KR20180138533A - 레이저 가공품의 제조 방법 및 레이저 가공품 - Google Patents

Abstract

레이저 가공 개소를 갖는 레이저 가공품의 제조 방법으로서, 레이저 발진부(10)와 빔 분할부(17)와 촬상부(15)를 이용하여 행한다. 상기 제조 방법은, 상기 레이저 발진부(10) 및 상기 빔 분할부(17)를 이용하여 기준 조사면 상에 복수의 조사 스폿(32, 33)을 포함하는 조사 패턴의 조사흔(31)을 형성하는 것, 조사흔(31)의 화상을 촬상부(15)에 의해 취득하는 것, 상기 화상 상에서, 조사흔(31)에 포함되는 복수의 조사 스폿(32, 33)의 위치에 기초하는 대표 위치를 결정하는 것, 상기 대표 위치의 목표 위치로부터의 어긋남량을 결정하는 것, 상기 어긋남량에 기초하여 조사 위치를 보정하면서, 레이저 가공 개소를 형성하는 것을 포함한다.

Description

레이저 가공품의 제조 방법 및 레이저 가공품{METHOD FOR MANUFACTURING LASER PROCESSED PRODUCT AND THE LASER PROCESSED PRODUCT}

본 발명은, 레이저 가공 개소를 갖는 레이저 가공품의 제조 방법, 및 레이저 가공품에 관한 것이다.

종래부터, 레이저 광의 조사에 의해 2개의 부재를 접합하는 레이저 용접이 행해지고 있다. 레이저 용접에서는, 2개의 부재의 접합 위치를 겨냥하여 레이저 광을 조사할 필요가 있다. 레이저 광의 조사 위치의 정밀도가 나쁘면, 접합 불량이 될 가능성이 높기 때문이다. 그 때문에 레이저 조사 위치를 보정하는 기술로서, 일본 공개특허 특개2004-276101호에 기재되어 있는 것을 들 수 있다. 즉, 일본 공개특허 특개2004-276101호의 레이저 가공 방법에서는, 레이저 광의 조사 위치에 대하여, 촬상 장치로 촬상함으로써 실측값을 얻는 것으로 하고 있다. 그리고, 촬상 장치와 레이저 헤드와의 오프셋 거리를 보정하기 위한 보정값이나, fθ 렌즈의 왜곡을 보정하기 위한 보정값을 산출하는 것으로 하고 있다.

그러나, 상기한 종래의 기술에는 다음과 같은 문제점이 있었다. 레이저 광의 조사 위치에 형성되는 조사흔(照射痕)은, 점이 아니라 어느 정도의 너비를 갖는 영역이다. 그 때문에, 조사 위치의 중심을 특정할 필요가 있다. 그러나 조사흔의 형상은 진원(眞圓)으로는 한정되지 않고, 왜곡된 형상이 되는 경우가 있다. 레이저 광의 에너지 분포 자체가 반드시 중심 대칭 형상이라고는 할 수 없기 때문이다. 또, 조사흔의 형상에는 피조사면의 성상도 영향을 주기 때문이다. 왜곡된 형상의 조사흔이 형성되는 상황하에서는, 조사 위치의 중심을 정확하게 특정할 수 없다. 이 때문에, 조사 위치의 보정의 정밀도를 높일 수 없는 경우가 있었다.

본 발명은, 레이저 광의 조사 위치에 왜곡된 형상의 조사흔이 형성되는 상황이더라도 조사 위치를 고정밀도로 보정하면서 레이저 가공을 행할 수 있는 레이저 가공품의 제조 방법을 제공하는 데에 있다. 또, 레이저 가공품을 제공한다.

본 발명의 1 태양은, 레이저 가공 개소를 갖는 레이저 가공품을 제조하는 방법으로서, 가공 대상물을 향하여 조사되는 레이저 광을 발사하는 레이저 발진부와, 레이저 발진부로부터의 레이저 광을 분할하여, 일직선 상에 없는 복수의 조사 스폿을 포함함과 함께, 대표 위치가, 레이저 발진부에 의한 레이저 광을 분할하지 않고 조사한 경우의 직접 조사 위치와 일치하는 조사 패턴을 상기 가공 대상물 피조사면 상에 형성시키는 빔 분할부와, 피조사면에 있어서의 레이저 가공의 목표 위치를 포함하는 영역의 화상을 취득하는 촬상부를 이용한다. 상기 레이저 가공품을 제조하는 방법은, 레이저 발진부 및 빔 분할부를 이용하여 기준 조사면 상에 조사 패턴의 조사흔을 형성하는 것과, 상기 조사흔의 화상을 촬상부에 의해 취득하는 것과, 상기 화상 상에서, 상기 복수의 조사 스폿의 위치에 기초하여, 조사 패턴의 대표 위치를 결정하는 것과, 상기 대표 위치와 상기 화상 상에서의 목표 위치로부터의 어긋남량을 결정하는 것과, 결정된 어긋남량에 기초하여 레이저 발진부로부터의 레이저 광의 피조사면으로의 조사 위치를 보정하면서, 가공 대상물에 레이저 발진부에 의해 레이저 광을 조사하여 레이저 가공 개소를 형성하는 것을 포함한다.

상기 1 태양에 있어서의 레이저 가공품의 제조 방법에서는, 가공 대상물에 레이저 발진부에 의해 레이저 광을 조사함으로써, 가공 대상물이 가공되어 레이저 가공품이 제조된다(가공 공정). 가공 대상물에 있어서의 레이저 광의 조사를 받은 개소는 레이저 가공 개소가 된다. 여기에 있어서 상기 1 태양에서는, 가공 공정에 앞서, 레이저 광의 조사 위치와 가공의 목표 위치와의 사이의 어긋남량을 파악한다. 어긋남을 보정하면서 가공 공정을 행함으로써 가공을 정확하게 행하기 위함이다. 파악하는 어긋남량은 벡터량이다.

어긋남량의 파악을 위하여, 우선은 기준 조사면 상에 레이저 광을 조사하여 조사흔을 형성한다. 그 때, 빔 분할부를 이용함으로써, 형성되는 조사흔을, 복수의 조사 스폿을 포함하는 소정의 조사 패턴의 것으로 한다(패턴 형성 공정). 그리고 촬상부에 의해, 형성된 조사흔의 화상을 취득한다. 취득한 화상 중의 조사흔에 의해 나타내어지는 조사 패턴에는, 복수의 조사 스폿이 포함되어 있다. 그래서 그들 조사 스폿의 위치에 기초하여, 조사 패턴의 대표 위치를 결정할 수 있다(대표 위치 결정 공정). 결정된 대표 위치는, 레이저 발진부의 레이저 광의 직접 조사 위치와 일치하는 위치이다. 단, 빔 분할부에 의한 패턴화를 거쳐 결정한 위치이기 때문에, 직접 조사 위치에만 용접흔을 형성하여 구한 위치보다 오차가 적고 고정밀도이다. 개개의 조사 스폿의 진원도가 낮더라도, 그것은 그다지 문제가 되지 않는다. 이와 같이 하여 결정된 대표 위치를, 화상 내에서 레이저 가공의 목표 위치로 되어 있는 위치와 대비함으로써, 어긋남량이 결정된다.

결정된 어긋남량에 기초하여, 조사 위치를 보정하면서 가공 공정이 행해진다. 가공 공정에서는, 빔 분할부를 이용하지 않고 가공 대상물에 레이저 광을 조사할 수도 있고, 빔 분할부를 이용하여 가공 대상물에 레이저 광을 조사할 수도 있다. 또, 가공이 용접인 경우에는, 가공 대상물은 제 1 대상물과 제 2 대상물로 구성되고, 그들의 맞댐 개소가 레이저 가공 개소(용접 개소)가 된다.

상기 1 태양에서는, 조사 패턴 중의 조사 스폿에, 직접 조사 위치의 것이 포함되어도 된다. 이 경우에는, 상기와 같이 결정한 대표 위치는, 직접 조사 위치를, 직접 조사 스폿 이외의 조사 스폿의 위치에 기초하여 보정한 위치이다. 이와 같이 직접 조사 스폿 이외의 조사 스폿을, 대표 위치의 결정에 참작함으로써, 위치정밀도의 향상이 도모되고 있다.

상기 1 태양은, 대표 위치를 결정할 때, 복수의 조사 스폿 중 2개 이상의 조사 스폿의 위치에 기초하여 제 1 대표선을 결정하고, 복수의 조사 스폿 중 다른 2개 이상의 조사 스폿의 위치에 기초하여, 제 1 대표선과는 비평행인 제 2 대표선을 결정하고, 제 1 대표선과 제 2 대표선의 교점의 위치를 대표 위치로 해도 된다. 이 경우에 제 1 대표선을 결정하는 조사 스폿 군과 제 2 대표선을 결정하는 조사 스폿 군은 당연히 다른 조사 스폿 군이다. 단, 직접 조사 스폿은 양방(兩方)의 군에 들어가 있어도 된다. 또한, 반드시 직접 조사 스폿을 제 1, 제 2 대표선의 결정에 이용하지 않아도 된다.

상기 1 태양은, 빔 분할부로서, 레이저 발진부로부터의 레이저 광을 회절시키는 회절 광학 소자를 이용해도 된다. 조사 위치의 기계적 주사를 필요로 하지 않는 만큼, 각 조사 스폿의 위치정밀도가 보다 높고, 대표 위치도 보다 고정밀도로 결정할 수 있기 때문이다. 또, 조사 패턴 중에, 직접 조사 위치와 동일한 위치의 0차 스폿이 포함되기 때문이다.

상기 1 태양은, 기준 조사면으로서, 가공 대상물에 있어서의 가공 예정 개소를 포함하는 표면을 이용해도 된다. 어긋남량의 결정과 가공의 실행이, 가공 대상물의 동일 면 상에서 행해지게 되므로, 가공시에 보다 높은 보정 정밀도를 기대할 수 있기 때문이다. 어긋남량의 결정과 가공의 실행에 의해 어긋남량이 동일하게 되기 때문이다.

상기 1 태양은, 조사흔을 형성하는 것을, 기준 조사면 내에 있어서의, 표면 거칠기가 미리 정해진 추장(推奬) 범위 내인 거친 영역에 대하여 행해도 된다. 표면 거칠기가 작은 평활한 영역에서는, 레이저 광의 반사율이 높다. 이 때문에, 조사흔의 형성을 위하여 필요한 레이저 광의 에너지가 높다. 한편, 표면 거칠기가 너무 큰 영역에서는, 조사흔의 형성을 위한 레이저 광의 에너지로서 적절한 범위가 저에너지측의 좁은 영역에 한정된다. 표면 거칠기가 추장 범위 내인 거친 영역에 조사흔을 형성하는 경우에는, 레이저 광의 적절한 에너지 범위가 넓다는 이점이 있다.

상기 1 태양은, 상기 추장되는 범위가 0.2∼0.25 ㎛여도 된다.

그러기 위해서는, 조사흔을 형성하는 것 전에, 기준 조사면 내에, 표면을 거칠게 하여 거친 영역을 형성해도 된다. 이에 의해, 기준 조사면이 원래 적절한 거친 영역을 가지지 않는 경우이더라도, 적절하게 조사흔을 형성하여 어긋남량을 결정할 수 있다.

상기 1 태양은, 가공 대상물이 전지의 제 1 외장 부재 및 제 2 외장 부재이며, 레이저 가공품이, 제 1 외장 부재와 제 2 외장 부재를 레이저 가공에 의해 용접하여 이루어짐과 함께 내부에 발전 요소를 내장하는 전지여도 된다. 상기 일 태양에 의해, 제 1 외장 부재와 제 2 외장 부재가 적절하게 용접된 신뢰성이 높은 전지가 제조된다.

또, 본 발명의 2 태양에 관련되는 레이저 가공품은, 레이저 가공 개소를 포함하고 있고, 레이저 가공 개소의 제 1 레이저 조사흔과, 제 1 레이저 조사흔 이외의 개소의 제 2 레이저 조사흔을 포함한다. 제 2 레이저 조사흔은, 일직선 상에 없는 복수의 조사 스폿을 포함하는 조사 패턴이다. 제 2 레이저 조사흔의 존재에 의해, 전술의 태양의 레이저 가공품의 제조 방법에 의해 제조된 것이라고 추정할 수 있다.

본 구성에 의하면, 레이저 광의 조사 위치에 왜곡된 형상의 조사흔이 형성되는 상황이더라도 조사 위치를 고정밀도로 보정하면서 레이저 가공을 행할 수 있는 레이저 가공품의 제조 방법이 제공되고 있다. 또, 레이저 가공품도 제공되고 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이고, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1은 레이저 용접에 의해 제조되는 전지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 회절 광학 소자를 이용하지 않고 형성되는 조사흔의 형상의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 4는 회절 광학 소자를 이용하여 형성되는 패턴 형상의 조사흔의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 5는 조사 에너지가 큰 경우의 조사흔의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 6은 조면화(粗面化) 전후의 피조사면 및 형성된 조사흔을 나타낸 평면도이다.
도 7은 표면 거칠기 및 에너지 밀도마다의, 조사흔의 형성 위치의 재현 정밀도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시 형태의 방법에 의한 전지의 제조 순서를 나타내는 플로우차트이다.

이하에, 본 발명을 구체화한 실시 형태에 대하여, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 형태는, 도 1에 나타낸 전지(1)의 제조 방법으로서 본 발명을 구체화한 것이다. 전지(1)은, 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)에 의해 외형이 구성되어 있는 편평 각형(角形)의 형상의 것이다. 전지(1)의 내부에는 발전 요소(4)가 내장되어 있다. 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)는, 전체 둘레에 걸친 용접흔(5)에 의해 접합되어 있다. 용접흔(5)은 레이저 용접에 의해 형성된 것이다. 또, 정·부의 전극 단자(6, 7)가 덮개 부재(3)를 관통하여 마련되어 있다. 또, 덮개 부재(3)의 외면(外面)의 일부에는, 거친 영역(8)이 형성되어 있다. 거친 영역(8)에 대해서는 후술한다.

상기의 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)의 용접을 행하기 위한 레이저 용접 장치(9)의 구성을, 도 2에 의해 설명한다. 도 2에 나타난 레이저 용접 장치(9)는, 레이저 발진기(10)와 헤드 유닛(11)을 갖고 있다. 레이저 발진기(10)와 헤드 유닛(11)은 파이버 케이블(12)에 의해 접속되어 있다. 헤드 유닛(11)은, 레이저 발진기(10)로부터 발사된 레이저 광을, 하방(下方)에 세팅된 워크(25)의 피조사면(26)에 조사하는 것이다. 헤드 유닛(11)으로부터 워크(25)에 조사되는 레이저 광은, 워크(25)를 국소적으로 용융시키는 능력을 갖고 있다. 헤드 유닛(11)은 그와 함께, 피조사면(26)을 촬상하는 기능도 갖고 있다.

헤드 유닛(11)에는 콜리메이터 렌즈(13), 회절 광학 소자(17), 다이크로익 미러(14), 동축 카메라(15), 반사 미러(16), Z 방향 렌즈 구동 유닛(18), 반사 미러(19), 집광 렌즈(20), X-Y 스캐너 유닛(21), 3축 드라이버(22)가 마련되어 있다. 이 중 Z 방향 렌즈 구동 유닛(18)에는 Z 방향 렌즈(23)가 내장되어 있다. 또, X-Y 스캐너 유닛(21)에는 갈바노 미러(24)가 내장되어 있다.

콜리메이터 렌즈(13)는, 레이저 발진기(10)로부터 발사된 레이저 광을 평행광화하는 렌즈이다. 회절 광학 소자(17)는, 레이저 발진기(10)의 레이저 광을 분할하여, 복수의 조사 스폿을 포함하는 조사 패턴을 피조사면(26) 상에 형성시키는 것이다. 조사 패턴의 상세에 대해서는 나중에 설명한다. 회절 광학 소자(17)는, 레이저 광의 광로 상에 배치되어 있는 상태와, 광로로부터 퇴피해 있는 상태를 취할 수 있다. 도 2에 나타난 회절 광학 소자(17)는, 레이저 광의 광로 상에 배치되어 있는 상태이다.

다이크로익 미러(14)는, 특정 파장 영역의 광만 반사하고, 그 이외의 파장의 광은 투과하는 광학 소자이다. 본 형태에 있어서의 다이크로익 미러(14)는, 레이저 발진기(10)로부터 발사된 레이저 광을 반사하고, 그 이외의 광을 투과시키는 것이다. 이에 의해, 레이저 발진기(10)의 레이저 광을 피조사면(26)의 조사에 제공함과 함께, 동축 카메라(15)에 의해 피조사면(26)을 관찰하여 촬상할 수 있도록 하고 있다.

Z 방향 렌즈 구동 유닛(18)은, Z 방향 렌즈(23)의 상하 방향의 이동에 의해, 레이저 광의 피조사면(26) 상에서의 포커스 맞춤을 행하는 것이다. X-Y 스캐너 유닛(21)은, 갈바노 미러(24)를 구동함으로써, 레이저 광의 피조사면(26) 상에서의 조사 위치를 조절하는 것이다. Z 방향 렌즈 구동 유닛(18) 및 X-Y 스캐너 유닛(21)은 어느 것이나, 3축 드라이버(22)에 의해 제어되도록 되어 있다.

레이저 용접 장치(9)에는 또한, 레이저 포인터(27), 보호 유리(28), 에어 노즐(29)이 마련되어 있다. 레이저 포인터(27)는, 헤드 유닛(11)으로부터의 레이저 광과는 다른 레이저 빔을 피조사면(26)에 조사하는 것이다. 레이저 포인터(27)로부터의 레이저 빔은, 워크(25)를 용융시키는 능력을 갖고 있지 않고, 동축 카메라(15)에 의해 관찰·촬상하는 피조사면(26)의 화상 내에 휘점(輝點)을 형성하는 것이다. 그 휘점의 위치가, 헤드 유닛(11)으로부터의 레이저 광에 의한 용접의 목표 위치가 되도록, 레이저 용접 장치(9)는 조정되어 있다. 보호 유리(28)는, 헤드 유닛(11)으로부터의 레이저 광이 워크(25)로부터 어긋나 미광(迷光)이 되는 것을 방지하는 것이다. 에어 노즐(29)은 피조사면(26) 상의 이물을 날려 없애는 것이다.

상기의 레이저 용접 장치(9)에 의한 용접은, 다음과 같이 하여 행해진다. 먼저 용접의 실행시에는, 회절 광학 소자(17)가, 레이저 광의 광로로부터 퇴피해 있는 상태가 된다. 이 때문에, 워크(25)의 피조사면(26)에는, 레이저 발진기(10)로부터 발사되어 회절 광학 소자(17)에 의한 빔 분할을 받지 않는 직사 레이저 광이 조사되게 된다. 이에 의해, 피조사면(26) 내의 상기 목표 위치가 국소적으로 용융한다. 따라서, 워크(25)가 2개의 부재에 의해 구성되어 있는 경우, 그 맞힘 개소를 목표 위치에 놓고 이 상태에서 레이저 광을 조사함으로써, 2개의 부재를 용접할 수 있다.

또한, 용접의 실행을, 회절 광학 소자(17)가 레이저 광의 광로에 돌출된 상태로 행해도 된다. 회절 광학 소자(17)에서는, 생성되는 복수의 조사 스폿 중에 직사 레이저 광과 동일한 위치의 것(0차 광)이 포함되기 때문이다. 회절 광학 소자(17)를 이용하면서 용접을 행하면, 직사 레이저 광(후술하는 0차 광)을 주(主) 열원으로 하여 용입(溶入) 깊이를 확보하면서, 후술하는 회절광을 부(副) 열원으로 하여 양 부재의 사이의 간극을 확실하게 메울 수 있다.

전지(1)이면, 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)의 경계선의 개소를 목표 위치에 놓고 레이저 광을 조사하면서, 목표 위치가 덮개 부재(3)의 연변(緣邊)을 일주(一周)하도록 전지(1)을 이동시켜 가면 된다. 이에 의해 용접흔(5)이 형성되고, 전지(1)가 제조된다. 또한, 발전 요소(4)의 용기 본체(2)에의 수납은 당연히 용접보다 먼저 끝내 둔다.

상기의 설명에서는, 레이저 발진기(10)로부터의 직접 레이저 광의 피조사면(26)에의 조사 위치와 전술의 목표 위치가, 겨냥한 대로 딱 일치하고 있는 것이라고 가정하였다. 그러나 현실적으로는, 양 위치의 사이에 어느 정도의 어긋남이 발생되어 있는 경우가 있다. 당해 어긋남이 있는 경우에 그대로 상기와 같이 레이저 광의 조사를 행하더라도, 적절한 용접은 할 수 없다. 그래서 본 형태에서는, 회절 광학 소자(17)를 이용하면서 당해 어긋남의 방향과 양을 파악하고, 어긋남을 보정한 상태로 용접을 행한다.

어긋남량(벡터량)의 파악 자체는, 워크(25)를 고정한 상태로 직접 레이저 광을 피조사면(26)에 조사함으로써 가능하다. 즉, 생성된 스폿 형상의 조사흔을 동축 카메라(15)에 의해 관찰하고, 화상 상에서 목표 위치로부터의 어긋남의 방향과 양을 결정하면 된다. 목표 위치는 전술과 같이, 레이저 포인터(27)로부터의 레이저 빔에 의한 화상 내의 휘점으로서 파악할 수 있다. 그러나 그것만으로는, 상술한 바와 같이 조사흔의 중심 위치를 정밀도 좋게 결정할 수 없다. 도 3에 나타낸 바와 같이 조사흔(30)이 진원이 아닌 왜곡된 형상의 스폿이 되는 경우가 있기 때문이다.

그래서 본 형태에서는, 회절 광학 소자(17)를 이용함으로써, 어긋남량을 보다 고정밀도로 파악한다. 회절 광학 소자(17)는, 공지의 격자 패턴을 갖는 광학 부품이며, 레이저 발진기(10)로부터의 레이저 광을, 복수 개의 레이저 광으로 분할하는 것이다. 이 때문에, 회절 광학 소자(17)를 광로 상에 개재시킨 상태(도 2)로 피조사면(26)에 조사흔을 형성하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 스폿으로 이루어지는 패턴 형상의 조사흔(31)이 형성된다.

도 4의 패턴 형상의 조사흔(31)은, 중앙의 0차 스폿(32)과, 그 주위의 복수의 회절 스폿(33)에 의해 구성되어 있다. 0차 스폿(32)은, 회절 광학 소자(17)를 직진해 온 0차 광에 의한 스폿이며, 회절 광학 소자(17)를 이용하지 않는 경우에 형성되는 조사흔(30)(도 3)과 동일한 위치에 형성된다. 각 회절 스폿(33)은, 회절 광학 소자(17)에서의 회절에 의해 생긴 회절광에 의한 스폿이다. 조사흔(31)에 있어서의 각 스폿의 배치 패턴은, 회절 광학 소자(17)의 격자 패턴과 레이저 발진기(10)의 레이저 광의 파장에 의해 정해진다. 즉, 레이저 발진기(10)의 종류 및 회절 광학 소자(17)의 격자 패턴이 정해져 있으면 조사흔(31)의 배치 패턴은 일정하다. 단, 조사 에너지에 따라서는, 도 5에 나타낸 바와 같이 조사흔(31)에 있어서의 각 스폿이 연결된 상태가 되는 경우는 있다.

도 4의 패턴 형상의 조사흔(31)에 있어서는, 각 스폿(32, 33)마다 중심 위치가 존재한다. 스폿(32, 33)의 중심 위치의 확정 방법에는, 몇 가지 공지의 수법이 있고 어느 것이어도 된다. 예를 들면, 각 스폿의 도형으로서의 중심 위치를 구하는 방법, 스폿의 근사 화상으로부터 중심 위치를 결정하는 방법, 하프 변환에 의해 스폿에 원을 맞추어 그 중심 위치를 이용하는 방법, 등이 있다.

따라서, 그들 중심 위치의 평균 위치를 구할 수 있다. 이 평균 위치가, 패턴 형상의 조사흔(31) 전체의 대표 위치이며, 회절 광학 소자(17)를 이용하지 않고 형성한 조사흔(30)(도 3)의 참의 중심 위치와 일치하는 위치이다. 따라서, 이 대표 위치의 목표 위치로부터의 어긋남의 방향과 양을 화상 상에서 결정하면 된다. 조사흔(31)이 도 5와 같이 연속 형상이 된 경우이더라도, 각 스폿(32, 33)을 화면 상에서 인식하여 중심 위치를 결정할 수는 있다.

물론, 상기의 본 형태의 방법을 이용하였다고 하더라도, 각 스폿(32, 33)의 중심 위치에는, 도 3에 나타낸 경우와 동일한 이유에 의한 정밀도의 문제는 있다. 그러나, 복수의 스폿(32, 33)의 중심 위치의 대표 위치를 잡음으로써, 각 스폿(32, 33)의 위치의 오차가 완화되는 것이다. 이 때문에, 도 3과 같이 직접 레이저 광에 의한 1개의 스폿만으로 어긋남량을 파악하는 경우에 비하여, 본 형태에서는 훨씬 고정밀도로 어긋남량을 파악할 수 있다. 도 5의 경우이더라도, 도 4의 경우에 비하면 약간 정밀도는 뒤떨어지지만, 그래도 도 3의 경우보다는 높은 정밀도로 어긋남량을 파악할 수 있다.

상기에서는 조사흔(31)의 대표 위치를, 각 스폿(32, 33)의 중심 위치의 평균 위치로서 구한다고 서술하였다. 각 중심 위치의 평균 위치로서는 X 좌표, Y 좌표마다 각 중심 위치의 좌표값의 평균을 구하면 된다. 또한, 단순 평균에 한정하지 않고, 가중 평균을 이용해도 된다. 그 경우의 가중값으로서는 예를 들면, 0차 스폿(32)으로부터의 거리가 먼 것일수록 무겁게 하는 것을 생각할 수 있다. 또, 분할된 복수 개의 레이저 광 사이에서의 에너지의 배분은 이미 알려져 있기 때문에, 큰 에너지의 것일수록 무겁게 할 수도 있다. 반대로 큰 에너지의 것일수록 가볍게 할 수도 있다.

또는 평균 위치를 구하는 대신에, 각 스폿(32, 33)의 중심 위치에 기초하여 도 4 중에 나타낸 대표선 A, B를 결정하고, 대표선 A와 대표선 B의 교점을 가지고 대표 위치로 해도 된다. 대표선 A, B는 어느 것이나, 각 스폿(32, 33)의 일부인 복수의 스폿의 중심 위치에 기초하여 정해지는 선이다. 대표선 A를 결정하는 복수의 스폿과 대표선 B를 결정하는 복수의 스폿은, 다른 스폿 군이다. 단, 0차 스폿(32)은 양방의 군에 포함되어 있어도 된다. 또, 대표선 A와 대표선 B는 비평행이다. 구체적으로는 대표선 A, B는, 각각의 대표선 상에 있는 스폿의 중심 위치에 기초하여 최소 제곱법으로 결정하면 된다. 또, 평균 위치를 이용하는 경우이더라도 대표선을 이용하는 경우이더라도, 0차 스폿(32)의 위치는 대표 위치의 결정으로부터 제외해도 된다. 특히, 도 5와 같은 연속 형상의 조사흔(31)이 된 경우에는, 0차 스폿(32)의 위치를 제외하고 대표 위치를 결정하는 편이 낫다.

이와 같이 하여 어긋남량이 정밀도 좋게 파악되면, 그 어긋남량 분을 보정하면서, 용접을 실행하면 된다. 어긋남량의 보정에는, 목표 위치 자체를 보정하는 수법과, 목표 위치에 대하여 어긋남량 분을 역산한 위치에 워크(25)를 세팅하는 수법이 있고, 어느 것이어도 된다. 이와 같이 어긋남량 분을 보정한 상태로 헤드 유닛(11)으로부터의 레이저 광의 조사를 행함으로써, 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)의 경계선의 개소에 정확하게 레이저 광을 맞힐 수 있다. 이에 의해 용접을 적절하게 행할 수 있다.

여기서, 피조사면(26)에 형성된 도 4와 같은 조사흔(31)을 동축 카메라(15)에 의해 관찰·촬상함에 있어서, 피조사면(26)의 원래의 평활성의 문제가 있다. 피조사면(26)의 평활성이 너무 높으면, 조사흔(31)이 형성되기 어려운 것이다. 평활한 면은 레이저 광의 반사율이 높기 때문에, 투입한 에너지 중 극히 일부분밖에 조사흔(31)의 형성에 기여하지 않기 때문이다. 이 때문에, 조사하는 레이저 광을 상당히 고에너지로 할 필요가 있다.

그 때문에, 조사흔(31)의 형성을 위한 레이저 광의 조사에 앞서, 피조사면(26)을 조면화하는 러프닝(roughening) 공정을 행하는 것이 바람직하다. 즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 피조사면(26)(상단(上段))을 먼저 조면화하여 거친 영역(8)으로 한다(중단(中段)). 이 거친 영역(8) 내에 조사흔(31)을 형성하는 것이다(하단(下段)). 이와 같이 러프닝 공정을 거침으로써, 조사하는 레이저 광을 특별히 고에너지의 것으로 하지 않고, 안정되게 조사흔(31)을 형성할 수 있다. 거친 영역(8)에서는 레이저 광의 반사율이 낮고, 투입한 에너지의 대부분이 유효하게 조사흔(31)의 형성에 기여하기 때문이다. 또, 거친 영역(8) 내에 조사흔(31)을 형성함으로써, 동축 카메라(15)에서의 관찰 화상에 있어서, 조사흔(31)의 내부와 외부의 경계선을 명료하게 인식하기 쉽다는 이점도 있다. 조사흔(31)의 내부와 외부에서 화상 상에서의 명도에 명확한 차이가 생기기 때문이다.

이 때문에, 러프닝 공정을 거치지 않고 조사흔(31)을 형성하는 경우와 비교하여 더 고정밀도로 각 스폿(32, 33)의 중심 위치를 결정할 수 있다. 또한, 거친 영역(8)은, 피조사면(26)의 전체에 형성할 필요는 없고, 패턴 형상의 조사흔(31)이 형성되는 영역 전체를 포함하는 영역에 형성하면 충분하다. 또한, 피조사면(26)이 원래 적당한 정도로 거친 면이 되어 있는 경우에는, 러프닝 공정을 거치지 않더라도 조사흔(31)이 충분히 명료하게 형성되는 경우가 있다.

조면화의 구체적 수법으로서는 예를 들면, 레이저 광선을 피조사면(26) 상에 주사하는 것을 들 수 있다. 레이저 포인터(27)의 레이저 빔을, 휘점 형성시보다 출력을 올린 상태로 사용해도 되고, 레이저 발진기(10)의 레이저 빔을, 용접시나 조사흔(31) 형성시보다 출력을 낮춘 상태로 사용해도 된다. 또는, 기계적인 연마나 화학적 에칭에 의해 조면화를 행해도 된다.

다음으로, 조면화의 효과에 대한 시험을 행하였으므로 그 결과를 설명한다. 도 7은, 다수의 조사흔(31)을 형성하였을 때의 형성 위치의 재현 정밀도를, 조면화 후의 거친 영역(8)의 표면 거칠기(Ra) 및 레이저 빔의 에너지 밀도마다 나타낸 것이다. 여기서 레이저 빔의 에너지 밀도란, 러프닝 공정에서 사용하는 레이저 빔에 대한 것이 아니라, 조사흔(31)의 형성을 위한 레이저 빔의 에너지 밀도이다. 도 7에서는, 횡축에 표면 거칠기(Ra)[㎛]를 잡고, 종축에 레이저 빔의 에너지 밀도[J/㎟]를 잡고 있다.

도 7 중에 플롯되는 각 도형은, 그 표면 거칠기 및 그 에너지 밀도에서의 조사흔(31)을 형성하였을 때의 형성 위치의 재현성의 정도를 나타내고 있다. 구체적으로는, 다수 형성한 조사흔(31)의 위치의 좌표값의 표준 편차에서 다음과 같이 랭크를 매기고 있다. 「○」…… 25 ㎛ 이하 「△」…… 25∼45 ㎛ 「×」……45 ㎛ 이상

도 7을 보면, 표면 거칠기가 큰 도면 중 오른쪽 부분에서는 에너지 밀도가 그다지 높지 않은 조건으로만 시험하고 있지만, 표면 거칠기가 작은 도면 중 왼쪽 부분에서는, 에너지 밀도가 낮은 조건부터 높은 조건까지에 걸쳐 시험하고 있다. 이것은 전술한 바와 같이, 조면에 대해서는 저에너지의 레이저 빔으로도 조사흔(31)이 형성되는 한편으로, 평활면에서는 고에너지의 레이저 빔이 아니면 명료한 조사흔(31)이 형성되기 어려운 것과 대응하고 있다.

도 7에서는 또한, 표면 거칠기(Ra)가 0.1∼0.3 ㎛의 범위 내에서, 「○」 또는 「△」만의 결과가 되어 있다. 특히, 표면 거칠기(Ra)가 0.2∼0.25 ㎛의 범위 내에서는, 「○」만의 결과가 되어 있다. 따라서 이들 범위가, 거친 영역(8)의 표면 거칠기(Ra)로서 추장되는 범위라고 하게 된다.

예를 들면, 표면 거칠기(Ra)가 0.25 ㎛이고 에너지 밀도가 약 250 J/㎟의 조건에서는, 도 4에 나타낸 바와 같은, 각 스폿을 명백하게 따로따로 인식할 수 있는 조사흔(31)이 형성되고, 각 스폿의 중심 위치의 편차는 25 ㎛ 이하였다. 또, 표면 거칠기(Ra)가 약 0.13 ㎛이고 에너지 밀도가 약 250 J/㎟의 조건에서는, 도 5에 나타낸 바와 같은 조사흔(31)이 형성되었다. 이 조사흔(31)에서는, 스폿끼리가 연결되어 있지만 일단 각 스폿의 중심 위치의 확정이 가능하여, 각 스폿의 중심 위치의 편차는 25∼45 ㎛의 범위 내였다. 표면 거칠기(Ra)가 약 0.13 ㎛의 조건에서도, 에너지 밀도를 약 500 J/㎟ 정도까지 올리면, 각 스폿의 중심 위치의 편차는 25 ㎛ 이하가 되었다.

한편, 표면 거칠기(Ra)가 약 0.3 ㎛를 초과하는 것과 같은 높은 조건에서는, 약 130 J/㎟ 정도라는 낮은 에너지 밀도에서도, 너무 녹기 때문에 만족한 조사흔(31)으로 되지는 않았다. 각 스폿의 위치를 육안으로 지정하더라도, 그 편차는 45 ㎛ 이상이 되었다. 단, 이와 같은 거칠기 조건에서도, 에너지 밀도를 더 낮추어 각 스폿의 위치의 편차를 45 ㎛ 이하로 하는 것은 가능하다.

또, 표면 거칠기(Ra)가 0.05 ㎛로 낮고 에너지 밀도가 약 250 J/㎟ 이하인 조건에서는, 용입 부족 때문에 만족스러운 조사흔(31)으로 되지는 않았다. 각 스폿의 위치를 육안으로 지정하더라도, 그 편차는 45 ㎛ 초과가 되었다. 단, 이와 같은 거칠기 조건에서도, 에너지 밀도를 약 500 J/㎟ 정도 이상으로 올리면, 각 스폿의 중심 위치의 편차는 45 ㎛ 이하가 되었다. 이 때문에, 거친 영역(8)의 표면 거칠기(Ra)가 전술의 추장되는 범위를 벗어나 있었다고 하더라도, 전혀 사용할 수 없는 것은 아니다.

상기의 것 때문에, 본 형태의 레이저 용접 장치(9)에 의한, 도 1의 전지(1)의 제조, 즉 용기 본체(2)와 덮개 부재(3)의 용접은, 도 8의 순서로 행해진다. 즉, 워크(25)(용기 본체(2) + 덮개 부재(3))를 피조사 위치에 세팅하고(S1), 우선은 러프닝 공정에 의해 거친 영역(8)을 형성한다(S2). 도 1에 나타낸 예에서는, 덮개 부재(3)의 상면으로서 용접흔(5)에 걸리지 않는 위치에 거친 영역(8)이 형성되어 있다. 실제로는 용접흔(5)보다 먼저 거친 영역(8)이 형성된다.

그리고, 거친 영역(8) 내에 패턴 형상의 조사흔(31)을 형성한다(S3). 도 1에서는 거기까지 세밀하게 그리고 있지는 않지만, 도 1에 나타낸 전지(1) 중의 거친 영역(8) 내에도 실제로는 조사흔(31)이 형성되어 있다. 그리고, 어긋남량의 결정을 행한다(S4). 어긋남량의 결정은 전술한 바와 같이, 동축 카메라(15)에 의한 조사흔(31)의 관찰·촬상, 조사흔(31)의 대표 위치의 결정, 대표 위치와 목표 위치(레이저 포인터(27)에 의한 휘점)와의 대비에 의한 어긋남량(벡터량)의 파악에 의해 행해진다. 그리고, 어긋남을 보정한 상태로 용접을 실행한다(S5). 이에 의해 용접흔(5)이 형성된다.

상기 도 8의 순서의 설명에서는, S2의 공정에서의 거친 영역(8)의 형성을, 덮개 부재(3)의 상면에 대하여 행하고 있다. 이것은, 패턴 형상의 조사흔(31)을 용접 대상 개소와 동일 높이의 개소에 형성한다는 것이다. 이 때문에, 조사 위치의 목표 위치로부터의 어긋남량이, 조사흔(31)의 형성시와 용접 실행시에서 거의 다르지 않다. 따라서, 어긋남의 보정 정밀도가 보다 높다. 또한, 덮개 부재(3)의 상면의 원래의 면 조도(粗度)에 따라서는, S2의 공정을 생략해도 된다.

또, 도 8의 순서 중의 S2∼S4의 부분은, 용접 대상의 개개의 전지(1)의 모두에 대하여 행해도 되고, 대표하는 개체에 대해서만 행해도 된다. 후자의 경우에는, 대표하는 개체에 대하여 취득한 어긋남량에 기초하여, 기타의 개체에 대해서도 마찬가지로 보정하면서 용접을 행하게 된다. 또한, 레이저 용접 장치(9)를 휴지 상태로부터 시동시킨 직후라든가, 기온, 기타의 환경 요인이 크게 변동된 후 등에는, 반드시 S2∼S4의 부분을 실행하는 편이 낫다. 어긋남량이 변동되어 있을 가능성이 있기 때문이다.

이상으로 상세하게 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 의하면, 레이저 용접 장치(9)에 의해 2개의 부재를 용접함에 있어서, 용접 위치, 즉 용접을 위한 레이저 광의 조사 위치의 목표 위치로부터의 어긋남을 보정하도록 하고 있다. 그 어긋남량의 파악을, 단독 스폿이 아니라 도 4에 나타낸 바와 같은 패턴 형상의 조사흔(31)을 형성함으로써 행하도록 하고 있다. 이에 의해, 단독 스폿에서 어긋남량을 파악하는 경우와 비교하여 보다 고정밀도로 어긋남량을 파악할 수 있다. 따라서, 목표로 하는 위치에 정확하게 레이저 광을 조사하여 적절한 용접을 할 수 있게 되어 있다.

또, 바람직하게는 조사흔(31)의 형성에 앞서, 피조사면(26)에 거친 영역(8)을 형성하는 것으로 하고 있다. 이 때문에 패턴 형상의 조사흔(31)은, 레이저 광의 반사율이 그다지 높지 않은 거친 영역(8) 내에 형성되게 된다. 따라서, 조사흔(31)의 형성을 위한 레이저 광을, 그다지 고에너지로 하지 않고, 적절하게 패턴 형상의 조사흔(31)을 형성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태는 단순한 예시에 불과하고, 본 발명을 하등 한정하는 것 은 아니다. 따라서, 본 발명은 당연히 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 개량, 변형이 가능하다.

예를 들면, 피조사면(26)에 용접 공정에 앞서 형성하는 조사흔(31)의 패턴은, 도 4 등에 나타낸 것에는 한정되지 않는다. 최저한, 다음의 2개의 조건을 만족시키는 패턴이면 된다. 즉, 모든 스폿이 일직선 상에 있지는 않은 것, 및, 각 스폿의 위치에 기초하는 어떠한 연산 처리에 의해 패턴 전체의 대표 위치를 산출할 수 있는 것,의 2개이다. 모든 스폿이 일직선 상에 있는 것과 같은 패턴이어서는, 대표 위치를 2차원의 좌표 위치로서 적절하게 정할 수 없으므로, 부적절하다. 도 4에 나타낸 직교 사방 형상의 패턴 이외에서는, 육방 형상이나 팔방 형상의 패턴이나, T자 형상이라든가 삼방 형상의 패턴을 생각할 수 있다.

또, 상기 실시 형태에서는, 레이저 발진기(10)로부터의 레이저 광을 복수 개의 레이저 광으로 분할하는 빔 분할부로서, 회절 광학 소자(17)를 이용하고 있다. 그러나, 빔 분할부로서 사용 가능한 것은, 회절 광학 소자(17)에는 한정되지 않는다. 회절 광학 소자(17) 이외의 빔 분할부로서는 예를 들면, 레이저 광의 조사 위치 자체를 기계적으로 주사하는 것을 생각할 수 있다. 기계적인 주사로서는, X-Y 스캐너 유닛(21)의 갈바노 미러(24)를 조작하는 것에 의해서도 되고, 워크(25) 그 자체를 이동시키는 것에 의해서도 된다. 양자를 병용해도 된다. 단, 이 방법에서는, 기계적 주사에 부수되는 오차 분, 스폿 위치의 재현성에서는 회절 광학 소자(17)의 경우보다 불리하다는 것은 부정할 수 없다.

빔 분할부의 또 다른 예로서는 복굴절 소자를 들 수 있다. 복굴절 소자는, 레이저 광의 광로에 대한 진퇴 이외에는 기계적인 움직임을 필요로 하지 않으므로, 상기의 기계적 오차가 없다는 점에서는 회절 광학 소자(17)에 가까운 성질을 갖는다. 단, 생성되는 패턴 중에 직접 레이저 광과 동일한 위치의 것을 당연히 포함한다는 것은 아니므로, 그 점에서는 회절 광학 소자(17)보다 불리하다. 또한, 회절 광학 소자와 복굴절 소자를 병용한 광학 소자를 이용할 수도 있다.

또, 상기 실시 형태에서 설명한 것은, 레이저 용접 장치(9)에 의한 용접에 대하여 구체화된 본 발명이다. 그러나, 레이저 발진기(10)로부터의 레이저 광에 의한 대상물의 가공은, 용접으로는 한정되지 않는다. 용접 이외의 레이저 가공으로서, 절단이나 표면 개질(대상물에 표면 피복층이 있는 경우의 그 제거를 포함함)을 들 수 있다. 그 경우에는 절단 개소, 개질 개소가 레이저 가공 개소라고 하게 된다. 또, 특히 표면 개질의 경우에는, 가공의 실행시에, 회절 광학 소자(17)(빔 분할부)를 사용하는 것과 사용하지 않는 것 모두 가능하다.

Claims (10)

1. 레이저 가공 개소를 갖는 레이저 가공품의 제조 방법에 있어서,
   레이저 발진부(10) 및 빔 분할부(17)를 이용하여 기준 조사면 상에 조사 패턴의 조사흔(31)을 형성하는 것 ― 상기 레이저 발진부(10)는 가공 대상물을 향하여 조사되는 레이저 광을 발사하고, 상기 빔 분할부(17)는, 상기 레이저 발진부(10)로부터의 레이저 광을 분할하여, 일직선 상에 없는 복수의 조사 스폿(32, 33)을 포함함과 함께, 대표 위치가, 상기 레이저 발진부(10)에 의한 레이저 광을 분할하지 않고 조사한 경우의 직접 조사 위치와 일치하는 조사 패턴을 상기 가공 대상물의 피조사면(26) 상에 형성함 ―,
   상기 레이저 발진부(10) 및 상기 빔 분할부(17)를 이용하여 형성된 상기 조사흔(31)의 화상을 촬상부(15)에 의해 취득하는 것 ― 상기 촬상부(15)는 상기 피조사면(26)에 있어서의 목표 위치를 포함하는 영역의 화상을 취득함 ―,
   상기 화상 상에서, 복수의 상기 조사 스폿(32,33)의 위치에 기초하여, 상기 조사 패턴의 대표 위치를 결정하는 것,
   상기 대표 위치와 상기 화상 상에서의 상기 목표 위치로부터의 어긋남량을 결정하는 것,
   상기 어긋남량에 기초하여 상기 레이저 발진부(10)로부터의 레이저 광의 상기 피조사면(26)으로의 조사 위치를 보정하면서, 상기 가공 대상물에 상기 레이저 발진부(10)에 의해 레이저 광을 조사하여 상기 레이저 가공 개소를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조사 패턴 중의 상기 조사 스폿(32, 33)에, 상기 직접 조사 위치가 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 대표 위치를 결정할 때, 복수의 상기 조사 스폿(32, 33) 중 2개 이상의 조사 스폿의 위치에 기초하여 제 1 대표선(A)을 결정하고, 복수의 상기 조사 스폿(32, 33) 중 다른 2개 이상의 조사 스폿의 위치에 기초하여, 상기 제 1 대표선(A)과는 비평행인 제 2 대표선(B)을 결정하고, 상기 제 1 대표선(A)과 상기 제 2 대표선(B)의 교점의 위치를 상기 대표 위치로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 빔 분할부(17)로서, 상기 레이저 발진부(10)로부터의 레이저 광을 회절시키는 회절 광학 소자(17)를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기준 조사면으로서, 상기 가공 대상물에 있어서의 가공 예정 개소를 포함하는 표면을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   조사흔(31)을 형성하는 것을, 상기 기준 조사면 내에 있어서의, 표면 거칠기가 미리 정해진 추장 범위 내인 거친 영역(8)에 대하여 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 추장되는 범위가 0.2∼0.25 ㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   조사흔(31)을 형성하는 것 전에, 상기 기준 조사면 내에, 상기 가공 대상물의 표면을 거칠게 하여 상기 거친 영역(8)을 형성하는 것을 더 포함하는 레이저 가공품의 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가공 대상물이 전지(1)의 제 1 외장 부재 및 제 2 외장 부재이며, 상기 레이저 가공품이, 상기 제 1 외장 부재(2)와 상기 제 2 외장 부재(3)를 레이저 가공에 의해 용접하여 이루어짐과 함께 내부에 발전 요소(4)를 내장하는 전지(1)인 것을 특징으로 하는 레이저 가공품의 제조 방법.
10. 레이저 가공 개소를 포함하는 레이저 가공품에 있어서,
    상기 레이저 가공 개소의 제 1 레이저 조사흔, 및,
    상기 제 1 레이저 조사흔 이외의 상기 레이저 가공품의 개소에 있는 제 2 레이저 조사흔(31) ― 상기 제 2 레이저 조사흔(31)은, 일직선 상에 없는 복수의 조사 스폿(32, 33)을 포함하는 조사 패턴임 ― 을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공품.

Images