JP2020078805A - ガルバノスキャナー光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】大出力のレーザ装置を用いたときの加工速度を向上することができるスキャナー光学系を提供する。【解決手段】ＤＯＥまたはホモジナイザーと１対の対向したアクシコンレンズをさらに設置することで、レーザの強度分布はガウシアン分布から環状分布に変換され、アクシコンレンズが破損することなく、ガウシアン分布またはトップハット分布から環状の強度分布に変換してワークに照射して、大出力のレーザ装置を用いたときの加工速度を向上する。【選択図】図２

Description

この発明は、金属・セラミックス・樹脂、ＣＦＲＰ複合材料などの材料をレーザ加工装置に使用されるガルガノスキャナー光学系、とくに穴あけ加工や切断加工の目的でレーザ熱源を利用するための光学系として利用する際のスキャナー光学系に関するものである。

近年、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰなどの繊維強化複合材料はすでに航空機産業や自動車産業では機体や車体および部品に適用されるようになった。現状として、その穴あけや切断にはダイヤモンドカッター、ダイヤモンドコーティングした切削工具を用いた機械切削・穴あけやウオータジェット切断などが利用されている。しかし、CFRP複合材料やＦＲＭ複合材料などの複合材料はマトリックスと強化材の繊維が異なる材質・物性であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が容易ではない。たとえば、ダイヤモンド工具による切削時には炭素繊維が空中に飛散したりすると作業者が吸引し、人体に大きな問題となる。また、高価な切削工具の摩耗が損傷しやすく、加工費が高価となる。また、金属および金属と非金属の複合材料からなる電機製品や機械部品に微細な穴あけを多数あけるとき、５０μｍ以下の穴径になると、ドリルによる機械的穴あけも困難となる。ウオータジェット切断では機械が非常に高価であり、切断後に用いた研削材を水と分離処理する必要があるなど、問題点がある。そこで、レーザ加工を適用するとこのような加工困難な材料を高速加工することが可能である。すなわち、高輝度で高出力のレーザ加工機が発達し、レーザ装置にガルバノスキャナーを付けて高速加工する技術が背景としてある。

特許第３５３１１９９号

図１は従来の３次元ガルバノスキャナーの光学系を示す。図１において、１はスキャナーの筐体、２はレーザ発振器からのプロセスファイバーのコネクター、３はコリメーションレンズで、プロセスファイバーから出射されたレーザビームを平行なビームにコリメイトするレンズである。４はＺ軸調整レンズで、５はＺ軸調整レンズ４で調整されたビームを被加工物（ワーク）７近傍にレーザビームを集光する集光レンズである。６aは集光されたレーザビームをもう１つのガルガノミラー６bに照射するガルバノミラーである。このとき、両ガルバノミラーはＸ方向またはＹ方向の回転速度および回転角がコンピュータにより制御されて駆動するのが通常である。図中の矢印はレーザビームの伝送経路を模擬的に示している。また、この経路のＡ断面およびＢ断面におけるレーザ強度分布も模式的に図中に示す。なお、２次元のガルバノスキャナーの場合はＺ軸調整レンズ４は利用されない。

次に動作について説明する。レーザ発振器から出力されたレーザビームはファイバーコネクター２を通してスキャナー筐体１中に入ってくる。入射したビームは放射状に拡がるので、コリメートレンズ３で平行ビームに成形される。ワーク７表面にビーム焦点が来るように調整するのはＺ軸調整レンズ４および集光レンズ５が利用される。両ガルバノミラー６aおよび６bはＸ方向またはＹ方向の回転速度および回転角がコンピュータにより制御されて駆動するので ワーク表面で、任意のビーム駆動が可能となる。
従来のガルバンスキャナーは以上のように構成されており、従来の光学系においては、レーザ発振器からファイバー伝送されたレーザビームの強度分布は 大きく変化しなく、入射ビームの強度分布Ａがガウシアン分布の場合はワーク表面での強度分布Ｂもガウシアン分布である。トップハット分布ならば トップハット分布となる、図１に示されたようにビームの強度分布を大きく変換する光学系がないので、環状の強度分布で加工したいときは、そのような加工ができないという問題点があった。近年は、ＤＯＥ（回折光学素子）を用いて、レンズ３とレンズ４の間に配置して、ある特定の強度分布に変換できるが、この方法は１つの分布を作成する費用が１００万円を超えたりするので、種々の強度分布を作成する時は大変高価となる問題点がある。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、光軸に垂直な面内のレーザビームの強度分布をガウシアン分布またはトップハット分布から環状の強度分布に変換してワークに照射して、大出力のレーザ装置を用いたときの加工速度を向上することができるスキャナー光学系を提供することである。

この発明のスキャナー光学系は、図２に示すように、レーザ発振器からの高出力密度のレーザ光をファイバーコネクター２を通してスキャナー１に導光したレーザビームの強度分布（ガウシアン分布）Ａからは環状分布ＣおよびＤに変換するために考案したものである。出力密度が１００ｋＷ/cm2以上の高出力密度のレーザビームをアクシコンレンズ９に入射すると、同レンズの円錐体の頂点で、発熱が多く、破損する可能性があるので、入射前に、ＤＯＥまたはホモジナイザー８を設置し、これらの光学部品８を透過すると、強度分布はガウシアン分布Ａからトップハット分布Ｂに変換され、その後で、対向した１対のアクシコンレンンズ９および１０にレーザビームを透過させることにより、アクシコンレンズが破損することなく、強度分布をトップハット分布Ｂから環状分布ＣまたはＤの強度分布に変換できる。このように本発明はレーザ出力が１ｋＷ以上で、出力密度が１０ｋＷ/cm2以上のレーザビームをガウシアン分布から環状分布に変換する機能を有するスキャナー光学系の考案である。なお、図２の中に示したコリメーションレンズ３、Ｚ軸調整レンズ４、集光レンズ５、ガルバノミラー６a及び６b、被加工物（＝ワーク）７は図１と同様のものである。

この発明の請求項１によるスキャナ光学系は、任意の内径外径を有する円環状へのレーザビームの整形を、レーザ発振器と集光レンズとの間に、まずホモジナイザーまたはＤＯＥ（回折光子）を設置し、スキャナーに入射したガウシアン状やこれに近い強度分布を持つレーザビームをトップハット状分布に変換した後、対向して設置された２個のアクシコンレンズ９および１０を透過させて、トップハット状分布を環状分布に変換する機構をもつものである。

この発明の請求項２によるスキャナ光学系は、対向して設置された２個のアクシコンレンズ９および１０の間隔を変化させることにより透過後のビーム径や強度分布の調整を行うことができるものである。

この発明の請求項３によるスキャナ光学系で用いられるＤＯＥおよびホモジナイザで調整されるガウシアン分布のレーザビームエリアはビーム径の２分の１のエリアの出力密度を最高強度の１０分の１から１０分の５の範囲で行うものとする。

この発明の請求項４によるスキャナ光学系は、対向して設置された２個のアクシコンレンズ９および１０の間隔を変化させることにより、透過後のレーザ強度分布は
図３に示すような外周部の強度が高く、中心部の強度が弱い環状分布とすることにより、比較的厚い各種材料を容易にレーザ切断または穴あけを行う特徴をものである。

この発明のスキャナー光学系においては、被加工物７付近での、光軸に垂直な面内での光強度分布を所定の光強度分布に調整する調整手段を有するので、ビーム外周部で強度が高く、ビーム中心部で強度が低くなる分布形状のレーザビームが成形できるので、刃物でいうと鋭利な刃をもつビームとなり、厚板をより高速に加工ができる。

従来のレーザ加工用ガルバノスキャナーを示す構成図である。 この発明に関するレーザ加工用ガルバノスキャナーを示す構成図である。 この発明に関するアクシコンレンズに入射する前および透過後のレーザビーム の強度分布を説明する説明図である。 従来のガルバノスキャナーによるＣＦＲＰ複合材料の切断断面写真

以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

実施例１．以下、この発明の一実施例を図２に従って説明する。図２において、１はガルバノスキャナーの筐体である。３ｋＷのシングルモードのファイバーレーザ発振器から出力されたレーザビームは、この筐体に取付けたファイバーコネクター２を通して筐体１内へ導入される。導入されたレーザビームの強度分布はガウシアン分布のものであり、放射状に拡がるので、コリメーションレンズ３により平行ビームに調整される。強度分布Ａはこの時の強度分布を模式的に示す。この時の平行ビームのビーム径は約１ｍｍ〜５ｍｍであり、レーザ出力が３ｋＷとすると、ビーム径２ｍｍとすると約１０万Ｗ/cm2となる。

上記のレーザビームをさらに、ホモジナイザーまたはＤＯＥ（回折光学素子）を用いて、し、スキャナーに入射したガウシアン状の強度分布を持つレーザビームをトップハット状分布Ｂに変換する。その後、対向して設置された２個のアクシコンレンズ９および１０を透過させることにより、トップハット状分布を環状分布に変換する機構をもつものである。図３はこのときの強度分布の詳細を示し、ビーム外周部の強度が高く、ビーム中心の強度が低い環状分布となるように調整する。

従来の技術では、ガウシアン強度分布をもつファイバーレーザ装置とスキャナーを用いてＣＦＲＰ複合材料（板厚：２．０ｍｍ）を高速レーザ切断すると、レーザ出力２ｋＷ、スキャナーのスキャン速度を４ｍ/sの高速で、３０回スキャンして加工した場合、図４に示すように、ＣＦＲＰの切断断面は樹脂の黒化領域が約３８８μｍと幅広く生じる。
本発明のスキャナーを用いれば、黒化領域の幅が１００μｍ以下になる。
黒化領域の幅が３８８μｍでは工業的にはＮＧであるが、１００μｍ以下になれば、許容される場合が多い。従来のウオータジェット切断の加工速度に比べて、数１０倍の高速でＣＦＲＰ部材のレーザ加工が可能となる。

実施例２．次に、この発明の他の実施例２について説明する。本発明のガルバノスキャナーを用いて、５ｍｍ厚さのセラミックスを４ｍ/sの高速でレーザ溝加工をすれば、その溝の断面形状は矩形の溝となり、セラミックスの表面処理が加工となる。

以上のように、本発明の請求項１によればレーザ発振器からのレーザビームの強度分布を加工目的に適応させることにより、ＣＦＲＰ複合材料のような切断が困難な材料でも、熱影響部の幅を工業的に許容される１００μｍ以下のレベルまで狭くでき、従来法に比べ、高速のレーザ加工ができる。

本発明のガルバノスキャナーを用いることにより、従来 困難であったＣＦＲＰ複合材料を高速でレーザ加工できるので、自動車産業や航空機産業で応用されているＣＦＲＰ部材の高速レーザ切断やレーザ穴あけが利用可能となる。

１ ガルバノスキャナーの筐体
２ ファイバーコネクター
３ コリメーションレンズ
４ Ｚ軸調整レンズ
５ 集光レンズ
６ ガルバノミラー（6a:Ｘガルバノミラー,および 6b:Ｙガルバノミラー）
７ 被加工物（ワーク）
８ ＤＯＥまたはホモジナイザー
９ アクシコンレンズ１
１０ アクシコンレンズ２

Claims (4)

1. レーザ加工用ガルバノスキャナーに導光されたビームの強度分布をガウシアン分布から環状の強度分布に変換する方法として、レーザ発振器からの高出力密度のレーザ光をファイバーコネクターを通してスキャナーに導光された出力密度が１００ｋＷ/cm2以上の高出力密度のレーザビームの強度分布がガウシアン分布のものを、ＤＯＥ（回折光学素子）またはホモジナイザーを透過させて、強度分布をガウシアン分布Ａからトップハット分布Ｂに変換させ、その後で、対向した１対のアクシコンレンンズにレーザビームを透過させることにより、アクシコンレンズが破損することなく、強度分布をトップハット分布から環状強度分布に変換した後、Ｘガルバノミラー、集光レンズおよびＹガルバノミラーを用いて、被加工物に環状強度分布のレーザビームを高速で走査できるように設定した１式のガルバノスキャナー光学系。
2. 請求項１に示される当該アクシコンレンズは１対のアクシコンレンズが対向して配置され、それらの間隔またはアクシコンレンズの頂角などを変化させることにより、これらのレンズを透過後のビーム径や強度分布の調整を行うことができる特徴をもつものである。
   
3. 請求項１に示される当該ＤＯＥおよびホモジナイザで調整されるガウシアン分布のレーザビームエリア（光軸と垂直な断面のエリア）はコリメイト後のビーム径の２分の１の中心部エリアの出力密度を最高出力強度の２０分の１から１０分の５の範囲で調整できることを特徴とするものである。
   
4. 請求項１から請求項３までに示されるガルバノスキャナ光学系で最終的に得られる環状強度分布は被加工物（＝ワーク）の表面では外周部の強度が非常に高く、中心部の強度が弱い環状分布とすることで、比較的厚い各種材料を高速でレーザ切断または穴あけを行うことを特徴とするものである。