JP2023127037A - レーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームのスポットの移動速度が速くても、溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないレーザビームのスポットの像形状及びエネルギー強度分布を得ることができるレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するため、レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、前記レーザ発振器から前記加工対象物までの前記レーザビームの照射軌道内において、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布を調整するエネルギー強度分布調整機構を備え、前記エネルギー強度分布調整機構は、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布が不均一になるよう調整することを特徴とするレーザビーム照射用光学ユニットを採用した。【選択図】図１

Description

本件発明は、レーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置に関する。

近年、レーザビームが種々の製品の加工に広く用いられている。レーザビームは、１点に集光して被加工物に照射することによって被加工物の表面温度を急激に上昇させ、被加工物の被照射面を融解もしくは蒸発させる。このレーザビームを用いるレーザ加工装置は、このようにして、被加工物へ切断や穴開け、溶接といった加工を施す装置である。そして、レーザビームを１点に集光するため、ピンポイントで精密かつ微細な加工が可能である。また、より高エネルギーのレーザビームを用いることで、加工時間を短縮することができ、かつ、刃物での加工が困難な高硬度の被加工物の加工も可能である。

ここで、レーザビームを1点に集光したスポットにおけるレーザビームの像形状は円形で、エネルギー強度分布がガウシアン状やトップハット状のものが従来採用されてきた。しかしながら、この従来のスポットを採用したレーザ加工においては、被加工物の切断や溶融、穴開けの際、レーザビームによって溶融した被加工物が切断面や穴部に残存してしまい、加工品質が悪化する問題があった。そこで、近年、スポットにおけるレーザビームの像形状を環状にすることによって、溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないレーザ加工が提案されている。

例えば溶融亜鉛鋼板と溶融亜鉛鋼板とを溶接する場合、スポットにおけるレーザビームの像形状を環状にすることによって、溶融時のスパッタがスポットにおけるレーザビームの入射側に対して反対側方向に飛ぶようになり、加工品質が良くなる。また、アルミや銅などの高反射材を加工する場合、スポットにおけるレーザビームの像形状を環状と環状の中心部とのものとすることによって、環状部分で被加工物を溶融させて反射率を下げ、環状の中心部で切断、溶接することが可能となり、加工品質が良くなる。

そこで特許文献１では、光学系にレーザビームの位相をシフトさせる機能を導入し、レーザビームの光束の一部に位相差を設けることによって、スポットにおけるレーザビームの像形状が環状であって、かつ、環状のレーザビームのエネルギー強度分布が均一である光学システムを開示している。

米国特許９２８５５９３号

しかしながら、スポットにおけるレーザビームの像形状が環状であって、かつ、環状のレーザビームのエネルギー強度分布が均一である場合、レーザ加工時におけるレーザビームのスポットの移動速度が低速である時は溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないが、レーザ加工時におけるレーザビームのスポットの移動速度を速くすると、溶融した被加工物が切断面や穴部に残存してしまう課題がある。そして、そのことによって、レーザ加工のスループットを上げることができない、という課題がある

本件発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。本件発明は、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないレーザビームのスポットの像形状及びエネルギー強度分布を得ることができるレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下のレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置に想到した。

本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、前記レーザ発振器から前記加工対象物までの前記レーザビームの照射軌道内において、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布を調整するエネルギー強度分布調整機構を備え、前記エネルギー強度分布調整機構は、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布が不均一になるよう調整することを特徴とするレーザビーム照射用光学ユニットを採用した。

本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザ加工ヘッド内に、上述のレーザビーム照射用光学ユニットを収容して得られることを特徴とするレーザ加工装置を採用した。

本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、移動方向に対してスポットの前方領域で被加工物を溶融し、スポットの後方領域で溶融した被加工物の金属を適切に飛ばすことができる。このことによって、被加工物の切断面や穴部に溶融した被加工物を残存させない。また、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットを用いたレーザ加工装置は、レーザ加工の加工品質が優れ、スループットが高い。

レーザビーム照射用光学ユニットの光学素子の配置構成とレーザビームの略軌道を示す断面図である。 スポットにおけるエネルギー強度分布の略図である。 集光レンズを用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニットの断面図である。 コリメートレンズを用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニットの断面図である。 レーザビーム方向調整機構を用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニットの断面図である。 レーザビーム方向調整機構の略断面図である。 実施例１のチルト量の角度が０°の場合の測定結果である。 実施例１のチルト量の角度が３°の場合の測定結果である。 実施例１のチルト量の角度が３°の場合の測定結果である。 実施例２のシフト０．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例２のシフト０．１２５ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例２のシフト１．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例２のシフト４．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例２のシフト０．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例２のシフト０．１２５ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例２のシフト１．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例２のシフト４．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例３のチルト０°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例３のチルト３°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例３のチルト７°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例３のチルト０°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例３のチルト３°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例３のチルト７°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例４のシフト０．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例４のシフト０．１２５ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例４のシフト１．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例４のシフト４．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例４のシフト０．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例４のシフト０．１２５ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例４のシフト１．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例４のシフト４．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例５のチルト０°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例５のチルト１°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例５のチルト４°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例５のチルト０°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例５のチルト１°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例５のチルト４°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例６のシフト０．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例６のシフト０．１２５ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例６のシフト４．０ｍｍにおけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例６のシフト０．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例６のシフト０．１２５ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例６のシフト４．０ｍｍにおけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例７のチルト０°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例７のチルト３°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例７のチルト７°におけるレーザビームの像形状におけるエネルギー分布である。 実施例７のチルト０°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例７のチルト３°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。 実施例７のチルト７°におけるＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布である。

以下、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置の実施の形態に関して述べる。なお、以下に説明するものは、単に一態様を示したものであり、以下の記載内容に限定解釈されるものではない。

１．レーザビーム照射用光学ユニット
本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、レーザ発振器から加工対象物までのレーザビームの照射軌道内において、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を調整するエネルギー強度分布調整機構を備え、エネルギー強度分布調整機構は、スポットにおけるレーザビームが形成する像のエネルギー強度分布が不均一になるよう調整するものである。

そして、本件発明に係るエネルギー強度分布調整機構は、レーザビーム方向調整機構と、コリメートレンズと、集光レンズとのうち少なくとも１つを用いて実現するものである。

当該レーザビーム照射用光学ユニットは、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を不均一にすることによって、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、移動方向に対してスポットの前方領域で被加工物を溶融し、スポットの後方領域で溶融した被加工物の金属を適切に飛ばすことができる。このことによって、被加工物の切断面や穴部に溶融した被加工物を残存させずに、レーザ加工を行うことができる。

エネルギー強度分布調整機構は、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整する機能を有している。ここで、エネルギー強度分布調整機構の透過損失や反射による損失を除いた場合、エネルギー強度分布調整機構は、入力レーザビームに対する出力レーザビームのエネルギーの総和を変えずに、レーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整するものである。そして、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないことを達成する限りにおいて、レーザビームのエネルギー強度分布の不均一さがどのようなものであっても制限するものではない。具体例を挙げれば、当該「不均一」なエネルギー強度分布は、スポットにおけるレーザビームが形成する像において、スポットのレーザ加工時の進行方向の前方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が弱く、当該前方領域とは異なる（前方領域とは逆側の）後方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が強い分布が好ましい。レーザビームのスポットの移動速度が速くても、移動方向に対してスポットの前方領域で被加工物を溶融し、スポットの後方領域で溶融した被加工物の金属を適切に飛ばすことができるからである。

なお、当該「不均一」なエネルギー強度分布状態は、上述に限定されるものではなく、スポットにおけるレーザビームが形成する像において、スポットのレーザ加工時の進行方向の前方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が強く、当該前方領域とは異なる後方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が弱い分布でも良い。さらに、スポットのレーザ加工時の進行方向の前後方向に対して、左右の領域においてレーザビームのエネルギー強度が不均一であっても良いし、前後斜めの領域においてレーザビームのエネルギー強度が不均一であっても良い。例えばアルミニウムと銅といったように、ともに高反射であって融点の異なる材料の突合せ溶接の場合や、異なる厚みの材料の溶接や、溶接する材料の間に隙間がある場合などに好適である。

図１に、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニット１の光学素子の配置構成とレーザビームの略軌道を表す断面図を示す。レーザビーム照射用光学ユニット１は、レーザ発振器から出力されるレーザビームを導く光ファイバ３０を接続するコネクタ部３１と、コネクタ部３１をレーザビームの照射軌道に対して固定するコネクタ受け部３２と、光ファイバ３０の出力端から拡散状に出力されたレーザビームを平行光にするためのコリメートレンズ２１と、コリメートレンズ２１で平行光にされたレーザビームを加工対象物表面のスポットに集光するための集光レンズ２２と、スポットにおけるレーザビームの強度分布を確認するための観測光を観測するための観測装置２３とを、レーザビーム照射用光学ユニット１の照射軌道の光軸１０に沿って、レーザ発振器側から順に配置している。そして、コリメートレンズ２１の光学中心と、集光レンズ２２の光学中心との位置は、光軸１０に一致するよう配置されている。

なお、図１では、レーザ発振器側から順に、レーザビーム方向調整機構２０、コリメートレンズ２１、集光レンズ２２を光軸１０に沿って配置しているが、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を「不均一」になるよう調整できる限りにおいて、レーザ発振器側から順に、レーザビーム方向調整機構２０、集光レンズ２２、コリメートレンズ２１と配置しても良い。

レーザ発振器からレーザビーム照射用光学ユニット１に入射されるレーザビームは、レーザ加工用に用いることができるレーザビームであれば、いかなるレーザビームであっても用いることができる。特に、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、ファイバレーザ（波長１０７０ｎｍ）、ディスクレーザ（波長１０３０ｎｍ）、半導体レーザ（波長９３５ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍ、９４０～９８０ｎｍ、９４０～１０２５ｎｍ）に代表される発振波長が約９２０～１０８０ｎｍの近赤外レーザビームであることが好ましい。また、レーザビーム照射用光学ユニット１に入射されるレーザビームの光軸に垂直な面におけるエネルギー分布は、中心部（光軸部分）のエネルギーが強いガウシアン状であっても、均一であっても良い。

レーザビーム方向調整機構２０は、光ファイバ３０が接続されるコネクタ部３１と、コネクタ部３１を照射軌道の光軸１０に対して固定するコネクタ受け部３２とからなり、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回することによって、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整する。

図１では、コネクタ受け部３２と、コリメートレンズ２１と、集光レンズ２２とは、それぞれの光学中心が光軸１０に一致するよう鏡筒３３内に設置されている。そして、鏡筒３３には、観測装置２３を備える観測筒３４が接続されている。このとき、観測筒３４は、鏡筒３３に対して脱着可能な構造を備えても良い。レーザビームの照射軌道の光軸１０を構成する鏡筒３３に、観測装置２３を備える脱着可能な観測筒３４を接続することによって、本件発明に係るエネルギー強度分布調整機構を用いて調整する際の、レーザビームの照射軌道への入射方向の確認や、スポットにおける観測光のエネルギー強度分布の確認を行うことができる。そして、観測装置２３による観測を行って、スポットにおけるレーザビームの強度分布を望ましいものに調整した後、観測筒３４を取り外し、観測装置２３の撮像面があった位置に加工対象物の表面を位置させることによって、レーザ加工を精度良く行うことができる。

なお、観測装置２３にレーザビームを入射する前に、観測装置２３が損傷することなく観測可能なレベルにレーザビームの強度を減光することが好ましい。観測装置２３への入射光を歪ませることなくレーザビームの強度を減光するものであれば、いかなる減光素子も用いることができる。なお、観測装置２３に入射する観測光は、加工に用いるレーザビームもしくは減光したレーザビームに限定されることなく、加工に用いるレーザビームとは異なるガイド光もしくはエイミング光と呼ばれる観測用の観測光を用いることも好ましい。観測用の観測光のエネルギー強度が、観測装置２３を損傷させるレベルではなく、減光させる必要が無いからである。

ここで、レーザビーム照射用光学ユニット１のコリメートレンズ２１と、集光レンズ２２との少なくともいずれか１つは、スポットにおけるレーザビームの像形状を、少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状となるよう変換する機能（以降、本明細書では環状変換機能と呼称する）を有することが好ましい。当該環状変換機能は、上述のエネルギー強度分布調整機構による「レーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する」機能とは異なるものであり、レーザビームに対してエネルギー強度分布調整機構による調整を行わなかった場合は、当該環状の像形状におけるエネルギー強度は、光軸１０に対して点対称に均一となるものである。スポットのエネルギー分布の形状が少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状となることによって、加工対象物の表面において、スポットの中心領域からどの向きにも均一にレーザビームのエネルギーが照射される。そして、このことによって、溶融亜鉛鋼板の重ね溶接で、亜鉛のガスが抜け、きれいな溶接ができる。

また、環状変換機能によるスポットの形状は特に限定されるものではなく、例えば、環状と環状の中心部における点状（点部分はガウシアン状）とからなるものであっても良いし、トップハット型の形状などであっても良い。このとき、環状の中心部における点状のスポットのエネルギー強度は、環状部のエネルギー強度よりも高いことが好ましい。光の反射率が高いアルミなどでは、エネルギー強度の弱い環状部で金属を溶融させて反射率を下げ、エネルギー強度の高い中心部で加工対象物を深く溶融させることなどができるため、レーザ加工がより容易になるからである。

前述のスポットの像形状を形成するために、環状変換機能を備える光学素子の光学有効面の少なくとも１面は、回折レンズ、アキシコンレンズ、非球面レンズのいずれかであることが好ましい。レーザビームのスポット形状を、環状、もしくは、環状と環状の中心部における点状とからなるものにすることができるからである。

なお、レーザビーム照射用光学ユニット１は、環状変換機能を必ずしも有している必要はなく、光ファイバ３０から出射されるレーザビームの像形状が、少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状となるレーザビームを用いても良い。光ファイバ３０から出射されるレーザビームの像形状が、環状や、環状と環状の中心部における点状との組み合わせ形状、トップハット状などの形状のレーザビームを用いることによって、レーザビーム照射用光学ユニット１は、レーザビームの像形状におけるエネルギー強度分布を不均一に調整することができる。以降は、コリメートレンズ２１と集光レンズ２２との少なくともいずれか１つに環状変換機能を備えた実施形態として説明するが、レーザビーム照射用光学ユニット１は、環状変換機能を備えたものに限定されない。

次に、スポットにおけるレーザビームの像形状が環状である場合の、スポットにおけるエネルギー強度分布について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、レーザ発振器から照射されるレーザビームの光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がガウシアン状であり、環状変換機能を用いることによってスポットにおけるレーザビームの像形状が環状であって、エネルギー強度分布調整機構でレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整していない場合の、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を示している。横軸は、スポットにおける光軸を含む光軸に垂直な直線上の座標であって、かつ、座標の正側（右側）から負側（左側）に向かう方向がレーザ加工時のスポットの進行方向である。すなわち、図２（ａ）の第一象限がレーザ加工の進行方向の後方領域に相当し、第二象限が前方領域に相当している。そして、横軸の中心が当該レーザビーム照射用光学ユニット１の光軸の位置を示している。縦軸は、レーザビームのエネルギー強度を示している。図２における破線は、図２（ａ）のエネルギー強度のピーク値を示している。つまり、エネルギー強度分布調整機構でエネルギー強度分布を不均一に調整していない場合、レーザビームのエネルギー強度分布は前方領域と後方領域のピーク値は均一な双峰状となる。

次に、エネルギー強度分布調整機構を用いて、図２（ａ）の状態のレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整した場合のスポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を図２（ｂ）に示す。図２（ａ）と同様に、図２（ｂ）の第一象限がレーザ加工の進行方向の後方領域に相当し、第二象限が前方領域に相当している。図２（ｂ）では、後方領域側にエネルギーを偏らせることによって、エネルギー強度分布を不均一に調整している状態を示している。この場合、レーザ加工の進行方向の前方領域のエネルギー強度が弱く、後方領域のエネルギー強度は強い。すなわち、レーザビームのエネルギー強度分布は前方領域と後方領域のピーク値が「不均一な双峰状」となる。なお、エネルギー強度分布調整機構は、入力レーザビームに対する出力レーザビームのエネルギーの総和を変えないことから、図２（ａ）と、図２（ｂ）とに示すレーザビームのエネルギーの総和（横軸に対するエネルギーの積分値）はほぼ一致している。

図２（ａ）のような、スポットにおけるレーザビームの像形状が環状で、レーザビームのエネルギー強度分布が均一な双峰状である場合、レーザ加工時におけるレーザビームのスポットの移動速度が低速である時は溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないが、レーザ加工時におけるレーザビームのスポットの移動速度を速くすると、溶融した被加工物が切断面や穴部に残存してしまう。しかしながら、図２（ｂ）のように、スポットにおけるレーザビームの像形状が環状で、かつ、レーザ加工の進行方向の前方領域のエネルギー強度が弱く、後方領域のエネルギー強度が強い不均一な双峰状の場合、レーザ加工時におけるレーザビームのスポットの移動速度が速くても、スポットの前方領域で溶融させた被加工物を、エネルギー強度の強いスポットの後方領域で適切に飛ばすことができる。これによって、切断面や穴部に、溶融した被加工物を残存させない。

図２（ｂ）におけるレーザビームの不均一なエネルギー強度分布の強弱比は、スポットのレーザ加工時の進行方向の後方領域（第一象限）における強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、前方領域（第二象限）の弱いエネルギー強度のピーク値が０．１以上０．９５以下であることが好ましい。上述したように、例えば弱いエネルギー強度分布のレーザビームで被加工物を溶融し、強いエネルギー強度分布のレーザビームで溶融した被加工物の金属を飛ばすというように、弱いエネルギー強度のレーザビームと強いエネルギー強度分布のレーザビームとが、レーザ加工においてそれぞれ異なる役割を果たすことができるからである。なお、強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、弱いエネルギー強度のピーク値の下限値は０．２０がより好ましく、０．２５がさらに好ましい。強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、弱いエネルギー強度のピーク値の上限値は０．６がより好ましく、０．５がさらに好ましい。なお、図２（ｂ）におけるレーザビームのエネルギー強度の強弱比の比較対象は、「不均一な双峰状」におけるそれぞれピークを形成するエネルギー強度分布のピーク値であり、スポット中心部（図２（ｂ）の横軸の中心部）は対象外である。

また、レーザ加工の進行方向に対して、前方領域と後方領域とにおけるエネルギー強度分布が上述とは逆の不均一なエネルギー強度分布であっても良い。すなわち、環状部の不均一なエネルギー強度分布におけるエネルギー強度の強弱比は、スポットのレーザ加工時の進行方向の前方領域における強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、後方領域の弱いエネルギー強度のピーク値が０．１以上０．９５以下であることが好ましい。弱いエネルギー強度のレーザビームと強いエネルギー強度分布のレーザビームとが、レーザ加工においてそれぞれ異なる役割を果たすことができるからである。なお、強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、弱いエネルギー強度のピーク値の下限値は０．２０がより好ましく、０．２５がさらに好ましい。強いエネルギー強度のピーク値を１とした場合、弱いエネルギー強度のピーク値の上限値は０．６がより好ましく、０．５がさらに好ましい。

〔エネルギー強度分布調整機構の第１の実施形態〕
図３に、エネルギー強度分布調整機構の第１の実施形態であって、集光レンズ２２ａ、集光レンズ２２ｂを用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニット２の断面図を示す。図３（ａ）の環状変換機能を備えた集光レンズ２２ａは、光軸１０に垂直な平面に平行な方向（図３（ａ）では光軸１０よりも図面における上方）に集光レンズ２２ａを移動させた状態のものである。以降、本明細書では、光軸１０に垂直な平面に平行な方向に光学素子を移動させることをシフトと呼称する。この場合、集光レンズ２２ａの光学中心は、光軸１０よりも図面における上方に位置している。図３（ａ）の状態においては、集光レンズ２２ａの光軸１０よりも下半分を通過するレーザビームと上半分を通過するレーザビームとでは、集光レンズ２２ａの面の曲率分布が異なる状態となる。このことによって、集光レンズ２２ａを通過するレーザビームには、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じることになる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、集光レンズ２２ａのシフトさせる量によって、調整することができる。

図３（ｂ）の環状変換機能を備えた集光レンズ２２ｂは、光軸１０上の集光レンズ２２ｂの光学中心を含む光軸１０に垂直な直線を回転軸として集光レンズ２２ｂを旋回させた状態のものである。以降、本明細書では、光軸１０上の光学中心を含む光軸１０に垂直な直線を回転軸として光学素子を旋回させることをチルトと呼称する。この場合、集光レンズ２２ｂの光学中心の位置は、光軸１０に一致している。図３（ｂ）の状態においては、集光レンズ２２ｂの光軸１０よりも上半分を通過するレーザビームと下半分を通過するレーザビームとでは、集光レンズ２２ｂの面への法線入射角が非対称な状態となる。このことによって、集光レンズ２２ｂを通過するレーザビームには、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じることになる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、集光レンズ２２ｂのチルトさせる量によって、調整することができる。

集光レンズ２２ａをシフトせる方法としては、例えば、集光レンズ２２ａを固定するレンズホルダーに、光軸に垂直にシフトすることが可能な機能を備えたものを用い、ネジで押し込むなどしてレンズホルダーの位置をシフトさせることで行うことができる。また、集光レンズ２２ｂをチルトさせる方法としては、例えば、集光レンズ２２ｂを固定するレンズホルダーに光学中心を含む直線を回転軸としてチルトすることが可能な機能を備えたものを用い、ネジで押し込むなどしてレンズホルダーの角度をチルトさせることで行うことができる。なお、集光レンズ２２ａをシフトもしくは集光レンズ２２ｂをチルトさせることができれば、上述の方法に制限されない。そして、上述した観測装置２３でスポットにおけるエネルギー強度分布を観測しながら集光レンズ２２ａのシフト量もしくは集光レンズ２２ｂのチルト量を調節して、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。

なお、上述のレーザビーム照射用光学ユニット２は、環状変換機能は集光レンズ２２ａ、集光レンズ２２ｂが備えたものとして説明したが、環状変換機能は集光レンズ２２ａ、集光レンズ２２ｂとは異なる光学素子に備えさせることもできる。例えばコリメートレンズ２１が環状変換機能を備えることもできる。この場合であっても、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整するには、上述と同様に、集光レンズ２２ａのシフト量もしくは集光レンズ２２ｂのチルト量を調節して行うことができる。そして、この場合、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布をより適切な「不均一」状態になるよう調整するには、チルト量を調節することが好ましい。

〔エネルギー強度分布調整機構の第２の実施形態〕
次に、図４に、エネルギー強度分布調整機構の第２の実施形態であって、コリメートレンズ２１ａ、コリメートレンズ２１ｂを用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニット３の断面図を示す。図４（ａ）の環状変換機能を備えたコリメートレンズ２１ａは、光軸１０に垂直な平面に平行な方向（図４（ａ）では光軸１０よりも図面における上方）にコリメートレンズ２１ａをシフトさせた状態のものである。この場合、コリメートレンズ２１ａの光学中心は、光軸１０よりも図面における上方に位置している。図４（ａ）の状態においては、コリメートレンズ２１ａの光軸１０よりも下半分を通過するレーザビームと上半分を通過するレーザビームとでは、コリメートレンズ２１ａの面の曲率分布が異なる状態となる。このことによって、コリメートレンズ２１ａを通過するレーザビームには、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じることになる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、コリメートレンズ２１ａのシフトさせる量によって、調整することができる。

図４（ｂ）の環状変換機能を備えたコリメートレンズ２１ｂは、光軸１０上のコリメートレンズ２１ｂの光学中心を含む直線を回転軸としてコリメートレンズ２１ｂをチルトさせた状態のものである。この場合、コリメートレンズ２１ｂの光学中心の位置は、光軸１０に一致している。図４（ｂ）の状態においては、コリメートレンズ２１ｂの光軸１０よりも上半分を通過するレーザビームと下半分を通過するレーザビームとでは、コリメートレンズ２１ｂの面への法線入射角が非対称な状態となる。このことによって、コリメートレンズ２１ｂを通過するレーザビームには、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じることになる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、コリメートレンズ２１ｂのチルトさせる量によって、調整することができる。

コリメートレンズ２１ａをシフトせる方法としては、例えば、コリメートレンズ２１ａを固定するレンズホルダーに、光軸に垂直にシフトすることが可能な機能を備えたものを用い、ネジで押し込むなどしてレンズホルダーの位置をシフトさせることで行うことができる。また、コリメートレンズ２１ｂをチルトさせる方法としては、例えば、コリメートレンズ２１ｂを固定するレンズホルダーに光学中心を含む直線を回転軸としてチルトすることが可能な機能を備えたものを用い、ネジで押し込むなどしてレンズホルダーの角度をチルトさせることで行うことができる。なお、コリメートレンズ２１ａをシフトもしくはコリメートレンズ２１ｂをチルトさせることができれば、上述の方法に制限されない。そして、上述した観測装置２３でスポットにおけるエネルギー強度分布を観測しながらコリメートレンズ２１ａのシフト量もしくはコリメートレンズ２１ｂのチルト量を調節して、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。

なお、上述のレーザビーム照射用光学ユニット３は、環状変換機能はコリメートレンズ２１ａ、コリメートレンズ２１ｂが備えたものとして説明したが、環状変換機能はコリメートレンズ２１ａ、コリメートレンズ２１ｂとは異なる光学素子に備えさせることもできる。例えば集光レンズ２２が環状変換機能を備えることもできる。この場合であっても、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整するには、上述と同様に、コリメートレンズ２１ａのシフト量もしくはコリメートレンズ２１ｂのチルト量を調節して行うことができる。そして、この場合、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布をより適切な「不均一」状態になるよう調整するには、チルト量を調節することが好ましい。

〔エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態〕
次に、図５に、エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態であって、レーザビーム方向調整機構２０を用いてレーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整する場合のレーザビーム照射用光学ユニット４の断面図を示す。図５（ａ）のコネクタ部３１ａとコネクタ受け部３２ａからなるレーザビーム方向調整機構２０ａは、光軸１０に垂直な平面に平行な方向（図５（ａ）では光軸１０よりも図面における上方）にレーザビーム方向調整機構２０の全体をシフトさせた状態のものである。光ファイバ３０ａはコネクタ部３１ａに固定されている。この場合、レーザビーム方向調整機構２０ａの光学中心は、光軸１０よりも図面における上方に位置している。図５（ａ）の状態においては、コリメートレンズ２１及び集光レンズ２２の光軸１０よりも下半分を通過するレーザビームと上半分を通過するレーザビームとでは、コリメートレンズ２１及び集光レンズ２２の面の曲率分布が異なる状態となる。すなわち、スポットに結像する像は、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じたものとなる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、レーザビーム方向調整機構２０ａのシフトさせる量によって、調整することができる。

図５（ｂ）のレーザビーム方向調整機構２０ｂは、レーザビーム方向調整機構２０の「円弧状の旋回」機能を用いて、光ファイバ３０ｂが固定されたコネクタ部３１ｂをコネクタ受け部３２ｂに対して図５（ｂ）における下向きにチルトさせた状態のものである。この、「円弧状の旋回」機能の詳細については、以降で説明する。この場合、コネクタ受け部３２ｂの光学中心の位置は、光軸１０に一致している。なお、ここでは、光ファイバ３０ｂの出力端から出力されるレーザビームの出射方向は、光ファイバ３０ｂの出力端の構造部及びコネクタ部３１ｂの構造で決定される基準光軸に一致しているものとして説明する。図５（ｂ）の状態においては、コリメートレンズ２１及び集光レンズ２２の光軸１０よりも上半分を通過するレーザビームと下半分を通過するレーザビームとでは、コリメートレンズ２１及び集光レンズ２２の面への法線入射角が非対称な状態となる。このことによって、コリメートレンズ２１及び集光レンズ２２を通過するレーザビームには、メリディオナル面の方向に偏心コマ収差が生じることになる。このようにして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布が「不均一」になるよう調整することができる。そして、不均一の程度は、レーザビーム方向調整機構２０ｂのチルト量、すなわち円弧状に旋回させる量によって、調整することができる。

レーザビーム方向調整機構２０ａをシフトせる方法としては、例えば、レーザビーム方向調整機構２０ａを固定するホルダーに、光軸に垂直にシフトすることが可能な機能を備えたものを用い、ネジで押し込むなどしてホルダーの位置をシフトさせることで行うことができる。レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能は、以降で説明する。なお、レーザビーム方向調整機構２０ａをシフトもしくはレーザビーム方向調整機構２０ｂをチルトさせることができれば、上述の方法に制限されない。そして、上述した観測装置２３でスポットにおけるエネルギー強度分布を観測しながらレーザビーム方向調整機構２０ａのシフト量もしくはレーザビーム方向調整機構２０ｂのチルト量を調節して、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。

なお、上述のレーザビーム照射用光学ユニット４は、コリメートレンズ２１が環状変換機能を備えているが、環状変換機能は、コリメートレンズ２１と集光レンズ２２との少なくともいずれか１つに備えさせることができる。いずれの場合であっても、レーザビーム方向調整機構２０ａのシフト量もしくは「円弧状の旋回」機能を用いるレーザビーム方向調整機構２０ｂのチルト量を調節して、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。そして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布をより適切な「不均一」状態になるよう調整するには、チルト量を調節することが好ましい。

エネルギー強度分布調整機構の第１～第３の実施形態で説明したように、本件発明に係るエネルギー強度分布調整機構は、レーザビーム方向調整機構２０と、コリメートレンズ２１と、集光レンズ２２とのうち少なくとも１つを用いて実現することができる。

〔レーザビーム方向調整機構〕
図６に、光ファイバ３０とレーザビーム方向調整機構２０の略断面図を示す。レーザビーム方向調整機構２０は、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームの照射軌道への入射方向を適切な方向に調整する機能を有するものである。そしてこの調整は、レーザビーム方向調整機構２０の「円弧状の旋回」機能を用いて行っている。本件発明に係るエネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態におけるチルト動作は、このレーザビーム方向調整機構２０の「円弧状の旋回」機能を活用するものである。

レーザビーム方向調整機構２０の、レーザビームの照射軌道への入射方向を適切な方向に調整する機能について説明する。レーザ発振器から出力されるレーザビームは、光ファイバ３０を用いてレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドへ導かれる。この光ファイバ３０は、レーザ加工ヘッド内のレーザビーム照射用光学ユニット１にコネクタ部３１を介して接続される。このとき、図６（ａ）が示すように、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１は、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸（照射軌道の光軸１０に一致している）に対して、光ファイバ出力端の中央部を中心点としてθの角度で表される一定の範囲の傾きを有している。具体的には、例えばレイカスファイバー社のＣＷファイバレーザでは、光ファイバの出力端の構造部及びコネクタの構造で決定される基準光軸に対して、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの光軸の角度が、３０ｍｒａｄ（ミリラジアン）以下であるとされている。

図６（ｂ）は、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を調整したときの概要を示す断面図である。図６（ｂ）では、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、光ファイバ３０及びコネクタ部３１側を、光ファイバ出力端の中央部を中心点として、半径ｒの円弧状に－θの角度で旋回させている。旋回軌跡４０は、コネクタ部３１が、半径ｒで円弧状に旋回する場合の軌跡を示している。すなわち、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２が、照射軌道の光軸１０に対して、－θの角度を有する状態となる。この調整によって、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１は、照射軌道の光軸１０に略一致する状態になる。

このとき、レーザビーム方向調整機構２０は、レーザ発振器の光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点として円弧状に旋回する構造であることが好ましい。レーザビーム方向調整機構２０が、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回する構造を有することによって、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２に対する、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を、レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビームの照射軌道の光軸１０と略一致するよう調整することができるからである。

レーザビーム方向調整機構２０において、光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θの範囲は、照射軌道の光学素子の光学中心を通る光軸１０方向を０ｍｒａｄとした場合、－３０ｍｒａｄ＜θ＜３０ｍｒａｄであることが好ましい。光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２に対する、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１の傾きがあっても、レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビームの照射軌道への入射方向を、照射軌道の光軸１０と略一致するよう調整することができ、かつ、エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態におけるチルト動作を行うことができるからである。

なお、上述の光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θとは、照射軌道の光軸１０に対して、照射軌道の光軸１０に沿った照射軌道の光軸１０を含む平面において、任意の平面における角度を示しており、特定の平面における角度に限定されるものではない。

レーザビーム方向調整機構２０の旋回機構は、例えば、光軸１０に直交する平面上にあって、互いに直交したＸ方向の回転軸と、Ｙ方向の回転軸を備えることによって、光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回を行うことができる。ただし、旋回機構は、照射軌道の光軸１０に対して、照射軌道の光軸１０に沿った照射軌道の光軸１０を含む任意の平面において、光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θとして、－３０ｍｒａｄ＜θ＜３０ｍｒａｄの範囲で、調整することができるものであれば、上述したものに限定されるものではない。

〔観測装置〕
観測装置２３は、本件発明に係るエネルギー強度分布調整機構を用いて調整したレーザビームの照射位置や、レーザビームのエネルギー強度分布を観測することができるものであれば、特に限定されるものではなく、いかなる観測装置も用いることができる。そして、当該観測装置２３を備える観測筒３４は、鏡筒３３に対して脱着可能であることが好ましい。観測筒３４を鏡筒３３に接続した際の、観測装置２３の撮像面（観測点）の位置は、レーザ加工時の、スポットを形成する加工対処物の表面と同じ場所に位置するのが好ましい。さらに、観測装置２３の撮像面の中心の位置は、光軸１０に位置するとともに、加工対象物の加工部分の中心であることが好ましい。スポットを形成する加工対処物の表面と同じ位置において、レーザビームの位置やレーザビームのエネルギー分布を観測することができるからである。そして、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整した後観測装置２３を取り外し、観測装置２３の撮像面の位置に加工対象物の表面が位置するように配置することによって、加工対象物を加工することができる。

〔コリメートレンズ〕
コリメートレンズ２１は、光ファイバ３０の出力端から放射状に出力されるレーザビームを平行光にするための光学素子である。

〔集光レンズ〕
集光レンズ２２は、コリメートレンズ２１で平行光に変換されたレーザビームを、スポットに集光するための光学素子である。

〔エネルギー強度分布の調整方法〕
レーザビーム照射用光学ユニット１のエネルギー強度分布調整機構の第１～第３の実施形態を用いて、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整する方法の具体的方法について説明する。なお、この調整方法は、以降で説明する方法に限定されるものではない。

ここでは、加工対象物表面でのスポットにおけるレーザビームの像形状が環状である場合で説明する。観測装置２３で撮像したレーザビームのスポット像から、撮像面の中心を含みレーザ加工時のスポットの進行方向上の第１の座標軸上のエネルギー強度分布を抽出する。そして、撮像面の中心を第１の座標軸の原点として、第１の座標軸上のマイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度分布値を積分した値をＥＭ１、ＥＰ１とする。同様にして、第１の座標軸と直交する第２の座標軸上のエネルギー強度分布を抽出し、撮像面の中心を第２の座標軸の原点として、第２の座標軸上のマイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度分布値を積分した値をＥＭ２、ＥＰ２とする。このとき、ＥＭ１、ＥＰ１、ＥＭ２、ＥＰ２の大きさを比較することによって、第１の座標軸と第２の座標軸からなる座標平面において、スポット像のエネルギー強度がどのような分布であるかを知ることができる。

さらに、観測装置２３で撮像したレーザビームのスポット像から、第１の座標軸上と第２の座標軸上とにおいて、マイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度値のピーク値と、ピーク値を示した座標値を抽出する。これらのエネルギー強度値のピーク値と、ピーク値を示した座標値から、スポットの進行方向上におけるエネルギー強度分布の形状の不均一状態や、エネルギー強度の強弱比を知ることができる。

このようにして確認したスポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布情報から、エネルギー強度分布調整機構の第１～第３の実施形態のいずれかを用いて、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。調整した後、上述の方法で再度レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布を確認し、例えばＥＭ１、ＥＰ１、ＥＭ２、ＥＰ２の大きさを比較したエネルギー強度の分布状態や、スポットの進行方向における前方領域と後方領域のピーク値の差がエネルギー強度の強弱比の許容値の範囲内であるかなどの判断基準によって、調整完了を判断できる。そして、１回の調整で判断基準内に調整できなかった場合は、上述の方法で再調整することができる。このようにして、スポットにおいて適切なエネルギー分布を得ることができる。

なお、エネルギー強度分布調整機構の第１～第３の実施形態において、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な不均一状態に調整した場合、スポットにおける像の前方領域と後方領域との中心位置（スポット中心位置）が光軸の位置からずれる場合がある。この場合、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な不均一状態に調整した後、スポット中心位置の光軸１０からのズレを測定することによって、レーザ加工時に、スポット中心位置を被加工物の加工位置に正しく合わせることができる。

また、上述のように、観測装置２３から、スポットにおけるエネルギー強度分布を数値情報として得ることができることから、観測装置２３から得られる上述の観測値を、エネルギー強度分布調整機構による調整の大きさに応じて事前にレーザビーム照射用光学ユニット１の制御装置に学習させること等によって、当該調整を自動化させることも可能である。

２．レーザ加工装置
本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに、上述のレーザビーム照射用光学ユニット１を収容して得られるものである。これによって、加工対象物にレーザビームを照射して、加熱溶解による加工対象物の加工を行うことができる。また、本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザビーム方向調整機構２０と、コリメートレンズ２１と、集光レンズ２２との少なくともいずれか１つを用いたエネルギー強度分布調整機構の第１～第３の実施形態を用いて、スポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を適切な「不均一」状態になるよう調整することができる。そして、当該「不均一」は、スポットの光軸を含む光軸に垂直な直線を境とするスポットのレーザ加工時の進行方向の前方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が弱く、当該前方領域とは異なる後方領域におけるレーザビームのエネルギー強度が強い分布とすることができる。

したがって、当該レーザ加工装置は、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、移動方向に対してスポットの前方領域で被加工物を溶融し、スポットの後方領域で溶融した被加工物の金属を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させない。

以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、以下実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１のレーザビーム照射用光学ユニットは、図５（ｂ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態の光学系を選択した。レーザ発振器には、レーザビームの波長が１０７０ｎｍのシングルモードファイバーレーザＹＬＳ－６０００（ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製）を使用した。シングルモードであることからスポットにおけるエネルギー強度分布はガウシアン状である。このＹＬＳ－６０００から出力されるレーザビームを、光ファイバ３０ｂを介してコネクタ部３１ｂに接続した。なお、光ファイバ３０ｂから出射されるレーザビームの出射方向は光軸１０とほぼ一致しているものを用いた。環状変換機能を備えたコリメートレンズ２１には焦点距離２００ｍｍのレンズを用いた。そして、集光レンズ２２には焦点距離が２００ｍｍの非球面を有するレンズを用いた。観測装置２３には、ＦｏｒｃｕｓＭｏｎｉｔｏｒ ＦＭ＋（ＰＲＩＭＥＳ社製）を用いた。そして、レーザ発振器側から順に、実施例１の光学系の光軸に沿って、レーザビーム方向調整機構２０ｂ、コリメートレンズ２１、集光レンズ２２、観測装置２３を配置した。

そして、ＹＬＳ－６０００の出力を６００Ｗとし、ＬａｓｅｒＤｉａｇｎｏｓｅＳｏｆｔｗａｒｅ（ＰＲＩＭＥＳ社製）を使用しＦｏｒｃｕｓＭｏｎｉｔｏｒ ＦＭ＋を操作して測定を行った。レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能を用いるチルト量の角度が０°の場合の測定結果を図７に示す。図７におけるＸ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅは、実施例１の光学系の光軸に垂直な平面の任意の座標におけるスポットのエネルギー強度分布を表しており、横軸（Ｘ軸）は中央が光軸の位置に一致する座標を示し、縦軸がエネルギー強度（上がエネルギー大）を示している。Ｙ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅは、Ｘ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅの座標系に直交する座標におけるスポットのエネルギー強度分布を表しており、縦軸（Ｙ軸）は中央が光軸の位置に一致する座標を示し、横軸がエネルギー強度（右がエネルギー大）を示している。Ｘ－Ｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅは、Ｘ軸、Ｙ軸の座標で形成される平面上に、Ｙ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部（図７の場合エネルギー強度のピーク値）のエネルギー強度と同じ強度のレーザビームが存在する部分を描画したものであり、横方向がＸ軸方向、縦方向がＹ軸方向で、Ｘ－Ｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図の中心が各軸の原点である。このとき、スポットのピーク値を示す環状の直径は約０．４３ｍｍであった。そして、Ｙ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部のエネルギー強度は、６８８．４２ｋＷ／ｃｍ^２であった。

次に、レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能を用いるチルト量の角度が３°の場合の測定結果を図８、図９に示す。図８のＸ－Ｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅが、図８のＹ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部のエネルギー強度と同じ強度のレーザビームが存在する部分を描画したものであり、図９のＸ－Ｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅが、図９のＹ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部のエネルギー強度と同じ強度のレーザビームが存在する部分を描画したものである以外は、図８、図９が表示している情報は図７において説明したものと同じである。図８、図９のＹ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図から、レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能を用いてチルトさせることによって、Ｙ軸方向においてスポットにおけるレーザビームのエネルギー強度分布を「不均一」に調整できることを確認した。

そして、図８のＹ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部のエネルギー強度は、３９６．２８ｋＷ／ｃｍ^２であり、図９のＹ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ図にある矢印部のエネルギー強度は、８１０．６１ｋＷ／ｃｍ^２であった。すなわち、エネルギー強度を「不均一」に調整後の強いエネルギー強度側のエネルギー強度は、「不均一」に調整前のエネルギー強度よりも大きい値になっていることを確認した。これによって、レーザビームのエネルギー強度分布を不均一に調整しても、エネルギー強度分布調整機構（実施例１ではレーザビーム方向調整機構）は、入力レーザビームに対する出力レーザビームのエネルギーの総和をほぼ変えないことを確認した。

実施例２のレーザビーム照射用光学ユニットは、図３（ａ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第１の実施形態の光学系を選択した。ここでは、レーザ発振器から出力されるエネルギー強度分布がガウシアン状（シングルモード）であるレーザビームを導く光ファイバ３０を接続するコネクタ部３１と、コネクタ部３１をレーザビームの照射軌道に対して固定するコネクタ受け部３２と、光ファイバ３０の出力端から拡散状に出力されたレーザビームを平行光にするための焦点距離２００ｍｍのコリメートレンズ２１と、コリメートレンズ２１で平行光にされたレーザビームを加工対象物表面のスポットに集光するための環状変換機能を備えた焦点距離が２００ｍｍの非球面を有する集光レンズ２２ａとを用いた。そして、レーザ発振器側から順に、実施例２の光学系の光軸に沿って、レーザビーム方向調整機構２０、コリメートレンズ２１、集光レンズ２２ａ、観測装置２３を配置した。なお、スポットにおけるレーザビームの強度分布を確認するための観測光を観測するための観測装置２３は、光学シミュレーション時の観測点とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。集光レンズ２２ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、１．０ｍｍ、４．０ｍｍシフトさせたときのスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図１０－図１７に示す。図１０－図１３は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図１４－図１７は、図１０－図１３のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図１０－図１３から、集光レンズ２２ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、１．０ｍｍ、４．０ｍｍとシフトすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図１４－図１７から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０．０ｍｍシフトのとき１．０なのに対して、０．１２５ｍｍシフトのとき０．８７、１．０ｍｍシフトのとき０．４８、４．０ｍｍシフトのとき０．１０であった。

実施例３のレーザビーム照射用光学ユニットは、図３（ｂ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第１の実施形態の光学系を選択し、集光レンズ２２ｂには実施例２の集光レンズ２２ａと同じレンズを用いた以外は実施例２と同じ構成とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。集光レンズ２２ｂのチルト量の角度が、０°、３°、７°の場合のスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図１８－図２３に示す。図１８－図２０は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図２１－図２３は、図１８－図２０のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図１８－図２０から、集光レンズ２２ｂのチルト角度を０°、３°、７°とすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図２１－図２３から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０°チルトのときのとき１．０なのに対して、３°チルトのとき０．８５、７°チルトのとき０．５９であった。

実施例４のレーザビーム照射用光学ユニットは、図４（ａ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第２の実施形態の光学系を選択した。ここでは、コリメートレンズ２１ａには環状変換機能を備えた焦点距離が２００ｍｍの非球面を有するレンズと、集光レンズ２２には焦点距離が２００ｍｍのレンズとを用いた。そして、レーザ発振器側から順に、実施例４の光学系の光軸に沿って、レーザビーム方向調整機構２０、コリメートレンズ２１ａ、集光レンズ２２、観測装置２３を配置した。なお、スポットにおけるレーザビームの強度分布を確認するための観測光を観測するための観測装置２３は、光学シミュレーション時の観測点とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。コリメートレンズ２１ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、１．０ｍｍ、４．０ｍｍシフトさせたときのスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図２４－図３１に示す。図２４－図２７は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図２８－図３１は、図２４－図２７のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図２４－図２７から、コリメートレンズ２１ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、１．０ｍｍ、４．０ｍｍとシフトすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図２８－図３１から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０．０ｍｍシフトのとき１．０なのに対して、０．１２５ｍｍシフトのとき０．８８、１．０ｍｍシフトのとき０．４９、４．０ｍｍシフトのとき０．１２であった。

実施例５のレーザビーム照射用光学ユニットは、図４（ｂ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第２の実施形態の光学系を選択し、コリメートレンズ２１ｂには実施例４のコリメートレンズ２１ａと同じレンズを用いた以外は実施例４と同じ構成とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。コリメートレンズ２１ｂのチルト量の角度が、０°、１°、４°の場合のスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図３２－図３７に示す。図３２－図３４は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図３５－図３７は、図３２－図３４のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図３２－図３４から、コリメートレンズ２１ｂのチルト量の角度を０°、１°、４°とすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図３５－図３７から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０°チルトのときのとき１．０なのに対して、１°チルトのとき０．８６、４°チルトのとき０．３４であった。

実施例６のレーザビーム照射用光学ユニットは、図５（ａ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態の光学系を選択した。ここでは、コリメートレンズ２１には環状変換機能を備えた焦点距離が２００ｍｍの非球面を有するレンズと、集光レンズ２２には焦点距離が２００ｍｍのレンズとを用いた。そして、レーザ発振器側から順に、実施例６の光学系の光軸に沿って、レーザビーム方向調整機構２０ａ、コリメートレンズ２１、集光レンズ２２、観測装置２３を配置した。なお、スポットにおけるレーザビームの強度分布を確認するための観測光を観測するための観測装置２３は、光学シミュレーション時の観測点とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。レーザビーム方向調整機構２０ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、４．０ｍｍシフトさせたときのスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図３８－図４３に示す。図３８－図４０は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図４１－図４３は、図３８－図４０のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図３８－図４０から、レーザビーム方向調整機構２０ａを、０．０ｍｍ、０．１２５ｍｍ、４．０ｍｍとシフトすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図４１－図４３から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０．０ｍｍシフトのとき１．０なのに対して、０．１２５ｍｍシフトのとき０．８９、４．０ｍｍシフトのとき０．１４であった。

実施例７のレーザビーム照射用光学ユニットは、図５（ｂ）に示す、エネルギー強度分布調整機構の第３の実施形態の光学系を選択した。ここでは、レーザビーム方向調整機構２０ｂを用いた以外は実施例６と同じ構成とした。

そして、光ファイバ３０から波長が１０７０ｎｍのレーザビームがコネクタ部３１に入射するように設定し、光学シミュレータＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（Ｚｅｍａｘ，ＬＬｃ社製）を用いてシミュレーションを行った。レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能によるチルト量の角度が、０°、３°、７°の場合のスポットにおけるエネルギー強度分布のシミュレーション結果を図４４－図４９に示す。図４４－図４６は、観測装置２３の撮像面に結像したレーザビームの像形状におけるエネルギー分布を示しており、縦軸のＹ位置における負側がレーザ加工時の前方領域、正側が後方領域に相当する。そして横軸のＸ位置は縦軸に直交した座標を示す。このときのエネルギー強度の強さの相対比を色の濃淡によって示している。また、図４７－図４９は、図４４－図４６のＸ位置がゼロの位置におけるＹ位置方向のエネルギー強度分布を示しており、横軸はＹ位置、縦軸はレーザビームのエネルギー強度を示している。

図４４－図４６から、レーザビーム方向調整機構２０ｂの「円弧状の旋回」機能によるチルト量の角度を０°、３°、７°とすることによって、像形状が環状を維持しながら、エネルギー強度分布が均一から不均一に変化することが色の濃淡の変化によって確認できた。そして、図４７－図４９から、前方領域と後方領域におけるエネルギー強度の強弱比については、後方領域のエネルギー強度を１．０としたときの前方領域のエネルギー強度が、０°チルトのときのとき１．０なのに対して、３°チルトのとき０．６３、７°チルトのとき０．４９であった。

本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビームのスポットの移動速度が速くても、移動方向に対してスポットの前方領域で被加工物を溶融し、スポットの後方領域で溶融した被加工物の金属を適切に飛ばすことができる。このことによって、被加工物の切断面や穴部に溶融した被加工物を残存させない。また、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットを用いたレーザ加工装置は、レーザ加工のスループットが高い。すなわち、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビームを照射して加工対象物を加工するレーザ加工に好適である。

１ レーザビーム照射用光学ユニット
１０ 照射軌道の光軸
１１ レーザビームの出射方向
１２ 光ファイバの出力端の構造部及びコネクタの構造で決定される基準光軸
１５ 照射軌道
２０ レーザビーム方向調整機構
２０ａ レーザビーム方向調整機構
２０ｂ レーザビーム方向調整機構
２１ コリメートレンズ
２１ａ コリメートレンズ
２１ｂ コリメートレンズ
２２ 集光レンズ
２２ａ 集光レンズ
２２ｂ 集光レンズ
２３ 観測装置
３０ 光ファイバ
３０ａ 光ファイバ
３０ｂ 光ファイバ
３１ コネクタ部
３１ａ コネクタ部
３１ｂ コネクタ部
３２ コネクタ受け部
３２ａ コネクタ受け部
３２ｂ コネクタ受け部
３３ 鏡筒
３４ 観測筒
４０ 旋回軌跡

Claims (8)

1. レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、
   前記レーザ発振器から前記加工対象物までの前記レーザビームの照射軌道内において、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布を調整するエネルギー強度分布調整機構を備え、
   前記エネルギー強度分布調整機構は、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー強度分布が不均一になるよう調整することを特徴とするレーザビーム照射用光学ユニット。
2. 前記不均一なエネルギー強度分布は、前記加工対象物上における前記スポットの進行方向側の領域である前方領域における前記レーザビームのエネルギー強度が弱く、前記前方領域とは異なる後方領域における前記レーザビームのエネルギー強度が強いエネルギー強度分布である請求項１に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
3. 前記不均一なエネルギー強度分布の強弱比は、当該エネルギー強度分布における強いエネルギー強度を１とした場合、弱いエネルギー強度が０．１以上０．９５以下である請求項１又は請求項２に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
4. 前記スポットにおける前記レーザビームの像形状は、少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
5. 前記エネルギー強度分布調整機構には、
   前記レーザビームの前記照射軌道への入射方向を調整するためのレーザビーム方向調整機構、
   前記レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズ、及び、
   前記レーザビームを前記スポットに集光するための集光レンズのうち少なくとも１つが含まれる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
6. 前記照射軌道内に、前記エネルギー強度分布調整機構を用いて調整した前記スポットにおけるエネルギー強度分布を確認するための観測装置を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
7. 前記観測装置で観測する観測光が、前記レーザビームとは異なる観測用の前記観測光である請求項６に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。
8. レーザ加工ヘッド内に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニットを収容して得られることを特徴とするレーザ加工装置。

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