JP2020088110A - レーザ発振器及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームの光強度分布の均一性を向上させることができ、ビームプロファイルを連続的に変化させることができるレーザ発振器を提供する。【解決手段】レーザ発振器は、レーザビームを発振するレーザ発振部と、レーザ発振部より射出されたレーザビームを伝送するフィーディングファイバ２２と、フィーディングファイバ２２より射出されたレーザビームをプロセスファイバ２７に入射させるためのカプラ２３とを備える。カプラ２３は、レーザビームが入射されるコリメートレンズ２４と、レーザビームを集束させて、プロセスファイバ２７に入射させる集束レンズ２６と、コリメートレンズ２４と集束レンズ２６との間に光軸方向に移動自在に配置され、レーザビームを光軸と直交する方向に放射状に分散させて、プロセスファイバ２７より射出されるレーザビームのビームプロファイルを変更する第３のレンズ（４１及び４２）を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ発振器及びレーザ加工機に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断または溶接したり、板金に対してマーキングを施したりするよう加工するレーザ加工機が普及している。レーザ発振器としては、ファイバレーザ発振器がよく用いられる。

特表２０１５−５００５７１号公報 国際公開第２０１１／１２４６７１号

レーザ加工機は、板金に照射されるレーザビームのビームプロファイルを板金の加工条件に応じて適切に設定する必要がある。特許文献１及び２には、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機が記載されている。

特許文献１に記載のレーザ加工機は、プロセスファイバに入射されるレーザビームの入射角度を変化させることによってビームプロファイルを変化させる。特許文献１に記載の構成によれば、プロセスファイバを伝搬するレーザビームのミキシングが不十分で、光強度分布が不均一となる。光強度分布が不均一のレーザビームによって板金を溶接すると、良好な溶接品質を得ることができない。

特許文献２に記載のレーザ加工機は、中心に設けた断面円形のコアと、それよりも外側に設けた断面リング状のコアとを有する光ファイバとを用い、レーザビームを中心のコアと外側のコアとに選択的に入射させることによって、ビームプロファイルを変化させる。特許文献２に記載の構成によれば、２つのビームプロファイルを択一的に選択できるものの、ビームプロファイルを連続的に変化させることはできない。

本発明は、プロセスファイバより射出されるレーザビームの光強度分布の均一性を向上させることができ、ビームプロファイルを連続的に変化させることができるレーザ発振器及びレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明は、レーザビームを発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部より射出されたレーザビームを伝送するフィーディングファイバと、前記フィーディングファイバより射出されたレーザビームをプロセスファイバに入射させるためのカプラとを備え、前記カプラは、前記フィーディングファイバより射出されたレーザビームが入射されるコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出されたレーザビームを集束させて、前記プロセスファイバに入射させる集束レンズと、前記コリメートレンズと前記集束レンズとの間に光軸方向に移動自在に配置され、レーザビームを光軸と直交する方向に放射状に分散させて、前記プロセスファイバより射出されるレーザビームのビームプロファイルを変更する第３のレンズとを備えるレーザ発振器を提供する。

本発明は、上記のレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されて前記プロセスファイバによって伝送されたレーザビームによって板金を加工する加工機本体とを備えるレーザ加工機を提供する。

本発明のレーザ発振器及びレーザ加工機によれば、プロセスファイバより射出されるレーザビームの光強度分布の均一性を向上させることができ、ビームプロファイルを連続的に変化させることができる。

各実施形態で共通するレーザ発振器及びレーザ加工機の全体的な構成を示す斜視図である。 各実施形態のレーザ発振器の概略的な構成を示す図である。 第１実施形態のレーザ発振器を示す図である。 第１実施形態のレーザ発振器の第１の使用状態を示す図である。 第１実施形態のレーザ発振器の第２の使用状態を示す図である。 第２実施形態のレーザ発振器を示す図である。 第３実施形態のレーザ発振器を示す図である。 第４実施形態のレーザ発振器を示す図である。 第５実施形態のレーザ発振器を示す図である。 第６実施形態のレーザ発振器を示す図である。

まず、図１及び図２を用いて、各実施形態で共通するレーザ発振器及びレーザ加工機の全体的な構成を説明する。図１に示すように、レーザ加工機１００は、加工機本体の一例である溶接ロボット１０と、レーザ発振器２０とを備える。レーザ発振器２０より射出されたレーザビームはプロセスファイバ２７によって溶接ロボット１０へと伝送され、プロセスファイバ２８によって加工ヘッド１１へと伝送される。溶接ロボット１０はレール３０上を移動して、図示していない板金を溶接するように構成されている。

なお、レーザ加工機１００は溶接ロボット１０以外の加工機本体を備えるレーザ溶接機であってもよい。また、レーザ加工機１００はレーザ溶接機に限定されることはなく、レーザ切断機であってもよい。レーザ加工機１００は、レーザビームによって板金を加工する任意のレーザ加工機でよい。

レーザ発振器２０は概略的に図２に示すように構成される。図２において、レーザ発振部２１はレーザビームを発振する。レーザ発振器２０がファイバレーザ発振器である場合を例とする。レーザ発振部２１は、複数のレーザダイオード、励起光コンバイナ、高反射ファイバブラッググレーティング、イッテルビウム（Ｙｂ）がドープされたＹｂドープファイバ、低反射ファイバブラッググレーティング等を備えて、波長１μｍ帯のレーザビームを発振する。波長１μｍ帯は波長１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の帯域である。典型的には、レーザ発振器２０は１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを発振する。

レーザ発振部２１より射出されたレーザビームはフィーディングファイバ２２によってカプラ２３へと伝送される。一点鎖線はレーザビームを示す。カプラ２３は、コリメートレンズ２４と、ミラー２５と、集束レンズ２６とを備える。ここでは、ミラー２５を備えることによりカプラ２３がＬ字状に形成されているが、カプラ２３はミラー２５を備えなくてもよい。カプラ２３がミラー２５を備えない場合、コリメートレンズ２４と集束レンズ２６とは一直線上に配置される。

後述するように、各実施形態のレーザ発振器２０において、カプラ２３はコリメートレンズ２４及び集束レンズ２６以外の第３のレンズを備えるが、図２においては図示を省略している。

フィーディングファイバ２２の射出端より射出された発散光のレーザビームは、コリメートレンズ２４に入射される。典型的には、コリメートレンズ２４は発散光を平行光（コリメート光）に変換する。コリメートレンズ２４が発散光を平行光に変換しないことがあってもよい。コリメートレンズ２４より射出されたレーザビームはミラー２５で反射して進行方向が９０度曲げられ、集束レンズ２６に入射される。集束レンズ２６は入射したレーザビームを集束して収束光に変換する。集束レンズ２６より射出された収束光のレーザビームは、プロセスファイバ２７に入射されて伝送される。

各実施形態のレーザ発振器２０はカプラ２３の内部構造に特徴を有する。以下、各実施形態のレーザ発振器２０におけるカプラ２３の内部構造を順に説明する。各実施形態のレーザ発振器２０を備えるレーザ加工機１００が各実施形態のレーザ加工機１００である。

＜第１実施形態＞
図３に示すように、カプラ２３は、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６以外に、第３のレンズとして、平凹アキシコンレンズ４１と平凸アキシコンレンズ４２とを備える。また、カプラ２３は、平凹アキシコンレンズ４１及び平凸アキシコンレンズ４２をそれぞれ光軸方向に移動させるための移動機構４１１及び４２１、移動機構４１１及び４２１をそれぞれ駆動する駆動部４１２及び４２２を備える。

平凹アキシコンレンズ４１は、レーザビームの入射面４１ａが平面、射出面４１ｂが凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。平凸アキシコンレンズ４２は、レーザビームの入射面４２ａが凸状の円錐面である凸アキシコン面、射出面４２ｂが平面となっている。射出面４１ｂと入射面４２ａとは同じ傾斜角度の円錐面である。

移動機構４１１及び４２１は、例えば、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか（またはこれらの任意の組み合わせ）でよく、駆動部４１２及び４２２は例えばモータである。制御部５０は、駆動部４１２を制御して平凹アキシコンレンズ４１を光軸方向に移動させ、駆動部４２２を制御して平凸アキシコンレンズ４２を光軸方向に移動させる。制御部５０は、レーザ加工機１００の全体の動作を制御するＮＣ装置であってもよい。平凹アキシコンレンズ４１のみが移動自在とされていてもよく、平凸アキシコンレンズ４２のみが移動自在とされていてもよい。平凹アキシコンレンズ４１と平凸アキシコンレンズ４２との間隔が調整可能に構成されていればよい。

フィーディングファイバ２２は、中心部のコア２２１、その外周部設けられたクラッド２２２、さらにその外周に設けられた被覆２２３を有する。プロセスファイバ２７も同様に、中心部のコア２７１、その外周部設けられたクラッド２７２、さらにその外周に設けられた被覆２７３を有する。

フィーディングファイバ２２のコア２２１より射出された発散光のレーザビームはコリメートレンズ２４に入射する。平凹アキシコンレンズ４１の射出面４１ｂは、入射したレーザビームを光軸と直交する方向に放射状に分散させるよう作用する。平凸アキシコンレンズ４２の入射面４２ａは、入射したレーザビームを中心方向に曲げるよう作用する。

コリメートレンズ２４より射出されたレーザビームは、平凹アキシコンレンズ４１及び平凸アキシコンレンズ４２双方の作用を受けて集束レンズ２６に入射する。平凹アキシコンレンズ４１は平行光を発散光に変換することがあり、平凸アキシコンレンズ４２は発散光を平行光に変換することがある。集束レンズ２６より射出された収束光のレーザビームは、プロセスファイバ２７のコア２７１に結像した状態で入射する。

図４及び図５は、それぞれ、図３に示す第１実施形態のレーザ発振器２０の第１及び第２の使用状態を示している。図４に示すように、平凹アキシコンレンズ４１または平凸アキシコンレンズ４２を光軸方向に移動させて射出面４１ｂと入射面４２ａとを近接させると、射出面４１ｂ及び入射面４２ａの各作用が消失する。コリメートレンズ２４より射出された平行光は、平凹アキシコンレンズ４１及び平凸アキシコンレンズ４２をそのまま透過する。集束レンズ２６は平行光を収束光に変換し、収束光はプロセスファイバ２７のコア２７１に入射する。

フィーディングファイバ２２より射出されたレーザビームは、光軸と直交する面で見たとき、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなるガウシアン型のビームプロファイルを有する。図４においては、プロセスファイバ２７に入射されるレーザビームは、ガウシアン型のビームプロファイルとなる。図４において、プロセスファイバ２７に入射されるレーザビームの最大入射角度はθ０である。

図５は、射出面４１ｂと入射面４２ａとの間隔を距離Ｚ１とするよう、平凹アキシコンレンズ４１または平凸アキシコンレンズ４２を光軸方向に移動させた状態を示している。この場合、平凹アキシコンレンズ４１は平行光を発散光に変換し、平凸アキシコンレンズ４２は発散光を平行光に変換する。平凸アキシコンレンズ４２より射出されるレーザビームは、射出面４１ｂがレーザビームを光軸と直交する方向に放射状に分散させることによりリング状となる。従って、プロセスファイバ２７に入射されるレーザビームは、リング型のビームプロファイルとなる。

図５において、プロセスファイバ２７に入射されるレーザビームの最大入射角度はθ１であり、最小入射角度はφ１である。即ち、図５に示すように射出面４１ｂと入射面４２ａとの間に０を超える距離を設けると、集束レンズ２６より射出されるレーザビームの中心にはビームが存在しなくなる。

制御部５０が射出面４１ｂと入射面４２ａとの間の距離を変更するよう駆動部４１２または４２２を制御すると、プロセスファイバ２７に入射されるレーザビームの最大入射角度θ及び最小入射角度φを変更することができる。これに伴って、プロセスファイバ２７より射出されるレーザビームのビームプロファイル及びビームパラメータ積（ＢＰＰ：Beam Parameter Product）が変化する。

第１実施形態のレーザ発振器２０によれば、射出面４１ｂと入射面４２ａとの間の距離を連続的に変更できるから、ビームプロファイル及びＢＰＰを連続的に変化させることができる。

上記のように、特許文献１に記載の構成においては、レーザビームが所定の入射角度でプロセスファイバ２７に入射する。これに対して第１実施形態のレーザ発振器２０においては、射出面４１ｂと入射面４２ａとの間に距離を設けた状態で、集束レンズ２６より射出されるレーザビームは放射状に分散する。第１実施形態のレーザ発振器２０においては、放射状に分散するレーザビームが結像してプロセスファイバ２７に入射する。従って、プロセスファイバ２７を伝搬するレーザビームが十分にミキシングされて、プロセスファイバ２７より射出されるレーザビームの光強度分布がほぼ均一となる。

＜第２実施形態＞
図６に示す第２実施形態において、図３〜図５に示す第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

第２実施形態においては、コリメートレンズ２４が移動機構２４１及び駆動部２４２によって移動自在に構成され、集束レンズ２６が移動機構２６１及び駆動部２６２によって移動自在に構成されている。移動機構２４１及び２６１は移動機構４１１及び４２１と同様の構成であり、駆動部２４２及び２６２は駆動部４１２及び４２２と同様に例えばモータである。制御部５０は、駆動部２４２を制御してコリメートレンズ２４を光軸方向に移動させ、駆動部２６２を制御して集束レンズ２６を光軸方向に移動させる。

第２実施形態においては、プロセスファイバ２７の代わりに、マルチクラッド（ダブルクラッド）のプロセスファイバ２７Ｍが用いられている。プロセスファイバ２７Ｍは、中心部のインナコア２７０１、その外周に設けられたインナクラッド２７０２、その外周に設けられたアウタコア２７０３、その外周に設けられたアウタクラッド２７０４、さらにその外周に設けられた被覆２７０５を有する。

図６において、制御部５０による制御によって、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６は図５の位置と比較して、それぞれ距離Ｚ２及びＺ３だけフィーディングファイバ２２側に移動されている。

すると、コリメートレンズ２４より射出されるレーザビームは発散光となり、平凸アキシコンレンズ４２より射出されるレーザビームも発散光となる。これにより、集束レンズ２６より射出されるレーザビームは、プロセスファイバ２７Ｍのアウタコア２７０３にリング状に結像した状態で入射する。

第２実施形態のレーザ発振器２０によれば、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６を光軸方向に移動自在に構成しているので、第１実施形態とは異なるビームプロファイル及びＢＰＰを得ることができる。即ち、第２実施形態のレーザ発振器２０によれば、第１実施形態で選択できるビームプロファイル及びＢＰＰに加えて、第１実施形態とは異なるビームプロファイル及びＢＰＰを選択することが可能となる。

図６において、プロセスファイバ２７Ｍはコア及びクラッドが３層以上のマルチクラッドファイバであってもよい。制御部５０が距離Ｚ１〜Ｚ３を調整することにより、３層以上のコアのうちの任意のコアにレーザビームを入射させることができる。なお、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６をプロセスファイバ２７Ｍ側に移動させてもよい。

＜第３実施形態＞
図７に示す第３実施形態において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第３実施形態においては、平凸アキシコンレンズ４２の代わりに両凸アキシコンレンズ４２６が用いられ、単独のレンズとしての集束レンズ２６が省略されている。

両凸アキシコンレンズ４２６は、レーザビームの入射面４２６ａが平凸アキシコンレンズ４２の入射面４２ａと同じ凸状の円錐面である凸アキシコン面、射出面４２６ｂが凸面となっている。射出面４２６ｂは、集束レンズ２６によるレーザビームの集束作用と同様の集束作用を奏する。第３実施形態のレーザ発振器２０によれば、両凸アキシコンレンズ４２６が集束レンズ２６の機能を含むことにより、平凸アキシコンレンズ４２（両凸アキシコンレンズ４２６）とは別体の集束レンズ２６を省略した構成とすることができる。

第３実施形態のレーザ発振器２０は、両凸アキシコンレンズ４２６が平凸アキシコンレンズ４２の機能と集束レンズ２６の機能とを兼用している。第３実施形態のレーザ発振器２０は、実質的に、平凸アキシコンレンズ４２と集束レンズ２６とを備える構成である。

図７においては図示を省略しているが、平凹アキシコンレンズ４１及び両凸アキシコンレンズ４２６は光軸方向に移動自在とされており、両者の間隔は調整可能である。

＜第４実施形態＞
図８に示す第４実施形態において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第４実施形態においては、平凹アキシコンレンズ４１の代わりに凸凹アキシコンレンズ４１４が用いられ、単独のレンズとしてのコリメートレンズ２４が省略されている。

凸凹アキシコンレンズ４１４は、レーザビームの入射面４１４ａが凸面、射出面４１４ｂが平凹アキシコンレンズ４１の射出面４１ｂと同じ凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。入射面４１４ａは、コリメートレンズ２４によるレーザビームの集束作用と同様の集束作用を奏する。第４実施形態のレーザ発振器２０によれば、凸凹アキシコンレンズ４１４がコリメートレンズ２４の機能を含むことにより、平凹アキシコンレンズ４１（凸凹アキシコンレンズ４１４）とは別体のコリメートレンズ２４を省略した構成とすることができる。

第４実施形態のレーザ発振器２０は、凸凹アキシコンレンズ４１４がコリメートレンズ２４の機能と平凹アキシコンレンズ４１の機能とを兼用している。第４実施形態のレーザ発振器２０は、実質的に、コリメートレンズ２４の機能と平凹アキシコンレンズ４１とを備える構成である。

図８においては図示を省略しているが、凸凹アキシコンレンズ４１４及び平凸アキシコンレンズ４２は光軸方向に移動自在とされており、両者の間隔は調整可能である。

＜第５実施形態＞
図９に示す第５実施形態において、第２実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第５実施形態においては、コリメートレンズ２４と集束レンズ２６との間に、第３のレンズとして平凸アキシコンレンズ４３が配置されている。平凸アキシコンレンズ４３は、レーザビームの入射面４３ａが平面、射出面４３ｂが凸状の円錐面である凸アキシコン面となっている。カプラ２３には、コア及びクラッドが２層のプロセスファイバ２７Ｍが接続されている。プロセスファイバ２７Ｍは３層以上のマルチクラッドファイバであってもよい。

平凹アキシコンレンズ４１は光軸方向に移動自在とされている。加えて、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６が光軸方向に移動自在とされていてもよい。

平凸アキシコンレンズ４３の射出面４３ｂはレーザビームを収束光に変換しているが、集束レンズ２６とプロセスファイバ２７Ｍとの間で放射状に分散させている。図９において、平凸アキシコンレンズ４３の代わりに、入射面４２ａが凸アキシコン面、射出面４２ｂが平面となっている平凸アキシコンレンズ４２を用いてもよい。この場合、集束レンズ２６は同様に収束光を放射状に分散させる。

第５実施形態のレーザ発振器２０によれば、リング型のビームプロファイルのうちからプロファイルを選択することができる。

＜第６実施形態＞
図１０に示す第６実施形態において、第２実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第６実施形態においては、コリメートレンズ２４と集束レンズ２６との間に、第３のレンズとして平凹アキシコンレンズ４１が配置されている。カプラ２３には、２層のプロセスファイバ２７Ｍが接続されている。プロセスファイバ２７Ｍは３層以上のマルチクラッドファイバであってもよい。

平凹アキシコンレンズ４１は光軸方向に移動自在とされている。加えて、コリメートレンズ２４及び集束レンズ２６が光軸方向に移動自在とされていてもよい。図１０において、平凹アキシコンレンズ４１の代わりに、入射面が凹アキシコン面、射出面が平面となっている平凹アキシコンレンズを用いてもよい。

第５実施形態と同様に、第６実施形態のレーザ発振器２０によれば、リング型のビームプロファイルのうちからプロファイルを選択することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０ 溶接ロボット（加工機本体）
１１ 加工ヘッド
２０ レーザ発振器
２１ レーザ発振部
２２ フィーディングファイバ
２３ カプラ
２４ コリメートレンズ
２５ ミラー
２６ 集束レンズ
２７，２７Ｍ，２８ プロセスファイバ
４１ 平凹アキシコンレンズ
４２，４３ 平凸アキシコンレンズ
５０ 制御部
１００ レーザ加工機
２４１，２６１，４１１，４２１ 移動機構
２４２，２６２，４１２，４２２ 駆動部
４１４ 凸凹アキシコンレンズ
４２６ 両凸アキシコンレンズ

Claims (7)

1. レーザビームを発振するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部より射出されたレーザビームを伝送するフィーディングファイバと、
   前記フィーディングファイバより射出されたレーザビームをプロセスファイバに入射させるためのカプラと、
   を備え、
   前記カプラは、
   前記フィーディングファイバより射出されたレーザビームが入射されるコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズより射出されたレーザビームを集束させて、前記プロセスファイバに入射させる集束レンズと、
   前記コリメートレンズと前記集束レンズとの間に光軸方向に移動自在に配置され、レーザビームを光軸と直交する方向に放射状に分散させて、前記プロセスファイバより射出されるレーザビームのビームプロファイルを変更する第３のレンズと、
   を備えるレーザ発振器。
2. 前記第３のレンズは、
   前記コリメートレンズより射出されたレーザビームが入射され、レーザビームの入射面が平面、射出面が凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている平凹アキシコンレンズと、
   前記平凹アキシコンレンズより射出されたレーザビームが入射され、レーザビームの入射面が凸状の円錐面である凸アキシコン面、射出面が平面となっている平凸アキシコンレンズと、
   を有し、
   前記平凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとの間隔が調整可能に構成されている
   請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記コリメートレンズ及び前記集束レンズが光軸方向に移動自在に構成されている請求項２に記載のレーザ発振器。
4. 前記プロセスファイバは、コア及びクラッドが２層以上のマルチクラッドファイバである請求項３に記載のレーザ発振器。
5. 前記第３のレンズは、前記コリメートレンズより射出されたレーザビームが入射され、レーザビームの入射面が平面、射出面が凸状の円錐面である凸アキシコン面であるか、入射面が凸アキシコン面、射出面が平面となっている平凸アキシコンレンズである請求項１に記載のレーザ発振器。
6. 前記第３のレンズは、前記コリメートレンズより射出されたレーザビームが入射され、レーザビームの入射面が平面、射出面が凹状の円錐面である凹アキシコン面であるか、入射面が凹アキシコン面、射出面が平面となっている平凹アキシコンレンズである請求項１に記載のレーザ発振器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器より射出されて前記プロセスファイバによって伝送されたレーザビームによって板金を加工する加工機本体と、
   を備えるレーザ加工機。

Images