JPS5819395B2 - レ−ザ加工方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高出力のパルスレーザにより各種材料を加工
するレーザ加工方法及びその装置に関するものである。

従来のレーザ加工装置は第１図に示す如く構成されてい
る。

即ちレーザ発振器１より出たレーザビーム２はミラー３
により反射された後、集光レンズ４により集光せられそ
の焦点付近に置かれた被加工物６を加工する。

この場合ピーク出力の高いパルスレーザ、例えばＮｄニ
ガラスレーザ、ルビーレーザ、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザ、
Ｎ２レーザを用いるときには焦点６の近傍このパワー密
度が１０９Ｗａｔｔ／ｃｒＩＬ以上となる場合があり、
空気中で加工を行えば焦点付近の空気がこの高いバリー
密度により電離しプラズマを生成する。

このプラズマは一般にレーザの光に対して不透明であり
、これを大部分吸収する。

したがってＮｄニガラスレーザ。ルビーレーザ、ＴＥＡ
−ＣＯ２レーザの光は加工に有効に用いられない。

例えばＴＥＡ−ＣＯ２レーザは波長１０．６μであるが
、これにより生ずるプラズマはこのＣＯ２レーザ光の７
０％以上を吸収する。

この特性を第２図に示した。

第２図において横軸はＴＥＡ−ＣＯ２レーザのパルスの
エネルギーを、横軸は焦光された焦点の前後のエネルギ
ーの比（透過率）を示す。

プラズマの生成しない低いパルスエネルギーでは透過率
は１００％であるがプラズマが生成するとこれが３０％
以下に低下することがわかる。

次に第３図はこのレーザにより金属に穴あけ加工を行な
った時の除去量とパルスエネルギーの関係を示している
。

ここに示したようにプラズマの生成がないとき、除去量
はＡからＢへとパルスエネルギーとともに増加するが、
プラズマが生成すると、そのエネルギー吸収により加工
に用いられるエネルギーが低下するため、一端りまで低
下し以後はパルスエネルギーが増すロしてもＡＢよりも
ゆるやかな勾配でＤＥのように増加するに過ぎない。

今Ｅのパルスエネルギーでプラズマが生じないときに得
られる加工穴の深さはＡＢの延長上でＥの上方のＣであ
るが、現実に得られるＥはこれの数分の−に過ぎない。

上記のようにプラズマの生成とこれによるレーザ光の吸
収は加工効率を著しく低下させている。

第３図においては。除去量のみを取上げたが加工径ある
いは加工穴深さ等についても全く同様の状況が存在する
ことは云うまでもない。

このような問題に対して加工物付近を真空にしてプラズ
マを生じないようにして加工効率の増大をはかる方法が
あるが、これはそのための真空室真空ポンプを必要とし
、また作業時に真空排気、空気戻しなどの作業がつけ加
わり繁雑で不便な工程となるため製造上不合理であった
。

この発明の目的は上記の従来技術の欠点をなくし加工物
付近を真空にすることなしに高出力レーザによる加工の
際に生ずるプラズマによるレーザ光の吸収をなくし加工
効率を向上させ加工量、加工深さ、加工幅を増大させる
レーザ加工方法およびその装置を提供することにある。

即ち本発明は、パルスレーザ光のエネルギーが１２５
ｍＪｏｕｌｅ以下においては気体電離によるプラズマの
発光が防止されることに着目し、２００ｍＪｏｕｌｅ以
上の高出力パルスレーザ光がレーザ発振器から出力され
たとき、この高出力パルスレーザ光に１２５ｍＪｏｕｌ
ｅ以下の複数個のパルスレーザ光に分割し、各々のパル
スレーザ光を同時に集光して被加工物の異なる部分に照
射して加工することを特徴とするものである。

以下本発明を図に示す実施例にもとづいて具体的に説明
する。

第３図において、プラズマが生成する最低のパルスエネ
ルギーは１２５ ｍＪｏｕｌｅである。

これよりパルスエネルギーの犬であるとプラズマが生じ
。

これによるレーザ光の吸収が起る。

これよりパルスエネルギーが小さいとプラズマは生じな
いのでレーザ光の吸収は起きない。

今、このレーザの出しうる最大パルスエネルギーが３５
０ ｍＪｏｕｌｅであるとするとこれをそのまま照射し
たのではＥ点に示す如＜０．２３μｇ程度の除去量の穴
しか得られない。

そこでこのレーザビームを幾つかに分割し各々のレーザ
ビームのパルスエネルギーが１２５ｍＪｏｕｌｅ以下に
なるようにする。

例えば今、３５０ ｍＪｏｕｌｅパルスエネルギーをも
つビームを均等に各々１１６．７ ｍＪｏｕｌｅのパル
スエネルギーをもつ３つのビームに分は各々を集光レン
ズを通して加工物の異る箇所に照射すれば、各々のエネ
ルギーは１２５ ｍ Ｊｏｕｌｅより小さいのでプラズ
マは生じない。

従って各ビームによる除去量は第３図で１１６．７ ｍ
Ｊｏｕｌｅに対応する０、２２μｇが得られる。

したがって、全除去量はこの３倍の０．６６μｇであり
、ビームを分割しなかったときの除去量０．２３μｇよ
りもずうと大きい除去量が得られることになる。

このように、レーザのビームを幾つかに分割し、各々の
ビームのエネルギーがプラズマを生じないような程度の
ものとして各ビームにより物体の異る点で加工を行うこ
とによりビームを分割しなかった場合に比べ全体の除去
量を大きくふやし加工効率を大きく増大させることが出
来る。

まず本発明を実施する場合に最も重要なレーザビームを
幾つかのビームに分割する方式の一実施例を第４図にも
とづいて具体的に説明する。

即ち半透過鏡１２．半透過鏡１３はレーザ光にたいし各
々３３．３％、５０％の反射率をもつ半透過ミラーであ
り反射鏡１４は全反射ミラーである。

レーザ発振器１より出たレーザビーム２は半透過鏡１２
により３３，３％が反射されレーザビーム９となる。

残りの６６．７％は半透過鏡１２を透過してレーザビー
ム７となり、ミラー１３によりこのうちの５０％、即ち
もとのレーザビーム２の３３．３％は反射されてレーザ
ビーム１０となる。

またレーザビーム７の５０％すなわちもとのレーザビー
ム２の３３，３％は半透過鏡１３を透過してレーザビー
ム８となり、反射鏡１４により全反射されてレーザビー
ム１１になる。

したがってレーザ発振器１の出力レーザビーム２はレー
ザビーム９，１０゜１１の３つに分割され各々はもとの
ビームの１／３の強度をもつことになる。

この例においてミラーは３つであるがこれ以外の個数の
ミラーをもちいてビームを分割することも可能であるこ
とは明かである。

また必ずしも分割されたレーザビームが等しい強度をも
っている必要はない。

第５図はレーザビームを分割する方式の他の一実施例を
示した図である。

この図においてレーザビーム２に対して置かれたミラー
１５は小ミラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃの３つの部分か
ら成っている小ミラー１５ａ１５ｂ、１５ｃは各々平面
鏡であり、且その傾きが少しずつ異なるように取りつけ
られてあり、レーザビーム２のうちミラー１５ａに入射
した部分は反射されてレーザビーム９となり、ミラー１
５ｂに入射した部分は反射されてレーザビーム１０とな
り、ミラー１５ｃに入射した部分は反射されてレーザビ
ーム１１となる。

このようにしてレーザビーム２はレーザビーム９，１０
．１１に分割される。

この場合レーザビーム２の断面の強度分布を考慮して小
ミラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃを配置して設定すれば、
ビーム９，１０，１１が各々適当な強度をもつように出
来る。

この例ではミラーを用いたが多角形状のプリズムを用い
ても同様のことが出来ることは明かである。

次にこのようにして分割されたレーザビームを用いて加
工を行う方法の一実施例について説明する。

上記のように分割されたレーザビームは各々レンズで集
光して物体に照射され、これを加工するが、この場合全
く同一の箇所を照射することは出来ない。

何故なら同時に分割されたレーザビームを同一箇所に合
わせて集光すれば、その点のパワー密度は各ビームによ
るバリー密度の和となるので、プラズマの生成に必要な
パワー密度を越えることが生じ。

プラズマが生成することになるので、ビームを多数に分
割した意味がなくなる。

したがってプラズマを生じさせない為には各々の照射ス
ポットの間にはレーザ光の集光スポット径（数μ〜数１
００μ）以上の距離を置いて同時照射を行う必要がある
。

このような特徴を考慮して以下のような加工方法が考え
られる。

即ちレーザによる回転体のバランスとりのように除去算
量が問題となり、照射位置にレーザ集光スポット径程度
の誤差が多少あってもかまわない場合は、第６図のよう
に分割されたレーザビーム９．１０．１１をミラー等で
方向を変え、集光レンズ１６，１７，１８に入射させて
加工すべき軸２０を中心に回転する回転体１９上の僅か
異なった外周位置１９，２０，２１に集光させ加工を行
う。

即ち集光スポット１９，２０．２１は集光スポット径程
度の距離だけ互に離れているものとする。

レーザによる回転体のバランスとりでは１回の照射でな
るべく多く算量を除去することが必要であり、このよう
な方法によれば１回の照射による除去量がビームを分割
しない場合にくらべて増大できる。

また多数の試料を同時に加工する場合は、生産加工にお
いては次々に多数の加工物を加工していくがこの場合１
ケの試料の加工を済ませてから次の加工をにとりかかる
。

ライン処理方式ではビーム分割の効果がでないが１分割
したビームの数だけの試料を同時に平行して加工する。

バッチ処理方式を用いれば全体の加工時間が大幅に低減
できる。

これを第７図に示した。

第７図において同一のレーザ発振器の出力ビームを分割
して得られるレーザビーム９，１０．１１は各々集光レ
ンズ１６゜１７．１８に入射して被加工物２１，２２，
２３を同時に加工する。

ビームを分割せずに１ケの被加工物を加工する場合に得
られる有効エネルギーと同程度のエネルギーがこのよう
すれば、プラズマを生じないため３つの加工点で得られ
るので全体の加工時間が約３分の１となる。

また１個の試料の多数箇所を同時に加工する場合として
第８図に示す如く分割されたビームにより１個の加工物
２４の３ケ所を同時に加工する場合がある。

これは第７図に示した場合と殆ど同じであり説明を要し
ない。

また１個の試料の表裏を同時に加工する場合として第９
図に示す如く、ビームを２つに分割してプラズマ発生に
必要なエネルギーより小さいエネルギーをもつようにし
て１箇の試料２５たとえば薄板の同一箇所を表側と裏側
から同時に加工する方法がある。

このような方法により試料を貫通する加工において加工
効率が高められる。

また第７図の方法と第９図の方法、および第８図の方法
と第９図の方法が組合せて用いられうろことは明かであ
る。

また線状の連続加工たとえば切断、スクライビング等を
行う場合を第１０図に示ｒ。

即ち同一のレーザ源から出たレーザビームがレーザビー
ム９および１０に分割されている。

各々のビーム９゜１０は集光レンズ１６．１７で集光さ
れて点２６゜２７にプラズマを生ぜずに集光し、 ７７
０工物２８を加工する。

今加工物２８を保持する台を点２６゜２７を結ぶ直線に
平行な方向（矢印方向）に移動させると、加工物２８は
まずスポット２６により加工されてかロエ溝２９を生じ
、さらに同じ溝をスポット２７により加工して加工溝３
０とする。

このようにして一本の溝をプラズマのない状態で２重に
加工することにより、より速い加工速度が得られる。

また加工物を２方向に移動させてレーザビームを加工物
に対して走査し加工物の簡約な加工を行うときにも同様
のことが成立つことは明かである。

以上説明したように本発明によればＮｄニガラスレーザ
、ルビーレーザ、Ｎ２レーザ、Ｔ ＥＡ−ＣＯ□レーザ
等の高出力レーザによりプラズマによるレーザ光の吸収
をなくし、従来技術に比してはるかに大きな有効パワー
の加工を行うことが出来る効果を有する。

従って本発明によれば空気中で加工を行うため真空脱着
のための特別の装置および作業を必要としないため、多
大の加工時間の低減をはかることができると共に、従来
困難であった除去量の大きな加工を容易に得ることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザ加工方法を実施する装置を示した
概略構成図、第２図は従来のＴＥＡ−Ｃ０２レーザ加工
によって生ずるプラズマに対するＣＯ２レーサ光の透過
率とレーザのパルスエネルギーとの関係を示した図、第
３図は第２図に示すＴＥＡ−ＣＯ２レーザのパルスエネ
ルギーと加工の際の除去量との関係を示す図、第４図は
本発明にかかるパルスレーザ光の分割装置の一実施例を
示した概略構成図、第５図は本発明にかかるパルスレー
ザ光の分割装置の他の一実施例を示した概略構成図、第
６図は上記第４図もしくは第５図に示した装置によって
分割されたパルスレーザ光を回転体に照射して回転体の
バランスとりに応用した場合を示した概略構成図、第７
図は第４図もしくは第５図に示した装置によって分割さ
れたパルスレーザ光を多数の被加工物に照射して、各々
の被加工物を同時に加工する状態を示した図、第８図は
第４図もしくは第５図に示した装置によって分割された
パルスレーザ光を一個の被加工物の多数箇所に照射して
各々の箇所を同時に加工する状態を示した図、第９図は
第４図及び第５図に示した装置によって分割されたパル
スレーザ光を被加工物の表裏の同一箇所に照射し、各々
の箇所を同時に加工する状態を示した図、第１０図は第
４図及び第５図に示した装置によって分割されたパルス
レーザ光を被加工物の同一線上の２箇所に照射し、且、
被加工物を一直線に移動させて切断等の線状連続加工を
行う場合について示した図である。 １・・・・・・レーザ発振器、１２，１３・・・・・・
半透過鏡、１４・・・・・・反射鐘、１５・・・・・・
ミラー、１５ａ、１５ｂ。 １５ｃ・・・・・・小ミラー、９，１０１１・・・・・
・レーザビーム、１６，１７，１８・・・・・・集光レ
ンズ、１９・・・・・・回転体、２１，２２，２３，２
４，２５゜２８・・・・・・被加工物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高出力のパルスレーザ光を集光してその集光点に置
   いた物体を加工する方法において、この高出力パルスレ
   ーザビームを集光しても気体の電離によるプラズマを生
   じないようなエネルギーをもつ複数個のパルスレーザビ
   ームに分割し、それぞれのパルスレーザビームを同時に
   集光して被加工物の異なる部分に照射して加工すること
   を特徴とするレーザ加工方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工方法におい
   て、高出力パルスレーザビームの出力を２００ ｍｔＪ
   ’ｏｕｌｅ以上とし１分割された複数個のパルスレーザ
   ビームの各々の出力を１２５ｍＪｏｕｌｅ以下にするこ
   とを特徴とするレーザ加工力ム３ 高出力のパルスレー
   ザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から出
   力される高出力パルスレーザビームの・一部分を反射し
   、他の部分を透過させる半透過鏡と、該半透過鏡を透過
   してくるパルスレーザビームを反射させる反射鏡と、上
   記半透過鏡によって反射されたパルスレーザビームを被
   加工物の所定の箇所に集光させる集光レンズと、上記反
   射鏡から反射されたパルスレーザビームを被加〒物の上
   記所定の箇所と異なる箇所に集光させる集光レンズとを
   備え付け１．プラズマを発光させることなく被加工物の
   異なる箇所に同時に加工するようにしたことを特徴とす
   るレーザ加工装置。 ４ 高出力のパルスレーザ光を発振するレーザ発振器と
   、該レーザ発振器から出力される高出力パルスレーザビ
   ームを互いに異なる複数方向に反射もしくは屈折させて
   複数個のパルスレーザビームに分割させる光学手段と、
   該光学手段により分割されたパルスレーザビームの各々
   を被加工物の異なる箇所に集光する複数個の集光レンズ
   とを備え付け、プラズマを発光することなく、被加工物
   の異なる箇所に同時に加工するようにしたことを特徴と
   するレーザ加工装置。