JP7398623B2 - レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工システム - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工ヘッド、特に互いに波長の異なる２本のレーザ光を出射するレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工システムに関する。

レーザ加工システムは、ワークの切断、溶接、穴開け等のレーザ加工を行う。レーザ加工システムにおいて、レーザ加工ヘッドは、レーザ発振器から出射され、光ファイバを介して導かれたレーザ光を、ワークに照射する。レーザ加工ヘッドには、レーザ光を集光してワークに照射するための集光光学系が設けられている。

例えば、特許文献１，２には、レーザ発振器から出射されたレーザ光を光ファイバで伝送し、複数の光学系を経由してワークに向けて照射するレーザ加工システムが開示されている。光ファイバから出射されたレーザ光は、コリメートレンズで平行光に変換された後、集光レンズで集光されて、ワークの表面に照射される。また、コリメートレンズ及び集光レンズは、レーザ光の光軸方向に移動可能に設けられている。コリメートレンズと集光レンズとを光軸方向へ移動させることによって、ワークの表面におけるレーザ光の直径を変換させることができる。

特開２００９－２２６４７３号公報 特開２０１４－０７９８０２号公報

ところで、近年、例えば近赤外と青色のような互いに波長の異なる２種類のレーザ光を用いたハイブリットレーザ加工システムが知られている。ハイブリットレーザ加工システムは、互いに波長の異なる２種類のレーザ光をレーザ加工ヘッドで同一光軸上に組み合わせて、当該組み合わされた２種類のレーザ光をそれぞれ集光してワークに照射する。ハイブリットレーザ加工システムは、各レーザ光の長所を活かしたり、短所を補完したりすることができるので、１種類のレーザ光のみを用いた従来のレーザ加工システムに比較して、多くの利点を有する。

しかしながら、ハイブリットレーザ加工システムでは、互いに波長の異なる２種類のレーザ光について、集光位置やワークの表面におけるスポット径等の集光状態を調整する必要があるため、１種類のレーザ光のみを用いた従来のレーザ加工システムに比較して、レーザ光の集光状態の調整が難しかった。

また、ハイブリットレーザ加工システムでは、２種類のレーザ光を扱うため、システムを構成する各部品の数が増加することが多い。特に、内部に複数の光学部品を有するレーザ加工ヘッドは、大型化するおそれがあった。

本開示はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、互いに波長の異なる２種類のレーザ光についての集光状態を調整可能にしつつ、小型化が図れるレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工システムを提供することにある。

本開示に係るレーザ加工ヘッドは、筐体と、前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを有するレーザ加工ヘッドであって、前記筐体には、第１レーザ光が入射される第１光入射口と、前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光が入射される第２光入射口と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を外部に出射する光照射口と、がそれぞれ設けられ、前記複数の光学部品は、前記第２レーザ光の光路中に設けられ、前記第２レーザ光を反射して光路を変更させるベンドミラーと、前記第１レーザ光の光路中であってかつ前記ベンドミラーで反射された前記第２レーザ光の光路中に設けられたダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを透過した前記第２レーザ光の光路中であってかつ前記ダイクロイックミラーで反射された前記第１レーザ光の光路中に設けられたアパーチャーと、前記アパーチャーを通過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の光路中に設けられた検出側集光レンズと、を少なくとも含み、前記筐体の内部であって、前記検出側集光レンズを透過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をそれぞれ受光可能な位置に光検出器が配置され、前記ダイクロイックミラーは、前記第１レーザ光の大部分を透過して前記光照射口に向かわせるとともに、前記第１レーザ光の残部を反射して前記アパーチャーに向かわせ、かつ前記第２レーザ光の大部分を反射して前記光照射口に向かわせるとともに、前記第２レーザ光の残部を透過して前記アパーチャーに向かわせ、前記アパーチャーは、前記検出側集光レンズに入射される前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の直径を縮小可能に構成されていることを特徴とする。

本開示に係るレーザ加工システムは、前記レーザ加工ヘッドと、前記第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、前記第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、前記第１光入射口に接続され、前記第１レーザ発振器から出射された前記第１レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する第１光ファイバと、前記第２光入射口に接続され、前記第２レーザ発振器から出射された前記第２レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する第２光ファイバと、を少なくとも備え、前記レーザ加工ヘッドは、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の少なくとも一方をワークに向けて照射することを特徴とする。

本開示によれば、ハイブリットレーザ加工システムにおいて、互いに波長の異なる２種類のレーザ光についての集光状態を調整可能にすることができる。また、レーザ加工ヘッドの小型化が図れる。

図１は、実施形態に係るレーザ加工システムの概略構成図である。 図２は、レーザ加工ヘッドの内部構造を示す概略構成図である。 図３Ａは、アパーチャーによる第１レーザ光のビーム径の変化を示す模式図である。 図３Ｂは、アパーチャーによる第２レーザ光のビーム径の変化を示す模式図である。 図４は、イメージセンサの画素構造を示す模式図である。 図５は、ＲＧＢ画素の受光効率と波長との関係の一例を示す図である。 図６は、別のイメージセンサの画素構造を示す模式図である。 図７Ａは、イメージセンサの受光面に集光された第１レーザ光及び第２レーザ光のスポットを示す画像の一例である。 図７Ｂは、ワークの表面に集光された第１レーザ光及び第２レーザ光のスポットを示す画像の一例である。 図８Ａは、比較例に係る図７Ａ相当図である。 図８Ｂは、比較例に係る図７Ｂ相当図である。 図９は、変形例に係るレーザ加工ヘッドの内部構造の要部を示す模式図である。

以下、本開示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、本開示、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。

（実施形態）
［レーザ加工システムの構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工システム（レーザ加工装置）１を示す。レーザ加工システム１は、互いに波長の異なる２種類のレーザ光を用いたハイブリットレーザ加工システムであり、ワークＷの切断、溶接、穴開け等のレーザ加工を行う。

レーザ加工システム１は、レーザ加工ヘッド（レーザ照射ヘッド）１０と、第１レーザ発振器２及び第２レーザ発振器３と、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５と、マニピュレータ６と、制御装置７と、を備える。

第１レーザ発振器２は、第１レーザ光Ａを出射する。第２レーザ発振器３は、第２レーザ光Ｂを出射する。第１レーザ光Ａと第２レーザ光Ｂとは、互いに波長が異なる。第１レーザ光Ａは、近赤外光であり、その波長が９００ｎｍ～１２００ｎｍ程度である。第２レーザ光Ｂは、青色光であり、その波長が４００ｎｍ～４５０ｎｍ程度である。一般に、レーザ加工には近赤外光が適用されるが、銅への吸収率が良い等との理由から、近年、青色光もレーザ加工に適用されつつある。なお、第２レーザ光Ｂを緑色光（波長：４５０ｎｍ～５５０ｎｍ程度）としてもよい。

第１光ファイバ４は、第１レーザ光Ａを、第１レーザ発振器２からレーザ加工ヘッド１０へ伝送する。第２光ファイバ５は、第２レーザ光Ｂを、第２レーザ発振器３からレーザ加工ヘッド１０へ伝送する。

レーザ加工ヘッド１０は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの少なくとも一方をワークＷの表面Ｗ１に照射する。その場合、レーザ加工ヘッド１０からワークＷに向かう第１レーザ光Ａの光軸と第２レーザ光Ｂの光軸とが同じになるようにする。例えば、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの両方が同時にワークＷの表面Ｗ１に照射される場合、第１レーザ光Ａの光軸と第２レーザ光Ｂの光軸とが重ね合わされた状態でワークＷに照射される。レーザ加工ヘッド１０の詳細については、後述する。

マニピュレータ６は、先端にレーザ加工ヘッド１０が取り付けられ、レーザ加工ヘッド１０を移動させる。制御装置７は、マニピュレータ６の動作及び各レーザ発振器２，３によるレーザ光Ａ，Ｂの発振を制御する。制御装置７は、レーザ加工ヘッド１０の内部における後述するアクチュエータの動作を制御してもよい。

［レーザ加工ヘッドの構成］
図２は、レーザ加工ヘッド１０の内部構造を示す。なお、図２におけるＸ，Ｙ，Ｚは直交座標系における各方向を示し、Ｘ，Ｙが前後左右の水平方向、Ｚが上下方向（鉛直方向）である。また、各レーザ光Ａ，Ｂの光軸（各レーザ光Ａ，Ｂにおける光束の代表となる仮想的な光線）の延びる方向を、「光軸方向」という。光軸方向は、直交座標系Ｘ，Ｙ，Ｚにおいて常に一定ではなく、各レーザ光Ａ，Ｂの進行に応じて変化し得る。

レーザ加工ヘッド１０は、筐体１１の内部に設けられた集光光学系によって、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ集光してワークＷに照射する。レーザ加工ヘッド１０は、集光光学系として、第１コリメートレンズ２０と、第２コリメートレンズ２１と、ベンドミラー３０と、ダイクロイックミラー４０と、ワーク側集光レンズ５０と、光検出器としてのイメージセンサ６０と、検出側集光レンズ７０と、アパーチャー７１と、調整手段の一部としてのミラー側アクチュエータ８０と、調整手段の一部としての第１レンズ側アクチュエータ８１と、調整手段の一部としての第２レンズ側アクチュエータ８２と、を備える。

筐体１１には、Ｚ方向で上側に第１光入射口１２ａと第２光入射口１２ｂとが設けられている。第１光入射口１２ａと第２光入射口１２ｂとは所定の間隔をあけて設けられている。第１光ファイバ４は第１光入射口１２ａに接続され、第１レーザ光Ａは第１光入射口１２ａを通して筐体１１の内部に入射される。第２光ファイバ５は第２光入射口１２ｂに接続され、第２レーザ光Ｂは第２光入射口１２ｂを通して筐体１１の内部に入射される。なお、第１光入射口１２ａと第２光入射口１２ｂとを総称して、入射部１２と呼ぶことがある。

また、筐体１１には、Ｚ方向で下側に光照射口（照射部）１３が設けられている。第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂは光照射口１３に設けられた保護ガラス（図示せず）を通してワークＷの表面Ｗ１に照射される。

第１コリメートレンズ２０は、第１レーザ光Ａを平行光線に変換する。第２コリメートレンズ２１は、第２レーザ光Ｂを平行光線に変換するなお、第１コリメートレンズ２０及び第２コリメートレンズ２１にそれぞれ入射するまで、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂは、互いに並行に、Ｚ方向に直進する。

ベンドミラー３０は、第１レーザ光Ａの光軸に並行な第２レーザ光Ｂの光軸を、第１レーザ光Ａの光軸に交差する方向に、具体的には直交する方向（Ｙ方向）に変更させる。

ダイクロイックミラー４０は、特定の波長領域の光の大部分を透過し、それ以外の波長領域の光の大部分を反射するミラーである。本実施形態では、ダイクロイックミラー４０は、裏面４１側から入射した第１レーザ光Ａの大部分を表面４２側に略真直ぐに透過するとともに、表面４２側から入射した第２レーザ光Ｂの大部分を表面４２側に略直角に反射する。一方、ダイクロイックミラー４０は、裏面４１側から入射した第１レーザ光Ａの残部を裏面４１側に略直角に反射するとともに、表面４２側から入射した第２レーザ光Ｂの残部を裏面４１側に略真直ぐに透過する。

ダイクロイックミラー４０を透過した第１レーザ光Ａの大部分及びダイクロイックミラー４０により反射した第２レーザ光Ｂの大部分の光軸方向進行側には、光照射口１３が配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー４０は、第１レーザ光Ａの大部分をワークＷ側に透過するとともに、第２レーザ光Ｂの大部分をワークＷ側に反射する。

なお、各レーザ光Ａ，Ｂの大部分とは、例えば、エネルギー換算で、ダイクロイックミラー４０に入射する前の各レーザ光Ａ，Ｂの９５％～９９．９％程度である。各レーザ光Ａ，Ｂの残部とは、例えば、エネルギー換算で、ダイクロイックミラー４０に入射する前の各レーザ光Ａ，Ｂの０．１％～５％程度である。

ワーク側集光レンズ５０は、光軸方向において、ダイクロイックミラー４０とワークＷとの間に、配置されている。ワーク側集光レンズ５０は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ集光する。集光した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂは、光照射口１３を介して、ワークＷの表面Ｗ１にそれぞれ照射される。ワーク側集光レンズ５０は、色収差補正機能を有してもよい。この場合、ワーク側集光レンズ５０を透過した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光位置は、Ｚ方向において略一致する。

イメージセンサ（光検出器）６０は、その受光面６１に結像させた光の明暗を電荷の量に光電変換し、それを読み出して電気信号に変換する撮像素子である。イメージセンサ６０は、ダイクロイックミラー４０の裏面４１側に、配置されている。具体的には、イメージセンサ６０は、ダイクロイックミラー４０により反射した第１レーザ光Ａの残部及びダイクロイックミラー４０を透過した第２レーザ光Ｂの残部の光軸方向進行側に配置されている。すなわち、イメージセンサ６０は、ダイクロイックミラー４０により反射した第１レーザ光Ａの残部及びダイクロイックミラー４０を透過した第２レーザ光Ｂの残部のそれぞれを受光面６１で受光する。

アパーチャー７１は、光軸方向において、ダイクロイックミラー４０と検出側集光レンズ７０との間に配置されている。後で詳しく述べるように、アパーチャー７１は、検出側集光レンズ７０に入射する第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの直径（以下、第１レーザ光Ａのビーム径及び第２レーザ光Ｂのビーム径とそれぞれ呼ぶことがある。）を縮小可能に構成されている。

検出側集光レンズ７０は、光軸方向において、アパーチャー７１とイメージセンサ６０との間に配置されている。検出側集光レンズ７０は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ集光する。そして、検出側集光レンズ７０は、集光した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれを、イメージセンサ６０の受光面６１に照射する。検出側集光レンズ７０は、色収差補正機能を有してもよい。この場合、検出側集光レンズ７０を透過した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光位置は、Ｙ方向において略一致する。

ワークＷの表面Ｗ１に照射される第１レーザ光Ａの集光状態に対応するように、検出側集光レンズ７０のサイズや曲率、また、検出側集光レンズ７０とイメージセンサ６０との距離が設定されている。つまり、イメージセンサ６０の受光面６１に照射される第１レーザ光Ａの集光状態は、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第１レーザ光Ａの集光状態に対応している。

同様に、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第２レーザ光Ｂの集光状態に対応するように、検出側集光レンズ７０のサイズや曲率、また、検出側集光レンズ７０とイメージセンサ６０との距離が設定されている。つまり、イメージセンサ６０の受光面６１に照射される第２レーザ光Ｂの集光状態は、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第２レーザ光Ｂの集光状態に対応している。

例えば、イメージセンサ６０の受光面６１で第１レーザ光Ａのスポット径（検出側第１スポット径Ｄａｊ）が拡がれば、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第１レーザ光Ａのスポット径（ワーク側第１スポット径Ｄａｉ）も拡がる。イメージセンサ６０の受光面６１で第２レーザ光Ｂの集光位置がシフトすれば、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第２レーザ光Ｂの集光位置も同様にシフトする。なお、本実施形態において、「スポット径」とは、任意の像面（例えば、ワークＷの表面Ｗ１やイメージセンサ６０の受光面６１）におけるレーザ光の直径を意味し、必ずしも、レーザ光の集光点における直径に限定されない。

ミラー側アクチュエータ８０は、ベンドミラー３０の傾きを、変化させる。ミラー側アクチュエータ８０は、例えば、チルト軸及び当該チルト軸を回転させるモータで構成されている。ミラー側アクチュエータ８０によるベンドミラー３０の傾き変化によって、ベンドミラー３０により曲げられる第２レーザ光Ｂの光軸の向きが変化する。これにより、第２レーザ光Ｂの集光位置が変化する。

第１レンズ側アクチュエータ８１は、第１コリメートレンズ２０を、光軸方向（Ｚ方向）に移動させる。第１レンズ側アクチュエータ８１は、例えば、リニアモータで構成されている。第２レンズ側アクチュエータ８２は、第２コリメートレンズ２１を、光軸方向（Ｚ方向）に移動させる。第２レンズ側アクチュエータ８２は、例えば、リニアモータで構成されている。各レンズ側アクチュエータ８１，８２による各コリメートレンズ２０，２１の光軸方向（Ｚ方向）における移動によって、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの後述するスポット径がそれぞれ変化する。

なお、各レンズ側アクチュエータ８１，８２によって各コリメートレンズ２０，２１を光軸方向（Ｚ方向）に移動させる際、各コリメートレンズ２０，２１は、必ずしも光軸方向（Ｚ方向）に真直ぐに移動するのではなく、光軸方向に直交する水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に多少動いたり、多少傾いたりすることがある。

［アパーチャーによるビーム径の変更］
図３Ａは、アパーチャーによる第１レーザ光のビーム径の変化を模式的に示し、図３Ｂは、アパーチャーによる第２レーザ光のビーム径の変化を模式的に示す。

アパーチャー７１の最大開口径が第１レーザ光Ａのビーム径φ１及び第２レーザ光Ｂのビーム径φ３のそれぞれよりも大きい場合、図３Ａの左側及び図３Ｂの左側に示すように、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂは、それぞれもとのビーム径を維持した状態で検出側集光レンズ７０に入射される。

しかし、レーザ加工に使用される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの出力は、通常、数百Ｗ～数ｋＷと大きい。よって、それらの１％程度がイメージセンサ６０に入射されるとしても、受光面６１に照射されるレーザ光のパワーは、数Ｗ～数十Ｗに達する。この場合、出力が大きすぎて、イメージセンサ６０で取得される画像がハレーション等の乱れを起こしたり、長期使用時にイメージセンサ６０のカラーフィルター等が焼き付いたりすることがある。また、ビーム径φ１またはビーム径φ３が検出側集光レンズ７０の有効集光径に収まるように、検出側集光レンズ７０のサイズを設定する必要がある。ビーム径φ１またはビーム径φ３が所定以上に大きければ、検出側集光レンズ７０が大型化してしまう。

そこで、アパーチャー７１の開口径を適切に絞ることにより、図３Ａの左側及び図３Ｂの左側に示すように、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのビーム径をφ２（φ２＜φ１、φ３）に縮小する。このようにすることで、検出側集光レンズ７０に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの直径をそれぞれ縮小して、検出側集光レンズ７０の有効集光径に収まるように調整できる。つまり、検出側集光レンズ７０、ひいては、レーザ加工ヘッド１０が大型化するのを抑制できる。

また、アパーチャー７１の開口径を絞ることで、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂにおいて、それぞれ余分な光束を遮断して、イメージセンサ６０の受光面６１に入射させることができる。このことにより、受光面６１に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのパワーを低減して、前述した画像の乱れやカラーフィルター等の焼き付き等の不具合が発生するのを抑制できる。

［イメージセンサの構成］
図４は、イメージセンサの画素構造を模式的に示す。図５は、ＲＧＢ画素の受光効率と波長との関係を示す。図６は、別のイメージセンサの画素構造を模式的に示す。

図４に示すように、イメージセンサ６０は、近赤外光または赤外光を受光する画素（以下、Ｎ画素と呼ぶ。）、赤色光を受光する画素（以下、Ｒ画素と呼ぶ。）、緑色光を受光する画素（以下、Ｇ画素と呼ぶ。）、及び青色光を受光する画素（以下、Ｂ画素と呼ぶ。）の計４つの画素を一単位として配列されている。具体的には、公知のべイヤー配列に対して、一方のＧ画素がＮ画素に置換されたカラーフィルター配列となっている。

図５に示すように、Ｒ画素は、波長帯が６００ｎｍ～８５０ｎｍ程度の光を光電変換する量子効率が高くなっており、通常の赤色光（６００ｎｍ～７００ｎｍ程度）の光を効率良く電気信号に変換する。Ｇ画素は、波長帯が５００ｎｍ～５５０ｎｍ程度の光を光電変換する量子効率が高くなっており、通常の緑色光（５００ｎｍ～５５０ｎｍ程度）の光を効率良く電気信号に変換する。Ｂ画素は、波長帯が４００ｎｍ～５００ｎｍ程度の光を光電変換する量子効率が高くなっており、通常の青色光（４２０ｎｍ～４８０ｎｍ程度）の光を効率良く電気信号に変換する。なお、図示しないが、Ｎ画素は、波長帯が９００ｎｍ～１２００ｎｍ程度の光を光電変換する量子効率が高くなっており、近赤外光または赤外光（９００ｎｍ～１２００ｎｍ程度）の光を効率良く電気信号に変換する。

前述したように、第１レーザ光Ａの波長は９００ｎｍ～１２００ｎｍ程度であり、第２レーザ光Ｂの波長は４００ｎｍ～４５０ｎｍ程度である。したがって、図４に示すイメージセンサ６０を用いることにより、検出側集光レンズ７０を透過した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂを確実に電気信号に変換できる。また、各画素のサイズを適切に設定することにより、受光面６１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの２次元分布を把握できる。後で述べるように、当該２次元分布や受光面６１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれのスポット径に基づいて、ワークＷの表面Ｗ１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの集光位置やスポット径を修正することができる。

なお、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ確実に電気信号に変換するという観点で言えば、図６に示すように、Ｂ画素とＮ画素の２種類のみを周期的に配列するようにしてもよい。また、第２レーザ光Ｂが緑色光である場合は、図６において、Ｂ画素をＧ画素に置き換えてもよい。つまり、イメージセンサ６０は、第１レーザ光Ａの波長を含む第１波長帯、例えば、９００ｎｍ～１２００ｎｍの光を受光する複数の第１受光部（Ｎ画素）を有している。また、イメージセンサ６０は、第２レーザ光Ｂの波長を含む第２波長帯、例えば、４００ｎｍ～６００ｎｍの光を受光する複数の第２受光部（Ｂ画素及び／またはＧ画素）を有している。複数の第１受光部と複数の第２受光部とが受光面６１上にそれぞれ周期的に配列された画素構造を有していればよい。

［集光状態のモニター及び調整］
実際にワークＷをレーザ加工する場合、表面Ｗ１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光状態をモニターすることはできない。一方、本実施形態によれば、前述したように、イメージセンサ６０の受光面６１に照射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光状態は、ワークＷの表面Ｗ１に照射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光状態に対応している。つまり、イメージセンサ６０の受光面６１に照射された第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのスポット画像（例えば、図７Ａ参照）に基づいて、ワークＷの表面Ｗ１での集光状態をモニターすることができる。

また、第１レーザ光Ａの集光位置と第２レーザ光Ｂの集光位置とが２つのレーザ光の光軸ずれに起因してずれている場合、例えば、ミラー側アクチュエータ８０を傾動させて、２つのレーザ光の集光位置を一致させることができる。また、例えば、イメージセンサ６０の受光面６１に照射された第１レーザ光Ａのスポット画像がデフォーカスしている場合、第１レンズ側アクチュエータ８１を駆動してデフォーカス状態を解消させる。このようにすることで、ワークＷの表面Ｗ１で第１レーザ光Ａが焦点を結ぶようにすることができる。同様に、イメージセンサ６０の受光面６１に照射された第２レーザ光Ｂのスポット画像がデフォーカスしている場合、第２レンズ側アクチュエータ８２を駆動してデフォーカス状態を解消させる。このようにすることで、ワークＷの表面Ｗ１で第２レーザ光Ｂが焦点を結ぶようにすることができる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１０は、筐体１１と、筐体１１の内部に配置された複数の光学部品とを有している。

筐体１１には、第１レーザ光Ａが入射される第１光入射口１２aと、第２レーザ光Ｂが入射される第２光入射口１２ｂと、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂを外部に出射する光照射口１３と、がそれぞれ設けられている。第２レーザ光Ｂは、第１レーザ光Ａよりも波長が短い。

複数の光学部品は、第２レーザ光Ｂの光路中に設けられ、第２レーザ光Ｂを反射して光路を変更させるベンドミラー３０と、第１レーザ光Ａの光路中であってかつベンドミラー３０で反射された第２レーザ光Ｂの光路中に設けられたダイクロイックミラー４０と、を少なくとも含んでいる。

また、複数の光学部品は、ダイクロイックミラー４０を透過した第２レーザ光Ｂの光路中であってかつダイクロイックミラー４０で反射された第１レーザ光Ａの光路中に設けられたアパーチャー７１と、アパーチャー７１を通過した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの光路中に設けられた検出側集光レンズ７０と、を含んでいる。

筐体１１の内部であって、検出側集光レンズ７０を透過した第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ受光可能な位置にイメージセンサ（光検出器）６０が配置されている。

ダイクロイックミラー４０は、第１レーザ光Ａの大部分を透過して光照射口１３に向かわせるとともに、第１レーザ光Ａの残部を反射してアパーチャー７１に向かわせる。また、アパーチャー７１は、第２レーザ光Ｂの大部分を反射して光照射口１３に向かわせるとともに、第２レーザ光Ｂの残部を透過してアパーチャー７１に向かわせる。

アパーチャー７１は、検出側集光レンズ７０に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの直径をそれぞれ縮小可能に構成されている。

アパーチャー７１は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの絞り治具であり、通常、光軸方向の厚さは薄くてよく、また、レーザ光の直径方向（図２中のＺ方向）のサイズも、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂがそれぞれ通過できる程度であればよい。一方、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂが有効径内に収まるように検出側集光レンズ７０の直径を増加させた場合、曲率等も変化させる必要がある。図２に示す例で言えば、Ｙ方向の厚さが大幅に増加してしまうおそれがある。

本実施形態によれば、アパーチャー７１を設けることで、検出側集光レンズ７０に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの直径をそれぞれ縮小して、検出側集光レンズ７０、ひいては、レーザ加工ヘッド１０が大型化するのを抑制できる。

また、アパーチャー７１の開口径を絞ることで、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂにおいて、それぞれ余分な光束を遮断して、イメージセンサ６０の受光面６１に入射させることができる。このことにより、受光面６１に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのパワーを低減して、前述した画像の乱れやカラーフィルター等の焼き付き等の不具合が発生するのを抑制できる。このことについてさらに説明する。

図７Ａは、イメージセンサの受光面に集光された第１レーザ光及び第２レーザ光のスポット画像の一例を示し、図７Ｂは、ワークの表面に集光された第１レーザ光及び第２レーザ光のスポット画像の一例を示す。また、図８Ａは、比較例に係る図７Ａ相当図を示し、図８Ｂは、比較例に係る図７Ｂ相当図を示す。なお、図８Ａ，８Ｂは、レーザ加工ヘッド１０にアパーチャー７１を設けていないか、またはアパーチャー７１を動作させていない場合に対応している。

レーザ加工ヘッド１０の内部の各光学部品の配置関係を適切に設定することで、図７Ｂ，８Ｂに示すように、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂが、ワークＷの表面Ｗ１で一致または近接して集光される。また、第１レーザ光Ａのワーク側第１スポットＳａｉと第２レーザ光Ｂのワーク側第２スポットＳｂｉは、ともに加工に適したサイズになるように調整される。第１レーザ光Ａのワーク側第１スポット径Ｄａｉ及び第２レーザ光Ｂのワーク側第２スポット径Ｄｂｉは、ともに加工に適したサイズになるように調整される。

しかし、レーザ加工ヘッド１０にアパーチャー７１を設けていない場合は、前述したように、イメージセンサ６０の受光面６１に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれのパワーが大きくなりすぎることがある。この場合、例えば、図８Ａに示すように、撮影画面上でハレーションが発生するとともに、第１レーザ光Ａの検出側第１スポットＳａｊと第２レーザ光Ａの検出側第２スポットＳｂｊとを明確に分離して識別することが困難となる。

一方、本実施形態によれば、レーザ加工ヘッド１０にアパーチャー７１を設けることで、検出側集光レンズ７０に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれのパワーと直径を適切に絞ることができる。この場合、例えば、図７Ａに示すように、ハレーション等の発生を無くし、画像の乱れを抑制できる。また、第１レーザ光Ａの検出側第１スポットＳａｊと第２レーザ光Ａの検出側第２スポットＳｂｊとを明確に分離して識別することができる。第１レーザ光Ａの検出側第１スポット径Ｄａｊ及び第２レーザ光Ａの検出側第２スポット径Ｄｂｊをそれぞれ測定することができる。さらに、前述したようなカラーフィルター等の焼き付き等の不具合が発生するのを抑制できる。これらのことにより、イメージセンサ６０で取得された第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの画像に基づいて、ワークＷの表面Ｗ１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの集光位置を調整することができる。

筐体１１の内部には、Ｚ方向において、第１光入射口１２ａとダイクロイックミラー４０との間に第１コリメートレンズ２０が設けられている。第２光入射口１２ｂとベンドミラー３０との間に第２コリメートレンズ２１が設けられている。ダイクロイックミラー４０と光照射口１３との間にワーク側集光レンズ５０が設けられている。

第１コリメートレンズ２０は、第１レーザ光Ａを平行化してダイクロイックミラー４０に入射させる。第２コリメートレンズ２１は、第２レーザ光Ｂを平行化してベンドミラー３０に入射させる。ワーク側集光レンズ５０は、入射された第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂをそれぞれ所定の集光位置に集光させる。

本実施形態によれば、以上の構成を備えることにより、光照射口１３からワークＷに向かう第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの光軸を略一致させることができる。また、ワークＷの表面Ｗ１で第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂがそれぞれ焦点を結ぶようにすることができる。これらのことにより、ワークＷの表面Ｗ１における第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光位置を略一致させることができる。

イメージセンサ（光検出器）６０は、第１レーザ光Ａの波長を含む第１波長帯の光を受光する複数の第１受光部と、第２レーザ光Ｂの波長を含む第２波長帯の光を受光する複数の第２受光部と、を少なくとも有している。複数の第１受光部及び複数の第２受光部は、イメージセンサ６０の受光面６１上にそれぞれ周期的に配列されている。

イメージセンサ６０をこのように構成することで、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれのスポット画像を高い解像度で取得することができる。このことにより、ワークＷの表面Ｗ１における第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光位置を精密に調整できる。

イメージセンサ６０は、近赤外光または赤外光、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ受光する４つの画素が、受光面６１上に周期的に配列された構造であることが好ましい。

この画素構造は公知の構成であり、特殊な構造の光検出器を使用しないため、レーザ加工ヘッド１０のコスト増加を抑制できる。また、イメージセンサ６０の出力信号を公知の信号処理装置を用いて処理できるため、信号処理の負荷が増加するのを抑制できる。

本実施形態に係るレーザ加工システム（レーザ加工装置）１は、レーザ加工ヘッド１０と、第１レーザ光Ａを出射する第１レーザ発振器２と、第２レーザ光Ｂを出射する第２レーザ発振器３と、を少なくとも備えている。

また、レーザ加工システム１は、第１光入射口１２ａに接続され、第１レーザ発振器２から出射された第１レーザ光Ａをレーザ加工ヘッド１０に伝送する第１光ファイバ４と、第２光入射口１２ｂに接続され、第２レーザ発振器３から出射された第２レーザ光Ｂをレーザ加工ヘッド１０に伝送する第２光ファイバ５と、を備えている。

レーザ加工ヘッド１０は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの少なくとも一方をワークＷに向けて照射する。

本実施形態によれば、ワークＷの表面Ｗ１における第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂのそれぞれの集光位置を略一致させることができる。このことにより、第１レーザ光Ａと第２レーザ光Ｂとを重ね合わせた状態でワークＷをレーザ加工する場合、加工精度及び加工品質を向上させることができる。

レーザ加工システム１は、レーザ加工ヘッド１０を移動可能に保持するマニピュレータ６をさらに備えていてもよい。このようにすることで、複雑な構造のワークＷに対してもレーザ加工を行うことが容易となる。

レーザ加工システム１は、イメージセンサ６０で取得された第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの画像に基づいて、ワークＷの表面Ｗ１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの集光位置を調整可能に構成されている。このようにすることで、ワークＷの表面Ｗ１での第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの集光位置を所望の位置にすることが容易となる。このことにより、レーザ加工時の加工精度及び加工品質を向上させることができる。

＜変形例＞
図９は、本変形例に係るレーザ加工ヘッドの内部構造の要部を模式的に示す。

図９に示す本変形例のレーザ加工ヘッド１０は、アパーチャー７１と検出側集光レンズ７０との間に減光フィルター７２が配置されている点で、図２に示すレーザ加工ヘッドと異なる。

前述したように、第１レーザ光Ａや第２レーザ光Ｂの出力は数ｋＷに達することがある。ダイクロイックミラー４０における第１レーザ光Ａや第２レーザ光Ｂの反射率（透過率）によっては、アパーチャー７１で余分な光束を遮断したとしてもなお、イメージセンサ６０の受光面６１上で第１レーザ光Ａや第２レーザ光Ｂのパワーが大きくなりすぎることがある。

このような場合は、図９に示すように減光フィルター７２を設けることで、イメージセンサ６０の受光面６１に入射される第１レーザ光Ａや第２レーザ光Ｂのパワーを低減できる。このことにより、イメージセンサ６０の焼き付き等の不具合が発生するのを低減できる。また、長期使用時にも、第１レーザ光Ａの検出側第１スポットＳａｊや第２レーザ光Ｂの検出側第２スポットＳｂｊの明瞭な画像を取得することができる。

なお、減光フィルター７２の特性は、第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂと同じ波長の光をそれぞれ、所定比率で減光させるように設定されている。一方、レーザ加工システム１において、第１レーザ光Ａが、第２レーザ光Ｂに比べて大出力となるように設定されていることが多い。このため、減光フィルター７２は、第１レーザ光Ａと同じ波長の光のみを減光させてもよい。つまり、減光フィルター７２は、少なくとも第１レーザ光Ａと同じ波長の光を減光させるように構成されている。

なお、図９に破線で示すように、減光フィルター７２は、ダイクロイックミラー４０とアパーチャー７１との間に配置されていてもよい。

また、本変形例においても、ダイクロイックミラー４０とイメージセンサ６０との間にアパーチャー７１を設けることで、検出側集光レンズ７０に入射される第１レーザ光Ａ及び第２レーザ光Ｂの直径をそれぞれ縮小できる。このことにより、検出側集光レンズ７０、ひいては、レーザ加工ヘッド１０が大型化するのを抑制できる。

本開示は、互いに波長の異なるレーザ光を出射するレーザ加工ヘッド及びレーザ加工システムに適用できるので、有用である。

Ｆ レーザ加工方向
Ｗ ワーク
Ｗ１ 表面（像面）
Ａ 第１レーザ光
Ｓａｉ ワーク側第１スポット
Ｄａｉ ワーク側第１スポット径
Ｓａｊ 検出側第１スポット
Ｄａｊ 検出側第１スポット径
Ｂ 第２レーザ光
Ｓｂｉ ワーク側第２スポット
Ｄｂｉ ワーク側第２スポット径
Ｓｂｊ 検出側第２スポット
Ｄｂｊ 検出側第２スポット径
１ レーザ加工システム
２ 第１レーザ発振器
３ 第２レーザ発振器
４ 第１光ファイバ
５ 第２光ファイバ
１０ レーザ加工ヘッド
２０ 第１コリメートレンズ
２１ 第２コリメートレンズ
３０ ベンドミラー
４０ ダイクロイックミラー
５０ ワーク側集光レンズ
６０ イメージセンサ（光検出器）
６１ 受光面
７０ 検出側集光レンズ
７１ アパーチャー
７２ 減光フィルター
８０ ミラー側アクチュエータ（調整手段）
８１ 第１レンズ側アクチュエータ（調整手段）
８２ 第２レンズ側アクチュエータ（調整手段）

Claims (8)

1. 筐体と、前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを有するレーザ加工ヘッドであって、
   前記筐体には、
   第１レーザ光が入射される第１光入射口と、
   前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光が入射される第２光入射口と、
   前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を外部に出射する光照射口と、がそれぞれ設けられ、
   前記複数の光学部品は、
   前記第２レーザ光の光路中に設けられ、前記第２レーザ光を反射して光路を変更させるベンドミラーと、
   前記第１レーザ光の光路中であってかつ前記ベンドミラーで反射された前記第２レーザ光の光路中に設けられたダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーを透過した前記第２レーザ光の光路中であってかつ前記ダイクロイックミラーで反射された前記第１レーザ光の光路中に設けられたアパーチャーと、
   前記アパーチャーを通過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の光路中に設けられた検出側集光レンズと、を少なくとも含み、
   前記筐体の内部であって、前記検出側集光レンズを透過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をそれぞれ受光可能な位置に光検出器が配置され、
   前記ダイクロイックミラーは、
   前記第１レーザ光の大部分を透過して前記光照射口に向かわせるとともに、前記第１レーザ光の残部を反射して前記アパーチャーに向かわせ、かつ
   前記第２レーザ光の大部分を反射して前記光照射口に向かわせるとともに、前記第２レーザ光の残部を透過して前記アパーチャーに向かわせ、
   前記アパーチャーは、前記検出側集光レンズに入射される前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の直径を縮小可能に構成されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記筐体の内部には、
   前記第１光入射口と前記ダイクロイックミラーとの間に第１コリメートレンズが、
   前記第２光入射口と前記ベンドミラーとの間に第２コリメートレンズが、
   前記ダイクロイックミラーと前記光照射口との間にワーク側集光レンズが、それぞれ設けられており、
   前記第１コリメートレンズは、前記第１レーザ光を平行化して前記ダイクロイックミラーに入射させ、
   前記第２コリメートレンズは、前記第２レーザ光を平行化して前記ベンドミラーに入射させ、
   前記ワーク側集光レンズは、入射された前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をそれぞれ所定の集光位置に集光させることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記光検出器は、
   前記第１レーザ光の波長を含む第１波長帯の光を受光する複数の第１受光部と、
   前記第２レーザ光の波長を含む第２波長帯の光を受光する複数の第２受光部と、を少なくとも有しており、
   前記複数の第１受光部及び前記複数の第２受光部は、前記光検出器の受光面上にそれぞれ周期的に配列されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記光検出器は、近赤外光または赤外光、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ受光する４つの画素が、受光面上に周期的に配列されたイメージセンサであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
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ヘッドにおいて、
   前記ダイクロイックミラーと前記アパーチャーとの間か、または前記アパーチャーと前記検出側集光レンズの間に配置された減光フィルターをさらに備え、
   前記減光フィルターは、少なくとも前記第１レーザ光と同じ波長の光を減光させることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドと、
   前記第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、
   前記第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、
   前記第１光入射口に接続され、前記第１レーザ発振器から出射された前記第１レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する第１光ファイバと、
   前記第２光入射口に接続され、前記第２レーザ発振器から出射された前記第２レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する第２光ファイバと、を少なくとも備え、
   前記レーザ加工ヘッドは、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の少なくとも一方をワークに向けて照射することを特徴とするレーザ加工システム。
7. 請求項６に記載のレーザ加工システムにおいて、
   前記レーザ加工ヘッドを移動可能に保持するマニピュレータをさらに備えたことを特徴とするレーザ加工システム。
8. 請求項６または７に記載のレーザ加工システムにおいて、
   前記光検出器で取得された前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の画像に基づいて、前記ワークの表面での前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の集光位置を調整可能に構成されたことを特徴とするレーザ加工システム。

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