JPH02142695A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば半田付け、溶接・切断等のような加熱
、加工に使用されるレーザ加工装置に関し、特に半導体
レーザを用いたレーザ加工装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、レーザ加工装ｒＩｌを、複数の半導体レーザ
と、各半導体レーザから出光したレーザ光がそれぞれ入
光される複数本の光ファイバが集束されてなる光ファイ
バ集束部と、上記光ファイバ集束部から出光されるレー
ザ光を集光する集光レンズとから構成することによって
、装置の小型化。

高性能化等を実現し得るようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来より、レーザ光は良好な指向性を持ち容易に材料面
上の微小面積に集束し得ることに着目し、被加工物を加
熱溶融又は蒸発させる等して種々の加工に応用すること
が試みられ一部実用化されている０例えば、溶接装置や
切断装置がその一例であり、さらに特開昭第６０−１１
１７６７号公報には、フラットパッケージ型ＩＣの実装
基板への半田付けにレーザ光を利用する技術が開示され
ている。

ところで、このようにレーザ光が種々の加工装置に利用
されるようになっているが、これら加工装置に使用する
レーザ光発生源はある程度高出力を有することが必要で
ある。したがって、このような高出力化を実現できるＣ
Ｏｔ　　（炭酸ガス）レーザ〔気体レーザ〕やＹＡＧ　
（イツトリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ〔
固体レーザ〕等をレーザ光発生源とするレーザ加工装置
が溶接。

切断２焼入れ等の加工装置として実用化されている。

〔発明が解決しようとする！！ｌ！題〕しかしながら、
上記ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザを用いたレーザ加工装
置では、高出力化を実現できる一方、該装置の外形が大
きくかつ重量も大きい上に設備コストが高く応用範囲が
限定されている。

また、気体レーザや固体レーザではレーザ光を発生させ
るためのエネルギー効率が悪く、またレーザ装置を常時
発振させていないと出力が安定しないために、不使用時
においても継続して発振さ廿る必要があるのでランニン
グコストも高くならざるを得す、さらに上記種々のレー
ザ光は波長が長いために金属等への吸収率が低い。

さらに、レーザ光のビーム形状は光学系によっである程
度変更は可能であるものの制約が多く、光学調整に高精
度を要するのみならず集光ロスが大きい等、種々の課題
がある。

そこで、本発明は、上記従来の技術が有する種々の課題
を解決するために提案されたものであって、装に形献を
小型化し得るとともに、エネルギー変Ｉ＾効率に優れ、
安定性２作業性に優れたレーザ加工装置を提供すること
を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために提案されたもの
であって、複数の半導体レーザと、各半導体レーザから
出光したレーザ光がそれぞれ入光される複数本の光ファ
イバが集束されてなる光ファイバ集束部と、上記光ファ
イバ集束部から出光されるレーザ光を集光する集光レン
ズとを有してなることを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のレーザ加工装置では、レーザ光発生源として複
数の半導体レーザが用いられ、これら半導体レーザから
のレーザ光が光ファイバにより集束され被加工物に照射
される。したがって、個々の半導体レーザの出力が若干
低くとも集束レンズを介して照射されるレーザ光では大
出力が確保される。

また、本発明に係るレーザ加工装置では駆動する半導体
レーザの数を制御すること、又は個々の半導体レーザの
出力を制御することで出力が調整され、光ファイバの集
束状態を変えることでレーザ光のビーム形状が自由に設
定される。

（実施例〕 以下、本発明を適用したレーザ加工装置の一実施例を図
面を参照しながら具体的に説明する。

先ず、本装置の基本的構成を説明した後に、具体的構造
について説明する。

この加工装置は、第１図に示すように、丘作回路１によ
って後述の各回路を介して半導体レーザが駆動され又は
制御されるようになされている。

そして、この役作回路１は、ＴＬ源２と接続されている
とともに半導体レーザ駆動回路３に接続されており、該
半導体レーザの駆動及び所定の制ｔｉｌｌを当該操作回
路ｌにより提作できるようになされている。

また、本装置には冷却器４が配設され、この冷却器４に
はレーザ光発生源として複数の半導体レーザ５が設けら
れている６本装置における上記半導体レーザ５は、レー
ザダイオードから構成され、上記駆動回路３を介して伝
達される上記操作回路１からの信号により発光するよう
になされている。

さらに、上記複数の半導体レーザ５の出光方向には、こ
の半導体レーザ５の数に対応した光ファイバ６が設けら
れているとともに、該半導体レーザ５とこの光ファイバ
６との間には、それぞれファイバ結合レンズ７が配設さ
れている。

したがって、上記各半導体レーザ５から出光されるレー
ザ光Ｌ＋のそれぞれは、上記ファイバ結合レンズ７を介
して上記光ファイバ６内に入光する。

また、上記各光ファイバ６は、その中途部において他の
光ファイバ６と一体となるように集束され光ファイバ集
束部８となされている。この光ファイバ集束部８の端部
には、集光レンズ９が配設され、各光ファイバ６内を導
波したレーザ光り。

が集光するようになされている。

したがって、上記装置によれば、複数の半導体レーザ５
から出光されたレーザ光Ｌ１ば、それぞれ光ファイバ６
内に入光するとともに、ｆ変光ファイバ６の端部におい
て集光されて加工集束光り。

となされ、この加工集束光Ｌ！の焦点位置Ｆにおいて例
えば半田等を溶融する等の加工がなし得るようにされて
いる。

以上が本装置の基本的構成であり、以下その具体的構造
について説明する。

先ず、前記第１図に示す操作回路Ｉ、電源２゜駆動回路
３．冷却器４及び半導体レーザ５等は、第２図及び第３
図に示すように、筺体壮の収納部１０内に収納されてい
る。特に、木装刀内には、上面が装に外部に臨み装置外
部から操作することができるように、操作パネル１】が
配設され、半導体レーザによるレーザ光の出力調整や図
示しない外部機器とのインターフェース機能を実現でき
るよう各種の操作ボタンｌｌａや操作ツマミ１１５等が
設けられている。

また、上記操作パネル１１の下側には、パワートランジ
スタ冷却ユニット１２や抵抗器冷却ユニット１３が設け
られ図示しないトランジスタや抵抗器の温度上昇を抑制
している。

さらに、上記収納部１０内には、前述した冷却器が配設
されてなる半導体レーザ冷却ユニント１４が装置下面か
ら起立するように設けられ、この半導体レーザ冷却ユニ
ット１４に複数の半導体レーザ１５が着脱自在に配設さ
れている。上記半導体レーザ冷却ユニッ１−１４は、こ
れらの半導体し一ザ１５の駆動による温度上昇を抑制す
るために設けられている。なお、上記半導体レーザ冷却
ユニット１４及び前記パワートランジスタ冷却ユニット
１２．抵抗器冷却ユニット１３は、いずれも上記収納部
１０の外部から当該収納部１０内に配管された冷却水挿
通管１６に冷却水を循環させることによって各種電子機
器を冷却させている。

また、上記半導体レーザ冷却ユニット】４の側方には複
数の半導体レーザ制御回路１７が設けられ、前記操作パ
ネル１１の操作ボタンｌｌａ等によって当接半導体レー
ザ制御回路１７が作動し上記個々の半導体レーザ１５の
オン・オフや出力調整等の駆動操作が可能となされてい
る。

なお、上記収納部１０内には前記個々の半導体レーザ１
５の出力が一定に安定して得られるようにＡ　Ｐ　Ｃ（
Ａｕｔｏ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が内蔵さ
れている。

そして、上記複数の半導体レーザ１５の先端には、第４
図に示すように、当該半導体レーザ１５の数に応じた複
数本の光ファイバ１日が配設されており、これらの光フ
ァイバ１８の基端、すなわち上記半導体レーザ１５と該
光ファイバ１８との間にはファイバ結合レンズ１９がそ
れぞれ配設されている。このファイバ結合レンズ１９は
、上記各半導体レーザ１５から出光したレーザ光り、が
上記光ファイバ１８内に入光するように配設されたもの
である。したがって、上記半導体レーザ１５から出光さ
れる一定の放射角θを有するレーザ光り、は、上記ファ
イバ結合レンズＩ９を介して上記各光ファイバ１８内に
入光する。

これら光ファイバ１８は、その中途部において一体とな
るように例えば可撓性を有する筒状体内に押通されて集
束され光ファイバ集果部であるファイババンドル２０と
なされている。なお、このファイババンドル２０として
集束された上記光ファイバ１８の集束態様は、被加工物
の形状や必要出力等に併せて種々選択すれば良い。例え
ば第５図（八）や第５図（Ｆ）のように同芯円状にした
り、第５図（Ｂ）のようにピラミッド伏にしたり、ある
いは第５図（Ｃ）のように矩形状にしても良い。さらに
は、これら以外に第５図（Ｄ）のように直線状にしたり
、第５図（Ｅ）のようにリング状等にする等種々の集束
態様にしても良い。

また、上記ファイババンドル２０の先端部に取り付けら
れた円筒状のレンズホルダー２３には、第６図及び第７
図に示すように、集光レンズである２枚のアクロマチイ
ックレンズ２１．２２が配設されている。これらアクロ
マチイックレンズ２１．２２は、前記複数の光ファイバ
１８から出光したレーザ光り、を集光するような形で配
設されている。

上述のように構成された本装置によれば、前記収納部！
０内に配設された複数の半導体レーザ１５から出光した
レーザ光り、は、前記ファイバ加工レンズ１９により、
各々の光ファイバ１８内に入光するとともに、個々の光
ファイバ１Ｂ（ファイババンドル２０）の端部からは該
光ファイバ１８の特性値（ＮＡ値）に応じて発散角θで
出光し前記アクロマチインクレンズ２１．２２に達する
。

そして、このアクロマチイックレンズ２１．２２を通過
したレーザ光Ｌ１は加工集束光り、となり、焦点Ｆで最
小スポット径となる。

また本装置では、複数の半導体レーザ１５からのレーザ
光り、は、それぞれ導波路として光ファイバ１８を使用
しており、さらにこれらの光ファイバ１８を集束してい
るので、装置の加工光学系が簡単になり、小型且つ軽量
とすることができ、操作性を向上することができる。特
にミラー角度等の調整に熟練は不要となりレーザ光の導
波路の空間スペースを考慮する必要がないので、奥まっ
た場所の加工も節単に行うことができる。

なお、上記装置において被加工物を加工する際、より一
層操作性を向上させるのに、上記装置に使用した半導体
レーザ１５を以下のように構成してもよい。

すなわち、前記複数配設された半導体レーザ１５の少な
くとも一つを可視光を発光する半導体レーザとし、当該
可視光を入光させる光ファイバ１８を、前記ファイババ
ンドル２０の長手方向の中心部に位置するよう配設すれ
ば良い０例えば、第８図（Ａ）ないし第８図（Ｅ）に示
すように、使用する半導体レーザ１５の数及び被照射物
の照射面積に応じて集束する光ファイバ１８の集束態様
の中で、常に上記可視光を入光させた光ファイバ１８ａ
をそれぞれの中心部位置に配設すればよい。

このようにすれば、集光レンズであるアクロマチインク
レンズ２１．２２により集光されたレーザ光Ｌｔの中心
部位置には常に上記可視光が照射されこの可視光が加工
時におけるガイド光として機能するので、被加工物の加
工位置を容易且つ正確に特定することができ、作業性を
より向上することができる。

さらに、前記光ファイバ１日の集束態様をフラットパッ
ケージ型ＩＣの端子配列に対応した形とすれば、フラッ
トパッケージ型ＩＣの実装基板への半田付けが容易に行
える。

前記レーザ加工装置を用いてフラットパッケージ型ＩＣ
を実装基板へ半田付けするには、先ず、前記ファイババ
ンドル２０として集束された複数の光ファイバ１８の集
束態様を半田付けするフラットパッケージ型ＩＣの端子
配列と同様に配置するようにする。

すなわち、本例では第９図及び第１０図（＾）に示すよ
うに、後述するフラットパッケージ型ＩＣ（正方形で各
辺にそれぞれ複数の端子を有したもの、）の端子配列と
同様に配置された複数の光ファイバ出射孔２４が光学研
溶された光ファイバ出射面２５ａに穿設されてなる光学
系接続金具２５を用い、これを前記ファイババンドル２
０の先端部に取付は固定した。上記光ファイバ出射孔２
４の配列は、前記フラットパッケージ型ＩＣの端子配列
と同様に矩形状でその各辺にそれぞれ光ファイバ１８の
数に対応した数の光ファイバ出射孔２４が１列に並ぶよ
うになされている。上記光ファイバ出射孔２４の配置の
大きさは、半田付けするフラットパッケージ型ＩＣの形
状及び光学系の倍率設計値で決定でき、また上記光ファ
イバ１日の敞も当該フラットパッケージ型ＩＣの形状及
びレーザの出力によって任意に決定することができる。

なお、上記光ファイバ出射孔２４は、上記の例のように
各辺にそれぞれ１列となされていてもよいが、必要に応
じて第１Ｏ図（Ｂ）に示すように各辺にそれぞれ２例以
上配置することも可能である。

次に、第１１図に示すように、上記光学系接続金具２５
の先端部にレーザ光を集光する集光レンズ２６が配設さ
れた光学レンズユニット２７を取り付けた後、光軸上に
フラットパッケージ型ＩＣ２８を載置した実装基板２９
を配置する。

上記集光レンズ２６は、前記フラットパッケージ型ＩＣ
２８の大きさと予め設計されている光ファイバ１８の集
束態様によって、前記光ファイバ出射面２５ａから集光
レンズ２６までの距離ｊ！１゜また集光レンズ２６から
実装基板２９までの距離ｌ！が決定される、いわゆる可
変構造となされている。すなわち、上記光ファイバ出射
面２５ａから集光レンズ２６までの距離２．と当該集光
レンズ２６から実装基板２９までの距離１．は、任意・
に決定することができる。

上記フラットパッケージ型ＩＣ２Ｂには、第１１図に示
すように、正方形で各辺にそれぞれ複数の端子２０ａ、
２８ｂ、２８ｃ、２［１ｄを有するものを使用した。ま
た、上記フラットパッケージ型ｒｃ２８の端子２８ａ、
２８ｂ、２８ｃ、２８ｄと前記実装基板２９上の導体パ
ターン部（図示は省略する。）との間には、図示しない
クリーム半田を設けた。

次に、前記した複数の半導体レーザ１５より出光させた
レーザ光ＬＩをそれぞれの光ファイバ１８内に入光させ
て前記光ファイバ出射孔２４より加工集束光として出光
させる。そして、前記光学レンズユニット２７の操作に
より集光レンズ２６を通過したレーザ光Ｌｔを前記フラ
ットパッケージ型ＩＣ２Ｂの各辺の端子２８ａ、２８ｂ
、２８ｃ、２８ｄに合わせて当該端子部のみに照射する
。

この結果、上記レーザ光り、はフラットパッケージ型Ｉ
Ｃ２Ｂのそれぞれの端子２８ａ、２８ｂ。

２８ｃ、２８ｄに適したレーザビームパターン３０ａ、
３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとなる。したがって、上記端子
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ部では前記クリーム半
田が熔融し、当該端子２８ａ。

２８ｂ、２８ｃ、２８ｄと実装基板２９上の導体パター
ンとが電気的に接続される。

このように、フラットパッケージ型ＩＣ２Ｂの全端子２
８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを同時に加熱できるので
、セルフアライメント効果が期待でき、また、上記端子
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ。

２８ｄ部のみの加熱ができるので、当該全端子２８ａ、
２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ部を同時加熱しても、フラット
パッケージ型！０２８の性能を劣化させることはない、
このため、非耐熱性のフラットパッケージ型ＩＣも半田
付けすることが可能となる。

また、上記レーザ加工装置においては、先のフラットパ
ッケージ型ＩＣ２Ｂよりもさらに大きい相似形の例えば
、第１２図に示すようなフラットパッケージ型ＩＣ３１
であっても実装基板２９に半田付けすることができる。

この場合には、先の光ファイバ出射面２５ａから集光レ
ンズ２６までの距離ｌ、と、集光レンズ２６から実装基
板２９までの距Ｗａｊ！、を変化させて、当該フラット
パッケージ型ＩＣ３１の端子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ。

３１ｄの大きさに合わせて照射すればよい。

この結果、上記フラットパッケージ型ｆｃ３１の各辺の
端子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの大きさに適した
レーザビームパターン３２ａ、３２　ｂ、　　３２　ｃ
、　　３２　ｄが得られる。

なお、それぞれのフラットパッケージ型ＩＣが相似形で
ない場合には、前記半導体レーザ１５を選択的に駆動さ
せれば個々のパターンに対応させることができる。また
、２方向のみに端子を有するフラットパッケージ型ＩＣ
の場合にも、同様に半導体レーザ１５を選択的に駆動さ
せてやれば半田付けすることができる。

このように、本実施例のレーザ加工装置によれば、相似
形のフラットパッケージ型ＩＣであれば同一の光学系（
光学レンズユニット２７）のみで対応することができる
。また、光学系の操作のみ”ｔｃｍ単に超小型のフラッ
トパッケージ型ＩＣであっても高精度に半田付けするこ
とができる。

一方、長方形状のフラットパッケージ型ＩＣを実装基板
に半田付けするには、前記光学レーザユニット２７を用
いて一率に倍率を設定することのみでは半田付けするこ
とができないので、長軸長の倍率及び短軸長の倍率をそ
れぞれ設定して対応する０例えば、第１３図及び第１４
図に示すように、前記光学レーザユニット２７に代えて
光軸上に２枚のシリンドリカルレンズ３３．３４を直交
するように配置する。そして、一方のシリンドリカルレ
ンズ３３を長軸用、他方のシリンドリカルレンズ３４を
短軸用としてそれぞれ倍率を設定する。すなわち、長袖
と短軸の倍率を！、対２．及び２？対２．として設計し
、さらにｌｓ＋Ｒｈ−１ｔ　＋ｊ！、の関係となる焦点
距離とすればよい。

なお、上記！、は光ファイバ出射面２５ａから短軸用シ
リンドリカルレンズ３３までの距離、ｌ。

は短軸用シリンドリカルレンズ３４から実装基板２９ま
での距離、！？は光ファイバ出射面２５ａから長袖用シ
リンドリカルレンズ３３までの距離、２、は長軸用シリ
ンドリカルレンズ３４から実装基板２９までの距離をそ
れぞれ表す。

このようにすれば、長方形状のフラットパッケージ型Ｉ
Ｃ３５の各辺の端子３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの
大きさに通したレーザビームパターン３６ａ、３６ｂ、
３６ｃ、３６ｄが得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明のレーザ加工
装置は、半導体レーザを使用していることから、レーザ
自体の小型化はもらろん、当該レーザを操作駆動するた
めの回路を小さくすることができるので装置全体の小型
化を実現することができるとともに、軽量化することが
できる。

また、上記半導体レーザは大量生産が可能であり、−力
消費電力も少ないことから生産コストを低くすることが
できるとともに、ランニングコストの低下も実現するこ
とができる。

さらに、従来のレーザ加工装置のように常時発振させる
必要がな（必要な時のみ発振可能であることから装置の
寿命を延ばすことができる。

さらにまた、半導体の発振出力は製造工程で一様に決定
されるので安定した出力を維持することができる。

また、本発明は、上記半導体レーザから出光したレーザ
光を複数本の光ファイバにより導波させるとともに、こ
れらの光ファイバは集束されているので、当該光ファイ
バの集束態様を代えることによってレーザ光のビーム形
状、モードを任意に変更することができ、したがって加
熱応用範囲が拡がり高精度加熱を実現できる。

さらに、個々の光ファイバと半導体レーザどの結合が市
販されている集光レンズで最適に行うことができるので
、集光エネルギーを最小限のロスに止めることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用したレーザ加工装置の基本的構成
を示す模式図、第２図は具体的な装置構成の一例を示す
概略斜視図、第３図は収納部を拡大して示す一部破断斜
視図、第４図はレーザ光を光ファイバ内に入光させる状
態を示す模式図、第５１１ｉＵ（Ａ）ないし第５図（Ｆ
）は光ファイバの集束態様の例をそれぞれ示す模式図、
第６図はレンズホルダの一部を切断して示す斜視図、第
７図はファイババンドルより出光したレーザ光の集光状
態を示す模式図、第８図（八）ないし第８図（Ｅ）はガ
イド光を使用した場合における光ファイバの集束態様を
示す模式図、第９図はフラットパッケージ型ＩＣの実装
基板への半田付けに使用した光ファイバを示す要部拡大
斜視図、第１０図（八）はその光ファイバの集束状態を
示す正面図、第１０図（［１）＋１光ファイバの集束状
態の他の例を示す正面図、第１１図は正方形のフラット
パッケージ型ＩＣの実装基板への半田付は状態を示す模
式図、第１２（２Ｉは相似形状のフラットパッケージ型
ＩＣの実装基板への半田付は状態を示す模式図、第１３
図は長方形のフラットパッケージ型１ｃの実装基板への
半田付は状態を示す模式図、第１４図はシリンドリカル
レンズの相対位置を示す模式図である。 ５、Ｉ５・・・半導体レーザ ６゜ １８　・ ・光ファイバ ２２　・ ・アクロマチイックレンズ 特 許 出 願 人 ソニー株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数の半導体レーザと、 各半導体レーザから出光したレーザ光がそれぞれ入光さ
   れる複数本の光ファイバが集束されてなる光ファイバ集
   束部と、 上記光ファイバ集束部から出光されるレーザ光を集光す
   る集光レンズとを有してなるレーザ加工装置。