JP5709023B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載のレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光が照射された加工点の周囲にアシストガスによる旋回流を発生させ、レーザ加工時に発生したデブリスをアシストガスとともにノズルに吸引している。このとき、比較的質量の大きい液状のデブリスは、遠心力により旋回流の外側へ移動し、レーザ光の光路から除外される。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、レーザ加工時に発生するデブリスを排除し、レーザ加工を高効率に行うことの可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。
集光またはスパークによる爆発エネルギによって空気の膨張が生じ、光路からデブリスが排除される。これにより、レーザ発振器から発振された光がデブリスに吸収されることなく被加工物に照射される。したがって、レーザ発振器から発振される光のエネルギ損失が低減され、レーザ加工の加工効率を高めることができる。
また、レーザ加工装置は、レーザ発振器が発振するパルス光と、排除手段の集光またはスパークによるエネルギ供給とを同期させることの可能な制御手段を備える。この制御手段は、レーザ発振器がパルス光を照射していないとき、排除手段からレーザ発振器のパルス光の光路へ集光またはスパークによるエネルギを供給し、レーザ発振器がパルス光を照射しているとき、排除手段からレーザ発振器のパルス光の光路への集光またはスパークによるエネルギ供給を停止する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1及び図2に示す。本実施形態によるレーザ加工装置1は、金属または半導体などの被加工物2にレーザ光を照射し、レーザアブレーションによって被加工物2に微細溝または微細孔の加工を行うものである。
レーザ発振器3は、パルス幅が10ピコ秒以下の超短パルス光を発振するものである。レーザ発振器3が発振した光は、ミラー4に反射し、載置台9に設置された被加工物2に向けて照射される。
ミラー4と被加工物2との間に設けられた集光レンズ5は、レーザ発振器3が発振した光を被加工物2の加工点10に集光する。被加工物2の加工点10では、プラズマの発生とともに表面の構成物質が分子、原子、クラスタ等となって爆発的に放出される。これにより、被加工物2の加工点10に、例えば直径数十〜数百μmの微細溝または微細孔の加工が行われる。このレーザ加工時には、被加工物2の加工点10から粒子の小さい粉状のデブリスが発生する。
電極6,7に電気的に接続されたスイッチ8がオンされると、電源11から電極6,7に電圧が印加され、電極間にスパークが生じる。このスパークによる爆発エネルギ、即ち、空気の膨張及び衝撃力により、矢印Aに示すように、光路からデブリスが排除される。電極間のスパークは、被加工物2の加工点10の近傍で行われることが好ましい。
第1実施形態において、電極6,7、スイッチ8および電源11は、特許請求の範囲に記載の「排除手段」を構成する。
図2に示すように、制御手段12は、レーザ発振器3がパルス光を照射していないとき、電極6,7のスイッチ8をオンする。これにより、電極間にスパークが生じ、その爆発エネルギがパルス光の光路へ供給される。
一方、制御手段12は、レーザ発振器3がパルス光を照射しているとき、電極6,7のスイッチ8をオフする。これにより、電極間のスパークが消滅する。
載置台9に被加工物2を設置し、レーザ発振器3からパルス光を発振する。そのパルス光は、ミラー4に反射し、集光レンズ5によって被加工物2の加工点10に集光する。これにより、被加工物2の加工点10にレーザ加工が行われると共に、その加工点10からデブリスが飛散する。
次にレーザ発振器3がパルス光を照射するとき、制御手段12は、電極6,7のスイッチ8をオフする。このとき、パルス光の光路上にデブリスが存在することなく、パルス光は被加工物2に直接照射される。
レーザ発振器3からパルス光が断続的に被加工物2に照射され、被加工物2の加工点10に微細溝または微細孔が形成される。
(1)第1実施形態では、レーザ発振器3から発振されたパルス光の光路にスパークによる爆発エネルギを供給し、光路からデブリスを排除する。これにより、レーザ発振器3が発振した光がデブリスに吸収されることなく被加工物2に照射される。したがって、レーザ発振器3から被加工物2に照射される光のエネルギ損失が低減され、レーザ加工の加工効率を高めることができる。
また、レーザ加工に用いるパルス光と、スパークとが干渉することなく、レーザ加工の加工効率を高めることができる。
本発明の第2実施形態を図3に示す。以下、複数の実施形態において上述した第1実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第2実施形態では、レーザ加工装置は気圧貯留手段としての容器13を備えている。この容器13は、集光レンズ5と被加工物2との間に設けられる。この容器13は、レーザ発振器3から照射されたパルス光を透過することの可能な透過部14を有する。また、容器13は、被加工物2側に開口部15が設けられている。容器13は、開口部以外が密閉されており、その内側に高圧の空気を貯留することが可能である。
一対の電極6,7は、気圧貯留手段の開口部15に取り付けられる。
第2実施形態では、レーザ加工の開始時に、電極間で生じたスパークの爆発エネルギによって容器13の内側の気圧が高くなる。この間に容器13の内側に入るデブリスは、無視できる程度に少量である。
第2実施形態では、レーザ発振器3が発振するパルス光の光路上に容器13を備えることで、容器13の内側および外側において、光路上のデブリスを排除することが可能である。したがって、レーザ発振器3が発振するパルス光を被加工物2に高効率に照射することができる。
本発明の第3実施形態を図4及び図5に示す。第3実施形態では、レーザ加工装置は、1対の電極を4組備えている。
集光レンズ5と被加工物2との間の光路上またはその光路の周囲でスパークするように設けられた1対の電極6,7を第1電極組6,7と称する。
光路から一方向へ遠ざかるように並べられた電極を、順に、第2電極組16,17、第3電極組18,19、第4電極組20,21と称する。
第1〜第4電極組には、それぞれに電源11,22,23,24およびスイッチ8,25,26,27が接続されている。
第2電極組16,17と、その電源22及びスイッチ25は、特許請求の範囲に記載の「第2排除手段」を構成する。
制御手段12は、レーザ発振器3のパルス光の照射と、第1〜第4電極組のスイッチのオンオフとが同期するように制御する。
レーザ発振器3がパルス光を照射していないとき、制御手段12は、第1電極組6,7のスイッチをオンする。すると、第1電極組6,7のスパークの爆発エネルギにより光路からデブリスが排除される。光路から排除されたデブリスは、第2電極組16,17よりも遠くへ移動する。
そのため、次にレーザ発振器3がパルス光を照射するとき、パルス光の光路上にデブリスが存在することなく、パルス光は被加工物2に直接照射される。
なお、第3実施形態において、レーザ加工装置は、電極組を2組以上備えていればよい。
また、第3実施形態の構成において、被加工物2を移動して被加工物2に線形の加工をする場合、その移動方向は矢印Dに示すように、第1電極組6,7から見て第2電極組16,17の反対側へ移動することが好ましい。
本発明の第4実施形態を図6及び図7に示す。第4実施形態では、レーザ加工装置は、一対の電極及びスイッチを備えていない。その代り、レーザ加工装置は、第2レーザ発振器30、第2集光レンズ31及び遮蔽板28などを備えている。
第4実施形態において、第2レーザ発振器30及び第2集光レンズ31は、特許請求の範囲に記載の「排除手段」を構成する。
なお、第4実施形態において、被加工物2にパルス光を照射するレーザ発振器3を第1レーザ発振器3と称する。
ここで「光路の周囲」とは、集光による爆発エネルギを第1レーザ発振器3が発振したパルス光の光路に供給することの可能な範囲をいう。
第2レーザ発振器30が発振した光が集光すると、その集光による爆発エネルギ、即ち、空気の膨張及び衝撃力により、矢印Eに示すように、第1レーザ発振器3が発振したパルス光の光路からデブリスが排除される。第2レーザ発振器30が発振した光の集光は、被加工物2の加工点10の近傍で行われることが好ましい。
なお、第2レーザ発振器30が発振した光は、集光した後、遮蔽板28に照射される。
図7に示すように、制御手段12は、第1レーザ発振器3がパルス光を照射していないとき、第2レーザ発振器30からパルス光を照射させる。これにより、第2レーザ発振器30のパルス光の集光による爆発エネルギが、第1レーザ発振器3のパルス光の光路に供給される。
一方、制御手段12は、第1レーザ発振器3がパルス光を照射しているとき、第2レーザ発振器30のパルス光の照射を停止する。
本発明の第5実施形態を図8に示す。第5実施形態では、レーザ加工装置は、分光ミラーとしてのビームサンプラー32、第2集光レンズ31及び遅延手段33を備える。第5実施形態において、ビームサンプラー32、第2集光レンズ31及び遅延手段33は、特許請求の範囲に記載の「排除手段」を構成する。
ビームサンプラー32は、レーザ発振器3と集光レンズ5との間の光路に設けられ、レーザ発振器3が発振した光の一部を反射し、残りの光を透過する。図8において、ビームサンプラー32が反射した光の光路を符号L2で示している。
ビームサンプラー32で反射した反射光は、遅延手段33を通過し、第2ミラー29に反射し、コリメータ34を経由した後、第2集光レンズ31によって、ビームサンプラー32を透過した光の光路上またはその光路の周囲で集光する。この反射光の集光による爆発エネルギ、即ち、空気の膨張及び衝撃力により、矢印Fに示すように、光路からデブリスが排除される。
本発明の第6実施形態を図9に示す。第6実施形態では、レーザ加工装置は、気圧貯留手段としての容器13を備えている。この容器13は、レーザ発振器3からビームサンプラー32を透過したパルス光を透過することの可能な第1透過部14を有する。また、この容器13は、レーザ発振器3からビームサンプラー32で反射した反射光を透過することの可能な第2透過部35を有する。容器13は、被加工物2側に開口部15が設けられており、開口部以外が密閉されている。
容器13の内側の気圧が高くなると、集光による爆発エネルギによって発生した圧力は容器13の内側から外側へ伝播する。そのため、被加工物2から発生したデブリスは、矢印Gに示すように、容器13の内側と外側との圧力差により光路から排除される。
第6実施形態では、レーザ発振器3が発振するパルス光の光路上に容器13を備えることで、容器13の内側および外側において、光路上のデブリスを排除することが可能である。したがって、レーザ発振器3が発振し、ビームサンプラー32を透過したパルス光を被加工物2に高効率に照射することができる。
本発明の第7実施形態を図10及び図11に示す。第7実施形態では、レーザ加工装置は、デブリス回収手段としての水流発生器36および水流回収器37を備えている。
水流発生器36は被加工物2の加工点10の周りに水流38をつくり、水流回収器37は水流発生器36の流した水を回収するものである。
第7実施形態では、光路から排除されたデブリスを液体によって回収する。したがって、一旦光路から排除されたデブリスが再び光路上に戻ることを防ぐことができる。
なお、第7実施形態において、電極6,7によるスパークの代わりに、集光による爆発エネルギを用いてデブリスを光路から排除する構成としてもよい。
本発明の第8実施形態を図12に示す。第8実施形態では、レーザ加工装置は、針金のような棒状の被加工物39にレーザ加工を行うものである。
この場合、水流発生器36は、被加工物39の加工点10の集光レンズ5側から載置台9側に亘り水流38をつくることが可能である。そのため、電極間のスパークによって光路から排除されたデブリスは、水流発生器36のつくる水流38によって確実に回収される。したがって、一旦光路から排除されたデブリスが再び光路上に戻ることを防ぐことができる。
本発明の参考形態を図13及び図14に示す。参考形態では、レーザ加工装置は、水流発生器36および水流回収器37を備えているが、レーザ発振器3が発振するパルス光の光路にスパークまたは集光する手段を備えていない。水流発生器36のつくる水流は、図14に示すように、上から見て、加工点を囲む円形である。
この構成においても、レーザ加工によって被加工物39から飛散したデブリスは、矢印Iのように移動し、水流発生器36のつくる水流38に回収される。そのため、レーザ発振器3が発振したパルス光の光路上に存在するデブリスの量を少なくすることが可能である。したがって、レーザ発振器3から被加工物39に照射される光のエネルギ損失が低減され、レーザ加工の加工効率を高めることができる。
上述した実施形態では、レーザ発振器3が発振したパルス光の光路上、またはその近傍の一カ所でスパーク、または集光を行うようにした。これに対し、他の実施形態では、パルス光の光路上の複数カ所、またはその近傍の複数カ所でスパーク、または集光を行うようにしても良い。また、レーザ発振器3のパルス光が照射されていない間に、複数回の放電又は集光を行うようにしてもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記複数の実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
2 ・・・被加工物
3 ・・・レーザ発振器
5 ・・・集光レンズ
6,7・・・電極(排除手段)
8 ・・・スイッチ(排除手段)
11 ・・・電源(排除手段)
30 ・・・第2レーザ発振器(排除手段)
31 ・・・第2集光レンズ(排除手段)
32 ・・・ビームサンプラー(分光ミラー、排除手段)
Claims (8)
- 被加工物(2)に光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置(1)において、
パルス光を発振するレーザ発振器(3)と、
前記レーザ発振器が発振した光を前記被加工物に集光する集光レンズ(5)と、
前記集光レンズと前記被加工物との間の光路(L)に集光またはスパークによるエネルギを供給し、レーザ加工時に前記被加工物から発生するデブリスを前記光路から排除する排除手段(6,7,8,11,30,31,32,33)と、
前記レーザ発振器が発振するパルス光と、前記排除手段の集光またはスパークによるエネルギ供給とを同期させることの可能な制御手段(12)と、を備え、
前記制御手段は、
前記レーザ発振器がパルス光を照射していないとき、前記排除手段から前記レーザ発振器のパルス光の光路へ集光またはスパークによるエネルギを供給し、
前記レーザ発振器がパルス光を照射しているとき、前記排除手段から前記レーザ発振器のパルス光の光路への集光またはスパークによるエネルギ供給を停止することを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記排除手段(6,7,8,11)は、前記集光レンズと前記被加工物との間の光路上またはその光路の周囲でスパークを発生させ、前記光路にスパークによる爆発エネルギを供給することを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記排除手段(30,31,32,33)は、前記集光レンズと前記被加工物との間の光路上またはその光路の周囲で集光し、前記光路に集光による爆発エネルギを供給することを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記排除手段(30,31)は、
パルス光を発振する第2レーザ発振器(30)と、
前記第2レーザ発振器から発振されたパルス光を前記レーザ発振器から発振された光の光路またはその周囲に集光する第2集光レンズ(31)と、を有することを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工装置。 - 前記排除手段(31,32,33)は、
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間で、前記レーザ発振器から発振された光の一部を透過し、残りの光を反射する分光ミラー(32)と、
前記分光ミラーで反射した反射光を、前記分光ミラーを透過した光の光路に集光する第2集光レンズ(31)と、
前記分光ミラーで反射した反射光が集光する位置に到達する時間を遅延することの可能な遅延手段(33)と、を有することを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ発振器から照射された光を透過する透過部(14)、および、前記被加工物側に向けて開口する開口部(15)を有し、前記排除手段の集光またはスパークによるエネルギによって膨張した空気を貯留することの可能な気圧貯留手段(13)を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
- 前記排除手段がスパークを生成し又は集光した後、前記排除手段によるスパーク位置または集光位置よりも光路から遠い位置にスパークによるエネルギを供給し、デブリスをさらに光路の外側へ移動することの可能な第2排除手段(16,17,22,25)を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
- 前記被加工物に光が照射される位置の近傍に液体を流すデブリス回収手段(36,37)を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
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