(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ発信器から出射されるビームモードが低次ないし高次のものであってもガウス分布を有する良好な加工用のレーザ光を得ることができる加工装置を提供すること。【解決手段】レーザ発振器２の出射口２ａからビームエキスパンダ４の入射口４ａまでの光路長に横モード改善手段としての複数の反射用ミラー３…３を設け、これら反射用ミラーでレーザ光の進行方向を順次折り返すことでＴＥＭ００モードを生成する光路長さを確保する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射口から出射するレーザ発生手段と、
このレーザ発生手段の出射口から出射されたレーザ光を入射口から入射し当該レーザ光のビーム径を拡大し平行光にして出射するビームエキスパンダと、
このビームエキスパンダから出射された平行光の方向を変更する変更手段と、
この変更手段により方向を変更された光を収束する収束レンズとを備え、
前記収束レンズにより収束された光を前記変更手段により加工対象物上で走査し当該加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ発生手段の出射口から前記ビームエキスパンダの入射口までの光路長は、前記ビームエキスパンダの入射口に入射するレーザ光の横モードがＴＥＭ００となる距離以上に設定されるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ発生手段によるレーザ光の出射口から前記ビームエキスパンダの入射口までの光路中に前記レーザ発生手段からのレーザ光の進行方向を折り返すように複数の反射用ミラーからなる横モード改善手段が配設されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を加工対象物上で走査し加工対象物を加工するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザ加工装置では、レーザ光を加工対象物上で走査することにより加工が施されている。この場合、本発明の関連文献として例えば特許文献１に開示されているバイナリーオプティックス等の光学素子がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３０４６１２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ発生手段内で発振するレーザ光は、低次モード（ＴＥＭ０ｎ）、高次モード（ＴＥＭｍ０，ＴＥＭｍｎ）（ｍ，ｎは自然数）で生成されやすく、レーザ発生手段がレーザ光を出射口から出射するときには低次モードおよび高次モードで出射される。したがって、この出射光の進行方向に対する断面の強度分布が良好な光強度分布とされるガウス分布にならず、このレーザ光により加工対象物に加工が施されると、その影響により加工対象物の加工形状に凹凸が生じてしまうという不具合を生じている。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な加工用のレーザ光を得ることができ、もって、加工品質を向上することができるレーザ加工装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、レーザ光を出射口から出射するレーザ発生手段と、このレーザ発生手段の出射口から出射されたレーザ光を入射口から入射し当該レーザ光のビーム径を拡大し平行光にして出射するビームエキスパンダと、このビームエキスパンダから出射された平行光の方向を変更する変更手段と、この変更手段により方向を変更された光を収束する収束レンズとを備え、前記収束レンズにより収束された光を前記変更手段により加工対象物上で走査し当該加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、前記レーザ発生手段の出射口から前記ビームエキスパンダの入射口までの光路長は、前記ビームエキスパンダの入射口に入射するレーザ光の横モードがＴＥＭ００となる距離以上に設定されるように構成されていることに特徴を有している。
【０００７】
このような発明によれば、レーザ発生手段の出射口からビームエキスパンダの入射口までの光路長は、ビームエキスパンダの入射口に入射するレーザ光の横モードがＴＥＭ００となる距離以上に設定されているので、たとえレーザ発生手段の出射口から出射されるレーザ光の横モードが低次モード，高次モードであったとしても、ビームエキスパンダの入射口にレーザ光が達するまでにレーザ光の横モードがＴＥＭ００になるため、光強度分布がガウス分布となる良好な加工用のレーザ光を得ることができ、加工品質を向上することができるという作用効果を奏する。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、レーザ発生手段によるレーザ光の出射口からビームエキスパンダの入射口までの光路中にレーザ発生手段からのレーザ光の進行方向を折り返すように複数の反射用ミラーからなる横モード改善手段が配設されていることに特徴を有している。
【０００９】
このような発明によれば、複数の反射用ミラーからなる横モード改善手段が、レーザ発生手段のレーザ光の出射口からビームエキスパンダの入射口までの光路中にレーザ光の進行方向を折り返すように配設されており、光路を複数の反射用ミラーで折り返しながらビームエキスパンダの入射口までの光路長を長くすることでＴＥＭ００モードとしているので、上記請求項１記載の効果に加えて、必要以上に大型化を招くことがなくなるという作用効果を奏する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
【００１１】
レーザ加工装置１の光学的構成及び電気的構成等を機能ブロックとして概略的に示す図１において、レーザ加工装置１は、レーザ発生手段としてのレーザ発振器２と、横モード改善手段としての複数の反射用ミラー３と、ビームエキスパンダ４と、変更手段としてのガルバノミラー５と、収束レンズ６と、制御回路７と、入力部８とを備えて構成されている。
【００１２】
制御回路７は、ＣＰＵ等を有してなるもので、図示しないメモリに記憶された制御用ソフトウェアに基づいて全体構成を制御するようになっており、入力部８が接続されている。入力部８は、例えば複数のコントロールキースイッチによるコンソールからなるもので、作業者が加工対象物Ｔに加工するための文字，記号，図形等の加工対象や、加工速度等の各種データを入力するために設けられている。
【００１３】
レーザ発振器２は、例えば活性媒質にＣＯ２を用いた加工用のＣＯ２レーザにより構成されており、発振波長１０．６μｍ，出力数十ｋＷ程度で出射口２ａから出射可能に構成されており、制御回路７の制御に基づいてレーザ光の出射タイミングを調整可能になっている。レーザ発振器２では、横モードとして低次モード（ＴＥＭ０ｎ），高次モード（ＴＥＭｍ０、ＴＥＭｍｎ）（ｍ，ｎは自然数）でレーザ光が生成されやすく、レーザ発振器２がレーザ光を出射口２ａから出射するときには低次モードおよび高次モードで出射される。
【００１４】
レーザ発振器２の出射口２ａから出射されるレーザ光の進行方向には、横モード改善手段としての複数の反射用ミラー３…３が配設されている。これら反射用ミラー３…３は、レーザ発振器２から出射された直線光（レーザ光）の進行方向をレーザ発振器２の出射方向の垂直方向側→出射方向側→垂直方向側→出射方向側→垂直方向側→出射方向側（図１参照）に順次折り返すようにそれぞれ配設されており、この折り返されたレーザ光はビームエキスパンダ４の入射口４ａから入射するようになっている。したがって、出射方向側の直線方向に物理的な距離を必要とすることなく光路長を長くすることができ、必要以上に大型化することなく配設することができる。このとき、出射口２ａから入射口４ａまでの光路長は、レーザ光の横モードがＴＥＭ００となる距離（例えば１ｍ程度）以上にあらかじめ設定されている。
【００１５】
ビームエキスパンダ４は、制御回路７からの光径調整信号に基づいてビームの光径を調整するように構成されており、その光学的構成により入射口４ａから入射したレーザ光のビーム径を拡大し平行光にして出射口４ｂから出射するようになっている。ビームエキスパンダ４の出射口４ｂにより出射された平行光はガルバノミラー５に入射するように構成されている。
【００１６】
ガルバノミラー５は、制御回路７からの制御信号に基づいてビームエキスパンダ４から入射する平行光の方向を変え、収束レンズ６側に出射するように構成されている。収束レンズ６は、ｆθレンズからなっており、ガルバノミラー５から入射する光を収束するようになっている。
【００１７】
このような光学的構成および電気的構成により、制御回路７によるガルバノミラー５の光の方向制御に基づいて加工対象物Ｔ上で光を走査し加工対象物Ｔをマーキング，加工するように構成されている。
【００１８】
上記構成の作用について、本発明の要旨に関わる部分を中心に図２および図３をも参照しながら説明する。
制御回路７からの制御信号に基づく出射タイミングでレーザ発振器２の出射口２ａから出射されたレーザ光は、複数の反射用ミラー３…３に順次反射することによりビームエキスパンダ４の入射口４ａに達する。ビームエキスパンダ４により拡大された平行光は、ガルバノミラー５によりその光の方向が変更され、光が加工対象物Ｔ上で走査されマーキング加工される。
【００１９】
このとき、レーザ発振器２の出射口２ａから出射されるレーザ光のモード（横モード）は、低次モードおよび高次モードを含有したモードになる。図２には、出射口２ａ近辺における光の横モードの高次モードの一例としてＴＥＭ２０モード（図２（ａ）参照）およびＴＥＭ１２モード（図２（ｂ）参照）の光強度分布を概略的に示している。光の強度分布には山や谷が現れ、例えば課題欄で説明したように、レーザ発振器２の出射口２ａからビームエキスパンダ４の入射口４ａまでの光路長が短いと、光強度分布の山や谷がそのまま加工対象物Ｔに反映され加工対象物Ｔ上に凹凸が生じてしまう。
【００２０】
そこで、レーザ発振器２の出射口２ａから出射されるレーザ光の進行方向のビームエキスパンダ４の入射口４ａに達するまでの光路中に複数の反射用ミラー３…３を設けることにより、これら反射用ミラー３…３によりレーザ光が折り返され、ビームエキスパンダ４の入射口４ａまでの光路長が長くなり、光が拡散され横モードがＴＥＭ００モードの状態（図３にＴＥＭ００モードの光強度分布を示す）になる。したがって、光強度分布はほぼガウス分布になる。これにより良好な加工用のレーザ光を得ることができる。
【００２１】
この場合、このようにして光強度分布がガウス分布に近くなった後の光の径がビームエキスパンダ４により拡大された後、この光が収束レンズ６により収束され制御回路７およびガルバノミラー５により加工対象物Ｔ上で走査されるため、加工対象物Ｔ上に凹凸が生じることなく、加工品質を向上しながら加工することができる。
【００２２】
このような一実施形態によれば、レーザ発振器２の出射口２ａからビームエキスパンダ４の入射口４ａまでの光の進行方向に複数の反射用ミラー３…３を設け、これら反射用ミラー３…３が、レーザ光の進行方向をレーザ発振器２の垂直方向側および出射方向側に順次折り返すことにより、レーザ発振器２の出射口２ａからビームエキスパンダ４の入射口４ａまでの光路長が１ｍ程度以上に設定されているので、たとえレーザ発振器２の出射口２ａから出射されるレーザ光の横モードが低次モードおよび高次モードであったとしても、ビームエキスパンダ４の入射口４ａにレーザ光が達するまでにレーザ光の横モードがＴＥＭ００に近くなり、光強度分布がガウス分布となる良好な加工用のレーザ光を得ることができ、加工品質を向上することができ、必要以上に大型化を招くことがなくなる。
別途複雑な構成の光学素子を設けることなく構成することができる。
【００２３】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、以下のような変形，拡張が可能である。
レーザ発振器２として、ＣＯ２レーザに適用した実施形態を示したが、他の気体レーザに適用しても良いし、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｍｉｎｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザ等の固体レーザに適用しても良い。
上述実施形態では、レーザ光をレーザ発振器２の出射方向側およびその垂直方向側に折り返す実施形態を示したが、図４もしくは図５に示すように、レーザ発振器２によるレーザ光の出射口２ａからの出射方向とは逆方向に光の進行方向を折り返すように複数の反射用ミラー３…３を配設し光路長を長くするようにしても良い。
【００２４】
この場合、図４および図５に示すように、レーザ発振器２が直方体状に形成されているときには、その長手方向に光路が形成されるように反射用ミラー３…３を配設することが望ましい。またこのとき、図４および図５に示すように、レーザ発振器２の出射口２ａからのレーザ光の出射方向とは逆方向にレーザ光の進行方向を折り返すように構成しても良い。この場合、スペースを有効に活用することができ、上述実施形態に比較して、さらに小型化することができる。
【００２５】
また図４に示すように、レーザ発振器２の出射方向側の光の進行方向にビームエキスパンダ４を配設するようにしても良いし、図５に示すように、レーザ発振器２の出射方向側とは逆方向側の光の進行方向にビームエキスパンダ４を配設するようにしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、レーザ発生手段の出射口からビームエキスパンダの入射口までの光路長は、ビームエキスパンダの入射口に入射するレーザ光の横モードがＴＥＭ００となる距離以上に設定されているので、たとえレーザ発生手段の出射口から出射されるレーザ光の横モードが低次モードおよび高次モードであったとしても、ビームエキスパンダの入射口にレーザ光が達するまでにレーザ光の横モードがＴＥＭ００になるため、光強度分布がガウス分布となる良好な加工用のレーザ光を得ることができ、もって、加工品質を向上することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の光学的構成および電気的構成を概略的に示す図
【図２】高次モードの光強度分布の説明図
【図３】ＴＥＭ００モードの光強度分布の説明図
【図４】本発明の他の実施形態の光学的構成を概略的に示す図（その１）
【図５】本発明の他の実施形態の光学的構成を概略的に示す図（その２）
【符号の説明】
１はレーザ加工装置、２はレーザ発振器（レーザ発生手段）、２ａは出射口、３…３は複数の反射用ミラー（横モード改善手段）、４はビームエキスパンダ、４ａは入射口、５はガルバノミラー（変更手段）、６は収束レンズ、７は制御回路、８は入力部、Ｔは加工対象物である。
【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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