JP2020146727A

JP2020146727A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2020146727A
Application number: JP2019046674A
Authority: JP
Inventors: 明夫白井; Akio Shirai
Original assignee: Micro Edge Proess Co Ltd
Current assignee: Micro Edge Proess Co Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP7157450B2

Abstract

【課題】本発明は、加工のために可視光領域の波長を有するレーザ光を使用するレーザ加工装置において、レーザ光の波長と異なる可視光領域の波長を有するパイロットレーザを用いたレーザ加工装置を提供する。【解決手段】本発明のレーザ加工装置１，１’によれば、可視光領域の波長を有する加工用レーザ光Ａと、可視光領域であって前記加工用レーザ光Ａの波長と異なる波長を有するパイロットレーザ光Ｂとを同軸光学系として発光させると共に、光学フィルタ２によってパイロットレーザ光Ｂのみを透過または反射させて画像処理装置に取り込むものである。特に、加工用レーザ光Ａを青色（４５０ｎｍ）とし、パイロットレーザ光Ｂを緑色（５３０ｎｍ）とすることによって、近接する波長によって加工点を特定できるため、異なる波長による誤差を最小限にすることができるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の波長を有する半導体レーザを加工部分に照射して当該加工部分の溶融、溶接、切断等を行うレーザ加工装置であって、レーザの照射位置を特定するためのパイロットレーザ機構を具備するレーザ加工装置に関する。

特許文献１（特開２００１−３４０９７９号公報）は、被加工物の加工面に加工用レーザを照射する加工用レーザ照射装置と、被加工物にロボットティーチング用のパイロットレーザを照射するパイロットレーザ照射装置と、上記加工用レーザおよびパイロットレーザの照射軸を一体に移動させるロボットとを備えるレーザ加工装置であって、上記パイロットレーザの被加工物からの反射光の強度を検出する検出手段とを設け、パイロットレーザの照射光の照射ポイントと反射光または散乱光の強度の検出値の最大値とにより、ティーチングのポイントを確定するものを開示する。さらに、この特許文献１には、加工用レーザの光路と第１パイロットレーザ発振装置から発振されたパイロットレーザの光路との交差上に配置され、加工用レーザを透過し、パイロットレーザは透過した加工用レーザと光路が同じになるように反射する第１反射手段としてのハーフミラー（ダイクロイックミラー）が設けられることが開示される。

特許文献２（特開２００７−２５３２００号公報）は、レーザ光の合焦位置を容易に見つけられるようにしたレーザ溶接装置を開示する。このレーザ溶接装置において、溶接用レーザ光の光束の最外周部分を通過するように２本の可視光パイロットレーザ光を入れるためのパイロットレーザ光源を配置したもので、合焦時には２本のパイロットレーザ光が１つに見え、合焦していないときには２点に向けるため、２本のパイロットレーザ光が１つに見えるように溶接用レーザ光の焦点位置（焦点距離）または溶接用レーザ光の射出位置を調整するものである、

特許文献３（特表２０１０−５１４５６８号公報）は、レーザビーム処理装置を開示する。このレーザビーム処理装置は、少なくとも１つのレーザビーム源を有しており、レーザビーム源は少なくとも１つの未加工品にリング状のレーザ焦点を加えるもので、特に特許文献３に記載された発明では、未加工品によって反射されたレーザビームをセンサユニット上に結像するための手段が設けられ、さらに少なくとも１つの未加工品に対してリング状のレーザ焦点の焦点位置をアライメントするための方法を開示する。この焦点位置をアライメントするための方法は、少なくとも１つの未加工品に対して相対的にパイロットレーザビームによって行われるもので、このパイロットレーザビームが未加工品によって反射され、センサユニット上に結像されるが、未加工品を溶解しないようにパラメータ化されるものである。

特開２００１−３４０９７９号公報特開２００７−２５３２００号公報特表２０１０−５１４５６８号公報

高出力ファイバ結合型半導体レーザは、複数の半導体素子の所定の電流を印加することにより半導体素子が発光し、複数の半導体素子からの光を特殊レンズで集光し、一本のファイバに挿入することで高出力化し所定の特性を持った光エネルギーをファイバ伝送するものである。

また最近では、精密または微細な箇所の溶融、溶接、切断等の加工を可能にする波長の短い青色半導体レーザの使用が要望されている。この青色半導体レーザの場合、ファイバより出射された光の波長は４５０ｎｍで、そのままだとある一定の広がり角で散乱するため、特殊レンズで集光して約φ１００μｍのレーザビームが得られる。集光されたビームは、例えば面積当たり２０Ｗ、５０Ｗ、１００Ｗの高出力となり、金属では溶融、溶接、切断等の加工が可能になる。

この青色半導体レーザによる精密な加工では、レンズ系により集光されたφ１００μｍの光を正確に加工希望箇所に当てることが重要となる。特許文献１に開示されるような同軸光学系は、加工物とレーザ光を同軸上のカメラで位置を確認できるため微細な電子基板、半導体ウェアの加工に適しているため、一般的に用いられている。

一般的に赤外レーザでは、レーザ光自体が可視光外（８００〜１１００ｎｍ）のため、位置決めをする用途で可視光（６００〜７００ｎｍ）がパイロットレーザとして用いることができるが、青色レーザ光は波長４５０ｎｍで可視光であり、同軸モニター上でも青色の光を確認できるが、複数の半導体素子による高出力のレーザ光のため、パイロットレーザとして使用する場合には被加工品に溶融が起こらないように出力を下げた場合でも、複数のレーザ光が同軸モニター上ではハレーションを起こすことから、レーザ光の位置決めで使用するのは難しいという問題が生じる。

このため、本発明は、加工のために可視光領域の波長を有するレーザ光を使用するレーザ加工装置において、レーザ光の波長と異なる可視光領域の波長を有するパイロットレーザを用いたレーザ加工装置を提供することにある。

本発明に係るレーザ光装置は、可視光領域内の第１の波長を有するレーザ光を放出する複数の第１の半導体素子、これら複数の第１の半導体素子から発光されるレーザ光を光学的に集光する集光レンズおよび該集光レンズによって集光されたレーザ光を伝送するための伝送ファイバによって構成される発光半導体モジュールと、該発光半導体モジュールの伝送ファイバから出射されるレーザ光を加工用レーザ光として光学的に集光して被加工物に照射するための対物レンズとによって少なくとも構成されるレーザ加工装置において、前記複数の半導体素子内に、前記第１の波長と異なる可視光領域内の第２の波長を有するレーザ光をパイロットレーザ光として発光させる少なくとも１つの第２の半導体素子を設けること、前記発光半導体モジュールと前記対物レンズの間に、前記第１の波長を有する加工用レーザ光の反射率および前記第２の波長を有するパイロットレーザ光の反射率が異なる光学フィルタを設けること、および前記被加工物で反射し前記光学フィルタを透過または反射した前記パイロットレーザ光を受光して前記加工用レーザの照射位置を特定する画像処理装置を具備することにある。尚、前記光学フィルタとしてはダイクロイックフィルターが望ましい。

これによって、可視光領域内の第１の波長を有する加工用レーザ光と、第１の波長と異なる可視光領域内の第２の波長を有するパイロットレーザ光とを同一の半導体モジュールから出射することができるので、加工用レーザ光とパイロットレーザ光とを同軸光学系として画像処理することができるものである。特に、この場合、光学フィルタによって加工用レーザ光とパイロットレーザ光の反射率を異ならせることによって、パイロットレーザ光のみを画像処理装置内に取り込めるようにできるものである。

さらに、前記光学フィルタは、前記第１の波長を有する加工用レーザ光をほぼ全反射させると共に、前記第２の波長を有するパイロットレーザ光を半反射および半透過させることが望ましい。

これによって、前記光学フィルタが加工用レーザ光を全反射すると共にパイロットレーザ光を半反射することができるので、前記画像処理装置を前記光学フィルタの背面側に設けることによって、光学フィルタを透過するパイロットレーザ光のみを画像処理装置内に取り込むことが可能となるものである。

さらにまた、前記光学フィルタは、前記第１の波長を有する加工用レーザ光をほぼ全透過させると共に、前記第２の波長を有するパイロットレーザ光を半反射および半透過させることが望ましい。

これによって、光学フィルタが加工用レーザをほぼ全透過すると共にパイロットレーザを半透過としたことによって、前記光学フィルタの反射側に前記画像処理装置を配置すると、被加工物から反射するパイロットレーザ光のみが光学フィルタで反射されるので前記画像処理装置に取り込むことができるこものである。

さらに、前記加工用レーザは、前記第１の波長として４５０ｎｍの波長を有する青色レーザ光であると共に、前記パイロットレーザは、前記第２の波長として５３０ｎｍの波長を有する緑色レーザ光であることが望ましい。これによって、伝送ファイバから出射される光は、青色（４５０ｎｍ）と緑色（５３０ｎｍ）の２種類の単光色であり、青色は前記光学フィルタで全反射し、緑色は５０％反射（５０％透過）するものである。

また、加工用レーザ用の半導体素子へ電流を印加する系統と、パイロットレーザ用の半導体素子へ電流を印加する系統とを別系統とすることによって各々の光の調整が可能となるものである。

本発明によれば、可視光領域の波長を有する加工用レーザ光と、可視光領域であって前記加工用レーザ光の波長と異なる波長を有するパイロットレーザ光とを同軸光学系として発光させると共に、光学フィルタによってパイロットレーザ光のみを透過または反射させて画像処理装置に取り込むことができるため、加工用レーザ光の作業点を明確に指摘することができるので、作業性を向上させることができるものである。

さらに、加工用レーザ光を青色（４５０ｎｍ）とし、パイロットレーザ光を緑色（５３０ｎｍ）とすることによって、近接する波長によって加工点を特定できるため、異なる波長による誤差を最小限にすることができるという効果も奏するものである。

本発明の実施例１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。本発明の実施例１に係るレーザ加工装置の発光半導体モジュールの概略構成図である。本発明の実施例１に係るレーザ加工装置の光学フィルタの特性を示した特性線図である。本発明の実施例２に係るレーザ加工装置の概略構成図である。本発明の実施例２に係るレーザ加工装置の光学フィルタの特性を示した特性線図である。

以下、発明の実施例について、図面により説明する。

本発明の実施例１に係るレーザ加工装置１は、例えば図１に示すように、内部に約４５°に傾斜して配された光学フィルタ２が配される内部空間３を画成するケース４と、このケース４の一方の側に設けられ、加工用レーザ光Ａおよびパイロットレーザ光Ｂを出射するための発光半導体モジュール５およびレーザ光を集光する光学レンズ６を有するレーザ発生部７と、前記発光半導体モジュール５と垂直位置に配置される画像処理装置８と、この画像処理装置８と対向する位置に配置され、前記光学フィルタ２によって反射された加工用レーザ光Ａを被加工物１０の加工点Ｐに集光するための対物レンズ９とを少なくとも具備する。

前記発光半導体モジュール５は、例えば図２に示すように、基板５０上に、可視光領域の第１の波長（例えば４５０ｎｍ）を有する加工用レーザ光Ａを出射するための複数の発光半導体素子（青色半導体素子）５１と、パイロットレーザ光Ｂを出射するための発光半導体素子（緑色半導体装置）５２とを有し、それぞれの半導体素子５１，５２の前面には集光レンズ５３が設けられ、発光半導体素子５１，５２から出射される光を集光して伝送ファイバ５４に伝える。そしてそれぞれの伝送ファイバ５４内を伝送される加工用レーザ光Ａおよびパイロットレーザ光Ｂは光学レンズ５５を介して１本の集約ファイバ５６に集約されて伝送され、レーザ光Ａ，Ｂをレーザ発生部７に供給する。

この集約ファイバ５６から出射されるレーザ光Ａ，Ｂは、ある一定の広がり角で散乱するので、光学レンズ６によって前記内部空間３内を光学フィルタ２に向かう平行光に変換される。

前記光学フィルタ２は、例えばダイクロイックフィルタである。さらにこの光学フィルタ２は、実施例１では、図３に示すようなダイクロ特性を有するもので、その特性は、例えば可視光領域（３００ｎｍ〜７００ｎｍ）の第１の波長（この実施例１では青色４５０ｎｍ）αを含む所定の範囲（α１〜α２）の波長においてほぼ全反射（９８％以上の反射率もしくは２％以下の透過率）であり、可視光領域の第２の波長（この実施例１では緑色５３０ｎｍ）βを含む所定の範囲（β１〜β２）の波長において半反射（５０％前後の反射率もしくは５０％前後の透過率）である。

これによって、前記光学レンズ６によって平行光となった加工用レーザ光Ａは、光学フィルタ２の特性によって全反射されて９０°方向が転換し、対物レンズ９によって被加工物１０の加工点Ｐに集光され、例えば加工点Ｐの溶融、溶接、切断等の加工を行うものである。

また、加工点Ｐ近郊の映像は、前記α１〜α２の間の可視光を除いて対物レンズ９を透過して前記画像処理装置８に入力される。また、前記第２の波長βを有する緑色のパイロットレーザ光Ｂは、前記光学フィルタ２で約５０％反射されて対物レンズ９を介して加工点Ｐに到達し、この加工点Ｐから反射して前記対物レンズ９を通過し、さらに光学フィルタ２を５０％の透過率（最終的に最初の２５％程度）で通過して前記画像処理装置８に至り、前記加工点Ｐ近郊の映像に加工点Ｐの位置を明らかにする。

以上のように、本発明の実施例１によれば、レーザ発生部７から、加工用レーザ光Ａとパイロットレーザ光Ｂとが、同軸光学系として出射されると共に、光学フィルタ２が加工用レーザ光Ａをほぼ全反射すると同時にパイロットレーザ光Ｂを半反射（半透過）させるため、光学フィルタ２を透過するパイロットレーザ光Ｂによって加工用レーザ光Ａの照射位置を特定することが可能となるため、効率的な位置特定が可能となるものである。

また、前記加工用レーザ光Ａが可視光の短い波長を有する青色であることから、微細点の加工を可能にすると共に、パイロットレーザ光Ｂが加工用レーザ光Ａと波長において近似した緑色としたことによって、波長誤差による位置特定の誤差を小さくすることが可能となるものである。

本発明の実施例２に係るレーザ加工装置１’は、例えば図４に示すように、内部に約４５°に傾斜して配された光学フィルタ２’が配される内部空間３を画成するケース４と、このケース４の上部に設けられ、加工用レーザ光Ａおよびパイロットレーザ光Ｂを出射するための発光半導体モジュール５およびレーザ光を集光する光学レンズ６を有するレーザ発生部７と、前記ケース４の１つの側部であって前記発光半導体モジュール５と垂直位置に配置される画像処理装置８と、このレーザ発生部７と対向する位置に配置され、前記光学フィルタ２によって透過された加工用レーザ光Ａを被加工物１０の加工点Ｐに集光するための対物レンズ９とを少なくとも具備する。尚、本実施例２では、本実施例１と同一の部分および類似する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

この実施例２に係る光学フィルタ２’は、例えばダイクロイックフィルタである。さらにこの光学フィルタ２’は、図５に示すようなダイクロ特性を有するもので、その特性は、例えば可視光領域（３００ｎｍ〜７００ｎｍ）の第１の波長（この実施例２においても青色４５０ｎｍ）αを含む所定の範囲（α１〜α２）の波長においてほぼ全透過（９８％以上の透過率もしくは２％以下の反射率）であり、可視光領域の第２の波長（この実施例２においても緑色５３０ｎｍ）βを含む所定の範囲（β１〜β２）の波長において半反射（５０％前後の透過率もしくは５０％前後の反射率）である。

これによって、前記光学レンズ６によって平行光となった加工用レーザ光Ａは、光学フィルタ２の特性によって全透過されてほぼ直線状に進み、対物レンズ９によって被加工物１０の加工点Ｐに集光され、例えば加工点Ｐの溶融、溶接、切断等の加工を行うものである。

また、加工点Ｐ近郊の映像は、前記α１〜α２の間の可視光を除いて対物レンズ９を反射して前記画像処理装置８に入力される。また、前記第２の波長βを有する緑色のパイロットレーザ光Ｂは、前記光学フィルタ２で約５０％透過されて対物レンズ９を介して加工点Ｐに到達し、この加工点Ｐから反射して前記対物レンズ９を通過し、さらに光学フィルタ２を５０％の反射率（最終的に最初の２５％程度）で通過して前記画像処理装置８に至り、前記加工点Ｐ近郊の映像に加工点Ｐの位置を明らかにする。

以上のように、本発明の実施例２によれば、レーザ発生部７から、加工用レーザ光Ａとパイロットレーザ光Ｂとが、同軸光学系として出射されると共に、光学フィルタ２が加工用レーザ光Ａをほぼ全透過すると同時にパイロットレーザ光Ｂを半透過（半反射）させるため、光学フィルタ２で反射するパイロットレーザ光Ｂによって加工用レーザ光Ａの照射位置を特定することが可能となるため、効率的な位置特定が可能となるものである。

１，１’ レーザ加工装置
２，２’ 光学フィルタ
３内部空間
４ケース
５発光半導体モジュール
６光学レンズ
７レーザ発生部
８画像処理装置
９対物レンズ
１０被加工物
Ａ加工用レーザ光
Ｂパイロットレーザ光
Ｐ加工点

Claims

可視光領域内の第１の波長を有するレーザ光を放出する複数の第１の半導体素子、これら複数の第１の半導体素子から発光されるレーザ光を光学的に集光する集光レンズおよび該集光レンズによって集光されたレーザ光を伝送するための伝送ファイバによって構成される発光半導体モジュールと、該発光半導体モジュールの伝送ファイバから出射されるレーザ光を加工用レーザ光として光学的に集光して被加工物に照射するための対物レンズとによって少なくとも構成されるレーザ加工装置において、
前記複数の半導体素子内に、前記第１の波長と異なる可視光領域内の第２の波長を有するレーザ光をパイロットレーザ光として発光させる少なくとも１つの第２の半導体素子を設けること、
前記発光半導体モジュールと前記対物レンズの間に、前記第１の波長を有する加工用レーザ光の反射率および前記第２の波長を有するパイロットレーザ光の反射率が異なる光学フィルタを設けること、および
前記被加工物で反射し前記光学フィルタを透過または反射した前記パイロットレーザ光を受光して前記加工用レーザの照射位置を特定する画像処理装置を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
前記光学フィルタは、前記第１の波長を有する加工用レーザ光をほぼ全反射させると共に、前記第２の波長を有するパイロットレーザ光を半反射および半透過させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記光学フィルタは、前記第１の波長を有する加工用レーザ光をほぼ全透過させると共に、前記第２の波長を有するパイロットレーザ光を半反射および半透過させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記加工用レーザは、前記第１の波長として４５０ｎｍの波長を有する青色レーザ光であると共に、前記パイロットレーザは、前記第２の波長として５３０ｎｍの波長を有する緑色レーザ光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。