JP7039922B2

JP7039922B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP7039922B2
Application number: JP2017200446A
Authority: JP
Inventors: 直樹若林; 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: US20190111515A1; US11179800B2; CN109664036A; JP2019072739A

Description

本発明は、レーザ光により金属材を加工するレーザ加工装置に関する。

ステンレス、アルミニウム、銅などの金属材を加工対象物とするレーザ加工では、レーザ光が加工対象物の表面で反射する。光ファイバ結合型レーザでは、加工対象物で反射した光が、光ファイバの出射面で再結合され、光ファイバを伝搬してレーザ光源に戻る場合がある。光ファイバを伝搬して戻った光（以下において「戻り光」という。）がレーザ光を出力しているレーザ光源に入射すると、レーザ光源の故障の原因となることが知られている。

このため、加工対象物からの戻り光がレーザ光源に入射するか否かを検出することが望まれる。例えば特許文献１では、加工対象物に近接して配置される加工ヘッドに検出手段を設ける方法により、加工対象物でのレーザ光の反射を検出する。

特開２０１２－１７９６２７号公報

しかしながら、加工対象物に近い加工ヘッドに検出手段を設ける方法では、戻り光が光路を伝搬してレーザ光源に入射するか否かを正確に検出することができない。本発明は、加工対象物で反射したレーザ光の戻り光がレーザ光源に入射することを検出できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、加工用レーザ光を出力するレーザ光源と、加工用レーザ光と波長が異なる検査用レーザ光を出力する検査用光源と、加工用レーザ光と検査用レーザ光が入射面から入射され、出射面から加工対象物に向けて加工用レーザ光と検査用レーザ光が出射される光導波路と、主軸および、主軸に対し垂直な面を有し、加工用レーザ光と検査用レーザ光を垂直な面における互いに異なる位置において受け、光導波路の入射面に結合させる結合光学系と、検査用レーザ光が加工対象物で反射して光導波路の出射面から入射し入射面から出射される戻り光を検出する検出器とを備えるレーザ加工装置が提供される。

本発明によれば、加工対象物で反射したレーザ光の戻り光がレーザ光源に入射することを検出できるレーザ加工装置を提供できる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の光路変更手段の機能を説明するための模式図である（その１）。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の光路変更手段の機能を説明するための模式図である（その２）。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置による戻り光の検出方法の他の例を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置は、図１に示すように、加工用レーザ光Ｌ１を出力する複数のレーザ光源１０と、加工用レーザ光Ｌ１と波長が異なる検査用レーザ光Ｌ２を出力する検査用光源２０と、加工用レーザ光Ｌ１と検査用レーザ光Ｌ２が入射面６１から入射され、出射面６２から加工対象物２に向けて加工用レーザ光Ｌ１と検査用レーザ光Ｌ２が出射される光導波路６０と、検査用レーザ光Ｌ２が加工対象物２で反射して光導波路６０の出射面６２から入射し入射面６１から出射される戻り光Ｌｒを検出する検出器９０とを備える。光導波路６０は、例えば光ファイバである。

レーザ光源１０は、半導体レーザなどである。レーザ光源１０は駆動装置１００によって駆動される。例えば半導体レーザを駆動する駆動電流が、駆動装置１００からレーザ光源１０に供給される。

レーザ光源１０から出力された直後のそれぞれの加工用レーザ光Ｌ１は、入力側コリメートレンズ３０によってコリメートされる。入力側コリメートレンズ３０は、加工用レーザ光Ｌ１のそれぞれに用意されている。

図１に示すように、レーザ光源１０及び検査用光源２０と結合レンズ５０との間に光路変更手段４０が配置されている。図１に示す光路変更手段４０は、第１のダイクロイックミラー４１１と第２のダイクロイックミラー４１２により構成されている。以下において、第１のダイクロイックミラー４１１と第２のダイクロイックミラー４１２を総称して「ダイクロイックミラー４１」という。ダイクロイックミラー４１は、加工用レーザ光Ｌ１の波長の光は透過する一方で、検査用レーザ光Ｌ２及びその戻り光Ｌｒの波長の一部を反射し、一部を透過する光学素子である。

加工用レーザ光Ｌ１はダイクロイックミラー４１を透過するため、図１に示すように一部の加工用レーザ光Ｌ１の光路にダイクロイックミラー４１が配置されていても、加工用レーザ光Ｌ１の光路は光路変更手段４０による影響を受けない。

検査用レーザ光Ｌ２は、検査用光源２０から出力された直後に入力側コリメートレンズ３０でコリメートされた後、光路変更手段４０で光路を変更されて、結合レンズ５０に入射する。即ち、図２に示すように、検査用レーザ光Ｌ２の一部は第１のダイクロイックミラー４１１で反射され、検査用レーザ光Ｌ２の一部は第１のダイクロイックミラー４１１を透過する。第１のダイクロイックミラー４１１を透過する透過光をＬ２１で示した。第１のダイクロイックミラー４１１で反射された検査用レーザ光Ｌ２は、その一部が第２のダイクロイックミラー４１２で反射して、結合レンズ５０に入射する。第１のダイクロイックミラー４１１で反射された検査用レーザ光Ｌ２の残りは、第２のダイクロイックミラー４１２を透過する。第２のダイクロイックミラー４１２を透過する透過光をＬ２２で示した。

コリメートされた加工用レーザ光Ｌ１と、コリメートされ、光路変更手段４０によって光路を変更された検査用レーザ光Ｌ２が、結合レンズ５０に入射する。そして、結合レンズ５０により、加工用レーザ光Ｌ１と検査用レーザ光Ｌ２が光導波路６０に結合する。

光導波路６０の入射面６１から入射した加工用レーザ光Ｌ１及び検査用レーザ光Ｌ２は、光導波路６０の出射面６２から出射されて、出力側コリメートレンズ７０によってコリメートされる。コリメートされた加工用レーザ光Ｌ１は、集光レンズ８０を透過して加工対象物２に照射される。これにより、加工対象物２がレーザ加工される。

一方、出力側コリメートレンズ７０によってコリメートされた検査用レーザ光Ｌ２は、集光レンズ８０を透過して加工対象物２に照射される。なお、検査用レーザ光Ｌ２は、加工対象物２の加工に寄与しない程度に低いパワーのレーザ光である。

加工対象物２の表面で反射された加工用レーザ光Ｌ１は、加工対象物２からレーザ光源１０までの光路で減衰したり散乱したりしない場合に、レーザ光源１０まで戻る可能性がある。この戻り光が加工用レーザ光Ｌ１を出力しているレーザ光源１０に入射すると、レーザ光源１０の故障の原因となる。

図１に示したレーザ加工装置では、検査用レーザ光Ｌ２が加工対象物２の表面で反射した戻り光Ｌｒを検出器９０によって検出することにより、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射すると判定する。即ち、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射する場合には、検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒが、集光レンズ８０、出力側コリメートレンズ７０を透過して、光導波路６０の出射面６２に入射する。そして、光導波路６０の入射面６１から出射された戻り光Ｌｒが、結合レンズ５０を透過し、光路変更手段４０で光路を変更された後、検出器９０に入射する。図１では、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光の図示を省略している。

このとき、検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒは、図３に示すように光路変更手段４０の内部を進行する。即ち、戻り光Ｌｒの一部は第２のダイクロイックミラー４１２で反射され、戻り光Ｌｒの一部は第２のダイクロイックミラー４１２を透過する。第２のダイクロイックミラー４１２を透過する透過光をＬｒ２で示した。第２のダイクロイックミラー４１２で反射された戻り光Ｌｒは、その一部が第１のダイクロイックミラー４１１を透過して、検出器９０に入射する。第２のダイクロイックミラー４１２で反射された戻り光Ｌｒの残りは、第１のダイクロイックミラー４１１で反射される。第１のダイクロイックミラー４１１で反射される反射光をＬｒ１で示した。

なお、図１に示しレーザ加工装置では、光路変更手段４０に一対のダイクロイックミラーを使用する場合を例示的に示したが、戻り光Ｌｒの光路を変更できる他の光学素子を光路変更手段４０に使用してもよい。例えば、プリズムやビームスプリッタなどを用いて光路変更手段４０を構成してもよい。

検出器９０は、入射した戻り光Ｌｒを検出するための受光素子を有する。受光素子には、例えばフォトダイオードなどが使用される。

戻り光Ｌｒを検出した場合、検出器９０は、レーザ光源１０からの加工用レーザ光Ｌ１の出力を停止する。例えば、駆動装置１００に制御信号Ｓを送信して、レーザ光源１０の駆動電流の供給を停止する。加工用レーザ光Ｌ１の出力を停止させることにより、戻り光によるレーザ光源１０の故障を抑制することができる。

上記のように、図１に示したレーザ加工装置では、光導波路６０の入射面６１から出射され、結合レンズ５０を透過した戻り光Ｌｒを検出器９０によって検出する。これにより、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射する否かを判定できる。即ち、検出器９０によって検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒが検出される場合には、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射すると判定される。一方、検出器９０によって検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒが検出されない場合には、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光はレーザ光源１０に入射しないと判定される。

図１に示したレーザ加工装置では、光導波路６０の入射面６１から出射された後の戻り光Ｌｒを検出する。つまり、レーザ光源１０の近傍で戻り光Ｌｒを検出する。このため、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射するか否かを高い精度で検出できる。これに対し、加工ヘッドに検出手段を設けるなどして加工対象物２の周辺で戻り光を検出する方法の場合には、戻り光がレーザ光源１０に入射するか否かを正確に検出することが困難である。

以上に説明したように、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物２からの戻り光がレーザ光源１０に入射するか否かを正確に判定することができる。このため、加工用レーザ光Ｌ１を出力時に戻り光が入射することによるレーザ光源１０の故障を抑制することができる。なお、検査用レーザ光Ｌ２はパワーが低く、且つ、戻り光Ｌｒの検出は短時間で行えるため、戻り光Ｌｒによって検査用光源２０が故障することを防止できる。

戻り光がレーザ光源１０に入射することが判明した場合には、種々の対策を実施して、加工対象物２のレーザ加工を実施する。例えば、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光を遮蔽したり減衰させたりするなどの対策や、戻り光の光路を変更するなどの対策を実施する。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒを検出した場合に加工用レーザ光Ｌ１の出力を停止させる対策を実施する場合を上記に示したが、他の対策を実施してもよい。例えば、加工用レーザ光Ｌ１を遮蔽したり、光路を変更したりしてもよい。

また、上記では、加工用レーザ光Ｌ１と検査用レーザ光Ｌ２を同時に加工対象物２に照射しながら、検査用レーザ光Ｌ２の戻り光Ｌｒを検出する場合を説明した。しかし、図４に示すように、レーザ加工の前に検査用レーザ光Ｌ２のみを加工対象物２に照射し、戻り光Ｌｒを検出してもよい。この場合には、レーザ光源１０から加工用レーザ光Ｌ１を出力する前に、加工用レーザ光Ｌ１の戻り光がレーザ光源１０に入射することを検出でき、予め対策を実施することができる。

なお、加工用レーザ光Ｌ１及び検査用レーザ光Ｌ２をコリメートする入力側コリメートレンズ３０を使用する例を上記に示した。しかし、レーザ光源１０や検査用光源２０からコリメートされたレーザ光が出力される場合などは、入力側コリメートレンズ３０を配置しなくてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…レーザ光源
２０…検査用光源
３０…入力側コリメートレンズ
４０…光路変更手段
５０…結合レンズ
６０…光導波路
６１…入射面
６２…出射面
７０…出力側コリメートレンズ
８０…集光レンズ
９０…検出器
１００…駆動装置

Claims

加工用レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記加工用レーザ光と波長が異なる検査用レーザ光を出力する検査用光源と、
前記加工用レーザ光と前記検査用レーザ光が入射面から入射され、出射面から加工対象物に向けて前記加工用レーザ光と前記検査用レーザ光が出射される光導波路と、
主軸および、前記主軸に対し垂直な面を有し、前記加工用レーザ光と前記検査用レーザ光を前記垂直な面における互いに異なる位置において受け、前記光導波路の前記入射面に結合させる結合光学系と、
前記検査用レーザ光が前記加工対象物で反射して前記光導波路の前記出射面から入射し前記入射面から出射される戻り光を検出する検出器と
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記検査用光源と前記光導波路の前記入射面との間に配置され、前記戻り光の光路を変更する光路変更手段を更に備え、
前記光導波路の前記入射面から出射された前記戻り光が、前記光路変更手段によって光路を変更されて前記検出器に入射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記光路変更手段が、前記加工用レーザ光の波長の光は透過し、前記検査用レーザ光及び前記戻り光の波長の光の一部は反射し且つ一部は透過する光学素子を用いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記光学素子が一対のダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記検出器が、前記戻り光を検出した場合に前記レーザ光源からの前記加工用レーザ光の出力を停止させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記加工用レーザ光と前記検査用レーザ光を前記光導波路に結合する結合レンズを更に備え、
前記結合レンズを透過した後の前記戻り光を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光源から出力された直後の前記加工用レーザ光と前記検査用光源から出力された直後の前記検査用レーザ光を、それぞれコリメートする複数の入力側コリメートレンズを更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記光導波路の前記出射面から出射された前記加工用レーザ光と前記検査用レーザ光をコリメートする出力側コリメートレンズを更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。