JP2018043256A

JP2018043256A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2018043256A
Application number: JP2016178350A
Authority: JP
Inventors: 林川　洋之; Hiroyuki Hayashikawa; 洋之林川; 恵太井上; Keita Inoue; 太志堤; Taishi Tsutsumi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-22

Abstract

【課題】様々なワークに応じた最適なＢＰＰを有するレーザビームを照射できるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、前記レーザ発振器から出射される前記レーザビームを、前記複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、前記複数の光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、前記複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように前記複数の光路に配置されており、前記レーザビームを集光して、対応する前記プロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、前記複数の集光レンズが、互いに異なる焦点距離を有し、前記複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する前記集光レンズの前記焦点距離に応じたコア径を有する、レーザ加工装置。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザビームをプロセスファイバにより導光するレーザ加工装置に関する。

レーザ発振器により発振されるレーザ光は、単色性および指向性に優れており、かつ、コヒーレントな光であるため、切断、穴あけ、溶接、表面処理、マーキング等の様々な工業的な加工に用いられている。

従来のレーザ加工装置について、図６を参照しながら説明する。図６は、レーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。

レーザ加工装置２０００は、レーザ発振器２１００と、レーザ発振器２１００から出射されるレーザビームＬＢ_１００の光路を切り替えるビーム光路切替部２２００と、レーザビームＬＢ_１００が入射する複数のプロセスファイバ２３００（２３００ａ〜２３００ｃ）と、を備える。ビーム光路切替部２２００の内部は例えば大気雰囲気であり、ビーム光路切替部２２００内では、レーザビームＬＢ_１００は大気を媒体にして伝搬される。ビーム光路切替部２２００にはプロセスファイバ２３００の一方の端部が接続しており、レーザビームＬＢ_１００は、ビーム光路切替部２２００を経て、プロセスファイバ２３００に入射する。プロセスファイバ２３００は、レーザビームＬＢ_１００を、ビーム光路切替部２２００から加工対象物（ワークＷ）近傍にまで伝搬するための媒体である。

通常、１台のレーザ発振器２１００には、複数の加工ヘッド２４００（図示例では、３台）が接続している。ビーム光路切替部２２００は、レーザビームＬＢ_１００の光路を切り替えて、レーザビームＬＢ_１００を複数のプロセスファイバ２３００（２３００ａ〜２３００ｃ）のうちのいずれかに導光する。プロセスファイバ２３００の内部に導光されたレーザビームＬＢ_１００は、やがて、プロセスファイバ２３００の他方の端部に接続された加工ヘッド２４００に到達する。このように、レーザビームＬＢ_１００が導光される加工ヘッド２４００をビーム光路切替部２２００により切り替えて、タイムシェアリングを行いながら、複数のワークＷに対してレーザ加工が施される。通常、各プロセスファイバ２３００のコア径、および、ビーム光路切替部２２００から各加工ヘッド２４００の先端までの光学的な条件（例えば、屈折率）はそれぞれ等しいため、複数のワークＷに対して、同じ条件でレーザ加工が施される。以下、加工ヘッド２４００からワークＷに照射されるレーザビームＬＢをＬＢ_４００と称する。

ビーム光路の切り替えに関して、特許文献１は、プリズムのような偏光手段によってレーザビームの光路を変化させる方法を教示している。また、特許文献２は、プロセスファイバの配置を変化させて、異なるプロセスファイバにレーザビームを入射させる方法を提案している。

加工ヘッド２４００は、コリメータレンズ２４１０および集光レンズ２４２０を備える。加工ヘッド２４００に到達したレーザビームＬＢ_４００は、集光レンズ２４２０によって密度が高められて、ワークＷに照射される。ワークＷは、加工テーブル２５００上に固定されている。一方、加工ヘッド２４００は、Ｘ軸モータ２７１０およびＹ軸モータ２７２０によって移動可能であり、加工ヘッド２４００をワークＷに対して相対的に移動させながら、所定の加工が施される。レーザ発振器２１００、Ｘ軸モータ２７１０およびＹ軸モータ２７２０は、加工制御部２６００により制御されており、その状態は、加工制御部２６００に同期されている。

特表２０１４−５０９２６３号公報特開２０１２−２４７８２号公報

ワークＷを高精度で効率よく加工するには、ワークＷに照射されるレーザビームＬＢ_４００のＢＰＰ（Beam Parameter Product）がポイントとなる。
ＢＰＰは、レーザビームＬＢの品質を表現するのに、一般的に用いられるパラメータである。ＢＰＰは、ビームの拡がりの半角度θ（ミリラジアン、ｍｒａｄ）と、焦点（ビームウエスト）におけるビーム半径ｗ（ミリメートル、ｍｍ）との積で求められる。ＢＰＰが小さいレーザビームＬＢは、より小さいビーム径であって、焦点深度が短くなるように集光され得る。一方、ＢＰＰの大きいレーザビームＬＢは、大きなビーム径であって、焦点深度が長くなるように集光され得る。そのため、例えば、薄いワークＷを切断する場合には、ＢＰＰの小さなレーザビームＬＢが適しており、厚いワークＷを切断する場合には、ＢＰＰの大きなレーザビームＬＢが適している。つまり、ＢＰＰは、加工精度および生産性を向上させるために重要なパラメータの一つである。なお、焦点深度とは、ビーム径が光学的に同じであると見なされる範囲であって、具体的には、ビーム半径の２√２倍の径に拡がるまでの範囲（レイリーの範囲）である。

しかし、従来のレーザ加工装置では、ワークＷあるいは加工条件に応じてレーザビームＬＢ_４００のＢＰＰを変えることはできず、加工精度および生産性が低下し易い。

本発明の一局面は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、前記レーザ発振器から出射される前記レーザビームを、前記複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、前記複数の光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、前記複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように前記複数の光路に配置されており、前記レーザビームを集光して、対応する前記プロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、前記複数の集光レンズが、互いに異なる焦点距離を有し、前記複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する前記集光レンズの前記焦点距離に応じたコア径を有する、レーザ加工装置である。

本発明の他の一局面は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、前記レーザ発振器から出射される前記レーザビームを、前記複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、前記複数の光路に配置される複数のプロセスファイバと、前記複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように前記複数の光路に配置されており、前記レーザビームを集光して、対応する前記プロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、前記複数の集光レンズの焦点位置から、それぞれ対応する前記複数のプロセスファイバの前記レーザビームが入射する入射端までの入射距離が、互いに異なっており、前記複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する前記焦点位置からの前記入射距離に応じたコア径を有する、レーザ加工装置である。

本発明のレーザ加工装置によれば、様々なワークに応じた最適なＢＰＰを有するレーザビームを照射することができるため、加工精度および生産性に優れるレーザ加工が可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。ビーム光路切替部の内部構成を模式的に示す平面図である。図２のビーム光路切替部をＡ−Ａ面側から見た側面図である。図２のビーム光路切替部をＢ−Ｂ面側から見た側面図である。図２のビーム光路切替部をＣ−Ｃ面側から見た側面図である。図２のビーム光路切替部をＤ−Ｄ面側から見た側面図である。他のビーム光路切替部の内部構成を模式的に示す平面図である。図４のビーム光路切替部をＡ−Ａ面側から見た側面図である。図４のビーム光路切替部をＢ−Ｂ面側から見た側面図である。図４のビーム光路切替部をＣ−Ｃ面側から見た側面図である。図４のビーム光路切替部をＤ−Ｄ面側から見た側面図である。従来のレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。ワークの厚みと切断速度との関係を表すグラフである。

図７に、３種類のレーザビームＬＢを用いてワーク（ステンレス鋼板）を切断加工する場合の、厚みと切断速度との関係を表すグラフを示す。レーザビームＬＢは、いずれも出力４ｋＷのレーザ発振器から出射され、そのＢＰＰは、それぞれ４ｍｍ・ｍｒａｄ、６ｍｍ・ｍｒａｄおよび８ｍｍ・ｍｒａｄである。このグラフからわかるように、切断速度は、レーザビームＬＢのＢＰＰおよびワークの厚みに影響される。例えば、ワークの厚みが５ｍｍ未満である場合、４ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。ワークの厚みが５〜１８ｍｍ程度である場合、６ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。ワークの厚みが１８ｍｍを超える場合、８ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。

図６のレーザ加工装置２０００のように、ワークＷにプロセスファイバ２３００から出射されるレーザビームＬＢ_４００を照射する場合、レーザビームＬＢ_４００のＢＰＰは、上記半角度θとプロセスファイバ２３００のコア径×１／２との積で表わすことができる。すなわち、ＢＰＰの小さなレーザビームＬＢ_４００をワークＷに照射するには、コア径の小さなプロセスファイバ２３００を用いればよい。一方、ＢＰＰの大きなレーザビームＬＢ_４００をワークに照射するには、コア径の大きなプロセスファイバ２３００を用いればよい。ただし、上記のとおり、レーザ加工装置２０００に配置されるプロセスファイバのコア径はいずれも同じである。プロセスファイバ２３００のコアとは、プロセスファイバ２３００において、レーザビームＬＢの屈折率の最も高い領域であり、コア径は、当該コアのプロセスファイバ２３００の長手方向に垂直な断面における径である。

通常、レーザビームＬＢは、一旦、集光レンズ（図示せず）により集光させられた後、プロセスファイバ２３００に導光される。そのため、レーザビームＬＢ_４００のＢＰＰは、集光レンズに入射した後、プロセスファイバ２３００に入射するレーザビームＬＢの、集光レンズの焦点におけるビーム半径およびビームの拡がりの半角度θ（つまり、プロセスファイバ２３００に入射するレーザビームＬＢのＢＰＰ）と、レーザビームＬＢが伝搬するプロセスファイバ２３００のコア径と、に依存する。そこで、本実施形態では、上記２つのパラメータを、ワークあるいは加工条件に応じて変化させる。

本実施形態のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、レーザ発振器から出射されるレーザビームを、複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、複数の光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように複数の光路に配置されており、レーザビームを集光して、対応するプロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備える。

上記レーザ加工装置の第１実施形態は、複数の集光レンズが互いに異なる焦点距離を有するとともに、複数のプロセスファイバは、それぞれ対応する集光レンズの焦点距離に応じたコア径を有する。焦点距離が異なると、レーザビームＬＢの焦点におけるビーム径（以下、焦点ビーム径Ｄｂｆ）が変わる。ビーム光路切替部は、複数の集光レンズおよびプロセスファイバの組み合わせのなかから、ワークＷあるいは加工条件に適するＢＰＰに応じたビーム径が得られる１つを選択し、レーザビームＬＢの光路を切り替える。集光レンズで集光されたレーザビームＬＢは、対応するプロセスファイバに焦点位置で入射する。

上記レーザ加工装置の第２実施形態は、複数の集光レンズの焦点位置から、複数の集光レンズにそれぞれ対応する複数のプロセスファイバのレーザビームが入射する入射端までの入射距離が互いに異なるとともに、複数のプロセスファイバは、それぞれ対応する焦点位置からの入射距離に応じたコア径を有する。入射距離が変わると、プロセスファイバの入射端におけるレーザビームＬＢのビーム径（つまり、プロセスファイバに入射する際のビーム径。以下、入射ビーム径Ｄｂｉ）が変わる。ビーム光路切替部は、複数の集光レンズおよびプロセスファイバの組み合わせのなかから、ワークＷあるいは加工条件に適するＢＰＰに応じたビーム径が得られる１つを選択し、レーザビームＬＢの光路を切り替える。

上記の構成により、加工ヘッドから、ワークＷに適したＢＰＰを有するレーザビームＬＢを出射させることができる。そのため、レーザ加工の加工精度および生産性が向上する。

［第１実施形態］
以下、第１実施形態を、図１〜図３Ｄを参照しながら説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、ビーム光路切替部の内部構成を模式的に示す平面図である。図３Ａは、図２のビーム光路切替部をＡ−Ａ面側から見た側面図である。図３Ｂ〜３Ｄは、図２のビーム光路切替部をそれぞれＢ−Ｂ面、Ｃ−Ｃ面およびＤ−Ｄ面側から見た側面図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。

本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、図１および図２に示されるように、レーザ発振器１００と、レーザ発振器１００から出射されるレーザビームＬＢ_１が通る複数の光路と、複数のプロセスファイバ３００（３１０〜３３０）と、レーザビームＬＢ_１を集光して、対応するプロセスファイバ３００に導光する複数の第２集光レンズ２２０（２２１〜２２３）と、レーザビームＬＢ_１の光路を切り替えるビーム光路切替部２００Ａと、を備える。光路には、いずれかのプロセスファイバ３００と、これに対応する第２集光レンズ２２０とが配置されている。

レーザ発振器１００のレーザ発振機構は特に限定されず、レーザ発振の媒体として半導体を用いる半導体レーザの他、媒体として炭酸ガス（ＣＯ_２）等の気体を用いる気体レーザ、ＹＡＧ等を用いる固体レーザ等が挙げられる。なかでも、光品質および発振効率に優れる点で、半導体レーザが好ましい。

ビーム光路切替部２００の内部は例えば大気雰囲気であり、レーザビームＬＢ_１は、ビーム光路切替部２００内を大気を媒体にして伝搬される。ビーム光路切替部２００にはプロセスファイバ３００の一方の端部が接続しており、レーザビームＬＢ_１は、ビーム光路切替部２００内で反射および集光された後、プロセスファイバ３００に入射する。プロセスファイバ３００は、レーザビームＬＢをワークＷ近傍にまで伝搬するための媒体である。以下、プロセスファイバ３００に入射するレーザビームＬＢをレーザビームＬＢ_２と称し、プロセスファイバ３００から出射するレーザビームＬＢをレーザビームＬＢ_３と称し、加工ヘッド４００から出射するレーザビームＬＢをレーザビームＬＢ_４と称す（図１、図２参照）。

通常、１台のレーザ発振器１００には、複数の加工ヘッド４００（図示例では、３台）が接続している。ビーム光路切替部２００は、レーザビームＬＢ_１の反射位置を切り替えて集光した後、集光されたレーザビームＬＢ_２を複数のプロセスファイバ３００（３００ａ〜３００ｃ）のうちのいずれかに導光する。プロセスファイバ３００の内部を伝搬したレーザビームＬＢ_３は、やがて、プロセスファイバ３００の他方の端部に接続された加工ヘッド４００に到達する。このように、ビーム光路切替部２００により光路が切り替えられて、レーザビームＬＢ_１が複数の加工ヘッド４００に振り分けられることにより、タイムシェアリングを行いながら、複数のワークＷに対してレーザ加工が施される。

加工ヘッド４００は、コリメータレンズ４１０および第１集光レンズ４２０を備える。加工ヘッド４００に到達したレーザビームＬＢ_３は、第１集光レンズ４２０によって密度が高められて、ワークＷに照射される。ワークＷは、加工テーブル５００上に固定されている。一方、加工ヘッド４００は、Ｘ軸モータ７１０およびＹ軸モータ７２０によって移動可能であり、加工ヘッド４００をワークＷに対して相対的に移動させながら、所定の加工が行われる。レーザ発振器１００、ビーム光路切替部２００、Ｘ軸モータ７１０およびＹ軸モータ７２０は、加工制御部６００により制御されており、その状態は、加工制御部６００に同期されている。なお、ビーム光路切替部２００は、加工制御部６００により制御される他の制御部（図示せず）により制御されてもよい。例えば、加工制御部６００が、レーザビームＬＢ_２を導光するプロセスファイバ３００を選択し、この信号を他の制御部に伝達する。そして、この信号を受けた他の制御部が、ビーム光路切替部２００を制御してもよい。

レーザ加工装置１０００によりワークＷを切断あるいは穴あけする場合（以下、まとめてレーザ切断と称す）、加工ヘッド４００には、ワークＷにレーザビームＬＢ_４と同軸上で高圧ガス（高圧の酸素、窒素、大気等）を吹き付けるためのガス孔と、当該ガス孔に高圧ガスを供給するガス経路が配置される（いずれも図示せず）。レーザ切断では、レーザビームＬＢ_４により溶融されたワークＷの一部を高圧ガスにより除去しながら、ワークＷが切断あるいは穴あけされる。

レーザ加工装置１０００により２以上のワークＷを溶接する場合（レーザ溶接）、加工ヘッド４００には、ワークＷに不活性ガス（アルゴン、ヘリウム等）を低圧で吹き付けるためのガス孔と、当該ガス孔に不活性ガスを供給するガス経路が配置される（いずれも図示せず）。レーザビームＬＢ_４により溶融されたワークＷの酸化を不活性ガスにより抑制しながら、ワークＷ同士が溶接される。レーザ加工装置１０００によりワークＷを表面処理する場合も、上記と同様に、ワークＷに、例えば不活性ガスを吹き付けながらレーザビームＬＢ_４を照射する。レーザ加工装置１０００によりワークＷにマーキングする場合、ワークＷに、所望の色に応じたガスを吹き付けながらレーザビームＬＢ_４を照射する。

次に、ビーム光路切替部２００の切替機構について、図２および図３Ａ〜図３Ｄを参照しながら説明する。
ビーム光路切替部２００は、複数の第２反射ミラー２１０（２１０ａ〜２１０ｃ）と、各第２反射ミラー２１０によって反射されたレーザビームＬＢ_１をそれぞれ集光する第２集光レンズ２２０（２２１、２２２、２２３）と、を備える。レーザ発振器１００から出射されたレーザビームＬＢ_１は、導光路２５０を通って、ビーム光路切替部２００に入射する。

第２反射ミラー２１０は、それぞれステッピングモータ２３０（２３０ａ〜２３０ｃ）を備えており、ステッピングモータ２３０の駆動により回転する。第２反射ミラー２１０の初期状態、すなわち、ステッピングモータ２３０に通電していない場合、第２反射ミラー２１０は、レーザビームＬＢ_１を反射する反射位置にある。ステッピングモータ２３０が通電されると、第２反射ミラー２１０は回転して、レーザビームＬＢ_１をそのまま通過させる通過位置になる（図３Ａ〜３Ｄ参照）。ビーム光路切替部２００は、複数のステッピングモータ２３０の少なくとも１つに通電して、あるいは、いずれにも通電せず、レーザビームＬＢ_１の反射位置を切り替える。すべてのステッピングモータ２３０に通電された場合、レーザビームＬＢ_１はプロセスファイバ３００に導光されず、ビームアブソーバ２４０に入射される。

第２集光レンズ２２０（２２１、２２２、２２３）は、それぞれ異なる焦点距離Ｄｆを備える。焦点距離Ｄｆは、レーザビームＬＢの焦点ビーム径Ｄｂｆに影響を与える。例えば、集光レンズの焦点距離Ｄｆが短い場合、焦点ビーム径Ｄｂｆは小さくなる。

第２集光レンズ２２０により集光されたレーザビームＬＢ_２は、プロセスファイバ３００に入射する。このとき、第２反射ミラー２１０と第２集光レンズ２２０とプロセスファイバ３００とは、一対一で対応するようにそれぞれ配置されている。例えば、図３Ｂ〜３Ｄに示すように、第２反射ミラー２１０ａで反射されたレーザビームＬＢ_１ａは、第２集光レンズ２２１で集光されて、プロセスファイバ３１０に入射する。同様に、第２反射ミラー２１０ｂで反射されたレーザビームＬＢ_１ｂは、第２集光レンズ２２２で集光されて、プロセスファイバ３２０に入射する。第２反射ミラー２１０ｃで反射されたレーザビームＬＢ_１ｃは、第２集光レンズ２２３で集光されて、プロセスファイバ３３０に入射する。各プロセスファイバ３００は、第２集光レンズ２２０によって集光されるレーザビームＬＢ_２が、その焦点位置で入射するように配置されている。

複数のプロセスファイバ３００（３１０、３２０、３３０）は、互いに異なるコア径を備える。プロセスファイバ３００のコア径は、焦点距離Ｄｆ（つまり、焦点ビーム径Ｄｂｆ）に応じて決定される。例えば、プロセスファイバ３００のコア径は、焦点ビーム径Ｄｂｆの１１５〜１４０％であることが好ましい。これにより、所望のレーザビームＬＢ_４のＢＰＰが得られ易くなるとともに、レーザビームＬＢ_２がプロセスファイバ３００に入射する際のエネルギーロスが少なくなって、生産性が向上する。

プロセスファイバ３００のコアとは、プロセスファイバ３００において、レーザビームＬＢ_２の屈折率が最も高い領域であり、コアでは、レーザビームＬＢ_２が全反射されて、プロセスファイバ３００に閉じ込められる。コア径は、当該コアのプロセスファイバ３００の長手方向に垂直な断面における径である。通常、コアは、プロセスファイバ３００の長手方向の中心線に沿って形成されており、その周囲には、より屈折率の低い領域（クラッド）が形成されている。そのため、コアに導入されたレーザビームＬＢ_２はクラッドに入射しない一方、クラッドに導入されたレーザビームＬＢ_２の一部は、コアに入射し得る。クラッドは、屈折率の異なる複数の領域により形成されていてもよい。この場合、屈折率は、プロセスファイバ３００の外側に向かうに従って小さくなる。

レーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、プロセスファイバ３００から出射した直後のレーザビームＬＢ_３のＢＰＰに依存する。レーザビームＬＢ_３のＢＰＰは、上記半角度θとプロセスファイバ３００のコア径×１／２との積で表わすことができる。すなわち、大きな焦点ビーム径Ｄｂｆを備えるレーザビームＬＢ_２を、当該焦点ビーム径Ｄｂｆに適した大きなコア径を有するプロセスファイバ３００に導光することにより、大きなＢＰＰを有するレーザビームＬＢ_３が得られる。その結果、レーザビームＬＢ_４のＢＰＰが大きくなる。一方、ＢＰＰの小さなレーザビームＬＢ_４をワークＷに照射する場合には、コア径のより小さなプロセスファイバ３００を用いて、そこに小さな焦点ビーム径Ｄｂｆを備えるレーザビームＬＢ_２を導光する。

第２集光レンズ２２１の焦点距離Ｄｆ_１が１００ｍｍである場合、ビーム径２０ｍｍのレーザビームＬＢ_１を集光させると、レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径Ｄｂｆは、約８０μｍになる。そこで、プロセスファイバ３１０のコア径を約１００μｍにして、ここにレーザビームＬＢ_２を入射させる。プロセスファイバ３１０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約４ｍｍ・ｍｒａｄになる。

第２集光レンズ２２２の焦点距離Ｄｆ_２が２００ｍｍである場合、上記レーザビームＬＢ_１を集光させると、レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径Ｄｂｆは約１６０μｍになる。そこで、プロセスファイバ３２０のコア径を約２００μｍにして、ここにレーザビームＬＢ_２を入射させる。プロセスファイバ３２０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約８ｍｍ・ｍｒａｄになる。

第２集光レンズ２２３の焦点距離Ｄｆ_３が３００ｍｍである場合、上記レーザビームＬＢ_１を集光させると、レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径Ｄｂｆは約２４０μｍになる。そこで、プロセスファイバ３３０のコア径を約３００μｍにして、ここにレーザビームＬＢ_２を入射させる。プロセスファイバ３３０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約１２ｍｍ・ｍｒａｄになる。

上記のように、本実施形態では、レーザ発振器１００からプロセスファイバ３００までの光路に、焦点距離Ｄｆの異なる複数の第２集光レンズ２２０を配置するとともに、各第２集光レンズ２２０の焦点距離Ｄｆに応じたコア径を有する複数のプロセスファイバ３００を配置する。これにより、１台のレーザ発振器から出射されたレーザビームＬＢ_１の光路を適宜切り替えて、ＢＰＰの異なる複数のレーザビームＬＢ_４を生成することができる。その結果、加工内容、ワークＷの厚みや材質、加工形状等に応じたＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いて、ワークＷをレーザ加工することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、複数の第２集光レンズ２２０の焦点位置Ｆと、複数の第２集光レンズ２２０のそれぞれに対応する複数のプロセスファイバ３００の、レーザビームＬＢが入射する入射端と、の間の距離（入射距離Ｄｉ）が、互いに異なっている。そのため、プロセスファイバ３００に入射するレーザビームＬＢ_２の入射ビーム径Ｄｂｉは、経由する第２集光レンズ２２０とプロセスファイバ３００との組み合わせによって、変化する。さらに、複数のプロセスファイバ３００のコア径は、これに対応する第２集光レンズ２２０による入射ビーム半径Ｄｂｉに対応するように、それぞれ異なっている。そのため、プロセスファイバ３００から出射されるレーザビームＬＢ_３のＢＰＰ、ひいては加工ヘッド４００から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰを、効率よく変化させることができる。

以下、本実施形態を、図４〜図５Ｄを参照しながら説明する。図４は、ビーム光路切替部の内部構成を模式的に示す平面図である。図５Ａは、図４のビーム光路切替部をＡ−Ａ面側から見た側面図である。図５Ｂ〜５Ｄは、図４のビーム光路切替部をそれぞれＢ−Ｂ面、Ｃ−Ｃ面およびＤ−Ｄ面側から見た側面図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。なお、レーザ発振器１００、プロセスファイバ３００、加工ヘッド４００、加工テーブル５００および加工制御部６００は、例えば、第１実施形態と同様の構成を備える。第２反射ミラー２１０およびステッピングモータ２３０の構成あるいは動作もまた、第１実施形態と同様であってもよい。各第２集光レンズ２２０の光学的な物性（焦点距離を含む）は互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。以下、複数の第２集光レンズ２２０が、いずれも同じ光学的物性を有する場合を例に挙げて説明する。

複数の第２集光レンズ２２０とこれに対応する複数のプロセスファイバ３００とは、入射距離Ｄｉが互いに異なるように配置されている。例えば、上記のように、第２集光レンズ２２０ａ〜２２０ｃの光学的物性がいずれも同じである場合、複数の第２集光レンズ２２０から、これに対応する複数のプロセスファイバ３００の入射端３００ｔまでの物理的な距離が、互いに異なるように配置されている。図４では、各第２集光レンズ２２０を固定し、プロセスファイバ３１０〜３３０の入射端の位置をそれぞれ変えて配置している。

図示例において、プロセスファイバ３１０は、その入射端３１０ｔが第２集光レンズ２２１の焦点位置Ｆに一致するように、配置されている。そのため、レーザビームＬＢ_２のプロセスファイバ３１０に入射するときの入射ビーム径Ｄｂｉは、焦点ビーム径Ｄｂｆと同じである。一方、プロセスファイバ３２０および３３０の入射端（３２０ｔ、３３０ｔ）は、これに対応する第２集光レンズ（２２２、２２３）の焦点位置Ｆとは一致していない。つまり、レーザビームＬＢ_２は、デフォーカスされた状態でプロセスファイバ３２０あるいはプロセスファイバ３３０に入射する。そのため、レーザビームＬＢ_２のプロセスファイバ３２０あるいはプロセスファイバ３３０に入射するときのビーム径（入射ビーム径Ｄｂｉ）は、焦点ビーム径Ｄｂｆよりも大きい。

例えば、第２集光レンズ２２０ａ〜２２０ｃの焦点距離Ｄｆがいずれも１００ｍｍの場合、ビーム径２０ｍｍのレーザビームＬＢ_１を集光させると、その焦点位置Ｆでの焦点ビーム径Ｄｂｆは約８０μｍになる。上記のようにプロセスファイバ３１０を配置する場合、つまり、入射距離Ｄｉ_１が０ｍｍになるようにプロセスファイバ３１０を配置する場合、上記レーザビームＬＢ_１を第２集光レンズ２２０ａで集光させて、プロセスファイバ３１０に入射させるときのレーザビームＬＢ_２の入射ビーム径Ｄｂｉは、焦点ビーム径と同じ（約８０μｍ）である。

プロセスファイバ３２０を、入射距離Ｄｉが８０ｍｍになるように配置する場合、上記レーザビームＬＢ_１を第２集光レンズ２２０ｂで集光させて、プロセスファイバ３２０に入射させるときのレーザビームＬＢ_２の入射ビーム径Ｄｂｉは、約１６０μｍになる。プロセスファイバ３３０を、入射距離Ｄｉが６０ｍｍになるように配置する場合、上記レーザビームＬＢ_１を第２集光レンズ２２０ｃで集光させて、プロセスファイバ３３０に入射させるときのレーザビームＬＢ_２の入射ビーム径Ｄｂｉは、約２４０μｍになる。

本実施形態も同様に、複数のプロセスファイバ３００のコア径は互いに異なる。プロセスファイバ３００のコア径は、入射距離Ｄｉ（つまり、入射ビーム径Ｄｂｉ）に応じて決定される。例えば、プロセスファイバ３００のコア径は、入射ビーム径Ｄｂｉの１１５〜１４０％であることが好ましい。これにより、所望のレーザビームＬＢ_４のＢＰＰが得られ易くなるとともに、レーザビームＬＢ_２がプロセスファイバ３００に入射する際のエネルギーロスが少なくなって、生産性が向上する。

上記の場合、プロセスファイバ３１０のコア径は最も小さくてよく、例えば約１００μｍであればよい。プロセスファイバ３１０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約４ｍｍ・ｍｒａｄになる。プロセスファイバ３３０のコア径は最も大きく、例えば約３００μｍであればよい。プロセスファイバ３３０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約１２ｍｍ・ｍｒａｄになる。プロセスファイバ３２０のコア径は、例えば約２００μｍであればよい。プロセスファイバ３２０から出射されるレーザビームＬＢ_４のＢＰＰは、約８ｍｍ・ｍｒａｄになる。

上記のように、本実施形態では、入射距離Ｄｉが異なるように、第２集光レンズ２２０とプロセスファイバ３００とを配置するとともに、配置されるプロセスファイバ３００のコア径を、第２集光レンズ２２０で集光されたレーザビームＬＢ_２の入射ビーム径Ｄｂｉに応じたものにする。これにより、光学的に同じ第２集光レンズを用いた場合であっても、１台のレーザ発振器から出射されたレーザビームＬＢ_１の光路を適宜切り替えて、ＢＰＰの異なる複数のレーザビームＬＢ_４を生成することができる。その結果、加工内容、ワークＷの厚みや材質、加工形状等に応じたＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いて、ワークＷをレーザ加工することができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、加工内容、ワークの厚みや材質、加工形状等に応じたレーザビームを出射できるため、加工精度および生産性が向上とともに、高い汎用性を備える。

１０００：レーザ加工装置
１００：レーザ発振器
２００、２００Ａ、２００Ｂ：ビーム光路切替部
２１０、２１０ａ〜２１０ｃ：第２反射ミラー
２２０、２２０ａ〜２２０ｃ、２２１、２２２、２２３：第２集光レンズ
２３０、２３０ａ〜２３０ｃ：ステッピングモータ
２４０：ビームアブソーバ
２５０：導光路
３００、３１０、３２０、３３０：プロセスファイバ
３００ｔ、３１０ｔ、３２０ｔ、３３０ｔ：入射端
４００：加工ヘッド
４１０：コリメータレンズ
４２０：第１集光レンズ
５００：加工テーブル
６００：加工制御部
７１０：Ｘ軸モータ
７２０：Ｙ軸モータ
２０００：レーザ加工装置
２１００：レーザ発振器
２２００：ビーム光路切替部
２２１０、２２１０ａ〜２２１０ｃ：反射ミラー
２２２０、２２２１〜２２２３：集光レンズ
２３００、２３００ａ〜２３００ｃ：プロセスファイバ
２４００：加工ヘッド
２４１０：コリメータレンズ
２４２０：集光レンズ
２５００：加工テーブル
２６００：加工制御部
２７１０：Ｘ軸モータ
２７２０：Ｙ軸モータ

Claims

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、
前記レーザ発振器から出射される前記レーザビームを、前記複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、
前記複数の光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、
前記複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように前記複数の光路に配置されており、前記レーザビームを集光して、対応する前記プロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、
前記複数の集光レンズが、互いに異なる焦点距離を有し、
前記複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する前記集光レンズの前記焦点距離に応じたコア径を有する、レーザ加工装置。
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されるレーザビームが通る複数の光路と、
前記レーザ発振器から出射される前記レーザビームを、前記複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、
前記複数の光路に配置される複数のプロセスファイバと、
前記複数のプロセスファイバのそれぞれに対応するように前記複数の光路に配置されており、前記レーザビームを集光して、対応する前記プロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、
前記複数の集光レンズの焦点位置から、それぞれ対応する前記複数のプロセスファイバの前記レーザビームが入射する入射端までの入射距離が、互いに異なっており、
前記複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する前記焦点位置からの前記入射距離に応じたコア径を有する、レーザ加工装置。