JPH03185776A - レーザ加工機 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明はレーザ加工機、特にカライドスコープを加工ヘ
ッドにもつレーザ加工機に関するものである。

［従来の技術］ 大電力のレーザエネルギを高効率かつ連続的に発生可能
な炭酸ガスレーザを使用した加工機は、金属の切断や溶
接用に導入され、実用化されている。そして、今後レー
ザ自体の大出力化にともなって、金属の焼き入れ、合金
化等といった表面処理への応用が益々増大すると予想さ
れている。

しかし、従来の加工機はその大部分の用途が金属切断で
あったため、炭酸ガスレーザの出力ビームは、中心で最
も高くかつ径方向に指数関数的にエネルギ密度が減少す
る、いわゆるガウス型分布のものがほとんどであった（
第３図（ａ））。これに対し表面処理用のエネルギ分布
はビーム内でほぼ一定のエネルギ密度をもつ、いわゆる
台形分布のものが適している（第３図（ｂ））。従って
、切断と表面処理を一台の加工機の機能として両立させ
るにはエネルギ分布の変換を行なうことが必要となる。

このエネルギ分布の変換手段として、現在加工機で使用
されている技術には、次の４つがあり、いずれも一長一
短がある。

（１）焦点外し法は、ビームをレンズで集光し、焦点よ
り外れたビーム径の大きい所を使用するもので、微小面
積では有効であるものの、面積が広くなると効率が悪い
。

（２）ビーム振動法は、集光ミラーで集めた焦点外しビ
ームをオシレータに当てて振動させるもので、広い面積
にわたって効率よく照射できるものの、可動部分を持つ
ため光学部品のアラインメントが狂いやすい。

（３）ビーム細分重量法は、セグメントミラーに当てて
ビームを細分化し、重ね合わせるもので、原理的には最
良のビームが得られるものの、セグメントミラーの製作
が困難で、高価となる。

（４）円筒面鏡法は、ビームを円筒面鏡に当てて幾何学
的に焼込れに適した線状ビームにするもので、セグメン
トミラーに比較して製作は容！ではあるものの、製作技
術は高度であり、かつ高価である。

このように（１）〜（４）の技術はいずれも無視できな
い欠点があり、これらの欠点と共にレーザの出力不足が
表面処理用レーザ加工機の産業分野への普及速度を鈍い
ものにしているのが現状である。

一方、光エネルギ分布の変換素子として重要なものにカ
ライドスコープがある。これは熱伝導率の高い銅等の金
属表面を鏡面化し、その表面に金蒸着を施し、これによ
り矩形断面の導波管を形成して、カライドスコープとす
る。第４図に示す如く、このカライドスコープ８はレー
ザ光を励振用レンズ２により集束し、カライドスコープ
壁面で多数回反射させるよう入射させる。このとき出射
光のエネルギ分布はカライドスコープ内壁面で多数回反
射を繰り返した結果、カライドスコープ断面内でほぼ一
定のエネルギ密度を持つ分布に変換される。このカライ
ドスコープ８は原理的には、−様なエネルギ密度の光ビ
ームに容易に変換できる素子である。しかし、内壁面で
の反射率が低いため、カライドスコープ内部で入射パワ
ーの約５０％が熱損となって失われるる。このため極め
て効率が悪く、また、この焦損が原因で温度上昇を招く
ため、熱処理に必要なエネルギを伝送できないといった
欠点があり、はとんど実用には供されていないのが現状
である。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したように、ガウス型分布を示すレーザビームを、
表面処理に必要な一定のエネルギ密度をもつ台形型分布
に変換するための従来の技術のうち、焦点外し法では面
積が広くできず、ビーム振動法では光学部品のアライン
メントが狂いやすく、また、ビーム細分重量法や円筒面
鏡法では製作上難点があり、しかも高価になるという欠
点があった。

また、光エネルギ分布変換素子である矩形断面形状のカ
ライドスコープは、熱損失が大きく実用にはならなかっ
た。

本発明の目的は、ビーム伝送手段として誘電体薄膜を内
装した金属中空導波路を用いると共に、その導波路への
入射ビームの結合条件を適正に設定して、中空導波路を
カライドスコープとして機能させることによって、前記
した従来技術の欠点を解消し、レーザビームのエネルギ
分布を容易に変換することができる簡易で効率のよいレ
ーザ加工機を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、大出力のＣＯ，レーザ光源と、このレーザ光
源から出射したレーザビームをレーザ加工機の加工部位
まで導く複数の反射鏡及びレンズからなるビームガイド
と、このレーザビームを集光してアシストガスと共に被
加工物に照射するための加工ヘッドとから構成されるレ
ーザ加工機である。

前記加工ヘッドは、さらに金属膜に誘電体薄膜を内装し
た誘電体内装金属中空導波路と、レーザビームを中空導
波路に結合させる少なくとも１枚−以上の励振用レンズ
と、中空導波路から出射したレーザビームを集光し、被
加工物に照射する少なくとも１枚以上の集光用レンズと
から構成される。

そして、このように構成された加工ヘッドにおいて、中
空導波路の内径２ａと、励振用レンズにて集光されたレ
ーザビームの導波路入射端でのスポットサイズ２ｗとの
比Ｗ／ａの値を０．４以下に設定したものである。

また、励振モードの数を増加させるために、前記中空導
波路の最も近傍に位置する励振用レンズからレーザビー
ムの集光点までの距離は、励振用レンズから導波路入射
端までの距離に比べ大きくすることが好ましい。

また、励振モードの数を更に増加させるために、前記レ
ーザビームの光軸と前記中空導波路の光軸は横方向軸ず
れ、あるいは角度折れ、または両者が同時に存在する位
置に設定することもできる。

さらに、大出力のＣＯ，レーザを伝送するために、前記
中空導波路は、これに内装する誘電体薄膜を波長１０．
６μｍで低損失となるＧｅ、Ｚｎ５ｅＳＺｎＳ等の誘電
体材料で構成し、中空導波路の中空内部に冷却ガスを流
入させ、金属外表面を液体冷媒と接触させて冷却するよ
うにしてもよい。

［作用］ 本発明において使用する誘電体内装金属中空導波路は、
本来、ＣＯ，レーザ光の低損失伝送を目的として開発さ
れたものである。この目的に対しては導波路の最低損失
モードであるＨ　Ｅ　１１モードを励振すべきであり、
その場合、第５図に示すように中空導波路内径２ａと、
ビームのスポットサイズ２ｗの比を約ｗ／ａ＝０．６４
に選ぶことで最大効率が得られる。

一方、伝送距離が短距離であり、エネルギ伝送効率を最
重点課題とした場合には、励振条件は上記した条件とは
幾分変わり、ｗ／ａ＝０．４〜０゜６の間に遺んで約２
〜３個程度の高次モードを励振する。一般に高次のモー
ドは基本モード（ＨＥ１１）に比べ導波損失が大きい。

しかし伝送距離が短ければこの損失は十分中さいため、
励振の不整合による結合損失が全伝送損失を決める。従
って短距離の場合、基本モード励振とは異なる条件で最
大の伝送効率が得られる。これは第５図の結果でも理解
される。さらに第５図の結果からはＷ／ａの値が０．４
以下の領域でも、短距離であれば十分高効率のマルチモ
ード伝送が可能であることが分る。またＷ／ａの比が小
さくなるに従って励振されるモードの数が多くなること
も分る。

ところで、レーザ加工機のビーム伝送路は、光源から加
工ヘッドまでの伝送距離は比較的長いが、加工ヘッドか
らの伝送距離は短い。

従って、ＣＯ，レーザ光の低損失伝送や、短距離のエネ
ルギ伝送効率を目的とするのではなく、均一なエネルギ
密度分布に変換するために短距離のマルチモード伝送を
目的とする本発明の場合では、Ｗ／ａの値が０．４以下
の領域が最適となる。

また、Ｗ　／　ａの比が小さくなるに従って励振される
モードの数が多くなることから、その比が小さい程、よ
り均一なエネルギを出射することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図を用いて説明する。

金属膜に誘電体薄膜を内装した金属中空導波路ｌへの入
射ビームは、レーザ発振器（レーザ光源）により異なる
が、通常の加工用に使用されているものは、ビーム拡り
角２θの値が１．５ないし２ｇｍｒａｄのほぼ平行ビー
ムであり、また断面内エネルギ分布は、第１図中右上に
図示するごとくガウス型分布である。この入射ビームを
励振用レンズ２で集光すると、その集光点Ｃの位置での
ビームのスポットサイズ２Ｗはｗ＝ｆθの関係式より算
出される。

励振用レンズ２によって集光された入射ビームは誘電体
内装金属中空導波路１の内部に入る。このとき誘電体内
装金属中空導波路１の内径２ａとスポットサイズ２Ｗの
比Ｗ／ａは０．４以下の値、例えばＯ，１程度に選ぶ。

第５図の数値例でも分るように、この場合、導波路内に
は１０個程度のモードが励振される。

これ以上に励振モードの数を増加させるにはＷ／ａの値
を更に小さくすると共に、励振用レンズ２と誘電体内装
金属中空導波路ｌの入射６ｍ　ｌ　０間の距離ｄを励振
用レンズ２の焦点距離ｒより短くすることが有効である
。

さらにモードの数を増加させるには、入射ビームの光軸
と中空導波路ｌの軸を意図的にオフセット、即ち横方向
に軸ずれさせるか、または角度折れさせて配置するか、
さらには両者が同時に存在するように配置することも効
果がある。但し、この場合、ビームのエネルギ分布に非
対象が生ずるので用途を考慮して適用する必要がある。

このような手法で励振された数多くのモードは中空導波
路１の内部を極めて低損失で伝搬し、出射端１１に至る
。この出射端面内のエネルギ分布は導波路ｌ内を伝搬し
たマルチモードの重量となるので、第１図中の右下に図
示する如く矩形状の分布となり、表面処理に適したもの
となる。

特にモードの数が多いほど、また中空導波路長が長いほ
ど矩形分布に漸近するといえるが、実際にはモードの数
は１０個以上あれば十分であり、導波路長は波長（１０
，６μｍ）の２０００倍、即ち２ｃｍ以上あればモード
間の干渉に相関性がなくなるのに十分な長さである。

ところで、金属表面の熱処理、あるいは合金化に必要な
照射パワー密度は約１０３〜１０５ｗ／ｃｍ”である。

例えば内径１．５ｍｍの中空導波路出射端で、このパワ
ー密度を実現しようとすると、中空導波路ｌは約２０ｗ
から２ｋＷのパワ伝送可能なものでなければならず、こ
の意味でも中空導波路１は損失の少ないものが有利であ
る。

中空導波路ｌを被加工物４に近接させ、直接出射ビーム
を照射すると反射及び被加工物４からの輻射熱により中
空導波路ｌが焼損する。そこで実際には第１図の如く導
波路出射ビームを集光用レンズ３により適当なビーム径
に変換し、被加工物４に照射する方法が取られることに
なる。

中空導波路ｌは、誘電体を内装した金属中空導波路を用
いているため、ＣＯ，レーザにとって導波損失０．１ｄ
Ｂ／ｍ以下と極めて低損失なものであるが、ｋｗ級のパ
ワ伝送時には、このわずかな損失も発熱の原因となる。

しかし第２図に示す如く、励振用レンズ２と中空導波路
１の入射端１０との間に冷却ガス導入ロアを設けたチャ
ンバ９を形成することにより、中空導波路１内部に例え
ば不活性冷却ガスを吹き流すようにする。さらに、中空
導波路１およびチャンバ９の外周に冷却水導入口６を設
けた水冷用外装管５を取付け、外装管５内に冷却水を流
して中空導波路１の外表面を水冷するようにする。この
ような中空導波路内外を冷却する冷却方式を採用するこ
とで極めて効率よく温度上昇を防止できる。これまで内
径２＋１１１１１、長さ１０ｃｍの中空導波路ｌを使用
して、金属表面の熱処理あるいは合金化に必要とされる
パワを大きく超える３ｋｗの伝送が十分可能であること
を確認している。

以上述べたように本実施例によれば、波長１０゜６μｍ
で低損失となる誘電体内装金属中空導波路ｌを使用し、
導波路入射端への入射ビームスポットサイズ２Ｗを導波
路内径２ａの０．４倍以下と小さくしてカライドスコー
プ用導波管として機能させたので、ガウス分布型を示す
レーザビームが中空導波路ｌへ入射しても、おおきな焦
損を伴うことなく高次モードを励振することとなり、し
たがって、−様なエネルギ密度分布を示す台形分布に効
率よく変換されたレーザビームが出射端より出射される
。

特に、導波路１とビームの軸を意図的にミスアライメン
トすることで導波路ｌ内に多数の高次伝搬モードを発生
させ、これらモード間の干渉を平均化することによって
、さらに−様のエネルギ密度分布の光ビームを実現させ
ることができる。

このように本実施例では、導波路として損失の少ない誘
電体内装金属中空先導波路を用い、かつこの中空導波路
への光結合条件を最適に設定するだけでエネルギ分布の
変換を行うようにしたので、既に実用化され、広〈産業
分野に普及しているレーザ加工機に交換用加工ヘッドの
みを準備するというセグメントミラ方式等に比べると極
めて簡単な変更で、切断専用であったレーザ加工機で表
面処理を行なうことが可能になる。それゆえ加工機の利
用効率を大福に改善すると共に、経済性の面で大きなメ
リットが得られることになる。

従って一台のレーザ加工機で切断と表面処理の加工が可
能となる。また、特に本実施例によれば導波路長が短い
ものでも十分適用可能なため、従来の切断用加工ヘッド
とほぼ同一の寸法で表面処理用加工ヘッドを構成するこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、導波路に誘電体内装金属中空光導波路
を用い、かつ導波路への入射ビームスポットサイズを導
波路内径の０．４倍以下と小さくして、中空導波路をカ
ライドスコープとして機能させるようにしたので、はと
んどエネルギロスを発生させることなく、簡易で極めて
高い効率でエネルギ分布の変換が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加工機の実施例を示す構成図、
第２図は空冷及び水冷を実施した本実施例による加工ヘ
ッドの入力結合部を示す断面図、第３図はレーザビーム
の断面内エネルギ分布を示す図、第４図は矩形金属管を
使用したカライドスコープを示す構成図、第５図はガウ
ス型ビームと中空導波路内ＨＥ　１ｍモードとの結合効
率を示す特性図である。 １は誘電体内装金属中空導波路、２は励振用レンズ、３
は集光用レンズ、４は被加工物、１０は入射端、２ａは
中空導波路の内径、２ｗは入射ビームのスポットサイズ
、Ｃは集光点、ｄは励振用励振から入射端までの距離、
ｆは励振用レンズから集光点までの距離である。 第 図 第２図 （ａ）　ｔＪ’ウス分布 （ｂ）台形分布 レー号°ヒ゛−ムの断面内エネ鮪゛−分布第３図 省を調陛のカライドスコー７゜ 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源から導かれてきた入射ビームを励振用
   レンズにより集光して中空導波路に結合させ、該中空導
   波路を通って出射した出射ビームを集光用レンズで集光
   して被加工物に照射するレーザ加工機において、 前記中空導波路を金属膜に誘電体薄膜を内装した誘電体
   内装金属中空導波路で構成し、 この中空導波路の内径２ａと、前記励振用レンズにより
   集光された入射ビームの前記中空導波路入射端でのスポ
   ットサイズ２ｗとの比ｗ／ａの値を０．４以下に設定し
   た ことを特徴とするレーザ加工機。
2. （２）前記中空導波路の近傍に位置する励振用レンズか
   ら入射ビームの集光点までの距離は、該励振用レンズか
   ら中空導波路入射端までの距離に比べ大なることを特徴
   とする請求項１記載のレーザ加工機。
3. （３）前記入射ビームの光軸と前記中空導波路の光軸は
   横方向軸ずれ、あるいは角度折れ、または両者が同時に
   存在する位置に設定されていることを特徴とする請求項
   １または２記載のレーザ加工機。
4. （４）前記中空導波路は、これに内装される誘電体薄膜
   は、波長１０．６μｍで低損失なＧｅ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
   Ｓ等の誘電体材料で構成され、 中空導波路の中空内部に冷却ガスを流入させ、金属外表
   面を液体冷媒と接触させて冷却するように構成されてい
   る ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   レーザ加工機。