JP6833117B1

JP6833117B1 - レーザ加工機

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Publication number: JP6833117B1
Application number: JP2020530406A
Authority: JP
Inventors: 京藤　友博; 友博京藤; 恭平石川; 瀬口　正記; 正記瀬口; 智毅桂; 古田　啓介; 啓介古田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-02-24
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Abstract

レーザ加工機（１）は、レーザビームを出射する光源であるレーザ発振器（３）と、レーザビームの横断面における強度分布を切り替える切替えユニット（１２）と、を備える。切替えユニット（１２）は、複数の光学素子である第１の光学素子（１３）および第２の光学素子（１４）と、レーザビームの光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ第１の光学素子（１３）および第２の光学素子（１４）の各々を個別に移動させる移動機構と、を有する。

Description

本開示は、レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工機に関する。

レーザビームの横断面における強度分布であるビームモードを切り替え可能なレーザ加工機が知られている。レーザ加工機は、被加工物の材質、被加工物の厚さ、または加工の種別などに適したビームモードを選択することによって、加工速度を向上し得る。特許文献１には、２つの円錐形レンズと、各円錐形レンズを光軸方向へ移動させる移動機構とを備え、各円錐形レンズの間の距離を変化させることによってビームモードを切り替えるレーザ加工機が開示されている。

特開２０１９−４２７９３号公報

特許文献１に開示される従来のレーザ加工機は、移動機構において各円錐形レンズの光軸方向への移動距離を確保するために、光軸方向における長さが長い移動機構が必要であった。さらに、ビーム径を大きく変化させる場合ほど、各円錐形レンズの移動距離が長くなることによって移動機構は大型になる。そのため、従来の技術によると、レーザ加工機は、小型な構成によってビームモードの切り替えを実現することが難しいという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、小型な構成によってレーザビームの横断面における強度分布を切り替え可能とするレーザ加工機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ加工機は、レーザビームを照射することによって被加工物を加工する。本開示にかかるレーザ加工機は、レーザビームを出射する光源と、レーザビームの横断面における強度分布を切り替える切替えユニットと、を備える。切替えユニットは、複数の光学素子と、レーザビームの光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ複数の光学素子の各々を個別に移動させる移動機構と、を有する。本開示にかかるレーザ加工機は、複数の光学素子の各々を単独で光軸上に配置する場合と、複数の光学素子の各々を互いに組み合わせて光軸上に配置する場合と、複数の光学素子の全てを光軸から外した場合との各々において、互いに異なる強度分布のレーザビームを照射する。

本開示にかかるレーザ加工機は、小型な構成によってレーザビームの横断面における強度分布を切り替えることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ加工機の概略構成を示す図実施の形態１にかかるレーザ加工機の切替えユニットが有する第１の光学素子の光学特性について説明するための図実施の形態１にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第１のビームモードについて説明するための図実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第２のビームモードについて説明するための図実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第３のビームモードについて説明するための図実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第４のビームモードについて説明するための図実施の形態２にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第２のビームモードについて説明するための図実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第３のビームモードについて説明するための図実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第４のビームモードについて説明するための図実施の形態３にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図

以下に、実施の形態にかかるレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本開示が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるレーザ加工機の概略構成を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ加工機１は、レーザビームを照射することによって被加工物２を加工する。レーザ加工機１は、レーザビームを出射する光源であるレーザ発振器３と、被加工物２へ向けてレーザビームを出射する加工ヘッド４と、レーザ発振器３から加工ヘッド４へのレーザビームの伝送路である伝送ケーブル５と、被加工物２が載せられる加工テーブル１０と、レーザ加工機１を制御する制御装置１１とを備える。

加工ヘッド４の内部には、コリメート光学系６、ズーム光学系７および集光光学系８を含む光学系が収納されている。コリメート光学系６は、伝送ケーブル５から出射したレーザビームを平行化させる。ズーム光学系７は、複数のレンズ９を有する。各レンズ９を移動させるレンズ駆動部により各レンズ９の間隔が調整されることによって、ズーム光学系７は、ビーム径を調整する。レンズ駆動部の図示は省略する。集光光学系８は、レーザビームを収束させる。加工テーブル１０は、２次元方向において移動する。レーザ加工機１は、加工テーブル１０を移動させることによって、被加工物２におけるレーザビームの照射位置を変化させる。

レーザ加工機１は、ビームモード、すなわちレーザビームの横断面における強度分布を切り替える切替えユニット１２を備える。切替えユニット１２は、加工ヘッド４の内部に配置されている。切替えユニット１２は、複数の光学素子である第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを有する。

第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との各々は、コリメート光学系６とズーム光学系７との間において、レーザビームの光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とにおいて個別に移動が可能とされている。図１には、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されている様子を示している。

第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第１の光学素子１３へ入射する。第１の光学素子１３から出射したレーザビームは、第２の光学素子１４へ入射する。第２の光学素子１４から出射したレーザビームは、ズーム光学系７へ入射する。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸから外れた位置に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、ズーム光学系７へ入射する。第１の光学素子１３が光軸ＡＸ上に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸから外れた位置に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第１の光学素子１３へ入射する。第１の光学素子１３から出射したレーザビームは、ズーム光学系７へ入射する。第１の光学素子１３が光軸ＡＸから外れた位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第２の光学素子１４へ入射する。第２の光学素子１４から出射したレーザビームは、ズーム光学系７へ入射する。

制御装置１１は、ピーク出力、パルス幅、パルス数およびパルス周波数などの各指令値に応じた発振制御信号をレーザ発振器３へ出力する。レーザ発振器３は、発振制御信号に従ってレーザビームを出射する。制御装置１１は、ビーム径の指令値に応じたズーム制御信号をレンズ駆動部へ出力する。レンズ駆動部は、ズーム制御信号に従って各レンズ９を移動させる。制御装置１１は、位置指令値に応じた位置制御信号を加工テーブル１０へ出力する。加工テーブル１０は、位置制御信号に従って移動する。制御装置１１は、切替え指令を切替えユニット１２へ出力する。切替え指令は、ビームモードを切り替えるための指令である。切替えユニット１２は、切替え指令に従って第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを移動させることによってビームモードを切り替える。

次に、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とについて説明する。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とは、円錐形の凸面を有する円錐形レンズである。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との各々は、円錐形の凸面である円錐面と、円錐面とは逆側の平面とを有する。なお、以下の説明にて、円錐形の頂点を、単に頂点と称することがある。

第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されているとき、第１の光学素子１３の平面は、レーザビームの入射側に向けられる。第２の光学素子１４の平面は、レーザビームの出射側に向けられる。第１の光学素子１３の円錐面と第２の光学素子１４の円錐面とは、互いに向かい合わせられる。なお、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とは、互いにぶつかることが無いように、光軸方向において互いに離されている。

第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されているとき、第１の光学素子１３の中心軸と第２の光学素子１４の中心軸とは、光軸ＡＸと一致する。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との少なくとも一方を光軸ＡＸから外れた位置から光軸ＡＸ上へ移動させても、コリメート光学系６、ズーム光学系７および集光光学系８の各中心からのレーザビームの中心軸のずれは生じない。なお、レーザ加工機１が有する光学系は、実施の形態１にて説明するものに限られない。光軸ＡＸ上における第１の光学素子１３および第２の光学素子１４の位置は、ズーム光学系７の入射側の位置に限られず、ズーム光学系７の出射側の位置でも良い。光学系には、コリメート光学系６、ズーム光学系７および集光光学系８以外の光学部品が含まれても良い。

次に、第１の光学素子１３および第２の光学素子１４の光学特性について説明する。図２は、実施の形態１にかかるレーザ加工機の切替えユニットが有する第１の光学素子の光学特性について説明するための図である。

第１の光学素子１３の平面１６へガウシアンビームが入射した場合に、第１の光学素子１３は、リング状のビームを形成する。第１の光学素子１３の頂点から像面Ｓまでの光学距離をＬ、像面Ｓにおけるビームのスポットであるリングの直径をＲ_１、円錐形の中心軸に垂直な面と円錐面１５とがなす角度をα、第１の光学素子１３の屈折率をｎとして、次の式（１）が成り立つ。なお、ＬおよびＲ_１の単位はｍｍ、αの単位は度である。
Ｒ_１＝２Ｌ×ｔａｎ｛（ｎ−１）×α｝・・・（１）

第１の光学素子１３から出射するビームと光軸ＡＸとがなす角度をθとして、θは、次の式（２）により表される。また、リング状のビームの幅をｄ、第１の光学素子１３へ入射するビームの直径をＲ_０として、次の式（３）が成り立つ。なお、ｄおよびＲ_０の単位はｍｍ、θおよびαの単位は度である。
θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ×ｓｉｎα）−α ・・・（２）
ｄ＝Ｒ_０／２・・・（３）

第２の光学素子１４の円錐面１５へガウシアンビームが入射した場合に、第２の光学素子１４は、リング状のビームを形成する。第２の光学素子１４によって形成されるリングの直径は、第１の光学素子１３によって形成されるリングの直径とは異なる。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とは、被加工物２において互いに異なる強度分布を得るための光学特性を備える。

図１に示すように第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されている状態において第１の光学素子１３の平面１６へガウシアンビームが入射した場合に、第１の光学素子１３および第２の光学素子１４は、リング状のビームを形成する。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との組み合わせによって形成されるリングの直径は、第１の光学素子１３が単独である場合に形成されるリングの直径とは異なる。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との組み合わせによって形成されるリングの直径は、第２の光学素子１４が単独である場合に形成されるリングの直径とも異なる。これにより、レーザ加工機１は、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが互いに組み合わせられて使用されることによって、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との各々が単独で使用される場合における各強度分布とは異なる強度分布のレーザビームを照射する。

次に、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを移動させる移動機構について説明する。図３は、実施の形態１にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図である。第１の光学素子１３は、レンズホルダ１７に取り付けられている。第２の光学素子１４は、レンズホルダ１８に取り付けられている。切替えユニット１２は、レンズホルダ１７とともに第１の光学素子１３を移動させるスライド部１９と、レンズホルダ１８とともに第２の光学素子１４を移動させるスライド部２０とを有する。図３には、第１の光学素子１３、第２の光学素子１４およびレンズホルダ１７，１８の各断面と、スライド部１９，２０の各側面とを示している。

スライド部１９とスライド部２０とは、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との各々を個別に移動させる移動機構を構成する。スライド部１９は、光軸ＡＸ上の第１の位置と光軸ＡＸから外れた第２の位置との間において第１の光学素子１３を直線方向へ移動させる。スライド部２０は、光軸ＡＸ上の第３の位置と光軸ＡＸから外れた第４の位置との間において第２の光学素子１４を直線方向へ移動させる。直線方向は、光軸ＡＸに垂直な２次元方向に含まれる方向である。図３には、第１の光学素子１３が第１の位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が第３の位置に配置されているときの様子と、第１の光学素子１３が第２の位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が第４の位置に配置されているときの様子とを示している。

スライド部１９は、直線方向において第１の光学素子１３を往復移動させることによって、第１の位置と第２の位置とへ第１の光学素子１３を移動させる。スライド部２０は、直線方向において第２の光学素子１４を往復移動させることによって、第３の位置と第４の位置とへ第２の光学素子１４を移動させる。各スライド部１９，２０は、例えばリニアスライドシリンダである。各スライド部１９，２０は、直線方向への移動が可能な機構であれば良く、リニアスライドシリンダ以外の機構であっても良い。

次に、レーザ加工機１によるビームモードの切り替えについて説明する。切替えユニット１２は、切替え指令にしたがって第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを個別に移動させることによって、光学的な設計位置である結像位置におけるビームモードを４つのビームモードにおいて切り替える。レーザ加工機１は、４つのビームモードの中から選択されたビームモードのレーザビームを照射する。

４つのビームモードのうち第１のビームモードは、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置される場合のビームモードである。４つのビームモードのうち第２のビームモードは、第１の光学素子１３が光軸ＡＸから外れた位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上に配置される場合のビームモードである。４つのビームモードのうち第３のビームモードは、第１の光学素子１３が光軸ＡＸ上に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸから外れた位置に配置される場合のビームモードである。４つのビームモードのうち第４のビームモードは、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸから外れた位置に配置される場合のビームモードである。レーザ加工機１は、指定された加工条件に従って４つのビームモードの中からビームモードを選択する。

図４は、実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第１のビームモードについて説明するための図である。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置されているとき、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との間隔は、長さΔＬである。長さΔＬは、切替えユニット１２の設計においてあらかじめ決定されている。

伝送ケーブル５を通過したレーザビームは、伝送ケーブル５の出射端から拡散して、コリメート光学系６へ入射する。コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第１の光学素子１３へ入射する。第１の光学素子１３から出射したレーザビームは、第２の光学素子１４へ入射する。

第１の光学素子１３へ入射するレーザビームは、ビーム径がＤ０、かつピーク強度がＰ０であるガウシアンビームである。図４には、第１の光学素子１３へ入射するレーザビームの強度分布Ｍ０を表すグラフを示している。グラフにおいて、縦軸は強度、横軸はビーム径の方向における位置を表す。

強度分布Ｍ０のレーザビームが第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを伝播すると、第２の光学素子１４からは、発散角がθ１であるレーザビームが出射する。発散角は、レーザビームと光軸ＡＸとがなす角である。Ｌ２は、第２の光学素子１４から像面Ｓまでの光学的な設計距離であって、第２の光学素子１４の頂点と像面Ｓとの間の光学距離である。像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ１、かつピーク強度がＰ１である強度分布Ｍ１となる。図４には、強度分布Ｍ１を表すグラフを示している。

図５は、実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第２のビームモードについて説明するための図である。第１の光学素子１３が光軸ＡＸから外れた位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第１の光学素子１３の外を伝播して、第２の光学素子１４へ入射する。図５には、第２の光学素子１４へ入射するレーザビームの強度分布Ｍ０を表すグラフを示している。

強度分布Ｍ０のレーザビームが第２の光学素子１４を伝播すると、第２の光学素子１４からは、発散角がθ２であるレーザビームが出射する。θ１＞θ２が成り立つ。像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ２、かつピーク強度がＰ２である強度分布Ｍ２となる。Ｄ１＞Ｄ２、かつＰ１＜Ｐ２が成り立つ。図５には、強度分布Ｍ２を表すグラフを示している。

図６は、実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第３のビームモードについて説明するための図である。第１の光学素子１３が光軸ＡＸ上に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸから外れた位置に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、第１の光学素子１３へ入射する。図６には、第１の光学素子１３へ入射するレーザビームの強度分布Ｍ０を表すグラフを示している。第１の光学素子１３から出射したレーザビームは、第２の光学素子１４の外を伝播する。

強度分布Ｍ０のレーザビームが第１の光学素子１３を伝播すると、第１の光学素子１３からは、発散角がθ３であるレーザビームが出射する。θ１＞θ２＞θ３が成り立つ。Ｌ１は、第１の光学素子１３から像面Ｓまでの光学的な設計距離であって、第１の光学素子１３の頂点と像面Ｓとの間の光学距離である。像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ３、かつピーク強度がＰ３である強度分布Ｍ３となる。Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３、かつＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３が成り立つ。図６には、かかる位置におけるレーザビームの強度分布Ｍ３を表すグラフを示している。

図７は、実施の形態１にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第４のビームモードについて説明するための図である。第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸから外れた位置に配置されているとき、コリメート光学系６から出射したレーザビームは、切替えユニット１２において第１の光学素子１３および第２の光学素子１４の外を伝播する。切替えユニット１２から出射したレーザビームは、ビーム径がＤ４、かつピーク強度がＰ４であるガウシアンビームである。Ｄ４≒Ｄ０、かつＰ４≒Ｐ０が成り立つ。図７には、切替えユニット１２から出射したレーザビームの強度分布Ｍ４を表すグラフを示している。

いずれのビームモードが選択された場合も、レーザ加工機１は、切替えユニット１２を伝播したレーザビームのビーム径をズーム光学系７によって調整する。また、レーザ加工機１は、ズーム光学系７でのビーム径の調整を経たレーザビームを集光光学系８によって適切に収束させて、被加工物２へ照射する。

このように、レーザ加工機１は、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とが光軸ＡＸ上に配置された状態にて、第１のビームモードのレーザビームを照射する。第１のビームモードは、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との組み合わせに備わる光学特性に応じた第１の強度分布である。レーザ加工機１は、第１の光学素子１３が光軸ＡＸから外れた位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上に配置された状態にて、第２のビームモードのレーザビームを照射する。第２のビームモードは、第２の光学素子１４に備わる光学特性に応じた第２の強度分布である。レーザ加工機１は、第１の光学素子１３が光軸ＡＸ上に配置され、かつ第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上から外れた位置に配置された状態にて、第３のビームモードのレーザビームを照射する。第３のビームモードは、第１の光学素子１３に備わる光学特性に応じた第３の強度分布である。

レーザ加工機１が第１のビームモード、第２のビームモードまたは第３のビームモードのレーザビームを照射することによって、被加工物２においてリング状のスポットが形成される。第１のビームモード、第２のビームモードおよび第３のビームモードの各レーザビームは、厚い板金を切断する加工に適している。

第１のビームモード、第２のビームモードおよび第３のビームモードの各々におけるビーム径、ピーク強度または発散角は、第１の光学素子１３または第２の光学素子１４へ入射するレーザビームのビーム径、第１の光学素子１３における円錐形の頂角、第２の光学素子１４における円錐形の頂角、第１の光学素子１３と像面Ｓとの間の光学距離、第２の光学素子１４と像面Ｓとの間の光学距離、第１の光学素子１３の屈折率、および第２の光学素子１４の屈折率などに対応して任意に設計可能である。また、第１のビームモード、第２のビームモードおよび第３のビームモードの各々におけるビーム径、ピーク強度または発散角は、被加工物２の材質、被加工物２の厚さ、レーザ発振器３の出力条件、加工速度、アシストガス、焦点位置、要求される加工品質といった各種条件の組み合わせによって任意に変更可能である。アシストガスの条件には、ガスの種類、またはガス圧といった条件が含まれる。

切替えユニット１２が有する光学素子の数は２つに限られない。切替えユニット１２は各々を個別に移動可能な複数の光学素子を有していれば良く、光学素子の数は任意である。複数の光学素子の各々は、被加工物２において互いに異なる強度分布を得るための光学特性を備える。また、レーザ加工機１は、複数の光学素子の各々が互いに組み合わせられて使用されることによって、複数の光学素子の各々が単独で使用される場合における各強度分布とは異なる強度分布のレーザビームを照射する。複数の光学素子の各々は、円錐形レンズに限られない。複数の光学素子の各々は、円錐形レンズと同様の光学特性を備える非球面レンズであっても良い。

実施の形態１によると、切替えユニット１２は、複数の光学素子の各々を直線方向へ個別に移動させることによって、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ複数の光学素子の各々を個別に移動させる。切替えユニット１２は、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ複数の光学素子の各々を個別に移動させることによって、レーザビームのビームモードを切り替える。光軸方向における切替えユニット１２の長さは、光軸方向へ各光学素子を移動させる場合よりも短くすることができる。レーザ加工機１は、切替えユニット１２が小型であっても、複数の光学素子の各々を移動させることによってビーム径を大きく変化させることができる。レーザ加工機１は、切替えユニット１２と光学系とを含むシステムを小型にすることができる。

レーザ加工機１は、切替えユニット１２と光学系とを含むシステムを小型にできることにより、かかるシステムに搭載される光学部品の清浄度を簡易な構造によって維持することができる。また、レーザ加工機１は、光学部品の清浄度を維持することによって、光学部品の長寿命化が可能となる。レーザ加工機１は、システムが大型である場合に比べて、光学部品同士の高精度な位置決めを簡易な制御によって行うことができる。また、レーザ加工機１は、システムが大型である場合に比べて、製造コストの低減が可能となる。

以上により、実施の形態１にかかるレーザ加工機１は、小型な構成によってレーザビームの横断面における強度分布を切り替えることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図である。実施の形態２にかかるレーザ加工機１が有する切替えユニット３０は、複数の光学素子の各々を回転させる移動機構を有する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

切替えユニット３０は、レンズホルダ１７とともに第１の光学素子１３を回転させる回転部３１と、レンズホルダ１８とともに第２の光学素子１４を回転させる回転部３２とを有する。回転部３１と回転部３２とは、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との各々を個別に移動させる移動機構を構成する。

回転部３１は、レンズホルダ１７の端部に取り付けられている。第１の光学素子１３が光軸ＡＸ上の第１の位置に配置されている状態において、回転部３１が回転軸３３を中心に９０度回転することによって、第１の光学素子１３は、第１の位置から、光軸ＡＸから外れた第２の位置へ移動する。第１の光学素子１３が第２の位置に配置されている状態において、第１の位置から第２の位置への移動のときとは逆の方向へ回転部３１が９０度回転することによって、第１の光学素子１３は、第２の位置から第１の位置へ移動する。回転部３１は、第１の位置と第２の位置との間において第１の光学素子１３を回転させる。

回転部３２は、レンズホルダ１８の端部に取り付けられている。第２の光学素子１４が光軸ＡＸ上の第３の位置に配置されている状態において、回転部３２が回転軸３４を中心に９０度回転することによって、第２の光学素子１４は、第３の位置から、光軸ＡＸから外れた第４の位置へ移動する。第２の光学素子１４が第４の位置に配置されている状態において、第３の位置から第４の位置への移動のときとは逆の方向へ回転部３２が９０度回転することによって、第２の光学素子１４は、第４の位置から第３の位置へ移動する。回転部３２は、第３の位置と第４の位置との間において第２の光学素子１４を回転させる。図８には、第１の光学素子１３が第１の位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が第３の位置に配置されているときの様子と、第１の光学素子１３が第２の位置に配置され、かつ第２の光学素子１４が第４の位置に配置されているときの様子とを示している。

各回転部３１，３２は、例えばモータである。各回転部３１，３２は、回転可能な機構であれば良く、モータ以外の機構であっても良い。

次に、レーザ加工機１によるビームモードの切り替えについて説明する。切替えユニット３０は、切替え指令にしたがって第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とを個別に移動させることによって、結像位置におけるビームモードを４つのビームモードにおいて切り替える。実施の形態１と同様に、レーザ加工機１は、４つのビームモードの中から選択されたビームモードのレーザビームを照射する。

レーザ加工機１が第１のビームモードのレーザビームを照射する場合、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とは、図４に示す場合と同様に、光軸ＡＸ上に配置される。図４に示すように、像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ１、かつピーク強度がＰ１である強度分布Ｍ１となる。

図９は、実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第２のビームモードについて説明するための図である。図９に示すように、第１の光学素子１３は光軸ＡＸから外れた位置に配置され、かつ第２の光学素子１４は光軸ＡＸ上に配置される。図５に示す場合と同様に、像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ２、かつピーク強度がＰ２である強度分布Ｍ２となる。

図１０は、実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第３のビームモードについて説明するための図である。図１０に示すように、第１の光学素子１３は光軸ＡＸ上に配置され、かつ第２の光学素子１４は光軸ＡＸから外れた位置に配置される。図６に示す場合と同様に、像面Ｓにおけるレーザビームの強度分布は、ビーム径がＤ３、かつピーク強度がＰ３である強度分布Ｍ３となる。

図１１は、実施の形態２にかかるレーザ加工機が照射するレーザビームのビームモードのうち第４のビームモードについて説明するための図である。図１１に示すように、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４とは、光軸ＡＸから外れた位置に配置される。切替えユニット３０から出射したレーザビームは、図７に示す場合と同様に、ビーム径がＤ４、かつピーク強度がＰ４であるガウシアンビームである。

切替えユニット３０が有する光学素子の数は２つに限られない。実施の形態１の切替えユニット１２と同様に、切替えユニット３０は各々を個別に移動可能な複数の光学素子を有していれば良く、光学素子の数は任意である。

実施の形態２によると、切替えユニット３０は、複数の光学素子の各々を個別に回転させることによって、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ複数の光学素子の各々を個別に移動させる。切替えユニット３０は、光軸ＡＸ上と光軸ＡＸから外れた位置とへ複数の光学素子の各々を個別に移動させることによって、レーザビームのビームモードを切り替える。実施の形態１と同様に、レーザ加工機１は、切替えユニット３０と光学系とを含むシステムを小型にすることができる。以上により、実施の形態２にかかるレーザ加工機１は、小型な構成によってレーザビームの横断面における強度分布を切り替えることができるという効果を奏する。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３にかかるレーザ加工機のうち切替えユニットの構成を示す図である。実施の形態３では、複数の光学素子の各々の形状が、実施の形態１または２における複数の光学素子の各々の形状とは異なる。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態３にかかるレーザ加工機１の切替えユニット４０は、複数の光学素子である第１の光学素子４１と第２の光学素子４２とを有する。第１の光学素子４１と第２の光学素子４２との各々は、円錐形の頂部が丸められた形状の凸面を有する非球面レンズである。頂部は、円錐形のうち頂点を含む部分である。第１の光学素子４１は、円錐形の頂部が丸められたような形状の先端部４３を有する。第２の光学素子４２は、円錐形の頂部が丸められたような形状の先端部４４を有する。第１の光学素子４１の先端部４３と第２の光学素子４２の先端部４４とは、互いに向かい合わせられている。

第１の光学素子４１は、図３または図８に示す第１の光学素子１３と同様に、レンズホルダ１７に取り付けられている。第２の光学素子４２は、図３または図８に示す第２の光学素子１４と同様に、レンズホルダ１８に取り付けられている。切替えユニット４０は、光軸ＡＸ上の位置と光軸ＡＸから外れた位置とへ第１の光学素子４１と第２の光学素子４２との各々を個別に移動させる移動機構を有する。移動機構は、図３に示すスライド部１９，２０、または図８に示す回転部３１，３２である。図１２では、レンズホルダ１７，１８と移動機構の図示を省略する。

第１の光学素子４１と第２の光学素子４２とは、被加工物２において互いに異なる強度分布を得るための光学特性を備える。レーザ加工機１は、第１の光学素子４１と第２の光学素子４２とが互いに組み合わせられて使用されることによって、第１の光学素子４１と第２の光学素子４２との各々が単独で使用される場合における各強度分布とは異なる強度分布のレーザビームを照射する。

切替えユニット４０が有する光学素子の数は２つに限られない。実施の形態１または２の切替えユニット１２，３０と同様に、切替えユニット４０は各々を個別に移動可能な複数の光学素子を有していれば良く、光学素子の数は任意である。複数の光学素子の各々は、円錐形の頂部が丸められた形状の凸面を有する。

実施の形態３によると、切替えユニット４０は、複数の光学素子の各々が、円錐形の頂部が丸められた形状の凸面を有する。複数の光学素子の各々が円錐形であって各円錐形の頂点を光軸ＡＸ上に合わせる場合に比べて、切替えユニット４０は、複数の光学素子の各々の位置精度を緩和できる。これにより、レーザ加工機１は、複数の光学素子の各々の位置精度を高めなくても、レーザビームの安定した照射が可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略、変更することが可能である。

１レーザ加工機、２被加工物、３レーザ発振器、４加工ヘッド、５伝送ケーブル、６コリメート光学系、７ズーム光学系、８集光光学系、９レンズ、１０加工テーブル、１１制御装置、１２，３０，４０切替えユニット、１３，４１第１の光学素子、１４，４２第２の光学素子、１５円錐面、１６平面、１７，１８レンズホルダ、１９，２０スライド部、３１，３２回転部、３３，３４回転軸、４３，４４先端部、ＡＸ光軸。

Claims

レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工機であって、
前記レーザビームを出射する光源と、
前記レーザビームの横断面における強度分布を切り替える切替えユニットと、を備え、
前記切替えユニットは、
複数の光学素子と、
前記レーザビームの光軸上の位置と前記光軸から外れた位置とへ前記複数の光学素子の各々を個別に移動させる移動機構と、を有し、
複数の光学素子の各々を単独で前記光軸上に配置する場合と、前記複数の光学素子の各々を互いに組み合わせて前記光軸上に配置する場合と、前記複数の光学素子の全てを前記光軸から外した場合との各々において、互いに異なる強度分布の前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工機。
前記複数の光学素子の各々は、前記被加工物において互いに異なる強度分布を得るための光学特性を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。
前記複数の光学素子である第１の光学素子と第２の光学素子とが前記光軸上に配置された状態にて、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との組み合わせに備わる光学特性に応じた第１の強度分布の前記レーザビームを照射し、
前記第１の光学素子が前記光軸から外れた位置に配置され、かつ前記第２の光学素子が前記光軸上に配置された状態にて、前記第２の光学素子に備わる光学特性に応じた第２の強度分布の前記レーザビームを照射し、
前記第１の光学素子が前記光軸上に配置され、かつ前記第２の光学素子が前記光軸から外れた位置に配置された状態にて、前記第１の光学素子に備わる光学特性に応じた第３の強度分布の前記レーザビームを照射し、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが前記光軸から外れた位置に配置された状態にて、第４の強度分布の前記レーザビームを照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
前記移動機構は、前記光軸上の位置と前記光軸から外れた位置との間において前記複数の光学素子の各々を直線方向へ移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工機。
前記移動機構は、前記光軸上の位置と前記光軸から外れた位置との間において前記複数の光学素子の各々を回転させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工機。
前記複数の光学素子の各々は、円錐形の凸面を有する円錐形レンズであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工機。
前記複数の光学素子の各々は、円錐形の頂部が丸められた形状の凸面を有するレンズであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工機。