JP2006305620A - Laser beam machining device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置、及びそのレーザ加工装置を利用したレーザ加工方法に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method using the laser processing apparatus.
従来、この分野の技術として、例えば、特許文献１に記載のレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置は、脆性材料からなる被加工物にレーザ光を照射することによって、被加工物に貫通穴を開けるためのものである。レーザ加工では、レーザ光を照射してレーザ光が照射された部分のみ加工するものであるが、レーザ光が照射された箇所とその近傍との温度差が大きくなるため、クラックなどが発生する場合があった。そのため、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、加工部周辺を更にレーザ光で加熱することによって加工部とその周辺部との温度差を低減してクラックの防止を図っている。
ところで、レーザ加工は、主として被加工物がレーザ光を吸収することによって生じる熱的な効果を利用している。従って、被加工物が効率よくレーザ光を吸収することが必要である。しかしながら、光の吸収特性は材料固有のものであるため、被加工物によっては、従来加工用として利用されているレーザ光の波長に対してレーザ加工を効率的に行える程の吸光度を常温（例えば、２５℃）で有するとは限らない。そのため、加工ができない場合や加工効率が低下する場合もあった。 By the way, laser processing mainly uses a thermal effect generated when a workpiece absorbs laser light. Therefore, it is necessary for the workpiece to efficiently absorb the laser beam. However, since the light absorption characteristics are inherent to the material, depending on the workpiece, the absorbance at a room temperature (e.g., efficient laser processing with respect to the wavelength of the laser light used for conventional processing) , 25 ° C.). For this reason, there is a case where the processing cannot be performed or the processing efficiency is lowered.
そこで、本発明は、加工効率のよいレーザ加工装置及びそのレーザ加工装置を利用したレーザ加工方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus with high processing efficiency and a laser processing method using the laser processing apparatus.
本発明者らは、材料の吸収特性が温度によって変化することに着目した。そして、例えば、常温において加工用レーザ光の波長に対して吸光度が低い被加工物を加熱することによって、被加工物の吸収特性を加工用レーザ光の波長に対して加工可能な吸収特性に制御できることを見出して本発明に至った。 The inventors focused on the fact that the absorption characteristics of the material change with temperature. Then, for example, by heating a workpiece having a low absorbance with respect to the wavelength of the processing laser beam at room temperature, the absorption characteristic of the workpiece is controlled to an absorption characteristic that can be processed with respect to the wavelength of the processing laser beam. The inventors have found that this is possible and have reached the present invention.
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物に照射するレーザ光を出力する照射手段と、被加工物における被加工部位を加熱する加熱手段と、を備え、加熱手段は、被加工部位の溶融温度より低い温度範囲内であって被加工部位におけるレーザ光の波長に対する吸収特性が加工可能な吸収特性となるように被加工部位を加熱することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a laser processing apparatus according to the present invention includes an irradiation unit that outputs laser light to be applied to a workpiece, and a heating unit that heats a processing portion of the workpiece, The means is characterized in that the part to be processed is heated so that the absorption characteristic with respect to the wavelength of the laser beam in the part to be processed becomes a processable absorption characteristic within a temperature range lower than the melting temperature of the part to be processed.
上記構成では、加熱手段によって被加工部位が加熱されることで被加工部位が照射手段から出力されるレーザ光の波長に対して加工可能な吸収特性を有することになる。その結果として、加熱前よりも加熱後の方が被加工部位における加工用のレーザ光の吸収効率が向上する。よって、レーザ光が被加工物の被加工部位に照射されると、効率よく加工できる。 In the above-described configuration, the processed part is heated by the heating unit, so that the processed part has an absorption characteristic that can be processed with respect to the wavelength of the laser beam output from the irradiation unit. As a result, the absorption efficiency of the laser beam for processing at the part to be processed is improved after heating than before heating. Therefore, when the laser beam is irradiated to the part to be processed of the workpiece, the processing can be efficiently performed.
また、本発明に係るレーザ加工装置では、被加工部位をモニタするモニタ手段と、モニタ手段でのモニタ結果に基づいて加熱手段を制御する制御手段とを備えることが好ましい。 In the laser processing apparatus according to the present invention, it is preferable that the laser processing apparatus includes a monitoring unit that monitors a portion to be processed and a control unit that controls the heating unit based on a monitoring result of the monitoring unit.
この場合、モニタ手段で被加工部位をモニタすることによって、例えば、被加工部位の温度や画像情報等をモニタ結果として得ることができる。そして、そのようなモニタ結果に基づいて加熱手段を制御するので、被加工部位での吸収特性をより確実に加工可能な吸収特性にすることができる。 In this case, by monitoring the processing part with the monitoring means, for example, the temperature and image information of the processing part can be obtained as the monitoring result. And since a heating means is controlled based on such a monitoring result, the absorption characteristic in a to-be-processed part can be made into the absorption characteristic which can be processed more reliably.
このようにモニタ手段及び制御手段を備えた本発明に係るレーザ加工装置では、モニタ手段は、被加工部位の温度を測定する温度測定器を有し、制御手段は、予め算出されている被加工物の温度と吸収特性との相関と、温度測定器の測定結果とに基づいて加熱手段を制御することが好適である。 Thus, in the laser processing apparatus according to the present invention having the monitoring means and the control means, the monitoring means has a temperature measuring device for measuring the temperature of the part to be processed, and the control means is calculated in advance. It is preferable to control the heating means based on the correlation between the temperature of the object and the absorption characteristics and the measurement result of the temperature measuring device.
この場合、温度測定器によって被加工部位の温度が測定される。そして、制御手段が、予め算出されている被加工物の温度と吸収特性との相関と、温度測定器の測定結果とに基づいて加熱手段を制御するので、被加工部位の吸収特性をより確実に加工可能な吸収特性にすることができる。 In this case, the temperature of the part to be processed is measured by the temperature measuring device. And since the control means controls the heating means based on the correlation between the temperature and the absorption characteristic of the workpiece calculated in advance and the measurement result of the temperature measuring device, the absorption characteristic of the processed part is more reliably determined. It is possible to make the absorption characteristics processable.
また、上記のようにモニタ手段及び制御手段を備えた本発明に係るレーザ加工装置では、モニタ手段は、被加工部位を撮像する撮像装置を有し、制御手段は、撮像装置で撮像された被加工部位の画像情報に基づいて加熱手段を制御することも好適である。 Further, in the laser processing apparatus according to the present invention having the monitor means and the control means as described above, the monitor means has an imaging device for imaging the part to be processed, and the control means is the object to be imaged by the imaging device. It is also preferable to control the heating means based on the image information of the processed part.
この場合、撮像装置で撮像された画像情報に含まれる被加工部位の色変化などから加熱状態が分かる。そして、制御手段が、撮像装置で撮像された被加工部位の画像情報に基づいて加熱手段を制御するので、被加工部位の吸収特性を加工可能な吸収特性に調整し易い。 In this case, the heating state can be determined from the color change of the part to be processed included in the image information captured by the imaging device. And since a control means controls a heating means based on the image information of the processed part imaged with the imaging device, it is easy to adjust the absorption characteristic of a processed part to the absorption characteristic which can be processed.
また、本発明に係るレーザ加工方法は、照射手段から出力されたレーザ光を被加工物の被加工部位に照射する照射工程と、被加工物の溶融温度より低い温度範囲内であって被加工部位におけるレーザ光の波長に対する吸収特性が加工可能な吸収特性になるように被加工部位を加熱する加熱工程とを備えることを特徴とする。 Further, the laser processing method according to the present invention includes an irradiation step of irradiating a processing portion of a workpiece with a laser beam output from the irradiation means, and a processing within a temperature range lower than a melting temperature of the workpiece. And a heating step of heating the part to be processed so that the absorption characteristic with respect to the wavelength of the laser beam at the part becomes a processable absorption characteristic.
この場合、加熱手段によって被加工部位が加熱されることで被加工部位が照射手段から出力されるレーザ光の波長に対して加工可能な吸収特性を有することになる。その結果として、加熱前よりも加熱後の方が被加工部位における加工用レーザ光の吸収効率が向上する。よって、レーザ光が被加工物に照射されると、効率よく加工できる。 In this case, the processed part is heated by the heating unit, so that the processed part has an absorption characteristic that can be processed with respect to the wavelength of the laser beam output from the irradiation unit. As a result, the absorption efficiency of the processing laser light at the processing site is improved after heating than before heating. Therefore, when the workpiece is irradiated with laser light, it can be processed efficiently.
更に、本発明に係るレーザ加工方法では、被加工部位をモニタするモニタ工程と、モニタ工程のモニタ結果に基づいて被加工部位の温度を制御する制御工程とを備えることが好ましい。 Furthermore, in the laser processing method according to the present invention, it is preferable to include a monitoring process for monitoring the processing site and a control process for controlling the temperature of the processing site based on the monitoring result of the monitoring process.
この場合、モニタ工程で被加工部位をモニタすることによって、例えば、被加工部位の温度や画像情報等をモニタ結果として得ることができる。そして、そのようなモニタ結果に基づいて被加工部位の温度を制御するので、被加工部位の吸収特性をより確実に加工可能な吸収特性にすることができる。その結果として、被加工部位をより効率よく加工することができる。 In this case, by monitoring the processing part in the monitoring step, for example, the temperature and image information of the processing part can be obtained as the monitoring result. And since the temperature of a to-be-processed part is controlled based on such a monitoring result, the absorption characteristic of a to-be-processed part can be made into the absorption characteristic which can be processed more reliably. As a result, the part to be processed can be processed more efficiently.
上記のモニタ工程では、被加工部位の温度を測定し、制御工程では、予め算出されている被加工物の温度と吸収特性との相関と、モニタ工程で測定した被加工部位の温度とに基づいて被加工部位の温度を制御することが好適である。 In the above monitoring process, the temperature of the processing site is measured, and in the control process, based on the correlation between the workpiece temperature and the absorption characteristic calculated in advance and the temperature of the processing site measured in the monitoring process. It is preferable to control the temperature of the part to be processed.
上記方法では、モニタ工程で測定された被加工部位の温度に基づいて加熱手段が制御されることで、被加工部位の吸収特性をより確実に加工可能な吸収特性にすることが可能となる。 In the above method, the heating means is controlled based on the temperature of the processed part measured in the monitoring step, so that the absorption characteristic of the processed part can be changed to an absorption characteristic that can be processed more reliably.
また、上記のモニタ工程では、被加工部位の画像情報を取得し、制御工程では、モニタ工程で取得された被加工部位の画像情報に基づいて被加工部位の温度を制御することも好ましい。 Moreover, it is also preferable to acquire the image information of a to-be-processed part at said monitoring process, and to control the temperature of a to-be-processed part based on the image information of the to-be-processed part acquired at the monitoring process at the control process.
モニタ工程で取得された被加工部位の画像情報には、被加工部位の色変化なども含まれるので、それらから被加工部位の加熱状態が分かる。したがって、取得された画像情報に基づいて被加工部位の温度を制御することで、被加工部位の吸収特性を加工可能な吸収特性に調整し易い。 Since the image information of the processed part acquired in the monitoring step includes a color change of the processed part, the heating state of the processed part can be known from them. Therefore, by controlling the temperature of the part to be processed based on the acquired image information, it is easy to adjust the absorption characteristic of the part to be processed to an absorption characteristic that can be processed.
本発明のレーザ加工装置及びそのレーザ加工装置を利用したレーザ加工方法によれば、被加工物を効率よく加工することが可能である。 According to the laser processing apparatus and the laser processing method using the laser processing apparatus of the present invention, it is possible to efficiently process a workpiece.
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符合を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a laser processing apparatus and a laser processing method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention.
レーザ加工装置１は、被加工物１０に照射するためのレーザ光を出力するレーザ発振器２１を備えた照射手段２０を有する。レーザ発振器２１は、ピコ秒〜フェムト秒のパルスを出力するパルス光源でもよいし、ナノ秒のパルスを出力するパルス光源とすることも可能である。レーザ発振器２１としては、レーザ加工に好適に利用されるものであれば特に限定されないが、例えば、チタンサファイアレーザ装置である。
The
照射手段２０は、レーザ発振器２１から出力されたレーザ光を波長変換する波長変換器２２をレーザ光の光路上に有する。波長変換器２２としては、例えば、ＳＨＧ結晶やＯＰＯ結晶などを利用したものが挙げられる。ここでは、波長変換器２２から波長λ（nm）のレーザ光Ｌが出力されるものとする。波長λとしては、レーザ発振器２１からは波長約８００ｎｍの光が出力され、波長変換器２２が２倍高調波を生成するものとすると、波長約４００ｎｍである。また、照射手段２０は、レーザ加工に必要な光出力を得るために、レーザアンプを更に有することも好適である。
The irradiation means 20 has a
レーザ加工装置１は、照射手段２０から出力されたレーザ光Ｌをレンズなどの集光光学系３１によって集光して、集光光学系３１の焦点位置に配置された被加工物１０の被加工部位１１に照射する。被加工物１０は、例えば、３軸の移動ステージなどに搭載され集光光学系３１に対して位置を調整できるようになっていることが好ましい。
The
被加工物１０は、常温（例えば、２５℃）において、照射手段２０から出力されるレーザ光Ｌの波長λに対して吸光度が低く実質的に透明なものであり、例えば、硼珪酸ガラスである。図２は、被加工物１０の吸収特性を模式的に示す図である。横軸は、波長（ｎｍ）を示している。縦軸は吸光度を示しており、常用対数で表示している。被加工物１０は、常温において、図２中の実線で示すように、レーザ光Ｌの波長λに対して低い吸収度となる吸収特性としての吸光度カーブＳ１を有する。
The
レーザ加工装置１は、照射されるレーザ光Ｌの波長λに対して常温で実質的に透明な被加工物１０を、レーザ光Ｌの波長λに対してより高い吸光度を有するように加熱する熱源４０を有することを特徴とする。
The
ここで、先ず、加熱により被加工物１０の吸光度を制御できる理由について説明する。
Here, first, the reason why the absorbance of the
材料の吸収スペクトルは温度によって変化し、特に温度が上昇すると長波長側にシフトする傾向にある。本発明者らは、被加工部位１１の温度を上昇させることによって被加工部位１１での吸光度カーブＳ１を、加工可能な吸収特性としての加工用吸光度カーブＳ２（図２中の一点鎖線で示すカーブ）までシフトさせることが可能であることを見出した。加工用吸光度カーブＳ２とは、被加工物１０に照射されるレーザ光Ｌの波長λに対して加工に適した吸光度を有する吸収特性を示すものである。
The absorption spectrum of the material changes with temperature, and tends to shift to the longer wavelength side particularly when the temperature rises. The inventors of the present invention have made the absorbance curve S1 at the
被加工物１０を硼珪酸ガラスとして、本発明者らが実験した結果に基づいてより具体的に説明する。
The
図３は、硼珪酸ガラス（ＢＫ７）の透過スペクトルを示す図である。図３では、硼珪酸ガラスをペルチェ素子で加熱して得られた実験結果であり、２５℃、３０℃、３５℃及び４０℃での透過スペクトルをそれぞれ示している。図４は、図３の波長３０５ｎｍ近傍を拡大した図である。図３及び図４において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は透過率（％）を示している。また、図５は、図４の透過スペクトルを吸光度に換算した図である。図５の横軸は波長（ｎｍ）を示している。縦軸は吸光度を示しており常用対数で表示している。換算にあたっては、透過しなかった光は全て吸収されたものとした。 FIG. 3 is a diagram showing a transmission spectrum of borosilicate glass (BK7). FIG. 3 shows experimental results obtained by heating borosilicate glass with a Peltier device, and shows transmission spectra at 25 ° C., 30 ° C., 35 ° C., and 40 ° C., respectively. FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the wavelength of 305 nm in FIG. 3 and 4, the horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the transmittance (%). FIG. 5 is a diagram obtained by converting the transmission spectrum of FIG. 4 into absorbance. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the wavelength (nm). The vertical axis represents absorbance and is expressed in common logarithm. In the conversion, it was assumed that all the light that was not transmitted was absorbed.
図５に示すように、温度が上昇するにつれて吸光度カーブが長波長側へシフトする。そして、そのスペクトルシフト量は、約＋０．０５ｎｍ/℃である。従って、ガラス加工時に、ガラスの温度を上げることで被加工部位１１の吸光度を制御できることになる。
As shown in FIG. 5, the absorbance curve shifts to the longer wavelength side as the temperature increases. The spectral shift amount is about +0.05 nm / ° C. Therefore, the absorbance of the processed
そこで、レーザ加工装置１は、被加工部位１１を加熱する熱源４０と、被加工部位１１をモニタするモニタ手段５０と、モニタ手段５０のモニタ結果に基づいて熱源４０を制御する制御手段としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）６０とを有する。
Therefore, the
熱源４０は、被加工物１０の溶融温度より低い温度範囲内で被加工部位１１の吸収特性が波長λの光に対して加工可能な吸収特性になるように被加工部位１１を加熱するものである。
The
熱源４０は、赤外域の放射スペクトルが存在する赤外線ランプや、広い波長帯域を有するハロゲンランプ等の光源であり、熱源４０から出力される光が被加工部位１１に照射されるように配置されている。これにより、被加工物１０の吸収特性にほとんど影響を受けずに赤外線や遠赤外線の光源から発せられたエネルギによって被加工物１０を加熱することができる。熱源４０は、ＰＣ６０に接続されており、ＰＣ６０によって加熱時間やパワーなどが制御される。
The
この熱源４０から出力された光を被加工部位１１に集光するための集光光学系（レンズなど）を熱源４０と被加工物１０との間に配置することは、選択的且つ効率的に被加工部位１１を加熱する観点から好適である。
It is possible to selectively and efficiently arrange a condensing optical system (such as a lens) for condensing the light output from the
ここでは、熱源４０を赤外域の放射スペクトルが存在する赤外線ランプや、広い波長帯域を有するハロゲンランプ等の光源としたが、可視光を出力するものでもよい。また、熱源４０としては、被加工物１０を加熱できれば特に限定されない。例えば、温風による加熱、誘電加熱（マイクロ波加熱、高周波誘電加熱）、誘導加熱などを可能とする非接触型の加熱器が例示される。また、ペルチェ素子やホットプレートなどの接触型の加熱器とすることも可能である。
Here, although the
モニタ手段５０は、被接触型の温度測定器５１を有する。温度測定器５１としては、サーミスタが例示される。温度測定器５１は、測定結果（モニタ結果）としての被加工部位１１の温度をＰＣ６０に入力する。
The monitor means 50 has a contact-type
ＰＣ６０は、前述したように熱源４０に接続されており、温度測定器５１の測定結果に応じて熱源４０を制御する。より具体的には、ＰＣ６０は、被加工物１０の温度とレーザ光Ｌの波長λに対する吸収特性との相関を示す温度吸収特性に基づいて熱源４０を制御する。この温度吸収特性は、例えば、レーザ光Ｌの波長λに対する吸光度と被加工物１０の温度とを対応させたルックアップテーブルとしてＰＣ６０が有する記憶部（不図示）に記録しておけばよい。このＰＣ６０による熱源４０の制御としては、例えば、熱源４０から出力される光の強度や、加熱時間などである。
The
前述したように、温度測定器５１の測定結果に応じて熱源４０を制御することによって、被加工部位１１の温度を、レーザ光Ｌに対して加工に適した吸光度を有する温度に確実に調整できる。そのため、被加工部位１１における吸収特性を加工可能な吸収特性とすることが可能となる。なお、わずかな吸収効率の改善でも、加工効率には大きく影響する場合もある。
As described above, by controlling the
また、ＰＣ６０は、レーザ発振器２１及び波長変換器２２にも接続されている。そして、ＰＣ６０は、温度測定器５１の測定結果に応じてレーザ発振器２１から出力されるレーザ光の強度を調整する。また、ＰＣ６０は、温度測定器５１で測定された被加工部位１１の温度に応じて波長変換器２２を制御することも好ましい。このように被加工部位１１の温度に応じてレーザ光Ｌの波長λを調整することにより、所望の吸光度の値に早く近づけることができる。
The
次に、上記レーザ加工装置１を利用した被加工物１０のレーザ加工方法について説明する。ここでは、予め被加工物１０の波長λの光に対する温度吸収特性を測定し、ルックアップテーブルとしてＰＣ６０の記憶部に記録しているものとする。
Next, a laser processing method for the
先ず、レーザ発振器２１からレーザ光を出力する。レーザ発振器２１から出力されたレーザ光は、波長変換器２２によって波長λのレーザ光Ｌに変換され、集光光学系３１によって集光されて被加工部位１１に照射される。
First, laser light is output from the
そして、熱源４０によって被加工部位１１を加熱する。この際、被加工部位１１の温度を温度測定器５１によって測定する。温度測定器５１の測定結果はＰＣ６０に入力され、ＰＣ６０は、測定結果としての被加工部位１１の温度と温度吸収特性とを対応させて被加工部位１１の常温での吸光度カーブＳ１が加工用吸光度カーブＳ２（図２参照）になるように、熱源４０を制御する。
Then, the part to be processed 11 is heated by the
これにより被加工部位１１の温度が所定の温度になり、波長λのレーザ光Ｌに対する被加工部位１１での吸収特性が加工可能な吸収特性となる。そのため、レーザ光Ｌが加熱前よりも効率的に吸収され、穴形成などの加工が可能又は促進されることになる。
As a result, the temperature of the
上述したレーザ光Ｌを利用した被加工物１０の加工方法では、熱源４０による加熱によって被加工部位１１は加工用吸光度カーブＳ２を有する。これにより、被加工部位１１では常温の場合よりもレーザ光Ｌを効率よく吸収する。その結果として、レーザ光Ｌの波長λに対して常温で実質的に透明で加工が困難である被加工物１０に対しても加工が容易に可能であり、更に、効率よく加工できる。そのため、被加工物１０の加工に伴うコストを低減できる。
In the processing method of the
また、被加工部位１１の温度を調整することで被加工部位１１の吸光度を制御しているので、レーザ発振器２１や波長変換器２２として従来レーザ加工に利用されていた汎用のものを利用できる。その結果、例えば、被加工物１０毎に、その被加工物１０の加工に適した波長のレーザ光を出力するレーザ発振器や波長変換器２２を選択する必要がないので、レーザ加工装置１の製造コストを低減することができる。
Moreover, since the light absorbency of the to-
更に、熱源４０も被加工部位１１を加熱できればよく、前述したようにハロゲンランプや赤外線ランプなどを利用可能であることから、レーザ加工装置１の製造コストの更なる低減が図られている。
Furthermore, the
更にまた、レーザ加工装置２では波長変換器２２によってレーザ光の波長を変換しているが、波長は離散的に変換されるので、被加工物１０の加工に適した波長にすることは困難である。これに対して、レーザ加工装置１では、加熱により被加工物１０の吸光度を調整しているため、レーザ光Ｌの吸収効率をより確実に上げられ、加工効率を向上させることができる。
Furthermore, in the
（第２の実施形態）
図６は、本発明に係るレーザ加工装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置２の構成は、光変調器２３と、撮像装置５２とを有する点で、図１に示したレーザ加工装置１の構成と主に相違する。この点を中心にしてレーザ加工装置２について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the laser processing apparatus according to the present invention. The configuration of the
光変調器２３は、照射手段２０の一部を構成しており、波長変換器２２と集光光学系３１との間に設けられている。光変調器２３は、ＰＣ６０に接続されており、ＰＣ６０からの変調信号に応じて被加工物１０に照射されるレーザ光Ｌの空間パターンを変調する。集光光学系３１は、変調されたレーザ光Ｌを集光するため、光変調器２３の波面制御の効果によって所望の形状に被加工物１０を加工することができる。光変調器２３としては、ＳＬＭ（空間光変調器）を利用した光波形整形器などが例示される。ここでは、光変調器２３は、レーザ光の空間パターンを変調するとしたが、時間波形を調整するものを利用することもできる。光変調器２３によって時間波形を整形する場合には、例えば、被加工物１０に最適なパルス状態でレーザ光Ｌを被加工物１０に照射することが可能である。
The
撮像装置５２は、モニタ手段５０の一部を構成しており、例えば、テレビカメラである。撮像装置５２は、被加工部位１１を撮像して被加工部位１１の画像情報をＰＣ６０に入力する。これにより、被加工部位１１の形状や、被加工部位１１の色変化などによる加工状態や加熱状態などの情報を得ることができる。撮像装置５２は、集光光学系３１によってレーザ光Ｌが多点に集光されている場合には、それらのうちの少なくとも１つを撮像すればよい。ＰＣ６０は、撮像装置５２による画像情報、及び温度測定器５１の測定結果を利用して熱源４０による被加工部位１１の加熱条件を制御する。
The
画像情報に基づいて熱源４０を制御するときには、例えば、予め撮像されていた加熱による被加工部位１１及びその近傍の色変化などと、レーザ加工の際に取得された画像情報とを比較しながら制御することが可能である。温度測定器５１による熱源４０の制御は、レーザ加工装置１の場合と同様である。そして、例えば、温度情報と画像情報とを組み合わせて熱源４０による加熱条件を制御して被加工部位１１の温度を調整することによって、より確実に被加工部位１１の吸収特性を加工可能な吸収特性にすることができる。なお、ＰＣ６０は、画像情報、及び温度測定器５１の測定結果の少なくとも一方を利用して熱源４０を制御すればよく、加熱による色変化などが生じにくい被加工物１０を加工するときには、温度測定器５１の測定結果を主に利用して熱源４０を制御すればよい。
When controlling the
また、ＰＣ６０は、撮像装置５２から入力された画像情報（特に、加工形状など）に基づいて、光変調器２３に変調信号を入力し、レーザ光Ｌの照射パターンを制御する。
Further, the
上記レーザ加工装置２のレーザ加工方法は、撮像装置５２による被加工部位１１の画像情報も利用して熱源４０を制御して被加工部位１１の温度を調整する点や、撮像装置５２による被加工部位１１の画像情報に応じて被加工物１０に照射するレーザ光Ｌの空間パターンを制御する点以外は、レーザ加工装置１の場合のレーザ加工方法と同様である。
The laser processing method of the
そして、レーザ加工装置２を利用した被加工物１０の加工方法でも、熱源４０による加熱によって被加工部位１１は加工用吸光度カーブＳ２を有することになる。そのため、レーザ光Ｌの波長λに対して常温で実質的に透明な被加工物１０に対しても加工が容易に可能であり、更に、効率よく加工でき、被加工物１０の加工に伴うコストが低減される。
And also in the processing method of the to-
また、被加工部位１１の温度を調整することで被加工部位１１の吸光度を制御しているので、レーザ発振器２１や波長変換器２２も従来レーザ加工に利用されていた汎用のものを使用でき、結果として、レーザ加工装置２の製造コストを低減することができる。また、熱源４０も被加工部位１１を加熱できればよく、前述したようにハロゲンランプや赤外線ランプなどを利用可能であるので、更に、レーザ加工装置２の製造コストの低減が図られている。
Moreover, since the light absorbency of the to-
レーザ加工装置２で示したように、熱源４０を光源とする場合、集光光学系３１と熱源４０との間に熱源４０から出力される光の空間パターンを変調する光変調器を更に設けることも好ましい。これにより、被加工部位１１に照射される加工用レーザ光Ｌの空間パターンと加熱用の光の空間パターンとを対応させることが可能であり、結果として、より効率的に被加工物１０を加工することができる。
As shown in the
また、レーザ加工装置２では、温度測定器５１と撮像装置５２とが被加工部位１１の加工状態や加熱状態をモニタするためのモニタ手段５０として機能しているが、モニタ手段５０としては撮像装置５２のみとすることも可能である。
In the
なお、レーザ加工装置２では、光変調器２３は、波長変換器２２の後段に配置しているが、レーザ発振器２１と波長変換器２２との間に配置することも可能である。
In the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第１の実施形態では温度測定器５１の測定結果に基づいて、また、第２の実施形態では、温度測定器５１及び撮像装置５２の少なくとも一方の情報に基づいてＰＣ６０が熱源４０を制御している。しかし、例えば、温度測定器５１の測定結果や撮像装置５２で撮像して得られた画像情報を参照して手動で熱源４０を制御してもよい。
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the first embodiment, the
また、制御手段としてのＰＣ６０は、記憶部に記録されているルックアップテーブルを利用して熱源４０を制御しているが、これに限定されない。例えば、予め加熱開始からの時間と被加工部位１１の温度変化とを測定しておけば、加熱時間を制御すればよい。
Moreover, although PC60 as a control means controls the
更に、第１及び第２の実施形態では、レーザ光Ｌを照射してから熱源４０によって被加工部位１１を加熱しているが、熱源４０によって被加工部位１１を加熱した後からレーザ光Ｌを照射するようにすることもできる。
Further, in the first and second embodiments, the
更にまた、レーザ加工装置１，２では、波長変換器２２を有するとしたが、波長変換器２２は備えていなくてもよい。ただし、波長変換器２２を利用してレーザ光の波長を低波長側に変換することによって被加工部位１１の加熱による温度変化をより少なくすることができる。これは、加工に要する時間等も短縮できる観点から好適である。なお、波長変換器２２は、レーザ発振器２１が有するレーザ共振器内に配置しても良い。また、集光光学系３１でレーザ光Ｌを集光することによって加工可能な閾値強度を得ることが容易である。更に、集光することで微細加工が容易になる。
Furthermore, although the
また、熱源４０として光源を利用する場合、ハロゲンランプや赤外線ランプを例示したが、例えば、常温の被加工物１０に対して吸収を有する波長帯域の光を出力するレーザ発振器を利用することもできる。例えば、図３に例示したような吸収スペクトルを有する硼珪酸ガラスに対しては、波長２６６ｎｍのレーザ光を出力するＹＡＧレーザ装置を利用することが可能である。
In the case where a light source is used as the
ここで、パルス光を出力するＹＡＧレーザによっても被加工部位１１の温度制御が可能であることについて、被加工物１０を図３に示す透過スペクトルを有する硼珪酸ガラス（ＢＫ７）として説明する。
Here, the fact that the temperature of the
前述したように、図３で示した透過スペクトルを有する硼珪酸ガラスでは、約＋０．０５ｎｍ/℃で吸光度カーブがシフトする。ここで、例えばパルスエネルギー１ｍＪ（ビーム径２ｍｍ）のレーザパルスを１００μｍに集光してガラスに入射した場合のガラス表面近傍の温度上昇ΔＴを計算する。温度上昇はΔＴ＝Ｅａ／ＤＣ（Ｅ：レーザフルーエンス、a：ガラス吸収係数、Ｄ：密度、Ｃ：比熱）で与えられることから、Ｄ＝２６６０[ｋｇ／ｍ３]、Ｃ＝７４５．５[Ｊ／（ｓｅｃ・ｍ・Ｋ）]、a＝４０[／ｍ]（実験値）を用いるとΔＴ＝２６℃となる。
As described above, in the borosilicate glass having the transmission spectrum shown in FIG. 3, the absorbance curve shifts at about +0.05 nm / ° C. Here, for example, a temperature rise ΔT in the vicinity of the glass surface when a laser pulse with a pulse energy of 1 mJ (
図７は、加熱用レーザ光を照射した後からのガラス温度変化をシミュレーションした結果である。図７は、２ｍｍ厚のガラス板に２ｍｍφのビームが入射してその部分が５００℃になったことを仮定し、その後からの温度の伝播の様子を示している。その結果、１０ｍｓないし５０ｍｓであれば、ガラス内での熱拡散はそれほど大きくないことがわかった。 FIG. 7 shows the result of simulating the glass temperature change after irradiation with the heating laser beam. FIG. 7 shows a state of temperature propagation after assuming that a 2 mmφ beam is incident on a glass plate having a thickness of 2 mm and that portion reaches 500 ° C. As a result, it was found that the thermal diffusion in the glass is not so large if it is 10 ms to 50 ms.
よって、被加工物１０であるガラスを温度上昇させるためのレーザパルスは、単一パルスでなくても、適度な繰り返しの光パルスを使用すれば、温度上昇による波長シフトの効果を蓄積させておくことができる。そして、例えば温度上昇が２０ｍｓ程度は蓄積されていると仮定すれば、５ｋＨｚのレーザーであれば１００パルス分のエネルギーによる温度上昇が見込まれる。すなわち、１ｍＪ／パルスのレーザでも１００ｍＪによる温度上昇と同じ効果が得られることになり、表面温度がΔＴ＝２６００℃の変化を受けることになる。温度上昇と波長シフト量が比例すると仮定すると、この場合の波長シフトは前述のパラメータを用いて計算すると１３０ｎｍである。
Therefore, even if the laser pulse for raising the temperature of the glass that is the
上記数値は一例であるが、加熱用にレーザ光を利用しても確かに被加工部位１１の温度を上げることができる。このように熱源としてレーザ発振器を利用する場合、熱源と被加工物の間にレンズなどの集光光学系を配置して、加熱用のレーザ光を集光して被加工部位１１に照射することは加熱効率を上げる観点から好ましい。
The above numerical value is an example, but even if laser light is used for heating, the temperature of the part to be processed 11 can surely be increased. When a laser oscillator is used as a heat source in this way, a condensing optical system such as a lens is disposed between the heat source and the workpiece, and the laser beam for heating is condensed and irradiated to the
以上のようにレーザ光を加熱用に利用したとしても、被加工部位１１を溶融温度以下で加熱できればよいため、加工用に利用する場合に比べてパワーを小さくすることができる。
As described above, even if the laser beam is used for heating, it is only necessary to heat the
１，２…レーザ加工装置、１０…被加工物、１１…被加工部位、２０…照射手段、２１…レーザ発振器、２２…波長変換器、２３…光変調器、３１…集光光学系、４０…熱源、５０…モニタ手段、５１…温度測定器、５２…撮像装置、Ｌ…照射手段から出力されるレーザ光、Ｓ２…吸光度カーブ（加工可能な吸収特性）。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記被加工物における被加工部位を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段は、前記被加工部位の溶融温度より低い温度範囲内であって前記被加工部位における前記レーザ光の波長に対する吸収特性が加工可能な吸収特性となるように前記被加工部位を加熱することを特徴とするレーザ加工装置。 Irradiating means for outputting laser light to irradiate the workpiece;
A heating means for heating a processed part in the workpiece;
With
The heating means heats the processed portion within a temperature range lower than the melting temperature of the processed portion so that the absorption characteristic with respect to the wavelength of the laser beam at the processed portion becomes a workable absorption characteristic. The laser processing apparatus characterized by the above-mentioned.
前記モニタ手段でのモニタ結果に基づいて前記加熱手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。 Monitoring means for monitoring the work site;
The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising a control unit that controls the heating unit based on a monitoring result of the monitoring unit.
前記被加工部位の温度を測定する温度測定器を有し、
前記制御手段は、
予め算出されている前記被加工物の温度と吸収特性との相関と、前記温度測定器の測定結果とに基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。 The monitoring means includes
Having a temperature measuring device for measuring the temperature of the part to be processed;
The control means includes
3. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the heating unit is controlled based on a correlation between a temperature and an absorption characteristic of the workpiece calculated in advance and a measurement result of the temperature measuring device. .
前記被加工部位を撮像する撮像装置を有し、
前記制御手段は、
前記撮像装置で撮像された前記被加工部位の画像情報に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。 The monitoring means includes
Having an imaging device for imaging the work site;
The control means includes
The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the heating unit is controlled based on image information of the part to be processed imaged by the imaging apparatus.
前記被加工物の溶融温度より低い温度範囲内であって前記被加工部位における前記レーザ光の波長に対する吸収特性が加工可能な吸収特性になるように前記被加工部位を加熱する加熱工程とを備えることを特徴とするレーザ加工方法。 An irradiation step of irradiating the processing portion of the workpiece with the laser beam output from the irradiation means;
A heating step of heating the processed part so that the absorption characteristic with respect to the wavelength of the laser beam in the processed part becomes a workable absorption characteristic within a temperature range lower than the melting temperature of the workpiece. The laser processing method characterized by the above-mentioned.
前記モニタ工程のモニタ結果に基づいて前記被加工部位の温度を制御する制御工程とを備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。 A monitoring step of monitoring the work site;
The laser processing method according to claim 5, further comprising: a control step of controlling a temperature of the part to be processed based on a monitoring result of the monitoring step.
前記制御工程では、予め算出されている前記被加工物の温度と吸収特性との相関と、前記モニタ工程で測定した前記被加工部位の温度とに基づいて前記被加工部位の温度を制御することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。 In the monitoring step, the temperature of the processed part is measured,
In the control step, the temperature of the workpiece is controlled based on the correlation between the temperature of the workpiece calculated in advance and the absorption characteristic and the temperature of the workpiece measured in the monitoring step. The laser processing method according to claim 6.
前記制御工程では、前記モニタ工程で取得された前記被加工部位の画像情報に基づいて前記被加工部位の温度を制御することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。 In the monitoring step, acquiring image information of the processed part,
The laser processing method according to claim 6, wherein, in the control step, a temperature of the processed part is controlled based on image information of the processed part acquired in the monitoring step.
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