JP2013139039A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 複数本の光ファイバ3と、各光ファイバ3を駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバ3からのレーザ光を平行光にする各々対応する複数のコリメータレンズ5と、複数のコリメータレンズ5からの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズ6とを備え、複数の光ファイバ3を駆動機構7,8を介して移動させて複数の光ファイバ3からの複数のレーザ光の重なり合い度合いを調整する。
【選択図】 図2
Description
特許文献1は、複数の発光点を有するレーザ光源部と、前記レーザ光源部の隣接する複数の発光点から出射された複数のレーザ光を出射部にそれぞれ集光する複数の光回路と、矩形断面を有し、前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を伝達する複数の矩形状光ファイバと、前記複数の矩形状光ファイバの出射端を矩形断面の短辺方向に重ねて固定したバンドル部とを備える。
特許文献2は、複数の発光源を有する半導体レーザ素子又は1つの発光源を有する複数の半導体レーザ素子と、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面に形成サレ、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を連結して出射する1以上のレーザ光出射部とが形成された光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ素子及び前記光導波路デバイスが設置された設置基板とを備えた半導体レーザ素子用集光系である。
また、特許文献3は、レーザ光を発光する複数の発光手段と、前記発光手段から発光したレーザ光を入射して伝達するための光伝達手段と、前記光伝達手段の出射端から出射したレーザ光を被照射部に集光させる集光手段と、前記集光手段によって集光されたレーザ光の光強度分布を任意に設定できる光強度分布設定手段と、前記光強度分布設定手段によって設定された光強度分布となるように前記各発光手段に供給する各電流値を制御する制御手段を備えたレーザ装置である。
しかし、上記半導体レーザ素子や光ファイバの故障などを考慮した上での上記レーザ光の照射の仕方に対応させるものは従来なかった。すなわち、従来では、いずれも集光器や光ファイバ等をすべて交換する必要がある。
しかしながら、上記方法では、光ファイバを予め束ねるための光学部品が必要となり、そのため設定配置構造も格子状や放射状などのものに限定されてしまう。したがって、上記光学部品を多種類用意しなければならない。
しかしながら、レーザ加工装置で今日求められているのは、ワーク形状や加工法に応じて最適なスポット形状やサイズ或いは強度分布を如何に設定するかであるが、特許文献4では、全てのレーザ光源を一点に合成する場合に限られる。しかも、一点合成を実現するには、光源とコリメータレンズを精密に位置決めすることが求められる。もし、そこに僅かなずれが存在する場合、コンデンサレンズ焦点位置では大きなずれとして現れてしまい、一点合成の精度低下の原因となる。光源が固定された状態で設置されている場合、そうした僅かなずれであっても調整は不可能であり、目的を達成することはできない。
本発明によれば、光ファイバからのレーザ光はコリメータレンズで平行光にされて一枚のコンデンサレンズの中心をずらした場合、コンデンサレンズの焦点位置での集光点は、ずらした方向と反対方向にコリメータレンズの焦点距離に対するコンデンサレンズの焦点距離の割合分だけ拡大または縮小されて移動する。
複数の光ファイバの位置をそれぞれ対応するコリメータレンズの位置に対して前記駆動機構により移動させながら、或いは移動させた後停止させて照射すると、複数の光ファイバからの光を所定位置に点在させたり、重なり度合いを調整したり、ときに一点に集中させたりすることができる。そして、複数の光ファイバからの光を重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させたり、重なり度合いを調整しつつ常に変化させる状態にすることもできる。重なり合いを持たせることで、複数の光ファイバからの光を加工物に直線状に照射したり円弧形状照射したりすることができる。
本発明によれば、複数の光ファイバを着脱部材に装着させて、可動制御部材に沿って移動させることで、コリメータレンズを中心とする周方向、又は、コリメータレンズを中心とするX−Y方向に容易に移動可能になり、同期駆動させる場合にも制御し易くなる。
本発明によれば、各光ファイバを駆動する駆動機構により複数の光ファイバからの光を重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させたり、重なり度合いを調整しつつ常に変化させる移動状態にすることもでき、加工位置をより均一に加工することができ、これにより種種様々な加工が可能になる。
また、本発明は、複数の光ファイバからのレーザ光をコンデンサレンズ焦点位置にて一点合成できるが、特許文献4のように、光源とコリメータレンズを精密に位置決めすることは必要なくなり、その場合の重なり合いも調整が可能となり、その場合のスットパターンの高精度化も図られる。
本実施形態のレーザ加工装置1は、図1(a)(b)に示すように、複数本の光ファイバ3と、複数本の光ファイバ3に各々対応する複数のコリメータレンズ5と、複数のコリメータレンズ5からの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズ6とを備える。これらは長方形状の筐体2に収納されて、この筐体2の先端側にコンデンサレンズ6が配され、ほぼ中央にコリメータレンズ5が配され、後端側に光ファイバ3が配される。光ファイバ3からのレーザ光は、コンデンサレンズ6で集光Mされて、筐体2から所定位置離れた位置の加工品Bにレーザ光を照射する。そして、溶接加工のほか、肉盛加工、焼き入れや、レーザロウ付けや、レーザ表面熱処理等にも適用可能である。
本実施形態のレーザ加工装置11は、図2と図3に示すように、6個の光ファイバ3が着脱部材7に取り付けられ、着脱部材7は、可動制御部材8に取り付けられて可動する。6個の光ファイバ3は、本装置1の後方側の同じ位置で着脱部材7に取り付けられている。可動制御部材8としては、レールや溝などを形成して、これらに沿って移動する。図3(a)は、駆動部材である着脱部材7がX−Y方向に移動可能な例であり、図3(b)は、着脱部材7が周方向に移動可能な例であり、図3(c)は、着脱部材7が放射状方向に移動可能な例であり、図3(d)は、着脱部材7が周方向とX−Y方向に移動可能な例である。
本実施の形態のコリメータレンズ5は、6個用いられている。すなわち、6個の光ファイバ3ごとに設けられ、いずれも光ファイバ3の位置からレンズ6から同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されている。そして、駆動機構である着脱部材7によりコリメータレンズ5の中心位置を基準に光ファイバ3が移動可能に構成されている。コンデンサレンズ6は、上記6個のコリメータレンズ5を合わせたときと同じ大きさの径か、それよりも大きな面積(径としての面積)のレンズであり、6個のコリメータレンズ5の各々と同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されている。本実施の形態のコリメータレンズ5は、コンデンサレンズ6の外周に6個配され、上方の2個は同じ高さ位置であり、中央の2個は同じ高さ位置であり、上方の2個は同じ高さ位置であり、6個のコリメータレンズ5は、コンデンサレンズ6の中心Oの同心円上に等間隔で配されている。
図4と図5に示すように、複数のコリメータレンズ5の位置は、同じ位置でなくとも良く、例えば、中央のコリメータレンズ5は、その上下に位置するコリメータレンズ5よりも前であったり後ろであったりする配置にすることもできる。また、図3(a)(b)において、中央にも着脱部材7と可動制御部材8とを配して(中央の点線で示す。)、7個のコリメータレンズ5とすることも可能である。この7個のコリメータレンズ5を使用した場合のスポットパターンとしては、図7(d)に示すように、外周に6個のスポットパターンと中央に1個のスポットパターンとして合成Mすることもできる。また、図7(e)に示すように、大きさの異なるスポットパターンにすることもできる。
また、図6に示すように、複数のコリメータレンズ5の焦点距離が異なるものを使用して(コリメータレンズは5A>5B>5Cの順で厚さが異なる。)、焦点距離を調整可能にしても良い。これを上述の可動制御部材8による駆動と合わせて動作させると、例えば図7(f)に示すように、複数のスポットの大きさの異なり、それらの中心がずれたスポットパターンにすることもできる。すなわち、合成した場合の重なり合いも調整が可能となり、その場合のスットパターンの高精度化も図られる。
2 筐体、
3 光ファイバ、
4 中央に位置する可動制御部材と着脱部材、
5 コリメータレンズ、
6 コンデンサレンズ、
7 着脱部材(駆動機構)、
8 可動制御部材(駆動機構)、
M 焦点位置(合成位置)、O コンデンサレンズの中心
Claims (5)
- 複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にする各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、
複数本の光ファイバは、各光ファイバを駆動する駆動機構により所定範囲に移動可能に構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記駆動機構は、複数の光ファイバを着脱して可動すると、この着脱部材を移動させるための可動制御部材により、コリメータレンズを中心とする周方向、コリメータレンズを中心とする放射状方向、又は、コリメータレンズを中心とするX−Y方向に駆動機構により移動可能に構成されていることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
- 複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にする各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、
複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させてレーザ光をコンデンサレンズにより集光することを特徴とするレーザ加工方法。 - 複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させて複数の光ファイバからの複数のレーザ光の重なり合い度合いを調整することを特徴とする請求項3記載のレーザ加工方法。
- 前記駆動機構は、複数の光ファイバを着脱して可動すると、この着脱部材を移動させるための可動制御部材により、コリメータレンズを中心とする周方向、コリメータレンズを中心とする放射状方向、又は、コリメータレンズを中心とするX−Y方向に駆動機構により移動可能に構成されていることを特徴とする請求項3又は4記載のレーザ加工方法。
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