JP2002059284A - レーザ加工装置及び加工方法 - Google Patents
レーザ加工装置及び加工方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 加工対象物からの反射光を利用することによ
り、エネルギ利用効率を高めたレーザ加工装置を提供す
る。 【解決手段】 レーザビーム源１０が、中心に中空部が
配された環状のビーム断面を有する加工用レーザビーム
を生成する。レーザビーム源で生成された加工用レーザ
ビームを、集光レンズ１６が収束させ、加工対象物３２
の表面上に入射させる。反射鏡１５，１７が、加工用レ
ーザビームのビーム断面の中空部に配置されている。こ
の反射鏡は、加工用レーザビームのうち加工対象物の表
面で反射した光を、加工対象物の表面に向けて反射させ
る。
り、エネルギ利用効率を高めたレーザ加工装置を提供す
る。 【解決手段】 レーザビーム源１０が、中心に中空部が
配された環状のビーム断面を有する加工用レーザビーム
を生成する。レーザビーム源で生成された加工用レーザ
ビームを、集光レンズ１６が収束させ、加工対象物３２
の表面上に入射させる。反射鏡１５，１７が、加工用レ
ーザビームのビーム断面の中空部に配置されている。こ
の反射鏡は、加工用レーザビームのうち加工対象物の表
面で反射した光を、加工対象物の表面に向けて反射させ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置及
び加工方法に関し、特にエネルギ利用効率を高めたレー
ザ加工装置及び加工方法に関する。
び加工方法に関し、特にエネルギ利用効率を高めたレー
ザ加工装置及び加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ発振器で発生させたレーザ光を加
工対象物に照射して、穴あけ、切断、溶接等を行なうレ
ーザ加工装置にレーザ出射光学部が使用される。通常、
レーザ出射光学部は、レーザ発振器に接続された光ファ
イバの先端に取り付けられる。レーザ出射光学部は、光
ファイバの先端から所定の広がり角を持って出射するレ
ーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、コリメ
ートレンズからの平行光を集光する集光レンズとを有し
ている。集光レンズで集光されたレーザ光が、加工対象
物の表面の被加工点に入射する。
工対象物に照射して、穴あけ、切断、溶接等を行なうレ
ーザ加工装置にレーザ出射光学部が使用される。通常、
レーザ出射光学部は、レーザ発振器に接続された光ファ
イバの先端に取り付けられる。レーザ出射光学部は、光
ファイバの先端から所定の広がり角を持って出射するレ
ーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、コリメ
ートレンズからの平行光を集光する集光レンズとを有し
ている。集光レンズで集光されたレーザ光が、加工対象
物の表面の被加工点に入射する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】加工対象物が金属等の
場合、その表面に照射されたレーザ光の大部分が、加工
対象物の表面で反射する。加工対象物の表面で反射した
レーザ光は、無駄に捨てられることになる。具体的に
は、加工対象物に入射したレーザ光の全エネルギのう
ち、実際に加工に寄与するのは、その加工対象物の材質
にもよるが、高々１０％程度である。即ち、加工対象物
に入射したレーザ光の全エネルギの約９０％以上は無駄
になっている。特に、加工対象物がステンレスの場合、
加工に寄与するエネルギは、全エネルギの６〜９％、ア
ルミニウムの場合は、さらにその半分程度であり、エネ
ルギの利用効率が著しく悪い。
場合、その表面に照射されたレーザ光の大部分が、加工
対象物の表面で反射する。加工対象物の表面で反射した
レーザ光は、無駄に捨てられることになる。具体的に
は、加工対象物に入射したレーザ光の全エネルギのう
ち、実際に加工に寄与するのは、その加工対象物の材質
にもよるが、高々１０％程度である。即ち、加工対象物
に入射したレーザ光の全エネルギの約９０％以上は無駄
になっている。特に、加工対象物がステンレスの場合、
加工に寄与するエネルギは、全エネルギの６〜９％、ア
ルミニウムの場合は、さらにその半分程度であり、エネ
ルギの利用効率が著しく悪い。
【０００４】本発明の目的は、加工対象物からの反射光
を利用することにより、エネルギ利用効率を高めたレー
ザ加工装置及び加工方法を提供することである。
を利用することにより、エネルギ利用効率を高めたレー
ザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、中心に中空部が配された環状のビーム断面を有する
加工用レーザビームを生成するレーザビーム源と、前記
レーザビーム源で生成された加工用レーザビームを収束
させ、加工対象物の表面上に入射させる集光レンズと、
前記加工用レーザビームのビーム断面の前記中空部に配
置され、該加工用レーザビームのうち前記加工対象物の
表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反
射させる第１の反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供
される。
と、中心に中空部が配された環状のビーム断面を有する
加工用レーザビームを生成するレーザビーム源と、前記
レーザビーム源で生成された加工用レーザビームを収束
させ、加工対象物の表面上に入射させる集光レンズと、
前記加工用レーザビームのビーム断面の前記中空部に配
置され、該加工用レーザビームのうち前記加工対象物の
表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反
射させる第１の反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供
される。
【０００６】第1の反射鏡で反射した光線束が加工対象
物に再入射する。このため、レーザビームのエネルギ利
用効率を高めることができる。
物に再入射する。このため、レーザビームのエネルギ利
用効率を高めることができる。
【０００７】本発明の他の観点によると、ビーム断面が
環状のレーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に
集光させる工程と、前記加工対象物の表面で反射した光
のうち、該加工対象物に入射するレーザビームの中空部
を逆向きに伝搬する光を反射させ、該加工対象物の表面
に向かって反射させる工程とを有するレーザ加工方法が
提供される。
環状のレーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に
集光させる工程と、前記加工対象物の表面で反射した光
のうち、該加工対象物に入射するレーザビームの中空部
を逆向きに伝搬する光を反射させ、該加工対象物の表面
に向かって反射させる工程とを有するレーザ加工方法が
提供される。
【０００８】入射するレーザビームの中空部を逆向きに
伝搬する光を反射させ、加工対象物の表面に再入射させ
ることにより、レーザビームのエネルギ利用効率を高め
ることができる。
伝搬する光を反射させ、加工対象物の表面に再入射させ
ることにより、レーザビームのエネルギ利用効率を高め
ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の第１の実施例に
よるレーザ出射光学部の構成を示す。レーザ光源１０か
ら出射したレーザビームが、光ファイバ１１内を伝搬
し、その出射端面から出射する。光ファイバ１１の先端
から出射したレーザビームがコリメートレンズ１２に入
射し、コリメートされる。
よるレーザ出射光学部の構成を示す。レーザ光源１０か
ら出射したレーザビームが、光ファイバ１１内を伝搬
し、その出射端面から出射する。光ファイバ１１の先端
から出射したレーザビームがコリメートレンズ１２に入
射し、コリメートされる。
【００１０】コリメートされたレーザビームが、第１の
円錐プリズム１３に入射し、さらに第２の円錐プリズム
１４に入射する。第１の円錐プリズム１３と第２の円錐
プリズム１４は、レーザビームのビーム断面を環状に変
換する。環状のビーム断面を有するレーザビームが、第
１の凹面鏡１５に設けられた貫通孔１５Ａを通過する。
貫通孔１５Ａの内径は、環状断面を有するレーザビーム
の外径に等しいかそれより僅かに大きい。
円錐プリズム１３に入射し、さらに第２の円錐プリズム
１４に入射する。第１の円錐プリズム１３と第２の円錐
プリズム１４は、レーザビームのビーム断面を環状に変
換する。環状のビーム断面を有するレーザビームが、第
１の凹面鏡１５に設けられた貫通孔１５Ａを通過する。
貫通孔１５Ａの内径は、環状断面を有するレーザビーム
の外径に等しいかそれより僅かに大きい。
【００１１】貫通孔１５Ａを通過した環状断面を有する
レーザビームが、集光レンズ１６に入射する。集光レン
ズ１６は、レーザビームの環状断面に対応した環状の透
過領域を有する。集光レンズ１６の透過領域の内側に、
この集光レンズ１６と一体となるよう構成された第２の
凹面鏡１７が配置されている。
レーザビームが、集光レンズ１６に入射する。集光レン
ズ１６は、レーザビームの環状断面に対応した環状の透
過領域を有する。集光レンズ１６の透過領域の内側に、
この集光レンズ１６と一体となるよう構成された第２の
凹面鏡１７が配置されている。
【００１２】ステージ３１が、集光レンズ１６により収
束されたレーザビームに照射される位置に、加工対象物
３２を保持する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象物
３２の表面上に位置するように、加工対象物３２が保持
される。
束されたレーザビームに照射される位置に、加工対象物
３２を保持する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象物
３２の表面上に位置するように、加工対象物３２が保持
される。
【００１３】第１の凹面鏡１５は、銅または真鍮などの
金属部材の凹面に金メッキ等を施すことにより作製され
る。或いは、銅や真鍮の金属部材あるいはセラミックス
の凹面に鏡面加工を施して作製される。この第１の凹面
鏡１５の曲率中心は、集光レンズ１６の焦点に一致す
る。
金属部材の凹面に金メッキ等を施すことにより作製され
る。或いは、銅や真鍮の金属部材あるいはセラミックス
の凹面に鏡面加工を施して作製される。この第１の凹面
鏡１５の曲率中心は、集光レンズ１６の焦点に一致す
る。
【００１４】第２の凹面鏡１７は、ガラス材の表面（レ
ーザビームの入射側の面）に全反射ミラーコーティング
を施すことにより作製できる。反対側の面（加工対象物
３２側の面）は平面であり、無反射コーディングが施さ
れている。また、集光レンズ１６を構成するガラス材を
環状とするか、加工対象物３２側の面に凹所を形成し、
そこに金属材料（例えば、銅）を埋め込み、その表面を
金メッキして反射面としてもよい。第２の凹面鏡１７の
曲率中心も、第１の凹面鏡１５の曲率中心と同様に集光
レンズ１６の焦点に一致する。
ーザビームの入射側の面）に全反射ミラーコーティング
を施すことにより作製できる。反対側の面（加工対象物
３２側の面）は平面であり、無反射コーディングが施さ
れている。また、集光レンズ１６を構成するガラス材を
環状とするか、加工対象物３２側の面に凹所を形成し、
そこに金属材料（例えば、銅）を埋め込み、その表面を
金メッキして反射面としてもよい。第２の凹面鏡１７の
曲率中心も、第１の凹面鏡１５の曲率中心と同様に集光
レンズ１６の焦点に一致する。
【００１５】第１の実施例では、第１の凹面鏡１５が、
第２の円錐プリズムと集光レンズ１６との間に位置する
が、図２に示すように、第１の凹面鏡１５の反射面を、
集光レンズ１６よりも、加工対象物３２側に配置しても
よい。例えば、集光レンズ１６を第１の凹面鏡１５に設
けられた貫通孔１５Ａ内に配置してもよい。この場合、
第２の凹面鏡１７は、ガラス部材の加工対象物３２側の
面が反射面になる。
第２の円錐プリズムと集光レンズ１６との間に位置する
が、図２に示すように、第１の凹面鏡１５の反射面を、
集光レンズ１６よりも、加工対象物３２側に配置しても
よい。例えば、集光レンズ１６を第１の凹面鏡１５に設
けられた貫通孔１５Ａ内に配置してもよい。この場合、
第２の凹面鏡１７は、ガラス部材の加工対象物３２側の
面が反射面になる。
【００１６】次に、図１のレーザ出射光学部の動作につ
いて説明する。レーザ発振器１０から出射されたレーザ
ビームが、光ファイバ１１の先端より出射されてコリメ
ートレンズ１２に入射する。コリメートレンズ１２は、
所定の広がり角を持って進行するレーザビームを平行光
線束に変換する。これは、コリメートレンズ１２の焦点
に光ファイバ１１の先端を位置させることにより実現さ
れる。なお、光ファイバ１１のコア径を６００μｍ、コ
リメートレンズ１２の直径を５０ｍｍ、焦点距離を１３
０ｍｍとすると、コリメートレンズ１２から出射される
平行光線束のビーム径ｌは、３４ｍｍとなる。
いて説明する。レーザ発振器１０から出射されたレーザ
ビームが、光ファイバ１１の先端より出射されてコリメ
ートレンズ１２に入射する。コリメートレンズ１２は、
所定の広がり角を持って進行するレーザビームを平行光
線束に変換する。これは、コリメートレンズ１２の焦点
に光ファイバ１１の先端を位置させることにより実現さ
れる。なお、光ファイバ１１のコア径を６００μｍ、コ
リメートレンズ１２の直径を５０ｍｍ、焦点距離を１３
０ｍｍとすると、コリメートレンズ１２から出射される
平行光線束のビーム径ｌは、３４ｍｍとなる。
【００１７】コリメートレンズ１２から出射された平行
光線束は、第１の円錐プリズム１３に入射する。第１の
円錐プリズム１３は、その中心軸がコリメートレンズ１
２の光軸と一致するように配置されている。第２の円錐
プリズム１４は、第１の円錐プリズムと同軸上に配置さ
れており、第１の円錐プリズム１３から偏向角δで出射
された光線束を、環状断面を有する平行光線束に変換す
る。
光線束は、第１の円錐プリズム１３に入射する。第１の
円錐プリズム１３は、その中心軸がコリメートレンズ１
２の光軸と一致するように配置されている。第２の円錐
プリズム１４は、第１の円錐プリズムと同軸上に配置さ
れており、第１の円錐プリズム１３から偏向角δで出射
された光線束を、環状断面を有する平行光線束に変換す
る。
【００１８】ここで、第１の円錐プリズム１３、第２の
円錐プリズム１４の各々において、入射するレーザ光の
直径（又は外径）と出射されるレーザビームの直径（外
径）とが等しいと仮定する。第１の円錐プリズム１３に
入射するレーザ光の直径をｌ、第１の円錐プリズム１３
から出射されるレーザ光の偏向角度をδ、第１の円錐プ
リズム１３と第２の円錐プリズム１４との距離をｄと
し、第２の円錐プリズムから出射される環状断面を有す
る平行光線束の内径をＤ１とすると、
円錐プリズム１４の各々において、入射するレーザ光の
直径（又は外径）と出射されるレーザビームの直径（外
径）とが等しいと仮定する。第１の円錐プリズム１３に
入射するレーザ光の直径をｌ、第１の円錐プリズム１３
から出射されるレーザ光の偏向角度をδ、第１の円錐プ
リズム１３と第２の円錐プリズム１４との距離をｄと
し、第２の円錐プリズムから出射される環状断面を有す
る平行光線束の内径をＤ１とすると、
【００１９】
【数１】Ｄ１＝２・ｄ・tanδ−ｌと表される。上式か
らわかるように、ｄを変化させることにより、環状断面
の平行光線束の内径Ｄ１を、その外径Ｄ２とともに変更
させることができる。つまり、第２の円錐プリズム１４
をその中心軸に沿って移動可能に設けることにより、そ
こから出射される環状断面の平行光線束の内径及び外径
を変えることができる。なお、第１及び第２の円錐プリ
ズム１３及び１４の偏向角度及び屈折率を、それぞれ、
θ及びｎとすると、第１の円錐プリズム１３から出射さ
れるレーザ光の偏向角度δは、
らわかるように、ｄを変化させることにより、環状断面
の平行光線束の内径Ｄ１を、その外径Ｄ２とともに変更
させることができる。つまり、第２の円錐プリズム１４
をその中心軸に沿って移動可能に設けることにより、そ
こから出射される環状断面の平行光線束の内径及び外径
を変えることができる。なお、第１及び第２の円錐プリ
ズム１３及び１４の偏向角度及び屈折率を、それぞれ、
θ及びｎとすると、第１の円錐プリズム１３から出射さ
れるレーザ光の偏向角度δは、
【００２０】
【数２】δ≒（ｎ−１）・θ と近似することができる。
【００２１】第２のプリズム１４から出射された環状断
面の平行光線束は、凹面鏡１５の貫通孔１５Ａ内を通過
して、集光レンズ１６に入射する。
面の平行光線束は、凹面鏡１５の貫通孔１５Ａ内を通過
して、集光レンズ１６に入射する。
【００２２】集光レンズ１６は、例えば直径（外径）６
０ｍｍ、焦点距離１００ｍｍの円環状レンズであって、
入射した平行光線束を収束させて加工対象物３２の表面
上に入射させる。なお、集光レンズ１６の外径は、環状
断面の平行光線束の外径Ｄ２よりも大きい直径を有して
いればよく、この条件を満たす範囲で小さい方が好まし
い。
０ｍｍ、焦点距離１００ｍｍの円環状レンズであって、
入射した平行光線束を収束させて加工対象物３２の表面
上に入射させる。なお、集光レンズ１６の外径は、環状
断面の平行光線束の外径Ｄ２よりも大きい直径を有して
いればよく、この条件を満たす範囲で小さい方が好まし
い。
【００２３】加工対象物３２が金属等の場合には、入射
する光の多くは反射する。この反射は、通常、乱反射
（拡散反射）となる。これは、レーザ加工の対象となる
金属材の表面が、通常、鏡面加工されていないからであ
る。但し、乱反射とはいえ、全ての方向に均一に光が反
射するわけではない。即ち、入射点における反射が正反
射（鏡面反射）であると仮定した場合の、反射の法則に
従う方向に、それ以外の方向よりも多くの光が反射す
る。このことは、以下に説明するように、図３に示す実
験結果からも容易に理解できる。
する光の多くは反射する。この反射は、通常、乱反射
（拡散反射）となる。これは、レーザ加工の対象となる
金属材の表面が、通常、鏡面加工されていないからであ
る。但し、乱反射とはいえ、全ての方向に均一に光が反
射するわけではない。即ち、入射点における反射が正反
射（鏡面反射）であると仮定した場合の、反射の法則に
従う方向に、それ以外の方向よりも多くの光が反射す
る。このことは、以下に説明するように、図３に示す実
験結果からも容易に理解できる。
【００２４】図３は、左上方４５度の入射角で光が入射
する場合、反射角４５度の方向に反射する光が、他の方
向に反射する光よりも強い（分布密度が高い）こと示し
ている。加工対象物３２の表面に対して垂直に加工用レ
ーザ光を入射させると、入射方向に多くの反射光が戻る
ことになる。このような戻り光による影響を防止するた
めに、光ファイバの先端には、戻り光が光ファイバに再
入射することを阻止するための反射光対策が施されてい
る。
する場合、反射角４５度の方向に反射する光が、他の方
向に反射する光よりも強い（分布密度が高い）こと示し
ている。加工対象物３２の表面に対して垂直に加工用レ
ーザ光を入射させると、入射方向に多くの反射光が戻る
ことになる。このような戻り光による影響を防止するた
めに、光ファイバの先端には、戻り光が光ファイバに再
入射することを阻止するための反射光対策が施されてい
る。
【００２５】第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７
は、加工対象物３２の表面で生じた乱反射による戻り光
のうち、入射方向及びその周辺に向かって進む反射光を
反射する。上述のように、第1の凹面鏡１５及び第２の
凹面鏡１７は、各々の曲率中心が集光レンズ１６の焦点
に一致するように設置されているので、第１の凹面鏡１
５及び第２の凹面鏡１７で反射した光は、図４に示すよ
うに、再び、加工対象物の被加工点に入射する。
は、加工対象物３２の表面で生じた乱反射による戻り光
のうち、入射方向及びその周辺に向かって進む反射光を
反射する。上述のように、第1の凹面鏡１５及び第２の
凹面鏡１７は、各々の曲率中心が集光レンズ１６の焦点
に一致するように設置されているので、第１の凹面鏡１
５及び第２の凹面鏡１７で反射した光は、図４に示すよ
うに、再び、加工対象物の被加工点に入射する。
【００２６】第１及び第２の凹面鏡１５または１７で反
射し、加工対象物３２の表面に再入射した光も、その多
くが加工対象物３２の表面で反射する。そのうち、第１
及び第２の凹面鏡１５及び１７に入射する反射光は、そ
の反射面で反射し、再度、加工対象物３２の表面に入射
する。光の一部は、加工対象物３２と第１及び第２の凹
面鏡１５及び１７との間を往復する。
射し、加工対象物３２の表面に再入射した光も、その多
くが加工対象物３２の表面で反射する。そのうち、第１
及び第２の凹面鏡１５及び１７に入射する反射光は、そ
の反射面で反射し、再度、加工対象物３２の表面に入射
する。光の一部は、加工対象物３２と第１及び第２の凹
面鏡１５及び１７との間を往復する。
【００２７】上述のように、加工対象物３２に光線束が
繰り返し入射すると、従来、加工に寄与していなかった
光が加工に寄与することになり、従来よりも高いエネル
ギ利用効率を実現できる。例えば、加工対象物３２に入
射するレーザ光のうち１０％が加工に寄与し、残り９０
％が反射され、加工対象物３２で反射したレーザ光のう
ちの１／３が、第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７
で反射して加工対象物へ再入射すると仮定する。第１の
凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７で２度反射した光まで
が加工に寄与すると仮定すると、従来に比べ１．４倍以
上のエネルギ利用効率を実現できる。
繰り返し入射すると、従来、加工に寄与していなかった
光が加工に寄与することになり、従来よりも高いエネル
ギ利用効率を実現できる。例えば、加工対象物３２に入
射するレーザ光のうち１０％が加工に寄与し、残り９０
％が反射され、加工対象物３２で反射したレーザ光のう
ちの１／３が、第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７
で反射して加工対象物へ再入射すると仮定する。第１の
凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７で２度反射した光まで
が加工に寄与すると仮定すると、従来に比べ１．４倍以
上のエネルギ利用効率を実現できる。
【００２８】例えば、レーザパワー２０００Ｗでイニシ
ャルレーザ照射（集光レンズ２４からの照射）を行なう
ものとすると、そのうち加工に寄与するのは２００Ｗで
ある。残りの１８００Ｗは、加工対象物の表面で反射す
る。反射光のうちの１／３（即ち、６００Ｗ）が凹面鏡
１５及び１７で反射し、加工対象物３２に再入射する。
凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レーザ光（第１次
反射光）の１０％にあたる６０Ｗが加工に寄与する。
ャルレーザ照射（集光レンズ２４からの照射）を行なう
ものとすると、そのうち加工に寄与するのは２００Ｗで
ある。残りの１８００Ｗは、加工対象物の表面で反射す
る。反射光のうちの１／３（即ち、６００Ｗ）が凹面鏡
１５及び１７で反射し、加工対象物３２に再入射する。
凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レーザ光（第１次
反射光）の１０％にあたる６０Ｗが加工に寄与する。
【００２９】凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レー
ザ光（６００Ｗ）のうちの９０％（５４０Ｗ）が、再度
加工対象物の表面で反射する。その１／３（５４０／３
＝１８０Ｗ）が、再び凹面鏡１５及び１７で反射し、加
工対象物３２に再入射する。加工対象物３２に入射する
１８０Ｗの第２次反射光のうち１０％、即ち１８Ｗが加
工に寄与する。このように、２０００Ｗの加工用レーザ
光を照射すると２００Ｗ＋６０Ｗ＋１８Ｗ＝２７８Ｗ
が、加工に寄与することとなり、凹面鏡１５及び１７を
取り付けない場合に比べて約１．４倍のエネルギ利用効
率を実現できる。
ザ光（６００Ｗ）のうちの９０％（５４０Ｗ）が、再度
加工対象物の表面で反射する。その１／３（５４０／３
＝１８０Ｗ）が、再び凹面鏡１５及び１７で反射し、加
工対象物３２に再入射する。加工対象物３２に入射する
１８０Ｗの第２次反射光のうち１０％、即ち１８Ｗが加
工に寄与する。このように、２０００Ｗの加工用レーザ
光を照射すると２００Ｗ＋６０Ｗ＋１８Ｗ＝２７８Ｗ
が、加工に寄与することとなり、凹面鏡１５及び１７を
取り付けない場合に比べて約１．４倍のエネルギ利用効
率を実現できる。
【００３０】従来、加工に寄与するパワーを２７８Ｗと
するためには、出力３ｋＷクラスのレーザ発振器が必要
であった。本実例によるレーザ出射光学部を用いること
により、２ｋＷクラスのレーザ発振器で上記パワーを実
現することができる。
するためには、出力３ｋＷクラスのレーザ発振器が必要
であった。本実例によるレーザ出射光学部を用いること
により、２ｋＷクラスのレーザ発振器で上記パワーを実
現することができる。
【００３１】第１の凹面鏡１５の反射面を半球に近付け
るほど（反射面を広くするほど）、加工対象物へ向けて
反射するレーザ光の割合は多くなる。しかしながら、第
１の凹面鏡１５の縁部に近い位置（加工対象物の近く）
で反射した光は、加工対象物３２へ大きな入射角で入射
する。大きな入射角で入射する光は、加工品質に悪影響
を与える。また、反射面を大きくすると、加工装置全体
が大きくなってしまう。そこで、第１の凹面鏡１５は、
その縁部で反射されたレーザ光の加工対象物への入射角
が約２５度以下となるような形状及び大きさとすること
が望ましい。
るほど（反射面を広くするほど）、加工対象物へ向けて
反射するレーザ光の割合は多くなる。しかしながら、第
１の凹面鏡１５の縁部に近い位置（加工対象物の近く）
で反射した光は、加工対象物３２へ大きな入射角で入射
する。大きな入射角で入射する光は、加工品質に悪影響
を与える。また、反射面を大きくすると、加工装置全体
が大きくなってしまう。そこで、第１の凹面鏡１５は、
その縁部で反射されたレーザ光の加工対象物への入射角
が約２５度以下となるような形状及び大きさとすること
が望ましい。
【００３２】次に、図５を参照して、本発明の第２の実
施例によるレーザ加工装置ついて説明する。
施例によるレーザ加工装置ついて説明する。
【００３３】図５に示した光ファイバ１１、コリメート
レンズ１２、第１の円錐プリズム１３、第２の円錐プリ
ズム１４は、図１に示した対応する部分と同様の構成で
ある。第２の円錐プリズム１４を透過した環状断面を有
する加工用レーザビームが、折返しミラー２１及び２２
で反射し、円環状の透過領域を有する集光レンズ１６に
入射する。折返しミラー２２は、加工用レーザビームを
全反射させ、可視光を透過させる。
レンズ１２、第１の円錐プリズム１３、第２の円錐プリ
ズム１４は、図１に示した対応する部分と同様の構成で
ある。第２の円錐プリズム１４を透過した環状断面を有
する加工用レーザビームが、折返しミラー２１及び２２
で反射し、円環状の透過領域を有する集光レンズ１６に
入射する。折返しミラー２２は、加工用レーザビームを
全反射させ、可視光を透過させる。
【００３４】集光レンズ１６により収束されたレーザビ
ームが、テーブル３１の上に保持された加工対象物３２
の表面に入射する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象
物３２の表面上に位置するように、集光レンズ１６及び
加工対象物３２の位置が調節されている。
ームが、テーブル３１の上に保持された加工対象物３２
の表面に入射する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象
物３２の表面上に位置するように、集光レンズ１６及び
加工対象物３２の位置が調節されている。
【００３５】集光レンズ１６の外側に第１の凹面鏡１５
が配置され、内側に第２の凹面鏡１７が配置されてい
る。集光レンズ１６、第１の凹面鏡１５、及び第２の凹
面鏡１７は、図２に示した実施例の対応する構成部分と
同様の構成を有する。
が配置され、内側に第２の凹面鏡１７が配置されてい
る。集光レンズ１６、第１の凹面鏡１５、及び第２の凹
面鏡１７は、図２に示した実施例の対応する構成部分と
同様の構成を有する。
【００３６】照明用光源３５が、加工対象物３２の表面
を照明する。図５では、外部照明方法が採用されている
場合を示しているが、同軸照明方法を採用してもよい。
加工対象物３２の表面で散乱した照明光が、集光レンズ
１６でコリメートされ、折返しミラー２２を透過する。
折返しミラー２２を透過した光は、結像レンズ２３に入
射する。結像レンズ２３は、加工対象物３２の表面を、
撮像装置２４の撮像面上に結像させる。撮像装置２４
は、例えばＣＣＤカメラ等で構成される。撮像装置２４
により、加工対象物３２の表面の加工状態を観測するこ
とができる。
を照明する。図５では、外部照明方法が採用されている
場合を示しているが、同軸照明方法を採用してもよい。
加工対象物３２の表面で散乱した照明光が、集光レンズ
１６でコリメートされ、折返しミラー２２を透過する。
折返しミラー２２を透過した光は、結像レンズ２３に入
射する。結像レンズ２３は、加工対象物３２の表面を、
撮像装置２４の撮像面上に結像させる。撮像装置２４
は、例えばＣＣＤカメラ等で構成される。撮像装置２４
により、加工対象物３２の表面の加工状態を観測するこ
とができる。
【００３７】集光レンズ１６の円環状の透過領域の内径
は１５ｍｍ、外径は６５ｍｍ、焦点距離は１００ｍｍで
ある。結像レンズ２３の外径は５０ｍｍ、有効口径は４
７ｍｍ、焦点距離は１２０ｍｍである。集光レンズ１６
と結像レンズ２３とを含むレンズ系の光学倍率は１．２
倍になる。
は１５ｍｍ、外径は６５ｍｍ、焦点距離は１００ｍｍで
ある。結像レンズ２３の外径は５０ｍｍ、有効口径は４
７ｍｍ、焦点距離は１２０ｍｍである。集光レンズ１６
と結像レンズ２３とを含むレンズ系の光学倍率は１．２
倍になる。
【００３８】上記構成を採用した場合、十分な解像度で
加工対象物３２の表面を観察することができた。集光レ
ンズ１６の透過領域の内径を大きくすると、解像度が低
下する。透過領域の内径を１８ｍｍ及び２０ｍｍとする
と、内径が１５ｍｍの時に比べて解像度は低下したが、
加工状態を観察するには十分な解像度であった。透過領
域の内径を２５ｍｍとすると、さらに解像度が低下し、
観察に必要な解像度が得られなかった。
加工対象物３２の表面を観察することができた。集光レ
ンズ１６の透過領域の内径を大きくすると、解像度が低
下する。透過領域の内径を１８ｍｍ及び２０ｍｍとする
と、内径が１５ｍｍの時に比べて解像度は低下したが、
加工状態を観察するには十分な解像度であった。透過領
域の内径を２５ｍｍとすると、さらに解像度が低下し、
観察に必要な解像度が得られなかった。
【００３９】撮像装置２４の撮像面上に映し出される像
の解像度は、集光レンズ１６の透過領域の外径、内径、
及び結像レンズ２３の有効口径に依存すると考えられ
る。十分な解像度を得るためには、集光レンズ１６の透
過領域の外径と結像レンズ２３の有効口径とのうち小さ
な方を、集光レンズ１６の透過領域の内径の２．３倍以
上とすることが好ましい。
の解像度は、集光レンズ１６の透過領域の外径、内径、
及び結像レンズ２３の有効口径に依存すると考えられ
る。十分な解像度を得るためには、集光レンズ１６の透
過領域の外径と結像レンズ２３の有効口径とのうち小さ
な方を、集光レンズ１６の透過領域の内径の２．３倍以
上とすることが好ましい。
【００４０】次に、図６を参照して、本発明の第３の実
施例によるレーザ加工装置について説明する。
施例によるレーザ加工装置について説明する。
【００４１】図６は、第３の実施例によるレーザ加工装
置の概略図を示す。第２の実施例では、環状の透過領域
を有する集光レンズ１６が用いられていたが、第３の実
施例では、集光レンズ１６の代わりに、全面が透過領域
とされた集光レンズ１６Ａが用いられる。また、第３の
実施例では、第２の凹面鏡１７の代わりに、反射鏡１７
Ａが配置される。その他の構成は、第２の実施例による
レーザ加工装置の構成と同様である。
置の概略図を示す。第２の実施例では、環状の透過領域
を有する集光レンズ１６が用いられていたが、第３の実
施例では、集光レンズ１６の代わりに、全面が透過領域
とされた集光レンズ１６Ａが用いられる。また、第３の
実施例では、第２の凹面鏡１７の代わりに、反射鏡１７
Ａが配置される。その他の構成は、第２の実施例による
レーザ加工装置の構成と同様である。
【００４２】反射鏡１７Ａは、折返しミラー２１と２２
との間を伝搬するレーザビームの断面の中空部内に配置
されている。加工対象物３２の被加工点で反射したレー
ザビームが、集光レンズ１６Ａで平行光線束とされ、折
返しミラー２２で反射し、反射鏡１７Ａに入射する。反
射鏡１７Ａは、被加工点からの反射光を、加工対象物３
２に向けて反射させる。反射鏡１７Ａで反射した光線束
は、折返しミラー２２で反射し、集光レンズ１６Ａで収
束されて加工対象物３２に再入射する。
との間を伝搬するレーザビームの断面の中空部内に配置
されている。加工対象物３２の被加工点で反射したレー
ザビームが、集光レンズ１６Ａで平行光線束とされ、折
返しミラー２２で反射し、反射鏡１７Ａに入射する。反
射鏡１７Ａは、被加工点からの反射光を、加工対象物３
２に向けて反射させる。反射鏡１７Ａで反射した光線束
は、折返しミラー２２で反射し、集光レンズ１６Ａで収
束されて加工対象物３２に再入射する。
【００４３】第３の実施例の場合には、加工対象物３２
の表面で散乱した照明光が、集光レンズ１６Ａ及び結像
レンズ２３を通って、撮像装置２４に入射する。集光レ
ンズ１６Ａの実効的な口径が、第２の実施例で用いられ
ていた集光レンズ１６の実効的な口径よりも大きいた
め、撮像装置２４に映し出される像の解像度をより高め
ることができる。
の表面で散乱した照明光が、集光レンズ１６Ａ及び結像
レンズ２３を通って、撮像装置２４に入射する。集光レ
ンズ１６Ａの実効的な口径が、第２の実施例で用いられ
ていた集光レンズ１６の実効的な口径よりも大きいた
め、撮像装置２４に映し出される像の解像度をより高め
ることができる。
【００４４】図６では、反射鏡１７Ａを、折返しミラー
２１と２２との間に配置したが、レーザビームの断面が
環状にされており、加工対象物３２から撮像装置２４に
至る照明光の経路から分岐した部分であれば、どの位置
に配置してもよい。
２１と２２との間に配置したが、レーザビームの断面が
環状にされており、加工対象物３２から撮像装置２４に
至る照明光の経路から分岐した部分であれば、どの位置
に配置してもよい。
【００４５】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。
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。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
加工対象物の表面で反射した光を、加工対象物表面に再
入射させることにより、レーザビームのエネルギ利用効
率を高めることができる。
加工対象物の表面で反射した光を、加工対象物表面に再
入射させることにより、レーザビームのエネルギ利用効
率を高めることができる。
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の
概略図である。
概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例の変形例によるレーザ加
工装置の概略図である。
工装置の概略図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、
加工対象物へのレーザ光の入射方向と反射光の分布密度
との関係を示すグラフである。
加工対象物へのレーザ光の入射方向と反射光の分布密度
との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施例によるレーザ加工装置の第１及び
第２の凹面鏡における反射を説明するための図である。
第２の凹面鏡における反射を説明するための図である。
【図５】第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図で
ある。
ある。
【図６】第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図で
ある。
ある。
１０ レーザ発振器 １１ 光ファイバ １２ コリメートレンズ １３ 第１の円錐プリズム １４ 第２の円錐プリズム １５ 第１の凹面鏡 １５Ａ 貫通孔 １６、１６Ａ 集光レンズ １７ 第２の凹面鏡 １７Ａ 反射鏡 ２１、２２ 折返しミラー ２３ 結像レンズ ２４ 撮像装置 ３１ ステージ ３２ 加工対象物 ３５ 照明装置
Claims (10)
- 【請求項１】 中心に中空部が配された環状のビーム断
面を有する加工用レーザビームを生成するレーザビーム
源と、 前記レーザビーム源で生成された加工用レーザビームを
収束させ、加工対象物の表面上に入射させる集光レンズ
と、 前記加工用レーザビームのビーム断面の前記中空部に配
置され、該加工用レーザビームのうち前記加工対象物の
表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反
射させる第１の反射鏡とを有するレーザ加工装置。 - 【請求項２】 前記レーザビーム源が、レーザビームを
出射するレーザ発振器と、 前記レーザ発振器から出射したレーザビームをコリメー
トするコリメートレンズと、 前記コリメートレンズでコリメートされた平行光線束の
ビーム断面形状を、環状に変換するビーム形状変換装置
とを含む請求項１に記載のレーザ加工装置。 - 【請求項３】 さらに、前記加工用レーザビームが伝搬
する経路の外側に配置され、前記加工用レーザビームの
うち前記加工対象物の表面で反射した光を、前記加工対
象物の表面に向けて反射させる第２の反射鏡を有する請
求項１または２に記載のレーザ加工装置。 - 【請求項４】 さらに、撮像装置と、 前記加工対象物の表面で散乱し、前記集光レンズを透過
した光を収束させ、前記撮像装置の撮像面上に、前記加
工対象物の表面を結像させる結像レンズとを有する請求
項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。 - 【請求項５】 前記集光レンズが、前記加工用レーザビ
ームを透過させる環状の透過領域を有し、前記第１の反
射鏡が、前記集光レンズの環状の透過領域の内側に配置
されている請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工
装置。 - 【請求項６】 前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とが凹
面鏡であり、両者の曲率中心が一致する請求項５に記載
のレーザ加工装置。 - 【請求項７】 前記集光レンズの透過領域が円環状であ
り、該透過領域の外径と前記結像レンズの有効口径との
小さな方が、前記透過領域の内径の２．３倍以上である
請求項５または６に記載のレーザ加工装置。 - 【請求項８】 さらに、前記加工対象物の表面で散乱
し、前記撮像装置に達するまでの散乱光の経路と、前記
加工用レーザビームの経路とを分岐させる分岐光学素子
を有し、 前記第1の反射鏡が、前記加工用レーザビームの経路の
うち前記散乱光の経路と重複しない部分に配置されてい
る請求項４に記載のレーザ加工装置。 - 【請求項９】 ビーム断面が環状のレーザビームを収束
させ、加工対象物の表面上に集光させる工程と、 前記加工対象物の表面で反射した光のうち、該加工対象
物に入射するレーザビームの中空部を逆向きに伝搬する
光を反射させ、該加工対象物の表面に向かって反射させ
る工程とを有するレーザ加工方法。 - 【請求項１０】 前記レーザビームを、前記加工対象物
の表面上に集光させる工程において、該レーザビームを
該加工対象物の表面に対して斜めに入射させる請求項９
に記載のレーザ加工方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001046961A JP4589546B2 (ja) | 2000-05-31 | 2001-02-22 | レーザ加工装置及び加工方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000161563 | 2000-05-31 | ||
| JP2000-161563 | 2000-05-31 | ||
| JP2001046961A JP4589546B2 (ja) | 2000-05-31 | 2001-02-22 | レーザ加工装置及び加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002059284A true JP2002059284A (ja) | 2002-02-26 |
| JP4589546B2 JP4589546B2 (ja) | 2010-12-01 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001046961A Expired - Fee Related JP4589546B2 (ja) | 2000-05-31 | 2001-02-22 | レーザ加工装置及び加工方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4589546B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102570262A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 空心环形光束输出的固体激光器及其使用方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109510056B (zh) * | 2019-01-24 | 2019-10-01 | 云南大学 | 一种同时输出的双波长空心激光器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62198262U (ja) * | 1986-06-10 | 1987-12-17 | ||
| JPH0259192A (ja) * | 1988-08-25 | 1990-02-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 大出力レーザ装置 |
| JP2000061671A (ja) * | 1998-08-19 | 2000-02-29 | Kubota Corp | レーザ加工方法及び装置 |
| JP2000218386A (ja) * | 1999-01-27 | 2000-08-08 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザ加工装置におけるレーザ出射装置 |
-
2001
- 2001-02-22 JP JP2001046961A patent/JP4589546B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62198262U (ja) * | 1986-06-10 | 1987-12-17 | ||
| JPH0259192A (ja) * | 1988-08-25 | 1990-02-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 大出力レーザ装置 |
| JP2000061671A (ja) * | 1998-08-19 | 2000-02-29 | Kubota Corp | レーザ加工方法及び装置 |
| JP2000218386A (ja) * | 1999-01-27 | 2000-08-08 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザ加工装置におけるレーザ出射装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102570262A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 空心环形光束输出的固体激光器及其使用方法 |
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|---|---|
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