JP2008119719A - Laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザビームの焦点距離を制御可能なレーザ加工装置の改良に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to an improvement of a laser processing apparatus capable of controlling the focal length of a laser beam.
文字などを印字し、或いは、バーコードなどをマーキングする加工装置として、レーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置は、加工対象物（ワーク）の表面に対してレーザビームを照射するとともに、レーザビームを走査させることにより、印字やマーキングなどの加工を行う。この様なレーザ加工装置では、レーザビームを反射させる２つのミラーをそれぞれ回転させることにより、レーザビームを２次元走査させている。 A laser processing apparatus is known as a processing apparatus for printing characters or marking a bar code or the like. The laser processing apparatus performs processing such as printing and marking by irradiating the surface of a workpiece (workpiece) with a laser beam and scanning the laser beam. In such a laser processing apparatus, the laser beam is two-dimensionally scanned by rotating two mirrors that reflect the laser beam.
最近では、２次元走査による平面上での加工だけでなく、レーザビームの焦点距離を制御して３次元状の加工を可能としたレーザ加工装置も開発されている。具体的には、ビーム径を拡大させるビームエキスパンダを調整することにより、レーザビームの焦点距離を変化させている。 Recently, not only processing on a plane by two-dimensional scanning but also a laser processing apparatus capable of three-dimensional processing by controlling the focal length of a laser beam has been developed. Specifically, the focal length of the laser beam is changed by adjusting a beam expander that expands the beam diameter.
図１６は、従来のレーザ加工装置１００の構成の一例を示した図である。このレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１１０、ビームエキスパンダ１２０、２次元走査用のミラー対１３０及び集光レンズ１４０により構成される。レーザ発振器１１０は、レーザビームを生成する装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームＡ１０を所定方向に射出する。ビームエキスパンダ１２０は、レーザビームＡ１０のビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、第１のレンズ１２１と、第１のレンズ１２１に光軸を一致させて配置される第２のレンズ１２２からなる。第１のレンズ１２１は、レーザビームＡ１０の入射側に配置されている。第２のレンズ１２２は、この第１のレンズ１２１を透過した光を光軸に近づく方へ屈折させる光学レンズであり、レーザビームＡ１０に比べてビーム径の拡大したレーザビームＡ２０が出射される。 FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a configuration of a conventional laser processing apparatus 100. The laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 110, a beam expander 120, a two-dimensional scanning mirror pair 130, and a condenser lens 140. The laser oscillator 110 is a device that generates a laser beam, and emits a laser beam A10 having a predetermined cross-sectional shape in a predetermined direction. The beam expander 120 is a beam expander that expands the beam diameter of the laser beam A10. The beam expander 120 includes a first lens 121 and a second lens 122 that is arranged with the optical axis aligned with the first lens 121. . The first lens 121 is disposed on the incident side of the laser beam A10. The second lens 122 is an optical lens that refracts the light transmitted through the first lens 121 toward the optical axis, and emits a laser beam A20 having a beam diameter larger than that of the laser beam A10.
ミラー対１３０は、第２のレンズ１２２を透過したレーザビームＡ２０を反射させる２つのミラー１３１及び１３２からなる、いわゆるガルバノミラーである。各ミラー１３１，１３２は、互いに異なる回転軸の回りに回転可能に保持され、回転軸の回りに所定量回転することにより、反射角が所定量変化してレーザビームＡ２０が走査される。集光レンズ１４０は、２次元走査用ミラー対１３０により反射されたレーザビームＡ２０を集光させる光学レンズである。この例では、集光レンズ１４０を透過したレーザビームが集光レンズ１４０の光軸位置に走査され、ワークＢ１０上にレーザスポットＢ２０が形成されている。 The mirror pair 130 is a so-called galvanometer mirror composed of two mirrors 131 and 132 that reflect the laser beam A20 that has passed through the second lens 122. Each of the mirrors 131 and 132 is held so as to be rotatable around different rotation axes, and is rotated by a predetermined amount around the rotation axis, whereby the reflection angle is changed by a predetermined amount and the laser beam A20 is scanned. The condensing lens 140 is an optical lens that condenses the laser beam A20 reflected by the two-dimensional scanning mirror pair 130. In this example, the laser beam transmitted through the condenser lens 140 is scanned to the optical axis position of the condenser lens 140, and a laser spot B20 is formed on the workpiece B10.
上記ビームエキスパンダ１２０における第１のレンズ１２１及び第２のレンズ１２２間の距離を変化させることにより、集光レンズ１４０に入射されるレーザビームＡ２０を構成する光の入射角度が変化する。この入射角度の変化により、集光レンズ１４０を透過するレーザビームの焦点距離が変化することとなる。また、各ミラー１３１及び１３２を回転させることにより、ワークＢ１０上でレーザスポットＢ２０を２次元方向に走査させることができる。 By changing the distance between the first lens 121 and the second lens 122 in the beam expander 120, the incident angle of the light constituting the laser beam A20 incident on the condenser lens 140 changes. With this change in the incident angle, the focal length of the laser beam transmitted through the condenser lens 140 changes. Further, by rotating the mirrors 131 and 132, the laser spot B20 can be scanned in a two-dimensional direction on the workpiece B10.
上記レーザスポットＢ２０は、点ではなく有限の大きさであることから、文字などを印字する場合に、印字時の線幅を小さくするには、レーザスポットＢ２０のサイズをより小さくする必要がある。一般に、レーザスポットのサイズは、レーザビームの焦点距離が長くなるほど、より大きくなる傾向にあることが知られている。レーザビームの焦点距離を短くしてレーザスポットを狭小化する方法として、集光レンズ１４０に屈折率の高いレンズを使用し、或いは、屈折面の曲率の大きなレンズを使用することが考えられるが、コスト面や技術面で限界がある。 Since the laser spot B20 is not a point but a finite size, it is necessary to reduce the size of the laser spot B20 in order to reduce the line width during printing when printing characters or the like. In general, it is known that the size of a laser spot tends to increase as the focal length of the laser beam increases. As a method of narrowing the laser spot by shortening the focal length of the laser beam, it is conceivable to use a lens having a high refractive index for the condenser lens 140 or a lens having a large refractive surface curvature. There are limits in terms of cost and technology.
そこで、ビームエキスパンダ１２０を用いてビーム径を拡大させるとともに、集光レンズ１４０に入射されるレーザビームＡ２０を構成する光の入射角度をより大きくすることにより、レーザビームＡ２０の焦点距離をより短くすることが従来から行われていた。この様な従来のレーザ加工装置１００では、２次元走査用の各ミラー１３１及び１３２よりもワークＢ１０側に集光レンズ１４０が配置されることから、集光レンズ１４０の球面収差の影響により、レーザスポットＢ２０が集光レンズ１４０の光軸位置から離れれば離れるほど、スポットの形状が大きく歪み印字品質が低下してしまうという問題があった。 Therefore, the focal length of the laser beam A20 is shortened by enlarging the beam diameter using the beam expander 120 and increasing the incident angle of the light constituting the laser beam A20 incident on the condenser lens 140. It has traditionally been done. In such a conventional laser processing apparatus 100, the condensing lens 140 is disposed on the work B10 side with respect to the mirrors 131 and 132 for two-dimensional scanning, so that the laser is affected by the spherical aberration of the condensing lens 140. As the spot B20 is further away from the optical axis position of the condensing lens 140, there is a problem that the spot shape becomes larger and the print quality is deteriorated.
通常、２次元走査用のミラーには、上述したように互いに異なる回転軸の回りに回転させる２つのミラーが用いられる。この様な２つのミラーを同じ位置に配置することは困難であることから、これらのミラーの少なくとも一方は、集光レンズ１４０の入射ひとみから離れた位置に配置される。このため、各ミラーにより反射されたレーザビームが集光レンズ１４０に入射する際の入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみから遠い側と、近い側とで、集光位置にずれが生じることとなる。つまり、集光レンズ１４０の光軸から離れたワークＢ１０上の位置に印字させようとすると、入射ひとみから遠い側と近い側との間で生じる集光位置のずれにより、光軸付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットＢ２０が形成されてしまうこととなる。レーザスポットＢ２０の形状に歪みが生じると、１本の線が二重に印字され、或いは、線幅が太くなり、印字品質が低下する。ここで、複数の光学レンズを組み合わせることにより球面収差を小さくしたものを集光レンズ１４０として使用し、スポット形状の歪みを抑制させることも考えられるが、この場合、製造コストが増大してしまうという問題があった。 Usually, as described above, two mirrors that rotate around different rotation axes are used as the two-dimensional scanning mirror. Since it is difficult to arrange such two mirrors at the same position, at least one of these mirrors is arranged at a position away from the entrance pupil of the condenser lens 140. For this reason, when the incident angle when the laser beam reflected by each mirror is incident on the condenser lens 140 becomes large, due to the influence of spherical aberration, on the outside of the beam, that is, on the side far from the entrance pupil and on the near side. Therefore, a deviation occurs in the light collecting position. That is, when printing is performed at a position on the workpiece B10 that is away from the optical axis of the condenser lens 140, printing is performed near the optical axis due to a shift in the focal position that occurs between the far side and the near side from the entrance pupil. Compared to the case, the laser spot B20 whose shape is greatly distorted is formed. When distortion occurs in the shape of the laser spot B20, one line is printed twice, or the line width becomes thick, and the printing quality is deteriorated. Here, it is conceivable to use a lens having a reduced spherical aberration by combining a plurality of optical lenses as the condenser lens 140 to suppress distortion of the spot shape, but in this case, the manufacturing cost increases. There was a problem.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。特に、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus with improved printing quality without increasing manufacturing costs. In particular, it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus in which distortion of the spot shape is suppressed even when a laser spot is formed at a position away from the optical axis of a condenser lens.
第１の本発明によるレーザ加工装置は、所定の断面形状からなるレーザビームを生成するレーザ発振器と、上記レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、上記第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズと、上記第２のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、上記ミラーを回転させて上記レーザビームを２次元走査させる２次元走査手段と、上記第１のレンズ及び上記第２のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、上記第１のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りとを備えて構成される。 A laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a laser oscillator that generates a laser beam having a predetermined cross-sectional shape, a first lens that refracts the laser beam in a diffusive manner, and a laser that passes through the first lens. A second lens that refracts the beam in a convergent manner; a mirror that reflects the laser beam that has passed through the second lens; a condenser lens that condenses the laser beam reflected by the mirror; and the mirror that rotates. Two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning the laser beam; focal length control means for controlling the focal length of the laser beam by changing the distance between the first lens and the second lens; A beam stop disposed between the first lens and the mirror and configured to block a peripheral portion of the laser beam and reduce a beam diameter.
このレーザ加工装置では、レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、この第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズとからビームエキスパンダが構成される。このビームエキスパンダにより、レーザ発振器において生成されたレーザビームのビーム径が拡大される。そして、これらのレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーを回転させることにより、レーザビームが２次元走査される。その際、レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りが第１のレンズと、ミラーとの間に配置され、このビーム絞りによってレーザビームの通過可能なエリアが狭められる。この様な構成により、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りによって絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。 In this laser processing apparatus, a beam expander is composed of a first lens that refracts the laser beam in a diffusive manner and a second lens that refracts the laser beam that has passed through the first lens in a convergent manner. The beam expander expands the beam diameter of the laser beam generated in the laser oscillator. Then, the laser beam is two-dimensionally scanned by rotating a mirror that reflects the laser beam transmitted through these lenses. At this time, a beam stop that cuts off the peripheral portion of the laser beam and reduces the beam diameter is disposed between the first lens and the mirror, and the area through which the laser beam can pass is narrowed by this beam stop. With such a configuration, the laser beam transmitted through the condenser lens is narrowed by the beam stop, so that even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens, the spot shape is distorted. It can be suppressed from occurring.
第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、レーザビームの周縁部を全周にわたって遮断するように構成される。この様な構成によれば、集光レンズに入射するレーザビームの周縁部が全周にわたって遮断されるので、スポット形状の歪みをより効果的に抑制させることができる。 In addition to the above configuration, the laser processing apparatus according to the second aspect of the present invention is configured such that the beam stop blocks the peripheral edge of the laser beam over the entire circumference. According to such a configuration, the peripheral portion of the laser beam incident on the condenser lens is blocked over the entire circumference, so that the spot shape distortion can be more effectively suppressed.
第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第１のレンズ及び第２のレンズ間の中央よりもミラー側に配置されているように構成される。この様な構成によれば、第１のレンズ及び第２のレンズ間の中央よりも第１のレンズ側に配置するのに比べて、ビーム径のより大きなレーザビームの周縁部をビーム絞りに遮断させればよいことから、ビーム絞りに対して要求される加工精度を低減することができる。 In addition to the above configuration, the laser processing apparatus according to the third aspect of the present invention is configured such that the beam stop is disposed on the mirror side with respect to the center between the first lens and the second lens. According to such a configuration, the peripheral portion of the laser beam having a larger beam diameter is blocked by the beam stop as compared with the case where the first lens is disposed closer to the first lens than the center between the first lens and the second lens. Therefore, the processing accuracy required for the beam stop can be reduced.
第４の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記第１のレンズ及び上記第２のレンズを保持するホルダーと、上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされるように構成される。この様な構成によれば、第１のレンズ及び第２のレンズを保持するホルダーが、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように位置決めされ、筐体に取り付けられる。その際、ビーム絞りが、ホルダーに取り付けられ、一体的に位置決めされるので、レーザビームの光軸合わせを容易化することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus comprising: a laser oscillator including: a holder for holding the first lens and the second lens; and a holder in which the laser oscillator is disposed. And an optical axis adjusting means for positioning the holder so that the optical axes of the holder coincide with each other, the beam aperture is attached to the holder, and the beam aperture and the holder are integrally positioned by the optical axis adjusting means. Configured as follows. According to such a configuration, the holder for holding the first lens and the second lens is positioned so that the optical axes of the laser oscillator and the holder coincide with each other and attached to the housing. At this time, since the beam stop is attached to the holder and positioned integrally, the optical axis alignment of the laser beam can be facilitated.
第５の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第２のレンズよりもミラー側に配置されているように構成される。 The laser processing apparatus according to the fifth aspect of the present invention is configured such that, in addition to the above configuration, the beam stop is disposed closer to the mirror than the second lens.
本発明によるレーザ加工装置によれば、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りにより絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。従って、複数の光学レンズを組み合わせて集光レンズの球面収差を小さくするのに比べて、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させることができる。 According to the laser processing apparatus of the present invention, the laser beam transmitted through the condenser lens is narrowed down by the beam stop. Therefore, even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens, Generation of distortion in the shape can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the printing quality without increasing the manufacturing cost as compared with the case where the spherical aberration of the condenser lens is reduced by combining a plurality of optical lenses.
図１は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１の概略構成の一例を示した斜視図である。このレーザ加工装置１は、ワークＷにレーザビームＬを照射することによって表面加工を行う装置であり、レーザ制御部２、光ファイバーケーブル３及びレーザ出力部４からなる。なお、レーザ加工装置１を用いて行われる表面加工には、文字などの印字、バーコードなどのマーキング、塗装などを剥離する剥離加工、溝彫り加工、貫通孔を形成する穴あけ加工、フィルムなどの切断加工が含まれるものとする。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of a schematic configuration of a laser processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 1 is an apparatus that performs surface processing by irradiating a workpiece W with a laser beam L, and includes a laser control unit 2, an optical fiber cable 3, and a laser output unit 4. In addition, surface processing performed using the laser processing apparatus 1 includes printing of characters and the like, marking such as barcodes, peeling processing for peeling coating, grooving processing, drilling processing for forming through holes, films, and the like. Cutting processing shall be included.
レーザ出力部４は、ワークＷに対してレーザビームＬを照射するとともに、レーザビームＬを３次元スキャンさせることができるレーザ照射装置である。このレーザ出力部４は、例えば、横長の筐体からなり、筐体先端部から下方に向けてレーザビームＬが射出される。 The laser output unit 4 is a laser irradiation apparatus that can irradiate the workpiece W with the laser beam L and cause the laser beam L to be three-dimensionally scanned. The laser output unit 4 is composed of, for example, a horizontally long case, and a laser beam L is emitted downward from the front end of the case.
レーザ制御部２は、レーザ出力部４の動作を制御する制御装置であり、レーザビームＬを３次元スキャンさせるためのスキャン制御や、励起光の生成を行っている。この励起光の強度を調整することにより、レーザ出力部４から射出されるレーザビームＬの強度（レーザパワー）を制御することができる。 The laser control unit 2 is a control device that controls the operation of the laser output unit 4, and performs scan control for causing the laser beam L to be three-dimensionally scanned and generation of excitation light. By adjusting the intensity of the excitation light, the intensity (laser power) of the laser beam L emitted from the laser output unit 4 can be controlled.
励起光は、光ファイバーケーブル３を介してレーザ出力部４へ供給され、レーザ出力部４内のレーザ発振器へ入力される。光ファイバーケーブル３は、励起光の光源及びレーザ発振器を光学的に結合している励起光の伝送路である。 The excitation light is supplied to the laser output unit 4 through the optical fiber cable 3 and input to the laser oscillator in the laser output unit 4. The optical fiber cable 3 is a pumping light transmission path that optically couples a pumping light source and a laser oscillator.
（レーザ出力部４）
図２は、図１のレーザ加工装置１におけるレーザ出力部４内の構成例を示した斜視図である。このレーザ出力部４は、レーザ発振器１１、シャッタ１２、ビームコンバイナ１３、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７、集光レンズ１８及びガイド用光源１９により構成される。
(Laser output unit 4)
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example in the laser output unit 4 in the laser processing apparatus 1 of FIG. The laser output unit 4 includes a laser oscillator 11, a shutter 12, a beam combiner 13, a beam expander 14, a beam stop 15, scanning mirrors 16 and 17, a condensing lens 18, and a guide light source 19.
レーザ発振器１１は、レーザ制御部２からの励起光を用いて、照射用のレーザビームＬを生成するレーザ発振装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームＬを所定方向に射出する。このレーザ発振器１１から射出されたレーザビームＬは、シャッタ１２、ビームコンバイナ１３、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６及び１７を順に経由した後、集光レンズ１８によってワークＷ上に集光される。 The laser oscillator 11 is a laser oscillation device that generates an irradiation laser beam L using excitation light from the laser control unit 2, and emits a laser beam L having a predetermined cross-sectional shape in a predetermined direction. The laser beam L emitted from the laser oscillator 11 passes through the shutter 12, the beam combiner 13, the beam expander 14, the beam stop 15, and the scanning mirrors 16 and 17 in this order, and then onto the work W by the condenser lens 18. Focused.
シャッタ１２は、レーザビームＬの遮断機である。ビームコンバイナ１３は、レーザ発振器１１から入射するレーザビームＬを透過させ、ガイド用光源１９から入射するガイド光を全反射させるためのハーフミラーである。 The shutter 12 is a laser beam L interrupter. The beam combiner 13 is a half mirror that transmits the laser beam L incident from the laser oscillator 11 and totally reflects the guide light incident from the light source 19 for guide.
ビームエキスパンダ１４は、レーザビームＬのビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、レーザビームＬの光軸（主軸）上に２枚の光学レンズ、すなわち、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂを配置して構成される。このビームエキスパンダ１４は、レーザ発振器１１が配置されたフレーム４ａに、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂを保持するホルダーを介して取り付けられている。 The beam expander 14 is a beam expander that expands the beam diameter of the laser beam L, and two optical lenses, that is, an incident lens 14a and an emission lens 14b are arranged on the optical axis (main axis) of the laser beam L. Configured. The beam expander 14 is attached to the frame 4a on which the laser oscillator 11 is disposed via a holder that holds the entrance lens 14a and the exit lens 14b.
入射レンズ１４ａは、レーザビームＬを拡散性に屈折させる光学レンズであり、その光軸をレーザビームＬの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を拡散性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸とは反対側、すなわち、光軸から遠ざかる方へ屈折させることであり、光路長に応じて径の拡大するビームが得られる。この様な入射レンズ１４ａには、例えば、レーザビームＬの入射面が平面であり、出射面が凹面であるレンズが用いられる。 The incident lens 14a is an optical lens that refracts the laser beam L in a diffusive manner, and is arranged with its optical axis coinciding with the optical axis of the laser beam L. Here, refracting light diffusively means refracting all incident light to the side opposite to the optical axis of the lens, that is, away from the optical axis, and the diameter increases according to the optical path length. The beam to be obtained is obtained. As such an incident lens 14a, for example, a lens in which the incident surface of the laser beam L is a flat surface and the exit surface is a concave surface is used.
出射レンズ１４ｂは、入射レンズ１４ａを透過したレーザビームＬを収束性に屈折させる光学レンズであり、その光軸を入射レンズ１４ａの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を収束性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸側、すなわち、光軸に近づく方へ屈折させることである。この様な出射レンズ１４ｂには、例えば、入射面が平面であり、出射面が凸面であるレンズが用いられる。 The exit lens 14b is an optical lens that refracts the laser beam L transmitted through the incident lens 14a in a convergent manner, and is arranged with its optical axis coinciding with the optical axis of the incident lens 14a. Here, refracting light in a convergent manner means refracting all incident light toward the optical axis side of the lens, that is, toward the optical axis. For such an exit lens 14b, for example, a lens having a flat entrance surface and a convex exit surface is used.
ここでは、出射レンズ１４ｂに比べてレンズ径の小さな入射レンズ１４ａが、光軸方向Ｅ１−Ｆ１に摺動可能に保持されるものとする。つまり、出射レンズ１４ｂが、光軸上に固定されているのに対し、入射レンズ１４ａは、摺動可能に保持されているので、入射レンズ１４ａを光軸方向に移動させることによって、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離を変化させることができる。また、出射レンズ１４ｂを透過したレーザビームＬは、光路長に応じてビーム径の縮小する収束性のビーム（光線束）からなるものとする。 Here, it is assumed that the incident lens 14a having a smaller lens diameter than the exit lens 14b is slidably held in the optical axis direction E1-F1. That is, while the exit lens 14b is fixed on the optical axis, the entrance lens 14a is slidably held. Therefore, by moving the entrance lens 14a in the optical axis direction, the entrance lens 14a is moved. And the distance between the exit lenses 14b can be changed. The laser beam L that has passed through the exit lens 14b is composed of a convergent beam (light beam) whose beam diameter is reduced in accordance with the optical path length.
レーザ発振器１１から入射されるレーザビームＬは、光路長にかかわらずビーム径が一定の平行光であるが、入射レンズ１４ａを通過することによって、光路長に応じてビーム径が変化する非平行光となる。ここでは、入射レンズ１４ａがレーザビームＬを拡散性に屈折させているので、光路長が長くなれば、ビーム径が拡大していく。 The laser beam L incident from the laser oscillator 11 is parallel light having a constant beam diameter regardless of the optical path length, but is non-parallel light whose beam diameter changes according to the optical path length by passing through the incident lens 14a. It becomes. Here, since the incident lens 14a refracts the laser beam L diffusively, the beam diameter increases as the optical path length increases.
入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離を変化させると、出射レンズ１４ｂに入射する光の入射角度が変化し、集光レンズ１８に入射する光の入射角度も変化するので、レーザビームＬの焦点を集光レンズ１８の光軸方向Ｅ２−Ｆ２に移動させることができる。従って、集光レンズ１８の光軸方向をＺ軸方向とすれば、ビームエキスパンダ１４は、レーザビームＬの焦点をＺ軸方向に走査するＺ軸スキャナとなる。 When the distance between the incident lens 14a and the outgoing lens 14b is changed, the incident angle of the light incident on the outgoing lens 14b is changed, and the incident angle of the light incident on the condenser lens 18 is also changed. Can be moved in the optical axis direction E2-F2 of the condenser lens 18. Accordingly, if the optical axis direction of the condenser lens 18 is the Z-axis direction, the beam expander 14 becomes a Z-axis scanner that scans the focal point of the laser beam L in the Z-axis direction.
なお、ここでは、出射レンズ１４ｂを固定し、入射レンズ１４ａを移動可能にするビームエキスパンダ１４について説明したが、ビームエキスパンダ１４は、レンズ１４ａ，１４ｂ間の距離が調整可能であればよい。従って、入射レンズ１４ａを固定して、出射レンズ１４ｂを移動可能としても良いし、入射レンズ１４ａ、出射レンズ１４ｂを共に移動可能とすることもできる。 Here, the beam expander 14 has been described in which the exit lens 14b is fixed and the incident lens 14a is movable. However, the beam expander 14 only needs to be able to adjust the distance between the lenses 14a and 14b. Therefore, the incident lens 14a may be fixed and the exit lens 14b may be movable, or both the entrance lens 14a and the exit lens 14b may be movable.
ビーム絞り１５は、レーザビームＬを制限するための開口絞り（aperture：アパチャ）であり、レーザビームＬの周縁部を遮断してビーム径を減少させる。このビーム絞り１５により、レーザビームＬの通過可能なエリアが狭められ、集光レンズ１８に入射するレーザビームＬが絞り込まれる。ここでは、この様なビーム絞り１５が出射レンズ１４ｂよりも走査用ミラー１６側に配置されるものとする。 The beam stop 15 is an aperture stop for limiting the laser beam L, and cuts the periphery of the laser beam L to reduce the beam diameter. The beam stop 15 narrows the area through which the laser beam L can pass, and the laser beam L incident on the condenser lens 18 is reduced. Here, it is assumed that such a beam stop 15 is disposed closer to the scanning mirror 16 than the exit lens 14b.
走査用ミラー１６及び１７は、出射レンズ１４ｂを透過したレーザビームＬを反射させ、レーザビームＬをその光軸に垂直な面内で移動させる２次元スキャナである。走査用ミラー１６は、出射レンズ１４ｂの光軸に垂直な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームＬがＸ軸方向Ａ２−Ｂ２に走査される。ここでいう回転とは、ミラーの揺動運動、すなわち、所定の角度範囲内で行われる往復運動のことである。 The scanning mirrors 16 and 17 are two-dimensional scanners that reflect the laser beam L transmitted through the emission lens 14b and move the laser beam L in a plane perpendicular to the optical axis. The scanning mirror 16 is a galvanometer mirror having a rotation axis perpendicular to the optical axis of the exit lens 14b. By rotating a predetermined amount around this rotation axis, the laser beam L is scanned in the X-axis direction A2-B2. The The term “rotation” as used herein refers to a swinging movement of the mirror, that is, a reciprocating movement performed within a predetermined angle range.
走査用ミラー１７は、出射レンズ１４ｂの光軸に平行な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームＬがＹ軸方向Ｃ２−Ｄ２に走査される。ここでは、走査用ミラー１６の回転方向をＡ１−Ｂ１とし、走査用ミラー１７の回転方向をＣ１−Ｄ１としている。 The scanning mirror 17 is a galvanometer mirror having a rotation axis parallel to the optical axis of the exit lens 14b, and the laser beam L is scanned in the Y-axis direction C2-D2 by rotating a predetermined amount around the rotation axis. The Here, the rotation direction of the scanning mirror 16 is A1-B1, and the rotation direction of the scanning mirror 17 is C1-D1.
集光レンズ１８は、走査用ミラー１６，１７により反射されたレーザビームＬを集光させる光学レンズである。ここでは、集光レンズ１８として、ｆθレンズが用いられるものとする。ｆθレンズは、像高がレーザビームＬの入射角度に比例するように、設計された光学レンズである。この様なｆθレンズとして、例えば、レーザビームＬの入射面が凹面であり、出射面が入射面よりも大きな曲率の凸面であるレンズが用いられる。 The condensing lens 18 is an optical lens that condenses the laser beam L reflected by the scanning mirrors 16 and 17. Here, it is assumed that an fθ lens is used as the condenser lens 18. The fθ lens is an optical lens designed so that the image height is proportional to the incident angle of the laser beam L. As such an fθ lens, for example, a lens in which the incident surface of the laser beam L is a concave surface and the exit surface is a convex surface having a larger curvature than the incident surface is used.
走査用ミラー１６及び１７をそれぞれ所定の範囲内で回転させることにより、集光レンズ１８の光軸に垂直な面上の走査エリアＷ１内でレーザビームＬを走査させることができる。具体的には、例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍの矩形エリアを走査させることができる。また、入射レンズ１４ａを所定の範囲内で移動させることにより、所定範囲内でレーザビームＬの焦点を光軸方向に移動させることができる。 By rotating the scanning mirrors 16 and 17 within a predetermined range, the laser beam L can be scanned in the scanning area W1 on the plane perpendicular to the optical axis of the condenser lens 18. Specifically, for example, a rectangular area of 50 mm × 50 mm can be scanned. Further, by moving the incident lens 14a within a predetermined range, the focal point of the laser beam L can be moved in the optical axis direction within the predetermined range.
つまり、走査用ミラー１６及び１７の回転量を変化させることにより、レーザビームＬが２次元走査され、回転量を調整することにより２次元走査を制御することができる。また、ビームエキスパンダ１４におけるレンズ間の距離を変化させることにより、レーザビームＬの焦点が光軸方向に移動し、レンズ間の距離を調整することによりレーザビームＬの焦点距離を制御することができる。 That is, the laser beam L is two-dimensionally scanned by changing the amount of rotation of the scanning mirrors 16 and 17, and the two-dimensional scanning can be controlled by adjusting the amount of rotation. Further, by changing the distance between the lenses in the beam expander 14, the focal point of the laser beam L moves in the optical axis direction, and the focal distance of the laser beam L can be controlled by adjusting the distance between the lenses. it can.
ガイド用光源１９は、可視光からなるガイド光を生成する光源装置であり、例えば、赤色レーザダイダイオードが用いられる。ガイド用光源１９から出射されたガイド光は、レーザビームＬの光路上のビームコンバイナ１３で反射され、レーザビームＬの光路に入る。レーザビームＬの光路に入ったガイド光は、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７及び集光レンズ１８を経てワークＷへ照射される。この様なガイド光は、レーザビームＬの照射位置と同じ位置に照射されるので、レーザビームＬの照射前にガイド光を照射し、レーザビームＬの照射時と同様のＸＹ走査を行うことによって、レーザビームＬの照射位置を事前に目視確認することができる。 The guide light source 19 is a light source device that generates guide light composed of visible light, and for example, a red laser diode is used. The guide light emitted from the guide light source 19 is reflected by the beam combiner 13 on the optical path of the laser beam L and enters the optical path of the laser beam L. The guide light entering the optical path of the laser beam L is applied to the workpiece W through the beam expander 14, the beam stop 15, the scanning mirrors 16 and 17, and the condenser lens 18. Since such guide light is irradiated at the same position as the irradiation position of the laser beam L, the guide light is irradiated before irradiation of the laser beam L, and XY scanning similar to that at the irradiation of the laser beam L is performed. The irradiation position of the laser beam L can be visually confirmed in advance.
（レーザ発振器１１）
図３は、図２のレーザ出力部４におけるレーザ発振器１１の一構成例を示した図である。このレーザ発振器１１は、励起光をレーザ媒体２３に照射し、その誘導放出光を共振器内で増幅して、単一波長からなるレーザビームＬ１を生成するレーザ発振装置である。光ファイバーケーブル３を介して、レーザ制御部２から入力された励起光は、入射レンズ２１によってレーザ媒体２３内に集光され、レーザ媒体２３から誘導放射光が放出される。この誘導放射光は、対向配置された入力ミラー２２及び出力ミラー２６で反射され、レーザ媒体２３に再び入射される。
(Laser oscillator 11)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the laser oscillator 11 in the laser output unit 4 of FIG. The laser oscillator 11 is a laser oscillation device that irradiates a laser medium 23 with excitation light and amplifies the stimulated emission light in a resonator to generate a laser beam L1 having a single wavelength. The excitation light input from the laser control unit 2 via the optical fiber cable 3 is condensed in the laser medium 23 by the incident lens 21, and the guide radiation is emitted from the laser medium 23. The induced radiation light is reflected by the input mirror 22 and the output mirror 26 that are arranged to face each other, and is incident on the laser medium 23 again.
入力ミラー２２は、入射レンズ２１側からの入射光を透過させ、レーザ媒体２３側からの入射光を全反射させるハーフミラーである。出力ミラー２６は、レーザビームの大部分を反射させるとともに、一部を透過させる半透過ミラーであり、出力ミラー２６の透過光は、ビームエキスパンダ１４へ入射される。対向配置された入力ミラー２２及び出力ミラー２６は、レーザビームを往復させる共振器光軸２７を形成しており、この共振器光軸２７上にレーザ媒体２３、Ｑスイッチ２４及びアパチャ２５が順に配置されている。 The input mirror 22 is a half mirror that transmits incident light from the incident lens 21 side and totally reflects incident light from the laser medium 23 side. The output mirror 26 is a semi-transmissive mirror that reflects most of the laser beam and transmits part of the laser beam, and light transmitted through the output mirror 26 is incident on the beam expander 14. The input mirror 22 and the output mirror 26 arranged opposite to each other form a resonator optical axis 27 for reciprocating the laser beam, and a laser medium 23, a Q switch 24, and an aperture 25 are sequentially arranged on the resonator optical axis 27. Has been.
Ｑスイッチ２４は、レーザビームを回折させる音響光学素子（ＡＯＭ：Acoustic Optical Modulator）であり、アパチャ２５は、共振器光軸２７から外れたレーザビームを遮断するための絞りであり、Ｑスイッチ２４及びアパチャ２５を用いて、レーザ発振を停止させることができる。すなわち、レーザビームの光軸が共振器光軸２７外となるように、Ｑスイッチ２４がレーザビームを回折させれば、アパチャ２５によってレーザビームが遮断され、レーザ発振が停止する。 The Q switch 24 is an acoustic optical modulator (AOM: Acoustic Optical Modulator) that diffracts the laser beam, and the aperture 25 is a stop for blocking the laser beam off the resonator optical axis 27. Laser oscillation can be stopped using the aperture 25. That is, if the Q switch 24 diffracts the laser beam so that the optical axis of the laser beam is outside the resonator optical axis 27, the laser beam is blocked by the aperture 25, and laser oscillation stops.
レーザ媒体２３には、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ4（ネオジウムイオンをドープしたイットリューム・バナジウム酸塩）を用いることができる。この場合、Ｎｄ：ＹＶＯ4の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍの波長を有する励起光が用いられる。また、レーザ発振器１１は、固体レーザに限られず、ＣＯ2やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体をレーザ媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。 For the laser medium 23, for example, Nd: YVO 4 (yttrium vanadate doped with neodymium ions) can be used. In this case, excitation light having a wavelength of 809 nm which is the center wavelength of the absorption spectrum of Nd: YVO 4 is used. The laser oscillator 11 is not limited to a solid-state laser, and a gas laser using a gas such as CO 2 , helium-neon, argon, or nitrogen as a laser medium can also be used.
ここでは、この様なレーザ発振器１１により、所定の断面形状、例えば、円形形状からなるレーザビームＬ１が生成されるものとする。 Here, it is assumed that such a laser oscillator 11 generates a laser beam L1 having a predetermined cross-sectional shape, for example, a circular shape.
（ビームエキスパンダ）
図４は、図２のレーザ出力部４におけるビームエキスパンダ１４の一構成例を示した図であり、断面の様子が模式的に示されている。このビームエキスパンダ１４は、ホルダー３１と、ホルダー３１をフレーム４ａに係止するための係止ネジ３２と、出射レンズ１４ｂが配置される鏡筒３３と、入射レンズ１４ａに取り付けられるレンズ枠３４からなる。フレーム４ａは、レーザ加工装置１の筐体の一部である。鏡筒３３は、出射レンズ１４ｂを保持し、所定の光路長を得るための筒体である。鏡筒３３は、出射側端部の厚みが大きくなっており、この肉厚部に出射レンズ１４ｂが配置されている。鏡筒３３は、中心軸をレーザビームＬ１の光軸３５に一致させて配置されている。
(Beam expander)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the beam expander 14 in the laser output unit 4 of FIG. 2, and schematically shows a cross-sectional state. The beam expander 14 includes a holder 31, a locking screw 32 for locking the holder 31 to the frame 4a, a lens barrel 33 in which the exit lens 14b is disposed, and a lens frame 34 attached to the incident lens 14a. Become. The frame 4 a is a part of the housing of the laser processing apparatus 1. The lens barrel 33 is a cylinder for holding the emission lens 14b and obtaining a predetermined optical path length. The lens barrel 33 has a large thickness at the exit side end, and the exit lens 14b is disposed in the thick part. The lens barrel 33 is arranged with its central axis coinciding with the optical axis 35 of the laser beam L1.
ホルダー３１は、鏡筒３３を介して出射レンズ１４ｂを保持するとともに、レンズ枠３４を介して入射レンズ１４ａを摺動可能に保持するレンズ保持手段である。入射レンズ１４ａ及びレンズ枠３４は、ボイスコイルモータなどの駆動手段によって駆動される可動部であり、この可動部を光軸３５方向に移動させることにより、焦点距離の調整が行われる。 The holder 31 is a lens holding unit that holds the exit lens 14 b via the lens barrel 33 and slidably holds the entrance lens 14 a via the lens frame 34. The incident lens 14a and the lens frame 34 are movable parts driven by driving means such as a voice coil motor, and the focal length is adjusted by moving the movable part in the direction of the optical axis 35.
ビーム絞り１５は、鏡筒３３の出射側端面に配置されている。このビーム絞り１５は、中央部に円形状の開口が設けられた円板からなり、開口面を光軸３５に直交させて配置されている。ビーム絞り１５は、例えば、鏡筒３３内にねじ込むことにより、鏡筒３３に固定されている。 The beam stop 15 is disposed on the exit side end face of the lens barrel 33. The beam stop 15 is made of a disc having a circular opening at the center, and is arranged with the opening surface orthogonal to the optical axis 35. The beam stop 15 is fixed to the lens barrel 33 by, for example, screwing into the lens barrel 33.
鏡筒３３を介してビーム絞り１５が取り付けられているホルダー３１は、係止ネジ３２を用いてフレーム４ａに取り付けられる。その際、ホルダー３１の光軸がレーザ発振器１１の光軸に一致するように位置決めされ、ホルダー３１がフレーム４ａ上に取り付けられる。つまり、係止ネジ３２は、フレーム４ａにホルダー３１を取り付け、レーザ発振器１１及びホルダー３１の光軸が一致するように、当該ホルダー３１を位置決めする光軸調整手段となっている。このとき、ビーム絞り１５は、この光軸調整手段によりホルダー３１と一体的に位置決めされる。 The holder 31 to which the beam stop 15 is attached via the lens barrel 33 is attached to the frame 4a using the locking screw 32. At that time, the holder 31 is positioned so that the optical axis of the holder 31 coincides with the optical axis of the laser oscillator 11, and the holder 31 is mounted on the frame 4a. That is, the locking screw 32 is an optical axis adjusting means for positioning the holder 31 so that the holder 31 is attached to the frame 4a and the optical axes of the laser oscillator 11 and the holder 31 are aligned. At this time, the beam stop 15 is positioned integrally with the holder 31 by the optical axis adjusting means.
具体的には、ホルダー３１の固定位置をフレーム４ａ上でずらすことにより、水平方向の光軸調整が行われ、スペーサーをホルダー３１及びフレーム４ａ間に挿入することにより、垂直な方向の光軸調整が行われる。または、上記スペーサーに代えて、一般的なアオリ調整機構を採用しても良い。 Specifically, the optical axis adjustment in the horizontal direction is performed by shifting the fixing position of the holder 31 on the frame 4a, and the optical axis adjustment in the vertical direction is performed by inserting a spacer between the holder 31 and the frame 4a. Is done. Alternatively, a general tilt adjusting mechanism may be employed instead of the spacer.
（ビーム絞り１５）
図５（ａ）及び（ｂ）は、図２のレーザ出力部４におけるビーム絞り１５の一構成例を示した図であり、図５（ａ）には、レーザビームＬ１の入射方向から見た図が示され、図５（ｂ）には、レーザビームＬ１の光軸を含む断面が示されている。このビーム絞り１５は、周縁部１５ａの厚みを中央部に比べて大きくした円板状の部材からなる。そして、厚みの薄い中央部には、レーザビームＬ１を通過させるための円形の開口１５ｂが設けられている。
(Beam stop 15)
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a configuration example of the beam stop 15 in the laser output unit 4 of FIG. 2, and FIG. 5A is viewed from the incident direction of the laser beam L1. FIG. 5B shows a cross section including the optical axis of the laser beam L1. The beam stop 15 is made of a disk-shaped member having a peripheral edge portion 15a thicker than the center portion. A circular opening 15b for allowing the laser beam L1 to pass therethrough is provided in the thin central portion.
開口１５ｂのサイズは、レーザビームＬ１のビーム径に基づいて定められる。ここでは、出射レンズ１４ｂの透過直後のビーム径に応じて定められるものとする。具体的には、出射レンズ１４ｂの透過直後のビーム径が、例えば、直径１７ｍｍである場合、開口１５ｂのサイズは、直径１５〜１６ｍｍ程度に定められる。この様なビーム絞り１５により、入射光の５％〜１５％を遮断し、従って、入射光の８５％〜９５％を透過させることができる。 The size of the opening 15b is determined based on the beam diameter of the laser beam L1. Here, it is determined according to the beam diameter immediately after transmission through the exit lens 14b. Specifically, when the beam diameter immediately after passing through the exit lens 14b is, for example, 17 mm in diameter, the size of the opening 15b is determined to be about 15 to 16 mm in diameter. With such a beam stop 15, 5% to 15% of the incident light can be blocked, and therefore 85% to 95% of the incident light can be transmitted.
この様なビーム絞り１５により、レーザビームＬ１の周縁部は、全周にわたって遮断されることとなる。 By such a beam stop 15, the peripheral portion of the laser beam L1 is blocked over the entire circumference.
（Ｚ軸スキャン動作）
図６及び図７は、ビームエキスパンダ１４を用いたＺ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ１４を含む走査系が示され、集光レンズ１８は省略されている。図中の１６ａは、走査用ミラー１６を回転軸の回りに回転させるための駆動用モーターであり、１７ａは、走査用ミラー１７を回転させるための駆動用モーターである。
(Z-axis scan operation)
6 and 7 are explanatory diagrams relating to a scanning operation in the Z-axis direction using the beam expander 14, a scanning system including the beam expander 14 is shown, and the condensing lens 18 is omitted. In the figure, 16a is a driving motor for rotating the scanning mirror 16 around the rotation axis, and 17a is a driving motor for rotating the scanning mirror 17.
ここでは、ビームエキスパンダ１４内の入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離が短くなれば、集光レンズ１８に入射する光の拡がり角が大きくなり、レーザビームＬ２の焦点距離が長くなる場合について説明する。 Here, when the distance between the entrance lens 14a and the exit lens 14b in the beam expander 14 is shortened, the spread angle of the light incident on the condenser lens 18 is increased, and the focal length of the laser beam L2 is increased. explain.
図６に示したレンズ間距離Ｒｄ１は、図７のレンズ間距離Ｒｄ２よりも短い。このため、ビームエキスパンダ１４から出射されて集光レンズ１８に入射する光の入射角度は、図６の方が小さく、図６の焦点距離Ｌｄ１は、図７の焦点距離Ｌｄ２よりも長くなっている。つまり、レンズ間距離Ｒｄ１，Ｒｄ２を短くすることによって、レーザ出力部４からワークＷまでの距離であるワーキングディスタンスを長くすることができる。 The inter-lens distance Rd1 shown in FIG. 6 is shorter than the inter-lens distance Rd2 in FIG. For this reason, the incident angle of the light emitted from the beam expander 14 and incident on the condenser lens 18 is smaller in FIG. 6, and the focal length Ld1 in FIG. 6 is longer than the focal length Ld2 in FIG. Yes. That is, the working distance, which is the distance from the laser output unit 4 to the workpiece W, can be increased by shortening the inter-lens distances Rd1, Rd2.
逆に、レンズ間距離を長くすれば、集光レンズ１８に入射する光の入射角度が大きくなり、レーザビームＬ２の焦点距離が短くなって、ワーキングディスタンスを短くすることができる。ここでは、例えば、９２ｍｍ±４ｍｍの範囲でワーキングディスタンスを調整することができるものとする。 Conversely, if the distance between the lenses is increased, the incident angle of the light incident on the condenser lens 18 is increased, the focal distance of the laser beam L2 is shortened, and the working distance can be shortened. Here, for example, it is assumed that the working distance can be adjusted within a range of 92 mm ± 4 mm.
（ＸＹ軸スキャン動作）
図８及び図９は、走査用ミラー１６及び１７を用いたＸＹ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７及び集光レンズ１８を含む走査系が示されている。ここでは、集光レンズ１８の光軸から離れた位置を走査させる際に、レーザビームＬ２がワークＷ上に集光するように、ビームエキスパンダ１４におけるレンズ間距離を短くしてレーザビームＬ２の焦点距離が調整される場合について説明する。
(XY axis scan operation)
FIGS. 8 and 9 are explanatory diagrams relating to the scanning operation in the X and Y axes directions using the scanning mirrors 16 and 17, and include the beam expander 14, the beam stop 15, the scanning mirrors 16 and 17, and the condenser lens 18. A scanning system is shown. Here, when the position away from the optical axis of the condensing lens 18 is scanned, the distance between the lenses in the beam expander 14 is shortened so that the laser beam L2 is condensed on the workpiece W. A case where the focal length is adjusted will be described.
図８には、集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２が光軸位置に走査され、ワークＷ上にレーザスポットＬ３が形成されている様子が示されている。レーザ発振器１１において射出されたレーザビームＬ１は、ビームエキスパンダ１４に入射され、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離に応じてビーム径が拡大され、出射される。ビームエキスパンダ１４から出射されたレーザビームＬ２は、その一部分がビーム絞り１５により遮断される。 FIG. 8 shows a state in which the laser beam L2 transmitted through the condenser lens 18 is scanned at the optical axis position, and a laser spot L3 is formed on the workpiece W. The laser beam L1 emitted from the laser oscillator 11 is incident on the beam expander 14, and the beam diameter is enlarged and emitted according to the distance between the incident lens 14a and the emission lens 14b. A part of the laser beam L 2 emitted from the beam expander 14 is blocked by the beam stop 15.
ビーム絞り１５を通過したレーザビームＬ２は、走査用ミラー１６，１７により反射され、集光レンズ１８に入射する。集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２は、集光され、ワークＷ上にレーザスポットＬ３を形成する。 The laser beam L 2 that has passed through the beam stop 15 is reflected by the scanning mirrors 16 and 17 and enters the condenser lens 18. The laser beam L2 that has passed through the condenser lens 18 is condensed and forms a laser spot L3 on the workpiece W.
図９には、集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２が光軸から離れた位置（光軸からの距離ｄ２）に走査され、ワークＷ上にレーザスポットＬ４が形成されている様子が示されている。図９のレンズ間距離は、図８のレンズ間距離よりも短い。このため、ビームエキスパンダ１４から出射されて集光レンズ１８に入射する光の入射角度は、図９の方が小さく、図９の焦点距離は、図８の焦点距離よりも長くなっている。 FIG. 9 shows that the laser beam L2 transmitted through the condenser lens 18 is scanned at a position (distance d2 from the optical axis) away from the optical axis, and a laser spot L4 is formed on the workpiece W. ing. The distance between lenses in FIG. 9 is shorter than the distance between lenses in FIG. Therefore, the incident angle of the light emitted from the beam expander 14 and incident on the condenser lens 18 is smaller in FIG. 9, and the focal length in FIG. 9 is longer than the focal length in FIG.
この様に、集光レンズ１８の光軸から離れた位置を走査させる際には、レーザビームＬ２がワークＷ上に正しく集光するように、ビームエキスパンダ１４によってレーザビームＬ２の焦点距離が調整される。その際、集光レンズ１８に入射されるレーザビームＬ２が、ビーム絞り１５によって一部分遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬ２が絞り込まれる。このため、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットＬ４を形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。 Thus, when scanning a position away from the optical axis of the condenser lens 18, the focal length of the laser beam L2 is adjusted by the beam expander 14 so that the laser beam L2 is correctly condensed on the workpiece W. Is done. At this time, the laser beam L2 incident on the condensing lens 18 is partially blocked by the beam stop 15, and the laser beam L2 transmitted through the condensing lens 18 is narrowed down. For this reason, even if it is a case where the laser spot L4 is formed in the position away from the optical axis of the condensing lens 18, it can suppress that distortion arises in a spot shape.
（レーザビームＬ２の焦点距離）
図１０は、ビームエキスパンダ１４による焦点距離の調整動作に関する説明図であり、異なる入射角度で集光レンズ１８に入射する２つのレーザビームＬ２１及びＬ２２の様子が示されている。この例では、集光レンズ１８の光軸方向１８ａから各レーザビームＬ２１，Ｌ２２が入射するとともに、レーザビームＬ２２が、レーザビームＬ２１に比べて、光軸１８ａからの距離に応じた入射角度の小さなビーム（光線束）である場合が示されている。
(Focal distance of laser beam L2)
FIG. 10 is an explanatory diagram regarding the operation of adjusting the focal length by the beam expander 14, and shows the states of the two laser beams L21 and L22 that are incident on the condenser lens 18 at different incident angles. In this example, the laser beams L21 and L22 are incident from the optical axis direction 18a of the condenser lens 18, and the laser beam L22 has a smaller incident angle corresponding to the distance from the optical axis 18a than the laser beam L21. A case of a beam (light bundle) is shown.
一般に、集光レンズに入射させるビームを構成する各光線の入射角度を大きくすれば、ビームの焦点距離を短くすることができる。逆に、各光線の入射角度を小さくすることにより、焦点距離は長くなる。従って、レーザビームＬ２２は、レーザビームＬ２１よりも遠い位置に集光されることとなる。つまり、レーザビームＬ２２における光軸１８ａ上の焦点Ｓ２は、レーザビームＬ２１の焦点Ｓ１よりも遠い位置に形成される。Ｚ軸スキャンでは、この様な原理を利用してレーザビームＬの焦点距離の調整が行われる。 In general, the focal length of a beam can be shortened by increasing the incident angle of each light beam constituting the beam incident on the condenser lens. Conversely, the focal length is increased by reducing the incident angle of each light beam. Therefore, the laser beam L22 is condensed at a position farther than the laser beam L21. That is, the focal point S2 on the optical axis 18a in the laser beam L22 is formed at a position farther than the focal point S1 of the laser beam L21. In the Z-axis scan, the focal length of the laser beam L is adjusted using such a principle.
（集光レンズ１８の球面収差）
図１１は、走査用ミラー１６及び１７による２次元走査時の動作に関する説明図であり、入射ひとみ１８ｂから離れた位置に配置されたミラーにより大きな入射角度で集光レンズ１８に入射されるレーザビームＬの様子が示されている。各走査用ミラー１６及び１７は、互いに異なる回転軸の回りに回転させる必要があることから、両者を同じ位置に配置するのは不可能である。つまり、走査用ミラー１６又は１７のいずれか一方は、少なくとも集光レンズ１８の入射ひとみ１８ｂから離れた位置に配置されることとなる。
(Spherical aberration of condenser lens 18)
FIG. 11 is an explanatory diagram regarding the operation at the time of two-dimensional scanning by the scanning mirrors 16 and 17, and a laser beam incident on the condenser lens 18 at a large incident angle by a mirror disposed at a position away from the entrance pupil 18b. The state of L is shown. Since each of the scanning mirrors 16 and 17 needs to be rotated around different rotation axes, it is impossible to arrange them at the same position. That is, one of the scanning mirrors 16 and 17 is arranged at a position at least away from the entrance pupil 18 b of the condenser lens 18.
ここでは、入射ひとみ１８ｂが、集光レンズ１８の屈折面（球面）の曲率中心であるものとする。 Here, it is assumed that the entrance pupil 18 b is the center of curvature of the refractive surface (spherical surface) of the condenser lens 18.
この様なミラーにより反射されたレーザビームＬが集光レンズ１８に入射する際、ビームの入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみ１８ｂから遠い側と、内側とで、集光位置にずれＡが生じることとなる。つまり、集光レンズ１８の光軸１８ａから離れた位置に印字させようとすると、ビームの外側の焦点位置Ｓ１２と、内側の焦点位置Ｓ１１とのずれＡにより、光軸１８ａ位置付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットが形成されることとなる。 When the laser beam L reflected by such a mirror enters the condenser lens 18, if the incident angle of the beam increases, the outside of the beam, that is, the side far from the entrance pupil 18b and the inner side are affected by the spherical aberration. As a result, a deviation A occurs in the condensing position. That is, when printing is attempted at a position away from the optical axis 18a of the condenser lens 18, printing is performed near the position of the optical axis 18a due to a deviation A between the focal position S12 on the outer side of the beam and the focal position S11 on the inner side. Compared to the above, a laser spot whose shape is greatly distorted is formed.
焦点位置のずれＡは、ミラーが入射ひとみ１８ｂの位置から離れれば離れるほど、或いは、集光レンズ１８に対するレーザビームＬの入射角度が大きくなればなるほど、大きくなると考えられる。本実施の形態では、各走査用ミラー１６及び１７によるずれＡを均一化させるという観点から、ミラー間の中央に入射ひとみ１８ｂが位置するように、各走査用ミラー１６，１７が位置決めされている。また、集光レンズ１８に入射するレーザビームＬの周縁部をビーム絞り１５によって遮断し、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬを絞り込むことにより、集光レンズ１８の光軸１８ａから離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させている。 The focal position deviation A is considered to increase as the mirror moves away from the position of the entrance pupil 18b or as the incident angle of the laser beam L with respect to the condenser lens 18 increases. In the present embodiment, from the viewpoint of making the deviation A by the scanning mirrors 16 and 17 uniform, the scanning mirrors 16 and 17 are positioned so that the entrance pupil 18b is located at the center between the mirrors. . Further, the peripheral portion of the laser beam L incident on the condensing lens 18 is blocked by the beam stop 15, and the laser beam L transmitted through the condensing lens 18 is narrowed, so that the position away from the optical axis 18a of the condensing lens 18 is reached. Even when a laser spot is formed, distortion in the spot shape is suppressed.
（レーザビームＬの強度分布）
図１２は、レーザ発振器１１から射出されるレーザビームＬの強度分布を示した図であり、光軸からのずれに応じて変化するレーザビームＬの強度が示されている。一般に、レーザ発振器１１により生成されるレーザビームＬは、強度分布がガウス型の分布となることが知られている。すなわち、レーザビームＬの強度は、光軸上で最大（最大値ａ１）となり、光軸から遠ざかるのに従って、単調に減少する。
(Intensity distribution of laser beam L)
FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of the laser beam L emitted from the laser oscillator 11, and shows the intensity of the laser beam L that changes in accordance with the deviation from the optical axis. In general, it is known that the laser beam L generated by the laser oscillator 11 has a Gaussian distribution of intensity. That is, the intensity of the laser beam L is maximum (maximum value a1) on the optical axis, and monotonously decreases as the distance from the optical axis increases.
本実施の形態では、この様な強度分布を示すレーザビームＬに対して、ビーム絞り１５によりその周縁部を遮断して集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去させている。つまり、ビーム絞り１５における開口１ｂａのサイズに応じて、光軸からのずれがｂ以上（強度がａ２以下）であるレーザビームＬの周縁領域Ｂが除去される。これにより、強度が高くエネルギーの集中している光軸付近を通過させ、強度が低くエネルギーの小さな周縁領域Ｂが除去されるので、レーザビームＬを効果的に制限することができる。 In the present embodiment, the laser beam L having such an intensity distribution is removed from the laser beam transmitted through the condensing lens 18 by blocking the peripheral edge by the beam stop 15. That is, the peripheral region B of the laser beam L whose deviation from the optical axis is b or more (intensity is a2 or less) is removed according to the size of the opening 1ba in the beam stop 15. Thus, the vicinity of the optical axis where the intensity is high and the energy is concentrated is passed, and the peripheral area B having a low intensity and a small energy is removed, so that the laser beam L can be effectively limited.
（スポット形状）
図１３及び図１４は、レーザ加工装置１により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合のスポット形状が示されている。図１３の（ａ）〜（ｇ）には、本実施の形態によるレーザ加工装置１を用いて形成させたワーキングディスタンスの異なる複数のレーザスポットが示されている。図１４の（ａ）〜（ｇ）には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させたレーザスポットが示されている。これらの例では、（ａ）から順に、ワーキングディスタンスが長くなっており、（ｄ）が焦点位置となっている。
(Spot shape)
FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing the laser spot formed by the laser processing apparatus 1 in comparison with the conventional example, and the spot shape when the spot is scanned away from the optical axis of the condenser lens 18 is shown. It is shown. 13A to 13G show a plurality of laser spots with different working distances formed using the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment. 14A to 14G show laser spots formed using a conventional laser processing apparatus. In these examples, in order from (a), the working distance becomes longer, and (d) is the focal position.
本実施の形態では、ビーム絞り１５によりレーザビームＬの周縁部が遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去されるので、ワーキングディスタンスが変化しても、ワークＷ上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、スポット形状が均一化されている。また、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットのサイズ及び形状が殆ど変化しないので、走査エリアを拡大させることができる。 In the present embodiment, the peripheral portion of the laser beam L is blocked by the beam stop 15 and removed from the laser beam transmitted through the condenser lens 18, so that it is formed on the workpiece W even if the working distance changes. The size and shape of the laser spot hardly change, and the spot shape is made uniform. Even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens 18, the size and shape of the spot hardly change, so that the scanning area can be enlarged.
これに対し、従来のレーザ加工装置では、焦点位置におけるレーザスポットの形状に歪が生じているとともに、ワーキングディスタンスの変化によって像にボケが生じ、スポットのサイズ及び形状が著しく変化している。 On the other hand, in the conventional laser processing apparatus, the shape of the laser spot at the focal position is distorted, and the image is blurred due to the change of the working distance, and the spot size and shape are remarkably changed.
図１５（ａ）及び（ｂ）は、レーザ加工装置１により得られた印字パターンを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合の印字例が示されている。図１５（ａ）には、本実施の形態によるレーザ加工装置１を用いて形成させた印字パターンの一部分が示されている。図１５（ｂ）には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させた印字パターンが示されている。この例では、走査エリアの左下方に形成された印字パターンが示されている。 FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a print pattern obtained by the laser processing apparatus 1 in comparison with the conventional example, and when scanning is performed at a position away from the optical axis of the condenser lens 18. An example of printing is shown. FIG. 15A shows a part of a print pattern formed using the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment. FIG. 15B shows a print pattern formed using a conventional laser processing apparatus. In this example, a print pattern formed on the lower left side of the scanning area is shown.
本実施の形態では、ビーム絞り１５によりレーザビームＬの周縁部が遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去されるので、光軸から離れた位置に走査させた場合であっても、ワークＷ上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、印字パターンが正しく形成されている。 In the present embodiment, the peripheral portion of the laser beam L is blocked by the beam stop 15 and removed from the laser beam that passes through the condenser lens 18, so that even when scanning is performed at a position away from the optical axis. The size and shape of the laser spot formed on the workpiece W hardly change, and the print pattern is correctly formed.
これに対し、従来のレーザ加工装置では、レーザスポットの形状に歪が生じることにより、１本の線が二重に印字され、印字パターンに影が生じている。 On the other hand, in the conventional laser processing apparatus, due to distortion in the shape of the laser spot, one line is printed doubly, and a shadow is generated in the print pattern.
本実施の形態によれば、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬ２がビーム絞り１５によってレーザビームＬ２の周辺部が遮断されるので、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。 According to the present embodiment, since the laser beam L2 transmitted through the condensing lens 18 is blocked by the beam stop 15 at the periphery of the laser beam L2, a laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condensing lens 18. Even when it is formed, it is possible to suppress the distortion of the spot shape.
なお、本実施の形態では、ビーム絞り１５がビームエキスパンダ１４の出射レンズ１４ｂと、走査用ミラー１６，１７との間に配置される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、入射レンズ１４ａよりも走査用ミラー１６，１７側であれば、他の位置に配置させても良い。特に、ビーム絞り１５に対して要求される加工精度が低減するという観点から、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の中央よりも走査用ミラー側であれば、ビーム絞り１５を入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間に配置させても良い。 In this embodiment, an example in which the beam stop 15 is disposed between the exit lens 14b of the beam expander 14 and the scanning mirrors 16 and 17 has been described. However, the present invention is not limited to this. It may be arranged at other positions as long as it is closer to the scanning mirrors 16 and 17 than the incident lens 14a. In particular, from the viewpoint of reducing the processing accuracy required for the beam stop 15, if the beam stop 15 is closer to the scanning mirror than the center between the input lens 14a and the output lens 14b, the beam stop 15 is set to the input lens 14a and the output lens. You may arrange | position between 14b.
１ レーザ加工装置
２ レーザ制御部
３ 光ファイバーケーブル
４ レーザ出力部
１１ レーザ発振器
１２ シャッタ
１３ ビームコンバイナ
１４ ビームエキスパンダ
１４ａ 入射レンズ
１４ｂ 出射レンズ
１５ ビーム絞り
１５ａ 絞り周縁部
１５ｂ 開口
１６，１７ 走査用ミラー
１６ａ，１７ａ 駆動用モーター
１８ 集光レンズ
１９ ガイド用光源
２１ 入射レンズ
２２ 入力ミラー
２３ レーザ媒体
２４ Ｑスイッチ
２５ アパチャ
２６ 出力ミラー
３１ ホルダー
３２ 係止ネジ
３３ 鏡筒
３４ レンズ枠
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザビーム
Ｌ３ レーザスポット
Ｗ ワーク
Ｗ１ 走査エリア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing apparatus 2 Laser control part 3 Optical fiber cable 4 Laser output part 11 Laser oscillator 12 Shutter 13 Beam combiner 14 Beam expander 14a Incident lens 14b Outgoing lens 15 Beam diaphragm 15a Diaphragm peripheral part 15b Apertures 16 and 17 Scanning mirror 16a, 17a Driving motor 18 Condenser lens 19 Guide light source 21 Incident lens 22 Input mirror 23 Laser medium 24 Q switch 25 Aperture 26 Output mirror 31 Holder 32 Locking screw 33 Lens barrel 34 Lens frames L, L1, L2 Laser beam L3 Laser Spot W Work W1 Scanning area
Claims (5)
上記レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、
上記第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズと、
上記第２のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、
上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、
上記ミラーを回転させて上記レーザビームを２次元走査させる２次元走査手段と、
上記第１のレンズ及び上記第２のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、
上記第１のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りとを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 A laser oscillator that generates a laser beam having a predetermined cross-sectional shape;
A first lens that refracts the laser beam diffusively;
A second lens that refracts the laser beam transmitted through the first lens in a convergent manner;
A mirror for reflecting the laser beam transmitted through the second lens;
A condenser lens for condensing the laser beam reflected by the mirror;
Two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning the laser beam by rotating the mirror;
Focal length control means for controlling the focal length of the laser beam by changing the distance between the first lens and the second lens;
A laser processing apparatus, comprising: a beam stop disposed between the first lens and the mirror and blocking a peripheral portion of the laser beam to reduce a beam diameter.
上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、
上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。 A holder for holding the first lens and the second lens;
The holder is attached to a housing in which the laser oscillator is disposed, and includes an optical axis adjusting means for positioning the holder so that the optical axis of the laser oscillator and the holder coincides,
3. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the beam stop is attached to the holder, and the beam stop and the holder are integrally positioned by the optical axis adjusting means.
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