JP6422182B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工装置に関する。

近年、紙やフィルムなどの長尺状の被加工物に対しても、加工自由度の高いレーザー加工装置による加工が一般化してきている。例えば、特許文献１にかかる例が記載されている。

一般的な方式のレーザー加工装置においては、図７に示すように、図示しないレーザー光発射装置より発射されたレーザー光１０８を集光レンズ（凸レンズ）１０７により集光させるとともに、その光路に可動可能なミラー１０６などを配設することにより光路を例えば１８１〜１８５の各方向に誘導し、焦点１９２にそれぞれ集光させる。この集光したレーザー光により被加工物９の穴開け、切断などの加工を行う。

ところで、ミラー１０６から焦点までの距離は集光レンズ１０７固有の焦点距離によって決定されるため、焦点はミラー１０６を中心とした球面上に分布する。従って、加工に最も適した領域（以下「加工領域１９１」とする。）は球面状となる。一方、長尺状の被加工物９は平面状であるため、被加工物９の平面状の表面全体に正確に焦点を結ばせることができない。その結果、特に長尺状の被加工物９を連続加工する場合において、被加工物９の幅が大きくなればなるほど、特に幅方向の端部になるほど焦点からずれたレーザー光により加工することになり、加工が不十分となったり、加工精度が低下したりしやすい。また幅方向の端部になればなるほどレーザー光が加工面に対して斜めに当たるため、例えば孔を開ける場合に、被加工物９の厚み方向に対して傾いた孔が開くこととなり、加工精度が低下する。

そこで、図８に示すように、被加工物９までの距離に対応させて集光レンズ（凸レンズ）２０７の位置を動かすことにより、焦点距離を変えて、焦点２９２の位置を平面上に分布させることが考えられる。この方法により、加工領域２９１が平面状となる。この平面状の加工領域と被加工物９の表面を一致させれば、幅広の被加工物９であっても、加工領域全体にわたって焦点において加工をすることができるため、加工が不十分となる問題は防止できる。しかし、かかる方法によっても、加工領域２９１に対してレーザー光が斜めに当たる問題は解消しない。また、集光レンズ２０７を制動させる必要があるため、加工速度を上げることが困難となる。

レーザー光が斜めに当たる問題を解決する１つの方法は、焦点の位置を変化させず加工点を１点に限定し、加工装置全体を被加工物の表面上を移動させることにより加工点を被加工物に対して移動させ、加工領域を平面状にすることである。レーザー光が斜めに当たる問題を解決するもう１つの方法は、同じく加工点を１点に限定し、被加工物を２次元方向に移動させることにより、加工点に被加工物を移動させて、レーザー光が垂直に当たる最適な加工点のみで加工を行うことである。特許文献１では、長尺状の被加工物を進行方向において前後自由に移動させるとともに、Ｙ軸線方向（幅方向）のガイドレールを用いて、被加工物全体を幅方向にも移動させることが可能な構成としている（段落〔００２４〕参照。）。

特開２００２−０３５９８２号公報

しかし、加工装置全体を被加工物の表面上を移動させる方式においても、被加工物を２次元方向に移動させる方式においても、大きな装置や被加工物を２次元方向全面にわたり動かす必要が生じ、装置が大型化するとともに、加工速度を上げることが困難となる。

本発明は上記課題を解決することを課題としてなされたものであって、加工精度を確保した上で加工速度を向上させることができる構成の、長尺状の被加工物を連続的に加工するためのレーザー加工装置を提供することである。

（１）本発明のレーザー加工装置は、長尺状の被加工物に連続的な加工をするためのレーザー加工装置であって、レーザー光を発射するためのレーザー発射部と、発射された前記レーザー光を平面上の一定領域を占める加工領域上の任意の加工点に誘導する誘導部と、誘導された前記レーザー光を前記加工点に集光させるための集光部と、前記被加工物を前記加工領域に連続的に供給をする被加工物供給部とを有する。前記集光部は、前記加工中に、前記集光部の全部または一部を移動させることなく、前記加工領域上のいずれの前記加工点に対しても前記レーザー光を集光させることが可能であるとともに、いずれの前記加工点においても前記加工領域に対して略垂直に前記レーザー光を集光する。

上記構成によると、レーザー光を平面上の一定領域を占める加工領域上の任意の加工点に誘導する誘導部を有するため、加工領域上の点であれば、いずれの場所に対してもレーザー光を向けることができる。被加工物を加工領域に連続的に供給をする被加工物供給部を有するとともにレーザー光を加工点に集光させるための集光部を有するため、加工領域上の加工点において、集光したレーザー光により、供給された被加工物の表面に穴開け、切断等の加工が可能となる。また、集光部は、いずれの加工点においても加工領域に対して略垂直にレーザー光を集光する。逆に言えば、加工領域対して斜めにレーザー光が当たることがないため、正確な加工が可能となる。更に、集光部は、加工領域上のいずれの加工点に対してもレーザー光を集光させることが可能であるため、被加工物に対して相対的に装置を移動させることなく平面上に存在する加工領域全体において加工を行うことができる。また集光部は、加工中に集光部の全部または一部を移動させることなく、加工領域全体にわたる集光を行うことができるため、加工中に集光部の位置制御を行う必要がない。その結果、加工精度を低下させることなく、加工速度を高くすることができる。

（２）集光部はｆθレンズを備えることが好ましい。
ｆθレンズは偏向されたビームを平らな像面に集光することができるため、このレンズを用いることにより、加工領域全体にわたる集光を、加工中に集光部の全部または一部を移動させることなく行うことが容易にできる。また、いずれの加工点においても加工領域に対して略垂直にレーザー光を集光する表面上のいずれの加工位置に対しても略垂直にレーザー光を集光することも容易にできる。よって、本発明のレーザー加工装置の構成が容易となる。

（３）前記誘導部は、互いに軸芯方向が異なる回動軸に取り付けたミラーを少なくとも２つ備えることが好ましい。
上記構成によると、互いに軸芯方向が異なる回動軸に取り付けたミラーに順にレーザー光を反射させることにより、２次元方向、即ち、平面上の領域にレーザー光を誘導することができる。従って、レーザー光を平面上の一定領域を占める加工領域上の任意の加工点に誘導することが可能となる。

（４）前記供給は、前記加工中において、同一の方向および向きに一定の速度で行われることが好ましい。上述したように、本発明においては、被加工物に対して相対的に装置を移動させることなく平面上に存在する加工領域全体において加工を行うことができる。そのため、被加工物が平面的である限り、同一の方向および向きに一定の速度で供給が行われれば、被加工物の加工が必要な範囲全体に加工を行うことが可能となる。被加工物の供給を同一の方向および向きに一定の速度で供給すれば良いのであるから、供給の方向や向きを加工に応じて変化させたり供給速度を変化させたりする場合に比べ、被加工物供給部の構造や制御を簡素なものにすることができる。

本発明によれば、長尺状の被加工物を連続的に加工するためのレーザー加工装置であって、加工精度を確保した上で加工速度を向上させることができる構成のレーザー加工装置を提供することができる。

実施形態に係るレーザー加工装置の斜視図である。 実施形態に係るレーザー加工装置の正面図である。 実施形態に係るレーザー加工装置の平面図である。 実施形態に係るレーザー加工装置の側面図である。 同レーザー加工装置に用いるガルバノスキャナおよびｆθレンズの模式斜視図である。 同レーザー加工装置に用いる、ｆθレンズおよびレーザー光の光路を示した光路図である。 従来のレーザー加工装置の集光レンズ周辺およびレーザー光の光路を示した光路図である。 従来の他のレーザー加工装置の集光レンズ周辺およびレーザー光の光路を示した光路図である。

以下に、図１〜図６を参照し、本発明のレーザー加工装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図中に記載したように、ｘ方向とは、被加工物である長尺状のフィルムの移動方向を指す。ｙ方向とは、同フィルムの表面上において、ｘ方向に対して垂直な方向、即ちフィルムの幅方向を指す。また、ｚ方向とは、ｘ方向およびｙ方向に対して垂直な方向、即ち同フィルムの表面に対して垂直な方向を指す。

図１・図２・図３・図４は、それぞれ本実施形態に係るレーザー加工装置の斜視図・正面図・平面図・側面図である。図１および図３からあきらかなように、このレーザー加工装置において、レーザー光を発射するためのレーザー発射部であるレーザー発振器１と、折り返しミラー２１，２２，２３とビームエキスパンダー３および走査部４は略同一平面上に設けられている。図１〜図３に示されるように、この平面と略平行な平面、即ちｘ-ｙ平面に沿って、被加工物である長尺状のフィルム９が、図示しないフィルム供給装置によって、ｘ方向に一定速度で供給される。

なお、図３に示すように、レーザー発振器１および折り返しミラー２１の間や、折り返しミラー２１および折り返しミラー２２の間などには安全のため、それぞれダクトが設けられているが、説明の便のため他の図では図示していない。また同様に、実際には安全上等の目的で必要となるカバー類も、図示していない。

レーザー発射部であるレーザー発振器１としては、レーザー媒体で分類すると、CO₂レーザーやエキシマレーザー等の気体レーザー、ルビーレーザーやNd:YAGレーザー等の固体レーザー、色素レーザー等の液体レーザー、レーザーダイオード等を用いる半導体レーザー等が挙げられる。また、励起源としては、放電を用いるもの、フラッシュランプを用いるもの、レーザーダイオードを用いるもの、化学反応を用いるもの等が挙げられる。用途に応じていずれかを組み合わせて使用すれば良い。一般的には、高出力が得られる炭酸ガスレーザー（CO₂レーザー）が好ましい。

折り返しミラー２１〜２３は、レーザー発振器１から発射されたレーザー光をビームエキスパンダー３の入射口に誘導するために用いられる。レーザー発振器１から発射されたレーザー光を折り返しミラー２１〜２３によって順に反射させた後、ビームエキスパンダー３に入射させることにより、レーザー発振器１からビームエキスパンダー３の入射口までに一定の光路長を確保することができる。その間に、レーザー光中の不純な成分を取り除くことができる。

ビームエキスパンダー３はレーザー光を一定の倍率の平行光束に広げるレンズである。入射したレーザー光を走査部４内に設けられたガルバノスキャナのミラーに合った光束に調整するために使用する。また、このビームエキスパンダー３をｙ方向に移動させることにより、レーザー光の焦点距離を調整することができる。

イメージ図である図５に示すように、走査部４内には、２組のガルバノスキャナ５，６およびｆθレンズ７が備えられている。ガルバノスキャナ５は、ミラー５１と、ミラー５１に取り付けられた回動軸５２と、回動軸５２を制御する図示しない制御装置を備えている。この制御装置により回動角を制御された回動軸５２を回動させることにより、ミラー５１の角度を、回動軸を中心とした自在な角度に高速で変化させることができる。よって、ミラー５１に照射されたレーザー光８を、１次元方向において自在な角度に反射させ、誘導することができる。

ガルバノスキャナ６は、ミラー６１と、ミラー６１に取り付けられた回動軸６２と、回動軸６２を制御する図示しない制御装置を備えている。回動軸６２の軸芯方向は、回動軸５２の軸芯方向とは異なる方向に向けられている。このガルバノスキャナ６もガルバノスキャナ５と同様に、ミラー６１に照射されたレーザー光８を１次元方向に自在に誘導することができる。したがって、２組のガルバノスキャナ５およびガルバノスキャナ６を組み合わせることにより、２次元方向、即ちｘ−ｙ平面上の一定領域を占める加工領域９１上の任意の加工点にレーザー光を誘導することが可能となる。つまり、ガルバノスキャナ５およびガルバノスキャナ６は誘導部として機能する。

ガルバノスキャナ５およびガルバノスキャナ６により誘導されたレーザー光は、ｆθレンズ７に照射される。ｆθレンズとは、入射角度θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離がｆである場合にＹ＝ｆθの関係を有するレンズである。このｆθレンズを用いることにより、ガルバノスキャナ６により偏向されたレーザー光の焦点が平面上に分布するように、レーザー光を集光することができる。

具体的には、図６に示すように、ガルバノスキャナ６により偏向されｆθレンズ７に入射したレーザー光８１〜８５は、いずれも、加工領域９１に略垂直に集光する。つまり、ｆθレンズ７が集光部として機能する。この加工領域９１にフィルムを供給すれば、フィルムの加工が可能となる。このように、入射角にかかわらず、レーザー光が同一平面上に集光するため、加工開始前に一度加工領域９１とフィルム表面とを一致させれば、レーザー加工中に集光部であるｆθレンズ７を移動させる必要がない。また、フィルム９の表面上に垂直にレーザー光が垂直に集光するため、正確な加工が可能となる。

フィルム９を供給する被加工物供給部としては、図１および図３を参酌し、リールに巻回された加工前のフィルム９を取り付ける巻出し軸と、加工後のフィルムを巻き取るリールを取り付ける巻取り軸とを備えた、図示しないフィルム供給装置が例示される。かかるフィルム供給装置によりフィルム９はｘ方向に順次供給される。

上述したように、本実施形態のレーザー加工装置においては、加工中に垂直方向、即ち、ｚ軸方向へ焦点距離を調整する必要がないため、フィルム供給装置を加工中に、ｚ軸方向へ移動させる必要がない。また、フィルムの幅方向、即ちｙ軸方向にもレーザー光は誘導され、フィルム表面に対して略垂直に集光するため、フィルム供給装置を加工中に、ｙ軸方向へ移動させる必要がない。更に、フィルムの進行方向、即ちｘ軸方向にもレーザー光は誘導され、フィルム表面に対して略垂直に集光するため、フィルム供給速度を加工中に変化させたり、供給の向きを変えたりする必要がない。即ち、フィルムを一定の方向および向きに等速で供給できれば良い。従って、フィルム供給装置を簡素な構造とすることが容易となる。さらには、可動部分が少ないことから、幅広のフィルムを加工する必要があるなどの理由により装置を大型化せざるを得ない場合であっても、対応が容易である。

このレーザー加工装置によるフィルム９の加工は、例えば、以下のように行う。まず、被加工物であるリールに巻回されたフィルム９を巻出し軸に取り付け、巻出し端部を巻き取り軸に取り付けられたリールに巻き付ける。
続いて、レーザー光を発射し、安定したら、ビームエキスパンダー３をｙ方向に移動させることにより焦点をフィルム９の被加工面上に合わせる。この作業はフィルム９を止めた状態で行っても良いが、移動させた状態で行うことにより、より正確に行うことができる。
その後加工を開始する。
加工終了後、巻き取り軸に巻き取られた加工されたフィルムを回収する。

以上に説明した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のレーザー加工装置において、被加工物である長尺状フィルムは、加工中において、同一の方向および向きに一定の速度で行われるため、供給の方向や向きを加工に応じて変化させたり供給速度を変化させたりする場合に比べ、被加工物供給部の構造や制御を簡素なものにすることができる。また装置の大型化も容易である。

（２）本実施形態のレーザー加工装置は、互いに軸芯方向が異なる回動軸５２，６２に取り付けたミラー５１，６１を２つ備えているため、ミラー５１，６１に順にレーザー光８を反射させることにより、２次元方向、即ち、平面上の領域にレーザー光８を誘導することができる。従って、平面上の一定領域を占める加工領域９１上の任意の加工点にレーザー光８を誘導することが可能となる。

（３）本実施形態のレーザー加工装置は、平面上の一定領域を占める加工領域９１上の任意の加工点にレーザー光８を集光することができる構成であるため、装置全体を加工中に移動させたり、被加工物であるフィルム９をｙ軸方向に移動させたりすることなく、加工領域９１全体にわたり正確に加工することが可能である。また、ｘ軸方向においても、フィルム９の供給速度を変えたり、移動の向きを反転なさせたりすることなく一定方向に等速で供給するだけで良い。そのため、加工の精度を低下させることなく、高速加工を実現しうる。

（４）また、加工領域９１中のいずれの加工点においても、レーザー光８が略垂直に集光する構成であるため、加工領域９１全体にわたり正確な加工が可能である。

（５）本実施形態のレーザー加工装置は、上記（３）および（４）の構成を、偏向されたビームを平らな像面に集光することができるｆθレンズを集光部に用いている。その結果、上記（３）および（４）の効果を得るために、集光部全体またはその一部を加工中に移動させる必要がない。従って、制御が容易になるとともに、移動部材が集光部にないため、加工速度を大きくすることが容易となる。

なお、上記実施形態は以下のように変更しても良い。

・上記実施形態において、被加工物として長尺状のフィルム９を用いているが、他の被加工物を用いても良い。長尺状の加工物であれば特に制限はなく、フィルムや樹脂膜の他、紙、布などであっても良い。

・上記実施形態において、レーザー加工装置は、折り返しミラー２１〜２３を使用して、光路長を維持しているが、十分な光路長を維持できるのであれば、例えば、レーザー発振器１から発射されたレーザー光８を直接ビームエキスパンダー３に入射させても良い。かかる構成によれば、装置が大型化するが、部品点数を減らすことができる。
また、レーザー光中の不純な成分を取り除く必要がないのであれば、レーザー発振器１とビームエキスパンダー３との距離を近づけることにより、装置を小型化することも可能である。

・上記実施形態において、レーザー加工装置は、ビームエキスパンダー３を用いているが、必須ではない。レーザー発振器１から発射されるレーザー光８の光束が、ガルバノスキャナ５，６やｆθレンズ７に適合しているのであれば、割愛しても良い。

・また、ビームエキスパンダー３をｙ方向に移動させることにより、焦点距離を調整しているが、他の方法で行っても良い。例えば、図２に示すｆθレンズ７からフィルム９までの距離ｄを変化させることにより、焦点距離を変化させなくても、加工領域９１にフィルムの表面を一致させることができる。かかる方法は、例えば、フィルム供給装置をｚ軸方向に移動させる昇降台などを用いれば容易に可能である。かかる構成によれば、上記のようにビームエキスパンダー３を省略することが容易となる。また、ビームエキスパンダー３を省略しない場合であっても、ビームエキスパンダー３のｙ方向の移動機能と、フィルム供給装置をｚ軸方向の移動機能を併用しても良い。微調整が容易となる。
なお、ビームエキスパンダー３のｙ方向の移動機能も、フィルム供給装置のｚ軸方向の移動機能も加工中に移動させたり制御させたりする必要のないものであるから、例えば、手動式等の簡素な構造とすることができる。

・上記実施形態において、レーザー加工装置は、２組のガルバノスキャナ５，６を有しているが、３組以上のガルバノスキャナを用いても良い。また、必要とされる加工速度や精度によっては、回転型モータースキャナーや往復運動タイプモータースキャナーを用いて、コストダウンをはかっても良い。

・上記実施形態および上記変更例は、本発明の一例であって、本発明にはその他多くの実施形態が考えられることは、当然のことである。

１ …レーザー発射部
２１，２２，２３…折り返しミラー
３ …ビームエキスパンダー
４ …走査部
５，６ …ガルバノスキャナ
５１，６１ …ミラー
５２，６２ …回動軸
７ …ｆθレンズ
８，８１〜８５ …レーザー光
９ …フィルム（被加工物）
９１ …加工領域
９２ …加工点
１０６ …ミラー
１０７ …集光レンズ
１０８ …レーザー光
１９１ …加工領域
１９２ …焦点
２０７ …集光レンズ
２９１ …加工領域
２９２ …焦点

Claims (4)

1. 長尺状の被加工物に連続的な加工をするためのレーザー加工装置であって、
   レーザー光を発射するためのレーザー発射部と、
   発射された前記レーザー光を平面上の一定領域を占める加工領域上の任意の加工点に誘導する誘導部と、
   誘導された前記レーザー光を前記加工点に集光させるための集光部と、
   前記被加工物を前記加工領域に連続的に供給をする被加工物供給部とを有し、
   前記集光部は、前記加工中に、前記集光部の全部または一部を移動させることなく、前記加工領域上のいずれの前記加工点に対しても前記レーザー光を集光させることが可能であるとともに、いずれの前記加工点においても前記加工領域に対して略垂直に前記レーザー光を集光するレーザー加工装置。
2. 前記集光部はｆθレンズを備える請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記誘導部は、互いに軸芯方向が異なる回動軸に取り付けたミラーを少なくとも２つ備える請求項１または２に記載のレーザー加工装置。
4. 前記供給は、前記加工中において、同一の方向および向きに一定の速度で行われる請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。