JPWO2018101184A1 - 調芯方法 - Google Patents
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Abstract
レーザ発振器と光ファイバの入射端面との間に、レーザビーム(300)を集光する集光レンズが配置されている。レーザビーム(300)を複数のビーム(303,304)に分岐する。レーザビーム(304)のパワーを測定し、この値が最大となるよう、また、レーザビーム(303)のFFPを測定し、得られたBPPが最小となるよう、各々の場合で集光レンズの位置を調整する。調整後の位置をそれぞれ第1及び第2のレンズ位置として記憶する。集光レンズをこれらの位置の間で移動させてレーザビーム(303)のFFPを測定し、得られたBPPが所定値以下となるよう集光レンズの位置を調整する。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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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