JP6484272B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、連続波レーザ光を発生する連続波レーザ発振器と連続波レーザ光を一点に集めて加工対象物に当てる集光レンズとを備え、加工データに従って加工対象物に連続波レーザ光を複数回照射することにより複数回の加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

レーザには、パワーの高いレーザ光を間欠的に出射するパルスレーザと、レーザ光を連続的に出射する連続波レーザがある。パルスレーザは、パルス幅の長さや繰返し周波数の高低によって得意とする加工種類が異なる。例えばＹＡＧのパルスレーザは、パルス幅が０．２ｍｓ〜１０ｍｓと比較的大きく、加工対象物に熱を十分に伝えて加工対象物を確実に溶かすことができるので、溶接や切断、穴開け等のマクロ的な材料加工に適しているが、繰返し周波数が３０Ｈｚ以下と低く、スキャンを高速で行うと加工痕（ドット）が離れて文字として認識できなくなるため、マーキング（印字）やパターニングなどの表面加工には適していない。一方、例えばＱスイッチレーザは、パルス幅がナノ秒オーダーと比較的小さいため、加工対象物に熱が伝わる前にレーザ照射が終わり、加工対象物を十分に溶かすことができず溶接などの材料加工には不向きであるが、加工対象物の表層だけを削ることができるのでマーキングなど高速に表面加工を行うのに適している。したがって、材料加工と表面加工という種類の異なる加工をパルスレーザで行う場合には、加工種類に応じて発振特性の異なるレーザ加工装置を用いなければならずコスト高になるという問題がある。

これに対して発明者は、連続波レーザの出力とスキャンスピードを制御することで材料加工と表面加工とを一台のレーザ発振器で実現できることを見出した。しかしながら、連続波レーザでは、集光レンズへのレーザ光の連続入射による熱蓄積が過大となって熱レンズ効果を引き起こし、加工品質を低下させる場合がある。熱レンズ効果とは、レンズ自体がレーザ光を吸収して温度が上昇し、屈折率の変化や熱膨張によるひずみによって焦点位置が変動する現象である。焦点位置が変動すると、加工点でのスポット径が大きくなるためパワー密度（レーザ出力／スポットの断面積）の値が小さくなり、結果として溶接不良やマーキング時の文字の欠損の原因となる。

この熱レンズ効果の対策として、レーザ光を吸収し難い合成石英ガラス製の集光レンズを使用することが挙げられる。しかしながら、合成石英ガラス製の集光レンズは非常に高価である。また、合成石英ガラスは屈折率の温度係数（ｄｎ／ｄＴ）が約７．５×１０^−６であり、一般的な光学ガラス（ＢＫ７）の屈折率の温度係数と比べて約５倍も大きいため、レーザ加工時に発生するスパッタやヒューム等でレンズが汚損し、レーザ光の吸収が一旦発生すると熱レンズ効果が増大するという欠点がある。

他の熱レンズ対策として特許文献１には、投影露光装置において、半導体素子を製造する際にレチクル面上の電子回路パターンを投影光学系によりウエハ面上に投影するとき、該投影光学系を構成するレンズが露光光を吸収し、温度が上昇して光学特性が変化したときの該光学特性の変化を調整する技術が提案されており、具体的には、レンズの熱膨張による形状変化をピエゾ素子からなる圧力センサで測定し、その測定結果に基づきレンズの焦点位置の変動を補正するというものである。

特開平５−１４４７０１号公報

特許文献１の投影露光装置では、照明系から発せられ、レクチルを透過した光がレンズの比較的広範囲に入射するので、レンズの温度が一様に上昇し、それに伴う熱膨張も一様である。したがって、レンズの熱膨張による形状変化を直接測定し、その測定結果に基づいて投影光学系の光学特性を調整する手法は、投影露光装置においては有用であると考えられる。

しかしながら、レーザ加工装置においては、レーザ光によるレンズへの入熱が局所的であるので、それに伴う熱膨張も一様でない。そのため、特許文献１で提案される上記手法をレーザ加工装置に用いたとしてもレンズの熱膨張による形状変化を正確に測定することはできず、安定した加工を行うことはできない。また、特許文献１で提案される手法では、レンズの形状変化を測定するための圧力センサや焦点位置の変動を補正する駆動機構が必要となり、装置が複雑化するとともに高価である。

この発明は、上記従来技術の問題を解消し、加工対象物に集光レンズを介して連続波レーザを照射する際の熱レンズ効果を簡易に抑制することができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

この発明は、連続波レーザ光を発生する連続波レーザ発振器と前記連続波レーザ光を一点に集めて加工対象物に当てる集光レンズとを備え、加工データに従って前記加工対象物に前記連続波レーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、上記目的を達成するため、前記加工データに基づき前記連続波レーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、その累積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に所定の遅延時間を設定する遅延時間設定手段を備えている。

なお、この発明のレーザ加工装置にあっては、前記遅延時間設定手段は、前記加工データに含まれる前記連続波レーザ光の出力および加工時間から前記連続波レーザ光の照射による加工毎の前記仕事量を計算するよう構成されていることが好ましい。

また、この発明のレーザ加工装置にあっては、前記遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合に、少なくとも１回の遅延時間の設定に代えて前記集光レンズをその光軸周りに回転させる集光レンズ回転手段を備えることが好ましい。

さらに、この発明のレーザ加工装置にあっては、前記加工には溶接が含まれ、前記溶接を行うに際して前記連続波レーザ光のスポット径よりも大きな溶接部が形成されるように前記連続波レーザ光を走査する走査手段を備えることが好ましい。

また、この発明は、連続波レーザ光を発生する連続波レーザ発振器と、前記連続波レーザ光を一点に集めて加工対象物に当てる集光レンズとを備えるレーザ加工装置を用い、加工データに従って前記加工対象物に前記連続波レーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法であって、上記目的を達成するため、前記加工データに基づき前記連続波レーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、その累積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に所定の遅延時間を設定することを含んでいる。

なお、この発明のレーザ加工方法にあっては、前記加工データに含まれる前記連続波レーザ光の出力および加工時間から前記連続波レーザ光の照射による加工毎の前記仕事量を計算することが好ましい。

また、この発明のレーザ加工方法にあっては、前記遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合に、少なくとも１回の遅延時間の設定に代えて前記集光レンズをその光軸周りに回転させることが好ましい。

さらに、この発明のレーザ加工方法にあっては、前記加工には溶接が含まれ、前記溶接を行うに際して前記連続波レーザ光を走査して前記連続波レーザ光のスポット径よりも大きな溶接部を形成することが好ましい。

さらに、前記加工には溶接とマーキングが含まれ、前記マーキングを前記溶接を行う面とは異なる高さ位置にある面に対して行うことが好ましい。

加えて、この発明のレーザ加工方法にあっては、前記マーキングを前記溶接を行う面よりも前記集光レンズ側に位置する面に対して行うことが好ましい。

この発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、遅延時間設定手段がレーザ光による加工毎の仕事量を計算、蓄積し、その蓄積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に遅延時間（インターバル）を設定することによって集光レンズの冷却時間が確保されるので、簡易な装置構成で熱レンズ効果を抑制することができる。さらに、溶接等の材料加工とマーキング等の表面加工という異なる発振特性が要求される加工を１台のレーザ加工装置で行うことができるので、設備投資費用を大幅に節約することができるとともに設置スペースを削減することができる。さらに加工対象物に対して溶接およびマーキング等の複数種類の加工を行う場合のステージ上での位置決めを一度で実現できるため加工時間を短縮することができる。また、位置決めによる繰り返し誤差は、位置決めを一度に行うことにより最小化することができる。加えて、溶接等の加工時にロット番号等のマーキングを行うことで、加工時点での記録を確実に行うことができ、トレーサビリティ精度を向上させることができる。

この発明にしたがう一実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。 図１のレーザ加工装置のステージ上にフォトダイオードを配置し、実際の溶接加工と同じ出力、加工時間でレーザ光をフォトダイオードに照射してレーザ光のエネルギを測定した結果を示す図である。 実際の溶接加工と同じ出力、加工時間でレーザ光をフォトダイオードに照射した際の集光レンズの温度変化を熱電対で測定した結果を示す図である。 この発明にしたがう一実施形態のレーザ加工方法における工程を示すフローチャートである。 レーザ光を円周状に走査してレーザ光のスポット径よりも大きな溶接部を形成する様子を示した模式図である。 溶接とマーキングを加工対象物の高さの異なる面に形成した様子を示した加工対象物の斜視図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここで、図１は、この発明にしたがう一実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。

図１に示すように、実施形態のレーザ加工装置１０は、連続波レーザ発振器１２と、Ｘ軸ガルバノスキャナ１４と、Ｙ軸ガルバノスキャナ１６と、集光レンズ１８と、加工対象物Ａが位置決めされた状態で固定されるステージ２０と、制御装置２２とを備えている。

連続波レーザ発振器１２は、レーザ加工に用いる連続波レーザ光（以下、単に「レーザ光」ともいう。）をガルバノスキャナ１４，１６に向けて出射する。連続波レーザ発振器１２としては、例えば、波長が１０００〜１１００ｎｍ、光の伝搬モードがシングルモードの連続波ファイバレーザを用いることができる。

Ｘ軸ガルバノスキャナ１４およびＹ軸ガルバノスキャナ１６は協働してこの発明の走査手段を構成するものであり、各々、ロータリエンコーダ付きのモータ１４ａ，１６ａと、モータ１４ａ，１６ａの回転軸に固定されレーザ光を反射するミラー１４ｂ，１６ｂとからなる。Ｘ軸ガルバノスキャナ１４は、ミラー１４ｂを回転駆動することでレーザ光をＸ軸方向へ走査する。一方、Ｙ軸ガルバノスキャナ１６は、ミラー１６ｂを回転駆動することでレーザ光をＹ軸方向へ走査する。

集光レンズ１８は、Ｘ軸ガルバノスキャナ１４およびＹ軸ガルバノスキャナ１６によって走査されたレーザ光を一点に集めて加工対象物Ａに当てるものである。集光レンズ１８には、走査されたレーザ光の焦点を加工対象物Ａの同一加工面上に位置させることができるｆθレンズを用いることができる。

制御装置２２は、演算部や記憶部、各種インターフェース等を備えるコンピュータで構成され、レーザ加工装置１０の全体の動作を制御するものである。制御装置２２には、加工毎の形状、位置、レーザ光出力、レーザ光照射時間（加工時間）等を含む加工データが入力され、入力された加工データに基づき連続波レーザ発振器１２からレーザ光を照射する動作およびタイミングと、Ｘ軸ガルバノスキャナ１４およびＹ軸ガルバノスキャナ１６の動作とを制御する。

制御装置２２はさらに、加工データに基づきレーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、その累積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に所定の遅延時間（インターバル）を設定するよう構成されている。したがって、制御装置２２はこの発明における遅延時間設定手段を構成する。具体的には、加工データに含まれるレーザ光の出力および加工時間からレーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するよう構成されている。加工毎の仕事量は、レーザ光の各出力に対応するあらかじめ測定した仕事率に加工時間を乗算することで求めることができる。

仕事率は、レーザ加工装置１０のステージ２０上にフォトダイオードを配置し、このフォトダイオードに実際の加工時と同じ出力のレーザ光を照射することによって測定することができる。図２は、レーザ加工装置１０のステージ２０上にフォトダイオードを配置し、実際の溶接加工（図示例では３箇所溶接）と同じ出力、加工時間でレーザ光をフォトダイオードに照射してレーザ光のエネルギを測定した結果を示している。このようにして測定したレーザ光の出力毎のエネルギを仕事率に変換し、制御装置２２の記憶部に記憶させておく。

また、蓄積仕事量に対する上記所定の閾値は、レーザ光の吸収に伴う集光レンズ１８の温度上昇が熱レンズ効果の観点において許容範囲内か否かを判定する際の基準となるものであり、累積仕事量と集光レンズ１８の温度上昇との相関は、フォトダイオードで仕事率を測定すると同時に集光レンズ１８の温度変化を熱電対等で測定することで得ることができる。

図３は、実際の溶接加工（図示例では３箇所溶接）と同じ出力、加工時間でレーザ光をフォトダイオードに照射した際の集光レンズ１８の温度変化を熱電対で測定した結果を示している。図中の許容温度Ｔｍａｘは、熱レンズ効果が起きても加工品質を確保できる集光レンズ１８の最大温度であり、２点目までのレーザ光照射では集光レンズ１８の温度上昇が許容温度Ｔｍａｘ以下であるが、３点目のレーザ光照射では許容温度Ｔｍａｘを超えていることが分かる。したがって、集光レンズ１８の温度上昇と蓄積仕事量との相関から、上記所定の閾値はこの例では２点目までの仕事量を積算したものに相当する。

また、集光レンズ１８の温度上昇を測定するのに併せて、レーザ光照射を停止した際の集光レンズ１８の温度降下率を測定しておく。この温度降下率は、加工と加工との間に設ける遅延時間を求める際に用いることができる。図３の例に基づき説明すると、遅延時間は、２点目のレーザ光照射直後の集光レンズ１８の温度が２点目のレーザ光照射前の温度まで降下するのに要する時間とすることができ、このような遅延時間を経過した後に３点目のレーザ光照射を行うことによって、図中仮想線で示すように集光レンズ１８の温度が許容温度Ｔｍａｘを超えるのを回避することができる。

なお、制御装置２２は、加工データに基づき加工毎の仕事量を算出するとともに積算し、その蓄積仕事量が所定の閾値を一旦超えた場合、その後のすべての加工と加工の間に所定の遅延時間を設定するようにしてもよい。

また、この実施形態のレーザ加工装置１０は、図１に示すように集光レンズ１８をその光軸周りに回転させるホイール付きのモータ２４を備えており、制御装置２２は、遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合にモータ２４を作動させ、少なくとも１回の遅延時間の設定に代えて集光レンズ１８をその光軸周りに回転させる。したがって、モータ２４および制御装置２２はこの発明における集光レンズ回転手段を構成する。なお、レーザ加工中に集光レンズ１８が回転すると集光レンズ１８の振動等に起因して加工品質の低下を招く虞があるため、集光レンズ１８の回転は加工と加工の合間に実施するのが好ましい。

次に、以上のように構成されたレーザ加工装置１０を用いた、この発明にしたがう一実施形態のレーザ加工方法について図４のフローチャートに基づき説明する。

この実施形態のレーザ加工方法では、ステップＳ１で加工対象物Ａをステージ２０に位置決めおよび固定し、ステップＳ２で入力された加工データを制御装置２２が読み込み、ステップＳ３で加工対象物Ａにレーザ光を照射して加工（例えば溶接）を行い、ステップＳ４で遅延時間設定手段としての制御装置２２が加工データに基づきレーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、ステップＳ５で遅延時間設定手段としての制御装置２２が、累積仕事量が所定の閾値以下か否かを判定し、累積仕事量が所定の閾値以下の場合には、集光レンズ１８の温度上昇が許容温度以下であるとしてステップＳ３に戻って次の加工（例えば溶接）を行う。一方、ステップＳ５で累積仕事量が所定の閾値を超える場合には、ステップＳ６で遅延時間設定手段としての制御装置２２が必要な遅延時間（インターバル）を計算し、続くステップＳ７で制御装置２２が遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイプがあらかじめ設定した許容サイクルタイム内か否かを判定し、許容サイクルタイム内の場合には、ステップＳ８における遅延時間の経過後にステップＳ１１で次の加工（例えばマーキング）を行って加工を終了する。一方、ステップＳ７で遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合には、遅延時間の確保に代えて、ステップＳ９で集光レンズ１８をその光軸周りに所定角度だけ回転させ、続くステップＳ１０で集光レンズ１８を停止させた後、ステップＳ１１で次の加工（例えばマーキング）を行って加工を終了する。

したがって、この実施形態のレーザ加工装置１０およびレーザ加工方法によれば、制御装置２２がレーザ光による加工毎の仕事量を計算、蓄積し、その蓄積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に遅延時間（インターバル）を設定することによって集光レンズ１８の冷却時間が確保されるので、簡易な装置構成で熱レンズ効果を抑制することができる。さらに、溶接等の材料加工とマーキング等の表面加工という異なる発振特性が要求される加工を１台のレーザ加工装置１０で行うことができるので、設備投資費用を大幅に節約することができるとともに設置スペースを削減することができる。さらに加工対象物Ａに対して溶接およびマーキング等の複数種類の加工を行う場合のステージ２０上での位置決めを一度で実現できるため加工時間を短縮することができる。また、位置決めによる繰り返し誤差は、位置決めを一度に行うことにより最小化することができる。加えて、溶接等の加工時にロット番号等のマーキングを行うことで、加工時点での記録を確実に行うことができ、トレーサビリティ精度を向上させることができる。

ところで、溶接予定箇所にレーザ光を定点照射して溶接を行う場合、レーザ出力が小さいと溶接部の径が小さくなって溶接部の強度が不足し、レーザ出力が大きいと加工対象物Ａに穴があくという不具合が生じるので、定点照射による溶接では加工品質の確保が容易ではない。そこで、この実施形態のレーザ加工装置１０およびレーザ加工方法では、走査手段としてのＸ軸ガルバノスキャナ１４およびＹ軸ガルバノスキャナ１６が、図５に示すようにレーザ光のスポットを円形の軌跡（図中の一点鎖線）に沿って走査してレーザ光のスポット径よりも大きな溶接部を形成するよう構成されている。これにより、溶接部の穴あきを防止しつつ径の大きな溶接部を形成して溶接部の強度を高めることができる。なお、レーザ光のスポットの軌跡が密集して局所的に加熱されるのを防止するため、レーザ光のスポットの軌跡の直径はレーザ光のスポット径の２倍以上とするのが好ましい。また、レーザ光のスポットは、楕円形状や多角形状等の軌跡に沿って走査させてもよい。

また、レーザ光で溶接を行う場合には、エネルギ密度を高めるためスポット径は小さい方がよいが（例えば約０．０６ｍｍ）、このスポット径のままマーキングを行うと形成される線が細すぎて視認性が低下する。そこで、この実施形態のレーザ加工装置１０およびレーザ加工方法では、レーザ光の焦点が溶接を行う面には合うが、マーキングを行う面には一致せずスポット径が拡大されるようにすることが好ましい。これは集光レンズ１８およびステージ２０の少なくとも一方をＺ軸方向（図１参照）に移動させることでも実現できるが、図６に示すように加工対象物Ａの溶接を行う面とマーキングを行う面との間に高さ方向（Ｚ軸方向）の段差をあらかじめ形成するという簡単な方法で実現することができる。なお、集光レンズ１８からみてレーザ光の焦点の手前側と奥側では、手前側の方がレーザ光のパワー分布が揃っている、つまりスポット径に対して同心円状にパワーが分布するため、マーキングは、溶接を行う面よりも集光レンズ１８側に位置する面に対して行うことがより好ましい。

以上、図示例に基づきこの発明を説明したがこの発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の記載範囲内で追加、変更が可能であり、例えば集光レンズ１８にはテレセントリックレンズを用いてもよい。

この発明によれば、加工対象物に集光レンズを介して連続波レーザを照射する際の熱レンズ効果を簡易に抑制することができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することができる。

１０ レーザ加工装置
１２ 連続波レーザ発振器
１４ Ｘ軸ガルバノスキャナ
１６ Ｙ軸ガルバノスキャナ
１８ 集光レンズ
２０ ステージ
２２ 制御装置
２４ ホイール付きモータ

Claims (10)

1. 連続波レーザ光を発生する連続波レーザ発振器と前記連続波レーザ光を一点に集めて加工対象物に当てる集光レンズとを備え、加工データに従って前記加工対象物に前記連続波レーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記加工データに基づき前記連続波レーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、その累積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に所定の遅延時間を設定する遅延時間設定手段を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記遅延時間設定手段は、前記加工データに含まれる前記連続波レーザ光の出力および加工時間から前記連続波レーザ光の照射による加工毎の前記仕事量を計算するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合に、少なくとも１回の遅延時間の設定に代えて前記集光レンズをその光軸周りに回転させる集光レンズ回転手段を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工には溶接が含まれ、前記溶接を行うに際して前記連続波レーザ光のスポット径よりも大きな溶接部が形成されるように前記連続波レーザ光を走査する走査手段を備えることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 連続波レーザ光を発生する連続波レーザ発振器と、前記連続波レーザ光を一点に集めて加工対象物に当てる集光レンズとを備えるレーザ加工装置を用い、加工データに従って前記加工対象物に前記連続波レーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記加工データに基づき前記連続波レーザ光の照射による加工毎の仕事量を計算するとともに累積し、その累積仕事量が所定の閾値を超える場合に加工と加工との間に所定の遅延時間を設定することを特徴とするレーザ加工方法。
6. 前記加工データに含まれる前記連続波レーザ光の出力および加工時間から前記連続波レーザ光の照射による加工毎の前記仕事量を計算することを特徴とする、請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記遅延時間を含めた加工工程全体のサイクルタイムが許容サイクルタイムを超える場合に、少なくとも１回の遅延時間の設定に代えて前記集光レンズをその光軸周りに回転させることを特徴とする、請求項５または６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記加工には溶接が含まれ、前記溶接を行うに際して前記連続波レーザ光を走査して連続波レーザ光のスポット径よりも大きな溶接部を形成することを特徴とする、請求項５から７までのいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
9. 前記加工には溶接とマーキングが含まれ、前記マーキングを前記溶接を行う面とは異なる高さ位置にある面に対して行うことを特徴とする、請求項５から８までのいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
10. 前記マーキングを前記溶接を行う面よりも前記集光レンズ側に位置する面に対して行うことを特徴とする、請求項９に記載のレーザ加工方法。

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