JPS60111788A - レーザー加工装置 - 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〕 本発明はレーザービームによって加工片を加工するレー
ザー加工装置に関する。

〔従来の技術〕

レーザーを用いて加工片を加工するに際したびたび起る
問題は、ある種の加工（ラベリング、トリミングなど）
においては高強度のビームが必要とされる一方、他の加
工（例えばろう付けなど）では大出力のビームが必要と
されることにある。それ故通常は、用途に応じて最も好
ましいレーザーを用いるか、あるいは既存の装置を手動
でセットし直して用いている。ビーム・ぐラメータ（例
えば加工片上でのビームの直径及び出力）を用途に最も
よく適合させるためには、一般に、共振器の内部の光学
的要素（モードダイヤフラム、レンズ）と共振器の外部
の光学的要素（例えばビーム拡大器、レンズ、ダイヤフ
ラム、フィルター）を共に設置し、取り替えを行い、あ
るいはセットのし直しを行う必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、異ったビームパラメータが要求される異
った種類の加工を同一の加工片に対して行うとすれば、
このセットのし直しは多くの場合あまりにも時間を要す
る。さらに、手動によるセットのし直しは面倒であり、
またレーザー光の放射、電圧等によりしばしば危険であ
る。

本発明の目的は以上のような不都合を解消すると共に、
異なる用途に応じて行われるレーザーシステムのセット
のし直しを遠隔操作で行えるようにすることにより、レ
ーザー加工装置を改良することにある。これに関連して
本発明が特に目的とするのは、ビームの横モード分布、
すなわち断面積を簡単に変更しうるようにすることであ
る。

簡単に述べるならばこれらの目的は、本発明ニ従ッテ、
レーザービームの横モード分布、スなわち断面積あるい
は断面の形状を調節するた−めに共振器の中にサーボ操
作のモード選択手段を設けることにより達成される。さ
らに特定すれば、本発明によるレーザー加工装置には、
レーザービームの横モード分布を変化させるためのサー
ボ操作による調節可能なダイヤフラノ・が設けられる。

米国特許第３，６８９，２９６号に調節可能なダイヤフ
ラムを用いたガスレーザーについての記載があるが、こ
れは外見上は似ていながら、その目的−や機能は本発明
によるものとは全く異る。このダイヤフラムは、特にま
だ根本的に最低の横モードで発振するガスレーザーの周
波数を調整するためのものである。このレーザーでは、
横モード分布を変えるという問題は生じない。

米国特許第３，９４０，７１２号ではレーザー発生装置
のだめの特殊な変調器に関する記載があり、−、−、−
、−、−、−、，７ｒ＼％ｍ６ＭｒＰ］Ｊｔｂうにノｔ
ａ−７：ｌ／−１！ヒ位相が変えられるとしている。変
調器はル−ザー共振器の中に挿入された全反射プリズム
から成っている。そして、このプリズムのベース面と間
隔をおいてそれ−に平行に鏡が取付けられており、この
鏡とプリズムのベース面との間隔は圧電変換手段により
調節できるようになっている。この変調器は共振器の有
効長さに影響を与え、それ故レーザーの発振波の周波数
と位相知影響を与える。しかしながら、これはモード分
布、特に横モード分布を変化させるのには適当でない。

公開されたＰＣＴ出願第ＷＯ３１１０２９５６０号にお
いて、ビーム経路を曲げるための反転プリズムをもって
構成された導波管レーザー装置の記載がある。反転プリ
ズムの短辺面の１つに対し間隔をおいてそれに平行にも
う１つのプリズムが取付けられていて、この間隔が変え
られるようになっている。この間隔を変えることにより
レーザーの発振波の特質は影響されるであろうが、この
装置はモード分布を変えるには適していない。

〔実施例〕

本発明の更なる特徴や利点は、図面に示される実施例に
ついての以下の説明により明らかとなろう。

本発明によるレーザー加工装置の最も本質的な構成要素
を第１図に示す。これら構成要素は、レーザービームＬ
を発生させるだめのレーザー発生装置Ｇと、レーザービ
ームを加工片）■の」−に集束せしめるだめの光学アセ
ンブ’Ｊ　Ｏと、ビーム拡大器Ａと、レーザー発生装置
Ｇ及びビーム拡大器Ａを調整するだめの電子制御装置Ｅ
とを有している。レーザー発生装置Ｇはすなわち共振器
であって、これは２つの鏡Ｍｌ及びＭ２と、発振媒体Ａ
Ｍと、クォリティスイッチ。と、モードダイヤフラ”ム
ＭＢとでなっている。

ここまでの説明では、図示の装置は既存技術そのままの
もので、それ以上の説明を要しないように思われる。し
かしながら、本発明によればこの形式の公知の装置とは
異なシ、モードダイヤフラムＭＢとビーム拡大器Ａは装
置に固定して取付けられ、あるいはセットされているの
ではなく、それらは第１図に矢印で示すように、サーボ
操作によりその効果が調節されうるように変えられる。

このようＫしてビームパラメータは簡単かつ迅速に、広
範囲に変る加工上の要求に適合される。

調節可能なモードダイヤフラムＭＢの図式的な一例を第
２ａ図、第２ｂ図に示す。図示のようにモードダイヤフ
ラムＭＢｉｄ、ビームの経路に永久的に位置している固
定のダイヤフラム部分Ｂ１および旋回してビームの経路
に貫入できるような可動のダイヤフラム部分Ｂ２で成っ
ている。

可動のダイヤフラム部分Ｂ２の回転軸Ａ２はシステムの
光軸ＯＡに垂直で、この可動のダイヤフラム部分Ｂ２の
面に平行あるいはその面内にある。

ダイヤフラム部分Ｂ２は、ダイヤフラム部分Ｂｌよりも
小さい孔がある。従って、可動のダイヤフラム部分Ｂ２
が第２ａ図のように固定のダイヤフラム部分Ｂｌから旋
回して離れているときけ比較的大きな断面のビームが得
られ、一方、可動のダイヤフラム部分Ｂ２が旋回して第
２ｂ図の位置にあるときはビームの径はより小さくなる
。

第６図は可変のモードダイヤフラムＭＢの実際装置とし
ての実施例を示す。固定のダイヤフラム部分は通常そう
であるようにチューブ１０　”の形態をなしており、そ
れにはねじを切った結合部１１がついていて、調整可能
なホルダー（不図示）にその結合部１１がねじ込まれる
。

支持台２０に対してチューブ１０が、スタッドねじ１２
により固定されている。直流モータ３゜が支持台２０に
取付けられており、そのシャフト６１に可動板４０がつ
いているが、これが可動のダイヤフラム部分Ｂ２を形成
している。止めビン５０は可動板４０のチューブ１ｏか
ら離れる方向の旋回運動を止めるだめのものである。

直流モータ６０に電圧を印加すると、その極性によって
、可動板４０はチューブ１０の前部においてビームの経
路に貫入するよう旋回し、あるいはそこから離れるよう
に旋回する。適当に直流モータを選定すればこの動作は
、例えばオぜレークが希望するある１つのモードを入力
したことに」：って電子制御装置Ｅが発するＴＴＴ、信
号によって、極めて簡単に実現される。

第３図に示すタイプの可変のモードダイヤフラムＭ　Ｂ
の特記すべき゛利点としては、（１）既育の通常方式の
保持装置を変更することなく、丑だ、調節の機能を維持
し々から、普通の固定のダイヤフラムの交換を直ちに行
えること、 （２）使用中に磨耗するような機械的停止手段を用いる
ことなく正確な位置決めができること、（３）出力の損
失分が薄いダイヤフラムの板から、支持台にねじ止めさ
れた厚い固定のダイヤフラムに向けて逃がされること、 （４）構造がコン・やクトで簡単であること、′（５）
直流モータの使用によりきしり音を発することなく円滑
な作動が得られるので、可動板４０の連動外いし加速特
性は直流モータの電気的特性を適当にすることによシ簡
単に希望するようにできること、である。

第４図に図式的に示すように、数個の可動のダイヤフラ
ム部分Ｂ２．　Ｂ３．　Ｂ４．　Ｂ５を設け、そ−れに
よってより多くの異なるダイヤフラムの組合せを得るこ
とは、本発明の範囲に含まれる。

個々のダイヤフラムの代わりに、回転式ダイヤフラム（
例えば異った複数のダイヤフラムを有する円盤）あるい
は連続可変のダイヤフラム（例えば絞り形ダイヤフラム
）を用いてもよい。

しかしながら、ダイヤフラムの位置が安定で正確である
ことが極めて重要であるため、との」：うな方式では高
価なものとなろう。さらにこのよう外方式では、大容量
のレーザーの場合に冷却の問題の解決がより困難になる
。

レーザーの異なる横モードを選択するための可能な方法
を更に第５ａ図、第５１〕図に示す。

ここでは、ダイヤフラムＢ７は、その而」二でしかもシ
ステムの光軸ＯＡと交わる旋回軸Ａ７の廻りを旋回し、
それによってビームの有効な断面積が変化する。第５ａ
図に示す位置ではレーザービームは例えばＴＥＭｔ＋＋
　のモードを有し、第５ｂ図に示す位置ではレーザービ
ームはＴＥＭｏ　ｒ　１のモードを有している。

ある場合においては、ビームの変化を迅速に、連続的に
、そして可能ならば大きな俵械的動きを避けて実現する
必要がある。そのような要求には第６図及び第７図に示
す実施例をもって応することができる。この実施例にお
いては、可変のモードダイヤフラムＭＢの代りに共振器
の中に、いわゆる光学的トンネル効果を利用した空間形
光変調器（ＳＴ、Ｍ）　ＭＥが使用されている。

この空間形光変調器ＭＥは本質的には全反射の反転プリ
ズム１００で成っており、このプリズムの一方の側面１
０１はレーザー共振器の光軸ＯＡに直角に位置合せされ
ており、他方の側面１０２は光軸ＯＡに平行になってい
る。光軸に直角な側面１０１には反射防止被覆Ａ、　ｒ
ｔが施されており、光軸に平行な側面１０２には共振器
の鏡Ｍ２が設けられている。

反転プリズム１００のベース面１０６の上には凹面板１
１０が取付けられている。この凹面板はレーザーの放射
光に対しては透明であり、弾性かつ僅かに変形可能な材
料（例えばガラス）でできている。この凹面板１１０は
、反力受は台１３０に支持された圧電変換式の調節要素
１２０によって、プリズム１００のベース面１０６に縁
部１１１が轟るように押付けられている。この圧電変換
式の調節要素１２０は９、実際装置では電子側（財）装
置Ｅで代表される可変電源１５０に接続されている。

印加電圧に応じ、この圧電変換式の調節要素１２０は凹
面板１１０を、反転プリズム１００に対して太き外力で
、あるいは小さな力で押付ける。

かくして凹面板１１０の凹面側とプリズムのベース面１
０３との間の空隙１６０が変化し、これに」：リレーザ
ービームのモード分布が変調される。

空間形光変調器ＭＥは光学的トンネル効果とも呼ばれる
全反射の乱れの原理で作動する。もし凹面板の代わシに
１つのプリズムがあったとすれば、レーザービームはそ
のベース面で余尺ゆ 射するであろう。電気力学理由によって、そのベース面
で生じた「横方向の減衰波」は光学的厚さがより薄い材
料の方へ放射されることはない。しかし彦から、凹面板
１１０がプリズムのベース面に近付けられたときには、
その表面波は影響をうけ、そのエネルギーの一部を凹面
板の方へ放射しうるようになる。その結果、入射波はも
はや全反射されることはなく、凹面板とベース面との距
離の関数関係をもってその一部分のみが反射されること
と々る。従ってこの距離を変えることによってレーザー
波を変調することが可能と彦る。

本発明に使用される凹面板１１０は平坦ではなく凹面状
であるため、その位置の関数関係をもって空隙１６０が
変化する。プリズムのベース面の中央部、すなわち凹面
板１１０との距離が相対的に大きい部分においては、レ
ーザーの発振が起るのに十分なだけ反射の率が大きい。

この面部分は、従来のモードダイヤフラムの開いている
孔に対応している。従って、空間形光変調器ＭＥはレー
ザーのモード選択のだめのダイヤフラムを電気的かつ連
続的に調節可能としたものに相当する。

このモード選択装置における「孔」の有効部分の形状は
、例えば圧電変換式調節要素と凹面板の背面との間にお
ける機械的動きの伝達部の形状と共に板の形状を変える
ことにより、寸たはプリズムの形状を変えることにより
、あるいは追加的な要素（例えば円筒レンズ）をレーザ
ー共振器の中に設けるといつだ方法により変えられる。

なお承知しておくべきこととして、この凹面板はプリズ
ムのベース面に必ずしも直接に接触している必要はなく
、適当々形状設計の下ではある程度の距離をおいて配置
することも可能である。

レーザー加工装置をそれによって行われる加工の種類に
さらに適合させるために、望甘しくは共振器の内部にお
けるビームの操作と組合せて、共振器の外部でレーザー
ビームＬをアダプター的光学的要素をもって、変化させ
てもよい。

そのようなアダプター的光学的要素の例とじては、機械
的に移動可能々要素（レンズ、鏡、格子、プリズム、ホ
ログラム、ダイヤフラム）および電気的に側脚可能な光
学的要素（液晶セル、変形可能な鏡等、光学的空間およ
ｒｇ時間変調器、減衰器など）がある。第１図において
は上記の可能１生のすべてを代表するものとしてガラス
ビーム拡大器Ａを示している。しかしながら、すべての
場合、ビーム・ぐラメータを最適に適合させるだめの本
質的な要因は、ビーム変化の操作を共」辰器の中で行う
ことである。共振器の外で光学的要素を変えるだけでは
一般に満足な結果が得られない。それ故に上記のとおり
本発明においては、共振器の中に可変のモード選択手段
を設け、コンピュータを用いてそれをサーボ操作するこ
とによりビーム・母うメータ（モード構造、ビームの拡
がり、ビーム径、出力）を与えられた加工条件に適合さ
せうるようにしている。

この分野について通常の技術を有する人には、本発明が
その要旨あるいは本質的特徴から逸脱することなく他の
様々々態様をもって具体化されうろことは、理解されよ
う。従って、ここに開示する実施例はあく丑でも例示で
あって、それに限定されるというものではない。本発明
の範囲は上記の説明よりはむしろ特許請求の範囲に示す
とおりであるが、等測的にみなされる範囲内に含１れる
ような変更はすべて本発明に含まれることを意図して示
されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザー加工装置の一実施例の全
体的な概略図、 第２ａ図及び第２１）図はダイヤフラムの１つの形式を
示し、それぞれ異なる動作」二の位置を示す概略図、 第６図は第２ａ図文び第２１）図に示すダイヤフラムの
具体例の斜視図、 第４図ないし第７図は本発明の他の実施例を示す概略図
である。 Ａ・ビーム拡大器　Ａ２．Ａ７・旋回軸ＡＭ・・・発振
媒体　ＡＲ，反射防止被覆Ｂｌ・・固定のダイヤフラム
部分 Ｂ２　＋　Ｂ３　、　Ｂ４　＋　Ｂ５　ｒ　Ｂ７・・可
動のダイヤフラム部分Ｅ・電手制御装置　Ｇ・レーザー
発生装置Ｌ　レーザービーム　Ｍｌ　、　Ｍ２　鏡ＭＢ
　モードダイヤフラム　Ｍ　Ｅ　−空間形光変調器０　
光学アセンブリ　ＯＡ　光軸 Ｑ・クォリティスイッチ　Ｗ・加工片 １０　チューブ（固定のダイヤフラム部分）１１・・・
結合部　１２・スタッドねじ２０・支持袷　６０・・直
流モータ ３１　（直流モータ６０の）シャフト ４０・可動板（可動のダイヤフラム部分）５０・止めピ
ン １００　全反射の反転プリズム １０１．１０２・　（反転プリズム１００の）側面１０
３（反転）０リズム１００の）ベース面１１０　凹面板 、１１１・・凹面板１１０の縁部 １２０　圧電変換式の調節要素 １６０　反力受は台 １５０・可変電源 特許出願人　ダレターフ　アクチェジヶ゛ゼルンヤフト
代理人　苦杯　忠 第４図 第　５ａ　図　第　５ｂ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　レーザービームにより加工片を加工するレーザ
   ー加工装置において、 前記レーザービームを発生させるだめの共振器を有する
   レーザー発生装置と、 前記レーザービームを前記加工片の上に集束させるだめ
   の光学アセンブリと、 ビーム・ぐラメータを変えるために前記共振器の外部に
   配設された光学的要素と、 前記レーザービームの横モード分布を変化させるために
   前記共振器の中に配設されたサーボ制御のモード選択手
   段と、 前記横モード分布を変化させるだめに前記加工装置。 （２）前記共振器の外部に配設された光学的要素もサー
   ボ制御によって調節可能である特許請求の範囲第１項に
   記載のレーザー加工装置。 （ろ）前記モード選択手段が、ダイヤフラムを有し、該
   ダイヤフラムがその面に平行な旋回軸のまわりを旋回し
   、前記レーザービームの経路に貫入できるようになって
   いる特許請求の範囲第１項に記載のレーザー加工装置。 （４）前記モード選択手段が固定のダイヤフラムと少く
   とも１つの可動のダイヤフラムとを有し、該可動のダイ
   ヤフラムがその面に平行な旋回軸のまわ９を旋回し前記
   レーザービームの経路に貫入できるようになっている特
   許請求の範囲第１項に記載のレーザー加工装置。 （５）前記モード選択手段がダイヤフラムを有し、該ダ
   イヤフラムが軸の廻りを旋回して前記レーザービームの
   光軸と交叉しうるようになっている特許請求の範囲第１
   項に記載のレーザー加工装置。 （６）前記旋回可能なダイヤフラムが直流モータによっ
   て駆動される特許請求の範囲第６項に記載のレーザー加
   工装置。 （７）　前記旋回可能なダイヤフラムが直流モータによ
   って駆動される特許請求の範囲第４項に記載のレーザー
   加工装置。 （８）　前記旋回可能な夕ゝイヤフラムが直流モータに
   よって駆動される特許請求の範囲第５項に記載のレーザ
   ー加工装置。 （９）前記モード選択手段が、光学的トンネル効果の原
   理に従って作動する電気的に変更可能な要素を前記共振
   器の内部に有する特許請求の範囲第１項に記載のレーザ
   ー加工装置。 （］ｌ　前記の電気的に変更可能な要素が、その一方の
   側面に設けられた共振器用の鏡とそのベース面に取り付
   けられ弾性変形可能で透明な凹面板とを有する全反射の
   反転プリズム、および該凹面板をプリズムのベース面に
   対し可変の力をもって押付けるだめの電気的に制御され
   る調節手段を有する特許請求の範囲第９項に記載のレー
   ザー加工装置。 （１１）前記調節手段が圧電変換式の調節要素を有する
   特許請求の範囲第１０項・に記載のレーザー加工装置。