JP2009226473A - ファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたファイバレーザ加工機における最適加工方法及びその装置の提供。
【解決手段】 伝送用光ファイバ11から出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビーム7をコリメートするコリメータレンズ13を光軸方向に移動可能に設けると共に、コリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズ21を入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、コリメータレンズと集光レンズとを光軸方向へ移動させることにより、集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを特徴とするファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法。
【選択図】 図１

Description

本発明はファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法及びその装置に関する。

板金加工用のレーザ加工機では、炭酸ガスレーザ発振器（発振波長１０．６μｍ）をレーザ光源として、複数枚の伝送用ミラーを介して加工点までレーザ光を伝播し、集光レンズで高エネルギ密度のレーザ光に集光し、また同軸にアシストガスを噴射して、溶融物を除去しながら加工する装置が一般的である。

一方、そのレーザ光源としては炭酸ガスレーザ発振器に代わるものとして固体レーザ発振器の代表として、ＹＡＧレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）が用いられてきた。

しかしながら、最近では通信技術をベースにしたファイバレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）がＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れることや、発振効率が極めて高いことを背景に産業用、特に板金加工用（切断または溶接等）にも適用されつつある。

図１５は、ファイバレーザ発振器をレーザ光源とした光軸移動形のレーザ加工機１００の一例の概要図である。なお、同様なレーザ加工機の公知文献としては例えば特許文献１がある。

以下このレーザ加工機１００の構成を説明する。

レーザ加工機１００に隣接して設置された公知のファイバレーザ発振器１０１（例えば、特許文献２）で形成されたレーザ光１０２は、プロセスフアイバ（伝送用光ファイバ）１０３を介してコリメータユニット１０４のコリメータレンズ１０５に伝送される。

前記コリメータユニット１０４は、加工テーブル１０６上をＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ１０７にＹ軸方向に移動自在に設けたＹ軸キャリッジ１０８に取り付けられている。

前記プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３は、レーザ加工機１００に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示省略）に沿って装着されており、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３の出射端から出射されたレーザ光１０２は、前記コリメータレンズ１０５によりほぼ平行光束となり、ベンドミラー１０９によりＺ軸方向（鉛直方向）下方に反射されて、加工ヘッド１１０に設けられた集光レンズ１１１に入射され、レーザ光１０２がワークＷに集光照射されるようになっている。

上記構成において、コリメータユニット１０４がＸ軸及びＹ軸方向へ移動するのに伴って、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３が曲げられる位置も変化することになる。

上述の如き構成のレーザ加工機１００において、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３から出射されるレーザ光１０２のビーム拡がり角はプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３の長さや、曲がり具合などにより変化し、特にプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３が長い場合には、伝送に伴う歪み（propagation distortion）によって、ファイバの最大のＮＡ（開口数）まで悪化してしまうのである。

実際に複数台のファイバレーザ発振器とプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）の組合せで測定した結果、ビーム拡がり角θ[mrad]は、ある程度のバラツキ（固体差）を伴うことが判明した。

図１６に示すように、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３の出射端部１０３ｅから出射されるレーザ光１０２は、ある一定のビーム拡がり角θ_１で伝送され、コリメータレンズ１０５を介してビーム直径Ｄ_１で平行光束となる。

しかしながら、伝送に伴う歪み（propagation distortion）が付加された場合は、より大きなビーム拡がり角θ_２となり、コリメータレンズ１０５に入射され、ビーム直径Ｄ_１より大きなビーム直径Ｄ_１’の平行光束となる。

一般的には、コリメータレンズ１０５の出射側にはアパーチャ１１２が設けてあるため、大きなビーム直径Ｄ_１’の平行光束は、アパーチャ１１２によりその外周部がカットされ加工点での出力低下を招くことになる。

また、ビーム拡がり角θ_１が変化するという状態は、前記ビーム直径Ｄ_１のみならず、集光レンズ１１１に入射されるレーザ光のビーム直径Ｄ_２、集光レンズのフラット面から焦点まででの距離（ＢＦＬ）及び集光直径ｄ_２が変動することにつながるため加工不良の要因となる（図１７参照）。

次に、前述のファイバレーザ発振器１０１とプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３との組合せを複数組製作し、ビーム拡がり角θ_１に対する加工点での集光ビームのビーム品質定数ＢＰＰ（Beam Parameter Products）との関係測定した結果を図１８に示す。

図１８中の数式、ｙ＝0.0362θ＋0.7891は、測定データを直線補間した数式で、横軸にビーム拡がり角θを、縦軸ｙにＢＰＰをとって表示したものである。

なお、ビーム品質定数ＢＰＰとは、図１９に示すように、集光レンズ１１１による集光位置におけるビームウエストをｗ_０(mm)、ビームウエストｗ_０(mm)におけるビーム拡がり角をα[mrad]とするときビーム品質定数は、ＢＰＰ＝ｗ_０×α[mm*mrad]と表示される。

図１８から明らかなように、ビーム拡がり角θは５４〜８５[mrad]の範囲で変動しており、それに応じて加工プロセスで影響を受けるビーム品質定数ＢＰＰの値は大きく変動している。この測定結果では、ビーム品質定数ＢＰＰの平均値は3.115[mm*mrad]であり、変動率（標準偏差σ／ＢＰＰ平均）は１０．４％と極めて大きかった。

実際のステンレス板1.0[mm]の切断加工において、（切断加工条件：レーザ出力2[kW]、アシストガスＮ_２0.8[MPa]、ノズル直径2.0[mm]）ビーム品質定数ＢＰＰが変動した結果、加工点での集光直径ｄ_２が変動して切断速度にバラツキをもたらした例を図２０に示す。また、表１には、実際のステンレス板1.0[mm]の切断加工時における光パラメータ（ＢＰＰ、Ｍ^２等）の測定値と切断速度の数値を示してある。

なお、上述の図２０中の数式、Ｖ＝0.0094ｄ_２ ^２−3.0829ｄ_２＋277.88は、横軸に集光直径ｄ_２[μm]、縦軸に切断速度Ｖ[m/min]をとって表示したものである。

上述の如く、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３からのビーム拡がり角θ_１が変動すると、ビーム品質定数ＢＰＰに前述のように約１０％の変動をもたらすため、常に一定の切断加工条件での切断が出来ないという問題がある。また、ビーム品質定数ＢＰＰは、通常３〜４[mm*mrad]の範囲で変動するのが一般的であるため、この変動による加工への影響を回避することが切望されている。

なお、ＹＡＧレーザ加工機でも同様な問題があるが、ＹＡＧレーザの板金加工における応用は溶接に限定されているため、上述の如き不都合が直接的に加工精度に大きく影響するという問題はなかった。
特開２００６−０００７２９号公報 特開２００７−０４２９８１号公報

本発明は上述の如き従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法及びその装置を提供することである。

上述の課題を解決する手段として請求項１に記載のファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法は、伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させることにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを要旨とするものである。

請求項２に記載のファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法は、伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとの間に曲率可変ミラーを設け、前記コリメータレンズを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させると共に、前記曲率可変ミラーの曲率を変更することにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを要旨とするものである。

請求項３に記載のファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御装置は、伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させることにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを要旨とするものである。

請求項４に記載のファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御装置は、伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとの間に曲率可変ミラーを設け、前記コリメータレンズを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させると共に、前記曲率可変ミラーの曲率を変更することにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを要旨とするものである。

請求項１または請求項３に記載の発明によれば、ファイバレーザ加工機において、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）に伝送歪みが生じ、ビーム品質定数ＢＰＰが変動した場合でも、加工に重要な集光直径の変動幅を小さく、かつ安定した最適な加工を行うことができる。

また、コリメータレンズの移動で集光直径が能動的に変化することが可能なため、被加工材の板厚や材質に応じて最適な集光直径を選択することが可能となることである。このことは、一つの集光レンズの使用で加工対象の幅が広がり、作業者の面倒なレンズ交換作業も削減できる２次的な効果もある。

また、請求項２または請求項４に記載の発明によれば、コリメータレンズとＡＯミラーとを組合わせて制御することにより、コリメータレンズを移動することによるバックフォーカスの短焦点化は、ＡＯミラーを適宜な曲率を有する凸面鏡にすることで、加工に必要な集光直径に維持した状態で、バックフォーカスのみを伸ばすことが可能となる。また、加工の最適化のための微調整の必要から集光レンズ用のサーボモータと組合わせて制御することも可能であり自由度が大きいという長所もある。

以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。

図１は本発明に係るファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法及びその装置に使用する光学系の第１の実施形態を示す説明図である。

なお、図２は図１の光学系１の第１の実施形態からベンドミラーと、コリメータレンズ駆動手段及び集光レンズの駆動手段等を除外して光学系を簡略化して示したものである。

図１に総括的に示した光学系１は、コリメータレンズ手段３と集光レンズ手段５とを備えており、前記コリメータレンズ手段３と集光レンズ手段５との間には、前記コリメータレンズ手段３でほぼ平行光束に矯正されたレーザ光７ｃの光軸を直角に偏向するベンドミラー９が設けてある。

コリメータレンズ手段３は、図示省略のファイバレーザ発振器からプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１１を介して伝送され、このプロセスファイバ１１の出射端部１１eから拡がり角θで出射されたレーザ光７をビーム直径がＤ_１のほぼ平行光束にする有効焦点距離ＥＦＬ（Effective Focal Length）がＦ_１＝１２０mmのコリメータレンズ１３が適宜なガイド手段（図示省略）により入射光軸方向に移動位置決め可能に設けてある。

上述のコリメータレンズ１３は、図示しない数値制御装置の制御の下に駆動される例えばサーボモータ１５により、適宜な駆動機構を介してＺ_０軸方向（光軸方向）に２０mm程度のストロークを移動位置決め可能に設けてある。なお、コリメータレンズ１３の光軸方向の移動方向は、プロセスファイバ１１の出射端部１１eから遠ざかる方向をＺ_０軸のプラス（＋）方向、接近する方向をマイナス（−）方向とする。

また、コリメータレンズ１３の出射側には、余分な光束を遮断する適宜な口径を有するアパーチャ１７が設けてある。

上述のコリメータレンズ１３から出射されたレーザ光７ｃはベンドミラー１９でほぼ直角に反射されて、ビーム直径がＤ_２となりバックフォーカス長さＢＦＬ（Back Focus Length）Ｆ_２＝１５０mmの集光レンズ２１に入射され、集光直径ｄ_２で被加工材（図示省略）上に照射集光される。

また、上述の集光レンズ２１は、図示しないウォームギヤを介して前記数値制御装置の制御の下に駆動されるサーボモータ２３によりＺ軸方向（光軸方向）に２０mm程度のストロークを移動位置決め可能に設けてあり、被加工材に対しての焦点位置を適宜に調節することができるようになっている。

なお、集光レンズ２１の光軸方向の移動方向も前記コリメータレンズ１３と同様にプロセスファイバ１１の出射端部１１eから遠ざかる方向をＺ軸のプラス（＋）方向、接近する方向をマイナス（−）方向とする。

上記構成の光学系１において、コリメータレンズ１３をプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１１の出射端面から遠ざけた場合（Ｚ_０軸の＋側へ移動）、レーザ光７ｃは収束傾向ビームとなる。

その結果、光パラメータとしてのビーム直径Ｄ_２は収縮し、バックフォーカス長さＢＦＬは短くなり、集光直径ｄ_２は大きくなる。逆にコリメータレンズ１３をプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１１の出射端面に対して近づけた場合（Ｚ_０軸の−側へ移動）、レーザ光７ｃは拡大傾向ビームとなる。結果、光パラメータとしてのビーム直径Ｄ_２は拡大し、集光レンズ２１におけるバックフォーカス長さＢＦＬは長くなり集光直径ｄ_２は小さくなる。

ここで、前記ビーム拡がり角θ[mrad]に対するビーム品質定数ＢＰＰ[mm*mrad]の関係を変形して改めて図３に示す。図３中の数式は測定データから直線補間して求めた関係式で、横軸χ（カイ）にビーム品質定数ＢＰＰ[mm*mrad]を、縦軸にビーム拡がり角θ[mrad]をとり、
［数１］
θ＝19.398χ＋3.765・・・（１）
で示すことができる。

前述のプロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１１が伝送歪みにより影響を受けた場合を想定して、結果的にビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]変動した場合、レーザ切断加工にとって重要な影響を及ぼす加工点での光パラメータ（ビーム直径Ｄ_２、ＢＦＬ及び集光直径ｄ_２）などがどの程度変化するかをシミュレーションにより求める。

なお、このとき前記図２に簡略化して示した前記光学系１のコリメータレンズ１３をＺ軸方向を上下に変化させて、光パラメータに与える影響を詳細に計算した。このときレーザ光７ｃはビーム品質定数ＢＰＰ[mm*mrad]の値に応じて数式（１）で求めたビーム拡がり角θ[mrad]で伝播され、幾何光学に基づく光線追跡により求める。

なお、上述の計算の詳細は省略するが、各レンズにおけるレンズの曲率半径、レンズの厚み、屈折率及び有効焦点距離（ＥＦＬ）などが考慮されている。また、コリメータレンズ１３の材質は溶融石英（Fused Silica）でレンズ形状は平凸レンズを使用した。一方、集光レンズ２１については後述するが、数種類の材質や形状を適用した。

以下にシミュレーションの結果を示して説明する。

図２においてコリメータレンズ１３の有効焦点距離Ｆ_１は、Ｆ_１＝１２０mm、コリメータレンズ１３と集光レンズ２１との間の距離Ｌは、Ｌ＝５５５mm、及び集光レンズ２１の有効焦点距離Ｆ_２は、Ｆ_２＝１５０mmの条件で、ビーム品質定数ＢＰＰ[mm*mrad]の値が２、３及び４[mm*mrad]に変化する場合を想定し、コリメータレンズ１３を中心位置（Ｚ＝０mm）に対して、Ｚ＝−７mmから＋８mmまで変化させたときのビーム直径Ｄ_２の変化を図４に示す。

ここで、集光レンズ２１の材質は溶融石英（Fused Silica）で、レンズ形状は平凸レンズを使用した。この図４に示されるシミュレーションの結果から、以下のことがわかる。

コリメータレンズ１３が基準位置（Ｚ＝０mm）のとき、ビーム品質定数ＢＰＰの値を２〜４[mm*mrad]まで変化させたときのビーム直径Ｄ_２を表２に整理した。

前述のように、ビーム品質定数ＢＰＰの値が３〜４[mm*mrad]とした場合でも約４．２mmのビーム直径Ｄ_２に差を生じるため、ビーム品質定数ＢＰＰが大きい場合、光学系１の光路に配置したアパーチャ１７などに干渉して、レーザ出力が減少するなどの不具合が生ずることが容易にわかる。

また、加工条件自体にも影響する可能性が高い。さらに、本願発明のようにコリメータレンズ１３の位置をＺ軸方向（図２では上下方向）に移動させることで、ビーム直径Ｄ_２を直線的に制御することが可能となる。

コリメータレンズ１３をＺ＝−７mm〜＋８mm変化させたときのビーム直径Ｄ_２の変化量ΔＤ_２[mm]を表３に示す。

次に、コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動に対する集光レンズ２１のバックフォーカス長さＢＦＬ[mm]の変化を、横軸Ｚにコリメータレンズの位置Ｚ[mm]をとり、縦軸ｙにバックフォーカスＢＦＬ[mm]をとり、ビーム品質定数ＢＰＰ２、３及び４についての測定データから求めた関係式のグラフを図５に示す。

コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動、Ｚ＝−７mm〜＋８mmに対する集光レンズ２１のバックフォーカスＢＦＬの変化は、ほぼ直線的に変化することがわかる。また、 ビーム品質定数ＢＰＰの変化に対するバックフォーカスＢＦＬの変化量[mm]の値を表４に示す。

さらに、レーザ加工で最も重要なパラメータである集光直径ｄ_２について求める。一般的に集光直径ｄ_２を求める計算式は、光の回折限界により定まる項と、レンズの球面収差との和の形からなる次の計算式から求めることができる。

［数２］
ｄ_２＝1.27λＦ_２Ｍ^２/Ｄ_２＋kＤ_２ ^３/Ｆ_２ ^２・・・（２）
ここに、λ：波長[mm]、Ｆ_２：集光レンズの焦点距離[mm]、Ｍ^２：ビーム品質定数、Ｄ_２：ビーム直径[mm]、ｋ：レンズ収差係数である。

また、ビーム品質定数ＢＰＰとＭ^２との間には次の関係がある。

［数３］
Ｍ^２＝ＢＰＰπ/λ・・・（３）
ここに、λ：波長[μm]である。

そこで、（２）及び（３）式に、波長λ＝0.00107mm、Ｆ_２＝150mm、平凸レンズにおけるレンズ係数が：k＝0.089936の場合、ビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]の範囲で変化するとした場合、コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動が、Ｚ＝−７mm〜＋８mmに対しての集光直径ｄ_２の変化を図６に示す。

この図６から、ビーム直径Ｄ_２やバックフォーカスＢＦＬがコリメータレンズ１３の位置のＺ軸方向の変化に対して、ほぼ直線的に変化したのに対して、集光直径ｄ_２はビーム品質定数ＢＰＰが大きい場合（例えばＢＰＰ＝４）には、下に凸の２次曲線的に変化することがわかる。

今、二組のレーザ切断システム（光学系は共に同一で、Ｆ_１＝１２０mm、Ｌ＝５５５mm、Ｆ_２＝１５０mm）があったとして、一方のレーザ切断加工機のビーム品質定数ＢＰＰが４[mm*mrad]である場合、このレーザ切断加工機のコリメータレンズ１３の位置がＺ＝１mmのときの集光直径ｄ_２は、図６から0.155mmと求められる。

もう一方のレーザ切断加工機においては、ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]が得られる場合、このレーザ切断加工機のコリメータレンズ１３の位置がＺ＝０mmのときの集光直径ｄ_２は、図６から0.135mmになることがわかる。

この結果から、集光直径ｄ_２と切断速度との関係を示した前述の図２０から、前者の切断速度は２５[m/min]、後者の切断速度は３２[m/min]となり、その差は大きなものでることがわかる。

ここで、ビーム品質定数ＢＰＰが４[mm*mrad]のレーザ切断加工システムでは、最小の集光直径ｄ_２が0.150mmであるから、切断加工条件を同一にするためにはビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムの初期状態の集光直径ｄ_２を0.135mmから0.150mmにする必要がある。

上述の如く、ビーム品質定数ＢＰＰが相違するレーザ切断加工システムの切断条件の整合方法を図７を参照しながら説明する。

（１）始めに、ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムについて、コリメータレンズの位置がＺ＝０mmにおけるビーム直径Ｄ_２とＢＦＬが、図４および図５に記載のデータから、Ｄ_２＝14.736≒14.7mm、ＢＦＬ＝145.76≒146mmとして求められる（図７(a)参照）。

（２）次に、集光直径ｄ_２が0.155mmになるコリメータレンズ１３のＺ軸の移動量が図６に記載のデータからＺ＝６mmと求めるられる、これにより、コリメータレンズ１３をＺ＝＋６mmの位置に移動させる。これによりＬ＝555mmからＬ＝549mm、ビーム直径Ｄ_２がＤ_２＝12.0974≒12.1mmになると共に、集光レンズ２１のバックフォーカスＢＦＬが図５に記載のデータからＢＦＬ＝135.176≒135mmが求まるので、集光レンズ２１の集光位置は被加工材Ｗの上方１１mmに移動する（図７(b)参照）。

（３）そこで、集光レンズ２１の位置をＺ軸方向の＋方向に１１mm移動させることにより、被加工材（図示省略）の上面に正確に集光することができる（図７(c)参照）。

これにより、ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムをビーム品質定数ＢＰＰが４[mm*mrad]の切断加工条件を同一にすることができる。

前述の図６に示した集光レンズの集光直径ｄ_２とコリメータレンズのＺ軸方向の位置との関係においては、集光レンズに波長が１μm帯のレーザ光が入射され、かつ一般的な溶融石英（Fused Silica）を用いたコリメータレンズを移動させたときの集光直径ｄ_２の変化を示したものであるが、ビーム品質定数が悪い、つまりＢＰＰ＝４[mm*mrad]の場合には、集光直径ｄ_２は集光レンズの球面収差の影響を受けるため、コリメータレンズの移動に対して直線的な制御ができないという問題もあった。

そこで、集光レンズに球面収差の小さい非球面レンズや収差係数の小さいレンズ材質、例えばＺnＳ（収差係数k=0.2888）を採用した場合の、コリメータレンズのＺ軸方向の移動に対する集光直径ｄ_２の変化を求めたのが図８である。

前述の図６の場合と比較して、ＢＰＰ＝４[mm*mrad]の場合でも集光直径ｄ_２がほぼ直線的に変化しているので、例えば、ファイバレーザ発振器をレーザ光源とした光軸移動形の複数のレーザ切断加工機において、ビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]の範囲で個体差（バラツキ）があったとしても、前述の図７で説明したようにビーム品質定数ＢＰＰが相違するレーザ切断加工システムの切断条件の整合方法を用いることで、一定の集光直径ｄ_２を得られることが理解される。

上述の如く、前述の光学系１において、集光レンズに球面収差の小さい非球面レンズや収差係数の小さいレンズ材質、例えばＺnＳ（収差係数k=0.2888）を採用した場合の効果として主に次の二つの効果を得ることができる。

一つは、ファイバレーザ発振器をレーザ光源とした光軸移動形の複数のレーザ切断加工機において、プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）に伝送歪みが生じた場合、ビーム品質定数ＢＰＰが３〜４[mm*mrad]の範囲で変動した場合でも、前述の図８に示したように、加工に重要な集光直径ｄ_２の変動幅を小さくして加工が安定化するように制御することが可能になる。

その二つ目は、コリメータレンズの移動で集光直径ｄ_２が能動的に変化することが可能ため、被加工材の板厚や材質に応じて最適な集光直径ｄ_２を選択することが可能となることである。このことは、一つの集光レンズの使用で加工対象の幅が広がり、作業者の面倒なレンズ交換作業も削減できる２次的な効果もある。

例えば、ステンレス（ＳＵＳ）材の切断加工においては、板厚が３mm以下の場合には、集光直径ｄ_２が0.120mm〜0.130mmにおいて最適な加工ができ、板厚が４〜６mmにおいては、集光直径ｄ_２が0.150mm〜0.160mmが適しており、このような場合の切断加工条件の整合方法をビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]の場合に適用した例を図９に示す。

図９において、ステンレス材３mm以下の場合、図８からコリメータレンズの位置がＺ＝０mmにおける集光直径ｄ_２は0.122mmであり、バックフォーカスＢＦＬは前述の図５から１４６mmとなる。板厚が４〜６mmの場合には、図８からＺ＝６mmにすれば、集光直径ｄ_２が0.150mm、図５からバックフォーカスＢＦＬは１３５mmになることがわかる。

次に、さらなる厚板の切断加工が要求される場合に適用する切断加工条件の整合方法について説明する。

前記図１または図２に示した前記光学系１において、焦点距離のより長いＦ_２＝１９０mm、材質がＺnＳからなる集光レンズ２１を使用する。

図１０は、上述のＦ_２＝１９０mm、材質がＺnＳからなる集光レンズ２１において、コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動に対する集光レンズ２１の変化を、ビーム品質定数ＢＰＰ２、３及び４[mm*mrad]についての測定データから求めた関係式をグラフにしたもので、横軸Ｚはコリメータレンズの位置Ｚ[mm]、縦軸ｙはバックフォーカスＢＦＬ[mm]である。

なお、表５は図１０におけるコリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動、Ｚ＝−７mm〜＋８mmに対応する集光レンズ２１のバックフォーカスＢＦＬの変化量ΔＢＦＬ[mm]を示す。

また、図１１は、ビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]の範囲で変化するとした場合、コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動が、Ｚ＝−７mm〜＋８mmに対しての集光直径ｄ_２の変化を示したものである。

例えば、ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]の場合、集光直径ｄ_２は0.130mm〜0.200mmの範囲で変化するため、より厚板の加工に適していることがわかる。 しかしながら、バックフォーカスＢＦＬの変化量ΔＢＦＬ[mm]は、先の図５に示した焦点距離がＦ_２＝１５０mmの集光レンズの場合よりも約１．６倍大きくなっている。

そこで、より厚板を想定したときの切断加工条件の整合方法について図１２により説明する。

（１）ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムにおいて、コリメータレンズの位置がＺ＝０mmにおける集光直径ｄ_２は図１１から0.155mmで、バックフォーカスＢＦＬは185mmである（図１２(a)参照）。

（２）次に、集光直径ｄ_２を0.190mmに変換すべく、コリメータレンズの位置をＺ＝＋７mmの位置に移動させる。その結果、バックフォーカスＢＦＬは165mmに変化し、焦点位置が被加工材の上方２０mmの位置に移動する（図１２(b)参照）。

（３）そこで、集光レンズ２１をＺ軸方向の＋方向に２０mm移動させることにより、被加工材Ｗの上面に正確に集光することができる（図１２(c)参照）。これにより、より厚板の加工を精度よく加工することが可能となる。

次に、前記図１に示した光学系１の第２の実施形態を図１３に示す。この第２の実施形態における光学系２と前記光学系１における前記ベンドミラー９を曲率可変ミラー９’（以下、「ＡＯミラー」という、Adaptiv Opticsの略)に変更したものであり、その他の光学系の要素は同一であるので同一の符号を付し詳細な説明は省略する。なお、ＡＯミラー９’の曲率は圧電素子等のアクチュエータ３０により平面鏡を適宜な曲率を有する凸面鏡または凹面鏡に制御可能に設けられているものである。

上述の第２の実施形態における光学系２によれば、前述の図１２で説明したビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムにおいて、コリメータレンズの位置がＺ＝０mmにおける集光直径ｄ_２＝0.155mmを0.190mmに変換する操作をコリメータレンズ１３とＡＯミラー９’とを組合わせて制御する方法である。

このコリメータレンズ１３とＡＯミラー９’とを組合わせによる集光直径ｄ_２の変換操作を前記図１３の光学系と等価の光学系である図１４により説明する。

図１４において、コリメータレンズ１３の位置がＺ＝０mmのとき、集光直径は、ｄ_２＝0.155mm、バックフォーカスＢＦＬは１８５mmである（図１４(a)参照）。

次いで、コリメータレンズ１３の位置をＺ＝＋７mmに移動した場合、集光直径ｄ_２は0.190mmになるが、その位置は被加工材Ｗの上方２０mmとなる。

そこで、ＡＯミラー９’をアクチュエータ３０を制御して適宜な曲率を有する凸面鏡になるように制御することにより、集光位置が被加工材Ｗの上面になるようにすることができる（図１４(b)参照）。

すなわち、コリメータレンズ１３とＡＯミラー９’とを組合わせて制御することにより、コリメータレンズ１３を移動することによるバックフォーカスＢＦＬの短焦点化（１８５mm-->１６５mm）は、ＡＯミラー９’を適宜な曲率を有する凸面鏡にすることで、加工に必要な集光直径ｄ_２＝0.190mmに維持した状態で、バ
ックフォーカスＢＦＬのみを伸ばすことが可能となる。

また、加工の最適化のための微調整の必要から集光レンズ用のサーボモータ２３と組合わせて制御することも可能であり自由度が大きいという長所もある。

本発明に係るファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法及びその装置に使用する光学系１の第１の実施形態を示す説明図である。 図１の光学系１の第１の実施形態からベンドミラーと、コリメータレンズ駆動手段及び集光レンズの駆動手段等を除外して光学系を簡略化して示したものである。 ビーム拡がり角θ[mrad]に対するビーム品質定数ＢＰＰ[mm*mrad]の関係を示した図。 ビーム品質定数ＢＰＰの値が２、３及び４[mm*mrad]に変化した場合、コリメータレンズ１３を中心位置（Ｚ＝０mm）に対して、Ｚ＝−７mmから＋８mmまで変化させたときのビーム直径Ｄ_２の変化を示す図。 コリメータレンズ１３のＺ軸方向の移動に対する集光レンズのバックフォーカスＢＦＬ[mm]の変化示した図。 波長λ＝0.00107mm、Ｆ_２＝150mm、平凸レンズにおけるレンズ係数が：k＝0.089936の場合、ビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]の範囲で変化した場合、コリメータレンズのＺ軸方向の移動が、Ｚ＝−７mm〜＋８mm移動したときの集光直径ｄ_２の変化を示す図。 ビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]のレーザ切断加工システムの初期状態の集光直径ｄ_２＝0.135mmを、ビーム品質定数ＢＰＰが４[mm*mrad]のレーザ切断加工システムの最小の集光直径ｄ_２である0.155mmにレーザ切断加工システムの光学系を調整する方法を説明した図。 集光レンズに球面収差の小さい非球面レンズや収差係数の小さいレンズ材質、例えばＺnＳ（収差係数k=0.2888）を採用した場合の、コリメータレンズのＺ軸方向の移動に対する集光直径ｄ_２の変化を示す図。 ステンレス（ＳＵＳ）材の切断加工においては、板厚が３mm以下の場合には、集光直径ｄ_２が0.120mm〜0.130mmにおいて最適な加工ができ、板厚が４〜６mmにおいては、集光直径ｄ_２が0.150mm〜0.160mmが適しており、このような場合の切断加工条件の整合方法をビーム品質定数ＢＰＰが３[mm*mrad]の場合に適用した図。 Ｆ_２＝１９０mm、材質がＺnＳからなる集光レンズにおいて、コリメータレンズのＺ軸方向の移動に対する集光レンズの変化を、ビーム品質定数ＢＰＰ２、３及び４[mm*mrad]についての測定データから求めた関係式をグラフにした図。 ＺnＳからなる集光レンズにおいて、ビーム品質定数ＢＰＰが２〜４[mm*mrad]の範囲で変化するとした場合、コリメータレンズのＺ軸方向の移動が、Ｚ＝−７mm〜＋８mmに対しての集光直径ｄ_２の変化を示した図。 より厚板の切断加工を想定したときの光学系の調整方法において、Ｚ＝０mmにおける集光直径ｄ_２＝0.155mmから集光直径ｄ_２を0.190mmに変換するロジックを説明した図。 本願発明に係るファイバレーザ加工機における最適加工方法及びその装置に使用する第２の実施形態を説明する図。 図１３の第２の実施形態における光学系と等価の光学系による集光直径ｄ_２の変換操作を説明する図。 従来のファイバレーザ発振器をレーザ光源とした光軸移動形のレーザ加工機の概要図。 プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）１０３の出射端部から出射されるレーザ光が伝送に伴う歪みによりビーム拡がり角が変化するのを説明する図。 集光レンズに入射されるレーザ光のビーム直径Ｄ_２、集光レンズ下面から焦点まででの距離（ＢＦＬ）及び集光直径ｄ_２の変動状態を説明する図。 ビーム拡がり角に対する加工点での集光ビームのビーム品質定数ＢＰＰ（Beam Parameter Products）との関係を示した図。 ビーム品質定数ＢＰＰの説明図。 ステンレス板1.0mmの切断加工における集光直径ｄ_２と切断速度との関係を示した図。

符号の説明

１ 光学系
３ コリメータレンズ手段
５ 集光レンズ手段
７ レーザ光
７ｃ 矯正されたレーザ光
９ ベンドミラー
９’ 曲率可変ミラー（ＡＯミラー）
１１ プロセスファイバ（伝送用光ファイバ）
１１e 出射端部
１３ コリメータレンズ
１５ サーボモータ
１７ アパーチャ
１９ ベンドミラー
２１ 集光レンズ
２３ サーボモータ
ＢＦＬ バックフォーカス長さ
ＢＰＰ ビーム品質定数
ＥＦＬ 有効焦点距離
Ｄ_２ ビーム直径
ｄ_２ 集光直径

Claims (4)

1. 伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させることにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを特徴とするファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法。
2. 伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとの間に曲率可変ミラーを設け、前記コリメータレンズを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させると共に、前記曲率可変ミラーの曲率を変更することにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを特徴とするファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御方法。
3. 伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させることにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを特徴とするファイバレーザ加工機の集光直径の変換制御装置。
4. 伝送用光ファイバから出射されたファイバレーザ発振器からのレーザビームをコリメートするコリメータレンズを光軸方向に移動可能に設けると共に、該コリメータレンズによりコリメートされたレーザビームを被加工材に対して集光照射する集光レンズを入射光軸方向に移動可能に設けてなる集光光学系を備えたファイバレーザ加工機において、前記コリメータレンズと集光レンズとの間に曲率可変ミラーを設け、前記コリメータレンズを前記光軸方向へ適宜な距離だけ移動させると共に、前記曲率可変ミラーの曲率を変更することにより、前記集光レンズにおける集光直径を変換可能に設け、前記ファイバレーザ加工機におけるビーム品質定数の変化に拘わらず一定の加工性能を保持可能にしたことを特徴とするファイバレーザ加工機における集光直径の変換制御装置。

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