JPS63188487A - レ−ザ加工ヘツド - 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〕 この発明はレーザ加工におけるレーザビーム集光特性の
向上に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は例えば実開昭５２−５６６８９号公報に示され
た従来のレーザ加工ヘッドを示す断面図であり１図にお
いて（１）はレーザビーム、■は平凸レンズ、（３）は
レンズ（２）により集光されたレーザビーム、（４）は
加工物、（５）はダクトである。

次に動作について説明する。レーザビーム（１）は。

平凸レンズ（２）により細（しぼられて加工物（４）の
表面上で高いパワー密度をもち、加工物（４）への溶込
み、切断等をおこ々う。数ＫＷのｃｏ２レーザをはじめ
とする高出力レーザによる加工においては。

集光レンズとして第８図に示す例のように平凸レンズを
凸側をレーザビームの入射側としてもちいる。これにつ
いて説明する。

集光レンズでレーザビームを細くしぼろうとした場合そ
の限界をきめる第１の要素はいわゆるレンズの球面収差
であるが、この値はレンズ両面の曲率により変化する。

第７図には焦点距離１００ｆｌｉ定の条件下で、レンズ
入射側の曲率半径：Ｒ１により球面収差がいかにかわる
かを示す。ここでレンズの劇質は高出力ＱＯ２レーザの
集光によ（もちいられるＺｎ５ｅ　　（屈折率２．４）
である。第７図には実線で示すようにレンズ入射側の曲
率半径：Ｒ１に対応したレンズ形状も示した。図中矢印
はレーザビーム入射方向を示す、、（ａ）は平凸レンズ
。

（ｂ）は凸レンズ、（Ｃ）は平凸レンズ、　（ｄ）、　
（＋３）はメニスカスレンズである。第７図から球面収
差がもつとも小さくなるのはメニスカスレンズであるが
、平凸レンズでも球面収差は極小値に十盆近いことがわ
かる。しかも、実用面を考えると平凸レンズの方が安価
であるから実際には平凸レンズがもっばら高出力レーザ
の集光レンズとしてもちいられている。

レーザビームの集光限界をきめる第２の要素は回折によ
るビームのぼけであシ、レンズへの入射ビーム径が小さ
い場合には第８図の曲線Ｂに示すこの回折成分が、また
逆に入射ビーム径が大きい場合には同図の曲線Ａに示す
球面収差成分が支配的となる。両成分を考慮した集光ビ
ーム径（集光スポット径）は、浜崎正信著「実用レーザ
加工」にみられるように２回折による集光ビーム径と球
面収差成分から計算される最小錯乱円径とを加えあわせ
た同図の曲線Ｃに示すものがもちいられてきた。実際の
レーザビーム集光レンズ系は、この把握法（簡便法と呼
ぶ）により得られた集光スポット径が最小となるように
そのレンズへの入射ビーム径、レンズの焦点距離がきめ
られる。

発明者らは本発明に先立ち、収差をもつレンズにおいて
も集光点でのビーム形状が正確に計算できる新しい波動
シミュレーションコードを開発し。

従来の簡便法との比較を含め、収差の集光性能に与える
影響を検討した。第８図は入射ビームを高出力レーザに
典型な動径方向に光強度が正規分布をしたガウシアンビ
ームとし、平凸レンズによる集光性能の計算結果を示す
。ここでレンズの拐質および焦点距離は第７図に示した
ものと同一である。また以下で焦点とは、軸上で集光ス
ポット径が最小になる点である。入射ビーム径は光強度
が中央の１／ｅ２倍になる径：Ｄで定義したが、この径
内には全体の８６％のパワーが含まれる。焦点でのビー
ム形状が入射ビームと同じガウシアン状であれば焦点で
のビームの第８図の曲線りに示す１／ｅ２強度径と第８
図の曲線Ｅに示すその径内に８６％のパワーが含まれる
径で定義した２つの集光スポット径は一致するはずであ
るが、上記入射ビーム径：Ｄが１２をこえると両者は著
しく異なっておシ、焦点でのビーム形状はガウシアンか
らずれていることが想像される。また簡便法で把握され
る第８図の曲線Ｃに示す集光スポット径は。

同図の曲線りに示す１／ｅ２強度スポット径に近いこと
がわかる。ビーム形状の（ずれについてたとえば従来簡
便法で最適点とされてい九集光スポット径が最小となる
入射ビーム径２０Ｉ１１１の場合の。

焦点およびその前後のビーム形状を第９図に示す。

図中○印で指示した曲線は焦点位置でのビーム形状１ロ
印で指示した曲線は焦点の手前１＋１１１１１の位置で
のビーム形状、Δ印は焦点の後ろ１顛の位置でのビーム
形状をそれぞれ示している。同図から゛。

焦点でのビーム形状および焦点の手前のビーム形状は複
数のピークをもつほど（ずれてい、ることかわかるが、
このようなくずれたビーム形状は加工面に不規則性をも
たらし、結果加工精度を悪化させる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のレーザ加エヘッド轄以上に述べた簡便法によりき
められた焦点距離の平凸レンズをもちいているため、焦
点およびその前後でのレンズの球面収差による加工面の
精度を悪化させるビーム形状の（ずれが全く考慮されて
おらず、十分な集光がおこなわれていないという問題が
あった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、焦点およびその前後でビーム形状がくずれな
い集光ができ高精度な加工のおこなえるレーザ加工ヘッ
ドを得ることを目的とする。

〔作用〕

この発明に係る球面収差のない光学系は入射するガウシ
アンビームをその形状を保持しつつ集光する。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（１）はレーザビーム、（２）は無収差光
学系でたとえば無収差非球面レンズ、（３）は集光され
たレーザビーム、（４）は加工物、（５）はダクトであ
るう 次に動作について説明する。レーザ集光をおこ彦う過程
は従来例とほぼ同じなので、ここでは両者で異なる点を
比較しながら説明する。

無収差非球面レンズの形状は、レンズに平行に入射する
光線がすべて１点に集光されるように決定される。たと
えば、もつとも安価な片側平面のレンズ形状を第２図を
もとに計算してみる。レンズの中心から動径方向距離：
ｒの点に入射した光線がレンズ出射後１点（同図上Ｃ点
）に集まるとは、ＡＢとＢＣの光学距離（アイコナール
）の和すなわちレンズ劇質の屈折率をｎとし Ｌ＝ｎＡＢ＋Ｂｃ　　　　　　　　　　　　　　（１）
がｒによらず一定であると表現できる。レンズ中央の厚
みｔＱ　　、レンズ中央右端から０点までの距離ｆとし
てレンズの中心から動径方向距ｐｒでのレンズの厚みｔ
ｉｒ）とすると と計算される。また０点を原点、レンズの串躬面上の任
童の座標を（Ｚ、Ｘ）として＋１１式から計算すると となり、レンズ田射面の断面形状は双曲線でらることが
わかる。

つぎに焦点付近でのビーム形状を従来例と比較する。第
３図（ａ）はこの発明による無収差レンズ。

同図（１））は従来例の平凸レンズによる焦点付近での
ビーム形状を示すもので、入射ビームは上述のガウシア
ンビームでその１／ｅ２強度径は２５１１１１．　　レ
ンズの拐質はｚｆＩＳｅ　＋焦点距離は１０Ｇ、冨とし
。

○印で示す焦点位置でのビーム形状２口、Δでそれぞれ
示す焦点前後±〇、５龍でのビーム形状を同図＋８）中
にＱ印で示す無収差レンズの光強度の最代値を１として
示す。第３図（ａ）、　（１））の比較から平凸レンズ
がもたらす球面収差は焦点およびその前後でのビーム形
状の（ずれのみならず、焦点での軸上光強度の著しい低
下をもたらしていることがわかる。たとえばこの例では
平凸レンズの焦点での軸上光強度は無収差レンズの場合
の約１／２．５である。第４図には入射ビーム径と軸上
光強度との関係の計算を入射レーザパワーｓｏｏｗのも
のについておこなった結果を示す。同図中曲線Ａで示す
平凸レンズの軸上光強度は入射ビーム径りを増大してい
くと飽和していくが、同図中曲線Ｂで示す無収差レンズ
の軸上光強度は著しく増大していくことがわかろう また。レーザ加工において鉄などへの溶込み特性を考え
ると、その溶込み深さはＨ験的に焦点での軸上強度と１
／ｅ２強度径とのかけあわせに比例することが知られて
いるが、この特性を両レンズについて示すと第５図のよ
うにこの例でも１曲線Ａに示すように平凸レンズでは入
射ビーム径の増大に対して溶込み深さは飽和し　曲線Ｂ
に示すように無収差レンズでは比例的に増大することが
わかる。

以上に述べた発明者らの新しく開発したシュミレーショ
ンコードによる把握に基づき、はじめて従来からいわれ
ていたレーザビームの溶込み特性が他のビーム源たとえ
ば電子ビームに比較してよ（ない原因の一つは集光レン
ズに平凸レンズを用いていたからに他ならないことが明
らかにされたばかシでな（、無収差レンズを用いれば焦
点前後でのビーム形状のくずれもなく、高精度のレーザ
加工が行なえることも明らかにされた。

なお、上記実施例ではレーザビーム入射面が平面のもの
を示したが、出射面が平面、もしくは両面が曲面のもの
でもよ（、要は＋１１式のＬが一定となるように構成さ
れればよい。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば球面収差のない光学系を
用いてレーザビームを集光してレーザ加工を行なうよう
に構成したので、焦点で著しく高いビーム強度が得られ
ると共に、精度の高い加工断面形状が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ加工ヘッドを
示す断面図、第２図は無収差レンズの形・状を説明した
説明図、第３図、第４図、及び第５図はこの発明による
レーザ加工ヘッドの特性を従来例と比較した特性図、第
６図は従来例によるレーザ加工ヘッドを示す断面図、第
７図、第８図。 及び第９図は従来例による加工ヘッドの特性を示す特性
図である。 図中、　（１）、　＋３１はレーザビーム、（２）は無
収差レンズ、（４）は加工物、（５）はダクトである。 なお１図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを球面収差のない光学系により集光
   して加工物に照射することを特徴とするレーザ加工ヘッ
   ド。
2. （２）光学系は無収差非球面レンズにより構成した特許
   請求の範囲第１項記載のレーザ加工ヘッド。
3. （３）無収差非球面レンズはそのレーザビーム入射側が
   平面であり、その厚み分布が ｔ（ｒ）＝ｔ＿０＋｛（ｎ−１）ｆ−√（（ｎ−１）＾
   ２ｆ＾２＋（ｎ＾２−１）ｒ＾２）／（ｎ＾２−１）｝ （ただしｒは中心軸からの距離、ｔ＿０は中央部の厚み
   、ｎはレンズ媒質の屈折率、ｆはレンズの焦点距離）で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のレー
   ザ加工ヘッド。
4. （４）無収差非球面レンズとはそのレーザビーム入射側
   が平面であり出射側の断面形状は双曲線であることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載のレーザ加工ヘッド
   。