(57)【要約】【課題】レーザ溶接とレーザ切断を兼ね備えた従来のレーザ加工システムでは、加工の種類に応じた最適な出力で運用しようとすると、場合によってレーザ発振器を最大限活用できず、且つ、接続された複数の多関節ロボットのうち一度に加工できる台数は１台であり、うまく生産性を上げることができなかった。【解決手段】反射ミラーを複数のミラーで構成し、複数のミラーはレーザビームの反射方向に対して多段に配置されたている。また、複数のミラーのうち少なくとも一部は、レーザビームの反射方向への突き出し長さが異なる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から出射されるのレーザビームを、複数の反射ミラーで反射させて、複数のプロセスファイバに導光するビーム光路切替部と、
複数の前記プロセスファイバの他端に設けた複数の加工ヘッドとを、備え、
前記反射ミラーは、複数のミラーで構成し、
複数の前記ミラーは、前記レーザビームの反射方向に対して多段に配置された、
レーザ加工システム。
【請求項２】
隣り合うレーザ光の距離をｄ、前記レーザ光の入射角をθとした場合、多段に配置された前記ミラーの反射面間の距離ｔは、ｔ＝ｄ／（２ｓｉｎθ）である、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項３】
複数の前記ミラーのうち少なくとも一つは、前記レーザビームの反射方向への突き出し長さが異なる、請求項１または２に記載のレーザ加工システム。
【請求項４】
複数の前記ミラーの少なくとも１つは、前記レーザビームの一部のみを反射するような突き出し長さに設定した、請求項３に記載のレーザ加工システム。
【請求項５】
複数の前記ミラーは回転駆動部の軸方向に重ねられ、前記回転駆動部により回転可能とした、請求項１〜４のいづれか１項に記載のレーザ加工システム。
【請求項６】
複数の前記ミラーは、階段状に設けられ、直動駆動部により直線移動が可能である、請求項１〜４のいづれか１項に記載のレーザ加工システム。
【請求項７】
前記レーザ発振器は複数のレーザモジュールと、複数の前記レーザモジュールに電力を供給するための複数の電源と、複数の前記電源を独立して制御可能な電源制御部と、複数の前記レーザモジュールから発振されるレーザ光を合波するレーザ光合波部とを備え、
複数の前記レーザモジュールの一部は、複数の前記電源の１つと直列に接続され、
複数の前記レーザモジュールの他の一部は、複数の前記電源の他の１つと直列に接続される、請求項１〜６のいづれか１項に記載のレーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器およびレーザ加工システムに関し、特にレーザビームをプロセスファイバにより導光するレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器により発振されるレーザ光は、単色性および指向性に優れており、かつ、コヒーレントな光であるため、切断、穴あけ、溶接、表面処理、マーキング等の様々な工業的な加工に用いられている。
【０００３】
従来のレーザ加工システムについて、図１３を参照しながら説明する。図１３は、レーザ加工システムの構成を模式的に示す斜視図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。
【０００４】
レーザ加工システム２０００は、レーザ発振器２１００と、レーザ発振器２１００から出射されるレーザビームＬＢ１００の光路を切り替えるビーム光路切替部２２００と、レーザビームＬＢ１００が入射する複数のプロセスファイバ２３００（２３００ａ〜２３００ｃ）と、を備える。
【０００５】
ビーム光路切替部２２００の内部は例えば大気雰囲気であり、ビーム光路切替部２２００内では、レーザビームＬＢ１００は大気を媒体にして伝搬される。ビーム光路切替部２２００にはプロセスファイバ２３００の一方の端部が接続しており、レーザビームＬＢ１００は、ビーム光路切替部２２００を経て、プロセスファイバ２３００に入射する。プロセスファイバ２３００は、レーザビームＬＢ１００を、ビーム光路切替部２２００から加工対象物（ワークＷ）近傍にまで伝搬するための媒体である。
【０００６】
通常、１台のレーザ発振器２１００には、複数の多関節ロボット２５００（図示例では３台）が接続され、それぞれの先端には加工ヘッド２４００が取り付けられている。ビーム光路切替部２２００は、レーザビームＬＢ１００の光路を切り替えて、レーザビームＬＢ１００を複数のプロセスファイバ２３００（２３００ａ〜２３００ｃ）のうちのいずれかに導光する。プロセスファイバ２３００の内部に導光されたレーザビームＬＢ１００は、やがて、プロセスファイバ２３００の他方の端部に接続された加工ヘッド２４００に到達する。
【０００７】
このように、レーザビームＬＢ１００が導光される加工ヘッド２４００をビーム光路切替部２２００により切り替えて、ワークＷに対して、多関節ロボット２５００の動きによって、様々な角度及び位置から溶接や切断といったレーザ加工を行う。以下、加工ヘッド２４００からワークＷに照射されるレーザビームＬＢをＬＢ４００と称する。
【０００８】
加工ヘッド２４００は、コリメータレンズ２４１０および第１集光レンズ２４２０を備える。加工ヘッド２４００に到達したレーザビームＬＢ４００は、第１集光レンズ２４２０によって密度が高められて、ワークＷに照射される。加工ヘッド２４００は、多関節ロボット２５００によって、ワークＷに対してその位置や角度を相対的に移動させることが可能であり、その動作によって３次元的に所定の加工が施される。レーザ発振器２１００、ビーム光路切替部２２００、多関節ロボット２５００は加工制御部２６００により制御されており、その状態は、加工制御部２６００に同期されている。
【０００９】
レーザ発振器２１００には、通常、複数のレーザモジュール（図示せず）が配置されて
いる。１つのレーザモジュールの出力には限界があるため、複数のレーザモジュールを用いることにより、レーザ発振器２１００の出力を高めている。各レーザモジュールから出射されるレーザ光は、空間合成および／または偏波合成されたレーザビームＬＢとして、レーザ発振器２１００から出射される。空間合成および偏波合成の方法は、例えば、特許文献１および２に開示されている。
【００１０】
レーザ発振器２１００の出力は、加工内容、ワークＷの厚みや材質、加工形状等により調整される。レーザ発振器２１００内では、複数のレーザモジュールが１台の電源に直列に接続されており、各レーザモジュールに流す電流の大きさを制御することにより、レーザ発振器２１００の出力が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２０１５−５０８２４１号公報
【特許文献２】特開２００７−４１３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年、自動車業界などでは安全性向上への要求から、フレーム材料などの高強度化が進んでいる。そのため、従来ではプレス加工などによって行っていた穴あけ加工が困難になっており、新たにレーザ切断による穴あけ加工が注目されている。加えて、従来の溶接工程もレーザ溶接にて対応できるため、レーザ加工による従来システムの置き換えが進んでいる。
【００１３】
レーザ溶接では、加工対象物Ｗのギャップに対する裕度を確保するため、レーザ照射位置でのビーム径を大きくし照射範囲を広くすることが求められる。しかしながら、エネルギー密度は低くなるため、加工速度を向上させるにはレーザ発振器２１００の高出力化が求められる。
【００１４】
一方、レーザ切断ではレーザ照射位置でのビーム径を小さくし、エネルギー密度を可能な限り高めることで、高速切断を行う。そのため、ある程度はレーザ発振器２１００の出力が求められるが、多関節ロボット２５００の移動速度の制約から、必要以上に高出力のレーザを用いると、入熱過多となり施工不良につながる。
【００１５】
たとえば、レーザ溶接にて必要とされるレーザ発振器２１００の出力が８０００Ｗ程度とすると、レーザ切断ではレーザ発振器２１００の出力は４０００Ｗ程度で十分である。そのため、レーザ溶接およびレーザ切断を兼ね備えたシステムを構築する場合、レーザ溶接に合わせて最大出力８０００Ｗ程度のレーザ発振器２１００を選定し、レーザ切断の際には出力を落として使用する必要がある。
【００１６】
また、図１３に示した従来のレーザ加工システム２０００では一度にレーザビームＬＢを導光できる多関節ロボットは一台のため、レーザ切断中にはレーザ発振器２１００の出力のうち４０００Ｗ分を有効活用できず、無駄が生じ、うまく生産性を上げることができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工システムは、
レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されるのレーザビームを、複数の反射ミラーで反射させて、複数のプロセスファイバに導光するビーム光路切替部と、複数の前記プロセスファイバの他端に設けた複数の加工ヘッドとを、備え、前記反射ミラーは、複数のミラー
で構成し、複数の前記ミラーは、前記レーザビームの反射方向に対して多段に配置されたものである。これにより、レーザビームの光軸とプロセスファイバの中心を一致させることができ集光性がよくなるのでレーザビームの反射位置がずれてもレーザビームの品質を維持することができる。
【００１８】
また、複数の前記ミラーのうち少なくとも一部は、前記レーザビームの反射方向への突き出し長さが異なることが望ましい。さらに、複数の前記ミラーの１つは、前記レーザビームの一部を反射しない突き出し長さに設定することが望ましい。これにより、複数の加工ヘッドへの同時出力が可能となり、レーザ加工システムの生産性を上げることができる。
【００１９】
また、前記レーザ発振器は複数のレーザモジュールと、複数の前記レーザモジュールに電力を供給するための複数の電源と、複数の前記電源を独立して制御可能な電源制御部と、複数の前記レーザモジュールから発振されるレーザ光を合波するレーザ光合波部とを備え、複数の前記レーザモジュールの一部は、複数の前記電源の１つと直列に接続され、複数の前記レーザモジュールの他の一部は、複数の前記電源の他の１つと直列に接続することが望ましい。複数の電源を独立して制御することにより、目的に応じた適切な出力を得ることが出来る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に示す構成により、溶接や切断といったレーザ加工の種類に応じ、最適なレーザ出力で加工可能であるとともに、常にレーザ発振器の能力を最大限使用しながら、必要に応じて複数台の多関節ロボットにより独立した同時加工が可能となり、より生産性に優れたレーザ加工システムを提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ発振器の構成図
【図２】図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ面におけるレーザ光の形状を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるビーム光路切替部の構成図
【図４】図３のＦ−Ｆ，Ｇ−Ｇ，Ｈ−Ｈ面から見た側面図
【図５】本発明の実施の形態１における第２反射ミラーの真ん中に位置するミラーにレーザビームが入射した場合を示す図
【図６】本発明の実施の形態１における第２反射ミラーの駆動部側に位置するミラーにレーザビームが入射した場合を示す図
【図７】本発明の実施の形態１における第２反射ミラーの反駆動部側に位置するミラーにレーザビームが入射した場合を示す図
【図８】本発明の実施の形態１における第２反射ミラーのいずれのミラーにもレーザビームが入射しない場合を示す図
【図９】本発明の実施の形態１における第２反射ミラーの駆動部側に位置するミラーにレーザビームが入射した場合と、第２反射ミラーの一枚で構成したミラーにレーザビームが入射した場合の比較を示す図
【図１０】ミラーの反射面とレーザビームの光路との関係を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態２における第２反射ミラーの構成図
【図１２】本発明の実施の形態３におけるレーザ加工システムの構成図
【図１３】従来のレーザ加工システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１を参照しながらレーザ発振器１００を説明する。
【００２４】
レーザ発振器１００は複数のレーザモジュール１１０（図示例では、レーザモジュール１１１ａ〜１１１ｄ、１１２ａ〜１１２ｄ）と、複数のレーザモジュール１１０に電力を供給するための複数の電源１３０（図示例では１３０ａ、１３０ｂ）と、複数の電源１３０を独立して制御可能な電源制御部１４０と、複数のレーザモジュール１１０から発振されるレーザ光Ｌを合波するレーザ光合波部１２０と、を備える。
【００２５】
レーザ光合波部１２０は、複数の第１反射ミラー１２１および偏光ビームスプリッター１２２を備え、複数のレーザモジュール１１０から発振される２つ以上のレーザ光Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）を合成する。複数のレーザモジュール１１０のそれぞれと複数の電源１３０は直列に接続される。レーザモジュール１１０には、電源１３０から電力が供給され、その状態は電源制御部１４０によって制御される。
【００２６】
レーザモジュール１１０は、レーザ光Ｌを発振するモジュールであり、その内部には、複数のレーザダイオード（図示せず）が配置されている。レーザダイオードは、例えば、ｎ型半導体を含むｎ−クラッド層と、ｐ型半導体を含むｐ−クラッド層と、上記両クラッド層の間に介在する活性層と、を含む積層体である。積層体に順電流を流すと、ｎ型半導体の電子とｐ型半導体の正孔とがそれぞれ活性層に流入して、活性層の内部で両者が再結合し、光が発生する。
【００２７】
発生した光は活性層内で増幅されて、やがて誘導放出を生じて、レーザ光として発振される。レーザモジュール１１０からは、複数のレーザダイオードにより生じたレーザ光が合成されて発振される。便宜上、レーザモジュール１１０から発振される光をレーザ光Ｌと称し、複数のレーザ光Ｌが合成され、レーザ発振器１００から出射される光をレーザビームＬＢ１と称す。レーザモジュール１１０の出力は、電源１３０から供給される電力に依存する。半導体レーザモジュールの場合、その最大出力は、例えば１ｋＷ程度である。
【００２８】
各レーザモジュール１１０から出射されたレーザ光Ｌは、レーザ光合波部１２０に入射する。このとき、レーザモジュール１１１ａ〜１１１ｄからレーザ光合波部１２０に入射するレーザ光Ｌ１と、レーザモジュール１１２ａ〜１１２ｄからレーザ光合波部１２０に入射するレーザ光Ｌ２とは、互いに直交するように偏光されている。
【００２９】
例えば、レーザ光Ｌ１はＰ偏光であり、レーザ光Ｌ２はＳ偏光である。偏光は、例えば、レーザ光Ｌの発振口あるいは光路中に配置されたポラライザーにより行われる。各レーザモジュール１１０からレーザ光合波部１２０に入射するレーザ光ＬのＡ−Ａ面における形状は、図２（ａ）に示すように、楕円形状である。これは、レーザダイオードの特性による。
【００３０】
レーザ光合波部１２０に入射した複数のレーザ光Ｌ１およびＬ２は、まず、第１反射ミラー１２１により反射させられて、それぞれ空間合成される。このとき、第１反射ミラー１２１は、レーザ光Ｌ１同士、レーザ光Ｌ２同士、さらにはレーザ光Ｌ１とＬ２とが干渉しないような位置に配置されている。
【００３１】
そのため、空間合成されたレーザ光Ｌ１の束Ｌｂ１は、Ｂ−Ｂ面において、図２（ｂ）に示すように、レーザモジュール１１１ａ〜１１１ｄの数だけ楕円が並んだ形状になる。空間合成されたレーザ光Ｌ２の束Ｌｂ２も同様に、Ｃ−Ｃ面において、図２（ｂ）に示すように、レーザモジュール１１２ａ〜１１２ｄの数だけ楕円が並んだ形状になる。
【００３２】
偏光ごとに空間合成されたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、続いて、偏光ビームスプリッター１２２により偏波合成される。偏波合成では直交する偏光同士を合成するため、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、その光軸が重なるように合成される。そのため、偏波合成された後のレーザビームＬＢ１のＤ−Ｄ面における形状は、図２（ｂ）に示すように、偏波合成の前後で変わらない。
【００３３】
図２（ｂ）において、レーザビームＬＢ１を構成する４つの楕円を囲む破線で示される円は、偏波合成されたレーザビームＬＢ１のビーム形状を表しており、その直径はレーザビームＬＢ１のビーム径を示している。偏波合成されたレーザビームＬＢ１は、レーザ発振器１００から出射される。
【００３４】
ここで、出射されるレーザビームＬＢ１の断面Ｄ−Ｄは図２（ｂ）の右からレーザモジュール１１１ａと１１２ａ、１１１ｂと１１２ｂ、１１１ｃと１１２ｃ、１１１ｄと１１２ｄがそれぞれ偏波合成された楕円が順に並ぶこととなる。そのため、楕円１つの最大出力はレーザモジュール１１０の２つ分の２ｋＷである。
【００３５】
そのため、図１のように、レーザモジュール１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂを電源１３０ａに直列に、レーザモジュール１１１ｃ、１１１ｄ、１１２ｃ、１１２ｄを電源１３０ｂに直列に接続することで、電源１３０ａを介し右２つ分の楕円、つまり計４ｋＷのビームを制御し、電源１３０ｂを介し左２つ分の楕円、つまり計４ｋＷのビームを制御することが可能となる。
【００３６】
すなわち、電源制御部１４０によって電源１３０ａと１３０ｂを同時に最大出力することで、８ｋＷの１つのレーザビームＬＢ１として扱うことや、電源１３０ａと１３０ｂを独立して出力させることで最大４ｋＷの２つのレーザビームＬＢ１ａ、ＬＢ１ｂとして扱うことが可能となる。
【００３７】
ここで、レーザビームＬＢ１ａ、ＬＢ１ｂをそれぞれ構成する２つの楕円を囲む破線で示される円は、それぞれレーザビームＬＢ１ａ、ＬＢ１ｂのビーム形状を表しており、その直径はレーザビームＬＢ１ａ、ＬＢ１ｂのビーム径を示している。
【００３８】
次に、図３〜図８を参照しながらビーム光路切替部について説明する。
【００３９】
図３（ａ）はビーム光路切替部の内部構成を模式的に示した上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のビーム光路切替部をＥ−Ｅ面側から見た側面図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）のビーム光路切替部をそれぞれＦ−Ｆ面、Ｇ−Ｇ面およびＨ−Ｈ面側から見た側面図である。
【００４０】
ビーム光路切替部２００は、複数の第２反射ミラー２１０（２１０ａ〜２１０ｃ）と、各第２反射ミラー２１０によって反射されたレーザビームＬＢ１をそれぞれ集光する集光レンズ２２０（２２０ａ〜２２０ｃ）と、を備える。レーザ発振器１００より出力されたレーザビームＬＢ１はレーザ折返部２５０により、ビーム光路切替部２００内部へ導光される。
【００４１】
第２反射ミラー２１０は、それぞれステッピングモータなどの角度制御が可能な回転駆動部２３０（２３０ａ〜２３０ｃ）に取り付けられ、回転駆動部２３０によりその位置が制御される。また、第２反射ミラー２１０はそれぞれ３枚の反射ミラーにより構成され、３枚のミラーは重ねて回転駆動部２３０に取り付けることで多段に配置され、それぞれ突き出す方向が異なる。
【００４２】
回転駆動部２３０により第２反射ミラー２１０の位置を制御し、いずれかの第２反射ミラーによって、レーザビームＬＢ１はその光路を９０度折り曲げられ、集光レンズ２２０へ導光される。あるいは、いずれの第２反射ミラーにも入射せず、光路終端に設置されたビームアブソーバ２４０へ入射する。
【００４３】
集光レンズ２２０へ導光されたレーザビームＬＢ１は集光され、プロセスファイバ３００（３００ａ〜３００ｃ）に入射する。このとき、第２反射ミラー２１０と集光レンズ２２０とプロセスファイバ３００とは、一対一で対応するようにそれぞれ配置されている。例えば、第２反射ミラー２１０ａで反射されたレーザビームＬＢ１は、集光レンズ２２０ａで集光されて、プロセスファイバ３００ａに入射する。
【００４４】
同様に、第２反射ミラー２１０ｂで反射されたレーザビームＬＢ１は、第２集光レンズ２２０ｂで集光されて、プロセスファイバ３００ｂに入射する。第２反射ミラー２１０ｃで反射されたレーザビームＬＢ１は、集光レンズ２２０ｃで集光されて、プロセスファイバ３００ｃに入射する。プロセスファイバ３００は、例えば、集光レンズ２２０によって集光されるレーザビームＬＢ１の焦点に対応するように配置されている。
【００４５】
次に、図５〜図８を参照しながら第２反射ミラー２１０の動作の詳細を説明する。ここでは１つの第２反射ミラー２１０ｂを例に説明する。
【００４６】
第２反射ミラー２１０ｂは３枚のミラーを重ねて構成している。図５は３枚重ねたミラーのうち真ん中に位置するミラー２１０ｂ２にレーザビームＬＢ１が入射した場合を示す。上側が平面図で下側が側面図を示している。
【００４７】
この場合、レーザビームＬＢ１を構成する４つの楕円全てが等しくミラー２１０ｂ２に反射され、集光レンズ２２０ｂにより集光され、プロセスファイバ３００ｂへ導光される。この際、ミラー２１０ｂ２によって反射されたレーザビームＬＢ１の光軸が集光レンズ２２０ｂおよびプロセスファイバ３００ｂの中心と一致するよう各構成要素が配置される。この場合、レーザビームＬＢ１全てが１つのプロセスファイバ３００ｂへ導光されるため、プロセスファイバ３００ｂのもう一端では最大８ｋＷの出力を取り出すことができる。
【００４８】
図６は３枚重ねたミラーで構成される第２反射ミラーの回転駆動部２３０寄りに位置するミラー２１０ｂ３にレーザビームＬＢ１が入射した場合を示す。回転駆動部２３０寄りに位置するミラー２１０ｂ３は他の２枚のミラーよりも長さが短くレーザビームＬＢ１の半分にしかかからないように長さが調節されている。この場合、レーザビームＬＢ１を構成する４つの楕円の内、ＬＢ１ａを構成する楕円２つのみがミラーに反射され、集光レンズ２２０ｂにより集光され、プロセスファイバ３００ｂへ導光される。
【００４９】
この際、各構成要素が図５と同様の位置に配置されているが、ミラー２１０ｂ３の厚み分、反射位置がレーザビームＬＢ１進行方向後方（図の上方向）にずれ、結果として、ミラーよって反射されたレーザビームＬＢ１ａの光軸が集光レンズ２２０ｂおよびプロセスファイバ３００ｂの中心と一致する。
【００５０】
この場合、レーザビームＬＢ１ａが１つのプロセスファイバ３００ｂへ導光されるため、プロセスファイバ３００ｂのもう一端では最大４ｋＷの出力を取り出すことができる。なお反射されなかったレーザビームＬＢ１ｂはミラー２１０ｂ３を通過し、そのまま直進する。そのため、反射されなかったレーザビームＬＢ１ｂはさらに後段に位置する他の第２反射ミラー２１０ｃによって前記と異なるプロセスファイバ３００ｃへ導光可能となる。
【００５１】
図７は３枚重ねたミラーで構成される第２反射ミラーの回転駆動部２３０から一番離れて位置するミラー２１０ｂ１にレーザビームＬＢ１が入射した場合を示す。この場合は、前段に位置する他の第２反射ミラー２１０ａでレーザビームＬＢ１の内、すでにレーザビームＬＢ１ａが反射されている場合を想定している。４つの楕円の内、ＬＢ１ｂを構成する残り２つの楕円がミラー２１０ｂ１に反射され、集光レンズ２２０ｂにより集光され、プロセスファイバ３００ｂへ導光される。
【００５２】
この際、各構成要素が図５と同様の位置に配置されているが、ミラー２１０ｂ１の厚み分、反射位置がレーザビームＬＢ１進行方向前方（図の下方向）にずれ、結果として、ミラー２１０ｂ１によって反射されたレーザビームＬＢ１ｂの光軸が集光レンズ２２０ｂおよびプロセスファイバ３００ｂの中心と一致する。
【００５３】
この場合、レーザビームＬＢ１ｂが１つのプロセスファイバ３００ｂへ導光されるため、プロセスファイバ３００ｂのもう一端では最大４ｋＷの出力を取り出すことができる。
【００５４】
図８は３枚重ねたミラーで構成される第２反射ミラーのいずれのミラーにもレーザビームＬＢ１が入射しない場合を示す。プロセスファイバ３００ｂへレーザビームＬＢ１を導光したくない場合は、回転駆動部２３０ｂを制御し、第２反射ミラー２１０ｂを図８の位置にすればよい。
【００５５】
ここで、３枚重ねたミラーそれぞれの位置関係について詳細に説明する。
レーザ加工に用いられるレーザビームＬＢの品質を表現するのに、一般的にＢＰＰ（Ｂｅａｍ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔ）というパラメータが用いられる。ＢＰＰは、ビームの拡がりの半角度θ（ミリラジアン、ｍｒａｄ）と、焦点（ビームウエスト）におけるビーム半径ｗ（ミリメートル、ｍｍ）との積で求められる。プロセスファイバ導光型ではθはプロセスファイバへの入射角（あるいはプロセスファイバからの出射角）、ｗはプロセスファイバのコア半径で置き換えられる。ＢＰＰはその値が小さいほど集光性に優れるため、切断といった集光性が重要となるレーザ加工ではＢＰＰは小さいことが望ましい。
【００５６】
ここで、図６のようにレーザビームＬＢ１ａのみを反射・導光する場合において、第２反射ミラー２１０ｂの３枚のミラーを仮に同一平面上に配置した場合の光路を図９（ａ）に、前述したように３枚のミラーを重ねて多段的に配置した場合の光路を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）と（ｂ）を比較してわかるように、第２反射ミラー２１０ｂを構成する３枚のミラーを同一平面上に配置した際のレーザビームＬＢ１ａの入射角θａと、３枚のミラーを重ねて多段に配置した場合のレーザビームＬＢ１ａの入射角θｂでは後者のほうが小さい。
【００５７】
つまり、同一コア径のプロセスファイバへ導光する場合、後者のほうがよりＢＰＰを小さくできる。レーザビームＬＢ１ａのみを導光する場合、つまりレーザビームの最大出力が小さくても良い場合はレーザ切断を想定しているため、ＢＰＰが小さいほうが有利である。以上の理由から、第２反射ミラー２１０ｂを構成する３枚のミラーは重ねて多段的に配置するほうが望ましい。
【００５８】
また、この場合、図５〜図７の全ての場合においてレーザビームの光軸と集光レンズ２２０およびプロセスファイバ３００の中心が一致するよう、３枚のミラーの厚みを設計する必要がある。図１０を参照しながら本実施の形態におけるミラー厚みの設計方法を説明する。
【００５９】
図１０に図５および図６における反射面とレーザビームＬＢ１を構成する各楕円の光路を示す。図１０で示す図５におけるレーザビームＬＢ１の反射後の光軸（破線）と、図６におけるレーザビームＬＢ１ａの反射後の光軸（点線）を一致させるためには、レーザビームＬＢ１を構成する右から２つ目の楕円の図５における反射面での反射後の光軸と、レーザビームＬＢ１を構成する右端の楕円の図６における反射面での反射後の光軸を一致させる必要がある。
【００６０】
つまり、光軸の入射角θが４５度の場合、レーザビームＬＢ１を構成する楕円の間隔ｄだけ、楕円の光軸をずらすように反射面を決めればよい。したがって図１０のように光軸の入射角θが４５度の場合において、必要な反射面のずれ量、つまり、第２反射ミラー２１０を構成する３枚のミラーの反射面間の距離ｔはｄを等しい２つの辺とする直角二等辺三角形の斜辺に対する高さとなるため、ｄ／√２で求められる。図５と図７での反射面のずれ量も、図５の反射面に対して平行にずらす向きが異なるだけで、そのずれ量ｔは同様にｄ／√２で求められる。
【００６１】
なお、入射角θとずれ量ｔの関係は、ｔ＝ｄ／（２ｓｉｎθ）  で表される。
（実施の形態２）
第２反射ミラーの別の構成例を図５で説明する。実施の形態１では第２反射ミラーの駆動系に回転駆動部を用いたが、本形態では直動駆動部を使用している。前述と同様に、１つの第２反射ミラー２１０ｂを例に説明する。
【００６２】
図１１において、直動駆動部２６０ｂにはその移動量を制御可能な直動アクチュエータ等を持ちいればよい。この場合、第２反射ミラー２１０ｂを構成する３枚のミラー２１０ｂ１、２１０ｂ２、２１０ｂ３は階段状に多段配置され、直動駆動部２６０ｂ上に設置される。なお３枚のミラーの突き出す方向は同一方向である。直動駆動部２６０ｂの上下動によって、レーザビームＬＢ１の入射するミラーが選択され、レーザビームＬＢ１全体、レーザビームＬＢ１ａあるいはレーザビームＬＢ１ｂのみの導光を選択できる。
【００６３】
（実施の形態３）
続いて、図１２を用いて本実施の形態におけるレーザ加工システム１０００を説明する。
【００６４】
レーザ加工システム１０００は、レーザ発振器１００と、レーザ発振器１００から出射されるレーザビームＬＢ１の光路を切り替えるビーム光路切替部２００と、レーザビームＬＢ１が入射する複数のプロセスファイバ３００（３００ａ〜３００ｃ）と、を備える。ビーム光路切替部２００にはプロセスファイバ３００の一方の端部が接続しており、レーザビームＬＢ１は、ビーム光路切替部２００を経て、プロセスファイバ３００に入射する。プロセスファイバ３００は、レーザビームＬＢ１を、ビーム光路切替部２００から加工対象物（ワークＷ）近傍にまで伝搬するための媒体である。
【００６５】
レーザ発振器１００には、複数の多関節ロボット５００（５００ａ〜５００ｃ）の先端に取り付けられた複数の加工ヘッド４００（図示例では、３台）が接続している。ビーム光路切替部２００は、レーザビームＬＢ１の光路を切り替えて、レーザビームＬＢ１を複数のプロセスファイバ３００（３００ａ〜３００ｃ）のうちのいずれかに導光する。プロセスファイバ３００の内部に導光されたレーザビームＬＢ１は、やがて、プロセスファイバ３００の他方の端部に接続された加工ヘッド４００に到達する。
【００６６】
このように、レーザビームＬＢ１が導光される加工ヘッド４００をビーム光路切替部２００により切り替えて、ワークＷに対して、多関節ロボット５００の動きによって、様々な角度及び位置から溶接や切断といったレーザ加工を行う。以下、加工ヘッド４００から
ワークＷに照射されるレーザビームＬＢをＬＢ４と称する。
【００６７】
加工ヘッド４００は、コリメータレンズ４１０および第１集光レンズ４２０を備える。加工ヘッド４００に到達したレーザビームＬＢ４は、第１集光レンズ４２０によって密度が高められて、ワークＷに照射される。加工ヘッド４００は、多関節ロボット５００によって、ワークＷに対してその位置や角度を相対的に移動させることが可能であり、その動作によって３次元的に所定の加工施される。レーザ発振器１００、ビーム光路切替部２００、多関節ロボット５００は加工制御部６００により制御されており、その状態は、加工制御部６００に同期されている。
【００６８】
前述したようにレーザ発振器１００は複数の電源１３０を備え、電源制御部１４０にて独立に制御される。電源制御部１４０は加工制御部６００からの指令を受け、電源１３０の出力度合いを制御する。ビーム光路切替部２００は加工制御部６００から制御され、備えられた複数の回転駆動部２３０の角度を変えることで導光するプロセスファイバ３００を切り替える。
【００６９】
前述したように、ビーム光路切替部２００は選択したプロセスファイバ３００にレーザビームＬＢ１全体を導光することや、レーザビームＬＢ１を構成するレーザビームＬＢ１ａおよびＬＢ１ｂを選択的に導光することも可能である。そのため、目的に応じた効率的なレーザ加工が可能となる。
【００７０】
例えば、多関節ロボット５００ｃにてレーザ溶接を行いたい場合、ビーム光路切替部２００に備えられた第２反射ミラー２１０ａおよび２１０ｂを図８の位置に、第２反射ミラー２１０ｃを図５の位置になるよう各回転駆動部２３０を制御し、レーザ発振器１００に備えられた複数の電源１３０ａ、１３０ｂを同時に出力することで、多関節ロボット５００ｃに備えられた加工ヘッド４００へ最大８ｋＷの出力を導光可能である。
【００７１】
また、多関節ロボット５００ａおよび５００ｃにて同時にレーザ切断を行いたい場合、ビーム光路切替部２００に備えられた第２反射ミラー２１０ａを図６の位置に、２１０ｂを図８の位置に、２１０ｃを図７の位置になるよう各回転駆動部２３０を制御し、レーザ発振器１００に備えられた複数の電源１３０ａ、１３０ｂをそれぞれ出力することで、多関節ロボット５００ａおよび５００ｃに備えられた加工ヘッド４００へそれぞれ最大４ｋＷの出力を導光可能である。
【００７２】
また、電源１３０ａ、１３０ｂは独立して制御されるため、多関節ロボット５００ａと電源１３０ａを、多関節ロボット５００ｃと電源１３０ｂを加工制御部６００によりそれぞれ同期して制御することで、それぞれで同時に異なる切断加工が可能となる。
【００７３】
なお、本実施の形態ではレーザ発振器に備えられたレーザモジュールを８個、電源２個、ビーム光路切替部に接続されたプロセスファイバは３本であったが、これに限定されない。用途や目的に応じ、適宜設定すればよい。また、その場合第２反射ミラーを構成するミラー数などは適宜変更する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明のレーザ加工システムによれば、溶接や切断といったレーザ加工の種類に応じ、最適なレーザ出力で加工可能であるとともに、常にレーザ発振器の能力を最大限使用しながら、必要に応じて複数台の多関節ロボットにより独立した同時加工が可能となり、高い汎用性を備える。
【符号の説明】
【００７５】
１００  レーザ発振器
１１０、１１１ａ〜１１１ｄ、１１２ａ〜１１２ｄ  レーザモジュール
１２０  レーザ光合波部
１２１  第１反射ミラー
１２２  偏光ビームスプリッター
１３０、１３０ａ、１３０ｂ  電源
１４０  電源制御部
２００  ビーム光路切替部
２１０、２１０ａ〜２１０ｃ  第２反射ミラー
２１０ｂ１、２１０ｂ２、２１０ｂ３  ミラー
２２０、２２０ａ〜２２０ｃ  集光レンズ
２３０、２３０ａ〜２３０ｃ  回転駆動部
２４０  ビームアブソーバ
２５０  レーザ折返部
２６０ｂ  直動駆動部
３００、３００ａ〜３００ｃ  プロセスファイバ
４００  加工ヘッド
４１０  コリメータレンズ
４２０  第１集光レンズ
５００、５００ａ〜５００ｃ  多関節ロボット
６００  加工制御部
１０００  レーザ加工システム
２０００  レーザ加工システム
２１００  レーザ発振器
２２００  ビーム光路切替部
２３００、２３００ａ〜２３００ｃ  プロセスファイバ
２４００  加工ヘッド
２４１０  コリメータレンズ
２４２０  第１集光レンズ
２５００  多関節ロボット
２６００  加工制御部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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