JP7433511B2

JP7433511B2 - レーザ加工機およびレーザ加工方法

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Publication number: JP7433511B2
Application number: JP2023502304A
Authority: JP
Inventors: 亮平伊藤
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2024-02-19
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Description

本開示は、レーザ加工機およびレーザ加工方法に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機は、レーザビームの板金への入射角を適切に設定（例えば、80°程度に設定）することで、板金におけるレーザ吸収率を高くして効率よく切断加工を行うことができる。
一方で、レーザビームによる板金の切断加工においては、溶融した金属を効率よく排出するために、切断溝幅を板厚に応じて適宜調整する必要がある。具体的には、板厚が厚い程、切断溝幅を広くする必要がある。
つまり、レーザビームによって板金の切断加工を行う際には、レーザビームの板金への入射角と切断溝幅とが重要なパラメータになる。

特許第６４１９９０１号公報特許第５７６７３１５号公報

厚い板金を切断する際にレーザビームの切断溝幅を広くするには、レーザビームの集光径を大きくしなければならない。しかし、ビーム・パラメータ積を変化させない場合で集光径を大きくすると、レーザビームの入射角が小さくなってしまう。つまり、照射される板金の面積に対するエネルギー密度が低下するので、集光径が小さいときと同じだけのレーザビームを照射するよう補うためには、出力を高くするか若しくは切断速度を低下させる必要があるが、そこにも限界がある。そのため、厚い板金を切断加工する際に、高いレーザ吸収率を維持しつつ適切な溝幅で切断することが困難であるという問題があった。また、レーザビームの入射角を小さくすると、カッティングフロントに照射されるレーザビームの照射角度が９０°に近くなり、ブリュースター角から遠ざかるので板金への吸収率が低下し、板金の溶融を困難にする問題があった。

本開示の一態様に係るレーザ加工機は、入射したレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、変換されたコリメート光を集束させて前記板金に照射する集光レンズと、複数の第１マイクロレンズを平面状に並べて構成し、入射したレーザビームを各第１マイクロレンズで屈折させる第１レンズアレイと、複数の第２マイクロレンズを平面状に並べて前記第１レンズアレイと同一形状に構成し、中心が、前記第１レンズアレイの中心と光軸方向に同位置になるように設置され、前記第１レンズアレイの各マイクロレンズから射出されたレーザビームを、対応する各第２マイクロレンズで入射して屈折させる第２レンズアレイと、前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの少なくともいずれか一方を、その外周に沿って回転させる回転機構とを備える。

これにより、本開示の一態様に係るレーザ加工機は、第１レンズアレイまたは第２レンズアレイを回転させた状態で入射したレーザビームを切断対象の板金に照射したときに、当該板金上に吸収率の高いエリアを複数設定することができる。したがって、本開示の一態様に係るレーザ加工機は、当該板金における高いレーザ吸収率を維持するようブリュースター角に近い入射角に制御しつつ、所望の溝幅を確保できる集光径に変更して切断加工を行うことを可能にする。

また、本開示の一態様に係るレーザ加工方法は、上記レーザ加工機の前記集光レンズで集光されるレーザビームの集光径が所定の大きさになるように、前記回転機構により前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの少なくともいずれか一方を外周に沿って所定角度回転させる。

これにより、本開示の一態様に係るレーザ加工方法は、第１レンズアレイまたは第２レンズアレイを回転させた状態で入射したレーザビームを切断対象の板金に照射したときに、当該板金上に吸収率の高いエリアを複数設定することができる。したがって、本開示の一態様に係るレーザ加工方法は、当該板金における高いレーザ吸収率を維持するようブリュースター角に近い入射角に制御しつつ、所望の溝幅を確保できる集光径に変更して切断加工を行うことを可能にする。

本発明の一態様によるレーザ加工機およびレーザ加工方法によれば、切断対象の板金における高いレーザ吸収率を維持するようブリュースター角に近い入射角に制御しつつ、当該板金の厚さに応じた適切な溝幅を確保できる集光径で切断加工することができる。

図１は、一実施形態に係えるレーザ加工機の構成を示す全体図である。図２は、一実施形態に係るレーザ加工機が備えるコリメータユニットの構成例を示す図である。図３Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイの正面図である。図３Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機の第２レンズアレイの正面図である。図４Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致している場合の第１レンズアレイに入射したレーザビームの位置を示す図である。図４Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致している場合の第２レンズアレイに入射したレーザビームの位置を示す図である。図４Ｃは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致している状態で照射されたレーザビーム（収束光）の板金上の大きさを示す図である。図５Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機に入射したレーザビームの第１レンズアレイ上のエネルギー密度分布を示すグラフである。図５Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機に入射したレーザビームの第２レンズアレイ上のエネルギー密度分布を示すグラフである。図６Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致していない場合の第１レンズアレイに入射したレーザビームの位置を示す図である。図６Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致していない場合の第２レンズアレイに入射したレーザビームの位置を示す図である。図６Ｃは、一実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致していない状態で照射されたレーザビーム（収束光）の板金上の大きさを示す図である。図７は、一実施形態に係るレーザ加工機の第２レンズアレイ内の一部のマイクロレンズおよび第２レンズアレイ内の一部マイクロレンズに入射したレーザビームを示す拡大図である。図８Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機の第２レンズアレイを回転させていない状態で集光レンズを照射したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示す状態において、板金上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｃは、一実施形態に係るレーザ加工機の第２レンズアレイを所定角度回転させた状態で集光レンズを照射したレーザビームの撮像情報を示す図である（その１）。図８Ｄは、図８Ｃに示す状態において、板金上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｅは、一実施形態に係るレーザ加工機の第２レンズアレイを所定角度回転させた状態で集光レンズを照射したレーザビームの撮像情報を示す図である（その２）。図８Ｆは、図８Ｅに示す状態において、板金上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。図９は、一実施形態に係るレーザ加工機によって照射されたレーザビームが板金に入射したときの入射角に対する吸収率を示すグラフである。

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は、一実施形態に係るレーザ加工機１００の構成を示す全体図である。図２は、一実施形態に係るレーザ加工機１００が備えるコリメータユニット３０の構成例を示す図である。図３Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２の正面図である。図３Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第２レンズアレイ３３の正面図である。

一実施形態に係るレーザ加工機１００は、入射したレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズ３１と、変換されたコリメート光を集束させて板金に照射する集光レンズ３６と、複数の第１マイクロレンズＬ１を平面状に並べて構成し、入射したレーザビームを各第１マイクロレンズＬ１で屈折させる第１レンズアレイ３２と、複数の第２マイクロレンズＬ２を平面状に並べて第１レンズアレイ３２と同一形状に構成し、中心が、第１レンズアレイ３２の中心と光軸方向に同位置になるように設置され、第１レンズアレイ３２の各マイクロレンズＬ１から射出されたレーザビームを、対応する各第２マイクロレンズＬ２で入射して屈折させる第２レンズアレイ３３と、第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３との少なくともいずれか一方を、その外周に沿って回転させる回転機構３３１とを備える。

一実施形態に係るレーザ加工機１００が備える、第１レンズアレイ３２のマイクロレンズおよび第２レンズアレイ３３のマイクロレンズは、正六角形または四角形に成形されている。

一実施形態に係るレーザ加工機１００が備える、第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの焦点距離は、第１レンズアレイ３２のマイクロレンズの焦点距離よりも短く設定される。

一実施形態に係るレーザ加工機１００が備える、第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３は、コリメートレンズ３１と集光レンズ３６との間に設置される。

図１に示すように、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０から射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。またレーザ加工機１００は、レーザ加工機１００の全体を制御するＮＣ装置４０を備える。ＮＣ装置４０は制御装置の一例である。

レーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって、板金Ｗを切断加工する。レーザ発振器１０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ビーム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ビーム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１０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。

プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット２０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。

レーザ加工ユニット２０は、板金Ｗ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２０は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０を有する。

コリメータユニット３０は、所定位置に設置された、プロセスファイバ１２の射出端より射出したレーザビームが入射されるコリメートレンズ３１と、コリメートレンズ３１より射出したレーザビームが入射される第１レンズアレイ３２と、第１レンズアレイ３２より射出したレーザビームが入射される第２レンズアレイ３３とを有する。コリメートレンズ３１と、第１レンズアレイ３２と、第２レンズアレイ３３とは、入射するレーザビームの光軸方向に並べて設置されている。また、第２レンズアレイ３３の中心は、第１レンズアレイ３２の中心と光軸方向に同位置になるように設置されている。

コリメートレンズ３１は正の焦点距離を有するレンズであり、入射されたレーザビームを平行光（コリメート光）に変換する。第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３の詳細な構成については後述する。また、コリメータユニット３０は、第２レンズアレイ３３より射出したレーザビームを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３４を有する。

コリメータユニット３０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２０は、ノズル３７から射出されるレーザビームを板金Ｗ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。

また、レーザ加工ユニット２０は、コリメータユニット３０の下方に、コリメータユニット３０と連結された加工ヘッド３５を有する。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３４で反射したレーザビームを集束させて板金Wに照射する集光レンズ３６を有する。集光レンズ３６は、正の焦点距離を有するレンズである。加工ヘッド３５の先端には、着脱自在であって、レーザビームを射出するノズル３７が取り付けられている。

コリメータユニット３０、加工ヘッド３５、及びノズル３７は、発散光であるレーザビームをコリメート光に変換した後に集束させて板金Ｗに照射するビーム照射ユニットを構成している。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット２０へと伝送させ、集光レンズ３６によって集束されたレーザビームを板金Ｗに照射して板金Ｗを切断加工することができる。

次に、図２を参照して、コリメータユニット３０の構成例を説明する。図２に示すように、コリメータユニット３０内の第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３は、コリメートレンズ３１と集光レンズ３６との間に設置されている。また、第２レンズアレイ３３は、当該第２レンズアレイ３３をその外周に沿って回転させるための回転機構３３１に取り付けられている。

駆動部３３２は、集光レンズ３６で集光されるレーザビームの集光径が所定の大きさになるように、回転機構３３１により第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３の少なくともいずれか一方を外周にそって所定角度回転させる。なお、本実施形態では、回転機構３３１により、第２レンズアレイ３３を回転させる。

第２レンズアレイ３３は、駆動部３３２が回転機構３３１を駆動することによって第２レンズアレイ３３の外周に沿って回転する。これにより、回転機構３３１は、第２レンズアレイ３３を第２レンズアレイ３３の中心を軸として回転させることができる。駆動部３３２は、例えばモータである。ＮＣ装置４０は、駆動部３３２を制御する。ＮＣ装置４０に接続された他の制御装置が駆動部３３２を制御してもよい。

ここで、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第１レンズアレイ３２及び第２レンズアレイ３３について説明する。図３Ａに示すように、第１レンズアレイ３２は、複数の第１マイクロレンズL1が平面状に並べられて構成される。また、図３Ｂに示すように、第２レンズアレイ３３は、複数の第２マイクロレンズL2が平面状に並べられて、第１レンズアレイ３２と同一形状に構成される。本実施形態において第１マイクロレンズL1および第２マイクロレンズL2はそれぞれ正六角形に成形されている。また、各第２マイクロレンズL2の焦点距離は、各第１マイクロレンズL1の焦点距離よりも短く設定されている。

次に、図２および図４Ａ～図５Ｂを参照して、各第１マイクロレンズL1の位置と各第２マイクロレンズL2の位置が光軸方向に一致するように、第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３をコリメータユニット３０内に並べて設置した場合に、レーザ加工機１００で実行される動作について説明する。

図４Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの位置が一致している場合の第１レンズアレイ３２に入射したレーザビームの位置を示す図である。図４Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの位置が一致している場合の第２レンズアレイ３３に入射したレーザビームの位置を示す図である。図４Ｃは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの位置が一致している状態で照射されたレーザビーム（収束光）の板金上の大きさを示す図である。

図５Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機１００に入射したレーザビームの第１レンズアレイ３２上のエネルギー密度分布を示すグラフである。図５Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機１００に入射したレーザビームの第２レンズアレイ３３上のエネルギー密度分布を示すグラフである。

図２に示すように、プロセスファイバ１２の射出端１２ｅから一点鎖線で示すようにレーザビームが射出すると、コリメートレンズ３１は射出されたレーザビームを平行光（コリメート光）に変換する。ここでの平行光とは、レーザビームの光束が平行光であるということである。コリメートレンズ３１から射出した平行光は、図４Ａに点線で示すように、第１レンズアレイ３２内の光束のコア径に対応する中心範囲の第１マイクロレンズL1に入射する。このとき、第１レンズアレイ３２の一点鎖線Ｅ－Ｅ’上におけるレーザビームのエネルギー密度分布は、図５Ａに示すように、ピークが中心１点の曲線になる。

レーザビームを入射した各第１マイクロレンズL1は、レーザビームを屈折させて、所定の焦点距離分だけ離れた位置に合焦させる。合焦点を通過したレーザビームは、図４Ｂに点線で示すように、第２レンズアレイ３３内のそれぞれ対応する第２マイクロレンズL2の中心の所定範囲内に入射する。このとき、第２レンズアレイ３３の一点鎖線Ｆ－Ｆ’上におけるレーザビームのエネルギー密度分布は、図５Ｂに示すように第２マイクロレンズL2ごとにピークが分散されつつ、中心に近い程ピークが高い状態になる。またこのとき、レーザビームが入射した各第２マイクロレンズL2の中心位置SLと、当該第２マイクロレンズL2に入射したレーザビームの中心SBとは一致する。レーザビームを入射した各第２マイクロレンズL2は、レーザビームを平行光に変換する。

各第２マイクロレンズL2から射出した平行光はベンドミラー３４で反射して光路が曲げられ、集光レンズ３６に入射する。集光レンズ３６は、焦点位置が板金Wの表面またはその近傍となるよう平行光を集束して、レーザビームを板金Wに照射させる。この場合、板金W上に照射されるレーザビームは、図４Ｃに示すように１点に集光される。

このときの集光点の集光径dは、下記式（１）のように示される。

ここで、f _collimateはコリメートレンズ３１の焦点距離であり、f _focusは集光レンズ３６の焦点距離であり、d _coreはレーザビームのコア径である。

次に、図２および図６Ａ～図７を参照して、第１レンズアレイ３２内の各第１マイクロレンズL1の位置と、第２レンズアレイ３３内の各第２マイクロレンズL2の位置とが一致した状態から、第２レンズアレイ３３を外周に沿って図４Ｂの矢印方向に所定角度回転させて対応するマイクロレンズの位置をずらした場合に、レーザ加工機１００で実行される動作ついて説明する。

図６Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの位置が一致していない場合の第１レンズアレイ３２に入射したレーザビームの位置を示す図である。図６Ｂは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３のマイクロレンズの位置が一致していない場合の第２レンズアレイ３３に入射したレーザビームの位置を示す図である。図６Ｃは、実施形態に係るレーザ加工機の第１レンズアレイと第２レンズアレイのマイクロレンズの位置が一致していない状態で照射されたレーザビーム（収束光）の板金上の大きさを示す図である。

図７は、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第２レンズアレイ３３内の一部のマイクロレンズおよび第２レンズアレイ３３内の一部のマイクロレンズに入射したレーザビームを示す拡大図である。

この場合、プロセスファイバ１２の射出端１２ｅからレーザビームが射出し、コリメートレンズ３１で平行光に変換されると、レーザビームは、図６Ａに点線で示すように、第１レンズアレイ３２内の光束のコア径に対応する中心範囲内の第１マイクロレンズL1に入射する。

レーザビームを入射した各第１マイクロレンズL1は、レーザビームを所定の焦点距離分、離れた位置に合焦させる。合焦点を通過したレーザビームは、図６Ｂに点線で示すように、第２レンズアレイ３３内のそれぞれ対応する第２マイクロレンズL2の所定範囲内に入射する。ここでレーザビームは、第２レンズアレイ３３の中心の第２マイクロレンズL21に対しては中心の範囲に入射するが、L21以外の第２マイクロレンズL2に対しては、該当する第２マイクロレンズL2の中心からずれた範囲に入射する。これにより、レーザビームが入射した第２マイクロレンズL21以外の第２マイクロレンズL2の中心位置SLと、該当する第２マイクロレンズL2に入射したレーザビームの中心SBとの間にずれが生じる。

このとき、第２マイクロレンズL2の焦点距離は第１マイクロレンズL1の焦点距離よりも短く設定しているため、第２マイクロレンズL2の中心位置SLと該当する第２マイクロレンズL2に入射したレーザビームの中心SBとの間にずれが生じても、レーザビームを第２マイクロレンズL2内に入射させることができる。

第２マイクロレンズL2の中心位置SLと、該当する第２マイクロレンズL2に入射したレーザビームの中心SBとの間にずれが生じると、各第２マイクロレンズL2から射出し、ベンドミラー３４で反射した複数のレーザビームは、集光レンズ３６で集束された際に、焦点位置にずれが生じる。このずれは、該当するマイクロレンズL2の位置が第２レンズアレイ３３の中心から離れる程、大きくなる。

一例として、図７に、第２レンズアレイ３３の中心位置に設置された第２マイクロレンズL21およびL21に入射したレーザビームB21と、L21に隣接する第２マイクロレンズL22およびL22に入射したレーザビームB22と、L22に隣接する第２マイクロレンズL23およびL23に入射したレーザビームB23との拡大図を示す。ここで、第２マイクロレンズL23は、第２レンズアレイ３３内で、第２マイクロレンズL21から最も遠い位置（第２レンズアレイ３３内の最も外側の位置）にある第２マイクロレンズL2である。

ここで、第２マイクロレンズL21の中心位置をSL21とし、レーザビームB21の中心位置をSB21とし、第２マイクロレンズL23の中心位置をSL23とし、レーザビームB23の中心位置をSB23とし、第２レンズアレイ３３の回転角度をθとすると、SL21とSB21とは一致するが、SL21とSL23とを結ぶ直線と、SB21とSB23とを結ぶ直線との間には角度θが生じる。

これにより、第２レンズアレイ３３の各第２マイクロレンズL2から射出し、ベンドミラー３４で反射した複数のレーザビームは、集光レンズ３６で集束された際に、図６Ｃに示すように焦点位置にずれが生じて集光径d2が疑似的に大きくなる。このときの集光径d2は、下記式（２）のように示される。

ここで、rは第２レンズアレイ３３の中心位置に設置された第２マイクロレンズL21の中心位置SL21から、レーザビームが入射した最も外側の第２マイクロレンズL23の中心位置SL23までの距離であり、θは第２レンズアレイ３３の回転角度であり、f _arrayは第２レンズアレイ３３の各第２マイクロレンズL2の焦点距離であり、dは第２レンズアレイ３３の各第２マイクロレンズL2から射出されたレーザビームが集光レンズ３６によって集光された集光径である。

上述したように構成したレーザ加工機１００において、第２レンズアレイ３３の回転角度を変化させてレーザビームの集光径を変化させたときのシミュレーション結果を、図８Ａ～図８Ｆに示す。ここでは、プロセスファイバ１２から射出させるレーザビームのファイバコア径をφ100μmとし、コリメートレンズ３１の焦点距離をf120とし、第１レンズアレイ３２内の各第１マイクロレンズL1の焦点距離をf44.5とし、第２レンズアレイ３３内の各第２マイクロレンズL2の焦点距離をf42.3とし、集光レンズ３６の焦点距離をf150として設定している。また、レーザビームが板金に入射したときの入射角に対する吸収率を図９に示す。

図８Ａは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第２レンズアレイ３３を回転させていない状態（回転角度0°）で集光レンズ３６を照射したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示す状態において、板金W上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。

図８Ｃは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第２レンズアレイ３３を所定角度（外周に沿って0.2°）回転させた状態で集光レンズ３６を照射したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｄは、図８Ｃに示す状態において、板金W上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。

図８Ｅは、一実施形態に係るレーザ加工機１００の第２レンズアレイ３３を所定角度（外周に沿って0.4°）回転させた状態で集光レンズ３６を照射したレーザビームの撮像情報を示す図である。図８Ｆは、図８Ｅに示す状態において、板金W上に集光したレーザビームの撮像情報を示す図である。

図９は、一実施形態に係るレーザ加工機１００によって照射されたレーザビームが板金Wに入射したときの入射角に対する吸収率を示すグラフである。

図８Ａ、図８Ｃ、および図８Ｅの撮像情報の横幅は50mmであり、図８Ｂ、図８Ｄ、および図８Ｆの撮像情報の横幅は1mmである。

これらのシミュレーション結果により、集光レンズ３６を照射するレーザビームのビーム径は、図８Ａ、図８Ｃ、および図８Ｅに示すように第２レンズアレイ３３の回転の有無に関わらずほとんど変化しないことがわかる。集光レンズ３６を照射するレーザビームのビーム径に変化がなければ、板金Wへのレーザビームの入射角も変化しない。レーザビームが板金に入射したときの入射角に対する吸収率は、図９のグラフのように示され、最も吸収率が高い入射角（80°程度）がブリュースター角となる。そのため、板金Wへのレーザビームの入射角がブリュースター角に近くなるように設定しておくことで、第２レンズアレイ３３を回転させてもこの入射角が維持され、板金W上で一定のレーザ吸収率とエネルギー密度を確保することができる。

これに対し、板金W上に集光したレーザビームの集光径は、図８Ｂ、図８Ｄ、および図８Ｆに示すように第２レンズアレイ３３の回転角度が大きくなる程、大きくなっている。第２レンズアレイ３３の回転角度を大きくすることで集光径の大きさを大きくすれば、板金Wの切断溝幅を広くすることができる。つまり、第２レンズアレイ３３の回転角度を調整することで、集光レンズ３６により板金Wに集光される集光径の大きさが調整され、切断加工の溝幅を変えることができる。

而して、エネルギー量の同じレーザビームを、ビーム・パラメータ積を変化させずに集光径を大きくすると、板金Wに照射されるレーザビームのエネルギー密度は低下するが、本実施形態では、ブリュースター角に近い入射角で高いレーザ吸収率を維持しつつ、板金Wに吸収率の高いエリアを複数設定することができ、板金Wの厚さに応じた溝幅を確保できる集光径で板金Wを融解できる。

改め纏めると、図８Ａ、図８Ｃ、図８Ｅ、図８Ｂ、図８Ｄ、および図８Ｆから理解されるように、集光レンズ３６を照射するレーザビームのビーム径は、第２レンズアレイ３３の回転の有無に関わらずほとんど変化しないので、板金Wへのレーザビームの入射角も変化しないが、第２レンズアレイ３３の回転によって吸収率の高いエリアを複数設定することができるので、板金Wに集光される集光径の大きさは調整され、切断加工の溝幅を変えることができる。

上述した実施形態においては、第２レンズアレイ３３を回転させることで、第１マイクロレンズL1の位置と、対応する第２マイクロレンズL2の位置とを所定角度ずらす場合について説明した。しかし本開示はこれには限定されず、第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３との少なくともいずれか一方を回転させて、対応するマイクロレンズを相対的に所定角度ずらすことで、同様の効果を得ることができる。例えば、第１レンズアレイ３２を回転させるかまたは、第１レンズアレイ３２と第２レンズアレイ３３との双方を逆方向に回転させることで、第１マイクロレンズL1の位置と、第２マイクロレンズL2の位置とを相対的に所定角度ずらすようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、コリメータユニット３０内の第１レンズアレイ３２内の複数の第1マイクロレンズL1および第２レンズアレイ３３内の複数の第２マイクロレンズL2がそれぞれ正六角形の場合について説明したが、これには限定されない。隣接するマイクロレンズ同士が隙間なく設置可能な形状であればよく、例えば四角形でもよい。

また、上述した実施形態においては、第１マイクロレンズL1および第２マイクロレンズL2を凸レンズで構成した場合について説明したが、これには限定されず、第１マイクロレンズL1を凸レンズで構成し、第２マイクロレンズL2を凹レンズで構成してもよい。

また、上述した実施形態においては、第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３を、コリメートレンズ３１と集光レンズ３６との間に設置した場合について説明した。このように構成することで、第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３の設置位置を容易に設定することができる。しかしこの構成には限定されず、第１レンズアレイ３２および第２レンズアレイ３３を、プロセスファイバ１２とコリメートレンズ３１との間、または、集光レンズ３６と集光点との間に設置してもよい。

また、上述したレーザ加工機１００は、レーザビームの焦点距離を調整するズーミング機能を搭載していてもよい。

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

本願の開示は、２０２１年２月２６日に出願された特願２０２１－０２９７９５号に記載の主題と関連しており、それら全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims

入射したレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
変換されたコリメート光を集束させて板金に照射する集光レンズと、
複数の第１マイクロレンズを平面状に並べて構成し、入射したレーザビームを各第１マイクロレンズで屈折させる第１レンズアレイと、
複数の第２マイクロレンズを平面状に並べて前記第１レンズアレイと同一形状に構成し、中心が、前記第１レンズアレイの中心と光軸方向に同位置になるように設置され、前記第１レンズアレイの各マイクロレンズから射出されたレーザビームを、対応する各第２マイクロレンズで入射して屈折させる第２レンズアレイと、
前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの少なくともいずれか一方を、その外周に沿って回転させる回転機構と
を備えるレーザ加工機。
前記第１レンズアレイのマイクロレンズおよび前記第２レンズアレイのマイクロレンズは、正六角形または四角形に成形されている、
請求項１に記載のレーザ加工機。
前記第２レンズアレイのマイクロレンズの焦点距離は、前記第１レンズアレイのマイクロレンズの焦点距離よりも短く設定される、
請求項１または２に記載のレーザ加工機。
前記第１レンズアレイおよび前記第２レンズアレイは、前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間に設置される、
請求項１～３いずれか１項に記載のレーザ加工機。
請求項１に記載のレーザ加工機によって行うレーザ加工方法であって、
前記集光レンズで集光されるレーザビームの集光径が所定の大きさになるように、前記回転機構により前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの少なくともいずれか一方を外周に沿って所定角度回転させるレーザ加工方法。