JP2008062257A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 対象物に対する加工を簡単な構成でより良好に行う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。
【解決手段】 対象物Ｗの表面にレーザ光Ｌを照射して加工を行う際、レーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向に周期的に移動させながら、光軸に対して直交方向に走査させる。これにより、対象物Ｗの表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置を周期的に表面上に合わせることができ、一部だけ加工痕が形成されず良好に加工を行うことができないといった事態が生じるのを防止できる。したがって、レーザ光Ｌを光軸に対して直交方向に走査させるという従来の構成に、光軸方向にも周期的に焦点位置を移動させる構成を追加しただけの簡単な構成で、対象物Ｗに対する加工を良好に行うことができる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、更に詳しくは、対象物にレーザ光を照射することにより印字や剥離等の表面加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

対象物の平面に向けてレーザ光を照射し、その平面に対して水平方向にレーザ光を走査させることにより表面加工を行うレーザ加工装置が知られている。この種のレーザ加工装置には、照射するレーザ光を集光させるための集光部が備えられており、レーザ光を集光させてエネルギー密度の高い焦点位置を対象物の平面上に合わせることにより、当該平面に対する印字や剥離等の加工を行うことができる。このとき、レーザ光の集光角を大きくすれば、焦点位置におけるレーザ光のビーム径が小さくなりエネルギー密度が高くなるので、より微細な加工を行うことができる。

一般的なレーザ加工装置は、固体又は気体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させる。固体のレーザ媒質を励起させることにより発生するレーザ光は、固体レーザと呼ばれており、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４などが用いられる。一方、気体のレーザ媒質を励起させることにより発生するレーザ光は、気体レーザと呼ばれており、レーザ媒質としてＣＯ２やＡｒなどが用いられる。一般的に、固体レーザを用いたレーザ加工装置には、断続的にレーザ光を発生するパルス発振ＰＷ(Pulse Wave)が採用され、気体レーザを用いたレーザ加工装置には、連続的にレーザ光を発生する連続発振ＣＷ(Continues Wave)が採用される。

固体レーザと気体レーザとでは波長等の特性が異なるため、ユーザは、用途に応じていずれかのレーザ光を用いたレーザ加工装置を選択している。一般的に、固体レーザの波長は気体レーザの波長よりも短いが、波長が短いレーザ光の方が、集光角を大きくすることにより、焦点位置におけるレーザ光のビーム径を小さくしてエネルギー密度を高くすることができるので、固体レーザは微細加工に適している。しかし、集光角を大きくした場合には、レーザ光の光軸方向に沿った対象物の位置ずれに対して、対象物の表面上におけるビーム径の変動量が大きくなり加工ができなくなるといった問題がある。

一方で、レーザ光の焦点位置を光軸方向に沿って移動可能なレーザ加工装置も提案されている（例えば、特許文献１）。このような機構を利用すれば、レーザ光の光軸に対して直交方向（Ｘ方向及びＹ方向）にレーザ光を走査させるだけでなく、レーザ光の光軸方向（Ｚ方向）に焦点位置を移動させることができるので、２次元の平面以外に曲面などの３次元形状の表面にも加工を行うことができる。
特開２０００−２０２６５５号公報

対象物の平面に対して加工を行う場合であっても、当該平面に凹凸がある場合には、Ｚ方向の焦点位置を一定にした状態で当該平面に沿ってＸ方向及びＹ方向にレーザ光を走査させたときに、部分的に焦点位置が平面上に合わなくなり、その部分だけ加工痕が形成されないといった現象が生じる場合がある。特に、固体レーザを用いてレーザ光の集光角を大きくした場合には、いわゆる焦点深度が小さくなり、Ｚ方向への焦点位置のずれに対する対象物表面上でのビーム径の変動量が大きくなるので、上記のような現象が生じやすい。

このような場合に、対象物の平面形状を検出するセンサを用いて、当該平面の凹凸に合わせてレーザ光の焦点位置をＺ方向に調整することが考えられるが、センサを用いると製造コストが高くなるとともに、加工速度も低下するといった問題がある。また、レーザ光の集光角を小さくして、Ｚ方向への焦点位置のずれに対する対象物表面上でのビーム径の変動量を小さくすることも考えられる。しかし、レーザ光の集光角が小さくなると、焦点位置におけるレーザ光のビーム径が大きくなりエネルギー密度が低くなるので、加工性能が低下するといった問題が生じる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、対象物に対する加工を簡単な構成でより良好に行う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、本発明は、簡単な構成で種々の加工態様を実現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。

第１の本発明によるレーザ加工装置は、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工装置であって、対象物に向けてレーザ光を照射するレーザ照射手段と、照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段とを備え、上位焦点位置制御手段が、上記走査手段によりレーザ光を走査させているときに、レーザ光の焦点位置を所定の振幅で周期的に移動させるように構成される。

このような構成によれば、走査手段によりレーザ光を光軸に対して直交方向に走査させつつ、焦点位置制御手段によりレーザ光の焦点位置を光軸方向に周期的に移動させることができる。これにより、レーザ光の焦点位置を光軸方向に周期的に移動させながら直交方向に走査させることができるので、対象物の表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置を周期的に表面上に合わせることができる。

したがって、レーザ光の直交方向への走査速度に対して光軸方向への焦点位置の移動速度を十分に速くすれば、対象物の表面上に短い間隔で周期的に焦点位置を合わせることができる。レーザ光は焦点位置においてある程度のビーム径を有しているので、対象物の表面上に周期的に焦点位置が合わせられるような加工態様であっても、その間隔が短ければほぼ均一な太さで連続的に加工痕を形成することができる。ゆえに、レーザ光を直交方向に走査させるという構成に、光軸方向にも周期的に焦点位置を移動させる構成を追加しただけの簡単な構成で、対象物に対する加工を良好に行うことができる。

第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記レーザ照射手段が、レーザ光を断続的に照射し、上記レーザ照射手段によるレーザ光の照射周期をユーザが設定するための照射周期設定手段と、上記走査手段によるレーザ光の走査速度をユーザが設定するための走査速度設定手段とを備えて構成される。

このような構成によれば、断続的に照射されるレーザ光の照射周期及び直交方向への走査速度をユーザが任意に設定することができる。したがって、レーザ光の照射周期を比較的短くし、光軸に対して直交方向への走査速度を比較的遅くすれば、連続的に加工痕を形成することができる一方、レーザ光の照射周期を比較的長くし、光軸に対して直交方向への走査速度を比較的速くすれば、間隔を隔てて加工痕を形成することができる。

対象物の表面に印字を行うような場合には、連続的に加工痕が形成されるようにレーザ光の照射周期及び直交方向への走査速度を設定することにより、良好に印字を行うことができる。一方、対象物の表面を剥離することによりシボ加工のような表面加工を行う場合には、間隔を隔てて加工痕が形成されるようにレーザ光の照射周期及び直交方向への走査速度を任意に設定することにより、種々の態様で表面加工を行うことができる。このように、本発明によれば、種々の加工態様を実現することができ、多様な用途に使用可能なレーザ加工装置を提供することができる。

第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記焦点位置制御手段により焦点位置を移動させるときの振幅及び周期をユーザが設定するための焦点位置設定手段を備えて構成される。

このような構成によれば、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるときの振幅及び周期をユーザが任意に設定することができる。したがって、対象物の表面に比較的大きな凹凸がある場合であっても、焦点位置の光軸方向への振幅を大きく設定すれば、光軸方向に周期的に移動する焦点位置を確実に表面上に合わせることができる。焦点位置の光軸方向への移動速度が仮に一定であれば、振幅を大きくすると焦点位置が対象物の表面上に合う周期が長くなるが、本発明によれば、その周期をユーザが設定することができるので、上記周期が長くなることによって連続的に加工痕を形成することができなくなるのを防止できる。

また、上記周期を長く設定することにより間隔を隔てて加工痕を形成することもできる。この場合には、上記周期を断続的に照射されるレーザ光の照射周期と同期させることにより、対象物の表面に断続的に形成される各加工痕の形状に規則性を持たせることができる。したがって、焦点位置の光軸方向への振幅及び周期をユーザが設定するだけの簡単な構成で、種々の加工態様を実現することができる。

第４の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記焦点位置制御手段により焦点位置を移動させるときの振幅及び周期の組み合わせが異なる複数の移動パターンを記憶している移動パターン記憶手段を備え、上記焦点位置設定手段が、ユーザ操作に基づいて上記複数の移動パターンのいずれかを選択するように構成される。

このような構成によれば、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるときの振幅及び周期の組み合わせが異なる複数の移動パターンを記憶しておき、それらの移動パターンのいずれかをユーザが任意に選択することができる。したがって、予め記憶されている移動パターンのいずれかをユーザが選択するだけの簡単な構成で、種々の加工態様を実現することができる。

第５の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記レーザ照射手段が、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させるように構成される。

このような構成によれば、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることにより発生する固体レーザを用いて、対象物の表面に対する加工を行うことができる。固体レーザを用いた場合には、レーザ光の集光角を大きくすることにより加工性能を向上させることができるが、この場合、レーザ光の光軸方向への焦点位置のずれに伴う対象物表面上でのビーム径の変動量が大きくなり、凹凸のある対象物の表面に部分的に加工痕が形成されないといった現象が生じやすい。このような場合に、本発明のようにレーザ光の焦点位置を光軸方向に周期的に移動させながら直交方向に走査させれば、対象物の表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置を周期的に表面上に合わせることができ、対象物に対する加工を良好に行うことができる。

第６の本発明によるレーザ加工方法は、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工方法であって、照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査ステップと、上記走査ステップ中に照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御ステップとを備え、上位焦点位置制御ステップでは、レーザ光を走査させているときに、レーザ光の焦点位置を所定の振幅で周期的に移動させるように構成される。

本発明によれば、レーザ光の焦点位置を光軸方向に周期的に移動させながら直交方向に走査させることができるので、対象物の表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置を周期的に表面上に合わせることができる。したがって、レーザ光を直交方向に走査させるという構成に、光軸方向にも周期的に焦点位置を移動させる構成を追加しただけの簡単な構成で、対象物に対する加工を良好に行うことができる。

また、断続的に照射されるレーザ光の照射周期及び直交方向への走査速度をユーザが任意に設定することにより、連続的に加工痕を形成したり、間隔を隔てて加工痕を形成したりすることができる。したがって、種々の加工態様を実現することができ、多様な用途に使用可能なレーザ加工装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１００の一構成例を示したブロック図である。このレーザ加工装置１００は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射することにより表面加工を行うための装置であり、レーザ制御部１、レーザ出力部２及び入力部３を備えている。本実施の形態において説明する表面加工には、剥離などの加工の他、文字やバーコードを対象物Ｗの表面に印字するマーキングなどの各種加工が含まれるものとする。

入力部３は、このレーザ加工装置１００の動作に関する入力操作をユーザが行うための入力手段である。この例では、入力部３には液晶表示器からなる表示部（不図示）が備えられており、表示部の表示画面に各種情報を表示させることができる。表示部の表示画面上にはタッチパネルが取り付けられており、ユーザがタッチパネルに指を触れることにより、表示画面に表示されたボタンを選択する操作を行うことができるようになっている。ただし、このような構成に限らず、ユーザが押操作するための操作キーが入力部３に備えられたような構成であってもよいし、パーソナルコンピュータなどの入力装置が入力部３として用いられるような構成であってもよい。

レーザ制御部１は、レーザ出力部２の動作を制御するための制御装置であり、制御部４、メモリ部５、励起光発生部６及び電源７を備えている。制御部４は、プロセッサからなり、励起光発生部６やレーザ出力部２に備えられた各部の制御を行う。メモリ部５は、ＲＡＭ(Random Access Memory)やＲＯＭ(Read Only Memory)などの半導体メモリからなり、制御部４が実行するコンピュータプログラムの他、入力部３からの入力信号に基づく当該レーザ加工装置１００の動作設定などが記憶される。励起光発生部６は、電源７から駆動電圧が印加され、レーザ出力部２に供給するレーザ励起光を発生する。

図２は、励起光発生部６の一構成例を示した斜視図である。この励起光発生部６は、レーザ励起光源１０及び集光部１１をケーシング１２内に固定することにより形成されている。レーザ励起光源１０は、複数のレーザダイオードを一直線状に並べることにより形成されたレーザダイオードアレイを備えており、各レーザダイオードからレーザ光が放射されることにより、光軸が互いに平行な複数のレーザ光が集光部１１に入射するようになっている。

集光部１１は、集光レンズからなり、レーザ励起光源１０から入射した複数のレーザ光を集光することによりレーザ励起光として出力する。集光部１１から出力されるレーザ励起光は、光ファイバケーブル１３を介してレーザ出力部２へ送られ、後述するように、このレーザ励起光を用いてレーザ出力部２内でレーザ媒質８が励起されることにより、対象物Ｗに照射するためのレーザ光Ｌが発生するようになっている。

レーザ出力部２は、レーザ発振部５０及び走査部９を備えている。レーザ発振部５０は、レーザ制御部１から光ファイバケーブル１３を介して入力されるレーザ励起光をレーザ媒質８に入射させることにより、レーザ媒質８を励起させてレーザ光Ｌを照射するレーザ照射手段である。この例では、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用しており、ロッド状に形成された固体のレーザ媒質８に対して一端部からレーザ励起光を入射させることにより、他端部からレーザ光Ｌが照射されるようになっている。

固体のレーザ媒質８としては、例えばＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４などを用いることができる。この例では、Ｎｄ：ＹＶＯ４がレーザ媒質８として使用され、発生するレーザ光Ｌの波長が１０６４ｎｍに設定されている。レーザ発振部５０にはＱスイッチ（不図示）が備えられており、このＱスイッチによるオン／オフ切替によって、レーザ光Ｌがパルス発振ＰＷ(Pulse Wave)により断続的に照射されるようになっている。

レーザ発振部５０から照射されたレーザ光Ｌは、ビームエキスパンダ５３、走査部９及び集光部１５を介して、レーザ出力部２から対象物Ｗに向けて出力される。集光部１５は、レーザ光Ｌを対象物Ｗに向けて所定の集光角で集光させるための集光レンズであり、例えばｆθレンズからなる。ビームエキスパンダ５３は、後述するように２つのレンズを備えており、これらのレンズの相対距離を変化させることにより、集光部１５を介して対象物Ｗへ集光されるレーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向に移動させることができる。このとき、ビームエキスパンダ５３及びその動作を制御する制御部４は、レーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向に移動させる焦点移動制御手段を構成している。

走査部９には、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂと、これらのガルバノミラー１４ａ，１４ｂがそれぞれ回動軸に固定されたガルバノモータ５１ａ，５１ｂと、ガルバノモータ５１ａ，５１ｂを駆動させるためのスキャナ駆動回路５２とが備えられている。ビームエキスパンダ５３を通過したレーザ光Ｌは、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂで順次に反射された後、集光部１５を介して対象物Ｗに照射される。各ガルバノモータ５１ａ，５１ｂは、回動軸が互いに直交するように配置されており、これらの直交する回動軸に各ガルバノミラー１４ａ，１４ｂが取り付けられている。

これにより、対象物に照射されるレーザ光Ｌは、一方のガルバノモータ５１ａを駆動させてガルバノミラー１４ａを回動させることにより走査される方向（Ｘ方向）と、他方のガルバノモータ５１ｂを駆動させてガルバノミラー１４ｂを回動させることにより走査される方向（Ｙ方向）とが直交している。したがって、走査部９及びその動作を制御する制御部４は、対象物Ｗに向けて照射するレーザ光Ｌの光軸に対して直交するＸ方向及びＹ方向にレーザ光Ｌを走査させる走査手段を構成している。この場合、上記焦点移動制御手段を構成しているビームエキスパンダ５３及び制御部４は、対象物Ｗに向けて照射するレーザ光Ｌの光軸に対して平行なＺ方向にレーザ光Ｌを走査させる手段と定義することもできる。

この例では、集光部１５が、レーザ光Ｌの出射方向に対して、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂよりも後に配置されているような構成が示されているが、このような構成に限らず、ビームエキスパンダ５３とガルバノミラー１４ａ，１４ｂの間に配置された構成であってもよい。例えば、ビームエキスパンダ５３の出射レンズ１８を集光部１５として兼用することも可能である。このように、ビームエキスパンダ５３とガルバノミラー１４ａ，１４ｂの間に集光部１５を配置することにより、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂよりも後に集光部１５を配置するような構成と比べて、より小さな光学系に設計することが可能であり、より高精度なスポット集光が可能となる。

図３は、走査部９の一構成例を示した斜視図である。図４は、図３に示した走査部９を異なる角度から見た斜視図である。図５は、図３に示した走査部９の側面図である。図３及び図４では、走査部９とともにビームエキスパンダ５３、ガイド用光源６０、ハーフミラー６２、ポインタ用光源６４及び固定ミラー６６も併せて図示している。また、図５では、走査部９とともにポインタ用光源６４を併せて図示している。なお、図３〜図５では、説明を簡略化するために集光部１５の構成を省略して示している。

レーザ発振部５０から照射されたレーザ光Ｌは、ハーフミラー６２を通過して一直線状にビームエキスパンダ５３に入射し、このビームエキスパンダ５３でビーム径が調整された後、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂで反射されて対象物Ｗへ照射される。このとき、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂでレーザ光Ｌを走査することによって焦点位置が移動する領域を作業領域ＷＳとし、この作業領域ＷＳを対象物Ｗの表面に合わせることにより、エネルギー密度が高い焦点位置を対象物Ｗの表面に合わせて良好に表面加工を行うことができる。

レーザ光Ｌのエネルギー密度は、焦点位置に対してＺ方向の両側に向かうにつれて徐々に低くなる。焦点位置を中心にして所定値以上のエネルギー密度が得られるＺ方向の範囲は、焦点深度と呼ばれており、一般的には、焦点位置におけるエネルギー密度に対して半分以上のエネルギー密度が得られるＺ方向の範囲として定義される。焦点深度は、焦点位置における集光角に依存しており、集光角が大きいほど焦点深度が小さくなる。

ガイド用光源６０は、ガイド光Ｇを照射して作業領域ＷＳ内に所定のガイドパターンを表示させる。すなわち、ガイド用光源６０からのガイド光Ｇがハーフミラー６２で反射されてビームエキスパンダ５３を通過し、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂで反射されることにより、作業領域ＷＳ内にガイドパターンが表示される。このガイドパターンは、ハーフミラー６３からレーザ光Ｌと同じ光路を通るガイド光Ｇによって、レーザ光Ｌの焦点位置を中心とした一定領域を表す図形として表示される。

ポインタ用光源６４は、レーザ光Ｌの焦点位置を可視的に示すためのポインタ光Ｐを照射している。ポインタ光Ｐは、ガルバノミラー１４ｂの裏面に形成されたポインタ用ミラー１４ｄ及び固定ミラー６６で順次に反射され、レーザ光Ｌの焦点位置においてレーザ光Ｌの光軸と交差するように、作業領域ＷＳに向けて照射される。したがって、対象物Ｗの表面にガイド光Ｇによるガイドパターンを表示させた状態で、そのガイドパターンの中心にポインタ光Ｐが照射されるようにレーザ出力部２の設置位置を調整することにより、作業領域ＷＳを対象物Ｗの表面に合わせることができる。

図６及び図７は、ビームエキスパンダ５３の動作によってレーザ光Ｌの焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、図６は焦点位置がレーザ出力部２に対して遠い場合、図７は焦点位置がレーザ出力部２に近い場合を示している。図８は、ビームエキスパンダ５３の一構成例を示した正面図及び断面図である。なお、図６及び図７では、説明を簡略化するために集光部１５の構成を省略して示している。

ビームエキスパンダ５３には、レーザ発振部５０からのレーザ光Ｌが入射する入射レンズ１６と、入射レンズ１６を通過したレーザ光Ｌを走査部９に向けて出射する出射レンズ１８とが備えられている。入射レンズ１６及び出射レンズ１８は、互いに平行に配置され、モータ等を含む駆動手段（不図示）が入射レンズ１６を平行移動させることにより、出射レンズ１８との相対距離を変化させることができるようになっている。ただし、出射レンズ１８を固定した状態で入射レンズ１６を移動させるような構成に限らず、入射レンズ１６を固定した状態で出射レンズ１８を移動させるような構成であってもよいし、入射レンズ１６及び出射レンズ１８をそれぞれ移動させるような構成であってもよい。

入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が変化すると、出射レンズ１８から出射されるレーザ光Ｌの集光角が変化することにより、レーザ光Ｌの光軸方向に焦点位置が移動し、レーザ出力部２に対する作業領域ＷＳの距離が変化する。具体的には、入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が短くなると、図６に示すように焦点位置がレーザ出力部２から遠くなり、入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が長くなると、図７に示すように焦点位置がレーザ出力部２に近くなる。

図９は、集光角２θとスポット径２ｒの関係について説明するための模式図である。集光角２θは、焦点位置における中心点に対するレーザ光Ｌの漸近線の拡がり角であり、スポット径２ｒは、焦点位置におけるレーザ光Ｌのビーム径である。一般的に、集光角２θとスポット径２ｒとの間には、下記の関係式が成立する。ここで、λはレーザ光Ｌの波長であり、πは円周率である。
ｒ＝λ／πθ

このように、ｒはθに反比例し、λに比例している。したがって、集光角２θが大きくなるほどスポット径２ｒが小さくなり、波長λが短くなるほどスポット径２ｒが小さくなる。すなわち、集光角２θを大きくし、又は、波長λを短くすれば、スポット径２ｒを小さくすることができるので、焦点位置におけるエネルギー密度をより高くして、加工性能を向上させることができる。一般的に、固体のレーザ媒質を用いた場合の方が、気体のレーザ媒質を用いる場合よりも発生するレーザ光Ｌの波長λが短いので、本実施の形態のように固体のレーザ媒質８を用いた場合には、集光角２θを大きくすることによってスポット径２ｒを比較的小さくすることができる。

本実施の形態では、図６〜図８で説明したようなビームエキスパンダ５３によるレーザ光Ｌの焦点位置の移動制御を周期的に行うことができるようになっている。より具体的には、走査部９によりレーザ光ＬをＸ方向又はＹ方向へ走査させているときに、ビームエキスパンダ５３の入射レンズ１６及び出射レンズ１８間の相対距離を周期的に変化させることにより、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に所定の振幅で周期的に移動させることができるようになっている。

図１０は、走査部９による走査中にビームエキスパンダ５３を用いてレーザ光Ｌの焦点位置Ｓを周期的に移動させる際の態様を模式的に示した図である。図１０に示すように、対象物Ｗの表面に沿ってＸ方向又はＹ方向にレーザ光Ｌを走査させているときに、ビームエキスパンダ５３によりレーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に周期的に移動させると、焦点位置Ｓが周期的に対象物Ｗの表面上を通過する。

レーザ光ＬのＸ方向又はＹ方向への走査速度に対してＺ方向への焦点位置Ｓの移動速度を十分に速くすれば、対象物Ｗの表面上に短い間隔で周期的に焦点位置Ｓを合わせることができる。レーザ光Ｌは焦点位置Ｓにおいてある程度のビーム径を有しているので、対象物Ｗの表面上に周期的に焦点位置Ｓが合わせられるような加工態様であっても、その間隔がビーム径よりも短ければほぼ均一な太さで連続的に加工痕を形成することができる。

本実施の形態のように、レーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に周期的に移動させながらＸ方向又はＹ方向に走査させれば、図１０に示した例のように対象物Ｗの表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置Ｓを周期的に表面上に合わせることができるので、連続的な加工痕を確実に形成することができる。したがって、例えば対象物Ｗの表面に印字を行うような場合に、当該表面に多少の凹凸があるときでも、一部だけ加工痕が形成されず良好に印字できないといった事態が生じるのを防止できる。このように、本実施の形態では、レーザ光ＬをＸ方向又はＹ方向に走査させるという従来の構成に、Ｚ方向にも周期的に焦点位置Ｓを移動させる構成を追加しただけの簡単な構成で、対象物Ｗに対する加工を良好に行うことができる。

ここで、固体のレーザ媒質８を用いた場合には、レーザ光Ｌの集光角２θを大きくすることにより加工性能を向上させることができるが、この場合、レーザ光Ｌの光軸方向（Ｚ方向）への焦点位置Ｓのずれに伴う対象物Ｗの表面上でのビーム径の変動量が大きくなり、凹凸のある対象物Ｗの表面に部分的に加工痕が形成されないといった現象が生じやすい。このような場合に、本実施の形態のようにレーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に周期的に移動させながらＸ方向又はＹ方向に走査させれば、対象物Ｗの表面に多少の凹凸がある場合であっても、焦点位置Ｓを周期的に表面上に合わせることができ、対象物Ｗに対する加工を良好に行うことができる。

図１１は、入力部３の表示画面に表示される条件設定画面の一例を示した図である。この条件設定画面は、走査部９によるＸ方向及びＹ方向へのレーザ光Ｌの走査態様、並びに、ビームエキスパンダ５３によるＺ方向への焦点位置の移動態様をユーザが設定するための画面であり、パワー設定表示領域３１、スキャンスピード設定表示領域３２、パルス繰返し周波数設定表示領域３３及びスポットバイブレーション設定表示領域３４が含まれる。

本実施の形態では、励起光発生部６から発生するレーザ励起光の光量を変化させることにより、レーザ出力部２から出力されるレーザ光Ｌのエネルギーを調整することができるようになっており、その設定をパワー設定表示領域３１に表示させることができる。ユーザは、入力部３を操作することにより、予め定められた標準エネルギーに対する比率を数値入力することができ、その入力された数値がパワー設定表示領域３１に表示されるようになっている。

スキャンスピード設定表示領域３２には、走査部９によるＸ方向及びＹ方向へのレーザ光Ｌの走査速度が表示される。ユーザは、入力部３を操作することにより、走査部９によるＸ方向及びＹ方向へのレーザ光Ｌの走査速度を数値入力することができ、その入力された数値がスキャンスピード設定表示領域３２に表示される。スキャンスピード設定表示領域３２に対する数値入力を行う際、入力部３は、走査部９によるレーザ光Ｌの走査速度をユーザが設定するための走査速度設定手段を構成している。

パルス繰返し周波数設定表示領域３３には、レーザ発振部５０からパルス発振ＰＷにより断続的に照射されるレーザ光Ｌの照射周波数が表示される。ユーザは、入力部３を操作することにより、レーザ光Ｌの照射周波数を数値入力することができ、その入力された数値がパルス繰返し周波数設定表示領域３３に表示される。図１１の例のように照射周波数を１００ｋＨｚに設定した場合には、照射周期が１０μｓｅｃであり、１０μｓｅｃごとに１回ずつ断続的にレーザ光Ｌが照射される。パルス繰返し周波数設定表示領域３３に対する数値入力を行う際、入力部３は、レーザ発振部５０によるレーザ光Ｌの照射周期をユーザが設定するための照射周期設定手段を構成している。

このように、本実施の形態では、断続的に照射されるレーザ光Ｌの照射周期及びＸ方向又はＹ方向への走査速度をユーザが任意に設定することができる。したがって、レーザ光Ｌの照射周期を比較的短くし、Ｘ方向又はＹ方向への走査速度を比較的遅くすれば、連続的に加工痕を形成することができる一方、レーザ光Ｌの照射周期を比較的長くし、Ｘ方向又はＹ方向への走査速度を比較的速くすれば、間隔を隔てて加工痕を形成することができる。

対象物Ｗの表面に印字を行うような場合には、連続的に加工痕が形成されるようにレーザ光Ｌの照射周期及びＸ方向又はＹ方向への走査速度を設定することにより、良好に印字を行うことができる。一方、対象物Ｗの表面を剥離することによりシボ加工のような表面加工を行う場合には、間隔を隔てて加工痕が形成されるようにレーザ光Ｌの照射周期及びＸ方向又はＹ方向への走査速度を任意に設定することにより、種々の態様で表面加工を行うことができる。したがって、種々の加工態様を実現することができ、多様な用途に使用可能なレーザ加工装置１００を提供することができる。

スポットバイブレーション設定表示領域３４には、ビームエキスパンダ５３によるＺ方向への焦点位置の移動態様が表示される。このスポットバイブレーション設定表示領域３４には、Ｚ方向へ周期的に焦点位置を移動させるときの振幅及び周波数を表示する数値表示領域３５と、上記振幅及び周波数の組み合わせからなる移動パターンを表示するパターン表示領域３６とが含まれる。ユーザは、入力部３を操作することにより、上記振幅及び周波数を数値入力することができ、この場合には、入力された数値が数値表示領域３５に表示される。また、ユーザは、入力部３を操作することにより、上記移動パターンを選択することもでき、この場合には、選択された移動パターンがパターン表示領域３６に表示される。

この図１１に示した例では、ビームエキスパンダ５３によるＺ方向への焦点位置の移動周波数が１０００Ｈｚに設定されており、１ｍｓｅｃの周期で焦点位置が移動する。走査部９によるレーザ光Ｌの走査速度は１０ｍｍ／ｓに設定されているので、対象物Ｗの表面が水平であれば、走査部９によりレーザ光Ｌが１０μｍ走査されるごとに焦点位置が当該表面上を通過することとなる。

通常、レーザ光のビーム径は２５〜１００μｍ程度に設定されるので、上記のような設定によれば、ビーム径と比べて十分に短い間隔で対象物Ｗの表面上に焦点位置を合わせることができ、例えば対象物Ｗの表面に印字を行うような場合でも、ほぼ均一な太さで連続的に加工痕を形成することができる。また、Ｚ方向への焦点位置の振幅が１．０ｍｍに設定されているので、対象物Ｗの表面に凹凸がある場合であっても、その凹凸の高低差が１．０ｍｍ程度までであれば、部分的に加工痕が形成されないといった事態が生じることはなく、対象物Ｗに対する加工を良好に行うことができる。

スポットバイブレーション設定表示領域３４に対する入力を行う際、入力部３は、ビームエキスパンダ５３によりＺ方向に焦点位置を移動させるときの振幅及び周期をユーザが設定するための焦点位置設定手段を構成している。レーザ制御部１のメモリ部５には、ビームエキスパンダ５３によりＺ方向に焦点位置を移動させるときの振幅及び周期の組み合わせが異なる複数の移動パターンが記憶されており、ユーザは、入力部３を操作することにより、上記複数の移動パターンのいずれかを選択することができる。

図１２は、制御部４の一構成例を示した機能ブロック図である。制御部４は、入力部３に対するユーザ操作により入力された条件設定に基づいて励起光発生部６、レーザ発振部５０、ビームエキスパンダ５３及び走査部９を制御することにより、対象物Ｗに対する表面加工を制御する。制御部４は、パワー設定部４１、照射周期設定部４２、走査速度設定部４３、焦点位置設定部４４、レーザ照射制御部４５、レーザ走査制御部４６及び焦点位置制御部４７によって構成され、これらの各機能部は制御部４により実行されるコンピュータプログラムとして実現される。

パワー設定部４１は、ユーザがパワー設定表示領域３１に入力した数値をメモリ部５に記憶することにより、レーザ光Ｌのエネルギーを設定する。照射周期設定部４２は、ユーザがパルス繰返し周波数設定表示領域３３に入力した数値をメモリ部５に記憶することにより、パルス発振ＰＷにより断続的に照射するレーザ光Ｌの照射周波数を設定する。レーザ照射制御部４５は、パワー設定部４１及び照射周期設定部４２により設定された条件に基づいて励起光発生部６及びレーザ発振部５０を制御することによって、レーザ発振部５０からレーザ光Ｌを照射させる。

走査速度設定部４３は、ユーザがスキャンスピード設定表示領域３２に入力した数値をメモリ部５に記憶することにより、走査部９によるレーザ光Ｌの走査速度を設定する。レーザ走査制御部４６は、走査速度設定部４３により設定された条件に基づいて走査部９を制御することによって、対象物Ｗに照射されるレーザ光ＬをＸ方向又はＹ方向に走査させる。

焦点位置設定部４４は、数値入力設定部４８及びパターン入力設定部４９を備えている。数値入力設定部４８は、ユーザが数値表示領域３５に入力した数値をメモリ部５に記憶することにより、ビームエキスパンダ５３を用いてレーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向へ周期的に移動させるときの振幅及び周波数を設定する。一方、パターン入力設定部４９は、メモリ部５に記憶されている複数の移動パターン５ａの中から、ユーザにより選択された移動パターン５ａを指定する。これにより、指定された移動パターン５ａに対応する振幅及び周波数が、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向へ周期的に移動させるときの振幅及び周波数として設定される。焦点位置制御部４７は、数値入力設定部４８又はパターン入力設定部４９により設定された条件に基づいてビームエキスパンダ５３を制御することによって、対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させる。

図１３は、対象物Ｗに対する表面加工を行う際の制御部４による処理の一例を示したフローチャートである。図１１に示したような条件設定画面においてユーザによる設定操作が行われた後、対象物Ｗに対する表面加工を指示する操作が行われると、制御部４は、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させるための設定が行われているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。そして、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させるための設定が行われていなければ（ステップＳ１０１でＮｏ）、制御部４は、走査部９によるＸ方向又はＹ方向の走査のみを行って対象物Ｗの表面にレーザ光Ｌを照射する（ステップＳ１０６）。ただし、Ｚ方向に焦点位置を周期的に移動させるような設定が行われていない場合であっても、Ｘ方向及びＹ方向に加えてＺ方向にも焦点位置を移動させることにより、３次元的にレーザ光Ｌを走査させることは可能である。

一方、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させるための設定が行われている場合には（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、制御部４は、設定されている条件に基づいてビームエキスパンダ５３を制御することにより、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に周期的に移動させる。このとき、ユーザが数値表示領域３５に対する入力を行っている場合には（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、制御部４は、走査部９によりＸ方向又はＹ方向にレーザ光Ｌを走査しつつ、入力されている振幅及び周波数でレーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させる。

ユーザが数値表示領域３５に対する入力ではなくパターン表示領域３６において移動パターンの選択を行っている場合には（ステップＳ１０２でＮｏ）、選択されている移動パターンに対応する振幅及び周波数がメモリ部５から読み出される（ステップＳ１０４）。そして、走査部９によりＸ方向又はＹ方向にレーザ光Ｌを走査しつつ、読み出された振幅及び周波数でレーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させることにより、対象物Ｗの表面に選択された移動パターンでレーザ光Ｌを照射する（ステップＳ１０５）。

図１４は、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向へ周期的に移動させるときの移動パターンの一例を示した図である。図１４（ａ）〜（ｃ）の例では、いずれも一定の振幅及び周波数でレーザ光Ｌの焦点位置がＺ方向に移動しているが、Ｘ方向又はＹ方向へのレーザ光Ｌの走査速度やＺ方向への焦点位置の移動速度が異なっている。図１４（ａ）に示した例では、Ｚ方向への焦点位置の移動速度が一定であり、Ｚ方向において移動する向きだけが周期的に反転している。

図１４（ｂ）に示した例では、Ｚ方向への焦点位置の移動速度が変化しながら、Ｚ方向において移動する向きが周期的に反転している。具体的には、Ｚ方向において移動する向きが反転するときに焦点位置の移動速度が最も遅く、それらの中間点における移動速度が最も速くなるように、加速度が一定に保持されている。図１４（ｃ）に示した例では、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向へ周期的に移動させるだけでなく、Ｘ方向又はＹ方向へのレーザ光Ｌの走査方向も周期的に反転するように設定されている。

このように、メモリ部５には各種の移動パターンが記憶されており、ユーザは、必要に応じて入力部３を操作し、所望の移動パターンを選択することにより、選択した移動パターンに応じた態様で対象物Ｗの表面に所望の加工を施すことができる。

本実施の形態では、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させるときの振幅及び周波数をユーザが任意に設定することができる。したがって、対象物Ｗの表面に比較的大きな凹凸がある場合であっても、焦点位置のＺ方向への振幅を大きく設定すれば、Ｚ方向に周期的に移動する焦点位置を確実に表面上に合わせることができる。焦点位置のＺ方向への移動速度が仮に一定であれば、振幅を大きくすると焦点位置が対象物Ｗの表面上に合う周期が長くなるが、本実施の形態では、周波数をユーザが設定することができるので、上記周期が長くなることによって連続的に加工痕を形成することができなくなるのを防止できる。

また、本実施の形態では、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させるときの振幅及び周波数の組み合わせが異なる複数の移動パターンをメモリ部５に記憶しておき、それらの移動パターンのいずれかをユーザが任意に選択することができる。したがって、予め記憶されている移動パターンのいずれかをユーザが選択するだけの簡単な構成で、種々の加工態様を実現することができる。

図１５は、入力部３の表示画面に表示される条件設定画面の変形例を示した図である。図１６は、図１５に示した設定における焦点位置Ｓの移動態様を示した図である。図１５に示した条件設定画面には、図１１に示した条件設定画面と同様に、パワー設定表示領域３１、スキャンスピード設定表示領域３２、パルス繰返し周波数設定表示領域３３及びスポットバイブレーション設定表示領域３４が含まれる。

パワー設定表示領域３１、スキャンスピード設定表示領域３２及びパルス繰返し周波数設定表示領域３３の態様は図１１の場合と同じであり、ユーザは、入力部３を操作することにより、これらの表示領域に対する入力を行うことができる。この例のように照射周波数を１ｋＨｚに設定した場合には、照射周期が１ｍｓｅｃであり、１ｍｓｅｃごとに１回ずつ断続的にレーザ光Ｌが照射される。

スポットバイブレーション設定表示領域３４には、図１１と同様に数値表示領域３５及びパターン表示領域３６が含まれる他、さらに位相表示領域３７が含まれている。ユーザは、入力部３を操作することにより位相を数値入力することができ、入力された数値が位相表示領域３７に表示されるようになっている。位相を入力した場合には、レーザ光Ｌの焦点位置ＳがＺ方向に周期的に移動するときに、入力された位相ごとに断続的にレーザ光Ｌがレーザ発振部５０から照射されるように、Ｚ方向に移動する焦点位置Ｓの振幅及び周波数が決定される。この例では、レーザ光Ｌの照射周波数が１ｋＨｚに設定された状態で、位相表示領域３７に位相９０°が入力されることにより、焦点位置ＳがＺ方向に移動するときの振幅が１ｍｍ、周波数が５００Ｈｚに自動的に決定されている。

このように、ビームエキスパンダ５３によるＺ方向への焦点位置Ｓの移動周波数が５００Ｈｚに設定された場合には、２ｍｓｅｃの周期で焦点位置Ｓが移動する。走査部９によるレーザ光Ｌの走査速度は１００ｍｍ／ｓに設定されているので、対象物Ｗの表面が水平であれば、走査部９によりレーザ光Ｌが２００μｍ走査されるごとに焦点位置Ｓが当該表面上を通過することとなる。上述の通り、レーザ光のビーム径は２５〜１００μｍ程度に設定されるので、上記のような設定によれば、対象物Ｗの表面に間隔を隔てて加工痕を形成することができる。

この例のように位相表示領域３７に対して位相を入力した場合には、レーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に移動させるときの周期を、断続的に照射されるレーザ光Ｌの照射周期と同期させることができる。これにより、対象物Ｗの表面に断続的に形成される各加工痕の形状に規則性を持たせることができ、種々の加工態様を実現することができる。

図１７は、位相表示領域３７に対して位相４５°を入力したときの焦点位置Ｓの移動態様を示した図である。図１６のように位相を９０°に設定した場合には、レーザ光Ｌの照射周期に同期させて、所定の振幅でＺ方向に周期的に移動するレーザ光Ｌの焦点位置Ｓと、この焦点位置Ｓから振幅範囲内で最も遠い位置とで、交互に加工痕を形成することができる。これに対して、図１７のように位相を４５°に設定した場合には、上記焦点位置Ｓ及び焦点位置Ｓから振幅範囲内で最も遠い位置の他に、それらの各位置の中間点においても加工痕を形成することができる。

このように、ユーザが位相の値を適宜に設定することにより、対象物Ｗに対して種々の加工態様を実現することができる。図１６や図１７に示したようなＸ方向に沿った加工痕をＹ方向に複数列形成すれば、対象物Ｗの表面全体にシボ加工やてかり防止加工を施すことができる。このとき、各列の加工痕が重ならないようにＹ方向への移動量を設定することもできるし、各列の加工痕が一部重なるようにＹ方向への移動量を設定することにより重ね加工を行うこともできる。

以上の実施の形態では、固体のレーザ媒質８を用いてレーザ光Ｌを照射させるような構成について説明したが、このような構成に限らず、例えばＣＯ２やＡｒなどの気体のレーザ媒質を用いてレーザ光Ｌを照射させるような構成であってもよい。また、レーザ光Ｌをパルス発振ＰＷにより断続的に照射するような構成に限らず、連続発振ＣＷ(Continues Wave)により連続的にレーザ光Ｌを発生するような構成であってもよい。また、本実施の形態では、固体レーザを主として説明したが、レーザの励起方法としては、他にファイバーレーザを用いるような方法を採用してもよい。

本発明の実施の形態によるレーザ加工装置の一構成例を示したブロック図である。 励起光発生部の一構成例を示した斜視図である。 走査部の一構成例を示した斜視図である。 図３に示した走査部を異なる角度から見た斜視図である。 図３に示した走査部の側面図である。 ビームエキスパンダの動作によってレーザ光の焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、焦点位置がレーザ出力部に対して遠い場合を示している。 ビームエキスパンダの動作によってレーザ光の焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、焦点位置がレーザ出力部に近い場合を示している。 ビームエキスパンダの一構成例を示した正面図及び断面図である。 集光角とスポット径の関係について説明するための模式図である。 走査部による走査中にビームエキスパンダを用いてレーザ光の焦点位置を周期的に移動させる際の態様を模式的に示した図である。 入力部の表示画面に表示される条件設定画面の一例を示した図である。 制御部の一構成例を示した機能ブロック図である。 対象物に対する表面加工を行う際の制御部による処理の一例を示したフローチャートである。 レーザ光の焦点位置をＺ方向へ周期的に移動させるときの移動パターンの一例を示した図である。 入力部の表示画面に表示される条件設定画面の変形例を示した図である。 図１５に示した設定における焦点位置の移動態様を示した図である。 位相表示領域に対して位相４５°を入力したときの焦点位置の移動態様を示した図である。

符号の説明

１ レーザ制御部
２ レーザ出力部
３ 入力部
４ 制御部
５ メモリ部
６ 励起光発生部
８ レーザ媒質
９ 走査部
１４ａ，１４ｂ ガルバノミラー
１５ 集光部
１６ 入射レンズ
１８ 出射レンズ
４１ パワー設定部
４２ 照射周期設定部
４３ 走査速度設定部
４４ 焦点位置設定部
４５ レーザ照射制御部
４６ レーザ走査制御部
４７ 焦点位置制御部
４８ 数値入力設定部
４９ パターン入力設定部
５０ レーザ発振部
５１ａ，５１ｂ ガルバノモータ
５２ スキャナ駆動回路
５３ ビームエキスパンダ
１００ レーザ加工装置
Ｌ レーザ光
Ｓ 焦点位置
Ｗ 対象物
ＷＳ 作業領域

Claims (6)

1. 対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工装置であって、
   対象物に向けてレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、
   照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段とを備え、
   上位焦点位置制御手段は、上記走査手段によりレーザ光を走査させているときに、レーザ光の焦点位置を所定の振幅で周期的に移動させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 上記レーザ照射手段は、レーザ光を断続的に照射し、
   上記レーザ照射手段によるレーザ光の照射周期をユーザが設定するための照射周期設定手段と、
   上記走査手段によるレーザ光の走査速度をユーザが設定するための走査速度設定手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 上記焦点位置制御手段により焦点位置を移動させるときの振幅及び周期をユーザが設定するための焦点位置設定手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 上記焦点位置制御手段により焦点位置を移動させるときの振幅及び周期の組み合わせが異なる複数の移動パターンを記憶している移動パターン記憶手段を備え、
   上記焦点位置設定手段は、ユーザ操作に基づいて上記複数の移動パターンのいずれかを選択す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. 上記レーザ照射手段は、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
6. 対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工方法であって、
   照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査ステップと、
   上記走査ステップ中に照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御ステップとを備え、
   上位焦点位置制御ステップでは、レーザ光を走査させているときに、レーザ光の焦点位置を所定の振幅で周期的に移動させることを特徴とするレーザ加工方法。

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