JP2019005802A

JP2019005802A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置及びレーザ出射ユニット

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Publication number: JP2019005802A
Application number: JP2017126494A
Authority: JP
Inventors: 高橋　博志; Hiroshi Takahashi; 博志高橋
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd; Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-01-17

Abstract

【課題】被加工物上に近接して設定される２つの加工ポイントに対して所望の比でレーザエネルギーが異なる同種のレーザ加工を効率よく簡便に行う。
【解決手段】この出射ユニット１０は、副筒体１８ｂの中または周囲に距離調整部４２、オフセット調整部４４および方角調整部４５を備えている。距離調整部４２は、光ファイバ１２の終端面と屋根型プリズム３８との間の相対的な位置関係を、コリメートレンズ３２の光軸（中心軸）上の第１の方向（Ｘ方向）で調整するためのものである。オフセット調整部４４は、屋根型プリズム３８と光ファイバ１２の終端面との相対的な位置関係を、第１の方向（Ｘ方向）と直交するＹＺ面内の第２の方向で調整するためのものである。方角調整部４５は、コリメートレンズ３２の光軸の周回方向（θ_Ａ方向）で屋根型プリズム３８の方角（向き）を調整するためのものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバ伝送方式のレーザ加工方法、レーザ加工装置およびレーザ出射ユニットに関する。

ファイバ伝送方式のレーザ加工装置は、空間的に分離している装置本体とレーザ出射ユニットとを光ファイバで結び、装置本体内で生成したレーザビームを光ファイバに通してレーザ出射ユニットまで伝送し、レーザ出射ユニット側でレーザビームを被加工物に向けて集光照射する仕組みになっている。

ファイバ伝送方式は、多点同時加工にも多く用いられている。従来より、多点同時加工にファイバ伝送方式を用いる場合は、１台のレーザ発振器で生成した原レーザビームを部分反射ミラーからなるビームスプリッタにより複数の分岐レーザビームに分割して、それら複数の分岐レーザビームを光ファイバに通して遠隔の加工場所に配置された複数のレーザ出射ユニットまでそれぞれ伝送し、それら複数のレーザ出射ユニットより複数の加工ポイントに向けてそれぞれ複数の分岐レーザビームを同時に照射するシステム構成が採られている。

特開２０１４−６５０４７号公報

多点同時加工の一形態として、被加工物上に数ｍｍ程度の微小な距離を隔てた２つの加工ポイントを設定し、それら２つの加工ポイントにレーザ出力の異なる２つの分岐レーザビームを同時に照射してそれぞれにレーザエネルギーの異なる同種のレーザ加工を同時に施す用途またはアプリケーションがある。

このようなアプリケーションに対して、上記のような従来一般のファイバ伝送方式は、板面の所定方向で透過率・反射率が連続的に変化する板状のビームスプリッタを使用し、この板状ビームスプリッタに対する原レーザビームの相対的な入射位置を上記所定方向で変えることによって、該ビームスプリッタより得られる２つの分岐レーザビームつまり該ビームスプリッタを透過する第１の分岐レーザビームと該ビームスプリッタで反射する第２の分岐レーザビームとの間でレーザ出力の比（分割比）を可変に調整するようにしているが（特許文献１の図１０参照）、システム全体が大掛かりで、コスト性がよくない。さらに、独立した２以上の出射ユニットから出射ユニットの径よりも狭い間隔の加工箇所に対して同時に加工をする場合には、左右に分かれて傾斜姿勢で配置される２台のレーザ出射ユニットからの分岐レーザビームがそれぞれ斜めの入射角で加工ポイントに入射するため、加工ポイントにおいて板厚方向の溶け込み深さが減少するという問題や、被加工物上で２つの加工ポイントの距離や方角が変わる場合はレーザ出射ユニット全体の配置位置や傾斜姿勢を変えなければならず、精細な調整が難しいという問題もある。

多点同時加工に付随する上記のような問題点を回避するため、非分岐で単一のレーザ出射ユニットを使用し、加工ポイント毎に該出射ユニットからのレーザビームの照射点を移動させ、レーザ発振部側で所望のレーザ出力に調整された原レーザビームを光ファイバに通してレーザ出射ユニットまで伝送し、レーザ出射ユニットより下方の加工ポイントに照射することも行われている。しかし、このように加工ポイント毎に原レーザビームを逐一照射する方式は、タクトタイムが倍増し、生産効率が低いという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、被加工物上に近接して設定される２つの加工ポイントに対して所望の比でレーザエネルギーが異なる同種のレーザ加工を効率よく簡便に行えるようにしたレーザ加工方法、レーザ加工装置およびこれに用いるレーザ出射ユニットを提供する。

本発明のレーザ加工方法は、レーザ発振部で所定のレーザ出力を有する原レーザビームを生成し、前記原レーザビームを前記レーザ発振部から光ファイバを介して遠隔のレーザ出射ユニットまで伝送し、前記レーザ出射ユニット内で、前記光ファイバの終端面より出た前記原レーザビームを所定位置に配置されている屋根型プリズムに入射させ、その際に前記原レーザビームのビーム中心が前記屋根型プリズムの傾斜面の稜線からそれと直交する方向に所望のオフセット量だけずれるようにして、前記原レーザビームを所望の比でレーザパワーの異なる第１および第２の分岐レーザビームに分割し、前記レーザ出射ユニット内で、前記屋根型プリズムから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをその後段に配置されているコリメートレンズに通してそれぞれコリメートし、前記レーザ出射ユニット内で、前記コリメートレンズから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをその後段に配置されている集光レンズに通し、前記レーザ出射ユニットの外に配置されている被加工物上の第１および第２の加工ポイントに対して、前記集光レンズから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれ集光照射してレーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施す。

本発明のレーザ加工方法によれば、屋根型プリズムに原レーザビームを通して得られる第１および第２の分岐レーザビームのレーザパワーが所望の比で異なっているので、被加工物上の第１および第２の加工ポイントの間でたとえば被加工材の材質が異なるときや、入熱または放熱特性が異なるときでも、両加工ポイントの双方で同時に適正・良好なレーザ加工を行うことができる。

本発明のレーザ出射ユニットは、被加工物上の第１および第２の加工点に対して、第１および第２のレーザビームを集光照射して、レーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施すためのレーザ出射ユニットであって、レーザ発振部からの原レーザビームが伝播してくる光ファイバの一端部を装着するための光ファイバ装着口と前記被加工物に向けられるレーザ出射口とを有するケーシングと、前記光ファイバ装着口に装着された前記光ファイバの終端面にその入射面が対向するように前記ケーシング内に配置され、前記光ファイバの終端面より出た前記原レーザビームを第１および第２の分岐レーザビームに分割する屋根型プリズムと、前記屋根型プリズムの出射面と対向するように前記ケーシング内に配置され、前記屋根型プリズムからの前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれコリメートするコリメートレンズと、前記レーザ出射口に近接して前記ケーシング内に配置され、前記コリメートレンズからの前記第１および第２の分岐レーザビームを前記ケーシングの外に位置する前記被加工物上の前記第１および第２の加工ポイントにそれぞれ集光させる集光レンズと、前記コリメートレンズの光軸と平行な第１の方向で前記屋根型プリズムと前記光ファイバ装着口との相対的な位置関係を可変に調整するための第１の位置調整部と、前記コリメートレンズの光軸と直交する面内の第２の方向で前記屋根型プリズムと前記光ファイバの出射端面との相対的な位置関係を可変に調整するための第２の位置調整部とを有する。

上記構成のレーザ出射ユニットによれば、上記第１および第２の位置調整部の調整機能により、屋根型プリズムに原レーザビームを通して得られる第１および第２の分岐レーザビームのレーザパワーを所望の比で異ならせることができる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ加工用の原レーザビームを発振出力するレーザ発振部と、本発明の上記レーザ出射ユニットと、前記レーザ発振部より発振出力された前記原レーザビームを前記レーザ出射ユニットへ伝送するための光ファイバとを有し、前記被加工物上の所定の距離を隔てた第１および第２の加工ポイントに対して、前記レーザ出射ユニットより出射される第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれ集光照射して、レーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施す。

本発明のレーザ加工装置によれば、本発明のレーザ出射ユニットを備えることにより、被加工物上の第１および第２の加工ポイントの間でたとえば被加工材の材質が異なるときや、入熱または放熱特性が異なるときでも、両加工ポイントの双方で同時に適正・良好なレーザ加工を行うことができる。

本発明のレーザ加工方法、レーザ加工装置またはレーザ出射ユニットによれば、上記のような構成と作用により、被加工物上に近接して設定される２つの加工ポイントに対して所望の比でレーザエネルギーが異なる同種のレーザ加工を効率よく簡便に行うことができる。

本発明の一実施形態におけるレーザ出射ユニットの構成を示す略断面図である。実施形態における第１の例のレーザ溶接加工を示す図である。比較例における第２の例のレーザ溶接加工を示す図である。実施形態における上記第２の例のレーザ溶接加工を示す図である。上記レーザ出射ユニットの一作用を示す図である。上記レーザ出射ユニットの一作用を示す図である。上記レーザ出射ユニットの一作用を示す図である。上記レーザ出射ユニットの要部の構造を示す側面図である。上記レーザ出射ユニットの要部の構造を示す縦断面図である。上記レーザ出射ユニットの要部の構造を示す縦断面図である。一実施例における方角調整部の構成を示す図である。別の実施例における方角調整部の構成を示す図である。図１１Ａの方角調整部の作用を説明するための図である。

以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
［実施形態における出射ユニット全体の構成と作用］

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ出射ユニットの構成を示す。このレーザ出射ユニット１０は、ファイバ伝送方式のレーザ加工装置たとえばレーザ溶接装置に用いられ、レーザ発振部を含む装置本体（図示せず）とは光ファイバ１２，ライトガイド１４および電気コード１６等のケーブル類を介して接続されており、任意の加工場所に任意の姿勢で配置または設置される。

この出射ユニット１０は、単一または複数の筒体で構成される樹脂製または金属製のケーシング１８を有し、ケーシング１８の中に所要の光学部品を配置または収容するとともに、ケーシング１８の中および／または周囲に所要の調整部および付属部品等を備えている。ケーシング１８は、長手方向（図１では縦方向）に延びる主筒体１８ａと、短手方向（図１では横方向）に延びる第１および第２の副筒体１８ｂ，１８ｃとを有している。

主筒体１８ａは、その一端（下端）にレーザ出射口２０が形成され、他端（上端）に撮像装置たとえばＣＣＤカメラ２２が取り付けられる。レーザ出射口２０には保護ガラス２４が取り付けられ、その内側の近くに集光レンズ２６が配置される。集光レンズ２６の光軸上で、第１および第２の副筒体１８ｂ，１８ｃと交差する箇所には、第１および第２のベンドミラー２８，３０が集光レンズ２６の光軸に対して所定角度（一般に４５°）傾いた姿勢で配置される。主筒体１８ａの上部には、ＣＣＤカメラ２２の撮像面に被加工物Ｗを結像させるための集光レンズやビームエクスパンダ等を含むビデオレンズ３２が設けられる。ＣＣＤカメラ２２は、電気コード１６を介して装置本体内の電源や表示部等に電気的に接続されている。

第１の副筒体１８ｂの内部には、主筒体１８ａに近接する位置にコリメートレンズ３４が固定して配置されるとともに、コリメートレンズ３４にその平坦面（出射面）を向けるようにして稜線３８ｃを有する屋根型プリズム３８がコリメートレンズ３４と副筒体１８ｂの先端に位置する光ファイバ装着口３６との間に配置されている。

光ファイバ装着口３６には、光ファイバ１２の一端部または終端部が光ファイバ保持部４０を介して着脱可能に装着される。光ファイバ１２の他端（図示せず）は、装置本体内のレーザ発振部（たとえばＹＡＧレーザ等の固体レーザ、ファイバレーザまたは半導体レーザ）に光学的に結合されている。

この出射ユニット１０は、副筒体１８ｂの中または周囲に３つの調整部すなわち距離調整部４２、オフセット調整部４４および方角調整部４５を備えている。距離調整部４２は、第１の副筒体１８ｂ内で互いに対向する光ファイバ１２の終端面と屋根型プリズム３８との間の相対的な位置関係を、コリメートレンズ３４の光軸（中心軸）上の第１の方向（Ｘ方向）で調整するためのものである。オフセット調整部４４は、屋根型プリズム３８と光ファイバ１２の終端面との相対的な位置関係を、第１の方向（Ｘ方向）と直交するＹＺ面内の第２の方向で調整するためのものである。方角調整部４５は、コリメートレンズ３４の光軸の周回方向（θ_Ａ方向）で屋根型プリズム３８の方角（向き）を調整するためのものである。各調整部４２，４４，４５の構成および作用は、後に詳細に説明する。

第２の副筒体１８ｃの内部には、主筒体１８ａに近接する位置に照明用のコリメートレンズ４６が固定して配置される。この副筒体１８ｃの先端に位置するライトガイド装着口４８には、ケーブル型のライトガイド１４の一端部がコネクタ（図示せず）を介して着脱可能に装着される。ライトガイド１４の他端（図示せず）は、装置本体内の照明光源（たとえば発光ダイオード）に光学的に結合されている。

上記構成のレーザ出射ユニット１０を備える当該レーザ溶接装置においては、被加工物Ｗ上に所望の距離を隔てて２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂を一組または複数組設定し、各組の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に任意の比でレーザパワーの異なる２つの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を同時に照射してレーザエネルギーの異なるレーザスポット溶接を同時に施すことができる。

この場合、装置本体内のレーザ発振部より発振出力された原レーザビームＬＢ₀は、光ファイバ１２を介して遠隔のレーザ出射ユニット１０まで伝送される。そして、第１の副筒体１８ｂの中で、光ファイバ１２の出射端面より一定の拡がり角で出た原レーザビームＬＢ₀は、屋根型プリズム３８の傾斜面に入射する際にその稜線３８ｃをまたいで入射すると、稜線３８ｃを中心として左右（図１では上下）に２分割される。こうして、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）より、一定の鋭角で二手に分かれる第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂がコリメートレンズ３４に向って放射される。

屋根型プリズム３８で分割生成された分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、コリメートレンズ３４によりコリメートされてから、主筒体１８ａ内で第１のベンドミラー２８によりレーザ出射口２０に向けて直角に折り返される。ベンドミラー２８は、ダイクロイックミラーであり、赤外線の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂に対して反射性の膜と、照明光および可視光に対して透過性の膜とをコーティングしている。

ベンドミラー２８によりレーザ出射口２０側に折り返された第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、集光レンズ２６および保護レンズ２４を通り抜けてレーザ出射口２０よりレーザ出射ユニット１０の外に出射され、被加工物Ｗ上の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ集光入射する。各々の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂においては、各対応する分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザエネルギーにより被加工材料が溶融し、レーザ照射後に溶融池が凝固して溶接ナゲットが形成される。

一方で、レーザ溶接が行われる時は、装置本体内の照明光源より発せられたビーム状の照明光ＧＢがライトガイド１４を介してレーザ出射ユニット１０に送られてくる。ライトガイド１４の出射端面より出た照明光ＧＢは、第２の副筒体１８ｃ内のコリメートレンズ４６ならびに主筒体１８ａ内のベンドミラー３０、集光レンズ２６および保護レンズ２４を通り抜けて被加工物Ｗに入射し、溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近を明るく照らす。なお、ベンドミラー３０は、ダイクロイックミラーであり、照明光ＧＢを反射し、可視光を透過させる。

ＣＣＤカメラ２２は、ビデオレンズ３２、ベンドミラー３０，２８、集光レンズ２６および保護ガラス２４を通して、被加工物Ｗ上の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂およびその周囲を撮像する。すなわち、溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近からの可視光ＶＢが保護ガラス２４、集光レンズ２６、ベンドミラー２８，３０およびビデオレンズ３２を通り抜けてＣＣＤカメラ２２の撮像面に入射し、ＣＣＤカメラ２２の受光面に結像した画像が電気信号つまり画像信号に変換される。ＣＣＤカメラ２２により生成される画像信号は、電気コード１６を介して装置本体へ送られる。装置本体側のディスプレイ上には被加工物Ｗの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近の画像が映し出される。

ここで、この実施形態におけるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の好適なレーザ加工の例をいくつか示す。

図２に、プリント基板１００上の配線パターン１０２に板状または箔状のハンダ１０４を介してＦＦＣケーブル１０６を接合するレーザ溶接加工の例を示す。図２の（ａ），（ｂ）は、レーザ溶接加工を施される被加工物Ｗの構造を平面視および断面視でそれぞれ示す。

このレーザ溶接加工では、板状ハンダ１０４の露出部分およびＦＦＣケーブル１０６の一端部に溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂をそれぞれ設定し、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に対して同時にレーザスポット溶接を施す。ここで、一方の溶接ポイントＰ₁ではハンダ１０４と配線パターン１０２とを溶接し、他方の溶接ポイントＰ_２ではＦＦＣケーブル１０６とハンダ１０４とを溶接する。両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂で被溶接材の材質が異なり、溶接ポイントＰ₁よりも溶接ポイントＰ_２の方で一段ないし数段高いレーザパワーを必要とする。

この場合、溶接ポイントＰ₁側で適正な溶接結果が得られるように両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーを同一にすると、溶接ポイントＰ₂側でＦＦＣケーブル１０６の溶け込みが不足して溶接強度が不十分になる。反対に、溶接ポイントＰ_２側で適正な溶接結果が得られるように両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーを同一にすると、溶接ポイントＰ_１側でハンダ１０４およびパターン配線１０２の溶け込みが過剰になって基板１００またはその表面の接着剤が焼けることがある。

この実施形態のレーザ出射ユニット１０によれば、このようなレーザ溶接加工については、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーをＰＷ₁，ＰＷ₂とすると、たとえば図２の（ｃ）のようにＰＷ₁＜ＰＷ₂の関係で適当な比（たとえばＰＷ₁：ＰＷ₂＝４：６）に設定することにより、被溶接材の材質が異なる２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に対してそれぞれ最適なレーザパワーないしレーザエネルギーを供給し、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂の双方で同時に適正・良好な溶接接合を得ることができる。

図３および図４に、重ね継手のレーザスポット溶接において、被加工物の縁部に一方の溶接ポイントＰ₁が設定され、それより内側の領域に他方の溶接ポイントＰ₂が設定された場合を示す。この場合、図３（（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図）に示すように、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ入射する分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーが同じであるときは、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂の少なくとも一方で溶接不良が生じる。すなわち、分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーを熱引きが良い内側の溶接ポイントＰ_２に対して最適化すると、熱引きが悪い縁側の溶接ポイントＰ_１ではレーザの入熱が溜まって被加工物Ｗ（Ｗ_Ｕ，Ｗ_Ｌ）が損傷を受けやすい。反対に、端側の溶接ポイントＰ_１に対して分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーを最適化すると、内側の溶接ポイントＰ_２でレーザエネルギーが不足して溶接ナゲットが過小になりやすい。

この実施形態のレーザ出射ユニット１０によれば、このようなレーザ溶接加工においても、図４（（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図）に示すように、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワーＰＷ₁，ＰＷ₂をＰＷ₁＜ＰＷ₂の関係で適度な比に設定することにより、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ適正なレーザエネルギーを供給してどちらも良好な溶接結果を得ることができる。

また、この実施形態のレーザ出射ユニット１０を用いて被加工物Ｗ上で２点同時溶接を行う場合、レーザ出射ユニット１０のケーシング１８（副筒体１８ｂ）内で原レーザビームＬＢ₀を２分割して第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を生成し、これらの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂をコリメートレンズ３４および集光レンズ２６を介して被加工物Ｗ上の２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に同時に集光照射する。装置本体では、原レーザビームＬＢ₀を光ファイバ１２に入力させる入射ユニットを１つ備えればよく、原レーザビームＬＢ₀を２分割するための個別部品のビームスプリッタは不要であり、入射ユニットを複数台備える必要もない。もちろん、光ファイバ１２も１本で済む。しかも、１台のレーザ出射ユニット１０より被加工物Ｗ上の２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に向けてそれぞれの正面から２つの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を同時に照射するので、各溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂において板厚方向の溶け込み深さを十分大きくして、２点同時溶接の接合強度を向上させることができる。

［実施形態における要部の作用］

この実施形態においては、光ファイバ１２の終端面と屋根型プリズム３８との相対的な位置関係について、距離調整部４２によりＸ方向で任意に調整できるとともに、オフセット調整部４４によりＹＺ面内の第２の方向で任意に調整できるようになっており、さらには方角調整部４５によりコリメートレンズ３４の光軸の周回方向（θ_Ａ方向）で屋根型プリズム３８の方角（向き）を任意に調整できるようになっている。

そして、以下に詳しく述べるように、距離調整部４２を用いて、光ファイバ１２の終端面に対する屋根型プリズム３８の相対的な位置をＸ方向で可変に調整することにより、被加工物Ｗ上で両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂間の距離Ｄを一定範囲内で任意に調整できるようになっている。より詳細には、第１の副筒体１８ｂ内で屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の出射端面に近づけるほどビームスポット間距離Ｄを小さくし、屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の出射端面から遠ざけるほどビームスポット間距離Ｄを大きくすることができるようになっている。また、オフセット位置調整部４４を用いて、光ファイバ１２の終端面に対する屋根型プリズム３８の相対的な位置をＹＺ面内の第２の方向（特に屋根型プリズム３８の稜線３８ｃと直交する方向）で可変に調整することにより、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワー比を任意に調整できるようになっている。さらに、方角調整部４５を用いて、コリメートレンズ３４の光軸の周回方向（θ_Ａ方向）で屋根型プリズム３８の向きまたは方角を調整することにより、被加工物Ｗ上で両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂の向きまたは方角を任意に調整できるようになっている。

図５Ａおよび図５Ｂに、レーザ出射ユニット１０において分岐レーザビームの生成、分割調整および出射に関係する主な光学部品つまり光ファイバ１２、屋根型プリズム３８、コリメートレンズ３４および集光レンズ２６の光学的な配置構成と要部の作用を示す。

図５Ａは、屋根型プリズム３８の位置が光ファイバ１２の終端面から最も遠く離してコリメートレンズ３４の近傍に調整された場合を示す。この場合、光ファイバ１２の終端面より出た原レーザビームＬＢ₀は、ビーム径がかなり大きく拡がってから屋根型プリズム３８の傾斜面に入射する。ここで、図５Ａの（ａ）に示すように、光ファイバ１２の中心軸線が屋根型プリズム３８の稜線３８ｃと真正面に対向しているときは、原レーザビームＬＢ₀の半分（図の左半分）が屋根型プリズム３８の一方（図の左側）の傾斜面３８ａに入射し、残りの半分（図の右半分）が屋根型プリズム３８の他方（図の右側）の傾斜面３８ｂに入射する。そうすると、左側の傾斜面３８ａに入射した原レーザビームＬＢ₀の左半分は斜め右側に屈折して第１の分岐レーザビームＬＢ₁となり、逆に右側の傾斜面３８ｂに入射した原レーザビームＬＢ₀の右半分は斜め左側に屈折して第２の分岐レーザビームＬＢ₂となり、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）から出た後に両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は左右方向で入れ替わる。こうして、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）より、一定の鋭角で左右二手に分かれる第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂がコリメートレンズ３４側に放射される。

コリメートレンズ３４を通り抜けた両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、次に集光レンズ２６を通り抜け、それぞれ集光レンズ２６の焦点距離に応じた結像位置に向って集光する。その結果、図５Ａの（ａ）に示すように、被加工物Ｗ（図５Ａには図示せず）上には調整可能な最大のビームスポット間距離Ｄ_Ｍを隔てて同一のレーザパワーを有する両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂が形成される。

そして、オフセット調整部４４により、光ファイバ１２の終端面に対する屋根型プリズム３８の相対的な位置を屋根型プリズム３８の稜線３８ｃと直交するＸＹ面内の一方向で調整することにより、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワー比を任意に調整することができる。すなわち、図５Ａの（ａ）の状態から光ファイバ１２の終端面を相対的に図の右側にシフトさせると、図５Ａの（ｂ）に示すように、原レーザビームＬＢ₀の過半部が屋根型プリズム３８の右側の傾斜面３８ｂにシフトして入射するために、レーザビームの分割比が左右で同じではなく、シフト量に比例して第２の分岐レーザビームＬＢ₂のレーザパワーが第１の分岐レーザビームＬＢ₁のレーザパワーよりも高くなる。反対に、光ファイバ１２の終端面を相対的に図の左側にシフトさせると、図５Ａの（ｃ）に示すように、原レーザビームＬＢ₀の過半部が屋根型プリズム３８の左側の傾斜面３８ａに入射するために、シフト量に比例して第１の分岐レーザビームＬＢ_１のレーザパワーが第２の分岐レーザビームＬＢ_２のレーザパワーよりも高くなる。

上記のようなオフセット調整部４４のオフセット調整機能により、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワー比をたとえば５０：５０〜１：９９の範囲および５０：５０〜９９：１の範囲で任意に調整することが可能であり、さらには原レーザビームを屋根型プリズムの一方の傾斜面のみに入射させた場合には、レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のいずれか片方のみを原レーザビームＬＢ₀に相当する非分岐のレーザビームとして出射することも可能である。

距離調整部４２の機能において、屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の終端面側に移動させると、原レーザビームＬＢ_０が光ファイバ１２の終端面から出て屋根型プリズム３８に入射するまでの光路が短かくなって、屋根型プリズム３８よりの出射面より出る両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂がコリメートレンズ３４の光軸（中心軸）に寄って、被加工物Ｗ上ではそれぞれのビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂間の距離Ｄが小さくなる。そして、屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の終端面に調整可能な範囲で最も近い位置に配置すると、図５Ｂの（ａ）に示すように、被加工物Ｗ（図５Ｂには図示せず）上では両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂間の距離Ｄが調整可能な最小値Ｄ_ｍになる。この場合も、上記と同様に、オフセット調整部４４のオフセット調整機能により、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワー比をたとえば５０：５０〜１：９９の範囲および５０：５０〜９９：１の範囲で任意に調整することが可能である。

さらに、このレーザ出射ユニット１０においては、方角調整部４５により屋根型プリズム３８の方角を変え、かつオフセット調整部４４により光ファイバ１２の終端面の位置をＹＺ面内の方向でシフトすることにより、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザパワー比を一定に保ったまま被加工物Ｗ上で両ビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂の並ぶ向きまたは方角を方位角方向（θ_Ｂ方向）で任意に調整することができる。

この場合、図６の（ａ）に示す状態から、コリメートレンズ３４の光軸Ｎ_Ｆの周回方向（θ_Ａ方向）で屋根型プリズム３８を任意の角度だけ回転させると、被加工物Ｗ上で両ビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂の位置が方位角方向（θ_Ｂ方向）で同じ角度だけ回転する。もっとも、屋根型プリズム３８の回転中心（Ｎ_Ｆ）とこれに入射する原レーザビームＬＢ_０のビーム中心Ｎ_Ｌとが重なっていないと、図６の（ｂ）に示すように、屋根型プリズム３８の回転移動によって、屋根型プリズム３８（特に稜線３８ｃ）に対する原レーザビームＬＢ_０の相対的な入射位置が変化し、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のパワー分割比が変動する。図６の（ｂ）の例では、分岐レーザビームＬＢ₁のパワーが増大し、分岐レーザビームＬＢ_２のパワーが減少する形でパワー分割比が変動する。そこで、図６の（ｃ）に示すように、光ファイバ１２の終端面の位置をＹＺ面内で矢印の方向にシフトして、屋根型プリズム３８（特に稜線３８ｃ）に対する原レーザビームＬＢ_０の相対的な入射位置関係を図６の（ａ）と同じにする。そうすると、分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のパワー分割比も図６の（ａ）と同じになる。

［実施形態における要部の具体的構成例］

図７〜図１０に、この実施形態において、レーザ出射ユニット１０の副筒体１８ｂに設けられる距離調整部４２、オフセット調整部４４および方角調整部４５の具体的構成例を示す。図７は、ファイバ装着口３６の外側から見た副筒体１８ｂの周囲の構造（主にオフセット調整部４４の構成）を示す略側面図である。図８および図９は、副筒体１８ｂの内部および周囲の構造（主に距離調整部４２およびオフセット調整部４４の構成）を示す縦断面図および横断面図である。図１０の（ａ），（ｂ）は、方角調整部４５の構成を示す略平面図（ａ）および縦断面図である。

図８および図９に示すように、距離調整部４０は、副筒体１８ｂの中で屋根型プリズム３８をコリメートレンズ３４の光軸上で保持するプリズム支持部５０と、副筒体１８ｂの中でプリズム支持部体５０をコリメートレンズ３４の光軸方向（Ｘ方向）で案内するためのガイド部５２と、副筒体１８ｂの外側面に取り付けられる送りねじ機構５４とを有している。

送りねじ機構５４において、軸受５５に支持されているボルト５６の頭部を回すと、このボルト５６のネジ軸に螺合し、かつプリズム支持部５０に結合されているアーム状の可動部材５８がボルト５６の軸方向つまりＸ方向で送られる。プリズム支持部５０および屋根型プリズム３８は、Ｘ方向の案内機能を有するガイド部５２に案内されながら可動部材５８と一体的に同方向で移動または変位する。この移動の向き（前進または後退）は、ボルト５６の回転方向によって決まる。プリズム支持部５０の位置つまり屋根型プリズム３８の位置を固定するためのロック機構（図示せず）が送りねじ機構５４またはガイド部５２に備わってもよい。

オフセット調整部４４は、Ｚ方向オフセット調整部６０およびＹ方向オフセット調整部６２を有している。Ｚ方向オフセット調整部６０は、副筒体１８ｂの端面（外側面）に隣接してＸ方向と直交するＺ方向で変位または移動可能なＺ方向スライド板６４と、このＺ方向スライド板６４をＺ方向で変位または移動させるためのＺ方向送りねじ機構６６およびＺ方向ガイド部６８と、Ｚ方向送りねじ機構６６の前進駆動に抗して反対側からＺ方向スライド板６４を付勢する１個または複数個の圧縮コイルばね７０と、Ｚ方向スライド板６４を所望のスライド位置で固定するための１個または複数個のボルト７２とを有している。

Ｚ方向スライド板６４の中心部には、光ファイバ１２の終端部をＹＺ方向（特にＹ方向）で変位可能に通す開口部６４ｃが形成されている。Ｚ方向ガイド部６８は、副筒体１８ｂの端面に固定されている一対の平行ガイド板７４Ａ，７４Ｂで構成される。これら一対の平行ガイド板７４Ａ，７４Ｂは、Ｚ方向スライド板６４の幅サイズに応じた一定の間隔を空けてＺ方向に平行に延びる。Ｚ方向スライド板６４は、その対向する一対の側辺部６４ａ，６４ｂを平行ガイド板７４Ａ，７４Ｂにそれぞれ係合させるようにしてＺ方向で摺動可能に取り付けられる。Ｚ方向送りねじ機構６６において、副筒体１８ｂに固定された軸受７６に支持されているボルト７８の頭部を回すと、このボルト７４のネジ軸に螺合し、かつＺ方向スライド板６４に結合されているブロック形状の可動部材７９がスライド板６４と一体にボルト７６の軸方向つまりＺ方向で送られる。圧縮コイルばね７０は、副筒体１８ｂとＺ方向スライド板６４との間に張られている。ボルト７２は、平行ガイド板７４Ａ，７４Ｂの少なくとも一方に設けられたネジ穴７５に外側から螺合してＺ方向スライド板６４を押圧固定する。

Ｙ方向オフセット調整部６２は、Ｚ方向オフセット調整部６０のＺ方向スライド板６４上に取り付けられている。Ｙ方向オフセット調整部６２は、Ｚ方向スライド板６４上でＹ方向に変位または移動可能なＹ方向スライド板８０と、このＹ方向スライド板８０をＹ方向で変位または移動させるためのＹ方向送りねじ機構８２およびＹ方向ガイド部８４と、Ｙ方向送りねじ機構８２の前進駆動に抗して反対側からＹ方向スライド板８０を付勢する１個または複数個の圧縮コイルばね８６と、Ｙ方向スライド板８０を所望のスライド位置で固定するための１個または複数個のボルト８８とを有している。

Ｙ方向スライド板８０の中心部には、光ファイバ１２の終端部をＹＺ方向で変位可能に通す開口部８０ｃが形成されている。Ｙ方向ガイド部８４は、Ｚ方向スライド板６４に固定されている一対の平行ガイド板９０Ａ，９０Ｂで構成される。これらの平行ガイド板９０Ａ，９０Ｂは、Ｙ方向スライド板８０の幅サイズに応じた一定の間隔を空けてＹ方向に平行に延びる。Ｙ方向スライド板８０は、その対向する一対の側辺部を平行ガイド板９０Ａ，９０Ｂにそれぞれ係合させるようにしてＹ方向で摺動可能に取り付けられる。Ｙ方向送りねじ機構８２において、Ｚ方向スライド板６４に固定されている軸受９２に支持されているボルト９４の頭部を回すと、このボルト９４のネジ軸に螺合し、かつＹ方向スライド板８０に結合されているブロック形状の可動部材９６がスライド板８０と一体にボルト９４の軸方向つまりＹ方向で送られる。圧縮コイルばね８６は、Ｚ方向スライド板６４とＹ方向スライド板８０との間に張られている。ボルト８８は、平行ガイド板９０Ａ，９０Ｂの少なくとも一方に設けられたネジ穴９５に外側から螺合してＹ方向スライド板８０を押圧固定する。

この実施形態のオフセット調整部４４においては、上記のようなＺ方向オフセット調整部６０のＺ方向オフセット調整機能およびＹ方向オフセット調整部６２のＹ方向オフセット調整機能により、屋根型プリズム３８に対して光ファイバ１２の終端面の位置を距離調整部４０の調整方向（Ｘ方向）と直交するＹＺ面内のＺ方向およびＹ方向で調整することができる。

コネクタ６５は、フェルールまたは他の任意の光コネクタからなり、Ｙ方向スライド板８０に取り付けられ、光ファイバ保持部４０（図１）を構成する。光ファイバ１２の終端は、コネクタ６５を貫通し、さらにＹ方向スライド板８０およびＺ方向スライド板６４のそれぞれの開口を通って、副筒体１８ｂの中の屋根型プリズム３８と対向する。あるいは、光ファイバ１２がコネクタ６５の内部で終端し、光ファイバ１２の終端に一端が光学的に結合された光ガイド部材（図示せず）の他端がＹ方向スライド板８０およびＺ方向スライド板６４のそれぞれの開口を通って副筒体１８ｂの中の屋根型プリズム３８と対向してもよい。

図１０に示すように、方角調整部４５は、プリズム支持体５０を、Ｚ方向送りねじ機構６６の可動部材８０（図９）に固着されるベース部１００と、屋根型プリズム３８を保持する保持部１０２とに分割し、ベース部１００上で保持部１０２を周回方向（θ_Ａ方向）に３６０°の範囲内で任意に回転変位可能としている。より詳細には、ベース部１００は、中心部にレーザ光路用の貫通孔１００ａを有し、この貫通孔１００ａの周囲に凹所１００ｂを有している。保持部１０２は、中心部にレーザ光路用の貫通孔１０２ａを有し、この貫通孔１０２ａの周囲に凹所１０２ｂを有している。保持部１０２の凹所１０２ｂに屋根型プリズム３８が固定して取り付けられ、ベース部１００の凹所１００ｂに保持部１０２が回転変位可能に取り付けられる。そして、たとえばボルト１０４によって保持部１０２をベース部１００に押圧固定することにより、屋根型プリズム３８を所望の向きで固定することができるようになっている。なお、方角調整部４５における屋根型プリズム３８の方角調整作業を可能とするために、副筒体１８ｂはたとえばボルト１０６（図９）の取外しによって分解可能となっている。

［他の実施形態又は変形例］

図１１Ａおよび図１１Ｂに、方角調整部４５の別の実施例を示す。この実施例では、屋根型プリズム３８を保持する保持部１０２’が、ベース部１００’上で一対のＺ方向送りねじ機構１１０Ａ，１１０Ｂおよび圧縮コイルバネ１１２Ａ，１１２ＢによりＺ方向で変位可能となっている。ここで、Ｚ方向送りねじ機構１１０Ａ，１１０Ｂは、ベース部１００’上に固定された軸受１１１Ａ，１１１Ｂでボルト１１３Ａ，１１３Ｂをそれぞれ支持するとともに、ボルト１１３Ａ，１１３Ｂの先端を保持部１０２’の一側面に当て、ボルト１１３Ａ，１１３Ｂの頭部を回すことにより、圧縮コイルバネ１１２Ａ，１１２Ｂに抗して保持部１０２’を前進させ、あるいは後退させるようにしている。保持部１０２’には、屋根型プリズム３８を挟んでその両側にＺ方向に延びるガイド溝１１４Ａ，１１４Ｂが形成されている。ベース部１００’上には、これらのガイド溝１１４Ａ，１１４Ｂを貫通するピン１１６Ａ，１１６Ｂが立設されている。

図１１Ｂに示すように、ピン１１６Ａ（１１６Ｂ）の頭部Ｊはガイド溝１１４Ａ（１１４Ｂ）の溝幅より優に大きく、ピン１１６Ａ（１１６Ｂ）の軸部Ｋはガイド溝１１４Ａ（１１４Ｂ）の溝幅より隙間ができるほど小さい。つまり、ピン１１６Ａ（１１６Ｂ）の軸部Ｋは、ガイド溝１１４Ａ（１１４Ｂ）の中で相対的にＺ方向に変位できるだけでなく相対的にＹ方向にも多少変位できるようになっている。これにより、ベース部１００’上で保持部１０２’をＺ方向に移動させるとき、Ｚ方向送りねじ機構１１０Ａ，１１０Ｂの間で送り量に適度な差を設けることで、図１１Ｂの（ｂ），（ｃ）に示すように、ピン１１６Ａ（１１６Ｂ）の軸部Ｋをガイド溝１１４Ａ（１１４Ｂ）の中で相対的にＹ方向に変位させて、保持部１０２’を一定範囲（たとえば１５°）内で任意に回転変位させることができる。

図示省略するが、出射ユニット１０のケーシング１８（副筒体１８ｂ）において屋根型プリズム３８の入射面／出射面の向きを上記実施形態の向きと反対にする構成、すなわち屋根型プリズム３８の凸面（傾斜面３８ａ，３８ｂおよび稜線３８ｃ）をコリメートレンズ３４に向ける配置構成も可能である。また、オフセット調整部４４において、たとえば、Ｙ方向オフセット調整部６２を省いて、Ｚ方向オフセット調整部６０のみを備える構成も可能である。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ溶接に限るものではなく、穴あけ、切断等の他のレーザ加工にも使用可能である。

１０レーザ出射ユニット
１２光ファイバ
１８ケーシング
２０レーザ出射口
１８ａ主筒体
１８ｂ第１の副筒体
３４コリメートレンズ
３６光ファイバ装着口
３８屋根型プリズム
４２距離調整部
４４オフセット調整部
４５方角調整部

Claims

レーザ発振部で所定のレーザ出力を有する原レーザビームを生成し、
前記原レーザビームを前記レーザ発振部から光ファイバを介して遠隔のレーザ出射ユニットまで伝送し、
前記レーザ出射ユニット内で、前記光ファイバの終端面より出た前記原レーザビームを所定位置に配置されている屋根型プリズムに入射させ、その際に前記原レーザビームのビーム中心が前記屋根型プリズムの傾斜面の稜線からそれと直交する方向に所望のオフセット量だけずれるようにして、前記原レーザビームを所望の比でレーザパワーの異なる第１および第２の分岐レーザビームに分割し、
前記レーザ出射ユニット内で、前記屋根型プリズムから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをその後段に配置されているコリメートレンズに通してそれぞれコリメートし、
前記レーザ出射ユニット内で、前記コリメートレンズから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをその後段に配置されている集光レンズに通し、
前記レーザ出射ユニットの外に配置されている被加工物上の第１および第２の加工ポイントに対して、前記集光レンズから出た前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれ集光照射してレーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施す、
ことを特徴とするレーザ加工方法。
被加工物上の第１および第２の加工ポイントに対して、第１および第２のレーザビームを集光照射して、レーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施すためのレーザ出射ユニットであって、
レーザ発振部からの原レーザビームが伝播してくる光ファイバの一端部を装着するための光ファイバ装着口と前記被加工物に向けられるレーザ出射口とを有するケーシングと、
前記光ファイバ装着口に装着された前記光ファイバの終端面にその入射面が対向するように前記ケーシング内に配置され、前記光ファイバの終端面より出た前記原レーザビームを第１および第２の分岐レーザビームに分割する屋根型プリズムと、
前記屋根型プリズムの出射面と対向するように前記ケーシング内に配置され、前記屋根型プリズムからの前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれコリメートするコリメートレンズと、
前記レーザ出射口に近接して前記ケーシング内に配置され、前記コリメートレンズからの前記第１および第２の分岐レーザビームを前記ケーシングの外に位置する前記被加工物上の前記第１および第２の加工ポイントにそれぞれ集光させる集光レンズと、
前記コリメートレンズの光軸上の第１の方向で前記屋根型プリズムと前記光ファイバの終端面との相対的な位置関係を可変に調整するための第１の調整部と、
前記コリメートレンズの光軸と直交する面内の第２の方向で前記屋根型プリズムと前記光ファイバの出射端面との相対的な位置関係を可変に調整するための第２の調整部と
を有するレーザ出射ユニット。
前記第２の方向は、前記第１の方向と直交する面内で互いに直交する２つの方向を含む、請求項２に記載のレーザ出射ユニット。
前記第２の方向は、前記屋根型プリズムの傾斜面の稜線と直交する方向を含む、請求項２または請求項３に記載のレーザ出射ユニット。
前記コリメートレンズの光軸の周回方向で前記屋根型プリズムの方角を調整するための第３の調整部を有する、請求項２〜４のいずれか一項に記載のレーザ出射ユニット。
レーザ加工用の原レーザビームを発振出力するレーザ発振部と、
請求項２〜５のいずれか一項に記載のレーザ出射ユニットと、
前記レーザ発振部より発振出力された前記原レーザビームを前記レーザ出射ユニットへ伝送するための光ファイバと
を有し、
前記被加工物上の所定の距離を隔てた第１および第２の加工ポイントに対して、前記レーザ出射ユニットより出射される第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれ集光照射して、レーザエネルギーの異なるレーザ加工を同時に施すレーザ加工装置。