JPH09206973A - レーザ加工機 - Google Patents
レーザ加工機Info
- Publication number
- JPH09206973A JPH09206973A JP8019079A JP1907996A JPH09206973A JP H09206973 A JPH09206973 A JP H09206973A JP 8019079 A JP8019079 A JP 8019079A JP 1907996 A JP1907996 A JP 1907996A JP H09206973 A JPH09206973 A JP H09206973A
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- JP
- Japan
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- lens
- light
- aspheric surface
- laser
- laser beam
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- Pending
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- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 集光レンズを改善してレーザ加工機の性能を
向上させることである。 【解決手段】 レーザ光を集光してワークに照射する集
光レンズ１を、入射面又は出射面の少なくとも一方が非
球面（図は１１が凸非球面、１４が凹非球面）のレンズ
とする。また、そのレンズのＦナンバーを０．７５〜
３．０とし、球面収差による加工性能の低下をなくす。
向上させることである。 【解決手段】 レーザ光を集光してワークに照射する集
光レンズ１を、入射面又は出射面の少なくとも一方が非
球面（図は１１が凸非球面、１４が凹非球面）のレンズ
とする。また、そのレンズのＦナンバーを０．７５〜
３．０とし、球面収差による加工性能の低下をなくす。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＣＯ2 レーザ、
ＹＡＧレーザ等のレーザ光線を用いて切断、穴明け、溶
接等の熱加工を行うレーザ加工機に関する。
ＹＡＧレーザ等のレーザ光線を用いて切断、穴明け、溶
接等の熱加工を行うレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ加工機は、発振器から送られてく
るレーザ光を導光路の終端近くで集光し、その集光でエ
ネルギー密度の高まった光をワークに照射する。集光に
は、例えばＣＯ2 レーザによる熱加工の場合、ＺｎＳｅ
の球面レンズが用いられている。
るレーザ光を導光路の終端近くで集光し、その集光でエ
ネルギー密度の高まった光をワークに照射する。集光に
は、例えばＣＯ2 レーザによる熱加工の場合、ＺｎＳｅ
の球面レンズが用いられている。
【０００３】その集光レンズは、レーザ加工機の性能に
大きな影響を及ぼす。即ち、レーザ加工での焦点位置の
設定と加工品質には密接な関係がある。例えば、溶接の
場合、図１のように、レーザ光Ａの焦点Ｓの位置がワー
クＷの表面から離れるに従って、溶け込み深さＨが急激
に減少する。これは焦点位置がワーク表面より上になる
と反射損失が大きくなることと、ワーク表面上のプラズ
マにレーザ光が吸収されるためと考えられている。
大きな影響を及ぼす。即ち、レーザ加工での焦点位置の
設定と加工品質には密接な関係がある。例えば、溶接の
場合、図１のように、レーザ光Ａの焦点Ｓの位置がワー
クＷの表面から離れるに従って、溶け込み深さＨが急激
に減少する。これは焦点位置がワーク表面より上になる
と反射損失が大きくなることと、ワーク表面上のプラズ
マにレーザ光が吸収されるためと考えられている。
【０００４】このため、焦点位置はワーク表面もしくは
ワーク内部に設定することが多い。
ワーク内部に設定することが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】レーザ光を火源とした
酸化燃焼反応を利用する加工（例えば鉄系材料の切断）
では、先端のノズルからアシストガス（酸素）を被加工
部に大量に供給して反応を促進する方法が採られる。こ
れは、加工速度を上げるためのひとつの手法であるが、
加工速度アップの条件としては、レーザ光のエネルギー
密度を高めることが特に重要である。
酸化燃焼反応を利用する加工（例えば鉄系材料の切断）
では、先端のノズルからアシストガス（酸素）を被加工
部に大量に供給して反応を促進する方法が採られる。こ
れは、加工速度を上げるためのひとつの手法であるが、
加工速度アップの条件としては、レーザ光のエネルギー
密度を高めることが特に重要である。
【０００６】そのエネルギー密度は、レンズの焦点距離
を短くすることによって高めることができる。ところ
が、球面の集光レンズであると下記の問題が生じる。
を短くすることによって高めることができる。ところ
が、球面の集光レンズであると下記の問題が生じる。
【０００７】図２（ａ）、（ｂ）は、直径５０．８mm、
焦点距離１２７mmの平凸球面レンズを例に挙げてそのレ
ンズの集光特性を示したものであって、図２（ａ）から
判るように、球面レンズでは球面収差の影響により、最
小絞り径（スポットサイズ）が小さくならない。
焦点距離１２７mmの平凸球面レンズを例に挙げてそのレ
ンズの集光特性を示したものであって、図２（ａ）から
判るように、球面レンズでは球面収差の影響により、最
小絞り径（スポットサイズ）が小さくならない。
【０００８】また、図２（ｂ）から判るように、同じく
球面収差の影響により焦点近傍、特に、レンズに近い側
において光の強度分布が大きく崩れる。
球面収差の影響により焦点近傍、特に、レンズに近い側
において光の強度分布が大きく崩れる。
【０００９】このため、球面レンズを使用している従来
のレーザ加工機は、加工品質、加工速度の向上に限界が
あり、また、ワークの材種によっては安定した加工がで
きないこともあった。
のレーザ加工機は、加工品質、加工速度の向上に限界が
あり、また、ワークの材種によっては安定した加工がで
きないこともあった。
【００１０】そこで、この発明は、集光レンズを改善し
てレーザ加工機の性能を向上させることを課題としてい
る。
てレーザ加工機の性能を向上させることを課題としてい
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、集光レンズとして非球面レン
ズを用いる。ここで言う非球面レンズとは、光の入射面
又は出射面の少なくとも一方が非球面であるものを指
す。なお、この非球面レンズは、Ｆナンバー（焦点距離
／レンズ直径）が０．７５〜３．０であるものを用い
る。
め、この発明においては、集光レンズとして非球面レン
ズを用いる。ここで言う非球面レンズとは、光の入射面
又は出射面の少なくとも一方が非球面であるものを指
す。なお、この非球面レンズは、Ｆナンバー（焦点距離
／レンズ直径）が０．７５〜３．０であるものを用い
る。
【００１２】
【作用】集光レンズを非球面レンズにすると、球面収差
の影響を排除できる。
の影響を排除できる。
【００１３】図３に凸面を非球面にした例を示す。この
場合の非球面式は、次式で示される。
場合の非球面式は、次式で示される。
【００１４】
【数１】
【００１５】これにより、例えば、下記の形状、諸元の
ＺｎＳｅ非球面レンズの場合、図４（ａ）、（ｂ）に示
すように、焦点距離が短くても最小絞り径が小さく、強
度分布が崩れない集光ビームを得ることができる。
ＺｎＳｅ非球面レンズの場合、図４（ａ）、（ｂ）に示
すように、焦点距離が短くても最小絞り径が小さく、強
度分布が崩れない集光ビームを得ることができる。
【００１６】−レンズ仕様− （直径：φ５０．８mm−４．０mm、屈折率＝２．４０３
＠１０．６μｍ） レーザ入射面：Ｒ＝１１２．４６２mm、 Ａ4 ：−0.31021112、Ａ6 ：＋0.21655348、 Ａ8 ：−0.40599430、Ａ10：＋0.24179966、 レーザ出射面：Ｒ＝２９５．６３１mm なお、Ｆナンバーについて数値限定を行ったのは、実用
域での非球面効果を考えてのことであって、以下の理由
による。
＠１０．６μｍ） レーザ入射面：Ｒ＝１１２．４６２mm、 Ａ4 ：−0.31021112、Ａ6 ：＋0.21655348、 Ａ8 ：−0.40599430、Ａ10：＋0.24179966、 レーザ出射面：Ｒ＝２９５．６３１mm なお、Ｆナンバーについて数値限定を行ったのは、実用
域での非球面効果を考えてのことであって、以下の理由
による。
【００１７】即ち、Ｆナンバーが０．７５以下では光学
設計上非常に困難であり、実用的でない。また、Ｆナン
バーが増加すると球面収差が減少し、球面との集光特性
に差が出ない。図５乃至図１０に示すように、球面レン
ズと非球面レンズの集光特性（最小ビーム径＝スポット
径、ピーク強度）に明確な差異が認められるのは、Ｆナ
ンバーが３．０までであり、従って、上限を３．０とし
た。
設計上非常に困難であり、実用的でない。また、Ｆナン
バーが増加すると球面収差が減少し、球面との集光特性
に差が出ない。図５乃至図１０に示すように、球面レン
ズと非球面レンズの集光特性（最小ビーム径＝スポット
径、ピーク強度）に明確な差異が認められるのは、Ｆナ
ンバーが３．０までであり、従って、上限を３．０とし
た。
【００１８】
【発明の実施の形態】レーザ加工機は、レーザ発振器で
発生させたレーザ光を導光路に通し、導光路の終端近く
に設けた集光レンズで絞ってワークに照射する構造にな
っている。また、多くのものが集光レンズに至るまでに
レーザ光を揺動ミラーで反射させて１軸走査或いは２軸
走査を行えるようにしている。さらに、照射点の周りに
アシストガスを供給するものは、集光レンズの出射側に
光路を取巻くノズルを付け、そのノズル内に導入したア
シストガスをノズルの先端から被加工部に向けて吹き出
す構成にしている。
発生させたレーザ光を導光路に通し、導光路の終端近く
に設けた集光レンズで絞ってワークに照射する構造にな
っている。また、多くのものが集光レンズに至るまでに
レーザ光を揺動ミラーで反射させて１軸走査或いは２軸
走査を行えるようにしている。さらに、照射点の周りに
アシストガスを供給するものは、集光レンズの出射側に
光路を取巻くノズルを付け、そのノズル内に導入したア
シストガスをノズルの先端から被加工部に向けて吹き出
す構成にしている。
【００１９】このような加工機の構造は、例えば、レー
ザプロセシング（１９９３．３．１０発行、発行元：日
経技術図書）などに記されている。この発明の加工機も
構造は従来機と同じであり、従って、ここでは加工機の
構造図は省略し、従来機と相違する集光レンズについて
説明する。
ザプロセシング（１９９３．３．１０発行、発行元：日
経技術図書）などに記されている。この発明の加工機も
構造は従来機と同じであり、従って、ここでは加工機の
構造図は省略し、従来機と相違する集光レンズについて
説明する。
【００２０】図１１に、この発明のレーザ加工機に用い
る集光レンズの実施形態を示す。
る集光レンズの実施形態を示す。
【００２１】同図（ａ）の集光レンズ１は、レーザ入射
面及び出射面の形状について、凸非球面１１／平面１２
の組合わせを採用したものである。この入、出射面の形
状の組合せは、同図（ｂ）に示す凸非球面１１／凹球面
１３、同図（ｃ）に示す凸非球面１１／凹非球面１４、
同図（ｄ）の凸球面１５／凹非球面１４などであっても
よい。但し、いずれのレンズもＦナンバーは０．７５〜
３．０にしておく。
面及び出射面の形状について、凸非球面１１／平面１２
の組合わせを採用したものである。この入、出射面の形
状の組合せは、同図（ｂ）に示す凸非球面１１／凹球面
１３、同図（ｃ）に示す凸非球面１１／凹非球面１４、
同図（ｄ）の凸球面１５／凹非球面１４などであっても
よい。但し、いずれのレンズもＦナンバーは０．７５〜
３．０にしておく。
【００２２】図１２に、超精密旋盤を用いて加工した図
１１（ａ）の形状の非球面レンズの集光特性を示す。こ
のレンズは、直径５０．８mm、焦点距離１２７mmであ
り、Ｆナンバーは２．５になっている。
１１（ａ）の形状の非球面レンズの集光特性を示す。こ
のレンズは、直径５０．８mm、焦点距離１２７mmであ
り、Ｆナンバーは２．５になっている。
【００２３】この図１２から判るように、試作レンズ
は、レンズに近い側（マイナス位置）で光のピーク強度
が崩れておらず、これにより、レーザ熱加工（切断、穴
明け、溶接等）の高速化が図れ、また、従来機では困難
であった材料などの加工も可能になる。
は、レンズに近い側（マイナス位置）で光のピーク強度
が崩れておらず、これにより、レーザ熱加工（切断、穴
明け、溶接等）の高速化が図れ、また、従来機では困難
であった材料などの加工も可能になる。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のレーザ
加工機は、非球面の集光レンズを用いて球面収差による
影響を排除したので、焦点距離が短くてもスポットサイ
ズを小さくしてレーザ光のエネルギー密度を高めること
ができ、また、光のピーク強度も崩れず、ＣＯ2 レーザ
加工機、ＹＡＧレーザ加工機を初めとするレーザ加工機
の加工品質向上、加工の高速化が図れる。
加工機は、非球面の集光レンズを用いて球面収差による
影響を排除したので、焦点距離が短くてもスポットサイ
ズを小さくしてレーザ光のエネルギー密度を高めること
ができ、また、光のピーク強度も崩れず、ＣＯ2 レーザ
加工機、ＹＡＧレーザ加工機を初めとするレーザ加工機
の加工品質向上、加工の高速化が図れる。
【図１】レーザ溶接における焦点位置と溶け込み深さの
関係の解説図
関係の解説図
【図２】（ａ）球面集光レンズによるレーザ光の絞り状
態を示す図 （ｂ）同上のレンズを用いた場合の光のピーク強度のコ
ンピュータ解析図
態を示す図 （ｂ）同上のレンズを用いた場合の光のピーク強度のコ
ンピュータ解析図
【図３】非球面式の解説図
【図４】（ａ）非球面集光レンズによるレーザ光の絞り
状態を示す図 （ｂ）同上のレンズを用いた場合の光のピーク強度のコ
ンピュータ解析図
状態を示す図 （ｂ）同上のレンズを用いた場合の光のピーク強度のコ
ンピュータ解析図
【図５】（ａ）Ｆナンバーとスポットサイズの関係の調
査データを示す図表 （ｂ）Ｆナンバーと光のピーク強度の関係の調査データ
を示す図表
査データを示す図表 （ｂ）Ｆナンバーと光のピーク強度の関係の調査データ
を示す図表
【図６】球面レンズの焦点距離、レンズ直径と最小ビー
ム径との関係を示す図表
ム径との関係を示す図表
【図７】非球面レンズの焦点距離、レンズ直径と最小ビ
ーム径との関係を示す図表
ーム径との関係を示す図表
【図８】球面レンズの焦点距離、レンズ直径とピーク強
度の関係を示す図表
度の関係を示す図表
【図９】非球面レンズの焦点距離、レンズ直径とピーク
強度の関係を示す図表
強度の関係を示す図表
【図１０】Ｆナンバーをまとめた図表
【図１１】（ａ）〜（ｄ）この発明の加工機に用いる非
球面レンズの実施形態を示す図
球面レンズの実施形態を示す図
【図１２】非球面レンズにおけるピーク強度の分布図
１ 集光レンズ １１ 凸非球面 １２ 平面 １３ 凹球面 １４ 凹非球面 １５ 凸球面
Claims (1)
- 【請求項１】 発振器から導かれたレーザ光を集光レン
ズで集光してワークに照射し、切断、穴明け、溶接等を
行うレーザ加工機において、前記集光レンズとして、光
の入射面又は出射面の少なくとも一方が非球面であり、
かつＦナンバー（焦点距離／レンズ直径）が０．７５〜
３．０である非球面レンズを用いることを特徴とするレ
ーザ加工機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8019079A JPH09206973A (ja) | 1996-02-05 | 1996-02-05 | レーザ加工機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8019079A JPH09206973A (ja) | 1996-02-05 | 1996-02-05 | レーザ加工機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09206973A true JPH09206973A (ja) | 1997-08-12 |
Family
ID=11989442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8019079A Pending JPH09206973A (ja) | 1996-02-05 | 1996-02-05 | レーザ加工機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09206973A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7348517B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-03-25 | Fanuc Ltd | Laser cutting apparatus with a high quality laser beam |
-
1996
- 1996-02-05 JP JP8019079A patent/JPH09206973A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7348517B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-03-25 | Fanuc Ltd | Laser cutting apparatus with a high quality laser beam |
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