JP5021277B2 - Laser processing equipment - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザビームの焦点距離を制御可能なレーザ加工装置の改良に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to an improvement of a laser processing apparatus capable of controlling the focal length of a laser beam.

文字などを印字し、或いは、バーコードなどをマーキングする加工装置として、レーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置は、加工対象物(ワーク)の表面に対してレーザビームを照射するとともに、レーザビームを走査させることにより、印字やマーキングなどの加工を行う。この様なレーザ加工装置では、レーザビームを反射させる2つのミラーをそれぞれ回転させることにより、レーザビームを2次元走査させている。   A laser processing apparatus is known as a processing apparatus for printing characters or marking a bar code or the like. The laser processing apparatus performs processing such as printing and marking by irradiating the surface of a workpiece (workpiece) with a laser beam and scanning the laser beam. In such a laser processing apparatus, the laser beam is two-dimensionally scanned by rotating two mirrors that reflect the laser beam.

最近では、2次元走査による平面上での加工だけでなく、レーザビームの焦点距離を制御して3次元状の加工を可能としたレーザ加工装置も開発されている。具体的には、ビーム径を拡大させるビームエキスパンダを調整することにより、レーザビームの焦点距離を変化させている。   Recently, not only processing on a plane by two-dimensional scanning but also a laser processing apparatus capable of three-dimensional processing by controlling the focal length of a laser beam has been developed. Specifically, the focal length of the laser beam is changed by adjusting a beam expander that expands the beam diameter.

図16は、従来のレーザ加工装置100の構成の一例を示した図である。このレーザ加工装置100は、レーザ発振器110、ビームエキスパンダ120、2次元走査用のミラー対130及び集光レンズ140により構成される。レーザ発振器110は、レーザビームを生成する装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームA10を所定方向に射出する。ビームエキスパンダ120は、レーザビームA10のビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、第1のレンズ121と、第1のレンズ121に光軸を一致させて配置される第2のレンズ122からなる。第1のレンズ121は、レーザビームA10の入射側に配置されている。第2のレンズ122は、この第1のレンズ121を透過した光を光軸に近づく方へ屈折させる光学レンズであり、レーザビームA10に比べてビーム径の拡大したレーザビームA20が出射される。   FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a configuration of a conventional laser processing apparatus 100. The laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 110, a beam expander 120, a two-dimensional scanning mirror pair 130, and a condenser lens 140. The laser oscillator 110 is a device that generates a laser beam, and emits a laser beam A10 having a predetermined cross-sectional shape in a predetermined direction. The beam expander 120 is a beam expander that expands the beam diameter of the laser beam A10. The beam expander 120 includes a first lens 121 and a second lens 122 that is arranged with the optical axis aligned with the first lens 121. . The first lens 121 is disposed on the incident side of the laser beam A10. The second lens 122 is an optical lens that refracts the light transmitted through the first lens 121 toward the optical axis, and emits a laser beam A20 having a beam diameter larger than that of the laser beam A10.

ミラー対130は、第2のレンズ122を透過したレーザビームA20を反射させる2つのミラー131及び132からなる、いわゆるガルバノミラーである。各ミラー131,132は、互いに異なる回転軸の回りに回転可能に保持され、回転軸の回りに所定量回転することにより、反射角が所定量変化してレーザビームA20が走査される。集光レンズ140は、2次元走査用ミラー対130により反射されたレーザビームA20を集光させる光学レンズである。この例では、集光レンズ140を透過したレーザビームが集光レンズ140の光軸位置に走査され、ワークB10上にレーザスポットB20が形成されている。   The mirror pair 130 is a so-called galvanometer mirror composed of two mirrors 131 and 132 that reflect the laser beam A20 that has passed through the second lens 122. Each of the mirrors 131 and 132 is held so as to be rotatable around different rotation axes, and is rotated by a predetermined amount around the rotation axis, whereby the reflection angle is changed by a predetermined amount and the laser beam A20 is scanned. The condensing lens 140 is an optical lens that condenses the laser beam A20 reflected by the two-dimensional scanning mirror pair 130. In this example, the laser beam transmitted through the condenser lens 140 is scanned to the optical axis position of the condenser lens 140, and a laser spot B20 is formed on the workpiece B10.

上記ビームエキスパンダ120における第1のレンズ121及び第2のレンズ122間の距離を変化させることにより、集光レンズ140に入射されるレーザビームA20を構成する光の入射角度が変化する。この入射角度の変化により、集光レンズ140を透過するレーザビームの焦点距離が変化することとなる。また、各ミラー131及び132を回転させることにより、ワークB10上でレーザスポットB20を2次元方向に走査させることができる。   By changing the distance between the first lens 121 and the second lens 122 in the beam expander 120, the incident angle of the light constituting the laser beam A20 incident on the condenser lens 140 changes. With this change in the incident angle, the focal length of the laser beam transmitted through the condenser lens 140 changes. Further, by rotating the mirrors 131 and 132, the laser spot B20 can be scanned in a two-dimensional direction on the workpiece B10.

上記レーザスポットB20は、点ではなく有限の大きさであることから、文字などを印字する場合に、印字時の線幅を小さくするには、レーザスポットB20のサイズをより小さくする必要がある。一般に、レーザスポットのサイズは、レーザビームの焦点距離が長くなるほど、より大きくなる傾向にあることが知られている。レーザビームの焦点距離を短くしてレーザスポットを狭小化する方法として、集光レンズ140に屈折率の高いレンズを使用し、或いは、屈折面の曲率の大きなレンズを使用することが考えられるが、コスト面や技術面で限界がある。   Since the laser spot B20 is not a point but a finite size, it is necessary to reduce the size of the laser spot B20 in order to reduce the line width during printing when printing characters or the like. In general, it is known that the size of a laser spot tends to increase as the focal length of the laser beam increases. As a method of narrowing the laser spot by shortening the focal length of the laser beam, it is conceivable to use a lens having a high refractive index for the condenser lens 140 or a lens having a large refractive surface curvature. There are limits in terms of cost and technology.

そこで、ビームエキスパンダ120を用いてビーム径を拡大させるとともに、集光レンズ140に入射されるレーザビームA20を構成する光の入射角度をより大きくすることにより、レーザビームA20の焦点距離をより短くすることが従来から行われていた。この様な従来のレーザ加工装置100では、2次元走査用の各ミラー131及び132よりもワークB10側に集光レンズ140が配置されることから、集光レンズ140の球面収差の影響により、レーザスポットB20が集光レンズ140の光軸位置から離れれば離れるほど、スポットの形状が大きく歪み印字品質が低下してしまうという問題があった。   Therefore, the focal length of the laser beam A20 is shortened by enlarging the beam diameter using the beam expander 120 and increasing the incident angle of the light constituting the laser beam A20 incident on the condenser lens 140. It has traditionally been done. In such a conventional laser processing apparatus 100, the condensing lens 140 is disposed on the work B10 side with respect to the mirrors 131 and 132 for two-dimensional scanning, so that the laser is affected by the spherical aberration of the condensing lens 140. As the spot B20 is further away from the optical axis position of the condensing lens 140, there is a problem that the spot shape becomes larger and the print quality is deteriorated.

通常、2次元走査用のミラーには、上述したように互いに異なる回転軸の回りに回転させる2つのミラーが用いられる。この様な2つのミラーを同じ位置に配置することは困難であることから、これらのミラーの少なくとも一方は、集光レンズ140の入射ひとみから離れた位置に配置される。このため、各ミラーにより反射されたレーザビームが集光レンズ140に入射する際の入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみから遠い側と、近い側とで、集光位置にずれが生じることとなる。つまり、集光レンズ140の光軸から離れたワークB10上の位置に印字させようとすると、入射ひとみから遠い側と近い側との間で生じる集光位置のずれにより、光軸付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットB20が形成されてしまうこととなる。レーザスポットB20の形状に歪みが生じると、1本の線が二重に印字され、或いは、線幅が太くなり、印字品質が低下する。ここで、複数の光学レンズを組み合わせることにより球面収差を小さくしたものを集光レンズ140として使用し、スポット形状の歪みを抑制させることも考えられるが、この場合、製造コストが増大してしまうという問題があった。   Usually, as described above, two mirrors that rotate around different rotation axes are used as the two-dimensional scanning mirror. Since it is difficult to arrange such two mirrors at the same position, at least one of these mirrors is arranged at a position away from the entrance pupil of the condenser lens 140. For this reason, when the incident angle when the laser beam reflected by each mirror is incident on the condenser lens 140 becomes large, due to the influence of spherical aberration, on the outside of the beam, that is, on the side far from the entrance pupil and on the near side. Therefore, a deviation occurs in the light collecting position. That is, when printing is performed at a position on the workpiece B10 that is away from the optical axis of the condenser lens 140, printing is performed near the optical axis due to a shift in the focal position that occurs between the far side and the near side from the entrance pupil. Compared to the case, the laser spot B20 whose shape is greatly distorted is formed. When distortion occurs in the shape of the laser spot B20, one line is printed twice, or the line width becomes thick, and the printing quality is deteriorated. Here, it is conceivable to use a lens having a reduced spherical aberration by combining a plurality of optical lenses as the condenser lens 140 to suppress distortion of the spot shape, but in this case, the manufacturing cost increases. There was a problem.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。特に、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus with improved printing quality without increasing manufacturing costs. In particular, it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus in which distortion of the spot shape is suppressed even when a laser spot is formed at a position away from the optical axis of a condenser lens.

第1の本発明によるレーザ加工装置は、所定の断面形状からなるレーザビームを生成するレーザ発振器と、上記レーザビームを拡散性に屈折させる第1のレンズと、上記第1のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第2のレンズと、上記第2のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、上記ミラーを回転させて上記レーザビームを2次元走査させる2次元走査手段と、上記第1のレンズ及び上記第2のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、上記第1のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りと、上記第1のレンズ及び上記第2のレンズを保持するホルダーと、上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされるように構成される。 A laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a laser oscillator that generates a laser beam having a predetermined cross-sectional shape, a first lens that refracts the laser beam diffusively, and a laser that passes through the first lens. A second lens that refracts the beam in a convergent manner; a mirror that reflects the laser beam that has passed through the second lens; a condenser lens that condenses the laser beam reflected by the mirror; and the mirror that rotates. Two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning the laser beam; focal length control means for controlling the focal length of the laser beam by changing the distance between the first lens and the second lens; disposed between the first lens and the mirror, and beam stop reduces the beam diameter by blocking the periphery of the laser beam, the first lens and the upper A holder for holding the second lens; and an optical axis adjusting means for positioning the holder so that the optical axis of the laser oscillator and the holder coincides with the holder attached to the housing in which the laser oscillator is disposed, The beam stop is attached to the holder, and the beam stop and the holder are integrally positioned by the optical axis adjusting means .

このレーザ加工装置では、レーザビームを拡散性に屈折させる第1のレンズと、この第1のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第2のレンズとからビームエキスパンダが構成される。このビームエキスパンダにより、レーザ発振器において生成されたレーザビームのビーム径が拡大される。そして、これらのレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーを回転させることにより、レーザビームが2次元走査される。その際、レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りが第1のレンズと、ミラーとの間に配置され、このビーム絞りによってレーザビームの通過可能なエリアが狭められる。この様な構成により、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りによって絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。   In this laser processing apparatus, a beam expander is composed of a first lens that refracts the laser beam in a diffusive manner and a second lens that refracts the laser beam that has passed through the first lens in a convergent manner. The beam expander expands the beam diameter of the laser beam generated in the laser oscillator. Then, the laser beam is two-dimensionally scanned by rotating a mirror that reflects the laser beam transmitted through these lenses. At this time, a beam stop that cuts off the peripheral portion of the laser beam and reduces the beam diameter is disposed between the first lens and the mirror, and the area through which the laser beam can pass is narrowed by this beam stop. With such a configuration, the laser beam transmitted through the condenser lens is narrowed by the beam stop, so that even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens, the spot shape is distorted. It can be suppressed from occurring.

また、第1のレンズ及び第2のレンズを保持するホルダーが、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように位置決めされ、筐体に取り付けられる。その際、ビーム絞りが、ホルダーに取り付けられ、一体的に位置決めされるので、レーザビームの光軸合わせを容易化することができる。In addition, the holder for holding the first lens and the second lens is positioned so that the optical axes of the laser oscillator and the holder coincide with each other and attached to the housing. At this time, since the beam stop is attached to the holder and positioned integrally, the optical axis alignment of the laser beam can be facilitated.

第2の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第1のレンズ及び第2のレンズ間の中央よりもミラー側に配置されているように構成される。この様な構成によれば、第1のレンズ及び第2のレンズ間の中央よりも第1のレンズ側に配置するのに比べて、ビーム径のより大きなレーザビームの周縁部をビーム絞りに遮断させればよいことから、ビーム絞りに対して要求される加工精度を低減することができる。 In addition to the above configuration, the laser processing apparatus according to the second aspect of the present invention is configured such that the beam stop is disposed on the mirror side with respect to the center between the first lens and the second lens. According to such a configuration, the peripheral portion of the laser beam having a larger beam diameter is blocked by the beam stop as compared with the case where the first lens is disposed closer to the first lens than the center between the first lens and the second lens. Therefore, the processing accuracy required for the beam stop can be reduced.

第3の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第2のレンズよりもミラー側に配置されているように構成される。
The laser processing apparatus according to the third aspect of the present invention is configured such that, in addition to the above configuration, the beam stop is disposed on the mirror side with respect to the second lens.

本発明によるレーザ加工装置によれば、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りにより絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。従って、複数の光学レンズを組み合わせて集光レンズの球面収差を小さくするのに比べて、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させることができる。   According to the laser processing apparatus of the present invention, the laser beam transmitted through the condenser lens is narrowed down by the beam stop. Therefore, even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens, Generation of distortion in the shape can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the printing quality without increasing the manufacturing cost as compared with the case where the spherical aberration of the condenser lens is reduced by combining a plurality of optical lenses.

図1は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置1の概略構成の一例を示した斜視図である。このレーザ加工装置1は、ワークWにレーザビームLを照射することによって表面加工を行う装置であり、レーザ制御部2、光ファイバーケーブル3及びレーザ出力部4からなる。なお、レーザ加工装置1を用いて行われる表面加工には、文字などの印字、バーコードなどのマーキング、塗装などを剥離する剥離加工、溝彫り加工、貫通孔を形成する穴あけ加工、フィルムなどの切断加工が含まれるものとする。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a schematic configuration of a laser processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 1 is an apparatus that performs surface processing by irradiating a workpiece W with a laser beam L, and includes a laser control unit 2, an optical fiber cable 3, and a laser output unit 4. In addition, surface processing performed using the laser processing apparatus 1 includes printing of characters and the like, marking such as barcodes, peeling processing for peeling coating, grooving processing, drilling processing for forming through holes, films, and the like. Cutting processing shall be included.

レーザ出力部4は、ワークWに対してレーザビームLを照射するとともに、レーザビームLを3次元スキャンさせることができるレーザ照射装置である。このレーザ出力部4は、例えば、横長の筐体からなり、筐体先端部から下方に向けてレーザビームLが射出される。   The laser output unit 4 is a laser irradiation apparatus that can irradiate the workpiece W with the laser beam L and cause the laser beam L to be three-dimensionally scanned. The laser output unit 4 is composed of, for example, a horizontally long case, and a laser beam L is emitted downward from the front end of the case.

レーザ制御部2は、レーザ出力部4の動作を制御する制御装置であり、レーザビームLを3次元スキャンさせるためのスキャン制御や、励起光の生成を行っている。この励起光の強度を調整することにより、レーザ出力部4から射出されるレーザビームLの強度(レーザパワー)を制御することができる。   The laser control unit 2 is a control device that controls the operation of the laser output unit 4, and performs scan control for causing the laser beam L to be three-dimensionally scanned and generation of excitation light. By adjusting the intensity of the excitation light, the intensity (laser power) of the laser beam L emitted from the laser output unit 4 can be controlled.

励起光は、光ファイバーケーブル3を介してレーザ出力部4へ供給され、レーザ出力部4内のレーザ発振器へ入力される。光ファイバーケーブル3は、励起光の光源及びレーザ発振器を光学的に結合している励起光の伝送路である。   The excitation light is supplied to the laser output unit 4 through the optical fiber cable 3 and input to the laser oscillator in the laser output unit 4. The optical fiber cable 3 is a pumping light transmission path that optically couples a pumping light source and a laser oscillator.

(レーザ出力部4)
図2は、図1のレーザ加工装置1におけるレーザ出力部4内の構成例を示した斜視図である。このレーザ出力部4は、レーザ発振器11、シャッタ12、ビームコンバイナ13、ビームエキスパンダ14、ビーム絞り15、走査用ミラー16,17、集光レンズ18及びガイド用光源19により構成される。
(Laser output unit 4)
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example in the laser output unit 4 in the laser processing apparatus 1 of FIG. The laser output unit 4 includes a laser oscillator 11, a shutter 12, a beam combiner 13, a beam expander 14, a beam stop 15, scanning mirrors 16 and 17, a condensing lens 18, and a guide light source 19.

レーザ発振器11は、レーザ制御部2からの励起光を用いて、照射用のレーザビームLを生成するレーザ発振装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームLを所定方向に射出する。このレーザ発振器11から射出されたレーザビームLは、シャッタ12、ビームコンバイナ13、ビームエキスパンダ14、ビーム絞り15、走査用ミラー16及び17を順に経由した後、集光レンズ18によってワークW上に集光される。   The laser oscillator 11 is a laser oscillation device that generates an irradiation laser beam L using excitation light from the laser control unit 2, and emits a laser beam L having a predetermined cross-sectional shape in a predetermined direction. The laser beam L emitted from the laser oscillator 11 passes through the shutter 12, the beam combiner 13, the beam expander 14, the beam stop 15, and the scanning mirrors 16 and 17 in this order, and then onto the work W by the condenser lens 18. Focused.

シャッタ12は、レーザビームLの遮断機である。ビームコンバイナ13は、レーザ発振器11から入射するレーザビームLを透過させ、ガイド用光源19から入射するガイド光を全反射させるためのハーフミラーである。   The shutter 12 is a laser beam L interrupter. The beam combiner 13 is a half mirror that transmits the laser beam L incident from the laser oscillator 11 and totally reflects the guide light incident from the light source 19 for guide.

ビームエキスパンダ14は、レーザビームLのビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、レーザビームLの光軸(主軸)上に2枚の光学レンズ、すなわち、入射レンズ14a及び出射レンズ14bを配置して構成される。このビームエキスパンダ14は、レーザ発振器11が配置されたフレーム4aに、入射レンズ14a及び出射レンズ14bを保持するホルダーを介して取り付けられている。   The beam expander 14 is a beam expander that expands the beam diameter of the laser beam L, and two optical lenses, that is, an incident lens 14a and an emission lens 14b are arranged on the optical axis (main axis) of the laser beam L. Configured. The beam expander 14 is attached to the frame 4a on which the laser oscillator 11 is disposed via a holder that holds the entrance lens 14a and the exit lens 14b.

入射レンズ14aは、レーザビームLを拡散性に屈折させる光学レンズであり、その光軸をレーザビームLの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を拡散性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸とは反対側、すなわち、光軸から遠ざかる方へ屈折させることであり、光路長に応じて径の拡大するビームが得られる。この様な入射レンズ14aには、例えば、レーザビームLの入射面が平面であり、出射面が凹面であるレンズが用いられる。   The incident lens 14a is an optical lens that refracts the laser beam L in a diffusive manner, and is arranged with its optical axis coinciding with the optical axis of the laser beam L. Here, refracting light diffusively means refracting all incident light to the side opposite to the optical axis of the lens, that is, away from the optical axis, and the diameter increases according to the optical path length. The beam to be obtained is obtained. As such an incident lens 14a, for example, a lens in which the incident surface of the laser beam L is a flat surface and the exit surface is a concave surface is used.

出射レンズ14bは、入射レンズ14aを透過したレーザビームLを収束性に屈折させる光学レンズであり、その光軸を入射レンズ14aの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を収束性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸側、すなわち、光軸に近づく方へ屈折させることである。この様な出射レンズ14bには、例えば、入射面が平面であり、出射面が凸面であるレンズが用いられる。   The exit lens 14b is an optical lens that refracts the laser beam L transmitted through the incident lens 14a in a convergent manner, and is arranged with its optical axis coinciding with the optical axis of the incident lens 14a. Here, refracting light in a convergent manner means refracting all incident light toward the optical axis side of the lens, that is, toward the optical axis. For such an exit lens 14b, for example, a lens having a flat entrance surface and a convex exit surface is used.

ここでは、出射レンズ14bに比べてレンズ径の小さな入射レンズ14aが、光軸方向E1−F1に摺動可能に保持されるものとする。つまり、出射レンズ14bが、光軸上に固定されているのに対し、入射レンズ14aは、摺動可能に保持されているので、入射レンズ14aを光軸方向に移動させることによって、入射レンズ14a及び出射レンズ14b間の距離を変化させることができる。また、出射レンズ14bを透過したレーザビームLは、光路長に応じてビーム径の縮小する収束性のビーム(光線束)からなるものとする。   Here, it is assumed that the incident lens 14a having a smaller lens diameter than the exit lens 14b is slidably held in the optical axis direction E1-F1. That is, while the exit lens 14b is fixed on the optical axis, the entrance lens 14a is slidably held. Therefore, by moving the entrance lens 14a in the optical axis direction, the entrance lens 14a is moved. And the distance between the exit lenses 14b can be changed. The laser beam L that has passed through the exit lens 14b is composed of a convergent beam (light beam) whose beam diameter is reduced in accordance with the optical path length.

レーザ発振器11から入射されるレーザビームLは、光路長にかかわらずビーム径が一定の平行光であるが、入射レンズ14aを通過することによって、光路長に応じてビーム径が変化する非平行光となる。ここでは、入射レンズ14aがレーザビームLを拡散性に屈折させているので、光路長が長くなれば、ビーム径が拡大していく。   The laser beam L incident from the laser oscillator 11 is parallel light having a constant beam diameter regardless of the optical path length, but is non-parallel light whose beam diameter changes according to the optical path length by passing through the incident lens 14a. It becomes. Here, since the incident lens 14a refracts the laser beam L diffusively, the beam diameter increases as the optical path length increases.

入射レンズ14a及び出射レンズ14b間の距離を変化させると、出射レンズ14bに入射する光の入射角度が変化し、集光レンズ18に入射する光の入射角度も変化するので、レーザビームLの焦点を集光レンズ18の光軸方向E2−F2に移動させることができる。従って、集光レンズ18の光軸方向をZ軸方向とすれば、ビームエキスパンダ14は、レーザビームLの焦点をZ軸方向に走査するZ軸スキャナとなる。   When the distance between the incident lens 14a and the outgoing lens 14b is changed, the incident angle of the light incident on the outgoing lens 14b is changed, and the incident angle of the light incident on the condenser lens 18 is also changed. Can be moved in the optical axis direction E2-F2 of the condenser lens 18. Accordingly, if the optical axis direction of the condenser lens 18 is the Z-axis direction, the beam expander 14 becomes a Z-axis scanner that scans the focal point of the laser beam L in the Z-axis direction.

なお、ここでは、出射レンズ14bを固定し、入射レンズ14aを移動可能にするビームエキスパンダ14について説明したが、ビームエキスパンダ14は、レンズ14a,14b間の距離が調整可能であればよい。従って、入射レンズ14aを固定して、出射レンズ14bを移動可能としても良いし、入射レンズ14a、出射レンズ14bを共に移動可能とすることもできる。   Here, the beam expander 14 has been described in which the exit lens 14b is fixed and the incident lens 14a is movable. However, the beam expander 14 only needs to be able to adjust the distance between the lenses 14a and 14b. Therefore, the incident lens 14a may be fixed and the exit lens 14b may be movable, or both the entrance lens 14a and the exit lens 14b may be movable.

ビーム絞り15は、レーザビームLを制限するための開口絞り(aperture:アパチャ)であり、レーザビームLの周縁部を遮断してビーム径を減少させる。このビーム絞り15により、レーザビームLの通過可能なエリアが狭められ、集光レンズ18に入射するレーザビームLが絞り込まれる。ここでは、この様なビーム絞り15が出射レンズ14bよりも走査用ミラー16側に配置されるものとする。   The beam stop 15 is an aperture stop for limiting the laser beam L, and cuts the periphery of the laser beam L to reduce the beam diameter. The beam stop 15 narrows the area through which the laser beam L can pass, and the laser beam L incident on the condenser lens 18 is reduced. Here, it is assumed that such a beam stop 15 is disposed closer to the scanning mirror 16 than the exit lens 14b.

走査用ミラー16及び17は、出射レンズ14bを透過したレーザビームLを反射させ、レーザビームLをその光軸に垂直な面内で移動させる2次元スキャナである。走査用ミラー16は、出射レンズ14bの光軸に垂直な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームLがX軸方向A2−B2に走査される。ここでいう回転とは、ミラーの揺動運動、すなわち、所定の角度範囲内で行われる往復運動のことである。   The scanning mirrors 16 and 17 are two-dimensional scanners that reflect the laser beam L transmitted through the emission lens 14b and move the laser beam L in a plane perpendicular to the optical axis. The scanning mirror 16 is a galvanometer mirror having a rotation axis perpendicular to the optical axis of the exit lens 14b. By rotating a predetermined amount around this rotation axis, the laser beam L is scanned in the X-axis direction A2-B2. The The term “rotation” as used herein refers to a swinging movement of the mirror, that is, a reciprocating movement performed within a predetermined angle range.

走査用ミラー17は、出射レンズ14bの光軸に平行な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームLがY軸方向C2−D2に走査される。ここでは、走査用ミラー16の回転方向をA1−B1とし、走査用ミラー17の回転方向をC1−D1としている。   The scanning mirror 17 is a galvanometer mirror having a rotation axis parallel to the optical axis of the exit lens 14b, and the laser beam L is scanned in the Y-axis direction C2-D2 by rotating a predetermined amount around the rotation axis. The Here, the rotation direction of the scanning mirror 16 is A1-B1, and the rotation direction of the scanning mirror 17 is C1-D1.

集光レンズ18は、走査用ミラー16,17により反射されたレーザビームLを集光させる光学レンズである。ここでは、集光レンズ18として、fθレンズが用いられるものとする。fθレンズは、像高がレーザビームLの入射角度に比例するように、設計された光学レンズである。この様なfθレンズとして、例えば、レーザビームLの入射面が凹面であり、出射面が入射面よりも大きな曲率の凸面であるレンズが用いられる。   The condensing lens 18 is an optical lens that condenses the laser beam L reflected by the scanning mirrors 16 and 17. Here, it is assumed that an fθ lens is used as the condenser lens 18. The fθ lens is an optical lens designed so that the image height is proportional to the incident angle of the laser beam L. As such an fθ lens, for example, a lens in which the incident surface of the laser beam L is a concave surface and the exit surface is a convex surface having a larger curvature than the incident surface is used.

走査用ミラー16及び17をそれぞれ所定の範囲内で回転させることにより、集光レンズ18の光軸に垂直な面上の走査エリアW1内でレーザビームLを走査させることができる。具体的には、例えば、50mm×50mmの矩形エリアを走査させることができる。また、入射レンズ14aを所定の範囲内で移動させることにより、所定範囲内でレーザビームLの焦点を光軸方向に移動させることができる。   By rotating the scanning mirrors 16 and 17 within a predetermined range, the laser beam L can be scanned in the scanning area W1 on the plane perpendicular to the optical axis of the condenser lens 18. Specifically, for example, a rectangular area of 50 mm × 50 mm can be scanned. Further, by moving the incident lens 14a within a predetermined range, the focal point of the laser beam L can be moved in the optical axis direction within the predetermined range.

つまり、走査用ミラー16及び17の回転量を変化させることにより、レーザビームLが2次元走査され、回転量を調整することにより2次元走査を制御することができる。また、ビームエキスパンダ14におけるレンズ間の距離を変化させることにより、レーザビームLの焦点が光軸方向に移動し、レンズ間の距離を調整することによりレーザビームLの焦点距離を制御することができる。   That is, the laser beam L is two-dimensionally scanned by changing the amount of rotation of the scanning mirrors 16 and 17, and the two-dimensional scanning can be controlled by adjusting the amount of rotation. Further, by changing the distance between the lenses in the beam expander 14, the focal point of the laser beam L moves in the optical axis direction, and the focal distance of the laser beam L can be controlled by adjusting the distance between the lenses. it can.

ガイド用光源19は、可視光からなるガイド光を生成する光源装置であり、例えば、赤色レーザダイダイオードが用いられる。ガイド用光源19から出射されたガイド光は、レーザビームLの光路上のビームコンバイナ13で反射され、レーザビームLの光路に入る。レーザビームLの光路に入ったガイド光は、ビームエキスパンダ14、ビーム絞り15、走査用ミラー16,17及び集光レンズ18を経てワークWへ照射される。この様なガイド光は、レーザビームLの照射位置と同じ位置に照射されるので、レーザビームLの照射前にガイド光を照射し、レーザビームLの照射時と同様のXY走査を行うことによって、レーザビームLの照射位置を事前に目視確認することができる。   The guide light source 19 is a light source device that generates guide light composed of visible light, and for example, a red laser diode is used. The guide light emitted from the guide light source 19 is reflected by the beam combiner 13 on the optical path of the laser beam L and enters the optical path of the laser beam L. The guide light entering the optical path of the laser beam L is applied to the workpiece W through the beam expander 14, the beam stop 15, the scanning mirrors 16 and 17, and the condenser lens 18. Since such guide light is irradiated at the same position as the irradiation position of the laser beam L, the guide light is irradiated before irradiation of the laser beam L, and XY scanning similar to that at the irradiation of the laser beam L is performed. The irradiation position of the laser beam L can be visually confirmed in advance.

(レーザ発振器11)
図3は、図2のレーザ出力部4におけるレーザ発振器11の一構成例を示した図である。このレーザ発振器11は、励起光をレーザ媒体23に照射し、その誘導放出光を共振器内で増幅して、単一波長からなるレーザビームL1を生成するレーザ発振装置である。光ファイバーケーブル3を介して、レーザ制御部2から入力された励起光は、入射レンズ21によってレーザ媒体23内に集光され、レーザ媒体23から誘導放射光が放出される。この誘導放射光は、対向配置された入力ミラー22及び出力ミラー26で反射され、レーザ媒体23に再び入射される。
(Laser oscillator 11)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the laser oscillator 11 in the laser output unit 4 of FIG. The laser oscillator 11 is a laser oscillation device that irradiates a laser medium 23 with excitation light and amplifies the stimulated emission light in a resonator to generate a laser beam L1 having a single wavelength. The excitation light input from the laser control unit 2 via the optical fiber cable 3 is condensed in the laser medium 23 by the incident lens 21, and the guide radiation is emitted from the laser medium 23. The induced radiation light is reflected by the input mirror 22 and the output mirror 26 that are arranged to face each other, and is incident on the laser medium 23 again.

入力ミラー22は、入射レンズ21側からの入射光を透過させ、レーザ媒体23側からの入射光を全反射させるハーフミラーである。出力ミラー26は、レーザビームの大部分を反射させるとともに、一部を透過させる半透過ミラーであり、出力ミラー26の透過光は、ビームエキスパンダ14へ入射される。対向配置された入力ミラー22及び出力ミラー26は、レーザビームを往復させる共振器光軸27を形成しており、この共振器光軸27上にレーザ媒体23、Qスイッチ24及びアパチャ25が順に配置されている。   The input mirror 22 is a half mirror that transmits incident light from the incident lens 21 side and totally reflects incident light from the laser medium 23 side. The output mirror 26 is a semi-transmissive mirror that reflects most of the laser beam and transmits part of the laser beam, and light transmitted through the output mirror 26 is incident on the beam expander 14. The input mirror 22 and the output mirror 26 arranged opposite to each other form a resonator optical axis 27 for reciprocating the laser beam, and a laser medium 23, a Q switch 24, and an aperture 25 are sequentially arranged on the resonator optical axis 27. Has been.

Qスイッチ24は、レーザビームを回折させる音響光学素子(AOM:Acoustic Optical Modulator)であり、アパチャ25は、共振器光軸27から外れたレーザビームを遮断するための絞りであり、Qスイッチ24及びアパチャ25を用いて、レーザ発振を停止させることができる。すなわち、レーザビームの光軸が共振器光軸27外となるように、Qスイッチ24がレーザビームを回折させれば、アパチャ25によってレーザビームが遮断され、レーザ発振が停止する。   The Q switch 24 is an acoustic optical modulator (AOM: Acoustic Optical Modulator) that diffracts the laser beam, and the aperture 25 is a stop for blocking the laser beam off the resonator optical axis 27. Laser oscillation can be stopped using the aperture 25. That is, if the Q switch 24 diffracts the laser beam so that the optical axis of the laser beam is outside the resonator optical axis 27, the laser beam is blocked by the aperture 25, and laser oscillation stops.

レーザ媒体23には、例えば、Nd:YVO4(ネオジウムイオンをドープしたイットリューム・バナジウム酸塩)を用いることができる。この場合、Nd:YVO4の吸収スペクトルの中心波長である809nmの波長を有する励起光が用いられる。また、レーザ発振器11は、固体レーザに限られず、CO2やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体をレーザ媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。 For the laser medium 23, for example, Nd: YVO 4 (yttrium vanadate doped with neodymium ions) can be used. In this case, excitation light having a wavelength of 809 nm which is the center wavelength of the absorption spectrum of Nd: YVO 4 is used. The laser oscillator 11 is not limited to a solid-state laser, and a gas laser using a gas such as CO 2 , helium-neon, argon, or nitrogen as a laser medium can also be used.

ここでは、この様なレーザ発振器11により、所定の断面形状、例えば、円形形状からなるレーザビームL1が生成されるものとする。   Here, it is assumed that such a laser oscillator 11 generates a laser beam L1 having a predetermined cross-sectional shape, for example, a circular shape.

(ビームエキスパンダ)
図4は、図2のレーザ出力部4におけるビームエキスパンダ14の一構成例を示した図であり、断面の様子が模式的に示されている。このビームエキスパンダ14は、ホルダー31と、ホルダー31をフレーム4aに係止するための係止ネジ32と、出射レンズ14bが配置される鏡筒33と、入射レンズ14aに取り付けられるレンズ枠34からなる。フレーム4aは、レーザ加工装置1の筐体の一部である。鏡筒33は、出射レンズ14bを保持し、所定の光路長を得るための筒体である。鏡筒33は、出射側端部の厚みが大きくなっており、この肉厚部に出射レンズ14bが配置されている。鏡筒33は、中心軸をレーザビームL1の光軸35に一致させて配置されている。
(Beam expander)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the beam expander 14 in the laser output unit 4 of FIG. 2, and schematically shows a cross-sectional state. The beam expander 14 includes a holder 31, a locking screw 32 for locking the holder 31 to the frame 4a, a lens barrel 33 in which the exit lens 14b is disposed, and a lens frame 34 attached to the incident lens 14a. Become. The frame 4 a is a part of the housing of the laser processing apparatus 1. The lens barrel 33 is a cylinder for holding the emission lens 14b and obtaining a predetermined optical path length. The lens barrel 33 has a large thickness at the exit side end, and the exit lens 14b is disposed in the thick part. The lens barrel 33 is arranged with its central axis coinciding with the optical axis 35 of the laser beam L1.

ホルダー31は、鏡筒33を介して出射レンズ14bを保持するとともに、レンズ枠34を介して入射レンズ14aを摺動可能に保持するレンズ保持手段である。入射レンズ14a及びレンズ枠34は、ボイスコイルモータなどの駆動手段によって駆動される可動部であり、この可動部を光軸35方向に移動させることにより、焦点距離の調整が行われる。   The holder 31 is a lens holding unit that holds the exit lens 14 b via the lens barrel 33 and slidably holds the entrance lens 14 a via the lens frame 34. The incident lens 14a and the lens frame 34 are movable parts driven by driving means such as a voice coil motor, and the focal length is adjusted by moving the movable part in the direction of the optical axis 35.

ビーム絞り15は、鏡筒33の出射側端面に配置されている。このビーム絞り15は、中央部に円形状の開口が設けられた円板からなり、開口面を光軸35に直交させて配置されている。ビーム絞り15は、例えば、鏡筒33内にねじ込むことにより、鏡筒33に固定されている。   The beam stop 15 is disposed on the exit side end face of the lens barrel 33. The beam stop 15 is made of a disc having a circular opening at the center, and is arranged with the opening surface orthogonal to the optical axis 35. The beam stop 15 is fixed to the lens barrel 33 by, for example, screwing into the lens barrel 33.

鏡筒33を介してビーム絞り15が取り付けられているホルダー31は、係止ネジ32を用いてフレーム4aに取り付けられる。その際、ホルダー31の光軸がレーザ発振器11の光軸に一致するように位置決めされ、ホルダー31がフレーム4a上に取り付けられる。つまり、係止ネジ32は、フレーム4aにホルダー31を取り付け、レーザ発振器11及びホルダー31の光軸が一致するように、当該ホルダー31を位置決めする光軸調整手段となっている。このとき、ビーム絞り15は、この光軸調整手段によりホルダー31と一体的に位置決めされる。   The holder 31 to which the beam stop 15 is attached via the lens barrel 33 is attached to the frame 4a using the locking screw 32. At that time, the holder 31 is positioned so that the optical axis of the holder 31 coincides with the optical axis of the laser oscillator 11, and the holder 31 is mounted on the frame 4a. That is, the locking screw 32 is an optical axis adjusting means for positioning the holder 31 so that the holder 31 is attached to the frame 4a and the optical axes of the laser oscillator 11 and the holder 31 are aligned. At this time, the beam stop 15 is positioned integrally with the holder 31 by the optical axis adjusting means.

具体的には、ホルダー31の固定位置をフレーム4a上でずらすことにより、水平方向の光軸調整が行われ、スペーサーをホルダー31及びフレーム4a間に挿入することにより、垂直な方向の光軸調整が行われる。または、上記スペーサーに代えて、一般的なアオリ調整機構を採用しても良い。   Specifically, the optical axis adjustment in the horizontal direction is performed by shifting the fixing position of the holder 31 on the frame 4a, and the optical axis adjustment in the vertical direction is performed by inserting a spacer between the holder 31 and the frame 4a. Is done. Alternatively, a general tilt adjusting mechanism may be employed instead of the spacer.

(ビーム絞り15)
図5(a)及び(b)は、図2のレーザ出力部4におけるビーム絞り15の一構成例を示した図であり、図5(a)には、レーザビームL1の入射方向から見た図が示され、図5(b)には、レーザビームL1の光軸を含む断面が示されている。このビーム絞り15は、周縁部15aの厚みを中央部に比べて大きくした円板状の部材からなる。そして、厚みの薄い中央部には、レーザビームL1を通過させるための円形の開口15bが設けられている。
(Beam stop 15)
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a configuration example of the beam stop 15 in the laser output unit 4 of FIG. 2, and FIG. 5A is viewed from the incident direction of the laser beam L1. FIG. 5B shows a cross section including the optical axis of the laser beam L1. The beam stop 15 is made of a disk-shaped member having a peripheral edge portion 15a thicker than the center portion. A circular opening 15b for allowing the laser beam L1 to pass therethrough is provided in the thin central portion.

開口15bのサイズは、レーザビームL1のビーム径に基づいて定められる。ここでは、出射レンズ14bの透過直後のビーム径に応じて定められるものとする。具体的には、出射レンズ14bの透過直後のビーム径が、例えば、直径17mmである場合、開口15bのサイズは、直径15〜16mm程度に定められる。この様なビーム絞り15により、入射光の5%〜15%を遮断し、従って、入射光の85%〜95%を透過させることができる。   The size of the opening 15b is determined based on the beam diameter of the laser beam L1. Here, it is determined according to the beam diameter immediately after transmission through the exit lens 14b. Specifically, when the beam diameter immediately after passing through the exit lens 14b is, for example, 17 mm in diameter, the size of the opening 15b is determined to be about 15 to 16 mm in diameter. With such a beam stop 15, 5% to 15% of the incident light can be blocked, and therefore 85% to 95% of the incident light can be transmitted.

この様なビーム絞り15により、レーザビームL1の周縁部は、全周にわたって遮断されることとなる。   By such a beam stop 15, the peripheral portion of the laser beam L1 is blocked over the entire circumference.

(Z軸スキャン動作)
図6及び図7は、ビームエキスパンダ14を用いたZ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ14を含む走査系が示され、集光レンズ18は省略されている。図中の16aは、走査用ミラー16を回転軸の回りに回転させるための駆動用モーターであり、17aは、走査用ミラー17を回転させるための駆動用モーターである。
(Z-axis scan operation)
6 and 7 are explanatory diagrams relating to a scanning operation in the Z-axis direction using the beam expander 14, a scanning system including the beam expander 14 is shown, and the condensing lens 18 is omitted. In the figure, 16a is a driving motor for rotating the scanning mirror 16 around the rotation axis, and 17a is a driving motor for rotating the scanning mirror 17.

ここでは、ビームエキスパンダ14内の入射レンズ14a及び出射レンズ14b間の距離が短くなれば、集光レンズ18に入射する光の拡がり角が大きくなり、レーザビームL2の焦点距離が長くなる場合について説明する。   Here, when the distance between the entrance lens 14a and the exit lens 14b in the beam expander 14 is shortened, the spread angle of the light incident on the condenser lens 18 is increased, and the focal length of the laser beam L2 is increased. explain.

図6に示したレンズ間距離Rd1は、図7のレンズ間距離Rd2よりも短い。このため、ビームエキスパンダ14から出射されて集光レンズ18に入射する光の入射角度は、図6の方が小さく、図6の焦点距離Ld1は、図7の焦点距離Ld2よりも長くなっている。つまり、レンズ間距離Rd1,Rd2を短くすることによって、レーザ出力部4からワークWまでの距離であるワーキングディスタンスを長くすることができる。   The inter-lens distance Rd1 shown in FIG. 6 is shorter than the inter-lens distance Rd2 in FIG. For this reason, the incident angle of the light emitted from the beam expander 14 and incident on the condenser lens 18 is smaller in FIG. 6, and the focal length Ld1 in FIG. 6 is longer than the focal length Ld2 in FIG. Yes. That is, the working distance, which is the distance from the laser output unit 4 to the workpiece W, can be increased by shortening the inter-lens distances Rd1, Rd2.

逆に、レンズ間距離を長くすれば、集光レンズ18に入射する光の入射角度が大きくなり、レーザビームL2の焦点距離が短くなって、ワーキングディスタンスを短くすることができる。ここでは、例えば、92mm±4mmの範囲でワーキングディスタンスを調整することができるものとする。   Conversely, if the distance between the lenses is increased, the incident angle of the light incident on the condenser lens 18 is increased, the focal distance of the laser beam L2 is shortened, and the working distance can be shortened. Here, for example, it is assumed that the working distance can be adjusted within a range of 92 mm ± 4 mm.

(XY軸スキャン動作)
図8及び図9は、走査用ミラー16及び17を用いたXY軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ14、ビーム絞り15、走査用ミラー16,17及び集光レンズ18を含む走査系が示されている。ここでは、集光レンズ18の光軸から離れた位置を走査させる際に、レーザビームL2がワークW上に集光するように、ビームエキスパンダ14におけるレンズ間距離を短くしてレーザビームL2の焦点距離が調整される場合について説明する。
(XY axis scan operation)
FIGS. 8 and 9 are explanatory diagrams relating to the scanning operation in the X and Y axes directions using the scanning mirrors 16 and 17, and include the beam expander 14, the beam stop 15, the scanning mirrors 16 and 17, and the condenser lens 18. A scanning system is shown. Here, when the position away from the optical axis of the condensing lens 18 is scanned, the distance between the lenses in the beam expander 14 is shortened so that the laser beam L2 is condensed on the workpiece W. A case where the focal length is adjusted will be described.

図8には、集光レンズ18を透過したレーザビームL2が光軸位置に走査され、ワークW上にレーザスポットL3が形成されている様子が示されている。レーザ発振器11において射出されたレーザビームL1は、ビームエキスパンダ14に入射され、入射レンズ14a及び出射レンズ14b間の距離に応じてビーム径が拡大され、出射される。ビームエキスパンダ14から出射されたレーザビームL2は、その一部分がビーム絞り15により遮断される。   FIG. 8 shows a state in which the laser beam L2 transmitted through the condenser lens 18 is scanned at the optical axis position, and a laser spot L3 is formed on the workpiece W. The laser beam L1 emitted from the laser oscillator 11 is incident on the beam expander 14, and the beam diameter is enlarged and emitted according to the distance between the incident lens 14a and the emission lens 14b. A part of the laser beam L 2 emitted from the beam expander 14 is blocked by the beam stop 15.

ビーム絞り15を通過したレーザビームL2は、走査用ミラー16,17により反射され、集光レンズ18に入射する。集光レンズ18を透過したレーザビームL2は、集光され、ワークW上にレーザスポットL3を形成する。   The laser beam L 2 that has passed through the beam stop 15 is reflected by the scanning mirrors 16 and 17 and enters the condenser lens 18. The laser beam L2 that has passed through the condenser lens 18 is condensed and forms a laser spot L3 on the workpiece W.

図9には、集光レンズ18を透過したレーザビームL2が光軸から離れた位置(光軸からの距離d2)に走査され、ワークW上にレーザスポットL4が形成されている様子が示されている。図9のレンズ間距離は、図8のレンズ間距離よりも短い。このため、ビームエキスパンダ14から出射されて集光レンズ18に入射する光の入射角度は、図9の方が小さく、図9の焦点距離は、図8の焦点距離よりも長くなっている。   FIG. 9 shows that the laser beam L2 transmitted through the condenser lens 18 is scanned at a position (distance d2 from the optical axis) away from the optical axis, and a laser spot L4 is formed on the workpiece W. ing. The distance between lenses in FIG. 9 is shorter than the distance between lenses in FIG. Therefore, the incident angle of the light emitted from the beam expander 14 and incident on the condenser lens 18 is smaller in FIG. 9, and the focal length in FIG. 9 is longer than the focal length in FIG.

この様に、集光レンズ18の光軸から離れた位置を走査させる際には、レーザビームL2がワークW上に正しく集光するように、ビームエキスパンダ14によってレーザビームL2の焦点距離が調整される。その際、集光レンズ18に入射されるレーザビームL2が、ビーム絞り15によって一部分遮断され、集光レンズ18を透過するレーザビームL2が絞り込まれる。このため、集光レンズ18の光軸から離れた位置にレーザスポットL4を形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。   Thus, when scanning a position away from the optical axis of the condenser lens 18, the focal length of the laser beam L2 is adjusted by the beam expander 14 so that the laser beam L2 is correctly condensed on the workpiece W. Is done. At this time, the laser beam L2 incident on the condensing lens 18 is partially blocked by the beam stop 15, and the laser beam L2 transmitted through the condensing lens 18 is narrowed down. For this reason, even if it is a case where the laser spot L4 is formed in the position away from the optical axis of the condensing lens 18, it can suppress that distortion arises in a spot shape.

(レーザビームL2の焦点距離)
図10は、ビームエキスパンダ14による焦点距離の調整動作に関する説明図であり、異なる入射角度で集光レンズ18に入射する2つのレーザビームL21及びL22の様子が示されている。この例では、集光レンズ18の光軸方向18aから各レーザビームL21,L22が入射するとともに、レーザビームL22が、レーザビームL21に比べて、光軸18aからの距離に応じた入射角度の小さなビーム(光線束)である場合が示されている。
(Focal distance of laser beam L2)
FIG. 10 is an explanatory diagram regarding the operation of adjusting the focal length by the beam expander 14, and shows the states of the two laser beams L21 and L22 that are incident on the condenser lens 18 at different incident angles. In this example, the laser beams L21 and L22 are incident from the optical axis direction 18a of the condenser lens 18, and the laser beam L22 has a smaller incident angle corresponding to the distance from the optical axis 18a than the laser beam L21. A case of a beam (light bundle) is shown.

一般に、集光レンズに入射させるビームを構成する各光線の入射角度を大きくすれば、ビームの焦点距離を短くすることができる。逆に、各光線の入射角度を小さくすることにより、焦点距離は長くなる。従って、レーザビームL22は、レーザビームL21よりも遠い位置に集光されることとなる。つまり、レーザビームL22における光軸18a上の焦点S2は、レーザビームL21の焦点S1よりも遠い位置に形成される。Z軸スキャンでは、この様な原理を利用してレーザビームLの焦点距離の調整が行われる。   In general, the focal length of a beam can be shortened by increasing the incident angle of each light beam constituting the beam incident on the condenser lens. Conversely, the focal length is increased by reducing the incident angle of each light beam. Therefore, the laser beam L22 is condensed at a position farther than the laser beam L21. That is, the focal point S2 on the optical axis 18a in the laser beam L22 is formed at a position farther than the focal point S1 of the laser beam L21. In the Z-axis scan, the focal length of the laser beam L is adjusted using such a principle.

(集光レンズ18の球面収差)
図11は、走査用ミラー16及び17による2次元走査時の動作に関する説明図であり、入射ひとみ18bから離れた位置に配置されたミラーにより大きな入射角度で集光レンズ18に入射されるレーザビームLの様子が示されている。各走査用ミラー16及び17は、互いに異なる回転軸の回りに回転させる必要があることから、両者を同じ位置に配置するのは不可能である。つまり、走査用ミラー16又は17のいずれか一方は、少なくとも集光レンズ18の入射ひとみ18bから離れた位置に配置されることとなる。
(Spherical aberration of condenser lens 18)
FIG. 11 is an explanatory diagram regarding the operation at the time of two-dimensional scanning by the scanning mirrors 16 and 17, and a laser beam incident on the condenser lens 18 at a large incident angle by a mirror disposed at a position away from the entrance pupil 18b. The state of L is shown. Since each of the scanning mirrors 16 and 17 needs to be rotated around different rotation axes, it is impossible to arrange them at the same position. That is, one of the scanning mirrors 16 and 17 is arranged at a position at least away from the entrance pupil 18 b of the condenser lens 18.

ここでは、入射ひとみ18bが、集光レンズ18の屈折面(球面)の曲率中心であるものとする。   Here, it is assumed that the entrance pupil 18 b is the center of curvature of the refractive surface (spherical surface) of the condenser lens 18.

この様なミラーにより反射されたレーザビームLが集光レンズ18に入射する際、ビームの入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみ18bから遠い側と、内側とで、集光位置にずれAが生じることとなる。つまり、集光レンズ18の光軸18aから離れた位置に印字させようとすると、ビームの外側の焦点位置S12と、内側の焦点位置S11とのずれAにより、光軸18a位置付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットが形成されることとなる。   When the laser beam L reflected by such a mirror enters the condenser lens 18, if the incident angle of the beam increases, the outside of the beam, that is, the side far from the entrance pupil 18b and the inner side are affected by the spherical aberration. As a result, a deviation A occurs in the condensing position. That is, when printing is attempted at a position away from the optical axis 18a of the condenser lens 18, printing is performed near the position of the optical axis 18a due to a deviation A between the focal position S12 on the outer side of the beam and the focal position S11 on the inner side. Compared to the above, a laser spot whose shape is greatly distorted is formed.

焦点位置のずれAは、ミラーが入射ひとみ18bの位置から離れれば離れるほど、或いは、集光レンズ18に対するレーザビームLの入射角度が大きくなればなるほど、大きくなると考えられる。本実施の形態では、各走査用ミラー16及び17によるずれAを均一化させるという観点から、ミラー間の中央に入射ひとみ18bが位置するように、各走査用ミラー16,17が位置決めされている。また、集光レンズ18に入射するレーザビームLの周縁部をビーム絞り15によって遮断し、集光レンズ18を透過するレーザビームLを絞り込むことにより、集光レンズ18の光軸18aから離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させている。   The focal position deviation A is considered to increase as the mirror moves away from the position of the entrance pupil 18b or as the incident angle of the laser beam L with respect to the condenser lens 18 increases. In the present embodiment, from the viewpoint of making the deviation A by the scanning mirrors 16 and 17 uniform, the scanning mirrors 16 and 17 are positioned so that the entrance pupil 18b is located at the center between the mirrors. . Further, the peripheral portion of the laser beam L incident on the condensing lens 18 is blocked by the beam stop 15, and the laser beam L transmitted through the condensing lens 18 is narrowed, so that the position away from the optical axis 18a of the condensing lens 18 is reached. Even when a laser spot is formed, distortion in the spot shape is suppressed.

(レーザビームLの強度分布)
図12は、レーザ発振器11から射出されるレーザビームLの強度分布を示した図であり、光軸からのずれに応じて変化するレーザビームLの強度が示されている。一般に、レーザ発振器11により生成されるレーザビームLは、強度分布がガウス型の分布となることが知られている。すなわち、レーザビームLの強度は、光軸上で最大(最大値a1)となり、光軸から遠ざかるのに従って、単調に減少する。
(Intensity distribution of laser beam L)
FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of the laser beam L emitted from the laser oscillator 11, and shows the intensity of the laser beam L that changes in accordance with the deviation from the optical axis. In general, it is known that the laser beam L generated by the laser oscillator 11 has a Gaussian distribution of intensity. That is, the intensity of the laser beam L is maximum (maximum value a1) on the optical axis, and monotonously decreases as the distance from the optical axis increases.

本実施の形態では、この様な強度分布を示すレーザビームLに対して、ビーム絞り15によりその周縁部を遮断して集光レンズ18を透過するレーザビームから除去させている。つまり、ビーム絞り15における開口1baのサイズに応じて、光軸からのずれがb以上(強度がa2以下)であるレーザビームLの周縁領域Bが除去される。これにより、強度が高くエネルギーの集中している光軸付近を通過させ、強度が低くエネルギーの小さな周縁領域Bが除去されるので、レーザビームLを効果的に制限することができる。   In the present embodiment, the laser beam L having such an intensity distribution is removed from the laser beam transmitted through the condensing lens 18 by blocking the peripheral edge by the beam stop 15. That is, the peripheral region B of the laser beam L whose deviation from the optical axis is b or more (intensity is a2 or less) is removed according to the size of the opening 1ba in the beam stop 15. Thus, the vicinity of the optical axis where the intensity is high and the energy is concentrated is passed, and the peripheral area B having a low intensity and a small energy is removed, so that the laser beam L can be effectively limited.

(スポット形状)
図13及び図14は、レーザ加工装置1により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ18の光軸から離れた位置に走査させた場合のスポット形状が示されている。図13の(a)〜(g)には、本実施の形態によるレーザ加工装置1を用いて形成させたワーキングディスタンスの異なる複数のレーザスポットが示されている。図14の(a)〜(g)には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させたレーザスポットが示されている。これらの例では、(a)から順に、ワーキングディスタンスが長くなっており、(d)が焦点位置となっている。
(Spot shape)
FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing the laser spot formed by the laser processing apparatus 1 in comparison with the conventional example, and the spot shape when the spot is scanned away from the optical axis of the condenser lens 18 is shown. It is shown. 13A to 13G show a plurality of laser spots with different working distances formed using the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment. 14A to 14G show laser spots formed using a conventional laser processing apparatus. In these examples, in order from (a), the working distance becomes longer, and (d) is the focal position.

本実施の形態では、ビーム絞り15によりレーザビームLの周縁部が遮断され、集光レンズ18を透過するレーザビームから除去されるので、ワーキングディスタンスが変化しても、ワークW上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、スポット形状が均一化されている。また、集光レンズ18の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットのサイズ及び形状が殆ど変化しないので、走査エリアを拡大させることができる。   In the present embodiment, the peripheral portion of the laser beam L is blocked by the beam stop 15 and removed from the laser beam transmitted through the condenser lens 18, so that it is formed on the workpiece W even if the working distance changes. The size and shape of the laser spot hardly change, and the spot shape is made uniform. Even when the laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condenser lens 18, the size and shape of the spot hardly change, so that the scanning area can be enlarged.

これに対し、従来のレーザ加工装置では、焦点位置におけるレーザスポットの形状に歪が生じているとともに、ワーキングディスタンスの変化によって像にボケが生じ、スポットのサイズ及び形状が著しく変化している。   On the other hand, in the conventional laser processing apparatus, the shape of the laser spot at the focal position is distorted, and the image is blurred due to the change of the working distance, and the spot size and shape are remarkably changed.

図15(a)及び(b)は、レーザ加工装置1により得られた印字パターンを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ18の光軸から離れた位置に走査させた場合の印字例が示されている。図15(a)には、本実施の形態によるレーザ加工装置1を用いて形成させた印字パターンの一部分が示されている。図15(b)には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させた印字パターンが示されている。この例では、走査エリアの左下方に形成された印字パターンが示されている。   FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a print pattern obtained by the laser processing apparatus 1 in comparison with the conventional example, and when scanning is performed at a position away from the optical axis of the condenser lens 18. An example of printing is shown. FIG. 15A shows a part of a print pattern formed using the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment. FIG. 15B shows a print pattern formed using a conventional laser processing apparatus. In this example, a print pattern formed on the lower left side of the scanning area is shown.

本実施の形態では、ビーム絞り15によりレーザビームLの周縁部が遮断され、集光レンズ18を透過するレーザビームから除去されるので、光軸から離れた位置に走査させた場合であっても、ワークW上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、印字パターンが正しく形成されている。   In the present embodiment, the peripheral portion of the laser beam L is blocked by the beam stop 15 and removed from the laser beam that passes through the condenser lens 18, so that even when scanning is performed at a position away from the optical axis. The size and shape of the laser spot formed on the workpiece W hardly change, and the print pattern is correctly formed.

これに対し、従来のレーザ加工装置では、レーザスポットの形状に歪が生じることにより、1本の線が二重に印字され、印字パターンに影が生じている。   On the other hand, in the conventional laser processing apparatus, due to distortion in the shape of the laser spot, one line is printed doubly, and a shadow is generated in the print pattern.

本実施の形態によれば、集光レンズ18を透過するレーザビームL2がビーム絞り15によってレーザビームL2の周辺部が遮断されるので、集光レンズ18の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。   According to the present embodiment, since the laser beam L2 transmitted through the condensing lens 18 is blocked by the beam stop 15 at the periphery of the laser beam L2, a laser spot is formed at a position away from the optical axis of the condensing lens 18. Even when it is formed, it is possible to suppress the distortion of the spot shape.

なお、本実施の形態では、ビーム絞り15がビームエキスパンダ14の出射レンズ14bと、走査用ミラー16,17との間に配置される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、入射レンズ14aよりも走査用ミラー16,17側であれば、他の位置に配置させても良い。特に、ビーム絞り15に対して要求される加工精度が低減するという観点から、入射レンズ14a及び出射レンズ14b間の中央よりも走査用ミラー側であれば、ビーム絞り15を入射レンズ14a及び出射レンズ14b間に配置させても良い。   In this embodiment, an example in which the beam stop 15 is disposed between the exit lens 14b of the beam expander 14 and the scanning mirrors 16 and 17 has been described. However, the present invention is not limited to this. It may be arranged at other positions as long as it is closer to the scanning mirrors 16 and 17 than the incident lens 14a. In particular, from the viewpoint of reducing the processing accuracy required for the beam stop 15, if the beam stop 15 is closer to the scanning mirror than the center between the input lens 14a and the output lens 14b, the beam stop 15 is set to the input lens 14a and the output lens. You may arrange | position between 14b.

本発明の実施の形態によるレーザ加工装置1の概略構成の一例を示した斜視図である。It is the perspective view which showed an example of schematic structure of the laser processing apparatus 1 by embodiment of this invention. 図1のレーザ加工装置1におけるレーザ出力部4内の構成例を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structural example in the laser output part 4 in the laser processing apparatus 1 of FIG. 図2のレーザ出力部4におけるレーザ発振器11の一構成例を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a laser oscillator 11 in the laser output unit 4 of FIG. 2. 図2のレーザ出力部4におけるビームエキスパンダ14の一構成例を示した断面図であり、断面の様子が模式的に示されている。It is sectional drawing which showed one structural example of the beam expander 14 in the laser output part 4 of FIG. 2, and the mode of a cross section is shown typically. 図2のレーザ出力部4におけるビーム絞り15の一構成例を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a beam stop 15 in the laser output unit 4 of FIG. 2. ビームエキスパンダ14を用いたZ軸方向のスキャン動作に関する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram regarding a scanning operation in the Z-axis direction using the beam expander 14. ビームエキスパンダ14を用いたZ軸方向のスキャン動作に関する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram regarding a scanning operation in the Z-axis direction using the beam expander 14. 走査用ミラー16及び17を用いたXY軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ワークW上にレーザスポットL3が形成されている様子が示されている。It is explanatory drawing regarding the scanning operation | movement of the XY-axis direction using the scanning mirrors 16 and 17, and a mode that the laser spot L3 is formed on the workpiece | work W is shown. 走査用ミラー16及び17を用いたXY軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ワークW上にレーザスポットL4が形成されている様子が示されている。It is explanatory drawing regarding the scanning operation | movement of the XY-axis direction using the scanning mirrors 16 and 17, and a mode that the laser spot L4 is formed on the workpiece | work W is shown. ビームエキスパンダ14による焦点距離の調整動作に関する説明図であり、集光レンズ18に入射する2つのレーザビームL21及びL22の様子が示されている。It is explanatory drawing regarding the adjustment operation | movement of the focal distance by the beam expander 14, and the mode of the two laser beams L21 and L22 which inject into the condensing lens 18 is shown. 走査用ミラー16及び17による2次元走査時の動作に関する説明図であり、大きな入射角度で集光レンズ18に入射されるレーザビームLの様子が示されている。It is explanatory drawing regarding the operation | movement at the time of two-dimensional scanning by the scanning mirrors 16 and 17, and the mode of the laser beam L which injects into the condensing lens 18 with a big incident angle is shown. レーザ発振器11から射出されるレーザビームLの強度分布を示した図であり、光軸からのずれに応じて変化するレーザビームLの強度が示されている。It is a figure showing intensity distribution of laser beam L emitted from laser oscillator 11, and shows intensity of laser beam L which changes according to deviation from an optical axis. レーザ加工装置1により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ18の光軸から離れた位置に走査させた場合が示されている。It is the figure which showed the laser spot formed with the laser processing apparatus 1 compared with the prior art example, and the case where it was made to scan in the position away from the optical axis of the condensing lens 18 is shown. レーザ加工装置1により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ18の光軸から離れた位置に走査させた場合が示されている。It is the figure which showed the laser spot formed with the laser processing apparatus 1 compared with the prior art example, and the case where it was made to scan in the position away from the optical axis of the condensing lens 18 is shown. レーザ加工装置1により得られた印字パターンを従来例と比較して示した図であり、光軸から離れた位置に走査させた場合の印字例が示されている。It is the figure which showed the printing pattern obtained with the laser processing apparatus 1 compared with the prior art example, and the printing example at the time of making it scan in the position away from the optical axis is shown. 従来のレーザ加工装置100の構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the conventional laser processing apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ加工装置
2 レーザ制御部
3 光ファイバーケーブル
4 レーザ出力部
11 レーザ発振器
12 シャッタ
13 ビームコンバイナ
14 ビームエキスパンダ
14a 入射レンズ
14b 出射レンズ
15 ビーム絞り
15a 絞り周縁部
15b 開口
16,17 走査用ミラー
16a,17a 駆動用モーター
18 集光レンズ
19 ガイド用光源
21 入射レンズ
22 入力ミラー
23 レーザ媒体
24 Qスイッチ
25 アパチャ
26 出力ミラー
31 ホルダー
32 係止ネジ
33 鏡筒
34 レンズ枠
L,L1,L2 レーザビーム
L3 レーザスポット
W ワーク
W1 走査エリア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing apparatus 2 Laser control part 3 Optical fiber cable 4 Laser output part 11 Laser oscillator 12 Shutter 13 Beam combiner 14 Beam expander 14a Incident lens 14b Outgoing lens 15 Beam diaphragm 15a Diaphragm peripheral part 15b Apertures 16 and 17 Scanning mirror 16a, 17a Driving motor 18 Condenser lens 19 Guide light source 21 Incident lens 22 Input mirror 23 Laser medium 24 Q switch 25 Aperture 26 Output mirror 31 Holder 32 Locking screw 33 Lens barrel 34 Lens frames L, L1, L2 Laser beam L3 Laser Spot W Work W1 Scanning area

Claims (3)

所定の断面形状からなるレーザビームを生成するレーザ発振器と、
上記レーザビームを拡散性に屈折させる第1のレンズと、
上記第1のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第2のレンズと、
上記第2のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、
上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、
上記ミラーを回転させて上記レーザビームを2次元走査させる2次元走査手段と、
上記第1のレンズ及び上記第2のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、
上記第1のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りと
上記第1のレンズ及び上記第2のレンズを保持するホルダーと、
上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、
上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされることを特徴とするレーザ加工装置。
A laser oscillator that generates a laser beam having a predetermined cross-sectional shape;
A first lens that refracts the laser beam diffusively;
A second lens that refracts the laser beam transmitted through the first lens in a convergent manner;
A mirror for reflecting the laser beam transmitted through the second lens;
A condenser lens for condensing the laser beam reflected by the mirror;
Two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning the laser beam by rotating the mirror;
Focal length control means for controlling the focal length of the laser beam by changing the distance between the first lens and the second lens;
A beam stop disposed between the first lens and the mirror and blocking a peripheral portion of the laser beam to reduce a beam diameter ;
A holder for holding the first lens and the second lens;
The holder is attached to a housing in which the laser oscillator is disposed, and includes an optical axis adjusting means for positioning the holder so that the optical axis of the laser oscillator and the holder coincides,
A laser processing apparatus, wherein the beam stop is attached to the holder, and the beam stop and the holder are integrally positioned by the optical axis adjusting means.
上記ビーム絞りが、第1のレンズ及び第2のレンズ間の中央よりもミラー側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 2. The laser processing apparatus according to claim 1 , wherein the beam stop is disposed on the mirror side of the center between the first lens and the second lens. 上記ビーム絞りが、第2のレンズよりもミラー側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to claim 1 , wherein the beam stop is disposed closer to the mirror than the second lens.
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