(57)【要約】【解決手段】  レーザ加工装置は、被加工物２に向けて噴射ノズルから液体を液柱Ｗにして噴射するとともに、該液柱を導光路として該液柱内にレーザ光Ｌを導入して上記被加工物に照射し、被加工物に所要の加工を施すようになっている。上記レーザ光Ｌの光軸は、噴射ノズルの中心線Ｏからノズル直径の１／５〜１／１０の範囲Ｄ内でずらして設定されている。【効果】  レーザ光Ｌの光軸を上述した範囲Ｄ内でずらして設定することにより、レーザ光のエネルギー損失を可及的に防止しながら、液柱内で均質な強度分布が得られる。これにより、被加工物に溝を形成する作業や被加工物に被覆された皮膜を除去するような作業を効率的に行うことができる。【選択図】  図７
2009119480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に向けて噴射ノズルから液体を液柱にして噴射するとともに、該液柱を導光路として該液柱内にレーザ光を導入して上記被加工物に照射し、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法において、
上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらして設定したことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
噴射ノズルから液体を液柱にして噴射する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を導光路としての上記液柱内に案内する光学案内手段とを備え、上記噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すレーザ加工装置において、
上記光学案内手段は、上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらして設定してあることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工方法とその装置に関し、より詳しくは、噴射ノズルから被加工物に向けて液柱を噴射するとともに、該液柱を導光路としてこれを通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置として、噴射ノズルから液体を液柱にして噴射する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を導光路としての上記液柱内に案内する光学案内手段とを備え、上記噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたものが知られている（特許文献１、特許文献２）。
そして従来のレーザ加工装置においては、上記噴射ノズルの中心線すなわち該噴射ノズルから噴射される液柱の軸心と、該液柱を通過するレーザ光の光軸とを一致させるようにしている。つまり、液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させることによって、液体流内から外部へのレーザ光の漏れ量を最も少なくしてエネルギーの損失を抑えるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−２８８４７２号公報
【特許文献２】特開２００６−２５５７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図８に示すように、液柱Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とを一致させた場合には、エネルギーの損失を最少とすることができるが、そのときの液柱Ｗ内におけるレーザ光Ｌの強度分布は、中心部が強く、周辺部が弱い山形の強度分布となる。
このような強度分布は、レーザ光Ｌの強度分布におけるピークが大きくなるので、被加工物２の切断加工には好適となるが、被加工物２に溝を形成する場合や被加工物２に被覆された図示しない皮膜を除去するような加工には不向きであった。
本発明はそのような事情に鑑み、エネルギーの損失を可及的に防止しつつ、液柱内で均質な強度分布が得られるようにすることにより、被加工物に溝を形成する場合や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工に好適なレーザ加工方法とその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
すなわち請求項１の加工方法は、被加工物に向けて噴射ノズルから液体を液柱にして噴射するとともに、該液柱を導光路として該液柱内にレーザ光を導入して上記被加工物に照射し、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法において、
上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらして設定したことを特徴とするものである。
また請求項２の加工装置は、噴射ノズルから液体を液柱にして噴射する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を導光路としての上記液柱内に案内する光学案内手段とを備え、上記噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すレーザ加工装置において、
上記光学案内手段は、上記レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらして設定してあることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、レーザ光の光軸を、噴射ノズルの中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらして設定してあるので、後に詳述するようにレーザ光のエネルギー損失を可及的に防止することができ、しかも液柱内で均質な強度分布が得られるようになるので、被加工物に溝を形成する加工や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工を効率的に行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、レーザ加工装置１は液体の噴射により形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２に所要の加工を施すことができるようになっている。
上記レーザ加工装置１は、上記被加工物２を支持する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、水等の液体を供給する液体供給手段としての高圧ポンプ５と、被加工物２に向けて液体を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備えている。
上記加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明をしないが、上記被加工物２を加工ヘッド６に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド６は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動するようにされている。
本実施例では、上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザであり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。
さらに、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ２レーザ等を用いることも可能であるが、ＣＯ２レーザのように照射されるレーザ光Ｌが水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド６より噴射される液体をレーザ光Ｌが吸収されないような液体にすればよい。
【０００７】
次に上記加工ヘッド６について説明すると、加工ヘッド６は図示しない昇降手段に固定された平板状のフレーム１１と、上記レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２と、上記高圧ポンプ５より供給された液体を液柱Ｗにして噴射するとともに、当該液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光する噴射ノズル１３と、上記集光レンズ１２と噴射ノズル１３の相対位置や角度を調整する光学案内手段１４とを備えている。
なお図１では、説明のため図示下方側（後述する第６プレート４１より下方）の断面図は、図２におけるＩ−Ｉの断面で切断した断面図となっている。
上記フレーム１１はレーザ発振器４によって発振されるレーザ光Ｌの光軸上に設けられており、レーザ光Ｌの光軸が通過する位置には円形の貫通孔１１ａが形成されている。
上記集光レンズ１２はレーザ光Ｌの光軸上に配置され、円筒状のレンズホルダ２１の下端に保持されるとともに、このレンズホルダ２１は略十字型（図２参照）の取付ステー２２を介してフレーム１１の下面に固定されている。
なお、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩの断面で切断した断面図となっているが、説明のため、下記第２保持円筒２８ｂについては表示を省略している。
また上記噴射ノズル１３もレーザ光Ｌの光軸上に配置されており、この噴射ノズル１３は円筒状のノズルホルダ２３の下端に保持されると共に、当該ノズルホルダ２３は上記光学案内手段１４によって移動されるようになっている。
【０００８】
図３は上記噴射ノズル１３およびノズルホルダ２３の拡大図を示し、上記ノズルホルダ２３には被加工物２側から順に、小径部２３ａ、中径部２３ｂ、大径部２３ｃが形成され、上記噴射ノズル１３は上記小径部２３ａの下端にリング状の保持部材２４を用いて固定されている。
上記噴射ノズル１３はステンレス製で、噴射ノズル１３の中央には噴射孔１３ａが形成され、該噴射孔１３ａには、被加工物２に向けて縮径する第１傾斜面１３ｂと、当該第１傾斜面１３ｂよりも被加工物２側に形成されて被加工物２に向けて拡径する第２傾斜面１３ｃとが形成されている。
上記第１傾斜面１３ｂと第２傾斜面１３ｃとは、最小径部１３ｄ（図６）で接続されており、上記第１傾斜面１３ｂには、レーザ光Ｌを反射させるための鏡面加工が施されている。
また、上記第１傾斜面１３ｂの角度は、上記集光レンズ１２によって集光されるレーザ光Ｌの円錐角よりも大きくなるように設定されている。
【０００９】
上記噴射ノズルホルダ２３の中径部２３ｂには、シール部材２５を介してガラス板２６がはめ込まれ、このガラス板２６は上記中径部２３ｂの内周面に加工されたねじ部に螺合するナット２７によって固定されている。
また、上記小径部２３ａの位置には、小径部２３ａを中心に同心円上に等間隔に４つの接続口２３ｄが形成されており、この接続口２３ｄは液体通路２３ｅを介して小径部２３ａに連通し、上記高圧ポンプ５によって送液された液体は上記ガラス板２６よりも下方の小径部２３ａ内に供給されるようになっている。
そして上記保持部材２４の中央には、上記第２傾斜面１３ｃよりも大径の貫通孔が設けられており、この貫通孔は上記第２傾斜面１３ｃと共に、噴射ノズル１３から噴射される液柱Ｗを囲繞するエアポケットＰを構成している。
【００１０】
上記光学案内手段１４は、上記ノズルホルダ２３を保持する保持円筒２８と、当該保持円筒２８を水平方向に移動させるＸＹ軸ステージ２９と、ＸＹ軸ステージ２９を垂直方向に移動させるＺ軸ステージ３０と、Ｚ軸ステージ３０の角度を変更させる角度調整ステージ３１とを備えている。
上記保持円筒２８は円筒状の第１保持円筒２８ａおよび第２保持円筒２８ｂから構成され、このうち第１保持円筒２８ａは上記ＸＹ軸ステージ２９に固定され、第２保持円筒２８ｂの下端には上記ノズルホルダ２３が固定されている。そして噴射ノズル１３における噴射孔１３ａの中心軸と第１，第２保持円筒２８ａ，２８ｂの中心軸とが一致するようになっている。
また、上記第２保持円筒２８ｂの内部には上記レンズホルダ２１が相互に接触しないように収容されており、第１保持円筒２８ａおよび第２保持円筒２８ｂは、上記レンズホルダ２１をフレーム１１に固定する上記取付ステー２２と干渉しないよう、上記４本の連結部材３２（図２参照）によって連結されている。
【００１１】
上記ＸＹ軸ステージ２９は、上記第１保持円筒２８ａを固定する第１プレート３３と、第１プレート３３を下方から保持する第２プレート３４と、第２プレート３４を下方から保持する第３プレート３５と、第１保持円筒２８ａを図示左右方向のＸ軸方向と、図示奥行き方向のＹ軸方向とに移動させるマイクロメータ３６，３７とを備えている。
上記第１〜第３プレート３３〜３５の中央にはそれぞれ貫通孔３３ａ〜３５ａが形成され、第１プレート３３の貫通孔３３ａには、第１プレート３３の上面に固定された固定部材３３ｂにより、上記第１保持円筒２８ａが垂下するように固定されている。
また図４に示すように、第１〜第３プレート３３〜３５は平面的に略正方形の形状を有し、その側面がそれぞれ上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向を向くように設置されている。
さらに、上記第１プレート３３と第２プレート３４とは、Ｘ軸方向に形成された図示しないレールによってＸ軸方向に相対移動し、上記第２プレート３４と第３プレート３５とは、Ｙ軸方向に形成されたレール３５ｂ（図１参照）によってＹ軸方向に相対移動するようになっている。
そして上記マイクロメータ３６、３７は上記第２プレート３４の側面にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に向けて固定され、第１プレート３３の側面には、マイクロメータ３６によって押圧可能な位置に突起３３ｃが設けられ、上記第３プレート３５の側面には、上記マイクロメータ３７の先端によって押圧可能な位置に突起３５ｃが設けられている。
このような構成により、Ｘ軸方向を向いたマイクロメータ３６によって上記突起３３ｃを押圧することで、ノズルホルダ２３を保持円筒２８および第１プレート３３ごとＸ軸方向に移動させることができ、またＹ軸方向を向いたマイクロメータ３７を操作することで、ノズルホルダ２３を保持円筒２８および第１、第２プレート３３、３４ごとＹ軸方向に移動させることができる。
【００１２】
上記Ｚ軸ステージ３０はその上面に上記第３プレート３５を固定する第４プレート３８と、上記角度調整ステージ３１の上面に固定された第５プレート３９と、第４、第５プレート３８，３９の間に設けられた２つのハンドル４０とを備え、第４、第５プレート３８，３９の中央には、移動する第１保持円筒２８ａと接触しない範囲で貫通孔３８ａ，３９ａが形成されている。
ここで、上記ハンドル４０は従来公知のジャッキスクリュー方式によって第４プレート３８を昇降させるものであり、その構成については詳細な説明を省略する。
そしてこのＺ軸ステージ３０によれば、上記ハンドル４０のいずれか一方を操作することで第４プレート３８は第５プレート３９に対して平行を保ったまま昇降し、上記ノズルホルダ２３を保持円筒２８及びＸＹ軸ステージ２９ごと昇降させることができる。
【００１３】
そして角度調整ステージ３１は、その上面に上記Ｚ軸ステージ３０を固定する第６プレート４１と、上記フレーム１１を貫通し、その先端で第６プレート４１を下方から保持する支点ボルト４２と、同じく第６プレート４１を下方から保持する２本の調整ボルト４３（図５参照）とを備えている。
図２に示すように、上記第６プレート４１は略正方形の形状を有しており、上記支点ボルト４２は、第６プレート４１の四隅のうちのいずれかの隅部を下面から支持し、上記調整ボルト４３は、上記支点ボルト４２を挟んだ位置の隅部を下面から支持するようになっている。
図５に示すように、上記支点ボルト４２および調整ボルト４３の先端は半球状に加工され、その先端は第６プレート４１に埋設された受け部材４４の凹部４４ａに収容されるようになっている。
そして、上記調整ボルト４３はフレーム１１の下面側に位置するダイヤル４３ａによってボルトの先端を上下に移動させることができるようになっており、これら２つの調整ボルト４３を用いることで、第６プレート４１のフレーム１１に対する傾きを変更することができる。
すなわち、２つの調整ボルト４３により、上記ノズルホルダ２３のフレーム１１に対する傾きを、保持円筒２８およびＸＹ軸ステージ２９、Ｚ軸ステージ３０ごと調整することができる。
このような構成を有する光学案内手段１４によれば、ＸＹ軸ステージ２９および角度調整ステージ３１を用いることで、レーザ発振器４より照射されたレーザ光Ｌの光軸に対し、噴射ノズル１３より噴射される液柱Ｗの位置と角度とを調整することができ、またＺ軸ステージ３０を用いることで、集光レンズ１２によって集光されるレーザ光Ｌの焦点位置を、液柱Ｗの方向に沿って移動させることができる。
【００１４】
図６は上記噴射ノズル１３の拡大図を示しており、この図において、レーザ光Ｌの光軸は、上記光学案内手段１４のＸＹ軸ステージ２９及び角度調整ステージ３１によって、噴射ノズル１３より噴射される液柱Ｗの中心軸すなわち噴射ノズル１３の中心線Ｏからノズル直径の１／５〜１／１０の範囲Ｄ内でずらして設定してある。
この状態で上記高圧ポンプ５によってノズルホルダ２３内に液体を供給すると、当該液体はノズルホルダ２３の小径部２３ａ（図３）内を経て、上記噴射ノズル１３の噴射孔１３ａより被加工物２に向けて噴射される。
このとき、第１傾斜面１３ｂの下部には第２傾斜面１３ｃ及び保持部材２４の貫通孔によって、エアポケットＰが形成されているため、噴射された液体は拡散することなく、第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄの径とほぼ同径の液柱Ｗとなって噴射される。
次に、レーザ発振器４よりレーザ光Ｌが発振されると、このレーザ光Ｌは集光レンズ１２によって集光された後、上記ガラス板２６とノズルホルダ２３の小径部２３ａ内に充満する液体とを透過して、上記噴射ノズル１３へと照射される。
本実施例では、上記Ｚ軸ステージ３０を調整することで、レーザ光Ｌの焦点が上記第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄを越えた液柱Ｗ内に位置し、かつ、レーザ光Ｌが噴射孔１３ａの最大径部１３ｅよりも小さく集光されるようになっている。
なお、図６には破線により噴射ノズル１３がない場合のレーザ光Ｌの焦点ｆを示してある。
このようにして集光されたレーザ光Ｌは、最小径部１３ｄよりも外側の部分が上記第１傾斜面１３ｂによって遮られ、当該部分が第１傾斜面１３ｂで反射された後、上記液柱Ｗにおける外気との境界面で臨界角より大きい入射角で反射を繰り返しながら、液柱Ｗを導光路として被加工物２まで導光される。
【００１５】
ところで前述したように、従来は図８で示すように液柱Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とを一致させていたので、液柱Ｗ内におけるレーザ光Ｌの強度分布は、中心部が強く、周辺部が弱い断面山形の強度分布となっていた。
しかるに本実施例においては、図６に示すように、レーザ光Ｌの光軸を噴射ノズル１３の中心線Ｏからノズル直径の１／５〜１／１０の範囲Ｄ内でずらして設定してあるので、図７に示すように、液柱内のレーザ光Ｌの強度分布は、中心部から周辺部にかけて台形状の均質な強度分布が得られるようになる。したがってこれにより、被加工物２に溝を形成する加工や被加工物に被覆された皮膜を除去するような加工を効率的に行うことができるようになる。
他方、上記レーザ光Ｌの光軸を、噴射ノズル１３の中心線Ｏからノズル直径の１／５を越えて大きくずらした場合には、図９に示すように、液柱内のレーザ光Ｌの強度分布が乱れてしまい、レーザ光のエネルギー損失が多くなる。
このように、レーザ光Ｌの光軸を、噴射ノズル１３の中心線からノズル直径の１／５〜１／１０の範囲内でずらすことにより、レーザ光のエネルギー損失を可及的に防止することができると同時に、液柱Ｗ内で均質な強度分布が得られるようになる。
具体例として、上記噴射ノズル１３の最小径部１３ｄの径を１００μｍとした場合には、上記ずらす範囲Ｄは１０〜２０μｍの範囲が好適であり、ずらす範囲を１０μｍ未満とすると均質な強度分布を得ることが困難となり、また２０μｍを越えるとエネルギー損失が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明におけるレーザ加工装置の断面図。
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ断面における平面図。
【図３】噴射ノズル及びノズルホルダについての断面図。
【図４】ＸＹ軸ステージについての平面図。
【図５】図２のＶ−Ｖ断面における断面図。
【図６】噴射ノズルについての拡大断面図。
【図７】レーザ光Ｌの光軸を、噴射ノズルの中心線Ｏからノズル直径の１／５〜１／１０の範囲Ｄ内でずらして設定した場合のエネルギーの強度分布を説明する説明図。
【図８】レーザ光Ｌの光軸を、噴射ノズルの中心線Ｏに一致させた場合のエネルギーの強度分布を説明する説明図。
【図９】レーザ光Ｌの光軸を、噴射ノズルの中心線Ｏからノズル直径の１／５を越えてずらして設定した場合のエネルギーの強度分布を説明する説明図。
【符号の説明】
【００１７】
１  レーザ加工装置                ２  被加工物
４  レーザ発振器                  ５  高圧ポンプ（液体供給装置）
６  加工ヘッド                    １３  噴射ノズル
１３ａ  噴射孔                    １３ｄ  最小径部
１４  光学案内手段                Ｄ  設定範囲
Ｌ  レーザ光                      Ｏ  噴射ノズルの中心線
Ｗ  液柱
【図１】
2009119480.tif 000003
【図２】
2009119480.tif 000004
【図３】
2009119480.tif 000005
【図４】
2009119480.tif 000006
【図５】
2009119480.tif 000007
【図６】
2009119480.tif 000008
【図７】
2009119480.tif 000009
【図８】
2009119480.tif 000010
【図９】
2009119480.tif 000011