JPH06344170A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小形，コンパクトな構成で、しかも短焦点距離
の集光レンズの採用を可能にし、レーザ発振器からの出
射レーザ光を時分割して複数本の光ファイバへ効率よく
分配して伝送できるようにした多点加工方式のレーザ加
工装置を提供する。 【構成】レーザ発振器から出射したレーザ光を時分割
し、複数本の光ファイバを通じてワークの加工地点まで
伝送する多点加工方式のレーザ加工装置であって、レー
ザ発振器１と、レーザ発振器の出力側に光軸Ｏを合わせ
て配備したベンドミラー２とその後段に並ぶ集光レンズ
３との一体的な組合わせた入射側の光学系１０と、ベン
ドミラーを中心に前記光学系をレーザ発振器の光軸の回
りに回転させる回転駆動モータ９と、前記集光レンズの
焦点位置に端面を向けて集光スポットの回転走査軌跡上
に分散配列した複数本の光ファイバ４とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振器から出射
したレーザ光を時分割により複数本の光ファイバへ時系
列的に伝送して多点加工を行うレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えばＹＡＧレーザを用いて切断，溶
接，半田付けなどを行うレーザ加工方式として、レーザ
発振器から出射したレーザ光を集光レンズを通じて直接
ワークの加工地点に照射する方式、あるいはレーザ光を
光ファイバを通じてワークの加工地点まで伝送した後、
さらに光ファイバから出射したレーザ光を集光レンズに
より集光して加工を行う方式がある。

【０００３】特に後者の光ファイバを使用したレーザ光
の伝送方式では、レーザ光を複数本の光ファイバに分配
して伝送させることにより、多点加工の行えるフレシキ
ブルなレーザ加工システムを構築することができる。ま
た、複数本の光ファイバを用いる多点加工方式として
は、レーザ発振器から出射したレーザ光をエネルギー分
割して同時に複数本の光ファイバに分配する方式、ある
いはレーザ光を時分割により複数本の光ファイバに分配
して時系列的に伝送する方式があり、本発明は、前記し
た各種伝送方式のうち、特にレーザ光を時分割して複数
本の光ファイバへ時系列的に伝送する多点加工方式のレ
ーザ加工装置に関する。

【０００４】次に、前記した時分割伝送方式によるレー
ザ加工装置の従来例を図４，および図５に示す。まず、
図４において、ＹＡＧレーザ発振器１の出力側には光軸
Ｏに沿って矢印Ｐ方向に移動する走査用のベンドミラー
２を備えており、かつベンドミラー２の移動経路に沿っ
てレーザ光の反射側には集光レンズ３と１対１に組合わ
せた複数本の光ファイバ４が配列している。なお、各光
ファイバ４の他端側には集光レンズ５が組合わせてあ
り、光ファイバ４を経由して伝送されて来たレーザ光は
集光レンズ５を通過して集光され、その集光スポットが
ワーク（被加工物）６の加工地点を照射して加工に供さ
れる。

【０００５】そして、前記の走査用ベンドミラー２を光
軸Ｏに沿って矢印Ｐ方向に往復移動操作することによ
り、各光ファイバ４に対するレーザ発振器１からの出射
レーザ光７の入射が順次切り替わり、これによりレーザ
光７が各光ファイバ４を通じてワーク加工地点へ時系列
的に伝送，照射されて多点加工が行われる。一方、図５
の装置においては、レーザ発振器１の出力側に集光レン
ズ３とその後段に並ぶ回転走査用のベンドミラー２（紙
面と垂直方向の回転軸を中心に、ガルバノメータの駆動
によりミラーが矢印Ｑ方向に回転する）とを組合わせた
光学系が配備されており、光ファイバ４は集光レンズ３
の焦点に端面を合わせてベンドミラー２の回転に伴う集
光スポットの移動軌跡上に分散して配列している。

【０００６】かかる構成で、ベンドミラー２を矢印Ｑ方
向に回転操作すると、レーザ発振器１から出射したレー
ザ光７は集光レンズ３，ベンドミラー２を経て各光ファ
イバ４の端面に時分割式に入射し、光ファイバ４を通じ
て時系列的にワークの加工地点まで伝送される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来の時分割伝送方式では次記のような欠点がある。ま
ず、図４の方式では、光ファイバ４の本数が多くなると
ベンドミラー２の移動距離が長くなって、各光ファイバ
４の相互間でのレーザ光７の切替え時間が長くなり、レ
ーザ光を高速で時分割させることが困難である。また、
横一列に並ぶ光ファイバ４のピッチ間隔は集光レンズ３
の配列から制約を受けるために小さくすることができ
ず、結果として光学系全体が大形化する。

【０００８】また、図５の方式では、集光レンズ３で集
光したレーザ光７の集光スポットを光ファイバ４の端面
に入射させるためは、光学系で回転走査用のベンドミラ
ー２を集光レンズ３の焦点距離ｆの領域内に設置する必
要条件に加えて、この範囲で集光レーザ２，光ファイバ
４と干渉し合わないようにベンドミラー２を回転させる
必要があため、ベンドミラー２のサイズ，回転角が大き
く制約を受ける。

【０００９】かかる点、集光レンズ３として焦点距離ｆ
の長いレンズを採用すれば、集光レンズ３，光ファイバ
４とベンドミラー２との相互間隔が大きく採れるので前
記問題が解消されるように思われるが、加工に用いるＹ
ＡＧレーザ発振器のように、レーザ出力（平均パワー，
出力エネルギー）が大きいものでは、レーザ発振器１か
ら出射するレーザ光のビーム広がり角θが大きくなる。
また、集光レンズを通過した集光ビーム径はレンズの焦
点距離に比例する。これに対して、集光レンズで集光し
たレーザ光７を余すことなく全て光ファイバに入射させ
るためには、集光スポット径ｄを光ファイバのコア径Ｄ
よりも小さくする、つまりｄ≦Ｄとすることが必要条件
となる。一方、集光レンズを通過した集光スポット径ｄ
は、前記したレーザ光の広がり角θと集光レンズの焦点
距離ｆによって決り、ｄ＝ｆ・θで表される。したがっ
て、集光スポットを全て光ファイバのコアに入射させる
ためには、前記の各式よりｆ・θ≦Ｄが成立するように
光学系を構成する必要がある。ここで、レーザ光の広が
り角θはレーザ発振器の性能によって決まるため、集光
レンズの焦点距離ｆは前式の制約から必要以上に大きく
できず、この結果として図５の構成では集光レンズ３，
光ファイバ４と回転走査用ベンドミラー２との相互間距
離が制限されるため、ベンドミラー２のサイズ，回転角
が制限を受けるようになる。

【００１０】また、光ファイバ４を通じて加工地点まで
伝送したレーザ光を集光レンズで集光してワークに照射
する際の条件を考えると、光ファイバのコア径が小さい
ほどレーザ光の集光スポット径が小さくなり、ワークに
照射するレーザ光のパワー密度が高くなる。このことか
ら、レーザ加工装置に用いる光ファイバはコア径の小さ
なものを採用するのが有利であるが、コア径の小さな光
ファイバを採用した場合には、入射側の集光レンズとし
て、焦点距離がより一層小さなレンズが必要となり、こ
のために図５の従来方式のままでは走査用ベンドミラー
の回転操作がますます困難となる。

【００１１】さらに、図４，図５の従来方式では、レー
ザ発振器１から複数本の光ファイバに分配して伝送され
るレーザ光の強度は各光ファイバごとに同一であり、例
えば異なる光強度で別々なワークを多点加工するなどの
加工条件にはこのままでは対応できない。本発明は上記
の点にかんがみなされたものであり、その目的は前記課
題を解決し、小形，コンパクトな構成で、しかも短焦点
距離の集光レンズの採用を可能にし、レーザ発振器から
の出射レーザ光を時分割して複数本の光ファイバへ高
速，かつ効率よく分配して伝送できるようにした多点加
工方式のレーザ加工装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レー
ザ発振器の出力側に光軸を合わせて配備したベンドミラ
ーとその後段に並ぶ集光レンズとの一体的な組合わせか
らなる入射側の光学系と、ベンドミラーを中心に前記光
学系をレーザ発振器の光軸の回りに回転させる回転駆動
部と、前記集光レンズの焦点位置に端面を合わせて集光
スポットの回転走査軌跡上に分散配列した複数本の光フ
ァイバとから構成するものとする。

【００１３】また、前記構成を基本として、レーザ光の
分割数を増加させるために、ベンドミラーと集光レンズ
を対とする光学系をレーザ発振器の光軸に沿って前後方
向に移動させる直線駆動部を備え、さらに光学系の直線
移動経路に沿って光ファイバを分散配列して構成するこ
とができる。さらに、異なる加工条件に対応させるため
の手段として、ベンドミラーと集光レンズを対とする複
数組の光学系を一体的に組み合わせてレーザ発振器の光
軸上に並置配備するとともに、レーザ発振器に近い光学
系のベンドミラーにビームスプリッタを採用し、さらに
各組の光学系ごとにその周域に光ファイバを分散配列し
た構成がある。

【００１４】

【作用】上記構成において、レーザ発振器から出射した
レーザ光はベンドミラー，集光レンズを経て集光された
後、その集光スポットが光ファイバの端面に入射され
る。ここで、ベンドミラーと集光レンズを一体的に組合
わせた光学系を光軸の回りに回転操作すると、集光点が
回転中心の回りで周回移動するように走査され、その走
査軌跡上に分散配列した各光ファイバに対し、時分割方
式により順に切り替わって入射される。この場合に、ベ
ンドミラーと集光レンズは一体的に組立てられて同時回
転するので両者の間には相対的な動きがなく、かつ集光
レンズをベンドミラーの反射側に配置して集光スポット
を直接光ファイバの端面に入射させるようにしたので、
何等の制約なしに集光レンズとして短焦点距離のレンズ
の採用が可能となる。これによりレーザ光の集光スポッ
トを十分に細めて光ファイバのコア端面に余すことなく
入射できる。しかも、集光レンズを回転して集光スポッ
トを回転走査させるようにしたので、複数本の光ファイ
バごとにその入射端側に１対１で集光レンズを装備する
必要がなく、多数本の光ファイバを短ピッチ間隔に並べ
た配列ても支障なくレーザ光を時分割して光ファイバに
入射，伝送させることができる。

【００１５】また、ベンドミラーと集光レンズを組合わ
せた光学系を、前記の回転操作と同時に光軸に沿ってス
ライド移動させることにより、レーザ光の集光スポット
が回転方向のほか光軸方向にも移動するようになるの
で、この集光スポットの移動領域に合わせて光ファイバ
を３次元的に配列することで光ファイバの敷設本数の増
大化が図れる。

【００１６】さらに、ベンドミラーと集光レンズを対と
する複数組の光学系を光軸上に直列に並べ、かつレーザ
発振器に近い光学系のベンドミラーにビームスプリッタ
を採用することにより、レーザ発振器のレーザ出力を各
光学系に対しエネルギー分割した上で、各光学系ごとに
複数本の光ファイバへ時分割して伝送することができ、
これにより異なる加工条件での多点加工への対応が可能
となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、各実施例の図において、図４，５と対応す
る同一部品には同じ符号が付してある。 実施例１：図１（ａ),（ｂ）は本発明の請求項１に対応
する実施例を示すものである。この実施例においては、
ＹＡＧレーザ発振器１の出力側に、ベンドミラー２とそ
の反射側に配した集光レンズ３を一体的に筐体８に組み
込み、かつ駆動モータ９によりベンドミラー２を回転中
心として筐体８を光軸Ｏの回りに回転操作するように構
成した回転式の光学系１０が配備されており、さらに光
学系１０の周域には集光レンズ３を通過したレーザ光７
の集光点の移動軌跡Ｘに端面を合わせて複数本の光ファ
イバ４が分散配列している。なお、各光ファイバ４は図
４で示したようにワークの加工点に向けて引出し配線さ
れている。

【００１８】かかる構成で、レーザ発振器１から出射し
たレーザ光７は光学系１０のベンドミラー２で直角方向
に反射した後に集光レンズ３を通過して集光し、その集
光スポットが光ファイバ４のコア端面に入射する。ここ
で駆動モータ９により光学系１０を光軸Ｏの回りで回転
すると、この回転に伴ってレーザ光７の集光スポットが
（ｂ）図に示す移動軌跡Ｘ上を周回移動して各光ファイ
バ４の端面を走査するとともに、この走査過程でレーザ
光が時分割されて各光ファイバ４へ順に入射し、光ファ
イバ４を通じて時系列的にワークの加工点に伝送され
る。

【００１９】この場合に、光ファイバ４はその端面を集
光スポットの移動軌跡Ｘに位置するように配列すれば敷
設本数には制限がなく、隣り合う光ファイバが殆ど接触
し合うように近接させた状態での配列も可能である。 実施例２：図２は本発明の請求項２に対応する実施例を
示すものである。この実施例においては、実施例１の構
成に追加して、光学系１０を光軸Ｏに沿い実線位置と点
線位置との間で矢印Ｐ方向に直線移動させるスライド機
構１１を備えており、さらに、光学系１０の直線移動経
路に沿ってその周域には図１と同様に光ファイバ４が分
散配列している。

【００２０】かかる構成で、光学系１０を駆動モータ９
により回転しつつ、さらにスライド機構１１の操作で光
学系１０を直線移動させると、集光レンズ３を通過して
集光したレーザ光７の集光点は光軸Ｏに対して回転方向
と直線方向に走査され、この走査過程で光学系１０の周
域に分散配列した各光ファイバ４に対して時分割方式で
レーザ光が入射する。

【００２１】この実施例によれば、先記の実施例１と比
べて光ファイバ４の本数を飛躍的に増やすことができ
る。しかも、ベンドミラー２と集光レンズ３は一体的に
直線方向Ｐにスライド移動するので、直線方向に配列し
た光ファイバ４のピッチ間隔は制約を受けることなく光
ファイバ同士を殆ど近接して敷設することができるほ
か、光ファイバ相互間の配列ピッチを小さくすることで
光学系１０の移動距離も小さくて済み、それだけレーザ
光を高速で時分割できるなどの利点が得られる。

【００２２】なお、図示実施例における回転駆動モータ
９を省略して光学系１０を直線移動のみとし、これに対
応して光ファイバ４を集光レンズ３の集光点に向け一列
に分散配列して実施することも可能である。 実施例３：図３は本発明の請求項３に対応する実施例を
示すものである。この実施例は、先記実施例で述べたレ
ーザ光の時分割方式とエネルギー分割方式を併用して異
なる加工条件での多点加工にも対応できるようにしたも
のであり、レーザ発振器１と光ファイバ４との間に介装
した光学系１０の筐体８には、光軸Ｏに沿って前後に並
置した二組の光学系が組み込まれており、ここで、各組
の光学系はそれぞれ先記実施例と同様にベンドミラー２
と集光レンズ３との組合わせからなり、特にレーザ発振
器１に近い側に並ぶ光学系のベンドミラーにはビームス
プリッタ２ａが採用されている。

【００２３】かかる構成により、レーザ発振器１から出
射したレーザ光７はその一部がビームスプリッタ２ａで
直角方向に反射した後に集光レンズ３を通過し、その集
光スポットが光ファイバ４の端面に入射する。また、ビ
ームスプリッタ２ａを透過した残りのレーザ光は後段側
に並ぶ光学系のベンドミラー２で反射し、集光レンズ３
を通過して他方の光ファイバ４に入射する。この場合に
ビームスプリッタ２ａの反射率と透過率との割合を、例
えば６対４，７対３などに選定すれば、この比率に対応
してレーザ光７が二つの光学系にエネルギー分割される
ので、異なる加工条件，つまり光強度を変えて同時に多
点加工が行えるフレシキブルなレーザ加工システムの実
現が可能となる。そして、前記の光学系１０を駆動モー
タ９により光軸Ｏの回りに回転操作すれば、二組の光学
系ごとにその周域に分散配列した複数本の光ファイバに
対し、前記のエネルギー分割と併せてレーザ光を時分割
して時系列的に多点加工を行うことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のレーザ加工
装置によれば次記の効果を奏する。すなわち、請求項
１，２の構成によれば、ベンドミラーと集光レンズを一
体的に組合わせてレーザ発振器と光ファイバとの間に介
装した光学系を、レーザ発振器から出射するレーザ光の
光軸上で回転，ないしスライド移動するよう構成したこ
とにより、この光学系に対向して敷設した複数本の光フ
ァイバに対し、レーザ光を高速に時分割してワークの加
工地点まで伝送して多点加工を行うことができる。ま
た、この場合に光ファイバの配列はベンドミラー，集光
レンズなどによって制約を受けることなく、光ファイバ
同士を近接敷設して光学系全体の小形化が図れるほか、
特に集光レンズをベンドミラーの反射側に配してレーザ
光の集光スポットを光ファイバのコア端面に直接入射さ
せるようにしたので、集光レンズに短焦点距離のレンズ
を採用してレーザ光を余すことなく光ファイバのコア端
面に効率よく入射させることができる。

【００２５】さらに、請求項３の構成を採用することに
より、レーザ発振器からの出射レーザ光に対し、時分割
とエネルギー分割方式を併用して異なる加工条件での多
点加工にも対応が可能となるフレシキブルなレーザ加工
システムを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応するレーザ加工装置の
光学系の構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は光軸
方向から見た正面図

【図２】本発明の実施例２に対応するレーザ加工装置の
光学系の構成図

【図３】本発明の実施例３に対応するレーザ加工装置の
光学系の構成図

【図４】従来の時分割方式によるレーザ加工装置の光学
系の構成図

【図５】図４と異なる従来例のレーザ加工装置の光学系
の構成図

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ ベンドミラー ２ａ ビームスプリッタ ３ 集光レンズ ４ 光ファイバ ７ レーザ光 ９ 駆動モータ（回転駆動部） １０ 光学系 １１ スライド機構（直線駆動部） Ｏ 光軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器から出射したレーザ光を複数
   本の光ファイバを通じてワークの加工地点まで伝送する
   多点加工方式のレーザ加工装置であって、レーザ発振器
   と、レーザ発振器の出力側に光軸を合わせて配備したベ
   ンドミラーとその後段に並ぶ集光レンズとの一体的な組
   合わせからなる入射側の光学系と、ベンドミラーを中心
   に前記光学系をレーザ発振器の光軸の回りに回転させる
   回転駆動部と、前記集光レンズの焦点位置に端面を合わ
   せて集光スポットの回転走査軌跡上に分散配列した複数
   本の光ファイバとから構成したことを特徴とするレーザ
   加工装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のレーザ加工装置において、
   ベンドミラーと集光レンズを対とする光学系をレーザ発
   振器の光軸に沿って前後方向にスライド移動させる直線
   駆動部を備え、さらに光学系の直線移動経路に沿って光
   ファイバを分散配列したことを特徴とするレーザ加工装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載のレーザ加工装置において、
   ベンドミラーと集光レンズを対とする複数組の光学系を
   一体的に組み合わせてレーザ発振器の光軸上に並置配備
   するとともに、レーザ発振器に近い光学系のベンドミラ
   ーにビームスプリッタを採用し、さらに各組の光学系ご
   とにその周域に光ファイバを分散配列したことを特徴と
   するレーザ加工装置。