JP2018043257A

JP2018043257A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2018043257A
Application number: JP2016178351A
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】プロセスファイバに入射する際のレーザビームのエネルギーロスが低減された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前記レーザビームを、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、複数の前記光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、前記プロセスファイバに対応するように前記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、前記レーザ発振器から複数の前記プロセスファイバまでの光路長が全て同一となるように、前記集光レンズおよびと前記プロセスファイバがそれぞれ配置されている、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５を参照しながら説明する。図５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の光路を切り替えて、レーザビームＬＢ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。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。

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。

加工ヘッド２４００は、コリメータレンズ２４１０および第１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は、第１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

ビーム光路切替部２２００の内部構成を図６に模式的に示す。
ビーム光路切替部２２００は、複数の反射ミラー２２１０（２２１０ａ〜２２１０ｃ）と、各反射ミラー２２１０によって反射されたレーザビームＬＢ_１０をそれぞれ集光する第２集光レンズ２２２０（２２２０ａ〜２２２０ｃ）と、を備える。レーザビームＬＢ_１０は、レーザ発振器２１００から出射された後、導光路２２５０を通って、ビーム光路切替部２２００に入射する。

反射ミラー２２１０は、それぞれステッピングモータ２２３０（２２３０ａ〜２２３０ｃ）を備えており、ステッピングモータ２２３０の駆動により回転する。反射ミラー２２１０の初期状態、すなわち、ステッピングモータ２２３０に通電していない場合、反射ミラー２２１０は、レーザビームＬＢ_１０を反射する反射位置にある。ステッピングモータ２２３０が通電されると、反射ミラー２２１０は回転して、レーザビームＬＢ_１０をそのまま通過させる通過位置になる。ビーム光路切替部２２００は、複数のステッピングモータ２２３０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_１０の反射位置を切り替える。すべてのステッピングモータ２２３０に通電された場合、レーザビームＬＢ_１０はプロセスファイバ２３００に導光されず、ビームアブソーバ２２４０に入射する。

第２集光レンズ２２２０により集光されたレーザビームＬＢ_２０は、プロセスファイバ２３００（２３００ａ〜２３００ｃ）に入射する。このとき、反射ミラー２２１０と第２集光レンズ２２２０とプロセスファイバ２３００とは、一対一で対応するようにそれぞれ配置されている。そのため、反射ミラー２２１０ａで反射されたレーザビームＬＢ_１０は、第２集光レンズ２２２０ａで集光されて、プロセスファイバ２３００ａに入射する。同様に、反射ミラー２２１０ｂで反射されたレーザビームＬＢ_１０は、第２集光レンズ２２２０ｂで集光されて、プロセスファイバ２３００ｂに入射し、反射ミラー２２１０ｃで反射されたレーザビームＬＢ_１０は、第２集光レンズ２２２０ｃで集光されて、プロセスファイバ２３００ｃに入射する。

各反射ミラー２２１０ａ〜２２１０ｃは、位置をずらして配置されている。そのため、レーザビームＬＢ_１０がビーム光路切替部２２００に入射してから、反射ミラー２２１０ａに反射されるまでに伝搬される距離と、反射ミラー２２１０ｂに反射されるまでに伝搬される距離と、反射ミラー２２１０ｃに反射されるまでに伝搬される距離とは、それぞれ異なる。

レーザ発振器から出射されたレーザビームＬＢは、一定の発散角を有しており、通常、空間を伝搬するに伴い、拡がっていく。そのため、伝搬される距離が長くなるほど、レーザビームＬＢのビーム径は大きくなる。つまり、上記の場合、各反射ミラー２２１０で反射されるレーザビームＬＢのビーム径は、それぞれ異なる。

また、第２集光レンズ２２２０の焦点距離および焦点位置でのレーザビームＬＢのビーム径は、第２集光レンズ２２２０に入射するレーザビームＬＢ（すなわち、反射ミラー２２１０で反射されるレーザビームＬＢ_１０）のビーム径に依存する。そのため、図６のように、ビーム径の異なるレーザビームＬＢ_１０を、光学的に同じ第２集光レンズ２２２０で集光させたレーザビームＬＢ_２０のビーム径は、それぞれ異なってしまう。言い換えれば、図６に示される光路ＯＰ_１０、ＯＰ_２０およびＯＰ_３０を伝搬して、プロセスファイバ２３００に入射するレーザビームＬＢのビーム径は、光路ごとにそれぞれ異なる。

一方、複数のプロセスファイバ２３００のコア径は、いずれも同じである。そのため、光路によっては、レーザビームＬＢの一部はプロセスファイバ２３００のコアに入射できない、あるいは、レーザビームＬＢの一部がプロセスファイバ２３００のコアから出射してしまう場合がある。例えば、光路ＯＰ_３０を伝搬してプロセスファイバ２３００ｃに導光されるレーザビームＬＢの一部は、プロセスファイバ２３００のコアに入射できず、光路ＯＰ_１０を伝搬してプロセスファイバ２３００ａに導光されるレーザビームＬＢの一部は、プロセスファイバ２３００のコアから出射する。この場合、エネルギーロスが生じるため、加工速度が低下するなどして生産性が低下する。プロセスファイバ２３００のコア径を大きくすると、加工ヘッド２４００から出射するレーザビームＬＢのＢＰＰ（Beam Parameter Product）も大きくなる。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り、ＢＰＰが小さいほど、レーザビームＬＢの品質は高いとされる。

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前記レーザビームを、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、複数の前記光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、前記プロセスファイバに対応するように前記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、前記レーザ発振器から複数の前記プロセスファイバまでの光路長が全て同一となるように、前記集光レンズおよび前記プロセスファイバがそれぞれ配置されている、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、レーザビームＬＢのプロセスファイバに入射する際のエネルギーロスが低減されるため、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。本発明に係るレーザ加工装置に配置されるプロセスファイバへの入射効率を示すグラフである。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。従来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。従来のレーザ加工装置に配置されるプロセスファイバへの入射効率を示すグラフである。

以下、本実施形態を、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（３００ａ〜３００ｃ）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２００と、を備える。各光路には、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、それぞれ配置されている。第２集光レンズ２２０（２２０ａ〜２２０ｃ）は、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。

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、第２集光レンズ２２０で集光された後、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_２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、複数の反射ミラー２１０（２１０ａ〜２１０ｃ）と、各反射ミラー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（２２０ａ〜２２０ｃ）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。

レーザ発振器１００から各プロセスファイバ３００までの光路長が全て同一である限り、各第２集光レンズ２２０の光学的な物性は互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、各プロセスファイバ３００の光学的な物性も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とともに、複数のプロセスファイバ３００がいずれも同じ光学的物性（コア径を含む）を有する場合を例に挙げて説明する。例えば、第２集光レンズ２２０に入射するレーザビームＬＢ_１のビーム径が２０ｍｍの場合、第２集光レンズ２２０の焦点距離はいずれも１００ｍｍであり、焦点位置でのレーザビームＬＢ_２の集光ビーム径はいずれも約８０μｍである。各プロセスファイバ３００のコア径は、例えば、いずれも１００μｍである。

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。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、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、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に入射する。

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（３００ａ〜３００ｃ）に入射する。このとき、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、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２２０ａで集光されて、プロセスファイバ３００ａに入射する。その後、プロセスファイバ３００ａからレーザビームＬＢ_３ａが出射される。同様に、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２２０ｂで集光されて、プロセスファイバ３００ｂに入射する。その後、プロセスファイバ３００ｂからレーザビームＬＢ_３ｂが出射される。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２２０ｃで集光されて、プロセスファイバ３００ｃに入射する。その後、プロセスファイバ３００ｃからレーザビームＬＢ_３ｃが出射される。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。

上記のとおり、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。そのため、ビーム光路切替部２００内において、レーザビームＬＢ_１は発散し、伝搬するにつれてビーム径が大きくなる。各反射ミラー２１０ａ〜２１０ｃは、位置をずらして配置されているため、レーザビームＬＢ_１がビーム光路切替部２００に入射してから、反射ミラー２１０ａに反射されるまでに伝搬される距離と、反射ミラー２１０ｂに反射されるまでに伝搬される距離と、反射ミラー２１０ｃに反射されるまでに伝搬される距離とは、それぞれ異なる。よって、各反射ミラー２１０で反射されるレーザビームＬＢ_１のビーム径は、それぞれ異なっている。

そこで、複数の反射ミラー２１０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までの距離をそれぞれ変えて、レーザ発振器１００から各プロセスファイバ３００の入射端３００ｔまでの光路ＯＰ_１〜ＯＰ_３（図２参照）における光路長を全て同一にする。これにより、ビーム光路切替部２００内部を伝搬し、各プロセスファイバ３００に入射するレーザビームＬＢの光路長は、光路によらず同じになる。そのため、プロセスファイバ３００に入射する際のビーム径（この場合、焦点ビーム径）もまた、光路によらず一定になる。よって、プロセスファイバ３００ａ〜３００ｃとして、同じコア径を備えるプロセスファイバを用いる場合であっても、レーザビームＬＢ_２を効率よくプロセスファイバ３００に導光することができる。

このように、同じ光学的物性を有する第２集光レンズ２２０およびプロセスファイバ３００を用いる場合であっても、光路中に特別な機構（例えば、その他の集光レンズ）を設けたり、追加の操作（例えば、レーザビームＬＢの屈折率を変化させる等）を行うことなく、反射ミラー２１０に対する第２集光レンズ２２０およびプロセスファイバ３００の配置を適宜変更することにより、エネルギーロスを低減することができる。本実施形態では、レーザビームＬＢの屈折率は一定であるとともに、各光路ＯＰ_１〜ＯＰ_３におけるレーザビームＬＢの屈折率はそれぞれ同じである。そのため、上記光路長は、レーザ発振器１００から各プロセスファイバ３００の入射端３００ｔまでの、レーザビームＬＢが伝搬される物理的な距離である。なお、光路中に、反射ミラー２１０および第２集光レンズ２２０以外の要素を配置することを除外する意図ではない。例えば、光路ＯＰ_１〜ＯＰ_３の少なくとも１つに他の集光レンズ等を配置して、レーザビームＬＢの屈折率を変える場合、この屈折率を加味した光路長を、各光路において同じにすればよい。

プロセスファイバ３００のコア径は、レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径に応じて設定することが好ましい。レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径に応じたプロセスファイバ３００のコア径とは、例えば、上記焦点ビーム径の１１５〜１４０％である。これにより、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さらに少なくなって、生産性がより向上する。例えば、レーザビームＬＢ_２の焦点ビーム径が約８０μｍである場合、プロセスファイバ３００のコア径は、約１００μｍであることが好ましい。

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、入射角が臨界角より大きい限り、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。

図４に、図２に示すビーム光路切替部２００を用いた場合における、レーザビームＬＢ_２のプロセスファイバ３００ａ〜３００ｃへの入射効率を示す。第２集光レンズ２２０ａ〜２２０ｃに入射するレーザビームＬＢ_１のビーム径は、いずれも２０ｍｍであり、第２集光レンズ２２０ａ〜２２０ｃの焦点距離はいずれも１００ｍｍであった。プロセスファイバ３００ａ〜３００ｃのコア径はいずれも１００μｍとした。レーザビームＬＢ_１およびレーザビームＬＢ_２は、ビーム光路切替部２００内において大気を媒体として伝搬された。第２集光レンズ２２０ａ〜２２０ｃで集光された後のレーザビームＬＢ_２ａ〜ＬＢ_２ｃの焦点ビーム径は、いずれも約８０μｍであり、レーザビームＬＢ_２ａ〜ＬＢ_２ｃは、１００μｍのコア径を有するプロセスファイバ３００ａ〜３００ｃに、約１００％の入射効率で入射された。

図７に、図５および図６に示す従来のビーム光路切替部２２００を用いた場合における、レーザビームＬＢ_２０のプロセスファイバ２３００ａ〜２３００ｃへの入射効率を示す。上記と同様に、プロセスファイバ２３００ａ〜２３００ｃのコア径はいずれも１００μｍとした。レーザビームＬＢ_１０およびレーザビームＬＢ_２０は、ビーム光路切替部２２００内において大気を媒体として伝搬された。図６では、レーザビームＬＢ_２０がプロセスファイバ２３００ｂに焦点位置で入射するように、第２集光レンズ２２２０ｂおよびプロセスファイバ２３００ｂを配置した。第２集光レンズ２２２０ａ、２２２０ｃおよびプロセスファイバ２３００ａ、２３００ｃは、反射ミラー２２１０からの距離が、それぞれ第２集光レンズ２２２０ｂおよびプロセスファイバ２３００ｂと同じになるように配置した。

第２集光レンズ２２２０ｂに入射するレーザビームＬＢ_１０のビーム径は、２０ｍｍであり、第２集光レンズ２２２０ｂで集光されたレーザビームＬＢ_２０の焦点ビーム径は、８０μｍであった。そのため、レーザビームＬＢ_２０は、１００μｍのコア径を有するプロセスファイバ２３００ｂに、約１００％の入射効率で入射された。

ビーム光路切替部２２００において、反射ミラー２２１０ａを経由する光路ＯＰ_１０は最も短く、第２集光レンズ２２２０ａに入射するレーザビームＬＢ_１０のビーム径は、最も小さくなった。このとき、第２集光レンズ２２２０ａの焦点距離は８０ｍｍであり、焦点ビーム径は約８０μｍであった。さらに、レーザビームＬＢ_２０はデフォーカスされた状態でプロセスファイバ２３００ａに入射されたため、プロセスファイバ２３００ａに入射するレーザビームＬＢ_２０のビーム径は、１２０μｍであった。よって、レーザビームＬＢ_２０の一部はプロセスファイバ２３００ａのコアに入射できず、入射効率は約７０％になった。

一方、ビーム光路切替部２２００において、反射ミラー２２１０ｃを経由する光路ＯＰ_３０は最も長く、第２集光レンズ２２２０ｃに入射するレーザビームＬＢ_１０のビーム径は、最も大きくなった。このとき、第２集光レンズ２２２０ｃの焦点距離は１４０ｍｍであり、焦点ビーム径は約１４０μｍであった。さらに、レーザビームＬＢ_２０はデフォーカスされた状態でプロセスファイバ２３００ｃに入射されたため、プロセスファイバ２３００ｃに入射するレーザビームＬＢ_２０のビーム径は、１６０μｍであった。よって、レーザビームＬＢ_２０の一部もまたプロセスファイバ２３００ｃのコアに入射できず、入射効率は約６０％になった。

本実施形態では、複数の加工ヘッド４００をそれぞれ異なる可動軸で可動させるように配置したが、これに限定されない。例えば、複数の加工ヘッド４００を同じ可動軸に設置してもよい。あるいは、一台の加工ヘッド４００にプロセスファイバ３００の切り替え機能を設けて、その加工ヘッド４００を１つの可動軸に設置してもよい。この場合、プロセスファイバ３００の切り替えは、例えば、上記のように反射ミラー２１０およびステッピングモータ２３０を用いる方法、複数のプロセスファイバ３００の他方の端部が固定された固定部材をスライドあるいは回転させる方法等により行うことができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ発振器から出射されたレーザビームを、効率よくプロセスファイバに導光することができるため、生産性が向上する。

１０００：レーザ加工装置
１００：レーザ発振器
２００：ビーム光路切替部
２１０、２１０ａ〜２１０ｃ：反射ミラー
２２０、２２０ａ〜２２０ｃ：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、３００ａ〜３００ｃ：プロセスファイバ
３００ｔ：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、２２２０ａ〜２２２０ｃ：第２集光レンズ
２２３０、２２３０ａ〜２２３０ｃ：ステッピングモータ
２２４０：ビームアブソーバ
２２５０：導光路
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：第１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前記レーザビームを、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、
複数の前記光路にそれぞれ配置される複数のプロセスファイバと、
前記プロセスファイバに対応するように前記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、
前記レーザ発振器から複数の前記プロセスファイバまでの光路長が全て同一となるように、前記集光レンズおよび前記プロセスファイバがそれぞれ配置されている、レーザ加工装置。