JP5062025B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工方法に関する。
加工対象物の表面に対してレーザ光を照射することにより、その加工対象物の表面における当該照射部分を加工することができる。このレーザ光による加工の用途は広く、例えば非特許文献1には、加工対象物の表面に印字するレーザマーカの技術が開示されている。
FAYbレーザマーカ LP−Vシリーズ カタログ、SUNX株式会社発行、2005年11月、No.CJ−LPV10−I−10
レーザ加工装置は、一般に集光光学系を用いてレーザ光を集光し、その集光位置に配置された加工対象物を加工する。レーザ加工装置の集光光学系としては、例えばレンズ等が用いられる。この場合、レーザ光はレンズの後焦点面に集光される。したがって、レンズの後焦点面とは異なる位置に加工対象物があるときは、レーザ光が集光していない状態で加工対象物を照射するため、加工が十分に行われないことがある。また、加工面が後焦点面と平行ではなく、後焦点面に対して傾きを有する場合には、レーザ光の照射量が後焦点面と比較して少なくなることから、レーザ光による加工が十分に行われないという問題がある。
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、加工対象物を効率的に加工することができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
本目的を達成するため、本発明のレーザ加工方法は、複数の加工対象物に対して、高さを揃えて配置した加工対象物に対し、照射位置を走査しながらレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、光源から出力させたレーザ光を、レンズにより、レーザ光を入射し、加工対象物に対して出射させ、レンズと加工対象物との間に設けられた集光方向変更手段により、レンズから出力されたレーザ光を入力し、レーザ光の入力する位置に応じてレンズから出力されたレーザ光の主光線方向に対して異なる方向へレーザ光を出力することを特徴とする。
レンズと加工対象物との間に、上記の集光方向変更手段を有することにより、レーザ光の入力する位置に応じてレンズによる集光点とは異なる集光点へレーザ光を集光することができる。したがって、上記のレーザ加工装置によれば、加工対象物の加工面がレンズの後焦点とは異なる位置にある場合でも、加工面が設けられる位置へレーザ光を効率よく集光することができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、集光方向変更手段によるレーザ光の集光方向を変更する手段を有することが好ましい。
集光方向を変更する手段を有することにより、レーザ光を広範囲に効率よく照射することができ、効率よく加工対象物のレーザ加工を行うことができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、集光方向変更手段が、屈折率が一様であり、レンズの光軸方向の厚さが、レーザ光の入力する位置によって異なることが好ましい。
集光方向変更手段の屈折率が一様であり、レンズの光軸方向の厚さが、レーザ光の入力する位置によって異なる場合、当該集光方向変更手段から出力されたレーザ光が、入力位置によってレンズとの距離が異なる集光点へ集光される。また、集光方向変更手段は屈折率が一様である材料から容易に作成することができ、レンズの後焦点面とは異なる位置へレーザ光を容易に集光することができる。
本発明のレーザ加工方法は、集光方向変更手段のレーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、異なる角度を有する2つの面からなるプリズム状である態様をとることができる。
本発明のレーザ加工方法は、集光方向変更手段のレーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、凹レンズ状である態様をとることができる。
また本発明のレーザ加工方法は、集光方向変更手段の前記レーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、フレネルレンズ状である態様をとることができる。
上記のような態様の場合、レーザ光が通過する端面の一部が、光軸方向に垂直な面とは異なる角度の面となる。このような集光方向変更手段を通過したレーザ光は、集光位置がレンズの後焦点面と異なる位置になると同時に、レーザ光の照射方向も変更されるため、加工対象物の加工面をより効果的に加工することができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、複数の加工対象物の高さを揃えて配置し、レーザ光を照射する態様としてもよい。この場合、加工対象物の加工面の高さが一定となるため、集光方向変更手段によるレーザ光の照射方向の変更による効果を複数の加工対象物に対してより均等に与えることができる。
本発明によれば、集光方向変更手段により、レンズによる集光点とは異なる集光点へレーザ光を集光することから、加工対象物を効果的に加工することができるレーザ加工方法が提供される。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明に係るレーザ加工装置の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係るレーザ加工装置1の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置1は、加工対象物50に対してレーザ光を照射して加工対象物50の表面を加工する装置であり、レーザ光源10と、ミラー20と、レンズ30と、集光方向変更手段40と、を備える。加工対象物50はレンズの光軸方向に垂直な平面上に配置されている。
レーザ光源10は、加工対象物50を加工するためのレーザ光を出力するものであり例えば、YAGレーザ光源であり、或いは、Yb元素が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として含む光ファイバレーザ光源である。レーザ光源10として、例えば、SUNX社製レーザマーカ等が用いられる。レーザ光源10により、レーザ光はミラー20へ向けて出力される。
ミラー20は、レーザ光源10から出力されたレーザ光を反射し、レンズ30へ向けて出力する。ミラー20は反射方位が可変であり、レーザ光源10から出力されたレーザ光の照射位置が、加工対象物50上を走査するように反射方位を変更することができる。ミラー20は、ガルバノミラーであることが好適である。ここで、ミラー20はレンズ30の前焦点位置に配置され、レーザ光をレンズ30の前焦点位置において反射する。
レンズ30は、ミラー20により出力されたレーザ光を入力し加工対象物へ向けてレーザ光を集光する。レンズ30の光軸方向は、加工対象物50の配置された平面に垂直である。また、レンズ30の前焦点位置は、ミラー20の反射位置となるように配置されている。レンズ30としては、fθレンズが用いられる。fθレンズは、レーザ光の入射位置での入射方向によらず、レーザ光の出射方向はレンズ面に対して垂直である。なお、レンズ30は複数枚のレンズが重なる構造等に変更してもよい。
集光方向変更手段40は、レンズ30と加工対象物50との間に設けられ、レンズ30から出力されたレーザ光を入力し、レーザ光の入力する位置に応じてレンズ30との光軸方向の距離が異なる集光点へレーザ光を集光する。具体的には、集光方向変更手段40は平板状の石英ガラス上に一定間隔でプリズム部41が配置された構造を持つ。このプリズム部41の配置される間隔は、加工対象物50の形状による。本実施形態では、プリズム部41の間隔は310μmである。
一方、加工対象物50としては、同軸ケーブルが配置されている。この加工対象物50は、中心から順に中心導体51、内部絶縁体52、シールド線53から構成される。中心導体51及びシールド線53は、それぞれ導電性の金属からなり、例えば錫メッキの銅合金からなる。内部絶縁体52は、例えばPFAやPETなどの絶縁体樹脂からなる。加工対象物50は直径が約240μmである。また、この加工対象物50はシールド線53の外部が被覆絶縁体で覆われていることもある。図1では2本の上記加工対象物50が高さを揃えて配置されており、その間隔は310μmである。このときの配置方法は、V溝の設けられた加工台のV溝に加工対象物50を配置する方法でもよい。また、図1に示すように、集光方向変更手段40中のプリズム部41の頂点と、平面上に配列された複数の加工対象物50の表面とが一致するように、加工対象物50が配置されている。
ここで、図1を用いて、集光方向変更手段40によってレーザ光の入力する位置に応じてレンズ30との光軸方向の距離が異なる集光点へレーザ光が集光される状態について説明する。
まず、集光方向変更手段40のプリズム部41を通過しないレーザ光L1について説明する。図1に示されたレーザ光L1は、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L1はレンズ30によりレーザ光L1が集光するように出力された後、集光方向変更手段40へ入射する。
集光方向変更手段40は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段40へ入力されたレーザ光L1は石英ガラスの屈折率に基づいて、屈折して集光方向変更手段40中を進み、集光方向変更手段40の平板部分から出射する。このとき、集光方向変更手段40の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段40から出力されるレーザ光L1は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L1の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
次に、集光方向変更手段40のプリズム部41を通過するレーザ光L2について説明する。図1に示されたレーザ光L2は、レーザ光L1と同様に、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L2はレンズ30によりレーザ光L2が集光するように出力された後、集光方向変更手段40へ入射する。
ここで、集光方向変更手段40は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段40へ入力されたレーザ光L2は石英ガラスの屈折率に基づいて、屈折して集光方向変更手段40中を進さらに、レーザ光L2は集光方向変更手段40中のプリズム部41の部分へと進み、プリズム部41の一つの端面から出射する。このとき、レーザ光L2が出射するプリズム部41の端面は、集光方向変更手段40において、レーザ光L2が入射した端面とは異なる角度を有するため、プリズム部41の端面から出力されるレーザ光L2の出力方向は、レンズ30の光軸方向とは異なる。また、集光方向変更手段40の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段40から出力されるレーザ光L2は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L2の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
また、集光方向変更手段40のレンズ30の光軸方向の厚さに応じて、集光方向変更手段40から出力されるレーザ光L2の集光点が異なる。本実施形態において、レーザ光L2が通過する部分は、レーザ光L1が通過する部分と比較して、レンズ30の光軸方向の厚みが大きい。したがって、図1に示すように、レーザ光L2が集光される位置は、レーザ光L1が集光される位置と比較してレンズ30に遠い。このように、本実施形態のレーザ加工装置1によれば、レンズ30からの距離が異なる地点にレーザ光を集光させることができる。また、レーザ光L2のように、集光方向変更手段40によってレーザ光の集光方向を変更することもできる。したがって、図1のように、加工対象物50の側面がレーザ光L2の集光位置となるように加工対象物50をあらかじめ配置しておくことにより、加工対象物50の側面をレーザ光L2により適切に加工することができると同時に、集光方向変更手段40の平板部分を通過するレーザ光L1によっても加工対象物50の表面を加工することができる。
このように、本実施形態によれば、レーザ光の集光位置をレンズの後焦点面とは異なる位置とすることができるため、複雑な形状をもつ加工対象物に対してもレーザ光を集光させた状態で照射することができるため、レーザ加工を十分に行うことができる。
(第2実施形態)
本発明に係るレーザ加工装置の第2実施形態について説明する。図2は、第2実施形態に係るレーザ加工装置2の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置2は、加工対象物50に対してレーザ光を照射して加工対象物50の表面を加工する装置であり、レーザ光源10と、ミラー20と、レンズ30と、集光方向変更手段43と、を備える。加工対象物50はレンズの光軸方向に垂直な平面上に配置されている。このレーザ加工装置2は、集光方向変更手段43の形状が第1実施形態における集光方向変更手段40とは異なる点以外は、第1実施形態と同様である。
すなわち、本実施形態に係るレーザ加工装置2の集光方向変更手段43は、石英ガラスからなり、一定間隔で凹レンズ部44を備える点が第1実施形態と異なる。この凹レンズ部44の配置間隔は310μmであり、加工対象物50の配置間隔に合わせている点は第1実施形態と同様である。
ここで、図2を用いて、集光方向変更手段43によってレーザ光の入力する位置に応じてレンズ30との光軸方向の距離が異なる集光点へレーザ光が集光される状態について説明する。
まずレーザ光L3について説明する。図2に示されたレーザ光L3は、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L3はレンズ30によりレーザ光L3が集光するように出力された後、集光方向変更手段43へ入射する。
集光方向変更手段43は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段43へ入力されたレーザ光L3は石英ガラスの屈折率に基づいて、屈折して集光方向変更手段43中を進んだ後、集光方向変更手段43中の平板部分から出射する。このとき、集光方向変更手段43の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段43から出力されるレーザ光L3は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L3の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
次に、集光方向変更手段43の凹レンズ部44を通過するレーザ光L4,L5について説明する。図2に示されたレーザ光L4,L5は、レーザ光L3と同様に、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L4,L5はレンズ30によりレーザ光L4,L5が集光するように出力された後、集光方向変更手段43へ入射する。
ここで、集光方向変更手段43は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段43へ入力されたレーザ光L4,L5はそれぞれ石英ガラスの屈折率に基づいて、屈折して集光方向変更手段43中を進む。さらにレーザ光L4,L5は集光方向変更手段43中の凹レンズ部44の部分へと進んで、出射する。このとき、レーザ光L4,L5が出射する凹レンズ部44の面は、集光方向変更手段43において、レーザ光L4,L5が入射した端面とは異なる角度を有するため、凹レンズ部44の端面から出力されるレーザ光L4,L5の出力方向は、それぞれレンズ30の光軸方向とは異なる。また、集光方向変更手段43の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段43から出力されるレーザ光L4,L5は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L4,L5の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
さらに、集光方向変更手段43のレンズ30の光軸方向の厚さに応じて、レーザ光の集光位置は異なり、集光方向変更手段43の平板部分を通過するレーザ光L3、集光方向変更手段43の凹レンズ部44を通過するレーザ光L4、及びレーザ光L5の集光位置のレンズ30からの距離はそれぞれ異なる。
したがって、図2に示すように集光方向変更手段43の平板部分が加工対象物50の表面部分の上部になり、凹レンズ部44が加工対象物50の側面部分の上部となるように、集光方向変更手段43を配置することによって、以下の効果を得ることができる。すなわち、凹レンズ部44を通過したレーザ光L4,L5が、加工対象物50の側面を加工することができる。また、これらのレーザ光L4,L5は集光方向変更手段43により集光方向が変更されることから、加工対象物50の側面をより効率よく加工することができる。同時に、平板部分を通過したレーザ光L3が加工対象物50の上面を加工することができる。
このように、本実施形態によれば、レーザ光の集光位置をレンズの後焦点面とは異なる位置とすることができるため、複雑な形状をもつ加工対象物に対してもレーザ光を集光させた状態で照射することができるため、レーザ加工を十分に行うことができる。
(第3実施形態)
本発明に係るレーザ加工装置の第3実施形態について説明する。図3は、第3実施形態に係るレーザ加工装置3の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置3は、加工対象物50に対してレーザ光を照射して加工対象物50の表面を加工する装置であり、レーザ光源10と、ミラー20と、レンズ30と、集光方向変更手段46と、を備える。加工対象物50はレンズの光軸方向に垂直な平面上に配置されている。このレーザ加工装置3は、集光方向変更手段46の形状を除き、第1実施形態と同様である。
すなわち、本実施形態に係るレーザ加工装置3の集光方向変更手段46は、石英ガラスからなり、一定間隔でフレネルレンズ部47を備える点が第1実施形態及び第2実施形態と異なる。このフレネルレンズ部47の配置間隔は310μmであり、加工対象物50の配置間隔に合わせている点は第1実施形態及び第2実施形態と同様である。
ここで、図3を用いて、集光方向変更手段46によってレーザ光の入力する位置に応じてレンズ30との光軸方向の距離が異なる集光点へレーザ光が集光される状態について説明する。
まずレーザ光L6について説明する。図3に示されたレーザ光L6は、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L6はレンズ30によりレーザ光L6が集光するように出力された後、集光方向変更手段46へ入射する。
集光方向変更手段46は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段46へ入力されたレーザ光L6は石英ガラスの屈折率に基づいて、屈折して集光方向変更手段46中を進んだ後、集光方向変更手段46中の平板部分から出射する。このとき、集光方向変更手段46の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段46から出力されるレーザ光L6は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L6の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
次に、集光方向変更手段46のフレネルレンズ部47を通過するレーザ光L7,L8について説明する。図3に示されたレーザ光L7,L8は、レーザ光L6と同様に、レーザ光源10から出力された後、ミラー20により反射されレンズ30へ到達する。レーザ光L7,L8はレンズ30によりレーザ光L7,L8が集光するように出力された後、集光方向変更手段46へ入射する。
ここで、集光方向変更手段46は石英ガラスからなるため、集光方向変更手段46へ入力されたレーザ光L7,L8は石英ガラスの屈折率に基づき屈折され、それぞれ集光方向変更手段46中を進む。さらにレーザ光L7,L8は集光方向変更手段46中のフレネルレンズ部47の部分へと進んで、出射する。このとき、レーザ光L7,L8が出射するフレネルレンズ部47の面は、集光方向変更手段46において、レーザ光L7,L8が入射した端面とは異なる角度を有するため、フレネルレンズ部47の端面から出力されるレーザ光L7,L8の出力方向は、レンズ30の光軸方向とは異なる。また、集光方向変更手段46の屈折率が周囲の屈折率より高いことから、集光方向変更手段46から出力されるレーザ光L7,L8は、レンズ30の後焦点面よりも、光軸方向にレンズ30から遠い位置で集光される。したがって、レーザ光L7,L8の集光位置をレンズ30の後焦点面とは異なる位置にすることができる。
さらに、集光方向変更手段43のレンズ30の光軸方向の厚さに応じて、レーザ光の集光位置は異なり、集光方向変更手段43の平板部分を通過するレーザ光L6、集光方向変更手段43のフレネルレンズ部47を通過するレーザ光L7、及びレーザ光L8の集光位置のレンズ30からの距離はそれぞれ異なる。
したがって、図3に示すように集光方向変更手段46の平板部分が加工対象物50の表面部分の上部になり、フレネルレンズ部47が加工対象物50の側面部分の上部となるように、集光方向変更手段46を配置することによって、以下の効果を得ることができる。すなわち、フレネルレンズ部47を通過したレーザ光L7,L8が加工対象物50の側面を加工することができる。同時に、平板部分を通過したレーザ光L6が加工対象物50の上面を加工することができる。
このように、本実施形態によれば、レーザ光の集光方向を変更すると共にレーザ光の集光位置をレンズの後焦点面とは異なる位置とすることができるため、複雑な形状をもつ加工対象物に対してもレーザ光を集光させた状態で照射することができるため、レーザ加工を十分に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、第1実施形態の集光方向変更手段40に含まれるプリズム部41について、プリズム部41が有する二つの端面のなす角や、プリズム部41の頂点におけるレンズ30の光軸方向の厚みを変更したりすることにより、レーザ光の集光位置を変更することができる。同様に第2実施形態の集光方向変更手段43に含まれる凹レンズ部44についても、そのレンズ径や曲率を変更することにより、レーザ光の集光位置を変更することができる。さらに第3実施形態の集光方向変更手段46に含まれるフレネルレンズ部47についても、そのレンズ径や曲率を変更することや、のこぎり型の断面の構造を変更することにより、レーザ光の集光位置を変更することができる。
また、第1〜第3実施形態では加工対象物50として同軸ケーブルが2本配置されている状態を示しているが、配置される本数は増加することはできる。この場合、光変更手段40、43及び46の形状を加工対象物50の数に対応して変更することにより、上記の効果と同様の効果が得られる。
本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置1の構成図である。 本発明の第2実施形態に係るレーザ加工装置2の構成図である。 本発明の第3実施形態に係るレーザ加工装置3の構成図である。
符号の説明
1、2、3…レーザ加工装置、10…レーザ光源、20…ミラー、30…レンズ、40、43、46…集光方向変更手段、50…加工対象物。

Claims (7)

  1. 複数の加工対象物に対して、高さを揃えて配置した加工対象物に対し、照射位置を走査しながらレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、
    光源から出力させたレーザ光を、ミラーによって反射させ、
    レンズにより、前記レーザ光を入力し、加工対象物に対して出力し、
    前記レンズと前記加工対象物との間に設けられた集光方向変更手段により、前記レンズから出力された前記レーザ光を入力し、前記レーザ光の入力する位置に応じて前記レンズから出力された前記レーザ光の主光線方向に対して異なる方向へ前記レーザ光を出力する
    ことを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記集光方向変更手段による前記レーザ光の集光方向を変更する手段を有することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
  3. 前記集光方向変更手段は、
    屈折率が一様であり、
    前記レンズの光軸方向の厚さが、前記レーザ光の入力する位置によって異なる
    ことを特徴とする請求項1または2記載のレーザ加工方法。
  4. 前記集光方向変更手段の前記レーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、異なる角度を有する2つの面からなるプリズム状であることを特徴とする請求項3記載のレーザ加工方法。
  5. 前記集光方向変更手段の前記レーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、凹レンズ状であることを特徴とする請求項3記載のレーザ加工方法。
  6. 前記集光方向変更手段の前記レーザ光が通過する端面のうち少なくとも一部が、フレネルレンズ状であることを特徴とする請求項3記載のレーザ加工方法。
  7. 複数の加工対象物の高さを揃えて配置し、前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項2記載のレーザ加工方法。
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