JP6253410B2 - 光合焦用レンズが単一のレーザビームマシニング装置及びレーザマシニング方法、レーザマシニング装置、レーザマシニング装置の使用方法 - Google Patents

Description

本願は、２０１０年１２月１６日付欧州特許出願第１０１９５４３３号及び２０１０年１２月１６日付米国暫定特許出願第６１／４２３９９２号に基づく優先権主張を伴い且つ後者の非暫定版に該当する出願である。そこで、この参照を以て且つあらゆる意図及び目的において、欧州特許出願第１０１９５４３３号及び米国暫定特許出願第６１／４２３９９２号の全内容が本願に組み込まれ、本願にて全く同一の説明がなされていると見なすこことする。

本発明は、未合焦のレーザ光を出射する光出射点と、伝搬方向に沿い光出射点の下流にあり伝搬方向に沿い可動な単一のレンズと、を備え、そのレンズで合焦させつつレーザ光をワークピース側のマシニング点（被加工点）に送るレーザビームマシニング装置に関する。本発明は、更に、レーザビームマシニング装置の使用方法に関する。

レーザを利用した素材処理は以前から知られている。これは、高エネルギ光のビームを素材上に送り熔融、気化又は燃焼させることで、その素材を切断（レーザ切削）又は接合（レーザ熔接）する処理である。そのためのレーザとしては、ＣＯ₂レーザ、ディスクレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ等のほか、昨今ではダイオードレーザが使用されている。こうしたレーザ利用素材処理で肝要なのはレーザ光を狙いとするスポットに合焦させることである。

例えば、特許文献１には、そのためのシステムとして、素材のレーザビームマシニングに使用される高エネルギレーザ光の光学系内合焦位置を能動的に調整可能なシステムが記載されている。同システムは、合焦位置検知用のセンサ、制御プロセッサ、並びに合焦位置修正・補正用の光学系内可動シャフトを備えている。

特許文献２〜８にはまた別のレーザ光合焦位置調整手法が記載されている。

合焦光学系用の駆動手段に加え、作用気体、浄化気体、除熱気体等の供給に関わる多少複雑な補償手段を備えるレーザビームマシニングヘッドに関する文献もある。補償手段を設けるのは、概略、それら補助気体の圧力変化が不正な合焦光学系変位につながりうるからである。例えば、合焦光学系より下流に存する切削気体その他作用気体で圧力が上昇するとその合焦光学系にて圧力が上昇する。補償手段の役割は、ピストン面の逆方向作動を通じこの圧力上昇を補償することである。

補助気体を使用するこの種のレーザビームマシニング装置の場合、合焦光学系用の駆動手段を機械式又は液圧式の駆動装置群で構成し、それらの駆動装置をレーザビームマシニングヘッドの外部又はレーザビームマシニングヘッドの壁内に配置する。どちらの配置でも、レーザビームマシニングヘッドの壁内に設けた流体室が加圧を受け、合焦光学系に連結又は一体化されているピストン面に作用する。

この種の文献としては、例えば、特許文献９及び１０（出願人：共にＦａｎｕｃ）、特許文献１１及び１２（出願人：共に本願出願人）並びに特許文献１３〜１８がある。

これらの従来技術には、補償手段が多大なスペースを占める、レーザビームマシニングヘッドが“太る”、それらがレーザビームマシニングヘッドの壁と一体化されているため保守・修理作業時にアクセスできない、といった難点がある。

また、特許文献１９には、そのコア・周縁部間で屈折率が異なるグレーデッドインデクス型の光ファイバと、その光ファイバへの入射面（その面を介しレーザビームが光ファイバ内に進入していく面）の上又は近傍に最小合焦点を発生させる光ファイバ入射系と、を備えるレーザビーム用光伝送装置が記載されている。

更に、特許文献２０には、レーザビーム発生器から送られてくるレーザビームの光軸上に配置された非球面レンズを備え、その非球面レンズに入射されるレーザビームの光強度分布を同非球面レンズに通して変換し、周辺部に向かい捻れを呈するエネルギ分布にする光学系が記載されている。

加うるに、特許文献２１には、共振器又はレーザ発振器の外部に配置された非球面レンズと、その非球面レンズからマシニング点へとレーザビームを案内するビーム伝送光学系と、を備え、当該非球面レンズの曲率成分が、面全体に亘り均一な収束性曲率成分及びレンズ位置におけるビーム強度分布に比例する発散性曲率成分の和で与えられ、当該非球面レンズの収束性球面曲率成分に係る焦点位置がビーム伝送光学系によってマシニング点上にコピーされる装置が記載されている。

そして、特許文献２２には、光軸沿いにレーザビームを出射する出射部例えばワット級ワンチップ半導体レーザと、その出射部の面前に位置するよう光軸上に配置された非球面レンズと、を備え、出射部から非球面レンズの焦点位置までの距離及び非球面レンズの焦点位置から集光部までの距離を変化させるとそのＦ値が変化する光学系が記載されている。非球面レンズを使用しているので、レーザビームを任意形状に変形して半田付け効率を高めることができる。

これらの文献に記載の従来技術は、部分的に、非常に複雑な物理的形態で構成されている。これはレーザビームマシニング装置のコスト増や故障のしやすさにつながる。更に、この種の装置は複雑な割に柔軟性に乏しい。

独国実用新案登録第２０２００７０１８６８９号明細書（Ｕ１） 国際公開第ＷＯ２００８／０１９６８１号パンフレット（Ａ１） 米国特許出願公開第２０１０／００９６３７０号明細書（Ａ１） 欧州特許出願公開第２０４２２５８号明細書（Ａ１） 国際公開第ＷＯ２００９／０１６６４５号パンフレット（Ａ２） 米国特許第７７８６４０４号明細書（Ｂ２） 欧州特許出願公開第１９９８２１５号明細書（Ａ１） 欧州特許出願公開第０５３６９５１号明細書（Ａ２） 欧州特許第１７４３７２６号明細書（Ｂ１） 欧州特許第２０１８９３３号明細書（Ｂ１） 欧州特許出願公開第２０６２６７６号明細書（Ａ１） 欧州特許出願公開第２０６２６７９号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第４３１７３８４号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第４１２９２７８号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第１９６２８８５７号明細書（Ａ１） 米国特許第６２０４４７３号明細書（Ｂ１） 仏国特許出願公開第２９２３１６８号明細書（Ａ１） 米国特許第６２０４４７３号明細書（Ｂ１） 米国特許第５８１５６２６号明細書 特開２００１−１２９６７９号公報 特開２００２−２８３０８５号公報 特開２００６−０３５２４７号公報

本発明の目的は、より秀逸なレーザビームマシニング装置を提供することにある。具体的には、その複雑性を抑えつつ柔軟性の高いレーザビームマシニング装置を実現することにある。

この問題を解決すべく、本発明では、冒頭に示したタイプのレーザビームマシニング装置にて、光出射点・レンズ間の距離、レンズ・ワークピース側マシニング点間の距離、並びに光出射点・同マシニング点間の距離を可変とする。

同様に、その問題を解決すべく、本発明に係る方法では、未合焦のレーザ光を出射する光出射点と、伝搬方向に沿い光出射点の下流にある単一のレンズと、を備え、当該レーザ光をそのレンズで合焦させつつワークピース側のマシニング点に送るレーザビームマシニング装置を使用するに際し、光出射点・レンズ間の距離を変化させつつそのワークピースを切削する。

本発明によれば、レンズから出射されたレーザ光の収束性を変化させることで、そのレンズの焦点位置に加え、作用するレーザ光（プロセスビーム）の合焦深度を変化させることができる。レンズまでの距離を短めにすると、ビームの収束性が弱まり合焦スポットが大きめになる一方で合焦深度が深めとなる。逆に、レンズまでの距離を長めにすると、合焦スポットが小さめ、合焦深度が浅めになる。

これは、従来技術に比し大きな長所となっている。昨今市販されているレーザビームマシニング用のマシニングヘッド、例えばファイバレーザを用いた切削用のそれには、ビーム合焦深度が一般に２ｍｍ未満、という独特の限界がある。これは、ワークピースが薄手なら高いパワー密度ひいては高い送り速度を実現できる、ということを意味している。反面、ワークピースの厚みが４ｍｍ超であると、焦点精度が高まらずビーム半径の曲がりではそのワークピース寸法にもはや対処できない。即ち、パワー密度及び送り速度を落としたくなければレーザパワーを高めにしなければならない。しかし、レーザパワーを高めにしても、切り口が広めで“醜い”ものになる問題が残り、コスト的にもひどい増大が発生する。

これに対し、本発明では、個々のレンズに係る軸変位型シャフトによる像の回折的最適化を通じ、プロセスビームの合焦領域内での横方向及び縦方向拡大が可能となる。即ち、ビーム品質の変化やプロセスビーム用光ファイバ（プロセスファイバ）の換装を伴わないで、ビーム形状を様々なワークピース寸法に途切れなく適合させることができる。従って、本発明によれば、ひときわ単純な構造のレーザマシニング装置を提供できるだけでなく、厚手のワークピースを低めのレーザパワーで加工することが可能になる。

また、レンズ・ワークピース側マシニング点間距離（特にプロセスビーム出射点の位置）、光出射点・同マシニング点間距離又はその双方が可変であるため、焦点設定とは独立に合焦深度を調整することができる。ここでいうプロセスビーム出射点とは、例えばレーザ光出射ノズル（切削ノズル等）の端部、即ちプロセスビームがレーザビームマシニング装置を出て行く点のことである。この場合、レンズや光出射点をレーザビームマシニング装置内例えばそのマシニングヘッド内で変位させることで、プロセスビーム出射点・ワークピース間距離を一定に保ちつつ、焦点設定とは独立に合焦深度を調整することができる。

更に、レーザ光を直に、即ち途上で更なるビーム整形素子を経由することなく、マシニング点に送ることができる。

本発明によれば、就中、レーザビームマシニング装置の構造がひときわ単純になる。即ち、装置コストを高めつつ、物理的な故障が生じにくい装置にすることができる。綿密に試験したところ、驚くべきことに、素材処理向けにビームを操作し整えるためのレンズは１個でよい、と判明した。

光出射点は光ファイバの端部又はダイオードレーザで形成するのが望ましい。例えば、ＣＯ₂レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ダイオードレーザ等に発する光を光ファイバ経由でレンズまで伝送する構成にするのが望ましい。他方、重要なことに、ファイバレーザ（レーザ光伝送用光ファイバ）の端部でも光出射点を形成できる。やや高級なダイオードレーザであれば、それ自体で光出射点を形成することもできる。

万全を期していうなら、当然、レーザ光を光ファイバその他の光学系に送り込むためのレンズ等を含めレーザビームマシニング装置で使用されるレンズの総数は複数個となる。

本発明の更なる実施形態及び特徴としては、従属形式の請求項から読み取れるものや、別紙図面を参照して後述されるものがある。

まず、レンズを非球面レンズにすることが有益である。非球面レンズなら、レーザビームを素材処理向けに容易に整えることができる。

光出射点、レンズ又はその双方の可動範囲を、そのレーザ光による照明面積がレンズ面積に比し２５〜１００％の範囲に収まるように制限するのが有益である。これにより、熱的過負荷によって生じレンズ湾曲、熱レンズ効果、そしてレンズ損壊に至る現象等、レンズが部分的にしか照明されないことによって生じる現象を回避することができる。

光出射点、レンズ又はその双方の可動範囲全体に亘りシュトレール比を０．９超とするのが更に有益である。シュトレール比は光学装置の光学品質を測る指標であり、物理学者兼数学者であるカール・シュトレールに因んでいる。その定義は、理想的光学系における理論的光強度の最高値に対する像面内点光源による光強度の最高値の比、というものである。レーザビームマシニング装置における可動範囲即ち倍率調整域全体に亘りシュトレール比を０．９超に保つことで、高い切削品質を得ることができる。

レンズの非球面を、偶非球面性を呈するよう整形するのがとりわけ有益である。非球面性は、一般に、球面曲率を定義する公式に加えある種の多項式で与えられる。本発明のレーザビームマシニング装置でレンズの偶非球面性を実現するには、その多項式を偶数次項のみの式ａ₂＊ｘ²＋ａ₄＊ｘ⁴＋…にすればよい。偶非球面性は軸対称なビーム出射光を得たい場合に有益である。これは、具体的には、焦点距離が短い場合はレンズの可動範囲内で収差が高めになりやすいので、そうした領域にて１に近いシュトレール比がもたらされるよう偶非球面性を定める、ということである。こうした要領で非球面性を付与することにより、そのレンズの可動範囲全体に亘り収差を低く保つことができる。

光出射点及びレンズの位置関係を、未合焦のレーザ光がそのレンズに直接入射する位置関係にすることも有益である。本発明をこの形態で実施すると、光出射点・マシニング点間に位置するレンズが１個のみとなるためその構造がひときわ単純化されると共に、当該単一のレンズにビーム整形素子の機能を持たせうるためビーム整形素子を別途設ける必要がなくなる。

レーザビームマシニング装置の駆動系は、特に、光出射点及びレンズをワークピース側のマシニング点（例えばそのレーザビームマシニング装置からプロセスビームが出射される点）に対し互いに同期して同距離に亘り変位させる構成にするのが望ましい。この構成では、ビーム合焦深度を変化させることなく光学系・ワークピース間距離のみを変化させることができる。

レーザビームマシニング装置の駆動系をより単純な構成、例えば狭い範囲内でレンズを変位させる構成にしてもよい。この構成では、合焦深度をほぼ一定に保ちつつ、光出射点に対し焦点位置を変化させることができる。

この点との関連で特に望ましいのは、レーザビームマシニング装置に、レンズ及びレーザビームマシニング点を一体に変位させる第１駆動系並びにレンズ・同マシニング点間距離を調整する第２駆動系を設けることである。これに代え、レンズ用駆動系及び光出射点用駆動系を設けることも考慮に値する。

レンズはＺｎＳ（硫化亜鉛）製とするのが有益である。一般的なガラス製のレンズに比べＺｎＳ製のレンズが熱伝導性に優れその屈折率が高いからである。

レンズ、そのホルダ又はその双方を流体除熱式にすることも有益である。これにより、ハイパワーレーザ光の吸収で強い熱負荷がかかった場合でも、レンズやそのホルダを正常に維持することができる。使用する流体は液体でも気体でもよい。

伝搬方向に沿いレンズの下流に透明ディスク、例えばガラス製やプラスチック製のディスクを配置するのが更に有益である。これにより、熔接スパッタ、切削スパッタ、煙等からレンズを難なく保護することができる。また、ビーム整形用のものではないので、この透明ディスクは平板状のものでかまわない。従って、その換装も低コストで行うことができる。

その透明ディスクとレンズの間に空間を設け、その空間への流体の流入やその空間からの流体の流出に応じ光出射点、レンズ又はその双方が変位する構成にするのが特に有益である。本発明のこの実施形態では、気体圧や液体圧による駆動系で光出射点、レンズ又はその双方を変位させることができる。光出射点の位置が一定なら、その流体流出入に応じ光出射点・レンズ間距離が変化する。逆に、光出射点及びレンズの位置が可変で光出射点・レンズ間容積が一定なら、レンズ・透明ディスク間空間への流体の流入及びそこからの流出に伴い光出射点及びレンズの位置が同期的に変化する。レーザ切削やレーザ熔接でしばしば使用されるプロセス気体等を使用しこうした調整を実行することも可能である。

光出射点・レンズ間に圧密性の空間を設け、その空間への流体の流入やその空間からの流体の流出で光出射点、レンズ又はその双方を変位させる構成にすることが有益である。先に示した構成と同様に、光出射点、レンズ又はその双方の位置は気体圧又は液体圧で調整することができる。光出射点・レンズ間距離には変化が生じる。

更に、伝搬方向に沿い光出射点の上流に圧密性の空間を設け、その空間への流体の流入やその空間からの流体の流出で光出射点を変位させる構成にすることが有益である。本発明のこの実施形態でも、気体圧や液体圧による駆動系で光出射点、レンズ又はその双方を変位させることができる。レンズの位置が一定なら、光出射点・レンズ間距離が変化する。逆に、光出射点及びレンズの位置が可変で光出射点・レンズ間容積が一定なら、光出射点前空間への流体の流入及びそこからの流出に伴い光出射点及びレンズの位置が同期的に変化することとなろう。ここでも、レーザ切削やレーザ熔接でしばしば使用されるプロセス気体等を使用し当該調整を実行することが可能である。

レンズの漏洩光円錐内に感光センサを配した構成が有益である。この構成であれば、そのための高エネルギレーザ光内にセンサを導入することなく、またそのレーザ光のビームを分岐させてセンサへと案内することもなく、ビーム特性、レンズ特性又はその双方を判別することができる。これにより、レーザビームマシニングに役立たない漏洩光をより有効に活用することができる。

本発明のこうした実施形態では、ことに、レーザビームマシニング装置に備わるセンサに評価ユニットを接続し、その評価ユニットに
光出射点、レンズ又はその双方の変位過程でそのセンサにより計測された光強度の実曲線を求めるステップと、
使用したレンズに関し求まった実曲線を理想的なレンズに関する設定曲線と比較しそれら実曲線・設定曲線間の乖離が可所定のしきい値を超過した場合に警報を発令させるステップと、
を実行させることが有益である。

この構成では、漏洩光円錐がセンサ上をよぎる過程で、その円錐の断面に沿い光強度の実曲線がそのセンサを利用し検知される。その結果からは、ビーム特性に関し、更にはレンズ特性に関し、何らかの結論を導き出すことができる。例えば、熔接スパッタ、堆積物等の影響でレンズ上に凹凸が生じると、求まる光強度曲線（実曲線）が不正常なものとなる。理想的なレンズについての光強度曲線（設定曲線）からその実曲線が大きく乖離しているなら、そのことを強い根拠として、そのレンズが使用不能になったと判別することができる。

光出射点における未合焦レーザ光の出射角は９０°未満、好ましくは６０°未満、できれば４５°未満にするのが有益である。こうすることで、使用する光源の出射ビーム品質に対し極端に高い条件を課す必要がなくなる。即ち、レーザビームマシニング装置の製造コストを更に抑えることができる。

そして、そのレーザビームマシニング装置のマシニングヘッド内に光出射点及びレンズを配置するのが有益である。マシニングヘッドは、キネマティック駆動系の端部に位置する部品及びレーザ光の出射元となる部品それぞれをかたちづくる部材である。そうしたマシニングヘッドに光出射点及びレンズを組み込むことで、物理的に見てひときわ単純であるため故障がより生じにくいマシニングヘッドを得ることができる。

上述した本発明の諸実施形態、諸特徴は任意の形態で組み合わせることができる。

以下、その諸実施形態を模式的に示す図面を参照しつつ本発明についてより詳細に説明する。

本発明に係るレーザビームマシニング装置の模式図である。 本発明に係る装置を用い様々な厚みのワークピースにレーザ光を送る手法を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係りその漏洩光円錐内にセンサが備わる装置の模式図である。 図３中のセンサを用い求められた光強度曲線の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係りレンズ及び光出射点の位置を気体圧又は液体圧で調整可能な装置を示す図である。 レンズ用気体冷システムを示す図である。

特に言及しない限り、図中、構成又は機能上類似する又は同様の部材には同様の参照符号を付してある。

図１に、本発明の一実施形態に係るレーザビームマシニング装置１として、ダイオードレーザ２、光ファイバ３、マシニングヘッド４、ガントリ型スライド５及びレール６を備え、ワークピース７をマシニング対象とするものを示す。

この図に示すレーザビームマシニング装置１の機能は以下の通りである。

まず、マシニングヘッド４自体、ｘ方向に延びるガントリ型スライド５に沿い既知の形態で可動であり、またそのスライド５がｙ方向に延びるレール６に沿い可動であるので、ヘッド４の位置はｘｙ平面内で自在に変化させることができる。ダイオードレーザ２はレーザ光を発生させる手段、光ファイバはそのレーザ光をヘッド４まで案内する手段であり、そのレーザ光はビームＡとなってワークピース７方向に出射される。そのレーザビームＡはマシニング点にてワークピース７に入射する。次いで、ヘッド４を動かすと同ヘッド４の移動経路沿いにワークピース７が切削されて切り口が発生する。

図２に、そのマシニングヘッド４の詳細、特に光ファイバ３の端部にあり光出射点Ｂを形成している個所やレンズ８を模式的に示す。図示の通り、このレーザビームマシニング装置１は、未合焦のレーザ光が出射される光出射点（アウトレット）Ｂや、そのレーザ光のビームＡを合焦させつつワークピース７側のマシニング点上に差し向ける単一のレンズ８を備えている。図示例では光出射点Ｂからの出射角αが９０°となっている。光出射点Ｂ・レンズ８間の位置関係は、ビームＡが未合焦のままレンズ８に直に入射する関係となっている。そして、そのレンズ８としては平凸レンズ等も使用可能であるが、図示例では非球面レンズが使用されている。

レンズ８はＺｎＳ製の非球面レンズであるが、プラスチック素材又は光学ガラス（例えば熔融シリカやＳｕｐｒａｓｉｌ（登録商標））製のそれも遜色なく使用することができる。レンズ８は好適にも水冷型であり、例えばレーザパワーが例えば２ｋＷ超のときにその水冷が実行される。好適にも、レンズ８の入射側で圧縮力補償を施すことが可能である。

同図に示す通り、光出射点Ｂは光ファイバ３の端部、具体的にはファイバレーザの端部を以て形成されている。このほか、図示しないが、レーザビームマシニング装置１に備わるマシニングヘッド４の内部又は直上にダイオードレーザ等を配置して光出射点Ｂを形成することもできる。

確認のため、数値開口ＮＡが０．０８超のマルチモードステップインデクスファイバを用い、ビーム伝搬率（ＩＳＯ１１１４６規格に従いレーザ光の集光具合を記述した数値）Ｍ²が２以上のマルチモードビームを発生させてみた。そのファイバの端部から出射されたレーザビームＡを単一の非球面レンズ８で合焦させたところ、回折的に最適化された像が得られた。なお、これらの数値は単なる例であると了解されたい。他の数値を使用して満足のいく結果を得ることも可能である。

また、同図の左半部に示したのは厚手のワークピース７ａ、右半部に示したのは薄手のワークピース７ｂをマシニングしているときの光ファイバ３、その光出射点Ｂ及びレンズ８である。

本実施形態では、厚手のワークピース７ａをマシニングするに当たり、そのワークピース７ａに向かうビームが比較的緩やかに収束することとなるよう光出射点Ｂ及びレンズ８を変位させる。こうすると、無論、大きめの直径ｄ_aを有する合焦スポットが生じるけれども、ビームの収束が緩めであることで合焦深度が増すため、厚手のワークピース７ａを好適にマシニングすることができる。

逆に、薄手のワークピース７ｂをマシニングするに当たっては、そのワークピース７ｂに向かうビームが比較的きつく収束することとなるよう光出射点Ｂ及びレンズ８の位置を設定する。こうすると、無論、小さめの直径ｄ_bを有する合焦スポットが生じるけれども、ビームの収束がきつめであることで合焦深度が削がれるため、薄手のワークピース７ｂを好適にマシニングすることができる。

このように、光出射点Ｂ・レンズ８間距離ｍ_a，ｍ_b及びレンズ８・ワークピース７側マシニング点間距離ｌ_a，ｌ_bを変化させることや、それに代え又は加え光出射点Ｂ・同マシニング点間距離を変化させることができる。

また、本実施形態に係るレーザビームマシニング装置１では、その駆動系が、光出射点Ｂ及びレンズ８を相互同期的に、且つマシニング点に対し同距離に亘り変位させうるように構成されている。具体的には、本装置１には光軸に対し平行な駆動用リニアシャフト／モータが２個（１９，２０）備わっている。図示例では、両シャフト／モータ１９，２０の下端がレンズホルダに固定されている。一方のリニアシャフト／モータ１９はレーザビームマシニング装置支持体、具体的には本装置１のうちワークピース７に対し概ね一定距離を保つ部分にも固定されている。即ち、この第１リニアシャフト／モータ１９には、点Ｂをレンズ８と共に動かし作動距離ｌ_a，ｌ_bを変化させる機能がある。

他方のリニアシャフト／モータ２０はその下端にてレンズホルダ、上端にてファイバホルダに固定されている。即ち、この第２リニアシャフト／モータ２０には、光出射点Ｂ・レンズ８間距離ｍ_a，ｍ_bを変化させることで焦点位置及びレーザビームＡの合焦深度を変化させる機能がある。

光出射点Ｂ・レンズ８間距離ｍ_a，ｍ_bを縮めた場合、作動距離ｌ_a，ｌ_b、合焦深度及び合焦半径が相応に増大する。従って、その場合、第２リニアシャフト／モータ２０を用いて作動距離ｌ_a，ｌ_bの増大分を補償しワークピース７内に再合焦させる必要がある。

図中のリニアシャフト／モータ１９，２０としては、気体圧又は液体圧シリンダ、或いは電気スピンドルドライブが使用される。但し、他種リニアモータ、例えば同期式又は非同期式のリニアモータやギアロッドドライブも無論のこと使用することができる。

リニアシャフト／モータ１９，２０をまた別の態様で配置しうることにも言及しておく必要があろう。例えば、第１リニアシャフト／モータ１９を装置用固定支持体・ファイバホルダ間に配置する一方、上記同様に第２リニアシャフト／モータ２０の下端をレンズホルダ、上端をファイバホルダに固定する態様である。また、第１リニアシャフト／モータ１９を装置用固定支持体・レンズホルダ間、第２リニアシャフト／モータ２０を装置用固定支持体・ファイバホルダ間に配置することも可能である。

本実施形態の眼目は、そのｚ方向変位が可能な単一のレンズ８、具体的にはＺｎＳ製のシングレットレンズにファイバ端等からのレーザビームＡを通し合焦、成像させること、また焦点位置調整に伴う作動距離ｌ_a，ｌ_bの変化を機械式の装置で個別に補償することである。この成像手法によれば、レンズ８の可動範囲全体に亘り像を回折的に最適化することや、ファイバコアのうちビームＡで照明される部分の横方向及び縦方向拡大をかなえることができる。即ち、合焦し像をなしているビームＡにて、超ガウス的な光強度分布が最大の合焦深度を以て実現されることとなる。

本実施形態では、ワークピースまでの距離を長めにして保護ガラスを廃することができる。９０°ビーム偏向を併用すれば、好適にも、ワークピースまでの距離を更に長めにとることができる。

光出射点Ｂやレンズ８の可動範囲は、好適にも、レーザビームＡによって照明される面積がレンズ面積に比し２５〜１００％の範囲に収まるよう制限されている。これにより、熱的過負荷によって生じレンズ湾曲、熱レンズ効果、そしてレンズ損壊に至る現象等、レンズ８が部分的にしか照明されないことによって生じる現象を回避することができる。また、シュトレール比が好適にも可動範囲全体に亘り０．９超とされているので、高い切削品質を提供することができる。更に、レンズ８の非球面が好ましくも偶非球面性を呈するよう整形されているので、収差を低く保つことができる。

次に詳示する２個の設計例は、光学系設計用のソフトウェア、具体的にはＺＥＭＡＸ（商品名）を使用して算出されたものである。

設計例１：
プロセスファイバ：５０μｍ径、レンズ：ＺｎＳ製非球面レンズ、入射面：平坦、出射面：曲率半径＝９０ｍｍの凸面、非球面補正：４次及び６次
ａ）短焦点距離時：作動距離＝約２９０ｍｍ、ファイバ端・レンズ間距離＝９０ｍｍ、結果たる合焦半径＝約５４μｍ、レイリー長（合焦深度）＝約１．４ｍｍ
ｂ）長焦点距離時：作動距離＝約７８０ｍｍ、ファイバ端・レンズ間距離＝７５ｍｍ、結果たる合焦半径＝約１７７μｍ、レイリー長（合焦深度）＝約１５ｍｍ。

設計例２：
プロセスファイバ：５０μｍ径、レンズ：ＺｎＳ製非球面レンズ、入射面：平坦、出射面：曲率半径＝６０ｍｍの凸面、非球面補正：４次
ａ）短焦点距離時：作動距離＝約１５０ｍｍ、ファイバ端・レンズ間距離＝６５ｍｍ、結果たる合焦半径＝約３８μｍ、レイリー長（合焦深度）＝約０．７ｍｍ
ｂ）長焦点距離時：作動距離＝約４６５ｍｍ、ファイバ端・レンズ間距離＝５０ｍｍ、結果たる合焦半径＝約１５８μｍ、レイリー長（合焦深度）＝約１２ｍｍ。

図３に本発明の他の実施形態を示す。感光性センサ９の位置はレンズ８の散乱光円錐Ｃ内領域である。

変位可能なレンズ８、具体的にはマルチスペクトラルＺｎＳ基板を利用したレンズでは、レーザビームＡの基板内伝搬を通じて散乱光が生じ、プロセスビームを軸心とする円錐Ｃ内に漏洩していく。この散乱光の強度や散乱角は、レンズ８の基板における散乱プロセス、並びにレンズ８に備わるビーム出射面の形状に依存する。

センサ９を固定したまま光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方を変位させる（或いはセンサ９を変位させると共にそのセンサ９に対し光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方を変位させる）と、その散乱光円錐Ｃがセンサ９に対し変位するので、その円錐Ｃの断面に沿った強度をセンサ９で検知しその分布を示す曲線（光強度曲線）を求めることができる。図４に、そのレンズ８に係る光強度曲線の一例として、光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方の変位経路に沿った光強度Ｉの変化を示す。図中の変位位置ｓ₁は図３の右半部に示した状態、また変位位置ｓ₂は左半部に示した状態に対応している。実線で示したのは理想的なレンズ８に係る光強度曲線、破線で示したのはそうでないレンズ８’に係るそれである。後者の例は、ワークピース７からのスパッタによって汚濁、変形等が生じたレンズである。光強度Ｉの曲線はこのように理想的な曲線に対し乖離したものになり、また図示の通り凹凸も伴うものとなりうる。

更に、センサ９には評価ユニット２１、即ち
光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方の変位過程でセンサ９により計測された光強度Ｉの実曲線を求めるステップと、
使用したレンズ８’に関しその実曲線を理想的なレンズ８に関する設定曲線と比較しそれら実曲線・設定曲線間の乖離が可所定のしきい値を超過した場合に警報を発令させるステップと、
を実行するユニットが接続されている。

従って、過剰な汚濁その他の理由でレンズが使用不能になったことを察知しそのレンズ８’を換装することができる。

本実施形態の眼目は、そのｚ方向変位が可能な単一のレンズ８、具体的にはＺｎＳ製のシングレットレンズにファイバ端等からのレーザビームを通し成像させる構成の許で、そのレンズ８にて散乱光が生じる特性及び複屈折によって二次高調波（特に緑色スペクトル域に属する弱い出射光）が誘起する特性を利用し、寿命が尽きるまでレンズ８を見守り続けることである。レンズ８を動かすと散乱光円錐Ｃの縁がセンサ９上をよぎるような配置が採られているのはそのためである。その散乱光に関しｚ方向沿い移動経路全体に亘り光強度曲線を求めた場合、新品時に比したレンズ８の現状に関する情報を含む曲線となる。更に、それによって散乱光信号とプロセス光信号を弁別することもできる。

そのレンズ８に備わる抗反射被覆はプロセスビームの波長で抗反射性を呈するので、二次高調波の波長ではレンズ８の下面が部分反射性を呈することとなる。従って、その二次高調波に関しレンズ８のｚ方向移動経路に沿い光強度曲線を求めた場合、光学系の状態に関する情報を含む曲線となる。

従って、ビーム経路沿いに配置された直線変位型のレンズ８及びセンサ９を使用し、センサ９上をなでるように散乱光円錐の縁を移動させることで、上述の如く散乱光信号を検知しその光強度曲線を求めることができる。プロセスビーム波長光のレンズ８への入射強度が一定に保たれていれば、検知された散乱光信号に係る光強度曲線からレンズ８の変化を検知することができる。

また、レンズ８、具体的にはマルチスペクトラルＺｎＳ基板によるレンズ８で生じる二次高調波を使用し、レンズ８の状態を検知することもできる。こうしたレンズ８ではプロセスビームの波長で抗反射性が現れるので、二次高調波の波長即ちレーザビームＡの半波長ではその表面にて一部の光が反射される。従って、二次高調波出射光の比率を検知しレンズ状態を解析することもできる。

強い二次高調波信号が得られるようにするには、更に、二次高調波についての部分反射性を、上側の被覆では弱め、下側の被覆では強めにすればよい。即ち、二次高調波の光が上方に反射されるようにすればよい。その逆に、レンズ８に対する被覆の施し方を上下反転させ、二次高調波の光が下方に反射されるようにしてもよい。いずれにせよ、レーザ光がＺｎＳによって下方に偏向されるので、そのスペクトル感度乃至フィルタが異なる複数個のセンサ９を使用し、レンズ８の出射光から二種類の信号を同時に得ることができる。即ち、レンズ８からは上方に二種類、下方に一種類の信号が出射されるので、それを対応するセンサ９で捉えレンズ８の状態検知に使用することができる。

好適にも、光出射点Ｂ及びレンズ８の位置は、その間隔を保ちながらストロークｓに亘り変化させることができ、センサ９の位置は、光出射点Ｂ及びレンズ８を動かしている間中一定に保つことができる。センサ９から得られる光強度信号ｌ（ｓ）はレンズ８の応答関数であるので、その値の変化から光学系の状態変化を知ることができる。

本実施形態では、評価ユニット２１に中央処理ユニット２２及びメモリ２３が備わっている。中央処理ユニット２２はセンサ９に接続されており、光強度Ｉの実曲線を求める一方、理想的なレンズ８についての設定曲線をメモリ２３から読み込み、両者を比較するよう構成されている。本実施形態では、それら設定曲線・実曲線間の乖離がある可所定のしきい値を上回るとアラームランプ２４が作動する。中央処理ユニット２２及びメモリ２３は互いに別個の部材であり、同一の印刷回路基板上に配置されている。無論、中央処理ユニット２２及びメモリ２３を単一のデバイス、例えばマイクロコントローラの形態で集積化することも可能である。更に、評価ユニット２１を用途特化集積回路（ＡＳＩＣ）の形態で実現してもよい。警報用の装置を他の形態、例えばラウドスピーカの形態でも実現しうることは言うまでもない。

図５に、本発明の更に他の実施形態を示す。これはレーザビームマシニング装置１で使用されるマシニングヘッド４であり、その下端を透明ディスク、具体的にはガラスディスク１１で圧密閉止したチューブ１０を基体として構成されている。変位可能なレンズ８はそのディスク１１の上方に位置している。即ち、ディスク１１は伝搬方向に沿いレンズ８よりも下流に位置している。また、レンズ８の上方には変位ピストン１２があり、そのピストン１２には光ファイバ３の一端が固定されている。そのファイバ３は、カバー１３を介し圧密形態で行く先まで案内されている。

従って、この構成では、
レンズ８・ガラスディスク１１間圧密空間；即ちその空間への流体の流入やその空間からの流体の流出に応じ光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方が変位する空間
光出射点Ｂ・レンズ８間圧密空間；即ちその空間への流体の流入やその空間からの流体の流出に応じ光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方が変位する空間
伝搬方向に沿い光出射点Ｂの上流に位置する圧密空間；即ちその空間への流体の流入又はその空間からの流体の流出に応じ光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方が変位する空間
といった圧密空間が発生する。

光出射点Ｂやレンズ８の位置を制御する手段としては、圧力ｐが加わる３個の制御弁１４，１５，１６が設けられている。その弁１４〜１６の制御は電子制御システム１７によって担われている。簡明化のため、この図ではエアレリーフバルブが省略されている。

また、この例では、切削や熔接に際し使用されるプロセス気体を、光出射点Ｂ及びレンズ８を調整するための気体としても使用している。そのため、ガスノズル１８にも同じ気体が供給されている。こうした構成ではなく、供給される媒体が弁１４〜１６とノズル１８との間で異なる構成やノズル１８で全て吐出される構成にしてもよい。

ここで、例えば弁１４を開き光出射点Ｂ・レンズ８間空間内気体圧を低下させる（減圧する）と、それら光出射点Ｂ・レンズ８間の距離が短くなる。それに代え、レンズ８・ガラスディスク１１間空間を減圧すると、光出射点Ｂ及びレンズ８が同じ経路に沿って同期的に移動する。同様に、弁１５及び１６を使用し光出射点Ｂ、レンズ８又はその双方を変位させることもできる。ただ、図５に示したのは、流体を用いレーザビームマシニング装置を調整する手法の一例に過ぎない。従って、気体であるか液体であるかを問わず、任意種類の流体を、正圧又は負圧の印加によるマシニング装置の調整に使用することが可能である。マシニング装置調整用の流体として除熱用流体、例えばレンズ８を除熱するためのそれを使用することもできる。

また、図５では、液体又は気体たる流体を利用し光出射点Ｂ及びレンズ８を変位させる原理を示しているだけである。本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）であれば、同図に示されている原理に基づき且つルーチン的な検討の範囲内で、同じ目的を達成しうる他の様々な構成に想到することができよう。特に、切削や熔接に際し加圧状態で使用されるプロセス気体をその流体として使用する構成、即ちプロセス気体に二役を担わせる構成が効果的である。更に、各面が平坦なディスク１１をレンズ８のすぐ下流に配置し、両者を一体変位させる構成も検討に値する。この構成では、レーザパワーが高いときにそのレーザ光の吸収でディスク１１に加わる熱機械的負荷が、どういった距離ｍ_a，ｍ_b，ｌ_a，ｌ_bでも概ね一定且つ最低に保たれる。

各室の充填や減圧を弁の働きで実行するのではなく、自己完結的に閉止されていて一種のガス圧バネとして働く構成も検討に値する。例えば、弁１６を廃止してガス圧バネを形成することで、レンズ８の上方における圧力を上昇させるとそのガス圧バネの抗力に抗してレンズ８が下方に向け押圧付勢される構成にすることができる。無論、ヘリカルバネ等、他の種類のバネも使用することができる。

図５に示した実施形態に独特な特徴としては、駆動手段の一部であるマシニングヘッド４の内部をビーム経路が通っている点がある。即ち、マシニングヘッド４が二様に使用されている点、具体的にはレーザビームの駆動及び案内に併用されている点である。これは、レーザビームが駆動用流体（群）内をよぎる、ということでもある。本実施形態では、そうした流体（群）が、レンズ８又はその支持体、並びに光出射点又はそれを保持するピストン１２に対し、その両側から直に作用している。即ち、それらの駆動用流体が、レンズ８その他の部材の駆動、浄化及び除熱を含め複数通りの機能を果たしている。

圧力ｐを運ぶ共通配管で加圧する構成ではなく、透明ディスク１１・レンズ８間、レンズ８・ピストン１２間及びピストン１２・カバー１３間の空間乃至室それぞれを個別の配管で可変可調的に加圧する構成にすることもできる。この構成を採ることで、システム構成部材の移動、具体的にはレンズ単体、光出射点単体又は両者一体での移動に関する万能性及び精度を高めることができる。個々の空間内にありシステム構成部材を移動させる流体間の圧力差を、精密に設定・調整することができる。必要なら、別々の気体供給機を使用し個々の空間を別々の気体で満たすこともできる。

こうしたタイプの駆動手段であれば、従来技術と比べ簡略化を大きく進めること、特に省スペース化、寿命延長及び保守簡略化を達成することができる。更に、本実施形態で生じる空間が相互的に且つ外的環境に対して封止されていること、並びに気体又は液体たる流体の圧力でいつでも圧力の印加又は精密調整が可能であることから、圧力補償を必然的に伴う込み入った補償手段が不要となる。

そして、図６に、レンズ８特にＺｎＳ製のそれに適した気体冷システムの一例を示す。図示の通り、この例では除熱気体たる空気が複数本あるラジアルダクト２５内を流れレンズ８の下側に向かっている。従って、レンズ８を効率的に除熱することができる。しかも、その気体、例えばレンズ８の除熱に使用された後のそれを、レーザで実行される切削、熔接等のプロセスに使用することができる。

そして、注記すべきことに、本発明に係るレーザビームマシニング装置には多様な実施形態があるので、その一部に過ぎない上掲の諸実施形態を以て本発明の適用範囲に限界を設定することはできない。いわゆる当業者であれば、本願で述べた諸事項に基づき本発明を自分なりに適用することができ、またそれを本発明の技術的範囲から逸脱せずに実行することができよう。

特に、本願記載のレーザビームマシニング装置１は、レーザ切削に留まらずレーザ熔接にも適用することができる。

本発明は、また、図１に示したポータルロボットに限らず、一般にその自由度総数が６の工業用ロボットにも当然のこと適用可能である。後者の場合、マシニングヘッド４がロボットアーム上に装着されていてその動きがデフォルトではワークピース７から離れる動きであるから、ヘッド４内にある光出射点Ｂ及びレンズ８の一体移動に関し個別的な調整を施す必要がない。

更に、注記すべきことに、別紙図面は実物を忠実に縮尺したものというより、それをやや簡略化したものである。即ち、レーザビームマシニング装置１を実際に作成した場合、図示のものに比べ多くの部材を備えるもの、ひいてはより複雑な形態を有するものとなろう。図示した構成の個別部分を個別の発明と捉えることも可能である。特に、図３に示した構成や図５に示した構成から互いに別の発明を抽出することが可能である。

次の欄で列記されている参照符号及び別紙特許請求の範囲に記載されている事項は本発明の技術的範囲に属するものと認められるべきものであり、本発明及びその諸実施形態についての更なる詳細をそれ単独で或いは別紙図面と協働していわゆる当業者向けに開示するものとなっている。

１ レーザビームマシニング装置、２ ダイオードレーザ、３ 光ファイバ、４ マシニングヘッド、５ ガントリ型スライド、６ レール、７ ワークピース、８ レンズ（理想）、８’ 損傷したレンズ、９ センサ、１０ チューブ、１１ 透明ディスク、１２ 光ファイバ用ピストン、１３ カバー、１４〜１６ 制御弁、１７ 制御システム、１８ ガスノズル、１９ 駆動用第１リニアシャフト／モータ、２０ 駆動用第２リニアシャフト／モータ、２１ 評価ユニット、２２ 中央処理ユニット、２３ メモリ、２４ アラームランプ、２５ ダクト、Ａ レーザビーム、Ｂ 光出射点、Ｃ 散乱光円錐、α 出射角、ｄ_a，ｄ_b 合焦スポット直径、Ｉ 光強度、ｌ_a，ｌ_b ワークピース・レンズ間距離、ｍ_a，ｍ_b 光出射点・レンズ間距離、ｓ 変位経路、ｓ₁，ｓ₂ 変位位置、ｘ，ｙ，ｚ 座標軸。

Claims (40)

1. 光出射点（Ｂ）であって、当該光出射点（Ｂ）から離れるにつれ直径が増加する未合焦のレーザ光（Ａ）を出射する光出射点（Ｂ）と、
   伝搬方向に沿い光出射点（Ｂ）の下流にあり伝搬方向沿いに可動な単一のレンズ（８）と、
   を備え、当該レーザ光（Ａ）をそのレンズ（８）で合焦させつつワークピース（７）側のマシニング点に送って前記ワークピース（７）を切削するレーザビームマシニング装置（１）であって、
   それら光出射点（Ｂ）・レンズ（８）間の第１距離（ｍ_ａ，ｍ_ｂ）、レンズ（８）・ワークピース（７）側マシニング点間の第２距離（ｌ_ａ，ｌ_ｂ）、並びに光出射点（Ｂ）・同マシニング点間の距離である第３距離が可変であり、
   少なくとも第１距離と第３距離は、互いに独立して変化させることができる、
   ことを特徴とするレーザビームマシニング装置。
2. 請求項１記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レンズ（８）が非球面レンズであることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
3. 請求項１又は２記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レーザ光（Ａ）によって照明される面積がレンズ面積に比し２５〜１００％の範囲に収まるよう光出射点（Ｂ）・レンズ（８）間距離の可変範囲が制限されていることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）・レンズ（８）間距離の可変範囲全体に亘りシュトレール比が０．９超であることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
5. 請求項２乃至４のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レンズ（８）が、偶非球面性を呈するよう整形された非球面を有することを特徴とするレーザビームマシニング装置。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）及び上記レンズ（８）が、上記未合焦のレーザ光（Ａ）がそのレンズ（８）に直接入射する位置関係であることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）及び上記レンズ（８）を上記ワークピース（７）側のマシニング点に対し互いに同期して同距離に亘り変位させる駆動系を備えることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レンズ（８）がＺｎＳ製であることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
9. 請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レンズ（８）、そのホルダ又はその双方が流体除熱式であることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
10. 請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、伝搬方向に沿い上記レンズ（８）の下流に透明ディスク（１１）が備わることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
11. 請求項１０記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、透明ディスク（１１）・レンズ（８）間に圧密性の空間があり、その空間への流体の流入又はその空間からの流体の流出に応じ上記光出射点（Ｂ）、上記レンズ（８）又はその双方が変位することを特徴とするレーザビームマシニング装置。
12. 請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、光出射点（Ｂ）・レンズ（８）間に圧密性の空間があり、その空間への流体の流入又はその空間からの流体の流出に応じ上記光出射点（Ｂ）、上記レンズ（８）又はその双方が変位することを特徴とするレーザビームマシニング装置。
13. 請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、伝搬方向に沿い上記光出射点（Ｂ）の上流に圧密性の空間があり、その空間への流体の流入又はその空間からの流体の流出に応じ当該光出射点（Ｂ）、上記レンズ（８）又はその双方が変位することを特徴とするレーザビームマシニング装置。
14. 請求項１乃至１３のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記レンズ（８）により集光されることなく円錐状に散乱する散乱光（Ｃ）内に感光センサ（９）が備わることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
15. 請求項１４記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、センサ（９）及びそれに接続された評価ユニット（２１）を備え、その評価ユニット（２１）が、
    上記光出射点（Ｂ）、上記レンズ（８）又はその双方の変位過程でそのセンサ（９）により計測された光強度（Ｉ）の実曲線を求めるステップと、
    使用したレンズ（８’）に関し求まった実曲線を理想的なレンズ（８）に関する設定曲線と比較しそれら実曲線・設定曲線間の乖離が所定のしきい値を超過した場合に警報を発令させるステップと、
    を実行することを特徴とするレーザビームマシニング装置。
16. 請求項１乃至１５のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）における上記レーザ光（Ａ）の出射角（α）が４５°未満であることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
17. 請求項１乃至１６のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）が光ファイバ（３）の端部又はダイオードレーザで形成されることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
18. 請求項１乃至１７のうちいずれか一項記載のレーザビームマシニング装置（１）であって、上記光出射点（Ｂ）及び上記レンズ（８）を収容するマシニングヘッド（４）が備わることを特徴とするレーザビームマシニング装置。
19. 光出射点（Ｂ）であって、当該光出射点（Ｂ）から離れるにつれ直径が増加する未合焦のレーザ光（Ａ）を出射する光出射点（Ｂ）と、
    伝搬方向に沿い光出射点（Ｂ）の下流にある単一のレンズ（８）と、
    を備え、当該レーザ光（Ａ）をそのレンズ（８）で合焦させつつワークピース（７）側のマシニング点に送って前記ワークピース（７）を切削するレーザビームマシニング装置（１）を使用するに際し、光出射点（Ｂ）・レンズ（８）間の距離（ｍ_ａ，ｍ_ｂ）を変化させつつそのワークピース（７）を切削するレーザマシニング装置の使用方法。
20. 光出射アウトレットであって、当該光出射アウトレットから離れるにつれ直径が増加する未合焦のレーザ光を出射する光出射アウトレットと、
    上記光出射アウトレットから出射されたレーザ光の伝搬方向にありその光出射アウトレットからの距離が第１可制御可変距離であるレンズと、
    上記レンズの下流にありそのレンズからの距離が第２可制御可変距離、上記光出射アウトレットからの距離が第３可制御可変距離であるレーザマシニング座と、
    上記第１、第２及び第３可制御可変距離を可制御的に調整する駆動系と、
    を備え、上記駆動系は、上記レンズ及び上記光出射アウトレットに動作可能に接続され、少なくとも前記第１可制御可変距離と前記第２可制御可変距離が、互いに独立して変化させることができる、
    ワークピースを切削するレーザマシニング装置。
21. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記レンズが非球面レンズであるレーザマシニング装置。
22. 請求項２１記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記レンズが、偶非球面性を呈するよう整形された非球面を１個又は複数個有するレーザマシニング装置。
23. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記レンズがＺｎＳ製のレーザマシニング装置。
24. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記第１、第２及び第３可制御可変距離の可操作範囲全体に亘りシュトレール比が０．９超のレーザマシニング装置。
25. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記レンズの面積に比した照明面積の百分率が２５〜１００％の範囲内となるよう上記駆動系が上記第１可制御可変距離の値域を制限するレーザマシニング装置。
26. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記光出射アウトレットから出射された未合焦のレーザ光が上記レンズに直接入射するレーザマシニング装置。
27. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記光出射アウトレットにおける上記レーザ光の出射角が４５°未満のレーザマシニング装置。
28. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記光出射アウトレットにレーザ光を供給するダイオードレーザを備えるレーザマシニング装置。
29. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、更に、その端部から上記光出射アウトレットにレーザ光を供給する光ファイバを備えるレーザマシニング装置。
30. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、上記駆動系の配下で上記第２及び第３可制御可変距離を互いに同時に且つ等量に亘り変化させるレーザマシニング装置。
31. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記レンズにより集光されることなく円錐状に散乱する散乱光内に感光センサが備わるレーザマシニング装置。
32. 請求項３１記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記感光センサと連携する評価ユニットを備え、その評価ユニットが、その感光センサで計測される光強度の実曲線を求め設定曲線と比較するレーザマシニング装置。
33. 請求項２０記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記レンズ・上記レーザマシニング座間に透光ディスクが備わるレーザマシニング装置。
34. 請求項３３記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記透光ディスク・上記レンズ間に第１流体室が備わるレーザマシニング装置。
35. 請求項３４記載のレーザマシニング装置であって、更に、上記光出射アウトレット・上記レンズ間に第２流体室が備わるレーザマシニング装置。
36. 請求項３５記載のレーザマシニング装置であって、
    更に、上記第２流体室に隣接して設けられ、流体が流入出することで体積変化する第３流体室を備え、
    上記第２流体室が上記第１流体室に隣接して設けられ、流体が流入出することで前記第２流体室が体積変化するレーザマシニング装置。
37. 光出射アウトレットから離れるにつれ直径が増加する未合焦のレーザ光を供給するステップと、
    上記光出射アウトレットとその光出射アウトレットから出射されたレーザ光の伝搬方向にある単一のレンズとの間の距離たる第１可変距離を駆動系の働きで可制御的に調整するステップと、
    上記レンズとその下流にあるレーザマシニング座との間の距離たる第２可変距離を上記駆動系の働きで可制御的に第１可変距離から独立して調整するステップと、
    上記光出射アウトレット間と上記レーザマシニング座との間の距離たる第３可変距離を上記駆動系の働きで可制御的に第１可変距離および第２可変距離から独立して調整するステップと、
    上記レンズの働きで上記レーザマシニング座にて上記レーザ光を合焦させるステップと、
    合焦されたレーザ光でワークピースを切削するレーザマシニング動作を実行するステップと、
    を有する、レーザマシニング方法。
38. 請求項３７記載のレーザマシニング方法であって、更に、上記レンズの面積に比した照明面積の百分率が２５〜１００％の範囲内となるよう上記第１可変距離の値域を制限するステップを有するレーザマシニング方法。
39. 請求項３７記載のレーザマシニング方法であって、更に、
    上記レンズの散乱光円錐内に感光センサを準備するステップと、
    上記感光センサから評価ユニットへとデータを伝送するステップと、
    上記光出射アウトレット、上記レンズ又はその双方の変位過程で上記感光センサにより計測された光強度の実曲線を求めるステップと、
    その光強度実曲線を理想的なレンズに関する光強度設定曲線と比較するステップと、
    その光強度実曲線・光強度設定曲線間比較によってしきい値超の乖離が判明した場合に警報信号を発するステップと、
    を有するレーザマシニング方法。
40. 光出射アウトレットであって、当該光出射アウトレットから離れるにつれ直径が増加する未合焦のレーザ光を出射する光出射アウトレットと、
    上記光出射アウトレットから出射されたレーザ光の伝搬方向にありその光出射アウトレットからの距離が第１可制御可変距離であるレンズと、
    それら光出射アウトレット及びレンズが組み込まれたマシニングヘッドと、
    上記レンズの下流にありそのレンズからの距離が第２可制御可変距離、上記光出射アウトレットからの距離が第３可制御可変距離であるレーザマシニング座と、
    上記レンズ・上記レーザマシニング座間にある透光ディスクと、
    上記第１、第２及び第３可制御可変距離を可制御的に調整する駆動系と、
    を備え、上記駆動系は、上記レンズ及び上記光出射アウトレットに動作可能に接続され、さらに、少なくとも前記第１可制御可変距離と前記第２可制御可変距離が、互いに独立して変化させることができる、
    ワークピースを切削するレーザマシニング装置。

Images