JP4021680B2

JP4021680B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP4021680B2
Application number: JP2002046697A
Authority: JP
Inventors: バンダリ・ラケシュ
Original assignee: サンクス株式会社
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003249701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発生手段からのレーザ光を照射して被加工対象物の加工を行うレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザ加工装置の一例として、従来、ガルバノスキャニング式のレーザマーキング装置がある。これは、レーザ発生手段から出射されたレーザ光を、その光路途中に配したガルバノミラーで方向を変えて被マーキング対象物上に走査するように照射させることで所望の文字、記号、図形等を印字するものである。
【０００３】
ところで、この種のレーザマーキング装置では、被マーキング対象物上でのレーザ光の反射光が、そのレーザ光の光路を逆行して再びガルバノミラーを介してレーザ発生手段に至り、例えばレーザ発生手段内のレーザ光源を破損させてしまうことがある。レーザマーキング装置に用いられるレーザ発生手段のなかには、レーザ光源（レーザダイオード）とレーザ出射口との間に配した希土類ドープ光ファイバ内に、レーザ光源からのレーザ光を通過させて光増幅させる増幅機能を備えたもの（ファイバレーザ）がある。このような構成のレーザ発生手段に前記反射光が入射すると、たとえこの反射光の光強度が低いものであったとしても、希土類ドープ光ファイバ内で増幅されて、光強度が高いレーザ光としてレーザ光源に入射してしまい、レーザ光源を破損させる可能性が特に高くなる。
【０００４】
この解決策として、従来、レーザ発生手段とガルバノスキャナとの間に、レーザ発生手段からのレーザ光の通過のみを許容し、被マーキング対象物からの反射光の通過を阻止する光アイソレータを設けたものがある。より詳しくは、光アイソレータは、レーザ発生手段からのレーザ光のうち一方向の偏光面を有するレーザ光のみの通過を許容する偏光子（偏光プリズム）と、その偏光子からのレーザ光の偏光面を所定角度、例えば４５度だけ回転させるファラデー回転子と、そのファラデー回転子からの回転後の偏光面を有するレーザ光のみの通過を許容する検光子（偏光プリズム）とをレーザ光の光路に沿って配列してなる。従って、被マーキング対象物上から反射光は、検光子を通過後、ファラデー回転子にて更に偏光面が４５度回転され、その回転後の偏光面が、偏光子の許容するレーザ光の偏光面に対して９０度の角度をなすことになり、この偏光子にて通過が阻止される。これにより前記反射光がレーザ発生手段に入射することを防止できるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光アイソレータは、上記したように種々の光学部品からなりコストが高く、また、印字のために光強度が高いレーザ光が用いられるレーザマーキング装置に使用する場合、その光強度に応じた大きさのものが必要となる。従って、レーザマーキング装置自体が大型化すると共に製造コストが高くなってしまうという欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、装置の大型化やコストアップを回避しつつ、被加工対象物からの反射光によるレーザ発生手段の破損を防止することが可能なレーザ加工装置を提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発生手段から出射されるパルス状の出射レーザ光を被加工対象物上に照射して、その被加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ発生手段から出射され前記被加工対象物に至る前記出射レーザ光の光路途中に配置され、前記出射レーザ光を透過させ、かつ、相対的に光強度が低く前記被加工対象物からの反射レーザ光を吸収する非線形性の光吸収特性を有した光アブソーバを設け、前記出射レーザ光のパルス光が前記光アブソーバを透過した後、それに対応する前記反射レーザ光のパルス光が前記光アブソーバに戻ってくるまでの時間が、前記出射レーザ光のパルス幅及び前記光アブソーバの励起状態の寿命時間よりも長くなっているところに特徴を有する。
【０００８】
【発明の作用及び効果】
光アブソーバは、その結晶中の分子が入光した光からエネルギーを得て励起状態に移り、例えば熱としてエネルギーを放出して再び基底状態に戻るという原理を利用して、入光した光を吸収するものである。ところが、図１に示すように、光アブソーバは、ある程度以上の光強度の光が入光すると、結晶中の全ての分子が励起された飽和状態となり光吸収率が低下して光を透過させる。つまり、光強度に応じて光吸収率が変化するのである。このことは、光アブソーバが、光強度の増加に伴ってその光吸収率が低下する特性を有していることを意味する。
【０００９】
ここで、レーザ発生手段から出射される出射レーザ光は光強度が極めて高いのに対し、被加工対象物で反射して戻ってくる反射レーザ光の光強度は低い（通常、出射レーザ光の光強度の０〜５０％）。従って、上記光アブソーバの性質を利用して、レーザ発生手段からの出射レーザ光を透過させる一方で、前記反射レーザ光を吸収するよう構成することが可能である。
【００１０】
そこで、本発明では、上記のように構成した光アブソーバをレーザ発生手段及び被加工対象物間の出射レーザ光の光路途中に配置した。光アブソーバは、常には基底状態にあり、出射レーザ光の各パルス光が入光する毎に飽和状態に移り出射レーザ光を透過させる。一方、出射レーザ光の各パルスの透過した後、これから遅れて戻ってくる被加工対象物からの反射レーザ光は、基底状態にある光アブソーバに吸収される。
【００１１】
このような構成であれば、光アイソレータを利用した従来のものに比べて装置の大型化及びコストアップを低減しつつ、反射レーザ光によるレーザ発生手段の破損を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図２及び図３によって説明する。
本願実施形態のレーザマーキング装置は、図２に示されており、コントローラ部２００と分離型のヘッド部３００とを備えてなり、それぞれに設けた入出力回路１１０，１１０同士が、電気ケーブル４００にて接続されている。また、コントローラ部２００とヘッド部３００との間には光ファイバ３３が延びており、コントローラ部２００で生成した出射レーザ光がこの光ファイバ３３を介してヘッド部３００へと与えられる。以下、コントローラ部２００、ヘッド部３００の順で、詳細の構成を説明する。
【００１３】
コントローラ部２００に備えたレーザ発生手段２５０内において、符号１０は、半導体レーザで構成されたレーザ光源であり、ドライバ１１によりパルス駆動されてパルスレーザ光を出力する。符号２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、半導体レーザで構成された励起光源である。これら励起光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、ドライバ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにて直流駆動されて、後述の各希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣの希土類元素を励起する波長を有する励起光を出力する。
【００１４】
符号３０ＡＢは、シングルモードの希土類ドープ光ファイバであって、この光ファイバ３０ＡＢの途中には、前方からの戻り光をカットするアイソレータ９０が設けられている。符号３０ＢＣは、マルチモードの希土類ドープ光ファイバであって、ボビン状の軸（図示せず）に複数回、巻回することで、コンパクトな形にされている。また、これら希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣは、共に希土類を含み屈曲可能なガラスファイバで構成されており、希土類の増幅作用によってパルスレーザ光を増幅する。
【００１５】
符号８０Ａは、結合手段であって、レーザ光源１０から延びた光ファイバ３１と、励起光源２０Ａから延びた光ファイバ３２Ａとを、前記希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢに結合する。符号８０Ｂ，８０Ｃも、やはり結合手段であって、結合手段８０Ｂは、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢと励起光源２０Ｂから延びた前記光ファイバ３２Ｂとを、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣに結合し、結合手段８０Ｃは、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣと励起光源２０Ｃから延びた前記光ファイバ３２Ｃとを、光ファイバ３３に結合する。そして、光ファイバ３３にて、コントローラ部２００とヘッド部３００とが繋がっている。
【００１６】
符号１００は、制御手段であって、これには、入力手段４０１（例えば、コンソール）が連なっており、その入力手段４０１から、マーキングのプログラムや、マーキング情報を受け、これらに基づいて前記ガルバノミラー５０を制御する。一方、ヘッド部３００のうち、符号４０は、コリメータレンズであって、前記レーザ発生手段２５０からの増幅された出射レーザ光を平行光にする。符号６０は、ｆθレンズであって、次述のガルバノミラー５０で反射した出射レーザ光を受けて、被マーキング対象物Ｗ表面上に集光する。
【００１７】
符号５０は、ガルバノミラーであって、Ｘ軸ガルバノミラー５１およびＹ軸ガルバノミラー５２とからなり、前記コリメータレンズ４０からの出射レーザ光が、例えば、Ｘ軸ガルバノミラー５１からＹ軸ガルバノミラー５２へと向かう順序で反射する配置になっている。そして、両ガルバノミラー５１，５２の角度変更によって、出射レーザ光の照射点が被マーキング対象物Ｗ上で２次元的に走査される。
【００１８】
上記構成により本実施形態に係るレーザマーキング装置は次のように動作する。
まず、入力手段４０１を用いて、レーザパワーや印字速度等の設定値、及び、文字・図形等のマーキング情報を、制御手段１００に入力する。すると、制御手段１００は、予め入力されたプログラムをランして、上記各種の設定値及びマーキング情報から、レーザ出力を制御するための制御信号をドライバ１１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに与える。すると、ドライバ１１は、レーザ光源１０をパルス駆動し、また、ドライバ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、励起光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを直流駆動する。
【００１９】
次いで、レーザマーキング装置に具備された励起用スイッチ（図示せず）をＯＮにすると、直流駆動されている励起光源２０Ａから励起光が出力され、この励起光が光ファイバ３２Ａ及び結合手段８０Ａを介して、両希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣに入射する。このとき、励起光源２０Ａは、出力が小さくなるように制御されており、励起光を受けた光ファイバ３０ＡＢ，３０ＢＣ全体は均一な励起状態とされると共に、励起されてレーザ光が発生するが、そのレーザ光はマーキング不能な強度に維持される。
【００２０】
マーキングを開始ときには、制御手段１００は、レーザ光源１０及び励起光源２０Ｂ，２０Ｃの出力をオンする。すると、励起光源２０Ｂ，２０Ｃからの励起光が希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ内に入射されて、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣが高励起状態になると共に、レーザ光源１０からのパルスレーザ光が希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢに入射される。そして、パルスレーザ光が、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢ及び高励起状態になった希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣを通過することによって増幅されていく。このとき、パルスレーザ光は、シングルモードの希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢを通過することによって、増幅度は少ないが、光強度分布の整った品質の良いレーザ光が得られ、マルチモードの希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣを通過することによって、この品質の良いレーザ光がマーキングを行うのに十分な強度に増幅されてレーザ発生手段２５０から出射されることになる。なお、本実施形態では、この出射される出射レーザ光は、パルス間隔が５０μｓに、また、パルス幅が５ｎｓに設定されている。また、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢの途中にはアイソレータ９０が設けられているから、励起光源２０Ｃ等からのレーザ光の逆戻りが防がれる。
【００２１】
出射レーザ光は結合手段８０Ｃ及び光ファイバ３３を介して、コントローラ部２００からヘッド部３００の方へ伝達される。これと共に、コントローラ部２００の入出力回路１１０からヘッド部３００へと電気ケーブル４００を介して、Ｘ軸及びＹ軸の両ガルバノミラー５１，５２の制御信号および駆動電力が送られる。
【００２２】
ヘッド部３００では、コントローラ部２００側から受けた出射レーザ光が、コリメータレンズ４０にて平行光に絞られて、ガルバノミラー５０によって方向が変えられる。ここで、ガルバノミラー５０では、この出射レーザ光をＸ軸ガルバノミラー５１によって一つの方向に走査し、Ｙ軸ガルバノミラー５２によって、Ｘ軸ガルバノミラー５１が走査する方向と直交する方向に走査することで２次元のあらゆる方向に走査することができる。ガルバノミラー５０からの出射レーザ光は、ｆθレンズと呼ばれる収束レンズ６０によって平行光からマーキングを行うためのスポットレーザ光に絞り込まれる。この出射レーザ光が被マーキング対象物Ｗ表面上を走査することにより、所望のマーキングが行われる。
【００２３】
ところで、従来説明の欄でも述べたように、レーザマーキング装置では、被マーキング対象物Ｗ表面上での出射レーザ光の反射光（以下、「反射レーザ光」）が、その出射レーザ光の光路を逆行して再びガルバノミラー５０を介してレーザ発生手段２５０に至り、例えばレーザ光源１０を破損させてしまうおそれがある。特に、本実施形態のような構成では、逆行する反射レーザ光も希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ，３０ＡＢを通過することで増幅されて光強度の高いレーザ光としてレーザ光源１０に入射してしまう。従って、レーザ光源１０を破損させる危険性がより高い。
【００２４】
なお、上述したように本実施形態のレーザマーキング装置においては、希土類ドープ光ファイバ３０ＡＢの途中にレーザ光の逆戻りを防止するアイソレータ９０が設けられているが、これは光強度の比較的低い励起光源２０Ｃ等からのレーザ光、或いは、結合手段８０Ｂの端面等からの反射光に対応して設けたものである。従って、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣ，３０ＡＢ内を通過しつつ増幅された光強度の強い反射レーザ光の進行を確実に阻止できないおそれがあり、なおもレーザ光源１０を破損させる危険性が残り得る。
【００２５】
そこで、本実施形態では、コントローラ部２００内に位置する光ファイバ３３の途中に光アブソーバ１２０が設けられている。この光アブソーバ１２０は、セル内に液体が収容されたＤＹＥ型の光アブソーバ（例えば、Exciton社の「アブソーバＢＤＮ」）や、４価クロムがドープされたＹＡＧ結晶で構成された固体式の光アブソーバ（例えば、Racol社の「Cr⁴⁺:YAG Crystal Passive Q-Switch」、ALPHALAS社の「Passive Q-Switch Cr⁴⁺:YAG」）を利用することができる。また、半導体の光アブソーバであってもよい。この光アブソーバ１２０の作用について、前記固体式のものを例に挙げて説明すると、光強度が極めて高い出射レーザ光が入光すると、ＹＡＧ結晶内の全て分子が励起された飽和状態となり光吸収率が低下し、出射レーザ光を透過させる。一方、被マーキング対象物Ｗ表面で反射して戻ってくる、光強度の低い反射レーザ光が入光すると、そのほとんど全てのエネルギーがＹＡＧ結晶中の分子の励起に使用され、その励起状態の分子は熱としてエネルギーを放出して再び基底状態に戻る。即ち、反射レーザ光は光アブソーバ１２０に吸収されることになる。
【００２６】
ここで、図３には、本実施形態における出射レーザ光及び反射レーザ光が光アブソーバ（具体的には、「アブソーバＢＤＮ」）に至るタイミングを示されている。
本実施形態では、上記したように出射レーザ光のパルス周期は５０μｓであり、パルス幅は５ｎｓである。また、上記アブソーバＢＤＮでは、出射レーザ光の各パルス光の透過後の光アブソーバの励起状態の寿命は８ｎｓ以下である。また、伝送用の光ファイバ３３の長さは約５ｍ、ヘッド部３００から被マーキング対象物Ｗまでの距離（以下、「ワーク距離ｈ」）は約０．１８ｍである。これらよりレーザ光が光アブソーバ１２０から被マーキング対象物Ｗにて反射し、再び光アブソーバ１２０に戻ってくるまでの往復光路距離（＝{「光ファイバ３３の長さ」＋「ワーク距離」}×２）を求めることができる。従って、この往復光路距離を光速度で除算ることで、出射レーザ光のパルス光が光アブソーバ１２０を透過した後、それに対応する反射レーザ光のパルス光が光アブソーバ１２０に戻ってくるまでの時間を算出することができる。本実施形態では約３４．５ｎｓとなる。そうすると、出射レーザ光が光アブソーバ１２０に入光してから約１３ｎｓ（パルス幅５ｎｓ＋励起状態の寿命８ｎｓ）後には光アブソーバは基底状態に戻っているから、反射レーザ光の各パルス光が光アブソーバ１２０に入光する際には、この光強度の弱い反射レーザ光を吸収するに十分な光吸収能力を光アブソーバ１２０が有していることになる。
【００２７】
このように、出射レーザ光の光路途中に光アブソーバ１２０を配置して、この光アブソーバ１２０により被マーキング対象物Ｗからの反射レーザ光のレーザ発生手段２５０への入射を防止するよう構成した。従って、光アイソレータを利用した従来のものに比べて装置の大型化及びコストアップを低減しつつ、反射レーザ光によるレーザ発生手段の破損を防止することができる
【００２８】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、ガルバノミラー５０を備えたガルバノスキャニング式のレーザマーキング装置を例に挙げて説明したが、この限りではなく、例えばレーザ発生手段自体の位置を移動させてレーザ光の照射点を移動させる構成のものや、いわゆるドットマーキング方式のレーザマーキング装置であってもよい。更に、レーザマーキング装置以外の他のレーザ加工装置であってもよく、特に、マーキングに要する光強度以上のレーザ光を用いてワークを加工するものでは、本発明を適用することで、より顕著な効果を得ることができる。
【００２９】
（２）また、上記実施形態では、光アブソーバを、希土類ドープ光ファイバ３０ＢＣと伝送用の光ファイバ３３との間に配置した構成としたが、この限りではなく、レーザ発生手段２５０と被マーキング対象物Ｗとの間の出射レーザ光の光路途中であればよく、例えばヘッド部３００に設ける構成であってもよい。また、光アブソーバを例えばガルバノミラー５０表面上にコーティングして一体化した構成であってもよい。
【００３０】
（３）上記実施形態では、レーザ発生手段に希土類ドープ光ファイバによる増幅手段を備える構成であったが、増幅手段を備えていないレーザ発生手段、即ち、レーザ光源（例えばレーザダイオード等）そのものであったもよい。
【００３１】
（４）また、上記実施形態では、希土類ドープ光ファイバを使った、いわばファイバレーザをレーザ発生手段として用いた構成であったが、この限りではなく、例えばＱスイッチ方式のレーザ発生手段を用いたものであっても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
（５）更に、上記実施形態では、コントローラ部２００内のレーザ発生手段２５０からの出射レーザ光を、光ファイバ３３を介してヘッド部２００に与えるヘッド分離型のレーザマーキング装置を例に挙げて説明したが、この限りではなく、コントローラ部とヘッド部とが一体化したものであってもよい。このような構成の場合、伝送用の光ファイバがない分だけ速いタイミングで反射レーザ光の各パルスが光アブソーバに戻ってくる。従って、出射レーザ光の各パルス光が光アブソーバを透過後、その光アブソーバが反射レーザ光を吸収可能な状態になる前に反射レーザ光の各パルスが光アブソーバに入光することがないよう構成する必要がある。このような構成にするには、例えば、レーザ発生手段からの出射レーザ光のパルス幅を調整したり、光アブソーバと被マーキング対象物との距離を調整したりすることで可能になる。なお、上記（２）で述べた光アブソーバ１２０をヘッド部３００に設けたものでも上記構成にする必要が生じ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】入光した光の光強度と光アブソーバの光吸収率との関係を示したグラフ
【図２】本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装置のブロック図
【図３】出射レーザ光及び反射レーザ光が光アブソーバに至るタイミングを示した図
【符号の説明】
５０…ガルバノミラー
１２０…光アブソーバ
２５０…レーザ発生手段
Ｗ…被マーキング対象物

Claims

レーザ発生手段から出射されるパルス状の出射レーザ光を被加工対象物上に照射して、その被加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、
前記レーザ発生手段から出射され前記被加工対象物に至る前記出射レーザ光の光路途中に配置され、前記出射レーザ光を透過させ、かつ、相対的に光強度が低く前記被加工対象物からの反射レーザ光を吸収する非線形性の光吸収特性を有した光アブソーバを設け、
前記出射レーザ光のパルス光が前記光アブソーバを透過した後、それに対応する前記反射レーザ光のパルス光が前記光アブソーバに戻ってくるまでの時間が、前記出射レーザ光のパルス幅及び前記光アブソーバの励起状態の寿命時間よりも長くなっていることを特徴とするレーザ加工装置。