(57)【要約】【課題】加工による光出変動、低下を防止し、加工品質が安定するレーザ加工装置を提供する事を目的とする。【解決手段】レーザ発振器と被加工物の間にＳ波／Ｐ波結合鏡６、１／４波長板７、集光レンズＡ８を配置し、加工による反射光がレーザ発振器に戻りにくくするのと同時に、その影響を波長計５でモニタし、レーザ発振器、若しくはレーザ加工装置を制御することで、加工による光出変動、低下を防止し、加工品質が安定するレーザ加工装置を提供する事ができる。【選択図】  図１
2004322146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器と被加工物の間に配置した偏光結合手段と、前記偏光結合手段と被加工物の間に配置した１／４波長偏光手段と、前記偏光結合手段で分岐したレーザ光を入力する波長検出手段と、前記波長検出手段からの信号に基づいて被加工物からの反射光量を算出し、レーザ発振器の駆動を制御する制御装置を設けたレーザ加工装置。
【請求項２】
レーザ発振器から出力されたレーザ光を被加工物に照射するトーチ部と、前記トーチ部を保持し、トーチ部の位置を変更する駆動手段を設け、前記駆動手段を制御し、被加工物へのレーザ光の照射角度を制御する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を被加工物に照射するトーチ部と、前記トーチ部を保持し、トーチ部の位置を変更する駆動手段と、前記レーザ発振器と被加工物の間に配置した偏光結合手段と、前記偏光結合手段と被加工物の間に配置した１／４波長偏光手段と、前記偏光結合手段で分岐したレーザ光を入力する波長検出手段と、前記波長検出手段からの信号に基づいて被加工物からの反射光量を算出し、前記駆動手段を制御し、被加工物へのレーザ光の照射角度を制御する制御装置を設けたレーザ加工装置。
【請求項４】
波長検出手段からの信号に基づいてレーザ発振器の状態を推測する請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザ発振器を冷却する冷却装置を設け、波長検出手段からの信号に基づいて冷却装置の状態を推測する請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
２個以上のレーザ発振器を備え、少なくともそのうち１つのレーザ発振器は、加工により生じる反射光を光励起の光源とする伝送手段を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
半導体レーザ発振器と固体レーザ発振器を備え、前記半導体レーザ発振器の出射するレーザ光で加工した時に生じる反射光を、前記固体レーザ発振器のレーザ媒質に導いて光励起を生じさせる手段を設けたレーザ加工装置。
【請求項８】
Ｑスイッチを備えている固体レーザ発振器を搭載する請求項７記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工装置としてアレイ型半導体レーザを搭載したレーザ加工装置概略構成図を図４に示す（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図４において、破線はレーザ光の軌跡を示している。アレイ型半導体レーザ５１には、駆動電源５２、冷却水を供給するチラー５４を接続している。駆動電源５２、チラー５４、出力センサ５５を制御装置５３に接続している。
【０００４】
一方、レーザヘッド６０は前記アレイ型半導体レーザ５１、ブリュースター板５６、１／４波長板５７、集光レンズ５８を内包している。
【０００５】
以上のように構成されたレーザ加工装置の動作について説明する。アレイ型半導体レーザ５１から出射する、図面に対して平行な偏光状態の直線偏光レーザ光（以下、Ｐ偏光波とする）は、ブリュースター板５６を透過し、１／４波長板５７により、円偏光レーザ光（時計方向円偏光とする）に変換される。時計方向円偏光レーザ光は集光レンズ５８より集光され、高反射材料の平面ワーク５９上に集光し、ワークを加工する。
【０００６】
この時、レーザ光の一部は平面ワーク５９表面で反射されて反時計方向の円偏光反射光となり、集光レンズ５８を通過、１／４波長板５７に入射し、図面に対して垂直な直線偏光（以下、Ｓ偏光波とする）に変換される。Ｓ偏光波はブリュースター板５６により伝播方向を曲げられ、即ち、反射光はアレイ型半導体レーザ５１に戻らずに、出力モニタ手段である出力センサ５５に入射する。出力センサ５５は、その出力値が基準値を超える場合、異常検出信号を出力し、制御装置５３を介して、レーザ発振を停止し、レーザ加工装置の光出力変動、低下を防止する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０１−２７８９９０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワーク形状は平面と限らなず、平面でない場合、例えば、時計方向円偏光レーザ光で加工した時の反射光は、反時計方向円偏光レーザ光ではなく、反時計方向楕円偏光レーザ光となる場合がある。従って、ブリュースター板を用いても、アレイ型半導体レーザに戻る反射光を完全には除去することはできない。その結果、光出力が変動、低下し、加工不良を招くという問題があった。
【０００９】
本発明は、このようなレーザ加工装置において、加工による光出力変動、低下を防止し、加工品質が安定するレーザ加工装置を提供する事を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器と被加工物の間に配置した偏光結合手段と、前記偏光結合手段と被加工物の間に配置した１／４波長偏光手段を設けているので、加工による光出変動、低下を防止し、加工品質が安定するレーザ加工装置が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態について、レーザ発振器としてアレイ型半導体レーザを搭載したレーザ加工装置への適用例を記し、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
以下、紙面に対して平行な偏光状態の偏光をＰ偏光、紙面に対して垂直な偏光をＳ偏光とする。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施の形態における概略構成図を示すもので、図１において、１はアレイ型半導体レーザであり、Ｐ偏光レーザ光を出射するように設置する。出射したレーザ光が伝播する順に、偏光結合手段であるＳ波／Ｐ波結合鏡６を伝播方向に対して４５度傾けて、また、１／４波長板７、集光レンズＡ８は伝播方向に対して直角に配置する。加えて、Ｓ波／Ｐ波結合鏡６の伝播方向と直角をなす方向に、反射光を吸収する出力ダンパ１１、とその反対側にレーザ光集光手段である集光レンズＢ１３、レーザ光出力減衰手段である積分球９、波長計測手段である波長計５（望ましくは回折格子型）から成る波長計測系を配置する。
【００１４】
以上の構成要素により構成されているレーザヘッド１２は、本実施の形態ではトーチ部に相当し、駆動手段であるロボット１０に搭載されている。アレイ型半導体レーザ１には電源２、チラ−４が接続しており、各々、電力、冷却水を供給している。電源２、チラ−４、波長計５、ロボット１０は制御装置３に接続しており、制御装置３は電源２、チラ−４、ロボット１０を制御し、また、電源２、チラ−４、波長計５、ロボット１０からの出力信号を処理する。
【００１５】
以下、レーザ光の動作について説明する。図１において、破線はレーザ光の軌跡を示している。アレイ型半導体レーザ１から出射するＰ偏光レーザ光のうち、大部分（望ましくは９９％以上）は、Ｓ波／Ｐ波結合鏡６を透過し、１／４波長板７により、円偏光レーザ光（本実施の形態では時計方向円偏光とする）に変換する。時計方向円偏光レーザ光を集光レンズ８で、ワーク１４上に集光し、ワークを加工する。この時、レーザ光の一部はワーク１４で反射して反時計方向の楕円偏光反射光となり、集光レンズ８を通過後、１／４波長板７によって、ある方向に偏光した直線偏光の反射光となる。この偏光の方向は加工に応じて変化するが、何れの場合もＳ偏光成分とＰ偏光成分の合成である。従って、この反射光のうち、Ｓ偏光成分であるＳ偏光反射光はＳ波／Ｐ波結合鏡６により伝播方向を９０度曲げられ、出力ダンパ１１に入射して吸収される。Ｐ偏光成分であるＰ偏光反射光は、Ｓ波／Ｐ波結合鏡６を透過し、アレイ型半導体レーザ１に到達する。この反射光がアレイ型半導体レーザ１を構成する図示略の半導体素子に入射すると、半導体素子の温度が上昇し、その結果、レーザ光の波長が大きくなる。この波長の変化量は半導体素子に入射した光出力に比例する。
【００１６】
一方、アレイ型半導体レーザ１から出射するＰ偏光レーザ光のうち、残り部分（望ましくは１％以下）は、Ｓ波／Ｐ波結合鏡６により伝播方向を９０度曲変え、集光レンズＢ１３で集光し、積分球９で光出力を減衰して、回折格子型の波長計５に導く。
【００１７】
図２は本発明の実施の形態における信号フローチャートを示すもので、図２を用いて信号の動作を説明する。制御装置３は記憶装置を備えており、アレイ型半導体レーザ１の駆動電流（Ｉ）と非加工時レーザ光の波長（λ０）との相関関係、及び、駆動電流（Ｉ）と光出力変動、低下の許容限界値（Ｚ）との相関関係を記憶している。加工を開始すると、波長計５が、加工時レーザ光の波長（λｍ）を計測する。制御装置３において加工時と、非加工時のレーザ光波長変化量（△）、即ち、反射光量を求め、許容限界値（Ｚ）と比較する。△≦Ｚの場合は現姿勢の状態で加工を継続し、△＞Ｚの場合は、制御装置３からロボット１０に信号をおくり、レーザヘッド１２の加工姿勢（望ましくは、加工点を中心に伝播方向（光軸）とワーク１４のなす角度）を変えながら加工する。
【００１８】
なお、上記説明では言及しなかったが、波長計からの信号により、電源を介して半導体レーザの光出力を制御することもでき、加工姿勢に合わせて光出力を制御できる。
【００１９】
また、レーザ光の波長は半導体レーザの温度に比例するので、この波長を検出することにより、半導体レーザの冷却状態の監視に用いることができる。
【００２０】
さらに、本実施の形態ではレーザ発振器としてアレイ型半導体レーザを例に挙げたが、ガスレーザ、固体レーザを採用しても同様な効果が得られる。
【００２１】
（実施の形態２）
以下、本発明の一実施の形態例について、レーザ発振器としてレーザ光の波長８０８ｎｍアレイ型半導体レーザを搭載したレーザ加工装置への適用例を記し、図面を参照しながら説明する。以下、紙面に対して平行な偏光状態の偏光をＰ偏光、紙面に対して垂直な偏光をＳ偏光とする。
【００２２】
図３は本発明第２の実施の形態概略構成図を示すもので、図３において、２１は波長８０８ｎｍアレイ型半導体レーザであり、Ｐ偏光レーザ光を出射するように設置する。出射したレーザ光が伝播する順に、Ｓ波／Ｐ波結合鏡２６を伝播方向に対して４５度傾けて、また、１／４波長板２７を伝播方向に対して直角に、波長８０８ｎｍに対して高透過率で波長９４６ｎｍに対して高反射率を持つ波長結合鏡３５を伝播方向に対して４５度傾け、集光レンズＣ２８を伝播方向に対して直角に配置する。加えて、Ｓ波／Ｐ波結合鏡２６の伝播方向と直角をなす方向に、反射光を吸収する出力ダンパ２９とその反対側に波長８０８ｎｍを高反射する反射鏡Ａ３０、レーザ発振器系、及び、波長９４６ｎｍを高反射する反射鏡Ｂ３４を設置する。反射鏡Ｂ３４は伝播方向に対して４５度傾け波長結合鏡３５にレーザ光が入射するように設置する。本実施の形態ではレーザ発振器系として、固体レーザのうち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを例にとる。固体レーザ発振器系は波長８０８ｎｍに対して高透過率で波長９４６ｎｍに対して高反射率を持つ終段鏡３１、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッドを保持、冷却するロッド保持機構３２、波長９４６ｎｍを一部透過する出力鏡３３で構成する。以上の構成要素によりレーザヘッド２５を構成している。また、波長８０８ｎｍアレイ型半導体レーザ２１には電源２２、チラ−２４を接続しており、各々、電力、冷却水を供給している。また、チラ−２４は、ロッド保持機構３２にも接続しており、Ｎｄ：ＹＡＧロッドを冷却する。電源２２、チラ−２４は制御装置３に接続しており、制御装置２３は電源２２、チラ−２４を制御する。
【００２３】
以下、動作について説明する。図３において、破線はレーザ光の軌跡を示している。波長８０８ｎｍアレイ型半導体レーザ２１から出射する波長８０８ｎｍＰ偏光レーザ光のうち、大部分（望ましくは９９％以上）は、Ｓ波／Ｐ波結合鏡２６を透過し、１／４波長板２７により、波長８０８ｎｍ円偏光レーザ光（本実施の形態では時計方向円偏光とする）に変換する。波長８０８ｎｍ時計方向円偏光レーザ光は波長結合鏡３５を透過し、集光レンズ２８によりワーク３６で集光、加工する。この時、波長８０８ｎｍレーザ光の一部はワーク３６で反射して反時計方向の波長８０８ｎｍ楕円偏光反射光となり、集光レンズ２８、波長結合鏡３５を透過し、１／４波長板２７によって、ある方向に偏光した直線偏光の波長８０８ｎｍ反射光となる。この偏光の方向は加工に応じて変化するが、何れの場合もＳ偏光成分とＰ偏光成分の合成である。従って、この波長８０８ｎｍ反射光のうち、Ｓ偏光成分である８０８ｎｍＳ偏光反射光はＳ波／Ｐ波結合鏡２６、反射鏡Ａ３０により伝播方向を変え、終段鏡３１により集光し、ロッド保持機構３２で保持するＮｄ：ＹＡＧロッドに入射する。終段鏡３１は出力鏡３３と正対しており、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッドに波長８０８ｎｍの光が入射すると、レーザ光はＮｄ：ＹＡＧロッドに吸収して光励起を生じ、終段鏡３１と出力鏡３３間での多重増幅帰還により、波長９４６ｎｍのレーザ光が出射する。波長９４６ｎｍのレーザ光は反射鏡Ｂ３４により伝播方向を変え、波長結合鏡３５に入射して、波長８０８ｎｍのレーザ光と同軸上で伝播し、集光レンズ２８によりワーク３６へ集光され、加工に用いられる。
【００２４】
一方、アレイ型半導体レーザ２１から出射するＰ偏光レーザ光の一部は、Ｓ波／Ｐ波結合鏡２６により伝播方向を９０度曲変え、出力ダンパ２９に入射して吸収される。
【００２５】
次に、ワーク３６が平面形状で、高反射材料、例えば研磨したアルミニウム板、の場合を例にレーザ加工装置の動作について説明する。加工開始直後、集光した波長８０８ｎｍレーザ光の大部分は円偏光の反射光となり、固体レーザ発振器系に入射し、波長９４６ｎｍのレーザ光に変換して、再度、ワークを集光、加工する。一度アルミニウムの溶融が起こると、溶融金属のレーザ光吸収係数は高いため、反射が減り、波長９４６ｎｍのレーザ発振が減少する。
【００２６】
なお、本実施の形態では言及しなかったが、例えば鏡面状態の高反射材料加工では、固体レーザ発振器系にＱスイッチを構築し、加工開始直後に波長９４６ｎｍの高ピークパルスを取り出し加工する方法でも同様の効果が得られる。
【００２７】
また、固体レーザ発振器系にシャッタを設けて反射光による波長９４６ｎｍのレーザ発振を制限することも可能である。
【００２８】
さらに、本実施の形態ではレーザ発振器系を固体レーザ発振器系としたが、ガスレーザ発振器系としても同様の効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、このようなレーザ加工装置において、加工による光出変動、低下を防止し、加工品質が安定するレーザ加工装置を提供する事が実現できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ加工装置の概略構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態における信号フローチャート
【図３】本発明の第２の実施の形態におけるレーザ加工装置の概略構成図
【図４】従来のレーザ加工装置にアレイ型半導体レーザを搭載したレーザ加工装置の概略構成図
【符号の説明】
１  アレイ型半導体レーザ
２  電源
３  制御装置
４  チラ−
５  波長計
６  Ｓ波／Ｐ波結合鏡
７  １／４波長板
８  集光レンズＡ
９  積分球
１０  ロボット
１１  出力ダンパ
１２  レーザヘッド
１３  集光レンズＢ
１４  ワーク
２１  アレイ型半導体レーザ
２２  電源
２３  制御装置
２４  チラ−
２５  レーザヘッド
２６  Ｓ波／Ｐ波結合鏡
２７  １／４波長板
２８  集光レンズＣ
２９  出力ダンパ
３０  反射鏡Ａ
３１  終段鏡
３２  ロッド保持機構
３３  出力鏡
３４  反射鏡Ｂ
３５  波長結合鏡
３６  ワーク
５１  アレイ型半導体レーザ
５２  電源
５３  制御装置
５４  チラー
５５  出力モニタ
５６  ブリュースター板
５７  １／４波長板
５８  集光レンズ
５９  平面ワーク
【図１】
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【図２】
2004322146.tif 000004
【図３】
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【図４】
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