特開 2022-167534 レーザ光軸調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022167534

(43)【公開日】2022-11-04

(54)【発明の名称】レーザ光軸調整方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/035 20140101AFI20221027BHJP

   B23K 26/042 20140101ALI20221027BHJP

【ＦＩ】

B23K26/035

B23K26/042

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021073382

(22)【出願日】2021-04-23

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】傍島 駿介

(72)【発明者】

【氏名】浅井 皓平

(72)【発明者】

【氏名】政近 諄

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD07

4E168AD11

4E168CA02

4E168CA06

4E168CB12

4E168CB19

4E168DA29

4E168EA04

4E168EA14

4E168EA15

(57)【要約】      （修正有）

【課題】レーザ光軸の調整を容易に行うことができるようにする。
【解決手段】初期調整時において、基準部２２に対してプロファイラを位置決めする位置決め手順と、プロファイラによるレーザ光軸の検出位置に基づいて光学部３により形成されたレーザ光軸の姿勢が規定姿勢となるように調整する調整手順とを実行する。これにより、復元性だけを保証できる従来手法とは異なり、初期調整を簡易化することができ、故障時などに保全の容易化を図ることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器（２）から出力されたレーザ光のレーザ光軸を空間上で形成する光学部（３）と、
前記光学部を構成する光学素子に対して高精度に位置決めされた基準部（２２）と、
レーザ光を受光する受光部（３４）と、を備え、
前記基準部に対して前記受光部を位置決めする位置決め手順と、
前記受光部によるレーザ光の受光位置に基づいてレーザ光軸の姿勢が規定姿勢となるように前記光学部を調整する光軸調整手順と、
を実行するレーザ光軸調整方法。

【請求項2】

前記光軸調整手順は、少なくとも２箇所の位置でレーザ光軸の姿勢を調整する請求項１に記載のレーザ光軸調整方法。

【請求項3】

前記光学部によるレーザ光軸の姿勢を電気的に調整する調整部（３９）と、
レーザ光の一部を分岐レーザ光として分岐することで分岐レーザ光軸を空間上に形成する分岐光学部（４０）と、
前記分岐光学部により分岐された分岐レーザ光軸の位置を検出する第２受光部（４３，４５）と、を備え、
前記第２受光部による分岐レーザ光軸の検出位置に基づいてレーザ光軸が規定姿勢となるように前記調整部を制御する光軸自動調整手順を実行する請求項１又は２に記載のレーザ光軸調整方法。

【請求項4】

前記第２受光部は、分岐レーザ光軸の位置を少なくとも２箇所で検出するように設けられている請求項３に記載のレーザ光軸調整方法。

【請求項5】

前記第２受光部までの分岐レーザ光軸の距離を延長する延長部（４６）を備えた請求項４に記載のレーザ光軸調整方法。

【請求項6】

前記受光部は、受光したレーザ光の形状を検出可能であり、
前記受光部により検出されたレーザ光の形状に基づいてレーザ光軸の姿勢が規定姿勢となるように前記光学部を調整する第２光軸調整手順を実行する請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ光軸調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光軸調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高出力な短パルスレーザ加工装置のニーズが年々高まっており、自動車部品、セラミック製品、半導体関係などで広く採用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】２０２０－１９９５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

高出力短パルスのレーザ加工の特徴として、不可視のレーザ光をミラーの組み合わせにより空間伝送することを挙げることができる。これは、レーザ光をファイバにより伝送しようとすると、レーザ光によりファイバ自体が熱加工されてしまう等の問題があるためである。

【0005】

このような空間伝送のレーザ加工装置で難しい点は、調整時にレーザ光軸が規定の姿勢となるように高精度に調整することである。一般的には不可視のレーザ光線の調整は危険作業であるため、レーザ光軸の調整に時間を要する。
また、レーザ光をレンズで集光した後のレーザ光軸の調整についても危険作業であり、被加工物の加工痕を確認しながらの調整が必要である。このため、レーザ光軸の調整に多大の時間が要するという問題がある。

【0006】

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザ光軸の調整を容易に行うことができるレーザ光軸調整方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１の発明によれば、基準部（２２）に対して受光部（３４）を位置決めする位置決め手順と、受光部によるレーザ光の受光位置に基づいて光学部（３）により形成されたレーザ光軸の姿勢が規定姿勢となるように調整する光軸調整手順とを実行する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係るレーザ加工装置の斜視図

【図2】ミラー調整治具の斜視図

【図3】エキスパンダー調整治具の斜視図

【図4】プロファイラの斜視図

【図5】レーザ光軸の調整を説明するための図

【図6】第２実施形態に係るレーザ加工装置の平面図

【図7】変形実施形態に係る分岐レーザ光軸を示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。複数の実施形態において、機能的または構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する場合がある。

【0010】

（第１実施形態）
以下、レーザ加工装置に適用した第１実施形態について図１から図５を参照して説明する。
レーザ加工装置１は、レーザ発振器２、光学部３、ガルバノスキャナ４から構成されている。レーザ発振器２は高出力な短パルスレーザ光を出力するディスクレーザであるが、ディスクレーザに限定されることなく被加工物のレーザ加工に適したレーザ発振器を用いることができる。

【0011】

光学部３は高精度のベース５上に構築されており、光学部３によりレーザ発振器２から出射されたレーザ光のレーザ光軸が形成される。レーザ発振器２からのレーザ光軸上には図示しない回転マウントに装着された１／２波長板が配置されている。１／２波長板は、入射した直線偏光のレーザ光を偏光方位が直交する２つの偏光に分解し１８０°位相をずらした状態で出射する偏光状態調整機能を有する。１／２波長板から出射された２つの偏光方位は直交しているので、合成した偏光は直線偏光となる。この場合、２つの偏光の強度は１／２波長板の回転位置に応じて相対的に変わるので、レーザ光の偏光方位を任意に調整することができる。

【0012】

１／２波長板の後方となるレーザ光軸上には第１ミラー部６が配置され、当該第１ミラー部６で直交方向に折曲されたレーザ光軸上には第２ミラー部７が配置されている。第１ミラー部６と第２ミラー部７は同一構成であるので、第２ミラー部７について説明する。
図２に示すように第２ミラー部７は、マウント８に搭載されている。このマウント８は、ベース９上に当該ベース９に対して複数のマイクロメータ１０により位置及び回転方向を相対的に微調整可能な調整マウント１１を搭載して構成されている。調整マウント１１にはミラーホルダ１２が搭載されており、当該ミラーホルダ１２にミラー１３が基準姿勢となるように弾性的に保持されている。ミラーホルダ１２には複数の調整ツマミ１４が設けられており、当該調整ツマミ１４によりミラー１３の煽り角を基準姿勢から微調整可能となっている。尚、図２には後述するミラー調整治具が示されている。

【0013】

図１に示すように第２ミラー部７の後方となるレーザ光軸上にはエキスパンダー１５が配置されている。このエキスパンダー１５は発散角の調整機能を有する。
図３に示すようにエキスパンダー１５は、マウント１６に搭載されている。このマウント１６は、ベース１７にＸ，Ｙ，Ｘθ，Ｙθ補正が可能な調整マウント１８を搭載して構成されている。尚、図３では、後述するエキスパンダー調整治具が示されている。

【0014】

図１に示すようにエキスパンダー１５の後方となるレーザ光軸上にはムービングレンズ１９が配置されている。このムービングレンズ１９はガルバノスキャナ４の入射部を構成しており、ガルバノスキャナ４が有する制御機能によりレーザ光軸に沿って移動制御される。

【0015】

ムービングレンズ１９の後方となるレーザ光軸上にはガルバノスキャナ４が配置されている。ガルバノスキャナ４はベース５に固定されたマウント２０に装着されており、ベース５の外方となる位置で下方を臨んでいる。ガルバノスキャナ４は、図示しない複数のスキャンミラー及び結像レンズから構成されており、ガルバノスキャナ４の下方の加工位置に配置された被加工物２１に対するレーザ光軸の姿勢を制御する。

【0016】

被加工物２１に対して照射されるレーザ光は、ガルバノスキャナ４が有する制御機能により実行されるムービングレンズ１９との協調動作により加工点で集光するように制御される。これにより、被加工物２１に対してレーザ加工が行われる。レーザ加工とは表面加工や孔加工であり、孔加工は貫通孔でも非貫通孔でもよいし、貫通孔による被加工物２１の切断加工であってもよい。

【0017】

さて、上記構成のレーザ加工装置１を製作するには、光学部３をベース５上の規定位置に組み付けて行うが、規定位置に組み付けただけでは、光学部３により形成されるレーザ光軸を高精度に規定姿勢とすることは困難である。そこで、本実施形態では、初期調整時において、レーザ光軸が規定姿勢となるように光学部３を構成する各光学素子を高精度で位置決めするようにした。

【0018】

即ち、ベース５には光学部３を構成する各光学素子に対応して、図２に示すように高精度のＬ字形状の基準部２２がノックピン２３による高精度な位置決め状態で固定されている。
まず、図２に示すミラー調整治具２４を用いて第１ミラー部６及び第２ミラー部７を規定位置に高精度で位置決めする。ミラー調整治具２４は、精密加工されたマウント２５に精密加工されたホルダ２６をボルト２７によりネジ止めして構成されている。ホルダ２６の先端部には傾斜面２８が形成されている。傾斜面２８の水平方向はホルダ２６の指向方向に対して４５°傾斜し、垂直方向はベース５の垂直面に一致している。

【0019】

まず、ミラー調整治具２４のベースの角部が第１ミラー部６に対応する基準部２２の内側となる角部に密着するように位置決めする。これにより、ミラー調整治具２４が高精度で位置決めされる。
次に、ミラーホルダ１２の前面がホルダ２６の傾斜面２８に密着するように調整ツマミ１４によりミラー１３の煽り角を調整する。これにより、第１ミラー部６の位置及び姿勢を高精度で規定位置及び規定姿勢となるように調整することができる。
同様にして、ミラー調整治具２４を用いて第２ミラー部７の位置及び姿勢を高精度に調整する。

【0020】

エキスパンダー１５を規定位置に位置決めするには、図３に示すエキスパンダー調整治具２９を使用する。このエキスパンダー調整治具２９は、精密加工されたマウント３０に精密加工されたホルダ３１をボルト３２によりネジ止めして構成されている。ホルダ３１の先端上面部にはエキスパンダー１５の先端形状に対応する形状の受け部３３が形成されている。

【0021】

エキスパンダー１５に対応する基準部２２に密着するようにマウント３０を位置決めすることで、エキスパンダー調整治具２９が高精度で位置決めされる。エキスパンダー１５は、調整マウント１８のＸ，Ｙ，Ｘθ，Ｙθ補正機能によりレーザ光軸に対するエキスパンダー１５の位置及び姿勢を調整可能であると共に発散角を調整可能である。したがって、エキスパンダー１５をホルダ３１の受け部３３に密着させるように調整することで、エキスパンダー１５の位置及び姿勢を高精度で調整することができる。

【0022】

以上のようにして、基準付き各調整治具により各ミラー部６，７やエキスパンダー１５やエキスパンダー１５の位置や姿勢を高精度で調整することができる。しかしながら、このような高精度の調整であってもレーザ加工装置１で必要となる機械精度保証レベルを得ることは困難である。機械精度保証レベルとは例えば±０．０５ｍｍ程度である。

【0023】

そこで、図４に示すＣＣＤ式プロファイラ３４を用いることで機械精度保証レベルを保証するようにした。
まず、被加工物２１の直前となるレーザ光軸上に対応する基準部２２にプロファイラ３４のベース３５を密着させて高精度に位置決めする位置決め手順を実行する。
次に、レーザ光軸の検出位置がプロファイラ３４の中心位置となるように各ミラー部６，７やエキスパンダー１５の位置や姿勢を調整する光軸調整手順を実行する。つまり、図５に示すようにプロファイラ３４をベース上に装着された基準部２２に密着するように位置決めすることで、プロファイラ３４が高精度で位置決めされる。プロファイラ３４が受光部に相当する。

【0024】

ここで、プロファイラ３４によりレーザ光軸の位置を１か所で検出して調整する場合は、プロファイラ３４の中心にレーザ光軸が位置するように調整するにしても、レーザ光軸が正面ではなく斜めから入射した可能性も否定できないことから、レーザ光軸に沿った２箇所でレーザ光軸の位置を検出して合わせこむことで機械精度保証レベルを保証するようにした。

【0025】

ベース５には図示しないカバーが装着されており、レーザ発振器２とガルバノスキャナ４が接続部材３６，３７を介してカバー内を臨んでいる。ベース５とカバーと接続部材３６，３７との間には密閉空間が形成されており、当該密閉空間部はエアパージされることで光学部３は高清浄空間に配置されている。
尚、各ミラー部６，７によりレーザ光が反射される部位に対応して図示しない遮光板が配置されている。この遮光板は、ミラーの損傷などによる不測の事故を防止するために配置されている。

【0026】

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
初期調整時において、基準部２２に対してプロファイラ３４を位置決めする位置決め手順と、プロファイラ３４によるレーザ光軸の検出位置に基づいて光学部３により形成されたレーザ光軸の姿勢が規定姿勢となるように光学部３を調整する光軸調整手順とを実行するようにしたので、復元性だけを保証できる従来手法とは異なり、初期調整を簡易化することができ、故障時などに保全の容易化を図ることができる。
２箇所でレーザ光軸を調整するようにしたので、本来のレーザ光軸の姿勢とは異なった姿勢のレーザ光軸に基づいて初期調整を誤って行う恐れを排除することができる。

【0027】

（第２実施形態）
第２実施形態について図６及び図７を参照して説明する。この第２実施形態は、レーザ光軸を自動的に調整する機能を有していることを特徴とする。
レーザ加工装置１では、初期調整時において光学素子の故障などでレーザ光軸にずれが生じないことを保証したり、ミラー交換などでの光軸調整のやり直しを予防したり、運用時において成り行きによりレーザ光軸が変動しないことを保証したりすることが重要である。

【0028】

このような事情から、本実施形態では、運用時において、レーザ光軸の位置を動的に検出し、レーザ光軸が規定姿勢となるように自動的に調整するようにした。
図６に示すように第１ミラー部６及び第２ミラー部７のミラーホルダ１２には調整ツマミに代えてポスト３８が装着されており、そのポスト３８の頭部にピエゾモータ式の煽り角調整モータ３９が装着されている。この煽り角調整モータ３９を電気的に制御することによりミラー１３の煽り角を調整可能である。この場合、第１ミラー部６と第２ミラー部７とではミラー１３の煽り方向が互いに直交するように調整される。これにより、第１ミラー部６と第２ミラー部７のミラー１３の各ミラー１３の煽り角を調整することで第２ミラー部７の後方となるレーザ光軸の姿勢を調整可能となっている。煽り角調整モータ３９が調整部に相当する。

【0029】

第２ミラー部７の後方となるレーザ光軸上には偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter））４０が配置されている。このＰＢＳ４０は、入射するレーザ光の一部を直交する方向に分岐することで分岐レーザ光軸を形成する。この場合、上述した１／２波長板を回転することによりＰＢＳ４０に入射するレーザ光の偏光方位が変化するので、入射するレーザ光に対する分岐レーザの分岐比を調整することができる。本実施形態では、分岐比が約０．５％となるように設定している。つまり、ＰＢＳ４０に入射するレーザ光の９９．５％がＰＢＳ４０を通過するが、後述するように分岐レーザ光の強度を検出可能であれば分岐比をどのように設定してもよい。ＰＢＳ４０が分岐光学部に相当する。

【0030】

ＰＢＳ４０により形成される分岐レーザ光軸上にはミラー４１が配置されており、当該ミラー４１により分岐レーザ光軸が直交方向に反射される。ミラー４１により反射される分岐レーザ光軸上にはＰＢＳ４２が配置されている。このＰＢＳ４２は、入射するレーザを直交方向に反射する第１分岐レーザ光と通過する第２分岐レーザ光とに分岐する。この場合、ＰＢＳ４２に入射する分岐レーザ光を１／４波長板により円偏光とすることで、分岐レーザ光の偏光方位にかかわらず第１分岐レーザ光と第２分岐レーザ光との強度を一致させることができる。

【0031】

第１分岐レーザ光軸上には第１検出器４３が配置されている。第２分岐レーザ光軸上にはミラー４４が配置されており、このミラー４４により第２分岐レーザ光軸が直交方向に変更される。ミラー４４により折曲された第２分岐レーザ光軸上には第２検出器４５が配置されている。第１検出器４３及び第２検出器４５は、第１分岐レーザ光軸及び第２分岐レーザ光軸の位置を検出する。第１検出器４３及び第２検出器４５が第２受光部に相当する。

【0032】

第１検出器４３及び第２検出器４５はクオドラントＰＤ（Photodiode）式であり、検出信号を図示しない制御装置に出力する。クオドラントＰＤは中心位置を中心として配置された４個のＰＤから構成されており、レーザ光の受光位置が中心位置の場合に４個のＰＤから信号強度が同一の検出信号が出力される。制御装置は、第１検出器４３及び第２検出器４５から出力される検出信号に基づいて後述するように第１ミラー部６及び第２ミラー部７に装着された煽り角調整モータ３９を電気的に制御する。つまり、クオドラントＰＤからの検出信号に基づいてレーザ光軸が中心位置となるように制御する光軸自動調整手順を実行する。

【0033】

このような実施形態によれば、運用時において、各クオドラントＰＤによる分岐レーザ光の受光位置に基づいてレーザ光軸が規定姿勢となるように煽り角調整モータ３９を制御するので、レーザ品質の向上を図ることができ、プロファイラ３４の出し入れや加工点へのプロファイラ３４の配置を必要とせずリアルタイムでモニタリングできると共に、高精度な合わせこみを行うことができる。
尚、クオドラントＰＤに代えて、プロファイラ３４を用いるようにしてもよい。

【0034】

（その他の実施形態）
図７に示すように第２検出器４５までの距離を複数のミラー４６により拡大するようにしてもよい。この場合、成り行き光軸を復元する場合の保証の信頼性を高めることができ、超高精度測定への拡張を図ることができる。ミラー４６が延長部に相当する。ミラーに代えて全反射プリズムを用いたり、全反射プリズム内で往復反射させたりしてもよい。

【0035】

レーザ光軸の姿勢のみを評価するのではなく、真円度の補正なども評価して光学部３を調整する第２光軸調整手順を実行するようにしてもよい。つまり、プロファイラ３４の検出対象として、ビームの真円度等を含むようにすることで、加工点側に設けたものも含んで狙いに追従させるように、エキスパンダー１５等の各光学素子に設けたＸ，Ｙ，Ｘθ，Ｙθ補正や発散角の調整機構にフィードバックさせるシステムに拡張できる。

【0036】

プロファイラ３４に代えて、ＩＲカードを用いるようにしてもよい。
プロファイラ３４により３箇所以上でレーザ光軸を検出するようにしてもよい。
低精度でよければ通常のマウントから各調整治具を製作するようにしてもよい。
短パルスレーザに限らず、一般の空間伝送のレーザを用いるようにしてもよい
レーザ加工装置に限定されることなく、レーザを用いる装置であればどのような装置にも適用してもよい。

【0037】

本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【符号の説明】

【0038】

図面中、１はレーザ加工装置、３は光学部、２２は基準部、３４はプロファイラ（受光部）、３９は煽り角調整モータ、４０はＰＢＳ（分岐光学部）、４３は第１検出器（第２受光部）、４５は第２検出器（第２受光部）、４６はミラー（延長部）である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】