JP7224566B1 - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

レーザ加工ヘッド（１Ａ）は、光出射部（３）から発散するレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる第１のレンズ群（１１）と、第１のレンズ群（１１）を通過したレーザ光が伝搬する第２のレンズ群（１２）と、第２のレンズ群（１２）を通過したレーザ光が伝搬して、光出射部（３）の像を転写位置に形成するレンズ群を第２のレンズ群（１２）とともに構成する第３のレンズ群（１３）と、第３のレンズ群（１３）を通過したレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる第４のレンズ群（１４）と、第１のレンズ群（１１）と第２のレンズ群（１２）との間の光軸上に配置され、レーザ光のビームモードを変換させる光束変換光学素子（１５）と、第１のレンズ群（１１）を光軸方向において移動させる第１の移動機構（１７）と、第３のレンズ群（１３）を光軸方向において移動させる第２の移動機構（１８）と、を備える。

Description

本開示は、レーザ光を出射するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機に関する。

レーザ光を用いたレーザ加工では、さまざまな材質またはさまざまな厚みのワークについて、高品質な加工が可能であること、または、高い効率での加工が可能であることが期待される。そのために、レーザ加工機は、集光位置におけるレーザビームのビーム径を適切に制御すること、または、レーザビームの横断面におけるレーザビームの強度分布であるビームモードを適切に制御することが求められる。中板厚の加工では、レーザビームの外縁部における強度が大きいレーザビーム、いわゆるリング状のビームモードのレーザビームを形成すること、および、ビーム径を大きくすることが求められる。

特許文献１には、２つのアキシコンレンズと、各アキシコンレンズを光軸方向へ移動させる移動機構とを備え、各アキシコン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換えるレーザ加工機が開示されている。特許文献１にかかるレーザ加工機において、レーザ加工ヘッド内の光出射部から発散したレーザ光は、２つのアキシコンレンズと集光レンズとを通り、光出射部の像の転写位置がワークの表面またはその近傍となるように集束される。

特開２０１９－４２７９３号公報

特許文献１に記載される技術によると、光軸方向において転写位置から離れた位置においてリング状のビームモードが得られる一方、転写位置ではリング状のビームモードが得られない。また、特許文献１に記載される技術によると、リング状のビームモードについてビーム径を大きくするには、ワークの位置を転写位置から大きくずらす必要がある。ワークの位置を転写位置から大きくずらすことで、ワーク上におけるレーザビームのエッジがぼけることとなるため、加工品質が低下する。このため、特許文献１に記載される従来技術では、ビームモードの変換により高品質な加工を実現することが困難である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、ビームモードの変換により高品質な加工を実現可能とするレーザ加工ヘッド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ヘッドは、光出射部から発散するレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる第１のレンズ群と、第１のレンズ群を通過したレーザ光が伝搬する第２のレンズ群と、第２のレンズ群を通過したレーザ光が伝搬して、光出射部の像を転写位置に形成するレンズ群を第２のレンズ群とともに構成する第３のレンズ群と、第３のレンズ群を通過したレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる第４のレンズ群と、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間の光軸上に配置され、レーザ光のビームモードを変換させる光束変換光学素子と、第１のレンズ群を光軸方向において移動させる第１の移動機構と、第３のレンズ群を光軸方向において移動させる第２の移動機構と、を備える。

本開示にかかるレーザ加工ヘッドは、ビームモードの変換により高品質な加工を実現す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ヘッドの構成例を示す図 実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッドの動作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ヘッドの構成と、実施の形態１の第１の比較例にかかる構成とを示す図 実施の形態１の第２の比較例にかかる構成を示す図 実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッドにより光出射部から転写位置までの距離を変更させる例を示す図 実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッドの構成例を示す図 実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッドの動作について説明するための第１の図 実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッドの動作について説明するための第２の図 実施の形態３にかかるレーザ加工機の構成例を示す図 実施の形態１または２にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態１または２にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図

以下に、実施の形態にかかるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａの構成例を示す図である。レーザ加工ヘッド１Ａは、レーザ加工機に備えられる。レーザ加工ヘッド１Ａは、ワーク５へ向けてレーザビームを出射する。ワーク５は、金属製の板である。ワーク５の材料には、鉄、ステンレス鋼、または黄銅といった金属材料が使用される。なお、ワーク５の材料とワーク５の形状とは、実施の形態１で説明するものに限定されない。

伝送ケーブル２は、光源からレーザ加工ヘッド１Ａへのレーザ光の伝送路である。伝送ケーブル２は、例えば光ファイバである。図１では、光源の図示を省略する。レーザ加工ヘッド１Ａは、レーザ加工ヘッド１Ａの外殻を構成する筐体１６を備える。図１では、筐体１６の内部に収容される構成を模式的に表す。伝送ケーブル２の出射端である光出射部３は、筐体１６の内部に接続される。伝送ケーブル２を伝搬したレーザ光は、筐体１６の内部へ入射する。

レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４と、光束変換光学素子１５とを備える。第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４と、光束変換光学素子１５とは、筐体１６の内部に収容される。第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４とは、光出射部３の像を転写させる転写光学系１０を構成する。光束変換光学素子１５が光軸上に存在するときは、光束変換光学素子１５も転写光学系１０の構成要素に含まれる。

第１のレンズ群１１は、正のパワーを持つレンズ群である。第１のレンズ群１１は、光出射部３から発散するレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる。第２のレンズ群１２は、正のパワーを持つレンズ群である。第２のレンズ群１２には、第１のレンズ群１１を通過したレーザ光が伝搬する。

第３のレンズ群１３は、負のパワーを持つレンズ群である。第３のレンズ群１３には、第２のレンズ群１２を通過したレーザ光が伝搬する。第２のレンズ群１２と第３のレンズ群１３とは、転写位置において光出射部３の像を形成するレンズ群を構成する。第４のレンズ群１４は、正のパワーを持つレンズ群である。第４のレンズ群１４は、第３のレンズ群１３を通過したレーザ光が入射し、レーザ光を集束させる。第４のレンズ群１４を通過したレーザ光は、筐体１６の外部へ出射する。

光束変換光学素子１５は、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上に配置される。実施の形態１において、光軸とは、転写光学系１０の光軸とする。光束変換光学素子１５は、レーザ光のビームモードを変換させる。実施の形態１において、光束変換光学素子１５は、アキシコンレンズである。アキシコンレンズは、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。光束変換光学素子１５は、ガウシアンビームをリング状のビームへ変換させる。レーザ加工ヘッド１Ａは、光軸上に光束変換光学素子１５が配置されることによって、転写位置または転写位置の近傍においてリング状のビームモードを生成する。図１に示す例において、転写位置は、ワーク５上の位置に一致しているものとする。

レーザ加工ヘッド１Ａは、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８とを備える。第１の移動機構１７は、第１のレンズ群１１を光軸方向において移動させる。第２の移動機構１８は、第３のレンズ群１３を光軸方向において移動させる。

制御装置４は、レーザ加工ヘッド１Ａを備えるレーザ加工機の全体を制御する。制御装置４は、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８との各々へ制御信号を送る。第１の移動機構１７は、制御信号に従って第１のレンズ群１１を移動させる。第２の移動機構１８は、制御信号に従って第３のレンズ群１３を移動させる。制御装置４は、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８との各々へ制御信号を送ることによって、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８とを制御する。

図１では、第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４との各々を、単一のレンズにより示す。第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４との各々は、単一のレンズに限られず、複数のレンズで構成されても良い。第１のレンズ群１１と、第２のレンズ群１２と、第３のレンズ群１３と、第４のレンズ群１４との各々におけるレンズの数は、任意であるものとする。

次に、レーザ加工ヘッド１Ａから出射するレーザビームのビームモードを変換させる際におけるレーザ加工ヘッド１Ａの動作について説明する。

図２は、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａの動作について説明するための図である。図２には、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３との各々を光軸方向において移動させる様子を示す。図２では、レーザ加工ヘッド１Ａのうち主な構成を図示し、レーザ加工ヘッド１Ａのその他の構成の図示を省略する。

ここで、図２の左部に示す状態を、第１の状態と称する。また、図２の右部に示す状態を、第２の状態と称する。第１の状態では、第１のレンズ群１１が光出射部３の方へ寄せられ、かつ、第３のレンズ群１３が第４のレンズ群１４の方へ寄せられる。すなわち、第１の状態は、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とが互いに離れる方向へ移動した状態である。一方、第２の状態では、第１のレンズ群１１が第２のレンズ群１２の方へ寄せられ、かつ、第３のレンズ群１３が第２のレンズ群１２の方へ寄せられる。すなわち、第２の状態は、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とが互いに近づく方向へ移動した状態である。第１の移動機構１７による第１のレンズ群１１の移動と第２の移動機構１８による第３のレンズ群１３の移動とによって、レーザ加工ヘッド１Ａの状態は、第１の状態と第２の状態とに切り換えられる。図２に示す両矢印は、レーザ加工ヘッド１Ａの状態を第１の状態と第２の状態とに切り換え可能であることを表す。

ビームモード２１は、レーザ加工ヘッド１Ａが第１の状態であるときにおけるビームモードである。ビームモード２２は、レーザ加工ヘッド１Ａが第２の状態であるときにおけるビームモードである。ビームモード２１とビームモード２２との各々は、リング状のビームモードである。ビームモード２１のビーム径は、ビームモード２２のビーム径よりも大きい。なお、以下の説明では、リング状のレーザビームのビーム径を、リング径と称する。

レーザ加工ヘッド１Ａが第２の状態であるときに、転写位置における光出射部３の像の結像が保たれた状態で、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを互いに離れる方向へ移動させることにより、レーザ加工ヘッド１Ａの状態は第１の状態へ切り換えられる。これにより、レーザ加工ヘッド１Ａは、ビームモード２２からビームモード２１へ、リング径を拡大させる。

レーザ加工ヘッド１Ａが第１の状態であるときに、転写位置における光出射部３の像の結像が保たれた状態で、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを互いに近づける方向へ移動させることにより、レーザ加工ヘッド１Ａの状態は第２の状態へ切り換えられる。これにより、レーザ加工ヘッド１Ａは、ビームモード２１からビームモード２２へ、リング径を縮小させる。このようにして、レーザ加工ヘッド１Ａは、転写位置における光出射部３の像の結像を保ちながら、レーザビームのビームモードを変換させる。

レーザ加工ヘッド１Ａの状態は、ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じて、第１の状態と第２の状態とに切り換えることができる。例えば、厚さ２０ｍｍ程度の中厚板のレーザ加工では、レーザ加工ヘッド１Ａを第１の状態とすることで、高品質かつ高い効率での加工を行い得る。レーザ加工ヘッド１Ａは、転写位置における光出射部３の像の結像を保ちながらビームモードを変換できるため、ワークの位置を転写位置から大きくずらす必要がある場合に比べて、高品質な加工が可能となる。レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１の移動と第３のレンズ群１３の移動とによって、加工対象に適したビーム径を容易に選択することができる。ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じてビーム径が適宜選択されることによって、加工品質の向上と生産性の向上とが可能となる。

次に、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａの構成による作用効果について説明する。ここでは、比較例にかかる構成を図示し、比較例の場合との対比により、レーザ加工ヘッド１Ａの構成による作用効果について説明する。

図３は、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａの構成と、実施の形態１の第１の比較例にかかる構成とを示す図である。図３の左部には、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａに備えられる構成を示す。図３の右部には、第１の比較例にかかる構成を示す。第１の比較例にかかる構成は、光出射部３と第１のレンズ群１１との間に光束変換光学素子１５が配置される点が、実施の形態１の構成とは異なる。

第１の比較例にかかる構成においても、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることにより、リング径を変化させ得る。リング径を変化させる場合において、光出射部３と光束変換光学素子１５との間の距離が長いほど、リング径を大きくさせることが可能となる。第１の比較例の場合は、光出射部３の直後に光束変換光学素子１５が配置されることから、光出射部３と光束変換光学素子１５との間の距離が長いほど、光出射部３と第１のレンズ群１１との間の距離が長くなる。光出射部３と第１のレンズ群１１との間の距離が長くなるほど、光出射部３から発散したレーザ光を取り込むために、第１のレンズ群１１以降の光学系を大型にする必要がある。

これに対し、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間に光束変換光学素子１５が配置されるため、第１の比較例の場合よりも、光出射部３と光束変換光学素子１５との間に長い距離を確保し易い。レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間に光束変換光学素子１５が配置され、かつ第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３との各々を移動させる構成によって、第１のレンズ群１１以降の光学系を大型にすること無く、リング径を変化させる度合いを大きくすることができる。図３において、実施の形態１における光出射部３と第１のレンズ群１１との間の距離と、第１の比較例における光出射部３と光束変換光学素子１５との間の距離とが同じであるが、第１の比較例よりも実施の形態１の場合の方が、第１のレンズ群１１以降の光学系が小型である。

また、第１の比較例において、光出射部３と光束変換光学素子１５との間に長い距離を確保することに代えて、光束変換光学素子１５における円錐形の頂角を小さくすることによって、リング径を大きくさせ得る。ただし、光束変換光学素子１５における円錐形の頂角が小さくなるほど、光束変換光学素子１５の高精度なアライメントが必要となる。実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａは、光束変換光学素子１５における円錐形の頂角が小さくしなくても、リング径を大きくさせることが可能である。

光束変換光学素子１５の位置が光出射部３から近いほど、光束変換光学素子１５へ入射するレーザ光の強度が高くなる。光束変換光学素子１５へ入射するレーザ光の強度が高くなるほど、光束変換光学素子１５が熱により損傷する可能性が高くなる。第１の比較例の場合は、光出射部３の直後に光束変換光学素子１５が配置されるため、光束変換光学素子１５の位置が光出射部３から近くなり易い。これに対し、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間に光束変換光学素子１５が配置されるため、第１の比較例の場合に比べて、光出射部３から光束変換光学素子１５を離すことができる。レーザ加工ヘッド１Ａは、光束変換光学素子１５へ入射するレーザ光の強度が高くなることを防ぐことができ、光束変換光学素子１５が損傷する可能性を低減できる。

図４は、実施の形態１の第２の比較例にかかる構成を示す図である。第２の比較例にかかる構成は、第３のレンズ群１３と第４のレンズ群１４との間に光束変換光学素子１５が配置される点が、実施の形態１の構成とは異なる。図４の左部には、第１のレンズ群１１を光出射部３の方へ寄せ、かつ、第３のレンズ群１３を光束変換光学素子１５の方へ寄せた状態を示す。図４の右部には、第１のレンズ群１１を第２のレンズ群１２の方へ寄せ、かつ、第３のレンズ群１３を第２のレンズ群１２の方へ寄せた状態を示す。図４に示す両矢印は、第２の比較例にかかる構成が、図４の左部に示す状態と図４の右部に示す状態とに状態を切り換え可能であることを表す。

第２の比較例の場合、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによって、主に、リング状のビームモードにおけるリングの厚みが変化する。図４の左部に示す状態におけるビームモード２３ではリング幅が太く、図４の右部に示す状態におけるビームモード２４ではリング幅が細い。第２の比較例の場合、リングの厚みの変化が大きい一方、リング径の変化は小さい。

実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａは、リングの厚みを大きく増加させること無く、リング径を大きく変化させることができる。レーザ加工ヘッド１Ａは、リングの厚みが大きく増加する場合に比べて、外縁部におけるエネルギー密度を高めることが可能となる。これにより、レーザ加工ヘッド１Ａは、ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じた、高品質、かつ効率的な加工が可能となる。

以上に説明するように、光束変換光学素子１５が配置される位置によって、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによるビームモードの変化の態様が異なる。レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上に光束変換光学素子１５が配置されることによって、さまざまな材質またはさまざまな厚みのワーク５について、高品質な加工と高い効率での加工とを実現させることができる。

さらに、レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによって、転写倍率を保ちながら、光出射部３から転写位置までの距離を変更させることができる。図５は、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａにより光出射部３から転写位置までの距離を変更させる例を示す図である。

図５の左部には、ワーク５上の位置に対してレーザ加工ヘッド１Ａの側に転写位置６が設定された状態を示す。図５に右部には、ワーク５上の位置に対してレーザ加工ヘッド１Ａとは逆側に転写位置６が設定された状態を示す。図５に示す両矢印は、レーザ加工ヘッド１Ａが、図５の左部に示す状態と図５の右部に示す状態とに状態を切り換え可能であることを表す。レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１の位置と第３のレンズ群１３の位置とが適宜調整されることによって、光軸方向において転写位置６を変化させることができる。これにより、レーザ加工ヘッド１Ａは、さまざまな材質またはさまざまな厚みのワーク５について、高品質な加工と高い効率での加工とを実現させることができる。

レーザ加工ヘッド１Ａに必要な光束変換光学素子１５が１つであることによって、レーザ加工ヘッド１Ａは、上記特許文献１に記載されるように２つのアキシコンレンズが必要である場合に比べて光学系の低廉化が可能となる。また、上記特許文献１に記載されるように２つのアキシコンレンズを移動させる場合にはアキシコンレンズ同士の接触による各アキシコンレンズの損傷が懸念される。レーザ加工ヘッド１Ａは、かかる懸念を解消し得る。

なお、上記説明では、レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１を移動させる移動機構と第３のレンズ群１３を移動させる移動機構とを備える構成とした。レーザ加工ヘッド１Ａには、第１のレンズ群１１または第３のレンズ群１３以外の光学要素を移動させる移動機構が備えられても良い。例えば、レーザ加工ヘッド１Ａには、第２のレンズ群１２または第４のレンズ群１４を移動させる移動機構が追加されても良い。これにより、レーザ加工ヘッド１Ａは、加工品質の向上のための調整、または生産性の向上のための調整を適宜行うことができる。

上記説明では、光束変換光学素子１５はアキシコンレンズとしたが、光束変換光学素子１５はアキシコンレンズ以外の光学素子でも良い。光束変換光学素子１５は、多面体または非球面形状といった、円錐形以外の形状の光学素子でも良い。光束変換光学素子１５は、円錐形、多面体または非球面形状といった形状が多数配列されたアレイ型光学素子でも良い。光束変換光学素子１５は、屈折型の光学素子に限られず、回折型の光学素子でも良い。

実施の形態１によると、レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１、第２のレンズ群１２、第３のレンズ群１３、および第４のレンズ群１４と、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上に配置される光束変換光学素子１５とを備える。また、レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１を移動させる第１の移動機構１７と、第３のレンズ群１３を移動させる第２の移動機構１８とを備える。レーザ加工ヘッド１Ａは、第１のレンズ群１１の移動と第３のレンズ群１３の移動とによって、レーザビームのビームモードを容易に変換させることができる。レーザ加工ヘッド１Ａは、ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じてビームモードを選択することにより、加工品質の向上と生産性の向上とが可能となる。以上により、レーザ加工ヘッド１Ａは、ビームモードの変換により高品質な加工を実現することができるという効果を奏する。また、レーザ加工ヘッド１Ａは、生産性の向上が可能となる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッド１Ｂの構成例を示す図である。レーザ加工ヘッド１Ｂは、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａと同様の構成に加えて、第３の移動機構１９を備える。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。

第３の移動機構１９は、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ光束変換光学素子１５を移動させる。図６に示す例では、第３の移動機構１９は、光軸に垂直な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させることによって、光束変換光学素子１５を移動させる。光束変換光学素子１５は、第３の移動機構１９に連動して回転可能なホルダに取り付けられる。光束変換光学素子１５は、第３の移動機構１９の回転によってホルダとともに移動する。ホルダの図示は省略する。

制御装置４は、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８と第３の移動機構１９との各々へ制御信号を送る。第３の移動機構１９は、制御信号に従って光束変換光学素子１５を移動させる。制御装置４は、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８と第３の移動機構１９との各々へ制御信号を送ることによって、第１の移動機構１７と第２の移動機構１８と第３の移動機構１９とを制御する。

図６には、光束変換光学素子１５が光軸上の位置に配置されているときにおける光束変換光学素子１５を実線により表す。図６には、光束変換光学素子１５が光軸から外されているときにおける、光束変換光学素子１５と第３の移動機構１９の一部とを破線により表す。また、図６には、光束変換光学素子１５が移動する軌跡を破線により表す。第１の移動機構１７は、第３の移動機構１９が光束変換光学素子１５を移動させる際に、第１のレンズ群１１を移動させる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５の移動前に第１のレンズ群１１を移動させることによって、第１のレンズ群１１が光束変換光学素子１５の移動の妨げとなることを回避できる。図６には、光束変換光学素子１５の移動前に第１のレンズ群１１を移動させた場合における、第１のレンズ群１１と第１の移動機構１７の一部とを破線により表す。

次に、レーザ加工ヘッド１Ｂから出射するレーザビームのビームモードを変換させる際におけるレーザ加工ヘッド１Ｂの動作について説明する。

図７は、実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッド１Ｂの動作について説明するための第１の図である。図７には、光束変換光学素子１５が光軸上に配置されている様子と、光束変換光学素子１５が光軸から外れた位置にある様子とを示す。図７では、レーザ加工ヘッド１Ｂのうち主な構成を図示し、レーザ加工ヘッド１Ｂのその他の構成の図示を省略する。

ここで、図７の左部に示す状態を、第３の状態と称する。また、図７の右部に示す状態を、第４の状態と称する。第３の状態では、光束変換光学素子１５が光軸上に配置されている。第３の状態における、第１のレンズ群１１、第３のレンズ群１３および光束変換光学素子１５の位置関係は、図２の左部に示す第１の状態の場合と同じである。第３の状態におけるビームモード２５は、図２に示すビームモード２１と同様である。第３の状態において、第１のレンズ群１１および第３のレンズ群１３を適宜移動させることによって、レーザ加工ヘッド１Ｂは、実施の形態１の場合と同様にリング径を変化させる。

第３の状態から、第１の移動機構１７により光出射部３の方へ第１のレンズ群１１を移動させた後、第３の移動機構１９は、光束変換光学素子１５を光軸上から移動させる。すなわち、第３の移動機構１９は、光軸上から光束変換光学素子１５を退避させる。図７に示す例では、光軸上から光束変換光学素子１５を退避させた後、第１の移動機構１７が第１のレンズ群１１を元の位置に戻す。これにより、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第３の状態から第４の状態へ状態を遷移させる。このように、第３の移動機構１９による光束変換光学素子１５の移動によって、レーザ加工ヘッド１Ｂの状態は、第３の状態と第４の状態とに切り換えられる。また、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第３の移動機構１９により光束変換光学素子１５の移動させる際に、第１の移動機構１７によって第１のレンズ群１１を移動させる。図７に示す両矢印は、レーザ加工ヘッド１Ｂの状態が、第３の状態と第４の状態とに切り換え可能であることを表す。

第４の状態では、転写光学系１０により、光出射部３の像が転写される。伝送ケーブル２が光ファイバである場合、光出射部３の転写像は円形となる。この場合、第４の状態において、円形のビームモード２６が得られる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光軸への光束変換光学素子１５の挿入と、光軸からの光束変換光学素子１５の退避とによって、ビームモードを変換させることができる。

また、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第４の状態において第１のレンズ群１１および第３のレンズ群１３を適宜移動させることによって、ビーム径を変化させることができる。

図８は、実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッド１Ｂの動作について説明するための第２の図である。図８には、第４の状態において、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３との各々を光軸方向において移動させる様子を示す。図８では、レーザ加工ヘッド１Ｂのうち主な構成を図示し、レーザ加工ヘッド１Ｂのその他の構成の図示を省略する。

図８の左部に示す状態において、第１のレンズ群１１は光出射部３の方へ寄せられ、かつ、第３のレンズ群１３は第４のレンズ群１４の方へ寄せられる。すなわち、図８の左部に示す状態は、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とが互いに離れる方向へ移動した状態である。一方、図８の右部に示す状態において、第１のレンズ群１１は第２のレンズ群１２の方へ寄せられ、かつ、第３のレンズ群１３は第２のレンズ群１２の方へ寄せられる。すなわち、図８の右部に示す状態は、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とが互いに近づく方向へ移動した状態である。図８に示す両矢印は、レーザ加工ヘッド１Ｂが、図８の左部に示す状態と図８の右部に示す状態とに状態を切り換え可能であることを表す。レーザ加工ヘッド１Ｂは、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによって、転写光学系１０の転写倍率を変化させる。

図８の右部に示す状態におけるビームモード２８のビーム径は、図８の左部に示す状態におけるビームモード２７のビーム径よりも小さい。第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを互いに近づける方向へ移動させることによって、ビーム径は小さくなる。また、第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを互いに遠ざける方向へ移動させることによって、ビーム径は大きくなる。このようにして、レーザ加工ヘッド１Ｂは、レーザビームのビーム径を変換させる。

レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５の移動によって、ビームモードの形状をリング状と円形とに切り換える。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光軸上に光束変換光学素子１５が配置されている第３の状態において第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによって、リング状のビームモードのリング径を変化させる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光軸の外へ光束変換光学素子１５を退避させた第４の状態において第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させることによって、円形のビームモードのビーム径を変化させる。

レーザ加工ヘッド１Ｂは、第１のレンズ群１１の移動と第３のレンズ群１３の移動と光束変換光学素子１５の移動とによって、加工対象に適したリング径またはビーム径と、加工対象に適したビームモードとを容易に選択することができる。ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じて、リング径またはビーム径と、ビームモードとが適宜選択されることによって、加工品質の向上と生産性の向上とが可能となる。

レーザ加工ヘッド１Ｂは、第３の移動機構１９が光束変換光学素子１５を移動させる際に第１のレンズ群１１を移動させることによって、光束変換光学素子１５を移動させるためのスペースを創出する。そのため、レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５を移動させるためのスペースを光学系に常時確保しておく必要が無くなり、光学系の小型化が可能となる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、リング径の変換に使用される第１の移動機構１７を、スペースを創出するための移動機構としても使用する。レーザ加工ヘッド１Ｂは、リング径の変換に使用される第１の移動機構１７とは別に、スペースを創出するための移動機構を設ける必要が無い。光軸に垂直な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させることによって光束変換光学素子１５を移動させる場合は、光束変換光学素子１５を通すスペースが光軸上に必要となるため、第１の移動機構１７により第１のレンズ群１１を移動させる構成による効果は大きい。

レーザ加工ヘッド１Ｂは、光軸に垂直な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させる簡易な構成によって、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ光束変換光学素子１５を移動させることができる。なお、第３の移動機構１９は、光軸に垂直な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させる機構に限定されない。第３の移動機構１９は、光軸に平行な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させる機構でも良い。または、第３の移動機構１９は、光軸に垂直な面内において光束変換光学素子１５を移動させる機構でも良い。第３の移動機構１９は、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ光束変換光学素子１５を移動させる機構であれば良い。光軸に垂直な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させる場合、光軸に平行な軸を中心に光束変換光学素子１５を回転させる場合または光軸に垂直な面内において光束変換光学素子１５を移動させる場合に比べて、筐体１６を小型にすることができる。

レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５を移動させる構成とすることで、レーザ加工ヘッド１Ｂに備えられる１つの光学系を使用して、光束変換光学素子１５の作用の有無を切り換える。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５の作用の有無を切り換えることによって、リング状のビームモードと光出射部３の転写像であるビームモードとを切り換えることができる。さらに、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第１のレンズ群１１の移動と第３のレンズ群１３の移動とによって、リング径を変化させるビームモード変換と、転写像の倍率を変化させるビームモード変換とを行うことができる。

実施の形態２によると、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第３の移動機構１９により、第１のレンズ群１１と第２のレンズ群１２との間の光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ光束変換光学素子１５を移動させる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、光束変換光学素子１５を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容易に変換させることができる。また、レーザ加工ヘッド１Ｂは、第１のレンズ群１１の移動と第３のレンズ群１３の移動とによって、レーザビームのビームモードを容易に変換させることができる。レーザ加工ヘッド１Ｂは、ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じてビームモードを選択することにより、加工品質の向上と生産性の向上とが可能となる。以上により、レーザ加工ヘッド１Ｂは、ビームモードの変換により高品質な加工を実現することができるという効果を奏する。また、レーザ加工ヘッド１Ｂは、生産性の向上が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３では、レーザ加工ヘッド１Ａまたはレーザ加工ヘッド１Ｂを備えるレーザ加工機について説明する。図９は、実施の形態３にかかるレーザ加工機１００の構成例を示す図である。図９に示すレーザ加工機１００は、実施の形態１にかかるレーザ加工ヘッド１Ａを備える。レーザ加工機１００には、レーザ加工ヘッド１Ａの代わりに、実施の形態２にかかるレーザ加工ヘッド１Ｂが備えられても良い。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。

レーザ加工機１００は、レーザ光を出力する光源であるレーザ発振器７と、レーザ加工ヘッド１Ａと、レーザ発振器７からレーザ加工ヘッド１Ａへのレーザ光の伝送路である伝送ケーブル２と、ワーク５が載せられるステージ８と、レーザ加工機１００を制御する制御装置４とを備える。レーザ加工機１００は、レーザ加工ヘッド１Ａから出射するレーザビーム９をワーク５に照射させることによってワーク５を加工する。レーザ加工ヘッド１Ａは、ワーク５へ加工ガスを噴射する。加工ガスを噴射する要素の図示は省略する。

レーザ加工機１００は、レーザ加工ヘッド１Ａに対してステージ８を移動させることによって、レーザビーム９とワーク５とを相対移動させる。ステージ８は、レーザビーム９の中心軸に対して垂直な２次元方向に移動可能である。図９において、白抜きの両矢印は、ステージ８を移動可能な方向を示す。なお、レーザ加工機１００は、ステージ８を移動させずに、レーザビーム９とワーク５とを相対移動させるものであっても良い。レーザ加工機１００は、ステージ８の位置を固定するとともに、ワーク５におけるレーザビーム９の入射位置を制御するものであっても良い。

制御装置４は、レーザ加工ヘッド１Ａと、レーザ発振器７と、ステージ８との各々へ制御信号を送る。レーザ発振器７は、制御信号に従ってレーザ光を出力する。レーザ加工ヘッド１Ａは、実施の形態１にて説明するように、制御信号に従って第１のレンズ群１１と第３のレンズ群１３とを移動させる。ステージ８は、制御信号に従って動作する。このように、制御装置４は、レーザ加工ヘッド１Ａと、レーザ発振器７と、ステージ８との各々を制御する。

実施の形態３によると、レーザ加工機１００は、レーザ加工ヘッド１Ａまたはレーザ加工ヘッド１Ｂを備えることによって、ワーク５の材料またはワーク５の厚みに応じてビームモードを適宜選択して、ワーク５を加工することができる。レーザ加工機１００は、ビームモードを選択することにより、加工品質の向上と生産性の向上とが可能となる。レーザ加工機１００は、ビームモードの変換により高品質な加工を実現することができるという効果を奏する。また、レーザ加工機１００は、生産性の向上が可能となる。レーザ加工機１００は、特に、中厚板、または、中厚板よりも厚い板について、加工品質の向上と生産性の向上とを図ることができる。

次に、実施の形態１または２にかかる制御装置４を実現するハードウェア構成について説明する。制御装置４は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。

処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図１０に示す制御回路３０である。図１０は、実施の形態１または２にかかる制御回路３０の構成例を示す図である。制御回路３０は、入力部３１、プロセッサ３２、メモリ３３および出力部３４を備える。

入力部３１は、制御回路３０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ３２に与えるインターフェース回路である。出力部３４は、プロセッサ３２またはメモリ３３からのデータを制御回路３０の外部に送るインターフェース回路である。処理回路が図１０に示す制御回路３０である場合、プロセッサ３２がメモリ３３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置４の機能が実現される。メモリ３３は、プロセッサ３２が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

プロセッサ３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。メモリ３３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。

図１０は、汎用のプロセッサ３２およびメモリ３３により制御装置４を実現する場合のハードウェアの例であるが、制御装置４は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図１１は、実施の形態１または２にかかる専用のハードウェア回路３５の構成例を示す図である。

専用のハードウェア回路３５は、入力部３１、出力部３４および処理回路３６を備える。処理回路３６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。なお、制御装置４は、制御回路３０とハードウェア回路３５とが組み合わされて実現されても良い。

以上の各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または変更することが可能である。

１Ａ，１Ｂ レーザ加工ヘッド、２ 伝送ケーブル、３ 光出射部、４ 制御装置、５ ワーク、６ 転写位置、７ レーザ発振器、８ ステージ、９ レーザビーム、１０ 転写光学系、１１ 第１のレンズ群、１２ 第２のレンズ群、１３ 第３のレンズ群、１４ 第４のレンズ群、１５ 光束変換光学素子、１６ 筐体、１７ 第１の移動機構、１８ 第２の移動機構、１９ 第３の移動機構、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ ビームモード、３０ 制御回路、３１ 入力部、３２ プロセッサ、３３ メモリ、３４ 出力部、３５ ハードウェア回路、３６ 処理回路、１００ レーザ加工機。

Claims (6)

1. 光出射部から発散するレーザ光が入射し、前記レーザ光を集束させる第１のレンズ群と、
   前記第１のレンズ群を通過した前記レーザ光が伝搬する第２のレンズ群と、
   前記第２のレンズ群を通過した前記レーザ光が伝搬して、前記光出射部の像を転写位置に形成するレンズ群を前記第２のレンズ群とともに構成する第３のレンズ群と、
   前記第３のレンズ群を通過した前記レーザ光が入射し、前記レーザ光を集束させる第４のレンズ群と、
   前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間の光軸上に配置され、前記レーザ光のビームモードを変換させる光束変換光学素子と、
   前記第１のレンズ群を光軸方向において移動させる第１の移動機構と、
   前記第３のレンズ群を光軸方向において移動させる第２の移動機構と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記第２のレンズ群は、正のパワーを持つレンズ群であって、
   前記第３のレンズ群は、負のパワーを持つレンズ群であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間の光軸上の位置と光軸から外れた位置とへ前記光束変換光学素子を移動させる第３の移動機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記第１の移動機構は、前記第３の移動機構が前記光束変換光学素子を移動させる際に、前記第１のレンズ群を移動させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記光束変換光学素子は、アキシコンレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
6. レーザ光を出力する光源と、
   請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドと、
   を備えることを特徴とするレーザ加工機。

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