JP5580129B2

JP5580129B2 - 固体レーザ加工装置

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Publication number: JP5580129B2
Application number: JP2010163121A
Authority: JP
Inventors: 宏迫; 浅実森野; 宏明石黒
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP2012024782A

Description

本発明は、レーザ光が伝送されるプロセスファイバーのコア径を被加工材に応じて変更する固体レーザ加工装置に関する。

板金加工用のレーザ加工機では、炭酸ガスレーザ発振器（発振波長１０．６μｍ）をレーザ光源として、複数枚の伝送用ミラーを介して加工点までレーザ光を伝送し、集光レンズで高エネルギー密度のレーザ光に集光し、また同軸にアシストガスを噴射して、溶融物を除去しながら加工するものが一般的である。一方、レーザ光源としては炭酸ガスレーザ発振器に代わるものとして固体レーザ発振器の代表として、ＹＡＧレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）が用いられてきた。

しかしながら、最近では通信技術をベースにしたファイバーレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）がＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れることや、発振効率が極めて高いことを背景に産業用、特に板金加工用（切断または溶接等）にも適用されつつある。

図１２は、ファイバーレーザ発振器５１をレーザ光源としたファイバーレーザ加工装置の一例を示す。なお、同様なファイバーレーザ加工装置の公知文献としては例えば特許文献１がある。

レーザ加工機７５に隣接して設置されたファイバーレーザ発振器５１は、レーザ光を生成する光エンジン５２を備える。光エンジン５２で生成されたレーザ光は、フィーディングファイバー５４によりビームシャッター７１へ伝送され、ビームシャッター７１に接続されたプロセスファイバー５６により、レーザ加工機７５へ伝送される。

プロセスファイバー５６は、レーザ加工機７５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示省略）に沿って装着されている。図１３に示すように、プロセスファイバー５６の射出端面から射出されたレーザ光は、コリメータユニット６９内のコリメートレンズ６８によりほぼ平行光束に変換され、ベンドミラー６５によりＺ軸方向（鉛直方向）下方に反射される。その後、レーザ光は、加工ヘッド６６に設けられた集光レンズ６７に入射して高エネルギー密度に集光され、被加工材Ｗに照射される。なお、コリメータユニット６９は、加工テーブル６１上をＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ６４にＹ軸方向に移動自在に設けたＹ軸キャリッジ６３に取り付けられている。

ファイバーレーザ発振器５１から発生するレーザ光は、炭酸ガスレーザ発振器によるレーザ光（「ＣＯ２レーザ」と略す）に比べて、そのビーム品質が高いため、より小さい集光直径まで集光レンズ６７を用いて絞り、高いエネルギー密度を得ることができる。例えば、図１４に示すように、４ｋＷのＣＯ２レーザ及び２ｋＷのファイバーレーザの最小集光直径ｄは、それぞれ０．２７ｍｍ及び０．１２ｍｍであり、この時のエネルギー密度はファイバーレーザの方が２．５倍程度高くなる。したがって、この小さいな集光直径と金属に対する発振波長１μｍ帯の吸収率の良さとから、薄板材の高速切断が可能となる。

特開２００９−２２６４７３号公報

しかし、ファイバーレーザ発振器５１から発生するレーザ光を用いて、図１５に示すように、例えば板厚６ｍｍ以上の厚板Ｗを切断する場合、最小集光直径のレーザ光ＬＢを照射することにより被加工材Ｗに形成される切断カーフ幅ｂは、ＣＯ２レーザの場合に比べて狭くなる。これにより、切断時に発生する溶融金属をカーフ外部に排出することが困難となり切断不良或いは切断不可能となる。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、集光レンズの焦点距離やレーザ光のビーム径を変更することなく、薄板の高速加工から厚板加工までを容易に実施する固体レーザ加工装置を提供することである。

本発明の第１の特徴は、レーザ光を生成する固体レーザ発振器と、固体レーザ発振器により生成されたレーザ光を伝送するフィーディングファイバーと、フィーディングファイバーにより伝送されたレーザ光が通過するビームモード変換ユニットと、ビームモード変換ユニットを通過したレーザ光を集光させて被加工材に照射するレーザ加工ユニットとを備える固体レーザ加工装置であって、ビームモード変換ユニットが、フィーディングファイバーのコア径と異なるコア径を有する１以上のプロセスファイバーと、１以上のプロセスファイバーにレーザ光を伝送させるか否かを選択する選択部とを有することである。

本発明の第１の特徴によれば、選択部により選択された事項に応じて、レーザ加工ユニットの直前にレーザ光が伝送されるファイバーのコア径を変更することができる。これにより、レーザ加工ユニットにより集光されるレーザ光の最小集光直径を制御することができる。よって、レーザ加工ユニットにおいてレーザ光を集光する際に使用する集光レンズの焦点距離やレーザ光のビーム径を変更することなく、レーザ光の最小集光直径を変更できるので、薄板の高速加工から厚板加工までを容易に実施することができる。

本発明の第１の特徴において、ビームモード変換ユニットは、互いに異なるコア径を有する２以上の前記プロセスファイバーを有し、選択部は、プロセスファイバーにレーザ光を伝送させることを選択した場合にあっては、レーザ光を伝送させる１のプロセスファイバーを選択してもよい。これにより、選択部により選択されたプロセスファイバーに応じて、レーザ加工ユニットの直前にレーザ光が伝送されるプロセスファイバーのコア径を変更することができる。よって、最小集光直径を更に詳細に変更することができる。

本発明の第２の特徴は、レーザ光を生成する固体レーザ発振器と、固体レーザ発振器により生成されたレーザ光を伝送するフィーディングファイバーと、フィーディングファイバーにより伝送されたレーザ光が通過するビームモード変換ユニットと、ビームモード変換ユニットを通過したレーザ光を集光させて被加工材に照射するレーザ加工ユニットとを備える固体レーザ加工装置であって、ビームモード変換ユニットが、互いに異なるコア径を有する２以上のプロセスファイバーと、２以上のプロセスファイバーの中から、レーザ光を伝送させる１のプロセスファイバーを選択する選択部とを有することである。

本発明の第２の特徴によれば、選択部により選択されるプロセスファイバーに応じて、レーザ光が伝送されるプロセスファイバーのコア径を変更することができる。よって、レーザ加工ユニットにおいてレーザ光を集光する際に使用する集光レンズの焦点距離やレーザ光のビーム径を変更せずに、最小集光直径を変更することができるので、薄板の高速加工から厚板加工までを容易に実施することができる。

本発明の第１及び第２の特徴において、ビームモード変換ユニットは、プロセスファイバーの前段に配置され、プロセスファイバーの入射端面にレーザ光をそれぞれ集光させる集束レンズと、プロセスファイバーの後段に配置され、プロセスファイバーの射出端面から射出されたレーザ光をそれぞれ平行光に変換するコリメートレンズとを更に有していもよい。各プロセスファイバーの前後に集束レンズ及びコリメートレンズを配置することにより、プロセスファイバーはレーザ光を効率よく伝送することができる。

本発明の第１及び第２の特徴において、集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズは組を成し、選択部は、集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズのいずれかの組を選択してもよい。これにより、プロセスファイバー前後の光学系の調整が不要となる。

本発明の第１及び第２の特徴において、ビームモード変換ユニットは、組を成す集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズがその内部に固定された筒状部材と、筒状部材を支持する回転可能な板部材とを更に備えていてもよい。この場合、選択部は、板部材を回転させることにより、レーザ光が入射する筒状部材を選択すればよい。集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズを予めアライメントされた状態で筒状部材内部に固定しておくことにより、板部材を回転させるだけで容易にプロセスファイバーを選択することができる。

本発明の第１及び第２の特徴において、固体レーザ加工装置は、フィーディングファイバーとビームモード変換ユニットの間に配置された、レーザ光を遮断するビームシャッターを更に備えていてもよい。これにより、固体レーザ発振器側にビームシャッターを設ける必要が無くなり、フィーディングファイバーでレーザ光を伝送することができる。

本発明の固体レーザ加工装置によれば、集光レンズの焦点距離やレーザ光のビーム径を変更することなく、薄板の高速加工から厚板加工までを容易に実施することができる。

本発明の第１の実施の形態に関わるファイバーレーザ加工装置の全体構成を示す斜視図である。図１のビームシャッター１３及びビームモード変換ユニット１４の構成例を示す概略図である。最小集光直径ｄ近傍のレーザ光ＬＢの断面形状を測定した結果を示すグラフである。ファイバーのコア径とビーム品質定数ＢＰＰとの関係を示すグラフである。直前に伝送されるファイバーのコア径に応じて同じレーザ光のビーム品質定数ＢＰＰが変化することを示す模式図である。表２におけるファイバーレーザとＣＯ２レーザの最小集光直径ｄ近傍の断面形状を示すグラフである。表３に示す光学パラメータからなるレーザ光の焦点近傍の断面形状を示すグラフである。第２の実施の形態に関わるビームモード変換ユニットの構成を示す模式図である。第１の比較例に関わるファイバーレーザ加工装置の構成を示す模式図である。表５に示す光学パラメータからなるレーザ光を生成して測定した焦点近傍の断面形状を示すグラフである。プロセスファイバー３３から射出されたレーザ光の光学パラメータについて説明するための模式図である。ファイバーレーザ発振器５１をレーザ光源とした光軸移動形のファイバーレーザ加工装置の一例を示す概要図である。プロセスファイバー５６から射出されたレーザ光ＬＢがコリメートレンズ６８により平行光に変換され、集光レンズ６７により集光されている様子を示す概略図である。図１３におけるファイバーレーザの集光点近傍の断面形状Ｇと、ＣＯ２レーザの断面形状とを比較したシミュレーション結果を示すグラフである。本発明が解決しようとする課題を説明するための模式図である。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。

（第１の実施の形態）
先ず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に関わるファイバーレーザ加工装置（固体レーザ加工装置の一例）の全体構成を説明する。本発明の第１の実施の形態に関わるファイバーレーザ加工装置は、レーザ光ＬＢを生成する固体レーザ発振器の一例としてのファイバーレーザ発振器１１と、ファイバーレーザ発振器１１により生成されたレーザ光ＬＢを伝送するフィーディングファイバー１２と、フィーディングファイバー１２により伝送されたレーザ光が通過するビームモード変換ユニット１４と、ビームモード変換ユニット１４を通過したレーザ光ＬＢを集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工ユニット１５とを備える。なお、第１の実施の形態では、フィーディングファイバー１２により伝送されたレーザ光は、ビームモード変換ユニット１４に入射する前にビームシャッター１３に入射される。ビームモード変換ユニット１４には、ビームシャッター１３を通過したレーザ光ＬＢが入射される。

ファイバーレーザ発振器１１で発生したレーザ光は、コア径５０μｍのフィーディングファイバー１２により、レーザ加工ユニット１５近傍まで伝送される。フィーディングファイバー１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示省略）に沿って装着されている。レーザ加工ユニット１５は、被加工材Ｗが載せられる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２の上においてＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。

Ｙ軸キャリッジ２３には、ビームモード変換ユニット１４を通過したレーザ光ＬＢをＸ軸方向に向けて略水平に反射する第１のベンドミラー２４、第１のベンドミラー２４により反射されたレーザ光ＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射する第２のベンドミラー２５、第２のベンドミラー２５により反射されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ２７、及び加工ヘッド２６が固定されている。第１のベンドミラー２４、第２のベンドミラー２５、集光レンズ２７及び加工ヘッド２６は、Ｙ軸キャリッジ２３と共に移動する。

ファイバーレーザ加工装置は、集光レンズ２７により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させることにより、被加工材Ｗを切断する。

図１２に示した従来のファイバーレーザ加工装置に比べて、図１に示すファイバーレーザ加工装置は、ビームシャッター１３をレーザ加工ユニット１５側に配置した点、及びこれによりファイバーレーザ発振器１１で発生したレーザ光ＬＢを、１本のフィーディングファイバー１２によってレーザ加工ユニット１５の近傍まで伝送している点が異なる。

図２に示すように、フィーディングファイバー１２により伝送されたレーザ光ＬＢは、フィーディングファイバー１２の射出端面から所定のビーム広がり角を持って射出され、ビームシャッター１３に入射される。ビームシャッター１３は、フィーディングファイバー１２から射出されたレーザ光ＬＢを略平行光へ変換するコリメートレンズ３１と、可動式のミラー３２と、ミラー３２により反射されたレーザ光ＬＢを吸収するレーザ光終端部材３９とを備える。可動式のミラー３２の位置を図２に示すようにスイッチすることにより、ビームシャッター１３は、平行光であるレーザ光ＬＢを出力するか否かを切り替えることができる。

ビームシャッター１３から出力されたレーザ光ＬＢは、ビームモード変換ユニット１４に入射される。ビームモード変換ユニット１４は、フィーディングファイバー１２のコア径（５０μｍ）と異なるコア径を有する１以上のプロセスファイバーと、１以上のプロセスファイバーにレーザ光ＬＢを伝送させるか否かを選択する選択部とを有する。第１の実施の形態では、１以上のプロセスファイバーとして、互いにコア径が異なる２つのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを備える。もちろん、プロセスファイバーは３つ以上であっても構わない。そして、選択部は、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光ＬＢを伝送させることを選択した場合にあっては、２つのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂの中から、レーザ光ＬＢを伝送させる１のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを選択する。２つのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂのコア径は、それぞれ１００μｍ及び２００μｍであり、フィーディングファイバー１２のコア径５０μｍと異なる。

具体的に、ビームモード変換ユニット１４は、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの前段に配置され、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの入射端面にレーザ光ＬＢをそれぞれ集光させる集束レンズ３５ａ、３５ｂと、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの後段に配置され、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの射出端面から射出されたレーザ光ＬＢをそれぞれ平行光に変換するコリメートレンズ３６ａ、３６ｂとを備える。集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂはそれぞれ組を成し、選択部は、集束レンズ３５ａ、プロセスファイバー３３ａ、及びコリメートレンズ３６ａからなる組、或いは、集束レンズ３５ｂ、プロセスファイバー３３ｂ及びコリメートレンズ３６ｂからなる組のいずれかを選択する。

更に詳細には、ビームモード変換ユニット１４は、組を成す集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂがその内部に固定された光学筒（筒状部材）３４ａ、３４ｂと、光学筒３４ａ、３４ｂを支持する回転可能な板部材３７とを備える。板部材３７には３つの開口が形成され、２つの光学筒３４ａ、３４ｂはこの開口部分に連結されている。そして、選択部の一例としてのモータ３８は、板部材３７を回転させて、レーザ光ＬＢの光軸上に、集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂのいずれか一つの組を配置する。

図２では、集束レンズ３５ｂ、プロセスファイバー３３ｂ及びコリメートレンズ３６ｂがレーザ光ＬＢの光軸上に配置されている状態を示している。すなわち、集束レンズ３５ｂ、プロセスファイバー３３ｂ及びコリメートレンズ３６ｂからなる組が選択されている状態を示している。この状態から、モータ３８を用いて板部材３７を回転させることにより、他の集束レンズ３５ａ、他のプロセスファイバー３３ａ及び他のコリメートレンズ３６ａをレーザ光ＬＢの光軸上に配置することも可能である。また、集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズが配置されていない開口を選択することも可能である。この場合、いずれのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂにもレーザ光ＬＢは伝送されない。このようにして、モータ３８は、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光ＬＢを伝送させるか否かを選択し、更にプロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光ＬＢを伝送させることを選択した場合には、いずれのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光ＬＢを伝送させるかを選択することができる。

図２に示すように、ビームシャッター１３から出力されたレーザ光ＬＢは、集束レンズ３５ｂによりプロセスファイバー３３ｂの入射端面に集光されて、プロセスファイバー３３ｂに入射される。プロセスファイバー３３ｂにより伝送され、所定のビーム広がり角でプロセスファイバー３３ｂの射出端面から射出される。その後、コリメートレンズ３６ｂにより再び平行光に変換され、ビームモード変換ユニット１４から出力される。集束レンズ、プロセスファイバー及びコリメートレンズが配置されていない開口が選択された場合、ビームシャッター１３から出力されたレーザ光ＬＢは、そのまま、ビームモード変換ユニット１４を通過して出力される。

ビームモード変換ユニット１４から出力されたレーザ光ＬＢは、図１に示したように、ベンドミラー２４等によって反射され、集光レンズ２７によって集光されて被加工材Ｗに照射される。

なお、集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ、コリメートレンズ３６ａ、３６ｂ、ベンドミラー２４、集光レンズ２７は、予め光軸が調整されており、板部材３７を回転させて光学筒３４ａ、３４ｂを選択した後に、その都度、光軸を調整する必要はない。これにより、加工処理の効率が向上する。

ここで、図１１を参照して、プロセスファイバー３３から射出されたレーザ光の光学パラメータについて説明する。プロセスファイバー３３から広がり角θで射出されたレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ３６によりビーム径Ｄの平行光に変換され、集光レンズ２７により集光され、焦点距離ｆにおいて最小集光直径ｄとなる。レーザ光の波長λ、焦点距離ｆ以後のレーザ光の広がり角αである場合、最小集光直径ｄ、レーリー長Ｚｒ、及びビーム品質定数ＢＰＰ（Beam Parameter Products）は、次の（１）式〜（３）式により表される。ただし、ｗ_０は最小集光半径であり、Ｍ^２＝ＢＰＰ×π／λである。

ｄ＝２ｗ_０＝１．２７×ｆ×Ｍ^２×λ／Ｄ・・・（１）
Ｚｒ＝πｄ^２／４Ｍ^２λ ・・・（２）
ＢＰＰ＝ｗ_０×α（ｍｍ・ｍｒａｄ）・・・（３）

表１は、コア径が異なるプロセスファイバー３３ａ、３３ｂからそれぞれ射出されたレーザ光ＬＢ、及びプロセスファイバー３３ａ、３３ｂによって伝送されないレーザ光について計算した光学パラメータをまとめたものである。２ｋＷのファイバーレーザを、コア径１００μｍ或いは２００μｍのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂで伝送した時のレーザ光の光学パラメータを示す。また、プロセスファイバーに３３ａ、３３ｂよって伝送されないレーザ光は、その前段のコア径５０μｍのフィーディングファイバー１２で伝送された時のレーザ光の光学パラメータを示す。光学パラメータとして、波長λ（μｍ）、ビーム品質定数ＢＰＰ（mm・mrad）、拡大率Ｍ^２、集光レンズ２７の焦点距離ｆ（mm）、ビーム径Ｄ（mm）、最小集光直径ｄ（mm）、レーリー長Ｚｒ（mm）、パワー密度Ｉ（W／cm²）を示す。ファイバーのコア径５０μｍ、１００μｍ及び２００μｍについて、波長λ及び焦点距離ｆは一致している。直前に伝送されたファイバーのコア径が大きくなるほど、ビーム品質定数ＢＰＰ、拡大率Ｍ^２、最小集光直径ｄ、レーリー長Ｚｒが大きくなり、パワー密度Ｉが小さくなる。

ファイバーのコア径が５０μmである場合、最小集光直径ｄ＝０．０６mm、パワー密度Ｉ＝１．３７×１０^８W／cm²となる。最小集光直径ｄが小さいため、超微細加工などに適している。またパワー密度が１０^８を超えているので、通常の溶融切断加工の範囲を超えた昇華切断やアブレーション加工にも有効である。

ファイバーのコア径が１００μmである場合、最小集光直径ｄ＝０．１２mm、パワー密度Ｉ＝１．７６×１０^７W／cm²となり、薄板の高速切断に有効な加工条件が得られる。

最後に、ファイバーのコア径が２００μmである場合、最小集光直径ｄ＝０．２５７mm、パワー密度Ｉ＝３．８５×１０^６W／cm²となる。最小集光直径ｄが大きいため、厚板加工に有効な加工条件が得られる。

このように、選択部の一例であるモータ３８が板部材３７を回転させることにより、薄板（ｔ＝１ｍｍ以下）から厚板（ｔ＝２０ｍｍ）までの加工に適した、３種類のビーム品質定数ＢＰＰが異なるレーザ光を生成することができる。前述したように、集光レンズ２７の焦点距離ｆが、表１に示した３条件について一定である。このため、被加工材の厚みなどの加工条件によって標準的な集光レンズ２７の焦点距離１２７ｍｍ、１９０．５ｍｍ、２５４ｍｍから逸脱してしまうことが無く、焦点距離ｆを変化させる煩雑な作業も不要であり、加工処理の効率が向上する。

図３は、表１に示した３種類のレーザ光ＬＢの最小集光直径ｄ近傍の断面形状を測定した結果を示す。縦軸は焦点位置からの相対位置を示し、横軸は光軸からの相対位置を示す。最小集光直径ｄは、表１に示した計算結果と同様にして、ファイバーのコア径が大きくなるほど、大きくなることが分かる。

図４は、プロセスファイバー３３のコア径とビーム品質定数ＢＰＰとの関係を示すグラフである。ビーム品質定数ＢＰＰは、コア径を変数とする２次関数で近似することができる。よって、プロセスファイバー３３のコア径から、ビーム品質定数ＢＰＰを求めることができる。

図５に示すように、例えば、コア径５０μｍのフィーディングファイバー１２から射出されたレーザ光のビーム品質定数ＢＰＰ＝２である場合、同じレーザ光がコア径１００μｍのプロセスファイバー３３を伝送されて射出されると、ビーム品質定数ＢＰＰ＝３．１２に変化する。このように、ビーム品質定数ＢＰＰは、直前に伝送されたファイバーのコア径に応じて定まる。

表２は、表１におけるコア径２００μmの場合の光学パラメータと、４ｋＷのＣＯ２レーザの光学パラメータとを比較した表である。焦点距離ｆは共に１５０ｍｍである。ファイバーレーザの場合、集光レンズ２７の焦点距離ｆ＝１５０ｍｍであるにもかかわらず、ビーム品質定数ＢＰＰ、最小集光直径ｄ、及びレーリー長Ｚｒは、厚板加工に適したＣＯ２レーザとほぼ同じである。また、図６に示すように、最小集光直径ｄ近傍のレーザ光ＬＢの断面形状も、両者は近似している。このように、ファイバーレーザ加工装置は、ファイバーのコア径を変更することにより、同一の集光レンズ２７の焦点距離ｆを用いて薄板から厚板まで加工することができる。

（実験例）
表３に示す光学パラメータからなるレーザ光を用いて、板厚ｔ＝１２ｍｍ、１６ｍｍ、１９ｍｍの軟鋼の切断テストを実施した。表３に示す光学パラメータからなるレーザ光を生成して測定した焦点近傍の断面形状を図７に示す。

第１の加工条件は、プロセスファイバーのコア径１００μｍ、コリメートレンズ３６の焦点距離ｆ１＝１４０ｍｍ、集光レンズ２７の焦点距離ｆ２＝２００ｍｍであり、最小集光直径ｄ＝０．１５６ｍｍとなり、薄板加工に有利な条件である。

第２の加工条件は、プロセスファイバーのコア径１００μｍ、コリメートレンズ３６の焦点距離ｆ１＝１００ｍｍ、集光レンズ２７の焦点距離ｆ２＝２００ｍｍであり、最小集光直径ｄ＝０．２０３ｍｍとなる。（１）式に示したように、集光レンズ２７に入射するレーザ光のビーム径Ｄが小さくなると、最小集光直径ｄは大きくなる。第２の加工条件は、第１の加工条件と比較して、プロセスファイバーのコア径１００μｍは同じとし、焦点距離ｆ１が短いコリメートレンズ３６を用いてビーム径Ｄを小さくすることにより、最小集光直径ｄを大きくして、厚板加工に有利な条件とした。

第３の加工条件は、プロセスファイバーのコア径２００μｍ、コリメートレンズ３６の焦点距離ｆ１＝１４０ｍｍ、集光レンズ２７の焦点距離ｆ２＝１５０ｍｍであり、最小集光直径ｄ＝０．２３６ｍｍとなる。第３の加工条件は、第１及び第２の加工条件に比べて、最小集光直径ｄが大きく且つレーリー長Ｚｒが短い。

表４は、表３に示した第１〜第３の加工条件に対応した切断結果を示す。第３の加工条件では、３種類の板厚の軟鋼の総てについて、安定加工及び良好な切断面、すなわち切断面粗さが小さくなった。これに対して、第２の加工条件の場合、最小集光直径ｄが第１の加工条件よりも大きいにもかかわらず、切断が不安定となった。この結果から、厚板の安定加工のためには最小集光直径ｄが大きいだけではなく、レーリー長Ｚｒも調整することが必要であることが分かる。

最小集光直径ｄに対するレーリー長Ｚｒの比をパラメータにとり、第１〜第３の加工条件で比較すると、第１の加工条件（Ｚｒ／ｄ＝１３）、第２の加工条件（Ｚｒ／ｄ＝１８）、第３の加工条件（Ｚｒ／ｄ＝７）となる。第２の加工条件では、Ｚｒ／ｄが大きすぎるため、板厚方向に長い平行な切断カーフ幅が形成され、溶融金属が効率よく排出できないため、切断が不安定になった。これに対して、第３の加工条件では、Ｚｒ／ｄが最も小さく、被加工材Ｗの上面及び下面において十分大きな切断カーフ幅が形成され、溶融金属が効率よく排出されるため、厚板を安定して加工することができる。

本願では、薄板から厚板まで面倒な段取り無しで加工できるように最小集光直径ｄに専ら注目して、発明を開示してきたが、最小集光直径ｄの最適が得られたとしても、更にレーリー長Ｚｒとの関連に注目する必要が有る。

この実験例から、薄板から厚板まで適切且つ安定して加工するためには、同じコア径のファイバーを用いて、集光レンズ２７の焦点距離ｆを調整したり、又は集光レンズ２７に入射するレーザ光のビーム径Ｄを調整することにより、最小集光直径ｄを変化させるよりも、プロセスファイバーのコア径を調整することにより最小集光直径ｄを変化させる図１及び図２に示したファイバーレーザ加工装置が有効であることが分かる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。

プロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光を伝送させるか否かの選択に応じて、レーザ加工ユニット１５の直前にレーザ光ＬＢが伝送されるファイバーのコア径を変更することができる。これにより、レーザ加工ユニット１５により集光されるレーザ光ＬＢの最小集光直径ｄを制御することができる。よって、レーザ加工ユニット１５においてレーザ光ＬＢを集光する際に使用する集光レンズ２７の焦点距離ｆやレーザ光ＬＢのビーム径Ｄを変更することなく、レーザ光ＬＢの最小集光直径ｄを変更できるので、薄板（ｔ＝１ｍｍ以下）の高速切断から厚板（ｔ＝２０ｍｍ）の切断までを容易に実施することができる。

ビームモード変換ユニット１４は、互いに異なるコア径を有する２のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを有し、選択部（モータ３８）は、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂにレーザ光ＬＢを伝送させることを選択した場合にあっては、レーザ光ＬＢを伝送させる１のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを選択する。これにより、選択部（モータ３８）により選択されたプロセスファイバー３３ａ、３３ｂに応じて、レーザ加工ユニット１５の直前にレーザ光ＬＢが伝送されるプロセスファイバー３３ａ、３３ｂのコア径を変更することができる。よって、最小集光直径ｄを更に詳細に変更することができる。

各プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの前後に集束レンズ３５ａ、３５ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂを配置することにより、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂはレーザ光ＬＢを効率よく伝送することができる。

集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂは組を成し、選択部（モータ３８）は、集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂのいずれかの組を選択する。プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂの光軸調整を予め行うことにより、加工時におけるプロセスファイバー前後の光学系の調整が不要となる。

具体的には、ビームモード変換ユニット１４は、組を成す集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂがその内部に固定された光学筒３４ａ、３４ｂと、光学筒３４ａ、３４ｂを支持する回転可能な板部材３７とを備える。そして、選択部（モータ３８）は、板部材３７を回転させることにより、レーザ光ＬＢが入射する光学筒３４ａ、３４ｂを選択する。集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂを予めアライメントされた状態で光学筒３４ａ、３４ｂ内部に固定しておくことにより、板部材３７を回転させるだけで容易にプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを選択することができる。

フィーディングファイバー１２とビームモード変換ユニット１４の間に、レーザ光ＬＢを遮断するビームシャッター１３が配置されている。ファイバーレーザ発振器１１側にビームシャッターを設ける必要が無くなり、１本のフィーディングファイバー１２でレーザ加工ユニット１５側まで伝送することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの前後にビームスイッチをそれぞれ設けることにより、レーザ光ＬＢを伝送するプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを選択する実施例について説明する。

具体的には、図８に示すように、ビームモード変換ユニットは、互いに異なるコア径を有する２のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂと、２のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂの中から、レーザ光ＬＢを伝送させる１のプロセスファイバーを選択する選択部とを有する。選択部として、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの前段に配置された第１のビームスイッチ４１と、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの後段に配置された第２のビームスイッチ４２とを備える。

第１のビームスイッチ４１は、可動式ミラー４４及び固定式ミラー４５を備える。ビームシャッター１３（図示せず）から出力されたレーザ光ＬＢは、第１のビームスイッチ４１に入射し、可動式ミラー４４により反射されて、図示しない集光光学系を介してプロセスファイバー３３ａの端面に入射される。可動式ミラー４４を移動させることにより、レーザ光ＬＢは、固定式ミラー４５により反射されて、図示しない集光光学系を介してプロセスファイバー３３ｂの端面に入射される。

第２のビームスイッチ４２は、第１のビームスイッチ４１と同様にして、可動式ミラー４６及び固定式ミラー４７を備える。プロセスファイバー３３ａ、３３ｂにより伝送されたレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ３６ａ、３６ｂにより平行光に変換されて、第２のビームスイッチ４２に入射する。プロセスファイバー３３ａからレーザ光ＬＢが射出される場合、レーザ光ＬＢは固定式ミラー４７により反射されて、集光レンズ２７に入射する。この時、可動式ミラー４６はレーザ光ＬＢの光路から外れた位置へ移動している。一方、プロセスファイバー３３ｂからレーザ光ＬＢが射出される場合、可動式ミラー４６を移動させて、レーザ光ＬＢは可動式ミラー４６により反射されて、集光レンズ２７に入射する。

このように、２のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂの前後にそれぞれレーザ光ＬＢの光路を変更するビームスイッチ４１、４２を配置することにより、レーザ光ＬＢを伝送させる１のプロセスファイバーを選択してもよい。

ただし、ファイバーレーザ発振器側及びレーザ加工ユニット１５側のそれぞれにビームスイッチ４１、４２を配置する必要が有る。よって、図２に示したビームモード変換ユニット１４の方が、製造コストが低く、且つ操作体系も簡易である。

図８のビームモード変換ユニットを図１のファイバーレーザ加工装置に適用した場合、レーザ加工ユニット１５の可動部分のあるケーブルダクトに、２以上のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂを通す必要があるため、光軸移動型の高速・高加減速のファイバーレーザ加工装置の場合、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂの耐久性に対するリスクが高まる。これに対して、図１及び図２に示したファイバーレーザ加工装置の場合、レーザ加工ユニット１５の可動部分のあるケーブルダクトに、１本のフィーディングファイバー１２を通せばよいので、ファイバーの耐久性に対するリスクが低くなる。

（第１の比較例）
図９に示すように、比較例１に関わるファイバーレーザ加工装置は、図１２に示したファイバーレーザ加工装置におけるビームシャッター７１の代わりに、ビームスイッチ５３を配置する。ビームスイッチ５３は、互いに異なるコア径を有する２本のプロセスファイバー５５ａ、５５ｂを選択してレーザ光ＬＢを伝送させる。

一方、レーザ加工ユニット５５側では、Ｘ軸キャリッジ６４上に２つのＹ軸キャリッジ６３ａ、６３ｂが配置され、Ｙ軸キャリッジ６３ａ、６３ｂの各々に対して、コリメータユニット及び加工ヘッド６６ａ、６６ｂが設けられている。２本のプロセスファイバー５５ａ、５５ｂはコリメータユニットにそれぞれ接続されている。

２種類の加工ヘッド６６ａ、６６ｂを備えるため、それぞれの加工ヘッド６６ａ、６６ｂが加工可能な領域が制限される。また、加工ヘッド６６ａ、６６ｂの制御が複雑になる。レーザ加工ユニット５５の可動部分のあるケーブルダクトに、２本のプロセスファイバー５５ａ、５５ｂを通す必要があり、ファイバーの耐久性に対するリスクが高くなる。これに対して、本発明の第１及び第２の実施の形態に関わるファイバーレーザ加工装置では、加工ヘッドは１つだけでよいので、加工領域の制限や制御の複雑さも回避できる。また、ファイバーの耐久性に対するリスクも軽減される。

（第２の比較例）
第２の比較例では、集光レンズ２７の焦点距離ｆを変更することにより、レーザ光ＬＢの最小集光直径ｄを、ＣＯ２レーザの場合と同等にする例を示す。

表５は、４ｋＷのＣＯ２レーザの光学パラメータと、コア径１００μmのファイバーレーザの光学パラメータとを比較した表である。表５に示す光学パラメータからなるレーザ光を生成して測定した焦点近傍の断面形状を図１０に示す。

使用する集光レンズの焦点距離ｆは、ＣＯ２レーザが１５０ｍｍであるのに対して、ファイバーレーザが３００ｍｍである。ファイバーレーザにおいて長焦点レンズを使用することにより、ファイバーレーザの最小集光直径（ｄ＝０．２４１ｍｍ）がＣＯ２レーザの最小集光直径（ｄ＝０．２７０ｍｍ）と略同等になる。ただし、ファイバーレーザのレーリー長（Ｚｒ＝４．６５ｍｍ）が、ＣＯ２レーザのレーリー長（Ｚｒ＝２．１９ｍｍ）の２倍程度に長くなる。

前述したように、焦点距離ｆを変更して最小集光直径ｄを調整する場合、標準的な集光レンズ２７の焦点距離１２７ｍｍ、１９０．５ｍｍ、２５４ｍｍから逸脱してしまう場合がある。また、被加工材Ｗの厚さなどの加工条件に応じて、焦点距離ｆを変化させる、すなわち集光レンズ２７を取り替える作業は煩雑であり、自動化の妨げとなり、且つ加工処理の効率が低下する。更に、実験例でも述べたように、最小集光直径ｄに対するレーリー長Ｚｒの比が大きすぎると、被加工材Ｗの上面及び下面において十分大きな切断カーフ幅が形成されず、溶融金属が排出できないので、厚板を安定して加工することが困難となる。

本発明の第１及び第２の実施の形態によれば、板厚などの加工条件に応じて集光レンズ２７を取り替える作業は不要であり、加工処理の効率が向上する。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、２つの実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、固体レーザ発振器として、ファイバーレーザ発振器を例示したが、ＹＡＧレーザ発振器、Ｄｉｓｃレーザ発振器であっても構わない。すなわち、本発明の固体レーザ加工装置には、ＹＡＧレーザ発振器、Ｄｉｓｃレーザ発振器を光源として搭載したレーザ加工装置も含まれる。

また、ビームモード変換ユニット１４は、レーザ光ＬＢをいずれのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂにも伝送させずに、そのまま通過させる選択肢を選択可能な場合を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。ビームモード変換ユニットが、互いに異なるコア径を有する２以上のプロセスファイバーを有している場合、選択部は、当該２以上のプロセスファイバーの中から、レーザ光ＬＢを伝送させる１のプロセスファイバーを選択するようにしてもよい。すなわち、レーザ光ＬＢをいずれのプロセスファイバー３３ａ、３３ｂにも伝送させずに、そのまま通過させる選択肢を有していなくてもよい。コア径が異なるプロセスファイバーが２種類以上あれば、いずれかのプロセスファイバーを選択することにより、ビーム品質定数ＢＰＰを調整することは可能だからである。

更に、図２に示したビームモード変換ユニット１４では、集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂが組を成し、モータ３８が、集束レンズ３５ａ、３５ｂ、プロセスファイバー３３ａ、３３ｂ及びコリメートレンズ３６ａ、３６ｂのいずれかの組を選択する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ビームモード変換ユニット１４は、コリメートレンズ３６ａ、３６ｂだけを選択し、前後に配置される集束レンズ及びコリメートレンズは、２以上のプロセスファイバー３３ａ、３３ｂに共通であってもよい。

１１ファイバーレーザ発振器（固体レーザ発振器）
１２フィーディングファイバー
１３ビームシャッター
１４ビームモード変換ユニット
１５レーザ加工ユニット
３３ａ、３３ｂプロセスファイバー
３８モータ（選択部）
３４ａ、３４ｂ光学筒（筒状部材）
３５ａ、３５ｂ集束レンズ
３６ａ、３６ｂコリメートレンズ
３７板部材
ＬＢレーザ光
Ｗ被加工材

Claims

レーザ光を生成する固体レーザ発振器と、
前記固体レーザ発振器により生成されたレーザ光を伝送するフィーディングファイバーと、
前記フィーディングファイバーにより伝送されたレーザ光が通過するビームモード変換ユニットと、
前記ビームモード変換ユニットを通過したレーザ光を集光させて被加工材に照射するレーザ加工ユニットと、
を備え、
前記ビームモード変換ユニットは、
前記フィーディングファイバーのコア径と異なるコア径を有する１以上のプロセスファイバーと、
前記プロセスファイバーにレーザ光を伝送させるか否かを選択する選択部と、
前記プロセスファイバーの前段に配置され、前記プロセスファイバーの入射端面に前記レーザ光を集光させる集束レンズと、
前記プロセスファイバーの後段に配置され、前記プロセスファイバーの射出端面から射出されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、
を有し、
前記集束レンズと前記プロセスファイバーと前記コリメートレンズとは組を成し、
前記ビームモード変換ユニットは、
前記組を内部に固定する筒状部材と、
前記筒状部材を支持する回転可能な板部材と、
を更に有し、
前記選択部は、前記板部材を回転させることにより、レーザ光が入射する前記筒状部材を選択する
ことを特徴とする固体レーザ加工装置。
前記ビームモード変換ユニットは、互いに異なるコア径を有する２以上のプロセスファイバーを有し、
前記選択部は、前記プロセスファイバーにレーザ光を伝送させることを選択した場合にあっては、前記２以上のプロセスファイバーの中から、レーザ光を伝送させる１のプロセスファイバーを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ加工装置。
レーザ光を生成する固体レーザ発振器と、
前記固体レーザ発振器により生成されたレーザ光を伝送するフィーディングファイバーと、
前記フィーディングファイバーにより伝送されたレーザ光が通過するビームモード変換ユニットと、
前記ビームモード変換ユニットを通過したレーザ光を集光させて被加工材に照射するレーザ加工ユニットと、
を備え、
前記ビームモード変換ユニットは、
互いに異なるコア径を有する２以上のプロセスファイバーと、
前記２以上のプロセスファイバーの中から、レーザ光を伝送させる１のプロセスファイバーを選択する選択部と、
前記プロセスファイバーの前段に配置され、前記プロセスファイバーの入射端面に前記レーザ光をそれぞれ集光させる集束レンズと、
前記プロセスファイバーの後段に配置され、前記プロセスファイバーの射出端面から射出されたレーザ光をそれぞれ平行光に変換するコリメートレンズと、
を有し、
前記集束レンズと前記プロセスファイバーと前記コリメートレンズとは組を成し、
前記ビームモード変換ユニットは、
前記組を内部に固定する筒状部材と、
前記筒状部材を支持する回転可能な板部材と、
を更に有し、
前記選択部は、前記板部材を回転させることにより、レーザ光が入射する前記筒状部材を選択する
ことを特徴とする固体レーザ加工装置。
前記フィーディングファイバーと前記ビームモード変換ユニットの間に配置され、前記レーザ光を遮断するビームシャッターを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レーザ加工装置。
前記固体レーザ加工装置は、ファイバーレーザ加工装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ加工装置。