JP6114431B1 - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ加工機は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置３１と、ビームパラメータ積可変装置３１より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置３２とを備える。ビームパラメータ積可変装置３１はビームパラメータ積を所定の値に設定している。ビーム径可変装置３２は、光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズ２８と、光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、収束光が入射される第２のレンズ３０とを有する。第３のレンズ２７は、正の焦点距離を有し、ビーム径可変装置３２より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる。【選択図】図８

Description

本発明は、レーザ光によって金属の板材を切断加工するレーザ加工機に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザ光によって金属の板材を切断加工するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機には、種々のレーザ発振器が用いられる。比較的板厚の薄い板材を高速に切断加工するためには、例えばファイバレーザ発振器がよく用いられる。ファイバレーザ発振器は、板材の高速切断加工に適しているという利点に加え、ＣＯ_２レーザ発振器と比較して小型及び低コストであるという利点を有する。

独国特許出願公開第10 2011 117 607 A1号明細書 特表２０１５−５００５７１号公報

比較的板厚の薄い板材のうち、板厚が例えば６ｍｍ〜３０ｍｍの板材を厚板、板厚が例えば０．１ｍｍ〜６ｍｍの板材を薄板と称することとする。なお、当業界では板厚が例えば２ｍｍ〜１２ｍｍの板材を中厚板と称す場合もある。同じレーザ加工機で加工条件のみを変更することによって厚板と薄板とを切断加工することは困難である。ここでの加工条件とは、例えば、レーザ光のパワー、レーザ光をパルス発振させるときのパルスのデューティ、焦点位置、アシストガスの種類またはガス圧である。

そこで、従来のレーザ加工機においては、厚板と薄板との双方を切断加工するために、レンズ等の光学系要素または加工ノズルのようなレーザ加工機の構成部品を交換しなければならない。構成部品の交換は煩雑であり、コストの上昇を招くことから、構成部品を交換することなく、厚板と薄板との双方を切断加工することができるレーザ加工機が望まれる。

本発明は、構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザ発振器より射出されたレーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置と、前記ビームパラメータ積可変装置より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置とを備え、前記ビームパラメータ積可変装置は、レーザ光のビームパラメータ積を所定の値に設定しており、前記ビーム径可変装置は、光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズと、光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、前記収束光が入射される第２のレンズとを有し、前記第２のレンズは、前記第１のレンズの光軸方向の位置に対応して、前記収束光が集光する位置から前記第１のレンズ側に、前記第２のレンズの焦点距離と同じ距離だけずらした位置に配置されて、前記収束光を平行光に変換するように構成されており、正の焦点距離を有し、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる第３のレンズをさらに備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

上記のレーザ加工機において、前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、前記第１及び第２のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。

上記のレーザ加工機において、前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することが好ましい。

このとき、前記制御部は、前記板材の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、前記板材の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう前記第１及び第２の駆動部を制御する。前記第１及び第２の駆動部が前記第１及び第２のレンズを移動させても、前記第３のレンズより射出されて前記板材に集光するレーザ光の焦点位置は一定である。

上記のレーザ加工機において、前記第３のレンズは光軸方向に移動自在とされ、レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることが好ましい。

この場合、前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、前記第３のレンズを移動させるための第３の移動機構と、前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、前記第３の移動機構を駆動する第３の駆動部と、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、及び、前記第３のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部、及び、前記第３の駆動部を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。

上記のレーザ加工機において、前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することが好ましい。

本発明のレーザ加工機によれば、構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができる。

一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。 図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図１中のビームパラメータ積可変装置３１の構成例を示す図である。 図１中の凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７を移動自在にする概略的な構成例を示す図である。 凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７の移動のさせ方を説明するための図である。 レーザ光の集光径及び発散角を説明するための図である。 ビームパラメータ積可変装置３１の作用を説明するための図である。

以下、一実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光のビームパラメータ積（Beam Parameter Products）を可変させるビームパラメータ積可変装置３１と、レーザ加工ユニット１５とを備える。以下、ビームパラメータ積をＢＰＰ、ビームパラメータ積可変装置３１をＢＰＰ積可変装置３１と称することとする。

レーザ発振器１１とＢＰＰ積可変装置３１とはフィーディングファイバ１２１で接続されており、フィーディングファイバ１２１はレーザ発振器１１より射出されたレーザ光をＢＰＰ積可変装置３１へと伝送する。

ＢＰＰ積可変装置３１とレーザ加工ユニット１５とはプロセスファイバ１２２で接続されており、プロセスファイバ１２２はＢＰＰ積可変装置３１より射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット１５へと伝送する。プロセスファイバ１２２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。

レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光によって、金属の板材Ｗ１を切断加工する。

レーザ発振器１１としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザ光を射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザ光を直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１１は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ加工ユニット１５は、板材Ｗ１を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。

コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２２の射出端より射出したレーザ光が入射される凸レンズ２８と、凸レンズ２８より射出したレーザ光が入射される凹レンズ３０とを有する。また、コリメータユニット２９は、凹レンズ３０より射出したレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５と、ベンドミラー２５で反射したレーザ光を集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

凸レンズ２８は正の焦点距離を有するレンズ、凹レンズ３０は負の焦点距離を有するレンズ、集光レンズ２７は正の焦点距離を有するレンズである。集光レンズ２７は凸レンズである。凸レンズ２８と凹レンズ３０とは、入射されたレーザ光の個々のビームを平行光化するコリメートレンズの機能を有する。

後述するように、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とは光軸方向に移動自在に構成されている。凸レンズ２８及び凹レンズ３０は、ビーム径を可変させるビーム径可変装置３２（図５または図６参照）を構成する。

凸レンズ２８及び凹レンズ３０、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に配置されている。

コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザ光を板材Ｗ１に照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光を、ＢＰＰ積可変装置３１を介してレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、集光レンズ２７によって集光されたレーザ光を板材Ｗ１に照射して板材Ｗ１を切断加工することができる。図１においては、ＢＰＰ積可変装置３１をレーザ発振器１１の外部に設けているが、ＢＰＰ積可変装置３１をレーザ発振器１１の筐体の内部に設けてもよい。

なお、板材Ｗ１を切断加工するとき、板材Ｗ１には溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。

図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。

励起コンバイナ１１１より射出されたレーザ光は、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２及び１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。

Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１２及び１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λ’（１μｍ帯）のレーザ光が射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してフィーディングファイバ１２１に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１及び１１６２を有する。

図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１〜λｎのレーザ光を射出する。波長λ１〜λｎ（１μｍ帯より短い波長帯）は、例えば９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。

オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１〜λｎのレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ1181と、グレーティング1182と、集光レンズ1183とを有する。

コリメートレンズ1181は、波長λ１〜λｎのレーザ光を平行光化する。グレーティング1182は、平行光化されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集光レンズ1183に入射させる。集光レンズ1183は、入射されたレーザ光を集光してフィーディングファイバ１２１に入射される。

図４を用いて、ＢＰＰ積可変装置３１の構成例を説明する。ＢＰＰ積可変装置３１は、フィーディングファイバ１２１の射出端とプロセスファイバ１２２の入射端との間に配置された集光レンズ３１１と、フィーディングファイバ１２１の端部の位置を移動させる移動機構３１２とを有する。

図４に示すように、プロセスファイバ１２２は、コア１２２１の周囲をクラッド１２２２が覆う構成である。コア１２２１の屈折率はクラッド１２２２の屈折率よりも高い。フィーディングファイバ１２１も同様の構成である。

移動機構３１２によって集光レンズ３１１に対するフィーディングファイバ１２１の端部の位置を変化させると、集光レンズ３１１に入射するレーザ光の入射位置が変化し、集光レンズ３１１がプロセスファイバ１２２のコア１２２１に入射するレーザ光の入射角度を変化させる。

フィーディングファイバ１２１が実線で示す位置にあるときレーザ光は実線で示すように進行し、フィーディングファイバ１２１が一点鎖線で示す位置にあるときレーザ光は一点鎖線で示すように進行する。その結果、プロセスファイバ１２２より射出されるレーザ光のＢＰＰは変化する。

ＢＰＰ積可変装置３１は図４に示す構成に限定されることはなく、ＢＰＰを変化させることができる構成であれば任意の構成でよい。フィーディングファイバ１２１の位置を固定させて、レンズを移動させることによってプロセスファイバ１２２に入射するレーザ光の入射角度を変化させる構成であってもよい。プロセスファイバ１２２の入射端にさらにレンズを備えていてもよい。

図５を用いて、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７を移動自在する概略的な構成例を説明する。図５において、ビーム径可変装置３２を構成する凸レンズ２８及び凹レンズ３０は、それぞれ、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を光軸方向（図１のＸ軸方向）に移動自在とするための移動機構２８１及び３０１に取り付けられている。集光レンズ２７は、集光レンズ２７を光軸方向（図１のＺ軸方向）に移動自在とするための移動機構２７１に取り付けられている。

移動機構２８１，３０１及び２７１は、例えば、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか（またはこれらの任意の組み合わせ）を用いて、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とのそれぞれを移動自在にする機構でればよい。

凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７は、それぞれ、駆動部２８２，３０２及び２７２が移動機構２８１，３０１及び２７１を駆動することによって、矢印で示すように光軸方向に移動する。駆動部２８２，３０２及び２７２は、例えばモータである。

制御部５０は、駆動部２８２，３０２及び２７２を制御する。制御部５０は、マイクロプロセッサで構成することができる。制御部５０は、レーザ加工機１００の全体を制御するＮＣ装置であってもよい。

オペレータは、操作部５１を操作して、板材Ｗ１の材料の種別、板材Ｗ１の板厚、レーザ光の集光径、焦点位置等の各種の加工条件を設定することができる。板材Ｗ１の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮である。板材Ｗ１の板厚は、例えば、０．１ｍｍ〜３０ｍｍを所定の範囲として、所定の範囲内のいずれかの板厚である。

制御部５０は、操作部５１によって入力された板材Ｗ１の加工条件に応じて凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう、駆動部２８２及び３０２による移動機構２８１及び３０１の駆動を制御する。

操作部５１によってレーザ光の集光径が入力された場合には、制御部５０は、入力された集光径に応じて凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう駆動部２８２及び３０２を制御する。

レーザ光の集光径が入力されなくても、板材Ｗ１の材料の種別及び板厚が入力されれば、最適な集光径はほぼ決まる。操作部５１によって板材Ｗ１の材料の種別及び板厚が入力された場合には、制御部５０は、入力された材料の種別及び板厚に対応する集光径に応じて、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう駆動部２８２及び３０２を制御することができる。

制御部５０は、加工条件に基づいて必要な集光径を計算によって求めてもよいし、予め保持されたそれぞれの加工条件に対応する集光径を読み出してもよい。

操作部５１によって焦点位置が入力された場合には、制御部５０は、入力された焦点位置に応じて集光レンズ２７の位置を調整するよう、駆動部２７２による移動機構２７１の駆動を制御する。

図５において、プロセスファイバ１２２の射出端１２２ｅから、一点鎖線で示すようにレーザ光が発散光として射出する。

凸レンズ２８は、射出端１２２ｅから凸レンズ２８までの距離が凸レンズ２８の焦点距離以下となるように配置されている。よって、凸レンズ２８は、レーザ光の拡散光を収束光に変換する。制御部５０は、凸レンズ２８を、射出端１２２ｅから凸レンズ２８までの距離が凸レンズ２８の焦点距離以下となる範囲で光軸方向に移動させることができる。

凹レンズ３０が後述する最適な位置に配置されていると、凹レンズ３０は収束光を平行光に変換する。ここでの平行光とは、レーザ光の光束が平行光であるということである。凹レンズ３０から射出した平行光はベンドミラー２５で反射して光路が曲げられ、集光レンズ２７に入射する。集光レンズ２７は、焦点位置が板材Ｗ１の表面またはその近傍となるよう平行光を集光して、レーザ光を板材Ｗ１に照射させる。

制御部５０は、ＢＰＰを変化させるよう、ＢＰＰ積可変装置３１を制御することがある。

図６（ａ）〜（ｃ）を用いて、ビーム径可変装置３２による作用を説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、図５におけるベンドミラー２５を省略して、光軸が一直線となるように凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とを配置した状態を概念的に示している。

図６（ａ）〜（ｃ）において、仮に凹レンズ３０が存在せず、凸レンズ２８からの収束光が集光する位置を点Pf28とする。凹レンズ３０を、点Pf28より凸レンズ２８側に、凹レンズ３０の焦点距離と同じ距離Ｌだけずらした位置に配置すると、凹レンズ３０は収束光を平行光に変換する。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹レンズ３０から射出する平行光のビーム径Ｄは、凸レンズ２８から射出する収束光の収束角に応じて変化する。

図７は、板材Ｗ１の表面またはその近傍に集光するレーザ光のビームウェイスト周辺を拡大して概念的に示している。図７の左側が板材Ｗ１の上方側、右側が板材Ｗ１の下方側である。

集光径ｄは式（１）で表される。レイリー長Ｚｒは式（２）で表される。式（１）及び（２）において、ｆは集光レンズ２７の焦点距離である。なお、ＢＰＰは、ビームウェイストの半径ｄ／２とビームの発散角の半値半幅θとの積で表される。

ＢＰＰは、凸レンズ２８及び凹レンズ３０、または、集光レンズ２７を移動させても変化しない。ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰを変化させないとすると、式（１）及び（２）より、集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒはビーム径Ｄに応じて決まり、ビーム径Ｄが変化すると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒは変化する。

ビーム径Ｄが大きくなると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒが小さくなり、パワー密度が高くなって薄板に適したビームプロファイルとなる。ビーム径Ｄが小さくなると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒが大きくなり、パワー密度が低くなって厚板に適したビームプロファイルとなる。

制御部５０は、式（１）に基づいて、目標とする集光径ｄとなるビーム径Ｄを算出し、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が算出したビーム径Ｄを実現する位置となるよう、駆動部２８２及び３０２を制御して、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させる。

詳細には、制御部５０は、凸レンズ２８から射出されるレーザ光の収束角が目標とするビーム径Ｄが得られる収束角となるように凸レンズ２８を移動させる。これに加えて、制御部５０は、凸レンズ２８の光軸方向の位置に対応して、収束光を平行光に変換するよう、凹レンズ３０を点Pf28より凸レンズ２８側に距離Ｌだけずらした位置に移動させる。

制御部５０は、目標とするビーム径Ｄ及び集光径ｄとするための凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を算出して、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させる。

図６（ａ）及び（ｂ）より分かるように、集光レンズ２７は平行光を集光するため、凹レンズ３０の位置が変化してもレーザ光の焦点位置は変化しない。

以上のように、制御部５０は、板材Ｗ１の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、集光レンズ２７入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、板材Ｗ１の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、集光レンズ２７入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう駆動部２８２及び３０２を制御する。駆動部２８２及び３０２が凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させても、集光レンズ２７より射出されて板材Ｗ１に集光するレーザ光の焦点位置は一定であり変化しない。

なお、ビーム径Ｄ内の光強度分布は、プロセスファイバ１２２のコアとクラッドに伝達されるレーザ光の反射合成によって形成される。図６（ａ）及び（ｂ）のようにビーム径Ｄが変化しても、ビーム径Ｄ内の光強度分布はほとんど変化せず、変化したとしても極めてわずかである。

制御部５０が集光レンズ２７を移動させると、図６（ｃ）に示すように、焦点位置を変化させることができる。板材Ｗ１の表面を焦点位置とするのではなく、板材Ｗ１の表面または裏面からわずかにずらした位置を焦点位置として切断加工する場合がある。

操作部５１によって焦点位置が入力された場合には、制御部５０は、入力された焦点位置となるよう、駆動部２７２を制御して、集光レンズ２７を移動させる。集光レンズ２７を移動させて焦点位置を変更しても、集光径ｄは変化しない。

次に、図８（ａ）〜（ｄ）を用いて、ＢＰＰ積可変装置３１の作用を説明する。式（１）及び（２）より、集光径ｄ及びレイリー長ＺｒはＢＰＰによって変化する。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すビーム径Ｄ１は、集光レンズ２７で許容可能な最大径であるとする。制御部５０が図８（ａ）におけるＢＰＰを図８（ｂ）におけるＢＰＰよりも小さくなるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御したとする。

ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰを変化させると、ビームの発散角が大きくなるため、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ１で共通とするためには、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を異ならせる必要がある。図８（ａ）と図８（ｂ）とで凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が異なっているのは、ＢＰＰを変化させながら、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ１で共通としているためである。

ＢＰＰ積可変装置３１によって図８（ａ）におけるＢＰＰを図８（ｂ）におけるＢＰＰよりも小さくすることにより、図８（ａ）における集光径ｄを図８（ｂ）における集光径ｄよりも小さくすることができる。図８（ａ）における集光径ｄをｄ１、図８（ｂ）における集光径ｄをｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２となる。

図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示すビーム径Ｄ２は、集光レンズ２７で許容可能な最小径であるとする。最小径は、熱レンズの影響や集光レンズ２７のコーティングの耐光強度で決まる。制御部５０が図８（ｄ）におけるＢＰＰを図８（ｃ）におけるＢＰＰよりも大きくなるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御したとする。

同様に、図８（ｃ）と図８（ｄ）とで凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が異なっているのは、ＢＰＰを変化させながら、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ２で共通としているためである。

ＢＰＰ積可変装置３１によって図８（ｄ）におけるＢＰＰを図８（ｃ）におけるＢＰＰよりも大きくすることにより、図８（ｄ）における集光径ｄを図８（ｃ）における集光径ｄよりも大きくすることができる。図８（ｃ）における集光径ｄをｄ３、図８（ｄ）における集光径ｄをｄ４とすると、ｄ３＜ｄ４となる。

制御部５０は、ＢＰＰが所定の値となるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御し、かつ、
所望のビーム径Ｄとなるように凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を決定するよう駆動部２８２及び３０２を制御すればよい。

本実施形態のレーザ加工機１００においては、ＢＰＰ積可変装置３１及びビーム径可変装置３２を備えるから、ＢＰＰ積可変装置３１のみで集光径ｄを異ならせることができ、ビーム径可変装置３２のみで集光径ｄを異ならせることができる。また、ＢＰＰ積可変装置３１とビーム径可変装置３２との双方で集光径ｄを異ならせることもできる。

図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、ビーム径Ｄが最大値のビーム径Ｄ１から最小値のビーム径Ｄ２までの範囲で変化するとする。ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰの値がＢＰＰ１からＢＰＰ２までの範囲で変化するとする。図８（ａ）及び図８（ｃ）ではＢＰＰの値はＢＰＰ１、図８（ｂ）及び図８（ｄ）ではＢＰＰの値はＢＰＰ２である。

この場合、ＢＰＰの値がＢＰＰ１で固定であれば、集光径ｄはｄ１からｄ３までの範囲で変化し、ＢＰＰの値がＢＰＰ２で固定であれば、集光径ｄはｄ２からｄ４までの範囲で変化する。本実施形態のレーザ加工機１００においては、ＢＰＰを可変させることによって、集光径ｄをｄ１からｄ４までの範囲で変化させることができる。

ＢＰＰとビーム径Ｄとの少なくとも一方を変化させることによって、集光径ｄを変化させることができる。ＢＰＰとビーム径Ｄとの双方を変化させれば、集光径ｄを広範囲に変化させることができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ＢＰＰ積可変装置３１とビーム径可変装置３２とを備えて集光径ｄを広範囲に調整できるから、適切に切断加工することができる板厚の範囲を広げることができる。

ＢＰＰ積可変装置３１によるＢＰＰの可変範囲を１．５〜５ｍｍ・ｍｒａｄ（即ち、１〜３．３３倍）とし、ビーム径可変装置３２によるビーム径Ｄの可変範囲を１〜３倍とすると、式（１）より集光径ｄを１〜１０倍に可変させることができる。ＢＰＰの可変範囲をさらに大きくすれば、集光径ｄをさらに広範囲に可変させることができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビーム形状としてガウシアン形状とリング形状とのうちのいずれかを適宜に選択することができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、板材Ｗ１の板厚及び材質に応じてビームウェイストを調整し、もってＢＰＰを調整して、板材Ｗ１に照射されるレーザ光のパワー密度の分布を適切に制御することができる。本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビームウェイスト及びパワー密度の分布を適切に制御して板材Ｗ１の融解時間及び切断速度を適切に調整することによって、板材Ｗ１の切断面粗さを良好にすることができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、集光径ｄと焦点位置とを互いに独立して調整することができる。焦点位置を変更させる必要がない場合には、集光レンズ２７の位置を固定として、凸レンズ２８及び凹レンズ３０のみを移動自在に構成してもよい。

制御部５０は、板材Ｗ１の板厚に応じて連続的に集光径ｄを調整してもよいし、例えば、板厚を６ｍｍ〜３０ｍｍの厚板と、０．１ｍｍ〜６ｍｍの板材を薄板とに分けて、集光径ｄを２段階で調整してもよい。さらに、板厚を１２ｍｍ〜３０ｍｍの厚板と、２ｍｍ〜１２ｍｍの中厚板と、０．１ｍｍ〜２ｍｍの板材を薄板と分けて、集光径ｄを３段階で調整してもよい。制御部５０は、板材Ｗ１の板厚を４つ以上のグループに分けて、集光径ｄを４段階以上で調整してもよい。

本実施形態のレーザ加工機１００は、集光径ｄを調整することができるため、レンズ等の構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材Ｗ１をそれぞれの板厚に合わせて適切に切断加工することができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、正の焦点距離を有する第１のレンズ（凸レンズ２８）と、負の焦点距離を有する第２のレンズ（凹レンズ３０）と、正の焦点距離を有する第３のレンズ（集光レンズ２７）との３枚のレンズを用いればよい。よって、特許文献１に記載の構成よりも構成を簡略化でき、構成部品を交換することなく所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができるレーザ加工機を低コストで実現することができる。

本実施形態のレーザ加工機１００によれば、少なくとも第１及び第２のレンズのみを移動自在に構成することによって、板厚に合わせた適切な切断加工を実現することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１ レーザ発振器
１５ レーザ加工ユニット
２７ 集光レンズ（第３のレンズ）
２８ 凸レンズ（第１のレンズ）
３０ 凹レンズ（第２のレンズ）
３１ ビームパラメータ積可変装置（ＢＰＰ積可変装置）
３２ ビーム径可変装置
１００ レーザ加工機
１２２ｅ 射出端
Ｗ１ 板材

Claims (7)

1. レーザ発振器より射出されたレーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置と、
   前記ビームパラメータ積可変装置より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置と、
   を備え、
   前記ビームパラメータ積可変装置は、レーザ光のビームパラメータ積を所定の値に設定しており、
   前記ビーム径可変装置は、
   光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズと、
   光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、前記収束光が入射される第２のレンズと、
   を有し、
   前記第２のレンズは、前記第１のレンズの光軸方向の位置に対応して、前記収束光が集光する位置から前記第１のレンズ側に、前記第２のレンズの焦点距離と同じ距離だけずらした位置に配置されて、前記収束光を平行光に変換するように構成されており、
   正の焦点距離を有し、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる第３のレンズをさらに備える
   ことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、
   前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、
   前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、
   前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、
   前記第１及び第２のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記制御部は、前記板材の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、前記板材の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう前記第１及び第２の駆動部を制御し、
   前記第１及び第２の駆動部が前記第１及び第２のレンズを移動させても、前記第３のレンズより射出されて前記板材に集光するレーザ光の焦点位置は一定である
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工機。
5. 前記第３のレンズは光軸方向に移動自在とされ、レーザ光の焦点位置を変化させるように構成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機。
6. 前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、
   前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、
   前記第３のレンズを移動させるための第３の移動機構と、
   前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、
   前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、
   前記第３の移動機構を駆動する第３の駆動部と、
   前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、及び、前記第３のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部、及び、前記第３の駆動部を制御する制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工機。
7. 前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工機。

Images