(57)【要約】【課題】加工対象物に対する加工内容が従来に比して広いレーザ加工装置を提供する。【解決手段】ファイバレーザ装置１で発生したレーザ光を伝送ファイバ３に入射するための入射光学系４を備えるとともに、上記入射光学系が伝送ファイバへのレーザビームの集光角度を調整可変とする機能を備えるように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生するレーザ装置と、
上記レーザ装置にて発生したレーザ光を加工対象物に照射する加工ヘッドと、
上記レーザ装置から上記加工ヘッドへ上記レーザ光を導く伝送ファイバと、
上記レーザ装置で発生したレーザ光を上記伝送ファイバに入射し、かつ上記伝送ファイバへ入射する上記レーザ光の集光角度を調整する入射光学系と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記レーザ装置はファイバレーザ装置である、請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
上記伝送ファイバのコア直径をｄ（μｍ）とするとき、上記入射光学系は、上記集光角度（半角）θを、（３９／ｄ）°〜（２０００／ｄ）°の範囲で調整する、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記ファイバレーザ装置のコア直径をＤ（μｍ）、上記ファイバレーザ装置から発するレーザ光の出射拡がり角度をα°、上記伝送ファイバのコア直径をｄ（μｍ）とするとき、上記入射光学系は、上記集光角度（半角）θを、（αＤ／ｄ）°〜（５０αＤ／ｄ）°の範囲で調整する、請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
上記伝送ファイバにおいて上記レーザ光が入射する入射面の位置は、上記入射光学系から上記入射面に入射させるレーザ光の焦点位置からずれて配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
上記入射光学系は、複数枚のレンズを有し、少なくとも２枚の上記レンズを光軸方向に移動することで上記集光角度の調整を行う調整用光学素子を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
上記調整用光学素子と接続され、上記加工対象物に応じて上記集光角度を調整すべく上記調整用光学素子の動作制御を行う制御装置をさらに備えた、請求項６記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
上記調整用光学素子は、上記レンズの移動を行うレンズ駆動装置を有する、請求項７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、レーザを光源として加工対象物の加工を行うレーザ加工装置に関し、より詳しくはファイバレーザを使用して加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば金属又はセラミック等の加工対象物に対して、溶接、切断、穴あけ、表面処理、等の加工を施すためにレーザが広く使用されている。又、近年、光ファイバでレーザ光を発振させるファイバレーザが開発されている。該ファイバレーザでは、レーザ光は光ファイバで発振されるので、そのまま光ファイバにて伝送可能である。よって、ファイバレーザには、レンズ、反射鏡等の光学部品及びこれらの調整が不要であるという利点がある。
【０００３】
このようなファイバレーザを使用した従来の加工装置は、例えば特許文献１に開示されるように、ファイバレーザ装置、レーザ光を加工対象に照射して加工を行うための加工ヘッド、上記ファイバレーザ装置から上記加工ヘッドへレーザ光を導くための伝送ファイバを備える。
【０００４】
上記ファイバレーザ装置は、励起源によって励起されてレーザ光を発生する。又、ファイバレーザ装置は、例えばファイバ間の融着などによって伝送ファイバ３に接続される。よって、ファイバレーザ装置で発生したレーザ光は、伝送ファイバ３内を伝搬して上記加工ヘッドに導かれる。該加工ヘッドにおいて、伝送ファイバから出射したレーザ光は、集光レンズによって集光され、加工対象物上に照射され、加工対象物の溶融、蒸発等の加工が行われる。
【０００５】
また、上記ファイバレーザの使用ではなくレーザ発振装置を用いた従来のレーザ加工装置の例として、例えば特許文献２に開示される装置がある。
該装置では、光源としてファイバレーザではなく、例えばＹＡＧレーザなどの固体レーザを用いたレーザ発振装置が用いられている。該レーザ発振装置で発生したレーザ光は、伝送用光ファイバ（第１伝送用ファイバ）に結合される。上記第１伝送用ファイバにより伝送されたレーザ光は、ファイバ中継器を用いて、加工用光ファイバとして、別の仕様の伝送ファイバ（第２伝送ファイバ）に再度結合される。第２伝送ファイバを伝送されるレーザ光は、加工部へ導きかれ、加工対象物の加工に供される。
【０００６】
上記ファイバ中継器を使用することで、上記第１伝送用ファイバと、上記第２伝送用ファイバとの仕様を変更することが可能となる。例えば、上記第２伝送用ファイバのコア径を上記第１伝送用ファイバよりも細くすることによって、長距離の伝送は、損傷しにくい太いファイバで行い、加工対象物には、より小さな集光スポットで加工を可能にする、というような利点が得られる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２８５１８９号公報
【特許文献２】特開昭６３−１１５６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１には、加工対象物上に照射されるレーザ光の集光スポットサイズ等を変更することについては、言及されていない。一方、上記特許文献２には、上述のように集光スポットサイズを変更することを開示している。
しかしながら、加工対象物において良好な加工結果を得るためには、加工対象物の材質や厚さなどに応じて、加工に適切な集光スポットサイズを与えるとともに、加工に適切なビーム拡がり角度を設定することが求められる。例えば、加工に適切な集光スポットサイズが同じであっても、加工に適度なビーム拡がり角度を、集光スポットサイズとは独立に設定することが必要であり、ビーム拡がり角度が小さすぎても大きすぎても良好な加工ができないという性質がある。
【０００９】
よって、ファイバレーザを使用した従来の加工装置においては、加工に適切な集光スポットサイズとともに適度なビーム拡がり角度を独立して変更することは困難である。したがって、従来の加工装置では、良好な加工が可能な加工対象物がごく狭い範囲に限られるという問題があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、良好な加工が可能な加工対象物の範囲が従来に比して広い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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様におけるレーザ加工装置は、レーザ光を発生するレーザ装置と、上記レーザ装置にて発生したレーザ光を加工対象物に照射する加工ヘッドと、上記レーザ装置から上記加工ヘッドへ上記レーザ光を導く伝送ファイバと、上記レーザ装置で発生したレーザ光を上記伝送ファイバに入射し、かつ上記伝送ファイバへ入射する上記レーザ光の集光角度を調整する入射光学系とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１態様におけるレーザ加工装置によれば、伝送ファイバへ入射するレーザ光の集光角度を調整する入射光学系を備えたことで、上記集光角度と強い相関関係にある、加工ヘッドから出射されるレーザ光の発散角度、つまりレーザビームの拡がり角度を調整することが可能となる。したがって、加工対象物の材質や厚さなどに応じて加工位置における適切な集光スポットサイズを与えながら、上記加工対象物の材質や厚さなど応じて求められる加工に適切なレーザビームの拡がり角度を独立に調整することが可能となる。その結果、従来に比べて幅広い加工対象物に対して良好な加工が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態であるレーザ加工装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
又、以下の説明では、レーザ光の発生装置として、ファイバレーザ装置を例に採るが、これに限定するものではなく、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ等のレーザ装置を使用可能である。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるファイバレーザ加工装置１０１の概略構成を示す図である。
ファイバレーザ加工装置１０１は、加工用レーザ光を出力するファイバレーザ装置１と、ファイバレーザ装置１にて発生したレーザ光を加工対象物８に照射して加工対象物８の加工を行うための加工ヘッド２と、ファイバレーザ装置１にて発生したレーザ光を加工ヘッド２へ導くための伝送ファイバ３と、当該ファイバレーザ加工装置１０１における特徴的構成部分であり詳細後述する入射光学系４と、を備える。
【００１４】
ファイバレーザ装置１は、励起源１−１と、レーザ発振用光ファイバ１−２とを有する。励起源１−１は半導体レーザ発振器を有する。該半導体レーザ発振器として、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振器を用いることができる。上記半導体レーザ発振器からレーザ発振用光ファイバ１−２に励起レーザ光を照射すると、レーザ発振用光ファイバ１−２でレーザ光が発振する。レーザ発振用光ファイバ１−２は、入射光学系４に接続される。
【００１５】
ファイバレーザ装置１で発生したレーザ光は、入射光学系４に供給され、入射光学系４によって伝送ファイバ３へと入射され、伝送ファイバ３内を伝搬して加工ヘッド２に導かれる。加工ヘッド２において、伝送ファイバ３から出射したレーザ光７は、加工ヘッド２に備わる集光レンズによって集光され、加工対象物８上に照射される。これにより加工対象物８の溶融、蒸発などによって加工が行われる。
【００１６】
入射光学系４について、詳しく説明する。
入射光学系４は、ファイバレーザ装置１で発生したレーザ光が入射する伝送ファイバ３の入射面３ａに対する入射ビーム６の集光角度（半角）θを可変に調整する光学素子５を有する。調整用の光学素子５により、加工対象物８に応じて、例えば図中に６および６´で示すように、異なる集光角度θにて伝送ファイバ３へレーザ光を入射することができる。
【００１７】
一般に、ファイバ伝送において、光ファイバに入射するレーザ光のビーム集光角度と、加工ヘッド上における出射されるレーザ光のビーム発散角度との間には、強い相関関係がある。よって、本実施形態のように調整用光学素子５を有する入射光学系４を備えることで、加工ヘッド２上における出射ビームのビーム出射発散角度を可変に調整することが可能となる。
【００１８】
これによって、加工に当たり、適切な集光スポットサイズを与えながら、加工対象物８の材質や厚さ等に応じて求められるレーザビームの拡がり角度を独立に与えることが可能となる。よって結果として、幅広い加工対象物８に対して良好な加工が可能となる。
【００１９】
又、従来知られている殆どの加工対象物において、加工対象物への加工用レーザ光の集光スポットサイズがφのとき、（３９／ｄ）°〜（２０００／ｄ）°のビーム拡がり角で良好な加工ができることが知られている。従って、伝送ファイバ３のコア直径をｄ（μｍ）とするとき、調整用光学素子５が、伝送ファイバ３へ入射するレーザビームの集光角度（半角）θを、（３９／ｄ）°〜（２０００／ｄ）°の範囲で調整可変とすることによって、従来知られている殆どの加工対象物に対応可能となる。
【００２０】
また、ファイバレーザ装置においては、加工から要求される条件よりも拡がり角度が小さすぎるビームを発生してしまう傾向がある。これに関し、伝送ファイバ３への入射光学系４において、ファイバレーザ装置１のコア直径をＤ（μｍ）、ファイバレーザ装置１の出射拡がり角度をα°、伝送ファイバ３のコア直径をｄ（μｍ）とするとき、調整用光学素子５が、伝送ファイバ３へのレーザビームの集光角度（半角）θを、（αＤ／ｄ）°〜（５０αＤ／ｄ）°で調整可変とすることによって、ビーム拡がり角度を拡大し、従来知られている加工対象物の多くに対応可能なビーム拡がり角度に変換することができる。
【００２１】
上述した調整用光学素子５の具体的構成の一例を図２に示す。
図２に示すように、調整用光学素子５は、複数枚のレンズ２５を有し、本実施形態では、図示のように３枚のレンズ２５ａ〜２５ｃを有し、さらに、これら複数枚のレンズ２５の内、少なくとも２枚のレンズを、その光軸方向に移動可能とする構成を有する。図２に示す構成では、レンズ２５ｂ及びレンズ２５ｃを移動可能としており、図２内（ａ）に示すようにレンズ２５を配置したときには、入射光学系４から伝送ファイバ３へ入射するレーザビームの集光角度（半角）θは小さく、図２内（ｂ）に示すように、レンズ２５ｃ及びレンズ２５ｂを伝送ファイバ３側へ移動したときには、上記集光角度（半角）θは、図２内（ａ）に示す配置の場合に比して大きくなっている。このように、レンズ２５を移動させることで、上記集光角度（半角）θを連続的に調整することが可能である。
【００２２】
レンズ２５を移動させる具体的構成としては、例えば図３に示すようなレンズ駆動装置９を採ることができる。レンズ駆動装置９にて上述のようにレンズ２５をその光軸方向に移動させることで伝送ファイバ３に対する上記集光角度を可変とできることから、レンズ駆動装置９は、集光角度調整手段として機能する。レンズ駆動装置９は、上述のように少なくとも２つのレンズ２５をそれぞれ独立して光軸方向に移動可能とするよう構成されている。レンズ２５を移動させる手段としては、例えばモータ等が使用可能である。尚、レンズ移動に関する機構としては、公知の装置構成を採ることができる。
【００２３】
尚、入射光学系４において、伝送ファイバ３への入射するレーザビームの集光角度θを大きくとる場合、一般には、伝送ファイバ３へ入射する集光ビーム６，６’の焦点におけるビーム集光スポットサイズが小さくなり、伝送ファイバ３の入射面３ａの損傷が発生しやすくなる。この現象を低減するため、伝送ファイバ３の入射面３ａの位置が、入射光学系４から出射される集光ビーム６、６’の焦点から外れるように、例えば、入射面３ａの位置を、ビーム進行方向において集光ビーム６、６’の焦点よりも後ろにずらした位置に設置する。これにより、伝送ファイバ３の入射面３ａの損傷を回避することができる。
【００２４】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ加工装置１０２の概略構成を示す図である。ファイバレーザ加工装置１０２では、上述のファイバレーザ加工装置１０１の構成に比べて、加工ヘッド２を水平及び垂直方向に移動させる駆動装置１１Ａ、加工対象物８を載置して加工対象物８を水平方向に移動させる駆動装置１１Ｂ、及び制御装置１２が新たに設けられている。ファイバレーザ加工装置１０２におけるその他の構成は、上述のファイバレーザ加工装置１０１の構成と変わるところはない。よって以下では、制御装置１２の動作を中心に説明を行う。
【００２５】
制御装置１２は、上述の励起源１−１、上述のレンズ駆動装置９、加工ヘッド２用の駆動装置１１Ａ、及び加工対象物８用の駆動装置１１Ｂの動作制御を行う。又、制御装置１２は、加工対象物８の種類、及び加工内容に応じて、レーザ出力、つまり励起源１−１、上記駆動装置１１Ａ、１１Ｂを制御するとともに、入射光学系４において伝送ファイバ３へ入射するレーザビームの集光角度θを調整し加工に適切なレーザビーム７の拡がり角度を与えるようにレンズ駆動装置９の動作制御を行うためのプログラムを有する。該プログラムは、例えば制御装置１２に備わる記憶装置１２ａに格納されている。
このように制御装置１２を備えることで、ファイバレーザ加工装置１０２は、上述のファイバレーザ加工装置１０１に比べて、より体系的にレーザ加工を行うことが可能となる。
【００２６】
ファイバレーザ加工装置１０２の動作について具体的に説明する。
加工ヘッド２において伝送ファイバ３から出射したレーザ光は、加工ヘッド２内に備わる集光レンズによって集光され、加工対象物８上に加工用のレーザ光７として照射される。これにより、加工対象物８の溶融、蒸発などによって加工が行われる。
【００２７】
このとき、加工対象物８及び加工ヘッド２の少なくとも一方は、駆動装置１１Ａ及び駆動装置１１Ｂが制御装置１２により動作制御されることで、加工内容に応じて移動される。よって、任意の形状の加工を行うことができる。
又、制御装置１２は、加工対象物８の種類、及び加工内容に応じて、レーザ出力、つまり励起源１−１を制御する。
さらに制御装置１２は、入射光学系４において伝送ファイバ３へ入射するレーザビームの集光角度θを調整するため、レンズ駆動装置９の動作制御を行う。よって、制御装置１２からの指令を受けて、集光角度は、自動的に調整される。
上述のようにこれらの制御動作は、プログラムに応じて実行される。これにより、ファイバレーザ加工装置１０２では、統一的な加工システムとして幅広い加工対象物８に対する良好な加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明における実施の形態１のファイバレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示すファイバレーザ加工装置の入射光学系の構成及び動作を説明するための図である。
【図３】本発明における実施の形態２のファイバレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ファイバレーザ装置、  ２  加工ヘッド、  ３  伝送ファイバ、
４  入射光学系、  ５  調整用光学素子、  ９  レンズ駆動装置、  １２  制御装置、
１０１、１０２  ファイバレーザ加工装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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