JP2017135146A - レーザヘッド、及び、レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の強度を均一化可能なレーザヘッド、及びレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザヘッドは、２次元的に配列された複数の光出力部を有し、光出力部のそれぞれからレーザ光Ｌａを出力する光源と、軸線ＡＸ上に配列された入射端面５ａ及び出射端面５ｂを有し、レーザ光Ｌａを導光する柱状の導光部材５と、光源からのレーザ光Ｌａを入射端面５ａに集光する集光素子と、を備える。導光部材５は、入射端面５ａを含む第１部分５１と、第１部分５１よりも出射端面５ｂ側に位置する第２部分５２と、を有する。第２部分５２は、軸線ＡＸ周りの捻れを有する。出射端面５ｂは、レーザ光の出射方向からみて四角形状である。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザヘッド、及び、レーザ装置に関する。

従来のレーザ装置として、１次元に配列された複数の発光部を含む半導体レーザアレイを、その発光部の配列方向に垂直な方向にスタックして構成される光源と、光源から出射された複数のレーザ光を集光する集光光学系と、を備えるものが知られている。特許文献１には、このようなレーザ装置を用いたレーザ加工方法が記載されている。このレーザ加工方法では、複数の半導体レーザアレイをスタック方向において中央及び両側のグループに分け、中央のグループの半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の強度を、両側のグループの半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の強度よりも小さくすることで、複数のレーザ光による入熱分布（加工対象物の加工部位に対する入熱分布）の均一化を図るレーザ加工方法である。

国際公開第２００２／００９９０４号

特許文献１に記載のレーザ加工方法では、肉盛加工を行う際に、その加工部位の幅方向に沿ってレーザ光の強度分布を設けることによって、入熱分布の均一化を図っている。一方で、上記のレーザ装置は、種々の状況で利用され得る。一例として、上記のレーザ装置は、レーザ光の照射領域を金属材料上で相対移動させることにより、金属材料の焼き入れ加工を行う際に用いられる。また、上記のレーザ装置は、レーザ媒質の励起光源としても用いられる。これらの状況では、レーザ光の照射領域においてレーザ光の強度を均一化する要求がある。

本発明は、レーザ光の強度を均一化可能なレーザヘッド、及びレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザヘッドは、互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、第１方向及び第２方向に交差する第３方向に沿って光出力部のそれぞれからレーザ光を出力する光源と、所定軸線上に配列された入射端面及び出射端面を有し、レーザ光を導光する柱状の導光部材と、光源からのレーザ光を入射端面に向けて集光する集光素子と、を備え、導光部材は、入射端面を含む第１部分と、第１部分よりも出射端面側に位置する第２部分と、を有し、第２部分は、所定軸線周りの捻れを有し、出射端面は、レーザ光の出射方向からみて四角形状である。

このレーザヘッドにおいては、光源から出力された複数のレーザ光が集光素子により導光部材の入射端面に向けて集光される。入射端面に向けて集光された複数のレーザ光は、導光部材により導光されて出射端面から出射される。導光部材の第２部分は、入射端面及び出射端面が配列される所定軸線の周りの捻れを有している。したがって、複数のレーザ光は、入射端面から出射端面に至る間に、第２部分の捻れにより形成された曲面で反射されることにより、導光部材内で拡散される。したがって、レーザ光の強度が均一化される。なお、ここでは、出射端面が、レーザ光の出射方向からみて四角形状である。したがって、四角形状の照射領域内において、レーザ光の強度が均一化される。このため、特に、照射領域を相対移動させて金属材料の焼き入れ加工を行う場合に、均一な加工が可能となる。

本発明に係るレーザヘッドにおいては、導光部材は、出射端面を含む四角柱状の第３部分を有してもよい。この場合、導光部材の第２部分において拡散されたレーザ光を、出射端面を含む第３部分においてさらに反射させることにより、レーザ光の強度のさらなる均一化が可能である。特に、第３部分が四角柱状であるので、平面である外側面でレーザ光が反射される。このため、レーザ光の品質の劣化を抑制可能である。

本発明に係るレーザヘッドにおいては、第３部分は、第３部分の一の外側面と一の外側面に交差する別の外側面とを平面により接続する面取り部を有していてもよい。或いは、本発明に係るレーザヘッドにおいては、第３部分は、第３部分の一の外側面と一の外側面に交差する別の外側面とを曲面により接続する面取り部を有していてもよい。

本発明に係るレーザヘッドにおいては、光出力部は、第１方向及び第２方向を含む四角形状の領域に配列され、第１部分は、四角柱状であり、入射端面は、レーザ光の入射方向からみて四角形状であってもよい。このように、光出力部が四角形状の領域に配列される場合には、集光素子により集光されるレーザ光のスポットが四角形状の領域内に集約される。したがって、入射端面の形状を、レーザ光のスポットに合せて四角形状とすることによって、必要最小限の面積で複数のレーザ光をもれなく導光部材に入射させることができる。

本発明に係るレーザヘッドにおいては、第１部分は、第１部分の一の外側面と一の外側面に交差する別の外側面とを平面により接続する面取り部を有していてもよい。或いは、本発明に係るレーザヘッドにおいては、第１部分は、第１部分の一の外側面と一の外側面に交差する別の外側面とを曲面により接続する面取り部を有していてもよい。

本発明に係るレーザヘッドにおいては、光源は、第１方向に沿って１次元に配列された複数の発光部を含み、第２方向にスタックされた複数の半導体レーザアレイと、複数の半導体レーザアレイのそれぞれに設けられ、第３方向に沿って複数の発光部から出射されたレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、を有し、光出力部は、少なくとも発光部及びコリメートレンズによって構成されていてもよい。このように、光源から出力されるレーザ光がコリメート光である場合には、第２部分においてレーザ光を曲面で反射させて強度を均一化することが特に有効となる。

本発明に係るレーザ装置は、上記のレーザヘッドと、レーザヘッドを保持する保持部と、加工対象物を支持する支持部と、保持部及び支持部の少なくとも１つを動作させる制御部と、を備えてもよい。このレーザ装置は、上記のレーザヘッドを備える。したがって、加工対象物の均一な加工が可能となる。

本発明によれば、レーザ光の強度を均一化可能なレーザヘッド、及びレーザ装置を提供することができる。

本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 図１に示されたレーザヘッドを示す図である。 図２に示された光源及び照射領域を示す図である。 図２に示された導光部材を示す図である。 図４に示された導光部材の入射端面及び出射端面を示す図である。 出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図である。 導光部材の断面形状の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一又は相当する部分には互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。また、以下の図面には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる直交座標系を示す場合がある。

図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示されるように、レーザ装置１００は、レーザヘッド１と、保持ロボット（保持部）１０１と、支持ステージ（支持部）１０２と、電源１０３と、冷却機１０４と、制御部１０５と、を備えている。レーザヘッド１は、ワーク（加工対象物）Ｗを加工するために、ワークＷにレーザ光Ｌを照射する。保持ロボット１０１は、レーザヘッド１を保持する。支持ステージ１０２は、ワークＷを支持する。電源１０３は、レーザヘッド１が備える複数の半導体レーザアレイに電流を供給する。冷却機１０４は、レーザヘッド１が備える複数の半導体レーザアレイを冷却するために、冷却水を循環させる。

制御部１０５は、保持ロボット１０１を動作させる。例えば、金属材料からなるワークＷに対して焼き入れ加工を施す場合、制御部１０５は、レーザ光Ｌの照射領域がワークＷの表面Ｗｓに沿って移動するように（すなわち、ワークＷに対して相対移動するように）、保持ロボット１０１を動作させる。このような保持ロボット１０１の制御は、例えば、レーザヘッド１に取り付けられた距離センサからの出力に基づいて実施される。なお、制御部１０５は、保持ロボット１０１だけでなく、レーザ装置１００の各部を制御する。

図２は、図１に示されたレーザヘッドを示す図である。図３は、図２に示された光源及び照射領域を示す図である。図３の（ｂ）は、ワークＷの拡大図である。図２，３に示されるように、レーザヘッド１は、光源２と、集光素子３と、集光素子４と、導光部材５と、筐体６と、を有する。光源２、集光素子３、導光部材５、及び、集光素子４は、筐体６に収容され、Ｘ軸方向（第３方向）に沿ってこの順に配列されている。これにより、レーザヘッドは、直接集光型半導体レーザ（ＤＤＬ）として構成されている。

光源２は、複数（例えば３０個）の半導体レーザアレイ２１と、複数のコリメートレンズ２２と、複数のヒートシンク２３と、を有している。複数の半導体レーザアレイは、例えば数ｍｍの等間隔で、Ｚ軸方向（第２方向）にスタック（積層）されている。１つの半導体レーザアレイ２１には、複数（例えば、３０個）の発光部２１ａが形成されている。１つの半導体レーザアレイ２１においては、複数の発光部２１ａは、例えば数百μｍの等間隔で、Ｙ軸方向（第１方向）に沿って１次元的に配列されている。発光部２１ａは、Ｙ方向をスロー方向とすると共にＺ軸方向をファースト方向とする半導体レーザ素子である。発光部２１ａは、Ｘ軸方向に沿ってレーザ光Ｌａを出射する。なお、上述したレーザ光Ｌは、光源２から出射された複数のレーザ光Ｌａの集合である。

各コリメートレンズ２２は、各半導体レーザアレイ２１の光出射側に配置されている。コリメートレンズ２２は、半導体レーザアレイ２１の複数の発光部２１ａからＸ軸方向に沿って出射された複数のレーザ光Ｌａをコリメートする。より具体的には、コリメートレンズ２２は、Ｚ軸方向（すなわち、ファースト方向）へのレーザ光Ｌａの広がりをコリメートする。各ヒートシンク２３は、各半導体レーザアレイ２１と熱的に接続されている。ヒートシンク２３には、冷却機１０４によって冷却水が循環させられる。これにより、ヒートシンク２３は、半導体レーザアレイ２１を冷却する。

光源２においては、１つの発光部２１ａ、及びその光出射側に配置されたコリメートレンズ２２によって、１つの光出力部２４が構成されている。つまり、光源２には、互いに交差（直交）するＹ軸方向及びＺ軸方向に沿って２次元的に（すなわち、マトリックス状に）配列された複数の光出力部２４を有する。特に、ここでは、光出力部２４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を含む四角形状の領域Ｒ１に配列されている。領域Ｒ１は、一例として正方形状であるが、長方形状であってもよい。

光源２は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に垂直なＸ軸方向に沿って複数の光出力部２４から複数のレーザ光Ｌａを出射する。これにより、集光素子３に入射する複数のレーザ光Ｌａの光軸の位置は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に沿って２次元に（すなわち、マトリックス状に）配列された状態となる。

集光素子３は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の両方について、光源２からのレーザ光Ｌａのそれぞれを、導光部材５の入射端面５ａに向けて集光する。入射端面５ａにおけるレーザ光のスポット（レーザ光Ｌａのスポットの集合）は、四角形状である。ここでは、入射端面５ａにおけるレーザ光のスポットは、正方形状であるが、長方形状であってもよい。集光素子３は、例えばレンズである。

集光素子４は、導光部材５の出射端面５ｂから出射されたレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２がワークＷの表面Ｗｓ上に位置するようにレーザ光Ｌを集光する。そのために、集光素子４は、第１素子４１と第２素子４２とを含む。第１素子４１及び第２素子４２は、Ｘ軸方向に沿って順に配列されている。第１素子４１は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の両方について、出射端面５ｂから出射されたレーザ光Ｌをコリメートする。第２素子４２は、第１素子４１からのレーザ光Ｌを集光し、ワークＷの表面Ｗｓ上に照射領域Ｒ２を形成する。照射領域Ｒ２は、四角形状である。照射領域Ｒ２は、ここでは正方形状であるが、長方形状であってもよい。

図４は、図２に示された導光部材を示す図である。図４の（ａ）は斜視図であり、図４の（ｂ）は側面図である。図５は、図４に示された導光部材の入射端面及び出射端面を示す図である。図２，４，５に示されるように、導光部材５は、集光素子３と集光素子４との間に配置されている。導光部材５は、軸線（所定軸線）ＡＸ上に配列された入射端面５ａ及び出射端面５ｂを有する。換言すれば、導光部材５の入射端面５ａ及び出射端面５ｂは、同軸上に位置している。特に、ここでは、入射端面５ａの中心と出射端面５ｂの中心とが互いに一致している。

ここでは、軸線ＡＸは、Ｘ軸方向と実質的に一致している。導光部材５は、入射端面５ａから入射したレーザ光Ｌａを導光し、出射端面５ｂからレーザ光Ｌとして出射する。入射端面５ａは、レーザ光Ｌａの入射方向（ここではＸ軸方向）からみて四角形状である。出射端面５ｂは、レーザ光Ｌの出射方向（ここではＸ軸方向）からみて四角形状である。入射端面５ａ及び出射端面５ｂは、ここでは正方形状であるが、長方形状であってもよい。入射端面５ａの形状は、光出力部２４が配列される領域Ｒ１の形状に対応した形状とすることができる。

導光部材５は、軸線ＡＸに沿って直線状に延びる長尺の柱状（棒状）である。導光部材５は、第１部分５１、第２部分５２、及び、第３部分５３からなる。第１部分５１は、入射端面５ａを含む。第３部分５３は、出射端面５ｂを含む。第２部分５２は、第１部分よりも出射端面５ｂ側に位置する。すなわち、第２部分５２は、第１部分５１と第３部分５３との間に配置されている。第２部分５２は、第１部分５１と第３部分５３とに接続されている。

第１部分５１は、軸線ＡＸに沿って延びる四角柱状である。第１部分５１の軸線ＡＸに交差する断面形状は、ここでは、入射端面５ａと同様に正方形状である。第３部分５３は、軸線ＡＸに沿って延びる四角柱状である。第３部分５３の軸線ＡＸに交差する断面形状は、ここでは、出射端面５ｂと同様に正方形状である。第１部分５１及び第３部分５３の断面形状は、ここでは、軸線ＡＸに沿って一定である（太さが一定である）。第１部分５１の４つの外側面５１ｓ、及び、第３部分５３の４つの外側面５３ｓは、それぞれ、長方形状の平面である。

第２部分５２は、軸線ＡＸ周りの捻れを有する（すなわち、捻れ部である）。軸線ＡＸ周りの捻れを有するとは、第２部分５２が角柱及び円柱を含む一般の柱状である場合には、軸線ＡＸ（光軸：光の進行方向）の一方から他方に向って軸線ＡＸに交差（直交）する複数（無数）の断面をとったときに、軸線ＡＸの一方側の断面から他方側の断面に向かうにつれて、断面間において対応する任意の外縁上の１点（仮想的な点）の軌跡が螺旋を画くことをいう。一方、第１部分５１及び第３部分５３は、軸線ＡＸ周りの捻れを有さない（すなわち、非捻れ部である）。軸線ＡＸ周りの捻れを有さないとは、軸線ＡＸ（光軸：光の進行方向）の一方から他方に向って軸線ＡＸに交差（直交）する複数（無数）の断面をとったときに、軸線ＡＸの一方側の断面から他方側の断面に向かうにつれて、断面間において対応する任意の外縁上の１点（仮想的な点）の軌跡が直線を画くことをいう。

なお、第２部分５２が角柱状である場合には、軸線ＡＸ周りの捻れを有するとは、軸線ＡＸに交差（直交）する断面形状を、軸線ＡＸの一方から他方に向かうにつれて軸線ＡＸを中心として回転させることによって、当該断面形状の外形により描かれる外形を有することをいう。したがって、第２部分５２の軸線ＡＸに交差する各断面形状は、軸線ＡＸに沿って実質的に一定であり、且つ、軸線ＡＸを中心とした回転の角度が異なる。第２部分５２の最も軸線ＡＸの一方側（第１部分５１との接続側）の断面形状Ｓ１と、最も軸線ＡＸの他方側（第３部分５３との接続側）の断面形状Ｓ２との間に与えられる回転角度α（すなわち、第２部分５２に与えられる捻れの角度）は、例えば、４５°以上３６０°以下である（図５参照）。ただし、回転角度αが大きすぎると光の拡散が大きくなりすぎるおそれがある。また、回転角度αが小さすぎると光が十分に拡散されないおそれがある。これらの観点から、回転角度αは、６０°以上１８０°以下であることが好ましい。

一例として、回転角度αが９０°（又は１８０°）の場合（図５の（ａ））、断面形状Ｓ１と断面形状Ｓ２とは互いに全体的に重複する。一方、一例として、回転角度αが４５°（又は１３５°）の場合（図５の（ｂ））、断面形状Ｓ１と断面形状Ｓ２とが４５°ずれた状態で部分的に重複する。第１部分５１〜第３部分５３は、互いに連続的に形成されている。したがって、断面形状Ｓ１と断面形状Ｓ２との間に与えられる回転角度αが、第１部分５１の軸線ＡＸに交差する断面形状と第３部分５３の軸線ＡＸに交差する断面形状との間（すなわち、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間）の、軸線ＡＸを中心とした回転角度のずれ量を規定する。

第２部分５２の軸線ＡＸに交差する断面形状は、第１部分５１及び第３部分５３との接続部の断面形状に対応して四角形状である。したがって、ここでは、第２部分５２の断面形状は正方形状である。ただし、第２部分５２は、製造上の理由から、実際には、第１部分５１及び第３部分５３の断面形状に対して若干の変形が加わる場合がある。特に、第２部分５２の断面積は、第１部分５１側の端部及び第３部分５３側の端部（すなわち両端部）よりも、中央部において小さくなる場合がある。すなわち、第２部分５２は、中央部において相対的に細い場合がある。以上のように、第２部分５２は、軸線ＡＸ周りの捻れを有するため、第２部分５２の４つの外側面５２ｓは、長方形を捻ることにより形成される曲面である。

ここで、集光素子３により入射端面５ａに向けて集光された複数のレーザ光Ｌａは、まず、第１部分５１内を伝播する。このとき、少なくとも一部のレーザ光Ｌａは、第１部分５１と周囲の雰囲気との界面（すなわち平面である外側面５１ｓ）において反射される。第１部分５１内を伝播したレーザ光Ｌａは、第２部分５２に入射する。第２部分５２に入射したレーザ光Ｌａは、第２部分５２内を伝播する。このとき、大部分のレーザ光Ｌａは、第２部分５２と周囲の雰囲気との界面（すなわち曲面である外側面５２ｓ）において反射される。

さらに、第２部分５２内を伝播したレーザ光Ｌａは、第３部分５３に入射する。第３部分５３ａに入射したレーザ光Ｌａは、第３部分５３ａ内を伝播する。このとき、大部分のレーザ光Ｌａは、第３部分５３と周囲の雰囲気との界面（すなわち平面である外側面５３ｓ）においてさらに反射される。第３部分５３を伝播したレーザ光Ｌａは、レーザ光Ｌとして出射端面５ｂから出射される。

引き続いて、導光部材５の各部の寸法の一例について説明する。ここでは、第１部分５１〜第３部分５３の軸線ＡＸに交差（直交）する断面形状は正方形状であり、一辺の長さをＷとする。また、入射端面５ａに入射するレーザ光Ｌａの入射角をθとする。このとき、軸線ＡＸに沿った第１部分５１の長さＬ５１は、例えば（Ｗ／２）×（１／ｔａｎθ）以上とすることができる。また、軸線ＡＸに沿った第２部分５２の長さＬ５２は、例えば、長さＬ５１の２倍以上とすることができる。これは、第１部分５１内で反射したレーザ光Ｌａを、少なくとも１回、第２部分５２内で反射させるためである。

なお、上述した第２部分５２に与えられる捻れ角度（回転角度α）は、第２部分５２の長さＬ５２と関連付けて設定することできる。すなわち、短い第２部分５２に対して大きな回転角度αを設定すると、曲面である外側面５２ｓへのレーザ光Ｌａの入射角が大きくなる。したがって、外側面５２ｓへのレーザ光Ｌａの入射角がレーザ光Ｌａの全反射角度よりも小さくなるように（すなわち外側面５２ｓでレーザ光Ｌａの全反射が生じるように）、長さＬ５２及び回転角度αを設定することが望ましい。

さらに、軸線ＡＸに沿った第３部分５３の長さＬ５３は、第３部分５３内でのレーザ光Ｌａの反射のため、設計上許される範囲の最大とすることが望ましいが、一例として、長さＬ５１と長さＬ５２との合計程度を目安とすることができる。

以上のような導光部材５は、例えば、四角柱状のガラス部材の両端を除いた一部分を捻じることにより製造され得る。これにより、捻れが形成された部分が第２部分５２となる。したがって、第２部分５２においては、例えば複数の直方体の部材を接合することにより断続的に捻れが形成されるのではなく、単一の部材により連続的な捻れが形成されている。導光部材５は、所謂ライトパイプやロッドプリズムであり、光ファイバとは区別される。

すなわち、典型的には、光ファイバは、コア、コアを囲むクラッド、及び、クラッドを覆う被覆等から構成される。光ファイバは、コアとクラッドとの屈折率差によりコアに光を閉じ込めて導光する。これに対して、導光部材５は、例えば実質的に単一の屈折率の領域からなる。導光部材５は、空気等の周囲の雰囲気との屈折率差により、光を閉じ込めて導光する。ただし、入射端面５ａには反射防止膜が形成される場合があり、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間の外側面には、反射膜が形成される場合がある。

また、光ファイバは、全体としての剛性が比較的小さく、可撓性を有する。このため、光ファイバは、例えば片持ち状態で姿勢及び形状を維持することが困難である（自重で変形する）。すなわち、光ファイバは、全体として一定の形状を有していない。これに対して、導光部材５は、全体としての剛性が比較的大きく、可撓性を有さない。このため、導光部材５は、例えば片持ち状態で姿勢及び形状を維持可能である。すなわち、導光部材５は、全体として一定の形状（柱状）を有する。この点でも、導光部材５は、光ファイバと区別され得る。

なお、導光部材５は、例えば、第１部分５１及び第３部分５３において所定部材（不図示）により把持され、レーザヘッド１の筐体６内に保持されている。すなわち、第１部分５１及び第３部分５３は、導光部材５をレーザヘッド１に固定する際に把持される把持部として機能する。さらに、第１部分５１及び第３部分５３は、所定部材に把持されることにより、所定部材を介した導光部材５の放熱経路を提供する。つまり、第１部分５１及び第３部分５３は、導光部材５の放熱部としても機能する。このように、第１部分５１及び第３部分５３が所定部材に把持される場合には、所定部材との接触部分からの漏れ光を抑制するため、少なくとも第１部分５１及び第３部分５３の外側面５１ｓ，５３ｓに反射膜を設けることができる。

以上説明したように、レーザ装置１００は、レーザヘッド１を備えている。レーザヘッド１においては、光源２から出力された複数のレーザ光Ｌａが集光素子３により導光部材５の入射端面５ａに向けて集光される。入射端面５ａに向けて集光された複数のレーザ光Ｌａは、導光部材５により導光されて出射端面５ｂから出射される。導光部材５の第２部分５２は、入射端面５ａ及び出射端面５ｂが配列される軸線ＡＸの周りの捻れを有している。したがって、複数のレーザ光Ｌａは、入射端面５ａから出射端面５ｂに至る間に、第２部分５２の捻れにより形成された曲面（外側面５２ｓ）で反射されることにより、導光部材５内で拡散される（拡がり角が増大される）。したがって、レーザ光Ｌ（レーザ光Ｌａの集合）の強度が均一化される。

図６は、出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図である。図６の（ａ）は、導光部材５を用いた場合を示す図であり、図６の（ｂ）は、全体が四角柱状で捻れを有さない導光部材を用いた場合を示す図である。図６においては、色の濃淡により強度の強弱が示されている。図６の（ａ）に示されるように、導光部材５を用いた場合には、レーザ光Ｌａのそれぞれが導光部材５内で拡散される結果、出射端面５ｂにおいて強度分布が均一化されている。一方で、図６の（ｂ）に示されるように、捻れを有さない導光部材を用いた場合には、出射端面Ｂにおいても、コリメート光であるレーザ光Ｌａの強度の偏在が残存しており、強度分布が不均一である。

ここで、導光部材５は、上記のように、単一のガラス部材を捻じることにより形成される。すなわち、第２部分５２は、連続的な捻れを有している。このため、第２部分５２の外側面５２ｓが連続的な（滑らかな）曲面となる。その結果、外側面５２ｓでの反射によりレーザ光Ｌａの拡散が生じ、レーザ光Ｌの強度の均一化が実現される。これに対して、例えば複数の直方体状の部材を接合することによって断続的な捻れを形成した場合には、外側面に曲面が得られない。このため、レーザ光Ｌの強度の均一化が困難である。

なお、レーザヘッド１においては、出射端面５ｂが、レーザ光Ｌの出射方向からみて四角形状である。したがって、四角形状の照射領域Ｒ２内において、レーザ光Ｌの強度が均一化される。このため、レーザ装置１００においては、照射領域Ｒ２の互いに平行な一対の辺部分に直交するように、照射領域Ｒ２をワークＷの表面Ｗｓに対して相対移動（スキャン）させれば、ワークＷの表面Ｗｓの焼き入れを均一に行うことが可能である。

特に、焼き入れ加工を行う際には、照射領域Ｒ２が四角形状であること、及び、照射領域Ｒ２のスキャン方向とスキャン方向に直交する方向との両方について、レーザ光Ｌの強度が均一化されていることが重要である。スキャン方向及びスキャン方向に交差する方向のいずれの方向であっても、レーザ光Ｌの強度が不均一であると、焼き入れ加工の際にむらが発生するおそれがあるためである。

また、レーザヘッド１においては、導光部材５が、出射端面５ｂを含む第３部分５３を有している。そして、第３部分５３は、四角柱状である。上述したように、導光部材５内においてレーザ光Ｌａを拡散させる目的としては、曲面での反射回数を増加させるために第２部分５２を長くすることが考えられる。しかしながら、曲面での反射回数が多くなり過ぎると、出射端面５ｂから出射されるレーザ光Ｌの拡がり角が増大し過ぎたりするなど、レーザ光Ｌの品質が劣化するおそれがある。これに対して、このように第２部分５２よりも出射端面５ｂ側に四角柱状の第３部分５３を設けることにより、第２部分５２内で拡散された状態のレーザ光Ｌを第３部分５３において平面（外側面５３ｓ）で反射させれば、品質の劣化を抑制しながらレーザ光Ｌの強度のさらなる均一化が可能となる。

また、レーザヘッド１においては、光出力部２４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を含む四角形状の領域Ｒ１に配列されている。また、導光部材５の入射端面５ａは、レーザ光Ｌａの入射方向からみて四角形状である。このように、光出力部２４が四角形状の領域Ｒ１に配列される場合には、集光素子３により集光されるレーザ光Ｌａのスポットが四角形状の領域内に集約される。したがって、入射端面５ａの形状を、レーザ光Ｌａのスポットに合せて四角形状とすることによって、必要最小限の面積で複数のレーザ光Ｌａをもれなく導光部材５に入射させることができる。

なお、円形のビームスポットを有するレーザ光（以下、「円形のビーム」という）の強度を均一化することは、上記のように四角形状のビームスポットを有するレーザ光（以下、「四角形のビーム」という）の強度を均一化することに比べて容易である。すなわち、円形のビームであれば、捻れを有さない通常のプリズムロッドでも容易に均一化できる。しかしながら、四角形のビームに対して、通常のプリズムロッドを用いて均一化をしようとすると、プリズムロッドの長さを大きくしなければならない。これに対して、レーザヘッド１によれば、四角形のビームに対して、比較的短い導光部材５を用いて確実に均一化することが可能である。なお、光ファイバの光軸に交差する断面形状は、一般的に円形である。

また、上述したように、第２部分５２における曲面でのレーザ光Ｌａの反射回数が多くなり過ぎると、レーザ光Ｌの品質の劣化が生じるおそれがある。これに対して、導光部材５は、第２部分５２よりも入射端面５ａ側に四角柱状の第１部分５１を有している。このため、第１部分５１の長さＬ５１の分だけ入射端面５ａから離間して第２部分５２の始端を配置することができる。つまり、レーザ光Ｌａの拡散に寄与しない四角柱状の第１部分５１の長さＬ５１の調節によって、容易に、第２部分５２における曲面でのレーザ光Ｌａの反射回数を制御することが可能となる。換言すれば、第１部分５１は、上述した把持部及び放熱部としての機能に加えて、第２部分５２におけるレーザ光Ｌａの反射回数を調整するための調整部としても機能する。

さらに、レーザヘッド１においては、光源２は、Ｙ軸方向に沿って１次元に配列された複数の発光部２１ａを含み、Ｚ軸方向にスタックされた複数の半導体レーザアレイ２１と、複数の半導体レーザアレイ２１のそれぞれに設けられ、複数の発光部２１ａから出射されたレーザ光Ｌａをコリメートする複数のコリメートレンズ２２と、を有する。そして、光出力部２４は、発光部２１ａ及びコリメートレンズ２２によって構成されている。このように、レーザ光Ｌａがコリメート光である場合には、第２部分５２においてレーザ光Ｌａを曲面（外側面５２ｓ）で反射させて強度を均一化することが特に有効となる。

なお、導光部材５の入射端面５ａの面積と出射端面５ｂの面積とは、互いに同程度（例えば同一）であることが好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、入射端面５ａの面積よりも出射端面５ｂの面積が小さいと、導光部材５の全体の形状が先細りになる。これに伴い、第２部分５２も先細りの形状となるため、第２部分５２での反射回数が多くなり過ぎるおそれがある。一方、入射端面５ａの面積よりも出射端面５ｂの面積が大きいと、導光部材５及び第２部分５２が上記の場合と逆の形状となる。したがって、第２部分５２での反射回数が少なくなり過ぎる結果、レーザ光Ｌの強度の均一性が低下するおそれがある。

以上の実施形態は、本発明の一実施形態について説明したものである。したがって、本発明は、上記のレーザヘッド１及びレーザ装置１００に限定されない。本発明は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上記のレーザヘッド１及びレーザ装置１００を任意に変更したものとすることができる。

図７は、導光部材の断面形状の変形例を示す図である。図７に示されるように、導光部材５の第１部分５１〜第３部分５３の軸線ＡＸに交差（直交）する断面形状は、厳密な四角形に限定されず、四角形状であればよい。例えば、第１部分５１及び第３部分５３の断面形状は、四角形を面取りすることにより形成される形状であってもよい。換言すれば、第１部分５１及び第３部分５３は、一の外側面５１ｓ，５３ｓと別の外側面５１ｓ，５３ｓとを平面Ｆにより接続する面取り部Ｐを有していてもよい（図７の（ａ））。或いは、第１部分５１及び第３部分５３は、一の外側面５１ｓ，５３ｓと別の外側面５１ｓ，５３ｓとを曲面Ｃにより接続する面取り部Ｐを有していてもよい（図７の（ｂ））。第２部分５２についても同様である。さらには、導光部材５に対して第３部分５３を設けなくてもよい。

また、レーザ装置１００において、制御部１０５は、保持ロボット１０１等の保持部に替えて、支持ステージ１０２等の支持部を動作させて照射領域Ｒ２を相対移動させてもよいし、保持ロボット１０１等の保持部及び支持ステージ１０２等の支持部の両方を動作させて照射領域Ｒ２を相対移動させてもよい。また、レーザ装置１００において実施されるレーザ加工は、金属材料に対する焼き入れに限定されず、他のレーザ加工（例えば、溶接や半田の溶融）であってもよい。

また、導光部材５の第１部分５１を円柱状とし、第２部分５２を四角柱状（捻れを含む）としてもよい。或いは、第１部分５１を四角柱状とし、第２部分５２を円柱状（捻れを含む）としてもよい。さらには、第１部分５１及び第２部分５２の両方を円柱状としてもよい。このように、導光部材５においては、第１部分５１及び第２部分５２の少なくとも一方を円柱状とすることができる。ただし、円柱状の第１部分５１及び／又は第２部分５２を用いた場合には、第１部分５１及び第２部分５２を四角柱状とする場合と比較して、軸線ＡＸに沿った導光部材５の寸法を大きくする（長くする）必要がある。このため、導光部材５を短く構成する観点からは、第１部分５１及び第２部分５２を四角柱状とすることが有効である。ただし、出射端面５ｂを含む部分（上記の例では第３部分５３）は、照射領域Ｒ２の形状を四角形状とする要求から、四角柱状とすることが必要である。

さらに、レーザヘッド１は、上記のようなレーザ加工に用いられるレーザ装置に適用される場合に限らず、例えばレーザ媒質の励起光源としてのレーザ装置に適用されてもよい。

１…レーザヘッド、２…光源、３…集光素子、５…導光部材、５ａ…入射端面、５ｂ…出射端面、２１…半導体レーザアレイ、２１ａ…発光部（光出力部）、２２…コリメートレンズ、５１…第１部分、５１ｓ…外側面（一の外側面、別の外側面）、５２…第２部分、５３…第３部分、５３ｓ…外側面（一の外側面、別の外側面）、１００…レーザ装置、１０１…保持ロボット（保持部）、１０２…支持ステージ（支持部）、１０５…制御部、ＡＸ…軸線（所定軸線）、Ｃ…曲面、Ｆ…平面、Ｌ，Ｌａ…レーザ光、Ｐ…面取り部、Ｗ…ワーク（加工対象物）。

Claims (9)

1. 互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に沿って前記光出力部のそれぞれからレーザ光を出力する光源と、
   所定軸線上に配列された入射端面及び出射端面を有し、前記レーザ光を導光する柱状の導光部材と、
   前記光源からの前記レーザ光を前記入射端面に向けて集光する集光素子と、を備え、
   前記導光部材は、前記入射端面を含む第１部分と、前記第１部分よりも前記出射端面側に位置する第２部分と、を有し、
   前記第２部分は、前記所定軸線周りの捻れを有し、
   前記出射端面は、前記レーザ光の出射方向からみて四角形状である、
   レーザヘッド。
2. 前記導光部材は、前記出射端面を含む四角柱状の第３部分を有する、
   請求項１に記載のレーザヘッド。
3. 前記第３部分は、前記第３部分の一の外側面と前記一の外側面に交差する別の外側面とを平面により接続する面取り部を有している、
   請求項２に記載のレーザヘッド。
4. 前記第３部分は、前記第３部分の一の外側面と前記一の外側面に交差する別の外側面とを曲面により接続する面取り部を有している、
   請求項２に記載のレーザヘッド。
5. 前記光出力部は、前記第１方向及び前記第２方向を含む四角形状の領域に配列され、
   前記第１部分は、四角柱状であり、
   前記入射端面は、前記レーザ光の入射方向からみて四角形状である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザヘッド。
6. 前記第１部分は、前記第１部分の一の外側面と前記一の外側面に交差する別の外側面とを平面により接続する面取り部を有している、
   請求項５に記載のレーザヘッド。
7. 前記第１部分は、前記第１部分の一の外側面と前記一の外側面に交差する別の外側面とを曲面により接続する面取り部を有している、
   請求項５に記載のレーザヘッド。
8. 前記光源は、
   前記第１方向に沿って１次元に配列された複数の発光部を含み、前記第２方向にスタックされた複数の半導体レーザアレイと、
   前記複数の半導体レーザアレイのそれぞれに設けられ、前記第３方向に沿って前記複数の発光部から出射されたレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、を有し、
   前記光出力部は、少なくとも前記発光部及び前記コリメートレンズによって構成されている、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザヘッド。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザヘッドと、
   前記レーザヘッドを保持する保持部と、
   加工対象物を支持する支持部と、
   前記保持部及び前記支持部の少なくとも１つを動作させる制御部と、
   を備える、
   レーザ装置。