JPH02295693A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ加工装置に係り、特にレーザビームをレ
ーザ発振装置から被加工物まで伝送する光学系を改良し
たレーザ加工装置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は従来のレーザ加工装置の概略構成を示す図であ
る。同図はレーザ加工装置の構成を示すのに十分な程度
に簡略化してある。レーザ発振器１から出力されたレー
ザビーム２は集光レンズ４によって集光ビーム３に変換
される。この集光ビーム３はワーク５上の焦点７に集光
される。ワーク５は加エテーブル６上に設置される。加
工テーブル６はワーク５を所望の加工形状に仕上げるた
め位置制御される。

〔発明が解決しようとする課題〕

第５図に示すように、レーザ発振器１から出力されたレ
ーザビーム２には発散角２θが存在する。

このレーザビーム２を集光した時の焦点７におけるスポ
ット径は集光レンズ４の焦点距離をｆとすると、２ｒθ
になる。加工精度を上げるためには、スポット径をでき
るだけ小さくする方がよい。従って、焦点距離ｆ又は発
散角θのいずれか一方を小さくすることによって、加工
精度を向上することができる。

しかし、焦点距離『を小さくすると、球面収差の増加及
び焦点深度の減少といった問題が生じるため、焦点距離
ｆを小さくすることは一般的に好ましくない。

従って、スポット径を小さくする方法としては発散角θ
を小さくする方法が理想的であり、これを実現するため
に種々の方法が採用されている。

以下、その方法について説明する。

一般に発敗角θは次式で与えられる。

θ＝２λＣ　ｍｎ／　ｒｒ　Ｄ　　　　　（１　）（λ
は波長、Ｃｍｎはモードに依存する定数、Ｄは発振器出
力孔直径を示す。） 第１の方法は、Ｃｍｎを最小値１にするために、ＴＥＭ
Ｏ　Ｏモードを使用する方法である。しかし、これには
出力減少を伴うと云う欠点がある。

第２の方法は、発振器出力孔直径Ｄを十分に大きくする
ことである。しかし、これは前記のＴＥＭＯＯ化すると
いう条件と矛盾する。

第３の方法は、上述の両方法の欠点を解消するために採
用されたビームエキスパンダを用いる方法である。第６
図はスポット径を小さくする方法としてビームエキスパ
ンダを用いたものを示す図である。

この方法はレーザ発振器１で小径Ｄ１及びＴＥＭＯＯモ
ードのレーザビーム２を出力し、このレーザビーム２を
２枚のレンズの組合せ、即ち凹レンズ８及び凸レンズ９
からなるビームエキスパンダによって、大径Ｄ２の平行
ビームに変換するものである。このビームエキスパンダ
は小径Ｄ１のレーザビームを大径Ｄ２のレーザビームに
変換し、さらに発散角２θ１を発散角２θ２に縮小する
ことができる。

上式（１）から明らかなように、発敗角θはレーザビー
ムの径Ｄに反比例するのでビームエキスパンダ通過前後
の各レーザビームの定数にそれぞれ１及び２の添字を付
して表せば、次式のようになる。

θ２　＝　（Ｄｉ　／Ｄ２　）　　θ１　　　　　（２
）従って、ビームエキスパンダ通過後のレーザビームの
発散角θ２を小さくすれば集光レンズｌＯの焦点距離ｆ
が大きくても焦点におけるスポット径を十分小さくする
ことができる。

しかしながら、この方法にも次のような欠点がある。第
１にビームエキスパンダは高価であるということと、第
２にレーザビームがビームエキスパンダを通過すること
によってレーザ出力の吸収が発生するということである
。即ち、ビームエキスパンダを使用することは、レンズ
の枚数を増加することであり、レンズの増加によってコ
ストも上昇し、レーザ出力の吸収も増大する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コ
スト上昇を抑えて集光特性を向上させ、レーザ出力の低
下を防止し、より精密な加工精度を維持できるレーザ加
工装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明では上記課題を解決するために、少なくともレー
ザ発振器、ビームエキスパンダ及び集光系からなるレー
ザ加工装置において、前記ビームエキスパンダを構成す
る出力端側の光学部品及び前記集光系を、前記光学部品
と前記集光系とを合成した特性を有する一つの集光系で
構成することを特徴とするレーザ加工装置が、提供され
る。

〔作用〕 ビームエキスパンダを使用する際に生じていた上述の欠
点はともにレンズ枚数の増大に原因がある。従って、こ
の欠点を解決するためには、ビームエキスパンダを構成
するレンズの枚数を少なくすればよい。しかし、現在使
用されているビームエキスパンダのレンズの枚数は２枚
であり、これを１枚にすることは事実上困難である。

そこで、本願発明者等は次のような事実を実験から見出
した。それは、第７図に示すように、第６図の凸レンズ
９と集光レンズ１０との距離を極端に短くしても、集光
レンズ１０の集光特性には影響しないということである
。これは、ビームエキスパンダ（凸レンズ９）を通過し
たレーザビームが集光レンズ１０に至るまで、平行ビー
ムを維持しているからである。従って、さらに凸レンズ
９と集光レンズ１０との距離を短＜シ、ゼロにした場合
、即ち第１図のようにこれら２枚のレンズを１枚の集光
レンズで置き換えた場合、第７図の場合と同様にやはり
集光レンズの集光特性には影響しなかった。

従って、本発明では、ビームエキスパンダの枚数を減少
させるために、ビームエキスパンダの出力端側の光学部
品及び集光系を、それらを合成した特性を有する一つの
集光系で構成する。これによって、レンズの枚数を少な
くとも１枚は減少させることができ、本発明の目的を達
成することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はガリレオ型エキスパンダを用いた本発明の第１
の実施例を示す図である。第７図と同一の構成要素には
同一の符合が付してあるので、その説明は省略する。

本実施例は第７図のレンズ９及び１０の距離をゼロにし
た場合、即ち凸レンズ９と集光レンズ１０とを合成し、
一枚の集光レンズ１１で構成したものである。従って、
本図の集光レンズ１１は第７図の凸レンズ９と集光レン
ズ１０との合成特性を有する。本実施例のように２枚の
凸レンズ９及びｌＯを１枚の凸レンズ１１で置換するこ
とによって、レーザビームが通過するレンズの総数を１
枚減少できる。従って、ビームエキスパンダを利用する
ことによって生じていた欠点も解消され、全体としてビ
ームエキスパンダを利用したのと同じ効果を得ることが
でき、その効果は大きい。

また、レーザビームの発散角θの減少率は、凹レンズ８
及び凸レンズ１１の焦点距離の比に比例し、逆にビーム
径の比に反比例する。従って、ＴＥＭＯＯとＴＥＭＯ　
ｌモードの間ではビーム発散角の比は２．２５なので凹
レンズ８及び凸レンズ１１の焦点距離の比を２．２５に
してやれば、ＴＥＭＯＩモードのレーザ発振器を用いて
もＴＥＭ００モードの場合と同様な加工特性を得ること
ができる。こうした出力結合鏡の設計は周知の技術で可
能であるのでここでは説明を省略する。

第２図はケブラ型エキスパンダを用いた本発明の第２の
実施例を示す図である。本実施例が第１図と異なる点は
、ビームエキスパンダを構成するレンズのレーザ発振器
側のものを凸レンズにした点である。この凸レンズ１２
と凸レンズｌ１とでケブラ型エキスパンダが構成される
。但し、この方法は凸レンズ１２を出たレーザビームが
一度焦点を結ぶので、加工用の大出力レーザに適用する
よりは、中出力レーザに適用する方が好ましい。

第３図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を
用いた本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例
が第１図と異なる点は、凸レンズ１１の代わりにパラボ
ラ反射鏡１３を用いた点である。このパラボラ反射鏡１
３を用いることによって、レーザビームを大径に拡大し
ても球面収差がなく、さらに、光学部品（パラボラ反射
鏡１３）の冷却を容易に行えるという効果がある。但し
、パラボラ反射鏡はレンズよりもコマ収差が大きいので
アラインメントに注意を要する。

第４図は第３図の変形例である本発明の第４の実施例を
示す図である。本実施例では、ビームエキスパンダが凸
レンズ１２とパラボラ反射鏡１３とで構成されている。

本実施例の場合もレーザビームが一度焦点を結ぶので中
出力レーザに好適である。

以上説明した実施例は、ビーム径を拡大して集光レンズ
特性の回折限界を向上させることを目的としている。一
方、ビーム径が増大すると集光レンズによる球面収差の
影響が無視できなくなる。

この影響を少なくするためには球面収差のない集光系、
例えばパラボラ反射鏡又は無収差レンズを用いることが
よい。従って、第３図及び第４図に示したようにパラボ
ラ反射鏡を用いることによって本発明の目的を理想的に
実現することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、通常のビームエキ
スパンダ使用時に比較して低価格でしかもレーザ出力の
吸収損失を抑え、ビーム径を拡大することのできるレー
ザ加工装置を提供することができる。また、これにより
レーザビームを小さなスポットに集光することができる
ので、ＴＥＭ００モードを使用しなくても、切断及び溶
接等といったレーザ加工時の特性をＴＥＭＯ　Ｏモード
と同等のものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガリレオ型エキスパンダを用いた本発明の第１
の実施例を示す図、 第２図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第２の
実施例を示す図、 第３図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を
用いた本発明の第３の実施例を示す図、第４図は第３図
の変形例である本発明の第４の実施例を示す図、 第５図は従来のレーザ加工装置の概略構成を示す図、 第６図はスポット径を小さくする方法としてビームエキ
スパンダを用いたものを示す図、第７図は本発明の作用
を説明するための第６図の変形例を示す図である。 １　　　　レーザ発振器 ２　　　　レーザビーム ゛′集光ビーム ゜゛゜・集光レンズ ワーク 加エテーブル 焦点 凹レンズ 凸レンズ 凸レンズ パラボラ 特許出願人　ファナック株式会社 代理人　　　弁理士　　服部毅巖 第１図 第４図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともレーザ発振器、ビームエキスパンダ及
   び集光系からなるレーザ加工装置において、前記ビーム
   エキスパンダを構成する出力端側の光学部品及び前記集
   光系を、前記光学部品と前記集光系とを合成した特性を
   有する一つの集光系で構成することを特徴とするレーザ
   加工装置。
2. （２）前記ビームエキスパンダは凹レンズで構成される
   ガリレオ型エキスパンダであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。
3. （３）前記ビームエキスパンダは凸レンズで構成される
   ケプラ型エキスパンダであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のレーザ加工装置。
4. （４）前記一つの集光系は無収差レンズで構成されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３
   項記載のレーザ加工装置。
5. （５）前記一つの集光系はパラボラ反射鏡で構成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第
   ３項記載のレーザ加工装置。