JP5595568B1

JP5595568B1 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP5595568B1
Application number: JP2013177396A
Authority: JP
Inventors: 竜一成田; 真之呉屋; 研二牟田; 俊哉渡辺; 眞生渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: EP3040151A4; US20160221120A1; EP3040151A1; CN105636738B; JP2015044225A; WO2015029467A1; CN105636738A

Abstract

【課題】波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させること。
【解決手段】複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部１６Ｂと、前記分光部１６Ｂで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部１６Ｃ，１６Ｃと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行うレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置として、近年では、高出力の半導体レーザを用いる試みがある。しかし、半導体レーザは、複数の波長帯のレーザを含むため、集光した場合に各波長の焦点距離が異なる。

従来、半導体レーザではないが、異なる波長帯のレーザを重畳して同じ光軸上に集光させることが、例えば、特許文献１および特許文献２に示されている。

特開２００１−１９６６６５号公報特開２００６−２６３７７１号公報

上述した特許文献１に記載のレーザ加工装置は、２つのレーザの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができるとしているが、波長帯の異なるレーザは、集光レンズで焦点距離を同一にすることは困難であり、例えば、クラウンガラスとフリントガラスとを用いたとしても、波長帯の異なるレーザの焦点距離を同一にすることは困難である。そのため、特許文献２に記載のレーザ加工装置のように、重畳した異なる波長帯のレーザを被加工物の厚さ方向に関してあえて焦点位置を異ならせ、それぞれの波長帯の作用を得るようにしている。しかし、加工精度を向上するためには、レーザをより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることが望まれている。

本発明は上述した課題を解決するものであり、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させることのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部と、前記分光部で分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部と、を備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、分光部で分光されたレーザを、集光部によりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザをより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部はプリズムからなり、前記集光部はレンズ群からなることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、プリズムによる分光と、レンズ群による集光を適用することで、レーザ出力装置から入射されて被加工部材にレーザを照射するまでにレーザのエネルギー損失を抑えることができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部は各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸を中心として径の異なる複数の円環光とするプリズムの集合体として構成され、前記集光部は、同一光軸を中心としてそれぞれの円環光を集光するレンズの集合体として構成されていることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、各波長帯のレーザを同一光軸を中心とした複数の円環光に分光し、この円環光を同一光軸を中心として集光することで、装置の小型化を図ることができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部および前記集光部を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、を備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、移動機構による支持台と照射ヘッドとの相対移動およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整することで、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させて、波長帯の異なるレーザをより小さなスポットに集光させパワー密度を上げて加工精度を向上しつつ、レーザによる被加工部材の加工を行うことができる。

本発明によれば、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に表した概略構成図である。図２は、本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図である。図３は、本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図である。

以下に、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、板状の被加工部材を加工する場合として説明するが、被加工部材の形状は特に限定されない。被加工部材の形状は、種々の形状とすることができる。また、本実施形態では、被加工部材に穴を形成する場合、被加工部材を直線上に切断する場合、または被加工部材を溶接する場合として説明するが、被加工部材上における加工位置、つまりレーザの照射位置を調整することで、穴や直線以外の形状、例えば、屈曲点を有する形状、湾曲した形状とすることもできる。また、本実施形態では、被加工部材を移動させることで、レーザと被加工部材とを相対的に移動させたが、レーザを移動させるようにしてもよく、レーザと被加工部材の両方を移動させてもよい。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に表した概略構成図である。レーザ加工装置１０は、図１に示すように、レーザ出力装置１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、移動機構１８と、支持台２０と、制御装置２２と、を有する。レーザ加工装置１０は、支持台２０に設置された被加工部材８にレーザＬを照射することで、被加工部材８を加工する。ここで、本実施形態において、レーザ加工装置１０は、被加工部材８の表面をＸＹ平面とし、被加工部材８の表面に直交する方向をＺ方向とする。

ここで、本実施形態の被加工部材８は、板状の部材である。被加工部材８としては、種々の材料、例えば、インコネル、ハステロイ、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラスなどで作成された部材を用いることができる。また、被加工部材８には、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）などの繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミニウム合金などの各種金属、その他複合材料などで作成された部材も用いることができる。また、溶接する際には、溶加材や粉末などを供給する機構を有してもよい。

レーザ出力装置１２は、レーザを出力する装置である。レーザ出力装置１２は、複数の波長帯を有するレーザを発振する。このレーザ出力装置１２は、例えば、半導体レーザ発振器がある。

案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６に案内する光学系である。本実施形態の案内光学系１４は、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ出力装置１２のレーザの出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６に接続されている。案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６の入射端に向かって出力する。なお、案内光学系１４の構成はこれに限定されない。レーザ加工装置１０は、案内光学系１４としてミラーやレンズの組み合わせを用い、レーザを反射、集光などすることで、照射ヘッド１６に案内してもよい。または、レーザ出力装置１２から照射ヘッド１６に直接案内してもよい。

照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬを被加工部材８に照射する。照射ヘッド１６の詳細は後述する。

移動機構１８は、アーム３０と、アーム３０を移動させる駆動源３２と、を有する。アーム３０は、先端で照射ヘッド１６を支持している。駆動源３２は、アーム３０をＸＹＺの３軸方向に移動させることができる。移動機構１８は、駆動源３２でアーム３０をＸＹＺ方向に移動させることで、被加工部材８の種々の位置に照射ヘッド１６からのレーザＬを照射することができる。また、移動機構１８は、照射ヘッド１６のＸＹＺ方向の位置を検出する位置検出器３４を有している。なお、本実施形態は、移動機構１８として、アーム３０と駆動源３２で照射ヘッド１６を移動させる機構としたが、ＸＹステージ、ＸＹＺステージなどで照射ヘッド１６を移動する機構も用いることができる。

支持台２０は、被加工部材８を所定位置に支持する。なお、レーザ加工装置１０は、支持台２０が、被加工部材８をＸＹ方向に移動させるＸＹステージとして構成されていてもよい。

制御装置２２は、各部の動作を制御する。制御装置２２は、レーザ出力装置１２から出力するレーザの各種条件を調整したり、移動機構１８で照射ヘッド１６を移動させ被加工部材８に対する照射ヘッド１６の位置を調整したりする。

このレーザ加工装置１０は、レーザ出力装置１２からレーザを出力させる。レーザ加工装置１０は、出力されたレーザＬを案内光学系１４で照射ヘッド１６に案内する。レーザ加工装置１０は、位置検出器３４で照射ヘッド１６のＸＹＺ方向の位置を検出しつつ移動機構１８により照射ヘッド１６を移動させる。これにより、レーザ加工装置１０は、被加工部材８を加工することができる。

［実施形態１］
図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図である。図２に示すように、照射ヘッド１６は、上述した移動機構１８により支持されるケーシング１６Ａの内部に、分光部１６Ｂと、集光部１６Ｃとが設けられている。分光部１６Ｂは、案内光学系１４から入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図２では、２つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部１６Ｃは、分光部１６Ｂで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。

分光部１６Ｂは、プリズムからなり、当該分光部１６Ｂに案内光学系１４から入射されたレーザが通過することで、屈折率の違いにより各波長帯のレーザは異なる方向に向けて分光される。

集光部１６Ｃは、分光部１６Ｂで分光された各波長帯のレーザにそれぞれ対応して設けられている。各集光部１６Ｃは、分光部１６Ｂから入射されたレーザを平行光とする平行光学系１６Ｃａと、平行光学系１６Ｃａにより平行光とされたレーザを集光する集光光学系１６Ｃｂとのレンズ群として構成されている。なお、図２に示す平行光学系１６Ｃａおよび集光光学系１６Ｃｂは、模式化したものであり、レンズ構成について限定されるものではない。

この照射ヘッド１６では、集光されたレーザＬは、被加工部材８に照射される。本実施形態において、レーザ出力装置１２が複数（図２では２つ）の波長帯を有するレーザを発振している。このレーザは、分光部１６Ｂで各波長帯にそれぞれ分光された後、それぞれが集光部１６Ｃにおいて平行光学系１６Ｃａで平行光とされ、集光光学系１６Ｃｂで集光され、各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２が独立して同一位置（被加工部材８の被加工位置（表面））に焦点を一致して照射される。

このように、本実施形態のレーザ加工装置１０は、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置１２と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部１６Ｂと、前記分光部１６Ｂで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部１６Ｃ，１６Ｃと、を備える。

このレーザ加工装置１０によれば、分光部１６Ｂで分光されたレーザを、集光部１６Ｃ，１６Ｃによりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、分光部１６Ｂはプリズムからなり、集光部１６Ｃはレンズ群からなることが好ましい。

このレーザ加工装置１０によれば、プリズムによる分光と、レンズ群による集光を適用することで、レーザ出力装置１２から入射されて被加工部材８にレーザＬを照射するまでにレーザのエネルギー損失を抑えることができる。

［実施形態２］
図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図である。図３に示すように、照射ヘッド１６は、上述した移動機構１８により支持されるケーシング１６Ｄの内部に、コリメート部１６Ｅ、分光部１６Ｆと、集光部１６Ｇとが設けられている。コリメート部１６Ｅは、案内光学系１４から入射されたレーザを平行光とする。分光部１６Ｆは、コリメート部１６Ｅから入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図３では、３つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部１６Ｇは、分光部１６Ｆで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。

分光部１６Ｆは、プリズムを連続配置して円盤状に形成した集合体であり、コーンレンズと呼ばれるものである。この分光部１６Ｆは、コリメート部１６Ｅから入射されたレーザが通過することで、屈折率の違いにより各波長帯のレーザをそれぞれ分光し、かつ同一光軸Ｓを中心として径の異なる複数の円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とする。

集光部１６Ｇは、同一光軸Ｓを中心としてそれぞれの円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を集光するように、複数（本実施形態では３つ）のレンズ１６Ｇａ，１６Ｇｂ，１６Ｇｃを中央から外側に連続配置して円盤状に形成した集合体として構成されている。

この照射ヘッド１６では、集光されたレーザＬは、被加工部材８に照射される。本実施形態において、レーザ出力装置１２が複数（図３では３つ）の波長帯を有するレーザを発振している。このレーザは、分光部１６Ｆで各波長帯にそれぞれ分光され円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とされた後、それぞれが集光部１６Ｇにおいて集光され、各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３が独立して同一位置（被加工部材８の被加工位置（表面））に焦点を一致して照射される。

このように、本実施形態のレーザ加工装置１０は、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置１２と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部１６Ｆと、前記分光部１６Ｆで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部１６Ｇと、を備える。

このレーザ加工装置１０によれば、分光部１６Ｆで分光されたレーザを、集光部１６Ｇのレンズ１６Ｇａ，１６Ｇｂ，１６Ｇｃによりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、分光部１６Ｆは各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸Ｓを中心として径の異なる複数の円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とするプリズムの集合体として構成され、集光部１６Ｇは、同一光軸Ｓを中心としてそれぞれの円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を集光するレンズ１６Ｇａ，１６Ｇｂ，１６Ｇｃの集合体として構成されていることが好ましい。

このレーザ加工装置１０によれば、各波長帯のレーザを同一光軸Ｓを中心とした複数の円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に分光し、この円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を同一光軸Ｓを中心として集光するため、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。特に、このレーザ加工装置１０によれば、各波長帯のレーザを同一光軸Ｓを中心とした複数の円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に分光し、この円環光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を同一光軸Ｓを中心として集光することで、上述した実施形態１と比較して装置の小型化を図ることができる。

８被加工部材
１０レーザ加工装置
１２レーザ出力装置
１６照射ヘッド
１６Ａケーシング
１６Ｂ分光部
１６Ｃ集光部
１６Ｄケーシング
１６Ｅコリメート部
１６Ｆ分光部
１６Ｇ集光部
１６Ｇａ，１６Ｇｂ，１６Ｇｃレンズ
Ｓ光軸

Claims

複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、
各波長帯のレーザを平行光とするコリメート部と、
前記コリメート部で平行光とされた前記各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸を中心として径の異なる複数の円環光とするプリズムの集合体として構成された分光部と、
前記分光部で分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるように同一光軸を中心としてそれぞれの円環光を集光するレンズの集合体として構成された集光部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記分光部および前記集光部を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、
被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、
前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。