JP2023107301A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工ヘッド内で、ワークに対して出射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させる。【解決手段】レーザ加工ヘッド２０は、非球面レンズ２１と、コリメータレンズ２２と、フォーカスレンズ２３と、を有する。第１移動機構３１は、非球面レンズ２１を光軸方向に移動させる。第２移動機構３２は、コリメータレンズ２２を光軸方向に移動させる。非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２を光軸方向に移動させることで、ワークＷに対して出射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに関するものである。

特許文献１には、レーザ発振器から射出されたレーザ光をフィーディングファイバでカプラに伝送し、カプラでビームプロファイルが変更されたレーザ光をプロセスファイバで加工ヘッドに伝送するようにしたレーザ加工機が開示されている。

特許第６７６４９７６号公報

ところで、特許文献１の発明では、レーザ光のビームプロファイルを変化させるために、レーザ発振器や伝送ファイバの構成を変更する必要があり、コストが増大してしまう。また、レーザ光のビームプロファイル変更時に、伝送ファイバのＮＡ（開口数）が大きくなるため、レーザ加工ヘッドの光学系を大口径化させなければならないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ加工ヘッド内で、ワークに対して出射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させることにある。

第１の発明は、ワークに対してレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドであって、前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバで伝送された前記レーザ光を集光するフォーカスレンズと、前記レーザ光の光路上に少なくとも１つ配置された非球面レンズと、前記非球面レンズを光軸方向に移動させ、前記ワークに対して出射される前記レーザ光のビームプロファイルを変化させる移動機構と、を備える。

第１の発明では、レーザ光の光路上に少なくとも１つ配置された非球面レンズを光軸方向に移動させて球面収差を発生させる。これにより、伝送ファイバから入射されるレーザ光のビームプロファイルを一定としつつ、レーザ加工ヘッド内で、ワークに対して出射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させることができる。

このようにすれば、レーザ光のビームプロファイルを変化させるために、レーザ発振器や伝送ファイバの構成を変更する必要が無い。また、伝送ファイバのＮＡ（開口数）を一定とすることで、レーザ加工ヘッドの光学系を大口径化させる必要が無く、レーザ加工ヘッドが大型化するのを抑えることができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工ヘッドにおいて、少なくとも１つの前記非球面レンズは、前記フォーカスレンズよりも前記伝送ファイバ側に配置される。

第２の発明では、フォーカスレンズよりも伝送ファイバ側に非球面レンズを配置して、非球面レンズをワーク側に移動させることで、円形状のレーザ光の外周部がリング状のレーザ光で囲まれた形状のビームプロファイルを得ることができる。

これにより、リング状のレーザ光でワークを予熱した後で、円形状のレーザ光でワークを加工することができる。

また、非球面レンズを伝送ファイバ側に配置することにより、非球面レンズをワーク側に配置する場合に比べて、非球面レンズ径を小さくできるとともに、ヘッド全長を短くすることができる。

第３の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記伝送ファイバに最も近い位置に配置された前記非球面レンズは、焦点距離ｆが、ｆ＞｜２００｜ｍｍという条件を満たす。

第３の発明では、最小スポット径を小さく維持したまま、ビームプロファイルを変更することができる。

第４の発明は、第１～３の発明の何れか１つのレーザ加工ヘッドにおいて、前記非球面レンズは、前記レーザ光を発散させる負のパワーを有する。

第４の発明では、非球面レンズで発散されたレーザ光を、フォーカスレンズで集光してワークに出射させる。これにより、ビーム周辺部分の集光位置をワーク側にずらして収差を発生させ、レーザ光のビームプロファイルを変化させることができる。

第５の発明は、第１の発明のレーザ加工ヘッドにおいて、少なくとも１つの前記非球面レンズは、前記フォーカスレンズよりも前記ワーク側に配置される。

第５の発明では、フォーカスレンズよりもワーク側に非球面レンズを配置して、非球面レンズをワーク側に移動させて球面収差を発生させることで、円形状のレーザ光の外周部がリング状のレーザ光で囲まれた形状のビームプロファイルを得ることができる。

これにより、リング状のレーザ光でワークを予熱した後で、円形状のレーザ光でワークを加工することができる。

本発明によれば、レーザ加工ヘッド内で、ワークに対して出射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させることができる。

本実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 第１ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第１ビームプロファイルを示す図である。 第２ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第２ビームプロファイルを示す図である。 第３ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第３ビームプロファイルを示す図である。 非球面レンズの焦点距離の違いによる最小スポット径の大きさを比較するための図である。 本実施形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 第１ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第１ビームプロファイルを示す図である。 第２ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第２ビームプロファイルを示す図である。 第３ビームプロファイルを得るための、非球面レンズ、コリメータレンズ、及びフォーカスレンズの位置を示す図である。 第３ビームプロファイルを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、伝送ファイバ１５と、レーザ加工ヘッド２０と、第１移動機構３１と、第２移動機構３２と、制御部３５と、を備える。

レーザ発振器１０は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ発振器１０から出力されたレーザ光Ｌは、伝送ファイバ１５に入射される。

伝送ファイバ１５の入射端は、レーザ発振器１０に接続される。伝送ファイバ１５の出射端は、レーザ加工ヘッド２０に接続される。伝送ファイバ１５は、レーザ発振器１０から入射されたレーザ光Ｌを、レーザ加工ヘッド２０に向かって伝送する。

レーザ加工ヘッド２０は、伝送ファイバ１５で伝送されたレーザ光Ｌを、外部に向けて出射する。図１に示すレーザ加工装置１では、所定の位置に配置されたワークＷに向けてレーザ光Ｌを出射する。

レーザ加工ヘッド２０は、非球面レンズ２１と、コリメータレンズ２２と、フォーカスレンズ２３と、保護ガラス２４と、を有する。非球面レンズ２１、コリメータレンズ２２、フォーカスレンズ２３、及び保護ガラス２４は、レーザ光Ｌの出射方向の上流側から順に、レーザ光Ｌの光路上に配置される。

非球面レンズ２１は、レーザ光Ｌを発散させる負のパワーを有する。具体的に、非球面レンズ２１は、凹面２１ａを有する。非球面レンズ２１は、凹面２１ａがレーザ光Ｌの出射方向の下流側を向くように配置される。非球面レンズ２１は、伝送ファイバ１５の出射端から出射されたレーザ光Ｌを発散させる。

ここで、非球面レンズ２１を、フォーカスレンズ２３よりも伝送ファイバ１５側に配置することにより、非球面レンズ２１をワークＷ側に配置する場合に比べて、非球面レンズ径を小さくできるとともに、ヘッド全長を短くすることができる。

コリメータレンズ２２は、非球面レンズ２１で発散されたレーザ光Ｌを平行化する。

フォーカスレンズ２３は、コリメータレンズ２２で平行化されたレーザ光Ｌを集光する。フォーカスレンズ２３で集光されたレーザ光Ｌは、保護ガラス２４を透過して、ワークＷに出射される。

保護ガラス２４は、ワークＷとフォーカスレンズ２３との間に配置される。保護ガラス２４は、ワークＷのレーザ加工時に発生するヒュームやスパッタがフォーカスレンズ２３に付着しないように、フォーカスレンズ２３を保護している。

第１移動機構３１は、非球面レンズ２１を光軸方向に移動させる。第１移動機構３１は、例えば、モータとカムを組み合わせたアクチュエータで構成される。なお、第１移動機構３１は、非球面レンズ２１を光軸方向に移動可能な構成であればよく、この形態に限定するものではない。

第２移動機構３２は、非球面レンズとしてのコリメータレンズ２２を光軸方向に移動させる。第２移動機構３２は、例えば、モータとカムを組み合わせたアクチュエータで構成される。なお、第２移動機構３２は、コリメータレンズ２２を光軸方向に移動可能な構成であればよく、この形態に限定するものではない。

制御部３５は、レーザ発振器１０、第１移動機構３１、及び第２移動機構３２に接続される。制御部３５は、レーザ発振器１０からのレーザ光Ｌの出力を制御する。制御部３５は、第１移動機構３１及び第２移動機構３２の動作を制御する。

また、制御部３５は、レーザ加工ヘッド２０が取り付けられたマニピュレータ（図示省略）の動作を制御してもよい。

〈ビームプロファイルの変更〉
本実施形態１に係るレーザ加工ヘッド２０では、伝送ファイバ１５から入射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを一定としつつ、レーザ加工ヘッド２０内で、ワークＷに対して出射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させるようにしている。

具体的には、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の光軸方向の位置を変更することで、レーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させるようにしている。

以下では、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の位置に応じて、レーザ光Ｌのビームプロファイルを、第１ビームプロファイル（図２及び図３参照）、第２ビームプロファイル（図４及び図５参照）、又は第３ビームプロファイル（図６及び図７参照）に変更する場合について説明する。

図２に示す非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の光軸方向の位置では、図３に示す円形状の第１ビームプロファイルを得ることができる。図３では、レーザ光Ｌの最小スポット径が小さく、レーザ光Ｌの中心部の光強度が高くなるため、ワークＷの加工に適している。

次に、図４に示すように、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の光軸方向の位置を、それぞれワークＷ側に移動させる。図４に示す例では、非球面レンズ２１を、図２の位置からワークＷ側に０．１４６ｍｍ移動させる。また、コリメータレンズ２２を、図２の位置からワークＷ側に０．０３６ｍｍ移動させる。このように、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２を光軸方向に移動させて球面収差を発生させることで、図５に示す第２ビームプロファイルを得ることができる。なお、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の移動量は、あくまでも一例であり、これに限定するものではない。

ここで、図５に示すように、第２ビームプロファイルは、円形状のレーザ光Ｌの外周部がリング状のレーザ光Ｌで囲まれた形状となっている。これにより、リング状のレーザ光ＬでワークＷを予熱した後で、円形状のレーザ光ＬでワークＷを加工することができる。

次に、図６に示すように、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の光軸方向の位置を、それぞれワークＷ側にさらに移動させる。図６に示す例では、非球面レンズ２１を、図２の位置からワークＷ側に０．２ｍｍ移動させる。また、コリメータレンズ２２を、図２の位置からワークＷ側に０．０４７ｍｍ移動させる。このように、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２を光軸方向に移動させて球面収差を発生させることで、図７に示す第３ビームプロファイルを得ることができる。なお、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２の移動量は、あくまでも一例であり、これに限定するものではない。

ここで、図７に示すように、第３ビームプロファイルは、円形状のレーザ光Ｌの外周部がリング状のレーザ光Ｌで囲まれた形状となっている。第３ビームプロファイルでは、第２ビームプロファイル（図５参照）に比べて、リング状のレーザ光Ｌの外径が大きくなっている。

これにより、第２ビームプロファイルでレーザ光Ｌを出射する場合に比べて、リング状のレーザ光ＬでワークＷを広範囲に予熱した後、円形状のレーザ光ＬでワークＷを加工することができる。

〈非球面レンズの焦点距離について〉
図２に示すように、伝送ファイバ１５の出射端と、非球面レンズ２１の伝送ファイバ１５側の面との距離を、非球面レンズ２１の焦点距離ｆとする。ここで、非球面レンズ２１の焦点距離ｆの違いにより、レーザ光Ｌの最小スポット径の大きさが異なるため、適切な寸法に設定する必要がある。

具体的に、図８に示すように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド２０では、非球面レンズ２１の焦点距離をｆ＝－２８４．８ｍｍとする。一方、比較例では、非球面レンズ２１の焦点距離をｆ＝－１５０ｍｍとする。そして、図８において、レーザ光Ｌが円形状となる第１ビームプロファイルについて、本実施形態と比較例との球面収差を比較する。

図８において、比較例のレーザ光Ｌのビームプロファイルでは、レーザ光Ｌを最小のスポット径にする場合に収差が発生しており、本実施形態のレーザ光Ｌのビームプロファイルに比べて、スポット径が大きくなることが分かる。

そこで、本実施形態では、最小スポット径を小さく維持したまま、ビームプロファイルを変更するために、非球面レンズ２１の焦点距離を、ｆ＞｜２００｜ｍｍという条件を満たすように設定することとした。

－実施形態１の効果－
以上のように、本実施形態１に係るレーザ加工ヘッド２０によれば、非球面レンズ２１及びコリメータレンズ２２を光軸方向に移動させて球面収差を発生させるようにしている。これにより、伝送ファイバ１５から入射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを一定としつつ、レーザ加工ヘッド２０内で、ワークＷに対して出射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させることができる。

このようにすれば、レーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させるために、レーザ発振器１０や伝送ファイバ１５の構成を変更する必要が無い。また、伝送ファイバ１５のＮＡ（開口数）を一定とすることで、レーザ加工ヘッド２０の光学系を大口径化させる必要が無く、レーザ加工ヘッド２０が大型化するのを抑えることができる。

《実施形態２》
以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図９に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、コリメータレンズ２２と、フォーカスレンズ２３と、非球面レンズ２１と、保護ガラス２４と、を有する。コリメータレンズ２２、フォーカスレンズ２３、非球面レンズ２１、及び保護ガラス２４は、レーザ光Ｌの出射方向の上流側から順に、レーザ光Ｌの光路上に配置される。

コリメータレンズ２２は、伝送ファイバ１５から入射されたレーザ光Ｌを平行化する。

フォーカスレンズ２３は、コリメータレンズ２２で平行化されたレーザ光Ｌを集光する。フォーカスレンズ２３で集光されたレーザ光Ｌは、非球面レンズ２１を透過する。

非球面レンズ２１は、フォーカスレンズ２３よりもワークＷ側に配置される。非球面レンズ２１は、凹面２１ａがレーザ光Ｌの出射方向の上流側を向くように配置される。非球面レンズ２１を透過したレーザ光Ｌは、保護ガラス２４を透過して、ワークＷに出射される。

保護ガラス２４は、ワークＷと非球面レンズ２１との間に配置される。保護ガラス２４は、ワークＷのレーザ加工時に発生するヒュームやスパッタが非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３に付着しないように、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３を保護している。

第１移動機構３１は、非球面レンズ２１を光軸方向に移動させる。

第３移動機構３３は、非球面レンズとしてのフォーカスレンズ２３を光軸方向に移動させる。第３移動機構３３は、例えば、モータとカムを組み合わせたアクチュエータで構成される。なお、第３移動機構３３は、フォーカスレンズ２３を光軸方向に移動可能な構成であればよく、この形態に限定するものではない。

制御部３５は、レーザ発振器１０、第１移動機構３１、及び第３移動機構３３に接続される。制御部３５は、第１移動機構３１及び第３移動機構３３の動作を制御する。

〈ビームプロファイルの変更〉
本実施形態２に係るレーザ加工ヘッド２０では、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の光軸方向の位置を変更することで、レーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させるようにしている。

以下では、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の位置に応じて、レーザ光Ｌのビームプロファイルを、第１ビームプロファイル（図１０及び図１１参照）、第２ビームプロファイル（図１２及び図１３参照）、又は第３ビームプロファイル（図１４及び図１５参照）に変更する場合について説明する。

図１０に示す非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の光軸方向の位置では、図１１に示す円形状の第１ビームプロファイルを得ることができる。図１１では、レーザ光Ｌの最小スポット径が小さく、レーザ光Ｌの中心部の光強度が高くなるため、ワークＷの加工に適している。

次に、図１２に示すように、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の光軸方向の位置を、それぞれワークＷ側に移動させる。図１２に示す例では、非球面レンズ２１を、図１０の位置からワークＷ側に０．１０３ｍｍ移動させる。また、フォーカスレンズ２３を、図１０の位置からワークＷ側に０．０２ｍｍ移動させる。このように、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３を光軸方向に移動させて球面収差を発生させることで、図１３に示す第２ビームプロファイルを得ることができる。なお、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の移動量は、あくまでも一例であり、これに限定するものではない。

ここで、図１３に示すように、第２ビームプロファイルは、円形状のレーザ光Ｌの外周部がリング状のレーザ光Ｌで囲まれた形状となっている。これにより、リング状のレーザ光ＬでワークＷを予熱した後で、円形状のレーザ光ＬでワークＷを加工することができる。

次に、図１４に示すように、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の光軸方向の位置を、それぞれワークＷ側にさらに移動させる。図１４に示す例では、非球面レンズ２１を、図１０の位置からワークＷ側に０．１５２ｍｍ移動させる。また、フォーカスレンズ２３を、図１０の位置からワークＷ側に０．０３７ｍｍ移動させる。このように、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３を光軸方向に移動させて球面収差を発生させることで、図１５に示す第３ビームプロファイルを得ることができる。なお、非球面レンズ２１及びフォーカスレンズ２３の移動量は、あくまでも一例であり、これに限定するものではない。

ここで、図１５に示すように、第３ビームプロファイルは、円形状のレーザ光Ｌの外周部がリング状のレーザ光Ｌで囲まれた形状となっている。第３ビームプロファイルでは、第２ビームプロファイル（図１３参照）に比べて、リング状のレーザ光Ｌの外径が大きくなっている。

これにより、第２ビームプロファイルでレーザ光Ｌを出射する場合に比べて、リング状のレーザ光ＬでワークＷを広範囲に予熱した後、円形状のレーザ光ＬでワークＷを加工することができる。

－実施形態２の効果－
以上のように、本実施形態２に係るレーザ加工ヘッド２０によれば、フォーカスレンズ２３よりもワークＷ側に非球面レンズ２１を配置して、非球面レンズ２１をワークＷ側に移動させて球面収差を発生させることで、円形状のレーザ光Ｌの外周部がリング状のレーザ光Ｌで囲まれた形状のビームプロファイルを得ることができる。

これにより、リング状のレーザ光ＬでワークＷを予熱した後で、円形状のレーザ光Ｌでワークを加工することができる。

以上説明したように、本発明は、レーザ加工ヘッド内で、ワークに対して出射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１５ 伝送ファイバ
２０ レーザ加工ヘッド
２１ 非球面レンズ
２３ フォーカスレンズ
３１ 第１移動機構
３２ 第２移動機構
３３ 第３移動機構
Ｗ ワーク
Ｌ レーザ光

Claims (5)

1. ワークに対してレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドであって、
   前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
   前記伝送ファイバで伝送された前記レーザ光を集光するフォーカスレンズと、
   前記レーザ光の光路上に少なくとも１つ配置された非球面レンズと、
   前記非球面レンズを光軸方向に移動させ、前記ワークに対して出射される前記レーザ光のビームプロファイルを変化させる移動機構と、を備える
   レーザ加工ヘッド。
2. 請求項１のレーザ加工ヘッドにおいて、
   少なくとも１つの前記非球面レンズは、前記フォーカスレンズよりも前記伝送ファイバ側に配置される
   レーザ加工ヘッド。
3. 請求項１又は２のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記伝送ファイバに最も近い位置に配置された前記非球面レンズは、焦点距離ｆが、
   ｆ＞｜２００｜ｍｍ
   という条件を満たす
   レーザ加工ヘッド。
4. 請求項１～３の何れか１つのレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記非球面レンズは、前記レーザ光を発散させる負のパワーを有する
   レーザ加工ヘッド。
5. 請求項１のレーザ加工ヘッドにおいて、
   少なくとも１つの前記非球面レンズは、前記フォーカスレンズよりも前記ワーク側に配置される
   レーザ加工ヘッド。