JPS61186187A - レ−ザビ−ム加工装置 - 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〕 この発明は、レーザビーム加工装置、す々わち高融点材
料の溶接、マイクロの溶接、穴あけ、または切断などの
加工を行なうレーザビーム加工装置に関するもので、特
にこの発明は不安定形共振器によって生成されるリング
状のレーザビームの形状変換装置に関するものでるる。 〔従来の技術〕 第１２図は従来のこの種レーザビーム加工装置を示す構
成図で、（１）は凹面鏡、（２）は凸面鏡で、この凸面
鏡（２）と凹面鏡（１）とによって不安定形レーザ共振
器（Ａ）を構成している。（３）はレーザ光源としてた
とえばｒ　Ｃｏｔ　Ｊ　　を用い、放電によって励起さ
れた循環ガスからなるレーザ媒質、（４）は環状反射鏡
。 （５）は上記凹面鏡（１）と凸面鏡（２）との間で生成
されたリング状のレーザビーム、（６）はこのレーザビ
ーム（５）の回折損として外部に取出されるリング状の
平行レーザビーム、（力はこの平行レーザビーム（６）
ヲ一対の平板形反射ｔｉｌｔ（８）、　（８）および集
光レンズ（９）を介して被加物α１に照射されるリング
状レーザビームでめる。 従来のレーザビーム加工装置は上記のように構成されて
いるので、不安定形レーザ共振器（〜、すなわち凹面鏡
（１）と凸面＠　（２）との間を往復する光は、レーザ
媒質（３）によって増幅される。そして、不安定形レー
ザ共振器（Ａ）の回折損がリング状の平行レーザビーム
（６）が環状反射鏡（４）によってレーザ共振器外部に
リング状レーザビーム（７）として取出され、一対の平
板形反射鏡（８）、　（８）および集光レンズ（９）を
介して被加工物（１１に照射され、これを加工する。 このリング状レーザビーム（７）のＭ値〔不安定共振器
を用いたレーザ共振器（Ａ）から取出され九レーザビー
ムを集光する場合の集光性能を表わす指数をいう〕は、
このリング状レーザビーム（７）の内径をρ１．外径を
ρ！とすると。 Ｍ＝ρｔ／ρ１　　　　　　　・・・・・・〔１〕とな
る。そして、このＭ値、および凹面鏡（１）と凸面鏡（
２）の曲率半径をＲ，−Ｒいならびに凹面鏡（１）と凸
面鏡（２）との距離をＬとすると、リング状レーザビー
Ａ（力として取出される条件は、 Ｌ −Ｒ，＝”ｙ＋　　　　　　　−−−−−−Ｃ２］Ｌ Ｒｔ　＝　　　　Ｍ　　　　　　　　・・・・・・〔６
〕となる。ま几、リング状レーザビーム（７）が均質で
６るとすれば、集光レンズ（９）によって集光した場合
、その中央強度は、リング状レーザビーム（７）の内径
をρ１．外径なＰｖ、Ｍ値をρ、／Ｐ０、レーザパワー
をＷ７、および波長をλとすれば、 Ｗγ　　　　　１ １ａ下”Ｐｔ　（Ｉ　　Ｍ、　）　　　−−（４）とし
て表わすことができる。 したがって、リング状レーザビーム（７）の外径ρ。 が一定の場合には、Ｍ値が大きいほど中央強度が強く集
光性能がよい。 一方、上記Ｍ値と発信器の結合率δｇｅｏ　とは、δｇ
ｅｏ＝１−■　　　　・・・・・・〔５〕で結ばれるが
、これは安定形のレーザ共振器の部分反射鏡の透過率に
対応するもので、Ｍ値が太きいほど大きくなる１つこれ
は、レーザビームの発振効率の減少を意味するもので、
軸直交型放電励起ＣＯ，レーザにおいて放！’［力と、
レーザ出力との関係を示すレーザ共振器の発振特性を示
す第１１図において、Ｍ＝１．５〜２．０とすると、た
とえば放電電力２０ＫＷで、レーザビーム出力は１．７
　ＫＷから１．４　ＫＷに減少していることがわかる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のレーザビーム加工装置は上記のように構成されて
いるので、上述し几ように集光特性の優れたレーザビー
ムを得るためにＭ値を上げるには、レーザ共振器（Ａ）
、すなわち凹面ａ　（１）と凸面鏡（２）との距離、ま
たはこの両凹凸面ｍ（１）、　（２）の曲率半径を上記
［２〕、　［６〕式に従って変更する必要がるるか、こ
れはレーザ共振器（Ａ）の改造がきわめて面倒であり、
また上記Ｍ値を上げると、上記〔５〕式により透過率が
増大してレーザビー云の発振効率が低下し、高出力のレ
ーザビームがレーザ共振器力ら得られない欠点がめる。 この発明はかかる点に着目してなされたもので。 レーザビームの発振効率を同一に保持し、かつレーザビ
ームの外径Ｐｔを変えないで上記Ｍ値を変換することが
できるレーザビーム加工装置を提供しようとするもので
るる。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明にかかるレーザビーム加工装置、レーザビーム
共振器の外部において互いに対向する円錐形反射鏡と、
凹形環状反射鏡、およびコリメータ（Ｃｏ　ｌ　ｌ　ｉ
ｍａｔｏｒ）　　（光源の光を集光レンズや分光器など
に送るために、レンズ系を利用して平行光線束にする装
置で、「規準器」ともいう）を設けたものでるる。 〔作用〕 この発明は、円錐形反射鏡と、凹形環状反射鏡とによっ
てレーザビームのＭ値を変えるとともに、レーザビーム
の外径をコリメータにより入射レーザビームと一致させ
て発振効率を向上させ、高出力のレーザビームを得るよ
うにしたものでｂる。 〔発明の実施例〕 第１図〜第５図は何れもこの発明の一実施例を示すもの
で、第１図はレーザビーム加工装置の構成を示す断面図
、第２図はコリメータを示す断面図、第３図は凹形環状
反射鏡を示す斜視図、第４図は円錐形反射鏡の斜視図、
第５図は入射レーザビームの特性図でめる。なお、第１
図〜第４図において上述し几従来のもの（第１２図）と
同一符号は同一構成部材につきその説明を省略する。 ′１ｆ、第１図、第６．゛４および第４図において、（
２）は平板形反射鏡（８）によって反射されたリング状
の平行レーザビーム、（７）は環状反射鏡−によって第
３図に示す凹形環状反射鏡α玲のすり鉢形反射面（１１
ａ）に向って反射されたリング状の平行レーザビーム：
　＊１）は上記凹形環状反射鏡α力により第４図に示す
円錐形反射鏡（ロ）に向って反射され九リング状のレー
ザビーム、勾は上記円錐形反射Ｗ、（２）により平板形
反射鏡（８）に向って反射されたリング状の平行レーザ
ビーム、翰は上記平板形反射鏡（８）によりコリメータ
（１）に向って反射されたリング状の平行レーザビーム
、（ハ）は上記コリメータ（１）から集光レンズ（９）
に向って串射されたリング状の加工レーザビーム、α１
け被加工物である。 次に、第２図は上記コリメータ■の内部を示す断面図で
、このコリメータ（至）は、上記平板形反射鏡（８）か
ら反射されたリング状の平行レーザビーム翰を末広がり
に発散させる円錐形反射鏡０１）と、この円錐形反射鏡
６１）から反射された発散反射レーザビームを環状反射
＃＃、（至）に向って反射させる凹形環状反射鏡０２と
によって構成されている。なお、上記円錐形反射鏡０１
）と、凹形環状反射鏡ｏ２とは曲率半径が同一で、符号
が逆になされているこの発明のレーザビーム加工装置は
上記のように構成されているので、不安定形レーザ共振
器（〜。 すなわち凹面ｆｉ　（１）と凸面鏡（２）との間を往復
する元は、レーザ媒質（３）によって増幅される。そし
て不安定レーザ共振器（Ａ）の回折損がリング状の平行
レーザビーム（７）として取出される。次に、この平行
レーザビーム（７）　ｔｉｔ平板状反射鏡（８）→環状
反射鏡■→凹形環状反射鏡αη→円錐形反射鏡（６）→
平板形反射鏡（８）を経てコリメータ■内に入射される
わけでるるが、上記凹形環状反射鏡ＣＬ、）の水平軸と
のなす角度θ、Ｉと、円錐形反射鏡（２）の水平軸との
なす角度θ１．とを、θ１．＝θ８．の関係に形成して
おけばリング状の平行レーザビーム翰は互いに平行に出
射される。欠に、コリメータ（１）内に入射されたリン
グ状の平行レーザビーム（資）は、第２図に示すように
円錐形反射鏡０Ｄ→凹形環状反射鏡０２→環状反射鏡？
３３を経て被加工物α１に対向する集光レンズ（９）に
向ってリング状の加工レーザビーム（ハ）として出射さ
れるわけであるが、この加工レーザビーム（ハ）と。 上記リング状の平行レーザビーム□□□とは互いに相似
形で、外径のみが変化してコリメート作業を行なうわけ
である。 いま、上記リング状の平行レーザビーム（至）の内径を
ρ、（ｉ）、そして外径をρ２（ｉ）とすると、（ρｔ
　　Ｐｌ）を一定に保持したまま平行レーザビーム（ハ
）は外径のみが縮少されたレーザビームとして出射され
るが、この平行レーザビーム翰の内径をρ１（ｄ、そし
て外径なρ２（ｄ′とすると１ 、、（ｉ）　　、、（ｉ）　＝　　（ｏ）　　　（υ　
　０１１００．〔６〕Ｐ２　　　　ρ１ となり、それぞれのＭ値は、 となり、さらに第１図に示すように、凹形環状反射鏡（
ロ）とＪ円錐形反射鏡（６）間の距離をし、そしてこの
両反射鏡αや、（６）の水平軸とのなす角度が０１１　
”　’？ｔとすると、 ρ−＝ρ２”　−Ｌ　、ｔａｎθ１１２９０００．〔９
〕となる。したがって、レーザビームのＭ値は、上記〔
８〕式によって変換され、また外径は上記

〔９〕式によ
って変換されることになる。 々お、第５図に示すレーザビーム特性図は、凹形環状反
射鏡α力の水平軸とのなす角度θ、、、、、１５とした
場合に、両反射鏡α埠、（２）間の距離りを変えること
によって入射したＭ　＝　１．　’ｌ　　（ｐ＋　＝　
１、ρ、＝１．１）のレーザビームのＭ値の変化状態を
示している。この第５図に示すように側皮射鏡αｐ、０
■間の距離りを適当に選択することによってＭ値を大き
くすることができ、このＭ値の増大によりレーザビーム
の外径は小さくなるが、この発明によればコリメータ（
至）によって元の外径に戻すため外径が一定でＭ値のみ
任意に大きくしたレーザビームを得ることができ、また
、この第５図に示すようにＭ値１．５〜５の変化の間で
、外径ハ０．６〜０．２と変化が少ないためコリメータ
が容易となる。 さらに従来のように共振器や反射ｊｊ！を交換しなくて
も側皮射鏡ＣＩη、（６）間の距離りを連続的に変化さ
せることによって各種加工条件に適応したレーザビーム
のＭ値が得られるっ なお、上述した一実施例においては、コリメータ（１）
として各種反射鏡を用いたものについて述べたが、第６
図に示すように焦点距離が相違する一対のレンズリＤ、
（イ）を用い、入射し穴平行レーザビーム（財）を外径
のみ拡大して加工レーザビーム（ハ）として取出すよう
にしたものでもよい。“また、上述した一実施例におい
ては、レーザビームのＭ値を変えたのちコリメートする
ようにしたものについて述べたが、コリメートしためと
でＭ値を変えるようにしてもよい。きらに、上述した一
実施例はレーザビームのＭ値を上げる場合について述べ
たが、第７図に示すように、レーザビームの出力側から
レーザビームを入射するようにすれば逆ＩＣＭ値を下げ
ることも可能でめる。さらにまた、第８図および第９図
は、円錐形反射鏡（６）を複数のアーム（至）で枠体−
に保持させるようにした場合を示している。 次に、第１０図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）は円錐形反
射鏡（６）と、凹形環状反射鏡α■との動作説明図で、
側皮射鏡（２）。 倶めのなす角度が第１０図（Ａ）に示すように、θ、１
＝θ１□でめれば、入射レーザビーム（６）は平行なレ
ーザビーム（２）として出力されるが、この入射レーザ
ビーム（至）は通常数Ｍｒａｄの発散角を持っているた
め、上記角度が第１０回申）に示すように０１１＜θ、
！とすれば、入射レーザビーム（６）は集光レーザビー
ムとして出力される。したがって、入射レーザビーム四
が発散している場合、θ、１くθ１□の範囲でθ、２　
を設定すれば平行レーザビームとして取出すことができ
る。なお、第１０図（Ｃ）はこの逆の場合を示すもので
ある。 〔発明の効果〕 以上述べたように、この発明によれば、円錐形反射鏡（
６）と、凹形環状反射鏡α■とによってレーザビームの
Ｍ値を自在に変えることができるばかりでなく、レーザ
ビームの外径をコリメータωにより入射レーザビームと
一致させるようにしたので、従来のように共振器や、反
射鏡を交換する煩わしさが解消されると共に、発援効率
を向上させ、高出力のレーザビームが得られる効果かり
る。また。 この発明によれば凹形環状反射鏡αηと、円錐形反射・
鏡（１２との間の距離りを変えるだけの簡単な操作でレ
ーザビームの発散角度を補正することができる優れた効
果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は何れもこの発明の一実施例を示すもの
で、第１図はレーザビーム加工装置の構成を示す断面図
、第２図はコリメータの構成を示す断面図、＠３図は凹
形環状反射鏡を示す斜視図、第４図は円錐形反射鏡を示
す斜視図、第５図は入射レーザビームの特性図でるる。 第６図はレンズ系によるコリメータの構成図、第７図は
レーザビームのＭ値を下げる場合のレーザビーム加工装
置の構成を示す断面図、第８図および第９図は円錐形反
射鏡（６）の保持手段の一例を示す円錐形反射鏡（６）
の斜視図と、レーザビーム加工装置の構成を示す断面図
、第１０図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）は円錐形反射鏡
ＣＩつと、凹形環状反射鏡α■との動作説明図、第１１
図は放電電力と、レーザ出力との関係を示すレーザ共振
器の見損特性図、第１２図は従来のレーザビーム加工装
置の構成を示す断面図でるる。 図において、（９）は集光レンズ、αＱけ被加工物、（
ロ）０９は凹形環状反射鏡、ＣＩつ０９は円錐形反射鏡
、（１）はコリメータ、（至）は環状のレーザビーム取
出用反射鏡である。なお、図中同一符号は同一または相
当部分を示す。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 １６２図 第　３ｒ５！Ｊ 第　４　図 第８図 第１０図 φ） ｕ 手続補正書（自発） 昭和６０手１２月９日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）リング状の平行レーザビームを反射させる凹形環
   状反射鏡およびこの凹形環状反射鏡により反射されたリ
   ング状のレーザビームを反射させる円錐形反射鏡を備え
   、この円錐形反射鏡と被加工物に対向する集光レンズと
   の間にリング状のレーザビームの外径と内径の比を変換
   するコリメータを介装したことを特徴とするレーザビー
   ム加工装置。
2. （２）コリメータは、リング状の平行レーザビームを末
   広がりに発散させる円錐形反射鏡と、この円錐反射鏡に
   よつて反射された発散反射レーザビームを上記円錐形反
   射鏡の近傍にこれを中央にして同心的に配設された環状
   のレーザビーム取出用反射鏡とによつて構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザビ
   ーム加工装置。