(57)【要約】【課題】高出力レーザ加工機として、各別な駆動機構や制御機構を要することなく熱レンズ特性を補償でき、高精度のレーザ加工を容易に行え、低コストで製作可能なものものを提供する。【解決手段】レーザ光路に全反射膜を有するスクレーパ２が介在する高出力レーザ加工機において、レーザ光路に介在するスクレーパ２以外の光学部品による収束側の熱レンズ作用を、レーザ光を吸収したスクレーパ２の熱膨張に伴う反射面２ａの曲率変化による拡散側の熱レンズ作用によって相殺し、レーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光路に全反射膜を有するスクレーパが介在する高出力レーザ加工機において、レーザ光路に介在する前記スクレーパ以外の光学部品による収束側の熱レンズ作用を、レーザ光を吸収した該スクレーパの熱膨張に伴う反射面の曲率変化による拡散側の熱レンズ作用によって相殺することにより、レーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償するように構成されてなる高出力レーザ加工機。
【請求項２】
前記スクレーパの全反射膜が２層以上の誘電体層からなる請求項１に記載の高出力レーザ加工機。
【請求項３】
レーザ光路に全反射膜を有する複数のスクレーパが介在し、これらスクレーパによる重奏した拡散側の熱レンズ作用によって前記収束側の熱レンズ作用を相殺するように設定されてなる請求項１又は２に記載の高出力レーザ加工機。
【請求項４】
内部に集光レンズと少なくとも一つの前記スクレーパを含む光学部品を装着した加工ヘッドの内表面に、ブラスト処理及び黒化処理が施されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の高出力レーザ加工機。
【請求項５】
前記ブラスト処理及び黒化処理が施された加工ヘッドの構造部材の内部に冷却水路が設けられ、該構造部材のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路に流通する冷却水との熱交換によって排熱するように構成されてなる請求項４に記載の高出力レーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接等に用いるファイバーレーザやディスクレーザの如き高輝度・高収束のレーザ加工機であって、特にレーザ光路に全反射膜を有するスクレーパが介在する高出力レーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、高出力のレーザ光を加工ヘッドの集光レンズで絞ったスポットを被加工物の表面に照射しつつ、溶接部位に沿って照射位置を移動させることにより、照射部位の被加工物素材を連続的に溶融・固化させてゆくものであり、高密度のエネルギーを微小領域に集中できることから、狭い溶接ビード幅で深い溶込みが得られると共に、小さい入熱量で高能率の溶接を行えるという利点がある。そして、このようなレーザ溶接にはファイバーレーザやディスクレーザ等のレーザ波長１μｍ帯用の高輝度・高収束のレーザ加工機が多用されるが、その集光レンズやコリメータレンズの如き光学部品として一般的に石英母材の表面に無反射コートを施したものが使用されている。
【０００３】
しかるに、レーザ溶接においては、一般的に溶接開始位置から離れるにしたがって溶接品位が低下する傾向が認められる。これは、熱レンズ現象として、レーザ光路に介在する光学部品がレーザ光を吸収して昇温し、熱膨張及び屈折率変化を生じてレーザ光の焦点距離が変化する（通常は凸レンズ効果で焦点距離が短くなる）ことに起因している。なお、この熱レンズ現象に繋がるレーザ光の吸収は、光学部品の石英母材でもある程度は生じるが、表面の無反射コート部分での吸収が大きい。一方、このような高出力レーザ加工機では加工ヘッド内部のレーザ散乱光による周辺部品の過熱という問題もある。
【０００４】
従来、レーザ加工機における熱レンズ現象に対処するために、いくつかの手段が提案されている。その一つは、集光レンズの上方に２組の温度センサを取り付けた回転自動ステージを設け、両温度センサによって集光レンズのレーザ光入射側である上面全体をスキャニングし、得られる温度データから該集光レンズの焦点距離変化量を算出し、その算出値に基づいて焦点距離自動調整装置によって集光レンズを上下に移動させることにより、焦点が常に被加工物上に結ばれるように制御する方式である（特許文献１）。また他の一つは、セレン化亜鉛等よりなる屈折率の温度変化率が正の透過光学素子を含む加工光路系を有するレーザ加工機において、その加工光路途中にフッ化バリウム等よりなる屈折率の温度変化率が負の透過型熱レンズ補正素子を配置することにより、屈折率の温度変化率が正の透過光学素子で発生する収束系の熱レンズ特性を打ち消す方式である（特許文献２）。更に他の一つは、レーザ加工中に変化するレーザ光出力の大きさに基づいて、レーザ光照射位置で焦点位置の変化量を算出し、この変化量に基づいて加工レンズの位置を制御するか、もしくは背面側に空間を有するベンドミラーを配置し、その空間への流体供給圧力によって該ベンドミラーを弾性変形させて曲率を制御することにより、焦点位置を補正する方式である（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１１３５９号公報
【特許文献２】特開２００７−９５９３６号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００９／１２２７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の方式では、２組の温度センサ、回転自動ステージとその駆動機構、焦点レンズの上下移動機構とその制御機構等を必要とするため、加工ヘッド及び付帯設備のコストが高く付くと共に、温度測定値→集光レンズ全体の温度分布→熱変形量→焦点距離変化量を順次演算する熱解析手段の構築にも多大な労力を要するとになる。また、特許文献２の方式では、通常の加工光路系に介在させる透過型レンズをセレン化亜鉛等の特殊な材料で製作し、しかもフッ化バリウム等の特殊な材料からなる透過型熱レンズ補正素子を用いる必要があり、これらの材料コスト及び製作コストが極めて高く付くために実用性に乏しいという問題がある。更に、特許文献３の方式では、加工条件に関する設定情報とレーザ加工機構からの熱レンズ情報として多くの様々な数値を加工制御装置に入力し、その入力情報から焦点位置の変化量を算出する必要があり、その操作及び制御システム構築に多大な手間を要し、また加工レンズの駆動及び制御機構やベンドミラーを流体圧で変形させるための極めて特殊な装置及び制御機構が必要になる。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みて、レーザ溶接等に用いる高出力レーザ加工機として、各別な駆動機構や制御機構を要することなく熱レンズ特性を補償でき、もって高精度のレーザ加工を容易に行えると共に低コストで製作可能なもの、更には加工ヘッド内部のレーザ散乱光による周辺部品の過熱を抑制できるものを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明は、レーザ光路に全反射膜を有するスクレーパ２が介在する高出力レーザ加工機において、レーザ光路に介在するスクレーパ２以外の光学部品（集光レンズ４、コリメータレンズ５、保護ガラス６）による収束側の熱レンズ作用を、レーザ光Ｌを吸収した該スクレーパ２の熱膨張に伴う反射面２ａの曲率変化による拡散側の熱レンズ作用によって相殺することにより、レーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償するように構成されてなることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明は、上記請求項１の高出力レーザ加工機において、スクレーパ２の全反射膜が２層以上の誘電体層からなるものとしている。
【００１０】
請求項３の発明は、上記請求項１又は２の高出力レーザ加工機において、レーザ光路に全反射膜を有する複数のスクレーパ２が介在し、これらスクレーパ２による重奏した拡散側の熱レンズ作用によって前記収束側の熱レンズ作用を相殺するように設定されてなるものとしている。
【００１１】
請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれかの高出力レーザ加工機において、内部に集光レンズ４と少なくとも一つのスクレーパ２を含む光学部品を装着した加工ヘッド１の内表面１０ａに、ブラスト処理及び黒化処理が施されてなるものとしている。
【００１２】
請求項５の発明は、上記請求項４の高出力レーザ加工機において、ブラスト処理及び黒化処理が施された加工ヘッド１の構造部材１１〜１３の内部に冷却水路７が設けられ、該構造部材１１〜１３のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路７に流通する冷却水との熱交換によって排熱するように構成されてなる。
【発明の効果】
【００１３】
次に、本発明の効果について図面の参照符号を付して説明する。まず、請求項１の発明に係る高出力レーザ加工機では、レーザ光路に介在するスクレーパ２以外の光学部品（集光レンズ４、コリメータレンズ５、保護ガラス６）による収束側の熱レンズ作用を予め計測しておき、全反射膜を有するスクレーパ２として、レーザ光Ｌの吸収による熱膨張に伴って反射面２ａに、前記収束側の熱レンズ作用に対応した拡散側の熱レンズ作用をもたらす曲率変化を生じるものを使用することにより、その収束側と拡散側の熱レンズ作用を相殺させる。従って、この高出力レーザ加工機によれば、上記曲率変化を生じる吸収特性を持つスクレーパ２を選択するだけで、各別な駆動機構や制御機構を要することなくレーザ加工機全体の熱レンズ特性が補償されるから、高精度のレーザ加工を容易に行えると共に、該レーザ加工機を低コストで製作できる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、スクレーパ２の全反射膜が２層以上の誘電体層からなるため、その誘電体層の層数及び層厚プロフィールの設定によって前記吸収特性を持つ該スクレーパ２を容易に製作できる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、レーザ光路に全反射膜を有する複数のスクレーパ２が介在し、これらスクレーパ２による重奏した拡散側の熱レンズ作用によって前記収束側の熱レンズ作用を相殺するから、個々のスクレーパ２による拡散側の熱レンズ作用が小さくとも、複数のスクレーパ２によって必要な拡散側の熱レンズ作用を確保でき、それだけ該スクレーパ２の設計・製作が容易になると共に、レーザ加工機の機種や使用するスクレーパ２以外の光学部品の品種による収束側の熱レンズ作用の強弱度合が違う場合でも、個々の拡散側の熱レンズ作用が異なるスクレーパ２を適宜組み合わせることで対応できる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、加工ヘッド１の内表面１０ａにブラスト処理及び黒化処理が施されているから、該加工ヘッド１の構造部材１１〜１３にレーザ散乱光が効率よく吸収され、もって周辺部品の過熱が抑制される。
【００１７】
請求項５の発明によれば、ブラスト処理及び黒化処理が施された加工ヘッド１の構造部材１１〜１３の内部に冷却水路６を有し、該構造部材１１〜１３のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路６の冷却水との熱交換で効率よく排熱できるから、周辺部品の過熱をより効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る高出力レーザ加工機の加工ヘッドを示す縦断側面図である。
【図２】高出力レーザ加工機の熱レンズによる焦点変位を示し、（ａ）はスクレーパの吸収率が小さい場合の模式縦断側面図、（ｂ）は同吸収率が大きい場合の模式縦断側面図である。
【図３】本発明の高出力レーザ加工機における熱レンズ特性の補償を示し、（ａ）はレーザ出力が低い状態での模式縦断側面図、（ｂ）はレーザ出力が高い状態での模式縦断側面図である。
【図４】石英母材のスクレーパの一例におけるレーザ光吸収時の反射面の変形状況を示す反射中心からの半径−変位量特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る高出力レーザ加工機の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１で示す加工ヘッド１は、レーザ溶接用ファイバーレーザの溶接ヘッドを構成するものであり、側面視略Ｌ字形に曲折した筒状のハウジング１０内に、レーザ光路に沿って図示上部側から順次、光ファイバー３の出射端３ａから出射されるレーザ光Ｌを平行光に変換するコリメータレンズ５、４５°の角度で傾斜配置して該平行光を９０°異なる方向（図示左方向）へ全反射させる反射型スクレーパ２、その反射光を収束して加工テーブルＴ上の被加工物Ｗの表面近傍で焦点Ｆを結ばせる集光レンズ４、平板状の保護ガラス６が配置している。
【００２０】
そして、ハウジング１０は、その内表面１０ａにブラスト処理及び黒化処理が施されると共に、コリメータレンズ５及び集光レンズ４の各々周囲の構造部材１１，１２と、スクレーパ２の配置部分の構造部材１３の、それぞれ内部に冷却水路６が設けてある。また、該ハウジング１０におけるスクレーパ２の背面側には、焦点レンズ４の光軸方向に設けた開口部１４に臨んで外側に観察用のＣＣＤカメラ１５が設置されている。
【００２１】
ここで、集光レンズ４及びコリメータレンズ５と保護ガラス６はいずれも石英母材の表面に無反射膜を設けたもの、スクレーパ２は石英母材の表面に全反射膜を設けたものである。そして、レーザ光路に介在するスクレーパ２を除く光学部品、つまり集光レンズ４、コリメータレンズ５、保護ガラス６は、レーザ光Ｌの吸収に伴う熱膨張と屈折率変化によって焦点Ｆを集光レンズ４側へ変位させる収束側（正）の熱レンズ作用を生じるものであるのに対し、スクレーパ２は後述するようにレーザ光Ｌの吸収に伴う熱膨張で反射面２ａが凸形に変形する曲率変化により、前記収束側（正）の熱レンズ作用を相殺する拡散側（負）の熱レンズ作用を生じるものであり、これによって加工ヘッド１全体の熱レンズ特性が補償されている。
【００２２】
次に市販の反射型スクレーパ２Ａ〜２Ｃ（径８０ｍｍ、厚さ８ｍｍ）を用いた加工ヘッドによる熱レンズ特性の試験結果を示す。これらスクレーパ２Ａ〜２Ｃは、いずれも石英母材の表面に電子ビーム蒸着によってＳｉＯ2 及びＴｉＯ2 の誘電体層を交互に多数層に積層した全反射膜を備え、次表１に示す反射率と全反射膜の層数比率（スクレーパ２Ａを基準１とする比率）を有するものである。試験では、出力１０ｋＷのレーザ光Ｌの出射開始から３分後における集光レンズ４側への焦点変位、ならびにその時点でのスクレーパの中心（反射中心）と周辺との温度差を計測した。次表１に、計測結果をスクレーパ２Ａを基準１とした相対値で示すと共に、試験時の状況を図２で模式的に示す。なお、焦点変移は短縮側への変移である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、反射型スクレーパ２Ａ，２Ｃを用いた加工ヘッドでは、収束側への熱レンズ作用が強く、焦点変移が大きくなっている。そして、スクレーパ２Ａ，２Ｃの中心と周辺との温度差は僅かである。これは、スクレーパ２Ａ，２Ｃではレーザ光Ｌの吸収率が小さいため、図２（ａ）に示すように反射面２ａが平面状を維持する結果、これらスクレーパ２Ａ，２Ｃを除く集光レンズ４等の光学部品のレーザ光Ｌの吸収に伴う熱膨張と屈折率変化による収束側（正）の熱レンズ作用がそのまま現れ、焦点位置が本来のＦ０からＦ１へ移動する大きな焦点変移Δｆ１を生じていると言える。これに対し、反射型スクレーパ２Ｂを用いた加工ヘッドでは、収束側への熱レンズ作用が弱く、焦点変移が少なくなっているが、該スクレーパ２Ｂの中心と周辺との温度差はスクレーパ２Ａ，２Ｃの６倍以上にも大きくなっている。この場合、スクレーパ２Ｂではレーザ光Ｌの吸収率が大きいため、その反射面２ａが熱膨張によって図２（ｂ）に示すように凸状に変形し、レーザ光Ｌが凸面で反射することで拡散側（負）の熱レンズ作用を生じ、その分だけスクレーパ２Ｂを除く集光レンズ４等の光学部品による収束側（正）の熱レンズ作用が減殺される結果、焦点位置が本来のＦ０からＦ２へ移動するだけの小さな焦点変移Δｆ２に止まっていると想定される。
【００２５】
本発明は、上記試験結果に基づく知見から、レーザ光路に介在するスクレーパ２以外の光学部品（集光レンズ４、コリメータレンズ５、保護ガラス６等）による収束側の熱レンズ作用を予め計測しておき、スクレーパ２としてレーザ光吸収に伴って反射面２ａに該収束側の熱レンズ作用に対応した拡散側の熱レンズ作用をもたらす曲率変化を生じるものを使用することにより、その収束側と拡散側の熱レンズ作用の相殺され、もってレーザ加工機全体としての熱レンズ特性を補償できることを見出したものである。
【００２６】
すなわち、本発明の高出力レーザ加工機では、図３（ａ）に示すように、低いレーザ出力で各光学部品に掛かる負荷が低い場合、スクレーパ２以外の集光レンズ４等の光学部品の熱膨張と屈折率変化による収束側（正）の熱レンズ作用は小さいが、スクレーパ２も僅かな熱膨張で反射面２ａの凸形の曲率変化が小さく、その曲率変化による拡散側（負）の熱レンズ作用と前記収束側（正）の熱レンズ作用とが打ち消し合って本来の焦点位置Ｆ０が保たれる。そして、図３（ｂ）に示すように、高いレーザ出力で各光学部品に掛かる負荷が高い場合、スクレーパ２以外の光学部品の熱膨張と屈折率変化による収束側（正）の熱レンズ作用は大きくなるが、スクレーパ２も大きな熱膨張で反射面２ａの凸形の曲率変化が大きくなり、その曲率変化による拡散側（負）の熱レンズ作用と前記収束側（正）の熱レンズ作用とが打ち消し合い、やはり本来の焦点位置Ｆ０が保たれる。従って、この高出力レーザ加工機によれば、熱レンズ特性の補償のための各別な駆動機構や制御機構を要することなく、常に一定した焦点位置で高精度のレーザ加工を行える。
【００２７】
因みに、前記試験時の反射形スクレーパ２Ｂについて、その反射中心から半径１０ｍｍまでの領域における反射面２ａの表面変移を測定したところ、図４に示す結果が得られた。図示のように、この表面変移は中心側ほど高い略円弧状のカーブを描いており、その変移曲線は曲率半径Ｒ＝２６．５ｍに略相当する。しかして、使用する反射型スクレーパ２の吸収特性つまり熱膨張特性は、全反射膜に用いる誘電体の種類と層数及び層厚プロフィールによって任意に設定できるから、適用する加工ヘッド１のレーザ光路に介在する集光レンズ４、コリメータレンズ５、保護ガラス６等の他の光学部品による収束側（正）の熱レンズ特性に対応して、逆の拡散側（負）の熱レンズ特性になるものを選択すればよい。なお、スクレーパ２の材質としては、特に制約はないが、光学特性及び材料コストより石英の母材が好ましく、全反射膜を構成する誘電体としてはＳｉＯ2 及びＴｉＯ2 が好適である。また、全反射膜の形成手段としては、種々の薄膜形成方法を用い得るが、特に電子ビーム蒸着法やイオンビーム蒸着法が均一な厚みの誘電体層を容易に積層形成できる点から推奨される。
【００２８】
一方、上記実施形態の高出力レーザ加工機の加工ヘッド１では、その内表面にブラスト処理及び黒化処理が施されているから、加工ヘッド１の構造部材１１〜１３によって内部のレーザ散乱光が効率よく吸収されることに加え、これら構造部材１１〜１３の内部に冷却水路６を有するため、該構造部材１１〜１３のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路６の冷却水との熱交換で効率よく排熱でき、もって赤外線センサー９やＣＣＤカメラ１５等の周辺部品の過熱を効果的に防止できるという利点がある。なお、ブラスト処理は粗面化で生じた微細凹凸部においてレーザ散乱光が複数回反射することで吸収率を高めるものであり、また黒化処理は黒色アルマイト処理等による黒化で光吸収性を高めるものである。
【００２９】
前記実施形態の高出力レーザ加工機では、最も基本的な構成として、加工ヘッド１内のレーザ光路が一つのスクレーパ２による反射で９０°方向を変えるものを例示したが、加工ヘッド１内に限らず、加工機全体としてのレーザ光路中に複数の反射型のスクレーパ２を介在させ、これらスクレーパ２によってレーザ光の方向を複数段階に変える構成としてもよい。例えば、図５に示す他の実施形態の高出力レーザ加工機は、レーザ発振器９より出射されたレーザ光Ｌが、１番目と２番目のスクレーパ２，２で反射して順次９０°ずつ方向を変えてコリメータレンズ５を通過し、更に３番目のスクレーパ２で反射して９０°方向を変えて集光レンズ４に入射し、該集光レンズ４で収束されて被加工物Ｗに照射されるようになっている。
【００３０】
このようにレーザ光路に複数の反射型のスクレーパ２を介在させる場合、これらスクレーパ２の重奏による拡散側の熱レンズ作用により、これらスクレーパ２以外のレーザ光路に介在する光学部品による収束側の熱レンズ作用を相殺し、もってレーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償するように設定すればよい。この場合、個々のスクレーパ２による拡散側の熱レンズ作用が小さくとも、複数のスクレーパ２によって必要な拡散側の熱レンズ作用を確保できるから、単一のスクレーパ２のみで大きな拡散側の熱レンズ作用を発揮させる場合に比較し、スクレーパ２の設計・製作が容易になる。また、レーザ加工機の機種や使用するスクレーパ２以外の光学部品の品種により、収束側の熱レンズ作用の強弱度合の違いがあっても、個々の拡散側の熱レンズ作用が異なるスクレーパ２を適宜組み合わせて対応することが可能となる。
【００３１】
なお、本発明においては、反射型のスクレーパ２と共に、必要に応じて無反射膜を有する透過型のスクレーパ、つまり収束側の熱レンズ作用を生じるスクレーパをレーザ光路に介在させてもよい。また、本発明では、集光レンズ４やコリメータレンズ５等の他の光学部品の配置位置や配置数、周辺部品の種類と配置構成等、細部構成については実施形態以外に種々設計変更可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１          加工ヘッド
２          スクレーパ
２ａ        反射面
４          集光レンズ（他の光学部品）
５          コリメータレンズ（他の光学部品）
６          保護ガラス（他の光学部品）
７          冷却水路
１０ａ      内表面
１１〜１３  加工ヘッド構成部材
Ｌ          レーザ光
Ｆ          焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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