WO2010123068A1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
加工対象物の加工後の品質を確保する。 レーザ加工装置(10)は、レーザ光(L)を発振するレーザ発振器(18)と、レーザ光(L1)を、第一のレーザ光(L1)と第二のレーザ光(L2)に分割するビームスプリッタ(20)と、加工対象物(30)が切断されるように、第一のレーザ光(L1)を加工対象物(30)の一部に向けて出射する第一レンズ(22)と、加工対象物(30)が切断されることに伴って加工対象物(30)に形成されたバリ(32,34)が平滑化されるように、第二のレーザ光(L2)をバリ(32,34)に向けて出射する全反射鏡(24)、第二レンズ(26)、ガルバノミラー(28)と、を備えている。加工対象物(30)が切断されることに伴って加工対象物(30)にバリ(32,34)が形成されても、このバリ(32,34)を第二のレーザ光(L2)によって平滑化させることができるので、加工対象物(30)の加工後の品質を確保することができる。
Description
本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
従来、レーザ加工装置及びレーザ加工方法としては、次のものがある(例えば、非特許文献1~3参照)。すなわち、非特許文献1~3には、レーザ光を加工対象物に照射してこの加工対象物を切断加工する例が開示されている。
また、特許文献4には、二つのレーザ光で被加工物を加工するレーザ加工装置が開示されている。
International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Microprocessing Conference Page 320 of 430, LASER CUTTING FOR MEDICAL DEVICE(STENT) - YESTERDAY, TODAY AND TOMORROW International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Materials Processing Conference Page 582 of 909, FLEXIBLE 3-D - LASER CUTTING AND WELDING WITH THE COMBI-HEAD International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Materials Processing Conference Page 695 of 909, REMOTE-CUTTING-A SMART SOLUTION USING THE ADVANTAGES OF HIGH BRIGHTNESS LASERS 特開2008-114276号公報
特開2008-114458号公報
特開2005-231172号公報
特許第2604395号公報
特開2008-114276号公報
特開2006-297464号公報
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上述のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、加工対象物が切断加工されることに伴って加工対象物にバリが形成され、加工対象物の加工後の品質が低下するという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、加工対象物の加工後の品質を確保することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
また、上述のレーザ加工装置を用いて、薄板材を切断する場合には、加工後の表面粗さが小さいことが望まれる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、加工後の表面粗さを小さくすることができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、請求項1に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、を備えている。
このレーザ加工装置では、レーザ発振部からレーザ光が発振されると、このレーザ光が分光部によって第一のレーザ光と第二のレーザ光とに分割される。そして、第一出射部から出射された第一のレーザ光が加工対象物の一部に照射されることにより、加工対象物の一部が除去される。
ここで、このように、加工対象物の一部が除去されると、これに伴って加工対象物にバリが形成される。
ところが、このレーザ加工装置では、第二出射部から出射された第二のレーザ光がバリに照射されることにより、このバリが溶融される。
このように、このレーザ加工装置によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させることができるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。
請求項2に記載のレーザ加工装置は、請求項1に記載のレーザ加工装置において、前記分光部が前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように前記レーザ光を分割する構成とされている。
加工対象物の一部を除去するためには、第一のレーザ光の光量が多く必要であり、その一方で、バリを溶融させるためには、第二のレーザ光の光量は少なくて足りる。
この点、このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光の方が第二のレーザ光よりも光量が多いので、加工対象物の一部を除去しつつ、この加工対象物に形成されたバリを溶融させることができる(加工対象物の一部の除去と、バリの溶融とを両立させることができる)。
請求項3に記載のレーザ加工装置は、請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置において、前記第二出射部が前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて同一の前記第二のレーザ光を出射する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、これらのバリに同一の第二のレーザ光が照射されることにより、この各バリを溶融させることができる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射する構成に比して、装置の構成を簡素化することができる。
請求項4に記載のレーザ加工装置は、請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置において、前記第二出射部が前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて互いに異なる前記第二のレーザ光を出射する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光が複数に分割されて、この互いに異なる第二のレーザ光が各バリにそれぞれ照射されることにより、この各バリを溶融させることができる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割せずに、各バリに同一の第二のレーザ光を照射する構成に比して、各バリをより効果的に溶融させることができる。
また、前記課題を解決するために、請求項5に記載のレーザ加工方法は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。
このレーザ加工方法によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。
請求項6に記載のレーザ加工方法は、請求項5に記載のレーザ加工方法において、前記第一のレーザ光の方が前記第一のレーザ光よりも光量が多くなるように前記レーザ光を分割する方法である。
加工対象物の一部を除去するためには、第一のレーザ光の光量が多く必要であり、その一方で、バリを溶融させるためには、第二のレーザ光の光量は少なくて足りる。
この点、このレーザ加工方法によれば、第一のレーザ光の方が第二のレーザ光よりも光量が多いので、加工対象物の一部を除去しつつ、この加工対象物に形成されたバリを溶融させることができる(加工対象物の一部の除去と、バリの溶融とを両立させることができる)。
請求項7に記載のレーザ加工方法は、請求項5又は請求項6に記載のレーザ加工方法において、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに同一の前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。
このレーザ加工方法によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、これらのバリに同一の第二のレーザ光を照射することにより、この各バリを溶融させる。従って、例えば、例えば、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射する場合に比して、この方法に用いられるレーザ加工装置の構成を簡素化することができる。
請求項8に記載のレーザ加工方法は、請求項5又は請求項6に記載のレーザ加工方法において、前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに互いに異なる前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。
このレーザ加工方法によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射することにより、この各バリを溶融させる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割せずに、各バリに同一の第二のレーザ光を照射する場合に比して、各バリをより効果的に溶融させることができる。
また、前記課題を解決するために、請求項9に記載のレーザ加工装置は、100μm以下の厚さを有する薄板材を切断するためのレーザ加工装置であって、前記薄板材に第一のレーザ光を照射すると共に、前記第一のレーザ光に追従して前記第一のレーザ光よりもスポットサイズの大きい第二のレーザ光を前記薄板材に照射して前記薄板材を切断させるレーザ照射部を備えている。
このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光に追従して第一のレーザ光よりもスポットサイズの大きい第二のレーザ光を薄板材に照射するので、第一のレーザ光が薄板材に照射されることにより薄板材に形成されたバリを、この第二のレーザ光によって溶融させることができる。これにより、加工後の表面粗さを小さくすることができる。
請求項10に記載のレーザ加工装置は、請求項9に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ照射部が、互いに異なる波長の前記第一のレーザ光及び前記第二のレーザ光を前記薄板材に照射する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、互いに異なる波長の第一のレーザ光及び第二のレーザ光を薄板材に照射することにより、第一のレーザ光によって薄板材に酸化改質部を形成すると共に、この酸化改質部を第二のレーザ光によって除去しながら、薄板材を切断させることができる。これにより、加工後の表面粗さをより一層小さくすることができる。
請求項11に記載のレーザ加工装置は、請求項9又は請求項10に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ照射部が、パルス波又は連続波の前記第一のレーザ光及び前記第二のレーザ光を発振する単一の光源と、前記光源から発振された前記第一のレーザ光を前記薄板材に向けて出射する第一出射部と、前記光源から発振された前記第二のレーザ光を前記薄板材に向けて出射する第二出射部と、を有する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光及び第二のレーザ光を発振する単一の光源を用いるので、装置のコストを低減することができる。
また、光源が、パルス波の第一のレーザ光及び第二のレーザ光を発振する場合には、この第一のレーザ光及び第二のレーザ光のパルス間隔等を最適に調節すれば、所望の表面粗さを得ることができる。
一方、光源が、連続波の第一のレーザ光及び第二のレーザ光を発振する場合には、所望の表面粗さを連続的に得ることができる。
請求項12に記載のレーザ加工装置は、請求項9~請求項11のいずれか一項に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ照射部が、前記第一のレーザ光が前記薄板材に照射されることにより前記薄板材に形成されたバリが溶融されるように前記バリに前記第二のレーザ光を照射する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光が薄板材に照射されることにより薄板材に形成されたバリを第二のレーザ光によって溶融させることができる。
また、前記課題を解決するために、請求項13に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振する少なくとも一つ以上のレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振された少なくとも2つ以上のレーザ光を、加工対象物に追従して照射するレーザ照射部とを備えたレーザ加工装置であって、前記レーザ照射部は、最初に照射される第一レーザ光により前記加工対象物に酸化改質部を形成させ、前記酸化改質部を除去することにより前記加工対象物を切断させる構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、互いに異なる波長の第一のレーザ光及び第二のレーザ光を薄板材に照射することにより、第一のレーザ光によって薄板材に酸化改質部を形成すると共に、この酸化改質部を第二のレーザ光によって除去しながら、薄板材を切断させることができる。
請求項14に記載のレーザ加工装置は、請求項13に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ照射部が、最初に照射される第一レーザ光の波長と、2番目以降に照射されるレーザ光の波長とが異なるように構成されたものである。
請求項15に記載のレーザ加工装置は、請求項14に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ照射部が、前記第二のレーザ光よりも前記薄板材に対して熱吸収率の高い前記第一のレーザ光を前記薄板材に照射する構成とされている。
このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光によって薄板材に酸化改質部を形成することができる。
請求項16に記載のレーザ加工装置は、請求項13に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ発振部が、照射されるレーザ光の波長の種類と同数が設置された構成とされている。
請求項17に記載のレーザ加工装置は、請求項13に記載のレーザ加工装置において、前記加工対象物が、照射されるレーザ光の吸収率を高くするために温度制御される構成とされている。
請求項18に記載のレーザ加工装置は、請求項17に記載のレーザ加工装置において、前記加工対象物が、その材質により制御される温度が異なる構成とされている。
請求項19に記載のレーザ加工装置は、請求項13に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、複数のレーザ光に分割する分光部を備えている。
以上詳述したように、本発明によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。
また、以上詳述したように、本発明によれば、加工後の表面粗さを小さくすることができる。
[第一実施形態]
はじめに、図1,図2を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
はじめに、図1,図2を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
図1に示される本発明の第一実施形態に係るレーザ加工装置10は、金属やプラスチックにより構成された薄板状の加工対象物30を切断するためのものであり、スライド部12と、ガス噴射部14と、加工ヘッド部16とを備えている。
スライド部12は、加工対象物30を載置するための図示しないスライドテーブルを有しており、このスライドテーブルと共に加工対象物30をこの加工対象物30の平面方向(図1の紙面表裏方向であって図2の矢印H方向)に沿ってスライドさせる構成とされている。
ガス噴射部14は、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴン、空気などの高圧ガスGを加工対象物30の一部(後述する第一のレーザ光L1が照射される部分)に向けて噴射する構成とされている。
加工ヘッド部16は、レーザ発振部としてのレーザ発振器18と、分光部としてのビームスプリッタ20と、第一出射部としての第一レンズ22と、第二出射部としての全反射鏡24、第二レンズ26、及び、ガルバノミラー28と、を備えている。
レーザ発振器18は、レーザ光Lを発振する構成とされている。なお、レーザ光Lは、例えば、波長が266~1064nm、平均出力が40W、パルス幅が10nsec以下のパルス状、又は、波長が266~1064nm、平均出力が1kWの連続状とされる。
ビームスプリッタ20は、レーザ発振器18から発振されたレーザ光Lを、第一のレーザ光L1と、第二のレーザ光L2とに分割する構成とされている。また、このビームスプリッタ20は、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2よりも光量が多くなるように、レーザ光Lを分割する構成とされている。
第一レンズ22は、例えば、集光レンズとされており、第一のレーザ光L1を加工対象物30の一部に向けて出射する構成とされている。また、このレーザ加工装置10では、第一レンズ22から出射された第一のレーザ光L1によって加工対象物30の一部が溶融されるように、第一レンズ22の焦点位置等が設定されている。なお、第一のレーザ光L1の集光径は、例えば、φ50μm以下に設定されている。
全反射鏡24は、第二のレーザ光L2を第二レンズ26に向けて反射するように配置されている。第二レンズ26は、例えば、集光レンズとされており、全反射鏡24によって反射された第二のレーザ光L2をガルバノミラー28に向けて出射するように配置されている。ガルバノミラー28は、第二レンズ26から出射された第二のレーザ光L2を後述するバリ32,34に向けて反射するように配置されている。
また、このレーザ加工装置10では、ガルバノミラー28によって反射された第二のレーザ光L2が加工対象物30の表側と裏側にそれぞれ形成されたバリ32,34に一括して照射されるように、第二レンズ26の焦点位置や、ガルバノミラー28の反射角度等が設定されている。
さらに、このレーザ加工装置10では、図2に示されるように、第一のレーザ光L1の加工対象物30への照射位置の方が第二のレーザ光L2の加工対象物30への照射位置よりも加工対象物30の移動方向(矢印H方向)の手前側に位置されるように、ビームスプリッタ20、全反射鏡24、ガルバノミラー28の位置や反射角度等が設定されている。
次に、上記構成からなるレーザ加工装置10を用いたレーザ加工方法と併せて、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。
このレーザ加工装置10では、レーザ発振器18からレーザ光Lが発振されると、このレーザ光Lがビームスプリッタ20によって第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2とに分割される。また、このとき、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2よりも光量が多くなるように、ビームスプリッタ20によってレーザ光Lが分割される。
そして、このビームスプリッタ20から出射された第一のレーザ光L1が第一レンズ22を介して加工対象物30の一部に照射されることにより、加工対象物30の一部が溶融される。また、このときには、ガス噴射部14から高圧ガスGが加工対象物30の一部に向けて噴射され、これにより、加工対象物30の一部が吹き飛ばされて除去され、加工対象物30が切断される。
ここで、このように、加工対象物30が切断されると、これに伴って加工対象物30の表側と裏側にバリ32,34がそれぞれ形成される。例えば、加工対象物30が厚さ70μmの銅板である場合、バリ32,34の高さは約2μmである。
ところが、このレーザ加工装置10では、ビームスプリッタ20から出射された第二のレーザ光L2が全反射鏡24、第二レンズ26、及び、ガルバノミラー28を介してバリ32,34に照射されることにより、このバリ32,34が溶融されて平滑化される。
このように、このレーザ加工装置10によれば、加工対象物30が切断されることに伴って加工対象物30にバリ32,34が形成されても、このバリ32,34を第二のレーザ光L2によって平滑化させることができるので、加工対象物30の加工後の品質を確保することができる。
また、加工対象物30を切断するためには、第一のレーザ光L1の光量が多く必要であり、その一方で、バリ32,34を平滑化させるためには、第二のレーザ光L2の光量は少なくて足りる。
この点、このレーザ加工装置10によれば、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2よりも光量が多いので、加工対象物30を切断しつつ、この加工対象物30に形成されたバリ32,34を平滑化させることができる(加工対象物30の切断と、バリ32,34の平滑化とを両立させることができる)。
また、このレーザ加工装置10によれば、加工対象物30の表側と裏側にバリ32,34がそれぞれ形成された場合でも、これらのバリ32,34に同一の第二のレーザ光L2が照射されることにより、この各バリ32,34を平滑化させることができる。従って、例えば、例えば、第二のレーザ光L2を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光L2を各バリ32,34にそれぞれ照射する構成に比して、装置の構成を簡素化することができる。
そして、このレーザ加工装置10によれば、加工ヘッド部16が加工対象物30に対して相対移動されることにより、加工対象物30が一端から他端まで切断され、この加工対象物30を加工品36と屑片38とに分離させることができる。
次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。
本実施形態において、第二レンズ26は、集光レンズとされていたが、コリメータレンズとされていても良い。また、この第二レンズ26は、f-θレンズとされて、加工対象物30とガルバノミラー28との間に配置されていても良い。
また、本実施形態において、レーザ加工装置10は、第二のレーザ光L2によってバリ32,34を平滑化させる構成とされていたが、第二のレーザ光L2によってバリ32,34を溶融させると共に、この溶融されたバリ32,34をガス噴射部14の高圧ガスGで吹き飛ばして除去する構成とされていても良い。
また、本実施形態において、レーザ加工装置10は、加工対象物30を切断加工する構成とされていたが、加工対象物30に穴あけ加工を行う構成とされていても良い。
また、レーザ加工装置10が加工対象物30に穴あけ加工を行う場合、加工ヘッド部16は、加工対象物30に対して相対移動(レーザ走査)せずに加工対象物30を加工する構成とされていても良い。
また、この場合、第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2が互いに干渉しないように、第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2が互いに位相差を有するロングパルスのレーザ光とされていても良い。また、レーザ光Lがパルス状である場合、光ファイバ等を用いて第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2の各光路長を異ならせて、第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2と出射タイミングをずらしても良い。
また、本実施形態において、加工ヘッド部16は、第一出射部として第一レンズ22を備えると共に、第二出射部として全反射鏡24、第二レンズ26、及び、ガルバノミラー28を備えていたが、これらの代わりに、第一出射部及び第二出射部として複数の光ファイバを備えていても良い。
また、本実施形態においては、バリ32,34の大きさや位置等に応じて第二レンズ26が第二のレーザ光L2の光軸方向に移動され、バリ32,34に照射される第二のレーザ光L2の集光径が調節されても良い。
また、本実施形態においては、ビームスプリッタ20、第一レンズ22、全反射鏡24、第二レンズ26、ガルバノミラー28の配置が適宜変更されても良い。また、これにより、バリ32,34に照射される第二のレーザ光L2の集光径が調節されても良い。
[第二実施形態]
次に、図3,図4を参照しながら、本発明の第二実施形態について説明する。
次に、図3,図4を参照しながら、本発明の第二実施形態について説明する。
図3に示される本発明の第二実施形態に係るレーザ加工装置40は、加工対象物60にスリット66を形成するためのものであり、上述の本発明の第一実施形態に係るレーザ加工装置10に対し、加工ヘッド部16の構成が変更されている。
つまり、本発明の第二実施形態に係るレーザ加工装置40において、加工ヘッド部16は、レーザ発振器18と、ビームスプリッタ20と、第一レンズ22と、第二出射部としてのビームスプリッタ50、第二レンズ52、全反射鏡54,55、第二レンズ56、及び、ガルバノミラー58と、を備えている。
レーザ発振器18と、ビームスプリッタ20と、第一レンズ22とは、上述の本発明の第一実施形態における構成と同一である。
ビームスプリッタ50は、ビームスプリッタ20から出射された第二のレーザ光L2を、第二のレーザ光L2Aと、第二のレーザ光L2Bとに分割する構成とされている。また、このビームスプリッタ50は、一方の第二のレーザ光L2Aの光量と他方の第二のレーザ光L2Bの光量が等しくなるように、第二のレーザ光L2を分割する構成とされている。
第二レンズ52は、例えば、集光レンズとされており、ビームスプリッタ50から出射された第二のレーザ光L2Aを後述する加工対象物60の表側に形成されたバリ62A,62Bに向けて出射する構成とされている。全反射鏡54は、ビームスプリッタ50から出射された他方の第二のレーザ光L2Bを全反射鏡55に向けて反射するように配置されており、全反射鏡55は、全反射鏡54によって反射された第二のレーザ光L2Bを第二レンズ56に向けて反射するように配置されている。
第二レンズ56は、例えば、集光レンズとされており、全反射鏡55によって反射された第二のレーザ光L2Bをガルバノミラー58に向けて出射する構成とされている。ガルバノミラー58は、第二レンズ56から出射された第二のレーザ光L2Bを後述する加工対象物60の裏側に形成されたバリ64A,64Bに向けて反射するように配置されている。
また、このレーザ加工装置40では、第二レンズ52から出射された第二のレーザ光L2Aが加工対象物60の表側に形成されたバリ62A,62Bに照射されるように、第二レンズ52の焦点位置やビームスプリッタ50の反射角度等が設定されている。
同様に、このレーザ加工装置40では、ガルバノミラー58によって反射された第二のレーザ光L2Bが加工対象物60の裏側に形成されたバリ64A,64Bに照射されるように、第二レンズ56の焦点位置やガルバノミラー58の反射角度等が設定されている。
さらに、このレーザ加工装置40では、図4に示されるように、第一のレーザ光L1の加工対象物60への照射位置の方が第二のレーザ光L2A,L2Bの加工対象物60への照射位置よりも加工対象物60の移動方向(矢印H方向)の手前側に位置されるように、ビームスプリッタ50、全反射鏡54,55、ガルバノミラー58の位置や反射角度等が設定されている。
次に、上記構成からなるレーザ加工装置40を用いたレーザ加工方法と併せて、本発明の第二実施形態の作用及び効果について説明する。
このレーザ加工装置40では、レーザ発振器18からレーザ光Lが発振されると、このレーザ光Lがビームスプリッタ20によって第一のレーザ光L1と第二のレーザ光L2とに分割される。また、このとき、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2よりも光量が多くなるように、ビームスプリッタ20によってレーザ光Lが分割される。
そして、このビームスプリッタ50から出射された第一のレーザ光L1が第一レンズ22を介して加工対象物60の一部に照射されることにより、加工対象物60の一部が溶融される。また、このときには、ガス噴射部14から高圧ガスGが加工対象物60の一部に向けて噴射され、これにより、加工対象物60の一部が吹き飛ばされて除去され、加工対象物60に板厚方向に貫通するスリット66が形成される。
ここで、このように、加工対象物60にスリット66が形成されると、これに伴って加工対象物60の表側におけるスリット66の両側にバリ62A,62Bが形成されると共に、加工対象物60の裏側におけるスリット66の両側にバリ64A,64Bが形成される。
ところが、このレーザ加工装置40では、ビームスプリッタ20から出射された第二のレーザ光L2がビームスプリッタ50によって第二のレーザ光L2Aと第二のレーザ光L2Bに分割される。そして、ビームスプリッタ50から出射された第二のレーザ光L2Aが第二レンズ52を介してバリ62A,62Bに照射されることにより、このバリ62A,62Bが溶融されて平滑化される。
同様に、ビームスプリッタ50から出射された第二のレーザ光L2Bが全反射鏡54,55、第二レンズ56、及び、ガルバノミラー58を介して64A,64Bに照射されることにより、このバリ64A,64Bが溶融されて平滑化される。
このように、このレーザ加工装置40によれば、加工対象物60にスリット66が形成されることに伴って加工対象物60にバリ62A,62B,64A,64Bが形成されても、このバリ62A,62B,64A,64Bを第二のレーザ光L2A,L2Bによって平滑化させることができるので、加工対象物60の加工後の品質を確保することができる。
また、加工対象物60にスリット66を形成するためには、第一のレーザ光L1の光量が多く必要であり、その一方で、バリ62A,62B,64A,64Bを平滑化させるためには、第二のレーザ光L2A,L2Bの光量は少なくて足りる。
この点、このレーザ加工装置40によれば、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2A,L2Bよりも光量が多いので、加工対象物60にスリット66を形成しつつ、この加工対象物60に形成されたバリ62A,62B,64A,64Bを平滑化させることができる(スリット66の形成と、バリ62A,62B,64A,64Bの平滑化とを両立させることができる)。
また、このレーザ加工装置40によれば、加工対象物60の表側と裏側にバリ62A,62B,64A,64Bがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光L2が第二のレーザ光L2A,L2Bに分割されて、この互いに異なる第二のレーザ光L2A,L2Bがバリ62A,62B,64A,64Bにそれぞれ照射されることにより、このバリ62A,62B,64A,64Bを平滑化させることができる。
従って、例えば、第二のレーザ光L2を複数に分割せずに、各バリ62A,62B,64A,64Bに同一の第二のレーザ光L2を照射する構成に比して、各バリ62A,62B,64A,64Bをより効果的に溶融させることができる。
そして、このレーザ加工装置40によれば、加工ヘッド部16が加工対象物60に対して相対移動されることにより、この加工対象物60にスリット66を形成することができる。
次に、本発明の第二実施形態の変形例について説明する。
本実施形態において、レーザ加工装置40は、第二のレーザ光L2A,L2Bによってバリ62A,62B,64A,64Bを平滑化させる構成とされていたが、第二のレーザ光L2A,L2Bによってバリ62A,62B,64A,64Bを溶融させると共に、この溶融されたバリ62A,62B,64A,64Bをガス噴射部14の高圧ガスGで吹き飛ばして除去する構成とされていても良い。
また、本実施形態において、レーザ加工装置40は、加工対象物60にスリット66を形成する構成とされていたが、上述の本発明の第一実施形態における変形例と同様に、加工対象物60に穴あけ加工を行う構成とされていても良い。
また、本実施形態において、加工ヘッド部16は、第一出射部として第一レンズ22を備えると共に、第二出射部としてビームスプリッタ50、第二レンズ52、全反射鏡54,55、第二レンズ56、及び、ガルバノミラー58を備えていたが、これらの代わりに、第一出射部及び第二出射部として複数の光ファイバを備えていても良い。
また、本実施形態においては、バリ62A,62B,64A,64Bの大きさや位置等に応じて第二レンズ52,56が第二のレーザ光L2A,L2Bの光軸方向にそれぞれ移動され、バリ62A,62B,64A,64Bに照射される第二のレーザ光L2A,L2Bの集光径が調節されても良い。
また、本実施形態においては、ビームスプリッタ20、第一レンズ22、ビームスプリッタ50、第二レンズ52、全反射鏡54,55、第二レンズ56、及び、ガルバノミラー58の配置が適宜変更されても良い。また、これにより、バリ62A,62B,64A,64Bに照射される第二のレーザ光L2A,L2Bの集光径が調節されても良い。
[第三実施形態]
図5に示される本発明の第三実施形態に係るレーザ加工装置110は、100μm以下の厚さを有する薄板材150を切断するために好適に用いられるものであって、光源112と、ビームスプリッタ114と、全反射鏡116と、第一レンズ118、第二レンズ120と、第一ローラ機構122と、第二ローラ機構124と、ガス噴出部126とを備えている。
光源112は、パルス波又は連続波の第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を含むレーザ光Lを発振する構成とされている。なお、ここでは、一例として、第一のレーザ光L1は、波長が532nmの緑色のレーザ光とされており、第二のレーザ光L2は、波長が1064nmの赤色のレーザ光とされている。
ビームスプリッタ114は、第一のレーザ光L1を第一レンズ118に向けて反射すると共に第二のレーザ光L2を透過する構成とされており、全反射鏡116は、ビームスプリッタ114を透過した第二のレーザ光L2を第二レンズ120に向けて反射するように配置されている。
第一レンズ118は、ビームスプリッタ114で反射された第一のレーザ光L1を薄板材150に照射するように配置されており、第二レンズ120は、全反射鏡116で反射された第二のレーザ光L2を薄板材150に照射するように配置されている。
また、このレーザ加工装置110では、後述する第一ローラ機構122及び第二ローラ機構124によって矢印Aで示される方向に薄板材150が巻き取られるようになっており、上述の第二レンズ120から出射された第二のレーザ光L2は、第一のレーザ光L1よりも薄板材150の巻取方向の先側に照射されるようになっている。つまり、このレーザ加工装置110では、第一のレーザ光L1に追従して第二のレーザ光L2が薄板材150に照射されるようになっている。
さらに、第一レンズ118は、その光軸方向が薄板材150の法線方向と一致するように配置されており、第二レンズ120は、その光軸方向が薄板材150の法線方向に対して傾斜するように配置されている。そして、これにより、図6に示されるように、第一のレーザ光L1は、薄板材150の表面に真円状に照射され、第二のレーザ光L2は、薄板材150の表面に楕円状に照射されるようになっている。
また、上述のように、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2は、それぞれ波長が532nmの緑色のレーザ光、波長が1064nmの赤色のレーザ光とされており、第一レンズ118及び第二レンズ120の焦点が合った状態において、第二のレーザ光L2のスポットサイズは、第一のレーザ光L1のスポットサイズよりも大きくなっている。なお、図6の矢印Bは、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2の薄板材150に対する相対移動方向を示している。
また、本実施形態において、薄板材150は、銅製とされており、緑色のレーザ光である第一のレーザ光L1は、赤色のレーザ光である第二のレーザ光L2よりも薄板材150に対して熱吸収率が高くなっている(図7参照)。なお、図8は、CO2レーザの場合の材料毎の吸収率と温度との関係が示されている。
図5に示されるように、第一ローラ機構122は、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2によってその長手方向に沿って切断された薄板材150のうち、第一薄板材150-1を巻き取る構成とされており、第二ローラ機構124は、第二薄板材150-2を巻き取る構成とされている。
ガス噴射部は、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2が照射される薄板材150の照射部分に向けて、例えば、酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素等のガスを噴射する構成とされている。
なお、本実施形態において、光源112、ビームスプリッタ114、全反射鏡116、第一レンズ118、第二レンズ120は、本発明におけるレーザ照射部に相当する。また、ビームスプリッタ114、第一レンズ118は、本発明における第一出射部に相当し、全反射鏡116、第二レンズ120は、本発明における第二出射部に相当する。
また、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2の出力等は、後述する切断方法を実現できるように、最適な値に設定されている。
次に、上述のレーザ加工装置110を用いて薄板材150を切断する方法について説明する。
このレーザ加工装置110では、ボビン152に巻かれた薄板材150を第一ローラ機構122及び第二ローラ機構124によって巻き取りながら、この薄板材150に第一のレーザ光L1が照射されると共に、この第一のレーザ光L1に追従して第二のレーザ光L2が薄板材150に照射される。なお、このときの条件は、図10,図11の通りである。
なお、実際の切断では、スポット径がレンズ系で初めから決まっていても加工の速度によって形成される切断幅が異なる。それは光と材料の相互の作用によって決まるためである。すなわち、材料の熱反応だからである。そのため、ある板厚に最適なスポット径を定めるのは実験で確かめる以外には難しい。また、高速に切断できる状態では、溝内のガスの流れが最大になる。すなわち、高速で切断できる最適な切断時はガス流れはもっとも早い。スポット径から求めるのは、実際に材料反応で異なるので、ある速度で得られると想定される溝幅から、ガスが高速に流れる条件を図に示したのが図11である。板厚を変化させた場合、板厚1.2mmでは切断幅が170μm付近で流入速度が最大となり、板厚2.3mmでは切断幅が240μm付近で最大となり、板厚3.2mmでは切断幅が320μm付近で最大となる。このように、板厚が増すと、溝内で最大となるガス流入速度は切断溝幅が広い方へシフトする。また、板厚が増すとガス流入速度と質量流量は全体的に低下する。板厚が増すとす切断溝幅が広くなることは実加工の結果と同じである。
ここで、第一のレーザ光L1が薄板材150に照射されると、薄板材150に酸化改質部150Aが形成される(図7参照)。また、第二のレーザ光L2が酸化改質部150Aに照射されると、この酸化改質部150Aが除去される。そして、このレーザ加工装置110では、このようにして、酸化改質部150Aが除去されながら、薄板材150が切断される。
また、このとき、第一のレーザ光L1が薄板材150に照射されることにより薄板材150にバリが形成されるが、このバリには、第二のレーザ光L2が照射されるので、このバリは溶融して小さくなる。
以上の要領で、このレーザ加工装置110では、薄板材150が切断される。
次に、本発明の第三実施形態の作用及び効果について説明する。
このレーザ加工装置110によれば、第一のレーザ光L1に追従して第一のレーザ光L1よりもスポットサイズの大きい第二のレーザ光L2を薄板材150に照射するので、第一のレーザ光L1が薄板材150に照射されることにより薄板材150に形成されたバリを、この第二のレーザ光L2によって溶融させることができる。これにより、加工後の表面粗さを小さくすることができる。
また、互いに異なる波長の第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を薄板材150に照射することにより、第一のレーザ光L1によって薄板材150に酸化改質部150Aを形成すると共に、この酸化改質部150Aを第二のレーザ光L2によって除去しながら、薄板材150を切断させることができる。これにより、加工後の表面粗さをより一層小さくすることができる。
さらに、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を発振する単一の光源112を用いるので、装置のコストを低減することができる。
なお、光源112が、パルス波の第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を発振する場合には、この第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2のパルス間隔等を最適に調節すれば、所望の表面粗さを得ることができる。
一方、光源112が、連続波の第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を発振する場合には、所望の表面粗さを連続的に得ることができる。
なお、このときに行った検証実験は、図12に示す通りである。
次に、本発明の第三実施形態の変形例について説明する。
上記実施形態において、レーザ加工装置110は、銅製の薄板材150を切断するのに用いられていたが、その他の金属やセラミックス等の薄板材150を切断するのに用いられても良い。
また、光源112は、第一のレーザ光L1として、波長が532nmの緑色のレーザ光と、第二のレーザ光L2として、波長が1064nmの赤色のレーザ光とを含むレーザ光を発振する構成とされていたが、第一のレーザ光L1の方が第二のレーザ光L2よりも薄板材150に対して熱吸収率が高く、且つ、スポットサイズが大きければ、第一レーザ光及び第二レーザ光として、その他の組み合わせを含むレーザ光を発振する構成とされていても良い。
また、レーザ加工装置110は、第一のレーザ光L1及び第二のレーザ光L2を薄板材150に照射する構成とされていたが、三以上のレーザ光を薄板材150に照射する構成とされていても良い。
また、レーザ加工装置110としては、図12に示されるように、図示しないピエゾ素子で微調整可能な曲率可変ミラー160,162と、ビーム分岐ミラー164を備えたものが用いられても良い。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
Claims (19)
- レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、
加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、
前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、
を備えたレーザ加工装置。 - 前記分光部は、前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する、
請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記第二出射部は、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて同一の前記第二のレーザ光を出射する、
請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 前記第二出射部は、前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて互いに異なる前記第二のレーザ光を出射する、
請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置。 - レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させるレーザ加工方法。
- 前記第一のレーザ光の方が前記第一のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する、
請求項5に記載のレーザ加工方法。 - 前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに同一の前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる、
請求項5又は請求項6に記載のレーザ加工方法。 - 前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに互いに異なる前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる、
請求項5又は請求項6に記載のレーザ加工方法。 - 100μm以下の厚さを有する薄板材を切断するためのレーザ加工装置であって、
前記薄板材に第一のレーザ光を照射すると共に、前記第一のレーザ光に追従して前記第一のレーザ光よりもスポットサイズの大きい第二のレーザ光を前記薄板材に照射して前記薄板材を切断させるレーザ照射部を備えたレーザ加工装置。 - 前記レーザ照射部は、互いに異なる波長の前記第一のレーザ光及び前記第二のレーザ光を前記薄板材に照射する、
請求項9に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ照射部は、パルス波又は連続波の前記第一のレーザ光及び前記第二のレーザ光を発振する単一の光源と、
前記光源から発振された前記第一のレーザ光を前記薄板材に向けて出射する第一出射部と、
前記光源から発振された前記第二のレーザ光を前記薄板材に向けて出射する第二出射部と、
を有する、
請求項9又は請求項11に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ照射部は、前記第一のレーザ光が前記薄板材に照射されることにより前記薄板材に形成されたバリが溶融されるように前記バリに前記第二のレーザ光を照射する、
請求項9~請求項11のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - レーザ光を発振する少なくとも一つ以上のレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振された少なくとも2つ以上のレーザ光を、加工対象物に追従して照射するレーザ照射部とを備えたレーザ加工装置であって、
前記レーザ照射部は、最初に照射される第一レーザ光により前記加工対象物に酸化改質部を形成させ、前記酸化改質部を除去することにより前記加工対象物を切断させる、
レーザ加工装置。 - 前記レーザ照射部は、最初に照射される第一レーザ光の波長と、2番目以降に照射されるレーザ光の波長とが異なるように構成されている、
請求項13に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ照射部は、前記加工対象物に最初に照射される第一レーザ光が、2番目以降に照射されるレーザ光よりも吸収率が高い波長とされている、
請求項14に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ発振部は、照射されるレーザ光の波長の種類と同数が設置されている、
請求項14に記載のレーザ加工装置。 - 前記加工対象物は、照射されるレーザ光の吸収率を高くするために温度制御される、
請求項13に記載のレーザ加工装置。 - 前記加工対象物は、その材質により制御される温度が異なる、
請求項17に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、複数のレーザ光に分割する分光部を備えた、
請求項13に記載のレーザ加工装置。
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