JP5420172B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１の上位概念に従ったレーザ装置に関する。
上述の装置において述べた複数のレーザ光源は、複数のレーザによって実現されるだけでなく、複数の部分ビームに分割される、レーザから出射されるレーザビームによっても実現することができる。たとえば、これらの部分ビームは、異なる光ファイバに結合することができる。

被加工部品をレーザビームで加工することが知られている。レーザビームは、被加工部品上に、一定のエネルギ負荷によって規定される加工領域を形成する。さらにまた、いくつかのレーザ光源を一列に設け、複数の被加工部品に共にレーザビームを向けることも知られている。この場合、レーザビームの向けられる方向が平行の場合、重畳されたレーザビームによって形成される作業領域が生じる。

レーザビームが扇状に広がること、および重畳することに依存して、１つのレーザ光源によってのみ達成エネルギ密度の小さい線状の作業領域の周辺領域が生じるが、これは、周辺領域は、１つのレーザ光源によってのみ到達されるからであり、内部の領域がエネルギ密度が高いのは、内部領域は、２またはそれ以上のレーザ光源によって到達されるからである。

しかしながら、被加工部品を加工するためには、たとえば、最小の予め定めたエネルギ照射および予め定めた３次元的広がりを有する作業領域が必須である。これに応じて、エネルギ照射と空間の広がりに関する要件を満たすには、上述のように適切な数のレーザ光源を設けることが必要であり、それに反して、たとえば１つのレーザ光源によってのみ到達することが可能な周辺の領域は、エネルギが非常にわずかしか導入されないので、利用されないままである。

公知の装置のさらなる短所は、多数のレーザ光源の光は、線状の作業領域に導入することができない、または多額の費用を要するという点にある。

したがって、本発明の課題は、より高い効率を特徴とし、および／または複数のレーザ光源の光を作業平面に集光することが可能である、前述のタイプのレーザ装置を提供することである。

これは、請求項１および／または４の特徴を有する前述のタイプのレーザ装置によって解決される。

請求項１に従えば、レーザ光源のうちのいくつかまたはすべてが円弧上に配置される。したがって、円弧の半径を大きくすれば、それに応じて、非常に多くの、特に、任意の数の、光が作業平面、たとえば１つの線状作業領域に共に案内されるレーザ光源を設けることができる。

その場合、円弧上に設けられたレーザ光源から出射されたレーザビームが、少なくとも部分的に、特に実質的に点状である集光領域に集光される。

さらに、円弧は、実質的に、特に点状の集光領域に対応する中心点に設けてもよい。
請求項４に従えば、少なくとも反射要素が設けられ、該反射要素は、作業領域にレーザビームの一部の向きを変えるように構成される。それに応じて、作業領域において役に立たないレーザビームの向きを変えることが可能であって、したがって効率が高められる。比較的エネルギ密度が低い領域をさらに照射することができるので、向きを変えることによって作業領域にわたって均一なエネルギ分布を達成することが可能である。

本発明の好ましい実施形態において、複数のレーザ光源は少なくとも１列に設けられ、該レーザ光源は線状の作業領域を形成することが可能であり、少なくとも１つの反射素子は、外側のレーザ光源から出射するレーザビームを作業領域内に反射させるよう構成される。レーザ光源および少なくとも１つの反射素子をこのように配置することによって、周辺領域内に設けられたレーザ光源の利用されないエネルギを、一定の作業領域のために利用可能とすることができ、それによって、このレーザ装置全体のより高い効率を達成することができる。

さらにまた、好適には少なくとも１つの反射要素は平面であって、レーザ光源列は、該少なくとも１つの反射要素に対して実質的に垂直に配設されている。反射要素とレーザ光源のこのような構成と配置によって、特に、良好な結果が達成される。特に、かかるレーザ装置は工業生産用途に適している。

この関連において、さらにまた、好適には、第１反射要素と第２反射要素とが設けられ、それらの反射要素はレーザ光源と被加工部品との間に延びるように設けられてもよい。かかる配置も、工業用の利用に適している。

作業領域におけるエネルギ分布の均一性を改善するために、好適には、レンズ装置がレーザ光源と被加工部品との間に設けられ、レンズ装置は、一つの方向に関して、特に、レーザビームの中央伝播方向に対して垂直な方向に関して、レーザビームのレーザ光源から出射されたレーザビームのコリメートまたは集光に適している。レーザビームは、交差方向に関してのみならず、それに垂直な交差方向に関してもコリメートまたは集光されるので、所望の線状作業領域に補足される、好適には強度に長円で、かなり重畳するレーザ光錐を生成することが可能である。

さらにまた、好ましいことに、本レンズ装置は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズであることが可能である。かかるレンズ装置においては、好適には０°でなく１８０°でない角、特に１４０°と１６０°の間の角を互いに形成する複数のシリンドリカルレンズを設けてもよい。さらにまた、作業領域により高い効率で光を入射させるために、好適には、レーザ光源を平行な列に配置してもよい。

本発明の好適な実施形態において、レンズ装置と被加工部品との間におよそ５０ｃｍの距離をとってもよい。それによって、作業領域のエネルギ密度を特に均一とすることができる。

さらにまた、好適には、レーザ光源は、半導体レーザであってもよく、または、好適には少なくとも１つの半導体レーザから供給される光ファイバであってもよい。

レーザ装置を保護するため、好適には、レンズ装置と被加工部品との間にレーザ光を透過させるプレートを設けてもよい。

円弧上に設けられたレーザ光源から出射されるレーザビームが集光される焦点領域より後のレーザビームが、１つまたは複数のシリンドリカルレンズ上に入射するように構成してもよい。

この場合、焦点領域と１つまたは複数のシリンドリカルレンズとの間にさらにもう１つのレンズ、特に、シリンドリカルレンズを設けてもよい。

この場合、反射要素よりも後におけるレーザビームの伝播方向に、被加工部品上にレーザビームを投射するための投射光学部を設けてもよい。このような手段によって、事情によっては非常に大きく、したがって扱いにくい反射要素からの作業領域の距離を比較的大きく選択することが可能である。

本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照し、好適な実施形態の以下の説明に基づき明らかになるであろう。

まず、図１について述べる。
図１は、技術の水準に従ったレーザ装置を示す。複数のレーザ光源１が１列に設けられ、それらから出射されるレーザ光は被加工部品６の方向に向けられ出射される。このような配置によって、線状の作業領域が被加工部品上に生成され、かかる作業領域は、概略的に示されたレーザビーム錐のそれぞれの重畳のために、エネルギ密度が異なること、少なくとも、周辺領域においてはエネルギ密度が小さいことを特徴とする。

図２および図３には、本発明に従ったレーザ装置が示されている。本発明に従ったレーザ装置は、まず、２つの平面反射要素２，２ａ、特に平面ミラーが少なくとも区分ごとに、レーザ光源１および被加工部品２の近傍に設けられることを特徴とする。反射要素２，２ａは、レーザ光の一部を予め定められた作業領域５内に反射させるように構成される。これによって、周辺側に設けられたレーザ光源１のレーザ光も予め定められた作業領域５のために利用することが可能となる。

したがって、レーザ光源１によって形成されるレーザ光の元来利用可能でない部分を、予め定められた作業領域に反射させることが可能であるので、レーザ光源１によって形成されるレーザ光をより効率よく利用することが可能となる。それに応じて、本発明を実施するレーザ装置の効率は高くなり、または、技術の水準と比べて、同じ作業領域５を同じ予め定められたエネルギで照射するのに必要なレーザ光源１の数がわずかですむことになる。

上述のように反射要素２，２ａを配置することのさらなる利点は、作業領域５にわたるエネルギ分布の均一性を高くすることが可能であることである。たとえば図１に示すように、重畳されるレーザ光錐から出射して、照射エネルギがより低い、または最も低い領域と並んで、照射エネルギがより高い領域が生じる。照射エネルギの大きさは、特に、作業領域５の一定の部分をいくつのレーザ光源１が照射するのかということに依存する。対応するレーザビームの反射または方向転換によって、さらに、目標とする領域をより低いまたは最も低いレーザビームで照射することが可能であり、したがって、作業領域にそって充分に均一なエネルギ分布を達成することが可能である。

さらにまた、レーザ光源１と被加工部品６または作業領域５との間には、少なくとも１つのシリンドリカルレンズ３が設けられる。同様に、シリンドリカルレンズ３は作業領域５にそった均一なエネルギ分布と作業領域の好適な形状をもたらす。発生する各レーザ光錐の実質的に円形形状から、シリンドリカルレンズ３なしで、作業領域５を形成する一連の重畳される円形のレーザ光錐が生じる。上述したように、シリンドリカルレンズ３が光路に適合しているならば、元来１方向に伝播しているレーザビームがコリメートまたは集光されるが、それに垂直な方向には影響されず、したがって、作業領域５は、一連の高度に楕円性の形状で生じる光錐を特徴とする（例示のために模式的に図示された図７参照）。結果として、作業領域５にわたってほぼ均一なエネルギ分布となる、広範囲に及ぶ重畳領域が生じる。

特に良好な結果が、シリンドリカルレンズと被加工部品６との間の距離がおよそ５０ｃｍの場合に生じる。

好適には、反射要素２，２ａと被加工部品６との間に、レーザ光を透過するプレート４が設けられる。

さらにまた、好適には、レーザ光源１にμｍ光ファイバが用いられ、かかる光ファイバには、それに対応して、適切なレーザによって光が供給される。おおまかに示された照射位置（レーザ光源１）に直接レーザを設けてもよいことは明らかであるが、こうすることによって、好適には１ｃｍの互いのレーザ光源１間の不必要な距離の制限が生じる。さらにまた、レーザから直接生じる、たとえば、特に正方形の断面を有するレーザビームとは反対に、光ファイバを利用することによって、おおよそ円形状のレーザビームとなる。（シリンドリカルレンズ３より後で）円形の断面または楕円形の断面を有するレーザビームは、たとえば、（シリンドリカルレンズ３より後で）長方形の断面を有するレーザビームにおける場合よりも、エネルギ分布に関して、ずっと不安定な推移となる。

約１００Ｗのレーザ出力を有するレーザ光源１が利用される。１つのレーザ装置に全部で約１００のレーザ光源１があり、したがって、作業領域５に約約１０ｋＷの光出力が生じる。しかしながら、１メガワットの光出力が考えられるが、該光出力は、好適には、それぞれ約４００Ｗのレーザ光源１によって達成され、レーザ光源１またはシリンドリカルレンズ３の配置は、図６に模式的に示したとおりである。

この場合、シリンドリカルレンズ３は、被加工部品６または作業領域５の上方に丸天井のように配置される。大まかに示した円は、レーザ光源１の照射ポイントを示す。レーザ光源１またはシリンドリカルレンズ３の配置または方向づけは、上述のように最適化または均一化される作業領域５をレーザビームが形成するように選択される。また、代わりに、複数のシリンドリカルレンズ３，３ａ，３ｂを配置するようにしてもよい。

総じて、技術の水準に従ったレーザ装置は、ここに述べた手段によって、作業領域５におけるエネルギ分布の均一化についても、また、作業領域５におけるエネルギ照射効率においても明らかに改良することができる。すでに述べたように、外側のレーザ光源１のレーザ光も作業領域に方向転換されることによって、レーザ光は実質的に有効に利用されるので、一定の光出力におけるレーザ光源１の数を少なくすることができる。反対に、同じ数のレーザ光源１によって、実質的により高い光出力を作業領域にもたらすことが可能であり、それによって、作業領域５において１メガワットの高い出力が合理的な方法で可能となる。

かかるレーザ装置は、欠損防止性も高い。レーザ光源が欠損した場合には、０．０１％という非常にわずかの出力の損失となるだけであり、それに対して技術の水準に従った装置におけるレーザ光源の欠損は１％の出力の損失となる。

ここに挙げたレーザ装置は、たとえば、被加工部品の乾燥のためであったり、または加工部品表面を溶融するなどのために設けられる。それに応じて、被加工部品６およびレーザ装置は、それぞれ互いに対して動くようにしてもよい。

図８から本発明に従った装置が明らかであり、かかる装置においてはレーザ光源７としてレーザダイオードバーが設けられている。これは、速軸方向（図８のｙ）に、すなわち半導体レーザの層構造に対して垂直な方向に、互いに間隔をあけて配置される構成となっている。

レーザビームの遅軸方向（図８においてｘ）は、シリンドリカルレンズ３によってコリメートされ、それに対して、速軸方向はレーザビームが伝播する場合、ｚ方向（図８参照）にさらに発散し、したがって、レーザ光源７の線状の作業領域５において、ｙ方向に相対的に延びる領域８が照射される。

図９は、本発明に従った装置の実施形態を示し、かかる実施形態においてファイバ端部またはレーザダイオードバーまたはそれに類するものとして実施されるレーザ光源９が円弧１０上に設けられる。レーザ光源９のそれぞれには、フォーカス手段１１が設けられ、該フォーカス手段は、各レーザ光源９から出射するレーザビームを共通の焦点領域に、特におおおよそ点状の焦点領域に集光する。この場合、円弧１０の中点１２は、共通の焦点領域に配置される。多くのレーザ光源９が利用されればされるほど、円弧１０は大きくすることが必要であり、これは円弧の半径を大きくすることによって達成することができる。

共通の焦点領域より後または円弧１０の中心点１２より後には、レーザビームの中央伝播方向ｚ（図９）に、シリンドリカルレンズ１３が設けられ、該シリンドリカルレンズ１３は、各レーザ光源９から出射するレーザビームをＹ方向に関して（図９参照）さらにコリメートし、したがって、２つの反射要素２，２ａの間のレーザビームをｚ方向に伝播することができる。この場合、シリンドリカルレンズ１３のシリンダ軸は、ｘ方向に延びる。シリンドリカルレンズ３のシリンダ軸は、ｙ方向に延びる。

被加工部品６を反射要素２，２ａに直接近接させて配置する代わりに、図９に示した配置の場合、被加工部品または線状の作業領域５は、さらに、反射要素２，２ａから離間させる。これは、投射光学部１４を組込むことによって達成される。この投射光学部１４は、シリンドリカルレンズ１５，１６からなり、これによって作用面へのレーザビームの１：１または１：−１投射がなされる。

技術の水準に従ったレーザ装置を模式的に示す図である。 本発明に従ったレーザ装置を模式的に示す平面図である。 本発明に従ったレーザ装置を模式的に示す側面図である。 本発明に従ったレーザ装置のさらなる実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明に従ったレーザ装置の図４に従った実施形態を模式的に示す側面図である。 反射要素を有する図４に従った実施形態を示す斜視図である。 まさに模式的に示すためのものであって実際の関係に向けられているものではない、レンズ装置を透過した後の重畳された入射レーザ光錐によって線状の作業領域の形成を図示するための図である。 本発明に従ったレーザ装置のさらなる実施形態の斜視図である。 本発明に従ったレーザ装置のさらなる実施形態を模式的に示す側面図である。

Claims (13)

1. レーザビームを予め定められた作業領域（５）に入射させるための複数のレーザ光源（１）、およびレーザビームの一部を作業領域（５）へと方向転換するように構成された一対の平面状の反射要素（２，２ａ）であって、互いに対向する一対の平面状の反射要素（２，２ａ）を含む、被加工部品（６）を加工するためのレーザ装置において、複数のレーザ光源（１）は、少なくとも１列に設けられて、外側のレーザ光源を含み、該レーザ光源（１）は線状の作業領域（５）を形成することが可能であって、前記一対の平面状の反射要素（２，２ａ）は、外側のレーザ光源から出射するレーザビームを作業領域（５）内に反射させるように構成され、レーザ光源（１）列は、前記一対の平面状の反射要素（２，２ａ）に垂直に方向づけられることを特徴とする、被加工部品（６）を加工するためのレーザ装置。
2. 前記一対の平面状の反射要素（２，２ａ）は、レーザ光源（１）と被加工部品（６）との間に延びてなることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ装置。
3. レーザ光源（１）と被加工部品（６）との間にレンズ装置が設けられ、該レンズ装置は、レーザ光源（１）から出射されたレーザビームを、１つの方向に関して、コリメートまたは集光するように構成されてなることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. レンズ装置は、レーザ光源（１）から出射されたレーザビームを、レーザビームの中央伝播方向に対して垂直な方向に関して、コリメートまたは集光するように構成されてなることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ装置。
5. レンズ装置は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズ（３）であることを特徴とする、請求項３または４に記載のレーザ装置。
6. レンズ装置は、複数のシリンドリカルレンズ（３，３ａ，３ｂ）であり、該シリンドリカルレンズ（３，３ａ，３ｂ）は、０°でなく１８０°でない角を互いに形成することを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. シリンドリカルレンズ（３，３ａ，３ｂ）は、１４０°と１６０°の間の角を互いに形成することを特徴とする、請求項６に記載のレーザ装置。
8. レンズ装置（３）と被加工部品（６）との間の距離は、５０ｃｍであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 少なくとも部分的に光を透過するプレート（４）が、レンズ装置（３）と被加工部品（６）との間に設けられることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載のレーザ装置。
10. レーザ光源（１）は、半導体レーザ（９）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ装置。
11. レーザ光源（１）は、半導体レーザ（９）から出力されたレーザ光を照射位置に導く光ファイバを含むことを特徴とする、請求項１０に記載のレーザ装置。
12. レーザ光源（１）は、平行な列に配置されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
13. 前記一対の平面状の反射要素（２，２ａ）より後のレーザビームの伝播方向に、被加工部品上にレーザビームを投射するための投射光学部（１４）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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