JP4589546B2

JP4589546B2 - レーザ加工装置及び加工方法

Info

Publication number: JP4589546B2
Application number: JP2001046961A
Authority: JP
Inventors: 誠谷
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2002059284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置及び加工方法に関し、特にエネルギ利用効率を高めたレーザ加工装置及び加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ発振器で発生させたレーザ光を加工対象物に照射して、穴あけ、切断、溶接等を行なうレーザ加工装置にレーザ出射光学部が使用される。通常、レーザ出射光学部は、レーザ発振器に接続された光ファイバの先端に取り付けられる。
レーザ出射光学部は、光ファイバの先端から所定の広がり角を持って出射するレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、コリメートレンズからの平行光を集光する集光レンズとを有している。集光レンズで集光されたレーザ光が、加工対象物の表面の被加工点に入射する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
加工対象物が金属等の場合、その表面に照射されたレーザ光の大部分が、加工対象物の表面で反射する。加工対象物の表面で反射したレーザ光は、無駄に捨てられることになる。具体的には、加工対象物に入射したレーザ光の全エネルギのうち、実際に加工に寄与するのは、その加工対象物の材質にもよるが、高々１０％程度である。即ち、加工対象物に入射したレーザ光の全エネルギの約９０％以上は無駄になっている。特に、加工対象物がステンレスの場合、加工に寄与するエネルギは、全エネルギの６〜９％、アルミニウムの場合は、さらにその半分程度であり、エネルギの利用効率が著しく悪い。
【０００４】
本発明の目的は、加工対象物からの反射光を利用することにより、エネルギ利用効率を高めたレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、中心に中空部が配された環状のビーム断面を有する加工用レーザビームを生成するレーザビーム源と、前記レーザビーム源で生成された加工用レーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に入射させる集光レンズと、前記加工用レーザビームのビーム断面の前記中空部に配置され、該加工用レーザビームのうち前記加工対象物の表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反射させる第１の反射鏡とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００６】
第1の反射鏡で反射した光線束が加工対象物に再入射する。このため、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
【０００７】
本発明の他の観点によると、ビーム断面が環状のレーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に集光させる工程と、前記加工対象物の表面で反射した光のうち、該加工対象物に入射するレーザビームの中空部を逆向きに伝搬する光を反射させ、該加工対象物の表面に向かって反射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【０００８】
入射するレーザビームの中空部を逆向きに伝搬する光を反射させ、加工対象物の表面に再入射させることにより、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の第１の実施例によるレーザ出射光学部の構成を示す。レーザ光源１０から出射したレーザビームが、光ファイバ１１内を伝搬し、その出射端面から出射する。光ファイバ１１の先端から出射したレーザビームがコリメートレンズ１２に入射し、コリメートされる。
【００１０】
コリメートされたレーザビームが、第１の円錐プリズム１３に入射し、さらに第２の円錐プリズム１４に入射する。第１の円錐プリズム１３と第２の円錐プリズム１４は、レーザビームのビーム断面を環状に変換する。環状のビーム断面を有するレーザビームが、第１の凹面鏡１５に設けられた貫通孔１５Ａを通過する。貫通孔１５Ａの内径は、環状断面を有するレーザビームの外径に等しいかそれより僅かに大きい。
【００１１】
貫通孔１５Ａを通過した環状断面を有するレーザビームが、集光レンズ１６に入射する。集光レンズ１６は、レーザビームの環状断面に対応した環状の透過領域を有する。集光レンズ１６の透過領域の内側に、この集光レンズ１６と一体となるよう構成された第２の凹面鏡１７が配置されている。
【００１２】
ステージ３１が、集光レンズ１６により収束されたレーザビームに照射される位置に、加工対象物３２を保持する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象物３２の表面上に位置するように、加工対象物３２が保持される。
【００１３】
第１の凹面鏡１５は、銅または真鍮などの金属部材の凹面に金メッキ等を施すことにより作製される。或いは、銅や真鍮の金属部材あるいはセラミックスの凹面に鏡面加工を施して作製される。この第１の凹面鏡１５の曲率中心は、集光レンズ１６の焦点に一致する。
【００１４】
第２の凹面鏡１７は、ガラス材の表面（レーザビームの入射側の面）に全反射ミラーコーティングを施すことにより作製できる。反対側の面（加工対象物３２側の面）は平面であり、無反射コーディングが施されている。また、集光レンズ１６を構成するガラス材を環状とするか、加工対象物３２側の面に凹所を形成し、そこに金属材料（例えば、銅）を埋め込み、その表面を金メッキして反射面としてもよい。第２の凹面鏡１７の曲率中心も、第１の凹面鏡１５の曲率中心と同様に集光レンズ１６の焦点に一致する。
【００１５】
第１の実施例では、第１の凹面鏡１５が、第２の円錐プリズムと集光レンズ１６との間に位置するが、図２に示すように、第１の凹面鏡１５の反射面を、集光レンズ１６よりも、加工対象物３２側に配置してもよい。例えば、集光レンズ１６を第１の凹面鏡１５に設けられた貫通孔１５Ａ内に配置してもよい。この場合、第２の凹面鏡１７は、ガラス部材の加工対象物３２側の面が反射面になる。
【００１６】
次に、図１のレーザ出射光学部の動作について説明する。レーザ発振器１０から出射されたレーザビームが、光ファイバ１１の先端より出射されてコリメートレンズ１２に入射する。コリメートレンズ１２は、所定の広がり角を持って進行するレーザビームを平行光線束に変換する。これは、コリメートレンズ１２の焦点に光ファイバ１１の先端を位置させることにより実現される。なお、光ファイバ１１のコア径を６００μｍ、コリメートレンズ１２の直径を５０ｍｍ、焦点距離を１３０ｍｍとすると、コリメートレンズ１２から出射される平行光線束のビーム径ｌは、３４ｍｍとなる。
【００１７】
コリメートレンズ１２から出射された平行光線束は、第１の円錐プリズム１３に入射する。第１の円錐プリズム１３は、その中心軸がコリメートレンズ１２の光軸と一致するように配置されている。第２の円錐プリズム１４は、第１の円錐プリズムと同軸上に配置されており、第１の円錐プリズム１３から偏向角δで出射された光線束を、環状断面を有する平行光線束に変換する。
【００１８】
ここで、第１の円錐プリズム１３、第２の円錐プリズム１４の各々において、入射するレーザ光の直径（又は外径）と出射されるレーザビームの直径（外径）とが等しいと仮定する。第１の円錐プリズム１３に入射するレーザ光の直径をｌ、第１の円錐プリズム１３から出射されるレーザ光の偏向角度をδ、第１の円錐プリズム１３と第２の円錐プリズム１４との距離をｄとし、第２の円錐プリズムから出射される環状断面を有する平行光線束の内径をＤ１とすると、
【００１９】
【数１】
Ｄ１＝２・ｄ・tanδ−ｌ
と表される。上式からわかるように、ｄを変化させることにより、環状断面の平行光線束の内径Ｄ１を、その外径Ｄ２とともに変更させることができる。つまり、第２の円錐プリズム１４をその中心軸に沿って移動可能に設けることにより、そこから出射される環状断面の平行光線束の内径及び外径を変えることができる。なお、第１及び第２の円錐プリズム１３及び１４の偏向角度及び屈折率を、それぞれ、θ及びｎとすると、第１の円錐プリズム１３から出射されるレーザ光の偏向角度δは、
【００２０】
【数２】
δ≒（ｎ−１）・θ
と近似することができる。
【００２１】
第２のプリズム１４から出射された環状断面の平行光線束は、凹面鏡１５の貫通孔１５Ａ内を通過して、集光レンズ１６に入射する。
【００２２】
集光レンズ１６は、例えば直径（外径）６０ｍｍ、焦点距離１００ｍｍの円環状レンズであって、入射した平行光線束を収束させて加工対象物３２の表面上に入射させる。なお、集光レンズ１６の外径は、環状断面の平行光線束の外径Ｄ２よりも大きい直径を有していればよく、この条件を満たす範囲で小さい方が好ましい。
【００２３】
加工対象物３２が金属等の場合には、入射する光の多くは反射する。この反射は、通常、乱反射（拡散反射）となる。これは、レーザ加工の対象となる金属材の表面が、通常、鏡面加工されていないからである。但し、乱反射とはいえ、全ての方向に均一に光が反射するわけではない。即ち、入射点における反射が正反射（鏡面反射）であると仮定した場合の、反射の法則に従う方向に、それ以外の方向よりも多くの光が反射する。このことは、以下に説明するように、図３に示す実験結果からも容易に理解できる。
【００２４】
図３は、左上方４５度の入射角で光が入射する場合、反射角４５度の方向に反射する光が、他の方向に反射する光よりも強い（分布密度が高い）こと示している。加工対象物３２の表面に対して垂直に加工用レーザ光を入射させると、入射方向に多くの反射光が戻ることになる。このような戻り光による影響を防止するために、光ファイバの先端には、戻り光が光ファイバに再入射することを阻止するための反射光対策が施されている。
【００２５】
第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７は、加工対象物３２の表面で生じた乱反射による戻り光のうち、入射方向及びその周辺に向かって進む反射光を反射する。上述のように、第1の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７は、各々の曲率中心が集光レンズ１６の焦点に一致するように設置されているので、第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７で反射した光は、図４に示すように、再び、加工対象物の被加工点に入射する。
【００２６】
第１及び第２の凹面鏡１５または１７で反射し、加工対象物３２の表面に再入射した光も、その多くが加工対象物３２の表面で反射する。そのうち、第１及び第２の凹面鏡１５及び１７に入射する反射光は、その反射面で反射し、再度、加工対象物３２の表面に入射する。光の一部は、加工対象物３２と第１及び第２の凹面鏡１５及び１７との間を往復する。
【００２７】
上述のように、加工対象物３２に光線束が繰り返し入射すると、従来、加工に寄与していなかった光が加工に寄与することになり、従来よりも高いエネルギ利用効率を実現できる。例えば、加工対象物３２に入射するレーザ光のうち１０％が加工に寄与し、残り９０％が反射され、加工対象物３２で反射したレーザ光のうちの１／３が、第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７で反射して加工対象物へ再入射すると仮定する。第１の凹面鏡１５及び第２の凹面鏡１７で２度反射した光までが加工に寄与すると仮定すると、従来に比べ１．４倍以上のエネルギ利用効率を実現できる。
【００２８】
例えば、レーザパワー２０００Ｗでイニシャルレーザ照射（集光レンズ２４からの照射）を行なうものとすると、そのうち加工に寄与するのは２００Ｗである。残りの１８００Ｗは、加工対象物の表面で反射する。反射光のうちの１／３（即ち、６００Ｗ）が凹面鏡１５及び１７で反射し、加工対象物３２に再入射する。凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レーザ光（第１次反射光）の１０％にあたる６０Ｗが加工に寄与する。
【００２９】
凹面鏡１５及び１７で反射した加工用レーザ光（６００Ｗ）のうちの９０％（５４０Ｗ）が、再度加工対象物の表面で反射する。その１／３（５４０／３＝１８０Ｗ）が、再び凹面鏡１５及び１７で反射し、加工対象物３２に再入射する。加工対象物３２に入射する１８０Ｗの第２次反射光のうち１０％、即ち１８Ｗが加工に寄与する。このように、２０００Ｗの加工用レーザ光を照射すると２００Ｗ＋６０Ｗ＋１８Ｗ＝２７８Ｗが、加工に寄与することとなり、凹面鏡１５及び１７を取り付けない場合に比べて約１．４倍のエネルギ利用効率を実現できる。
【００３０】
従来、加工に寄与するパワーを２７８Ｗとするためには、出力３ｋＷクラスのレーザ発振器が必要であった。本実例によるレーザ出射光学部を用いることにより、２ｋＷクラスのレーザ発振器で上記パワーを実現することができる。
【００３１】
第１の凹面鏡１５の反射面を半球に近付けるほど（反射面を広くするほど）、加工対象物へ向けて反射するレーザ光の割合は多くなる。しかしながら、第１の凹面鏡１５の縁部に近い位置（加工対象物の近く）で反射した光は、加工対象物３２へ大きな入射角で入射する。大きな入射角で入射する光は、加工品質に悪影響を与える。また、反射面を大きくすると、加工装置全体が大きくなってしまう。そこで、第１の凹面鏡１５は、その縁部で反射されたレーザ光の加工対象物への入射角が約２５度以下となるような形状及び大きさとすることが望ましい。
【００３２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施例によるレーザ加工装置ついて説明する。
【００３３】
図５に示した光ファイバ１１、コリメートレンズ１２、第１の円錐プリズム１３、第２の円錐プリズム１４は、図１に示した対応する部分と同様の構成である。第２の円錐プリズム１４を透過した環状断面を有する加工用レーザビームが、折返しミラー２１及び２２で反射し、円環状の透過領域を有する集光レンズ１６に入射する。折返しミラー２２は、加工用レーザビームを全反射させ、可視光を透過させる。
【００３４】
集光レンズ１６により収束されたレーザビームが、テーブル３１の上に保持された加工対象物３２の表面に入射する。集光レンズ１６の焦点が、加工対象物３２の表面上に位置するように、集光レンズ１６及び加工対象物３２の位置が調節されている。
【００３５】
集光レンズ１６の外側に第１の凹面鏡１５が配置され、内側に第２の凹面鏡１７が配置されている。集光レンズ１６、第１の凹面鏡１５、及び第２の凹面鏡１７は、図２に示した実施例の対応する構成部分と同様の構成を有する。
【００３６】
照明用光源３５が、加工対象物３２の表面を照明する。図５では、外部照明方法が採用されている場合を示しているが、同軸照明方法を採用してもよい。加工対象物３２の表面で散乱した照明光が、集光レンズ１６でコリメートされ、折返しミラー２２を透過する。折返しミラー２２を透過した光は、結像レンズ２３に入射する。結像レンズ２３は、加工対象物３２の表面を、撮像装置２４の撮像面上に結像させる。撮像装置２４は、例えばＣＣＤカメラ等で構成される。撮像装置２４により、加工対象物３２の表面の加工状態を観測することができる。
【００３７】
集光レンズ１６の円環状の透過領域の内径は１５ｍｍ、外径は６５ｍｍ、焦点距離は１００ｍｍである。結像レンズ２３の外径は５０ｍｍ、有効口径は４７ｍｍ、焦点距離は１２０ｍｍである。集光レンズ１６と結像レンズ２３とを含むレンズ系の光学倍率は１．２倍になる。
【００３８】
上記構成を採用した場合、十分な解像度で加工対象物３２の表面を観察することができた。集光レンズ１６の透過領域の内径を大きくすると、解像度が低下する。透過領域の内径を１８ｍｍ及び２０ｍｍとすると、内径が１５ｍｍの時に比べて解像度は低下したが、加工状態を観察するには十分な解像度であった。透過領域の内径を２５ｍｍとすると、さらに解像度が低下し、観察に必要な解像度が得られなかった。
【００３９】
撮像装置２４の撮像面上に映し出される像の解像度は、集光レンズ１６の透過領域の外径、内径、及び結像レンズ２３の有効口径に依存すると考えられる。十分な解像度を得るためには、集光レンズ１６の透過領域の外径と結像レンズ２３の有効口径とのうち小さな方を、集光レンズ１６の透過領域の内径の２．３倍以上とすることが好ましい。
【００４０】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
【００４１】
図６は、第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。第２の実施例では、環状の透過領域を有する集光レンズ１６が用いられていたが、第３の実施例では、集光レンズ１６の代わりに、全面が透過領域とされた集光レンズ１６Ａが用いられる。また、第３の実施例では、第２の凹面鏡１７の代わりに、反射鏡１７Ａが配置される。その他の構成は、第２の実施例によるレーザ加工装置の構成と同様である。
【００４２】
反射鏡１７Ａは、折返しミラー２１と２２との間を伝搬するレーザビームの断面の中空部内に配置されている。加工対象物３２の被加工点で反射したレーザビームが、集光レンズ１６Ａで平行光線束とされ、折返しミラー２２で反射し、反射鏡１７Ａに入射する。反射鏡１７Ａは、被加工点からの反射光を、加工対象物３２に向けて反射させる。反射鏡１７Ａで反射した光線束は、折返しミラー２２で反射し、集光レンズ１６Ａで収束されて加工対象物３２に再入射する。
【００４３】
第３の実施例の場合には、加工対象物３２の表面で散乱した照明光が、集光レンズ１６Ａ及び結像レンズ２３を通って、撮像装置２４に入射する。集光レンズ１６Ａの実効的な口径が、第２の実施例で用いられていた集光レンズ１６の実効的な口径よりも大きいため、撮像装置２４に映し出される像の解像度をより高めることができる。
【００４４】
図６では、反射鏡１７Ａを、折返しミラー２１と２２との間に配置したが、レーザビームの断面が環状にされており、加工対象物３２から撮像装置２４に至る照明光の経路から分岐した部分であれば、どの位置に配置してもよい。
【００４５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の表面で反射した光を、加工対象物表面に再入射させることにより、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例の変形例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、加工対象物へのレーザ光の入射方向と反射光の分布密度との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施例によるレーザ加工装置の第１及び第２の凹面鏡における反射を説明するための図である。
【図５】第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図６】第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【符号の説明】
１０レーザ発振器
１１光ファイバ
１２コリメートレンズ
１３第１の円錐プリズム
１４第２の円錐プリズム
１５第１の凹面鏡
１５Ａ貫通孔
１６、１６Ａ集光レンズ
１７第２の凹面鏡
１７Ａ反射鏡
２１、２２折返しミラー
２３結像レンズ
２４撮像装置
３１ステージ
３２加工対象物
３５照明装置

Claims

中心に中空部が配された環状のビーム断面を有する加工用レーザビームを生成するレーザビーム源と、
前記レーザビーム源で生成された加工用レーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に入射させる集光レンズと、
前記加工用レーザビームのビーム断面の前記中空部に配置され、該加工用レーザビームのうち前記加工対象物の表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反射させる第１の反射鏡と
を有するレーザ加工装置。
前記レーザビーム源が、レーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射したレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズでコリメートされた平行光線束のビーム断面形状を、環状に変換するビーム形状変換装置と
を含む請求項１に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記加工用レーザビームが伝搬する経路の外側に配置され、前記加工用レーザビームのうち前記加工対象物の表面で反射した光を、前記加工対象物の表面に向けて反射させる第２の反射鏡を有する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
さらに、撮像装置と、
前記加工対象物の表面で散乱し、前記集光レンズを透過した光を収束させ、前記撮像装置の撮像面上に、前記加工対象物の表面を結像させる結像レンズと
を有する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記集光レンズが、前記加工用レーザビームを透過させる環状の透過領域を有し、前記第１の反射鏡が、前記集光レンズの環状の透過領域の内側に配置されている請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とが凹面鏡であり、両者の曲率中心が一致する請求項５に記載のレーザ加工装置。
前記集光レンズの透過領域が円環状であり、該透過領域の外径と前記結像レンズの有効口径との小さな方が、前記透過領域の内径の２．３倍以上である請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記加工対象物の表面で散乱し、前記撮像装置に達するまでの散乱光の経路と、前記加工用レーザビームの経路とを分岐させる分岐光学素子を有し、
前記第1の反射鏡が、前記加工用レーザビームの経路のうち前記散乱光の経路と重複しない部分に配置されている請求項４に記載のレーザ加工装置。
ビーム断面が環状のレーザビームを収束させ、加工対象物の表面上に集光させる工程と、
前記加工対象物の表面で反射した光のうち、該加工対象物に入射するレーザビームの中空部を逆向きに伝搬する光を反射させ、該加工対象物の表面に向かって反射させる工程と
を有するレーザ加工方法。
前記レーザビームを、前記加工対象物の表面上に集光させる工程において、該レーザビームを該加工対象物の表面に対して斜めに入射させる請求項９に記載のレーザ加工方法。