JP2021191588A - レーザ切断方法およびレーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、より少ないエネルギーでより効率良く切断することが可能な、レーザ切断方法およびレーザ切断装置を得る。【解決手段】レーザ切断方法は、レーザ光を加工対象の表面に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する。当該レーザ切断方法では、例えば、レーザ光は、複数のビームを含み、複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームよりもパワーが小さい少なくとも一つの副ビームとを含み、表面上に、少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、少なくとも一つの副ビームを含む副パワー領域と、が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ切断方法およびレーザ切断装置に関する。

金属材料からなる加工対象を溶断する手法の一つとして、レーザ光の照射によるレーザ切断が知られている。レーザ切断とは、レーザ光を加工対象の切断する部分に照射し、レーザ光のエネルギーで当該部分を溶融させて切断する手法である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１１２３７２号公報

レーザ切断にあっては、加工対象をより少ないエネルギーでより効率良く切断することができれば、有益である。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、より少ないエネルギーでより効率良く切断することが可能な、レーザ切断方法およびレーザ切断装置を得ること、である。

本発明のレーザ切断方法にあっては、例えば、レーザ光を加工対象の表面に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する、レーザ切断方法であって、前記レーザ光は、複数のビームを含み、前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームよりもパワーが小さい少なくとも一つの副ビームとを含み、前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、前記少なくとも一つの副ビームを含む副パワー領域と、が形成される。

前記レーザ切断方法にあっては、前記副パワー領域は、前記加工対象を溶融しうるパワーを有してもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記主ビームのレーザ光の波長は、当該波長における前記加工対象の光吸収率が、当該加工対象の温度上昇に従って上昇する波長であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記レーザ光は、前記表面に対して掃引され、前記少なくとも一つの主ビームに対して、前記レーザ光の前記表面に対する掃引方向の前方に、前記少なくとも一つの副ビームが配置されてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記少なくとも一つの主ビームに対して、その周囲に、前記少なくとも一つの副ビームとしての複数の副ビームが配置されてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記複数の副ビームが、円弧状に配置されてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記複数の副ビームが、四角形状に配置されてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記複数のビームの配置が、ビームシェイパによって形成されてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記ビームシェイパは回折光学素子であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記主パワー領域に含まれる前記少なくとも一つの主ビームのレーザ光の波長と、前記副パワー領域に含まれる前記少なくとも一つの副ビームのレーザ光の波長とが、同一であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記副パワー領域に含まれる前記少なくとも一つの副ビームのレーザ光の波長は、前記主パワー領域に含まれる前記少なくとも一つの主ビームのレーザ光の波長よりも、前記加工対象に対する吸収率が高い波長であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記主ビームのレーザ光の波長は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であり、前記副ビームのレーザ光の波長は、５００［ｎｍ］以下であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記副ビームのレーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記表面上での前記レーザ光の照射方向および前記レーザ光の掃引方向と直交する幅方向における前記主ビームの幅が、前記表面上での前記副ビームの前記幅方向における幅よりも狭くてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記主ビームの前記幅は、２００［μｍ］以下であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記副ビームの前記幅は、２３０［μｍ］以上であってもよい。

前記副ビームの前記幅は、前記表面上での前記副ビームの前記掃引方向における長さより大きくてもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーと前記副パワー領域における前記レーザ光のパワーとの比が、１４４：１から７：３までの範囲内にあり、主パワー領域および副パワー領域を構成する波長が同一の波長であってもよい。

前記レーザ切断方法にあっては、前記加工対象は、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つであってもよい。

本発明のレーザ切断装置にあっては、例えば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、を備え、前記レーザ光は、複数のビームを含み、前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームよりもパワーが小さい少なくとも一つの副ビームとを含み、前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、前記少なくとも一つの副ビームを含む副パワー領域と、を形成する。

前記レーザ切断装置は、前記レーザ光の照射によって溶融した部位に向けてガスを供給するガス供給機構を備えてもよい。

本発明によれば、加工対象をより少ないエネルギーでより効率良く切断することができる。

図１は、第１実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。 図２は、第１実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図３は、照射するレーザ光の波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。 図４は、第２実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。 図５は、第２実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図６は、第２実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図７は、第３実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。 図８は、第３実施形態のレーザ切断装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。 図９は、第３実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図１０は、第３実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図１１は、第４実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。 図１２は、第４実施形態のレーザ切断装置に含まれる光ファイバの一例を示す模式的な断面図である。 図１３は、第４実施形態のレーザ切断装置に含まれる光ファイバの一例を示す模式的な断面図である。 図１４は、実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビームパターンの一例を示す模式図である。 図１５は、実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビームパターンの一例を示す模式図である。 図１６は、実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビームパターンの一例を示す模式図である。 図１７は、実施形態のレーザ切断装置の加工対象の表面上におけるビームパターンの一例を示す模式図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

以下に示される実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

また、各図において、方向Ｘを矢印Ｘで表し、方向Ｙを矢印Ｙで表し、方向Ｚを矢印Ｚで表している。方向Ｘ、方向Ｙ、および方向Ｚは、互いに交差するとともに直交している。Ｚ方向は、加工対象Ｗの表面Ｗａ（加工面）の法線方向である。

また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。

［第１実施形態］
［レーザ切断装置の構成］
図１は、第１実施形態のレーザ切断装置１００の概略構成図である。図１に示されるように、レーザ切断装置１００は、レーザ装置１１１と、レーザ装置１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、ガス供給装置１４０と、配管１４１と、を備えている。

レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、一例としては、数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。また、レーザ装置１１１，１１２は、例えば、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。また、レーザ装置１１１，１１２は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザ光源を備えてもよい。

レーザ装置１１１は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置１１１は、第一レーザ装置の一例である。レーザ装置１１１が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。

他方、レーザ装置１１２は、５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置１１２は、第二レーザ装置の一例である。レーザ装置１１２は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置１１２が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。

光ファイバ１３０は、それぞれ、レーザ装置１１１，１１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１１，１１２から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、フィルタ１２４と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびフィルタ１２４は、光学部品とも称されうる。なお、光学ヘッド１２０は、レーザ光の光路の途中にミラーのような他の光学部品を有してもよい。

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射を行いながらレーザ光Ｌを掃引するために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および加工対象Ｗの双方の移動により、実現されうる。

なお、光学ヘッド１２０は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌを掃引可能に構成されてもよい。

コリメートレンズ１２１（１２１−１，１２１−２）は、それぞれ、光ファイバ１３０を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。

フィルタ１２４は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射する。フィルタ１２４は、例えば、閾値波長よりも長い波長の光を通過させるダイクロイックミラーである。第一レーザ光は、フィルタ１２４を透過してＺ方向の反対方向へ進み、集光レンズ１２２へ向かう。他方、フィルタ１２４は、コリメートレンズ１２１−２で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ１２４で反射した第二レーザ光は、Ｚ方向の反対方向に進み、集光レンズ１２２へ向かう。

集光レンズ１２２は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、加工対象Ｗへ照射する。

レーザ切断装置１００の加工対象Ｗは、例えば、熱伝導率の比較的高い金属材料で作られ得る。金属材料は、例えば、銅系金属材料や、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料などであり、具体的には、銅や、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、錫、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス、チタン、チタン合金等である。また、加工対象Ｗは、例えば、板状の形状を有し、加工対象Ｗの厚さは、例えば、１［ｍｍ］以上、１０［ｍｍ］以下であるが、これには限定されない。また、加工対象Ｗは、複数の部材が重ね合わせられたものであってもよい。

ガス供給装置１４０は、配管１４１を通じて、光学ヘッド１２０内にガスＧを供給する。内部に供給されたガスＧは、光学ヘッド１２０のレーザ光Ｌの出射口から、加工対象Ｗの表面Ｗａに向けて吐出される。加工対象Ｗの表面Ｗａに向けてガスＧが吹き付けられ、これによりレーザ光Ｌの照射によって生じた溶融金属の加工対象Ｗからの離脱が促進されるよう、ガス供給装置１４０、配管１４１、および光学ヘッド１２０が構成される。ガスＧは、例えば窒素ガスのような、不活性ガスである。なお、ガスＧは、光学ヘッド１２０とは別に設けられたガスノズル（不図示）から溶融金属に向けて吹き付けられてもよい。ガス供給装置１４０や、配管１４１、光学ヘッド１２０の出射口、ガスノズル等は、ガス供給機構の一例である。なお、ガスＧの供給は必須ではない。

図２は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に照射されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）を示す模式図である。図２に示されるように、表面Ｗａ上において、レーザ光Ｌのビームは、第一レーザ光のビームＢ１と第二レーザ光のビームＢ２とが重なり、ビームＢ２のスポット径Ｄ２がビームＢ１のスポット径Ｄ１よりも大きく（広く）、かつ、ビームＢ２の外縁Ｂ２ａがビームＢ１の外縁Ｂ１ａを取り囲むように、形成されている。主パワー領域は、ビームＢ１を含む領域であり、副パワー領域は、ビームＢ２を含む領域である。本実施形態では、主パワー領域は、一つのビームＢ１を含み、副パワー領域は、一つのビームＢ２を含む。ビームＢ１は、主ビームの一例であり、ビームＢ２は、副ビームの一例である。また、本明細書では、加工対象Ｗの表面Ｗａにおけるビーム径を、スポット径と称する。

ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、例えばガウシアン形状のパワー分布を有している。図２のように各ビームＢ１，Ｂ２を円で表している各図においては、当該ビームＢ１，Ｂ２を表す円の直径が、各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径（図２では、表面Ｗａにおけるスポット径Ｄ１，Ｄ２）を表す。各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向ＳＤと垂直方向における、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。なお、ビームＢ１およびビームＢ２のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。

また、図２に示される矢印ＳＤは、掃引方向を示す。図２に示されるように、レーザ光Ｌのビームは、中心点Ｃに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向ＳＤについて、レーザ光Ｌのビーム（スポット）の形状は同じになる。よって、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上での掃引のために光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。

［波長と光の吸収率］
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図３は、照射するレーザ光Ｌの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図３のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図２には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）について、波長と吸収率との関係が示されている。

材料によって特性が異なるものの、図３に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線（ＩＲ）のレーザ光（第一レーザ光）を用いるよりも、青や緑のレーザ光（第二レーザ光）を用いた方が、エネルギーの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅（Ｃｕ）や、金（Ａｕ）等においては顕著となる。

使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギーは反射され、加工対象Ｗに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融部位を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギーが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。

他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギーの多くが加工対象Ｗに吸収され、熱エネルギーへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。

本実施形態では、加工対象Ｗの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象Ｗの材質が、選択される。ここで、掃引方向が図２中の太い実線で示される掃引方向ＳＤ１である場合、レーザ光Ｌのスポットの掃引により、加工対象Ｗがレーザ切断される部位には、まずは、第二レーザ光のビームＢ２に対して図２におけるＳＤの前方に位置する領域Ｂ２ｆによって、第二レーザ光が照射される。その後、当該切断される部位には、第一レーザ光のビームＢ１が照射され、その後、第二レーザ光のビームＢ２に対して掃引方向ＳＤ１の後方に位置する領域Ｂ２ｂによって、再度第二レーザ光が照射される。

したがって、加工対象Ｗには、まずは、領域Ｂ２ｆにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融部位が生じる。その後、溶融部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融部位が生じる。この場合、溶融部位には、予め熱伝導型の溶融部位が形成されているため、当該熱伝導型の溶融部位が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融部位を形成することができる。溶融部位の深さが加工対象Ｗの厚さよりも大きい場合に、溶融部位は加工対象Ｗを貫通する。

［切断方法］
レーザ切断装置１００を用いた切断にあっては、まず、加工対象Ｗが、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌが照射される領域にセットされる。そして、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌの照射によって加工対象Ｗを貫通した溶融部位が掃引方向ＳＤに移動することにより、加工対象Ｗが切断される。なお、本実施形態では、一例として、掃引方向ＳＤは、Ｘ方向であるが、掃引方向ＳＤは、Ｚ方向と交差していればよく、Ｘ方向には限定されない。

以上、説明したように、本実施形態では、レーザ切断装置１００が出力するレーザ光Ｌは、複数のビームを含み、複数のビームは、少なくとも一つのビームＢ１（主ビーム）と、当該ビームＢ１よりもパワーが小さい少なくとも一つのビームＢ２（副ビーム）とを含み、表面Ｗａ上に、少なくとも一つのビームＢ１を含む主パワー領域と、少なくとも一つのビームＢ２を含む副パワー領域と、が形成される。

また、発明者らの実験的研究により、同一の波長を用いた場合、主パワー領域における前記レーザ光のパワーと副パワー領域における前記レーザ光のパワーとの比が１４４：１から７：３までの範囲内である場合について、レーザ切断装置１００によって、より少ないエネルギーで、あるいはより迅速に、加工対象Ｗを切断できることが、判明している。

また、本実施形態では、ビームＢ２は、加工対象Ｗを溶融しうるパワーを有している。

このようなレーザ切断方法およびレーザ切断装置１００によれば、より少ないエネルギーで、あるいはより迅速に、加工対象Ｗを切断することができる。

また、加工対象Ｗが、例えば、銅のような、温度上昇に応じて第一レーザ光または第二レーザ光の吸収率が高くなる材料で作られている場合、第一レーザ光または第二レーザ光の照射による温度上昇に伴って、加工対象Ｗにおける第一レーザ光または第二レーザ光の吸収率が増大する。この場合、加工対象Ｗをより迅速に切断できたり、より少ないエネルギーで切断できたりといった、利点が得られる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態のレーザ切断装置１００Ａの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、それぞれ別のボディ（ハウジング）によって構成された、第一レーザ光Ｌ１を照射する第一部位１２０−１と、第二レーザ光Ｌ２を照射する第二部位１２０−２と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。なお、第二部位１２０−２は、第一部位１２０−１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している。

図５，６は、レーザ切断装置１００Ａによって加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光のビームＢ１，Ｂ２の例を示している。発明者らの研究により、表面Ｗａ上において、図５，６のように、ビームＢ２（第二スポット）の少なくとも一部がビームＢ１（第一スポット）よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合、およびビームＢ１とビームＢ２とが互いに接するかあるいは少なくとも部分的に重なっている場合においては、ビームＢ２の予熱効果による第１実施形態と同様の効果が得られることが判明している。また、ビームＢ２の少なくとも一部がビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合にあっては、ビームＢ１とビームＢ２とは微少距離離間していてもよいことも判明している。なお、図５，６は、それぞれ一例に過ぎず、レーザ切断装置１００Ａによって得られるビームＢ１，Ｂ２の配置や各ビームＢ１，Ｂ２のサイズは、図５，６の例には限定されない。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態のレーザ切断装置１００Ｂの概略構成図である。本実施形態では、レーザ切断装置１００Ｂは、レーザ装置１１１のみを備えている。また、レーザ切断装置１００Ｂは、ＤＯＥ１２３（diffractive optical element、回折光学素子）を備えている。ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に配置され、レーザ光のビームの形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。

図８は、ＤＯＥ１２３の原理の概念を示す説明図である。図８に概念的に例示されるよう、ＤＯＥ１２３は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２３ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２３は、平行光を、各回折格子１２３ａの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。ＤＯＥ１２３は、ビームシェイパとも称されうる。

［ビーム（スポット）の形状］
ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１から入力されたレーザ光を、複数のビームに分割する。図９，１０は、それぞれ、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光Ｌのビームの一例を示す図である。なお、図９，１０では、簡単のため、ビームＢ１が実線で示され、ビームＢ２が破線で示されている。なお、光学ヘッド１２０は、ＤＯＥ１２３を交換することにより、種々の配置の複数のビームを含むレーザ光を出力することができる。

ＤＯＥ１２３は、レーザ光を複数のビームに分割する。分割された複数のビームは、少なくとも一つのビームＢ１と、少なくとも一つのビームＢ２と、を含む。ビームＢ２は、ビームＢ１よりもパワーが小さいビームである。一例としては、ビームＢ１のパワーとビームＢ２のパワーとの比は、２：１に設定されるが、これには限定されない。

また、ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上に、少なくとも一つのビームＢ１のスポットと、少なくとも一つのビームＢ２のスポットとが形成されるよう、レーザ光を分割する。図９の例では、ＤＯＥ１２３によるビームの成形により、表面Ｗａ上には、一つのビームＢ１のスポットと、当該ビームＢ１のスポットの周囲に正方形状（四角形状）に並んだ複数のビームＢ２のスポットと、が形成されている。また、図９の例では、複数のビームは、３行×３列の正方形のマトリクス状に配置されており、行方向（Ｙ方向）におけるビーム間の間隔と列方向（Ｘ方向、掃引方向ＳＤ）におけるビーム間の間隔とは全て同一に設定されている。そして、９個のビームのうち、中央の１個のビームがビームＢ１であり、当該１個のビームＢ１の周囲の８個のビームがビームＢ２である。また、この場合、ビームのスポットの幅ｗ（スポット径）は、図９に示されるように、掃引方向ＳＤと直交する方向に最も離れた二つのスポットの中心間の距離と定義する。

また、図９に示されるように、ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上において、いずれかのビームＢ２のスポットの少なくとも一部が、掃引方向ＳＤにおいてビームＢ１のスポットの前方に位置するよう、ビームを成形する。具体的には、いずれかのビームＢ２が、ビームＢ１の前端Ｂ１ｆを通り掃引方向ＳＤと直交する仮想直線ＶＬよりも掃引方向ＳＤの前方の領域Ａ内に、少なくとも部分的に、位置していればよい。また、いずれかのビームＢ２のスポットが、ビームＢ１のスポットの後方に位置してもよい。この場合には、いずれかのビームＢ２が、ビームＢ１の後端（不図示）を通り掃引方向ＳＤと直交する仮想直線（不図示）よりも掃引方向ＳＤの後方の領域（不図示）内に、少なくとも部分的に、位置していればよい。

また、図１０の例では、ＤＯＥ１２３によるビームの成形により、表面Ｗａ上には、一つのビームＢ１のスポットの周囲に、複数のビームＢ２のスポットが、略円弧状（略円環状）に配置されている。この場合も、ビームのスポットの幅ｗ（スポット径）は、図１０に示されるように、掃引方向ＳＤと直交する方向に最も離れた二つのビームの中心間の距離と定義する。また、図１０の例のように、略軸対称のビームパターンとすることにより、自由形状（円形状等）にくりぬく際等に、光学ヘッド１２０を軌跡に合わせて回転させる必要がなく、より効率的に切断を行うことができるとともに、光学ヘッド１２０の装置構成を簡素化できたり、光学ヘッド１２０の制御をより容易に行うことができたり、といった利点が得られる。

以上のように、本実施形態では、複数のビームの配置が、ＤＯＥ１２３（ビームシェイパ）によって形成される。

このような構成によれば、例えば、ＤＯＥ１２３により、ビームＢ１，Ｂ２を、加工対象Ｗの切断においてよりエネルギーの効率の高い配置に設定することができる。言い換えると、ビームＢ１，Ｂ２の配置の調整により、より一層少ないエネルギーで、あるいはより一層迅速に、加工対象Ｗを切断することが可能となる。

また、本実施形態では、ビームＢ１の第一レーザ光と、ビームＢ２の第二レーザ光とが、同一の発振器から出射されている。

また、本実施形態では、ビームＢ１の第一レーザ光の波長と、ビームＢ２の第二レーザ光の波長とが、同一である。

このような構成によれば、単一のレーザ発振器から出射されたレーザ光からビームＢ１およびビームＢ２を生成できるため、例えば、レーザ切断装置１００Ｂをより簡素化することができたり、より小型化することができたりという効果が得られる。

なお、本実施形態においても、ビームＢ１のレーザ光と、ビームＢ２のレーザ光とが、異なるレーザ発振器から出射されてもよい。この場合、ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれの特性を独立に設定し易くなる。また、ＤＯＥ１２３によって、複数のビームＢ１と複数のビームＢ２を形成してもよいし、複数のビームＢ１と一つのビームＢ２とを形成してもよい。

［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態のレーザ切断装置１００Ｃの概略構成図である。本実施形態のレーザ切断装置１００Ｃは、ビームＢ１の第一レーザ光とビームＢ２の第二レーザ光とを通す光ファイバ１３０Ｃを備えている。光ファイバ１３０Ｃは、不図示の一つまたは複数のレーザ装置から、光学ヘッド１２０へ、第一レーザ光および第二レーザ光を伝達する。

図１２は、光ファイバ１３０Ｃの一例を示す断面図である。図１２の例において、光ファイバ１３０Ｃは、マルチクラッド光ファイバである。図１２の光ファイバ１３０Ｃは、所謂ガラス光ファイバの一例であって、コア１３０ａと、コア１３０ａの周囲を取り囲むクラッド１３０ｂと、クラッド１３０ｂの周囲を取り囲むクラッド１３０ｃと、を有している。クラッド１３０ｂは、インナクラッドや第一クラッドと称され、クラッド１３０ｃは、アウタクラッドや第二クラッドとも称されうる。この場合、コア１３０ａおよびクラッド１３０ｂのうちいずれか一方が、第一レーザ光を伝播し、他方が第二レーザ光を伝播する。

図１３は、光ファイバ１３０Ｃの一例を示す断面図である。図１３の例において、光ファイバ１３０Ｃは、マルチコア光ファイバである。図１３の光ファイバ１３０Ｃは、所謂ガラス光ファイバの一例であって、当該光ファイバ１３０Ｃでは、クラッド１３０ｂ内に、複数のコア１３０ａが配置されている。この場合、複数のコア１３０ａのうち少なくとも一つが第一レーザ光を伝播し、他の少なくとも一つが第二レーザ光を伝播する。

このような構成によれば、例えば、光学部品の共用化を図ることができ、その分、光学ヘッド１２０をより小型化できるという利点が得られる。

［溶融金属の排出性を考慮したビームパターン］
また、発明者らの研究により、図２，５，６，９，１０のように、ビームＢ２（副ビーム）のＹ方向（幅方向）の幅（Ｄ２，ｗ）をビームＢ１（主ビーム）のＹ方向の幅Ｄ１よりも広くすることにより、溶融領域の幅をより広くすることができ、これにより、溶融金属が加工対象Ｗの裏側により排出されやすくなり、ひいては、加工時間をより短縮できたり、溶融金属の排出のためのガスの流量をより少なくできたり、加工後の底面に付着する切断バリやドロスをより少なくできたりといった効果が得られることが判明した。

また、発明者らの研究により、ビームＢ１の幅は、２００［μｍ］以下が好ましく、１５０［μｍ］以下がより好ましく、１００［μｍ］以下がさらに好ましい。ビームＢ２の幅は、２３０［μｍ］以上が好ましく、３００［μｍ］以上がより好ましく、５００［μｍ］以上がさらに好ましいことが判明した。これは、ビームＢ１の幅が広すぎると、パワー密度の低下によって加工速度を低下せざるを得なくなる分、切断効率の低下が生じ、ビームＢ２の幅が狭すぎると、排出性の向上の効果が得られ難くなるからである。

［ビームパターンの変形例］
図１４の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でのビームパターンの変形例を示している。図１４の例では、（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても、ビームＢ２のＹ方向における幅Ｄ２が、ビームＢ２の掃引方向ＳＤにおける長さＬｂ２よりも大きい。発明者らは、幅Ｄ２を長さＬｂ２よりも大きく設定することにより、溶融領域の幅をより広くすることができるため、溶融金属がより排出されやすくなり、ひいては、加工時間をより短縮できたり、溶融金属の排出のためのガスの流量をより少なくできたり、加工後の底面に付着する切断バリやドロスをより少なくできたりといった効果が得られることを見出した。なお、このような幅広の扁平なビームＢ２は、例えば、光学ヘッド１２０がシリンドリカルレンズのような光学部品を有することにより、実現することができる。また、ビームＢ２の掃引方向ＳＤにおける長さは、掃引方向ＳＤにおける、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度となる領域の長さと、定義することができる。

また、図１４の例では、（ａ）〜（ｃ）について、それぞれ、ビームＢ１とビームＢ２との掃引方向における相対位置が相違している。ただし、（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても、ビームＢ２の少なくとも一部は、ビームＢ１に対して掃引方向の前方に位置している。これにより、ビームＢ２による予熱により加工対象Ｗが予め溶融した状態となり、主としてビームＢ１による加工対象Ｗの切断を、より容易にあるいはより迅速に行うことができる。

図１５は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でのビームパターンの変形例を示している。図１５の例では、レーザ光Ｌのビームは、一つのスポットを含むビームＢ１と、ＤＯＥ１２３によって分割された複数のスポットを含むビームＢ２と、を有している。図１０と比較すれば明らかとなるように、図１５の例では、図１０のビームＢ２の複数のスポットのうち、掃引方向ＳＤにおける中央に位置するスポットと、掃引方向ＳＤの前方に位置するスポットと、を含んでおり、複数のビームＢ２は、全体として、ビームＢ１を中心として掃引方向ＳＤの前方に膨らんだ略円弧状の形状を呈している。

そして、図１５の例でも、ビームＢ２のＹ方向における幅ｗ２が、ビームＢ２の掃引方向ＳＤにおける長さＬｂ２よりも大きい。このように、幅ｗ２を長さＬｂ２よりも大きく設定することにより、溶融領域の幅をより広くすることができるため、溶融金属がより排出されやすくなり、加工時間をより短縮できたり、溶融金属の排出のためのガスの流量をより少なくできたり、加工後の底面に付着する切断バリやドロスをより少なくできたりといった効果が得られる。また、この場合も、複数のビームＢ２（副ビーム）の少なくとも一部は、ビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している。よって、図１５の例でも、ビームＢ２による予熱により加工対象Ｗが予め溶融した状態となり、主としてビームＢ１による加工対象Ｗの切断を、より容易にあるいはより迅速に行うことができる。

図１６は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でのビームパターンの変形例を示している。図１６を、図１０と比較すれば明らかとなるように、図１６の例では、図１０と類似のビームパターンを有しているものの、ビームＢ２のスポットの掃引方向ＳＤにおける配置間隔が、図１０よりも狭く設定されている。これにより、図１６の例では、ビームＢ２のＹ方向における幅ｗ２が、ビームＢ２の掃引方向ＳＤにおける長さＬｂ２よりも大きくなっている。よって、図１６の例によっても、溶融金属がより排出されやすくなり、加工時間をより短縮できたり、溶融金属の排出のためのガスの流量をより少なくできたり、加工後の底面に付着する切断バリやドロスをより少なくできたりといった効果が得られる。

また、図１７の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でのビームパターンの変形例を示している。図１７の（ａ）〜（ｃ）の例では、図１５や図１６の例と比べて、ビームＢ２のスポットの数が少ない。ただし、図１７の例でも、複数のビームＢ２の少なくとも一部は、ビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している。また、図１７の（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても、図１５や図１６の例と同様に、ビームＢ２のＹ方向における幅ｗ２が、ビームＢ２の掃引方向ＳＤにおける長さＬｂ２よりも大きい。よって、図１７の例によっても、図１５や図１６の例と同様の効果が得られる。なお、ビームＢ１，Ｂ２のスポットの数や、配置、形状等は、図１４〜１７の例には限定されない。また、図１７の（ａ）では、ビームＢ２の複数のスポットはＹ方向に並び、図１７の（ｂ），（ｃ）では、ビームＢ２の複数のスポットは掃引方向ＳＤの前方に尖る逆Ｖ字状に配置されているが、ビームＢ２の複数のスポットの配置は、これらには限定されない。

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

例えば、加工対象に対してレーザ光を掃引する場合には、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。

また、加工対象は、めっき付き金属板のように、金属の表面に薄い他の金属の層が存在するものでもよい。

１００，１００Ａ〜１００Ｃ…レーザ切断装置
１１１，１１２…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２０−１…第一部位
１２０−２…第二部位
１２１，１２１−１，１２１−２…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ＤＯＥ（回折光学素子、ビームシェイパ）
１２３ａ…回折格子
１２４…フィルタ
１３０，１３０Ｃ…光ファイバ
１３０ａ…コア
１３０ｂ，１３０ｃ…クラッド
１４０…ガス供給装置（ガス供給機構）
１４１…配管（ガス供給機構）
Ａ…（掃引方向における前方の）領域
Ｂ１…ビーム（主ビーム、主パワー領域）
Ｂ１ａ，Ｂ２ａ…外縁
Ｂ１ｆ…前端
Ｂ２…ビーム（副ビーム、副パワー領域）
Ｂ２ｆ…領域
Ｂ２ｂ…領域
Ｃ…中心点
Ｄ１，Ｄ２…スポット径（幅）
Ｇ…ガス
Ｌ…レーザ光
Ｌ１…第一レーザ光
Ｌ２…第二レーザ光
Ｌｂ２…長さ
ＳＤ，ＳＤ１…掃引方向
ＶＬ…仮想直線
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
ｗ…幅
ｗ２…幅
Ｘ…方向
Ｙ…方向（幅方向）
Ｚ…方向（法線方向）

Claims (23)

1. レーザ光を加工対象の表面に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する、レーザ切断方法であって、
   前記レーザ光は、複数のビームを含み、
   前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームよりもパワーが小さい少なくとも一つの副ビームとを含み、
   前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、前記少なくとも一つの副ビームを含む副パワー領域と、が形成される、レーザ切断方法。
2. 前記副ビームは、前記加工対象を溶融しうるパワーを有する、請求項１に記載のレーザ切断方法。
3. 前記主ビームのレーザ光の波長は、当該波長における前記加工対象の光吸収率が、当該加工対象の温度上昇に従って上昇する波長である、請求項１または２に記載のレーザ切断方法。
4. 前記レーザ光は、前記表面に対して掃引され、
   前記少なくとも一つの主ビームに対して、前記レーザ光の前記表面に対する掃引方向の前方に、前記少なくとも一つの副ビームが配置される、請求項１〜３のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
5. 前記少なくとも一つの主ビームに対して、その周囲に、前記少なくとも一つの副ビームとしての複数の副ビームが配置される、請求項１〜４のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
6. 前記複数の副ビームが、円弧状に配置される、請求項５に記載のレーザ切断方法。
7. 前記複数の副ビームが、四角形状に配置される、請求項５に記載のレーザ切断方法。
8. 前記複数のビームの配置が、ビームシェイパによって形成される、請求項１〜７のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
9. 前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項８に記載のレーザ切断方法。
10. 前記少なくとも一つの主ビームのレーザ光の波長と、前記少なくとも一つの副ビームのレーザ光の波長とが、同一である、請求項１〜９のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
11. 前記少なくとも一つの副ビームのレーザ光の波長は、前記少なくとも一つの主ビームのレーザ光の波長よりも、前記加工対象に対する吸収率が高い波長である、請求項１〜１０のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
12. 前記主ビームのレーザ光の波長は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であり、前記副ビームのレーザ光の波長は、５００［ｎｍ］以下である、請求項１１に記載のレーザ切断方法。
13. 前記副ビームのレーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下である、請求項１２に記載のレーザ切断方法。
14. 前記表面上での前記レーザ光の照射方向および前記レーザ光の掃引方向と直交する幅方向における前記主ビームの幅が、前記表面上での前記副ビームの前記幅方向における幅よりも狭い、請求項１１〜１３のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
15. 前記主ビームの前記幅は、２００［μｍ］以下である、請求項１４に記載のレーザ切断方法。
16. 前記副ビームの前記幅は、２３０［μｍ］以上である、請求項１４または１５に記載のレーザ切断方法。
17. 前記副ビームの前記幅は、前記表面上での前記副ビームの前記掃引方向における長さより大きい、請求項１４〜１６のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
18. 前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーと前記副パワー領域における前記レーザ光のパワーとの比が、１４４：１から７：３までの範囲内にあり、主パワー領域および副パワー領域を構成する波長が同一の波長である、請求項１〜７のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
19. 前記複数のビームの配置が、ビームシェイパによって形成される、請求項１８に記載のレーザ切断方法。
20. 前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項１９に記載のレーザ切断方法。
21. 前記加工対象は、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つである、請求項１〜２０のうちいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
22. レーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、
    を備え、
    前記レーザ光は、複数のビームを含み、
    前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームよりもパワーが小さい少なくとも一つの副ビームとを含み、
    前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、前記少なくとも一つの副ビームを含む副パワー領域と、を形成する、レーザ切断装置。
23. 前記レーザ光の照射によって溶融した部位に向けてガスを供給するガス供給機構を備えた、請求項２２に記載のレーザ切断装置。

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