JP2019204860A - レーザ装置及び加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ装置を構成する集光アセンブリなどの温度上昇に起因した焦点シフトを抑制する。【解決手段】一実施形態に係るレーザ装置は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光させる集光アセンブリと、前記集光アセンブリを収容するためのカバーであって、前記レーザ光の光路に前記レーザ光が透過可能な保護ウインドウを有するカバーと、を備えるレーザ装置であって、前記保護ウインドウは、前記レーザ光の光路に沿って配置された屈折率の温度係数が正である少なくとも１枚の第１保護ウインドウと、屈折率の温度係数が負である少なくとも１枚の第２保護ウインドウとを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ装置及び該レーザ装置を備える加工装置に関する。
レーザ光を用いた加工技術の実用化が進んでいる。レーザ装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器や、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光アセンブリなどを備える。この集光アセンブリは、レーザ光を透過して集光する光学系レンズ、又はレーザ光を反射して集光するミラーなどを含んで構成される。
光学系レンズ及びミラーは、レーザ光の照射と共にレーザ光がもつエネルギを吸収して温度が上昇する。この温度上昇に起因して集光アセンブリで集光されるレーザ光の焦点距離が変化するという問題が生じ、レーザ装置が高出力であるほど温度上昇が大きくなる。焦点距離が変化することで、レーザ光を用いる加工装置では、加工される被加工部材の加工品質が低下する虞がある。
特許文献１には、集光アセンブリを構成する光学系レンズの温度上昇による焦点距離の変化を抑制する手段が開示されている。この手段は、集光アセンブリを構成する複数のレンズを、屈折率の温度係数が正のレンズと、屈折率の温度係数が負のレンズとを組み合わせて構成し、正のレンズの温度上昇による焦点距離の変化を負のレンズで補正することで、焦点距離の変化を抑制するようにしている。
特表２０１３−５２４５３９号公報
本発明者等は、集光アセンブリにおける温度上昇による焦点距離の変化（以下「焦点シフト」とも言う。）を低減するために、特許文献１に開示された手段を試みた。しかし、焦点シフトは意図したようには低減しなかった。そのため、別な対策を講じる必要がある。
一実施形態は、レーザ装置を構成する集光アセンブリなどの温度上昇に起因した焦点シフトを抑制することを目的とする。
（１）一実施形態に係るレーザ装置は、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光させる集光アセンブリと、
前記集光アセンブリを収容するためのカバーであって、前記レーザ光の光路に前記レーザ光が透過可能な保護ウインドウを有するカバーと、
を備えるレーザ装置であって、
前記保護ウインドウは、前記レーザ光の光路に沿って配置された屈折率の温度係数が正である少なくとも１枚の第１保護ウインドウと、屈折率の温度係数が負である少なくとも１枚の第２保護ウインドウとを含む。
上記カバーは、集光アセンブリを保護するために設けられる。レーザ光を用いた加工装置、例えば、溶接装置などにおいては、煙やガスが発生するため、煙やガスから集光アセンブリを保護する。カバーのレーザ光が透過する部位には開口が形成され、該開口には通常レーザ光の透過率が高い材質からなり、例えば板状に形成された保護ウインドウが形成される。
本発明者等は、保護ウインドウをレーザ光が透過するときに、集光アセンブリと同様の焦点シフトが発生するため、集光アセンブリの焦点シフトを抑制しても、全体として焦点シフトを抑制できないという知見を得た。
上記（１）の構成によれば、保護ウインドウが、レーザ光の光路に沿って屈折率の温度係数が正である第１保護ウインドウと屈折率の温度係数が負である第２保護ウインドウとを含むため、温度上昇過程で、第１保護ウインドウの屈折率の変化による焦点シフトを第２保護ウインドウの屈折率の変化によって補正し相殺できる。これによって、レーザ光が保護ウインドウを通過するときの焦点シフトを抑制できる。従って、レーザ装置が加工装置に適用されるとき、加工装置で加工される被加工部材の品質低下を抑制できる。
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの屈折率の温度係数の絶対値をＡ、
前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの屈折率の温度係数の絶対値をＢ、とした場合に、
０．８Ｂ≦Ａ≦１．２Ｂの関係を満たす。
上記（２）の構成によれば、第１保護ウインドウと第２保護ウインドウとは、屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、同一温度条件下では常に焦点シフトの発生を抑制できる。
（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの厚みをｔ１、
前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの厚みをｔ２、とした場合に、
０．８ｔ１≦ｔ２≦１．２ｔ１の関係を満たす。
上記（３）の構成によれば、第１保護ウインドウと第２保護ウインドウとは、厚みがほぼ同等であるため、ほぼ同等の熱容量を有する。従って、両者の昇温速度はほぼ同等となる。両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、常に焦点シフトの発生を抑制できる。
（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
前記第２保護ウインドウの枚数は、前記第１保護ウインドウの枚数よりも多くなるように構成される。
ここで、「温度拡散率」とは、後述するように、物質の熱伝導率、比熱及び密度によって定まる値であり、熱伝導率に比例し、比熱及び密度に反比例する。
上記（４）の構成によれば、第１保護ウインドウは第２保護ウインドウより温度拡散率が小さいために、同じ熱量を吸収しても第１保護ウインドウのほうが昇温速度は大きくなる。また、昇温速度が大きい分屈折率の変化量も大きくなる。他方、複数枚ある第１保護ウインドウ又は第２保護ウインドウの昇温による屈折率の変化量は個々の保護ウインドウの変化量の和となる。従って、個々の第１保護ウインドウは個々の第２保護ウインドウより屈折率の変化量は多いが、第２保護ウインドウのほうが枚数が多いために、第１保護ウインドウの屈折率の変化による焦点シフトは、第２保護ウインドウの屈折率の変化で相殺される。
（５）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウには、前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウよりも熱吸収率の大きなコーティングが施されている。
上記（５）の構成によれば、第１保護ウインドウは第２保護ウインドウより温度拡散率が小さいために、前述のように、第２保護ウインドウより昇温速度が大きくなり、屈折率の変化量も大きくなる。他方、第２保護ウインドウには第１保護ウインドウよりも熱吸収率の大きなコーティングが施されているため、このコーティングの熱吸収によって昇温速度が増加するため、第１保護ウインドウと第２保護ウインドウとの昇温速度の差は相殺される。従って、両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、常に焦点シフトの発生を抑制できる。
（６）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの枚数は、前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの枚数と同じであり、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの厚みをｔ１
前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの厚みをｔ２、とした場合に、
１．２ｔ２≦ｔ１の関係を満たす。
上記（６）の構成によれば、第１保護ウインドウは第２保護ウインドウより温度拡散率が小さいために、前述のように、第２保護ウインドウより昇温速度が大きくなり、屈折率の変化量も大きくなる。他方、第１保護ウインドウ及び第２保護ウインドウは同じ枚数を有し、かつ第１保護ウインドウの厚みは第２保護ウインドウの厚みより大きいため、第１保護ウインドウの熱容量の総和は第２保護ウインドウの熱容量の総和より大きくなる。熱容量が大きければ、昇温速度は小さくなるため、両者の昇温速度の違いは相殺される。従って、両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、常に焦点シフトの発生を抑制できる。
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
前記レーザ発振器から所定時間連続して前記レーザ光が出力された後における、前記第１保護ウインドウの昇温による前記レーザ光の屈折率の変化を、前記第２保護ウインドウの昇温による前記レーザ光の屈折率の変化でキャンセルするように構成される。
上記（７）の構成によれば、第１保護ウインドウは第２保護ウインドウより温度拡散率が小さいために、同じ熱量の吸収でも昇温速度は小さくなるが、この昇温速度の差によって生じる焦点シフトを、他の要素でキャンセルするように構成するため、昇温過程中の焦点シフトを抑制できる。
（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウが石英を含んで構成され、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウが蛍石を含んで構成される。
上記（８）の構成によれば、第１保護ウインドウ及び第２保護ウインドウとして、レーザ光に対して屈折率や分散性が低く、かつ透過率が良い石英及び蛍石を用いることで、集光アセンブリにおけるレーザ光の集光性を向上できる。
（９）一実施形態では、前記（８）の構成において、
前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウは、前記カバーの外側の空間に面して配置され、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウは、前記カバーの内側の空間に面して配置される。
レーザ装置が溶接装置などの加工装置に用いられるとき、加工部から発生する煙やガスで、カバーの外側の空間に面して配置される保護ウインドウほど早くよごれるため、交換時期を早くする必要がある。
上記（９）の構成によれば、蛍石と比べて安価な石英を含む第１保護ウインドウを蛍石を含む第２保護ウインドウより外側に配置することで、第１保護ウインドウの交換頻度が大きくなっても、高コストとならない。
（１０）一実施形態では、前記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記カバーは、前記レーザ光が前記集光アセンブリに入射する入口部に設けられる入口側保護ウインドウと、前記レーザ光が前記集光アセンブリから出射する出口部に設けられる出口側保護ウインドウとを含む。
上記（１０）の構成によれば、上記入口側保護ウインドウ及び上記出口側保護ウインドウの両方でレーザ光の焦点シフトを抑制できるので、集光アセンブリを含めたレーザ装置全体の焦点シフトを効果的に抑制できる。
（１１）一実施形態に係る加工装置は、
前記（１）〜（１０）の何れかの構成を有するレーザ装置と、
前記レーザ装置から照射される前記レーザ光を用いて被加工部材を加工する加工部と、
を備える。
上記（１１）の構成によれば、上記構成のレーザ装置を備えるため、レーザ装置から上記加工部に照射するレーザ光の焦点シフトを抑制できる。これによって、加工装置によって加工される被加工部材の品質低下を抑制できる。
幾つかの実施形態によれば、保護ウインドウの温度上昇に起因したレーザ光の焦点シフトを抑制できる。これによって、レーザ装置が適用される加工装置で加工される被加工部材の品質低下を抑制できる。
一実施形態に係るレーザ装置を概略的に示す一部断裁正面図である。 一実施形態に係るレーザ装置を概略的に示す一部断裁正面図である。 一実施形態に係るレーザ装置を概略的に示す一部断裁正面図である。 一実施形態に係るレーザ装置を概略的に示す一部断裁正面図である。 合成石英及び蛍石の物性値を示す表である。 合成石英の分散性を示す表である。 蛍石の物性値を示す表である。 一実施形態に係る加工装置を概略的に示す構成図である。 実験に用いたレーザ装置を概略的に示す一部断裁正面図である。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 焦点シフトの例を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１〜図４は、幾つかの実施形態に係るレーザ装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を示す。
図１〜図４において、レーザ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、レーザ光Ｒを発振するレーザ発振器１２と、レーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｒを集光させる集光アセンブリ１４（１４ａ、１４ｂ）と、を備える。集光アセンブリ１４で集光されたレーザ光Ｒは、例えば、加工装置で被加工部材を加工するために用いられる。また、集光アセンブリ１４を保護するためのカバー１６を備え、集光アセンブリ１４はカバー１６に収容される。上記加工装置が例えば溶接装置であるとき、溶接部から煙やガスが発生する。カバー１６は、集光アセンブリ１４に近づく煙やガスから集光アセンブリ１４を遮断し、集光アセンブリ１４を保護する。カバー１６は、カバー本体１８と、レーザ光Ｒがカバー１６を透過可能にするためにレーザ光Ｒの光路Ｏｐに設けられた保護ウインドウ２０（２０ａ、２０ｂ）とで構成される。
光学系レンズ又は反射用ミラーなどで構成される集光アセンブリ１４は、レーザ光Ｒの照射と共にレーザ光がもつエネルギを吸収して温度が上昇する。この温度上昇に起因して集光アセンブリ１４で集光されるレーザ光Ｒの焦点距離が変化する。レーザ装置１０が高出力であるほど温度上昇が大きくなるため、焦点シフト量も多くなる。焦点距離が変化すると、レーザ装置１０が適用される加工装置において、被加工部材の加工品質が低下する虞がある。
図１２は、温度上昇により発生する焦点シフト量の例を示したものである。ラインＸはレーザ装置の出力が５ｋＷの場合であり、ラインＹはレーザ装置の出力が２０ｋＷの場合である。同図から、レーザ装置が高出力になるほど焦点シフト量が増加することがわかる。
前述のように、本発明者等は、集光アセンブリ１４を構成する光学系レンズ又はミラーなどの焦点シフトを抑制しても、焦点シフト量は意図したように抑制できなかった。
図１〜図４に示す保護ウインドウ２０（２０ａ、２０ｂ）は、正の屈折率の温度係数を有する第１保護ウインドウ２２と、負の屈折率の温度係数を有する第２保護ウインドウ２４とを含んで構成され、これらはレーザ光Ｒの光路Ｏｐに沿って配置される。ここで、屈折率の温度係数とは、温度が１℃変化するときの屈折率の変化量を言う。
保護ウインドウ２０は、集光アセンブリ１４を構成する光学系レンズや反射用ミラー等と同様に、レーザ光Ｒが透過するにつれてレーザ光Ｒのエネルギを吸収して次第に温度が上昇する。保護ウインドウ２０が昇温すると、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４を透過するレーザ光Ｒの屈折率が変化する。第１保護ウインドウ２２は正の屈折率の温度係数を有し、第２保護ウインドウ２４は負の屈折率の温度係数を有するため、保護ウインドウ２０を透過するレーザ光Ｒは、第１保護ウインドウ２２の昇温による屈折率の変化は、第２保護ウインドウ２４で補正され相殺される。これによって、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できる。このように、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できるので、レーザ装置１０が加工装置に用いられるとき、加工装置で加工される被加工部材の品質低下を抑制できる。
一実施形態では、保護ウインドウ２０は、レーザ光Ｒの光路Ｏｐに面したカバー１６の壁面に開口が形成され、該開口にレーザ光Ｒが透過可能な物質でできた板状体が設けられて構成される。
一実施形態では、図１及び図３に示すレーザ装置１０（１０Ａ、１０Ｃ）において、集光アセンブリ１４（１４ａ）は、第１レンズ３０及び第２レンズ３２を含んで構成され、第１レンズ３０及び第２レンズ３２は光路Ｏｐに面して設けられ、かつ第１レンズ３０は第２レンズ３２より上流側に設けられる。第１レンズ３０は、レーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｒを透過してコリメートする。第２レンズ３２は、第１レンズ３０でコリメートされたレーザ光Ｒを透過して集光させる。
一実施形態では、第１レンズ３０は、正の屈折率の温度係数を有するレンズ３４と、負の屈折率の温度係数を有するレンズ３６とを含んで構成される。これによって、レーザ光Ｒのエネルギを吸収したレンズ３４の温度上昇による屈折率の変化を、温度上昇したレンズ３６の屈折率の変化によって補正し相殺できる。従って、レーザ光Ｒが第１レンズ３０を通過するときの焦点シフトを抑制できる。また、第２レンズ３２は、正の屈折率の温度係数を有するレンズ３８と、負の屈折率の温度係数を有するレンズ４０とを含んで構成される。これによって、レーザ光Ｒのエネルギを吸収したレンズ３８の温度上昇による屈折率の変化を、温度上昇したレンズ４０の屈折率の変化によって補正し相殺できる。従って、レーザ光Ｒが第２レンズ３２を通過するときの焦点シフトを抑制できる。
この実施形態によれば、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できるだけでなく、レーザ光Ｒが集光アセンブリ１４（１４ａ）を通るときの焦点シフトを抑制できる。
一実施形態では、図２及び図４に示すレーザ装置１０（１０Ｂ、１０Ｄ）において、集光アセンブリ１４（１４ｂ）は、レーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｒを反射してコリメートするための第１ミラー４２と、第１ミラー４２でコリメートされたレーザ光Ｒ
を反射して集光させるための第２ミラー４４と、を含んで構成される。
一実施形態では、第１ミラー４２及び第２ミラー４４は、レーザ光Ｒを吸収しにくい銅製ミラーで構成される。第１ミラー４２及び第２ミラー４４は温度上昇しにくいため、熱変形による焦点シフトを抑制できる。さらに、第１ミラー４２及び第２ミラー４４の表面にレーザ光Ｒの吸収率が小さい誘電体多層膜などのコーティングを施すことで、さらに熱変形を抑制でき、これによって、焦点シフトを抑制できる。
こうして、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できるだけでなく、レーザ光Ｒが集光アセンブリ１４（１４ｂ）を通るときの焦点シフトを抑制できる。
一実施形態では、第１保護ウインドウ２２の屈折率の温度係数の絶対値をＡとし、第２保護ウインドウ２４の屈折率の温度係数の絶対値をＢとしたとき、０．８Ｂ≦Ａ≦１．２Ｂ、好ましくは、０．９Ｂ≦Ａ≦１．１Ｂの関係を満たすように構成される。
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４は、屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、同一温度の条件下では、常に第１保護ウインドウ２２の屈折率の変化によって生じる焦点シフトは、第２保護ウインドウ２４の屈折率の変化によって相殺される。これによって、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できる。
一実施形態では、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４は、屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であって、第１保護ウインドウ２２の厚みをｔ１とし、第２保護ウインドウ２４の厚みをｔ２としたとき、０．８ｔ１≦ｔ２≦１．２ｔ１、好ましくは、０．９ｔ１≦ｔ２≦１．１ｔ１の関係を満たすように構成される。
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２と第２保護ウインドウ２４とは、厚みがほぼ同等であるため、ほぼ同等の熱容量を有する。従って、レーザ光Ｒのエネルギを吸収して温度上昇する両者の昇温速度はほぼ同等となる。また、両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、第１保護ウインドウ２２の屈折率の変化によって生じる焦点シフトは、常に第２保護ウインドウ２４の屈折率の変化によって相殺されるため、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を透過するときの焦点シフトを抑制できる。
一実施形態では、図１、図２及び図４に示すレーザ装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｄ）において、第１保護ウインドウ２２の温度拡散率は、第２保護ウインドウ２４の温度拡散率よりも小さく、かつ光路Ｏｐに沿って設けられる第２保護ウインドウ２４の枚数は、第１保護ウインドウ２２の枚数よりも多い。
ここで、「温度拡散率」とは、伝熱現象において定常状態の温度勾配などを求めるときに用いられる物性値であり、次式で定義される（単位；ｍ２／ｓ）。次式から、温度拡散率αは熱伝導率ｋに比例し、密度ρ及び比熱ｃｐに反比例する。
温度拡散率α＝ｋ／ρ・ｃｐ
ここで、ｋ；熱伝導率（Ｊｓ−１ｍ−１Ｋ−１）
ρ；密度（ｋｇｍ−３）
ｃｐ；比熱（Ｊｋｇ−１Ｋ−１）
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２は第２保護ウインドウ２４より温度拡散率が小さいために、同じ熱量を吸収しても第１保護ウインドウ２２のほうが昇温速度は大きくなる。また、昇温速度が大きい分屈折率の変化量も大きくなる。他方、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４が夫々複数枚あるとき、昇温による第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４の屈折率の変化量は、夫々個々の保護ウインドウの変化量の和となる。従って、第２保護ウインドウ２４は第１保護ウインドウ２２より枚数が多い分だけ変化量の和は多くなる。従って、個々の第１保護ウインドウ２２は個々の第２保護ウインドウ２４より屈折率の変化量は多いが、第２保護ウインドウ２４のほうが枚数が多いために、第１保護ウインドウ２２の屈折率の変化による焦点シフトは、第２保護ウインドウの屈折率の変化で相殺される。これによって、昇温過程中の焦点シフトを抑制できる。
一実施形態では、第１保護ウインドウ２２の温度拡散率は、第２保護ウインドウ２４の温度拡散率よりも小さく、かつ第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４には、夫々熱吸収量を少なくして保護ウインドウの熱変形を抑制するためのコーティングが施される。また、第２保護ウインドウ２４には、第１保護ウインドウ２２よりも熱吸収率の大きなコーティングが施されている。
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２は第２保護ウインドウ２４より温度拡散率が小さいために、前述のように、第２保護ウインドウ２４より昇温速度が大きくなり、屈折率の変化量も大きくなる。他方、第２保護ウインドウ２４には第１保護ウインドウ２２よりも熱吸収率の大きなコーティングが施されているため、このコーティングの熱吸収によって昇温速度が増加する。従って、第１保護ウインドウ２２と第２保護ウインドウ２４との昇温速度の差は相殺される。両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、常に焦点シフトの発生を抑制できる。
一実施形態では、図３に示すレーザ装置１０（１０Ｃ）において、第１保護ウインドウ２２の温度拡散率は、第２保護ウインドウ２４の温度拡散率よりも小さく、かつ光路Ｏｐに沿って同数の第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４が設けられる。さらに、第１保護ウインドウ２２の光路Ｏｐに沿う厚みは、第２保護ウインドウ２４より大きい。即ち、第１保護ウインドウ２２の厚みをｔ１とし、第２保護ウインドウ２４の厚みをｔ２としたとき、１．２ｔ２≦ｔ１の関係を満たす。一例として、１．５ｔ２≦ｔ１≦３．５の関係を満たす。
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２は第２保護ウインドウ２４より温度拡散率が小さいために、前述のように、第２保護ウインドウ２４より昇温速度が大きくなり、屈折率の変化量も大きくなる。他方、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４は同じ枚数を有し、かつ第１保護ウインドウ２２の厚みは第２保護ウインドウ２４の厚みより大きいため、第１保護ウインドウ２２の熱容量の総和は第２保護ウインドウ２４の熱容量の総和より大きくなる。熱容量が大きければ、昇温速度は小さくなるため、両者の昇温速度の違いは相殺される。従って、両者の屈折率の温度係数の絶対値がほぼ同等であるため、昇温過程中、常に焦点シフトの発生を抑制できる。
一実施形態では、第１保護ウインドウ２２の温度拡散率は、第２保護ウインドウ２４の温度拡散率よりも小さい。そして、レーザ発振器１２から所定時間連続してレーザ光Ｒが出力された後における、第１保護ウインドウ２２の昇温によるレーザ光Ｒの屈折率の変化を、第２保護ウインドウ２４の昇温によるレーザ光Ｒの屈折率の変化でキャンセルするように構成される。
この実施形態によれば、第１保護ウインドウ２２は第２保護ウインドウ２４より温度拡散率が小さいために、同じ熱量の吸収でも昇温速度は小さくなるが、この昇温速度の差によって生じる焦点シフトを、他の要素でキャンセルするように構成するため、昇温過程中の焦点シフトを抑制できる。
図５は、合成石英及び蛍石の屈折率の温度係数及び線膨張係数を示す。図６（出典；信越石英株式会社（技術ガイド科学物性値ＰＣ−ＴＧ−ＣＦＣ−００６）より）及び図７（出典；株式会社ネオトロン（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｏｔｒｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｃｒｙｓａｌ／４．ｈｔｍｌ）より）は、合成石英及び蛍石の物性値を示す。
図５に示すように、合成石英は正の屈折率の温度係数を有し、蛍石は負の屈折率の温度係数を有すると共に、両者の温度係数の絶対値はほぼ同等である。従って、合成石英を含む第１保護ウインドウ２２の温度上昇による屈折率の変化を、蛍石を含み温度上昇した第２保護ウインドウ２４の屈折率の変化によって補正し相殺できる。これによって、レーザ光Ｒが保護ウインドウ２０を通過するときの焦点シフトを抑制できる。
なお、図５に示すように、合成石英と蛍石の線膨張係数は大きく異なっている。そのため、蛍石は線膨張係数が大きいために、蛍石を含む保護ウインドウは昇温するにつれて熱容量が大きくなるため、昇温速度は次第に低下する。この物性値の違いを考慮して、昇温速度が同等となるように、保護ウインドウの他の要素（例えば、厚さ、枚数等）を設定する必要がある。
一実施形態では、第１保護ウインドウ２２が石英を含んで構成され、第２保護ウインドウ２４が蛍石を含んで構成される。図６及び図７から、合成石英の温度拡散率は蛍石の温度拡散率の約１／３である。従って、第１保護ウインドウ２２の昇温速度は第１保護ウインドウ２２の昇温速度の約３倍となる。この昇温速度の違いを、上記実施形態のように、他の要素、例えば、保護ウインドウの枚数や表面にコーティングされるコーティング層のレーザ光の吸収率の違い等によって相殺するようにする。これによって、焦点シフトを抑制できる。例えば、第１保護ウインドウ２２と第２保護ウインドウ２４の厚みが同等であるとき、第２保護ウインドウ２４の枚数を第１保護ウインドウ２２の枚数の３倍とする。あるいは、第１保護ウインドウ２２と第２保護ウインドウ２４の枚数を同一とし、第２保護ウインドウ２４の厚みｔ１を第２保護ウインドウ２４の厚みｔ２の３倍にする。
また、第１保護ウインドウ２２及び第２保護ウインドウ２４として、レーザ光に対して屈折率や分散性が低く、かつ透過率が良い石英及び蛍石を用いることで、レーザ光が透過するときの温度上昇を抑制でき、焦点シフトの発生を抑制できる。
一実施形態では、図１〜図４に示すように、石英を含んで構成される第１保護ウインドウ２２は、カバー１６の外側の空間に面して配置され、蛍石を含んで構成される第２保護ウインドウ２４は、カバー１６の内側の空間に面して配置される。即ち、同図に示すように、カバー１６において、第２保護ウインドウ２４は光路Ｏｐに沿って第１保護ウインドウ２２より内側に配置される。言い換えれば、第２保護ウインドウ２４は、第１保護ウインドウ２２に対して、カバー１６の内部に収容される集光アセンブリ１４に近い位置に配置される。
レーザ装置１０が加工装置に適用されるとき、加工部から発生する煙やガスで、カバーの外側の空間に面して配置される保護ウインドウほど早くよごれるため、交換時期を早くする必要がある。
この実施形態によれば、蛍石と比べて安価な石英を含む第１保護ウインドウ２２を蛍石を含む第２保護ウインドウ２４より外側に配置することで、第１保護ウインドウ２２の交換頻度が大きくなっても、高コストとならない。
一実施形態では、カバー１６は、レーザ光Ｒが集光アセンブリ１４に入射する入口部に設けられる入口側保護ウインドウ２０（２０ａ）と、レーザ光Ｒが集光アセンブリ１４から出射する出口部に設けられる出口側保護ウインドウ２０（２０ｂ）とを含む。
この実施形態によれば、保護ウインドウ２０が集光アセンブリ１４の入口部及び出口部に設けられるため、これら保護ウインドウ２０（２０ａ、２０ｂ）の両方でレーザ光Ｒの焦点シフトを抑制できるので、集光アセンブリ１４を含めたレーザ装置全体の焦点シフトを効果的に抑制できる。
一実施形態に係る加工装置５０は、図８に示すように、レーザ装置１０と、レーザ装置１０から照射されるレーザ光Ｒを用いて被加工部材を加工する加工部５２と、を備える。レーザ装置１０から照射されるレーザ光Ｒを用い、加工部５２で被加工部材５４を加工する。レーザ装置１０から照射されるレーザ光Ｒの焦点シフトを抑制できるため、加工部５２で加工される被加工部材５４の品質低下を抑制できる。また、レーザ装置１０において、焦点シフトの補正に要する装置が不要になるため、レーザ装置１０の構成を簡素化できる。
一実施形態では、レーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｒは光ファイバ４６を介して集光アセンブリ１４に送られる。
一実施形態では、加工装置５０は、被溶接材５４を溶接するための溶接装置である。該溶接装置は、被溶接材５４の溶接個所ｗに溶接トーチ５６によって溶接ワイヤ５８が送られる。溶接ワイヤ５８は、ワイヤ供給装置６０から送給ロール６２によって溶接トーチ５６に送られる。アーク溶接を行う場合、電源装置６４から溶接トーチ５６及び被溶接材５４に電圧が印加され、溶接個所ｗと溶接ワイヤ５８との間にアークが形成される。
この実施形態によれば、溶接装置５０の稼働中、レーザ装置１０で焦点シフトを抑制できるため、焦点シフトを補正する必要がなくなるため、光ファイバ４６と集光アセンブリ１４とを一体化でき、レーザ装置１０を簡素化できる。
図９〜図１１は、一つの実験例を示す。図９は、この実験で用いた実験装置７０の構成を概略的に示す正面図である。図９において、実験装置７０は、カバー１６の内部に集光アセンブリ７２が設けられている。集光アセンブリ７２を構成するコリメート用の第１レンズ３０はレンズ７４及び７６で構成され、集光用の第２レンズ３２はレンズ７８及び８０で構成される。レンズ７４，７６，７８及び８０は、すべて合成石英で構成されている。カバー１６は、カバー本体１８と、レーザ発振器１２から発振されるレーザ光Ｒの光路Ｏｐに面して設けられた入口側保護ウインドウ８２（８２ａ）及び出口側保護ウインドウ８２（８２ｂ）とで構成される。入口側保護ウインドウ８２（８２ａ）は、光路Ｏｐに面して集光アセンブリ７２の入口部に設けられ、出口側保護ウインドウ８２（８２ｂ）は、光路Ｏｐに面して集光アセンブリ７２の出口部に設けられる。入口側保護ウインドウ８２（８２ａ）及び出口側保護ウインドウ８２（８２ｂ）は合成石英で構成される。
カバー１６の下流側の光路Ｏｐに面した位置であって、かつレーザ光Ｒが焦点を結ぶ位置より上流側の位置に保護ウインドウ８４が設けられる。保護ウインドウ８４の下流側でレーザ光Ｒが焦点を結ぶ位置にビームウォッチャ８６が設けられる。保護ウインドウ８４として、正の屈折率の温度係数を有する合成石英製の保護ウインドウと、負の屈折率の温度係数を有する蛍石製の保護ウインドウとが用意され、これら２種類の保護ウインドウを夫々設けた場合の焦点シフト量を計測する。ビームウォッチャ８６は、光路Ｏｐに対して直交する方向であってかつ互いに直交する２方向から視認したときの焦点距離を計測できる。例えば、光路Ｏｐに直交する面上で焦点距離を上方から視認するときと、焦点距離を水平方向から視認するときの焦点距離を計測する。
実験装置７０として下記の仕様のレーザ装置を用いた。
＜レーザ装置＞
・ＩＰＧ製シングルモードレーザ（出力１０ｋＷ、波長１０７０ｎｍ）
・レーザ発振器１２から入光されるビーム品質；Ｍ２＝１．５
・レーザ発振器１２から入光されるビームの径；２０μｍ
・保護ウインドウ８４を通過する際のビーム径；３０〜５０μｍ程度
保護ウインドウ８４は、合成石英製及び蛍石製とも１０７０〜１０８０ｎｍ用のコーティングを施した。形状は直径６０ｍｍ×厚さ３ｍｍである。
図１０及び図１１は本実験結果を示す。図１０は、保護ウインドウ８４として合成石英製の保護ウインドウを用いた場合の焦点シフト量を示し、図１１は、保護ウインドウ８４として蛍石製の保護ウインドウを用いた場合の焦点シフト量を示す。同図中、黒点及び白抜き点は、夫々上記２方向から視認したときの焦点距離を示す。
図１０に示す焦点シフト量は約１．４ｍｍであり、図１１に示す焦点シフト量は約０．９ｍｍであった。従って、保護ウインドウ８４として、合成石英製の保護ウインドウを用いた場合に対して蛍石製の保護ウインドウを用いた場合は、０．５ｍｍ程度の焦点シフト抑制効果があることが確認された。
幾つかの実施形態によれば、保護ウインドウの温度上昇に起因したレーザ光の焦点シフトを抑制できる。これによって、レーザ光を用いる加工装置で加工される被加工部材の品質低下を抑制でき、かつ焦点シフトの補正に要する装置をなくすことができるため、レーザ装置を簡素化できる。
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ） レーザ装置
１２ レーザ発振器
１４（１４ａ、１４ｂ）、７２ 集光アセンブリ
１６ カバー
１８ カバー本体
２０、８２、８４ 保護ウインドウ
２０（２０ａ）、８２（８２ａ） 入口側保護ウインドウ
２０（２０ｂ）、８２（８２ｂ） 出口側保護ウインドウ
２２ 第１保護ウインドウ
２４ 第２保護ウインドウ
３０ 第１レンズ
３２ 第２レンズ
３４、３６、３８、４０、７４、７６，７８，８０ レンズ
４２ 第１ミラー
４４ 第２ミラー
４６ 光ファイバ
５０ 加工装置（溶接装置）
５２ 加工部
５４ 被加工部材（被溶接材）
５６ 溶接トーチ
５８ 溶接ワイヤ
６０ ワイヤ供給装置
６２ 送給ロール
６４ 電源装置
７０ 実験装置
８６ ビームウォッチャ
Ｏｐ 光路
Ｒ レーザ光
ｗ 溶接個所

Claims (11)

  1. レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光させる集光アセンブリと、
    前記集光アセンブリを収容するためのカバーであって、前記レーザ光の光路に前記レーザ光が透過可能な保護ウインドウを有するカバーと、
    を備えるレーザ装置であって、
    前記保護ウインドウは、前記レーザ光の光路に沿って配置された屈折率の温度係数が正である少なくとも１枚の第１保護ウインドウと、屈折率の温度係数が負である少なくとも１枚の第２保護ウインドウとを含む
    レーザ装置。
  2. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの屈折率の温度係数の絶対値をＡ、
    前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの屈折率の温度係数の絶対値をＢ、とした場合に、
    ０．８Ｂ≦Ａ≦１．２Ｂの関係を満たす
    請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの厚みをｔ１
    前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの厚みをｔ２、とした場合に、
    ０．８ｔ１≦ｔ２≦１．２ｔ１の関係を満たす
    請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
    前記第２保護ウインドウの枚数は、前記第１保護ウインドウの枚数よりも多い
    請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
    前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウには、前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウよりも熱吸収率の大きなコーティングが施されている
    請求項３に記載のレーザ装置。
  6. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
    前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの枚数は、前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの枚数と同じであり、
    前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの厚みをｔ１
    前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの厚みをｔ２、とした場合に、
    １．２ｔ２≦ｔ１の関係を満たす
    請求項２に記載のレーザ装置。
  7. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウの温度拡散率は、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウの温度拡散率よりも小さく、
    前記レーザ発振器から所定時間連続して前記レーザ光が出力された後における、前記第１保護ウインドウの昇温による前記レーザ光の屈折率の変化を、前記第２保護ウインドウの昇温による前記レーザ光の屈折率の変化でキャンセルするように構成される
    請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザ装置。
  8. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウが石英を含んで構成され、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウが蛍石を含んで構成される
    請求項１乃至７の何れか一項に記載のレーザ装置。
  9. 前記少なくとも１枚の第１保護ウインドウは、前記カバーの外側の空間に面して配置され、前記少なくとも１枚の第２保護ウインドウは、前記カバーの内側の空間に面して配置される
    請求項８に記載のレーザ装置。
  10. 前記カバーは、前記レーザ光が前記集光アセンブリに入射する入口部に設けられる入口側保護ウインドウと、前記レーザ光が前記集光アセンブリから出射する出口部に設けられる出口側保護ウインドウとを含む
    請求項１乃至９の何れか一項に記載のレーザ装置。
  11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から照射される前記レーザ光を用いて被加工部材を加工する加工部と、
    を備える加工装置。
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