(57)【要約】レーザ切断装置（１０）は、レーザ発振器（１２）によって発振されたレーザビームが入射され、レーザビームを集光させるための球面レンズによって、被加工物（２０）の位置においてレーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が被加工物（２０）の位置からずれたレーザビームを被加工物（２０）に照射するレーザ加工ヘッド（１５）を備える。従って、レーザ切断装置（１０）は、球面レンズが有する球面収差を用いてレーザビームの倒置を行うので、簡易な構成で、被加工物（２）の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物（２０）の加工において加工方向が限定されない。
2012164663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に備えられるレーザ加工ヘッドであって、
前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が前記被加工物の位置からずれた前記レーザビームを前記被加工物に照射する、
レーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布がリング状とされる請求項１又は請求項２記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布を非リング状とされる請求項１から請求項３の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記強度分布の中心領域にもピークを有する請求項３記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において焦点深度が１ｍｍ以上である請求項１から請求項４の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記レーザビームの強度分布は、側面の急峻度がカルデラ状となった前記レーザビームの方がカルデラ状となる前の前記レーザビームよりも１０％以上高い請求項１から請求項５の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記球面レンズは、前記レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズ、及び該凸レンズよりも前記レーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズを含み、
前記凸レンズ及び前記凹レンズの曲率の少なくとも一方を変化させることで、前記レーザビームの前記焦点位置と前記レーザビームの強度分布が前記カルデラ状となる位置との位置関係が調整可能とされている請求項１から請求項６の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器によって発振された前記レーザビームが入射される請求項１から請求項７の何れか１項記載のレーザ加工ヘッドと、
被加工物が載置されると共に、前記レーザ加工ヘッドに対して相対的に移動するステージと、
を備えたレーザ加工装置。
【請求項９】
レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、
球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ前記レーザビームを円形に集束させる集束手段、
を備えたレーザ加工装置の光学系。
【請求項１０】
被加工物を加工するためのレーザビームをレーザ発振器から発振し、
発振した前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において、強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が強度の高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が該被加工物の位置からずれたレーザビームを照射し、
照射したレーザビームと前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記被加工物を加工する
レーザ加工方法。
【請求項１１】
レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置のレーザ集束方法であって、
球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ該レーザビームを円形に集束させるレーザ集束方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置、レーザ加工装置の光学系、レーザ加工方法、及びレーザ集束方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属や合金の被加工物（ワーク）を加工する加工ヘッドに、レーザ発振器から光ファイバーを介してレーザビームが送られ、該レーザビームによって被加工物を切断するレーザ切断装置の開発が進んでいる。この光ファイバーを用いたレーザは、固体レーザ（例えば、ファイバレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等）が光ファイバーを用いて伝送されるものである。
従来は、光ファイバーで伝送可能なＹＡＧレーザや半導体レーザの集光性が悪く、被加工物の加工にはＣＯ２レーザが用いられてきたが、ファイバレーザは、ＣＯ２レーザに比較してレーザの生成に要する電気エネルギーが少なく、ビームの品質（レーザビームの集光性と直進性）も同等以上で、高出力化も容易であるため、近年普及が進んでいる。【０００３】
ここで、集光スポットのサイズを小さく、かつ焦点深度が長いレーザビームを得るために、特許文献１には、レーザ光源で発生させたレーザビームを所望の焦点深度で集光させる集光光学系であって、球面収差を発生させるように構成されている集光光学系が記載されている。【０００４】
また、レーザビームは、中心領域の方が周辺領域よりも品質が良く（直進性が高い）、中心領域から離れるに従い、品質が悪いという傾向がある。そのため、被加工物を切断しているときは、品質が悪い周辺領域のレーザビームが被加工物の切断端部に接することとなり、切断の品質（切断精度及び粗度等）に影響を与えることとなる。
特に、ＹＡＧレーザ（波長が１μｍ帯）による合金を含む金属の切断加工では、板厚の厚い（数ｍｍ以上、例えば８ｍｍ以上）金属を切断できない場合もあり、切断できたとしても従来のＣＯ２レーザ（波長が１０μｍ帯）による切断加工ほどの品質が得られなかった。【０００５】
そこで、特許文献２には、レーザビームの断面におけるガウス型分布をもったエネルギー密度分布を、２つのシリンドリカルレンズ対を備えた内外逆転光学系によりレーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転させるレーザ加工装置が記載されている。なお、このレーザビームの進行方向の上流側に配置されたシリンドリカルレンズ対は２つの同一形状のシリンドリカルレンズが並列して接着された形状のレンズ対であってレーザビームを２分割し、下流側に配置されたシリンドリカルレンズ対は２つのシリンドリカルレンズが並列かつ離間して配列されたレンズ対であって上流側のシリンドリカルレンズ対によって２分割されたレーザビームをコリメートして集光レンズに入射させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３９４７６号公報
【特許文献２】特開平９−１０８８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように特許文献２に記載のレーザ加工装置は、ガウス型分布をもったエネルギー密度分布を、レーザビームの光軸を含む平面に対して内外で逆転させているため、品質が良いレーザビームが被加工物に接することとなる。しかしながら、レーザビームを２分割して内外を逆転させているため、被加工物の位置におけるレーザビームの断面は、円形をしていないため、レーザビームが被加工物に接する方向のみでしか被加工物の加工ができない。すなわち、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、被加工物に対して加工可能な方向が限定される。【０００８】
また、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、レーザビームを２つのシリンドリカルレンズ対によって分割し、内外の逆転を行った後に、集光レンズによって被加工物の一点へ集光させている。このため光学系の構成が非常に複雑であり、分割する前のレーザビームの光軸、分割した２つのレーザビームの光軸を各々調整し、かつ分割した２つのレーザビームを被加工物上の同位置に集束させる必要があり、光軸調整が非常に困難である。【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、被加工物の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物の加工において加工方向が限定されないレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置、レーザ加工装置の光学系、レーザ加工方法、及びレーザ集束方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置、レーザ加工装置の光学系、レーザ加工方法、及びレーザ集束方法は以下の手段を採用する。【００１１】
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に備えられるレーザ加工ヘッドであって、前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が前記被加工物の位置からずれた前記レーザビームを前記被加工物に照射する。【００１２】
本発明によれば、レーザビームを集光させるための球面レンズ及び非球面レンズの少なくとも一方によって、被加工物の位置においてレーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が被加工物の位置からずれたレーザビームが被加工物に照射される。【００１３】
レーザビームの強度分布を、中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状とすることで、被加工物を加工する際に被加工物に接するレーザビームの側面の強度が高くなり、より加工精度を高めることができる。
そして、このように強度分布をカルデラ状とするためには、球面レンズが有する球面収差あるいは、十分な収差補正を行っていない（つまりは球面収差を発生可能な）非球面レンズを用いることによって、レーザビームの中心領域と周辺領域とを倒置させることによって実現することができ、該倒置を行うためには、レーザビームの焦点位置を被加工物の位置からずらす必要がある。また、レーザビームは、その中心領域の方が周辺領域に比べて品質が良い、すなわち直進性が高い。そのため、倒置されたレーザビームの周辺領域は、直進性が高くなるためビーム径を保持できる距離（焦点深度）が長くなり、厚みを有する被加工物でも品質の良い加工が可能となる。【００１４】
このように、本発明は、球面レンズ及び非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いてレーザビームの倒置を行い、レーザビームを円形に集束させるので、簡易な構成で、被加工物の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物の加工において加工方向が限定されない。【００１５】
また、上記構成において、前記レーザビームが、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布がリング状とされることが好ましい。【００１６】
このようにすることにより、被加工物の加工方向後方側のレーザビームが、溶融金属の温度上昇に寄与することとなる。この結果、レーザビームは、溶融金属の温度を十分に上昇させることができ、厚みのある被加工物でも切断することができる。【００１７】
また、上記構成において、前記レーザビームが、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布を非リング状とされることが好ましい。【００１８】
このようにすることにより、加工により発生した溶融金属の温度を平均的に上昇させることができる。この結果、レーザビームは、溶融金属の温度を十分に上昇させることができ、厚みのある被加工物でも切断することができる。なお、非リング状とは、例えば周辺領域と共に中心領域にも強度を有する円状であり、倒置されたレーザビームの強度分布がリング状に比べ均一とされている状態である。【００１９】
また、上記構成において、前記レーザビームが、前記被加工物の位置において前記強度分布の中心領域にもピークを有することが好ましい。【００２０】
このようにすることにより、中心領域の強度分布にピークを有するため、溶融金属に対してより多くの熱を与えることとなるので、溶融金属の温度を十分に上昇させることができ、厚みのある被加工物の切断が行える。【００２１】
また、上記構成において、前記レーザビームが、前記被加工物の位置において焦点深度が１ｍｍ以上であることが好ましい。【００２２】
レーザビームは、その中心領域の方が周辺領域に比べて品質が良い、すなわち直進性が高い。そのため、倒置されたレーザビームの周辺領域は、直進性が高くなるため、被加工物の位置において焦点深度が長くなり、厚みを有する被加工物でも品質の良い加工が可能となる。
そして、レーザビームの焦点深度を１ｍｍ以上とすることで、被加工物の板厚内でのエネルギー密度の低下を抑制できるため、より品質の高い加工が可能となる。【００２３】
また、上記構成において、前記レーザビームの強度分布が、側面の急峻度がカルデラ状となった前記レーザビームの方がカルデラ状となる前の前記レーザビームよりも１０％以上高いことが好ましい。【００２４】
このようにすることにより、より品質の高いレーザビームが側面に位置することとなり、より品質の高い加工が可能となる。【００２５】
また、上記構成において、前記球面レンズが、前記レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズ、及び該凸レンズよりも前記レーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズを含み、前記凸レンズ及び前記凹レンズの曲率の少なくとも一方を変化させることで、前記レーザビームの前記焦点位置と前記レーザビームの強度分布が前記カルデラ状となる位置との位置関係が調整可能とされることが好ましい。【００２６】
このように、レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズ、及び凸レンズよりもレーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズの曲率を替えることによって、すなわち、凸レンズ及び凹レンズを曲率の異なる他の凸レンズ及び凹レンズに替えることで、レーザビームの焦点位置とレーザビームの強度分布がカルデラ状となる位置との位置関係とを容易に調整できる。【００２７】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器によって発振された前記レーザビームが入射される上記記載のレーザ加工ヘッドと、被加工物が載置されると共に、前記レーザ加工ヘッドに対して相対的に移動するステージと、を備える。【００２８】
また、本発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ前記レーザビームを円形に集束させる集束手段、を備える。【００２９】
本発明によれば、集束手段によって、球面レンズ及び非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、レーザビームの中心領域が被加工物の位置において周辺領域へ倒置されると共に、レーザビームの周辺領域が被加工物の位置において中心領域へ倒置され、かつレーザビームが円形に集束される。
そして、倒置されたレーザビームが、被加工物を加工することとなる。一般にレーザビームは、その中心領域の方が周辺領域に比べて品質が良い、すなわち直進性が高い。そのため、倒置されたレーザビームの周辺領域は、直進性が高くなる。従って、中心領域、周辺領域で集光位置を調整することで、ビーム径を保持できる距離（焦点深度）が長くなり、厚みを有する被加工物でも品質の良い加工が可能となる。
このように、本発明は、球面レンズ及び非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いてレーザビームの倒置を行うので、簡易な構成で、被加工物の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物の加工において加工方向が限定されない。【００３０】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、被加工物を加工するためのレーザビームをレーザ発振器から発振し、発振した前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において、強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が強度の高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が該被加工物の位置からずれたレーザビームを照射し、照射したレーザビームと前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記被加工物を加工する。【００３１】
また、本発明に係るレーザ集束方法は、レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置のレーザ集束方法であって、球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ該レーザビームを円形に集束させる。【００３２】
本発明によれば、簡易な構成で、被加工物の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物の加工において加工方向が限定されない、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の凹レンズを通過したレーザビームの光跡を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ切断装置で出射されたレーザビームの異なる位置における強度分布を示す模式図であり、（Ａ）はレーザ入射部から出射された直後のレーザビームの強度分布であり、（Ｂ）は焦点位置におけるレーザビームの強度分布であり、（Ｃ）は焦点位置よりも被加工物側の位置におけるレーザビームの強度分布である。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザビームの強度分布を測定する強度分布測定装置の構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザビームの側面の急峻度を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る被加工物の位置におけるレーザビームの強度分布を示す模式図であり、（Ａ）は強度分布をリング状とした場合であり、（Ｂ）は強度分布を非リング状とした場合であり、（Ｃ）は中心領域にピークを有する場合である。
【図７】レーザ切断装置による被加工物の切断面を示した図であり、（Ａ）は倒置が行われる前のレーザビームによる被加工物の切断面であり、（Ｂ）は本実施形態に係るレーザ切断装置において、倒置が行われたレーザビームによる被加工物の切断面である。
【図８】本発明の実施形態に係るレーザビームの焦点位置とレーザビームの強度分布がカルデラ状となる位置との位置関係の調整の説明に要する図である。
【図９】本発明の実施形態に係るレーザ切断装置のレンズを組レンズとした場合の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明に係るレーザ切断装置及びレーザ切断方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、本発明に係るレーザ加工装置を、被加工物を切断するレーザ切断装置として説明する。
【００３５】
図１に、本実施形態に係るレーザ切断装置１０の光学系の構成を示す。
レーザ切断装置１０は、レーザ発振器１２、光ファイバー１４、レーザ加工ヘッド１５、ステージ２５を備えている。なお、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、レーザ発振器１２として個体レーザを用いる。
ステージ２５は、被加工物２０が載置されると共に、レーザ加工ヘッド１５に対して相対的に移動するステージである。なお、ステージ２５は、一例として、レーザ加工ヘッド１５に対して平面方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動可能とされている所謂Ｘ−Ｙステージとされる。これにより、レーザ切断装置１０は、被加工物２０に対して連続的にレーザビームを照射しながら、被加工物２０又はレーザ加工ヘッド１５を移動させることで被加工物２０を切断する。
【００３６】
被加工物２０は、金属であり、本実施形態では被加工物２０を一例として炭素鋼とする。また、被加工物２０の厚みは、例えば数ｍｍ（例えば６ｍｍ〜３００ｍｍ、特に１５ｍｍ〜３００ｍｍ）以上である。また、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、被加工物２０を切断する際に、アシストガスである酸素ガスを切断部分に吹きかけながら切断する。
【００３７】
レーザ発振器１２は、レーザビーム（本実施形態では、ファイバレーザ）を生成する。レーザ発振器１２によって生成されたレーザは、光ファイバー１４で伝送される。
【００３８】
レーザ加工ヘッド１５は、レーザ入射部１６、及び光学系１８を備えている。レーザ入射部１６は、光ファイバー１４の末端に接続され、光ファイバー１４によって伝送されたレーザビームを、光学系１８へ出射する。
光学系１８は、球面レンズによって構成されており、球面レンズには、レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズである集光レンズ２２、及び集光レンズ２２よりもレーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズ２３が含まれ、集光レンズ２２及び凹レンズ２４は、中心軸線２６が同軸となるように配置されている。
【００３９】
集光レンズ２２は、光ファイバー１４から出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを集光させる。集光レンズ２２は、一つのレンズで構成されてもよいし、複数のレンズで構成されてもよい。また、集光レンズ２２は、光ファイバー１４から出射されるレーザビームを平行光にしてもよい。
【００４０】
図２は、実施形態に係るレーザ切断装置１０の凹レンズ２４を通過したレーザビームの光跡の一例を示す図である。凹レンズ２４は、レーザビームの進行方向上流側に曲率を有する一方、下流側には曲率を有さない。
【００４１】
図２の例に示すように、凹レンズ２４の外側に入射してきたレーザビーム（図２の実線）が集光する位置は、凹レンズ２４の内側に入射してきたレーザビーム（図２の破線）が集光する位置よりも、より下流側となる。すなわち、凹レンズ２４は、レーザビームを入射位置に応じて異なる位置で集光拡散させつつ、被加工物２０の表面に照射させる。
【００４２】
そして、図２に示すように、凹レンズ２４を通過したレーザビームは、全体として焦点（位置Ｂ）を結んだ下流側で発散する。ここで、球面レンズである凹レンズ２４は、その球面収差により、焦点位置より下流側（被加工物２０側）において、それまで中心領域にあったレーザビーム（図２の破線）を周辺領域へ倒置させると共に、それまで周辺領域にあったレーザビーム（図２の実線）を中心領域へ倒置させ、かつレーザビームを円形に集束させる。すなわち、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、凹レンズ２４を光学系１８の最終段とし、光学系１８の最終段と被加工物との間でレーザビームの倒置を行う。
【００４３】
図３は、本実施形態に係るレーザ切断装置１０から出射されるレーザビームの異なる位置における強度分布を示す模式図である。
【００４４】
図３（Ａ）は、レーザ入射部１６から出射された直後（図１の位置Ａ）のレーザビームの強度分布を示す。また、図３（Ｂ）は、焦点位置（図１，２の位置Ｂ）におけるレーザビームの強度分布を示す。
【００４５】
図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、レーザビームの中心領域の方が、周辺領域に比べてレーザビームの品質が良い（直進性が高い）。すなわち、周辺領域のレーザビームの品質は、中心領域よりも悪い。このような、レーザビームを用いて被加工物２０を切断すると、品質が悪い周辺領域のレーザビームが被加工物２０の切断端部に接することとなり、切断の品質（切断精度及び粗度等）に影響を与えることとなる。
【００４６】
一方、図３（Ｃ）は、焦点位置よりも被加工物２０側の位置（図１，２の位置Ｃ）におけるレーザビームの強度分布を示す。
上述したように凹レンズ２４の作用によって、レーザビームは、中心領域であったレーザビームを周辺領域へ倒置させると共に、周辺領域であったレーザビームを中心領域へ倒置させ、かつレーザビームを円形に集束させる。このため、図３（Ｃ）に示すように、品質の良いレーザビーム、すなわち、直進性の高いため、ビーム径を保持できる距離（焦点深度）が長いレーザビームが、周辺領域へ位置することになる。
【００４７】
このように、強度分布をカルデラ状とするためには、球面レンズが有する球面収差によって、レーザビームの中心領域と周辺領域とを倒置させることで実現することができ、該倒置を行うためには、レーザビームの焦点位置を被加工物２０の位置からずらす必要がある。
なお、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、被加工物２０の位置におけるレーザビームの径を０．１〜２．０ｍｍとする。
【００４８】
図４は、レーザビームの強度分布を測定する強度分布測定装置５０の構成図である。
強度分布測定装置５０は、円形の本体５２の一部にレーザビームをスキャンするスキャン部５４を備える。スキャン部５４は、レーザビームと接し、ミラー５６を介してレーザビームの一部を本体５２の上方に設けられた光検出器５８（フォトダイオード）へ導く。光検出器５８は、検出したレーザビームの強度を出力する。
また、本体５２は、その周方向に回転可能とされると共に、高さ方向及びレーザビームを横切る方向である左右方向へ移動可能とされ、回転及び移動を行うことで、スキャン部５４によるレーザビームのスキャンを行う。
【００４９】
また、本実施形態に係るレーザ切断装置１０が出射するレーザビームの強度分布の側面の急峻度は、カルデラ状となったレーザビームの方がカルデラ状となる前のレーザビームよりも高い。具体的には、急峻度は、側面の接線角度が１０％以上、好ましくは２０％以上高いことが望ましい。これにより、より品質の高いレーザビームが側面に位置することとなり、より品質の高い加工が可能となる。
急峻度は、例えば、図５に示されるように、レーザビームの強度分布のピークから１／ｅ２（ｅは自然対数の低、ｅ＝２．７１８２８）で定義される直線と、レーザビームの強度分布の側面との交点における接線角αを、カルデラ状となる前後で比較することによって算出される。
【００５０】
図６は、レーザ切断装置１０で用いるレーザビームの被加工物２０の位置における強度分布を示す模式図である。
【００５１】
図６（Ａ）は、上述した倒置によりレーザビームのカルデラ状の強度分布を、よりリング状とした場合である。リング状とは、レーザビームの中心領域に比べて周辺領域の方の強度がより高い状態であり、中心領域の強度が非常に小さい状態である。レーザビームの強度分布をリング状とすることによって、被加工物の位置における周辺領域に品質の良いレーザビームが長焦点深度で形成されることとなり、特に厚板の切断を品質良く行うことができる。
【００５２】
なお、焦点深度は、エネルギー密度が被加工物２０の切断に必要な値を保ちつつ、極力長く設定することが好ましい。具体的には、レーザビームの焦点深度を１ｍｍ以上とすることで、被加工物２０の板厚内でのエネルギー密度の低下を抑制できるため、より品質の高い加工が可能となる。
【００５３】
図６（Ｂ）は、上述した倒置によりレーザビームの強度分布を非リング状とした場合である。非リング状とは、例えば、周辺領域と共に中心領域にも強度を有する円状であり、倒置されたレーザビームの強度分布がリング状に比べ均一とされている状態である。
この場合においても、上記した倒置を行わずに収差補正を行う従来の集光レンズにより得られるレーザビームよりも、周辺領域のレーザビームの品質が良好となり、品質の良い被加工物の切断が行える。
【００５４】
図６（Ｃ）は、被加工物２０の位置において強度分布の中心領域にもピークを有するレーザビームの強度分布とした場合である。この場合は、中心領域の強度分布にピークを有するため、溶融金属に対してより多くの熱を与えることとなるので、溶融金属の温度を十分に上昇させることができ、厚みのある被加工物２０の切断が行える。なお、中心領域におけるピークの強度は、周辺領域のピークの強度よりも大きくても小さくてもよい。
【００５５】
倒置されたレーザビームの強度分布は、レーザ入射部１６と光学系１８との距離、集光レンズ２２と凹レンズ２４との距離、集光レンズ２２の枚数、及び集光レンズ２２と凹レンズ２４の位置関係等の調整、すなわち、光学系１８を構成する集光レンズ２２及び凹レンズ２４の組み合わせが調整されることで、図６に示されるような強度分布が各々異なる形状に形成される。
【００５６】
図７は、被加工物２０の切断面を示した図である。
【００５７】
図７（Ａ）は、倒置が行われる前のレーザビームによる被加工物２０の切断面を示す。図７（Ａ）の中段及び下段に示される図が該切断に用いたレーザビームの強度分布を示し、該レーザビームは、中心領域にピークを有している。そして、図７（Ａ)の上段に示される図が、切断面を実際に撮影した写真である。
【００５８】
一方、図７（Ｂ）は、本実施形態に係るレーザ切断装置１０において、倒置が行われたレーザビームによる被加工物２０の切断面を示す。図７（Ｂ)の中段及び下段に示す図が該切断に用いたレーザビームの強度分布を示し、該レーザビームは、強度分布がカルデラ状であり、かつ中心領域にピークを有している。そして、図７（Ｂ)の上段に示される図が、切断面を実際に撮影した写真である。
【００５９】
図７（Ａ）と図７（Ｂ）における写真を比較すると、図７（Ｂ）に示される倒置が行われたレーザビームによる切断面の方が、より滑らかに切断されていることが分かる。
【００６０】
また、凸レンズである集光レンズ２２及び凹レンズ２４の曲率の少なくとも一方を変化させることで、レーザビームの焦点位置とレーザビームの強度分布がカルデラ状となる位置との位置関係、すなわち倒置を行う位置が調整可能とされている。
【００６１】
例えば、図８に示すように、焦点位置（図８の“Ｂ−Ｂ”）よりも上流側で倒置（図８の“Ｃ−Ｃ”）を行う場合には、集光レンズ２２の曲率を大きくし、凹レンズ２４の曲率を小さくする。一方、焦点位置よりも下流側で倒置を行う場合は、集光レンズ２２の曲率を小さくし、凹レンズ２４の曲率を大きくする。
なお、集光レンズ２２及び凹レンズの曲率を替えるということは、すなわち、集光レンズ２２及び凹レンズ２４を曲率の異なる他の集光レンズ２２及び凹レンズ２４に替えることであり、これにより、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、レーザビームの焦点位置とレーザビームの強度分布がカルデラ状となる位置との位置関係とを容易に調整できる。
【００６２】
また、本実施形態では集光レンズ２２と凹レンズ２４を各々異なるレンズとして記載しているが、例えば、図９に示すようにこれらを一体の組レンズ６０とし、該組レンズ６０を曲率の異なる他の組レンズ６０に交換することによって、倒置の位置を調整してもよい。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、球面レンズが有する球面収差を用いてレーザビームの倒置を行い、レーザビームを円形に集束させるので、簡易な構成で、被加工物の位置において内外を逆転させたレーザビームを生成でき、かつ被加工物の加工において加工方向が限定されない。
【００６４】
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６５】
例えば、上記実施形態では、アシストガスとして酸素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アシストガスとして窒素ガスやアルゴンガス等、他のガスを用いる形態としてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、レーザ切断装置１０にファイバレーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、光ファイバーによって伝送されるディスクレーザ（波長１．０５〜１．０９μｍ）やＹＡＧレーザ、気体レーザのＣＯ２レーザ等、他のレーザを用いる形態としてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、球面レンズを用いてレーザビームの強度分布をカルデラ状とする場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、十分な収差補正を行っていない（つまりは球面収差を発生可能な）非球面レンズを用いてレーザビームの強度分布をカルデラ状とする形態としてもよい。また、球面レンズ及び上記非球面レンズを組み合わせてレーザビームの強度分布をカルデラ状としてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０    レーザ切断装置
１２    レーザ発振器
１５    レーザ加工ヘッド
１６    レーザ入射部
１８    光学系
２０    被加工物
２２    集光レンズ
２４    凹レンズ
２５    ステージ
【図１】
2012164663.tif 000003
【図２】
2012164663.tif 000004
【図３】
2012164663.tif 000005
【図４】
2012164663.tif 000006
【図５】
2012164663.tif 000007
【図６】
2012164663.tif 000008
【図７】
2012164663.tif 000009
【図８】
2012164663.tif 000010
【図９】
2012164663.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月26日(2013.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に備えられるレーザ加工ヘッドであって、
前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が前記被加工物の位置からずれた前記レーザビームを前記被加工物に照射する、
レーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布がリング状とされる請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記レーザビームの強度分布を非リング状とされる請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において前記強度分布の中心領域にもピークを有する請求項３記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記レーザビームは、前記被加工物の位置において焦点深度が１ｍｍ以上である請求項１から請求項４の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記レーザビームの強度分布は、側面の急峻度がカルデラ状となった前記レーザビームの方がカルデラ状となる前の前記レーザビームよりも１０％以上高い請求項１から請求項５の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記球面レンズは、前記レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズ、及び該凸レンズよりも前記レーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズを含み、
前記凸レンズ及び前記凹レンズの曲率の少なくとも一方を変化させることで、前記レーザビームの前記焦点位置と前記レーザビームの強度分布が前記カルデラ状となる位置との位置関係が調整可能とされている請求項１から請求項６の何れか１項記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器によって発振された前記レーザビームが入射される請求項１から請求項７の何れか１項記載のレーザ加工ヘッドと、
被加工物が載置されると共に、前記レーザ加工ヘッドに対して相対的に移動するステージと、
を備えたレーザ加工装置。
【請求項９】
レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、
球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ前記レーザビームを円形に集束させる集束手段、
を備えたレーザ加工装置の光学系。
【請求項１０】
被加工物を加工するためのレーザビームをレーザ発振器から発振し、
発振した前記レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、前記被加工物の位置において、強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が強度の高いカルデラ状となり、かつ焦点位置が該被加工物の位置からずれたレーザビームを照射し、
照射したレーザビームと前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記被加工物を加工する
レーザ加工方法。
【請求項１１】
レーザ発振器によって発振されたレーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置のレーザ集束方法であって、
球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方が有する球面収差を用いて、前記レーザビームの中心領域を前記被加工物の位置において周辺領域へ倒置させると共に、前記レーザビームの周辺領域を前記被加工物の位置において中心領域へ倒置させ、かつ該レーザビームを円形に集束させるレーザ集束方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
レーザ加工ヘッド１５は、レーザ入射部１６、及び光学系１８を備えている。レーザ入射部１６は、光ファイバー１４の末端に接続され、光ファイバー１４によって伝送されたレーザビームを、光学系１８へ出射する。
光学系１８は、球面レンズによって構成されており、球面レンズには、レーザビームの進行方向上流側に位置する凸レンズである集光レンズ２２、及び集光レンズ２２よりもレーザビームの進行方向下流側に位置する凹レンズ２４が含まれ、集光レンズ２２及び凹レンズ２４は、中心軸線２６が同軸となるように配置されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
例えば、図８に示すように、焦点位置（図８の“Ｂ−Ｂ”）よりも上流側で倒置（図８の“Ｃ−Ｃ”）を行う場合には、集光レンズ２２の曲率を大きくし、凹レンズ２４の曲率を小さくする。一方、焦点位置よりも下流側で倒置を行う場合は、集光レンズ２２の曲率を小さくし、凹レンズ２４の曲率を大きくする。
なお、集光レンズ２２及び凹レンズ２４の曲率を替えるということは、すなわち、集光レンズ２２及び凹レンズ２４を曲率の異なる他の集光レンズ２２及び凹レンズ２４に替えることであり、これにより、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、レーザビームの焦点位置とレーザビームの強度分布がカルデラ状となる位置との位置関係とを容易に調整できる。
【国際調査報告】
2012164663.tif 000012
2012164663.tif 000013