JP3871240B2 - Hybrid processing equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はハイブリッド加工装置に関し、より詳しくは、被加工物に圧力液体を噴射すると同時にレーザ光線を照射して所要のレーザ加工を行うハイブリッド加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド加工装置として、次のような構成を備えたものは知られている。
すなわち、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光してから被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたものは知られている(例えば、特公平2−1621号公報)。
上記従来の公報の加工装置においては、レーザ光線によって被加工物に切断加工を施すと同時に、該切断加工個所を圧力液体によって冷却し、かつ加工くずを除去するようにしている。このような従来のハイブリッド加工装置においては、加工時における被加工物の炭化を防止することができる。したがって、従来のハイブリッド加工装置は半導体ウエハや合成樹脂の薄板の加工に用いられる事が多かった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のハイブリッド加工装置においては、レーザ発振器としてYAGレーザ発振器を用いていたため、次のような欠点が指摘されていたものである。
すなわち、YAGレーザ発振器は大型で高価なために、上記従来のハイブリッド加工装置においては、装置全体が大型化するとともに製造コストが高くなるという欠点があった。
またノズルの内面を単に円錐形状とした場合には、該円錐形状のノズルの下端開口部から噴射された圧力液体が拡散するという欠点が生じる。
そこで、本発明の目的は、上述した従来のものと比較して小型で、製造コストが安く、しかもノズルから噴射される圧力液体が飛散しないハイブリッド加工装置を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光してから被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工装置において、
上記レーザ発振器として半導体レーザ発振器を用いると共に、上記ノズルの内面を、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とから構成し、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を更に円錐面で反射させて円筒面に収束させるとともに、円筒面で圧力液体を拡散させないように噴射して、レーザ光線を圧力液体の内部を通過させて被加工物まで導光させるようにしたものである。
【0005】
このような構成によれば、レーザ発振器として半導体レーザ発振器を用いているので、YAGレーザ発振器を用いた従来のものと比較すると電源効率が良好となり、装置全体を小型化できるとともに製造コストを低減させる事ができる。しかも、ノズル内面の開口部の隣接位置に小径の円筒面を備えているので、この円筒面を通過して開口部から被加工物に向けて噴射される圧力液体が拡散することを防止できる。
したがって、小型で、製造コストも安く、しかもYAGレーザと同等の加工能力を備えたハイブリッド加工装置を提供することができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図1において、1は本発明にかかるハイブリッド加工装置である。このハイブリッド加工装置1は、薄板状の被加工物2を支持して水平面におけるX方向に移動可能な従来公知の加工テーブル3と、この加工テーブル3の上方側に配置されて、水平面における上記X方向と直交するY方向に移動可能な加工ヘッド4とを備えている。
本実施例のハイブリッド加工装置1によって加工する被加工物2としては、板厚が薄い半導体ウエハやエポキシ樹脂板が好適である。
本実施例においては、加工ヘッド4が備えるノズル5から圧力液体としての水6を被加工物2の加工位置2Aに噴射すると同時に、レーザ発振器7から発振したレーザ光線Lを水6の内部に導光して透過させてから被加工物2の加工位置2Aに照射するようにしている。その状態において、加工テーブル3及び加工ヘッド4を水平面におけるXY方向に相対移動させることにより、薄板状の被加工物2を所要の形状に切断するようにしている。
【0007】
本実施例の加工ヘッド4は、図示しない駆動機構によって上記Y方向に移動可能でかつ昇降可能な板状の支持部材8と、この支持部材8の貫通孔8Aの下方部に嵌着したノズル5と、上記貫通孔8Aの位置となる支持部材8の上面に取り付けた環状のホルダ11と、このホルダ11の内周部によって保持されて上記貫通孔8Aおよびノズル5内に向けたレーザ発振器7とを備えている。
しかして、本実施例においては、レーザ発振器7として、高出力の半導体レーザ発振器を用いており、このレーザ発振器7から発振されたレーザ光線Lは、上記ノズル5内の集光レンズ12によって集光されてからノズル5の下端開口部5Aを通過して被加工物2に照射されるようになっている。
レーザ発振器7のハウジングには、冷却水が流通可能な図示しない冷却通路を形成してあり、この冷却通路の一端に冷却水を供給する供給管13を接続するとともに、上記冷却通路の他端に冷却水を回収する回収管14を接続している。
上記供給管13は図示しないポンプに接続してあり、このポンプおよびレーザ発振器7の作動は、図示しない制御装置によって制御するようにしている。
制御装置によってレーザ発振器7が作動されている時にはポンプも作動されるので、上記供給管13を介して冷却水がレーザ発振器7のハウジングに供給されるようになっている。また、これと同時にレーザ発振器7のハウジングの熱は円筒状のホルダ11にも伝達されるようになっている。
つまり、ホルダ11および上記供給管13からの冷却水によってレーザ発振器7を冷却するようにしている。なお、レーザ発振器7のハウジングに供給された冷却水は、回収管14を介して図示しない回収槽に回収されるようになっている。
以上の説明からも理解できるように、本実施例では、レーザ発振器7として半導体レーザ発振器を用いているので、レーザ発振器7そのものを小型化することができ、それによってレーザ発振器7を加工ヘッドの一部として構成している。また、本実施例では、レーザ発振器7として半導体レーザ発振器を用いることにより、従来のYAGレーザ発振器を用いた場合よりも、電源効率が良好になっている。
【0008】
次に、本実施例のノズル5は、内部に集光レンズ12を保持したリング状のレンズホルダ15と、このレンズホルダ15の下面に一体に取り付けた円筒状の本体部16とから構成している。
上記レンズホルダ15を支持部材8の貫通孔8Aに下方側から嵌着することにより、該レンズホルダ15及び本体部16は鉛直下方に向けて支持されるとともに、レーザ発振器7から照射されるレーザ光線Lの光軸とノズル5の軸心とを一致させている。
レンズホルダ15の内周部には環状溝15Aを形成してあり、この環状溝15A内に集光レンズ12の外周部を嵌合している。なお、環状溝15Aの下面には環状のシール部材17を設けてあり、このシール部材17を集光レンズ12の下面の外周部に密着させている。これによって、集光レンズ12の下面の外周部と環状溝15Aとの間の気密及び液密を保持している。この集光レンズ12よりも下方側となる本体部16の内部空間によって圧力液体としての水6が一時的に貯溜されるチャンバー19を構成している。
【0009】
本体部16における上方部には、その外周面から内周面まで貫通する横方向の液通路18を形成してあり、この液通路18の外方側の端部は導管21を介して高圧ポンプ22に接続している。
この高圧ポンプ22は、図示しない制御装置によって作動を制御されるようになっており、制御装置によって高圧ポンプ22が作動される。すると、図示しない水タンク内に貯溜された水が高圧ポンプ22によって吸引されて圧力を高められた後、導管21及び液通路18を介して本体部16のチャンバー19に給送される。チャンバー19内に水が充満されると、本体部16の下端の開口部5Aを介して圧力液体としての水6が被加工物2の加工位置2Aに噴射されるようになっている。なお、本実施例においては、上記高圧ポンプ22によってノズル5のチャンバー19内に供給される水圧は、被加工物2の材質や板厚に応じて調節できるようになっている。
このようにノズル5の開口部5Aから圧力液体としての水6が噴射されている状態において、制御装置によってレーザ発振器7が作動されるようになっている。そして、レーザ発振器7からレーザ光線Lは、ノズル5のチャンバー19内の水6および開口部5Aから噴射される水6の内部に導光されて、それらの内部を通過して被加工物2の加工位置2Aに照射されるようになっている。
既に上述したように、この状態において、加工ヘッド4と加工テーブル3とを水平面内においてXY方向に相対移動させて被加工物2を所要の形状にレーザ切断するようにしている。加工位置2Aはノズル5の開口部5Aから噴射される水6によって冷却されると同時に、加工位置2Aに発生する加工くずはノズル5の開口部5Aから噴射される水6によって除去されるようになっている。
なお、本実施例においては、圧力液体として水6を用いているが、これに限定されるものではなく、レーザ光線Lに対して吸収率が低い液体であれば、上記水6の代わりの圧力液体として使用することができる。
【0010】
さらに、本実施例ではノズル5の本体部16の内面を以下のように改良している。すなわち、本体部16の内面は、下端部(先端部)側が縮径される円錐面16Aとしてあり、さらにこの円錐面16Aから連続する実質的な下端部およびその近接上方側の領域は、内径を同一とした円筒面16Bとしている。上記円錐面16Aは、軸方向の断面が直線となる正確な円錐面から構成している。なお、上記円錐面16Aは、後述する図2の第2実施例のように、その断面が軸心側に向けてわずかに膨出する円弧状の円錐面であっても良い。
円筒面16Bの下端部が開口部5Aとなっており、円筒面16Bの内径は本体部16において最も内径を小さく設定している。
上記円錐面16Aおよび円筒面16Bの表面の全域は、つまり、チャンバー19を構成する本体部16の内面の全域は、レーザ光線Lを反射する従来公知の反射材によって被覆している。これにより、集光レンズ12を透過したレーザ光線Lは、本体部16の円錐面16Aおよび円筒面16Bによって反射されてより一層収束され易くなっている。
そしてさらに、本実施例のノズル5は、上記円錐面16Aから連続して先端部(開口部の隣接上方側)の位置に小径の円筒面16Bを形成しているので、単に本体部16の内部に円錐面16Aだけを形成したものと比較すると、ノズル5の開口部5Aから噴射される圧力液体としての水6が拡散することを防止できる。そのため、円筒面16Bの内径を小さくすれば、被加工物2を切断加工する際の切断幅を小さくすることができる。そこで、円筒面16Bの内径が異なる複数のノズル5を用意しておき、被加工物2の板厚や材質に応じて、好適なノズル5を選択して使用することができる。
このようにして、開口部5Aから噴射される水6の内部に導光してその内部を通過させるレーザ光線Lの焦点の径を小さくすることができる。つまり、従来一般に半導体レーザ発振器から発振されるレーザ光線Lは、集光レンズ12によって集光しても焦点の径を最小で0.8ないし1mm程度までしか収束できなかったものである。
これに対して、本実施例においては、被加工物2として板厚50μm程度の半導体ウエハを切断加工する際には、ノズル5の開口部5Aの径(円筒面16Bの内径)を150μm以下とすることも可能である。その場合には、開口部5Aから噴射される水6の直径も150μm以下とすることができ、その水6内にレーザ光線Lを導光することにより、レーザ光線Lの焦点の径を、従来の半導体レーザ発振器では得られなかった150μm以下とすることができる。
さらに、噴射される圧力液体を拡散させないようにできることにより、加工中におけるノズル5と被加工物2との距離を長くすることができるとともに、平行な加工面を得ることができる。
【0011】
以上のように、本実施例によれば、レーザ発振器7として高出力の半導体レーザ発振器を用いているので、レーザ発振器としてYAGレーザ発振器を用いていた従来のハイブリッド加工装置と比較すると、装置全体を小型化することができると同時に製造コストを低減させることができる。
しかも、本体部16の内面の下端部に小径の円筒面16Bを形成しているので、ノズル5の開口部5Aから噴射される水6が拡散することを防止することができる。そのため、レーザ光線Lの焦点の径を100μm単位まで収束しにくい半導体レーザ発振器を用いているにも拘らず、従来のYAGレーザ発振器を用いた場合と同等程度にレーザ光線Lの焦点の径を小さくすることができる。
したがって、小型で製造コストも安く、しかも、YAGレーザ発振器と同等程度の処理能力を備えたハイブリッド加工装置を提供することができる。
また、本実施例のハイブリッド加工装置1をウォータジェット加工装置としてみた場合においては、研磨材も必要とせず、しかも従来一般のウォータジェット加工装置よりも低い圧力(5〜50MPa程度)の水を用いることができる。したがって、従来一般のものよりもランニングコストや設備コストを安くすることができる。
【0012】
(第2実施例について)
次に、図2は本発明の第2実施例を示したものである。上記第1実施例においてはレーザ発振器を1台だけ設けていたが、この第2実施例においてはレーザ光線Lの出力を上げるために、レーザ発振器を2台設けている。
すなわち、この第2実施例においては、ホルダ11を箱型に形成してあり、このホルダ11の開口部を支持部材8の上面に被せて一体に連結してあり、それによって貫通孔8Aを閉鎖している。
このホルダ11の上面に第1レーザ発振器7を鉛直下方に向けて取り付けてあり、他方、第2レーザ発振器7’をホルダ11の側面に水平方向を向けて取り付けている。
第1レーザ発振器7および第2レーザ発振器7’として、高出力の半導体レーザ発振器を用いている。また、これらのレーザ発振器7、7’には、従来公知のビームコレクティング集光レンズ25、25を設けている。さらに、これらの両方のレーザ発振器7、7’のハウジングには、上述した第1実施例と同様に図示しない冷却通路を設けてあり、この冷却通路に供給管13から冷却水を供給するととともに回収管14によって冷却水を回収するようにしている。
また、ホルダ11の内部には、図示しない支持手段によってプリズム26を支持している。したがって、上記両レーザ発振器7、7’からレーザ光線Lが発振されると、レーザ光線Lはまずコレクティング集光レンズ25、25によって集光されてからプリズム26へ案内され、そのプリズム26によってレーザ光線Lが1つに収束されてから下方側に位置するノズル5内の集光レンズ12へ案内されるようになっている。
さらに、この第2実施例では、ノズル5の円錐面16Aは、軸方向の断面が軸心側に向けて僅かに膨出する円弧状の円錐面としている。なお、この第2実施例における円錐面16Aも上記第1実施例のものと同様に断面が直線となる完全な円錐面としても良い。この他の構成は上述した第1実施例の構成と同じであり、それらについての説明を省略する。
このような構成とした第2実施例のハイブリッド加工装置1であっても、上述した第1実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【0013】
なお、上述した各実施例においては、被加工物2として板厚が小さな半導体ウエハやエポキシ樹脂の薄板が好適であるが、被加工物2としては、光が透過しない材料であればよい。つまり、金属、セラミックス、合成樹脂および異なる材料を積層した複合材に対しても本実施例のハイブリッド加工装置1によって所要の切断加工を施すことができる。
また、上述した各実施例においては、本体部16の下端部に上記円筒面16Bを設けてあり、その円筒面16Bを設けた円筒部は、上方側の円錐面16Aを設けた部分と一体に形成している。しかしながら、円筒面16Bを設けた円筒部とそれよりも上方側の円錐面16Aを形成した部分とを別体に形成して、それらをねじによって一体に連結するようにしてもよい。そのように構成することにより、レーザ光線Lによって円錐面16Aが損傷した時に、該円錐面16Aを設けた部分とその下方側の円筒面16Bとを分離させて、新しい円錐面16Aを設けた部分と損傷した部分とを交換するようにしてもよい。
【0014】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で、製造コストも安く、しかもYAGレーザと同等の加工能力を備えたハイブリッド加工装置を提供することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を断面図。
【図2】本発明の第2実施例を示す断面図。
【符号の説明】
1…ハイブリッド加工装置 2…被加工物
4…加工ヘッド 5…ノズル
6…水(圧力液体) 7…レーザ発振器
12…集光レンズ 16…本体部
16A…円錐面 16B…円筒面
22…高圧ポンプ L…レーザ光線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hybrid machining apparatus, and more particularly to a hybrid machining apparatus that performs required laser machining by irradiating a laser beam simultaneously with jetting a pressure liquid onto a workpiece.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a hybrid machining apparatus having the following configuration is known.
That is, a laser oscillator that oscillates a laser beam, a condensing lens that condenses the laser beam oscillated from the laser oscillator, a nozzle that ejects a pressure liquid from an opening at a tip toward a workpiece, and the nozzle Pressure liquid supply means for supplying the pressure liquid to the internal space of the laser beam, and the laser beam condensed by the condenser lens is guided to the inside of the pressure liquid ejected from the nozzle and then irradiated onto the workpiece. In addition, there is known a device that performs a required processing on a workpiece (for example, Japanese Patent Publication No. 2-1621).
In the processing apparatus of the above-mentioned conventional publication, the workpiece is cut by the laser beam, and at the same time, the cutting portion is cooled by the pressure liquid and the processing waste is removed. In such a conventional hybrid processing apparatus, carbonization of the workpiece during processing can be prevented. Therefore, the conventional hybrid processing apparatus is often used for processing a semiconductor wafer or a synthetic resin thin plate.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional hybrid machining apparatus described above, since the YAG laser oscillator is used as the laser oscillator, the following drawbacks have been pointed out.
That is, since the YAG laser oscillator is large and expensive, the conventional hybrid machining apparatus has the disadvantages that the entire apparatus becomes large and the manufacturing cost increases.
Further, when the inner surface of the nozzle is simply conical, there is a disadvantage that the pressure liquid ejected from the lower end opening of the conical nozzle diffuses.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a hybrid processing apparatus that is smaller than the above-described conventional one, is low in manufacturing cost, and does not scatter pressure liquid ejected from a nozzle.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a laser oscillator that oscillates a laser beam, a condensing lens that condenses the laser beam oscillated from the laser oscillator, and a nozzle that ejects a pressure liquid from an opening at a tip toward a workpiece. And pressure liquid supply means for supplying pressure liquid to the internal space of the nozzle, and guides the laser beam condensed by the condenser lens into the pressure liquid ejected from the nozzle and then processed In a hybrid processing device that irradiates an object and performs the required processing on the workpiece,
A semiconductor laser oscillator is used as the laser oscillator, and the inner surface of the nozzle is composed of a conical surface whose tip side is reduced in diameter and a small-diameter cylindrical surface that continues from the small diameter portion of the conical surface to the opening. The laser beam condensed by the condenser lens is further reflected by the conical surface to converge on the cylindrical surface, and the pressure liquid is jetted so as not to diffuse on the cylindrical surface, and the laser beam passes through the pressure liquid. The light is guided to the workpiece .
[0005]
According to such a configuration, since the semiconductor laser oscillator is used as the laser oscillator, the power supply efficiency is improved as compared with the conventional one using the YAG laser oscillator, the entire apparatus can be downsized and the manufacturing cost can be reduced. I can do things. In addition, since a small-diameter cylindrical surface is provided at a position adjacent to the opening on the inner surface of the nozzle, it is possible to prevent the pressure liquid that passes through the cylindrical surface and is ejected from the opening toward the workpiece.
Accordingly, it is possible to provide a hybrid processing apparatus that is small in size, low in manufacturing cost, and has a processing capability equivalent to that of a YAG laser.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a hybrid machining apparatus according to the present invention. The hybrid machining apparatus 1 is a conventionally known machining table 3 that supports a
As the
In this embodiment,
[0007]
The processing head 4 of this embodiment includes a plate-
In this embodiment, a high-power semiconductor laser oscillator is used as the
A cooling passage (not shown) through which cooling water can flow is formed in the housing of the
The
When the
That is, the
As can be understood from the above description, since the semiconductor laser oscillator is used as the
[0008]
Next, the
By fitting the
An
[0009]
A
The operation of the high-
In this manner, the
As already described above, in this state, the processing head 4 and the processing table 3 are moved relative to each other in the XY directions in the horizontal plane so that the
In this embodiment,
[0010]
Furthermore, in this embodiment, the inner surface of the
The lower end portion of the
The entire surface of the
Further, the
In this way, it is possible to reduce the diameter of the focal point of the laser beam L that is guided to the inside of the
On the other hand, in this embodiment, when a semiconductor wafer having a plate thickness of about 50 μm is cut as the
Further, since the injected pressure liquid can be prevented from diffusing, the distance between the
[0011]
As described above, according to the present embodiment, since the high-power semiconductor laser oscillator is used as the
Moreover, since the small-diameter
Accordingly, it is possible to provide a hybrid processing apparatus that is small in size and low in manufacturing cost and that has a processing capability comparable to that of a YAG laser oscillator.
Further, when the hybrid processing apparatus 1 of this embodiment is viewed as a water jet processing apparatus, no abrasive is required, and water having a lower pressure (about 5 to 50 MPa) than that of a conventional general water jet processing apparatus is used. be able to. Therefore, the running cost and the equipment cost can be reduced as compared with the conventional one.
[0012]
(About the second embodiment)
Next, FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, only one laser oscillator is provided. In the second embodiment, two laser oscillators are provided to increase the output of the laser beam L.
That is, in the second embodiment, the
The
High-power semiconductor laser oscillators are used as the
Further, the
Further, in the second embodiment, the
Even with the hybrid machining apparatus 1 of the second embodiment configured as described above, the same operational effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
[0013]
In each of the embodiments described above, a semiconductor wafer having a small plate thickness or an epoxy resin thin plate is suitable as the
Further, in each of the above-described embodiments, the
[0014]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a hybrid processing apparatus that is small in size and low in manufacturing cost and that has a processing capability equivalent to that of a YAG laser.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
上記レーザ発振器として半導体レーザ発振器を用いると共に、上記ノズルの内面を、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とから構成し、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を更に円錐面で反射させて円筒面に収束させるとともに、円筒面で圧力液体を拡散させないように噴射して、レーザ光線を圧力液体の内部を通過させて被加工物まで導光させることを特徴とするハイブリッド加工装置。A laser oscillator that oscillates a laser beam; a condenser lens that condenses the laser beam oscillated from the laser oscillator; a nozzle that ejects a pressure liquid from an opening at a tip toward a workpiece; and an interior of the nozzle A pressure liquid supply means for supplying the pressure liquid to the space, and the laser beam condensed by the condensing lens is guided to the inside of the pressure liquid ejected from the nozzle and then irradiated to the workpiece. In the hybrid processing device that performs the required processing on the workpiece,
A semiconductor laser oscillator is used as the laser oscillator, and the inner surface of the nozzle is composed of a conical surface whose tip side is reduced in diameter and a small-diameter cylindrical surface that continues from the small diameter portion of the conical surface to the opening. The laser beam condensed by the condenser lens is further reflected by the conical surface to converge on the cylindrical surface, and the pressure liquid is jetted so as not to diffuse on the cylindrical surface, and the laser beam passes through the pressure liquid. And a hybrid processing apparatus characterized by guiding light to a workpiece.
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