JP5230495B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の加工ヘッドを持つレーザ加工装置に関する。

例えば、下記特許文献１のように、ＹＡＧレーザ発振器などから出射されるレーザ光を増幅し、この高出力レーザ光を光ファイバにより加工対象物の至近へ導き、光ファイバの先端部より加工対象物へレーザ光を出射させて、溶接、切断、穿孔、部分切除のような種々の加工を非接触状態で行なうことが実施されている。

特開２００１−３４７３８７号公報

レーザ発振器からのレーザ光を加工ヘッドに導光する際、原則として、加工する場所が変化しても、加工対象物を照射するビーム径が変化しないように光学系を設計することが望ましい。
しかしながら、複数の加工ヘッドを持つレーザ加工装置の場合、こうした光学系の設計は難しくなる。

本発明の目的は、加工ヘッドの応答性を維持しつつ光学系の設計が簡略化でき、高い加工効率を有するレーザ加工装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の加工ヘッドを同期して２次元的に移動させて、複数箇所を同時に加工するためのレーザ加工装置であって、
レーザ光を発生するレーザ発振器と、
レーザ発振器からのレーザ光を伝送するための光ファイバと、
光ファイバによって伝送されたレーザ光を平行光にするための光学素子と、
光学素子からの平行光を分割し、各加工ヘッドへそれぞれ供給するための光分岐素子と、
複数の加工ヘッドを第１方向に沿って変位可能なように支持するためのヘッド支持部材と、
ヘッド支持部材を第１方向と交差する第２方向に沿って変位させるための変位機構とを備え、
光学素子および光分岐素子は、ヘッド支持部材に設置されており、
複数のヘッド支持部材が、変位機構に搭載され、同期して移動することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光を光ファイバで伝送し、光学素子および光分岐素子をヘッド支持部材に設置することによって、伝送光学系が簡略化できる。また、加工ヘッドへの光学素子の設置を回避できるため、加工ヘッドの重量増加を防止でき、その結果、加工ヘッドの応答性や機械的安定性を維持できる。さらに、複数のヘッド支持部材が同期して移動することによって、複数箇所の同時加工が可能になるため、単位時間当りの工数をさらに増加させることができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。 第１の比較例を示す斜視図である。 第２の比較例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１と、光ファイバ２と、光学素子３と、光分岐素子４と、反射ミラー１１，１２と、加工ヘッド１３，１４と、ヘッド支持部材２０と、変位機構３０などで構成される。

レーザ発振器１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、ＣＯ_２レーザ等のガスレーザなどで構成され、加工対象物Ｗのレーザ加工に適した出力や波長を有するレーザ光を発生する。光ファイバ２は、可撓性を有するガラスファイバや結晶ファイバなどで構成され、レーザ発振器１からのレーザ光を加工ヘッド１３，１４へ伝送する機能を有する。

光学素子３は、コリメータレンズなどで構成され、光ファイバ２の端面から出射されるレーザ光を平行光にする機能を有する。光分岐素子４は、ビームスプリッタなどで形成され、光学素子３からの平行光を２つの方向に分割して、各加工ヘッド１３，１４へそれぞれ供給する機能を有する。

反射ミラー１１は、加工ヘッド１３の入射側に取り付けられ、光分岐素子４で分割されたレーザ光の一方を加工ヘッド１３へ案内する。反射ミラー１２は、加工ヘッド１４の入射側に取り付けられ、光分岐素子４で分割されたレーザ光の他方を加工ヘッド１４へ案内する。

加工ヘッド１３，１４は、レンズ、アパーチャ、シャッタなどを備え、反射ミラー１１，１２によって案内されたレーザ光を集光し、加工対象物Ｗの表面において所定の形状およびサイズを有する加工スポットを所定の焦点位置に形成する。

ヘッド支持部材２０は、例えば、リニアガイドやリニアアクチュエータなどを備え、複数（ここでは２個を例示）の加工ヘッド１３，１４をＸ方向に沿って変位可能なように支持し、所望の速度で移動したり、所望の位置で停止させる機能を有する。

変位機構３０は、可動部３１および固定レール３２などを含む、例えば、リニアガイドやリニアアクチュエータなどを備え、ヘッド支持部材２０をＹ方向（Ｘ方向に垂直）に沿って変位させたり、所望の位置に停止させる機能を有する。

加工対象物Ｗは、テーブル４０の上面に戴置される。テーブル４０の両側には、一対の側壁部材４１が設けられる。そして、各側壁部材４１には、変位機構３０の固定レール３２がＹ方向に沿って設置される。

こうしたＸＹ移動機構により、加工ヘッド１３，１４はテーブル４０の上面に対して平行な面内での２次元移動が可能になり、個々の加工ヘッド１３，１４のＸ位置およびＹ位置は、外部コントローラ（不図示）によってプログラム制御される。

複数の加工ヘッド１３，１４を持つレーザ加工装置の場合、テーブル４０上に複数の加工対象物Ｗを所定のＸピッチで位置決めするとともに、複数の加工ヘッド１３，１４が同じＸピッチを保った状態で同期して移動することにより、複数箇所の同時加工が可能になる。その結果、単位時間当りの工数が増加し、高い加工効率を達成できる。

次に、伝送光学系について説明する。一般に、レーザ加工で用いられるレーザ光を伝送する際、レーザ光の広がりを考慮して光学設計を行う必要がある。これは、レーザ光の広がりに起因して、加工ヘッド１３，１４によって集光される加工スポットの焦点位置やスポット径などが変動するのを防止するためである。長い距離を伝送する場合、それだけレーザ光線の広がりの影響が出やすくなる。その影響を抑制するために、図２に示すような構成が考えられる。

図２は、第１の比較例を示す斜視図である。このレーザ加工装置は、光ファイバを使用せずに、レーザ発振器１からのレーザ光を多数のミラーで伝送する構成を採用しており、各側壁部材４１の上面には、移動可能な再帰反射プリズム５２，５３を設けている。加工ヘッド１３，１４の変位に応じて再帰反射プリズム５２，５３を移動させることによって、光分配器５１から再帰反射プリズム５２，５３を経由して各加工ヘッド１３，１４に至る光路の長さを一定に保つようにしている。

しかしながら、再帰反射プリズム５２，５３やその移動機構など、部品点数が増加して光学系も複雑になるため、機械的振動に敏感となり、レーザ光の光軸が揺動して加工精度が低下する可能性がある。

図３は、第２の比較例を示す斜視図である。このレーザ加工装置は、光ファイバ２Ａ，２Ｂを使用して、各レーザ発振器１Ａ，１Ｂからのレーザ光を各加工ヘッド１３，１４に直接伝送している。こうした構成であれば、加工ヘッド１３，１４までの伝送光学系の設計は容易になる。

しかしながら、光ファイバ２Ａ，２Ｂの各端面から出射されるレーザ光を平行光にする光学素子を加工ヘッド１３，１４に設置する必要がある。そのため、加工ヘッド１３，１４の大型化や重量増加を招くことなり、加工ヘッドの応答性や機械的安定性が低下する。

これに対して本実施形態では、図１に示すように、レーザ発振器１からのレーザ光を１本の光ファイバ２で伝送するとともに、光学素子３および光分岐素子４をヘッド支持部材２０に設置している。こうした構成により、ヘッド支持部材２０の移動による光路長変動は無視することができ、光学素子３→光分岐素子４→反射ミラー１１，１２→加工ヘッド１３，１４の伝送光学系だけについて考慮すれば足りるため、図２に示す第１比較例と比べて、伝送光学系が大幅に簡略化できる。

さらに、図３に示す第２比較例と比べて、加工ヘッド１３，１４への光学素子の設置を回避できるため、加工ヘッド１３，１４の重量増加を防止できる。その結果、加工ヘッドの応答性や機械的安定性の低下を防止できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。このレーザ加工装置は、第１の伝送光学系として、レーザ発振器１Ａと、光ファイバ２Ａと、光学素子３Ａと、光分岐素子４Ａと、反射ミラー１１Ａ，１２Ａと、加工ヘッド１３Ａ，１４Ａと、ヘッド支持部材２０Ａとを備え、第２の伝送光学系として、レーザ発振器１Ｂと、光ファイバ２Ｂと、光学素子３Ｂと、光分岐素子４Ｂと、反射ミラー１１Ｂ，１２Ｂと、加工ヘッド１３Ｂ，１４Ｂと、ヘッド支持部材２０Ｂとを備え、さらに共通の部材として変位機構３０を備える。

第１の伝送光学系および第２の伝送光学系は、図１に示したものと同様な構成および動作を有するため、重複説明を省く。

本実施形態では、複数のヘッド支持部材２０Ａ，２０Ｂを共通の変位機構３０に搭載している。この場合、テーブル４０上に複数の加工対象物Ｗを所定のＹピッチで位置決めするとともに、加工ヘッド１３Ａ，１４Ａおよび加工ヘッド１３Ｂ，１４Ｂが同じＹピッチを保った状態で同期して移動することにより、複数箇所の同時加工が可能になる。その結果、図１の構成と比べて単位時間当りの工数がさらに増加し、より高い加工効率を達成できる。

なお、ここでは２系統の伝送光学系を例示したが、３系統以上の伝送光学系を搭載することも可能である。

実施の形態３．
本実施形態では、図１の光学素子３または図４の光学素子３Ａ，３Ｂの入射側または出射側に、波長変換素子を設けている。レーザ発振器１（または１Ａ，１Ｂ）として、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いた場合、波長１０６４ｎｍのレーザ光が発生し、光ファイバ２（または２Ａ，２Ｂ）によって光学素子３（または３Ａ，３Ｂ）まで伝送される。このとき基本波の１０６４ｎｍのままで伝送した方が光ファイバでの吸収率が低い。

一方、加工対象物Ｗに微細な加工を施すためには、より短い波長のレーザ光を使用して、より小さなスポット径で加工することが望ましい。そこで、光学素子３（または３Ａ，３Ｂ）の入射側または出射側に、波長変換素子を設けることによって、２倍波（５３２ｎｍ）や３倍波（３５５ｎｍ）などの高調波を発生させることが可能になる。これにより光ファイバでの光伝送効率を高く維持しつつ、より小さなスポット径を用いた微細加工を実現できる。

実施の形態４．
本実施形態では、図１または図４の構成において、加工ヘッド１３，１４，１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４ＢがＸ方向に移動した場合でも、光分岐素子４，４Ａ，４Ｂから各加工ヘッドまでの光路長が相互に等しくなるように構成している。例えば、光学素子３および光分岐素子４をヘッド支持部材２０に設置する場合、リニアガイドやリニアアクチュエータなどの直線案内機構を介在させることにより、加工ヘッドのＸ変位と同期して光学素子３および光分岐素子４をＸ方向に移動させることが可能になる。

こうした構成により、加工ヘッドが移動しても各加工対象物Ｗを照射する各スポットの形状およびサイズが相互に等しくなり、加工精度のばらつきを抑制できる。

実施の形態５．
本実施形態では、図１または図４の構成において、光分岐素子４，４Ａ，４Ｂで分割された光を各加工ヘッド１３，１４，１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４Ｂへ案内するための反射ミラー１１，１２，１１Ａ，１２Ａ，１１Ｂ，１２Ｂを曲率可変ミラーで構成している。曲率可変ミラーは、ディフォーマブルミラーまたはアダプティブミラーとも称され、ミラー背面の空間を流体で充填し、流体圧力の制御によりミラー曲率が調整可能なように構成したものである。

こうした構成により、加工ヘッドのＸ変位に同期して個々の加工ヘッドに対応する反射ミラーの曲率を制御することによって、加工ヘッドが移動しても各加工対象物Ｗを照射する各スポットの形状およびサイズが相互に等しくなり、加工精度のばらつきを抑制できる。

１，１Ａ，１Ｂ レーザ発振器、 ２，２Ａ，２Ｂ 光ファイバ、
３，３Ａ，３Ｂ 光学素子、 ４，４Ａ，４Ｂ 光分岐素子、
１１，１２，１１Ａ，１２Ａ，１１Ｂ，１２Ｂ 反射ミラー、
１３，１４，１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４Ｂ 加工ヘッド、
２０，２０Ａ，２０Ｂ ヘッド支持部材、 ３０ 変位機構、 ３１ 可動部、
３２ 固定レール、 ４０ テーブル、 ４１ 側壁部材、 ５１ 光分配器、
５２，５３ 再帰反射プリズム、 Ｗ 加工対象物。

Claims (4)

1. 複数の加工ヘッドを同期して２次元的に移動させて、複数箇所を同時に加工するためのレーザ加工装置であって、
   レーザ光を発生するレーザ発振器と、
   レーザ発振器からのレーザ光を伝送するための光ファイバと、
   光ファイバによって伝送されたレーザ光を平行光にするための光学素子と、
   光学素子からの平行光を分割し、各加工ヘッドへそれぞれ供給するための光分岐素子と、
   複数の加工ヘッドを第１方向に沿って変位可能なように支持するためのヘッド支持部材と、
   ヘッド支持部材を第１方向と交差する第２方向に沿って変位させるための変位機構とを備え、
   光学素子および光分岐素子は、ヘッド支持部材に設置されており、
   複数のヘッド支持部材が、変位機構に搭載され、同期して移動することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 光学素子の入射側または出射側に、波長変換素子が設けられることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 光分岐素子から各加工ヘッドまでの光路長が相互に等しいことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
4. 光分岐素子で分割された光を各加工ヘッドへ案内するための反射ミラーをさらに備え、
   該反射ミラーは、曲率可変ミラーであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。