JP6956329B2 - 調芯方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工装置等における光ファイバとレーザ発振器との間の調芯方法に関する。
気体レーザや固体レーザ等のレーザ発振器からのレーザビームを光ファイバで導波して、ワークの溶接や加工を行うレーザ加工装置が、従来、知られている。
レーザ発振器と光ファイバとの結合効率を高めて、加工に用いるレーザビームのパワーを確保するために、通常、レーザ発振器と光ファイバとの間で調芯が行われる。
従来、レーザ発振器からのレーザビームを、集光レンズ等の光学部材を介して光ファイバの一方の端面に入射させ、他方の端面から出射されたレーザビームのパワーをパワーメータ等で測定し、このパワーが最大となるように集光レンズの位置等を調整して、調芯を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０８−１６７７５４号公報
近年、加工精度に対する要求が厳しくなっており、ワークに照射されるレーザビームの形状制御が重要になってきている。
しかし、レーザビームのパワーが最大となる集光レンズの位置と、レーザビーム形状に代表されるビーム品質が最良となる集光レンズの位置とは必ずしも一致しない。そのため、前者の位置で集光レンズを固定して調芯を終えると、所望のビーム品質が得られないおそれがあった。また、その結果、調芯作業のやり直し等が発生し、作業効率が低下するおそれがあった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザビームのパワーとビーム品質とを同時にモニターしつつ、調芯を行う方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、この発明の一態様では、光ファイバを介してレーザ発振器から出射されたレーザビームを分岐し、レーザビームのパワー及び品質を同時に測定できるようにするとともに、これらの測定結果に基づいてレーザ発振器と光ファイバとの調芯を行うようにした。
具体的には、本発明の一態様に係る調芯方法は、レーザ発振器と、レーザ発振器に接続される光ファイバとの間で調芯する方法であって、レーザ発振器の光出射部と光ファイバの入射端との間に、レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光する集光レンズ及び集光レンズの位置を調整するレンズ調整機構が配置され、光ファイバの出射端から出射されたレーザビームを少なくとも第１及び第２のレーザビームを含む複数のレーザビームに分岐して、分岐された第１のレーザビームのパワー及び第２のレーザビームのＦａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ（ＦＦＰ）をそれぞれ測定する測定ステップと、測定された第１のレーザビームのパワーが最大となるように集光レンズの位置を調整し、そのときの位置を第１のレンズ位置として記憶する第１調整ステップと、測定された第２のレーザビームのＦＦＰからＢｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ＢＰＰ）を求めて、ＢＰＰが最小となるように集光レンズの位置を調整し、そのときの位置を第２のレンズ位置として記憶する第２調整ステップと、集光レンズを第１のレンズ位置と第２のレンズ位置との間で移動させたときの第２のレーザビームのＦＦＰを測定する第３調整ステップと、第３調整ステップにおいて測定された第２のレーザビームのＦＦＰからＢＰＰを求めて、ＢＰＰが所定値以下となるように集光レンズの位置を調整する第４調整ステップと、を備えたことを特徴とする。
この方法によれば、パワーとビーム品質を同時にモニターしながら、一定以上のビーム品質を確保した状態でパワーを最大限にできるよう、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うことが可能となる。
第４調整ステップにおいて、第２のレーザビームのＢＰＰが所定値以上となる場合は、ＢＰＰが所定値以上となる直前の位置で集光レンズを固定して、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を完了し、ＢＰＰが所定値未満である場合は、第１のレンズ位置で集光レンズを固定して、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を完了することとしてもよい。
この方法によれば、加工に必要なレーザビームのパワーを確保しつつ、レーザビームを所望の形状に絞ることができる。
レンズ調整機構は、集光レンズの位置を検知する変位センサと、集光レンズを移動させるためのアクチュエータと、を有し、第１調整ステップにおいて、変位センサにより検知された集光レンズの位置が、第１のレンズ位置になるようにアクチュエータを作動させて集光レンズを移動させ、第２調整ステップにおいて、変位センサにより検知された集光レンズの位置が、第２のレンズ位置になるようにアクチュエータを作動させて集光レンズを移動させ、第４調整ステップにおいて、変位センサにより検知された集光レンズの位置が、ＢＰＰの所定値以下となる位置になるようにアクチュエータを作動させて集光レンズを移動させる、のがさらに好ましい。
この方法によれば、レーザ発振器近傍で、レーザ発振中に人手での作業を行う必要が無くなり、調芯作業時の安全性が向上する。
本発明の一態様によれば、レーザビームの形状を所望の形状に絞りつつ、レーザビームのパワーを最大化できる。このように調芯されたレーザ加工装置により、良好なレーザ加工を行うことができる。
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図である。 レーザビーム評価装置の概要を示す図である。 レーザビームの光軸と直交する方向から見た、レーザ発振器と光ファイバとの結合部近傍の構造を示す概略図である。 レーザビームの光軸方向から見た、レーザ発振器と光ファイバとの結合部近傍の構造を示す概略図である。 レーザ加工装置の機能ブロックの構成を示す図である。 実施形態１に係る、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯作業フローチャートである。 図５のフローチャートの続きを示す調芯作業フローチャートである。 レーザパワーの調整手順の一例を示す図である。 レーザパワーの調整手順の別の一例を示す図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置の機能ブロックの構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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）
（レーザ加工装置の構成）
図１は本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置１０の構成を示す。レーザ加工装置１０は、レーザビームを出射するレーザ発振器４００と、レーザ発振器４００からのレーザビームを導波する光ファイバ５００と、を備えている。また、レーザ加工装置１０は、光ファイバ５００の出射端（図示せず）に接続され、光ファイバ５００に導波されたレーザビーム３００をワーク６００に照射するためのレーザ出射ヘッド４２０と、レーザ出射ヘッド４２０を操作し、ワーク６００に対して移動させるためのマニピュレータ４１０と、を備えている。
レーザ発振器４００とマニピュレータ４１０とは、コントローラ４３０に接続されている。コントローラ４３０は、複数の演算処理部、制御部、記憶部、表示部等を有しており（図４参照）、レーザ発振器４００のレーザ発振制御や、マニピュレータ４１０の動作制御を行うように構成されている。
メンテナンス等で、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との調芯作業を行う場合には、マニピュレータ４１０によりレーザ出射ヘッド４２０が、コントローラ４３０に接続されているレーザビーム評価装置１００に移動する。レーザビーム評価装置１００は、レーザビーム３００の特性を評価する。
また、コントローラ４３０は、レーザビーム評価装置１００からの信号を受けて、これらを記憶し、所望の形式に加工して表示部（図４参照）に表示するように構成されている。
図２は、レーザビーム評価装置１００の概要を示す。レーザビーム評価装置１００は、レーザビーム３００の入射部１１０と、入射したレーザビーム３００の一部を反射し、残りを透過する部分反射ミラー１５０と、部分反射ミラー１５０で反射されたレーザビーム３０１を吸収するダンパ部１２０と、を備えている。
また、レーザビーム評価装置１００は、部分反射ミラー１５０を透過したレーザビーム３０２の一部を反射し、残りを透過する部分反射ミラー１５１と、部分反射ミラー１５１で反射されたレーザビーム３０３の強度分布を測定するＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）測定部１３０と、を備えている。さらに、レーザビーム評価装置１００は、部分反射ミラー１５１を透過したレーザビーム３０４のパワーを測定するパワー測定部１４０を備えている。
レーザビーム評価装置１００において、レーザ発振器４００から出射されたレーザビームは、光ファイバ５００を通り、レーザ出射ヘッド４２０によって集光されて、入射部１１０に入射される。
レーザビーム評価装置１００に入射したレーザビーム３００は、部分反射ミラー１５０，１５１によって、パワー測定部１４０と、ＦＦＰ測定部１３０と、ダンパ部１２０とに向けて分岐される。
パワー測定部１４０では入射されたレーザビーム３０４（第１のレーザビーム）のパワーを測定し、ＦＦＰ測定部１３０ではレーザビーム３０３（第２のレーザビーム）の遠視野像であるＦＦＰを測定する。このＦＦＰはレーザビーム形状に対応しており、レーザビームの照射面での空間強度分布が得られる。
レーザビーム３００，３０２に対する部分反射ミラー１５０，１５１の反射率は、予め決められており、それぞれ、測定に必要な量のレーザビームをパワー測定部１４０と、ＦＦＰ測定部１３０に分岐するように構成されている。
例えば、部分反射ミラー１５０は、入射したレーザビーム３００の９９．９％をダンパ部１２０に向けて反射し、残りの０．１％を透過するように、反射率及び透過率が設定されている。また、例えば、部分反射ミラー１５１は、入射したレーザビーム３０２の０．１％をＦＦＰ測定部１３０に向けて反射し、残りの９９．９％を透過するように、反射率及び透過率が設定されている。
なお、レーザビーム評価装置１００内での、パワー測定部１４０とＦＦＰ測定部１３０及びダンパ部１２０の配置は、図２に示した配置に限定されず、例えば、パワー測定部１４０とダンパ部１２０との配置が入れ替わっていてもよい。その場合には、部分反射ミラー１５０，１５１の反射率及び透過率の設定は適宜変更される。
なお、レーザビーム３０１は、ダンパ部１２０で吸収され、熱として消費される。
図３Ａ及び図３Ｂは、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との結合部近傍の構造を示す。ファイバ結合部２００は、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との間に配置されている。また、ファイバ結合部２００は、アパーチャー２６０と、集光レンズ２１０と、レンズ調整機構２２０〜２４０と、を有している。アパーチャー２６０は、レーザビームを通過させる光軸に垂直な平面上のアパーチャーである。集光レンズ２１０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の計３軸の各軸方向に移動調整可能である。ここで、光軸はＺ軸とする。この光軸に垂直な平面をＸＹ平面としたときのＸＹ平面内の直交する２軸をＸ，Ｙ軸とする。レンズ調整機構２２０〜２４０は、それらの各軸の集光レンズ２１０の位置を調整する。この実施形態では、レンズ調整機構２２０〜２４０は手動で操作される。さらに、ファイバ結合部２００は、光ファイバ５００の入射端面５０１がレーザビームの光軸に対して垂直な平面となるように光ファイバ５００の端部を固定するコネクタ２５０を有している。
（レーザ加工装置の機能ブロック構成）
図４は、本実施形態に係る、レーザ加工装置の機能ブロックの構成を示す。レーザ発振器４００は、レーザ発振部４０１と、図３Ａおよび図３Ｂに示すファイバ結合部２００と、を有している。
マニピュレータ４１０は、マニピュレータ４１０の各関節を回転動作させるためのサーボモータ４１１と、サーボモータ４１１に接続されたエンコーダ４１２と、を有している。
なお、図示を簡略化するため、図４には、サーボモータ４１１及びエンコーダ４１２を１つずつ示している。
コントローラ４３０は、レーザ制御部４３１と、モータ制御部４３２と、記憶部４３４と、電源部４３５と、表示部４３６と、入力部４３７と、演算部４３８と、を有している。
レーザ制御部４３１は、入力部４３７から入力された制御プログラムに従って、電源部４３５に制御信号を送信し、レーザ発振部４０１の出力を制御するように構成されている。
モータ制御部４３２は、入力部４３７から入力された制御プログラム及びエンコーダ４１２からのフィードバック信号に従って、マニピュレータ４１０に設けられたサーボモータ４１１の回転速度及び回転量を制御するように構成されている。
記憶部４３４は、レーザビーム評価装置１００のパワー測定部１４０からレーザビームのパワー情報を、レーザビーム評価装置１００のＦＦＰ測定部１３０からレーザビームの強度分布に関する情報をそれぞれ受け取り、記憶するように構成されている。
電源部４３５は、レーザ制御部４３１からの制御信号及びレーザ発振器４００の出力モニタ（図示せず）からの制御信号に従って、レーザ発振部４０１に電力を供給するように構成されている。
表示部４３６は、レーザ発振器４００の出力や、レーザビーム評価装置１００で測定されたレーザビームのパワーやＦＦＰ、または、演算部４３８で算出されたレーザビームのＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）等を表示するように構成されている。
入力部４３７は、レーザ発振器４００の出力やマニピュレータ４１０の移動速度及び移動量を決定するための制御プログラムおよび数値を入力できるように構成されている。
演算部４３８は、入力部４３７等から入力されて記憶部４３４に記憶された情報を用いて、レーザ制御部４３１やモータ制御部４３２での制御に必要な演算処理を行うように構成されている。例えば、レーザビームの強度分布に関する情報を記憶部４３４から取り出し、レーザビームのＢＰＰを算出するように構成されている。また、演算部４３８は、各種情報を加工して適切な形式の図表等を、表示部４３６に表示できるように構成されている。
なお、図４では、調芯作業を行うのに必要な機能ブロックのみを示しており、その他の機能の説明は省略している。例えば、安全停止機能ブロックや制御プログラムの格納部等は図示を省略している。
また、レーザ制御部４３１や、モータ制御部４３２や、演算部４３８への信号または命令の入力が、直接、入力部４３７から行われるか、記憶部４３４に取り込まれた信号または命令を用いて行われるか等は、レーザ加工装置１０やコントローラ４３０の仕様によって適宜決められるもので、本実施形態に限定されるものではない。コントローラ４３０内の信号の流れについても同様に、本実施形態に限定されるものではない。
（調芯作業の詳細）
図５及び図６は、本実施形態に係る、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との間を調芯する調芯方法のフローチャートを示す。
まず、レンズ調整機構２２０〜２４０により、集光レンズ２１０をＸ，Ｙ，Ｚ軸について設計上の中心位置に移動しておき、これによりレーザ出射ヘッド４２０とレーザビーム評価装置１００とを所定の配置にセットする。コントローラ４３０を操作して、実使用条件に近い出力でレーザ発振器４００を発振させる（ステップＳ１）。
次に、レーザビーム評価装置１００内のパワー測定部１４０で評価したレーザビームのパワーをモニターする（ステップＳ２）。
このモニター結果に基づいて、ファイバ結合部２００のレンズ調整機構２２０〜２４０を用いて集光レンズ２１０を移動させ、調芯を行う（ステップＳ３）。
集光レンズ２１０を移動させながら、レーザビームのパワーが最大となるかどうかをモニターして判断し（ステップＳ４）、パワーが最大となるレンズ位置Ｐ１が確認できたら、レンズ位置Ｐ１を記録用紙に記録するか、あるいは、コントローラ４３０の記憶部４３４（図４参照）に記憶する（ステップＳ５）。
ここで、図７Ａ及び図７Ｂを用いて、上記のステップＳ３の詳細を説明する。
なお、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レンズ調整機構２２０〜２４０は、各軸ともに、その軸方向の一方から見て時計回り方向に回していくとその軸のプラス方向に集光レンズ２１０が移動し、反時計回り方向に回していくとその軸のマイナス方向へ集光レンズ２１０が移動するように構成されている。
コントローラ４３０の表示部４３６に表示されたレーザビームのパワー表示を見て、例えば、レンズ調整機構２２０により、設計上の中心位置にある集光レンズ２１０をＸ軸のマイナス方向へ移動させる。
図７Ａに示すように、集光レンズ２１０をＸ軸のマイナス方向へ移動させて、パワー測定部１４０で測定されたパワーが増加していくならば、パワーが減少に転じるまでＸ軸のマイナス方向へ集光レンズ２１０を移動させる（経路ａ）。
集光レンズ２１０をＸ軸のマイナス方向へ移動させ、パワーが減少に転じた時点で、Ｘ軸のプラス方向へ集光レンズ２１０を移動させ、パワーの最大となる位置でストップする（経路ｂ）。
一方、図７Ｂに示すように、集光レンズ２１０をＸ軸のマイナス方向へ移動させて、パワー測定部１４０で測定されたパワーが減少していくならば、集光レンズ２１０をＸ軸のプラス方向へ移動させる（経路ｃの終端）。
このＸ軸のプラス方向への移動によりパワーが増加していくのを確認し、そのままパワーが減少に転じるまで、Ｘ軸のプラス方向へ集光レンズ２１０を移動させる（経路ｄ）。パワーが減少に転じた時点で、集光レンズ２１０をＸ軸のマイナス方向に移動させ、パワーが最大となる位置でストップする（経路ｅ）。
このようにして、Ｘ軸方向における、パワーが最大となる位置へ集光レンズ２１０が来るよう調整を行う。なお、この操作は、複数回繰り返してもよい。
レンズ調整機構２３０，２４０を用いて、同様な操作をＹ軸、Ｚ軸に関しても行い、パワーが最大値となる位置へ集光レンズ２１０が来るように調整する。
最終的に調整が完了した時点での、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれのパワーが最大となる集光レンズ２１０の位置Ｐ１を記録用紙に記録するか、あるいは、コントローラ４３０の記憶部４３４に記憶する。
再び図５及び図６に示すフローチャートに戻って説明すると、ステップＳ５の次に、ＦＦＰ測定部１３０によりレーザビームのＦＦＰを測定する（ステップＳ６）。得られたＦＦＰに基づき、レーザビームのＢＰＰを求め（ステップＳ７）、この結果に基づいて、ファイバ結合部２００のレンズ調整機構２２０〜２４０を用いて集光レンズ２１０を移動させ、調芯を行う（ステップＳ８）。
集光レンズ２１０を移動させながら、レーザビームのＢＰＰが最小となるかどうかをモニターして判断し（ステップＳ９）、ＢＰＰが最小となるレンズ位置Ｐ２が確認できたら、レンズ位置Ｐ２を記録用紙に記録するか、あるいは、コントローラ４３０の記憶部４３４に記憶する（ステップＳ１０）。
なお、ＢＰＰは、通常、式（１）で表わされるレーザビームの品質を表わす指標である。
ＢＰＰ ＝ ｒ×θ ＝Ｍ２×λ／π （ｍｍ・ｍｒａｄ）・・・（１）
ここで、
ｒ ：レーザビームのビームウエスト半径
θ ：レーザビームの発散角の半値
Ｍ２ ：レーザビームの絞り限界に関する特性指標
λ ：レーザビームの発振波長
である。
また、ステップＳ７において、ＦＦＰからＢＰＰを導出するには、以下の手順で行う。
まず、ＦＦＰ測定部１３０で得られたＦＦＰから光強度がピークとなる位置座標と、光強度がピークの１／ｅ２となる位置座標とを求める。この２点の距離がレーザビームのビーム半径Ｄに相当する。
レーザビームの進行方向に対して、一定の間隔毎にＦＦＰ測定部１３０でＦＦＰを測定し、ビーム半径Ｄを導出する。得られたビーム半径Ｄをレーザビームの進行方向に対してプロットする。なお、本実施形態では、レーザビームの進行方向はＺ軸方向である。
このプロットを双曲線でフィッティングして、レーザビームのビームウエスト半径ｒを求めることができる。
また、ＦＦＰ測定部１３０で、レーザビームを集光するにあたって、ｆθレンズ（図示せず）を用いると、レーザビームの発散角分布を受光面上での位置分布に変換できるため、レーザビームの発散角θを容易に求めることができる。
上記のようにして求められたビームウエスト半径ｒと発散角θとを上記の式（１）に代入して、ＢＰＰが得られる。
なお、ステップＳ１０における調整は、ＢＰＰが最小となる集光レンズ２１０の位置を探すという点以外は、ステップＳ３で行う手順と同様である（図７Ａ及び図７Ｂ参照）。
なお、この操作も、複数回繰り返してもよい。
図５及び図６に示すフローチャートに戻り、再びレーザビーム評価装置１００へレーザビーム３００を入射して、次はパワーとビーム品質との双方に注目する。
まず、レンズ調整機構２２０〜２４０を用いて、ＢＰＰが最小となる集光レンズ２１０の位置Ｐ２（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）からパワーが最大となる集光レンズ２１０の位置Ｐ１（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）へ向かう３次元座標のベクトル上を、集光レンズ２１０を所定の間隔で移動させる（ステップＳ１１）。
ここで、所定の間隔はＸ，Ｙ，Ｚ軸で異なり、各々で０．数μｍ〜数μｍの範囲となる。ただし、特にこの値に限られず、加工条件や、所望されるレーザビームの形状等によって適宜変更されうる。
レーザビーム評価装置１００により、レーザビーム３０４のパワーを測定し（ステップＳ１２）、レーザビーム３０３のＦＦＰを測定して、ＢＰＰを求める（ステップＳ１３）。
集光レンズ２１０が位置Ｐ１に到達したかどうかを見て（ステップＳ１４）、集光レンズ２１０が位置Ｐ１に到達していなければ、集光レンズ２１０を所定の間隔だけ移動させて、ステップＳ１２，Ｓ１３を再び行う。位置Ｐ１に到達していれば、ステップＳ１５に進む。
なお、ステップＳ１２は省略することもできる。
レーザビーム３０３のＢＰＰが所定値以上となるかどうかをモニターして判断し（ステップＳ１５）、ＢＰＰが所定値以上となれば、ＢＰＰが所定値となる直前の位置を求め、その位置を集光レンズ２１０の最終位置として固定する（ステップＳ１６）。これにより、ＢＰＰが所定値未満となる位置であって、かつ、位置Ｐ１に最も近い位置を最終位置として固定することができる。
集光レンズを位置Ｐ２から位置Ｐ１まで移動させても、ＢＰＰが所定値未満であれば、位置Ｐ１を集光レンズ２１０の最終位置として固定する（ステップＳ１７）。
また、ステップＳ１６，Ｓ１７において、集光レンズ２１０の最終位置が、コントローラ４３０の記憶部４３４に記憶されてもよい。次回の調芯作業を行うときにこの値を利用することができる。
なお、本実施形態では、レーザ発振器４００が固体ＹＡＧレーザであるとして、ＢＰＰが０．３７３（ｍｍ・ｍｒａｄ）以上となるかどうかで、ステップＳ１６に進むかステップＳ１７に進むかを判断する。ただし、この値はあくまで一例である。例えば、レーザ発振器４００が波長の異なる複数の半導体レーザが結合された多波長レーザである場合は、ＢＰＰが２（ｍｍ・ｍｒａｄ）〜１０（ｍｍ・ｍｒａｄ）の範囲のいずれかの所定値以上となるかどうかで上記の判断を行う。上記の判断基準となるＢＰＰの値は、レーザの発振波長や、求められる加工条件等により適宜変更されうる。
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ発振器４００から光ファイバ５００を介して出射されたレーザビーム３００をレーザビーム３０４，３０３，３０１に分岐する。レーザビーム３０４はパワー測定部１４０に導かれ、レーザビーム３０３はＦＦＰ測定部１３０に導かれる。このことで、レーザビーム３００のパワーと、レーザビーム形状に対応する空間強度分布とを同時にモニターすることができる。このことにより、パワーとビーム品質を同時にモニターしながら、一定以上のビーム品質を確保した状態でパワーを最大限にできるよう、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との間の調芯を行うことが可能となる。
また、一般に、レーザビームの出力を上げると強度分布も変化することが多い。本実施形態によれば、測定で使用しないレーザビーム３０１をダンパ部１２０に吸収させるため、実際の加工で使用される高出力条件でレーザビームの測定を行うことができる。例えば、ｋＷクラスの出力でレーザビーム評価を行い、その結果に基づいて調芯を行うことができる。
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置の機能ブロックを示す。本実施形態と実施形態１との大きな違いは、レンズ調整機構２２０〜２４０が、アクチュエータ２７０と変位センサ２８０と、を有している点である。
アクチュエータ２７０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各々に設けられ、コントローラ４３０のアクチュエータ制御部４３３からの制御信号に基づき、集光レンズ２１０を移動させるように構成されている。
変位センサ２８０は、設計上の中心位置を原点とする３次元座標上での集光レンズ２１０の位置を検知するように構成されている。検知された位置情報は、電気信号としてコントローラ４３０の記憶部４３４に送られ、さらに、アクチュエータ制御部４３３にフィードバックされる。
なお、変位センサ２８０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各々に設けられていてもよい。また、図示を簡略化するため、図８には、アクチュエータ２７０及び変位センサ２８０を１つずつ示している。なお、図８に示すファイバ結合部２００において、アパーチャー２６０と、集光レンズ２１０と、コネクタ２５０と、は図示を省略している。
また、図８に示すコントローラ４３０は、図４に示すコントローラ４３０に比較して、アクチュエータ制御部４３３を有する点で異なっている。
アクチュエータ制御部４３３は、集光レンズ２１０の位置を調整するための制御信号を生成し、この制御信号をアクチュエータ２７０に送信するように構成されている。制御信号は、記憶部４３４に記憶されたレーザビームのパワー及び強度分布に関する情報と、変位センサ２８０から送られた集光レンズ２１０の位置情報とに基づいて生成される。また、アクチュエータ制御部４３３は、図４に示す演算部４３８の機能を取り込んでいる。アクチュエータ制御部４３３は、例えば、レーザビームの強度分布に関する情報を記憶部４３４から取り出し、レーザビームのＢＰＰを算出するように構成されている。
なお、実施形態１と同様に、コントローラ４３０は、演算部４３８を独立して有していてもよい。また、図８においても、図４と同様に、調芯作業を行うのに必要な機能ブロックのみを示している。
上記の構成を用いて調芯を行う場合、図５及び図６に示す調芯作業を、例えば、入力部４３７から制御プログラムを入力して、実行することにより、自動で行うことが可能となる。例えば、図５及び図６に示したフローチャートのステップＳ３，Ｓ８及びＳ１１において、集光レンズ２１０はレンズ調整機構２２０〜２４０に設けられたアクチュエータ２７０によって移動する。また、ステップＳ４，Ｓ９，Ｓ１４及びＳ１５では、アクチュエータ制御部４３３または演算部４３８において各種の判断が行われる。さらに、ステップＳ５，Ｓ１０，Ｓ１６及びＳ１７では、記憶部４３４にそれぞれの場合の集光レンズ２１０の位置が記憶される。
本実施形態によれば、調芯時の集光レンズ２１０の調整を、レーザ加工装置１０のコントローラ４３０を用いて自動的に実行することができ、調芯を行う作業者が、レーザビームが出射されている近傍で作業しなくて済む。
特に、実使用条件に近い数ｋＷクラスの出力で調芯を行う場合、調芯を行う作業者の安全を十分に確保する必要がある。本実施形態によれば、調芯時に起こりうる問題を回避できる。
なお、各制御部４３１〜４３３への信号または命令の入力が、直接、入力部４３７から行われるか、記憶部４３４に取り込まれた信号または命令を用いて行われるか等は、レーザ加工装置１０やコントローラ４３０の仕様によって適宜決められるもので、本実施形態に限定されるものではない。また、コントローラ４３０内の信号の流れについても同様に、本実施形態に限定されるものではない。
なお、実施形態１，２において、パワー測定部１４０はフォトダイオード等の光電センサであることが好ましい。光電センサは入射されたレーザビームに対するセンサ出力の時間応答が良好であるため、調芯作業にかかる時間を短縮できる。ただし、出力の時間応答は遅くなるが、通常のパワーメータ等の熱検知センサを用いることもできる。
また、ＦＦＰ測定部１３０として、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の２次元光センサアレイを搭載したカメラを用いるのが好ましい。２次元光センサアレイは入射されたレーザビームに対するセンサ出力の時間応答が良好であるとともに、アレイないし画素サイズを適切に選ぶことにより、精密な強度分布を得ることができる。
なお、パワー測定部１４０及びＦＦＰ測定部１３０とも、光電変換デバイスを用いる場合には、デバイスの破壊や劣化を防止するため、入射されるレーザビームのパワーを十分に絞る必要があり、部分反射ミラー１５０，１５１の反射率、透過率は注意深く設定する必要がある。
例えば、ＦＦＰ測定部１３０に入射されるレーザビームのパワーは、ＣＣＤカメラを用いる場合、数μＷ〜数百μＷの範囲に絞るのが望ましい。パワー測定部１４０に入射されるレーザビームのパワーは、フォトダイオードを用いる場合、数ｍＷ〜数百ｍＷの範囲に絞るのが望ましい。
また、実施形態１，２において、レーザ出射ヘッド４２０から出射したレーザビームを、レーザビーム評価装置１００で測定して、レーザ発振器４００と光ファイバ５００との間の調芯を行っている。しかし、これに限らず、光ファイバ５００の出射端から出射されるレーザビームを、直接、レーザビーム評価装置１００で測定して、調芯を行ってもよい。
本発明の一態様に係る調芯方法は、レーザビームの形状を所望の形状に絞りつつ、加工に必要なレーザビームのパワーを確保でき、有用である。
１００ レーザビーム評価装置
１２０ ダンパ部
１３０ ＦＦＰ（ビーム品質）測定部
１４０ パワー測定部
１５０ 部分反射ミラー
１５１ 部分反射ミラー
２００ ファイバ結合部
２１０ 集光レンズ
２２０〜２４０ レンズ調整機構（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）
２７０ アクチュエータ
２８０ 変位センサ
４００ レーザ発振器
４１０ マニピュレータ
４２０ レーザ出射ヘッド
５００ 光ファイバ

Claims (3)

  1. レーザ発振器と、該レーザ発振器に接続される光ファイバとの間で調芯する方法であって、
    前記レーザ発振器の光出射部と前記光ファイバの入射端との間に、前記レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光する集光レンズ及び該集光レンズの位置を調整するレンズ調整機構が配置され、
    前記光ファイバの出射端から出射されたレーザビームを少なくとも第１及び第２のレーザビームを含む複数のレーザビームに分岐して、該分岐された第１のレーザビームのパワー及び第２のレーザビームのＦａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ（ＦＦＰ）をそれぞれ測定する測定ステップと、
    前記測定された前記第１のレーザビームのパワーが最大となるように前記集光レンズの位置を調整し、そのときの位置を第１のレンズ位置として記憶する第１調整ステップと、
    前記測定された前記第２のレーザビームのＦＦＰからＢｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ＢＰＰ）を求めて該ＢＰＰが最小となるように前記集光レンズの位置を調整し、そのときの位置を第２のレンズ位置として記憶する第２調整ステップと、
    前記集光レンズを前記第１のレンズ位置と前記第２のレンズ位置との間で移動させたときの前記第２のレーザビームのＦＦＰを測定する第３調整ステップと、
    前記第３調整ステップにおいて測定された前記第２のレーザビームのＦＦＰからＢＰＰを求めて該ＢＰＰが所定値以下となるように前記集光レンズの位置を調整する第４調整ステップと、を備えた、調芯方法。
  2. 前記第４調整ステップにおいて、前記ＢＰＰが所定値以上となる場合は、前記ＢＰＰが所定値となる直前の位置を前記集光レンズの最終位置として固定する一方、前記ＢＰＰが所定値未満である場合は、前記第１のレンズ位置を前記集光レンズの最終位置として固定する、請求項１に記載の調芯方法。
  3. 前記レンズ調整機構は、前記集光レンズの位置を検知する変位センサと、前記集光レンズを移動させるためのアクチュエータと、を有し、
    前記第１調整ステップにおいて、前記変位センサにより検知された前記集光レンズの位置が、前記第１のレンズ位置になるように前記アクチュエータを作動させて前記集光レンズを移動させ、
    前記第２調整ステップにおいて、前記変位センサにより検知された前記集光レンズの位置が、前記第２のレンズ位置になるように前記アクチュエータを作動させて前記集光レンズを移動させ、
    前記第４調整ステップにおいて、前記変位センサにより検知された前記集光レンズの位置が、前記ＢＰＰの所定値以下となる位置になるように前記アクチュエータを作動させて前記集光レンズを移動させる、請求項１または２のいずれかに記載の調芯方法。
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