特許 6259367 レーザ加工装置、その制御方法、及び、スパークプラグの製造方法

(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】6259367

(24)【登録日】2017年12月15日

(45)【発行日】2018年1月10日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置、その制御方法、及び、スパークプラグの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20171227BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20171227BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 N

   B23K26/21 N

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-142817(P2014-142817)

(22)【出願日】2014年7月11日

(65)【公開番号】特開2016-16449(P2016-16449A)

(43)【公開日】2016年2月1日

【審査請求日】2017年3月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】村田 徹

(72)【発明者】

【氏名】市原 博史

【審査官】 竹下 和志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１４２８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１３７５７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−６５２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１０６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３３４１８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平７−１８５８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体レーザ光源と制御部とを備え、被加工物にレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成するビームスプリッタと、
前記分岐レーザ光束で照射されることによって温度が上昇する被照射部を含み、前記被照射部の温度特性値を測定可能な温度測定部と、
を備え、
前記制御部は、熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償する補償係数と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記補償係数の値を決定するとともに、前記決定された前記補償係数の値を使用して前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する熱レンズ効果補償部を含む、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記熱レンズ効果補償部は、前記決定された前記補償係数の値を前記固体レーザ光源の出力指令値に乗じることによって補正出力指令値を設定する、ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
前記制御部は、更に、前記固体レーザ光源の出力を、前記補正出力指令値に対応した目標出力になるようにフィードバック制御する出力制御部を含む、ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項4】

請求項１に記載のレーザ加工装置であって、更に、
前記レーザ光の光路上に設置された収束レンズを備え、
前記熱レンズ効果補償部は、前記決定された前記補償係数の値に応じて前記収束レンズの倍率を調整して前記収束レンズで収束された前記レーザ光の収束径を変更する、ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項5】

請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記熱レンズ効果補償部は、前記固体レーザ光源に熱レンズ効果が発生していないときに前記収束レンズの倍率を最も大きくするように前記収束レンズの倍率を調整する、ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項6】

固体レーザ光源を備え、被加工物にレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置の制御方法であって、
前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成し、前記加工の実行中に前記分岐レーザ光束を温度測定部の被照射部に照射して前記被照射部の温度特性値を測定する工程と、
熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償する補償係数と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記補償係数の値を決定する工程と、
前記決定された前記補償係数の値を使用して前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する工程と、
を備えるレーザ加工装置の制御方法。

【請求項7】

固体レーザ光源からのレーザ光を用いて、スパークプラグの電極にチップを溶接するチップ溶接工程を含むスパークプラグの製造方法であって、
前記チップ溶接工程は、
前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成し、前記溶接工程の実行中に前記分岐レーザ光束を温度測定部の被照射部に照射して前記被照射部の温度特性値を測定する工程と、
熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償する補償係数と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記補償係数の値を決定する工程と、
前記決定された前記補償係数の値を使用して前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する工程と、
を含む、スパークプラグの製造方法。

【請求項8】

固体レーザ光源と制御部とを備え、被加工物にレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成するビームスプリッタと、
前記分岐レーザ光束で照射されることによって温度が上昇する被照射部を含み、前記被照射部の温度特性値を測定可能な温度測定部と、
前記レーザ光の光路上に設置された収束レンズと、
を備え、
前記制御部は、熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償するために適した前記収束レンズの倍率と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記倍率の値を決定するとともに、前記決定された倍率となるように前記収束レンズを調整することにより、前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する熱レンズ効果補償部を含む、
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、レーザ加工装置、及び、レーザ加工装置を用いた加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、金属や樹脂などの各種の被加工物を加工するために、レーザ加工装置が使用されている。特許文献１のレーザ加工装置では、炭酸ガスレーザのレーザ光を温度測定手段に照射し、レーザ光の照射時と非照射時の温度測定値に応じて炭酸ガスレーザの出力を制御することによって、周囲温度の影響を排除しつつレーザ光源を所定の出力レベルに制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４６６４７１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、ＹＡＧレーザのような固体レーザ光源では、ガスレーザ光源とは異なり、固体レーザ媒質の温度上昇に伴って熱レンズ効果が発生し、レーザ光の空間プロファイルが変化する。このため、レーザ光源の出力を一定に維持したとしても、レーザ光の空間プロファイル（強度分布）におけるピーク出力が熱レンズ効果によって変化してしまうという現象が発生する。本願の発明者は、スパークプラグの電極へのチップの溶接時に固体レーザ光源を用いた場合に、熱レンズ効果によってレーザ光のピーク出力が変化してしまい、溶接が不十分になるという課題があることを見出した。より具体的には、熱レンズ効果が発生すると、レーザ光のピーク出力が低下してしまい、溶接部の溶け込み深さが不十分になるという不具合が発生した。このような課題は、スパークプラグの電極にチップを溶接する場合に限らず、固体レーザ光源を用いて種々の被加工物を加工する場合にも望ましい加工を達成できないという課題が発生し得る。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

（１）本発明の一形態によれば、固体レーザ光源と制御部とを備え、被加工物にレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置が提供される。このレーザ加工装置は、前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成するビームスプリッタと、前記分岐レーザ光束で照射されることによって温度が上昇する被照射部を含み、前記被照射部の温度特性値を測定可能な温度測定部と、を備える。前記制御部は、熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償する補償係数と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記補償係数の値を決定するとともに、前記決定された前記補償係数の値を使用して前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する熱レンズ効果補償部を含むことを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、温度測定部で測定された温度特性値に基づいて固体レーザ光源のピーク出力を補償することができ、これによって望ましい加工を達成することができる。

【0007】

（２）上記レーザ加工装置において、前記熱レンズ効果補償部は、前記決定された前記補償係数の値を前記固体レーザ光源の出力指令値に乗じることによって補正出力指令値を設定するようにしてもよい。
この構成によれば、補償係数を固体レーザ光源の出力指令値に乗じることによって補正出力指令値を設定するので、この補正出力指令値を使用して固体レーザ光源の出力を増加させることによって固体レーザ光源のピーク出力を補償することができる。

【0008】

（３）上記レーザ加工装置において、前記制御部は、更に、前記固体レーザ光源の出力を、前記補正出力指令値に対応した目標出力になるようにフィードバック制御する出力制御部を含むようにしてもよい。
この構成によれば、補正出力指令値に対応した目標出力になるように固体レーザ光源の出力をフィードバック制御するので、補正出力指令値に応じた出力を維持できるとともにピーク出力が補償された状態で望ましい加工を達成できる。

【0009】

（４）上記レーザ加工装置において、更に、前記レーザ光の光路上に設置された収束レンズを備え、前記熱レンズ効果補償部は、前記決定された前記補償係数の値に応じて前記収束レンズの倍率を調整して前記収束レンズで収束される前記レーザ光の収束径を変更するようにしてもよい。
この構成によれば、固体レーザ光源の出力指令値を変更するのとは異なる手段によって、固体レーザ光源のピーク出力を補償することができる。

【0010】

（５）上記レーザ加工装置において、前記熱レンズ効果補償部は、前記固体レーザ光源に熱レンズ効果が発生していないときに前記収束レンズによる倍率を最も大きくするように前記収束レンズの倍率を調整するようにしてもよい。
この構成によれば、固体レーザ光源に熱レンズ効果が発生したときに、収束レンズの倍率を小さく変更しレーザ光の収束径を小さくすることによって、レーザ光のピーク出力を補償することができる。

【0011】

（６）本発明の他の形態によれば、固体レーザ光源と制御部とを備え、被加工物にレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置が提供される。このレーザ加工装置は、前記レーザ光を分岐して分岐レーザ光束を生成するビームスプリッタと、前記分岐レーザ光束で照射されることによって温度が上昇する被照射部を含み、前記被照射部の温度特性値を測定可能な温度測定部と、前記レーザ光の光路上に設置された収束レンズと、
を備える。前記制御部は、熱レンズ効果による前記固体レーザ光源のピーク出力の低下量を補償するために適した前記収束レンズの倍率と、前記温度測定部で測定される温度特性値と、の予め求められた関係を使用して、前記温度測定部の温度特性値の測定結果に応じて前記倍率の値を決定するとともに、前記決定された倍率となるように前記収束レンズを調整することにより、前記固体レーザ光源のピーク出力の低下を補償する熱レンズ効果補償部を含む、ことを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、温度測定部で測定された温度特性値に基づいて収束レンズの倍率を調整することによって固体レーザ光源のピーク出力を補償することができ、これによって望ましい加工を達成することができる。

【0012】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、レーザ加工装置、レーザ加工装置の制御方法、レーザ加工装置を用いた被加工物の加工方法、及び、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置の構成を示す説明図。

【図2】被加工物の一例としてのスパークプラグを示す正面図。

【図3】固体レーザ光源の熱レンズ効果を示す説明図。

【図4】第１実施形態における熱レンズ効果補償部の補償機能を示す説明図。

【図5】温度測定値とレーザピーク出力のタイミングチャート。

【図6】熱レンズ効果補償後の温度測定値とレーザピーク出力のタイミングチャート。

【図7】温度測定値と熱レンズ効果の補償係数との関係の一例を示すグラフ。

【図8】温度上昇率と熱レンズ効果の補償係数との関係の一例を示すグラフ。

【図9】補償係数テーブルの一例を示す説明図。

【図10】補償係数テーブルの他の例を示す説明図

【図11】本発明の第２実施形態としてのレーザ加工装置の構成を示す説明図。

【図12】第２実施形態における熱レンズ効果補償部の補償機能を示す説明図。

【図13】温度測定値と収束レンズの倍率との関係の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0014】

Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置８００の構成を示す説明図である。このレーザ加工装置８００は、制御部１００と、固体レーザ光源２００と、光学系３００と、出力検出器４００と、温度測定部５００とを備えている。

【0015】

制御部１００は、熱レンズ効果補償部１１０と、出力制御部１２０とを有している。熱レンズ効果補償部１１０は、温度測定部５００から与えられる温度測定値Ｔｃに応じて、熱レンズ効果を補償する機能を有する。具体的には、熱レンズ効果補償部１１０は、温度測定値Ｔｃに応じて補償係数Ｋｃを決定するとともに、以下の（１）式に従って、補正出力指令値Ｐｃを算出する。
Ｐｃ＝Ｐｃ０×Ｋｃ …（１）
ここで、Ｐｃ０は、固体レーザ光源２００の望ましい出力として予め設定された出力指令値である。補正後の出力指令値Ｐｃを、以下では単に「補正出力指令値Ｐｃ」と呼ぶ。温度測定値Ｔｃに応じた補償係数Ｋｃの決定方法については後に詳述する。こうして算出された補正出力指令値Ｐｃは、熱レンズ効果補償部１１０から出力制御部１２０に与えられる。この熱レンズ効果補償部１１０の機能により、固体レーザ光源２００に熱レンズ効果が発生しても、レーザ光ＬＢのピーク出力をほぼ一定に維持することが可能となる。

【0016】

出力制御部１２０は、熱レンズ効果補償部１１０から与えられる補正出力指令値Ｐｃを目標出力として、固体レーザ光源２００のフィードバック制御を行う。このフィードバック制御では、出力検出器４００から供給される出力測定値Ｐｍが測定値として利用される。また、フィードバック制御の結果として得られた制御信号Ｓｄが、出力制御部１２０から固体レーザ光源２００に供給される。この出力制御部１２０の機能により、レーザ光ＬＢのピーク出力を補償した状態で、レーザ光ＬＢの出力を一定に維持することが可能となる。

【0017】

固体レーザ光源２００は、固体レーザ媒質２２０と、固体レーザ媒質２２０の両側に設けられた共振器２１１，２１１とを有する。固体レーザ媒質２２０としては、レーザ結晶やレーザガラス、レーザセラミック等を用いることが可能である。具体的には、固体レーザ光源２００として、ＹＡＧレーザやチタンサファイアレーザなどの種々のレーザを利用可能である。本実施形態では、ＹＡＧレーザを使用する。

【0018】

光学系３００は、レーザ光の光路上に設けられた光学素子として、ミラー３１０，３２０と、ビームスプリッタ３３０，３４０と、収束レンズ３５０と、光ファイバ３６０とを有する。固体レーザ光源２００から射出されたレーザ光ＬＢの一部の光束ＢＢ１は、ミラー３１０，３２０及びビームスプリッタ３３０を経由して収束レンズ３５０で収束された後に、光ファイバ３６０により導かれて被加工物ＷＫに照射される。第１のビームスプリッタ３３０は、固体レーザ光源２００から射出されたレーザ光ＬＢを分岐して分岐レーザ光束ＢＢ２を生成する。分岐レーザ光束ＢＢ２は、第２のビームスプリッタ３４０で更に分岐され、その第１の分岐レーザ光束ＢＢ２ａは出力検出器４００に入射し、第２の分岐レーザ光束ＢＢ２ｂは温度測定部５００の被照射部５１０を照射する。なお、光学系３００は、２つのビームスプリッタ３３０，３４０を有する必要は無いが、少なくとも１つのビームスプリッタを有することが好ましい。

【0019】

出力検出器４００は、出力検出器４００に入射する分岐レーザ光束ＢＢ２ａの強度を測定することによって、出力測定値Ｐｍを生成する。この出力測定値Ｐｍは、出力制御部１２０に供給され、固体レーザ光源２００から出力されるレーザ光ＬＢの出力（すなわち、固体レーザ光源２００の出力）を示す値として利用される。出力検出器４００としては、例えば、フォトダイオードなどの光量測定装置を利用することが可能である。

【0020】

温度測定部５００は、分岐レーザ光束ＢＢ２ｂで照射されることによって温度が上昇する被照射部５１０を含んでいる。温度測定部５００は、この被照射部５１０の温度を測定して、温度測定値Ｔｃを生成する。温度測定値Ｔｃは、典型的には被照射部５１０の温度を示す電圧値である。なお、温度測定部５００としては、例えばサーモパイルを利用することが可能である。

【0021】

なお、図１の構成において、出力制御部１２０は省略してもよい。この場合には、出力検出器４００も省略可能であり、熱レンズ効果補償部１１０で生成された補正出力指令値Ｐｃに比例する制御信号Ｓｄが固体レーザ光源２００に供給される。また、ミラー３１０，３２０と第２のビームスプリッタ３４０の全部又は一部を省略してもよい。

【0022】

図２は、本発明の実施形態における被加工物の一例としてのスパークプラグ６０を示す正面図である。このスパークプラグ６０は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備えている。絶縁体１０は、軸線Ｏに沿って延びる軸孔を有している。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁体１０の軸孔内に挿入された状態で保持されている。接地電極３０は、一端が主体金具５０の先端部５２に固定され、他端が中心電極２０と対向する電極である。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。中心電極２０の先端には、中心電極チップ２２が溶接されており、接地電極３０の内面には、接地電極チップ３２が溶接されている。これらのチップ２２，３２は、Ｐｔ（白金）やＩｒ（イリジウム）などの貴金属で形成された貴金属チップとすることが好ましいが、貴金属でない金属を用いてもよい。なお、これらのチップ２２，３２は、図示の便宜上、実際よりも大きなサイズで描かれている。主体金具５０は、絶縁体１０の周囲を覆う筒状の部材であり、絶縁体１０を内部に固定している。主体金具５０の外周には、ねじ部５４が形成されている。ねじ部５４は、ねじ山が形成された部位であり、スパークプラグ６０をエンジンヘッドに取付ける際にエンジンヘッドのねじ孔に螺合する。なお、スパークプラグの構成としては、これ以外の種々の構成を採用可能である。

【0023】

スパークプラグの製造工程においては、中心電極２０に中心電極チップ２２を溶接する溶接工程と、接地電極３０に接地電極チップ３２を溶接する溶接工程とが行われる。この場合に、中心電極２０と中心電極チップ２２（又は接地電極３０と接地電極チップ３２）が図１の被加工物ＷＫとなる。すなわち、図１に示したレーザ加工装置は、スパークプラグの製造方法の溶接工程において使用することが可能である。

【0024】

図３は、固体レーザ光源２００の熱レンズ効果を示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、固体レーザ光源２００の使用の初期状態であり、図３（Ａ）はレーザ光の空間プロファイルＬＰ０（強度分布）を示し、図３（Ｂ）はレーザ光の光スポットＬＳ０を示している。この光スポットＬＳ０は、例えば、光ファイバ３６０（図１）の入射面に形成される光スポットである。収束レンズ３５０は、通常は、光ファイバ３６０の入射面においてレーザ光を集光するように設定されている。従って、光スポットＬＳ０は、集光点における光スポット（最小光スポット）である。なお、図３（Ａ），（Ｂ）の軸Ｘ，Ｙはレーザ光の光軸に垂直な平面の座標であり、図３（Ａ）の縦軸Ｐはレーザ光の強度（正確には出力密度［Ｗ／ｍｍ^２］）である。図３（Ａ）に示すように、レーザ光の空間プロファイルＬＰ０は、光スポットＬＳ０の中心ＣＰにおいてピーク出力Ｐｐ０を有する。

【0025】

図３（Ｃ），（Ｄ）は、固体レーザ媒質２２０に熱レンズ効果が発生した後のレーザ光の空間プロファイルＬＰ１及び光スポットＬＳ１を示している。熱レンズ効果が発生すると、レーザ光のピーク出力Ｐｐ１が当初のピーク出力Ｐｐ０から低下する。また、レーザ光の光スポットＬＳ１は、初期の光スポットＬＳ０よりもやや広がった状態となる。ピーク出力が熱レンズ効果によって低下すると、スパークプラグ６０の中心電極２０に中心電極チップ２２を溶接する際に、その溶接部の溶け込み深さが不十分になるという不具合が発生する可能性がある。接地電極３０に接地電極チップ３２を溶接する際も同様である。熱レンズ効果補償部１１０は、このピーク出力の低下ΔＰｐ（＝Ｐｐ０−Ｐｐ１）を補償する機能を有する。

【0026】

図４は、第１実施形態の熱レンズ効果補償部１１０による補償機能を示す説明図である。図４（Ａ），（Ｂ）は図３（Ａ），（Ｂ）と同じであり、図４（Ｃ），（Ｄ）の補償前の空間プロファイルＬＰ１及び光スポットＬＳ１も図３（Ｃ），（Ｄ）における空間プロファイルＬＰ１及び光スポットＬＳ１と同じである。熱レンズ効果補償部１１０は、熱レンズ効果発生後において、空間プロファイルＬＰ１のピーク出力Ｐｐ１が、熱レンズ効果の無い場合のピーク出力Ｐｐ０に近づくように補償を実行する。この結果、補償後のピーク出力Ｐｐｃは、熱レンズ効果の無い場合のピーク出力Ｐｐ０に十分に近い値となる。第１実施形態では、熱レンズ効果の補償は、固体レーザ光源２００の出力を増加することによって実現される。従って、図４（Ｄ）に示す光スポットＬＳ１も、熱レンズ効果の補償によって、やや大きな光スポットＬＳ１ｃとなる。

【0027】

図５は、温度測定部５００の温度測定値Ｔｃと、レーザ光のピーク出力Ｐｐと、固体レーザ光源２００に供給される制御信号Ｓｄの時間変化の一例を示すタイミングチャートである。制御部１００から固体レーザ光源２００に供給される制御信号Ｓｄ（図５（Ｃ））は、１つの被加工物ＷＫを溶接するための１つの加工期間において、複数のパルスが間欠的に発生するパルス状の信号である。例えば、１パルスのオン期間の長さは３〜６ミリ秒に設定され、パルスのオフ期間の長さは４０〜５０ミリ秒に、１回の加工期間のパルス数は１０〜１５個に設定される。１つの被加工物ＷＫのための加工期間が終了すると、一定の休止期間が設定され、休止期間の後に次の加工期間が設定される。休止期間の長さは、例えば約２秒に設定される。こうして固体レーザ光源２００が使用されると、固体レーザ媒質２２０内の温度分布に偏りが生じて熱レンズ効果が発生し、レーザ光のピーク出力Ｐｐが下降する（図５（Ｂ））。なお、休止期間では、固体レーザ媒質２２０内の温度分布が均一化されるので、熱レンズ効果によるピーク出力Ｐｐの低下もやや緩和される。温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃ（図５（Ａ））は、加工期間において徐々に上昇し、休止期間に入ると若干低下するが、次の加工期間において温度測定値Ｔｃは再び上昇する。このように、温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃは、上昇と下降を繰り返しながら全体としては徐々に上昇する。

【0028】

温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃの変化は、固体レーザ光源２００内の固体レーザ媒質２２０における温度を模擬したものとして使用し得る。そこで、熱レンズ効果補償部１１０は、この温度測定値Ｔｃを用いて熱レンズ効果を補償することが可能である。

【0029】

図６は、熱レンズ効果を補償した場合における温度測定値Ｔｃとレーザ光のピーク出力Ｐｐと制御信号Ｓｄの時間変化の一例を示すタイミングチャートである。温度測定値Ｔｃとピーク出力Ｐｐの変化のうち、実線は熱レンズ効果の補償を行わない場合の変化を示し、一点鎖線は熱レンズ効果の補償を行った場合の変化を示している。熱レンズ効果の補償を行わない場合の変化は図５と同じである。熱レンズ効果補償部１１０の働きによって熱レンズ効果が補償されると、固体レーザ光源２００に供給される制御信号Ｓｄ（図６（Ｃ））が徐々に増加し、これによってレーザ光のピーク出力Ｐｐが補償されて、その初期値に近い値に維持される。なお、図６は、３つのパラメータＴｃ，Ｐｐ，Ｓｄの厳密な関係を示したものでは無く、それらの変化を単に模式的に示したものである。

【0030】

図７は、温度測定値Ｔｃと熱レンズ効果の補償係数Ｋｃとの関係の一例を示すグラフである。横軸は温度測定部５００で測定された温度測定値Ｔｃであり、縦軸は補償係数Ｋｃである。図７の例では、補償係数Ｋｃは、温度測定値Ｔｃのみに応じて決定される。具体的には、例えば、温度測定値Ｔｃが予め定められた基準温度Ｔｃ０以下の場合には補償係数Ｋｃは１．０であり、基準温度Ｔｃ０を越えると、温度測定値Ｔｃが高くなるに従って補償係数Ｔｃが大きくなるように両者の関係Ｇ１１が設定されている。但し、温度測定値Ｔｃが或る高温閾値（図示省略）以上になった場合には、補償係数Ｔｃが漸減するように設定してもよい。図５で説明したように、固体レーザ光源２００を使用すると、温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃが上昇し、また、熱レンズ効果によってレーザ光のピーク出力Ｐｐも低下するので、温度測定値Ｔｃとピーク出力Ｐｐとの間に正の相関関係が成立する場合がある。このような場合には、図７に示すように、熱レンズ効果の補償係数Ｋｃを、温度測定値Ｔｃのみに応じて決定することが可能である。温度測定値Ｔｃは、一定時間毎（例えば制御信号Ｓｄの１パルス毎）に再測定されることが好ましい。

【0031】

なお、温度測定値Ｔｃと補償係数Ｋｃとの関係は、図７に破線で示す階段状の関係Ｇ１２として設定することも可能である。こうすれば、熱レンズ効果をより簡易に行うことが可能である。なお、熱レンズ効果補償部１１０は、図７に示したような関係Ｇ１１，Ｇ１２を、関数の形式で格納しておいてもよく、或いは、テーブルの形式で格納しておいてもよい。これは後述する他の関係についても同様である。

【0032】

図７で例示した関係Ｇ１１，Ｇ１２を一般化すれば、補償係数Ｋｃは、次の（２．１）式に示すように、温度測定値Ｔｃのみに依存する関数ｆ１（Ｔｃ）で表すことが可能である。
Ｋｃ＝ｆ１（Ｔｃ） …（２．１）
なお、補償係数Ｋｃは１．０以上の値とすることが好ましい。

【0033】

前述したように、熱レンズ効果補償部１１０は、上記（２．１）式に従って、予め設定された補正前の出力指令値Ｐｃ０に補償係数Ｋｃを乗ずることによって補正出力指令値Ｐｃを算出する。この補正出力指令値Ｐｃは、出力制御部１２０において、固体レーザ光源２００の出力のフィードバック制御における目標値として利用される。より具体的に言えば、補正出力指令値Ｐｃが大きくなると、図６（Ｃ）に示したようにレーザの制御信号Ｓｄの信号レベルが高くなり、これに伴って固体レーザ光源２００の出力も増大する。この結果、熱レンズ効果によるレーザ光のピーク出力Ｐｐの低下を補償することができる。また、固体レーザ光源２００の出力を補正出力指令値Ｐｃに応じた出力に維持することができる。

【0034】

図８は、温度測定値Ｔｃの温度上昇率ΔＴｃと熱レンズ効果の補償係数Ｋｃとの関係の一例を示すグラフである。横軸は温度測定部５００で測定された温度測定値Ｔｃの温度上昇率ΔＴｃ（単位時間当たりの温度変化量）であり、縦軸は補償係数Ｋｃである。図８の例では、補償係数Ｋｃは、温度上昇率ΔＴｃのみに応じて決定される。具体的には、例えば、温度上昇率ΔＴｃが予め定められた基準値ΔＴｃ０以下の場合には補償係数Ｋｃは１．０であり、基準値ΔＴｃ０を越えると、温度上昇率Ｔｃが高くなるに従って補償係数Ｔｃが大きくなるように両者の関係Ｇ２１が設定されている。図５及び図６で説明したように、固体レーザ光源２００を使用すると、温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃが上昇し、また、熱レンズ効果によってレーザ光のピーク出力Ｐｐも低下する。熱レンズ効果は、固体レーザ媒質２２０内の温度分布の偏りに起因するので、温度上昇率ΔＴｃとピーク出力Ｐｐとの間に正の相関関係が成立する場合がある。このような場合には、図８に示すように、熱レンズ効果の補償係数Ｋｃを、温度上昇率ΔＴｃのみに応じて決定することが可能である。温度上昇率ΔＴｃは、一定時間毎（例えば制御信号Ｓｄの１パルス毎）に再計算されることが好ましい。

【0035】

なお、温度上昇率ΔＴｃと補償係数Ｋｃとの関係は、図８に破線で示す階段状の関係Ｇ２２として設定することも可能である。図８で例示した関係Ｇ２１，Ｇ２２を一般化すれば、補償係数Ｋｃは、次の（２．２）式に示すように、温度上昇率ΔＴｃのみに依存する関数ｆ２（ΔＴｃ）で表すことが可能である。
Ｋｃ＝ｆ２（ΔＴｃ） …（２．２）

【0036】

図９は、補償係数テーブルの一例を示す説明図である。この補償係数テーブルＣＴ１は、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎと、加工開始後の温度測定値Ｔｃの両方に依存して補償係数Ｋｃを決定するテーブルである。ここで、「加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎ」とは、図６（Ｃ）に示した各加工期間の開始時における温度測定値Ｔｃの値を意味する。この補償係数テーブルＣＴ１では、加工開始後の温度測定値Ｔｃが同じ（例えば２００℃）であっても、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎが小さいほど補償係数Ｋｃの値が大きな値となる。この理由は、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎからの温度上昇が大きいほど、固体レーザ媒質２２０内の温度分布の偏りが大きく、熱レンズ効果も大きいと考えられるからである。

【0037】

図９の補償係数テーブルＣＴ１を一般化すれば、補償係数Ｋｃは、次の（２．３）式に示すように、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎと、加工開始後の温度測定値Ｔｃに依存する関数ｆ３（Ｔｃｉｎ，Ｔｃ）で表すことが可能である。
Ｋｃ＝ｆ３（Ｔｃｉｎ，Ｔｃ） …（２．３）
なお、１回の加工期間の中におけるレーザ光のピーク出力Ｐｐの変化が十分に小さい場合には、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎのみに依存して補償係数Ｋｃを決定してもよい。

【0038】

図１０は、補償係数テーブルの他の例を示す説明図である。この補償係数テーブルＣＴ２は、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎと、加工開始後の温度上昇率ΔＴｃの両方に依存して補償係数Ｋｃを決定するテーブルである。この補償係数テーブルＣＴ２では、加工開始時の温度Ｔｃｉｎが同じであれば、加工開始後の温度上昇率ΔＴｃが大きいほど補償係数Ｋｃが大きな値となる。また、加工開始後の温度上昇率ΔＴｃが同じ（例えば１２０ｄｅｇ／ｓ）であれば、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎが高いほど補償係数Ｋｃの値が小さな値となる。後者の理由は、加工開始時の温度測定値Ｔｃｉｎが高ければ、同じ温度上昇率ΔＴｃでもそれらの比ΔＴｃ／Ｔｃｉｎの値が小さいので、固体レーザ媒質２２０内の温度分布の偏りがより小さく、熱レンズ効果もより小さいと考えられるからである。

【0039】

図１０の補償係数テーブルＣＴ２を一般化すれば、補償係数Ｋｃは、次の（２．４）式に示すように、加工開始時の温度上昇率ΔＴｃｉｎと、加工開始後の温度上昇率ΔＴｃに依存する関数ｆ４（Ｔｃｉｎ，ΔＴｃ）で表すことが可能である。
Ｋｃ＝ｆ４（Ｔｃｉｎ，ΔＴｃ） …（２．４）

【0040】

上述した（２．１）〜（２．４）式を更に一般化すれば、熱レンズ効果を補償するための補償係数Ｋｃは、温度測定部５００で得られる温度測定値Ｔｃと、温度上昇率ΔＴｃと、加工開始時の温度Ｔｃｉｎと、のうちの少なくとも１つに依存する関数ｆ５で表すことが可能である。
Ｋｃ＝ｆ５（Ｔｃ，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ） …（２．５）
なお、３つの変数Ｔｃ，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎのうち、温度測定値Ｔｃと温度上昇率ΔＴｃは、一定時間毎（例えば制御信号Ｓｄの１パルス毎）に更新される値であり、加工開始時の温度Ｔｃｉｎは加工開始時に１回測定される値である。

【0041】

これらの３つのパラメータＴｃ，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎは、いずれも温度測定部５００の被照射部５１０の温度特性を示す値である点で共通しているので、本明細書では、これらを「温度特性値」とも呼ぶ。すなわち、「温度特性値」という用語は、温度測定部５００の温度測定値Ｔｃと、温度上昇率ΔＴｃと、加工開始時の温度Ｔｃｉｎとを包括する用語である。なお、「温度特性値」は、これらの３つのパラメータＴｃ，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ以外のパラメータを含んでいても良く、被照射部５１０の温度特性を示す他の種々の値やその変化を含み得る。また、「温度特性値」は、温度や温度上昇率の値自体で表現されていてもよく、或いは、それらを示す電圧値やデジタル値で表現されていてもよい。

【0042】

上述した図７〜図１０に示した関係やテーブル、及び上記（２．１）〜（２．５）式の関数のいずれが最も好ましいかについては、固体レーザ媒質２２０の熱特性や被照射部５１０の熱特性に依存する。従って、固体レーザ媒質２２０と被照射部５１０の具体的な組合せに応じて、好ましい関係、テーブル、又は関数が実験的に選択される。なお、これらの関係、テーブル、及び関数のいずれを用いて補償係数Ｋｃを算出した場合にも、熱レンズ効果補償部１１０は、上述した（１）式に従って補正出力指令値Ｐｃを算出することが可能である。

【0043】

このように、第１実施形態のレーザ加工装置８００は、熱レンズ効果補償部１１０が、熱レンズ効果によるレーザ光のピーク出力の低下量を補償する補償係数Ｋｃと、温度測定部で測定される温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）との予め求められた関係を使用して補償係数Ｋｃの値を決定するとともに、決定された補償係数Ｋｃを使用してレーザ光のピーク出力の低下を補償する。このレーザ加工装置８００によれば、温度測定部５００で測定された温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）に基づいてレーザ光のピーク出力を補償することができ、この結果、望ましい加工を達成することができる。

【0044】

Ｂ．第２実施形態
図１１は、本発明の第２実施形態としてのレーザ加工装置８００ａの構成を示す説明図である。図１に示した第１実施形態との違いは、収束レンズ駆動機構３５２とスポット径検出器６００とが追加されている点、及び、制御部１００ａ内の熱レンズ効果補償部１１０ａの機能が変更されている点だけであり、他の構成や機能は第１実施形態とほぼ同じである。

【0045】

収束レンズ駆動機構３５２は、収束レンズ３５０の倍率を変更して、加工に使用されるレーザ光の収束径を変更する機能を有する。例えば、収束レンズ駆動機構３５２は、収束レンズ３５０の位置を移動させることによってその倍率を変更することができる。

【0046】

スポット径検出器６００は、加工に使用されるレーザ光の光束径を検出する機能を有する。図１１の例では、光ファイバ３６０の入射面でレーザ光の一部が反射して、収束レンズ３５０とビームスプリッタ３３０とミラー３２０とを透過してスポット径検出器６００に入射する。なお、通常は、光ファイバ３６０の入射面においてレーザ光を集光するように収束レンズ３５０が設定されている。スポット径検出器６００は、スポット径検出器６００への入射光の像から、光ファイバ３６０の入射面に形成される光スポットの直径Ｄｓ（「スポット径Ｄｓ」と呼ぶ）を検出する。スポット径検出器６００としては、例えば２次元ＣＣＤカメラを利用することが可能である。こうして得られたスポット径Ｄｓは、熱レンズ効果補償部１１０ａに与えられる。なお、スポット径検出器６００は、スポット径Ｄｓの代わりに、スポット径検出器６００の入射光の画像そのものを熱レンズ効果補償部１１０ａに供給してもよい。この場合には、熱レンズ効果補償部１１０ａが、スポット径検出器６００から与えられた画像からスポット径Ｄｓを決定する。

【0047】

なお、第２実施形態では、出力制御部１２０は、熱レンズ効果補償部１１０ａから補正出力指令値Ｐｃを受信しないので、予め設定された出力指令値Ｐｃ０を目標出力として、固体レーザ光源２００のフィードバック制御を行う。

【0048】

図１２は、第２実施形態の熱レンズ効果補償部１１０ａによる補償機能を示す説明図であり、第１実施形態の図４に対応する図である。図１２（Ａ），（Ｂ）は図４（Ａ），（Ｂ）と同じであり、光スポットＬＳ０は直径Ｄ０を有する。図１２（Ｃ），（Ｄ）の補償前の空間プロファイルＬＰ１及び光スポットＬＳ１も、図４（Ｃ），（Ｄ）の補償前の空間プロファイルＬＰ１及び光スポットＬＳ１と同じであり、光スポットＬＳ１は直径Ｄ１を有する。この直径Ｄ１は、熱レンズ効果の無い場合の直径Ｄ０よりも大きくなる傾向にある。熱レンズ効果補償部１１０は、熱レンズ効果発生後において、空間プロファイルＬＰ１のピーク出力Ｐｐ１が、熱レンズ効果の無い場合のピーク出力Ｐｐ０に近づくように補償を実行する。この結果、補償後のピーク出力Ｐｐｄは、熱レンズ効果の無い場合のピーク出力Ｐｐ０に十分に近い値となる。

【0049】

第２実施形態では、熱レンズ効果の補償は、収束レンズ５３０の倍率を調整することによって実現される。例えば、熱レンズ効果補償部１１０ａは、以下の（３）式に従って、基準倍率Ｍ０を補償係数Ｋｃで除算することによって収束レンズ５３０の倍率Ｍを決定する。
Ｍ＝Ｍ０／Ｋｃ …（３）
ここで、基準倍率Ｍ０は、熱レンズ効果が無い場合における収束レンズ５３０の倍率である。

【0050】

収束レンズ５３０の倍率をＭとすると、収束レンズ５３０に入射するレーザ光束の径Ｄｉｎと、収束レンズ５３０で収束されたレーザ光束の径Ｄｃｏの関係は次の（４）式で与えられる。
Ｄｃｏ＝Ｄｉｎ×Ｍ …（４）
通常は、収束レンズ５３０の倍率Ｍの値は１．０未満であり、収束後の光束径Ｄｃｏは収束前の光束径Ｄｉｎよりも小さい。

【0051】

熱レンズ効果補償部１１０ａは、第１実施形態と同様に、温度測定部５００で得られた温度測定値Ｔｃに応じて補償係数Ｋｃを決定する。但し、第２実施形態で使用される補償係数Ｋｃの値は、第１実施形態で使用される補償係数Ｋｃの値とは異なる値であり、上記（３）式に適合するように予め決定された値である。なお、第２実施形態においても、補償係数Ｋｃは１．０以上の値に設定されることが好ましい。従って、熱レンズ効果がない場合には収束レンズ５３０の倍率Ｍが最も大きな値（＝基準倍率Ｍ０）となり、熱レンズ効果を補償する場合には倍率Ｍが小さくなるように調整される。この結果、熱レンズ効果を補償した後の光スポットＬＳ１ｄの直径Ｄ１ｄ（図１２（Ｄ））は、補償前の光スポットＬＳ１の直径Ｄ１よりも小さくなる。

【0052】

図１３は、温度測定値Ｔｃと収束レンズ５３０の倍率Ｍとの関係の一例を示すグラフであり、第１実施形態の図７に対応する図である。横軸は温度測定部５００で測定された温度測定値Ｔｃであり、縦軸は倍率Ｍである。倍率Ｍは、上述した（３）式に従って決定される。図１３の例では、補償係数Ｋｃは温度測定値Ｔｃのみに応じて決定されており、倍率Ｍも温度測定値Ｔｃのみに依存する。但し、第１実施形態の図８〜図１０及び上述の（２．１）〜（２．５）式で説明したように、一般に、熱レンズ効果によるレーザ光のピーク出力の低下量を補償する補償係数Ｋｃと、温度測定部５００で測定される温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）との予め求められた関係を使用して補償係数Ｋｃの値を決定することが可能である。

【0053】

なお、図１３の例では、補償係数Ｋｃを用いて収束レンズ５３０の倍率Ｍを決定するものとしていたが、補償係数Ｋｃを用いること無く、温度測定部５００で測定される温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）から収束レンズ５３０の倍率Ｍを直接決定することも可能である。この場合には、熱レンズ効果によるレーザ光のピーク出力の低下量を補償するのに適した倍率Ｍと、温度測定部５００で測定される温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）との関係を予め求めておくことが好ましい。

【0054】

熱レンズ効果補償部１１０ａは、スポット径検出器６００から与えれるスポット径Ｄｓを受けて、決定された倍率Ｍが得られているか否かを判定することが可能である。但し、倍率Ｍの値と、収束レンズ駆動機構３５２に与える制御信号Ｓ３５０の信号レベルとの関係が十分に信頼できるものである場合には、スポット径検出器６００は省略してもよい。

【0055】

このように、第２実施形態も第１実施形態と同様に、温度測定部５００で測定された温度特性値（Ｔｃ，，ΔＴｃ，Ｔｃｉｎ等）に基づいてレーザ光のピーク出力を補償することができ、これによって望ましい加工を達成することが可能である。また、第２実施形態では、熱レンズ効果補償部１１０ａは、補償係数Ｋｃの値に応じて収束レンズ３５０の倍率Ｍを調整して収束レンズ３５０で収束されたレーザ光の収束径を変更するので、固体レーザ光源２００の出力指令値を変更するのとは異なる手段によってレーザ光のピーク出力を補償することが可能である。

【0056】

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

【0057】

・変形例１：
レーザ加工装置の構成としては、図１や図１１に示したもの以外の種々の構成を適用することが可能である。また、被加工物ＷＫとしては、スパークプラグ以外の任意の被加工物を利用可能である。

【符号の説明】

【0058】

１０…絶縁体
２０…中心電極
２２…中心電極チップ
３０…接地電極
３２…接地電極チップ
４０…端子金具
５０…主体金具
５２…先端部
５４…ねじ部
６０…スパークプラグ
１００，１００ａ…制御部
１１０，１１０ａ…熱レンズ効果補償部
１２０…出力制御部
２００…固体レーザ光源
２１１，２１２…共振器
２２０…固体レーザ媒質
３００…光学系
３１０，３２０…ミラー
３３０，３４０…ビームスプリッタ
３５０…収束レンズ
３５２…収束レンズ駆動機構
３６０…光ファイバ
４００…出力検出器
５００…温度測定部
５１０…被照射部
５３０…収束レンズ
６００…スポット径検出器
８００，８００ａ…レーザ加工装置

【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】