WO2018211691A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

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laser
laser beam
processing apparatus
processing
oscillator
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芳晴 黒崎
恭平 石川
山本　達也
政之 佐伯
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三菱電機株式会社
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus for processing a composite material or the like.
  • the galvano scanner In order to laser process difficult-to-process materials such as CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) and semiconductor thin films, the galvano scanner is scanned multiple times in consideration of the thermal effects of the processed materials. It is necessary to scan and process.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • Conventional laser processing equipment has a workstation that holds a composite material containing a reinforcing fiber as a base material, and can cut a primary laser oscillator that emits a primary laser beam capable of cutting the reinforcing fiber and a base material of the composite material
  • the secondary laser oscillator emits a secondary laser beam, and when the primary laser beam is irradiated, the primary laser beam is irradiated while moving within the width of the cutting main part under high speed conditions.
  • a processing method is disclosed in which a secondary laser beam irradiates a portion irradiated with a primary laser beam during irradiation.
  • the conventional laser processing apparatus is configured as described above, and there is a problem that the configuration becomes complicated because processing of a composite material including a reinforcing fiber as a base material is performed using two laser oscillators.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a laser processing apparatus that processes a composite material with a single laser oscillator.
  • the laser oscillator the laser beam branching means for branching the optical path of the laser beam emitted from the laser oscillator, and the laser beam installed in one of the optical paths branched by the laser beam branching means
  • a laser beam shaping means for shaping the beam shape, and irradiates the workpiece with the laser beam.
  • the optical path of the laser beam emitted from one laser oscillator can be branched, and the shape of the beam passing through one optical path can be shaped.
  • a laser processing apparatus that processes to quality is obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser machining apparatus showing Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser beam 50 emitted from the laser oscillator 1 passes through the acousto-optic element 2 when the RF (Radio Frequency) signal applied to the acousto-optic element 2 that is the laser beam branching means is off, and the laser beam coupling means The light is deflected by a certain polarizing element 5. Further, the laser beam 50 is deflected by the galvano scanner 6 that is a scanning mechanism, condensed by the condenser lens 7, and then irradiated onto the workpiece 60.
  • the laser oscillator 1, the acoustooptic device 2, and the galvano scanner 6 are controlled by a controller 8.
  • the laser beam 50 When the RF signal applied to the acoustooptic device 2 is on, the laser beam 50 is deflected by the acoustooptic device 2 and passes through a laser beam shaper 3 composed of a plurality of optical systems as laser beam shaping means, Reflected by the mirror 4. Further, the laser beam 50 is returned to the same optical path as the laser beam 50 when the RF signal is OFF by the polarizing element 5, deflected by the galvano scanner 6, condensed by the condenser lens 7, and then irradiated onto the workpiece 60. .
  • the laser beam shaper 3 may be provided with a mechanism having a function of changing the polarization. For example, a half-wave plate or a quarter-wave plate The polarization may be changed by a reflection optical system.
  • the mirror 4 is a plane mirror, but the mirror 4 may have a curvature, and the mirror 4 may be a variable curvature mirror having a variable curvature. Further, a curvature may be provided on the end surface of the acoustooptic device 2 so that the laser beam profile can be changed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the acoustooptic device showing Embodiment 1 of the present invention.
  • an ultrasonic wave which is an RF signal output from the RF driver 9
  • a piezo transducer called a transducer constituting the acoustooptic device 2 generates a dense wave in the crystal.
  • a diffraction grating is generated, and a dense wave propagates in the crystal.
  • the laser beam 50 enters the diffraction grating, the laser beam 50 is diffracted in a specific direction.
  • the diffraction angle ⁇ B at which the laser beam 50 is diffracted is expressed by the following formula (1).
  • Equation (1) ⁇ is the wavelength of the laser beam 50, and fRF is the frequency of the RF signal. v is the speed of sound in the crystal constituting the acoustooptic device 2. From equation (1), the diffraction angle ⁇ B is determined by changing the RF signal fRF.
  • the diffraction efficiency ⁇ of the acoustooptic device 2 is expressed by the following formula (2).
  • Equation (2) P is the RF power of the RF driver 9 that applies the RF signal to the acoustooptic device 2, and Psat is the RF power when the diffraction efficiency ⁇ is maximized.
  • the laser beam 50 that passes straight through the acoustooptic element 2 and is diffracted by the acoustooptic element 2. It is also possible to perform processing by irradiating the workpiece 60 with the laser beam 50 simultaneously.
  • FIG. 3 is a diagram showing a laser beam profile for irradiating the workpiece showing Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser beam profile I (x) shown in FIG. 3 is assumed to hold the following formula (4) together with the Gaussian profile Ig (x) represented by the following formula (3).
  • I0 is the on-axis intensity
  • ⁇ is the beam diameter at which the intensity drops to 1 / e2 times the on-axis intensity.
  • t is a beam diameter in which the intensity of the laser beam 50 is equal to the processing threshold value of the workpiece 60.
  • the equation itself is defined by the output intensity.
  • the laser oscillator 1 is a pulse laser
  • the equation itself may be defined by the pulse energy intensity.
  • the equation itself may be defined by the accumulated energy intensity that overlaps.
  • FIG. 4 is a diagram showing a laser beam irradiation method for irradiating the workpiece according to the first embodiment of the present invention.
  • the laser beam profile of the laser beam 50 can be changed and processed for each number of scans or for each laser pulse as shown in FIG.
  • the laser oscillator 1 is a pulse laser
  • the laser beam profile can be switched for each pulse when the on / off switching speed of the RF signal applied to the acoustooptic device 2 is faster than the repetition frequency of the laser pulse. is there.
  • the laser oscillator 1 is a CW laser that oscillates continuously, the laser beam profile can be switched during scanning.
  • the output intensity exists even in a region where the intensity of the laser beam 50 is larger than the beam diameter t equal to the processing threshold of the workpiece 60.
  • the work 60 has a thermal effect that exceeds the beam diameter t, and the processing quality deteriorates. For this reason, the processing speed is maintained by increasing the scanning speed of the galvano scanner 6 and reducing the heat input at a time.
  • the laser beam profile I has a small output intensity and an output intensity that is equal to or less than the processing threshold, but has an output intensity that is large within the beam diameter t and greater than the processing threshold.
  • the processing with the Gaussian beam having the Gaussian profile Ig (x) may have higher processing efficiency than the processing with the beam profile I (x) shaped by the beam shaper 3. .
  • the laser processing apparatus uses a single laser oscillator and switches the optical path in time to irradiate the workpiece with a laser beam having a different beam profile.
  • the composite material can be processed with high efficiency and high quality with one laser oscillator, and both productivity and processing quality can be achieved. If only the productivity is important, the processing may be performed using only the Gaussian profile Ig (x). If only the processing quality is important, the processing is performed using only the beam profile I (x) in the beam shaper 3. You may do it.
  • the condensing lens 7 shown in FIG. 1 only needs to be able to condense the laser beam 50, and may be one lens or a combination of a plurality of lenses. Further, an f ⁇ lens that maintains a relationship in which the scanning position of the condensing lens 7 becomes f ⁇ , where f is the focal length of the condensing lens 7 and ⁇ is the deflection angle of the galvano scanner 6 may be used.
  • FIG. 1 shows the case of processing a linear shape
  • the entrance pupil position of the condenser lens 7 may be arranged at an intermediate point of the galvano scanner 6.
  • the galvano scanner 6 only needs to be able to deflect the laser beam 50.
  • an acoustooptic deflector 31 composed of an acoustooptic element using the acoustooptic effect of light is used.
  • the same effect can be obtained.
  • the same effect can be obtained by using an electric modulation deflector composed of an electro-optic element using the electro-optic effect of light instead of the galvano scanner 6.
  • the laser beam shaper 3 and the condenser lens 7 are used among the elements constituting the laser processing apparatus.
  • the element which does not have a control mechanism was mixed was demonstrated, combining the component which has an operation control mechanism, and the component which only has a drive mechanism and the controller 8 controls operation
  • the condensing lens 7 may have a movable mechanism, and may be configured to change the position where the laser beam 50 is incident in accordance with a signal from the controller 8.
  • the galvano scanner 6 that is a laser beam deflector may have a mechanism for deflecting the laser beam 50 and may be configured to deflect the laser beam 50 in accordance with a signal from the controller 8.
  • a part of the elements constituting the laser processing apparatus may have a mechanism for controlling the operation, and the remaining elements may have only the driving mechanism, and the operation may be controlled by the controller 8. .
  • the laser oscillator 1 may be a CO 2 laser having an oscillation wavelength of 10.6 ⁇ m, a fiber laser having an oscillation wavelength of 1.06 ⁇ m, a disk laser having a oscillation wavelength of 1.03 ⁇ m, or a solid-state laser having oscillation wavelengths of 532 nm, 355 nm, and 266 nm. good.
  • the pulse width is preferably 1 ps to 1 ⁇ s in full width at half maximum.
  • the workpiece 60 is preferably a composite material such as CFRP, GFRP (Glass Fiber ReinForced Plastics), AFRP (Aramid Fiber ReinForced Plastics), a semiconductor thin film, glass, or the like.
  • FIG. 6 is a block diagram of a laser processing apparatus showing Embodiment 2 of the present invention.
  • a wedge prism 21 is disposed between the laser oscillator 1 and the laser beam shaper 3 or between the laser oscillator 1 and the polarizing element 5.
  • the deflection angle ⁇ of the laser beam 50 is expressed by the following formula (5).
  • the motion stage 10 When the motion stage 10 is attached to the wedge prism 21 and the laser beam profile at the irradiation position of the laser beam 50 on the workpiece 60 is converted into the beam profile I (x) shaped by the beam shaper 3, the machining is performed.
  • the moving stage 10 is operated to arrange the wedge prism 21 on the optical path of the laser beam 50.
  • the motion stage 10 when processing the laser beam profile of the laser beam 50 oscillated from the laser oscillator 1 with the Gaussian profile Ig (x) as it is, the motion stage 10 is operated and the wedge prism is moved from the optical path of the laser beam 50. 21 is excluded.
  • the laser beam 50 passes through the wedge prism 21, the laser beam 50 is deflected.
  • the laser beam 50 can be branched and processing can be performed using the laser beam profile shaped by the laser beam shaper 3 every number of scans.
  • the laser processing apparatus uses a single laser oscillator, switches the optical path in time, and irradiates the workpiece with laser beams having different beam profiles.
  • the composite material can be processed with high efficiency and high quality with one laser oscillator, and both productivity and processing quality can be achieved.
  • FIG. 7 is a block diagram of a laser machining apparatus showing Embodiment 3 of the present invention.
  • the laser beam 50 emitted from the laser oscillator 1 passes through the acoustooptic device 2, is reflected by the mirror 4, is deflected by the wedge prism 11 which is a laser beam deflector, and is a condensing lens. 7, the work 60 is irradiated.
  • the entrance pupil position of the condenser lens 7 is set on the wedge prism 11. By rotating the wedge prism 11 on a plane perpendicular to the optical axis of the condenser lens 7, the laser beam 50 can be deflected in the scanning direction of the laser beam 50.
  • the laser beam 50 can be deflected by passing through the acoustooptic device 2, the laser beam 50 can be branched and processed using the laser beam profile shaped by the laser beam shaper 3 every number of scans. Can be done.
  • the laser processing apparatus uses a single laser oscillator, switches the optical path in time, and irradiates the workpiece with laser beams having different beam profiles.
  • the composite material can be processed with high efficiency and high quality with one laser oscillator, and both productivity and processing quality can be achieved.
  • FIG. 8 is a block diagram of a laser machining apparatus showing Embodiment 4 of the present invention.
  • the laser oscillator 20 is a Q switch pulse CO2 laser.
  • the Q-switched pulse CO2 laser can change the pulse waveform of the laser pulse, and the machining state changes by changing the pulse waveform.
  • a Q-switched pulse CO2 laser is used for the laser oscillator 20
  • the pulse width is increased, the pulse energy increases, so that the processing efficiency advances.
  • the processing quality improves by reducing the pulse width.
  • the Q switch method of the Q switch pulse CO2 laser may be a Q switch method using an acousto-optic element or a Q switch method using an electro-optic element.
  • the wavelength of the Q switch pulse CO2 laser is 9 ⁇ m to 11 ⁇ m.
  • the laser beam 51 emitted from the laser oscillator 20 is branched by the acoustooptic device 2 which is a beam branching device.
  • the acoustooptic device 2 which is a beam branching device.
  • processing with higher processing quality is performed compared to processing performed with a Gaussian beam having a Gaussian profile Ig (x). Is possible.
  • the processing efficiency is improved by performing processing by setting the pulse width of the laser beam 51 emitted from the laser oscillator 20 to a long laser pulse.
  • the laser processing apparatus uses a single laser oscillator and switches the optical path with time to irradiate the workpiece with laser beams having different beam profiles.
  • the composite material can be processed with high efficiency and high quality with one laser oscillator, and both productivity and processing quality can be achieved.

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Abstract

従来のレーザ加工装置の問題点であった、２台のレーザ発振器を用いて強化繊維を母材に含む複合材料の加工を行うため、構成が複雑になるという点を解消し、レーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム５０の光路を分岐するレーザビーム分岐手段２と、レーザビーム分岐手段２によって分岐された一方の光路に設置されたレーザビーム５０のビーム形状を整形するレーザビーム整形手段３と、で構成され、レーザビーム５０をワーク６０に照射する。

Description

レーザ加工装置
この発明は、複合材料等を加工するレーザ加工装置に関する。
ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　ＲｅｉｎＦｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材料や、半導体薄膜等、難加工材をレーザ加工するためには、加工材料の熱影響を考慮して、ガルバノスキャナで走査を行い、レーザビームを複数回走査させて加工を行う必要がある。
従来のレーザ加工装置は、例えば強化繊維を母材に含む複合材料を保持するワークステーションを備え、強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを出射する一次レーザ発振器と、複合材料の母材を裁断可能な二次レーザビームを出射する二次レーザ発振器で構成されており、一次レーザビームの照射時には、一次レーザビームが高速条件で裁断要部の幅内で移動しながら照射し、二次レーザビームの照射時には、一次レーザビームが照射された部位を、二次レーザビームが照射する加工方法が開示されている。
特開２０１５－１５７３１２号公報（第１６頁、第１図）
従来のレーザ加工装置は以上のように構成されており、２台のレーザ発振器を用いて強化繊維を母材に含む複合材料の加工を行うため、構成が複雑になるという問題点がある。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、１台のレーザ発振器で複合材料を加工するレーザ加工装置を得ることを目的とする。
この発明に係るレーザ加工装置においては、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザビームの光路を分岐するレーザビーム分岐手段と、レーザビーム分岐手段によって分岐された一方の光路に設置されたレーザビームのビーム形状を整形するレーザビーム整形手段と、で構成され、レーザビームをワークに照射する。
を有する。
この発明は、１台のレーザ発振器から出射されるレーザビームの光路を分岐して、一方の光路を通るビームの形状を整形可能としたので、１台のレーザ発振器で複合材料を高効率かつ高品質に加工するレーザ加工装置が得られる。
この発明の実施例１を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施例１を示す音響光学素子の断面図である。 この発明の実施例１を示すワークに照射するレーザビームプロファイルを示す図である。 この発明の実施例１を示すワークに照射するレーザビームの照射方法を示す図である。 この発明の実施例１を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施例２を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施例３を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施例４を示すレーザ加工装置の構成図である。
実施例１．
図１は、この発明の実施例１を示すレーザ加工装置の構成図である。レーザ発振器１から出射されたレーザビーム５０は、レーザビーム分岐手段である音響光学素子２に印加されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号がオフの場合、音響光学素子２を通過し、レーザビーム結合手段である偏光素子５によって偏向される。さらに、レーザビーム５０は、走査機構であるガルバノスキャナ６によって偏向され、集光レンズ７によって集光された後、ワーク６０に照射される。レーザ発振器１と音響光学素子２とガルバノスキャナ６は制御器８によって制御される。
音響光学素子２に印加されるＲＦ信号がオンの場合、レーザビーム５０は音響光学素子２によって偏向され、レーザビーム整形手段である複数の光学系で構成されるレーザビーム整形器３を通過し、ミラー４によって反射される。さらに、レーザビーム５０は偏光素子５によってＲＦ信号がオフ時のレーザビーム５０と同じ光路に戻され、ガルバノスキャナ６によって偏向され、集光レンズ７によって集光された後、ワーク６０に照射される。レーザビーム５０は偏光素子５に所望の偏光で入射するために、レーザビーム整形器３に偏光を変更させる機能を有する機構を設けても良く、例えば、１／２波長板、１／４波長板を設けても良いし、反射光学系によって偏光を変更させても良い。
図１では、ミラー４は平面ミラーとしているが、ミラー４は曲率を有していても良く、また、ミラー４は曲率可変の曲率可変ミラーでも良い。また、音響光学素子２の端面に曲率を設けてレーザビームプロファイルを変化できるようにしても良い。
図２は、この発明の実施例１を示す音響光学素子の断面図である。音響光学素子２を構成する結晶にＲＦドライバ９から出力されるＲＦ信号である超音波を加えると、音響光学素子２を構成するトランスデュ－サと呼ばれるピエゾ変換子が結晶内に粗密波の回析格子を生成し、粗密波が結晶内を伝搬する。この回折格子にレーザビーム５０が入射すると、レーザビーム５０は特定方向に回折する。レーザビーム５０が回折する回折角θＢは、下記式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
式（１）において、λはレーザビーム５０の波長であり、ｆＲＦはＲＦ信号の周波数である。ｖは音響光学素子２を構成する結晶内での音速である。式（１）より、ＲＦ信号ｆＲＦを変化させることによって、回折角θＢが決定される。
また、音響光学素子２の回折効率ηは、下記式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
式（２）において、Ｐは音響光学素子２にＲＦ信号を印加するＲＦドライバ９のＲＦパワー、Ｐｓａｔは回折効率ηが最大になるときのＲＦパワーである。
このように、式（１）と式（２）によって、音響光学素子２を用いてレーザビーム５０を所望の角度と効率で回折、すなわち特定方向に偏向することが可能であり、従って、レーザビーム５０を２つに分岐することが可能となる。レーザビーム５０がワーク６０を走査する回数毎に、音響光学素子２に印加するＲＦ信号のオンとオフを切り替えることで、レーザビーム５０がレーザビーム整形器３を通過する場合の光路と通過しない場合の光路に切り替えることが可能となり、その結果、ワーク６０の照射位置におけるレーザビーム５０のビームプロファイルを切り替えて加工を行うことが可能となる。
また、ＲＦドライバ９のＲＦパワーＰをＰｓａｔよりも小さくして回折効率ηを低い値に設定することにより、音響光学素子２を直進して通過するレーザビーム５０と、音響光学素子２によって回折されるレーザビーム５０を同時にワーク６０に照射して加工を行うことも可能である。
図３は、この発明の実施例１を示すワークに照射するレーザビームプロファイルを示す図である。図３に示すレーザビームプロファイルＩ（ｘ）は、下記式（３）で表されるガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）と共に、下記式（４）が成り立つものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
式（３）において、Ｉ０は軸上強度、ωは強度が軸上強度の1／ｅ２倍に低下するビーム径である。式（４）において、ｔはレーザビーム５０の強度がワーク６０の加工閾値に等しいビーム径である。式(４)においては、式自体を出力強度で定義したが、レーザ発振器１がパルスレーザの場合は、式自体をパルスエネルギー強度で定義しても良い。また、レーザパルスがオーバラップする場合は、式自体をオーバラップした積算エネルギー強度で定義しても良い。
図４は、この発明の実施例１を示すワークに照射するレーザビームの照射方法を示す図である。音響光学素子２とレーザビーム整形器３を用いて、図４に示すように走査回数毎、あるいはレーザパルス毎にレーザビーム５０のレーザビームプロファイルを変更し、加工することが可能であり、また、レーザ発振器１がパルスレーザである場合は、音響光学素子２に印加するＲＦ信号のオンとオフの切り替え速度がレーザパルスの繰り返し周波数より速い場合、１パルス毎でレーザビームプロファイルを切り替えることが可能である。また、レーザ発振器１が連続発振をするＣＷレーザである場合は、走査中にレーザビームプロファイルを切り替えることが可能である。
式（３）に示すガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）を有するガウシアンビームで加工を行う場合、レーザビーム５０の強度がワーク６０の加工閾値に等しいビーム径ｔよりも大きい領域においても出力強度が存在するので、ワーク６０にはビーム径ｔを超えて熱影響が拡大してしまい、加工品質が悪化してしまう。そのため、ガルバノスキャナ６の走査速度を速くして、一度に入熱するエネルギーを小さくすることによって、加工品質を保つ。
しかし、ワーク６０に入熱するエネルギーが小さいと、ワーク６０の種類によってはレーザビーム５０の吸収量が低下してしまい、加工することが困難な場合がある。そのために、ビーム径ｔよりも大きい領域において、出力強度が小さくかつ加工閾値以下の出力強度を有するが、ビーム径ｔ以内では出力強度が大きくかつ加工閾値よりも大きい出力強度を有するレーザビームプロファイルＩ（ｘ）で加工することによって、熱影響層を小さくして加工を行うことが可能であり、加工品質を高めることができ、かつガルバノスキャナ６の走査速度が加工効率の良い速度で加工をすることができる。
一方、生産性という観点でみた場合、ガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）を有するガウシアンビームによる加工の方が、ビーム整形器３で整形したビームプロファイルＩ（ｘ）による加工よりも加工効率が高い場合がある。その場合、ガウシアンビームによる加工を行い、加工品質を保つことが可能である。このように、この発明の実施例１を示すレーザ加工装置は、１台のレーザ発振器を用い、時間的に光路を切り替えてビームプロファイルの異なるレーザビームをワークに照射するので、レーザ加工装置の構成が簡素化されると共に、１台のレーザ発振器で複合材料を高効率かつ高品質に加工可能であり、生産性と加工品質を両立することができる。また、生産性のみを重視する場合は、ガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）のみで加工しても良いし、加工品質のみを重視する場合は、ビーム整形器３でのビームプロファイルＩ（ｘ）のみで加工しても良い。
図１に示す集光レンズ７は、レーザビーム５０を集光できれば良く、１枚のレンズあるいは複数枚のレンズを組み合わせたものでも良い。また、集光レンズ７の焦点距離をｆとし、ガルバノスキャナ６の偏向角をθとすると、集光レンズ７の走査位置がｆθとなる関係を維持するようなｆθレンズを用いても良い。
図１では直線形状の加工を行う場合について示したが、２次元形状を加工する際には、ガルバノスキャナ６をもう１軸追加する必要がある。その場合、集光レンズ７の入射瞳位置は、ガルバノスキャナ６の中間地点に配置しても良い。
ガルバノスキャナ６は、レーザビーム５０を偏向できれば良く、例えば、図５に示すように、ガルバノスキャナ６の代わりに、光の音響光学効果を利用した音響光学素子から成る音響光学偏向器３１を用いても同様の効果が得られる。さらには、ガルバノスキャナ６の代わりに、光の電気光学効果を利用した電気光学素子から成る電気変調偏向器を用いても同様の効果が得られる。
この発明の実施例１では、レーザ加工装置を構成する要素の中に、レーザ発振器１や音響光学素子２やガルバノスキャナ６といった制御機構を有する要素と、レーザビーム整形器３や集光レンズ７といった制御機構を有さない要素が混在している場合について説明したが、動作制御機構を有する構成要素と、駆動機構のみを有し制御器８が駆動機構の動作を制御する構成要素とを組み合わせても良い。
例えば、集光レンズ７は移動可能な機構を有し、制御器８からの信号に応じてレーザビーム５０が入射する位置を変更するように構成しても良い。また、レーザビーム偏向器であるガルバノスキャナ６は、レーザビーム５０を偏向する機構を有し、制御器８からの信号に応じてレーザビーム５０を偏向するように構成しても良い。さらに、レーザ加工装置を構成する要素のうちの一部が動作を制御する機構を有し、残りの要素が駆動機構のみを有し、制御器８によって動作を制御されるよう構成しても良い。
レーザ発振器１は、発振波長が１０．６μｍであるＣＯ２レーザでも良いし、発振波長が１．０６μｍのファイバーレーザや、１．０３μｍのディスクレーザ、あるいは発振波長が５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍの固体レーザでも良い。また、レーザ発振器１がパルスレーザである場合は、パルス幅は半値全幅で１ｐｓ～１μｓであることが望ましい。
ワーク６０は、ＣＦＲＰやＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ　Ｆｉｂｅｒ　ＲｅｉｎＦｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や、ＡＦＲＰ（Ａｒａｍｉｄ　Ｆｉｂｅｒ　ＲｅｉｎＦｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材料、半導体薄膜、ガラス等が望ましい。
実施例２．
図６は、この発明の実施例２を示すレーザ加工装置の構成図である。この発明の実施例２では、レーザ発振器１とレーザビーム整形器３、あるいはレーザ発振器１と偏光素子５の間にウェッジプリズム２１を配置する。ウェッジプリズム２１のレーザビーム５０の波長に対する屈折率をｎとし、ウェッジプリズム２１のウェッジ角をαとすると、レーザビーム５０の偏向角δは、下記式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
ウェッジプリズム２１に運動ステージ１０を取り付け、ワーク６０上におけるレーザビーム５０の照射位置でのレーザビームプロファイルを、ビーム整形器３で整形したビームプロファイルＩ（ｘ）に変換して加工を行う際は、運動ステージ１０を動作させて、レーザビーム５０の光路上にウェッジプリズム２１を配置する。一方、レーザ発振器１から発振されたレーザビーム５０のレーザビームプロファイルを、ガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）のままで加工を行う場合は、運動ステージ１０を動作させて、レーザビーム５０の光路上からウェッジプリズム２１を除外する。レーザビーム５０がウェッジプリズム２１を通過することにより、レーザビーム５０が偏向される。これにより、レーザビーム５０を分岐することが可能であり、走査回数毎にレーザビーム整形器３によって整形されたレーザビームプロファイルを用いて加工を行うことが可能となる。
このように、この発明の実施例２を示すレーザ加工装置は、１台のレーザ発振器を用い、時間的に光路を切り替えてビームプロファイルの異なるレーザビームをワークに照射するので、レーザ加工装置の構成が簡素化されると共に、１台のレーザ発振器で複合材料を高効率かつ高品質に加工可能であり、生産性と加工品質を両立することができる。
実施例３．
図７は、この発明の実施例３を示すレーザ加工装置の構成図である。この発明の実施例３では、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム５０は、音響光学素子２を通過し、ミラー４によって反射され、レーザビーム偏向器であるウェッジプリズム１１により偏向され、集光レンズ７によって集光された後、ワーク６０に照射される。集光レンズ７の入射瞳位置はウェッジプリズム１１上に設定する。集光レンズ７の光軸に垂直な平面上でウェッジプリズム１１を回転動作させることにより、レーザビーム５０をレーザビーム５０の走査方向に偏向させることができる。
レーザビーム５０は音響光学素子２を通過することにより偏向可能になるので、レーザビーム５０を分岐することができ、走査回数毎にレーザビーム整形器３によって整形されたレーザビームプロファイルを用いて加工を行うことが可能となる。
このように、この発明の実施例３を示すレーザ加工装置は、１台のレーザ発振器を用い、時間的に光路を切り替えてビームプロファイルの異なるレーザビームをワークに照射するので、レーザ加工装置の構成が簡素化されると共に、１台のレーザ発振器で複合材料を高効率かつ高品質に加工可能であり、生産性と加工品質を両立することができる。
実施例４．
図８は、この発明の実施例４を示すレーザ加工装置の構成図である。レーザ発振器２０は、ＱスイッチパルスＣＯ２レーザである。ＱスイッチパルスＣＯ２レーザは、レーザパルスのパルス波形を変化させることが可能であり、パルス波形を変化させることによって加工状態が変化する。レーザ発振器２０にＱスイッチパルスＣＯ２レーザを用いた場合、パルス幅を長くするとパルスエネルギーが大きくなるため加工効率が進み、一方、パルス幅を短くすることで加工品質が改善する。
ＱスイッチパルスＣＯ２レーザのＱスイッチ方式は、音響光学素子を用いたＱスイッチ方式でも良いし、電気光学素子を用いたＱスイッチ方式でも良い。ＱスイッチパルスＣＯ２レーザの波長は、９μｍ～１１μｍである。
レーザ発振器２０から出射されたレーザビーム５１は、ビーム分岐器である音響光学素子２によって分岐される。ビーム整形器３によってビームプロファイルが整形されたビームプロファイルＩ（ｘ）をワーク６０に照射することで、ガウシアンプロファイルＩｇ（ｘ）を有するガウシアンビームで行う加工と比較して、高い加工品質での加工を行うことが可能とある。また、レーザ発振器２０から出射されるレーザビーム５１のパルス幅を長いレーザパルスにして加工を行うことで、加工効率が進む。
このように、この発明の実施例４を示すレーザ加工装置は、１台のレーザ発振器を用い、時間的に光路を切り替えてビームプロファイルの異なるレーザビームをワークに照射するので、レーザ加工装置の構成が簡素化されると共に、１台のレーザ発振器で複合材料を高効率かつ高品質に加工可能であり、生産性と加工品質を両立することができる。
１、２０　レーザ発振器、２　音響光学素子、３　レーザビーム整形器、４　ミラー、５　偏光素子、６　ガルバノスキャナ、７　集光レンズ、８　制御器、９　ＲＦドライバ、１０　運動ステージ、１１、２１　ウェッジプリズム、３１　音響光学偏向器、５０、５１　レーザビーム、６０　ワーク。

Claims (9)

  1. レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されたレーザビームの光路を分岐するレーザビーム分岐手段と、該レーザビーム分岐手段によって分岐された一方の光路に設置された前記レーザビームのビーム形状を整形するレーザビーム整形手段と、で構成され、前記レーザビームをワークに照射することを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 前記レーザビーム分岐手段によって分岐された前記レーザビームは光路に設置されたレーザビーム結合手段によって結合されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記レーザビームは光路に設置された走査機構によって前記ワークを走査することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記走査機構はガルバノスキャナであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
  5. 前記走査機構は音響光学素子であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
  6. 前記走査機構はウェッジプリズムであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
  7. 前記レーザビーム分岐手段は音響光学素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
  8. 前記レーザビーム分岐手段はウェッジプリズムであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
  9. 前記レーザ発振器はＱスイッチパルスＣＯ２レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
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