JP5912264B2 - レーザー加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、極薄板材などのレーザー加工方法及び装置に関する。

近年、ハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ「Hard Disk Drive」）の小型化、高容量化、高速度化に伴い、読み取り書き込み素子を支持するヘッド・サスペンションも小型化、高容量化、高速度化への対応が要求されている。

ヘッド・サスペンションの軽量化には、構成部品の薄板化が効果的であり、１０〜１５μｍの箔レベルの材料も使用されるようになっている。

かかる薄板材の接合にはレーザー溶接が使用されている。

レーザー溶接には、薄板化に対応するため、安定出力且つ低出力による溶接ナゲット形成能力が必要とされる。ナゲット径は溶接対象の板厚の組み合わせによって異なるが、材料表面の径で１００〜２５０μｍ程度となる。

従来、レーザー溶接による多点接合では、出射光学部若しくはワーク側を駆動してワークに対するレーザー光の照射点を変更し、必要個所を溶接していた。これに対し、近年では、ガルバノ・スキャナー（ガルバノ・ミラー）を用い、出射部、ワーク部を固定したまま照射点を走査し、必要個所を高速に接合して生産性向上を図るものも存在する。

かかるレーザー溶接のナゲット形成過程ではプルームが発生し、溶接が不安定となりナゲット径が安定しないという問題があった。

これに対し、特許文献1では、ノズルから噴出される不活性ガスを溶接部に横方向から集中的に当ててプルームを飛ばすようにしている。

しかし、ヘッド・サスペンションのようにガルバノ・スキャナーによる非連続高速加工等のように加工点を移動させる場合、ノズルを同期させて移動させることが難しく、各加工点に横から効果的にガスを当てることが困難となり、溶接ナゲットを安定的に形成することができなかった。

一方、特許文献２のように走査エリア全体でプルームを飛ばす技術もある。

この技術の前提は、ガルバノ・スキャナーを用いて走査されたパルス・レーザー光をｆシーター・レンズにより被加工物の加工点に垂直に当ててスルーホールやビアホールを精度よく形成するものである。この加工において、走査エリア全体に横からガスを当ててプルームを飛ばし、加工点の移動に対応させたものである。

しかし、かかる技術では、走査エリアが開放されていると共に、ガスが集塵ノズルで吸い込まれる構造であり、溶接対象の酸化防止が全く考慮されていなかった。このため、例えレーザー出力を調整することにより、穴開け加工ではなく薄板の溶接加工に適用できたとしても、ヘッド・サスペンションのように溶接部の変色が許されない製品への適用は困難である。

特開平３−２３４３９０号公報 特開２００３−２５１４８６号公報

解決しようとする問題点は、被加工物をレーザー加工する場合に、加工部の変色がなく且つ安定した加工を行わせることが困難な点である。

本発明は、加工部の変色がなく且つ安定した加工を行なわせることを可能とするために、レーザー発信器から発信されるレーザー光を底部のワーク支持部上の走査エリア内に臨まされた被加工物の複数の加工部に渡る前記ワーク支持部上の走査エリア内で走査して金属製の被加工物を溶接加工するレーザー加工方法であって、前記レーザー光の透過を可能にしつつ前記走査エリア上を閉じ空間として覆い、前記ワーク支持部上の走査エリアの一方から前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアに不活性ガスをカーテン状に噴出させ、前記閉じ空間の正圧を維持させるように前記噴出された不活性ガスを前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアを通過させ前記ワーク支持部上の走査エリアの他方から排気し、前記加工の際にレーザー加工部から金属のプルームを除去すると共にレーザー加工部の酸化を防止すると共にナゲット径のばらつきを抑制することをレーザー加工方法の特徴とする。

本発明は、レーザー発信器から発信されるレーザー光を底部のワーク支持部上の走査エリア内に臨まされた被加工物の複数の加工部に渡る前記ワーク支持部上の走査エリア内で走査して金属製の被加工物を溶接加工するレーザー加工装置であって、前記レーザー光の透過を可能にしつつ前記走査エリア上を閉じ空間として覆うチャンバー部と、前記ワーク支持部上の走査エリアの一方から前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアに不活性ガスをカーテン状に噴出させるガス供給部と、前記閉じ空間の正圧を維持させるように前記噴出された不活性ガスを前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアを通過させ前記ワーク支持部上の走査エリアの他方から排気する排気部とを備え、前記加工の際にレーザー加工部から金属のプルームを除去すると共にレーザー加工部の酸化を防止すると共にナゲット径のばらつきを抑制することをレーザー加工装置の特徴とする。

本発明のレーザー加工方法は、上記構成であるから、走査エリアに沿って噴出されるカーテン状の不活性ガスによりプルームを飛ばすことができ、走査エリア内でのレーザー加工を安定して行わせることができる。

しかも、走査エリア上を覆う閉じ空間に不活性ガスを充満させることができ、レーザー加工部の酸化を抑制することができる。

本発明のレーザー加工装置は、上記構成であるから、上記レーザー加工方法を確実に実現させることができる。

レーザー加工装置の概略構成図である。（実施例１） 図１のII−II線矢視におけるチャンバー部の断面図である。実施例１）。 （Ａ）は、バルブの側面図、（Ｂ）は、バルブの正面図、（Ｃ）は、バルブの噴出角度を示す平面図である。（実施例１） バルブの変形例に係り、（Ａ）は、バルブの平面図、（Ｂ）は、バルブの正面図、（Ｃ）は、バルブの噴出角度を示す平面図である。（実施例１） バルブの他の変形例に係り、バルブの噴出を示す斜視図である。（実施例１） サスペンション半製品がフレームで連設されたフレーム・サスペンションの平面図である。（実施例１） ナゲット径測定結果を示すグラフである。（比較例） ナゲット径測定結果を示すグラフである。（実施例１）

レーザー加工部の変色なく且つ安定した加工を可能とするという目的を、走査エリア上を覆う閉じ空間に不活性ガスをカーテン状に噴出させ、前記閉じ空間の正圧を維持しながら前記噴出された不活性ガスを排気することにより実現した。

［レーザー加工装置］
図1は、レーザー加工装置の概略構成図、図２は、図１の、II−II線矢視におけるチャンバー部の断面図である。

図１、図２のように、レーザー加工装置１は、レーザー発信器３とガルバノ・スキャナー５とｆシーター・レンズ７とチャンバー部９とガス供給部１１と排気部１３とを備えている。

レーザー発信器３は、パルス・レーザー光を発信し、このパルス・レーザー光がガルバノ・スキャナー５の駆動により走査される。走査されたレーザー光は、ｆシーター・レンズ７により走査エリア１２で被加工物、例えば後述するフレーム・サスペンションの複数の加工部（加工点）に垂直に当てられる。これにより、フレーム・サスペンションの複数の加工部がレーザー光により、非連続高速加工、例えばスポット溶接される。

チャンバー部９は、ワーク支持部１４上に形成される走査エリア１２上をレーザー光の透過を可能にしつつ閉じ空間として覆うものである。

このチャンバー部９は、底部が開口した矩形箱状に形成され、天部に、走査エリア１２上に対向するガラス板９ａを備えている。このガラス板９ａで前記レーザー光の走査エリア１２上への透過を可能にする。

なお、チャンバー部９は、走査エリア１２上をレーザー光の透過を可能にしつつ閉じ空間として覆うものであれば、その形態は限定されない。

ワーク支持部１４の中央部には、後述するヘッド・サスペンションを臨ませる開口が形成され、この開口にヘッド・サスペンションを臨ませた状態で固定し、ワーク支持部１４に対しチャンバー部９で走査エリア１２上を閉じ空間にすることができる。

ガス供給部１１は、走査エリアに沿って不活性ガスをカーテン状に噴出させるものであり、チャンバー部９の側壁９ｂに連設支持されたバルブ１５，１７，１９を有している。バルブ１５，１７，１９は、ガスのカーテン状の噴出を可能としている。各バルブ１５，１７，１９は、配管２１により不活性ガスの供給源に接続されている。

排気部１３は、チャンバー部９で形成された閉じ空間の正圧を維持しながら閉じ空間内に噴出された不活性ガスを排気するものであり、孔１３ａ，１３ｂで構成されている。孔１３ａ，１３ｂは、バルブ１５，１７，１を備えたチャンバー部９の一方の側壁９ｂに対向する他方の側壁９ｃに形成されている。

図３（Ａ）は、バルブの側面図、（Ｂ）は、バルブの正面図、（Ｃ）は、バルブの噴出角度を示す平面図である。

バルブ１５，１７，１９は、スリット１５ａ，１７ａ，１９ａを有し、平面から見て図３（Ｃ）のような噴出角度でガスを扇状のカーテン状に噴出させることができる。この噴出角度を図２のように交差させることでチャンバー部９内に不活性ガスをほぼ均一なカーテン状に噴出させることができる。

図４は、バルブの変形例に係り、（Ａ）は、バルブの平面図、（Ｂ）は、バルブの正面図、（Ｃ）は、バルブの噴出角度を示す平面図である。

図４のバルブ２３は、噴出口２３ａを扁平に形成し、平面から見て図４（Ｃ）のような噴出角度でガスを扇状のカーテン状に噴出させることができるようにした。

図５は、バルブの他の変形例に係り、バルブの噴出を示す斜視図である。

図５のバルブ２５は、複数の微小噴出口２５ａを連設し、ガスを並列線状のカーテン状に噴出させることができるようにした。

これら図４、図５のバルブ２３又はバルブ２５をバルブ１５，１７，１９として構成しても、ガスをカーテン状に噴出させることができる。
［レーザー加工方法］
被加工物は、薄板材の積層品であり、例えばハード・ディスク・ドライブのヘッド・サスペンションである。

図６は、フレームで連設された組立途中のフレーム・サスペンションの平面図である。

薄板材の積層品であるフレーム・サスペンション２７は、位置決め孔２８を備えたフレーム２９により各ヘッド・サスペンション半製品３１を連設させたものである。

各ヘッド・サスペンション半製品３１は、ステンレス製等のベース・プレート３３、スティフナー３５、ロード・ビーム３７、フレキシャ４１、ヒンジ部材４３の各部品がスポット溶接部４５で結合され、連鎖品とされたものである。

ベース・プレート３３は、厚さ１２５〜１５０μｍ程度、スティフナー３５は、厚さ１２５〜１５０μｍ程度、ロード・ビーム３７は、厚さ２５〜１００μｍ程度、フレキシャ３９は、厚さ１０〜１５μｍ程度、ヒンジ部材４１は、厚さ２０〜４０μｍ程度に形成される。

スポット溶接部４５は、レーザー光により加工され、複数点の非連続高速加工となり、図１のレーザー加工装置１を用いて行われる。レーザー加工装置１では、レーザー発信器３から発信されるレーザー光がガルバノ・スキャナー５で走査され、ｆシーター・レンズ７により走査エリア１２内でヘッド・サスペンション半製品３１の加工部であるスポット溶接部４５にレーザー光を垂直に当ててスポット溶接を行わせる。

ヘッド・サスペンション半製品３１は、ワーク支持部１４の開口に下方から臨まされ、走査エリア１２内に固定される。この状態でワーク支持部１４の開口は閉じ状態となる。

この走査エリア１２上を、チャンバー部９によりレーザー光の透過を可能にしつつ閉じ空間として覆う。

配管２１によってガス供給源から供給される不活性ガスを、バルブ１５，１７，１９の複数のスリット１５ａ，１７ａ，１９ａ（図３）から走査エリア１２（図２）に沿ってお扇状（カーテン状）に噴出させる。

噴出される不活性ガスの量は、閉じ空間の大きさ及び走査エリア１２内の加工の範囲に応じて調整される。

不活性ガスは、窒素又はアルゴンが用いられる。不活性ガスのカーテン状の噴出は、図３のバルブ１５，１７，１９による扇状である。但し、図４のバルブ２３を用いた扇状、図５のバルブ２５を用いた並列線状に噴出させることもできる。

この不活性ガスの噴出に対し、排気部１３の孔１３ａ，１３ｂから閉じ空間の正圧を維持しつつ噴出された不活性ガスが排気される。

排気される不活性ガスの量は、噴出される不活性ガスの量よりも少なくコントロールされる。この場合、排気部１３１の孔１３ａ，１３ｂからの排気量と配管２１からのガス供給量とが考慮される。孔１３ａ，１３ｂからの排気量は、孔１３ａ，１３ｂの数、大きさを考慮して算出することができる。

図７は、ナゲット径測定結果を示す比較例のグラフ、図８は、同実施例１のグラフである。図７、図８は、横軸にナゲット径（μｍ）をとり、縦軸に出現頻度をとっている。

図7の比較例の結果は、実施例１同様に走査エリア上をチャンバー部により閉じ空間とするが、内部に窒素ガスを単純に充填して得たものである。図８の実施例１の結果は、走査エリア上をチャンバー部９により閉じ空間とし、Ｎ_２流量を７．５ ｌ／ｍｉｎ、１２．５ｌ／ｍｉｎ、１７．５ｌ／ｍｉｎと変化させてチャンバー部９内部に窒素ガスを扇状に噴出させると共にチャンバー部９内部を正圧に維持させ得たものである。

実施例１及び比較例の何れもレーザー条件を、１００Ｗ、２．０ｍｓとした。

図７の比較例の結果では、ナゲット径σ＝２０．２（μｍ）であるのに対し、図８の本発明実施例１の結果では、ナゲット径σ＝１１．８（μｍ）、８．３（μｍ）、７．５（μｍ）となり、何れも標準偏差が小さくなり、ナゲット径のばらつきを抑制することができた。
［実施例１の効果］
本発明実施例１のレーザー加工方法は、レーザー発信器３から発信されるレーザー光を走査エリア１２内で走査しフレーム・サスペンション２７の加工部にｆシーター・レンズ７により垂直に当ててスポット溶接するレーザー加工方法であって、レーザー光の透過をガラス板９ａから可能にしつつ走査エリア１２上をチャンバ―部９により閉じ空間として覆い、配管２１によってガス供給源から供給される窒素又はアルゴンを、ガス供給部１１のバルブ１５，１７，１９により走査エリア１２に沿って扇状又は並列線状に噴出させ、閉じ空間の正圧を維持しながら排気部１３の孔１３ａ，１３ｂから内部の窒素又はアルゴンを排気することができる。

このような走査エリア１２に対する窒素又はアルゴンの供給、排気により、多点のスポット溶接の際にプルームを除去してスポット溶接部４５の溶接ナゲット径の製品ごとのばらつきを抑制しながら、安定的に形成することができる。

特に、ヘッド・サスペンションのように極めて薄い板材の接合では、安定した結合により、品質向上、製品歩留まりの向上を図ることができる。

しかも、走査エリア１２上を覆う閉じ空間に窒素又はアルゴンを充満させることができ、レーザー加工によるスポット溶接部４５の酸化による変色を抑制し、外観上の品質向上を図ることができる。

レーザー光は、ガルバノ・スキャナー５を使用して走査を行わせる。

このため、走査エリア１２でパルス・レーザー光を走査し、フレーム・サスペンション２７の複数のスポット溶接部４５に高速で照射することができる。

排気される窒素又はアルゴンの量は、噴出される窒素又はアルゴンの量よりも少なくコントロールされる。

このため、チャンバー部９内の閉じ空間を確実に正圧に維持させることができ、レーザー加工によるスポット溶接部４５の酸化による変色を確実に抑制することができる。

配管２１によってガス供給源から供給され、バルブ１５，１７，１９によりチャンバー部９内に噴出される窒素又はアルゴンの量は、チャンバー部９内の閉じ空間の大きさ及びレーザー光による加工の範囲に応じて調整する。

このため、チャンバー部９内の閉じ空間の大きさ及びレーザー光による加工の範囲に応じて窒素又はアルゴンを走査エリア１２に沿ってカーテン状に噴出させ、閉じ空間の正圧を維持することができる。

レーザー発信器３から発信されるレーザー光を走査エリア１２内で走査してフレーム・サスペンション２７の加工部にｆシーター・レンズ７により垂直に当ててスポット溶接するレーザー加工装置１であって、レーザー光の透過をガラス板９ａから可能にしつつ走査エリア１２上を閉じ空間として覆うチャンバー部９と、走査エリア１２に沿って噴出されたバルブ１５，１７，１９により走査エリア１２に沿って窒素又はアルゴンを扇状又は並列線状に噴出させるガス供給部１１と、閉じ空間の正圧を維持しながら孔１３ａ，１３ｂから内部の窒素又はアルゴンを排気する排気部１３とを備え、レーザー光によるスポット溶接加工の際にプルームを除去すると共に加工点であるスポット溶接部４５の酸化を防止する。

このため、溶接ナゲット径の製品ごとのばらつきを抑制しながら、安定的に形成し、スポット溶接部４５の酸化による変色を抑制することを実現することができる。

チャンバー部９は、走査エリア１２上に対向するガラス板９ａを備え、このガラス板９ａでレーザー光の透過を可能にする。

このため、チャンバー部９内を正圧に維持しながら走査エリア１２に沿って窒素又はアルゴンをカーテン状に噴出させ、スポット溶接を行わせることができる。
［その他］
レーザー光による加工は、チャンバー部９内の走査エリア１２で行われる限りスポット溶接に限らない。例えば、ヘッド・サスペンションの姿勢矯正のためにレーザー・スポットを打つこと、或いはその他穴あけ、凹部形成、連続溶接等も含まれる。

レーザー光による加工は、レーザー・マーカを用いることもできる。

１ レーザー加工装置
３ レーザー発信器
５ ガルバノ・スキャナー
９ チャンバー部
１１ガス供給部
１２ 走査エリア
１３ 排気部
１３ａ，１３ｂ 孔
１５，１７，１９，２３，２５ バルブ
１５ａ，１７ａ，１９ａ スリット
２１ 配管
２３ａ 扁平な噴出口
２５ａ 連設された複数の微小噴出口
３１ ヘッド・サスペンション半製品
４５ スポット溶接部

Claims (11)

1. レーザー発信器から発信されるレーザー光を底部のワーク支持部上の走査エリア内に臨まされた被加工物の複数の加工部に渡る前記ワーク支持部上の走査エリア内で走査して金属製の被加工物を溶接加工するレーザー加工方法であって、
   前記レーザー光の透過を可能にしつつ前記走査エリア上を閉じ空間として覆い、
   前記ワーク支持部上の走査エリアの一方から前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアに不活性ガスをカーテン状に噴出させ、
   前記閉じ空間の正圧を維持させるように前記噴出された不活性ガスを前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアを通過させ前記ワーク支持部上の走査エリアの他方から排気し、
   前記加工の際にレーザー加工部から金属のプルームを除去すると共にレーザー加工部の酸化を防止すると共にナゲット径のばらつきを抑制する
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
2. 請求項１記載のレーザー加工方法であって、
   前記レーザー光は、ガルバノ・スキャナーを使用して前記走査を行わせる、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザー加工方法であって、
   前記溶接は、複数点の非連続加工である、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のレーザー加工方法であって、
   前記不活性ガスは、窒素又はアルゴンである、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザー加工方法であって、
   前記不活性ガスのカーテン状の噴出は、扇状又は並列線状の噴出である、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザー加工方法であって、
   前記被加工物は、ヘッド・サスペンションなどの薄板材である、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
7. 請求項１〜６の何れか1項に記載のレーザー加工方法であって、
   前記排気される不活性ガスの量は、前記噴出される不活性ガスの量よりも少なくコントロールされる、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のレーザー加工方法であって、
   前記噴出される不活性ガスの量は、前記閉じ空間の大きさ及び前記加工の範囲に応じて調整する、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。
9. レーザー発信器から発信されるレーザー光を底部のワーク支持部上の走査エリア内に臨まされた被加工物の複数の加工部に渡る前記ワーク支持部上の走査エリア内で走査して金属製の被加工物を溶接加工するレーザー加工装置であって、
   前記レーザー光の透過を可能にしつつ前記走査エリア上を閉じ空間として覆うチャンバー部と、
   前記ワーク支持部上の走査エリアの一方から前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアに不活性ガスをカーテン状に噴出させるガス供給部と、
   前記閉じ空間の正圧を維持させるように前記噴出された不活性ガスを前記ワーク支持部に沿って前記ワーク支持部上の走査エリアを通過させ前記ワーク支持部上の走査エリアの他方から排気する排気部とを備え、
   前記加工の際にレーザー加工部から金属のプルームを除去すると共にレーザー加工部の酸化を防止すると共にナゲット径のばらつきを抑制する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
10. 請求項９記載のレーザー加工装置であって、
    前記チャンバー部は、前記走査エリア上に対向するガラス板を備え、
    このガラス板で前記レーザー光の透過を可能にする、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。
11. 請求項９又は１０記載のレーザー加工装置であって、
    前記ガス供給部は、前記チャンバー部の側壁に連設支持されそれぞれ複数のスリット又は扁平な噴出口若しくは連設された複数の微小噴出口を有するバルブを備えた、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。

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