(57)【要約】【課題】フィードバック制御において、被加工物からの反射レーザー光を完全に遮断して正確なフィードバック制御が行なえるレーザー出射ユニットを開発することをその主たる課題とする。【解決手段】レーザー発生装置６から光軸ＣＬに沿って入光したレーザー光４を、光学系５を介して被加工物Ｗの溶接点Ｐ２に集光するレーザー出射ユニットＡにおいて、入光面５０ａ又は出光面５０ｂの少なくともいずれか一方が光軸ＣＬに対して傾斜するように形成され、入光面５０ａ側からのレーザー光４の透過を許容するが、被加工物Ｗからの反射レーザー光４ａを反射するレーザー反射層５１が出光面５０ｂに形成された誘電体多層膜ミラー５０が光学系５に組み込まれていることを特徴とする。【選択図】図２
2010167451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発生装置から光軸に沿って入光したレーザー光を、光学系を介して被加工物Ｗの溶接点に集光するレーザー出射ユニットにおいて、
入光面又は出光面の少なくともいずれか一方が光軸に対して傾斜するように形成され、入光面側からのレーザー光の透過を許容するが、被加工物からの反射レーザー光を反射するレーザー反射層が出光面に形成された誘電体多層膜ミラーが光学系に組み込まれていることを特徴とするレーザー出射ユニット。
【請求項２】
レーザー発生装置から光軸に沿って入光したレーザー光及び可視光を、光学系を介して被加工物の溶接点に集光するレーザー出射ユニットにおいて、
入光面又は出光面の少なくともいずれか一方が光軸に対して傾斜するように形成され、入光面側からのレーザー光及び可視光の透過を許容するが、被加工物からの反射レーザー光を反射するレーザー反射層と、被加工物からの可視光を透過量或いは透過波長範囲を制限するハーフミラー層とが出光面に形成された誘電体多層膜ミラーが光学系に組み込まれていることを特徴とするレーザー出射ユニット。
【請求項３】
レーザー発生装置から光軸に沿って入光したレーザー光及び可視光を、光学系を介して被加工物の溶接点に集光するレーザー出射ユニットにおいて、
入光面又は出光面の少なくともいずれか一方が光軸に対して傾斜するように形成され、入光面側からのレーザー光及び可視光の透過を許容するが、被加工物からの反射レーザー光を反射するレーザー反射層が出光面に形成されたレーザー反射用誘電体多層膜ミラーと、
レーザー光の透過を許容し、且つ入光面側からの可視光の透過を許容するが、被加工物側からの可視光の透過量或いは透過波長範囲を制限するハーフミラー層が出光面に形成された可視光用誘電体多層膜ミラーとが光学系に組み込まれていることを特徴とするレーザー出射ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー加工装置の出射ユニットの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザーの工業的利用分野として溶接や金属表面の文字や図柄などを彫る刻印加工などに盛んに使用され、その精度も飛躍的な進歩を遂げている。特に、溶接分野では、微細部分の精密点溶接或いは精密シーム溶接などに多用されており、精度の向上に連れて溶け込み深さの安定性、溶接箇所におけるポロシティやクラックの発生などが問題となって来ている。
【０００３】
その原因としては、溶接開始直後のＹＡＧロッド(ヤグロッド)の熱レンズ効果(レーザー光の入光によるＹＡＧロッドの温度上昇に基づくＹＡＧロッドの屈折率の変化で時間の経過とともに安定する。)に基づく出力の変化、励起源であるランプの経時的劣化によるレーザー出力の低下などが挙げられる。
【０００４】
そこで、このような出力変化或いは経時的劣化に基づくレーザー出力の低下に対し、制御装置から出されるレーザー波形基準信号と、ＹＡＧロッドから出射されるレーザー光をパワーモニターで光電転換した転換値とを比較器にて比較し、変換値が基準信号に合致するようにフィードバック制御をすることとし、これによりかなりの不安定性は解消できた。
【０００５】
処がこのようなフィードバック制御を導入したとしてもなお精密溶接においては以下のような問題点が解消されていなかった。即ち、被加工物にレーザー光を垂直に集光させて溶接を行うと、溶接の極く初期の時点(この時点では、集光点では融点に達しておらず被加工物は鏡面を保っている。特に、ＡｌやＣｕは反射率が高く、レーザー光を反射しやすい。)に集光点からその一部であるが未吸収レーザー光(溶接に寄与していない分)が瞬間的に反射され、同じ入射経路を通ってパワーモニターに入力し、これが前記変換値に加算されることになり、その結果、比較器からの出力は実際に必要な値より少ない値が出力されていた。そして、その少ない出力値に基づく次のレーザー出射では出力不足となり溶接不足を生じた。これを検知したパワーモニターは反射光を加算したとしてもなお出力不足であるため次のレーザー出射の時に不足分を加算して出力を高めるように働き、その結果、今度は出力過剰となって溶接過剰を引き起こすことになり(所謂、ポンピング現象。図１の(ロ)を参照のこと)、フィードバック制御に起因する出力の不安定化がなお解消されず、精密溶接における溶接精度の低下を招くという問題が残っていた。
【０００６】
また、溶接の途中においても、レーザー光は集光点において被加工物に吸収されて溶接点を極めて短時間でスポット的に溶融状態にするが、溶接点の表面の状態(例えば、鏡面による反射)或いは溶融時の何らかの原因(例えば、母材内の合金成分や不純物の溶融時の反応)により反射光や自発光が溶接点で発生し、その一部が入射経路を遡ってパワーモニターに入力し、逆行した遡及光が大きい場合には、前述同様フィードバック制御の精度を損なうこともあった。なお、これら反射光は発生原因により高波長のものから低波長のものまで含まれている。
【０００７】
その他、レーザー溶接の進行中、レーザー光と同軸の可視光を照射して溶接箇所をモニタリングしているが、溶接箇所の前記反射光や自発光の可視光領域の発生光量が非常に大きく、ハレーションが発生して従来の撮像素子では鮮明な画像を得ることが困難であり、リアルタイムモニタリングが困難であるという問題もあった。リアルタイムモニタリングは溶接欠陥が生じたときに後の画像分析を行って原因解明をする分析ツールとして非常に有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１９２２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はかかる従来例の問題点に鑑みてなされたもので、フィードバック制御において、被加工物からの反射レーザー光を完全に遮断して正確なフィードバック制御が行えるレーザー出射ユニットを開発することをその主たる課題とし、同時に被加工物の溶接箇所でのハレーションを克服してリアルタイムモニタリングを可能とすることを従たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１のレーザー出射ユニットＡは図２(イ)に示すように、
レーザー発生装置６から光軸ＣＬに沿って入光したレーザー光４を、光学系５を介して被加工物Ｗの溶接点Ｐ２に集光するレーザー出射ユニットＡにおいて、
入光面５０ａ又は出光面５０ｂの少なくともいずれか一方が光軸ＣＬに対して傾斜するように形成され、
入光面５０ａ側からのレーザー光４の透過を許容するが、被加工物Ｗからの反射レーザー光４ａを反射するレーザー反射層５１が出光面５０ｂに形成された誘電体多層膜ミラー５０が光学系５に組み込まれていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２はレーザー出射ユニットＡの別の実施例［図２(ロ)］で、
レーザー発生装置６から光軸ＣＬに沿って入光したレーザー光４及び可視光３を、光学系５を介して被加工物Ｗの溶接点Ｐ２に集光するレーザー出射ユニットＡにおいて、
入光面５０ａ又は出光面５０ｂの少なくともいずれか一方が光軸ＣＬに対して傾斜するように形成され、
入光面５０ａ側からのレーザー光４及び可視光３の透過を許容するが、被加工物Ｗからの反射レーザー光４ａを反射するレーザー反射層５１と、被加工物Ｗからの可視光３ａを透過量或いは透過波長範囲を制限するハーフミラー層５２とが出光面５０ｂに形成された誘電体多層膜ミラー５０が光学系５に組み込まれていることを特徴とする。ここで、透過可視光を３ｂ、反射された可視光を３ｃで表す。
【００１２】
請求項３のレーザー出射ユニットＡ(図３)は請求項１の更に別の実施例で、レーザー反射層５１とハーフミラー層５２とが別体の誘電体多層膜ミラー５００、５０１に設けられているもので、
レーザー発生装置６から光軸ＣＬに沿って入光したレーザー光４及び可視光３を、光学系５を介して被加工物Ｗの溶接点Ｐ２に集光するレーザー出射ユニットＡにおいて、
入光面５００ａ又は出光面５００ｂの少なくともいずれか一方が光軸ＣＬに対して傾斜するように形成され、入光面５００ａ側からのレーザー光４及び可視光３の透過を許容するが、被加工物Ｗからの反射レーザー光４ａを反射するレーザー反射層５１が出光面５００ｂに形成されたレーザー反射用誘電体多層膜ミラー５００と、
レーザー光４の透過を許容し、且つ入光面５０１ａ側からの可視光３の透過を許容するが、被加工物Ｗ側からの可視光３ａの透過量或いは透過波長範囲を制限するハーフミラー層５２が出光面５０１ｂに形成された可視光用誘電体多層膜ミラー５０とが光学系５に組み込まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
これによれば被加工物Ｗからの反射レーザー光４ａは誘電体多層膜ミラー５０によって僅かな角度を以って全反射され、レーザー発生装置６のパワーモニター１８への帰還は元より、溶接点Ｐ２への帰還も阻止されて周囲に散乱する。その結果、パワーモニター１８へはレーザー発生源であるＹＡＧロッド(ヤグロッド)１１からの出射エネルギーがそのままパワーモニター１８に入力され正確なフィードバック制御がなされる［図１（ハ）］。なお、反射レーザー光４ａは溶接点Ｐ２へ帰還せず周囲に散乱する(それ自体で被加工物Ｗを溶融するほどのエネルギーはないので、被加工物Ｗの溶接箇所以外にダメージを与えない。)ので、溶接点Ｐ２の入射エネルギーを高めることもなければ、溶接点Ｐ２以外の場所にダメージを与えることもない。
【００１４】
また、請求項２、３によれば、モニター用光源６１から光軸ＣＬに沿ってレーザー出射ユニットＡに入光した可視光は光学系５を通過して溶接点Ｐ２を照射し、その反射可視光を含む被加工物Ｗ側からの可視光３ａがハーフミラー層５２によってその透過量や透過波長を制限され、これによって溶接点Ｐ２からの光量を制限されることになり、モニタリング時に起こるハレーションを抑制してモニタリングに必要な明瞭な画面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザー加工装置における本発明と従来例のフィードバック制御時の比較ブロック図である。
【図２】本発明に係る出射ユニットの断面図である。
【図３】本発明に係る他の出射ユニットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図示実施例に従って説明する。図１は本発明に係るレーザー加工装置のブロック回路図で、レーザー発生装置６はＹＡＧロッド（ヤグロッド）１１と、その両側に設置されたシャッタ１２及び１３、ＹＡＧロッド１１に光を投入する励起ランプ１４、励起ランプ１４に印加する電源(ランプコントロール)７、励起ランプ１４とＹＡＧロッド１１とを収納するハウジング１５、前記ハウジング１５を冷却するクーラ１６、図１中、左側のシャッタ１２の背方に設置され、モニタリングのレーザー光は通過させる反射ミラー１０、右側のシャッタ１３の前方に配置された出力ミラー２０、反射ミラー１０の背方に設けられてＹＡＧロッド１１からのモニタリング出力(レーザー光)の進路を変える全反射ミラー１７、全反射ミラー１７のモニタリング出力を受けて光電変換を行うパワーモニター１８、制御器(図示せず)からのレーザー波形基準信号、パワーモニター１８からの出力とレーザー波形基準信号とを比較してその差を出力する比較器１９とで構成されている。
【００１７】
レーザー光４は、レーザー発生装置６から例えば、連続発振、パルス発振、Ｑスイッチパルス発振、シングルモードなどの手法により出力される。
【００１８】
出力ミラー２０から出射されたレーザー光４はトランスファ部材８を介してレーザー出射ユニットＡに入力するようになっている。トランスファ部材８の導光材にはグラスファイバーが使用される。
【００１９】
レーザー出射ユニットＡは、図２に示すように、ケーシング３０とケーシング３０内にセットされた光学系５とで構成されており、ケーシング３０は、円筒状の本体３１とその上に設けられた取付部材３２とで構成されている。本体３１の天井部分３５の中央に通孔３６が穿設されており、本体３１の外周面全周にわたって複数段のフィン３３が突設されており、フィン３３の間に水冷パイプ３４が巻設されている。水冷パイプ３４の代わりに本体３１を、内部に通水孔が形成された水冷ジャケットとしてもよい。
【００２０】
取付部材３２は本体３１の天井部分３５に取り付けられたフランジ部３７と該フランジ部３７から突設された装着筒部３８とで構成されており、装着筒部３８にトランスファ部材８の口金８ａを挿入固定するための取付孔３９が穿設されている。そしてこの取付孔３９の孔底からフランジ部３７方向に向けて円錐台状の出射孔４０が小孔４１を介して連通するように穿設されていて、該円錐台状の出射孔４０から本体３１の天井部分３５の通孔３６に対して同心円状或いは同径にて透孔４２が穿設されている。前記円錐台状出射孔４０の小孔４１はトランスファ部材８からのレーザー光４が通過するのに足りるだけの小さな孔で、例えば直径が約０．６〜１ｍｍ程度のものである。そして本体３１及び取付部材３２の内面全体は黒色塗装或いは黒染のような黒色処理がなされている。
【００２１】
光学系５の実施例１は、レーザー出射ユニットＡのケーシング３０内にセットされた、例えば、シングルレンズ、ダブルレットレンズ、トリプルレットレンズ、平凸レンズ、シリンドリカルレンズその他各種レンズ系を組み合わせた組み合わせレンズ(ここでは２枚の凸レンズが使用されており、入射端側を第１レンズ５ａ、出射口側を第２レンズ５ｂとする。)、ケーシング３０の出射口にセットされた保護ガラス９及び前記第１レンズ５ａと天井部分３５との間にセットされた誘電体多層膜ミラー５０とで構成されている。勿論、誘電体多層膜ミラー５０の位置は上記例に限られず、光学系５のどの位置（第１，２レンズ５ａ、５ｂとの間或いは第２レンズ５ｂと保護ガラス９との間）に設けてもよい。
【００２２】
誘電体多層膜ミラー５０の実施例１は図２の通りで、入光面５０ａが光軸ＣＬに対して垂直(換言すれば、レーザー光４が入光面５０ａに対して垂直に入射する。)に設けられており、出光面５０ｂが光軸ＣＬに対して傾斜するように、換言すれば出光面５０ｂが入光面５０ａに対してわずかに傾斜している。傾斜角(θ)は１〜３°程度のものである。誘電体多層膜ミラー５０は入光面５０ａ側からの光は透過させるものの、出光面５０ｂ側にはレーザー反射層５１が設けられていて出光面５０ｂ側からのレーザー光４は全反射する。誘電体多層膜ミラー５０の働きは、出光するレーザー光４を光軸ＣＬから僅かに角度をつけるためのものであるから、図示していないが誘電体多層膜ミラー５０の傾斜面は上記のように出光面５０ｂだけに限られず、入光面５０ａ側に設けても良いし両面に設けても良い。この点は図３の場合でも同じである。
【００２３】
第１実施例に示す誘電体多層膜ミラー５０には２種類のものがあり、１つは単に出光面５０ｂにはレーザー反射層５１が形成されただけのもの［図２(イ)］と、他はレーザー反射層５１とハーフミラー層５２の両方を備えたもの［図２(ロ)］である。
【００２４】
いずれの場合も、レーザー反射層５１としては波長を選択することで、出光面５０ｂ側からの反射レーザー光４ｂの入射を全て或はかなりの量で反射し、反射した可視光や溶接箇所で発生した何らかの原因(例えば、母材中の合金成分や不純物などが溶接時の熱で反応した場合)による自発光(可視光)は透過させる。本明細書では前記反射した可視光や自発光を纏めて反射可視光３ａとし、その内、通過したものを透過可視光３ｂ、反射されたものを可視光３ｃで表す。
【００２５】
レーザー反射層５１とハーフミラー層５２の両方を備えたものは、反射レーザー光４ｂの反射は同じであるが、可視光については図２(ロ)に示すように、或る波長の可視光だけを選択的に透過させか、又は透過可視光量を制限する。光量制限によりＣＣＤカメラに入力する光量が適正に絞られる。
【００２６】
誘電体多層膜ミラーの第２実施例(図３)は、レーザー反射層５１とハーフミラー層５２が別々のガラス部材に設けられた場合で、第１の誘電体多層膜ミラー５００は、上記第１実施例に示す傾斜面を有する誘電体多層膜ミラー５０と同じものでレーザー反射層５１だけが設けられたものである。
【００２７】
ハーフミラー層５２が設けられる第２の可視光用誘電体多層膜ミラー５０１は単なる透明ガラスで、その出光面５０１ｂ側に或る波長の可視光だけを選択的に透過させる膜或いは透過可視光量を制限する膜が形成される。可視光の波長選択的透過や透過量規制は誘電体多層膜の種類を選定することにより可能である。
【００２８】
なお、誘電体多層膜とは、金属酸化物の誘電体の内で透明性の高い２種以上の屈折率の異なる薄膜を積層したものである。製法としては真空蒸着により製膜する。即ち、非常に高真空に保たれたチャンバ内に膜材料を高温加熱して蒸発させ、その蒸気をチャンバ上方に設けられたガラス基板に堆積させる。必要に応じてイオンアシスト蒸着（製膜中にイオンを注入することにより膜の密度を向上させる蒸着方法）によることも可能である。膜の種類として、外光の映り込みを防止する「反射防止コート」、入射光の一部を透過し、残りを反射する「ハーフミラーコート(透過量は自由に変更可能)」、入射光をほぼ全反射する「高反射ミラーコート」、紫外線の透過を阻止する「紫外線カットフィルターコート」、特定の色(波長)を反射し、それ以外の色(波長)を透過させる「ダイクロイックミラーコート」、通常の光を斜めに入射させて一方の偏光成分(Ｐ偏光)を透過させ、他方の偏光成分(Ｓ偏光)を反射させる「偏光分離コート」など各種のものがあり、ここでは適宜のものが選択されている。
【００２９】
モニター用カメラ６０（図１）はレーザー出射ユニットＡの光軸ＣＬと同軸で設置された例えばＣＣＤカメラのようなものであり、且つモニター用光源６１も光軸ＣＬと同軸でレーザー出射ユニットＡに入光する。モニター用カメラ６０は画像表示用モニターＭに接続されている。
【００３０】
次に本発明の作用について説明する。レーザー発生装置６の励起ランプ１４を点灯し、これに光源とするレーザー光４をＹＡＧロッド１１にて発生させる。レーザー光４の発生原理は公知であるのでその説明は省略する。ＹＡＧロッド１１によって発生したレーザー光４は出力ミラー２０及びトランスファ部材８を通ってレーザー出射ユニットＡに入光し、誘電体多層膜ミラー５０を透過する時に極く僅かだけ屈折して光軸ＣＬとの交点である垂直集光点Ｐ１から極く僅かずれた点である被加工物Ｗの溶接点Ｐ２に集光し、集光部分を瞬時に又は極く短時間で加熱溶解してスポット溶接を行う。スポット溶接の大きさは集光領域によるが、本実施例の場合は直径１ｍｍ又はそれ以下（１〜０．１ｍｍ）であり、一般的には直径０．８ｍｍ程度である。スポット溶接を連続して行えばシーム溶接となる。
【００３１】
ここで、図２に示すように、レーザー光４の誘電体多層膜ミラー５０への入射角度は直角であるから誘電体多層膜ミラー５０内を進行するレーザー光４は屈折することなく直進する。誘電体多層膜ミラー５０の出光面５０ｂ に至ると、レーザー光４ に対して出光面５０ｂはわずかに傾斜しているのでごく僅かの角度だけ屈折して誘電体多層膜ミラー５０から出射される。従って、誘電体多層膜ミラー５０より下流側のレンズ５ａ、５ｂ及び保護ガラス９に対しても僅かに傾斜して入光することになるので、これらを透過する度毎に僅かづつ屈折する。それ故、被加工物Ｗに垂直にレーザー光４が入光した場合の垂直集光点Ｐ１に対して、この場合の集光点Ｐ２は前記屈折分だけ垂直集光点Ｐ１からわずかにずれ且つレーザー光４は僅かな角度をもって被加工物Ｗに入光することになる。
【００３２】
前述のようにスポット溶接のごく初期の段階では、集光点Ｐ２ではレーザー光４の一部しか吸収されず、従って融点に達しておらずしかも被加工物は鏡面を保っていて、レーザー光４のかなりの部分を極く瞬間的であるが反射する。この反射レーザー光４ａは集光点Ｐ２に立てた法線を中心に同じ角度を以て反射し、レーザー出射ユニットＡの本体３１方向に戻り、保護ガラス９、レンズ５ａ、５ｂを通って誘電体多層膜ミラー５０の出光面５０ｂに至る。出光面５０ｂにはレーザー反射層５１が全面にわたって形成されているので、ここで反射レーザー光４ａは全反射され、その或る部分は、再びレーザー出射ユニットＡの出射口から外方に出射され、残りは本体３１内の黒色内面に吸収されて熱に変わる。そしてこの熱はフィン３３及び水冷パイプ３４で取り去られ、レーザー出射ユニットＡの昇温が抑制される。溶接の途中において何らかの原因により発生する反射レーザー光４ａのパワーモニター１８への入光も同様に抑制できる。その結果、パワーモニター１８へはレーザー発生源であるＹＡＧロッド１１からの出射エネルギーだけがそのままパワーモニター１８に入力され正確なフィードバック制御がなされることになる［図１(ハ)参照］。
【００３３】
一方、モニター用光源６１からの可視光はレーザー反射層５１を透過してモニター用カメラ６０に至り、画像信号に変換されてモニターＭに溶接画像がリアルタイムで映し出される。レーザー反射層５１として、溶接点Ｐ２からの可視光３ａの透過量や透過波長範囲を制限して透過光量を制限しておけば、集光点Ｐ２における光量過多によるハレーションを抑制することが出来てモニター画像をより鮮明に映しだすことができる。なおこの場合、溶接点Ｐ２からの可視光３ａがレーザー光４の入射経路を遡及してパワーモニター１８に入力することも考えられるが、レーザー光４に比べて溶接点Ｐ２からの可視光３ａのエネルギーは無視できるので、前記フィードバック制御をこれが損なうというようなことはない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明はレーザー加工装置において、フィードバック制御をより正確に行うことが出来るようになり更なる精密レーザー加工を発展させることができ、併せてその時のリアルタイムモニタリング画像をより鮮明にする事が出来、これの観察をより容易にすることで精密レーザー加工の作業改善に貢献することが出来る。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ    …レーザー出射ユニット
ＣＬ  …光軸
Ｗ    …被加工物
Ｐ１  …垂直集光点
Ｐ２  …集光点又は溶接点
４    …レーザー光
４ａ  …反射レーザー光
４ｂ  …溶接点からの可視光
５    …光学系
５ａ  …第１レンズ
５ｂ  …第２レンズ
６    …レーザー発生装置
５０  …誘電体多層膜ミラー
５０ａ…入光面
５０ｂ…出光面
５１  …レーザー反射層
５２  …ハーフミラー層
５００…第１誘電体多層膜ミラー
５００ａ…入光面
５００ｂ…出光面
５０１…第２誘電体多層膜ミラー
５０１ａ…入光面
５０１ｂ…出光面
【図１】
2010167451.tif 000003
【図２】
2010167451.tif 000004
【図３】
2010167451.tif 000005