JP2015044225A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させること。
【解決手段】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、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部16Bと、前記分光部16Bで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部16C,16Cと、を備える。
【選択図】図2
【解決手段】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、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部16Bと、前記分光部16Bで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部16C,16Cと、を備える。
【選択図】図2
Description
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。
レーザ加工装置として、近年では、高出力の半導体レーザを用いる試みがある。しかし、半導体レーザは、複数の波長帯のレーザを含むため、集光した場合に各波長の焦点距離が異なる。
従来、半導体レーザではないが、異なる波長帯のレーザを重畳して同じ光軸上に集光させることが、例えば、特許文献1および特許文献2に示されている。
上述した特許文献1に記載のレーザ加工装置は、2つのレーザの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができるとしているが、波長帯の異なるレーザは、集光レンズで焦点距離を同一にすることは困難であり、例えば、クラウンガラスとフリントガラスとを用いたとしても、波長帯の異なるレーザの焦点距離を同一にすることは困難である。そのため、特許文献2に記載のレーザ加工装置のように、重畳した異なる波長帯のレーザを被加工物の厚さ方向に関してあえて焦点位置を異ならせ、それぞれの波長帯の作用を得るようにしている。しかし、加工精度を向上するためには、レーザをより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることが望まれている。
本発明は上述した課題を解決するものであり、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させ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。
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発振するレーザ出力装置と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部と、前記分光部で分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部と、を備えることを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、分光部で分光されたレーザを、集光部によりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザをより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部はプリズムからなり、前記集光部はレンズ群からなることを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、プリズムによる分光と、レンズ群による集光を適用することで、レーザ出力装置から入射されて被加工部材にレーザを照射するまでにレーザのエネルギー損失を抑えることができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部は各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸を中心として径の異なる複数の円環光とするプリズムの集合体として構成され、前記集光部は、同一光軸を中心としてそれぞれの円環光を集光するレンズの集合体として構成されていることを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、各波長帯のレーザを同一光軸を中心とした複数の円環光に分光し、この円環光を同一光軸を中心として集光することで、装置の小型化を図ることができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記分光部および前記集光部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。
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、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させて、波長帯の異なるレーザをより小さなスポットに集光させパワー密度を上げて加工精度を向上しつつ、レーザによる被加工部材の加工を行うことができる。
本発明によれば、波長帯の異なるレーザの焦点位置を一致させることができる。
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。
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る。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。
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。
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。
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。
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。
移動機構18は、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。
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。
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。
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。
[実施形態1]
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る。図2に示すように、照射ヘッド16は、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、分光部16Bと、集光部16Cとが設けられている。分光部16Bは、案内光学系14から入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図2では、2つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部16Cは、分光部16Bで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。
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る。図2に示すように、照射ヘッド16は、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、分光部16Bと、集光部16Cとが設けられている。分光部16Bは、案内光学系14から入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図2では、2つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部16Cは、分光部16Bで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。
分光部16Bは、プリズムからなり、当該分光部16Bに案内光学系14から入射されたレーザが通過することで、屈折率の違いにより各波長帯のレーザは異なる方向に向けて分光される。
集光部16Cは、分光部16Bで分光された各波長帯のレーザにそれぞれ対応して設けられている。各集光部16Cは、分光部16Bから入射されたレーザを平行光とする平行光学系16Caと、平行光学系16Caにより平行光とされたレーザを集光する集光光学系16Cbとのレンズ群として構成されている。なお、図2に示す平行光学系16Caおよび集光光学系16Cb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。
この照射ヘッド16では、集光されたレーザLは、被加工部材8に照射される。本実施形態において、レーザ出力装置12が複数(図2では2つ)の波長帯を有するレーザを発振している。このレーザは、分光部16Bで各波長帯にそれぞれ分光された後、それぞれが集光部16Cにおいて平行光学系16Caで平行光とされ、集光光学系16Cbで集光され、各波長帯のレーザL1,L2が独立して同一位置(被加工部材8の被加工位置(表面))に焦点を一致して照射される。
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発振するレーザ出力装置12と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部16Bと、前記分光部16Bで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部16C,16Cと、を備える。
このレーザ加工装置10によれば、分光部16Bで分光されたレーザを、集光部16C,16Cによりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザL1,L2の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザL1,L2をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。
また、本実施形態のレーザ加工装置10では、分光部16Bはプリズムからなり、集光部16Cはレンズ群からなることが好ましい。
このレーザ加工装置10によれば、プリズムによる分光と、レンズ群による集光を適用することで、レーザ出力装置12から入射されて被加工部材8にレーザLを照射するまでにレーザのエネルギー損失を抑えることができる。
[実施形態2]
図3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る。図3に示すように、照射ヘッド16は、上述した移動機構18により支持されるケーシング16Dの内部に、コリメート部16E、分光部16Fと、集光部16Gとが設けられている。コリメート部16Eは、案内光学系14から入射されたレーザを平行光とする。分光部16Fは、コリメート部16Eから入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図3では、3つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部16Gは、分光部16Fで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。
図3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る。図3に示すように、照射ヘッド16は、上述した移動機構18により支持されるケーシング16Dの内部に、コリメート部16E、分光部16Fと、集光部16Gとが設けられている。コリメート部16Eは、案内光学系14から入射されたレーザを平行光とする。分光部16Fは、コリメート部16Eから入射された各波長帯のレーザをそれぞれ分光する。図3では、3つの波長帯のレーザをそれぞれ分光する形態を示している。集光部16Gは、分光部16Fで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる。
分光部16Fは、プリズムを連続配置して円盤状に形成した集合体であり、コーンレンズと呼ばれるものである。この分光部16Fは、コリメート部16Eから入射されたレーザが通過することで、屈折率の違いにより各波長帯のレーザをそれぞれ分光し、かつ同一光軸Sを中心として径の異なる複数の円環光R1,R2,R3とする。
集光部16Gは、同一光軸Sを中心としてそれぞれの円環光R1,R2,R3を集光するように、複数(本実施形態では3つ)のレンズ16Ga,16Gb,16Gcを中央から外側に連続配置して円盤状に形成した集合体として構成されている。
この照射ヘッド16では、集光されたレーザLは、被加工部材8に照射される。本実施形態において、レーザ出力装置12が複数(図3では3つ)の波長帯を有するレーザを発振している。このレーザは、分光部16Fで各波長帯にそれぞれ分光され円環光R1,R2,R3とされた後、それぞれが集光部16Gにおいて集光され、各波長帯のレーザL1,L2,L3が独立して同一位置(被加工部材8の被加工位置(表面))に焦点を一致して照射される。
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発振するレーザ出力装置12と、各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部16Fと、前記分光部16Fで分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部16Gと、を備える。
このレーザ加工装置10によれば、分光部16Fで分光されたレーザを、集光部16Gのレンズ16Ga,16Gb,16Gcによりそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせるため、波長帯の異なるレーザL1,L2,L3の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザL1,L2,L3をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。
また、本実施形態のレーザ加工装置10では、分光部16Fは各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸Sを中心として径の異なる複数の円環光R1,R2,R3とするプリズムの集合体として構成され、集光部16Gは、同一光軸Sを中心としてそれぞれの円環光R1,R2,R3を集光するレンズ16Ga,16Gb,16Gcの集合体として構成されていることが好ましい。
このレーザ加工装置10によれば、各波長帯のレーザを同一光軸Sを中心とした複数の円環光R1,R2,R3に分光し、この円環光R1,R2,R3を同一光軸Sを中心として集光するため、波長帯の異なるレーザL1,L2,L3の焦点位置を一致させることができる。この結果、波長帯の異なるレーザL1,L2,L3をより小さなスポットに集光させてパワー密度を上げることで、加工精度を向上することができる。特に、このレーザ加工装置10によれば、各波長帯のレーザを同一光軸Sを中心とした複数の円環光R1,R2,R3に分光し、この円環光R1,R2,R3を同一光軸Sを中心として集光することで、上述した実施形態1と比較して装置の小型化を図ることができる。
8 被加工部材
10 レーザ加工装置
12 レーザ出力装置
16 照射ヘッド
16A ケーシング
16B 分光部
16C 集光部
16D ケーシング
16E コリメート部
16F 分光部
16G 集光部
16Ga,16Gb,16Gc レンズ
S 光軸
10 レーザ加工装置
12 レーザ出力装置
16 照射ヘッド
16A ケーシング
16B 分光部
16C 集光部
16D ケーシング
16E コリメート部
16F 分光部
16G 集光部
16Ga,16Gb,16Gc レンズ
S 光軸
Claims (4)
- 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、
各波長帯のレーザをそれぞれ分光する分光部と、
前記分光部で分光されたレーザをそれぞれ独立して集光し同一位置に焦点を合わせる集光部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記分光部はプリズムからなり、前記集光部はレンズ群からなることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記分光部は各波長帯のレーザをそれぞれ分光し同一光軸を中心として径の異なる複数の円環光とするプリズムの集合体として構成され、前記集光部は、同一光軸を中心としてそれぞれの円環光を集光するレンズの集合体として構成されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記分光部および前記集光部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1〜3のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
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