JP2009166124A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅の狭い線を生成して加工材料上に型を描くことができるレーザ加工装置の提供。
【解決手段】上記課題は、レーザ光６を発するレーザ源２及びレーザ源２の後方に配置され加工材料９、１０を覆う電子式マスク機構５を有する加工材料９、１０を加工又は接合するレーザ加工装置１により解決される。前記電子式マスク機構５を通過した電磁放射により加工材料９、１０上に所定の型が描かれる。前記マスク機構５として、４マイクロメートルより大きなセルを有する位相変調アレイが用いられ、該位相変調アレイは良好なビーム品質のレーザ光６を発するレーザ源１と共に２ｍｍより狭い幅の鮮明な線を生成して加工材料９、１０上に型を描くことを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を生成するレーザ源、レーザ源の後方に配置され加工材料を覆う電子式マスク機構を有し、電子式マスク機構を通過した電磁放射を用いて所定の形状に加工材料を加工又は接合するレーザ加工装置に関する。

電磁波、特にレーザ光を用いて材料を加工又は接合する際には、材料に収束される光の強さ及び形状が重要となる。レーザ加工では、光の焦点における出力密度の調整が重要である。例えレーザによる樹脂材料の透過溶接では、種々の熱分布型又は溶接継ぎ目を生成させることも必要な場合がある。

レーザ源を発した通常は円形の光は、適当な方法により所望の大きさ及び形状に変換する必要がある。これは、準備に時間を要し且つ変更が簡単にはできない特殊な用途に調整した光学系又はマスクにより行なわれることもある。また、より柔軟性があり従って有用性の高い電子的に局部的に光を分散させる光調整器を用いて、レーザ光の振幅及び／又は偏光及び／又は位相を変化させる方法もある。このような、電子的な調整器は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１には、電磁放射を用いて材料を加工する装置及び方法が記載されている。電気式局部的分散変調器を備えることにより、加工材料上の焦点を結ばせ所定のエネルギー密度分布を生成させる。光の局部的分散変調により、連続的にも、同時又はほとんど同時にも材料を加工することが可能となる。

特許文献２にはレーザ源及び表示装置を備えたマスク機構が記載されている。表示装置はレーザ源の下流側に配置されている。この表示装置は、個々のレーザ光を変調又は非変調に偏光させるのに使われる。偏光フィルターは、表示装置の下流に配置され、変調されたレーザ光を通過させるが非変調のレーザ光が通過しないようにして所定の形状の光線像を生成させる。

上記の技術では、光変調器又は表示装置として液晶を備えることが好ましい。液晶は互いに平面状に配置された個々に制御可能なセルに閉じ込められている。従ってこれらのセルは、個々に独立した変調器のアレイを形成する。セル内部における電気光学的効果により、液晶セルを出たレーザ光線は変調される。

液晶セルにより形成された変調アレイは、出力光の位相及び／又はその振幅を変調するために用いられる。位相変調は、振幅変調よりもエネルギーが効率的に使われ、変調されない元の光を散乱させない。レーザ光を空間的に位相変調することにより、位相変調アレイは、回折光学素子（ＤＯＥ）として機能する。

現在使用可能な位相変調アレイは、セルの大きさが５〜１０マイクロメートルと比較的大きい。通常のレーザ源は、２、３百ナノメートルの波長を有するレーザ光を生成する。回折原理によると、レーザ光の変位角度は５〜１０度程度と小さい。変位角度は、加工材料上に生成されるレーザ光の型の鮮明度に影響する。この場合、レーザ装置の加工ヘッドと加工材料とが通常の間隔を保って、高出力のダイオードレーザ又はＮｄ−ＹＡＧ固体レーザからの高エネルギーレーザ光を照射すると、加工材料に数ミリメートル幅の線が描けるにすぎないことが判明している。しかしながら、加工材料に高エネルギー密度で明瞭な狭い線を描くことが望まれるか又は必要とされることもある。

独国特許出願公開第１００７３９１Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１７１２９Ａ１号明細書

本発明の課題は、背景技術の末尾で述べた問題を解決するために、加工材料に幅の狭い線を描くことができるレーザ加工装置を提案することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を有するレーザ加工装置により解決される。以下の請求項には上記レーザ加工装置の発展形態が記載されている。すなわち、下記の（１）〜（５）の構成により上記課題が解決される。

（１）レーザ光を生成するレーザ源、該レーザ源の後方に配置され加工材料を覆う電子式マスク機構を有し、前記電子式マスク機構を通過した電磁放射を用いて所定の形状に前記加工材料を加工又は接合するレーザ加工装置であって、４マイクロメートルより大きなセルを有する前記マスク機構としての位相変調アレイは良好なビーム品質の前記レーザ光を発する前記レーザ源と共に２ｍｍより狭い幅の鮮明な線を生成して、それにより前記加工材料上に型を描くことが可能となることを特徴とするレーザ加工装置。

（２）前記レーザ光のビーム品質Ｋは０．５より大きく、エムスクエア値Ｍ^２が４より小さいことを特徴とする前記（１）に記載のレーザ加工装置。

（３）前記レーザ源がファイバーレーザであることを特徴とする前記（１）に記載のレーザ加工装置。

（４）前記マスク機構により、前記レーザ光が前記加工材料上に固定された型を描くことを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

（５）前記マスク機構により、前記レーザ光が前記加工材料上に移動する型を描くことを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

本発明により、新たに複雑な光学部材を追加することなく、高密度の狭くて鮮明なレーザ光が得られるようになった。そのため、加工材料の迅速且つ精密な溶接が可能となった。

本発明による同時溶接用レーザ加工装置の模式配置図 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光線の屈折を示す図

光学補助手段を追加せずに、位相変調器により加工材料上にレーザ光の鮮明な焦点を結ばせることが本発明の基本である。加工材料上のレーザ光による像の鮮明度は、位相変調アレイのセルの大きさ及び波長に依存するレーザ光を動かしても、レーザ源の放射角によっても決められる。レーザ光の発散、すなわちレーザ光がレーザ源から放射された後に距離と共に広がることは、レーザの品質及びビーム品質の尺度となる。光径が小さく発散が僅かであればビーム品質は良好であり鮮明な像が形成される。

レーザ光の集束性は、ＩＳＯ１１１４６規格に従って、エムスクエア値Ｍ^２により表される。この値は、同一のビームウェスト径を有する理想的なガウスビームの発散と比較した発散角度を示している。

従って、本発明によるレーザ加工装置は、４マイクロメートルより大きい、好ましくは４〜１０マクロメートルの大きさのセルを有する位相変調アレイ及び良好なビーム品質を生成するレーザ源を備えている。良好なビーム品質を生成するレーザ源と下限の大きさのセルを有する位相変調アレイを組み合わせることにより、短波長のレーザ光により２ｍｍより狭い幅の鮮明な線を用いて加工材料上に型を描くことが可能となる。この場合、位相変調アレイは透過的にも反射的にも操作可能である。

ビーム品質Ｋ＞０．５、従ってエムスクエア値Ｍ^２＜２のレーザ源であることが好ましい（ここで、Ｋ＝１／Ｍ^２）。

ファイバーレーザにより生成されたレーザ光が本発明に好ましい性質を有している。このファイバーレーザは、固体レーザであるダイオードの長所とその導波性を特殊な方法で連結したものである。ファイバーの中心部においては、導かれる光の密度が高く且つ高出力が得られる。高出力ファイバーレーザは、数ミリメートルの波長の光を放射できるので、さらに小さな最大屈折角度が得られることは明らかである。

本発明によるレーザ加工装置は、特に、樹脂の加工材料の溶接に好適である。レーザ加工装置には、小物の連続製造又は型製造ができるように、可変の回折光学素子としての位相変調アレイを付設することが可能である。従って、準備に要する時間が明らかに短縮されるので、この装置は製造工程を頻繁に切換える場合に有利で有用である。

固定された型又は可動な型としてのマスクシステムにより、レーザ光を加工材料上に像を形成することができる。従って、本発明によるレーザ加工装置は、加工材料の同時並びにほぼ同時の加工又は接合に適合することができる。標準装備に加えて、可変に制御可能な位相変調アレイ並びにスキャナーを付設することもできる。そのために、出力されるレーザ光を屈折させる鋸歯状の３次元変調が生成される。この形態において、レーザ加工装置に輪郭溶接の機能を加えてもよい。

位相変調の趣旨は、所望の干渉模様が生成されるようにレーザ光の位相を変調させることである。十分な横方向の干渉により偏光された放射場から出力されたレーザ光は個々の位相が可変に制御されて、位相変調アレイを通過後に所望の方法により干渉させることができる。液晶により、レーザ光は分岐される。個々の分岐光は、個別に制御可能なセルにおいて所定の方法により位相変調される。位相変調アレイを通過した個々の光は全体で新たなレーザ光を形成する。個々の液晶セルによる簡単で柔軟に且つ他の分岐光とは独立に変調される。

局部的な光の分散及びそれによる加工材料上に形成される像の鮮明さは、基本的には放射場からに光の性状並びに液晶セルの形状及び数により決まる。実際には、適当な制御機器による電圧を液晶セルに負荷して屈折率を変更させることにより決まる。これによって、再入射レーザ光の位相状態に影響を及ぼす。屈折率及びそれによる位相の遅れは交流電圧により連続的に変化する。選別された位相変調アレイの所定の液晶セルに電圧を集中的に負荷することにより多数の位相状態を個々に維持できる。個々のレーザ光の位相変調により、加工材料上に所望の型を描くことができる。

原理的には、液晶製の位相変調アレイの位置に、垂直に動く鏡を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を挿入できる。

以下、図面を用いて本発明による実施例を詳細に説明する。

本発明では、加工材料を溶接するために、位相変調アレイを有するレーザ加工装置を用いている。

図１には、ファイバーレーザ２、不図示の加工ヘッドへとレーザ光を導く光ファイバー３、加工ヘッドに備えられたレンズ４及びレーザ光６の位相を変化させる位相変調用アレイ５を含んで構成されたレーザ加工装置１が示されている。光ファイバー３からのレーザ光６は、レンズ４により集束されて図２に示される位相変調アレイ５の液晶セル７上に投射される。

位相変調アレイ５の液晶セル７は、電子制御装８により個々のセルを独立して制御することが可能であり、同時及び／又は個々に所定の位置のレーザ光６は所望に方法によって位相が変調される。位相変調アレイ５は前述の例のように透過駆動されるので、レーザ光６が液晶セル７を通過して、通過した光線により接合すべき加工材料９、１０上に所定の型が生成される。

図２には、特定の型を形成していないレーザ光６の屈折が示されている。配列された液晶セル７は、制御装置８により制御されてレーザ光６は鋸歯状の３次元の位相変調を受け連続的にレーザ光６が屈折する。入射側１１を通過する前のレーザ光６は、位相の変化により出射側１２においてそれぞれの方向が変化する。

１ レーザ加工装置
２ ファイバーレーザ
３ 光ファイバー
４ レンズ
５ 位相変調アレイ
６ レーザ光
７ 液晶セル
８ 制御装置
９ 加工材料
１０ 加工材料
１１ 入射側
１２ 出射側

Claims (5)

1. レーザ光（６）を生成するレーザ源（２）、レーザ源（２）の後方に配置され加工材料（９、１０）を覆う電子式マスク機構（５）を有し、電子式マスク機構（５）を通過した電磁放射を用いて所定の形状に加工材料（９、１０）を加工又は接合するレーザ加工装置（１）であって、
   ４マイクロメートルより大きなセルを有する前記マスク機構（５）としての位相変調アレイは良好なビーム品質のレーザ光（６）を発するレーザ源（１）と共に２ｍｍより狭い幅の鮮明な線を生成して、それにより加工材料（９、１０）上に型を描くことが可能となることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザ光のビーム品質Ｋは０．５より大きく、エムスクエア値Ｍ^２が４より小さいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ源がファイバーレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. マスク機構（５）により、レーザ光（６）が加工材料（９、１０）上に固定された型を描くことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. マスク機構（５）により、レーザ光（６）が加工材料（９、１０）上に移動する型を描くことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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