JP2002059285A - レーザ出射光学部、レーザ加工装置及び加工方法 - Google Patents

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出射光学部を提供
する。 【解決手段】 レーザ発振器１０が、レーザビームを出
射する。集光レンズ２４が、レーザ発振器１０から出射
したレーザビームを、加工対象物３２の表面上の被加工
点に集光させる。凹面鏡２５が、加工対象物３２の表面
からの反射光を、加工対象物３２の表面に向かって反射
させる。反射鏡固定機構が、反射鏡を、集光レンズ２４
の光軸に平行な方向に、集光レンズ２４に対して相対的
に移動させ、ある位置で集光レンズ２４に対する相対位
置を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ出射光学
部、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出射光学部、それを用いたレー
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。

【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。

【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
ザ出射光学部を提供することである。

【０００５】本発明の他の目的は、加工対象物からの反
射光を再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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ
光源から出射したレーザビームを、加工対象物の表面上
の被加工点に集光させる集光光学系と、前記加工対象物
の表面からの反射光を、該加工対象物の表面に向かって
反射させる反射鏡と、前記反射鏡を、前記集光光学系の
光軸に平行な方向に、該集光光学系に対して相対的に移
動させ、ある位置で該集光光学系に対する相対位置を固
定することができる反射鏡固定機構とを有するレーザ出
射光学部が提供される。

【０００７】加工対象物の表面で反射したレーザビーム
が、反射鏡で反射して加工対象物の表面に再入射する。
これにより、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。反射鏡を移動させることにより、加工対
象物の表面に再入射する光と加工対象物との位置関係を
調節することができる。

【０００８】本発明の他の観点によると、レーザビーム
を出射するレーザ光源と、保持面上に加工対象物を保持
するステージと、前記ステージの保持面に対して傾いた
光軸を有し、前記レーザ光源から出射したレーザビーム
を、前記ステージに保持されている加工対象物の表面上
の被加工点に集光させる集光光学系と、前記加工対象物
の表面からの反射光を、該加工対象物の表面に向かって
反射させる反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供され
る。

【０００９】加工対象物の表面がステージの保持面に平
行になるように、加工対象物がステージ上に載置され
る。加工対象物の表面に、斜めにレーザビームが入射す
ると、入射ビームの光軸方向に反射する成分が少なくな
る。反射光量の多い位置に反射鏡を配置すると、エネル
ギの利用効率を高めることができる。

【００１０】本発明の他の観点によると、レーザビーム
を集光光学系により加工対象物の表面上の被加工点に集
光させる工程と、前記被加工点からの反射光を反射さ
せ、前記被加工点に再入射させる反射光学系であって、
再入射する光の照射領域が、前記集光光学系により集光
されたレーザビームの照射領域を内包するように構成さ
れた前記反射光学系により、前記被加工点からの反射光
を反射させて該被加工点に再入射させる工程とを有する
レーザ加工方法が提供される。

【００１１】最初に加工対象物に入射するレーザビーム
により、被照射点が加工される。加工対象物に再入射す
るビームにより、被加工点周辺に付着したデブリ等を除
去することができる。

【００１２】本発明の他の観点によると、レーザビーム
を集光光学系により加工対象物の表面上の被加工点に集
光させる工程と、前記被加工点からの反射光を反射さ
せ、前記被加工点に再入射させる反射光学系であって、
再入射する光が、少なくとも、前記集光光学系により集
光されたレーザビームの照射領域から第１の方向にずれ
た位置に入射するように構成された前記反射光学系によ
り、前記被加工点からの反射光を反射させて被加工点に
再入射させる工程と、前記レーザビームを照射しなが
ら、前記加工対象物を、前記第１の方向もしくは該第１
の方向とは反対の方向に移動させる工程とを有するレー
ザ加工方法が提供される。

【００１３】加工対象物に再入射するビームにより、被
加工点の予熱もしくは徐冷を行うことができる。これに
より、加工品質を高めることが可能になる。

【００１４】

【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断面図を示す。加工用光ファイ
バ連結部１２に加工用光ファイバ１１が接続されてい
る。加工用光ファイバ１１は、レーザ発振器１０から出
射したレーザ光を伝播させ、加工用光ファイバ連結部１
２内に導入する。加工用光ファイバ１１の先端から出射
したレーザ光が、加工用光ファイバ連結部１２内に設け
られた加工用コリメーションレンズ１３に入射する。加
工用コリメーションレンズ１３は、入射するレーザ光を
平行光線束に変換する。

【００１５】加工用光ファイバ連結部１２は、メインボ
ディ２１に固定されている。メインボディ２１には、さ
らに、照明用光ファイバ連結部１５及びカメラ固定部１
８が取付けられている。照明用光ファイバ連結部１５
に、照明用光ファイバ１４が接続されている。照明用光
ファイバ１４は、照明用光源３０から出射した照明光を
伝搬させる。照明用光ファイバ１４の端面から出射した
照明光が、照明用光ファイバ連結部１５内に設けられた
照明用コリメーションレンズ１６に入射する。照明用コ
リメーションレンズ１６は、入射する照明光を平行光線
束に変換する。

【００１６】カメラ固定部１８に、ＣＣＤカメラ等の撮
像装置１７が固定されている。カメラ固定部１８内に、
カメラ用結像レンズ１９と、加工用レーザ光の透過を阻
止するためのフィルタ２０が配置されている。

【００１７】メインボディ２１内に、全反射ミラー２
２、ハーフミラー２３が収容されている。全反射ミラー
２２は、加工用コリメーションレンズ１３を透過したレ
ーザ光を所定方向（図の下方）へ反射させる。ハーフミ
ラー２３は、照明光の一部を所定方向（図の下方）へ反
射させる。全反射ミラー２２及びハーフミラー２３でそ
れぞれ反射したレーザ光及び照明光が、メインボディ２
１に固定された集光レンズ２４に入射する。

【００１８】メインボディ２１の先端（図１の下端）
に、凹面鏡２５が取り付けられている。凹面鏡２５は、
集光レンズ２４を透過したレーザ光及び照明光を透過さ
せる貫通孔２５Ａを備えている。

【００１９】集光レンズ２４で収束され、凹面鏡２５の
貫通孔２５Ａを透過したレーザ光及び照明光が、ステー
ジ３１の保持面上に保持された加工対象物３２の表面の
被加工点に入射する。

【００２０】次に、こ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、加工用光
ファイバ１１を伝播してきた加工用レーザ光が、加工用
光ファイバ１１の先端より出射されて加工用コリメーシ
ョンレンズ１３に入射する。加工用コリメーションレン
ズ１３は、所定の広がり角を持って進行する加工用レー
ザ光を平行光線束に変換し、全反射ミラー２２に入射さ
せる。

【００２１】全反射ミラー２２には、加工用レーザ光を
全反射するように反射コーティングが施されている。全
反射ミラー２２は、加工用コリメーションレンズ１３を
透過した平行光線束を全反射させ、集光レンズ２４に入
射させる。なお、全反射ミラー２２は、照明光に対して
は、透明である。

【００２２】集光レンズ２４は、加工用レーザ光を収束
させる。収束された加工用レーザ光は、集光レンズ２４
の焦点位置に配置された加工対象物３２の表面に到達す
る。

【００２３】照明用光ファイバ１４の先端から出射した
照明光が、照明用コリメーションレンズ１６に入射す
る。照明用コリメーションレンズ１６でコリメートされ
た平行光線束が、ハーフミラー２３に入射する。ハーフ
ミラー２３には、照明光を、例えば、５０％反射させ、
残りを透過させる反射コーティングが施されている。ハ
ーフミラー２３は、照明用コリメーションレンズ１６で
コリメートされた平行光線束の一部を、集光レンズ２４
に向けて反射させる。ハーフミラー２３を透過した照明
光は、例えば、メインボディ２１の内壁に取り付けられ
た吸収材等により吸収される。

【００２４】ハーフミラー２３で反射した照明光は、集
光レンズ２４に向かって伝搬し、全反射ミラー２２に入
射する。全反射ミラー２２の、照明光が入射する面に
は、無反射コーティングが施されている。また、全反射
ミラー２２は照明光に対して透明なので、全反射ミラー
２２に入射した照明光は、そのまま集光レンズ２４に向
かって伝搬する。

【００２５】集光レンズ２４は、入射する照明光を、加
工用レーザ光と同様に収束させる。収束された照明光
は、集光レンズ２４の焦点位置に配置された加工対象物
３２の表面に到達する。

【００２６】上述のように、第１の実施例によるレーザ
出射光学部は、加工対象物の表面に、加工用レーザ光及
び照明光を照射する。加工対象物が金属等の場合には、
その表面に入射した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。

【００２７】加工対象物で乱反射した光の一部は、凹面
鏡２５の鏡面に入射する。凹面鏡２５は、例えば銅又は
真鍮等の金属で形成され、その反射面（凹面）に金めっ
きが施されている。凹面鏡２５を、銅又は真鍮等の金
属、あるいはセラミックスで形成し、その反射面に鏡面
研磨を施してもよい。また、この凹面鏡２５は、その反
射面の曲率中心が、集光レンズ２４の焦点と一致するよ
うに配置されている。その結果、加工対象物３２の被加
工点で反射し、凹面鏡２５の反射面に入射した光は、集
光レンズ２４の焦点に位置する加工対象物の被加工点に
戻る。加工対象物３２の表面での乱反射、及び凹面鏡２
５での反射を繰り返すことにより、光の一部は、加工対
象物と凹面鏡２５との間を往復する。

【００２８】加工対象物に照射される照明光の一部は、
加工対象物の表面で反射し、集光レンズ２４、全反射ミ
ラー２２、ハーフミラー２３、フィルタ２０、及びカメ
ラ用結像レンズ１９を通って、撮像装置１７に入射す
る。撮像装置１７に入射する照明光には、凹面鏡２５で
反射し、加工対象物３２に再入射する照明光の一部も含
まれている。このため、凹面鏡２５が取り付けられてい
ない場合に比べて、より明るい画像を得ることができ
る。或いは、光度が低く、消費電力の少ない光源を用い
て、凹面鏡２５が取り付けられていない場合と同等の明
るさの画像を得ることができる。

【００２９】加工対象物３２の表面で反射した加工用レ
ーザ光の一部は、集光レンズ２４、全反射ミラー２２、
及びハーフミラー２３を透過し、フィルタ２０で吸収さ
れる。全反射ミラー２２の反射率は、通常９９．５％程
度であるため、約０．５％のレーザ光が透過し、ハレー
ションの原因になりうる。フィルタ２０を挿入すること
により、ハレーションを防止することができる。また、
集光レンズ２４を透過し、全反射ミラー２２で反射し、
加工用光ファイバ１１へ向かって伝搬する光は、加工用
光ファイバ１１に施された反射光対策により、光ファイ
バ内へ入射しない。

【００３０】上述のようにして加工対象物３２に加工用
レーザ光が繰り返し照射されると、従来、加工に寄与し
ていなかったレーザ光が加工に寄与することになる。こ
のため、レーザ光のエネルギ利用効率を高めることがで
きる。例えば、加工対象物に照射されたレーザ光のうち
１０％が加工に寄与し、残り９０％が反射し、加工対象
物の表面で反射したレーザ光のうちの１／３が、凹面鏡
２５で反射して加工対象物３２に再入射すると仮定す
る。凹面鏡２５で２度反射したレーザ光までが加工に寄
与すると仮定すると、凹面鏡２５が取り付けられていな
い場合に比べ、約１．４倍以上のエネルギ利用効率を実
現できる。

【００３１】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
２５で反射し、加工対象物３２に再入射する。凹面鏡２
５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。

【００３２】凹面鏡２５で反射した加工用レーザ光（６
００Ｗ）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＝１８０
Ｗ）が、再び凹面鏡２５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２
００Ｗ＋６０Ｗ＋１８Ｗ＝２７８Ｗが、加工に寄与する
こととなり、凹面鏡２５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。

【００３３】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。レーザ発振器の値段が、出力１ｋ
Ｗ当たり１０００万円であるとすると、第１の実施例に
よるレーザ出射光学部の製造コストを３６０万円として
も、（３０００万−２０００万）−３６０万＝６４０万
円のコスト削減を図ることが可能である。

【００３４】凹面鏡２５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、凹面鏡２
５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。従
って、第１の実施例のように、凹面鏡２５の反射面の深
さが曲率半径の半分程度となるようにすることが望まし
い。例えば、曲率半径が６０ｍｍ程度であれば、反射面
の深さは３０ｍｍ程度が望ましい。この場合、凹面鏡２
５で反射したレーザ光が加工対象物３２に再入射すると
きの入射角は、高々６０°である。

【００３５】上記の説明では、加工対象物３２の表面に
おける反射は乱反射であるとしたが、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。反射が
正反射（鏡面反射）であると想定した場合の、反射の法
則に従う方向に反射する光が、それ以外の方向に反射す
る光よりも強い。このことは、以下に説明するように、
図２に示す実験結果からも容易に理解できる。

【００３６】図２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。さらに、あるいはそれに代えて、加工対象物への入
射角に傾きを設けることが有効である。

【００３７】例えば、図３（ａ）に示すように、加工対
象物の表面の法線を集光レンズ２４の光軸から８°傾け
た場合には、正反射した場合の戻り光のうち、１／２弱
の部分３１が、凹面鏡２５に入射する。また、図３
（ｂ）に示すように、加工対象物の表面の法線を集光レ
ンズ２４の光軸から１６°傾けた場合には、正反射した
場合の戻り光のうち、３／４程度の部分３２が、凹面鏡
２５に入射する。これらの場合、レーザ光が垂直入射す
る場合に比べて、凹面鏡２５に入射するレーザ光が増え
ることになるので、より加工に貢献する光の割合を増加
させることができる。

【００３８】実際に、入射角を０°以外にして加工対象
物にレーザ光を照射した場合の試験結果を以下に示す。

【００３９】［試験１］ ・加工対象物：Ａｌ１１００（アルミ板） ・光学条件：コア径１０００μｍの光ファイバの先端に
従来のレーザ出射光学部又は第１の実施例によるレーザ
出射光学部を取り付け、加工スポット径が７５０μｍ
（光学設計値）となるように構成 ・レーザ発振条件：パルス幅＝１．５ｍｓ、パルスエネ
ルギ＝４．５Ｊ／パルス、周波数＝５０Ｈｚ、平均出力
＝２２５Ｗ ・加工状態：レーザ出射光学部から鉛直方向（下向き）
にレーザ光を出射させ、その表面が水平方向から８°傾
くようにセットされたＡｌ板に照射 （試験結果）従来のレーザ出射光学部を使用した場合、
１ショット時のスポット径が５８３μｍ（図４（ａ）参
照）であり、シームビード幅が５８９．６μｍ（図５
（ａ）参照）であった。第１の実施例によるレーザ出射
光学部を使用した場合、１ショット時のスポット径が６
９３μｍ（図４（ｂ）参照）であり、シームビード幅が
８２６．６μｍ（図５（ｂ）参照）であった。 （結論）１ショット・スポット径及びシームビード幅の
いずれについても、従来のレーザ出射光学部を使用した
場合よりも、第１の実施例によるレーザ出射光学部を使
用した場合の方が、レーザ溶融部分が大きく（広く）な
っており、レーザエネルギが効率的に使用されている。

【００４０】［試験２］ ・加工対象物：ＳＵＳ３０４（ステンレス板） ・光学条件：試験１と同じ ・レーザ発振条件：パルス幅＝２．０ｍｓ、パルスエネ
ルギ＝５．０Ｊ／パルス、周波数＝５０Ｈｚ、平均出力
＝２５０Ｗ ・加工状態：レーザ出射光学部から鉛直方向（下向き）
にレーザ光を出射させ、その表面が水平方向から８°傾
くようにセットされたＳＵＳ板に照射、集光レンズ２４
の焦点を、加工対象物表面から−０．４ｍｍ、−０．２
ｍｍ、±０ｍｍ、＋０．２ｍｍ、及び＋０．４ｍｍだけ
ずらせた場合について各々測定 （試験結果）従来のレーザ出射光学部を使用し、シーム
溶接を行なった場合の溶け込み深さは、焦点ずれが、−
０．４ｍｍ、−０．２ｍｍ、±０ｍｍ、＋０．２ｍｍ、
及び＋０．４ｍｍの時に、それぞれ、３２３μｍ、３３
４μｍ、３４４μｍ、３２２μｍ、及び３２９μｍであ
った。焦点ずれが±０ｍｍの場合のシームビード幅は９
７１μｍ（図６（ａ）参照）であった。第１の実施例に
よるレーザ出射光学部を使用し、シーム溶接を行なった
場合の溶け込み深さは、焦点ずれが、−０．４ｍｍ、−
０．２ｍｍ、±０ｍｍ、＋０．２ｍｍ、及び＋０．４ｍ
ｍの時に、それぞれ、３５３μｍ、３７３μｍ、３７２
μｍ、３５４μｍ、及び３５６μｍであった。焦点ずれ
が±０ｍｍの場合のシームビード幅は１０９８μｍ（図
６（ｂ）参照）であった。 （結論）第１の実施例よるレーザ出射光学部を使用した
ときの溶け込みの深さが、従来のレーザ出射光学部を使
用したときのそれに比べて、いずれの焦点ずれの場合に
おいても、約３０μｍほど深くなっている。また、シー
ムビード幅も、第１の実施例によるレーザ出射光学部を
使用したときの方が、従来のレーザ出射光学部を使用し
たときよりも広くなっている。以上のことから、第１の
実施例によるレーザ出射光学部を使用すると、従来のレ
ーザ出射光学部を使用した場合に比べて、レーザエネル
ギの利用効率が向上していることがわかる。

【００４１】次に、図７を参照して、第２の実施例につ
いて説明する。図１に示した第１の実施例では、凹面鏡
２５の、メインボディ２１への取付位置が固定されてい
た。第２の実施例では、凹面鏡２５のメインボディ２１
への取り付け位置が可変である。

【００４２】図７（Ａ）は、第２の実施例によるレーザ
出射光学部の凹面鏡２５及びその取り付け部分の断面図
を示す。その他の部分の構成は、図１に示した第１の実
施例によるレーザ出射光学部の構成と同様である。

【００４３】凹面鏡２５は、反射面を画定する反射部２
５Ｂと、メインボディ２１への取付部２５Ｃとを含んで
構成される。取付部２５Ｃは、円筒形状を有し、その内
周面が、メインボディ２１の先端の外周面に整合する。
取付部２５Ｃの内周面及びメインボディ２１の先端の外
周面は、共に集光レンズ２４の光軸を中心軸とする。取
付部２５Ｃをメインボディ２１の先端に嵌め込み、その
軸方向に移動させることにより、凹面鏡２５の反射面
を、集光レンズ２４の光軸方向に移動させることができ
る。

【００４４】取付部２５Ｃに、集光レンズ２４の光軸方
向に長い２つの長穴２５Ｄが設けられている。ボルト２
７が、長穴２５Ｄを貫通し、メインボディ２１に設けら
れているネジ穴に螺合する。ボルト２７を締め付けるこ
とにより、集光レンズ２４に対する凹面鏡２５の相対位
置を固定することができる。

【００４５】図７（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ
出射光学部の側面図を示す。メインボディ２１の先端の
外周面に、目盛２８が記されている。目盛２８を見なが
ら凹面鏡２５を移動させることにより、凹面鏡２５の位
置を容易に調節することができる。

【００４６】図７（Ａ）に戻って説明を続ける。集光レ
ンズ２４の焦点距離は１２０ｍｍであり、その焦点位置
に加工対象物３２の表面が配置される。凹面鏡２５の反
射面の曲率半径は６０ｍｍである。すなわち、凹面鏡２
５の焦点距離は１２０ｍｍであり、集光レンズ２４の焦
点距離と等しい。

【００４７】凹面鏡２５の曲率中心位置が集光レンズ２
４の焦点位置と一致するように、凹面鏡２５の高さを調
節すると、被加工点からの反射光が凹面鏡２５で反射
し、被加工点に再入射する。凹面鏡２５の焦点距離が集
光レンズ２４の焦点距離に等しい場合には、反射光の再
入射によるビームポットの大きさが、集光レンズ２４で
収束されたレーザビームのビームスポットの大きさとほ
ぼ等しくなる。これにより、レーザビームを照射すべき
部位に、より効率的にレーザビームを集光させることが
できる。

【００４８】第２の実施例では、凹面鏡２５及び集光レ
ンズ２４の製造上のばらつきによる焦点位置のずれを補
償することができる。

【００４９】凹面鏡２５の位置を調節しながら、加工対
象物にレーザビームを照射し、加工部分の形状を評価し
た。以下、評価試験３及び評価試験４について説明す
る。

【００５０】［試験３］ ・加工対象物：Ａｌ１１００（アルミニウム板） ・光学条件：コア径１０００μｍの光ファイバの先端
に、上記第２の実施例によるレーザ光照射部を取り付
け、加工スポット径が７５０μｍ（光学設計値）となる
ように構成 ・レーザ発振器条件：パルス幅＝１．５ｍｓ、パルスエ
ネルギ＝６．０Ｊ／パルス、パルスの繰り返し周波数＝
４０Ｈｚ、平均出力＝２４０Ｗ ・加工状態：加工対象物の表面を水平に配置し、レーザ
出射光学部から鉛直方向（下向き）にレーザ光を出射 ・加工対象物の送り速度：０．５ｍ／分 ［試験４］ ・加工対象物：ＳＵＳ３０４（ステンレス板） ・光学条件：試験３と同一 ・レーザ発振器条件：パルス幅＝２．０ｍｓ、パルスエ
ネルギ＝４．０Ｊ／パルス、パルスの繰り返し周波数＝
６４Ｈｚ、平均出力＝２５６Ｗ ・加工状態：試験３と同一 ・加工対象物の送り速度：０．８ｍ／分 図８及び図９に、それぞれ試験３及び試験４の結果を示
す。横軸は、加工対象物の表面から凹面鏡の開口面まで
の高さを単位「ｍｍ」で表す。なお、設計上では、高さ
が３０ｍｍの時に、凹面鏡の曲率中心が、集光レンズ２
４の焦点に一致する。また、横軸上の標準型は、凹面鏡
が取り付けられていない場合を表す。左縦軸は、加工部
の溶け込み量を単位「μｍ」で表し、右縦軸はビード幅
を単位「μｍ」で表す。

【００５１】凹面鏡の高さが３０．５ｍｍの時に、溶け
込み量及びビード幅が最大になっている。この時に、レ
ーザビームのエネルギ使用効率が最大であることがわか
る。設計上では、高さが３０ｍｍの時にエネルギ利用効
率が最大になると予測される。実験結果が、設計値から
予測される結果と異なるのは、凹面鏡や集光レンズの製
造上のばらつきによるものと考えられる。第２の実施例
では、製造上のばらつきがある場合でも、集光レンズに
対する凹面鏡の相対位置を移動させることにより、エネ
ルギ利用効率が最大になるように調節することができ
る。

【００５２】上記第２の実施例では、凹面鏡２５の曲率
中心と集光レンズ２４の焦点とが一致する場合を説明し
たが、両者を光軸方向にわずかにずらしてもよい。

【００５３】凹面鏡２５を、集光レンズ２４の光軸方向
にわずかに移動させると、加工対象物３２の表面に再入
射する反射光によるビームスポットが大きくなり、集光
レンズ２４により収束されたレーザビームのビームスポ
ットを内包するようになる。このような構成とすると、
加工対象物３２の表面に再入射する反射光により、加工
部位の周囲に付着したデブリ等を除去することが期待さ
れる。

【００５４】上記第２の実施例では、凹面鏡２５の支持
部２５Ｃの内周面が、メインボディ２１の先端の外周面
に整合していたが、凹面鏡２５の支持部２５Ｃの内周面
を大きくすると、反射面の向きを変化させることができ
る。凹面鏡２５の焦点が、集光レンズ２４の光軸から外
れるように、凹面鏡２５の反射面の向きを変えると、加
工対象物３２の表面に再入射する反射光によるビームス
ポットの位置が、最初のビームスポットの位置からずれ
る。

【００５５】図１０（Ａ）に、ビームスポットの位置関
係を示す。再入射する反射光により形成されるビームス
ポット４１が、最初のビームスポット４０からＸ軸の正
の向きにある距離だけずれた位置に形成される。加工対
象物をＸ軸の負の向きに移動させると、加工すべき点
が、まず再入射による反射光で照射され、その後、集光
レンズ２４で収束されたレーザビームで照射される。再
入射する反射光で照射される時に、加工すべき点が予熱
される。これにより、加工品質を高めることができる。

【００５６】また、加工対象物３２をＸ軸の正の向きに
移動させると、加工すべき点が、まず集光レンズ２４で
収束されたレーザビームで照射され、その後、再入射す
る反射光で照射される。このため、加工された点が急激
に冷却されることなく、徐冷される。これにより、加工
品質を高めることができる。

【００５７】図１０（Ｂ）に示すように、再入射する反
射光によるビームスポット４１が、Ｘ軸方向に延びた長
円状になるようにしてもよい。この場合、加工すべき点
の予冷、及び加工された点の徐冷を行うことができる。

【００５８】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。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集光レンズの焦点位置に置かれた加工対象物からの反射
光を、再び前記焦点位置に向かうよう反射させる反射鏡
を設けたことにより、レーザエネルギの利用効率を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ出射光学部
の構成図である。

【図２】図２（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。

【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、加工用レーザ光の入
射角と、その反射光との関係を説明するための図であ
る。

【図４】Ａｌ板に加工用レーザ光を１ショット照射した
後の状態を示す図であって、図４（ａ）は、従来のレー
ザ出射光学部を使用した場合、図４（ｂ）は、第１の実
施例によるレーザ出射光学部を使用した場合を示す。

【図５】Ａｌ板に加工用レーザ光を連続的に照射した後
の状態を示す図であって、図５（ａ）は、従来のレーザ
出射光学部を使用した場合、図５（ｂ）は、第１の実施
例によるレーザ出射光学部を使用した場合を示す。

【図６】ＳＵＳ板に加工用レーザ光を照射してシーム溶
接を行なった後の状態を示す図であって、図６（ａ）
は、従来のレーザ出射光学部を使用した場合、図６
（ｂ）は、本発明によるレーザ出射光学部を使用した場
合を示す。

【図７】第２の実施例によるレーザ出射光学部の凹面鏡
及びその取付け部分の断面図及び側面図である。

【図８】第２の実施例によるレーザ出射光学部も用いて
アルミニウム板を加工したときの溶け込み量とビード幅
とを、凹面鏡の高さの関数として示したグラフである。

【図９】第２の実施例によるレーザ出射光学部も用いて
ＳＵＳ板を加工したときの溶け込み量とビード幅とを、
凹面鏡の高さの関数として示したグラフである。

【図１０】第２の実施例によるレーザ出射光学部を用い
てレーザ加工する方法を説明するためのビームスポット
の位置関係を示す図である。

【符号の説明】

１０ 加工用レーザ発振器 １１ 加工用光ファイバ １２ 加工用光ファイバ連結部 １３ 加工用コリメーションレンズ １４ 照明用光ファイバ １５ 照明用光ファイバ連結部 １６ 照明用コリメーションレンズ １７ 撮像装置 １８ カメラ固定部 １９ カメラ用結像レンズ ２０ フィルタ ２１ メインボディ ２２ 全反射ミラー ２３ ハーフミラー ２４ 集光レンズ ２５ 凹面鏡 ３０ 照明光源 ３１ ステージ ３２ 加工対象物 ４０ 最初に入射するレーザビームのビームスポット ４１ 再入射する反射光のビームスポット

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを出射するレーザ光源と、 前記レーザ光源から出射したレーザビームを、加工対象
   物の表面上の被加工点に集光させる集光光学系と、 前記加工対象物の表面からの反射光を、該加工対象物の
   表面に向かって反射させる反射鏡と、 前記反射鏡を、前記集光光学系の光軸に平行な方向に、
   該集光光学系に対して相対的に移動させ、ある位置で該
   集光光学系に対する相対位置を固定することができる反
   射鏡固定機構とを有するレーザ出射光学部。
2. 【請求項２】 前記反射鏡が凹面鏡であり、前記加工対
   象物の被加工点からの反射光が、該凹面鏡で反射して、
   該加工対象物の被加工点に再入射するように配置されて
   いる請求項１に記載のレーザ出射光学部。
3. 【請求項３】 前記加工対象物の表面からの反射光が、
   前記反射鏡で反射して、該加工対象物の被加工点に再入
   射する際の入射角が、高々６０°となるように前記反射
   鏡の大きさ及び形状が決められている請求項２に記載の
   レーザ出射光学部。
4. 【請求項４】 前記反射鏡固定機構は、前記反射鏡の反
   射面の向きを変化させ、ある向きで該反射鏡を固定する
   ことができる請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ出
   射光学部。
5. 【請求項５】 レーザビームを出射するレーザ光源と、 保持面上に加工対象物を保持するステージと、 前記ステージの保持面に対して傾いた光軸を有し、前記
   レーザ光源から出射したレーザビームを、前記ステージ
   に保持されている加工対象物の表面上の被加工点に集光
   させる集光光学系と、 前記加工対象物の表面からの反射光を、該加工対象物の
   表面に向かって反射させる反射鏡とを有するレーザ加工
   装置。
6. 【請求項６】 さらに、前記反射鏡を、前記集光光学系
   の光軸に平行な方向に、該集光光学系に対して相対的に
   移動させ、ある位置で該集光光学系に対する相対位置を
   固定することができる反射鏡固定機構を有する請求項５
   に記載のレーザ加工装置。
7. 【請求項７】 レーザビームを集光光学系により加工対
   象物の表面上の被加工点に集光させる工程と、 前記被加工点からの反射光を反射させ、前記被加工点に
   再入射させる反射光学系であって、再入射する光の照射
   領域が、前記集光光学系により集光されたレーザビーム
   の照射領域を内包するように構成された前記反射光学系
   により、前記被加工点からの反射光を反射させて該被加
   工点に再入射させる工程とを有するレーザ加工方法。
8. 【請求項８】 レーザビームを集光光学系により加工対
   象物の表面上の被加工点に集光させる工程と、 前記被加工点からの反射光を反射させ、前記被加工点に
   再入射させる反射光学系であって、再入射する光が、少
   なくとも、前記集光光学系により集光されたレーザビー
   ムの照射領域から第１の方向にずれた位置に入射するよ
   うに構成された前記反射光学系により、前記被加工点か
   らの反射光を反射させて被加工点に再入射させる工程
   と、 前記レーザビームを照射しながら、前記加工対象物を、
   前記第１の方向もしくは該第１の方向とは反対の方向に
   移動させる工程とを有するレーザ加工方法。
9. 【請求項９】 反射光学系で反射し、加工対象物に再入
   射する光の照射領域が、前記集光光学系により集光され
   たレーザビームの照射領域を含み、第１の方向に長くな
   るように構成されている請求項８に記載のレーザ加工方
   法。