特許 5873742 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】5873742

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20160216BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20160216BHJP

   G01L 1/00 20060101ALI20160216BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 N

   B23K26/00 P

   B23K26/08 D

   G01L1/00 B

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-57626(P2012-57626)

(22)【出願日】2012年3月14日

(65)【公開番号】特開2013-188779(P2013-188779A)

(43)【公開日】2013年9月26日

【審査請求日】2014年11月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】加藤 覚

(72)【発明者】

【氏名】米村 正寿

(72)【発明者】

【氏名】太田 道春

(72)【発明者】

【氏名】高橋 秀知

【審査官】 青木 正博

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０７１７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２２７６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

Ｇ０１Ｌ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射し、前記レーザ光の光軸の方向が加工対象材料の加工面と交差するように配置された加工用レーザ光源と、
プローブ光を出射し、前記加工対象材料を間に挟んで前記加工用レーザ光源と対向し且つ前記プローブ光の光軸が前記レーザ光の光軸と略一致するように配置された測定用光源と、
前記プローブ光から第１の直線偏光を生成して前記加工面に照射するとともに前記加工面を透過した前記第１の直線偏光に対して偏光面を９０°回転させた第２の直線偏光を生成して前記第２の直線偏光において前記加工面における等傾線の像を得る光学系と、
前記等傾線の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された前記等傾線の像に基づいて前記レーザ光のパワーを調整する制御部と、
を含むレーザ加工装置。

【請求項2】

前記光学系は、
前記プローブ光の光軸上において前記測定用光源と前記加工対象材料との間に設けられて、入射する前記プローブ光から前記第１の直線偏光を生成して前記第１の直線偏光を前記プローブ光の光軸の方向に出射するとともに入射する前記第２の直線偏光を前記プローブ光の光軸と交差する方向に出射する偏光ビームスプリッタと、
前記プローブ光の光軸上において前記加工用レーザ光源と前記加工対象材料との間に設けられて、前記加工面を透過した前記第１の直線偏光を反射させる反射ミラーと、
前記測定用光源の光軸上において前記反射ミラーと前記加工対象材料との間に設けられて、前記反射ミラーで反射された前記第１の直線偏光から前記第２の直線偏光を生成して前記第２の直線偏光を前記偏光ビームスプリッタに向けて出射する１／４波長板と、
を含む請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記測定用光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられて、前記プローブ光の径を拡大するビームエキスパンダを更に含む請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記測定用光源はレーザ光源であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記レーザ光を前記加工面上に集光する集光レンズを更に含み、
前記加工面において形成される前記レーザ光のスポットは、前記加工面に照射される前記第１の直線偏光の照射範囲に包含される請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記加工対象材料を前記加工面と平行な方向に移動せしめる搬送機構を更に有する請求項１乃至５のいずれか１つ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、レーザ光を用いて材料加工を行うレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

尖頭値の高い超短パルスレーザ光を用い、多光子吸収過程を利用した透明材料の加工が報告されている。透明材料の加工は、超短パルスレーザの特徴を生かした加工技術であり、融着加工の検討も進められている。この融着加工では、材料内部へのレーザ光照射による加熱と冷却過程のために、加工後に応力が残留することが考えられる。この残留応力は、加工対象材料の形状変形を引き起こしたり、経年安定性に影響を与えることから、その評価が必要となる。透明材料の応力を観測する手法として、光弾性実験法が知られている。

【0003】

特許文献１には、光軸の方向が互いに直交する向きに配置された加工用レーザおよび照明用レーザと、上記の２つのレーザの光軸の交点近傍に配置された透明材料と、照明用レーザの光軸上において透明材料を挟むように配置された偏光子、１／４波長板、検光子を含む光学素子と、照明用レーザの光軸上において検光子の後方に配置されたＣＣＤカメラと、を含む応力可視化システムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−７１７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記した特許文献１に記載の装置は、透明材料内部において加工用レーザの光軸方向において進行する応力波の観測を目的とするものである。すなわち、加工用レーザの光軸と平行な断面の観測を行うために、照明用レーザは、その光軸が加工用レーザの光軸に対して直交するように配置されている。しかしながら、融着加工による残留応力の観測を行う場合には、融着加工面の面方向に生ずる応力の観測が重要となるところ、特許文献１に記載の装置によれば、加工用レーザと照明用レーザの光軸が直交しているので、融着加工面を広範囲に亘って観測することが困難である。すなわち、特許文献１に記載のような透過型の観測系では、融着加工面を広範囲に亘って観測することができる構成としてレーザ加工装置へ組み込むことが困難である。また、特許文献１に記載の装置は、透明材料の内部に生じる応力の観測自体を目的とするものであり、観測結果を利用して加工用レーザの制御を行うものとはなっていない。

【0006】

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、加工用レーザのレーザ照射に伴って加工対象材料の加工面に生ずる応力を加工面の広い範囲に亘って観測することができ、しかもその観測結果に基づいて加工用レーザの照射条件を最適化することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【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加工装置は、レーザ光を出射し、前記レーザ光の光軸の方向が加工対象材料の加工面と交差するように配置された加工用レーザ光源と、プローブ光を出射し、前記加工対象材料を間に挟んで前記加工用レーザ光源と対向し且つ前記プローブ光の光軸が前記レーザ光の光軸と略一致するように配置された測定用光源と、前記プローブ光から第１の直線偏光を生成して前記加工面に照射するとともに前記加工面を透過した前記第１の直線偏光に対して偏光面を９０°回転させた第２の直線偏光を生成して前記第２の直線偏光において前記加工面における等傾線の像を得る光学系と、前記等傾線の像を撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された前記等傾線の像に基づいて前記レーザ光のパワーを調整する制御部と、を含んで構成される。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係るレーザ加工装置によれば、加工用レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸と、測定用光源から出射されるプローブ光の光軸を略一致させた状態でレーザ光およびプローブ光を加工対象材料の加工面に照射するので、レーザ光の照射に伴って加工面に生ずる応力を加工面の広い範囲に亘って観測することができる。また、制御部が加工面における等傾線の像に基づいてレーザ光のパワーを調整するので、レーザ光の照射条件を最適化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、光弾性実験法を用いた物体内部応力解析の原理を説明するための図である。

【図2】図２は、等傾線の測定方法を示す図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

【図4】図４は、本発明の実施形態に係るレーザ駆動制御部によるレーザパワー制御ルーチンを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

はじめに、光弾性実験法を用いた物体内部応力解析の原理について図１を参照しつつ説明する。光弾性とは、外力を受けた弾性体が複屈折を生じさせる性質をいい、光弾性を有する物体を光弾性体という。図１に示すように、透明な光弾性を有する試料１００に外力Ｐ_１〜Ｐ_４を加えて、外力Ｐ_１〜Ｐ_４に垂直な方向に直線偏光を透過させる。すると、直線偏光は、試料１００内で複屈折して主応力σ_１およびσ_２の方向に振動し、２つの偏光として試料１００内を進む。試料１００は、外力Ｐ_１〜Ｐ_４によって応力を生じているので、試料１００の屈折率は主応力の方向にそれぞれ最初の値から変化している。このため、２つの偏光は、試料１００内での光速度が異なることとなり、試料１００を透過した後には相対的な位相差δが生じる。光弾性実験法を用いた応力解析は、この位相差δによって生ずる干渉縞を観察することにより試料１００に生じている応力を解析するものである。

【0011】

試料１００の屈折率は、下記の式（１）および（２）で表わされるように、外力による主応力σ_１、σ_２の方向に変化する。

【0012】

ｎ_１−ｎ_０＝Ｍσ_１＋Ｎσ_２ ・・・（１）
ｎ_２−ｎ_０＝Ｍσ_２＋Ｎσ_１ ・・・（２）

【0013】

ここで、ｎ_０は試料の無応力状態における屈折率であり、ｎ_１およびｎ_２は、それぞれ、主応力σ_１およびσ_２方向の屈折率、ＭおよびＮは試料の材料による定数である。上記の式（１）および（２）より、下記の式（３）が導かれる。

【0014】

ｎ_１−ｎ_２＝（Ｍ−Ｎ）（σ_１−σ_２）＝Ｃ（σ_１−σ_２）・・・（３）

【0015】

光の真空中の速度をｖ、波長をλとし、σ_１およびσ_２の方向に振動する光が試料１００内を透過する速度をそれぞれｖ_１およびｖ_２、振動の角速度をω、試料１００の厚さをｄとすると、試料１００内でσ_１およびσ_２の方向に振動する光が試料１００内を通過する時間差Δｔは、下記の式（４）で表わされる。

【0016】

Δｔ＝ｄ／ｖ_１−ｄ／ｖ_２＝（ｄ／ｖ）（ｎ_１−ｎ_２）・・・（４）
また、Δｔによる位相差δは、下記の式（５）で表わされる。

【0017】

δ＝Δｔω＝（ωｄ／ｖ）（ｎ_１−ｎ_２）
＝（２πｄ／λ）Ｃ（σ_１−σ_２）・・・（５）

【0018】

ここで、Ｃは光弾性定数であり、試料１００の材質や入射する偏光の波長などによって定まる値である。式（５）で表わされる位相差δに起因して生じる干渉縞を観測して、応力の方向および大きさ（２次元分布）を評価するのが光弾性実験法による応力解析である。光弾性実験法では応力の向きを測定するための等傾線測定と、応力の大きさと分布を測定するための等色線測定の２つの手法がある。

【0019】

図２は、等傾線の測定方法を示す図である。図２に示すように、光透過性を有する試料１００を間に挟んで光学主軸が互いに直交した偏光子Ａ_１と検光子Ａ_２とを配置する。偏光子Ａ_１に光を照射すると、偏光子Ａ_１によって偏光となり試料１００に入射する。試料１００内において偏光は、上記したように、主応力σ_１およびσ_２の方向に振動する２つの偏光となり、これら２つの偏光に位相差δが生じる。その後、試料１００を透過した光が検光子Ａ_２を通過する。検光子Ａ_２を通過した偏光の強さＩ_０は、入射した偏光の振幅をａ、偏光子Ａ_１の主面と主応力σ_１とのなす角をφとすると、下記の式（６）で表わすことができる。

【0020】

Ｉ_０＝ａ^２ｓｉｎ^２２φ・ｓｉｎ^２［｛πｄ／λ・Ｃ（σ_１−σ_２）｝］ ・・・（６）
ここで、平板１００内のある一点に着目してＩ_０＝０、すなわち視野が暗黒となる場合は、ｓｉｎ２φ＝０のときである。すなわち、検光子Ａ_２を透過した光の像においてφ＝０またはπ／２による黒線が現れることになる。この黒線を等傾線という。等傾線は、主応力の向きと等しい方向に現れる線であり、主応力σ_１の方向（これと直角なσ_２）の方向を求めるのに用いられる。

【0021】

以下に、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１の概略の構成を示す図である。レーザ加工装置１は、レーザ光を用いて加工対象材料の融着加工を行いつつ、この融着加工に伴って加工対象材料の融着加工面に生ずる応力に関する等傾線の像を取得して、取得した等傾線の像に基づいてレーザ光のパワー制御を行うものである。

【0022】

加工対象材料１０ａおよび１０ｂは、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１によって融着加工が施される材料であり、例えばプラスチック、ガラス、サファイア等の光透過性を有する平板状の光弾性体である。加工対象材料１０ａおよび１０ｂは、融着加工を行う面を当接させた状態で、搬送機構１１上に載置されて支持される。尚、加工対象材料１０ａと１０ｂは、同種材料であってもよいし、異種材料であってもよい。

【0023】

搬送機構１１は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂを支持するとともに、これらを融着加工面ｆａと平行な矢印Ｘの方向に移動させる。搬送機構１１は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂを矢印Ｘの方向に移動させることにより融着加工位置の位置決めを行う。

【0024】

加工用レーザ光源１２は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工を行うためのレーザ光Ｌ_ａを生成する。加工用レーザ光源１２は、例えばレーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いて構成されたＹＡＧレーザであり、波長１０６４ｎｍの赤外線をフェムト秒程度の時間幅の超短パルス光として出力する。加工用レーザ光源１２は、レーザ光Ｌ_ａの光軸が融着加工面ｆａと略直交するように配置される。尚、加工用レーザ光源は、ＹＡＧレーザに限定されず、例えばチタンサファイアをレーザ媒質として使用したレーザやファイバレーザ等を使用することも可能である。
集光レンズ１３は、加工用レーザ光源１２のレーザ出射方向前方に配置され、融着加工面ｆａの近傍に焦点を有する。すなわち、加工用レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌ_ａは、集光レンズ１３によって融着加工面ｆａ近傍に集光されてビームスポットを形成する。

【0025】

測定用光源２０は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面内に生じる応力を光弾性実験法の原理を用いて観測するためのプローブ光Ｌ_ｐを生成する。プローブ光Ｌ_ｐは白色光であってもよいし、単色光であってもよい。すなわち、測定用光源２０は、種々の光源を用いて構成することができる。光弾性実験法による応力解析においては、偏光を利用することから、本実施形態において測定用光源２０はレーザ光源により構成されている。測定用光源２０は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂを間に挟んで、加工用レーザ光源１２と対向する位置に配置されている。すなわち、プローブ光Ｌ_ｐは、レーザ光Ｌ_ａとは反対側から加工対象材料１０ａおよび１０ｂに入射する。また、測定用光源２０は、プローブ光Ｌ_ｐの光軸が融着加工面ｆａと略直交し且つ加工用レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌ_ａの光軸と略一致するように配置されている。

【0026】

ビームエキスパンダ２１は、測定用光源２０に対してプローブ光Ｌ_ｐの出射方向前方に配置され、プローブ光Ｌ_ｐのスポット径を所定倍率で拡大して平行光を出射する。

【0027】

偏光ビームスプリッタ２２は、プローブ光Ｌ_ｐの光軸に対して４５°の傾きを持ち且つ誘電体偏光膜でコーティングされた分岐面を有し、入射光の偏光成分をこの分岐面において分岐させる偏光素子（ポラライザー）である。偏光ビームスプリッタ２２は、プローブ光Ｌ_ｐの光軸上において測定用光源２０と加工対象材料１０ａおよび１０ｂとの間に設けられている。偏光ビームスプリッタ２２は、入射するプローブ光Ｌ_ｐから第１の直線偏光ＰＯ_１を生成してこれをプローブ光Ｌ_ｐの光軸方向に出射する。第１の直線偏光ＰＯ_１は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａに照射される。一方。偏光ビームスプリッタ２２は、第１の直線偏光ＰＯ_１に対して偏光面が９０°回転した第２の直線偏光ＰＯ_２を分岐面で反射させてこれをプローブ光Ｌ_ｐの光軸と垂直な方向に出射する。

【0028】

１／４波長板２３は、光の縦偏光成分もしくは横偏光成分のいずれか一方に１/４波長（９０°）の位相ずれを生じさせる光学素子であり、プローブ光Ｌ_ｐの光軸上において加工対象材料１０ａおよび１０ｂと加工用レーザ光源１２との間に設けられている。１／４波長板２３は、レーザ光Ｌ_ａの光軸上に中心が位置する貫通孔を有しており、レーザ光Ｌ_ａはこの貫通孔を通って加工対象材料１０ａおよび１０ｂに照射される。

【0029】

反射ミラー２４は、プローブ光Ｌ_ｐの光軸に対して垂直な光反射面を有しており、プローブ光Ｌ_ｐの光軸上において１／４波長板２３と加工用レーザ光源１２との間に設けられている。反射ミラー２４は、レーザ光Ｌ_ａの光軸上に中心が位置する貫通孔を有しており、レーザ光Ｌ_ａはこの貫通孔を通って加工対象材料１０ａおよび１０ｂに照射される。

【0030】

レンズ２５は、偏光ビームスプリッタ２２からプローブ光Ｌ_ｐの光軸と直交する方向に出射される第２の直線偏光ＰＯ_２を撮像素子２６の受光面に結像するためのレンズである。

【0031】

撮像素子２６は、例えば、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子であり、偏光ビームスプリッタ２２から出射される直線偏光ＰＯ_２の像の明暗を光電変換して、画像信号Ｓ_Ｉを生成する。撮像素子２６は、例えばシリコン基板上に形成された多数の受光素子（例えばフォトダイオード）を有し、この受光素子の並びで光電変換を行って画像信号Ｓ_Ｉを生成する。偏光ビームスプリッタ２２から出射される第２の直線偏光ＰＯ_２には、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａに生じている応力に関する等傾線の像を含んでいる。撮像素子２６は、この等傾線の像をリアルタイムで撮像して画像信号Ｓ_Ｉを生成し、画像信号Ｓ_Ｉを逐次レーザ駆動制御部２８に供給する。

【0032】

レーザ駆動制御部２８は、コンピュータで構成され、撮像素子２６から供給される画像信号Ｓ_Ｉに基づいて、レーザ光Ｌ_ａのパワーを調整するべくレーザ駆動信号Ｓ_Ｄを生成する。例えば、レーザ駆動制御部２８は、撮像素子２６から逐次供給される画像信号Ｓ_Ｉにおいて示される等傾線の位置や向きの、融着加工開始前の初期状態からの変動量が所定範囲内に収まるようにレーザ光Ｌ_ａのパワーを調整する。レーザ光Ｌ_ａのパワーは、例えばレーザ光の尖頭値またはレーザパルスのくりかえし周波数を変化させることにより調整することができる。加工用レーザ光源１２は、レーザ駆動制御部２８から供給されるレーザ駆動信号Ｓ_Ｄに応じたパワーでレーザ光Ｌ_ａを出射することにより、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａに生じる応力を最小化させる。このように、レーザ光Ｌ_ａのパワーは、融着加工面ｆａに現れる等傾線のリアルタイム画像に基づいてフィードバック制御される。尚、レーザ駆動制御部２８は、等傾線の向きが所定の方向に向かないようにレーザパワーを調整してもよい。また、等傾線が所定の領域に生じないようにレーザパワーを調整することとしてもよい。

【0033】

次に、上記した構成を有するレーザ加工装置１の動作について説明する。加工対象材料１０ａおよび１０ｂは、融着加工を行う面同士を当接させた状態で搬送機構１１上に載置されて支持される。レーザ駆動制御部２８は、例えばユーザのマニュアル操作などによって初期設定がなされて初期のレーザ駆動信号Ｓ_Ｄを生成し、これを加工用レーザ光源１２に供給する。加工用レーザ光源１２は、レーザ駆動制御部２８から供給される初期のレーザ駆動信号Ｓ_Ｄに基づいて、所定パワーのパルス状のレーザ光Ｌ_ａを出射する。

【0034】

レーザ光Ｌ_ａは、集光レンズ１３によって加工対象材料１０ａおよび１０ｂの当接面近傍に集光される。レーザ光Ｌ_ａは、パルス幅がフェムト秒領域で出力されて非常に高いピークパワーを有する故にレーザ光Ｌ_ａの中に含まれる多数の光子が加工対象材料１０ａおよび１０ｂの電子に対して同時に相互作用して吸収される。レーザ加工装置１は、かかる多光子吸収過程を利用して加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工を行う。加工対象材料１０ａおよび１０ｂは、搬送機構１１によって融着加工面ｆａと平行な方向（図３において矢印Ｘで示される方向）に搬送され、これによって、融着加工位置が順次移動する。

【0035】

加工用レーザ光源１２からのレーザ光Ｌ_ａの出射と同時に測定用光源２０からプローブ光Ｌ_ｐが出射される。プローブ光Ｌ_ｐの光軸は、レーザ光Ｌ_ａの光軸とほぼ一致するように位置合わせがなされている。プローブ光Ｌ_ｐはビームエキスパンダ２１によってスポット径が拡大されて平行光として出射される。プローブ光Ｌ_ｐのスポット径を拡大しておくことにより、融着加工面ｆａの広い範囲について等傾線の観測を行うことが可能となる。

【0036】

ビームエキスパンダ２１によってスポット径が拡大されたプローブ光Ｌ_ｐは、偏光ビームスプリッタ２２に入射する。プローブ光Ｌ_ｐは、偏光ビームスプリッタ２２の分岐面において第１の直線偏光ＰＯ_１となってプローブ光Ｌ_ｐの光軸方向に直進する。第１の直線偏光ＰＯ_１は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａに対して略垂直に入射する。融着加工面ｆａに照射される直線偏光ＰＯ_１の照射範囲は、融着加工面ｆａ上に形成された加工用のレーザ光Ｌ_ａによるスポットを包含する。

【0037】

加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａには、レーザ光Ｌ_ａによる融着加工によって応力が生じている。第１の直線偏光ＰＯ_１は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂ内において複屈折を生じて主応力σ_１およびσ_２の方向に振動する２つの偏光となる。これら２つの偏光には位相差δが生じている。

【0038】

加工対象材料１０ａおよび１０ｂを透過した第１の直線偏光ＰＯ_１は、１／４波長板２３に入射して円偏光となる。円偏光は、反射ミラー２４によって入射方向と反対の方向に反射されて再び１／４波長板２３に入射する。これにより、第１の直線偏光ＰＯ_１に対して偏光面が９０°回転した第２の直線偏光ＰＯ_２が生成される。第２の直線偏光ＰＯ_２の光強度Ｉ_０は、上記の式（６）によって表される。すなわち、第２の直線偏光ＰＯ_２は、融着加工面ｆａにおいて生じている応力に関する等傾線の像を含んでいる。第２の直線偏光ＰＯ_２は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂを透過して、偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

【0039】

第２の直線偏光ＰＯ_２は、偏光ビームスプリッタ２２の分岐面において反射されてプローブ光Ｌ_Ｐの光軸に対して９０°の方向に出射される。偏光ビームスプリッタ２２で反射された第２の直線偏光ＰＯ_２に含まれる等傾線の像は、レンズ２５を介して撮像素子２６の受光面上に結像される。撮像素子２６は、受光面上において２次元配置された複数の受光素子によって等傾線の像を受光し、受光素子の並びで光電変換を行って画像信号Ｓ_Ｉを生成する。撮像素子２６は、融着加工の進行に伴って変化する等傾線の像からリアルタイムで画像信号Ｓ_Ｉを生成し、これを逐次レーザ駆動制御部２８に供給する。

【0040】

レーザ駆動制御部２８は、撮像素子２６から逐次供給される画像信号Ｓ_Ｉから等傾線の像を再構築して融着加工面ｆａにおける等傾線の位置および向きを検出する。レーザ駆動制御部２８は、融着加工前の融着加工面ｆａにおける等傾線の画像を予め保持おり、融着加工開始後において逐次変化する等傾線の像が融着加工開始前における等傾線の像に対して変動が生じないように、あるいは変動が一定範囲内に収まるようにレーザ光Ｌ_ａのパワーを増減させる。すなわち、レーザ駆動制御部２８は、撮像素子２６から供給される画像信号Ｓ_Ｉに基づいて、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａに生じる応力がより小さくなるようにレーザパワーを調整するべくレーザ駆動信号Ｓ_Ｄを生成してこれを加工用レーザ光源１２に供給する。レーザ光Ｌ_ａのパワーは、例えば、尖頭値またはレーザパルスのくりかえし周波数を変化させることにより調整することができる。

【0041】

ここで、図４は、レーザ駆動制御部２８によるレーザパワー制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【0042】

ステップＳ１において、レーザ駆動制御部２８は、レーザ光Ｌ_ａを照射する前の融着加工面ｆａにおける等傾線の像を撮像素子２６から取得する。

【0043】

ステップＳ２において、レーザ駆動制御部２８は、レーザ光Ｌ_ａのパワーを初期状態に設定する。レーザパワーの初期設定は、例えばユーザのマニュアル操作によって行われるものであってもよい。

【0044】

ステップＳ３において、レーザ駆動制御部２８は、初期設定されたレーザパワーにて加工対象材料１０ａおよび１０ｂにレーザ光Ｌａを照射したときの加工面ｆａにおける等傾線の像を取得する。

【0045】

ステップＳ４において、レーザ駆動制御部２８は、ステップＳ１において取得したレーザ光照射前の等傾線の像とステップＳ３において取得したレーザ光照射後における等傾線の像を比較して、レーザ照射前後で等傾線の向きや位置の変動量が所定の許容範囲を超えているか否かを判断する。

【0046】

ステップＳ５において、レーザ駆動制御部２８は、レーザ光Ｌ_ａの照射前後で等傾線の向きや位置が許容範囲を超えて変動していると判断した場合には、レーザ光Ｌ_ａのパワーを所定量だけ低下させるべくレーザ駆動信号Ｓ_Ｄを生成する。

【0047】

レーザ駆動制御部２８は、レーザ光Ｌ_ａの照射前後で等傾線の向きや位置の初期状態からの変動量が所定範囲内となるまでステップＳ３からステップＳ５までの処理を繰り返す。

【0048】

一方、レーザ駆動制御部２８は、ステップＳ４においてレーザ光Ｌ_ａの照射前後で等傾線の向きや位置の変動が許容範囲内であると判断した場合には、ステップＳ２に戻ってレーザパワーを初期状態に設定すべくレーザ駆動信号Ｓ_Ｄを生成する。

【0049】

このように、レーザ光Ｌ_ａのパワーは、融着加工面ｆａに生じている等傾線のリアルタイム画像に基づいてフィードバック制御される。尚、レーザ駆動制御部２８は、等傾線の向きが所定の方向に向かないようにレーザパワーを調整してもよく、また、等傾線が所定領域に生じないようにレーザパワーを調整してもよい。

【0050】

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１において、加工用レーザ光源１２と測定用光源２０は、加工対象材料１０ａおよび１０ｂを間に挟んで互いに対向するように配置され且つ加工用レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌ_ａの光軸と、測定用光源２０から出射されるプローブ光Ｌ_ｐおよびこれに基づく直線偏光ＰＯ_１およびＰＯ_２の光軸とが略一致するように配置されている。加工対象材料１０ａおよび１０ｂの融着加工面ｆａは、これらの光軸に対して略垂直に配置される。このような構成によれば、レーザ光Ｌ_ａによって融着加工を行いつつ、融着加工面ｆａに生じる応力を融着加工面ｆａの広い範囲に亘ってリアルタイムに観察することが可能となる。すなわち、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、融着加工面ｆａに生じる応力を、融着加工面ｆａの広い範囲に亘ってリアルタイムで観察することができる観測系を組み込んだレーザ加工装置を提供することが可能となる。

【0051】

また、観測系は、等傾線のみを観測対象として構成されているので、光学部品の点数を比較的少なくすることができる。また、観測系は、プローブ光を反射ミラー２４で折り返す反射型の形態を有するので、装置をコンパクトに構成することが可能となる。また、観測系を反射型とすることで、プローブ光Ｌ_ｐに基づく直線偏光は、融着加工面ｆａを２回透過することとなるので、等傾線の観測精度を透過型の２倍とすることができる。

【0052】

また、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、観測系において得られた融着加工面ｆａにおける等傾線のリアルタイム画像に基づいて、融着加工面ｆａにおける応力が小さくなるようにレーザ光Ｌ_ａのパワーがフィードバック制御されるので、残留応力の小さい良好な融着加工を行うことが可能となり、加工対象材料１０ａおよび１０ｂの形状変形を防止するとともに経年安定性を向上させることが可能となる。

【0053】

また、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、等傾線の像を撮像する撮像素子２６は、フレームレートの比較的遅い市販のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳセンサ等を使用することができるので、低コストで製造することが可能となる。

【符号の説明】

【0054】

１ レーザ加工装置
１０ａ、１０ｂ 加工対象材料
１２ 加工用レーザ光源
１３ 集光レンズ
２０ 測定用光源
２１ ビームエキスパンダ
２２ 偏光ビームスプリッタ
２３ １／４波長板
２４ 反射ミラー
２６ 撮像素子
２８ レーザ駆動制御部

【図1】

【図3】

【図4】

【図2】