JP5832412B2 - 光学系及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光が通過する光学系及びレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置は、レーザ発振器から光ファイバーを介して加工ヘッドにレーザ光を送り、加工ヘッドのレンズがレーザ光を集光してレーザ光のエネルギー密度を高めることによって、被加工物を溶接又は切断する。ここで、被加工物は、金属又は合金等である。レーザ発振器には、例えば、ＣＯ_２を媒質に用いるＣＯ_２レーザ発振器、イットリウムとアルミニウムの酸化物からなるガーネット構造の結晶を媒質として用いるＹＡＧレーザ発振器、光ファイバー自身を媒質として利用するファイバーレーザ発振器などがある。
特許文献１には、レーザ加工装置の発明であって、加工速度の高速化を図るため、集光手段にアキシコンレンズを用い、レーザ光の焦点深度を深くする技術が開示されている。なお、特許文献１におけるアキシコンレンズは、平面がレーザ光源側、すなわちレーザ光の入射側に位置し、円錐面がレーザ光の出射側に位置している。

特開２００９−８２９５８号公報 特開平９−１０８８７９号公報

レーザ加工装置から照射されたレーザ光が被加工物を溶接又は切断等の加工をする点（加工点）において、レーザ光のエネルギー強度分布が、中心領域よりも周辺領域の方が高いことによって、加工点ではレーザ光側面のエネルギー強度が高くなる。その結果、加工点において周辺領域よりも中心領域の方が高いエネルギー分布を有する場合に比べて、より加工精度を高めることができる。

特許文献２には、レーザビームの断面におけるガウス型分布をもったエネルギー密度分布を、２つのシリンドリカルレンズ対を備えた内外逆転光学系によりレーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転させるレーザ加工装置が記載されている。特許文献２に記載のレーザ加工装置は、ガウス型分布をもったエネルギー密度分布を、レーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転させているため、品質が良いレーザビームが被加工物に接することとなる。
しかしながら、レーザビームを２分割して内外を逆転させているため、被加工物の位置におけるレーザビームの断面は、円形をしていないため、レーザビームが被加工物に接する方向のみでしか被加工物の加工ができない。すなわち、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、被加工物に対して加工可能な方向が限定される。

また、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、レーザビームを２つのシリンドリカルレンズ対によって分割し、内外の逆転を行った後に、集光レンズによって被加工物の一点へ集光させている。このため光学系の構成が非常に複雑であり、分割する前のレーザビームの光軸、分割した２つのレーザビームの光軸を各々調整し、かつ分割した２つのレーザビームを被加工物上の同位置に集束させる必要があり、光軸調整が非常に困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、加工点におけるレーザ光のエネルギー強度分布について、中心領域よりも周辺領域の方を簡易に高くすることが可能な光学系及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学系及びレーザ加工装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る光学系は、平行な光束を有するレーザ光を出射するコリメート系光学部品と、円錐形状を有し、前記コリメート系光学部品から出射された光が入射されるアキシコンレンズと、前記アキシコンレンズから出射された光を集光するフォーカス系光学部品とを備え、前記アキシコンレンズは、前記コリメート系光学部品と前記フォーカス系光学部品との間で一つのみ設けられ、前記アキシコンレンズの円錐面は、前記コリメート系光学部品側のみに位置し、前記アキシコンレンズの平面は、前記フォーカス系光学部品側のみに位置し、前記アキシコンレンズから出射される光のエネルギー強度分布は、当該光の光軸を含み該光軸に対して平行に切断した面において、前記光軸を含む中心領域に比べて周辺領域が高く、前記光の最外周部分で最も高い。

この構成によれば、アキシコンレンズに入射した平行な光束を有するレーザ光は、アキシコンレンズを通過することによって、入射光の中心領域が外側に向かって進み、入射光の周辺領域が内側、すなわち光軸側に向かって進む。その結果、中心領域よりも周辺領域の方が、エネルギー強度が高いレーザ光を得られる。このようなレーザ光を被加工物の加工点に配置することで、加工点では、レーザ光の側面のエネルギー強度が高く、エネルギー強度の分布傾向が急峻であることから、加工精度が向上する。

また、アキシコンレンズを配置するだけで、エネルギー強度分布の倒置が可能となり、簡易な構成で、エネルギー強度分布について、中心領域よりも周辺領域の方を高くすることができる。さらに、アキシコンレンズから出射するレーザ光は、光軸に対して垂直に切断した面において、円形状を有する。したがって、レーザ光と被加工物の相対的な進行方向に関わらず、被加工物を精度良く切断できる。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、上述の光学系と、レーザ光を発振し、前記レーザ光を前記光学系に出射するレーザ発振器とを備える。

本発明によれば、加工点におけるレーザ光のエネルギー強度分布について、中心領域よりも周辺領域の方を簡易に高くすることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の光学系を示す概略構成図である。 アキシコンレンズの入射側のレーザ光のエネルギー強度分布を示すグラフである。 アキシコンレンズの出射側かつ加工点近傍のレーザ光のエネルギー強度分布を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１について説明する。レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザ発振器２と、光ファイバー３と、加工ヘッド４と、加工ステージ５などを備える。

レーザ加工装置１は、レーザ発振器２から光ファイバー３を介して加工ヘッド４にレーザ光を送り、加工ヘッド４のレンズがレーザ光を集光して、レーザ光のエネルギー密度を高めることによって、被加工物２０を切断する。ここで、被加工物２０は、金属又は合金等である。

レーザ発振器２は、例えば光ファイバー自身を媒質として利用するファイバーレーザ発振器である。ファイバーレーザ発振器の場合、1.07μm〜1.08μmの波長のレーザ光が得られる。レーザ発振器２で生成されたレーザ光は、光ファイバー３に伝達される。なお、本発明はファイバーレーザに限定されず、ＹＡＧレーザ等にも適用可能である。

光ファイバー３は、一端がレーザ発振器２と接続され、他端が加工ヘッド４と接続される。光ファイバー３は、レーザ発振器２から加工ヘッド４へレーザ光を伝達する。

加工ヘッド４は、図２に示すように、レーザ入射部６と、光学系７などを備える。レーザ入射部６は、光ファイバー３の端部と接続され、光ファイバー３によって伝達されたレーザ光を光学系７へ照射する。光学系７は、複数のレンズ及び光学部品から構成され、レーザ入射部６から照射されたレーザ光を集光する。これにより、被加工物２０を切断できる高いエネルギー密度を得ることができる。

加工ステージ５は、図１に示すように、レーザ光の入射軸に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ面）の面内を移動する。加工ステージ５には、被加工物２０が載置される。これにより、被加工物２０は、加工ヘッド４に対してＸ−Ｙ面内で移動可能である。なお、本実施形態では、加工ヘッド４が固定されている場合について説明するが、本発明はこの例に限定されない。例えば、被加工物２０が１箇所に固定しており、加工ヘッド４が移動して被加工物２０を切断する場合についても本発明を適用できる。

以上、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、レーザ発振器２がレーザ光を生成し、生成されたレーザ光が光ファイバー３を通過して、加工ヘッド４から被加工物２０に向けてレーザ光が照射される。被加工物２０の切断時、被加工物２０が載置された加工ステージ５がＸ−Ｙ面内で移動することによって、被加工物２０が直線状又は曲線状に切断される。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るレーザ加工装置１の加工ヘッド４における光学系７について説明する。
光学系７は、例えば、コリメート系レンズ群８と、アキシコンレンズ９と、フォーカス系レンズ群１０などを備える。
コリメート系レンズ群８は、レーザ入射部６から出射されたレーザ光を光学調整して平行光とする。コリメート系レンズ群８によって生成された平行光は、アキシコンレンズ９に照射される。
アキシコンレンズ９は、コリメート系レンズ群８とフォーカス系レンズ群１０との間に配置され、コリメート系レンズ群８から照射されたレーザ光を透過して、フォーカス系レンズ群１０に出射する。
フォーカス系レンズ群１０は、アキシコンレンズ９を通過して入射したレーザ光を集光させる。その結果、光軸上でエネルギー強度の高いレーザ光が得られ、被加工物２０を切断することが可能となる。

次に、アキシコンレンズ９について説明する。
アキシコンレンズ９は、円錐形状を有する光学部品であり、第１面９ａが円錐面であり、第１面９ａに対して反対の面である第２面９ｂが平面である。円錐面である第１面９ａは、レーザ光の入射側、すなわちコリメート系レンズ群８を向いて配置され、平面である第２面９ｂは、レーザ光の出射側、すなわちフォーカス系レンズ群１０を向いて配置される。

アキシコンレンズ９は、円錐の中心軸がレーザ光の光軸に一致するように配置され、第２面９ｂの平面は、光軸に対して垂直となるように配置される。
アキシコンレンズ９には、平行な光束を有するレーザ光が入射され、入射するレーザ光のエネルギー強度分布は、図３に示すように、光軸を含む中心領域が周辺領域よりも高い。また、光軸に対して垂直に切断した面において、入射するレーザ光は、円形状を有する。

アキシコンレンズ９は、円錐面が入射側に位置し、平面が出射側に位置するように配置されることによって、アキシコンレンズ９を通過するレーザ光は、中心領域の光が外側に向かって進み、周辺領域の光が内側、すなわち光軸側に向かって進む。その結果、アキシコンレンズ９から出射されたレーザ光は、エネルギー強度分布の倒置が生じる。すなわち、入射の際にエネルギー強度が高かった中心領域の光が外周部分に向かい、エネルギー強度が低かった周辺領域の光が光軸に向かうことによって、出射されたレーザ光のエネルギー強度分布は、図４に示すように、光軸を含む中心領域に比べて周辺領域が高い。

アキシコンレンズ９から出射するレーザ光は、加工点を含み光軸に対して垂直に切断した面において、エネルギー強度が高い領域は、円形状のうち外周に沿って分布し、リング形状を有する。アキシコンレンズ９から出射するレーザ光は、光軸を含み光軸に対して平行に切断した面において、エネルギー強度分布は、カルデラ状であり、中心領域よりも周辺領域の方が高くなる。

その結果、レーザ光の側面のエネルギー強度が高く、かつ、分布傾向が急峻となる。したがって、本実施形態の光学系７を通過したレーザ光を用いた場合、周辺領域よりも中心領域の方が高いエネルギー分布を有するレーザ光を用いる場合に比べて、より加工精度を高めることができる。また、エネルギー強度分布の倒置を確実に生じさせることができるため、エネルギー強度が高い周辺領域とエネルギー強度が低い中心領域とのエネルギー強度の差を大きくすることができる。その結果、厚さがより厚い被加工物２０、例えば厚さ50mmを有する鋼板の切断が可能となる。

また、アキシコンレンズ９から出射するレーザ光は、光軸に対して垂直に切断した面において、円形状を有する。したがって、レーザ光と被加工物２０の相対的な進行方向に関わらず、被加工物２０を精度良く切断でき、かつ、厚みを有する被加工物を切断できる。

従来の球面レンズの球面収差を用いることによって、エネルギー強度が高い領域をリング形状に形成することもできるが、焦点位置から離れるとレーザ光が拡散しやすいため、リング形状が形成される部分のレーザ軸方向の長さ（焦点深度）は、比較的短かった。一方、本実施形態のようにアキシコンレンズ９を用いた場合、レーザ光の拡散性が少なく、リング形状が形成される部分のレーザ軸方向の長さを長く（焦点深度を深く）することができる。
従来の球面レンズの球面収差を用いてリング形状を形成した場合、加工ヘッド４からの距離が遠くなると、レーザ光が拡散して、レーザ光の径が大きくなっていき、エネルギー強度が低下する。一方、アキシコンレンズを用いてリング形状を形成した場合、レーザ光の径が大きくなった場合でも、リング形状のエネルギー強度分布がレーザ軸方向に沿って保たれる。したがって、本実施形態では、リング形状が形成される部分の焦点深度が深いことから、比較的厚い被加工物を切断することができる。

１ レーザ加工装置
２ レーザ発振器
３ 光ファイバー
４ 加工ヘッド
５ 加工ステージ
６ レーザ入射部
７ 光学系
８ コリメート系レンズ群（コリメート系光学部品）
９ アキシコンレンズ
９ａ 第１面
９ｂ 第２面
１０ フォーカス系レンズ群（フォーカス系光学部品）
２０ 被加工物

Claims (2)

1. 平行な光束を有するレーザ光を出射するコリメート系光学部品と、
   円錐形状を有し、前記コリメート系光学部品から出射された光が入射されるアキシコンレンズと、
   前記アキシコンレンズから出射された光を集光するフォーカス系光学部品と、
   を備え、
   前記アキシコンレンズは、前記コリメート系光学部品と前記フォーカス系光学部品との間で一つのみ設けられ、
   前記アキシコンレンズの円錐面は、前記コリメート系光学部品側のみに位置し、前記アキシコンレンズの平面は、前記フォーカス系光学部品側のみに位置し、
   前記アキシコンレンズから出射される光のエネルギー強度分布は、当該光の光軸を含み該光軸に対して平行に切断した面において、前記光軸を含む中心領域に比べて周辺領域が高く、前記光の最外周部分で最も高い光学系。
2. 請求項１に記載の光学系と、
   レーザ光を発振し、前記レーザ光を前記光学系に出射するレーザ発振器と、
   を備えるレーザ加工装置。

Images