JP2003311451A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速で加工面を走査することができ、レーザ
光を微小集光像に集光することができるレーザ加工装置
を提供する。 【解決手段】 複数のファイバレーザ発振装置１２と、
ファイバレーザ発振装置１２からのパルスレーザ光をそ
れぞれ加工面に集光する集光光学系２０とを備えてい
る。ファイバレーザ発振装置１２ごとに独立してパルス
変調可能である。集光光学系２０は、ファイバレーザ発
振装置１２ごとに設けられており、集光点が直線に沿っ
て整列するように集光する。ファイバレーザ発振装置１
２の励起装置１４によって、パルスを変調する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属、セラミッ
クその他の材料についてレーザ光により表面処理、溶
接、切断などの加工を行なうレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を加工線に沿って走査し、表面
処理などの加工が行なわれている。従来の走査装置は、
図4に示すようにポリゴンミラー（またはガルバノミラ
ー）３０とｆθレンズ３２とを組み合わせた装置であっ
た。

【０００３】従来の走査装置はポリゴンミラー３０の運
動機構を必要とするため、本質的に走査速度、周波数に
限界があった。走査幅Ｗ、ｆθレンズ３２の焦点距離
ｆ、およびミラー振れ角θとの間にＷ＝ｆθの関係があ
る。したがって、走査速度を上げるためには、ミラー振
れ角速度（つまり、ポリゴンミラー３０の回転速度、ま
たはガルバノミラーの振動速度）を増速、またはｆθレ
ンズ３２の焦点距離ｆを長くする必要がある。しかし、
前者は機械運動を伴うため限界があり、後者は焦点距離
を長くするとレーザ光を小さく絞れない。また、走査幅
Ｗを広くすると焦点距離を長くする必要があるので、レ
ーザ光を小さく絞れないという問題もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、高速で加
工面を走査することができ、レーザ光を微小集光像に集
光することができるレーザ加工装置を提供することを課
題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザ加工装
置は、複数のファイバレーザ発振装置と、ファイバレー
ザ発振装置からのパルスレーザ光をそれぞれ加工面に集
光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、
ファイバレーザ発振装置ごとに独立してパルス変調可能
であり、前記集光光学系はファイバレーザ発振装置ごと
に設けられており、集光点が直線に沿って整列するよう
に集光する。

【０００６】上記レーザ加工装置において、ファイバレ
ーザ出力は半導体レーザによりパルス変調される。出力
は半導体レーザにより電気的に変調されるので、高速で
変調することができる。出力変調はアナログ、デジタル
（矩形波）のいずれであってもよい。

【０００７】このレーザ加工装置では、ファイバレーザ
発振装置ごとに独立してパルス変調可能であるので、フ
ァイバレーザ発振装置ごとに時間変調によって隣り合う
集光点のパルスレーザ光の出力間隔を調整することがで
きる。出力間隔を短くすることによって、集光点は高速
で移動する。さらに、運動機構によらず電気的に走査す
るので、従来装置に比べて走査速度を著しく高めること
ができる。また、ファイバレーザ光は集光性が高く、ｆ
θ集光レンズのような長焦点レンズを必要としないの
で、パルスレーザ光を微小な集光像に絞ることができ
る。

【０００８】上記レーザ加工装置において、各集光像の
形状が前記直線方向に長軸をもつ楕円であり、長軸の長
さが隣り合う集光点中心の間隔以上であるようにしても
よい。これにより、隣り合う集光像の両端部が重なり合
うので、複数回の照射が必要な連続加工装置が得られ
る。

【０００９】上記レーザ加工装置において、パルス時間
波形が矩形ではなく連続的な、いわゆる疑似ガウス形で
あり、隣り合うパルスレーザ光の集光像が両端部で重な
り合うようにしてもよい。これにより、被照射部の熱履
歴は連続的となるので、連続波レーザにより走査するレ
ーザ加工装置と同様の装置を得ることができる。ここ
で、疑似ガウスパルスは、出力の時間変化がガウス状ま
たはそれに類似したパルスをいう。さらに、パルス時間
波形は三角波等の連続的に出力が変化する波形であって
もよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
しており、レーザ加工装置の模式的構成図である。

【００１１】レーザ加工装置１０は、主として複数のフ
ァイバレーザ発振装置１２および各ファイバレーザ発振
装置ごとに設けられた集光光学系１８からなっている。
ファイバレーザ発振装置１２は、励起装置として半導体
レーザ発振装置１４を備えている。半導体レーザ発振装
置１４は、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振装置を
用いることができる。半導体レーザ発振装置１４から能
動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１６に励起レ
ーザ光（波長：約０．８μm）を照射すると、能動光フ
ァイバ１６でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振
する。能動光ファイバ１６の出力は例えば１kWであり、
コア径は５０μmである。パルスは、半導体レーザ発振
装置１４によって変調される。能動光ファイバ１６は間
隔をおいて１列に整列し、光ファイバホルダ１８に保持
されている。間隔ｄは例えば５００μm（０．５mm）で
ある。集光光学系２０は能動光ファイバ１６の光軸延長
線上にあって１列に並び、図１に示すようにパルスレー
ザ光１を加工面に１列に集光する。なお、能動光ファイ
バ１６の出力端に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファ
イバ）を接続し、ファイバレーザ発振装置１２から集光
光学系２０まで受動光ファイバでレーザ光を伝送するよ
うにしてもよい。

【００１２】図２は、図１のレーザ加工装置１０による
微小円形の集光像２および矩形パルスの発振タイミング
を示している。能動光ファイバ１６から出力されるパル
スレーザ光１A〜１Eは、タイミングＡ〜Ｅで順次オン・
オフされる。パルスレーザ光の照射により、タイミング
Ａ〜Ｅで順次加工が行なわれる。なお、加工条件によっ
ては、レーザ光１A〜１Eを同時に照射してもよい。

【００１３】このレーザ加工装置では、時間変調により
集光点を高速に移動して加工面を高速で走査し、出力変
調（矩形波デジタル変調）によりパルスレーザ出力をオ
ン・オフして離散的に加工面を照射する。このレーザ加
工装置は点列穴加工、表面処理などに利用される。

【００１４】図３は、この発明の他の実施の形態を示し
ている。レーザ発振装置は図1に示す装置と同じである
が、集光光学系が異なっている。集光光学系２２は円柱
レンズ２４および円柱レンズ２６からなっている。円柱
レンズ２４はパルスレーザ光を光ファイバ列方向に発散
し、円柱レンズ２６は光ファイバ列方向に対し直角方向
に集束する。各パルスレーザ光の加工面での集光像は、
光ファイバ列方向に長軸をもつ楕円状になる。能動光フ
ァイバ１６から出力されるレーザ光３Ａ〜３Gは、タイ
ミングＡ〜Ｇで順次オン・オフされる。各集光像の楕円
長軸の長さが集光点Ｐの間隔ｄ以上となるように、集光
光学系２２が配列されている。したがって、図に示すよ
うに各パルスレーザ光の加工面での光強度分布Ｉは隣り
合うパルスレーザ光３Ａ〜３Gは両端部で重なり合って
おり、パルスレーザ光全体の光強度分布ＩSは両端部を
除いて光ファイバ列方向に沿って光強度が一定となって
いる。

【００１５】このレーザ加工装置では、時間変調により
集光点を高速に移動して加工面を高速で走査し、出力変
調（デジタル変調）によりパルスレーザ出力をオン・オ
フして離散的に加工面を照射する。このレーザ加工装置
は、連続加工で同一点に複数回の照射が必要な場合に適
している。

【００１６】図４は、この発明の更に他の実施の形態を
示している。ファイバレーザ発振装置および集光光学系
は、図３に示すものと同じである。各パルスレーザ光の
加工面での集光像は、光ファイバ列方向に長軸をもつ楕
円状になる。能動光ファイバ１６から出力されるレーザ
光５Ａ〜５Gは、タイミングＡ〜Ｇで順次オン・オフさ
れる。パルスは疑似ガウスパルスに出力変調（アナログ
変調）されており、前段のパルス出力が０になる前に次
段のパルス出力が０から増加するように時間変調されて
いる。この結果、照射部が加工線に沿って連続的に移動
するので、加工面を連続波レーザ光で走査したと同様の
加工となる。なお、この実施の形態のように時間波形の
変化がアナログの場合、上記疑似ガウスに限られるもの
ではなく、例えば三角波であってもよい。

【００１７】このレーザ加工装置では、表面処理で入熱
履歴が材料表面の機械的性質に影響を与える場合、時間
変調により所要の入熱履歴を得ることができる。このレ
ーザ加工装置は、材料の表面処理などに用いられる。

【００１８】

【発明の効果】このレーザ加工装置では、走査は運動機
構によらず電気的の行なわれるので、従来装置に比べて
走査速度を著しく高めることができる。ファイバレーザ
光は集光性が高く、またｆθ集光レンズのような長焦点
レンズを必要としないので、パルスレーザ光を微小な集
光像に絞ることができる。

【００１９】さらに、パルスの出力変調によって、波
形、出力タイミングの異なる多様なパルスレーザ光を加
工面に照射することができるので、レーザ加工の広い分
野で応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施の形態を示すもので、レーザ
加工装置の模式的構成図である。

【図２】上記レーザ加工装置において、パルスレーザ光
の集光とパルスとの関係を示す図面である。

【図３】この発明の他の実施の形態を示すもので、パル
スレーザ光の集光とパルスとの関係、およびパルスの光
強度分布を示す図面である。

【図４】この発明の更に他の実施の形態を示すもので、
パルスレーザ光の集光とパルスとの関係、およびパルス
の光強度分布を示す図面である。

【図５】従来のレーザ光走査装置の説明図である。

【符号の説明】

１、３，５ パルスレーザ光 ２ 集光像 ９ 加工物 １０ レーザ
加工装置 １２ ファイバレーザ発振装置 １４ 励起
装置 １６ 能動光ファイバ １８ 光フ
ァイバホルダ ２０、２２ 集光光学系 ３０ ポリ
ゴンミラー ３２ ｆθレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 城戸 基 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 今井 浩文 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 杉橋 敦史 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 濱村 秀行 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 山本 博之 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E068 CA03 CD02 CD16 CE08 5F073 AB27 AB28 BA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のファイバレーザ発振装置と、ファ
   イバレーザ発振装置からのパルスレーザ光をそれぞれ加
   工面に集光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置で
   あって、ファイバレーザ発振装置ごとに独立してパルス
   変調可能であり、前記集光光学系はファイバレーザ発振
   装置ごとに設けられており、集光点が直線に沿って整列
   するように集光することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 各集光像の形状が前記直線方向に長軸を
   もつ楕円であり、長軸の長さが隣り合う集光点中心の間
   隔以上である請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 パルス時間波形が疑似ガウスパルスであ
   り、隣り合うパルスレーザ光の集光像が両端部で重なり
   合っている請求項１記載のレーザ加工装置。