(57)【要約】【課題】複数の波長帯を有するレーザを利用して焦点深度をより長くすること。【解決手段】複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系１６Ｂと、平行光学系１６Ｂを経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系１６Ｃと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系と、
前記平行光学系を経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記集光ガラスにフリントガラスを適用することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
少なくとも前記集光光学系を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
各波長帯のレーザの焦点深度の各外側端の範囲内に実焦点深度を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記実焦点深度のビーム径の範囲を２（Ｗ×√２）以下としたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、
前記平行光学系および前記集光光学系を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、
被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、
前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行うレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載のレーザ加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザを加工部に集光する集光光学系とを備え、集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光距離が互いに異なる位置に複数のレーザを集光することが示されている。すなわち、ファイバレーザによる光軸方向の集光位置がずれているために、実効的な焦点深度が長くなり、レーザによる加工可能範囲の増加を図る。
【０００３】
また、例えば、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、レーザ源で発生させたレーザを所望の焦点距離に集光させる集光光学系であって、球面収差を発生させるように構成されることが示されている。すなわち、球面収差により、これが焦点深度に影響を与え、集光スポットのサイズを小さくしたままで、長い焦点深度を得る。
【０００４】
上述した特許文献１に記載のレーザ加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置を備える。また、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、単一波長のレーザを球面収差により所望の焦点距離に集光させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９０９６５号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０６９０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、半導体レーザのように複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ発振器を適用する場合、特許文献１のように光軸方向の集光距離が互いに異なる位置に複数のレーザを集光すれば、焦点深度が長くなり、レーザによる加工可能範囲の増加、例えば厚さのある部材の穴開け、切断、溶接を行うことが可能である。しかし、特許文献１では、図に示すように集光光学系に比較的屈曲率の低いクラウンガラスが用いられているため、焦点深度を長くする効果は小さい。特許文献２は、単一波長のレーザを球面収差により所望の焦点距離に集光させるもので、複数の波長帯のレーザを利用するものではない。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するものであり、複数の波長帯を有するレーザを利用して焦点深度をより長くすることのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系と、前記平行光学系を経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このレーザ加工装置によれば、各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度をクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成でき、被加工部材に対する加工面の品質を向上することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工装置では、前記集光ガラスにフリントガラスを適用することを特徴とする。
【００１１】
このレーザ加工装置によれば、フリントガラスは、クラウンガラスよりも屈曲率の高い集光ガラスであり、上述したように各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度をクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成できるもので、被加工部材に対する加工面の品質を向上する効果を実現することができる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工装置では、少なくとも前記集光光学系を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする。
【００１３】
このレーザ加工装置によれば、レーザの発熱に対して光学系の耐久性を向上することができる。
【００１４】
また、本発明のレーザ加工装置では、各波長帯のレーザの焦点深度の各外側端の範囲内に実焦点深度を備えることを特徴とする。
【００１５】
このレーザ加工装置によれば、複数の波長帯のレーザの焦点深度を実焦点深度としてより長くすることができる。
【００１６】
また、本発明のレーザ加工装置では、前記実焦点深度のビーム径の範囲を２（Ｗ×√２）以下としたことを特徴とする。
【００１７】
このレーザ加工装置によれば、実焦点深度をレーザ加工で品質を担保できる範囲とすることができる。
【００１８】
また、本発明のレーザ加工装置では、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、前記平行光学系および前記集光光学系を有して各波長帯のレーザを照射する照射ヘッドと、被加工部材を支持する支持台と前記照射ヘッドとを相対移動させる移動機構と、前記移動機構による前記支持台と前記照射ヘッドとの相対移動、およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
このレーザ加工装置によれば、移動機構による支持台と照射ヘッドとの相対移動およびレーザ出力装置から出力するレーザの各種条件を調整することで、各波長帯のレーザの焦点深度を加えた実焦点深度を光軸方向でより長く形成して、被加工部材に対する加工面の品質を向上しつつ、レーザによる被加工部材の加工を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の波長帯を有するレーザを利用して焦点深度をより長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に表した概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図である。
【図３】図３は、焦点深度を模式的に表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、板状の被加工部材を加工する場合として説明するが、被加工部材の形状は特に限定されない。被加工部材の形状は、種々の形状とすることができる。また、本実施形態では、被加工部材に穴を形成する場合、被加工部材を直線上に切断する場合、または被加工部材を溶接する場合として説明するが、被加工部材上における加工位置、つまりレーザの照射位置を調整することで、穴や直線以外の形状、例えば、屈曲点を有する形状、湾曲した形状とすることもできる。また、本実施形態では、被加工部材を移動させることで、レーザと被加工部材とを相対的に移動させたが、レーザを移動させるようにしてもよく、レーザと被加工部材の両方を移動させてもよい。
【００２３】
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に表した概略構成図であり、図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置の照射ヘッドを模式的に表した概略構成図であり、図３は、焦点深度を模式的に表した説明図である。
【００２４】
レーザ加工装置１０は、図１に示すように、レーザ出力装置１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、移動機構１８と、支持台２０と、制御装置２２と、を有する。レーザ加工装置１０は、支持台２０に設置された被加工部材８にレーザＬを照射することで、被加工部材８を加工する。ここで、本実施形態において、レーザ加工装置１０は、被加工部材８の表面をＸＹ平面とし、被加工部材８の表面に直交する方向をＺ方向とする。
【００２５】
ここで、本実施形態の被加工部材８は、板状の部材である。被加工部材８としては、種々の材料、例えば、インコネル、ハステロイ、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラスなどで作成された部材を用いることができる。また、被加工部材８には、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）などの繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミニウム合金などの各種金属、その他複合材料などで作成された部材も用いることができる。また、溶接する際には、溶加材や粉末などを供給する機構を有してもよい。
【００２６】
レーザ出力装置１２は、レーザを出力する装置である。レーザ出力装置１２は、複数（本実施形態では２つ）の波長帯を有するレーザを発振する。このレーザ出力装置１２は、例えば、半導体レーザ発振器がある。
【００２７】
案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６に案内する光学系である。本実施形態の案内光学系１４は、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ出力装置１２のレーザの出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６に接続されている。案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６の入射端に向かって出力する。なお、案内光学系１４の構成はこれに限定されない。レーザ加工装置１０は、案内光学系１４としてミラーやレンズの組み合わせを用い、レーザを反射、集光などすることで、照射ヘッド１６に案内してもよい。または、レーザ出力装置１２から照射ヘッド１６に直接案内してもよい。
【００２８】
照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬを被加工部材８に照射する。照射ヘッド１６の詳細は後述する。
【００２９】
移動機構１８は、図１に示すように、アーム３０と、アーム３０を移動させる駆動源３２と、を有する。アーム３０は、先端で照射ヘッド１６を支持している。駆動源３２は、アーム３０をＸＹＺの３軸方向に移動させることができる。移動機構１８は、駆動源３２でアーム３０をＸＹＺ方向に移動させることで、被加工部材８の種々の位置に照射ヘッド１６からのレーザＬを照射することができる。また、移動機構１８は、照射ヘッド１６のＸＹＺ方向の位置を検出する位置検出器３４を有している。なお、本実施形態は、移動機構１８として、アーム３０と駆動源３２で照射ヘッド１６を移動させる機構としたが、ＸＹステージ、ＸＹＺステージなどで照射ヘッド１６を移動する機構も用いることができる。
【００３０】
支持台２０は、被加工部材８を所定位置に支持する。なお、レーザ加工装置１０は、支持台２０が、被加工部材８をＸＹ方向に移動させるＸＹステージとして構成されていてもよい。
【００３１】
制御装置２２は、各部の動作を制御する。制御装置２２は、レーザ出力装置１２から出力するレーザの各種条件を調整したり、移動機構１８で照射ヘッド１６を移動させ被加工部材８に対する照射ヘッド１６の位置を調整したりする。
【００３２】
このレーザ加工装置１０は、レーザ出力装置１２からレーザを出力させる。レーザ加工装置１０は、出力されたレーザＬを案内光学系１４で照射ヘッド１６に案内する。レーザ加工装置１０は、位置検出器３４で照射ヘッド１６のＸＹＺ方向の位置を検出しつつ移動機構１８により照射ヘッド１６を移動させる。これにより、レーザ加工装置１０は、被加工部材８を加工することができる。
【００３３】
以下、図２に基づいて照射ヘッド１６について説明する。照射ヘッド１６は、図２に示すように、上述した移動機構１８により支持されるケーシング１６Ａの内部に、案内光学系１４から入射されたレーザを平行光とする平行光学系１６Ｂと、平行光学系１６Ｂにより平行光とされたレーザを光軸Ｓ上に集光する集光光学系１６Ｃとが設けられている。なお、図２に示す平行光学系１６Ｂは、模式化したものであり、レンズ構成について限定されるものではない。
【００３４】
集光光学系１６Ｃは、平行光学系１６Ｂを経たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する。すなわち、集光光学系１６Ｃは、平行光学系１６Ｂにより平行光とされた各波長帯のレーザを、クラウンガラスよりも高い屈折率で屈折させることで光軸Ｓ上に集光するため、それぞれの波長帯のレーザＬ１，Ｌ２の焦点距離の差がクラウンガラスの場合よりも大きく、焦点位置Ｆ１，Ｆ２が光軸方向（光軸Ｓの延在方向に沿う方向）で大きく離れることになる。このため、各レーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２の位置がクラウンガラスの場合よりも光軸方向に大きく離れることになり、これらレーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２を加えた実焦点深度ＢＰがクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成される。
【００３５】
ここで、焦点深度Ｂについて図３に基づいて説明する。図３に示すように、入射ビーム径ＤのレーザＬが集光光学系１６Ｃにより集光され、最もビーム径が小さくなるのが焦点位置Ｆである。また、集光光学系１６Ｃから焦点位置Ｆまでの光軸方向の距離を焦点距離ｆという。この焦点位置Ｆにおけるビーム径の半分をビーム半径Ｗとする。そして、焦点位置Ｆを基準とした光軸方向の範囲において、ビーム径が２（Ｗ×√２）以下となる範囲が焦点深度Ｂである。焦点深度Ｂの範囲は、レーザ加工で品質を担保できる範囲であり、この焦点深度Ｂが被加工部材８の厚さに対して大きい程、加工面の品質が良好となる。なお、図３におけるレーザＬの光軸Ｓに対する角度θは、ビームの広がり角の半分であり、λ／πＷで表される。λはレーザの波長である。
【００３６】
すなわち、図２に示すように、各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２を加えた実焦点深度ＢＰがクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成されれば、被加工部材８に対する加工面の品質を向上することができる。なお、実焦点深度ＢＰは、図２に示すように、各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２の各内側端が重なり合っており、各焦点深度Ｂ１，Ｂ２の各外側端の範囲において、互いのレーザＬ１，Ｌ２のビーム径の影響により上述した２（Ｗ×√２）以下のビーム径となる範囲であり、各焦点深度Ｂ１，Ｂ２の外側端の範囲よりも小さい範囲となる。
【００３７】
このように、本実施形態のレーザ加工装置１０は、複数の波長帯を有するレーザを平行光とする平行光学系１６Ｂと、平行光学系１６Ｂを得たレーザを集光するようにクラウンガラスよりも屈折率の高い集光ガラスを有する集光光学系１６Ｃと、を備えることで、各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２を加えた実焦点深度ＢＰをクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成でき、被加工部材８に対する加工面の品質を向上することができる。
【００３８】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、集光光学系１６Ｃは、集光ガラスにフリントガラスが適用されていることが好ましい。フリントガラスは、クラウンガラスよりも屈曲率の高い集光ガラスであり、上述したように各波長帯のレーザＬ１，Ｌ２の焦点深度Ｂ１，Ｂ２を加えた実焦点深度ＢＰをクラウンガラスの場合よりも光軸方向で長く形成できるもので、被加工部材８に対する加工面の品質を向上する効果を実現することができる。
【００３９】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、少なくとも集光ガラスを冷却する冷却機構２４を備えることが好ましい。
【００４０】
冷却機構２４は、例えば、図２に示すような空冷機構であり、照射ヘッド１６のケーシング１６Ａに、ケーシング１６Ａの内外に通じる送気管２４Ａが形成されているとともに、同じくケーシング１６Ａの内外に通じる排気管２４Ｂが形成されている。そして、送気管２４Ａに送気ポンプ２４Ｃが設けられている。この冷却機構２４は、送気ポンプ２４Ｃにより送気管２４Ａを介してケーシング１６Ａの内部に冷却ガス（ドライエアもしくはドライ窒素）を供給し、ケーシング１６Ａの内部のガスを排気管２４Ｂから排出することで、ケーシング１６Ａの内部の光学系１６Ｂ，１６Ｃを冷却する。空冷ガスは、例えば、半導体製造で使用されるフィルターによりガス中の微小（ミクロンオーダー）な埃などを除いたあと、供給される。これは、微小な埃などがレンズに付着することでレンズがレーザ光により焼損することを防ぐためである。なお、図２には明示していないが、ケーシング１６Ａ内において、送気管２４Ａと排気管２４Ｂとの間に存在する光学系（図２では）平行光学系１６Ｂは、板状のレンズ支持板により外周部がケーシング１６Ａに対して支持されており、このレンジ支持板に通気孔を形成することで、送気管２４Ａと排気管２４Ｂとの間のケーシング１６Ａ内に空気を通過させることができる。これにより、空冷ガスは、図２に示すように、レンズ表面をなめるような経路で流すことができ、レンズを効率よく冷却することが可能となる。ここでは、空冷機構のみを記載しているが、水冷機構と空冷機構を併用することで、さらに効率良く冷却することが可能となる。
【００４１】
このような冷却機構２４を備えることで、レーザの発熱に対して光学系１６Ｂ，１６Ｃの耐久性を向上することができる。特に、集光光学系１６Ｃの集光ガラスに適用されるフリントガラスは耐熱性が悪い。このため、冷却機構２４を備えることで、フリントガラスの耐久性を向上し、装置の耐久性を向上し、加工時間を延長するとともに、加工精度を向上することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  レーザ加工装置
１６  照射ヘッド
１６Ａ  ケーシング
１６Ｃ  集光光学系
１６Ｂ  平行光学系
２４  冷却機構
【図１】
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【図２】
2015044224.tif 000004
【図３】
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