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公開番号2025070103
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-02
出願番号2023180186
出願日2023-10-19
発明の名称リングビーム整形素子及びレーザ加工機
出願人株式会社アマダ
代理人個人,個人,個人
主分類G02B 27/09 20060101AFI20250424BHJP(光学)
要約【課題】安価にレーザビームをリング状に整形することができるリングビーム整形素子を提供する。
【解決手段】リングビーム整形素子31sは、レーザビームの入射面と射出面とのうちの一方であり、平坦面である第1の面と、入射面と射出面とのうちの他方である第2の面と、第2の面に形成されている、周方向に均等な角度の位置に半径方向に形成されている複数の凸部311及び凹部312よりなる凹凸パターンとを備える。凹凸パターンは、凸部311の最上方位置が、中心側から半径方向の外側に向かうに従って第1の面からの高さが順に高くなっていく凸部パターンと、凹部312の最下方位置が、中心側から半径方向の外側に向かうに従って第1の面からの高さが順に低くなっていく凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含む。凸部311の最上方位置と凹部312の最下方位置との間は傾斜面となっている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
レーザビームの入射面と射出面とのうちの一方であり、平坦面である第１の面と、
前記入射面と前記射出面とのうちの他方である第２の面と、
前記第２の面に形成されている、周方向に均等な角度の位置に半径方向に形成されている複数の凸部及び凹部よりなる凹凸パターンと、
を備え、
前記凹凸パターンは、前記凸部の最上方位置が、中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第１の凸部パターンと、前記凹部の最下方位置が、前記中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第１の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、前記凸部の前記最上方位置と前記凹部の前記最下方位置との間が傾斜面となっている
リングビーム整形素子。
続きを表示（約 3,200 文字）【請求項２】
前記凹凸パターンは、前記第１の凸部パターンと前記第１の凹部パターンとの双方を含む請求項１に記載のリングビーム整形素子。
【請求項３】
前記凸部及び前記凹部は、前記中心から前記半径方向の所定の位置までの範囲に形成されている請求項１または２に記載のリングビーム整形素子。
【請求項４】
前記第２の面は、前記中心から前記半径方向の所定の位置までの領域である内周部と、前記内周部より前記半径方向の外側の領域である外周部とを有し、
前記外周部は、前記周方向に均等な角度の位置に前記半径方向に形成されている第１の数の第１の凸部及び第１の凹部よりなる外周凹凸パターンを有し、
前記内周部は、前記周方向に均等な角度の位置に前記半径方向に形成されている前記第１の数より少ない第２の数の第２の凸部及び第２の凹部よりなる内周凹凸パターンを有し、
前記外周凹凸パターンは、
前記第１の凸部の最上方位置が、前記内周部側の端部から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第２の凸部パターンと、前記第１の凹部の最下方位置が、前記内周部側の端部から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第２の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、
前記第１の凸部の前記最上方位置と前記第１の凹部の前記最下方位置との間は傾斜面となっており、
前記内周凹凸パターンは、
前記外周凹凸パターンが前記第２の凸部パターンを含めば、前記第２の凸部の最上方位置が、前記中心から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第３の凸部パターンを含み、前記外周凹凸パターンが前記第２の凹部パターンを含めば、前記第２の凹部の最下方位置が、前記中心から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第３の凹部パターンを含み、
前記第２の凸部の前記外周部側の端部の最上方位置は、前記第１の凸部の前記内周部側の端部の最上方位置より前記第１の面からの高さが高く、前記第２の凹部の前記外周部側の端部の最下方位置は、前記第１の凹部の前記内周部側の端部の最下方位置より前記第１の面からの高さが低く、
前記第２の凸部の前記最上方位置と前記第２の凹部の前記最下方位置との間は傾斜面となっている
請求項１に記載のリングビーム整形素子。
【請求項５】
前記外周凹凸パターンは、前記第２の凸部パターンと前記第２の凹部パターンとの双方を含み、
前記内周凹凸パターンは、前記第３の凸部パターンと前記第３の凹部パターンとの双方を含む
請求項４に記載のリングビーム整形素子。
【請求項６】
レーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器より射出されたレーザビームを伝送する光ファイバと、
前記光ファイバの射出端より射出されるガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザビームが入射される加工ヘッドと、
を備え、
前記加工ヘッドは、
前記発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズより射出された前記コリメート光のレーザビームを集束させて、集束させたレーザビームを被加工材に照射する集束レンズと、
前記光ファイバの前記射出端と前記コリメートレンズとの間、前記コリメートレンズと前記集束レンズとの間、前記集束レンズよりも前記被加工材側のいずれかの位置に配置され、前記ガウシアン型のビームプロファイルをリング型のビームプロファイルに変換するリングビーム整形素子と、
を有し、
前記リングビーム整形素子は、
前記光ファイバの前記射出端、前記コリメートレンズ、前記集束レンズのいずれかから射出されたレーザビームの入射面と射出面とのうちの一方であり、平坦面である第１の面と、
前記入射面と前記射出面とのうちの他方である第２の面と、
前記第２の面に形成されている、周方向に均等な角度の位置に半径方向に形成されている複数の凸部及び凹部よりなる凹凸パターンと、
を有し、
前記凹凸パターンは、前記凸部の最上方位置が、中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第１の凸部パターンと、前記凹部の最下方位置が、前記中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第１の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、前記凸部の前記最上方位置と前記凹部の前記最下方位置との間が傾斜面となっている
レーザ加工機。
【請求項７】
前記凹凸パターンは、前記第１の凸部パターンと前記第１の凹部パターンとの双方を含む請求項６に記載のレーザ加工機。
【請求項８】
前記凸部及び前記凹部は、前記中心から前記半径方向の所定の位置までの範囲に形成されている請求項６または７に記載のレーザ加工機。
【請求項９】
前記第２の面は、前記中心から前記半径方向の所定の位置までの領域である内周部と、前記内周部より前記半径方向の外側の領域である外周部とを有し、
前記外周部は、前記周方向に均等な角度の位置に前記半径方向に形成されている第１の数の第１の凸部及び第１の凹部よりなる外周凹凸パターンを有し、
前記内周部は、前記周方向に均等な角度の位置に前記半径方向に形成されている前記第１の数より少ない第２の数の第２の凸部及び第２の凹部よりなる内周凹凸パターンを有し、
前記外周凹凸パターンは、
前記第１の凸部の最上方位置が、前記内周部側の端部から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第２の凸部パターンと、前記第１の凹部の最下方位置が、前記内周部側の端部から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第２の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、
前記第１の凸部の前記最上方位置と前記第１の凹部の前記最下方位置との間は傾斜面となっており、
前記内周凹凸パターンは、
前記外周凹凸パターンが前記第２の凸部パターンを含めば、前記第２の凸部の最上方位置が、前記中心から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第３の凸部パターンを含み、前記外周凹凸パターンが前記第２の凹部パターンを含めば、前記第２の凹部の最下方位置が、前記中心から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第３の凹部パターンを含み、
前記第２の凸部の前記外周部側の端部の最上方位置は、前記第１の凸部の前記内周部側の端部の最上方位置より前記第１の面からの高さが高く、前記第２の凹部の前記外周部側の端部の最下方位置は、前記第１の凹部の前記内周部側の端部の最下方位置より前記第１の面からの高さが低く、
前記第２の凸部の前記最上方位置と前記第２の凹部の前記最下方位置との間は傾斜面となっている
請求項６に記載のレーザ加工機。
【請求項１０】
前記外周凹凸パターンは、前記第２の凸部パターンと前記第２の凹部パターンとの双方を含み、
前記内周凹凸パターンは、前記第３の凸部パターンと前記第３の凹部パターンとの双方を含む
請求項９に記載のレーザ加工機。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、リングビーム整形素子及びレーザ加工機に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機によって板金を切断したり溶接したりするときに、特許文献１に記載されているようなアキシコンレンズを用いて、レーザビームをリング状に整形することがある。特許文献１に記載のレーザ加工機においては、コリメートレンズが光ファイバより射出された発散光のレーザビームをコリメート光に変換し、アキシコンレンズがコリメート光のレーザビームをリング状に整形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１－８５９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アキシコンレンズは硝材を研磨して作製することが必要なため高価であり、それに伴ってアキシコンレンズを備えるレーザ加工機は高価となる。アキシコンレンズを用いることなく、安価にレーザビームをリング状に整形することができるリングビーム整形素子及びレーザ加工機の登場が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様は、レーザビームの入射面と射出面とのうちの一方であり、平坦面である第１の面と、前記入射面と前記射出面とのうちの他方である第２の面と、前記第２の面に形成されている、周方向に均等な角度の位置に半径方向に形成されている複数の凸部及び凹部よりなる凹凸パターンとを備え、前記凹凸パターンは、前記凸部の最上方位置が、中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第１の凸部パターンと、前記凹部の最下方位置が、前記中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第１の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、前記凸部の前記最上方位置と前記凹部の前記最下方位置との間が傾斜面となっているリングビーム整形素子を提供する。
【０００６】
１またはそれ以上の実施形態の第２の態様は、レーザビームを射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザビームを伝送する光ファイバと、前記光ファイバの射出端より射出されるガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザビームが入射される加工ヘッドとを備え、前記加工ヘッドは、前記発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出された前記コリメート光のレーザビームを集束させて、集束させたレーザビームを被加工材に照射する集束レンズと、前記光ファイバの前記射出端と前記コリメートレンズとの間、前記コリメートレンズと前記集束レンズとの間、前記集束レンズよりも前記被加工材側のいずれかの位置に配置され、前記ガウシアン型のビームプロファイルをリング型のビームプロファイルに変換するリングビーム整形素子とを有し、前記リングビーム整形素子は、前記光ファイバの前記射出端、前記コリメートレンズ、前記集束レンズのいずれかから射出されたレーザビームの入射面と射出面とのうちの一方であり、平坦面である第１の面と、前記入射面と前記射出面とのうちの他方である第２の面と、前記第２の面に形成されている、周方向に均等な角度の位置に半径方向に形成されている複数の凸部及び凹部よりなる凹凸パターンとを有し、前記凹凸パターンは、前記凸部の最上方位置が、中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に高くなっていく第１の凸部パターンと、前記凹部の最下方位置が、前記中心側から前記半径方向の外側に向かうに従って前記第１の面からの高さが順に低くなっていく第１の凹部パターンとのうちの少なくとも一方を含み、前記凸部の前記最上方位置と前記凹部の前記最下方位置との間が傾斜面となっているレーザ加工機を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
１またはそれ以上の実施形態に係るリングビーム整形素子及びレーザ加工機によれば、安価にレーザビームをリング状に整形することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機を示す図である。
図２は、第１実施形態に係るリングビーム整形素子を示す平面図である。
図３は、第１実施形態に係るリングビーム整形素子を示す断面図である。
図４は、第１及び第２実施形態に係るリングビーム整形素子に入射されるレーザビームのガウシアン型のビームプロファイルを示す図である。
図５は、第１実施形態に係るリングビーム整形素子より射出されるレーザビームのリング型のビームプロファイルを示す図である。
図６は、第１実施形態に係るレーザ加工機において、被加工材の表面からレーザビームの進行方向側の各位置で得られるリングビームを示す図である。
図７は、第１実施形態に係るリングビーム整形素子とアキシコンレンズとのレーザビームをリング状に整形する作用を比較するシミュレーション結果を示す図である。
図８は、第２実施形態に係るレーザ加工機を示す図である。
図９は、第２実施形態に係るリングビーム整形素子を示す平面図である。
図１０は、第２実施形態に係るリングビーム整形素子を示す断面図である。
図１１は、第２実施形態に係るリングビーム整形素子より射出されるレーザビームのリング型のビームプロファイルを示す図である。
図１２は、第１実施形態に係るリングビーム整形素子より射出されるレーザビームのリング型のビームプロファイルと、第２実施形態に係るリングビーム整形素子より射出されるレーザビームのリング型のビームプロファイルとを比較する図である。
図１３は、第３実施形態に係るレーザ加工機を示す図である。
図１４は、第３実施形態に係るレーザ加工機において、リングビーム整形素子を回転させる回転機構の一構成例を示す図である。
図１５は、第３実施形態に係るレーザ加工機において、リングビーム整形素子の回転に応じて変化するビームプロファイルを示す図である。
図１６は、第４実施形態に係るレーザ加工機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、各実施形態に係るリングビーム整形素子及びレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機１００を示す。レーザ加工機１００は、被加工材Ｗを切断するレーザ切断機であってもよいし、被加工材Ｗを溶接するレーザ溶接機であってもよい。前者の場合の被加工材Ｗは例えば１枚の板金であり、後者の場合の被加工材Ｗは例えば２枚の板金である。レーザ加工機１００は、ＮＣ装置１０、レーザ発振器２０、加工ヘッド３０を備える。レーザ発振器２０と加工ヘッド３０とは、レーザ発振器２０より射出されたレーザビームを伝送する光ファイバ２５で接続されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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