(57)【要約】【課題】簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】コリメートレンズ３３は、発散光のレーザビームをコリメート光に変換する。集束レンズ３６は、コリメート光を集束させて収束光のレーザビームに変換し、加工対象の板金Ｗに照射する。プロファイル選択器３１は、発散光または収束光のレーザビームを屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザビームを射出する。移動機構３０２は、プロファイル選択器３１を光軸方向に移動させる。移動機構３４は、プロファイル選択器３１によるビームプロファイルの選択に伴う収束光の焦点位置のずれを軽減するように、コリメートレンズ３３を光軸方向に移動させる。【選択図】図１
2020059040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて収束光のレーザビームに変換し、加工対象の板金に照射する集束レンズと、
前記コリメートレンズに入射される発散光または前記集束レンズより射出された収束光のレーザビームが入射され、入射されたレーザビームを屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザビームを射出するプロファイル選択器と、
前記プロファイル選択器を光軸方向に移動させる第１の移動機構と、
前記プロファイル選択器によるビームプロファイルの選択に伴う前記収束光の焦点位置のずれを軽減するように、前記コリメートレンズを光軸方向に移動させる第２の移動機構と、
を備えるレーザ加工機。
【請求項２】
前記プロファイル選択器に入射されるレーザビームのビームプロファイルはガウシアン型であり、
前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形することなくガウシアン型のレーザビームとして射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してトップハット型に変換するビーム成形レンズとしてのファセットレンズとを有する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記プロファイル選択器に入射されるレーザビームのビームプロファイルはガウシアン型であり、
前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形することなくガウシアン型のレーザビームとして射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してリング型に変換するビーム成形レンズとしてのアキシコンレンズとを有する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
前記プロファイル選択器に入射されるレーザビームのビームプロファイルはガウシアン型であり、
前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形することなくガウシアン型のレーザビームとして射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してトップハット型に変換する第１のビーム成形レンズとしてのファセットレンズと、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してリング型に変換する第２のビーム成形レンズとしてのアキシコンレンズとを有する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項５】
前記プロファイル選択器は、前記非ビーム成形部と前記ファセットレンズと前記アキシコンレンズとが１つの円周上に位置するように配置されたベース板を有し、
前記プロファイル選択器より射出されるレーザビームのビームプロファイルをガウシアン型とトップハット型とリング型とのうちから選択するために、前記ベース板を回転させる回転機構をさらに備える
請求項４に記載のレーザ加工機。
【請求項６】
前記コリメートレンズには、レーザ発振器より射出されたレーザビームを伝送するプロセスファイバの射出端より射出された発散光のレーザビームが入射され、
前記プロファイル選択器は、前記射出端と前記コリメートレンズとの間に配置されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項７】
前記第１の移動機構は、レーザビームの光軸上に前記ビーム成形レンズが位置してレーザビームをビーム成形するときに、前記ビーム成形レンズに入射されるレーザビームのビーム径を変化させるよう、前記プロファイル選択器を光軸方向に移動させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項８】
入射された発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて収束光のレーザビームに変換し、加工対象の板金に照射する集束レンズと、
前記コリメートレンズに入射される発散光または前記集束レンズより射出された収束光のレーザビームが入射され、入射されたレーザビームを屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズと、
前記ビーム成形レンズに入射されるレーザビームのビーム径を変化させるために、前記ビーム成形レンズを光軸方向に移動させる移動機構と、
を備えるレーザ加工機。
【請求項９】
前記ビーム成形レンズに入射されるレーザビームのビームプロファイルはガウシアン型であり、
前記ビーム成形レンズは、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してトップハット型のレーザビームに変換するファセットレンズである
請求項８に記載のレーザ加工機。
【請求項１０】
前記ビーム成形レンズに入射されるレーザビームのビームプロファイルはガウシアン型であり、
前記ビーム成形レンズは、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形してリング型のレーザビームに変換するアキシコンレンズである
請求項８に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームによって板金を加工するレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断または溶接したり、板金に対してマーキングを施したりするよう加工するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機には、種々のレーザ発振器が用いられる。比較的板厚の薄い板金を高速に切断加工するためには、例えばファイバレーザ発振器がよく用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１５−５００５７１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１２４６７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ加工機は、板金に照射されるレーザビームのビームプロファイルを板金の加工条件に応じて適切に設定する必要がある。特許文献１及び２には、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機が記載されている。
【０００５】
特許文献１及び２に記載のビームプロファイルを選択するための構成は煩雑であり、簡易で安価な構成でビームプロファイルを選択することができるレーザ加工機が望まれる。
【０００６】
本発明は、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機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】
【０００７】
本発明は、入射された発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて収束光のレーザビームに変換し、加工対象の板金に照射する集束レンズと、前記コリメートレンズに入射される発散光または前記集束レンズより射出された収束光のレーザビームが入射され、入射されたレーザビームを屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザビームを射出するプロファイル選択器と、前記プロファイル選択器を光軸方向に移動させる第１の移動機構と、前記プロファイル選択器によるビームプロファイルの選択に伴う前記収束光の焦点位置のずれを軽減するように、前記コリメートレンズを光軸方向に移動させる第２の移動機構とを備えるレーザ加工機を提供する。
【０００８】
本発明は、入射された発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて収束光のレーザビームに変換し、加工対象の板金に照射する集束レンズと、前記コリメートレンズに入射される発散光または前記集束レンズより射出された収束光のレーザビームが入射され、入射されたレーザビームを屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズと、前記ビーム成形レンズに入射されるレーザビームのビーム径を変化させるために、前記ビーム成形レンズを光軸方向に移動させる移動機構とを備えるレーザ加工機を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のレーザ加工機によれば、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。
【図２】図１におけるプロファイル選択器３１及び回転機構３２が取り付けられたベース３０１の構成例を示す平面図である。
【図３】プロファイル選択器３１が備えるビーム成形レンズ３１３（ファセットレンズ）の構成例を示す平面図である。
【図４】プロファイル選択器３１が備えるビーム成形レンズ３１４（アキシコンレンズ）の構成例を示す側面図である。
【図５】図１における移動機構３０２の構成例を示す側面図である。
【図６】図１における移動機構３４の構成例を示す側面図である。
【図７】第１実施形態のレーザ加工機において、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するようにプロファイル選択器３１が設定されている状態を示す図である。
【図８】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態のプロファイル選択器３１を示す平面図である。
【図９】第１実施形態のレーザ加工機において、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するようにプロファイル選択器３１が設定されている状態を示す図である。
【図１０】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態のプロファイル選択器３１を示す平面図である。
【図１１Ａ】ビーム成形レンズ３１３がプロセスファイバ２０の射出端２０ｅ側に移動したときにビーム成形レンズ３１３に入射するレーザビームのビーム径を示す図である。
【図１１Ｂ】ビーム成形レンズ３１３がコリメートレンズ３３側に移動したときにビーム成形レンズ３１３に入射するレーザビームのビーム径を示す図である。
【図１２】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置している状態で、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させたときのＢＰＰの変化を示す特性図である。
【図１３】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置している状態で、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させたときの集束ビーム径の変化を示す特性図である。
【図１４】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置している状態で、各板厚の板金を切断するときに良好な切断面の品質が得られる、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を示す表である。
【図１５】レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置している状態で、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させたときのビームプロファイルのシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】第２実施形態のレーザ加工機における加工ヘッドの構成例を示す図である。
【図１７】第３実施形態のレーザ加工機で用いられる矩形状のプロファイル選択器３１０を示す図である。
【図１８】第４実施形態のレーザ加工機における加工ヘッドの構成例を示す図である。
【図１９】第５実施形態のレーザ加工機における加工ヘッドの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、第１〜第５実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。第１〜第５実施形態のレーザ加工機において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザビームを加工対象の板金Ｗに照射して板金Ｗを加工する加工ヘッド３０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームを加工ヘッド３０へと伝送するプロセスファイバ２０とを備える。また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、レーザ発振器１０及び加工ヘッド３０を制御するＮＣ装置５０とを備える。ＮＣ装置５０は、制御装置の一例である。
【００１３】
レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
【００１４】
レーザ発振器１０は、一点鎖線で示すように、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザビームを射出する。
【００１５】
加工ヘッド３０は、板金Ｗに照射されるレーザビームのビームプロファイルを選択するプロファイル選択器３１と、プロファイル選択器３１を回転させて、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択するための回転機構３２とを備える。ビームプロファイルとはレーザビームを断面で見たときの強度分布を示す特性である。プロファイル選択器３１及び回転機構３２は、ベース３０１に取り付けられている。ベース３０１は、移動機構３０２（第１の移動機構）によって光軸方向に移動自在に構成されている。
【００１６】
プロセスファイバ２０の射出端２０ｅより射出されるレーザビームは発散光であり、プロファイル選択器３１に入射される。図１に示すように、プロセスファイバ２０より射出されるレーザビームのビームプロファイルは、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなるガウシアン型である。
【００１７】
プロファイル選択器３１から射出されたレーザビームはコリメートレンズ３３に入射される。コリメートレンズ３３は、入射された発散光のレーザビームを平行光化してコリメート光とする。コリメートレンズ３３は、移動機構３４（第２の移動機構）によって光軸方向に移動自在に構成されている。
【００１８】
コリメートレンズ３３から射出されたコリメート光はベンドミラー３５に入射される。ベンドミラー３５は、入射されたレーザビームの方向を９０度曲げ、集束レンズ３６に入射させる。集束レンズ３６は、焦点位置が板金Ｗの表面またはその近傍となるようコリメート光を集束して、収束光を板金Ｗに照射する。
【００１９】
図示を省略しているが、加工ヘッド３０は、板金Ｗの表面と所定の距離だけ離れた状態で、板金Ｗの表面に沿って移動自在に構成されている。
【００２０】
図２に示すように、プロファイル選択器３１は、ビームを成形しない円形のガラス板３１２と、２種類の円形のビーム成形レンズ３１３及び３１４とが嵌め込まれた円形のベース板３１１を備える。ベース板３１１は例えばアルミニウムの金属板である。ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径は１０ｍｍ程度でよい。
【００２１】
ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４は、それぞれの円の中心が１つの円周上に位置するようにベース板３１１に配置されている。ベース板３１１の外周部には歯が形成されている。
【００２２】
回転機構３２は、ベース板３１１の歯と噛み合うギア３２１と、ギア３２１を回転させることによってベース板３１１を回転させるモータ３２２とを備える。モータ３２２を回転させることによってベース板３１１がベース板３１１の中心を回転軸として回転し、レーザビームの光軸上に、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とのうちのいずれかを選択的に位置させることができる。
【００２３】
ベース３０１には、円形の開口３０１０が形成されている。回転機構３２は、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とのうちのいずれかが、開口３０１０に位置するようにプロファイル選択器３１を回転させる。よって、レーザビームは、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とのうちのいずれかを透過した後に開口３０１０を通過して、コリメートレンズ３３に入射する。
【００２４】
レーザビームの光軸上にガラス板３１２が位置しているとき、ガラス板３１２はビームを成形しないため、プロファイル選択器３１はガウシアン型のビームをそのまま射出する。図２において、一点鎖線の円で示すＬＢはビームの断面を示している。ベース板３１１にガラス板３１２を嵌め込む代わりに、ビームをそのまま通過させる開口を形成してもよい。
【００２５】
プロファイル選択器３１は、ガウシアン型のレーザビームをビーム成形することなくガウシアン型のレーザビームとして射出する非ビーム成形部を有すればよい。ガラス板３１２または開口は非ビーム成形部である。図２では、プロファイル選択器３１は２種類のビーム成形レンズ３１３及び３１４を有するが、いずれか一方のみとすることができる。
【００２６】
図１は、プロファイル選択器３１が、レーザビームの光軸上にガラス板３１２が位置するように設定されている状態を示している。よって、板金Ｗにはガウシアン型のビームが照射されて、板金Ｗが加工される。板金Ｗに照射されるビームの焦点位置は、プロファイル選択器３１が図１の状態で最適な位置に設定されているとする。
【００２７】
ビーム成形レンズ３１３は一例としてファセットレンズ（第１のビーム成形レンズ）である。図３に示すように、ファセットレンズであるビーム成形レンズ３１３は、凸レンズの表面（レーザビームの入射面）に複数の六角形状の平面３１３０が形成されたレンズである。ビーム成形レンズ３１３は、図３に示す形状に限定されることはなく、凸レンズの表面に複数の四角形状の平面を有する構成であってもよい。ビーム成形レンズ３１３は、レーザビームの入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されたファセットレンズであればよい。なお、ファセットレンズは複眼レンズであって、集束位置において、複数のファセット（小平面）状の光強度面が生じればよい。
【００２８】
ビーム成形レンズ３１４は一例としてアキシコンレンズ（第２のビーム成形レンズ）である。図４に示すように、アキシコンレンズであるビーム成形レンズ３１４は、レーザビームの入射面３１４１が平面、レーザビームの射出面３１４２が円錐状となっている回転対称プリズムである。
【００２９】
図５は、プロファイル選択器３１及び回転機構３２が取り付けられたベース３０１を光軸方向に移動させる移動機構３０２の概略的な構成の一例を示している。図５においては、プロファイル選択器３１及び回転機構３２の図示を省略している。移動機構３０２は例えばボールねじを有して構成される。ベース３０１は、内周面に雌ねじが形成されたナットとして機能する保持部３０２３及び３０２５によって保持されている。ねじ軸３０２１及び３０２４表面の雄ねじと保持部３０２３及び３０２５の雌ねじとは、それぞれ、ボールを介して噛み合っている。モータ３０２２を回転させることによって、ベース３０１がねじ軸３０２１及び３０２４に沿って移動する。
【００３０】
移動機構３０２によってベース３０１（プロファイル選択器３１）を移動させることによる作用については後述する。
【００３１】
図６は、コリメートレンズ３３を光軸方向に移動させる移動機構３４の概略的な構成の一例を示している。移動機構３４は例えばボールねじを有して構成される。コリメートレンズ３３は、内周面に雌ねじが形成されたナットとして機能する保持部３４３及び３４５によって保持されている。ねじ軸３４１及び３４４表面の雄ねじと保持部３４３及び３４５の雌ねじとは、それぞれ、ボールを介して噛み合っている。モータ３４２を回転させることによって、コリメートレンズ３３がねじ軸３４１及び３４４に沿って移動する。
【００３２】
移動機構３０２及び３４は、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか（またはこれらの任意の組み合わせ）と、モータ等の駆動部とで構成されていればよい。移動機構３０２及び３４の構成は任意である。
【００３３】
図７は、プロファイル選択器３１が、図８に示すように、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態を示している。図８においては、ベース３０１の図示を省略し、プロファイル選択器３１及び回転機構３２のみを示している。ビーム成形レンズ３１３は、入射されるレーザビームを屈折させることにより、ガウシアン型のビームを中央部が平坦状のビームプロファイルであるトップハット型（フラットトップ型）のビームに変換する。
【００３４】
ビーム成形レンズ３１３がガウシアン型のビームをトップハット型のビームに変換するとビーム径が拡大するため、コリメートレンズ３３が図１と同じ位置に位置していると、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点位置は図１における焦点位置よりも上方に移動する。そこで、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を光軸と平行方向にプロファイル選択器３１側へと移動させる。
【００３５】
例えば、ＮＣ装置５０は、ビーム成形レンズ３１３によってビーム径が拡大された分だけビーム径を縮小するよう、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をプロファイル選択器３１側へと移動させる。このようにすれば、図７において、板金Ｗには、図１における焦点位置と同じ焦点位置でトップハット型のビームが照射される。
【００３６】
プロファイル選択器３１が、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態において、焦点位置を図１における焦点位置と意図的に異ならせることがあってもよい。
【００３７】
移動機構３４は、集束レンズ３６より射出された集束光のプロファイル選択器３１によるビームプロファイルの選択に伴う焦点位置のずれを軽減するように、コリメートレンズ３３を光軸方向に移動させればよい。
【００３８】
なお、板金Ｗに照射されるビームの焦点位置が、プロファイル選択器３１が図７の状態で最適な位置に設定されているとし、プロファイル選択器３１を図１の状態に切り替えたとすれば、焦点位置は図７における焦点位置よりも下方に移動する。この場合、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をベンドミラー３５側へと移動させればよい。
【００３９】
図９は、プロファイル選択器３１が、図１０に示すように、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態を示している。図８と同様に、図１０においては、ベース３０１の図示を省略し、プロファイル選択器３１及び回転機構３２のみを示している。ビーム成形レンズ３１４は、入射されるレーザビームを屈折させることにより、ガウシアン型のビームを、中央部の強度が低く周辺部の強度が強いリング状のビームプロファイルであるリング型（ドーナツ型）のビームに変換する。
【００４０】
同様に、ビーム成形レンズ３１４がガウシアン型のビームをリング型のビームに変換するとビーム径が拡大するため、コリメートレンズ３３が図１と同じ位置に位置していると、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点位置は図１における焦点位置よりも上方に移動する。そこで、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を光軸と平行方向にプロファイル選択器３１側へと移動させる。
【００４１】
図９において、ＮＣ装置５０が、ビーム成形レンズ３１４によってビーム径が拡大された分だけビーム径を縮小するようコリメートレンズ３３をプロファイル選択器３１側へと移動させれば、板金Ｗには、図１における焦点位置と同じ焦点位置でリング型のビームが照射される。
【００４２】
プロファイル選択器３１が、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態において、焦点位置を図１における焦点位置と意図的に異ならせることがあってもよい。
【００４３】
なお、板金Ｗに照射されるビームの焦点位置が、プロファイル選択器３１が図９の状態で最適な位置に設定されているとし、プロファイル選択器３１を図１の状態に切り替えたとすれば、焦点位置は図９における焦点位置よりも下方に移動する。この場合も、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をベンドミラー３５側へと移動させればよい。
【００４４】
ビーム成形レンズ３１３を使用するときとビーム成形レンズ３１４を使用するときとで焦点位置が変化して、焦点位置を調整する必要がある場合には、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を光軸方向に移動させればよい。
【００４５】
ここで、移動機構３０２によってベース３０１を光軸方向に移動させることによる作用について説明する。移動機構３０２によってベース３０１を移動させると、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離が変化し、ビーム成形レンズ３１３または３１４に入射するレーザビームのビーム径が変化する。
【００４６】
図１１Ａは、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置していて、プロファイル選択器３１が射出端２０ｅ側に移動して、両者間の距離を近付けた状態のビーム径を示している。図１１Ｂは、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置していて、プロファイル選択器３１が図１１Ａの状態よりもコリメートレンズ３３側に移動して、両者間の距離を遠ざけた状態のビーム径を示している。
【００４７】
図１１Ａと図１１Ｂとを比較すれば明らかなように、ビーム成形レンズ３１３に入射するビーム径が大きくなるほど、六角形状の平面３１３０よりなる周期構造により多くの光が入射する。図１１Ｂが図７に示す状態であって、図７及び図１１Ｂに示すようなトップハット型のビームプロファイルが得られるとする。
【００４８】
図１１Ａに示すようにビーム成形レンズ３１３に入射するビーム径が小さくなると、入射されるガウシアン型のレーザビームをトップハット型に変換する作用が小さくなる。従って、図１１Ａの状態で得られるビームプロファイルは、図１１Ａに示すように、ガウシアン型とトップハット型との中間のビームプロファイルとなる。即ち、ＮＣ装置５０が移動機構３０２によってベース３０１を光軸方向に移動させることによって、ビームプロファイルを変化させることができる。具体的には、第１実施形態のレーザ加工機１００は、ガウシアン型とトップハット型との間の複数の中間のビームプロファイルを選択することが可能となる。
【００４９】
射出端２０ｅからプロファイル選択器３１（ビーム成形レンズ３１３）までの距離を変化させると、板金Ｗに照射されるレーザビームのＢＰＰ（Beam Parameter Product）及び集束ビーム径が変化する。図１２は、射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離とＢＰＰとの関係を示している。図１３は、射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離と集束ビーム径との関係を示している。射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離が０におけるＢＰＰ及び集束ビーム径は、プロファイル選択器３１が存在しない状態でのＢＰＰ及び集束ビーム径を示している。
【００５０】
図１１Ａは距離を５０ｍｍとした場合を示しており、ＢＰＰは１３ｍｍ・ｍｒａｄ、集束ビーム径は４２８μｍである。図１１Ｂは距離を８０ｍｍとした場合を示しており、ＢＰＰは１９ｍｍ・ｍｒａｄ、集束ビーム径は６５７μｍである。図１１Ａ及び図１１Ｂより分かるように、ＢＰＰ及び集束ビーム径は射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離に応じてほぼ線形に変化する。
【００５１】
一般的に、板金Ｗとして薄板を切断加工するときには集束ビーム径を小さくすることが有効であり、厚板を切断加工するときには集束ビーム径を大きくすることが有効である。第１実施形態のレーザ加工機１００によれば、射出端２０ｅからビーム成形レンズ３１３までの距離を変化させることができるから、板金Ｗを板厚または材質に応じて適切に加工することができる。
【００５２】
実際に、板金Ｗとしてオーステナイト系のステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を用意し、複数の板厚で射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させたところ、以下のような結果が得られた。
【００５３】
図１４に示すように、板金Ｗの板厚が４ｍｍであり、距離を５０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において１．７３μｍ、上面から板厚の２／３（以下、２／３ｔ）の位置において０．８６μｍであった。板金Ｗの板厚が４ｍｍであり、距離を８０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において０．９９μｍ、２／３ｔの位置において１．０５μｍであった。なお、上面とは、厳密には上面から１ｍｍの位置である。
【００５４】
板金Ｗの板厚が８ｍｍであり、距離を５０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において１．７３μｍ、２／３ｔの位置において３．３８μｍであった。板金Ｗの板厚が８ｍｍであり、距離を８０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において１．２９μｍ、２／３ｔの位置において０．９６μｍであった。
【００５５】
板金Ｗの板厚が１２ｍｍであり、距離を５０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において２．２３μｍ、２／３ｔの位置において６．４１μｍであった。板金Ｗの板厚が１２ｍｍであり、距離を８０ｍｍとして板金Ｗを切断したときに得られた切断面における算術平均粗さＲａは、上面において１．０２μｍ、２／３ｔの位置において２．２１μｍであった。
【００５６】
なお、上面及び２／３ｔの位置における算術平均粗さＲａは、各３回測定したときの平均値である。また、算術平均粗さＲａの値は日本工業規格JIS B 0601:2013に基づく値である。
【００５７】
板金Ｗの板厚が８ｍｍ以下であるとき、上面での算術平均粗さＲａが２．０μｍ未満かつ２／３ｔの位置にける算術平均粗さＲａが１．０μｍ未満であるときを良好切断であると定義する。板金Ｗの板厚が１２ｍｍであるとき、上面での算術平均粗さＲａが２．０μｍ未満かつ２／３ｔの位置にける算術平均粗さＲａが３．０μｍ未満であるときを良好切断であると定義する。
【００５８】
図１４に太枠で示すように、板厚が４ｍｍであるときには、射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を５０ｍｍとし、板厚が８ｍｍまたは１２ｍｍであるときには、その距離を８０ｍｍとすることにより、板金Ｗを切断面における表面粗さが小さく高品位に切断することができる。
【００５９】
第１実施形態のレーザ加工機１００は、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するようにプロファイル選択器３１が設定されている状態で、射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させることができる。これにより、各板厚に適したビームプロファイルを選択することができ、各板厚の板金Ｗを良好に切断することができる。
【００６０】
レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置していて、移動機構３０２が射出端２０ｅからプロファイル選択器３１までの距離を変化させた場合にも、ビームプロファイルを変化させることができる。図１５は、距離を５０ｍｍまたは８０ｍｍとし、集束レンズ３６の焦点距離が１９０ｍｍであって、焦点距離を１９０ｍｍから１９４ｍｍまで１ｍｍ単位で変化させたときのビームプロファイルのシミュレーション結果を示している。
【００６１】
図１５に示すように、レーザビームの光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置している場合であっても、板金Ｗの近傍におけるレーザビームの集束位置におけるビームプロファイルを変化させることができる。よって、レーザビームをビーム成形レンズ３１４によって成形する場合も、板厚または材質に適したビームプロファイルを選択することができ、各板厚の板金Ｗを良好に切断することができる。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図１６に示すように、ベース３０１及び移動機構３０２を集束レンズ３６と板金Ｗとの間に配置してもよい。集束レンズ３６より射出されたレーザビームは収束光であるから、ベース３０１が集束レンズ３６と板金Ｗとの間に配置されていれば、ビーム成形レンズ３１３または３１４には収束光のレーザビームが入射される。ベース３０１を集束レンズ３６から遠ざければ図１１Ａと等価の状態となり、ベース３０１を集束レンズ３６に近付ければ図１１Ｂと等価の状態となる。
【００６３】
＜第３実施形態＞
第１または第２実施形態を変形した第３実施形態として、次のように構成してもよい。図１７に示すように、レーザ加工機１００は、円形のプロファイル選択器３１の代わりに、矩形状のベース板３１５にガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とを直線状に配列させたプロファイル選択器３１０を用いてもよい。この場合、レーザ加工機１００は、回転機構３２の代わりに、プロファイル選択器３１０をスライドさせる移動機構３７を設ければよい。移動機構３７は、図５に示す移動機構３０２または図６に示す移動機構３４と同様の構成でよい。
【００６４】
第３実施形態においては、ベース３０１にプロファイル選択器３１０及び移動機構３７が取り付けられ、ベース３０１が移動機構３０２によって光軸方向に移動自在に構成されていればよい。
【００６５】
以上の第１〜第３実施形態において、オペレータは、操作部４０を操作してＮＣ装置５０に対して板金Ｗの材質、板厚、加工方法の設定することができる。ＮＣ装置５０は、板金Ｗの材質、板厚、加工方法の少なくとも１つに応じて、プロファイル選択器３１（または３１０）によって最適なビームプロファイルを選択する。ＮＣ装置５０は、板金Ｗの材質、板厚、加工方法のうちの２つの任意の組み合わせに応じて最適なビームプロファイルを選択してもよい。
【００６６】
ＮＣ装置５０は、板金Ｗが板厚４ｍｍ未満の薄板であるとき、ビーム径が小さく、エネルギ密度の高い、例えば図１に示すガウシアン型のビームプロファイルを選択するのがよい。このようにすると、レーザ加工機１００は、板金Ｗを高速に切断することができる。
【００６７】
ＮＣ装置５０は、板金Ｗがステンレス鋼またはアルミニウム板で板厚４ｍｍ以上であるとき、図１１Ａに示すガウシアン型とトップハット型との中間のビームプロファイル、または、図１１Ｂに示すトップハット型のビームプロファイルを選択するのがよい。トップハット型のビームプロファイルは、板金Ｗの加工として切断以外に、溶接または焼き入れにも好適である。
【００６８】
ＮＣ装置５０は、板金Ｗが軟鋼で板厚９ｍｍ以上の厚板であるとき、図９に示すリング型のビームプロファイルを選択するのがよい。
【００６９】
以上のように、第１〜第３実施形態のレーザ加工機によれば、プロファイル選択器３１または３１０によって、レーザビームの光軸上に非ビーム成形部（ガラス板３１２または開口）と第１または第２ビーム成形レンズ（３１３または３１４）を選択的に位置させるのみで、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択することができる。特許文献１及び２に記載の構成と比較して簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金Ｗを加工することができる。
【００７０】
さらに、第１〜第３実施形態のレーザ加工機によれば、プロファイル選択器３１または３１０が光軸方向に移動自在に構成されているから、ビームプロファイルを細かく調整することができる。よって、プロファイル選択器３１または３１０の光軸方向の位置が固定されている場合と比較して、第１〜第３実施形態のレーザ加工機によれば、より多くのビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択することができる。
【００７１】
＜第４実施形態＞
図１８に示すように、第４実施形態のレーザ加工機１００においては、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅとコリメートレンズ３３との間にファセットレンズであるビーム成形レンズ３１３のみが配置されている。ビーム成形レンズ３１３は、移動機構３４と同様の移動機構３８によって光軸方向に移動自在に構成されている。
【００７２】
第４実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビーム成形レンズ３１３を実線で示す位置に位置させているとき、実線で示すようなトップハット型のビームプロファイルとすることができる。第４実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビーム成形レンズ３１３を二点鎖線で示す位置に位置させているとき、二点鎖線で示すようなガウシアン型とトップハット型との間の複数の中間のビームプロファイルとすることができる。
【００７３】
移動機構３８は、ビーム成形レンズ３１３を図２０に実線または二点鎖線で示す２つの位置に限らず、光軸方向の複数の位置に位置させて、ビームプロファイルを変化させることができる。第４実施形態において、ビーム成形レンズ３１３及び移動機構３８を集束レンズ３６と板金Ｗとの間に配置してもよい。
【００７４】
＜第５実施形態＞
図１９に示すように、第５実施形態のレーザ加工機１００においては、プロセスファイバ２０の射出端２０ｅとコリメートレンズ３３との間にアキシコンレンズであるビーム成形レンズ３１４のみが配置されている。ビーム成形レンズ３１４は、移動機構３８によって光軸方向に移動自在に構成されている。
【００７５】
第５実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビーム成形レンズ３１４を実線で示す位置に位置させているときと二点鎖線で示す位置に位置させているときとで、リング型のビームプロファイルを変化させることができる。移動機構３８は、ビーム成形レンズ３１４を図２１に実線または二点鎖線で示す２つの位置に限らず、光軸方向の複数の位置に位置させて、ビームプロファイルを変化させることができる。第５実施形態において、ビーム成形レンズ３１４及び移動機構３８を集束レンズ３６と板金Ｗとの間に配置してもよい。
【００７６】
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０  レーザ発振器
２０  プロセスファイバ
３０  加工ヘッド
３１，３１０  プロファイル選択器
３２  回転機構
３３  コリメートレンズ
３４，３８，３０２  移動機構
３５  ベンドミラー
３６  集束レンズ
４０  操作部
５０  ＮＣ装置
３０１  ベース
３１２  ガラス板（非ビーム成形部）
３１３  ビーム成形レンズ（ファセットレンズ）
３１４  ビーム成形レンズ（アキシコンレンズ）
Ｗ  板金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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