(57)【要約】【課題】適切な方向に光を出射し得るレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ加工用ヘッド３０は、光源２からの光Ｌが貫通孔３１Ｈを伝搬する筒状の筐体３１と、貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌの光路上に設けられるコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３と、コリメートレンズ３２及び集光レンズ３３よりも光Ｌの伝搬方向の下流側において筐体３１の開口を塞ぐ保護ガラス３４と、保護ガラス３４、コリメートレンズ３２、及び集光レンズ３３を冷却する冷却流体が流れる冷却流路３９と、を備える。冷却流路３９の一部は、保護ガラス３４内における光Ｌの光軸に垂直で保護ガラス３４を通る平面Ｆと重なる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光が貫通孔を伝搬する筒状の筐体と、
前記貫通孔を伝搬する前記光の光路上に設けられる少なくとも１つのレンズと、
前記レンズよりも前記光の伝搬方向の下流側において前記筐体の開口を塞ぐ保護ガラスと、
前記レンズ及び前記保護ガラスを冷却する冷却流体が流れる冷却流路と、
を備え、
前記冷却流路の一部は、前記保護ガラス内における前記光の光軸に垂直で前記保護ガラスを通る平面と重なる
ことを特徴とするレーザ加工用ヘッド。
【請求項２】
前記冷却流路の一部は、前記レンズ内における前記光の光軸に垂直で当該レンズを通る平面と重なる
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項３】
前記冷却流路は、前記保護ガラスの外周の少なくとも一部及び前記レンズの外周の少なくとも一部に沿って延在する
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項４】
前記冷却流路のうち前記保護ガラス及び前記レンズを冷却するそれぞれの部位は、前記冷却流路に前記冷却流体を供給するチラーに接続するまで互いに連通しない
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項５】
前記保護ガラスよりも下流側の領域を冷却ガスが流れる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項６】
前記保護ガラスを通る平面に平行な方向から見る場合に、前記冷却流路は、前記保護ガラスにおける前記伝搬方向の上流側の部位と重なり、当該保護ガラスにおける前記伝搬方向の下流側の部位と重ならない
ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項７】
前記冷却流路を流れる流体の温度は前記冷却ガスの温度よりも低い
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工用ヘッド。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工用ヘッドと、
前記レーザ加工用ヘッドに前記光を出射する光源と、
を備える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、レーザ加工用ヘッド及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は、一般的に、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザ光を被加工体に向けて出射するレーザ加工用ヘッドとを備えている。
【０００３】
ところで、近年、レーザ加工装置では出射する光の高出力化が求められており、この高出力化に伴ってレーザ加工用ヘッドが高温化する傾向がある。このような高温化はレーザ加工用ヘッドの筐体等が変形する原因となり、筐体等が変形すると焦点位置のずれなどを招く。このような変形を低減し得るレーザ加工用ヘッドとして、例えば下記特許文献１に記載されたレーザ加工用ヘッドが知られている。この特許文献１のレーザ加工用ヘッドは、内部を光が伝搬する筒状の筐体と、この筐体の内部を保護する保護ガラスと、筐体の周囲に螺旋状に配置される１つの冷却流路とを備えている。特許文献１によれば、このような構成により、冷却流路によって筐体を冷却して筐体の変形を抑制することができ、焦点位置のずれや集光性の劣化などを抑制し得るとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８２１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載のレーザ加工用ヘッドでは、冷却流路が保護ガラスの位置まで達していない。このため、保護ガラスの冷却が不十分であり、保護ガラスが高温化する傾向がある。保護ガラスが高温化すると、保護ガラスが膨張して変形し得る。このため、変形した保護ガラスによって光の焦点がずれたり、光が意図しない方向に出射して当該光が照射する被加工体の位置が所望の位置からずれたりして、加工精度の低下を招き得る。
【０００６】
そこで、本発明は、適切な方向に光を出射し得るレーザ加工用ヘッド及び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】
【０００７】
上記目的の達成のため、本発明は、光源からの光が貫通孔を伝搬する筒状の筐体と、前記貫通孔を伝搬する前記光の光路上に設けられる少なくとも１つのレンズと、前記レンズよりも前記光の伝搬方向の下流側において前記筐体の開口を塞ぐ保護ガラスと、前記レンズ及び前記保護ガラスを冷却する冷却流体が流れる冷却流路と、を備え、前記冷却流路の一部は、前記保護ガラス内における前記光の光軸に垂直で前記保護ガラスを通る平面と重なることを特徴とするものである。
【０００８】
このレーザ加工用ヘッドによれば、上記筐体の上記レンズよりも光の伝搬方向の下流側の開口が保護ガラスによって塞がれるため、レーザ加工用ヘッドからの光が被加工体に照射されることにより、当該被加工体がスパッタされることで生じる被加工体の微粒子などがレンズに当たることを防止することができる。また、上記冷却流路が設けられているため、筐体の貫通孔を伝搬する光が高出力であっても、レンズ及び保護ガラスの昇温を抑制することができる。さらに、この冷却流路が上記光軸に垂直で保護ガラスを通る平面と重なっていることにより、冷却流路が保護ガラスまで達していない上記特許文献１のレーザ加工用ヘッドと比較して、冷却流路内を流れる冷却流体を保護ガラスの近くで流通させることができ、保護ガラスをより効果的に冷却することができる。したがって、上記特許文献１のレーザ加工用ヘッドと比較して、レンズや保護ガラスの熱による変形を抑制することができ、保護ガラスを透過した光を適切な方向に出射し得る。
【０００９】
また、前記冷却流路の一部は、前記レンズ内における前記光の光軸に垂直で当該レンズを通る平面と重なることが好ましい。
【００１０】
この場合、冷却流路内を流れる冷却流体をレンズの近くで流通させることができ、レンズの熱による変形をより効果的に抑制することができる。
【００１１】
この場合、前記冷却流路は、前記保護ガラスの外周の少なくとも一部及び前記レンズの外周の少なくとも一部に沿って延在することが好ましい。
【００１２】
このように冷却流路が保護ガラス及びレンズの外周に沿って延在すれば、冷却流路のうち保護ガラス及びレンズの近くに位置する部位を長くすることができる。よって、より効果的に保護ガラス及びレンズを冷却することができる。
【００１３】
また、前記冷却流路のうち前記保護ガラス及び前記レンズを冷却するそれぞれの部位は、前記冷却流路に前記冷却流体を供給するチラーに達するまで互いに連通しないことが好ましい。
【００１４】
保護ガラス及びレンズを冷却する部位が互いに流通する場合、保護ガラスやレンズの近傍を冷却流体が通る度に冷却流体が温められる。一方、保護ガラス及びレンズを冷却するそれぞれの部位がチラーに達するまで互いに連通しなければ、冷却対象の保護ガラスやレンズに冷却流体が達する前に他の保護ガラスやレンズによって冷却流体が温められることを抑制することができる。よって、より効果的に保護ガラス及びレンズを冷却することができる。
【００１５】
また、前記保護ガラスよりも下流側の領域を冷却ガスが流れることが好ましい。
【００１６】
このような冷却ガスによって、保護ガラスをより効果的に冷却することができる。また、この冷却ガスによって、被加工体がスパッタされることにより生じる被加工体の微粒子などからレーザ加工用ヘッドを保護することができる。
【００１７】
また、上記冷却ガスが導入される場合、前記保護ガラスを通る平面に平行な方向から見る場合に、前記冷却流路が、前記伝搬方向の最も下流側に位置する前記保護ガラスにおける前記伝搬方向の上流側の部位と重なり、当該保護ガラスにおける前記伝搬方向の下流側の部位と重ならないようにしてもよい。
【００１８】
上記冷却ガスが導入される場合、保護ガラスにおける下流側の部位は当該冷却ガスによって冷却され易い。一方、保護ガラスにおける上流側の部位は、当該保護ガラスに入射する光によって温められ易い。このため、当該保護ガラスでは、光の伝搬方向の上流側に行くに従って温度が高くなり易く、厚み方向における温度差が生じ易い。そこで、冷却流路が保護ガラスにおける光の伝搬方向の上流側の部位と重なり下流側の部位と重ならないようにすることで、冷却流路により冷却される保護ガラスの部位を概ね上流側の部位にすることができる。このため、例えば冷却流路が保護ガラスの厚み方向における全体と重なるように配置される場合と比べて、保護ガラスの光の伝搬方向における上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることを抑制することができる。従って、保護ガラスにおける光の伝搬方向の上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることに起因して保護ガラスが反る等の変形を抑制することができる。
【００１９】
また、上記のように冷却流路が最も下流側の保護ガラスの上流側の部位と重なり、当該保護ガラスの下流側の部位と重ならない場合、前記冷却流路を流れる流体の温度は前記冷却ガスの温度よりも低くてもよい。
【００２０】
上述のように、上記最も下流側の保護ガラスでは、下流側の部位は冷却ガスにより冷却され、上流側の部位は光によって温められるため、厚み方向において、光の伝搬方向の上流側の部位ほど熱くなり易い。そこで、上記のように当該保護ガラスにおける光の伝搬方向の上流側の部位に沿って冷却流体が流れる場合に、この冷却流体の温度を冷却ガスよりも低くすれば、冷却流体の温度が冷却ガスの温度以上の場合に比べて、保護ガラスの光の伝搬方向における上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることを抑制することができる。このため、保護ガラスにおける光の伝搬方向の上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることに起因して保護ガラスが反る等の変形をより抑制することができる。
【００２１】
また、上記目的達成のため、本発明のレーザ加工装置は、上記いずれかに記載のレーザ加工用ヘッドと、前記レーザ加工用ヘッドに前記光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
【００２２】
この加工装置は、上記いずれかに記載のレーザ加工用ヘッドを備えるため、当該レーザ加工用ヘッドを介して適切な方向に光を出射し得る。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明によれば、適切な方向に光を出射し得るレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工装置が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す光源を示す概略図である。
【図３】図１に示すレーザ加工用ヘッドの保護ガラス近傍を拡大して示す図である。
【図４】図３に示す平面Ｆに沿ったレーザ加工用ヘッドの断面図である。
【図５】本発明のレーザ加工用ヘッドの変形例を図１と同様の視点で示す図である。
【図６】図５のレーザ加工用ヘッドの冷却流路の概略を示す斜視図である。
【図７】図１のレーザ加工用ヘッドの他の変形例を図１と同様の視点で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係るレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工装置を実施するための形態が添付図面とともに例示される。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、以下の実施形態から変更、改良することができる。また、本明細書では、理解を容易にするために、各部材の寸法が誇張して示されている場合がある。
【００２６】
図１は、実施形態に係るレーザ加工装置１を示す概略図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、光源２と、デリバリファイバ１０と、レーザ加工用ヘッド３０と、チラー４０と、を主な構成として備える。デリバリファイバ１０は、光源２とレーザ加工用ヘッド３０とに接続されている。
【００２７】
まず、光源２について説明する。
【００２８】
図２は、光源２を示す概略図である。図２に示すように、本実施形態において、光源２はファイバレーザ装置から成り、デリバリファイバ１０に接続されている。なお、このデリバリファイバ１０の光源２側とは反対側の端部は後述するレーザ加工用ヘッド３０に接続されている。光源２は、複数の励起光源２１と、増幅用光ファイバ２５と、第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）２７と、第２ＦＢＧ２８とを主な構成として備える。
【００２９】
なお、光源２はファイバレーザ装置である必要はなく、例えば、ガスレーザ装置であってもよく、固体レーザ装置であってもよい。
【００３０】
それぞれの励起光源２１は、例えば所定の波長の光を出射するレーザダイオードから成る。この光の波長は、例えば、９１５ｎｍや９７６ｎｍである。それぞれの励起光源２１から出射する光は、コンバイナ２３を介して合波され、増幅用光ファイバ２５を伝搬する。本実施形態の増幅用光ファイバ２５は、コアと内側クラッドと外側クラッドとを含むいわゆるダブルクラッドファイバである。増幅用光ファイバ２５のコアには励起光源２１から出射される光によって励起される活性元素が添加されている。この活性元素としては、例えば、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、及びエルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。それぞれの励起光源２１から出射する光は、増幅用光ファイバ２５の内側クラッドを主に伝搬して、増幅用光ファイバ２５のコアに入射する。
【００３１】
この増幅用光ファイバ２５の励起光源２１側には、第１ＦＢＧ２７が接続されている。第１ＦＢＧ２７は、励起状態とされた増幅用光ファイバ２５の活性元素が放出する光のうち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ２７の反射率は、後述の第２ＦＢＧ２８の反射率よりも高く、活性元素が放出する光うち所望の波長の光を例えば９９％以上で反射する。また、例えば、活性元素がイッテルビウムであり、励起光源２１が上記波長の光を出射する場合、第１ＦＢＧ２７が反射する光の波長は例えば１０９０ｎｍである。
【００３２】
増幅用光ファイバ２５の励起光源２１側とは反対側には、第２ＦＢＧ２８が接続されている。第２ＦＢＧ２８は、第１ＦＢＧ２７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を第１ＦＢＧ２７よりも低い反射率で反射するように構成される。第２ＦＢＧ２８は、第１ＦＢＧ２７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を例えば５％〜５０％の反射率で反射する。
【００３３】
増幅用光ファイバ２５のコアに入射した光は、当該コアに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。この自然放出光は、増幅用光ファイバ２５のコアを伝搬して、一部の波長の光が第１ＦＢＧ２７により反射され、このように反射された光のうち第２ＦＢＧ２８が反射する波長の光が第２ＦＢＧ２８で反射される。こうして、光源２では、増幅用光ファイバ２５、第１ＦＢＧ２７、及び第２ＦＢＧ２８によって共振器が構成される。この共振器を往復する光が増幅用光ファイバ２５のコアを伝搬するときに、誘導放出が生じてこの光が増幅され、共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となる。そして、第１ＦＢＧ２７と第２ＦＢＧ２８との間を共振する光のうち一部の光が第２ＦＢＧ２８を透過して、光源２から出射する。
【００３４】
光源２から出射した光は、デリバリファイバ１０のコアを伝搬して、ガラスロッド１１を介してレーザ加工用ヘッド３０へと導光される。
【００３５】
なお、上記光源２の構成は例示的なものであり、その他の構成を適用してもよい。
【００３６】
次に、レーザ加工用ヘッド３０について説明する。
【００３７】
図１に示すように、レーザ加工用ヘッド３０は、筐体３１と、コリメートレンズ３２と、集光レンズ３３と、保護ガラス３４と、１対のガスノズル３５と、冷却流路３９とを主な構成として備える。
【００３８】
筐体３１は内部に貫通孔３１Ｈが形成された筒状の部材であり、筐体３１の軸方向の一方側の壁部に上記ガラスロッド１１が固定されている。ガラスロッド１１から出射した光Ｌは、ガラスロッド１１の開口数に従って広がりながら、筐体３１の貫通孔３１Ｈを軸方向の他方側に向かって伝搬する。したがって、本実施形態では、上記軸方向の一方側が光Ｌの伝搬方向の上流側であり、上記軸方向の他方側が光Ｌの伝搬方向の下流側である。なお、以下の説明において、上流側という場合、光Ｌの伝搬方向の上流側を意味し、下流側という場合、光Ｌの伝搬方向の下流側を意味する場合がある。
【００３９】
なお、図１では、光Ｌが筐体３１の軸方向の一方側の端部から筐体３１内に出射する例が示されているが、これに限られない。例えば、筐体３１の側壁から光Ｌを筐体３１内に出射させ、この光を不図示のミラーによって筐体３１の軸方向の他方側の壁部に向かって反射させてもよい。
【００４０】
コリメートレンズ３２は、貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌの光路上に設けられており、不図示の構成により筐体３１に固定されている。このコリメートレンズ３２は、ガラスロッド１１よりも下流側に配置されており、ガラスロッド１１から出射する光Ｌをコリメートする。なお、コリメートレンズ３２は筐体３１の貫通孔３１Ｈに配置されるため、図１において点線で示されている。
【００４１】
集光レンズ３３は、貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌの光路上に設けられており、不図示の構成により筐体３１に固定されている。この集光レンズ３３は、コリメートレンズ３２よりも下流側に配置されており、コリメートレンズ３２でコリメートされた光を集光する。本実施形態では、この集光レンズ３３の下流側の焦点は、被加工体ＰＢ上又は被加工体ＰＢの近傍に位置する。このため、集光レンズ３３を透過した光は、被加工体ＰＢ上に集光される。なお、集光レンズ３３は、コリメートレンズ３２と同様に図１において点線で示されている。
【００４２】
保護ガラス３４は、筐体３１の貫通孔３１Ｈに配置されており、不図示の構成により筐体３１に固定されている。この保護ガラス３４は、集光レンズ３３よりも下流側に配置されており、レンズ３２，３３よりも下流側において筐体３１の開口を塞いでいる。保護ガラス３４は、光透過性を有しており、保護ガラス３４に入射する光の大部分を透過する。したがって、集光レンズ３３を透過した光Ｌは、保護ガラス３４をさらに透過して、被加工体ＰＢに照射される。また、この保護ガラス３４によって筐体３１の下流側の開口が塞がれることにより、被加工体ＰＢがスパッタされることで生じる被加工体ＰＢの微粒子などがコリメートレンズ３２や集光レンズ３３に当たることを防止することができる。なお、保護ガラス３４は上記のように筐体３１の貫通孔３１Ｈに配置されるため、図１において点線で示されている。
【００４３】
一対のガスノズル３５は、保護ガラス３４よりも下流側に配置されており、保護ガラス３４に隣接して設けられている。それぞれのガスノズル３５は、筐体３１の軸を挟んで筐体３１の両側に配置されており、筐体３１の軸側に向かってガスＧを導入する。ガスＧとしては、特に限定されるものではないが、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや酸素ガスなどを挙げることができる。また、ガスＧの温度は、例えば常温であってもよい。なお、本実施形態では１対のガスノズル３５が設けられているが、ガスノズル３５は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。筐体３１の内部のうち保護ガラス３４よりも下流側の領域には、ガスノズル３５から導入されたガスＧを筐体３１の軸に沿って下流側に導くように構成された不図示の整流機構が設けられてもよい。ガスノズル３５から筐体３１の内部に導入されたガスＧは、ガスノズル３５から筐体３１の軸近傍までは保護ガラス３４の下流側の面に沿って流れ、その後、被加工体ＰＢに向かって噴射される。
【００４４】
冷却流路３９は、本実施形態では、筐体３１の外側に配設されており、不図示の構成により筐体３１の外周面に固定されている。この冷却流路３９は、コリメートレンズ３２を冷却するコリメートレンズ冷却部位３６と、集光レンズ３３を冷却する集光レンズ冷却部位３７と、保護ガラス３４を冷却する保護ガラス冷却部位３８とを含んでいる。本実施形態において、コリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８は、互いに連通することなくチラー４０に接続されている。このチラー４０から、コリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８のそれぞれに冷却流体が供給される。そして、コリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８のそれぞれを冷却流体が流れることによって、筐体３１のうち特にコリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８の近傍の部位が冷却され、この冷却された筐体３１の部位を介して、レーザ加工用ヘッド３０に設けられたコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３のそれぞれが冷却され、また、保護ガラス３４が冷却される。なお、冷却流体としては特に限定されないが、例えば室温の水であってもよい。なお、冷却流体の温度は、例えば２４℃〜２８℃であってもよい。
【００４５】
なお、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、保護ガラス３４は、この順に、上流側から配置される。上流側に配置される光学部品の方が伝搬する光により加熱され易い傾向にある。従って、コリメートレンズ冷却部位３６を流れる冷却流体、集光レンズ冷却部位３７を流れる冷却流体、保護ガラス冷却部位３８を流れる冷却流体は、この順に温度が低いことが好ましい。
【００４６】
図３は、保護ガラス３４近傍を拡大して示す図である。図３に示すように、本実施形態において、保護ガラス冷却部位３８は、筐体３１の軸Ａｘに垂直で保護ガラス３４を通る平面Ｆと重なっている。本実施形態では、筐体３１の軸Ａｘは、貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌの光軸と平行であり、保護ガラス３４内における光Ｌの光軸と平行である。このため、平面Ｆは、保護ガラス３４内における光Ｌの光軸に垂直である。また、平面Ｆと平行な方向から見る場合に、保護ガラス冷却部位３８は、保護ガラス３４における上流側の部位と重なり、下流側の部位と重なっていない。なお、保護ガラス３４の上流側の部位とは、例えば、保護ガラス３４の厚み方向における中央よりも上流側の部位であってもよい。図４は、図３に示す平面Ｆに沿ったレーザ加工用ヘッド３０の断面図である。図４に示すように、保護ガラス３４の上流側の部位において、保護ガラス冷却部位３８は保護ガラス３４の外周の少なくとも一部に沿って延在しており、本実施形態では、保護ガラス３４の全周に沿って延在している。
【００４７】
また、図示を省略するが、コリメートレンズ冷却部位３６は、筐体３１の軸Ａｘに垂直でコリメートレンズ３２を通る平面と重なって配置され、コリメートレンズ３２の外周の少なくとも一部に沿って延在している。本実施形態では、コリメートレンズ冷却部位３６は、コリメートレンズ３２の全周に沿って延在している。本実施形態では、筐体３１の軸Ａｘは、コリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸と平行である。このため、コリメートレンズ３２を通る上記平面は、コリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸に垂直である。
【００４８】
また、図示を省略するが、集光レンズ冷却部位３７は、筐体３１の軸Ａｘに垂直で集光レンズ３３を通る平面と重なって配置され、集光レンズ３３の外周の少なくとも一部に沿って延在している。本実施形態では、集光レンズ冷却部位３７は、集光レンズ３３の全周に沿って延在している。本実施形態では、筐体３１の軸Ａｘは、集光レンズ３３内における光Ｌの光軸と平行である。このため、集光レンズ３３を通る上記平面は、集光レンズ３３内における光Ｌの光軸に垂直である。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態のレーザ加工用ヘッド３０は、デリバリファイバ１０から出射する光Ｌが貫通孔３１Ｈを伝搬する筒状の筐体３１と、貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌの光路上に設けられるコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３よりも光Ｌの伝搬方向の下流側において筐体３１の開口を塞ぐ保護ガラス３４と、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４を冷却する冷却流体が流れる冷却流路３９と、を備える。また、冷却流路３９の一部は、保護ガラス３４内における光Ｌの光軸に垂直で保護ガラス３４を通る平面Ｆと重なる。
【００５０】
このレーザ加工用ヘッド３０によれば、筐体３１のコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３よりも下流側の開口が保護ガラス３４によって塞がれるため、レーザ加工用ヘッド３０からの光Ｌが被加工体ＰＢに照射されることにより、被加工体ＰＢがスパッタされることにより生じる被加工体ＰＢの微粒子などがコリメートレンズ３２や集光レンズ３３に当たることを防止することができる。また、冷却流路３９が設けられているため、筐体３１の貫通孔３１Ｈを伝搬する光Ｌが高出力であっても、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４の昇温を抑制することができる。さらに、このレーザ加工用ヘッド３０では、冷却流路３９の一部が保護ガラス３４内における光Ｌの光軸に垂直で保護ガラス３４を通る平面Ｆと重なるため、冷却流路３９の一部が平面Ｆと重ならない場合と比較して、冷却流体を保護ガラス３４のより近くで流通させることができ、保護ガラス３４をより効果的に冷却して、保護ガラス３４の熱による変形を抑制することができる。よって、保護ガラス３４を透過した光Ｌが適切な方向に出射され得、レーザ加工装置１から出射する光Ｌの焦点のずれや、被加工体ＰＢにおける光Ｌの照射位置のずれを抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態のレーザ加工用ヘッド３０では、上述のように、冷却流路３９の一部は、コリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸に垂直でコリメートレンズ３２を通る平面と重なっており、また、集光レンズ３３内における光Ｌの光軸に垂直で集光レンズ３３を通る平面と重なっている。このため、冷却流路３９内を流れる冷却流体をコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３の近くで流通させることができ、コリメートレンズ３２及び集光レンズ３３の熱による変形をより効果的に抑制することができる。
【００５２】
また、本実施形態のレーザ加工用ヘッド３０では、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３及び保護ガラス３４のそれぞれの外周の全周に沿って冷却流路３９が延在している。このため、冷却流路３９がコリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４の外周の一部に沿って延在する場合に比べて、冷却流路３９のうち、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４の近くに位置する部位が長くなり、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３及び保護ガラス３４をより効果的に冷却することができる。
【００５３】
また、本実施形態のレーザ加工用ヘッド３０では、上述のように、保護ガラス３４よりも下流側の領域をガスＧが流れるため、このガスＧが冷却ガスとして作用して、保護ガラス３４をより冷却することが可能である。また、上述のように、ガスＧは保護ガラス３４から被加工体ＰＢに向かって噴射される。このため、このガスＧによって、被加工体ＰＢがスパッタされることによって生じる被加工体ＰＢの微粒子などがレーザ加工用ヘッド３０に当たることを抑制することができる。このように、ガスＧは、レーザ加工用ヘッド３０に被加工体ＰＢの微粒子などが当たることを抑制するアシストガスとしても作用し得る。
【００５４】
本実施形態では、このように筐体３１のうち保護ガラス３４の下流側の領域にガスＧが流れるため、このガスＧによって保護ガラス３４の下流側の部位が冷却され易い。一方、保護ガラス３４の上流側の部位は、光Ｌが入射するため、この光Ｌによって温められ易い。このため、保護ガラス３４では、上流側に行くに従って温度が高くなる温度勾配が生じ易い。しかし、本実施形態のレーザ加工用ヘッド３０では、上述のように、平面Ｆに平行な方向から見る場合に、冷却流路３９が保護ガラス３４における上流側の部位と重なり、保護ガラス３４における下流側の部位と重ならない。このため、冷却流路３９により冷却される保護ガラス３４の部位を概ね上流側の部位にすることができ、例えば冷却流路が保護ガラス３４の厚み方向における全体と重なるように配置される場合と比べて、保護ガラス３４の光の伝搬方向における上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることを抑制することができる。このため、保護ガラス３４の光の伝搬方向における上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることに起因して保護ガラス３４が反る等の変形を抑制することができる。
【００５５】
なお、冷却流路３９を流れる流体の温度をガスＧの温度よりも低くしてもよい。上記のように、本実施形態では、保護ガラス３４において、上流側の部位ほど熱くなる厚み方向における温度差が生じ易い。そこで、保護ガラス３４の厚み方向の上流側に設けられる保護ガラス冷却部位３８を流れる冷却流体の温度をガスＧよりも低くすれば、冷却流体の温度がガスＧの温度以上の場合に比べて、上流側の部位をより冷却することができる。このため、保護ガラス３４の光の伝搬方向における上流側の温度が下流側の温度よりも高くなることをより抑制し得る。ただし、冷却流路３９を流れる流体の温度をガスＧの温度よりも低くすることは必須ではない。
【００５６】
以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５７】
例えば、上記実施形態では、冷却流路３９のうち、コリメートレンズ３２を冷却するコリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ３３を冷却する集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス３４を冷却する保護ガラス冷却部位３８が、チラー４０に接続するまで互いに連通しない例を説明した。しかし、コリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８が、チラー４０に接続するまでに互いに連通してもよい。
【００５８】
図５は、このようなレーザ加工用ヘッド３０の変形例を示す図である。図５に示すように、本変形例では、冷却流路３９は、コリメートレンズ３２の外周の少なくとも一部に沿って延在するコリメートレンズ冷却部位３６と、集光レンズ３３の外周の少なくとも一部に沿って延在する集光レンズ冷却部位３７と、保護ガラス３４の外周の少なくとも一部に沿って延在する保護ガラス冷却部位３８と、コリメートレンズ冷却部位３６と集光レンズ冷却部位３７とを連結する第１連結部位３９Ａと、集光レンズ冷却部位３７と保護ガラス冷却部位３８とを連結する第２連結部位３９Ｂとを含む。図６は、この変形例に係るレーザ加工用ヘッド３０の冷却流路３９の概略を示す斜視図である。なお、図６では、図が複雑になることを防止するためにレンズや保護ガラスの図示が省略されている。図６に示すように、この変形例では、コリメートレンズ冷却部位３６、集光レンズ冷却部位３７、及び保護ガラス冷却部位３８は、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４の全周に沿って延在している。したがって、この変形例においても、冷却流路３９の一部がコリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸に垂直で保護ガラス３４を通る平面と重なり、冷却流路３９の他の一部がコリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸に垂直でコリメートレンズ３２を通る平面及び集光レンズ３３内における光Ｌの光軸に垂直で集光レンズ３３を通る平面と重なる。したがって、冷却流路３９の一部がこのような平面と重ならない場合に比べて、冷却流体を保護ガラス３４、コリメートレンズ３２、及び集光レンズ３３の近くで流通させることができ、保護ガラス３４、コリメートレンズ３２、及び集光レンズ３３を冷却することができる。
【００５９】
なお、上記のように、光の伝搬方向の上流側に配置される光学部品ほど光Ｌにより加熱されやすい傾向がある。したがって、最も上流側に位置するコリメートレンズ３２がより高温になり易く、最も下流側に位置する保護ガラス３４はコリメートレンズ３２や集光レンズ３３と比べて高温になり難い。そこで、この変形例において、最も上流側に位置するコリメートレンズ冷却部位３６側から最も下流側に位置する保護ガラス冷却部位３８側に向かって冷却流体を流してもよい。このようにすれば、最も高温になり易いコリメートレンズ３２を最も温度の低い冷却流体で冷却することができるため、コリメートレンズ３２の熱負荷を効果的に低減し得る。
【００６０】
ただし、上記実施形態のレーザ加工用ヘッド３０のように、保護ガラス冷却部位３８、コリメートレンズ冷却部位３６、及び集光レンズ冷却部位３７は、チラー４０に達するまで互いに連通しないことがより好ましい。保護ガラス３４、コリメートレンズ３２、及び集光レンズ３３を冷却する部位が図５のように互いに連通する場合、保護ガラス３４やコリメートレンズ３２及び集光レンズ３３の近傍を冷却流体が通る度に冷却流体が温められる。一方、保護ガラス３４、コリメートレンズ３２、及び集光レンズ３３を冷却するそれぞれの部位がチラー４０に達するまで互いに連通しなければ、例えば、冷却流体が保護ガラス冷却部位３８に達する前に冷却流体がコリメートレンズ冷却部位３６及び集光レンズ冷却部位３７を通過してレンズによって温められることが抑制される。よって、より効果的に保護ガラス及びレンズを冷却することができる。
【００６１】
また、上記実施形態では、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３の一部と、コリメートレンズ冷却部位３６の一部と、集光レンズ冷却部位３７の一部とが、上述したそれぞれの平面と重なる例を説明した。しかし、冷却流路３９の一部が上記平面Ｆと重なるのであれば、冷却流路３９を適宜変更することができる。図７は、上記実施形態とは異なる冷却流路を有するレーザ加工用ヘッド３０の変形例を示す図である。図７に示す例では、コリメートレンズ冷却部位３６は、コリメートレンズ３２内における光Ｌの光軸に垂直でコリメートレンズ３２を通る平面と重なっておらず、コリメートレンズ３２よりも集光レンズ３３側に位置している。このような場合でも、コリメートレンズ冷却部位３６がコリメートレンズ３２に近接しているのであれば、コリメートレンズ３２を冷却し得る。
【００６２】
また、上記実施形態では、冷却流路３９が保護ガラス３４の全周、コリメートレンズ３２の全周、及び集光レンズ３３の全周に沿って延在している例を説明した。しかし、この構成は必須ではない。例えば、冷却流路３９がコリメートレンズ３２、集光レンズ３３、及び保護ガラス３４の少なくとも１つの外周の一部に沿って延在してもよい。あるいは、冷却流路３９の一部が上記平面Ｆと重なるのであれば、冷却流路３９の一部が保護ガラス３４の外周に沿わず、平面Ｆに対して斜めに延在してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、ガスＧを筐体３１の軸Ａｘに沿って下流側に導く例を説明したが、１つのガスノズル３５からガスＧを保護ガラス３４の面内方向に沿って噴射してもよい。このような構成によっても、保護ガラス３４に沿って流通するガスＧによって、被加工体ＰＢがスパッタされることによって生じる被加工体ＰＢの微粒子などが保護ガラス３４に当たることを抑制することができる。なお、ガスＧを保護ガラス３４の面内方向に沿って噴射する場合、ガスＧを筐体３１の軸Ａｘに沿って下流側に導く上記整流機構を省略し得る。
【００６４】
また、上記実施形態では、保護ガラス３４よりも下流側の領域にガスＧが流れる例を説明したが、このようなガスＧを流すことは必須ではない。ただし、ガスＧを流すことによって、上述のように、保護ガラスを効果的に冷却でき、また、レーザ加工用ヘッドを効果的に保護し得る。
【００６５】
また、上記実施形態では、コリメートレンズ３２と集光レンズ３３との２つのレンズが設けられる例を説明したが、保護ガラスの上流側に配置するレンズは１つであってもよく、３つ以上であってもよく、これらレンズのそれぞれを冷却流路によって冷却してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、適切な方向に光を出射し得るレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工装置が提供され、レーザ加工の分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・レーザ加工装置
２・・・光源
２５・・・増幅用光ファイバ
１０・・・デリバリファイバ
１１・・・ガラスロッド
２１・・・励起光源
３０・・・レーザ加工用ヘッド
３１・・・筐体
３１Ｈ・・・貫通孔
３２・・・コリメートレンズ
３３・・・集光レンズ
３４・・・保護ガラス
３５・・・ガスノズル
３６・・・コリメートレンズ冷却部位
３７・・・集光レンズ冷却部位
３８・・・保護ガラス冷却部位
３９・・・冷却流路
４０・・・チラー
Ａｘ・・・軸
Ｆ・・・平面
【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】
2022001372.tif 000007
【図６】
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【図７】
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