(57)【要約】【課題】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】凸凹アキシコンレンズ３１は、ガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザ光を透過させる。平凸アキシコンレンズ３２は、凸凹アキシコンレンズ３１より射出されたレーザ光を透過させる。ＮＣ装置５０は、凸凹アキシコンレンズ３１と平凸アキシコンレンズ３２とを互いに近接させて、集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第１のモードと、凸凹アキシコンレンズ３１と平凸アキシコンレンズ３２とを互いに離隔させて、ビームプロファイルをリング型とする第２のモードとを切り替えるよう、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２の位置を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の入射面として凸曲面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有し、ガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザ光を透過させる凸凹アキシコンレンズと、
レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として平面を有し、前記凸凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を透過させる平凸アキシコンレンズと、
前記平凸アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、
前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第１の移動機構と、
前記第１の移動機構によって前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第１の駆動部と、
前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第２の移動機構と、
前記第２の移動機構によって前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第２の駆動部と、
前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに近接させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第１のモードと、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに離隔させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第２のモードとを切り替えるよう、前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズの位置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
前記凸凹アキシコンレンズには、プロセスファイバの射出端より射出されたレーザ光が入射され、前記射出端から前記凸曲面までの距離が第１の距離であり、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとが互いに離隔しているとき、前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズによる屈折作用によって前記平凸アキシコンレンズが平行光を射出するように、前記凸曲面、前記凹アキシコン面、前記凸アキシコン面それぞれの曲率と、前記凹アキシコン面及び前記凸アキシコン面それぞれの光軸に対する角度とが設定されており、
前記制御装置は、
互いに近接している状態の前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズを、前記射出端から前記凸曲面までの距離を前記第１の距離とすることによって前記第１のモードとし、
互いに離隔している状態の前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズを、前記射出端から前記凸曲面までの距離を前記第１の距離とは異なる第２の距離とすることによって、前記第２のモードとする
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記凹アキシコン面及び前記凸アキシコン面の曲率は０であり、
前記凸曲面は発散光を平行光に変換し、前記凹アキシコン面は平行光を発散光に変換し、前記凸アキシコン面は発散光を平行光に変換する
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
前記凹アキシコン面は凸の所定の曲率を有し、前記凸アキシコン面の曲率は０であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項５】
前記凹アキシコン面の曲率は０であり、前記凸アキシコン面は凸の所定の曲率を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項６】
前記凹アキシコン面及び前記凸アキシコン面の中心部がそれぞれ平面となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項７】
発散光のレーザ光が入射されて収束光に変換する凸レンズと、前記凸レンズより射出された収束光のレーザ光が入射される凹レンズとを有し、前記凸レンズから射出される収束光の収束角に応じて前記凹レンズより射出されるビーム径を可変させるビーム径可変装置と、
前記凸レンズを光軸方向に移動させるための第１の移動機構と、
前記第１の移動機構によって前記凸レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第１の駆動部と、
前記凹レンズを光軸方向に移動させるための第２の移動機構と、
前記第２の移動機構によって前記凹レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第２の駆動部と、
前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光が入射され、レーザ光の入射面として平面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有する平凹アキシコンレンズと、
レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として凸曲面を有し、前記平凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する両凸アキシコンレンズと、
前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第３の移動機構と、
前記第３の移動機構によって前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第３の駆動部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項８】
前記ビーム径可変装置は、前記凸レンズの光軸方向の位置に対応して、前記凹レンズが、前記凸レンズより射出された収束光が集束する位置から前記凸レンズ側に、前記凹レンズの焦点距離と同じ距離だけずらした位置に位置しているときには、収束光を平行光に変換し、前記凹レンズが、前記凸レンズ側に前記凹レンズの焦点距離よりも長い距離だけずらした位置に位置しているときには、収束光を発散光に変換するように構成されており、
前記ビーム径可変装置が平行光を射出している状態で、前記平凹アキシコンレンズを前記両凸アキシコンレンズに近接させて、前記両凸アキシコンレンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第１のモードと、前記ビーム径可変装置が発散光を射出している状態で、前記平凹アキシコンレンズを前記両凸アキシコンレンズから離隔させて、前記両凸アキシコンレンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第２のモードとを切り替えるよう、前記凸レンズと前記凹レンズと前記平凹アキシコンレンズの位置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項７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、レーザ光によって金属の板（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光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、レーザ光の入射面として凸曲面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有し、ガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザ光を透過させる凸凹アキシコンレンズと、レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として平面を有し、前記凸凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を透過させる平凸アキシコンレンズと、前記平凸アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第１の移動機構と、前記第１の移動機構によって前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第１の駆動部と、前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第２の移動機構と、前記第２の移動機構によって前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第２の駆動部と、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに近接させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第１のモードと、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに離隔させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第２のモードとを切り替えるよう、前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズの位置を制御する制御装置とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。
【０００８】
また、本発明は、発散光のレーザ光が入射されて収束光に変換する凸レンズと、前記凸レンズより射出された収束光のレーザ光が入射される凹レンズとを有し、前記凸レンズから射出される収束光の収束角に応じて前記凹レンズより射出されるビーム径を可変させるビーム径可変装置と、前記凸レンズを光軸方向に移動させるための第１の移動機構と、前記第１の移動機構によって前記凸レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第１の駆動部と、前記凹レンズを光軸方向に移動させるための第２の移動機構と、前記第２の移動機構によって前記凹レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第２の駆動部と、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光が入射され、レーザ光の入射面として平面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有する平凹アキシコンレンズと、レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として凸曲面を有し、前記平凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する両凸アキシコンレンズと、前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第３の移動機構と、前記第３の移動機構によって前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第３の駆動部とを備えることを特徴とす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】第１実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニットの詳細な構成例を示す図である。
【図３】第１実施形態のレーザ加工機におけるビームプロファイルの変化を説明するための図である。
【図４Ａ】ガウシアン型のビームプロファイルを示す図である。
【図４Ｂ】太いリング型のビームプロファイルを示す図である。
【図４Ｃ】鋭いリング型のビームプロファイルを示す図である。
【図４Ｄ】太いリングの中央に所定の強度が存在するビームプロファイルを示す図である。
【図４Ｅ】鋭いリングの中央に所定の強度が存在するビームプロファイルを示す図である。
【図５】第２実施形態のレーザ加工機で用いる凸凹アキシコンレンズ及び平凸アキシコンレンズを示す図である。
【図６】第３実施形態のレーザ加工機で用いる凸凹アキシコンレンズ及び平凸アキシコンレンズを示す図である。
【図７】第４実施形態のレーザ加工機で用いる凸凹アキシコンレンズ及び平凸アキシコンレンズを示す図である。
【図８】第４実施形態のレーザ加工機におけるビームプロファイルの変化を説明するための図である。
【図９】第５実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニットの詳細な構成例を示す図である。
【図１０Ａ】第５実施形態のレーザ加工機において、ビーム径可変装置によってビーム径を大きくした状態におけるビームプロファイルの変化を説明するための図である。
【図１０Ｂ】第５実施形態のレーザ加工機において、ビーム径可変装置によってビーム径を小さくした状態におけるビームプロファイルの変化を説明するための図である。
【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、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２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及びレーザ加工ユニット２０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光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光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、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザ光を射出する。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のレーザ光を射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を射出する。
【００１５】
レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０とを有する。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。
【００１６】
コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２の射出端より射出した一点鎖線で示すレーザ光が入射される凸凹アキシコンレンズ３１と、凸凹アキシコンレンズ３１より射出したレーザ光が入射される平凸アキシコンレンズ３２とを有する。また、コリメータユニット３０は、平凸アキシコンレンズ３２より射出したレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３と、ベンドミラー３３で反射したレーザ光を集束させる集束レンズ３４と、加工ヘッド３５とを有する。
【００１７】
以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザ光によって板金Ｗを加工する。板金Ｗの加工とは、板金Ｗの切断あるいは溶接、または、板金Ｗに対するマーキングのいずれであってもよい。
【００１８】
図２を用いて、コリメータユニット３０の詳細な構成例を説明する。図２において、プロセスファイバ１２の射出端１２ｅより射出した一点鎖線で示す発散光のレーザ光は、凸凹アキシコンレンズ３１に入射される。凸凹アキシコンレンズ３１は、レーザ光の入射面３１ａ１が凸曲面、レーザ光の射出面３１ｂ１が凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。射出面３１ｂ１の曲率は０である。
【００１９】
凸凹アキシコンレンズ３１は、凸凹アキシコンレンズ３１を光軸方向に移動自在とするための移動機構３１１に取り付けられている。駆動部３１２が移動機構３１１を駆動することによって、凸凹アキシコンレンズ３１は矢印で示すように光軸方向に移動する。
【００２０】
凸凹アキシコンレンズ３１の射出面３１ｂ１より射出されたレーザ光は、平凸アキシコンレンズ３２に入射される。平凸アキシコンレンズ３２は、レーザ光の入射面３２ａ１が凸状の円錐面である凸アキシコン面、レーザ光の射出面３２ｂ１が平面となっている。入射面３２ａ１の曲率は０である。
【００２１】
平凸アキシコンレンズ３２は、平凸アキシコンレンズ３２を光軸方向に移動自在とするための移動機構３２１に取り付けられている。駆動部３２２が移動機構３２１を駆動することによって、平凸アキシコンレンズ３２は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
【００２２】
移動機構３１１及び３２１は、例えば、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）でよく、駆動部３１２及び３１２は例えばモータである。ＮＣ装置５０は、駆動部３１２を制御して凸凹アキシコンレンズ３１を移動させ、駆動部３２２を制御して平凸アキシコンレンズ３２を移動させる。駆動部３１２及び３２２は、ＮＣ装置５０以外の制御装置によって制御されてもよい。
【００２３】
凸凹アキシコンレンズ３１の入射面３１ａ１は、射出端１２ｅから入射面３１ａ１の表面までの距離がｄ１であるときに、発散光を平行光に変換するような曲率に設定されている。凸凹アキシコンレンズ３１の射出面３１ｂ１は、平行光を発散光に変換する。平凸アキシコンレンズ３２の入射面３２ａ１には、発散光が入射される。射出面３１ｂ１と入射面３２ａ１それぞれの光軸に対する角度は、双方の屈折作用によって発散光を平行光に変換するような角度に設定されている。
【００２４】
射出面３２ｂ１は平面であるから、ベンドミラー３３には平行光が入射される。ベンドミラー３３で光軸が９０度曲げられた平行光は、集束レンズ３４によって焦点位置が板金Ｗの表面またはその近傍となるよう集束されて、板金Ｗに照射される。
【００２５】
コリメータユニット３０は、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３によってＸ軸方向及びＹ軸方向に任意に移動自在であるから、加工ヘッド３５から射出されるレーザ光を板金Ｗに照射する位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に任意に移動させることができる。
【００２６】
図２では、図示していないが、集束レンズ３４を光軸方向に移動自在に構成することによって、板金Ｗに照射するレーザ光の焦点位置を可変できるように構成してもよい。この場合、集束レンズ３４を移動させるための移動機構及び駆動部を設ければよい。
【００２７】
以上のように、第１実施形態のレーザ加工機１００は、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を備え、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２が光軸方向に移動自在に構成されている。よって、後述するように、第１実施形態のレーザ加工機１００によれば、板金Ｗに照射するレーザ光のビームプロファイルを複数のビームプロファイルのうちから選択することができる。第１実施形態のレーザ加工機１００は、選択したビームプロファイルを用いて板金Ｗを加工することができる。
【００２８】
図３を用いて、第１実施形態のレーザ加工機１００において、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２の位置に応じてビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図３においては、ベンドミラー３３を省略して、光軸が一直線となるように、凸凹アキシコンレンズ３１、平凸アキシコンレンズ３２、集束レンズ３４を配置した状態を概念的に示している。図３において、Ｌｉは光束中の内側のビーム、Ｌｏは光束中の外側のビームを示す。
【００２９】
射出端１２ｅから射出されたレーザ光は、図４Ａに示すようなガウシアン型のビームプロファイルを有する。ビームプロファイルとはレーザ光を断面で見たときの強度分布を示す特性（形状）である。ガウシアン型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特性を有する。
【００３０】
図３の（ａ）は、平凸アキシコンレンズ３２を凸凹アキシコンレンズ３１に近接するように移動させた状態を示している。凸凹アキシコンレンズ３１でコリメートされているビームは平凸アキシコンレンズ３２内部でもほぼ同じ位置でコリメートされる（そのまま平行光として進む）。互いに近接している凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２は、実質的に、平凸レンズと同様の働きをする。よって、所定の焦点距離を有する集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図４Ａに示すようなガウシアン型となる。
【００３１】
図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の状態から、平凸アキシコンレンズ３２のみを凸凹アキシコンレンズ３１から離れるように移動させた状態を示している。図３の（ｂ）においては、内側のビームＬｉのさらに内側にはビームの存在しない領域が生じ、平凸アキシコンレンズ３２から集束レンズ３４へと伝搬するコリメートされたビームは、太いリングのような状態となる。集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点ではガウシアン型、集束点の手前側及び奥側（図３の左側及び右側）では、図４Ｂに示すような太いリング型となる。
【００３２】
図３の（ｃ）は、図３の（ｂ）の状態から、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を互いに同じ距離だけ、射出端１２ｅ側へと移動させた状態を示している。このとき、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を透過する内側のビームＬｉ及び外側のビームＬｏはそれぞれ発散光となり、ビームＬｏの発散角の方がビームＬｉの発散角よりも大きい。
【００３３】
集束レンズ３４がビームＬｉ及びＬｏを集束させると、ビームＬｏはビームＬｉよりも奥側（図３の右側）に集束するので、集束点は奥側に移動する。集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも奥側では図４Ｃに示すような鋭いリング型となる。なお、集束点の手前側及び集束点では、図４Ａに示すガウシアン型よりも中心に鋭いピークを有するビームプロファイルとなる。
【００３４】
図３の（ｄ）は、図３の（ｂ）の状態から、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を互いに同じ距離だけ、集束レンズ３４側へと移動させた状態を示している。このとき、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を透過する内側のビームＬｉ及び外側のビームＬｏはそれぞれ収束光となり、ビームＬｏの収束角の方がビームＬｉの収束角よりも大きい。
【００３５】
集束レンズ３４がビームＬｉ及びＬｏを集束させると、ビームＬｏはビームＬｉよりも手前側に集束するので、集束点は手前側に移動する。集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも手前側では図４Ｃに示すような鋭いリング型となる。なお、集束点及び集束点の奥側では中心に鋭いピークを有するビームプロファイルとなる。
【００３６】
図３の（ａ）に示すように、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を互いに近接させて、ビームプロファイルをガウシアン型とするモードを第１のモードとする。図３の（ｃ）または（ｄ）に示すように、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２を互いに離隔させて、ビームプロファイルをリング型とするモードを第２のモードとする。ＮＣ装置５０は、第１のモードと第２のモードとを切り替えることができる。
【００３７】
第１のモードにおいて、射出端１２ｅから凸凹アキシコンレンズ３１の入射面３１ａ１までの距離を第１の距離とすると、第２のモードにおいては、射出端１２ｅから入射面３１ａ１までの距離は第１の距離とは異なる第２の距離である。
【００３８】
第１実施形態のレーザ加工機１００において、距離ｄ１が１２０ｍｍとなるように凸凹アキシコンレンズ３１の入射面３１ａ１の曲率を設定し、射出面３１ｂ１の凹アキシコン面の角度と、平凸アキシコンレンズ３２における入射面３２ａ１の凸アキシコン面の角度とを９度に設定したとする。凸凹アキシコンレンズ３１を図３の（ａ）の状態から射出端１２ｅ側に５ｍｍ移動させ、凸凹アキシコンレンズ３１と平凸アキシコンレンズ３２との間隔を４０ｍｍとして、図３の（ｃ）の状態にしたとする。すると、集束点よりも奥側において、直径４００μｍ程度のリング型のビームプロファイルが形成される。
【００３９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態のレーザ加工機１００は、図１における凸凹アキシコンレンズ３１を図５に示す凸凹アキシコンレンズ３１Ｂに置換した構成を有する。
【００４０】
図５において、凸凹アキシコンレンズ３１Ｂは入射面３１ａ２が凸曲面、射出面３１ｂ２が凹アキシコン面となっている。入射面３１ａ２の曲率は、二点鎖線にて示す凸凹アキシコンレンズ３１の入射面３１ａ１の曲率よりも小さい。
【００４１】
凸凹アキシコンレンズ３１Ｂは、入射面３１ａ２の曲率を入射面３１ａ１の曲率よりも小さくした分を、射出面３１ｂ２に凸の所定の曲率を付与することによって補って、凸凹アキシコンレンズ３１と同様の作用を奏するように構成している。射出面３１ｂ１と射出面３１ｂ２とを比較するため、射出面３１ｂ１を二点鎖線にて示している。
【００４２】
＜第３実施形態＞
第３実施形態のレーザ加工機１００は、図１における凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２をそれぞれ図６に示す凸凹アキシコンレンズ３１Ｃ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｃに置換した構成を有する。
【００４３】
図６において、凸凹アキシコンレンズ３１Ｃは入射面３１ａ２が凸曲面、射出面３１ｂ１が凹アキシコン面となっている。入射面３１ａ２の曲率は、二点鎖線にて示す凸凹アキシコンレンズ３１の入射面３１ａ１の曲率よりも小さい。
【００４４】
平凸アキシコンレンズ３２Ｃは入射面３２ａ２が凸アキシコン面、射出面３２ｂ１が平面となっている。凸凹アキシコンレンズ３１Ｃにおける入射面３１ａ２の曲率を入射面３１ａ１の曲率よりも小さくした分を、平凸アキシコンレンズ３２Ｃの入射面３２ａ２に凸の所定の曲率を付与することによって補っている。
【００４５】
これによって、凸凹アキシコンレンズ３１Ｃ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｃが、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２と同様の作用を奏するように構成している。入射面３１ａ１と入射面３１ａ２とを比較するため、入射面３１ａ１を二点鎖線にて示している。
【００４６】
＜第４実施形態＞
第４実施形態のレーザ加工機１００は、図１における凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２をそれぞれ図７に示す凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｄに置換した構成を有する。
【００４７】
図７に示すように、凸凹アキシコンレンズ３１Ｄは凹アキシコン面である射出面３１ｂ３の中心部が平面３１ｂ４となっており、平凸アキシコンレンズ３２Ｄは凸アキシコン面である入射面３２ａ３の中心部が平面３２ａ４となっている。
【００４８】
図８を用いて、第４実施形態のレーザ加工機１００において、凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｄの位置に応じてビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図８においても、ベンドミラー３３を省略して、光軸が一直線となるように、凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ、平凸アキシコンレンズ３２Ｄ、集束レンズ３４を配置した状態を概念的に示している。図８において、Ｌｉは内側のビーム、Ｌｏは外側のビーム、Ｌｃは平面３１ｂ４及び３２ａ４を通る中心側のビームを示す。
【００４９】
内側のビームＬｉ及び外側のビームＬｏに対する凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｄによる作用は、凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２による作用と同様である。よって、中心側のビームＬｃが存在することによる作用を説明する。
【００５０】
図８の（ａ）は、平凸アキシコンレンズ３２Ｄを凸凹アキシコンレンズ３１Ｄに近接するように移動させた状態を示している。図８の（ａ）は図３の（ａ）と同様であり、集束レンズ３４によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図４Ａに示すようなガウシアン型となる。
【００５１】
図８の（ｂ）は、図８の（ａ）の状態から、平凸アキシコンレンズ３２Ｄのみを凸凹アキシコンレンズ３１Ｄから離れるように移動させた状態を示している。図８の（ｂ）においては、内側のビームＬｉよりも内側に平面３１ｂ４及び３２ａ４を通る中心側のビームＬｃが存在するから、集束点の手前側及び奥側（図８の左側及び右側）では、図４Ｄに示すように、太いリングの中央にも所定の強度が存在するビームプロファイルとなる。
【００５２】
図８の（ｃ）は、図８の（ｂ）の状態から、凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｄを互いに同じ距離だけ、射出端１２ｅ側へと移動させた状態を示している。集束点よりも奥側では、図４Ｅに示すように、鋭いリングの中央にも所定の強度が存在するビームプロファイルとなる。
【００５３】
図８の（ｄ）は、図８の（ｂ）の状態から、凸凹アキシコンレンズ３１Ｄ及び平凸アキシコンレンズ３２Ｄを互いに同じ距離だけ、集束レンズ３４側へと移動させた状態を示している。集束点よりも手前側では、図４Ｅに示すビームプロファイルとなる。
【００５４】
第１実施形態のレーザ加工機１００において、リング型のビームプロファイルのリングの直径を大きくすると、リング中心のエネルギが不足することがある。第４実施形態のレーザ加工機１００によれば、リング中心のエネルギを補うことができる。
【００５５】
＜第５実施形態＞
図９に示すコリメータユニット３０は、図２に示すコリメータユニット３０における凸凹アキシコンレンズ３１及び平凸アキシコンレンズ３２がそれぞれ凸レンズ３６及び凹レンズ３７に置換されている。凸レンズ３６は正の焦点距離を有する両凸レンズであり、凹レンズ３７は負の焦点距離を有する両凹レンズである。
【００５６】
また、図９に示すコリメータユニット３０は、集束レンズ３４が平凹アキシコンレンズ３８及び両凸アキシコンレンズ３９に置換されている。第５実施形態のレーザ加工機１００は以上のような構成を有する。
【００５７】
凸レンズ３６は、凸レンズ３６を光軸方向に移動自在とするための移動機構３６１に取り付けられている。駆動部３６２が移動機構３６１を駆動することによって、凸レンズ３６は矢印で示すように光軸方向に移動する。凹レンズ３７は、凹レンズ３７を光軸方向に移動自在とするための移動機構３７１に取り付けられている。駆動部３７２が移動機構３７１を駆動することによって、凹レンズ３７は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
【００５８】
後述するように、凸レンズ３６及び凹レンズ３７は、ビーム径Ｄを可変させるビーム径可変装置３６７を構成する。
【００５９】
平凹アキシコンレンズ３８は、レーザ光の入射面３８ａが平面、レーザ光の射出面３８ｂが凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。射出面３８ｂの曲率は０である。両凸アキシコンレンズ３９は、レーザ光の入射面３９ａが凸アキシコン面、レーザ光の射出面３９ｂが凸曲面となっている。入射面３９ａの曲率は０である。
【００６０】
平凹アキシコンレンズ３８は、平凹アキシコンレンズ３８を光軸方向に移動自在とするための移動機構３８１に取り付けられている。駆動部３８２が移動機構３８１を駆動することによって、平凹アキシコンレンズ３８は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
【００６１】
移動機構３６１、３７１、及び３８１は、移動機構３１１及び３２１と同様の機構でよく、駆動部３６２、３７２、及び３８２は例えばモータである。ＮＣ装置５０は、駆動部３６２、３７２、及び３８２を制御してそれぞれ凸レンズ３６、凹レンズ３７、及び平凹アキシコンレンズ３８を移動させる。
【００６２】
図９において、凸レンズ３６は、射出端１２ｅから凸レンズ３６までの距離が凸レンズ３６の焦点距離以上となるように配置されている。よって、凸レンズ３６は、レーザ光の発散光を収束光に変換する。ＮＣ装置５０は、凸レンズ３６を、射出端１２ｅから凸レンズ３６までの距離が凸レンズ３６の焦点距離以上となる条件で光軸方向に移動させることができる。
【００６３】
仮に凹レンズ３７が存在しないとすると、凸レンズ３６から射出された収束光は所定の位置を集束点として集束する。凹レンズ３７を、集束点より凸レンズ３６側に、凹レンズ３７の焦点距離と同じ距離だけずらした位置（基準位置）に配置させれば、凹レンズ３７は収束光を平行光に変換する。凹レンズ３７を、集束点より凸レンズ３６側に、凹レンズ３７の焦点距離よりも長い距離だけずらした位置に配置すれば、凹レンズ３７は収束光を発散光に変換する。
【００６４】
凹レンズ３７から射出されるレーザ光のビーム径Ｄは、凸レンズ３６から射出される収束光の収束角に応じて変化する。ビーム径可変装置３６７は、ビーム径Ｄを可変させることができる。
【００６５】
図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて、第５実施形態のレーザ加工機１００において、ビーム径Ｄ及びビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、ベンドミラー３３を省略して、光軸が一直線となるように、凸レンズ３６、凹レンズ３７、平凹アキシコンレンズ３８、両凸アキシコンレンズ３９を配置した状態を概念的に示している。
【００６６】
図１０Ａの（ａ）及び（ｂ）は、凸レンズ３６と凹レンズ３７との間隔が短く、凹レンズ３７が凸レンズ３６に対して基準位置にあり、凹レンズ３７が平行光を射出している状態を示している。このとき、凸レンズ３６から射出する収束光の収束角が大きいためビーム径Ｄは大きくなる。
【００６７】
図１０Ａの（ａ）は、平凹アキシコンレンズ３８を両凸アキシコンレンズ３９に近接するように移動させた状態を示している。互いに近接している平凹アキシコンレンズ３８及び両凸アキシコンレンズ３９は、実質的に、平凸の集束レンズと同様の働きをする。よって、平凹アキシコンレンズ３８及び両凸アキシコンレンズ３９によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図４Ａに示すようなガウシアン型となる。
【００６８】
図１０Ａの（ｂ）は、図１０Ａの（ａ）の状態から、平凹アキシコンレンズ３８のみを両凸アキシコンレンズ３９から離れるように移動させた状態を示している。両凸アキシコンレンズ３９によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点ではガウシアン型、集束点の手前側及び奥側（図１０Ａの左側及び右側）では、図４Ｂに示すような太いリング型となる。
【００６９】
図１０Ａの（ｃ）は、図１０Ａの（ｂ）の状態から、凹レンズ３７を凸レンズ３６側へと移動させた状態を示している。凹レンズ３７は発散光を射出する。このとき、両凸アキシコンレンズ３９によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも奥側では図４Ｃに示すような鋭いリング型となる。なお、図１０Ａの（ｂ）及び（ｃ）においては、レイリー長は比較的短い。
【００７０】
図１０Ｂの（ａ）及び（ｂ）は、凸レンズ３６を射出端１２ｅ側へと移動させて、凸レンズ３６と凹レンズ３７との間隔を図１０Ａの（ａ）及び（ｂ）におけるそれよりも長くした状態を示している。凹レンズ３７が凸レンズ３６に対して基準位置にあり、凹レンズ３７は平行光を射出している。このとき、凸レンズ３６から射出する収束光の収束角は図１０Ａの（ａ）及び（ｂ）におけるそれよりも小さいためビーム径Ｄは小さくなる。
【００７１】
図１０Ｂの（ａ）においては、図１０Ａの（ａ）の場合と同様に、集束されるレーザ光のビームプロファイルはガウシアン型となる。但し、図１０Ｂの（ａ）における集束径は、図１０Ａの（ａ）におけるそれよりも小さくなる。図１０Ｂの（ｂ）及び（ｃ）においても同様である。
【００７２】
図１０Ｂの（ｂ）は、図１０Ｂの（ａ）の状態から、平凹アキシコンレンズ３８のみを両凸アキシコンレンズ３９から離れるように移動させた状態を示している。図１０Ｂの（ｂ）におけるビームプロファイルは図１０Ａの（ｂ）と同様である。
【００７３】
図１０Ｂの（ｃ）は、図１０Ｂの（ｂ）の状態から、凹レンズ３７を凸レンズ３６側へと移動させた状態を示している。凹レンズ３７は発散光を射出する。図１０Ｂの（ｃ）におけるビームプロファイルは図１０Ａの（ｃ）と同様である。なお、図１０Ｂの（ｂ）及び（ｃ）においては、レイリー長は図１０Ａの（ｂ）及び（ｃ）におけるそれよりも長い。
【００７４】
以上のように、第５実施形態のレーザ加工機１００によれば、ガウシアン型のビームの集束径を可変させる機能と、ビームプロファイルを選択する機能と、リング型のビームのレイリー長を可変させる機能とを備える。
【００７５】
以上説明した第１〜第５実施形態のレーザ加工機１００において、オペレータは、操作部４０を操作して、板金Ｗの材料の種別、板金Ｗの板厚、レーザ光の集束径、焦点位置等の各種の加工条件を設定することができる。板金Ｗの材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮である。板金Ｗの板厚は、例えば、０．１ｍｍ〜３０ｍｍを所定の範囲として、所定の範囲内のいずれかの板厚である。
【００７６】
第１〜第４実施形態のレーザ加工機１００において、ＮＣ装置５０は、操作部４０によって入力された板金Ｗの加工条件に応じて、凸凹アキシコンレンズ３１、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、及び、平凸アキシコンレンズ３２、３２Ｃ、３２Ｄの位置を制御する。第５実施形態のレーザ加工機１００において、ＮＣ装置５０は、操作部４０によって入力された板金Ｗの加工条件に応じて、凸レンズ３６、凹レンズ３７、平凹アキシコンレンズ３８の位置を制御する。
【００７７】
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。第１〜第５実施形態は互いに組み合わせが可能である。例えば、第２、第３、第５実施形態に第４実施形態におけるレンズの中心を平面にするという構成を組み合わせることができる。第５実施形態に第２、第３実施形態における凸曲面の曲率を小さくした分を、他の面に所定の曲率を付与することによって補うという構成を組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０  レーザ発振器
１２  プロセスファイバ
１２ｅ  射出端
２０  レーザ加工ユニット
３０  コリメータユニット
３１，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ  凸凹アキシコンレンズ
３１ｂ４，３２ａ４  平面
３２，３２Ｃ，３２Ｄ  平凸アキシコンレンズ
３３  ベンドミラー
３４  集束レンズ
３６  凸レンズ
３７  凹レンズ
３８  平凹アキシコンレンズ３８
３９  両凸アキシコンレンズ
４０  操作部
５０  ＮＣ装置（制御装置）
１００  レーザ加工機
３１１，３２１，３６１，３７１，３８１  移動機構
３１２，３２２，３６２，３７２，３８２  駆動部
３６７  ビーム径可変装置
Ｗ  板金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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