JP5639046B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、レーザ加工装置及びレーザ加工方法としては、次のものがある（例えば、非特許文献１〜３参照）。すなわち、非特許文献１〜３には、レーザ光を加工対象物に照射してこの加工対象物を切断加工する例が開示されている。

また、特許文献４には、二つのレーザ光で被加工物を加工するレーザ加工装置が開示されている。
International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Microprocessing Conference Page 320 of 430, LASER CUTTING FOR MEDICAL DEVICE(STENT) - YESTERDAY, TODAY AND TOMORROW International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Materials Processing Conference Page 582 of 909, FLEXIBLE 3-D - LASER CUTTING AND WELDING WITH THE COMBI-HEAD International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2008, Congress Proceedings, Laser Materials Processing Conference Page 695 of 909, REMOTE-CUTTING-A SMART SOLUTION USING THE ADVANTAGES OF HIGH BRIGHTNESS LASERS 特開２００８−１１４２７６号公報 特開２００８−１１４４５８号公報 特開２００５−２３１１７２号公報 特許第２６０４３９５号公報 特開２００８−１１４２７６号公報 特開２００６−２９７４６４号公報

上述のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、加工対象物が切断加工されることに伴って加工対象物にバリが形成され、加工対象物の加工後の品質が低下するという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、加工対象物の加工後の品質を確保することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

また、上述のレーザ加工装置を用いて、薄板材を切断する場合には、加工後の表面粗さが小さいことが望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、加工後の表面粗さを小さくすることができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第一出射部の光軸と異なる光軸を有する前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、を備えている。

このレーザ加工装置では、レーザ発振部からレーザ光が発振されると、このレーザ光が分光部によって第一のレーザ光と第二のレーザ光とに分割される。そして、第一出射部から出射された第一のレーザ光が加工対象物の一部に照射されることにより、加工対象物の一部が除去される。

ここで、このように、加工対象物の一部が除去されると、これに伴って加工対象物にバリが形成される。

ところが、このレーザ加工装置では、第二出射部から出射された第二のレーザ光がバリに照射されることにより、このバリが溶融される。

このように、このレーザ加工装置によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させることができるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。

請求項２に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、溶融された前記バリを、高圧ガスで吹き飛ばして除去するガス噴射部と、を備えている。

請求項３に記載のレーザ加工装置は、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置において、前記加工対象物を移動させるスライド部を備え、前記第一のレーザ光の前記加工対象物への照射位置は、前記第二のレーザ光の前記加工対象物への照射位置よりも、前記スライド部における前記加工対象物の移動方向の手前側に位置する構成とされている。

請求項４に記載のレーザ加工装置は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記分光部は、前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する構成とされている。

加工対象物の一部を除去するためには、第一のレーザ光の光量が多く必要であり、その一方で、バリを溶融させるためには、第二のレーザ光の光量は少なくて足りる。この点、このレーザ加工装置によれば、第一のレーザ光の方が第二のレーザ光よりも光量が多いので、加工対象物の一部を除去しつつ、この加工対象物に形成されたバリを溶融させることができる（加工対象物の一部の除去と、バリの溶融とを両立させることができる）。

請求項５に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、を備え、前記第二出射部は、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて同一の前記第二のレーザ光を出射する構成とされている。

このレーザ加工装置によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、これらのバリに同一の第二のレーザ光が照射されることにより、この各バリを溶融させることができる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射する構成に比して、装置の構成を簡素化することができる。

請求項６に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、を備え、前記第二出射部は、前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて互いに異なる前記第二のレーザ光を出射する構成とされている。

このレーザ加工装置によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光が複数に分割されて、この互いに異なる第二のレーザ光が各バリにそれぞれ照射されることにより、この各バリを溶融させることができる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割せずに、各バリに同一の第二のレーザ光を照射する構成に比して、各バリをより効果的に溶融させることができる。

また、前記課題を解決するために、請求項７に記載のレーザ加工方法は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに、前記第一のレーザ光の照射位置と異なる照射位置に照射される前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。

このレーザ加工方法によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。

請求項８に記載のレーザ加工方法は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、溶融された前記バリを高圧ガスで吹き飛ばして除去する方法である。

請求項９に記載のレーザ加工方法は、請求項７又は請求項８に記載のレーザ加工方法において、前記第一のレーザ光を照射した後に、前記第二のレーザ光を照射する方法である。

請求項１０に記載のレーザ加工方法は、請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する方法である。

加工対象物の一部を除去するためには、第一のレーザ光の光量が多く必要であり、その一方で、バリを溶融させるためには、第二のレーザ光の光量は少なくて足りる。この点、このレーザ加工方法によれば、第一のレーザ光の方が第二のレーザ光よりも光量が多いので、加工対象物の一部を除去しつつ、この加工対象物に形成されたバリを溶融させることができる（加工対象物の一部の除去と、バリの溶融とを両立させることができる）。

請求項１１に記載のレーザ加工方法は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに同一の前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。

このレーザ加工方法によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、これらのバリに同一の第二のレーザ光を照射することにより、この各バリを溶融させる。従って、例えば、例えば、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射する場合に比して、この方法に用いられるレーザ加工装置の構成を簡素化することができる。

請求項１２に記載のレーザ加工方法は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに互いに異なる前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる方法である。

このレーザ加工方法によれば、加工対象物の表側と裏側にバリがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光を各バリにそれぞれ照射することにより、この各バリを溶融させる。従って、例えば、第二のレーザ光を複数に分割せずに、各バリに同一の第二のレーザ光を照射する場合に比して、各バリをより効果的に溶融させることができる。

以上詳述したように、本発明によれば、加工対象物の一部が除去されることに伴って加工対象物にバリが形成されても、このバリを第二のレーザ光によって溶融させるので、加工対象物の加工後の品質を確保することができる。

また、以上詳述したように、本発明によれば、加工後の表面粗さを小さくすることができる。

本発明の第一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図１に示される第一のレーザ光と第二のレーザ光と加工対象物との相対位置を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図３に示される第一のレーザ光と第二のレーザ光と加工対象物との相対位置を示す斜視図である。 本発明の第三実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 図５に示される薄板材の表面上に照射された第一のレーザ光と第二のレーザ光の形状及びスポットサイズを比較する図である。 図５に示される薄板材の断面図であって、薄板材に形成された酸化改質部を示す図である。 熱吸収率と光の波長との関係を薄板材の材質毎に示した図である。 本発明の第三実施形態に関する図である。 本発明の第三実施形態に関する図である。 本発明の第三実施形態に関する図である。 本発明の第三実施形態に関する図である。 本発明の第三実施形態の変形例を示す図である。

［第一実施形態］
はじめに、図１，図２を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。

図１に示される本発明の第一実施形態に係るレーザ加工装置１０は、金属やプラスチックにより構成された薄板状の加工対象物３０を切断するためのものであり、スライド部１２と、ガス噴射部１４と、加工ヘッド部１６とを備えている。

スライド部１２は、加工対象物３０を載置するための図示しないスライドテーブルを有しており、このスライドテーブルと共に加工対象物３０をこの加工対象物３０の平面方向（図１の紙面表裏方向であって図２の矢印Ｈ方向）に沿ってスライドさせる構成とされている。

ガス噴射部１４は、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴン、空気などの高圧ガスＧを加工対象物３０の一部（後述する第一のレーザ光Ｌ１が照射される部分）に向けて噴射する構成とされている。

加工ヘッド部１６は、レーザ発振部としてのレーザ発振器１８と、分光部としてのビームスプリッタ２０と、第一出射部としての第一レンズ２２と、第二出射部としての全反射鏡２４、第二レンズ２６、及び、ガルバノミラー２８と、を備えている。

レーザ発振器１８は、レーザ光Ｌを発振する構成とされている。なお、レーザ光Ｌは、例えば、波長が２６６〜１０６４ｎｍ、平均出力が４０Ｗ、パルス幅が１０ｎｓｅｃ以下のパルス状、又は、波長が２６６〜１０６４ｎｍ、平均出力が１ｋＷの連続状とされる。

ビームスプリッタ２０は、レーザ発振器１８から発振されたレーザ光Ｌを、第一のレーザ光Ｌ１と、第二のレーザ光Ｌ２とに分割する構成とされている。また、このビームスプリッタ２０は、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２よりも光量が多くなるように、レーザ光Ｌを分割する構成とされている。

第一レンズ２２は、例えば、集光レンズとされており、第一のレーザ光Ｌ１を加工対象物３０の一部に向けて出射する構成とされている。また、このレーザ加工装置１０では、第一レンズ２２から出射された第一のレーザ光Ｌ１によって加工対象物３０の一部が溶融されるように、第一レンズ２２の焦点位置等が設定されている。なお、第一のレーザ光Ｌ１の集光径は、例えば、φ５０μｍ以下に設定されている。

全反射鏡２４は、第二のレーザ光Ｌ２を第二レンズ２６に向けて反射するように配置されている。第二レンズ２６は、例えば、集光レンズとされており、全反射鏡２４によって反射された第二のレーザ光Ｌ２をガルバノミラー２８に向けて出射するように配置されている。ガルバノミラー２８は、第二レンズ２６から出射された第二のレーザ光Ｌ２を後述するバリ３２，３４に向けて反射するように配置されている。

また、このレーザ加工装置１０では、ガルバノミラー２８によって反射された第二のレーザ光Ｌ２が加工対象物３０の表側と裏側にそれぞれ形成されたバリ３２，３４に一括して照射されるように、第二レンズ２６の焦点位置や、ガルバノミラー２８の反射角度等が設定されている。

さらに、このレーザ加工装置１０では、図２に示されるように、第一のレーザ光Ｌ１の加工対象物３０への照射位置の方が第二のレーザ光Ｌ２の加工対象物３０への照射位置よりも加工対象物３０の移動方向（矢印Ｈ方向）の手前側に位置されるように、ビームスプリッタ２０、全反射鏡２４、ガルバノミラー２８の位置や反射角度等が設定されている。

次に、上記構成からなるレーザ加工装置１０を用いたレーザ加工方法と併せて、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。

このレーザ加工装置１０では、レーザ発振器１８からレーザ光Ｌが発振されると、このレーザ光Ｌがビームスプリッタ２０によって第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２とに分割される。また、このとき、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２よりも光量が多くなるように、ビームスプリッタ２０によってレーザ光Ｌが分割される。

そして、このビームスプリッタ２０から出射された第一のレーザ光Ｌ１が第一レンズ２２を介して加工対象物３０の一部に照射されることにより、加工対象物３０の一部が溶融される。また、このときには、ガス噴射部１４から高圧ガスＧが加工対象物３０の一部に向けて噴射され、これにより、加工対象物３０の一部が吹き飛ばされて除去され、加工対象物３０が切断される。

ここで、このように、加工対象物３０が切断されると、これに伴って加工対象物３０の表側と裏側にバリ３２，３４がそれぞれ形成される。例えば、加工対象物３０が厚さ７０μｍの銅板である場合、バリ３２，３４の高さは約２μｍである。

ところが、このレーザ加工装置１０では、ビームスプリッタ２０から出射された第二のレーザ光Ｌ２が全反射鏡２４、第二レンズ２６、及び、ガルバノミラー２８を介してバリ３２，３４に照射されることにより、このバリ３２，３４が溶融されて平滑化される。

このように、このレーザ加工装置１０によれば、加工対象物３０が切断されることに伴って加工対象物３０にバリ３２，３４が形成されても、このバリ３２，３４を第二のレーザ光Ｌ２によって平滑化させることができるので、加工対象物３０の加工後の品質を確保することができる。

また、加工対象物３０を切断するためには、第一のレーザ光Ｌ１の光量が多く必要であり、その一方で、バリ３２，３４を平滑化させるためには、第二のレーザ光Ｌ２の光量は少なくて足りる。

この点、このレーザ加工装置１０によれば、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２よりも光量が多いので、加工対象物３０を切断しつつ、この加工対象物３０に形成されたバリ３２，３４を平滑化させることができる（加工対象物３０の切断と、バリ３２，３４の平滑化とを両立させることができる）。

また、このレーザ加工装置１０によれば、加工対象物３０の表側と裏側にバリ３２，３４がそれぞれ形成された場合でも、これらのバリ３２，３４に同一の第二のレーザ光Ｌ２が照射されることにより、この各バリ３２，３４を平滑化させることができる。従って、例えば、例えば、第二のレーザ光Ｌ２を複数に分割して、この互いに異なる第二のレーザ光Ｌ２を各バリ３２，３４にそれぞれ照射する構成に比して、装置の構成を簡素化することができる。

そして、このレーザ加工装置１０によれば、加工ヘッド部１６が加工対象物３０に対して相対移動されることにより、加工対象物３０が一端から他端まで切断され、この加工対象物３０を加工品３６と屑片３８とに分離させることができる。

次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。

本実施形態において、第二レンズ２６は、集光レンズとされていたが、コリメータレンズとされていても良い。また、この第二レンズ２６は、ｆ−θレンズとされて、加工対象物３０とガルバノミラー２８との間に配置されていても良い。

また、本実施形態において、レーザ加工装置１０は、第二のレーザ光Ｌ２によってバリ３２，３４を平滑化させる構成とされていたが、第二のレーザ光Ｌ２によってバリ３２，３４を溶融させると共に、この溶融されたバリ３２，３４をガス噴射部１４の高圧ガスＧで吹き飛ばして除去する構成とされていても良い。

また、本実施形態において、レーザ加工装置１０は、加工対象物３０を切断加工する構成とされていたが、加工対象物３０に穴あけ加工を行う構成とされていても良い。

また、レーザ加工装置１０が加工対象物３０に穴あけ加工を行う場合、加工ヘッド部１６は、加工対象物３０に対して相対移動（レーザ走査）せずに加工対象物３０を加工する構成とされていても良い。

また、この場合、第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２が互いに干渉しないように、第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２が互いに位相差を有するロングパルスのレーザ光とされていても良い。また、レーザ光Ｌがパルス状である場合、光ファイバ等を用いて第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２の各光路長を異ならせて、第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２と出射タイミングをずらしても良い。

また、本実施形態において、加工ヘッド部１６は、第一出射部として第一レンズ２２を備えると共に、第二出射部として全反射鏡２４、第二レンズ２６、及び、ガルバノミラー２８を備えていたが、これらの代わりに、第一出射部及び第二出射部として複数の光ファイバを備えていても良い。

また、本実施形態においては、バリ３２，３４の大きさや位置等に応じて第二レンズ２６が第二のレーザ光Ｌ２の光軸方向に移動され、バリ３２，３４に照射される第二のレーザ光Ｌ２の集光径が調節されても良い。

また、本実施形態においては、ビームスプリッタ２０、第一レンズ２２、全反射鏡２４、第二レンズ２６、ガルバノミラー２８の配置が適宜変更されても良い。また、これにより、バリ３２，３４に照射される第二のレーザ光Ｌ２の集光径が調節されても良い。

［第二実施形態］
次に、図３，図４を参照しながら、本発明の第二実施形態について説明する。

図３に示される本発明の第二実施形態に係るレーザ加工装置４０は、加工対象物６０にスリット６６を形成するためのものであり、上述の本発明の第一実施形態に係るレーザ加工装置１０に対し、加工ヘッド部１６の構成が変更されている。

つまり、本発明の第二実施形態に係るレーザ加工装置４０において、加工ヘッド部１６は、レーザ発振器１８と、ビームスプリッタ２０と、第一レンズ２２と、第二出射部としてのビームスプリッタ５０、第二レンズ５２、全反射鏡５４，５５、第二レンズ５６、及び、ガルバノミラー５８と、を備えている。

レーザ発振器１８と、ビームスプリッタ２０と、第一レンズ２２とは、上述の本発明の第一実施形態における構成と同一である。

ビームスプリッタ５０は、ビームスプリッタ２０から出射された第二のレーザ光Ｌ２を、第二のレーザ光Ｌ２Ａと、第二のレーザ光Ｌ２Ｂとに分割する構成とされている。また、このビームスプリッタ５０は、一方の第二のレーザ光Ｌ２Ａの光量と他方の第二のレーザ光Ｌ２Ｂの光量が等しくなるように、第二のレーザ光Ｌ２を分割する構成とされている。

第二レンズ５２は、例えば、集光レンズとされており、ビームスプリッタ５０から出射された第二のレーザ光Ｌ２Ａを後述する加工対象物６０の表側に形成されたバリ６２Ａ，６２Ｂに向けて出射する構成とされている。全反射鏡５４は、ビームスプリッタ５０から出射された他方の第二のレーザ光Ｌ２Ｂを全反射鏡５５に向けて反射するように配置されており、全反射鏡５５は、全反射鏡５４によって反射された第二のレーザ光Ｌ２Ｂを第二レンズ５６に向けて反射するように配置されている。

第二レンズ５６は、例えば、集光レンズとされており、全反射鏡５５によって反射された第二のレーザ光Ｌ２Ｂをガルバノミラー５８に向けて出射する構成とされている。ガルバノミラー５８は、第二レンズ５６から出射された第二のレーザ光Ｌ２Ｂを後述する加工対象物６０の裏側に形成されたバリ６４Ａ，６４Ｂに向けて反射するように配置されている。

また、このレーザ加工装置４０では、第二レンズ５２から出射された第二のレーザ光Ｌ２Ａが加工対象物６０の表側に形成されたバリ６２Ａ，６２Ｂに照射されるように、第二レンズ５２の焦点位置やビームスプリッタ５０の反射角度等が設定されている。

同様に、このレーザ加工装置４０では、ガルバノミラー５８によって反射された第二のレーザ光Ｌ２Ｂが加工対象物６０の裏側に形成されたバリ６４Ａ，６４Ｂに照射されるように、第二レンズ５６の焦点位置やガルバノミラー５８の反射角度等が設定されている。

さらに、このレーザ加工装置４０では、図４に示されるように、第一のレーザ光Ｌ１の加工対象物６０への照射位置の方が第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの加工対象物６０への照射位置よりも加工対象物６０の移動方向（矢印Ｈ方向）の手前側に位置されるように、ビームスプリッタ５０、全反射鏡５４，５５、ガルバノミラー５８の位置や反射角度等が設定されている。

次に、上記構成からなるレーザ加工装置４０を用いたレーザ加工方法と併せて、本発明の第二実施形態の作用及び効果について説明する。

このレーザ加工装置４０では、レーザ発振器１８からレーザ光Ｌが発振されると、このレーザ光Ｌがビームスプリッタ２０によって第一のレーザ光Ｌ１と第二のレーザ光Ｌ２とに分割される。また、このとき、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２よりも光量が多くなるように、ビームスプリッタ２０によってレーザ光Ｌが分割される。

そして、このビームスプリッタ５０から出射された第一のレーザ光Ｌ１が第一レンズ２２を介して加工対象物６０の一部に照射されることにより、加工対象物６０の一部が溶融される。また、このときには、ガス噴射部１４から高圧ガスＧが加工対象物６０の一部に向けて噴射され、これにより、加工対象物６０の一部が吹き飛ばされて除去され、加工対象物６０に板厚方向に貫通するスリット６６が形成される。

ここで、このように、加工対象物６０にスリット６６が形成されると、これに伴って加工対象物６０の表側におけるスリット６６の両側にバリ６２Ａ，６２Ｂが形成されると共に、加工対象物６０の裏側におけるスリット６６の両側にバリ６４Ａ，６４Ｂが形成される。

ところが、このレーザ加工装置４０では、ビームスプリッタ２０から出射された第二のレーザ光Ｌ２がビームスプリッタ５０によって第二のレーザ光Ｌ２Ａと第二のレーザ光Ｌ２Ｂに分割される。そして、ビームスプリッタ５０から出射された第二のレーザ光Ｌ２Ａが第二レンズ５２を介してバリ６２Ａ，６２Ｂに照射されることにより、このバリ６２Ａ，６２Ｂが溶融されて平滑化される。

同様に、ビームスプリッタ５０から出射された第二のレーザ光Ｌ２Ｂが全反射鏡５４，５５、第二レンズ５６、及び、ガルバノミラー５８を介して６４Ａ，６４Ｂに照射されることにより、このバリ６４Ａ，６４Ｂが溶融されて平滑化される。

このように、このレーザ加工装置４０によれば、加工対象物６０にスリット６６が形成されることに伴って加工対象物６０にバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂが形成されても、このバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂによって平滑化させることができるので、加工対象物６０の加工後の品質を確保することができる。

また、加工対象物６０にスリット６６を形成するためには、第一のレーザ光Ｌ１の光量が多く必要であり、その一方で、バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを平滑化させるためには、第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの光量は少なくて足りる。

この点、このレーザ加工装置４０によれば、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂよりも光量が多いので、加工対象物６０にスリット６６を形成しつつ、この加工対象物６０に形成されたバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを平滑化させることができる（スリット６６の形成と、バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂの平滑化とを両立させることができる）。

また、このレーザ加工装置４０によれば、加工対象物６０の表側と裏側にバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂがそれぞれ形成された場合でも、第二のレーザ光Ｌ２が第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂに分割されて、この互いに異なる第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂがバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂにそれぞれ照射されることにより、このバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを平滑化させることができる。

従って、例えば、第二のレーザ光Ｌ２を複数に分割せずに、各バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂに同一の第二のレーザ光Ｌ２を照射する構成に比して、各バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂをより効果的に溶融させることができる。

そして、このレーザ加工装置４０によれば、加工ヘッド部１６が加工対象物６０に対して相対移動されることにより、この加工対象物６０にスリット６６を形成することができる。

次に、本発明の第二実施形態の変形例について説明する。

本実施形態において、レーザ加工装置４０は、第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂによってバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを平滑化させる構成とされていたが、第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂによってバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂを溶融させると共に、この溶融されたバリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂをガス噴射部１４の高圧ガスＧで吹き飛ばして除去する構成とされていても良い。

また、本実施形態において、レーザ加工装置４０は、加工対象物６０にスリット６６を形成する構成とされていたが、上述の本発明の第一実施形態における変形例と同様に、加工対象物６０に穴あけ加工を行う構成とされていても良い。

また、本実施形態において、加工ヘッド部１６は、第一出射部として第一レンズ２２を備えると共に、第二出射部としてビームスプリッタ５０、第二レンズ５２、全反射鏡５４，５５、第二レンズ５６、及び、ガルバノミラー５８を備えていたが、これらの代わりに、第一出射部及び第二出射部として複数の光ファイバを備えていても良い。

また、本実施形態においては、バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂの大きさや位置等に応じて第二レンズ５２，５６が第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの光軸方向にそれぞれ移動され、バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂに照射される第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの集光径が調節されても良い。

また、本実施形態においては、ビームスプリッタ２０、第一レンズ２２、ビームスプリッタ５０、第二レンズ５２、全反射鏡５４，５５、第二レンズ５６、及び、ガルバノミラー５８の配置が適宜変更されても良い。また、これにより、バリ６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂに照射される第二のレーザ光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの集光径が調節されても良い。

［第三実施形態］

図５に示される本発明の第三実施形態に係るレーザ加工装置１１０は、１００μｍ以下の厚さを有する薄板材１５０を切断するために好適に用いられるものであって、光源１１２と、ビームスプリッタ１１４と、全反射鏡１１６と、第一レンズ１１８、第二レンズ１２０と、第一ローラ機構１２２と、第二ローラ機構１２４と、ガス噴出部１２６とを備えている。

光源１１２は、パルス波又は連続波の第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を含むレーザ光Ｌを発振する構成とされている。なお、ここでは、一例として、第一のレーザ光Ｌ１は、波長が５３２ｎｍの緑色のレーザ光とされており、第二のレーザ光Ｌ２は、波長が１０６４ｎｍの赤色のレーザ光とされている。

ビームスプリッタ１１４は、第一のレーザ光Ｌ１を第一レンズ１１８に向けて反射すると共に第二のレーザ光Ｌ２を透過する構成とされており、全反射鏡１１６は、ビームスプリッタ１１４を透過した第二のレーザ光Ｌ２を第二レンズ１２０に向けて反射するように配置されている。

第一レンズ１１８は、ビームスプリッタ１１４で反射された第一のレーザ光Ｌ１を薄板材１５０に照射するように配置されており、第二レンズ１２０は、全反射鏡１１６で反射された第二のレーザ光Ｌ２を薄板材１５０に照射するように配置されている。

また、このレーザ加工装置１１０では、後述する第一ローラ機構１２２及び第二ローラ機構１２４によって矢印Ａで示される方向に薄板材１５０が巻き取られるようになっており、上述の第二レンズ１２０から出射された第二のレーザ光Ｌ２は、第一のレーザ光Ｌ１よりも薄板材１５０の巻取方向の先側に照射されるようになっている。つまり、このレーザ加工装置１１０では、第一のレーザ光Ｌ１に追従して第二のレーザ光Ｌ２が薄板材１５０に照射されるようになっている。

さらに、第一レンズ１１８は、その光軸方向が薄板材１５０の法線方向と一致するように配置されており、第二レンズ１２０は、その光軸方向が薄板材１５０の法線方向に対して傾斜するように配置されている。そして、これにより、図６に示されるように、第一のレーザ光Ｌ１は、薄板材１５０の表面に真円状に照射され、第二のレーザ光Ｌ２は、薄板材１５０の表面に楕円状に照射されるようになっている。

また、上述のように、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２は、それぞれ波長が５３２ｎｍの緑色のレーザ光、波長が１０６４ｎｍの赤色のレーザ光とされており、第一レンズ１１８及び第二レンズ１２０の焦点が合った状態において、第二のレーザ光Ｌ２のスポットサイズは、第一のレーザ光Ｌ１のスポットサイズよりも大きくなっている。なお、図６の矢印Ｂは、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２の薄板材１５０に対する相対移動方向を示している。

また、本実施形態において、薄板材１５０は、銅製とされており、緑色のレーザ光である第一のレーザ光Ｌ１は、赤色のレーザ光である第二のレーザ光Ｌ２よりも薄板材１５０に対して熱吸収率が高くなっている（図７参照）。なお、図８は、ＣＯ_２レーザの場合の材料毎の吸収率と温度との関係が示されている。

図５に示されるように、第一ローラ機構１２２は、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２によってその長手方向に沿って切断された薄板材１５０のうち、第一薄板材１５０−１を巻き取る構成とされており、第二ローラ機構１２４は、第二薄板材１５０−２を巻き取る構成とされている。

ガス噴射部は、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２が照射される薄板材１５０の照射部分に向けて、例えば、酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素等のガスを噴射する構成とされている。

なお、本実施形態において、光源１１２、ビームスプリッタ１１４、全反射鏡１１６、第一レンズ１１８、第二レンズ１２０は、本発明におけるレーザ照射部に相当する。また、ビームスプリッタ１１４、第一レンズ１１８は、本発明における第一出射部に相当し、全反射鏡１１６、第二レンズ１２０は、本発明における第二出射部に相当する。

また、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２の出力等は、後述する切断方法を実現できるように、最適な値に設定されている。

次に、上述のレーザ加工装置１１０を用いて薄板材１５０を切断する方法について説明する。

このレーザ加工装置１１０では、ボビン１５２に巻かれた薄板材１５０を第一ローラ機構１２２及び第二ローラ機構１２４によって巻き取りながら、この薄板材１５０に第一のレーザ光Ｌ１が照射されると共に、この第一のレーザ光Ｌ１に追従して第二のレーザ光Ｌ２が薄板材１５０に照射される。なお、このときの条件は、図１０，図１１の通りである。

なお、実際の切断では、スポット径がレンズ系で初めから決まっていても加工の速度によって形成される切断幅が異なる。それは光と材料の相互の作用によって決まるためである。すなわち、材料の熱反応だからである。そのため、ある板厚に最適なスポット径を定めるのは実験で確かめる以外には難しい。また、高速に切断できる状態では、溝内のガスの流れが最大になる。すなわち、高速で切断できる最適な切断時はガス流れはもっとも早い。スポット径から求めるのは、実際に材料反応で異なるので、ある速度で得られると想定される溝幅から、ガスが高速に流れる条件を図に示したのが図１１である。板厚を変化させた場合、板厚１．２ｍｍでは切断幅が１７０μｍ付近で流入速度が最大となり、板厚２．３ｍｍでは切断幅が２４０μｍ付近で最大となり、板厚３．２ｍｍでは切断幅が３２０μｍ付近で最大となる。このように、板厚が増すと、溝内で最大となるガス流入速度は切断溝幅が広い方へシフトする。また、板厚が増すとガス流入速度と質量流量は全体的に低下する。板厚が増すとす切断溝幅が広くなることは実加工の結果と同じである。

ここで、第一のレーザ光Ｌ１が薄板材１５０に照射されると、薄板材１５０に酸化改質部１５０Ａが形成される（図７参照）。また、第二のレーザ光Ｌ２が酸化改質部１５０Ａに照射されると、この酸化改質部１５０Ａが除去される。そして、このレーザ加工装置１１０では、このようにして、酸化改質部１５０Ａが除去されながら、薄板材１５０が切断される。

また、このとき、第一のレーザ光Ｌ１が薄板材１５０に照射されることにより薄板材１５０にバリが形成されるが、このバリには、第二のレーザ光Ｌ２が照射されるので、このバリは溶融して小さくなる。

以上の要領で、このレーザ加工装置１１０では、薄板材１５０が切断される。

次に、本発明の第三実施形態の作用及び効果について説明する。

このレーザ加工装置１１０によれば、第一のレーザ光Ｌ１に追従して第一のレーザ光Ｌ１よりもスポットサイズの大きい第二のレーザ光Ｌ２を薄板材１５０に照射するので、第一のレーザ光Ｌ１が薄板材１５０に照射されることにより薄板材１５０に形成されたバリを、この第二のレーザ光Ｌ２によって溶融させることができる。これにより、加工後の表面粗さを小さくすることができる。

また、互いに異なる波長の第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を薄板材１５０に照射することにより、第一のレーザ光Ｌ１によって薄板材１５０に酸化改質部１５０Ａを形成すると共に、この酸化改質部１５０Ａを第二のレーザ光Ｌ２によって除去しながら、薄板材１５０を切断させることができる。これにより、加工後の表面粗さをより一層小さくすることができる。

さらに、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を発振する単一の光源１１２を用いるので、装置のコストを低減することができる。

なお、光源１１２が、パルス波の第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を発振する場合には、この第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２のパルス間隔等を最適に調節すれば、所望の表面粗さを得ることができる。

一方、光源１１２が、連続波の第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を発振する場合には、所望の表面粗さを連続的に得ることができる。

なお、このときに行った検証実験は、図１２に示す通りである。

次に、本発明の第三実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態において、レーザ加工装置１１０は、銅製の薄板材１５０を切断するのに用いられていたが、その他の金属やセラミックス等の薄板材１５０を切断するのに用いられても良い。

また、光源１１２は、第一のレーザ光Ｌ１として、波長が５３２ｎｍの緑色のレーザ光と、第二のレーザ光Ｌ２として、波長が１０６４ｎｍの赤色のレーザ光とを含むレーザ光を発振する構成とされていたが、第一のレーザ光Ｌ１の方が第二のレーザ光Ｌ２よりも薄板材１５０に対して熱吸収率が高く、且つ、スポットサイズが大きければ、第一レーザ光及び第二レーザ光として、その他の組み合わせを含むレーザ光を発振する構成とされていても良い。

また、レーザ加工装置１１０は、第一のレーザ光Ｌ１及び第二のレーザ光Ｌ２を薄板材１５０に照射する構成とされていたが、三以上のレーザ光を薄板材１５０に照射する構成とされていても良い。

また、レーザ加工装置１１０としては、図１２に示されるように、図示しないピエゾ素子で微調整可能な曲率可変ミラー１６０，１６２と、ビーム分岐ミラー１６４を備えたものが用いられても良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

Claims (12)

1. レーザ光を発振するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、
   加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、
   前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第一出射部の光軸と異なる光軸を有する前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、
   を備えたレーザ加工装置。
2. レーザ光を発振するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、
   加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、
   前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、
   溶融された前記バリを、高圧ガスで吹き飛ばして除去するガス噴射部と、
   を備えたレーザ加工装置。
3. 前記加工対象物を移動させるスライド部を備え、
   前記第一のレーザ光の前記加工対象物への照射位置は、前記第二のレーザ光の前記加工対象物への照射位置よりも、前記スライド部における前記加工対象物の移動方向の手前側に位置する、
   請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記分光部は、前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する、
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を発振するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、
   加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、
   前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、
   を備え、
   前記第二出射部は、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて同一の前記第二のレーザ光を出射する、
   レーザ加工装置。
6. レーザ光を発振するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割する分光部と、
   加工対象物の一部が除去されるように、前記第一のレーザ光を前記加工対象物の一部に向けて出射する第一出射部と、
   前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリが溶融されるように、前記第二のレーザ光を前記バリに向けて出射する第二出射部と、
   を備え、
   前記第二出射部は、前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに向けて互いに異なる前記第二のレーザ光を出射する、
   レーザ加工装置。
7. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに、前記第一のレーザ光の照射位置と異なる照射位置に照射される前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させるレーザ加工方法。
8. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、溶融された前記バリを高圧ガスで吹き飛ばして除去するレーザ加工方法。
9. 前記第一のレーザ光を照射した後に、前記第二のレーザ光を照射する、
   請求項７又は請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記第一のレーザ光の方が前記第二のレーザ光よりも光量が多くなるように、前記レーザ光を分割する、
    請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
11. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、
    前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに同一の前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる、
    レーザ加工方法。
12. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、第一のレーザ光と、第二のレーザ光とに分割すると共に、前記第一のレーザ光を加工対象物の一部に照射して前記加工対象物の一部を除去し、且つ、前記加工対象物の一部が除去されることに伴って前記加工対象物に形成されたバリに前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させ、
    前記第二のレーザ光を複数に分割すると共に、前記加工対象物の表側と裏側にそれぞれ形成された前記バリに互いに異なる前記第二のレーザ光を照射して前記バリを溶融させる、
    レーザ加工方法。

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