KR20200083249A - 레이저 가공 장치 및 빔 로테이터 유닛 - Google Patents

Abstract

(과제) 트레패닝 가공에 의한 테이퍼리스 가공을 실현한다.
(해결 수단) 출사원으로부터 피가공물에 이르는 레이저광의 광로에 있어서, 빔 로테이터와 갈바노 스캐너와 fθ 렌즈가 이 순서로 설치된 가공 장치에 있어서, 갈바노 스캐너에 의해, 조사 위치가 예를 들면 원 등의 폐곡선이 주사 궤적이 되도록 레이저광을 변위시키는 동작과, 빔 로테이터와 fθ 렌즈에 의해, 레이저광의 조사 방향을 기울이면서 당해 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키고, 추가로, 레이저광의 통과 범위의 최외측이 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 레이저광이 피가공물에 입사하도록 한다.

Description

레이저 가공 장치 및 빔 로테이터 유닛{BEAM ROTATOR UNIT AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 레이저광을 이용하여 피(被)가공물을 가공하는 장치 및 당해 장치에 사용되는 빔 로테이터 유닛에 관한 것으로, 특히, 피가공물에 관통 구멍을 뚫는 가공을 행하는 장치 및 유닛에 관한 것이다.

레이저광을 이용한 가공의 일 태양으로서, 레이저 빔을 피가공물 상에서 예를 들면 원형으로 주사함으로써, 심재(芯材)를 남기면서 천공 가공을 행하는, 트레패닝(trepanning) 가공이 널리 알려져 있다. 트레패닝 가공은, 레이저광의 빔 지름보다 큰 평면 사이즈의 구멍을 뚫는 가공, 혹은 빔 지름보다 큰 평면 사이즈의 심재를 취출하는 가공에 이용되고 있다.

한편으로, 레이저광에 의해 가공 대상물의 표면에 오목부를 형성하는 기술로서, 각각이 서보모터에 의해 고속 회전되는 입사 각도 조정용의 한 쌍의 웨지 프리즘(wedge prism) 및 회전 반경 조정용의 웨지 프리즘에 더하여, 무수차(無收差) 렌즈인 그라디움 렌즈(gradium lens)를 조입한 빔 로테이터와, 갈바노 스캐너를 포함하는 가공 헤드를 구비하는 레이저 가공 장치를 이용함으로써, 오목부의 측면의 형상을 제어하는 기술이 이미 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

일본공개특허공보 2014-133242호

피가공물에 트레패닝 가공에 의한 천공을 행하는 경우에 있어서, 두께 방향에 있어서 구멍 지름을 균일하게 하고 싶은, 환언하면, 구멍을 테이퍼리스(taperless)한 곧은 기둥 형상(예를 들면 정(正)원기둥 형상)으로 하고 싶다는, 일정한 요구가 있다.

그러나, 피가공물의 가공 대상 위치에 초점을 일치시키는 태양으로 연직 하방을 향하여 조사한, 가장 일반적인 조사 태양의 레이저 빔에 의한 주사에 의해, 트레패닝 가공을 행하는 경우, 구멍의 측면은 테이퍼 형상이 되어, 곧은 기둥 형상의 구멍은 얻을 수 없다.

한편으로, 특허문헌 1에는, 피가공물에 대한 오목부의 형성 시에 오목부의 측면을 피가공물의 표면에 대하여 수직으로 하는 태양이 개시되어 있지만, 테이퍼리스한 트레패닝 가공에 대해서는, 하등의 개시도 시사도 이루어져 있지는 않다. 또한, 특허문헌 1에 개시된 가공 장치는, 빔 로테이터에 집광 광학계로서 무수차 렌즈인 그라디움 렌즈를 형성하는 것이 필수의 태양으로 되어 있다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 트레패닝 가공에 의한 테이퍼리스한 천공 가공을 실현하는 것, 나아가서는, 테이퍼 상태를 제어 가능한 트레패닝 가공을 실현하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 피가공물에 대하여 레이저광을 조사함으로써 상기 피가공물을 가공하는 장치로서, 상기 레이저광의 출사원과, 가공 시에 상기 피가공물이 수평으로 올려놓이는 스테이지와, 상기 출사원으로부터 상기 스테이지에 올려놓인 상기 피가공물에 이르기까지의 상기 레이저광의 광로상에, 상기 출사원의 측으로부터 순차적으로 설치된 빔 로테이터, 갈바노 스캐너 및, fθ 렌즈와, 상기 장치의 각부의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 fθ 렌즈를 거친 상기 레이저광은 상방으로부터 상기 피가공물에 조사되고, 상기 빔 로테이터는, 입사한 상기 레이저광을 입사 방향과 평행한 위치로 시프트시킴과 함께, 상기 빔 로테이터에 대한 상기 레이저광의 입사 방향을 회전축으로 하여 회전시키면서 출사하고, 상기 갈바노 스캐너는 상기 레이저광의 상기 피가공물에 있어서의 조사 위치를 변위 가능하게 설치되고, 상기 레이저광은, 상기 빔 로테이터 및 상기 갈바노 스캐너를 거친 상기 레이저광이 상기 fθ 렌즈를 거침으로써, 상기 조사 위치에 대한 입사각을 소정의 각도로 유지하면서, 상기 조사 위치에 대한 조사 방향이 회전되고, 상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 폐곡선을 따라 변위시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 가공 장치로서, 상기 레이저광의 통과 범위의 최외측이 상기 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 상기 레이저광을 피가공물에 입사시키는, 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 가공 장치로서, 상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 원을 따라 1주(周)시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 1회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 청구항 3에 기재된 레이저 가공 장치로서, 상기 스테이지가 승강이 자유롭게 설치되어 이루어지고, 상기 제어 수단은, 상기 레이저광의 상기 조사 위치의 상기 원을 따른 변위가 1주 또는 복수주 이루어지는 타이밍마다, 상기 스테이지를 이동시켜, 상기 피가공물을 상승시키는, 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은, 피가공물에 대하여 레이저광을 조사함으로써 상기 피가공물을 가공하는 장치에 사용되는 빔 로테이터 유닛으로서, 상기 레이저광의 광로상에, 순차적으로 설치되게 되는 빔 로테이터, 갈바노 스캐너 및, fθ 렌즈와, 상기 빔 로테이터 유닛의 각부의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 빔 로테이터는, 입사한 상기 레이저광을 입사 방향과 평행한 위치로 시프트시킴과 함께, 상기 빔 로테이터에 대한 상기 레이저광의 입사 방향을 회전축으로 하여 회전시키면서 출사하고, 상기 갈바노 스캐너는 상기 레이저광의 상기 피가공물에 있어서의 조사 위치를 변위 가능하게 설치되고, 상기 레이저광은, 상기 빔 로테이터 및 상기 갈바노 스캐너를 거친 상기 레이저광이 상기 fθ 렌즈를 거침으로써, 상기 조사 위치에 대한 입사각을 소정의 각도로 유지하면서, 상기 조사 위치에 대한 조사 방향이 회전되고, 상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 폐곡선을 따라 변위시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 한다.

청구항 1 내지 청구항 5의 발명에 의하면, 테이퍼의 상태를 의도적으로 제어한, 레이저광에 의한 천공 가공이 실현된다.

특히, 청구항 3 및 청구항 4의 발명에 의하면, 테이퍼리스한 천공 가공이 실현된다.

도 1은 가공 장치(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 빔 로테이터(20) 및 fθ 렌즈(40)의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 가공 장치(100)에 의한 트레패닝 가공 시의, 레이저광(LB)의 모양을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 가공 장치(100)에 있어서 트레패닝 가공을 행함으로써 실현되는, 테이퍼리스 가공의 진행의 모양을 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 실시예 1에 있어서 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 2에 있어서 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 3에 있어서 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

<가공 장치의 개요>

도 1은, 본 실시 형태에 따른 트레패닝 가공을 행하기 위한 가공 장치(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 가공 장치(100)는, 레이저광(LB)의 출사원(10)과, 빔 로테이터(20)와, 갈바노 스캐너(30)와, fθ 렌즈(40)와, 장치 각부의 동작을 제어하는 제어 모듈(50)과, 피가공물(이하, 워크라고도 칭함)(W)이 올려놓이는 스테이지(70)를 주로 구비한다.

가공 장치(100)에 있어서는, 개략, 출사원(10)으로부터 스테이지(70)에 올려놓인 워크(W)에 이르는 레이저광(LB)의 광로에 있어서, 빔 로테이터(20)와 갈바노 스캐너(30)와 fθ 렌즈(40)가 출사원(10)의 측으로부터 이 순서로 설치되어 이루어진다. 그리고, 제어 모듈(50)의 제어 아래, 출사원(10)으로부터 출사되고, 빔 로테이터(20), 갈바노 스캐너(30) 및, fθ 렌즈(40)를 순차적으로 거친 레이저광(LB)이, 워크(W)에 조사됨으로써, 워크(W)의 가공이 진행된다. 또한, 도 1에 있어서는, 출사원(10)과 빔 로테이터(20)의 사이 및, 빔 로테이터(20)와 갈바노 스캐너(30)의 사이에 각각 미러(61 및 62)가 설치되고, 이들 미러(61 및 62)에 의해 레이저광(LB)을 반사시킴으로써, 레이저광(LB)의 광로가 굽혀져 있지만, 이는 도시의 형편에 따르는 것으로서, 필수의 태양은 아니다. 혹은, 가공 장치(100)의 구성의 형편상, 더욱 많은 미러가 이용되어, 레이저광(LB)의 광로가 더욱 굽혀지는 태양이라도 좋다.

제어 모듈(50)은, 출사원(10)으로부터의 레이저광(LB)의 출사의 on/off 동작이나, 빔 로테이터(20)의 회전 동작이나, 갈바노 스캐너(30)의 도시하지 않는 갈바노 미러의 회전(혹은 요동) 동작이나, 스테이지(70)의 승강 동작 등을 제어한다.

스테이지(70)는, 가공 시에 워크(W)가 재치(載置) 고정되는 부위이다. 스테이지(70)에 올려놓인 워크(W)에 대하여, 상방에 위치하는 fθ 렌즈(40)로부터 레이저광(LB)이 조사된다. 스테이지(70)는, 적어도 연직 방향으로 승강이 자유롭게 설치되어 이루어지고, 제어 모듈(50)로부터의 구동 신호에 응답하여, 승강된다. 혹은 추가로, 수평면 내에 있어서의 2축 이동(병진) 동작이나 회전 동작을 행할 수 있도록 구성되어 이루어지는 태양이라도 좋다. 이러한 경우에는, 이들 동작도, 제어 모듈(50)로부터의 구동 신호에 응답하여 이루어지게 된다.

레이저광(LB)으로서는, 워크(W)의 재질이나 두께, 소망하는 가공 태양 등에 따른 여러 가지의 파장의 것이 선택되어도 좋고, 출사원(10)도, 선택된 레이저광(LB)을 출사 가능한 것이 준비되면 좋다.

도 2는, 빔 로테이터(20) 및 fθ 렌즈(40)의 역할을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 2에 있어서는, 설명의 간단함을 위해, 본래는 빔 로테이터(20)와 fθ 렌즈(40)의 사이의 광로상에 설치되는 갈바노 스캐너(30)를 생략하고 있다. 또한, 레이저광(LB)이 빔 로테이터(20)에(보다 상세하게는 프리즘(21)에) 입사할 때의 입사 방향을 축(AX1)으로 한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 빔 로테이터(20)는, 한 쌍의 프리즘(21, 22)이 중공 모터(23)의 내부에 조입된 구성을 갖는다. 한 쌍의 프리즘(21, 22)은, 프리즘(21)에 대하여 축(AX1)을 따라 입사한 레이저광(LB)이 당해 축(AX1)에 평행하게 소정 거리 시프트한 위치에 있어서, 프리즘(22)으로부터 출사되도록, 중공 모터(23)에 조입되어 이루어진다. 환언하면, 한 쌍의 프리즘(21, 22)은, 빔 로테이터(20)로부터의 출사 시의 레이저광(LB)의 광로 위치가, 당해 빔 로테이터(20)에 대한 입사 시의 레이저광(LB)의 광로 위치로부터 소정 거리 시프트하도록, 중공 모터(23) 내에 조입되어 이루어진다.

보다 상세하게는, 프리즘(21)으로부터 프리즘(22)을 향하는 레이저광(LB)은 일단, 축(AX1)에 대하여 소정의 각도 α만큼 경사지지만, 프리즘(22)으로부터(요컨대 빔 로테이터(20)로부터) 외부에 출사될 때의 레이저광(LB)의 출사 방향은, 축(AX1)에 평행하게 되어 있다.

이에 더하여, 빔 로테이터(20)에 있어서는, 중공 모터(23)가 화살표 AR2에 나타내는 바와 같이 축(AX1)을 회전축으로 하여 회전하도록 되어 있다. 이러한 회전과 전술의 시프트의 조합의 결과, 빔 로테이터(20)로부터의 레이저광(LB)의 출사는, 축(AX1)과 평행하게 또한 축(AX1)의 주위를 회전하는 태양으로 이루어지게 된다.

갈바노 스캐너(30)의 기여를 무시하면(혹은, 갈바노 스캐너(30)가 레이저광(LB)의 위치를 변경하지 않는다고 하면), 빔 로테이터(20)로부터 출사된 레이저광(LB)은, 축(AX1)과 평행한 상태를 유지하여, 축(AX1)을 축 중심으로 하여 배치되어 이루어지는 fθ 렌즈(40)에 입사하게 된다. fθ 렌즈(40)는, 입사한 레이저광(LB)을 워크(W)에 있어서의 축(AX1)의 연장선상의 위치를 향하여 편향하도록, 설치되어 이루어진다. 이에 따라, 레이저광(LB)은, 소정의 입사각(β)으로 워크(W)에 조사되게 된다.

단, 전술과 같이 빔 로테이터(20)는 회전하고 있다. 그렇기 때문에, fθ 렌즈(40)에 대한 레이저광(LB)의 입사 위치도 축(AX1) 주위로 회전하고, 이에 따라 fθ 렌즈(40)로부터의 레이저광(LB)의 출사 위치도 축(AX1) 주위로 회전하게 된다. 그러나, 빔 로테이터(20)에 의해 시프트되는 레이저광(LB)의 광로 위치는 축(AX1)에 대하여 등방적이기 때문에, 레이저광(LB)은 워크(W)의 동일 위치에 조사된다.

이상은 즉, 빔 로테이터(20)와 fθ 렌즈(40)는, 갈바노 스캐너(30)의 기여를 무시하면, 레이저광(LB)을, 워크(W)의 동일 위치에 대하여 소정의 입사각(β)을 유지하면서 회전시키면서 입사시키는 작용을 갖고 있는 것을 의미한다. 환언하면, 빔 로테이터(20)와 fθ 렌즈(40)는, 조사 위치에 대한 레이저광(LB)의 입사의 방향을 끊임없이 다르게 하는 회전시키는 작용을 갖고 있다고도 할 수 있다.

또한, 실제의 가공 장치(100)에 있어서는, 전술과 같이, 빔 로테이터(20)와 fθ 렌즈(40)의 사이의 광로상에 갈바노 스캐너(30)가 설치되어 있다. 갈바노 스캐너(30)는, 제어 모듈(50)의 제어 아래, 워크(W)에 대한 레이저광(LB)의 조사 위치를 도 1에 있어서 화살표 AR1로 나타내는 바와 같이 임의의 위치로 변위시키기 위해 설치되어 이루어진다. 보다 상세하게는, 갈바노 스캐너(30)는, 레이저광(LB)의 조사 위치를 수평 2축 방향의 소정 범위에 변위가 자유롭게 설치되어 이루어진다. 그리고, 이러한 갈바노 스캐너(30)가 동작함으로써, 레이저광(LB)에 의한 워크(W)의 주사가 가능하게 되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 갈바노 스캐너(30)에 의한 레이저광(LB)의 조사 위치의 변위(요컨대 레이저광(LB)에 의한 주사)는, 축(AX1)을 가상적으로, 원래의 위치(빔 로테이터(20)에 레이저광(LB)이 입사할 때의 위치)와 평행한 위치로 변위시키는 것으로 간주할 수 있다. 그렇기 때문에, 레이저광(LB)의 조사는, 갈바노 스캐너(30)의 동작에 따른 조사 위치의 변위와, 전술한 빔 로테이터(20)와 fθ 렌즈(40)의 작용에 의해 실현되는, 입사각(β)을 유지한 회전을 하면서의 당해 조사 위치로의 입사와의 조합에 의해, 이루어지게 된다.

<트레패닝 가공>

다음으로, 전술한 구성을 갖는 가공 장치(100)에 의한 트레패닝 가공에 대해서 설명한다. 도 3은, 가공 장치(100)에 의한 트레패닝 가공 시의, 레이저광(LB)의 모양을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4는, 가공 장치(100)에 있어서 트레패닝 가공을 행함으로써 실현되는, 테이퍼리스한 천공 가공(이하, 간단히 테이퍼리스 가공이라고도 칭함)의 진행의 모양을 나타내는 개략 단면도이다.

이하에 있어서는, 설명의 간단함을 위해, 도 3에 화살표 AR4로 나타내는 바와 같이, 레이저광(LB)의 조사 위치를(대표적으로는 집광점(F)을) 소정의 수평인 원(C)을 따라 변위(주회)시키는 태양으로, 즉, 레이저광(LB)에 의한 주사 궤적이 원(C)이 되는 태양으로, 트레패닝 가공이 이루어지는 경우를 대상으로 한다.

레이저광(LB)의 원(C)을 따른 변위(주회 주사)는, 제어 모듈(50)로부터의 주사 신호에 기초하여 갈바노 스캐너(30)가 구동됨으로써 실현된다. 그리고, 본 실시 형태에 따른 가공 장치(100)에 있어서는, 이 갈바노 스캐너(30)에 의한 레이저광(LB)의 원(C)을 따른 변위에, 도 3에 있어서 화살표 AR3으로 나타내는 바와 같은 빔 로테이터(20)의 회전에 의한 레이저광(LB)의 조사의 방향의 변화를 동기시킨 상태에서, 트레패닝 가공을 행하도록 되어 있다.

또한, 실제의 가공 시에는, 빔 로테이터(20)와 갈바노 스캐너(30)의 동기가 성립한 상태에서, 제어 모듈(50)이 출사원(10)에 대하여 레이저광(LB)의 출사의 on 신호를 발하고, 출사원(10)은 이에 응답하여 레이저광(LB)의 출사를 개시한다.

보다 상세하게는, 빔 로테이터(20)의 동작에 의해 조사 위치에 대한 레이저광(LB)의 조사 방향이 1회전하는 동안에, 갈바노 스캐너(30)에 의해 레이저광(LB)이 원(C) 상을 정확히 1회전하도록, 양자의 동작이 동기 제어된다. 이는, 중공 모터(23)가 1회전할 때마다 빔 로테이터(20)가 발하는 타이밍 신호를 제어 모듈(50)이 수취하는 타이밍에 따라서, 제어 모듈(50)이, 갈바노 스캐너(30)에 대하여, 원(C) 상을 1주하는 주사를 실행시키기 위한 주사 신호를 부여함으로써 실현된다.

이러한 경우, 레이저광(LB)은, 원(C) 상에 있어서 원(C)을 포함하는 수평면에 대하여 직교하는 가상축(AX2)을 중심축으로 하는 원추형의 포락면(CF) 내에서 회전하면서, 원(C)을 따라 이동하게 된다. 그리고, 원(C) 상에 있어서의 레이저광(LB)의 조사 위치와, 포락면(CF) 내에서의 회전 위치(조사 위치로 하는 레이저광의 조사의 방향)의 관계에 의해, 트레패닝 가공 시의 관통 구멍의 형상이 정해지게 된다.

테이퍼리스 가공은, 그 대표적인 일 태양이다. 즉, 제어 모듈(50)에 의한 빔 로테이터(20)와 갈바노 스캐너(30)의 동기 제어가, fθ 렌즈(40)로부터 출사된 레이저광(LB)이 원(C) 상의 어느 위치에 있는 경우에 있어서도, 당해 레이저광(LB)의 통과 범위가 원(C)의 내측에 포함되고, 또한, 당해 통과 범위의 최외측이 원(C) 상에 있어서 원(C)을 포함하는 수평면에 대하여 직교하는 가상축(AX2)을 따르는 태양으로, 요컨대 당해 통과 범위의 최외측이 워크(W)에 대하여 수직이 되는 태양으로 행해지는 경우에는, 테이퍼리스 가공이 실현된다.

또한, 가상축(AX2)은, 갈바노 스캐너(30)에 의한 레이저광(LB)의 조사 위치의 변위에 수반하여 도 2에 나타내는 가상축(AX1)이 병행 이동한 것이라고도 생각할 수 있다. 그렇기 때문에, 테이퍼리스 가공은, 갈바노 스캐너(30)에 의해 이동하는 조사 위치가 원(C) 상의 어느 위치에 있는지에 의하지 않고, 레이저광(LB)의 통과 범위의 최외측과 광축이 이루는 각이 빔 로테이터(20)에 의해 실현되는 입사각(β)과 일치하는 조건으로, 레이저광(LB)이 기울여짐으로써, 실현된다고도 할 수 있다.

예로서, 도 4(a)에 나타내는 바와 같은, 도시를 생략하는 스테이지(70) 상에 수평으로 배치된 판 형상의 워크(W)에 대하여, 그 두께 방향을 따른 가공 예정면(P)(단면도인 도 4에 있어서는 선 형상으로 나타남)을 따라, 전술한 태양의 테이퍼리스 가공에 의해 직경(D)의 정원기둥 형상의 구멍을 뚫고자 하는 경우를 생각하면, 레이저광(LB)은 우선, 그 통과 범위의 최외측이 워크(W)에 대하여 수직이 되는 입사각(β)으로 레이저광(LB)이 입사하는 상태에서, 화살표 AR5로 나타내는 바와 같이 조사 방향이 회전되면서, 화살표 AR6으로 나타내는 바와 같이, 그 조사 위치가 가공 예정면(P)을 따라 변위된다. 단, 입사각(β)은, 레이저광의 간섭이나 반사가 일어나지 않는 각도인 것이 바람직하다. 또한, 반드시 레이저광(LB)의 통과 범위의 최외측이 워크(W)에 대하여 엄밀하게 수직일 필요는 없고, 실용상은, 수직에 가까운 각도이면 좋다.

이후는, 이러한 변위가 적어도 1주, 혹은 복수주 이루어지는 타이밍마다, 환언하면, 빔 로테이터(20)가 레이저광(LB)을 1회전 혹은 복수 회전시키는 타이밍마다, 제어 모듈(50)로부터의 구동 신호에 응답하여 스테이지(70)가 동작함으로써, 워크(W)가 소정 거리 상승된다. 이에 따라, 두께 방향에 있어서 집광점(F)이 워크(W)의 내부에 들어가, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 워크(W)에는, 표면으로부터 두께 방향을 향하여, 가공 예정면(P)을 따른 가공 홈(가공 흔적)(G)이 서서히 형성되어 가게 된다. 이때, 레이저광(LB)의 기울기나 회전의 방법은, 가공 개시 시인 채이고, 그렇기 때문에, 레이저광(LB)이 가공 예정면(P)의 밖으로는 비어져 나오는 일은 없다. 또한, 워크(W)의 상승의 타이밍은, 워크(W)의 재질, 레이저광(LB)의 강도 등에 따라서 적절하게 정해져도 좋다.

또한, 스테이지(70)의 승강은, fθ 렌즈(40)와의 상대적인 승강이면 좋고, 스테이지(70)의 승강을 대신하여, 혹은 스테이지(70)의 승강과 아울러, fθ 렌즈(40)를 포함하는 광학계를 당해 광학계 내의 광학적 거리를 바꾸는 일 없이 승강시키는 태양이라도 좋다.

혹은, 갈바노 스캐너(30)의 동작에 의한 레이저광(LB)의 주회 주사와, 스테이지(70)의 동작에 의한 워크(W)의 상승이, 동기적으로 행해지는 태양이라도 좋다. 이러한 경우, 레이저광(LB)의 집광점(F)은, 나선 형상의 궤적을 그리면서 워크(W)의 내부에 들어가게 된다.

레이저광(LB)의 주회 주사와 워크(W)의 상승이 반복됨으로써, 최종적으로는, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 홈(G)이, 가공 예정면(P)을 따라 워크(W)를 관통한다. 그리고, 화살표 AR7로 나타내는 바와 같이 홈(G)으로 둘러싸인 원기둥 형상의 부분을 이탈시키면, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 측면(S)이 워크(W)의 표면(Wa)과 이면(Wb)의 쌍방에 대하여 수직인 관통 구멍(H)이 형성된다. 요컨대, 테이퍼리스 가공이 완료된다.

또한, 워크(W)의 두께가 얇은 경우에는, 이와 같이 스테이지(70)를 동작시켜 워크(W)를 상방으로 이동시키지 않고도, 홈(G)을 가공 예정면(P)을 따라 표면(Wa)으로부터 이면(Wb)으로 관통시키는 것이 가능하다.

그런데, 원기둥 형상의 관통 구멍을 뚫는 경우에는 레이저광(LB)의 주사 궤적을 원으로 할 필요가 있지만, 주사 궤적이 이루는 폐곡선(다각형 포함함)의 형상을 다르게 함으로써, 다른 형상의 관통 구멍을 뚫는 것도 가능하다. 예를 들면, 레이저광(LB)에 의한 주사 궤적이 직사각형 형상이 되도록 갈바노 스캐너(30)를 제어하면, 직사각형의 관통 구멍을 형성하는 가공도 가능하고, 그때에, 레이저광(LB)의 통과 범위의 최외측이 워크(W)에 대하여 수직이 되는 입사각으로 레이저광(LB)을 워크(W)에 입사시킨다는 관계를 충족시키도록 하면, 이러한 직사각형의 관통 구멍을 테이퍼리스로 하는 것도 가능하다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 출사원으로부터 피가공물에 이르는 레이저광의 광로에 있어서, 빔 로테이터와 갈바노 스캐너와 fθ 렌즈가 이 순서로 설치된 가공 장치에 있어서, 갈바노 스캐너에 의해, 조사 위치가 예를 들면 원 등의 폐곡선이 주사 궤적이 되도록 레이저광을 변위시키는 동작과, 빔 로테이터와 fθ 렌즈에 의해, 레이저광의 조사 방향을 기울이면서 당해 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키고, 추가로, 레이저광의 통과 범위의 최외측이 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 레이저광이 피가공물에 입사하도록 함으로써, 피가공물에 대하여 테이퍼리스한 천공 가공을 행할 수 있다.

<변형예>

전술의 실시 형태에 있어서는, 테이퍼리스 가공을 실현하기 위해, 레이저광의 통과 범위의 최외측이 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 레이저광을 입사하도록 하고 있었지만, 이를 대신하여, 레이저광의 통과 범위의 최내측이 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 레이저광을 입사시키는, 전술의 실시 형태와는 역위상이 되는 태양으로, 레이저광을 입사시킨 경우에는, 관통 구멍이 테이퍼 형상이 되는 천공 가공을, 바람직하게는, 테이퍼의 형상을 제어한 가공을, 의도적으로 행할 수 있다. 나아가서는, 레이저광의 경사 상태를, 가공 전체를 통하여, 혹은 가공의 도중에 단계적으로 또는 연속적으로 다르게 함으로써, 여러 가지의 구멍 형상의 천공 가공을 행할 수 있다. 이는 즉, 레이저광의 경사 상태를 제어함으로써, 테이퍼의 상태를 의도적으로 제어한 천공 가공을 행할 수 있는 것을 의미한다.

[실시예]

(실시예 1)

본 실시예에서는 두께 0.62㎜의 알루미나 세라믹판에 대하여, 직경 200㎛의 천공 가공을 행했다. 가공 조건은 이하와 같이 했다.

레이저 조건→파장＝532㎚, 펄스폭＜50㎰, 반복 주파수＝100㎑, 출력＝7.5W;

빔 로테이터 회전수＝10000rpm;

z축 이송 피치＝12㎛.

도 5는, 가공에 의해 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다. 도 5(a)는 관통 구멍을 통과하는 단면으로 알루미나 세라믹판을 분단한 후, 관통 구멍을 측방으로부터 본 상이고, 도 5(b)는 이러한 분단 후의 알루미나 세라믹판의 표면의 상이다.

도 5로부터는, 테이퍼리스한 관통 구멍이 양호하게 형성되어 있는 것이 확인된다.

(실시예 2)

본 실시예에서는 두께 0.36㎜의 SiC판에 대하여, 직경 300㎛의 천공 가공을 행했다. 가공 조건은 이하와 같이 했다.

레이저 조건→파장＝532㎚, 펄스폭＜15㎱, 반복 주파수＝80㎑, 출력＝4.0W;

빔 로테이터 회전수＝5000rpm;

z축 이송 피치＝20㎛.

도 6은, 가공에 의해 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다. 도 6(a)는 관통 구멍을 통과하는 단면으로 SiC판을 분단한 후, 관통 구멍을 측방으로부터 본 상이고, 도 6(b)는 관통 구멍 형성 후의 SiC판의 표면의 상이다.

도 6으로부터는, 테이퍼리스한 관통 구멍이 양호하게 형성되어 있는 것이 확인된다.

(실시예 3)

본 실시예에서는 두께 0.49㎜의 Si판에 대하여, 직경 500㎛의 천공 가공을 행했다. 가공 조건은 이하와 같이 했다.

레이저 조건→파장＝532㎚, 펄스폭＜15㎱, 반복 주파수＝50㎑, 출력＝7.5W;

빔 로테이터 회전수＝5000rpm;

z축 이송 피치＝60㎛.

도 7은, 가공에 의해 얻어진 관통 구멍의 확대상을 나타내는 도면이다. 도 7(a)는 관통 구멍을 통과하는 단면으로 Si판을 분단한 후, 관통 구멍을 측방으로부터 본 상이고, 도 7(b)는 관통 구멍 형성 후의 Si판의 표면의 상이다.

도 7로부터는, 테이퍼리스한 관통 구멍이 양호하게 형성되어 있는 것이 확인된다.

10 : 출사원
20 : 빔 로테이터
21, 22 : 프리즘
23 : 중공 모터
30 : 갈바노 스캐너
40 : fθ 렌즈
50 : 제어 모듈
70 : 스테이지
100 : 가공 장치
LB : 레이저광
F : 집광점
H : 관통 구멍
P : 가공 예정면
W : 워크

Claims (5)

1. 피가공물에 대하여 레이저광을 조사함으로써 상기 피가공물을 가공하는 장치로서,
   상기 레이저광의 출사원과,
   가공 시에 상기 피가공물이 수평으로 올려놓이는 스테이지와,
   상기 출사원으로부터 상기 스테이지에 올려놓인 상기 피가공물에 이르기까지의 상기 레이저광의 광로상에, 상기 출사원의 측으로부터 순차적으로 설치된 빔 로테이터, 갈바노 스캐너 및, fθ 렌즈와,
   상기 장치의 각부의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
   상기 fθ 렌즈를 거친 상기 레이저광은 상방으로부터 상기 피가공물에 조사되고,
   상기 빔 로테이터는, 입사한 상기 레이저광을 입사 방향과 평행한 위치로 시프트시킴과 함께, 상기 빔 로테이터에 대한 상기 레이저광의 입사 방향을 회전축으로 하여 회전시키면서 출사하고,
   상기 갈바노 스캐너는 상기 레이저광의 상기 피가공물에 있어서의 조사 위치를 변위 가능하게 설치되고,
   상기 레이저광은, 상기 빔 로테이터 및 상기 갈바노 스캐너를 거친 상기 레이저광이 상기 fθ 렌즈를 거침으로써, 상기 조사 위치에 대한 입사각을 소정의 각도로 유지하면서, 상기 조사 위치에 대한 조사 방향이 회전되고,
   상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 폐곡선을 따라 변위시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저광의 통과 범위의 최외측이 상기 피가공물에 대하여 수직이 되는 입사각으로 상기 레이저광을 피가공물에 입사시키는, 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 원을 따라 1주(周)시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 1회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 스테이지가 승강이 자유롭게 설치되어 이루어지고,
   상기 제어 수단은, 상기 레이저광의 상기 조사 위치의 상기 원을 따른 변위가 1주 또는 복수주 이루어지는 타이밍마다, 상기 스테이지를 이동시켜, 상기 피가공물을 상승시키는, 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
5. 피가공물에 대하여 레이저광을 조사함으로써 상기 피가공물을 가공하는 장치에 사용되는 빔 로테이터 유닛으로서,
   상기 레이저광의 광로상에, 순차적으로 설치되게 되는 빔 로테이터, 갈바노 스캐너 및, fθ 렌즈와, 상기 빔 로테이터 유닛의 각부의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
   상기 빔 로테이터는, 입사한 상기 레이저광을 입사 방향과 평행한 위치로 시프트시킴과 함께, 상기 빔 로테이터에 대한 상기 레이저광의 입사 방향을 회전축으로 하여 회전시키면서 출사하고,
   상기 갈바노 스캐너는 상기 레이저광의 상기 피가공물에 있어서의 조사 위치를 변위 가능하게 설치되고,
   상기 레이저광은, 상기 빔 로테이터 및 상기 갈바노 스캐너를 거친 상기 레이저광이 상기 fθ 렌즈를 거침으로써, 상기 조사 위치에 대한 입사각을 소정의 각도로 유지하면서, 상기 조사 위치에 대한 조사 방향이 회전되고,
   상기 제어 수단은, 상기 갈바노 스캐너가 상기 레이저광의 상기 조사 위치를 미리 정한 폐곡선을 따라 변위시키는 동작과, 상기 빔 로테이터와 상기 fθ 렌즈에 의해, 상기 조사 위치에 대한 상기 레이저광의 상기 조사 방향을 회전시키는 동작을 동기시키는, 것을 특징으로 하는, 빔 로테이터 유닛.

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