JP2024019941A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を適切に制御することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】プロファイル変更部２２は、ミラー２３と、ピエゾアクチュエータ２５と、を有する。ミラー２３は、伝送ファイバ３０の入射端に向けてレーザ光ＬＢを反射する。ピエゾアクチュエータ２５は、ミラー２３の角度を変更して伝送ファイバ３０の入射端におけるレーザ光ＬＢの入射位置を調整する。制御部５５は、ピエゾアクチュエータ２５で変更されたミラー２３の角度が所定の角度範囲内にある場合に、レーザ光ＬＢの出力が所定値よりも小さくなるように、レーザ発振器１０の動作を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

特許文献１には、複数のコアを有する光ファイバの入射端部にレーザビームを指向して、所望のコアにレーザビームを入射させることで、光ファイバから出射されるレーザビームのプロファイルを変更するようにした光ファイバ構造が開示されている。

特許第６７９６１４２号公報

ところで、レーザビームのプロファイルによっては、光ファイバから出射されるレーザビームの広がり角が大きくなり、レーザ加工ヘッド側で不具合が生じるおそれがある。

具体的に、レーザビームの広がり角が大きくなりすぎると、光ファイバを介してレーザ加工ヘッドに伝送されたレーザビームが、例えば、レーザ加工ヘッドのコリメータレンズよりも径方向外方にはみ出してしまい、レーザ加工ヘッドの内部で焼損が生じるおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を適切に制御することができるようにすることにある。

第１の発明は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、複数のコアを有し、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、を備えたレーザ加工装置であって、前記伝送ファイバから出射される前記レーザ光のプロファイルを変更するプロファイル変更部と、前記レーザ発振器の動作を制御する制御部と、を備え、前記プロファイル変更部は、前記伝送ファイバの入射端に向けて前記レーザ光を反射するミラーと、前記ミラーの角度を変更して前記伝送ファイバの入射端における前記レーザ光の入射位置を調整する角度変更部と、を有し、前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が所定の角度範囲内にある場合に、前記レーザ光の出力が所定値よりも小さくなるように、前記レーザ発振器の動作を制御する。

第１の発明では、角度変更部で変更されたミラーの角度が所定の角度範囲内にある場合に、レーザ光の出力が所定値よりも小さくなるように、レーザ発振器の動作を制御することで、レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を適切に制御することができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工装置において、前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が所定の角度範囲内にある場合に、前記レーザ光の出力を停止させるように、前記レーザ発振器の動作を制御する。

第２の発明では、レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を停止させることができる。

第３の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工装置において、前記伝送ファイバは、第１コアと、前記第１コアの外周部に設けられた第２コアと、前記第２コアの外周部に設けられた第３コアと、を有し、前記所定の角度範囲は、前記第１コア、前記第２コア、及び前記第３コアの少なくとも２つ以上のコアに前記レーザ光が入射される前記ミラーの角度を含む。

第３の発明では、第１コア、第２コア、及び第３コアの少なくとも２つ以上のコアにレーザ光が入射されるミラーの角度の場合、つまり、レーザ光の広がり角が大きくなる場合に、レーザ光の出力を抑えるようにしている。

これにより、レーザ加工ヘッドのコリメータレンズよりも径方向外方にはみ出すような広がり角となるレーザ光のプロファイルであっても、レーザ加工ヘッドの内部で焼損が生じるのを抑えることができる。

第４の発明は、第３の発明のレーザ加工装置において、前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が、前記第１コアのみに前記レーザ光が入射される角度、又は前記第２コアのみに前記レーザ光が入射される角度、又は前記第３コアのみに前記レーザ光が入射される角度である場合に、前記レーザ光の出力が所定値よりも大きくなるように、前記レーザ発振器の動作を制御する。

第４の発明では、ミラーの角度が、第１コアのみ、第２コアのみ、又は第３コアのみにレーザ光が入射される角度である場合には、レーザ光の広がり角が小さくなる。そのため、レーザ加工を開始するのにあたってレーザ光の出力を大きくしても、レーザ加工ヘッドの内部で焼損を生じるおそれがない。

本発明によれば、レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を適切に制御することができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 レーザ発振器の構成を示す側面図である。 伝送ファイバの構成を示す正面図である。 レーザ光が第１コアに入射した状態のプロファイルを示す図である。 レーザ光が第１コア及び第２コアの両方に入射した状態のプロファイルを示す図である。 レーザ光が第３コアに入射した状態のプロファイルを示す図である。 ミラー傾斜角度と出力ＮＡとの関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。

〈レーザ加工装置〉
図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、伝送ファイバ３０と、レーザ加工ヘッド４０と、ロボット５０と、制御部５５と、を備える。

レーザ発振器１０は、伝送ファイバ３０の入射端に接続される。レーザ加工ヘッド４０は、伝送ファイバ３０の出射端に接続される。レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０を介してレーザ加工ヘッド４０に伝送される。なお、レーザ発振器１０及び伝送ファイバ３０の詳細については後述する。

レーザ加工ヘッド４０は、コリメータレンズ４１と、集光レンズ４２と、保護レンズ４３と、を有する。なお、図示は省略するが、レーザ加工ヘッド４０は、レーザ光ＬＢの出射位置を調整するための平行平板などを有していてもよい。

コリメータレンズ４１は、伝送ファイバ３０の出射端から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。集光レンズ４２は、コリメータレンズ４１で平行化されたレーザ光ＬＢを集光する。

保護レンズ４３は、レーザ加工ヘッド４０の出射端に配置される。保護レンズ４３は、ワークＷのレーザ加工時に発生するヒュームやスパッタがレーザ加工ヘッド４０内部の光学系に付着しないように保護している。保護レンズ４３を透過したレーザ光ＬＢは、ワークＷに出射される。

レーザ加工ヘッド４０は、ロボット５０に取り付けられる。レーザ加工ヘッド４０は、ロボット５０を動作させることで、ワークＷに対するレーザ光ＬＢの出射位置及び焦点位置を変更可能となっている。

制御部５５には、レーザ発振器１０、レーザ加工ヘッド４０、及びロボット５０が接続される。制御部５５は、レーザ発振器１０、レーザ加工ヘッド４０、及びロボット５０の動作を制御する。制御部５５は、レーザ加工ヘッド４０の移動速度の他に、レーザ光ＬＢの出力開始や停止、レーザ光ＬＢの出力強度などを制御する。

〈レーザ発振器〉
図２に示すように、レーザ発振器１０は、レーザ発振ユニット１１と、光結合ユニット２０と、集光ユニット２７とを有する。

レーザ発振ユニット１１は、複数のレーザモジュール１２と、レーザ光合成器１３と、を有する。レーザモジュール１２は、レーザ光ＬＢを出射する。レーザ光合成器１３は、複数のレーザモジュール１２からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢを合成して、１本のレーザ光ＬＢとして出射する。

光結合ユニット２０は、折り返しミラー２１と、プロファイル変更部２２と、を有する。折り返しミラー２１は、レーザ発振ユニット１１から出射されたレーザ光ＬＢを、プロファイル変更部２２に向けて反射する。

プロファイル変更部２２は、伝送ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのプロファイルを変更する。プロファイル変更部２２は、ミラー２３と、ピエゾステージ２４と、角度変更部としてのピエゾアクチュエータ２５と、を有する。

ミラー２３は、折り返しミラー２１で反射されたレーザ光ＬＢを、集光ユニット２７の集光レンズ２８に向けて反射する。ミラー２３で反射されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ２８を透過して伝送ファイバ３０の入射端に向かう。ミラー２３は、ピエゾアクチュエータ２５に一体に取り付けられる。

ピエゾアクチュエータ２５は、ピエゾステージ２４に取り付けられる。ピエゾアクチュエータ２５は、ミラー２３の角度を変更して伝送ファイバ３０の入射端におけるレーザ光ＬＢの入射位置を調整する。

図２に実線で示すミラー２３の角度では、ミラー２３で反射されたレーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０の第１コア３１に導光される。図２に仮想線で示すミラー２３の角度では、ミラー２３で反射されたレーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０の第２コア３２に導光される。

集光ユニット２７は、集光レンズ２８を有する。集光レンズ２８は、プロファイル変更部２２のミラー２３で反射されたレーザ光ＬＢを集光して、伝送ファイバ３０に入射させる。

〈伝送ファイバ〉
図３にも示すように、伝送ファイバ３０は、第１コア３１と、第２コア３２と、第３コア３３と、クラッド３４とを有する。

第１コア３１は、断面が略円形状に形成される。第１コア３１の材質は、例えば、石英ガラスである。第２コア３２は、第１コア３１の外周部に設けられる。第２コア３２は、第１コア３１と同軸に設けられる。第２コア３２の材質は、例えば、石英ガラスである。第３コア３３は、第１コア３１及び第２コア３２と同軸に設けられる。第３コア３３の材質は、例えば、石英ガラスである。

クラッド３４は、第３コア３３の外周部に設けられる。クラッド３４は、第１コア３１、第２コア３２、及び第３コア３３と同軸に設けられる。クラッド３４の材質は、例えば、石英ガラスである。

第１コア３１と第２コア３２との間には、第１低屈折率層３５が設けられる。第１低屈折率層３５は、フッ素がドープされた石英ガラスで構成される。第１低屈折率層３５の屈折率は、第１コア３１及び第２コア３２の屈折率よりも低くなっている。

第２コア３２と第３コア３３との間には、第２低屈折率層３６が設けられる。第２低屈折率層３６は、フッ素がドープされた石英ガラスで構成される。第２低屈折率層３６の屈折率は、第２コア３２及び第３コア３３の屈折率よりも低くなっている。

第３コア３３とクラッド３４との間には、第３低屈折率層３７が設けられる。第３低屈折率層３７は、フッ素がドープされた石英ガラスで構成される。第３低屈折率層３７の屈折率は、第３コア３３及びクラッド３４の屈折率よりも低くなっている。

レーザ光ＬＢは、第１コア３１、第２コア３２、及び第３コア３３の少なくとも一つの内部で全反射され、伝送ファイバ３０の出射端から出射される。なお、図示しないが、クラッド３４の表面は、被膜で覆われている。

〈レーザ光のビームプロファイルについて〉
図１に示すレーザ加工装置１を用いてレーザ加工を行う場合、ワークＷの材質、厚さ、加工内容等によって、レーザ光ＬＢのプロファイルを適切に変更する必要がある。

本実施形態では、図２に示すプロファイル変更部２２のミラー２３の角度を変更することで、伝送ファイバ３０の入射端におけるレーザ光ＬＢの入射位置を調整して、伝送ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変更する。

具体的に、図２に示す例では、ミラー２３の角度が４５°である状態を初期状態とし、ミラー２３の角度を初期状態から変化させた場合におけるレーザ光ＬＢのプロファイルの変化について説明する。

図２に示すミラー２３の角度の初期状態、つまり、ミラー２３の傾斜角度が０°である場合、図４に示すように、レーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０の第１コア３１に入射する。このように、レーザ光ＬＢが第１コア３１のみに入射されるモードを、センターコアモードという。

センターコアモードでは、伝送ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルは、単峰状のガウシアン分布となる。

なお、本実施形態では、「ビームプロファイル」は、レーザビーム強度の空間分布を意味する。図４では、レーザビーム強度は、縦軸の波形変化で示されており、空間分布は横軸の波形変化で示されている。

図４に示す状態から、ミラー２３をさらに傾斜させると、図５に示すように、レーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０の第１コア３１及び第２コア３２の両方に入射する。このモードでは、伝送ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルは、３つのピークを有する形状となり、センターコアモードに比べてビームプロファイルの半値幅が大きくなる。

図５に示す状態から、ミラー２３をさらに傾斜させると、図６に示すように、レーザ光ＬＢは、伝送ファイバ３０の第３コア３３に入射する。このように、レーザ光ＬＢが第３コア３３のみに入射されるモードを、リングコアモードという。

リングコアモードでは、伝送ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルは、２つのピークを有する形状となる。リングコアモードでは、センターコアモードと比べてビームプロファイルの半値幅が大きくなる。

図７のグラフ図に示すように、伝送ファイバ３０の出射端から出射されるレーザ光ＬＢの広がり角を示す出力ＮＡは、ミラー２３の傾斜角度を大きくしていくと、徐々に大きくなり、所定のピークを超えた後で、徐々に小さくなる傾向にある。

具体的に、レーザ光ＬＢが、第１コア３１のみ又は第３コア３３のみに入射する位置では、低い開口数（ＮＡ）でレーザ光ＬＢを出射することができる。一方、レーザ光ＬＢが、第１コア３１と第２コア３２とに跨がって入射する位置では、第１コア３１と第２コア３２との間でフッ素ドープされた屈折率の低い第１低屈折率層３５にレーザ光ＬＢの一部が入射してしまい、伝送ファイバ３０の開口数（ＮＡ）が悪化してしまう。

ここで、出力ＮＡが大きすぎる場合、伝送ファイバ３０からレーザ加工ヘッド４０に入射したレーザ光ＬＢが、レーザ加工ヘッド４０のコリメータレンズ４１の径方向外方にはみ出してしまい、レーザ加工ヘッド４０の内部で焼損が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、ミラー２３の角度が、レーザ光ＬＢの出力ＮＡが大きい所定の角度範囲内にある場合に、レーザ光ＬＢの出力を抑えるようにした。

具体的に、図７に示すように、レーザ加工ヘッド４０の内部で焼損を生じさせないために必要な、レーザ加工装置１で許容し得る許容ＮＡを設定する。そして、レーザ光ＬＢの出力ＮＡが許容ＮＡを超えることとなるミラー２３の角度範囲について、予め特定しておく。

制御部５５は、ピエゾアクチュエータ２５で変更されたミラー２３の角度が所定の角度範囲内にある場合に、レーザ光ＬＢの出力が所定値よりも小さくなるように、レーザ発振器１０の動作を制御する。所定値は、例えば、レーザ光ＬＢが、レーザ加工ヘッド４０のコリメータレンズ４１よりも径方向外方にはみ出した場合でも、レーザ加工ヘッド４０の内部で焼損が生じるのを抑えることができる出力値に設定する。

なお、レーザ加工ヘッド４０の内部で焼損が生じるのを確実に抑えるためには、制御部５５は、レーザ光ＬＢの出力がゼロ、つまり、レーザ光ＬＢの出力を停止させるように、レーザ発振器１０の動作を制御するのが好ましい。

ここで、所定の角度範囲は、第１コア３１、第２コア３２、及び第３コアの少なくとも２つ以上のコアにレーザ光ＬＢが入射されるミラー２３の角度を含む。

制御部５５は、ピエゾアクチュエータ２５で変更されたミラー２３の角度が、第１コア３１のみにレーザ光ＬＢが入射される角度、第２コア３２のみにレーザ光ＬＢが入射される角度、又は第３コア３３のみにレーザ光ＬＢが入射される角度である場合に、レーザ光ＬＢの出力が所定値よりも大きくなるように、レーザ発振器１０の動作を制御する。

具体的に、ミラー２３の角度が、第１コア３１のみ、第２コア３２のみ、又は第３コア３３のみにレーザ光ＬＢが入射される角度である場合には、低い開口数（ＮＡ）でレーザ光ＬＢを出射することができる。そのため、レーザ加工を開始するのにあたってレーザ光ＬＢの出力を大きくしても、レーザ加工ヘッド４０の内部で焼損を生じるおそれがない。

以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、加工内容や加工対象物の形状等に応じたビームプロファイルを得ることができ、所望の品質のレーザ加工を行うことができる。

例えば、薄い鋼板をレーザ加工装置１で切断加工する場合には、切断箇所でのエネルギー密度を高める方がよく、また、切断幅は狭いほうがよい。よって、図４のセンターコアモードのように、ビームプロファイルを単峰状のガウシアン分布に制御するのが好ましい。

一方、厚い鋼板をレーザ加工装置１で切断加工する場合には、鋼板の厚みに対応させて切断幅もある程度広くとる必要がある。よって、図６のリングコアモードのように、ビームプロファイルを空間的に広がった形状に制御するのが好ましい。

以上説明したように、本発明は、レーザ光のプロファイルに応じてレーザ光の出力を適切に制御することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ発振器
２２ プロファイル変更部
２３ ミラー
２５ ピエゾアクチュエータ（角度変更部）
３０ 伝送ファイバ
３１ 第１コア
３２ 第２コア
３３ 第３コア
５５ 制御部
ＬＢ レーザ光

Claims (4)

1. レーザ光を出射するレーザ発振器と、複数のコアを有し、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、を備えたレーザ加工装置であって、
   前記伝送ファイバから出射される前記レーザ光のプロファイルを変更するプロファイル変更部と、
   前記レーザ発振器の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記プロファイル変更部は、前記伝送ファイバの入射端に向けて前記レーザ光を反射するミラーと、前記ミラーの角度を変更して前記伝送ファイバの入射端における前記レーザ光の入射位置を調整する角度変更部と、を有し、
   前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が所定の角度範囲内にある場合に、前記レーザ光の出力が所定値よりも小さくなるように、前記レーザ発振器の動作を制御する
   レーザ加工装置。
2. 請求項１のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が所定の角度範囲内にある場合に、前記レーザ光の出力を停止させるように、前記レーザ発振器の動作を制御する
   レーザ加工装置。
3. 請求項１又は２のレーザ加工装置において、
   前記伝送ファイバは、第１コアと、前記第１コアの外周部に設けられた第２コアと、前記第２コアの外周部に設けられた第３コアと、を有し、
   前記所定の角度範囲は、前記第１コア、前記第２コア、及び前記第３コアの少なくとも２つ以上のコアに前記レーザ光が入射される前記ミラーの角度を含む
   レーザ加工装置。
4. 請求項３のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記角度変更部で変更された前記ミラーの角度が、前記第１コアのみに前記レーザ光が入射される角度、又は前記第２コアのみに前記レーザ光が入射される角度、又は前記第３コアのみに前記レーザ光が入射される角度である場合に、前記レーザ光の出力が所定値よりも大きくなるように、前記レーザ発振器の動作を制御する
   レーザ加工装置。

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