特許 6972670 レーザ加工装置

(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】6972670

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/067 20060101AFI20211111BHJP

   B23K 26/342 20140101ALI20211111BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20211111BHJP

   B23K 26/04 20140101ALI20211111BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20211111BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/067

   B23K26/342

   B23K26/064 Z

   B23K26/04

   B23K26/21 Z

   B23K26/34

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-110167(P2017-110167)

(22)【出願日】2017年6月2日

(65)【公開番号】特開2018-202450(P2018-202450A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2020年4月22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】米村 正寿

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 和男

(72)【発明者】

【氏名】加藤 覚

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１３２００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１２９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２８５６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３１９０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０５９２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０１５６３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／０６７

Ｂ２３Ｋ ２６／３４２

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｂ２３Ｋ ２６／０４

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／３４

(57)【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、
前記レーザ光を複数の経路に分岐させるビームスプリッタと、
前記複数の経路に分岐されたレーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された前記レーザ光の集光部に金属材料を供給する材料供給部と、
を含み、
前記ビームスプリッタは、前記レーザ光を２つの経路に分岐させ、
前記２つの経路に分岐されたレーザ光の一方が、前記集光部において前記金属材料の周面の一方の側に照射され、前記２つの経路に分岐されたレーザ光の他方が、前記集光部において前記金属材料の周面の他方の側に照射される
レーザ加工装置。

【請求項2】

レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を複数の経路に分岐させるビームスプリッタと、
前記複数の経路に分岐されたレーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された前記レーザ光の集光部に金属材料を供給する材料供給部と、
を含み、
前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々は、当該レーザ光の光軸と前記金属材料との交点である照射中心においてＰ偏光成分及びＳ偏光成分の双方を含む
レーザ加工装置。

【請求項3】

レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を複数の経路に分岐させるビームスプリッタと、
前記複数の経路に分岐されたレーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された前記レーザ光の集光部に金属材料を供給する材料供給部と、
を含み、
前記ビームスプリッタは、前記レーザ光を２つの経路に分岐させ、
前記材料供給部は、前記２つの経路の間に配置され且つ前記２つの経路に沿って伸びる配管を有し、
前記金属材料が前記配管の内部を通って前記集光部に供給される
レーザ加工装置。

【請求項4】

前記ビームスプリッタは、前記レーザ光を２つの経路に分岐させ、
前記２つの経路に分岐されたレーザ光の一方が、前記集光部において前記金属材料の周面の一方の側に照射され、前記２つの経路に分岐されたレーザ光の他方が、前記集光部において前記金属材料の周面の他方の側に照射される
請求項２又は請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記ビームスプリッタは、入射する光を偏光方向が互いに直交関係にある２つのレーザ光に分離する偏光ビームスプリッタである
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記２つの経路上にそれぞれ設けられた１／２波長板を更に含む
請求項５に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々の光軸と、前記金属材料の供給方向と直交する線分とのなす角であるレーザ照射角が６０°以上９０°未満である
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々のビーム径は、前記金属材料の供給方向と交差する断面の直径と同等である
請求項１から請求項７のいずれか１項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、レーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工装置に関する技術として、例えば、以下の技術が知られている。例えば、特許文献１には、中央部に孔が形成されたリング状の集光レンズ光学系にレーザ光を導くと共に集光レンズ光学系の中央部の孔に溶接ワイヤを送給することにより、集光レンズ光学系によりレーザ光を集光させて溶接ワイヤを溶融するレーザ加工ヘッドが記載されている。

【0003】

特許文献２には、レーザビームを、ビームの進行に伴って中空部分の径が縮小する環状ビームに変形するビーム変形手段と、環状ビームがその中空部分の径の縮小によって光強度を中心に有する中詰まりビームに変化しつつあるところのビーム内に粉末金属を供給する粉末金属供給手段と、を備えた溶接装置が記載されている。

【0004】

特許文献３には、レーザ光を放射するレーザ発光部と、レーザ発光部が放射したレーザ光をビーム断面が円環状のリングレーザ光に変換するリングレーザ形成手段と、リングレーザ形成手段によって形成された該リングレーザ光の偏光状態をラジアル偏光に変換するラジアル偏光器と、ラジアル偏光器によってラジアル偏光された該リングレーザ光をウェーハの内部に集光させる集光レンズと、リングレーザ光がウェーハに入射する入射角を変更する入射角変更手段と、を備えた、レーザ加工装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平０９−２１６０８３号公報

【特許文献2】特開２００３−２６６１８９号公報

【特許文献3】特開２０１５−２１３９５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載のレーザ加工ヘッドにおいては、レーザ光源から出射されたレーザ光は、反射鏡に到達する前に、その一部がレンズホルダーによって遮られている。また、反射鏡と加工対象物との間の経路上においても、レーザ光の中心は、レンズホルダーに接している。このような構成では、レーザ光のエネルギー損失が大きくなり、加工に必要なエネルギーを得るためには、高出力のレーザ光源が必要となる。

【0007】

本発明は、レーザ光のエネルギー損失を小さくすると共に、加工対象物である金属材料におけるレーザ光の吸収率を従来よりも向上させることが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】

【0008】

本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を複数の経路に分岐させるビームスプリッタと、前記複数の経路に分岐されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記レンズによって集光された前記レーザ光の集光部に金属材料を供給する材料供給部と、を含む。

【0009】

前記ビームスプリッタは、前記レーザ光を２つの経路に分岐させるものであってもよい。この場合、前記２つの経路に分岐されたレーザ光の一方が、前記集光部において前記金属材料の周面の一方の側に照射され、前記２つの経路に分岐されたレーザ光の他方が、前記集光部において前記金属材料の周面の他方の側に照射されてもよい。

【0010】

前記ビームスプリッタは、入射する光を偏光方向が互いに直交関係にある２つのレーザ光に分離する偏光ビームスプリッタであってもよい。

【0011】

レーザ加工装置は、前記２つの経路上にそれぞれ設けられた１／２波長板を更に含んでいてもよい。

【0012】

前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々は、当該レーザ光の光軸と前記金属材料との交点である照射中心においてＰ偏光成分及びＳ偏光成分の双方を含んでいることが好ましい。

【0013】

前記材料供給部は、前記２つの経路の間に配置され且つ前記２つの経路に沿って伸びる配管を有し、前記金属材料が前記配管の内部を通って前記集光部に供給されてもよい。

【0014】

前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々の光軸と、前記金属材料の供給方向と直交する線分とのなす角であるレーザ照射角が６０°以上９０°未満であることが好ましい。

【0015】

前記複数の経路に分岐されたレーザ光の各々のビーム径は、前記金属材料の供給方向と交差する断面の直径と同等であることが好ましい。

【0016】

本発明に係る他のレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の光軸と交差する断面の形状を円環状に成形する成形部と、前記成形部により円環状に成形されたレーザ光の偏光状態をラジアル偏光とするラジアル偏光子と、偏光の状態がラジアル偏光とされた円環状のレーザ光を集光する集光レンズと、前記レンズによって集光された前記レーザ光の集光部に金属材料を供給する材料供給部と、を含む。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るレーザ加工装置によれば、レーザ光のエネルギー損失を小さくすると共に、加工対象物である金属材料におけるレーザ光の吸収率を従来よりも向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

【図1B】図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置によるレーザ加工の態様の一例を示す図である。

【図3A】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置によって加工される金属材料のレーザ照射部を拡大して示す図である。

【図3B】図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。

【図4A】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置によって加工される金属材料のレーザ照射部を拡大して示す図である。

【図4B】図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図である。

【図5A】アルミニウムにおける、Ｐ偏光及びＳ偏光に対する吸収率と、入射角との関係を示すグラフである。

【図5B】銅における、Ｐ偏光及びＳ偏光に対する吸収率と、入射角との関係を示すグラフである。

【図6A】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

【図6B】図６Ａにおける６Ｂ−６Ｂ線に沿った断面図である。

【図7A】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置によって加工される金属材料のレーザ照射部を拡大して示す図である。

【図7B】図７Ａにおける７Ｂ−７Ｂ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

【0020】

［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示す図である。レーザ加工装置１０は、レーザ光源１１、偏光ビームスプリッタ１２、全反射ミラー１３、１／２波長板１４、１５、集光レンズ１６及び材料供給部２０を含んで構成されている。

【0021】

レーザ光源１１は、ランダム偏光のレーザ光Ｌを出射する。偏光ビームスプリッタ１２は、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌの光軸上に配置されている。偏光ビームスプリッタ１２は、ランダム偏光であるレーザ光Ｌを、偏光方向が互いに直交関係にある２つの直線偏光に分離する。偏光ビームスプリッタ１２は、第１の偏光方向を持つレーザ光Ｌ１を反射させ、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を持つレーザ光Ｌ２を透過させる。

【0022】

全反射ミラー１３は、偏光ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光Ｌ２の光軸上に配置されている。全反射ミラー１３の反射面はレーザ光Ｌ２の光軸に対して傾いており、反射面に照射されたレーザ光Ｌ２の進行方向は９０°折り曲げられ、レーザ光Ｌ１と平行とされる。

【0023】

１／２波長板１４は、レーザ光Ｌ１の進行経路上に配置され、１／２波長板１５は、レーザ光Ｌ２の進行経路上に配置されている。１／２波長板１４、１５は、それぞれ、レーザ光Ｌ１及びＬ２の偏光方向を調整するために用いられる。１／２波長板１４及び１５の光学軸をレーザ光Ｌ１及びＬ２に対して回転させることで、レーザ光Ｌ１及びＬ２の偏光方向を回転させることが可能である。

【0024】

集光レンズ１６は、レーザ光Ｌ１及びＬ２の進行経路上に配置されている。集光レンズ１６は、レーザ光Ｌ１及びＬ２を集光する。

【0025】

材料供給部２０は、レーザ加工装置１０における加工対象である金属材料３０をレーザ光Ｌ１及びＬ２が集光する集光部に供給する。金属材料３０は、例えば粒径が１００μｍ程度の金属粉末であってもよいし、金属線であってもよい。金属材料３０の材質は、特に限定されないが、一例として、レーザによる加工が容易な銅及びアルミニウムなどが挙げられる。材料供給部２０は、レーザ光Ｌ１及びＬ２の進行経路に沿って伸びる配管２１を有しており、金属材料３０は、配管２１の内部を通って配管２１の先端から下方に向けて吐出され、集光部に供給される。配管２１は、集光レンズ１６の中央部に設けられた貫通孔に挿入されており、配管２１の先端は、集光部の直近に配置されている。

【0026】

図１Ｂは、図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。図１Ｂに示すように、配管２１は、レーザ光Ｌ１とＬ２の中間に配置されている。偏光ビームスプリッタ１２から全反射ミラー１３に向けて進行するレーザ光Ｌ２が、配管２１によって遮られることがないように、配管２１は、レーザ光Ｌ２と交差する部分において紙面垂直方向にわずかに屈曲している。

【0027】

レーザ光Ｌ１は、集光部において、金属材料３０の周面の一方の側（図中左側）に照射される。一方、レーザ光Ｌ２は、集光部において、金属材料３０の周面の他方の側（図中右側）に照射される。

【0028】

レーザ光Ｌ１及びＬ２は、それぞれ、当該レーザ光の光軸と金属材料３０との交点である照射中心Ｃ（図３Ｂ参照）において、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の双方を含むように偏光方向が調整されている。Ｐ偏光は、入射面と平行方向に振動する光波であり、Ｓ偏光は、Ｐ偏光と直交する方向に振動する光波である。レーザ光Ｌ１及びＬ２の偏光方向の調整は、それぞれ、１／２波長板１４及び１５によって行うことが可能である。

【0029】

レーザ光Ｌ１及びＬ２のビーム径Ｄ１（図１Ｂ参照）は、金属材料３０の供給方向（配管２１の伸びる方向）Ａ１と直交する断面における直径Ｄ２（図１Ｂ参照）と同等であることが好ましい。より具体的には、ビーム径Ｄ１と金属材料３０の直径Ｄ２の差が、Ｄ２に対して例えば±２０％程度であることが好ましい。ビーム径Ｄ１と金属材料３０の直径Ｄ２とを同等とすることで、損失を抑えつつ金属材料３０の加工を適切に行うことが可能となる。ビーム径Ｄ１が金属材料３０の直径Ｄ２に対して小さい場合には、レーザ光源１１の後段にビームエキスパンダを挿入し、ビーム径を拡大してもよい。金属材料３０が例えば金属線である場合、金属線の線径がＤ２に相当する。金属材料３０が例えば金属粉末である場合、配管２１から線状に吐出される金属粉末の集合体の直径がＤ２に相当する。

【0030】

また、レーザ光Ｌ１及びＬ２の金属材料３０に対する照射角θは、６０°以上９０°未満であることが好ましく、より好ましくは６０°以上８７°以下である。ここで、照射角θは、レーザ光Ｌ１またはＬ２の光軸と、金属材料３０の供給方向Ａ１と直交する線分Ｘとのなす角である。照射角θは、例えば、集光レンズ１６の焦点距離を長くする、または、レーザ光Ｌ１とＬ２との間隔を狭くすることにより大きくすることができる。例えば、集光レンズ１６の焦点距離を４０ｍｍ、レーザ光Ｌ１とＬ２との間隔を４０ｍｍにすれば、照射角θを６０°とすることができる。

【0031】

以下に、レーザ加工装置１０の作用について説明する。レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２に入射する。偏光ビームスプリッタ１２に入射したランダム偏光であるレーザ光Ｌは、偏光方向が互いに直交している２つの直線偏光に分離される。第１の偏光方向を持つレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１２によって反射され、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を持つレーザ光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１２を透過する。

【0032】

偏光ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光Ｌ２は、全反射ミラー１３によって反射され、進行方向が９０°折り曲げられ、レーザ光Ｌ１と平行となる。レーザ光Ｌ１及びＬ２は、それぞれ、１／２波長板１４及び１５によって偏光方向が調整された後、集光レンズ１６によって集光される。

【0033】

材料供給部２０の配管２１から吐出された金属材料３０は、レーザ光Ｌ１及びＬ２の集光部に供給される。レーザ光Ｌ１及びＬ２は、それぞれ、金属材料３０に対する照射角θが６０°以上９０°未満の範囲で金属材料３０に照射される。金属材料３０は、レーザ光Ｌ１及びＬ２を吸収することで、加熱され、溶融する。

【0034】

図２は、レーザ加工装置１０によるレーザ加工の態様の一例を示す図である。レーザ加工装置１０は、図２に示すように、レーザ照射により溶融した金属材料３０を基板５０上に堆積するいわゆる肉盛加工に用いることができる。また、レーザ加工装置１０は、肉盛加工以外にも、金属材料３０による三次元造形に用いることも可能である。

【0035】

図３Ａは、金属材料３０におけるレーザ光Ｌ１の照射部を拡大して示す図、図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、図面の煩雑さを回避するため、レーザ光Ｌ２の図示を省略している。ここでは、レーザ光Ｌ１の、紙面に対して平行な偏光成分のみを考慮する。この場合、レーザ光Ｌ１の光軸と金属材料３０との交点である照射中心Ｃにおいて、レーザ光Ｌ１は、金属材料３０に対してＰ偏光として照射される。また、照射中心Ｃにおいて、レーザ光Ｌ１の金属材料３０に対する入射角は、照射角θ（６０°以上９０°未満）に一致する。一方、金属材料３０の照射中心Ｃからみて側面となる箇所Ｅにおいて、レーザ光Ｌ１は、金属材料３０に対してＳ偏光として照射される。また、箇所Ｅにおいて、レーザ光Ｌ１の金属材料３０に対する入射角は約９０°となる。金属材料３０の照射中心Ｃと箇所Ｅとの間の領域においては、箇所Ｅに近づくにつれてＰ偏光成分が減少し、Ｓ偏光成分が増加するとともに、レーザ光Ｌ１の入射角が９０°に向けて単調に増加する。なお、入射角は、金属材料３０の当該箇所における法線と、レーザ光の光軸とのなす角であり、照射角θとは異なる概念である。

【0036】

ここで、図５Ａは、アルミニウムにおける、Ｐ偏光及びＳ偏光に対する吸収率と、入射角との関係を示すグラフである。図５Ｂは、銅における、Ｐ偏光及びＳ偏光に対する吸収率と、入射角との関係を示すグラフである。図５Ａ及び５Ｂに示すように、アルミニウム及び銅の双方において、Ｐ偏光に対する吸収率は、Ｓ偏光に対する吸収率よりも高い。また、Ｐ偏光の入射角が６０°以上８７°以下の領域で、吸収率が相対的に高くなる。

【0037】

図３Ａ及び図３Ｂに示す状況では、照射中心ＣにおいてＰ偏光が入射角６０°以上９０°未満となる条件でレーザ光Ｌ１が金属材料３０に照射されるので、照射中心Ｃにおいてレーザ光Ｌ１の吸収率は高くなり、金属材料３０の加熱が促進される。金属材料３０の照射中心Ｃからみて側面となる箇所Ｅに近づくにつれてＰ偏光成分が減少し、Ｓ偏光成分が増加するので、レーザ光Ｌ１の吸収率は徐々に小さくなる。

【0038】

図４Ａは、図３Ａと同様、金属材料３０におけるレーザ光Ｌ１の照射部を拡大して示す図、図４Ｂは、図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図である。図４Ａ及び図４Ｂでは、図面の煩雑さを回避するため、レーザ光Ｌ２の図示を省略している。ここでは、レーザ光Ｌ１の、紙面に対して垂直な偏光成分のみを考慮する。この場合、レーザ光Ｌ１の光軸と金属材料３０との交点である照射中心Ｃにおいて、レーザ光Ｌ１は、金属材料３０に対してＳ偏光として照射される。また、照射中心Ｃにおいて、レーザ光Ｌ１の金属材料３０に対する入射角は、照射角θ（６０°以上９０°未満）に一致する。一方、金属材料３０の照射中心Ｃからみて側面となる箇所Ｅにおいて、レーザ光Ｌ１は、金属材料３０に対してＰ偏光として照射される。箇所Ｅにおいて、レーザ光Ｌ１の金属材料３０に対する入射角は約９０°となる。金属材料３０の照射中心Ｃと箇所Ｅとの間の領域においては、箇所Ｅに近づくにつれてＳ偏光成分が減少し、Ｐ偏光成分が増加するとともに、レーザ光Ｌ１の入射角が９０°に向けて単調に増加する。

【0039】

図４Ａ及び４Ｂに示す状況では、照射中心ＣにおいてＳ偏光が金属材料３０に照射されるので、照射中心Ｃにおける吸収率は小さくなる。しかしながら、金属材料３０の照射中心Ｃからみて側面となる箇所Ｅに近づくにつれてＳ偏光成分が減少し、Ｐ偏光成分が増加するとともに、レーザ光Ｌ１の入射角が９０°に向けて単調増加するので、箇所Ｅの近傍においてレーザ光Ｌ１の吸収率は大きくなる。

【0040】

このように、レーザ光Ｌ１が、金属材料３０の照射中心ＣにおいてＰ偏光成分及びＳ偏光成分の双方を含むことにより、照射中心Ｃから箇所Ｅに亘る領域、すなわち、レーザ光Ｌ１がカバーする全領域において、レーザ光Ｌ１の効率的な吸収が起こる。レーザ光Ｌ２についても同様である。従って、レーザ光Ｌ２を、レーザ光Ｌ１の照射側とは反対側から金属材料３０に照射することで、金属材料３０の周面の全域において効率的な吸収が起こり、金属材料３０を効率的に加熱することができる。

【0041】

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０によれば、材料供給部２０の配管２１が、レーザ光Ｌ１及びＬ２の進行経路の間に配置され、且つレーザ光Ｌ１及びＬ２の進行経路に沿って伸びているので、配管２１によってレーザ光Ｌ１及びＬ２が遮られることがない。従って、レーザ光Ｌ１及びＬ２における損失を小さくすることができる。

【0042】

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０によれば、レーザ光Ｌ１及びＬ２の偏光方向を、それぞれ、各経路に配置された１／２波長板１４及び１５によって調整することができる。これにより、金属材料３０の照射中心ＣにおけるＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合を調整することが可能となり、金属材料３０の周面における加熱量の分布を調整することが可能となる。

【0043】

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０によれば、簡便な構成でありながら、レーザ光のエネルギー損失を小さくすることができ、金属材料３０におけるレーザ光の吸収率を従来よりも向上させることが可能となる。

【0044】

［第２の実施形態］
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置１０Ａの構成を示す図である。レーザ加工装置１０Ａは、レーザ光源１１、円錐レンズ１７Ａ、１７Ｂ、ラジアル偏光子１８、全反射ミラー１９、集光レンズ１６及び材料供給部２０を含んで構成されている。

【0045】

レーザ光源１１は、ランダム偏光のレーザ光Ｌを出射する。円錐レンズ１７Ａ及び１７Ｂは、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌの光軸上に配置されている。円錐レンズ１７Ａ及び１７Ｂは、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌの、光軸と直交する断面の形状を円環状に成形する。なお、円錐レンズ１７Ａ及び１７Ｂは、本発明における成形部の一例である。

【0046】

ラジアル偏光子１８は、円環状に成形されたレーザ光Ｌの進行経路上に配置されている。ラジアル偏光子１８は、円環状に成形されたレーザ光Ｌの偏光の状態をラジアル偏光とする。すなわち、ラジアル偏光子１８は、円環状に成形されたレーザ光Ｌの偏光方向を、当該円環に対応する円の半径方向とする。ラジアル偏光子１８は、例えば、入射した光を直線偏光として出力する直線偏光子と、光学軸の向きが互いに異なる複数の１／２波長板とを組み合わせた光学素子などによって実現できる。

【0047】

全反射ミラー１９は、ラジアル偏光子１８を透過したレーザ光Ｌの進行経路上に配置されている。全反射ミラー１９の反射面はレーザ光Ｌの進行方向に対して傾いており、反射面に照射されたレーザ光Ｌの進行方向は９０°折り曲げられる。

【0048】

集光レンズ１６は、全反射ミラー１９により反射されたレーザ光Ｌの進行経路上に配置されている。集光レンズ１６は、偏光の状態がラジアル偏光とされた円環状のレーザ光Ｌを集光する。

【0049】

材料供給部２０は、レーザ加工装置１０Ａにおける加工対象である金属材料３０を、レーザ光Ｌが集光する集光部に供給する。材料供給部２０は、円環状に成形されたレーザ光Ｌの進行経路に沿って伸びる配管２１を有しており、金属材料３０は、配管２１の内部を通って配管２１の先端から下方に向けて吐出され、集光部に供給される。配管２１は、全反射ミラー１９及び集光レンズ１６の中央部に設けられた貫通孔に挿入されており、配管２１の先端は、集光部の直近に配置されている。

【0050】

図６Ｂは、図６Ａにおける６Ｂ−６Ｂ線に沿った断面図である。図６Ｂに示すように、配管２１は、円環状に成形されたレーザ光Ｌの中央に配置されている。

【0051】

円環状に成形されたレーザ光Ｌの金属材料に対する照射角θは、６０°以上９０°未満であることが好ましく、より好ましくは６０°以上８７°以下である。

【0052】

以下に、レーザ加工装置１０Ａの作用について説明する。レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌは、円錐レンズ１７Ａ及び１７Ｂによって円環状に成形される。円環状に成形されたレーザ光Ｌは、ラジアル偏光子１８によってラジアル偏光とされる。偏光の状態がラジアル偏光とされた円環状のレーザ光Ｌは、全反射ミラー１９によって進行方向が９０°折り曲げられた後、集光レンズ１６によって集光される。

【0053】

材料供給部２０の配管２１から吐出された金属材料３０は、レーザ光Ｌの集光部に供給される。レーザ光Ｌは、金属材料３０に対する照射角θが６０°以上９０°未満の範囲で金属材料３０に照射される。金属材料３０は、レーザ光Ｌを吸収することで、加熱され、溶融する。

【0054】

図７Ａは、金属材料３０におけるレーザ光Ｌの照射部を拡大して示す図、図７Ｂは、図７Ａにおける７Ｂ−７Ｂ線に沿った断面図である。円環状に成形されたレーザ光Ｌの集光部に金属材料３０を供給することで、金属材料３０の周方向の全領域においてレーザ光Ｌの入射角を、照射角θ（６０°以上９０°未満）に一致させることができる。また、円環状のレーザ光Ｌの偏光の状態をラジアル偏光とすることで、レーザ光Ｌは、金属材料３０の周方向の全領域においてＰ偏光として照射される。従って、金属材料３０の周方向の全領域においてレーザ光の効率的な吸収が起こり、金属材料３０の加熱が促進される。

【0055】

このように、本実形態に係るレーザ加工装置１０Ａによれば、金属材料３０におけるレーザ光Ｌの吸収率を極めて高くすることができる。従って、少ないエネルギーで金属材料３０の加工が可能となる。また、円環状のビームを用いることで、金属材料３０を全周に亘って均一に加熱することができるので、金属材料３０の加工品質を向上させることができる。

【0056】

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０Ａによれば、円環状のレーザ光Ｌの一部が、全反射ミラー１９に入射する手前で配管２１によって遮られるが、配管２１によって遮断されるのはレーザ光Ｌのごく一部であるので、損失に与える影響を小さい。なお、配管２１によるレーザ光Ｌの部分的な遮断を回避するために、材料供給部２０を、全反射ミラー１９よりも下方に配置してもよい。

【符号の説明】

【0057】

１０、１０Ａ レーザ加工装置
１１ 光源
１２ 偏光ビームスプリッタ
１３ 全反射ミラー
１４、１５ １／２波長板
１６ 集光レンズ
２０ 材料供給部
２１ 配管
３０ 金属材料
１７Ａ、１７Ｂ 円錐レンズ
１８ ラジアル偏光子
１９ 全反射ミラー

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】