JP2002283082A - レーザ出射装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【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ることが可能なレーザ出射
装置を提供する。 【解決手段】 コリメーションレンズが、発散レーザビ
ームをコリメートする。コリメーションレンズを透過し
たレーザビームの経路内に、相互に中心軸を共有するよ
うに一対の円錐プリズムが配置されている。一対の円錐
プリズムを含む断面形状変換素子が、入射するレーザビ
ームのビーム断面を円環状に変換する。収束レンズが、
断面円環状のレーザビームを収束させ、被照射物の表面
に入射させる。レーザビームの経路のうちビーム断面の
中空部に反射鏡が配置されている。この反射鏡は、被照
射物の表面で反射したレーザビームを、被照射物の表面
に向けて反射させ、再入射させる。位置調節機構が、コ
リメーションレンズの中心軸と断面形状変換素子の中心
軸との相対位置関係を変化させる。
り、エネルギ利用効率を高めることが可能なレーザ出射
装置を提供する。 【解決手段】 コリメーションレンズが、発散レーザビ
ームをコリメートする。コリメーションレンズを透過し
たレーザビームの経路内に、相互に中心軸を共有するよ
うに一対の円錐プリズムが配置されている。一対の円錐
プリズムを含む断面形状変換素子が、入射するレーザビ
ームのビーム断面を円環状に変換する。収束レンズが、
断面円環状のレーザビームを収束させ、被照射物の表面
に入射させる。レーザビームの経路のうちビーム断面の
中空部に反射鏡が配置されている。この反射鏡は、被照
射物の表面で反射したレーザビームを、被照射物の表面
に向けて反射させ、再入射させる。位置調節機構が、コ
リメーションレンズの中心軸と断面形状変換素子の中心
軸との相対位置関係を変化させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ出射装置に
関し、特に被照射物に入射するレーザビームのエネルギ
利用効率を高めたレーザ出射装置に関する。
関し、特に被照射物に入射するレーザビームのエネルギ
利用効率を高めたレーザ出射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ発振器で発生したレーザビームを
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装置が使用される。レーザ
出射装置は、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ビームを平行光線束に変換するコリ
メーションレンズと、コリメーションレンズからの平行
光線束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ビームが、加工対象物の表面の被
加工点に入射する。
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装置が使用される。レーザ
出射装置は、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ビームを平行光線束に変換するコリ
メーションレンズと、コリメーションレンズからの平行
光線束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ビームが、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、その表面に入射したレーザビームの大部分が、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
たレーザビームは、加工に寄与しない。例えば、加工対
象物に入射したレーザビーム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
たレーザビームの全エネルギの約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、その表面に入射したレーザビームの大部分が、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
たレーザビームは、加工に寄与しない。例えば、加工対
象物に入射したレーザビーム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
たレーザビームの全エネルギの約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ること
が可能なレーザ出射装置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ること
が可能なレーザ出射装置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、発散レーザビームを出射するレーザ光源と、中心軸
が画定されており、前記レーザ光源から出射した発散レ
ーザビームをコリメートするコリメーションレンズと、
前記コリメーションレンズを透過したレーザビームの経
路内に、相互に中心軸を共有するように配置された一対
の円錐プリズムを含み、入射するレーザビームのビーム
断面を円環状に変換する断面形状変換素子と、前記断面
形状変換素子でビーム断面を円環状に整形されたレーザ
ビームを収束させ、被照射物の表面に入射させる収束レ
ンズと、断面を円環状に整形された前記レーザビームの
経路のうちビーム断面の中空部に配置され、前記被照射
物の表面で反射したレーザビームを、該被照射物の表面
に向けて反射させ、該被照射物の表面に再入射させる第
１の反射鏡と、前記コリメーションレンズの中心軸と前
記断面形状変換素子の中心軸との相対位置関係が変化す
るように、該コリメーションレンズと該断面形状変換素
子との一方を他方に対して移動させ、ある相対位置関係
の状態で両者の相対位置を固定する位置調節機構とを有
するレーザ出射装置が提供される。
と、発散レーザビームを出射するレーザ光源と、中心軸
が画定されており、前記レーザ光源から出射した発散レ
ーザビームをコリメートするコリメーションレンズと、
前記コリメーションレンズを透過したレーザビームの経
路内に、相互に中心軸を共有するように配置された一対
の円錐プリズムを含み、入射するレーザビームのビーム
断面を円環状に変換する断面形状変換素子と、前記断面
形状変換素子でビーム断面を円環状に整形されたレーザ
ビームを収束させ、被照射物の表面に入射させる収束レ
ンズと、断面を円環状に整形された前記レーザビームの
経路のうちビーム断面の中空部に配置され、前記被照射
物の表面で反射したレーザビームを、該被照射物の表面
に向けて反射させ、該被照射物の表面に再入射させる第
１の反射鏡と、前記コリメーションレンズの中心軸と前
記断面形状変換素子の中心軸との相対位置関係が変化す
るように、該コリメーションレンズと該断面形状変換素
子との一方を他方に対して移動させ、ある相対位置関係
の状態で両者の相対位置を固定する位置調節機構とを有
するレーザ出射装置が提供される。
【０００６】被照射物の表面空の反射光が、第１の反射
鏡で反射して被照射物に再入射するため、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。コリメーシ
ョンレンズの中心軸と断面形状変換素子の中心軸との相
対位置を調節することにより、円環状ビーム断面の偏り
を少なくすることができる。
鏡で反射して被照射物に再入射するため、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。コリメーシ
ョンレンズの中心軸と断面形状変換素子の中心軸との相
対位置を調節することにより、円環状ビーム断面の偏り
を少なくすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１に、本願発明者の先の提案に
よるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０か
ら出射した加工用レーザビームが、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
先端から出射した発散レーザビームがコリメーションレ
ンズ１２に入射し、コリメートされる。
よるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０か
ら出射した加工用レーザビームが、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
先端から出射した発散レーザビームがコリメーションレ
ンズ１２に入射し、コリメートされる。
【０００８】コリメートされた加工用レーザビームが、
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とは、中心軸同士が一致するように
配置されており、加工用レーザビームのビーム断面を環
状に変換する。
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とは、中心軸同士が一致するように
配置されており、加工用レーザビームのビーム断面を環
状に変換する。
【０００９】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。集光レンズ１
６の透過領域は、レーザビームの環状断面に対応した形
状を有する。
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。集光レンズ１
６の透過領域は、レーザビームの環状断面に対応した形
状を有する。
【００１０】集光レンズ１６の外周よりもさらに外側に
外側凹面鏡１５が配置され、内側に内側凹面鏡１７が配
置されている。
外側凹面鏡１５が配置され、内側に内側凹面鏡１７が配
置されている。
【００１１】集光レンズ１６により収束された加工用レ
ーザビームが、ＸＹ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。
ーザビームが、ＸＹ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。
【００１２】外側凹面鏡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。この外側凹面鏡
１５の曲率中心は、集光レンズ１６の焦点に一致する。
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。この外側凹面鏡
１５の曲率中心は、集光レンズ１６の焦点に一致する。
【００１３】内側凹面鏡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。内側凹面鏡１７の曲率中心
も、外側凹面鏡１５の曲率中心と同様に集光レンズ１６
の焦点に一致する。
ザビームの入射側の面）に全反射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。内側凹面鏡１７の曲率中心
も、外側凹面鏡１５の曲率中心と同様に集光レンズ１６
の焦点に一致する。
【００１４】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。
する光の多くは反射する。この反射は、通常、乱反射と
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。
【００１５】外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡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、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１
７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、外側凹面鏡１５及び内側
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。
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、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１
７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、外側凹面鏡１５及び内側
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。
【００１６】外側凹面鏡１５または内側凹面鏡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、外側
凹面鏡１５及び内側凹面鏡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、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１７
で構成される反射面と加工対象物３２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、外側
凹面鏡１５及び内側凹面鏡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、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１７
で構成される反射面と加工対象物３２との間を往復す
る。
【００１７】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
射するレーザビームのうち１０％が加工に寄与し、残り
９０％が反射し、加工対象物３２で反射した光のうちの
１／３が、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１７で反射し
て加工対象物３２へ再入射すると仮定する。外側凹面鏡
１５及び内側凹面鏡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
射するレーザビームのうち１０％が加工に寄与し、残り
９０％が反射し、加工対象物３２で反射した光のうちの
１／３が、外側凹面鏡１５及び内側凹面鏡１７で反射し
て加工対象物３２へ再入射すると仮定する。外側凹面鏡
１５及び内側凹面鏡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。
【００１８】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１６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３２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ビーム
（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１６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３２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ビーム
（第１次反射光）の１０％にあたる６０Ｗが加工に寄与
する。
【００１９】凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レー
ザビーム（６００Ｗ）のうちの９０％（５４０Ｗ）が、
再度加工対象物３２の表面で反射する。その１／３（５
４０／３＝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１
８Ｗが加工に寄与する。このように、２０００Ｗの加工
用レーザビームを照射すると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。
ザビーム（６００Ｗ）のうちの９０％（５４０Ｗ）が、
再度加工対象物３２の表面で反射する。その１／３（５
４０／３＝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１
８Ｗが加工に寄与する。このように、２０００Ｗの加工
用レーザビームを照射すると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。
【００２０】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。
【００２１】外側凹面鏡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３２へ向け
て反射するレーザビームの割合は多くなる。しかしなが
ら、外側凹面鏡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、外側凹面鏡１５
は、その縁部で反射したレーザビームが加工対象物３２
へ入射する時の入射角が約２５°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。
ほど（反射面を広くするほど）、加工対象物３２へ向け
て反射するレーザビームの割合は多くなる。しかしなが
ら、外側凹面鏡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、外側凹面鏡１５
は、その縁部で反射したレーザビームが加工対象物３２
へ入射する時の入射角が約２５°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。
【００２２】照明用光源３５が、加工対象物３２の表面
を照明する。図１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１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。
【００２３】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。この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。
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。この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。
【００２４】上述の先の提案のレーザ加工装置の第２の
円錐プリズム１４を透過したレーザビームの断面形状を
観察したところ、図２（Ａ）に示すように、内周が外周
に対して一方向に偏る場合があることがわかった。光フ
ァイバ１１の先端、コリメーションレンズ１２の中心
軸、円錐プリズム１３及び１４の中心軸が同一直線上に
位置する場合には、理想的には円環状断面の内周の中心
と外周の中心とが一致するはずである。
円錐プリズム１４を透過したレーザビームの断面形状を
観察したところ、図２（Ａ）に示すように、内周が外周
に対して一方向に偏る場合があることがわかった。光フ
ァイバ１１の先端、コリメーションレンズ１２の中心
軸、円錐プリズム１３及び１４の中心軸が同一直線上に
位置する場合には、理想的には円環状断面の内周の中心
と外周の中心とが一致するはずである。
【００２５】図２（Ａ）に示したように、ビーム断面に
偏りが生ずるのは、光ファイバ１１の先端面の傾きや、
先端面におけるビーム断面内の光強度のピークが中心か
らずれているためと考えられる。ステップインデックス
型やグレーテッドインデックス型のマルチモード光ファ
イバを使用する場合には、このように光強度のピークが
光ファイバの先端面の中心と一致するとは限らない。
偏りが生ずるのは、光ファイバ１１の先端面の傾きや、
先端面におけるビーム断面内の光強度のピークが中心か
らずれているためと考えられる。ステップインデックス
型やグレーテッドインデックス型のマルチモード光ファ
イバを使用する場合には、このように光強度のピークが
光ファイバの先端面の中心と一致するとは限らない。
【００２６】このため、光ファイバ１１、コリメーショ
ンレンズ１２、第１の円錐プリズム１３、及び第２の円
錐プリズム１４の中心軸を機械精度内で一致させたとし
ても、第２の円錐プリズム１４を透過したレーザビーム
のビーム断面が同心円の円環状にならない場合がある。
ンレンズ１２、第１の円錐プリズム１３、及び第２の円
錐プリズム１４の中心軸を機械精度内で一致させたとし
ても、第２の円錐プリズム１４を透過したレーザビーム
のビーム断面が同心円の円環状にならない場合がある。
【００２７】次に、図３を参照して、本発明の実施例に
よるレーザ加工装置について説明する。実施例によるレ
ーザ加工装置の基本的な構成は、図１に示したものと同
様である。ここでは、図１に示したレーザ加工装置の構
成と異なる点について説明する。
よるレーザ加工装置について説明する。実施例によるレ
ーザ加工装置の基本的な構成は、図１に示したものと同
様である。ここでは、図１に示したレーザ加工装置の構
成と異なる点について説明する。
【００２８】図３（Ａ）は、実施例によるレーザ加工装
置のコリメーションレンズ１２及び第１の円錐レンズ１
３の固定部分の断面図を示す。図３（Ｂ）は、図３
（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。な
お、図３（Ｂ）の一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面図が
図３（Ａ）に相当する。
置のコリメーションレンズ１２及び第１の円錐レンズ１
３の固定部分の断面図を示す。図３（Ｂ）は、図３
（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。な
お、図３（Ｂ）の一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面図が
図３（Ａ）に相当する。
【００２９】レンズ用鏡筒４０内に、コリメーションレ
ンズ１２が固定されている。コリメーションレンズ１２
は、２枚の平凸レンズで構成されている。プリズム用鏡
筒４１内に、第１の円錐プリズム１３が固定されてい
る。なお、図１に示した第２の円錐プリズム１４も、プ
リズム用鏡筒４１内に固定されている。
ンズ１２が固定されている。コリメーションレンズ１２
は、２枚の平凸レンズで構成されている。プリズム用鏡
筒４１内に、第１の円錐プリズム１３が固定されてい
る。なお、図１に示した第２の円錐プリズム１４も、プ
リズム用鏡筒４１内に固定されている。
【００３０】レンズ用鏡筒４０の端部からやや内側にフ
ランジ４０Ａが設けられている。フランジ４０Ａの、先
端側を向く面は、コリメーションレンズ１２の中心軸に
対して垂直である。フランジ４０Ａよりも先端の部分４
０Ｂの外周面に、円周方向に延在する溝４０Ｃが形成さ
れている。プリズム用鏡筒４１の端部に大径部４１Ａが
設けられている。大径部４１Ａの端面は、円錐プリズム
１３の中心軸に対して垂直である。レンズ用鏡筒４０の
先端部４０Ｂが、プリズム用鏡筒４１の大径部４１Ａ内
にあそびをもって挿入されるとともに、フランジ４０Ａ
の、先端側を向く面が大径部４１Ａの端面に接触するこ
とにより、レンズ用鏡筒４０とプリズム用鏡筒４１とが
相互に連結される。
ランジ４０Ａが設けられている。フランジ４０Ａの、先
端側を向く面は、コリメーションレンズ１２の中心軸に
対して垂直である。フランジ４０Ａよりも先端の部分４
０Ｂの外周面に、円周方向に延在する溝４０Ｃが形成さ
れている。プリズム用鏡筒４１の端部に大径部４１Ａが
設けられている。大径部４１Ａの端面は、円錐プリズム
１３の中心軸に対して垂直である。レンズ用鏡筒４０の
先端部４０Ｂが、プリズム用鏡筒４１の大径部４１Ａ内
にあそびをもって挿入されるとともに、フランジ４０Ａ
の、先端側を向く面が大径部４１Ａの端面に接触するこ
とにより、レンズ用鏡筒４０とプリズム用鏡筒４１とが
相互に連結される。
【００３１】フランジ４０Ａに４個の貫通孔４０Ｄが形
成されている。貫通孔４０Ｄは、コリメーションレンズ
１２の中心軸を回転中心とした４回回転対称となる位置
に配置されている。大径部４１Ａの端面の、貫通孔４０
Ｄに対応する位置に、それぞれネジ穴４１Ｂが形成され
ている。止めネジ４５が、貫通孔４０Ｄを貫通し、ネジ
穴４１Ｂにねじ込まれる。
成されている。貫通孔４０Ｄは、コリメーションレンズ
１２の中心軸を回転中心とした４回回転対称となる位置
に配置されている。大径部４１Ａの端面の、貫通孔４０
Ｄに対応する位置に、それぞれネジ穴４１Ｂが形成され
ている。止めネジ４５が、貫通孔４０Ｄを貫通し、ネジ
穴４１Ｂにねじ込まれる。
【００３２】貫通孔４０Ｄの内径は７ｍｍであり、止め
ネジ４５の外径は３．３ｍｍである。このため、止めネ
ジ４５を緩めた状態で、レンズ用鏡筒４０をプリズム用
鏡筒４１に対して、中心軸に直交する２次元方向に±
１．８５ｍｍだけ移動させることができる。止めネジ４
５を締め付けると、両者の相対位置が固定される。
ネジ４５の外径は３．３ｍｍである。このため、止めネ
ジ４５を緩めた状態で、レンズ用鏡筒４０をプリズム用
鏡筒４１に対して、中心軸に直交する２次元方向に±
１．８５ｍｍだけ移動させることができる。止めネジ４
５を締め付けると、両者の相対位置が固定される。
【００３３】大径部４１Ａに、径方向に貫通する４つの
ネジ穴４１Ｃが形成されている。ネジ穴４１Ｃは、ネジ
穴４１Ｂの形成された位置を、プリズム用鏡筒４１の中
心軸を中心として４５°だけ回転移動した位置に配置さ
れている。微調整ネジ４６がネジ穴４１Ｃ内にはめ込ま
れ、その先端がレンズ用鏡筒４０に形成された溝４０Ｃ
の内面に接する。止めネジ４５を緩めた状態で、４本の
微調整ネジ４６の挿入の深さを調節することにより、プ
リズム用鏡筒４１に対するレンズ用鏡筒４０の位置を微
調整することができる。
ネジ穴４１Ｃが形成されている。ネジ穴４１Ｃは、ネジ
穴４１Ｂの形成された位置を、プリズム用鏡筒４１の中
心軸を中心として４５°だけ回転移動した位置に配置さ
れている。微調整ネジ４６がネジ穴４１Ｃ内にはめ込ま
れ、その先端がレンズ用鏡筒４０に形成された溝４０Ｃ
の内面に接する。止めネジ４５を緩めた状態で、４本の
微調整ネジ４６の挿入の深さを調節することにより、プ
リズム用鏡筒４１に対するレンズ用鏡筒４０の位置を微
調整することができる。
【００３４】レンズ用鏡筒４０とプリズム用鏡筒４１と
の、中心軸に直交する方向に関する相対位置を微調整す
ることにより、図２（Ｂ）に示したように、第２の円錐
プリズム１４を透過したレーザビームのビーム断面を偏
りのない円環状とすることができる。偏りのない円環状
のビーム断面とすることにより、加工品質を高めること
ができる。
の、中心軸に直交する方向に関する相対位置を微調整す
ることにより、図２（Ｂ）に示したように、第２の円錐
プリズム１４を透過したレーザビームのビーム断面を偏
りのない円環状とすることができる。偏りのない円環状
のビーム断面とすることにより、加工品質を高めること
ができる。
【００３５】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。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ビーム断面が円環状のレーザビームを被照射物に入射さ
せ、反射光のうちビーム断面中央の中空部分を伝搬する
光を反射させて被照射物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。
また、断面円環状のレーザビームを形成するためのコリ
メーションレンズと円錐プリズムとの中心軸を相対的に
移動させることにより、ビーム断面の偏りを少なくする
ことができる。
ビーム断面が円環状のレーザビームを被照射物に入射さ
せ、反射光のうちビーム断面中央の中空部分を伝搬する
光を反射させて被照射物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。
また、断面円環状のレーザビームを形成するためのコリ
メーションレンズと円錐プリズムとの中心軸を相対的に
移動させることにより、ビーム断面の偏りを少なくする
ことができる。
【図１】先の提案によるレーザ加工装置の概略図であ
る。
る。
【図２】円環状のビーム断面を有するレーザビームのバ
ーンパターンを模式的にスケッチした図である。
ーンパターンを模式的にスケッチした図である。
【図３】実施例によるレーザ加工装置のレンズ用鏡筒と
プリズム用鏡筒との連結部の断面図である。
プリズム用鏡筒との連結部の断面図である。
１０ レーザ光源 １１ 光ファイバ １２ コリメーションレンズ １３、１４ 円錐プリズム １５、１７ 凹面鏡 １６ 集光レンズ 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 照明用光源 ４０ レンズ用鏡筒 ４０Ａ フランジ ４０Ｂ 先端部 ４０Ｃ 溝 ４０Ｄ 貫通孔 ４１ プリズム用鏡筒 ４１Ａ 大径部 ４１Ｂ、４１Ｃ ネジ穴
Claims (5)
- 【請求項１】 発散レーザビームを出射するレーザ光源
と、 中心軸が画定されており、前記レーザ光源から出射した
発散レーザビームをコリメートするコリメーションレン
ズと、 前記コリメーションレンズを透過したレーザビームの経
路内に、相互に中心軸を共有するように配置された一対
の円錐プリズムを含み、入射するレーザビームのビーム
断面を円環状に変換する断面形状変換素子と、 前記断面形状変換素子でビーム断面を円環状に整形され
たレーザビームを収束させ、被照射物の表面に入射させ
る収束レンズと、 断面を円環状に整形された前記レーザビームの経路のう
ちビーム断面の中空部に配置され、前記被照射物の表面
で反射したレーザビームを、該被照射物の表面に向けて
反射させ、該被照射物の表面に再入射させる第１の反射
鏡と、 前記コリメーションレンズの中心軸と前記断面形状変換
素子の中心軸との相対位置関係が変化するように、該コ
リメーションレンズと該断面形状変換素子との一方を他
方に対して移動させ、ある相対位置関係の状態で両者の
相対位置を固定する位置調節機構とを有するレーザ出射
装置。 - 【請求項２】 前記レーザ光源がステップインデックス
型光ファイバまたはグレーテッドインデックス型光ファ
イバを含み、前記発散レーザビームが、該光ファイバの
端面から出射するレーザビームである請求項１に記載の
レーザ出射装置。 - 【請求項３】 前記位置調節機構が、前記コリメーショ
ンレンズと前記断面形状変換素子とを、両者の中心軸が
相互に平行になるように保持し、一方を他方に対して、
該中心軸に垂直な２次元方向に移動させることができる
請求項１または２に記載のレーザ出射装置。 - 【請求項４】 さらに、断面が円環状の前記レーザビー
ムの経路の外側に配置され、前記被照射物の表面で反射
したレーザビームを反射させ、該被照射物の表面に再入
射させる第２の反射鏡を有する請求項１〜３のいずれか
に記載のレーザ出射装置。 - 【請求項５】 前記位置調節機構が、 前記コリメーションレンズを収容し、該コリメーション
レンズの中心軸に直交する仮想平面に沿った第１の面を
有するレンズ用鏡筒と、 前記断面形状変換素子を収容するプリズム用鏡筒であっ
て、前記２つの円錐プリズムの中心軸に直交する仮想平
面に沿った第２の面を有し、該第２の面が前記第１の面
と接触することによって、前記レンズ用鏡筒と該プリズ
ム用鏡筒との中心軸方向の相対位置を拘束する前記プリ
ズム用鏡筒とを有し、 前記レンズ用鏡筒とプリズム用鏡筒とのうち一方の端部
近傍が他方の端部内に緩挿されており、挿入部分の外側
の鏡筒に、径方向に貫通する複数のネジ穴が形成されて
おり、 さらに、前記ネジ穴の各々にねじ込まれ、先端が内側の
鏡筒に接触することによって前記レンズ用鏡筒とプリズ
ム用鏡筒との中心軸に垂直な方向の相対位置を拘束する
微調整ネジを有する請求項１〜４のいずれかに記載のレ
ーザ出射装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001087212A JP2002283082A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | レーザ出射装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001087212A JP2002283082A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | レーザ出射装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002283082A true JP2002283082A (ja) | 2002-10-02 |
Family
ID=18942488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001087212A Pending JP2002283082A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | レーザ出射装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002283082A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010207830A (ja) * | 2009-03-06 | 2010-09-24 | Nissan Motor Co Ltd | レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置 |
| WO2012128203A1 (ja) * | 2011-03-24 | 2012-09-27 | 富士フイルム株式会社 | レンズ装置 |
| JP2014094406A (ja) * | 2012-11-12 | 2014-05-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 光学系及びレーザ加工装置 |
| CN107735206A (zh) * | 2015-06-19 | 2018-02-23 | Ipg光子公司 | 包括具有用于控制光束直径和/或焦点位置的可移动透镜的可控准直器的激光切割头 |
| RU200648U1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Оптическая головка для лазерной наплавки |
| RU200650U1 (ru) * | 2019-12-29 | 2020-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Оптическая головка для лазерной наплавки |
| RU200662U1 (ru) * | 2019-12-29 | 2020-11-05 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Устройство для лазерной наплавки |
-
2001
- 2001-03-26 JP JP2001087212A patent/JP2002283082A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010207830A (ja) * | 2009-03-06 | 2010-09-24 | Nissan Motor Co Ltd | レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置 |
| WO2012128203A1 (ja) * | 2011-03-24 | 2012-09-27 | 富士フイルム株式会社 | レンズ装置 |
| CN103460100A (zh) * | 2011-03-24 | 2013-12-18 | 富士胶片株式会社 | 镜头装置 |
| JP5480445B2 (ja) * | 2011-03-24 | 2014-04-23 | 富士フイルム株式会社 | レンズ装置 |
| US8743472B2 (en) | 2011-03-24 | 2014-06-03 | Fujifilm Corporation | Lens device |
| CN103460100B (zh) * | 2011-03-24 | 2014-12-24 | 富士胶片株式会社 | 镜头装置 |
| JP2014094406A (ja) * | 2012-11-12 | 2014-05-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 光学系及びレーザ加工装置 |
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| RU200648U1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Оптическая головка для лазерной наплавки |
| RU200650U1 (ru) * | 2019-12-29 | 2020-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Оптическая головка для лазерной наплавки |
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