JP2017013081A - レーザ加工装置、および、レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度の向上を図ることができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光線を発する光源と、前記光源から発せられるレーザ光線を反射して偏向走査させる複数のミラー面を備え回転駆動されるポリゴンミラーと、被加工物表面または当該表面近傍に前記ポリゴンミラーにより反射されるレーザ光線の焦点を結ばせる集光レンズと、前記レーザ光線の光路中に当該レーザ光線を複数の光線に分岐させる回折格子と、を少なくとも備えているレーザ加工装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを利用する孔開けなどの加工方法、及び、そのような加工に用いることができるレーザ加工装置に関する。

繰り返し速度の速いレーザは、１ショット当たりのエネルギーが低く、ワーク（被加工物）に１つの孔を開けるために数十〜数百回、ショットを繰り返さなければならない。

従来、レーザによる多孔加工には図９に示すようにガルバノミラーを利用して、ワークの所定箇所に焦点が来るように調整していた。すなわち、従来のレーザ加工装置では光源Ｓからのレーザ光線Ｌを２つのガルバノミラー１０及び１１（それぞれの鏡部が軸１０ａ及び１１ａを軸として回動駆動・制御される）により所定の光路となるように制御して集光レンズ（「ｆθレンズ」と呼ばれることもある。）１２によりワークＷの表面ないしその近傍に焦点を結ばせる構造となっており、ガルバノミラー１０及び１１の位置を定めた後にレーザを必要数ショットする。しかし、ガルバノミラーは動作が遅いと云う欠点がある。

ここで、回折格子をレーザ光線の光路に配置し、同時に複数個の貫通孔を設ける技術が提案されている（特許文献１）。しかしながら、さらなる加工のスピードアップが可能となるレーザ加工装置、および、レーザ加工方法が求められていた。

特開２００２−１１３７１１号公報

本発明は、上記した従来の問題点を改善する、すなわち、加工速度の向上を図ることが可能なレーザ加工装置、および、レーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、上記課題を解決するため、請求項１に記載の通り、レーザ光線を発する光源と、前記光源から発せられるレーザ光線を反射して偏向走査させる複数のミラー面を備え回転駆動されるポリゴンミラーと、被加工物表面または当該表面近傍に前記ポリゴンミラーにより反射されるレーザ光線の焦点を結ばせる集光レンズと、前記レーザ光線の光路中に当該レーザ光線を複数の光線に分岐させる回折格子と、を少なくとも備えていることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置では、前記回折格子を、前記レーザ光線を同一平面内の複数の光線に分岐させる回折格子とすることができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、シリンドリカルレンズを前記集光レンズの前記レーザ光線出射側に備えることができる。

本発明のレーザ加工方法は、上記のいずれか１つのレーザ加工装置を用いることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ光線を発する光源と、前記光源から発せられるレーザ光線を反射して偏向走査させる複数のミラー面を備え回転駆動されるポリゴンミラーと、被加工物表面または当該表面近傍に前記ポリゴンミラーにより反射されるレーザ光線の焦点を結ばせる集光レンズと、前記レーザ光線の光路中に当該レーザ光線を複数の光線に分岐させる回折格子と、を少なくとも備えている構成により、レンズ間の収差の補正が集光レンズだけで完結するために簡素な装置構成が可能となり、また、加工スピードが一定となり、かつ、高速で加工することが可能となる。

また、本発明のレーザ加工装置は、シリンドリカルレンズを前記集光レンズの前記レーザ光線出射側に備えることができ、そのとき、加工精度の向上を図ることが可能となる。

本発明のレーザ加工方法は、上記のいずれかのレーザ加工装置を用いる構成により、加工速度の向上を図ることが可能となる。

本発明のレーザ加工装置の一例を示すモデル図である。 回折格子によるレーザ光線の分岐の一例をモデル的に示す図である。 ポリゴンミラーによるレーザ光線の偏向操作の一例をモデル的に示す図である。 加工によりワークに形成された多数の孔の例を示すモデル図である。図中矢印はワークの移動方向である。 本発明のレーザ加工装置の他の例（シリンドリカルレンズを併用する例）を示すモデル図である。 図６（ａ）シリンドリカルレンズの一例のモデル斜視図である。図６（ｂ）シリンドリカルレンズによる焦点位置の精度向上効果を説明するモデル図である。 本発明のレーザ加工装置の他の例（集光レンズの入射側に回折格子が配置されている例）を示すモデル図である。 本発明のレーザ加工装置の他の例（集光レンズの出射側に回折格子が配置されている例）を示すモデル図である。 従来のレーザ加工装置の構成を示すモデル図である。

本発明のレーザ加工装置の例について、図面を用いて説明する。

図１は本発明のレーザ加工装置の一例を示すモデル構成図である。
このレーザ加工装置は、レーザ光線を発する光源Ｓと、光源Ｓから発せられるレーザ光線Ｌを反射して偏向走査させる偏向体としての、回転駆動され、複数のミラー面を備えたポリゴンミラー２と、ポリゴンミラー２により反射された光線をさらに集光レンズ４に導くベンドミラー３と、被加工物Ｗの表面またはその近傍にレーザ光線の焦点を結ばせる集光レンズ４と、光源Ｓとポリゴンミラー２との間のレーザ光線Ｌの光路中にレーザ光線Ｌを複数の光線に分岐させる回折格子１と、を備えている。

ここで、このレーザ加工装置の例で用いられている回折格子の例１についてモデル図である図２を用いて説明する。

この回折格子１は透明なプラスチック（この例では、反射防止膜が施されている。また、プラスチックではなく、ガラスや石英により構成されていてもよい。）で形成された円盤形状をしており、一方の面からレーザ光線Ｌが入射すると、その一方の面に形成された極小の凹凸により、レーザ光線を回折して複数に分岐する。分岐された複数のレーザ光線は、図２でモデル的に示したようにスクリーンＣに映したときに、一直線上に並ぶ。すなわち、この回折格子１は、入射するレーザ光線Ｌを同一平面内の複数（この例では１００）の光線に分岐させる回折格子である。

また、図１のレーザ加工装置の例で用いられているポリゴンミラー２について図３を用いて説明する（この図は、理解を容易にするために、ポリゴンミラー２に入射するレーザ光線が１つの場合について説明するモデル図である。）。ポリゴンミラー２は回転駆動されるが、その軸に対して回転対称な複数のミラー面を有している、レーザ光線Ｌを偏向させる偏向体である。図３中に矢印で示したように、ポリゴンミラー２をわずかに回転駆動させただけで、実線で示した位置から破線で示した位置へと反射されるレーザ光線を大きく移動させることができる。そして、ポリゴンミラー２をさらに同じ方向にわずかに回転すると次のミラー面によって、実線で示した元の位置にレーザ光線を戻すことができる。このように、ポリゴンミラー２を用いることで、ガルバノミラーを用いる場合のように回転（回動）方向を変更する必要なしに、光線の配分位置を元に戻すことができるので、迅速な偏向動作が可能となる。

図１に示した例では、ポリゴンミラー２のミラー面で反射された複数のレーザ光線はベンドミラー３により集光レンズ４に導かれ、集光レンズ４により、ワークＷの表面ないしその近傍に、それぞれ焦点を結ぶ。

本発明のレーザ加工装置は、上記例のように、ポリゴンミラーと回折格子とを備えた構成を有し、この構成により、レンズ間収差の補正が集光レンズのみで完結するので、簡素な構成が可能となり、加工スピードが一定となり、かつ、高速な加工が可能となる。

これに対して、ガルバノミラーを用いる構成では次のような不都合が生じる。すなわち、図９に示したような、ガルバノミラーを２つ用いる装置では収差の十分な補正ができずに加工ばらつきが生じ、また、ガルバノミラーを３つ用いる装置の場合には収差を十分に補正することが可能とはなるが、ガルバノミラーの折り返し動作が多く、加工スピードが低下する。

図４には、図１に示したレーザ加工装置の例により合成樹脂製シートから二次電池のセパレータを得るために、孔開け加工する状態をモデル的に示す。

図４中、縦方向に一列に配置された孔ｈは、回折格子１によって複数（この例では１００）に分岐されたレーザ光線によって同時に孔開け加工されたものであり、加工終了後に図中矢印方向にワークが移動されて、次の列が孔開け加工が再開する。その際にポリゴンミラー２が回転駆動されて、複数のレーザ光線は縦方向に偏向されて、孔が千鳥状に配置されるように加工される。

図１に示したレーザ加工装置において、回折格子や集光レンズの製造精度や取り付け位置精度、あるいは、ミラーの面精度などにより、分岐された複数の光線の一部が同一平面からずれてしまう場合がある。その場合、例えば半円柱状や部分円柱状などの平凸状のシリンドリカルレンズをレーザ光路に配置することで、焦点位置を修正して精度を向上させることができる。

図５には、シリンドリカルレンズ５を集光レンズ４のレーザ光線出射側に配置したレーザ加工装置の例を示す。この例では、シリンドリカルレンズ５の凸曲面がレーザ光線入射側となり、かつ、出射側の平面がシート状のワークＷの処理面に対して平行となるように、そして、シリンドリカルレンズ５の凸曲面の頭頂部の線分が分岐された複数のレーザ光線が含まれる平面に存在するようにシリンドリカルレンズ５が設けられている。

図６（ａ）にシリンドリカルレンズ５の斜視図を、図６（ｂ）にその機能を説明するモデル図を、それぞれ示した。

集光レンズから出射された複数のレーザ光線Ｌは、本来であれば、すべてシリンドリカルレンズ５の凸側面の頭頂部からシリンドリカルレンズ５に入射し、シリンドリカルレンズ５の影響を受けずに直進して出射し、ワークの表面ないしその付近に焦点を結ぶ。しかし、上述のように何らかの理由によって同一平面から外れたレーザ光線は、凸曲面の頭頂部よりも離れた位置からシリンドリカルレンズ５に入射し、その位置に応じてシリンドリカルレンズ５による屈折により補正され、焦点位置で一列に揃う。このようにシリンドリカルレンズ５の併用によって加工精度を向上させることが可能となる。

図１に示した例では、光源Ｓとポリゴンミラー２との間に回折格子１を配置したが、本発明ではこの例に限定されない。すなわち、図７にはベンドミラー３と集光レンズ４との間に、図８には集光レンズ４の出射側とワークＷとの間に、それぞれ回折格子１を配置した、本発明のレーザ加工装置の例を示した。

以上、主として、レーザ光線を同一平面内の複数の光線に分岐させる回折格子を用いる例について説明したが、本発明では、例えばレーザ光線を並列配列状（例えば１０行１０列）や千鳥配列状等の複数の光線に分岐させる回折格子を用いることもできる。

レーザ光線を用いる加工では、ワークの被加工箇所へ数十〜数百回のショットを繰り返すが、例えば、レーザ光線を、互いに等間隔の複数列で、かつ、互いに等間隔の複数行の、並列配列状に分岐させる回折格子を備えたレーザ加工装置を用いて、１回ないし複数回のショット毎にポリゴンミラーを回転駆動させて、例えば１行分ずつないし複数行分ずつ（あるいは、１列分ずつないし複数列分ずつ）、被加工箇所を移動させて加工することで、複数箇所に対して同時進行的に加工することも可能である。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明のレーザ加工装置、および、レーザ加工方法は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。

当業者は、従来公知の知見に従い、本発明のレーザ加工装置、および、レーザ加工方法を適宜改変することができる。このような改変によってもなお、本発明のレーザ加工装置、および、レーザ加工方法の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。

Ｓ 光源
Ｌ レーザ光線
１ 回折格子
２ ポリゴンミラー
３ ベンドミラー
４ 集光レンズ
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. レーザ光線を発する光源と、
   前記光源から発せられるレーザ光線を反射して偏向走査させる複数のミラー面を備え回転駆動されるポリゴンミラーと、
   被加工物表面または当該表面近傍に前記ポリゴンミラーにより反射されるレーザ光線の焦点を結ばせる集光レンズと、
   前記レーザ光線の光路中に当該レーザ光線を複数の光線に分岐させる回折格子と、を少なくとも備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記回折格子が、前記レーザ光線を同一平面内の複数の光線に分岐させる回折格子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。
3. シリンドリカルレンズを前記集光レンズの前記レーザ光線出射側に備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 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を用いることを特徴とするレーザ加工方法。

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