JP2023135369A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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】レーザ加工装置１００に、開口部１６ａを有する遮蔽部材１６を、パワーモニタ１４の受光面に向かう第１分割ビームＬＢ３以外の光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ開口部１６ａによって第１分割ビームＬＢ３を通過させるように設ける。【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分割光を受光し、当該第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、その結果伝送ファイバからの散乱光が増大する場合がある。また、レーザダイオードによりレーザ光が出射されている状態においては、レンズ等の光学素子に含まれる不純物、伝送ファイバの入射面等から一定の散乱光が常時発生している。これらの散乱光が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すると、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り、出射ヘッドの光出力が想定値よりも小さく制御されてしまう。

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、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してレーザビームを出射する光合成部と、前記光合成部により出射されたレーザビームを、第１分割ビーム及び第２分割ビームに分割する部分透過ミラーと、前記第１分割ビームを受光し、当該第１分割ビームの光量を検出するパワーモニタと、前記第２分割ビームに基づく出射用レーザ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、窓部を有し、前記パワーモニタの受光面に向かう前記第１分割ビーム以外の光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記第１分割ビームを通過させるように設けられた第１の遮蔽部材、窓部を有し、前記部分透過ミラーと前記伝送ファイバの入射面との間に、前記伝送ファイバの入射面からの散乱光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記第２分割ビームを通過させるように設けられた第２の遮蔽部材、及び窓部を有し、前記光合成部と前記部分透過ミラーとの間に、前記光合成部からの散乱光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記レーザビームを通過させるように設けられた第３の遮蔽部材のうちの少なくとも１つの遮蔽部材を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、遮蔽部材を設けない場合に比べ、伝送ファイバからパワーモニタの受光面に達する散乱光、及び光合成部からパワーモニタの受光面に達する散乱光のうちの少なくとも一方の散乱光を減らせるので、制御部に、出射ヘッドの光出力をより精度良く制御させることができる。

本発明によれば、制御部に、出射ヘッドの光出力をより精度良く制御させることができる。

本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の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。 遮蔽部材の平面図である。 実施形態２の図２相当図である。 実施形態３の図８相当図である。

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。

（実施形態１）
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１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、集光ユニット１５と、遮蔽部材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に含まれる複数のレーザダイオードから出射されたレーザ光ＬＢ１を集光してレーザビームＬＢ２を出射する。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を集光してレーザビームＬＢ２を出射する第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ビームＬＢ２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ビームＬＢ２を、第１分割ビームＬＢ３及び第２分割ビームＬＢ４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ビームＬＢ２の一部を第１分割ビームＬＢ３として透過させる一方、残りを第２分割ビームＬＢ４として反射させる。部分透過ミラー１３の反射率は、９９．５％～９９．９％に設定される。

パワーモニタ１４は、部分透過ミラー１３を透過した第１分割ビームＬＢ３の光量を検出する。パワーモニタ１４は、例えば、第１分割ビームＬＢ３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。

集光ユニット１５は、部分透過ミラー１３を反射した第２分割ビームＬＢ４を集光し、所定の倍率でビーム径を縮小し、第２分割ビームＬＢ４に基づく出射用レーザ光ＬＢ５を伝送ファイバ４０に入射させる第２集光レンズ１５ａ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。

遮蔽部材１６は、図７に示すように、長方形板状に形成されている。遮蔽部材１６は、アルマイト処理されたアルミニウムで構成されている。なお、遮蔽部材１６を、アルミニウム合金、銅、鉄、ステンレス等の他の金属で構成してもよい。遮蔽部材１６の長手方向中央の短手方向中央には、正方形状の窓部としての開口部１６ａが形成されている。遮蔽部材１６は、部分透過ミラー１３とパワーモニタ１４の間に、筐体９０内の空間を、部分透過ミラー１３側の空間とパワーモニタ１４側の空間とに仕切るように設けられている。つまり、遮蔽部材１６の外周端縁は、全周に亘って筐体９０の内面に隙間なく当接しているか又は溶接されている。

遮蔽部材１６の開口部１６ａは、部分透過ミラー１３を透過した第１分割ビームＬＢ３を通過させる。また、遮蔽部材１６は、パワーモニタ１４の受光面に向かう第１分割ビームＬＢ３以外の光の少なくとも一部を遮蔽する。つまり、遮蔽部材１６は、パワーモニタ１４の受光面に向かう第１分割ビームＬＢ３以外の光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ開口部１６ａによって第１分割ビームＬＢ３を通過させるように配置されている。

第１分割ビームＬＢ３の半径ｒが２ｍｍであり、第１分割ビームＬＢ３の断面積が１２．５７ｍｍ^２である場合、遮蔽部材１６が第１分割ビームＬＢ３を遮断しないように、例えば、開口部１６ａの一辺の長さＬ１は８ｍｍ、開口部１６ａの面積は６４ｍｍ^２に設定される。

ここで、遮蔽部材１６（長方形）の面積をＳｔ、開口部１６ａの面積をＳａとする。第１分割ビームＬＢ３以外の光（雑光）の強度は、一様に分布すると考えられるので、遮蔽部材１６を設けることにより、パワーモニタ１４の受光面に入射する雑光の影響を、遮蔽部材１６を設けない場合のＳａ／Ｓｔに低減できる。遮蔽部材１６の長辺の長さＬＬが１００ｍｍ、遮蔽部材１６の短辺の長さＬＳが４０ｍｍ、開口部１６ａの一辺の長さＬ１が８ｍｍである場合、Ｓｔが４０００ｍｍ^２、Ｓａが６４ｍｍ^２となるので、パワーモニタ１４の受光面に入射する雑光の影響を、遮蔽部材１６を設けない場合の１．６％に低減できる。

伝送ファイバ４０は、集光ユニット１５の第２集光レンズ１５ａに光学的に結合され、当該第２集光レンズ１５ａを介してレーザ装置１０から受け取った出射用レーザ光ＬＢ５を出射ヘッド５０に導く。

出射ヘッド５０は、伝送ファイバ４０から出力される出射用レーザ光ＬＢ５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、出射用レーザ光ＬＢ５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。

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。

上述のように構成されたレーザ加工装置１００では、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１の出射を開始すると、光合成部１２が、レーザ光ＬＢ１を集光してレーザビームＬＢ２を出射する。このレーザビームＬＢ２は、部分透過ミラー１３で第１分割ビームＬＢ３及び第２分割ビームＬＢ４に分割される。第１分割ビームＬＢ３は、遮蔽部材１６の開口部１６ａを通過してパワーモニタ１４に入射する一方、第２分割ビームＬＢ４は集光ユニット１５で集光されて出射用レーザ光ＬＢ５として伝送ファイバ４０に入射する。このとき、レーザ加工装置１００内の温度変化により、伝送ファイバ４０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、その結果伝送ファイバ４０からの散乱光ＳＬが増大する。また、レーザ光出射部１１がレーザ光ＬＢ１を出射する間、常に、光合成部１２の第１集光レンズ１２ａ等の光学素子に含まれる不純物等や伝送ファイバ４０の入射面（入射端面）から常に一定の散乱光ＳＬが発生する。これら散乱光ＳＬの一部は、筐体９０内で多重反射してパワーモニタ１４の受光面に向かう。しかし、大部分の散乱光ＳＬは、パワーモニタ１４の受光面に達する前に遮蔽部材１６によって遮蔽される。これにより、遮蔽部材１６を設けない場合に比べ、光合成部１２からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬ、及び伝送ファイバ４０からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬが減る。したがって、制御部６０に、出射ヘッド５０の光出力をより精度良く制御させることができる。

本実施形態１によると、遮蔽部材１６を部分透過ミラー１３とパワーモニタ１４との間に設けたので、部分透過ミラー１３と伝送ファイバ４０の入射面との間に設けた場合に比べ、遮蔽部材１６に入射する伝送ファイバ４０からの散乱光ＳＬが少なくなり、遮蔽部材１６に吸収される散乱光ＳＬのエネルギーが小さくなる。したがって、出射ヘッド５０に出射させる出射用レーザ光ＬＢ５をｋＷ級とする場合でも、遮蔽部材１６を冷却するための冷却機構を不要にでき、レーザ加工装置１００の設備コストを削減できる。

また、遮蔽部材１６を光合成部１２と部分透過ミラー１３との間に設けた場合に比べ、パワーモニタ１４の受光面に達する伝送ファイバ４０からの散乱光ＳＬを効果的に減らせる。また、遮蔽部材１６を光合成部１２と部分透過ミラー１３との間に設けた場合に比べ、伝送ファイバ４０からの散乱光ＳＬが遮蔽部材１６で反射してパワーモニタ１４の受光面に達するのを抑制できる。

（実施形態２）
図８は、実施形態２の図２相当図である。本実施形態２では、遮蔽部材１６が、光合成部１２と部分透過ミラー１３との間に２つ（複数）設けられている。これら２つの遮蔽部材１６は、板厚方向に互いに間隔を空けて互いに平行に設けられている。

そして、第１分割ビームＬＢ３は、２つの遮蔽部材１６の開口部１６ａを通過してパワーモニタ１４に入射する。

その他の構成は実施形態１と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

したがって、本実施形態２では、実施形態１のように遮蔽部材１６を１つだけ設けた場合に比べ、光合成部１２からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬ、及び伝送ファイバ４０からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬを減らし、制御部６０に、出射ヘッド５０の光出力をより精度良く制御させることができる。

具体的には、遮蔽部材１６の長辺の長さＬＬが１００ｍｍ、遮蔽部材１６の短辺の長さＬＳが４０ｍｍ、開口部１６ａの一辺の長さＬ１が８ｍｍである場合、パワーモニタ１４の受光面に入射する雑光の影響を、遮蔽部材１６を設けない場合の０．０２６％（＝（Ｓａ／Ｓｔ）^２）に低減できる。

（実施形態３）
図９は、実施形態３の図８相当図である。本実施形態３では、２つの遮蔽部材１６のうち部分透過ミラー１３側の遮蔽部材１６の開口部１６ａの外周縁に、断面正方形状をなす角筒形状の筒状部１６ｂが部分透過ミラー１３側に向けて一体に突設されている。筒状部１６ｂは、遮蔽部材１６の板状の部分と同じ材料で構成されている。筒状部１６の内面には、光の反射を抑制するために微細な凹凸が全体に亘って形成されている。

そして、第１分割ビームＬＢ３は、部分透過ミラー１３側の遮蔽部材１６の筒状部１６ｂ及び開口部１６ａと、パワーモニタ１４側の遮蔽部材１６の開口部１６ａとを通過してパワーモニタ１４に入射する。

その他の構成は実施形態２と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

したがって、本実施形態３では、実施形態２のようにいずれの遮蔽部材１６にも筒状部１６ｂを設けない場合に比べ、光合成部１２からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬ、及び伝送ファイバ４０からパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬを減らせる。特に、筐体９０の内壁を反射してパワーモニタ１４の受光面に達する散乱光ＳＬを効果的に減らせる。したがって、制御部６０に、出射ヘッド５０の光出力をより精度良く制御させることができる。

なお、上記実施形態１～３では、遮蔽部材１６を、部分透過ミラー１３とパワーモニタ１４との間に、開口部１６ａによって第１分割ビームＬＢ３を通過させるように配置した。しかし、遮蔽部材１６（第２の遮蔽部材）を、部分透過ミラー１３と伝送ファイバ４０の入射面との間に、伝送ファイバ４０の入射面からの散乱光ＳＬの少なくとも一部を遮蔽し、かつ開口部１６ａによって第２分割ビームＬＢ４を通過させるように配置してもよい。また、遮蔽部材１６（第３の遮蔽部材）を、光合成部１２と部分透過ミラー１３との間に、光合成部１２からの散乱光ＳＬの少なくとも一部を遮蔽し、かつ開口部１６ａによってレーザビームＬＢ２を通過させるように配置してもよい。また、レーザ加工装置１００に、上述のように開口部１６ａによって第１分割ビームＬＢ３を通過させる遮蔽部材１６、上述のように開口部１６ａによって第２分割ビームＬＢ４を通過させる遮蔽部材１６、及び上述のように開口部１６ａによってレーザビームＬＢ２を通過させる遮蔽部材１６のうちの２つ以上を設けてもよい。

また、上記実施形態２，３では、遮蔽部材１６を２つ設けたが、３つ以上設けてもよい。

本発明のレーザ加工装置は、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
１３ 部分透過ミラー
１４ パワーモニタ
１６ 遮蔽部材
１６ａ 開口部（窓部）
１６ｂ 筒状部
３１ レーザダイオードバー
ＬＢ１ レーザ光
ＬＢ２ レーザビーム
ＬＢ３ 第１分割ビーム
ＬＢ４ 第２分割ビーム
ＬＢ５ 出射用レーザ光

Claims (4)

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してレーザビームを出射する光合成部と、
   前記光合成部により出射されたレーザビームを、第１分割ビーム及び第２分割ビームに分割する部分透過ミラーと、
   前記第１分割ビームを受光し、当該第１分割ビームの光量を検出するパワーモニタと、
   前記第２分割ビームに基づく出射用レーザ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、
   窓部を有し、前記パワーモニタの受光面に向かう前記第１分割ビーム以外の光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記第１分割ビームを通過させるように設けられた第１の遮蔽部材、
   窓部を有し、前記部分透過ミラーと前記伝送ファイバの入射面との間に、前記伝送ファイバの入射面からの散乱光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記第２分割ビームを通過させるように設けられた第２の遮蔽部材、及び
   窓部を有し、前記光合成部と前記部分透過ミラーとの間に、前記光合成部からの散乱光の少なくとも一部を遮蔽し、かつ前記窓部によって前記レーザビームを通過させるように設けられた第３の遮蔽部材のうちの少なくとも１つの遮蔽部材を備えている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、
   前記少なくとも１つの遮蔽部材は、前記第１の遮蔽部材を含むことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記少なくとも１つの遮蔽部材は、互いに間隔を空けて形成された複数の前記第１の遮蔽部材を含む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、
   前記少なくとも１つの遮蔽部材の前記窓部の外周縁には、筒状部が突設されていることを特徴とするレーザ加工装置。