WO1988000109A1 - Laser beam machining method - Google Patents

Description

• 明 細 書

発明の名称

レーザ加工方法

技術分野

本発明はレーザビー ムを一定方向に走行している被加工物に 対して定査し、 物理的または化学的加工を行る う レーザ加工方 法に関する。

背景技術

一定方向に走行しているテープ状の被加工物に対して、 走行 方向で ¾い方向にほぼ平行にレーザビー ム による加工を繰 返 し行 う場合、 レーザビー ムの走査が必要である。

被加工物に対して高速でレーザビー ムを走査する方法と して は、 ガルバノ ミ ラ 一またはポ リ ゴン ミ ラ 一に よ,る方法が知られ ている。 第 1 図， 第²図は従来のガルバ ノ ミ ラーまたはポ リ ゴ ン ミ ラ—によ ]?走査する場合を示す。

第 1 図において 1 はレーザ発振器、 ²はレーザビー ム 、 3は ガルバノ ミ ラ—、 4は被加工物で 5の方向に走行しているもの とする。 ガルバノ ミ ラー ³によ ] レーザビー ム ²は走査線 ⁶の よ う に走査される。 ガルバノ ミ ラー ³は往復運動をするため、 レーザビー ムは走査方向 ¹ 2 a , 1 2 bの方向に走査される。 被加工物 4は 5の方向に走行しているため、 被加工物上では、 7のよ うにハの字形に加工線が形成される。

したがって加工線 7がほぼ平行である加工状態を得よ う とす れぱ被加工物の走行速度を小さ くするか、 逆にレーザビー ム の 走査速度を大き くすればよいが、 前者は生産性が劣 、 後者は レーザビー ム による加工能力から限界がある。

同様に第²図はポリ ゴンミ ラ— ¹ 3によ j9 レーザビー ムを走 査する場合を示す。 この場合の走査線は⁶であ 、 走査方向は 1 2 cの一定方向となる。 そのため加工線ァは平行と ¾る力、 レーザビー ム 2がポリ ゴンミ ラ—の端部¹ 4にかかる部分は使 用でき ¾いという欠点がある。 一般的には、 ガルバ ノ ミ ラーあ るいはポリ ゴンミ ラ一を用いて従来の走査方法をとる場合、 5 程度の時間しか走査に有効に利用でき いという問題点 を有していた。

また、 レーザビー ムを平面上の被加工物に対して走査し、 除 去加工， 熱処理 ¾どの物理的加工、 あるいは化学的変化を生じ させる化学的加工を行 う場合、 従来は、 走査中心でのレーザ ビームに対して被加工物を垂直に置く方法がとられる。

第 3図は従来の走査方法を示す斜視図である。 同図に示すよ うに、 走査中心でのレーザビー ム ² aに対して、 被加工物 4を 垂直に置いているため、 レーザビー ム ² と被加工物⁴の す 角 〇は 90。である。 走査線 6にそってレーザビー ムを走査す ると、 レーザビー ム 2 bと被加工物 4の す角 Sは変化し、 走 査中心から離れるに従い、 角度 は小さ く ¾る。

上記のよ う ¾構成にお ては、 以下に述べるよ うな問題点を 有して た。

(1) レーザビー ム 2 a , 2 bと被加工物 4のなす角 e〇 ， Θ が走査線⁶の各点で変化するため、 レーザビー ムのスポ ッ ト の形状が大き ぐ変化する。 するわち、 走査中心でスポッ 卜形 状は円であ 、 走査中心から離れた点では懵円とるり、 その — —

• 形状は走査中心から離れるに従い、 すなわち角 が小さ く な るに従い偏平度が強く なる。 スポ ッ ト形状の変化は、 レーザ ビームのエネルギ密度を大き く変化させるので、 レー ザ加工 の安定性を悪くする大きな要因である。 また、 上記の理由に 5 よ 、 走査線 6の長さはあま ]?大き く でき い。

(2) レーザビー ム と被加工物のるす角が 90 °近傍では、 被加 ェ物に照射したレーザビー ム の一部が反射され、 走査 ミ ラー 2を通って、 レーザ共振器内ま で帰る戻 光が生 じやすい。 この戻 光は、 被加工物が反射率の高 物質、 たとえば、銅， t o アル ミ ニ ウ ム お どで顕著とるる。 戻 ] 光がレー ザ発振の媒体 まで戻ると、 その位相によ ]9 レーザビー ムが増幅ある は減 衰されるので、 レーザビー ムの強度が不安定と ¾ 、 加工に 大き ¾影響を与える。

発明の開示

5 そこで本発明の主たる目的は、 一定方向に走行している被加 ェ物に、 ほぼ平行 ¾加工線を横断してほぼ連線的に得る場合に、 レーザビ—ム走查を効率的に行なえるレーザ加工方法を提供す ることにある。 '

本発明の他の目的は、 レーザビームと被加工物との ¾す角度0 の変化を小さ くすることによ って、 スポ ッ ト形状の変化す わ ち、 レーザビー ム のエネルギ密度の変化を小さ く し、 レーザ加 ェの安定性を良くすることにある。

上記本発明の目的は、 被加工物の走行速度べク ト ルを v、 往 路における被加工物に対して相対的る加工速度ベク ト ルを v _a、5 往路におけるレーザビー ム走査速度べク ト ルを V i、 復路におけ — —

• るレーザビーム走査速度べク ト ルを 2 としたときに、 ^1 =V_a + ， V₂ = - V_a +マとなるようにマ , V₂ を決定してレーザビー ムを 走査することによって達成される。

また本発明は、 レーザビー ムの往路走査の速度と復路走査の 5 速度の各々の前記被加工物の走行方向のベク ト ル成分が、 いず れも前記被加工物の走行速度と略同一と り、 かつ各々の前記 加工物の'走行方向に直角 方向のべク ト ル成分が、 互いに逆向 きでかつ大きさが略等しぐ るようにレーザビー ムを走査させ る方法を含む。

T O: 更に本発明は、 レーザビー ムと被加工物のなす最大の角度が 直角以外をもつように被加工物を傾けて加工する方法を含む。 図面の簡単 説明

第 1 図〜第 3図は従来のレーザビー ムの走査方法を示す斜視 図、 第 4図は本発明の第 1 の実施例を示す斜視図、 第 5図は同'

1 5? 実施例のガルバノ ミ ラーのタ イ ムチ ャー トを示す図、 第⁶図は 本発明の第 2の実施例を示す斜視図、 第 7図 (a) , (b) , 第 8図 (a)， (b)および第 9図 (a) ， （b)は本発明においてレーザビー ム走査べク ト ルを求めるための考え方を示す図、 第 1 O図'は本発明の第 3 の実施例を示す斜視図、 第¹ 1 図は同実施例におけるレーザビ 0 ー ムの走査中心からの距離と、 レーザビー ム と被加工物のなす 角度の関係を示す図、 第 1 2図は本発明の第 4の実施例を示す 斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

¾下、 本発明の一実施例を添付図面にも とづいて説明する。

5 第⁴図は本発明の第 1 の実施例を示す斜視図である。 レーザ発 — —

• 振器¹ からのレーザビー ム ²は ¹ 対のガルバノミラ一³ a と ³ b によって走査され、 その走査軌跡は、 走査線 ⁶ a — ⁶ 6 b → 6 c→ e aの順である。 往路の走査線 6 a と復路の走査線ら b は、， 被加工物 4の走行方向 5の成分と、 走行方向に直角る成分 5 をもつ。 走査線 6 a ， ⁶ bの走査のと きレーザビー ム ²を被加 ェ物 4に照射するので、 被加工物 4上の各々の加工線 ⁷はほぼ 平-行と ¾る。 走査線 ⁶ a ， 6 bが直線で等速度走査であ 、 か つ被加工物 4の走行速度と等しい走査速度のべク トル成分をも つているので、 加工線 7は直線で完全に平行と ¾る。 前記被加

10： ェ物走行方向 5 と逆方向の走査線⁶ cは被加工物⁴上を走査し ない状態で、 走査線 ⁶ aまたは⁶ bの最初の位置に戻す。 これ によ 走査は走査線 6 a - 6 c -→ Q b → β c - 6 a の順に繰 返し行なうことができるので、 被加工物⁴上には、 平行る加工 線が連続して得られる。 加工線 7の間隔は、 走査の形状， 走査 &: 線: 6 a， 6 b 6 cの走査速度， 被加工物の走行速度の組合せで 任意に設定が可能である。 通常、 走査線⁶ cの走査をガルバノ ミ ラ— 3の最小応答時間 4 mseG程度にとれば、被加工物⁴の走行速度も大 きくでき、 かつ全走査時間のうち加工に有効に利用できる割合も 大きくなる。 本実施例の場合 85 %以上を有効に利用できたつ0 第 5図;は本実施例のレーザビー ム走査方法を実施するための 装置と しての、 ガルバノ ミ ラーのタ イ 厶チ ヤ ー ト を示すも ので ある。 第 4図のガルバノ ミ ラ ー ³ a と ³ b との関連について述 ベると、 第 4図のガルバノ ミ ラ一 ³ aは、 第⁵図の従走査⁹ a と 9 bをする ガルバノ ミ ラ一である。 第⁴図のガルバノ ミ ラ ーS 3 bは第 2図の主走査 8 a と 8 bをするガルバノ ミ ラーである。 — —

• 第⁵図の主走査 8 a と 8 b， 従走査 9 a と ⁹ bの組合せと第 4 図の走査線 6 a , 6 b ， 6 cの関係を、 第 5図の下方に示す。 ただし第 5図では従走査 9 bの間、 主走査は 8 a b と変化 しているので第⁴図の走査線⁶ cは外側に凸の曲線となる。 第

5 , ⁴図,：の走査線 6 cのように直線を得よう とすれば第 5図の主走 查は、 従走査 9 b中、 角度一定（主走査のガルバノ ミ ラ—が停 止状態）である必要があるが、 主走査のガルバノ ミ ラ—の慣性 力'があるので、 第 5図のよ うに 8 a → 8 b → 8 aのよ うに三角 ' 波形でプログラムした方が加工線は直線性がよ く ¾る。

10 , なお主走査と従走査のガルバノ ミ ラ—の回転軸は互いに平行 でざえ ければ以上のよ う 走査は可能であるが、 回転軸が互 いに直角である方がプロダラ ムの設定も容易である。

- また、 主走査 S a , 8 b と従走査 9 a , 9 bは第 5図のよ う に、 ガルバノ ミ ラーを等角速度で摇動させる方法 ¾外に S I N I S 曲線で摇動させても よい。 伹しこの場合は加工線 7の直線性は 少し悪ぐ ¾る o

第 6図は本発明の第 2の実施例を示す斜視図である。 構成は 第 4図とほぽ同じであるが、 本実施例は幅広の'被加工物 4に対 応して、 マスク 1 ¹ を設けた点が異なる。 走査線⁶ σが被加工

20 物に対して照射してはなら いとき、 照射をとめる手段は他に は音響光学素子を用いた高速スィ ツチングや、 機械的シ ャ ツタ の開閉を利用する方法がある。 しかし音響光学素子は応答は迅 いが高価であ 、 また機械的シ ャ ッ タは応答時間が数 1 ο〜数 1 O O m secと遅いという欠点をもつ。 本発明は、 被加工物の走

25 行方向と逆方向に走査する走査線 6 cのレーザビー ムをマスキ — —

• ン グして被加工物 4に照射し ¾いよ うにするものである。 マ ス ク 1 1 はレーザビー ム 2によ 損傷を受けず、 かつレーザビー ム 2を乱反射し いものが望ま しいが、 乱反射したレーザビー ム に よ り被加工物が加工され いものであれぱよい。 たとえば 5 セラ ミ ッ ク ， S U S板， グラ フ ア イ ト等が利用でき る。 マ ス ク

1 1 は被加工物⁴とガルバノ ミ ラ 一 ³ bの間に固定すれぱょい ifiヽ レ一ザ ビ一 ム 2がマスク 1 1 によ 回析する影響をできる だけ小さ くするため、 被加工物 4に近接した位置にマスク 1 1 - を固定ナるのが望ま しい。

t o 以上のような構成によ 、 幅広の被加工物に対してもほぼ平 行る加工線 7·を効率的に得ることが可能である。

お、 加工線 7の幅が数 1 O O ^以下と小さいときには通常、 集光レンズが用いられる。 集光レ ンズの位置は、 第 6図の各集 光レンズ 1 0 a , 1 0 b ， 1 0 cのィ—可れの位置を選択しても、 5 本発明の効果であるところの、 効率的るレーザビー ム走査が可 能である。

るお、 以上の実施例は全て被加工物 4の走行方向 5に直角の 方向の加工線を、 平行かつ連続して得るもので'あるが、 被加工 物走行方向 5に直角る方向に対して任意の角度傾斜した加工線0 を平行かつ連続して得ることも、 同様の考え方によ って実現す ることができる。 第 7図 (a) , (b)および第⁸図 (a)， （b)に、 任意の 1頃斜角を有する加工線を平行かつ連続して得る場合のレーザビ — ム走査べク ト ルを求めるための考え方を示す。

第 7図 (a)において、 ， V₂ はそれぞれ走査線 6 d ， 6 e上5 を走査するレーザビー ムの走査速度ベク ト ルを示し、 マ は被カロ — — ェ物 4の走行速度べク ト ルを示す。 また、 第 7図 (b)において、 V_a , V_b は、 それぞれ走査線⁶ d , 6 eを走査するレーザ ビ— ムによる、 被加工物に対して相対的に見た場合の加工速度べク トノレを示す。 お、 被加工物の走行方向 5を X軸方向、 それに 直角な方向を y軸にとるものとする。

第 8図 (a)， （b)は各べク ト ルの相互関係を示すものである。 各 ベク トルの関係を式で示すと次のよ うにるる。

V₁ =V_a +ν φ 2=V_{b +} v ② また、 _a と v_b は互いに平行でかつ方向が逆であること、 および被加工物に対する柏対的 加エスピー ドが一定であるこ と力 ら、 次の関係が成 立つ。

v_b = -v_a ⑤

ϊ

②式と⑤式よ ]?

次に、 各速度べク トルを、 X方向， y方向成分を用いて表わ し、 その関係式を求める。

まず各速度ベク ト ルの x方向， y方向成分を、 v_{1 =}(v_{1 x},v_{1 y}), v₂=(v_2x,v_2y) , v_a=(v_ax,v_ay) , v_b=(v_bx,v_by) , ν = ( _χ , Ο ) ·'· *· '…⑤ — —

• と表わすものとする。

式①を⑤を用いて表わすと、

(v_{1 x},v_{1 y})=(v_ax ,v_ay)₊(_Vx,o)

5 ··· ^V1 x=^Va _X ^{+ v}x ®

式:④を⑤を用いて表わすと、

( V2 ^x V^v 2 -y ) = - r V^v ax , V^v a y ) + r V^v x , ο )

ΙΟ

··· V_{2 x}=-V_{a x +} v_x ⑧

^V2y= -^Vay ⑦ なお、 本発明の上記第 1 の実施例は、 加工線が被加工物の走 5 行'方向⁵に対して直角であることから、 V_a が被加工物の走行 方向 5に直角の方向を向 てお])、 V_a のテープ走行方向成分 が Oす ¾わち V_{a x}= 0の場合に相当する。 このとき、 ⑥式よ ]9

n _χ = ν_χ ⑩'

また⑧式よ 、

0 _{2 x} = v_x ⑪

とるる。 この場合の各速度ベク ト ルの関係を図示したのが第⁹ 図 (a) , (b)である。

次に本発明の第³の実施例を第 1 O図および第 ^{1 1} 図に基づ いて説明する。

本発明の第 3の実施例は、 本発明の第 1 ， 第²の実施例にお • ける方法において、 被加工物とレーザビー ムのるす角度を直角 以外の角度にすることによつ て、 ビー ムスポ ッ ト のエネルギ密 度の変動を抑制し、 加工の安定化を図るものである。

第 1 O図， 第 1 1 図は本発明の第 3の実施例におけるレーザ 5 加工方法を示す。 第 1 O図においてレーザビー ム ²は走査ミ ラ 一 3によ 1)走査され、 集光レンズ 3によ ]?被加工物 4に照射さ れる。 走査中心のレーザビー ム ² aに対して、 被加工物⁴は相 対的に傾けて配置している。 レーザビー ムを走査線⁶にそって 走査したとき、 レーザビーム と被加工物 4のなす角度 は、 走 ια 査中心のレーザビー ム ² aの状態のとき、 最大の角度 o と る。 またレーザビー ムが、 走査中心のレーザビー ム ² aから離 れるに従い、 角度 は小さくなる。 集光レンズ 1 O cに； レ ンズを用いた場合に、 角度 の変化の状態を示した例が第 1 1 図である。 この場合、 集光レンズ 1 O cの焦点距離 3 O O 舰、 t 5 走査ミ ラー ³から集光レンズ ¹ O cの主点までの距離² O O 露 における角度 の変化を示す。 第 1 1 図において角度 ο が 90 ° のときの曲線 Aは、 レーザビームに対して被加工物を相対 的に傾けてい い従来の走査方法を示す。 これよ 、 被加工物 を傾け い走査方法では、 走査によ ]?角度 が大き く変化する0 ことがわかる。 一方、 本発明であるところの被加工物を相対的 に傾けた場合、 曲線 B ， C , Dよ！）わかるように角度（9の変化 は小さぐすることができる。 但し、 曲線 B , C ， Dは、 曲線 A と同じ光学系を用い、 被加工物の相対的傾斜角度のみを変えた 場合である。 さらに本発明によ レーザビー ムと被加工物の ¾ 5 す角 として、 90 °近傍の角度を避けることができるため、 被 — ―

• 加工物からの戻 ]5光によるレーザ出力の不安定性をる ぐすこと ができる。

また、 レーザビー ム と被加工物の ¾す角度 は 8 7 ⁰ ~ ^{5 5 0}と なるよ うに、 被加工物を傾斜させて走査するのがレ―ザ加工と して最も有効である。 す わち、 角度 が 90 ° 〜 8了。では、 戻 ]?光の影響が大き く な ]?、 また角度 が ^{5 5} °以下では、 レーザ のスポ ッ ト形状が偏平度の強い楕円形とるるため、 加工能率が 悪ぐ ¾る o

このよ うに本実施例によれば、 レーザビー ム と被加工物の ¾ す角度が直角以外の角度をもつよ うに、 被加工物を相対的に傾 けて配置することによ 、 走査時にレーザビー ム と被加工物の す角 の変化が小さく る。 これによ り被加工物上のスポッ 卜形状の変化が小さ ぐな 、 そのため安定したレーザ加工が可 能と る。 さらに被加工物からの戻 ] 光の影響による、 レーザ, 出力の不安定要因もる くすことができる。

次に本発明の第 ₄の実施例について図面を参照し ¾がら説明 する。

第 1 2図は本発明の第 4の実施例を示してお 、 第 3の実施 例である第 1 O図と異なるのは、 走査ミ ラ— 3 a を配置した点 である。 被加工物 4はレーザビー ム に対して相対的に傾けてい るため、 レーザビー ム と被加工物⁴ の ¾す角 は、 レーザビ一 ム 2 aの位置での角度 o が最大である。

以上のよ うに本実施例によれば、 走査ミ ラー 3 a を配置し、 被加工物 4を相対的に傾けることによ j？、 被加工物上で走査で きる範囲は、 走査面 1 5 とるる。 走査範囲が面であるため、 レ —ザビー ム ² a と ² bのいずれかが被加工物上で焦点ズ レを生 じるが、 集光レンズを適当に傾斜させるか、 集光レンズに適当 な収差を設けることによ 、 この焦点ズレは小さくすることが できる。

5 産業上の利用可能性

以上の説明から明らか ように本発明によれば、 レーザビ— ム の走査速度べク ト ルを、 被加工物の走行速度べク ト ルおよび 被加工物に対して相対的 加工速度べク トルから演算によ 決 定して、 往復走査を繰 返すことによ 、 被加工物に略平行な l O 加工線を効率よ く形成することができる。

また、 被加工物とレーザビーム のなす最大の角度が直角以外 の角度をもつよ うに被加工物を傾けて加工することによって、 レーザビー ムの強度の安定'化を図ることができ、 加工の安定性 が向上する。

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Claims

請 求 の 範 囲

1 - 一定方向に走行している被加工物に対してレーザビー ムを 往復走査し、 前記被加工物の走行方向に対して所定角度を す 加工線を、 平行かつ違続して加工する方法において、 前記被加

5 ェ物の走行速度べク ト ルを 、 往路における前記被加工物に対 して相対的 ¾加工速度ベクトルを V _a、 往路におけるレーザビー ム 走査速度べク ト ルを ν ·^ 復路におけるレーザビー ム走査速度へ ク ト ルを Vつ と したと きに、

^V1 = ^Va + v v 2 — V a_ + v

l O:

とるるよ う に V1 ，V₂ を決定してレーザビ一 厶を走査すること を特徴とするレーザ加工方法。

2 . 一定方向に走行している被加工物に対してレーザビー ムを 往復走査し、 前記被加工物の走行方向に対して直角方向の加工' 5： 線を平行かつ連続して加工する方法において、 レーザビー ムの 往路走査の速度と復路走査の速度の各々の前記被加工物の走行 方向べク ト ル成分が、 いずれも前記被加工物の走行速度と略同 一と る一方、 各々の前記被加工物の走行方向'に直角る方向の べク トル成分が、 互いに逆向きでかつ大きさが略等しく なるよ う0 に、 レーザビー ムを走査することを特徵とするレーザ加工方法。

3 . 一定方向に走行している被加工物に対してレーザビー ムを 往復走査し、 前記被加工物の走行方向に対して所定の角度を ¾ す加工線を、 平行かつ連続して加工する方法において、 前記被 加工物の走行速度べク ト ルを v、 往路における前記被加工物に5 対して相対的 加工速度べク ト ルを V_a、 往路におけ る レーザビ — ム走査速度べク ト ルをマ 、 復路におけるレーザビー 厶走査速 度べク ト ルを Vク と したときに、 a V 2 - V a _ + v

5 となるよ う に V , v₂ を決定してレーザビームを走査するとと も に、 前記レーザビームと前記被加工物の ¾す最大の角度が直 角以外の角度をもつよ うに被加工物を傾けて加工することを特 徵とするレーザ加工方法。

4 . 請求の範囲第 3項において、 レーザビームと被加工物の l O す角度が 8 7。~ 5 5 ⁰と るよ うに前記レーザビ一 ムを走査させ ることを特徵とするレーザ加工方法。

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