JP5147834B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバを通じて伝送されるレーザ光を用いて加工物（例えば、金属板）を加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
光ファイバは、レーザ加工装置のレーザ光伝送手段として利用され得る。一般に、光ファイバは、中心部のコアとコアの周囲を覆うクラッドを有する。コアは、石英ガラス又はプラスチックなどの透光性の材料で形成されている。また、コアは、その中に光を閉じ込めておくために、クラッドよりも屈折率が高い材料で形成される。しかし、伝送する光のすべてをコアに閉じ込めることはできず、少量の光がコアからクラッドに不可避的に漏れ出る。そのため、クラッドを伝わる光を除去するために、特開２００３−１３９９９６号公報に、クラッドの周囲に光除去部材を設けることが提案されている。また、クラッドの外周面の一部を粗面化し、その部分を通じてクラッドから光を除去することが、米国特許第４，５７５，１８１号に提案されている。しかし、これらの技術ではクラッド内の光を完全に又はほぼ完全に除去することはできず、少量の光がクラッドを伝って加工物に照射されることは避けられない。また、クラッドを伝って加工物に照射される光は少量であるため、レーザ加工の精度に及ぼす影響が極めて少ないものと考えられていた。ところが、本発明者らが行った試験によれば、活性ファイバ中でレーザを発振するファイバレーザを用いて金属板を切断したところ、光ファイバから出射される僅かなクラッド伝搬光によって切断面に細かな凹凸を生じることがわかった。
そこで、本願発明は、クラッドを伝わる光を効率よく除去したレーザ加工方法とその装置を提供することを目的とする。
 発明の概要
この目的を達成するため、本発明によれば、アシストガスの酸素を加工物に吹き付けながら、コアとクラッドからなる光ファイバを伝送したレーザ光を加工物に照射して該加工物を切断加工する。このとき、光ファイバのクラッドを伝送する光は、除去部／減衰部で除去あるいは減衰される。
本発明によれば、凹凸が少ない、高品質の金属加工面が得られる。
実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図。 吸収体を用いた除去部の構成を示す断面図。 光透過部材を用いた除去部の構成を示す断面図。 実施形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す図。 実施形態３に係るレーザ加工装置の構成を示す図。 実施形態４に係るレーザ加工装置の構成を示す図。 実施形態５に係るレーザ加工装置の構成を示す図。 クラッド伝搬光／コア伝搬光強度の比率と切断面粗さの関係を示すグラフ。 加工ヘッドの縦断面図。 図９に示す加工ヘッドの中を光の伝搬経路を示す図。 絞り板の無い加工ヘッドから出射される光のビームプロファイル。 絞り板を備えた加工ヘッドから出射される光のビームプロファイル。 実施形態６に係る光ファイバと光ファイバ装置の一部を示す断面図。 図１の光ファイバと光ファイバ装置を含むファイバレーザ装置の概略構成を示す図。 実施形態７に係る光ファイバと光ファイバ装置の一部を示す断面図。 実施形態８に係る光ファイバと光ファイバ装置の一部を示す断面図。 コアを伝搬する光のパワーに対する、クラッドを伝搬する光のパワーの比率を求める装置の構成を示す図。 光ファイバの出射端面を示す図。 転写面に投影された像とナイフエッジとの関係を示す図。 ナイフエッジの位置と転写面を透過した光のパワーとの関係を示す図。
符号の説明
１０、４０、５０、６０、８０：レーザ加工装置、１２：レーザ発振器、１４：光ファイバ、１６：加工ヘッド、１８：加工物、２０：コア、２２：クラッド、２４：被覆、３０：除去部、３２：クラッド露出面、３４：吸収体、３６：クラッド伝搬光、３８：光透過部材、４２，４４，４６：除去部、５２，５４：除去部、６２：ファイババンドル部、６４：光ファイバ、６６：加工ヘッド、６８：加工物、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ：除去部、７２，７４：除去部、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ：ファイバレーザ発振器、８６ａ、８６ｂ、８６ｃ：活性ファイバ、８８ａ、８８ｂ、８８ｃ：励起光源、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ：励起光源、９２ａ，９２ｂ，９２ｃ、９４ａ，９４ｂ，９４ｃ：ファイバブラッググレーチング、１１０：光ファイバ装置、１１２、１１２’、１１２”：光ファイバ、１１４：コア、１１６：クラッド層（第１の被覆）、１１８：ジャケット（第２の被覆）、１２０：第１のクラッド、１２２：第２のクラッド、１２６：出光端 、１２８、１２８’、１２８”：露出部、１３６：スリーブ、１３８：第１の保持部、１４０：第２の保持部、１５０：ファイバレーザ装置、１５２：励起光源、１５６：活性ファイバ、１６２，１６４：ファイバブラッググレーティング、１７０ａ〜１７０ｃ：階段部、１８０ａ：大径部、１８０ｂ：小径部、２０２：加工点、２０４：光学系、２０６：ハウジング、２０８：入射部、２１０：出射口、２１２：光軸、２１４〜２１８：レンズ、２２０：絞り板、２２２：開口。
発明の好ましい実施形態
以下、添付図面を参照して本発明の複数の好ましい実施形態を説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において同一の符号は同一又は類似の部材又は部分を示す。
実施形態１
図１は、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す。図示するように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振部であるレーザ発振器１２を有する。レーザ発振器１２は、金属の加工に適した波長とパワーを有するレーザ光を生成する。レーザ発振器１２のレーザ出力部に光伝送部を構成する光ファイバ１４の一端が連結されている。光ファイバ１４は、レーザ発振器１２から出射されるレーザ光の伝搬に好適な光ファイバであり、図２に示すように、中央部のコア２０と、コア２０の周囲を覆うクラッド２２を有する。コア２０とクラッド２２は、ともに光の透過率が非常に高い石英ガラス又はプラスチックで形成されており、コア２０の屈折率がクラッド２２の屈折率よりも大きくしてある。クラッド２２の周囲は、光ファイバ１４に必要な強度を確保する適当な材料、例えばシリコーン系樹脂の被覆２４で覆われている。
図１に戻り、光ファイバ１４の他端はレーザ出射ヘッド又は加工ヘッド１６に連結されている。加工ヘッド１６は、光ファイバ１４とともに、本発明の「光伝送部」を構成する。好ましくは、加工ヘッド１６は、図示しない固定式又は可動式のホルダに保持されており、加工物（例えば、金属板）１８の近傍にレーザ出射口（図示せず）が位置決めされている。また、レーザ加工装置１０は、アシストガス供給部３０２を備えており、該アシストガス供給部３０２から供給されたアシストガス（酸素）がレーザ出射口の周囲に設けたアシストガス噴射口（図示せず）から、レーザ出射口の近傍に配置されるレーザ加工位置３０４に噴射されるようにしてある。代わりに、レーザ出射口をアシストガス噴射口に利用してもよい。
実施形態１において、加工ヘッド１６の近傍にある光ファイバ１４の一部には、クラッド２２の中を伝わる光を除去する除去部３０が設けてある。図２に示すように、除去部３０は、光ファイバ１４の最外層にある被覆２４を周方向に連続して除去して形成されたクラッド露出面（露出部）３２と、クラッド露出面３２を覆う吸収体３４を有する。吸収体３４は、光の吸収性に優れた材料、例えば、黒色被膜が付いた、銅、アルミニウムなどの良熱伝導性金属で形成されている。好ましくは、露出面３２は、コア２０からクラッド２２に漏れ出た光３６が露出面３２に入射したときに、その光３６の大部分がクラッド露出面３２を介して吸収体３４に吸収され、再びクラッド２２の内部に戻らないように配置されている。例えば、クラッド露出面３２は、クラッド２２と同等又はそれ以上の屈折率を有する液体（マッチングオイル）を介して、吸収体３４に接している。
図３に示すように、吸収体３４に代えて、クラッド露出面３２に入射した光３６をクラッド２２の外部（径方向外側）に向けて案内する光透過部材３８を用いてもよい。図示するように、光透過部材３８はクラッド２２よりも屈折率の高い材料を用いることが好ましい。クラッド露出面３２でクラッド２２と光透過部材３８を光学的に良好に連結するために、例えば光結合用接着剤を用いて両者を接着することが好ましい。
このような構成を備えたレーザ加工装置１０によれば、レーザ発振器１２から出射されたレーザ光は、光ファイバ１４を介して加工ヘッド１６に伝送された後、該加工ヘッド１６から加工物１８に照射される。このとき、光ファイバ１４のコア２０からクラッド２２に漏れ出た光３６は、図２に示すように除去部３０の吸収体３４で吸収される、または図３に示すように光透過部材３８を通じて外部に放出される。
図８は、軟鋼板の切断加工において、コア２０を伝搬する光のパワーに対する、クラッド２２を伝播する光のパワーの比率（以下、「パワー比率」という。）を変えたときの切断面の粗さを調べた実験の結果を示す。図から明らかなように、パワー比率が２．５％のとき、計測不可能なほどに、粗さＲｚは大きい。また、パワー比率が１％の場合、粗さＲｚは１０μｍ以下であり、非常に高い品質の滑らかな面が得られる。この実験では、コアを伝播するレーザ光のパワーを２ｋＷとしたので、クラッドを伝播するレーザ光のパワーを２０Ｗ以下とした場合に非常に高い品質の切断加工ができることになる。この実験では、加工物の材料に軟鋼を使用したが、加工物の材料はこれに限るものでなく、酸素を用いる燃焼反応によって切断されるあらゆる材料（例えば、軟鋼以外の鉄）が含まれる。
このように、ファイバを伝送したレーザ光による切断加工において、ファイバのクラッドを伝播する光を減ずることにより切断品質が劇的に良くなることが本発明者らによって初めて明らかにされた。従来、波長が１０μｍであってファイバが使用できないため、発振器から出力されたレーザビームを空間伝播させた後集光して加工する、ＣＯ２レーザの軟鋼板の切断加工において、メインビームの周辺の弱いレーザ光が切断品質に影響することが知られていた。ＣＯ２レーザによる加工の場合、酸素との燃焼反応が加工に影響する軟鋼板などの切断加工において、エネルギー密度の加工閾値、すなわちそれ以上のエネルギー密度の場合に材料が加工されるというエネルギー密度が、通常の軟鋼や鉄では５０ｋＷ／ｃｍ２程度であることが知られている。切断加工においては、加工位置、すなわち集光点でのレーザビームのエネルギー密度は最大１０ＭＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上になるよう集光して加工するが、このエネルギー密度に比較して、加工閾値はかなり低い。加工閾値が低いため、メインビームの周辺にわずかなエネルギーが存在する場合、このメインビームの周辺のわずかなエネルギーが加工に影響すると考えられている。一方、アシストガスに窒素などを用い、アシストガスと加工される材料が燃焼反応を起こさない、ステンレスの切断加工においては、エネルギー密度の加工閾値が１ＭＷ／ｃｍ２とかなり高いため、メインビームの周辺のわずかなエネルギーが加工品質に大きく影響を及ぼすことはない。
波長が１μｍ程度と、ＣＯ２レーザの波長の１０分の１程度であるＹＡＧレーザやファイバレーザによるレーザ光では、ファイバ伝送ができるため、通常、代表的には図１で説明したように、レーザ発振器からの光をファイバに入射し、ファイバ伝送した後、ファイバの出射部を転写して加工物を加工する構成が採られる。この場合、ファイバの出射部や、加工物上すなわち転写点では、レーザビームのエネルギー分布が図１１のようになっていることに本発明者らは気づいた。図１１において、エネルギーが高いメインビームの周辺に分布する低いエネルギー部分は、クラッドを伝播してきたレーザ光であることが判明した。従来、ファイバ伝送のレーザ加工において、クラッドにどれだけのエネルギーのレーザ光が伝播しているのかは知られていなかった。もちろん、クラッドを伝播するレーザ光が加工に影響することも知られていなかったが、本発明者らは、このクラッドを伝播してきたレーザ光が、ＣＯ２レーザによる加工におけるメインビームの周辺のわずかなエネルギーと同様の影響を加工に及ぼすのであろうと予測した。本発明者らは、クラッドを伝播するレーザ光を減じて、すなわち加工物上において図１２で示すようなエネルギー分布にすることにより軟鋼やその他の鉄の加工品質が良くなると考え、上記のような切断実験を行ったところ、予測どおりの結果が得られたのである。一方、本発明者らの別の実験、すなわちアシストガスが窒素であるステンレスの切断加工においては、クラッドを伝播する光を除去した場合と除去しない場合で加工の品質に大きな差はなかった。また、溶接のようにレーザエネルギーのみで加工材料を溶かす加工においてもステンレスの切断加工と同様、クラッドを伝播するわずかなエネルギーが加工品質に大きく影響することはないと考えられる。
１μｍ帯のレーザによる軟鋼板やその他の鉄板の切断加工におけるエネルギー密度の加工閾値は、ＣＯ２レーザ光による場合と同等の５０ｋＷ／ｃｍ２程度、あるいはＣＯ２レーザ光に比較して１μｍ帯のレーザ光では軟鋼を含む鉄のレーザの吸収率が高いため、５０ｋＷ／ｃｍ２以下になると考えられる。加工品質の良い切断加工を行うためには、被加工材上に転写されたレーザ光のうち、クラッドを伝播してきたレーザ光が転写されたレーザ光のエネルギー密度を少なくとも加工閾値以下にする必要がある。よって、軟鋼を含む鉄の切断加工の場合、レーザ光のエネルギー密度を少なくとも５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下に減ずる必要がある。
実際、図８の実験例では、クラッドを伝播するレーザ光を減じた場合のクラッドを伝播するレーザ光の全エネルギー（クラッド伝播パワー）２０Ｗは、加工物上でのエネルギー密度に換算すると１５ｋＷ／ｃｍ２程度となる。すなわち、クラッドを伝播してきたレーザ光が転写されたレーザ光のエネルギー密度は、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすればよい。
なお、クラッドを伝播してきたレーザ光の加工位置でのエネルギー密度の算出は、以下のように行うことができる。加工位置では、ファイバの出射端が転写されるため、加工位置におけるファイバの出射端コア部分とクラッド部分が転写された径を、FocusMonitor（ドイツ PRIMES社製）などによって測定することができる。ファイバの出射端におけるクラッド部分のレーザ光の分布はほぼ均一であるため、クラッド伝播パワーＷが測定できれば、加工位置でのコア部分の半径Ｒｓとクラッド部分の外半径Ｒｃにより、クラッドを伝播してきたレーザ光が転写されたレーザ光のエネルギー密度Ｅは
Ｅ＝Ｗ／｛π（Ｒｃ２−Ｒｓ２）｝
で簡単に求めることが出来る。
図１７を参照して、パワー比率を確認する手順を説明する。図示するように、光ファイバ出射端４０２から出射されたレーザ光４０４をコリメートレンズ４０６でコリメートする。次に、コリメートされたレーザ光４０４を集光レンズ４０８で転写面４１０に集光する。コリメートレンズ４０６，集光レンズ４０８は、できるだけ収差の少ないものを使用することが好ましい。そのため、コリメートレンズ４０６，集光レンズ４０８はそれぞれ、組みレンズで構成することが好ましい。コリメートレンズ４０６と集光レンズ４０８の焦点距離がそれぞれｆ１，ｆ２の場合、光ファイバ出射端から出射された像は、倍率ｆ２／ｆ１の倍率で転写面４１０に結像される。転写面４１０上の像を、光軸に垂直に設けたナイフエッジ４１２で部分的に遮断するとともに、ナイフエッジ４１２で遮断されなかった光のパワーをパワーメータ４１４で測定した。
図１８は、光ファイバ４０２の端面を示す。図１９は、光ファイバ４０２から出射された光の、転写面４１０における像を示し、図中、符号４２０は光ファイバのコア４１６から出射された光の像、符号４２２は光ファイバのクラッドから出射された光の像を示す。また、図１９に斜線を施した領域が、ナイフエッジ４１２及び該ナイフエッジ４１２で光が遮断された領域を示す。
図２０は、クラッドから出射された光の像４２２の一端部から反対側の端部（図１９の左端から右端；ｘ＝０〜２Ｒ）までナイフエッジ４１２を移動したときの、ナイフエッジ４１２の移動量（ｘ）と、ナイフエッジ４１２で遮断されることなくパワーメータ４１４で測定された光のパワー（Ｗ）との関係を示す。図２０においてΔｘで示す領域のパワー増分が、図１９にΔＳで示す領域の光像面積増分に対応している。いまクラッドの全域から均一に光が出射されているものと仮定すると、Δｘで示す領域のパワーの微分値からΔＳで示す領域のパワーが求まる。したがって、ΔＳで示す領域の面積とそれに対応するパワーに基づいて、クラッドの全域から出射される光のパワーが求まる。
この方法によれば、細い光ファイバについても、クラッドを伝搬する光のパワー比率を精度良く求めることができる。具体的に、コリメートレンズ４０６の焦点距離ｆ１が２０ｍｍ、集光レンズ４０８の焦点距離ｆ２が１５０ｍｍの場合、転写倍率は７．５である。したがって、直径が１２５μｍのクラッドを有するシングルモード光ファイバでは、クラッドから出射される光の像は転写位置で９００μｍの直径を有し、その大きさはクラッドを伝搬する光のパワー及びパワー比率を計測するうえで十分なものである。
また、集光したレーザ光のエネルギー密度分布は、FocusMonitor（ドイツ PRIMES社製）などによっても測定することができ、この測定値からクラッド伝播光のエネルギー、比率、エネルギー密度を求めることができる。
実施形態２
図４は、実施形態２に係るレーザ加工装置４０を示す。この実施形態２のレーザ加工装置４０では、光ファイバ１４は、加工ヘッド１６の近傍に複数の除去部４２，４４，４６を備えている。各除去部は、図２又は図３のいずれの構成であってもよい。一つ又は複数の除去部には図２の構成の除去部を採用し、残りの除去部には図３の構成の除去部を採用してもよい。
このように、複数の除去部を有する実施形態２のレーザ加工装置４０によれば、一つの除去部によって除去されるパワーを抑えることができる。そのため、吸収体３４の発熱を抑制できる。また、光透過部材３８から放出される光パワーを容易に管理できる。さらに、クラッドを伝搬する光のパワーが大きい場合でも、各除去部の負担を抑えながら、全てのクラッド伝搬光を無理なく除去できる。この構成により、クラッドを伝搬する光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
実施形態３
図５は、実施形態３に係るレーザ加工装置５０を示す。実施形態３のレーザ加工装置５０では、加工ヘッド１６の近傍とレーザ発振器１２の近傍にある光ファイバ部分に、すなわち光ファイバ１４の両端近傍の部分に、それぞれ除去部５２，５４が設けてある。各除去部は、図２又は図３のいずれの構成であってもよい。一端側の除去部には図２の形態の除去部を採用し、他端側の除去部には図３の形態の除去部を採用してもよい。
このように、光ファイバ１４の両端側に除去部５２，５４を設けたレーザ加工装置５０によれば、レーザ発振器１２に接続されている光ファイバ１４の端部でクラッド２２に入射したレーザ光は除去部５４で早期に除去できる。その結果、レーザ光がクラッド２２を伝搬することによって生じるクラッド２２の発熱及びそれに起因するファイバの損傷を防ぐことができる。また、他方の除去部５２の負担が減少する。したがって、２箇所の除去部５２，５４からほぼ全てのクラッド伝搬光を除去できる。この構成により、クラッドを伝搬する光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
実施形態４
図６は実施形態４のレーザ加工装置を示す。図示するように、レーザ加工装置６０のレーザ発振部１２は３つのレーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有する。本実施形態において、レーザ発振器の数は限定的ではなく、２つ以上であればよい。レーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃのレーザ光出力部には、光伝送部１４を構成する複数の光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの一端がそれぞれ連結されている。光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの断面は、図２又は図３に示すとおりである。光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの他端はファイババンドル部６２に連結され、また、ファイババンドル部６２に別の光ファイバ６４が接続されており、ファイババンドル部６２で３つの光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが一つの光ファイバ６４と光学的に連結されている。光ファイバ６４の他端はレーザ出射ヘッド又は加工ヘッド６６に連結されている。加工ヘッド６６は、図示しない固定式又は可動式のホルダに保持されており、加工物（例えば、金属板）６８の近傍にレーザ出射口が位置決めされている。このように、実施形態４では、レーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃとレーザ加工ヘッド６６を繋ぐ光伝送部が、複数の光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、６４とファイババンドル部６２で構成されている。
実施形態４ではまた、光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃにそれぞれ除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃが設けてある。除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、図２又は図３に示すいずれの構成でもよい。また、除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのレーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃの近傍又はファイババンド部６２の近傍のいずれに設けてもよい。図示する実施形態では各光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃにそれぞれ一つの除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃのみを設けているが、レーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃの近傍とファイババンド部６２の近傍の両方にそれぞれ一つ又は複数設けてもよい。
実施形態４ではさらに、ファイババンドル部６２と加工ヘッド６６を繋ぐ光ファイバ６４の両端側にそれぞれ除去部７２、７４を設けている。光ファイバ６４の両端側にそれぞれ除去部を設ける必要はなく、一方のみでもよい。また、光ファイバ６４の一端側又は他端側に複数の除去部を設けてもよい。
このような構成を備えたレーザ加工装置６０によれば、レーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃから出射されたそれぞれのレーザ光は、光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介してファイババンドル部６２に入射され、そこで合成されたレーザ光が光ファイバ６４を介して加工ヘッド６６から加工物６８に照射される。このとき、光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのコアからクラッドに漏れ出た光又はクラッドに直接入射された光は、除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃで除去される。また、光ファイバ６４のコアからクラッドに漏れ出た光又はクラッドに直接入射された光は、除去部７２，７４で除去される。
そのため、実施形態４のレーザ加工装置６０によれば、クラッドを通じてファイババンドル部６２に伝搬される光が減少する、または無くなる。したがって、クラッドを伝搬する光に起因するファイババンドル部６２の発熱が抑制され、ファイババンドル部６２の信頼性が向上する。また、合成された複数のレーザ光を伝搬する光ファイバ６４、特にファイババンドル部６２の近傍に除去部７２を設けたため、ファイババンドル部６２の光ファイバ融着部でクラッドに漏れ出た光は早期に除去される。これにより、光ファイバ６４のクラッドを伝搬する光に起因する光ファイバ６４の発熱及びそれに起因する損傷を防止できる。また、加工ヘッド６６の近傍に設けた除去部７４の負担が軽減でき、除去部７２，７４を通じて全てのクラッド伝搬光を除去できる。この構成により、クラッドを伝搬する光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
なお、実施形態４では、ファイババンドル部６２で複数の光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを融着して光学的に連結したが、レンズなどの光学部材を用いて光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃと光ファイバ６４を光学的に連結してもよい。
実施形態５
図７は、実施形態５に係るレーザ加工装置８０を示す。レーザ加工装置８０では、各レーザ発振器が、希土類元素をファイバコアにドーピングした活性ファイバを有するファイバレーザ発振器８４ａ、８４ｂ、８４ｃで構成されている。ファイバレーザ発振器８４ａ、８４ｂ、８４ｃはそれぞれ、光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに連結部（融着部）８５ａ，８５ｂ，８５ｃを介して接続された活性ファイバ８６ａ、８６ｂ、８６ｃを有する。活性ファイバ８６ａ、８６ｂ、８６ｃはそれぞれ、励起光源８８ａ、８８ｂ、８８ｃと励起光源９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されている。また、励起光源の間に位置する光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのコアには、２つのファイバブラッググレーチング９２ａ，９２ｂ，９２ｃと９４ａ，９４ｂ，９４ｃが設けてある。したがって、レーザ加工装置８０によれば、励起光源８８ａ、８８ｂ、８８ｃと９０ａ、９０ｂ、９０ｃから出射された光がそれぞれ、２つのファイバブラッググレーチング９２ａ，９２ｂ，９２ｃと９４ａ，９４ｂ，９４ｃの間で励起され、その励起光が対応する光ファイバ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに出射される。
このように構成された実施形態５のレーザ加工装置８０によれば、実施形態４のレーザ加工装置と同様に、ファイババンドル部６２の近傍に除去部７０ａ，７０ｂ，７０ｃが設けられているので、クラッドを通じてファイババンドル部６２に伝搬される光が減少する、または無くなる。したがって、クラッドを伝搬する光に起因するファイババンドル部６２の発熱が抑制され、ファイババンドル部６２の信頼性が向上する。また、合成された複数のレーザ光を伝搬する光ファイバ６４、特にファイババンドル部６２の近傍にも除去部７２を設けたため、ファイババンドル部６２の光ファイバ融着部でクラッドに漏れ出た光は早期に除去される。これにより、光ファイバ６４のクラッドを伝搬するレーザ光に起因する光ファイバ６４の発熱及びそれに起因する損傷を防止できる。また、加工ヘッド６６の近傍に設けた除去部７４の負担が軽減でき、除去部７２，７４を通じて全てのクラッド伝搬光を除去することができる。この構成により、クラッドを伝搬する光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
実施形態６
図９は、加工ヘッド１６を示す。加工ヘッド１６は、光ファイバ１４から出射端から出射された光を加工点２０２に案内するための光学系２０４と、光学系２０４を収容するハウジング２０６を有する。ハウジング２０６は、光ファイバ１４から出射された光が入射される入射部２０８と、加工点２０２の近傍に配置される出射口２１０を有する。光学系２０４は、入射部２０８からハウジング内に入射された光を、出射部２１０に向けて、光軸２１２に沿って案内する複数の光学レンズを有する。実施形態では、光学系２０４は、入射部２０８から出射口２１０に向けて順番に、第１のレンズ２１４，第２の２１６，第３の２１８を有する。また、光学系２０４は、第１のレンズ２１４と第２のレンズ２１６の間に、加工点２０２に向けて送られるレーザ光３６の横断面形状を目的の形状に成形するための絞り板２２０を有する。そのために、絞り板２２０は、光軸２１２を中心とする円形の開口２２２を有する。図１０に示すように、開口２２２の大きさは、光ファイバ１４から出射されて第１のレンズ２１４を透過した光３６のうち、コア２０から出射された光３５ａだけを透過し、クラッド２２から出射された光３６ｂを遮蔽する大きさとしてある。
このように構成された加工ヘッド１６によれば、光ファイバ１４から出射された光３６（３６ａ、３６ｂ）は、第１のレンズ２１４で集光される。集光された光３６のうち、コア２０から出射された光３６ａは絞り板２２０の開口２２２を通過して第２のレンズ２１４に入射され、クラッド２２から出射された光３６ｂは絞り板２２０で遮断される。その結果、クラッド２２から出射された光３６ａだけが、第２のレンズ２１６で平行な光に変換されたのち、第３のレンズ２１８で再び集光され、出射口２１０から加工点２０２に結合される。
したがって、実施形態の加工ヘッド１６によれば、クラッド２２から出射された光３６ｂが出射口２１０を囲むハウジング部分に照射されて該ハウジング部分を加熱することがないので、該ハウジング部分の変形が防止されて一定した形の光を加工物に照射できるし、加熱されたハウジング部分の熱によって加工精度が落ちることもない。
因みに、絞り板の無い加工ヘッドの場合、図１１に示すように、ヘッドから出射される光はクラッドから出射された光の成分を含むことから、加工点におけるビームプロファイル２３０はガウス状のエネルギ分布を示し、周囲にエネルギがなだらかに変化する部分２３２を有する。そのため、加工面に高い精度が得られない。これに対し、図１２に示すように、実施形態の加工ヘッド１６では、ヘッドから出射される光の加工点におけるビームプロファイル２３４は、フラットトップを有し、かつ、周囲にエネルギがなだらかに変化する部分を持たない。そのため、加工面に高い精度が得られる。
また、実施形態によれば、加工点で反射して再びハウジング２０６の内部に入った光は、絞り板２２０で除去されるので、再びクラッドに入射することがない。そのため、高熱を有する反射光によってクラッドが損傷することもない。したがって、安定した加工が保証される。
なお、実施形態では、絞り板を第１と第２のレンズの間に配置したが、絞り板が配置される場所は限定的でない。また、開口の形状は円形に限るものでなく、任意の形を採り得る。さらに、理想的にはクラッドからの出射光は絞り板ですべて除去することが好ましいが、僅かなその除去率は１００％である必要はない。
本実施の形態によっても、クラッドを伝搬する光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
実施形態７
図１３は、本発明に係る光ファイバ及びこの光ファイバを備えたレーザ加工用のレーザ光伝送用光ファイバ装置の実施形態を示す。図示するように、光ファイバ装置１１０は、レーザ光を導光するための光ファイバ１１２を有する。光ファイバ１１２によって導光されるレーザ光は特定波長の光に限るものでない。光ファイバ１１２は、所定の外径を有するコア１１４と、コア１１４の周囲に設けられたクラッド１１６と、クラッド１１６の周囲を被覆するジャケット１１８を有する。実施形態において、光ファイバ１１２は、ダブルクラッドのマルチモード伝送ステップインデックスファイバとして示されており、クラッド１１６は内側の第１のクラッド１２０と外側の第２のクラッド１２２を有する。マルチモードの高出力レーザ光を伝送するダブルクラッドファイバは、一般にコア１１４の径が通信用シングルモード光ファイバのコア径（約１０μｍ）よりも大きく、例えば２０μｍである。また、例えば、第１のクラッド１２０の外径は約４００μｍであり、第２のクラッド１２２の外径は約５００μｍである。
光ファイバ１１２の先端部（実施形態では図上右側の端部）は、コア１１４の光出射端１２６から所定距離Ｌ１だけ後退した領域１２４にある、第２のクラッド１２２とジャケット１１８の一部が除去されて、第１のクラッド１２０の露出部１２８が形成されている。領域１２４にある第１のクラッド１２０の露出部１２８は、先端に向かって連続的に細くなるテーパ部としてある。このテーパ形状は、例えばフッ化水素酸に光ファイバを浸すことによりガラス製のクラッドを一部溶解させることで形成されており、そのクラッド外被面は滑らかな面を有している。
光ファイバ装置１１０において、光ファイバ１１２の露出部１２８を含む先端部分は、円筒状の筒からなるスリーブ１３６が、光ファイバ１１２と接触しないように外装されている。スリーブ１３６は、コア１１４の先端部に外装された環状部材の第１の保持部１３８と、ジャケット１１８に外装された環状部材の第２の保持部１４０を介して、光ファイバ１１２を保持している。スリーブ１３６と第１の保持部１３８は、クラッドから外側に散逸するレーザ光が装置外部に漏れ出るのを防止するため、レーザ光に対して高い吸収率を有する材料（好ましくは金属材料）で形成することが好ましい。
図１４は、図１３の光ファイバ装置１１０を含むファイバレーザ装置１５０を示す。図示するファイバレーザ装置１５０は、励起光源１５２を有する。励起光源１５２は導光路１５４を介して希土類元素がドープされた活性ファイバ１５６を励起する。対向するファイバブラッググレーティング１６２，１６４間でレーザ発振が生じ、光ファイバ１１２の後端１２６から出射される。実施形態では、導光路１５４と活性ファイバ１５６は連結部１５８においてそれらの端部が例えば融着されて光学的に連結されている。活性ファイバ１５６と光ファイバ１１２も、連結部１６０でそれらの端部が例えば融着されて光学的に連結されている。
このように構成されたファイバレーザ装置１５０によれば、対向するファイバブラッググレーティング１６２，１６４間で発振したレーザ光が光ファイバ１１２のコア１１４に伝送され、コア光出射端１２６から出射されて加工物に照射される。また、テーパ状露出部１２８におけるクラッド伝搬の許容ＮＡが急激に小さくなるため、クラッド１２０を伝搬する残余励起光やコア１１４から漏れ出たレーザ光は、露出部１２８でその外側に散逸する。散逸したレーザ光は、光ファイバ１１２と直接接触しないスリーブ１３６又は第１の保持部１３８に吸収されて熱拡散する。また、コア光出射面１２８周囲のクラッド先端面は非常に小さいため、加工物からの反射レーザ光がクラッド先端から入射することもなく、また、たとえ入射してもその量は僅かである。
以上で説明したように、光ファイバ１１２の先端部近傍にあるクラッド層端部は、コア光出射端に向かって連続的に外径が小さくしてある。したがって、クラッド１２０を伝播するレーザ光は確実にクラッドから放出されて、光ファイバを非接触に覆うスリーブに吸収される。そのため、光ファイバ及び該光ファイバを備えた光ファイバ装置やファイバレーザ装置において、クラッドを伝搬する光は高い信頼性をもって除去できる。また、加工物からの反射レーザ光がクラッドに入射する量は著しく減少するか又は無くなる。なお、テーパ部のクラッド外被面は滑らかに形成されており、ファイバの強度を極端に低下させることはない。さらに、クラッド露出部１２８のテーパ形状は比較的容易に加工することができることから、安価な光ファイバ、光ファイバ装置、ファイバレーザ装置を提供できる。
実施形態８
図１５は実施形態８の光ファイバと該光ファイバを組み入れた光ファイバ装置を示す。図示するように、光ファイバ装置１１０’は、光ファイバ１１２’における露出部１２８’の形状が実施形態１で説明した光ファイバ１１２における露出部１２８の形状と異なる。具体的に、この実施形態では、クラッド露出部１２８に、先端に向かうに従って段々に外径が小さくなる階段状の複数の階段部（小径部）１７０ａ〜１７０ｃが形成されている。この階段状のクラッド形状は、実施形態１と同様例えばフッ化水素酸に光ファイバを浸すことによりガラス製のクラッドを一部溶解させることで形成されており、そのクラッド外被面は滑らかな面を有している。
したがって、クラッド１２０を伝搬する残余励起光やコア１１４から漏れ出たレーザ光は、大径部から小径部への境界部において、その断面積の減少に対応してクラッド１２０から散逸する。散逸したレーザ光は、スリーブ１３６又は第１の保持部１３８に吸収されて熱拡散する。また、コア光出射面１２８周囲のクラッド先端面は非常に小さいため、加工物からの反射レーザ光がクラッド先端から入射することがなく、また、たとえ入射してもその量は僅かである。そのため、クラッドを伝播するひかりは高い信頼性をもって除去できる。またテーパ部のクラッド外被面は滑らかに形成されているので、ファイバの強度を極端に低下させることはない。さらに、クラッド露出部１２８の階段形状は比較的容易に加工することができることから、安価な光ファイバ、光ファイバ装置、レーザ装置を提供できる。
実施形態９
図１６は実施形態９の光ファイバと該光ファイバを組み入れた光ファイバ装置を示す。図示するように、光ファイバ装置１１０”は、光ファイバ１１２”における露出部１２８”の形状が実施形態１で説明した光ファイバ１１２における露出部１２８の形状と異なる。具体的に、この実施形態では、クラッド露出部１２８”には、外径の大きい大径部１８０ａと外径の小さい小径部１８０ｂが交互に形成されている。大径部１８０ａの外径はクラッド１２０の外径と同一でもよく、小径部１８０ｂの外径は大径部１８０ａより小さければよい。また、複数の大径部１８０ａの外径と複数の小径部１８０ｂの外径はそれぞれ同一である必要はない。これら大径部１８０ａと小径部１８０ｂは、中心軸方向に一定の間隔又は任意の間隔をあけて、例えばクラッド１２０の外周面に環状の溝（小径部１８０ｂ）を形成することによって形成される。この環状の溝形状は、実施形態６および７と同様に、例えばフッ化水素酸に光ファイバを浸すことによりガラス製のクラッドを一部溶解させることで形成されるので、そのクラッド外被面は滑らかな面を有している。
このような光ファイバ装置１１０”と光ファイバ１１２”によれば、大径部１８０ａから小径部１８０ｂに向かってクラッド１２０を伝搬するレーザ光は、大径部１８０ａと小径部１８０ｂを繋ぐ断面縮小部１８０ｃで、断面積の減少に対応してクラッド１２０から散逸する。そして、実施形態では、複数の大径部１８０ａと小径部１８０ｂが形成されていることから、クラッド１２０を伝搬するレーザ光は繰り返し効率良く減衰する。また、クラッド１２０の外径を極端に小さくする必要がないため、クラッド１２０の強度を保持できる。またテーパ部のクラッド外被面は滑らかに形成されているので、ファイバの強度を極端に低下させることはない。さらに、クラッド露出部１２８”の外径を所定間隔ごとに小さくするだけで大径部１８０ａと小径部１８０ｂを形成することができるので、比較的容易に加工することができる。そのため、安価な光ファイバ、光ファイバ装置、ファイバレーザ装置を提供できる。
以上の実施の形態７〜９の説明では、光ファイバ１１２は２層のクラッドを備えているが、本発明の光ファイバは一層のクラッドのみを有するものであってもよい。
実施の形態７〜９によって、加工位置においてクラッドを伝搬した光のパワーを抑制できる。その結果、クラッドから出射された光の加工位置におけるエネルギー密度を５０ｋＷ／ｃｍ２以下、好ましくは３０ｋＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋＷ／ｃｍ２以下にすることができる。これにより、加工ヘッドから出射されたレーザを用いて切断された金属の切断面は、粗さＲｚの値が小さい高品質の滑らかな面になる。
なお、上記全ての実施の形態において、レーザ発振器がファイバレーザの場合、発振器においてクラッドを伝播するレーザ光が多く、伝送のためのファイバのクラッドにも発振器のクラッドを伝播するレーザ光が結合されるため、特に本発明の効果が大きい。

Claims (12)

  1. レーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
    上記レーザ加工装置は、
    レーザを発振するレーザ発振部と、
    レーザ加工ヘッドと、
    コアと該コアの周囲に設けられたクラッドからなり上記レーザ発振部で発振されたレーザ光を上記レーザ加工ヘッドに伝送する光ファイバであって上記レーザ加工ヘッドと協働して光伝送部を構成するものと、
    酸素からなるアシストガスをレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給部を有し、
    上記アシストガスをワークに供給しながら、上記レーザ光が上記光ファイバを介して伝送されて上記ワークに噴射されるようにしてあり、
    上記レーザ加工方法は、上記クラッドから出射された上記レーザ光の上記ワーク上の加工位置におけるエネルギー密度が１５ｋＷ／ｃｍ２以下となるように、上記光ファイバのクラッドを伝送する上記レーザ光又は上記クラッドから出射される上記レーザ光を除去する又は減少させることを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 上記レーザ発振部がファイバレーザ発振器を有することを特徴とする請求項１のレーザ加工方法。
  3. 上記レーザ発振部が複数のレーザ発振部を有し、
    上記ビーム伝送部は、一端が上記レーザ発振器に接続された複数の第１の光ファイバと、一端が上記レーザ加工ヘッドに接続され他端が上記複数の第１の光ファイバの他端に接続された第２の光ファイバを有し、
    上記レーザ発振器で発信された上記レーザ光が上記第２の光ファイバに伝送され、
    上記複数の第１の光ファイバのそれぞれ又は上記第２の光ファイバ若しくはそれらの両方が上記クラッドを伝導されている上記レーザ光を除去する又は減少させるための部分を備えていることを特徴とする請求項１のレーザ加工方法。
  4. 上記レーザ発振器はそれぞれファイバレーザ発振器を有することを特徴とする請求項３のレーザ加工方法。
  5. 上記レーザ加工ヘッドは、上記レーザ光を上記光ファイバから上記ワークに案内する光学系を有し、
    上記光学系は、上記コアから出射された上記レーザ光を伝送するとともに上記クラッドから出射された上記レーザビームを遮断する絞り板を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかのレーザ加工方法。
  6. 上記光ファイバは、上記コアを覆うクラッドの露出部が形成されており、上記露出部の外径が上記コアの光出射端に向かって連続的に小さくしてあり、上記クラッド露出部の外被面が滑らかに加工してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかのレーザ加工方法。
  7. 上記光ファイバは、上記コアを覆うクラッドの露出部が形成されており、上記露出部の外径が上記コアの光出射端に向かって階段状に小さくしてあり、上記クラッド露出部の外被面が滑らかに加工してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかのレーザ加工方法。
  8. 上記光ファイバは、上記コアを覆うクラッドの露出部が形成されており、上記露出部は外径の大きな大径部と外径の小さな小径部が交互に形成されており、上記クラッド露出部の外被面が滑らかに加工してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかのレーザ加工方法。
  9. 上記光ファイバの光出射端の近傍を保持する第１の保持部と、上記光ファイバの被覆を保持する第２の保持部と、上記光ファイバに外装され、上記第１の保持部と第２の保持部を介して上記光ファイバを保持する筒を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかのレーザ加工方法。
  10. 上記加工物が、上記加工物と酸素との燃焼反応と上記レーザ光による加熱とにより切断加工される材料であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかのレーザ加工方法。
  11. 上記加工物の材料が、鉄であることを特徴とする請求項１０のレーザ加工方法。
  12. 上記加工物の材料が、軟鋼であることを特徴とする請求項１０のレーザ加工方法。
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