(57)【要約】【課題】  リング状レーザ光の内径及び／又は外径を制御できるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】  光学手段２０として、レーザ発振器１０から出力されたレーザ光２を受けて所定径の平行なレーザ光２を出射するエクスパンダ２１及びコリメータ２２と、当該コリメータ２２から出射されたレーザ光２を受けて平行なリング状のレーザ光２ｂを出射する一対の光学素子２３とを備えるレーザ加工装置１であって、エクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離及び／又は光学素子２３間の距離を任意制御する。  これにより、レンズ等を交換することなく、被加工物３０表面に照射されるリング状のレーザ光２ｂの内径及び／又は外径を制御することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ光をリング状にする光学手段とを備え、前記リング状のレーザ光により被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
前記光学手段は、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を拡大し所定径の平行なレーザ光とするエクスパンダ及びコリメータと、前記所定径の平行なレーザ光をリング状の平行光とする一対の光学素子とを有し、
前記エクスパンダ及び前記コリメータ間の距離及び／又は前記光学素子間の距離により、前記被加工物表面における前記リング状レーザ光の内径及び／又は外径を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記一対の光学素子は、円錐面同士が対向するように配置された一対のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記光学手段は、前記リング状レーザ光を収束或いは拡大させるための調整用レンズを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の表面にリング状のレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物にレーザ光を照射して加工（溶着、露光、孔開け等）を行うレーザ加工装置がある。このような装置として本出願人は先に特願Ｈ１３−３５９７６８号を出願している。
【０００３】
この装置は、単一のレーザ光を複数のレーザ光に分岐させるために、凹凸段差形状を有する回折型光学部品（回折レンズ）を備えており、当該凹凸段差形状を所定の形状とすることで、単一のレーザ光を例えばリング状のレーザ光とすることができる。従って、被加工物の溶着部位がリング状である場合でも、当該リング状レーザ光を集光レンズを介して被加工物の溶着部位に照射することにより、一括溶着させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の装置の場合、回折型光学部品の凹凸段差形状によってリング状レーザ光の内外径比が決定する。従って、異なる加工形状（内径及び／又は外径）に対しては、例えば回折レンズを交換しなければ対応することができないことも考えられる。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑み、リング状レーザ光の内径及び／又は外径を制御できる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】
【０００６】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載のレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ光をリング状にする光学手段とを備えており、リング状のレーザ光により被加工物の加工を行うものである。このとき光学手段は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を拡大し所定径の平行なレーザ光に調整するエクスパンダ及びコリメータと、所定径の平行なレーザ光をリング状の平行光とする一対の光学素子とを有し、エクスパンダ及びコリメータ間の距離及び／又は光学素子間の距離を制御することにより、被加工物表面におけるリング状レーザ光の内径及び／又は外径を制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明のレーザ加工装置において、レーザ発振器から出力されたレーザ光は、エクスパンダにより拡大され、コリメータにより所定径の平行なレーザ光とされる。そして、このレーザ光は一方の光学素子によりリング状に成形され、他方の光学素子によりリング状の平行光とされる。このとき、被加工物表面におけるリング状レーザ光の内径はエクスパンダ及びコリメータ間の距離（所定径を有する平行なレーザ光の外径）によって変化する。また、両光学素子間の距離に応じてリング状レーザ光の内外径は変化する。従って、本発明のレーザ加工装置は、光学手段を構成するエクスパンダ及びコリメータ間の距離及び／又は光学素子間の距離を制御することにより、被加工物表面におけるリング状レーザ光の内径及び／又は外径を制御することができる。すなわち、従来のように加工形状毎にレンズ交換等しなくとも、種々の加工形状に対応すべくリング状レーザ光の内外径比を変更することもできる。
【０００８】
また、本発明のレーザ加工装置においては、リング状レーザ光を形成する際に輪帯開口（アパーチャ）を用いておらず、光量損失を抑えることができるので、レーザ発振器から出力されたレーザ光のエネルギーを有効に利用することができる。
【０００９】
尚、光学素子としては、レーザ光をリング状に集光し、それを平行光にできる組み合わせであれば特に限定されるものではない。一具体例としては、請求項２に記載のように円錐面同士を対向配置させた一対のアキシコンレンズをあげることができる。
【００１０】
また、請求項３に記載のように、光学手段はリング状レーザ光を収束或いは拡大するための調整用レンズを有することが好ましい。一対の光学素子と被加工物との間に調整用レンズを設けることにより、リング状レーザ光を形状及び内外径比一定のまま収束或いは拡大させて被加工物表面に照射することができるので、加工可能な幅を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。尚、本発明のレーザ加工装置は、被加工物表面にリング状のレーザ光を照射することにより被加工物を加工するための装置であり、例えば、樹脂、金属、セラミック等の材料に対する切断、孔開け、溶着、露光等の加工に用いることができる。
（第１の実施の形態）
本発明のレーザ加工装置の一実施例について、図１を用いて説明する。図１は本実施の形態におけるレーザ加工装置を示すものであり、（ａ）はその概略構成図、（ｂ）は被加工物表面をレーザ光照射側から見た平面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態のレーザ加工装置１は、レーザ光２を出力するレーザ発振器１０と、レーザ光２を受け、リング状のレーザ光を出射する光学手段２０とにより構成される。
【００１３】
レーザ発振器１０から出力されるレーザ光２は特に限定されるものではなく、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、エキシマレーザ等を用いることができる。本実施の形態においては、波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを発振するレーザ発振器１０を用いるものとする。尚、当該レーザ発振器１０は、その内部に図示しない適量のＮｄが添加されたＹＡＧの棒状結晶体であるレーザロッド、これの励起用光源、及びミラー等を備えている。
【００１４】
光学手段２０は、エクスパンダ２１、コリメータ２２、及び一対の光学素子２３から構成され、夫々の光軸がレーザ光２の光軸と一致するように配置されている。
【００１５】
エクスパンダ２１は、レーザ発振器１０から出力されたレーザ光２を拡大するためのものであり、コリメータ２２はエクスパンダ２１により拡大されたレーザ光２を平行なレーザ光２とするためのものである。そして、エクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離を制御することにより、コリメータ２２から出射するレーザ光２の外径を制御する。尚、図１に示すように、本実施の形態におけるエクスパンダ２１及びコリメータ２２は、２枚の凸レンズを組み合わせた所謂ケプラー型の構成を有している。しかしながら、それ以外にもレーザ光２を拡大し所定径の平行なレーザ光２とできる組み合わせであれば採用することができ、例えば２枚の凹凸レンズを組み合わせた所謂ガリレオ型の構成であっても良い。
【００１６】
一対の光学素子２３は、所定径の平行なレーザ光２を受けてリング状の平行光を出射するものである。本実施の形態においては、光学素子２３の一例として一対のアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂを用いている。アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂとは、点光源から光軸に沿って線像を作る光学機器であり、明確な焦点距離を持たない円錐台形のレンズである。アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂは、その円錐軸がレーザ光２の光軸と一致し、お互いの円錐面が向かい合って配置されている。
【００１７】
所定径の平行なレーザ光２をアキシコンレンズ２３ａの平面側から入射させると、円錐面の斜面及び頂点から出射される際にリング状に集光されて、リング状のレーザ光２ｂ（以下リング状ビーム２ｂという）が形成される。ここで、リング状ビーム２ｂを平行光とするため、本実施の形態においてはアキシコンレンズ２３ａと同一のレンズをアキシコンレンズ２３ｂに用いている。尚、それ以外にもアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂの錐面の傾斜角度及び屈折率が等しいものであれば適用することができる。従って、アキシコンレンズ２３ｂの円錐面から入射したリング状ビーム２ｂは平行なリング状ビーム２ｂとして平面側から出射され、被加工物３０に照射される。
【００１８】
尚、光学素子２３としては、アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ以外にもレーザ光２を平行なリング状ビーム２ｂにすることが可能な組み合わせであれば適用可能である。例えば、アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂは錐面が円錐であるが、それ以外の錐面（例えば角錐）を有するものを用いても良い。
【００１９】
このように、本実施のレーザ加工装置１は、レーザ光２から平行なリング状ビーム２ｂを形成し、図１（ｂ）に示すように当該リング状ビーム２ｂを被加工物３０表面に照射することができる。従って、単一スポットのレーザ光を走査するか或いは単一スポットのレーザ光に対し被加工物３０側を移動させて被加工物３０をリング状に加工しなくとも、一括でリング状の加工を行うことができる。
【００２０】
次に、本発明の特徴であるリング状ビーム２ｂの内外径制御について、図２を用いて説明する。図２は内外径制御を説明するための補足図であり、（ａ）の基準状態に対して、（ｂ）エクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離制御、（ｃ）アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間の距離制御を示す図である。尚、レーザ加工装置１は上述と同一構成であり、図２においては便宜上レーザ発振器１０を省略する。
【００２１】
本発明のレーザ加工装置１は、エクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離及び／又はアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間（光学素子２３間）の距離を制御することにより、被加工物３０上におけるリング状ビーム２ｂの内径及び／又は外径を制御することができることを特徴とする。従って、被加工物３０上におけるリング状ビーム２ｂの内外径比を任意制御することもできる。尚、図１（ｂ）に示すように、リング状ビーム２ｂの内径とはＤ１、外径とはＤ２の部分を示す。
【００２２】
先ず、図２（ａ）に示すエクスパンダ２１、コリメータ２２、アキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ、及び被加工物３０の位置関係を基準状態とする。
【００２３】
図２（ａ）の基準状態に対して、例えば図２（ｂ）に示すようにエクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離を長くすると、エクスパンダ２１にて拡大されたレーザ光２がさらに拡大するので、コリメータ２２から出射される平行なレーザ光２の外径が図２（ａ）よりも大きくなる。ここでアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間の距離が図２（ａ）の状態を維持していると、アキシコンレンズ２３ａの円錐面の頂点から集光されてなるリング状ビーム２ｂの外周部は、アキシコンレンズ２３ｂの円錐面の同じ位置に入射するため、被加工物３０に照射されるリング状ビーム２ｂの外径は変わらない。しかしながら、コリメータ２２から出射されたレーザ光２の外径が大きくなった分、アキシコンレンズ２３ａにて集光されたリング状ビーム２ｂのリング幅が拡大するので、アキシコンレンズ２３ｂの錐面に入射するリング状ビーム２ｂの内径は小さくなる。従って、被加工物３０に照射されるリング状ビーム２ｂの内径は小さくなる。このように、エクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離を制御することにより、被加工物３０上におけるリング状ビーム２ｂの内径を制御することができる。尚、図２（ｂ）においては、コリメータ２２のみを移動させてエクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離を変化させたが、エクスパンダ２１のみを移動させてもよいし、両者をともに移動させてもよい。また、距離は長くするだけでなく、基準状態より短くしてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
また、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）の基準状態に対してアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間の距離を短くすると、アキシコンレンズ２３ｂから出射される平行なリング状ビーム２ｂの内外径がともに図２（ａ）よりも小さくなる。尚、図２（ｃ）においては、アキシコンレンズ２３ｂのみを移動させてアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間の距離を変化させたが、アキシコンレンズ２３ａのみを移動させてもよいし、両者をともに移動させてもよい。また、距離は短くするだけでなく、基準状態より長くしてもよいことは言うまでもない。
【００２５】
このように、本発明のレーザ加工装置１は、光学手段２０を構成するエクスパンダ２１及びコリメータ２２間の距離及び／又はアキシコンレンズ２３ａ，２３ｂ間（光学素子２３間）の距離を任意で組み合わせることにより、照射されたリング状ビーム２ｂの被加工物３０上における内径及び／又は外径を制御することができる。すなわち、レンズ交換等をしなくとも種々の加工形状に対応することが可能であり、例えば内外径比が異なっても対応することができる。従って、加工形状に合わせて多種のレンズを保持し、またレンズ交換を実施しなくとも良いので、コストを低減できるとともに光軸調整等の手間を省くこともできる。
【００２６】
また、本発明のレーザ加工装置１においては、リング状ビーム２ｂを形成する際に輪帯開口（アパーチャ）を用いておらず、光量損失を抑えることができるので、レーザ発振器１０から出力されたレーザ光２のエネルギーを有効に利用することができる。すなわちレーザ光２の光強度を大きくするために高性能のレーザ発振器１０を用いる必要が無いので、コストを低減することができる。
【００２７】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。
【００２８】
本実施の形態において、光学手段２０はエクスパンダ２１、コリメータ２２、及び一対の光学素子２３により構成される例を示した。しかしながら、上記構成において、リング状ビーム２ｂは平行光として被加工物３０に照射される。従って、光学手段２０はリング状ビーム２ｂを収束或いは拡大するための調整用レンズ２４を備えても良い。この場合、図３に示すように調整用レンズ２４（この場合集光レンズを例示）はレンズの光軸がレーザ光２の光軸と一致するように光学素子２３と被加工物３０との間に配置される。従って、光学素子２３より出射されたリング状ビーム２ｂは調整用レンズ２４により形状及び内外径比一定のまま収束或いは拡大されて被加工物３０に照射されることとなる。その際、調整用レンズ２４を移動させて被加工物３０との間の距離を変化させることにより、加工可能な幅をさらに広げることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のレーザ加工装置を示し、（ａ）はその概略構成図、（ｂ）は被加工物表面をレーザ光照射側から見た平面図である。
【図２】リング状ビームの内外径制御を説明するための補足図であり、（ａ）基準状態、（ｂ）エクスパンダ及びコリメータ間の距離制御、（ｂ）アキシコンレンズ間の距離制御を示す図である。
【図３】本発明の変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・レーザ加工装置
２・・・レーザ光
２ｂ・・・リング状ビーム
２０・・・光学手段
２１・・・エクスパンダ
２２・・・コリメータ
２３・・・光学素子
２３ａ，２３ｂ・・・アキシコンレンズ
３０・・・被加工物
【図１】
2005028428.tif 000003
【図２】
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【図３】
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