JP2023065071A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に伝送ファイバからの散乱光が増大する場合でも、出射ヘッドの光出力を精度良く制御できるようにする。【解決手段】指令値に応じた電流を複数のレーザダイオードバー３１に流す電源７０を備えたレーザ加工装置１００に、伝送ファイバ４０からの散乱光の光量を検出する散乱光検出部１５を設け、制御部６０に、散乱光検出部１５の検出値に基づく所定の条件が満たされた状態におけるパワーモニタ１４の検出値を用いて指令値の算出を行わせる。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のレーザダイオードから出射されたレーザ光を集光して出射ヘッドから出射するレーザ加工装置に関する。

特許文献１には、レーザ光を出射するレーザダイオードと、レーザダイオードから出射されたレーザ光を集光するレンズからなる光合成部と、前記光合成部により出射されたレーザ光を、第１分割光及び第２分割光に分割する部分透過ミラーと、前記第１分割光の光量を検出するパワーモニタと、前記第２分割光を出射ヘッドに導く伝送ファイバと、前記パワーモニタの検出値を用いて指令値を算出する制御部と、前記制御部によって算出された前記指令値に応じた電流を前記レーザダイオードに供給する電源とを備えたレーザ加工装置が開示されている。

特許第６０５０６０７号公報

ところで、特許文献１に開示されたようなレーザ加工装置では、レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に、レーザ加工装置内の温度変化により、伝送ファイバへの入射光の入射面における位置が本来の位置からずれるいわゆる光軸ずれが生じる場合がある。かかる場合、光軸ずれにより伝送ファイバからの散乱光が増大し、レーザ加工装置の筐体内で多重反射した後パワーモニタに入射し、その結果、パワーモニタの検出値が、出射ヘッドの実際の光出力（出射光の出力）に対応する値よりも大きくなる。したがって、伝送ファイバからの散乱光が光軸ずれによって増大している期間のパワーモニタの検出値に基づいて算出した指令値を、光軸ずれが収まった後に用いると、出射ヘッドの光出力が想定値よりも小さくなってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に伝送ファイバからの散乱光が増大する場合でも、出射ヘッドの光出力を精度良く制御できるようにすることにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、レーザ光を出射する複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードから出射されたレーザ光を集光するレンズ又は光学ユニットからなる光合成部と、前記光合成部により出射されたレーザ光を、第１分割光及び第２分割光に分割する部分透過ミラーと、前記第１分割光の光量を検出するパワーモニタと、前記第２分割光を出射ヘッドに導く伝送ファイバと、前記パワーモニタの検出値を用いて指令値を算出する制御部と、前記制御部によって算出された前記指令値に応じた電流を前記複数のレーザダイオードに流す電源とを備えたレーザ加工装置であって、前記伝送ファイバからの散乱光の光量を検出する散乱光検出部を備え、前記制御部は、前記散乱光検出部の検出値に基づく所定の条件が満たされた状態における前記パワーモニタの検出値を用いて前記指令値の算出を行うことを特徴とする。

本発明によれば、前記所定の条件として、レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に光軸ずれ等に起因して伝送ファイバからの散乱光が最大値まで増大しているときには満たされず、かつその後、伝送ファイバからの散乱光がある程度まで低減したときに満たされる条件を設定することにより、制御部に、伝送ファイバからの散乱光がある程度まで低減した状態におけるパワーモニタの検出値に基づいて、指令値を算出させることができる。したがって、レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に伝送ファイバからの散乱光が増大する場合でも、制御部に、出射ヘッドの光出力を精度良く制御させることができる。

レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に伝送ファイバからの散乱光が増大する場合でも、制御部に、出射ヘッドの光出力を精度良く制御させることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 レーザ装置周りの構成を示す模式図である。 レーザ光出射部及び光合成部の詳細な構成を示す模式図である。 複数のレーザモジュールの構成を示す模式図である。 レーザモジュールの側面図である。 レーザモジュールの正面図である。 レーザ加工装置の指令値算出動作を示すフローチャートである。 散乱光検出部の検出値に基づいて得られる出力換算値、パワーモニタの検出値に基づいて得られる出力換算値、出射ヘッドの実際の光出力を例示するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は、金属製の加工対象物としてのワークＷの切断、溶接といったレーザ加工に用いられる本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１００を示す。同図に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ装置１０と伝送ファイバ４０と出射ヘッド５０と制御部６０と電源７０と指令部８０とを備えている。レーザ装置１０と、レーザ装置１０よりレーザ光が出射される端部（以下、単に出射端という。）と、レーザ装置１０より伝送ファイバ４０にレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。）とは筐体９０に収容されている。

レーザ装置１０は、図２に示すように、レーザ光出射部１１と、光合成部１２と、部分透過ミラー１３と、パワーモニタ１４と、散乱光検出部１５と、集光ユニット１６とを備えている。

レーザ光出射部１１は、図３に示すように、互いに異なる波長のレーザ光ＬＢ１を発する例えば１０個のレーザモジュール３０を有している。各レーザモジュール３０は、図４～６に示すように、レーザダイオードバー（ＬＤバー）３１を有しており、レーザダイオードバー３１は、並列に配置された複数のエミッタ３１ｂを有する半導体レーザアレイである。言い換えるとレーザダイオードバー３１は、エミッタ３１ｂを有する並列に配置された複数のレーザダイオードからなる半導体レーザアレイである。レーザダイオードバー３１は、平面視矩形状の平板形状をなし、その一方の面には板状の正電極３２が配置され、正電極３２の一方の面が取り付けられている。また、レーザダイオードバー３１の他方の面には、正電極３２よりも広い板状の負電極３３が配置され、負電極３３の一方の面の一部が取り付けられている。レーザダイオードバー３１の一側面が、レーザ光ＬＢ１を出射するレーザ光出射面３１ａを構成している。各電極（正電極３２，負電極３３）には、配線３５が接続され、当該配線３５を介して後述する電源７０から電流（電力）が供給される。なお、一つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数は、例えば５０個に設定される。１０個のレーザモジュール３０のレーザダイオードバー３１は、互いに直列に接続されている。

光合成部１２は、レーザ光出射部１１に含まれるレーザダイオードから出射されたレーザ光ＬＢ１を集光する。具体的には、光合成部１２は、１０個のレーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ１を集光する第１集光レンズ１２ａと、第１集光レンズ１２ａにより出射されたレーザ光を反射させる反射鏡１２ｂとを備えた光学ユニットである。

部分透過ミラー１３は、光合成部１２の反射鏡１２ｂにより出射されたレーザ光を、第１分割光ＬＢ２及び第２分割光ＬＢ３に分割する。具体的には、部分透過ミラー１３は、光合成部１２の反射鏡１２ｂにより出射されたレーザ光の一部を第１分割光ＬＢ２として透過させる一方、残りを第２分割光ＬＢ３として反射させる。

パワーモニタ１４は、部分透過ミラー１３を透過した第１分割光ＬＢ２の光量を検出する。パワーモニタ１４は、例えば、第１分割光ＬＢ２を減衰させて出力する減衰部と、減衰部の出力を検出するフォトダイオードとで構成される。

散乱光検出部１５は、伝送ファイバ４０からの散乱光の光量を検出する。

集光ユニット１６は、部分透過ミラー１３を反射した第２分割光ＬＢ３を集光し、所定の倍率でビーム径を縮小して伝送ファイバ４０に入射させる第２集光レンズ１６ａと、伝送ファイバ４０の入射端が接続されるコネクタ（図示せず）とを有している。

伝送ファイバ４０は、集光ユニット１６の第２集光レンズ１６ａに光学的に結合され、当該第２集光レンズ１６ａを介してレーザ装置１０から受け取った第２分割光ＬＢ３を出射ヘッド５０に導く。

出射ヘッド５０は、伝送ファイバ４０から出力されるレーザ光ＬＢ４を外部に向けて照射する。例えば、出射ヘッド５０は、所定の位置に配置されたワークＷに向けて、レーザ光ＬＢ４を出射する。このようにすることで、ワークＷにレーザ加工が施される。

制御部６０は、レーザ装置１０のレーザ発振を制御する。具体的には、制御部６０は、パワーモニタ１４の検出値を用いて、当該パワーモニタ１４の検出値が所定の設定値となるように、電源７０に出力する電流指令値の算出を行うフィードバック制御を行う。制御部６０による制御の詳細については、後述する。

電源７０は、制御部６０によって算出された電流指令値に応じた電流を、前記レーザ光出射部１１に含まれるレーザダイオードバー３１及び配線３５に流す。

指令部８０は、出射ヘッド５０の光出力（出射光の出力）の目標値を示す入力をユーザから受け付け、当該目標値を示す指令信号を制御部６０に出力する。

次に、上述のように構成されたレーザ加工装置１００の動作について説明する。

上述のように構成されたレーザ加工装置１００は、初期設定動作、指令値算出動作、及び通常動作を実行する。

初期設定動作は、制御部６０が、電流指令値として所定の定格出力電流値を出力することにより、レーザ光出射部１１に含まれるレーザダイオードバー３１に当該定格出力電流値の電流を流し、このときのパワーモニタ１４の検出値を設定値として設定する動作である。この初期設定動作は、例えば、レーザ加工装置１００の出荷時に実行される。

図７は、レーザ加工装置１００による指令値算出動作を示す。

指令値算出動作では、まず、Ｓ１０１において、制御部６０が、電流指令値として所定の定格出力電流値を出力することにより、レーザ光出射部１１に含まれるレーザダイオードバー３１に当該定格出力電流値の電流を流し始める。これにより、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始する。

次いで、Ｓ１０２において、制御部６０は、ｋ＝１、ｎ＝０とする。

次いで、Ｓ１０３において、制御部６０は、１秒が経過するのを待つ。そして、１秒が経過すると、経過した１秒間における散乱光検出部１５の検出値の平均値を取得し、当該平均値をＳ（ｋ）とする。つまり、Ｓ（ｋ）は、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始してからｋ回目に取得した平均値となる。なお、散乱光検出部１５の検出値のサンプリング間隔は、例えば、１０μｓに設定される。

次いで、Ｓ１０４において、制御部６０は、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０が満たされているか否かを判定する。満たされている場合には、Ｓ１０５に進む一方、満たされていない場合には、Ｓ１０６に進む。なお、Ｓ（０）は、０とする。

Ｓ１０５では、制御部６０が、ｎ＝ｎ＋１とするとともにｋ＝ｋ＋１とし、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０６では、制御部６０が、ｋ＝ｋ＋１、ｎ＝０とし、Ｓ１０３に戻る。

Ｓ１０７では、制御部６０が、ｎ＝３であるか否かを判定し、ｎ＝３である場合にはＳ１０８に進み、ｎ＝３でない場合にはＳ１０３に戻る。

Ｓ１０８では、制御部６０が、パワーモニタ１４の検出値を取得し、Ｓ１０９に進む。

Ｓ１０９では、制御部６０が、Ｓ１０８で取得した検出値と、初期設定動作で設定された設定値との差分に基づいて、パワーモニタ１４の検出値が設定値となるように、電流指令値を算出する。

上述のような指令値算出動作は、例えば、１週間に１回等、定期的に実行されるか、又はワークＷに加工不良が生じたときに実行される。

通常動作では、制御部６０が、最近の指令値算出動作で算出した電流指令値を出力し、これに応じて、電源７０がレーザ光出射部１１に含まれるレーザダイオードバー３１に当該電流指令値に応じた電流を流す。

このように、パワーモニタ１４の検出値が初期設定動作によって設定された設定値となるように電流指令値が算出されるので、初期設定動作後に、レーザダイオードバー３１の経年劣化、冷却能力の低下、光学部品の損傷や汚染等によって出射ヘッド５０の光出力が低下するのを抑制できる。

また、制御部６０がパワーモニタ１４の検出値を取得して電流指令値を算出する処理を開始するタイミングを、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始してから所定の設定時間が経過したタイミングとする場合に比べ、設定時間が長すぎて電流指令値を取得するのに無駄な時間がかかったり、設定時間が短すぎて適切な電流指令値を取得できなくなる場合がある。しかし、本実施形態では、制御部６０がパワーモニタ１４の検出値を取得して電流指令値を算出する処理を開始するタイミングを、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値（Ｓ（ｋ））を３回連続で取得し終えたことを認識した直後のタイミングとするので、電流指令値を取得するのに無駄な時間がかかったり、適切な電流指令値を取得できなくなるのを防止できる。

図８は、散乱光検出部１５の検出値に基づいて得られる出力換算値、パワーモニタ１４の検出値に基づいて得られる出力換算値、出射ヘッド５０の実際の光出力を例示するタイミングチャートである。図８中、ＯＰ１は、散乱光検出部１５の検出値に基づいて得られる出力換算値を示し、ＯＰ２は、パワーモニタ１４の検出値に基づいて得られる出力換算値を示し、ＯＰ３は、出射ヘッド５０の実際の光出力を示す。散乱光検出部１５の検出値に基づいて得られる出力換算値は、散乱光検出部１５の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力である。パワーモニタ１４の検出値に基づいて得られる出力換算値は、パワーモニタ１４の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力である。出射ヘッド５０の実際の光出力は、出射ヘッド５０の光出力の実測値である。

この例では、図８に示すように、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始した後、期間Ｄ１において、光軸ずれ等に起因して伝送ファイバ４０からの散乱光が増大し、散乱光検出部１５の検出値に基づいて得られる出力換算値のオーバーシュートが発生している。また、散乱光の影響により、パワーモニタ１４の検出値にもオーバーシュートが発生している。したがって、期間Ｄ１では、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値（Ｓ（ｋ））を３回連続で取得できないと考えられる。また、期間Ｄ１におけるパワーモニタ１４の検出値に基づいて、電流指令値を算出し、当該電流指令値に応じた電流をレーザ光出射部１１に流すと、出射ヘッド５０の光出力が想定値よりも小さくなってしまうと考えられる。

一方で、期間Ｄ２においては、伝送ファイバ４０からの散乱光がある程度低減し、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値（Ｓ（ｋ））を３回連続で取得できると考えられる。本実施形態では、制御部６０が、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値を３回連続で取得し終えたという条件が満たされた状態におけるパワーモニタ１４の検出値を用いて電流指令値を算出するので、期間Ｄ１におけるパワーモニタ１４の検出値を用いて電流指令値を算出する場合に比べ、出射ヘッド５０の光出力を精度良く制御できる。

なお、上記実施形態では、制御部６０が、電流指令値の算出に用いる光量のパワーモニタ１４による検出を、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値（Ｓ（ｋ））を３回連続で取得し終えたという条件が満たされた状態で行った。しかし、電流指令値の算出に用いる光量のパワーモニタ１４による検出を、散乱光検出部１５の検出値に基づく他の所定の条件が満たされた状態で行うようにしてもよい。例えば、所定の条件を、例えば、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値を３回以外の所定回数以上連続で取得し終えたという条件としてもよい。また、散乱光検出部１５をパワーモニタ１４よりも伝送ファイバ４０からの散乱光が多く入射する位置に配置した場合には、図８に例示するように、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始した直後に、光軸ずれ等によって伝送ファイバ４０からの散乱光が増大すると、散乱光検出部１５の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力が、パワーモニタ１４の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力よりも大きくなる。このような場合には、前記所定の条件を、散乱光検出部１５の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力から、パワーモニタ１４の検出値に基づいて算出される出射ヘッド５０の光出力を引いた差が、所定閾値以下となるという条件としてもよい。

また、上記実施形態では、光合成部１２を、第１集光レンズ１２ａと反射鏡１２ｂとを備えた光学ユニットとしたが、レーザ光出射部１１及び部分透過ミラー１３との位置関係によっては、光合成部１２を第１集光レンズ１２ａだけで構成してもよい。

また、上記実施形態では、散乱光検出部１５をパワーモニタ１４とは別に設けたが、散乱光検出部１５を設けず、パワーモニタ１４を散乱光検出部としてもよい。つまり、制御部６０が、パワーモニタ１４の検出値に基づく所定の条件が満たされた状態におけるパワーモニタ１４の検出値を用いて指令値の算出を行うようにしてもよい。

本発明のレーザ加工装置は、レーザダイオードがレーザ光の出射を開始した直後に伝送ファイバからの散乱光が増大する場合でも、制御部に、出射ヘッドの光出力を精度良く制御させることができ、複数のレーザダイオードから出射されたレーザ光を集光して出射ヘッドから出射するレーザ加工装置として有用である。

１００ レーザ加工装置
１２ 光合成部
１２ａ 第１集光レンズ
１３ 部分透過ミラー
１４ パワーモニタ
１５ 散乱光検出部
３１ レーザダイオードバー
４０ 伝送ファイバ
５０ 出射ヘッド
６０ 制御部
７０ 電源
ＬＢ１ レーザ光
ＬＢ２ 第１分割光
ＬＢ３ 第２分割光

Claims (5)

1. レーザ光を出射する複数のレーザダイオードと、
   前記複数のレーザダイオードから出射されたレーザ光を集光するレンズ又は光学ユニットからなる光合成部と、
   前記光合成部により出射されたレーザ光を、第１分割光及び第２分割光に分割する部分透過ミラーと、
   前記第１分割光の光量を検出するパワーモニタと、
   前記第２分割光を出射ヘッドに導く伝送ファイバと、
   前記パワーモニタの検出値を用いて指令値を算出する制御部と、
   前記制御部によって算出された前記指令値に応じた電流を前記複数のレーザダイオードに流す電源とを備えたレーザ加工装置であって、
   前記伝送ファイバからの散乱光の光量を検出する散乱光検出部を備え、
   前記制御部は、前記散乱光検出部の検出値に基づく所定の条件が満たされた状態における前記パワーモニタの検出値を用いて前記指令値の算出を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記散乱光検出部は、前記パワーモニタとは別に設けられていることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記散乱光検出部は、前記パワーモニタであることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記複数のレーザダイオードによる前記レーザ光の出射を開始してから、前記散乱光検出部の検出値の平均値を所定の単位時間毎に繰り返し取得した場合に、ｋ回目に取得した平均値をＳ（ｋ）とすると、
   前記所定の条件は、－０．０１＜（Ｓ（ｋ）－Ｓ（ｋ－１））／Ｓ（ｋ）＜０を満たす平均値を所定回数連続で取得し終えたという条件であることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記所定の条件は、前記散乱光検出部の検出値に基づいて算出される前記出射ヘッドの光出力から、前記パワーモニタの検出値に基づいて算出される前記出射ヘッドの光出力を引いた差が、所定閾値以下となることであることを特徴とするレーザ加工装置。

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