JP4457933B2

JP4457933B2 - ハイブリッドレーザ加工装置

Info

Publication number: JP4457933B2
Application number: JP2005079459A
Authority: JP
Inventors: 良治小関; 基佐々木; 吉博河原; 隆穴田
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006255769A

Description

本発明はハイブリッドレーザ加工装置に関し、具体的には噴射ノズルが噴射した液柱にレーザ光を導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置に関する。

従来、被加工物に対して相対移動する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記噴射ノズル内にレーザ光を照射するレーザ発振器とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射ノズル内から液柱にして外部に噴射させると共に、上記レーザ発振器からのレーザ光を液柱に導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置が知られている。（特許文献１）
このようなハイブリッドレーザ加工装置では、予め噴射ノズルより液柱を噴射させたのち、レーザ光を当該液柱内に導光するようになっており、このため、作業者は噴射ノズルから液柱が噴射されたのを目視により確認してから、レーザ発振器を作動させてレーザ光を液柱に導光させていた。
特開２００１−３２１９７７号公報

しかしながら、液柱の噴射を目視によって確認しなければならないため、作業者にとって作業が煩雑となり、また誤操作により液柱が噴射されていないのにレーザ光を噴射ノズルへ導光させてしまうと、レーザ光が意図していない部分に照射されてしまい、噴射ノズルが破損したり、被加工物の加工の不要な部分にレーザ光が照射されてしまうといった問題が生じてしまう。
このような問題に鑑み、本発明は作業者の誤操作がなく、確実にレーザ光を液柱に導光することの可能なハイブリッドレーザ加工装置を提供するものである。

すなわち、本発明に係るハイブリッドレーザ加工装置は、噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記噴射ノズル内にレーザ光を照射するレーザ発振器と、このレーザ発振器によるレーザ光の照射を制御する制御手段とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射ノズル内から液柱にして外部に噴射させると共に、上記レーザ発振器からのレーザ光を液柱に導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
上記噴射ノズルより噴射される液柱の有無を検出する検出手段を設け、当該検出手段が液柱を検出したらレーザ光を液柱へ導光させることを特徴としている。

上記発明によれば、検出手段によって液柱を検出してからレーザ光を液柱に導光するので、作業者による誤操作の心配は無く、確実にレーザ光を液柱に導光することができる。

以下図示実施例について説明すると、図１には本発明にかかるハイブリッドレーザ加工装置１を示し、液体としての水を噴射して形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２を所要形状に切断加工する装置となっている。
このハイブリッドレーザ加工装置１は、上記被加工物２を支持する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、水を供給する液体供給手段５と、被加工物２に向けて水を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備え、これらは図示しない制御手段によって制御される。
上記加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明をしないが、上記被加工物２を加工ヘッド６に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド６は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動するようになっている。
本実施例では、上記被加工物２として板厚の薄い半導体ウエハを切断加工し、この他にもエポキシ樹脂板や樹脂と金属からなる複合材料なども切断加工することができる。また、切断加工のほかにも、被加工物２表面に対して溝加工を行うことも可能である。

上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザであり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。
レーザ発振器４と加工ヘッド６との間には、レーザ光Ｌを遮断するシャッタ手段１１と、レーザ光Ｌを加工ヘッド６に向けて反射させる反射ミラー１２と、照射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１３とが設けられている。
上記シャッタ手段１１は上記制御手段によって制御され、図示しない駆動手段によりレーザ光Ｌの光路上と光路外とを往復動する反射ミラー１１ａと、当該反射ミラー１１ａによって反射したレーザ光Ｌのエネルキーを吸収するダンパ１１ｂとを備えている。
上記反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させると、レーザ光Ｌは当該反射ミラー１１ａに反射し、当該レーザ光のエネルギーが上記ダンパ１１ｂに吸収される。
一方、反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させると、レーザ光Ｌは上記反射ミラー１２で反射した後、集光レンズ１３を介して上記加工ヘッド６へと照射される。
なお、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ等を用いることも可能であるが、ＣＯ_２レーザのように照射されるレーザ光Ｌが水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド６より噴射される液体をレーザ光Ｌが吸収されないような液体にすればよい。

次に、液体供給手段５は、水を貯溜する貯水タンク２１と、貯水タンク２１に貯溜された水を加工ヘッド６に向けて送液するポンプ２２とを備え、これらは導管２３によって相互に接続されている。
上記貯水タンク２１は給水源２４に接続されており、給水源２４と貯水タンク２１とを接続する導管２３には、給水源２４からの水の供給を制御する開閉弁２５と、給水源２４から供給される水に浮遊する異物を除去する余水フィルタ２６とを備えている。
上記ポンプ２２と加工ヘッド６との間には、上流側のポンプ２２側から順に、ポンプ２２への水の逆流を防止する逆止弁２７、送液される水の脈動を防止し、加工ヘッド６内に高圧の水を供給するアキュムレータ２８、水内の異物を除去するフィルタ２９、上記制御手段によって開閉の制御される第１電磁弁３０が設けられている。
また、給水源２４から貯水タンク２１までの導管２３と、ポンプ２２から加工ヘッド６までの導管２３とは、平行する２本の導管２３によって接続されており、一方の導管２３には第２電磁弁３１が、他方の導管２３には圧力調整弁３２が設けられている。
上記第２電磁弁３１はハイブリッドレーザ加工装置１を停止させる際などに、ポンプ２２からの液体を貯水タンク２１に戻すために使用され、また圧力調整弁３２はポンプ２２から加工ヘッド６までの導管２３内部の圧力を一定に保つために設けられている。

そして上記加工ヘッド６は、その内部に上記液体供給手段５からの水が供給される保持部材４１と、その下端から水を液柱Ｗにして噴射するとともに、当該液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光するノズルホルダ４２とを備えている。
上記保持部材４１の内周には円筒面４１ａが形成されており、当該円筒面４１ａの中心は上記集光レンズ１３によって集光されたレーザ光Ｌの光軸と一致するように設けられている。
また、上記保持部材４１の側面には上記液体供給手段５の導管２３が接続され、上記円筒面４１ａの側部に形成された液体通路４１ｂによって、円筒面４１ａと導管２３とが連通するようになっている。
さらに、上記円筒面４１ａの上端には、透明なガラス板４３がはめ込まれており、上記集光レンズ１３によって集光されたレーザ光Ｌを透過させると共に、上記液体通路４１ｂより流入した水の流出を防止するようになっている。

上記ノズルホルダ４２の内周には被加工物２に向けて縮径する円錐面４２ａが形成されており、当該円錐面４２ａの中心もレーザ光Ｌの光軸と一致するように設けられ、上記保持部材４１における円筒面４１ａと、ノズルにおける円錐面４２ａとは、気密及び液密が保たれた状態で連結されている。
また、図２に示すように、上記ノズルホルダ４２の下端部には、当該円錐面４２ａの最小径部よりも大径の円筒面４２ｂが形成されており、この円筒面４２ｂの上端部には、水を噴射する中央に噴射孔４４ａの形成された噴射ノズル４４がはめ込まれている。
上記噴射ノズル４４の噴射孔４４ａには、噴射ノズル４４の表面から被加工物に向けて縮径する第１傾斜面４４ｂと、当該第１傾斜面４４ｂの最小径部４４ｃから被加工物２に向けて拡径する第２傾斜面４４ｄとが形成されており、上記第１傾斜面４４ｂには、レーザ光Ｌを反射させるための鏡面加工が施されている。
このような構成により、上記液体供給手段５によって供給された液体は、始めに上記保持部材４１及びノズルホルダ４２に形成された円筒面４１ａ及び円錐面４２ａ内に充満し、その後噴射ノズル４４に形成された噴射孔４４ａより、最小径部４４ｃの径の液柱Ｗとなって噴射される。
また、当該液柱Ｗを囲繞するように上記第２傾斜面４４ｄ及び上記円筒面４２ｂによってエアポケットＰが形成されているので、上記液柱Ｗは拡散することなく被加工物２まで到達する。
この状態で上記レーザ発振器４によりレーザ光Ｌを発振すると、レーザ光Ｌは集光レンズ１３によって収束されながらガラス板４３を透過し、上記噴射ノズル４４の第１傾斜面４４ｂに照射される。
そしてレーザ光Ｌは第１傾斜面４４ｂで１度だけ反射して上記液柱Ｗに導光され、その後レーザ光Ｌは液柱Ｗにおける外気との境界面で反射を繰り返しながら、被加工物２に照射される。

そして、本実施例のノズルホルダ４２には、上記円筒面４２ｂにおける噴射ノズル４４の下方に、噴射される液柱Ｗを検出するための検出手段４５が設けられている。
この検出手段４５は発光素子４５ａ及び受光素子４５ｂを備え、これらは噴射ノズル４４下方に形成された上記エアポケットＰを介して、上記噴射ノズル４４より噴射される液柱Ｗを挟むように設けられている。
なお、検出手段４５は非接触式のセンサであるので、液柱Ｗを乱すことなく、また、発光素子４５ａ及び受光素子４５ｂは、エアポケットＰ内のエアの流れを妨げないように取付けられている。
上記受光素子４５ｂは上記制御手段に接続されており、上記噴射孔４４ａより上記液柱Ｗが噴射されると、発光素子４５ａからの光の一部が当該液柱Ｗによって妨げられ、受光素子４５ｂに受光される発光素子４５ａからの光量が減少する。
すると、制御手段は受光素子４５ｂの受光量が減少したのを認識し、上記シャッタ手段１１を制御して反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させ、レーザ発振器４からのレーザ光Ｌが加工ヘッド６へと照射されるようになっている。

このような構成を有するハイブリッドレーザ加工装置１の動作について説明する。ここでは当該ハイブリッドレーザ加工装置１の始動時の動作について説明する。
最初に、ハイブリッドレーザ加工装置１を始動させると、制御手段は液体供給手段５を制御し、上記ポンプ２２によって貯水タンク２１内の水を加工ヘッド６に向けて送液を開始する。なお、貯水タンク２１には予め給水源２４より十分な量の水が供給されている。
これと同時に、制御手段はレーザ発振器４を制御し、レーザ発振器４はレーザを励起してレーザ光Ｌの発振を開始する。このとき、上記シャッタ手段１１の反射ミラー１１ａは発振されたレーザ光Ｌの光路上に位置しており、レーザ光Ｌは反射ミラー１１ａによってダンパ１１ｂに案内され、レーザ光Ｌのエネルギーは吸収されている。
そして、上記ポンプ２２によって送液された水は、逆止弁２７を通過した後、アキュムレータ２８内に流入し、アキュムレータ２８が水で充満されると、さらにフィルタ２９及び第１電磁弁３０を通過し、上記加工ヘッド６における保持部材４１の液体通路４１ｂを介して上記円筒面４１ａおよび円錐面４２ａに流入する。
その後、水が円筒面４１ａおよび円錐面４２ａに充満されると、水は上記噴射ノズル４４の噴射孔４４ａから噴射され、噴射された水は液柱Ｗとなって被加工物２に到達する。

ここで、噴射ノズル４４より液柱Ｗが噴射されるまでの間、加工ヘッド６に取付けられた検出手段４５では、発光素子４５ａから発光された所定光量の光が上記受光素子４５ｂに受光されている。
そして上述したようにして噴射ノズル４４より液柱Ｗが噴射されると、発光素子４５ａの光は液柱Ｗによって遮られ、受光素子４５ｂに受光される光量が減少する。
すると、制御手段は直ちにシャッタ手段１１を制御して反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させ、これによりレーザ光Ｌは反射ミラー１２に反射した後、集光レンズ１３によって集光される。
集光されたレーザ光Ｌは、ガラス板４３を通過して加工ヘッド６の円筒面４１ａ及び円錐面４２ａ内に進入し、上記噴射ノズル４４の第１傾斜面４４ｂで反射すると、噴射ノズル４４より噴射されている液柱Ｗ内に導光され、その後液柱Ｗ内で反射を繰り返しながら、被加工物２に照射される。
そして被加工物２の切断作業が終了すると、制御手段は最初にシャッタ手段１１の反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路上に移動させ、レーザ光Ｌが加工ヘッド６内に照射されなくなってから、第１電磁弁３０を閉鎖して加工ヘッド６への水の供給を停止させる。

以上のように、本実施例によれば検出手段４５が液柱Ｗの噴射を検出してからレーザ光Ｌが直ちに液柱Ｗへと導光されるので、作業者の目視に頼るよりも、迅速にレーザ光Ｌを液柱Ｗに導光することができ、また作業者の誤操作による加工ヘッド６の破損や、被加工物２の破損を防止することができる。

なお、上記実施例では液柱Ｗが検出されたら、制御手段がシャッタ手段１１を制御してレーザ光Ｌを加工ヘッド６に照射させるようにしているが、上記シャッタ手段１１を省略することも可能である。
この場合、液柱Ｗが検出されるまでレーザ発振器４を停止状態とし、液柱Ｗが検出された時点でレーザ発振器４を作動させ、レーザ光Ｌを照射させるようにすればよい。
また、上記実施例では第１電磁弁３０の開閉により液柱Ｗの噴射を制御しているが、この第１電磁弁３０を省略して、上記ポンプ２２の作動により液柱Ｗの噴射を制御してもよい。
この場合、ポンプ２２が水の供給を停止していても、加工ヘッド６内の水が噴射孔４４ａから落下して、上記検出手段４５の受光素子４５ｂに受光される発光素子４５ａからの光量が減少してしまう場合があるが、所定期間連続的に光量の減少した状態を検出してから上記シャッタ手段１１を作動させるようにすれば、液柱Ｗが噴射されていない状態で、レーザ光Ｌが照射されてしまうのを防止することができる。

本実施例に係るハイブリッドレーザ加工装置の構成を示す図。加工ヘッドについての拡大断面図。

符号の説明

１ハイブリッドレーザ加工装置４レーザ発振器
５液体供給手段６加工ヘッド
１１シャッタ手段１１ａ反射ミラー
４４噴射ノズル４５検出手段
４５ａ発光素子４５ｂ受光素子

Claims

噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記噴射ノズル内にレーザ光を照射するレーザ発振器と、このレーザ発振器によるレーザ光の照射を制御する制御手段とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射ノズル内から液柱にして外部に噴射させると共に、上記レーザ発振器からのレーザ光を液柱に導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
上記噴射ノズルより噴射される液柱の有無を検出する検出手段を設け、当該検出手段が液柱を検出したらレーザ光を液柱へ導光させることを特徴とするハイブリッドレーザ加工装置。
上記検出手段は、上記噴射ノズルよりも被加工物側に配設された１対の発光素子及び受光素子を備え、受光素子が受光する光量の変化を検出して液柱の有無を検出することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレーザ加工装置。