特許 6851862 レーザ加工機、及び、その制御方法

(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】6851862

(24)【登録日】2021年3月12日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】レーザ加工機、及び、その制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/046 20140101AFI20210322BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20210322BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/046

   H01S3/00 B

   H01S3/067

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-41945(P2017-41945)

(22)【出願日】2017年3月6日

(65)【公開番号】特開2018-144073(P2018-144073A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2019年11月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】大庭 康弘

【審査官】 奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５３５３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６６３４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

Ｈ０１Ｓ ３／００

Ｈ０１Ｓ ３／０６７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機を制御する制御方法であって、
上記集光レンズ又は上記加工対象物を移動することによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を変化させる移動工程と、
上記レーザパルスを上記加工対象物に照射すると共に、上記レーザパルスを上記加工対象物が反射することにより生じた反射パルスを検出する照射検出工程と、
上記移動工程の後に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形と、上記移動工程の前に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形とを比較することによって、上記移動工程により上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを、含んでおり、
上記判定工程において、今回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスのパルス幅が前回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスのパルス幅よりも狭いときに、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が上記最適値に近づいたと判定する、
ことを特徴とする制御方法。

【請求項2】

集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機を制御する制御方法であって、
上記集光レンズ又は上記加工対象物を移動することによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を変化させる移動工程と、
上記レーザパルスを上記加工対象物に照射すると共に、上記レーザパルスを上記加工対象物が反射することにより生じた反射パルスを検出する照射検出工程と、
上記移動工程の後に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形と、上記移動工程の前に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形とを比較することによって、上記移動工程により上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを、含んでおり、
上記判定工程において、今回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスの立下りエッジ幅が前回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスの立下りエッジ幅よりも狭いときに、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が上記最適値に近づいたと判定する、
ことを特徴とする制御方法。

【請求項3】

前回実施した照射検出工程にて上記レーザパルスの照射を終了してから、今回実施した照射検出工程にて上記レーザパルスの照射を開始するまでの時間は、前回実施した照射検出工程にて溶融した加工対象物の表面が凝固するまでに要する時間よりも長い、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。

【請求項4】

上記集光レンズと上記加工対象物とを近づけながら、又は、上記集光レンズと上記加工対象物とを遠ざけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を設定する設定工程を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の制御方法。

【請求項5】

集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機を制御する制御方法であって、
上記集光レンズ又は上記加工対象物を移動することによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を変化させる移動工程と、
上記レーザパルスを上記加工対象物に照射すると共に、上記レーザパルスを上記加工対象物が反射することにより生じた反射パルスを検出する照射検出工程と、
上記移動工程の後に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形と、上記移動工程の前に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形とを比較することによって、上記移動工程により上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを、含んでおり、
上記集光レンズと上記加工対象物とを近づけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物まで距離を設定する第１設定工程と、
上記第１設定工程を実施する前、又は、上記第１設定工程を実施した後に、上記集光レンズと上記加工対象物とを遠ざけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を設定する第２設定工程と、
上記第１設定工程及び上記第２設定工程を実施した後に、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を、上記第１設定工程にて設定された距離と上記第２設定工程にて設定された距離との中間値に設定する第３設定工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする制御方法。

【請求項6】

上記加工対象物において上記第１設定工程でレーザパルスが照射される箇所と、上記加工対象物において上記第２設定工程でレーザパルスが照射される箇所とが異なる、
ことを特徴とする請求項５に記載の制御方法。

【請求項7】

集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機を制御する制御方法であって、
上記集光レンズ又は上記加工対象物を移動することによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を変化させる移動工程と、
上記レーザパルスを上記加工対象物に照射すると共に、上記レーザパルスを上記加工対象物が反射することにより生じた反射パルスを検出する照射検出工程と、
上記移動工程の後に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形と、上記移動工程の前に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形とを比較することによって、上記移動工程により上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを、含んでおり、
上記集光レンズと上記加工対象物とを近づけながら、又は、上記集光レンズと上記加工対象物とを遠ざけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を設定する設定工程を含んでおり、
上記加工対象物においてレーザパルスが照射される箇所がサイクル毎に異なる、
ことを特徴とする制御方法。

【請求項8】

上記レーザパルスは、ＭＯＰＡ型のファイバレーザにより生成されたものであり、
上記照射検出工程において、ＰＡ部の出力端から分岐した戻り光に含まれる反射パルスを検出する、
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の制御方法。

【請求項9】

上記レーザパルスは、ＭＯＰＡ型のファイバレーザにより生成されたものであり、
上記照射検出工程において、ＭＯ部の出力端とＰＡ部の入力端との間から分岐した戻り光に含まれる反射パルスを検出する、
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の制御方法。

【請求項10】

集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機であって、請求項１〜９の何れか１項に記載の制御方法を実施する制御部を備えている、ことを特徴とするレーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機、及び、その制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

材料加工の分野では、近年、レーザ加工機が広く用いられている。レーザ加工機を用いた材料加工では、ファイバレーザ等のレーザ装置にて生成されたレーザ光を、集光レンズを用いて集光して加工対象物に照射する。このようなレーザ加工機を用いて、効率的かつ高精度な加工を実現するためには、加工対象物の表面におけるレーザ光のスポットサイズを最小化するように、集光レンズから加工対象物までの距離を最適化する制御が重要になる。

【0003】

このような制御方法を開示した文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、レーザパルスを加工対象物が反射することにより生じた反射パルスの強度の時間積分値に基づいて、集光レンズから加工対象物までの距離を最適化する制御方法が示されている。特許文献１に記載の制御方法では、集光レンズから加工対象物までの距離を変えながら反射パルスの強度を測定し、その時間積分値が最小なる距離を最適距離としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１３−５３５３４０号公報（２０１３年９月１２日公表）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の制御方法は、「加工対象物の表面におけるレーザパルスのスポットサイズが小さくなるほど、反射パルスの強度の時間積分値が小さくなる」という傾向が成り立つことを前提としている。しかしながら、加工対象物の材質又は表面状態によっては、このような傾向が成り立たない、すなわち、特許文献１に記載の制御方法を用いて集光レンズから加工対象物までの距離を最適値に近づけることができないことを、本願発明者は見出した。

【0006】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工対象物の材質及び表面状態によらず、集光レンズから加工対象物までの距離を最適値に近づけることが可能なレーザ加工機の制御方法を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明に係る制御方法は、集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機を制御する制御方法であって、上記集光レンズ又は上記加工対象物を移動することによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を変化させる移動工程と、上記レーザパルスを上記加工対象物に照射すると共に、上記レーザパルスを上記加工対象物が反射することにより生じた反射パルスを検出する照射検出工程と、上記移動工程の後に実施された上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形と、上記移動工程の前に実施された前回実施した上記照射検出工程にて検出された上記反射パルスの時間波形とを比較することによって、上記移動工程により上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを、含んでいる、ことを特徴とする。

【0008】

上記の構成によれば、上記判定工程における判定結果に基づいて、加工対象物の材質及び表面状態によらず、集光レンズから加工対象物までの距離を最適値に近づけることが可能になる。

【0009】

本発明に係る制御方法において、前回実施した照射検出工程にて上記レーザパルスの照射を終了してから、今回実施した照射検出工程にて上記レーザパルスの照射を開始するまでの時間は、前回実施した照射検出工程にて溶融した加工対象物の表面が凝固するまでに要する時間よりも長い、ことが好ましい。

【0010】

上記の構成によれば、凝固した加工対象物がレーザパルスを反射することによる生じる反射パルスの時間波形同士を上記判定工程において比較することができる。このため、上記移動工程により集光レンズから加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを、より正確に判定することが可能になる。

【0011】

本発明に係る制御方法においては、上記判定工程において、今回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスのパルス幅が前回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスのパルス幅よりも狭いときに、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が上記最適値に近づいたと判定する、ことが好ましい。

【0012】

上記構成によれば、上記移動工程により集光レンズから加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを、簡単かつ正確に判定することができる。

【0013】

本発明に係る制御方法においては、上記判定工程において、今回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスの立下りエッジ幅が前回実施した照射検出工程にて検出された上記反射パルスの立下りエッジ幅よりも狭いときに、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離が上記最適値に近づいたと判定する、ことが好ましい。

【0014】

上記構成によれば、上記移動工程により集光レンズから加工対象物までの距離が最適値に近づいたか否かを、簡単かつ正確に判定することができる。

【0015】

本発明に係る制御方法は、上記集光レンズと上記加工対象物とを近づけながら、又は、上記集光レンズと上記加工対象物とを遠ざけながら、上記移動工程、上記照射工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を設定する設定工程を含んでいる、ことが好ましい。

【0016】

上記の構成によれば、集光レンズから加工対象物までの距離を最適値に精度良く近づけることができる。

【0017】

本発明に係る制御方法は、上記集光レンズと上記加工対象物とを近づけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物まで距離を設定する第１設定工程と、上記第１設定工程を実施する前、又は、上記第１設定工程を実施した後に、上記集光レンズと上記加工対象物とを遠ざけながら、上記移動工程、上記照射検出工程、及び上記判定工程を含むサイクルを繰り返すことによって、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を設定する第２設定工程と、上記第１設定工程及び上記第２設定工程を実施した後に、上記集光レンズから上記加工対象物までの距離を、上記第１設定工程にて設定された距離と上記第２設定工程にて設定された距離との中間値に設定する第３設定工程と、を含んでいる、ことが好ましい。

【0018】

上記の構成によれば、集光レンズから加工対象物までの距離をより精度良く最適値に近づけることができる。

【0019】

本発明に係る制御方法においては、上記加工対象物において上記第１設定工程でレーザパルスが照射される箇所と、上記加工対象物において上記第２設定工程でレーザパルスが照射される箇所とが異なる、ことが好ましい。

【0020】

上記の構成によれば、加工対象物において後に実施される設定工程でレーザパルスを照射する箇所が、先に実施される設定工程で照射されたレーザパルスにより荒らされているという事態を避けることができる。このため、上記第１設定工程と上記第２設定工程とを同様の条件で実施することができ、その結果、集光レンズから加工対象物までの距離を最適値により精度良く近づけることができる。

【0021】

本発明に係る制御方法においては、上記加工対象物においてレーザパルスが照射される箇所がサイクル毎に異なる、ことが好ましい。

【0022】

上記の構成によれば、加工対象物において後に実施されるサイクルでレーザパルスを照射する箇所が、先に実施されるサイクルで照射されたレーザパルスにより荒らされているという事態を避けることができる。このため、各サイクルを同様の条件で実施することができ、その結果、集光レンズから加工対象物までの距離を最適値により精度良く近づけることができる。

【0023】

上記レーザパルスは、ＭＯＰＡ型のファイバレーザにより生成されたものであり、上記照射検出工程において、ＰＡ部の出力端から分岐した戻り光に含まれる反射パルス、又は、ＭＯ部の出力端とＰＡ部の入力端との間から分岐した戻り光に含まれる反射パルスを検出する、ことが好ましい。

【0024】

上記の構成によれば、反射パルスを効果的に検出することができる。

【0025】

なお、集光レンズを透過したレーザパルスを用いて加工対象物を加工するレーザ加工機であって、上記の制御方法を実施する制御部を備えているレーザ加工機についても、本発明の範疇に含まれる。

【発明の効果】

【0026】

本発明の一態様によれば、加工対象物の材質及び表面状態によらず、集光レンズから加工対象物までの距離を最適化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の構成を示すブロック図である。

【図2】（ａ）は、図１に示すレーザ加工機が備えるファイバレーザの第１の具体例を示すブロック図であり、（ｂ）は、図１に示すレーザ加工機が備えるファイバレーザの第２の具体例を示すブロック図である。

【図3】（ａ）は、図１に示すレーザ加工機が備えるファイバレーザの第３の具体例を示すブロック図であり、（ｂ）は、図１に示すレーザ加工機が備えるファイバレーザの第４の具体例を示すブロック図である。

【図4】図１に示すレーザ加工機におけるフォーカス調整処理の流れを示すフローチャートである。

【図5】（ａ）は、図１に示すレーザ加工機から出力されるレーザパルスの時間波形を示すグラフである。（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示すレーザパルスを加工対象物が反射することにより生じた反射パルスの時間波形を示すグラフである。

【図6】図１に示すレーザ加工機の動作例を示す図である。（ａ）は、反射パルスのパルス幅Ｗ１をサイクル毎に示すグラフであり、（ｂ）は、集光レンズとワークとの位置関係をサイクル毎に示す模式図である。

【図7】図１に示すレーザ加工機の動作例であって、集光レンズからワークまでの距離を次第に長くする動作Ａと、集光レンズからワークまでの距離を次第に短くする動作Ｂとを行う第１の動作例を示す図である。

【図8】図１に示すレーザ加工機の動作例であって、集光レンズからワークまでの距離を次第に長くする動作Ａと、集光レンズからワークまでの距離を次第に短くする動作Ｂとを行う第２の動作例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

〔レーザ加工機の構成〕
本発明の一実施形態に係るレーザ加工機１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、レーザ加工機１の構成を示すブロック図である。

【0029】

レーザ加工機１は、レーザパルスを用いてワーク２（特許請求の範囲における「加工対象物」）を加工するための装置であり、図１に示すように、レーザ装置１１、レーザヘッド１２、スタンド１３、ステージ１４、及び加工機制御部１５を備えている。

【0030】

レーザ装置１１は、レーザパルスを生成するための構成である。本実施形態において、レーザ装置１１は、（１）レーザパルスを生成するファイバレーザ１１１と、（２）ファイバレーザ１１１を制御するレーザ装置制御部１１２と、により構成されている。ファイバレーザ１１１は、反射パルスを電流信号に変換するフォトダイオードＰＤを含んでおり、レーザ装置制御部１１２は、ファイバレーザ１１１を制御する機能に加えて、フォトダイオードＰＤにて得られた電流信号を参照して後述する判定工程を実施する機能を有している。レーザ装置１１にて生成されたレーザパルスは、デリバリファイバＤＦを介してレーザヘッド１２に供給される。なお、フォトダイオードＰＤを含むファイバレーザ１１１の構成例については、参照する図面を代えて後述する。

【0031】

レーザヘッド１２は、レーザ装置１１にて生成されたレーザパルスをワーク２に照射するための構成である。本実施形態において、レーザヘッド１２は、（１）デリバリファイバＤＦから出射されたレーザパルスを、発散光から平行光に変換するコリメートレンズ１２１と、（２）コリメートレンズ１２１を透過したレーザパルスの進行方向を、図示した座標系においてｘ軸正方向からｚ軸負方向に変換するミラー１２２と、（３）ミラー１２２にて反射されたレーザパルスを、平行光から収束光に変換する集光レンズ１２３と、により構成されている。集光レンズ１２３を透過したレーザパルスは、ワーク２の表面に照射される。

【0032】

レーザヘッド１２は、スタンド１３によって、図示した座標系においてｚ軸と平行な方向に移動可能に保持されており、ワーク２は、ステージ１４によって、図示した座標系においてｘｙ面と平行な方向に移動可能に保持されている。加工機制御部１５は、スタンド１３を制御することによって、レーザヘッド１２をｚ軸と平行な方向に移動すると共に、ステージ１４を制御することによって、ワーク２をｘｙ平面と平行な方向に移動することができる。

【0033】

レーザ加工機１は、ワーク２の加工を開始する前にフォーカス調整処理を実施する。このフォーカス調整処理は、（１）集光レンズ１２３からワーク２までの距離を変化させる移動工程と、（２）レーザパルスをワーク２に照射する照射工程と、（３）レーザパルスをワーク２が反射することにより生じた反射パルスを検出する検出工程と、（４）移動工程により集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程とを含むサイクルを、判定工程における判定結果が「偽」になるまで繰り返すことによって実現される。

【0034】

本実施形態において、移動工程は、スタンド１３が、加工機制御部１５による制御に従い、レーザヘッド１２をｚ軸と平行な方向に移動させることによって実現される。また、照射工程は、ファイバレーザ１１１が、レーザ装置制御部１１２による制御に従い、レーザパルスを生成することによって実現される。また、検出工程は、反射パルスをフォトダイオードＰＤが電流信号に変換すると共に、この電流信号をレーザ装置制御部１１２が取得することによって実現される。また、判定工程は、レーザ装置制御部１１２が、現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの時間波形（すなわち、フォトダイオードＰＤから取得した電流信号の時間波形）と前サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの時間波形とを比較することによって実現される。なお、フォーカス調整処理の具体例については、参照する図面を代えて後述する。

【0035】

判定工程において集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定方法としては、例えば、（ａ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅が前サイクルの照射検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅よりも狭いときに、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定する方法、又は、（ｂ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅が前サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅よりも狭いときに、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定する判定方法などが挙げられる。なお、このような判定方法により集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定することが可能な理由については、参照する図面を代えて後述する。

【0036】

なお、本実施形態においては、スタンド１３を用いてレーザヘッド１２をｚ軸と平行な方向に移動させることによって、集光レンズ１２３からワーク２の表面までの距離を変化させる構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、ステージ１４を用いてワーク２をｚ軸と平行な方向に移動させることによって、集光レンズ１２３からワーク２の表面までの距離を変化させる構成を採用してもよい。

【0037】

また、本実施形態においては、ステージ１４を用いてワーク２をｘｙ面と平行な方向に移動させることによって、ワーク２の表面においてレーザパルスが照射される位置を変化させる構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、スタンド１３を用いてレーザヘッド１２をｘｙ面と平行な方向に移動させることによって、ワーク２の表面においてレーザパルスが照射される位置を変化させる構成を採用してもよい。

【0038】

〔ファイバレーザの構成例〕
図１に示すレーザ加工機１が備えるファイバレーザ１１１の構成例について、図２及び図３を参照して説明する。

【0039】

図２の（ａ）は、ファイバレーザ１１１の第１の構成例を示すブロック図であり、図２の（ｂ）は、ファイバレーザ１１１の第２の構成例を示すブロック図である。

【0040】

図２の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１は、何れも、レーザ光を生成するＭＯ（Master Oscillator）部ＭＯと、ＭＯ部ＭＯにて生成されたレーザ光を増幅するＰＡ（Power amplifier）部ＰＡと、ＰＡ部ＰＡにて増幅されたレーザ光をレーザヘッド１２に導くデリバリファイバＤＦと、を備えたＭＯＰＡ型のファイバレーザである。

【0041】

ＭＯ部ＭＯは、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、シード光源として機能するレーザダイオードＬＤ１により構成されている。レーザダイオードＬＤ１は、電流源Ｉ１から供給された駆動電流を用いて、レーザ光を生成する。レーザダイオードＬＤ１にて生成されたレーザ光は、ＰＡ部ＰＡに供給される。

【0042】

ＰＡ部ＰＡは、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、（１）励起光源として機能する複数のレーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４と、（２）１つの入力ポートがＭＯ部ＭＯ（より具体的には、レーダダイオードＬＤ１）に接続され、残りの入力ポートがレーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４に接続されたポンプコンバイナＰＣと、（３）入射端がポンプコンバイナＰＣの出力ポートに接続された増幅用ファイバＡＦと、を備えている。増幅用ファイバＡＦは、コアに希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバである。

【0043】

ＰＡ部ＰＡの各部は、ＭＯ部ＭＯにて生成されたレーザ光を以下のように増幅する。すなわち、レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４は、電流源Ｉ２から供給された駆動電流を用いて、励起光を生成する。ポンプコンバイナＰＣは、レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４にて生成された励起光を合波すると共に、ＭＯ部ＭＯから供給されたレーザ光を透過する。増幅用ファイバＡＦは、ポンプコンバイナＰＣにて合波された励起光を用いて、ポンプコンバイナＰＣを透過したレーザ光を増幅する。増幅用ファイバＡＦにて増幅されたレーザ光は、デリバリファイバＤＦを介して上述したレーザヘッド１２に供給される。

【0044】

図２の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１は、直接変調方式のファイバ型パルスレーザである。すなわち、一定の駆動電流を電流源Ｉ２からレーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４に供給しながら、あるパルスパターンを有する駆動電流を電流源Ｉ１からレーザダイオードＬＤ１１に供給すると、そのパルスパターンを有するレーザ光がファイバレーザ１１１から出力される。このような電流源Ｉ１及び電流源Ｉ２の制御は、レーザ装置制御部１１２が行う。

【0045】

レーザ加工機１において、ファイバレーザ１１１から出力されたレーザパルスは、レーザヘッド１２を介してワーク２に照射される。そうすると、このレーザパルスをワーク２が反射することにより生じた反射パルスが、レーザヘッド１２を介してレーザ装置１１に入力される。図２の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１は、この反射パルスを検出するための構成として、光カプラＣ及びフォトダイオードＰＤを備えている。

【0046】

図２の（ａ）に示すファイバレーザ１１１において、光カプラＣは、デリバリファイバＤＦと増幅用ファイバＡＦとの間に挿入されており、デリバリファイバＤＦから増幅用ファイバＡＦに進入する反射パルスの一部をフォトダイオードＰＤに導く。フォトダイオードＰＤは、反射パルスを電流信号に変換し、得られた電流信号をレーザ装置制御部１１２に供給する。

【0047】

一方、図２の（ｂ）に示すファイバレーザ１１１において、光カプラＣは、ポンプコンバイナＰＣの入力ポートと低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２との間に挿入されており、ポンプコンバイナＰＣの入力ポートから低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２に進入する反射パルスの一部をフォトダイオードＰＤに導く。フォトダイオードＰＤは、反射パルスを電流信号に変換し、得られた電流信号をレーザ装置制御部１１２に供給する。

【0048】

レーザ装置制御部１１２は、上述したフォーカス調整処理において、フォトダイオードＰＤにて得られた電流信号に基づいて判定工程を実施する。すなわち、現サイクルにてフォトダイオードＰＤから取得した電流信号の時間波形と前サイクルにてフォトダイオードＰＤから取得した電流信号の時間波形とを比較することによって、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する。

【0049】

図３の（ａ）は、ファイバレーザ１１１の第３の構成例を示すブロック図であり、図３の（ｂ）は、ファイバレーザ１１１の第４の構成例を示すブロック図である。

【0050】

図３の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１と同様、レーザ光を生成するＭＯ部ＭＯと、ＭＯ部ＭＯにて生成されたレーザ光を増幅するＰＡ部ＰＡと、ＰＡ部ＰＡにて増幅されたレーザ光をレーザヘッド１２に導くデリバリファイバＤＦと、を備えたＭＯＰＡ型のファイバレーザである。

【0051】

ただし、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１は、Ｑスイッチ方式のファイバ型パルスレーザであり、ＭＯ部ＭＯとＰＡ部ＰＡとの間に音響光学素子ＡＯＭが設けられている。図３の（ａ）及び（ｂ）に示すファイバレーザ１１１では、一定の駆動電流を電流源Ｉ１，Ｉ２からレーザダイオードＬＤ１１〜１５，ＬＤ２１〜ＬＤ２４に供給しながら、あるパルスパターンで音響光学素子ＡＯＭをＯＮ／ＯＦＦ制御すると、そのパルスパターンに対応した共振器のＱ値に応じたレーザ光がファイバレーザ１１１から出力される。このような電流源Ｉ１，Ｉ２及び音響光学素子ＡＯＭの制御は、レーザ装置制御部１１２が行う。

【0052】

〔フォーカス調整処理の具体例〕
図１に示すレーザ加工機１が実施するフォーカス制御処理の具体例について、図４を参照して説明する。図４は、フォーカス調整処理の流れを示すフローチャートである。図４には、加工機制御部１５が制御主体となる工程と、レーザ装置制御部１１２が制御主体となる工程とを、並列的に示している。

【0053】

まず、加工機制御部１５は、動作モードを調整モードに変更することを指示するモード変更指示をレーザ装置制御部１１２に与える（ステップＳ１１）。レーザ装置制御部１１２は、このモード変更指示に応じて、動作モードを通常モードから調整モードに変更すると共に、モード変更完了通知を加工機制御部１５に返す（ステップＳ２１）。レーザ装置制御部１１２は、動作モードの変更を完了すると、加工機制御部１５からのレーザＯＮ指示を待ち受ける（ステップＳ２２：ＮＯ）。

【0054】

加工機制御部１５は、このモード変更完了通知を確認すると、レーザＯＮ指示をレーザ装置制御部１１２に与える（ステップＳ１２）。ファイバレーザ１１１が図２に示す直接変調方式のファイバ型パルスレーザである場合、レーザ装置制御部１１２は、加工機制御部１５からのレーザＯＮ指示に応じて、電流源Ｉ２をＯＮ状態に切り替え、レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４を点灯させる。その後、レーザ装置制御部１１２は、レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４が点灯している状態で、電流源Ｉ１を瞬間的にＯＮ状態に切り替え、レーザダイオードＬＤ１１を瞬間的に点灯させることによって、ファイバレーザ１１１に単一のレーザパルスを出力させる。一方、ファイバレーザ１１１が図３に示すＱスイッチ方式のファイバ型パルスレーザである場合、レーザ装置制御部１１２は、レーザ装置制御部１１２からのレーザＯＮ指示に応じて、電流源Ｉ１，Ｉ２をＯＮ状態に切り替え、レーザダイオードＬＤ１１，ＬＤ２１〜ＬＤ２４を点灯させる。その後、レーザ装置制御部１１２は、レーザダイオードＬＤ１１，ＬＤ２１〜ＬＤ２４が点灯している状態で、音響光学素子ＡＯＭを制御して共振器のＱ値を瞬間的に高い状態に切り替えることによって、ファイバレーザ１１１に単一のレーザパルスを出力させる。これにより、レーザ装置１１にて生成されたレーザパルスを、レーザヘッド１２を用いてワーク２に照射する照射工程と、レーザパルスをワーク２が反射することにより生じた反射パルスを、フォトダイオードＰＤを用いて検出する検出工程とが実行される（ステップＳ２３）。

【0055】

その後、加工機制御部１５は、レーザＯＦＦ指示をレーザ装置制御部１１２に与える（ステップＳ１３）。レーザ装置制御部１１２は、このレーザＯＦＦ指示に応じて、電流源Ｉ２をＯＦＦ状態に切り替え、レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２４を消灯する。その後、レーザ装置制御部１１２は、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する判定工程を実行すると共に、判定結果を加工機制御部１５に通知する（ステップＳ２５）。判定工程において、レーザ装置制御部１１２は、現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの時間波形と前サイクルの検出工程にて検出された反射パルスとを比較することによって、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する。より具体的には、（ａ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅Ｗ１が前サイクルの照射検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅Ｗ１よりも狭いとき、又は、（ｂ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２が前サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２よりも狭いときに、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定する。

【0056】

レーザ装置制御部１１２から通知された判定結果の真偽値が前サイクルの判定結果と同じく「真」である場合、すなわち、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づきつつある場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、加工機制御部１５は、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を変化させる移動工程を実行する（ステップＳ１５）。そして、加工機制御部１５は、移動工程の実行を完了すると、再度、レーザＯＮ指示をレーザ装置制御部１１２に与える（ステップＳ１２）。この場合、上述したステップＳ１２〜Ｓ１４、Ｓ２２〜Ｓ２５が繰り返される。

【0057】

一方、レーザ装置制御部１１２から通知された判定結果の真偽値が前サイクルの判定結果と異なり「偽」である場合、すなわち、集光レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値を超えて小さく又は大きくなり過ぎた場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、加工機制御部１５は、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を前サイクルの検出工程を実施したときの距離に戻す移動工程を実行する（ステップＳ１６）。そして、加工機制御部１５は、動作モードを通常モードに変更することを指示するモード変更指示をレーザ装置制御部１１２に与える（ステップＳ１７）。レーザ装置制御部１１２は、このモード変更指示に応じて、動作モードを通常モードから調整モードに変更する（ステップＳ２６）。これにより、フォーカス制御処理が完了する。

【0058】

なお、上述したフォーカス調整処理においては、各サイクルの照射工程においてワーク２の同じ箇所にレーザパルスが照射される構成を採用しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、各サイクルの照射工程においてワーク２の異なる箇所にレーザパルスが照射される構成を採用してもよい。後者の構成を採用する場合、加工機制御部１５は、レーザヘッド１２をｚ軸と平行な方向に移動することによって、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を変化させる際に、ワーク２をｘｙ平面と平行な方向に移動することによって、ワーク２においてレーザパルスが照射される箇所を変化させるようにすればよい。

【0059】

また、上述したフォーカス調整処理においては、判定工程における判定結果が「真」である場合、現サイクルにおける照射工程を終了した後、直ちに次サイクルにおける照射工程を開始する構成を採用しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、判定工程における判定結果が「真」である場合、現サイクルにおける照射工程を終了した後、所定の待機時間が経過してから次サイクルにおける照射工程を開始する構成を採用してもよい。後者の構成を採用する場合、上記の待機時間は、現サイクルの照射工程にて溶融したワーク２の表面が凝固するまでに要する時間よりも長いことが好ましい。なお、各サイクルの照射工程にて溶融したワーク２の表面が凝固するまでに要する時間は、レーザパルスのパルス幅と同程度である。このため、上記の待機時間は、レーザパルスのパルス幅の２倍以上であることが好ましく、レーザパルスのパルス幅の３倍以上であることが更に好ましい。

【0060】

図５の（ａ）は、レーザ加工機１が出力するレーザパルスの時間波形を示すグラフであり、図５の（ｂ）は、レーザパルスがワーク２の表面で合焦していないときの反射パルスの時間波形を示すグラフであり、図５の（ｃ）は、レーザパルスがワーク２の表面で合焦しているときの反射パルスの時間波形を示すグラフである。

【0061】

図５の（ａ）及び（ｂ）を参照すると、レーザパルスがワーク２の表面で合焦していないときの反射パルスの時間波形は、相対パワーで見るとレーザパルスの時間波形と形状が同一であることが分かる。一方、図５の（ａ）及び（ｃ）を参照すると、レーザパルスがワーク２の表面で合焦しているときの反射パルスの時間波形は、相対パワーで見てもレーザパルスの時間波形と形状が異なり、レーザパルスの時間波形の広がりが小さくなっていることが分かる。例えば、反射パルスのパルス幅Ｗ１及び立下りエッジ幅Ｗ２は、レーザパルスがワーク２の表面で合焦しているときの方が、レーザパルスが加工対象２の表面で合焦していないときよりも小さくなっている。このような違いが生じる理由は、レーザパルスがワーク２の表面で合焦していないときには、レーザパルスがワーク２に吸収されない（そのエネルギーがワーク２を溶融するために消費されない）のに対して、レーザパルスがワーク２の表面で合焦しているときには、レーザパルスがワーク２に吸収される（そのエネルギーがワーク２を溶融するために消費される）からであると考えられる。

【0062】

図５からも明らかなように、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づけば近づくほど、すなわち、レーザパルスの焦点が加工対処物２の表面に近づけば近づくほど、反射パルスの時間波形の広がりが小さくなる。このため、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かは、反射パルスの時間波形の広がりが小さくなったか否かに応じて判定することができる。例えば、（ａ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅Ｗ１が前サイクルの照射検出工程にて検出された反射パルスのパルス幅Ｗ１よりも狭いとき、又は、（ｂ）現サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２が前サイクルの検出工程にて検出された反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２よりも狭いときに、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定することができるのは、このためである。

【0063】

なお、図５においては、パワーがピークパワーの５０％以上になる時間幅をパルス幅Ｗ１としているが、下限値の取り方は任意である。すなわち、パワーがピークパワーの４０％以上になる時間幅をパルス幅Ｗ１としても、あるいは、パワーがピークパワーの６０％以上にはる時間幅をパルス幅Ｗ１としても、上述した結論が得られる。したがって、パルス幅Ｗ１は、α（０＜α＜１００）を予め定められた定数として、パワーがピークパワーのα％以上になる時間幅と一般化することができる。ただし、αを３０≦α≦７０以下とすることによって、レーザパルスの時間波形を適切に反映したパルス幅Ｗ１を得ることができる。

【0064】

また、図５においては、パワーがピークパワーの９０％からピークパワーの１０％にまで低下するのに要する時間を立下りエッジ幅Ｗ２としているが、上限値及び下限値の取り方は任意である。すなわち、パワーがピークパワーの８５％からピークパワーの１５％にまで低下するのに要する時間を立下りエッジ幅Ｗ２としても、あるいは、パワーがピークパワーの９５％からピークパワーの５％にまで低下するのに要する時間を立下りエッジ幅Ｗ２としても、上述した結論が得られる。したがって、立下りエッジ幅Ｗ２は、β１及びβ２（０＜β１＜β２＜１００）を予め定められた定数として、パワーがピークパワーのβ２％からピークパワーのβ１％にまで低下するのに要する時間と一般化することができる。

【0065】

図６は、図１に示すレーザ加工機１の第１の動作例を示す図である。図６において、（ａ）は、反射パルスのパルス幅Ｗ１をサイクル毎に示すグラフであり、（ｂ）は、集光レンズ１２３とワーク２との位置関係を示す模式図である。本動作例は、図６の（ｂ）に示すように、集光レンズ１２３を加工対象物１２３に次第に近づけていく場合、特に、ワーク２の表面においてレーザパルスを合焦させる集光レンズ１２３の位置がＮ＝４のサイクルにおける集光レンズ１２３の位置の近傍にある場合の動作例である。

【0066】

Ｎ＝１からＮ＝４までのサイクルにおいては、図６の（ａ）に示すように、現サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ１が前サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ２よりも小さくなる。このため、Ｎ＝１からＮ４までのサイクルにおいては、図６の（ｂ）に示すように、集光レンズ１２３をワーク２に近づける移動工程が実施され、次サイクルにおける集光レンズ１２３からワーク２までの距離が現サイクルにおける集光レンズ１２３から加工対象物までの距離よりも短くなる。一方、Ｎ＝５のサイクルにおいては、図６の（ａ）に示すように、現サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ１が前サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ１よりも大きくなる。このため、Ｎ＝５のサイクルにおいては、図６の（ｂ）に示すように、集光レンズ１２３をＮ＝４のサイクルにおける位置に戻す移動工程が実施され、本サイクルをもってフォーカス調整処理が終了する。これにより、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を、最適値に近い値に設定することができる。

【0067】

なお、本動作例は、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を次第に短くする場合の動作例であるが、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を変化させる方法はこれに限定されない。すなわち、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を次第に長くする場合であっても、レーザ加工機１は、本動作例と同様に動作する。

【0068】

また、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を次第に長くする動作Ａと、集光レンズ１２３からワーク２までの距離を次第に短くする動作Ｂとをそれぞれ実施し、動作Ａにより設定された集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＡと、動作Ｂにより設定された集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＢとの中間値（例えば、平均値）を、最終的な集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚとして設定してもよい。動作Ａによる距離ＺＡの設定と、動作Ｂによる距離ＺＢの設定とは、距離Ｚを設定する前に実施されていればよく、動作Ａによる距離ＺＡの設定を終えてから動作Ｂによる距離ＺＢの設定を実施してもよいし、動作Ｂによる距離ＺＢの設定を終えてから動作Ａによる距離ＺＡの設定を実施してもよい。

【0069】

動作Ａ及び動作Ｂの両方を行う場合の第１の動作例を図７に示す。図７に示す動作例は、ワーク２において動作Ａに際してレーザパルスを照射する場所と動作Ｂに際してレーザバルスを照射する場所とが同じ場合の動作例である。動作Ａにおいては、集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚを、ＺＡ１→ＺＡ２→ＺＡ３と次第に大きくする。このとき、反射パルスのパルス幅Ｗ１は、ＷＡ１→ＷＡ２→ＷＡ３と変化し、３サイクル目でパルス幅Ｗ１が減少から増加に転じる。したがって、動作Ａにより得られる集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＡは、２サイクル目の位置ＺＡ２となる。一方、動作Ｂにおいては、集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚを、ＺＢ１→ＺＢ２→ＺＢ３→ＺＢ４と次第に小さくする。このとき、反射パルスのパルス幅Ｗ１は、ＷＢ１→ＷＢ２→ＷＢ３→ＷＢ４と変化し、４サイクル目でパルス幅Ｗ１が減少から増加に転じる。したがって、動作Ｂにより得られる集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＡは、３サイクル目の位置ＺＢ３となる。したがって、図７に示す動作例における最終的な集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚは、Ｚ＝（ＺＡ２＋ＺＢ３）／２となる。

【0070】

動作Ａ及び動作Ｂの両方を行う場合の第２の動作例を図８に示す。図８に示す動作例は、ワーク２において動作Ａに際してレーザパルスを照射する場所と動作Ｂに際してレーザバルスを照射する場所とが異なる場合の動作例である。動作Ａにおいては、集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚを、Ｚ１→Ｚ２→Ｚ３→Ｚ４と次第に大きくする。このとき、反射パルスのパルス幅Ｗ１は、Ｗ１１→Ｗ１２→Ｗ１３→Ｗ１４と変化し、４サイクル目でパルス幅Ｗ１が減少から増加に転じる。したがって、動作Ａにより得られる集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＡは、３サイクル目の位置Ｚ３となる。一方、動作Ｂにおいては、集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚを、Ｚ６→Ｚ５→Ｚ４→ＺＢ３と次第に小さくする。このとき、反射パルスのパルス幅Ｗ１は、Ｗ１１→Ｗ１２→ＷＢ１３→ＷＢ１４と変化し、４サイクル目でパルス幅Ｗ１が減少から増加に転じる。したがって、動作Ｂにより得られる集光レンズ１２３からワーク２までの距離ＺＡは、３サイクル目の位置Ｚ４となる。したがって、図８に示す動作例における最終的な集光レンズ１２３からワーク２までの距離Ｚは、Ｚ＝（Ｚ３＋Ｚ４）／２となる。

【0071】

また、本動作例は、現サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ１が前サイクルにおいて検出した反射パルスのパルス幅Ｗ１よりも狭いときに、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定する場合の動作例であるが、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたか否かを判定する方法は、これに限定されない。すなわち、現サイクルにおいて検出した反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２が前サイクルにおいて検出した反射パルスの立下りエッジ幅Ｗ２よりも狭いときに、レンズ１２３からワーク２までの距離が最適値に近づいたと判定する場合であっても、レーザ加工機１は、本動作例と同様に動作する。

【0072】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0073】

１ レーザ加工機
２ ワーク（加工対象物）
１１ レーザ装置
１１１ ファイバレーザ
１１２ レーザ装置制御部
１２ レーザヘッド
１３ スタンド
１４ ステージ
１５ 加工機制御部
１２３ 集光レンズ
ＭＯ ＭＯ部
ＰＡ ＰＡ部
Ｗ１ パルス幅
Ｗ２ 立下りエッジ幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】