JP2019206031A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2011−29438号公報
[特許文献2] 特開2016−175813号公報
図1は、実施例1に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。レーザ加工装置100は、電源10と、半導体レーザ装置20と、調整部50と、制御部55と、光ファイバ60と、光学変換部70と、照射ヘッド80とを備える。
図2は、実施例2に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。本例では、実施例1に係るレーザ加工装置100と相違する点について特に説明する。本例のレーザ加工装置100は、実施例1のレーザ加工装置100に、さらに、半導体レーザ装置120を追加した場合の概要を示す。レーザレーザ加工装置100は、実施例1の構成に、半導体レーザ装置120と、電源12と、第1光学系130と第2光学系140とからなる光学変換部170と、センサ部150と、制御部155と、光ファイバコア62dと、照射ヘッド80dとを備える。
[数1]
Bx≦P
また、ビーム幅Bxは、次式で示される。
[数2]
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
Ex1は、マイクロレンズ34を構成する凸レンズの焦点距離である。マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は、次式を満たす。
[数3]
(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx≦P
マイクロレンズ34の焦点距離Ex1が((P−Wx)/2)/(sin(Θx/2))より大きい場合はX軸方向のビーム幅Bxが隣のエミッタ28からのレーザ光21と重なってしまう。
[数4]
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx=0.195+0.2=0.395mm
ビーム幅Bxは、エミッタ28のピッチP=0.4mm以下となり(数3)式を満たす。
[数5]
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))
[数6]
ΣBx=P・(k−1)+Bx
即ち、次式を満たす。
ΣBx=P・(k−1)+(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
Pは、エミッタ28のX軸方向におけるピッチである。
ΣBx=0.4・(4−1)+0.395=1.595mm
[数7]
2・Fx2≧Cx≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
ここで、CRは、光ファイバコア62の半径である。光ファイバコア62の半径CRは、光ファイバコア62の断面が矩形の場合、当該矩形の中心から矩形の外周までの最短距離であってよい。
[数8]
By=Ey1(2・sin(Θy/2))
発散角度Θyは、半導体レーザ装置20からY軸方向の発散角度である。
[数9]
Fy2≧By/(2・sin(Θ))
[数10]
Fy2≧(Ey1・sin(Θy/2))・2/(2・sin(Θ))
[数11]
2・Fy2≧Cy≧(1−2・CR/By)・Fy2
図6Aは、実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置20は、N層に積層されたN個の半導体レーザバー26を備える。レーザ加工装置100は、半導体レーザバー26を積層させることにより、数100W〜数KWの高出力の加熱ビーム104を出力することができる。本例のレーザ加工装置100は、図3の実施例と異なり、レーザ光21をX軸方向へは分割していない。
[数12]
By≦Sy
[数13]
By=(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy
即ち、次式を満たす。
[数14]
(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy≦Sy
エミッタ幅Wyは、エミッタ28のY軸方向の幅である。ここで、マイクロレンズ34の焦点距離Ey1が0.6mm、Wy=0.01であるから、Byが次式で算出される。
By=(0.6・sin(30°/2))・2+0.01=0.31+0.01=0.32mm
そして、Sy=2.5mmであるから、(数12)式を満たす。したがって、半導体レーザバー26aと半導体レーザバー26bとのレーザ光21は重ならない。
[数15]
ΣBy=Sy・(N−1)+By
ΣBy=(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy+Sy・(N−1)
実施例3において、ΣBy=2.4・(2−1)+0.32=2.7mmとなる。
[数16]
Fy2≧ΣBy/(2・sin(Θ))
[数17]
Fy2≧(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy+Sy・(N−1)/(2・sin(Θ))
[数18]
2・Fy2≧Cy≧(1−2・CR/ΣBy)・Fy2
Fy2=ΣBy/(2・sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13
シリンドリカルレンズ21の位置は、入射コア面からの距離Cyが次式を満たすように設定される。
2・6.13≧Cy≧(1−2・0.3/2.7)・6.13
12.26≧Cy≧0.126
実施例3では、シリンドリカルレンズ44aの焦点距離Fy2を6mmとした。
CD≧Fmax
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+Sy・(n−1))
ここで、集光ビームの幅をByとし、第2光学系のY軸方向の焦点距離をFy2とする。Syは、半導体レーザバー26のY軸方向の間隔である。
Fy2=ΣBy/(2・sin(Θ))
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+Sy・(n−1))=6.13・2・0.22+2.5=2.69+2.5=5.19mm
[数19]
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
[数20]
ΣBx=P・(K−1)+Bx
[数21]
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))
である。焦点距離Fx2は、次式を満たす。
[数22]
Fx2≧(P・(K−1)+Bx)/(2・sin(Θ))
[数23]
2・Fx2≧Cx≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
Bx=0.395mm
ΣBx=P・(K−1)+Bx=0.4・(12−1)+0.395=4.79
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9
2・Fx2≧Cx≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
よって、Cxが次式を満たす。
21.8≧Cx≧9.5
実施例2ではCx=11mmであり、Cxを焦点距離Fx2=10.9mmと同程度とした。
K×N≧k×L
但し、K,k,Nは1以上の整数である。
図6Bは、実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置100は、光ファイバコア62に集光ビーム102を集光する。本例のレーザ加工装置100は、集光レンズとして凸レンズ48を備える点で、実施例3に係るレーザ加工装置100と相違する。これにより、シリンドリカルレンズの枚数を削減できる。
[数24]
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
[数25]
ΣBx=P・(K−1)+(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
とすると、
[数26]
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))
を満たす。これにより、集光ビーム102が光ファイバ60に損傷を与えることなく入射される。
[数27]
Fy2≧ΣBy/(2・sin(Θ))
ここで、ビーム幅ΣByは、
By=(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy
であるから、
ΣBy=Sy・(n−1)+By
である。これにより、光ファイバ60に損傷を与えることなく集光ビーム102が入射される。
凸レンズ48の位置は光ファイバコア62の入射面からの距離がCcとすると、
2・Fx2≧Cc≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
を満たす。
凸レンズ48の焦点距離は、(数27)式を満たすFy2であり、且つ、
2・Fy2≧Cc≧(1−2・CR/ΣBy)・Fy2
を満たす。
Bx=0.395mm
ΣBx=P・(K−1)+Bx=0.4・(12−1)+0.395=4.79
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9
以上から、光ファイバコア62aと凸レンズ48との距離Ccは、次式で示される。
2・Fx2≧Cc≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
よって、Ccが次式を満たす。
21.8≧Cc≧9.5
Fy2=ΣBy/(2・sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13
2・6.13≧Cc≧(1−2・0.3/2.7)・6.13
12.26≧Cc≧0.126
X軸方向の要請およびY軸方向の要請から、焦点距離Fx2=10.9mmである凸レンズ48の入射コア面から距離Ccは、次式を満たす。
12.26≧Cc≧9.5
図7は、実施例5に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置100は、L×N本の光ファイバ60で構成される点で実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100と相違する。
Claims (28)
- 複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、
前記複数本のレーザ光を、L本の集光ビームに集光する光学変換部と、
前記L本の集光ビームを受光するL本の光ファイバと、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザバーを有し、
前記N個の半導体レーザバーのそれぞれは、前記複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、
Lは2以上の整数であり、Nは1以上の整数である
レーザ加工装置。 - 前記光学変換部は、
前記複数本のレーザ光の第1方向の成分および前記第1方向と異なる第2方向の成分を、前記レーザ光の進行方向と平行な平行光に変換する第1光学系と、
平行光に変換した前記複数本のレーザ光を、前記L本の集光ビームに集光する第2光学系と
を備える
請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記第1光学系は、マイクロレンズを有し、
前記マイクロレンズは、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θx、エミッタ幅Wx、ピッチP、前記第1方向の焦点距離をEx1とすると、
(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx≦P
を満たす複数のレンズを含み、
前記複数のレンズは、前記複数個のエミッタに対応して、前記第1方向に配列されている
請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、1本の前記集光ビームあたりk個のエミッタから放射するk本の前記レーザ光を前記光ファイバコアに集光し、
前記第2光学系の前記第1方向の焦点距離Fx2は、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θx、エミッタ幅Wx、ピッチP、前記第1方向の焦点距離をEx1とし、
前記レーザ光の前記第1方向の幅ΣBxを、
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
ΣBx=P・(k−1)+(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
として、
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))
であり、
前記第2光学系の位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離がCxである場合、
2・Fx2≧Cx≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
を満たす
請求項2又は3に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRの光ファイバコアを有し、
前記半導体レーザバーの前記第1方向に配列されたエミッタから放射するk個のレーザ光を前記光ファイバに集光し、
前記第2光学系の前記第2方向の焦点距離Fy2は、
前記集光ビームの前記第2方向の幅Byを
By=Ey1(2・sin(Θy/2))
として、
Fy2≧By/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記第2光学系の位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がCyである場合、
2・Fy2≧Cy≧(1−2・CR/By)・Fy2
である
請求項2から4のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記半導体レーザ装置は、
前記第1方向にk個のエミッタを配列した前記半導体レーザバーを、前記第2方向にN個配列した1台の半導体レーザ装置で構成され、
1本の前記集光ビームに用いるエミッタ数をk個とした場合、
K×N≧k×L(K,k,Nは1以上の整数)
を満たす
請求項2から5のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記複数個のエミッタは、予め定められた第1方向に配列され、
前記N個の半導体レーザバーは、前記第1方向と異なる第2方向に積層され、
前記半導体レーザ装置は、前記第1方向および前記第2方向と異なる第3方向に前記レーザ光を放射する
請求項2から6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記第1光学系は、シリンドリカルレンズを有し、
前記シリンドリカルレンズは、
前記複数個のエミッタから照射される前記レーザ光の前記第2方向への発散角度Θy、前記エミッタの幅Wy、前記N個の半導体レーザバーのピッチをSy、前記シリンドリカルレンズの前記第2方向の焦点距離をEy1とすると、
(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy≦Sy
を満たす
請求項7に記載のレーザ加工装置。 - 前記第2光学系は、N個積層した前記半導体レーザバーのうち、n層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記集光ビームを、1本の前記光ファイバに入射する
請求項2から8のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、前記N個に積層された半導体レーザバーのうちn層の半導体レーザバーが出射する前記半導体レーザバーを分岐し、前記光ファイバコアに集光するシリンドリカルレンズを有し、
前記シリンドリカルレンズの前記第2方向の焦点距離Fy2は、
前記集光ビームの前記第2方向のビーム幅ΣByを、
By=(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy
ΣBy=Sy・(n−1)+By
として、
Fy2≧ΣBy/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記シリンドリカルレンズの位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がCyである場合、
2・Fy2≧Cy≧(1−2・CR/ΣBy)・Fy2
である
請求項9に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、1本の前記集光ビームあたりk個のエミッタから放射するk本の前記レーザ光を、前記集光ビームとして前記光ファイバコアに集光し、前記第2光学系が凸レンズを有し、
前記凸レンズの前記第1方向の焦点距離Fx2は、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θx、エミッタ幅Wx、ピッチP、エミッタ総数K、前記第1方向の焦点距離をEx1とし、
前記レーザ光の前記第1方向の幅ΣBxを、
Bx=(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
ΣBx=P・(K−1)+(Ex1・sin(Θx/2))・2+Wx
として、
Fx2≧ΣBx/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記凸レンズは、前記N個に積層された半導体レーザバーのうちn層の半導体レーザバーが出射する前記レーザ光を分岐し、前記光ファイバコアに集光し、
前記第2方向の焦点距離Fy2は、前記集光ビームの前記第2方向のビーム幅ΣByを、
By=(Ey1・sin(Θy/2))・2+Wy
ΣBy=Sy・(n−1)+By
として、
Fy2≧ΣBy/(2・sin(Θ))
を満たし、
Fx2≧Fy2の場合、
前記凸レンズの位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離をCcとすると、
2・Fx2≧Cc≧(1−2・CR/ΣBx)・Fx2
を満たし、
Fx2<Fy2の場合、
2・Fy2≧Cc≧(1−2・CR/ΣBy)・Fy2
を満たす
請求項9に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバの光ファイバコア、光ファイバクラッドおよび外装を含む直径をFmaxとしたとき、
前記集光ビームの幅をByとし、前記第2光学系の前記第2方向の焦点距離をFy2とし、前記N個の半導体レーザバーのピッチをSyとして、
前記光ファイバの最小間隔CDは、
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+Sy・(n−1))
Fy2=ΣBy/(2・sin(Θ))
が、
CD≧Fmax
である場合に
前記第2光学系は、N個積層した前記半導体レーザバーのうち、n層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記光ファイバコア、前記光ファイバクラッドおよび前記外装からなる1本の前記光ファイバに入射する
請求項2から11のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバは、前記集光ビームの入射側において、
L個の光ファイバコアと、
前記L個の光ファイバコアを共通して覆う光ファイバクラッドと、
を備える
請求項1から12のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバは、前記集光ビームの放射側において、
L個の独立した光ファイバコアと、
前記光ファイバコアを覆う独立したL個の光ファイバクラッドと
を有する
請求項1から13のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバは、入射側において、断面が長円形の光ファイバコアを有する
請求項1から14のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記光ファイバは、入射側において、断面が多角形の光ファイバコアを有する
請求項1から15のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記L本の光ファイバの放射面から出たL本の加熱ビームの照射強度分布を加工するL個の照射ヘッドを更に備える
請求項1から16のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、前記加熱ビームの前記2次元面の中心を最大強度とした釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。 - 前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、略均一であるトップハット型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。 - 前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、一の方向においてトップハット型の照射強度分布であり、他の方向において釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。 - 前記L個の照射ヘッドは、前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上に非等間隔で配置された2以上の照射ヘッドを含む
請求項17から20のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記L個の照射ヘッドは、
前記加熱ビームを照射する第1照射ヘッドと、
前記第1照射ヘッドの前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第2照射ヘッドと
を含む
請求項17から20のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記半導体レーザ装置に冷却水を供給する単一の冷却部を備え、
前記半導体レーザ装置は、
前記単一の冷却部から前記冷却水を流入および流出する単一の第2入出力端子と
を有する
請求項1から22のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記L本の集光ビームの強度を調整する調整部を備え、
前記調整部は、L本の時間的に連続な強度を有する集光ビームを非連続な強度を有する集光ビームに変換するポッケルセル素子を有する
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記調整部は、前記L本の集光ビームの強度を減衰するポッケルセル素子を有する
請求項24に記載のレーザ加工装置。 - 前記L本の集光ビームの強度を調整する調整部と、
前記調整部の位置を制御することにより、前記L本の集光ビームの強度をそれぞれ調整する第1制御部と
を備える
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 - 前記調整部は、
前記L本の集光ビームの強度を減衰するダンパを有する
請求項26に記載のレーザ加工装置。 - 前記L本の集光ビームの内、特定の集光ビームの強度を検知するセンサ部と、
前記特定の集光ビームを放射する前記半導体レーザ装置の供給電力を制御することにより、前記集光ビームの強度を調整する第2制御部と
を備える
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
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