JP7142312B2 - レーザ加工装置及びレーザ発振制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ発振制御方法に関する。

近年、ダイレクトダイオードレーザ（Direct Diode Laser；以下、ＤＤＬという）発振器の高出力化に伴い、ＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工装置の開発が加速している。ＤＤＬ発振器は複数のレーザモジュールから出射されたレーザビームを結合することで数ｋＷを超える高い出力を得ることができる。ビーム結合器から出射されたレーザビームは、伝送ファイバを介して、任意の地点に設置された加工ヘッドに導光される。このとき、ビーム結合器から出射されたレーザビームは、伝送ファイバのコアに収まるスポット径まで集光レンズで集光された後に伝送ファイバに入射される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開２０１６／１５２４０４号

ところで、ＤＤＬ発振器は、レーザ発振中に各レーザモジュール及び光学系の温度上昇を伴う。この温度上昇に起因してレーザモジュールから出射されるレーザビームの波長シフトや出射角の変化、偏光状態の変化等が生じ得る。また、光学系における各光学素子は温度上昇により集光特性等の光学特性が変化し得る。また、ＤＤＬ発振器が高出力になるほど、レーザモジュールの個数が増加し、これに伴い、使用する光学素子の数が増加する。よって、個々の温度上昇が及ぼすＤＤＬ発振器の光出力特性への影響は大きくなる。

このため、通常、ＤＤＬ発振器において、内部の温度が安定した状態、言いかえると、所定時間以上レーザ発振が行われて、光学系が熱的に飽和するかそれに近い状態で各光学素子の位置や角度が調整される。このことにより、出射されるレーザビームの品質が安定する。

しかし、従来、光学系が熱的に飽和したかどうかを検知することは困難であった。例えば、ＤＤＬ発振器内の温度を計測する場合でも、その温度と光学系の熱的飽和との相関を取る必要があった。また、このような相関関係は、ＤＤＬ発振器の仕様や個体差等により変化するため、結局、経験に基づいて個別に見極めを行う必要があり、作業効率が低下していた。特に、長期間、ＤＤＬ発振器のレーザ発振を停止した状態から、レーザ発振を開始した場合、所望の加工に必要なビーム品質となっているかを、単純に、ＤＤＬ発振器内の温度のみで見極めることは難しかった。

一方、レーザビームの品質が不安定であると、伝送ファイバの入射部におけるスポットサイズやスポット位置も変化してしまう。その結果、伝送ファイバのクラッドへの漏れ光が増加し、レーザビームの出力のロスや、場合によっては、伝送ファイバの破損に至るおそれがあった。特に、複数のレーザビームを結合して出射する場合、結合されたレーザビーム（以下、単に結合レーザビームと呼ぶことがある。）は、単独のレーザビームよりも空間的に拡がった状態になるため、上記の問題がより顕著となるおそれがあった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、レーザビームの形状をモニターすることで、出射されるレーザビームの品質を評価可能なレーザ加工装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームをそれぞれ発する複数のレーザモジュールと、該複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器と、前記ビーム結合器から出射された結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバに導光する光学ユニットと、前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッドと、前記複数のレーザモジュール及び前記光学ユニットの動作を制御する制御部と、を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、前記光学ユニットは、前記結合レーザビームの一部を透過する一方、残部を前記結合レーザビームの進行方向と異なる方向に反射する部分反射ミラーと、前記部分反射ミラーで反射された前記結合レーザビームの残部を受光して、画像信号を生成するビームモニタと、前記結合レーザビームの光路上の所定の位置と光路外の所定の位置との間を移動可能に設けられたシャッタと、を有し、前記制御部は、前記ビームモニタで生成された前記画像信号に基づいて前記結合レーザビームの良否を判定するビーム品質判定部をさらに備え、前記画像信号には、前記結合レーザビームの残部のビーム形状及び前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に関する情報が含まれることを特徴とする。

この構成によれば、複数のレーザモジュールを含むレーザ発振器から出射される結合レーザビームのビーム品質を定常的にモニターして、レーザ加工を安定に行うことができる。

また、本発明に係るレーザ発振制御方法は、上記のレーザ加工装置におけるレーザ発振制御方法であって、前記複数のレーザモジュールのレーザ発振を開始するレーザ発振開始ステップと、前記結合レーザビームの残部を前記ビームモニタで観測して画像信号を得るビーム観測ステップと、前記画像信号から得られた画像情報に基づいて、前記結合レーザビームの良否を判定するビーム品質判定ステップと、を備えることを特徴とする。

この方法によれば、ビーム品質判定ステップでの判定結果に基づいてレーザ発振制御を行うことで、レーザ加工を安定に行うことができる。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ発振制御方法によれば、レーザ加工を安定に行うことができる。

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。 ビーム結合器及び光学ユニットの内部構成を一方向から見た断面模式図である。 ビーム結合器及び光学ユニットの内部構成を別の方向から見た断面模式図である。 レーザ発振制御手順を示すフローチャートである。 レーザ発振開始からのレーザ発振器のビーム品質の時間変化を示す図である。 レーザビームのスポット形状とその良否判定結果との関係を示す一例である。 レーザビームのスポット形状とその良否判定結果との関係を示す別の一例である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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全くない。

（実施形態）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示す。また、図２は、ビーム結合器及び光学ユニットの内部構成を一方向から見た断面模式図を、図３は、当該内部構成を別の方向から見た断面模式図をそれぞれ示す。なお、図２では、後述する複数のレーザビームのうち、レーザビームＬＢ１が進行する部分のみを示している。また、以降の説明において、図２におけるレーザ発振器からビーム結合器へ入射されるレーザビームの進行方向をＸ方向、ミラーＭ１で反射されたレーザビームＬＢ１がミラーＭ２に向かう方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０とレーザビーム出射ヘッド３０と伝送ファイバ４０と制御部５０と電源６０とを備えている。レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０のレーザビームが入射される端部（以下、単に入射端という。また、伝送ファイバ４０のレーザビームが出射される端部を、以下、単に出射端という。）とは筐体７０内に収容されている。

レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１とビーム結合器１２と光学ユニット２０と、を有している。レーザモジュール１１は、異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザダイオードまたはレーザアレイからなり、レーザモジュール１１内で波長合成されたレーザビームが各々のレーザモジュール１１からそれぞれ出射される。複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射されたレーザビームをビーム結合器１２で一つの結合レーザビームに結合する。また、結合レーザビームは、光学ユニット２０に配設された集光レンズ２１によって集光され、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ４０に入射される。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザビーム出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ発振器１０は、後述する電源６０から電力が供給されてレーザ発振を行い、結合レーザビームが伝送ファイバ４０の出射端から出射される。

ビーム結合器１２は、ミラーＭ１，Ｍ２を含む複数のミラー及び図示しない光学部品を有しており、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射されたレーザビームが光入射部ＬＩ１及びその他の光入射部（図示せず）からそれぞれ入射される。各ミラー及び光学部品は、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射されたレーザビームを結合して、結合レーザビームＬＢとしてレーザビーム出射部ＬＯから出射するように、ビーム結合器１２の内部に配置されている。

光学ユニット２０は、内部に集光レンズ２１と部分反射ミラー２２とシャッタ２３とビームカメラ（以下、ビームモニタと呼ぶことがある）２４とビームダンパ２５とを有している。集光レンズ２１は、伝送ファイバ４０の入射端において、後述するコア４１のコア径よりも小さいビーム径となるように結合レーザビームＬＢを集光する。また、光学ユニット２０は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ４０の入射端が接続されている。部分反射ミラー２２は、集光レンズ２１で集光された結合レーザビームＬＢの一部を透過する一方、残部を結合レーザビームＬＢの進行方向と異なる方向に位置するビームカメラ２４に向けて反射するように構成されている。本実施形態では、結合レーザビームＬＢのうち９９．９９％が部分反射ミラー２２を透過し、０．０１％がビームカメラ２４の撮像面（図示せず）に向けて反射されるように、部分反射ミラー２２の光学特性が設定されている。ただし、特にこれに限定されず、結合レーザビームＬＢの出力やビームカメラ２４の耐久性等によって、部分反射ミラー２２の反射率は適宜変更されうる。ただし、反射率が大きすぎると、ビームカメラ２４に入射されるレーザビームの強度が強くなりすぎ、ビームカメラ２４の撮像面（図示せず）が焼き付くおそれがある。このことに留意して、部分反射ミラー２２の反射率を設定する必要がある。

また、シャッタ２３は、後述する制御部５０からの駆動信号に基づいて、図示しないアクチュエータによって駆動され、結合レーザビームＬＢの光路上に配置されるか、または光路外に退避するように移動可能に構成されている。なお、シャッタ２３は、結合レーザビームＬＢの光路と交差する方向に直線的に移動するようにしてもよいし、結合レーザビームＬＢの光路に対して回転移動するようにしてもよい。なお、前者の場合は、シャッタ２３は、結合レーザビームＬＢの光路に対して所定の角度傾いた状態で移動し、当該光路上にあるときは、ビームダンパ２５に向けて結合レーザビームＬＢを偏向する。また、後者の場合、シャッタ２３は、回転移動することで、結合レーザビームＬＢを通過させるか、または、ビームダンパ２５に向けて結合レーザビームＬＢを偏向するように構成されている。なお、シャッタ２３は、結合レーザビームＬＢが入射したとき、その入射された面に結合レーザビームＬＢを全反射する材料が設けられているのが好ましい。シャッタ２３全体が当該材料からなっていてもよい。

ビームカメラ２４は、部分反射ミラー２２で反射された結合レーザビームＬＢの残部を図示しない撮像面で受光し、画像信号を生成する。後述するように、この画像信号には、結合レーザビームＬＢの残部のビーム形状及び結合レーザビームＬＢと伝送ファイバ４０の入射端との結合状態に関する情報である画像情報が含まれる（図６Ａ，６Ｂ参照）。なお、この画像信号が、制御部５０に接続された図示しない表示部に入力され、表示部に上記のビーム形状や伝送ファイバ４０との結合状態が表示されるようにしてもよい。

ビームダンパ２５は、シャッタ２３が結合レーザビームＬＢの光路上に配置されたとき、シャッタ２３で偏向された結合レーザビームＬＢを受光し、これを熱に変換して消費する。

伝送ファイバ４０は、レーザ発振器１０の集光レンズ２１に光学的に結合され、集光レンズ２１を介してレーザ発振器１０から受け取った結合レーザビームをレーザビーム出射ヘッド３０に伝送する。また、伝送ファイバ４０は軸心に断面が略円形状のコア４１と、コア４１の外周面に接してコア４１と同軸にクラッド４２が設けられており、クラッド４２の屈折率はコア４１の屈折率よりも低くなるように構成されている。なお、図示しないが、クラッド４３２表面は被膜で覆われている。

レーザビーム出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で伝送された結合レーザビームＬＢを外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワーク（図示せず）に向けて結合レーザビームＬＢを出射する。

制御部５０は、内部に複数の機能ブロック５１～５４を有している。信号処理部５１は、ビームカメラ２４で観測された画像信号を受け取って、ノイズ除去や増幅等の信号処理を行う。また、画像信号はアナログ信号であるが、これをデジタル信号に変換するようにしてもよい。演算部５２は、信号処理部５１で信号処理された画像信号を受け取って、この信号に基づき、レーザ制御部５３及び光学部品駆動制御部５４に制御信号を送る。また、演算部５２は、図示しない記憶部等に格納された加工プログラムに基づき、レーザ制御部５３及び光学部品駆動制御部５４に制御信号を送る。また、演算部５２は、信号処理部５１で信号処理された画像信号に基づいて、結合レーザビームＬＢのビーム品質を評価、判定する。つまり、ビーム品質判定部として機能する。この判定結果に基づいて、後述するように、光学部品駆動制御部５４にシャッタ２３を駆動させる制御信号を送ったり、レーザ制御部５３にレーザ発振停止信号を送ったりする。これらについては後で詳述する。

レーザ制御部５３は、演算部５２から受け取った制御信号に基づき、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源６０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１１のレーザ発振制御及び発振停止制御を行う。各々のレーザモジュール１１に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１１毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。光学部品駆動制御部５４は、演算部５２から受け取った制御信号に基づき、ビーム結合器１２内に配置された図示しない光学部品の動作や光学ユニット２０内に配置されたシャッタ２３の開閉を制御する。なお、制御部５０には、上記４つ以外の機能ブロックが設けられていてもよい。例えば、加工プログラム等を格納する記憶部が設けられていてもよい。また、制御部５０は、レーザビーム出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。なお、制御部５０内の各機能ブロックは、汎用のＣＰＵ又は専用のＬＳＩ上で所定のプログラムを実行することにより実現される。

電源６０は、レーザ制御部５３からの制御信号に基づき、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器１０、具体的には、複数のレーザモジュール１１のそれぞれに対して供給する。各々のレーザモジュール１１に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。あるいは、レーザモジュール１１への電力供給を停止してレーザ発振を停止させる。

［レーザ発振制御手順］
図４は、本実施形態に係るレーザ発振制御手順のフローチャートを示し、図５は、レーザ発振器のビーム品質の時間依存性を示す。また、図６Ａは、レーザビーム形状パターンとその良否判定結果との関係の一例を、図６Ｂは、レーザビーム形状パターンとその良否判定結果との関係を示す別の一例をそれぞれ示す。

まず、レーザ発振制御手順について説明する。図４に示すように、レーザ加工装置１００において、加工プログラムに基づいて施工が開始されると、レーザ制御部５３からの制御信号を受け取って、レーザ発振器１０はレーザ発振を開始する（ステップＳ１：レーザ発振開始ステップ）。各々のレーザモジュール１１から出射され、ビーム結合器１２で結合された結合レーザビームＬＢの残部が部分反射ミラー２２でビームカメラ２４に入射され、レーザビームの観測が開始する（ステップＳ２：ビーム観測ステップ）。なお、ステップＳ１，Ｓ２において、シャッタ２３は閉状態、つまり、結合レーザビームＬＢはシャッタ２３によって、ビームダンパ２５に向けて偏向されている状態であり、伝送ファイバ４０に結合レーザビームＬＢは入射されていない。

次に、ビームカメラ２４で観測された画像信号に基づいて、ビーム品質判定部である演算部５２はレーザビームの品質を評価し、その良否を判定する（ステップＳ３：ビーム品質判定ステップ）。ここで、ビーム品質の判定基準は、レーザ発振器１０の仕様やレーザ加工装置１００におけるレーザ加工の要求仕様等に基づいて定められる。また、本実施形態では、結合レーザビームＬＢの良否を判定するための評価指標として、焦点におけるレーザビーム半径とレーザビームの発散角の半値との積で表されるＢＰＰを用いている。

ステップＳ３において、判定が肯定的、すなわち、ビーム品質が良好であると判定された場合は、シャッタ２３を開状態にして結合レーザビームＬＢを伝送ファイバ４０の入射端に入射させるとともに、ワーク（図示せず）に向けて結合レーザビームＬＢの照射を開始し（ステップＳ５：レーザビーム照射ステップ）、所定のレーザ加工を行う。施工が終了したら、シャッタ２３を閉状態にし、レーザ発振器１０のレーザ発振、具体的には、各レーザモジュール１１のレーザ発振を停止する（ステップＳ６：レーザ発振停止ステップ）。

一方、ステップＳ３において、判定が否定的、すなわち、ビーム品質が不良であると判定された場合は、ステップＳ４に進んで、このまま、つまり、シャッタ２３を閉状態にし、レーザ発振を継続した状態で待機すべきか否かを判定する（待機判定ステップ）。ステップＳ４での判定も、ビームカメラ２４で観測された画像信号に基づいて、ビーム品質判定部である演算部５２によって行われる。ステップＳ４での判定が肯定的である場合は、ステップＳ２に戻って、再度、レーザビームの観測とビーム品質の良否判定（ステップＳ３）とを行う。ステップＳ４での判定が否定的である場合は、ステップＳ６に進んで、シャッタ２３を閉状態にし、レーザ発振器１０のレーザ発振を停止する。なお、待機判定ステップでの待機時間は、レーザ発振器１０の仕様や出力等に基づいて適宜決められる。
なお、ステップＳ３，Ｓ４においても、伝送ファイバ４０に結合レーザビームＬＢは入射されておらず、ステップＳ５に進んで始めて伝送ファイバ４０に結合レーザビームＬＢが入射される。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態のレーザ加工装置は、レーザビームをそれぞれ発する複数のレーザモジュール１１と、複数のレーザモジュール１１から出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームＬＢとして出射するビーム結合器１２と、結合レーザビームＬＢを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバ４０に導光する光学ユニット２０と、伝送ファイバ４０の出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッド３０と、複数のレーザモジュール１１及び光学ユニット２０の動作を制御する制御部５０とを少なくとも備えている。

光学ユニット２０は、結合レーザビームＬＢの一部を透過する一方、残部を結合レーザビームＬＢの進行方向と異なる方向に反射する部分反射ミラー２１と、結合レーザビームＬＢの残部を受光して、画像信号を生成するビームカメラ（ビームモニタ）２４と、結合レーザビームＬＢの光路上の所定の位置と光路外の所定の位置との間を移動可能に設けられたシャッタ２３と、を有している。

制御部５０は、ビームカメラ２４で生成された画像信号に基づいて、結合レーザビームＬＢの良否を判定する演算部（ビーム品質判定部）５２をさらに備えている。また、画像信号は、結合レーザビームＬＢの残部のビーム形状及び結合レーザビームＬＢと伝送ファイバ４０の入射端との結合状態に関する情報である画像情報を含んでいる。

また、本実施形態のレーザ発振制御方法は、上記のレーザ加工装置１００におけるレーザ発振制御方法であって、レーザ発振器１０、この場合は、複数のレーザモジュール１１のレーザ発振を開始するレーザ発振開始ステップと、結合レーザビームＬＢの残部をビームカメラ２４で観測して画像信号を得るビーム観測ステップと、画像信号から得られた画像情報に基づいて、結合レーザビームＬＢの良否を判定するビーム品質判定ステップと、を備えている。

レーザ加工装置１００をこのように構成することで、また、レーザ発振制御方法をこのように構成することで、レーザ発振器１０から出射される結合レーザビームＬＢの状態をモニターし、かつそのビーム品質の良否を判定することが可能となり、レーザ加工を安定に行うことができる。また、レーザ加工の精度を安定に保つことができる。また、結合レーザビームＬＢと伝送ファイバ４０との結合状態をモニターすることで、伝送ファイバ４０のクラッド４２へ漏れ出すレーザビームの光量等を正確に把握して、レーザ加工装置１００でのレーザ出力のロスや伝送ファイバ４０の損傷を低減することができる。また、レーザ加工装置１００での加工不良の発生を抑制できる。また、レーザ発振器１０の異常をいち早く検知でき、これを正常な状態に復することが可能となるとともに、適切な時期にメンテナンスが行え、レーザ加工装置１００のダウンタイムを低減できる。

また、演算部５２による判定結果が不良の場合は、結合レーザビームＬＢは、シャッタ２３により遮断される。

特に、本実施形態のレーザ加工装置１００によれば、レーザ発振器１０のレーザ発振が長期間停止した状態からレーザ発振を開始した場合に、所望の加工に必要なビーム品質となっているかを判定してから結合レーザビームＬＢを伝送ファイバ４０に入射させることで、伝送ファイバ４０の損傷を防止し、また、所望の加工品質でレーザ加工を行うことが可能となる。このことについてさらに説明する。

図５は、レーザ発振開始からのレーザ発振器のビーム品質の時間変化を示す。図５において、時間が０秒の時点がレーザ発振開始時点に相当する。また、レーザ発振開始までには相当の時間が経過し、レーザ発振器１０の温度は十分に低下した状態である。

図５から明らかなように、レーザ発振開始から、レーザ品質の評価指標であるＢＰＰは低下し始め、２０秒以上の時間をかけて安定する。また、安定時のｂｐｐは、レーザ発振開始直後のＢＰＰよりも約３０％減少している。また、定義から明らかなように、Ｂｐｐの値が小さい方がビーム品質は良好である。前述したように、レーザモジュール１１の出力やレーザ発振器１０における各種光学部品の配置は、定常運転状態にあわせて調整されている。定常運転状態では、レーザビームを発するレーザモジュール１１は発熱して温度が上昇している。また、各種光学部品もレーザビームが透過する際のわずかな吸熱や、筐体等の内部温度の上昇に伴い温度が上昇している。

一方、図５に示すように、レーザ発振開始直後では、各部の温度が定常状態になっておらず、そのような状態で結合レーザビームＬＢがワークに照射されると、結合レーザビームＬＢが所定の値よりも拡がりすぎた状態となっている。このような状態では、例えば、切断幅が拡がりすぎて所望の加工が行えなかったり、あるいは、伝送ファイバ４０のクラッド４２への漏れ光が大きくなりすぎて伝送ファイバ４０が損傷したりするおそれがあった。

本実施形態のレーザ加工装置１００は、ビームカメラ２４で生成された画像信号に基づいて、結合レーザビームＬＢのビーム品質を正確に評価し、その品質が不良であれば、結合レーザビームＬＢが伝送ファイバ４０に入射される前に、シャッタ２３により遮断する。このことにより、設定されたビーム形状を有する結合レーザビームＬＢでワークのレーザ加工を行うことができる。また、伝送ファイバ４０のクラッド４２への漏れ光を低減して、伝送ファイバ４０の損傷を低減することができる。

また、制御部５０は、レーザモジュール１１の動作を制御するレーザ制御部５３と、シャッタ２３の動作を制御する光学部品駆動制御部５４と、演算部５２と、を有している。演算部５２は、結合レーザビームＬＢの良否判定結果に基づいてシャッタ２３の開閉を決定する制御信号を光学部品駆動制御部５４に送るように構成されている。また、演算部５２は、上記の良否判定結果に基づいてレーザ制御部５３にレーザモジュール１１のレーザ発振を停止させる制御信号を送るように構成されている。

このようにすることで、結合レーザビームＬＢのビーム品質が良好な場合に、シャッタ２３を開状態にし、伝送ファイバ４０を介して、結合レーザビームＬＢをワークに照射させることができる。また、ビーム品質が不良の場合に、シャッタ２３を閉状態に、レーザモジュール１１のレーザ発振を停止することができる。また、結合レーザビームＬＢの良否判定結果が良好になるまで閉状態を維持するようにシャッタ２３を構成することで、確実に、ビーム品質が低下したレーザビームが伝送ファイバ４０に入射したり、ワークに照射されたりするのを防止できる。

また、本実施形態のレーザ発振制御方法は、結合レーザビームＬＢの良否判定結果が否定的であれば、その後に、シャッタ２３を閉状態に維持するか否かを判定する待機判定ステップをさらに備え、待機判定ステップでの判定結果が否定的であれば、シャッタ２３を閉状態に維持し、かつレーザ発振器１０のレーザ発振を停止する。また、待機判定ステップでは、結合レーザビームＬＢのビーム形状及び／または結合レーザビームＬＢと伝送ファイバ４０との結合状態に基づいて、シャッタ２３を閉状態に維持するか否かを判定する。

この方法によれば、結合レーザビームＬＢのビーム品質が不良である場合、それが一時的なものか恒常的に発生しているものかを正確に判定することができる。このことにより、レーザ加工装置１００の不要なメンテナンスをなくし、ダウンタイムを低減することができる。このことについて、さらに説明する。

図６Ａは、レーザビームのスポット形状とその良否判定結果との関係の一例、図６Ｂは、レーザビームのスポット形状とその良否判定結果との関係の別の一例をそれぞれ示す。図６Ａ，６Ｂに示すスポット形状は、ビームカメラ２４で観測された結合レーザビームＬＢの残部が平面（撮像面）に投影されたものであり、集光レンズ２１の焦点近傍での結合レーザビームＬＢのビーム形状に対応している。また、図６Ａ，６Ｂに示す符号４１，４２は、伝送ファイバ４０の入射端でのコア４１及びクラッド４２を平面（撮像面）に仮想的に投影させたものであり、スポットとコア４１及びクラッド４２との位置関係が、結合レーザビームＬＢと伝送ファイバ４０との結合状態に対応している。これらの情報、つまり、スポット形状とスポットとコア４１及びクラッド４２との位置関係とが、ビームカメラ２４で生成された画像情報に含まれる。

図６Ａの上段には、結合レーザビームＬＢのビーム品質が良好な場合のスポット形状を示している。スポットがコア４１のコア径以下で、かつコア４１内に収まっている。これは、実際の結合レーザビームＬＢが、伝送ファイバ４０のクラッド４２に漏れることなく、コア４１内に入射していることを示す。このように、結合レーザビームＬＢのビーム品質が良好であれば、図４に示すように、結合レーザビームＬＢは伝送ファイバ４０を介してワークに照射される。

一方、図６Ａの中段に示すスポットは、中心がコア４１の中心とほぼ一致するものの、コア４１からはみ出してクラッド４２にかかっており、下段に示すスポットは、中心がコア４１の中心とずれており、かつスポットがコア４１からはみ出してクラッド４２にかかっている。これらの場合、ビーム品質は不良と判定される。しかし、図６Ａの中段及び下段に示す状況は、レーザ発振時間の経過とともに図６Ａの上段に示す場合に収束する場合がある。図６Ａの中段に示す場合では、各光学部品の温度が上昇中で、熱レンズ効果が安定しておらず、焦点がずれている可能性がある。また、図６Ａの中段に示す場合では、各光学部品の温度が上昇中で、レーザビームの光軸がずれている可能性がある。

そこで、本実施形態に示すように、待機判定ステップを設けて、所定の時間、レーザ発振を継続しつつ、シャッタ２３を閉状態にすることで、レーザ発振器１０内の各部の温度が安定するのを待ってビーム品質を再度評価することができる。再評価の結果、ビーム品質が良好となれば、直前の評価時には、レーザ発振器１０が安定状態になっていなかったことがわかるとともに、レーザ発振を停止してダウンタイムが発生するのを防止できる。また、不要なメンテナンスを行わなくて済む。なお、図４に示すように、待機判定ステップを経て、なお、ビーム品質が不良と判定されれば、シャッタ２３を閉状態にしつつ、レーザ発振器１０のレーザ発振を停止して、不良の原因を調査する必要がある。

一方、図６Ｂには、レーザ発振を停止すべき状態を示している。図６Ｂの上段に示す場合では、スポットが２つに分離し、一方のスポットがコア４１からはみ出してクラッド４２にかかっている。このような場合は、ビーム結合器１２内で一部の光学備品の配置ずれあるいは損傷が起こって、特定のレーザビームの光軸ずれが生じていると考えられる。

また、図６Ｂの中段に示す場合では、コア４１に対するスポットのずれ量が、例えば、図６Ａの下段に示す場合に比べて大きくなっている。このような場合は、ビーム結合器１２内での光学部品の配置ずれ、あるいは光学ユニット２０の集光レンズ２１の配置ずれが起こっているおそれがある。

図６Ｂの下段に示す場合では、スポットがコア４１からはみ出してクラッド４２にかかるとともに、スポット形状が楕円状に変形している。このような場合は、例えば、集光レンズ２１の表面の汚染や集光レンズ２１自体の損傷等が起こっているおそれがある。

これらの場合には、図４のステップＳ６に示すように、レーザ発振を停止して、不良原因を調査する必要がある。このように、
なお、本実施形態において、レーザ発振器１０は、最大出力が１ｋＷのレーザモジュール１１を４個並列に配置して４ｋＷのレーザビームが出力されるようにしているが、特にこれに限定されない。

また、本実施形態におけるビームカメラ２４は、受光素子アレイであってもよい。

本発明のレーザ加工装置は、出射されるレーザビームのビーム品質をモニターして、これを良好に維持できるため、加工精度が要求されるレーザ加工装置として有用である。

１０ レーザ発振器
１１ レーザモジュール
１２ ビーム結合器
２０ 光学ユニット
２１ 集光レンズ
２２ 部分反射ミラー
２３ シャッタ
２４ ビームカメラ（ビームモニタ）
３０ レーザビーム出射ヘッド
４０ 伝送ファイバ
４１ コア
４２ クラッド
５０ 制御部
５１ 信号処理部
５２ 演算部（ビーム品質判定部）
５３ レーザ制御部
５４ 光学部品駆動制御部
６０ 電源
１００ レーザ加工装置
ＬＢ 結合レーザビーム

Claims (11)

1. レーザビームをそれぞれ発する複数のレーザモジュールと、該複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器と、前記ビーム結合器から出射された結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバに導光する光学ユニットと、前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッドと、前記複数のレーザモジュール及び前記光学ユニットの動作を制御する制御部と、を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、
   前記光学ユニットは、前記結合レーザビームの一部を透過する一方、残部を前記結合レーザビームの進行方向と異なる方向に反射する部分反射ミラーと、前記部分反射ミラーで反射された前記結合レーザビームの残部を受光して、画像信号を生成するビームモニタと、前記結合レーザビームの光路上の所定の位置と光路外の所定の位置との間を移動可能に設けられたシャッタと、を有し、
   前記制御部は、前記ビームモニタで生成された前記画像信号に基づいて前記結合レーザビームの良否を判定するビーム品質判定部をさらに備え、
   前記画像信号には、前記結合レーザビームの残部のビーム形状及び前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に関する情報が含まれることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記ビーム品質判定部による判定結果が不良の場合は、前記結合レーザビームは、前記シャッタにより遮断されることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記レーザモジュールの動作を制御するレーザ制御部と、前記シャッタの動作を制御する光学部品駆動制御部と、前記ビーム品質判定部と、を少なくとも有し、
   前記ビーム品質判定部は、前記結合レーザビームの良否判定結果に基づいて前記シャッタの開閉を決定する制御信号を前記光学部品駆動制御部に送るように、また、前記良否判定結果に基づいて前記レーザ制御部に前記レーザモジュールのレーザ発振を停止させる制御信号を送るように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記シャッタは、前記結合レーザビームの良否判定結果が良好になるまで閉状態を維持するように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置におけるレーザ発振制御方法であって、
   前記複数のレーザモジュールのレーザ発振を開始するレーザ発振開始ステップと、
   前記結合レーザビームの残部を前記ビームモニタで観測して画像信号を得るビーム観測ステップと、
   前記画像信号から得られた画像情報に基づいて、前記結合レーザビームの良否を判定するビーム品質判定ステップと、を備えることを特徴とするレーザ発振制御方法。
6. 請求項５に記載のレーザ発振制御方法において、
   前記ビーム品質判定ステップでの判定結果が肯定的であれば、前記シャッタを開状態にして前記伝送ファイバを介して前記レーザビーム出射ヘッドから前記結合レーザビームを照射し、前記判定結果が否定的であれば、前記シャッタを閉状態に維持することを特徴とするレーザ発振制御方法。
7. 請求項６に記載のレーザ発振制御方法において、
   前記判定結果が否定的であれば、前記シャッタを閉状態に維持し、かつ前記複数のレーザモジュールのレーザ発振を停止することを特徴とするレーザ発振制御方法。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載のレーザ発振制御方法において、
   前記結合レーザビームの良否判定結果が否定的であれば、その後に、前記シャッタを閉状態に維持するか否かを判定する待機判定ステップをさらに備えることを特徴とするレーザ発振制御方法。
9. 請求項８に記載のレーザ発振制御方法において、
   前記待機判定ステップでの判定結果が否定的であれば、前記シャッタを閉状態に維持し、かつ前記複数のレー ザモジュールのレーザ発振を停止することを特徴とするレーザ発振制御方法。
10. 請求項８または９に記載のレーザ発振制御方法において、
    前記画像情報には、前記結合レーザビームの残部のビーム形状及び前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に関する情報が含まれ、
    前記待機判定ステップでは、前記ビーム形状及び／または前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に基づいて、前記シャッタを閉状態に維持するか否かを判定することを特徴とするレーザ発振制御方法。
11. 請求項５ないし１０のいずれか１項に記載のレーザ発振制御方法において、
    前記画像情報には、前記結合レーザビームの残部のビーム形状及び前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に関する情報が含まれ、
    前記ビーム品質判定ステップでは、前記ビーム形状及び／または前記結合レーザビームと前記伝送ファイバとの結合状態に基づいて、前記結合レーザビームの良否を判定することを特徴とするレーザ発振制御方法。

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