JPH11104875A - Ｃｏ２レーザ装置及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法 - Google Patents
Ｃｏ２レーザ装置及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法Info
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- JPH11104875A JPH11104875A JP10049392A JP4939298A JPH11104875A JP H11104875 A JPH11104875 A JP H11104875A JP 10049392 A JP10049392 A JP 10049392A JP 4939298 A JP4939298 A JP 4939298A JP H11104875 A JPH11104875 A JP H11104875A
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- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B33/00—Severing cooled glass
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- C03B33/091—Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
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- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】ノズルの焼損や変形の無いＣＯ2 レーザ装置を
提供し、高寸法精度の加工を行うことができるＣＯ2 レ
ーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法を提供す
る。 【解決手段】ノズル１０−１の内壁面にレーザビーム７
−２が照射されても内壁面の材質が銅であるため、反射
しながら伝搬して細径の噴射口１２から出射される。し
たがってノズル１０−１が焼損したりレーザパワーの低
下がほとんどなく、細径に絞られたレーザビームを加工
物としての非金属材料に照射することができる。また、
非金属材料基板をフォーカス１１の位置に配置して割断
する場合だけでなく、レーザビーム拡がり部９の位置に
配置して割断する場合にもレーザビーム径を従来の１／
５以下に縮小できるので、非金属材料への亀裂の発生方
向をレーザビームの移動軌跡に忠実に合わせることがで
きる。
提供し、高寸法精度の加工を行うことができるＣＯ2 レ
ーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法を提供す
る。 【解決手段】ノズル１０−１の内壁面にレーザビーム７
−２が照射されても内壁面の材質が銅であるため、反射
しながら伝搬して細径の噴射口１２から出射される。し
たがってノズル１０−１が焼損したりレーザパワーの低
下がほとんどなく、細径に絞られたレーザビームを加工
物としての非金属材料に照射することができる。また、
非金属材料基板をフォーカス１１の位置に配置して割断
する場合だけでなく、レーザビーム拡がり部９の位置に
配置して割断する場合にもレーザビーム径を従来の１／
５以下に縮小できるので、非金属材料への亀裂の発生方
向をレーザビームの移動軌跡に忠実に合わせることがで
きる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＯ2 レーザ装置
及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法に関する。
及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、セラミックスやガラス、半導体等
の非金属材料をＣＯ2 レーザ装置を用いて加工する技術
がさかんに研究されるようになってきた。
の非金属材料をＣＯ2 レーザ装置を用いて加工する技術
がさかんに研究されるようになってきた。
【０００３】図５は、ＣＯ2 レーザ装置の従来例を示す
概念図である。
概念図である。
【０００４】同図に示す装置は、ＣＯ2 レーザ１から出
射した略平行なレーザビーム７−０を、全反射ミラー２
によって直角な方向（鉛直下向き）に全反射させ、その
全反射させたレーザビーム７−１を集光レンズ４で集光
させ、フォーカス８の位置にレーザビームを集束させ、
このフォーカス８の位置に非金属材料（図示せず）を配
置してレーザ加工する装置である。
射した略平行なレーザビーム７−０を、全反射ミラー２
によって直角な方向（鉛直下向き）に全反射させ、その
全反射させたレーザビーム７−１を集光レンズ４で集光
させ、フォーカス８の位置にレーザビームを集束させ、
このフォーカス８の位置に非金属材料（図示せず）を配
置してレーザ加工する装置である。
【０００５】集光レンズ４を透過したレーザビーム７−
２は、ノズル６内を通過する際に、アシストガス５−
１，５−２によって覆われるので、ドライな雰囲気でレ
ーザ加工が行われるようになっている。
２は、ノズル６内を通過する際に、アシストガス５−
１，５−２によって覆われるので、ドライな雰囲気でレ
ーザ加工が行われるようになっている。
【０００６】図６は、ＣＯ2 レーザ装置の他の従来例を
示す概念図である。尚、図５に示した従来例と同様の部
材には共通の符号を用いた。
示す概念図である。尚、図５に示した従来例と同様の部
材には共通の符号を用いた。
【０００７】図５に示した装置との相違点は、非金属材
料をレーザエネルギー密度の低い位置９に配置して加工
するように構成されている点である。
料をレーザエネルギー密度の低い位置９に配置して加工
するように構成されている点である。
【０００８】これら図５、図６に示すような装置を用い
て、非金属材料を切断したり、穴や溝を形成したりして
非金属材料部品を製造することが行われている。また、
レーザビーム照射によって非金属材料に局所的な熱応力
による亀裂を発生させ、その亀裂をレーザビームの軌跡
によって進展させて割断により切断することも行われて
いる。
て、非金属材料を切断したり、穴や溝を形成したりして
非金属材料部品を製造することが行われている。また、
レーザビーム照射によって非金属材料に局所的な熱応力
による亀裂を発生させ、その亀裂をレーザビームの軌跡
によって進展させて割断により切断することも行われて
いる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５、
図６に示した装置による加工方法には以下のような問題
点がある。
図６に示した装置による加工方法には以下のような問題
点がある。
【００１０】(1) ＣＯ2 レーザビームを集光レンズによ
ってフォーカス位置にビームを集束させてもそのビーム
径は１２０μｍ程度が限界であり、それよりも細くビー
ム径を絞ることは容易ではない。このようなビーム径の
レーザビームで非金属材料を、例えば図５に示した装置
を用いて蒸発切断すると、切断切り代幅は２００μｍ近
くになってしまう。また、切断寸法許容精度も上記ビー
ム径程度の値になってしまい高精度のレーザ加工が困難
である。
ってフォーカス位置にビームを集束させてもそのビーム
径は１２０μｍ程度が限界であり、それよりも細くビー
ム径を絞ることは容易ではない。このようなビーム径の
レーザビームで非金属材料を、例えば図５に示した装置
を用いて蒸発切断すると、切断切り代幅は２００μｍ近
くになってしまう。また、切断寸法許容精度も上記ビー
ム径程度の値になってしまい高精度のレーザ加工が困難
である。
【００１１】(2) 厚さの異なる非金属材料を割断により
切断する方法として、図６に示す装置を用いてレーザビ
ームの径を大きくして低エネルギー密度となる位置に非
金属材料を配置して切断する方法がある。非金属材料の
厚さに応じて照射エネルギー密度を変え、最適な熱エネ
ルギー分布を与えることによって非金属材料を割断す
る。しかし、この場合にもレーザビームのビーム径が大
きいため、非金属材料への亀裂の発生方向が定まりにく
くなり、レーザビームの移動軌跡に忠実に亀裂が発生し
なくなり、高寸法精度の加工が困難である。
切断する方法として、図６に示す装置を用いてレーザビ
ームの径を大きくして低エネルギー密度となる位置に非
金属材料を配置して切断する方法がある。非金属材料の
厚さに応じて照射エネルギー密度を変え、最適な熱エネ
ルギー分布を与えることによって非金属材料を割断す
る。しかし、この場合にもレーザビームのビーム径が大
きいため、非金属材料への亀裂の発生方向が定まりにく
くなり、レーザビームの移動軌跡に忠実に亀裂が発生し
なくなり、高寸法精度の加工が困難である。
【００１２】(3) 非金属材料表面にレーザビームを照射
して加工するには、その加工部にアシストガスを吹き付
けて急速に冷却する必要がある。しかし図５、図６に示
した装置構成では、ノズル６の噴射口１２の内径を、フ
ォーカス８の位置までのビーム径の値の２０倍以上に設
定しておかなければならない。これは、レーザビームが
非金属材料だけでなくノズル６の内壁面にも照射されて
ノズル６が焼損したり、レーザパワーが劣化してしまう
のを防止するためである。
して加工するには、その加工部にアシストガスを吹き付
けて急速に冷却する必要がある。しかし図５、図６に示
した装置構成では、ノズル６の噴射口１２の内径を、フ
ォーカス８の位置までのビーム径の値の２０倍以上に設
定しておかなければならない。これは、レーザビームが
非金属材料だけでなくノズル６の内壁面にも照射されて
ノズル６が焼損したり、レーザパワーが劣化してしまう
のを防止するためである。
【００１３】(4) アシストガスが加工部へ到達すると広
がってしまうため、冷却能力が低下してしまい加工能率
が低下してしまう。
がってしまうため、冷却能力が低下してしまい加工能率
が低下してしまう。
【００１４】以上のような問題点を解決するために、本
発明者は図７に示すような装置を試作してビーム径の細
径化とガスのジェット噴射化の両立化を検討した。すな
わち、ノズル６の内面のテーパ率を大きくし、噴射口１
２の内径を、フォーカス８の位置でのビーム径の値の約
８倍程度に縮小した。これにより位置８及び位置９にお
けるレーザ光のビーム径を大幅に小さくすることができ
た。尚、図７は、ＣＯ2 レーザ装置の他の従来例を示す
概念図である。
発明者は図７に示すような装置を試作してビーム径の細
径化とガスのジェット噴射化の両立化を検討した。すな
わち、ノズル６の内面のテーパ率を大きくし、噴射口１
２の内径を、フォーカス８の位置でのビーム径の値の約
８倍程度に縮小した。これにより位置８及び位置９にお
けるレーザ光のビーム径を大幅に小さくすることができ
た。尚、図７は、ＣＯ2 レーザ装置の他の従来例を示す
概念図である。
【００１５】しかし、ノズル６がステンレスで形成され
ているため、本来非金属材料だけに照射されるべきはず
のレーザビームがノズル６の内壁面にも照射されること
によりステンレスが溶けたり、焼損したりして、ノズル
６から出射したレーザビーム７−３のパワーが大幅に低
下することが分かった。また、レーザビームの照射で蒸
発したステンレス微粒子が非金属材料の加工面に付着す
るという問題が生じた。さらにノズル６の内壁や噴射口
１２も徐々に溶融したり焼損して噴射口１２の内径が変
化するという問題も生じた。
ているため、本来非金属材料だけに照射されるべきはず
のレーザビームがノズル６の内壁面にも照射されること
によりステンレスが溶けたり、焼損したりして、ノズル
６から出射したレーザビーム７−３のパワーが大幅に低
下することが分かった。また、レーザビームの照射で蒸
発したステンレス微粒子が非金属材料の加工面に付着す
るという問題が生じた。さらにノズル６の内壁や噴射口
１２も徐々に溶融したり焼損して噴射口１２の内径が変
化するという問題も生じた。
【００１６】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、ノズルの焼損や変形の無いＣＯ 2 レーザ装置を提供
し、高寸法精度の加工を行うことができるＣＯ2 レーザ
装置を用いた非金属材料部品の製造方法を提供すること
にある。
し、ノズルの焼損や変形の無いＣＯ 2 レーザ装置を提供
し、高寸法精度の加工を行うことができるＣＯ2 レーザ
装置を用いた非金属材料部品の製造方法を提供すること
にある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のＣＯ2 レーザ装置は、ＣＯ2 レーザと、ＣＯ
2 レーザから出射されたレーザ光を集光して加工物まで
案内する光学系と、光学系で集光されたレーザビームを
覆うと共にレーザビームに沿ってガスを噴射するための
ノズルとを備えたＣＯ2 レーザ装置において、ノズルの
内壁面に少なくとも０．３mmの厚さの銅層を設け、か
つ、ノズルの形状をレーザビームの伝搬方向に沿って先
細りのテーパ状になるように形成すると共に、ノズルの
噴射口の口径を０．１mmから２．０mmの範囲内にしたも
のである。
に本発明のＣＯ2 レーザ装置は、ＣＯ2 レーザと、ＣＯ
2 レーザから出射されたレーザ光を集光して加工物まで
案内する光学系と、光学系で集光されたレーザビームを
覆うと共にレーザビームに沿ってガスを噴射するための
ノズルとを備えたＣＯ2 レーザ装置において、ノズルの
内壁面に少なくとも０．３mmの厚さの銅層を設け、か
つ、ノズルの形状をレーザビームの伝搬方向に沿って先
細りのテーパ状になるように形成すると共に、ノズルの
噴射口の口径を０．１mmから２．０mmの範囲内にしたも
のである。
【００１８】上記構成に加え本発明のＣＯ2 レーザ装置
は、ノズル内には少なくとも０．５kg／cm2 のガス圧を
かけてガスを流し、噴射口から噴射するようにするのが
好ましい。
は、ノズル内には少なくとも０．５kg／cm2 のガス圧を
かけてガスを流し、噴射口から噴射するようにするのが
好ましい。
【００１９】また、本発明のＣＯ2 レーザ装置を用いた
非金属材料部品の製造方法は、請求項１に記載のＣＯ2
レーザ装置を用いて非金属材料部品にレーザビームを照
射して加工するＣＯ2 レーザ装置を用いた非金属材料部
品の製造方法であって、集光されたレーザビームのフォ
ーカス位置とノズルの噴射口との間の距離を０．８mm〜
３mmとしてレーザビームを非金属材料部品に照射して加
工するＣＯ2 レーザ装置を用いたものである。
非金属材料部品の製造方法は、請求項１に記載のＣＯ2
レーザ装置を用いて非金属材料部品にレーザビームを照
射して加工するＣＯ2 レーザ装置を用いた非金属材料部
品の製造方法であって、集光されたレーザビームのフォ
ーカス位置とノズルの噴射口との間の距離を０．８mm〜
３mmとしてレーザビームを非金属材料部品に照射して加
工するＣＯ2 レーザ装置を用いたものである。
【００２０】上記構成に加え本発明のＣＯ2 レーザ装置
を用いた非金属材料部品の製造方法は、レーザビームの
フォーカス位置をノズルの噴射口からノズル内に向って
少なくとも１０mmとなるようにすると共に、非金属材料
部品を噴射口から少なくとも１mmとなるようにしてレー
ザビームを非金属材料部品に照射して加工するのが好ま
しい。
を用いた非金属材料部品の製造方法は、レーザビームの
フォーカス位置をノズルの噴射口からノズル内に向って
少なくとも１０mmとなるようにすると共に、非金属材料
部品を噴射口から少なくとも１mmとなるようにしてレー
ザビームを非金属材料部品に照射して加工するのが好ま
しい。
【００２１】上記構成に加え本発明のＣＯ2 レーザ装置
を用いた非金属材料部品の製造方法は、非金属材料部品
が、セラミックス、ガラス、半導体等の基板であるのが
好ましい。上記構成に加えノズルの噴射口の口径を楕円
形状にし、その口径の長円が加工方向に向くように配置
した装置である。またＣＯ2 レーザから出射されたレー
ザ光を光学系で楕円ビーム径にし、該楕円ビーム径のレ
ーザ光を楕円口径のノズルを通して加工物まで案内する
ようにしたＣＯ2 レーザ装置である。
を用いた非金属材料部品の製造方法は、非金属材料部品
が、セラミックス、ガラス、半導体等の基板であるのが
好ましい。上記構成に加えノズルの噴射口の口径を楕円
形状にし、その口径の長円が加工方向に向くように配置
した装置である。またＣＯ2 レーザから出射されたレー
ザ光を光学系で楕円ビーム径にし、該楕円ビーム径のレ
ーザ光を楕円口径のノズルを通して加工物まで案内する
ようにしたＣＯ2 レーザ装置である。
【００２２】本発明のＣＯ2 レーザ装置によれば、ノズ
ルの内壁面にレーザビームが照射されても内壁面の材質
が銅であるため、反射しながら伝搬して細径の噴射口か
ら出射される。したがってノズルが焼損したりレーザパ
ワーの低下がほとんどなく、細径に絞られたレーザビー
ムを非金属材料に照射することができる。その結果、例
えば蒸発切断では切断切り代幅を１００μｍ以下に抑え
ることができる。また、切断寸法許容精度も１００μｍ
以下に抑えることができる。
ルの内壁面にレーザビームが照射されても内壁面の材質
が銅であるため、反射しながら伝搬して細径の噴射口か
ら出射される。したがってノズルが焼損したりレーザパ
ワーの低下がほとんどなく、細径に絞られたレーザビー
ムを非金属材料に照射することができる。その結果、例
えば蒸発切断では切断切り代幅を１００μｍ以下に抑え
ることができる。また、切断寸法許容精度も１００μｍ
以下に抑えることができる。
【００２３】また、本発明のＣＯ2 レーザ装置を用いた
非金属材料部品の製造方法によれば、非金属材料基板に
従来のようなレーザビーム径をしぼって高エネルギー密
度で照射する場合だけでなく、レーザビーム径を大きく
して低エネルギー密度で照射して割断する場合にもレー
ザビーム径を従来の１／５以下に縮小できるので、基板
への亀裂の発生方向をレーザビームの移動軌跡に忠実に
合わせることができる。その結果、高寸法精度の割断加
工を行うことができる。
非金属材料部品の製造方法によれば、非金属材料基板に
従来のようなレーザビーム径をしぼって高エネルギー密
度で照射する場合だけでなく、レーザビーム径を大きく
して低エネルギー密度で照射して割断する場合にもレー
ザビーム径を従来の１／５以下に縮小できるので、基板
への亀裂の発生方向をレーザビームの移動軌跡に忠実に
合わせることができる。その結果、高寸法精度の割断加
工を行うことができる。
【００２４】本発明のＣＯ2 レーザ装置によれば、ノズ
ルの内壁面に銅層を設けると共にノズルの形状を先細り
のテーパ状に形成することにより、レーザビームを伝搬
方向である噴射口側へ効率よく反射させて導くことがで
きるだけでなく、ノズル内に流れているガスを噴射口か
らジェット噴射のように吹き出させて局所的にレーザビ
ームの照射されている加工面に吹き付けられるので、微
細部への局所的な急加熱や急冷却により、熱歪によるマ
イクロクラックの発生が少ない切断加工ができる。
ルの内壁面に銅層を設けると共にノズルの形状を先細り
のテーパ状に形成することにより、レーザビームを伝搬
方向である噴射口側へ効率よく反射させて導くことがで
きるだけでなく、ノズル内に流れているガスを噴射口か
らジェット噴射のように吹き出させて局所的にレーザビ
ームの照射されている加工面に吹き付けられるので、微
細部への局所的な急加熱や急冷却により、熱歪によるマ
イクロクラックの発生が少ない切断加工ができる。
【００２５】また、本発明のＣＯ2 レーザ装置を用いた
非金属材料部品の製造方法によれば、レーザパワーの低
下がほとんどなく、微細径のレーザビーム径を実現でき
るので、加工物を生産性よく、かつ、高寸法精度で、効
率的に加工することができる。また、本発明のＣＯ2 レ
ーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法によれば、
該部品の加工方向に該口径の長円部が配向するように配
置することによって、加工方向へのレーザエネルギー密
度がより強くなるので、より高寸法精度を保った加工
（たとえば切断、割断加工）ができる。
非金属材料部品の製造方法によれば、レーザパワーの低
下がほとんどなく、微細径のレーザビーム径を実現でき
るので、加工物を生産性よく、かつ、高寸法精度で、効
率的に加工することができる。また、本発明のＣＯ2 レ
ーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法によれば、
該部品の加工方向に該口径の長円部が配向するように配
置することによって、加工方向へのレーザエネルギー密
度がより強くなるので、より高寸法精度を保った加工
（たとえば切断、割断加工）ができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００２７】図１は本発明のＣＯ2 レーザ装置の一実施
の形態を示す概念図である。尚、図５〜図７に示した従
来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
の形態を示す概念図である。尚、図５〜図７に示した従
来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００２８】同図において、１はＣＯ2 レーザ光を発生
するＣＯ2 レーザであり、ＣＯ2 レーザ１の出射口には
ビームガイド用フード３の一端（図では左端）が接続さ
れている。ビームガイド用フード３は直角下向きに折り
曲げられており、その角部にはＣＯ2 レーザ１から出射
したレーザビームを下側に折り曲げるための全反射ミラ
ー２が設けられている。ビームガイド用フード３の下部
の途中には、全反射ミラー２で下側に折り曲げられたレ
ーザビーム７−１を集光して非金属材料の加工面にレー
ザビーム７−２を照射するための集光レンズ４が設けら
れている。集光レンズ４には、入射側が凸面で出射側が
平面の平凸レンズを用いるのが好ましい（収差が少ない
ためである）。ビームガイド用フード３の他端（下端）
にはレーザビーム７−２の伝搬方向に沿って先細りのテ
ーパ状になるように形成されたＣｕ製のノズル１０−１
が設けられている。ノズル１０−１の根元にはレーザビ
ーム７−２に沿ってアシストガス５−１，５−２を噴射
するための供給口１０ａ−１が設けられている。
するＣＯ2 レーザであり、ＣＯ2 レーザ１の出射口には
ビームガイド用フード３の一端（図では左端）が接続さ
れている。ビームガイド用フード３は直角下向きに折り
曲げられており、その角部にはＣＯ2 レーザ１から出射
したレーザビームを下側に折り曲げるための全反射ミラ
ー２が設けられている。ビームガイド用フード３の下部
の途中には、全反射ミラー２で下側に折り曲げられたレ
ーザビーム７−１を集光して非金属材料の加工面にレー
ザビーム７−２を照射するための集光レンズ４が設けら
れている。集光レンズ４には、入射側が凸面で出射側が
平面の平凸レンズを用いるのが好ましい（収差が少ない
ためである）。ビームガイド用フード３の他端（下端）
にはレーザビーム７−２の伝搬方向に沿って先細りのテ
ーパ状になるように形成されたＣｕ製のノズル１０−１
が設けられている。ノズル１０−１の根元にはレーザビ
ーム７−２に沿ってアシストガス５−１，５−２を噴射
するための供給口１０ａ−１が設けられている。
【００２９】これら全反射ミラー２、ビームガイド用フ
ード３及び集光レンズ４で光学系３０が構成され、ＣＯ
2 レーザ１、ノズル１０−１及び光学系３０でＣＯ2 レ
ーザ装置４０が構成されている。
ード３及び集光レンズ４で光学系３０が構成され、ＣＯ
2 レーザ１、ノズル１０−１及び光学系３０でＣＯ2 レ
ーザ装置４０が構成されている。
【００３０】このＣＯ2 レーザ装置４０の特徴は、ノズ
ル１０−１にＣｕ製細径ノズルを用いることによって、
(1) 集光レンズ４から出射したレーザビーム７−２を細
径化されたレーザビーム７−５にすること、(2) 噴射口
１２からのアシストガス５−３をジェット噴射させるこ
と、にある。
ル１０−１にＣｕ製細径ノズルを用いることによって、
(1) 集光レンズ４から出射したレーザビーム７−２を細
径化されたレーザビーム７−５にすること、(2) 噴射口
１２からのアシストガス５−３をジェット噴射させるこ
と、にある。
【００３１】このＣｕ製細径のノズル１０−１を用いる
と、テーパ状のノズル１０−１内のレーザビーム７−２
のうちノズル内壁面に向って進むレーザビームは略１０
０％反射しながら噴射口１２を通って出射され、フォー
カス１１におけるビーム径は１００μｍ以下になる。す
なわち、図５に示した従来のＣＯ2 レーザ装置ではフォ
ーカス１１におけるビーム径が２００μｍに近い値であ
ったが、本発明のＣＯ2 レーザ装置４０ではレーザパワ
ーをほとんど低下させずにビーム径１００μｍ以下のレ
ーザビームを得ることができる。
と、テーパ状のノズル１０−１内のレーザビーム７−２
のうちノズル内壁面に向って進むレーザビームは略１０
０％反射しながら噴射口１２を通って出射され、フォー
カス１１におけるビーム径は１００μｍ以下になる。す
なわち、図５に示した従来のＣＯ2 レーザ装置ではフォ
ーカス１１におけるビーム径が２００μｍに近い値であ
ったが、本発明のＣＯ2 レーザ装置４０ではレーザパワ
ーをほとんど低下させずにビーム径１００μｍ以下のレ
ーザビームを得ることができる。
【００３２】図７に示した従来のＣＯ2 レーザ装置でも
上記のようなビーム径の細いレーザビームを得ることが
できるが、レーザパワーが大幅に低下してしまうこと、
レーザパワーの経時変化が大きいこと、金属蒸気が発生
すること等の問題があった。しかし、本発明のＣＯ2 レ
ーザ装置にはこれらの問題がない。
上記のようなビーム径の細いレーザビームを得ることが
できるが、レーザパワーが大幅に低下してしまうこと、
レーザパワーの経時変化が大きいこと、金属蒸気が発生
すること等の問題があった。しかし、本発明のＣＯ2 レ
ーザ装置にはこれらの問題がない。
【００３３】図２は図１に示したＣＯ2 レーザ装置に用
いられるノズルの断面図である。
いられるノズルの断面図である。
【００３４】このノズル（フォーカスノズル）１０−１
は、Ｃｕ材料（例えば無酸素銅）で形成され、ノズル内
壁面は鏡面状態に仕上げられており、フォーカス１１が
噴出口１２から１mm前方（図では右側）になるように形
成されている。
は、Ｃｕ材料（例えば無酸素銅）で形成され、ノズル内
壁面は鏡面状態に仕上げられており、フォーカス１１が
噴出口１２から１mm前方（図では右側）になるように形
成されている。
【００３５】ノズル１０−１の円筒部１０−１ｂの一端
（図では左端）にはビームガイド用フード３に取付ける
ためのネジ部１０−１ａが形成され、円筒部１０−１ｂ
の他端（図では右端）には先細りに形成されたテーパ部
１０−１ｃが形成されている。
（図では左端）にはビームガイド用フード３に取付ける
ためのネジ部１０−１ａが形成され、円筒部１０−１ｂ
の他端（図では右端）には先細りに形成されたテーパ部
１０−１ｃが形成されている。
【００３６】このノズル１０−１の寸法について主な数
値を挙げると、円筒部１０−１ｂの外径が３５mmφ、内
径が２８mmφ、ノズル１０−１の長さは４４mm、噴出口
（ジェット噴出口）１２の内径は０．１mmφに設定され
ている。テーパ部１０−１ｃのテーパ形状は、内壁面に
レーザビームが誤って照射されても略１００％反射て噴
射口１２へ伝搬するように形成されている。尚、ノズル
１０−１の噴出口１２の口径は０．１mmから２．０mmの
範囲内が好ましい。また、その口径を円形ではなく、楕
円形状にし、長円／短円＝１．５／１から５／１の範囲
から選ぶようにすればよい。この長円／短円を大きく
し、加工方向に長円部が配向するように配置して加工す
れば、加工の切り代幅を非常に小さくすることができる
ことと、レーザパワーの低下を抑えることができる。な
お、光学系(4) でレーザビーム径を楕円にし、その楕円
ビームを楕円口径ノズルから出射させるようにしてもよ
い。
値を挙げると、円筒部１０−１ｂの外径が３５mmφ、内
径が２８mmφ、ノズル１０−１の長さは４４mm、噴出口
（ジェット噴出口）１２の内径は０．１mmφに設定され
ている。テーパ部１０−１ｃのテーパ形状は、内壁面に
レーザビームが誤って照射されても略１００％反射て噴
射口１２へ伝搬するように形成されている。尚、ノズル
１０−１の噴出口１２の口径は０．１mmから２．０mmの
範囲内が好ましい。また、その口径を円形ではなく、楕
円形状にし、長円／短円＝１．５／１から５／１の範囲
から選ぶようにすればよい。この長円／短円を大きく
し、加工方向に長円部が配向するように配置して加工す
れば、加工の切り代幅を非常に小さくすることができる
ことと、レーザパワーの低下を抑えることができる。な
お、光学系(4) でレーザビーム径を楕円にし、その楕円
ビームを楕円口径ノズルから出射させるようにしてもよ
い。
【００３７】図３は、本発明のＣＯ2 レーザ装置の他の
実施の形態を示す概念図である。尚、図１に示した装置
と同様の部材には共通の符号を用いた。
実施の形態を示す概念図である。尚、図１に示した装置
と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００３８】図１に示した実施の形態との相違点は、レ
ーザビーム拡がり部９の位置におけるレーザビーム７−
２を細径化するように構成した点である。すなわち、Ｃ
Ｏ2レーザ装置４１はＣｕ製の細径テーパ状のノズル１
０−２を用い、集光レンズ４で集光したレーザビーム７
−２のフォーカス８がノズル１０−２内に位置するよう
に形成されている。
ーザビーム拡がり部９の位置におけるレーザビーム７−
２を細径化するように構成した点である。すなわち、Ｃ
Ｏ2レーザ装置４１はＣｕ製の細径テーパ状のノズル１
０−２を用い、集光レンズ４で集光したレーザビーム７
−２のフォーカス８がノズル１０−２内に位置するよう
に形成されている。
【００３９】図４は図３に示した装置に用いられるノズ
ルの断面図である。
ルの断面図である。
【００４０】同図に示すノズル１０−２の噴射口１２の
内径は０．２mmであり、フォーカス８はこの噴射口１２
から１０mm後方（図では左側）に位置するようにテーパ
部１０−２ｃの長さが長くなるように設計されている。
噴射口１２から出射したレーザビームのビーム拡がり部
（噴射口１２から２mm〜８mm、この位置は非金属材料の
厚さ、材質等によって変る。）９の位置におけるビーム
径を０．８mm以下に抑えることができ、かつレーザパワ
ーの低下を極めて小さく抑えることができる。この場合
にも噴射口１２は楕円形状にしてもよい。
内径は０．２mmであり、フォーカス８はこの噴射口１２
から１０mm後方（図では左側）に位置するようにテーパ
部１０−２ｃの長さが長くなるように設計されている。
噴射口１２から出射したレーザビームのビーム拡がり部
（噴射口１２から２mm〜８mm、この位置は非金属材料の
厚さ、材質等によって変る。）９の位置におけるビーム
径を０．８mm以下に抑えることができ、かつレーザパワ
ーの低下を極めて小さく抑えることができる。この場合
にも噴射口１２は楕円形状にしてもよい。
【００４１】尚、上述した実施の形態ではノズル１０−
１，１０−２を全てＣｕで形成した場合で説明したが、
これに限定されるものではなく、例えば真鍮（或いはス
テンレス）製のノズルの内壁面に少なくとも厚さ０．３
mmのＣｕ層を形成してもよい。ノズル内に流すアシスト
ガスとしては、Ｎ2 ，Ｏ2 ，空気，Ａｒ等を用いること
ができ、ノズル内へ加える圧力は少なくとも０．５kg／
cm2 、好ましくは３kg／cm2 以上が好ましい。噴射口の
内径、あるいは長円、短円は０．１mm〜２．０mmの範囲
から選ばれ、図１に示した装置の場合には小さい値に、
図３に示した装置の場合には大きい値にそれぞれ選ばれ
る。
１，１０−２を全てＣｕで形成した場合で説明したが、
これに限定されるものではなく、例えば真鍮（或いはス
テンレス）製のノズルの内壁面に少なくとも厚さ０．３
mmのＣｕ層を形成してもよい。ノズル内に流すアシスト
ガスとしては、Ｎ2 ，Ｏ2 ，空気，Ａｒ等を用いること
ができ、ノズル内へ加える圧力は少なくとも０．５kg／
cm2 、好ましくは３kg／cm2 以上が好ましい。噴射口の
内径、あるいは長円、短円は０．１mm〜２．０mmの範囲
から選ばれ、図１に示した装置の場合には小さい値に、
図３に示した装置の場合には大きい値にそれぞれ選ばれ
る。
【００４２】図１に示した装置の構成において、フォー
カス８は０．８mm〜３mmの範囲から選ばれ、加工物は略
焦点付近に配置される。図３に示した装置においては、
フォーカス８は噴射口１２から少なくとも１０mm後方の
ノズル１０−２内に位置するように構成され、加工物は
噴射口１２から少なくとも１mm前方に配置される。加工
物としては蒸発加工の場合には、金属及び非金属材料が
適用対象となるが、割断加工の場合には非金属材料が適
用対象となる。上記材料の形状としては、平面的なもの
として例えば基板、板或いは立体的なもの等を用いるこ
とができる。非金属材料としてはセラミックス、石英系
ガラス、多成分系ガラス、半導体（Ｓｉ、ＧａＡｓ等）
等を加工することができる。ＣＯ2 レーザ１としては、
多波長で発振するもの、単一波長で発振するもののいず
れでもよい。また、発振モードとしては、多モード発
振、単一モード発振のいずれでもよいが、好ましくは単
一モード発振に近いものがよい。また、本実施の形態で
は、光学系を反射鏡と集光レンズとで構成した場合で説
明したが、これに限定されず凹面鏡を用いてもよい。
カス８は０．８mm〜３mmの範囲から選ばれ、加工物は略
焦点付近に配置される。図３に示した装置においては、
フォーカス８は噴射口１２から少なくとも１０mm後方の
ノズル１０−２内に位置するように構成され、加工物は
噴射口１２から少なくとも１mm前方に配置される。加工
物としては蒸発加工の場合には、金属及び非金属材料が
適用対象となるが、割断加工の場合には非金属材料が適
用対象となる。上記材料の形状としては、平面的なもの
として例えば基板、板或いは立体的なもの等を用いるこ
とができる。非金属材料としてはセラミックス、石英系
ガラス、多成分系ガラス、半導体（Ｓｉ、ＧａＡｓ等）
等を加工することができる。ＣＯ2 レーザ１としては、
多波長で発振するもの、単一波長で発振するもののいず
れでもよい。また、発振モードとしては、多モード発
振、単一モード発振のいずれでもよいが、好ましくは単
一モード発振に近いものがよい。また、本実施の形態で
は、光学系を反射鏡と集光レンズとで構成した場合で説
明したが、これに限定されず凹面鏡を用いてもよい。
【００４３】以上において本発明によれば、(1) ノズル
内壁面に照射されたレーザビームは、ノズル内壁面の材
質がＣｕであるため、反射しながら伝搬して細径の噴射
口から出射される。従って、レーザビーム出力をほとん
ど低下させることなく細径に絞られたレーザビームを加
工物に照射することができる。また、切断寸法許容精度
も１００μｍ以下に抑えることができる。
内壁面に照射されたレーザビームは、ノズル内壁面の材
質がＣｕであるため、反射しながら伝搬して細径の噴射
口から出射される。従って、レーザビーム出力をほとん
ど低下させることなく細径に絞られたレーザビームを加
工物に照射することができる。また、切断寸法許容精度
も１００μｍ以下に抑えることができる。
【００４４】(2) 非金属材料基板をレーザビーム拡がり
部の位置に配置して割断する場合にもレーザビーム径を
従来の１／５以下に縮小することができるので、基板へ
の亀裂の発生方向をレーザビームの移動軌跡に忠実に合
わせることができる。その結果、高寸法精度の割断加工
ができる。
部の位置に配置して割断する場合にもレーザビーム径を
従来の１／５以下に縮小することができるので、基板へ
の亀裂の発生方向をレーザビームの移動軌跡に忠実に合
わせることができる。その結果、高寸法精度の割断加工
ができる。
【００４５】(3) ノズルの少なくとも内壁面をＣｕで形
成することにより、レーザビームを伝搬方向である噴射
口側へ効率よく反射させて導くことができると共に、ノ
ズル内に流されているガスも噴射口からジェット状噴射
のように吹き出されてレーザビームの照射されている加
工物に局所的に吹き付けられるので、微細部への局所的
な急加熱、急冷却により熱歪によるマイクロクラックの
発生の少ない切断加工ができる。
成することにより、レーザビームを伝搬方向である噴射
口側へ効率よく反射させて導くことができると共に、ノ
ズル内に流されているガスも噴射口からジェット状噴射
のように吹き出されてレーザビームの照射されている加
工物に局所的に吹き付けられるので、微細部への局所的
な急加熱、急冷却により熱歪によるマイクロクラックの
発生の少ない切断加工ができる。
【００４６】(4) レーザパワーの低下がほとんどなしに
微細径のレーザビーム径を実現できるので、加工物を生
産性よく、かつ、高寸法精度で効率よく加工することが
できる。また、ノズルの口径を楕円形状にし、加工方向
に楕円部が配向するように配置して加工することによ
り、たとえば切断切り代幅を小さく、かつ、高速で切断
することができる。さらに、ＣＯ2 レーザ光源から出射
したビーム径を光学系で予め楕円形状にし、この楕円ビ
ームを上記楕円口径のノズルを通して加工物に照射する
ことにより、よりハイパワで加工することができると共
に、より高速加工ができる。
微細径のレーザビーム径を実現できるので、加工物を生
産性よく、かつ、高寸法精度で効率よく加工することが
できる。また、ノズルの口径を楕円形状にし、加工方向
に楕円部が配向するように配置して加工することによ
り、たとえば切断切り代幅を小さく、かつ、高速で切断
することができる。さらに、ＣＯ2 レーザ光源から出射
したビーム径を光学系で予め楕円形状にし、この楕円ビ
ームを上記楕円口径のノズルを通して加工物に照射する
ことにより、よりハイパワで加工することができると共
に、より高速加工ができる。
【００４７】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
な優れた効果を発揮する。
【００４８】(1) ノズルの焼損や変形の無いＣＯ2 レー
ザ装置の提供を実現することができる。
ザ装置の提供を実現することができる。
【００４９】(2) 高寸法精度の加工を行うことができる
ＣＯ2 レーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法の
提供を実現することができる。
ＣＯ2 レーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法の
提供を実現することができる。
【図１】本発明のＣＯ2 レーザ装置の一実施の形態を示
す概念図である。
す概念図である。
【図２】図１に示したＣＯ2 レーザ装置に用いられるノ
ズルの断面図である。
ズルの断面図である。
【図３】本発明のＣＯ2 レーザ装置の他の実施の形態を
示す概念図である。
示す概念図である。
【図４】図３に示した装置に用いられるノズルの断面図
である。
である。
【図５】ＣＯ2 レーザ装置の従来例を示す概念図であ
る。
る。
【図６】ＣＯ2 レーザ装置の他の従来例を示す概念図で
ある。
ある。
【図７】ＣＯ2 レーザ装置の他の従来例を示す概念図で
ある。
ある。
１ ＣＯ2 レーザ ７−０，７−１，７−２ レーザビーム ９ レーザビーム拡がり部 １０−１ ノズル １１ フォーカス １２ 噴射口
Claims (7)
- 【請求項１】ＣＯ2 レーザと、該ＣＯ2 レーザから出射
されたレーザ光を集光して加工物まで案内する光学系
と、該光学系で集光されたレーザビームを覆うと共にレ
ーザビームに沿ってガスを噴射するためのノズルとを備
えたＣＯ2 レーザ装置において、上記ノズルの内壁面に
少なくとも０．３mmの厚さの銅層を設け、かつ、ノズル
の形状をレーザビームの伝搬方向に沿って先細りのテー
パ状になるように形成すると共に、ノズルの噴射口の口
径を０．１mmから２．０mmの範囲内にしたことを特徴と
するＣＯ2 レーザ装置。 - 【請求項２】上記ノズル内には少なくとも０．５kg／cm
2 のガス圧をかけてガスを流し、噴射口から噴射するよ
うにした請求項１に記載のＣＯ2 レーザ装置。 - 【請求項３】請求項１に記載のＣＯ2 レーザ装置を用い
て非金属材料部品にレーザビームを照射して加工するＣ
Ｏ2 レーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法であ
って、集光されたレーザビームのフォーカス位置とノズ
ルの噴射口との間の距離を０．８mm〜３mmとしてレーザ
ビームを非金属材料部品に照射して加工するＣＯ2 レー
ザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法。 - 【請求項４】上記レーザビームのフォーカス位置をノズ
ルの噴射口からノズル内に向って少なくとも１０mmとな
るようにすると共に、非金属材料部品を噴射口から少な
くとも１mmとなるようにしてレーザビームを非金属材料
部品に照射して加工する請求項３に記載のＣＯ2 レーザ
装置を用いた非金属材料部品の製造方法。 - 【請求項５】上記非金属材料部品が、セラミックス、ガ
ラス、半導体等の基板である請求項３又は４に記載のＣ
Ｏ2 レーザ装置を用いた非金属材料部品の製造方法。 - 【請求項６】請求項１において、ノズルの噴射口の口径
を楕円形状にしたことを特徴とするＣＯ2 レーザ装置。 - 【請求項７】請求項６において、ＣＯ2 レーザから出射
されたレーザ光を光学系で楕円ビーム径にし、該楕円ビ
ーム径のレーザ光を楕円口径のノズルを通して加工物ま
で案内するようにしたＣＯ2 レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10049392A JPH11104875A (ja) | 1997-08-07 | 1998-03-02 | Ｃｏ２レーザ装置及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-213406 | 1997-08-07 | ||
| JP21340697 | 1997-08-07 | ||
| JP10049392A JPH11104875A (ja) | 1997-08-07 | 1998-03-02 | Ｃｏ２レーザ装置及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11104875A true JPH11104875A (ja) | 1999-04-20 |
Family
ID=26389782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10049392A Pending JPH11104875A (ja) | 1997-08-07 | 1998-03-02 | Ｃｏ２レーザ装置及びそれを用いた非金属材料部品の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11104875A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007512963A (ja) * | 2003-12-01 | 2007-05-24 | レーザー メカニズムズ，インコーポレイテッド | レーザノズルの冷間成形方法 |
| KR20140094354A (ko) * | 2013-01-22 | 2014-07-30 | 삼성디스플레이 주식회사 | 레이저 어닐링 장치 |
-
1998
- 1998-03-02 JP JP10049392A patent/JPH11104875A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007512963A (ja) * | 2003-12-01 | 2007-05-24 | レーザー メカニズムズ，インコーポレイテッド | レーザノズルの冷間成形方法 |
| KR20140094354A (ko) * | 2013-01-22 | 2014-07-30 | 삼성디스플레이 주식회사 | 레이저 어닐링 장치 |
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