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(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】P2024137383
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/067 20060101AFI20240927BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20240927BHJP
B23K 26/046 20140101ALI20240927BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20240927BHJP
B23K 26/04 20140101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
B23K26/067
B23K26/00 M
B23K26/00 P
B23K26/046
B23K26/064 Z
B23K26/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023048887
(22)【出願日】2023-03-24
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100183265
【弁理士】
【氏名又は名称】中谷 剣一
(72)【発明者】
【氏名】井本 大暉
(72)【発明者】
【氏名】北村 嘉朗
(72)【発明者】
【氏名】森 正裕
(72)【発明者】
【氏名】多谷本 真聡
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD00
4E168CA02
4E168CA03
4E168CA05
4E168CA06
4E168CA11
4E168CB13
4E168CB18
4E168CB22
4E168DA02
4E168DA28
4E168DA33
4E168DA38
4E168DA42
4E168DA43
4E168EA05
4E168EA06
4E168EA13
4E168JA02
4E168JA03
4E168JA04
4E168JA15
4E168JA17
4E168KA10
4E168KA17
4E168KB02
(57)【要約】
【課題】分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させることができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物の加工面に照射してレーザ加工を行う装置であって、レーザ光の光ビームを出射する光源と、光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した光ビームを加工面に集光させる集光レンズと、光軸に沿って入射した光ビームを、光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、集光レンズの加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、回折光学素子の加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物の加工面に照射してレーザ加工を行う装置であって、レーザ光の光ビームを出射する光源と、光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した光ビームを加工面に集光させる集光レンズと、光軸に沿って入射した光ビームを、光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、集光レンズの加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、回折光学素子の加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を加工対象物の加工面に照射してレーザ加工を行う装置であって、
レーザ光の光ビームを出射する光源と、
前記光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した前記光ビームを前記加工面に集光させる集光レンズと、
前記光軸に沿って入射した前記光ビームを、前記光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、
前記集光レンズの前記加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、
前記回折光学素子の前記加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、
を備える、
レーザ加工装置。
レーザ光の光ビームを出射する光源と、
前記光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した前記光ビームを前記加工面に集光させる集光レンズと、
前記光軸に沿って入射した前記光ビームを、前記光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、
前記集光レンズの前記加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、
前記回折光学素子の前記加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、
を備える、
レーザ加工装置。
【請求項2】
前記集光レンズと前記回折光学素子とは、前記光ビームの伝搬方向に沿って順に配置され、
前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットとは、前記集光レンズと前記回折光学素子とのそれぞれを前記光軸に沿って移動させる、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットとは、前記集光レンズと前記回折光学素子とのそれぞれを前記光軸に沿って移動させる、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
レーザ加工中の前記照射ビームの状態を制御する制御システムを更に備え、
前記制御システムは、特性量検出部と、補正量演算装置と、制御部とを含み、
前記特性量検出部は、レーザ加工中の前記照射ビームの状態の変動を示す特性量を検知し、
前記補正量演算装置は、検知された前記特性量に基づき、前記加工面に対する前記照射ビームの集光位置のズレを補正する第１補正量と、前記加工面における前記照射ビームの前記分岐プロファイルの変動を補正する第２補正量とを算出し、
前記制御部は、算出された前記第１補正量と前記第２補正量とに基づいて、前記照射ビームの状態の変動を補正するように、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットとを動作させる、
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
前記制御システムは、特性量検出部と、補正量演算装置と、制御部とを含み、
前記特性量検出部は、レーザ加工中の前記照射ビームの状態の変動を示す特性量を検知し、
前記補正量演算装置は、検知された前記特性量に基づき、前記加工面に対する前記照射ビームの集光位置のズレを補正する第１補正量と、前記加工面における前記照射ビームの前記分岐プロファイルの変動を補正する第２補正量とを算出し、
前記制御部は、算出された前記第１補正量と前記第２補正量とに基づいて、前記照射ビームの状態の変動を補正するように、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットとを動作させる、
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記特性量検出部は、温度センサを備え、前記特性量は前記集光レンズの温度である、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記特性量検出部は、画像検出器を備え、前記特性量は前記加工面における加工スポットの形態である、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項6】
前記特性量検出部は、光センサを備え、前記特性量は、前記加工面により発生されるプラズマ光と、反射光と、熱放射光とのうちの少なくとも１つの少なくとも一部の光量である、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項7】
前記補正量演算装置は、
検出された前記特性量に基づき、前記第１補正量を算出し、
算出された前記第１補正量と前記回折光学素子の前記分岐角度とに基づき、前記第２補正量を算出する、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
検出された前記特性量に基づき、前記第１補正量を算出し、
算出された前記第１補正量と前記回折光学素子の前記分岐角度とに基づき、前記第２補正量を算出する、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項8】
前記第１駆動ユニットは、前記集光レンズ及び前記回折光学素子を前記加工面に対して前記第１補正量を移動させ、
前記第２駆動ユニットは、前記回折光学素子を前記加工面に対して前記第２補正量を移動させる、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記第２駆動ユニットは、前記回折光学素子を前記加工面に対して前記第２補正量を移動させる、
請求項３に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、加工対象物にレーザ光を照射することで加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
材料を加工する技術としてレーザ加工が知られている。レーザ加工では、集光レンズ等を用いて所定の焦点位置に集光させたレーザ光を加工対象物に照射する。また、レーザ光源から出射されるレーザ光ビームを、例えば、回折格子などの回折光学素子を用いて複数の光ビームに分岐することで、所望の分岐光ビームを試料に照射して多点同時に加工を行うものがある。
【0003】
レーザ加工を行う際に、集光レンズがレーザ光を吸収することによってレンズの温度が上昇し、熱レンズ効果と呼ばれる集光位置のズレが発生してしまう現象がある。これにより、レーザ光照射ビームが変動し加工品質の低下が発生する原因となる。そのため、加工レンズの位置を調整することで、熱レンズ効果による集光位置の変動を補正する焦点距離自動調整装置が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１２／１３７５７９Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
レーザ加工の用途において、ビーム分岐光学部品を用いて、単一のレーザ光源からのレーザ光照射ビームを複数に分岐して加工面の所望のスポットに集光して多点を同時に加工する光学系がある。このような光学系において、例えば、特許文献１に開示されたような焦点距離自動調整装置を利用すると、加工レンズの位置調整が、分岐光ビームの分岐幅などに影響を及ぼすため、所望の加工パターンを実現することが困難である。したがって、分岐光ビームを用いたレーザ加工において、加工精度の低下が生じる課題を有している。
【0006】
そこで、本開示は、このような状況を鑑みてなされたものであって、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させ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、本開示の一態様に係るレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物の加工面に照射してレーザ加工を行う装置であって、レーザ光の光ビームを出射する光源と、光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した光ビームを加工面に集光させる集光レンズと、光軸に沿って入射した光ビームを、光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、集光レンズの加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、回折光学素子の加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、を備える。
【0008】
本明細書にいう「分岐プロファイル」とは、レーザ加工に用いられる照射ビームを構成する分岐光ビームの分岐幅、各分岐光ビームの強度分布等を含む光ビームの分岐特性を表すものである。
【発明の効果】
【0009】
本開示の一態様に係るレーザ加工装置によれば、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図
【図3A】熱レンズ効果の発生及び熱レンズ効果に起因した集光位置のズレを概念的に示す図
【図4】実施の形態１に係る集光レンズ温度と照射ビームの集光位置変化量との関係を示す図
【図5】実施の形態１に係る照射ビームの集光位置変化量と分岐プロファイル変動量との関係を示す図
【図6】実施の形態１に係るレーザ加工装置の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャート
【図9】本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図
【図10】加工面における加工スポットの直径と照射ビームの集光位置変化量との関係を示す図
【図13】本開示の実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図
【図14】戻り光の光量と照射ビームの集光位置変化量との関係を示す図
【図17】従来の焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置を示す図
【図18A】分岐光ビームを用いたレーザ加工装置であって、熱レンズ効果が発生したときの照射ビームの例を示す図
【発明を実施するための形態】
【0011】
本開示の第１態様によれば、レーザ光を加工対象物の加工面に照射してレーザ加工を行う装置であって、レーザ光の光ビームを出射する光源と、光ビームが伝搬する光軸に沿って配置され、入射した光ビームを加工面に集光させる集光レンズと、光軸に沿って入射した光ビームを、光軸に対して所定の分岐角度で２つ以上に分岐させ、分岐プロファイルを有する照射ビームを出射する回折光学素子と、集光レンズの加工面に対する照射方向の位置を調整する第１駆動ユニットと、回折光学素子の加工面に対する照射方向の位置を調整する第２駆動ユニットと、を備える、レーザ加工装置を提供する。
【0012】
この態様によれば、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させることができる。
【0013】
本開示の第２態様によれば、集光レンズと回折光学素子とは、光ビームの伝搬方向に沿って順に配置され、第１駆動ユニットと第２駆動ユニットとは、集光レンズと回折光学素子とのそれぞれを光軸に沿って移動させる、第１態様に記載のレーザ加工装置を提供する。
【0014】
本開示の第３態様によれば、レーザ加工中の照射ビームの状態を制御する制御システムを更に備え、制御システムは、特性量検出部と、補正量演算装置と、制御部とを含み、特性量検出部は、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量を検知し、補正量演算装置は、検知された特性量に基づき、加工面に対する照射ビームの集光位置のズレを補正する第１補正量と、加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正する第２補正量とを算出し、制御部は、算出された第１補正量と第２補正量とに基づいて、照射ビームの状態の変動を補正するように、第１駆動ユニットと第２駆動ユニットとを動作させる、第１又は第２態様に記載のレーザ加工装置を提供する。
【0015】
本開示の第４態様によれば、特性量検出部は、温度センサを備え、特性量は集光レンズの温度である、第３態様に記載のレーザ加工装置を提供する。
【0016】
本開示の第５態様によれば、特性量検出部は、画像検出器を備え、特性量は加工面における加工スポットの形態である、第３態様に記載のレーザ加工装置を提供する。
【0017】
本開示の第６態様によれば、特性量検出部は、光センサを備え、特性量は、加工面により発生されるプラズマ光と、反射光と、熱放射光とのうちの少なくとも１つの少なくとも一部の光量である、第３態様に記載のレーザ加工装置を提供する。
【0018】
本開示の第７態様によれば、補正量演算装置は、検出された特性量に基づき、第１補正量を算出し、算出された第１補正量と回折光学素子の分岐角度とに基づき、第２補正量を算出する、第３から第６態様のいずれか１つに記載のレーザ加工装置を提供する。
【0019】
本開示の第８態様によれば、第１駆動ユニットは、集光レンズ及び回折光学素子を加工面に対して第１補正量を移動させ、第２駆動ユニットは、回折光学素子を加工面に対して第２補正量を移動させる、第３から第７態様のいずれか１つに記載のレーザ加工装置を提供する。
【0020】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【0021】
＜分岐光ビームを用いたレーザ加工における課題及び本発明に至る過程＞
先ず、図１７、図１８Ａ、及び図１８Ｂを参照しながら、分岐光ビームを用いたレーザ加工における課題、及び本発明に至る過程について説明する。図１７は、従来の焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置１を示す図である。図１８Ａは、分岐光ビームを用いたレーザ加工装置１１であって、熱レンズ効果が発生した状態の照射ビームの例を示す図である。図１８Ｂは、図１８Ａの照射ビームに対して、従来の焦点距離自動調整装置を用いて補正された分岐光ビームを示す図である。
先ず、図１７、図１８Ａ、及び図１８Ｂを参照しながら、分岐光ビームを用いたレーザ加工における課題、及び本発明に至る過程について説明する。図１７は、従来の焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置１を示す図である。図１８Ａは、分岐光ビームを用いたレーザ加工装置１１であって、熱レンズ効果が発生した状態の照射ビームの例を示す図である。図１８Ｂは、図１８Ａの照射ビームに対して、従来の焦点距離自動調整装置を用いて補正された分岐光ビームを示す図である。
【0022】
図１７は、特許文献１に開示された焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置１を示している。レーザ加工装置１は、レーザ光２を加工対象物９に集光させる加工レンズ３を備え、加工レンズ３の上面に配置された温度センサ５によってレーザ加工中の加工レンズ３の温度が検出される。計算用コンピュータ７は温度センサ５の検出結果に基づいて加工レンズ３の熱レンズの大きさを算出する。制御用コンピュータ８は、計算用コンピュータ７の算出結果に基づいてレンズ駆動装置６を制御し、レンズホルダ４をレーザ光２の光軸方向に移動させて加工レンズ３の位置を調整し、熱レンズ効果による加工レンズ３の集光位置の変動を補正する。
【0023】
図１７に示すレーザ加工装置１に、レーザ光２を複数の光ビームに分岐させる分岐光学部品１０をレーザ光の光路上に設置することで、図１８Ａに示す分岐光ビームを用いたレーザ加工装置１１をすることができる。図１８Ａの分岐光ビームを用いたレーザ加工装置１１において、分岐光学部品１０は、入射した光ビームを、光軸Ｏｉに対して分岐角度θｉで複数のビームに分岐させて、分岐光ビームを有する照射ビーム２ａを形成する。照射ビーム２ａは、加工レンズ３によって加工対象物９に集光し、加工対象物９において、照射ビーム２ａは、分岐光ビームの集光スポット間に所定の分岐幅Ｗａを有する分岐プロファイルで照射し、加工を行う。
【0024】
しかし、レーザ加工中に、加工レンズ３は、レーザ光２が透過するときにレーザ光２の一部を吸収するため、熱レンズと呼ばれる現象が発生する。このとき、図１８Ａに示すように、照射ビーム２ａは、加工対象物９から離れた位置にある集光面９ａに集光することとなる。
【0025】
図１８Ａに示す熱レンズ効果が発生した状態の照射ビームに対して、図１７に示す従来の焦点距離自動調整装置を用いて補正を行った結果、図１８Ｂに示すように、レンズホルダ４を図示－Ｚ方向に移動することで補正された照射ビーム２ｂは、加工対象物９上に集光することができる。しかしながら、分岐光学部品１０の分岐角度θiが一定であるため、補正後の照射ビーム２ｂは、分岐幅Ｗａと異なる分岐幅Ｗｂの分岐プロファイルで加工対象物９に照射する。このように、従来の焦点距離自動調整装置を用いて補正した結果、加工対象物９における照射ビームの分岐プロファイルが変動し、所望の加工パターンを実現できなくなる問題が生じる。
【0026】
そこで、本発明者（ら）は、分岐光ビームを用いたレーザ加工において、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレを補正するとともに、加工対象物の加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正することを可能にするレーザ加工装置について検討し、以下の発明に至った。
【0027】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【0028】
本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置について、図１乃至図１６を参照しながら説明する。添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供するものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。なお、図面において実質的に同一の部材については、同一の符号を付している。
【0029】
【0030】
なお、本明細書にいう「照射ビームの状態」とは、照射ビームの集光位置、及び加工面における照射ビームの分岐プロファイルを含む。
【0031】
（レーザ加工装置）
先ず、本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の構成を示す概略図である。図２は、図１のレーザ加工装置の制御システム１１０の構成例を示すブロック図である。
先ず、本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の構成を示す概略図である。図２は、図１のレーザ加工装置の制御システム１１０の構成例を示すブロック図である。
【0032】
図１のレーザ加工装置１００は、Ｘ－Ｚ平面に示され、照射システム１０１と、制御システム１１０と、駆動部１０６とを備えている。照射システム１０１は、レーザ光を加工対象物１３１の加工面に照射してレーザ加工を行い、制御システム１１０は、レーザ加工中の照射ビームの状態の制御を行い、駆動部１０６は、制御システム１１０の制御により動作し、照射システム１０１に含まれる光学素子の加工対象物１３１の加工面に対する照射方向の位置を調整する。以下、レーザ加工装置１００の構成要素及び動作について、詳細に説明する。
【0033】
（照射システムの構成）
本実施の形態では、照射システム１０１は、加工用光源であるレーザ発振器１０２と、集光レンズ１０４及び回折光学素子１０５を含む光学ユニット１０３とを備えている。
本実施の形態では、照射システム１０１は、加工用光源であるレーザ発振器１０２と、集光レンズ１０４及び回折光学素子１０５を含む光学ユニット１０３とを備えている。
【0034】
レーザ発振器１０２は、内部にレーザ光をコリメートする機能を有し、出射口からは平行なレーザ光ビームＬ１を出射することができる。レーザ発振器１０２の一例として、例えば、波長１０７０ｎｍ、最大出力３ｋＷ、連続発振するファイバレーザを用いることができる。本実施の形態では、レーザ発振器１０２より出射されたレーザ光ビームＬ１は、平行でかつガウス強度分布を有する。
【0035】
なお、本開示は、レーザ発振器１０２の種類又は加工に用いられるレーザ光に限定されない。レーザ光の波長、パワー、強度分布、出射パターンなどは、加工条件、加工材料によって適したものを選択することができ、例えば、用途に応じて、グリーン、ブルー、ＵＶなどの帯域の波長、トップハット強度分布、又は、パルスレーザなどを用いることができる。
【0036】
レーザ発振器１０２から出射したレーザ光ビームＬ１は、光軸Ｏａに沿って図示－Ｚ方向に進み、光学ユニット１０３に入射する。光学ユニット１０３の集光レンズ１０４は、入射したレーザ光ビームＬ１を加工対象物１３１の加工面に集光されるように構成される。これに限定されないが、本実施の形態では、説明を簡単にするために、球面凸レンズを集光レンズ１０４として用いる例を説明する。集光レンズ１０４は、例えば、焦点距離２５５ｍｍ、透過率が少なくとも５０％以上、好ましくは９０％以上の球面凸レンズで構成することができる。なお、本開示は集光レンズの構成に限定されない。集光レンズ１０４は、球面凸レンズに限定されることなく、例えば、高出力対応の組みレンズ、非球面レンズ等を使用することができ、また、単一のレンズ素子で構成されてもよく、複数のレンズ素子を含むレンズ系で構成されてもよい。
【0037】
集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とは、レーザ光ビームが伝搬する光軸に沿って配置される。また、本実施の形態では、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とは、照射システム１０１におけるレーザ光ビームの伝搬方向に沿って順に配置されている。図１に示すように、集光レンズ１０４を透過した光ビームＬ２は、光軸Ｏａに沿って進み、回折光学素子１０５に入射する。回折光学素子１０５は、入射した光ビームＬ２を、光軸Ｏａに対して分岐角度θ０で２つ以上のビームに分岐させて、分岐光ビームを有する照射ビームＬ３を出射する。
【0038】
本実施の形態では、回折光学素子１０５は、合成石英に微細な回折格子パターンを加工することで構成され、入射したレーザ光を少なくとも５０％以上、好ましくは８０％以上透過させることができる。回折光学素子１０５の位相パターンを制御することで、異なる分岐プロファイルを有する分岐光ビームを形成することが可能である。
【0039】
回折光学素子１０５に入射した光ビームＬ２は、回折光学素子１０５を透過して分岐し、分岐プロファイルを有する照射ビームＬ３となる。なお、図１において、光軸Ｏａに対して分岐角度θ０を成す２つの分岐光ビームを含む分岐パターンを有する照射ビームＬ３が形成される例を示しているが、本開示はこれに限定されない。３つ以上の分岐光ビームを含む分岐パターンを有する照射ビームＬ３を形成することもできる。
【0040】
光学ユニット１０３を透過した照射ビームＬ３は、加工対象物１３１に入射する。加工対象物１３１の加工面は集光レンズ１０４の集光位置に配置され、照射ビームＬ３の複数の分岐光ビームは、加工対象物１３１の加工面における複数の集光スポットに集光し、所望のパターンを加工することができる。なお、光学ユニット１０３は、用途に応じて、例えば、ミラー等の他の光学素子（図示せず）を更に含むことができる。
【0041】
加工対象物１３１は、照射ビームＬ３により加工される材料であり、本実施の形態では、ＳＰＣＣやＳＵＳなどの鉄系の金属を用いることができる。なお、加工対象物１３１は、鉄系材料に限定されるものではなく、アルミニウムや銅などの非鉄金属材料、さらには樹脂材料やセラミックスなどの脆性材料などを用いられてもよい。
【0042】
レーザ加工中に、集光レンズ１０４及び回折光学素子１０５は、透過するレーザ光の一部を吸収することで熱レンズ効果が発生する。熱レンズ効果により、光学ユニット１０３を透過した照射ビームの集光位置のズレ及び分岐プロファイルの変動が生じる。本開示のレーザ加工装置１００は、制御システム１１０が駆動部１０６を動作させることで、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレ及び分岐プロファイルの変動を補正することができる。以下、駆動部１０６と制御システム１１０との構成を説明する。
【0043】
（駆動部及び制御システムの構成）
図１に示すように、駆動部１０６は、第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とを含み、第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とは、集光レンズ１０４と前記回折光学素子１０５との加工対象物１３１の加工面に対する照射方向の位置をそれぞれ調整するように構成されている。
図１に示すように、駆動部１０６は、第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とを含み、第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とは、集光レンズ１０４と前記回折光学素子１０５との加工対象物１３１の加工面に対する照射方向の位置をそれぞれ調整するように構成されている。
【0044】
なお、ここで、「照射方向の位置を調整する」ことは、完全に照射ビームの出射光軸に沿った移動で位置を調整するだけでなく、例えば、照射ビームの出射光軸における移動分量を有するように位置を調整してもよい。
【0045】
本実施の形態では、第１駆動ユニット１０７は、光学ユニット１０３に固定され、光学ユニット１０３全体の照射方向の位置を調整するように用いられる。第１駆動ユニット１０７が加工対象物１３１の加工面に対して、照射方向において光学ユニット１０３を移動させることによって、集光レンズ１０４及び回折光学素子１０５を含む光学系の集光位置を調整することができる。本実施の形態では、第１駆動ユニット１０７は、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とを光軸Ｏａに沿って移動させることができる。
【0046】
本実施の形態では、第２駆動ユニット１０８は、回折光学素子１０５に固定されている。また、第２駆動ユニット１０８は、光ビームを透過させるように開口を設けて回折光学素子１０５を固定支持するための支持ホルダとして用いるように構成することができる。第２駆動ユニット１０８は、回折光学素子１０５の照射方向の位置を調整するように用いられる。第２駆動ユニット１０８が加工対象物１３１の加工面に対して、照射方向において回折光学素子１０５を移動させることによって、回折光学素子１０５の照射方向の位置を調整でき、加工対象物１３１の加工面における照射ビームの分岐プロファイルを調整することができる。本実施の形態では、第２駆動ユニット１０８は、回折光学素子１０５を光軸Ｏａに沿って移動させることができる。
【0047】
本実施の形態に係る制御システム１１０は、特性量検出部１１１と、補正量演算装置１１５と、制御部１２０とを含む。補正量演算装置１１５は、特性量検出部１１１及び制御部１２０にそれぞれ接続され、制御部１２０は、駆動部１０６の第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とのそれぞれに接続されている。
【0048】
（特性量検出部）
特性量検出部１１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられ、検出された特性量の検知データＤは補正量演算装置１１５に送信される。本実施の形態では、特性量検出部１１１は、温度センサ１１２とデータ転送部１１３とを有し、集光レンズの温度を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成されている。
特性量検出部１１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられ、検出された特性量の検知データＤは補正量演算装置１１５に送信される。本実施の形態では、特性量検出部１１１は、温度センサ１１２とデータ転送部１１３とを有し、集光レンズの温度を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成されている。
【0049】
温度センサ１１２は、集光レンズ１０４のフチ部分のレーザ光ビームＬ１の光路にあたらない箇所に設けられている。本実施の形態では、例えば、温度センサ１１２は、測定範囲０～１１００℃の熱電対を集光レンズ１０４表面に接触させ、レーザ加工中の集光レンズ１０４の温度を測定するように構成することができる。なお、温度センサ１１２は熱電対に限定されることなく、熱放射式の非接触温度センサ、測温抵抗体などの他の接触式温度センサを用いてもよい。
【0050】
温度センサ１１２により検出された集光レンズ１０４の温度測定データＤ１は、照射ビームＬ３の状態を示す特性量の検知データＤとして、データ転送部１１３に記録され、補正量演算装置１１５に送信される。なお、データ転送部１１３による温度測定データの送信は、有線接続によって実現されてもよく、無線転送によって実現されてもよい。
【0051】
（補正量演算装置）
補正量演算装置１１５は、特性量検出部１１１により検知された特性量に基づいて、レーザ加工中に生じる熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレを補正する補正量と、加工対象物の加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正する補正量とを算出するために用いられる。
補正量演算装置１１５は、特性量検出部１１１により検知された特性量に基づいて、レーザ加工中に生じる熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレを補正する補正量と、加工対象物の加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正する補正量とを算出するために用いられる。
【0052】
本実施の形態では、補正量演算装置１１５は、特性量検出部１１１から温度測定データＤ１を受信し、補正量を算出する演算処理を行う。以下、図２を参照して補正量演算装置１１５の構成について説明する。図２は、図１に示す制御システム１１０の補正量演算装置１１５の一構成例を示している。補正量演算装置１１５は、例えば、コンピュータ装置である。このコンピュータ装置として、汎用的なコンピュータ装置を用いることができ、例えば、図２に示すように、処理部１１６と、記憶部１１７と、表示部１１９とを含むことができる。なお、補正量演算装置１１５は、更に入力装置、記憶装置、インタフェース等を含んでもよい。
【0053】
≪処理部１１６≫
処理部１１６は、例えば、中央処理演算子（ＣＰＵ）、マイクロコンピュータ、又は、コンピュータで実行可能な命令を実行できる処理装置であればよい。
処理部１１６は、例えば、中央処理演算子（ＣＰＵ）、マイクロコンピュータ、又は、コンピュータで実行可能な命令を実行できる処理装置であればよい。
【0054】
≪記憶部１１７≫
記憶部１１７は、例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュＳＳＤ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク等の少なくとも一つであってもよい。
記憶部１１７は、例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュＳＳＤ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク等の少なくとも一つであってもよい。
【0055】
記憶部１１７には、プログラム１１８を含む。なお、補正量演算装置１１５がネットワークに接続されている場合には、必要に応じてプログラム１１８をネットワークからダウンロードしてもよい。プログラム１１８について、後段で詳述する。
【0056】
≪表示部７３≫
表示部１１９は、例えば、処理部１１６によりプログラム１１８が実行されて、得られた集光位置補正量及び分岐プロファイル補正量の結果等を、例えば、ディスプレイ等に表示することができる。なお、表示部１１９は、用途によって省略することもできる。
表示部１１９は、例えば、処理部１１６によりプログラム１１８が実行されて、得られた集光位置補正量及び分岐プロファイル補正量の結果等を、例えば、ディスプレイ等に表示することができる。なお、表示部１１９は、用途によって省略することもできる。
【0057】
（制御部）
制御部１２０は、補正量演算装置１１５により算出された補正量に基づいて、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレ及び加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正するように制御することができる。本実施の形態では、制御部１２０は、補正量演算装置１１５から受信した補正量データＥ１，Ｅ２のそれぞれに基づいて、駆動部１０６へコマンドＦ１，Ｆ２を送信し（図１参照）、駆動部１０６の第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とを動作させて、レーザ加工中に照射ビームの状態の変動を補正するように制御する。なお、制御部１２０による補正量データＥ１，Ｅ２の受信及びコマンドＦ１，Ｆ２の送信は、有線接続によって実現されてもよく、無線転送によって実現されてもよい。
制御部１２０は、補正量演算装置１１５により算出された補正量に基づいて、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレ及び加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動を補正するように制御することができる。本実施の形態では、制御部１２０は、補正量演算装置１１５から受信した補正量データＥ１，Ｅ２のそれぞれに基づいて、駆動部１０６へコマンドＦ１，Ｆ２を送信し（図１参照）、駆動部１０６の第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とを動作させて、レーザ加工中に照射ビームの状態の変動を補正するように制御する。なお、制御部１２０による補正量データＥ１，Ｅ２の受信及びコマンドＦ１，Ｆ２の送信は、有線接続によって実現されてもよく、無線転送によって実現されてもよい。
【0058】
≪レーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正≫
本開示のレーザ加工装置１００において、レーザ加工中に照射ビームの状態の変動を補正するための補正量は、プログラム１１８の実行により算出される。プログラム１１８は、集光位置補正量算出部１１８ａと、分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂとを含むことができる。集光位置補正量算出部１１８ａと、分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂとは、実行するときには、記憶部１１７から読み出されて処理部１１６にて実行される。
本開示のレーザ加工装置１００において、レーザ加工中に照射ビームの状態の変動を補正するための補正量は、プログラム１１８の実行により算出される。プログラム１１８は、集光位置補正量算出部１１８ａと、分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂとを含むことができる。集光位置補正量算出部１１８ａと、分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂとは、実行するときには、記憶部１１７から読み出されて処理部１１６にて実行される。
【0059】
集光位置補正量算出部１１８ａと分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂとによる補正量の算出について、図３から図５を参照して更に詳細に説明する。図３Ａは、熱レンズ効果の発生及び熱レンズ効果に起因した集光位置のズレを概念的に示す図である。図３Ｂは、図３Ａの集光位置のズレの補正、及び分岐プロファイルの変動の補正を概念的に示す図である。図４は、実施の形態１に係る集光レンズ１０４の温度と照射ビームＬ３の集光位置変化量との関係を示す図である。図５は、実施の形態１に係る照射ビームＬ３の集光位置変化量と分岐プロファイル変動量との関係を示す図である。
【0060】
図１に示したように、レーザ光ビームＬ１が、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とを順に透過した後、照射ビームＬ３で加工対象物１３１に照射する。集光レンズ１０４の透過率は少なくとも８０％以上、好ましくは９８％以上であり、回折光学素子１０５の透過率は少なくとも５０％以上、好ましくは８０％以上である。これにより、レーザ加工中に、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とは、照射光を透過させるとともに、レーザ光の一部を吸収する。レーザ加工中に生じる熱レンズ効果は、当該レーザ光の吸収に起因する。
【0061】
図３Ａは、熱レンズ効果が発生する前（図３Ａの（ａ））、及び熱レンズ効果が発生したとき（図３Ａの（ｂ））に、図示Ｘ－Ｚ面において、レーザ加工装置から出射される照射ビームを示している。図３Ａの上段には、レーザ光ビームＬ１の強度分布を概念的に示している。本実施の形態では、レーザ光Ｌ１は、ビーム中心強度が強く、概ねガウス強度分布を有している。
【0062】
図３Ａの下段には、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との受光面における温度分布を示している。熱レンズ効果が発生する前には、図３Ａの（ａ）の下段に示すように、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との受光面において、温度分布が概ね均一である。一方、レーザ光の照射に連れ、ガウス強度分布のレーザ光の一部を吸収することにより、図３Ａの（ｂ）の下段に示すように、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との受光面は、周縁部よりも中央部の温度が高くなり、不均一な温度分布が生じる。
【0063】
図３Ａの中段には、熱レンズ効果発生前後の集光レンズと回折光学素子との形状及び照射ビームの変動を示している。図３Ａの（ｂ）の中段に示すように、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との中央部の温度が高くなるにつれ、周縁部よりも中央部が大きく膨張し、変形が生じている。変形した集光レンズ１０４ａは焦点距離が短くなり、変形した回折光学素子１０５ａは、変形により集光レンズの効果を持つようになり、いずれも照射ビームの集光特性に影響を与える。このように、熱レンズ効果が発生する。
【0064】
図３Ａの（ａ）の中段に示すように、熱レンズ効果が発生する前の集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とを透過した照射ビームＬ３ａは、加工対象物の加工面である集光面Ｌｆ１に集光している。これに対し、図３Ａの（ｂ）の中段に示すように、熱レンズ効果が発生すると、変形した集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを透過した照射ビームＬ３ｂは、加工対象物の加工面Ｌｆ１から離れた集光面Ｌｆ２に集光することとなる。このように、熱レンズ効果発生前後において、加工対象物の加工面に対して、照射ビームの集光位置のズレＺｆが生じる。なお、図３Ａでは、照射ビームの集光位置がレーザ照射側（図示＋Ｚ方向）にずれるように示しているが、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のずれ方向はレーザ照射側に限らず、図示－Ｚ方向のズレが生じることもあり得る。
【0065】
集光レンズ１０４の焦点距離をｆ１とし、回折光学素子１０５の焦点距離をｆ２とし、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との間の距離をｄｚとすると、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との組み合わせによる複合光学系の合成焦点距離ｆｓは、以下式（１）で表すことができる。
【0066】
【数1】
【0067】
具体例を考えると、例えば、熱レンズ効果が発生する前に、集光レンズ１０４の焦点距離が２５５ｍｍであり、回折光学素子１０５が平板のためレンズとして機能しないため、焦点距離が無限遠であり、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との間の距離が８０ｍｍである場合、すなわち、ｆ１＝２５５ｍｍ、ｆ２＝∞、ｄｚ＝８０ｍｍにより、合成焦点距離ｆｓ＝２５５ｍｍである。
【0068】
一方で、熱レンズ効果が発生することによって、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５の中央部が膨張した場合、変形した集光レンズ１０４ａの焦点距離が２５０ｍｍとなり、変形した回折光学素子１０５ａは中央部の膨張により集光レンズの効果を持つようになり、焦点距離が５０００ｍｍとなると、ｆ１＝２５０ｍｍ、ｆ２＝５０００ｍｍ、ｄｚ＝８０ｍｍにより、合成焦点距離ｆｓ＝２４２ｍｍとなる。
【0069】
したがって、熱レンズ効果により、変形した集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを透過した照射ビームの集光位置は、図示＋Ｚ方向に１３ｍｍのズレＺｆが生じる。また、レーザ加工中に熱レンズ効果により生じる照射ビームの集光位置のズレは、加工時間の経過にともなって大きさが変化し、その後所定の大きさに飽和する傾向がある。本実施の形態では、プログラム１１８の集光位置補正量算出部１１８ａは、特性量検出部１１１により検出された照射ビームの状態の変動を示す特性量に基づいて、照射ビームＬ３ｂの集光位置のズレを補正する集光位置補正量を算出することができる。
【0070】
レーザ加工中に、熱レンズ効果により照射ビームの状態が変動したとき、集光レンズの温度が変化する。そのため、本実施の形態では、特性量検出部１１１は、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として集光レンズの温度を検知し、集光位置補正量算出部１１８ａは、集光レンズの温度測定データＤ１に基づいて、集光位置補正量を算出することができる。集光位置補正量の算出は、例えば、図４に示す集光レンズ温度と照射ビームの集光位置変化量との関係を利用して実行することができる。
【0071】
具体的には、例えば、シミュレーションにより予め算出した集光レンズ温度値と集光位置変化量との関係テーブル、又は、実験により予め取得した集光レンズ温度の測定値と集光位置変化量とのマッピングデータをデータベースとして作成し、記憶部１１７に保存することができる。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から集光レンズ温度と照射ビームの集光位置変化量との関係性データを読み出して、レーザ加工中に温度センサ１１２の測定値をインプット値として用いることで、照射ビームＬ３ｂの集光位置補正量Ｚｆをアウトプット値として得ることができる。
【0072】
算出された集光位置補正量ＺｆのデータＥ１は、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。制御部１２０は、受信した集光位置補正量Ｚｆに基づいて、駆動部１０６にコマンドＦ１を出力する（図１参照）。コマンドＦ１を受けることによって、第１駆動ユニット１０７が動作し、例えば、図３Ａの（ｂ）の集光レンズ１０４ａ及び回折光学素子１０５ａを含む光学ユニット１０３の全体を、光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して図示－Ｚ方向に集光位置補正量Ｚｆだけ移動させる。これによって、図３Ｂの（ａ）に示すように、熱レンズ効果による集光位置のズレが補正され、補正後の照射ビームＬ３ｃの集光面が加工対象物の加工面Ｌｆ１となる。
【0073】
なお、本実施の形態では、第１駆動ユニット１０７が集光レンズ１０４ａ及び回折光学素子１０５ａを含む光学ユニット１０３の全体を移動させて照射ビームの集光位置を補正するように説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、第１駆動ユニット１０７は、集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを個別に、それぞれ集光位置補正量Ｚｆだけ、光ビームの伝搬光軸に沿って移動させて照射ビームＬ３ｂの集光位置を補正するように構成することも可能である。
【0074】
図３Ａの（ａ）に示すように、熱レンズ効果が発生する前、回折光学素子１０５の分岐角度θ０によって、加工対象物の加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ａは、分岐光ビームの集光スポット間に分岐幅ｄ０を有する分岐プロファイルで照射する。このとき、回折光学素子１０５と加工面Ｌｆ１との距離がＨ０とすると、加工面Ｌｆ１における照射ビームＬ３ａの分岐光ビームの分岐幅ｄ０は以下の式（２）で表すことができる。
【0075】
【数2】
【0076】
次に、熱レンズ効果による照射ビームの集光位置を補正した後、図３Ｂの（ａ）に示すように、加工対象物の加工面Ｌｆ１と回折光学素子１０５ａとの間の距離は、集光位置を補正する前のＨ０よりも集光位置補正量Ｚｆだけ短縮される。このとき、回折光学素子１０５ａの分岐角度θ０によって、加工対象物の加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ｃは、分岐光ビーム間に分岐幅ｄ１を有する分岐プロファイルで照射する。加工面Ｌｆ１における照射ビームＬ３ｃの分岐光ビームの分岐幅ｄ１は以下の式（３）で表すことができる。
【0077】
【数3】
【0078】
このように、照射ビームの集光位置の補正前後において、加工面おける照射ビームの分岐プロファイルの変動が生じる。本実施の形態では、本実施の形態では、プログラム１１８の分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂは、加工面における照射ビームＬ３ｃの分岐プロファイルの変動を補正する分岐プロファイル補正量を算出することができる。
【0079】
分岐プロファイル補正量の算出は、例えば、図５に示す集光位置変化量と分岐プロファイル変動量との関係を用いて実行することができる。具体的には、回折光学素子の所定の分岐角度θ０に対して、照射ビームの集光位置変化量と加工面における分岐プロファイル変動量との関係グラフを作成し、記憶部１１７に保存することができる。分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂは、実行するときに、記憶部１１７から所定の分岐角度θ０に対する集光位置変化量と分岐プロファイル変動量との関係グラフを読み出して、集光位置補正量算出部１１８ａにより算出された集光位置補正量Ｚｆをインプット値として用いることで、加工面における分岐プロファイル補正量Ｚｄをアウトプット値として得ることができる。
【0080】
算出された分岐プロファイル補正量ＺｄのデータＥ２は、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。制御部１２０は、受信した集光位置補正量Ｚｄに基づいて、駆動部１０６にコマンドＦ２を出力する（図１参照）。コマンドＦ２を受けることによって、第２駆動ユニット１０８が動作し、例えば、図３Ｂの（ａ）の回折光学素子１０５ａを、光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して、図示＋Ｚ方向に分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ移動させる。これによって、図３Ｂの（ｂ）に示すように、回折光学素子１０５ａと加工面Ｌｆ１との間の距離が分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ増加してＨ１となる。このように、照射ビームの集光位置の補正により生じた加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動が補正され、補正後の照射ビームＬ３ｄは、熱レンズ効果が発生する前の照射ビームＬ３ａの分岐光ビームの分岐幅ｄ０（図３Ａの（ａ）に示す）を有する分岐プロファイルで加工面Ｌｆ１を照射することができる。
【0081】
なお、図３Ｂの（ｂ）に示すように、回折光学素子１０５ａを図示＋Ｚ方向に分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ移動させることによって、集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとの相対距離は、ｄｚから分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ短縮されてｄｚ１となる。これによって、集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとの組み合わせによる複合光学系の合成焦点距離ｆｓ（式（１））が影響されるとも思われる。しかし、式（１）を参照すれば、集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとの焦点距離の積ｆ１×ｆ２が非常に大きいため、集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとの相対距離ｄｚの変化が合成焦点距離ｆｓへの影響は通常無視できるレベルである。
【0082】
また、レーザ加工装置の構成において、回折光学素子１０５をレーザ発振器１０２と集光レンズ１０４との間に配置して光学ユニット１０３を構成することもできる（図１８Ａ、図１８Ｂ参照）。本実施の形態では、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とを、照射システム１０１における光ビームの伝搬方向に沿って順に配置するように光学ユニット１０３を構成している。このような構成は、レーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正において有利である。
【0083】
例えば、図１８Ａ、図１８Ｂに示すレーザ加工装置の構成では、光ビームが分岐光学部品１０を透過して加工レンズ３に入射する。この場合、分岐光学部品１０と加工レンズ３との相対距離が変化したとき、分岐光学部品１０の分岐角度θiによって、加工レンズ３における入射光ビームのビームスポットが変化する。そのため、分岐光学部品１０と加工レンズ３との相対距離の変化は照射ビームの集光特性や軸外収差に影響を及ぼす場合がある。
【0084】
本実施の形態のレーザ加工装置１００は、光ビームが集光レンズ１０４を透過して回折光学素子１０５に入射するように構成されている。この場合、例えば、照射ビームの分岐プロファイルを補正するときに、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５との相対距離が変化しても、集光レンズ１０４における入射光ビームのビームスポットが変化しないため、照射ビームの集光特性や軸外収差に影響を与えない。また、回折光学素子１０５の分岐特性は光ビームの入射位置に依存せず、光軸の横方向における入射光ビームのズレも光学的に影響を与えないため、光学系の設計が容易にできるとともに、照射ビームの分岐プロファイルの補正による集光特性への影響を回避することができる。
【0085】
このように、本開示のレーザ加工装置１００は、制御システム１１０により、レーザ加工中に生じる熱レンズ効果による照射ビームの集光位置のズレの補正、及び加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動の補正を行うことで、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させ、所望の品質を有するレーザ加工を実現することができる。
【0086】
本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の照射ビーム制御プロセスについて、以下、図６乃至図８Ｂを参照して説明する。図６は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャートである。図７Ａは、図１のレーザ加工装置１００における熱レンズ効果が発生する前の照射ビームを示す図である。図７Ｂは、図１のレーザ加工装置１００における熱レンズ効果が発生したときの照射ビームを示す図である。図８Ａは、図７Ｂの照射ビームに対して集光位置補正を示す図である。図８Ｂは、図８Ａの照射ビームに対して分岐プロファイル補正を示す図である。図７Ａから図８Ｂにおいて、上段には、Ｘ－Ｚ平面においてレーザ加工装置１００照射ビームを示し、下段には、Ｘ－Ｙ平面において加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１における照射ビームの分岐光ビームのビームスポットを示している。なお、図７Ａから図８Ｂの各図において、同様な要素について、同じ符号を付し、重複した内容について説明を省略する。
【0087】
【0088】
（１）まず、Ｓ１０１では、レーザ加工装置１００の設計値として、回折光学素子１０５の分岐角度を補正量演算装置１１５に入力する。レーザ加工装置１００は、スポットパターンの異なる加工にも対応可能なように、分岐パターンの異なる複数の回折光学素子を切り替える機構を備えることができる。Ｓ１０１では、例えば、予め記憶部１１７に保存された複数の分岐角度を含む分岐角度データから、加工に用いられる回折光学素子１０５の分岐角度を選択することもできる。
【0089】
（２）次に、Ｓ１０２では、レーザ発振器１０２を起動させてレーザ照射を開始する。レーザ照射を開始した直後は、熱レンズ効果が発生しておらず、図７Ａに示すように、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とを透過した照射ビームＬ３ａは、加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１に集光している。また、回折光学素子１０５の分岐角度θ０によって、加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ａは、分岐光ビームの集光スポットＬ３ａ１，Ｌ３ａ２の間に分岐幅ｄ０を有する分岐プロファイルで照射している。このとき、回折光学素子１０５と加工面Ｌｆ１との距離がＨ０である。
【0090】
（３）次に、Ｓ１０３では、特性量検出部１１１の温度センサ１１２によってレーザ加工中の集光レンズ１０４の温度を測定する。熱レンズ効果が発生したとき、図７Ｂに示すように、変形した集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを透過した照射ビームＬ３ｂは、加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１から離れた集光面Ｌｆ２に集光している。このとき、照射ビームＬ３ｂの集光位置は、加工面Ｌｆ１に対してズレＺｆが発生し、加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ｂは、熱レンズ効果が発生する前の照射ビームＬ３ａの集光スポットＬ３ａ１，Ｌ３ａ２のビーム径よりも大きいビーム径のビームスポットＬ３ｂ１，Ｌ３ｂ２で照射し、加工精度の低下が生じる。
【0091】
（４）そして、Ｓ１０４では、補正量演算装置１１５は、集光位置補正量算出部１１８ａによって、温度センサ１１２によって検出された集光レンズの温度測定値ｔ０，ｔ１に基づいて、照射ビームＬ３ｂの集光位置のズレを補正する集光位置補正量Ｚｆを算出する。ここで、温度測定値ｔ０，ｔ１は、熱レンズ効果の発生前後の集光レンズの温度測定値である。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から集光レンズ温度と照射ビームの集光位置変化量との関係性データ（図４）を読み出して、レーザ加工中に温度センサ１１２の温度測定値ｔ０，ｔ１をインプット値として用いることで、照射ビームＬ３ｂの集光位置補正量Ｚｆをアウトプット値として得ることができる。算出された集光位置補正量ＺｆのデータＥ１は、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。
【0092】
（５）続いて、Ｓ１０５では、制御部１２０は、補正量演算装置１１５から受信した集光位置補正量Ｚｆに基づいて、光学ユニット１０３を移動させるコマンドＦ１を駆動部１０６に送信する。これによって、図８Ａに示すように、駆動部１０６の第１駆動ユニット１０７が動作し、集光レンズ１０４ａ及び回折光学素子１０５ａを含む光学ユニット１０３の全体を、光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して図示－Ｚ方向に集光位置補正量Ｚｆだけ移動させる。この補正によって、熱レンズ効果による照射ビームＬ３ｂの集光位置のズレが補正され、補正後の照射ビームＬ３ｃは加工対象物の加工面Ｌｆ１に集光するようになる。
【0093】
光学ユニット１０３を移動することによって、加工面Ｌｆ１と回折光学素子１０５ａとの間の距離は、集光位置を補正する前のＨ０よりも集光位置補正量Ｚｆだけ短縮される。このとき、回折光学素子１０５ａの分岐角度θ０によって、加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ｃは、分岐光ビームの集光スポットＬ３ｃ１，Ｌ３ｃ２の間に分岐幅ｄ１を有する分岐プロファイルで照射し、加工面における照射ビームの分岐プロファイルの変動が生じる。
【0094】
（６）そこで、Ｓ１０６では、補正量演算装置１１５は、分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂによって、加工面における照射ビームＬ３ｃの分岐プロファイルの変動を補正する分岐プロファイル補正量Ｚｄを算出する。分岐プロファイル補正量算出部１１８ｂは、実行するときに、記憶部１１７から所定の分岐角度θ０に対する集光位置変化量と分岐プロファイル変動量との関係グラフを読み出して、集光位置補正量算出部１１８ａにより算出された集光位置補正量Ｚｆをインプット値として用いることで、加工面Ｌｆ１における分岐プロファイル補正量Ｚｄをアウトプット値として得ることができる。算出された分岐プロファイル補正量ＺｄのデータＥ２は、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。
【0095】
（７）続いて、Ｓ１０７では、制御部１２０は、補正量演算装置１１５から受信した分岐プロファイル補正量Ｚｄに基づいて、回折光学素子１０５ａを移動させるコマンドＦ２を駆動部１０６に送信する。これによって、図８Ｂに示すように、駆動部１０６の第２駆動ユニット１０８が動作し、回折光学素子１０５ａを、光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して図示＋Ｚ方向に分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ移動させる。これによって、回折光学素子１０５ａと加工面Ｌｆ１との間の距離が分岐プロファイル補正量Ｚｄだけ増加してＨ１となる。補正後の照射ビームＬ３ｄは、熱レンズ効果が発生する前の照射ビームＬ３ａの分岐光ビームの分岐幅ｄ０（図７Ａに示す）を有する分岐プロファイルで加工面Ｌｆ１を照射する。このように、照射ビームの加工性が回復し、熱レンズ効果による加工精度の低下が改善され、高精度で所望の加工パターンを実現することができる。
【0096】
なお、ステップＳ１０５からステップＳ１０７は、上記説明した順序とは異なる順序で行うことができる。例えば、ステップＳ１０４の集光位置補正量Ｚｆの算出に続いて、ステップＳ１０６の分岐プロファイル補正量Ｚｄの算出を実行することができる。そして、ステップＳ１０５とステップＳ１０７とは、実質的に同時に実行されてもよく、上記説明した順序とは逆の順序で実行されてもよい。
【0097】
また、本実施の形態では、第１駆動ユニット１０７が動作し、集光レンズ１０４ａ及び回折光学素子１０５ａを含む光学ユニット１０３の全体を移動させ、第２駆動ユニット１０８が回折光学素子１０５ａを移動させるように構成されているが、本開示はこれに限定されない。例えば、ステップＳ１０４の集光位置補正量Ｚｆの算出に続いて、ステップＳ１０６の分岐プロファイル補正量Ｚｄの算出を実行する。その後、例えば、第１駆動ユニット１０７は、集光レンズ１０４ａを光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して図示－Ｚ方向に集光位置補正量Ｚｆだけ移動させることができる。第２駆動ユニット１０８は、回折光学素子１０５ａを光軸Ｏａに沿って、加工面Ｌｆ１に対して、集光位置補正量Ｚｆと分岐プロファイル補正量Ｚｄとを合わせた補正量、例えば、本実施の形態では、図示－Ｚ方向に（Ｚｆ－Ｚｄ）だけ移動させることができる。
【0098】
なお、図１等において、第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とは、互いに分離して配置されるように示しているが、本開示はこれに限定されない。第１駆動ユニット１０７と第２駆動ユニット１０８とは実質的に一体に構成することができる。
【0099】
（８）続いて、Ｓ１０８では、レーザ加工が完了するか否かの判断を行い、レーザ加工が完了するまでステップＳ１０３からステップＳ１０７までの処理が繰り返して実行される。
【0100】
このように、本実施の形態では、レーザ加工装置１００は、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として集光レンズの温度を検知し、検知された集光レンズの温度に基づいて、集光レンズと回折光学素子との光ビームの伝搬光軸における位置を補正することによって、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させ、所望の加工パターンを実現することができる。
【0101】
レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量は、集光レンズの温度に限らない。以下、別の特性量を用いてレーザ加工中の照射ビームの状態の変動を補正することができる、本開示の他の実施形態に係るレーザ加工装置を説明する。
【0102】
（実施の形態２）
本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成、及びレーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正について、図９から図１２を参照しながら説明する。図９は、本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置２００の構成を示す概略図である。図９では、図１に示す実施の形態１に係るレーザ加工装置１００と同様な構成要素に同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。
本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成、及びレーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正について、図９から図１２を参照しながら説明する。図９は、本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置２００の構成を示す概略図である。図９では、図１に示す実施の形態１に係るレーザ加工装置１００と同様な構成要素に同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。
【0103】
図９に示すように、レーザ加工装置２００は、照射システム１０１と、制御システム２１０と、駆動部１０６とを備えている。照射システム１０１は、レーザ光を加工対象物１３１の加工面に照射してレーザ加工を行い、制御システム２１０は、熱レンズ効果による照射ビームの変動を補正するように、駆動部１０６を動作させる制御を行う。図示のように、本実施の形態のレーザ加工装置２００の照射システム１０１及び駆動部１０６は、図１のレーザ加工装置１００と同様であって、制御システム２１０はレーザ加工装置１００の制御システム１１０と異なる構成を有する。
【0104】
レーザ加工装置２００の制御システム２１０は、特性量検出部２１１と、補正量演算装置１１５と、制御部１２０とを含む。補正量演算装置１１５は、特性量検出部２１１及び制御部１２０にそれぞれ接続されている。レーザ加工装置２００の制御システム２１０において、補正量演算装置１１５と制御部１２０とは、レーザ加工装置１００の制御システム１１０の構成と同様で、図２に示す構成を有し、特性量検出部２１１が異なる構成を有する。
【0105】
（特性量検出部）
特性量検出部２１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられる。本実施の形態では、特性量検出部２１１は、画像検出器２１２とデータ転送部１１３とを有し、加工面における加工スポットの形態を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成される。加工対象物の加工面において、照射ビームにより形成される加工スポットの形態は、照射ビームの状態の変動によって変化するため、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として、加工面における加工スポットの形態を用いることができる。
特性量検出部２１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられる。本実施の形態では、特性量検出部２１１は、画像検出器２１２とデータ転送部１１３とを有し、加工面における加工スポットの形態を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成される。加工対象物の加工面において、照射ビームにより形成される加工スポットの形態は、照射ビームの状態の変動によって変化するため、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として、加工面における加工スポットの形態を用いることができる。
【0106】
なお、ここで、加工スポットは、例えば、レーザ加工中に、加工対象物の加工面における溶融状態の加工点であってもよく、「加工スポットの形態」とは、例えば、溶融状態の加工点の形状や大きさを含むことができる。
【0107】
特性量検出部２１１により検知された加工面における加工スポットの形態データＤ２は、照射ビームＬ３の状態を示す特性量の検知データＤとして、データ転送部１１３に記録され、補正量演算装置１１５に送信される。
【0108】
本実施の形態では、特性量検出部２１１の画像検出器２１２は、高速度カメラ２１２で構成することができる。高速度カメラ２１２は、照射ビームＬ３が加工対象物１３１の加工面に照射することによって形成された加工スポットの形態をモニタリングすることができる。本実施の形態では、高速度カメラ２１２は、例えば、加工面における加工スポットの直径を検知するように構成することができる。
【0109】
一例として、高速度カメラ２１２は、例えば、５，０００～１０，０００ｆｐｓ程度のフレームレートを有してもよく、加工速度に合わせて最適なフレームレートを選択してよい。また、高速度カメラ２１２の画素数は１０００×６００であってもよく、視野は、照射ビームＬ３の分岐プロファイルの全体が加工面において形成した加工スポットが捉えられる範囲、例えば、２ｍｍ×３ｍｍ程度であってもよく、照射ビームＬ３の分岐プロファイルの一部が加工面において形成した加工スポットが捉えられる範囲であってもよい。
【0110】
画像検出器に用いられる照明（図示せず）は、白色光源を使用することができ、例えば、カメラレンズに８５０ｎｍのバンドパスフィルタを取り付けてもよく、加工対象物の材料や観察方法によって最適な照明を選択してよい。また、図９では、画像検出器としての高速度カメラ２１２は、加工面の斜め上方向からレーザ加工中の加工スポットの形態をモニタリングするように配置されているが、本開示はこれに限定されない。例えば、画像検出器は、照射ビームと同軸となるように設置することも可能である。
【0111】
本実施の形態では、特性量検出部２１１により、レーザ加工中に加工面における加工スポットの形態が照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知される。補正量演算装置１１５の集光位置補正量算出部１１８ａは、例えば、高速度カメラ２１２により取得された加工面における加工スポットの直径の測定値に基づいて、集光位置補正量を算出することができる。図１０は、加工面における加工スポットの直径と照射ビームの集光位置変化量との関係を示す図である。集光位置補正量の算出は、図１０に示す加工面における加工スポットの直径と照射ビームの集光位置変化量との関係を利用して実行することができる。
【0112】
具体的には、例えば、シミュレーションにより予め算出した加工面における加工スポットの直径と集光位置変化量との関係テーブル、又は、実験により予め取得した加工面における加工スポットの直径の測定値と集光位置変化量とのマッピングデータをデータベースとして作成し、記憶部１１７に保存することができる。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から加工スポットの直径と照射ビームの集光位置変化量との関係性データを読み出して、レーザ加工中に高速度カメラ２１２により取得された加工スポットの直径の測定値をインプット値として用いることで、照射ビームの集光位置補正量Ｚｆ１をアウトプット値として得ることができる。
【0113】
（照射ビーム制御プロセス）
図１１は、図９のレーザ加工装置２００の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャートである。図１１に示す照射ビーム制御プロセスは、ステップＳ２０３及びＳ２０４において、図６に示した照射ビーム制御プロセスと異なる。以下、図１２を併せて参照し、ステップＳ２０３，Ｓ２０４について説明し、他のステップについて詳細の説明を省略する。図１２は、図９のレーザ加工装置２００の熱レンズ効果が発生したときの照射ビームを示す図である。図１２において、上段には、Ｘ－Ｚ平面においてレーザ加工装置２００照射ビームを示し、下段には、Ｘ－Ｙ平面において加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１における照射ビームの分岐光ビームにより形成された加工スポットを示している。
図１１は、図９のレーザ加工装置２００の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャートである。図１１に示す照射ビーム制御プロセスは、ステップＳ２０３及びＳ２０４において、図６に示した照射ビーム制御プロセスと異なる。以下、図１２を併せて参照し、ステップＳ２０３，Ｓ２０４について説明し、他のステップについて詳細の説明を省略する。図１２は、図９のレーザ加工装置２００の熱レンズ効果が発生したときの照射ビームを示す図である。図１２において、上段には、Ｘ－Ｚ平面においてレーザ加工装置２００照射ビームを示し、下段には、Ｘ－Ｙ平面において加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１における照射ビームの分岐光ビームにより形成された加工スポットを示している。
【0114】
Ｓ２０３では、特性量検出部２１１の高速度カメラ２１２によってレーザ加工中の加工面における加工スポットの画像を検知する。熱レンズ効果が発生したとき、図１２に示すように、変形した集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを透過した照射ビームＬ３ｂは、加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１から離れた集光面Ｌｆ２に集光している。このとき、照射ビームＬ３ｂの集光位置は、加工面Ｌｆ１に対してズレＺｆ１が発生し、加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ｂは、熱レンズ効果が発生する前の照射ビームＬ３ａの集光スポットにより形成される加工スポットＬ３Ａ１，Ｌ３Ａ２の直径Ｄ０よりも大きい直径Ｄ１の加工スポットＬ３Ｂ１，Ｌ３Ｂ２を形成し、加工精度の低下が生じる。熱レンズ効果の発生前後において、加工面における加工スポットの直径がΔＤの変化が生じる。
【0115】
Ｓ２０４では、補正量演算装置１１５は、集光位置補正量算出部１１８ａによって、高速度カメラ２１２によって検出された加工面Ｌｆ１における加工スポットの直径の測定値Ｄ０，Ｄ１に基づいて、照射ビームＬ３ｂの集光位置のズレを補正する集光位置補正量Ｚｆ１を算出する。ここで、加工スポットの直径の測定値Ｄ０，Ｄ１は、熱レンズ効果の発生前後の加工面Ｌｆ１に形成される加工スポットの直径である。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から加工面における加工スポットの直径と照射ビームの集光位置変化量との関係性データ（図１０）を読み出して、レーザ加工中に高速度カメラ２１２による加工スポットの直径の測定値Ｄ０，Ｄ１をインプット値として用いることで、照射ビームＬ３ｂの集光位置補正量Ｚｆ１をアウトプット値として得ることができる。算出された集光位置補正量Ｚｆ１のデータは、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。
【0116】
Ｓ１０５以降の処理は図６に示す第１実施形態と同様である。このように、本実施の形態では、レーザ加工装置２００は、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として加工面における加工スポットの形態を検知し、検知された加工スポットの形態に基づいて、集光レンズと回折光学素子との光ビームの伝搬光軸における位置を補正することによって、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させ、所望の加工パターンを実現することができる。
【0117】
（実施の形態３）
本開示の実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成、及びレーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正について、図１３から図１６を参照しながら説明する。図１３は、本開示の実施の形態３に係るレーザ加工装置３００の構成を示す概略図である。図１３では、図１に示す実施の形態１に係るレーザ加工装置１００と同様な構成要素に同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。
本開示の実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成、及びレーザ加工中に照射ビームの状態の変動の補正について、図１３から図１６を参照しながら説明する。図１３は、本開示の実施の形態３に係るレーザ加工装置３００の構成を示す概略図である。図１３では、図１に示す実施の形態１に係るレーザ加工装置１００と同様な構成要素に同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。
【0118】
図１３に示すように、レーザ加工装置３００は、照射システム３０１と、制御システム３１０と、駆動部１０６とを備えている。照射システム３０１は、レーザ光を加工対象物１３１の加工面に照射してレーザ加工を行い、制御システム３１０は、熱レンズ効果による照射ビームの変動を補正するように、駆動部１０６を動作させる制御を行う。図示のように、本実施の形態のレーザ加工装置３００の駆動部１０６は、図１のレーザ加工装置１００と同様であって、照射システム３０１と制御システム３１０とは、レーザ加工装置１００の照射システム１０１と制御システム１１０と異なる構成を有する。
【0119】
レーザ加工装置３００の照射システム３０１は、加工用光源であるレーザ発振器１０２と、集光レンズ１０４と、回折光学素子１０５と、ダイクロイックミラー３１２とを含む光学ユニット３０３とを備える。照射システム３０１は、図１に示す照射システム１０１と比較すると、光学ユニット３０３がダイクロイックミラー３１２を更に含む点で異なる。
【0120】
本実施の形態では、ダイクロイックミラー３１２は、例えば、レーザ発振器１０２と集光レンズ１０４との間に、光軸Ｏａに対して所定の角度を設けて配置することができる。レーザ加工中に、加工対象物１３１の加工面により、溶接光に含まれるプラズマ光と熱放射光と、レーザ反射光との少なくとも１つを含む戻り光が発生し、戻り光ビームＰ４は、図示＋Ｚ方向に伝搬する。レーザ加工中に照射ビームの状態が変動したとき、加工面により発生される戻り光の光量が変化する。ダイクロイックミラー３１２は、戻り光の少なくとも一部を光センサ３１３（後段で説明する）に導き、少なくとも一部の戻り光の光量を検出するように用いられる。なお、図１３において、明瞭化のために、レーザ光ビームＰ１と戻り光ビームＰ４とを分けて図示しているが、実際には、レーザ光ビームＰ１と戻り光ビームＰ４とは、同一の経路に沿って伝搬することができる。
【0121】
ダイクロイックミラー３１２は、図示＋Ｚ側の面３１２ａで受光するレーザ光ビームＬ１を透過させる。一方で、戻り光ビームＰ４は、加工対象物１３１の加工面から図示＋Ｚ方向に伝搬し、回折光学素子１０５と集光レンズ１０４とを順に透過した戻り光は、ダイクロイックミラー３１２の図示－Ｚ側の面３１２ｂで反射して、少なくとも一部が光センサ３１３に入射し、検出される。ダイクロイックミラー３１２は、従来知られているダイクロイックミラーの構成を採用することができ、例えば、波長１０７０ｎｍのレーザ光に対し、少なくとも９５％以上、好ましくは９９．５％以上の透過率の反射膜を備えて構成することができる。
【0122】
なお、本実施の形態では、ダイクロイックミラー３１２は、レーザ発振器１０２と集光レンズ１０４との間に、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５と同軸に配置されているが、本開示はこれに限定されない。ダイクロイックミラー３１２は、戻り光ビームＰ４の伝搬径路に配置すればよく、光学系の構成によって、集光レンズ１０４と回折光学素子１０５とは異なる光軸に配置されてもよい。
【0123】
レーザ加工装置３００の制御システム３１０は、特性量検出部３１１と、補正量演算装置１１５と、制御部１２０とを含む。補正量演算装置１１５は、特性量検出部３１１及び制御部１２０にそれぞれ接続されている。レーザ加工装置３００の制御システム３１０において、補正量演算装置１１５と制御部１２０とは、レーザ加工装置１００の制御システム１１０の構成と同様で、図２に示す構成を有し、特性量検出部３１１が異なる構成を有する。
【0124】
（特性量検出部）
特性量検出部３１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられる。本実施の形態では、特性量検出部３１１は、光センサ３１３とデータ転送部１１３とを有し、加工中に少なくとも一部の戻り光の光量を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成される。レーザ加工中に照射ビームの状態が変動したとき、加工面により発生される戻り光の光量が変化するため、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として、加工面により発生される戻り光の光量を用いることができる。なお、特性量として用いられる戻り光は、加工面により発生されるプラズマ光と、反射光と、熱放射光とのうちの少なくとも１つであってもよく、光センサ３１３は、少なくとも一部の戻り光の光量を検知することができる。
特性量検出部３１１は、加工対象物１３１を照射するときに、照射システム１０１の照射ビームＬ３の状態を示す特性量を検知するために用いられる。本実施の形態では、特性量検出部３１１は、光センサ３１３とデータ転送部１１３とを有し、加工中に少なくとも一部の戻り光の光量を照射ビームの状態の変動を示す特性量として検知するように構成される。レーザ加工中に照射ビームの状態が変動したとき、加工面により発生される戻り光の光量が変化するため、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として、加工面により発生される戻り光の光量を用いることができる。なお、特性量として用いられる戻り光は、加工面により発生されるプラズマ光と、反射光と、熱放射光とのうちの少なくとも１つであってもよく、光センサ３１３は、少なくとも一部の戻り光の光量を検知することができる。
【0125】
特性量検出部３１１の光センサ３１３は、例えば、プラズマ光と熱放射光との波長帯域、及び／又は、レーザ光の波長帯域に感度を持つ可視光域フォトダイオード又は赤外光域フォトダイオードで構成することができる。光センサ３１３は、従来知られている構成を採用することができ、本明細書では更なる詳細な説明を省略する。
【0126】
特性量検出部３１１により検知された戻り光の光量データＤ３は、照射ビームＬ３の状態を示す特性量の検知データＤとして、データ転送部１１３に記録され、補正量演算装置１１５に送信される。
【0127】
補正量演算装置１１５の集光位置補正量算出部１１８ａは、例えば、光センサ３１３により検知された戻り光の光量の測定値に基づいて、集光位置補正量を算出することができる。図１４は、戻り光の光量と照射ビームの集光位置変化量との関係を示す図である。集光位置補正量の算出は、戻り光の光量と照射ビームの集光位置変化量との関係を利用して実行することができる。
【0128】
具体的には、例えば、シミュレーションにより予め算出した戻り光の光量と集光位置変化量との関係テーブル、又は、実験により予め測定した戻り光の光量の測定値と集光位置変化量とのマッピングデータをデータベースとして作成し、記憶部１１７に保存することができる。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から戻り光の光量と照射ビームの集光位置変化量との関係性データを読み出して、レーザ加工中に光センサ３１３により検知された戻り光の光量の測定値をインプット値として用いることで、照射ビームの集光位置補正量Ｚｆ２をアウトプット値として得ることができる。
【0129】
（照射ビーム制御プロセス）
図１５は、図１３のレーザ加工装置３００の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャートである。図１５に示す照射ビーム制御プロセスは、ステップＳ３０３及びＳ３０４において、図６に示した照射ビーム制御プロセスと異なる。以下、図１６を併せて参照し、ステップＳ３０３，Ｓ３０４について説明し、他のステップについて詳細の説明を省略する。図１６は、図１３のレーザ加工装置３００の熱レンズ効果が発生したときの照射ビームを示す図である。図１６において、上段には、Ｘ－Ｚ平面においてレーザ加工装置３００照射ビームを示し、下段には、Ｘ－Ｙ平面において加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１における照射ビームの分岐光ビームのビームスポットを示している。
図１５は、図１３のレーザ加工装置３００の照射ビーム制御プロセスを示すフローチャートである。図１５に示す照射ビーム制御プロセスは、ステップＳ３０３及びＳ３０４において、図６に示した照射ビーム制御プロセスと異なる。以下、図１６を併せて参照し、ステップＳ３０３，Ｓ３０４について説明し、他のステップについて詳細の説明を省略する。図１６は、図１３のレーザ加工装置３００の熱レンズ効果が発生したときの照射ビームを示す図である。図１６において、上段には、Ｘ－Ｚ平面においてレーザ加工装置３００照射ビームを示し、下段には、Ｘ－Ｙ平面において加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１における照射ビームの分岐光ビームのビームスポットを示している。
【0130】
Ｓ３０３では、特性量検出部３１１の光センサ３１３によってレーザ加工中の戻り光の光量を測定する。熱レンズ効果が発生したとき、図１６に示すように、変形した集光レンズ１０４ａと回折光学素子１０５ａとを透過した照射ビームＬ３ｂは、加工対象物１３１の加工面Ｌｆ１から離れた集光面Ｌｆ２に集光している。このとき、照射ビームＬ３ｂの集光位置は、加工面Ｌｆ１に対してズレＺｆ２が発生し、加工面Ｌｆ１において、照射ビームＬ３ｂは、熱レンズ効果が発生する前の照射ビームＬ３ａの集光スポットＬ３ａ１，Ｌ３ａ２のビーム径よりも大きいビーム径を有するビームスポットＬ３ｂ１，Ｌ３ｂ２で照射し、加工精度の低下が生じる。熱レンズ効果の発生前後において、加工面Ｌｆ１により発生される戻り光の光量が変化する。
【0131】
Ｓ３０４では、補正量演算装置１１５は、集光位置補正量算出部１１８ａによって、光センサ３１３によって検出された戻り光の光量の測定値Ｐｆ０，Ｐｆ１に基づいて、照射ビームＬ３ｂの集光位置のズレを補正する集光位置補正量Ｚｆ２を算出する。ここで、戻り光の光量の測定値Ｐｆ０，Ｐｆ１は、熱レンズ効果の発生前後の戻り光の光量である。集光位置補正量算出部１１８ａは、実行するときに、記憶部１１７から戻り光の光量と照射ビームの集光位置変化量との関係性データ（図１４）を読み出して、レーザ加工中に光センサ３１３による戻り光の光量の測定値Ｐｆ０，Ｐｆ１をインプット値として用いることで、照射ビームＬ３ｂの集光位置補正量Ｚｆ２をアウトプット値として得ることができる。算出された集光位置補正量Ｚｆ２のデータは、補正量演算装置１１５から制御部１２０に送信される。
【0132】
Ｓ１０５以降の処理は図６に示す第１実施形態と同様である。このように、本実施の形態では、レーザ加工装置３００は、レーザ加工中の照射ビームの状態の変動を示す特性量として加工面により発生される戻り光の少なくとも一部の光量を検知し、検知された戻り光の少なくとも一部の光量に基づいて、集光レンズと回折光学素子との光ビームの伝搬光軸における位置を補正することによって、分岐光ビームを用いたレーザ加工の加工精度を向上させ、所望の加工パターンを実現することができる。
【0133】
なお、上記説明した実施形態において、加工対象物の加工面において、照射ビームのビームスポットが移動しないように説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、加工対象物をステージで移動させもよく、又は、照射ビームを加工面において走査してもよい。
【0134】
以上のように、本開示における技術の例示としての実施の形態を説明するために、添付図面及び詳細な説明を提供した。したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。したがって、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【0135】
本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。そのような変更、及び異なる実施の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の形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0136】
本開示は、レーザ加工装置に適用可能である。本開示は、分岐光ビームを用いたレーザ加工に適用可能である。
【符号の説明】
【0137】
１００，２００，３００ レーザ加工装置
１０１，３１０ 照射システム
１０２ レーザ発振器
１０３，３０３ 光学ユニット
１０４ 集光レンズ
１０５ 回折光学素子
１０６ 駆動部
１０７ 第１駆動ユニット
１０８ 第２駆動ユニット
１１０ 制御システム
１１１，２１１，３１１ 特性量検出部
１１２ 温度センサ
１１３ データ転送部
１１５ 補正量演算装置
１１６ 処理部
１１７ 記憶部
１１８ プログラム
１１８ａ 集光位置補正量算出部
１１８ｂ 分岐プロファイル補正量算出部
１１９ 表示部
１２０ 制御部
１３１ 加工対象物
２１２ 画像検出器、高速カメラ
３１２ ダイクロイックミラー
３１３ 光センサ
１０１，３１０ 照射システム
１０２ レーザ発振器
１０３，３０３ 光学ユニット
１０４ 集光レンズ
１０５ 回折光学素子
１０６ 駆動部
１０７ 第１駆動ユニット
１０８ 第２駆動ユニット
１１０ 制御システム
１１１，２１１，３１１ 特性量検出部
１１２ 温度センサ
１１３ データ転送部
１１５ 補正量演算装置
１１６ 処理部
１１７ 記憶部
１１８ プログラム
１１８ａ 集光位置補正量算出部
１１８ｂ 分岐プロファイル補正量算出部
１１９ 表示部
１２０ 制御部
１３１ 加工対象物
２１２ 画像検出器、高速カメラ
３１２ ダイクロイックミラー
３１３ 光センサ
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
