專利名稱：激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光加工裝置，特別地，涉及一種把激光光束導(dǎo)向加工點(diǎn)、采用聚光透鏡加熱工件上的狹窄區(qū)域從而熔融切割該部分的激光加工裝置。
背景技術(shù)：
一般地，激光加工裝置由激光起振器、傳送并聚光的光傳送系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)工件的驅(qū)動(dòng)裝置、配件類及控制這些的控制裝置構(gòu)成。就原來(lái)的激光加工而言，如何把激光光束集中在小的區(qū)域從而把高密度能量照射在工件上成為課題。因此，開發(fā)了采用M2＝1.0的高斯光束的二氧化碳激光起振器，為了把激光光束會(huì)聚在1點(diǎn)極力把光學(xué)系統(tǒng)的像差變小。關(guān)于可以使用光纖的YAG激光器也開發(fā)出高輝度的激光器，用更小的纖徑也可以照射很大能量的激光。
一般地，在切割加工不同厚度的工件的場(chǎng)合，如圖9a～9c所示，對(duì)于厚度薄的工件50(圖9a)使用焦距短的聚光透鏡52，對(duì)于厚度厚的工件50′或50″使用焦距長(zhǎng)的聚光透鏡54或56(圖9b或9c)。通常，在使用焦距短的透鏡的場(chǎng)合或光束直徑大的場(chǎng)合，工件上的聚光點(diǎn)的光斑尺寸變小，相反使用焦距長(zhǎng)的透鏡的場(chǎng)合或光束直徑小的場(chǎng)合，工件上的聚光點(diǎn)的光斑尺寸變大。
根據(jù)近年的技術(shù)開發(fā)，就通過激光的切割加工而言，明確了工件上的激光聚光點(diǎn)的大小(光斑尺寸)或形狀是重要的因素，為了通過鉆研光斑尺寸或形狀進(jìn)行優(yōu)良的激光加工的提案已有幾個(gè)。例如特開2000-218386號(hào)公報(bào)上記載的激光射出裝置是通過把激光在中途分割再次在聚光點(diǎn)聚光，改善輔助氣體的壓力分布的裝置。還有在特開2003-200282號(hào)公報(bào)中，公開了把激光會(huì)聚在工件上的2個(gè)焦點(diǎn)上的雙光斑激光裝置。特許第2664625號(hào)公報(bào)，公開了為了使可以切割的工件的厚度變厚而在光軸上具有多個(gè)焦點(diǎn)的激光切割裝置。特開平5-305472號(hào)公報(bào)公開了通過把工件上的激光照射區(qū)域做成環(huán)狀進(jìn)行環(huán)狀的槽加工的激光加工裝置。而且，在特開2004-291031號(hào)公報(bào)中公開了采用多個(gè)光纖、使多個(gè)激光照射部位在工件上配列成環(huán)狀地照射多個(gè)激光光束的激光切割裝置。
如上所述，聚光點(diǎn)的光斑尺寸就激光切割而言是很重要的，但實(shí)際上更進(jìn)一步地，如果幾何光學(xué)的焦點(diǎn)不位于工件表面上或其附近就不能進(jìn)行優(yōu)良的加工。例如，在復(fù)合板上形成激光切割槽、在該槽中嵌入金屬刀刃制作鏤空紙板的沖裁模具、的所謂模具板加工中，要求能確實(shí)地保持金屬刀刃的槽形狀。切割槽的寬度通過使聚光點(diǎn)的位置相對(duì)工件表面上下(即沿激光光軸方向)移動(dòng)可以很容易地設(shè)定，但采用最小光斑尺寸相當(dāng)小的光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)合，為了得到規(guī)定的切割寬度必須把聚光點(diǎn)大大地遠(yuǎn)離工件。于是關(guān)于工件的厚度方向，比起工件表面工件內(nèi)部激光的能量密度變高，切割槽的寬度在深度方向上不一樣，結(jié)果刀刃的保持力降低。同樣關(guān)于金屬切割而言，在一般的激光切割中，聚光點(diǎn)的調(diào)整范圍是從工件表面至工件厚度的范圍內(nèi)，在超越該范圍內(nèi)的優(yōu)良加工難于實(shí)現(xiàn)。
因此，為了進(jìn)行優(yōu)良的激光加工，必須對(duì)應(yīng)工件的厚度恰當(dāng)?shù)剡x擇入射聚光透鏡的光束直徑及聚光透鏡的焦距，向工件上幾何光學(xué)焦點(diǎn)附近照射激光，因此透鏡與工件的距離有必要對(duì)應(yīng)透鏡焦距的變更而變化?？墒牵捎诩す馄鹫衿骰蚣す饧庸C(jī)等各種技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的制約，透鏡焦距或透鏡與工件距離的變更大多被制約。例如，圖10a所示的激光加工裝置是具有分別可以裝卸焦距不同的3個(gè)聚光透鏡即焦距5英寸(13cm)的透鏡52、焦距7.5英寸(19cm)的透鏡54及焦距10英寸(25cm)的透鏡56的加工頭主體58和通過附屬裝置60安裝在加工頭58主體上的加工噴嘴62，并且無(wú)論使用哪個(gè)聚光透鏡都能把加工噴嘴62的光軸上的位置固定而能夠使用的裝置?？墒窃谶@種構(gòu)成中，有加工頭58主體復(fù)雜且重量化的傾向，而且，也有根據(jù)應(yīng)該加工的工件的厚度及材質(zhì)，最好為例如這些中間、即6.25英寸(16cm)或8.75英寸(22cm)焦距的透鏡的場(chǎng)合，但無(wú)法使用這樣的透鏡。
另外，如圖10b所示的其它的激光加工裝置具有可以擇一地裝卸多種聚光透鏡的加工頭58′。這種場(chǎng)合，雖然加工頭比圖10a的裝置小型，但是在把聚光透鏡交換為不同焦距的透鏡之際，與此對(duì)應(yīng)地附屬裝置也有必要交換為長(zhǎng)度不同的附屬裝置60a～60c的任意一個(gè)。這種場(chǎng)合因?yàn)榧庸c(diǎn)的坐標(biāo)變化，所以在3維加工機(jī)中需要變更程序，而且在加工點(diǎn)位于被稱為零點(diǎn)偏置型的Z軸上的一點(diǎn)類型的3維加工機(jī)中，后者的構(gòu)成有不能使用的情形。即使是一般的激光加工機(jī)，因?yàn)槭褂媒咕嚅L(zhǎng)的透鏡的場(chǎng)合透鏡和工件的距離也必然變長(zhǎng)，裝置大型化，所以不理想。
上述的專利文獻(xiàn)雖然都對(duì)光斑大小的形狀想盡各種辦法，但并沒有解決有關(guān)焦距不同的聚光透鏡的使用的上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種解決上述問題、能取得與變更焦距同樣效果的激光加工裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種激光加工裝置，具有激光起振器和用于會(huì)聚通過該激光起振器生成的激光光束、照射被加工物進(jìn)行加工的聚光構(gòu)件，上述聚光構(gòu)件具有在幾何光學(xué)的焦點(diǎn)上述激光光束在上述被加工物上形成的照射區(qū)域的輪廓為1個(gè)點(diǎn)狀輪廓以外的形狀的光學(xué)的構(gòu)造。
上述照射區(qū)域輪廓的適宜的形狀是關(guān)于光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的圓形或環(huán)狀。
上述聚光構(gòu)件關(guān)于光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，上述聚光構(gòu)件的至少一部分的幾何光學(xué)的焦點(diǎn)不位于上述光軸上地構(gòu)成。
在某優(yōu)選的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件單面具備以光軸為中心的圓形平面部和鄰接上述平面部的外周的同時(shí)幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于以上述光軸為中心、以上述平面部的直徑為直徑的圓周上而構(gòu)成的環(huán)狀的曲面部的聚光透鏡。
在其它的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于以光軸為中心的圓周上而構(gòu)成的曲面部的聚光透鏡。
在其它的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸上的曲面部，且在另一面上具備以上述光軸為中心的圓錐部的聚光透鏡。
在其它的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件具有單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸上的曲面部的聚光透鏡和與上述聚光透鏡為不同構(gòu)件、單面具備以上述光軸為中心的圓錐部的圓錐形棱鏡。
在其它的實(shí)施例中，上述聚光構(gòu)件具有單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸上的曲面部的聚光透鏡和與上述聚光透鏡為不同構(gòu)件、單面具備以上述光軸為中心的紡錘面的紡錘形棱鏡。
在其它的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件具有在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸上的曲面部且在另一面上具備以上述光軸為中心的圓錐部的聚光透鏡和單面具備與上述圓錐部互補(bǔ)形狀的圓錐凹部的凹型的圓錐形棱鏡。
上述聚光構(gòu)件與上述圓錐形棱鏡、紡錘形棱鏡或凹型的圓錐形棱鏡之間的距離最好可以變更。
在其它的實(shí)施方式中，上述聚光構(gòu)件是在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸上的曲面部、在另一面具備平面部并且具備在該平面部上形成的衍射表面構(gòu)造的聚光透鏡。
本發(fā)明涉及的激光加工裝置最好是可以交換上述聚光構(gòu)件和1點(diǎn)聚光透鏡地構(gòu)成。
另外本發(fā)明在適用于加工頭的朝向?yàn)榭勺兊?維加工激光裝置、或加工頭的移動(dòng)加速度為1G或以上的高速激光加工裝置上是有利的。


本發(fā)明的上述或其它的目的、特征及長(zhǎng)處通過把以下的最好實(shí)施例參照?qǐng)D1a～圖1c各自是表示本發(fā)明涉及的激光加工裝置的聚光透鏡附近的概略圖、表示工件厚度比圖1a厚的場(chǎng)合的概略圖及表示激光光束由光纖導(dǎo)引的場(chǎng)合的概略圖。
圖2是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第1實(shí)施方式的圖。
圖3是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第2實(shí)施方式的圖。
圖4是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第3實(shí)施方式的圖。
圖5是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第4實(shí)施方式的圖。
圖6是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第5實(shí)施方式的圖。
圖7是表示本發(fā)明涉及的聚光透鏡的第6實(shí)施方式的圖。
圖8a是模式地表示本發(fā)明涉及的激光加工裝置的切割實(shí)驗(yàn)條件的圖。
圖8b～圖8d是為了比較模式地表示原來(lái)的激光加工裝置的切割試驗(yàn)條件的圖。
圖9a～圖9c各自是表示工件的厚度薄的場(chǎng)合的原來(lái)的激光加工的概略圖、表示工件的厚度比圖9a厚的場(chǎng)合的概略圖及表示工件的厚度比圖9b厚的場(chǎng)合的概略圖。
圖10a～圖10b各自是表示原來(lái)的激光加工裝置的加工頭的概略構(gòu)成的圖及表示原來(lái)的激光加工裝置的加工頭的其它的概略構(gòu)成的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。還有圖1a～圖8a全都是把本發(fā)明涉及的激光加工裝置中的、從側(cè)方(即垂直于光軸方向)觀察聚光透鏡及被加工物即工件的附近的概略圖。
如圖1a所示，本發(fā)明涉及的激光加工裝置具有概略圖示的激光起振器10、用于會(huì)聚通過激光起振器10生成的激光光束照射被加工物即工件12進(jìn)行加工的聚光構(gòu)件(這里是聚光透鏡)20。如以后的詳細(xì)敘述，聚光透鏡20在切割加工厚度特別厚的工件的場(chǎng)合，能使聚光點(diǎn)(用聚光透鏡會(huì)聚的激光在工件上形成的照射區(qū)域)的大小即光斑大小為適合其厚度的工件加工的大小。還有工件的厚度方向?yàn)榇蟾叛卣丈湓诠ぜ系募す夤馐墓廨S的方向。
如圖1a所示，從激光起振器10射出的如果需要采用未圖示的反射鏡導(dǎo)引的激光光束入射聚光透鏡20向被加工物即工件12上的聚光點(diǎn)14聚光。來(lái)自激光起振器的激光光束作為平行光即使向遠(yuǎn)方照射也不容易擴(kuò)散，通過被聚光具有能量密度可以上升到物理的極限的性質(zhì)。工件12的加工中，向工件12的加工部位附近噴射輔助氣體，使熔融物飛散或者氧化燃燒以后飛散。激光加工通過使聚光點(diǎn)14相對(duì)工件12掃描進(jìn)行。
就本發(fā)明而言，聚光點(diǎn)14的形狀即使在聚光點(diǎn)14的位置與幾何光學(xué)的焦點(diǎn)一致的場(chǎng)合，也不是圖9a～圖9c所示的點(diǎn)形狀(嚴(yán)格地，即使是原來(lái)的1點(diǎn)聚光透鏡的場(chǎng)合，由于衍射效果在幾何光學(xué)的焦點(diǎn)也不能成為點(diǎn)，但在本申請(qǐng)說明書中把1點(diǎn)聚光透鏡的幾何光學(xué)的焦點(diǎn)的工件上的聚光點(diǎn)形狀稱為點(diǎn))，成為關(guān)于光軸22旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、在對(duì)應(yīng)工件厚度的適當(dāng)?shù)拿娣e部位上激光分布的形狀(即光斑尺寸比點(diǎn)形狀大的形狀)。另外如圖1b所示，在工件12的厚度變厚的場(chǎng)合，使用把聚光點(diǎn)14的光斑尺寸變大的聚光透鏡20′。如圖1a及1b的構(gòu)成具有與分別如圖9b及9c所示采用焦距長(zhǎng)的聚光透鏡、實(shí)際上擴(kuò)大了透鏡和工件的距離從而把聚光點(diǎn)的光斑尺寸變大的構(gòu)成同樣的效果?？墒蔷捅景l(fā)明而言，實(shí)際上因?yàn)閹缀趸蛘咄耆恍枰雇哥R20和工件12的距離變化，所以沒有必要使用如圖10a及圖10b所示的大型加工頭或附屬裝置等的構(gòu)造體，能構(gòu)成簡(jiǎn)易且小型的激光加工裝置。
如圖1c所示，另外向聚光透鏡的激光光束的入射也可以采用光纖30進(jìn)行。這種場(chǎng)合與圖1a及圖1b同樣的想法也能適用。即通過使從光纖30的P點(diǎn)發(fā)出的激光光束達(dá)到工件12上的P′點(diǎn)、P以外的Q點(diǎn)發(fā)出的激光光束達(dá)到工件12上的Q′點(diǎn)地構(gòu)成的聚光透鏡20″，能把聚光點(diǎn)的光斑尺寸適當(dāng)?shù)刈兇蟆?br> 把可以實(shí)現(xiàn)圖1a～圖1c所示的構(gòu)成的聚光透鏡20、20′或20″的具體的形狀如圖2～圖7所示。首先圖2所示的第1實(shí)施方式的聚光構(gòu)件即聚光透鏡20a在上面(在實(shí)施例中是激光入射側(cè))具有曲面部22a及平面部24a。平面部24a是以光軸26a為中心的圓形，曲面部22a同樣是以光軸26a為中心、具備鄰接在平面部24a外周的內(nèi)周的環(huán)狀。曲面部22a的幾何光學(xué)的焦點(diǎn)不位于光軸26a上，位于以光軸26a為中心、以平面部24a的直徑為直徑的圓周上。聚光透鏡的下面(在本實(shí)施例中是激光射出側(cè))28a也可以是平面。
如圖2所示，入射這種激光透鏡20a的激光光束中的入射在平面部24a中的部分，因?yàn)椴痪酃?，所以原樣作為平行光照射在工?2上的聚光點(diǎn)14上，在激光加工中起到輔助的作用。另一方面，入射曲面部22a的激光光束部分會(huì)聚并照射在聚光點(diǎn)14的外周附近。從而，聚光點(diǎn)14成為與平面部24a大致相等或稍大的圓形，其外周部比內(nèi)側(cè)激光能量密度高。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的激光加工，在聚光點(diǎn)的外周部最好能量密度高，本發(fā)明就是滿足該要求的裝置。另外也能把平面部24a形成平面以外的形狀，適當(dāng)?shù)刈兏酃恻c(diǎn)14內(nèi)側(cè)的能量密度分布。
接下來(lái)，第2實(shí)施方式的聚光構(gòu)件即聚光透鏡20b如圖3所示。聚光透鏡20b上面具有曲面部22b，沒有平面部。在入射到曲面部22b上的激光會(huì)聚在工件上時(shí)使其不位于光軸26b上(即為使幾何光學(xué)的焦點(diǎn)不位于光軸22b上)地形成曲面部22b。詳細(xì)地，圖3所示的側(cè)視圖中的曲面部22b的形狀不是單純的1條弧線，是具有把以關(guān)于光軸26b對(duì)稱的2個(gè)焦點(diǎn)各自作為中心的2條弧線、在光軸26b上相互連接的形狀。通過這種聚光透鏡20b，工件12上的聚光點(diǎn)14的形狀成為環(huán)狀或外周部能量密度高的圓形，能得到與焦距延長(zhǎng)同等的效果。
圖4所示的第3實(shí)施方式的聚光構(gòu)件即聚光透鏡20c在一面具有幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸26c上的曲面部22c，在另一面具有圓錐部24c。入射在曲面部22c上的激光光束，因?yàn)橥ㄟ^圓錐部24c在從光軸26c放射狀分離的方向上若干折射，所以工件上的聚光點(diǎn)成為環(huán)狀或外周部的能量密度高的圓形，也能把該光斑的大小對(duì)應(yīng)工件的厚度地變大。還有聚光透鏡20c的兩面即曲面部22c和圓錐部24c的平行度有必要比較嚴(yán)格地制作，但是上述的聚光透鏡20b沒必要把透鏡兩面的平行度做得太嚴(yán)格。
圖5所示的第4實(shí)施方式的聚光構(gòu)件20d由單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸26d上的曲面部22d的聚光透鏡23d和與聚光透鏡23d為不同的構(gòu)件、前端面向曲面22d的中心配置的圓錐形棱鏡24d構(gòu)成。激光光束首先入射圓錐形棱鏡24d，在從光軸26d放射狀分離的方向上若干折射，其后入射聚光透鏡23d。入射聚光透鏡23d時(shí)的激光光束因?yàn)椴皇瞧叫泄?，所以工?2上的聚光點(diǎn)14成為環(huán)狀或外周部的能量密度高的圓形。這種構(gòu)成的優(yōu)點(diǎn)是通過變更圓錐形棱鏡24d與聚光透鏡23d之間的在光軸26d方向的距離，能不改變工件12的位置地很容易地變更聚光點(diǎn)14的光斑尺寸。例如，如果把圓錐形棱鏡24d與聚光透鏡23d的距離變短，就能把光斑尺寸變小進(jìn)行開口加工。而且，通過使此時(shí)的焦點(diǎn)位置由工件12的表面向工件12內(nèi)部若干變位，可以實(shí)現(xiàn)更短時(shí)間的開口加工。另一方面，如果把圓錐形棱鏡24d與聚光透鏡23d之間的距離變長(zhǎng)，聚光點(diǎn)14成為環(huán)狀，故可以實(shí)現(xiàn)切割寬度大的穩(wěn)定的切割加工。能把聚光點(diǎn)的光斑尺寸的大小任意且連續(xù)地改變大大地有助于激光加工條件的最適化。
另外有關(guān)聚光構(gòu)件20d，如果把圓錐形棱鏡24d做成把圓錐面25d變更為紡錘形狀面25d′(圖5用虛線表示)的紡錘形棱鏡24d′，聚光點(diǎn)的光斑尺寸直徑將變得能更容易地控制。由于紡錘面25d′在光軸26d附近大體垂直于光軸26d，隨著遠(yuǎn)離光軸26d傾斜變大，所以即使把棱鏡24d和聚光透鏡23d的距離變大，相對(duì)于光軸26d附近的激光不太背離光軸而沿光軸26d大致平行地前進(jìn)，透鏡外周附近的激光也比圓錐面25d的場(chǎng)合大幅地背離光軸而形成大的聚光點(diǎn)。
與圖5的聚光構(gòu)件20d同樣的效果，通過圖6所示的第5實(shí)施方式的聚光構(gòu)件20e也可以實(shí)現(xiàn)。聚光構(gòu)件20e由具備與第3實(shí)施方式的聚光透鏡20c相同的、幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸26e上的一面的曲面部22e及另一面的圓錐部24e的聚光透鏡25e和對(duì)向圓錐部24e地具備與圓錐部24e互補(bǔ)形狀的圓錐凹部27e的凹型圓錐棱鏡28e構(gòu)成。另外即使通過把曲面部22e做成與圖5的紡錘面25d′相同的紡錘面且把圓錐部24e做成平面，也能得到同樣的效果。
圖7所示的第6實(shí)施方式的聚光構(gòu)件即聚光透鏡20f具有幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于光軸26f上的一面的曲面部22f和另一面上形成的平面部24f。在平面部24f上進(jìn)一步通過印刷、雕刻等方法形成用于在工件12上形成不是點(diǎn)形狀的形狀的聚光點(diǎn)14的衍射表面構(gòu)造28f。通過衍射表面構(gòu)造28f在工件12上能形成圓、環(huán)、橢圓或者多角形等的任意形狀及期望的能量密度分布的聚光點(diǎn)14。
就本發(fā)明涉及的激光加工裝置而言，相對(duì)于采用如果是原來(lái)不同焦距的聚光透鏡時(shí)實(shí)際的透鏡與工件的距離也不得不變更，能得到與透鏡和工件的距離實(shí)質(zhì)上不變更而變更焦距同等的效果。從而，對(duì)應(yīng)工件的厚度變更等的、如上述的聚光透鏡20a～20e的本發(fā)明涉及的聚光透鏡相互的分開使用，或者本發(fā)明涉及的聚光透鏡與原來(lái)的幾何光學(xué)地聚光在1點(diǎn)上的聚光透鏡的分開使用，采用公知的安裝及拆卸部件可以只交換聚光透鏡，不需要用于再調(diào)整透鏡和工件的距離的機(jī)構(gòu)和時(shí)間及勞力。這就可以提供廉價(jià)且適用范圍廣的激光加工裝置。
把原來(lái)及本發(fā)明涉及的激光加工裝置的工件的切割實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。另外把表1的實(shí)驗(yàn)條件a～d各自模式地表示的圖如圖8a～圖8d所示。本發(fā)明涉及的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是表1中的條件a，其它即條件b～d全都是用原來(lái)的激光加工裝置的結(jié)果。激光加工關(guān)于全部條件使用平均輸出功率為3kw的二氧化碳激光器，對(duì)于厚度25mm的軟鋼板以0.7m/分的掃描速度進(jìn)行。對(duì)于使用的聚光透鏡的焦距，只有條件b是8.75英寸(22cm)，其它是5英寸(13cm)。另外射入聚光透鏡時(shí)的光束直徑只有條件d是20mm，其它是30mm。表示表中的焦點(diǎn)位置的數(shù)值是把能得到最小光斑尺寸的幾何光學(xué)的焦點(diǎn)位于工件表面的場(chǎng)合作為零、把幾何光學(xué)的焦點(diǎn)離開工件表面的方向作為正(+)并用mm單位表示。
表1

○切割優(yōu)良 △可以切割(品質(zhì)不良) ×不能切割從表1的條件b～d間的比較可知，對(duì)于厚度25mm的工件，用原來(lái)的加工裝置能優(yōu)良加工的范圍最廣的是條件b即焦距為8.75英寸(22cm)的情形。條件c因?yàn)榻咕喽?，所以光斑尺寸變小，?yōu)良的切割只能在極其狹窄的范圍進(jìn)行。條件d因?yàn)榘压馐睆阶冃《獍叱叽缱兇螅詢?yōu)良的切割范圍雖然比條件c已經(jīng)變寬，但也不能說充分。本發(fā)明即條件a的場(chǎng)合，焦距盡管為5英寸(13cm)，但因?yàn)橐材軐?shí)現(xiàn)與條件b同等以上的光斑尺寸直徑，所以能在與條件b同等以上的寬范圍進(jìn)行優(yōu)良的切割。還有最適合的聚光點(diǎn)位置因工件的材質(zhì)及切割條件等而不同，在從工件表面向正負(fù)任一方向都不超越工件厚度的范圍內(nèi)。換言之，本發(fā)明的場(chǎng)合，工件表面位于雷利(レ一リ一)長(zhǎng)(幾何光學(xué)的聚光點(diǎn)附近的衍射效果持續(xù)的光軸方向長(zhǎng)度)的范圍內(nèi)。特開平5-305472號(hào)公報(bào)中記載的激光加工裝置，在成環(huán)狀照射激光的點(diǎn)上與本申請(qǐng)類似，但因?yàn)楣ぜ系募庸ば螤钜渤蔀榄h(huán)狀，所以認(rèn)為不是在雷利范圍內(nèi)加工，這點(diǎn)與本發(fā)明不同。
在至此說明的實(shí)施方式中，除不因聚光點(diǎn)的掃描方向?qū)庸て焚|(zhì)產(chǎn)生差異的優(yōu)點(diǎn)之外，也有不通過入射聚光透鏡的激光光束直徑就能把聚光點(diǎn)的形狀任意形成這一重要的優(yōu)點(diǎn)，這是與原來(lái)提倡的二重焦點(diǎn)透鏡很大的不同點(diǎn)。
本發(fā)明涉及的激光加工裝置對(duì)加工頭的朝向?yàn)榭勺兊?維激光加工裝置、或加工頭的移動(dòng)加速度為1G或以上的高速激光加工裝置的場(chǎng)合特別有益。3維加工裝置的場(chǎng)合能不變更機(jī)械坐標(biāo)的聚光點(diǎn)位置把可以切割的工件厚度的范圍劃時(shí)代地增大，在高速加工裝置的場(chǎng)合因?yàn)槟軠p少加工頭的重量或旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距從而能提高高速時(shí)的性能及精度。
還有上述的說明是以透射光學(xué)部件為前提，即使其一部分為反射光學(xué)部件也能得到同樣的效果是可以理解的。
根據(jù)本發(fā)明，即使工件和聚光透鏡的距離短的場(chǎng)合，也能得到與采用長(zhǎng)焦距的聚光透鏡的場(chǎng)合同樣的加工效果，沒有必要如原來(lái)一樣分開使用焦點(diǎn)不同的聚光透鏡、每次對(duì)應(yīng)焦距調(diào)整聚光透鏡與工件的距離。
為了說明參照選定的特定實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員只要不超出本發(fā)明的基本概念及保護(hù)范圍可以做很多的變更是很明確的。
權(quán)利要求
1.一種激光加工裝置，具有激光起振器(10)和用于會(huì)聚通過該激光起振器(10)生成的激光光束照射被加工物(12)進(jìn)行加工的聚光構(gòu)件(20)，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)具有在幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)上述激光光束在上述被加工物(12)上形成的照射區(qū)域的輪廓為1個(gè)點(diǎn)狀輪廓以外的形狀的光學(xué)構(gòu)造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于，上述照射區(qū)域的輪廓的形狀是關(guān)于光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的圓形或環(huán)狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)關(guān)于光軸(22)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并且上述聚光構(gòu)件(20)的至少一部分的幾何光學(xué)的焦點(diǎn)不位于上述光軸(22)上地構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)在單面具備以光軸(26a)為中心的圓形平面部(24a)和鄰接上述平面部(24a)的外周的同時(shí)幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于以上述光軸(26a)為中心、以上述平面部(24a)的直徑為直徑的圓周上而構(gòu)成的環(huán)狀的曲面部(22a)的聚光透鏡(20a)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)是單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于以光軸(26b)為中心的圓周上而構(gòu)成的曲面部(22b)的聚光透鏡(20b)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于光軸(26c)上的曲面部(22c)且在另一面上具備以上述光軸(26c)為中心的圓錐部(24c)的聚光透鏡(20c)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)具有單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于光軸(26d)上的曲面部(22d)的聚光透鏡(23d)和與上述聚光透鏡(23d)為不同構(gòu)件、單面具備以上述光軸(26d)為中心的圓錐部(25d)的圓錐形棱鏡(24d)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光透鏡(23d)和上述圓錐形棱鏡(24d)之間的距離可以變更。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)具有單面具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于光軸(26d)上的曲面部(22d)的聚光透鏡(23d)和與上述聚光透鏡(23d)為不同構(gòu)件、單面具備以上述光軸(26d)為中心的紡錘面(25d′)的紡錘形棱鏡(24d′)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光透鏡(23d)和上述紡錘形棱鏡(24d′)之間的距離可以變更。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)具有在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于光軸(26e)上的曲面部(22e)且在另一面上具備以上述光軸(26e)為中心的圓錐部(24e)的聚光透鏡(25e)和單面具備與上述圓錐部(24e)互補(bǔ)形狀的圓錐凹部(27e)的凹型的圓錐形棱鏡(28e)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光透鏡(25e)與上述凹型的圓錐形棱鏡(28e)之間的距離可以變更。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于，上述聚光構(gòu)件(20)是在一面上具備幾何光學(xué)的焦點(diǎn)(14)位于光軸(26f)上的曲面部(22f)、在另一面上具備平面部(24f)并且具備在該平面部(24f)上形成的衍射表面構(gòu)造(28f)的聚光透鏡(20f)。
14.一種激光加工裝置，其特征在于，可以交換權(quán)利要求1～13中任意一項(xiàng)所述的聚光構(gòu)件和1點(diǎn)聚光透鏡地構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～13中任意一項(xiàng)所述的激光加工裝置，其特征在于，是加工頭的朝向?yàn)榭勺兊?維激光加工裝置，或是加工頭的移動(dòng)加速度為1G或以上的高速激光加工裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種與變更焦距能取得同樣的效果的激光加工裝置。入射聚光透鏡的激光光束中的入射平面部的部分因?yàn)闆]被聚光，所以原樣作為平行光照射在工件上的聚光點(diǎn)上，在激光加工中起到輔助的作用。另一方面，入射聚光透鏡的曲面部的激光光束部分會(huì)聚照射在聚光點(diǎn)的外周附近。
文檔編號(hào)B23K26/04GK1781645SQ20051012562
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者江川明, 森敦 申請(qǐng)人:發(fā)那科株式會(huì)社