(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出力された光線を伝送して出射端面から出射する光ファイバと、
前記光ファイバから出射される前記光線の光軸方向に移動することにより前記光線の広がり角を調整し、前記光線の焦点位置での集光径を可変する第１のレンズと、
前記光軸方向に移動することにより、前記第１のレンズから出射された前記光線を平行光線に変換するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射された平行光線を集光するコンデンサレンズであって、前記光軸方向に移動することにより焦点位置を可変するコンデンサレンズと、
前記第１のレンズを保持する第１のホルダと、
前記コリメータレンズを保持する第２のホルダと、
前記コンデンサレンズを保持する第３のホルダと、
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダを、前記光軸方向にそれぞれ独立して移動させる送り機構と、
前記光ファイバと前記第１のホルダとの間に設けられた第１の支持部材と、
前記第１のホルダと前記第２のホルダとの間に設けられた第２の支持部材と、
前記第２のホルダと前記第３のホルダとの間に設けられた第３の支持部材と、
前記第３のホルダと前記焦点位置との間に設けられた第４の支持部材と
を備え、
前記送り機構は、
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とに支持され、前記第１のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第１のホルダを前記光軸方向に移動させる第１のボールねじと、
前記第２の支持部材と前記第３の支持部材とに支持され、前記第２のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第２のホルダを前記光軸方向に移動させる第２のボールねじと、
前記第３の支持部材と前記第４の支持部材とに支持され、前記第３のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第３のホルダを前記光軸方向に移動させる第３のボールねじと、
前記第１のボールねじ、前記第２のボールねじおよび前記第３のボールねじをそれぞれ回転させる第１のモータ、第２のモータおよび第３のモータと
を有すること
を特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記第１のボールねじと前記第２のボールねじとは、前記光軸を挟んで互いに反対側に配置され、
前記第２のボールねじと前記第３のボールねじとは、前記光軸を挟んで互いに反対側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダをそれぞれ保持する第１のスライダ、第２のスライダおよび第３のスライダと、
前記第１のスライダ、前記第２のスライダおよび前記第３のスライダを前記光軸方向に移動可能に支持するガイドレールを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダは、前記第１のスライダ、前記第２のスライダおよび前記第３のスライダの各側面に当接する当接面をそれぞれ有しており、さらに、前記第１のスライダ、前記第２のスライダおよび前記第３のスライダを、各当接面とは反対の側から押圧するねじ部材を有していることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダの各ナットが取り付けられる部分に、前記第１のボールねじ、前記第２のボールねじおよび前記第３のボールねじの直径よりもそれぞれ広いスリットが設けられていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダは、前記第１のレンズ、前記コリメータレンズおよび前記コンデンサレンズのそれぞれ近傍に、冷却手段を備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記冷却手段は、前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダの前記光軸に直交する断面内に形成された、冷却水を通すウォータジャケットであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダのそれぞれの移動可能範囲の両端に、第１の位置検知手段、第２の位置検知手段および第３の位置検知手段が設けられていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項９】
前記第１の位置検知手段、前記第２の位置検知手段および前記第３の位置検知手段は、前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダにそれぞれ設けられた被検知部材を検知する光センサであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１０】
前記光ファイバの周囲を保持する光ファイバホルダと、前記光ファイバホルダが結合するコネクタと、前記コネクタを保持するアダプタとを備え、
前記アダプタは、前記光ファイバの出射端面に対向する位置に、保護ガラスを保持することを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１１】
前記アダプタが、前記保護ガラスの近傍に、冷却手段を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１２】
前記冷却手段は、前記アダプタの前記光軸に直交する断面内に形成され、冷却水を通すウォータジャケットであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１３】
前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダを、それぞれ一対のガイドシャフトにより前記光軸方向に移動可能に支持することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１４】
前記一対のガイドシャフトは、それぞれの中心軸が、前記光軸に対して互いに対称に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１５】
前記第１のホルダを支持する一対のガイドシャフトの両中心軸を含む平面を第１の平面とし、前記第２のホルダを支持する一対のガイドシャフトの両中心軸を含む平面を第２の平面とし、前記第３のホルダを支持する一対のガイドシャフトの両中心軸を含む平面を第３の平面とすると、
前記第１の平面と前記第２の平面とは同一平面上になく、前記第２の平面と前記第３の平面とは同一平面上にないことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１６】
前記第１のホルダを支持する一対のガイドシャフトの一方の近傍に、前記第１のボールねじが配置され、前記第２のホルダを支持する一対のガイドシャフトの一方の近傍に、前記第２のボールねじが配置され、前記第３のホルダを支持する一対のガイドシャフトの一方の近傍に、前記第３のボールねじが配置されていることを特徴とする請求項１３から１５までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された光線を前記レーザ加工ヘッドに伝送する前記光ファイバと、
被加工物を搭載し移動させるテーブルと、
前記レーザ加工ヘッドを移動させるヘッド送り機構と
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光線を用いて被加工物を加工するレーザ加工装置、およびレーザ加工装置に用いられるレーザ加工ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光源にファイバレーザを使用したファイバレーザ加工装置が知られている。ファイバレーザ加工装置は、厚さ３ｍｍ程度以下の薄板であれば、ＣＯ２レーザ加工機よりも高速で切断することができる。しかしながら、厚さ３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の中厚板に対しては、ＣＯ２レーザ加工機と同等の切断速度であり、厚さ１２ｍｍ〜２０ｍｍ程度の厚板に対しては、切断速度と切断面の品位の点でＣＯ２レーザ加工機よりも劣る。
【０００３】
高速で高品位な切断を行うには、被加工物（板）に照射されるレーザ光線の集光径を、被加工物の厚さに適した集光径に設定する必要がある。すなわち、薄板に対しては集光径を小さくし、厚さが厚くなるにつれ集光径を大きくすることにより、中厚板や厚板に対しても高速で高品位な切断を行うことができる。
【０００４】
また、中厚板や厚板に穴を開けるピアシング加工を行う場合や、被加工物に対するレーザ光線の焦点位置を調整する場合には、焦点位置をレーザ光線の光軸方向に短時間で可変することができれば、加工時間やセッティング時間を短縮することができる。
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ加工装置では、焦点位置の可変範囲が狭く、また、大きく重い加工ヘッドを光軸方向に移動させていたために、焦点位置の調整に時間がかかるなどの問題があった。
【０００６】
このような問題を解決するため、伝送用光ファイバから出射されたレーザ光線をコリメータレンズによりコリメートし、集光レンズにより被加工物に集光させるファイバレーザ加工機において、コリメータレンズと集光レンズをそれぞれ光軸方向に移動可能に構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２６４７３号公報（段落００２６、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されたファイバレーザ加工機では、集光径を可変するためにコリメータレンズを光軸方向に移動させると、集光径だけでなく焦点位置も変化する。そのため、焦点位置を変えずに集光径を可変するためには、集光レンズも光軸方向に移動させる必要がある。
【０００９】
また、コリメータレンズの移動による焦点位置の変化量を正確に把握することが難しいため、集光レンズの移動により焦点位置を正確に制御することが難しい。特に、コリメータレンズを移動させると、コリメータレンズを透過した光線は平行光線でなくなるため、集光レンズから焦点位置までの距離は、コリメータレンズの移動前後で変化する。そのため、集光レンズの移動距離と焦点位置の移動距離とが同じにならず、焦点位置の制御がさらに難しくなる。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、レーザ光線の集光径と焦点位置をそれぞれ独立に可変することができるレーザ加工ヘッド、および、高速かつ高品位な加工が可能なレーザ加工装置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】
【００１１】
本発明に係るレーザ加工ヘッドは、レーザ発振器から出力された光線を伝送して出射端面から出射する光ファイバと、前記光ファイバから出射される前記光線の光軸方向に移動することにより前記光線の広がり角を調整し、前記光線の焦点位置での集光径を可変する第１のレンズと、前記光軸方向に移動することにより、前記第１のレンズから出射された前記光線を平行光線に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射された平行光線を集光するコンデンサレンズであって、前記光軸方向に移動することにより焦点位置を可変するコンデンサレンズと、前記第１のレンズを保持する第１のホルダと、前記コリメータレンズを保持する第２のホルダと、前記コンデンサレンズを保持する第３のホルダと、前記第１のホルダ、前記第２のホルダおよび前記第３のホルダを、前記光軸方向にそれぞれ独立して移動させる送り機構と、前記光ファイバと前記第１のホルダとの間に設けられた第１の支持部材と、前記第１のホルダと前記第２のホルダとの間に設けられた第２の支持部材と、前記第２のホルダと前記第３のホルダとの間に設けられた第３の支持部材と、前記第３のホルダと前記焦点位置との間に設けられた第４の支持部材とを備え、前記送り機構は、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とに支持され、前記第１のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第１のホルダを前記光軸方向に移動させる第１のボールねじと、前記第２の支持部材と前記第３の支持部材とに支持され、前記第２のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第２のホルダを前記光軸方向に移動させる第２のボールねじと、前記第３の支持部材と前記第４の支持部材とに支持され、前記第３のホルダに設けられたナットに螺合し、前記第３のホルダを前記光軸方向に移動させる第３のボールねじと、前記第１のボールねじ、前記第２のボールねじおよび前記第３のボールねじをそれぞれ回転させる第１のモータ、第２のモータおよび第３のモータとを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るレーザ加工装置は、前記レーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と、前記被加工物を保持するテーブルと、前記レーザ加工ヘッドを移動させるヘッド送り機構とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光線の集光径と焦点位置をそれぞれ独立に可変することができる。すなわち、焦点位置を一定に保ちながら集光径を可変し、また、集光径を一定に保ちながら焦点位置を可変することができる。
【００１４】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、レーザ光線の集光径と焦点位置をそれぞれ独立に可変することができるレーザ加工ヘッドを備えているため、厚みのある被加工物（例えば中厚板や厚板）であっても高速に切断することができ、また、切断面も高品位に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの光学系の構成、および集光径を可変する動作を示す図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの光学系の構成、および焦点位置を可変する動作を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図４】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図５】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図７】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図８】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図９】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【図１０】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図１１】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【図１４】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図１５】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図１６】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図１７】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【図１８】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの光ファイバホルダとコネクタとアダプタを示す斜視図である。
【図１９】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの光ファイバホルダとコネクタとアダプタを示す断面図である。
【図２０】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの集光径を可変する動作を示す側面図である。
【図２１】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの焦点位置を可変する動作を示す側面図である。
【図２２】本発明の実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図２３】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図２４】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図２５】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図２６】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの第１レンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図２７】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図２８】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図２９】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコリメータレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図３０】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図３１】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す斜視図である。
【図３２】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドのコンデンサレンズホルダとその取り付け部品を示す断面図である。
【図３３】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの集光径を可変する動作を示す側面図である。
【図３４】実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドの焦点位置を可変する動作を示す側面図である。
【図３５】実施の形態１および実施の形態２に係るレーザ加工ヘッドにカバーを被せた状態を示す斜視図である。
【図３６】本発明の実施の形態３に係るファイバレーザ加工装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１のレーザ加工ヘッドの光学系について説明する。図１は、実施の形態１のレーザ加工ヘッドの光学系の構成と、焦点位置を変えずに集光径を可変する動作を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、実施の形態１のレーザ加工ヘッドの光学系は、出射端面１ａ（図１９参照）からレーザ光線（以下、単に光線と称する）２を出射する光ファイバ１と、光ファイバ１から出射された光線２の広がり角を調整する第１のレンズ３と、第１のレンズ３から出射された光線２を平行光線に変換するコリメータレンズ４と、平行光線に変換された光線２を集光するコンデンサレンズ５とを有している。
【００１８】
また、光ファイバ１の出射側には、光ファイバ１を保護するための保護ガラス６が設けられており、コンデンサレンズ５の出射側には、コンデンサレンズ５を保護するための保護ガラス７が設けられている。
【００１９】
光ファイバ１から出射された光線２は、第１のレンズ３を透過して集光点２ｂに集光した後、発散状態でコリメータレンズ４に入射して平行光線となり、コンデンサレンズ５により集光点２ａに集光する。符号２ｚは、光ファイバ１から出射された光線２の光軸である。この光軸２ｚの方向を、Ｚ方向とする。また、光ファイバ１は、図示の便宜上、出射端面の近傍のみを示している。
【００２０】
なお、本実施の形態では、第１のレンズ３は、１枚の凸レンズで構成されているが、複数枚のレンズの組み合わせで構成してもよい。また、コリメータレンズ４は、１枚のレンズで構成されているが、複数枚のレンズの組み合わせ（例えば２枚１組）で構成しても良い。コンデンサレンズ５は、凸レンズと凹レンズを組み合わせた１組のレンズ（図１６に示したコンデンサレンズ５ａ，５ｂ）で構成されているが、１枚のレンズで構成しても良い。
【００２１】
なお、各レンズ３，４，５の材質は、ファイバレーザやＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザ等の１μｍ程度の波長に対して損失（吸収率）が小さく、屈折率の温度変化や線膨張係数の小さい材料、例えば石英ガラス等が好ましい。また、コンデンサレンズ５に非球面レンズを使用すれば、コンデンサレンズを１枚で構成することができる。但し、大口径の非球面レンズは高価であるため、研削と研磨加工で作製可能な球面レンズを使用した方が、低コスト化の点で有利である。
【００２２】
ここでは、コリメータレンズ４に入射する光線２の角度を広がり角と定義し、コンデンサレンズ５から出射されて集光点２ａに集光する光線２の角度を集光角と定義する。また、平行光線が集光する位置は焦点と呼ばれるため、集光点２ａは焦点であり、焦点でない集光点２ｂとは区別される。
【００２３】
本実施の形態のレーザ加工ヘッドの光学系は、光ファイバ１から出射された光線２を、第１のレンズ３で広がり角を調整したのち、コリメータレンズ４で平行光線に変換し、コンデンサレンズ５で集光点２ａに集光するものである。広がり角を調整するのは、集光径を可変するためである。また、光線２を一度平行光線にするのは、コンデンサレンズ５を移動させて集光点２ａの位置（焦点位置）を可変する際に、集光径を一定に保つためである。切断加工を行う際には、集光点２ａの位置すなわち焦点位置を、被加工物である板の表面に合わせるように調整する。また、中厚板や厚板のピアシング加工を行う際には、被加工物の表面から裏面に向けて焦点位置を可変する。
【００２４】
保護ガラス６と保護ガラス７（保護部材）は、曲率を持たない平板状のガラスで、光線２が保護ガラス６，７を透過しても光線２の角度は変化しない。但し、レーザ加工装置に使用されるような高出力のレーザ光線の場合、光線２の照射によって各レンズ３，４，５や保護ガラス６，７やそのコーティングが発熱すると、その熱によって屈折率が変化し、光線２の角度が変化する場合がある。
【００２５】
図１（Ａ）は、薄板（例えば厚さ３ｍｍ程度以下の板）を切断する場合の光学系と光線２の状態を示す図であり、集光点２ａでの集光径ｄ１は、例えば１００μｍである。薄板を切断するときは、集光径を小さく絞ることによって集光点で大きなエネルギーが得られるため、薄板を高速で切断することができる。
【００２６】
集光径を小さく絞るためには、集光角を大きくする必要がある。第１のレンズ３は凸レンズであるため、光線２の広がり角は、第１のレンズ３を光ファイバ１の出射端面から遠ざけると大きくなり、近づけると小さくなる。図１（Ａ）では、第１のレンズ３を光ファイバ１から遠い距離Ａ１の位置に配置することで、広がり角を大きくしている。
【００２７】
第１のレンズ３を透過した光線２は、集光点２ｂで一度集光する。また、集光点２ｂからコリメータレンズ４までの距離Ｅは、コリメータレンズ４の前側の焦点距離によって決まる一定の値である。よって、集光点２ｂの位置と距離Ｅから一義的に決まる距離Ｂ１の位置にコリメータレンズ４を配置すれば、コリメータレンズ４を透過した光線２を平行光線に変換することができる。
【００２８】
コリメータレンズ４を透過した光線２は、コンデンサレンズ５から距離Ｃの集光点２ａに集光する。距離Ｃはコンデンサレンズ５の後側の焦点距離によって決まる一定の値である。このように、光線２の広がり角を大きくすることで、コンデンサレンズ５を透過した光線２の集光角も大きくなり、集光径ｄ１を小さくすることができる。
【００２９】
図１（Ｂ）は、中厚板（例えば厚さ３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の板）を切断する場合の光学系と光線２の状態を示す図であり、集光点２ａでの集光径ｄ２は、例えば２００μｍである。中厚板や厚板の場合、集光径が小さいと、加工時に溶融した金属が穴を塞ぐ可能性があるため、加工が不能になり、あるいは加工速度を遅くする必要が生じ、また加工後の板の断面が粗くなる。そこで、中厚板や厚板を切断する際には、その厚さに応じて集光径を変化させる必要がある。集光径を大きくすれば、穴が大きくなるため、溶融した金属で塞がれることがない。集光径を大きくするには、集光角を小さくしなければならない。
【００３０】
この図１（Ｂ）では、第１のレンズ３を、図１（Ａ）よりも光ファイバ１に近い距離Ａ２の位置に移動させ、コリメータレンズ４に入射する光線２の広がり角を小さくしている。第１のレンズ３を光ファイバ１側に移動させると、集光点２ｂはコリメータレンズ４側に移動する。集光点２ｂからコリメータレンズ４までの距離Ｅは一定であるため、コリメータレンズ４を透過した光線２を平行光線にするためには、集光点２ｂが移動した距離Ｆ１だけコリメータレンズ４を移動させればよい。その結果、光ファイバ１からコリメータレンズ４までの距離Ｂ２は、Ｂ２＝Ｂ１＋Ｆ１となる。
【００３１】
コリメータレンズ４を透過した光線２は、平行光線となってコンデンサレンズ５に入射し、コンデンサレンズ５から距離Ｃの集光点２ａに集光する。ここではコンデンサレンズ５は移動させず、コンデンサレンズ５から集光点２ａまでの距離Ｃは一定であるため、集光点２ａの位置は、図１（Ａ）の位置から変化しない。このように、光線２の広がり角を小さくすることで、コンデンサレンズ５を透過した光線２の集光角も小さくなり、集光径をｄ１からｄ２へと大きくすることができる。
【００３２】
図１（Ｃ）は、厚板（例えば厚さ１２ｍｍ〜２０ｍｍ程度の板）を切断する場合の光学系と光線２の状態を示した図であり、集光点２ａでの集光径ｄ３は、例えば３００μｍである。図１（Ｃ）では、集光径をさらに大きくするために、第１のレンズ３を図１（Ｂ）よりも光ファイバ１に近い距離Ａ３の位置に移動させ、広がり角をさらに小さくしている。第１のレンズ３の移動に伴い、コリメータレンズ４は光ファイバ１から距離Ｂ３の位置に移動させる。光ファイバ１からコリメータレンズ４までの距離Ｂ３は、集光点２ｂが移動した距離Ｆ２から、Ｂ３＝Ｂ１＋Ｆ２となる。
【００３３】
コリメータレンズ４を透過した光線２は、平行光線となってコンデンサレンズ５に入射し、コンデンサレンズ５から距離Ｃの集光点２ａに集光する。ここではコンデンサレンズ５は移動させず、コンデンサレンズ５から集光点２ａまでの距離Ｃは一定であるため、集光点２ａの位置は変化しない。図１（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、本実施の形態のレーザ加工ヘッドの光学系によれば、集光点２ａの位置すなわち焦点位置を変えずに、集光径を可変することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、集光径をｄ１，ｄ２，ｄ３の３種類に可変しているが、さらに細かく可変してもよい。集光径に対して第１のレンズ３とコリメータレンズ４の位置は一義的に決まるため、変化させたい集光径に対する第１のレンズ３とコリメータレンズ４の位置を予め求めておけばよい。あるいは、集光径に対する第１のレンズ３とコリメータレンズ４の位置の関係式を求めてもよい。
【００３５】
次に、集光径を変えずに焦点位置を可変する動作について説明する。図２は、図１（Ｃ）に示した厚板を加工する場合において、集光径を変えずに焦点位置を可変するときのレーザ加工ヘッドの光学系の動作を示す図である。図２に示す各構成要素は、図１と同様である。
【００３６】
図２（Ａ）の状態は、上述した図１（Ｃ）の状態と同じである。このときの集光点２ａの位置を基準として、集光径ｄ３は変えずに集光点２ａの位置（焦点位置）を可変する場合には、図２（Ｂ）に示すように、コンデンサレンズ５をコリメータレンズ４から遠ざかる方向に距離Ｄ１だけ移動させる。これにより、集光点２ａの位置も、同じ方向に同じ距離Ｄ１だけ移動する。すなわち、コンデンサレンズ５に入射する光線２が平行光線であるため、コンデンサレンズ５から集光点２ａまでの距離Ｃは一定であり、コンデンサレンズ５を移動させた距離Ｄ１だけ集光点２ａが移動する。
【００３７】
また、図２（Ｃ）に示すように、コンデンサレンズ５をコリメータレンズ４から遠ざかる方向に距離Ｄ２だけ移動させれば、集光点２ａの位置も同じ方向に同じ距離Ｄ２だけ移動する。このように、コンデンサレンズ５の移動距離と、集光点２ａの移動距離が同じになるため、集光点２ａの位置を簡単に、且つ、正確に制御することができる。
【００３８】
なお、図２では、厚板を加工する場合（図１（Ｃ））に焦点位置を可変する場合について説明したが、薄板を加工する場合（図１（Ａ））や、中厚板を加工する場合（図１（Ｂ））についても、同様に、集光径を変えずに焦点位置を可変することができる。
【００３９】
以上のように、第１のレンズ３を移動させることにより光線２の広がり角を調整し、コリメータレンズ４を移動させて光線２を平行光線に変換することにより、焦点位置を変えずに集光径を可変することができる。また、光線２をコリメータレンズ４で平行光線に変換し、コンデンサレンズ５を移動させることにより、集光径を変えずに焦点位置を可変することができる。つまり、集光径と焦点位置とを独立して可変することができる。
【００４０】
次に、図１および図２を参照して説明した、集光径と焦点位置とを独立して可変する光学系を搭載したレーザ加工ヘッドの具体的な構成について説明する。図３および図４は、本実施の形態のレーザ加工ヘッドの内部構成を示す斜視図である。図５は、レーザ加工ヘッドを、光軸２ｚを含む平面で切断した断面図である。
【００４１】
以下では、光ファイバ１から出射された光線２の光軸２ｚの方向を、Ｚ方向として説明する。また、光ファイバ１から出射された光線２の進行方向を＋Ｚ方向とし、その反対方向を−Ｚ方向として説明する。
【００４２】
図３〜図５に示すように、レーザ加工ヘッドは、基台となるベース板８を有している。ベース板８は、例えば、Ｚ方向に長い矩形状の板状部材である。以下の説明では、ベース板８の幅方向をＸ方向とし、ベース板８の表面に直交する方向をＹ方向とする。
【００４３】
ベース板８の板面（図３，４では上面）には、Ｚ方向に延在するガイドレール９が設けられている。また、ベース板８上には、支持部材としての第１の支持板１３、第２の支持板１４、第３の支持板１５および第４の支持板１６が設けられている。第１の支持板１３、第２の支持板１４、第３の支持板１５および第４の支持板１６は、光ファイバ１から出射された光線２の進行方向（＋Ｚ方向）に、この順で配列されている。また、各支持板１３，１４，１５，１６は、それぞれＺ方向と直交する板面を有している。
【００４４】
ベース板８上のガイドレール９には、第１のスライダ１０、第２のスライダ１１および第３のスライダ１２が、Ｚ方向にスライド（移動）可能にガタなく取り付けられている。第１のスライダ１０は、第１の支持板１３と第２の支持板１４との間に配置され、第２のスライダ１１は、第２の支持板１４と第３の支持板１５との間に配置され、第３のスライダ１２は、第３の支持板１５と第４の支持板１６との間に配置されている。
【００４５】
第１のスライダ１０には、第１のレンズ３を保持する第１レンズホルダ（第１のホルダ）２０が取り付けられている。第１レンズホルダ２０には、第１のレンズ３が、その光軸を光軸２ｚと一致させるように位置決めされ、固定されている。
【００４６】
第２のスライダ１１には、コリメータレンズ４を保持するコリメータレンズホルダ（第２のホルダ）２１が取り付けられている。コリメータレンズホルダ２１には、コリメータレンズ４が、その光軸を光軸２ｚと一致させるように位置決めされ、固定されている。
【００４７】
第３のスライダ１２には、コンデンサレンズ５を保持するためのコンデンサレンズホルダ（第３のホルダ）２２が取り付けられている。コンデンサレンズホルダ２２には、コンデンサレンズ５が、その光軸を光軸２ｚと一致させるように位置決めされ、固定されている。
【００４８】
第１の支持板１３には、光ファイバ１を中心部に保持する光ファイバホルダ１７と、光ファイバホルダ１７を結合するためのコネクタ１８と、コネクタ１８を保持するためのアダプタ１９とが取り付けられている。
【００４９】
第１の支持板１３と第２の支持板１４との間には、第１レンズホルダ２０をＺ方向に送るための第１のボールねじ２３が取り付けられている。第１のボールねじ２３は、第１の支持板１３と第２の支持板１４に設けられた軸受部４４，４７（図５）により回転可能に支持されている。また、第１のボールねじ２３は、第２の支持板１４よりもさらに＋Ｚ方向に突出し、その先端にはプーリ５０（図５）が取り付けられている。
【００５０】
第２の支持板１４と第３の支持板１５との間には、コリメータレンズホルダ２１をＺ方向に送るための第２のボールねじ２４が取り付けられている。第２のボールねじ２４は、第２の支持板１４と第３の支持板１５に設けられた軸受部４８，４５（図５）により回転可能に支持されている。また、第２のボールねじ２４は、第２の支持板１４よりさらに−Ｚ方向に突出し、その先端にはプーリ５１（図５）が取り付けられている。
【００５１】
第３の支持板１５と第４の支持板１６との間には、コンデンサレンズホルダ２２をＺ方向に送るための第３のボールねじ２５が取り付けられている。第３のボールねじ２５は、第３の支持板１５と第４の支持板１６に設けられた軸受部４９，４６（図５）により回転可能に支持されている。また、第３のボールねじ２５は、第３の支持板１５よりもさらに−Ｚ方向に突出し、その先端にはプーリ５２（図５）が取り付けられている。
【００５２】
図３に示すように、第２の支持板１４には、第１のボールねじ２３を回転駆動するための第１のモータ２６と、第１のモータ２６の回転をプーリ５０に伝達するベルト２９と、第２のボールねじ２４を回転駆動するための第２のモータ２７と、第２のモータ２７の回転をプーリ５１に伝達するベルト３０（図４）が取り付けられている。
【００５３】
第３の支持板１５には、第３のボールねじ２５を回転駆動するための第３のモータ２８と、第３のモータ２８の回転をプーリ５２に伝達するベルト３１が取り付けられている。第１のモータ２６、第２のモータ２７および第３のモータ２８は、ステッピングモータ、またはエンコーダを結合したＤＣモータで構成されている。
【００５４】
第４の支持板１６には、先端から光線２を照射するノズル３２と、ノズル３２が取り付けられた鏡筒３３と、鏡筒３３を保持する鏡筒ホルダ３４とが取り付けられている。このノズル３２から出射した光線２により、被加工物を加工する。
【００５５】
第１レンズホルダ２０には、第１のボールねじ２３に係合するナット４１（図５）が取り付けられている。第１のモータ２６を駆動し、ベルト２９およびプーリ５０を介して第１のボールねじ２３を回転させると、第１のボールねじ２３とナット４１との螺合により、第１レンズホルダ２０がＺ方向に移動する。
【００５６】
コリメータレンズホルダ２１には、第２のボールねじ２４に係合するナット４２（図５）が取り付けられている。第２のモータ２７を駆動し、ベルト３０およびプーリ５１を介して第２のボールねじ２４を回転させると、第２のボールねじ２４とナット４２との螺合により、コリメータレンズホルダ２１がＺ方向に移動する。
【００５７】
コンデンサレンズホルダ２２には、第３のボールねじ２５に係合するナット４３（図５）が取り付けられている。第３のモータ２８を駆動し、ベルト３１およびプーリ５２を介して第３のボールねじ２５を回転させると、第３のボールねじ２５とナット４３との螺合により、コンデンサレンズホルダ２２がＺ方向に移動する。
【００５８】
すなわち、第１のモータ２６、ベルト２９、プーリ５０、ナット４１および第１のボールねじ２３は、第１レンズホルダ２０をＺ方向に送る送り機構を構成している。第２のモータ２７、ベルト３０、プーリ５１、ナット４２および第２のボールねじ２４は、コリメータレンズホルダ２１をＺ方向に送る送り機構を構成している。第３のモータ２８、ベルト３１、プーリ５２、ナット４３および第３のボールねじ２５は、コンデンサレンズホルダ２２をＺ方向に送る送り機構を構成している。
【００５９】
また、上述した第２の支持板１４は、第１レンズホルダ２０の送り機構およびコリメータレンズホルダ２１の送り機構を保持するために共用されている。また、第３の支持板１５は、コリメータレンズホルダ２１の送り機構およびコンデンサレンズホルダ２２の送り機構を保持するために共用されている。
【００６０】
第１のボールねじ２３と第２のボールねじ２４は、図５に示すように、光軸２ｚを挟んで互いに反対の側に配置されている。また、第２のボールねじ２４と第３のボールねじ２５も、光軸２ｚを挟んで互いに反対の側に配置されている。すなわち、各ボールねじ２３，２４，２５は、光軸２ｚを挟んで互い違いに配置されている。そのため、各ボールねじ２３，２４，２５の支持部品やモータ２６，２７，２８を、互いに干渉させずに効率よく配置することができる。
【００６１】
また、図３および図４に示すように、ベース板８上において、第１レンズホルダ２０の移動可能範囲の両端の近傍には、第１の位置検知手段としての一対の光センサ３５，３６が配置されている。また、コリメータレンズホルダ２１の移動可能範囲の両端の近傍には、第２の位置検知手段としての一対の光センサ３７，３８が配置されている。同様に、コンデンサレンズホルダ２２の移動可能範囲の両端の近傍には、第３の位置検知手段としての一対の光センサ３９，４０が配置されている。
【００６２】
次に、各レンズホルダ２０，２１，２２の構成について説明する。図６および図７は、第１レンズホルダ２０とその取り付け部品を示す斜視図であり、図８は、第１のレンズ３の光軸を含む平面で切断した断面図である。図９は、第１レンズホルダ２０とその取り付け部品を、光軸に直交する平面で切断して示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【００６３】
図６〜図９に示すように、第１レンズホルダ２０は、例えばＺ方向に直交する板面を有する板状部材であり、第１のレンズ３が挿入される挿入孔２０２（図６）を有している。第１のレンズ３は、挿入孔２０２に挿入され、ねじリング５９（図７）で固定されている。なお、ねじリングとは、外周にねじ部が形成された環状の部材であり、レンズ等の光学部品の固定に一般的に使用されるものである。
【００６４】
第１レンズホルダ２０には、また、第１のボールねじ２３に螺合するナット４１が、例えば４つのねじ５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄにより固定されている。図６〜図９に示した例では、ナット４１の中心と挿入孔２０２の中心とは略同じ高さ（Ｙ方向位置）にある。
【００６５】
第１レンズホルダ２０のベース板８側（図６〜図９では下側）には、固定部２０１が設けられている。固定部２０１は、例えば４つのねじ５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄにより第１のスライダ１０に固定されている。第１レンズホルダ２０の固定部２０１には、第１のスライダ１０の側面に当接する当接面２０ａが設けられている。また、当接面２０ａと反対の側には、調整ねじ６０（図７）が取り付けられている。固定部２０１の当接面２０ａを第１のスライダ１０の側面に押し当て、調整ねじ６０を回転操作して第１のスライダ１０の反対側の側面を押圧することにより、光軸２ｚに対する第１のレンズ３のＸ方向の位置決めが行われる。
【００６６】
また、第１レンズホルダ２０の固定部２０１には、第１レンズホルダ２０が移動可能範囲の端部に達したときに上述した光センサ３５，３６の光路を遮る遮光板（被検知部材）５６が、例えば２本のねじ５７ａ，５７ｂ（図６）で固定されている。
【００６７】
第１レンズホルダ２０の上面（ベース板８と反対の面）および側面には、継手５４ａ，５４ｂがそれぞれ取り付けられている。継手５４ａ，５４ｂには、冷却水を通すチューブ５５ａ，５５ｂが差し込まれている。図９に示すように、第１レンズホルダ２０の内部には、略Ｌ字形のウォータジャケット６１（冷却手段）が設けられている。ウォータジャケット６１は、第１レンズホルダ２０の光軸に直交する断面内において、第１のレンズ３の近傍を通るように延在し、冷却水の流路をなしている。ウォータジャケット６１にはチューブ５５ａまたはチューブ５５ｂから冷却水が供給され、第１のレンズ３を冷却する。
【００６８】
図７および図９（Ａ）に示すように、第１レンズホルダ２０におけるナット４１の取り付け部（嵌合部）には、第１のボールねじ２３の直径よりも広い幅を有するスリット２０ｂが形成されている。スリット２０ｂは、例えばＸ方向に延在している。ナット４１を第１レンズホルダ２０からＺ方向に引き抜くことで、第１レンズホルダ２０を第１のボールねじ２３から取り外すことができる。
【００６９】
図１０および図１１は、コリメータレンズホルダ２１とその取り付け部品を示す斜視図であり、図１２は、コリメータレンズ４の光軸を含む平面で切断した断面図である。図１３は、コリメータレンズホルダ２１とその取り付け部品を、光軸に直交する平面で切断して示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【００７０】
図１０〜図１３に示すように、コリメータレンズホルダ２１は、例えばＺ方向に直交する板面を有する板状部材であり、コリメータレンズ４が挿入される挿入孔２１２（図１０）を有している。コリメータレンズ４は、挿入孔２１２に挿入され、ねじリング６９（図１１）で固定されている。また、コリメータレンズホルダ２１には、第２のボールねじ２４に螺合するナット４２が、例えば４つのねじ６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄにより固定されている。図１０〜図１３に示した例では、ナット４２の中心と挿入孔２１２の中心とは略同じ高さ（Ｙ方向位置）にある。
【００７１】
コリメータレンズホルダ２１のベース板８側（図１０〜図１３では下側）には、固定部２１１が設けられている。固定部２１１は、例えば４つのねじ６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄにより第２のスライダ１１に固定されている。コリメータレンズホルダ２１の固定部２１１には、第２のスライダ１１の側面に当接する当接面２１ａが設けられている。また、当接面２１ａと反対の側には、調整ねじ７０（図１１）が取り付けられている。固定部２１１の当接面２１ａを第２のスライダ１１の側面に押し当て、調整ねじ７０を回転操作して第２のスライダ１１の反対側の側面を押圧することにより、光軸２ｚに対するコリメータレンズ４のＸ方向の位置決めが行われる。
【００７２】
また、コリメータレンズホルダ２１の固定部２１１には、コリメータレンズホルダ２１が移動可能範囲の端部に達したときに上述した光センサ３７，３８の光路を遮る遮光板（被検知部材）６６が、例えば２本のねじ６７ａ，６７ｂ（図１０）で固定されている。
【００７３】
コリメータレンズホルダ２１のＸ方向の両側面には、継手６４ａ，６４ｂがそれぞれ固定されている。継手６４ａ，６４ｂには、冷却水を通すチューブ６５ａ，６５ｂが差し込まれている。図１３に示すように、コリメータレンズホルダ２１の内部には、ウォータジャケット７１（冷却手段）が設けられている。ウォータジャケット７１は、コリメータレンズホルダ２１の光軸に直交する断面内において、コリメータレンズ４の近傍を通るように延在し、冷却水の流路をなしている。ウォータジャケット７１には、チューブ６５ａまたはチューブ６５ｂから冷却水が供給され、コリメータレンズ４を冷却する。
【００７４】
図１０および図１３（Ａ）に示すように、コリメータレンズホルダ２１におけるナット４２の取り付け部（嵌合部）には、第２のボールねじ２４の直径よりも広い幅を有するスリット２１ｂが形成されている。スリット２１ｂは、例えばＸ方向に延在している。ナット４２をコリメータレンズホルダ２１からＺ方向に引き抜くことで、コリメータレンズホルダ２１を第２のボールねじ２４から取り外すことができる。
【００７５】
図１４および図１５は、コンデンサレンズホルダ２２とその取り付け部品を示す斜視図であり、図１６は、コンデンサレンズ５ａ，５ｂの光軸を含む平面で切断した断面図である。図１７は、コンデンサレンズホルダ２２とその取り付け部品を、光軸に直交する平面で切断して示す断面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【００７６】
図１４〜図１７に示すように、コンデンサレンズホルダ２２は、例えばＺ方向に直交する板面を有する板状部材であり、コンデンサレンズ５ａ，５ｂが挿入される挿入孔２２２（図１４）を有している。コンデンサレンズ５ａ，５ｂは、挿入孔２２２に挿入され、ねじリング７９（図１５）で固定されている。コンデンサレンズホルダ２２には、また、第３のボールねじ２５に螺合するナット４３が、例えば４つのねじ７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄにより固定されている。図１４〜図１７に示した例では、ナット４３の中心と挿入孔２２２の中心とは略同じ高さ（Ｙ方向位置）にある。
【００７７】
コンデンサレンズホルダ２２のベース板８側（図１４〜図１７では下側）には、固定部２２１が設けられている。固定部２２１は、例えば４つのねじ７８ａ，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄにより第３のスライダ１２に固定されている。コンデンサレンズホルダ２２の固定部２２１には、第３のスライダ１２の側面に当接する当接面２２ａが設けられている。また、当接面２２ａと反対の側に、調整ねじ８０（図１５）が取り付けられている。固定部２２１の当接面２２ａを第３のスライダ１２の側面に押し当て、調整ねじ８０を回転操作して第３のスライダ１２の反対側の側面を押圧することにより、光軸２ｚに対するコンデンサレンズ５ａ，５ｂのＸ方向の位置決めが行われる。
【００７８】
また、コンデンサレンズホルダ２２の固定部２２１には、コンデンサレンズホルダ２２が移動可能範囲の端部に達したときに上述した光センサ３９，４０の光路を遮る遮光板（被検知部材）７６が、例えば２本のねじ７７ａ，７７ｂ（図１４）で固定されている。
【００７９】
コンデンサレンズホルダ２２のＸ方向の両側面には、継手７４ａ，７４ｂがそれぞれ固定されている。継手７４ａ，７４ｂには、冷却水を通すチューブ７５ａ，７５ｂが差し込まれている。図１７に示すように、コンデンサレンズホルダ２２の内部には、ウォータジャケット８１（冷却手段）が設けられている。ウォータジャケット８１は、コンデンサレンズホルダ２２の光軸に直交する断面内において、コンデンサレンズ５ａ，５ｂの近傍を通るように延在し、冷却水の流路をなしている。ウォータジャケット８１には、チューブ７５ａまたはチューブ７５ｂから冷却水が供給され、コンデンサレンズ５ａ，５ｂを冷却する。
【００８０】
図１４および図１７（Ａ）に示すように、コンデンサレンズホルダ２２におけるナット４３の取り付け部（嵌合部）には、第３のボールねじ２５の直径よりも広い幅を有するスリット２２ｂが形成されている。スリット２２ｂは、例えばＸ方向に延在している。ナット４３をコンデンサレンズホルダ２２からＺ方向に引き抜くことで、コンデンサレンズホルダ２２を第３のボールねじ２５から取り外すことができる。
【００８１】
次に、光ファイバホルダ１７、コネクタ１８およびアダプタ１９の構成について説明する。図１８および図１９は、光ファイバホルダ１７とコネクタ１８とアダプタ１９が組み合わされた状態を示す斜視図および断面図である。
【００８２】
光ファイバ１は、光ファイバホルダ１７の中心に保持されている。光ファイバホルダ１７は、例えば略円筒状の部材であり、光ファイバ１の出射端面１ａと一致する先端面を有している。光ファイバホルダ１７の先端部は、コネクタ１８の中心に形成された孔１８ｂ（図１９）に差し込まれている。光ファイバホルダ１７の先端部の近傍に形成された段差１７ａが、コネクタ１８の孔１８ｂの内側に形成された段差１８ａに当接し、これにより光ファイバホルダ１７がＺ方向に位置決めされる。
【００８３】
コネクタ１８は、例えば２つのねじ８２ａ，８２ｂ（図１８）により、アダプタ１９に固定されている。アダプタ１９は、例えば略円盤状の部材であり、その中央部にコネクタ１８が嵌合し、固定される。アダプタ１９は、例えば４つのねじ（図には、ねじ８３ａ，８３ｂのみ示す）により、上述した第１の支持板１３に固定される。
【００８４】
図１９に示すように、アダプタ１９は、コネクタ１８に結合する面とは反対側に、保護ガラス６が装着される装着部を有している。保護ガラス６は、アダプタ１９の装着部に装着されてねじリング８４で固定され、光ファイバ１の出射端面１ａと対向する。すなわち、アダプタ１９とコネクタ１８は、光ファイバホルダ１７と保護ガラス６とを、光ファイバ１の出射端面１ａが保護ガラス６に対向するように保持する保持部材を構成している。これにより、光ファイバ１の先端（出射端面１ａ）が密閉された構成となる。
【００８５】
また、アダプタ１９には、円形状に延在する溝１９ａが形成されている。溝１９ａは、保護ガラス６の装着部の近傍を通って延在しており、溝１９ａにねじリング８５で蓋をすることにより、ウォータジャケット１９ｄ（冷却手段）が形成される。アダプタ１９の内部には、溝１９ａとつながる穴１９ｂ，１９ｃが形成されており、これらの穴１９ｂ，１９ｃには、継手８６ａ，８６ｂが連結され、継手８６ａ，８６ｂには、冷却水を供給するチューブ８７ａ，８７ｂが指し込まれている。ウォータジャケット１９ｄには、チューブ８７ａまたはチューブ８７ｂから冷却水が供給され、保護ガラス６を冷却する。
【００８６】
次に、第１レンズホルダ２０とコリメータレンズホルダ２１とコンデンサレンズホルダ２２のＺ方向の移動位置を検知する光センサ３５〜４０と、これらを用いた各レンズホルダ２０，２１，２２の位置制御方法について説明する。
【００８７】
図３および図４に示したように、光センサ３５は、第１レンズホルダ２０が移動可能範囲の−Ｚ方向の端部（光ファイバ１に近い側の端部）に位置するときに、第１レンズホルダ２０の遮光板５６（図６）が光センサ３５の検出光を遮る位置に配置されている。また、光センサ３６は、第１レンズホルダ２０が移動可能範囲の＋Ｚ方向の端部（光ファイバ１から遠い側の端部）に位置するときに、第１レンズホルダ２０の遮光板５６（図６）が光センサ３６の検出光を遮る位置に配置されている。
【００８８】
同様に、光センサ３７は、コリメータレンズホルダ２１が移動可能範囲の−Ｚ方向の端部に位置するときに、コリメータレンズホルダ２１の遮光板６６（図１０）が光センサ３７の検出光を遮る位置に配置されている。また、光センサ３８は、コリメータレンズホルダ２１が移動可能範囲の＋Ｚ方向の端部に位置するときに、コリメータレンズホルダ２１の遮光板６６（図１０）が光センサ３８の検出光を遮る位置に配置されている。
【００８９】
また、光センサ３９は、コンデンサレンズホルダ２２が移動可能範囲の−Ｚ方向の端部に位置するときに、コンデンサレンズホルダ２２の遮光板７６（図１４）が光センサ３９の検出光を遮る位置に配置されている。光センサ４０は、コンデンサレンズホルダ２２が移動可能範囲の＋Ｚ方向の端部に位置するときに、コンデンサレンズホルダ２２の遮光板７６（図１４）が光センサ４０の検出光を遮る位置に配置されている。
【００９０】
各レンズホルダ２０，２１，２２の位置制御は、以下のようにして行う。まず、各モータ２６，２７，２８をそれぞれ所定の方向に駆動し、各レンズホルダ２０，２１，２２を、基準となる光センサ（例えば光センサ３５，３７，３９）に向かう方向（例えば−Ｚ方向）に移動させる。そして、遮光板５６，６６，７６が光センサ３５，３７，３９の検出光を遮光した時点（すなわち光センサ３５，３７，３９の出力がＯＦＦとなった時点）で、各モータ２６，２７，２８を停止する。この位置を、各レンズホルダ２０，２１，２２の初期位置として設定する。
【００９１】
このようにして設定した初期位置を基準として、各レンズホルダ２０，２１，２２の位置を制御する。各モータ２６，２７，２８がステッピングモータの場合には、当該初期位置を基準としてパルスカウント制御を行う。また、ＤＣモータの場合には、エンコーダによるフィードバック制御などを行う。
【００９２】
このように、各レンズホルダ２０，２１，２２が移動可能範囲の端部にあることを検知する光センサ３５〜４０を設けたことにより、各レンズホルダ２０，２１，２２が移動可能範囲の端部にあるのか、中間位置にあるのか判別することができる。そのため、例えば各レンズホルダ２０，２１，２２の初期位置を設定する際に、各レンズホルダ２０，２１，２２を移動させる方向を判断することができる。
【００９３】
また、レンズホルダ２０，２１，２２の移動可能範囲を規定することにより、各レンズホルダ２０，２１，２２と他の部品との衝突を防止することができる。また、モータ２６，２７，２８として、ステッピングモータまたはエンコーダ付きのＤＣモータを用いることにより、各レンズホルダ２０，２１，２２を正確に位置決めすることができる。
【００９４】
次に、実施の形態１のレーザ加工ヘッドの動作について説明する。図２０は、焦点位置を変えずに集光径を可変するときのレーザ加工ヘッドの動作を示す側面図である。なお、図２０では、説明の便宜上、レーザ加工ヘッドを水平に置いた状態で示しているが、レーザ加工装置に搭載された状態では、光線２が下向きに照射されるように、レーザ加工ヘッドを垂直方向に保持する（図３６参照）。
【００９５】
図２０（Ａ）は、薄板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図１（Ａ）の状態にあり、集光径ｄ１は１００μｍである。図２０（Ｂ）は、中厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図１（Ｂ）の状態にあり、集光径ｄ２は２００μｍである。図２０（Ｃ）は、厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図１（Ｃ）の状態にあり、集光径ｄ３は３００μｍである。
【００９６】
まず、図２０（Ａ）の状態に移行するときには、上記の方法で設定した初期位置を基準として、各モータ２６，２７，２８を駆動制御する。これにより、各ボールねじ２３，２４，２５が回転し、第１レンズホルダ２０とコリメータレンズホルダ２１とコンデンサレンズホルダ２２がそれぞれ所定の位置に移動する。
【００９７】
次に、図２０（Ｂ）の状態に移行するときには、図２０（Ａ）の状態から、第１のモータ２６を駆動して第１のボールねじ２３を回転させ、第１レンズホルダ２０を距離Ａ１２だけ−Ｚ方向（光ファイバ１に接近する方向）に移動させる。移動距離Ａ１２は、図１より、Ａ１２＝Ａ１−Ａ２である。また、第２のモータ２７を駆動して第２のボールねじ２４を回転させ、コリメータレンズホルダ２１を距離Ｂ１２だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。移動距離Ｂ１２は、図１より、Ｂ１２＝Ｂ２−Ｂ１である。コンデンサレンズホルダ２２は移動させない。
【００９８】
また、図２０（Ｃ）の状態に移行するには、図２０（Ａ）の状態から、第１のモータ２６を駆動して第１のボールねじ２３を回転させ、第１レンズホルダ２０を距離Ａ１３だけ−Ｚ方向（光ファイバ１に接近する方向）に移動させる。移動距離Ａ１３は、図１より、Ａ１３＝Ａ１−Ａ３である。また、第２のモータ２７を駆動して第２のボールねじ２４を回転させ、コリメータレンズホルダ２１を距離Ｂ１３だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。移動距離Ｂ１３は、図１より、Ｂ１３＝Ｂ３−Ｂ１である。また、コンデンサレンズホルダ２２は移動させない。すなわち、コンデンサレンズホルダ２２から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定である。
【００９９】
このように、各レンズホルダ２０，２１，２２の位置制御により、ノズル３２の先端から集光点２ａまでの距離を変えずに、集光径（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を可変することができる。すなわち、厚さの違う被加工物（薄板、中厚板、厚板）を切断するときに、集光径を可変しても、ノズル３２と被加工物との距離が変化しないため、安定した加工を行うことができる。
【０１００】
図２１は、集光径を変えずに焦点位置を可変するときのレーザ加工ヘッドの動作を示す側面図である。図２１（Ａ）は、厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図２（Ａ）の状態にあり、集光径ｄ３は３００μｍである。図２１（Ｂ）は、集光点２ａの位置を図２１（Ａ）の状態からＤ１だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動した状態を示す。光学系は図２（Ｂ）の状態にある。図２１（Ｃ）は、集光点２ａの位置を図２１（Ａ）の状態からＤ２だけ＋Ｚ方向に移動した状態を示す。光学系は図２（Ｃ）の状態にある。
【０１０１】
図２１（Ａ）の状態は、上述した図２０（Ｃ）の状態と同じである。この状態から図２１（Ｂ）の状態に移行するときには、第３のモータ２８を駆動して第３のボールねじ２５を回転させ、コンデンサレンズホルダ２２を距離Ｄ１だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。コンデンサレンズホルダ２２から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定であるため、集光点２ａは元の位置（図２１（Ａ））から距離Ｄ１だけ＋Ｚ方向に移動する。
【０１０２】
また、図２１（Ｃ）の状態に移行するときには、第３のモータ２８を駆動して第３のボールねじ２５を回転させ、コンデンサレンズホルダ２２を距離Ｄ２だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。コンデンサレンズホルダ２２から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定であるため、集光点２ａは元の位置（図２１（Ａ））から距離Ｄ２だけ＋Ｚ方向に移動する。
【０１０３】
このように各レンズホルダ２０，２１，２２の位置制御により、集光径を変えずに、ノズル３２の先端から集光点２ａまでの距離を可変することができる。これにより、中厚板や厚板であってもピアシングを高速で行うことができる。また、レーザ加工ヘッド自体を光軸２ｚ方向に移動させることなく、集光点２ａの位置を調整することもできる。
【０１０４】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、第１のレンズ３がＺ方向（光ファイバ１から出射された光線２の光軸２ｚの方向）に移動することにより、光線２の広がり角が変化し、これにより集光径が変化する。また、コンデンサレンズ５がＺ方向に移動することにより、焦点位置が変化する。さらに、コンデンサレンズ５に入射する光線が平行光線になるようにコリメータレンズ４がＺ方向に移動するため、第１のレンズ３が移動しても焦点位置が変化せず、また、コンデンサレンズ５が移動しても集光径が変化しない。そのため、集光径と焦点位置とを独立して可変することができる。
【０１０５】
また、図３および図４に示したように、ベース板８上に、Ｚ方向に間隔を開けて各支持板１３，１４，１５，１６が配列されているため、ベース板８の両端のみに支持板を配置して各ボールねじを支持した場合と比較して、各ボールねじ２３，２４，２５の長さを短くすることができる。そのため、各ボールねじ２３，２４，２５の剛性と位置決め精度を向上することができ、正確な送り動作が可能となる。また、ボールねじが林立しないため、周囲の構成部品を効率よく配置することができる。
【０１０６】
さらに、各支持板１３，１４，１５，１６のうち、内側の２枚の支持板１４，１５に、各ボールねじ２３，２４，２５の支持部品やモータ２６，２７，２８を配置することができるため、レーザ加工ヘッドをコンパクトに構成することができる。また、各支持板１３，１４，１５，１６で仕切られたユニットごとに組み立てることができるため、組み立てが簡単で、組立て精度も確保しやすい。
【０１０７】
また、共通のガイドレール９にスライド可能に支持された各スライダ１０，１１，１２に、各レンズホルダ２０，２１，２２が固定されているため、各レンズ３，４，５の光軸を正確に一致させることができる。また、１つのガイドレール９で３つのスライダ１０，１１，１２を支持しているため、部品点数を削減することができ、コンパクトで軽量なレーザ加工ヘッドが得られる。
【０１０８】
さらに、各ボールねじ２３，２４，２５が、光軸２ｚを挟んで互い違いに配置されているため、各ボールねじ２３，２４，２５の支持部品やモータ２６，２７，２８を、互いに干渉させずに効率よく配置することができる。
【０１０９】
また、各レンズホルダ２０，２１，２２が、当接面２０ａ，２１ａ，２２ａと調整ねじ６０，７０，８０により、各スライダ１０，１１，１２に対して位置決めされるため、各レンズ３，４，５の各光軸を、光ファイバ１から出射された光線２の光軸２ｚに対して正確に一致させることができる。
【０１１０】
さらに、各レンズホルダ２０，２１，２２に、ウォータジャケット６１，７１，８１を設け、各レンズ３，４，５を冷却するようにしたため、光線２の照射による発熱に起因する各レンズ２，３，４の屈折率の変化を抑制し、光線２の角度の変化を抑制することができる。
【０１１１】
また、各レンズホルダ２０，２１，２２のナット取り付け部に、各ボールねじ２３，２４，２５の直径よりも広い幅を有するスリット２０ｂ，２１ｂ，２２ｂを設けたので、各レンズホルダ２０，２１，２２からナット４１，４２，４３をＺ方向に引き抜くことで、各レンズホルダ２０，２１，２２を各ボールねじ２３，２４，２５から簡単に取り外し、また簡単に取り付けることができる。このように、取り付けと取り外し（組立と分解）を簡単に行うことができるため、レンズ２０，２１，２２の汚れや破損が生じたときの部品交換を簡単に行うことができる。
【０１１２】
さらに、図１９に示すように、光ファイバ１の先端に保護ガラス６を配置し、光ファイバ１の先端を密閉したため、光ファイバ１の先端（特に出射端面１ａ）への埃やゴミの付着を防止することができる。また、保護ガラス６の近傍にウォータジャケット１９ｄを設け、保護ガラス６を冷却するように構成したため、光線２の照射による発熱に起因する保護ガラス６の屈折率の変化を抑制することができる。
【０１１３】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工ヘッドについて説明する。実施の形態２が、上述した実施の形態１と異なる点は、各レンズ３，４，５をＺ方向に移動させるための構成である。レーザ加工ヘッドの光学系は、図１，２を参照して説明した実施の形態１の光学系と同様であるため、説明を省略する。また、実施の形態１の構成要素と同一または対応する構成要素には、同一の符号を付す。
【０１１４】
図２２および図２３は、実施の形態２のレーザ加工ヘッドの内部構成を示す斜視図である。実施の形態２のレーザ加工ヘッドにおいて、ベース板８には、第１の支持板９１、第２の支持板９２、第３の支持板９３および第４の支持板９４が設けられている。第１の支持板９１、第２の支持板９２、第３の支持板９３および第４の支持板９４は、光ファイバ１から出射された光線２の進行方向（＋Ｚ方向）に、この順で配列されている。また、各支持板９１，９２，９３，９４は、Ｚ方向に対して直交する板面を有している。
【０１１５】
第１のレンズ３は第１のレンズホルダ８８に保持され、コリメータレンズ４はコリメータレンズホルダ８９に保持され、コンデンサレンズ５はコンデンサレンズホルダ９０に保持されている。実施の形態１でも説明したように、各レンズ３，４，５は、それぞれの光軸が光線２の光軸２ｚと一致するように、各レンズホルダ８８，８９，９０に位置決めされ、固定されている。
【０１１６】
この実施の形態２では、実施の形態１で説明したガイドレール９およびスライダ１０，１１，１２（図３，４）は設けられていない。第１レンズホルダ８８は、第１の支持板９１と第２の支持板９２との間に設けられた２本のガイドシャフト９５ａ，９５ｂによって、Ｚ方向に移動可能に支持されている。また、コリメータレンズホルダ８９は、第２の支持板９２と第３の支持板９３との間に設けられた２本のガイドシャフト９６ａ，９６ｂによって、Ｚ方向に移動可能に支持されている。コンデンサレンズホルダ９０は、第３の支持板９３と第４の支持板９４との間に設けられた２本のガイドシャフト９７ａ，９７ｂによって、Ｚ方向に移動可能に支持されている。
【０１１７】
ガイドシャフト９５ａ，９５ｂは、それぞれの両端において、第１の支持板９１および第２の支持板９２にねじ留め等により固定されている。ガイドシャフト９６ａ，９６ｂは、それぞれの両端において、第２の支持板９２および第３の支持板９３に、ねじ留め等により固定されている。ガイドシャフト９７ａ，９７ｂは、それぞれの両端において、第３の支持板９３および第４の支持板９４に、ねじ留め等により固定されている。
【０１１８】
ガイドシャフト９５ａ，９５ｂの各中心軸は、光軸２ｚを含む第１の平面１１０内に、光軸２ｚに対して互いに対称に配置されている。同様に、ガイドシャフト９６ａ，９６ｂの各中心軸は、光軸２ｚを含む第２の平面１１１内に、光軸２ｚに対して互いに対称に配置されている。ガイドシャフト９７ａ，９７ｂの各中心軸は、光軸２ｚを含む第３の平面１１２内に、光軸２ｚに対して互いに対称に配置されている。
【０１１９】
また、隣り合う第１の平面１１０と第２の平面１１１とは同一平面上にはなく、両平面１１０，１１１の間には所定の角度（例えば３０度）が設けられている。同様に、隣り合う第２の平面１１１と第３の平面１１２とは同一平面上にはなく、両平面１１１，１１２の間には所定の角度（例えば６０度）が設けられている。
【０１２０】
第１の支持板９１と第２の支持板９２との間には、第１レンズホルダ８８をＺ方向に送るための第１のボールねじ２３が回転可能に取り付けられている。第２の支持板９２と第３の支持板９３との間には、コリメータレンズホルダ８９をＺ方向に送るための第２のボールねじ２４が回転可能に取り付けられている。第３の支持板９３と第４の支持板９４との間には、コンデンサレンズホルダ９０をＺ方向に送るための第３のボールねじ２５が回転可能に取り付けられている。
【０１２１】
第２の支持板９２には、実施の形態１でも説明した第１のモータ２６、ベルト２９、第２のモータ２７およびベルト３０が取り付けられている。第３の支持板９３には、第３のモータ２８およびベルト３１が取り付けられている。各ボールねじ２３，２４，２５、各モータ２６，２７，２８および各ベルト２９，３０，３１の構成は、実施の形態１と同様である。
【０１２２】
次に、各レンズのホルダ８８，８９，９０の構成について説明する。図２４および図２５は、第１レンズホルダ８８とその取り付け部品を示す斜視図であり、図２６は、第１のレンズ３の光軸を含む平面で切断した断面図である。図２４〜図２６に示すように、第１レンズホルダ８８の略中央部には、第１のレンズ３が挿入される挿入孔８８ａ（図２４）が形成されている。第１のレンズ３は、挿入孔８８ａに挿入され、ねじリング５９（図２５）で固定されている。
【０１２３】
また、第１レンズホルダ８８の挿入孔８８ａを挟んだ両側には、ガイドシャフト９５ａに摺動可能に係合するブッシュ９８ａと、ガイドシャフト９５ｂに摺動可能に係合するブッシュ９８ｂとが、それぞれ２本のねじ９９ａ，９９ｂと、ねじ９９ｃ，９９ｄにより固定されている。ブッシュ９８ａ，９８ｂは、レンズ３の光軸を挟んで互いに対称な位置に設けられている。
【０１２４】
また、上述した第１のボールねじ２３に係合するナット４１は、第１レンズホルダ８８のブッシュ９８ａの近傍に、４本のねじ５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄにより固定されている。
【０１２５】
図２７および図２８は、コリメータレンズホルダ８９とその取り付け部品を示す斜視図であり、図２９は、コリメータレンズ４の光軸を含む平面で切断した断面図である。図２７〜図２９に示すように、コリメータレンズホルダ８９の略中央部には、コリメータレンズ４が挿入される挿入孔８９ａ（図２７）が形成されている。コリメータレンズ４は、挿入孔８９ａに挿入され、ねじリング６９（図２８）で固定されている。
【０１２６】
また、コリメータレンズホルダ８９の挿入孔８９ａを挟んだ両側には、ガイドシャフト９６ａに摺動可能に係合するブッシュ１００ａと、ガイドシャフト９６ｂに摺動可能に係合するブッシュ１００ｂとが、それぞれ２本のねじ１０１ａ，１０１ｂと、ねじ１０１ｃ，１０１ｄにより固定されている。ブッシュ１００ａ，１００ｂは、コリメータレンズ４の光軸を挟んで互いに対称な位置に設けられている。
【０１２７】
また、上述した第２のボールねじ２４に係合するナット４２は、コリメータレンズホルダ８９のブッシュ１００ａの近傍に、４本のねじ６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄにより固定されている。
【０１２８】
図３０および図３１は、コンデンサレンズホルダ９０とその取り付け部品を示す斜視図であり、図３２は、コンデンサレンズ５ａ，５ｂの光軸を含む平面で切断した断面図である。図３０〜図３２に示すように、コンデンサレンズホルダ９０の略中央部には、コンデンサレンズ５ａ，５ｂが挿入される挿入孔９０ａ（図３０）が形成されている。コンデンサレンズ５ａ，５ｂは、挿入孔９０ａに挿入され、ねじリング７０（図３１）で固定されている。
【０１２９】
また、コンデンサレンズホルダ９０の挿入孔９０ａを挟んだ両側には、ガイドシャフト９７ａに摺動可能に係合するブッシュ１０２ａと、ガイドシャフト９７ｂに摺動可能に係合するブッシュ１０２ｂとが、それぞれ２本のねじ１０３ａ，１０３ｂと、ねじ１０３ｃ，１０３ｄにより固定されている。ブッシュ１０２ａ，１０２ｂは、コンデンサレンズ５の光軸を挟んで互いに対称な位置に設けられている。
【０１３０】
また、上述した第３のボールねじ２５に係合するナット４３は、コンデンサレンズホルダ９０のブッシュ１０２ａの近傍に、４本のねじ７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄにより固定されている。
【０１３１】
上記以外の構成は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
【０１３２】
次に、実施の形態２のレーザ加工ヘッドの動作について説明する。図３３は、焦点位置を変えずに集光径を可変するときのレーザ加工ヘッドの動作を示す側面図である。図３３（Ａ）は、薄板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は、図１（Ａ）の状態にあり、集光径ｄ１は１００μｍである。図３３（Ｂ）は、中厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図１（Ｂ）の状態にあり、集光径ｄ２は２００μｍである。図３３（Ｃ）は、厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は、図１（Ｃ）の状態にあり、集光径ｄ３は３００μｍである。
【０１３３】
まず、図３３（Ａ）に示す状態に移行するときには、各モータ２６，２７，２８を駆動制御して、第１レンズホルダ８８とコリメータレンズホルダ８９とコンデンサレンズホルダ９０をそれぞれ所定の位置に位置決めする。第１レンズホルダ８８を位置決めする際には、まず、第１レンズホルダ８８を−Ｚ方向（光ファイバ１に接近する方向）または＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させ、第１の支持板９１または第２の支持板９２に当接させ、その位置を初期位置として第１のモータ２６の駆動制御を行う。初期位置を決定した後は、連続して位置決めを行うことができる。コリメータレンズホルダ８９およびコンデンサレンズホルダ９０の位置決めも、同様にして行うことができる。なお、実施の形態１で説明したように、光センサを用いて各レンズホルダ８８，８９，９０の初期位置を決定してもよい。
【０１３４】
図３３（Ｂ）の状態に移行するときには、図３３（Ａ）の状態から、第１のモータ２６を駆動して第１のボールねじ２３を回転させ、第１レンズホルダ８８を距離Ａ１２だけ−Ｚ方向（光ファイバ１に接近する方向）に移動させる。移動距離Ａ１２は、図１より、Ａ１２＝Ａ１−Ａ２である。また、第２のモータ２７を駆動して第２のボールねじ２４を回転させ、コリメータレンズホルダ８９を距離Ｂ１２だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。移動距離Ｂ１２は、図１より、Ｂ１２＝Ｂ２−Ｂ１である。コンデンサレンズホルダ９０は移動させない。
【０１３５】
また、図３３（Ｃ）の状態に移行するには、図３３（Ａ）の状態から、第１のモータ２６を駆動して第１のボールねじ２３を回転させ、第１レンズホルダ８８を距離Ａ１３だけ−Ｚ方向（光ファイバ１に接近する方向）に移動させる。移動距離Ａ１３は、図１より、Ａ１３＝Ａ１−Ａ３である。また、第２のモータ２７を駆動して第２のボールねじ２４を回転させ、コリメータレンズホルダ８９を距離Ｂ１３だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。移動距離Ｂ１３は、図１より、Ｂ１３＝Ｂ３−Ｂ１である。また、コンデンサレンズホルダ９０は移動させない。すなわち、コンデンサレンズホルダ９０から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定である。
【０１３６】
このように、各レンズホルダ８８，８９，９０を位置制御により、ノズル３２の先端から集光点２ａまでの距離を変えずに、集光径（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を可変することができる。すなわち、板厚の違う被加工物（薄板、中厚板、厚板）を切断するときに、集光径を可変しても、ノズル３２と被加工物との距離が変化しないため、安定した加工を行うことができる。
【０１３７】
図３４は、集光径を変えずに焦点位置を可変するときのレーザ加工ヘッドの動作を示す側面図である。図３４（Ａ）は、厚板を切断する場合のレーザ加工ヘッドを示す。光学系は図２（Ａ）の状態にあり、集光径ｄ３は３００μｍである。図３４（Ｂ）は、集光点２ａの位置を図３４（Ａ）の状態からＤ１だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動した状態を示す。光学系は図２（Ｂ）の状態にある。図３４（Ｃ）は、集光点２ａの位置を図３４（Ａ）の状態からＤ２だけ＋Ｚ方向に移動した状態を示す。光学系は、図２（Ｃ）の状態にある。
【０１３８】
図３４（Ａ）の状態は、上述した図３３（Ｃ）の状態と同じである。この状態から図３４（Ｂ）の状態に移行するときには、第３のモータ２８を駆動して第３のボールねじ２５を回転させ、コンデンサレンズホルダ９０を距離Ｄ１だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。コンデンサレンズホルダ９０から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定であるため、集光点２ａは元の位置から距離Ｄ１だけ＋Ｚ方向に移動する。
【０１３９】
また、図３４（Ｃ）の状態に移行するときには、第３のモータ２８を駆動して第３のボールねじ２５を回転させ、コンデンサレンズホルダ９０を距離Ｄ２だけ＋Ｚ方向（光ファイバ１から離間する方向）に移動させる。コンデンサレンズホルダ９０から集光点２ａまでの距離Ｃ１は一定であるため、集光点２ａは元の位置から距離Ｄ２だけ＋Ｚ方向に移動する。
【０１４０】
このように各レンズホルダ８８，８９，９０の位置制御により、集光径を変えせずに、ノズル３２の先端から集光点２ａまでの距離を可変することができる。これにより、中厚板や厚板であってもピアシングを高速で行うことができる。また、レーザ加工ヘッド自体を光軸２ｚ方向に移動させることなく、集光点２ａの位置を調整することもできる。
【０１４１】
以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、各レンズホルダ８８，８９，９０が、それぞれ一対のガイドシャフト９５ａ，９５ｂ，９６ａ，９６ｂ，９７ａ，９７ｂにより移動可能に支持されているため、ガイドレールやスライダを設ける必要がなく、従って、少ない部品点数で、また小さい占有スペースで、各レンズホルダ８８，８８，９０を案内することができる。
【０１４２】
また、ガイドシャフト９５ａ，９５ｂの中心軸が第１のレンズ３の光軸に対して互いに対称に配置されているため、第１のレンズ３および第１レンズホルダ８８を含む可動部の重心が、ほぼレンズ光軸上（ガイドシャフト９５ａ，９５ｂの中間位置）に位置する。同様に、ガイドシャフト９６ａ，９６ｂの中心軸がコリメータレンズ４の光軸に対して互いに対称に配置されているため、コリメータレンズ４およびコリメータレンズホルダ８９を含む可動部の重心が、ほぼレンズ光軸上（ガイドシャフト９６ａ，９６ｂの中間位置）に位置する。また、ガイドシャフト９７ａ，９７ｂの中心軸がコンデンサレンズ５の光軸に対して互いに対称に配置されているため、コンデンサレンズ５およびコンデンサレンズホルダ９０を含む可動部の重心が、ほぼレンズ光軸上（ガイドシャフト９７ａ，９７ｂの中間位置）に位置する。このように可動部の重量バランスが良いため、レンズホルダ８８，８９，９０をスムーズに移動させることができる。
【０１４３】
また、第１の平面１１０と第２の平面１１１との間に所定の角度が設けられているため、第２の支持板９２において互いに近い位置に固定されるガイドシャフト９５ａ，９６ｂ、およびガイドシャフト９５ｂ，９６ａの固定部（ねじ留め部）が干渉し合うことを防止できる。同様に、第２の平面１１１と第３の平面１１２との間に所定角度が設けられているため、第３の支持板９３において互いに近い位置に固定されるガイドシャフト９６ａ，９７ａ、およびガイドシャフト９６ｂ，９７ｂの固定部（ねじ留め部）が干渉し合うことを防止できる。
【０１４４】
さらに、各ガイドシャフト９５ａ，９６ａ，９７ａの近傍に配置される各ボールねじ２３，２４，２５の支持部品、および、各モータ２６，２７，２８を、互いに干渉させずに、効率よく配置することができる。
【０１４５】
また、各ボールねじ２３，２４，２５がガイドシャフト９５ａ，９６ａ，９７ａの近傍に配置されているため、各レンズホルダ８８，８９，９０が移動する際のレンズホルダ８８，８９，９０の傾きを抑制することができる。すなわち、ガイドシャフトから離れた位置に駆動力が作用すると、レンズホルダ８８，８９，９０にモーメントが発生して傾きが生じる可能性があるが、この実施の形態２では、レンズホルダ８８，８９，９０がガイドシャフトにより案内される部分に近い場所に駆動力が作用するため、レンズホルダ８８，８９，９０をスムーズに移動させることができる。
【０１４６】
また、実施の形態１と同様、ベース板８上に、Ｚ方向に間隔を開けて各支持板９１，９２，９３，９４が配置されているため、各ボールねじ２３，２４，２５の長さを短くすることができる。これにより、各ボールねじ２３，２４，２５の剛性と位置決め精度を向上することができ、正確な送り動作が可能となる。また、同じ空間にボールねじが林立しないため、周囲の構成部品を効率よく配置することができる。また、内側の２枚の支持板９２，９３に、各ボールねじ２３，２４，２５の支持部品やモータ２６，２７，２８を配置することができるため、レーザ加工ヘッドをコンパクトに構成することができる。また、各支持板９１，９２，９３，９４で仕切られたユニットごとに組み立てることができるため、組み立てが簡単で、組立て精度も確保しやすい。
【０１４７】
実施の形態３．
次に、実施の形態１または実施の形態２のレーザ加工ヘッドを搭載したファイバレーザ加工装置について説明する。図３５は、実施の形態１または実施の形態２のレーザ加工ヘッドにカバー１５０を取り付けた状態を示す斜視図である。図３６は、レーザ加工ヘッド２００を搭載したファイバレーザ加工装置５００を示した斜視図である。
【０１４８】
図３６に示すように、ファイバレーザ加工装置５００は、レーザ加工ヘッド２００と、レーザ光線を出力するファイバレーザ発振器３００と、ファイバレーザ発振器３００から出力されたレーザ光線をレーザ加工ヘッド２００に伝送するケーブル３５０と、レーザ加工ヘッド２００が取り付けられた門形のアーム４０２と、被加工物を搬送する（搭載し移動させる）テーブル４０３と、これらの土台となるベースユニット４０１とを有している。
【０１４９】
ケーブル３５０の中には光ファイバが内蔵されており、ファイバレーザ発振器３００から出力されたレーザ光線を、レーザ加工ヘッド２００に伝送する。レーザ加工ヘッド２００は、その光軸２ｚ（図１等）が鉛直方向を向くように、アーム４０２に取り付けられている。被加工物（板）は、テーブル４０３の水平な面上に搭載されている。すなわちレーザ加工ヘッド２００は、水平に置かれた被加工物に上方から光線を照射する。
【０１５０】
ベースユニット４０１には、アーム４０２をＹ方向に移動させる送り機構が内蔵されており、アーム４０２をＹ方向に高速で移動させることができる。また、アーム４０２には、レーザ加工ヘッド２００をＸ方向とＺ方向に移動させる送り機構が内蔵されている。これらの送り機構（ヘッド送り機構）により、レーザ加工ヘッド２００をＸＹＺの３方向に自由に移動することができる。また、テーブル４０３をＹ方向に移動させて、レーザ加工ヘッド２００の移動との協調により加工速度を高速化してもよい。
【０１５１】
また、第１の実施の形態で説明したウォータジャケット６１，７１，８１，１９ｄを設けた場合には、図示しない冷却水供給部からチューブを介して冷却水を供給する。
【０１５２】
被加工物（板）を加工する際には、レーザ加工ヘッド２００をＸＹ方向に移動させて初期位置を合わせると共に、Ｚ方向に移動させてノズル３２と被加工物との距離を所定の距離に合わせる。次に、ファイバレーザ発振器３００からレーザ光線を出力し、レーザ加工ヘッド２００に供給する。さらに、加工プログラムに基づき、図２０，２１，３３，３４を参照して説明したように、各レンズホルダ２０，２１，２２（８８，８９，９０）の位置制御を行う。
【０１５３】
すなわち、薄板を加工するときは、レーザ加工ヘッド２００の各レンズホルダ２０，２１，２２（８８，８９，９０）を、図２０（Ａ）または図３３（Ａ）に示す位置にそれぞれ位置決めする。中厚板を加工するときは、各レンズホルダ２０，２１，２２（８８，８９，９０）を、図２０（Ｂ）または図３３（Ｂ）に示す位置にそれぞれ位置決めする。厚板を加工するときは、各レンズホルダ２０，２１，２２（８８，８９，９０）を、図２０（Ｃ）または図３３（Ｃ）に示す位置にそれぞれ位置決めする。これにより、被加工物の厚さに合わせて集光径を可変することができる。
【０１５４】
また、被加工物が薄板の場合には、直接切断することができるが、中厚板や厚板の場合には光線２が貫通しにくいため、まずピアシングを行ってからレーザ加工ヘッド２００を移動させて切断する。ピアシングを行う際には、図２１（Ａ）〜（Ｃ）または図３４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように焦点位置を可変する。
【０１５５】
以上説明したように、この実施の形態３のレーザ加工装置によれば、光線の集光径と焦点位置をそれぞれ独立に可変することができるレーザ加工ヘッド２００を備えているため、薄板だけでなく、中厚板や厚板であっても高速に切断することができ、切断面もきれいに（高品位に）仕上げることができる。
【０１５６】
また、集光径を可変してもノズル３２と被加工物の距離が変化しないため、ノズル３２の交換やノズル３２と被加工物との距離の再調整が不要となる。そのため、加工時間を短縮し、また準備の手間を省くことができる。また、ノズル３２の交換等が不要であるため、加工作業の途中で作業者がレーザ加工装置に触る必要がなく、安全に、長時間連続した加工を行うことができる。
【０１５７】
なお、上記の実施の形態では、光源としてファイバレーザを用いたファイバレーザ加工装置について説明したが、ファイバレーザと波長の近いＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザを用いたＹＡＧレーザ加工装置に適用しても良い。
【符号の説明】
【０１５８】
１  光ファイバ、  ２  光線（レーザ光線）、  ２ａ  集光点（焦点）、  ２ｂ  集光点、  ２ｚ  光軸、  ３  第１のレンズ、  ４  コリメータレンズ、  ５，５ａ，５ｂ  コンデンサレンズ、  ６，７  保護ガラス、  ９  ガイドレール、  １３，９１  第１の支持板（第１の支持部材）、  １４，９２  第２の支持板（第２の支持部材）、  １５，９３  第３の支持板（第３の支持部材）、  １６，９４  第４の板（第４の支持部材）、  １７  光ファイバホルダ、  １８  コネクタ、  １９  アダプタ、  １９ｄ  ウォータジャケット（冷却手段）、  ２０，８８  第１レンズホルダ（第１のホルダ）、  ２０ｂ  スリット、  ２１，８９  コリメータレンズホルダ（第２のホルダ）、  ２１ｂ  スリット、  ２２，９０  コンデンサレンズホルダ（第３のホルダ）、  ２２ｂ  スリット、  ２３  第１のボールねじ、  ２４  第２のボールねじ、  ２５  第３のボールねじ、  ２６  第１のモータ、  ２７  第２のモータ、  ２８  第３のモータ、  ３５，３６  光センサ（第１の位置検知手段）、  ３７，３８  光センサ（第２の位置検知手段）、  ３９，４０  光センサ（第３の位置検知手段）、  ４１，４２，４３  ナット、  ５６，６６，７６  遮光板（被検知部材）、  ６１，７１，８１  ウォータジャケット（冷却手段）、  ９５ａ，９５ｂ，９６ａ，９６ｂ，９７ａ，９７ｂ  ガイドシャフト（案内部材）、  ２００  レーザ加工ヘッド、  ３００  ファイバレーザ発振器（レーザ発振器）、  ４０１  ベースユニット、  ４０２  アーム、  ４０３  テーブル、  ５００  ファイバレーザ加工装置（レーザ加工装置）。  
【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１１】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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