JP2020009851A - レーザ発振装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】利便性が高く、安定した加工品質を実現するレーザ発振装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】レーザ発振装置は、レーザ共振部と、ビーム切替ユニットと、固定レンズおよび移動レンズを有するレンズユニットと、レーザ共振部からレンズユニットを介して出射されたレーザビームを複数のプロセスファイバのうちの１つに向けて選択的に案内する複数のビーム切替部と、レーザビームを入射端に集光させる複数の集光レンズと、レンズユニットの移動レンズを光軸方向に移動させる駆動部と、駆動部および各ビーム切替部に接続された制御部と、を備え、制御部は、固定レンズから、レーザビームが案内されている各集光レンズまでの距離に応じて、移動レンズを光軸方向に移動させるように駆動部を制御するように構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ発振装置およびその制御方法に関し、とりわけビーム切替ユニット内の異なる位置に取り付けられた複数のプロセスファイバのそれぞれの入射端に、一定の広がり角を有するレーザビームを照射するレーザ発振装置およびその制御方法に関する。

レーザビームをワーク（被加工物）に照射して、ワークの切断等のレーザ加工を行う装置が知られている。こうしたレーザビームは、通常、ガウス分布の光強度を有するため、その加工品質はＢＰＰ（Beam Parameter Product）を用いて評価される。ＢＰＰは、レーザビームの広がり角θと、焦点または最小に集光される位置（ビームウエスト）におけるビーム半径ｄとの積で求められる。例えばＢＰＰ（とりわけビーム半径ｄ）が小さいレーザビームは、焦点深度（レイリー長さ：ビーム半径ｄの２√２倍に相当）が短く、薄いワークを加工する場合に適しており、ＢＰＰが大きいレーザビームは、焦点深度も長く、厚いワークを加工する場合に適している。すなわちレーザ加工に用いられるレーザビームは、ＢＰＰの値を一定に維持することにより、安定した加工品質を実現することができる。

従前より、レーザ発振器において、単一のレーザ光源からのレーザビームを１つまたはそれ以上のミラーアセンブリで反射させることにより、複数のプロセスファイバのうちの１つに選択的に分配するための装置が提案されている。また、ビーム分配装置を介さず、レーザ光源からのレーザビームをプロセスファイバに直接的に伝送するレーザ発振器もこれまでに知られている。

ビーム分配装置は、単一のレーザ光源と異なる位置に配置された複数のプロセスファイバとの間に配置されるため、レーザ光源から各プロセスファイバの入射端までの距離（レーザビームの光路の距離）は、互いに異なり、かつビーム分配装置を介しない場合に比して長くなる。またレーザ光源からのレーザビームは、コリメートされてビーム分配装置内に伝送され、各プロセスファイバの入射端に隣接して配置された集光レンズを用いて集光され、ビームウエストが入射端と一致する（プロセスファイバのコアに入射する）ように設計される。

しかしながら、レーザ光源から出射されるレーザビームは、光学系を用いてコリメートされた場合であっても、レーザ光源が所与の大きさを有する（点光源ではない）ことから完全に平行にすることはできず、レーザ光源からの距離に比例して広がって（発散して）しまう。そのため、各プロセスファイバの入射端から対応する集光レンズまでの距離は一定に設計されるところ、レーザ光源から各プロセスファイバまでの距離が大きくなると、集光レンズで集光されるレーザビームの広がり角（ＢＰＰ）が大きくなり、焦点深度も長くなる。すなわちレーザビームが、単一のレーザ光源からビーム分配装置を介して異なる位置に配置された複数のプロセスファイバに伝送されるとき、各プロセスファイバの入射端におけるレーザビームの広がり角が異なるため、各プロセスファイバによる加工品質にばらつきが生じてしまう。

例えば特許文献１には、単一のレーザ光源からのレーザビームを複数のプロセスファイバに分配するビーム分配装置が記載されている。このビーム分配装置は、小型で剛性を有するハウジングを備え、ハウジングは重厚な一体構造を有する。またビーム分配装置は、概略、入力ポートを構成する入力モジューラコネクタ、出力ポートを構成する出力モジューラコネクタ、および制御ポートに収容されたミラーアセンブリを備え、これらの構成部品は、互いの相対位置が正確に維持されるようにハウジング内に固定されている。

さらにビーム分配装置のミラーアセンブリは、レーザ発振器から出射されるレーザビームを反射して、プロセスファイバに選択的に分配するように構成されている。ミラーアセンブリは、支持プレートを有し、支持プレートは、ねじを締め付けたり、緩めたりすることにより、ハウジングに対するミラーアセンブリの位置を調節し、入力ポートと出力ポートとを正確に位置合わせすることができる。

一方、特許文献２には、さまざまなワークに応じた最適なＢＰＰを有するレーザビームを照射できるレーザ加工装置が記載されている。具体的には、このレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されるレーザビームを、複数の光路から選択される１つに導光するビーム光路切替部と、各光路に対応するプロセスファイバと、各光路上に配置され、レーザビームを集光して、各光路に対応するプロセスファイバに導光する複数の集光レンズと、を備え、複数の集光レンズが、互いに異なる焦点距離を有し、複数のプロセスファイバがそれぞれ、対応する集光レンズの焦点距離に応じたコア径を有する。

米国特許第７９８２９３５B２号明細書 特開２０１８−４３２５６号公報

しかしながら、特許文献１のビーム分配装置は、入力モジューラコネクタ、出力モジューラコネクタ、およびミラーアセンブリは、互いの相対位置が正確に維持されるようにハウジング内に固定されており、入力モジューラコネクタと出力モジューラコネクタとの間のレーザビームの光路長を調整することはできない。

またミラーアセンブリの支持プレートは、ハウジングに対するミラーアセンブリの位置を調節し、入力ポートと出力ポートとを正確に位置合わせできることが記載されているものの、やはり入力モジューラコネクタと出力モジューラコネクタとの間のレーザビームの光路長を調整することはできない。

また、特許文献２のレーザ加工装置は、各プロセスファイバに至る光路長が異なるため、各光路上に配置された複数の集光レンズが、互いに異なる焦点距離を有し、各プロセスファイバが対応する集光レンズの焦点距離に応じたコア径を有するように構成することにより、切断されるワークの厚みに対して最適なＢＰＰを有するレーザビームを照射しようとするものである。

例えば３つのプロセスファイバに入射するレーザビームのＢＰＰは、４ｍｍ・ｍｒａｄ、６ｍｍ・ｍｒａｄおよび８ｍｍ・ｍｒａｄである。またレーザビームのＢＰＰは、各プロセスファイバが対応する集光レンズの焦点距離に応じたコア径を有するように設計されている。このとき、ワークの厚みと切断速度は、特許文献２の図７に示すような対応関係を有し、ワークの厚みが５ｍｍ未満である場合、４ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。またワークの厚みが５〜１８ｍｍ程度である場合、６ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。さらにワークの厚みが１８ｍｍを超える場合、８ｍｍ・ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザビームＬＢを用いると、他のＢＰＰを有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。

このように特許文献２のレーザ加工装置は、切断されるワークの厚みに対して適当な焦点距離を有する集光レンズを介してレーザビームが入射する特定のプロセスファイバを用いることにより、ワークの切断速度を最適化するように構成されている。

しかしながら、特許文献２のレーザ加工装置では、切断されるワークの厚みに対応して特定のプロセスファイバを選択して使用する必要があり、換言すると、同一の厚みを有する同一材料からなるワークの加工に際し、複数のプロセスファイバのうち任意のプロセスファイバを使用することはできず、複数のプロセスファイバを有するレーザ発振装置の利便性が著しく低減する。

そこで本発明の１つの態様は、ビーム切替ユニット内の異なる位置に配置された複数のプロセスファイバと、単一のレーザ光源との間の光路長が異なっても、各プロセスファイバの入射端に、一定の広がり角を有するレーザビームを照射することにより、利便性が高く、安定した加工品質を実現するレーザ発振装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る１つの態様は、レーザ発振装置に関し、このレーザ発振装置は、レーザビームを出射するレーザ共振部と、複数のプロセスファイバが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニットと、前記ビーム切替ユニットに固定された少なくとも１つの固定レンズ、および前記固定レンズに対して前記レーザビームの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズを有するレンズユニットと、前記レーザ共振部から前記レンズユニットを介して出射された前記レーザビームを反射させて、前記複数のプロセスファイバのうちの１つに向けて選択的に案内する複数のビーム切替部と、前記ビーム切替部と前記プロセスファイバとの間に配置され、前記ビーム切替部で反射させた前記レーザビームを前記プロセスファイバの入射端に集光させる複数の集光レンズと、前記レンズユニットの前記移動レンズを光軸方向に移動させる駆動部と、前記駆動部および前記各ビーム切替部に接続された制御部と、を備え、前記制御部は、前記固定レンズから、前記レーザビームが案内されている前記各プロセスファイバまでの距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に移動させるように前記駆動部を制御するように構成される。

本発明に係る別の態様は、レーザ発振装置の制御方法に関し、この制御方法は、レーザビームを出射させる工程と、複数のプロセスファイバが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニットに少なくとも１つの固定レンズを固定するとともに、前記固定レンズに対して前記レーザビームの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズを配置する工程と、前記固定レンズおよび前記移動レンズを介して出射された前記レーザビームを反射させて、複数のプロセスファイバのうちの１つに向けて選択的に案内する工程と、反射させた前記レーザビームを、集光レンズを介して前記プロセスファイバの入射端に集光させる工程と、前記固定レンズから、前記レーザビームを集光している前記プロセスファイバまでの距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に移動させる工程と、を備える。

本発明に係る態様によれば、複数のプロセスファイバと、単一のレーザ光源との間の光路長が異なっても、各プロセスファイバの入射端に、一定の広がり角を有するレーザビームを照射することにより、利便性が高く、安定した加工品質を実現するレーザ発振装置およびその制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ発振装置の概略平面図である。 図１に示すレーザ発振装置の概略的な電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、レーザ発振装置の光学系ならびにプロセスファイバ、およびレーザビームの光路およびビームウエストにおける広がり角を示す概念図である。

本実施形態に係るレーザ発振装置１は、レーザビームＬＢを出射するレーザ共振部２と、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニット２０と、ビーム切替ユニット２０に固定された少なくとも１つの固定レンズ５２、および固定レンズ５２に対してレーザビームＬＢの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズ５４を有するレンズユニット５０と、レーザ共振部２からレンズユニット５０を介して出射されたレーザビームＬＢを反射させて、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのうちの１つに向けて選択的に案内する複数のビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃとプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃとの間に配置され、ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃで反射させたレーザビームＬＢをプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃに集光させる複数の集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、レンズユニット５０の移動レンズ５４を光軸方向に移動させる駆動部６０と、駆動部６０および各ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続された制御部４０と、を備え、制御部４０は、固定レンズ５２から、レーザビームＬＢが案内されている各プロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃまでの距離に応じて移動レンズ５４を光軸方向に移動させるように駆動部６０を制御するように構成される。
したがって、固定レンズ５２から各プロセスファイバ１０に対応する各集光レンズ３０までの距離Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３に応じて、移動レンズ５４を固定レンズ５２に対して光軸方向に移動させて、集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃに入射するレーザビームＬＢの広がり角θ（ひいては加工品質の評価指数ＢＰＰ）を一定に維持することにより、利便性が高く、安定した加工品質を実現するレーザ発振装置１を実現することができる。なお本願において、各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃに入射するレーザビームＬＢの広がり角θを「一定に維持する」とは、それぞれの広がり角θを完全に一定に維持する場合の他、それぞれの広がり角θが若干異なっていても、レーザ発振装置１の安定した加工品質を実現するように広がり角θを実質的に一定に維持するものと当業者によって同視される場合を含むものとする。

移動レンズ５４が凹レンズであり、固定レンズ５２が凸レンズであってもよい。このとき制御部４０は、移動レンズ５４を固定レンズ５２に遠ざける方向に移動させることにより、集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃによって集光されたレーザビームＬＢが、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれの入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおいて一定の広がり角θを有するように駆動部６０を制御する。
また、移動レンズ５４が凸レンズであり、固定レンズ５２が凹レンズであってもよい。この場合、制御部４０は、移動レンズ５４を固定レンズ５２に近づける方向に移動させることにより、集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃによって集光されたレーザビームＬＢが、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれの入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおいて一定の広がり角θを有するように駆動部６０を制御する。

駆動部６０は、移動レンズ５４が固定されたステージと、ステージをレーザビームＬＢの光軸方向に移動自在に支持するレールと、ステージをレールの上で移動させるアクチュエータと、を有するものであってもよい。

本実施形態に係るレーザ発振装置の制御方法は、レーザビームＬＢを出射させる工程と、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニット２０に少なくとも１つの固定レンズ５２を固定するとともに、固定レンズ５２に対してレーザビームＬＢの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズ５４を配置する工程と、固定レンズ５２および移動レンズ５４を介して出射されたレーザビームＬＢを反射させて、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのうちの１つに向けて選択的に案内する工程と、反射させたレーザビームＬＢをプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃに集光させる工程と、固定レンズ５２から、レーザビームＬＢが案内されている各プロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃまでの距離に応じて移動レンズ５４を光軸方向に移動させる工程と、を備える。

ここで添付図面を参照して、本発明に係るレーザ発振装置の実施形態を以下説明する。実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、図１の「左右方向」および「上下方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。なお、各図面において、同様の構成部品は同様の符号を用いて示す。

［レーザ発振装置の構成］
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ発振装置１の概略平面図であり、図２は、図１に示すレーザ発振装置１の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
本実施形態に係るレーザ発振装置１は、図１に示すように、概略、単一のレーザビームＬＢを出射するレーザ共振部２と、複数のプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが着脱可能に連結されたビーム切替ユニット２０とを備える。各プロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、その入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃに入射したレーザビームＬＢを伝送し、その出射端に取り付けられた加工ヘッド（ともに図示せず）を介したレーザビームＬＢがワーク（被加工物）に照射して、ワークを切断し、もしくは孔を空け（レーザ切断）、または２つまたはそれ以上のワークを溶接する（レーザ溶接）。なお、各プロセスファイバ１０は、コア１４およびクラッド１６を有する（図３）。

本実施形態に係るレーザ発振装置１を用いて、レーザ切断する際、加工ヘッドには、レーザビームＬＢと同軸上に高圧ガス（高圧の酸素、窒素、大気等）を吹き付けるためのガス孔と、ガス孔に高圧ガスを供給するガス流路が設けられる。レーザ切断では、レーザビームＬＢにより溶融されたワークの一部を高圧ガスにより除去しながら、ワークが切断され、または孔を空ける。

本実施形態に係るレーザ発振装置１を用いて、レーザ溶接する際、２つまたはそれ以上のワークを溶接する場合（レーザ溶接）、同様に図示しないが、加工ヘッドには、ワークに不活性ガス（アルゴン、ヘリウム等）を低圧で吹き付けるためのガス孔と、ガス孔に不活性ガスを供給するガス流路が設けられる。レーザビームＬＢにより溶融されたワークの酸化を不活性ガスにより抑制しながら、ワーク同士が溶接される。

［ビーム切替ユニット］
本実施形態に係るビーム切替ユニット２０は、概略、内部に配置された複数の（図２では３つの）ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、各ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに対応する出力コネクタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、および各出力コネクタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃに連結されたプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備える。

各ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、ステッピングモータ２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、これにより回転駆動されるスイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃとを有する。ステッピングモータ２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、制御部４０からの制御信号に基づき、スイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃをオン位置とオフ位置との間でスイッチングするように駆動する。なお、図１のスイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃはすべてオン位置にあり、レーザ共振部２からのレーザビームＬＢを、対応するすべてのプロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに導光しているように図示されているが、実際には、選択された単一のスイッチングミラー２８のみがオン位置にあって、対応するプロセスファイバ１０にのみレーザビームＬＢが案内されるように、制御部４０は、各ステッピングモータ２６ａ，２６ｂ，２６ｃを制御する。

例えば、制御部４０がステッピングモータ２６ａを選択的に駆動し、スイッチングミラー２８ａがオン位置にあるとき、ビーム切替ユニット２０に入射されたレーザビームＬＢは、スイッチングミラー２８ａで反射されて、集光レンズ３０ａを介して、対応する出力コネクタ２４ａに連結されたプロセスファイバ１０ａの入射端１２ａに入射され、プロセスファイバ１０ａから出射され、ワークがレーザ加工される。

また制御部４０がステッピングモータ２６ｂを選択的に駆動した場合、スイッチングミラー２８ａ，２８ｃはオフ位置にあり、レーザビームＬＢは、スイッチングミラー２８ｂで反射されて、集光レンズ３０ｂを介して、対応する出力コネクタ２４ｂに連結されたプロセスファイバ１０ｂの入射端１２ｂに入射され、プロセスファイバ１０ｂから出射され、ワークがレーザ加工される。

同様に、制御部４０がステッピングモータ２６ｃを選択的に駆動した場合、スイッチングミラー２８ａ，２８ｂはオフ位置にあって、レーザビームＬＢは、スイッチングミラー２８ｃで反射されて、集光レンズ３０ｃを介して、対応する出力コネクタ２４ｃに連結されたプロセスファイバ１０ｃの入射端１２ｃに入射され、プロセスファイバ１０ｃから出射され、ワークがレーザ加工される。

なお、スイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃのすべてがオフ位置にあるとき、レーザビームＬＢは、ビームダンパー３４に入射し、プロセスファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに入射することはない。

また本実施形態に係るビーム切替ユニット２０は、これに固定された少なくとも１つの固定レンズ５２と、固定レンズ５２に対してレーザビームＬＢの光軸Ｃの方向（図１の左右方向）に沿って移動可能な少なくとも１つの移動レンズ５４を有するレンズユニット５０を備える。すなわち本実施形態に係るビーム切替ユニット２０は、レンズユニット５０の移動レンズ５４をレーザビームＬＢの光軸Ｃの方向に沿って移動させる駆動部６０と、駆動部６０および各ビームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを制御する制御部４０とを備える。

本実施形態に係る駆動部６０は、図１に示すように、移動レンズ５４が固定されたステージ６２と、ステージ６２をレーザビームの光軸方向に移動させることができるように支持するレール６４と、ステージ６２をレール６４の上で移動させるアクチュエータ６６とを有するものであってもよい。アクチュエータ６６は、制御部４０からの駆動信号に基づき移動レンズ５４を正確に移動させることができるステッピングモータ（サーボモータ）であることが好ましい。

ここで、図１に概略的に図示したように、固定レンズ５２と図中最も右側に配置されたスイッチングミラー２８ａとの間の光路（距離）をＤ_１、固定レンズ５２と図中中央に配置されたスイッチングミラー２８ｂとの間の光路（距離）をＤ_２、固定レンズ５２と図中最も左側に配置されたスイッチングミラー２８ｃとの間の光路（距離）をＤ_３とし、各スイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃと、対応する各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃとの距離をＤ_０と定義する。

なお、ビーム切替ユニット２０に対する出力コネクタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃの図１の上下方向の配置位置を一定にし、ビーム切替ユニット２０を矩形に構成して、小型化するためには、各スイッチングミラー２８ａ，２８ｂ，２８ｃと、対応する各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃとの距離Ｄ_０は一定に設計するとともに、各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃの焦点距離ｆも一定に構成する必要がある。このとき、固定レンズ５２から各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃまでの光路（距離）はそれぞれ、Ｄ_１＋Ｄ_０、Ｄ_２＋Ｄ_０、およびＤ_３＋Ｄ_０で表される。

ところで、背景技術の欄でも説明したように、レーザ光源から出射されるレーザビームＬＢは、レンズユニット５０等を用いてコリメートされた場合であっても、レーザ光源が所与の大きさを有する（点光源ではない）ことから完全に平行にすることはできず、光軸に直交する方向において、レーザ光源または固定レンズ５２からの距離ＤおよびレーザビームＬＢの発散角γ（ラジアン）に比例して広がって（発散して）しまう。すなわち、詳細図示しないが、レーザビームＬＢの各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける入射ビーム半径Ｒは、レンズユニット５０によって完全に平行化されたと仮定した場合のレーザビームのビーム半径Ｒ_０に比して、それぞれ近似的にγ（Ｄ_１＋Ｄ_０）、γ（Ｄ_２＋Ｄ_０）、およびγ（Ｄ_３＋Ｄ_０）だけ大きくなる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、レーザ発振装置１の光学系（集光レンズ３０、固定レンズ５２、および移動レンズ５４）ならびにプロセスファイバ１０（破線で図示）、およびレーザビームＬＢの光路およびビームウエストにおける広がり角θを示す概念図である。なお、ビームウエストは入射端１２（プロセスファイバのコア１４）に一致するように設計され、図３（ａ）〜（ｃ）では、レーザビームＬＢの光路を分かりやすくするために、集光レンズ３０と移動レンズ５４との間に配置されるスイッチングミラー２８が省略されている。

より具体的には、図３（ａ）は、本実施形態に係るレーザ発振装置１において、固定レンズ５２から最も近い位置に配置されたプロセスファイバ１０ａに入射するレーザビームＬＢの光路およびビームウエストにおける広がり角θ_１を示す。
レーザ光源から出射されるレーザビームＬＢは、レンズユニット５０を介してコリメートされるが、レーザ光源が所与の大きさを有するため、レーザビームＬＢが進むにつれ、その径が光軸に直交する方向に広がり、集光レンズ３０ａにおける入射ビーム径Ｒ_１は、上述のビーム半径Ｒ_０に比べてγ（Ｄ_１＋Ｄ_０）だけ大きくなる。

このとき、集光レンズ３０ａに入射したレーザビームＬＢは、ビームウエスト（焦点ｆ）におけるビーム半径ｄ、および入射ビーム径Ｒ_１に依存する広がり角θ_１を有する。よって、図３（ａ）のレーザビームＬＢの加工品質を評価するＢＰＰは、ｄ×θ_１で表される。

一方、図３（ｂ）は、レンズ５４’が固定レンズ５２に対して固定された（移動しない）従来技術に係るレーザ発振装置において、固定レンズ５２から、より離れた位置に配置されたプロセスファイバ１０ｂに入射するレーザビームＬＢの光路およびビームウエストにおける広がり角θ_２を示す。
同様に、レーザ光源から出射されるレーザビームＬＢは、レンズユニット５０を介してコリメートされるが、レーザビームＬＢが進むにつれ、その径が広がり、集光レンズ３０ｂにおける入射ビーム径Ｒ_２は、上述のビーム半径Ｒ_０に比べてγ（Ｄ_２＋Ｄ_０）だけ大きく、図３（ａ）のビーム半径Ｒ_１よりγ（Ｄ_２−Ｄ_１）だけ大きくなる。すなわち図３（ｂ）の入射ビーム径Ｒ_２は、図３（ａ）の入射ビーム径Ｒ_１より、図１に示すスイッチングミラー２８ａ，２８ｂの間の距離（Ｄ_２−Ｄ_１）に比例して大きくなる。

このとき、集光レンズ３０ｂに入射したレーザビームＬＢは、ビームウエスト（焦点ｆ）におけるビーム半径ｄ、および入射ビーム径Ｒ_２に依存する広がり角θ_２を有し、図３（ｂ）のレーザビームＬＢの加工品質を評価するＢＰＰは、ｄ×θ_２で表される。また、レーザビームＬＢの入射ビーム径Ｒは、上述のように、固定レンズ５２から各集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃまでの光路（距離）に依存する。よって、レーザビームＬＢの広８がり角θは、固定レンズ５２から各集光レンズ３０までの光路（距離）に依存する。

上記説明したように、レーザビームＬＢの加工品質を評価するＢＰＰは、一般にｄ×θで表され、広がり角θ_１，θ_２が入射ビーム径Ｒ_１，Ｒ_２（すなわち固定レンズ５２から各集光レンズ３０までの距離）に依存するため、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すレーザビームＬＢのＢＰＰが互いに異なり、これらによる加工品質にばらつきが生じる。

図３（ｃ）は、本実施形態に係るレーザ発振装置１において、図３（ｂ）と同様、より離れた位置に配置されたプロセスファイバ１０ｂに入射するレーザビームＬＢの光路およびビームウエストにおける広がり角θ_３を示す。

本実施形態に係る移動レンズ５４は、図３（ｃ）の破線矢印で示すように、固定レンズ５２に対して光軸方向に移動するように構成されている。
すなわち、図３（ｃ）の集光レンズ３０ｂにおける入射ビーム径Ｒ_３を、図３（ａ）の入射ビーム径Ｒ_１と一致させる（Ｒ_３＝Ｒ_１）ことにより、図３（ｃ）のレーザビームＬＢの広がり角θ_３を、図３（ａ）のレーザビームＬＢの広がり角θ_１と一致させる（θ_３＝θ_１）ように、移動レンズ５４を固定レンズ５２から遠ざかる方向（図中左方向）に移動させる。

さらに換言すると、本実施形態に係る制御部４０は、ステッピングモータ２６を選択的に駆動して、特定のスイッチングミラー２８をオン位置に設定したとき、選択されたスイッチングミラー２８によらず、固定レンズ５２から各集光レンズ３０までの距離（Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３）に応じて、レーザビームＬＢの広がり角θが一定となるように、移動レンズ５４が固定されたステージ６２をレール６４上で光軸方向に沿って移動するようにアクチュエータ６６を駆動する。

以上のように、本実施形態によれば、固定レンズ５２から各プロセスファイバ１０に対応する各集光レンズ３０までの距離（Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３）に応じて、移動レンズ５４を固定レンズ５２に対して光軸方向に移動させて、集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃに入射するレーザビームＬＢの広がり角θ（ひいては加工品質の評価指数ＢＰＰ）を一定に維持することにより、利便性が高く、安定した加工品質を実現するレーザ発振装置１を実現することができる。

なお、上記実施形態では、レンズユニット５０の固定レンズ５２が凸レンズであり、移動レンズ５４が凹レンズであるものとしたが、固定レンズ５２が凹レンズであり、移動レンズ５４が凸レンズであってもよい。この場合、固定レンズ５２から各プロセスファイバ１０に対応する各集光レンズ３０までの距離（Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３）に応じて、移動レンズ５４を固定レンズ５２に対して移動させて、集光レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃに入射するレーザビームＬＢの広がり角θを一定に維持するようにレンズユニットを構成してもよい。ただし、移動レンズ５４を固定レンズ５２に対して移動させる方向は、上記実施形態の場合とは反対の方向になる。本発明は、詳細図示しないが、その他の任意の光学系を採用することができる。

本発明は、複数のプロセスファイバと単一のレーザ光源とを有するレーザ発振装置に利用することができる。

１…レーザ発振装置
２…レーザ共振部
１０…プロセスファイバ
１２…入射端
１４…コア
１６…クラッド
２０…ビーム切替ユニット
２２…ビームスイッチ
２４…出力コネクタ
２６…ステッピングモータ
２８…スイッチングミラー
３０…集光レンズ
３４…ビームダンパー
４０…制御部
５０…レンズユニット
５２…固定レンズ
５４…移動レンズ
６０…駆動部
６２…ステージ
６４…レール
６６…アクチュエータ
Ｃ…光軸
ＬＢ…レーザビーム

Claims (7)

1. レーザビームを出射するレーザ共振部と、
   複数のプロセスファイバが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニットと、
   前記ビーム切替ユニットに固定された少なくとも１つの固定レンズ、および前記固定レンズに対して前記レーザビームの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズを有するレンズユニットと、
   前記レーザ共振部から前記レンズユニットを介して出射された前記レーザビームを反射させて、前記複数のプロセスファイバのうちの１つに向けて選択的に案内する複数のビーム切替部と、
   前記ビーム切替部と前記プロセスファイバとの間に配置され、前記ビーム切替部で反射させた前記レーザビームを前記プロセスファイバの入射端に集光させる複数の集光レンズと、
   前記レンズユニットの前記移動レンズを光軸方向に移動させる駆動部と、
   前記駆動部および前記各ビーム切替部に接続された制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記固定レンズから、前記レーザビームが案内されている前記各集光レンズまでの距離に応じて、前記移動レンズを光軸方向に移動させるように前記駆動部を制御するように構成された、レーザ発振装置。
2. 前記制御部は、前記距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に移動させることにより、前記集光レンズによって集光された前記レーザビームが、前記複数のプロセスファイバのそれぞれの入射端において、一定の広がり角を有するように前記駆動部を制御する、請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記移動レンズは、凹レンズであり、
   前記固定レンズは、凸レンズであり、
   前記制御部は、前記移動レンズを前記固定レンズに遠ざける方向に移動させることにより、前記集光レンズによって集光された前記レーザビームが、前記複数のプロセスファイバのそれぞれの入射端において、一定の広がり角を有するように前記駆動部を制御する、請求項１または２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記駆動部は、
   前記移動レンズが固定されたステージと、
   前記ステージを前記レーザビームの光軸方向に移動自在に支持するレールと、
   前記ステージを前記レールの上で移動させるアクチュエータと、を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
5. レーザビームを出射させる工程と、
   複数のプロセスファイバが着脱可能に取り付けられたビーム切替ユニットに少なくとも１つの固定レンズを固定するとともに、前記固定レンズに対して前記レーザビームの光軸方向に移動可能な少なくとも１つの移動レンズを配置する工程と、
   前記固定レンズおよび前記移動レンズを介して出射された前記レーザビームを反射させて、複数のプロセスファイバのうちの１つに向けて選択的に案内する工程と、
   反射させた前記レーザビームを、集光レンズを介して前記プロセスファイバの入射端に集光させる工程と、
   前記固定レンズから、前記レーザビームを集光している前記集光レンズまでの距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に移動させる工程と、を備えたレーザ発振装置の制御方法。
6. 前記集光レンズによって集光された前記レーザビームが、前記複数のプロセスファイバのそれぞれの入射端において、一定の広がり角を有するように、前記距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に移動させる工程を有する、請求項５に記載のレーザ発振装置の制御方法。
7. 前記移動レンズは、凹レンズであり、
   前記固定レンズは、凸レンズであり、
   前記集光レンズによって集光された前記レーザビームが、前記複数のプロセスファイバのそれぞれの入射端において、一定の広がり角を有するように、前記距離に応じて前記移動レンズを光軸方向に前記固定レンズから遠ざける方向に移動させる工程を有する、請求項５または６に記載のレーザ発振装置の制御方法。

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