JP4537686B2

JP4537686B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP4537686B2
Application number: JP2003366075A
Authority: JP
Inventors: 山博隆小
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005125398A

Description

本発明は、レーザ光を利用して被加工物の加工を行うレーザ加工装置に係り、とりわけ、被加工物の加工中にその加工状態を観察することができるようにしたレーザ加工装置に関する。

従来から、この種のレーザ加工装置として、レーザ発振器から出射されたレーザ光を光ファイバを介して被加工物の近傍まで導き、加工光学系により被加工物上にレーザ光を照射することにより、被加工物の加工を行うレーザ加工装置が知られている。

図６はこのような従来のレーザ加工装置を説明するための図である。

図６に示すレーザ加工装置６０において、レーザ発振器１５から出射されたレーザ光は、入射レンズ２３を介して光ファイバ１０の入射端１０ａに入射され、光ファイバ１０を介して伝送されて光ファイバ１０の出射端１０ｂまで導かれる。そして、このようにして伝送されたレーザ光は、光ファイバ１０の出射端１０ｂから出射され、加工レンズ２１′により集光されて被加工物３０上に照射される。

ところで、このようなレーザ加工装置６０において、被加工物３０の加工を適切に行うためには、被加工物３０の加工中にその加工状態を的確に把握し、必要に応じてレーザ加工装置６０の各部（レーザ発振器１５等）を制御する必要がある。

このための従来の方法として、被加工物３０上に照射されたレーザ光の反射光を利用して被加工物３０の加工状態を観察する方法が提案されている。具体的には例えば、図６に示すように、レーザ発振器１５と入射レンズ２３との間にビームスプリッタ５１を配置し、被加工物３０で反射されて光ファイバ１０を介してレーザ発振器１５側に戻されたレーザ光の一部を光路上から分岐させた後、この分岐されたレーザ光を集光レンズ５２により撮像装置５３上に照射することにより、被加工物３０の加工状態を観察する方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上述した従来の方法では、レーザ発振器１５から被加工物３０へ向けて出射されたレーザ光（入射光）の光路が、被加工物３０で反射されてレーザ発振器１５側に戻されるレーザ光（反射光）の光路と同一であるので、このような光路上に配置されたビームスプリッタ５１により分岐することが可能なレーザ光の量は限られたものとなる。このため、撮像装置５３で検出される信号のＳ／Ｎ比が悪くなり、被加工物３０の加工状態を確実に観察することが困難であるという問題がある。
特開平６−２１８５７０号公報

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、被加工物上に照射されたレーザ光の反射光を高い感度で検出して被加工物の加工状態を確実に観察することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光を利用して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送する加工用光ファイバと、前記加工用光ファイバの出射端側に配置され、前記加工用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を集光して被加工物上に照射する加工光学系と、前記加工用光ファイバの入射端側に配置され、前記被加工物で反射されて前記加工用光ファイバを介して前記レーザ発振器側に戻されたレーザ光を検出するセンサ装置とを備え、前記加工用光ファイバは、コアと、このコアを覆う外部層とを有し、前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記外部層を介して前記レーザ発振器側に戻されたレーザ光を検出することを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

なお、本発明においては、前記センサ装置による検出結果に基づいて前記被加工物の加工状態を観察する観察装置をさらに備えることが好ましい。

また、本発明において、前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記外部層から出射されたレーザ光の光路上に配置されたセンサ部を有することが好ましい。ここで、前記センサ部は、前記加工用光ファイバの前記入射端側の異なる位置に複数配置されていることが好ましい。また、前記複数のセンサ部は、異なる感度特性を持つ少なくとも二種類のセンサ部を含むことが好ましい。

さらに、本発明において、前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記外部層から出射されたレーザ光の光路上にその入射端が位置付けられるように配置された測定用光ファイバと、この測定用光ファイバの出射端側に配置され、前記測定用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を検出するセンサ部とを有することが好ましい。ここで、前記測定用光ファイバは、前記加工用光ファイバの前記入射端側の異なる位置に複数配置され、前記センサ部は、前記複数の測定用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を検出するように一つ又は複数配置されていることが好ましい。

なお、本発明において、前記外部層はクラッド層及びサポート層のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。

本発明によれば、加工用光ファイバの外部層を介してレーザ発振器側に戻されたレーザ光をセンサ装置により検出するようにしているので、レーザ発振器から被加工物へ向けて出射された入射光を遮蔽しない位置にセンサ装置を配置することが可能となり、センサ装置で検出される信号のＳ／Ｎ比を良好にすることができる。このため、被加工物上に照射されたレーザ光の反射光を高い感度で検出して観察装置等により被加工物の加工状態を確実に観察することができる。

また、本発明によれば、センサ装置を設置する上でのスペース的な制約が少ないので、多数かつ多様なセンサを設置することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１により、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成について説明する。

図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ光を利用して被加工物３０の加工を行うものであり、レーザ光Ｌ_１を出射するレーザ発振器１５と、レーザ発振器１５から出射されたレーザ光Ｌ_１を伝送する加工用光ファイバ１０とを備えている。

まず最初に、図２及び図３(a)(b)により、加工用光ファイバ１０の詳細について説明する。

図２に示すように、加工用光ファイバ１０は、コア１１と、このコア１１を覆うように中心部側から順に積層されたクラッド層１２、サポート層１３及び被覆層１４とを有している。なお、クラッド層１２及びサポート層１３により外部層が構成されている。

このうち、コア１１はレーザ光を正常に伝送するために設計及び調整されたものであり、図３(a)に示すように、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａにてコア１１の入出射ＮＡの範囲（０．１〜０．２程度）にレーザ光Ｌ_１が入射されると、レーザ光Ｌ_１がコア１１のみを介して正常に伝送される。この場合、加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂから出射されるレーザ光の出射光パターンは、コア１１を介して伝送されたレーザ光Ｌ_１に対応する円形のパターンとなる。

これに対し、クラッド層１２及びサポート層１３はレーザ光を積極的に伝送するためのものではないが、低出力のレーザ光であれば破損等の問題なく伝送することが可能である。具体的には、図３(b)に示すように、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａにてレーザ光Ｌ_１がコア１１の入出射ＮＡの範囲よりも大きな範囲に入射されると、レーザ光Ｌ_１がコア１１及びクラッド層１２（又はクラッド層１２及びサポート層１３）を介して伝送される。この場合、加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂから出射されるレーザ光の出射光パターンは、コア１１を介して伝送されたレーザ光Ｌ_１に対応する円形のパターンのまわり（外側）に、クラッド層１２（又はクラッド層１２及びサポート層１３）を介して伝送されたレーザ光Ｌ_３に対応するリング状のパターンが配置されたものとなる。

以下、図１に戻って、上述したような加工用光ファイバ１０を備えたレーザ加工装置１の詳細について説明する。

図１に示すように、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａ側には入射レンズ（入射光学系）２３が配置され、レーザ発振器１５から出射されたレーザ光Ｌ_１を集光して加工用光ファイバ１０のコア１１に入射させることができるようになっている。

また、加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂ側には加工レンズ２１，２２からなる加工光学系２０が配置され、加工用光ファイバ１０のコア１１を介して伝送されたレーザ光Ｌ_１を集光して被加工物３０上に照射することができるようになっている。

なお、加工用光ファイバ１０及び加工光学系２０は、被加工物３０で反射されたレーザ光のうち入出射ＮＡの範囲内の光（入射光であるレーザ光Ｌ_１と同一の光路上のレーザ光）が加工用光ファイバ１０のコア１１に入射され、入出射ＮＡの範囲外の光（入射光であるレーザ光Ｌ_１の光路から外れたレーザ光Ｌ_２）が加工用光ファイバ１０のクラッド層１２に入射されるように配置されている。ここで、加工光学系２０によりレーザ光Ｌ_１が照射される被加工物３０は移動テーブル（図示せず）上に載置されており、加工光学系２０に対して被加工物３０を相対的に移動させることにより、被加工物３０上でのレーザ光Ｌ_１の照射位置（加工点）を適宜移動させることができるようになっている。

さらに、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａ側にはセンサ装置４１が配置され、被加工物３０で反射されて加工用光ファイバ１０のクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻されたレーザ光Ｌ_３を検出することができるようになっている。

なお、センサ装置４１は、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２から出射されたレーザ光Ｌ_３の光路上に配置されたセンサ部４１ａを有している。ここで、センサ部４１ａは、受光面に照射されたレーザ光の輝度分布等を信号として出力するものであり、撮像装置やセンサアレイ等を用いることができる。なお、センサ部４１ａは、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２から出射されたレーザ光Ｌ_３が直接照射される位置に配置してもよいが、図１に示すように、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２から出射されたレーザ光Ｌ_３の光路上に反射ミラー４３を配置し、この反射ミラー４３で反射されたレーザ光Ｌ_３が照射される位置にセンサ部４１ａを配置するようにしてもよい。このようにすれば、センサ部４１ａの配置の自由度を確保することができる。

ここで、センサ装置４１のセンサ部４１ａの数は特に限定されるものではなく、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａ側の異なる位置に複数配置するようにしてもよい。具体的には例えば、複数のセンサ部４１ａを入射レンズ２３の近傍の放射状に離間した位置に配置することができる。なおこの場合、各センサ部４１ａは加工用光ファイバ１０の入射端１０ａのまわりに等間隔で配置（等配置）することが好ましい。また、センサ装置４１が複数のセンサ部４１ａを有する場合には、各センサ部４１ａが異なる感度特性（波長及び時定数等）を持つようにしてもよい。さらに、各センサ部４１ａの受光面側に、観察したい波長域の光のみを透過させるフィルタを配置するようにしてもよい。

また、センサ装置４１のセンサ部４１ａには観察装置４２が接続されており、センサ装置４１のセンサ部４１ａによる検出結果に基づいて被加工物３０の加工状態を観察することができるようになっている。ここで、観察装置４２は、センサ装置４１のセンサ部４１ａにより検出された信号に基づいて被加工物３０の加工状態を画像情報として表示したり、信号の分析結果を診断情報として提示したりするものである。

なお、センサ装置４１のセンサ部４１ａにはレーザ加工装置１の制御装置（図示せず）が接続されていてもよい。この場合には、被加工物３０の加工状態に基づいてレーザ加工装置１の各部（レーザ発振器１５等）の制御を行うことができる。

次に、図１及び図４(a)(b)(c)により、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

図１に示すレーザ加工装置１において、レーザ発振器１５から出射されたレーザ光Ｌ_１は、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａ側に配置された入射レンズ２３により集光され、加工用光ファイバ１０のコア１１に入射される。

ここで、加工用光ファイバ１０のコア１１に入射されたレーザ光Ｌ_１は、加工用光ファイバ１０のコア１１を介して伝送されて加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂまで導かれる。

そして、このようにして加工用光ファイバ１０のコア１１を介して伝送されたレーザ光Ｌ_１は、加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂから出射され、加工光学系２０（加工レンズ２１，２２）により集光されて被加工物３０上に照射される。

これにより、被加工物３０上でのレーザ光Ｌ_１の照射位置（加工点）にて被加工物３０の加工が行われる。なおこのとき、被加工物３０は移動テーブル（図示せず）上に載置されており、加工光学系２０に対して被加工物３０を相対的に移動させることにより、被加工物３０上でのレーザ光Ｌ_１の照射位置（加工点）を適宜移動させながら被加工物３０の加工を行うことができる。

一方、このようにして被加工物３０上に照射されたレーザ光Ｌ_１はその大半が反射され、加工光学系２０を介して加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂに再度入射され、加工用光ファイバ１０のコア１１及びクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻される。

以下、図４(a)(b)(c)により、図１に示すレーザ加工装置１における被加工物３０上に照射されたレーザ光Ｌ_１の反射光の伝送態様について説明する。なおここでは、レーザ発振器１５から出射されたレーザ光Ｌ_１は、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａにてコア１１のみに入射され、コア１１を介して伝送された上で、加工用光ファイバ１０の出射端１０ｂから出射されるものとする。

ここで例えば、図４(c)に示すように、被加工物３０の表面が鏡面であり、レーザ光Ｌ_１が被加工物３０の表面に垂直に入射し、かつ、レーザ光Ｌ_１の焦点位置が被加工物３０の表面にくるように加工用光ファイバ１０及び加工光学系２０が配置されているものとすると、被加工物３０の表面で反射されたレーザ光は、被加工物３０の表面に入射したレーザ光Ｌ_１と同一の光路を辿って加工用光ファイバ１０のコア１１に再度入射される。

これに対し、図４(a)に示すように、被加工物３０の表面とレーザ光Ｌ_１の光軸とが互いに垂直でないように加工用光ファイバ１０及び加工光学系２０と被加工物３０との位置関係が調整されてしまったり、図４(b)に示すように、被加工物３０の表面にレーザ光Ｌ_１の焦点位置がくることなく加工用光ファイバ１０及び加工光学系２０と被加工物３０との位置関係がずれて調整されてしまったり、あるいは、被加工物３０の表面が鏡面でなく散乱反射面となっていたと仮定する。

このような場合には、被加工物３０の表面で反射されたレーザ光のうちコア１１の入出射ＮＡの範囲内の光（入射光であるレーザ光Ｌ_１と同一の光路上のレーザ光）は、被加工物３０の表面に入射したレーザ光Ｌ_１と同一の光路を辿って加工用光ファイバ１０のコア１１に再度入射され、コア１１を介してレーザ発振器１５側に戻される。これに対し、被加工物３０で反射されたレーザ光のうちコア１１の入出射ＮＡの範囲外の光（入射光であるレーザ光Ｌ_１の光路から外れたレーザ光Ｌ_２）は、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２に入射され、クラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻される。

ここで、加工用光ファイバ１０のコア１１を介してレーザ発振器１５側に戻されたレーザ光Ｌ_１は、図１及び図４(a)(b)に示すような状態で、入射レンズ２３へ向けて出射される。これに対し、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻されたレーザ光Ｌ_３は、図１及び図４(a)(b)に示すような状態で、入射レンズ２３から外れるように広がりながら出射される。

本実施の形態においては、このようにして加工用光ファイバ１０の入射端１０ａから出射されたレーザ光のうちクラッド層１２を介して伝送されたレーザ光Ｌ_３が反射ミラー４３で反射され、センサ装置４１のセンサ部４１ａまで導かれる。

そして、センサ装置４１のセンサ部４１ａは、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻されたレーザ光Ｌ_３を検出する。また、センサ装置４１のセンサ部４１ａに接続された観察装置４２は、センサ装置４１のセンサ部４１ａによる検出結果に基づいて被加工物３０の加工状態を観察する。

このように本実施の形態によれば、被加工物３０で反射されたレーザ光の一部（入射光であるレーザ光Ｌ_１の光路から外れたレーザ光Ｌ_２）を加工用光ファイバ１０のクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻し、その戻されたレーザ光Ｌ_３をセンサ装置４１のセンサ部４１ａにより検出するようにしているので、レーザ発振器１５から被加工物３０へ向けて出射された入射光（レーザＬ_１）を遮蔽しない位置にセンサ装置４１のセンサ部４１ａを配置することが可能となり、センサ装置４１で検出される信号のＳ／Ｎ比を良好にすることができる。このため、被加工物３０上に照射されたレーザ光Ｌ_１の反射光を高い感度で検出して観察装置４２等により被加工物３０の加工状態（例えば、レーザ光Ｌ_１が被加工物３０の表面に垂直に入射しているか否か、又は、レーザ光Ｌ_１の焦点位置が被加工物３０の表面にくるようになっているか否か等）を確実に観察することができる。

また、本実施の形態によれば、センサ装置４１のセンサ部４１ａを設置する上でのスペース的な制約が少ないので、多数かつ多様なセンサを設置することが可能となる。

さらに、本実施の形態によれば、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａ側の異なる位置にセンサ装置４１のセンサ部４１ａを複数配置することにより、センサ装置４１で検出される信号のＳ／Ｎ比をさらに向上させることができ、また、各センサ部４１ａを異なった位置に配置することができるので、位置的な変化情報を取得することできる。

さらにまた、本実施の形態によれば、センサ装置４１の複数のセンサ部４１ａが異なる感度特性（波長及び時定数等）を持つようにしたり、各センサ部４１ａの受光面側に、観察したい波長域の光のみを透過させるフィルタを配置したりすることにより、加工時に発光した可視光の検出も可能となり、被加工物３０の加工状態をより確実に観察しながら加工を行うことができる。また、フィルタの有無や配置態様等によりレーザ光を検出したり可視光を検出したりすることができるので、所望の光に基づいて被加工物の加工状態を観察することができる。

なお、上述した実施の形態においては、被加工物３０で反射されたレーザ光の一部（入射光であるレーザ光Ｌ_１の光路から外れたレーザ光Ｌ_２）が加工用光ファイバ１０のクラッド層１２を介してレーザ発振器１５側に戻される場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、被加工物３０で反射されたレーザ光の一部（入射光であるレーザ光Ｌ_１の光路から外れたレーザ光Ｌ_２）が加工用光ファイバ１０のクラッド層１２及びサポート層１３を介してレーザ発振器１５側に戻される場合にも同様にして適用することができる。

また、上述した実施の形態においては、加工用光ファイバ１０の入射端１０ａから出射されたレーザ光のうちクラッド層１２を介して伝送されたレーザ光Ｌ_３を、反射ミラー４３等を介して直接的にセンサ装置４１のセンサ部４１ａに導く場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、クラッド層１２を介して伝送されたレーザ光Ｌ_３を測定用光ファイバを介してセンサ装置４１のセンサ部４１ａに導くようにしてもよい。この場合には、センサ装置４１のセンサ部４１ａを設置する上でのスペース的な制約がさらに少なくなる。

具体的には、図５に示すように、加工用光ファイバ１０のクラッド層１２から出射されたレーザ光Ｌ_３の光路上にその入射端が位置付けられるように測定用光ファイバ４４を複数配置し、これらの測定用光ファイバ４４の出射端側に配置されたセンサ部４１ａにより、測定用光ファイバ４４を介して伝送されたレーザ光Ｌ_３を検出するようにするとよい。ここで、複数の測定用光ファイバ４４を用いる場合には、各測定用光ファイバ４４の入射端の位置関係を保った状態で、各測定用光ファイバ４４の出射端から出射されたレーザ光Ｌ_３をセンサ装置４１のセンサ部４１ａに照射することが好ましい。また、各測定用光ファイバ４４の入射端の位置情報を保持しておき、この位置情報に関連付けて、各測定用光ファイバ４４から出射されたレーザ光Ｌ_３に対応する信号を管理するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の一例を示す図。図１に示すレーザ加工装置で用いられる光ファイバの一例を示す斜視図。図１に示すレーザ加工装置の光ファイバにおけるレーザ光の伝送態様を説明するための図。図１に示すレーザ加工装置における被加工物で反射されたレーザ光の伝送態様を説明するための図。図１に示すレーザ加工装置の変形例を示す図。従来のレーザ加工装置を説明するための図。

符号の説明

１レーザ加工装置
１０加工用光ファイバ
１０ａ入射端
１０ｂ出射端
１１コア
１２クラッド層（外部層）
１３サポート層（外部層）
１４被覆層
１５レーザ発振器
２０加工光学系
２１，２２加工レンズ
２３入射レンズ（入射光学系）
３０被加工物
４１センサ装置
４１ａセンサ部
４２観察装置
４３反射ミラー
４４測定用光ファイバ
５１ビームスプリッタ
５２集光レンズ
５３撮像装置
６０レーザ加工装置
Ｌ_１レーザ光（コア伝送光）
Ｌ_２レーザ光（入射光の光路から外れたレーザ光）
Ｌ_３レーザ光（クラッド伝送光）

Claims

レーザ光を利用して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、
レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送する加工用光ファイバと、
前記加工用光ファイバの出射端側に配置され、前記加工用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を集光して被加工物上に照射する加工光学系と、
前記加工用光ファイバの入射端側に配置され、前記被加工物で反射されて前記加工用光ファイバを介して前記レーザ発振器側に戻されたレーザ光を検出するセンサ装置とを備え、
前記加工用光ファイバは、コアと、このコアを覆うクラッド層を含む外部層とを有し、前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記クラッド層を介して前記レーザ発振器側に戻されたレーザ光を検出し、
前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記クラッド層から出射されたレーザ光の光路上に配置されたセンサ部を有することを特徴とするレーザ加工装置。
前記センサ装置による検出結果に基づいて前記被加工物の加工状態を観察する観察装置をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記センサ部は、前記加工用光ファイバの前記入射端側の異なる位置に複数配置されていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記複数のセンサ部は、異なる感度特性を持つ少なくとも二種類のセンサ部を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記センサ装置は、前記加工用光ファイバの前記クラッド層から出射されたレーザ光の光路上にその入射端が位置付けられるように配置された測定用光ファイバと、この測定用光ファイバの出射端側に配置され、前記測定用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を検出するセンサ部とを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
前記測定用光ファイバは、前記加工用光ファイバの前記入射端側の異なる位置に複数配置され、前記センサ部は、前記複数の測定用光ファイバを介して伝送されたレーザ光を検出するように一つ又は複数配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のレーザ加工装置。
前記外部層はサポート層も含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。