(57)【要約】  レーザ加工用の色消しレンズであって、複数の異なる波長を含むレーザ光を集光する色消しレンズが提供される。当該色消しレンズは、合成石英からなる凸レンズと、ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる波長を含むレーザ光を集光する、レーザ加工用の色消しレンズであって、
合成石英からなる凸レンズと、
ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと
を備える
色消しレンズ。
【請求項２】
前記レーザ光のパワーは１ｋＷ以上である
請求項１に記載の色消しレンズ。
【請求項３】
前記複数の異なる波長は、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内に存在する
請求項１又は２に記載の色消しレンズ。
【請求項４】
前記凸レンズと前記凹レンズとの間にはエアギャップが形成されている
請求項１から３のいずれか一項に記載の色消しレンズ。
【請求項５】
前記凸レンズ及び前記凹レンズを保持するホルダを更に備え、
前記ホルダには、前記凹レンズを冷却するための冷却部が形成されている
請求項１から４のいずれか一項に記載の色消しレンズ。
【請求項６】
前記冷却部は、冷却媒体が流れる流路である
請求項５に記載の色消しレンズ。
【請求項７】
前記凸レンズ及び前記凹レンズを保持するホルダを更に備え、
前記ホルダは、
前記凸レンズを保持する第１部材と、
前記凹レンズを保持する第２部材と
を備え、
前記第１部材と前記第２部材とは互いに着脱可能に形成されている
請求項１から４のいずれか一項に記載の色消しレンズ。
【請求項８】
前記第２部材には、前記凹レンズを冷却するための冷却部が形成されている
請求項７に記載の色消しレンズ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の色消しレンズを備えるレーザ加工機。
【請求項１０】
複数の異なる波長を含むレーザ光を出力するレーザ発生装置と、
前記出力されたレーザ光を集光する色消しレンズと
を具備し、
前記色消しレンズは、
合成石英からなる凸レンズと、
ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと
を備える
レーザ加工機。
【請求項１１】
前記レーザ光のパワーは１ｋＷ以上である
請求項１０に記載のレーザ加工機。
【請求項１２】
前記複数の異なる波長は、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内に存在する
請求項１０又は１１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、レーザ加工用の色消しレンズ及びレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の異なる波長を含む光をレンズで集光する場合、焦点位置は波長に応じて変わる。この現象は「色収差（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）」と呼ばれている。そのような色収差を補正することができるレンズが、「色消しレンズ（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｌｅｎｓ）」である。【０００３】
一般的に、色消しレンズは、屈折率及びアッベ数（Ａｂｂｅ'ｓ  ｎｕｍｂｅｒ）の異なる２枚以上のレンズを組み合わせることによって作製される。アッベ数とは、光学材料の分散に関する性質を表すパラメータであり、逆分散率とも呼ばれる。アッベ数が大きいほど、分散が小さく、色収差も小さくなる。逆に、アッベ数が小さいほど、分散が大きく、色収差も大きくなる。【０００４】
特許文献１は、近赤外光領域である０．８μｍ〜１．６μｍの波長範囲内で複数の波長を含むレーザ光を屈折させる色消しレンズを開示している。より詳細には、その色消しレンズは、近赤外領域においてアッベ数が大きく異なる凸レンズと凹レンズとを含む。凸レンズの材料としては、ＢＫ７が例示されている。凹レンズの材料としては、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）及びＺｎＳ（硫化亜鉛）が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８０４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、産業用のレーザ加工機に関して、各種レーザの高出力化が進んでいる。また、同時に効率向上も必要条件とされており、例えば「ダイレクトレーザダイオード（ＤＬＤ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）」を利用したレーザ加工機が注目されている。ダイレクトレーザダイオードは、複数の半導体レーザを備え、それら複数の半導体レーザから出射される複数のレーザ光を結合することによって高出力を実現する。更に、より高い集光性を確保するために、ＷＢＣ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）方式のダイレクトレーザダイオードの開発も進んでいる。【０００７】
より詳細には、ダイレクトレーザダイオードでは、それぞれ異なる波長のレーザ光を出射できる複数の半導体レーザが用いられる。そして、それら波長の異なる複数のレーザ光が回折格子等によって結合される。典型的には、高効率に発振可能なＧａＡｓ系の半導体レーザが用いられ、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長帯域にわたって数十〜数百の波長を有する結合レーザ光が生成される。結果として、ｋＷクラスの高出力が実現される。【０００８】
ダイレクトレーザダイオードによって生成されたレーザ光は、光ファイバを介して加工ヘッドまで伝送される。そして、当該レーザ光は、加工ヘッド内に設置された集光レンズによって集光され、ワークテーブル上に載置されたワークに照射される。このときの集光スポットの径は、典型的には１００μｍ〜５００μｍである。このようなダイレクトレーザダイオードを利用した高出力のレーザ加工機は、ファイバレーザやＹＡＧレーザと同様に、切断、溶接といった分野での応用が期待される。【０００９】
但し、上述の通り、ダイレクトレーザダイオードによって生成されるレーザ光は、複数の異なる波長を含んでおり、その線幅は従来のレーザ光と比較して非常に広くなる。そのため、当該レーザ光を集光レンズで集光する際に、色収差が顕著に発生する。よって、集光レンズとして色消しレンズを使用することが望ましい。【００１０】
しかしながら、高出力のレーザ光に対して従来の色消しレンズを適用した場合、次のような問題が発生する。それは、色消しレンズの光学的性質が熱によって変化してしまうことである。そのような熱依存変化の典型例として、物体の光吸収に起因する「熱レンズ効果（ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓ  ｅｆｆｅｃｔ）」が挙げられる。熱レンズ効果は、屈折率及び焦点位置の時間的変動を招き、ひいては安定的なレーザ加工を阻害するため、好ましくない。【００１１】
例えば上述の特許文献１では、色消しレンズの凸レンズの材料としてＢＫ７が挙げられている。しかしながら、ＢＫ７の吸収率及び線膨張係数は比較的大きいため、熱レンズ効果が顕著に現れる。例えばｋＷクラスの高出力レーザ光がＢＫ７レンズに照射された場合、焦点位置が数ｍｍ程度変化してしまう。その結果、最初の焦点位置でのビーム径が時間的に変化し、安定した集光強度を保つことができなくなる。このような熱依存変化は、より小さく集光して精密な加工を行うことが必要なレーザ加工では問題であり、実用的ではない。【００１２】
本発明の１つの目的は、レーザ加工用の色消しレンズに関して、光学的性質の熱依存変化を抑制することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つの観点において、複数の異なる波長を含むレーザ光を集光する、レーザ加工用の色消しレンズが提供される。当該色消しレンズは、合成石英からなる凸レンズと、ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと、を備える。【００１４】
本発明の他の観点において、レーザ加工機が提供される。当該レーザ加工機は、複数の異なる波長を含むレーザ光を出力するレーザ発生装置と、当該出力レーザ光を集光する色消しレンズと、を具備する。当該色消しレンズは、合成石英からなる凸レンズと、ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、レーザ加工用の色消しレンズの光学的性質の熱依存変化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ加工機の構成例を示す概略図
【図２】本発明の実施の形態１に係る集光レンズの構成例を示す概略図
【図３】各種の光学材料の性質に関するパラメータを示すテーブル
【図４】本発明の実施の形態２に係る集光レンズの構成例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工機１の構成例を示す概略図である。レーザ加工機１は、ワークテーブル１００上に載置されたワーク１０１に対してレーザ加工を行う。より詳細には、レーザ加工機１は、レーザ発生装置１０と集光レンズ２０とを備えている。
【００１９】
レーザ発生装置１０は、複数の異なる波長を含むレーザ光Ｌを生成し、出力する。そのようなレーザ発生装置１０として、例えばダイレクトレーザダイオードが考えられる。図１には、レーザ発生装置１０がダイレクトレーザダイオードである場合の構成例が概略的に示されている。当該構成例によれば、レーザ発生装置１０は、半導体レーザユニット１１、レンズ１２、及び回折格子１３を含んでいる。
【００２０】
半導体レーザユニット１１は、複数の半導体レーザを備えており、それら複数の半導体レーザはそれぞれ異なる波長のレーザ光Ｌ１〜Ｌｍを出射する。ここで、ｍは２以上の整数である。例えば、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長帯域のＧａＡｓ系の半導体レーザが用いられる。その場合、複数のレーザ光Ｌ１〜Ｌｍのそれぞれの波長は、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内に存在する。
【００２１】
半導体レーザユニット１１から出射された複数のレーザ光Ｌ１〜Ｌｍは、レンズ１２を通して回折格子１３に入射する。そして、それら波長の異なるレーザ光Ｌ１〜Ｌｍが回折格子１３によって結合され、その結果、高出力のレーザ光Ｌが生成される。
【００２２】
このように、ダイレクトレーザダイオードは、波長の異なる複数のレーザ光Ｌ１〜Ｌｍを結合することによって、高出力のレーザ光Ｌを実現する。例えば、８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長帯域にわたって数十〜数百の波長を有するレーザ光の結合により、ｋＷクラスの高出力のレーザ光Ｌが実現される。
【００２３】
尚、レーザ発生装置１０は、ダイレクトレーザダイオードに限られない。例えば、波長の異なる複数のファイバレーザを結合することによりレーザ発生装置１０を構成してもよい。
【００２４】
レーザ発生装置１０から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１５を介して、加工ヘッド内の集光レンズ２０まで伝送される。集光レンズ２０は、レーザ発生装置１０から出力されたレーザ光Ｌを集光し、ワーク１０１に照射する。このときの集光スポットの径は、典型的には１００μｍ〜５００μｍである。上述の通り、レーザ発生装置１０から出力されるレーザ光Ｌは、複数の異なる波長を含んでいる。よって、色収差を補正するために、本実施の形態では、集光レンズ２０として「色消しレンズ」が用いられる。
【００２５】
色消しレンズは、屈折率及びアッベ数の異なる２枚以上のレンズを組み合わせることによって作製される。典型的には、色消しレンズは、凸レンズと凹レンズを含む。その場合、凸レンズの材料として、アッベ数が比較的大きいものを使用し、凹レンズの材料として、アッベ数が比較的小さいものを使用する。
【００２６】
図２は、本実施の形態に係る色消しレンズである集光レンズ２０の構成例を示す概略図である。本実施の形態に係る集光レンズ２０は、凸レンズ２１と凹レンズ２２を備えている。凸レンズ２１と凹レンズ２２は、レーザ光Ｌの光軸に沿って並んで配置されており、レーザ光Ｌは、凸レンズ２１と凹レンズ２２を連続して通過する。また、凸レンズ２１と凹レンズ２２との間には、数ｍｍ程度、例えば５ｍｍのエアギャップＡＧが形成されている。尚、凸レンズ２１や凹レンズ２２の枚数は２枚以上であってもよい。また、凸レンズ２１がレーザ発生装置１０側、凹レンズ２２がワーク１０１側に配置されているが、逆の配置でもよい。
【００２７】
本実施の形態では、凸レンズ２１と凹レンズ２２のそれぞれの材料の選定にあたり、色消しを実現するためのアッベ数の差異だけでなく、“光学的性質の熱依存変化の抑制”も考慮に入れられる。
【００２８】
図３は、各種の光学材料の性質に関するパラメータを示している。より詳細には、図３に示されているパラメータは、熱伝導率ｋ、吸収率β（ｔ＝１ｃｍ）、屈折率温度依存性ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数α、ポアソン比ν、屈折率ｎ、ＦＯＭ、及びアッベ数Ｖである。ここで、ＦＯＭは、熱依存変化に関する性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  Ｍｅｒｉｔ）であり、次の式で定義される。
【００２９】
【数１】
2016046954.tif 000003
【００３０】
ＦＯＭは、熱伝導率ｋが高くなるにつれて、大きくなる。また、ＦＯＭは、吸収率β、屈折率温度依存性ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数αの各々が小さくなるにつれて、大きくなる。よって、ＦＯＭは、熱に対する安定性を示していると言える。ＦＯＭが大きいほど、熱レンズ効果等の熱依存変化は小さくなる。すなわち、ＦＯＭが大きい材料を用いることにより、光学的性質の熱依存変化を効果的に抑制することが可能となる。
【００３１】
本実施の形態では、凸レンズ２１の材料として合成石英が用いられる。中でも、内部の不純物と構造欠陥を抑制した、真空紫外用の合成石英（ＵＶグレード）が用いられると好適である。一方、凹レンズ２２の材料として、不純物を取り除いたＺｎＳ（硫化亜鉛）またはＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）が用いられる。このような凸レンズ２１と凹レンズ２２の組み合わせにより、色収差の補正と熱依存変化の抑制の両方を実現することができる。
【００３２】
色収差の補正については、次の通りである。合成石英のアッベ数Ｖは１００〜１５０程度であり、ＺｎＳ及びＺｎＳｅのアッベ数Ｖは６０〜８０程度である。よって、凸レンズ２１と凹レンズ２２との間のアッベ数Ｖの差は、色収差の補正に十分である。
【００３３】
熱依存変化の抑制については、次の通りである。まず、比較例として、ＢＫ７の場合を考える。図３から明らかなように、ＢＫ７の吸収率βや線膨張係数αは大きいため、そのＦＯＭは他の材料に比べて小さくなっている。すなわち、ＢＫ７は熱に対する安定性が低く、熱依存変化は大きくなる。実際に、ｋＷクラスの高出力レーザ光がＢＫ７レンズに照射された場合、焦点位置が数ｍｍ程度変化してしまう。その結果、最初の焦点位置でのビーム径が時間的に変化し、安定した集光強度を保つことができなくなる。このような熱依存変化は、より小さく集光して精密な加工を行うことが必要なレーザ加工では問題であり、実用的ではない。
【００３４】
一方、合成石英の吸収率βや線膨張係数αは非常に小さく、そのＦＯＭはＢＫ７に比べてはるかに大きくなっている。すなわち、合成石英は熱に対する安定性が極めて高く、熱依存変化は非常に小さくなる。
【００３５】
ＺｎＳやＺｎＳｅに関しては、屈折率温度依存性ｄｎ／ｄＴや線膨張係数αは大きいが、熱伝導率ｋが高いため、ＦＯＭも比較的大きくなっている。少なくともＢＫ７よりは、熱に対する安定性は高く、熱依存変化は小さくなる。
【００３６】
以上に説明されたように、合成石英からなる凸レンズ２１とＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズ２２の組み合わせによって、色収差の補正だけでなく、熱依存変化の抑制も可能となる。すなわち、本実施の形態によれば、光学的性質の熱依存変化を抑制することができるレーザ加工用の色消しレンズが実現される。
【００３７】
また、図２で示されたように、本実施の形態によれば、凸レンズ２１と凹レンズ２２との間に数ｍｍ程度のエアギャップＡＧが形成されている。仮に凸レンズ２１と凹レンズ２２とが接着剤によって張り合わされる場合、接着剤が吸収率を増加させるため、色消しレンズ全体としてのＦＯＭは小さくなってしまう。凸レンズ２１と凹レンズ２２との間にエアギャップＡＧを設けることも、熱依存変化の抑制に寄与し、好適である。
【００３８】
熱依存変化を抑制することができる本実施の形態に係る色消しレンズは、高出力のレーザ光Ｌの集光に適用されると好適である。例えば、本実施の形態に係る色消しレンズは、１ｋＷ以上のパワーのレーザ光Ｌの集光に適用されると好適である。そのような高出力のレーザ光Ｌの場合であっても、高集光性を維持し、安定的なレーザ加工を実現することが可能となる。
【００３９】
実施の形態２．
上述の通り、凹レンズ２２の材料であるＺｎＳまたはＺｎＳｅは、高い熱伝導率ｋを有している。従って、凹レンズ２２を冷却するための冷却部を設けることによって、熱依存変化を更に抑制することが可能となる。本発明の実施の形態２では、凹レンズ２２を冷却するための冷却部を備えたホルダが提案される。
【００４０】
図４は、実施の形態２に係る集光レンズ２０の構成例を示す断面図である。図４に示される集光レンズ２０は、凸レンズ２１、凹レンズ２２、及びそれら凸レンズ２１及び凹レンズ２２を保持するホルダ３０を備えている。凸レンズ２１及び凹レンズ２２は、上記の実施の形態１と同じであり、その説明を省略する。
【００４１】
ホルダ３０は、内筒３１と外筒３２を備えている。内筒３１は、凸レンズ２１を保持するための第１部材である。一方、外筒３２は、凹レンズ２２を保持するための第２部材である。内筒３１と外筒３２とは互いに着脱可能であり、内筒３１は外筒３２の内部に挿入可能である。例えば、内筒３１の外周面と外筒３２の内周面は、ネジ機構によって固定される。
【００４２】
より詳細には、凸レンズ２１は、内筒３１の内部に挿入され、更に後から挿入されるリング部材３３と内筒３１との間に挟み込まれる。また、凹レンズ２２は、外筒３２の内部に挿入され、更に後から挿入される内筒３１と外筒３２との間に挟み込まれる。このとき、内筒３１に保持された凸レンズ２１と外筒３２に保持された凹レンズ２２との間にはエアギャップＡＧが形成される。
【００４３】
更に、凹レンズ２２を保持する外筒３２には冷媒流路３５が形成されている。この冷媒流路３５は、冷却媒体が流れる流路であり、凹レンズ２２を冷却するための冷却部として機能する。尚、冷却は、水冷であっても空冷であってもよい。空冷の場合は、例えば、光学素子の汚れ防止に使われるパージガスが冷却媒体として用いられる。
【００４４】
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、凹レンズ２２を冷却するための冷却部がホルダ３０に形成されている。凹レンズ２２の材料であるＺｎＳまたはＺｎＳｅは高い熱伝導率ｋを有しているため、このような冷却部を設けることによって熱依存変化を更に抑制することが可能となる。
【００４５】
また、凹レンズ２２の材料であるＺｎＳ及びＺｎＳｅは劇物であるが、内筒３１と外筒３２とが分離可能であるため、凹レンズ２２の廃却処理を容易に行うことが可能となる。但し、凸レンズ２１と凹レンズ２２を同時に廃却する場合は、ホルダ３０は分離可能である必要は必ずしもなく、一体型であっても構わない。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
【符号の説明】
【００４７】
１  レーザ加工機、１０  レーザ発生装置、１１  半導体レーザユニット、１２  レンズ、１３  回折格子、１５  ファイバ、２０  集光レンズ、２１  凸レンズ、２２  凹レンズ、３０  ホルダ、３１  内筒、３２  外筒、３３  リング部材、３５  冷媒流路、１００  ワークテーブル、１０１  ワーク、ＡＧ  エアギャップ、Ｌ，Ｌ１〜Ｌｍ  レーザ光。
【図１】
2016046954.tif 000004
【図２】
2016046954.tif 000005
【図３】
2016046954.tif 000006
【図４】
2016046954.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月27日(2015.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内に存在する複数の異なる波長を含み、且つ、パワーが１ｋＷ以上であるレーザ光を集光する、レーザ加工用の色消しレンズであって、
合成石英からなる凸レンズと、
ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと
を備える
色消しレンズ。
【請求項２】
前記凸レンズと前記凹レンズとの間にはエアギャップが形成されている
請求項１に記載の色消しレンズ。
【請求項３】
前記凸レンズ及び前記凹レンズを保持するホルダを更に備え、
前記ホルダには、前記凹レンズを冷却するための冷却部が形成されている
請求項１又は２に記載の色消しレンズ。
【請求項４】
前記冷却部は、冷却媒体が流れる流路である
請求項３に記載の色消しレンズ。
【請求項５】
前記凸レンズ及び前記凹レンズを保持するホルダを更に備え、
前記ホルダは、
前記凸レンズを保持する第１部材と、
前記凹レンズを保持する第２部材と
を備え、
前記第１部材と前記第２部材とは互いに着脱可能に形成されている
請求項１又は２に記載の色消しレンズ。
【請求項６】
前記第２部材には、前記凹レンズを冷却するための冷却部が形成されている
請求項５に記載の色消しレンズ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の色消しレンズを備えるレーザ加工機。
【請求項８】
８５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内に存在する複数の異なる波長を含み、且つ、パワーが１ｋＷ以上であるレーザ光を出力するレーザ発生装置と、
前記出力されたレーザ光を集光する色消しレンズと
を具備し、
前記色消しレンズは、
合成石英からなる凸レンズと、
ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる凹レンズと
を備える
レーザ加工機。
【国際調査報告】
2016046954.tif 000008
2016046954.tif 000009
2016046954.tif 000010
2016046954.tif 000011