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    公开号:WO1990013390A1
    申请号:PCT/JP1990/000515
    申请日:1990-04-18
    公开日:1990-11-15
    发明作者:Norio Karube；Takeji Arai；Kuniaki Fukaya
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:B23K26-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 レーザ加工装置 技 術 分 野
    [0002] 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。 背 景 技 術
    [0003] 第 1 4図は従来の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。 レーザ発振器 1から出力されたレ一ザビーム 2は集光レンズ 4によって集光ビーム 3に変換される。 この 集光ビーム 3はワーク 5上の焦点 7 に集光される。 ワーク 5 は加工テーブル 6上に設置される。 加工テーブル 6はワーク 5を所望の加工形状に仕上げるため位置制御される。
    [0004] 第 1 4図に示すように、 レーザ発振器 1から出力されたレ 一ザビーム 2には発散角 2 Θが存在する。
    [0005] このレーザビーム 2を集光した時の焦点 7 におけるスポッ ト径は集光レンズ 4の焦点距離を f とすると、 2 f になる。 加工精度を上げるためには、 スポ ッ ト径をできるだけ小さ く する方がよい。 従って、 焦点距離 f 又は発散角 のいずれか 一方を小さ くするこ とによ って、 加工精度を向上することが できる。 しかし、 焦点距離 f を小さ くすると、 球面収差の増加及び 焦点深度の減少といった問題が生じるため、 焦点距離 f を小 さ くすることは一般的に好ましくない。
    [0006] 従って、 スポッ ト径を小さくする方法としては発散角 を 小さ くする方法が理想的であり、 これを実現するために種々 の方法が採用されている。 以下、 その方法について説明する。 一般に発散角 Θは次式で与えられる。
    [0007] Θ = 2 λ C ra n/ ττ D · · ♦ · ( 1 )
    [0008] ( は波長、 C m nはモードに依存する定数、 Dは発振器出力 孔直径を示す。 ）
    [0009] 第 1の方法は、 C m nを最小値 1 にするために、 T E M 0 0 モードを使用する方法である。 しかし、 これには出力減少を 伴うと云う欠点、がある。
    [0010] 第 2の方法は、 発振器出力孔直径 Dを十分に大きくするこ とである。 しかし、 これは前記の T E M 0 0化するという条 件と矛盾する。
    [0011] 第 3の方法は、 上述の両方法の欠点を解消するために採用 されたビームエキスパンダを用いる方法である。 第 1 5図は スポッ ト径を小さ くする方法としてビームエキスパンダを用 いたものを示す図である。
    [0012] この方法はレーザ発振器 1で小径 D 1及び T E M 0 0 モー ドのレーザビーム 2を出力し、 このレーザビーム 2を 2枚の レンズの組合せ、 即ち凹レンズ 8及び凸レンズ 9からなるビ ー厶エキスパンダによって、 大径 D 2の発散角の小さいビー ムに変換するものである。 このビームエキスノ、。ンダは小径 D 1のレーザビームを大径 D 2のレ一ザビームに変換じ、 さ ら に発散角 2 θ 1 を発散角 2 Θ 2 に縮小することができる。 上式 （ 1 ) から明らかなように、 発散角 はレーザビーム の径 Dに反比例するのでビームエキスパンダ通過前後の各レ —ザビームの定数にそれぞれ 1及び 2の添字を付して表せば 次式のようになる。
    [0013] 2 = (D1 ZD2 ) 1 · · · · ( 2 )
    [0014] 従って、 ビームエキスパンダ通過後のレーザビームの発散 角 2 を小さ くすれば集光レンズ 1 0の焦点距離 f が大き く ても焦点におけるスポッ ト径を十分小さ くすることができる ( しかしながら、 この方法にも次のような欠点がある。 第 1 にビームエキスパンダは高価であるということと、 第 2 にレ —ザビ一厶がビ一厶エキスノ、。ンダを通過することによってレ —ザ出力の吸収が発生するということである。 即ち、 ビーム エキスパンダを使用することは、 レンズの枚数を増加するこ とであり、 レンズの増加によってコス ト も上昇し、 レーザ出 力の吸収も増大する。 発 明 の 開 示
    [0015] 本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 コス ト上昇を抑えて集光特性を向上させ、 レーザ出力の低下を防 止し、 より精密な加工精度を維持できるレーザ加工装置を提 供することを目的とする。
    [0016] 本発明では上記課題を解決するために、
    [0017] 少なく ともレーザ発振器、 ビームエキスパンダ及び集光系 からなるレーザ加工装置において、 前記ビームエキスパンダ を構成する出力端側の光学部品及び前記集光系を、 前記光学 部品と前記集光系とを合成した特性を有する一つの集光系で 構成することを特徵とするレーザ加工装置が、 提供される。
    [0018] ビームエキスパンダを使用する際に生じていた上述の欠点 はともにレンズ枚数の増大に原因がある。 従って、 この欠点 を解決するためには、 ビームエキスパンダを構成するレンズ の枚数を少なくすればよい。 しかし、 現在使用されているビ —厶エキスパンダのレンズの枚数は 2枚であり、 これを 1枚 にすることは事実上困難である。
    [0019] そこで、 発明者は次のような事実を実験から見出した。 そ れは、 第 1 6図に示すように、 第 1 5図の凸レンズ 9 と集光 レンズ 1 0 との距離を極端に短く しても、 集光レンズ 1 0の 集光特性には影響しないということである。 これは、 ビーム エキスパンダ （凸レンズ 9 ) を通過したレーザビームが集光 レンズ 1 0 に至るまで、 平行ビームを維持しているからであ る。 従って、 さらに凸レンズ 9 と集光レンズ 1 0 との距離を 短く し、 ゼロにした場合、 即ち第 1図のようにこれら 2枚の レンズを 1枚の集光レンズで置き換えた場合、 第 1 6図の場 合と同様にやはり集光レンズの集光特性には影響しなかった。 従って、 本発明では、 ビームエキスパンダの枚数を減少さ せるために、 ビームエキスパンダの出力端側の光学部品及び 集光系を、 それらを合成した特性を有する一つの集光系で構 成する。 これによつて、 レンズの枚数を少なく とも 1枚は減 少させることができ、 本発明の目的を達成することができる。 また、 少なく ともレーザ発振器、 ビームエキスパンダ及び 集光系からなるレーザ加工装置において、 前記ビームエキス パンダを構成する光学部品の一部が前記レーザ発振器の出力 結合鏡で構成されていることを特徴とするレーザ加工装置が. 提供される。
    [0020] 同様に、 枚数を減少させるために、 ビームエキスパンダを 構成する光学部品の一部をレーザ発振器の出力結合鏡で構成 する。 これによつて、 レンズの枚数を少なく とも 1枚は減少 させることができる。 また、 本発明の推奨される一実施例と しては、 ビームエキスパンダの出力端側の光学部品及び集光 系を、 それらを合成した特性を有する一つの集光系で置き換 えることが望ま しい。 これによつて、 さらに 1枚のレンズを 減少させることができる。 図 面 の 簡 単 な 説 明
    [0021] 第 1図はガリ レオ型エキスパンダを用いた本発明の第 1 の 実施例を示す図、 .
    [0022] 第 2図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第 2の実 施例を示す図、
    [0023] 第 3図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を用 いた本発明の第 3の実施例を示す図、
    [0024] 第 4図は第 3図の変形例である本発明の第 4の実施例を示 す図、
    [0025] 第 5図はガリ レオ型エキスパンダを用いた本発明の第 5の 実施例を示す図、 第 6図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第 6の実 施例を示す図、
    [0026] 第 Ί図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を用 いた本発明の第 7の実施例を示す図、
    [0027] 第 8図は第 7図の変形例である本発明の第 8の実施例を示 す図、
    [0028] 第 9図は第 5図の変形例である本発明の第 9の実施例を示 す図、
    [0029] 第 1 0図は第 9図の変形例である本発明の第 1 0の実施例 を示す図、
    [0030] 第 1 1図は第 1 0図の変形例である本発明の第 1 1の実施 例を示す図、
    [0031] 第 1 2図は第？図の変形例である本発明の第 1 2の実施例 を示す図、
    [0032] 第 1 3図は第 1 2図の変形例である本発明の第 1 3の実施 例を示す図、
    [0033] 第 1 4図は従来のレーザ加工装置の概略構成を示す図、 第 1 5図はスポッ ト径を小さ くする方法としてビームェキ スパンダを用いたものを示す図、
    [0034] 第 1 6図は本発明の作用を説明するための第 1 5図の変形 例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
    [0035] 第 1図はガリ レオ型エキスパンダを用いた本発明の第 1の 実施例を示す図である。 第 1 6図と同一の構成要素には同一 の符合が付してあるので、 その説明は省略する。
    [0036] 本実施例は第 1 6図のレンズ 9及び 1 0の距離をゼロにし た場合、 即ち凸レンズ 9 と集光レンズ 1 0 とを合成し、 一枚 の集光レンズ 1 1で構成したものである。 従って、 本図の集 光レンズ 1 1 は第 1 6図の凸レンズ 9と集光レンズ 1 0 との 合成特性を有する。 本実施例のように 2枚の凸レンズ 9及び 1 0を 1枚の凸レンズ 1 1で置換することによって、 レーザ ビームが通過するレンズの総数を 1枚減少できる。 従って、 ビ一厶エキスパンダを利用することによつて生じていた欠点 も解消され、 全体としてビームエキスパンダを利用したのと 同じ効果を得ることができ、 その効果は大きい。
    [0037] また、 レーザビームの発散角 の減少率は、 凹レ ンズ 8及 び凸レンズ 1 1の焦点距離の比に比例し、 逆にビーム径の比 に反比例する。 従って、 T E M 0 0 と T E M 0 1 モー ドの間 ではビーム発散角の比は 2 . 2 5なので凹レンズ 8及び凸レ ンズ 1 1の焦点距離の比を 2 . 2 5にしてやれば、 T E M 0 1 モー ドのレ一ザ発振器を用いても T E M 0 0 モー ドの場合 と同様な加工特性を得ることができる。 こう した出力結合鏡 の設計は周知の技術で可能であるのでここでは説明を省略す
    [0038] Ώ ο
    [0039] 第 2図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第 2の実 施例を示す図である。 本実施例が第 1図と異なる点は、 ビー ムエキスパンダを構成する レンズのレーザ発振器側のものを 凸レンズにした点である。 この凸レンズ 1 2 と凸レンズ 1 1 とでケプラ型エキスパンダが構成される。 但し、 この方法は 凸レンズ 1 2を出たレーザビームが一度焦点を結ぶので、 加 ェ用の大出力レーザに適用するよりは、 中出力レーザに適用 する方が好ましい。
    [0040] 第 3図はビ一ムエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を用 いた本発明の第 3の実施例を示す図である。 本実施例が第 1 図と異なる点は、 凸レンズ 1 1の代わりにパラボラ反射鏡 1 3を用いた点である。 このパラボラ反射鏡 1 3を用いること によって、 レーザビームを大径に拡大しても球面収差がなく、 さらに、 光学部品 （パラボラ反射鏡. 1 3 ) の冷却を容易に行 えるという效果がある。 但し、 パラボラ反射鏡はレンズより もコマ収差が大きいのでァライ ンメ ン トに注意を要する。 第 4図は第 3図の変形例である本発明の第 4の実施例を示 す図である。 本実施例では、 ビームエキスパンダが凸レンズ 1 2 とパラボラ反射鏡 1 3 とで構成されている。 本実施例の 場合もレーザビームが一度焦点を結ぶので中出力レーザに好 適でめる。
    [0041] 第 5図はガリ レオ型エキスパンダを用いた本発明の第 5の 実施例を示す図である。 第 1 5図と同一の構成要素には同一 の符合が付してあるので、 その説明は省略する。
    [0042] レーザ発振器 1 には全反射鏡 2 1 と出力結合鏡 2 2とから なる共振器が設けられている。 本実施例ではこの出力結合鏡 2 2に凹レンズを使用する。 そして、 出力結合鏡 2 2 と、 凸 レンズ 9 とで第 1 5図と同様のビームエキスパンダを構成す る。 即ち、 本実施例ではビームエキスパンダを構成する光学 部品 （レ ンズ） の一部がレーザ発振器 1 内の出力結合鏡 2 2 で構成されているため、 従来のものに比べてレーザビームの 通過するレンズの枚数が少なくなり、 光学系によるレーザ出 力の吸収が減少し、 ビームエキスパンダ使用時の欠点を除去 することができる。
    [0043] また、 レーザビームの発散角 の減少率は、 凸レンズ 9及 び凹レンズ 2 2の焦点距離の比に比例し、 逆にビーム径の比 に反比例する。 従って、 T E M 0 0 と T E M 0 1 モー ドの間 ではビーム発散角の比は 2 . 2 5なので出力結合鏡 2 2の凹 レンズ及び凸レンズ 9 の焦点距離の比を 2 . 2 5にしてやれ ば、 T E M 0 1 モー ドのレ一ザ発振器を用いても T E M 0 0 モ一 ドの場合と同様な加工特性を得ることができる。 こう し た出力結合鏡の設計は周知の技術で可能であるのでこ こでは 説明を省略する。
    [0044] 第 6図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第 6の実 施例を示す図である。 本実施例が第 5図と異なる点は、 共振 器の出力結合鏡 2 3の出力面が凸レンズになっている点であ る。 この出力結合鏡 2 3 と凸レンズ 9 とでケプラ型エキスパ ンダが構成される。 但し、 この方法では出力結合鏡 2 3を出 たレーザビームは一度焦点を結ぶので、 加工用の大出カレ一 ザに適用するより、 中出力レーザに適用する方が好ましい。
    [0045] 第 7図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を用 いた本発明の第 7の実施例を示す図である。 本実施例が第 5 図と異なる点は、 凸レンズ 9の代わりにパラボラ反射鏡 1 4 を用いた点である。 このパラボラ反射鏡 1 4を用いることに よって、 レーザビームを大径に拡大しても球面収差がなく、 さらに、 光学部品 （パラボラ反射鏡 1 4 ) の冷却を容易に行 えるという効果がある。 但し、 パラボラ反射鏡はレンズより もコマ収差が大きいのでァライ ンメ ン トに注意を要する。
    [0046] 第 8図は第 7図の変形例である本発明の第 8の実施例を示 す図である。 本実施例では、 ビームエキスパンダが出力結合 鏡 2 3 の凸レンズとパラ ボラ反射鏡 1 4 とで構成されている。 本実施例の場合もレーザビームが一度焦点を結ぶので中出力 レーザ用として適用するほうが好ましい。
    [0047] 第 9図は第 5図の変形例である本発明の第 9の実施例を示 す図である。 本実施例では凸レンズ 9 と集光レンズ 1 0 との 距離が極端に短く してある。 このよう に両レンズ 9及び 1 0 の距離を短く しても集光レンズ 1 0の集光特性には影響しな い。 なぜなら、 ビームエキスパンダ （凸レンズ 9 ) を通過し たレーザビームは集光レンズ 1 0に至るまで、 平行ビームだ からでめる 0
    [0048] 第 1 0図は第 9図の変形例である本発明の第 1 0の実施例 を示す図である。 本実施例は第 9図のレンズ間の距離をゼロ にした場合、 即ち凸レンズ 9 と集光レンズ 1 0 とを合成し、 一枚の集光レンズ 1 5で構成したものである。 従って、 本図 の集光レンズ 1 5は第 9図の凸レンズ 9 と集光レンズ 1 0 と の合成特性を有する。 本実施例のように 2枚の凸レンズ 9及 び 1 0を 1枚の凸レンズ 1 5で置換することによって、 レー ザビームが通過するレンズの総数を 2枚減少できる。 これは 第 1 4図のようにビームエキスパンダを用いない場合と同じ である。 従って、 ビームエキスパンダを利用することによつ て生じていた欠点も解消され、 全体としてビームエキスパン ダを利用したのと同じ効果を得ることができ、 その効果は大 きい。
    [0049] 第 1 1図は第 1 0図の変形例である本発明の第 1 1の実施 例を示す図である。 本実施例では、 共振器の出力結合鏡 2 3 の出力面を凸レンズで構成し、 第 6図と同様の改良を加えた ものである。 従って、 一度焦点を結ぶことを除けば第 1 0図 のものと同様の効果を発揮する。
    [0050] 第 1 2図は第 7図の変形例である本発明の第 1 2の実施例 を示す図である。 本実施例はビームエキスパンダの一部にパ ラボラ反射鏡 1 7を用い、 さらにパラボラ反射鏡 1 7を第 7 図のパラボラ反射鏡 1 4 と集光レンズ 1 0 とを合成した特性 を持たせたものである。 本実施例によれば集光レンズ 1 0を 省略でき、 さらにパラボラ反射鏡 1 7を用いることによって、 レーザビームを大径に拡大しても球面収差がなく、 光学部品
    [0051] (パラボラ反射鏡 1 7 ) の冷却を容易に行えるという効果が ある。 但し、 第？図の場合と同様にパラボラ反射鏡はレンズ より もコマ収差が大きいのでァライ ンメ ン トに注意を要する。 第 1 3図は第 1 2図の変形例である本発明の第 1 3の実施 例を示す図である。 本実施例は、 共振器の出力結合鏡 2 3の 出力面を凸レンズで構成したものである。 従って、 一度焦点 を結ぶことを除けば第 1 2図のものと同様の効果を発攆する。 以上説明した実施例は、 ビーム径を拡大して集光レンズ特 性の回折限界を向上させることを目的としている。 一方、 ビ 一ム径が増大すると集光レンズによる球面収差の影響が無視 できなくなる。 この影響を少なくするためには球面収差のな い集光系、 例えばパラボラ反射鏡又は無収差レンズを用いる ことがよい。 従って、 第 3図、 第 4図、 第 7図、 第 8図、 第 1 2図及び第 1 3図に示したようにパラボラ反射鏡を用いる ことによつて本発明の百的を理想的に実現することができる。 以上説明したように本発明によれば、 通常のビームエキス パンダ使用時に比較して低価格でしかもレーザ出力の吸収損 失を抑え、 ビーム径を拡大することのできるレーザ加工装置 を提供することができる。 また、 これによりレーザビームを 小さなスポッ トに集光することができるので、 T E M 0 0モ 一ドを使用しなくても、 切断及び溶接等といったレーザ加工 時の特性を T E M 0 0モードと同等のものにすることができ o
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1 . 少なく ともレーザ発振器、 ビームエキスパンダ及び集 光系からなるレーザ加工装置において、
    前記ビームエキスパンダを構成する出力端側の光学部品及 び前記集光系を、 前記光学部品と前記集光系とを合成した特 性を有する一つの集光系で構成することを特徴とするレーザ 加工装置。
    2 . 前記ビームエキスパンダは囬レンズで構成されるガリ レオ型エキスパンダである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 . 前記ビームエキスパンダは凸レンズで構成されるケプ ラ型エキスパンダであることを特徵とする特許請求の範囲第 1項記載のレーザ加工装置。
    .
    4 . 前記一つの集光系は無収差レンズで構成されることを 特徵とする特許請求の範囲第 1項、 第 2項又は第 3項記載の レーザ加工装置。
    5 . 前記一つの集光系はパラボラ反射鏡で構成されること を特徴とする特許請求の範囲第 1項、 第 2項又は第 3項記載 のレーザ加工装置。
    6 . 少なく ともレーザ発振器、 ビームエキスパンダ及び集 光系からなるレーザ加工装置において、
    前記ビームエキスパンダを構成する光学部品の一部が前記 レーザ発振器の出力結合鏡で構成されていることを特徴とす るレーザ加工装置。
    7 . 前記ビームエキスパンダは前記出力結合鏡の出力面が 凹レンズで構成されるガリ レオ型エキスパンダであることを 特徵とする特許請求の範囲第 6項記載のレーザ加工装置。
    8 . 前記ビームエキスパンダは前記出力結合鏡の出力面が 凸レンズで構成されるケプラ型エキスパンダであることを特 徵とする特許請求の範囲第 6項記載のレーザ加工装置。
    9 . 前記集光系は無収差レンズで構成されることを特徵と する特許請求の範囲第 6項、 第？項又は第 8項記載のレーザ 加工装置。
    1 0 . 前記集光系はパラボラ反射鏡で構成されることを特徵 とする特許請求の範囲第 6項、 第 7項又は第 8項記載のレー ザ加工装置。
    1 1 . 前記ビームエキスパンダの出力側の光学部品及び前記 集光系を、 前記ビームェギスパンダの出力側の光学部品と前 記集光系とを合成した特性を有する一つの集光系で置き換え たことを特徴とする特許請求の範囲第 6項、 第 7項、 第 8項、 第 9項又は第 1 0項記載のレーザ加工装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US5136136A|1992-08-04|
    EP0428734A4|1992-02-24|
    EP0428734A1|1991-05-29|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1990-11-15| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1990-11-15| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB |
    1990-12-07| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1990906341 Country of ref document: EP |
    1991-05-29| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1990906341 Country of ref document: EP |
    1992-03-13| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1990906341 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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