特許 6551275 レーザ加工装置、三次元造形装置、及びレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6551275

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置、三次元造形装置、及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/073 20060101AFI20190722BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20190722BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20190722BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20190722BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20190722BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/073

   B23K26/21 Z

   B23K26/34

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y30/00

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-56211(P2016-56211)

(22)【出願日】2016年3月18日

(65)【公開番号】特開2017-170454(P2017-170454A)

(43)【公開日】2017年9月28日

【審査請求日】2017年6月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 和男

(72)【発明者】

【氏名】加藤 覚

(72)【発明者】

【氏名】市川 正

(72)【発明者】

【氏名】米村 正寿

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−２９９８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０９−５０４０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１２９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２３７４０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−０６７１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９９１１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ３３Ｙ ３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源の各々の光束を集光して被加工物に複数の集光点を形成すると共に、前記複数の集光点の各々の少なくとも一部が重なるように集光する集光部と、を備え、
レーザ加工を行うに際し、２つの前記集光点が重なった領域におけるヘテロダイン干渉によってキャリア成分光と包絡成分光とを発生させ、前記キャリア成分光で吸収特性を制御し前記包絡成分光で加工特性を制御する
レーザ加工装置。

【請求項2】

前記複数のレーザ光源の各々は互いに直交する直線偏光とされ、
前記集光部は、前記複数のレーザ光源の各々の光束を合波する偏光プリズム、および前記偏光プリズムからの光束を円偏光に変換する１／４波長板を含む
請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記集光部は、前記複数のレーザ光源の各々の光束を合波するダイクロイックミラーを含む
請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記複数のレーザ光源の各々のレーザ光は波長が同じであると共に前記複数の集光点の大きさが互いに異なり、一の集光点の内部に他の集光点が包含されている
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記複数のレーザ光源の各々が１つのレーザ光源から分岐されたものである
請求項４に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記複数のレーザ光源の各々のレーザ光は互いに波長が異なると共に前記複数の集光点の大きさが互いに異なり、一の集光点の内部に他の集光点が包含されている
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記複数のレーザ光源は、互いに波長の異なる２つのレーザ光源である
請求項１〜請求項３、及び請求項６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記集光部は、複数の前記光束の各々を集光させる光学系を含む
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

積層物を形成する積層加工を行うための部材を供給する部材供給部を備えた積層加工部と、
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置と、を備え、
前記積層加工部は、前記部材供給部及び前記光束と、前記積層物と、を相対的に移動させつつ前記部材供給部から前記積層物上に前記部材を供給し、供給された前記部材に前記光束を照射して積層加工を行う
三次元造形装置。

【請求項10】

複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源の各々の光束を集光して被加工物に複数の集光点を形成する集光部と、を備えたレーザ加工装置による加工方法であって、
前記集光部により、前記複数の集光点の各々の少なくとも一部が重なるように集光すると共に、２つの前記集光点が重なった領域におけるヘテロダイン干渉によってキャリア成分光と包絡成分光とを発生させ、前記キャリア成分光で吸収特性を制御し前記包絡成分光で加工特性を制御する
レーザ加工方法。

【請求項11】

前記複数のレーザ光源は、互いに波長の異なる２つのレーザ光源である
請求項１０に記載のレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置、三次元造形装置、及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工装置においては、加工特性の向上、とりわけエネルギー効率を高める検討が種々行われている状況下、複数のビームスポット、あるいは複数の波長を用いたレーザ加工装置の検討も行われている。そのような検討の一例として、例えば、非特許文献１に開示されたものが知られている。非特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、レーザ光源のビームを空間的に分割することにより、入熱分布を制御して加工特性の向上を図っている。すなわち、１つのビームに対して、焦点位置の異なる光学系（集光レンズ）を用いて、入熱を制御し、切断、溶接等の加工を行っている。なお、「入熱」とは、加工に際し、外部から加工点及びその近傍に付与される熱量をいう。

【0003】

また、エネルギー効率の向上が検討されたレーザ加工装置の他の例として、非特許文献２に開示されたものが知られている。非特許文献２に開示されたレーザ加工装置は複数の波長の光源を用いたものであり、半導体レーザからの光と、ＹＡＧレーザからの光とを１本のマルチモードファイバで同じ集光点に照射している。非特許文献２に開示されたレーザ加工装置では、半導体レーザ単独の光の波長が、Ａｌ（アルミニウム）材に対して吸収効率が良いことを利用している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】J.Xie, Welding Journal 223-S, 2002

【非特許文献2】K.Miura et al., JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol.6(3), 225-230, 2011

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、複数のビームスポット、あるいは複数の波長を用いたレーザ加工装置では、複数のビームスポットの間の、あるは複数の波長の間の相乗効果を利用することが加工特性の向上において重要な技術となると考えられる。

【0006】

この点、非特許文献１に開示されたレーザ加工装置のように単一波長のレーザビームを分割することで実現した光学系では、単に複数のビームスポットが存在するだけで、複数のビームスポットの相乗効果は期待できない。つまり、非特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、集光点において同じ波長の２つのビームが重なっているだけであるから、例えば干渉によるヘテロダイン効果のような現象は発生しない。従って、ビーム重畳による吸収特性の向上は期待できない。

【0007】

また、非特許文献２に開示されたレーザ加工装置では異なるレーザ光源からのレーザ光を用いているものの、マルチモードファイバを伝搬させた後ではヘテロダイン効果のような相互作用は発生しない。また、同じ出射端から得られた複数のレーザビームを同じレンズで集光する場合、集光点での入熱プロファイルを制御することは困難である。レーザ加工装置の加工特性は、一般にレーザ光の波長（つまり、単独の吸収特性）と被加工物の吸収特性で決まり、その際の入熱分布は、主として照射プロファイルで決定される。

【0008】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、被加工物への入熱プロファイルをより精度よく制御することを可能とすると共に、エネルギー効率のより高い加工を実現するレーザ加工装置、三次元造形装置、及びレーザ加工方法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】

【0009】

上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ加工装置は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源の各々の光束を集光して被加工物に複数の集光点を形成すると共に、前記複数の集光点の各々の少なくとも一部が重なるように集光する集光部と、を備え、 レーザ加工を行うに際し、２つの前記集光点が重なった領域におけるヘテロダイン干渉によってキャリア成分光と包絡成分光とを発生させ、前記キャリア成分光で吸収特性を制御し前記包絡成分光で加工特性を制御するものである。

【0010】

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数のレーザ光源の各々は互いに直交する直線偏光とされ、前記集光部は、前記複数のレーザ光源の各々の光束を合波する偏光プリズム、および前記偏光プリズムからの光束を円偏光に変換する１／４波長板を含むものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記集光部は、前記複数のレーザ光源の各々の光束を合波するダイクロイックミラーを含むものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記複数のレーザ光源の各々のレーザ光は波長が同じであると共に前記複数の集光点の大きさが互いに異なり、一の集光点の内部に他の集光点が包含されているものである。

【0011】

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記複数のレーザ光源の各々が１つのレーザ光源から分岐されたものである。

【0013】

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記複数のレーザ光源の各々のレーザ光は互いに波長が異ると共に前記複数の集光点の大きさが互いに異なり、一の集光点の内部に他の集光点が包含されているものである。

【0014】

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項３、及び請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記複数のレーザ光源は、互いに波長の異なる２つのレーザ光源であるものである。

【0015】

また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記集光部は、複数の前記光束の各々を集光させる光学系を含むものである。

【0016】

上記目的を達成するために、請求項９に記載の三次元造形装置は、積層物を形成する積層加工を行うための部材を供給する部材供給部を備えた積層加工部と、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置と、を備え、前記積層加工部は、前記部材供給部及び前記光束と、前記積層物と、を相対的に移動させつつ前記部材供給部から前記積層物上に前記部材を供給し、供給された前記部材に前記光束を照射して積層加工を行うものである。

【0017】

上記目的を達成するために、請求項１０に記載のレーザ加工方法は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源の各々の光束を集光して被加工物に複数の集光点を形成する集光部と、を備えたレーザ加工装置による加工方法であって、前記集光部により、前記複数の集光点の各々の少なくとも一部が重なるように集光すると共に、２つの前記集光点が重なった領域におけるヘテロダイン干渉によってキャリア成分光と包絡成分光とを発生させ、前記キャリア成分光で吸収特性を制御し前記包絡成分光で加工特性を制御するものである。

【0018】

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記複数のレーザ光源は、互いに波長の異なる２つのレーザ光源であるものである。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、被加工物への入熱プロファイルをより精度よく制御することを可能とすると共に、エネルギー効率のより高い加工を実現するレーザ加工装置、三次元造形装置、及びレーザ加工方法を提供することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例、及びレーザ加工装置のビームスポットの一例を示す図である。

【図2】実施の形態に係るレーザ加工装置の原理を説明する図である。

【図3】第２の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

【図4】第３の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

【図5】第４の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

【図6】第５の実施の形態に係る３Ｄプリンタの構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

【0022】

［第１の実施の形態］
図１及び図２を参照して本実施の形態に係るレーザ加工装置１０について説明する。図１（ａ）に示すように、レーザ加工装置１０は、光学系１２、レーザ光源１４、及びレーザ光源１６を備えている。なお、本発明では、複数の波長の光源を用いることができるが、本実施の形態では２つの波長を用いた形態を例示して説明する。

【0023】

レーザ光源１４及びレーザ光源１６は、加工に際しての熱を供給する熱源であり、本実施の形態では、固体レーザ、ファイバレーザ等、特に限定されることなく用いることができる。本実施の形態では、レーザ光源１４の波長はλ１であり、レーザ光源１６の波長はλ２であり、両波長は異なるものとされている（λ１≠λ２）。波長λ１、λ２としては、例えば１．００μｍ帯の波長とすることができる。また、レーザ光源１４及び１６はＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）を基本とするが、パルス光であってもよい。さらに、本実施の形態に係るレーザ光源１４及び１６のレーザ光の偏光状態は直線偏光としている。ただし、これに限られず加工効率等を勘案して、円偏光としてもよいし、一方レーザ光源を円偏光とし、他方のレーザ光源を直線偏光としてもよい。

【0024】

光学系１２は、レーザ光源１４から出射した光、及びレーザ光源１６から出射した光の各々を独立して集光させる部位である。図１（ａ）に示すように、光学系１２は、レーザ光源１４から出射した光束Ｌ１を集光するレンズ１８及びレンズ２０、レーザ光源１６から出射した光束Ｌ２を集光するレンズ２２及びレンズ２４を含んで構成されている。

【0025】

図１（ａ）に示すように、レーザ光源１４から出射した光束Ｌ１、及びレーザ光源１６から出射した光束Ｌ２の各々は、光学系１２で集光された後、被加工物Ｗの表面に集光され、加工点Ｐ（被加工物Ｗに対する加工が施される領域）に各レーザビームのスポット（集光点）が重畳されたスポットであるスポットＳを形成する。なお、被加工物Ｗへの重畳スポットＳの形成位置は、必ずしも被加工物Ｗの表面に限られず、被加工物Ｗの材質等に応じて、被加工物Ｗの内部に形成してもよい。

【0026】

図１（ｂ）に重畳スポットＳの拡大図を示す。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る重畳スポットＳは、レーザ光源１４（光束Ｌ１）によるスポットＳ１と、レーザ光源１６（光束Ｌ２）によるスポットＳ２が重畳されて形成されている。重畳スポットＳにおいては、スポットＳ１とＳ２とが重畳された領域のエネルギー密度は、重畳されていない領域のエネルギー密度よりも高い。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態では、スポットＳ２がスポットＳ１を包含するようにして重畳スポットＳが形成される形態としているが、スポットＳ１とスポットＳ２との重畳形態はこれに限られない。また、本実施の形態では、スポットＳ、Ｓ１、Ｓ２の形状について円形状を例示して説明するが、これに限られず、加工内容等に応じて直線状、矩形形状等適切な形状を選択してよいし、各々のスポットの形状が異なっていてもよい。なお、スポットＳ１とスポットＳ２との重畳形態の詳細については後述する。

【0027】

図１（ｃ）に示すように、重畳スポットＳにおいて、スポットＳ１とスポットＳ２とが重畳している領域（図１（ｃ）では、スポットＳ１の領域）を「重畳領域ＯＡ」、スポットＳ１とスポットＳ２とが重畳していない領域（図１（ｃ）では、スポットＳ２のみの領域）を「非重畳領域ＮＡ」ということにする。また、スポットＳ１の集光径（スポットサイズ）Ｒ１、及びスポットＳ２の集光径（スポットサイズ）Ｒ２を図１（ｃ）に示すように定義する。本実施の形態に係る集光径は、一例として、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝１００μｍである。

【0028】

ところで、金属などの被加工物の切断加工や溶接加工では、一般に被加工物の表面におけるレーザ光の反射率が高いため、レーザ光源からのエネルギーを有効に使うことが難しい。一方、レーザ光の照射によって被加工物の表面の一部が溶融し始めることで、レーザ光の吸収効率を高めることが出来る。

【0029】

そこで、本実施の形態では、２つのスポットＳ１、Ｓ２を重畳させた重畳スポットＳを加工点Ｐに集光させ、まず、集光性の高い（エネルギー密度の高い）重畳領域ＯＡにおいて僅かな溶融を発生させる。このことにより、１つのレーザビームを集光させ、集光されたレーザビームで被加工物Ｗの表面を溶融し、その同じビームプロファイルでそのまま切断加工、溶接加工をするよりも加工特性が向上する。しかも、非重畳領域ＮＡによって、本来の切断加工や溶接加工を実現するのに適したビームプロファイルを独立して制御することができるので、エネルギー効率の高い加工を行うことが可能となる。

【0030】

さらに、本実施の形態では、２つの異なる波長のレーザ光のスポットが重畳された領域である重畳領域ＯＡにおいて、２つのレーザ光の干渉によるヘテロダイン干渉を発生させ、このヘテロダイン干渉をレーザ加工に利用している。

【0031】

すなわち、２つのレーザビームを用いた本実施の形態では、波長λ1、λ2（換言すれば、光周波数ω１、ω２）のレーザビームを重畳させることによりヘテロダイン干渉を発生させる。そして、周波数（ω１＋ω２）／２で表現されるキャリア成分と、（ω１−ω２）／２で表現される包絡成分との重畳ビームを生成させる。加工条件に応じた周波数ω１、ω２を選択することにより、キャリア成分の周波数（ω１＋ω２）／２を、あたかも被加工物Ｗの吸収特性に影響のある第三の波長λ３として作用させ、包絡成分の周波数（ω１−ω２）／２により加工特性を制御する。このことにより、エネルギー効率が向上された新たな波長が導入されたに等しいレーザ加工を実現することができる。つまり、重畳領域ＯＡの吸収特性は、上記キャリア周波数と被加工物の吸収特性から決まり、キャリア周波数を適切に選択することによって、重畳領域ＯＡにおける吸収特性を高めることができる。また、必要に応じ、キャリア周波数を、あえて重畳領域ＯＡで反射率が高くなるように設定することも可能である。この際、波長λ１とλ２の組み合わせは、被加工物Ｗの吸収波長特性を勘案することにより、適切に選択することができる。

【0032】

図２を参照して、本実施の形態に係るヘテロダイン効果、すなわち、キャリア成分及び包絡成分の発生について、より詳細に説明する。２つの波長の異なるレーザ光の電界分布を、以下に示す（式１）及び（式２）で表現する。

【0033】

（式１）及び（式２）示される電界分布を有する２つのレーザ光を、被加工物の表面で合波、干渉させたときの電磁界は、（式１）と（式２）とを乗算することにより、以下に示す（式３）で表される。ただし、（式３）を求めるに際しては、議論を単純化するためにＥ_０＝Ｅ_１＝Ｅ_２とした。

【0034】

（式３）より、周波数ωｃ＝（ω１＋ω２）／２で表現されるキャリア成分による電界分布と、周波数ωｅ＝（ω１−ω２）／２で表現される包絡成分による電界成分とが発生することがわかる。図２（ａ）は、上記キャリア成分Ｃａｒ、及び包絡成分Ｅｎｖを、横軸に時間、縦軸に電界Ｅをとって図示したものである。レーザ加工装置１０の加工に用いる周波数（加工周波数）をωｃとした場合、図２（ａ）から、加工周波数ωｃが包絡成分の周波数ωｅで高速に強度変調されているともいえる。つまり、重畳領域ＯＡでは、材料に対する反射率特性あるいは吸収特性は周波数ωｃのレーザ光の特性と同様であり、しかもこの周波数ωｃのレーザ光が、周波数ωｅで強度変調されているかのように振る舞う。

【0035】

一方、ヘテロダイン効果が発現している際の、包絡成分の光強度｜Ｅ（ｔ）｜^２は以下に示す（式４）で表される。

（式４）を図示すると、図２（ｂ）のようになる。図２（ｂ）は、上記から、加工周波数ωｃに対する強度変調成分を図示するものである。

【0036】

図２（ｃ）に、２つの異なる波長のレーザ光源であるレーザ光源１４及びレーザ光源１６からのレーザ光により発生する干渉信号の、振幅の大きさ（変調度、あるいは明領度）を示す。２つのレーザ光源からのレーザ光のパワーを各々Ｐ１、Ｐ２とし、パワー比ｋをｋ＝Ｐ１／Ｐ２で定義する。図２（ｃ）は、横軸にパワー比ｋをとり、パワー比ｋの変化に対する変調度ｍの変化を図示したものである。図２（ｃ）では、例えばｋ＝１の場合、つまり２つのレーザ光源からのレーザ光のパワーが等しい場合、図２（ｂ）に示す振幅２|Ｅ１|・｜Ｅ２｜が０と最大値の間で変化する状態となることを意味している。

【0037】

ここで、レーザ光源１４及びレーザ光源１６からのレーザ光の偏光（偏波）について説明する。本実施の形態に係るレーザ加工装置１０では、レーザ光源１４からのレーザ光と、レーザ光源１６からのレーザ光との干渉現象を用いているため、偏光（偏波）面を一致させる必要がある。なお、本実施の形態において、「偏光を一致させる」とは完全に一致させる場合のみならず、所定の干渉性の低下を許容して一致させる場合を含む。

【0038】

本実施の形態に係るレーザ光源１４及びレーザ光源１６からのレーザ光の偏光は、双方とも直線偏光であることが望ましく、直線偏光同士の干渉によって生じる光ビームの特性を用いるのが最も効率がよい。しかしながら、直線偏光と円偏光（あるいはランダム偏光、無偏光）とによる干渉、あるいは、円偏光同士の干渉を用いることもできる。光ファイバを用いて伝送したレーザ光を用いることもできるが、干渉効果を期待するためには、シングルモード光ファイバを伝播したレーザ光、あるいは、高次モードが伝搬可能な光ファイバ中を伝搬した低次モードのレーザ光を用いることが望ましい。なお、「ランダム偏光」とは、直線偏光の偏光方向が不定期に変化する偏光であり、「無偏光」とは、直線偏光の偏光方向が、３６０°の範囲で均等に混ざっている偏光である。

【0039】

次に、レーザ光源１４からのレーザ光によるスポットＳ１、及びレーザ光源１６からのレーザ光によるスポットＳ２の重畳形態について説明する。上述したように、本実施の形態では、スポットＳ１とスポットＳ２とが少なくとも一部で重なっていること、すなわち重畳していることを前提としているが、この重畳にはさまざまな形態が考えられる。スポットが２つの場合は、図１（ｂ）に示すように、一方のスポットに他方のスポットが完全に包含される形態が望ましい。しかしながら、これに限られず、スポットＳ１の位置が図１（ｂ）に示す位置からずれ、一部がスポットＳ２の外部にはみ出した形態でも、例えば干渉の効率低下の許容範囲等を設けて使用することができる。逆に、スポットＳ１とＳ２とがまったく重ならず、独立に存在している場合には干渉効果は期待できない。

【0040】

なお、本発明では、３台以上のレーザ光源を用いることも可能なので、スポットの数も３つ以上の場合がある。３つ以上のスポット、例えば３台のレーザ光源を用いて３つのスポットＳ３、Ｓ４、Ｓ５を用いる場合には、一例として、スポットＳ５にスポットＳ３及びＳ４が内包された形態が考えられる。この場合、さらに、スポットＳ５の内部で、スポットＳ３とＳ４とがまったく重ならない形態、スポットＳ３がスポットＳ４に内包される形態等が考えられる。また、スポットＳ３及びＳ４の少なくとも一方の一部がスポットＳ５の外部にはみ出した形態も考えられる。３つ以上のスポットを用いることによって、入熱プロファイルをより精密に制御することが可能となる。

【0041】

次に、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０の加工性能について、従来技術に係るレーザ加工装置の加工性能と比較した事例について説明する。本事例は、両レーザ加工装置によって金属板を切断し、その加工の良好性を比較した事例である。
＜比較例＞
単一のレーザ光源を用いる従来技術に係るレーザ加工装置において、９００Ｗのレーザ光源のレーザ光を、集光径（直径）３００μｍに絞ったスポット用いて、板厚１．５ｍｍの軟鋼材を切断した。その結果、良好な品質で切断できていることがわかった。切断シロとしてカフ幅（溶融金属を吹き飛ばすために必要な幅）を制御する必要があり、最適幅は３００μｍであった。
＜本実施の形態＞
図１に示す本実施の形態に係る光学系を適用し、パワー３００Ｗのレーザ光源１４のレーザ光を集光径１５０μｍに絞ったスポットＳ１と、パワー３００Ｗのレーザ光源１６のレーザ光を集光径３００μｍに絞ったスポットＳ２とを重畳したレーザビームを用いて、板厚１．５ｍｍの軟鋼材を切断した。その結果、比較例と同等な品質で切断できることがわかった。
つまり、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０によって、エネルギー効率が約３３％（（１−３００Ｗ×２／９００Ｗ）×１００）向上したことがわかる。

【0042】

以上詳述したように、本実施の形態に係るレーザ加工装置、及びレーザ加工方法によれば、上記のように波長（換言すれば、光周波数）の異なる複数のレーザ光源からの出射光を、図１（ｂ）に示すように加工点で重畳して重畳スポットＳを形成することにより、エネルギー効率の良いレーザ加工装置、レーザ加工方法を実現している。また、ビームの重なり分布を制御することで、被加工物への入熱（エネルギー密度）を制御することができるレーザ加工装置、レーザ加工方法を実現している。つまり、複数のビーム（波長や集光特性が異なる）の集光点におけるビームプロファイル（重畳スポットＳの形状）を制御し、その重畳によるレーザ光の干渉効果を用いることで、入熱特性と、被加工物の吸収特性を独立に制御することができ、エネルギー効率の高い切断や溶接加工を実現している。

【0043】

［第２の実施の形態］
図３を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置３０について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態における光学系を変えた形態である。

【0044】

図３に示すように、レーザ加工装置３０は、レーザ光源３４、レーザ光源３６、及び光学系３２を備えている。レーザ光源３４の波長はλ１であり、レーザ光源３６の波長はλ２（≠λ１）である。

【0045】

本実施の形態に係る光学系３２は、レンズ３８、４０、４２を含んで構成され、レンズ３８はレーザ光源３４からの光束Ｌ１を集光し、レンズ４０はレーザ光源３６からの光束Ｌ２を集光する。レンズ３８で集光された光束Ｌ１及びレンズ４０で集光された光束Ｌ２の各々は、さらにレンズ４２で集光され、その結果被加工物Ｗの加工点Ｐに重畳スポットＳ（図１（ｂ）参照）が形成される。

【0046】

本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、上記実施の形態と比較して、レンズの一部を共用化することによりレンズの枚数を減らせるので、光学系をより簡易に構成できる。

【0047】

［第３の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置５０について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態における光学系を変えた形態である。

【0048】

図４に示すように、レーザ加工装置５０は、波長λ１のレーザ光源、及び波長λ２のレーザ光源（以上、図示省略）、及び光学系５２を備えている。

【0049】

本実施の形態に係る光学系５２は、ミラー５４、５６、及びレンズ５８を含んで構成されている。波長λ１のレーザ光源からの光束Ｌ１はミラー５４で略直角に反射されてレンズ５８に向かい、被加工物Ｗの加工点Ｐに集光される。波長λ２のレーザ光源からの光束Ｌ２はミラー５６で略直角に反射されてレンズ５８に向かい、被加工物Ｗの加工点Ｐに集光される。その結果、加工点に重畳スポットＳが形成される。

【0050】

本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、上記実施の形態と比較して、光学系にミラーを採用することによりレンズの枚数がさらに減らされるので、光学系をより簡易に構成できる。

【0051】

［第４の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態における光学系を変えた形態である。図５は（ａ）は、本実施の形態に係るレーザ加工装置７０を、図５（ｂ）は、レーザ加工装置７０の変形例であるレーザ加工装置９０を示している。

【0052】

図５（ａ）に示すように、レーザ加工装置７０は、レーザ光源７４、レーザ光源７６、及び光学系７２を備えている。レーザ光源７４の波長はλ１であり、レーザ光源７６の波長はλ２（≠λ１）である。レーザ光源７４のレーザ光、及びレーザ光源７６のレーザ光はいずれも直線偏光であり、偏波方向が互いに直交している。

【0053】

本実施の形態に係る光学系７２は、偏光プリズム７８、１／４波長板８０、及びレンズ８２、８４、８６を備えている。偏光プリズム７８は、偏波方向が直交する２つの直線偏光の光を合波する光学素子であり、レーザ光源７４からのレーザ光（光束Ｌ１）とレーザ光源７６からのレーザ光（光束Ｌ２）とを合波し、１／４波長板８０に向けて透過する。
１／４波長板８０は、入射された直線偏光を円偏光に変換する素子であり、偏光プリズム７８で合波された、レーザ光源７４からのレーザ光とレーザ光源７６からのレーザ光とを円偏光に変換し、被加工物Ｗの加工点Ｐに重畳スポットＳを形成する。

【0054】

本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、特に、互いに直交した直線偏光とされ、互いに近接した波長である波長λ１及び波長λ２の各々の波長を有する光による上述のヘテロダイン干渉を利用する場合に、１／４波長板を用いることによって当該ヘテロダイン干渉を安定化させることができるという効果がある。また、本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、加工点Ｐにおけるレーザ光が円偏光であるので、例えば、金属を切断する場合の加工光の偏光依存性を低減することができる。

【0055】

図５（ｂ）に示すように、レーザ加工装置９０は、レーザ光源９３、レーザ光源９４、及び光学系９２を備えている。レーザ光源９３の波長はλ１、レーザ光源９４の波長はλ２であり、各レーザ光源のレーザ光の偏光状態は円偏光とされている。

【0056】

本実施の形態に係る光学系９２は、ダイクロイックミラー９５、及びレンズ９６、９７、９８を含んで構成されている。ダイクロイックミラー９５は、波長が異なる２つのレーザ光に対し、一方を反射させ、一方を透過させることによって合波する光学素子であり、図５（ｂ）では、レーザ光源９３からの光束Ｌ１を反射させ、レーザ光源９４からの光束Ｌ２を透過させて合波している。合波された光束Ｌ１及び光束Ｌ２はレンズ９８により集光され、被加工物Ｗの加工点Ｐに重畳スポットＳを形成する。

【0057】

本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、特に、波長λ１と波長λ２として所定の波長間隔を有する波長の組み合わせ（例えば、１μｍ帯の赤外領域の波長と可視域の波長との組み合わせ等）を適用する場合に、本実施の形態に係るダイクロイックミラーを用いることによって１／４波長板を用いる必要がなくなるので、光学系をより簡素化することができるという効果がある。また、本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、ダイクロイックミラーが偏光プリズムに比べて安価であり、１／４波長板を用いる必要もないので、より安価なレーザ加工装置が実現される。

【0058】

［第５の実施の形態］
図６を参照して、上記実施の形態に係るレーザ加工装置を用いた、本実施の形態に係る３Ｄプリンタ（三次元造形装置）について説明する。３Ｄプリンタとは、３Ｄ ＣＡＤデータ、あるいは３Ｄ ＣＧデータを元に立体（３次元のオブジェクト）を造形する機器であり、造形方法としては例えば積層造形法が用いられる。３Ｄプリンタでは精密な積層物を形成するために、微小な集光径のレーザスポット、つまり溶融スポットが要求される場合がある。上記実施の形態に係るレーザ加工装置は、この３Ｄプリンタで要求されるような微小な溶融スポットを実現するのにも好適である。

【0059】

すなわち、本実施の形態に係るレーザ加工装置では、被加工物Ｗの加工点Ｐにおいて、重畳スポットＳの重畳領域ＯＡにより最も強く吸収させて溶融させる領域と、非重畳領域ＮＡにより全体で投入する熱量を調整する領域とを独立に制御することで、微細な溶融スポットによる積層物生成が実現される。

【0060】

図６（ａ）に示すように、本実施の形態に係る３Ｄプリンタは、加工光生成部１００、及び金属粉末供給機構２００を備えている。加工光生成部１００は上述したレーザ加工装置と同様の機能を有する部位であり、複数の波長（図６（ａ）では２波長の場合を例示している）のレーザ光を出力するレーザ光源１０２、及びレンズ１０４を備えている。

【0061】

レーザ光源１０２から出力された波長λ１の光束Ｌ１と波長λ２の光束Ｌ２はレンズ１０４で集光され、積層造形を形成する加工点Ｐに重畳スポットＳを形成する。

【0062】

金属粉末供給機構２００は、ノズル２０２、及び図示を省略する金属粉末源及びその搬送部、搬送ガス及びその搬送部、遮蔽ガス及びその搬送部を含んで構成されている。なお、紛体は金属に限られず、セラミックス、樹脂などを用いてもよい。

【0063】

図６（ａ）に示すように、ノズル２０２は、積層部材としての金属粉末を、搬送ガス（例えば窒素ガス）と共に粉末混合ガスＰＧとして供給するための金属粉末・搬送ガス流路２０４と、積層加工に際して、加工点Ｐを外部から遮断するための遮蔽ガスＳＧ（例えば窒素ガス）を供給する遮蔽ガス流路２０６を備えている。図６（ｂ）示すように、ノズル２０２は、先端方向から見ると、金属粉末・搬送ガス流路２０４と遮蔽ガス流路２０６とが、同心円状に配置された構成となっている。そして、加工光生成部１００では、光束Ｌ１、Ｌ２を加工点に照射しつつノズル２０２から金属粉末を噴射させて積層加工を行う。
その際、積層加工を行っている加工点Ｐを遮蔽ガスＳＧでシールドし、加工点Ｐの周辺が、搬送ガスの雰囲気に維持されるようにしている。

【0064】

積層加工を行う場合には、図６（ａ）に示すように、ノズル２０２から粉末混合ガスＰＧを噴出し、粉末混合ガスＰＧに含まれる金属粉末に、レーザ光源１０２からの光束Ｌ１、Ｌ２を照射する。加工点ＰにおいてスポットＳのエネルギーを受け、熱せられた金属粉末が溶融、固化して金属の積層部が形成される。

【0065】

なお、上記実施の形態では、レーザ加工装置における複数のレーザ光源の波長が互いに異なる形態を例示して説明したが、これに限られず、複数のレーザ光源の波長を同じ波長としてもよい。この場合ヘテロダイン干渉は発生しないが、重畳スポットＳを用いることによる効果、すなわち、所定のエネルギー密度を有する重畳領域ＯＡにより加工点を溶融させた後、それより低いエネルギー密度の非重畳領域ＮＡのエネルギーを吸収させることによって加工特性を制御し、エネルギーの効率化を図るという効果を奏することができる。

【0066】

また、上記各実施の形態では、複数のレーザ光源を用いて重畳スポットＳを形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば１つのレーザ光源からのレーザ光を分岐して重畳スポットＳを形成する形態としてもよい。この場合は、例えば、該１つのレーザ光源からのレーザ光をビームスプリッタ等で複数のレーザ光に分岐し、分岐された複数のレーザ光により上述した特性（エネルギー密度、包含関係等）を満たすようにして、重畳スポットＳを形成すればよい。このような構成によれば、レーザ光源の数を削減できるので、より簡便な構成のレーザ加工装置によって、本発明に係る重畳スポットＳの効果を奏することができる。

【符号の説明】

【0067】

１０ レーザ加工装置
１２ 光学系
１４、１６ レーザ光源
１８、２０、２２、２４ レンズ
３０ レーザ加工装置
３２ 光学系
３４、３６ レーザ光源
３８、４０、４２ レンズ
５０ レーザ加工装置
５２ 光学系
５４、５６ ミラー
５８ レンズ
７０ レーザ加工装置
７２ 光学系
７４、７６ レーザ光源
７８ 偏光プリズム
８０ １／４波長板
８２、８４、８６ レンズ
９０ レーザ加工装置
９２ 光学系
９３、９４ レーザ光源
９５ ダイクロイックミラー
９６、９７、９８ レンズ
１００ 加工光生成部
１０２ レーザ光源
１０４ レンズ
２００ 金属粉末供給機構
２０２ ノズル
２０４ 金属粉末・搬送ガス流路
２０６ 遮蔽ガス流路
Ｃａｒ キャリア成分
Ｅｎｖ 包絡成分
Ｌ１、Ｌ２ 光束
ＰＧ 粉末混合ガス
ＳＧ 遮蔽ガス
Ｐ 加工点
Ｒ１、Ｒ２ 集光径
Ｓ 重畳スポット
Ｓ１〜Ｓ５ スポット
ＯＡ 重畳領域
ＮＡ 非重畳領域
Ｗ 被加工物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】