JPWO2018012379A1 - レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工装置は、複数の波長を有するレーザ光（Ｌ）を出射するレーザ発振器と、レーザ光（Ｌ）が通過する透過型回折光学素子（２１）と、透過型回折光学素子（２１）を通過したレーザ光（Ｌ）を集光する加工レンズ（３）と、透過型回折光学素子（２１）と加工レンズ（３）との距離を変更する距離調整機構（３１）と、透過型回折光学素子（２１）の角度を変更し、レーザ光（Ｌ）が透過型回折光学素子（２１）によって分散されて加工レンズ（３）に入射する状態と、レーザ光（Ｌ）が透過型回折光学素子（２１）で分散されずに加工レンズ（３）へ入射する状態とを切り替える角度調整機構（３２）とを備える。

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ加工においては、加工対象に照射されるビーム形状又は強度分布を調整することで加工の高速化及び高品質化が可能である。ビーム形状又は強度分布の調整の例には、アキシコンレンズを利用したドーナツモードでの切断といったワーク平面方向のビーム形状の調整、及び２重焦点レンズを利用したレーザ照射方向へのビーム強度分布を調整した切断を挙げることができる。

特許文献１には、複数の波長のレーザ光を回折光学素子に入射し、回折光学素子により回折されたレーザ光を集光レンズにより集光することで、ビームを波長ごとに分割し、加工対象に照射する技術が開示されている。

特許文献２には、複数の波長帯を有するレーザを発振するレーザ出力装置と、各波長帯のレーザを同一光軸上で焦点距離をずらして集光し照射する照射ヘッドを用い、長波長となる９４０ｎｍのレーザの焦点位置を被加工位置に合わせ、長波長のレーザの焦点を内側にして短波長となる８０８ｎｍのレーザを集光させることで加工の生産性を向上させる技術が開示されている。

特開２００５−２０５４６４号公報 特開２０１５−４４２３８号公報

生産性を向上させるためには、薄板切断時及び穴開け加工時にはレーザ光を一点に集中し、厚板切断時には板厚及び材質に適したビーム形状及び強度分布に切り替える必要がある。特許文献１及び特許文献２では、厚板切断時には高速化が見込める半面、前述のような切り替えができないため、薄板切断時及び穴あけ加工時にはビームが一点に集光できず逆に効率が低下し、全体の生産性が低下する場合もある。また特許文献１のようにビーム形状又は強度分布に異方性がある場合には、加工方向に応じてビーム形状を変更する必要がある。これらの切り替えを速やかに行う必要があり、単一のレーザ波長と光学素子では速やかな切り替えは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の波長を有するレーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ光が通過する回折光学素子と、回折光学素子を通過したレーザ光を集光する加工レンズとを備える。本発明は、回折光学素子と前記加工レンズとの距離を変更する距離調整機構と、回折光学素子の角度を変更する角度調整機構とを備える。

本発明によれば、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができるレーザ加工装置を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の概略を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの内部構成と、焦点位置におけるワーク平面方向のビーム形状を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの内部構成と、焦点位置におけるワーク平面方向のビーム形状を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の角度調整機構によって透過型回折光学素子の角度を変更した場合におけるレーザ光の様子を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の距離調整機構によって透過型回折光学素子から加工レンズまでの距離を変更した場合におけるレーザ光の様子を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の回転機構により透過型回折光学素子を光軸に対して垂直な平面内に回転させた場合におけるレーザ光の様子を示す図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の回転機構の上面図 本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 実施の形態３に係るレーザ加工装置の反射型回折光学素子に対する入射角及び回折角の定義を示す図 本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子に対してＰ偏光及びＳ偏光の両方が存在する角度に偏光板の回転角を調整した状態を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子に対してＰ偏光及びＳ偏光の両方が存在する角度に偏光板の回転角を調整した状態を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子の回転角と偏光板の回転角を変更した場合の焦点位置でのビーム強度比の例を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子の回転角と偏光板の回転角を変更した場合の焦点位置でのビーム強度比の例を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子の回転角と偏光板の回転角を変更した場合の焦点位置でのビーム強度比の例を示す図 実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子の回転角と偏光板の回転角を変更した場合の焦点位置でのビーム強度比の例を示す図 本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図 本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の概略を示す図である。複数の波長を有するレーザ発振器４０から出射されたレーザ光Ｌは伝送ファイバ５により加工ヘッド１内へ伝送され、加工ヘッド１内に配置された加工レンズ３及びノズル２を通過し、加工ヘッド１内部へ供給される不図示の加工ガスとともにワークＷへ集光照射される。加工ヘッド１及びワークＷの少なくとも一方の移動により、加工ヘッド１とワークＷとの相対位置は自由に変更可能な構成となっている。

図２及び図３は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの内部構成と、焦点位置におけるワーク平面方向のビーム形状を示す図である。なお、図２及び図３においては、光学系ではないノズル２の図示は省略している。図１に示す複数の波長を有するレーザ発振器４０から出射されたレーザ光Ｌは、伝送ファイバ５を通じて加工ヘッド１内部へ伝送される。加工ヘッド１内部に伝送されたレーザ光Ｌは、コリメートレンズ４によって平行化され、透過型回折光学素子２１を通過し、加工レンズ３に照射された後、保護ガラスＧを透過し、ワークＷに集光照射される。加工ヘッド１内へ供給される加工ガスは保護ガラスＧによって加工レンズ３側へ進入することなく、加工ノズル２を通過し、ワークＷへ供給される。距離調整機構３１は透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更することができる。角度調整機構３２はレーザ光Ｌに対する透過型回折光学素子２１の傾きを変更することができる。角度調整機構３２は、レーザ光Ｌが透過型回折光学素子２１によって分散されて加工レンズ３に入射する状態と、レーザ光Ｌが透過型回折光学素子２１で分散されずに加工レンズ３へ入射する状態とを切り替える切り替え機構の働きも備えている。回転機構３３は透過型回折光学素子２１を光軸に対して垂直な平面内に回転することができる。

複数の波長を有するレーザ光Ｌは、透過型回折光学素子２１を通過することで波長に応じた回折角で分散され、加工レンズ３へ入射する。加工レンズ３への入射角が波長によって異なるため、加工レンズ３の焦点位置では入射角に応じた位置に各波長のレーザ光Ｌが集光される。このため図２に示すように複数の波長のレーザ光Ｌが重なり、透過型回折光学素子２１で分散された方向に広がりを持つビームがワークＷに照射される。図３に示すように透過型回折光学素子２１へのレーザ光Ｌの入射角を垂直にした場合、回折が発生せず、複数の波長を有するレーザ光Ｌが分散されることなく加工レンズ３へ入射する。この場合ワークＷに照射されるレーザ光Ｌは一点に集光される。

透過型回折光学素子２１において、入射光と回折格子法線とのなす角である入射角をα、回折光と回折格子法線とのなす角である回折角をβとすると、以下の式（１）の関係式が成り立つ。

ｓｉｎα−ｓｉｎβ＝Ｎｍλ ・・・（１）
［Ｎ：１ｍｍあたりのスリット数 ｍ：回折次数（＝０、±１、±２…）λ：波長］

上記式（１）により、例えばｍ＝１の場合、波長ごとに異なる回折角βが存在し、ｍ＝０以外の解が存在しない条件ではレーザ光Ｌは回折すること無く直進する。図２は式（１）におけるｍ＝１のみ解が存在する条件、すなわち回折光が１次に集中する条件であり、図３は|ｍ|≧１の解が存在しない条件である。角度調整機構３２により透過型回折光学素子２１へのレーザ光Ｌの入射角αが変更できるため、図２に示す回折が発生する状態と図３に示す回折が発生しない状態との切り替えが可能になる。

高品質な厚板切断を行うためには切断時のスリット幅を広げ、レーザ光Ｌの照射によって溶融した金属であるドロスを効率よく排出する必要がある。そのため厚板切断ではワークＷに照射されるレーザ光Ｌのビーム径を拡大することが一般的である。一方、薄板の切断時又はピアス加工時は、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌのビーム径を絞ることで加工の高速化が可能になることが知られている。実施の形態１に係るレーザ加工装置は、角度調整機構３２によって透過型回折光学素子２１へのレーザ光Ｌの入射角を変更し、加工レンズ３へ入射するレーザ光Ｌの分散の有無を切り替えることができるため、例えば厚板切断時には図２に示す回折が発生する状態を選択し、薄板切断時又はピアス加工時には図３に示す回折が発生しない状態を選択することが可能となり、効率よく加工を行うことができる。また、実施の形態１に係るレーザ加工装置は、レーザ光Ｌの回折が発生する状態と発生しない状態との切り替えを透過型回折光学素子２１の角度変更のみで行うため、短時間での切り替えが可能となり、加工全体の生産性を向上させることができる。

図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の角度調整機構によって透過型回折光学素子の角度を変更した場合におけるレーザ光の様子を示す図である。図４に示すように、透過型回折光学素子２１に対するレーザ光Ｌの入射角を角度調整機構３２によって調整することで、透過型回折光学素子２１により波長ごとに分散されたレーザ光Ｌの角度を変更することができる。これによりワークＷに照射されるレーザ光Ｌのビームが重なる割合を調整することが可能となり、板厚及び材質に合わせてビーム形状を選択することが可能となる。

図５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の距離調整機構によって透過型回折光学素子から加工レンズまでの距離を変更した場合におけるレーザ光の様子を示す図である。図５では透過型回折光学素子２１による各波長の回折角は変わらないが、波長ごとに分散されたレーザ光Ｌが加工レンズ３に到達する位置が変わる。加工レンズ３の焦点位置においてレーザ光Ｌの集光位置は加工レンズ３への入射角のみで決定されるため、透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離が変わっても分散されたレーザ光Ｌの照射位置は変わらず、焦点位置でビームが重なる割合は変わらない。しかし波長ごとに分散されたレーザ光Ｌが加工レンズ３に到達する位置が変わるため、レーザ照射方向に対してレーザ光Ｌが重なる割合が変化し、ワークＷの厚さ方向に対するビーム強度分布を調整することができる。また、図４の角度調整機構３２と図５の距離調整機構３１を合わせることで板厚及び材質に応じてワーク平面方向、ワーク厚さ方向に対するビーム形状と強度分布を変更することが可能となり、効率的な加工を行うことができる。また、透過型回折光学素子２１を用いることで光学素子をレーザ光Ｌの光軸の中央に配置することが可能となり、加工ヘッド１の小型化が可能となる。

図６は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の回転機構により透過型回折光学素子を光軸に対して垂直な平面内に回転させた場合におけるレーザ光の様子を示す図である。図７は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の回転機構の上面図である。透過型回折光学素子２１による回折方向は、回折格子を形成する周期構造の向きによって決まっているため、回転機構３３により透過型回折光学素子２１を光軸に対して垂直な平面内に回転させることで、ワークＷに対してレーザ光Ｌの分散方向を変更することができる。加工方向に対してレーザ光Ｌの分散方向が一定になるよう回転機構３３を調整することで任意形状に対しても加工速度と切断品質を維持したまま加工を行うことができる。

なお、実施の形態１では、複数の波長を有するレーザ発振器４０が示されているが、異なる波長を有するレーザ発振器を複数台用い、各々の発振器から出射されるビームを結合し、加工ヘッド１へ伝送しても良い。また、レーザダイオードのようなレーザ波長のスペクトルに広がりを持つレーザ発振器を用いても良い。すなわち、波長幅を持つレーザ光Ｌを発するレーザ発振器を用いても良く、具体的には１０ｎｍ以上の波長幅を持つレーザ発振器を用いることができる。

距離調整機構３１は、透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更できる機構であれば良く、例えば距離調整機構３１を透過型回折光学素子２１と加工レンズ３にそれぞれ設置し、透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離と、加工レンズ３とワークＷまでの距離を個別に調整しても良い。

角度調整機構３２は透過型回折光学素子２１に対するレーザ光Ｌの入射角を変更できる構成であれば良く、例えば透過型回折光学素子２１とコリメートレンズ４との間に折り返しミラーを設置し、折り返しミラーの角度を調整してもよい。

また回転機構３３は、加工方向に対して、透過型回折光学素子２１によるレーザ光Ｌの回折方向を一定に保つ構成で有れば良く、例えば回転機構３３を加工ヘッド１に設置し、加工方向に応じて加工ヘッド１全体を回転させてもよく、ワークＷ自体を加工方向に応じて回転させてもよい。

実施の形態１に係るレーザ加工装置は、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができる。

実施の形態２．
図８及び図９は、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図である。実施の形態２に係るレーザ加工装置は、透過型回折光学素子２１の代わりにプリズム２３を用いてレーザ光Ｌを分散させる。なお、図８及び図９においては、光学系ではないノズル２の図示は省略している。

実施の形態２に係るレーザ加工装置では、実施の形態１と同様にコリメートレンズ４で平行化されたレーザ光Ｌは、プリズム２３に入射する。プリズム２３は屈折率に波長依存性があるため、複数の波長を有するレーザ光Ｌは、プリズム２３を通過後、波長に応じた屈折角で分散する。分散されたレーザ光Ｌは、波長に応じた入射角で加工レンズ３に入射し、図８に示すように、プリズム２３で分散された方向に広がりを持つビームがワークＷに照射される。

距離調整機構３１は、プリズム２３から加工レンズ３までの距離を変更し、波長ごとに分散されたレーザ光Ｌが加工レンズ３上に照射される位置を変更できる。角度調整機構３２はレーザ光Ｌに対するプリズム２３の傾きを変更し、加工レンズ３に入射する波長ごとに分散されたレーザ光Ｌの入射角を変更できる。

回転機構３３は、プリズム２３を光軸に対して垂直な平面内に回転することができ、ワークＷに対してレーザ光Ｌの分散方向を変更することができる。

切り替え機構３４は、プリズム２３に接続され、プリズム２３をレーザ光Ｌが入射しない位置まで移動させることができる。切り替え機構３４によりプリズム２３にレーザ光Ｌが入射しない場合、レーザ光Ｌは波長ごとに分散されず、加工レンズ３で一点に集光される。実施の形態２に係るレーザ加工装置は、切り替え機構３４によって例えば厚板切断時には図８に示すレーザ光Ｌを波長ごとに分散させる状態を選択し、薄板切断時又はピアス加工時には図９に示すようにレーザ光Ｌを波長ごとに分散させない状態を選択することが可能となり、効率よく加工を行うことができる。また、レーザ光Ｌを波長ごとに分散させる状態とさせない状態との切り替えをプリズム２３の移動のみで行うため短時間での切り替えが可能となり、加工全体の生産性を向上させることができる。

また、距離調整機構３１と角度調整機構３２とにより加工レンズ３へ入射される、波長ごとに分散されたレーザ光Ｌの入射角と入射位置とを調整できるため、板厚及び材質に合わせてワーク平面方向、ワーク厚み方向に対するビーム形状と強度分布とを変更することが可能となり、効率的な加工を行うことができる。また、加工方向に対してレーザ光Ｌの分散方向が一定になるよう回転機構３３を調整することで任意形状に対しても加工速度と切断品質を維持したまま加工を行うことができる。このように屈折を利用して複数の波長を有するレーザ光Ｌを波長ごとに分散させても良い。

なお、実施の形態１と同様、レーザ光Ｌの光源には、複数の波長を有するレーザ発振器又は異なる波長を有するレーザ発振器を複数台用い、各々の発振器より出射されるビームを結合し、加工ヘッド１へ伝送しても良い。また、レーザダイオードのようなレーザ波長のスペクトルに広がりを持つレーザ発振器を用いても良い。

距離調整機構３１は、プリズム２３から加工レンズ３までの距離を変更できる機構であれば良く、例えば距離調整機構３１を、プリズム２３と加工レンズ３にそれぞれ設置し、プリズム２３から加工レンズ３までの距離と、加工レンズ３からワークＷまでの距離を個別に調整しても良い。切り替え機構３４でプリズム２３に照射されるレーザ光Ｌの位置を変更することでも同様の効果があるため、切り替え機構３４の押し込み量により距離調整機構３１を代用してもよい。

角度調整機構３２はプリズム２３に対するレーザ光Ｌの入射角を変更できる構成であれば良く、例えばプリズム２３とコリメートレンズ４の間に折り返しミラーを設置し、折り返しミラーの角度を調整してもよい。

回転機構３３は加工方向に対してレーザ光Ｌの分散方向を一定に保つ構成であれば良く、例えば回転機構３３を加工ヘッド１に設置し、加工方向に応じて加工ヘッド１全体を回転させてもよく、ワークＷ自体を加工方向に応じて回転させてもよい。

実施の形態３．
図１０及び図１１は、本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図である。なお、図１０及び図１１においては、光学系ではないノズル２の図示は省略している。実施の形態３に係るレーザ加工装置は、透過型回折光学素子２１の代わりに反射型回折光学素子２２を用いている。

実施の形態３に係るレーザ加工装置は、実施の形態１と同様に、伝送ファイバ５から出射された複数の波長を有するレーザ光Ｌが加工ヘッド１内に設置されたコリメートレンズ４で平行化される。平行化されたレーザ光Ｌは折り返しミラー６で反射され、反射型回折光学素子２２に入射される。反射型回折光学素子２２に入射したレーザ光Ｌは波長に応じた回折角で反射され、加工レンズ３へ入射する。実施の形態３に係るレーザ加工装置も実施の形態１と同様に、加工レンズ３への入射角が波長に応じて異なるため、加工レンズ３の焦点位置では各波長のレーザ光Ｌは入射角に応じた位置に集光される。このため、図１０に示すように複数の波長のレーザ光Ｌが重なり、反射型回折光学素子２２で分散された方向に広がりを持つビームがワークＷに照射される。

距離調整機構３１は、反射型回折光学素子２２から加工レンズ３までの距離を変更し、角度調整機構３２は、反射型回折光学素子２２の傾きを変更し、回転機構３３は、加工ヘッド１全体を光軸に対して垂直な平面内に回転することができる。

図１２は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の反射型回折光学素子に対する入射角及び回折角の定義を示す図である。反射型回折光学素子２２による回折を考える場合、図１２のように入射角α、反射角βを回折格子の法線からの角度で反時計回りを正と定義すると、下記式（２）の関係式が成り立つ。

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎｍλ ・・・（２）
［Ｎ：１ｍｍあたりのスリット数 ｍ：回折次数（＝０、±１、±２…）λ：波長］

上記式（２）により、例えばｍ＝１の場合、波長ごとに異なる回折角βが存在し、ｍ≧１以外の解が存在しない条件では回折光が発生せず鏡面反射のみとなり、反射型回折光学素子２２はミラーと同様の効果を示す。図１０に示す状態は式（２）におけるｍ＝１のみ解が存在する条件、すなわち回折光が１次に集中する条件であり、図１１に示す状態は｜ｍ｜≧１の解が存在しない条件である。角度調整機構３２により反射型回折光学素子２２へのレーザ光Ｌの入射角が変更できるため、図１０に示すレーザ光Ｌが波長ごとに分散される状態と図１１に示すレーザ光Ｌが波長ごとに分散されない状態との切り替えが可能になる。なお、図１０及び図１１では角度調整機構３２は反射型回折光学素子２２の角度を調整しているが、折り返しミラー６に角度調整機構３２を設置し、折り返しミラー６の角度を変更することで反射型回折光学素子２２に対するレーザ光Ｌの入射角を変更しても良い。このように反射型の素子を利用することで、光学素子のレーザ光Ｌの吸収を低減できるため、熱影響を抑えて安定な動作が可能になる。

なお、実施の形態３では複数の波長を有するレーザ発振器４０を備えた構成に基づいて説明したが、異なる波長を有するレーザ発振器を複数台用い、各々の発振器より出射されるビームを結合し、加工ヘッド１へ伝送しても良い。また、レーザダイオードのようなレーザ波長のスペクトルに広がりを持つレーザ発振器を用いても良い。

距離調整機構３１は反射型回折光学素子２２から加工レンズ３までの距離を変更できる機構であれば良く、例えば距離調整機構３１を反射型回折光学素子２２と加工レンズ３にそれぞれ設置し、反射型回折光学素子２２から加工レンズ３までの距離と、加工レンズ３とワークＷまでの距離を個別に調整しても良い。

角度調整機構３２は、反射型回折光学素子２２に対するレーザ光Ｌの入射角を変更できる構成であれば良く、例えば反射型回折光学素子２２とコリメートレンズ４の間に折り返しミラーを設置し、折り返しミラーの角度を調整してもよい。

また回転機構３３は、加工方向に対する反射型回折光学素子２２によるレーザ光Ｌの回折方向を一定に保つ構成であれば良く、例えばワークＷ自体を加工方向に応じて回転させてもよい。

実施の形態４．
図１３及び図１４は、本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図である。なお、図１３及び図１４においては、光学系ではないノズル２の図示は省略している。実施の形態４に係るレーザ加工装置は、異なる波長を有するレーザ光Ｌの分散させる状態と分散させない状態の切り替えをレーザ光Ｌの偏光状態制御により行う。実施の形態４では、偏光制御機構には偏光板２４を用いており、伝送ファイバ５により出射されたレーザ光Ｌがコリメートレンズ４で平行化されたのち、偏光板２４で直線偏光に制御され透過型回折光学素子２１へ入射する。偏光板２４には切り替え機構３４が設置されており、光軸を中心に偏光板２４を回転させることができる。

一般的に回折光学素子は一方向に溝が刻まれた構造をしているために、回折格子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が垂直であるＳ偏光と、回折格子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が平行であるＰ偏光とでは回折効率に顕著な違いが表れる。各々の偏光に対する回折効率はレーザの波長と回折光学素子に刻まれた溝の間隔とで決まる。

このため、例えば図１３のように透過型回折光学素子２１の回折効率が高い偏光状態のみを透過するよう偏光板２４の回転角を調整することで、透過型回折光学素子２１で分散されたレーザ光Ｌは波長ごとに異なる入射角で加工レンズ３へ入射し、分散された方向に広がりを持つビームがワークＷに照射される。

また図１４のように透過型回折光学素子２１の回折効率が０となる偏光状態のみを透過するよう偏光板２４の回転角を調整することで、透過型回折光学素子２１で分散されることなくレーザ光Ｌが加工レンズ３へ入射し、一点に集光されたレーザ光ＬがワークＷへ照射される。

距離調整機構３１は透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更し、波長ごとに分散されたレーザ光Ｌが加工レンズ３上に照射される位置を変更できる。角度調整機構３２はレーザ光Ｌに対する透過型回折光学素子２１の傾きを変更し、加工レンズ３に入射する波長ごとに分散されたレーザ光Ｌの入射角を変更できる。

回転機構３３は、偏光板２４と透過型回折光学素子２１を、光軸に対して垂直な平面内に両者の位置関係を維持したまま回転することができ、ワークＷに対してレーザ光Ｌの分散方向を変更することができる。

なおコリメートレンズ４へ入射される、複数の波長を有するレーザ光Ｌの偏光状態が直線偏光である場合、偏光板２４の代わりに１／２波長板を用い、１／２波長板の回転によって偏光状態を制御し、透過型回折光学素子２１によるレーザ光Ｌの分散の切り替えを行っても良い。

図１５及び図１６は、実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子に対してＰ偏光及びＳ偏光の両方が存在する角度に偏光板の回転角を調整した状態を示す図である。透過型回折光学素子２１に対してＰ偏光及びＳ偏光が存在するため、図１５に示すようにＰ偏光は回折無くそのまま進み、Ｓ偏光が分散されて加工レンズ３へ入射されるため、焦点位置ではＰ偏光成分が光軸上に、Ｓ偏光成分が分散された方向に広がりを持つビームとなる。また図１６に示すように透過型回折光学素子２１の回転角を図１５に示す状態よりも大きくすると、図１５の状態よりも広がりを持つビームが照射される。さらに偏光板２４の回転角で透過型回折光学素子２１へ入射されるＰ偏光成分及びＳ偏光成分の強度比を調整することができるため、焦点位置でのビーム強度比を調整することができる。

図１７、図１８、図１９及び図２０は、実施の形態４に係るレーザ加工装置の透過型回折光学素子の回転角と偏光板の回転角を変更した場合の焦点位置でのビーム強度比の例を示す図である。図１７、図１８、図１９及び図２０においては、紙面左側が加工方向の先端側であり、紙面右側が加工方向の後側である。透過型回折光学素子２１の回転角をＡ、焦点位置で各波長のＰ偏光成分の和と各波長のＳ偏光成分のビーム強度比が等しくなる偏光板２４の回転角をａとすると、図１７に示すようなビーム強度分布となる。この状態から透過型回折光学素子２１の回転角をＡからＢまで増大させると、Ｓ偏光成分の分散が大きくなるため、図１８に示すように分散方向に広がったビームとなる。更にＰ偏光成分が大きくなるよう偏光板２４の回転角をｂに変更すると、図１９に示すように光軸位置の強度が強く、分散されたビーム強度が弱いビームが得られる。図１９に示すような強度分布では、光軸位置にエネルギーを集中させることができるため、加工速度が向上し、分散されたビームがドロスの温度低下を防ぐことができるため加工品質の維持も可能となる。また図１８に示す状態からＰ偏光成分が小さく、Ｓ偏光成分が大きくなるよう偏光板２４の回転角をｃに変更すると、光軸位置のビーム強度が低く、分散方向のビーム強度が高いビームが得られる。さらに透過型回折光学素子２１の回転角をＢからＣへ増大させると図２０に示すように加工方向前半のビーム強度が低く、後半にビーム強度の高いビームが得られる。このようなビームではビーム強度が低い部分でワークＷの表面のみを溶融させ、後半のビーム強度が高い部分で切断加工を行う。このように切断前にワークＷの表面を溶融させることで、錆び及び傷といったワークＷの表面状態によらず一定の品質で加工を行うことができる。

距離調整機構３１は、透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更できる機構であれば良く、例えば距離調整機構３１を透過型回折光学素子２１と加工レンズ３にそれぞれ設置し、透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離と、加工レンズ３とワークＷまでの距離を個別に調整しても良い。

角度調整機構３２は、透過型回折光学素子２１に対するレーザ光Ｌの入射角を変更できる構成であれば良く、例えば透過型回折光学素子２１とコリメートレンズ４の間に折り返しミラーを設置し、折り返しミラーの角度を調整してもよい。

また回転機構３３は、加工方向に対する透過型回折光学素子２１によるレーザ光Ｌの回折方向を一定に保つ構成であれば良く、例えば回転機構３３を加工ヘッド１に設置し、加工方向に応じて加工ヘッド１全体を回転させてもよく、ワークＷ自体を加工方向に応じて回転させてもよい。透過型回折光学素子２１を通過したレーザ光Ｌは直線偏光であり、加工品質は偏光依存性がある。回転機構３３によってレーザ光Ｌの分散方向が任意に調整できるため、例えば高速に加工を行う場合はレーザ光Ｌと加工方向を一致させ、高品質に加工を行う場合はレーザ光Ｌの分散方向と加工方向を直交させるなど、加工目的に応じて効率の良い加工が可能となる。

実施の形態４に係るレーザ加工装置は、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができる。

実施の形態５．
図２１及び図２２は、本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図である。実施の形態５に係るレーザ加工装置は、透過型回折光学素子２１の回折効率について偏光依存性に着目し、複数の波長を有するレーザ光Ｌの一部を回折させ、一部はそのまま透過させることで波長の分散を行う。

図２１及び図２２では実施の形態１と同様に伝送ファイバ５から加工ヘッド１内へ出射された複数の波長を有するレーザ光Ｌがコリメートレンズ４によって平行化され、透過型回折光学素子２１へ入射する。距離調整機構３１は透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更し、角度調整機構３２はレーザ光Ｌに対する透過型回折光学素子２１の傾きを変更し、回転機構３３は透過型回折光学素子２１を光軸に対して垂直な平面内に回転することができる。

レーザ光Ｌの偏光状態によって回折光学素子による回折効率は異なるが、各偏光に対する回折効率は一定ではなく、回折光学素子の回折格子周期、レーザ波長、回折光学素子に対するレーザ光Ｌの入射角によって変化する。この時例えばＰ偏光の回折効率が低く、Ｓ偏光の回折効率が高い条件を用いると、透過型回折光学素子２１に入射するレーザ光Ｌがランダム偏光である場合、図２１のようにレーザ光ＬのＰ偏光成分は加工レンズ３へ垂直に入射し、レーザ光ＬのＳ偏光成分は波長に応じた入射角で加工レンズ３へ入射する。したがってワークＷには光軸上にＰ偏光成分が、レーザ光Ｌの分散方向にＳ偏光成分が広がったビームが照射される。また実施の形態１で示した（１）式で｜ｍ｜≧１の解が存在しない条件となるよう角度調整機構３２を調整することで図２２のようにワークＷには一点に集光されたビームが照射される。したがって角度調整機構３２によって図２１の状態と図２２の状態を切り替える際、Ｐ偏光成分の照射位置は変わらず、切り替え後に速やかに加工が可能となる。このため、例えば厚板切断において図２２の状態でピアス加工を行い、ピアス貫通後即座に図２１の状態に切り替えて加工を連続的に行うことができ、加工全体の生産性が向上する。

また、実施の形態５ではレーザ光Ｌを波長ごとに分散するために透過型回折光学素子２１を用いたが、反射型回折光学素子２２を用いても良い。

実施の形態６．
図２３、図２４及び図２５は、本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの概略を示す図である。実施の形態６に係るレーザ加工装置では、実施の形態１と同様に複数の波長を有するレーザ光Ｌはコリメートレンズ４で平行化され、同心円状の回折パターンを持つ透過型回折光学素子２５の中心部分に入射する。透過型回折光学素子２５には、透過型回折光学素子２５に入射するレーザ光Ｌの光軸に垂直な平面内の直交する２軸を回転中心軸とする２軸角度調整機構３５が設置され、透過型回折光学素子２５を光軸に垂直な平面に対して任意の角度に調整することができる。なお、実施の形態１と同様に、透過型回折光学素子２５は、距離調整機構３１によって光軸方向に移動可能な機構となっている。図２３、図２４及び図２５においては、レーザ光Ｌの分散に関係のないノズル２、伝送ファイバ５及び保護ガラスＧの図示は省略している。

図２３は、レーザ光Ｌが分散されていない状態を示しており、焦点位置でのビームは１点に集光される。図２４は、図２３の状態から透過型回折光学素子２５を１軸方向のみ傾けた状態を示しており、傾き方向に応じてレーザ光Ｌが波長に応じて分散され、加工レンズ３に入射される。このとき透過型回折光学素子２５は、同心円状の回折パターンを持つため、分散されるレーザ光Ｌは、透過型回折光学素子２５の傾き方向の成分が最も分散される。したがって、焦点位置でのビーム形状は図２４に示すように透過型回折光学素子２５の傾き方向に対して分散した形状となる。図２５は、図２４に示す状態から透過型回折光学素子２５を別の１軸方向に傾けた状態を示している。この場合も図２４と同様にレーザ光Ｌは透過型回折光学素子２５の傾き方向の成分が最も分散されるため、焦点位置のビーム形状は図２４に対して透過型回折光学素子２５の傾き方向に分散した形状となる。

このように実施の形態６に係るレーザ加工装置は、２軸角度調整機構３５の独立した２軸の回転により、焦点位置のビーム形状の伸張方向を光軸に垂直な平面内で任意に変更可能であるため、加工方向に対して適切な方向にビーム形状を分散させることができる。実施の形態１に係るレーザ加工装置では、鋭角の形状加工を行う際、図６及び図７に示す回転機構３３によって透過型回折光学素子２１自体を９０度以上回転させる必要があるが、実施の形態６に係るレーザ加工装置では、加工方向の転換時に同心円状の回折パターンを持つ透過型回折光学素子２５の傾き角の調整のみでビームの分散方向を加工方向に追従させることができるため、加工形状に対する追従性が向上し、生産性を向上させることができる。

なお、実施の形態６における２軸角度調整機構３５は、図２３、図２４及び図２５に示された構造に限定されることは無く、２軸のジンバル式ミラーホルダのように光学素子を保持する部分の押し出し量で角度を調整する構造でも良い。

なお実施の形態１から実施の形態６では主に板金切断加工について述べたが、実施の形態１から実施の形態６に係るレーザ加工装置を溶接に用いても良い。実施の形態１から実施の形態６では、ワーク平面方向に対するビーム形状と強度分布を変更することが可能であり、加工方向に対してビーム形状を任意に調整することが可能となるため、目的に応じて溶接幅を変更し、効率的な溶接が可能となる。

また、実施の形態１から実施の形態６に係るレーザ加工装置の回転機構３３を回転させながらピアス加工を行っても良い。例えば、図２に示すようにビームが広がった状態で回転機構３３を回転させながらピアス加工を行うことで通常よりも径の大きいピアス加工が可能となり、厚板のピアス加工を高速化することができる。また、図１、図２、図３、図８、図９、図１０、図１１、図１３、図１４、図２１及び図２２では、レーザ発振器４０から加工ヘッド１までの伝送光学系に伝送ファイバ５を図示しているが、伝送光学系はミラー伝送でも良く、ミラー伝送とファイバ伝送とを併用しても良い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 加工ヘッド、２ ノズル、３ 加工レンズ、４ コリメートレンズ、５ 伝送ファイバ、６ 折り返しミラー、２１，２５ 透過型回折光学素子、２２ 反射型回折光学素子、２３ プリズム、２４ 偏光板、３１ 距離調整機構、３２ 角度調整機構、３３ 回転機構、３４ 切り替え機構、３５ ２軸角度調整機構、４０ レーザ発振器。

本発明は、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置に関する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができるレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ発振器から出射され複数の波長を有するレーザ光が通過する回折光学素子と、回折光学素子を通過したレーザ光を集光する加工レンズと、回折光学素子の角度を変更する角度調整機構とを備える。

本発明によれば、薄板切断及び穴開け加工に適したビーム形状と厚板切断に適したビーム形状との切り替えを速やかに行うことができるレーザ加工ヘッドを得ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図２及び図３は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの内部構成と、焦点位置におけるワーク平面方向のビーム形状を示す図である。なお、図２及び図３においては、光学系ではないノズル２の図示は省略している。図１に示す複数の波長を有するレーザ発振器４０から出射されたレーザ光Ｌは、伝送ファイバ５を通じて加工ヘッド１内部へ伝送される。加工ヘッド１内部に伝送されたレーザ光Ｌは、コリメートレンズ４によって平行化され、透過型回折光学素子２１を通過し、加工レンズ３に照射された後、保護ガラスＧを透過し、ワークＷに集光照射される。加工ヘッド１内へ供給される加工ガスは保護ガラスＧによって加工レンズ３側へ進入することなく、ノズル２を通過し、ワークＷへ供給される。距離調整機構３１は透過型回折光学素子２１から加工レンズ３までの距離を変更することができる。角度調整機構３２はレーザ光Ｌに対する透過型回折光学素子２１の傾きを変更することができる。角度調整機構３２は、レーザ光Ｌが透過型回折光学素子２１によって分散されて加工レンズ３に入射する状態と、レーザ光Ｌが透過型回折光学素子２１で分散されずに加工レンズ３へ入射する状態とを切り替える切り替え機構の働きも備えている。回転機構３３は透過型回折光学素子２１を光軸に対して垂直な平面内に回転することができる。

Claims (6)

1. 複数の波長を有するレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ光が通過する回折光学素子と、
   前記回折光学素子を通過したレーザ光を集光する加工レンズと、
   前記回折光学素子と前記加工レンズとの距離を変更する距離調整機構と、
   前記回折光学素子の角度を変更する角度調整機構とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記角度調整機構によって前記加工レンズへ入射する前記レーザ光の分散の有無を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記回折光学素子を、前記回折光学素子への入射光の光軸を回転軸にして回転させる回転機構を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記回折光学素子は、透過型回折光学素子であり、
   前記透過型回折光学素子に入射する前記レーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との強度比を調整する偏光制御機構を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 複数の波長を有するレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   同心円状の格子パターンを有し、前記同心円状の格子パターンの中心部分に前記レーザ光が入射する回折光学素子と、
   前記回折光学素子を通過したレーザ光を集光する加工レンズと、
   前記回折光学素子と前記回折光学素子へ入射する前記レーザ光の光軸に垂直な平面内で前記光軸を含み直交する２軸を中心に回転可能な２軸角度調整機構と、
   前記回折光学素子と前記加工レンズとの距離を変更する距離調整機構とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
6. 複数の波長を有するレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   プリズムと、
   前記レーザ光を集光する加工レンズと、
   前記プリズムと前記加工レンズとの距離を変更する距離調整機構と、
   前記プリズムの位置を移動して前記レーザ光が入射する位置と前記レーザ光が入射しない位置とを切り替え、前記加工レンズへ入射する前記レーザ光の分散の有無を切り替える切替機構と
   前記プリズムを前記プリズムへの入射光の光軸を回転軸として回転させる回転機構と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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