JP2670857B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ加工装置に係り、特にレーザビームを
レーザ発振装置から被加工物まで伝送する光学系を改良
したレーザ加工装置に関する。
〔従来の技術〕
現在、炭酸ガス又はYAG等を用いたレーザ加工装置を
利用した加工分野で主流をなしているのは、金属材料
(SPCC等)の切断及び溶接加工の分野である。
切断加工で、例えば、薄い材料を切断する場合、レー
ザビームの集光系には、終点深度は浅いが小さなスポッ
ト系が得られる短焦点の集光レンズを用い、逆に厚い材
料を切断する場合には、集光性は劣るが焦点深度の深い
集光ビームが得られる長焦点の集光レンズを用いるのが
一般的である。
集光レンズによって得られる最小スポット直径は、レ
ンズの収差が無視出来る場合には、集光レンズに入射す
るレーザビーム系に反比例し、集光レンズの焦点距離に
比例する。従って切断加工に関しては、薄物(薄い材
料)を切断するには、出来るだけ大きな径のレーザビー
ムと短焦点の集光レンズとの組み合せが最良であり、厚
物(厚い材料)を切断する場合には、その厚みに応じた
適当な大きさの径を有するレーザビームと長焦点の集光
レンズとの組み合せが最良である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、従来のレーザ加工装置は、レーザ発振器の出
口からある決まった距離だけ離れた所に集光レンズが置
かれたような構成になっているために、集光レンズ上で
のレーザビーム径は上記の設定距離とレーザ発振器特性
とによって規定された固定値になってしまう。従って、
集光レンズを交換し、その焦点距離を変えたとしても一
台のレーザ加工装置で薄物から厚物に至るまでのあらゆ
る厚さの材料に対して最適なビームスポット径のレーザ
ビームで切断加工することは困難であった。
即ち、レーザ発振器自身は本来薄物から厚物までを切
断できる十分な能力を有しているにもかかわらず、レー
ザ加工装置の構成上の制約からの集光レンズ上でのレー
ザビーム径が固定されてしまい、一台のレーザ加工装置
で薄物から厚物に至るまでのあらゆる厚さの材料を最適
な条件で切断することができないという問題を有してい
た。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
一台のレーザ加工装置で薄物から厚物までのあらゆる厚
さの材料のその材料加工に適したビームスポット径のレ
ーザビームによって加工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〕
本発明では上記課題を解決するために、 少なくともレーザ発振器、ビームエクスパンダ及び集
光系を有するレーザ加工装置において、加工材料の厚さ
に応じて前記ビームエクスパンダを構成する2枚のレン
ズ間の距離を可変制御することを特徴とするレーザ加工
装置が提供される。
〔作用〕
ビームエクスパンダを構成する2枚のレンズ間の距離
を可変制御することにより、所定の位置に置かれた集光
レンズ上でのレーザビーム系を切断すべき加工材料の厚
さに応じた最適な値に設定することができ、一台の加工
機で薄物から厚物に至るまでのあらゆる材料を最適な条
件で加工することが可能となる。
実際のレーザ発振器のビームモードは高次モードを含
んでいるが、定性的な現像の把握には問題ないのでレー
ザビームモードはガウシアンモードであると仮定して説
明する。
ガウシアンモードの伝搬に関しては、例えば、エル・
ディ・ディクソン(L.D.Dickson)が1970年8月発行の
『アプライド・オプティクス』のVol.9,No.8(APPLIED
OPTICS;Vol.9,No.8;August,1970)に発表した文献を参
照すると明白なように、第1番目のレンズに入射するレ
ーザビームのビーム径及び波面の曲率半径がわかれば、
それ以降のレーザビームの伝搬は一義的に決定される。
第1番目のレンズ上におけるレーザビームの半径を
W1、その波面の曲率半径をR1とし、そのレンズの焦点距
離をf1とする。同様に第2番目のレンズに対するレーザ
ビーム半径をW2、波面の曲率半径をR2、レンズの焦点距
離f2とする。そして、レンズ間の距離をdとする。
すると、第2番目のレンズから距離xだけ離れた点に
おけるレーザビームの半径W(x)は次式で表される。
W(x)=λ/(πW2)(x2+Zo2 2(1−x(1/f2−1/R2)))
1/2 ……(1) 上式(1)において、W2、R2は W2=λ/(πW1){d2+Zo1 2(1−dk)1/2 ……(2) R2=(d2+Zo1 2(1−dk))/(d+Zo1 2k(1−dk)) ……(3) である。
上式(2)及び(3)において、k、Zo1、及びZo
2は、 k=1/f1−1/R1 Zo1=πW1 2/λ Zo2=πW2 2/λ であり、λはレーザの波長である。
従って、集光レンズによるレーザビームの集光特性に
ついて見る場合のように、比較的平行光に近いビームが
集光レンズに入射する条件下、即ちR2≫f2が成立する場
合には、焦点距離f2の集光レンズによる得られる最小ス
ポット半径Wmin及び焦点位置Zminは、以下のように近似
出来る。
Wmin〜λf2/(πW2)|1+f2/R2| ……(4) Zmin〜f2|1+f2/R2| ……(5) 従って、集光レンズによって得られる最小スポット径
は、集光レンズの焦点距離に比例し、入射ビーム径に反
比例することがわかる。
第3図はケプラー型ビームエクスパンダーの両レンズ
間の距離を変化させた場合のビームエクスパンダの出射
側からの距離に対するレーザビーム直径の変化の様子を
示す図である。本図は上式(1)〜(3)を用いて算出
したものである。
レーザ発振器には全反射鏡の曲率半径が15m、出力鏡
の曲率半径が30m−10m:メニスカス、全光路長が5.5mの
ものを用い、これから0.5mの所に焦点距離f1=2.5イン
チ、焦点距離f2=5.0インチのケプラー型ビームエクス
パンダを設置した。このビームエクスパンダは通常2倍
の平行光が得られるものである。
このような構成において、両レンズ間の距離dをパラ
メータとして、ピームエクスパンダの出射側からの距離
に対するレーザビーム直径の変化の様子を算出した。こ
れより明らかなように、両レンズ間の距離dを2倍の平
行光が得られる3f1(7.5インチ)から±数パーセント変
化させるだけで、ビーム径を変化できる。例えば、x=
4mにおけるビーム径は数分の1から数倍にわたって可変
される。即ち、レーザ発振器と集光レンズを含む加工系
を組み合わせたレーザ加工装置において、レーザ発振器
側にビームエクスパンダを装着し、その両レンズ間の距
離を微調整することで、所定の場所に設置された集光レ
ンズ上でのビーム径を加工すべき材料の板厚に応じた最
適な値に設定することが出来る。
なお、以上のことは集光レンズの収差が無視出来る場
合について説明したが、次に収差が無視できない場合に
ついて説明する。収差の無視できない焦点距離fの集光
レンズにビーム直径D、波長λの光が入射した場合に得
られる焦点におけるビーム直径dlfは次式で得られる。
dlf=K(D3/f2)+4λf/(πD) ……(6) ここに、Kはレンズの形状によって決まる定数であ
る。
従って、この場合には焦点距離fとビーム直径Dとは
独立ではなく、例えば、ビーム径が決まると、最小のス
ポット直径dminが得られるための集光レンズの焦点距離
は一義的に決まってしまう。そのときの集光レンズの焦
点距離foptとスポット直径dminは、 fopt 3=πKD4/(2λ) ……(7) dmin=KD3/fopt 2+4λfopt/(πD)) ……(8) となる。逆に、使用する集光レンズの焦点距離が決まる
と、それに応じて最適なビームスポット径も決まること
になる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
第1図は本発明の一実施例を示すレーザ加工装置の概
略構成を示す図である。同図はレーザ加工装置の構成を
示すのに十分な程度に簡略化してある。
図において、レーザ発振器1から出射されたレーザ光
は、レーザ発振器1のきょう体3に取り付けられたビー
ムエクスパンダ4に入射する。きょう体3とビームエク
スパンダ4とは一体に構成される。
ビームエクスパンダ4はケプラー型エクスパンダであ
り、入射側のレンズ41と出射側のレンズ42との間の距離
を可変することによって、入射レーザビームを拡大又は
縮小されたレーザビーム2として出射する。ビームエク
スパンダ4から出射されたレーザビーム2は折り返し鏡
5によって直角に折り曲げられ、集光レンズ6を通過す
る。
レーザビーム2は集光レンズ6によって集光ビームに
変換され、加工テーブル8上の加工対象物7に焦点9を
結ぶように導かれる。加工テーブル8は加工対象物7を
所望の加工形状に仕上げるために位置制御される。
このように、レーザ加工装置の光学系でビームエクス
パンダーをビーム径の調整器として使用する。即ち、ビ
ームエクスパンダ4を構成する2枚のレンズ41及び42間
の距離を微調整することで、集光レンズ6上におけるビ
ーム径を調整することができる。従って、集光レンズ6
の焦点距離が固定されていても、ビームエクスパンダ4
によって加工対象物7上で得られる集光スポット径を可
変することができる。
第4図は第1図のレーザ加工装置の集光特性を示す図
である。ここでは、ビームエクスパンダ4の出射側から
集光レンズ6までの距離を4m、集光レンズ6の焦点距離
を7.5インチとし、第3図と同じ条件のビームエクスパ
ンダを使用した場合の集光特性を示す。
第4図から明らかなようにビームエクスパンダ4を構
成するレンズ41及び42間の距離を0.97×7.5インチから
1.01×7.5インチの範囲で可変した場合、レーザビーム
の集光スポット直径は60μmから260μmの範囲で変化
し、その変化の割合も約4倍強にわたることが理解でき
る。従って、集光スポット直径の大きいものは、厚物の
材料切断に、小さいものは薄物の材料切断にそれぞれ適
している。このように、切断加工される材料の厚さに応
じてビームエクスパンダ4を構成するレンズ41及び42間
の距離を制御することによって、その材料に応じた集光
スポット直径のレーザビームを生成することが可能とな
る。
従って、通常厚物の切断の場合に用いられる長焦点レ
ンズを使用した場合でも、本実施例のようにビームエク
スパンダ4を構成する両レンズ間の距離を調整して集光
レンズに入射するビーム径を大きくすることで、ビーム
径を拡大しないで短焦点のレンズをもちいた場合と同等
あるいはそれ以上の集光ビームを得ることが可能とな
る。また、薄物の切断にも長焦点のレンズを用いること
が可能になることで、短焦点のレンズを用いた場合にし
ばしば問題となるレンズの汚れに起因するレンズ破壊を
防止することができるという副次的効果もある。さら
に、短焦点レンズを使用した薄物の切断においても、よ
り高速、高精度の切断が期待出来る。
なお、焦点位置に関しては、196mmから182.5mmの範囲
で変化するので(平行ビームが入射する場合には、上式
(4)から明らかなように焦点距離は変化しない)、実
際の加工の際には注意を要する。それは、通常の切断加
工の場合、酸素等のアシストガスを使用するために、加
工ヘッドと材料表面との間のギャップ距離は数mm以下に
設定されるからである。しかしながら、この程度の焦点
距離の変化は、集光レンズ6の位置も同時に可変する機
構を設けるか、又は先端ヘッドの形状を変えることで、
容易に吸収することができるので問題とはならない。
第2図は本発明の他の実施例を示すレーザ加工装置の
概略構成を示す図である。
本実施例では、レーザ発振器1の出力鏡12と第1図の
レンズ42とでガリレオ型のビームエクスパンダ4を構成
したものである。出力鏡12と全反射鏡11とで光共振器を
構成している。それ以外は第1図の実施例と同一であ
る。本実施例によればレンズの使用枚数を1枚減らすこ
とができると同時に、伝送系のレーザ強度の損失を少な
くすることができるという利点がある。
上述の実施例では、切断加工の場合を例に説明した
が、溶接加工の場合も同様に適用することが可能であ
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、1台のレーザ加
工装置で薄物から厚物に至る材料をその材料の厚さに応
じた最適なビームスポット径のレーザビームで加工する
ことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すレーザ加工装置の概略
構成を示す図、 第2図は本発明の他の実施例を示すレーザ加工装置の概
略構成を示す図、 第3図はケプラー型ビームエクスパンダーの両レンズ間
の距離を変化させた場合のビームエクスパンダの出射側
からの距離に対するレーザビーム直径の変化の様子を示
す図、 第4図は第1図のレーザ加工装置の集光特性を示す図で
ある。 1……レーザ発振器 2……レーザビーム 4……ビームエクスパンダ 5……折り返し鏡 6……集光レンズ 7……加工対象物 8……加工テーブル 11……全反射鏡 12……出力鏡 41、42……レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 軽部 規夫 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社レーザ研究所 内

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともレーザ発振器、ビームエクスパ
    ンダ及び集光系を有するレーザ加工装置において、 加工材料の厚さに応じて前記ビームエクスパンダを構成
    する2枚のレンズ間の距離を可変制御することを特徴と
    するレーザ加工装置。
  2. 【請求項2】前記レーザ発振器と前記ビームエクスパン
    ダとを一体に構成したことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載のレーザ加工装置。
  3. 【請求項3】前記ビームエクスパンダを構成するレンズ
    の一方を前記レーザ発振器の出力鏡で構成したことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザ加工装置。
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