JPH09108879A

JPH09108879A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH09108879A
Application number: JP7272930A
Authority: JP
Inventors: Kojiro Ogata; 浩二郎緒方; Eiki Izumi; 鋭機和泉
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ加工を行う際に付着するドロスを減少さ
せることができ、さらにレーザビームのエネルギの一部
を無駄にすることがないレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザビーム８の断面におけるガウス型分
布をもったエネルギ密度分布を、２つのシリンドリカル
レンズ対１１，１２を備えた内外逆転光学系１０により
レーザビーム８の光軸を含む平面に対して内外で逆転さ
せる。シリンドリカルレンズ対１１は２つの同一形状の
シリンドリカルレンズが並列して接着された形状のレン
ズ対であってレーザビーム８を２分割し、シリンドリカ
ルレンズ対１２は２つのシリンドリカルレンズが並列か
つ離間して配列されたレンズ対であってシリンドリカル
レンズ対１１からの２分割されたレーザビームをコリメ
ートして集光レンズ６に入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器より
発射されるレーザビームを被加工物に照射して加工を行
うレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１に従来の一般的なレーザ加工装置
の一例を示す。図１１において、レーザ発振器５１は、
ＹＡＧロッド５２、エンドミラー５３Ａ、アウトプット
ミラー５３Ｂを備えている。レーザ発振器５１より出射
されたレーザビーム５８Ａはビームエキスパンダ５４に
よりそのビーム径を拡大され、ベンディングミラー５５
で光軸の方向が変えられ、集光レンズ５６で集光されて
被加工物５７の表面に照射される。上記のように集光さ
れたレーザビーム５８のエネルギにより被加工物が溶融
し、加工が行われる。そして、被加工物５７を移動する
ことなくレーザビーム５８を照射すれば穴あけ加工とな
り、レーザビーム５８を照射しつつ被加工物５７を移動
させることにより切断加工が行われる。

【０００３】上記のようなレーザ加工を施す際の状態を
図１２に断面図で示す。図１２に示すように、集光レン
ズ５６で集光されたレーザビーム５８が被加工物５７の
表面に照射され、照射された部分が溶融して加工部６０
が形成される。

【０００４】このようなレーザビーム５８を利用した加
工（以下、適宜、レーザ加工という）は、レーザビーム
５８の集光性のよさを利用した微細加工性が可能である
点に特長がある。この特長を最大限に活かすために、レ
ーザ発振器５１より出射されるレーザビーム５８のエネ
ルギ密度分布として、図１３に示すガウス型分布が用い
られる。ガウス型分布とは、一般に図１３（ａ）に示す
直径Ｄの円形断面のビームとして発射されるレーザビー
ム５８の断面におけるエネルギ密度分布が、図１３
（ｂ）に示すような形状、即ち中央にピークＰ₀を有
し、周囲に向かってなだらかに減少してゆく形状を有す
る分布のことを言う。このようなガウス型分布のレーザ
ビーム５８はビームの発散角が小さく、集光性が高いの
で、例えば微小径の穴あけ加工や幅の狭い切断加工など
の微細加工に適している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１２のようにしてレ
ーザ加工を行う際の問題として、ドロスの付着がある。
即ち、レーザ加工によって生じた溶融物が被加工物７に
形成される加工部６０の主に裏面側の縁部に付着し、冷
え固まってドロス６１となる。このドロス６１は、加工
品質の点から極力減少させることが望ましい。

【０００６】このようなドロス６１の発生原因は、主に
図１３に示したレーザビーム５８のエネルギ密度分布に
あるが、この原因ついて説明する。被加工物５７にレー
ザビーム５８が照射されると、まずガウス型分布をもつ
エネルギ密度分布におけるピークＰ₀の部分に相当する
箇所から加工が始まり、溶融した部分は図示しない補助
ガス（アシストガス）などにより吹き飛ばされる。しか
し、エネルギ密度分布の両端付近におけるエネルギ密度
の低下した部分、例えば図１３の直径Ｄ₁よりも外側の
エネルギ密度の低い（この部分のエネルギ密度を図１３
中Ｐ₁と表す）部分では、溶融が十分でないため上記補
助ガスによる溶融物除去が十分に行われない。このこと
がドロス６１の付着の主因と推定されている。

【０００７】このような事態を避けるため、図１４
（ａ）に示すように、アパーチャ６２をレーザビーム５
８の経路内に挿入し、ドロス６２の発生原因となるエネ
ルギ密度分布両端付近におけるエネルギ密度の低下した
部分を削除するということも行われることがある（図１
４（ｂ）参照）。しかし、このようにアパーチャ６２を
挿入すると、レーザビーム５８の削除された部分のエネ
ルギが無効になってしまうという欠点がある。

【０００８】以上のように従来のレーザ加工装置を用い
てレーザ加工を行う際にはドロスの付着が問題となり、
さらにドロスを減少させようとするとレーザビームのエ
ネルギの一部を無駄にしてしまうことが問題となる。

【０００９】本発明の目的は、レーザ加工を行う際に付
着するドロスを減少させることができ、さらにレーザビ
ームのエネルギの一部を無駄にすることがないレーザ加
工装置を提供することである。

【００１０】

【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、レーザ発振器より出射されるレー
ザビームを被加工物に照射して加工を行うレーザ加工装
置において、前記レーザ発振器と前記被加工物との間
に、レーザビームの断面におけるエネルギ密度分布を、
そのレーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転
させる内外逆転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。

【００１１】上記のように構成した本発明においては、
レーザビームを出射するレーザ発振器と被加工物との間
に内外逆転手段を設置し、上記レーザビームの断面にお
けるエネルギ密度分布を、レーザビームの光軸を含む平
面に対して内外で逆転させることにより、内外逆転手段
を通過したレーザビームの断面におけるエネルギ密度分
布が、レーザビームの光軸を含む平面に関してガウス型
分布の内外が逆転した分布となる。言い換えると、ガウ
ス型分布を中央で半分に分割し、さらに各々の分布の正
負を逆転した形状となる。

【００１２】従って、内外逆転手段を通過したレーザビ
ームのエネルギ密度分布においては、内外逆転手段に入
射する以前の元のレーザビームのエネルギ密度分布の両
端付近におけるエネルギ密度の低い部分が中央に、そし
て元のレーザビームのエネルギ密度分布のピーク部分が
両端に位置するようになり、加工により除去される部分
の境界の一部、例えば切断を行う場合には切断溝の両側
壁において、穴あけ加工を行う場合は穴の内周のいずれ
かの対面する側壁で十分溶融を進ませることができる。
その結果、補助ガスによる溶融物除去が十分に行われ、
ドロスを減少させることが可能となる。また、前述のよ
うなアパーチャによってレーザビーム断面の一部を削除
することがなく、レーザビームの全エネルギを利用でき
るため、レーザビームのエネルギを無駄にすることがな
い。さらに、レーザビームの発散角が小さいことには変
わりがないため、高集光性は確保される。

【００１３】また、本発明において好ましくは、２つの
シリンドリカルレンズがレーザビームの光軸に対し並列
して配列され、レーザビームを少なくとも２分割してそ
れぞれのレーザビームを集光させる第１のシリンドリカ
ルレンズ対と、第１のシリンドリカルレンズ対とは別の
第２のシリンドリカルレンズ対がレーザビームの光軸に
対し並列して配列され、第１のシリンドリカルレンズ対
により分割され集光された後に再び発散しようとするレ
ーザビームをコリメートする第２のシリンドリカルレン
ズ対と、を含む光学系により、上記レーザ加工装置にお
ける内外逆転手段を構成する。

【００１４】また、好ましくは、レーザビームを２分割
すると共にそれぞれのレーザビームを交差させて進ませ
る断面が二等辺三角形の第１の三角柱プリズムと、その
第１の三角柱プリズムにより２分割されたレーザビーム
をコリメートする断面が二等辺三角形の第２の三角柱プ
リズムと、を含む光学系により前記内外逆転手段を構成
する。

【００１５】さらに、好ましくは、断面図が菱形の四角
柱プリズムを含む光学系により内外逆転手段を構成す
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるレーザ加工装
置の第１の実施形態について、図１から図４を参照しな
がら説明する。但し、本実施形態では、主に板材等の被
加工物にレーザビームの照射によって切断加工を施す場
合を中心に説明する。

【００１７】図１（ａ）に本実施形態によるレーザ加工
装置の概略構成を示す。レーザ発振器１は、ＹＡＧロッ
ド２、エンドミラー３Ａ、アウトプットミラー３Ｂを備
えている。レーザ発振器１より出射されたレーザビーム
８Ａはビームエキスパンダ４によりそのビーム径を拡大
されて直径ｄのレーザビーム８となり、内外逆転光学系
１０で後述のように２分割され、集光レンズ６で集光さ
れて被加工物７の表面に照射される。なお、内外逆転光
学系１０と集光レンズ６との間にはベンディングミラー
が備えられ、図１１のように光軸の方向が変えられるの
であるが、ここでは簡単のため省略した。上記のように
集光されたレーザビーム８のエネルギにより被加工物が
溶融し、加工が行われ、レーザビーム８を照射しつつ被
加工物７を移動させることにより切断加工が行われる。

【００１８】本実施形態では、レーザ発振器１として、
ＹＡＧロッド２を用いたＹＡＧレーザ発振器を例に説明
するが、本発明の内容はこれに限定されることはなく、
一般のガスレーザ等にも適用可能である。

【００１９】また、図１（ａ）に示すように、内外逆転
光学系１０には２つのシリンドリカルレンズ対１１，１
２が設置されている。シリンドリカルレンズ対１１は、
２つの同一形状のシリンドリカルレンズがレーザビーム
の光軸に対し並列して接着された形状のレンズ対であ
り、いわば中央が凹み両側が膨らんだ形状を呈してい
る。シリンドリカルレンズ対１２は、上記シリンドリカ
ルレンズ対１１とは別の２つのシリンドリカルレンズ
（同一形状）がレーザビームの光軸に対し並列するよう
に離間して配列されたレンズ対である。さらに、シリン
ドリカルレンズ対１１，１２における各シリンドリカル
レンズのそれぞれの中心軸ｎ（図４参照）がレーザビー
ム８の光軸と平行になるように配置されている。上記シ
リンドリカルレンズ対１１、シリンドリカルレンズ対１
２の焦点距離を、それぞれｆ₁、ｆ₂とすると、両シリン
ドリカルレンズ対の間の距離はｆ₁とｆ₂との和である。

【００２０】レーザビーム８はシリンドリカルレンズ対
１１により図中上下の部分に２分割され、２分割された
レーザビーム８Ｂはそれぞれ２つの焦点、即ち焦点距離
ｆ₁の位置で一旦集光される。２分割されたレーザビー
ム８Ｂはその後再び発散しようとするが、すぐにシリン
ドリカルレンズ対１１からｆ₁＋ｆ₂の距離を隔てたシリ
ンドリカルレンズ対１２に入射し、コリメートされレー
ザビーム８Ｃとなり、集光レンズ６に入射する。但し、
レーザビーム８を内外逆転光学系１０に通すことによっ
ても、レーザビーム８の発散角が小さいことには変わり
がないため、高集光性は確保される。

【００２１】図１（ｂ）に一例を示すようなエネルギ密
度分布（ガウス型分布）をもつレーザビーム８を内外逆
転光学系１０に通すことにより、レーザビームの光軸を
含む平面に関してガウス型分布の内外が逆転した分布と
なる（図１（ｃ）参照）。言い換えると、ガウス型分布
を中央で半分に分割し、さらに各々の分布の正負を逆転
した形状となる。上記のような内外逆転光学系１０を通
過させたことによるレーザビームのエネルギ密度分布の
変化を、図２に模式的に示す。

【００２２】図３（ａ）は、上記のようなレーザ加工装
置によって板状の被加工物の切断状況を示す図である。
内外逆転光学系１０で２分割されコリメートされ、さら
に集光レンズ６で集光されたレーザビーム８Ｄの被加工
物７上のスポット８Ｅにおけるエネルギ密度分布は、レ
ーザビーム８のエネルギ密度分布の外縁付近におけるエ
ネルギ密度の低い部分が中央に、レーザビーム８のエネ
ルギ密度分布のピーク部分が両端に位置するようにな
る。

【００２３】図３（ｂ）は図３（ａ）のB-B方向からの
矢視図であって、レーザビーム８のエネルギ分布を逆転
させたレーザビーム８Ｄが集光されて照射される様子を
示している。本実施形態では、図１（ｃ）や図２に示す
ようにスポット８Ｅの両端部のエネルギ密度が高くなっ
ているため、それにより加工される部分は図３（ｂ）の
斜線を付した加工部７Ｂとなる。そして、加工部７Ｂを
順次重ねつつ切断加工を進めていく。従って、切断加工
を行う際に切断溝７Ａの両側壁において、十分溶融を進
ませることができ、その結果、補助ガスによる溶融物除
去が十分に行われ、ドロス１１が発生したとしてもその
量を減少させることが可能となる。

【００２４】一方、スポット８Ｅ中央部のエネルギ密度
は低く、溶融のために十分でないが、その部分は切断溝
７Ａの中央部分であっていずれ捨て去るべき部分、また
は自然に剥落してしまう部分であるためにエネルギ密度
が低くても差し支えない。このことは言い換えれば、切
断側壁を規定するだけのエネルギを投入すれば十分に切
断が可能であり、従来よりも少ないエネルギによっても
それを有効に利用して加工が行えることになる。しか
も、切断溝７Ａを形成するため（即ち切断側壁を規定す
るため）に必要最小限の体積のみを加工するだけでよい
ので、溶融物の量を減少でき、このことによっても発生
するドロス１１の量を少なくすることができる。

【００２５】また、アパーチャによってレーザビーム断
面の一部を削除することがなく、レーザビームの全エネ
ルギを利用できるため、レーザビームのエネルギを無駄
にせず有効に利用できる。

【００２６】本実施形態は、リードフレームに半導体チ
ップを搭載後に樹脂封止した半導体装置の製造過程にお
いて、樹脂の流出を避けるためにリードフレームに設け
られたダムバーを一発のレーザビームで切断する場合な
どには最適である。その際、レーザビームのダムバー上
のスポットを細長い楕円形断面形状にし、内外逆転光学
系１０によりエネルギ密度が高くなるスポットの両端部
分をスポットの長手方向に合わせ、そのスポットの長手
方向をダムバー幅方向に一致させて加工すれば、ダムバ
ー切断後の両側壁がシャープになる。

【００２７】また、図３（ｂ）では直線状の切断加工を
行う場合を示しているが、曲線状の切断加工を行う場合
にはスポット７Ｂを切断軌跡に沿って回転させる必要が
生じる。その場合は、内外逆転光学系１０全体を切断の
進行に合わせてレーザビーム８の光軸廻りに回転させれ
ばよい。

【００２８】次に、シリンドリカルレンズ対１１，１２
の光学的関係について図４により説明する。シリンドリ
カルレンズ対１１における２つのシリンドリカルレンズ
のそれぞれの中心軸ｎが、両シリンドリカルレンズの境
目を通る光軸（以下、対象軸という）ｍに対して外側に
ｅだけ離れているとし、かつ図のように対象軸ｍからは
なれる向きを正の向きを定めたとすると、ｅの条件はｅ
＞０でなければならない。もし、ｅ＝０とすると単一の
シリンドリカルレンズになってしまい、ｅ＜０の場合は
中央が尖ったシリンドリカルレンズになってしまい、本
実施形態の作用効果は発揮されないためである。但し、
図４は一般的な場合を想定しているため、シリンドリカ
ルレンズ対の形状が図１とは多少異なっている。また、
図４には、レーザビーム８および２分割されたレーザビ
ーム８Ｃのエネルギ密度分布を模式的に表した。

【００２９】シリンドリカルレンズ対１１，１２の中心
軸は図のように一致させることが望ましい。そうでない
と、内外逆転光学系１０を出た２つのレーザビームは平
行にはならないので、集光レンズ６やベンディングミラ
ー（図示せず）の加工用の光学系の位置に制約が加わり
煩雑となる。また、内外逆転光学系１０を通過したレー
ザビームの平行性を確保するため、前述したようにシリ
ンドリカルレンズ対１１，１２の間の距離がｆ₁＋ｆ₂で
あることが必要となる。

【００３０】さらに、図４のようにレーザビーム８の最
外の光束がシリンドリカルレンズ対１１で中心部に集め
られた後にシリンドリカルレンズ対１２に入射する時、
その位置までの対象軸ｍからの距離ｇはｇ≧０でなけれ
ばならない。ｇ＜０の場合はレーザビーム８の外周に近
い部分はシリンドリカルレンズ対１２より出射された後
に平行な光束にならないで捨てられてしまうことにな
り、エネルギを有効に利用できなくなってしまう。但
し、ｇは対象軸ｍからはなれる向きを正の向きと定め
る。

【００３１】上記ｇ≧０の条件を満たすためのｅ，
ｆ₁，ｆ₂，ｄ等の関係を求める。三角形ＡＢＣと三角形
ＤＥＣは相似であるため、次式が成り立つ。

【００３２】

【数１】

【００３３】式（１）においてｇ≧０であるためには、
ｆ₂は次式の範囲でなければならない。

【００３４】

【数２】

【００３５】但し、（ｄ／２）≦ｅのとき、即ち図１や
後述する図５のような配置の時には、最外の光束がシリ
ンドリカルレンズ対１１，１２の対象軸ｍに近づくよう
に集光されてくることはないので、式（２）の制約は適
用されず、ｆ₂＜∞でよいことになる。

【００３６】以上のような本実施形態によれば、レーザ
ビーム８の断面におけるエネルギ密度分布を、２つのシ
リンドリカルレンズ対１１，１２を備えた内外逆転光学
系１０によりレーザビーム８の光軸を含む平面に対して
内外で逆転させるので、スポット８Ｅの両端部のエネル
ギ密度が高くなり、切断加工を行う際に切断溝７Ａの両
側壁において十分溶融を進ませることができ、補助ガス
による溶融物除去が十分に行われ、ドロス１１の量を減
少させることができる。

【００３７】また、切断溝７Ａを形成するために必要最
小限の体積のみを加工するだけでよいので、従来よりも
少ないエネルギによってもそれを有効に利用して加工が
行え、しかも溶融物の量を減少でき、このことによって
も発生するドロス１１の量を少なくすることができる。

【００３８】また、アパーチャ等によってレーザビーム
断面の一部を削除することがなく、レーザビームの全エ
ネルギを利用できるため、レーザビームのエネルギを無
駄にせず有効に利用できる。

【００３９】次に、本発明によるレーザ加工装置の第２
の実施形態について、図５により説明する。

【００４０】本実施形態では、図５（ａ）に示すよう
に、シリンドリカルレンズ対１１の加工の容易性を考慮
してシリンドリカルレンズ対１１ａの中央部に隙間を設
けている。それ以外の構成は第１の実施形態と同様であ
る。内外逆転光学系１０ａに入射したレーザビーム８は
シリンドリカルレンズ対１１ａによって３つに分割さ
れ、そのうち両端の２つの光束がシリンドリカルレンズ
対１２ａでコリメーとされて出射され、中央の光束はそ
のまま出射される。そして、３つに分割されたレーザビ
ーム８Ｆが集光レンズ６で集光される。図５（ｂ）は、
本実施形態の内外逆転光学系１０ａを通過したレーザビ
ーム８Ｆのエネルギ分布の一例を示す図である。

【００４１】この場合、被加工物上のスポットにおいて
は、最もエネルギ密度の高い部分が中央にあり、次にエ
ネルギ密度の高い部分が両端に位置するようになり、第
１の実施形態に比べてスポット両端のエネルギ密度が多
少低くなってしまうが、基本的な効果は第１の実施形態
と同様である。

【００４２】次に、本発明によるレーザ加工装置の第３
の実施形態について、図６により説明する。

【００４３】本実施形態では、内外逆転光学系１０ｂに
おいて、シリンドリカルレンズ対１１ｂ，１２ｂの中心
軸ｎを対象軸ｍに近寄せる。それ以外の構成は第１の実
施形態と同様である。本実施形態によれば、第１の実施
形態と同様の効果が得られるだけでなく、内外逆転光学
系１０ｂの外形を小さくすることができる。

【００４４】次に、本発明によるレーザ加工装置の第４
の実施形態について、図７により説明する。

【００４５】図７（ａ）に示すように、本実施形態の内
外逆転光学系２０には断面が二等辺三角形の２つ三角柱
プリズム２１，２２が設置される。三角柱プリズム２
１，２２は同一形状であって、お互いの底辺同志が平行
になるように所定の距離Ｌを隔てて配置されており、か
つそれぞれの二等辺三角形の頂点から底辺に下した垂線
が一致するように配置されている。以下、上記二等辺三
角形の頂点から底辺に下した垂線をプリズム軸ｋと称す
る。

【００４６】内外逆転光学系２０は、プリズム軸ｋがレ
ーザビーム８の光軸と一致するように配置される。この
ような内外逆転光学系２０にレーザビーム８が入射する
と、三角柱プリズム２１の屈折作用により、レーザビー
ム８は２分割されると共にそれぞれのレーザビーム８Ｇ
は交差して進み、２分割されたレーザビーム８Ｇは三角
柱プリズム２２の屈折作用によりコリメートされてレー
ザビーム８Ｈとなり、レーザビーム８のプリズム軸ｋよ
り図中上方の部分が出射後にはプリズム軸ｋより図中下
方に移り、レーザビーム８のプリズム軸ｋより図中下方
の部分が出射後にはプリズム軸ｋより図中上方に移る。
しかも、内外逆転光学系２０への入射前にレーザビーム
８の外縁にあった光束が内外逆転光学系２０からの出射
後には中心軸（プリズム軸ｋ）側に、内外逆転光学系２
０への入射前にレーザビーム８の中心軸（プリズム軸
ｋ）側にあった光束が内外逆転光学系２０からの出射後
には外縁側に変換される。

【００４７】つまり、レーザビーム８のエネルギ密度分
布は内外逆転光学系２０によって中央で半分に分割さ
れ、さらに各々の分布の正負が逆転することとなる。内
外逆転光学系２０に入射する前のレーザビーム８、およ
び内外逆転光学系２０を通過した後のレーザビーム８Ｈ
のエネルギ分布の一例を、それぞれ図７（ｂ），（ｃ）
に模式的に示す。この場合も、レーザビームの発散角が
小さいことには変わりがないため、高集光性は確保され
る。

【００４８】三角柱プリズム２１，２２それぞれの底辺
間の距離Ｌは、少なくとも、三角柱プリズム２１への入
射前のレーザビーム８の最外の光束が三角柱プリズム２
２からの出射時には中心軸（プリズム軸ｋ）に一致する
ような距離であることが望ましいが、それより短い距離
であってもレーザビームの内外の逆転が不完全とはなる
ものの、内外逆転光学系２０から出射するレーザビーム
８Ｈの最外の光束は最もエネルギ密度が高いことには変
わりはないので許容される。従って、三角柱プリズム２
１，２２それぞれの底辺間の距離Ｌは、条件に応じて適
宜決定すればよい。

【００４９】以上のような本実施形態によれば、レーザ
ビーム８の断面におけるエネルギ密度分布を、お互いの
底面を対向させた三角柱プリズム２１，２２を有する内
外逆転光学系２０によりレーザビーム８の光軸を含む平
面に対して内外で逆転させるので、レーザビーム８Ｈの
両端部のエネルギ密度が高くなり、第１の実施形態と同
様の理由からドロスの量を減少させることができる。こ
の場合も、必要最小限の体積のみを加工するだけでよい
ので、溶融物の量を減少でき、このことによっても発生
するドロスの量を少なくすることができる。

【００５０】また、アパーチャ等によってレーザビーム
断面の一部を削除することがなく、レーザビームの全エ
ネルギを利用できるため、レーザビームのエネルギを無
駄にすせず有効に利用できる。

【００５１】次に、本発明によるの第５および第６の実
施形態について、それぞれ図８および図９により説明す
る。

【００５２】第５の実施形態では、図８に示すように図
７のＬを０とし、内外逆転光学系２０ａを断面が菱形の
四角柱の光学の光学部材（四角柱プリズムという）２１
ａとする。この場合の四角柱プリズム２１ａの形状は、
入射前のレーザビーム８の最外の光束が四角柱プリズム
２１ａからの出射時には中心軸（プリズム軸ｋ）に一致
するようにすることが望ましい。また、第６の実施形態
では、図９に示すように、四角柱プリズム２１ａの鋭角
部分を切除したような形状の六角柱プリズム２１ｂによ
り内外逆転光学系２０ｂを構成する。

【００５３】以上のような第５および第６の実施形態に
よっても第４の実施形態と同様の効果が得られる。

【００５４】次に、本発明によるの第７の実施形態につ
いて、図１０により説明する。

【００５５】図１０（ａ）に示すように、本実施形態の
内外逆転光学系３０には断面が同一の二等辺三角形の三
角柱プリズム３１，３２が設置されるが、お互いの頂角
同志が対向するように所定の距離Ｌ₁を隔てて配置す
る。それ以外の構成は第４の実施形態と同様である。本
実施形態でも、簡単のため、上記二等辺三角形の頂点か
ら底辺に下した垂線をプリズム軸ｋとする。

【００５６】内外逆転光学系３０にレーザビーム８が入
射すると、三角柱プリズム３１の屈折作用により、レー
ザビーム８は２分割されると共にそれぞれのレーザビー
ム８Ｉは交差して進み、２分割されたレーザビーム８Ｉ
は三角柱プリズム３２の屈折作用によりコリメートされ
てレーザビーム８Ｊとなり、レーザビーム８のプリズム
軸ｋより図中上方の部分が出射後にはプリズム軸ｋより
図中下方に移り、レーザビーム８のプリズム軸ｋより図
中下方の部分が出射後にはプリズム軸ｋより図中上方に
移る。結局、内外逆転光学系３０の機能は第４の実施形
態における内外逆転光学系２０と同様である。

【００５７】ここで、三角柱プリズム３１，３２の光学
的関係について説明する。まず、三角柱プリズム３１の
頂角を２θ、臨界角をｘ_cとすると、三角柱プリズム３
１に入射したレーザビーム８がその三角柱プリズム３１
内で全反射にならないとういう条件から、次式が成り立
つ。

【００５８】

【数３】

【００５９】次いで、ビームの最外の光束が、プリズム
軸ｋよりも図中下側（三角柱プリズム３２の頂点より下
側）に入射するための条件から望ましいＬ₁が決まる。
以下、この望ましいＬ₁を図１０（ｂ）を参照しながら
求める。但し、図１０（ｂ）では三角柱プリズム３１に
入射する最外の光束をＰＱで示し、三角柱プリズム３１
で屈折し出射する光束をＱＲで示す。ここで、三角柱プ
リズム３１の（真空に対する）屈折率をｎ_p、空気の
（真空に対する）屈折率をｎ_a、三角柱プリズム３１か
ら出射する光束の屈折角をαとすると、屈折角の条件式
より次式が成り立つ。

【００６０】

【数４】

【００６１】従って、αは次式で表される。

【００６２】

【数５】

【００６３】また、屈折後の最外の光束ＱＲとプリズム
軸ｋとの交点をＴ、三角柱プリズム３１の頂点Ｓと点Ｔ
との距離をｈとすると、幾何学的関係より、次式が成り
立つ。

【００６４】

【数６】

【００６５】式６を整理すると、次式となる。

【００６６】

【数７】

【００６７】上記式（７）よりｈを求めると次のように
なる。

【００６８】

【数８】

【００６９】Ｌ₁＞ｈの時にレーザビーム８の最外の光
束が、プリズム軸ｋよりも図中下側において三角柱プリ
ズム３２に入射する。即ち、望ましいＬ₁は次式で表さ
れる。

【００７０】

【数９】

【００７１】例えば、θ＝６０°としてαを計算する
と、次のようになる。

【００７２】

【数１０】

【００７３】

【数１１】

【００７４】ここで、レーザビーム８の直径ｄを１０ｍ
ｍとすると、次のようになる。

【００７５】

【数１２】

【００７６】即ち、Ｌ₁＞１１．７ｍｍであることが望
ましいと言える。

【００７７】なお、上記で述べた三角柱プリズム３１，
３２の光学的関係は一例であって、三角柱プリズム３
１，３２以外の光学系を追設する等の他のバリエーショ
ンにおいては、上記光学的関係は絶対的なものではな
い。

【００７８】以上のような本実施形態によれば、レーザ
ビーム８の断面におけるエネルギ密度分布を、お互いの
頂角を対向させた三角柱プリズム３１，３２を有する内
外逆転光学系３０によりレーザビーム８の光軸を含む平
面に対して内外で逆転させるので、レーザビーム８Ｊの
両端部のエネルギ密度が高くなり、第１の実施形態と同
様の理由からドロスの量を減少させることができる。こ
の場合も、必要最小限の体積のみを加工するだけでよい
ので、溶融物の量を減少でき、このことによっても発生
するドロスの量を少なくすることができる。

【００７９】また、アパーチャ等によってレーザビーム
断面の一部を削除することがなく、レーザビームの全エ
ネルギを利用できるため、レーザビームのエネルギを無
駄にすせず有効に利用できる。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、レーザビームの断面に
おけるエネルギ密度分布を、レーザビームの光軸を含む
平面に対して内外で逆転させるので、内外逆転手段を通
過したレーザビームのエネルギ密度分布において、元の
レーザビームのエネルギ密度分布の高い部分を両端に位
置させることができる。従って、加工により除去される
部分の境界で十分な溶融が実現され、補助ガスによる溶
融物除去が十分に行われ、ドロスを減少させることがで
きる。

【００８１】特に、切断を行う場合には、切断溝を形成
するために必要最小限の体積のみを加工するだけでよい
ので、従来よりも少ないエネルギによってもそれを有効
に利用して加工が行え、しかも溶融物の量の減少できる
ため、このことによってもドロスの量を少なくすること
ができる。

【００８２】また、アパーチャ等によってレーザビーム
断面の一部を削除することがなく、レーザビームの全エ
ネルギを利用できるため、レーザビームのエネルギを無
駄にすることがない。さらに、レーザビームの発散角が
小さいことには変わりがないため、高集光性は確保され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態によるレーザ
加工装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はレーザビ
ーム断面のエネルギ密度分布（ガウス型分布）を示す図
であり、（ｃ）は（ｂ）に示すようなガウス型分布をも
つレーザビームを内外逆転光学系に通した後のエネルギ
密度分布を示す図である。

【図２】内外逆転光学系を通過させたレーザビームのエ
ネルギ密度分布の変化を模式的に示す図である。

【図３】（ａ）は、図１のようなレーザ加工装置によっ
て板状の被加工物の切断状況を示す図であり、（ｂ）は
（ａ）のB-B方向からの矢視図であって、エネルギ分布
を逆転したレーザビームが集光されて照射される様子を
示す図である。

【図４】図１のレーザ加工装置における２つのシリンド
リカルレンズ対の光学的関係を説明する図である。

【図５】（ａ）は本発明の第２の実施形態によるレーザ
加工装置を説明する図であり、（ｂ）は（ａ）に示す内
外逆転光学系を通過したレーザビームのエネルギ分布の
一例を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施形態によるレーザ加工装置
を説明する図である。

【図７】（ａ）は本発明の第４の実施形態によるレーザ
加工装置を説明する図であり、（ｂ）は内外逆転光学系
に入射する前のレーザビームのエネルギ分布の一例を示
す図であり、（ｃ）は内外逆転光学系を通過したレーザ
ビームのエネルギ分布の一例を示す図である。

【図８】本発明の第５の実施形態によるレーザ加工装置
を説明する図である。

【図９】本発明の第６の実施形態によるレーザ加工装置
を説明する図である。

【図１０】（ａ）は本発明の第７の実施形態によるレー
ザ加工装置を説明する図であり、（ｂ）はレーザビーム
の最外の光束と三角柱プリズムとの光学的関係を説明す
る図である。

【図１１】従来の一般的なレーザ加工装置の一例を示す
図である。

【図１２】図１１のようなレーザ加工装置によりレーザ
加工を施す際の状態を示す断面図である。

【図１３】（ａ）はレーザビームの光束を示す図であ
り、（ｂ）は（ａ）の断面におけるエネルギ密度分布
（ガウス型分布）を示す図である。

【図１４】（ａ）は図１３のようなレーザビームの経路
内にアパーチャを挿入した状態を示す図であり、（ｂ）
は（ａ）のアパーチャ通過後のレーザビームのエネルギ
密度分布（ガウス型分布）を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２ＹＡＧロッド３Ａエンドミラー３Ｂアウトプットミラー４ビームエキスパンダ６集光レンズ７被加工物７Ａ切断溝７Ｂ加工部８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄレーザビーム８Ｅスポット８Ｆ，８Ｇ，８Ｈ，８Ｉ，８Ｊレーザビーム１０，１０ａ，１０ｂ内外逆転光学系１１，１１ａ，１１ｂシリンドリカルレンズ対１２，１２ａ，１２ｂシリンドリカルレンズ対２０，２０ａ，２０ｂ内外逆転光学系２１三角柱プリズム２１ａ四角柱プリズム２１ｂ六角柱プリズム２２三角柱プリズム３０内外逆転光学系３１，３２三角柱プリズムｆ₁ シリンドリカルレンズ対１１の焦点距離ｆ₂ シリンドリカルレンズ対１２の焦点距離ｎシリンドリカルレンズのそれぞれの中心軸ｍ（シリンドリカルレンズの）対象軸ｋ（三角柱プリズムの）プリズム軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器より出射されるレーザビー
ムを被加工物に照射して加工を行うレーザ加工装置にお
いて、前記レーザ発振器と前記被加工物との間に、前記
レーザビームの断面におけるエネルギ密度分布を、前記
レーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転させ
る内外逆転手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装
置。
【請求項２】請求項１記載のレーザ加工装置におい
て、前記内外逆転手段は、２つのシリンドリカルレンズ
が前記レーザビームの光軸に対し並列して配列され、前
記レーザビームを少なくとも２分割してそれぞれのレー
ザビームを集光させる第１のシリンドリカルレンズ対
と、前記第１のシリンドリカルレンズ対とは別の２つの
シリンドリカルレンズが前記レーザビームの光軸に対し
並列して配列され、前記第１のシリンドリカルレンズ対
により分割され集光された後に再び発散しようとするレ
ーザビームをコリメートする第２のシリンドリカルレン
ズ対と、を含む光学系より構成されることを特徴とする
レーザ加工装置。
【請求項３】請求項１記載のレーザ加工装置におい
て、前記内外逆転手段は、前記レーザビームを２分割す
ると共にそれぞれのレーザビームを交差させて進ませる
断面が二等辺三角形の第１の三角柱プリズムと、前記第
１の三角柱プリズムにより２分割されたレーザビームを
コリメートする断面が二等辺三角形の第２の三角柱プリ
ズムと、を含む光学系より構成されることを特徴とする
レーザ加工装置。
【請求項４】請求項１記載のレーザ加工装置におい
て、前記内外逆転手段は、断面が菱形の四角柱プリズム
を含む光学系より構成されることを特徴とするレーザ加
工装置。