(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にするための、複数本の光ファイバに各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、
複数本の光ファイバは、各光ファイバを駆動する駆動機構により所定範囲に移動可能に構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記駆動機構は、複数の光ファイバを着脱するための着脱部材と、この着脱部材を移動させるための可動制御部材から構成され、前記可動制御部材により、コリメータレンズを中心とする周方向、コリメータレンズを中心とする放射状方向、又は、コリメータレンズを中心とするＸ−Ｙ方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にするための、複数本の光ファイバに各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、
複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させてレーザ光をコンデンサレンズにより集光することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させて複数の光ファイバからの複数のレーザ光の重なり合い度合いを調整することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記駆動機構は、複数の光ファイバを着脱するための着脱部材と、この着脱部材を移動させるための可動制御部材から構成され、前記可動制御部材により、コリメータレンズを中心とする周方向、コリメータレンズを中心とする放射状方向、又は、コリメータレンズを中心とするＸ−Ｙ方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置としては、レーザ溶接やレーザはんだ付け機等で実用化されているが、特にレーザ光源に半導体レーザ素子を利用するレーザ加工装置には種々様々なものがある。
特許文献１は、複数の発光点を有するレーザ光源部と、前記レーザ光源部の隣接する複数の発光点から出射された複数のレーザ光を出射部にそれぞれ集光する複数の光回路と、矩形断面を有し、前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を伝達する複数の矩形状光ファイバと、前記複数の矩形状光ファイバの出射端を矩形断面の短辺方向に重ねて固定したバンドル部とを備える。
特許文献２は、複数の発光源を有する半導体レーザ素子又は１つの発光源を有する複数の半導体レーザ素子と、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面に形成サレ、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を連結して出射する１以上のレーザ光出射部とが形成された光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ素子及び前記光導波路デバイスが設置された設置基板とを備えた半導体レーザ素子用集光系である。
また、特許文献３は、レーザ光を発光する複数の発光手段と、前記発光手段から発光したレーザ光を入射して伝達するための光伝達手段と、前記光伝達手段の出射端から出射したレーザ光を被照射部に集光させる集光手段と、前記集光手段によって集光されたレーザ光の光強度分布を任意に設定できる光強度分布設定手段と、前記光強度分布設定手段によって設定された光強度分布となるように前記各発光手段に供給する各電流値を制御する制御手段を備えたレーザ装置である。
【０００３】
ところで、従来、半導体レーザ素子を光源とするレーザ光を光ファイバで導光して使用するレーザ加熱加工装置では、半導体レーザ素子または連結される光ファイバが故障した場合には、これを交換する必要があるが、複数本のうちの一つを見つけることが困難になる場合があった。また、半導体レーザ素子側の配置は通常定まっているのに対して、集光機側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要があり、例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態（レーザ光の照射の仕方）があり、それに対応したレーザ光溶接装置が求められる。
しかし、上記半導体レーザ素子や光ファイバの故障などを考慮した上での上記レーザ光の照射の仕方に対応させるものは従来なかった。すなわち、従来では、いずれも集光器や光ファイバ等をすべて交換する必要がある。
【０００４】
また、溶接などレーザ加熱加工する場合、加工部を一律に光照射することが加工品質の均一化のために求められるが、加工対象やレーザ光の照射の仕方によって、レーザ光が当たる箇所を一律にレーザ照射することが困難な場合や、均一な加熱加工をするとしても、多数の光ファイバのうちのすべてを使用しなくとも、均一な照射ができる場合がある。
【０００５】
そこで、本願出願人は、複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置又はレーザ加工方法であって、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続手段と、光ファイバの照射側先端が連結される多芯コネクタと、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続手段と半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバを備え、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とする装置を既に提供している（特願２０１０−９６５６２号）。この装置によれば、図９に示すよう蛇腹状の薄板重ね部のような金属の接触部の溶接などを行う場合に、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のスポットパターンを作成することができる（図１０）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３６１６５５号公報
【特許文献２】特開２００２−３７４０３１号公報
【特許文献３】特開平１１−２５４１６０号公報
【特許文献４】特開２００９−８０４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特願２０１０−９６５６２号は、予め束ねられた光ファイバに対して、ミラーや光スイッチ、接続コネクタを用いた抜き差しなどによってレーザ光を導光する光ファイバを切り替えることで焦点位置でのスポット形状を設定変更できる方法である。
しかしながら、上記方法では、光ファイバを予め束ねるための光学部品が必要となり、そのため設定配置構造も格子状や放射状などのものに限定されてしまう。したがって、上記光学部品を多種類用意しなければならない。
【０００８】
また、特許文献４の特開２００９−８０４６８号公報は、レーザ光の放射角に異方性を有した複数のレーザ光を全て一点に合成することを可能にし、その際、上記加工部品を必要としない。
しかしながら、レーザ加工装置で今日求められているのは、ワーク形状や加工法に応じて最適なスポット形状やサイズ或いは強度分布を如何に設定するかであるが、特許文献４では、全てのレーザ光源を一点に合成する場合に限られる。しかも、一点合成を実現するには、光源とコリメータレンズを精密に位置決めすることが求められる。もし、そこに僅かなずれが存在する場合、コンデンサレンズ焦点位置では大きなずれとして現れてしまい、一点合成の精度低下の原因となる。光源が固定された状態で設置されている場合、そうした僅かなずれであっても調整は不可能であり、目的を達成することはできない。
【０００９】
そこで本発明の目的は、光ファイバを予め束ねるための光学部品を複数用意する必要がなく、多種多様なレーザ光の照射が可能で、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光の照射のほか、複数の光ファイバからのレーザ光の重なり度合いを高精度に調節することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザ加工装置は、複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にする各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、複数本の光ファイバは、各光ファイバを駆動する駆動機構により所定範囲に移動可能に構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、光ファイバからのレーザ光はコリメータレンズで平行光にされて一枚のコンデンサレンズの中心をずらした場合、コンデンサレンズの焦点位置での集光点は、ずらした方向と反対方向にコリメータレンズの焦点距離に対するコンデンサレンズの焦点距離の割合分だけ拡大または縮小されて移動する。
複数の光ファイバの位置をそれぞれ対応するコリメータレンズの位置に対して前記駆動機構により移動させながら、或いは移動させた後停止させて照射すると、複数の光ファイバからの光を所定位置に点在させたり、重なり度合いを調整したり、ときに一点に集中させたりすることができる。そして、複数の光ファイバからの光を重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させたり、重なり度合いを調整しつつ常に変化させる状態にすることもできる。重なり合いを持たせることで、複数の光ファイバからの光を加工物に直線状に照射したり円弧形状照射したりすることができる。
【００１１】
本発明としては、前記駆動機構は、複数の光ファイバを着脱して可動すると、この着脱部材を移動させるための可動制御部材により、コリメータレンズを中心とする周方向、コリメータレンズを中心とする放射状方向、又は、コリメータレンズを中心とするＸ−Ｙ方向に駆動機構により移動可能に構成されていることが好ましい。
本発明によれば、複数の光ファイバを着脱部材に装着させて、可動制御部材に沿って移動させることで、コリメータレンズを中心とする周方向、又は、コリメータレンズを中心とするＸ−Ｙ方向に容易に移動可能になり、同期駆動させる場合にも制御し易くなる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工方法は、複数本の光ファイバと、各光ファイバを駆動する駆動機構と、各光ファイバを駆動する駆動機構と、複数本の光ファイバからのレーザ光を平行光にする各々対応する複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズからの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズとを備え、複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させてレーザ光をコンデンサレンズにより集光することを特徴とする。この場合、複数の光ファイバを駆動機構を介して移動させて複数の光ファイバからの複数のレーザ光の重なり合い度合いを調整することが好ましい。
本発明によれば、各光ファイバを駆動する駆動機構により複数の光ファイバからの光を重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させたり、重なり度合いを調整しつつ常に変化させる移動状態にすることもでき、加工位置をより均一に加工することができ、これにより種種様々な加工が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、前記駆動機構により複数の光ファイバの位置を移動させながら、或いは移動させた後停止させて、複数の光ファイバからの光を所定位置に点在させたり、重なり合いを維持したり、ときに一点に集中させたりすることができる。そして、複数の光ファイバからの光を重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させたり、重なり度合いを調整しつつ常に変化させる状態にすることもできる。したがって、連続した直線や連続した円弧状や連続したリング状にスポットパターンを形成でき、ワーク形状や加工法に応じて最適なスポット形状、サイズ或いは強度分布を多様な内容で変化させることができるとともに、光ファイバを着脱させる接続コネクタのような予め定まった形の部品をたくさん用意する必要がなくなる。
また、本発明は、複数の光ファイバからのレーザ光をコンデンサレンズ焦点位置にて一点合成できるが、特許文献４のように、光源とコリメータレンズを精密に位置決めすることは必要なくなり、その場合の重なり合いも調整が可能となり、その場合のスットパターンの高精度化も図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のレーザ加工装置を示す模式図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態のレーザ加工装置を示す模式図である。
【図３】上記第２の実施形態の光ファイバの接続状態を示す模式図である。
【図４】上記実施形態の他の例を示す模式図である。
【図５】上記実施形態の他の例を示す模式図である。
【図６】上記実施形態の他の例を示す模式図である。
【図７】上記実施形態のレーザ加工装置によるスポットパターンの例を説明する図である。
【図８】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する実験例を説明する図である。
【図９】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図１０】従来のレーザ加工装置によるスポットパターンの例を説明する図である。
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（本実施の形態の基本構造）
本実施形態のレーザ加工装置１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、複数本の光ファイバ３と、複数本の光ファイバ３に各々対応する複数のコリメータレンズ５と、複数のコリメータレンズ５からの平行光を集光する一枚のコンデンサレンズ６とを備える。これらは長方形状の筐体２に収納されて、この筐体２の先端側にコンデンサレンズ６が配され、ほぼ中央にコリメータレンズ５が配され、後端側に光ファイバ３が配される。光ファイバ３からのレーザ光は、コンデンサレンズ６で集光Ｍされて、筐体２から所定位置離れた位置の加工品Ｂにレーザ光を照射する。そして、溶接加工のほか、肉盛加工、焼き入れや、レーザロウ付けや、レーザ表面熱処理等にも適用可能である。
【００１７】
光ファイバ３は、筐体２の後方側に複数配されている。本実施の形態では、２個の光ファイバ３が着脱部材７に取り付けられ、着脱部材７は、可動制御部材８に取り付けられて可動する。可動制御部材８は、レールとモータなどを備え着脱部材７を可動させる。２個の光ファイバ３は、本装置１の後方側の同じ位置で着脱部材７に取り付けられ、駆動部材である着脱部材７により移動可能に構成されている。図１（ｂ）は、光ファイバ３が移動する例を示すが、上下方向のみならず左右や斜めや円周上などその移動方向は問われない。このような可動制御部材８は、レーザ加工装置１の制御部で同期駆動させたり、個別に駆動させたりする。
【００１８】
コリメータレンズ５は、光ファイバ３からの光を平行光にしてコンデンサレンズ６に向かわせるために用いられている。本実施の形態のコリメータレンズ５は、コンデンサレンズ６の大きさの約１／２以下の大きさの径で、コンデンサレンズ６の中心位置において上下対称位置で配されている。すなわち、２個の光ファイバ３ごとに設けられ、いずれも光ファイバ３の位置から同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されている。そして、２個の光ファイバ３は、２個のコリメータレンズ５に対して対象に同期して移動するようになっている。
【００１９】
コンデンサレンズ６は、光源からの光を集光させるためのレンズ（集光レンズ）その位置を固定して配され、上記２個のコリメータレンズ５の垂直姿勢と同じ垂直姿勢で配されている。本実施の形態のコンデンサレンズ６の大きさは、上記複数のコリメータレンズ５の垂直姿勢の大きさを合わせた大きさ（垂直姿勢の面積）よりも小さいレンズである。図１と図２では、２個のコリメータレンズ５の各々と同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されているが、これに限らず、図４ないし図６のように、複数のコリメータレンズ５の各々と異なる距離離れた位置において配されるものでも良い。
【００２０】
したがって、上記構成のレーザ加工装置１は、前記駆動機構である可動制御部材８により複数の光ファイバ３の位置を移動させた後停止させると、複数の光ファイバ３からの光はコリメータレンズ５により平行光にされてコンデンサレンズ６に送られ、コンデンサレンズ６で集光（焦点位置）Ｍされるが、加工部品Ｂの加工箇所（溶接箇所）に点在させたり、重なり合いを維持したり、ときに一点に集中させたりすることができる（図８参照）。
【００２１】
（第２の実施形態）
本実施形態のレーザ加工装置１１は、図２と図３に示すように、６個の光ファイバ３が着脱部材７に取り付けられ、着脱部材７は、可動制御部材８に取り付けられて可動する。６個の光ファイバ３は、本装置１の後方側の同じ位置で着脱部材７に取り付けられている。可動制御部材８としては、レールや溝などを形成して、これらに沿って移動する。図３（ａ）は、駆動部材である着脱部材７がＸ−Ｙ方向に移動可能な例であり、図３（ｂ）は、着脱部材７が周方向に移動可能な例であり、図３（ｃ）は、着脱部材７が放射状方向に移動可能な例であり、図３（ｄ）は、着脱部材７が周方向とＸ−Ｙ方向に移動可能な例である。
本実施の形態のコリメータレンズ５は、６個用いられている。すなわち、６個の光ファイバ３ごとに設けられ、いずれも光ファイバ３の位置からレンズ６から同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されている。そして、駆動機構である着脱部材７によりコリメータレンズ５の中心位置を基準に光ファイバ３が移動可能に構成されている。コンデンサレンズ６は、上記６個のコリメータレンズ５を合わせたときと同じ大きさの径か、それよりも大きな面積（径としての面積）のレンズであり、６個のコリメータレンズ５の各々と同じ距離離れた位置において垂直姿勢で配されている。本実施の形態のコリメータレンズ５は、コンデンサレンズ６の外周に６個配され、上方の２個は同じ高さ位置であり、中央の２個は同じ高さ位置であり、上方の２個は同じ高さ位置であり、６個のコリメータレンズ５は、コンデンサレンズ６の中心Ｏの同心円上に等間隔で配されている。
【００２２】
したがって、上記構成のレーザ加工装置１は、前記駆動機構である着脱部材７により複数の光ファイバ３の位置を移動させながら、或いは移動させた後停止させると、複数の光ファイバ３からの光はコリメータレンズ５により平行光にされてコンデンサレンズ６に送られ、コンデンサレンズ６で集光Ｍされる。そして、加工部品Ｂの加工箇所（溶接箇所）に点在させたり、重なり合いを維持したり、ときに一点に集中させたりする。本実施の形態の６個の光強度分布は、同じであるが、異なる光強度分布とすることもできる。すなわち、図１０（ａ）（ｂ）に示すような点在状態の直線状や円形状は勿論、次のような連続した直線や連続した円弧状や連続したリング状にスポットパターンを形成でき、ワーク形状や加工法に応じて最適なスポット形状、サイズ或いは強度分布を多様な内容で変化させることができる
【００２３】
複数の光ファイバ３を可動制御部材８により移動させると、光ファイバ３からのレーザ光は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、重なり度合いを調整しながらその重なり合いを変化させることができる。また、図７（ｃ）に示すように、同一箇所に合成Ｍするスポットパターンや、図７（ｅ）に示すように、順に大きさの異なるレーザ光が重なり合う度合いを調整するともできる。また、図７（ｄ）に示すように、更に中央の着脱部材７と可動制御部材８を設けた場合には、外周に配される６個の光ファイバ３からのレーザ光が重なり合いながら、更に中央の光ファイバ３からのレーザ光が重なり合うようにすることもできる。したがって、加工精度の均一性を向上させることができる。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施の形態のレーザ加工装置１１により、実際に、図９に示す蛇腹状の薄い金属板同士を溶接するときに、各々点状、直線状、リング状にスポット溶接した状態を示す図である。図８は、実際に実験したときの光ファイバ３の本数が６本の場合の点状、直線、リング（ドーナツ型）等のレーザ光の照射のスポットパタンを示す（図７（ａ）が点状の場合、図７（ｂ）が直線状の場合、図７（ｃ）がリング状の場合を示す。）。これらを図３（ａ）〜（ｄ）で説明すると、光ファイバ３の位置が駆動制御部材８の中心にある場合は，スポットは一点集光になる。また、スポットをリング形状にしたい場合は、光ファイバを可動制御部材８の中心Ｏを中心に点対称で全て外側に調整することになる。なお、一つの可動制御部材８に対して光ファイバ３を複数配置して移動させることも可能である。
【００２４】
ここで、可動制御部材８は、コリメータレンズ５に一つずつ配されているが、複数配されているものでも良く、可動制御部材８は、同心円上に複数配されているものでも良い。
図４と図５に示すように、複数のコリメータレンズ５の位置は、同じ位置でなくとも良く、例えば、中央のコリメータレンズ５は、その上下に位置するコリメータレンズ５よりも前であったり後ろであったりする配置にすることもできる。また、図３（ａ）（ｂ）において、中央にも着脱部材７と可動制御部材８とを配して（中央の点線で示す。）、７個のコリメータレンズ５とすることも可能である。この７個のコリメータレンズ５を使用した場合のスポットパターンとしては、図７（ｄ）に示すように、外周に６個のスポットパターンと中央に１個のスポットパターンとして合成Ｍすることもできる。また、図７（ｅ）に示すように、大きさの異なるスポットパターンにすることもできる。
また、図６に示すように、複数のコリメータレンズ５の焦点距離が異なるものを使用して（コリメータレンズは５Ａ＞５Ｂ＞５Ｃの順で厚さが異なる。）、焦点距離を調整可能にしても良い。これを上述の可動制御部材８による駆動と合わせて動作させると、例えば図７（ｆ）に示すように、複数のスポットの大きさの異なり、それらの中心がずれたスポットパターンにすることもできる。すなわち、合成した場合の重なり合いも調整が可能となり、その場合のスットパターンの高精度化も図られる。
【００２５】
以上、本実施の形態では、２個のコリメータレンズ５の例と、６個と７個のコリメータレンズ５の例で説明したが、本発明はこれらに限らずコリメータレンズ５を配することが可能である。また、レーザ光の放射角が異方性であるか、等方的であるかは問わず、本発明によれば、いずれでも適用可能である。すなわち、レーザ光の放射角が異方性を有するものであっても、複数の光ファイバからの光を重ね合わせるようにすることで、レーザ光の放射角が異方性であっても、これを解消するような重なり度合いの調整が可能になり、以上の結果、レーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方が可能になる。
【符号の説明】
【００２６】
１，１１    レーザ加工装置、
２    筐体、
３    光ファイバ、
４    中央に位置する可動制御部材と着脱部材、
５    コリメータレンズ、
６    コンデンサレンズ、
７    着脱部材（駆動機構）、
８    可動制御部材（駆動機構）、 
Ｍ    焦点位置（合成位置）、Ｏ    コンデンサレンズの中心
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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