JP2009072789A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物との位置関係に依存することなく、光源への戻り光を低減することが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光を出射する光源１０と、光源１０からのレーザ光を通過させるための開口３０ａを有するアパーチャ手段３０と、アパーチャ手段３０の開口３０ａを通過したレーザ光を集光して加工対象物Ｗに照射する集光手段５１，５２とを備え、集光手段５１，５２は、レーザ光に非点収差を付加し、光軸方向Ｚに交差する第１の方向Ｘに分布するレーザ光が集光してなる第１の焦線５１ａと、光軸方向Ｚ及び第１の方向Ｘに交差する第２の方向Ｙに分布するレーザ光が集光してなる第２の焦線５２ａとの位置は、光軸方向Ｚにおいて異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いたレーザ加工装置に関するものである。

切断や、穴あけ、溶接、表面処理などの加工を行う装置として、レーザ光を用いたレーザ加工装置が知られている。従来、この種のレーザ加工装置では、光源として、高出力化が容易なＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザなどが用いられてきた。ところが、近年の半導体レーザの高出力化に伴い、レーザ加工装置の光源として、小型な半導体レーザが注目を集めている。

レーザ加工装置を用いたレーザ加工では、加工対象物に照射したレーザ光が反射することがあり、例えば、加工対象物の材料が金属である場合には、加工対象物からの反射光の強度が大きい。このような大きな強度の反射光が戻り光として、レーザ加工装置の光源である半導体レーザに戻ってしまうと、半導体レーザの寿命が短くなったり、半導体レーザが故障してしまったりする虞がある。

この点に関し、特許文献１には、加工対象物の加工面に対して斜めにレーザ光を照射するレーザ加工装置が記載されている。このレーザ加工装置によれば、加工対象物の加工面で反射する反射光が光源に戻ることを防止することができる。
特開昭６２−１８９３８７号公報

しかしながら、実使用環境下では、レーザ加工装置と加工対象物との位置関係が変化することがあり、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、加工対象物の加工面に対するレーザ光の傾け角度が不十分となることがある。例えば、レーザ加工装置の設置時や調整時、加工対象物の入れ替え時などに、加工対象物の加工面に対するレーザ光の傾け角度が不十分となってしまうことがある。また、例えば、加工対象物の加工面に凹凸が存在するなどして、レーザ光に対して加工対象物の加工面の角度が時々刻々と変化するような場合に、加工対象物の加工面に対するレーザ光の傾け角度が不十分となってしまうことがある。その結果、加工対象物からの反射光が戻り光として光源に戻ってしまう可能性がある。

そこで、本発明は、加工対象物との位置関係に依存することなく、光源への戻り光を低減することが可能なレーザ加工装置を提供することを目的としている。

本発明のレーザ加工装置は、（ａ）レーザ光を出射する光源と、（ｂ）平板状をなすと共に光源からのレーザ光の光軸方向に交差して配置されており、光源からのレーザ光を通過させるための開口を有するアパーチャ手段と、（ｃ）アパーチャ手段に対して光源と反対側に配置されており、アパーチャ手段の開口を通過したレーザ光を集光して加工対象物に照射する集光手段とを備え、（ｄ）集光手段は、アパーチャ手段の開口を通過したレーザ光に非点収差を付加し、（ｅ）非点収差によって生じる集光手段の第１の焦線と第２の焦線とであって、光軸方向に交差する第１の方向に分布するレーザ光が集光してなる当該第１の焦線と、光軸方向及び第１の方向に交差する第２の方向に分布するレーザ光が集光してなる当該第２の焦線との位置は、光軸方向において異なることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、集光手段がレーザ光に非点収差を付加し、第１の焦線と第２の焦線との位置が光軸方向において異なるので、加工対象物の加工面からの反射光は、アパーチャ手段において開口径より大きいビーム径を有することとなる。したがって、アパーチャ手段が加工対象物からの反射光の一部を遮ることとなり、開口を通過して光源へ戻る戻り光を低減することができる。

ところで、実使用環境下では、レーザ加工装置と加工対象物との位置関係が変化することがあり、例えば、レーザ加工装置の設置時や調整時、加工対象物の入れ替え時などに、光軸方向における加工対象物の加工面の位置と第１の焦線の位置とが一致してしまうことがある。すると、加工対象物からの反射光における第１の方向のビーム径が、アパーチャ手段において開口径まで集光してしまう。ところが、第２の焦線が加工対象物の加工面の位置と異なる位置に生じるので、加工対象物からの反射光における第２の方向のビーム径が、アパーチャ手段において開口径より大きい。

同様に、光軸方向における加工対象物の加工面の位置と第２の焦線の位置とが一致して、加工対象物からの反射光における第２の方向のビーム径が、アパーチャ手段において開口径まで集光しても、第１の焦線が加工対象物の加工面の位置と異なる位置に生じるので、加工対象物からの反射光における第１の方向のビーム径が、アパーチャ手段において開口径より大きい。

したがって、このレーザ加工装置によれば、加工対象物との位置関係に依存することなく、アパーチャ手段が加工対象物からの反射光の一部を遮ることとなり、開口を通過して光源へ戻る戻り光を低減することができる。

上記した加工対象物の加工面は、光軸方向において上記した集光手段の第１の焦線と第２の焦線とによって挟まれる位置に設定されることが好ましい。

これによれば、例えば、加工対象物の加工面が光軸方向において第１及び第２の焦線の一方側にずれると、加工対象物の加工面と第１及び第２の焦線の他方との距離がより離れることとなる。したがって、アパーチャ手段において、加工対象物からの反射光における第１及び第２の方向の一方のビーム径が小さくなる場合には、第１及び第２の方向の他方のビーム径が大きくなることとなる。故に、加工対象物との位置関係に対する光源への戻り光の低減効果のばらつきを低減することができる。

上記した加工対象物の加工面におけるレーザ光のビーム形状は楕円であることが好ましい。

これによれば、加工対象物に対するレーザ光の走査方向を変更することによって、様々な加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。例えば、加工対象物に対してレーザ光を長手方向に走査すると、単位面積及び単位時間あたりのレーザ光強度を増加することができ、切断や溶接などの単位面積及び単位時間あたりに大きなパワーを要する加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。

一方、加工対象物に対してレーザ光を短手方向に走査すると、単位時間あたりのレーザ光照射面積を増加することができ、表面処理などの単位時間あたりの処理面積を要する加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。

また、上記したレーザ加工装置によれば、光軸方向における集光手段の第１及び第２の焦線と加工対象物の加工面との位置関係を変更することによって、すなわち、光軸方向における集光手段と加工対象物との位置関係を変更することによって、レーザ光のビーム形状を容易に楕円とすることができると共に、レーザ光の長手方向及び短手方向を容易に変更することができる。

上記したアパーチャ手段のための冷却手段を更に備えることが好ましい。

アパーチャ手段は加工対象物からの反射光の一部を遮るので、アパーチャ手段の温度が上昇し、その結果、アパーチャ手段では急速に酸化が進むことがある。酸化が進むと反射率が下がり、より多くの戻り光を吸収するようになる。しかしながら、この構成によれば、冷却手段を備えているので、アパーチャ手段の温度上昇を抑制することができ、その結果、アパーチャ手段の劣化を抑制することができる。

上記した集光手段は、第１の方向の一方向に集光作用を有する第１の光学素子と、第２の方向の一方向に集光作用を有する第２の光学素子とを有していてもよい。例えば、集光手段は、光軸方向に交差して配置されており、第１の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって第１の焦線を生じさせる第１の集光レンズと、光軸方向に交差して配置されると共に光軸方向に第１の集光レンズと離間して配置されており、第２の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって第２の焦線を生じさせる第２の集光レンズとをそれぞれ第１の光学素子と第２の光学素子として有していてもよい。

これらの構成によれば、アパーチャ手段の開口を通過したレーザ光に非点収差を付加する集光手段を容易に実現することができる。

また、上記した集光手段は、第１の方向の一方向に集光作用を有する第１の光学素子と、第１の方向及び第２の方向を含む平面に対して等方的な集光作用を有する第２の光学素子とを有していてもよい。例えば、集光手段は、光軸方向に交差して配置されており、第１の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって第１の焦線を生じさせる第１の集光レンズと、光軸方向に交差して配置されると共に光軸方向に第１の集光レンズと離間して配置されており、第１の方向及び第２の方向を含む平面に対して等方的な屈折率分布を有する第２の集光レンズとをそれぞれ第１の光学素子と第２の光学素子として有し、集光手段は、第１の集光レンズと第２の集光レンズとの集光作用によって第２の焦線を生じさせてもよい。

これらの構成によれば、アパーチャ手段の開口を通過したレーザ光に非点収差を付加する集光手段を容易に実現することができる。また、これらの構成によれば、第１及び第２の集光レンズとして、それぞれ、比較的長い焦点距離のシリンドリカルレンズと、非球面レンズ（あるいは、アプラナート、アクロマート）とを組み合わせることによって、強い球面収差を発生させずに非点隔差を与えることができる。

また、上記した集光手段は、光軸方向に交差して配置されており、第１及び第２の方向にそれぞれ屈折率分布を有することによって第１及び第２の焦線を生じさせる多焦点レンズを有していてもよいし、光軸方向に交差して配置されると共に、光軸方向に対して傾いて配置された球面レンズを有していてもよい。

これらの構成によれば、アパーチャ手段の開口を通過したレーザ光に非点収差を付加する集光手段を容易に実現することができる。

本発明によれば、レーザ加工装置において、加工対象物との位置関係に依存することなく、光源への戻り光を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
［第１の実施形態］

図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図１（ａ）はレーザ加工装置１の正面図であり、図１（ｂ）はレーザ加工装置１の側面図である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）にはレーザ加工装置１と共に加工対象物Ｗが示されている。

レーザ加工装置１は、光源１０と、光源１０から出射されるレーザ光の光軸方向Ｚに略垂直に順に配置された集光レンズ２０と、アパーチャ板（アパーチャ手段）３０と、コリメートレンズ４０と、第１及び第２のシリンドリカルレンズ（集光手段）５１，５２とを備えている。

光源１０は、例えば半導体レーザを有しており、レーザ光を集光レンズ２０へ向けて出射する。

集光レンズ２０は、光源１０からのレーザ光を集光して、アパーチャ板３０へ出力する。

アパーチャ板３０は平板状を成しており、アパーチャ板３０の中央部には、集光レンズ２０からのレーザ光を通過させるための孔（開口）３０ａが形成されている。アパーチャ板３０の材料には、後述するように、加工対象物Ｗからの反射光を遮るために反射率が高く、且つ、この反射光による温度上昇を抑制するために熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどの金属が用いられることが好ましい。更に、アパーチャ板３０には、加工対象物Ｗからの反射光の反射を高めるために金メッキなどの表面処理が施されることが好ましい。また、アパーチャ板３０の材料には、反射率が高く且つ耐熱性に優れたセラミックが用いられてもよい。

これらの集光レンズ２０とアパーチャ板３０とは、アパーチャ板３０の孔３０ａにおいて集光レンズ２０の焦点が生じるように配置されている。アパーチャ板３０の孔３０ａを通過したレーザ光は、コリメートレンズ４０に入射する。

コリメートレンズ４０は、入射したレーザ光を平行光に変換して、第１のシリンドリカルレンズ５１へ出力する。

第１のシリンドリカルレンズ（第１の光学素子、第１の集光レンズ）５１は、光軸方向Ｚに略直交する第１の方向Ｘに円柱状の屈折率分布を有しており、第１の方向Ｘの一方向のみに集光作用を有している。すなわち、第１のシリンドリカルレンズ５１は、第１の方向Ｘに分布するレーザ光を集光するが、光軸方向Ｚ及び第１の方向Ｘに略直交する第２の方向Ｙに分布するレーザ光を集光しない。このようにして、第１のシリンドリカルレンズ５１は、第１の方向Ｘに分布するレーザ光が集光してなる第１の焦線５１ａを有することとなる。第１の焦線５１ａは、光軸方向Ｚにおいて加工対象物Ｗの加工面Ｗａより手前（レーザ加工装置１側）に位置する。第１のシリンドリカルレンズ５１は、集光したレーザ光を第２のシリンドリカルレンズ５２へ出力する。

第２のシリンドリカルレンズ５２（第２の光学素子、第２の集光レンズ）は、第１のシリンドリカルレンズ５１と離間して配置されている。第２のシリンドリカルレンズ５２は、第２の方向Ｙに円柱状の屈折率分布を有しており、第２の方向Ｙの一方向のみに集光作用を有している。すなわち、第２のシリンドリカルレンズ５２は、第２の方向Ｙに分布するレーザ光を集光するが、第１の方向Ｘに分布するレーザ光を集光しない。このようにして、第２のシリンドリカルレンズ５２は、第２の方向Ｙに分布するレーザ光が集光してなる第２の焦線５２ａを有することとなる。第２の焦線５２ａは、光軸方向Ｚにおいて加工対象物Ｗの加工面Ｗａより後方（レーザ加工装置１と反対側）に位置する。第２のシリンドリカルレンズ５２は、集光したレーザ光を加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対して略垂直に出力する。

このように、第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２は、集光手段として機能して、レーザ光に非点収差を付加する。非点収差によって生じる第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとの位置は、光軸方向Ｚにおいて異なる。そして、加工対象物Ｗの加工面Ｗａは、光軸方向Ｚにおいて第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとによって挟まれる位置に設定される。

このような構成により、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、加工対象物Ｗの加工面Ｗａからの反射光は、アパーチャ板３０において孔３０ａの径より大きいビーム径を有することとなる。その結果、加工対象物Ｗの加工面Ｗａからの反射光の一部はアパーチャ板３０によって遮られ、孔３０ａを通過して光源１０へ戻る戻り光が低減される。なお、第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａを加工対象物Ｗの加工面Ｗａから離すほど、より大きな戻り光の低減効果が得られる。

ところで、実使用環境下では、レーザ加工装置１と加工対象物Ｗとの位置関係が変化することがあり、例えば、レーザ加工装置１の設置時や調整時、加工対象物Ｗの入れ替え時などに、光軸方向Ｚにおける加工対象物Ｗの加工面Ｗａの位置と第１の焦線５１ａの位置とが一致してしまうことがある。すると、加工対象物Ｗからの反射光における第１の方向Ｘのビーム径が、アパーチャ板３０において孔３０ａの径まで集光してしまう。ところが、第２の焦線５２ａが加工対象物Ｗの加工面Ｗａの位置と異なる位置に生じるので、加工対象物Ｗからの反射光における第２の方向Ｙのビーム径が、アパーチャ板３０において孔３０ａの径より大きい。

同様に、光軸方向Ｚにおける加工対象物Ｗの加工面Ｗａの位置と第２の焦線５２ａの位置とが一致して、加工対象物Ｗからの反射光における第２の方向Ｙのビーム径が、アパーチャ板３０において孔３０ａの径まで集光しても、第１の焦線５１ａが加工対象物Ｗの加工面Ｗａの位置と異なる位置に生じるので、加工対象物Ｗからの反射光における第１の方向Ｘのビーム径が、アパーチャ板３０において孔３０ａの径より大きい。

したがって、第１の実施形態のレーザ加工装置１によれば、加工対象物Ｗとの位置関係に依存することなく、アパーチャ板３０が加工対象物Ｗからの反射光の一部を遮ることとなり、孔３０ａを通過して光源１０へ戻る戻り光を低減することができる。

また、第１の実施形態のレーザ加工装置１によれば、加工対象物Ｗの加工面Ｗａが、光軸方向Ｚにおいて第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとによって挟まれる位置に設定されるので、例えば、加工対象物Ｗの加工面Ｗａが光軸方向Ｚにおいて第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａの一方側にずれると、加工対象物Ｗの加工面Ｗａと第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａの他方との距離がより離れることとなる。したがって、アパーチャ板３０において、加工対象物Ｗからの反射光における第１及び第２の方向Ｘ，Ｙの一方のビーム径が小さくなる場合には、第１及び第２の方向Ｘ，Ｙの他方のビーム径が大きくなることとなる。故に、加工対象物Ｗとの位置関係に対する光源１０への戻り光の低減効果のばらつきを低減することができる。

ところで、上記した特許文献１に記載のレーザ加工装置では、反射光を戻らないように周囲に放出しているので危険である。しかしながら、第１の実施形態のレーザ加工装置１では、反射光をレーザ加工装置１内に戻して内部において光源１０に戻らないように構成されているので、周囲に放出されることがなく安全である。

また、他の特許文献（特開昭６３−６３５８９号公報）には、加工対象物からの反射光を検出し、レーザ光出力を制御するレーザ加工装置が記載されている。このレーザ加工装置によれば、加工対象物からの反射光が大きい場合にレーザ光出力を小さくすることができ、その結果、光源の半導体レーザに戻る反射光の強度を弱めることができる。しかしながら、このレーザ加工装置では、加工対象物からの反射光の強度変化によって、レーザ光出力が変化してしまうので、均一なレーザ加工が困難である。一方、第１の実施形態のレーザ加工装置１によれば、レーザ光の強度を変化させることなく光源１０への戻り光を低減できるので、均一なレーザ加工が可能である。

また、第１の実施形態のレーザ加工装置１によれば、光軸方向Ｚにおける第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａと加工対象物Ｗの加工面Ｗａとの位置関係を変更することによって、すなわち、光軸方向Ｚにおける第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２と加工対象物Ｗとの位置関係を変更することによって、レーザ光のビーム形状を容易に楕円とすることができると共に、レーザ光の長手方向及び短手方向を容易に変更することができる。

このように、レーザ光のビーム形状を楕円にすると、加工対象物Ｗに対するレーザ光の走査方向を変更することによって、様々な加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。

例えば、図２に示すように、加工対象物Ｗに対してレーザ光を長手方向Ｓ１に走査すると、単位面積及び単位時間あたりのレーザ光強度を増加することができ、切断や溶接などの単位面積及び単位時間あたりに大きなパワーを要する加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。

一方、図３に示すように、加工対象物Ｗに対してレーザ光を短手方向Ｓ２に走査すると、単位時間あたりのレーザ光照射面積を増加することができ、表面処理などの単位時間あたりの処理面積を要する加工に適したレーザ加工装置を実現することができる。

ここで、第１の焦線５１ａを含むＺＹ平面上の幾何光学的焦点距離ｆｚｙと、第２の焦線５２ａを含むＺＸ平面上の幾何光学的焦点距離ｆｚｘとから、平均焦点距離ｆａｖｅ＝（ｆｚｙ＋ｆｚｘ）／２を求め、集光レンズ系に入るビーム径をｄとした場合のＦナンバーをＦ＝ｆａｖｅ／ｄとすると、実用上好ましい非点隔差|ｆｚｙ−ｆｚｘ|の範囲は、０．０１Ｆ＜|ｆｚｙ−ｆｚｘ|／ｄ＜０．２Ｆであると考えられる。
［第２の実施形態］

図４は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図４（ａ）はレーザ加工装置１Ａの正面図であり、図４（ｂ）はレーザ加工装置１Ａの側面図である。なお、図４（ａ）及び（ｂ）にはレーザ加工装置１Ａと共に加工対象物Ｗが示されている。

レーザ加工装置１Ａは、レーザ加工装置１において光ファイバ（導光手段）６０と、コリメートレンズ６５と、冷却器７０を更に備えている構成で第１の実施形態と異なっている。レーザ加工装置１Ａの他の構成は、レーザ加工装置１と同一である。

光ファイバ６０の一端は光源１０に接続されており、他端は光軸方向に向けて配置されている。光ファイバ６０は、光源１０からのレーザ光を一端から他端へ導き、コリメートレンズ６５へ出力する。

コリメートレンズ６５は、入射したレーザ光を平行光に変換して、集光レンズ２０へ出力する。

冷却器７０は、アパーチャ板３０を冷却するために設けられている。冷却器７０には、空冷用ファンや水冷用ヒートシンクなどが用いられる。

この第２の実施形態のレーザ加工装置１Ａでも、第１の実施形態のレーザ加工装置１と同様の利点を得ることができる。

ここで、レーザ加工装置１Ａのようなファイバ導光型高出力半導体レーザが用いられる場合、戻り光によって、半導体レーザだけでなく、光ファイバの出力端部が過熱されて焼損する虞がある。しかしながら、第２の実施形態のレーザ加工装置１Ａによれば、アパーチャ板３０が戻り光を低減するので、光ファイバの出力端部の過熱及び焼損をも低減することができる。

また、アパーチャ板３０は加工対象物Ｗからの反射光の一部を遮るので、アパーチャ板３０の温度が上昇し、その結果、アパーチャ板３０では急速に酸化が進むことがある。酸化が進むと反射率が下がり、より多くの戻り光を吸収するようになる。しかしながら、第２の実施形態のレーザ加工装置１Ａによれば、冷却器７０を備えているので、アパーチャ板３０の温度上昇を抑制することができ、その結果、アパーチャ板３０の劣化を抑制することができる。
［第３の実施形態］

図５は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図５（ａ）はレーザ加工装置１Ｂの正面図であり、図５（ｂ）はレーザ加工装置１Ｂの側面図である。なお、図５（ａ）及び（ｂ）にはレーザ加工装置１Ｂと共に加工対象物Ｗが示されている。

レーザ加工装置１Ｂは、レーザ加工装置１Ａにおいて集光レンズ２０、コリメートレンズ６５及び冷却器７０を備えていない点で第２の実施形態と異なっている。そのため、光ファイバ６０の他端は、レーザ光をアパーチャ板３０の孔３０ａに向けて出射するように配置されている。レーザ加工装置１Ｂの他の構成は、レーザ加工装置１Ａと同一である。

この第３の実施形態のレーザ加工装置１Ｂでも、第２の実施形態のレーザ加工装置１Ａと同様の利点を得ることができる。
［第４の実施形態］

図６は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図６（ａ）はレーザ加工装置１Ｃの正面図であり、図６（ｂ）はレーザ加工装置１Ｃの側面図である。なお、図６（ａ）及び（ｂ）にはレーザ加工装置１と共に加工対象物Ｗが示されている。

レーザ加工装置１Ｃは、レーザ加工装置１において第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２に代えて球面レンズ５３を備えている構成で第１の実施形態と異なっている。レーザ加工装置１Ｃの他の構成は、レーザ加工装置１と同一である。

球面レンズ５３は、光軸方向Ｚに対して垂直な状態から傾いて配置されている。これにより、球面レンズ５３は、集光手段として機能して、レーザ光に非点収差を付加する。そして、非点収差によって生じる第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとは、光軸方向Ｚにおいて加工対象物Ｗの加工面Ｗａを挟み込む位置に生じる。

この第４の実施形態のレーザ加工装置１Ｃでも、第１の実施形態のレーザ加工装置１と同様の利点を得ることができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

本実施形態では、非点収差を付加するための集光手段として２枚のシリンドリカルレンズ５１，５２又は光軸方向Ｚに対して傾けた球面レンズ５３を例示したが、非点収差を付加するための集光手段としては様々な態様が適用可能である。

例えば、図１において、第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２に代えて、それぞれ、比較的長い焦点距離のシリンドリカルレンズと、非球面レンズ（第２の光学素子、第２の集光レンズ）とを備えていてもよい。非球面レンズは、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙを含む平面に対して等方的な屈折率分布を有しており、等方的な集光作用を有している。すなわち、非球面レンズは、光軸Ｚを中心とする同心円状に入射した光を１点に集光するように作用する。このようにして、シリンドリカルレンズは、第１の方向Ｘに分布するレーザ光が集光してなる第１の焦線５１ａを有することとなり、シリンドリカルレンズと非球面レンズとは、第２の方向Ｙに分布するレーザ光が集光してなる第２の焦線５２ａを生じさせることとなる。このように、比較的長い焦点距離のシリンドリカルレンズと非球面レンズとを組み合わせると、強い球面収差を発生させずに非点隔差を与えることができる。なお、非球面レンズに代えてアプラナートレンズやアクロマートレンズなどが用いられても同様の利点が得られる。

また、以下に示すように、非点収差を付加するための集光手段を一枚の多焦点レンズで実現してもよい。図７は、非点収差を付加するための多焦点レンズの一例を示す図である。図７（ａ）は多焦点レンズ５４の側面図を示しており、図７（ｂ）は図７（ａ）に対して９０度回転した方向から見た多焦点レンズ５４の側面図を示している。多焦点レンズ５４の一方の面５４ａと他方の面５４ｂとは、互いに略直交する円柱面をなしている。これにより、多焦点レンズ５４は、２枚のシリンドリカルレンズ５１，５２と同様に、レーザ光に非点収差を付加することができ、本実施形態と同様に、第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａを生じることができる。

また、非点収差を付加するための集光手段は、トーリックレンズで実現することも可能である。また、非点収差を付加するための集光手段には、シリンドリカルレンズ（凹又は凸）のように光軸方向Ｚに略垂直な一方向に集光力をもった光学素子と球面（或いは非球面）レンズとが組み合わされて用いられてもよい。また、非点収差を付加するための集光手段には、フレネルレンズや反射鏡、屈折率分布レンズ、回折光学系などの光軸方向Ｚに略垂直な一方向に集光力をもった光学素子が光軸方向Ｚに対して略直交させて用いられてもよいし、これらのフレネルレンズや反射鏡、屈折率分布レンズ、回折光学系などが組み合わされて用いられてもよい。また、非点収差を付加するための集光手段には、回折レンズと屈折レンズを組合せた多焦点レンズが用いられてもよい。

本実施形態では、加工対象物Ｗからの反射光の一部を遮るためのアパーチャ手段として孔３０ａを有するアパーチャ板３０を例示したが、光源１０における半導体レーザとしてＬＤ（Laser Diode）バーやＬＤバーをスタックした高出力半導体レーザを用いた場合、アパーチャとしては孔よりスリットであることが好ましく、このスリットの大きさが調整可能であることが好ましい。以下には、その一例を示す。

図８は、アパーチャ手段の変形例を示す正面図である。図８に示すアパーチャ手段８０は、光軸方向Ｚに略垂直な第１の方向Ｘに並置された２枚の平板８１，８２と、光軸方向Ｚ及び第１の方向Ｘに略垂直な第２の方向Ｙに並置された２枚の平板８３，８４とを有している。これらの平板８１，８２，８３，８４に囲まれる領域が、レーザ光を通過させるためのスリット８０ａを形成している。平板８１，８２はそれぞれ第１の方向Ｘに平行移動可能であり、平板８３，８４はそれぞれ第２の方向Ｙに平行移動可能である。これによって、スリット８０ａの大きさが調整可能となっており、スリット８０ａの大きさをレーザ光の集光ビーム形状に容易に合わせることができる。なお、平板８１，８２，８３，８４の材料には、反射率及び熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどの金属、反射率が高く且つ耐熱性に優れたセラミックなどが用いられることが好ましい。

また、アパーチャ手段は光軸方向Ｚに多段に設けられてもよい。これによれば、反射光に起因する発熱を分散させることができる。

第３の実施形態では、レーザ加工装置１Ｂが加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対してレーザ光を略垂直に照射したが、図９に示すように、レーザ加工装置１Ｂは加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対してレーザ光を斜め方向から照射するとより効果的である。これによれば、アパーチャ板３０の孔３０ａに向けて戻る加工対象物Ｗからの反射光を低減することができ、光源１０への戻り光を低減することができる。集光レンズ系として非点収差を有さない集光レンズを用いた場合、加工対象物Ｗの加工面Ｗａに焦点を結ぶと、レーザ光を僅かに傾けただけでは反射光をアパーチャ板３０の孔３０ａからずらすことが困難であるが、本実施形態のように集光レンズ系として非点収差を有する集光レンズを用いると、加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対してレーザ光を僅かに傾けただけで反射光をアパーチャ板３０の孔３０ａからずらすことができる。

また、レーザ加工装置１Ｂは、アパーチャ板３０の孔３０ａの周辺における反射光を観測するカメラやセンサを更に有していてもよい。図９では、レーザ加工装置１ＢがＣＣＤカメラ９０を更に備えている。このように、レーザ加工装置１ＢがＣＣＤカメラ９０を備えると、上記したように、加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対してレーザ光を斜め方向から照射する際の角度の調整や確認を容易に行うことができる。

同様に、第１及び第２の実施形態でも、レーザ加工装置１，１Ａは加工対象物Ｗの加工面Ｗａに対してレーザ光を斜め方向から照射することが好ましい。また、第１及び第２の実施形態でも、レーザ加工装置１，１Ａはアパーチャ板３０の孔３０ａの周辺における反射光を観測するカメラやセンサを更に有していてもよい。

また、本実施形態では、集光レンズ２０、アパーチャ板３０、コリメートレンズ４０，６５、第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２が光軸方向Ｚに略垂直に配置されたが、垂直でなくても交差していればよい。また、第１及び第２のシリンドリカルレンズ５１，５２は、屈折率分布が互いに略直交するように配置されたが、直交せずとも交差していればよい。すなわち、非点収差によって生じる第１及び第２の焦線５１ａ，５２ａは、直交せずとも交差していればよい。

実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
［実施例１］

実施例１のレーザ加工装置は、第１の実施形態のレーザ加工装置１に基づいて以下の通り構成した。

光源１０における高出力半導体レーザには、波長約９８０ｎｍのＬＤバーをスタックしたものが用いられた。各ＬＤバーは長さ１ｃｍで、ファーストアクシスコリメートレンズとスローアクシスコリメートレンズとが装着された。このＬＤバーが約２ｍｍ間隔で５段積み重ねられて、ＬＤスタックが生成された。ビーム広がり角は、ファーストアクシスが約１度であり、スローアクシスが約３度であった。ＬＤバーは冷却されており、５段スタックの実用上の最大レーザ出力は約２５０Ｗである。

集光レンズ２０には、直径３０ｍｍ、有効焦点距離２６ｍｍのガラス製非球面レンズが用いられた。

アパーチャ板３０には、縦横５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの純銅板に金メッキを施したものが使用された。孔３０ａの大きさとしては、縦（ファーストアクシス）が約０．５ｍｍであり、横が約１．５ｍｍである。アパーチャ板３０は、手動ステージを用いて、集光レンズ２０の焦点位置に配置した。

コリメートレンズ４０には、集光レンズ２０と同じく直径３０ｍｍ、有効焦点距離２６ｍｍのガラス製非球面レンズが用いられた。コリメートレンズ４０を通過したレーザ光は、光源１０における高出力半導体レーザと同程度にコリメートされた。

第１のシリンドリカルレンズ５１には、縦横３０ｍｍ、有効焦点距離６０mmのガラス製レンズが用いられた。また、第２のシリンドリカルレンズ５２には、縦横３０ｍｍ、有効焦点距離５０mmのガラス製レンズが用いられた。第１のシリンドリカルレンズ５１の第１の焦線５１ａと第２のシリンドリカルレンズ５２の第２の焦線５２ａとの間隔は約４ｍｍとした。

加工対象物Ｗには、厚さ２mmのステンレス板を用いた。ステンレス板は、第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとのほぼ中間に、光軸方向Ｚに対して略垂直に配置した。

レーザ加工中にＣＣＤカメラで観察したところ、アパーチャ板３０の孔３０ａの周辺部に強い戻り光が観測された。加工対象物Ｗからの戻り光がそのままＬＤスタックに戻ると、通常、ファーストアクシスコリメートレンズやスローアクシスコリメートレンズ、そしてその周辺部が、戻り光が無い（加工対象物Ｗを配置しない）場合に比べて明らかに温度上昇するのに対して、実施例１では、それらの部位の温度は加工対象物Ｗの有無に関係なく約６５度（レーザ出力２５０W時）であった。なお、この測定結果は熱画像センサによるものである。

これまでの経験から、ＬＤ素子直近のコリメートレンズ（ファーストアクシス、スローアクシス）やその周辺に戻り光による温度上昇が観られると、ＬＤ素子自体の寿命が低下することが判っている。本実施例では、ＬＤ直近のコリメートレンズやその周辺に、戻り光による温度上昇は観られないため、戻り光による高出力半導体レーザの寿命の減少が防止できると考えられる。
［実施例２］

実施例２のレーザ加工装置は、第２の実施形態のレーザ加工装置１Ａに基づいて以下の通り構成した。

光源１０及び光ファイバ６０には、ファイバ導光型高出力半導体レーザが用いられた。高出力半導体レーザの波長は約９８０ｎｍである。光ファイバ６０のコア径は６００μmであり、ＮＡは０．２である。ＬＤ素子は水冷されており、実用上の最大レーザ出力は約５００Ｗである。

コリメートレンズ６５には、直径１００mm、有効焦点距離１００mmのガラス製非球面レンズが用いられた。集光レンズ２０及びコリメートレンズ４０には、直径５０mm、有効焦点距離４０mmのガラス製非球面レンズが用いられた。

アパーチャ板３０には、直径５０mm、厚さ１mmの純銅板に金メッキを施したものが用いられた。孔３０ａの大きさは直径約３００μmである。なお、アパーチャ板３０は、集光レンズ２０の焦点位置に配置した。

第１のシリンドリカルレンズ５１には、９０mm×１００mm、有効焦点距離２００mmのガラス製レンズが用いられた。また、第２のシリンドリカルレンズ５２には、９０mm×１００mm、有効焦点距離１５０mmのガラス製レンズが用いられた。第１のシリンドリカルレンズ５１の第１の焦線５１ａと第２のシリンドリカルレンズ５２の第２の焦線５２ａとの間隔は約８ｍｍとした。

加工対象物Ｗには、厚さ５mmのステンレス板を用いた。ステンレス板は、第１の焦線５１ａと第２の焦線５２ａとのほぼ中間に、光軸方向Ｚに対して略垂直に配置した。

レーザ加工中にＣＣＤカメラで観察したところ、アパーチャ板３０の孔３０ａの周辺部に強い戻り光が観測されたが、光ファイバ出口端付近の温度は、加工対象物Ｗの有無に関係なく約４０度（５００Ｗ時）であった。このことから、実施例２では、戻り光による導光用ファイバの焼損防止に効果があるものと考えられる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図１のレーザ加工装置のレーザ光のビーム形状と加工対象物Ｗに対するレーザ光の走査方向を示す図である。 図１のレーザ加工装置のレーザ光のビーム形状と加工対象物Ｗに対するレーザ光の走査方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 非点収差を付加するための多焦点レンズの一例を示す図である。 アパーチャ手段の変形例を示す正面図である。 本発明の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…レーザ加工装置、１０…光源、２０…集光レンズ、３０…アパーチャ板（アパーチャ手段）、３０ａ…孔（開口）、４０，６５…コリメートレンズ、５１，５２…第１及び第２のシリンドリカルレンズ（集光手段、第１及び第２の光学素子、第１及び第２の集光レンズ）、５１ａ，５２ａ…第１及び第２の焦線、５３…球面レンズ、５４…多焦点レンズ、６０…光ファイバ、７０…冷却器（冷却手段）、Ｗ…加工対象物、Ｗａ…加工面、Ｘ，Ｙ…第１及び第２の方向、Ｚ…光軸方向。

Claims (10)

1. レーザ光を出射する光源と、
   平板状をなすと共に前記光源からのレーザ光の光軸方向に交差して配置されており、前記光源からのレーザ光を通過させるための開口を有するアパーチャ手段と、
   前記アパーチャ手段に対して前記光源と反対側に配置されており、前記アパーチャ手段の前記開口を通過したレーザ光を集光して加工対象物に照射する集光手段と、
   を備え、
   前記集光手段は、前記アパーチャ手段の前記開口を通過したレーザ光に非点収差を付加し、
   前記非点収差によって生じる前記集光手段の第１の焦線と第２の焦線とであって、前記光軸方向に交差する第１の方向に分布するレーザ光が集光してなる当該第１の焦線と、前記光軸方向及び前記第１の方向に交差する第２の方向に分布するレーザ光が集光してなる当該第２の焦線との位置は、前記光軸方向において異なる、
   ことを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 前記加工対象物の加工面は、前記光軸方向において前記集光手段の前記第１の焦線と前記第２の焦線とによって挟まれる位置に設定されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工対象物の加工面におけるレーザ光のビーム形状は楕円であ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。
4. 前記アパーチャ手段のための冷却手段を更に備えることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記集光手段は、
   前記第１の方向の一方向に集光作用を有する第１の光学素子と、
   前記第２の方向の一方向に集光作用を有する第２の光学素子と、
   を有する、請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記集光手段は、
   前記第１の方向の一方向に集光作用を有する第１の光学素子と、
   前記第１の方向及び前記第２の方向を含む平面に対して等方的な集光作用を有する第２の光学素子と、
   を有する、請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記集光手段は、
   前記光軸方向に交差して配置されており、前記第１の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって前記第１の焦線を生じさせる第１の集光レンズと、
   前記光軸方向に交差して配置されると共に前記光軸方向に前記第１の集光レンズと離間して配置されており、前記第２の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって前記第２の焦線を生じさせる第２の集光レンズと、
   をそれぞれ前記第１の光学素子と前記第２の光学素子として有する、請求項５に記載のレーザ加工装置。
8. 前記集光手段は、
   前記光軸方向に交差して配置されており、前記第１の方向に円柱状の屈折率分布を有することによって前記第１の焦線を生じさせる第１の集光レンズと、
   前記光軸方向に交差して配置されると共に前記光軸方向に前記第１の集光レンズと離間して配置されており、前記第１の方向及び前記第２の方向を含む平面に対して等方的な屈折率分布を有する第２の集光レンズと、
   をそれぞれ前記第１の光学素子と前記第２の光学素子として有し、
   前記集光手段は、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとの集光作用によって前記第２の焦線を生じさせる、
   請求項６に記載のレーザ加工装置。
9. 前記集光手段は、前記光軸方向に交差して配置されており、前記第１及び第２の方向にそれぞれ屈折率分布を有することによって前記第１及び第２の焦線を生じさせる多焦点レンズを有する、請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
10. 前記集光手段は、前記光軸方向に交差して配置されると共に、前記光軸方向に対して傾いて配置された球面レンズを有する、請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。

Images