JP2006224107A - Method and apparatus of laser beam machining - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被加工物の3次元形状を高精度に創成できるレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus capable of creating a three-dimensional shape of a workpiece with high accuracy.
従来のレーザ加工方法では、被加工物に対して3次元形状を創成するために、接線方向からレーザ照射するようにしている(例えば特許文献1)。 In a conventional laser processing method, laser irradiation is performed from a tangential direction in order to create a three-dimensional shape on a workpiece (for example, Patent Document 1).
図6は、工具形状の非接触調整を行うためのレーザによる従来の3次元形状創成加工を説明するための断面図である。ここでは、3次元形状創成加工の例として、砥石形状を被加工物の要求形状に適合するように成形するツルーイングについて説明する。 FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a conventional three-dimensional shape creation process using a laser for non-contact adjustment of a tool shape. Here, as an example of the three-dimensional shape creation processing, truing for forming the grindstone shape so as to match the required shape of the workpiece will be described.
図6において、電着砥石30は、モータ(図示せず)に取り付けられる円柱形状の砥石台金9と、この砥石台金9の周面上に電着形成されるメッキ層8および砥粒7とを有している。例えば、砥粒7にはcBN砥粒、メッキ層8にはニッケルメッキ、レーザ発振器10にはYAGレーザを用いる。集光装置11は、レンズを含み、レーザ発振器10からのレーザ光12を10μm以下のビーム径に集光できる。
In FIG. 6, an
電着砥石30をツルーイング加工する際には、モータを回転させて電着砥石30を回転させる。この状態で、レーザの照射位置および照射方向を制御して、最外周の砥粒7に対し砥石30の接線方向からレーザ光12を照射することで、砥粒7の最外周部分を溶融、蒸発させて除去する。そして、レーザ光12を砥石30の軸方向(紙面に垂直)に相対的に移動させることで、円柱形のツルーイング加工を行う。
When truing the
このように、砥石30の最外周の砥粒7に対し砥石30の接線方向からレーザ光12を照射するツルーイング加工を行うので、メッキ層8にダメージを与えることなく、砥粒7のみをツルーイングできるようになる。これにより砥粒7がメッキ層8から脱落しなくなり、またメッキ層8の変形等が抑制されて砥粒7の刃先位置のばらつきが小さくなるため、作用砥粒数および砥粒形状を高精度に制御できる。したがって、高精度にツルーイング加工された電着砥石30を用いた場合、高精度加工また高能率加工が可能となる。
Thus, since the truing process which irradiates the
また、レーザ光を用いた非接触式ツルーイング加工は、接触式のツルーイング加工において問題となる加工抵抗による砥石の歪み、砥石の砥粒位置ばらつきを防ぐことができる。 Further, the non-contact truing process using laser light can prevent the distortion of the grindstone due to the machining resistance and the variation in the abrasive grain position of the grindstone, which are problems in the contact truing process.
さらに、小径の軸砥石のような低剛性砥石は、接触式のツルーイング加工によって、座金9の歪みが発生する可能性があるが、非接触式では、こうした低剛性砥石への対応も可能となる。 Further, a low-rigidity grindstone such as a small-diameter shaft grindstone may cause distortion of the washer 9 by contact-type truing processing, but a non-contact-type grindstone can cope with such a low-rigidity grindstone. .
従来のレーザ加工は、ビームの直進性から、ワークへの貫通加工や穴開け加工が基本的なものであり、その応用として、ワークとビームの相対運動による、ビーム進行方向から見た2次元輪郭に沿った切断加工がある。この場合、加工点の3次元位置制御に関して、ビームに直交する2軸に沿って制御可能であるが、深さ方向(レーザ進行方向)においては、原理的に制御不能である。なお、強度および照射時間による制御では、ワーク表面からの加工量の制御であり、3次元的な位置制御ではない。深さ方向の制御については、フライス加工等の機械的除去加工に依存せざるを得ない。 Conventional laser processing is basically performed by penetrating or drilling a workpiece due to the straightness of the beam. As an application of this, two-dimensional contours viewed from the beam traveling direction due to the relative motion of the workpiece and the beam. There is a cutting process along. In this case, the three-dimensional position control of the processing point can be controlled along two axes orthogonal to the beam, but in principle cannot be controlled in the depth direction (laser traveling direction). Note that the control based on the intensity and the irradiation time is control of the amount of processing from the workpiece surface, and not three-dimensional position control. The control in the depth direction must depend on mechanical removal processing such as milling.
また、図6に示したレーザ光を用いたツルーイング加工では、ワーク表面に大きな凹凸形状が存在すると、レーザ光を充分に照射できない箇所がでてくる。例えば、図7に示すように、ワーク表面が平坦であれば、ターゲットとなる砥粒7にレーザ光12を正確に照射することができる。しかしながら、図8に示すように、ワーク表面に凹凸が存在すると、凹部に位置する砥粒7にレーザ光12の狙いを定めても、手前の凸部によって遮断されてしまうため、ターゲットとなる砥粒7へのレーザ未照射または不十分照射という不具合が発生してしまう。よって、この方法では、実質的に断面が円形のような凸形の砥石しかツルーイング加工を実施できない。
Further, in the truing process using the laser beam shown in FIG. 6, if a large uneven shape exists on the workpiece surface, a portion where the laser beam cannot be sufficiently irradiated appears. For example, as shown in FIG. 7, if the workpiece surface is flat, the target
本発明の目的は、ワーク表面形状が平坦でなくても、加工点へのレーザ光照射を充分に実施できるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of sufficiently irradiating a processing point with laser light even if the workpiece surface shape is not flat.
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、複数のレーザ光が被加工物の同一加工点で交差するように、各レーザ光の光軸を配置する工程と、
該加工点を回転支点として、各レーザ光の照射角を変化させて加工を行う工程とを含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser processing method according to the present invention includes a step of arranging optical axes of laser beams so that a plurality of laser beams intersect at the same processing point of a workpiece,
And a step of performing processing by changing the irradiation angle of each laser beam using the processing point as a rotation fulcrum.
また、本発明に係るレーザ加工装置は、複数のレーザ光を被加工物の同一加工点で集光するための複数の集光光学系と、
各集光光学系が搭載され、該加工点を回転支点として各集光光学系の光軸を回転させるための回転装置とを備えることを特徴とする。
Further, the laser processing apparatus according to the present invention includes a plurality of condensing optical systems for condensing a plurality of laser beams at the same processing point of the workpiece,
Each condensing optical system is mounted, and includes a rotating device for rotating the optical axis of each condensing optical system with the processing point as a rotation fulcrum.
本発明のレーザ加工方法によれば、同一加工点において複数のレーザ光が交差し集光した状態で、加工点の位置を回転支点として、各レーザ光の照射角を変化させて加工を実施することにより、加工点の周囲に存在する障害物を回避でき、加工点へのレーザ光照射が遮られることがない。また、加工点を中心としてほぼ球形の光エネルギー分布が実現可能であるため、従来のレーザ加工方法では不可能であった3次元的除去加工も可能になる。 According to the laser processing method of the present invention, in a state where a plurality of laser beams intersect and converge at the same processing point, processing is performed by changing the irradiation angle of each laser beam using the position of the processing point as a rotation fulcrum. Thus, an obstacle present around the processing point can be avoided, and the laser beam irradiation to the processing point is not blocked. In addition, since a substantially spherical light energy distribution can be realized with the processing point as the center, three-dimensional removal processing that is impossible with the conventional laser processing method is also possible.
また、本発明のレーザ加工装置によれば、加工点を回転支点として各集光光学系の光軸を回転させるための回転装置を設けることによって、加工点に対して適正なレーザ照射角を維持できるため、加工点周囲の障害物によってレーザ光が遮断されなくなり、さらに加工効率の良い照射角に設定することが可能となる。また、加工点を中心としてほぼ球形の光エネルギー分布が実現可能であるため、従来のレーザ加工方法では不可能であった3次元的除去加工も可能になる。 In addition, according to the laser processing apparatus of the present invention, an appropriate laser irradiation angle is maintained with respect to the processing point by providing a rotation device for rotating the optical axis of each condensing optical system with the processing point as a rotation fulcrum. Therefore, the laser beam is not blocked by the obstacle around the processing point, and it is possible to set the irradiation angle with higher processing efficiency. In addition, since a substantially spherical light energy distribution can be realized with the processing point as the center, three-dimensional removal processing that is impossible with the conventional laser processing method is also possible.
実施の形態1.
図1、図2は、本発明の実施の形態1を示す概略斜視図である。以下、砥石のツルーイング加工を例として説明するが、本発明は一般のレーザ加工にも適用可能である。なお、図1、図2ではレーザ光の交差領域を表現するために、集光光学系を省略して示している。
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 are schematic perspective views showing Embodiment 1 of the present invention. Hereinafter, although truing processing of a grindstone will be described as an example, the present invention is applicable to general laser processing. In FIGS. 1 and 2, the condensing optical system is omitted in order to express the intersecting region of the laser beams.
図1、図2において、砥石等のワークWの表面上に加工点pが設定される。この加工点pに対して、複数(ここでは2個)のレーザ光源10a,10bからのレーザ光12a,12bが照射される。このとき集光光学系(図示せず)を用いることにより、加工点pに集光されるレーザ光のエネルギー密度が高くなり、加工効率が飛躍的に向上する。レーザ光12a,12bのエネルギーは、加工点pを中心とした領域に吸収され、熱エネルギーに変換され、加工点pの温度が上昇し、溶融・蒸発または昇華して、加工点の除去加工が行われる。
1 and 2, a processing point p is set on the surface of a workpiece W such as a grindstone.
ここで、ワークWの物性値(光吸収率、熱伝導率、融点等)により、一方のレーザ光だけでは加工点pの除去が不可能であるが、両レーザ光12a,12bのエネルギーで除去可能なように各レーザ光のエネルギー(光強度×照射時間)を設定する。こうした設定により、両レーザ光の交差領域のみの加工が可能になる。
Here, due to the physical properties of the workpiece W (light absorption rate, thermal conductivity, melting point, etc.), it is impossible to remove the processing point p with only one laser beam, but it is removed with the energy of both
たとえば、ワークWがアルミニウム(Al)の場合、融点が660℃であるから、一方のレーザ光だけで融点より低い温度、例えば600℃に昇温できるように設定しておいて、両レーザ光が同一加工点pで交差した場合、660℃以上に昇温するようになり、その交差領域だけが融解する。このとき、高圧ガス等を加工点pに噴射して、融解アルミニウムを吹き飛ばすようにすれば、加工点pにおいてレーザ交差領域の強度分布(ほぼ球形)に対応した部分が除去され、凹形状になる。 For example, when the workpiece W is aluminum (Al), the melting point is 660 ° C., so that only one laser beam can be set to a temperature lower than the melting point, for example, 600 ° C. When intersecting at the same processing point p, the temperature rises to 660 ° C. or higher, and only the intersecting region melts. At this time, if high-pressure gas or the like is sprayed onto the processing point p to blow off the molten aluminum, the portion corresponding to the intensity distribution (substantially spherical) in the laser crossing region is removed at the processing point p, resulting in a concave shape. .
また、ワークWがアルミナ(Al2O3)の場合は、融点が約2000℃、沸点が約3000℃であるから、一方のレーザ光だけで融点より低い温度、例えば1900℃に昇温できるように設定しておいて、両レーザ光が同一加工点pで交差した場合、4000℃近くに昇温するようになり、その交差領域だけが蒸発する。この場合も、加工点pにおいて、レーザ交差領域の強度分布(ほぼ球形)に対応した部分が蒸発し除去され、凹形状になる。また、ワークWの材料を選択することによって、固体から直接気体へ昇華するようにレーザ光のエネルギーを設定することも可能である。なお、実際には、融解および蒸発の潜熱(融解熱および気化熱)が存在するため、両レーザ光による温度上昇は、厳密には単一レーザ光の場合の2倍にはならない。 Further, when the workpiece W is alumina (Al 2 O 3 ), the melting point is about 2000 ° C. and the boiling point is about 3000 ° C., so that the temperature can be raised to a temperature lower than the melting point, for example, 1900 ° C. with only one laser beam. When both laser beams intersect at the same processing point p, the temperature rises to about 4000 ° C., and only the intersecting region evaporates. Also in this case, at the processing point p, the portion corresponding to the intensity distribution (substantially spherical) in the laser crossing region is evaporated and removed, resulting in a concave shape. Further, by selecting the material of the workpiece W, it is possible to set the energy of the laser beam so as to sublimate from the solid directly to the gas. Actually, since there is latent heat of fusion and evaporation (heat of fusion and heat of vaporization), the temperature rise due to both laser beams is not strictly twice that of a single laser beam.
レーザ光の照射角に関して、図1において、一方のレーザ光12aは、加工点pの近傍表面のほぼ法線方向に沿って照射し、他方のレーザ光12bは、加工点pの近傍表面のほぼ接線方向に沿って照射している。この場合、図7,図8に示したようなレーザ光の遮断が発生する可能性がある。このようなレーザ光の遮断を回避するために、図2のように、加工点pを回転支点として、両方のレーザ光12a,12bを共に回転させ、各レーザ光12a,12bの照射角を変化させることによって、加工点pの周囲に存在する障害物を避けることができ、加工点pが凹部に存在していてもレーザ加工を容易に実施できる。
With respect to the irradiation angle of the laser beam, in FIG. 1, one
加工点pはレーザ光の交差領域に相当するため、各レーザ光軸の角度制御及び/又はワークWの位置制御によって、加工点pの位置を3次元的に決定することができる。従って、本発明に係るレーザ加工方法では、従来全く不可能であったレーザ光による3次元形状創成加工が可能になる。さらに、レーザ光のビームウエストは、理論的にはレーザ光の波長程度まで絞れることから、レーザ光の焦点での広がり程度の極小領域を除去可能となり、微細でかつ位置決め精度が高い除去加工を実現できる。 Since the machining point p corresponds to a laser beam intersection region, the position of the machining point p can be determined three-dimensionally by controlling the angle of each laser beam axis and / or controlling the position of the workpiece W. Therefore, the laser processing method according to the present invention enables three-dimensional shape creation processing using laser light, which has never been possible before. In addition, the beam waist of the laser beam can theoretically be narrowed down to about the wavelength of the laser beam, so it is possible to remove a very small area that spreads at the focal point of the laser beam, realizing a removal process that is fine and has high positioning accuracy. it can.
なお、ここでは砥石のツルーイング加工を例にしたが、微細加工や高精度加工が要求される除去加工、例えば、光学部品の金型加工などにも本発明は極めて有効である。 Here, the truing process of the grindstone is taken as an example, but the present invention is extremely effective for the removal process that requires fine processing and high-precision processing, for example, mold processing of optical parts.
また、ここでは2つのレーザ光を用いた場合を例にしたが、融点や沸点の実現が適正に行えないときは、レーザ光の数をさらに増やして、温度上昇の適正化を図ることができる。例えば、アルミニウムを直接気化して除去加工するには、その沸点が2500℃であることから、1つのレーザ光で600℃昇温に設定した場合、少なくとも5つのレーザ光を用いればよい。 In this example, two laser beams are used as an example. However, when the melting point and boiling point cannot be properly realized, the number of laser beams can be further increased to optimize the temperature rise. . For example, in order to directly vaporize and remove aluminum, since the boiling point is 2500 ° C., when the temperature is raised to 600 ° C. with one laser beam, at least five laser beams may be used.
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2を示す概略断面図である。レーザ加工装置は、複数(ここでは2つ)のレーザ光12a,12bをワークWの同一加工点pで集光するための複数の集光光学系11a,11bと、各集光光学系11a,11bが搭載され、加工点pを回転支点として各集光光学系11a,11bの光軸を回転させるための回転装置20などで構成される。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing Embodiment 2 of the present invention. The laser processing apparatus includes a plurality of condensing
回転装置20は、レーザ光12を導入するための中空ハウジング40と、中空ハウジング40に対して回転可能に支持され、レーザ光12を2つのレーザ光12a,12bに分割する分割光学系50を搭載した主ハウジング42と、主ハウジング42に対して回転可能に支持され、分割されたレーザ光12aを集光する集光光学系11aを搭載した副ハウジング44aと、主ハウジング42に対して回転可能に支持され、分割されたレーザ光12bを集光する集光光学系11bを搭載した副ハウジング44bなどで構成される。
The
まず、レーザ光の進路について説明する。レーザ発振器(図示せず)からのレーザ光12は、適当な導光路を経て、図面の上方から導入され、ハーフミラー等の分割光学系50で2分割される。分割された一方のレーザ光12aは、ミラー51a,52a,53aによって反射を繰り返し、レンズ等の集光光学系11aによって加工点pに集光され照射される。一方、分割された一方のレーザ光12bは、ミラー54,51b,52b,53bによって反射を繰り返し、レンズ等の集光光学系11bによって同一の加工点pに集光され照射される。
First, the course of laser light will be described. Laser light 12 from a laser oscillator (not shown) is introduced from above in the drawing through an appropriate light guide, and is divided into two by a splitting
次に、回転装置20の機構について説明する。レーザ加工装置は、砥石などのワークW被加工物を搭載するxyzテーブル(図示せず)を有し、3軸駆動で加工を行う。このレーザ加工装置のz軸に沿って、中空のハウジング40が取り付けられ、この内部をレーザ光12がz軸下方に進行し、上記の光路を経て、2つのレーザ光12a,12bに分割され、各レーザ光12a,12bは加工点pで交差する。
Next, the mechanism of the
中空ハウジング40には、軸受け41を介して主ハウジング42が回転可能に取り付けられる。この主ハウジング42の内部には、分割光学系50とミラー54が固定され、さらに、レーザ光12aに関してミラー51aが、レーザ光12bに関してミラー51bがそれぞれ固定される。
A
主ハウジング42には、軸受け43aを介して副ハウジング44aが回転可能に取り付けられる。この副ハウジング44aの内部には、レーザ光12aに関するミラー52a,53aと集光光学系11aが固定されている。
A
さらに、主ハウジング42には、軸受け43bを介して副ハウジング44bが回転可能に取り付けられる。この副ハウジング44bの内部には、レーザ光12bに関するミラー52b,53bと集光光学系11bが固定されている。
Further, a
副ハウジング44aは、主ハウジング42に固定されたモータ61aおよびギア62a,63aにより構成された回転ユニット60aによって回転駆動される。また、副ハウジング44bは、主ハウジング42に固定されたモータ61bおよびギア62b,63bにより構成された回転ユニット60bによって回転駆動される。
The
この各回転ユニット60a,60bの回転軸67a,67bは、導入されたレーザ光12の光軸に対して約45度の角度に設定されている。さらに、分割された各レーザ光12a,12bの集光光学系11a,11bの光軸57a,57bは、各回転ユニット60a,60bの回転軸67a,67bに対してそれぞれ約45度に設定されている。
The
各回転ユニット60a,60bの回転動作の際には、加工点pに対してレーザ光12a,12bの交差領域が移動しないように、分割光学系50、各ミラー、集光光学系11a,11bの位置と向きが微調整されている。したがって、各回転ユニット60a,60bの回転によって、レーザ光の照射角は、加工点pの真上方向(図中、レーザ光12aのようにz軸下向き)からでも、90度回転して真横方向(図中、レーザ光12bのように)からでも照射可能である。
When the
このような構成において、上述のレーザ加工方法において説明したように、加工点pに照射するレーザ光のエネルギーに関して、1つのレーザ光だけでは加工点pの材料は溶融しないが、2つのレーザ光によって溶融するように設定する。このように設定すると、2つのレーザ光12a,12bが加工点pで交差するときだけ、材料は溶融または蒸発するようになって、レーザによる除去加工が可能になる。
In such a configuration, as described in the above laser processing method, regarding the energy of the laser beam irradiated to the processing point p, the material at the processing point p is not melted by only one laser beam, but the two laser beams are used. Set to melt. With this setting, the material is melted or evaporated only when the two
レーザ交差領域は、通常、焦点でのビームウエスト程度(数μm径)の領域であるから、除去される材料も同程度の体積になる。このとき2つのレーザ光が約90度で交差するように光軸を設定することが好ましく、レーザ発振器のビーム特性がガウスモードにおいては、レーザ交差領域の強度分布はほぼ球形になり、除去された部分はその球形に対応した凹形状になる。 Since the laser crossing region is usually a region having a beam waist at the focal point (diameter of several μm), the material to be removed has the same volume. At this time, it is preferable to set the optical axis so that the two laser beams intersect at about 90 degrees. When the beam characteristic of the laser oscillator is the Gaussian mode, the intensity distribution in the laser intersecting region becomes almost spherical and is removed. The portion has a concave shape corresponding to the spherical shape.
レーザ光の照射角に関しては、図3のように(模式的には図1のように)、一方のレーザ光12aは加工点pの近傍表面のほぼ法線方向から、他方のレーザ光12bは加工点pの近傍表面のほぼ接線方向からの照射でも良いが、障害物によるレーザ光の遮断を避けるためには、図2のように両レーザ光12a,12bともに斜め上方より照射すれば、遮断の可能性を低減でき、凹形状の加工が可能になる。
With respect to the irradiation angle of the laser beam, as shown in FIG. 3 (schematically as shown in FIG. 1), one
次に、実際の加工手順の一例について説明する。レーザ照射によって3次元除去加工を行うには、レーザ光を照射しつつ、加工点pが所望の形状となるように、ワークWの上を相対的に移動させる必要がある。 Next, an example of an actual processing procedure will be described. In order to perform three-dimensional removal processing by laser irradiation, it is necessary to relatively move the workpiece W so that the processing point p has a desired shape while irradiating laser light.
図4では、加工形状が断面半円状で平面L字状の溝である例を示している。従来のレーザによる切断加工では、安定した加工結果を得るために、加工点に対し常に法線方向からレーザ光を照射するように照射角度を制御している。本発明に係るレーザ加工においても、安定した加工を行うには、互いに直交する2つの移動方向69c,69dに対して、2つのレーザ光を一定角度に保持して加工を行うことが好ましい。そのためには、回転ユニット60a,60bによる副ハウジング44a,44bの回転によって主に照射方向を制御するとともに、さらに主ハウジング42を回転させる必要がある。
FIG. 4 shows an example in which the processed shape is a flat L-shaped groove with a semicircular cross section. In a conventional laser cutting process, in order to obtain a stable processing result, the irradiation angle is controlled so that the laser beam is always irradiated from the normal direction to the processing point. Also in the laser processing according to the present invention, in order to perform stable processing, it is preferable to perform processing while holding two laser beams at a constant angle with respect to two moving
図4においては、移動方向が変わる点qにおいて、主ハウジング42を90度回転させることで進行方向に対するレーザ光の照射角を一定に保つことができる。
In FIG. 4, the irradiation angle of the laser beam with respect to the traveling direction can be kept constant by rotating the
図3に示すように、モータ64が中空ハウジング40に固定され、ギア65,66とともに主回転ユニット68を構成している。この主回転ユニット68の回転動作によって主ハウジング42が中空ハウジング40に対して回転駆動される。これによって、主ハウジング42に取り付けてある副ハウジング44a,44bもレーザ光12の光軸回りで回転することになり、進行方向に対するレーザ照射角を制御できる。このように、加工点の移動方向(進行ベクトル)に対して一定角度を保持するように回転ユニット60a,60b,68による回転駆動を行う。このようにして、レーザ加工装置のxyzテーブルの駆動に加え、回転ユニット60a,60b,68による回転制御によって、各レーザ光の12a,12bの照射角を常に一定に保つことが可能になり、その結果、加工点の軌跡である加工形状が安定する。
As shown in FIG. 3, a
実施の形態3.
本実施形態では、複数のレーザ光の偏光方向について説明する。通常、レーザ光による熱的加工においては、光の電場により分子や原子の加振(格子振動)が行われる。これが光の吸収による発熱である。上述した各実施形態においては、2つのレーザ光12a,12bを同一加工点pで重ね合わせるものであるから、レーザ光12a,12bの偏光方向、つまり振動方向を一致させることによって、分子や原子の加振方向が一致し、光エネルギーから熱への変換効率、つまり光吸収率を改善できる。その結果、より高速にレーザ加工を実施することができる。
Embodiment 3 FIG.
In the present embodiment, the polarization directions of a plurality of laser beams will be described. Normally, in thermal processing using laser light, molecules (atoms) are excited (lattice vibration) by an electric field of light. This is heat generation due to light absorption. In each of the above-described embodiments, the two
実施の形態4.
本実施形態では、複数のレーザ光の波長について説明する。上述した各実施形態においては、レーザ光の熱エネルギー(原子や分子の運動・振動エネルギー)を利用するものである。つまり、主に使用するレーザは、熱への変換効率の高い赤外線レーザ(CO2ガスレーザ、YAGレーザなど)であるが、これに限る必要はなく、量子化学的エネルギー(原子や分子の励起状態のエネルギー)を利用しても良い。つまり、レーザ光の多光子吸収などによって、材料の原子や分子を活性化して反応しやすくし、または、イオン化して、雰囲気分子と結合させることによって気化させて、レーザ除去加工を行うことも可能である。
Embodiment 4 FIG.
In this embodiment, wavelengths of a plurality of laser beams will be described. In each of the above-described embodiments, the thermal energy of laser light (the kinetic / vibrational energy of atoms and molecules) is used. In other words, the laser used mainly is an infrared laser (CO 2 gas laser, YAG laser, etc.) with high conversion efficiency to heat, but is not limited to this, and quantum chemical energy (atom or molecule excited state) Energy) may be used. In other words, it is possible to activate the atoms and molecules of the material by the multi-photon absorption of the laser beam to make it easy to react, or to ionize and vaporize it by combining it with the atmospheric molecules, and perform laser removal processing It is.
原子や分子を活性化または励起可能なレーザは、紫外線レーザ(エキシマレーザ、窒素レーザなど)のように波長が短いほど有効である。それは、光子のエネルギーは、光の波長に反比例するからである。一般に、加工領域に存在するビームウエストは、波長が短いほど小さく設定できる。また、励起効率は、光強度の自乗や3乗に比例するため、ビームウエストより狭い領域が励起され除去される。したがって、熱エネルギーを利用した加工よりも、より微細な3次元形状の除去加工が可能になる。 A laser capable of activating or exciting atoms and molecules is more effective as the wavelength is shorter, such as an ultraviolet laser (excimer laser, nitrogen laser, etc.). This is because the photon energy is inversely proportional to the wavelength of the light. In general, the beam waist existing in the processing region can be set smaller as the wavelength is shorter. Moreover, since the excitation efficiency is proportional to the square or the third power of the light intensity, a region narrower than the beam waist is excited and removed. Therefore, it is possible to remove a three-dimensional shape that is finer than that using thermal energy.
さらに、複数のレーザ光の波長は全て同一でなくても良く、被加工物の材質と要求される加工結果(面粗度、表面の結晶状態、皮膜層や加工変質層の厚さ、および、材質など)に応じて、複数の波長を選択することが好ましい。これにより熱エネルギーと量子化学的エネルギーを併用した除去加工や、波長の異なる光子による段階的多光子吸収など、種々の光と物質の相互作用現象を組み合わせた除去加工が可能になる。 Furthermore, the wavelengths of the plurality of laser beams do not have to be the same, and the material of the workpiece and the required processing result (surface roughness, surface crystal state, thickness of the coating layer or work-affected layer, and It is preferable to select a plurality of wavelengths according to the material. This makes it possible to perform removal processing that combines various light-substance interaction phenomena, such as removal processing using both thermal energy and quantum chemical energy, and stepwise multiphoton absorption by photons having different wavelengths.
実施の形態5.
本実施形態では、レーザ光の伝送手段について説明する。レーザ光の伝送においては、上述した各実施形態のようにミラーを用いてもよいが、図5に示すように、光ファイバ70a,70bを用いて複数のレーザ光を伝送してもよい。光ファイバを用いた場合、ミラー等の光軸調整の必要がなく、装置構成および調整がより簡単化される。
Embodiment 5. FIG.
In the present embodiment, laser light transmission means will be described. In the transmission of laser light, a mirror may be used as in each of the above-described embodiments, but a plurality of laser lights may be transmitted using
なお上述した各実施形態では、2つのレーザ光を使用した例を示したが、3つ以上のレーザ光を用いてもよい。 In each of the above-described embodiments, an example in which two laser beams are used has been described. However, three or more laser beams may be used.
また上述した各実施形態では、1個のレーザ発振器からのレーザ光をハーフミラー等の分割光学系によって2つのレーザ光に分割する例を示したが、複数の集光光学系に対応して複数のレーザ発振器を個々に設けてもよい。また、加工点に集光される複数のレーザ光について波長及び/又は偏光状態は、要求される加工結果、加工対象の材質によって、適宜、選択することが好ましい。 In each of the above-described embodiments, an example in which laser light from one laser oscillator is split into two laser lights by a splitting optical system such as a half mirror has been described. These laser oscillators may be provided individually. In addition, it is preferable that the wavelength and / or polarization state of the plurality of laser beams focused on the processing point is appropriately selected depending on the required processing result and the material to be processed.
また上述した各実施形態では、集光光学系11a,11bは、回転ユニット68によってz軸周りに同時に回転駆動する例を示したが、集光光学系11a,11bごとに別途回転ユニットを設けることにより、集光光学系11a,11を独立にz軸周りに回転駆動しても良い。この場合、装置はかなり複雑になるが、各集光光学系11a,11bによる照射方向が任意に設定可能になり、加工条件の選定範囲が広がる。
In each of the above-described embodiments, the condensing
また、被加工物がレーザ光に対して透明であれば、内部の加工も可能である。例えば、微小なヒビを生成するように光強度を設定したり、または、色や結晶状態等が変化するように波長等を設定すれば、透明体内部に3次元形状の模様を形成できる。これは、置物等の芸術品に新しい表現方法を提供することができる。 Further, if the workpiece is transparent to the laser beam, internal processing is also possible. For example, if the light intensity is set so as to generate minute cracks, or the wavelength or the like is set so that the color, crystal state, or the like changes, a three-dimensional pattern can be formed inside the transparent body. This can provide a new expression method for art objects such as figurines.
また、本発明は3次元的な記憶装置への応用も可能で、大容量の記憶が期待できる。さらに、内部に3次元的な導波路等を形成すれば、電子回路の置き換えである光回路が実現でき、より高速な動作を必要とする計算装置の実現が期待できる。 Further, the present invention can be applied to a three-dimensional storage device, and a large capacity storage can be expected. Furthermore, if a three-dimensional waveguide or the like is formed inside, an optical circuit that is a replacement of an electronic circuit can be realized, and realization of a computing device that requires faster operation can be expected.
10a,10b レーザ光源、 11a,11b 集光光学系、 12,12a,12b レーザ光、 20 回転装置、 40 中空ハウジング、 42 主ハウジング、 44a,44b 副ハウジング、 50 分割光学系、 57a,57b 光軸、 60a,60b,68 回転ユニット、 67a,67b 回転軸、 70a,70b 光ファイバ、 p 加工点、 W ワーク。
10a, 10b Laser light source, 11a, 11b Condensing optical system, 12, 12a, 12b Laser light, 20 Rotating device, 40 Hollow housing, 42 Main housing, 44a, 44b Sub housing, 50 Division optical system, 57a, 57b
Claims (7)
該加工点を回転支点として、各レーザ光の照射角を変化させて加工を行う工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。 Arranging the optical axes of the laser beams so that a plurality of laser beams intersect at the same processing point of the workpiece;
And a step of processing by changing the irradiation angle of each laser beam with the processing point as a rotation fulcrum.
各集光光学系が搭載され、該加工点を回転支点として各集光光学系の光軸を回転させるための回転装置とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。 A plurality of condensing optical systems for condensing a plurality of laser beams at the same processing point of the workpiece;
A laser processing apparatus, comprising: each focusing optical system; and a rotating device for rotating the optical axis of each focusing optical system with the processing point as a rotation fulcrum.
集光光学系の光軸は、回転装置の回転軸に対して所定の角度で交差していることを特徴とする請求項2記載のレーザ加工装置。 The rotation axis of the rotating device is set to pass through the machining point,
3. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the optical axis of the condensing optical system intersects the rotation axis of the rotation device at a predetermined angle.
第1ハウジングに対して回転可能に支持され、レーザ光を第1および第2レーザ光に分割する分割光学系を搭載した第2ハウジングと、
第2ハウジングに対して回転可能に支持され、分割された第1レーザ光を集光する第1集光光学系を搭載した第3ハウジングと、
第2ハウジングに対して回転可能に支持され、分割された第2レーザ光を集光する第2集光光学系を搭載した第4ハウジングとを備えることを特徴とする請求項3記載のレーザ加工装置。 The rotating device includes a first housing for introducing laser light;
A second housing that is rotatably supported with respect to the first housing and is equipped with a splitting optical system that splits the laser light into first and second laser light;
A third housing mounted with a first condensing optical system that is rotatably supported with respect to the second housing and condenses the divided first laser light;
4. The laser processing according to claim 3, further comprising a fourth housing that is rotatably supported with respect to the second housing and includes a second condensing optical system that condenses the divided second laser light. apparatus.
The laser processing apparatus according to claim 2, further comprising a plurality of optical fibers for transmitting a plurality of laser beams.
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