JPH0768392A

JPH0768392A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0768392A
Application number: JP5156986A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Nobuhiko Tada; 信彦多田; Yoshiaki Shimomura; 義昭下村; Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井; Yoshiya Nagano; 義也長野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザビームの断面形状を伸縮させた場合でも
加工に要する適正な大きさのパワー密度が常に得られる
レーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する。【構成】レーザ発振器１から出力されたレーザビーム７
はビーム径変換器２の円筒面レンズ２ａ及び２ｂで楕円
形の断面形状に変えられる。そして、移動テーブル２０
の移動による２つの円筒面レンズ間の距離変化を距離検
出器２１で検出し、この検出信号を演算回路１０に入力
する。演算回路１０では、被加工物５上に集光されるス
ポット８の大きさの変化を演算し、この変化に対応し
て、スポット８の所定の面積の領域におけるパワー密度
が所定の値を超えるようにパワー密度分布を調整し、こ
のパワー密度分布のレーザビームをレーザ発振器１より
出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工に係わり、特
に高速切断が可能なレーザ加工方法及びレーザ加工装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを用いた加工において、被
加工物上に集光されたレーザビームのスポット形状を円
形から主に楕円形に変化させて加工する従来の技術に
は、特開平１−３０６０８８号公報、特開平２−２０６
８１号公報、特開昭５７−９４４８２号公報に記載のも
のがある。これらは、光学系によってスポット形状をそ
の断面内において相直交する軸方向に任意に変化（伸
縮）させる手段を有する。これらの目的の一つは、図６
（ａ）のようにスポット形状を相直交するＸ軸またはＹ
軸方向に変化させて所望の幅或いは所望の長さの加工を
行うことであり、もう一つは、図６（ｂ）のように楕円
形に変化させたスポットをその長軸方向にスキャンして
加工される部分を少しずつ重ね合わせながら加工を行
い、加工の高速化を図ると共に切片の輪郭の凹凸を少な
くし滑らかにすることにある。但し、スポット形状が丸
型である場合は図６（ｃ）のように重ね合せ割合を大き
くしなければ、切断面の凹凸が大きくなりすぎて実用に
供しえず、そのためスキャン速度、即ち切断速度を速く
することができない。

【０００３】特に、特開昭５７−９４４８２号公報に記
載の方式では、矩形開口によりレーザビームの断面形状
を成形するが、矩形開口にレーザビームを通過させる時
に矩形開口によって除外される不要部分をできるだけ少
なくするため、矩形開口の形状に合うような形状、即ち
楕円形にレーザビームの断面形状を変化させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平１−
３０６０８８号公報や特開平２−２０６８１号公報に記
載の方式では、加工中においてＸ軸またはＹ軸方向にス
ポット形状を変化させるとその面積が変化し、結果的に
スポットのパワー密度が変わってしまい、所定の寸法ま
たは深さの加工が出来なくなることがある。例えば、図
４においてパワー密度がＰの値を超える領域で所定の加
工がなされるものとすると、図４（ａ）のような楕円形
のパワー密度分布を持ったレーザビームのスポット形状
をさらにＸ軸方向に伸延した場合、レーザ発振器で与え
るエネルギが同一の時には図４（ｃ）のようにパワー密
度Ｐを超える領域が縮小されることがあり、所定の加工
が可能な領域が狭くなって実際に加工できる寸法が減少
してしまう。

【０００５】また、特開昭５７−９４４８２号公報に記
載の方式でも、基本的にはレーザ発振器で与えるエネル
ギがそのままであるので、前記矩形開口で成形されたス
ポットにおいてある部分が所定の値以下のパワー密度に
なる場合が生じ、所定の加工が行えない事態が生じるこ
とがある。従って、特開平１−３０６０８８号公報や特
開平２−２０６８１号公報に記載の方式と同様の問題点
を有する。

【０００６】本発明の目的は、レーザビームのスポット
形状を伸縮させた場合でも加工に要する適正な大きさの
パワー密度が常に得られるレーザ加工方法及びレーザ加
工装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、レーザ発振器から出力されたレー
ザビームの断面形状を少なくとも一方向に伸縮させ、前
記レーザビームを被加工物に集光して照射すると共に、
このレーザビームを前記被加工物上で相対的に移動させ
ることにより加工を行うレーザ加工方法において、前記
レーザビームの断面形状の伸縮に対応して、前記被加工
物上に集光されたスポットのうち所定の面積の領域にお
けるパワー密度が所定の値を超えるように前記レーザビ
ームのパワー密度分布を調整することを特徴とするレー
ザ加工方法が提供される。

【０００８】また、上記目的を達成するため、本発明に
よれば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力さ
れたレーザビームの断面形状を少なくとも一方向に伸縮
させるビーム形状伸縮手段と、前記レーザビームを被加
工物上に集光させる集光手段と、集光された前記レーザ
ビームを前記被加工物上で相対的に移動させる移動手段
とを備えたレーザ加工装置において、前記レーザビーム
の断面形状の変化量を検出する検出手段と、前記検出手
段で検出した変化量に基づいて、前記被加工物上に集光
されたスポットのうち所定の面積の領域におけるパワー
密度が所定の値を超えるように前記レーザビームのパワ
ー密度分布を調整する出力調整手段を備えたことを特徴
とするレーザ加工装置が提供される。

【０００９】上記レーザ加工装置において、好ましく
は、前記ビーム形状伸縮手段は少なくとも１枚の円筒面
レンズで構成されたスポット径変換器である。

【００１０】また、好ましくは、前記ビーム形状伸縮手
段はプリズムである。

【００１１】

【作用】上記のように構成した本発明においては、レー
ザ発振器から出力されたレーザビームの断面形状を少な
くとも一方向に伸縮させる。そして、この伸縮に対応し
て、被加工物上に集光されたスポットのうち所定の面積
の領域におけるパワー密度が所定の値を超えるようにパ
ワー密度分布を調整する。例えば、図４においてパワー
密度がＰの値を超える領域（図中の斜線部分）で所定の
加工、即ち所定の寸法及び深さでの加工がなされるもの
とすると、図４（ａ）のような楕円形のパワー密度分布
を持ったレーザビームのスポット形状をさらにＸ軸方向
に伸延した場合、図４（ｂ）のようにパワー密度Ｐを超
える領域の面積が図４（ａ）のパワー密度Ｐを超える領
域の面積より大きくなるようにパワー密度分布を調整す
る。

【００１２】これによって、レーザビームの断面形状を
伸縮させた場合でもスポットの所定の面積の領域におい
てパワー密度が縮小されることがなく、加工に要する適
正な大きさのパワー密度が常に得られ、所定の寸法の加
工を行うことが可能となる。上記レーザビームのスポッ
トは被加工物上で相対的に移動させられ、これにより加
工が進められる。

【００１３】また、本発明においては、ビーム形状伸縮
手段によって少なくとも一方向に伸縮したレーザビーム
における断面形状の変化量が検出手段によって検出さ
れ、この検出手段で検出した変化量に基づき、出力調整
手段においてレーザビームのパワー密度分布が調整され
る。この時、上記被加工物上に集光されたスポットのう
ち所定の面積の領域におけるパワー密度が所定の値を超
えるように調整される。また、この調整は、実際にはレ
ーザ発振器で与えるエネルギ、即ちレーザ発振器に印加
する電圧を増減することによって行われる。

【００１４】また、ビーム形状伸縮手段を少なくとも１
枚の円筒面レンズで構成されたスポット径変換器とする
ことにより、レーザビームの断面形状を容易に伸縮させ
ることが可能となる。さらに、ビーム形状伸縮手段をプ
リズムとすることにより、レーザビームの断面形状をさ
らに容易に伸縮させることが可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明によるレーザ加工方法及びレーザ加工
装置の一実施例について、図１から図４を参照しながら
説明する。図１において、本実施例のレーザ加工装置１
００は、レーザ発振器１、ビーム径変換器２、ベンディ
ングミラー３、集光レンズ４、ＸＹテーブル６、演算回
路１０、レーザコントローラ１５、及びレーザ電源１６
を備える。また、ビーム径変換器２はビーム形状伸縮手
段であって、Ｘ軸方向にのみ曲率を有する凸型円筒面レ
ンズ２ａ、Ｘ軸方向にのみ曲率を有する凹型円筒面レン
ズ２ｂ、凹型円筒面レンズ２ｂを光軸方向に移動させる
移動テーブル２０、及び移動テーブル２０の移動距離を
検出する距離検出器２１を備えている。さらに、演算回
路１０は出力調整手段であって、第１演算部１１、第２
演算部１２、第３演算部１３、第４演算部１４を備えて
おり、レーザ発振器１、レーザコントローラ１５、レー
ザ電源１６と共にレーザ発振器ユニット１０１を構成し
ている。但し、レーザビーム７の断面及び被加工物５表
面でのＸ軸及びＹ軸を図１のように定める。

【００１６】上記のような構成において、レーザ電源１
６はレーザコントローラ１５から指令された電圧をレー
ザ発振器１に印加することにより、レーザ発振器１より
レーザビーム７が出力される。このレーザビーム７は一
般に円形の断面形状を有しているが、ビーム径変換器２
の凸型円筒面レンズ２ａ及び凹型円筒面レンズ２ｂに入
射し、その断面形状の一方向（Ｘ軸方向）が縮小されて
楕円形となる。そして、ベンディングミラー３で方向が
変えられ、集光レンズ４で集光されて、ＸＹテーブル６
に載置された被加工物５上に楕円形のスポット８として
照射される。

【００１７】ここで、集光レンズ４で集光されるスポッ
ト８の形状がもとの円形から一方向に伸縮され楕円形と
なる原理を説明する。レーザ発振器１から出力されたレ
ーザビームのビーム径をｗ₀、拡がり角をθ₀とすると、
ビーム径変換器２を通過後のＹ軸方向のビーム径及び拡
がり角はビーム径変換器２のレンズ作用がないので、そ
れぞれｗ₀及びθ₀のままである。これに対し、Ｘ軸方向
はビーム径変換器２のレンズ作用によってビーム径及び
拡がり角は共に変化し、これらをそれぞれｗ₁及びθ₁と
すると、ｗ₀・θ₀＝ｗ₁・θ₁ … （１）の関係がある。

【００１８】一方、拡がり角がθであるレーザビームが
集光レンズ４で集光されたときのスポット径ｄは、集光
レンズ４の焦点距離をｆとすると、ｄ＝２ｆ・θ … （２）と表される。従って、Ｘ軸方向のスポット径ｄ_xは、ｄ_x＝２ｆ・θ₁ … （３）で、Ｙ軸方向のスポット径ｄ_yは、ｄ_y＝２ｆ・θ₀ … （４）である。ここで、（３）式に（１）式の関係を代入する
と、ｄ_x＝２ｆ・θ₀（ｗ₀／ｗ₁）＝ｄ_y（ｗ₀／ｗ₁） … （５）となり、ｄ_xはｄ_yのｗ₀／ｗ₁倍となってスポット８の形
状は楕円形となる。本実施例の場合は凹型円筒面レンズ
２ｂから出射したレーザビームの断面形状がＸ軸方向に
縮小されており、ｗ₁がｗ₀より小さくｗ₀／ｗ₁＞１であ
るので、被加工物５上のスポット８の形状はＸ軸方向が
大きな楕円形となる。

【００１９】また、ビーム径変換器２において、凸型円
筒面レンズ２ａと凹型円筒面レンズ２ｂの焦点位置を同
位置にすると、即ち凸型円筒面レンズ２ａと凹型円筒面
レンズ２ｂの距離を両者の焦点距離の和にすると、平行
光で凸型円筒面レンズ２ａに入射したレーザビーム７は
断面形状のみが上記のように変化し、凹型円筒面レンズ
２ｂからは平行光で出射される。逆に両者の焦点位置を
同位置にしないでずらせると、凹型円筒面レンズ２ｂか
らはある拡がり角をもって出射される。この時の凹型円
筒面レンズ２ｂから出射されたレーザビームが集光レン
ズ４で集光される状況は図２のようになる。即ち、凹型
円筒面レンズ２ｂから平行光で出射されたレーザビーム
７ａは集光レンズ４の焦点位置４ａに集光されるが、凹
型円筒面レンズ２ｂからはある拡がり角をもって出射さ
れたレーザビーム７ｂは、集光レンズ４の焦点位置４ａ
とは異なるところで集光され、焦点位置４ａではデフォ
ーカス（焦点外しの状態）となる。

【００２０】従って、図１においてビーム径変換器２の
両レンズ間の距離を移動テーブル２０によって変えるこ
とにより、Ｘ軸方向のレーザビームの集光位置がＹ軸方
向のそれに対して異なってくる。被加工物５上における
スポット８のＸ軸側が大きくなる本実施例の場合、Ｘ軸
方向がデフォーカスとなれば、被加工物５上でのスポッ
ト形状は実質楕円形のＸ軸側、即ち長軸側がさらに大き
くなる。また、ビーム径変換器２の２つのレンズの組み
合わせを予め決定しておき、両レンズ間の距離を移動テ
ーブル２０で変えることにより、この移動距離の変化に
応じた長さの長軸（Ｘ軸側の長さ）を有するスポット８
の形状が得られる。つまり、移動テーブル２０の移動距
離を検出すれば、スポット８の大きさの変化を知ること
ができる。

【００２１】本実施例では移動テーブル２０の移動によ
る両レンズ間の距離変化を距離検出器２１で検出し、こ
の検出結果に基づく信号を演算回路１０に入力し、演算
回路１０においてスポット８の大きさの変化を演算し、
この変化に対応して、スポット８の所定の面積の領域に
おけるパワー密度が所定の値を超えるようにパワー密度
分布を調整し、このパワー密度分布のレーザビームをレ
ーザ発振器１より出力する。以下、この動作について図
１、図３及び図４により説明する。

【００２２】まず、図３のステップＳ１において、２枚
の円筒面レンズ２ａ及び２ｂの間の距離を距離検出器２
１で検出する。そして、この検出値に基づく検出信号を
演算回路１０に入力し、ステップＳ２に進む。

【００２３】次のステップＳ２では、演算回路１０の第
１演算部１１で距離検出器２１からの検出値（２枚の円
筒面レンズ２ａ及び２ｂの間の距離）よりスポット８の
大きさの変化を演算する。

【００２４】次に、ステップＳ３に進み、第２演算部１
２で、スポット８のうち所定の面積の領域におけるパワ
ー密度が所定の値を超えるようにパワー密度分布を演算
する。このパワー密度分布はスポット８の大きさの変化
に対応して決められるものである。例えば、図４におい
てパワー密度がＰの値を超える領域で所定の加工がなさ
れるものとすると、図４（ａ）のような楕円形のパワー
密度分布を持ったレーザビームのスポット８Ａの形状を
さらにＸ軸方向に伸延して８Ｂ（図４（ｂ）参照）とし
た場合、図４（ｂ）のようにパワー密度Ｐを超える領域
８ｂが図４（ａ）の領域８ａの面積より大きな所定の面
積になるようにパワー密度分布を調整（この場合は増
大）する。

【００２５】ところで、従来では、レーザ発振器１で与
えるエネルギが同一であるため、図４（ｃ）のようにス
ポット８Ａの形状をＸ軸方向に伸延して８Ｃ（図４
（ｂ）参照）とした場合、パワー密度Ｐを超える領域が
図中８ｃで示すように縮小されることがあり、所定の加
工が可能な領域が狭くなって実際に加工できる寸法が減
少してしまうことがあった。これに対し、本実施例では
パワー密度Ｐを超える領域８ｂが領域８ａの面積よりも
大きな所定の面積になるようにするため、加工に要する
適正な大きさのパワー密度が常に得られ、所定の加工を
行うことが可能となる。

【００２６】次に、ステップＳ４に進み、第３演算部１
３で、ステップＳ３で演算したパワー密度分布が得られ
るようにレーザ発振器１に供給すべきパルスエネルギを
演算する。さらに、ステップＳ５で、ステップＳ４で演
算したパルスエネルギをレーザ発振器が出力するのに必
要な電圧を演算する。

【００２７】次に、ステップＳ６において、ステップＳ
５で演算した電圧値をレーザコントローラ１５に入力す
る。そして、ステップＳ７で、レーザ電源１６に上記電
圧値を入力し、この電圧がレーザ発振器１に印加され、
レーザビーム７が出力される。

【００２８】以上のような本実施例においては、移動テ
ーブル２０の移動による円筒面レンズ２ａ及び２ｂ間の
距離変化を距離検出器２１で検出し、この検出結果に基
づく信号を演算回路１０に入力し、演算回路１０におい
てスポット８の大きさの変化を演算し、この変化に対応
して、スポット８の所定の面積の領域におけるパワー密
度が所定の値を超えるようにパワー密度分布を調整し、
このパワー密度分布のレーザビームをレーザ発振器１よ
り出力する。従って、レーザビームのスポット８の形状
を伸縮させた場合でもスポット８の所定の面積の領域に
おいてパワー密度が縮小されることがなく、加工に要す
る適正な大きさのパワー密度が常に得られ、所定の加工
を行うことできる。

【００２９】尚、上記実施例ではスポット８の形状をＸ
軸方向のみ伸縮させたが、Ｙ軸方向を伸縮させたり、Ｘ
軸及びＹ軸の両方向を伸縮させてもよい。

【００３０】本発明によるレーザ加工方法及びレーザ加
工装置の他の実施例について、図５を参照しながら説明
する。本実施例においては、ビーム形状伸縮手段として
図１のような円筒面レンズを組合わせたビーム径変換器
を使用せず、プリズムを用いてレーザビームのスポット
形状を伸縮させる。即ち、図５に示すレーザ加工装置１
０１において、レーザ発振器１より出力されたレーザビ
ーム７はプリズム９で屈折して進行方向が変えられ、補
正ミラー９ａ及び９ｂによってもとのレーザビーム７の
光軸に戻された後、ベンディングミラー３に入射する。

【００３１】図５では、プリズム９によってレーザビー
ム７がＹ軸方向に屈折することにより、レーザビームの
断面形状はＹ軸方向に縮小されて楕円形となる。この楕
円形の形状はプリズム９の角度によって決まる。そして
本実施例では、図１の場合と異なって集光レンズ４で集
光された被加工物５上のスポット８ｄの形状はＹ軸方向
が拡大された楕円形となる。また、プリズム９の角度変
化は角度検出器９ｃで検出され、演算回路１０の第１演
算部１１ａに入力され、スポット８ａの大きさの変化が
演算される。さらに、プリズム９の角度変化に応じて補
正ミラー９ａ及び９ｂの角度が調整され、ベンディング
ミラー３へ入射するレーザビームの光軸がレーザ発振器
１から出力されたもとのレーザビームの光軸と一致する
ように制御される。これ以外の構成及び動作は図１と同
様である。

【００３２】以上のような本実施例によれば、前述の実
施例と同様の効果が得られると共に、プリズム９を使用
することにより、レーザビームの断面形状を図１のビー
ム径変換器２よりもさらに容易に伸縮させることが可能
となる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、レーザビームの断面形
状の伸縮に対応して、被加工物上に集光されたスポット
のうち所定の面積の領域におけるパワー密度が所定の値
を超えるようにパワー密度分布を調整するので、上記ス
ポット形状を伸縮させた場合でも、スポットの所定の面
積の領域において加工に要する適正な大きさのパワー密
度が常に得られ、所定の加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ加工装置の構成
を示す図である。

【図２】図１の凹型円筒面レンズから出射されたレーザ
ビームが集光レンズで集光される状況を示す図である。

【図３】図１のレーザ加工装置におけるパワー密度分布
の調整動作を説明するフローチャートである。

【図４】被加工物上に集光されたスポット形状の伸縮と
パワー密度分布の調整との関係を説明する図であって、
（ａ）は楕円形のパワー密度分布を持ったレーザビーム
のスポット形状の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のスポ
ット形状をＸ軸方向に伸延しかつパワー密度分布を調整
（増大）した状態を示す図、（ｃ）はレーザ発振器で与
えるエネルギが同一のままで（ａ）のスポット形状をＸ
軸方向に伸延した状態を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例によるレーザ加工装置の構
成を示す図である。

【図６】（ａ）は被加工物上のスポット形状を相直交す
るＸ軸またはＹ軸方向に変化（伸縮）させる状況を示す
図、（ｂ）は楕円形のスポットを少しずつ重ね合わせな
がらその長軸方向にスキャンして加工を行う状況を示す
図、（ｃ）は丸型のスポットを重ね合せながらスキャン
して加工を行う状況を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２ビーム径変換器４集光レンズ５被加工物６ＸＹテーブル７レーザビーム８スポット８ｄスポット９プリズム９ｃ角度検出器１０演算回路１１，１１ａ第１の演算部１２第２の演算部１３第３の演算部１４第４の演算部１５レーザコントローラ１６レーザ電源１００レーザ加工装置１０１レーザ加工装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桜井茂行茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者長野義也茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から出力されたレーザビー
ムの断面形状を少なくとも一方向に伸縮させ、前記レー
ザビームを被加工物に集光して照射すると共に、このレ
ーザビームを前記被加工物上で相対的に移動させること
により加工を行うレーザ加工方法において、前記レーザビームの断面形状の伸縮に対応して、前記被
加工物上に集光されたスポットのうち所定の面積の領域
におけるパワー密度が所定の値を超えるように前記レー
ザビームのパワー密度分布を調整することを特徴とする
レーザ加工方法。
【請求項２】レーザ発振器と、前記レーザ発振器から
出力されたレーザビームの断面形状を少なくとも一方向
に伸縮させるビーム形状伸縮手段と、前記レーザビーム
を被加工物上に集光させる集光手段と、集光された前記
レーザビームを前記被加工物上で相対的に移動させる移
動手段とを備えたレーザ加工装置において、前記レーザビームの断面形状の変化量を検出する検出手
段と、前記検出手段で検出した変化量に基づいて、前記
被加工物上に集光されたスポットのうち所定の面積の領
域におけるパワー密度が所定の値を超えるように前記レ
ーザビームのパワー密度分布を調整する出力調整手段を
備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】請求項２記載のレーザ加工装置におい
て、前記ビーム形状伸縮手段は少なくとも１枚の円筒面
レンズで構成されたスポット径変換器であることを特徴
とするレーザ加工装置。
【請求項４】請求項２記載のレーザ加工装置におい
て、前記ビーム形状伸縮手段はプリズムであることを特
徴とするレーザ加工装置。