レーザ加工装置
【課題】 焦点距離を変更したことと同様の効果が得られるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 集光レンズ２０ａに入射されたレーザビームのうち平面部２４ａに入射された部分は、集光されないのでそのまま平行光としてワーク１２上の集光点１４に照射され、レーザ加工において補助的役割を果たす。一方曲面部２２ａに入射されたレーザビームの部分は、集光点１４の外周付近に集光されて照射される。
【解決手段】 集光レンズ２０ａに入射されたレーザビームのうち平面部２４ａに入射された部分は、集光されないのでそのまま平行光としてワーク１２上の集光点１４に照射され、レーザ加工において補助的役割を果たす。一方曲面部２２ａに入射されたレーザビームの部分は、集光点１４の外周付近に集光されて照射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特には、レーザビームを加工点に導き、集光レンズを用いてワーク上の狭い領域を熱することによりその部分を溶融切断するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザ加工装置は、レーザ発振器、光を伝送して集光する光伝送系、ワークを駆動する駆動装置、補機類、及びこれらを制御する制御装置からなる。従来のレーザ加工においては、レーザビームを如何にして小さな領域に集めて、高密度エネルギーをワーク上に照射するかが課題であった。このためＭ２＝１．０なるガウシアンビームを用いた炭酸ガスレーザ発振器が開発され、レーザビームを１点に集光させるために光学系の収差を極力小さくすることが行われてきた。光ファイバを使用可能なＹＡＧレーザについても高輝度のものが開発され、より小さなファイバ径でも大きなエネルギーのレーザを照射可能である。
【０００３】
一般に、異なる厚さのワークを切断加工する場合は、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、ワーク５０の厚さが薄いとき（図９（ａ））は焦点距離の短い集光レンズ５２を使用し、厚さが厚くなるに従って焦点距離の長い集光レンズ５４又は５６を使用する（図９（ｂ）又は（ｃ））。通常、焦点距離の短いレンズを使用した場合又はビーム径が大きい場合はワーク上の集光点のスポットサイズは小さくなり、逆に焦点距離の長いレンズを使用した場合又はビーム径が小さい場合はワーク上の集光点のスポットサイズは大きくなる。
【０００４】
近年の技術開発により、レーザによる切断加工においては、ワーク上のレーザ集光点の大きさ（スポットサイズ）又は形状が重要な因子であることがわかってきており、スポットサイズ又は形状を工夫することにより良好なレーザ加工を行うための提案がいくつかなされている。例えば特許文献１に記載のレーザ出射装置は、レーザ光を途中で分割して再度集光点に集光させることによりアシストガスの圧力分布を改善するものである。また特許文献２には、ワーク上の２つの焦点にレーザを集光するツインスポットレーザ装置が開示されている。特許文献３は、切断可能なワークの厚さを厚くするために、光軸上に複数の焦点を有するレーザ切断装置を開示する。特許文献４は、ワーク上のレーザ照射領域をリング形状にすることにより、リング状の溝加工を行うレーザ加工装置を開示する。さらに特許文献５には、複数の光ファイバを用いて、複数のレーザ照射部位がワーク上にリング状に配列するように複数のレーザビームを照射するレーザ切断装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２１８３８６号公報
【特許文献２】特開２００３−２００２８２号公報
【特許文献３】特許第２６６４６２５号公報
【特許文献４】特開平５−３０５４７２号公報
【特許文献５】特開２００４−２９１０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように集光点のスポットサイズはレーザ切断において重要であるが、実際にはさらに、幾何光学的な焦点がワーク表面上又はその近傍に位置しないと良好な加工はできない。例えば、合板にレーザによる切断溝を形成し、その溝に金属の刃を埋め込んで型紙の抜き型を作製する、いわゆるダイボード加工においては、金属の刃を確実に保持できる溝形状が要求される。切断溝の幅は、集光点の位置をワーク表面に対して上下（すなわちレーザ光軸に沿う方向）に移動させることにより容易に設定可能であるが、最小スポットサイズがかなり小さい光学系を用いた場合は、所定の切断幅を得るために集光点をワークから大きく離さなければならない。するとワークの厚さ方向についてワーク表面よりもワーク内部の方がレーザのエネルギー密度が高くなって切断溝の幅が深さ方向に一様ではなくなり、結果として刃の保持力が低下する。同様のことは金属切断についても言え、一般的なレーザ切断では、集光点の調整範囲はワーク表面からワークの厚さの範囲内であり、それを超える範囲での良好な加工は困難である。
【０００７】
従って良好なレーザ加工を行うためには、ワークの厚さに応じて集光レンズに入射するビーム径及び集光レンズの焦点距離を適切に選択して、ワーク上に幾何光学的焦点近傍のレーザを照射しなければならず、故にレンズとワークとの距離はレンズの焦点距離の変更に応じて変える必要がある。しかしながら、レーザ発振器やレーザ加工機等の様々な技術上又は経済上の制約から、レンズの焦点距離又はレンズとワークとの距離の変更は制限されることが多い。例えば、例えば図１０（ａ）に示すレーザ加工装置は、焦点距離が異なる３つの集光レンズすなわち焦点距離５インチ（１３ｃｍ）のレンズ５２、焦点距離７．５インチ（１９ｃｍ）のレンズ５４及び焦点距離１０インチ（２５ｃｍ）のレンズ５６をそれぞれ着脱可能な加工ヘッド本体５８と、アタッチメント６０を介して加工ヘッド５８本体に取り付けられる加工ノズル６２とを有し、どの集光レンズを使用しても加工ノズル６２の光軸上の位置を固定して使用できるものである。しかしこのような構成では、加工ヘッド本体５８が複雑かつ重量化する傾向があり、さらに、加工すべきワークの厚さ及び材質によっては、例えばこれらの中間、すなわち６．２５インチ（１６ｃｍ）又は８．７５インチ（２２ｃｍ）の焦点距離のレンズが望ましい場合もあるが、そのようなレンズを使用することはできない。
【０００８】
また図１０（ｂ）に示す他のレーザ加工装置は、複数種の集光レンズを択一的に着脱可能な加工ヘッド５８′を有する。この場合は、加工ヘッドが図１０（ａ）の装置よりコンパクトになる代わりに、集光レンズを異なる焦点距離のものに交換する際に、それに応じてアタッチメントも長さの異なるアタッチメント６０ａ〜６０ｃのいずれかに交換する必要がある。この場合は加工点の座標が変わるので、３次元加工機ではプログラムの変更が必要になり、さらにゼロオフセットタイプと称されるＺ軸上の一点に加工点が位置するタイプの３次元加工機では後者の構成は使用できない場合がある。一般的なレーザ加工機であっても、焦点距離の長いレンズを使用する場合は必然的にレンズとワークとの距離が長くなり装置が大型化するため、好ましくない。
【０００９】
上述の特許文献はいずれも、スポットサイズの形状には種々の工夫がされているものの、焦点距離の異なる集光レンズの使用に関する上述の問題を解決するものではない。
【００１０】
従って本発明は、上述の問題を解決し、焦点距離を変更したことと同様の効果が得られ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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ発振器と、該レーザ発振器により生成されたレーザビームを集光して被加工物に照射して加工するための集光部材と、を有するレーザ加工装置であって、前記集光部材は、幾何光学的焦点において前記レーザビームが前記被加工物に形成する照射領域の輪郭を、１つの点状輪郭以外の形状とする光学的構造を有する、レーザ加工装置。を提供する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記照射領域の輪郭の形状は光軸に回転対称の円形又はリング形状である、レーザ加工装置を提供する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸に回転対称であって、前記集光部材の少なくとも一部の幾何光学的焦点が前記光軸上に位置しないように構成される、レーザ加工装置を提供する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸を中心とする円形の平面部と、前記平面部の外周に隣接するとともに幾何光学的焦点が前記光軸を中心とし前記平面部の直径を直径とする円周上に位置するように構成されたリング形状の曲面部とを片面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、幾何光学的焦点が光軸を中心とする円周上に位置するように構成された曲面部を片面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、かつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を片面に備えた集光レンズと、前記集光レンズとは別部材であって前記光軸を中心とする円錐部を片面に備えた円錐形プリズムとを有する、レーザ加工装置を提供する。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備えかつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズと、前記円錐部と相補形状の円錐凹部を片面に備えた凹型の円錐形プリズムとを有する、レーザ加工装置を提供する。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、前記集光レンズと前記円錐形プリズムとの間の距離が変更可能である、レーザ加工装置を提供する。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、平面部を他方の面に備え、さらに該平面部上に形成された回折表面構造を備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集光部材と１点集光レンズとを交換可能である、レーザ加工装置を提供する。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である、レーザ加工装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ワークと集光レンズとの距離が短い場合であっても、長い焦点距離の集光レンズを用いた場合と同様の加工効果を得ることができ、従来のように焦点距離の異なる集光レンズを使い分けてその度毎に焦点距離に応じて集光レンズとワークとの距離を調整する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。なお図１〜図８はいずれも、本発明に係るレーザ加工装置における、集光レンズ及び被加工物すなわちワークの近傍を側方（すなわち光軸に垂直な方向）からみた概略図である。
【００２５】
本発明に係るレーザ加工装置は、図１（ａ）に示すように、概略図示されたレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０により生成されたレーザビームを集光して被加工物すなわちワーク１２に照射して加工するための集光部材（ここでは集光レンズ）２０とを有する。集光レンズ２０は、以降に詳細に述べるように、特に厚さの厚いワークを切断加工する場合に、集光点（集光レンズで集光されたレーザがワーク上に形成する照射領域）の大きさすなわちスポットサイズを、その厚さのワークの加工に適した大きさにすることができる。なおワークの厚さ方向は、ワークに照射されるレーザビームの光軸に概ね沿う方向とする。図１（ａ）に示すように、レーザ発振器１０から出射されて必要であれば図示しない反射鏡を用いて導かれたレーザビームは、集光レンズ２０に入光して被加工物すなわちワーク１２上の集光点１４に向けて集光される。レーザ発振器からのレーザビームは、平行光として遠方に照射しても容易に拡散せず、集光されることによりエネルギー密度が物理的限界まで上昇可能な性質を有する。ワーク１２の加工中は、ワーク１２の加工部位近傍にアシストガスを噴射して溶融物を飛散又は酸化燃焼させてから飛散させる。レーザ加工は、集光点１４をワーク１２に対して走査させることにより行われる。
【００２６】
本発明においては、集光点１４の形状は、集光点１４の位置が幾何光学的焦点に一致する場合であっても、図９（ａ）〜（ｃ）に示したような点形状（厳密には従来の１点集光レンズの場合でも、回折効果のために幾何光学的焦点において点とはならないのであるが、本願明細書では１点集光レンズの幾何光学的焦点におけるワーク上の集光点形状を点と称する）ではなく、光軸２２に回転対称であってワークの厚さに応じた適当な面積の部位にレーザ光が分布した形状（すなわちスポットサイズが点形状より大きい形状）となる。また図１（ｂ）に示すように、ワーク１２の厚さが厚くなった場合は、集光点１４のスポットサイズを大きくする集光レンズ２０′が使用される。図１（ａ）及び（ｂ）のような構成は、それぞれ図９（ｂ）及び（ｃ）に示したように焦点距離の長い集光レンズを用いて実際にレンズとワークとの距離を広げて集光点のスポットサイズを大きくした構成と同様の効果を有する。しかし本発明においては実際にはレンズ２０とワーク１２との距離は殆ど又は全く変化させる必要がないので、図１０（ａ）及び（ｂ）に示したような大型の加工ヘッド又はアタッチメント等の構造体を使用する必要はなく、簡易かつコンパクトなレーザ加工装置を構成することができる。また集光レンズへのレーザビームの入射は、図１（ｃ）に示すように、光ファイバ３０を用いて行われてもよい。この場合も、図１（ａ）及び（ｂ）と同様の考え方が適用できる。すなわち、光ファイバ３０のＰ点から発せられたレーザビームはワーク１２上のＰ′点に、Ｐ以外のＱ点から発せられたレーザビームはワーク１２上のＱ′点に達するように構成された集光レンズ２０″により、集光点のスポットサイズを適当に大きくすることができる。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｃ）に示す構成を実現可能な集光レンズ２０、２０′又は２０″の具体的形状を、図２〜図７に示す。先ず図２に示す第１の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ａは、上面（本実施形態ではレーザ入射側）に曲面部２２ａ及び平面部２４ａを有する。平面部２４ａは光軸２６ａを中心とする円形であり、曲面部２２ａは同じく光軸２６ａを中心とし、平面部２４ａの外周に隣接する内周を備えたリング形状である。曲面部２２ａの幾何光学的焦点は、光軸２６ａ上には位置せず、光軸２６ａを中心とし平面部２４ａの直径を直径とする円周上に位置する。集光レンズの下面（本実施形態ではレーザ出射側）２８ａは平面であってよい。
【００２８】
図２に示すように、このような集光レンズ２０ａに入射されたレーザビームのうち平面部２４ａに入射された部分は、集光されないのでそのまま平行光としてワーク１２上の集光点１４に照射され、レーザ加工において補助的役割を果たす。一方曲面部２２ａに入射されたレーザビームの部分は、集光点１４の外周付近に集光されて照射される。従って集光点１４は、平面部２４ａに略等しいか又は僅かに大きい円形となり、その外周部の方が内側よりレーザのエネルギー密度が高い。良好なレーザ加工のためには、集光点の外周部においてエネルギー密度が高いことが望ましく、本発明はその要求を満たすものである。また平面部２４ａを平面以外の形状に形成し、集光点１４の内側のエネルギー密度分布を適宜変更することもできる。
【００２９】
次に第２の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｂを図３に示す。集光レンズ２０ｂは上面に曲面部２２ｂを有し、平面部は有さない。曲面部２２ｂは、曲面部２２ｂに入射したレーザがワーク上に集光されたときに光軸２６ｂ上に位置しないように（すなわち幾何光学的焦点が光軸２２ｂ上に位置しないように）形成される。詳細には、図３に示す側面図における曲面部２２ｂの形状は、単純な１つの弧線ではなく、光軸２６ｂに関し対称の２つの焦点をそれぞれ中心とする２つの弧線を光軸２６ｂ上でつなぎ合わせた形状を有する。このような集光レンズ２０ｂによれば、ワーク１２上の集光点１４の形状はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となり、焦点距離の延長と同等の効果を得ることができる。
【００３０】
図４に示す第３の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｃは、光軸２６ｃ上に幾何光学的焦点が位置する曲面部２２ｃを一方の面に有し、円錐部２４ｃを他方の面に有する。曲面部２２ｃに入射されたレーザビームは、円錐部２４ｃによって光軸２６ｃから放射状に離れる方向にいくらか屈折するので、ワーク上の集光点はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となり、そのスポットサイズをワークの厚さに応じて大きくすることもできる。なお集光レンズ２０ｃは、両面すなわち曲面部２２ｃと円錐部２４ｃとの平行度が比較的厳密になるように作製する必要があるが、上述の集光レンズ２０ｂはレンズ両面の平行度をあまり厳しくする必要はない。
【００３１】
図５に示す第４の実施形態の集光部材２０ｄは、光軸２６ｄ上に幾何光学的焦点が位置する曲面部２２ｄを片面に備えた集光レンズ２３ｄと、集光レンズ２３ｄとは別部材であって先端を曲面２２ｄの中心に向けて配置された円錐形プリズム２４ｄとから構成される。レーザビームは、先ず円錐形プリズム２４ｄに入射して光軸２６ｄから放射状に離れる方向にいくらか屈折し、その後集光レンズ２３ｄに入射する。集光レンズ２３ｄに入射したときのレーザビームは平行光ではないので、ワーク１２上の集光点１４はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となる。この構成の利点は、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの間の光軸２６ｄ方向の距離を変更することにより、ワーク１２の位置を変えずに集光点１４のスポットサイズを容易に変更できることである。例えば、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を短くすれば、スポットサイズを小さくして孔あけ加工を行うことができる。さらにこのとき焦点位置をワーク１２の表面よりワーク１２の内部にいくらか変位させることにより、より短時間の孔あけ加工が可能になる。一方、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を長くすれば、集光点１４はリング形状となり、故に切断幅の広い安定した切断加工が可能になる。集光点のスポットサイズの大きさを任意かつ連続的に変えられることは、レーザ加工の条件の最適化に大きく寄与する。
【００３２】
また集光部材２０ｄに関し、円錐形プリズム２４ｄの円錐面２５ｄを紡錘形状面２５ｄ′（図５に点線で図示）とすると、集光点のスポットサイズ径はさらに容易に制御できるようになる。紡錘面２５ｄ′は光軸２６ｄ近傍では光軸２６ｄにほぼ垂直であり、光軸２６ｄから離れるに従って傾きが大きくなることから、プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を大きくしても光軸２６ｄ近傍のレーザ光は光軸からあまり乖離せず光軸２６ｄに略平行に進むのに対し、レンズ外周付近のレーザ光は円錐面２５ｄの場合より光軸から大きく乖離して大きい集光点を形成するからである。
【００３３】
図５の集光部材２０ｄと同様の効果は、図６に示す第５の実施形態の集光部材２０ｅによっても達成可能である。集光部材２０ｅは、第３の実施形態の集光レンズ２０ｃと同様の、光軸２６ｅ上に幾何光学的焦点が位置する一方の面の曲面部２２ｅ及び他方の面の円錐部２４ｅを備えた集光レンズ２５ｅと、円錐部２４ｅと相補形状の円錐凹部２７ｅを円錐部２４ｅに対向するように備えた凹型円錐プリズム２８ｅとから構成される。また曲面部２２ｅを図５の紡錘面２５ｄ′と同様の紡錘面としかつ円錐部２４ｅを平面とすることによっても、同様の効果が得られる。
【００３４】
図７に示す第６の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｆは、光軸２６ｆ上に幾何光学的焦点が位置する一方の面の曲面部２２ｆと、他方の面に形成された平面部２４ｆとを有する。平面部２４ｆ上にはさらに、ワーク１２上には点形状ではない形状の集光点１４を形成するための、回折表面構造２８ｆが印刷、彫り込み等の方法により形成される。回折表面構造２８ｆにより、ワーク１２上には円、リング、楕円又は多角形等の任意形状及び所望のエネルギー密度分布の集光点１４を形成することができる。
【００３５】
本発明に係るレーザ加工装置においては、従来であれば異なる焦点距離の集光レンズを用いるときは実際のレンズとワークとの距離も変更せざるを得なかったのに対し、レンズとワークとの距離は実質的に変更せずに焦点距離を変更したのと同等の効果を得ることができる。従って、ワークの厚さ変更等に応じた、上述の集光レンズ２０ａ〜２０ｅのような本発明に係る集光レンズ相互での使い分け、又は本発明に係る集光レンズと従来の幾何光学的に１点に集光する集光レンズとの使い分けは、集光レンズを公知の取付け及び取外し手段を用いて交換するだけで可能になり、レンズとワークとの距離を再調整するための機構も手間も必要ない。このことは、安価かつ適用範囲の広いレーザ加工装置の提供を可能にする。
【００３６】
従来及び本発明に係るレーザ加工装置によるワークの切断実験の結果を表１に示す。また表１の実験条件ａ〜ｄをそれぞれ模式的に示す図を図８（ａ）〜（ｄ）に示した。本発明に係る実験結果は表１中の条件ａのみであり、他すなわち条件ｂ〜ｄはいずれも従来のレーザ加工装置での結果である。レーザ加工は全条件について、平均出力３ｋｗの炭酸ガスレーザを使用し、厚さ２５ｍｍの軟鋼板に対して走査速度０．７ｍ／分にて行った。使用した集光レンズの焦点距離は、条件ｂのみ８．７５インチ（２２ｃｍ）であり、他は５インチ（１３ｃｍ）であった。また集光レンズに入射するときのビーム径は条件ｄのみ２０ｍｍで、他は３０ｍｍである。表中の焦点位置を示す数値は、最小のスポットサイズが得られる幾何光学的焦点がワーク表面に位置する場合をゼロとし、幾何光学的焦点がワーク表面から離れる方向をプラス（＋）としてｍｍ単位で表示している。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１の条件ｂ〜ｄ間での比較からわかるように、厚さ２５ｍｍのワークに対し従来の加工装置で良好に加工できる範囲が最も広いのは条件ｂすなわち焦点距離が８．７５インチ（２２ｃｍ）の場合である。条件ｃは焦点距離が短いためにスポットサイズが小さくなり、良好な切断は極めて狭い範囲でしか行えない。条件ｄはビーム径を小さくしてスポットサイズを大きくしたために良好な切断範囲は条件ｃよりはやや広がるものの、十分とはいえない。本発明すなわち条件ａの場合は、焦点距離が５インチ（１３ｃｍ）であるにも関わらず条件ｂと同等以上のスポットサイズ径を実現することができるので、条件ｂと同等以上に広い範囲で良好な切断を行うことができる。なお最適な集光点の位置はワークの材質及び切断条件等により異なるが、ワーク表面からプラスマイナスいずれの方向にもワークの厚さを超えない範囲にある。換言すれば、本発明の場合は、レーリー長（集光点近傍における回折効果が持続する光軸方向長さ）の範囲内にワーク表面が位置する。特許文献４に記載のレーザ加工装置は、リング形状にレーザを照射する点では本願と類似するが、ワーク上の加工形状もリング形状となることから、レーリー範囲内での加工ではないと考えられ、その点で本発明とは異なる。
【００３９】
これまで説明してきた実施例においては、集光点の走査方向によって加工品質に差が生じないという利点の他、集光レンズに入射するレーザビーム径によらず集光点の形状を任意に形成できるという重要な利点もあり、これは従来提唱されてきた二重焦点レンズとは大きな相違点である。
【００４０】
本発明に係るレーザ加工装置は、加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である場合に特に有利である。３次元加工装置の場合は機械座標における集光点位置を変更せずに切断可能なワーク厚さの範囲を画期的に増大させることができ、高速加工装置の場合は加工ヘッドの重量や回転モーメントを減少して高速時の性能及び精度を向上させることができるからである。
【００４１】
なお上記の説明は透過光学部品を前提としたものであるが、その一部を反射光学部品としても同様の効果が得られることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）本発明に係るレーザ加工装置の集光レンズ近傍を示す概略図であり、（ｂ）（ａ）よりもワークの厚さが厚い場合を示す概略図であり、（ｃ）レーザビームが光ファイバから導かれる場合を示す概略図である。
【図２】本発明に係る集光レンズの第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係る集光レンズの第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係る集光レンズの第３の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る集光レンズの第４の実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る集光レンズの第５の実施形態を示す図である。
【図７】本発明に係る集光レンズの第６の実施形態を示す図である。
【図８】（ａ）本発明に係るレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｂ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｃ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｄ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図である。
【図９】（ａ）ワークの厚さが薄い場合の従来のレーザ加工を示す概略図であり、（ｂ）（ａ）よりワークの厚さが厚い場合を示す概略図であり、（ｃ）さらに（ｂ）よりワークの厚さが厚い場合を示す概略図である。
【図１０】（ａ）従来のレーザ加工装置の加工ヘッドの概略構成を示す図であり、（ｂ）従来のレーザ加工装置の加工ヘッドの他の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 発振器
１２ ワーク
１４ 集光点
２０、２０′、２０″、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ 集光部材
３０ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特には、レーザビームを加工点に導き、集光レンズを用いてワーク上の狭い領域を熱することによりその部分を溶融切断するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザ加工装置は、レーザ発振器、光を伝送して集光する光伝送系、ワークを駆動する駆動装置、補機類、及びこれらを制御する制御装置からなる。従来のレーザ加工においては、レーザビームを如何にして小さな領域に集めて、高密度エネルギーをワーク上に照射するかが課題であった。このためＭ２＝１．０なるガウシアンビームを用いた炭酸ガスレーザ発振器が開発され、レーザビームを１点に集光させるために光学系の収差を極力小さくすることが行われてきた。光ファイバを使用可能なＹＡＧレーザについても高輝度のものが開発され、より小さなファイバ径でも大きなエネルギーのレーザを照射可能である。
【０００３】
一般に、異なる厚さのワークを切断加工する場合は、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、ワーク５０の厚さが薄いとき（図９（ａ））は焦点距離の短い集光レンズ５２を使用し、厚さが厚くなるに従って焦点距離の長い集光レンズ５４又は５６を使用する（図９（ｂ）又は（ｃ））。通常、焦点距離の短いレンズを使用した場合又はビーム径が大きい場合はワーク上の集光点のスポットサイズは小さくなり、逆に焦点距離の長いレンズを使用した場合又はビーム径が小さい場合はワーク上の集光点のスポットサイズは大きくなる。
【０００４】
近年の技術開発により、レーザによる切断加工においては、ワーク上のレーザ集光点の大きさ（スポットサイズ）又は形状が重要な因子であることがわかってきており、スポットサイズ又は形状を工夫することにより良好なレーザ加工を行うための提案がいくつかなされている。例えば特許文献１に記載のレーザ出射装置は、レーザ光を途中で分割して再度集光点に集光させることによりアシストガスの圧力分布を改善するものである。また特許文献２には、ワーク上の２つの焦点にレーザを集光するツインスポットレーザ装置が開示されている。特許文献３は、切断可能なワークの厚さを厚くするために、光軸上に複数の焦点を有するレーザ切断装置を開示する。特許文献４は、ワーク上のレーザ照射領域をリング形状にすることにより、リング状の溝加工を行うレーザ加工装置を開示する。さらに特許文献５には、複数の光ファイバを用いて、複数のレーザ照射部位がワーク上にリング状に配列するように複数のレーザビームを照射するレーザ切断装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２１８３８６号公報
【特許文献２】特開２００３−２００２８２号公報
【特許文献３】特許第２６６４６２５号公報
【特許文献４】特開平５−３０５４７２号公報
【特許文献５】特開２００４−２９１０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように集光点のスポットサイズはレーザ切断において重要であるが、実際にはさらに、幾何光学的な焦点がワーク表面上又はその近傍に位置しないと良好な加工はできない。例えば、合板にレーザによる切断溝を形成し、その溝に金属の刃を埋め込んで型紙の抜き型を作製する、いわゆるダイボード加工においては、金属の刃を確実に保持できる溝形状が要求される。切断溝の幅は、集光点の位置をワーク表面に対して上下（すなわちレーザ光軸に沿う方向）に移動させることにより容易に設定可能であるが、最小スポットサイズがかなり小さい光学系を用いた場合は、所定の切断幅を得るために集光点をワークから大きく離さなければならない。するとワークの厚さ方向についてワーク表面よりもワーク内部の方がレーザのエネルギー密度が高くなって切断溝の幅が深さ方向に一様ではなくなり、結果として刃の保持力が低下する。同様のことは金属切断についても言え、一般的なレーザ切断では、集光点の調整範囲はワーク表面からワークの厚さの範囲内であり、それを超える範囲での良好な加工は困難である。
【０００７】
従って良好なレーザ加工を行うためには、ワークの厚さに応じて集光レンズに入射するビーム径及び集光レンズの焦点距離を適切に選択して、ワーク上に幾何光学的焦点近傍のレーザを照射しなければならず、故にレンズとワークとの距離はレンズの焦点距離の変更に応じて変える必要がある。しかしながら、レーザ発振器やレーザ加工機等の様々な技術上又は経済上の制約から、レンズの焦点距離又はレンズとワークとの距離の変更は制限されることが多い。例えば、例えば図１０（ａ）に示すレーザ加工装置は、焦点距離が異なる３つの集光レンズすなわち焦点距離５インチ（１３ｃｍ）のレンズ５２、焦点距離７．５インチ（１９ｃｍ）のレンズ５４及び焦点距離１０インチ（２５ｃｍ）のレンズ５６をそれぞれ着脱可能な加工ヘッド本体５８と、アタッチメント６０を介して加工ヘッド５８本体に取り付けられる加工ノズル６２とを有し、どの集光レンズを使用しても加工ノズル６２の光軸上の位置を固定して使用できるものである。しかしこのような構成では、加工ヘッド本体５８が複雑かつ重量化する傾向があり、さらに、加工すべきワークの厚さ及び材質によっては、例えばこれらの中間、すなわち６．２５インチ（１６ｃｍ）又は８．７５インチ（２２ｃｍ）の焦点距離のレンズが望ましい場合もあるが、そのようなレンズを使用することはできない。
【０００８】
また図１０（ｂ）に示す他のレーザ加工装置は、複数種の集光レンズを択一的に着脱可能な加工ヘッド５８′を有する。この場合は、加工ヘッドが図１０（ａ）の装置よりコンパクトになる代わりに、集光レンズを異なる焦点距離のものに交換する際に、それに応じてアタッチメントも長さの異なるアタッチメント６０ａ〜６０ｃのいずれかに交換する必要がある。この場合は加工点の座標が変わるので、３次元加工機ではプログラムの変更が必要になり、さらにゼロオフセットタイプと称されるＺ軸上の一点に加工点が位置するタイプの３次元加工機では後者の構成は使用できない場合がある。一般的なレーザ加工機であっても、焦点距離の長いレンズを使用する場合は必然的にレンズとワークとの距離が長くなり装置が大型化するため、好ましくない。
【０００９】
上述の特許文献はいずれも、スポットサイズの形状には種々の工夫がされているものの、焦点距離の異なる集光レンズの使用に関する上述の問題を解決するものではない。
【００１０】
従って本発明は、上述の問題を解決し、焦点距離を変更したことと同様の効果が得られ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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ発振器と、該レーザ発振器により生成されたレーザビームを集光して被加工物に照射して加工するための集光部材と、を有するレーザ加工装置であって、前記集光部材は、幾何光学的焦点において前記レーザビームが前記被加工物に形成する照射領域の輪郭を、１つの点状輪郭以外の形状とする光学的構造を有する、レーザ加工装置。を提供する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記照射領域の輪郭の形状は光軸に回転対称の円形又はリング形状である、レーザ加工装置を提供する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸に回転対称であって、前記集光部材の少なくとも一部の幾何光学的焦点が前記光軸上に位置しないように構成される、レーザ加工装置を提供する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸を中心とする円形の平面部と、前記平面部の外周に隣接するとともに幾何光学的焦点が前記光軸を中心とし前記平面部の直径を直径とする円周上に位置するように構成されたリング形状の曲面部とを片面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、幾何光学的焦点が光軸を中心とする円周上に位置するように構成された曲面部を片面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、かつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を片面に備えた集光レンズと、前記集光レンズとは別部材であって前記光軸を中心とする円錐部を片面に備えた円錐形プリズムとを有する、レーザ加工装置を提供する。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備えかつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズと、前記円錐部と相補形状の円錐凹部を片面に備えた凹型の円錐形プリズムとを有する、レーザ加工装置を提供する。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、前記集光レンズと前記円錐形プリズムとの間の距離が変更可能である、レーザ加工装置を提供する。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザ加工装置において、前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、平面部を他方の面に備え、さらに該平面部上に形成された回折表面構造を備えた集光レンズである、レーザ加工装置を提供する。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集光部材と１点集光レンズとを交換可能である、レーザ加工装置を提供する。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である、レーザ加工装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ワークと集光レンズとの距離が短い場合であっても、長い焦点距離の集光レンズを用いた場合と同様の加工効果を得ることができ、従来のように焦点距離の異なる集光レンズを使い分けてその度毎に焦点距離に応じて集光レンズとワークとの距離を調整する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。なお図１〜図８はいずれも、本発明に係るレーザ加工装置における、集光レンズ及び被加工物すなわちワークの近傍を側方（すなわち光軸に垂直な方向）からみた概略図である。
【００２５】
本発明に係るレーザ加工装置は、図１（ａ）に示すように、概略図示されたレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０により生成されたレーザビームを集光して被加工物すなわちワーク１２に照射して加工するための集光部材（ここでは集光レンズ）２０とを有する。集光レンズ２０は、以降に詳細に述べるように、特に厚さの厚いワークを切断加工する場合に、集光点（集光レンズで集光されたレーザがワーク上に形成する照射領域）の大きさすなわちスポットサイズを、その厚さのワークの加工に適した大きさにすることができる。なおワークの厚さ方向は、ワークに照射されるレーザビームの光軸に概ね沿う方向とする。図１（ａ）に示すように、レーザ発振器１０から出射されて必要であれば図示しない反射鏡を用いて導かれたレーザビームは、集光レンズ２０に入光して被加工物すなわちワーク１２上の集光点１４に向けて集光される。レーザ発振器からのレーザビームは、平行光として遠方に照射しても容易に拡散せず、集光されることによりエネルギー密度が物理的限界まで上昇可能な性質を有する。ワーク１２の加工中は、ワーク１２の加工部位近傍にアシストガスを噴射して溶融物を飛散又は酸化燃焼させてから飛散させる。レーザ加工は、集光点１４をワーク１２に対して走査させることにより行われる。
【００２６】
本発明においては、集光点１４の形状は、集光点１４の位置が幾何光学的焦点に一致する場合であっても、図９（ａ）〜（ｃ）に示したような点形状（厳密には従来の１点集光レンズの場合でも、回折効果のために幾何光学的焦点において点とはならないのであるが、本願明細書では１点集光レンズの幾何光学的焦点におけるワーク上の集光点形状を点と称する）ではなく、光軸２２に回転対称であってワークの厚さに応じた適当な面積の部位にレーザ光が分布した形状（すなわちスポットサイズが点形状より大きい形状）となる。また図１（ｂ）に示すように、ワーク１２の厚さが厚くなった場合は、集光点１４のスポットサイズを大きくする集光レンズ２０′が使用される。図１（ａ）及び（ｂ）のような構成は、それぞれ図９（ｂ）及び（ｃ）に示したように焦点距離の長い集光レンズを用いて実際にレンズとワークとの距離を広げて集光点のスポットサイズを大きくした構成と同様の効果を有する。しかし本発明においては実際にはレンズ２０とワーク１２との距離は殆ど又は全く変化させる必要がないので、図１０（ａ）及び（ｂ）に示したような大型の加工ヘッド又はアタッチメント等の構造体を使用する必要はなく、簡易かつコンパクトなレーザ加工装置を構成することができる。また集光レンズへのレーザビームの入射は、図１（ｃ）に示すように、光ファイバ３０を用いて行われてもよい。この場合も、図１（ａ）及び（ｂ）と同様の考え方が適用できる。すなわち、光ファイバ３０のＰ点から発せられたレーザビームはワーク１２上のＰ′点に、Ｐ以外のＱ点から発せられたレーザビームはワーク１２上のＱ′点に達するように構成された集光レンズ２０″により、集光点のスポットサイズを適当に大きくすることができる。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｃ）に示す構成を実現可能な集光レンズ２０、２０′又は２０″の具体的形状を、図２〜図７に示す。先ず図２に示す第１の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ａは、上面（本実施形態ではレーザ入射側）に曲面部２２ａ及び平面部２４ａを有する。平面部２４ａは光軸２６ａを中心とする円形であり、曲面部２２ａは同じく光軸２６ａを中心とし、平面部２４ａの外周に隣接する内周を備えたリング形状である。曲面部２２ａの幾何光学的焦点は、光軸２６ａ上には位置せず、光軸２６ａを中心とし平面部２４ａの直径を直径とする円周上に位置する。集光レンズの下面（本実施形態ではレーザ出射側）２８ａは平面であってよい。
【００２８】
図２に示すように、このような集光レンズ２０ａに入射されたレーザビームのうち平面部２４ａに入射された部分は、集光されないのでそのまま平行光としてワーク１２上の集光点１４に照射され、レーザ加工において補助的役割を果たす。一方曲面部２２ａに入射されたレーザビームの部分は、集光点１４の外周付近に集光されて照射される。従って集光点１４は、平面部２４ａに略等しいか又は僅かに大きい円形となり、その外周部の方が内側よりレーザのエネルギー密度が高い。良好なレーザ加工のためには、集光点の外周部においてエネルギー密度が高いことが望ましく、本発明はその要求を満たすものである。また平面部２４ａを平面以外の形状に形成し、集光点１４の内側のエネルギー密度分布を適宜変更することもできる。
【００２９】
次に第２の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｂを図３に示す。集光レンズ２０ｂは上面に曲面部２２ｂを有し、平面部は有さない。曲面部２２ｂは、曲面部２２ｂに入射したレーザがワーク上に集光されたときに光軸２６ｂ上に位置しないように（すなわち幾何光学的焦点が光軸２２ｂ上に位置しないように）形成される。詳細には、図３に示す側面図における曲面部２２ｂの形状は、単純な１つの弧線ではなく、光軸２６ｂに関し対称の２つの焦点をそれぞれ中心とする２つの弧線を光軸２６ｂ上でつなぎ合わせた形状を有する。このような集光レンズ２０ｂによれば、ワーク１２上の集光点１４の形状はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となり、焦点距離の延長と同等の効果を得ることができる。
【００３０】
図４に示す第３の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｃは、光軸２６ｃ上に幾何光学的焦点が位置する曲面部２２ｃを一方の面に有し、円錐部２４ｃを他方の面に有する。曲面部２２ｃに入射されたレーザビームは、円錐部２４ｃによって光軸２６ｃから放射状に離れる方向にいくらか屈折するので、ワーク上の集光点はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となり、そのスポットサイズをワークの厚さに応じて大きくすることもできる。なお集光レンズ２０ｃは、両面すなわち曲面部２２ｃと円錐部２４ｃとの平行度が比較的厳密になるように作製する必要があるが、上述の集光レンズ２０ｂはレンズ両面の平行度をあまり厳しくする必要はない。
【００３１】
図５に示す第４の実施形態の集光部材２０ｄは、光軸２６ｄ上に幾何光学的焦点が位置する曲面部２２ｄを片面に備えた集光レンズ２３ｄと、集光レンズ２３ｄとは別部材であって先端を曲面２２ｄの中心に向けて配置された円錐形プリズム２４ｄとから構成される。レーザビームは、先ず円錐形プリズム２４ｄに入射して光軸２６ｄから放射状に離れる方向にいくらか屈折し、その後集光レンズ２３ｄに入射する。集光レンズ２３ｄに入射したときのレーザビームは平行光ではないので、ワーク１２上の集光点１４はリング形状又は外周部のエネルギー密度が高い円形となる。この構成の利点は、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの間の光軸２６ｄ方向の距離を変更することにより、ワーク１２の位置を変えずに集光点１４のスポットサイズを容易に変更できることである。例えば、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を短くすれば、スポットサイズを小さくして孔あけ加工を行うことができる。さらにこのとき焦点位置をワーク１２の表面よりワーク１２の内部にいくらか変位させることにより、より短時間の孔あけ加工が可能になる。一方、円錐形プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を長くすれば、集光点１４はリング形状となり、故に切断幅の広い安定した切断加工が可能になる。集光点のスポットサイズの大きさを任意かつ連続的に変えられることは、レーザ加工の条件の最適化に大きく寄与する。
【００３２】
また集光部材２０ｄに関し、円錐形プリズム２４ｄの円錐面２５ｄを紡錘形状面２５ｄ′（図５に点線で図示）とすると、集光点のスポットサイズ径はさらに容易に制御できるようになる。紡錘面２５ｄ′は光軸２６ｄ近傍では光軸２６ｄにほぼ垂直であり、光軸２６ｄから離れるに従って傾きが大きくなることから、プリズム２４ｄと集光レンズ２３ｄとの距離を大きくしても光軸２６ｄ近傍のレーザ光は光軸からあまり乖離せず光軸２６ｄに略平行に進むのに対し、レンズ外周付近のレーザ光は円錐面２５ｄの場合より光軸から大きく乖離して大きい集光点を形成するからである。
【００３３】
図５の集光部材２０ｄと同様の効果は、図６に示す第５の実施形態の集光部材２０ｅによっても達成可能である。集光部材２０ｅは、第３の実施形態の集光レンズ２０ｃと同様の、光軸２６ｅ上に幾何光学的焦点が位置する一方の面の曲面部２２ｅ及び他方の面の円錐部２４ｅを備えた集光レンズ２５ｅと、円錐部２４ｅと相補形状の円錐凹部２７ｅを円錐部２４ｅに対向するように備えた凹型円錐プリズム２８ｅとから構成される。また曲面部２２ｅを図５の紡錘面２５ｄ′と同様の紡錘面としかつ円錐部２４ｅを平面とすることによっても、同様の効果が得られる。
【００３４】
図７に示す第６の実施形態の集光部材すなわち集光レンズ２０ｆは、光軸２６ｆ上に幾何光学的焦点が位置する一方の面の曲面部２２ｆと、他方の面に形成された平面部２４ｆとを有する。平面部２４ｆ上にはさらに、ワーク１２上には点形状ではない形状の集光点１４を形成するための、回折表面構造２８ｆが印刷、彫り込み等の方法により形成される。回折表面構造２８ｆにより、ワーク１２上には円、リング、楕円又は多角形等の任意形状及び所望のエネルギー密度分布の集光点１４を形成することができる。
【００３５】
本発明に係るレーザ加工装置においては、従来であれば異なる焦点距離の集光レンズを用いるときは実際のレンズとワークとの距離も変更せざるを得なかったのに対し、レンズとワークとの距離は実質的に変更せずに焦点距離を変更したのと同等の効果を得ることができる。従って、ワークの厚さ変更等に応じた、上述の集光レンズ２０ａ〜２０ｅのような本発明に係る集光レンズ相互での使い分け、又は本発明に係る集光レンズと従来の幾何光学的に１点に集光する集光レンズとの使い分けは、集光レンズを公知の取付け及び取外し手段を用いて交換するだけで可能になり、レンズとワークとの距離を再調整するための機構も手間も必要ない。このことは、安価かつ適用範囲の広いレーザ加工装置の提供を可能にする。
【００３６】
従来及び本発明に係るレーザ加工装置によるワークの切断実験の結果を表１に示す。また表１の実験条件ａ〜ｄをそれぞれ模式的に示す図を図８（ａ）〜（ｄ）に示した。本発明に係る実験結果は表１中の条件ａのみであり、他すなわち条件ｂ〜ｄはいずれも従来のレーザ加工装置での結果である。レーザ加工は全条件について、平均出力３ｋｗの炭酸ガスレーザを使用し、厚さ２５ｍｍの軟鋼板に対して走査速度０．７ｍ／分にて行った。使用した集光レンズの焦点距離は、条件ｂのみ８．７５インチ（２２ｃｍ）であり、他は５インチ（１３ｃｍ）であった。また集光レンズに入射するときのビーム径は条件ｄのみ２０ｍｍで、他は３０ｍｍである。表中の焦点位置を示す数値は、最小のスポットサイズが得られる幾何光学的焦点がワーク表面に位置する場合をゼロとし、幾何光学的焦点がワーク表面から離れる方向をプラス（＋）としてｍｍ単位で表示している。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１の条件ｂ〜ｄ間での比較からわかるように、厚さ２５ｍｍのワークに対し従来の加工装置で良好に加工できる範囲が最も広いのは条件ｂすなわち焦点距離が８．７５インチ（２２ｃｍ）の場合である。条件ｃは焦点距離が短いためにスポットサイズが小さくなり、良好な切断は極めて狭い範囲でしか行えない。条件ｄはビーム径を小さくしてスポットサイズを大きくしたために良好な切断範囲は条件ｃよりはやや広がるものの、十分とはいえない。本発明すなわち条件ａの場合は、焦点距離が５インチ（１３ｃｍ）であるにも関わらず条件ｂと同等以上のスポットサイズ径を実現することができるので、条件ｂと同等以上に広い範囲で良好な切断を行うことができる。なお最適な集光点の位置はワークの材質及び切断条件等により異なるが、ワーク表面からプラスマイナスいずれの方向にもワークの厚さを超えない範囲にある。換言すれば、本発明の場合は、レーリー長（集光点近傍における回折効果が持続する光軸方向長さ）の範囲内にワーク表面が位置する。特許文献４に記載のレーザ加工装置は、リング形状にレーザを照射する点では本願と類似するが、ワーク上の加工形状もリング形状となることから、レーリー範囲内での加工ではないと考えられ、その点で本発明とは異なる。
【００３９】
これまで説明してきた実施例においては、集光点の走査方向によって加工品質に差が生じないという利点の他、集光レンズに入射するレーザビーム径によらず集光点の形状を任意に形成できるという重要な利点もあり、これは従来提唱されてきた二重焦点レンズとは大きな相違点である。
【００４０】
本発明に係るレーザ加工装置は、加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である場合に特に有利である。３次元加工装置の場合は機械座標における集光点位置を変更せずに切断可能なワーク厚さの範囲を画期的に増大させることができ、高速加工装置の場合は加工ヘッドの重量や回転モーメントを減少して高速時の性能及び精度を向上させることができるからである。
【００４１】
なお上記の説明は透過光学部品を前提としたものであるが、その一部を反射光学部品としても同様の効果が得られることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）本発明に係るレーザ加工装置の集光レンズ近傍を示す概略図であり、（ｂ）（ａ）よりもワークの厚さが厚い場合を示す概略図であり、（ｃ）レーザビームが光ファイバから導かれる場合を示す概略図である。
【図２】本発明に係る集光レンズの第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係る集光レンズの第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係る集光レンズの第３の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る集光レンズの第４の実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る集光レンズの第５の実施形態を示す図である。
【図７】本発明に係る集光レンズの第６の実施形態を示す図である。
【図８】（ａ）本発明に係るレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｂ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｃ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図であり、（ｄ）比較のために従来のレーザ加工装置による切断実験条件を模式的に示す図である。
【図９】（ａ）ワークの厚さが薄い場合の従来のレーザ加工を示す概略図であり、（ｂ）（ａ）よりワークの厚さが厚い場合を示す概略図であり、（ｃ）さらに（ｂ）よりワークの厚さが厚い場合を示す概略図である。
【図１０】（ａ）従来のレーザ加工装置の加工ヘッドの概略構成を示す図であり、（ｂ）従来のレーザ加工装置の加工ヘッドの他の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 発振器
１２ ワーク
１４ 集光点
２０、２０′、２０″、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ 集光部材
３０ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、該レーザ発振器により生成されたレーザビームを集光して被加工物に照射して加工するための集光部材と、を有するレーザ加工装置であって、
前記集光部材は、幾何光学的焦点において前記レーザビームが前記被加工物に形成する照射領域の輪郭を、１つの点状輪郭以外の形状とする光学的構造を有する、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記照射領域の輪郭の形状は光軸に回転対称の円形又はリング形状である、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記集光部材は、光軸に回転対称であって、前記集光部材の少なくとも一部の幾何光学的焦点が前記光軸上に位置しないように構成される、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記集光部材は、光軸を中心とする円形の平面部と、前記平面部の外周に隣接するとともに幾何光学的焦点が前記光軸を中心とし前記平面部の直径を直径とする円周上に位置するように構成されたリング形状の曲面部とを片面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記集光部材は、幾何光学的焦点が光軸を中心とする円周上に位置するように構成された曲面部を片面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、かつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を片面に備えた集光レンズと、前記集光レンズとは別部材であって前記光軸を中心とする円錐部を片面に備えた円錐形プリズムとを有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記集光部材は、光軸に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備えかつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズと、前記円錐部と相補形状の円錐凹部を片面備えた凹型の円錐形プリズムとを有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記集光レンズと前記円錐形プリズムとの間の距離が変更可能である、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、平面部を他方の面に備え、さらに該平面部上に形成された回折表面構造を備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集光部材と１点集光レンズとを交換可能である、レーザ加工装置。
【請求項１２】
加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ発振器と、該レーザ発振器により生成されたレーザビームを集光して被加工物に照射して加工するための集光部材と、を有するレーザ加工装置であって、
前記集光部材は、幾何光学的焦点において前記レーザビームが前記被加工物に形成する照射領域の輪郭を、１つの点状輪郭以外の形状とする光学的構造を有する、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記照射領域の輪郭の形状は光軸に回転対称の円形又はリング形状である、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記集光部材は、光軸に回転対称であって、前記集光部材の少なくとも一部の幾何光学的焦点が前記光軸上に位置しないように構成される、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記集光部材は、光軸を中心とする円形の平面部と、前記平面部の外周に隣接するとともに幾何光学的焦点が前記光軸を中心とし前記平面部の直径を直径とする円周上に位置するように構成されたリング形状の曲面部とを片面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記集光部材は、幾何光学的焦点が光軸を中心とする円周上に位置するように構成された曲面部を片面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、かつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を片面に備えた集光レンズと、前記集光レンズとは別部材であって前記光軸を中心とする円錐部を片面に備えた円錐形プリズムとを有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記集光部材は、光軸に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備えかつ前記光軸を中心とする円錐部を他方の面に備えた集光レンズと、前記円錐部と相補形状の円錐凹部を片面備えた凹型の円錐形プリズムとを有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記集光レンズと前記円錐形プリズムとの間の距離が変更可能である、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記集光部材は、光軸上に幾何光学的焦点が位置する曲面部を一方の面に備え、平面部を他方の面に備え、さらに該平面部上に形成された回折表面構造を備えた集光レンズである、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集光部材と１点集光レンズとを交換可能である、レーザ加工装置。
【請求項１２】
加工ヘッドの向きが可変の３次元レーザ加工装置、又は加工ヘッドの移動加速度が１Ｇ以上の高速レーザ加工装置である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１５０４３３（Ｐ２００６−１５０４３３Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４８６４４（Ｐ２００４−３４８６４４）
【出願日】平成１６年１２月１日（２００４．１２．１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１日（２００４．１２．１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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