(57)【要約】【課題】  レーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず、ワークの加工領域においてワークを均等に加工する。【解決手段】  レーザ発振器（２）と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系（１３）とを具備し、集光光学系は、レーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線（Ｙ１）とレーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線（Ｙ２）との交点（Ａ１）を含むようにレーザの中心線（Ｃ）上に位置決めされるレーザ装置（１００）が提供される。さらに、レーザ発振器と前記集光光学系との間に配置されたコリメート手段（６０）またはビーム拡散角変更手段（６５）を備える構成にしてもよい。【選択図】      図１
2006247676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系とを具備し、
前記集光光学系は、レーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との交点を含むように前記レーザの中心線上に位置決めされるレーザ装置。
【請求項２】
さらに、前記レーザ発振器から前記集光光学系までの光路長を一定に維持する光路長維持手段を具備する請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
さらに、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間に配置されたコリメート手段を具備する請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記コリメート手段が少なくとも一つの球面鏡、楕円体面鏡、放物面鏡および／またはレンズを含む請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
レーザ発振器と、
該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、
前記レーザ発振器と前記集光光学系との間に配置されたビーム拡散角変更手段とを具備し、
該ビーム拡散角変更手段は、レーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との交点を含むように前記レーザの中心線上に位置決めされており、
前記ビーム拡散角変更手段の後方におけるレーザビーム伝播曲線がレーザ出力開始時と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後とにおいて概ね等しくなるように、前記ビーム拡散角変更手段が制御されるようにしたレーザ装置。
【請求項６】
レーザ発振器と、
該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系とを具備し、
前記レーザ発振器の出力鏡の交換直後またはクリーニング直後においてレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との第一の交点を通って前記レーザの中心線に対して垂直な第一の面と、前記レーザ発振器の前記出力鏡の交換直前またはクリーニング直前においてレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との第二の交点を通って前記レーザの中心線に対して垂直な第二の面との間に、前記集光光学系が位置決めされるようにしたレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスもしくは固体媒体を励起してレーザ出力を得るレーザ発振器、あるいはこのようなレーザ発振器からのレーザ出力によってレーザ切断などのレーザ加工を行うレーザ加工機を含むレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な高出力のレーザとして炭酸ガスレーザがレーザ装置に使用されている。炭酸ガスレーザは出力および波長の関係上、光ファイバに通すことが困難であるので、レーザ発振器から発振された炭酸ガスレーザは空間中を伝播されてワークまで導かれ、ワークを加工する。他の高出力レーザにおいても、波長の関係上、空間中を伝播させてワークまで導かれる場合がある。
【０００３】
このようなレーザ装置においては、ワークの加工領域全体においてレーザビームを走査するために、光路長、つまりレーザ発振器と集光光学系との間の距離を変化させる方式が用いられている。このような場合には、光路長が変化したとしてもワーク上でのレーザのスポット径が一定になるのが有利であり、それにより、ワークの加工領域全体にわたって加工結果を等しくすることができる。反対にスポット径が変化する場合には、ワークの加工領域の場所に応じて加工結果が変化し、レーザ装置の加工能力が制限されることにもなりかねない。
【０００４】
ところで、図１１は、このような従来技術のレーザ装置における光路長とレーザビーム半径との関係を示す図である。図１１において光路長を示す横軸の原点０はレーザ装置におけるレーザ発振器の透過性出力鏡の位置を示している。従って、横軸における正の領域がレーザ発振器から発振されたレーザの光路長を示すことになる。図１１においてレーザ加工開始時におけるレーザビーム半径ｒの挙動を示す曲線Ｙ１から分かるように、原点においてレーザ発振器の出力鏡から出力されたレーザのレーザビーム半径ｒは一旦小さくなった後、出力時のレーザビーム半径ｒを越えて増大する。このように出力後のレーザビーム半径ｒが一旦小さくなるような領域はビームウエストＷと呼ばれている。
【０００５】
通常、空間を伝播させたレーザ光は集光光学系、例えば集光レンズにより集光され、高エネルギ密度の状態を形成した状態でワークを加工している。このとき、ワークを均等に加工するために、レーザ光の集光スポット径をワークの加工領域全体にわたって概ね一定に維持することが望まれている。図１１に示されるように、ビームウエストＷにおいてはレーザビーム半径ｒの変動は比較的少ないので、通常は集光光学系はビームウエストＷに配置される。そして、集光光学系をビームウエストＷにおいて横軸上に前後に移動させることにより光路長を変動させ、それにより、集光光学系に入射するレーザビームの外径が一定に維持されるようにしている（特許文献１〜特許文献４を参照されたい）。
【特許文献１】特公平４−３６７９４号公報
【特許文献２】特開平８−１１２６８７号公報
【特許文献３】特開平７−１８５８６０号公報
【特許文献４】特開平７−１８５８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、レーザ装置が比較的高出力、例えば１ｋＷを越える出力で継続して使用される場合には、透過性出力鏡は該出力鏡の中心を通るレーザ光により加熱されるようになる。レーザ光が出力鏡を中心から加熱するのに対し、出力鏡はレーザ装置の冷却水循環システムからの冷却水によりその周囲から冷却される。従って、レーザ光の出力から十分な時間が経過すると、出力鏡においては出力鏡の中心部から該出力鏡の外周部に向かって温度が徐々に低下する温度勾配が生じる。その結果、出力鏡の中心部が外周部よりも膨張すると共に、温度に強く影響する屈折率が出力鏡の外周部よりも中心部において大きくなる。これらのことから、出力鏡の焦点距離が常温状態に比べて小さくなるという所謂熱レンズ効果が発生するようになる。
【０００７】
図１１における曲線Ｙ２は、レーザ加工を開始してから熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム半径ｒの挙動を示している。このように、熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後における曲線Ｙ２のレーザビーム半径ｒは、レーザ加工開始時における曲線Ｙ１のレーザビーム半径ｒよりも小さくなる。つまり、図１１におけるビームウエストＷは熱レンズ効果の発生によってさらに絞られるようになる。
【０００８】
特許文献１〜特許文献４に示されるような集光光学系、例えば集光レンズはビームウエストＷの領域に配置されているので、レーザ加工の開始からの経過時間によってレーザビーム半径ｒが変化するようになる。その結果、ワークにおけるスポット径も変動するので、ワークの加工はワークの加工領域全体において均等にはならず、加工不良が生じるという不具合が生じていた。集光光学系をビームウエストＷの領域において前後に移動させることによりスポット径の変動を或る程度吸収することができるものの、レーザ装置の出力が比較的高い場合にはスポット径の変動も大きくなるので、集光光学系の移動によってこの変動を吸収するのは限界がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず、ワークをワークの加工領域において均等に加工することのできるレーザ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】
【００１０】
前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系とを具備し、前記集光光学系は、レーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との交点を含むように前記レーザの中心線上に位置決めされるレーザ装置が提供される。
【００１１】
レーザ出力開始時におけるレーザビーム伝播曲線は前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線とは異なる形状に経時的に変化するものの、これらレーザビーム伝播曲線の交点は変動しない。従って、１番目の発明においては、この交点を通るように集光光学系、例えば集光レンズをレーザの中心線上に配置することにより、集光光学系に入射するレーザのレーザビーム径をレーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず一定にできる。このため、ワーク上におけるレーザのスポット径も一定になるので、レーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず、ワークをワークの加工領域において均等に加工することが可能となる。
【００１２】
２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記レーザ発振器から前記集光光学系までの光路長を一定に維持する光路長維持手段を具備する。
通常は集光光学系はレーザ装置のレーザ加工機に備えられた加工ヘッドに取り付けられており、集光光学系は加工ヘッドと一体的に移動するようになっている。２番目の発明においては、光路長を一定に維持する光路長維持手段を備えることにより、ワークの加工進行に基づく加工ヘッドおよび集光光学系の移動が吸収される。従って、ワークの加工進行度合いに関わらず、光路長を一定に維持し、それにより、ワーク上におけるレーザのスポット径を一定にしてワークの加工領域における均等な加工を可能としている。なお、光路長維持手段は少なくとも二つの反射鏡を備えているのが好ましく、それにより、レーザビーム半径および拡散角を変更することなしに光路長維持手段を容易に形成することができる。
【００１３】
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間に配置されたコリメート手段を具備する。
すなわち３番目の発明においては、コリメート手段の後方においては、レーザ出力開始時におけるレーザビーム伝播曲線と熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線とが比較的緩やかに交差するようになるので、レーザビーム半径ｒが極めて近い領域を広範囲にわたって形成することができる。すなわち、集光光学系を配置すべき位置に関して余裕代を与えることが可能となり、集光光学系がわずかながら移動した場合であってもワーク上のスポット径が変化するのを最小限にできる。レーザビーム半径ｒが極めて近い領域はレーザビーム伝播曲線の間の差の絶対値が１０％程度であるのが好ましい。
【００１４】
４番目の発明によれば、３番目の発明において、前記コリメート手段が少なくとも一つの球面鏡、楕円体面鏡、放物面鏡および／またはレンズを含む。
すなわち４番目の発明においては、比較的簡易な構成によりレーザビーム半径ｒが極めて近い領域を広範囲にわたって形成することができる。
【００１５】
５番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間に配置されたビーム拡散角変更手段とを具備し、該ビーム拡散角変更手段は、レーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との交点を含むように前記レーザの中心線上に位置決めされており、前記ビーム拡散角変更手段の後方におけるレーザビーム伝播曲線がレーザ出力開始時と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後とにおいて概ね等しくなるように、前記ビーム拡散角変更手段が制御されるようにしたレーザ装置が提供される。
すなわち５番目の発明においては、レーザ出力開始時と熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後とにおいて同一形状のレーザビーム伝播曲線がビーム拡散角変更手段の後方にて得られるので、集光光学系に入射するレーザビームのレーザビーム半径は常に一定となる。このため、ワーク上のスポット径も一定になるので、レーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず、ワークをワークの加工領域において均等に加工することが可能となる。ビーム拡散角変更手段として例えば可変曲率ミラーまたは可動コリメータユニットを採用するのが好ましい。
【００１６】
６番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系とを具備し、前記レーザ発振器の出力鏡の交換直後またはクリーニング直後においてレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との第一の交点を通って前記レーザの中心線に対して垂直な第一の面と、前記レーザ発振器の前記出力鏡の交換直前またはクリーニング直前においてレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線と前記レーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線との第二の交点を通って前記レーザの中心線に対して垂直な第二の面との間に、前記集光光学系が位置決めされるようにしたレーザ装置が提供される。
レーザ装置を長期間にわたって使用することによりレーザ発振器内の出力鏡および／またはリア鏡等が汚染されレーザビーム伝播曲線の挙動が変化するものの、６番目の発明においては、出力鏡等の汚染を予め考慮した上で集光光学系を配置している。従って、出力鏡等の汚染がレーザビーム伝播曲線に与える影響を最小限にしつつ、ワークをワークの加工領域において均等に加工することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
各発明によれば、レーザ加工の開始からの経過時間にかかわらず、ワークをワークの加工領域において均等に加工することができるという共通の効果を奏しうる。
さらに、２番目の発明によれば、ワークの加工進行に基づく加工ヘッドおよび集光光学系の移動を吸収できるという効果を奏しうる。
さらに、３番目の発明によれば、レーザビーム半径ｒが極めて近い領域を広範囲にわたって形成することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、比較的簡易な構成によりレーザビーム半径ｒが極めて近い領域を広範囲にわたって形成することができるという効果を奏しうる。
さらに、５番目の発明によれば、集光光学系に入射するレーザビームのレーザビーム半径を常に一定にすることができるという効果を奏しうる。
さらに、６番目の発明によれば、出力鏡等の汚染がレーザビーム伝播曲線に与える影響を最小限にしつつ、ワークをワークの加工領域において均等に加工することができるという効果を奏しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様な部材には同様な参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に基づくレーザ装置の略図である。本発明に基づくレーザ装置１００は主に金属加工用に用いられ、レーザ発振器２とレーザ加工機１１と光路長維持機構部３０とを含んでいる。図１に示されるように、これらレーザ発振器２とレーザ加工機１１と光路長維持機構部３０とは制御装置１を介して互いに電気的に接続されている。
【００１９】
レーザ発振器２は誘導放電励起型である比較的高出力のレーザガス発振器、例えば出力１ｋＷ以上の炭酸ガスレーザである。レーザ発振器２はレーザガス圧制御システム１８に接続された放電管９を含んでいる。レーザガス圧制御システム１８は、レーザ発振器２に形成されたレーザガス供給口１７およびレーザガス排出口１９を介して放電管９へのレーザガスの供給および放電管９からのレーザガスの排出を行うことができる。放電管９の一端には部分透過性を有しないリア鏡６（共振器内部ミラー）が設けられており、放電管９の他端には部分透過性を有する出力鏡８が設けられている。出力鏡８はＺｎＳｅから形成されており、出力鏡８の内面は部分反射コーティングされると共に出力鏡８の外面は全反射コーティングされている。リア鏡６の背面にはレーザパワーセンサ５が配置されている。図示されるように、リア鏡６および出力鏡８の間の光共振空間内には二つの放電セクション２９ａ、２９ｂが設けられている。
【００２０】
各放電セクション２９ａ、２９ｂは放電管９を挟むように配置された一対の放電電極７ａ、７ｂをそれぞれ含んでいる。これら放電電極７ａ、７ｂは同一寸法であって、誘電体コーティングが施されているものとする。図１に示されるように放電電極７ａはマッチング回路３を介してレーザ電源４に接続されている。なお、放電電極７ｂも同様のマッチング回路を介してレーザ電源に接続されているが、理解を容易にするためにこれらは図示しないものとする。これらレーザ電源はそれぞれ独立して制御され、対応する各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給する電力を自由に調整することができる。
【００２１】
さらに、図示されるように放電管９には送風機１４が配置され、送風機の上流および下流には熱交換器１２、１２'がそれぞれ配置されている。さらに、レーザ発振器２は冷却水循環システム２２に接続されており、放電管９内のレーザガスなどが適宜冷却されるようになっている。
【００２２】
さらに、図１に示されるように、レーザ発振器２の出力鏡８の温度Ｑを測定する温度センサ５１がレーザ発振器２に設けられている。なお、図１においては高速軸流型のレーザ発振器２が示されているが、レーザ発振器２が他の形態のレーザ発振器、例えば３軸直交型発振器もしくは熱拡散冷却によるガススラブレーザであってもよい。
【００２３】
レーザ発振器２の出力鏡８から出力されたレーザは後述する光路長維持機構部３０を通ってレーザ加工機１１に入射する。レーザ加工機１１においては入射されたレーザを反射する複数、図１においては三つの反射鏡１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含んでいる。図示されるように、これら反射鏡１０ａ、１０ｂ、１０ｃにより反射されたレーザは集光レンズ１３および加工ヘッド１６を通って加工テーブル２１上の加工ワーク２０に照射されるようになっている。ここで、集光レンズ１３はＺｎＳｅから形成されており、集光レンズ１３の両面は全反射コーティングされている。なお、図面には示さないものの、集光レンズ１３の代わりにパラボラミラーを採用してもよい。
【００２４】
また、加工ワーク２０は加工テーブル２１の位置を水平方向に変更することにより所定の場所に位置決めできる。レーザ加工機１１における加工ヘッド１６の位置を検出する位置センサ５２が設けられている。さらに、図１に示されるようにレーザ加工機１１にはアシストガス供給システム１５が設けられている。レーザ加工機１１外部に設置されたアシストガス源（図示しない）からのアシストガスはアシストガス供給システム１５によって加工ヘッド１６の所望の位置まで供給される。
【００２５】
図２は制御装置の詳細図である。レーザ発振器２とレーザ加工機１１と光路長維持機構部３０とを電気的に接続する制御装置１は、図２に示されるようにディジタルコンピュータからなり、双方向性バス１０６によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）を含む記憶部１０５と、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）などの処理部１０４と、入力ポートとしての入力部１０２および出力ポートとしての出力部１０３とを具備している。これら入力部１０２および出力部１０３はレーザ発振器２およびレーザ加工機１１の所定の構成要素に適切に接続されているものとする。例えば図１に示される温度センサ５１および位置センサ５２は対応するＡＤ変換器（図示しない）を介して制御装置１の入力部１０２にそれぞれ接続されている。また、放電管９におけるレーザガスの圧力を検出する圧力センサ（図示しない）も制御装置１の入力部１０２に接続されている。
【００２６】
レーザ装置１００の動作時には、レーザガス圧制御システム１８によってレーザガスがレーザガス供給口１７を通って放電管９内に供給される。次いで、送風機１４によってレーザガスは放電管９からなる循環路を循環する。図１において矢印により示されるように、送風機１４から送り出されたレーザガスは圧縮熱を除去するための熱交換器１２'を通過して各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給される。
【００２７】
放電セクション２９ａ、２９ｂにおいて放電電極７ａ、７ｂにより、所定の電圧、例えば数百ｋＨｚから数十ＭＨｚの交流電圧を印加すると、放電作用によりレーザガスが励起され、それにより、レーザが発生する。周知の原理により、レーザは光共振空間で増幅され、出力鏡８を通じて出力レーザが取り出される。放電作用により高温となったレーザガスは熱交換器１２によって冷却され、送風機１４に再び戻る。なお、このときには冷却水循環システム２２が作動して、放電管９内のレーザガスなどが冷却されるものとする。
【００２８】
出力鏡８から取り出されたレーザは図示されるようにレーザ発振器２から光路長維持機構部３０を通ってレーザ加工機１１に供給される。レーザ加工機１１においては、レーザは三つの反射鏡１０ａ、１０ｂ、１０ｃにより適切に反射される。反射されたレーザは集光レンズ１３により集光されて、加工ヘッド１６を通じて加工ワーク２０に照射される。これにより、加工テーブル２１上の加工ワーク２０を加工、例えば切断または溶接することが可能となる。
【００２９】
ところで、図３はレーザ発振器から出力されるレーザの形状を示す略図である。理解を容易にするために図３においては光路長維持機構部３０、反射鏡１０ａ〜１０ｃ等を省略し、出力鏡８と集光レンズ１３との間の光路が一直線になるように描かれている。図３においては、レーザがレーザ発振器２の出力鏡８から中心線Ｃ周りに出力されている。外側の曲線Ｙ１はレーザ発振器２からのレーザ出力が開始したときのレーザの軌跡を示している。曲線Ｙ１に示されるように、リア鏡６と出力鏡８との間で増幅されたレーザは微少な拡散角を伴って空間中を伝播する。
【００３０】
一方、内側の曲線Ｙ２はレーザ加工を開始してから熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザの軌跡を示している。これら曲線Ｙ１、Ｙ２から分かるように、レーザの出力開始時から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過すると、出力鏡８と集光レンズ１３との間にはレーザビーム半径ｒが小さくなる領域が生じるようになる。なお、図３に示されるようにレーザ発振器２の出力鏡８と集光レンズ１３との間の距離は光路長Ｌである。
【００３１】
このようなレーザビーム半径ｒの挙動について、第一の実施形態における光路長Ｌとレーザビーム半径ｒとの関係を示す図である図４を参照して説明する。図４における横軸は光路長Ｌを示しており、図３における中心線Ｃに相当する。また、図４における縦軸はレーザビーム半径ｒを示しており、図３における中心線Ｃから曲線Ｙ１、Ｙ２までの垂直方向の距離に相当する。なお、図４における横軸の原点０はレーザ発振器２の出力鏡８の位置を示している。横軸が負の領域はレーザ発振器２の内部に相当する。後述する他の図６、図７、図８および図１０についても同様である。
【００３２】
図４のレーザ出力開始時におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１から分かるように、原点においてレーザ発振器の出力鏡から出力されたレーザのレーザビーム半径ｒは約４ｍｍから約１０ｍｍ、図４においては約８ｍｍである。なお、図４における横軸および縦軸の数値は実施例としてのみ示したものであり、本発明はこれら数値に限定されるものではない。他の図面の横軸（および縦軸）の数値も同様である。
【００３３】
出力されたレーザのレーザビーム半径ｒは一旦小さくなった後、出力時のレーザビーム半径ｒを越えて増大するので、前述したビームウエストＷが存在するようになる。そして、図４に示されるようにビームウエストＷにおいては、レーザ加工を開始してから熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過すると、レーザビーム伝播曲線Ｙ１は矢印で示されるように下方に向かってさらに湾曲するようになる（レーザビーム伝播曲線Ｙ２を参照されたい）。すなわち、ビームウエストＷにおいては、レーザビーム半径ｒはレーザ出力開始からの経過時間に応じて小さくなるようになる。
【００３４】
ところで、図４に示されるようにレーザビーム伝播曲線Ｙ１、Ｙ２は交点Ａ１において互いに交差している。そして、この交点Ａ１から横軸正方向の領域においては、レーザビーム半径ｒはレーザ出力開始からの経過時間に応じて増大するようになる。すなわち、レーザビーム半径ｒは経過時間に応じて、点Ａ１よりも横軸負方向では減少し、交点Ａ１よりも横軸正方向では増大する。
【００３５】
言い換えれば、交点Ａ１におけるレーザのレーザビーム半径ｒは、レーザ出力開始からの経過時間に関わらず変化しない。従って、交点Ａ１に対応する横軸上の位置に集光レンズ１３を位置決めすれば、加工ワーク２０上のスポット径は出力開始からの経過時間に関わらず変化しない。このため、本発明においては、横軸上にその中心が配置される集光レンズ１３は交点Ａ１を通って横軸に対して垂直な線分Ｈ１に沿って配置されている。
【００３６】
この線分Ｈ１が横軸と交わる点Ｌ１の横軸座標は、この位置に配置された集光レンズ１３と出力鏡８との間の光路長Ｌ１に相当する。図５に示されるように、この光路長Ｌ１はレーザ発振器２の出力Ｐおよび出力鏡８の直径Ｄ等に応じて定まる値であり、実験などにより出力Ｐおよび出力鏡８の直径Ｄ等の関数として予め求められていてマップの形で制御装置１の記憶部１０５に予め記憶されている。従って、本発明においては、図５に示されるようなマップに基づき、集光レンズ１３を交点Ａ１に相当する位置（光路長Ｌ１）に容易に位置決めすることができる。図４に示される実施形態においては光路長Ｌ１は約１０ｍである。
【００３７】
光路長Ｌ１の位置に集光レンズ１３を配置した場合には集光レンズ１３に入射するレーザビーム半径ｒはレーザ加工の開始時およびレーザ出力開始から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後の両方において互いに等しくなる。すなわち、集光レンズ１３に入射するレーザビーム半径ｒはレーザ加工の開始からの経過時間に関わらず一定になる。従って、集光レンズ１３を通過して加工ヘッド１６から照射されるレーザの加工ワーク２０上におけるスポット径もレーザ加工の開始からの経過時間に関わらず変化しないようになる。それゆえ、本発明においては、加工ワーク２０の加工領域全体にわたって均等な加工を行うことができるようになる。
【００３８】
なお、図４におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１、Ｙ２は光路長Ｌ１の位置に集光レンズ１３が配置されていないものとして描かれており、従って、曲線Ｙ１、Ｙ２は線分Ｈ１よりも後方においてそのまま拡散している。後述する他の図６、図７、図８および図１０についても同様である。
【００３９】
また、図４においてはレーザ加工開始時におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１がビームウエストＷを備えているが、レーザ加工開始時にはビームウエストＷが出現していない場合もある。図６はこのような場合における光路長Ｌとレーザビーム半径ｒとの関係を示す図４と同様の図である。図６においてはレーザ加工開始時におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１は出力鏡８から出力された後、徐々に増大しており、図６におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１にはビームウエストＷが存在していないか、またはほとんど存在していない。このような場合であっても、レーザ加工開始から或る程度の時間が経過すると熱レンズ効果が生じて、レーザビーム伝播曲線Ｙ１は曲線Ｙ２で示すように、ビームウエストＷを備えるよう湾曲する。
【００４０】
このような場合においても、前述したのと同様にレーザビーム半径ｒが変動しない交点Ａ２が存在するので、この交点Ａ２に対応する位置に集光レンズ１３を位置決めすれば、前述したのと同様な効果を得ることができる。
【００４１】
図１を再び参照すると、光路長維持機構部３０がレーザ発振器２とレーザ加工機１１との間に配置されている。光路長維持機構部３０は、所定の位置に固定される一対の上方反射鏡３１ａ、３１ｂと、可動テーブル３３に固定された一対の下方反射鏡３２ａ、３２ｂとを備えている。図示されるように、レーザ発振器２の出力鏡８から出力されたレーザは一方の上方反射鏡３１ａにより反射し、次いで可動テーブル３３の下方反射鏡３２ａ、３２ｂで反射し、他方の上方反射鏡３１ｂにより反射した後で、レーザ加工機１１に入射する。
【００４２】
周知の手段、例えばアクチュエータによって、可動テーブル３３は下方反射鏡３２ａ、３２ｂと共に方向Ｚ２に移動できる。図１から分かるように、この方向Ｚ２は上方反射鏡３１ａおよび下方反射鏡３２ａの間を伝播するレーザならびに上方反射鏡３１ｂおよび下方反射鏡３２ｂの間を伝搬するレーザに対して平行であるものとする。
【００４３】
ところで、加工ワーク２０が加工、例えば切断または溶接される際には、加工ヘッド１６は加工ワーク２０の加工の進行度合いに応じて方向Ｚ１に移動する。この方向Ｚ１は前述した方向Ｚ２に対して平行である。レーザ加工機１１の加工ヘッド１６には集光レンズ１３が設けられているので、加工ヘッド１６が移動すると集光レンズ１３もこれと一体的に移動し、それにより、出力鏡８と集光レンズ１３との間の光路長Ｌが変動するようになる。光路長Ｌの変動は、図４における線分Ｈ１が図示される点Ｌ１から横軸正方向および負方向に変動することに表される。そして、光路長Ｌが変動することによって、加工ワーク２０上におけるレーザのスポット径も変動し、それにより、加工ワーク２０の加工精度がその加工領域によって変動するようになる。
【００４４】
本発明においては、レーザ装置１００の動作時に、記憶部１０５に予め記憶された加工ヘッド１６の初期位置に基づいて、加工ヘッド１６の初期位置からの移動量および移動方向を位置センサ５２によって随時検出する。前述したように集光レンズ１３が加工ヘッド１６に取り付けられているので、加工ヘッド１６の移動量および移動方向は、集光レンズ１３の移動量および移動方向に相当する。なお、位置センサ５２が集光レンズ１３の移動量および移動方向を直接的に検出するようにしてもよい。
【００４５】
これら加工ヘッド１６の移動量および移動方向は制御装置１に供給され、制御装置１においてはこれら移動量および移動方向に基づいて可動テーブル３３の移動量および移動方向を決定し、下方反射鏡３２ａ、３２ｂと一緒に可動テーブル３３を方向Ｚ２に移動させる。図示される実施形態においては、可動テーブル３３の移動方向は加工ヘッド１６の移動方向の反対方向であり、可動テーブル３３の移動量は加工ヘッド１６の移動量の半分である。このように加工ヘッド１６の移動に基づいて可動テーブル３３を移動させることにより、出力鏡８と集光レンズ１３との間の光路長Ｌは加工ワーク２０の加工進行度合いに関わらず一定に維持される。すなわち、本発明においては、光路長維持機構部３０を備えた構成とすることによって、レーザ加工時に加工ヘッド１６および集光レンズ１３が移動する場合であってもその移動を吸収して光路長Ｌ１を一定に維持できる。つまり、本実施形態においては加工ワーク２０上におけるレーザのスポット径を一定に維持することができるので、加工ワーク２０の加工領域全体にわたってさらに均等な加工が可能となる。
【００４６】
前述した第一の実施形態においては、決定された光路長Ｌ１に基づいて集光レンズ１３を位置決めしていたが、光路長維持機構部３０の可動テーブル３３のみを移動させることによって、集光レンズ１３をその初期位置から移動させること無しに、光路長Ｌが光路長Ｌ１となるように設定してもよい。この場合には、光路長維持機構部３０がレーザ加工機１１の外部に配置されているので、レーザ加工機１１内の集光レンズ１３の位置を変更することに比べて、光路長Ｌ１を容易かつ迅速に設定することが可能となる。
【００４７】
また、集光レンズ１３および加工ヘッド１６の移動に応じて、レーザ加工機１１内の加工ワーク２０を移動させ、それにより、光路長Ｌを一定に維持する他の光路長維持手段を設けるようにしてもよい。
【００４８】
次いで、本発明の第二の実施形態においては、出力鏡８と集光レンズ１３との間の光路長Ｌ上にコリメータシステム６０が配置されている。コリメータシステム６０は例えば凸面鏡と凹面鏡とを含んでいるものとし、第二の実施形態においては図１に示される反射鏡１０ａ、１０ｂがそれぞれ凸面鏡６１および凹面鏡６２に対応するものとする。これら凸面鏡６１および凹面鏡６２は、市場で入手可能な球面鏡、楕円体面鏡または放物面鏡であり、これらを用いることにより比較的簡易な構成によりコリメータシステム６０を形成することができる。
【００４９】
図７（ａ）は、凸面鏡６１と凹面鏡６２とからなるコリメータシステム６０を備えた本発明の第二の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図である。図７（ａ）においては、コリメータシステム６０の凸面鏡６１は横軸に対して垂直な線分ＣＸ上において凸面鏡６１の中心が横軸上になるように配置されており、凹面鏡６２は凸面鏡６１の後方に位置する同様な線分ＣＣ上において凹面鏡６２の中心が横軸上になるように配置されている。
【００５０】
図７（ａ）においてレーザビーム伝播曲線Ｙ１により示されるように、レーザのレーザビーム半径ｒは線分ＣＸにおいて凸面鏡６１を通過した後で急速に増大する。次いで、レーザが線分ＣＣにおいてコリメータシステム６０の凹面鏡６２から出ると、レーザビーム半径ｒは横軸に対して概ね平行な挙動を示すようになる。熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線Ｙ２も同様に、コリメータシステム６０を出た後においては横軸に対して概ね平行になる。
【００５１】
厳密に言えば、コリメータシステム６０後におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ１、Ｙ２は横軸に対して完全に平行にはならず、これら曲線Ｙ１、Ｙ２は比較的緩やかに交差する。つまり、これら曲線Ｙ１、Ｙ２は横軸方向に鈍角α１が形成されるように交差する（図７（ａ）を参照されたい）。これら曲線Ｙ１、Ｙ２の交点Ａ３はレーザビーム半径ｒが熱レンズ効果により変化しない場所であるので、前述した第一の実施形態などと同様に集光レンズ１３を交点Ａ３に対応する横軸上の場所に位置決めできる。
【００５２】
さらに、図示されるように曲線Ｙ１、Ｙ２の交点Ａ３の前後の所定の領域ＨＡにおいては、曲線Ｙ１、Ｙ２が鈍角α１をなして交差しているので、レーザビーム半径ｒが概ね一定に維持されていると判断できる。領域ＨＡは、集光レンズ１３をこの領域ＨＡに位置決めしたときの加工ワーク２０の加工結果が不良とならないように選択される。好ましい実施形態においては、領域ＨＡにおける曲線Ｙ１、Ｙ２の間におけるレーザビーム半径ｒの差の絶対値は元のレーザビーム半径ｒの１０％以下である。
【００５３】
つまり、本発明の第二の実施形態においては、領域ＨＡの範囲内であれば、集光レンズ１３をどこに位置決めしても、加工ワーク２０を所望の加工精度の範囲内で加工することが可能となる。すなわち、第二の実施形態においては、集光レンズ１３を配置する場所について余裕代を与えることが可能となる。その結果、加工ワーク２０の加工時に集光レンズ１３が加工ヘッド１６と共に方向Ｚ１に移動したとしても、加工ワーク２０におけるスポット径の変化は最小限に抑えられ、加工ワーク２０の加工領域全体にわたって比較的均等に加工することができる。
【００５４】
なお、凸面鏡６１および凹面鏡６２からなるコリメータシステム６０は出力鏡８から或る程度離れた場所に位置決めする必要がある。図７（ｂ）は光路長とレーザビーム半径との関係を示す他の図である。図７（ｂ）に示されるように凸面鏡６１および凹面鏡６２が出力鏡８に隣接するように線分ＣＸおよび線分ＣＣにそれぞれ位置決めした場合には、曲線Ｙ１、Ｙ２が交差する交点が存在しないようになり、集光レンズ１３を位置決めすべき場所を特定できない。このため、凸面鏡６１および凹面鏡６２からなるコリメータシステム６０は出力鏡８から或る程度、図７（ａ）に示される実施形態においては約５ｍ程度離した場所に位置決めする必要がある。
【００５５】
また、本実施形態においては、凹面鏡６２および凸面鏡６１の代わりに、コリメーションレンズを備える構成としてもよい。コリメータシステム６０としてコリメーションレンズを採用する場合には、これらコリメーションレンズは同一線上に配置されるものとする。また、当然のことながら、前述した凹面鏡６２および凸面鏡６１とコリメーションレンズを組み合わせることによりコリメータシステム６０を形成するようにしてもよい。
【００５６】
図８は本発明の第三の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図である。図８においては、凸面鏡６１が線分ＣＸ上に配置されており、レーザの拡散角を変更できる可変曲率ミラー６５が線分ＣＸの後方に位置する線分ＣＡ上に配置されている。これら凸面鏡６１および可変曲率ミラー６５は図１において反射鏡１０ａ、１０ｂに対応するように配置されるものとする。可変曲率ミラー６５は制御装置１を通じてその曲率が変化するよう調整される。また、第三の実施形態においては、集光レンズ１３は可変曲率ミラー６５と加工ワーク２０との間であればどこに位置決めされていてもよい。言い換えれば、可変曲率ミラー６５は出力鏡８と集光レンズ１３との間に配置されることになる。
【００５７】
図８の曲線Ｙ１で示されるように、線分ＣＸにおいて凸面鏡６１を通過したレーザのレーザビーム半径ｒは急激に増大して線分ＣＡにおいて可変曲率ミラー６５に入射する。可変曲率ミラー６５は凹面鏡６２と同様な役目を果たしうるので、レーザのレーザビーム半径ｒは可変曲率ミラー６５後において横軸と概ね平行になる。
【００５８】
一方、レーザの出力開始から或る程度の時間が経過すると熱レンズ効果により曲線Ｙ１は曲線Ｙ２に向かって湾曲する。第三の実施形態においては線分ＣＡに位置する可変曲率ミラー６５は制御装置１によって随時調整され、それにより、可変曲率ミラー６５の後方におけるレーザビーム伝播曲線Ｙ２はレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線Ｙ１と等しくなるようにできる。つまり、可変曲率ミラー６５の曲率Ｒを随時調整することによって、可変曲率ミラー６５よりも後方のレーザのレーザビーム半径ｒを一定にすることができる。
【００５９】
出力鏡８の熱レンズ効果は、レーザ発振器２の出力Ｐ、レーザの出力開始からの経過時間Ｔおよび出力鏡８の温度Ｑにより定まる値である。出力Ｐおよび経過時間Ｔはレーザ装置１００の制御装置１から容易に得られ、また出力鏡の温度Ｑも温度センサ５１（図１を参照されたい）から検出されて制御装置１に供給される。そして、レーザビーム半径ｒが変化しないようにできる可変曲率ミラー６５の曲率Ｒは熱レンズ効果の度合いから求めることができる。図９に示されるように、この曲率Ｒは出力Ｐ、経過時間Ｔおよび温度Ｑの関数として実験などにより予め求められていてマップの形で制御装置１の記憶部１０５に予め記憶されているものとする。当然のことながら、出力鏡８の直径Ｄをさらに考慮して可変曲率ミラー６５の曲率Ｒを求めるようにしてもよい。
【００６０】
すなわち、本発明の第三の実施形態においては、可変曲率ミラー６５よりも後方の領域におけるレーザビーム半径ｒをレーザの出力開始からの経過時間に関わらず、一定に維持できる。従って、集光レンズ１３を線分ＣＡ上の可変曲率ミラー６５よりも後方に位置決めすれば、加工ワーク２０上のスポット径も経過時間に関わらず一定になり、その結果、加工ワーク２０の加工領域全体にわたって均等な加工が可能となる。また、本実施形態においては集光レンズ１３を可変曲率ミラー６５よりも後方の領域ＨＡ’のいずれの場所に位置決めしてもよい。つまり、第二の実施形態と同様に、集光レンズ１３を配置する場所について余裕代を与えることも可能となる。なお、凸面鏡６１が備えられておらず可変曲率ミラー６５のみが配置された場合であっても第三の実施形態と概ね同様の効果を得ることが可能である。
【００６１】
また、可変曲率ミラー６５の代わりに可動コリメータユニットを使用してレーザの拡散角を変更するようにしてもよい。この場合には、可動コリメータユニットを使用する場合には、可動コリメータユニットの可動距離に関する図９と同様なマップが使用され、曲率Ｒの代わりに可動コリメータユニットの可動距離を変更することにより概ね同様な効果が得られるのは明らかであろう。
【００６２】
ところで、レーザ装置１００のレーザ発振器２を比較的高出力、例えば１ｋＷ以上で運転する際にはレーザの媒体に極めて大きなエネルギが付与されるので、レーザ発振器２内において種々の粒子、例えばプラズマ粒子が発生する。これら粒子はレーザ発振器２内のリア鏡６および／または出力鏡８の表面に付着してこれらを汚染し、それにより、熱レンズ効果が促進されるようになる。このため、レーザ発振器２内のリア鏡６および／または出力鏡８は定期的にクリーニングされている。クリーニングの直前および直後においてはレーザビーム伝播曲線Ｙ１、Ｙ２の挙動が変化しているので、粒子による出力鏡８等の汚染を考慮した上で、集光レンズ１３を位置決めするのが好ましい。
【００６３】
出力鏡８の仕様の焦点距離が焦点距離ｆ１であるとする。そして、レーザ発振器２の出力開始時における所謂初期状態の熱レンズ効果に基づく焦点距離を焦点距離ｆH1とし、粒子の汚染により増大した分の熱レンズ効果に基づく焦点距離を焦点距離ｆH2とする。このときの出力鏡８の実際の焦点距離ｆは以下の式（１）で表される。
１／ｆ＝１／ｆ１＋１／ｆH1＋１／ｆH2            （１）
【００６４】
そして、焦点距離ｆH2を用いて、出力鏡８等が粒子により汚染されたクリーニング直前の状態におけるレーザ出力開始時のレーザビーム伝播曲線Ｙ１’、および同様にクリーニング直前の状態においてレーザ出力開始時から熱レンズ効果が発生するのに十分な時間が経過した後のレーザビーム伝播曲線Ｙ２’を求める。
【００６５】
図１０は光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図であり、レーザビーム伝播曲線Ｙ１’、Ｙ２’が示されている。図１０に示されるように、これら曲線Ｙ１’、Ｙ２’は粒子により出力鏡８等が汚染させる前、つまりクリーニング直後または出力鏡８等の交換直後の曲線Ｙ１、Ｙ２（図４）と比較して、下方への湾曲度合いが大きい。そして、これら曲線Ｙ１’、Ｙ２’の交点Ａ１’を通って横軸に対して垂直な線分Ｈ１’は図４に示される線分Ｈ１よりも光路長Ｌが小さくなる方向に移動している。つまり、集光レンズ１３が位置決めされる線分Ｈ１は、出力鏡８等の汚染の進行度合いに応じて、線分Ｈ１から線分Ｈ１’まで移動することになる。すなわち、クリーニング直後または出力鏡８等の交換直後においては集光レンズ１３が好ましい場所（光路長Ｌ１）に位置決めされていた場合であっても、長期間にわたってレーザ発振器２による作業を継続すると、加工ワーク２０上におけるスポット径が変動し、加工ワーク２０を均等に加工することができなくなる。
【００６６】
このため、本発明の第四の実施形態においては、クリーニング直後または出力鏡８等の交換直後における線分Ｈ１と、クリーニング直前または出力鏡８等の交換直前における線分Ｈ１’との間に集光レンズ１３を位置決めするようにする。なお、線分Ｈ１’に対応する光路長Ｌ１’は図５と同様なマップの形で制御装置１の記憶部１０５に記憶されているものとする。このような場合には集光レンズ１３が線分Ｈ１の位置、または線分Ｈ１よりも正方向側（図１０の右方）に位置決めされた場合と比較して、出力鏡８等の汚染によるレーザビーム伝播曲線への影響は小さい。つまり、本実施形態においては、レーザ発振器２使用時における出力鏡８等の汚染の影響を予め予測し、レーザビーム伝播曲線に対する汚染の影響が最小限になるようにすることができる。
【００６７】
なお、前述した実施形態のいくつかを適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれる。従って、例えば第四の実施形態の場合において線分Ｈ１’に対応した横軸の場所に可変曲率ミラー６５を配置し、可変曲率ミラー６５の後方に集光レンズ１３を配置するような構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に基づくレーザ装置の略図である。
【図２】制御装置の詳細図である。
【図３】レーザ発振器から出力されるレーザの形状を示す略図である。
【図４】本発明の第一の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図である。
【図５】光路長Ｌ１のマップを示す図である。
【図６】光路長とレーザビーム半径との関係を示す他の図である。
【図７】（ａ）本発明の第三の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図である。（ｂ）光路長とレーザビーム半径との関係を示す他の図である。
【図８】本発明の第三の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図である。
【図９】曲率のマップを示す図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態に基づく光路長とレーザビーム半径との関係を示す図４と同様の図である。
【図１１】従来技術のレーザ装置における光路長とレーザビーム半径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１    制御装置
２    レーザ発振器
６    リア鏡
７ａ、７ｂ    放電電極
８    出力鏡
９    放電管
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ    反射鏡
１１    レーザ加工機
１２、１２’    熱交換器
１３    集光レンズ
１６    加工ヘッド
２０    加工ワーク
２１    加工テーブル
３０    光路長維持機構部
３１ａ、３１ｂ    上方反射鏡
３２ａ、３２ｂ    下方反射鏡
３３    可動テーブル
５１    温度センサ
５２    位置センサ
６０    コリメータシステム
６１    凸面鏡
６２    凹面鏡
６５    可変曲率ミラー
１００    レーザ装置
Ｙ１、Ｙ２    レーザビーム伝播曲線
【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】
2006247676.tif 000010
【図９】
2006247676.tif 000011
【図１０】
2006247676.tif 000012
【図１１】
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