KR101587941B1

KR101587941B1 - 레이저 빔조사 장치

Info

Publication number: KR101587941B1
Application number: KR1020107013159A
Authority: KR
Inventors: 타카히로 나가시마; 히데오 미우라
Original assignee: 가부시키가이샤 아마다미야치
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2016-01-22
Also published as: KR20100102117A; TW200930490A; TWI450785B; US8378255B2; JP5391077B2; JPWO2009066571A1; US20100254418A1; WO2009066571A1

Abstract

[과제] 레이저빔의 오버랩율을 저하시켜도, 조사 부위에 대해서 균일폭을 가지는 선형상의 용접을 정밀하게 할 수 있는 레이저 빔조사 장치를 제공하는 것.[해결 수단] 레이저빔 (LZ)을 출력하는 레이저빔 발생 수단 (30)과 입광단부 (10a)로부터 입광된 레이저빔 (LZ)을 전송하여 그 출광단부 (10b)로부터 출광하는 광섬유 (10)와 레이저빔 발생 수단으로부터 출력된 레이저빔 (LZ)을 입광단부 (10a)에 입광시키는 입사 광학 유닛 (6)과 출광단부 (10b)로부터 출광된 레이저빔 (LZ)을 조사 부위 (LP)에 조사하는 출사 광학 유닛 (11)을 갖춘 레이저 빔조사 장치 (20)에 있어서, 광섬유 (10)는, 그 코어 단면이 광섬유 (10)의 전역 또는 그 출광단부 (10b)로부터 일정한 거리의 영역에 있어서 직사각형 모양, 바람직하게는 장방형으로 형성되어 있고 그 코어 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 길이는, 3 m이상으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

Description

레이저 빔조사 장치{LASER LIGHT APPLICATION DEVICE}

본 발명은, 레이저 빔(LASER light, 레이저광)조사 장치에 관한 것이며, 특히, 정밀 부품의 심 용접이나 표면 금속층 등의 성분 제거에 적합하게 이용할 수 있는 레이저 빔조사 장치에 관한 것이다.

종래의 레이저 빔조사 장치는, 그 일례로서 레이저빔 발생 수단, 입사 광학 유닛, 광섬유 및 출사 광학 유닛을 갖추고 있다. 레이저빔 발생 수단으로부터 펄스 YAG 레이저빔 등의 레이저빔이 나오면, 그 레이저빔이 입사 광학 유닛에 의해서 좁혀져 입사 광학 유닛에 접속된 광섬유의 입광단부에 들어간다. 광섬유에는 원형 단면의 코어가 형성되어 있고 그 코어의 내부에 있어서 레이저빔이 반사하면서 광섬유의 출광 단부로 향해서 전송한다. 그리고, 레이저빔이 광섬유의 출광단부까지 전송하면, 그 출광단부로부터 레이저빔이 나와, 출사 광학 유닛을 통해서 레이저빔이 조사 대상에 있어서의 소정의 조사 부위에 조사된다. 또한 소정의 조사 부위란, 종래의 레이저 빔조사 장치가 YAG 레이저 용접기이면 용접 부위가 되고, 그것이 레이저 가공 장치라면 표면 금속층 또는 표면에 형성된 박막의 제거 부위가 된다(특허 문헌 1의 단락 0014, 0024, 도 1, 도 4, 도 5를 참조).

일본특허 공개공보 제2004-276108호

없음

그러나, 종래의 레이저 빔조사 장치에 있어서는, 광섬유의 코어 단면이 원형으로 되어 있었으므로, 도 22에 도시한 바와 같이, 레이저의 단면 형상(레이저빔의 스포트 (S)의 형상)이 원형인 레이저빔이 조사 대상 (W)의 조사 부위 (LP)에 조사되고 있었다.

조사 부위 (LP)가 레이저빔의 원형 스포트 (S)보다 작은 점이면 그것은 특별히 문제는 되지 않는다. 그러나, 도 22에 도시한 바와 같이, 조사 부위 (LP)가 선인 경우, 레이저빔의 원형 스포트 (S)를 단순히 늘어놓아도 폭이 주기적으로 변화하는 선형상(바꾸어 말하면, 꼬치 경단 형상)의 용접이 되어서, 심 용접에 필요한 균일한 폭을 가진 선형상의 용접이 되지 않는다. 또한, 도 23에 도시한 바와 같이, 레이저빔의 강도 분포에 대해서는 그 중앙이 가장 강하였으므로, 용접 단면 형상이 거의 삼각형상(고드름 형상)으로 되어서, 용접으로 인한 기밀 실링 부족의 원인이 될 우려가 있었다. 그러므로, 종래의 레이저 빔조사 장치에 의해서 심 용접을 하는 경우, 도 24 및 도 25에 도시한 바와 같이, 레이저빔의 원형 스포트 (S)의 오버랩율 (OL)을 높게, 예를 들면 50~90% 정도로 설정하여 용접을 하지 않으면 안되고, 용접 속도 및 용접 효율을 향상시키는 것이 곤란하였다.

또한, 레이저빔의 원형 스포트 (S)를 단순히 늘어놓거나 또는, 오버랩 시키거나 해서 조사 부위 (LP)의 제거 처리를 했다고 해도, 인접한 레이저빔의 스포트 (S)의 사이에 제거되지 않는 부분(균일한 폭을 가진 선형상(장방형상)의 조사 부위 (LP)로부터 레이저빔의 원형 스포트 (S)를 제외한 부분)이 생기므로, 조사 부위 (LP)의 성분 제거를 정밀하게 하는 것이 곤란하다는 문제도 있었다.

또한, 근년에 있어서는, 전자기기 및 그 부품 등에서 행해지고 있는 정밀 가공에 대해서 한층 더 미세화도 요망되고 있어서 이 요망을 충족하는 보다 미세하고 또한 가공 정밀도가 높은 레이저빔을 조사할 수 있는 장치의 출현이 요망되고 있다.

그래서, 본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진, 레이저빔의 오버랩율을 저하시켜도 조사 부위에 대해서 균일폭을 가진 선형상의 용접을 정밀하게 할 수 있고 또한, 조사 부위의 성분 제거를 정밀하게 할 수 있어서 보다 미세하고 또한 가공 정밀도가 높은 레이저빔을 조사할 수 있는 레이저 빔조사 장치를 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 레이저 빔조사 장치는, 그 제1의 양태로서 레이저빔을 출력하는 레이저빔발생 수단과 입광단부에 입광(入光) 하는 레이저빔을 그 출광단부에 전송하는 광섬유와 상기 레이저빔발생 수단으로부터 출력된 레이저빔을 상기 광섬유의 입광단부에 입광시키는 입사 광학 유닛과 상기 광섬유의 출광단부로부터 출광(出光)한 레이저빔을 조사 부위에 조사하는 출사 광학 유닛을 갖추고 있어서 상기 광섬유의 코어 단면은, 상기 광섬유의 전역 또는 그 출광단부로부터 일정한 거리의 영역에 있어 직사각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제1의 다양한 레이저 빔조사 장치에 의하면, 조사 부위에 조사하는 레이저빔의 단면 형상을 직사각형으로 할 수 있다.

본 발명의 제2의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제1의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 코어 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 길이는, 3 m이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제2의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 레이저빔의 단면 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.

본 발명의 제3의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 제1 또는 제2의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 코어에 있어서의 해당 직사각형 단면의 한 변이, 상기 레이저빔의 파장의 150배 이상으로 형성되어 있고 상기 출사 광학 유닛은, 상기 광섬유의 출광단부로부터 출광된 레이저빔을 축소하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제3의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 조사 부위에 조사하는 레이저빔의 단면 형상을 직사각형으로 하는 동시에 매우 미세하고 또한 가공 정밀도가 높은 레이저빔을 조사할 수 있다.

본 발명의 제4의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제3의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 출사 광학 유닛에 의한 축소 배율이 1/2~1/5로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제4의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 직사각형의 코어 단면을 1/2~1/5로 축소한 레이저빔을 조사시킬 수 있다.

본 발명의 제5의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제3 또는 제4의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 광섬유의 직사각형 단면의 한 변이 상기 레이저빔의 파장의 250배 내지 350배로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제5의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 상기 광섬유의 직사각형 단면의 한 변을 보다 작게 하는 동시에, 레이저빔의 단면 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.

본 발명의 제6의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제3에서 제5중 어느 하나의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 레이저빔 발생 수단이 출력하는 레이저빔의 파장이 600 nm이하인 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제6의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 레이저빔의 파장이 600 nm이하로 짧기 때문에, 광섬유의 직사각형 단면의 한 변을 더욱 작게 하는 동시에, 레이저빔의 단면 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.

본 발명의 제7의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제3에서 제6중 어느 하나의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 광섬유의 직사각형 단면이 장방형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제7의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 오버랩율을 더욱 저하시킬 수 있는 동시에, 굵은 광섬유를 이용하면서 미세한 레이저빔을 출력할 수 있어서 가공 속도도 향상된다.

본 발명의 제8의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제3에서 제7 중 어느 하나의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 레이저빔 발생 수단이 멀티 모드 레이저 발진기에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제8의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 레이저빔의 단면 강도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제9의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제1 또는 제2의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 레이저빔 발생 수단이 세로 멀티 모드 레이저 발진기에 의해서 형성되어 있어서 상기 코어에 있어서의 해당 직사각형 단면의 한 변이, 상기 레이저빔의 파장의 25배 이상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제9의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 레이저빔 발생 수단으로서 세로 멀티 모드 레이저 발진기를 이용하므로서, 지름이 가는 광섬유를 이용해서 미세한 레이저빔을 조사시킬 수 있다.

본 발명의 제10의 양태의 레이저 빔조사 장치는, 제9의 양태의 레이저 빔조사 장치에 있어서, 상기 광섬유의 직사각형 단면은, 장방형으로 형성되어 있는 것을 특징 하고 있다.

본 발명의 제10의 양태의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 오버랩율을 더욱 저하시킬 수 있는 동시에, 지름이 작은 광섬유를 이용해서 미세한 레이저빔을 출사시킬 수 있어서 가공 속도도 향상된다.

본 발명의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 레이저빔의 오버랩율을 저하시켜도 균일폭의 선형상의 용접을 정밀하게 할 수 있으므로, 심 용접에 의한 기밀 실링성을 저하시키는 일 없이 용접 효율을 높일 수 있는 효과를 거둔다.

또한, 본 발명의 레이저 빔조사 장치에 의하면, 표면 금속층에 대해서 직사각형 스포트 형상의 에칭을 할 수 있으므로, 표면 금속층의 성분 제거를 정밀하게 할 수 있어서 보다 미세하고 또한 가공 정밀도가 높은 레이저빔을 조사할 수 있는 효과를 거둔다.

도 1은 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 실시 형태의 광섬유를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 실시 형태의 광섬유의 코어 치수를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치에 의해서 조사 대상의 조사 부위에 레이저빔의 직사각형 스포트가 조사된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치에 의해서 조사 대상의 조사 부위에 레이저빔을 이용해서 심 용접을 한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 용접 단면도이다.
도 7은 광섬유의 길이가 10 mm인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 광섬유의 길이가 10 mm인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9는 광섬유의 길이가 3 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 광섬유의 길이가 3 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 광섬유의 길이가 5 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 12는 광섬유의 길이가 5 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 13은 광섬유의 길이가 10 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 광섬유의 길이가 10 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15는 직사각형 단면의 코어를 전역에 가진 광섬유의 길이와 그 출사(出射) (NA)와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치에 의해서 용접되는 전지를 나타내는 사시도이다.
도 17은 레이저빔의 파장에 대해서 광섬유의 코어의 굵기를 변화시켰을 경우의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 18은 레이저빔의 다른 파장에 대한 도 17과 같은 도면이다.
도 19는 장방형의 직사각형 단면을 가지는 레이저빔을 이용해서 심 용접을 한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 20은 세로멀티 모드 레이저 발진기, 싱글 모드 레이저 발진기, 가로멀티 모드 레이저 발진기를 이용했을 경우의 공진기내에 있어서의 양미러 간의 광로를 나타내는 개념도, 및 발진되는 레이저빔의 출력과 파장과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21은 다른 실시 형태의 레이저 빔조사 장치를 나타내는 개념도이다.
도 22은 종래의 레이저 빔조사 장치에 의해 조사 대상의 조사 부위에 레이저빔을 이용해서 오버랩율이 0%인 심 용접을 한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 23은 도 22의 용접 단면도이다.
도 24는 종래의 레이저 빔조사 장치에 의해서 조사 대상의 조사 부위에 레이저빔을 이용해서 오버랩율이 50%~90%인 심 용접을 한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 25는 도 24의 용접 단면도이다.

이하, 본 발명의 레이저 빔조사 장치를 그 실시 형태에 따라 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)의 개념도를 나타내고 있다.　본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)는, 플래시 램프 여기에 의해서 레이저빔 (LZ)을 발생시켜서, 조사 대상 (W)의 원하는 조사 부위( LP)에 그 레이저빔 (LZ)을 조사하는 장치이다. 조사 대상 (W)은 레이저빔 (LZ)에 의해서 용접 또는 가공할 수 있는 것이며, 예를 들면 미세한 금속 부품이나 표면 금속층, 금속막등이 이것에 해당한다. 또한, 이 레이저 빔조사 장치 (20)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저빔 발생 수단 (30), 입사 광학 유닛 (6), 광섬유 (10) 및 출사 광학 유닛 (11)을 갖추고 있다.

본 실시 형태의 레이저빔발생 수단 (30)은, YAG(Yttrium Aluminum Garnet：이트륨·알루미늄·가넷) 로드 (1), 크세논램프 등의 플래시 램프 (2), 전원 장치 (3), 제어부 (4), 전반사 미러 (5) 및 출력 미러 (7)를 가지고 있다. YAG 로드 (1)는, 광학 특성이 뛰어난 레이저 매질의 하나이며, 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 플래시 램프 (2)는, YAG 로드 (1)의 측방에 배치되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 레이저빔 발생 수단 (30)은, YAG 로드 (1)의 측방에 배치된 플래시 램프 (2)로부터 YAG 로드 (1)에 여기용 빛을 직접 조사하므로써 YAG 로드 (1)의 원자를 광여기시키는 사이드폰핑 방식의 YAG 레이저빔 (LZ) 발생기이다.

전원 장치 (3)는 플래시 램프 (2) 및 제어부 (4)의 사이에 접속되어 있어서 제어부 (4)에 의해서 플래시 램프 (2)의 전력을 공급한다. 제어부 (4)는, 전원 장치 (3)를 통해서 레이저빔 발생 수단 (30)의 출력 및 레이저빔 (LZ)의 특성을 제어하도록 형성되어 있다. 본 실시 형태의 레이저빔 발생 수단 (30)은 YAG 레이저빔 (LZ) 발생기이다. 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)에 의해서 미세 영역의 레이저 용접을 하기 쉽게하기 위해서, 본 실시 형태의 제어부 (4)는, YAG 레이저의 발진 파장λ이 1064 nm가 되도록 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)에 의해서 소형 전자기기에 이용하는 전지나 정밀 부품등의 심 용접을 정밀하게 하기 쉽게하기 위해서, 본 실시 형태의 제어부 (4)는, 전원 장치 (3)를 통해서 플래시 램프 (2)의 펄스 점등을 제어하므로써, 펄스 YAG 레이저를 발생하도록 설정되어 있다.

전반사 미러 (5)는, YAG 로드 (1)의 일단부면(도 1에 있어서 YAG 로드 (1)의 좌단부면)으로부터 소정의 간격을 두고 배설(配設)되어 있다. 이 전반사 미러 (5)는, YAG 로드 (1)의 일단부면으로부터 출력한 레이저빔 (LZ)을 YAG 로드 (1)의 일단부 측에 전반사 시키고 있다.

출력 미러 (7)는, YAG 로드 (1)의 타단부면(도 1에 있어서 YAG 로드 (1)의 우단부면)으로부터 소정의 간격을 두고 배설되어 있다. 이 출력 미러 (7)는, 고체 레이저빔 (LZ)만 투과 시키는 반투과성을 가지고 있다.

입사 광학 유닛 (6)은, 레이저빔발생 수단 (30)의 출력 미러 (7)로부터 출력된 레이저빔 (LZ)을 좁힘으로서, 그 레이저빔 (LZ)을 광섬유 (10)의 입광단부 (10a)에 입광 시키는 것이다. 본 실시 형태의 입사 광학 유닛 (6)에 있어서는, 주로 집광렌즈 (9)가 이용되고 있다. 이 집광렌즈 (9)의 초점거리 (f1)는 40 mm으로 설정되어 있다.

광섬유 (10)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 그 내부에 배설된 코어 (8)를 이용해서 레이저빔 (LZ)을 전송하는 광도파로이며, 입사 광학 유닛 (6)과 출사 광학 유닛 (11)과의 사이에 배설되어 있다. 레이저빔 (LZ)은 입사 광학 유닛 (6)측으로부터 입사 하므로, 본 실시 형태의 광섬유 (10)에 대해서는, 입사 광학 유닛 (6)측의 단부면이 광섬유 (10)의 입광단부 (10a)가 되고, 출사 광학 유닛 (11)측의 단부면이 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)가 된다.

광섬유 (10)의 출광단부 (10b)에 있어서의 코어 (8)의 단면은, 도 2에 도시한 바와 같이, 직사각형 모양으로 형성되어 있다. 직사각형 단면형상의 코어 (8)에 대해서는, 광섬유 (10)의 전역에 형성되어 있어도 된다. 본 실시 형태의 광섬유 (10)의 코어 (8)의 단면은, 도 2에 도시한 바와 같이, 그 출광단부 (10b)로부터 일정한 거리 (FL)의 영역에 있어서 직사각형으로 형성되어 있고 그 나머지 영역의 코어 (8)의 단면에 있어서는 원형으로 형성되어 있다. 전술한 일정한 거리 (FL)(직사각형 단면의 코어 (8)를 전역으로 가지는 광섬유 (10)의 경우는 그 전체 길이)에 대해서는, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포, 출사(NA)(Numerical Aperture：개구수) 및 레이저빔 (LZ)의 취급 용이성의 관점에서, 3 m 내지 30m 정도가 바람직하고, 5 m 내지 10m 정도가 보다 바람직하다.

광섬유 (10)의 코어 (8)의 치수에 대해서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔 (LZ)의 파장λ의 150배 이상(본 실시 형태에 있어서는 L=0.52 mm=489λ)이며, 원형 단면의 직경 R은 R≤L로 되어 있다. 레이저빔 (LZ)의 전송 손실을 막기 위해서, 입광단부 (10a)측의 원형 단면의 직경 R은 출광단부 (10b)측의 직사각형 단면의 한 변 (L)의 값을 초과하지 않지만 그것에 근사 한 값인 것이 바람직하다.

출사 광학 유닛 (11)은, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광한 레이저빔 (LZ)을 조사 대상 (W)의 조사 부위 (LP)에 조사하는 것이어, 주로, 코리메이트렌즈 (12), 벤트 미러 (14) 및 출광 렌즈 (13)를 이용해서 형성되어 있다. 코리메이트렌즈 (12)의 초점거리 (f2)는 100 mm에 설정되어 있으며 출광 렌즈 (13)의 초점거리 (f3)는 50 mm에 설정되어 있다. 이러한 초점거리 (f2, f3)는, 조사 대상 (W)의 특성 및 조사 조건에 따라 적당히 변경하는 것이 바람직하고, 미세한 가공등을 하기 위해서는, 상기 출광단부 (10b)로부터 출광한 레이저빔 (LZ)의 직사각형의 한 변을 상기 조사 부위 (LP)에 대해서 한 변이 1/2에서 1/5이 되도록, 출사 광학 유닛 (11)에 의해서 광학적으로 축소하면 된다. 구체적으로는, f3/f2를 1/2에서 1/5가 되도록 설정한다.

다음에, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)를 이용한 레이저 용접 방법을 설명한다. 아울러, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20) 및 레이저 용접 방법의 작용을 설명한다.

조사 대상 (W)의 조사 부위 (LP)는, 도 1에 나타낸 레이저 빔조사 장치 (20)에 있어서의 4개의 공정을 거침으로서, 레이저 용접이 된다.

제1 공정에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저빔발생 수단 (30)으로부터 원하는 펄스 YAG 레이저빔 (LZ)이 입사 광학 유닛 (6)을 향해서 출력된다. 제1 공정의 구체적 내용으로서는, 처음에, 제어부 (4)에 의해서 제어된 전원 장치 (3)가 플래시 램프 (2)를 점등하므로써, YAG 로드 (1)의 원자를 여기한다 .그 때, 플래시 램프 (2)를 펄스 점등하므로써, 레이저빔 (LZ)의 펄스폭을 원하는 값이 되도록 조정한다. 레이저빔 (LZ)은 YAG 로드 (1)의 일단부면 및 타단부면의 양단부면으로부터 출력되지만, YAG 로드 (1)의 일단부면으로부터 출력된 레이저빔 (LZ)은 전반사 미러 (5)에 의한 전반사에 의해서 YAG 로드 (1)의 일단부측으로부터 YAG 로드 (1)에 입력된다. 또한, YAG 로드 (1)의 타단부면 측에 배설된 출력 미러 (7)는, 고체 레이저빔 (LZ)만을 투과 시킨다. 이로서, 레이저빔발생 수단 (30)으로부터 원하는 펄스 YAG 레이저빔 (LZ)이 입사 광학 유닛 (6)을 향해서 출력된다.

제2 공정에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저빔발생 수단 (30)으로부터 출력된 레이저빔 (LZ)을 입사 광학 유닛 (6)을 통해서 광섬유 (10)의 입광단부 (10a)에 입광 시킨다. 레이저빔 (LZ)의 입광방법으로서는, 광섬유 (10)의 치수나 그 입사 (NA)에 따라 입사 광학 유닛 (6)의 집광렌즈 (9)에 의해서 레이저빔 (LZ)을 쬐므로서 이루어진다.

제3 공정에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 단면이 직사각형으로 변환된 레이저빔 (LZ)을 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광시킨다. 제3 공정의 구체적 수단으로서는, 도 2에 나타낸 본 실시 형태의 광섬유 (10)의 입광단부 (10a)에 레이저빔 (LZ)을 입광 하므로써 이루어진다. 본 실시 형태의 광섬유 (10)는, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 일정한 거리 (FL)의 영역에 있어서 코어 (8)의 단면이 직사각형으로 형성되어 있으므로, 광섬유 (10)에 입사한 레이저빔 (LZ)의 단면이 원형이었다고 해도, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출사할 때 레이저빔 (LZ)의 단면이 직사각형으로 변환된다. 또한 상기 광섬유 (10)의 일정한 거리 (FL), 즉 코어 (8)의 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 광섬유 (10)의 길이가 3 m이상으로 설정되어 있으면, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포를 균일하게 할 수 있다. 이 광섬유 (10)의 일정한 거리 (FL)의 상세한 것에 대하여는 후술 한다.

제4 공정에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광된 레이저빔 (LZ)을 출사 광학 유닛 (11)을 통해서 용접 대상 (W)의 용접 부위 (LP)에 조사한다. 출사 광학 유닛 (11)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 코리메이트렌즈 (12), 벤트 미러 (14) 및 출광 렌즈 (13)에 의해서 형성되어 있으나, 이것들을 통해서 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광한 레이저빔 (LZ)을 용접 부위 (LP)에 조사해도, 레이저빔 (LZ)의 단면 형상은 변화하지 않는다. 그 때문에, 도 4에 도시한 바와 같이, 용접 부위 (LP)에 조사하는 레이저빔 (LZ)의 단면 형상(레이저빔 (LZ)의 스포트 (S)의 형상)을 직사각형으로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 코리메이트렌즈 (12)와 출광 렌즈 (13)와의 촛점거리의 비가, f3/f2=1/2이므로, 용접 부위 (LP)에 있어서는, 광섬유 (10)의 직사각형의 한 변이 길이 L=0.52 mm의 1/2인 0.26 mm=260μm로 형성된다. 이로써 한 변의 길이가 260μm의 직사각형 단면의 레이저빔 (LZ)을 이용해서 미세한 가공을 할 수 있다.

본 실시 형태와 같이, 레이저빔 (LZ)의 단면 형상이 직사각형이면, 도 5에 도시한 바와 같이, 오버랩율 (OL)의 값을 0%에 근접한 값(예를 들면 5 내지 10%정도)으로 설정하였다고 해도, 도 21 및 도 23과 비교하여, 균일한 폭을 가지는 선형상으로 용접을 연속해서 할 수 있다. 그러므로, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20) 및 레이저 용접 방법을 이용하므로써, 정밀 기기에 사용되는 전지 등에 대해서 행하는 용접 등, 기밀 실링 목적으로 용접을 하는 용접 부위 (LP)에 대해서 레이저빔 (LZ)에 의한 심 용접을 확실하게 할 수 있다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 레이저빔의 강도 분포가 균일하므로, 레이저빔의 평면 단면 형상 뿐만이 아니라, 용융 방향의 용접 단면도 직사각형에 가까워진다. 그 때문에, 오버랩율을 저하시키고, 스포트수를 줄여도, 기밀성을 해치는 일 없이 연속적으로 용접을 할 수 있다.

예를 들면, 도 16에 도시한 바와 같이, 케이스 (42) 및 뚜껑 (41)에 각각 단자 (43)가 형성되어 있고 케이스 (42)의 소정 위치에 뚜껑 (41)을 세트해서 접촉된 부분을 심 용접하므로써 형성되는 전지 (40)의 경우를 생각한다. 이 심 용접의 방법으로서는, 케이스 (42) 및 뚜껑 (41)을 용접 대상 (W)으로 하고, 그들 케이스 (42)와 뚜껑 (41)과의 접촉 부분을 용접 부위 (LP)로 하면, 그 용접 부위 (LP)에 단면이 직사각형인 레이저빔의 스포트 (S)를 서로 간격을 두지 않고 연속해서, 바꾸어 말하면, 오버랩율 OL＞0으로 하여 연속적으로 조사하므로써, 그 용접 부위 (LP)를 연속적으로 용접(균일한 폭을 가지는 선형상으로 용접)한다. 이로써, 레이저빔 (LZ)의 스포트 (S)의 수가 적어도 전지 (40)의 기밀 실링을 확실하게 실현할 수 있으므로, 정밀한 심 용접의 용접 효율 및 용접 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 이론적으로는, 오버랩율 (OL)이 0% 인때가 가장 효율적으로 심 용접을 할 수 있다. 그렇지만, 인접한 레이저빔 (LZ)의 스포트 (S)가 이간해 버리면 용접 부위 (LP)의 기밀 실링을 할 수 없게 되어 버린다. 그 때문에, 오버랩율 (OL)은 0%보다 큰 값인 것이 바람직하다.

다음에, 도 7 내지 도 14를 이용하여, 직사각형 단면의 코어 (8)를 전역에 가진 광섬유 (10)의 길이(광섬유 (10)의 일정한 거리 (FL))와 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포와의 관계에 대해서 설명한다. 사용한 광섬유 (10)의 길이 (FL)는 10 mm, 3 m, 5 m, 10 m의 4 종류이다. 또한, 이 광섬유 (10)의 코어 (8)의 한 변 (L)은 0.53 mm(광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우만 0.3 mm)이다.

도 7 및 도 8은, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm의 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 스포트 (S)의 중심을 XY좌표의 중심으로 설정하고, Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 도 7에 나타내고, X=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 도 8에 나타내고 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우에 있어서는, 광섬유 (10)의 스포트 (S)의 단부(X, Y=-0.3 mm 또는 0.3 mm)로부터 완만하게 레이저빔 (LZ)의 강도가 상승하고 있고, 레이저빔 (LZ)의 강도 파형이 0도 내지 90도 사이의 정현파 또는 여현파를 닮은 형상으로 되어 있다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 단면 강도 분포의 변화의 폭도 크다.

이로써, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm의 경우에 있어서는, 레이저빔 (LZ)의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형과는 다른 산형의 형상이 된다. 또한, 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 급격하기 때문에, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포가 균일하지 않은 것을 알 수 있다.

도 9 및 도 10은, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 9는 Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 10은 X=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일단(X, Y= 약 -0.8 mm)으로부터 급격하게 상승하고, 2.2W/cm² 부근에 있어서 일시적인 정체가 생겨서 그 스포트 (S)의 타단부(X, Y= 약 0.8 mm)가 되면 급격하게 저하한다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 도 7 및 도 8에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우의 단면 강도 분포와 비교하면, 그들의 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작다.

이로부터, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우, 도 7 및 도 8에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우와 비교하여, 그 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상이 되어 있다. 또한, 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 작아지고 있다. 그 때문에, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포는 어느 정도 균일하게 되는 것을 알 수 있다.

도 11 및 도 12는, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 11은 Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 12는 X=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일단부(X, Y= 약 -0.8 mm)로부터 급격하게 상승해서, 2.6W/cm² 부근에 있어서 일시적인 정체가 생기고 그 스포트 (S)의 타단부(X, Y= 약 0.8 mm)가 되면 급격하게 저하된다. 또한, 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 그들 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작다.

이로부터, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우, 도 9 및 도 10에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우와 같이, 그 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있다. 한편, 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화는 도 9 및 도 10에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우의 해당 강도 변화보다 작다. 그 때문에, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포는 그 길이 (FL)가 3 m인 경우의 강도 분포보다 균일해지는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 13 및 도 14는, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 13은 Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 14는 X=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 m인 경우에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일단부(X, Y= 약 -0.8 mm)로부터 급격하게 상승하고, 1.15W/cm² 부근에 있어서 일시적인 정체가 생겨서 그 스포트 (S)의 타단부(X, Y= 약 0.8 mm)가 되면 급격하게 저하된다. 또한, 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작은 것을 알 수 있다.

이로써, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 m인 경우, 도 11 및 도 12에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우와 같이, 그 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있다. 또한, 도 11 및 도 12에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우의 해당 강도 변화와 비교하여, 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화는 보다 작아지고 있다. 그 때문에, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 m인 경우의 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포는, 그 길이 (FL)가 5 m인 경우의 강도 분포보다 한층 균일하게 되는 것을 알 수 있다.

즉, 전술한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 길어질수록, 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워지고, 또한, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포가 균일에 가까워지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 7 내지 도 14에 있어서는, 단면 강도 분포의 파형에 대해서 설명하였으나, 그 피크의 절대치에 대해서는 시간에 따라 변화하는 값이므로 수치 자체에 의미는 없다.

다음에, 직사각형 단면의 코어 (8)를 전역에 가진 광섬유 (10)의 길이 (FL)와 그 출사 NA와의 관계에 대해서 설명한다. 사용한 광섬유 (10)의 직사각형 코어 (8)의 한 변 (L)은, 상기 강도 분포를 측정한 광섬유 (10)와 같이, 0.53 mm(광섬유 (10))의 길이 (FL)가 10 mm인 경우만 0.3 mm)이다. 또한, 그 입사 NA는 0.0375, 파이버 NA는 0.4이다.

길이	10mm	3m	5m	10m
출사NA	0.0375	0.0375	0.045	0.086

표 1은, 직사각형 단면의 코어 (8)를 전역에 가지는 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm, 3 m, 5 m, 10 m인 경우에 있어서의 출사 NA의 값을 나타내고 있다. 표 1에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m이하인 경우, 광섬유 (10)의 출사 NA는 그 입사 NA와 거의 같다. 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m가 되면, 광섬유 (10)의 출사 NA는 0.045가 되고, 그 입사 NA보다 커진다. 마찬가지로 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 m가 되면, 광섬유 (10)의 출사 NA는 입사 NA의 2배 이상의 0.085가 되고, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m인 경우의 출사 NA보다 커진다. 즉, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 길어지면 그 출사 NA가 급격하게 증가하는 경향에 있다.

도 15는, 직사각형 단면의 코어 (8)를 전역에 가지는 광섬유 (10)의 길이 (FL)와 그 출사 NA와의 관계를 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m이하인 경우, 광섬유 (10)의 출사 NA는 그 입사 NA와 거의 같다. 그러나, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 3 m를 넘으면, 광섬유 (10)의 출사 NA는 서서히 커지고, 그 변화의 비율도 커진다. 그러나, 출사 NA는 파이버 NA의 값을 넘지 않기 때문에, 최종적으로는, 출사 NA는 NA=0.4의 점근선에 접근하도록 완만하게 변화한다. 다만, 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 너무 길면 레이저빔 (LZ)의 최대 전송각이 커져서, 레이저빔 (LZ)의 취급이 곤란하게 되는 문제도 있으므로, 광섬유 (10)의 길이 (FL)는 30 m정도로 억제해 두는 것이 바람직하다.

즉, 전술한 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포, 출사 NA 및 레이저빔 (LZ)의 취급 용이성을 고려하면, 광섬유 (10)의 길이 (FL)는, 3 m 내지 30m 정도, 특히 5 m 내지 10m로 설정하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

다음에, 도 17 내지 도 19를 사용하여, 용접 대상 (W)의 용접 부위 (LP)에 조사하는 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화 및 레이저빔의 단면 강도 분포의 균일화에 대해서 설명한다.

우선, 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하기 위해서는 광섬유 (10)의 코어 (8)의 직사각형 단면의 한 변 (L)을 사이즈다운 하면 좋다.

도 1에 나타내는 YAG 레이저의 발진 파장λ=1064 nm(기본파)에 대해서, 코어 (8)의 한 변의 길이 (L)를,

　　L1=520μm=489λ,

　　L2=350μm=329λ,

　　L3=266μm=250λ,

　　L4=175μm=164λ,

　　L5=50μm=46λ

로 변화시켜서, 도 13과 같이 Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포의 경향을 구하면 도 17에 나타내는 바와 같다.

또, 발진 파장λ=532 nm(SHG)에 대해서, 코어 (8)의 한 변의 길이 (L)를,

　L1=260μm=489λ,

　L2=175μm=329λ,

　L3=133μm=250λ,

　L4=87μm=164λ,

　L5=24μm=46λ

로 변화시켜서, 도 13과 같이 Y=0에 있어서의 레이저빔 (LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포의 경향을 구하면 도 18에 나타내는 바와 같다.

도 17 및 도 18에 의하면, 코어 (8)의 한 변의 길이가 L1, L2, L3, L4인 경우에는, 레이저빔의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있어서 강도 변화도 작아졌다. 한편, 코어 (8)의 한 변의 길이가 L5인 경우에는, 레이저빔의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형과는 다른 형상으로 되어 있어서 강도 변화도 커지고 있다. 이 결과로부터, 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하는 동시에 레이저빔의 단면 강도 분포도 균일하게 유지하기 위해서는, L1, L2, L3, L4는 조건을 충족하고 있고 L5는 조건을 충족하고있지 않다고 할 수 있다. 즉, 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하는 동시에 레이저빔의 단면 강도 분포도 균일하게 유지하기 위해서는, 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔의 파장λ의 150배 이상 필요하다는 것을 알 수 있다.

또한, 바람직하게는 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔의 파장λ의 250배 내지 350배이면, 레이저빔의 단면 강도 분포가 보다 균일하다.

또한, 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하기 위해서는 발진 파장λ=532 nm(SHG)을 발진할 수 있는 단파장의 광원쪽이 코어 (8)의 미소화를 보다 유효하게 완수할 수 있으므로, 발진 파장λ을 600 nm이하로 하는 것이 바람직하다.

코어 (8)의 미소화에는 레이저빔의 단면 강도 분포 유지의 면보다 하한이 존재하므로, 한층 더 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 위해서는, 전술한 바와 같이 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광한 레이저빔 (LZ)의 직사각형의 한 변을 조사 부위 (LP)에 있어서 한 변이 1/2에서 1/5이 되도록, 출사 광학 유닛 (11)에 의해서 광학적으로 축소하면 된다. 광섬유 (10)로부터의 출사NA는, 실용적으로는 0.1이상 필요하며, 상기 축소 배율이 1/5보다 작아지면, 집광NA이 0.5이상으로 커지고, 초점심도가 작아져서 실용적이지 않다.

또한, 도 19에 도시한 바와 같이, 광섬유 (10)의 코어 (8)의 직사각형 단면을 장방형으로 형성하면 된다. 이로써 인접하는 스포트 (S)의 오버랩율을 더욱 저하시킬 수 있다. 또한, 같은 선폭으로 빔 면적을 크게 할 수 있으므로, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포의 균일성도 향상시킬 수 있다. 즉, 굵은 광섬유 (10)를 이용하면서 미세한 레이저빔을 출력할 수 있어서 가공 속도도 향상된다.

또한, 레이저빔 발생 수단으로서 M2가 10 내지 30 정도의 공지의 가로멀티 모드 레이저 발진기(도시하지 않음)를 사용하므로서, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 세로 멀티 모드 레이저 발진기(도시하지 않음)를 사용할 수도 있다.

이상에서, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)에 의하면, 조사하는 레이저빔 (LZ)의 단면 형상을 직사각형으로 형성해서 레이저 용접을 하고 있으므로, 레이저빔 (LZ)의 오버랩율 (OL)을 저하시켰다고 해도, 균일한 폭의 선형상의 용접을 정밀하게 할 수 있다. 또한, 레이저빔 (LZ)의 강도 분포가 균일하게 되므로, 레이저빔 (LZ)의 평면 단면 형상 뿐만이 아니라, 용융 방향의 용접 단면도 직사각형으로 되므로, 오버랩율을 저하시키고, 스포트수를 줄여도, 기밀성을 손상하는 일 없이 연속적으로 용접을 할 수 있다. 또한, 광섬유 (10)의 코어 (8)의 직사각형 단면의 한 변이 레이저빔 (LZ)의 파장의 150배 이상으로 형성되어 있고 출사 광학 유닛 (11)은, 광섬유 (10)의 출광단부로부터 출광한 레이저빔 (LZ)을 축소하도록 형성되어 있으므로, 용접 대상 (W)의 용접 부위 (LP)에 조사하는 레이저빔 (LZ)의 직사각형 단면의 미소화 및 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포의 균일화를 확실하게 도모할 수 있다. 이상으로부터, 심 용접에 의한 기밀 실링성을 저하시키는 일 없이 용접 효율 및 용접 속도를 향상시킬 수 있어서 보다 미세하고 또한 가공 정밀도가 높은 레이저빔을 조사할 수 있는 효과를 거둔다.

다음에, 본 발명에 관한 레이저 빔조사 장치 (20)의 제2의 실시 형태에 대해서 설명한다. 여기서, 제1의 실시 형태와 같은 구성에 대해서는 상세한 해설을 생략하고, 동일한 부호를 사용해서 설명한다.

제2의 실시 형태에 있어서는, 레이저빔 발생 수단 (30)으로서 세로 멀티 모드 레이저 발진기(도시하지 않음)를 사용하고 있다. 이 세로 멀티 모드 레이저 발진기는, 도 20에 도시한 바와 같이, 공진기내에 있어서의 전반사 미러 (5)와 출력 미러 (7)의 양면간의 광로가 단일이며, 복수의 파장λ의 레이저빔 (LZ)이 발진되고 이 발진되는 레이저빔 (LZ)의 파장λ의 폭은, 일반적으로, 1 nm이상이다.

광섬유 (10)의 코어 (8)의 치수는, 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔 (LZ)의 파장λ의 25배 이상이며, 해당 직사각형 단면은, 제1의 실시 형태와 같이, 정방형이라도 되지만, 인접하는 스포트 (S)의 오버랩율을 저하시키는 동시에, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포의 균일성을 향상시킨다고 하는 관점에서는, 장방형인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 발진 파장λ이 1064 nm인 레이저빔 (LZ)을 전송하는 데 있어서, 해당 직사각형 단면이 정방형인 코어 (8)에 있어서의 각변의 치수가 50μm인 광섬유 (10), 또는 직사각형 단면이 장방형상인 코어 (8)에 있어서의 대향하는 2변의 치수가 50μm이며 다른 대향하는 2변의 치수가 100μm인 광섬유 (10)가 사용된다.

또한, 제2의 실시 형태에 있어서의 레이저 빔조사 장치 (20)에 있어서도, 제1의 실시 형태와 같이, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 코어 (8)의 단면이 직사각형으로 형성되어 있는 영역의 일정 거리 (FL)는, 3 m이상이며 30 m정도까지로 하는 것이 바람직하며, 또한, 5 m 내지 10m 정도가 보다 바람직하다.

한편, 제2의 실시 형태에 관한 레이저 빔조사 장치 (20)에 있어서는, 제1의 실시 형태와 달리, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출광한 레이저빔 (LZ)의 직사각형의 한 변을, 조사 부위 (LP)에 있어서, 출사 광학 유닛 (11)에 의해서 광학적으로 축소할 필요는 없다. 광섬유 (10)로서 그 코어 (8)에 있어서의 직사각형 단면의 한 변이, 레이저빔 (LZ)의 파장λ의 25배 이상이며 상기와 같이 50배 정도의 세경인 광섬유 (10)를 사용하면, 광섬유 (10)의 출광단부 (10b)로부터 출사된 레이저빔 (LZ)을, 출사 광학 유닛 (11)에 있어서 광학적으로 축소하는 일 없이, 출사 광학 유닛 (11)으로부터 출사하여, 용접, 가공, 표면 금속층 등의 성분 제거 등을 실시할 수 있기 때문이다.

다음에, 제2의 실시 형태에 관한 레이저 빔조사 장치 (20)의 작용에 대해서 설명한다.

제2의 실시 형태에 있어서, 제1의 실시 형태와 같이, 코어 단면이 출광단부 (10b)로부터 일정 거리의 영역에 있어서 직사각형으로 형성된 광섬유 (10)를 사용하므로서, 단면 형상이 직사각형인 레이저빔 (LZ)을 조사할 수 있다.

따라서, 제2의 실시 형태에 관한 레이저 빔조사 장치 (20)에 의하면, 제1의 실시 형태와 같이, 예를 들면, 기밀 실링 목적으로 용접을 하는 용접 부위 (LP)에 대해서 레이저빔 (LZ)에 의한 심 용접을 확실하게 할 수 있고 또한, 오버랩율 (OL)을 저하시켜서 스포트수를 줄여도 기밀성을 손상하는 일 없이 연속적으로 용접할 수 있으므로, 용접 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 레이저빔 발생 수단 (30)으로서 세로 멀티 모드 레이저 발진기를 사용해서 코어 (8)의 직사각형 단면의 한 변이 파장λ의 25배 이상이며 전술한 바와 같이 50배 정도의 세경(가는 지름)인 광섬유 (10)를 사용하므로서, 세경인 광섬유 (10)로부터 출사된 레이저빔 (LZ)은, 그 단면 강도 분포의 변화의 폭이 작고, 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상이 된다. 또한, 해당 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 작아지고, 그 때문에, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포는 어느 정도 균일하게 된다. 또한, 세로 멀티 모드 레이저 발진기에 의해서 발진되는 레이저빔 (LZ)의 파장λ의 폭이, 1 nm이상이며 파장λ의 폭이 넓을수록, 레이저빔 (LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워져서, 단면 강도 분포도 균일하게 된다. 이와 같이, 레이저빔 발생 수단 (30)으로서 세로 멀티 모드 레이저 발진기를 사용하는 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)는, 세경인 광섬유 (10)를 이용해서 용접이나 가공 등에 매우 적합한 미세한 레이저빔 (LZ)을 조사시킬 수 있다.

한편, 도 20에 도시한 바와 같이, 레이저 빔조사 장치에 있어서, 레이저빔 발생 수단으로서 공진기내에 있어서의 미러 간의 광로가 단일이며 단일 파장λ인 레이저빔 (LZ)을 발진하는 싱글 모드 레이저 발진기를 사용해서 상기와 같은 세경인 광섬유를 사용했을 경우, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포의 변화의 폭이 크고, 그 레이저빔 (LZ)의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형과는 다른 산형의 형상이 된다. 또한, 해당 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 급격하므로, 단면 강도 분포가 균일하게 되지 않는다. 이와 같이, 레이저빔발생 수단 (30)으로서 싱글 모드 레이저 발진기를 사용한 레이저 빔조사 장치는, 세경의 광섬유 (10)를 이용하면 용접이나 가공등에 적당한 레이저빔 (LZ)을 조사시킬 수 없다.

또한, 레이저 빔조사 장치에 있어서, 레이저빔 발생 수단으로서 공진기내에 있어서의 미러간의 광로가 복수이며 복수의 파장λ의 레이저빔 (LZ)을 발진하는 가로 멀티 모드 레이저 발진기를 사용해서 상기와 같은 세경의 광섬유를 사용했을 경우, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포에 있어서, 레이저빔 (LZ)의 강도 파형이, 싱글 모드 레이저 발진기를 사용했을 경우와 비교하면 직사각형 파형에 가깝게 되지만, 세로 멀티 모드 발진기를 사용했을 경우와 비교하면 산형의 형상이 된다. 또한, 레이저빔 (LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도, 싱글 모드 레이저 발진기를 사용했을 경우와 비교하면 완만하지만, 세로 멀티 모드 레이저 발진기와 비교하면 급격하고, 레이저빔 (LZ)의 단면 강도 분포가 균일하게 되지 않는다. 이와 같이, 레이저빔발생 수단으로서 가로멀티 모드 레이저 발진기를 이용한 레이저 빔조사 장치는, 세경의 광섬유 (10)를 이용하면 용접이나 가공 등에 적합한 미세한 레이저빔 (LZ)을 조사시킬 수 없다.

따라서, 레이저 빔조사 장치 (20)는, 이와 같이 레이저빔 발생 수단 (30)으로서 상기와 같은 세로 멀티 모드 레이저 발진기를 사용하므로서, 광섬유 (10)에 있어서의 코어 (8)의 미소화를 도모할 수 있고 출사 광학 유닛 (11)에 있어서 레이저빔 (LZ)을 광학적으로 축소하는 일 없이, 미세한 레이저빔 (LZ)을 조사시키는 것이 가능해진다.

그리고, 본 발명은, 상기 실시 형태 등에 한정되는 것이 아니고, 필요에 따라서 다양한 변경이 가능하다.

예를 들면, 레이저빔 발생 수단 (1)에는 플래시 램프 (2)가 사용되고 있지만, 다른 실시 형태에 있어서는, 도 21에 도시한 바와 같이, 플래시 램프 (2) 대신 반도체 레이저 다이오드(LDA) (2B)를 사용해도 된다. 그 때, 레이저빔의 스위칭(펄스 점등)은 전원 장치 (3)의 레이저 공진기 내부에 설치된 Q스윗치의 온 오프에 의해서 하면 된다.

또한, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)는 주로 레이저 용접기를 예를 들어 설명하였으나, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)를 레이저 가공 장치로서 사용하여 조사 대상 (W)을 표면 금속층 등으로 하면, 본 실시 형태의 레이저 빔조사 장치 (20)를 표면 금속층, 표면에 형성된 박막등의 제거 목적으로 사용할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 레이저 용접 방법을 응용한 레이저 가공 방법에 의하면, 표면 금속층 등에 대해서 직사각형의 에칭을 할 수 있으므로, 표면 금속층등의 제거를 정밀하게 할 수 있는 효과를 거둔다.

Claims

세로 멀티 모드 레이저빔을 출력하는 레이저빔 발생 수단과
입광단부에 입광하는 레이저빔을 그 출광단부에 전송하는 광섬유와
상기 레이저빔 발생 수단으로부터 출력된 레이저빔을 상기 광섬유의 입광단부에 입광시키는 입사 광학 유닛과
상기 광섬유의 출광단부로부터 출광한 레이저빔을 조사 부위에 조사하는 출사 광학 유닛을 갖추고 있고
상기 광섬유의 코어 단면은, 상기 광섬유의 전역 또는 그 출광단부로부터 일정한 거리의 영역에 있어서 직사각형으로 형성되어 있고, 상기 직사각형의 코어의 단면의 한 변이 상기 레이저빔의 파장의 25 내지 50배로 형성되어 있고,
상기 레이저빔 발생 수단은 파장의 폭이 1nm의 펄스 레이저빔을 출력하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 빔조사 장치.
제1항에 있어서,　상기 코어 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 길이는, 3 m 내지 30m로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 빔조사 장치.
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제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광섬유의 직사각형 단면은, 장방형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 빔조사 장치.