JPH11245074A

JPH11245074A - レーザ加工機におけるレーザビームの焦点スポット径可変装置

Info

Publication number: JPH11245074A
Application number: JP10055141A
Authority: JP
Inventors: Kan Nanba; 敢難波
Original assignee: OIMATSU SANGYO KK
Current assignee: OIMATSU SANGYO KK
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】１台のレーザ加工機によって、薄手から厚手
のあらゆる被加工物の加工が可能なように、終端ビーム
径Ｄを可変するため、レーザ発振器のPRレンズの変更で
はなく、他の手段を検討することとした。【解決手段】レーザ発振器から放射されたレーザビー
ムをベンドミラーで方向を変えながら照射ノズルへと伝
達し、この照射ノズル内の加工レンズによりレーザビー
ムを予め決められたスポット径に収束して被加工物を加
工するレーザ加工機において、レーザ発振器から照射ノ
ズルに至る光路上に凸面鏡１、凹面鏡２又は平面鏡を配
置してなり、レーザビーム３を選択的に組み合わせた前
記各鏡１,２で反射しながら伝達して最終的に加工レン
ズへ至る終端ビーム径Ｄを拡大又は縮小し、加工レンズ
により収束するレーザビームのスポット径又は焦点深度
を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームによ
り被加工物を加工(切断、穿孔、切除等)するレーザ加工
機において、照射するレーザビームのスポット径を拡縮
又は焦点深度を伸縮して、被加工物の板厚又は材質の違
いに合わせた適切なレーザビームの照射を実現するレー
ザビームの焦点スポット径可変装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来一般のレーザ加工機は、レーザビー
ムを生成するレーザ発振器とレーザビームを収束しなが
ら照射する照射ノズルとをベンドミラーで結んだ構成で
ある。レーザビームは、レーザ発振器のアパーチャ(開
口)に配したPRレンズを通過し、光路に出る。光路は当
然直線的となるが、レーザ発振器と照射ノズルとが一直
線上に並んでいないので、光路を折り曲げるため、折曲
点にはベンドミラー(平面鏡)を配設している。こうして
照射ノズルへ辿り着いたレーザビームは、照射ノズル内
の加工レンズによって予め決められたスポット径及び焦
点深度となるように収束し、被加工物に照射していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レーザ発振器出口にお
けるレーザビームのビーム径は、アパーチャとPRレンズ
の曲率(焦点距離)により決まる。また、光路を構成する
ベンドミラーは、単純に光を屈曲させる平面鏡であるか
ら、前記ビーム径はレーザビーム自体の発散角以外に左
右する要素はない。これらから、レーザ発振器出口のビ
ーム径(以下始端ビーム径と呼ぶ)をχ(mm)、レーザ発振
器出口から加工レンズまでの距離をＬ(ｍ)、そしてレー
ザビーム自体の発散角をβ(rad.＝mm/ｍ)とすれば、加
工レンズに到達したレーザビームのビーム径(以下終端
ビーム径と呼ぶ)はＤ＝(χ＋βＬ)(mm)と、一義的に定
まることになる。

【０００４】加工レンズによるレーザビームのスポット
径ｄは、レーザビームの波長をα(mm)、加工レンズの焦
点距離をＦ(mm)とすれば、Ｋα・Ｆ/Ｄe(Ｋは定数でCO₂
レーザの場合は1.27、αは波長でCO₂レーザの場合で10.
6μm)となり、スポット径ｄにおける焦点深度Ｂ(スポッ
ト径ｄの幅を持ったレーザビームの収束長さ)は、２π
α(２Ｆ/Ｄe)²で表される。通常、レーザビームの波長
α、加工レンズの焦点距離Ｆが一定であることから、ス
ポット径ｄ又は焦点深度Ｂを調整するには、終端ビーム
径Ｄを可変する必要があることがわかる。

【０００５】一般に、板厚が大きい場合は焦点深度Ｂを
長くし、板厚が小さい場合はスポット径を絞った方が望
ましく、同じ板厚でもSUS(強ステンレス鋼)等はスポッ
ト径を絞った方がよいとされる。ところが、上述の式か
ら明らかなように、スポット径ｄや焦点深度Ｂを変更す
るには、もっぱらレーザ発振器出口の始端ビーム径χを
拡径又は縮径するほかなかったのであるが、これにはア
パーチャやPRレンズの交換を要し、調整を含めた交換作
業は極めて困難かつ手間がかかり、現実的には不可能に
近かった。そのため、従来は板厚の小さい被加工物に合
わせたレーザ加工機を用いて板厚の大きな被加工物を加
工する場合、被加工物の送る加工スピードを遅くした
り、酸化反応によりレーザ加工を助勢する酸素(Ｏ₂)を
アシストガスに利用するなどで対処していた。

【０００６】近年、被加工物の外観が重視され始め、無
酸化切断に適した窒素(Ｎ₂)をアシストガスに使うよう
になり、アシストガスによる加工の助勢が望めなくなっ
た。また、加工スピードを遅くすると生産効率が低下す
る関係から、実用的な加工スピードの抑制には限界があ
り、結果として取り扱える厚い被加工物に限定が生じて
しまっていた。これは、複数台のレーザ加工機を要求す
ることになるが、生産規模の小さな会社ではコスト、設
置場所の問題等から無理な相談であった。そこで、１台
のレーザ加工機によって、薄手から厚手のあらゆる被加
工物の加工が可能なように、終端ビーム径Ｄを可変する
ため、レーザ発振器のPRレンズの変更ではなく、他の手
段を検討することとした。

【０００７】

【課題を解決するための手段】検討の結果、開発したも
のが、レーザ発振器から放射されたレーザビームをベン
ドミラーで方向を変えながら照射ノズルへと伝達し、こ
の照射ノズル内の加工レンズによりレーザビームを予め
決められたスポット径に収束して被加工物を加工するレ
ーザ加工機において、レーザ発振器から照射ノズルに至
る光路上に凸面鏡、凹面鏡又は平面鏡を配置してなり、
レーザビームを選択的に組み合わせた前記各鏡で反射し
ながら伝達して最終的に加工レンズへ至る終端ビーム径
Ｄを拡大又は縮小し、加工レンズにより収束するレーザ
ビームのスポット径又は焦点深度を調整するレーザビー
ムの焦点スポット径可変装置である。

【０００８】本発明における焦点スポット径可変装置
は、加工レンズに至る前段に、光路に凸面鏡、凹面鏡又
は平面鏡を選択的に組み合わせた迂回路を構成し、この
迂回路において各鏡の組合せにより加工レンズに届くレ
ーザビームの終端ビーム径Ｄを可変する。基本的には、
凸面鏡及び平面鏡を１枚ずつ組合せ、装置へ入射したレ
ーザビームがほぼ同方向に放射できるものが好ましい。
この場合、(1)凸面鏡でレーザビームを拡散した後、凹
面鏡で集光的に修正して平行に戻すか、(2)凹面鏡でレ
ーザビームを集光した後、凸面鏡で拡散的に修正して平
行に戻すようにする。鏡の組合せにおいて、平面鏡があ
ったり、凸面鏡の拡散率と平面鏡の集光率とが対応しな
い場合には、装置を通過した後のレーザビームは拡散気
味又は集光気味のまま加工レンズへ至ることになる。

【０００９】上記装置において、光路上に配置した凸面
鏡、凹面鏡又は平面鏡に他の鏡との交換手段を設け、前
記各鏡に略等価な配置位置へ他の鏡を配置可能にする
と、更に被加工物の板厚又は材質に合わせて終端ビーム
径Ｄを拡大又は縮小して、スポット径又は焦点深度の調
整が可能となる。交換手段としては、各鏡の配置位置の
微調整ができるだけ簡単に済むものが好ましく、例えば
複数枚の鏡を組にしたミラーホルダを作成し、これをレ
ール等の軌道に沿ってスライドさせるものや、円板平面
上又は筒状回転体側面に複数枚の組を張り付け、前記円
板又は回転体を回して鏡を選択するものがある。前記各
交換手段により鏡を選択、交換した鏡は、その鏡の種類
や焦点距離を鑑みて光路に即した反射角を微調整するだ
けでよい。

【００１０】また、光路上に配置した凸面鏡、凹面鏡又
は平面鏡に対応する鏡との距離を可変する移動手段を設
け、前記各鏡の配置関係を変更可能にすると、終端ビー
ム径Ｄの拡大率又は縮小率を加減できるようになり、上
述のように鏡を交換しなくても被加工物の板厚又は材質
の違いによるスポット径又は焦点深度の調整ができるよ
うになる。この場合、各鏡の配置関係が変化するので、
光路に即した反射角を再設定する必要がある。更に、先
に示した交換手段とこの移動手段とを組み合わせれば、
より幅広くスポット径又は焦点深度が調整でき、それだ
け取り扱える被加工物の板厚又は材質の幅を増やすこと
ができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図を参照しながら説明する。図１はレーザ加工機に
おいてレーザ発振器から照射ノズルへと至る光路途中に
配設した焦点スポット径可変装置の側面図、図２は図１
中Ａ矢視図であり、図３は終端ビーム径Ｄとスポット径
ｄ及び焦点深度Ｂとの関係を表した模式図である。図１
中、図外右側にレーザ発振器(図示せず)があり、図中一
点鎖線で示すような２度の反射を受けて図外左側の照射
ノズル(図示せず)へと至る光路を形成している。図１の
例では、第１反射に凸面鏡１を、第２反射に凹面鏡２を
配置し、終端ビーム径Ｄを拡大する構成になっている。

【００１２】既述したように、被加工物の切断に関わる
スポット径ｄ及び焦点深度Ｂと終端ビーム径Ｄとの関係
は、Ｄe＝Ｋα・Ｆ/Ｄe、Ｂ＝２πα(２Ｆ/Ｄe)²(Ｋは定
数でCO₂レーザの場合は1.27、αは波長でCO₂レーザの場
合で10.6μm)で表される。これから、板厚が小さい被加
工物や特定の被加工物(SUS等)を切断するためにスポッ
ト径ｄを絞るには、終端ビーム径Ｄを大きくすればよい
ことがわかる。図１の例では、第１反射における凸面鏡
１で平行に入射するレーザビーム３を拡散させて、第２
反射の凹面鏡２に到達させる。この凹面鏡２では、拡散
傾向にあるレーザビーム３を再び集光して平行に戻し、
照射ノズルへと送るのである。これにより、図１及び図
２に見られるように、入射時に小さかった始端ビーム径
χは大きな終端ビーム径Ｄへと拡大され、図３に示すよ
うに、スポット径ｄを小さくすると共に、焦点深度Ｂを
も短くするのである。これは、空間的に、より狭い個所
へレーザビームのエネルギーを集約することを意味す
る。

【００１３】図４は第１反射に平面鏡４、第２反射に凹
面鏡２を用いた焦点スポット径可変装置の図１相当側面
図で、図５は図１の鏡の組合せから第２反射に焦点距離
が短い別の凹面鏡５と交換した焦点スポット径可変装置
の図１相当側面図である。板厚が大きい被加工物につい
ては、スポット径ｄを拡げてレーザビームを広域に照射
すると共に、焦点深度Ｂを長くして被加工物を貫通する
ようにしなければうまく切断できない。また、スポット
径ｄを決定する終端ビーム径Ｄは、あくまで照射ノズル
の加工レンズへ到達したときのものであるから、レーザ
ビームを拡散又は集光した後に、必ず平行に復帰させる
必要はない。そこで、図４に見られるように、第１反射
に平面鏡４を用い、レーザビーム３を拡散又は集光せ
ず、第２反射の凹面鏡２で集光のみさせてもよい。この
集光傾向のレーザビーム３は小さな終端ビーム径Ｄを加
工レンズにもたらす。このような終端ビーム径Ｄの縮小
は、第１反射に凹面鏡、第２反射に平面鏡を用いた場合
でも同様である。更に、図５に見られるように、第１反
射に図１の例と同じ凸面鏡１を用いながら、第２反射に
焦点距離の短い凹面鏡５を用いれば、同様に集光気味の
レーザビーム３を加工レンズへと導くことができる。こ
のように、本発明は凹面鏡、凸面鏡、そして平面鏡の組
合せにより、終端ビーム径Ｄの拡大又は縮小が自在に変
更できる。

【００１４】図５における凹面鏡５への交換は、図２に
見られる複数枚の凹面鏡２,５を組にしたミラーホルダ
６をレール７に沿って平行移動させることにより、交換
後の各鏡１,５間の配置関係の調整を最低限に抑えるこ
とができる。調整を簡素化する交換手段としては、前記
のほかに、円板平面上又は筒状回転体側面に複数の鏡を
張り付け、この円板又は回転体を回転させるものがあ
る。いずれにしても、対応する鏡(図５の例は第１反射
の凸面鏡１)との関係で、反射角の適正度を確認、再調
整することが望ましい。本例では、第２反射におけるミ
ラーホルダ６を一体として光路に直交する回動軸８を設
け、ミラーホルダ６の平行移動及び凹面鏡の反射角の調
整をモータ９,10駆動により連動させている。

【００１５】図６は図１の例において第１反射の凸面鏡
１を第２反射の凹面鏡２に対して後退させた焦点スポッ
ト径可変装置の図１相当側面図であり、図７は同様に第
２反射の凹面鏡２に対して接近させた同焦点スポット径
可変装置の図１相当側面図である。本発明の焦点スポッ
ト径可変装置は、凸面鏡によりレーザビームを拡散する
か、凹面鏡により集光する。このため、拡散又は集光傾
向にある前記レーザビームをどの時点で平行に復帰させ
るかにより、終端ビーム径Ｄの拡大率又は縮小率を加減
することができる。図１に示した焦点スポット径可変装
置では、先に示したように、第２反射の凹面鏡２,５を
交換可能にすると共に、第１反射の凸面鏡１を第２反射
の凹面鏡２(５)に対して進退可能にし、両者の鏡１,２
(５)の配置関係を調整できるようにしている。

【００１６】これにより、例えば図６に見られるよう
に、凸面鏡１を後退させれば、第１反射から第２反射に
至るレーザビーム３の拡大率が増し、最終的にはより大
きな終端ビーム径Ｄとなり、より小さなスポット径ｄ及
び短い焦点深度Ｂが得られることとなる。逆に、図７に
見られるように、凸面鏡１を前進させれば、第１反射か
ら第２反射に至るレーザビーム３の縮小率が減り、最終
的に得られる終端ビーム径Ｄは小さくなり、スポット径
ｄの縮小は小さく、また焦点深度Ｂの短縮はそれほど大
きくならない。この各鏡１,２(５)の配置関係の変更で
は、光路の変更を伴うことから反射角の再設定が必要と
なる。このため、本例では第１反射における凸面鏡１に
も光路に直交する回動軸８を設け、反射角調整用モータ
10を取り付けて反射角の調整を凸面鏡１の移動に連動さ
せて実施できるようにしている。

【００１７】

【実施例】本発明の焦点スポット径可変装置の有用性を
実証するため、同一のレーザ加工機において、図１相当
の焦点スポット径可変装置を配し、異なる終端ビーム径
ＤによるSUS鋼板の切断加工を試みた。第１実施例は終
端ビーム径Ｄを29mmφ(第１反射：凸面鏡、第２反射：
凹面鏡)、第２実施例は終端ビーム径Ｄを22mmφ(第１反
射：凸面鏡、第２反射：凹面鏡)とし、それぞれ板厚2.0
mm〜12.0mmの範囲で７種類のSUS鋼板を切断し、切断面
の状態、最適な加工スピード(ｍ/min.)及びその他切断
面周囲の状態を比較した。使用したレーザ加工機は、CO
₂レーザによる出力3.0kWの比較的低い性能のレーザ発振
器を備えた小型の装置であり、アシストガスには、切断
面の酸化を引き起こさない窒素N₂を用いた。試験結果
を、表１にまとめた。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１から、終端ビーム径Ｄ＝29mmφの場合
については、4.0mm以下の薄い板厚に適していることが
わかる。この場合、加工スピードは最大で2400ｍ/min.
と非常に速く、レーザ加工機を用いた生産効率を高める
ことができる。しかし、終端ビーム径Ｄが大きいという
ことは、スポット径ｄが小さく、焦点距離Ｂも短いとい
うことなので、板厚が大きくなるとうまく切断できなく
なる。表１に示す結果では、5.0mmの板厚からバリが発
生して実際上使用できなきなくなり、板厚が9.0mmを越
えると切断すら不可能になっている。このことは、従来
示されていたスポット径ｄと切断作業との関連を、本発
明が実証することを表している。

【００２０】終端ビーム径Ｄ＝22mmφでは、板厚が薄い
場合にも切断可能であるが、ドロスの付着が認められ、
実際上製品の切断作業には使用できないが、上記終端ビ
ーム径Ｄ＝29mmφでは問題のあった板厚が5.0〜9.0mmの
範囲で、最良の切断を実現している。また、バリの発生
は認められるもの、12.0mmという非常に厚い切断も可能
としている。特筆すべきは、厚い板厚のSUS鋼板の切断
における加工スピードが、従来に比べて非常に速いこと
である。これは、終端ビーム径Ｄを最適化したことによ
るところが大きい。これらから、終端ビーム径Ｄを29mm
φと22mmφとの間で変更可能にするだけで、製品の切断
作業として板厚2.0mm〜9.0mmまでの広い範囲に対応で
き、しかも加工スピードを高めて生産効率を高めること
ができることとなる。以上の効果は、出力3.0kWという
比較的小型のレーザ発振器を備えたレーザ加工機で実現
される点も評価できる。

【００２１】次に、本発明の焦点スポット径可変装置に
よる切断可能な板厚の範囲の拡大や加工スピードの高速
化という効果が、アシストガスに酸素(Ｏ₂)を用いたと
き、更に高められるのではないかとの判断から、上記同
様の切断試験を試みた。試験条件は上記と同じである
が、アシストガスに酸素(Ｏ₂)を用いた点が異なる。試
験結果を、表２にまとめる。

【００２２】

【表２】

【００２３】終端ビーム径Ｄ＝29mmφでは、すべての板
厚に良好な結果が得られた。板厚の違いは、加工スピー
ドの違いとなって現れている。このことから、本発明の
焦点スポット径可変装置は、材質の違いに合わせてレー
ザ加工機の特性をチューニングするという側面を有する
ことがわかる。また、終端ビーム径Ｄ＝22mmφでは上記
試験と異なり、板厚が薄い範囲で良好な結果が得られ、
実際の使用に耐えうる板厚の範囲が全体に薄い方へとシ
フトしている。これは、アシストガスである酸素(Ｏ₂)
の酸化反応が影響しているものと思われる。上記試験で
最良であった板厚5.0mm又は6.0mmでの切断面が粗いの
は、これを裏づけるものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明の焦点スポット径可変装置によっ
て、比較的出力の低いレーザ発振器を備えたレーザ加工
機であっても容易に終端ビーム径Ｄを変更することで、
材質の違いに応じた切断等の加工性能を高めるチューニ
ングを可能にし、切断等の加工が可能な板厚の範囲を拡
げ、加工スピードをも高めることができるようになる。
これは、レーザ加工機の製造装置としての性能を高める
ことを意味し、生産効率の向上として全体に好影響を与
える効果をもたらす。１台のレーザ加工機による被加工
物の対応範囲の拡大は、レーザ発振器の出力を高めるこ
とでも対応できるが、それでは設備の投入コスト及び維
持コストが高くついてしまう。これに対して、本発明に
よれば前記コストをかなり低く抑えることができ、経済
的にも本発明が優れていることがわかる。

【００２５】本発明の特徴は、上記効果を、凸面鏡、凹
面鏡及び平面鏡の組合せによって、安価かつ容易に実現
する点にある。光路途中においてレーザビームの拡大又
は縮小を試みる手段としては、凸レンズ及び凹レンズの
組合せによっても可能であるが、レーザビームに耐え、
かつエネルギーロスを抑えるレンズ(Zn-Seレンズ)は非
常に高価で、定期的な交換が必要なことから実際的では
ない。そこで、本発明では、前記レンズに比べて非常に
安価な反射鏡を用いてレーザビームの拡大又は縮小をす
ることで、レンズを使用した場合よりも高い効果(レー
ザ加工機の性能向上、経済性)を得ることができたので
ある。

【００２６】また、本発明による材質の違いによるチュ
ーニングの機能は、比較的低出力のレーザ発振器を備え
たレーザ加工機であっても、アシストガスに窒素(Ｎ₂)
を用いた無酸化反応環境下での被加工物の加工を可能に
する。これは、新たな設備投資が経営に大きく影響する
企業にとって、現在有する小型のレーザ加工機を代替え
することなく、今後主流となる無酸化反応環境下での被
加工物の加工に対応できるようにし、余分な設備投資を
抑制すると共に受注できる仕事の幅を拡げる。この設備
投資に関する点は、こうした企業にとって大きな利点で
あり、本発明がとりわけ設備投資の観点から大きな利益
をもたらすことがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ加工機においてレーザ発振器から照射ノ
ズルへと至る光路途中に配設した焦点スポット径可変装
置の側面図である。

【図２】図１中Ａ矢視図である。

【図３】終端ビーム径Ｄとスポット径ｄ、焦点深度Ｂと
の関係を表した模式図である。

【図４】第１反射に平面鏡、第２反射に凹面鏡を用いた
焦点スポット径可変装置の図１相当側面図である。

【図５】図１の鏡の組合せから第２反射に焦点距離が短
い別の凹面鏡と交換した焦点スポット径可変装置の図１
相当側面図である。

【図６】図１の例において第１反射の凸面鏡を第２反射
の凹面鏡に対して後退させた焦点スポット径可変装置の
図１相当側面図である。

【図７】図１の例において第１反射の凸面鏡を第２反射
の凹面鏡に対して接近させた焦点スポット径可変装置の
図１相当側面図である。

【符号の説明】

１凸面鏡２凹面鏡３レーザビーム４平面鏡５別の凹面鏡６ミラーホルダ７レール８回動軸９平行移動用モータ 10 反射角調整用モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から放射されたレーザビー
ムをベンドミラーで方向を変えながら照射ノズルへと伝
達し、該照射ノズル内の加工レンズによりレーザビーム
を予め決められたスポット径に収束して被加工物を加工
するレーザ加工機において、レーザ発振器から照射ノズ
ルに至る光路上に凸面鏡、凹面鏡又は平面鏡を配置して
なり、レーザビームを選択的に組み合わせた前記各鏡で
反射しながら伝達して最終的に加工レンズへ至るビーム
径を拡大又は縮小し、加工レンズにより収束するレーザ
ビームのスポット径又は焦点深度を調整してなるレーザ
加工機におけるレーザビームの焦点スポット径可変装
置。
【請求項２】光路上に配置した凸面鏡、凹面鏡又は平
面鏡に他の鏡との交換手段を設け、前記各鏡に略等価な
配置位置へ他の鏡を配置可能にしてなる請求項１記載の
レーザ加工機におけるレーザビームの焦点スポット径可
変装置。
【請求項３】光路上に配置した凸面鏡、凹面鏡又は平
面鏡に対応する鏡との距離を可変する移動手段を設け、
前記各鏡の配置関係を変更可能にしてなる請求項１記載
のレーザ加工機におけるレーザビームの焦点スポット径
可変装置。