特許 5760322 レーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5760322

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月5日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20150716BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20150716BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 N

   H01S3/00 B

   B23K26/00 H

【請求項の数】4

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2010-54574(P2010-54574)

(22)【出願日】2010年3月11日

(65)【公開番号】特開2010-234444(P2010-234444A)

(43)【公開日】2010年10月21日

【審査請求日】2013年1月11日

(31)【優先権主張番号】特願2009-58379(P2009-58379)

(32)【優先日】2009年3月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064746

【弁理士】

【氏名又は名称】深見 久郎

(74)【代理人】

【識別番号】100085132

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100083703

【弁理士】

【氏名又は名称】仲村 義平

(74)【代理人】

【識別番号】100096781

【弁理士】

【氏名又は名称】堀井 豊

(74)【代理人】

【識別番号】100109162

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 將行

(74)【代理人】

【識別番号】100111246

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 伸夫

(74)【代理人】

【識別番号】100124523

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 眞人

(72)【発明者】

【氏名】戸川 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】大畑 賢二

【審査官】 青木 正博

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−０１０９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５７６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３００８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９６５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２００４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２０５１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０２８３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３２６１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３２５８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

Ｈ０１Ｓ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光によって加工対象を加工するためのレーザ加工装置であって、
シード光を発するシード光源と、励起光を発する励起光源と、前記シード光と前記励起光とが入射された場合に前記シード光を増幅して前記レーザ光として出力する光増幅ファイバとを含むファイバレーザと、
前記ファイバレーザから出射される前記レーザ光に関するピークパワー、パルス幅および繰り返し周波数を一組のパラメータとする複数の条件を予め設定するための条件設定部と、
前記レーザ光が前記加工対象に照射されることにより変化する、前記加工対象の所定の特性を検出する特性検出部と、
前記特性検出部の検出結果に基づいて、前記ファイバレーザから出射されるべきレーザ光のための条件を、前記ピークパワーおよび前記繰り返し周波数に基づいて特定されるパルスエネルギと、前記パルス幅とにより定まるパルスの条件が、誘導ラマン散乱および誘導ブリルアン散乱の発生を回避するために予め定められた動作領域の範囲内にあるように前記複数の条件の中から選択するとともに、選択された条件に従うレーザ光を前記ファイバレーザから出射させるためのトリガ信号の出力の周期を制御する出射制御部と、
前記条件設定部により設定された前記複数の条件を記憶するとともに、前記トリガ信号に応じて、前記選択された条件に従うレーザ光が前記ファイバレーザから出射されるように前記シード光源に供給される電流を制御する光源制御部とを備える、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記出射制御部は、前記加工対象の加工時において、前記複数の条件のうちの少なくとも２つの条件を順次選択する、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記少なくとも２つの条件は、
前記レーザ光が前記加工対象に照射されることによる、前記所定の特性の単位時間あたりの変化を定義する第１および第２の条件を含み、
前記第２の条件は、前記所定の特性の前記変化が、前記第１の条件に比較して小さくなるように定義され、
前記出射制御部は、前記第１の条件が選択された後に、前記第２の条件を選択する、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記加工対象は、膜状の抵抗体を含み、
前記所定の特性は、前記抵抗体の電気抵抗値である、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はレーザ加工装置に関し、特にファイバレーザから出射されるレーザ光を制御する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光は多くの分野で利用されており、レーザ光を用いて加工を行なう装置が提案されている。たとえば、特許第２８０３１３７号公報（特許文献１）には、レーザ光を用いて基板上の抵抗膜の一部を切り欠くことにより、抵抗値を所定値に調整するレーザトリミング装置が開示されている。この文献には、小型かつ高ピーク出力のレーザ光源として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶をレーザ媒質に用いた固体レーザが開示されている。

【0003】

上記の文献に記載されるように、固体レーザは、高パワーのレーザ光を発生させるための光源として、従来から広く用いられている。一方、近年では、光ファイバ増幅器を備えたレーザ光源（ファイバレーザ）によって高パワーのレーザ光を発生させることも提案されている。

【0004】

光ファイバ増幅器は、一般的に、希土類元素が添加されたコアを有する光増幅ファイバを含んで構成される。光増幅ファイバには、信号光と、希土類元素を励起するための励起光とが入射される。励起された希土類元素は、信号光によって誘導放出光を発生する。誘導放出光の発生が信号光の増幅として作用するので、光増幅ファイバによる光増幅が実現される。

【0005】

一般的なファイバレーザの場合、光ファイバ増幅器から出射されるパルス光の条件（たとえば繰り返し周波数あるいはパルス幅等）は、信号光源および／または励起光源の駆動条件に従って決定される。たとえば、非特許文献１（"G3.0 Pulsed Fibre Laser Installation Guide and User Manual"（SPI Lasers UK, Ltd. 2007-2008））では、シード光を発する半導体レーザに供給される電流が、ファイバレーザに入力される外部パルストリガ（External Pulse Trigger）によって制御され、これにより、ファイバレーザから出射されるパルス光の周波数が制御されることが開示されている。さらに、励起光を発するための半導体レーザに供給される電流が、前記周波数とパルス波形の条件によって高繰り返し時には連続印加、また低繰り返し時にはパルス状印加に選択する必要があることが開示されている（たとえば非特許文献１の図８、図９等）。これらの制御の目的は光学部品の破損を防止するためであることが非特許文献１に明示されている。

【0006】

励起光を発するための半導体レーザ（励起光源）に供給される電流をパルス状に変調する他の目的の１つは、レーザ光の増幅に寄与することなくファイバに蓄積されたエネルギが、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission；自然放出光）として放出されることを防ぐことである。ＡＳＥの低減に関し、たとえば特開平３−２４２６２７号公報（特許文献２）は、光通信に用いられる信号光のパワーを、複数の光増幅器を用いて増幅するよう構成された多段光増幅装置を開示する。この文献では、複数の光増幅器の各々に光ファイバ増幅器が適用されることが開示されている。この多段光増幅装置では、スペクトルの全領域でＡＳＥレベルを低減するために、光増幅器が信号光パルスと同期して励起される。

【0007】

同様に、ＡＳＥの低減に関し、特表２０００−５０３４７６号公報（特許文献３）では、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、ファイバの内部クラッドに結合されているポンプ光を用いて増幅するために、ファイバのコアを介して、レーザダイオードから継続時間の短い高周波の変調注入信号のパルスを受け取るようにするため、少なくとも１個のレーザダイオードパルス式またはｃｗポンプ式ダブルクラッドを持つ光増幅システムに関する。その平均信号出力は、前方および後方散乱ノイズの発生と増大を最小限に抑えて、ファイバの利得を飽和させるのに十分である。注入信号源パルスのデューテイサイクルは、パルス間におけるファイバ増幅器で適度な利得を回復できるように決められる。第２の方法は、２つのパルス式のポンプ光源と２つの増幅媒体を持つ少なくとも２つの光増幅ステージを備えたカスケード式の光増幅システムに関し、第１の増幅媒体は、注入信号と少なくとも１つのポンプ信号を受け取り、中で注入パルス信号を最初のパワーとエネルギーレベルに増幅するものである。第２の増幅媒体は、第１の増幅媒体と光結合し、第１レベルの信号を第２レベルに増幅し、注入されたパルス信号に増幅する。注入パルス光信号のデューテイサイクルは、そのデューテイサイクルの中で異なる継続時間を持つ第１および第２のパルス式ポンプ信号で同期化される。

【0008】

以上の先行技術の例が示すように、パルス出力のファイバレーザでは、出射するパルス光の条件（出力、周波数、パルス波形など）によって、例えば構成要素である励起光を発するための半導体レーザの制御形態を変更する必要がある。この目的は、構成する光学部品の保護、出射するレーザ光の特性（エネルギ、スペクトルなど）の改善が必要なことによるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第２８０３１３７号公報

【特許文献2】特開平３−２４２６２７号公報

【特許文献3】特表２０００−５０３４７６号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】"G3.0 Pulsed Fibre Laser Installation Guide and User Manual"、SPI Lasers UK, Ltd. 、2007-2008、p.24-25

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

固体レーザによってパルス光を生成するためには、一般にＱスイッチが必要である。しかしながらＱスイッチを用いてパルス光を生成する場合には、Ｑスイッチの原理上、パルス光の繰り返し周波数とパルス幅とを互いに独立に変更することは困難である。この理由から、加工に最適なレーザの特性を選択することに制約があった。

【0012】

一方、ファイバレーザでは、基本的には、パルス光の繰り返し周波数およびパルス幅は互いに独立に変更可能であり、加工に最適な条件を選択するための自由度が生まれるメリットがある。しかしながら、スペクトルの劣化（ＡＳＥの発生）、非線形光学効果の制限、光学素子の保護等の観点から、多くのファイバレーザでは、そのパルス動作条件が制限されている。このため、たとえばパルス光のピークパワーが予め設定された範囲内に制限される。

【0013】

しかしながらレーザ光の用途によっては、レーザ光の条件を予め制限することによってユーザに不便な事態が生じる可能性がある。たとえば、上記のようなレーザ光による加工の場合には、加工精度および加工時間の観点から、加工条件を最適化することが要求される。しかし、レーザ光の条件を制限することによって、最適な加工条件を見いだせないことが起こりうる。

【0014】

更にレーザパルスと同期する外部指令信号を入力するだけの方式では、前記のファイバレーザのもつ複雑な制約条件を認識するために、例えば周波数をカウントするなどの機能を設けることが想定される。しかし、この場合は条件の切り換えに遅れが生じてしまうため、ファイバレーザのメリットである、独立に設定できるレーザ光のパルス条件を高速に切り換えるという加工の高い付加価値が失われてしまう。前記の高速の切り換えという特徴は、熱的な光学部品の特性によって応答性が制約される固体レーザにはないファイバレーザ独自の特徴であり、この特徴を具現化するための制御技術が必要であった。

【0015】

本発明の目的は、制御装置と連携しながらレーザ光を出射するファイバレーザ光源、およびその制御装置を備えるレーザ加工装置において、前記の制御装置から与えられる指令に応じてファイバレーザ光源から出射されるレーザ光の条件を設定する際における設定の自由度を高めるとともに、レーザ光の条件を高速に切換えることが可能な技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明は要約すれば、レーザ光によって加工対象を加工するためのレーザ加工装置である。レーザ加工装置は、レーザ光を出射するファイバレーザと、条件設定部と、特性検出部と、出射制御部と、光源制御部とを備える。条件設定部は、ファイバレーザから出射されるレーザ光に関する複数の条件を予め設定する。特性検出部は、レーザ光が加工対象に照射されることにより変化する、加工対象の所定の特性を検出する。出射制御部は、特性検出部の検出結果に基づいて、ファイバレーザから出射されるべきレーザ光のための条件を複数の条件の中から選択する。出射制御部は、選択された条件に従うレーザ光をファイバレーザから出射させるためのトリガ信号を発する。光源制御部は、条件設定部により設定された複数の条件を記憶する。光源制御部は、トリガ信号に応じて、選択された条件に従うレーザ光がファイバレーザから出射されるようにファイバレーザを制御する。

【0017】

好ましくは、出射制御部は、加工対象の加工時において、複数の条件のうちの少なくとも２つの条件を順次選択する。

【0018】

好ましくは、少なくとも２つの条件は、レーザ光が加工対象に照射されることによる、所定の特性の単位時間あたりの変化を定義する第１および第２の条件を含む。第２の条件は、所定の特性の変化が、第１の条件に比較して小さくなるように定義される。出射制御部は、第１の条件が選択された後に、第２の条件を選択する。

【0019】

好ましくは、複数の条件の各々は、レーザ光のパルス時間幅に関する条件と、レーザ光のピークパワーに関する条件とを含む。出射制御部は、ファイバレーザから出射されるレーザ光の繰り返し周波数を制御するためにトリガ信号の出力の周期を制御する。

【0020】

好ましくは、加工対象は、膜状の抵抗体を含む。所定の特性は、抵抗体の電気抵抗値である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、制御装置と連携しながらレーザ光を出射するファイバレーザ光源、およびその制御装置を備えるレーザ加工装置において、前記の制御装置から与えられる指令に応じてファイバレーザ光源から出射されるレーザ光の条件を設定する際における設定の自由度を高めることができるとともに、レーザ光の条件を高速に切換えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を説明するための概略ブロック図である。

【図2】図１に示したレーザ加工装置のインターフェースに関する構成を示す図である。

【図3】条件設定ユニット１２１から送信されるデータの例を示す図である。

【図4】コントローラ１２２の構成を説明するための機能ブロック図である。

【図5】ファイバレーザ装置１１０の構成の一例を説明するための図である。

【図6】レーザ制御系１０２、条件設定ユニット１２１およびコントローラ１２２の間における信号の伝送タイミングを示すタイミングチャートである。

【図7】コントローラ１２２による処理を説明するフローチャートである。

【図8】本実施の形態に従うレーザ加工装置１００による加工処理を説明するための図である。

【図9】誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいた、パルス光のスペクトル幅と限界平均パワーとの関係を説明するための図である。

【図10】固体レーザの一般的な構成を説明するための図である。

【図11】Ｑスイッチ固体レーザのパルス特性とファイバレーザのパルス特性との対比図である。

【図12】非線形光学効果を考慮したファイバレーザの動作領域を説明するための図である。

【図13】レーザトリミングの具体例を示す図である。

【図14】Ｑスイッチ固体レーザおよびファイバレーザの加工パラメータの設定例を説明するための図である。

【図15】駆動制御部２０およびドライバ２２の構成の一例を示す図である。

【図16】図１５に示した構成を有する駆動制御部２０およびドライバ２２の動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0024】

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を説明するための概略ブロック図である。図１を参照して、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、ファイバレーザ装置１１０と、加工制御ユニット１２０と、測定ユニット１３０とを備える。

【0025】

ファイバレーザ装置１１０はパルスレーザ光（以下、単に「パルス光」とも呼ぶ）を出射する。加工制御ユニット１２０は、ファイバレーザ装置１１０をその外部から制御するためのユニットであり、ファイバレーザ装置１１０から出射されるパルス光の条件を制御するためのものである。

【0026】

ファイバレーザ装置１１０から出射されたパルス光はワーク１５０に照射される。これによりワーク１５０が加工されるとともにワーク１５０の特性が変化する。測定ユニット１３０は、ワーク１５０に関する特性値を測定して、その測定結果を加工制御ユニット１２０に送信する。

【0027】

加工制御ユニット１２０は、ファイバレーザ装置１１０に、レーザ光の条件に関するデータを予め送信する。後述するように、ファイバレーザ装置１１０は、レーザ光源と、レーザ光源を制御するための制御系とを含む。制御系は、加工制御ユニット１２０から送信されたデータを予め記憶する。レーザ光の条件は、ワーク１５０の加工条件に従って予め定義される。また、制御系は、レーザ光に関する複数の条件を記憶する。

【0028】

なお、本実施の形態では、レーザ光がワークの加工に用いられるので、以下の説明では「レーザ光に関する条件」を「加工条件」と呼ぶこともある。

【0029】

加工制御ユニット１２０は、ワーク１５０の１回の加工において、測定ユニット１３０の測定結果に基づいて、ファイバレーザ装置１１０から出射されるべきレーザ光の条件を、複数の条件の中から選択する。加工制御ユニット１２０は、ファイバレーザ装置１１０に、選択された条件を示す信号を送信する。ファイバレーザ装置１１０は、その信号に応じてレーザ光の条件を切換える。すなわちワーク１５０の１回の加工中に、ファイバレーザ装置１１０から出射されるレーザ光の条件が、加工制御ユニット１２０によって切換えられる。

【0030】

さらに加工制御ユニット１２０は、レーザ光の出射を制御するためのトリガ信号をファイバレーザ装置１１０に送る。トリガ信号は加工制御ユニット１２０から所定の周期で送信される。ファイバレーザ装置１１０はトリガ信号を受けるごとにパルス光を出射する。すなわちファイバレーザ装置１１０から出射されるパルス光の繰り返し周波数は、トリガ信号の繰り返し周波数に一致する。

【0031】

図２は、図１に示したレーザ加工装置のインターフェースに関する構成を示す図である。図２を参照して、ファイバレーザ装置１１０は、レーザ光を発生させるためのレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１を制御するためのレーザ制御系１０２とを含む。加工制御ユニット１２０は、加工条件を設定するための条件設定ユニット１２１と、コントローラ１２２とを含む。条件設定ユニット１２１は、本発明の「条件設定部」に対応する。コントローラ１２２は、本発明の「出射制御部」に対応する。レーザ制御系は、本発明の「光源制御部」に対応する。

【0032】

条件設定ユニット１２１は、たとえばユーザの入力に基づいて複数の条件を予め設定する。さらに条件設定ユニット１２１は、各条件に対応するデータをコントローラ１２２およびレーザ制御系１０２に送信する。たとえば条件設定ユニット１２１は、パーソナルコンピュータによって実現される。また、条件設定ユニット１２１からレーザ制御系１０２にデータを転送するためのインターフェースとしては、たとえばＲＳ２３２Ｃを適用することができる。

【0033】

図３は、条件設定ユニット１２１から送信されるデータの例を示す図である。図３を参照して、データは、番号（ＲＮｏ．）、パルス光のピークパワー、パルス幅およびパルス光の繰り返し周波数を含む。番号（ＲＮｏ．）は、条件設定ユニット１２１によって設定された条件ごとに付与される。パルス光のピークパワー、パルス幅および繰り返し周波数は、各番号に対応付けられる。

【0034】

なお、データのフォーマットは特に限定されないが、たとえばＡＳＣＩＩフォーマットである。また、データは、図３に示す項目だけでなく、さらに別の項目を含んでいてもよい。

【0035】

なお、条件設定ユニット１２１からレーザ制御系１０２に送信される加工条件データは、ピークパワーに関する条件を代表とする、パルス波形に関する条件を含むことが好ましい。これにより、レーザ光源１０１から出射されるパルス光の波形を制御することができる。なお、図３では、パルス波形に関する条件として、代表的にピークパワーの条件が示される。また、条件設定ユニット１２１により設定された条件に従う波形の例については後述する。

【0036】

図２に戻り、コントローラ１２２およびレーザ制御系１０２は、レーザ光源１０１の動作時に各種の信号を伝送する。詳細に説明すると、コントローラ１２２は、測定ユニット１３０の測定結果を受ける。コントローラ１２２は、その測定結果に基づいて、レーザ光に関する条件（言い換えればワークの加工条件）の切換が必要か否かを判定する。条件の切換が必要と判定された場合、コントローラ１２２はレーザ制御系１０２に、条件切換信号を送信する。

【0037】

条件切換信号は、条件選択信号および確定信号によって構成される。条件選択信号は、加工条件のデータに含まれる番号（ＲＮｏ．）を示す所定ビット数（たとえば５ビット）の信号である。確定信号は、加工条件の確定を示す信号である。

【0038】

レーザ制御系１０２は、条件切換信号を受信するとともに、その条件切換信号によって示される番号（ＲＮｏ．）に基づいて、レーザ光の条件を現在の条件から新しい条件に切換える。そしてレーザ制御系１０２は、条件の切換えが完了したときに、切換完了信号をコントローラ１２２に送信する。

【0039】

コントローラ１２２は、レーザ制御系１０２から切換完了信号を受信した後に、トリガ信号ｔｒｉｇをレーザ制御系１０２に送信する。レーザ制御系１０２はトリガ信号ｔｒｉｇを受信すると、パルス光がレーザ光源１０１から発せられるように、レーザ光源１０１を制御する。そしてレーザ制御系１０２は、レーザ光源１０１からパルス光が出射されたタイミングで、パルス光の出射を示す信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔをコントローラ１２２に送信する。

【0040】

図４は、コントローラ１２２の構成を説明するための機能ブロック図である。図４を参照して、コントローラ１２２は、指令発生部２０１と、信号発生部２０２と、記憶部２０３とを含む。指令発生部２０１は、終了指令部２１１および切換指令部２１２を含む。信号発生部２０２は、切換信号発生部２２１と、トリガ信号発生部２２２とを含む。

【0041】

記憶部２０３は、条件設定ユニット１２１より送信されたデータ（図３参照）を記憶する。

【0042】

終了指令部２１１および切換指令部２１２は、測定ユニット１０３による測定結果を受ける。終了指令部２１１は、その測定結果が所定の終了条件を満たす場合には、信号発生部２０２に、信号の発生を終了するための指令を送信する。切換指令部２１２は、測定ユニット１０３の測定結果が所定の切換条件を満たす場合には、加工条件を切換えるための指令を切換信号発生部２２１に送信する。

【0043】

切換信号発生部２２１は、切換指令部２１２からの指令に応じて切換信号を発生させる。切換信号により示される加工条件は、たとえば切換信号発生部２２１が切換指令部２１２から指令を受けた回数に基づいて設定される。

【0044】

トリガ信号発生部２２２は、切換指令部２１２からの切換信号によって示される加工条件のデータを記憶部２０３から読み出す。トリガ信号発生部２２２は、そのデータに基づいて、トリガ信号ｔｒｉｇの周波数を設定する。トリガ信号発生部２２２は切換完了信号を受信すると、トリガ信号ｔｒｉｇの出力を開始するとともに、信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔを受信する。

【0045】

図５は、ファイバレーザ装置１１０の構成の一例を説明するための図である。なお、以下の説明における「ＬＤ」は半導体レーザを表わす。

【0046】

図５を参照して、ファイバレーザ装置１１０は、レーザ光源１０１と、レーザ光源１０１を制御するためのレーザ制御系１０２とを備える。

【0047】

レーザ光源１０１は、光増幅ファイバ１と、シードＬＤ２と、アイソレータ４と、励起ＬＤ５と、結合器６と、アイソレータ７と、バンドパスフィルタ８と、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄと、結合器１０と、光増幅ファイバ１１と、アイソレータ１２と、エンドキャップ１３とを含む。

【0048】

光増幅ファイバ１，１１の各々は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。

【0049】

光増幅ファイバ１のコアに含まれる希土類元素が励起光を吸収することによって、その希土類元素が励起される。この状態においてシード光が光増幅ファイバ１のコアを伝播すると、励起された希土類元素による誘導放出が生じる。この誘導放出がシード光の光増幅として作用するためシード光が増幅される。

【0050】

シードＬＤ２は、シード光を発する光源である。シードＬＤ２は、レーザ制御系１０２の制御によりパルス発振して、パルス光をシード光として発する。なおシード光の波長は、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長である。

【0051】

シードＬＤ２から出射されたシード光は、アイソレータ４を通過する。アイソレータ４は、シードＬＤ２からのシード光を透過させるとともに光増幅ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって光増幅ファイバ１からの戻り光がシードＬＤ２に入射するのを防ぐことができる。

【0052】

励起ＬＤ５は、光増幅ファイバ１のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を発する励起光源である。希土類元素がＹｂの場合、励起光の波長はたとえば９４０±１０ｎｍとなる。励起ＬＤ５は、レーザ制御系１０２の制御により励起光を発する。

【0053】

結合器６は、シードＬＤ２からのシード光（パルス光）および励起ＬＤ５からの励起光を光増幅ファイバ１に入射させるために、そのシード光および励起光を結合する。シード光と励起光とが光増幅ファイバ１に入射されることにより、シード光すなわち光増幅ファイバ１に入射したパルス光が増幅される。

【0054】

アイソレータ７は、光増幅ファイバ１によって増幅されて光増幅ファイバ１から出射されたパルス光を通過させる。さらにアイソレータ７は、光増幅ファイバ１に戻る光を遮断する。

【0055】

バンドパスフィルタ８は、光増幅ファイバ１から出射されたパルス光のピーク波長を含む所定の波長帯の光を通過させるとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を除去する。

【0056】

励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々は、レーザ制御系１０２の制御により、光増幅ファイバ１１のコアに含まれる希土類元素（Ｙｂ）を励起するための励起光を発する。なお、図５では光増幅ファイバ１１に対応して４個の励起ＬＤが設けられているが、励起ＬＤの個数は特に限定されるものではない。

【0057】

結合器１０は、バンドパスフィルタ８を通過したパルス光と、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄからの励起光とを光増幅ファイバ１１に入射させるために、そのパルス光と励起光とを結合するためのものである。パルス光と励起光とが光増幅ファイバ１１に入射されることにより、光増幅ファイバ１１は、そのパルス光を増幅する。

【0058】

アイソレータ１２は光増幅ファイバ１１から出射されたパルス光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１１に戻る光を遮断する。エンドキャップ１３は、ピークパワーの高いパルス光が光ファイバから大気中に出射される際に、光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。

【0059】

レーザ制御系１０２は、駆動制御部２０と、ドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄとを含む。

【0060】

駆動制御部２０は、ドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄを統括的に制御することにより、レーザ光源１０１の動作を制御する。詳細には、駆動制御部２０は、条件設定ユニット１２１（図示せず）から、レーザ光の複数の条件に関するデータを受けるとともに、そのデータを記憶する。駆動制御部２０は、さらに、コントローラ１２２から切換信号を受けると、その切換信号によって示される条件（図３に示す番号ＲＮｏ．に対応）に従うパルス光をレーザ光源１０１から出射させるために、ドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄの駆動条件を設定する。

【0061】

具体的には、駆動制御部２０は、シードＬＤ２に供給される電流のピーク値および供給時間を設定するとともに、励起ＬＤ３、９Ａ〜９Ｄに供給される電流のピーク値および供給時間を設定する。そして、駆動制御部２０は、それらの設定が完了すると、切換完了信号をコントローラ１２２に送信する。

【0062】

駆動制御部２０は、信号ｔｒｉｇを受信すると、設定された駆動条件に従ってドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄを制御する。そして、レーザ光源１０１からパルス光の出射が完了すると、駆動制御部２０は、信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔを出力する。

【0063】

ドライバ２２は、駆動制御部２０の制御に従って、シードＬＤ２に供給する駆動電流を変調させる。シードＬＤ２に供給される駆動電流が変調されることにより、シードＬＤ２から発せられるシード光の強度波形は、その駆動電流の波形を反映したものとなる。

【0064】

ドライバ２２は、駆動制御部２０の制御に従って、励起ＬＤ３に駆動電流を供給する。これにより励起ＬＤ３は励起光を発する。

【0065】

ドライバ２４Ａ〜２４Ｄは、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々に対応して設けられる。各ドライバは、駆動制御部２０の制御に従って、対応する励起ＬＤに駆動電流を供給する。これにより励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々は励起光を発する。

【0066】

なお、シードＬＤ、励起ＬＤ、アイソレータ、バンドパスフィルタ等、ファイバレーザを構成する素子の特性は、温度に応じて変化し得る。したがって、これらの素子の温度を一定に保つための温度コントローラがレーザ制御系１０２に含まれていることが、より好ましい。

【0067】

次に、ワークの加工時におけるファイバレーザ装置１１０および加工制御ユニット１２０の動作についてより詳しく説明する。図６は、レーザ制御系１０２、条件設定ユニット１２１およびコントローラ１２２の間における信号の伝送タイミングを示すタイミングチャートである。

【0068】

図６および図２を参照して、まず、条件設定ユニット１２１にはワークの加工条件（すなわちパルス光の条件）がユーザにより入力される。加工条件に関するデータは、ＲＳ−２３２Ｃを介して条件設定ユニット１２１からレーザ制御系１０２に送信される。

【0069】

次に、加工が開始される。コントローラ１２２が条件Ａ、条件Ｂ、条件Ｃの順に加工条件を選択する。コントローラ１２２は、加工条件を選択するたびに、条件選択信号および確定信号を送信する。確定信号が送信されたタイミングで加工条件が確定される。

【0070】

レーザ制御系１０２は、確定された加工条件に従って、レーザ光源１０１の駆動条件を設定する。レーザ制御系１０２は、駆動条件の設定が完了すると、切換完了信号をコントローラ１２２に送信する。

【0071】

コントローラ１２２は切換完了信号を受信すると、トリガ信号ｔｒｉｇを送信する。レーザ制御系１０２は、トリガ信号ｔｒｉｇを受信すると、レーザ光源１０１からパルス光を出射させるとともに、信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔをコントローラ１２２に送信する。たとえば、信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔは、パルス光がレーザ光源１０１から出射されたことをコントローラ１２２が把握するために用いられる。

【0072】

図７は、コントローラ１２２による処理を説明するフローチャートである。図７および図４を参照して、処理が開始されると、ステップＳ１において、コントローラ１２２は条件切換信号を送信する。ステップＳ２において、コントローラ１２２は、自身が切換完了信号を受信したか否かを判定する。

【0073】

コントローラ１２２が切換完了信号を受信していないと判定された場合（ステップＳ２においてＮＯ）、コントローラ１２２が切換完了信号を受信したと判定されるまで、ステップＳ２の判定処理が繰り返される。コントローラ１２２が切換完了信号を受信したと判定された場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、コントローラ１２２はトリガ信号ｔｒｉｇを発生させる（ステップＳ３）。次にコントローラ１２２は、信号ｓｙｎｃ＿ｏｕｔを受信する（ステップＳ４）。続いてコントローラ１２２は、測定ユニット１０３の測定結果を受信する（ステップＳ５）。

【0074】

コントローラ１２２は、測定ユニット１０３の測定結果が、加工条件を切換えるための条件（切換条件）を満たしているか否かを判定する（ステップＳ６）。たとえば、測定ユニット１０３の測定値が所定の切換目標値に達した場合には、切換条件が満たされたと判定される。測定ユニット１０３の測定結果がその切換条件を満たしていると判定された場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）、処理はステップＳ１に戻される。したがって、加工条件が切換えられる。一方、測定ユニット１０３の測定結果がその切換条件を満たしていないと判定された場合（ステップＳ６においてＮＯ）、処理はステップＳ７に進む。

【0075】

ステップＳ７において、コントローラ１２２は、測定ユニット１０３の測定結果が、加工条件を終了するための条件（終了条件）を満たしているか否かを判定する。たとえば測定ユニット１０３の測定値が加工終了のための目標範囲内に含まれる場合に、終了条件が満たされたと判定される。測定ユニット１０３の測定結果がその終了条件を満たしていると判定された場合（ステップＳ７においてＹＥＳ）、全体の処理は終了する。よって、加工が終了する。一方、測定ユニット１０３の測定結果がその終了条件を満たしていないと判定された場合（ステップＳ７においてＮＯ）、処理はステップＳ３に戻される。したがって、現在の加工条件に従ってコントローラ１２２はトリガ信号ｔｒｉｇを発生させる。

【0076】

なお、図７に示す各ステップの処理と、図４に示す機能ブロックとの対応を説明すると、ステップＳ１の処理は、切換信号発生部２２１により実行される。ステップＳ２〜Ｓ４の処理は、トリガ信号発生部２２２により実行される。ステップＳ５の処理は、終了指令部２１１および切換指令部２１２により実行される。ステップＳ６の処理は切換指令部２１２により実行される。ステップＳ７の処理は終了指令部２１１により実行される。

【0077】

図８は、本実施の形態に従うレーザ加工装置１００による加工処理を説明するための図である。図８を参照して、時刻ｔａにおいて加工が開始される。まず、コントローラ１２２がレーザ制御系１０２に対して、特性値の時間変化率が大きい加工条件（１または複数の条件）を指示する。この条件に従ってワークが加工されることにより、特性値は初期値から大きく変化する。

【0078】

時刻ｔｂにおいて、特性値が加工条件を切換えるための切換目標値に達する。切換目標値は、最終目標値の近傍の値（たとえば最終目標値の９０％の値）に定められる。時刻ｔｂにおいて、コントローラ１２２はレーザ制御系１０２に対して特性値の時間変化率が小さい加工条件（１または複数の条件）を指示する。この条件に従ってワークが加工されることにより、時刻ｔｃにおいて特性値が最終目標値に達する。したがってワークの加工が終了する。

【0079】

このように本実施の形態では、まず、特性値の時間変化率が大きな加工条件に従ってワークが加工され、次に特性値の時間変化率が小さい加工条件に従ってワークが加工される。これにより加工時間（タクトタイム）の短縮化を図りつつ高精度の加工が可能になる。

【0080】

［パルス光波形について］
ワークの加工条件によっては、高パワーかつ持続時間（時間幅）の長いパルス光をレーザ光源１０１から出射することが必要になる場合がある。このためには、シード光のパルス幅を長くする必要がある。ドライバ２２からシードＬＤ２に供給されるパルス電流のパルス幅を長くすることによって、シード光のパルス幅を長くすることができる。

【0081】

しかしながら高パワーかつ広いパルス幅のパルス光が光ファイバを伝播した場合には、その光ファイバにおいて誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering；ＳＢＳ）が生じる可能性が高くなる。これは、瞬間的に強い光がファイバ内で一定時間継続することによって、媒質の格子振動にエネルギが与えられて音波が発生し、屈折率の周期的な変化が発生するメカニズムから理解できる。

【0082】

光増幅ファイバ１あるいは１１において誘導ブリルアン散乱が発生した場合には、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光の波形が崩れ、レーザ出力が制限されるので、レーザ加工装置１００の加工品質が低下する。さらに、誘導ブリルアン散乱により戻り光が発生する。この戻り光により、光学素子（たとえばシードＬＤ２）を破損する可能性がある。

【0083】

このため、シードＬＤ２が発するパルス光波形は、後段のファイバ増幅段の構成（コア径やファイバ長など）とピーク出力とで決まる誘導ブリルアン散乱の発生しきい値を超えないパルス幅や形状が求められる。

【0084】

形状が可変できるパルス波形は、実際のレーザ加工プロセスにおいて有効である。レーザパルスが加工する物質に吸収され熱に変化する過程において、熱伝達する時間のあいだ持続的にレーザパルスが照射される方が、目的とする加工品質が得られる場合が多々ある。このように、熱影響を少なくするためのピークパワーの高い短いパルスから比較的長いパルスまで、パルス幅が可変可能なレーザ装置は、加工対象物によって加工品質を選択的に制御することができる特徴がある。

【0085】

［誘導ブリルアン散乱について］
前述の広いパルス幅のパルスのファイバ増幅において制約となる誘導ブリルアン散乱が、設計上の課題となる他の例として波長変換がある。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の光源に、例えば第２高調波（ＳＨＧ）、第３高調波（ＴＨＧ）などの高ピーク出力パルス光源を用いる場合に、基本波を発生するファイバ増幅器に生じる制約条件（スペクトル幅と増幅度の関係）の例について以下に示す。

【0086】

一般的に、波長変換では、レーザ光のスペクトル幅が、用いる非線形光学結晶の有する許容幅以内にある必要がある。したがって、ファイバ増幅器は、特定の狭いスペクトル幅（０．１ｎｍのオーダ）の光を伝播させるよう設計される。このとき課題となる誘導ブリルアン散乱も、前述の広いパルス幅のファイバ増幅と同様に、戻り光による部品損傷の原因となるため避けなければならない。

【0087】

まず、光ファイバ中の光強度が閾値より大きくなると、光ファイバの主成分（本実施の形態では石英）の振動により発生した音波と光との相互作用によって、非線形散乱が発生する。誘導ブリルアン散乱は、非線形散乱の一種であり、光ファイバ中の音響フォノンと光との総合作用によって生じる。

【0088】

誘導ブリルアン散乱の発生閾値は、限界レーザパワーとレーザ光のスペクトル幅とに依存する。「非線形ファイバー光学」（Ｇ．Ｐ．アグラワール著、小田垣 孝・山田 興一訳、吉岡書店）によれば、この閾値は以下のように説明される。

【0089】

まず、ブリルアン利得係数ｇ_Ｂは以下の式（１）に従って表わされる。

【0090】

【数1】

【0091】

式（１）において、ｃは光速であり、λ_ｐはレーザ波長であり、ρｏはファイバ材質の密度である。ν_Ａは光ファイバ中の超音波の速度であり、Δν_Ｂはブリルアン利得スペクトル幅である。ｎはファイバの屈折率であり、ｐ₁₂は縦方向の弾性光係数である。

【0092】

次に、ブリルアン利得スペクトルのピーク利得は、以下の式（２）に従って表わされる。

【0093】

【数2】

【0094】

最後に、ブリルアン散乱発生閾値は、以下の式（３）に従って表わされる。

【0095】

【数3】

【0096】

Ｌ_ｅｆｆは有効な相互作用長であり、Ａ_ｅｆｆは実効断面積であり、Δλ_ｐはレーザ光のスペクトル幅であり、Ｐ_ｏ^ｃｒは限界レーザピークパワーである。

【0097】

図９は、誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいた、パルス光のスペクトル幅と限界平均パワーとの関係を説明するための図である。図９を参照して、３本の直線は、レーザスペクトル幅と光ファイバから出力可能な限界平均パワーとの関係を示す。この関係は、誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいて、計算により求められたものである。

【0098】

上記の計算では、ファイバ増幅器に入射されるパルス光の繰り返し周波数が１００ｋＨｚとし、パルス幅（時間幅）を１０ｎｓとした。また、ファイバ増幅器に含まれるファイバ長を１０ｍとした。３本の直線は、ファイバ増幅器のコア径をパラメータに用いることによって得られたものである。コア径は、１０μｍ、１５μｍ、および２０μｍに設定した。

【0099】

図９から、スペクトル幅が大きくなるほど、レーザの限界平均パワーが大きくなることがわかる。また、たとえば、コア径が１５μｍの光増幅ファイバから１０Ｗ級のレーザ出力を得るためには、レーザ光のスペクトル幅が少なくとも５０ｐｍ（０．０５ｎｍ）でなければならないことがわかる。たとえば、レーザの限界平均パワーを１０Ｗとすると、スペクトル幅は５５ｐｍ（０．０５５ｎｍ）となる。本実施の形態では、誘導ブリルアン散乱の発生閾値に基づいて、光増幅ファイバに入射されるレーザ光のスペクトル幅の下限は誘導ブリルアン散乱を発生させないスペクトル幅として定められる。

【0100】

以上の例のように、ファイバレーザを用いて波長変換を行なう場合、レーザ光のスペクトル幅は、用いる非線形光学結晶の有する許容幅以内に制限する必要があるとともに、誘導ブリルアン散乱の防止の観点からスペクトル幅の下限を定める必要がある。さらに、誘導ブリルアン散乱を防止する観点から、ファイバレーザに入射されるパルス光の繰り返し周波数およびファイバレーザの出力の上限を考慮する必要がある。このためにファイバレーザを用いて波長変換を行なう場合には、スペクトル幅と、繰り返し周波数と、出力（増幅度）とに制約条件が生じる。図５と同様の構成を有する、波長変換を目的としたファイバレーザでは、スペクトル幅についてはシードＬＤの部品仕様の選定によるため、自由に制御できるものではないが、あるスペクトル幅に設計されたレーザ構成においては、加工制御ユニットからの外部指令に対する繰り返し周波数、出力（増幅度）が制約条件内にあることを判断して動作させる必要がある。このため、コントローラ１２２は、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光（パルス光）の繰り返し周波数を制御するためにトリガ信号の出力の周期を制御するが、さらに、各パルスの条件が、レーザ制御系１０２に予め記憶された、安定な動作領域の範囲内にあることを判断する機能を有することが好ましい。

【0101】

［ファイバレーザと固体レーザとの比較］
本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、ファイバレーザを備えることによって、レーザ光の条件（パルス幅、周波数等）を高速に切換えることができる。この点についてファイバレーザと固体レーザとを比較しながら説明する。

【0102】

図１０は、固体レーザの一般的な構成を説明するための図である。図１０を参照して、固体レーザ２３０は、レーザ媒質２３１と、励起光源２３２，２３３と、反射ミラー２３４と、出射ミラー２３５と、Ｑスイッチ２３６とを含む。レーザ媒質２３１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶である。励起光源２３２，２３３は、レーザ媒質２３１を励起するための励起光をレーザ媒質２３１に照射する。Ｑスイッチ２３６は、図示しない制御装置によって周期的にオンオフする。Ｑスイッチ２３６のオンオフの周期、およびデューティ比を制御することにより、パルス光のピークパワー等が制御される。

【0103】

しかしながら、Ｑスイッチを用いた固体レーザは以下の課題を有する。まず、Ｑスイッチの原理上、パルス光の周波数と、そのパルス幅とを互いに独立に変更することができない。さらに、パルス光の波形を積極的に制御することが困難である。加えてレーザ媒質（結晶）の熱特性のため、パルス光のピークパワーを高速に切換えることも困難である。

【0104】

これに対して、ファイバレーザは、発振方式にＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）方式を用いている。ＭＯＰＡ方式とは、シード光源からのシード光をアンプにより増幅する方式である。本実施の形態では、シード光源として高速での変調が可能な半導体レーザ（ＬＤ）を利用するとともに、アンプとして光増幅ファイバを利用する。ＭＯＰＡ方式によって、高繰り返し時にも充分なピーク出力を得ることが可能になる。さらに、繰り返し周波数に関わらず最適な出力を得ることができる。

【0105】

本実施の形態による構成を用いてＭＯＰＡ方式の特徴を具体的に説明すると、ドライバからシードＬＤに供給されるパルス電流を制御することによって、シードＬＤから発せられるパルスレーザ光の繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等の各種パラメータを互いに独立に変更できる。そのパルスレーザ光が増幅されるので、結果的に、レーザ光源から出射される光の繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等の各種パラメータを互いに独立に変更できる。

【0106】

図１１は、Ｑスイッチ固体レーザのパルス特性とファイバレーザのパルス特性との対比図である。図１１を参照して、パルス光の条件はピークパワー、繰り返し周波数およびパルス幅であり、パルス光を発生させるための励起条件は、Ｑスイッチ固体レーザとファイバレーザとで同じであるとする。Ｑスイッチ固体レーザの場合には、繰り返し周波数が設定されると、パルス幅およびピークパワーが一意に確定する。このため、Ｑスイッチ固体レーザの場合、ピークパワー、繰り返し周波数およびパルス幅は、これらによって定まる３次元空間内のある線に沿って変化する。

【0107】

これに対してファイバレーザの場合には、周波数とパルス幅とを独立に変化させることができる。よってファイバレーザの場合には、ピークパワー、繰り返し周波数およびパルス幅は、上記３次元空間内のある領域内で変化する。したがってレーザ光の条件の設定に関する自由度は、ファイバレーザのほうがＱスイッチ固体レーザよりも高い。

【0108】

ただし、光増幅ファイバをアンプとして用いる場合には、ＡＳＥあるいは非線形光学効果等の問題を考慮しなければならない。非線形光学効果としては、たとえば誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering；ＳＲＳ）、あるいは上記の誘導ブリルアン散乱等の非線形散乱がある。このような散乱の発生を回避するために、ファイバレーザの動作領域が制限される。

【0109】

図１２は、非線形光学効果を考慮したファイバレーザの動作領域を説明するための図である。図１２を参照して、グラフ中の２本の線の一方は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）の発生閾値に基づいた、パルスエネルギＥｐとパルス幅Δｔとの関係を示す。他方の線は、誘導ブリルアン散乱（ＳＲＳ）の発生閾値に基づく、パルスエネルギＥｐとパルス幅Δｔとの関係を表している。なお、パルスエネルギＥｐは、パルス光の平均出力ΔＰおよび繰り返し周波数ｆにより、Ｅ＝ΔＰ／ｆと定められる。

【0110】

図１２に示すように、上記２本の線によってファイバレーザの動作領域、すなわちパルスエネルギＥｐの範囲およびパルス幅Δｔの範囲が制限される。このことは、ファイバレーザの動作領域が、パルス光の平均出力ΔＰ、繰り返し周波数ｆおよびパルス幅Δｔによって制限されることを表している。

【0111】

上記のように、ファイバレーザは、その原理上、レーザ光の制御の自由度を高くすることができる。しかしながら多くの場合、ファイバレーザの動作領域は図１２に示すように制限される。したがって、非線形散乱を抑制しながら高精度の加工を実現しうる条件が存在しても、その条件が予め定められた動作領域内に含まれなければ、ファイバレーザをその条件に従って動作させることは不可能である。このため、ユーザの利便性が低下するという課題が発生する。

【0112】

本実施の形態によれば、パルス光の出射タイミングが、ファイバレーザの外部の制御装置によって制御される。これによりファイバレーザから出射されるパルス光の繰り返し周波数をファイバレーザの外部から制御することができる。さらに、パルス光のパルス幅およびピークパワーに関する条件は、ファイバレーザの外部からファイバレーザに予め与えられる。この結果、ファイバレーザから出射されるパルス光のピークパワーおよびパルス幅も所望の条件を満たすことができる。

【0113】

本実施の形態によれば、ファイバレーザの外部からファイバレーザに与えられた条件に従ってファイバレーザを動作させることが可能になる。したがって、ファイバレーザから出射されるレーザ光の条件の設定の自由度を高めることができる。

【0114】

レーザ光の条件の設定の自由度が高められることにより、加工条件を容易に変更することができる。さらに、最適な加工条件を見出すために必要な時間を短縮できる。よって、ユーザの利便性を高めることができる。

【0115】

さらに、本実施の形態によれば、レーザ光の条件に関する複数のパラメータを互いに独立に設定できるので、複数の加工条件を設定することができる。

【0116】

さらに、本実施の形態によれば、複数の加工条件は、レーザ制御系に予め記憶されるとともに、条件の切換えは、加工制御ユニットからレーザ制御系に、加工条件を示す番号を伝送することにより行なわれる。これにより、加工条件を高速で切換えることができる。

【0117】

さらに本実施の形態によれば、加工開始時点から終了時点の少し手前の時点（特性値が切換目標値に達する時点）までは、特性値が時間に対して大きく変化する加工条件が適用される。そして終了時点直前では特性値が時間に対して小さく変化する加工条件が適用される。本実施の形態によれば複数の加工条件を高速に切換えることが可能であるので、１回の加工時における加工速度を最大化することができるとともに、特性値を最終目標値に近づけることができる。これにより、タクトタイムを短縮化しつつ高精度の加工を行なうことができる。

【0118】

［レーザ加工装置の具体例］
本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、ワークの特性の測定結果に基づいて加工条件を切換えることができるため、各種の加工用途に対応可能である。たとえば、穴あけ、溶接、切断、熱処理、形状加工等の各種の用途にレーザ加工装置１００を適用することができる。以下では、レーザ加工装置１００の１つの具体例としてレーザトリミング装置を説明する。

【0119】

レーザトリミングとは、抵抗体、コンデンサ、インダクタンス、配線等の電気・電子部品の一部または全部をレーザ光で切除したり、その部品の特性を変化させたりすることによって、電気的特性を所望の値に設定するレーザ加工である。

【0120】

以下に説明する例では、ワークとして、薄膜を有する抵抗体を示す。この抵抗体は、トリミング対象である薄膜の一部をレーザ光を用いて切除することにより、抵抗値の調整が可能な素子である。

【0121】

図１３は、レーザトリミングの具体例を示す図である。図１３（ａ）は、レーザトリミングの第１のケースを示す。この例では、ワーク１５０上に、複数のトリミング対象１５１〜１５３が存在する。各トリミング対象の加工条件（トリミング条件）が異なるため、条件が高速で変更される。このようにトリミング対象ごとに条件を変更する例として、各トリミング対象１５１〜１５３の材料が異なる場合が挙げられる。トリミング対象１５１には、第１の条件に従う加工Ｃ１が行なわれ、トリミング対象１５２には、第２の条件に従う加工Ｃ２が行なわれ、トリミング対象１５３には、第３の条件に従う加工Ｃ３が行なわれる。

【0122】

図１３（ｂ）は、レーザトリミングの第２のケースを示す。この例では、トリミング対象１５４に対する１回のトリミング処理の中で、レーザ光の条件が高速に切換えられる。したがってトリミング対象１５４に、加工Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が順次実行される。

【0123】

測定ユニット１３０は、プローブ１３１と、測定器１３２とを含む。トリミング時にはトリミング対象にパルス光Ｌが照射される。さらに、そのトリミング対象の特性としての電気抵抗値が、プローブ１３１および測定器１３２によって測定される。測定器１３２の測定結果に基づいて加工条件、すなわちレーザ光源からのレーザ光（パルス光）の条件が変更される。

【0124】

レーザ光源がＱスイッチ固体レーザの場合には、ワークの加工中に高速に切換え可能な加工パラメータは繰り返し周波数のみである。しかしながら繰り返し周波数を変更すると、他のパラメータ（ピークパワー、パルス幅）等も同時に変わる。一方、レーザ光源がファイバレーザの場合には、加工パラメータは、繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅および加工速度である。これらのパラメータは独立に設定可能である。よってファイバレーザの場合には、加工条件を任意に設定することが可能になる。

【0125】

図１４は、Ｑスイッチ固体レーザおよびファイバレーザの加工パラメータの設定例を説明するための図である。

【0126】

図１４（ａ）は、１回の加工における加工目標値（抵抗値）が１種類の場合におけるＱスイッチ固体レーザの加工パラメータを説明する図である。加工目標値が１種類の場合には、周波数、パワーおよび加工速度を適切に設定することによって、加工精度およびタクトタイムの最適化を実現することができる。

【0127】

図１４（ｂ）は、１回の加工に複数の加工条件が必要な場合における、Ｑスイッチ固体レーザの加工パラメータを説明する図である。このような場合には、図１４（ａ）に示した最適条件は適用できない。たとえば低抵抗の条件を基準にすると、中間抵抗の周波数ではレーザ光のパワーがオーバーパワーとなるため加工精度は大きく低下する。したがって、各抵抗のバランスを考慮した条件の設定が必要となる。

【0128】

図１４（ｃ）は、１回の加工に複数の加工条件が必要な場合における、ファイバレーザの加工パラメータを説明する図である。ファイバレーザでは、繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅および加工速度が互いに独立した条件であるため、図１４（ａ）に示した各加工条件を高速で切換えながら、その条件に従う加工を実行することができる。よって、Ｑスイッチ固体レーザに比較して、加工精度およびタクトタイムの最適化を容易に実現できる。

【0129】

たとえば、図１３（ａ）に示す加工（第１のケース）の場合、Ｑスイッチ固体レーザによるトリミングでは平均的な条件に従ってトリミングが実行される。このためタクトタイムが長くなる可能性がある。一方、本実施の形態によれば、トリミング対象ごとに、その対象にとって最適な条件でトリミングが可能であるので、タクトタイムが長くなる可能性を小さくすることができる。

【0130】

また、図１３（ｂ）に示す加工（第２のケース）の場合、トリミングを停止するタイミングを制御することで、加工精度を高くすることが可能になる。ここで、レーザ光の照射を急停止すると、その部分では、急激な温度変化に起因するクラックが発生する可能性がある。本実施の形態によれば、トリミングの終了直前における温度変化が緩やかになるように、レーザ光の照射条件を選択することができる。よって、クラックの発生を防ぐことが可能になる。

【0131】

［シードＬＤの制御回路の構成例］
本実施の形態では、駆動制御部２０およびドライバ２２によりシードＬＤ２が制御される。具体的には、ドライバ２２は、駆動制御部２０からの信号に基づいて、シードＬＤ２に与える駆動電流を変調する。このような制御を実現可能な駆動制御部２０およびドライバ２２の構成例を以下に説明する。

【0132】

図１５は、駆動制御部２０およびドライバ２２の構成の一例を示す図である。図１５を参照して、駆動制御部２０は、記憶部４１と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）４２と、Ｄ／Ａコンバータ４３とを含む。ドライバ２２は、アンプ４４と、トランジスタ４６と、抵抗４７とを含む。

【0133】

記憶部４１は、加工条件に対応する波形データを不揮発的に記憶する。ＦＰＧＡ４２はデジタル信号発生器であり、記憶部４１から読み出した波形データＤをデジタルデータとして出力する。ＦＰＧＡ４２は、信号ｔｒｉｇに応じて、記憶部４１から波形データＤを読み出すとともに、その波形データＤに基づいてクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａ（デジタルデータ）とを出力する。ＦＰＧＡ４２は、駆動制御部２０からの停止信号に応じてその動作を停止する。

【0134】

Ｄ／Ａコンバータ４３は、クロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａとを受けて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａにより示されるデジタルデータをアナログデータに変換する。Ｄ／Ａコンバータ４３は、高速の信号処理に適したＤ／Ａコンバータ（高速Ｄ／Ａコンバータ）であることが好ましい。

【0135】

アンプ４４は、Ｄ／Ａコンバータ４３からのアナログ信号である電流Ｉｄａｃをトランジスタ４６の制御に必要な信号に変換する。トランジスタ４６の制御電極にはアンプ４４から出力された信号に対応する電圧Ｖ_ＬＤが与えられる。

【0136】

トランジスタ４６が電圧Ｖ_ＬＤに応じて導通するとシードＬＤ２に駆動電流Ｉ_ＬＤが流れる。駆動電流Ｉ_ＬＤがしきい値電流より大きくなるとシードＬＤ２がレーザ発振してシードＬＤ２からシード光が発せられる。電圧Ｖ_ＬＤによってトランジスタ４６に流れる電流が制御されるので駆動電流Ｉ_ＬＤの強度が制御される。これによりシード光の強度が制御される。

【0137】

記憶部４１は複数の加工条件（波形データ）を保存する。ＦＰＧＡ４２は、記憶部４１に含まれる複数の加工条件の中から、条件切換信号によって指示される条件（波形データ）を選択する。図１５に示した構成では、ＦＰＧＡによってデジタル信号発生器が実現される。ただしデジタル信号発生器には、マイクロプロセッサやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などを用いてもよい。

【0138】

図１６は、図１５に示した構成を有する駆動制御部２０およびドライバ２２の動作を説明するための図である。図１６および図１５を参照して、Ｄ／Ａコンバータ４３への入力値（データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示す値）を、０とある値（図１６ではａ〜ｊ）とに設定する。図１６（ａ）に示すように、Ｄ／Ａコンバータ４３は、周期ｔを有するクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋの立ち上がりおよび立下りに応じて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示すデジタルデータを読み込み、その読み込んだデジタルデータをアナログデータに変換する。

【0139】

一例として、図１６（ｂ）に示すように、Ｄ／Ａコンバータ４３への入力値ａ〜ｆは、ａからｊの順に大きくなる。この入力値に基づいてＤ／Ａコンバータ４３、アンプ４４およびトランジスタ４６が動作する。これらの応答性により、駆動電流Ｉ_ＬＤの波形は図１６（ｃ）に示す波形となる。この駆動電流Ｉ_ＬＤをシードＬＤ２に供給することで、たとえば包絡線が時間に応じて単調増加するようなシード光の波形を実現できる。また、１つのパルス波形を形成するａからのデータ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａの数を変更することで、パルス幅を変更することもできる。

【0140】

なお、本実施の形態では、アンプである光増幅ファイバを用いて２段階の光増幅が行なわれる。ただし増幅段の数は２に限定されず、１でもよいし、３以上でもよい。

【0141】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0142】

１，１１ 光増幅ファイバ、２ シードＬＤ、４，７，１２ アイソレータ、５，９Ａ〜９Ｄ 励起ＬＤ、６，１０ 結合器、８ バンドパスフィルタ、１３ エンドキャップ、２０ 駆動制御部、２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄ ドライバ、４１ 記憶部、４２ ＦＰＧＡ、４３ Ｄ／Ａコンバータ、４４ アンプ、４６ トランジスタ、４７ 抵抗、１００ レーザ加工装置、１０１ レーザ光源、１０２ レーザ制御系、１０３ 測定ユニット、１１０ ファイバレーザ装置、１２０ 加工制御ユニット、１２１ 条件設定ユニット、１２２ コントローラ、１３０ 測定ユニット、１３１ プローブ、１３２ 測定器、１５０ ワーク、１５１〜１５４ トリミング対象、２０１ 指令発生部、２０２ 信号発生部、２０３ 記憶部、２１１ 終了指令部、２１２ 切換指令部、２２１ 切換信号発生部、２２２ トリガ信号発生部、２３０ 固体レーザ、２３１ レーザ媒質、２３２，２３３ 励起光源、２３４ 反射ミラー、２３５ 出射ミラー、２３６ スイッチ、Ｄ 波形データ、Ｌ パルス光。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】