JPH09192870A - レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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JPH09192870A
JPH09192870A JP8002160A JP216096A JPH09192870A JP H09192870 A JPH09192870 A JP H09192870A JP 8002160 A JP8002160 A JP 8002160A JP 216096 A JP216096 A JP 216096A JP H09192870 A JPH09192870 A JP H09192870A
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gas
processed
laser
laser light
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Keiji Iso
圭二 磯
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 デブリの付着を抑制し、加工対象物から発生
したガスを加工部近傍から除去することができるレーザ
加工技術を提供する。 【解決手段】 加工対象物の表面にレーザ光を導波する
光学系と、加工対象物の表面のレーザ光の照射領域に向
かって、アシストガスを噴出するガス噴出手段と、前記
ガス噴出手段から噴出した前記アシストガスを吸引し、
加工対象物の表面近傍から除去するガス吸引手段とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工ヘッ
ド、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ポリマー等の樹脂の微細加工に
は、エキシマレーザが使用されていた。エキシマレーザ
は化学結合を切断できる高いフォトンエネルギを有し、
アブレーションと呼ばれる光化学反応により加工対象物
を加工することができる。
【0003】近年、横型励起大気圧CO2 レーザ(TE
A−CO2 レーザ)で樹脂材を加工することが提案され
ている。TEA−CO2 レーザを用いて樹脂材またはセ
ラミック材を加工すると、連続波CO2 レーザ(CW−
CO2 レーザ)及びパルスCO2 レーザを用いる場合よ
りも高い加工品質を得ることができる。TEA−CO 2
レーザを用いた場合の加工品質は、エキシマレーザを用
いた場合のそれと同等である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】TEA−CO2 レーザ
による加工は熱による加工であるため、加工部周辺にデ
ブリと呼ばれる堆積物が付着しやすい。また、加工対象
物がガス化して周囲に飛散する。
【0005】本発明の目的は、デブリの付着を抑制し、
加工対象物から発生したガスを加工部近傍から除去する
ことができるレーザ加工技術を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、加工対象物の表面にレーザ光を導波する光学系と、
加工対象物の表面のレーザ光の照射領域に向かって、ア
シストガスを噴出するガス噴出手段と、前記ガス噴出手
段から噴出した前記アシストガスを吸引し、加工対象物
の表面近傍から除去するガス吸引手段とを有するレーザ
加工ヘッドが提供される。
【0007】加工部から飛散したデブリが、アシストガ
スの流れに乗ってガス吸引手段に吸引される。このた
め、飛散したデブリを加工部近傍から効率的に除去する
ことができる。
【0008】本発明の他の観点によると、レーザ光を放
出するレーザ光源と、前記レーザ光源から放出されたレ
ーザ光を加工対象物の表面まで導波する光学系と、加工
対象物の表面のレーザ光の照射領域に向かって、アシス
トガスを噴出するガス噴出手段と、前記ガス噴出手段か
ら噴出した前記アシストガスを吸引し、加工対象物の表
面近傍から除去するガス吸引手段とを有するレーザ加工
装置が提供される。
【0009】本発明の他の観点によると、加工対象物の
表面にレーザ光を照射して該加工対象物を加工するレー
ザ加工方法であって、加工対象物の表面にレーザ光を照
射する期間、加工対象物表面のレーザ光の照射領域に向
かってアシストガスを噴出するとともに、噴出したアシ
ストガスを吸引してレーザ光の照射領域の近傍から除去
する工程を含むレーザ加工方法が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】図1(A)は、本発明の実施例に
よるレーザ加工ヘッドの断面図を示す。レーザ加工ヘッ
ドは、内側ノズル10、外側ノズル20、鏡筒30を含
んで構成される。
【0011】内側ノズル10は、テーパ状の内周面12
を有する筒状形状を有し、テーパ状の内周面12がガス
導入路15を画定している。内周面12の大径側に対応
する内側ノズル10の端部は鍔状にされ、鍔状部以外の
外周面16は径の変化する向きが内周面12と同じテー
パ面とされている。なお、本明細書において、筒状と
は、円筒状のみならず、径が軸方向に関して変化する場
合を含むものとする。
【0012】内周面12の大径側の端部近傍にガス供給
孔13が形成されており、ガス導入路15がガス供給孔
13を介してガス配管11に連通している。ガス配管1
1はガス供給源17に接続されている。内周面12の小
径側の端部(先端)はガス噴出孔14を画定している。
ガス供給源17から供給されたガスは、ガス配管11、
ガス供給孔13を通してガス導入路15内に導入され、
ガス噴出孔14から外部に噴出する。
【0013】外側ノズル20が、内側ノズル10の外周
面16を取り囲むように配置され、内側ノズル10の鍔
状部に取り付けられている。外側ノズル20は、径の変
化する向きが内側ノズル10の外周面16と同じテーパ
状の内周面22を有し、内側ノズル10の外周面16と
の間に筒状のガス排出路25を画定している。
【0014】外側ノズル20の内周面22の大径側の端
部近傍にガス排気孔23が形成されており、ガス排出路
25がガス排気孔23を介してガス配管21に連通して
いる。ガス配管21は、ガス排気装置26に接続されて
いる。なお、図1(A)では、ガス配管21を2本設け
た場合を示している。
【0015】外側ノズル20の内周面22の小径側の端
部(先端)には、ガス噴出孔14を取り囲む環状のガス
吸引孔24が画定されている。ガス吸引孔24を通して
ガス排出路25内に吸引されたガスは、ガス排気孔2
3、ガス配管21及びガス排気装置26を経由して排出
される。なお、本明細書において、環状とは、ある領域
を取り囲む形状をいい、円形に限らないものとする。
【0016】外側ノズル20の先端に、筒状のガード部
材40が取り付けられている。ガード部材40と一定の
間隔をおいて加工対象物50が配置されている。ガード
部材40は、内側及び外側ノズル10、20の先端と加
工対象物50の表面との間隔を調節する。内側ノズル1
0の鍔状部が形成された端面に鏡筒30が接続されてい
る。鏡筒30の内側ノズル10側の端部近傍に集光レン
ズ31及び保護ガラス32が配置されている。
【0017】レーザ光源33から放出されたレーザ光が
集光レンズ31まで導波される。集光レンズ31まで導
波されたレーザ光は、集光レンズ31で集光されてガス
導入路15内を伝搬し、加工対象物50の表面に照射さ
れる。
【0018】集光レンズ31の直径は、例えば50〜6
0mm、焦点距離は50〜100mmである。また、T
EA−CO2 レーザを用いる場合、加工対象物50の表
面におけるレーザビームスポットの直径は、例えば50
μm〜3mmである。エキシマレーザを用いる場合に
は、レーザビームスポットはさらに縮小される。
【0019】例えば、ガス導入路15の長さを約85m
m、ガス噴出孔14の直径を約4mm、内側ノズル10
の先端の肉厚を約1mm、内側ノズル10の先端からガ
ス供給孔13の中心までの内周面12の中心軸に沿った
距離を約76mmとする。また、ガス吸引孔24の外径
を18mm、外側ノズル20の先端の肉厚を約2mm、
外側ノズル20の先端からガス排気孔23の中心までの
内周面12の中心軸に沿った距離を約50mmとする。
ノズルの先端から加工対象物50の表面までの距離を約
5mm、ガード部材40と加工対象物50の表面との間
の間隔を約1mmとする。
【0020】図1(B)は、図1(A)に示すレーザ加
工ヘッドの底面図を示す。内側ノズル10の先端によっ
てガス噴出孔14が画定されている。内側ノズル10の
先端と外側ノズル20の先端との間に環状のガス吸引孔
24が画定されている。外側ノズル20の先端の周囲に
ガード部材40が取り付けられている。
【0021】外側ノズル20のテーパ状の外周面から図
の左右にそれぞれガス配管21が導出されている。内側
ノズル10の鍔状部の側面から図の下方にガス配管11
が導出されている。なお、図1(A)では、説明の便宜
上ガス配管11がガス導入路15から図の左方に延在す
るように示しているが、実際には、図1(B)に示すよ
うに2本のガス配管21の各々と直交する向きに配置さ
れている。
【0022】次に、図1に示すレーザ加工ヘッドを用い
たTEA−CO2 レーザによるレーザ加工方法を説明す
る。集光レンズ31によりレーザ光を集光し、加工対象
物50の表面にレーザ光を照射する。レーザ光が照射さ
れた部分が加工される。例えば、レーザ光のピーク電力
を10kW〜1MW、パルス幅を1μs〜10μs、パ
ルス周波数を100Hz〜1kHzとする。レーザ光の
照射と同時に、ガス配管11を通してガス導入路15内
にヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、または酸素
(O2 )等のアシストガスを供給し、ガス噴出孔14か
ら加工部に向かってアシストガスを噴出する。
【0023】噴出したアシストガスの大部分を、ガス吸
引孔24からガス排出路25内に吸引し、ガス配管21
を経由して加工部近傍から排出する。例えば、ガス配管
11からのガス供給圧を0.5kgf/cm2 、ガス配
管21からのガス吸引圧を1.0kgf/cm2 とす
る。なお、これらの圧力はゲージ圧である。
【0024】加工部から飛散したデブリは、アシストガ
スの流れに乗りガス配管21を通って排出されるため、
加工部近傍から除去される。このため、飛散したデブリ
の加工対象物50の表面への再付着を抑制できる。デブ
リを効率的に除去するためには、アシストガスの吸引圧
を供給圧の1.5〜2倍程度とすることが好ましい。加
工対象物が合成樹脂材またはセラミック材の場合、特に
デブリが発生しやすい。このため、上記実施例は、合成
樹脂材またはセラミック材の加工に特に適している。
【0025】発生したデブリは、通常、加工部から5〜
10cmの高さまで飛散する。このため、例えばガス排
気孔23はノズル先端から3〜7cmの高さに設けるこ
とが考えられる。
【0026】また、ガス導入路15内に、光学系側から
加工部側に向かってアシストガスを流しているため、加
工部から発生したデブリ、ガス化した飛散物が光学系に
付着することを抑制できる。このため、飛散物の付着に
よる光学系のビーム伝送効率の低下を抑制できる。
【0027】上記実施例では、TEA−CO2 レーザを
用いてレーザ加工を行う場合を説明したが、エキシマレ
ーザ等その他のレーザを用いたレーザ加工の場合にも適
用可能である。
【0028】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ加工により飛散したデブリを加工部近傍から効率
的に除去することができる。このため、デブリが加工対
象物に再付着することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるレーザ加工装置の断面図
及びレーザ加工ヘッドの底面図である。
【符号の説明】
10 内側ノズル 11、21 ガス配管 12、22 内周面 13 ガス供給孔 14 ガス噴出孔 15 ガス導入路 16 外周面 17 ガス供給源 20 外側ノズル 23 ガス排気孔 24 ガス吸引孔 25 ガス排出路 26 ガス排気装置 30 鏡筒 31 集光レンズ 32 保護ガラス 33 レーザ光源 40 ガード部材 50 加工対象物

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加工対象物の表面にレーザ光を導波する
    光学系と、 加工対象物の表面のレーザ光の照射領域に向かって、ア
    シストガスを噴出するガス噴出手段と、 前記ガス噴出手段から噴出した前記アシストガスを吸引
    し、加工対象物の表面近傍から除去するガス吸引手段と
    を有するレーザ加工ヘッド。
  2. 【請求項2】 前記ガス噴出手段が、前記光学系と前記
    加工対象物との間に配置されたガス導入路を含み、該ガ
    ス導入路が前記光学系から出射したレーザ光の光束を内
    包し、該ガス導入路の前記光学系側の端部近傍に、該ガ
    ス導入路内に前記アシストガスを供給するガス供給孔を
    有し、前記加工対象物側の端部にガス噴出孔を有する請
    求項1に記載のレーザ加工ヘッド。
  3. 【請求項3】 前記ガス吸引手段が、前記ガス導入路を
    取り囲む筒状のガス排出路を含み、該ガス排出路が前記
    加工対象物側の端部に、前記ガス噴出孔を取り囲むよう
    に形成された環状のガス吸引孔を有し、該ガス排出路の
    前記ガス吸引孔よりも前記光学系側に該ガス排出路内の
    ガスを排気するガス排気孔を有する請求項2に記載のレ
    ーザ加工ヘッド。
  4. 【請求項4】 前記ガス排気孔と前記ガス吸引孔との間
    の前記レーザ光の光軸に沿った距離が3〜7cmである
    請求項3に記載のレーザ加工ヘッド。
  5. 【請求項5】 レーザ光を放出するレーザ光源と、 前記レーザ光源から放出されたレーザ光を加工対象物の
    表面まで導波する光学系と、 加工対象物の表面のレーザ光の照射領域に向かって、ア
    シストガスを噴出するガス噴出手段と、 前記ガス噴出手段から噴出した前記アシストガスを吸引
    し、加工対象物の表面近傍から除去するガス吸引手段と
    を有するレーザ加工装置。
  6. 【請求項6】 加工対象物の表面にレーザ光を照射して
    該加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、 加工対象物の表面にレーザ光を照射する期間、加工対象
    物表面のレーザ光の照射領域に向かってアシストガスを
    噴出するとともに、噴出したアシストガスを吸引してレ
    ーザ光の照射領域の近傍から除去する工程を含むレーザ
    加工方法。
  7. 【請求項7】 前記アシストガスを吸引する吸引圧が、
    前記アシストガスを噴出する噴出圧の1.5〜2倍であ
    る請求項6に記載のレーザ加工方法。
  8. 【請求項8】 前記加工対象物が、合成樹脂材またはセ
    ラミック材である請求項6または7に記載のレーザ加工
    方法。
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