(57)【要約】  レーザ装置１０は、レーザ光を発するレーザ発振器２０と、レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニット１６と、を備えている。光学ユニット１６は、レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーＭＤと、部分透過ミラーＭＤを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する拡散板ＤＰと、拡散板ＤＰで偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力するフォトダイオードＰＤと、を有し、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されている。
2019221034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発するレーザ発振器と、該レーザ発振器から出射された前記レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニットと、を備えたレーザ装置であって、
前記光学ユニットは、前記レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーと、該部分透過ミラーを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材と、該光偏向部材で偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力する受光部と、を有し、
前記受光部の出力信号に基づいて、前記レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ装置において、
前記受光部の受光面の幅は、該受光面における前記光偏向部材で偏向されたレーザ光の半値幅以下であることを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ装置において、
前記受光部の出力信号が、前記レーザ光の光軸ずれがない場合の出力信号に対して所定の割合以上で低下している場合は、前記レーザ発振器のレーザ発振を停止するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記受光部は、前記レーザ光の出力をモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記レーザ発振器は、レーザ光をそれぞれ発する複数のレーザモジュールで構成され、
前記光学ユニットは、前記複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器と、該ビーム結合器から出射された結合レーザ光を集光して外部に出射する集光ユニットと、を有し、
前記ビーム結合器は、前記部分透過ミラーと前記光偏向部材と前記受光部とを内部に有し、
前記受光部の出力信号に基づいて、前記結合レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ装置において、
前記複数のレーザモジュールは、前記ビーム結合器に出射されるレーザ光の出力をモニターする別の受光部をそれぞれ有し、
前記ビーム結合器に設けられた前記受光部の出力信号と、前記別の受光部の出力信号とを比較して、前記レーザ装置における不具合箇所を特定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置に接続され、前記レーザ装置から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、
該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力のレーザ発振器を有するレーザ加工装置を用いてワークの加工を行う、いわゆるレーザ加工が各種部材の加工に用いられている。しかし、レーザ加工装置において、周辺機器の振動等により内部でレーザ光の光軸ずれを生じることがあった。このような光軸ずれが起こると、例えば、レーザ光を導光する伝送ファイバの損傷や、設定された加工位置と実際の加工位置とがずれて加工不良を起こしたりすることがあった。【０００３】
そこで、従来、レーザ光の光軸ずれをモニターする技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ光をワークに向けて反射するハーフミラーにおいて、レーザ光の光軸がずれた場合にハーフミラーを透過するレーザ光を直接受光するように、センサがレーザ光照射面の裏側に設けられた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１８２１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されたセンサは、レーザ光を吸収することで発生した熱を検知する熱電対やサーモスタット等の熱検知センサであり、温度上昇までの応答遅れがあるとともに、連続発振中には、センサ近傍の発熱も検知してしまうため、レーザ光の光軸ずれの有無を正確に検知できなかった。また、ハーフミラーの裏面側にレーザ光を遮蔽する遮蔽板を配置したり、センサを遮蔽板と熱的に分離したりする必要があり、構造が複雑なものとなっていた。また、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送ファイバを介してレーザ光出射ヘッドに導光する構成では、レーザ光の光軸と伝送ファイバのコアとのずれが重要であるが、上記のセンサでは、このずれを検知することが難しかった。【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれの有無を検知できるレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を発するレーザ発振器と、該レーザ発振器から出射された前記レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニットと、を備えたレーザ装置であって、前記光学ユニットは、前記レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーと、該部分透過ミラーを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材と、該光偏向部材で偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力する受光部と、を有し、前記受光部の出力信号に基づいて、前記レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とする。【０００８】
この構成によれば、光偏向部材によって所定の拡散角で偏向されたレーザ光を受光部で受光するため、レーザ光の光軸ずれに対する受光感度の変化率を大きくできる。このことにより、簡便な構成で、レーザ光の光軸ずれの有無を検知することができる。【０００９】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ装置と、前記レーザ装置に接続され、前記レーザ装置から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。【００１０】
この構成によれば、レーザ装置や伝送ファイバが損傷するのを防止し、また、レーザ加工時の不良や加工品質の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のレーザ装置によれば、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれの有無を検知できる。また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光の出力低下原因を簡便に特定でき、生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、ビーム結合器の内部構成を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態１に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施形態１に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。
【図４Ａ】図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。
【図４Ｂ】図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。
【図５】図５は、本発明の実施形態２に係るレーザモジュールの内部構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１４】
（実施形態１）  
［レーザ加工装置の構成及びビーム結合器の内部構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、図２は、ビーム結合器の内部構成の模式図を示す。なお、以降の説明において、図１におけるレーザ発振器２０からビーム結合器１３へ入射されるレーザ光の進行方向をＺ方向、レーザモジュール１２の配列方向をＹ方向、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向とそれぞれ呼ぶことがある。
【００１５】
レーザ加工装置１００は、レーザ装置１０とレーザ光出射ヘッド３０と伝送ファイバ４０と制御部５０と電源６０と表示部７０とを備えている。レーザ装置１０と伝送ファイバ４０のレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。また、伝送ファイバ４０のレーザ光が出射される端部を、以下、単に出射端という。）とは筐体１１内に収容されている。
【００１６】
レーザ装置１０は、複数のレーザモジュール１２で構成されたレーザ発振器２０とビーム結合器１３と集光ユニット１４と、を有している。なお、以降の説明において、ビーム結合器１３と集光ユニット１４とをまとめて光学ユニット１６と呼ぶことがある。
【００１７】
レーザモジュール１２は、互いに異なる波長のレーザ光を発する複数のレーザダイオードまたはレーザアレイからなり、レーザモジュール１２内で波長合成されたレーザ光が各々のレーザモジュール１２からそれぞれ出射される。複数のレーザモジュール１２からそれぞれ出射されたレーザ光をビーム結合器１３で、一つのレーザ光（以下、結合レーザ光ＬＢという）に結合する。具体的には、各々のレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。また、結合レーザ光ＬＢは、集光ユニット１４に配設された集光レンズ（図示せず）によって集光され、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ４０に入射される。レーザ装置１０をこのような構成とすることで、レーザ光出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ装置１０は、電源６０から電力が供給されてレーザ発振を行い、結合レーザ光ＬＢが伝送ファイバ４０の出射端から出射される。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１２でレーザ発振器２０を構成しているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール１２の搭載個数は、レーザ加工装置１００に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール１２の出力仕様によって適宜変更されうる。
【００１８】
ビーム結合器１３は、ビーム結合光学系１３ａとミラーＭＤと光偏向部材である拡散板ＤＰと受光部であるフォトダイオードＰＤとを内部に有している。図示しないが、ビーム結合光学系１３ａは、レーザ光入射部ＬＩ１〜ＬＩ４からそれぞれ入射されたレーザ光ＬＢ１〜ＬＢ４を結合するためのミラー（図示せず）や偏光ビームスプリッタ（図示せず）等の複数の光学部品で構成されている。
【００１９】
ミラーＭＤは、ビーム結合光学系１３ａで結合された結合レーザ光ＬＢの大部分をレーザ光出射部ＬＯに向けて反射する一方、残部を透過するように構成された部分透過ミラーである。本実施形態では、結合レーザ光ＬＢに対するミラーＭＤの反射率を９９．９９％、透過率を０．０１％に設定しているが特にこれに限定されない。結合レーザ光ＬＢの最大出力や後述するフォトダイオードＰＤの性能等に応じて適宜変更されうる。
【００２０】
拡散板ＤＰは、ミラーＭＤを透過した結合レーザ光の一部（以下、モニター用レーザ光ＬＢＡと呼ぶことがある。）が入射されると、これを所定の拡散角でフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａ（図３Ａ参照）に向けて偏向する光偏向部材である。なお、以降の説明で、拡散板ＤＰで偏向された後のモニター用レーザ光ＬＢＡを、特にモニター用レーザ光ＬＢＡ１と呼ぶことがある。また、拡散板ＤＰの配光特性は、拡散角も含め適宜変更されうる。例えば、モニター用レーザ光ＬＢＡの強度や拡散板ＤＰとフォトダイオードＰＤとの距離や受光面ＰＤａのサイズ等によって適宜変更されうる。なお、レーザ装置１０内で結合レーザ光ＬＢの光軸が決定された所定の位置にあるとき、拡散板ＤＰはモニター用レーザ光ＬＢＡの光軸とモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光軸に対してそれぞれ４５°の角度をなすようにビーム結合器１３内に配置されている。
【００２１】
フォトダイオードＰＤは、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１を受光面ＰＤａで受光して電気信号を出力する受光部である。この電気信号の値は、受光面ＰＤａで受光された光の光量に依存しており、本実施形態では、フォトダイオードＰＤの出力信号とフォトダイオードＰＤで受光された光の光量とは比例するように構成されている。また、フォトダイオードＰＤの出力信号は制御部５０に入力されて（図１参照）、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターするのに用いられる。
【００２２】
集光ユニット１４は、内部に集光レンズ（図示せず）を有しており、集光レンズは、伝送ファイバ４０の入射端において、そのコア（図示せず）のコア径よりも小さいスポット径となるように結合レーザ光ＬＢを集光する。また、集光ユニット１４は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ４０の入射端が接続されている。なお、集光ユニット１４には、結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする出力モニター１５が設けられている。
【００２３】
伝送ファイバ４０は、集光ユニット１４の集光レンズに光学的に結合され、集光レンズを介してレーザ装置１０から受け取った結合レーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド３０に導光する。また、図示しないが、伝送ファイバ４０は、軸心に結合レーザ光ＬＢを導光するためのコアと、コアの外周面に接して、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとで構成されており、クラッドは結合レーザ光ＬＢをコア内に閉じ込める機能を有している。また、クラッドの外周面は、外光の遮蔽と機械的なダメージ保護のために図示しない皮膜で覆われている。
【００２４】
レーザ光出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で導光された結合レーザ光ＬＢを外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けて結合レーザ光ＬＢを出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。
【００２５】
制御部５０は、レーザ発振器２０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器２０に接続された電源６０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１２のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１２０に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１２０毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部５０は、ビーム結合器１３内に配置されたフォトダイオードＰＤからの出力信号を受け取って、この出力信号に基づいて、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度分布を算出する。また、集光ユニット１４内の出力モニター１５からの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力を算出する。なお、フォトダイオードＰＤからの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力を算出するようにしてもよい。また、制御部５０は、レーザ光出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。
【００２６】
電源６０は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器２０、具体的には、複数のレーザモジュール１２のそれぞれに対して供給する。制御部５０からの指令により、各々のレーザモジュール１２に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源６０は、レーザ加工装置１００の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。
【００２７】
表示部７０は、制御部５０で算出されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度分布を表示するように構成されている。また、出力モニター１５又はフォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて制御部５０で算出された結合レーザ光ＬＢの出力を表示するようにしてもよい。なお、表示部７０には、レーザ光の出力以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ加工時の加工パラメータと実測値とを同時に表示させるようにしてもよい。表示部７０は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。
【００２８】
次に、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターする手法について説明する。
【００２９】
図３Ａは、本実施形態に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合を示し、図３Ｂは、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがある場合を示している。
【００３０】
図３Ａ，３Ｂに示すように、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１は、所定の拡散角で拡がりつつ、フォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに入射される。ここで、受光面ＰＤａに到達したときのモニター用レーザ光ＬＢＡ１の半値幅Ｄ１は、受光面ＰＤａよりも大きくなるように、拡散板ＤＰの配光特性及び拡散板ＤＰとフォトダイオードＰＤとの距離が設定されている。なお、半値幅Ｄ１と受光面ＰＤａの幅Ｄ２とは同じであってもよい。
【００３１】
図３Ａに示すように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合、つまり、ビーム結合器１３から出射された結合レーザ光ＬＢが、集光ユニット１４を介して、伝送ファイバ４０のコア内に入射する場合は、モニター用レーザ光ＬＢＡ１は、光強度のピークが受光面ＰＤａのほぼ中央に来るように調整されている。また、図３Ａの右側に示す、受光面ＰＤａ上の位置とモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度との関係を示す図において、光強度カーブの下側の面積が、フォトダイオードＰＤで受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量に相当する。また、前述したように、結合レーザ光ＬＢのミラーＭＤでの透過率は固定されているため、上記面積は、結合レーザ光ＬＢの出力に比例している。
【００３２】
一方、図３Ｂに示すように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがある場合、つまり、結合レーザ光ＬＢが伝送ファイバ４０のコアから漏れて所定の割合でクラッドに入射する場合は、モニター用レーザ光ＬＢＡ１は、受光面ＰＤａの中央から光強度のピークがずれて、フォトダイオードＰＤに入射される。この場合、図３Ｂに示すモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量が、図３Ａに示す場合の光量よりも小さくなっている。このことは、フォトダイオードＰＤで受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力信号が、結合レーザビームＬＢの光軸ずれの度合いに対応していることを示している。つまり、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの光軸ずれを評価することができる。また、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする場合、結合レーザビームＬＢの光軸ずれによって、結合レーザ光ＬＢの出力が実際よりも低く評価される。
【００３３】
なお、本実施形態に示す構成において、予め実験等により、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の光量や結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが生じている場合の光量等、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力を求め、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力をモニターすることでレーザ光の光軸ずれをモニターする。
【００３４】
また、このモニターしたフォトダイオードＰＤの出力信号と予め求めた結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合のフォトダイオードＰＤの出力信号とを相対比較し、出力の低下度合いを判定することで、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの良否を判定する。
【００３５】
結合レーザ光ＬＢの光軸ずれのモニターでは、拡散板ＤＰでモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散させてフォトダイオードＰＤに入射させるため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに対するフォトダイオードＰＤの受光感度の変化率を大きくでき、例えば、本実施形態に示すフォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動すると約１０倍に拡大されて１０％変動することとなり、より安定した光軸ずれの検出が可能となる。これにより、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合と比べて、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが生じた場合をモニターし、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが例えば３％以上低下した場合、言い換えると結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じたフォトダイオードＰＤの出力信号が約１０倍の３０％以上低下した場合は、レーザ発振器２０のレーザ発振を停止するように設定されている。ただし、レーザ発振を停止する場合のフォトダイオードＰＤの信号低下の割合は、特に上記に限定されず、レーザ装置１０の寸法や伝送ファイバ４０のコア径や結合レーザ光ＬＢのビーム径等によって適宜変更されうる。また、レーザ発振停止前に作業者に対して警告音を発するようにしてもよいし、表示部７０に警告画面を表示させるようにしてもよい。なお、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の光量、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の所定の許容値の値または所定の許容値の範囲の値としても良い。
【００３６】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１０は、レーザ光を発するレーザ発振器２０と、レーザ発振器２０から出射されたレーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニット１６と、を備えている。また、レーザ発振器２０はそれぞれレーザ光を発する複数のレーザモジュール１２で構成されている。
【００３７】
光学ユニット１６は、複数のレーザモジュール１２から出射された複数のレーザ光を結合して結合レーザ光ＬＢとして出射するビーム結合器１３と、結合レーザ光ＬＢを集光して外部、この場合は伝送ファイバ４０の入射端に出射する集光ユニット１４と、を有している。
【００３８】
ビーム結合器１３は、結合レーザ光ＬＢを集光ユニット１４に向けて反射する一方、モニター用レーザ光ＬＢＡを透過させる部分透過ミラーであるミラーＭＤと、ミラーＭＤを透過したモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材である拡散板ＤＰと、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１を受光して電気信号を出力する受光部であるフォトダイオードＰＤと、を有し、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターするように構成されている。
【００３９】
本実施形態によれば、部分透過ミラーＭＤを透過したモニター用レーザ光ＬＢＡを拡散板ＤＰで所定の拡散角で拡げてフォトダイオードＰＤで受光するという簡便な構成で結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知できる。また、レーザ装置１０をこのようにすることで、簡便な構成でレーザ装置１０の不良原因を簡便に特定することができる。前述したように、レーザ装置１０の出力が低下した場合、それがレーザモジュール１２の不具合によるものか、電源６０からレーザモジュール１２への電力供給異常によるものか、あるいは、光学ユニット１６内での光学部品の位置ずれによるものかは判然としなかった。このため、レーザ加工装置１００において、レーザ光の出力が所定の割合以下に低下した場合は、レーザ発振を停止するとともに、各部を点検して、不良原因を特定する必要があった。しかし、これらの作業は非常に手間がかかるものであり、かつ、レーザ加工装置１００のダウンタイムが長くなり、生産性を低下させる原因となっていた。
【００４０】
一方、本実施形態によれば、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが発生したか否かを確実に検知することができる。このことについてさらに説明する。
【００４１】
図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。また、図４Ｂは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。
【００４２】
図４Ａ，４Ｂに示す構成は、図３Ａ，３Ｂに示す構成に対して、拡散板ＤＰに代えてミラーＭＲが配置されている点で異なる。ミラーＭＲは入射されたモニター用レーザ光ＬＢＡを拡散させずに、つまり、ビームの拡がりを変えずにフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに入射させている。
【００４３】
図４Ａ，４Ｂから明らかなように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが起こった場合、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡの光強度ピーク位置はシフトする。しかし、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡの半値幅Ｄ３は、拡散板ＤＰを用いた場合のモニター用ＬＢＡ１の半値幅Ｄ１よりも狭く、また、受光面ＰＤａの幅Ｄ２よりも小さくなっている。このため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが起こったとしても、フォトダイオードＰＤ、言い換えるとフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａの幅Ｄ２で受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量自体の総量はほとんど変化しない。このため、フォトダイオードＰＤの出力信号から結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知ことはできない。
【００４４】
また、本実施形態において、結合レーザ光ＬＢのスポット形状は、縦横とも約１００μｍの略四角形状であり、伝送ファイバ４０のコア径と同等になるように設定されている。また、伝送ファイバ４０の出射端から出射される結合レーザ光ＬＢの出力が正常値よりも３％以上低下すると、クラッドに入射されるレーザ光の光量が所定値を越えて、伝送ファイバ４０が損傷する。このような条件下では、伝送ファイバ４０の出射端または集光ユニット１４内の出力モニター１５で結合レーザ光ＬＢの出力をモニターしても、結合レーザ光ＬＢの出力変動に対する検出感度が小さく、その出力変動が光軸ずれによるものかレーザ発振器２０の異常によるものかは判別できなかった。
【００４５】
一方、本実施形態によれば、ビーム結合器１３内に配置された拡散板ＤＰでモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散させてフォトダイオードＰＤに入射させるため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに対するフォトダイオードＰＤの受光感度の変化率を大きくできる。例えば、本実施形態に示すフォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じて、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動すると約１０倍に拡大されて１０％変動する。このことにより、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知することができる。
【００４６】
また、集光ユニット１４の出力モニター１５と組み合わせて、簡便かつ確実にレーザ装置１０の不具合箇所を特定し対処することができる。
【００４７】
例えば、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とを比較して、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに設定された所定の範囲内にあれば、レーザ装置１０は正常と判定できる。一方、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに所定の範囲から外れていれば、レーザ発振器２０で不具合が起こったと判断でき、電源６０とレーザモジュール１２との結線を確認するともに、各レーザモジュール１２を確認し、必要に応じてレーザモジュール１２を交換して不具合を解消する。さらに、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値が所定の範囲内にある一方、ビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値が所定の範囲から外れていれば、ビーム結合器１３内で光学部品の位置ずれが起こっていると判断でき、ビーム結合器１３を交換するか、またはビーム結合器１３内の光学部品の位置調整を行って不具合を解消することができる。
【００４８】
なお、フォトダイオードＰＤの出力値のみで、不具合箇所を特定できるようにしてもよい。前述したように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じて、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動するとフォトダイオードＰＤの出力値は約１０倍に拡大されて１０％変動する。よって、フォトダイオードＰＤの出力変動が１０％〜２０％であれば、まず、ビーム結合器１３内の光学部品の位置ずれを確認するようにし、フォトダイオードＰＤの出力変動が２０％を超えればレーザ発振器２０の異常の有無を確認するようにしてもよい。
【００４９】
また、いずれの場合も、フォトダイオードＰＤの出力信号が、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の出力信号に対して所定の割合以上で低下している場合は、レーザ発振器２０を停止するように構成されている。
【００５０】
このようにすることで、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが発生した場合に、それをいち早く検知することで、レーザ装置１０や伝送ファイバ４０が損傷するのを防止し、また、レーザ加工時の不良や加工品質の発生を防止することができる。
【００５１】
また、本実施形態のレーザ加工装置１００は、上記のレーザ装置１０と、レーザ装置１０に接続され、レーザ装置１０から出射された結合レーザ光ＬＢを導光する伝送ファイバ４０と、伝送ファイバ４０の出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッド３０と、を少なくとも備えている。
【００５２】
レーザ加工装置１００をこのように構成することで、レーザ装置１０の不具合をいち早く特定して、不具合発生箇所への対策を行えるため、ダウンタイムを短くでき、生産性を向上させることができる。また、光軸がずれたり出力が低下したりした結合レーザ光ＬＢをワークＷに出射させることがなく、ワークＷでの加工不良の発生を抑制し、また、加工品質を維持することができる。
【００５３】
（実施形態２）
図５は、本実施形態に係るレーザモジュールの内部構成の模式図を示す。本実施形態に係るレーザ加工装置１００及びレーザ装置１０は、図５に示すレーザモジュール１２の内部構成が異なる点を除いて、実施形態１に示す構成と同じである。そのため、本実施形態において、レーザモジュール１２の内部構成以外については、図示及びその説明を省略している。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態のレーザモジュール１２は、内部にレーザ光の大部分を透過してミラーＭ１に向かわせる一方、残部を光導波路１２ａに向けて反射する部分反射ミラーＭＤ２と、部分反射ミラーＭＤ２で反射されたレーザ光をフォトダイオードＰＤ２に向けて導光する光導波路１２ａと、光導波路１２ａ内でミラーＭＲ２に反射されたレーザ光を受光するフォトダイオード（別の受光部）ＰＤ２とを有している。これらの部品は、複数のレーザモジュール１２のそれぞれに設けられている。
【００５５】
レーザモジュール１２をこのように構成することで、複数のレーザモジュール１２のレーザ光出力をそれぞれモニターすることが可能となる。また、これらのレーザモジュール１２でモニターされた出力値を用いて、より確実にレーザ装置１０の不具合箇所を特定することができる。例えば、レーザモジュール１２内のフォトダイオードＰＤ２の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とを比較して、フォトダイオードＰＤ２の出力値とフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに設定された所定の範囲内にあれば、レーザ装置１０は正常と判定できる。一方、複数のフォトダイオードＰＤ２の出力値のうち一つの値が、所定の範囲から外れていれば、対応するレーザモジュール１２で不具合が起こったと判断でき、電源６０とレーザモジュール１２との結線を確認するともに、必要に応じてレーザモジュール１２を交換して不具合を解消する。さらに、複数のフォトダイオードＰＤ２の出力値がそれぞれ所定の範囲内にある一方、ビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値が所定の範囲から外れていれば、ビーム結合器１３内で光学部品の位置ずれが起こっていると判断でき、ビーム結合器１３を交換するか、またはビーム結合器１３内の光学部品の位置調整を行って不具合を解消することができる。
【００５６】
（その他の実施形態）
なお、実施形態１において、レーザ発振器２０を、複数のレーザモジュール１２からそれぞれ出射されたレーザビームを結合して、結合レーザビームＬＢとして出射する構成としたが、特にこれに限定されず、一つのレーザ共振構造で生成された単一のレーザビームを出射する構成としてもよい。その場合、拡散板ＤＰ及びフォトダイオードＰＤは、ビーム結合器１３とは異なる別の筐体（図示せず）内に配置されるようにしてもよい。また、伝送ファイバ４０の出射端から出射される結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする別の出力モニター（図示せず）をレーザ加工装置１００に設けるようにしてもよい。その場合、集光ユニット１４内の出力モニター１５を省略してもよい。また、これに限らず、上記の実施形態や各変形例で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係るレーザ装置は、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれを検知できるため、複数の部品を通過してレーザ光が出射されるレーザ装置、例えば、レーザ加工装置に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１０      レーザ装置
１２      レーザモジュール
１２ａ    光導波路
１３      ビーム結合器
１３ａ    ビーム結合光学系
１４      集光ユニット
１５      出力モニター
１６      光学ユニット
２０      レーザ発振器
３０      レーザ光出射ヘッド
４０      伝送ファイバ
５０      制御部
６０      電源
７０      表示部
１００    レーザ加工装置
ＤＰ      ビーム結合器１３内の拡散板（光偏向部材）
ＬＢ      結合レーザ光
ＬＢＡ    モニター用レーザ光
ＬＢＡ１  拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光
ＭＤ      部分透過ミラー
ＭＤ２    レーザモジュール１２内の部分反射ミラー
ＰＤ      ビーム結合器１３内のフォトダイオード（受光部）
ＰＤａ    フォトダイオードＰＤの受光面
ＰＤ２    レーザモジュール１２内のフォトダイオード（別の受光部）
Ｗ        ワーク
【図１】
2019221034.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2019221034.tif 000006
【図４Ａ】
2019221034.tif 000007
【図４Ｂ】
2019221034.tif 000008
【図５】
2019221034.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月9日(2020.11.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明はレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。
【国際調査報告】
2019221034.tif 000010
2019221034.tif 000011