特許 7510989 レーザ加工機

(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】

(24)【登録日】2024-06-26

(45)【発行日】2024-07-04

(54)【発明の名称】レーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/073 20060101AFI20240627BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

B23K26/073

B23K26/064 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022183272

(22)【出願日】2022-11-16

(65)【公開番号】P2024072449

(43)【公開日】2024-05-28

【審査請求日】2023-10-16

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】三浦 栄朗

(72)【発明者】

【氏名】片桐 健

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５１５３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４２３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２６５１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記レーザビームの光軸上に配置され、前記レーザビームをワークに照射するための光学系と、を備え、
前記光学系は、
前記レーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記レーザビームを集束させて、前記ワーク上にビームスポットを形成する集束レンズと、
前記レーザビームのビームプロファイルを変換するビーム形成素子と、
前記ビーム形成素子を移動させる移動機構と、を含み、
前記ビーム形成素子は、
前記レーザビームが入射する入射面と、
前記レーザビームを出射させる出射面と、
前記入射面及び前記出射面のうち一方の対象面に設けられ、前記光軸又は前記光軸と平行な軸を中心軸とする円錐状に形成された複数の円錐部と、を有し、
前記入射面及び前記出射面は、それぞれ前記光軸に対して直交する平面部で構成されており、
前記複数の円錐部は、前記平面部が隙間として残るように近接して配置され、
前記対象面に分布する前記複数の円錐部は、前記対象面の面内方向の１つである基準方向にかけて、前記平面部に対する円錐状の斜面の角が相違し、
前記移動機構は、前記ビーム形成素子を前記基準方向に沿って移動させることにより、前記平面部における前記複数の円錐部の形成範囲のなかで、前記レーザビームの入射範囲を移動させる
レーザ加工機。

【請求項2】

レーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記レーザビームの光軸上に配置され、前記レーザビームをワークに照射するための光学系と、を備え、
前記光学系は、
前記レーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記レーザビームを集束させて、前記ワーク上にビームスポットを形成する集束レンズと、
前記レーザビームのビームプロファイルを変換するビーム形成素子と、
前記ビーム形成素子を移動させる移動機構と、を含み、
前記ビーム形成素子は、
前記レーザビームが入射する入射面と、
前記レーザビームを出射させる出射面と、
前記入射面及び前記出射面のうち一方の対象面に設けられ、前記光軸又は前記光軸と平行な軸を中心軸とする円錐状に形成された複数の円錐部と、を有し、
前記入射面及び前記出射面は、それぞれ前記光軸に対して直交する平面部で構成されており、
前記複数の円錐部は、前記平面部が隙間として残るように近接して配置され、
前記対象面に分布する前記複数の円錐部は、前記対象面の面内方向の１つである基準方向にかけて、前記円錐部の面積に対する前記平面部の面積の割合が異なり、
前記移動機構は、前記ビーム形成素子を前記基準方向に沿って移動させることにより、前記平面部における前記複数の円錐部の形成範囲のなかで、前記レーザビームの入射範囲を移動させる
レーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工では、板金などのワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルが加工品質に大きく影響する。加工の状況に応じて、適切なビームプロファイルを用いることが重要となる。例えば板厚が厚いワークを切断加工する場合、ビーム径の大きなレーザビームを照射する必要があり、レーザビーム周縁の強度が加工品質に影響する。リング型のビームプロファイルは、中央部の強度が弱く、周辺部の強度が強いビームプロファルであるため、板厚が厚いワークの切断加工においても切断品質の向上を図ることができる。

【0003】

例えば特許文献１、２には、リング型のビームプロファイルを得るための技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－０２８４２８号公報

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３１１０５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１、２に開示される手法は、リング型のビームプロファイルを得るために複数の光学部品が必要となる。このため、光学系全体での光学部品の数が多くなり、光効率及びコストの面で不利となる。

【0006】

一般に、１～２μｍレベルの微細な凹凸又は縞模様を素子表面に形成した回折光学素子が知られている。回折光学素子は、光の回折を利用して光線を制御するものであり、素子表面のパターン設計により、リング型を含む任意の形状のビームプロファイルを形成することができる。しかしながら、回折光学素子は、高次回折光による光のロスが大きく、光効率が低下するというデメリットがある。特にノイズ光のうち、二次回折光はビームスポット周辺にゴーストとして現れるため、レーザ加工においては加工品質に大きく影響する。

【0007】

また、ファセットレンズと呼ばれる、レンズが規則的に配列されたレンズアレイは、通常レンズと同じく光の屈折を利用した光学素子である。このファセットレンズは、中央部が平坦状となるトップハット型のビームプロファイルを得ることができるが、リング型のビームプロファイルを得ることはできない。

【0008】

このように、従来より、光学部品の点数を増やすことなく、高い光効率でリング型のビームプロファイルを実現したいという要求があった。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様のレーザ加工機は、レーザビームを出力するレーザ発振器と、レーザ発振器から出力されたレーザビームの光軸上に配置され、レーザビームをワークに照射するための光学系と、を備え、光学系は、レーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、レーザビームを集束させて、ワーク上にビームスポットを形成する集束レンズと、レーザビームのビームプロファイルを変換するビーム形成素子と、を含み、ビーム形成素子は、レーザビームが入射する入射面と、レーザビームを出射させる出射面と、入射面及び出射面のうち一方の対象面に設けられ、光軸又は光軸と平行な軸を中心軸とする円錐状に形成された複数の円錐部と、を有する。

【0010】

このレーザ加工機によれば、複数の円錐部が設けられたビーム形成素子により、環状のリング成分を含むビームプロファイルを得ることができる。従来の光学系にビーム形成素子を追加するだけでよいので、光学部品の点数の増加を抑制することができる。また、ビーム形成素子は、光の回折を利用することなく、屈折を利用するものであるので、光効率が低下するというデメリットも抑制される。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、光効率及びコストの面で有利な構成で、リング型のビームプロファイルを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の全体構成を示す図である。

【図2A】図２Ａは、ビーム形成素子の構成を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、ビーム形成素子の入射面側の構成を示す説明図である。

【図3】図３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すビーム形成素子の断面図である。

【図4】図４は、レーザビームにおける代表的なビーム軌跡を示す説明図である。

【図5】図５は、レーザビームのビームプロファイルを示す図である。

【図6】図６は、出射面に円錐部が形成されたビーム形成素子を示す断面図である。

【図7】図７は、第２の実施形態に係るビーム形成素子の構成を示す断面図である。

【図8】図８は、第３の実施形態に係るビーム形成素子の構成を示す図である。

【図9】図９は、ビーム形成素子の変形例を示す図である。

【図10】図１０は、ビーム形成素子の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照し、本実施形態に係るレーザ加工機について説明する。

【0014】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の全体構成を示す図である。図２Ａは、ビーム形成素子の構成を示す斜視図である。本実施形態に係るレーザ加工機１は、レーザビームＬＢを出力するレーザ発振器２と、レーザ発振器２から出力されたレーザビームＬＢの光軸ＯＡ上に配置され、レーザビームＬＢをワークＷに照射するためのレーザ加工光学系と、を備え、レーザ加工光学系は、レーザビームＬＢをコリメート光に変換するコリメートレンズ５と、レーザビームＬＢを集束させて、ワークＷ上にビームスポットを形成する集束レンズ６と、レーザビームＬＢのビームプロファイルを変換するビーム形成素子７と、を含む。ビーム形成素子７は、レーザビームＬＢが入射する入射面７０と、レーザビームＬＢを出射させる出射面７５と、入射面７０及び出射面７５のうち一方の対象面に設けられ、光軸ＯＡ又は光軸ＯＡと平行な軸を中心軸とする円錐状に形成された複数の円錐部７２と、を有する。

【0015】

以下、図１を参照し、レーザ加工機１の詳細な構成を説明する。レーザ加工機１は、板金などのワークＷに対してレーザビームＬＢを照射することで、ワークＷに対して切断などの加工を行う加工機である。レーザ加工機１は、レーザ発振器２、加工ヘッド４、及び制御装置９を主体に構成されている。

【0016】

レーザ発振器２は、レーザビームＬＢを生成し、生成したレーザビームＬＢを射出する。レーザ発振器２より射出されたレーザビームＬＢは、プロセスファイバ３を介して、加工ヘッド４へと伝送される。

【0017】

レーザ発振器２は、例えばファイバレーザ発振器であるが、これに限らない。ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームＬＢを射出する。

【0018】

加工ヘッド４は、ワークＷに対してレーザビームＬＢを照射して、ワークＷに対してレーザ加工を行う。加工ヘッド４は、レーザビームＬＢをワークＷに照射するためのレーザ加工光学系を備えている。

【0019】

レーザ加工光学系は、レーザビームＬＢの光軸ＯＡ上に配置されており、コリメートレンズ５と、集束レンズ６と、ビーム形成素子７と、を含んでいる。本実施形態においては、ビーム形成素子７、コリメートレンズ５、集束レンズ６の順番で、これらの光学素子が、レーザビームＬＢの進行方向にかけて配置されている。

【0020】

プロセスファイバ３の射出端より射出されるレーザビームＬＢは発散光である。プロセスファイバ３より射出されるレーザビームＬＢのビームプロファイルは、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなるガウシアン型である。

【0021】

プロセスファイバ３の射出端より射出されるレーザビームＬＢは、後述するビーム形成素子７に入射する。ビーム形成素子７から射出されるレーザビームＬＢは、コリメートレンズ５に入射する。コリメートレンズ５は、入射した発散光のレーザビームＬＢを、略平行なコリメート光に変換する。コリメートレンズ５から射出されるレーザビームＬＢは、集束レンズ６に入射する。集束レンズ６は、入射した平行光のレーザビームＬＢを集束させて、ワークＷの表面にビームスポットを形成する。

【0022】

加工ヘッド４は、ビーム形成素子７を移動させる移動機構８を備えている。移動機構８は、ビーム形成素子７を第１方向Ｆ１及び第２方向Ｆ２に移動させることができる。ここで、第１方向Ｆ１は、レーザビームＬＢの光軸ＯＡと直交する方向である。第２方向Ｆ２は、レーザビームＬＢの光軸ＯＡと平行な方向である。

【0023】

もっとも、本実施形態に係るレーザ加工機１において、移動機構８は必須の構成ではなく、ビーム形成素子７が固定的に配置される構成であってもよい。また、移動機構８は、第１方向Ｆ１及び第２方向Ｆ２のそれぞれにビーム形成素子７を移動させることができるが、少なくとも第２方向Ｆ２のみにビーム形成素子７を移動させることができる構成であってもよい。ビーム形成素子７の第１方向Ｆ１への移動は、後述する第２及び第３の実施形態において明らかとなるであろう。

【0024】

また、図示を省略しているが、加工ヘッド４は、ヘッド駆動機構などを介して、ワークＷの表面に沿って移動自在に構成されている。

【0025】

制御装置９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサと、メモリと、各種のインターフェースとを有するコンピュータによって構成されている。メモリ、各種のインターフェースは、バスを介してハードウェアプロセッサに接続されている。ハードウェアプロセッサによってメモリに格納されたプログラムを実行させることにより、制御装置９が備える種々の機能が実現される。

【0026】

制御装置９は、レーザ発振器２、移動機構８、ヘッド駆動機構などを制御し、ワークＷに対してレーザ加工を行う。例えば、制御装置９は、ヘッド駆動機構を制御して、ワークＷから所定形状の製品を切り出すように、加工ヘッド４を、ワークＷと平行な２次元方向に移動させる。また、制御装置９は、必要に応じて移動機構８を制御して、ビーム形成素子７の位置を制御する。

【0027】

以下、図２Ａ、図２Ｂ、及び図３を参照し、本実施形態に係るビーム形成素子７について説明する。図２Ｂは、ビーム形成素子の入射面側の構成を示す説明図である。図３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すビーム形成素子の断面図である。

【0028】

ビーム形成素子７は、通過するレーザビームＬＢに対して角度補正を行うことで、レーザビームＬＢのビームプロファイルをガウシアン型から、後述するようなリング型へと変換する。ビーム形成素子７は、合成石英などの高透過率の材料から形成されている。

【0029】

ビーム形成素子７は、レーザビームＬＢが入射する入射面７０と、レーザビームを出射させる出射面７５と、を有している。入射面７０及び出射面７５には、反射低減膜（例えばＡＲ（Anti Reflection）コーティング）が形成されていてもよい。

【0030】

入射面７０及び出射面７５は、それぞれレーザビームＬＢの光軸ＯＡに対して直交する平面部７１、７６で構成されている。入射面７０及び出射面７５は、互いに平行に形成されている。

【0031】

ビーム形成素子７は、複数の円錐部７２を有している。複数の円錐部７２は、入射面７０及び出射面７５のうち一方の面（対象面）に設けられている。図２Ａ、図２Ｂ及び図３に示す例では、入射面７０に対して複数の円錐部７２が設けられている。

【0032】

個々の円錐部７２は、レーザビームＬＢの光軸ＯＡ又は光軸ＯＡと平行な軸を中心軸とする円錐状に形成されている。具体的には、個々の円錐部７２は、頂点に向かって傾斜する円錐状の斜面からなり、平面部７１よりも内側に窪んだ凹状の穴である。図３に示すように、円錐部７２の形状及び大きさは、平面部７１に対する斜面の角度（円錐角）θ、及び平面部７１における直径Ｄｃから定義される。

【0033】

図２Ａ、図２Ｂ、及び図３に示す例では、入射面７０に設けられた全ての円錐部７２は、同じ形状及び大きさに設定されている。平面部７１に配列された各円錐部７２の間には隙間が存在しており、平面部７１を隔てて円錐部７２が隣接するような形態となっている。

【0034】

例えば、複数の円錐部７２は、一定の規則に従って配列されている。図２Ａ及び図２Ｂに示す例では、ある１つの円錐部７２を基準としたときに、基準の円錐部７２に対して外接する最大６つの円錐部７２が、基準の円錐部７２と同一中心の正六角形の各頂点に位置するように、複数の円錐部７２が規則的に配列されている（以下、このような配列を六方配列と称す）。もっとも、複数の円錐部７２は、基準の円錐部７２に対して外接する最大４つの円錐部７２が基準の円錐部７２と同一中心の正方形の各頂点に位置するような規則的な配列（以下、四方配列と称す）、又はその他の周期的な配列でもよいし、平面部７１上にランダムに配列されてもよい。

【0035】

複数の円錐部７２は、入射面７０におけるレーザビームＬＢの入射範囲に、２つ以上の円錐部７２が含まれるように設定されている。すなわち、円錐部７２の形状及び大きさ、並びに配列は、入射面７０におけるレーザビームＬＢの入射範囲の大きさに応じて決定される。

【0036】

なお、円錐部７２の大きさ、すなわち直径Ｄｃが小さいほど、入射範囲における円錐部７２の個数を増やすことができる。しかしながら、直径Ｄｃが極端に小さくなると、回折現象による光の損失が発生するので、レーザ波長の１０倍、より好ましくは１００倍程度の直径Ｄｃであることが好ましい。

【0037】

図４は、レーザビームにおける代表的なビーム軌跡を示す説明図である。ビーム形成素子７の入射面７０には、複数の円錐部７２が設けられており、円錐部７２同士の隙間には平面部７１が存在している。図４に示すように、平面部７１に入射したレーザビームＬＢ１は、角度補正が行われることなく通過する。このレーザビームＬＢ１は、所定の位置Ｐ１で焦点を結ぶこととなる。一方、円錐部７２に入射したレーザビームＬＢ２、ＬＢ３は、円錐部７２（円錐状の斜面）の入射位置に応じて角度補正が行われる。例えばある位置に入射したレーザビームＬＢ２は、所定の位置Ｐ１より奥側で焦点を結び、別の位置に入射したレーザビームＬＢ３は、所定の位置Ｐ１より手前側で焦点を結ぶこととなる。

【0038】

図５は、レーザビームのビームプロファイルを示す図である。ビーム形成素子７によって変換されレーザビームＬＢのビームプロファイルは、円状の中心成分ＬＢａと、この中心成分ＬＢａの外側において中心成分ＬＢａと同心円となる環状のリング成分ＬＢｂとから構成される。

【0039】

平面部７１を通過したレーザビームＬＢ１（図４参照）は、図５に示す中心成分ＬＢａを形成する。円錐部７２を通過したレーザビームＬＢ２、ＬＢ３（図４参照）は、図５に示すリング成分ＬＢｂを形成する。中心成分ＬＢａの直径ｄｃは、リング成分ＬＢｂの幅Ｗｒと同じである。

【0040】

このとき、円錐角θ、すなわち円錐部７２の斜面と平面部７１とのなす角が大きいほど角度補正量が大きくなる。したがって、各円錐部７２の円錐角θを大きくすれば、リング成分ＬＢｂの径（内径及び外径）が大きくなる。また、入射面７０に入射するレーザビームＬＢの入射範囲における、円錐部７２の面積に対する平面部７１の面積の割合（平面部７１の占有比率）が小さいほど角度補正されるレーザビームＬＢの割合が大きくなる。したがって、中心成分ＬＢａに対してリング成分ＬＢｂの出力比率が大きくなる。このように、円錐部７２の円錐角θに応じて、リング成分ＬＢｂの径（リングビーム径）を調整することができる。また、平面部７１の占有比率に応じて、中心成分ＬＢａとリング成分ＬＢｂとの出力比率を調整することができる。

【0041】

また、ビーム形成素子７の中心と光軸ＯＡとの位置が変動しても、レーザビームＬＢの入射範囲が、円錐部７２が形成され領域内に収まっている限り、ビーム形成素子７は、中心成分ＬＢａ且つリング成分ＬＢｂからなるビームプロファイルを形成することができる。このため、ビーム形成素子７によれば、高いアライメント精度を必要としないという特徴的な効果を奏する。

【0042】

図６は、出射面に円錐部が形成されたビーム形成素子を示す断面図である。なお、上述した実施形態では、入射面７０に複数の円錐部７２を設ける例を説明した。図６に示すように、入射面７０に代えて、出射面７５に対して複数の円錐部７７を設けてもよい。なお、円錐部７７は、出射面７５に設けられている点を除き、上述した円錐部７２の構造と同じである。

【0043】

ここで、ビーム形成素子７に関するシミュレーション結果を説明する。シミュレーションの条件は、以下の通りである。レーザビームＬＢが射出されるプロセスファイバ３のコア径は１００μｍ、レーザ発振器２より射出されるレーザビームＬＢのビーム品質、レーザ光のビームパラメータ積（Beam Parameter Products）は４．０ｍｍ・ｍｒａｄとする。また、コリメートレンズ５の焦点距離は１５０ｍｍ、集束レンズ６の焦点距離は２００ｍｍである。

【0044】

ビーム形成素子７は、プロセスファイバ３の出射端面から入射面７０までの距離が５０ｍｍとなるように配置されている。このシミュレーションでは、図６に示すように、出射面７５に複数の円錐部７７が設けられたビーム形成素子７を用いた。また、シミュレーションでは、ビーム形成素子７は、光透過率１００％に設定している。

【0045】

ビーム形成素子７の入射面７０のサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍである。円錐部７２の直径Ｄｃを１ｍｍ、円錐角θを０．３ｄｅｇとした。各円錐部７２の配置は四方配列とし、２９個×２９個、合計８４１個の円錐部７２が入射面７０に配置されている。

【0046】

このような条件でシミュレーションを行ったところ、集束されたビームスポットのリングビーム径は、Ｄ４σで４３２μｍであった。また、リング成分ＬＢｂのビーム出力比率は７８％、中心成分ＬＢａのビーム出力比率は２２％となった。

【0047】

次に、円錐角θを０．３ｄｅｇから０．６ｄｅｇに変更し、その他のパラメータはそのままでシミュレーションを行った。この場合、ビームスポットのリングビーム径は、Ｄ４σで７８４μｍであった。リング成分ＬＢｂのビーム出力比率は７８％、中心成分のビーム出力比率は２２％となった。

【0048】

また、円錐角θは０．３ｄｅｇのままで、円錐部７２の配列を四方配列よりも平面部７１の占有比率が小さい六方配列に変更して、シミュレーションを行った。この場合、ビームスポットのリングビーム径は、Ｄ４σで４４８μｍであった。リング成分ＬＢｂのビーム出力比率は９１％、中心成分ＬＢａのビーム出力比率は９％であった。

【0049】

このように、各円錐部７２の円錐角θが大きいほどリングビーム径が大きくなることが、シミュレーションでも示された。同様に、平面部７１の占有比率が小さいほどリング成分ＬＢｂの出力比率が大きくなることが、シミュレーションでも示された。

【0050】

また、円錐部７２の直径Ｄｃを１ｍｍ、円錐角θを０．３ｄｅｇ、円錐部７２の配置を六方配列としたビーム形成素子７を光軸ＯＡと平行な第２方向Ｆ２に動かしながら、ビームスポットのリングビーム径についてシミュレーションを行った。プロセスファイバ３の出射端面から入射面７０までの距離が４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍとなるようにビーム形成素子７を配置したところ、それぞれリングビーム径は、３８４μｍ、４４８μｍ、５０４μｍであった。

【0051】

このように、ビーム形成素子７を光軸ＯＡと平行な第２方向Ｆ２に動かすと、リングビーム径が変化する。ビーム形成素子７を光源側に近づけるとリングビーム径は小さくなり、光源から遠ざけるとリングビーム径は大きくなる。移動機構８によって、ビーム形成素子７を第２方向Ｆ２へと移動させることで、リングビーム径を任意に調節することができる。

【0052】

このように本実施形態によれば、複数の円錐部７２が設けられたビーム形成素子７により、円状の中心成分ＬＢａと、この中心成分ＬＢａの周囲にある環状のリング成分ＬＢｂとで構成されるビームプロファイルを得ることができる。従来のレーザ加工光学系に対してビーム形成素子７を追加するだけでよいので、光学部品の点数の増加を抑制することができる。また、ビーム形成素子７は、光の回折を利用することなく、屈折を利用するものであるので、光効率が低下するというデメリットも抑制される。これにより、光効率及びコストの面で有利な構成で、リング型のビームプロファイルを実現することができる。

【0053】

また、このようなビームプロファイルを用いて厚板の加工を行った場合には、ビーム端の強度が大きいので、切断加工時のドロス（加工部裏面に付着する溶融金属）の発生が少なくなり、切断品質の向上を図ることができる。

【0054】

また、本実施形態において、入射面７０及び出射面７５は、それぞれレーザビームＬＢの光軸ＯＡに対して直交する平面部７１、７６で構成されている。複数の円錐部７２（７７）は、平面部７１（７６）が隙間として残るように近接して配置されている。

【0055】

この構成によれば、ビーム形成素子７を通過するレーザビームＬＢが、角度補正の機能を有しない平面部７１、７６を通過する成分と、角度補正の機能を有する円錐部７２、７７を通過する成分とに分けられる。これにより、円状の中心成分ＬＢａと、この中心成分ＬＢａの周囲に同心円となる環状のリング成分ＬＢｂとからなるビームプロファイルを適切に形成することができる。

【0056】

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係るビーム形成素子の構成を示す断面図である。第２の実施形態に係るビーム形成素子７では、入射面７０における円錐部７２の位置に応じて、円錐部７２の円錐角θが相違している。具体的には、入射面７０に分布する複数の円錐部７２は、入射面７０の面内方向の１つである基準方向にかけて、平面部７１に対する円錐状の斜面の円錐角θが相違している。図７に示す例では、紙面左側から右側に向かうほど、円錐部７２の円錐角θが小さくなっている。円錐角θが小さくなる割合は、線形的であってもよいし、非線形的であってもよい。この基準方向は、移動機構８によるビーム形成素子７の移動方向である第１方向Ｆ１と一致している。

【0057】

このようなビーム形成素子７によれば、移動機構８によってビーム形成素子７を第１方向Ｆ１へと移動させることで、入射面７０における複数の円錐部７２の形成範囲のなかで、レーザビームＬＢの入射範囲を移動させることができる。上述したように、リングビーム径は、円錐部７２の円錐角θに応じて定まる。このため、レーザビームＬＢの入射範囲を移動させれば、その入射範囲に含まれる円錐部７２の円錐角θに応じて、リングビーム径を調整することができる。

【0058】

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係るビーム形成素子の構成を示す図である。第３の実施形態に係るビーム形成素子７では、入射面７０における円錐部７２の位置に応じて、円錐部７２の直径Ｄｃが相違している。具体的には、入射面７０に分布する複数の円錐部７２は、入射面７０の面内方向の１つである基準方向にかけて円錐部７２の直径Ｄｃが異なっている。すなわち、複数の円錐部７２は、基準方向にかけて、単位面積あたりの平面部７１と円錐部７２との割合が異なっている。図８に示す例では、紙面右側から左側に向かうほど、円錐部７２の直径Ｄｃが大きくなっている、すなわち、円錐部７２の面積に対する平面部７１の面積の割合（平面部７１の占有比率）が小さくなっている。平面部７１の占有比率が小さくなる割合は、線形的であってもよいし、非線形的であってもよい。この基準方向は、移動機構８による移動方向である第１方向Ｆ１と一致している。

【0059】

このようなビーム形成素子７によれば、移動機構８によってビーム形成素子７を第１方向Ｆ１へと移動させることで、入射面７０における複数の円錐部７２の形成範囲のなかで、レーザビームＬＢの入射範囲を移動させることができる。上述したように、中心成分ＬＢａとリング成分ＬＢｂとの出力比率は、平面部７１の占有比率に応じて定まる。このため、レーザビームＬＢの入射範囲を移動させれば、その入射範囲における平面部７１の占有比率に応じて、リング成分ＬＢｂと中心成分ＬＢａとのビーム出力比率を調整することができる。

【0060】

なお、第２の実施形態に示す手法と、第３の実施形態に示す手法とを組み合わせてもよい。この場合、ビーム形成素子７に対するレーザビームＬＢの照射位置を変更することで、リング成分ＬＢｂと中心成分ＬＢａとのビーム出力比率、並びにリング成分ＬＢｂの径を調整することができる。

【0061】

以下、図９及び図１０を参照し、ビーム形成素子７の変形例について説明する。図９及び図１０は、ビーム形成素子の変形例を示す図である。上述した各実施形態では、隙間（平面部７１）を設けて円錐部７２を配列したが、図９に示すように、隙間が生じないように円錐部７２同士を密着して配列してもよい。この場合、円錐部７２の形成された範囲にレーザビームＬＢが入射していれば、平面部７１を通過するレーザビームＬＢがない。よって、中心成分を持たない純粋なリング成分のみのビームプロファイルを形成することができる。

【0062】

また、上述した各実施形態では、個々の円錐部７２は、平面部７１よりも内側に窪むように凹状の穴として形成されている。しかしながら、図１０に示すように、個々の円錐部７２は、平面部７１よりも外側に突き出すように凸状の突起として形成されてもよい。

【0063】

また、個々の円錐部７２は、その頂部が尖った完全な円錐形状でなく、平坦な形状や湾曲した形状であってもよい。

【0064】

また、各実施形態では、レーザビームＬＢの進行方向に対して、ビーム形成素子７をコリメートレンズ５の手前側に配置したが、コリメートレンズ５の奥側に配置してもよい。もっとも、コリメートレンズ５の手前側の方がレーザビームＬＢのビーム径が小さいので、ビーム形成素子７をコリメートレンズ５の手前側に配置したが方が、素子の小型化を図ることができる。

【0065】

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【符号の説明】

【0066】

１ レーザ加工機
２ レーザ発振器
３ プロセスファイバ
４ 加工ヘッド
５ コリメートレンズ
６ 集束レンズ
７ ビーム形成素子
８ 移動機構
９ 制御装置
７０ 入射面
７１ 平面部
７２ 円錐部
７５ 出射面
７６ 平面部
７７ 円錐部

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】