐと一定の波長差Δλを有するように設定されている。このため、散乱光Ｌ２の熱輻射される光にノイズ光が混入することが抑制され、加工対象物２の温度を正確にモニタできる。
したがって、図１に示したレーザ加工装置によれば、加工対象物２を破損することなく、所定のレーザ加工を実施することができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記では、レーザ光出力装置１０が複数のレーザ光源１１で構成される例を示したが、単一のレーザ光源１１をレーザ光出力装置１０に使用してもよい。また、レーザ光源１１から出射されるビームＬｂを光源用コリメートレンズ１２によってコリメートする例を示したが、レーザ光源１１からコリメート光のビームＬｂが出射される場合などは、光源用コリメートレンズ１２を使用しなくてもよい。

また、レーザ光出力装置１０がファイバ結合型である例を示したが、光導波路１４を経由せずに加工用レーザ光Ｌ１を出力するレーザ光出力装置１０を使用してもよい。

なお、レーザ加工において想定される加工対象物２の最高温度が、加工対象物２に許容される上限温度よりも低い場合もある。その場合に、想定される加工対象物２の最高温度における熱輻射スペクトルのピーク波長λｐとの差が波長差Δλよりも大きくなるように、加工用レーザ光Ｌ１の中心波長λｃを設定してもよい。

また、散乱光Ｌ２の熱輻射スペクトルを解析して加工対象物２の温度を検出する例を説明したが、散乱光Ｌ２からラマン散乱光を抽出して加工対象物２の温度を検出してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…レーザ光出力装置
２０…レーザ光用コリメートレンズ
３０…光路変更手段
４０…フォーカスレンズ
５０…モニタ用レンズ
６０…検出器
７０…レーザコントローラ
８０…制御装置
９０…ステージ
１００…ステージコントローラ
Ｌ１…加工用レーザ光
Ｌ２…散乱光

Claims (11)

1. 加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
   加工用レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、
   前記加工用レーザ光を照射された状態の前記加工対象物から発生する散乱光をリアルタイムで解析して、前記加工対象物の温度を検出する検出器と
   を備え、
   前記加工用レーザ光の中心波長が、前記加工対象物の温度の上昇に起因して変動したときの前記散乱光の熱輻射スペクトルのピーク波長と一定の波長差を有するように設定されていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記検出器が、前記散乱光の熱輻射スペクトルを解析して前記加工対象物の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工用レーザ光の中心波長と前記熱輻射スペクトルのピーク波長との波長差が１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記波長差が、レーザ加工において前記加工対象物に許容される最高温度における前記熱輻射スペクトルのピーク波長と前記加工用レーザ光の中心波長との差であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記加工用レーザ光の中心波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記レーザ光出力装置からの前記加工用レーザ光の出力を制御するレーザコントローラと、
   前記加工対象物の温度が所定の上限温度を超えた場合に、前記レーザコントローラを制御して、前記加工用レーザ光によって前記加工対象物に照射されるエネルギーを抑制させる制御装置と
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
   加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するステップと、
   前記加工用レーザ光を照射された状態の前記加工対象物から発生する散乱光をリアルタイムで解析して、前記加工対象物の温度を検出するステップと
   を含み、
   前記加工用レーザ光の中心波長が、前記加工対象物の温度の上昇に起因して変動したときの前記散乱光の熱輻射スペクトルのピーク波長と一定の波長差を有するように設定されていることを特徴とするレーザ加工方法。
8. 前記散乱光の熱輻射スペクトルを解析して前記加工対象物の温度を検出することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記加工用レーザ光の中心波長と前記熱輻射スペクトルのピーク波長との波長差を１００ｎｍ以上に設定することを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記波長差が、レーザ加工において前記加工対象物に許容される最高温度における前記熱輻射スペクトルのピーク波長と前記加工用レーザ光の中心波長との差であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
11. 前記加工用レーザ光の中心波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。

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