JP2015196163A - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

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渡辺　俊哉
Toshiya Watanabe
俊哉 渡辺
石出　孝
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Abstract

【課題】より小型で、高い精度の加工を行うことが可能であること。【解決手段】被加工部材にレーザを照射し、被加工部材に対して加工を行う加工装置であって、１０７０ｎｍ以下の波長のレーザを出力する複数の垂直共振器型面発光レーザ素子と、複数の垂直共振器型面発光レーザ素子が表面に行列配列された基板と、を有するレーザ出力装置と、レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、レーザ出力装置の出力を制御する制御装置と、を有する【選択図】図１

Description

本発明は、被加工部材に加工を行う加工装置及び加工方法に関する。
被加工部材に対して切断、穴あけ、表面処理、肉盛、溶接加工等の加工を行う加工装置として、レーザを用いる加工装置がある。特許文献１及び特許文献２に記載の加工装置は、被加工部材にレーザを照射することで、被加工部材に対して切断や穴あけを行う。例えば、本出願人が出願人の特許文献１には、ＣＯ２レーザ発振器及びエキシマレーザ発振器を備え、ＣＯ２レーザビームとエキシマレーザビームを２つのレーザとして用い、ＣＯ２レーザのレーザビームを照射することによりプラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断又は穴あけを行った後、引き続いてエキシマレーザのレーザビームをその切断面及びその近傍に照射して切断面に生起した炭化層或いは熱影響層を除去するレーザによる切断を行う加工装置が記載されている。
また、レーザ出力装置としては、基板面に垂直方向にビームを出力する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が提案されている（特許文献２及び特許文献３参照）。
特許第２８３１２１５号公報 特表２０１３−５０４４５７号公報 特開２００２−２６４５２号公報
特許文献１は、ＣＯ２レーザビームとエキシマレーザビームとは、レーザを出力する装置が大型化し、レーザの利用効率の向上に限界がある。また、特許文献２及び特許文献３に記載の半導体レーザの垂直共振器型面発光レーザは、装置を小型化することができるが、改良の余地がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より小型で、高い精度の加工を行う加工装置および加工方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工装置であって、１０７０ｎｍ以下の波長のレーザを出力する複数の垂直共振器型面発光レーザ素子と、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子が表面に行列配列された基板と、を有するレーザ出力装置と、前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、前記レーザ出力装置の出力を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。
また、前記レーザ出力装置を複数有し、複数の前記レーザ出力装置のレーザを出力する面が隣接して配置されていることが好ましい。
また、複数の前記レーザ出力装置は、行列配置されていることが好ましい。
また、複数の前記レーザ出力装置は、一列に配置されていることが好ましい。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材に対して加工を行う加工装置であって、前記被加工部材を加工する加工ヘッドと、レーザを出力する複数の垂直共振器型面発光レーザ素子と、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子が表面に行列配列された基板と、を有するレーザ出力装置および前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系を備え、前記被加工部材を加熱する加熱ヘッドと、前記レーザ出力装置の出力を制御し、前記被加工部材の加熱を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。
また、前記加工ヘッドは、前記被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行うことが好ましい。
また、前加熱ヘッドは、前記加工ヘッドに固定されていることが好ましい。
また、前記案内光学系は、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子から出力されたレーザを集光し、前記被加工部材に照射させることが好ましい。
また、前記案内光学系は、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子から出力されたレーザを集光する集光部と、前記集光部で集光されたレーザが入射され、伝送する光ファイバと、を有することが好ましい。
また、前記レーザ出力装置は、前記基板を冷却する冷却機構を有することが好ましい。
また、前記制御装置は、前記レーザ出力装置の前記垂直共振器型面発光レーザ素子の出力分布を制御することが好ましい。
また、前記加工は、三次元造形、肉盛、溶接、表面処理、穴あけ、切断、掘り込みのいずれかであることが好ましい。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工方法であって、表面に行列配列された複数の垂直共振器型面発光レーザ素子から１０７０ｎｍ以下の波長のレーザを出力し、出力されたレーザを案内光学系で案内し、前記被加工部材を加工することを特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工方法であって、表面に行列配列された複数の垂直共振器型面発光レーザ素子からレーザを出力し、出力されたレーザを案内光学系で案内し、前記被加工部材を加熱することと、加工ヘッドで前記被加工部材を加工すること、とを含むことを特徴とする。
本発明は、より小型化でき、高い精度の加工を行うことが可能であるという効果を奏する。
図１は、加工装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図３は、レーザ出力装置の概略構成を示す模式図である。 図４は、レーザ出力装置のレーザ素子の概略構成を示す模式図である。 図５は、レーザ出力装置の冷却機構の概略構成を示す模式図である。 図６は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。 図７は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。 図８は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。 図９は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示す説明図である。 図１０は、レーザ出力装置の冷却機構の第１変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１１は、レーザ出力装置の冷却機構の第２変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１２は、図１１のレーザ出力装置を反対から見た斜視図である。 図１３は、レーザ出力装置の冷却機構の第３変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１４は、図１３に示すレーザ出力装置の冷却機構の概略構成を示す模式図である。 図１５は、レーザ出力装置の冷却機構の第４変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１６は、レーザ出力装置の冷却機構の第５変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１７は、レーザ出力装置の冷却機構の第６変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１８は、レーザ出力装置の冷却機構の第７変形例の概略構成を示す斜視図である。 図１９は、加工装置の第２実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２０は、加工装置の第３実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２１は、加工装置の第４実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２２は、加工装置の第５実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２３は、レーザ出力装置の配置構成を示す模式図である。 図２４は、加工装置の第６実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２５は、加工装置の処理動作の一例を示すフローチャートである。
以下に、本発明にかかる加工装置および加工方法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、本実施形態の加工装置は、被加工部材に穴を形成する加工や被加工部材を直線に切断する加工を行うことができる。また、加工装置は、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、加工装置が行う加工は、切断、穴あけに限定されない。加工装置は、三次元造形、肉盛、溶接、表面処理、掘り込み等の加工にも用いることができる。表面処理には、焼入れ、加熱（例えば、残留応力の除去や金属や半導体などの結晶成長を目的としたアニーリング）、ポリッシング、表面洗浄、塗膜剥離等が含まれる。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。
［第１実施形態］
図１は、加工装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。図３は、レーザ出力装置の概略構成を示す模式図である。図４は、レーザ出力装置のレーザ素子の概略構成を示す模式図である。図５は、レーザ出力装置の冷却機構の概略構成を示す模式図である。加工装置１０は、図１に示すように、加工ヘッド１３と、移動機構１８と、支持台２０と、制御装置２２と、を有する。加工装置１０は、支持台２０に設置された被加工部材８にレーザを照射することで、被加工部材８を加工する。ここで、本件において、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（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、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、塗料が塗布された材料等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）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、その他複合材料等で作成された部材も用いることができる。
加工ヘッド１３は、被加工部材８にレーザ（レーザ光）を照射して、被加工部材８を加工する。加工ヘッド１３は、図２に示すように、レーザ出力装置４２と、案内光学系４４と、筐体４６と、を有する。
レーザ出力装置４２は、図３に示すように、レーザ出力部５０と、レーザ出力部５０を冷却する冷却機構５２と、を有する。レーザ出力部５０は、基板５４と、基板５４上に配置された複数のＶＣＳＥＬ素子（垂直共振器型面発光レーザ素子）５６と、電流制御回路５８と、を有する。
基板５４は、板状の部材であり、配線５７ａ、５７ｂが設置されている。基板５４は、配線５９ａ、５９ｂ、５９ｃ及び５９ｄが設置されている。基板５４の配線５９ａ、５９ｂ、５９ｃ及び５９ｄは、電流制御回路５８と接続されている。
複数のＶＣＳＥＬ素子５６は、基板面に垂直方向にビームを出力する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、Vertical Cavity Surface Emitting Laser）素子である。ＶＣＳＥＬ素子５６は、図４に示すように、行列状に配置されている。また、ＶＣＳＥＬ素子は、５６板状の基板５４の表面に設置されることで、１つの平面上に並列に配置される。
図４のレーザ出力部５０は、ＶＣＳＥＬ素子５６を５行５列の２５個配置している。レーザ出力部５０は、外側の１周の１６個のＶＣＳＥＬ素子５６が配線５７ａで直列に接続され、配線５９ａで電流制御回路５８と接続されている。また、外側から２つ目となる１周の８個のＶＣＳＥＬ素子５６が配線５７ｂで直列に接続され、配線５９ｂで電流制御回路５８と接続されている。レーザ出力部５０は、中心の１つのＶＣＳＥＬ素子５６が配線５９ｃで接続されている。また、レーザ出力部５０は、ＶＣＳＥＬ素子５６の共通電極が配線５９ｄで接続されている。
電流制御回路５８は、配線５９ａ、５９ｂ、５９ｃ及び５９ｄで各ＶＣＳＥＬ素子５６に電流を供給し、各ＶＣＳＥＬ素子５６の動作を制御する。電流制御回路５８は、ＶＣＳＥＬ素子５６を３種類の配線で接続しており、それぞれの配線で接続されているＶＣＳＥＬ素子５６を連動して制御する。
レーザ出力部５０は、電流制御回路５８から、ＶＣＳＥＬ素子５６に電流を流すことで、各ＶＣＳＥＬ素子５６からレーザを出力させる。
図４のレーザ出力部５０は、ＶＣＳＥＬ素子５６を５行５列の２５個配置した場合を示しているが、これに限定されない。ＶＣＳＥＬ素子５６は、２５個より多くてもよいし、少なくてもよい。また、配置する形状は、本実施形態のように矩形、または円形にすることが好ましいが、任意の形状とすることができる。
冷却機構５２は、銅板７０と、銅板７０との間で冷却水を循環させる冷却水供給機構７２と、を有する。銅板７０は、レーザ出力部５０の基板５４のＶＣＳＥＬ素子５６が配置されている面とは反対側の面に接している。銅板７０には、複数の冷却水通路７４が並列に形成され、一方の端部にヘッダ７６が接続され、他方の端部にヘッダ７８が接続されている。冷却水供給機構７２は、ヘッダ７６とヘッダ７８に接続され、ヘッダ７６に冷却水を供給し、ヘッダ７８から冷却水を回収する。冷却水供給機構７２は、ポンプと、配管と、冷却水を冷却する冷却部と、を有する。配管がヘッダ７６とヘッダ７８に接続され、配管にポンプと冷却部が繋がっており、銅板７０と、ポンプと冷却部で１つの閉じられた流路を形成している。なお、冷却水供給機構７２は、閉じられた流路とせずに、使用した冷却水は廃棄するようにしてもよい。
冷却機構５２は、冷却水循環機構７２で、ヘッダ７６、冷却水通路７４、ヘッダ７８の順で冷却水を流すことで、銅板７０を冷却することで、基板５４を冷却し、レーザ出力部５０を冷却する。
案内光学系４４は、レーザ出力装置４２から出力されたレーザを被加工部材８に案内する光学系である。案内光学系４４は、レンズを有し、レーザ出力装置４２から出力されたレーザを集光して、被加工部材８に照射する。案内光学系４４は、ミラーやレンズの組み合わせを用いてもよい。加工ヘッド１３は、レーザ出力装置４２から出力され、案内光学系４４で案内されるレーザＬを被加工部材８に照射する。筐体４６は、レーザ出力装置４２と案内光学系４４とを保持する。
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、先端で加工ヘッド１３の筐体４６を支持している。駆動源３２は、アーム３０をＸＹＺの３軸方向に加え、θ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方向やθ方向に移動させることで、被加工部材８の種々の位置にレーザＬを照射することができる。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で加工ヘッド１３を移動させる機構としたが、ＸＹステージ、ＸＹＺステージ等で加工ヘッド１３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、加工装置１０は、支持台２０を被加工部材８をＸＹ方向に移動させるＸＹステージとしてもよい。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４２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で加工ヘッド１３を移動させ被加工部材８に対する加工ヘッド１３の位置を調整したりする。加工装置１０は、以上のような構成である。
加工装置１０は、レーザ出力装置４２のＶＣＳＥＬ素子５６からレーザＬを出力させる。加工装置１０は、出力されたレーザＬを案内光学系４４で被加工部材８に案内し、照射することで、被加工部材８を加工する。
加工装置１０は、レーザを出力するレーザ出力装置４２にＶＣＳＥＬ素子５６を用いることで装置を小型化することができる。また、加工装置１０は、冷却機構５２でレーザ出力部５０を冷却することで、レーザ出力部５０の温度上昇を抑制でき、安定して長時間稼動させることができる。また、配置するＶＣＳＥＬ素子５６の数を調整することで、出力するレーザの強度も調整することができる。さらに、レーザ出力装置４２から指向性の高いレーザを出力することができ、簡単な光学系でレーザを制御することができる。
ここで、加工装置１０は、ＶＣＳＥＬ素子５６から出力するレーザの波長を１０７０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより被加工部材８を好適に加工することができる。また、１つのＶＣＳＥＬ素子５６は、出力を１ｍＷ以上１０ｍＷ以下とすることが好ましい。また、レーザ出力装置４２は、出力を１０Ｗ以上１０ｋＷ以下とすることが好ましい。また、レーザ出力装置４２は、１００Ｗ以上１０ｋＷとすることがより好ましく、５００Ｗ以上１０ｋＷ以下がより好ましい。１つのＶＣＳＥＬ素子５６の出力を１ｍＷ以上、また、レーザ出力装置４２の出力を１０Ｗ以上とすることで、個々の出力を高くすることができ、必要な出力を得るために必要な個数を減らすことができる。また、上記のより好ましい範囲とすることで、必要な出力を得るために必要な個数をさらに減らすことができる。また、レーザ出力装置４２の出力を１０ｋＷ以下とすることで、装置を小型化することができる。具体的には、レーザ出力装置４２の発熱量を小さくすることができ、冷却機構３２を小さくすることができ、装置全体の大型化を抑制することができる。また、上記のより好ましい範囲とすることで、装置の大型化を抑制することができる。
また、加工装置１０は、レーザを出力するレーザ出力装置４２にＶＣＳＥＬ素子５６を用いることで、ＶＣＳＥＬ素子５６ごとに出力するレーザの強度を調整することができ、レーザＬのプロファイルを任意の形状とすることができる。具体的には、加工装置１０は、制御装置２２により、電流制御回路５８からＶＣＳＥＬ素子５６に供給する電流を制御することで、ＶＣＳＥＬ素子５６から出力されるレーザの強度を制御することができ、レーザＬのプロファイルを任意の形状とすることができる。
図６は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。図７は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。図８は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示すグラフである。図９は、レーザ出力装置の出力分布の一例を示す説明図である。例えば、加工装置１０は、図６に示すように、中心側と内周側のＶＣＳＥＬ素子５６を同じとし、外側のＶＣＳＥＬ素子５６の出力を低くすると図７に示すようなトップフラット型の出力分布とすることができる。これにより、ＤＯＥ等の光学素子を用いずにトップフラット型の出力分布を形成することができる。また、加工装置１０は、中心側と外周側のＶＣＳＥＬ素子５６を低くし、中心と外周との間の内周側のＶＣＳＥＬ素子５６の出力を高くすると図８及び図９に示すような出力のピーク７９が中心から離れた位置にリングとなるリング型の出力分布とすることができる。これにより、特開２０１２−２３０３６６号公報に記載されているような光学系を用いずにリング型の出力分布の光を出力することができる。また、加工装置１０は、中心側から外側に向かって出力を小さくすることで、ガウシアン型の出力分布の光も出力することができる。
これにより、加工装置１０は、１つの発光素子から出力される場合に比べて、出力分布の制御が簡単になり、任意の出力分布のレーザを出力させることができる。また、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ素子５６を中心から順番にグループ分けして配線につないだが各ＶＣＳＥＬ素子を接続するパターンは種々のパターンとすることができる。
また、加工装置１０の冷却機構５２は、上記例に限定されず、種々の機構を用いることができる。図１０から図１８を用いて、冷却機構の他の例について説明する。なお、冷却機構は、各種特徴を組み合わせることもできる。
図１０は、レーザ出力装置の冷却機構の第１変形例の概略構成を示す斜視図である。図１０に示すレーザ出力装置４２ａの冷却機構５２ａは、銅板７０ａがレーザ出力部５０よりも大きい。このように、銅板７０ａを大きくすることで、レーザ出力部５０の冷却能力を高くすることができる。
図１１は、レーザ出力装置の冷却機構の第２変形例の概略構成を示す斜視図である。図１２は、図１１のレーザ出力装置を反対側から見た斜視図である。図１１及び図１２に示すレーザ出力装置４２ｂの冷却機構５２ｂは、銅板７０ａのレーザ出力部５０とは反対側の面にヒートシンク８０が設けられている。ヒートシンク８０は、凹凸部が形成されており、凹凸部が形成されることで空気との接触面積が大きくなっている空冷機構である。冷却機構５２ｂは、ヒートシンク８０を設けることで、冷却能力をさらに高くすることができる。
図１３は、レーザ出力装置の冷却機構の第３変形例の概略構成を示す斜視図である。図１４は、図１３に示すレーザ出力装置の冷却機構の概略構成を示す模式図である。図１３及び図１４に示すレーザ出力装置４２ｃの冷却機構５２ｃは、銅板７０ｂの冷却水通路７４ａが、断面が矩形となり、レーザ出力部５０の全面に形成された１本の流路となる。これにより、レーザ出力部５０と重なる部分の面積をより大きくすることができ、冷却性能を高くすることができる。また、冷却水通路７４ａは、銅板７０ｂとレーザ出力部５０との接触面に直交する方向の長さを他の方向に比べて短くすることで、冷却に寄与する面積を維持しつつ、供給する冷却水の流速を早くすることができる。
図１５は、レーザ出力装置の冷却機構の第４変形例の概略構成を示す斜視図である。図１５に示すレーザ出力装置４２ｄの冷却機構５２ｄは、銅板７０ｃは、レーザ出力部５０の側面にも接している。つまり、銅板７０ｃは、凹みが形成され、凹みにレーザ出力部５０が設置されている。冷却水通路７４ｂは、銅板７０ｃの側面に対応する部分にも形成され、断面がＵ時形状となる。冷却水通路７４ｂは、レーザ出力部５０に対応して形成された１本の流路となる。これにより、レーザ出力部５０と重なる部分の面積をより大きくすることができ、冷却性能を高くすることができる。
図１６は、レーザ出力装置の冷却機構の第５変形例の概略構成を示す斜視図である。図１６に示すレーザ出力装置４２ｅの冷却機構５２ｅは、銅板７０ｄに冷却水通路７４ａと、冷却水通路７５との２本の冷却水通路が形成されている。冷却水通路７５は、冷却水通路７４ａと並行でかつレーザ出力部５０から離れた位置に形成されている。レーザ出力装置４２ｅは、冷却水通路を２本設けることで、冷却性能を高くすることができる。
図１７は、レーザ出力装置の冷却機構の第６変形例の概略構成を示す斜視図である。図１７に示すレーザ出力装置４２ｆの冷却機構５２ｆは、銅板７０ｅと冷却水供給機構７４ｂとが設けられている。銅板７０ｅは、冷却水通路７４ｃと、ヘッダ７６ａ、７８ａとが形成されている。冷却水通路７４ｃは、レーザ出力部５０と接している面と反対側の面に冷却水の流入口が形成され、レーザ出力部５０と接している面と直交している４つの面の内対抗する２つの面に冷却水の流出口が形成されている。ヘッダ７６ａは、レーザ出力部５０と接している面と反対側の面に形成された流入口に連結している。２つのヘッダ７８ａは、レーザ出力部５０と接している面と直交する面の２つの面に形成された流出口にそれぞれ連結している。冷却水供給機構７２ａは、ヘッダ７６ａから冷却水通路７４ｃに冷却水を供給し、２つのヘッダ７８ａに排出された冷却水を回収することで、銅板７０ｅを冷却する。このように、銅板７０ｅのレーザ出力部５０と接している面と反対側の面に冷却水の流入口を設けることで、冷却水をレーザ出力部５０に向けた方向に供給することができる。これにより、冷却能力をより高くすることができる。
図１８は、レーザ出力装置の冷却機構の第７変形例の概略構成を示す斜視図である。図１８に示すレーザ出力装置４２ｇの冷却機構５２ｇは、銅板７０ｆに冷却水通路８２とヒートシンク８４との両方が形成されている。つまり、冷却機構５２ｇは、レーザ出力部５０に冷却水通路８２とヒートシンク８４の構造の両方を備えた銅板７０ｆが設置される。これにより、少ない部品点数でより冷却性能を高くすることができる。
また、上記変形例は、各種組み合わせることができる。例えば、ヒートシンクを備えていない冷却機構は、ヒートシンクを備えてもよいし、レーザ出力部５０よりも大きい形状としても、レーザ出力部５０と同様の形状としてもよい。
加工装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図１９から図２４を用いて、他の実施形態について説明する。
［第２実施形態］
図１９は、加工装置の第２実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、第２実施形態の加工装置は、加工ヘッドの構造を除いて、第１実施形態の加工装置１０と同様の構成である。加工装置１０と同様の構成については説明を省略する。
加工装置１１０の加工ヘッド１１１は、レーザ出力装置１４２と、案内光学系１４４と、筐体１４６と、を有する。加工ヘッド１１１のレーザ出力装置１４２と、案内光学系１４４の一部は、筐体１４６の外に配置されている。レーザ出力装置１４２は、配置位置以外は、レーザ出力装置４２と同様の構造である。
案内光学系１４４は、入光側集光部１４４ａと、光ファイバ１４４ｂと、照射側集光部１４４ｃと、を有する。入光側集光部１４４ａは、レーザ出力装置１４２から出力されたレーザを集光して、光ファイバ１４４ｂに入射させる。光ファイバ１４４ｂは、フレキシブルな伝送器である。光ファイバ１４４ｂは、入射されたレーザを照射側集光部１４４ｃに向けて照射する。照射側集光部１４４ｃは、光ファイバ１４４ｂから出力されたレーザを集光して被加工部材８に照射する。照射側集光部１４４ｃは、コリメートレンズと集光レンズとを有し、光ファイバ１４４ｂから出力されたレーザをコリメートした後、集光する。筐体１４６は、アーム３０に支持され、光ファイバ１４４ｂの一部と照射側集光部１４４ｃとを支持している。
加工装置１１０のように、光ファイバ１４４ｂを用いてレーザ出力装置１４２から出力されるレーザを伝送してもよい。ＶＣＳＥＬ素子５６を用いてレーザを出力することで、発散角が小さい、つまり指向性の高いレーザを出力することができるため、光ファイバ１４４ｂに効率よく入射させることができる。これにより、光ファイバ１４４ｂを細くすることができ、被加工部材８に照射するレーザの品質と集光性をより高くすることができる。これにより、加工の精度をより高くすることができる。
なお、加工装置１１０は、レーザ出力装置１４２を筐体１４６とは別体としたが、レーザ出力装置１４２を筐体１４６の内部に配置し、光ファイバ１４４ｂを用いてレーザを伝送してもよい。このようにした場合も光ファイバ１４４ｂを用いることで、レーザ出力装置１４２を筐体１４６の任意の位置に配置することができ、設計の自由度を高くすることができる。
［第３実施形態］
図２０は、加工装置の第３実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、第３実施形態の加工装置は、加熱ヘッドを備えている点を除いて、第１実施形態の加工装置１０と同様の構成である。加工装置１０と同様の構成については説明を省略する。
加工装置２１０は、図２０に示すように、加工ヘッド１３と、移動機構１８と、支持台２０と、制御装置２２と、複数の加熱ヘッド２１５と、を有する。加熱ヘッド２１５は、加工ヘッド１３と同様にＶＣＳＥＬ素子を有し、ＶＣＳＥＬ素子から出力されたレーザを被加工部材８に照射して、被加工部材８を加熱する。加熱ヘッド２１５の構造は、加工ヘッド１３と同様であるので説明を省略する。加熱ヘッド２１５は、加工ヘッド１３の筐体の周囲に配置されており、加工ヘッド１３に固定されている。したがって、加熱ヘッド２１５は、加工ヘッド１３と一体で移動する。加熱ヘッド２１５は、加工ヘッド１３の周囲４か所に加工ヘッド１３の軸周りに等角度間隔で配置されている。
加工装置２１０は、加熱ヘッド２１５を設け、加工ヘッド１３で加工する領域、または加工した領域を加熱することで、加工をより高精度に実行することができる。また、加工装置２１０は、加熱ヘッド２１５のレーザ源としてＶＣＳＥＬ素子を用い、ＶＣＳＥＬ素子から出力されたレーザを被加工部材８に照射して、被加工部材８を加熱することで、加熱ヘッド２１５のレーザ出力装置を含めた部分を小型化することができ、簡単に加工ヘッド１３と一体化することができる。加熱ヘッド２１５を加工ヘッド１３と一体化することで、アライメントを容易にとることができ、位置制御を簡単にすることができる。また、加熱ヘッド２１５のレーザ源としてＶＣＳＥＬ素子を用い、ＶＣＳＥＬ素子から出力されたレーザを被加工部材８に照射して、被加工部材８を加熱することで、各ＶＣＳＥＬ素子から出力するレーザをそれぞれ制御することができる。これにより照射するレーザをより高精度に制御することができ、加熱をより高い精度で実行することができる。例えば、トップフラット型の出力分布とし、均一な加熱を行うことも、一部分のみの強度を高くして、局所的な加熱を行うこともできる。また、ＶＣＳＥＬ素子を行列に配置し、パルス発振でレーザの出力を制御し、行ごと、列ごとに順次駆動することで、照射するレーザを走査（スキャンニング）させることもできる。
なお、加熱ヘッド２１５は、本実施形態のように等間隔で設けることで加熱をより均一にできるため好ましいが、これに限定されない。加熱ヘッド２１５は、加工ヘッド１３に対して１つのみ設けてもよいし、不均一に配置してもよい。
また、加熱ヘッド２１５にＶＣＳＥＬ素子を用いる場合、１つのＶＣＳＥＬ素子は、出力を１０Ｗ以上１０ｋＷ以下とすることが好ましい。さらに、レーザ出力装置は、出力を５０Ｗ以上１０ｋＷ以下とすることが好ましい。上記範囲とすることで、加熱ヘッドで適切に加熱を行うことができる。
［第４実施形態］
図２１は、加工装置の第４実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、第４実施形態の加工装置３１０は、加工ヘッド３１３の構造を除いて、第３実施形態の加工装置２１０と同様の構成である。加工装置２１０と同様の構成については説明を省略する。
加工装置３１０は、図２１に示すように、加工ヘッド３１３と、移動機構１８と、支持台２０と、制御装置２２と、複数の加熱ヘッド２１５と、を有する。加熱ヘッド３１３は、レーザ出力装置３１２と、光ファイバ３１４と、照射ヘッド３１６と、を有する。
レーザ出力装置３１２は、レーザを出力する装置である。レーザ出力装置３１２には、光ファイバを媒質に用いてレーザを出力するファイバレーザ出力装置や、短パルスのレーザを出力する短パルスレーザ出力装置を用いることができる。ファイバレーザ出力装置としては、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置が例示される。また、ファイバレーザ出力装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）とパルス発振（Pulsed Operation）のいずれの方式を用いるレーザ出力装置でもよい。ファイバレーザ出力装置のファイバには、例えば希土類元素（Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ）を添加したシリカガラスを使用することができる。また、短パルスとは、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスである。短パルスレーザ出力装置のレーザの発生源としては、例えばチタンサファイアレーザを用いることができる。
光ファイバ３１４は、レーザ出力装置３１２から出力されたレーザを照射ヘッド３１６に案内する光学系である。光ファイバ３１４は、一方の端部がレーザ出力装置３１２のレーザの出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド３１６に接続されている。光ファイバ３１４は、レーザ出力装置３１２から出力されたレーザＬを照射ヘッド３１６の入射端に向かって出力する。なお、レーザを案内する光学系は、光ファイバに限定されない。加工装置３１０はレーザを案内する光学系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、集光等することで、照射ヘッド３１６に案内してもよい。
照射ヘッド３１６は、アーム３０に支持され、内部に集光光学系が設けられている。照射ヘッド３１６は、光ファイバ３１４から出力されるレーザＬを集光して被加工部材８に照射する。
このように、加工装置３１０は、加工ヘッド３１３にＶＣＳＥＬ素子以外の発光素子を用いている。このように、加工ヘッド３１３にＶＣＳＥＬ素子を用いない場合も加熱ヘッドにＶＣＳＥＬ素子を設け、ＶＣＳＥＬ素子から出力したレーザで加熱を行うことで、第３実施形態と同様に加熱ヘッドを小さくしつつ、加熱を高精度に制御することができ、加工の精度を向上させることができる。また、第４実施形態では、レーザを照射して加工を行う加工ヘッドを用いたが、加工ヘッドを機械加工により行う機構としてもよい。
［第５実施形態］
図２２は、加工装置の第５実施形態の概略構成を示す模式図である。図２３は、レーザ出力装置の配置構成を示す模式図である。なお、第５実施形態の加工装置は、加工ヘッド１３がレーザ出力装置４２を複数備えている点を除いて、第１実施形態の加工装置１０と同様の構成である。加工装置１０と同様の構成については説明を省略する。
加工装置４１０の加工ヘッド４１３は、図２２に示すように、レーザ出力ユニット４４２と、案内光学系４４４と、を有する。レーザ出力ユニット４４２は、図２２及び図２３に示すように、複数のレーザ出力装置４２がレーザの出力面が１つの面となるように行列状に配置されている。案内光学系４４４は、複数のレーザ出力装置４２から出力されたレーザＬを集光して被加工部材８に照射する。
加工装置４１０は、複数のレーザ出力装置４２から出力したレーザＬを被加工部材８に照射することで、レーザの出力をより大きくすることができる。これにより、より大出力での加工を行うことができる。また、レーザ出力装置４２は、１つの装置がファイバレーザ等よりも小さく、容易に平面上に隣接して配置することができる。
なお、レーザ出力ユニット４４２は、レーザ出力装置４２の数を任意の数とすることができる。また、本実施形態のレーザ出力ユニット４４２は、レーザ出力装置４２を行列状に配置し、レーザ出力装置４２を繋げたレーザの出力面を矩形としたが、円形、楕円形、多角形等種々の形状とすることができる。
［第６実施形態］
図２４は、加工装置の第６実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、第６実施形態の加工装置は、加工ヘッド１３がレーザ出力装置４２を複数備えている点を除いて、第１実施形態の加工装置１０と同様の構成である。加工装置１０と同様の構成については説明を省略する。
加工装置５１０の加工ヘッド５１３は、図２４に示すように、レーザ出力ユニット５４２と、案内光学系５４４と、を有する。レーザ出力ユニット５４２は、図２４に示すように、複数のレーザ出力装置４２がレーザの出力面が１つの面となるように１列に配置されている。案内光学系４４４は、複数のレーザ出力装置４２が並んでいる方向に延びたシリンダ型のレンズであり、複数のレーザ出力装置４２から出力されたレーザＬを集光して被加工部材８に照射する。
加工装置５１０は、図２４に示すように、レーザ出力ユニット５４２のレーザ出力装置４２を１列に配置することで、レーザをライン状に照射することができる。また、レーザ出力装置４２のＶＣＳＥＬ素子５６の出力を制御することで、レーザの強度が均一なライン状のレーザとすることができる。これにより、ライン状に実行する加工を好適に行うことができる。
次に、図２５を用いて加工装置の処理動作について説明する。図２５は、加工装置の処理動作の一例を示すフローチャートである。なお、図２５は、加熱しつつ加工を行う場合について説明する。加熱を行わない場合、加工に関する処理のみを実行すればよい。
制御装置２２は、被加工部材と実行する加工を特定する（ステップＳ１２）。制御装置２２は、被加工部材の材料や、実行する加工が三次元造形、肉盛、溶接、表面処理、穴あけ、切断、掘り込みのいずれであるか、または加工量等を特定する。
制御装置２２は、被加工部材と実行する加工を特定したら、加工ヘッドから照射するレーザの強度と出力分布を決定し（ステップＳ１４）、加熱ヘッドから照射するレーザの強度と出力分布を決定する（ステップＳ１６）。制御装置２２は、ステップＳ１４とステップＳ１６の処理を並列して実行しても逆の順序で実行してもよい。制御装置２２は、加工ヘッドと加熱ヘッドの駆動条件を決定したら、決定した条件に基づいて、加工を実行する（ステップＳ１８）。
このように加工装置は、ＶＣＳＥＬ素子を複数有するレーザ照射装置を有することで、加工ヘッド、加熱ヘッドから照射するレーザの強度と出力分布を簡単に調整することができる。これにより、より高精度な加工を行うことができる。
例えば、加工として三次元造形、肉盛、溶接を行う場合、ＶＣＳＥＬ素子を備える加熱ヘッドから照射するレーザで加熱を行うことで、より高品質な加工を行うことができる。例えば、材料を溶融して、凝固させる過程の温度を加熱ヘッドで適切に制御することで、溶融から凝固するまでの冷却速度を高い精度で制御することができ、加工の品質をより高くすることができる。また、ＶＣＳＥＬ素子を備える加工ヘッドを用いて上記加工を行うことで、照射するレーザの出力分布を好適な分布とすることができ、加工の品質をより高くすることができる。
また、加工として、表面処理（焼入れ、加熱、ポリッシング、表面洗浄等）を行う場合、ＶＣＳＥＬ素子を備える加熱ヘッドから照射するレーザで加熱を行うことで、より高品質な加工を行うことができる。例えば、加工ヘッドで加工を行う周囲の温度を加熱ヘッドで適切に制御することで、冷却速度を高い精度で制御することができ、加工の品質をより高くすることができる。また、ＶＣＳＥＬ素子を備える加工ヘッドを用いて上記加工を行うことで、照射するレーザの出力分布を好適な分布とすることができ、加工の品質をより高くすることができる。
また、加工として、脆性材料もしくは脆性材料を含む材料および積層材料の穴あけ、切断を行う場合、ＶＣＳＥＬ素子を備える加熱ヘッドから照射するレーザで加熱を行うことで、より高品質な加工を行うことができる。例えば、加工ヘッドで加工を行う周囲の温度を加熱ヘッドで適切に制御することで、熱衝撃を緩和することができ、加工ヘッドにより加工、特にレーザ加工による熱衝撃で生じる脆性材料のクラック又は積層材料間の剥離を抑制することができ、加工の品質をより高くすることができる。また、ＶＣＳＥＬ素子を備える加工ヘッドを用いて上記加工を行うことで、照射するレーザの出力分布を好適な分布とすることができ、加工の品質をより高くすることができる。
また、加工ヘッド１３は、レーザＬの光路を回転軸周りに回転させることで、被加工部材８上の照射位置を回転させるようにしてもよい。加工ヘッド１３は、円を描くようにレーザＬの照射位置を移動させることで、切断等の加工を好適に行うことができる。
８ 被加工部材
１０ 加工装置
１３ 加工ヘッド
１８ 移動機構
２０ 支持台
２２ 制御装置
３０ アーム
３２ 駆動源
４２ レーザ出力装置
４４ 案内光学系
４６ 筐体
５０ レーザ出力部
５２ 冷却機構
５４ 基板
５６ ＶＣＳＥＬ素子
５７ａ、５７ｂ 配線
５８ 電流制御回路
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ 配線
７０ 銅板
７２ 冷却水供給機構
７４ 冷却水通路
７６、７８ ヘッダ
８０ ヒートシンク

Claims (14)

  1. 被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工装置であって、
    １０７０ｎｍ以下の波長のレーザを出力する複数の垂直共振器型面発光レーザ素子と、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子が表面に行列配列された基板と、を有するレーザ出力装置と、
    前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、
    前記レーザ出力装置の出力を制御する制御装置と、を有することを特徴とする加工装置。
  2. 前記レーザ出力装置を複数有し、
    複数の前記レーザ出力装置のレーザを出力する面が隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
  3. 複数の前記レーザ出力装置は、行列配置されていることを特徴とする請求項２に記載の加工装置。
  4. 複数の前記レーザ出力装置は、一列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の加工装置。
  5. 被加工部材に対して加工を行う加工装置であって、
    前記被加工部材を加工する加工ヘッドと、
    レーザを出力する複数の垂直共振器型面発光レーザ素子と、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子が表面に行列配列された基板と、を有するレーザ出力装置および前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系を備え、前記被加工部材を加熱する加熱ヘッドと、
    前記レーザ出力装置の出力を制御し、前記被加工部材の加熱を制御する制御装置と、を有することを特徴とする加工装置。
  6. 前記加工ヘッドは、前記被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行うことを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
  7. 前加熱ヘッドは、前記加工ヘッドに固定されていることを特徴とする請求項５または６に記載の加工装置。
  8. 前記案内光学系は、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子から出力されたレーザを集光し、前記被加工部材に照射させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の加工装置。
  9. 前記案内光学系は、複数の前記垂直共振器型面発光レーザ素子から出力されたレーザを集光する集光部と、前記集光部で集光されたレーザが入射され、伝送する光ファイバと、を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の加工装置。
  10. 前記レーザ出力装置は、前記基板を冷却する冷却機構を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の加工装置。
  11. 前記制御装置は、前記レーザ出力装置の前記垂直共振器型面発光レーザ素子の出力分布を制御することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の加工装置。

  12. 前記加工は、三次元造形、肉盛、溶接、表面処理、穴あけ、切断、掘り込みのいずれかであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の加工装置。
  13. 被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工方法であって、
    表面に行列配列された複数の垂直共振器型面発光レーザ素子から１０７０ｎｍ以下の波長のレーザを出力し、
    出力されたレーザを案内光学系で案内し、前記被加工部材を加工することを特徴とする加工方法。
  14. 被加工部材にレーザを照射し、前記被加工部材に対して加工を行う加工方法であって、
    表面に行列配列された複数の垂直共振器型面発光レーザ素子からレーザを出力し、出力されたレーザを案内光学系で案内し、前記被加工部材を加熱することと、
    加工ヘッドで前記被加工部材を加工することと、を含むことを特徴とする加工方法。
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