7555247 レーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置

(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】

(24)【登録日】2024-09-12

(45)【発行日】2024-09-24

(54)【発明の名称】レーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/042 20140101AFI20240913BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

B23K26/042

B23K26/073

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020195668

(22)【出願日】2020-11-26

(65)【公開番号】P2022084069

(43)【公開日】2022-06-07

【審査請求日】2023-11-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000133227

【氏名又は名称】株式会社タムロン

(74)【代理人】

【識別番号】100124327

【弁理士】

【氏名又は名称】吉村 勝博

(72)【発明者】

【氏名】小森 一範

(72)【発明者】

【氏名】坂本 敬志

(72)【発明者】

【氏名】竹本 昌紀

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３０７１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０７７９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４２７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４６３６６１１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

Ｇ０２Ｂ ６／２６ － ６／２７、

６／３０ － ６／３４、

６／４２ － ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、
前記レーザ発振器から前記加工対象物までの前記レーザビームの照射軌道内において、前記レーザ発振器の光ファイバのレーザビーム出力端から出力される前記レーザビームの前記照射軌道への入射方向を調整するレーザビーム方向調整機構と、
前記レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズとを備え、
前記レーザビーム方向調整機構は、前記レーザ発振器と前記コリメートレンズとの間に配され
前記レーザビーム方向調整機構は、前記光ファイバが接続されるコネクタ部と、前記コネクタ部を前記照射軌道に対して固定するコネクタ受け部とからなり、
前記レーザビーム出力端における前記光ファイバのコアの中央部を中心点として、前記コネクタ部と前記コネクタ受け部との少なくとも一方が円弧状に旋回することによって、前記レーザビームの前記照射軌道への入射方向を調整し、
前記旋回における前記コネクタ部と前記コネクタ受け部との摺動面は、前記光ファイバの前記レーザビーム出力端よりも前記スポット側に位置することを特徴とするレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項2】

前記旋回の旋回角度θは、前記照射軌道の光学素子の光学中心を通る光軸方向を０ｍｒａｄとしたとき、－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄである請求項１に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項3】

前記照射軌道内に、前記レーザビーム方向調整機構を用いて調整した前記レーザビームの前記照射軌道への入射方向を確認するための、脱着可能な観測装置を備える請求項１又は請求項２に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項4】

前記観測装置で観測する観測光が、前記レーザビームとは異なる観測用の前記観測光である請求項３に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項5】

前記照射軌道内に、前記スポットにおける前記レーザビームのエネルギー分布を定めるエネルギー分布制御用光学素子を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項6】

前記エネルギー分布制御用光学素子は、前記スポットとして、少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状のスポットを形成する請求項５に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項7】

前記エネルギー分布制御用光学素子が備える光学有効面の少なくとも１面は、回折レンズ、アキシコンレンズ、非球面レンズのいずれかである請求項５又は請求項６に記載のレーザビーム照射用光学ユニット。

【請求項8】

レーザ加工ヘッド内に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザビーム照射用光学ユニットを収容して得られることを特徴とするレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件発明は、レーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レーザビームが種々の製品の加工に広く用いられている。このレーザビームを用いることで、加工する部位に高エネルギー密度の微小な照射領域（スポット）が形成でき、各種微細加工を容易に行うことができるようになる。たとえば、金属板の切断、溶接等を行なえることが知られている。

【0003】

このような加工に用いられるレーザビームは、レーザ発振器から光ファイバを通してレーザ加工ヘッドに導かれる。そして、当該光ファイバは、コネクタを介してレーザ加工ヘッドに接続される。このようにして入射されたレーザビームは、レーザ加工ヘッド内のレーザビーム照射用光学ユニットにおいて、必要な光学素子を経て加工対象物に照射され、加工対象物を加工する。

【0004】

ここで、加工対象物表面におけるレーザビームのスポットを十分かつ適切なエネルギー強度分布で照射するためには、加工対象物の表面に対するレーザビームの照射角度を垂直にすることが望ましい。ところが、加工対象物の表面は、レーザ加工ヘッドの光軸に対して、必ずしも垂直に位置している場合だけではない。そこで、特許文献１では、レーザ加工ヘッド全体をチルト方向に制御してレーザビームの軌道を変更し、レーザビームが加工対象物の表面に垂直に照射することを可能とするレーザ照射装置を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１１－６０８３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向は、光ファイバの出力端の構造部及び前記コネクタの構造で決定される基準光軸に対して、完全には一致せず、一定の傾きを有している場合がある。例えば、フィーディングファイバ、プロセスファイバの出力端の構造部及び前記コネクタの構造で決定される基準光軸に対して、フィーディングファイバ、プロセスファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向の傾きが、３０ｍｒａｄ（ミリラジアン）以下であるとされている。なお、本明細書におけるレーザビームの「出射方向」とは、光ファイバの出力端から放射状に出力されるレーザビームの中心部分の出射する方向を意味する。そして、本明細書における「レーザビームの出射方向の傾き」とは、当該レーザビームが出力される光ファイバの出力端の構造部及び前記コネクタの構造で決定される基準光軸に対する出射方向の傾きを意味する。

【0007】

このようなフィーディングファイバ、プロセスファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向の傾きがある場合、特許文献１のように光ヘッド部全体をチルトする機構を使って、加工対象物の加工部位にレーザビームを照射するよう調整したとしても、当該光ヘッド内の、レーザビーム照射用光学ユニットの鏡筒の内側にレーザビームが照射されてしまい、鏡筒材が溶融破損したり、鏡筒等の溶融物によってレーザビーム照射用光学ユニット内の光学素子が汚損するといった問題が発生する。しかしながら、この問題に関しての解決策は具体的に提示されていない。

【0008】

そこで、フィーディングファイバ、プロセスファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向の傾きに合わせて、レーザビームの出射方向がレーザビーム照射用光学ユニットの光学素子の略光学中心を通るよう、光学系全体をシフトさせる機構を設けることで、前述の問題を解決することが考えられる。しかしながら、この場合、レーザビームのスポットにおいて、レーザビームのエネルギー強度分布にコマ収差が生じるなどして、エネルギー強度分布の形状が歪んでしまうといった問題が生じ、精度の良いレーザ加工が困難となってしまう。

【0009】

本件発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、精度良くレーザ加工ができるレーザビーム照射用光学ユニット及び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】

上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下のレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置に想到した。

【0011】

Ａ．本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニット
本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのレーザビーム照射用光学ユニットであって、前記レーザ発振器から前記加工対象物までの前記レーザビームの照射軌道内において、前記レーザ発振器の光ファイバのレーザビーム出力端から出力される前記レーザビームの前記照射軌道への入射方向を調整するレーザビーム方向調整機構と、前記レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズとを備え、前記レーザビーム方向調整機構は、前記レーザ発振器と前記コリメートレンズとの間に配されることを特徴としている。

【0012】

Ｂ．本件発明に係るレーザ加工装置
本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに、上述のレーザビーム照射用光学ユニットを収容して得られることを特徴としている。

【発明の効果】

【0013】

本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザ発振器から加工対象物までのレーザビームの照射軌道内において、レーザ発振器の光ファイバのレーザビーム出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を調整するレーザビーム方向調整機構と、レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズとを備えている。そして、レーザビーム方向調整機構は、レーザ発振器とコリメートレンズとの間に配される。そのため、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布にコマ収差が生じず、エネルギー強度分布の形状が歪まないよう、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができる。また、このレーザビーム方向調整機構は、機構が小型かつシンプルであり、調整も簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】レーザビーム照射用光学ユニットの光学素子の配置構成とレーザビームの略軌道を示す断面図である。

【図2】光ファイバ接続部とレーザビーム方向調整機構部分の略断面図である。

【図3】旋回機構を説明する概要図である。

【図4】実施例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整前の観測装置におけるスポット像のシミュレーション図である。

【図5】実施例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整前の観測装置におけるスポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を示した図である。

【図6】実施例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のシミュレーション図である。

【図7】実施例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を示した図である。

【図8】実施例２のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整前の観測装置におけるスポット像のシミュレーション図である。

【図9】実施例２のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整前の観測装置におけるスポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を示した図である。

【図10】実施例２のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のシミュレーション図である。

【図11】実施例２のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を示した図である。

【図12】比較例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のシミュレーション図である。

【図13】比較例１のレーザビームの照射軌道への入射方向を調整後の観測装置におけるスポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニット及びレーザ加工装置の実施の形態に関して述べる。なお、以下に説明するものは、単に一態様を示したものであり、以下の記載内容に限定解釈されるものではない。

【0016】

Ａ．レーザビーム照射用光学ユニット
本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザ発振器から照射されるレーザビームを加工対象物にスポットを形成して照射しレーザ加工するためのものである。そして、当該レーザビーム照射用光学ユニットのレーザ発振器から加工対象物までのレーザビームの照射軌道内において、レーザ発振器の光ファイバのレーザビーム出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を調整するレーザビーム方向調整機構と、レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズとを備えている。そして、コリメートレンズと、加工対象物との間に、加工対象物表面でのスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布を定めるためのエネルギー分布制御用光学素子を備えている。特に、レーザビーム方向調整機構は、レーザ発振器とコリメートレンズとの間に配したことが特徴である。

【0017】

なお、本明細書におけるレーザビームの照射軌道への「入射方向」とは、光ファイバの出力端から放射状に出力されるレーザビームの中心部分の照射軌道へ入射する方向を意味する。

【0018】

レーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビーム方向調整機構を備えることによって、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布にコマ収差が生じず、エネルギー強度分布の形状が歪まないよう、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができる。これによって、精度良くレーザ加工ができる。さらに、このレーザビーム方向調整機構は、機構が小型かつシンプルであり、調整も簡単に行うことができる。

【0019】

図１に、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニット１の光学素子の配置構成とレーザビームの略軌道を示す断面図を示す。ここで、図１（ａ）は、レーザビームの出射方向に傾きがある場合であって、レーザ発振器から加工対象物までのレーザビームの照射軌道への、レーザビームの入射方向を未だ調整していない状態を示し、図１（ｂ）は、レーザビームの出射方向に傾きがある場合であって、レーザ発振器から加工対象物までのレーザビームの照射軌道への、レーザビームの入射方向を調整した状態を示している。

【0020】

レーザビーム照射用光学ユニット１は、レーザ発振器から出力されるレーザビームを導く光ファイバ３０を接続するコネクタ部３１と、コネクタ部３１をレーザビームの照射軌道に対して固定するコネクタ受け部３２と、光ファイバ３０の出力端からレーザビームの光軸１１に沿って拡散状に出力されたレーザビームを平行光にするためのコリメートレンズ２１と、加工対象物表面でのスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布を定めるためのエネルギー分布制御用光学素子２２と、レーザビームの照射軌道へのレーザビームの入射方向を調整する際に観測光を観測するための観測装置２３とを、レーザビーム照射用光学ユニット１の照射軌道の光軸１０に沿って、レーザ発振器側から順に配置している。

【0021】

なお、エネルギー分布制御用光学素子２２は、コリメート機能を併せ持っても良い。この場合、コリメートレンズ２１は不要となり、エネルギー分布制御用光学素子２２の加工対象物側に、集光レンズを配置するのが好ましい。エネルギー分布制御用光学素子２２がコリメート機能を併せ持つ場合、レーザビーム照射用光学ユニット１におけるレーザビーム方向調整機構２０は、レーザ発振器とエネルギー分布制御用光学素子２２との間に配されるものである。

【0022】

レーザビーム方向調整機構２０は、光ファイバ３０が接続されるコネクタ部３１と、コネクタ部３１を照射軌道の光軸１０に対して固定するコネクタ受け部３２とからなり、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回することによって、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整する。

【0023】

コネクタ受け部３２と、コリメートレンズ２１と、エネルギー分布制御用光学素子２２とは、鏡筒３３に固定されている。そして、鏡筒３３には、観測装置２３を備える脱着可能な観測筒３４が接続されている。レーザビームの照射軌道の光軸１０を構成する鏡筒３３に、観測装置２３を備える脱着可能な観測筒３４を接続することによって、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２とからなるレーザビーム方向調整機構２０を用いて調整する際に、レーザビームの照射軌道への入射方向を確認することができる。そして、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整した後、観測筒３４を取り外し、観測装置２３の撮像面があった位置に加工対象物の表面を位置させることによって、レーザ加工を精度良く行うことができる。

【0024】

なお、レーザビーム照射用光学ユニット１は、ガルバノミラーを用いて、レーザ光の照射位置を加工対象物の狙った位置へ移動させることができるガルバノ光学系を含むものであっても良い。ガルバノ光学系を含むものであっても、レーザビーム照射用光学ユニット１におけるレーザビーム方向調整機構２０は、レーザ発振器とコリメートレンズ２１との間に配されるものである。そして、レーザビームの照射軌道への入射方向の調整も、前述の観測装置２３を備える脱着可能な観測筒３４を接続して行うものである。

【0025】

レーザ発振器からレーザビーム照射用光学ユニット１に入射されるレーザビームは、レーザ加工用に用いることができるレーザビームであれば、いかなるレーザビームであっても用いることができる。特に、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、ファイバレーザ（波長１０７０ｎｍ）、ディスクレーザ（波長１０３０ｎｍ）、半導体レーザ（波長９３５ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍ、９４０～９８０ｎｍ、９４０～１０２５ｎｍ）に代表される発振波長が約９２０～１０８０ｎｍの近赤外レーザビームであることが好ましい。

【0026】

図１（ａ）の望ましい照射軌道１５は、レーザビーム照射用光学ユニット１において、加工対処物表面でのスポットが、照射軌道の光軸１０の延長線上に形成される場合のレーザビームの照射軌道を示している。レーザビームが望ましい照射軌道１５を通ることによって、レーザビームは、コリメートレンズ２１と、エネルギー分布制御用光学素子２２とを、照射軌道の光軸１０に対して点対称に通過する。そのため、エネルギー分布制御用光学素子２２において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布は、照射軌道の光軸１０に対して点対称に分布する。

【0027】

図１（ａ）の無調整時の照射軌道１６は、レーザビームの出射方向１１の傾きが０ｍｒａｄでは無い場合であって、レーザビームが、レーザビーム照射用光学ユニット１に配されている各光学素子を、照射軌道の光軸１０に対して点対称ではない状態で通過する場合を示している。この場合、エネルギー分布制御用光学素子２２において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布にコマ収差や歪が生じるため、照射軌道の光軸１０に対して点対称ではない状態で分布する。スポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が照射軌道の光軸１０に対して点対称ではない状態で分布する場合、レーザビームでの加工において、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができない。

【0028】

図１（ｂ）は、レーザビームの出射方向１１の傾きが０ｍｒａｄでは無い場合であって、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、レーザビームの照射軌道への入射方向を照射軌道の光軸１０に略一致するよう調整した場合を示している。光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を、照射軌道の光軸１０に略一致するよう調整するために、レーザビーム方向調整機構２０は、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回することによって、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整する。このように、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１を、照射軌道の光軸１０に略一致するよう調整することによって、レーザビームは、レーザビーム照射用光学ユニット１に配されている各光学素子を、照射軌道の光軸１０に対して点対称に通過する。そのため、エネルギー分布制御用光学素子２２において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が、照射軌道の光軸１０に対して点対称に分布する。スポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が照射軌道の光軸１０に対して点対称に分布することから、レーザビームでの加工において、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができる。

【0029】

図２に、光ファイバ３０とレーザビーム方向調整機構２０の略断面図を示す。レーザ発振器から出力されるレーザビームは、光ファイバ３０を用いてレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドへ導かれる。この光ファイバ３０は、レーザ加工ヘッド内のレーザビーム照射用光学ユニット１にコネクタ部３１を介して接続される。このとき、図２（ａ）が示すように、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１は、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸（照射軌道の光軸１０に一致している）に対して、光ファイバ出力端の中央部を中心点としてθの角度で表される一定の範囲の傾きを有している。具体的には、例えばレイカスファイバー社のＣＷファイバレーザでは、光ファイバの出力端の構造部及びコネクタの構造で決定される基準光軸に対して、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの光軸の角度が、３０ｍｒａｄ（ミリラジアン）以下であるとされている。

【0030】

上述のような光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１は、観測装置２３を備える脱着可能な観測筒３４を接続し、観測装置２３に当該レーザビームを照射することによって、確認することができる。具体的には、観測装置２３を用いて、レーザビームの照射位置や、レーザビームのエネルギー分布を観測する。なお、観測装置２３にレーザビームを入射する前に、観測装置２３が損傷することなく観測可能なレベルにレーザビームの強度を減光することが好ましい。観測装置２３への入射光を歪ませることなくレーザビームの強度を減光するものであれば、いかなる減光素子も用いることができる。

【0031】

観測装置２３に入射する観測光は、上述のように、加工に用いるレーザビームもしくは減光したレーザビームを用いることができる。しかしながら、加工に用いるレーザビームに限定されることなく、加工に用いるレーザビームとは異なるガイド光、エイミング光と呼ばれる観測用の観測光を用いることが好ましい。観測用の観測光のエネルギー強度が、観測装置２３を損傷させるレベルではなく、減光させる必要が無いからである。

【0032】

図２（ｂ）は、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を調整したときの概要を示す断面図である。図２（ｂ）では、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、光ファイバ３０及びコネクタ部３１側を、光ファイバ出力端の中央部を中心点として、半径ｒの円弧状に－θの角度で旋回させている。旋回軌跡４０は、コネクタ部３１が、半径ｒで円弧状に旋回する場合の軌跡を示している。すなわち、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２が、照射軌道の光軸１０に対して、－θの角度を有する状態となる。この調整によって、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１は、照射軌道の光軸１０に略一致する状態になる。

【0033】

このとき、レーザビーム方向調整機構２０は、レーザ発振器の光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点として円弧状に旋回する構造であることが好ましい。レーザビーム方向調整機構２０が、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回する構造を有することによって、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２に対する、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を、レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビームの照射軌道の光軸１０と略一致するよう調整することができるからである。

【0034】

スポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が環状である場合、観測装置２３への入射光のエネルギー分布が偏った環状とならないようレーザビーム方向調整機構２０を用いて調整する。スポットにおけるレーザビームのエネルギー分布がガウシアン状である場合、観測装置２３への入射光のエネルギー分布が偏ったガウシアン状とならないようレーザビーム方向調整機構２０を用いて調整する。

【0035】

〔レーザビーム方向調整機構〕
レーザビーム方向調整機構２０において、光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θは、照射軌道の光学素子の光学中心を通る光軸１０方向を０ｍｒａｄとした場合、－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄであることが好ましい。－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄであることによって、光ファイバ３０の出力端の構造部及びコネクタ部３１の構造で決定される基準光軸１２に対する、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１の傾きがあっても、レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビームの照射軌道への入射方向を、照射軌道の光軸１０と略一致するよう調整することができるからである。一方、θが－４０ｍｒａｄ以下、もしくはθが４０ｍｒａｄ以上の場合、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの出射方向１１の角度の一般的な製品仕様を超えるため、必要以上の仕様となり、レーザビーム方向調整機構２０のサイズも大きくなることから、好ましくない。

【0036】

なお、上述の光ファイバ３０の出力端の中央部を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θとは、照射軌道の光軸１０に対して、照射軌道の光軸１０に沿った照射軌道の光軸１０を含む平面において、任意の平面における角度を示しており、特定の平面における角度に限定されるものではない。

【0037】

レーザビーム方向調整機構２０の旋回機構の具体例を図３に示す。図３に示すレーザビーム方向調整機構２０の旋回機構は、光ファイバ３０の出力端の中央部５０を含むＸ方向５５の回転軸５１と、光ファイバ３０の出力端の中央部５０を含むＹ方向５４の回転軸５２との、２つの回転軸を有している。そして、Ｘ方向５５の回転軸５１と、Ｙ方向５４の回転軸５２とは、照射方向の光軸１０に直交する平面上にあって、かつ、互いに直交している。図３においては、コネクタ部３１はＹ方向５４の回転軸５２で固定されており、Ｙ方向５４の回転軸５２は、Ｘ方向５５の回転軸５１に接続されたリング状の固定具５３で固定されている。

【0038】

このとき、Ｘ方向５５の回転軸５１における旋回角度θと、Ｙ方向５４の回転軸５２における旋回角度θとが、それぞれ－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄの範囲を取りうるようにする。このような旋回機構を用いることによって、照射軌道の光軸１０に対して、照射軌道の光軸１０に沿った照射軌道の光軸１０を含む任意の平面において、光ファイバ３０の出力端の中央部５０を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θとして、－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄの範囲で、調整することができるものである。

【0039】

ただし、旋回機構は、照射軌道の光軸１０に対して、照射軌道の光軸１０に沿った照射軌道の光軸１０を含む任意の平面において、光ファイバ３０の出力端の中央部５０を中心点とした円弧状の旋回の旋回角度θとして、－４０ｍｒａｄ＜θ＜４０ｍｒａｄの範囲で、調整することができるものであれば、図３を用いて説明したものに限定されるものではない。

【0040】

〔観測装置〕
観測装置２３は、レーザビーム方向調整機構２０を用いて調整したレーザビームの照射位置や、レーザビームのエネルギー分布を観測することができるものであれば、特に限定されるものではなく、いかなる観測装置も用いることができる。そして、当該観測装置２３を備える観測筒３４は、鏡筒３３に対して脱着可能であることが好ましい。観測筒３４を鏡筒３３に接続した際の、観測装置２３の撮像面の位置は、レーザ加工時の、スポットを形成する加工対処物の表面と同じ場所に位置するのが好ましい。さらに、観測装置２３の撮像面の中心の位置は、加工対象物の加工部分の中心であることが好ましい。スポットを形成する加工対処物の表面と同じ位置において、レーザビームの位置やレーザビームのエネルギー分布を観測することができるからである。そして、光ファイバ３０の出力端から出力されるレーザビームの照射軌道への入射方向を、照射軌道の光軸１０に略一致するよう調整した後、観測装置２３を取り外すことによって、加工対象物を加工することができるからである。

【0041】

〔コリメートレンズ〕
コリメートレンズ２１は、光ファイバ３０の出力端から放射状に出力されるレーザビームを平行光にするための光学素子である。

【0042】

〔エネルギー分布制御用光学素子〕
エネルギー分布制御用光学素子２２は、レーザビームを加工対象物の表面に照射したときに、加工対象物表面でのスポットにおけるエネルギー分布を定めるための光学素子である。

【0043】

ここで、エネルギー分布制御用光学素子２２は、加工対象物表面でのスポットにおけるエネルギー分布の形状が少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状となるようにレーザビームを変換することが好ましい。スポットのエネルギー分布の形状が少なくとも環状の周辺領域からなる環状形状となることによって、加工対象物の表面において、スポットの中心領域からどの向きにも均一にレーザビームのエネルギーが照射されるからである。そして、このことによって、溶融亜鉛鋼板の重ね溶接で、亜鉛のガスが抜け、きれいな溶接ができるからである。

【0044】

また、エネルギー分布制御用光学素子２２が形成するスポットの形状は特に限定されるものではなく、例えば、環状と環状の中心部における点状とからなるものであっても良いし、トップハット型の形状などであっても良い。このとき、環状の中心部における点状のスポットのエネルギー強度は、環状部のエネルギー強度よりも高いことが好ましい。光の反射率が高いアルミなどでは、エネルギー強度の弱い環状部で金属を溶融させて反射率を下げ、エネルギー強度の高い中心部で加工対象物を深く溶融させることなどができるため、レーザ加工がより容易になるからである。

【0045】

前述のスポット形状を形成するために、エネルギー分布制御用光学素子２２が備える光学有効面の少なくとも１面は、回折レンズ、アキシコンレンズ、非球面レンズのいずれかであることが好ましい。レーザビームのスポット形状を、環状、もしくは、環状と環状の中心部における点状とからなるものにすることができるからである。

【0046】

エネルギー分布制御用光学素子２２は、コリメート機能を併せ持っても良い。エネルギー分布制御用光学素子２２がコリメート機能を併せ持つ場合、レーザビーム照射用光学ユニット１におけるレーザビーム方向調整機構２０は、レーザ発振器とエネルギー分布制御用光学素子２２との間に配されるものである。

【0047】

〔集光レンズ〕
エネルギー分布制御用光学素子２２の加工対象物側に、集光レンズを備えても良い。加工対象物表面でのスポットにおけるエネルギー分布の形状がガウシアン状となるレーザビームの集光ができるからである。

【0048】

〔レーザビームの照射軌道への入射方向の調整方法〕
レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビーム方向調整機構２０を用いた、レーザビームの照射軌道への入射方向の調整方法の具体的方法について説明する。なお、この調整方法は、以下に説明する方法に限定されるものではない。

【0049】

ここでは、加工対象物表面でのスポットにおけるエネルギー強度分布の形状が環状である場合を想定する。観測装置２３で撮像したレーザビームのスポット像から、撮像面の中心を含む第１の座標軸上のエネルギー強度分布を抽出する。そして、撮像面の中心を第１の座標軸の原点として、第１の座標軸上のマイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度分布値を積分した値をＥＭ１、ＥＰ１とする。同様にして、第１の座標軸と直交する第２の座標軸上のエネルギー強度分布を抽出し、撮像面の中心を第２の座標軸の原点として、第２の座標軸上のマイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度分布値を積分した値をＥＭ２、ＥＰ２とする。このとき、ＥＭ１、ＥＰ１、ＥＭ２、ＥＰ２の大きさを比較することによって、第１の座標軸と第２の座標軸からなる座標平面において、スポット像のエネルギー強度がどのように偏っているかを知ることができる。

【0050】

さらに、観測装置２３で撮像したレーザビームのスポット像から、第１の座標軸上と第２の座標軸上とにおいて、マイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度値のピーク値と、ピーク値を示した座標値を抽出する。これらのエネルギー強度値のピーク値と、ピーク値を示した座標値から、エネルギー強度分布の形状の歪み状態を知ることができる。

【0051】

このようにして確認したレーザビームの出射方向の傾き情報から、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方を円弧状に旋回させることによって、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができる。調整した後、上述の方法で再度レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布を確認し、例えばＥＭ１、ＥＰ１、ＥＭ２、ＥＰ２の大きさの差が、一定の許容値の範囲内であるとか、マイナス座標側とプラス座標側のそれぞれのエネルギー強度値のピーク値の差が一定の許容値の範囲内であり、ピーク値を示した座標値の絶対値の差が一定の許容値の範囲内であるなどの判断基準によって、調整完了を判断できる。そして、１回の調整で判断基準内に調整できなかった場合は、上述の方法で再調整することができる。このようにして、スポットにおいて適切なエネルギー分布を得ることができる。

【0052】

また、上述のように、観測装置２３から、スポットにおけるエネルギー強度分布を数値情報として得ることができることから、観測装置２３から得られる上述の観測値を、レーザビームの出射方向の傾きの大きさに応じて事前に学習させること等によって、当該調整を自動化させることも可能である。

【0053】

Ｂ．レーザ加工装置
本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに、上述のレーザビーム照射用光学ユニット１を収容して得られるものである。これによって、加工対象物にレーザビームを照射して、加熱溶解による加工対象物の加工を行うことができる。また、当該レーザ加工装置のレーザビーム方向調整機構２０は、レーザビーム出力端における光ファイバ３０のコアの中央部を中心点として、コネクタ部３１とコネクタ受け部３２との少なくとも一方が円弧状に旋回することができる。

【0054】

したがって、当該レーザ加工装置は、レーザビームの出射方向１１の傾きが０ｍｒａｄでは無い場合であっても、レーザビーム方向調整機構２０を用いて、レーザビームの照射軌道への入射方向を照射軌道の光軸１０に略一致するよう調整することができる。そのため、エネルギー分布制御用光学素子において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が、照射軌道の光軸に対して点対称に分布する。スポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が照射軌道の光軸に対して点対称に分布することから、レーザビームでの加工において、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができる。

【0055】

以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、以下実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0056】

光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向が、レーザビーム照射用光学ユニット１のレーザビームの照射軌道の光軸に対して、２０ｍｒａｄの角度で傾いている場合の、レーザビーム方向調整機構による調整結果を確認した。ここでは、エネルギー分布制御用光学素子において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布が環状である。まず、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整する前の、観測装置におけるスポット像のシミュレーション結果を図４に示す。図４に示す画像は、レーザビームのエネルギー強度の最大値を１．０としたときの強度比を、画像の色の濃淡で表している。レーザビームの出射方向が、照射軌道の光軸に対して２０ｍｒａｄの角度で傾いていることが原因で、図４の画像がＹ軸の中心点からずれており、かつ、環状のエネルギー強度が不均一であることを示している。

【0057】

また、図４のＸ軸の中心における、スポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を図５に示す。図５から、レーザビームの照射軌道への入射方向が、Ｙ軸にそって照射軌道の光軸（Ｙ軸の中心）からずれ、かつ、２つのエネルギー強度のピーク値が異なる値になっていることが確認できた。

【0058】

次に、図５に示す確認結果を用いて、２つのエネルギー強度のピークの位置や、ピーク値の違いの情報などから、レーザビーム方向調整機構による旋回の方向と角度を割り出して、レーザビーム方向調整機構による旋回によってレーザビームの照射軌道への入射方向を調整した場合の、観測装置におけるスポット像のシミュレーション結果を図６に示す。レーザビームの照射軌道への入射方向が、照射軌道の光軸に略一致し、図６の画像がＹ軸とＸ軸との中心点に位置しており、かつ、環状のエネルギー強度が均一であることを示している。

【0059】

次に、図６のＸ軸の中心における、スポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を図７に示す。図７から、レーザビームの照射軌道への入射方向が、照射軌道の光軸（Ｙ軸の中心）に位置しており、かつ、２つのエネルギー強度のピーク値が同じ値になっていることが確認できた。すなわち、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布にコマ収差が生じず、エネルギー強度分布の形状が歪まないよう、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができた。そして、レーザビーム方向調整機構による調整後、観測装置を取り外して、観測装置の撮像面の位置に加工対象物の表面を設置することによって、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができることを確認した。

【実施例2】

【0060】

実施例１と同じように、レーザビームの出射方向が、照射軌道の光軸に対して、２０ｍｒａｄの角度で傾いている場合の、レーザビーム方向調整機構による調整結果を確認した。ここでは、エネルギー分布制御用光学素子において変換されるスポットにおけるレーザビームのエネルギー分布がガウシアン状である。まず、照射軌道への入射方向を調整する前の、観測装置におけるスポット像のシミュレーション結果を図８に示す。図８に示す画像は、レーザビームのエネルギー強度の最大値を１．０としたときの強度比を、画像の色の濃淡で表している。レーザビームの出射方向が、照射軌道の光軸に対して２０ｍｒａｄの角度で傾いていることが原因で、図８の画像がＹ軸の中心点からずれていることを示している。

【0061】

次に、図８のＸ軸の中心における、スポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を図９に示す。図９から、レーザビームの照射軌道への入射方向が、Ｙ軸にそって照射軌道の光軸（Ｙ軸の中心）からずれていることが確認できた。

【0062】

図９に示す確認結果を用いて、ガウシアン状のピークの位置のずれ情報などから、レーザビーム方向調整機構による旋回の方向と角度を割り出して、レーザビーム方向調整機構による旋回によってレーザビームの照射軌道への入射方向を調整した場合の、観測装置におけるスポット像のシミュレーション結果を図１０に示す。レーザビームの照射軌道への入射方向が、照射軌道の光軸に略一致し、図１０の画像がＹ軸とＸ軸との中心点に位置していることを示している。

【0063】

次に、図１０のＸ軸の中心における、スポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を図１１に示す。図１１から、レーザビームの照射軌道への入射方向が、照射軌道の光軸（Ｙ軸の中心）に位置しており、かつ、エネルギー強度の分布がガウシアン状になっていることが確認できた。すなわち、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布にコマ収差が生じず、エネルギー強度分布の形状が歪まないよう、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができた。そして、レーザビーム方向調整機構による調整後、観測装置を取り外して、観測装置の撮像面の位置に加工対象物の表面を設置することによって、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができることを確認した。

【比較例】

【0064】

〔比較例１〕
図４、図５で示した、レーザビームの出射方向が、照射軌道の光軸に対して、２０ｍｒａｄの角度で傾いている場合において、レーザビーム方向調整機構を用いないで調整した結果を確認した。レーザビームの出射方向が照射軌道の光軸に対して傾いていると、レーザビームの光束は、コリメートレンズ及びエネルギー分布制御用光学素子を、それぞれの光学中心に対して点対称ではない状態で通過する。ここでは、レーザビームの光束の中心が、コリメートレンズ及びエネルギー分布制御用光学素子の略光学中心を通過するよう、コリメートレンズ及びエネルギー分布制御用光学素子を照射軌道の光軸に対して垂直方向にシフトさせた。

【0065】

コリメートレンズ及びエネルギー分布制御用光学素子を照射軌道の光軸に対して垂直方向にシフトさせて調整した場合の、観測装置におけるスポット像のシミュレーション結果を図１２に示す。図１２から、エネルギー強度分布がＸ軸及びＹ軸の中心に位置しているものの、エネルギー強度分布の環状形状が楕円状に歪んでいる。そして、レーザビーム方向調整機構を用いて調整した結果の図６と比較して、環状の直径がＸ方向Ｙ方向共に、広がっていることが明らかとなった。

【0066】

次に、図１２のＸ軸の中心における、スポット像のＹ軸断面でのエネルギー強度を図１３に示す。図１３からも、レーザビーム方向調整機構を用いて調整した結果の図７と比較して、２つのエネルギー強度のピーク値位置が、中心から広がっていることが明らかとなった。この状態で観測装置を取り外して、観測装置の撮像面の位置に加工対象物を設置してレーザビームを照射しても、加工対象物の表面においてレーザビームのエネルギーが十分に収束せず、かつ、環状形状が歪んでいるため、加工対象物の表面を精度良く溶融させることができない。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビーム方向調整機構を備えることによって、光ファイバの出力端から出力されるレーザビームの出射方向に傾きがあっても、レーザビームのスポットにおけるエネルギー強度分布にコマ収差が生じず、エネルギー強度分布の形状が歪まないよう、レーザビームの照射軌道への入射方向を調整することができる。これによって、精度良くレーザ加工ができる。そして、このことによって、溶融亜鉛鋼板の重ね溶接で、亜鉛のガスが抜け、きれいな溶接ができる。さらに、このレーザビーム方向調整機構は、機構が小型かつシンプルであり、調整も簡単に行うことができる。すなわち、本件発明に係るレーザビーム照射用光学ユニットは、レーザビームを照射して加工対象物を加工するレーザ加工に好適である。

【符号の説明】

【0068】

１ レーザビーム照射用光学ユニット
１０ 照射軌道の光軸
１１ レーザビームの出射方向
１２ 光ファイバの出力端の構造部及びコネクタの構造で決定される基準光軸
１５ 望ましい照射軌道
１６ 無調整時の照射軌道
２１ コリメートレンズ
２２ エネルギー分布制御用光学素子
２３ 観測装置
３０ 光ファイバ
３１ コネクタ部
３２ コネクタ受け部
３３ 鏡筒
３４ 観測筒
４０ 旋回軌跡
５０ 出力端の中央部
５１ Ｘ方向の回転軸
５２ Ｙ方向の回転軸
５３ リング状の固定具
５４ Ｙ方向
５５ Ｘ方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】