JP2022187238A - Laser processing device and laser processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザー加工装置及びレーザー加工方法に関し、より詳細には、レーザーシャッターを利用したレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method, and more particularly to a laser processing apparatus and a laser processing method using a laser shutter.
従来、レーザー発振器から出射されるレーザー光を、時間的にオン/オフするレーザーシャッターユニットが知られている(例えば、特許文献1)。レーザーシャッターユニットを有するレーザー加工装置を用いた加工では、レーザーシャッターユニットによってレーザー光をパルス化して、加工対象物に照射する。レーザー光をパルス化することで熱の拡散が抑えられ、熱影響層を低減できるなど、加工品質の向上を図ることができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a laser shutter unit that temporally turns on/off a laser beam emitted from a laser oscillator is known (for example, Patent Document 1). In processing using a laser processing apparatus having a laser shutter unit, a laser beam is pulsed by the laser shutter unit and applied to a processing object. By pulsing the laser beam, the diffusion of heat can be suppressed, and the heat-affected zone can be reduced, thereby improving the processing quality.
レーザーシャッターユニットには、音響光学変調器(AOM:Acousto-Optic Module)や、電気光学変調器(EOM:Electro-Optic Module)を使用するものがある。 Some laser shutter units use an acousto-optic modulator (AOM: Acousto-Optic Module) or an electro-optic modulator (EOM: Electro-Optic Module).
AOM方式のレーザーシャッターユニットでは、AOMを透過するレーザー光は、入力されるパルス信号に応じて出射方向の光軸が切り替えられる。 In the AOM type laser shutter unit, the optical axis of the emission direction of the laser light passing through the AOM is switched according to the input pulse signal.
一方、EOM方式のレーザーシャッターユニットでは、EOMを透過するレーザー光は、入力されるパルス信号に応じて偏光方向が切り替えられ、切り替えられた偏光方向に応じて出射方向の光軸が切り替えられる。 On the other hand, in the EOM type laser shutter unit, the polarization direction of the laser light passing through the EOM is switched according to the input pulse signal, and the optical axis of the emission direction is switched according to the switched polarization direction.
出射方向の異なる2つのレーザー光(以下、「第1のレーザー光」、「第2のレーザー光」と称する)の光路は、空間的に分離される。そして、第1のレーザー光は、加工に使用するため出力部へと導光され、加工対象物に照射される。第2のレーザー光は、ダンパー等の受光部に導光され加工には使用されない。 The optical paths of two laser beams with different emission directions (hereinafter referred to as "first laser beam" and "second laser beam") are spatially separated. Then, the first laser light is guided to the output section for use in processing, and is irradiated onto the processing target. The second laser beam is guided to a light receiving portion such as a damper and is not used for processing.
上述したように、特許文献1等に開示のレーザーシャッターユニットを有するレーザー加工装置では、出力部に導光される第1のレーザー光のみが加工対象物の加工に使用され、受光部に導光された第2のレーザー光は加工に使用されないため、エネルギーロスが生じてしまう。
As described above, in the laser processing apparatus having the laser shutter unit disclosed in
本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、レーザー光を効率的に使用するレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することを目的としている。 The present disclosure has been made in view of the above problems, and aims to provide a laser processing apparatus and a laser processing method that efficiently use laser light.
本開示のレーザー加工装置は、レーザー光を出射するレーザー発振ユニットと、入射する前記レーザー光を、光軸の異なる第1のレーザー光または第2のレーザー光に切り替えて出射するレーザーシャッターユニットと、センターコア及びリングコアを有するダブルコアファイバーを含む出力部と、前記第1のレーザー光を前記センターコアに導光するとともに、前記第2のレーザー光を前記リングコアに導光する集光光学系と、を備え、前記出力部は、前記センターコアを介して前記第1のレーザー光を導光して当該第1のレーザー光に基づくセンタービームを照射するとともに、前記リングコアを介して前記第2のレーザー光を導光して当該第2のレーザー光に基づくリングビームを前記センタービームの照射領域の周囲に照射する。 The laser processing apparatus of the present disclosure includes a laser oscillation unit that emits a laser beam, a laser shutter unit that switches the incident laser beam to a first laser beam or a second laser beam having a different optical axis and emits the laser beam, an output section including a double-core fiber having a center core and a ring core; and a condensing optical system that guides the first laser beam to the center core and guides the second laser beam to the ring core. The output unit guides the first laser beam through the center core, irradiates a center beam based on the first laser beam, and emits the second laser beam through the ring core. to irradiate a ring beam based on the second laser beam around the irradiation area of the center beam.
本開示のレーザー加工方法は、レーザー光を出射させ、前記レーザー光を、光軸の異なる第1のレーザー光または第2のレーザー光に切り替え、前記第1のレーザー光及び前記第2のレーザー光を、それぞれ、ダブルコアファイバーのセンターコア及びリングコアに導光し、前記センターコアを介して前記第1のレーザー光を導光して当該第1のレーザー光に基づくセンタービームを照射して加工対象物を加工し、前記リングコアを介して前記第2のレーザー光を導光して当該第2のレーザー光に基づくリングビームを前記センタービームの照射領域の周囲に照射して前記加工対象物を予熱又は徐冷する。 The laser processing method of the present disclosure emits a laser beam, switches the laser beam to a first laser beam or a second laser beam having a different optical axis, and outputs the first laser beam and the second laser beam. are respectively guided to the center core and the ring core of the double-core fiber, the first laser beam is guided through the center core, and the center beam based on the first laser beam is irradiated to irradiate the object to be processed is processed, the second laser beam is guided through the ring core, and a ring beam based on the second laser beam is irradiated around the irradiation area of the center beam to preheat or Cool slowly.
本開示によれば、レーザー光を効率的に使用するレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this indication, the laser processing apparatus and laser processing method which use a laser beam efficiently can be provided.
以下、本開示の各実施形態及び各変形例について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, each embodiment and each modification of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るレーザー加工装置100を示す模式図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a
レーザー加工装置100は、レーザー発振ユニット1、レーザーシャッターユニット2、集光光学系4、及び、出力部5等を備えている。レーザー加工装置100は、加工対象物7に対してレーザー光を照射し、熱エネルギーで照射部位を融解及び蒸発させて、加工する。
The
レーザー発振ユニット1は、レーザー光LAを発振させ、出射する。本実施形態のレーザー発振ユニット1が出射するレーザー光LAは、例えば、単一の中心波長を有する平行光である。
The
なお、レーザー発振ユニット1が出射するレーザー光LAは、必ずしも単波長でなくてもよく、中心波長から拡がりを有するレーザー光であってもよい。また、レーザー光LAは、完全な平行光でなくてもよい。すなわち、レーザー光LAは、レーザーシャッターユニット2によって、光軸の異なる2種類のレーザー光に切り替えられる特性を有していればよい。
Note that the laser light LA emitted by the
レーザー発振ユニット1は、少なくともレーザー発振器を含んでいる。加えて、レーザー発振ユニット1は、レーザー光LAをレーザーシャッターユニット2に導光するレンズ等の光学素子、及び、伝送ファイバー等を含んでいてもよい。
The
レーザーシャッターユニット2は、音響光学変調器や電気光学変調器などの光シャッターと呼ばれる光学デバイスを含む。レーザーシャッターユニット2は、レーザー発振ユニット1から出射されるレーザー光LAを受光し、受光したレーザー光LAを、進行方向の異なる2種類のレーザー光LA11、LA21(以下、「シャッターONビームLA11」、「シャッターOFFビームLA21」と称する)に切り替えて、出射する。シャッターOFFビームLA21の進行方向(以下、「第2の方向と称する」)は、シャッターONビームLA11の進行方向(以下、「第1の方向」と称する)に対して角度θ傾いた方向である。言いかえると、シャッターOFFビームLA21の光軸は、シャッターONビームLA11の光軸に対して角度θ傾いている。
The
第1実施形態では、図2に示すように、レーザーシャッターユニット2は、電気光学変調器21(以下、「EOM21」と称する)、偏光子(ポラライザー)22、及び、反射ミラー23を備えている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the
EOM21は、レーザー光LAを、偏光方向の異なる2種類のレーザー光に切り替える。具体的には、EOM21は、図1の変調信号生成部3と接続されており、変調信号生成部3から入力される変調信号Sの強度に応じて、透過するレーザー光LAの偏光方向を切り替える。変調信号生成部3は、レーザー光LAの出力信号を変調させる変調信号Sを生成する装置であり、例えば、パルスジェネレーターである。EOM21から出射される2種類のレーザー光の偏光方向は、直交することが好ましい。
The EOM 21 switches the laser light LA into two types of laser light with different polarization directions. Specifically, the EOM 21 is connected to the
偏光子22は、EOM21から出射された偏光方向の異なる2種類のレーザー光の進行方向を、それぞれの偏光方向に応じて切り替える光学素子である。例えば、偏光子22は、EOM21から出射された一方のレーザー光を透過させる。そのレーザー光は、シャッターONビームLA11としてレーザーシャッターユニット2から出射される。また、偏光子22は、EOM21から出射された他方のレーザー光を、反射ミラー23に向けて反射させる。
The
反射ミラー23は、レーザー光を反射させる光学素子である。反射ミラー23は、偏光子22によって反射されたレーザー光を、第2の方向に進行するように反射させる。そのレーザー光は、シャッターOFFビームLA21としてレーザーシャッターユニット2から出射される。
The reflecting
レーザーシャッターユニット2は、変調信号生成部3から変調信号Sが入力されると、変調信号Sと同期、もしくは反転同期した形でレーザー光LAを、シャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替える。本実施形態では、シャッターONビームLA11のパルス信号が変調信号Sと同期し、シャッターOFFビームLA21のパルス信号が変調信号Sに反転同期する。なお、シャッターONビームLA11のパルス信号が変調信号Sと反転同期し、シャッターOFFビームLA21のパルス信号が変調信号Sと同期してもよい。
When the modulated signal S is input from the modulated
集光光学系4は、集光レンズ等の光学系である。集光光学系4は、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21を受光し、出力部5に導光する。本実施形態では、図1に示されているように、集光光学系4は、その光軸がシャッターONビームLA11の光軸に一致するように配置されている。
The condensing
集光光学系4は、テレセントリック光学系であることが好ましい。この場合、集光光学系4に対して、光軸が傾いた状態でシャッターOFFビームLA21が入射しても、像面湾曲の発生が抑えられるため、リングコア512への集光性が向上する。
The condensing
出力部5は、集光光学系4から受光したシャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21を導光し、加工対象物7に照射する。
The output unit 5 guides the shutter-on beam LA11 and the shutter-off beam LA21 received from the condensing
出力部5は、ダブルコアファイバー51、コリメート光学系52、及び、加工光学系53を備えている。
The output section 5 includes a
ダブルコアファイバー51は、図3A、図3Bに示されているように、中心に位置するセンターコア511とセンターコア511の外周に位置するリングコア512からなる2つのコアを有するレーザー伝送用光ファイバーである。センターコア511及びリングコア512の直径は、それぞれd1及びd2である。ダブルコアファイバー51は、リングコア512のさらに外周にクラッド513を有する。
The double-
クラッド513のさらに外周には、保護用の被覆や冷却機構などが設けられてもよい。また、ダブルコアファイバー51の端部には、保護のためのエンドキャップ等が融着されていてもよい。
Further, a protective covering, a cooling mechanism, or the like may be provided on the outer circumference of the clad 513 . An end cap or the like may be fused to the end of the
ダブルコアファイバー51は、センターコア511の入射端面が集光光学系4の光軸上に位置するように向きが調整され、配置されている。
The direction of the double-
集光光学系4を通過したシャッターONビームLA11は同一光軸上にあるダブルコアファイバー51のセンターコア511に集光され(図3A参照)、伝搬していった後、ダブルコアファイバー51の出射端面からセンタービームLA12として出射される(図3B参照)。
After passing through the focusing
一方、シャッターOFFビームLA21は集光光学系4に対して角度θ傾いた形で入射するため、集光光学系4によりダブルコアファイバー51のリングコア512へ集光され(図3A参照)、伝搬していった後、ダブルコアファイバー51の出射端面からリングビームLA22として出射される(図3B参照)。
On the other hand, since the shutter-OFF beam LA21 is incident on the condensing
このとき、センタービームLA12及びリングビームLA22は同一光軸上に出射される。また、センタービームLA12のパルス信号は、シャッターONビームLA11のパルス信号と同期し、リングビームLA22のパルス信号は、シャッターOFFビームLA21のパルス信号と同期する。 At this time, the center beam LA12 and the ring beam LA22 are emitted on the same optical axis. Further, the pulse signal of the center beam LA12 is synchronized with the pulse signal of the shutter ON beam LA11, and the pulse signal of the ring beam LA22 is synchronized with the pulse signal of the shutter OFF beam LA21.
以下、センターコア511の直径d1、及び、リングコア512の直径d2が満たすべき条件について説明する。
Conditions that the diameter d1 of the
シャッターOFFビームLA21の集光位置からシャッターONビームLA11の光軸までの距離をL(図3A参照)とすると、集光光学系4の焦点距離をfとして、以下の式(1)が成り立つ。
L=f・tanθ ・・・(1)
Assuming that the distance from the condensing position of the shutter-OFF beam LA21 to the optical axis of the shutter-ON beam LA11 is L (see FIG. 3A), and the focal length of the condensing
L=f·tan θ (1)
また、シャッターONビームLA11が集光光学系4によって集光されたときの集光スポット径をd0とすると、ダブルコアファイバー51のセンターコア511の直径d1、及び、リングコア512の直径d2に関して、以下の式(2)、(3)が成り立つ。この場合に、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21が、それぞれセンターコア511及びリングコア512に導光される。
d0≦d1≦2・L-d0 ・・・(2)
d2≧2・L+d0 ・・・(3)
Assuming that the focused spot diameter when the shutter-on beam LA11 is focused by the focusing
d0≦d1≦2·L−d0 (2)
d2≧2·L+d0 (3)
言いかえると、式(2)及び(3)が満たされるように、センターコア511の直径d1及びリングコア512の直径d2が設定されることにより、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21は、それぞれ、センターコア511及びリングコア512に導光される。
In other words, the diameter d1 of the
コリメート光学系52は、センターコア511から出射されるセンタービームLA12、及び、リングコア512から出射されるリングビームLA22をコリメートして、加工光学系53に導光する。なお、コリメート光学系52を透過したセンタービームLA12及びリングビームLA22は、必ずしも完全な平行光となっていなくてもよい。
The collimating
加工光学系53は、平行光となったセンタービームLA12及びリングビームLA22を集光し、加工対象物7に照射する。
The processing
センタービームLA12の照射領域の周囲に、リングビームLA22が照射される。なお、照射開始時において、センタービームLA12及びリングビームLA22の集光点は、必ずしも加工対象物7の表面に一致していなくてもよく、例えば、照射後にデフォーカスされてもよい。 A ring beam LA22 is irradiated around the irradiation area of the center beam LA12. At the start of irradiation, the condensing points of the center beam LA12 and the ring beam LA22 may not necessarily match the surface of the workpiece 7, and may be defocused after irradiation, for example.
また、出力部5は、走査系54を備えている。走査系54は、例えば、加工対象物7が配置される電動ステージを含む駆動装置である。走査系54は、センタービームLA12及びリングビームLA22の集光位置と加工対象物7との相対位置を調整する。より具体的には、走査系54は、加工対象物7に照射されるセンタービームLA12及びリングビームLA22の光軸に垂直な平面(以下、「走査平面」と称する。)に沿って電動ステージを移動させる。これにより、加工対象物7における加工点が走査平面上で走査される。
The output unit 5 also includes a
また、走査系54は、加工対象物7に照射されるセンタービームLA12及びリングビームLA22の光軸方向に沿って電動ステージを移動させるなどして、センタービームLA12及びリングビームLA22の集光位置と加工対象物7との相対位置を光軸方向に移動させ、加工点を光軸方向に沿って走査できるように構成されてもよい。これにより、加工対象物7の表面が凹凸形状を有する場合であっても、センタービームLA12及びリングビームLA22の集光位置を、加工対象物7の表面に合わせることができる。よって、後述する加工処理、予熱処理及び徐冷処理を効果的に実行できる。
In addition, the
また、走査系54は、センタービームLA12及びリングビームLA22の照射方向を変化させて、加工対象物7における加工点を平面走査する光学デバイス(例えば、ガルバノスキャナ)を含んでもよい。この場合、走査系54は、例えば、センタービームLA12及びリングビームLA22の光軸上において、コリメート光学系52の後段、かつ、加工光学系53の前段に配置される。
Further, the
以下、図4A~図4E、及び、図5を参照しつつ、レーザー加工装置100による加工対象物7の加工について説明する。
Processing of the object to be processed 7 by the
図4A~図4Eは、加工対象物7の加工点Aとレーザー光の照射領域との位置関係を示す図である。図5は、加工対象物7の加工点Aに照射されるレーザー光の照射エネルギーの時間変化を示す図である。 4A to 4E are diagrams showing the positional relationship between the processing point A of the workpiece 7 and the irradiation area of the laser beam. FIG. 5 is a diagram showing a temporal change in the irradiation energy of the laser beam with which the processing point A of the object 7 is irradiated.
図4A~図4Eに示すように、センタービームLA12の照射領域R1のサイズは、リングビームLA22の照射領域R2のサイズよりも小さい。例えば、照射領域R1の直径は、100μm程度であり、照射領域R2の直径は、400μm程度である。照射領域R1の直径及び照射領域R2の直径は、それぞれセンタービームLA12の集光スポット径、及び、リングビームLA22の集光スポット径に対応する。 As shown in FIGS. 4A to 4E, the size of the irradiation area R1 of the center beam LA12 is smaller than the size of the irradiation area R2 of the ring beam LA22. For example, the diameter of the irradiation region R1 is approximately 100 μm, and the diameter of the irradiation region R2 is approximately 400 μm. The diameter of the irradiation area R1 and the diameter of the irradiation area R2 respectively correspond to the focused spot diameter of the center beam LA12 and the focused spot diameter of the ring beam LA22.
また、センタービームLA12とリングビームLA22の単位時間あたりのエネルギー量はほぼ同等である。そのため、センタービームLA12の照射領域R1における単位時間当たりの空間エネルギー密度は、リングビームLA22の照射領域R2における単位時間当たりの空間エネルギー密度よりも大きい。 Also, the energy amounts per unit time of the center beam LA12 and the ring beam LA22 are substantially the same. Therefore, the spatial energy density per unit time in the irradiation region R1 of the center beam LA12 is higher than the spatial energy density per unit time in the irradiation region R2 of the ring beam LA22.
図4A~図4Eでは、走査系54の駆動により電動ステージを図4の矢印に示す方向に移動させ、加工対象物7の加工点Aが、センタービームLA12及びリングビームLA22の照射領域R1,R2を直径方向に横切って通過する場合について示している。また、図5では、加工点Aが一定速度で移動する場合について示しており、図5の時間帯t1~t5における照射エネルギーは、図4A~図4Eに示す状態の加工点Aにおける照射エネルギーに対応する。以下において、センタービームLA12及びリングビームLA22を区別しない場合は、単に「ビーム」と称する。
4A to 4E, the
図4Aに示す時点(例えば、レーザ照射を開始した時点)では、加工点Aはビームの照射領域R1、R2外に位置しており、センタービームLA12及びリングビームLA22は照射されていない。走査系54が駆動されることで加工点Aはビームの照射領域R1,R2に近づいていく。
At the time shown in FIG. 4A (for example, when the laser irradiation is started), the processing point A is located outside the beam irradiation regions R1 and R2, and the center beam LA12 and the ring beam LA22 are not irradiated. As the
その後、加工点Aは、リングビームLA22の照射領域R2に進入し、図4Bに示すように、照射領域R2内を移動する。図5の時間帯t2において、加工点AはリングビームLA22の照射領域R2を通過し、その間、リングビームLA22が照射される。このとき、リングビームLA22の単位時間当たりの空間エネルギー密度は小さく、照射領域R2を通過する間に加工点Aが受ける照射エネルギーは、加工対象物7を加工するために必要なエネルギーの閾値(以下、「加工閾値」と称する)を超えない。したがって、照射エネルギーは加工点Aの加熱のみに寄与する(加工は行われない)こととなり、後述する加工時間帯(図5の時間帯t3)に先立って加工点Aを予熱することができる。図5の時間帯t2は、加工点Aを予熱する予熱時間帯と呼ばれる。 After that, the processing point A enters the irradiation region R2 of the ring beam LA22 and moves within the irradiation region R2 as shown in FIG. 4B. 5, the processing point A passes through the irradiation region R2 of the ring beam LA22, during which the ring beam LA22 is irradiated. At this time, the spatial energy density of the ring beam LA22 per unit time is small, and the irradiation energy received by the processing point A while passing through the irradiation region R2 is the threshold of the energy required for processing the object 7 (hereinafter referred to as , referred to as the “processing threshold”). Therefore, the irradiation energy contributes only to the heating of the processing point A (no processing is performed), and the processing point A can be preheated prior to the processing time period (time period t3 in FIG. 5) described later. A time period t2 in FIG. 5 is called a preheating time period in which the processing point A is preheated.
その後、加工点AがセンタービームLA12の照射領域R1に進入し、図4Cに示すように、照射領域R1内を移動する。図5の時間帯t3において、加工点AはセンタービームLA12の照射領域R1を通過し、その間、センタービームLA12が照射される。このとき、センタービームLA12の単位時間当たりの空間エネルギー密度は大きく、照射領域R1を通過する間に加工点Aが受ける照射エネルギーは加工閾値を大きく超える。したがって、加工点Aの加工がおこなわれる。図5の時間帯t3は、加工点Aを加工する加工時間帯と呼ばれる。 After that, the processing point A enters the irradiation region R1 of the center beam LA12 and moves within the irradiation region R1 as shown in FIG. 4C. At time t3 in FIG. 5, the processing point A passes through the irradiation region R1 of the center beam LA12, during which the center beam LA12 is irradiated. At this time, the spatial energy density per unit time of the center beam LA12 is large, and the irradiation energy received by the processing point A while passing through the irradiation region R1 greatly exceeds the processing threshold. Therefore, machining at the machining point A is performed. A time period t3 in FIG. 5 is called a machining time period in which the machining point A is machined.
その後、加工点Aは、センタービームLA12の照射領域R1を通過して、リングビームLA22の照射領域R2に進入し、図4Dに示すように、再度、照射領域R2内を移動する。図5の時間帯t4において、加工点AはリングビームLA22の照射領域R2を通過し、その間、リングビームLA22が照射される。このとき、リングビームLA22の単位時間当たりの空間エネルギー密度は小さく、照射領域R2を通過する間に加工点Aが受ける照射エネルギーは、加工閾値を超えない。したがって、照射エネルギーは加工点Aの加熱のみに寄与する(加工は行われない)こととなり、加工時間帯(図5の時間帯t3)で加工され、高温となっている加工点Aが急激に冷却されるのを抑制でき、徐冷することができる。図5の時間帯t4は、加工点Aを徐冷する徐冷時間帯と呼ばれる。 After that, the processing point A passes through the irradiation region R1 of the center beam LA12, enters the irradiation region R2 of the ring beam LA22, and moves within the irradiation region R2 again as shown in FIG. 4D. At time t4 in FIG. 5, the processing point A passes through the irradiation region R2 of the ring beam LA22, during which the ring beam LA22 is irradiated. At this time, the spatial energy density per unit time of the ring beam LA22 is small, and the irradiation energy received by the processing point A while passing through the irradiation region R2 does not exceed the processing threshold. Therefore, the irradiation energy contributes only to the heating of the processing point A (no processing is performed), and the processing point A, which is processed during the processing time period (time period t3 in FIG. 5) and has a high temperature, suddenly Cooling can be suppressed and slow cooling can be performed. A time zone t4 in FIG. 5 is called a slow cooling time zone in which the working point A is slowly cooled.
その後、加工点Aは、リングビームLA22の照射領域R2を通過して、図4Eに示すように、ビームの照射領域R1、R2外に位置する。図5の時間帯t5において、加工点Aは、ビームの照射領域R1、R2外を移動する。このとき、加工点Aには、センタービームLA12及びリングビームLA22は照射されない。このようにして、加工点Aの加工が完了する。 After that, the processing point A passes through the irradiation region R2 of the ring beam LA22 and is positioned outside the beam irradiation regions R1 and R2 as shown in FIG. 4E. In time period t5 in FIG. 5, the processing point A moves outside the beam irradiation regions R1 and R2. At this time, the processing point A is not irradiated with the center beam LA12 and the ring beam LA22. Thus, the machining of the machining point A is completed.
上述の説明では、加工対象物7の加工時に、走査系54が加工対象物7を一次元的に移動させることを例に挙げて説明した。しかし、加工対象物7の加工時に、走査系54が、加工対象物7を二次元的に移動させてもよい。また、加工点Aの加工処理、予熱処理及び徐冷処理に必要となる時間に応じて、走査系54による加工対象物7の移動速度を変化させてもよい。
In the above description, the
上述したように、レーザー加工装置100は、レーザー光LAを出射するレーザー発振ユニット1と、入射するレーザー光LAを、光軸の異なるシャッターONビームLA11(第1のレーザー光)またはシャッターOFFビームLA21(第2のレーザー光)に切り替えて出射するレーザーシャッターユニット2と、センターコア511及びリングコア512を有するダブルコアファイバー51を含む出力部5と、シャッターONビームLA11をセンターコア511に導光するとともに、シャッターOFFビームLA21をリングコア512に導光する集光光学系4と、を備える。
As described above, the
出力部5は、センターコア511を介してシャッターONビームLA11を導光して当該シャッターONビームLA11に基づくセンタービームLA12を照射するとともに、リングコア512を介してシャッターOFFビームLA21を導光して当該シャッターOFFビームLA21に基づくリングビームLA22をセンタービームLA12の照射領域R1の周囲に照射する。
The output unit 5 guides the shutter ON beam LA11 through the
加工対象物7の加工が行われない程度にエネルギー密度を小さくしたリングビームLA22を加工対象物7に照射することにより、センタービームLA12を加工対象物7の加工処理に使用する一方で、リングビームLA22を加工対象物7の予熱処理及び徐冷処理に使用することができる。
By irradiating the object 7 with the ring beam LA22 whose energy density is reduced to the extent that the object 7 is not processed, the center beam LA12 is used for processing the object 7, while the
加工対象物7に対して予熱処理及び徐冷処理を実行することで、加工対象物7の加工点A付近の温度勾配が緩やかになる。その結果、主に以下の利点がある。 By performing preheating and slow cooling on the object 7, the temperature gradient near the processing point A of the object 7 becomes gentle. As a result, there are mainly the following advantages.
(1)加工処理においてスパッタの発生が抑制されるので、加工対象物7の溶解物の拡散が抑制される。例えば、加工対象物7の絶縁部分に電導性の物質を主成分とする溶解物が付着する可能性を低減できる。
(2)加工処理された加工対象物7における残留応力を小さくすることができるので、加工対象物7にひび割れが生じにくい。
(3)また、加工対象物7におけるブローホールの発生が抑制される。よって、加工処理された加工対象物7の強度の低下を抑制できる。
(1) Since the generation of spatter is suppressed in the processing, the diffusion of the melted matter of the workpiece 7 is suppressed. For example, it is possible to reduce the possibility that a melt containing a conductive substance as a main component will adhere to the insulating portion of the workpiece 7 .
(2) Since the residual stress in the processed object 7 can be reduced, cracks are less likely to occur in the processed object 7 .
(3) Further, the occurrence of blowholes in the workpiece 7 is suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the strength of the processed workpiece 7 .
すなわち、予熱処理及び徐冷処理を実行することで、レーザー加工装置100の加工品質が向上する。
That is, the processing quality of the
レーザー加工装置100は、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21の双方を有効利用していると言える。よって、レーザー加工装置100は、レーザー発振ユニット1から出射されるレーザー光LAのエネルギーロスを低減し、レーザー光LAを効率的に使用することができる。
It can be said that the
また、予熱処理及び徐冷処理を実行するための加熱装置を別途準備する必要がないので、1台のレーザー加工装置100で、高品質のレーザー加工を実行できる。
Moreover, since there is no need to separately prepare a heating device for performing preheating and slow cooling, a single
出力部5についてより詳しく説明すると、出力部5は、センタービームLA12、及び、リングビームLA22を加工対象物7に集光する加工光学系53を有する。また、加工対象物7と、センタービームLA12及びリングビームLA22の集光位置との相対位置を調整する走査系54を有する。
More specifically, the output unit 5 has a processing
また、出力部5は、センタービームLA12、及び、リングビームLA22をコリメートし、加工光学系53に導光するコリメート光学系52をさらに有する。
The output unit 5 further includes a collimating
また、集光光学系4は、テレセントリック光学系である。集光光学系4が、テレセントリック光学系ではない場合、次のような不都合が生じる可能性がある。上述したように、シャッターOFFビームLA21は、その光軸が、集光光学系4の光軸に対して角度θ傾いた状態で集光光学系4に入射する。よって、集光光学系4によるダブルコアファイバー51に対するシャッターOFFビームLA21の集光位置が、集光光学系4の光軸方向にずれる可能性がある。このずれは、像面湾曲の原因となる。
Also, the condensing
本実施形態の集光光学系4は、テレセントリック光学系であるので、シャッターOFFビームLA21の光軸が集光光学系4の光軸に対して角度θ傾いた状態でシャッターOFFビームLA21が集光光学系4に入射したとしても、像面湾曲の発生を抑制でき、適切にシャッターOFFビームLA21をリングコア512に集光させることができる。
Since the condensing
レーザーシャッターユニット2は、透過するレーザー光LAの偏光方向を切り替えるEOM21と、EOM21を透過したレーザー光LAの偏光方向に応じてレーザー光LAの進行方向を切り替える偏光子22(光学素子)と、を有する。
The
よって、偏光子22の偏光方向を適切に設定することで、容易かつ確実に、レーザー光LAをシャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替えることができる。
Therefore, by appropriately setting the polarization direction of the
AOMを利用してレーザー光LAをシャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替える場合、レーザーシャッターユニット2から一方のビームが出射されている間に、他方のビームもわずかながら出射されてしまう。このため、加工したくないタイミングで、加工に使用されるセンタービームLA12が加工対象物7に照射されてしまうので、加工品質の低下を招くおそれがある。
When the AOM is used to switch the laser beam LA to the shutter ON beam LA11 or the shutter OFF beam LA21, while one beam is being emitted from the
しかしながら、本実施形態のレーザーシャッターユニット2は、EOM21を利用して、レーザー光LAをシャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替える。よって、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21のうちの一方のビームが出射されている間に、他方のビームが出射されることはない。このため、加工したくないタイミングで、加工に使用されるセンタービームLA12が加工対象物7に照射されることはなく、加工品質の低下を抑制できる。
However, the
[第2実施形態]
以下、第2実施形態について、主に第1実施形態と異なる点を説明する。
[Second embodiment]
In the following, the second embodiment will be described mainly about the differences from the first embodiment.
図6は、第2実施形態に係るレーザー加工装置200を示す模式図である。レーザー加工装置200は、第1実施形態に係るレーザー加工装置100と同様に、レーザー発振ユニット1、レーザーシャッターユニット2、集光光学系4、及び、出力部5等を備えている。なお、図6では、出力部5の構成について、ダブルコアファイバー51のみを示している。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a
第1実施形態では、レーザーシャッターユニット2として、EOM方式を採用しているのに対して、第2実施形態では、AOM方式を採用している。すなわち、レーザーシャッターユニット2は、音響光学変調器(AOM)24を有する。AOM24は、入射するレーザー光LAの進行方向を、第1の方向または第2の方向に切り替える。以下、AOMの動作原理について説明する。
In the first embodiment, the EOM system is adopted as the
AOM24は、超音波発生部(不図示)及びAO結晶(不図示)を有する。超音波発生部は、変調信号生成部3からの変調信号Sに同期するように超音波をAO結晶に印加する機器である。AO結晶は、透過性の音響光学結晶であり、超音波が印加されたときに屈折率が変化する結晶である。
超音波発生部が超音波をAO結晶に印加していない間、レーザー光LAは、その光軸が変更されることなく、AO結晶を透過する。その結果、レーザーシャッターユニット2から第1の方向に進行するシャッターONビームLA11が出射する。
While the ultrasonic wave generator is not applying ultrasonic waves to the AO crystal, the laser beam LA passes through the AO crystal without changing its optical axis. As a result, the
一方、超音波発生部が超音波をAO結晶に印加している間、レーザー光LAは、AO結晶を透過する際に、その光軸が角度θ変更される。その結果、レーザーシャッターユニット2から第2の方向に進行するシャッターOFFビームLA21が出射する。
On the other hand, while the ultrasonic wave generator is applying ultrasonic waves to the AO crystal, the optical axis of the laser beam LA is changed by an angle θ when passing through the AO crystal. As a result, the
第2実施形態では、AOM24から集光光学系4までの導光経路上に、光学素子は介在していない。すなわち、AOM24から出射されたシャッターONビームLA11、及び、シャッターOFFビームLA21は、集光光学系4に直接入射する。つまり、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21は、AOM24から出射されたときの進行方向が変更されることなく、集光光学系4に導光される。
In the second embodiment, no optical element is interposed on the light guide path from the
なお、第2実施形態において、AOM24に入射するレーザー光LAの光軸と、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21の光軸とがなす角度θは、以下の式(4)で表される。
In the second embodiment, the angle θ between the optical axis of the laser beam LA incident on the
式(4)において、λはレーザー光LAのレーザー中心波長、fCはAOM24の超音波発生部が発生させる超音波の中心周波数、VはAO結晶内における超音波の進行速度である。つまり、レーザー光LAのレーザー中心波長λと、超音波の中心周波数fCにより、シャッターOFFビームLA21の出射方向である第2の方向が決まる。言い替えると、シャッターOFFビームLA21がリングコア512に集光されるように決定された角度θと、レーザー光LAのレーザー中心波長λに基づいて、超音波の中心周波数fCが適宜設定される。
In equation (4), λ is the laser center wavelength of the laser beam LA, fC is the center frequency of the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator of the
集光光学系4は、AOM24から出射されたシャッターONビームLA11、及び、シャッターOFFビームLA21を直接的に受光する。すなわち、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21は、集光光学系4に入射するまでの間に、光学素子を透過したり、光学素子によって反射されたりしない。
The condensing
集光光学系4は、受光したシャッターONビームLA11をセンターコア511に導光するとともに、シャッターOFFビームLA21をリングコア512に導光する。
The condensing
また、第2実施形態に係るレーザー加工装置200は、第1実施形態と同様に、式(1)~(3)を満たす。よって、シャッターONビームLA11は、センターコア511の入射端面からセンターコア511に入射し、センターコア511を伝搬し、センターコア511の出射端面からセンタービームLA12として出射される。また、シャッターOFFビームLA21は、リングコア512の入射端面からリングコア512に入射し、リングコア512を伝搬し、リングコア512の出射端面からリングビームLA22として出射される。
Also, the
第2実施形態のレーザーシャッターユニット2は、第1実施形態とは異なり、偏光子22や反射ミラー23等の光学素子を有していない。このため、第1の方向に進行するシャッターONビームLA11、または、第2の方向に進行するシャッターOFFビームLA21に切り替える光学素子を配置するための空間を確保する必要がなくなる。また、第1実施形態と比べてより少ない素子でレーザー光LAをシャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替えることができる。
Unlike the first embodiment, the
したがって、レーザーシャッターユニット2のコンパクト化、ひいては、レーザー加工装置200のコンパクト化を実現できる。
Therefore, it is possible to make the
また、AOM24は、EOM21よりもレーザー光に対する耐久性が高いので、第1実施形態のレーザーシャッターユニット2に比べて、より高出力のレーザー光LAを利用することができる。
In addition, since the
第2実施形態に係るレーザー加工装置200は、第1実施形態に係るレーザー加工装置100と同様に、レーザー光LAを出射するレーザー発振ユニット1と、入射するレーザー光LAを、光軸の異なるシャッターONビームLA11(第1のレーザー光)またはシャッターOFFビームLA21(第2のレーザー光)に切り替えて出射するレーザーシャッターユニット2と、センターコア511及びリングコア512を有するダブルコアファイバー51を含む出力部5と、シャッターONビームLA11をセンターコア511に導光するとともに、シャッターOFFビームLA21をリングコア512に導光する集光光学系4と、を備える。
As with the
出力部5は、センターコア511を介してシャッターONビームLA11を導光して当該シャッターONビームLA11に基づくセンタービームLA12を照射するとともに、リングコア512を介してシャッターOFFビームLA21を導光して当該シャッターOFFビームLA21に基づくリングビームLA22をセンタービームLA12の照射領域R1の周囲に照射する。
The output unit 5 guides the shutter ON beam LA11 through the
したがって、レーザー加工装置100と同様の作用及び効果が得られる。具体的には、レーザー加工装置200は、シャッターONビームLA11及びシャッターOFFビームLA21の双方を有効利用しているので、レーザー発振ユニット1から出射されるレーザー光LAのエネルギーロスを低減し、レーザー光LAを効率的に使用することができる。
Therefore, the same actions and effects as those of the
また、レーザーシャッターユニット2は、入射するレーザー光LAの進行方向を切り替えるAOM24を有し、AOM24から出射されたシャッターONビームLA11(第1のレーザー光)及びシャッターOFFビームLA21(第2のレーザー光)は、集光光学系4に直接入射する。
In addition, the
よって、より少ない素子でレーザー光LAをシャッターONビームLA11またはシャッターOFFビームLA21に切り替えることができるので、レーザーシャッターユニット2のコンパクト化、ひいては、レーザー加工装置200のコンパクト化を実現できる。さらに、より高出力のレーザー光LAを利用することができる。 Therefore, the laser beam LA can be switched to the shutter-ON beam LA11 or the shutter-OFF beam LA21 with a smaller number of elements. Furthermore, a higher output laser beam LA can be used.
[その他の変形例]
第1実施形態のレーザーシャッターユニット2は、EOM21、偏光子22、及び、偏光子22によって反射されたレーザー光LAを反射させる反射ミラー23を有しているとして説明した。レーザーシャッターユニット2は、反射ミラー23に代えて、偏光子22を透過したレーザー光LAを反射させる反射ミラーを備えていてもよい。また、レーザーシャッターユニット2は、反射ミラー23に加えて、偏光子22を透過したレーザー光を反射させる反射ミラーを有していてもよい。また、レーザーシャッターユニット2は、反射ミラー23や当該反射ミラーに代えて、レーザー光を屈折させることで、その進行方向を変更するプリズムを有していてもよい。
[Other Modifications]
The
集光光学系4は、必ずしもテレセントリック光学系でなくてもよい。
The condensing
シャッターONビームLA11がリングコア512に集光され、かつ、シャッターOFFビームLA21がセンターコア511に集光されてもよい。その場合、集光光学系4の光軸がシャッターOFFビームLA21の光軸と一致するように、集光光学系4の向きが調整される。または、シャッターONビームLA11をリングコア512で受光し、かつ、シャッターOFFビームLA21をセンターコア511で受光できるようにダブルコアファイバー51の向きが調整される。この場合、センターコア511の出射端面から、シャッターOFFビームLA21がセンタービームLA12として出射され、リングコア512の出射端面から、シャッターONビームLA11がリングビームLA22として出射される。
The shutter ON beam LA11 may be focused on the
出力部5は、必ずしもコリメート光学系52を有していなくてもよい。すなわち、センターコア511及びリングコア512の出射端面から出射されるセンタービームLA12及びリングビームLA22を平行光にすることなく、加工光学系53に導光してもよい。
The output section 5 does not necessarily have to have the collimating
本開示に係るレーザー加工装置及びレーザー加工方法によれば、レーザー光を効率的にレーザー加工に使用することができる。 According to the laser processing apparatus and laser processing method according to the present disclosure, laser light can be efficiently used for laser processing.
100、200 レーザー加工装置
1 レーザー発振ユニット
2 レーザーシャッターユニット
3 変調信号生成部
4 集光光学系
5 出力部
51 ダブルコアファイバー
511 センターコア
512 リングコア
513 クラッド
52 コリメート光学系
53 加工光学系
54 走査系
7 加工対象物
21 電気光学変調器(EOM)
22 偏光子
23 反射ミラー
24 音響光学変調器(AOM)
LA レーザー光
LA11 シャッターONビーム
LA21 シャッターOFFビーム
LA12 センタービーム
LA22 リングビーム
S 変調信号
θ 角度
REFERENCE SIGNS
22
LA Laser beam LA11 Shutter ON beam LA21 Shutter OFF beam LA12 Center beam LA22 Ring beam S Modulation signal θ Angle
Claims (7)
入射する前記レーザー光を、光軸の異なる第1のレーザー光または第2のレーザー光に切り替えて出射するレーザーシャッターユニットと、
センターコア及びリングコアを有するダブルコアファイバーを含む出力部と、
前記第1のレーザー光を前記センターコアに導光するとともに、前記第2のレーザー光を前記リングコアに導光する集光光学系と、
を備え、
前記出力部は、前記センターコアを介して前記第1のレーザー光を導光して当該第1のレーザー光に基づくセンタービームを照射するとともに、前記リングコアを介して前記第2のレーザー光を導光して当該第2のレーザー光に基づくリングビームを前記センタービームの照射領域の周囲に照射する、レーザー加工装置。 a laser oscillation unit that emits laser light;
a laser shutter unit that switches the incident laser beam to a first laser beam or a second laser beam with a different optical axis and emits the laser beam;
an output section comprising a double-core fiber having a center core and a ring core;
a condensing optical system that guides the first laser beam to the center core and guides the second laser beam to the ring core;
with
The output unit guides the first laser beam through the center core, irradiates a center beam based on the first laser beam, and guides the second laser beam through the ring core. A laser processing apparatus that emits a ring beam based on the second laser light to the periphery of the irradiation area of the center beam.
前記加工対象物と、前記センタービーム及び前記リングビームの集光位置との相対位置を調整する走査系と、を有する、
請求項1に記載のレーザー加工装置。 The output unit includes a processing optical system that converges the center beam and the ring beam on an object to be processed;
a scanning system that adjusts relative positions of the object to be processed and converging positions of the center beam and the ring beam;
The laser processing apparatus according to claim 1.
請求項2に記載のレーザー加工装置。 The output unit further includes a collimating optical system that collimates the center beam and the ring beam and guides the light to the processing optical system.
The laser processing apparatus according to claim 2.
請求項1から3のいずれかに記載のレーザー加工装置。 The condensing optical system is a telecentric optical system,
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれかに記載のレーザー加工装置。 The laser shutter unit includes an electro-optic modulator that switches the polarization direction of the transmitted laser light, and an optical element that switches the traveling direction of the laser light according to the polarization direction of the laser light that has passed through the electro-optic modulator. has
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記音響光学変調器から出射された前記第1のレーザー光及び前記第2のレーザー光は、前記集光光学系に直接入射する、
請求項1から4のいずれかに記載のレーザー加工装置。 The laser shutter unit has an acousto-optic modulator that switches the traveling direction of the incident laser light,
The first laser light and the second laser light emitted from the acousto-optic modulator directly enter the condensing optical system,
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記レーザー光を、光軸の異なる第1のレーザー光または第2のレーザー光に切り替え、
前記第1のレーザー光及び前記第2のレーザー光を、それぞれ、ダブルコアファイバーのセンターコア及びリングコアに導光し、
前記センターコアを介して前記第1のレーザー光を導光して当該第1のレーザー光に基づくセンタービームを照射して加工対象物を加工し、
前記リングコアを介して前記第2のレーザー光を導光して当該第2のレーザー光に基づくリングビームを前記センタービームの照射領域の周囲に照射して前記加工対象物を予熱又は徐冷する、
レーザー加工方法。 emit a laser beam,
switching the laser beam to a first laser beam or a second laser beam having a different optical axis;
guiding the first laser beam and the second laser beam to the center core and ring core of a double-core fiber, respectively;
guiding the first laser beam through the center core and irradiating a center beam based on the first laser beam to process the workpiece;
guiding the second laser beam through the ring core and irradiating a ring beam based on the second laser beam around the irradiation area of the center beam to preheat or slowly cool the object;
Laser processing method.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240314 |