特許 5909537 ダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5909537

(24)【登録日】2016年4月1日

(45)【発行日】2016年4月26日

(54)【発明の名称】ダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/38 20140101AFI20160412BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20160412BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20160412BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20160412BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/38 A

   H01S5/40

   B23K26/064 K

   B23K26/00 M

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-209924(P2014-209924)

(22)【出願日】2014年10月14日

【審査請求日】2015年9月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】緒方 稔

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２５２７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５４１０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１９００８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０３８２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／３８

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｈ０１Ｓ ５／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のレーザダイオードと、
前記複数のレーザダイオードにより発振された多波長のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のフィーディングファイバの射出端側が束ねられたファイバアレイと、
前記ファイバアレイから射出された多波長のレーザ光をスペクトルビーム結合するスペクトルビーム結合部と、
前記ファイバアレイに隣接して配置され、前記多波長のレーザ光が被加工材で反射した反射光を、前記スペクトルビーム結合部を介して入射する反射光検出用ファイバと、
前記反射光検出用ファイバから射出された反射光を検出する光検出器と、
を備えるダイレクトダイオードレーザ発振器であって、
前記反射光検出用ファイバ(７１)は、フィーディングファイバ(４１，４２，４３,・・・４ｎ)及び反射光検出用ファイバ(７１)に入射する反射光が、各フィーディングファイバ(４１，４２，４３,・・・４ｎ)及び反射光検出用ファイバ(７１)に同程度の強度で入射するように、前記ファイバアレイに隣接して配置されているダイレクトダイオードレーザ発振器。

【請求項2】

前記光検出器により検出した反射光の強度に基づいて前記複数のレーザダイオードの出力を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器と、
前記スペクトルビーム結合部によりスペクトルビーム結合された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を用いて前記被加工材を加工するレーザ加工機と
を備えることを特徴とするダイレクトダイオードレーザ加工装置。

【請求項4】

前記スペクトルビーム結合部は、
フィーディングファイバ(４１，４２，４３,・・・４ｎ)からのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ(５２)と、
多波長のレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子(５３)と、
レーザダイオード(３１，３２，３３,・・・３ｎ)の後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ(５５)と、
を備える請求項1乃至３の何れかに記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。

【請求項5】

反射光検出用ファイバの数はフィーディングファイバの数より小さい請求項1乃至４の何れかに記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れかに記載のダイレクトダイオードレーザ発振器の反射光検出方法であって、
前記多波長のレーザ光が被加工材で反射した反射光を、前記スペクトルビーム結合部を介して反射光検出用ファイバに入射させるステップと、
前記反射光検出用ファイバから射出された反射光に基づいて前記複数のレーザダイオードの出力を制御するステップと
を含み、
検出された反射光の光強度のデータに基づいて、被加工材を貫通したか、又は非貫通であるかを判断する
反射光検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸（ＣＯ_２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。

【0003】

更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。ＤＤＬ加工装置は、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いて多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。

【0004】

ところで、レーザ光による板金加工（特に、切断加工）においては、被加工材に照射されたレーザ光の一部は吸収されずに反射し、反射光によりレーザ加工装置の部品が過熱状態となり、加工に悪影響を及ぼす場合がある。そこで、従来のＹＡＧレーザ発振器やＣＯ_２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたレーザ加工装置においては、被加工材からの反射光を検出する方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−２１１５５６号公報

【特許文献2】特開２０１２−１７９６２７号公報

【特許文献3】特開２０１３−５５０８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一方、ＤＤＬ加工装置においても、被加工材からの反射光がＤＤＬ加工装置の部品に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、ＤＤＬ加工装置に適した反射光の検出方法は具体的に検討されていない。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて加工を行う際に、被加工材に照射したレーザ光の反射光を容易に検出することができるダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のレーザダイオードと、複数のレーザダイオードにより発振された多波長のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のフィーディングファイバの射出端側が束ねられたファイバアレイと、ファイバアレイから射出された多波長のレーザ光をスペクトルビーム結合するスペクトルビーム結合部と、ファイバアレイに隣接して配置され、多波長のレーザ光が被加工材で反射した反射光を、スペクトルビーム結合部を介して入射する反射光検出用ファイバと、反射光検出用ファイバから射出された反射光を検出する光検出器とを備えることを特徴とするダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法が提供される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて加工を行う際に、被加工材に照射したレーザ光の反射光を容易に検出することができるダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。

【図2】図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す概略図である。

【図4】本発明の実施形態に係るレーザ発振器のレーザ光発振時の様子を示す概略図である。

【図5】本発明の実施形態に係るレーザ発振器の反射光検出時の様子を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

【0012】

図１を参照して、本発明の実施形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。

【0013】

レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて回折する分散素子（回折格子）１６と、分散素子１６により回折されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。

【0014】

レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、分散素子１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。

【0015】

本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの板厚は、例えば０．１ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。

【0016】

次に、図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。

【0017】

ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を重畳して出力する。ＤＤＬモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎにフィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎを介して接続された光学ボックス５０と、光学ボックス５０からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。

【0018】

複数のＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎとしては、各種の半導体レーザが採用可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができる。

【0019】

多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を吸収率が一定となるよう調整することができる。

【0020】

切断加工に際しては、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。

【0021】

光学ボックス５０は、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combine）を行うスペクトルビーム結合部５とを備える。

【0022】

スペクトルビーム結合部５は、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。なお、図３では一例として部分反射カプラ５５を回折格子５３の後段に配置したが、部分反射カプラ５５の配置位置はこれに限定されるものではない。

【0023】

本発明の実施形態においては、図３に示すように、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側で構成されるファイバアレイ４に隣接して、反射光検出用ファイバ７１の一端が配置されている。より詳細には、反射光検出用ファイバ７１の一端は、入射側端部（図３において右側端部）がコリメータレンズ５２に対向して、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側に平行に配置され、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎと同様に固定部５１により束ねられて固定されている。反射光検出用ファイバ７１は、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎと同様の材質及び形状であってもよい。

【0024】

なお、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１を固定する固定部５１を用いずに、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１が互いに融着されていてもよい。

【0025】

反射光検出用ファイバ７１の一端はフィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端と同様に、スペクトルビーム結合部５に対向するように配置され、反射光の入射端となる。反射光検出用ファイバ７１の他端には、光検出器７０が接続されている。光検出器７０は、図２（ａ）に示した制御部６２に接続されている。

【0026】

次に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置を用いた板金加工の際の反射光検出方法の一例を説明する。

【0027】

図２に示したＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎから多波長のレーザ光が発振され、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎにより伝送される。そして、図４に示すように、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎにより伝送された多波長のレーザ光は、ファイバアレイ４からスペクトルビーム結合部５に入射する。スペクトルビーム結合部５は多波長のレーザ光をスペクトルビーム結合し、伝送ファイバ１２を介して伝送する。なお、図４及び図５では、スペクトルビーム結合部５と伝送ファイバ１２の間にある集光レンズ５４を省略する。そして、図１に示したコリメータレンズ１５及び集光レンズ１８等により被加工材Ｗ上に集光させて、被加工材Ｗを加工する。

【0028】

この際、被加工材Ｗに照射されたレーザ光の一部は吸収されずに反射する。この反射光が、伝送ファイバ１２を介してレーザ発振器１１まで戻る場合がある。図５に示すように、伝送ファイバ１２からスペクトルビーム結合部５へ入射した反射光は、スペクトルビーム結合部５内を伝播又は散乱され、ファイバアレイ４側へ射出され、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１に入射する。このとき、フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１に入射する反射光は、伝送ファイバ１２内での伝播や、光学部品による散乱等により、隣接するフィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１端面で構成される領域において強度分布が十分に平均化されており、各フィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ及び反射光検出用ファイバ７１に同程度の割合で入射することが想定される。

【0029】

図２に示した光検出器７０は、反射光検出用ファイバ７１により伝送された反射光の光強度を検出する。検出した反射光の光強度のデータは、加工モニタリング等に使用することができる。例えば、切断可能の際には、制御部６２は、光検出器７０により検出された反射光の光強度のデータに基づいて、被加工材Ｗを貫通したか、又は非貫通であるかを判断することができる。

【0030】

また、制御部６２は、光検出器７０により検出した反射光の光強度が所定の閾値（例えばＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎが破損する可能性がある強度）以上となった場合、ＮＣ装置にアラートを通知してもよい。所定の閾値は、制御部６２のメモリ等に記憶しておけばよい。

【0031】

以上説明したように、本発明によれば、ＤＤＬ加工装置の光源として使用されるＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎのファイバアレイ４に隣接するように反射光検出用ファイバ７１を配置し、反射光検出用ファイバ７１を介して伝送された反射光を光検出器７０により検出することにより、安全且つ安価な構成で反射光を観測することができる。

【0032】

また、反射光検出用ファイバ７１がファイバアレイ４に隣接しているので、反射光の影響を受けやすいＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎに戻る反射光と同等の反射光を観測することができ、信頼性のある反射光の強度データを得ることができる。

【0033】

また、ＤＤＬ共振器１１では、多波長のレーザ光をスペクトルビーム結合しているため、ファイバレーザ加工装置と比較して反射光に強く、ファイバレーザ加工装置のようにアンプ部分へ入射する反射光を抑制する必要もない。また、多波長のレーザ光を空間において結合しているため、反射光の検出も容易となる。

【0034】

（その他の実施形態）
本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【0035】

例えば、図２では、反射光検出用ファイバ７は、ファイバアレイ４の並列方向の端部（フィーディングファイバ４_ｎ）に隣接しているが、ファイバアレイ４の隣接するフィーディングファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ間に配置されていてもよい。また、反射光検出用ファイバ７は２本以上配置されていてもよく、例えば２本の反射光検出用ファイバがファイバアレイ４の並列方向の両端にそれぞれ配置されていてもよい。

【0036】

また、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置及びこれを用いた反射光検出方法を適用することができる板金加工の種類は特に限定されず、切断加工の他にも、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。

【0037】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0038】

４…ファイバアレイ
５…スペクトルビーム結合部
１１…レーザ発振器
１２…伝送ファイバ（プロセスファイバ）
１３…レーザ加工機
１４…コリメータユニット
１５，５２…コリメータレンズ
１６…ベンドミラー
１７…加工ヘッド
１８，５４…集光レンズ
２１…加工テーブル
２２…Ｘ軸キャリッジ
２３…Ｙ軸キャリッジ
３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ…レーザダイオード（ＬＤ）
４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ…フィーディングファイバ
５０…光学ボックス
５１…固定部
５３…回折格子
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器
７０…光検出器
７１…反射光検出用ファイバ

【要約】

【課題】ダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて加工を行う際に、被加工材に照射したレーザ光の反射光を容易に検出することができるダイレクトダイオードレーザ発振器を提供する。
【解決手段】多波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のＬＤと、複数のＬＤにより発振された多波長のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のフィーディングファイバの射出端側が束ねられたファイバアレイと、ファイバアレイから射出された多波長のレーザ光をスペクトルビーム結合するスペクトルビーム結合部と、ファイバアレイに隣接して配置され、多波長のレーザ光が被加工材で反射した反射光を、スペクトルビーム結合部を介して入射する反射光検出用ファイバと、反射光検出用ファイバから射出された反射光を検出する光検出器とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】