JP2000263267A - レーザ加工装置用ファイバ入射光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビームコーンアングルを容易に変更すること
ができるレーザ加工装置用ファイバ入射光学系を提供
し、もって、出射光学系の重量化を招くことなく、ま
た、集光点におけるレーザ光のスポット径を変えること
なく、焦点深度を調整できるようにする。 【解決手段】 ファイバ入射光学系は、レーザ発振器１
１と光ファイバ１３との間に設けられ、固定アパーチャ
２２と可動アパーチャ２４とを有し、入射側フォーカシ
ングレンズ１４で集光したレーザ光の一部を可動アパー
チャで反射し、固定アパーチャと可動アパーチャとの間
で多重反射して外方へ導く。この結果、可動アパーチャ
を通過したレーザ光は、ビーム径が小さくなる。これに
より、コリメートレンズ２６、出射側フォーカシングレ
ンズ２７、及び光ファイバ１３を通して加工ヘッドに入
射するビーム径も小さくなり、コリメート及び集光を行
う加工ヘッドから出射されるレーザ光のビームコーンア
ングルが変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置用
ファイバ入射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置は、レーザ光を利用し
て、被加工物を切断したり、穴を空けたり、あるいは溶
接を行う装置である。このようなレーザ加工装置の中に
は、レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバを用いて
被加工物の近傍に導き、光ファイバの出射端に取り付け
た出射光学系（加工ヘッド）を通して被加工物に照射す
るタイプのものがある。

【０００３】従来のレーザ加工装置では、レーザ発振器
と出射光学系との間が直接光ファイバにより接続されて
いる。そして、出射光学系は、光ファイバの出射端から
出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレン
ズと、コリメートレンズから出射された平行レーザ光を
集光し、被加工物に照射する加工レンズとを有してい
る。

【０００４】このようなレーザ加工装置では、出射光学
系において、光ファイバの出射端から出射されたレーザ
光が、コリメートレンズにより平行光に変換され、加工
レンズによって集光されて、被加工物に照射される。被
加工物は、レーザ光の照射により局所的に加熱される。
その結果、レーザ光が照射された領域でアブレーション
等が起こり、被加工物には切断等の加工が施される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
では、被加工物に照射されるレーザ光のビームコーンア
ングルは、出射光学系のコリメータレンズ及び加工レン
ズの焦点距離と、光ファイバ、コリメータレンズ、及び
加工レンズの相互の位置関係と、加工レンズに入射する
レーザ光のビーム径によって決まる。つまり、従来のレ
ーザ加工装置では、ビームコーンアングルが固定されて
おり、被加工物の形状等に応じてビームコーンアングル
を変更することができないという問題点がある。

【０００６】また、レーザ加工装置を用いて被加工物の
切断を行う場合、その高さ方向（レーザ光の照射方向）
についての切断加工裕度は、加工点での焦点深度に大き
く依存し、焦点深度が深いほど切断加工裕度が広くな
る。この焦点深度は、加工レンズの焦点距離を長くすれ
ば深くすることができる。しかし、加工レンズの焦点距
離を長くすると、集光点におけるレーザ光のスポット径
が大きくなってしまい、加工に必要なエネルギー密度が
得られなくなるという問題点がある。

【０００７】ここで、ビームコーンアングルを変更でき
るようなビームコーンアングル調節機構を出射光学系に
組み込むことも考えられるが、小型軽量であることが望
まれる出射光学系の大型化、重量化を招き、その出射光
学系の移動制御が困難になるという問題を引き起こして
しまう。

【０００８】本発明は、ビームコーンアングルを容易に
変更することができるレーザ加工装置用ファイバ入射光
学系を提供し、もって、出射光学系の重量化を招くこと
なく、また、集光点におけるレーザ光のスポット径を変
えることなく、焦点深度を調整することができるように
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
発振器と、加工ヘッドと、前記レーザ発振器からのレー
ザ光を前記加工ヘッドに伝搬させる第１の光ファイバと
を備えたレーザ加工装置に用いられ、前記レーザ発振器
と前記第１の光ファイバとの間に配置されるレーザ加工
装置用ファイバ入射光学系であって、入射レーザ光を平
行レーザ光にするコリメートレンズと、前記平行レーザ
光を集光し、集光されたレーザ光を第１の光ファイバに
入射させる第１のフォーカシングレンズと、前記コリメ
ートレンズの前段に配置され、前記入射レーザ光の一部
を通過させるとともに残りを反射して当該入射レーザ光
のビーム径を変える第１のアパーチャ手段と、該第１の
アパーチャ手段の前段に配置され、前記入射レーザ光を
通過させ手前記第１のアパーチャ手段へ到達させるとと
もに、前記第１のアパーチャ手段によって反射された反
射レーザ光を、当該第１のアパーチャ手段との間で多重
反射させて外方へ導く第２のアパーチャ手段とを有して
いることを特徴とするレーザ加工装置用ファイバ入射光
学系が得られる。

【００１０】ここで、前記第１のアパーチャ手段は、前
記入射レーザ光の光軸に沿って移動可能に配設されてい
ることが望ましい。

【００１１】また、本発明によれば、前記第１のアパー
チャ手段及び前記第２のアパーチャ手段によって外方に
導かれた反射レーザ光を吸収するレーザ光吸収手段を有
していることを特徴とするレーザ加工装置用出射光学系
が得られる。

【００１２】前記レーザ光吸収手段は、例えば、前記第
１のアパーチャ手段及び前記第２のアパーチャ手段に各
々取り付けられた第１の冷却ブロック及び第２の冷却ブ
ロックである。

【００１３】また、前記第１の冷却ブロック及び前記第
２の冷却ブロックの表面には、溝を形成してもよい。

【００１４】本発明によるレーザ加工装置用ファイバ入
射光学系は、レーザ発振器から出射するレーザ光を集光
する第２のフォーカシングレンズとともに用いられる
か、または、前記入射レーザビームを出射する光ファイ
バの先端に取り付けられて用いられる。

【００１５】また、本発明によれば、レーザ光を発生す
るレーザ発振器と、前記レーザ光を集光して加工対象物
に照射する加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記加
工ヘッドへ前記レーザ光を伝搬させる光ファイバとを備
えたレーザ加工装置において、前記レーザ発振器と前記
光ファイバとの間、または、前記光ファイバの途中に、
前記加工ヘッドから出射されるレーザ光のビームコーン
アングルを調節するファイバ入射光学系を設けたことを
特徴とするレーザ加工装置が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００１７】本発明のファイバ入射光学系は、図１
（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示すように、レーザ光を生
成するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からのレ
ーザ光を加工対象物に照射する出射光学系（加工ヘッ
ド）１２と、これらの間を接続し、レーザ発振器１１か
ら出射光学系１２まで、レーザ光を伝搬させる光ファイ
バ１３（又は１３ａ及び１３ｂ）とを有するレーザ加工
装置に利用される。

【００１８】図１（ａ）に示すレーザ加工装置では、レ
ーザ発振器１１と光ファイバ１３との間にファイバ入射
光学系が配設されている。この場合、ファイバ入射光学
系は、直接レーザ発振器１１に取り付けられる。そし
て、レーザ発振器１１からの平行光であるレーザ光を集
光するために、入射側フォーカシングレンズ１４を有し
ている。このレーザ加工装置は、比較的光ファイバ１３
が短い場合、例えば、１０ｍ以下の場合に適している。
また、図１（ｂ）に示すレーザ加工装置では、光ファイ
バ１３ａと１３ｂとの間に、ファイバ入射光学系が挿入
されている。この場合、光ファイバ１３ａから出射した
レーザビームは発散するため、図１（ａ）に示すような
入射側フォーカシングレンズは不要である。このレーザ
加工装置は、光ファイバ１３ａ及び１３ｂの合計が比較
的長い場合、例えば１０ｍ以上の場合に適している。な
お、光ファイバ１３ｂの長さは、光ファイバのＮＡの影
響を考慮すると、５ｍ以下であることが好ましい。

【００１９】次に、図２を参照して、本発明の一実施の
形態によるレーザ加工装置用ファイバ入射光学系につい
て詳述する。なお、図２に示すファイバ入射光学系は、
レーザ発振器１１に固定されるタイプのものであるた
め、入射側フォーカシングレンズ１４を備えているが、
図１（ｂ）に示すように２本の光ファイバ間に接続され
る場合は、この入射側フォーカシングレンズ１４は不要
である。また、レーザ発振器１１が出射光を集光するフ
ォーカシングレンズを備えている場合も、この入射側フ
ォーカシングレンズ１４は不要である。

【００２０】図２のファイバ入射光学系は、レーザ発振
器１１に固定されるケース２１内に収められている。そ
して、このファイバ入射光学系は、レーザ発振器１１か
らのレーザ光を集光する入射側フォーカシングレンズ１
４に加え、入射側フォーカシングレンズ１４で集光され
た後発散したレーザ光を通過させる開口部を有する固定
アパーチャ２２、固定アパーチャ２２をケース２１に固
定する固定冷却ブロック２３、固定アパーチャ２２の開
口部を通過したレーザ光をさらに通過させる開口部を有
する可動アパーチャ２４、可動アパーチャ２４を入射側
フォーカシングレンズ１４からのレーザ光の光軸に沿っ
て移動可能な状態で支持する可動冷却ブロック２５、可
動アパーチャ２４の開口部を通過したレーザ光をコリメ
ートする（平行光にする）コリメートレンズ２６、及び
コリメートレンズ２６によりコリメートされたレーザ光
を集光して光ファイバ１３に入射させる出射側フォーカ
シングレンズ２７を有している。

【００２１】図２に示すように、入射側フォーカシング
レンズ１４によって点Ａに集光されたレーザ光は、その
後、発散しながら固定アパーチャ２２に入射する。固定
アパーチャ２２の開口部の大きさは、その設置位置にお
いて、入射するレーザ光をすべて通過させる大きさであ
って、可動アパーチャ２４によって反射されたレーザ光
の通過を阻止する大きさである。また、可動アパーチャ
２４の開口部の大きさは、この可動アパーチャ２４が、
最も固定アパーチャ２２に近い位置にあるときに、入射
するレーザ光をすべて通過させる大きさであって、可動
アパーチャ２４を固定アパーチャ２２より遠ざけて、コ
リメートレンズ２６に近づけることにより、レーザ光の
一部を遮る大きさとする。

【００２２】固定アパーチャ２２及び可動アパーチャ２
４の互いに対向する面は、それぞれレーザ光を反射する
反射面としてある。これにより、可動アパーチャ２４で
カットとされたレーザ光は、これら固定アパーチャ２２
と可動アパーチャ２４との間で多重反射されながら、外
方へと導かれる。

【００２３】固定冷却ブロック２３及び可動冷却ブロッ
ク２５の表面には、固定アパーチャ２２と可動アパーチ
ャ２４との間で多重反射されたレーザ光をすべて吸収す
るようにそれぞれ溝２８が形成されている。また、固定
冷却ブロック２３及び可動冷却ブロック２５の内部に
は、冷却水が循環させてある。さらに、可動冷却ブロッ
ク２５には、この可動冷却ブロック２５を図の上下方向
に移動させるための高さ調整ネジ２９が固定されてお
り、この高さ調整ネジ２９は、ケース２１の外にその一
部を露出させている。

【００２４】以下、図３及び図４を参照して、この出射
光学系の動作について説明する。

【００２５】まず、図３を参照して、高さ調整ネジ２９
を操作して、可動アパーチャ２４を、固定アパーチャ２
２に最も近づけた場合について説明する。この場合、入
射側フォーカシングレンズ１４を透過したレーザ光は、
全て、固定アパーチャ２２及び可動アパーチャ２４の開
口部を通過し、コリメートレンズ２６に入射する。そし
て、コリメートレンズ２６に入射したレーザ光は、そこ
でコリメートされた後、出射側フォーカシングレンズ２
７に入射し、そこで集光されて光ファイバ１３に入射さ
れる。

【００２６】光ファイバ１３を通して出射光学系１２に
伝搬したレーザ光は、コリメートレンズ３１によりコリ
メートされ、加工レンズ３２により集光されて、加工対
象物に照射される。この場合、出射光学系１２から加工
対象物に照射されるレーザ光のビームコーンアングル
は、ファイバ入射光学系が存在しない場合のビームコー
ンアングルと等しくなる。

【００２７】次に、図４を参照して、高さ調整ネジ２９
を操作し、可動アパーチャ２４を、コリメートレンズ２
６のほうへ近づけた場合について説明する。この場合、
固定アパーチャ２２の開口部を通過したレーザ光は、一
部が可動アパーチャ２４の開口部をそのまま通過し、残
りが可動アパーチャ２４によって反射される。可動アパ
ーチャ２４によって反射されるレーザ光の割合は、可動
アパーチャ２４をコリメートレンズ２６に近づけるほど
大きくなる。また、コリメートレンズ２６に入射するレ
ーザ光のビーム径は、可動アパーチャ２４をコリメート
レンズ２６に近づけるほど小さくなる。

【００２８】コリメートレンズ２６に入射したレーザ光
は、図３の場合と同様に、コリメートレンズ２６でコリ
メートされた後、出射側フォーカシングレンズ２７で集
光され、光ファイバ１３に入射する。光ファイバ１３を
伝搬したレーザ光は、出射光学系１２において、コリメ
ートレンズ３１でコリメートされ、加工レンズ３２で集
光されて被加工物に照射される。

【００２９】ここで、被加工物に照射されるレーザ光の
レーザビームコーンアングルは、ファイバ入射光学系の
コリメートレンズ１７に入射したレーザ光のビーム径が
小さくなっていることに伴い、小さくなる。即ち、可動
アパーチャ２４をコリメートレンズ２６に近づけるほ
ど、レーザビームコーンアングルは小さくなる。図４で
は、可動アパーチャ２４がレーザ光をすべて通過させる
場合のレーザ光を破線で、レーザ光を一部反射する場合
のレーザ光を二点鎖線で示している。また、レーザビー
ムコーンアングルが小さくなるに伴い、焦点深度も大き
くなる。

【００３０】一方、可動アパーチャ２４で反射されたレ
ーザ光は、固定アパーチャ２２と可動アパーチャ２４と
の間で繰り返し反射され（多重反射）ながら、外方へと
進み、固定冷却ブロック２３又は可動冷却ブロック２５
に入射する。固定冷却ブロック２３及び可動冷却ブロッ
ク２５は、協働して入射したレーザ光をほぼ完全に吸収
する。即ち、固定冷却ブロック２３及び可動冷却ブロッ
ク２５は、入射したレーザ光をほぼ完全に吸収するた
め、その表面で反射されたレーザ光が再び固定冷却ブロ
ック２３又は可動冷却ブロック２５に入射するよう、そ
の断面が略コの字型となる形状及び配置とされ、表面の
一部に溝２８が形成されている。溝２８に入射したレー
ザ光は、溝２８の側面及び底面で複数回反射されなけれ
ば溝の外へ出ることができず、その間に吸収される。固
定冷却ブロック２３及び可動冷却ブロック２５は、レー
ザ光を吸収することにより熱を発生する。この熱は、固
定冷却ブロック２３及び可動冷却ブロック２５の内部
に、それぞれ流した冷却水により外部へ排出される。

【００３１】以上のように、本実施の形態によるファイ
バ入射光学系は、可動アパーチャ２４の位置を調整する
ことにより、加工対象物に照射されるビームコーンアン
グルを任意に変更することができる。同様に、図１
（ｂ）に示すように、２つの光ファイバの間に本実施の
形態によるファイバ入射光学系を挿入した場合も、可動
アパーチャ２４の位置を調整することにより、加工対象
物に照射されるビームコーンアングルを任意に変更する
ことができる。

【００３２】可動アパーチャ２４によってビームカット
されていない状態（図３の状態）でコリメートレンズ３
１に入射するレーザ光のビーム径をＤｏ、可動アパーチ
ャ２４によってビームカットされた状態（図４の状態）
でコリメートレンズ３１に入射するレーザ光のビーム径
をＤａとし、それぞれの場合におけるビームコーンアン
グルをθｏ及びθａ、加工点における出力をＰｏ及びＰ
ａとした場合の、コリメートレンズ３１に入射するビー
ム径比（Ｄａ／Ｄｏ）とコーンアングル比（θａ／θ
ｏ）との関係を図５に、また、ビーム径比（Ｄａ／Ｄ
ｏ）と出力比（Ｐａ／Ｐｏ）との関係を図６に示してお
く。

【００３３】なお、上記実施の形態では、可動アパーチ
ャ２４を光軸方向に移動させることで、コリメートレン
ズ２６に入射するレーザ光のビーム径を変更するように
したが、絞り機構によっても実現することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ発振器と光ファ
イバとの間、又は光ファイバの途中に、設けられるファ
イバ入射光学系を提供することで、加工ヘッドの大型化
及び重量化を招くことなく、この加工ヘッドから出射さ
れるレーザ光のビームコーンアングルを任意に調節する
ことができる。これにより、比較的高いレーザ光出力を
要する加工から、狭い凹部内の加工まで、種々の工程に
適したビームコーンアングルを選択することが可能にな
る。また、被加工物の切断を行う場合に、スポット径を
変えることなく焦点深度を大きくして高さ方向の加工裕
度を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるファイバ入射光学
系を含むレーザ加工装置の構成を示す構成図であって、
（ａ）はファイバ入射光学系がレーザ発振器に取り付け
られている例、（ｂ）はファイバ入射光学系が光ファイ
バの途中に設けられている例を示す。

【図２】図１（ａ）のファイバ入射光学系の構成を示す
構成図である。

【図３】図２のファイバ入射光学系の動作を説明するた
めの図である。

【図４】図２のファイバ入射光学系の動作を説明するた
めの図である。

【図５】図４の出射光学系におけるビーム径比とビーム
コーンアングル比との関係を示すグラフである。

【図６】図４の出射光学系におけるビーム径比と出力比
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１１ レーザ発振器 １２ 出射光学系 １３，１３ａ，１３ｂ 光ファイバ １４ 入射側フォーカシングレンズ ２１ ケース ２２ 固定アパーチャ ２３ 固定冷却ブロック ２４ 可動アパーチャ ２５ 可動冷却ブロック ２６ コリメートレンズ ２７ 出射側フォーカシングレンズ ２８ 溝 ２９ 高さ調整ネジ ３１ コリメートレンズ ３２ 加工レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA04 BA06 DA02 DA06 DA35 DA38 4E068 CA07 CB05 CB06 CD01 CD10 CE08 CH08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器と、加工ヘッドと、前記レ
   ーザ発振器からのレーザ光を前記加工ヘッドに伝搬させ
   る第１の光ファイバとを備えたレーザ加工装置に用いら
   れ、前記レーザ発振器と前記第１の光ファイバとの間に
   配置されるレーザ加工装置用ファイバ入射光学系であっ
   て、 入射レーザ光を平行レーザ光にするコリメートレンズ
   と、 前記平行レーザ光を集光し、集光されたレーザ光を前記
   第１の光ファイバに入射させる第１のフォーカシングレ
   ンズと、 前記コリメートレンズの前段に配置され、前記入射レー
   ザ光の一部を通過させるとともに残りを反射して当該入
   射レーザ光のビーム径を変える第１のアパーチャ手段
   と、 該第１のアパーチャ手段の前段に配置され、前記入射レ
   ーザ光を通過させ手前記第１のアパーチャ手段へ到達さ
   せるとともに、前記第１のアパーチャ手段によって反射
   された反射レーザ光を、当該第１のアパーチャ手段との
   間で多重反射させて外方へ導く第２のアパーチャ手段
   と、を有していることを特徴とするレーザ加工装置用フ
   ァイバ入射光学系。
2. 【請求項２】 前記第１のアパーチャ手段が、前記入射
   レーザ光の光軸に沿って移動可能に配設されていること
   を特徴とする請求項１のレーザ加工装置用ファイバ入射
   光学系。
3. 【請求項３】 前記第１のアパーチャ手段及び前記第２
   のアパーチャ手段によって外方に導かれた反射レーザ光
   を吸収するレーザ光吸収手段を有していることを特徴と
   する請求項１または２のレーザ加工装置用ファイバ入射
   光学系。
4. 【請求項４】 前記レーザ光吸収手段が、前記第１のア
   パーチャ手段及び前記第２のアパーチャ手段に各々取り
   付けられた第１の冷却ブロック及び第２の冷却ブロック
   であることを特徴とする請求項３のレーザ加工装置用フ
   ァイバ入射光学系。
5. 【請求項５】 前記第１の冷却ブロック及び前記第２の
   冷却ブロックの表面に溝を形成したことを特徴とする請
   求項４のレーザ加工装置用ファイバ入射光学系。
6. 【請求項６】 前記レーザ発振器から出射したレーザ光
   を集光して前記入射レーザ光とする第２のフォーカシン
   グレンズを備えていることを特徴とする請求項１，２，
   ３，４、または５のレーザ加工装置用ファイバ入射光学
   系。
7. 【請求項７】 前記入射レーザ光を出射する第２の光フ
   ァイバの先端に取り付けられていることを特徴とする請
   求項１，２，３，４、または５のレーザ加工装置用ファ
   イバ入射光学系。
8. 【請求項８】 レーザ光を発生するレーザ発振器と、前
   記レーザ光を集光して加工対象物に照射する加工ヘッド
   と、前記レーザ発振器から前記加工ヘッドへ前記レーザ
   光を伝搬させる光ファイバとを備えたレーザ加工装置に
   おいて、前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間、ま
   たは、前記光ファイバの途中に、前記加工ヘッドから出
   射されるレーザ光のビームコーンアングルを調節するフ
   ァイバ入射光学系を設けたことを特徴とするレーザ加工
   装置。