(57)【要約】【課題】加工速度の高速化を図ることができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】アキシコンレンズ１３は、円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なる角度の斜面を有することで、レーザ光源１２から集光するレーザ光の焦点深度を深くする。アキシコンレンズ１３にて焦点深度を深くしたレーザ光を、非球面レンズ１４にて平行光に変換し、そしてｆθレンズ１７にてワークＷに照射する。これにより、ｆθレンズ１７にて集光されたレーザ光の焦点深度を深くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段からのレーザ光を加工対象物上に照射して加工を行なうレーザ加工装置において、
前記集光手段には少なくともアキシコンレンズを備え、
前記アキシコンレンズは、出射側の円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なり、レンズ中心を通る光軸となす角度が徐々に大きくなる斜面を有し、該斜面を通過した光が結ぶ焦点を光軸方向に複数個持つことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記アキシコンレンズは、出射側が自由曲線でレンズ面を構成していることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記アキシコンレンズは、前記レーザ光の光軸方向に沿って配列された複数枚のレンズ部材から構成され、各レンズ部材は、それぞれ１つの角度の斜面を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの何れか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記アキシコンレンズを通過した光を平行光に変換する変換レンズを備え、
前記アキシコンレンズと前記変換レンズとの距離を可変可能としたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの何れか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光を前記加工対象物に対して走査するように、前記アキシコンレンズを通過した光の方向を換える走査手段と、
前記走査手段からの平行光を加工対象物に照射するｆθレンズと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段からのレーザ光を加工対象物上に照射して加工を行なうレーザ加工装置の前記集光手段に用いられるアキシコンレンズであって、
該アキシコンレンズは、出射側の円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なり、レンズ中心を通る光軸となす角度が徐々に大きくなる斜面を有し、該斜面を通過した光が結ぶ焦点を光軸方向に複数個持つことを特徴とするアキシコンレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、搬送ラインにて搬送される加工対象物（ワーク）の表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するレーザ加工装置において、搬送ライン上における加工位置よりも上流側に配置した距離センサ等でワーク表面までの距離を測定し、その測定結果に基づきレーザ光の焦点を該表面に合わせて加工するものがある（例えば特許文献１）。このようなレーザ加工装置では、特にワーク表面が凹凸形状をなす場合等に、レーザ光の焦点がワーク表面からずれて所望のマーキングがなされないといった加工ミスの発生を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００７−１１１７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記のようなレーザ加工装置では、距離センサにてワークまでの距離を測定し、その後、レーザ光の焦点をワークの表面に合わす動作を行うため、その焦点位置調整に要する時間が長くなってしまうという不具合が生じていた。近年のレーザ加工装置において、レーザ光の２次元走査の高速化が可能であるが、焦点位置調整に時間がかかるために、それに合わせて２次元の走査速度を遅くしなくてはならない。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、加工速度の高速化を図ることができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段からのレーザ光を加工対象物上に照射して加工を行なうレーザ加工装置において、前記集光手段には少なくともアキシコンレンズを備え、前記アキシコンレンズは、円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なる角度の斜面を有するものである。
【０００６】
この発明では、レーザ光源からの光を集光するアキシコンレンズを備え、そのアキシコンレンズを円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なる角度の斜面を有するものとすることにより、加工対象物に照射されるレーザ光の焦点深度が深くなる。これにより、無調整での加工可能な範囲が広がり、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記アキシコンレンズを自由曲線でレンズを構成している。この発明では、前記アキシコンレンズを自由曲線でレンズを構成することにより、無限枚のアキシコンレンズを使用した場合と等価となり、焦点深度が深く連続した焦点を得ることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記アキシコンレンズは、前記レーザ光の光軸方向に沿って配列された複数枚のレンズ部材から構成され、各レンズ部材は、それぞれ１つの角度の斜面を有するものである。この発明では、複数枚のレンズ部材を配列することで構成されており、容易に作製することができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載のレーザ加工装置において、前記アキシコンレンズを通過した光を平行光に変換する変換レンズを備え、前記アキシコンレンズと前記変換レンズとの距離を可変可能とした。この発明では、アキシコンレンズと変換レンズとの間の距離を可変させ、変換レンズから出射される平行光のビーム径を調整することで、加工面での焦点深度を調整することができる。尚、平行光は、ビーム径が一定のレーザ光、ビーム径が光軸方向に沿って徐々に大きくなる又は小さくなるレーザ光を含む。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光を前記加工対象物に対して走査するように、前記アキシコンレンズを通過した光の方向を換える走査手段と、前記走査手段からの平行光を加工対象物に照射するｆθレンズと、を備えた。この発明では、走査手段にて平行光の方向を換えることにより、ｆθレンズで加工対象物に照射されるレーザ光の走査の精度を良くすることができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段からのレーザ光を加工対象物上に照射して加工を行なうレーザ加工装置の前記集光手段に用いられるアキシコンレンズであって、該アキシコンレンズは、出射側の円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なり、レンズ中心を通る光軸となす角度が徐々に大きくなる斜面を有し、該斜面を通過した光が結ぶ焦点を光軸方向に複数個有するものである。
【００１２】
この発明では、レーザ光源からの光を集光するアキシコンレンズは、円錐の斜面部分が少なくとも２つ以上の異なる角度の斜面を有するものであり、加工対象物に照射されるレーザ光の焦点深度が深くなる。これにより、無調整での加工可能な範囲が広がり、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
従って、上記記載の発明によれば、加工速度の高速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
図１に概略構成を示す本実施形態のレーザ加工装置１０は、制御手段を構成する制御回路１１の制御に基づいて、搬送ラインにて搬送されるワーク（加工対象物）Ｗの表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するものである。
【００１５】
レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光を出射するレーザ光源１２を備えている。レーザ光源１２は、例えばチタンサファイヤレーザ発振器からなり、フェムト秒領域の超短パルス幅のフェムト秒レーザ光（以下、レーザ光）を発振するものである。レーザ光源１２は制御回路１１にてその発振が制御される。
【００１６】
レーザ光源１２の後段には、アキシコンレンズ１３が配置されている。アキシコンレンズ１３のレンズ面は、自由曲線にて構成されている。詳しくは、アキシコンレンズ１３は、光軸を通る断面における出射側の線が自由曲線である。このように構成されたアキシコンレンズ１３は、単一の円錐面を有するアキシコンレンズに比べて、レーザ光源から出射されたレーザ光の焦点深度を深く変更する。
【００１７】
アキシコンレンズ１３の後段には変換レンズとしての非球面レンズ１４が配置されている。この非球面レンズ１４は、アキシコンレンズ１３を通過したレーザ光を、平行光に変換する。尚、本実施形態において、平行光は、ビーム径が一定のレーザ光、ビーム径が光軸方向に沿って徐々に大きくなる又は小さくなるレーザ光を含む。
【００１８】
非球面レンズ１４の後段にはガルバノミラー１５が配置されている。このガルバノミラー１５は、非球面レンズ１４にて変換された平行光を反射してその照射方向を可変するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー１５は、制御回路１１の制御に基づく駆動装置１６の駆動により角度制御され、マーキングする文字や記号、図形等の座標データに基づいて２次元でレーザ光を走査する。
【００１９】
ガルバノミラー１５の後段に配置された収束レンズ（ｆθレンズ）１７は、ガルバノミラー１５にて反射された平行光をワークＷの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、マーキング加工に適したエネルギー密度まで高める。
【００２０】
以下に、アキシコンレンズ１３について説明する。
アキシコンレンズ１３は、焦点深度を深くするために円錐状のレンズ形状を有している。本実施形態のアキシコンレンズ１３のレンズ面（出射側の面）は、スプライン曲線（自由曲線）で構成されている。このように構成されたアキシコンレンズ１３は、単一の円錐面を持つアキシコンレンズを複数枚組み合わせた場合と等価の機能を有している。このアキシコンレンズ１３の形状を図２に従って説明する。
【００２１】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、レンズ部材２１ａ〜２１ｃは、それぞれ単一の角度のレンズ面を有するとともに、レンズ面の角度が異なるように形成されている。尚、レンズ部材２１ａ，２１ｂは、円錐台状に形成され、その斜面であるレンズ面は円錐面となっている。そして、レンズ部材２１ａの円錐面に比べてレンズ部材２１ｂの円錐面の角度が小さく、レンズ部材２１ｂの円錐面に比べてレンズ部材２１ｃの円錐面の角度が小さくなっている。尚、円錐面の角度は、光軸（図において左右方向に延びる一点鎖線）が直交する面と円錐面とが成す角度をいう。
【００２２】
上記のように形成されたレンズ部材２１ａ〜２１ｃは、それぞれ光軸方向に延びた焦点が形成されるとともに、各焦点位置が光軸方向にそれぞれ異なる。そして、各レンズ部材２１ａ〜２１ｃは、各焦点におけるエネルギー強度が等しくなるとともに、それぞれの焦点が光軸方向に連続するように形成されている。つまり、図３（ｄ）に示すように、レンズ部材２１ａ〜２１ｃを光軸方向に配置させることにより、単一の円錐面を持つアキシコンレンズに比べて、光軸方向に長い焦点が得られる。
【００２３】
そして、上記のレンズ部材２１ａ〜２１ｃを組み合わせると、３つの円錐面をもつアキシコンレンズが得られるが、焦点をより連続的にするために、本願実施形態では、図３（ｅ）に示すように、無限枚のアキシコンレンズを使用した場合と等価のスプライン曲線（自由曲線）でレンズ面を構成したアキシコンレンズ１３を採用する。このことにより、無限枚のアキシコンレンズを使用した場合と等価になり、焦点深度を深く変更することが可能になる。また、図２（ａ）に示すように、アキシコンレンズ１３に入射される平行光のスポットの強度分布は、ガウシアン分布になるが、図２（ｂ）に示すように、アキシコンレンズ１３にて集光し、非球面レンズにて変換した平行光は中心付近の強度が高くなる。
【００２４】
上記のように構成されたアキシコンレンズ１３で集光されたレーザ光を、非球面レンズ１４にて平行光に変換し、非球面レンズ１４にて変換された平行光をｆθレンズ１７にてワークＷに照射する。ｆθレンズ１７は、ガルバノミラー１５にて方向が換えられた光を、ｆθレンズ１７の中心を通る光の軸と平行となるように変換する。更に、ｆθレンズ１７により集光されたレーザ光は、自由曲線のアキシコンレンズで集光されたレーザ光と同様に、焦点深度が深くなる。
【００２５】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）アキシコンレンズ１３は、レンズ面が自由曲線にて構成されたレンズである。このアキシコンレンズ１３の焦点は、無限枚のアキシコンレンズの焦点を合成した場合と同等のため、自由曲線のアキシコンレンズ１３により集光したレーザ光は、焦点深度が深くなる。このため、ワークＷに照射されるレーザ光の焦点深度も深くなる。これにより、無調整での加工可能な範囲が広がり、距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。
【００２６】
（２）ｆθレンズ１７に平行光を入射することにより、ガルバノミラー１５による加工箇所への走査が平行光で行なわれるために、走査の精度を良くすることができる。
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
【００２７】
・上記実施形態において、アキシコンレンズ１３と非球面レンズ１４の距離を可変可能としてもよい。非球面レンズ１４から出射される平行光のビーム径は、アキシコンレンズ１３と非球面レンズ１４の距離に対応する。そして、ｆθレンズ１７により集光される光の焦点の光軸方向の長さは、ビーム径に対応する。従って、上記の距離を調整することで、加工面での焦点深度を調整することができる。
【００２８】
・上記実施形態において、レーザ光源１２内、又はレーザ光源１２とアキシコンレンズ１３との間にビームエキスパンダを配置してアキシコンレンズ１３に入射されるレーザ光のビーム径を変更するようにしてもよい。
【００２９】
・上記実施形態では、フェムト秒領域の超短パルス幅のフェムト秒レーザ光を出射するレーザ光源１２を用いたが、よりパルス幅の広いレーザ光を出射するレーザ光源、又はＣＷ発振のレーザ光源を用いても良い。
【００３０】
・上記実施形態では、アキシコンレンズ１３に替えて、図３（ｄ）に示すレンズ部材２１ａ〜２１ｃのように複数のレンズ部材を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図。
【図２】（ａ）（ｂ）は平行光の中心強度を示す斜視図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）はアキシコンレンズを説明するための概略図。
【符号の説明】
【００３２】
Ｌ…光軸、Ｗ…ワーク、１０…レーザ加工装置、１１…制御手段を構成する制御回路、１２…レーザ光源、１３…アキシコンレンズ、１４…変換レンズとしての非球面レンズ、１５…ガルバノミラー、１６…駆動装置、１７…ｆθレンズ、２１ａ〜２１ｃ…レンズ部材。
【図１】
2009082958.tif 000003
【図２】
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【図３】
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