特許 7535687 レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置

(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】

(24)【登録日】2024-08-08

(45)【発行日】2024-08-19

(54)【発明の名称】レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/08 20060101AFI20240809BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20240809BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20240809BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

G02B26/08 A

G02B6/32

G02B6/02 431

G02B6/42

G02B26/08 C

G02B26/08 D

G02B26/08 E

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021571218

(86)(22)【出願日】2021-01-14

(86)【国際出願番号】 JP2021000963

(87)【国際公開番号】W WO2021145357

(87)【国際公開日】2021-07-22

【審査請求日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】P 2020004767

(32)【優先日】2020-01-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】西尾 正敏

(72)【発明者】

【氏名】西原 学

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 義典

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－１７１２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１５８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２９５０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１１３１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２７４６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９２７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０７８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０１３６６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１５７９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０２０８４６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１１７４７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０４９９１４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／００－２６／０８

Ｂ２３Ｋ ２６／００，２６／０４２

Ｇ０２Ｂ ６／０２，６／３２，６／４２

Ｇ０２Ｂ ２７／００

Ｈ０１Ｓ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を変更する光路変更部品と、
前記光路変更部品に連結され、前記光路変更部品を変位させるアクチュエータと、
前記レーザ光の光路を囲むように配置され、前記レーザ光の光軸ずれを検出する光軸ずれ検出器と、
前記光軸ずれ検出器での検出結果に基づいて前記アクチュエータを駆動することで、前記光路変更部品を変位させて前記レーザ光の光軸ずれを補正する制御部と、を少なくとも備え、
前記レーザ光の光路上に複数の前記光路変更部品が配置されており、
前記アクチュエータに連結された前記光路変更部品の個数に対応して、複数の前記光軸ずれ検出器が前記レーザ光の光軸に沿って所定の間隔をあけて配置されていることを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ装置において、
前記光軸ずれ検出器は、
環状のアパーチャーと、
前記レーザ光の進行方向と対向する前記アパーチャーの第１面に互いに所定の間隔をあけて設けられた複数の光検出器と、を有していることを特徴とするレーザ装置。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザ装置において、
前記複数の光検出器は、
前記レーザ光の光軸を挟んで前記第１面内の第１方向に対向する位置にそれぞれ設けられた第１及び第２光検出器と、
前記レーザ光の光軸を挟んで前記第１方向と略直交する第２方向に対向する位置にそれぞれ設けられた第３及び第４光検出器と、を少なくとも有していることを特徴とするレーザ装置。

【請求項4】

請求項２または３に記載のレーザ装置において、
前記レーザ光の光軸のずれ量と前記複数の光検出器のそれぞれの出力範囲とが予め関連付けられており、
前記制御部は、前記複数の光検出器のそれぞれの出力範囲が所定の許容範囲に収まるように前記アクチュエータを駆動して前記光路変更部品を変位させることを特徴とするレーザ装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記レーザ発振器は、
複数のレーザモジュールと、
前記複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたモジュールレーザ光を結合し、前記レーザ光として出射するビーム結合器と、
前記ビーム結合器から出射された前記レーザ光を所定の倍率で縮小して集光する集光レンズを有する集光光学ユニットと、を少なくとも有し、
前記光路変更部品は、前記ビーム結合器の内部及び前記集光光学ユニットの内部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とするレーザ装置。

【請求項6】

請求項５に記載のレーザ装置において、
前記光軸ずれ検出器は、前記集光光学ユニットのレーザ光入射口と前記集光レンズとの間に配置されていることを特徴とするレーザ装置。

【請求項7】

請求項５に記載のレーザ装置において、
前記集光光学ユニットには前記レーザ光を伝送する伝送ファイバが接続されており、
前記伝送ファイバには、少なくとも前記集光光学ユニットとの接続部近傍にモードストリッパが設けられており、
前記光軸ずれ検出器は、前記モードストリッパを囲むように配置されていることを特徴とするレーザ装置。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記光路変更部品は、入射された前記レーザ光を所定の方向に反射させる反射ミラー及び入射された前記レーザ光を所定の形状に整形するレンズ並びに前記レーザ光に対し１より大きい屈折率を有し、前記レーザ光を透過させる平行平板の少なくともいずれかであることを特徴とするレーザ装置。

【請求項9】

請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記アクチュエータは、圧電アクチュエータであることを特徴とするレーザ装置。

【請求項10】

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を変更する光路変更部品と、
前記光路変更部品に連結され、前記光路変更部品を変位させるアクチュエータと、
前記レーザ光の光路を囲むように配置され、前記レーザ光の光軸ずれを検出する光軸ずれ検出器と、
前記光軸ずれ検出器での検出結果に基づいて前記アクチュエータを駆動することで、前記光路変更部品を変位させて前記レーザ光の光軸ずれを補正する制御部と、
を少なくとも備えたレーザ装置と、
前記レーザ装置から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバの出射端に取り付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えた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】

本開示は、レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光通信や材料加工等の分野でレーザ光を出射するレーザ装置が多く用いられている。多くの場合、レーザ光を所望の位置に照射させるため、レーザ装置には、レーザ光の光軸を調整する機構が設けられている。

【0003】

例えば、特許文献１には、レーザ光を伝送ファイバのコアに光学的に結合させるレンズとビームスプリッタと多分割受光素子とを備えた光送受信モジュールが開示されている。このモジュールでは、伝送ファイバの端面で反射した反射光をビームスプリッタを用いて多分割受光素子に入射させ、受光素子の各分割部からの出力信号に基づいてアクチュエータを駆動して、レーザ光の光軸が伝送ファイバのコアと一致するようにレンズの位置を調整している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－２７５０２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、レーザ加工等で用いられるレーザ光は出力が大きく、コアを外れて伝送ファイバのクラッドにレーザ光が入射した場合、伝送ファイバの端面が損傷してしまう。このため、特許文献１に開示される構成によってレーザ光の光軸ずれを補正することは難しかった。

【0006】

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成で大出力のレーザ光の光軸ずれを補正可能なレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。

【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、本開示に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を変更する光路変更部品と、前記光路変更部品に連結され、前記光路変更部品を変位させるアクチュエータと、前記レーザ光の光路を囲むように配置され、前記レーザ光の光軸ずれを検出する光軸ずれ検出器と、前記光軸ずれ検出器での検出結果に基づいて前記アクチュエータを駆動することで、前記光路変更部品を変位させて前記レーザ光の光軸ずれを補正する制御部と、を少なくとも備え、前記レーザ光の光路上に複数の前記光路変更部品が配置されており、前記アクチュエータに連結された前記光路変更部品の個数に対応して、複数の前記光軸ずれ検出器が前記レーザ光の光軸に沿って所定の間隔をあけて配置されていることを特徴とする。

【0008】

この構成によれば、簡便な構成で大出力のレーザ光の光軸ずれを補正することができる。

【0009】

本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を変更する光路変更部品と、前記光路変更部品に連結され、前記光路変更部品を変位させるアクチュエータと、前記レーザ光の光路を囲むように配置され、前記レーザ光の光軸ずれを検出する光軸ずれ検出器と、前記光軸ずれ検出器での検出結果に基づいて前記アクチュエータを駆動することで、前記光路変更部品を変位させて前記レーザ光の光軸ずれを補正する制御部と、を少なくとも備えたレーザ装置と、前記レーザ装置から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバの出
射端に取り付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

【0010】

この構成によれば、ワークの加工点に対して正確にレーザ光を照射でき、ワークの加工品質を高められる。また、伝送ファイバのコアに対してレーザ光の光軸を精度良く合わせられるため、伝送ファイバの損傷を抑制できる。

【発明の効果】

【0011】

本開示のレーザ装置によれば、簡便な構成で大出力のレーザ光の光軸ずれを補正することができる。また、本開示のレーザ加工装置によれば、ワークの加工品質を高められ、伝送ファイバの損傷を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本開示の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。

【図2】図２は、レーザ装置の要部の配置を示す模式図である。

【図3】図３は、光軸ずれ検出器の概要を示す模式図である。

【図4】図４は、変形例１に係るレーザ装置の要部の配置を示す模式図である。

【図5】図５は、変形例２に係るレーザ装置の要部の配置を示す模式図である。

【図6】図６は、変形例２に係る別のレーザ装置の要部の配置を示す模式図である。

【図7】図７は、本開示の実施形態２に係るレーザ装置の要部の配置を示す模式図である。

【図8】図８は、複数の光軸ずれ検出器によってレーザ光の光軸ずれを検出する原理を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0014】

（実施形態１）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置１００は、レーザ装置１０と伝送ファイバ３０とレーザ光出射ヘッド４０と電源５０とを備えている。なお、レーザ光ＬＢをワークＷに向けて照射するレーザ光出射ヘッド４０は、図示しないマニピュレータに取り付けられていてもよい。その場合は、マニピュレータは図示しないロボット制御部に接続され、レーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド４０を移動させる。

【0015】

なお、以降の説明において、図１におけるレーザモジュール１３の配列方向をＹ方向、集光光学ユニット１５から伝送ファイバ３０に向かう方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。

【0016】

レーザ装置１０は、レーザ発振器１２と制御部２０とを有しており、このうち、レーザ発振器１２は筐体１１内に収容されている。また、後述する光軸ずれ検出器１６と反射ミラーＭ１，Ｍ２とアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２とは、レーザ発振器１２の内部に配置されている。また、レーザ発振器１２からレーザ光ＬＢが入射される伝送ファイバ３０の端部（以下、単に入射端という。）は、筐体１１内に収容されている。なお、レーザ光ＬＢが出射される伝送ファイバ３０の端部を、以下、単に出射端という。

【0017】

レーザ発振器１２は、レーザ光源として機能する複数のレーザモジュール１３とビーム結合器１４と集光光学ユニット１５とを有している。レーザモジュール１３は、異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザダイオードまたはレーザダイオードアレイからなり、レーザモジュール１３内で波長合成されたレーザ光（以下、モジュールレーザ光と呼ぶことがある。）が各レーザモジュール１３からそれぞれ出射される。

【0018】

ビーム結合器１４は、筐体１４ａと、その内部に配設された反射ミラーＭ１，Ｍ２を含む複数の反射ミラーと、アクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２を含む複数のアクチュエータとを有している。複数の反射ミラーは、レーザ光ＬＢのうち加工に必要なモード成分の光路ＬＰ（図３参照）上に配置され、レーザ光ＬＢを集光光学ユニット１５に向かわせるための光路変更部品である。また、複数のアクチュエータは反射ミラーのそれぞれに連結されている（図２参照）。反射ミラーＭ１，Ｍ２及びアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２の動作については後で述べる。

【0019】

ビーム結合器１４は、複数のレーザモジュール１３からそれぞれ出射されたモジュールレーザ光をレーザ光ＬＢに結合して集光光学ユニット１５に出射する。具体的には、各々のモジュールレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。

【0020】

集光光学ユニット１５は、筐体１５ａと、その内部に配設され、入射されたレーザ光ＬＢを所定の倍率で縮小して集光し、所定の焦点に結像させる集光レンズＦＬとを有している。また、筐体１５ａの内部には光軸ずれ検出器１６が配設されている（図２参照）。光軸ずれ検出器１６の構造及び機能については後で述べる。

【0021】

また、集光光学ユニット１５はコネクタ１５ｂを有し、コネクタ１５ｂには伝送ファイバ３０が接続されている。また、コネクタ１５ｂは、伝送ファイバ３０の入射端に接して設けられた石英ブロック１５ｃ（図２参照）を保持している。石英ブロック１５ｃはレーザ光を伝送ファイバ３０に光学的に結合させるとともに伝送ファイバ３０の入射端を保護する機能を有している。

【0022】

レーザ発振器１２をこのような構成とすることで、レーザ光ＬＢの出力が数ｋＷを超える大出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ発振器１２は、電源５０から電力が供給されてレーザ発振を行い、レーザ光ＬＢが伝送ファイバ３０の出射端から出射される。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１３がレーザ発振器１２に搭載されているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール１３の搭載個数は、レーザ加工装置１００に要求される出力仕様や、各々のレーザモジュール１３の出力仕様によって適宜変更されうる。なお、本実施形態において、レーザ光ＬＢのビーム品質を表わすＢＰＰ（Beam Parameter Product）は４程度であり、レーザ光ＬＢは複数のモード成分を含んでいる。

【0023】

伝送ファイバ３０は、集光光学ユニット１５の筐体１５ａに取り付けられたコネクタ１５ｂ内の石英ブロック１５ｃに光学的に結合され、集光レンズＦＬを介してレーザ発振器１２から受け取ったレーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド４０に伝送する。また、伝送ファイバ３０は、軸心にレーザ光ＬＢを伝送するためのコア３１と、コア３１の外周側に、コア３１と同軸に設けられたクラッド３２とを有している（図２参照）。なお、コア３１及びクラッド３２は、それぞれ石英からなるが、クラッド３２の屈折率はコア３１の屈折率よりも低くなるように構成されており、クラッド３２はレーザ光ＬＢをコア３１内に閉じ込める機能を有している。また、クラッド３２の外周面は、伝送ファイバ３０を機械的ダメージから保護するための皮膜（図示せず）で覆われている。

【0024】

レーザ光出射ヘッド４０は、伝送ファイバ３０で伝送されたレーザ光ＬＢを外部に向けて照射する。また、レーザ光出射ヘッド４０の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等を有している。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。

【0025】

制御部２０は、レーザ発振器１２のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１２に接続された電源５０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１３のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１３に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１３毎にレーザ発振出力やオン時間等に差異をつけるようにしてもよい。

【0026】

また、制御部２０は、光軸ずれ検出器１６での検出結果に基づいてアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２を駆動し、反射ミラーＭ１，Ｍ２を変位させる。具体的には、レーザ光の光軸ＬＡ（図２参照）に対する反射ミラーＭ１，Ｍ２の角度を変化させる。これについては後で述べる。また、制御部２０は、レーザ光出射ヘッド４０がマニピュレータ（図示せず）に取り付けられた場合に、その動作を制御してもよい。

【0027】

電源５０は、前述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器１２、具体的には、複数のレーザモジュール１３のそれぞれに対して供給する。制御部２０からの指令により、各々のレーザモジュール１３に供給される電力に差異をつけるようにしてもよい。また、電源５０は、レーザ加工装置１００の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。

【0028】

なお、レーザ加工装置１００は、図示しない表示部を備えていてもよい。表示部には、レーザ加工時の各パラメータ、例えば、レーザ光ＬＢの設定値や実出力等を表示させてもよい。また、表示部は、レーザ加工装置１００の各構成部品に異常が発生した場合、異常箇所を表示するようにしてもよい。

【0029】

［レーザ装置の内部配置及び光軸ずれ検出器の構成］
図２は、レーザ装置の要部の配置を模式的に示し、図３は、光軸ずれ検出器の模式図を示す。なお、説明の便宜上、図２において、ビーム結合器１４の内部部品として反射ミラーＭ１，Ｍ２とアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２のみを図示し、これら以外の部品の図示及び説明を省略する。また、集光光学ユニット１５の内部部品として集光レンズＦＬと光軸ずれ検出器１６のみを図示し、これら以外の部品の図示及び説明を省略する。また、図３において、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅと制御部２０とを接続する配線の図示を省略する。

【0030】

１つのレーザモジュール１３から出射されたモジュールレーザ光ＬＢ１は、ビーム結合器１４のレーザ光入射口ＬＩからその内部に入射し、反射ミラーＭ１，Ｍ２にそれぞれ反射されてビーム結合器１４のレーザ光出射口ＬＯから出射される。また、反射ミラーＭ１，Ｍ２には、それぞれアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２が連結されており、後述する第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅの出力信号に基づいて、反射ミラーＭ１，Ｍ２がそれぞれ変位される。具体的には、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡに対する反射ミラーＭ１，Ｍ２の角度が変更される。なお、アクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２は、ピエゾ素子（図示せず）が搭載された圧電アクチュエータである。

【0031】

なお、図示しないが、ほかの３つのレーザモジュール１３からそれぞれ出射されたモジュールレーザ光もビーム結合器１４の内部に設けられた反射ミラー（図示せず）にそれぞれ反射されてビーム結合器１４のレーザ光出射口ＬＯから出射される。また、これらの反射ミラーには、図示しない圧電アクチュエータがそれぞれ連結されている。

【0032】

ビーム結合器１４の内部で、それぞれのモジュールレーザ光は１つのレーザ光ＬＢに結合され、また、レーザ光ＬＢは平行光として集光レンズＦＬに入射される。レーザ光ＬＢを平行光に変換するにあたって、図示しないコリメートレンズがビーム結合器１４の内部に設けられていてもよいし、ビーム結合器１４のレーザ光出射口ＬＯと光軸ずれ検出器１６との間に図示しないコリメートレンズが設けられていてもよい。なお、レーザ光ＬＢを平行光に変換するにあたって、コリメートレンズを用いなくてもよい。例えば、モジュールレーザ光のそれぞれを反射する反射ミラーの曲率を予め所望の値に設定しておくことで、レーザ光ＬＢを平行光としてもよい。

【0033】

また、集光光学ユニット１５の内部には、ビーム結合器１４のレーザ光出射口ＬＯに連通した集光光学ユニット１５のレーザ光入射口と集光レンズＦＬとの間に光軸ずれ検出器１６が配設されており、光軸ずれ検出器１６は集光光学ユニット１５の筐体１５ａに取り付け固定されている。

【0034】

光軸ずれ検出器１６は、環状のアパーチャー１６ａとアパーチャー１６ａの表面のうちレーザ光ＬＢの進行方向に対向した第１面１６ａ１に設けられた第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅとで構成されている。なお、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡが伝送ファイバ３０のコア３１を通るように調整された状態で、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡはアパーチャー１６ａの中心を通るように設定されている。

【0035】

第１及び第２光検出器１６ｂ，１６ｃは、アパーチャー１６ａの中心、言い換えるとレーザ光ＬＢの光軸ＬＡを挟んで第１面１６ａ１内のＸ方向に対向する位置にそれぞれ設けられており、第３及び第４光検出器１６ｄ，１６ｅは、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡを挟んでＹ方向に対向する位置にそれぞれ設けられている。第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅはそれぞれ、図示しない配線を介して制御部２０に接続され、各々の出力信号が制御部２０に入力される。

【0036】

また、図３に示すように、アパーチャー１６ａの内径は、レーザ光ＬＢの光路ＬＰの直径、言い換えると、レーザ光ＬＢのうち加工に必要なモード成分が通過するエリアの直径よりも大きくなるように設定されている。一方、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅは、レーザ光ＬＢの光路ＬＰの外側にそれぞれ配設されている。

【0037】

［レーザ光の光軸ずれの補正手順］
長時間、レーザ発振を行うことによるレーザ装置１０内の温度上昇や周囲環境の振動等により、レーザ装置１０内の光学部品の位置ずれ等が起こる場合がある。このような場合、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがアパーチャー１６ａの中心から所定以上の距離にずれると、伝送ファイバ３０のコア３１からはみ出してレーザ光ＬＢの一部がクラッド３２に入射され、クラッド３２がダメージを受ける場合がある。

【0038】

そこで、本実施形態に示すレーザ装置１０では、光軸ずれ検出器１６での検出結果、言い換えると、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅの出力信号に基づいてレーザ光ＬＢの光軸ずれを補正している。

【0039】

具体的には、以下の手順でレーザ光の光軸ずれが補正される。

【0040】

まず、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがアパーチャー１６ａの中心から所定の距離以上にずれると、レーザ光ＬＢの光路ＬＰが第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのいずれかに近接するようになる。この場合、レーザ光ＬＢの光路ＬＰが近接した光検出器の出力信号が大きくなる。この出力信号が所定のしきい値を超えると、制御部２０は、反射ミラーＭ１，Ｍ２に連結されたアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２のいずれかあるいは両方を駆動して、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがアパーチャー１６ａの中心を通るように、反射ミラーＭ１，Ｍ２の角度を変更する。

【0041】

さらに言うと、制御部２０は、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡのずれ量と第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのそれぞれの出力範囲とが予め関連付けられたデータを保存しており、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのそれぞれの出力範囲が所定の許容範囲に収まるようにアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２を駆動して反射ミラーＭ１，Ｍ２の角度を変更する。

【0042】

なお、上記のデータは、制御部２０の内部に保存されていなくてもよい。制御部２０の外部にあって、制御部２０からの指令によって制御部２０に読み出されるようにしてもよい。

【0043】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１０は、レーザ光ＬＢを出射するレーザ発振器１２と、レーザ光ＬＢの光路ＬＰ上に配置され、レーザ光ＬＢの光路ＬＰを変更する反射ミラー（光路変更部品）Ｍ１，Ｍ２と、反射ミラーＭ１，Ｍ２に連結され、反射ミラーＭ１，Ｍ２を変位させるアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２と、レーザ光ＬＢの光路ＬＰを囲むように配置され、レーザ光ＬＢの光軸ずれを検出する光軸ずれ検出器１６と、光軸ずれ検出器１６での検出結果に基づいてアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２を駆動することで、反射ミラーＭ１，Ｍ２を変位させてレーザ光ＬＢの光軸ずれを補正する制御部２０と、を少なくとも備えている。

【0044】

本実施形態によれば、レーザ光ＬＢの光軸ずれを簡便な構成で補正することができる。また、光軸ずれ検出器１６をレーザ光ＬＢの光路ＬＰを囲むように配置することで、レーザ光ＬＢのうち加工に必要なモード成分に干渉することなく、レーザ光ＬＢの光軸ずれを検出でき、実際の加工等に使用されるレーザ光ＬＢの品質を低下させることがない。

【0045】

また、光軸ずれ検出器１６は、環状のアパーチャー１６ａと、レーザ光ＬＢの進行方向と対向するアパーチャー１６ａの第１面１６ａ１に互いに所定の間隔をあけて設けられた第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅと、を有している。第１及び第２光検出器１６ｂ，１６ｃは、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡを挟んで第１面１６ａ１内のＸ方向に対向する位置にそれぞれ設けられており、第３及び第４光検出器１６ｄ，１６ｅは、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡを挟んでＹ方向に対向する位置にそれぞれ設けられている。第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅはそれぞれ、図示しない配線を介して制御部２０に接続され、各々の出力信号が制御部２０に入力される。

【0046】

光軸ずれ検出器１６をこのように構成することで、レーザ光ＬＢの光軸ずれを正確に補正することができる。例えば、第１及び第２光検出器１６ｂ，１６ｃを上記のように配設することで、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがＸ方向に沿ってアパーチャー１６ａの中心からどちらの方向にずれたのかを検出することができる。同様に、第３及び第４光検出器１６ｄ，１６ｅを上記のように配設することで、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがＹ方向に沿ってアパーチャー１６ａの中心からどちらの方向にずれたのかを検出することができる。このことにより、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがどの方向にずれているのかを正確に検出して、光軸ずれを補正することができる。

【0047】

レーザ光ＬＢの光軸ＬＡのずれ量と第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのそれぞれの出力範囲とが予め関連付けられており、制御部２０は、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのそれぞれの出力範囲が所定の許容範囲に収まるようにアクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２を駆動して反射ミラーＭ１，Ｍ２の角度を変更させることが好ましい。

【0048】

このようにすることで、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅの出力信号に応じて、レーザ光ＬＢの光軸ずれを精度良く補正することができる。

【0049】

光軸ずれ検出器１６は、集光光学ユニット１５のレーザ光入射口と集光レンズＦＬとの間に配置されているのが好ましい。

【0050】

光軸ずれ検出器１６をこのように配置することで、レーザ光ＬＢの光軸ずれを容易に補正できる。

【0051】

また、アクチュエータＡＣＴ１，ＡＣＴ２は、圧電アクチュエータであるのが好ましく、圧電アクチュエータを用いることで、反射ミラーＭ１，Ｍ２を変位させる応答速度を高められる。また、レーザ光ＬＢの光路長は、集光レンズＦＬを透過したレーザ光ＬＢのスポット径に比べて十分に長い。このため、反射ミラーＭ１，Ｍ２の変位量、つまり、角度変更量は小さくてよく、電動モータ等の大型アクチュエータを用いる必要がなく、レーザ装置１０が大型化するのを抑制できる。

【0052】

また、レーザ発振器１２は、複数のレーザモジュール１３と、複数のレーザモジュール１３からそれぞれ出射されたモジュールレーザ光を結合し、レーザ光ＬＢとして出射するビーム結合器１４と、ビーム結合器１４から出射されたレーザ光ＬＢを所定の倍率で縮小して集光する集光レンズＦＬを有する集光光学ユニット１５と、を少なくとも有している。反射ミラー（光路変更部品）Ｍ１，Ｍ２は、ビーム結合器１４の内部に配置されている。

【0053】

レーザ発振器１２をこのように構成することで、大出力のレーザ光ＬＢを得ることができる。また、ビーム結合器１４の内部に、光路変更部品である反射ミラーＭ１，Ｍ２を含む複数の反射ミラーを設けることで、複数のモジュールレーザ光を１つのレーザ光ＬＢに結合できる。

【0054】

本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ装置１０と、レーザ装置１０から出射されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ３０と、伝送ファイバ３０の出射端に取り付けられ、レーザ光ＬＢをワークＷに向けて照射するレーザ光出射ヘッド４０と、を少なくとも備えている。

【0055】

レーザ加工装置１００をこのように構成することで、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡを伝送ファイバ３０のコア３１に一致させて、ワークＷの加工点に対して正確にレーザ光ＬＢを照射でき、ワークＷの加工品質を高められる。また、レーザ光の光軸ＬＡを伝送ファイバ３０のコア３１に対して精度良く合わせられるため、伝送ファイバ３０の損傷を抑制できる。

【0056】

＜変形例１＞
図４は、本変形例に係るレーザ装置の要部の配置を模式的に示す。なお、図４において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0057】

本変形例に係る構成は、光軸ずれ検出器１６が集光光学ユニット１５の外部に配置されている点で、実施形態１に示す構成と異なる。また、伝送ファイバ３０は、入射端の近傍、つまり、集光光学ユニット１５との接続部近傍にモードストリッパ３３を有しており、光軸ずれ検出器１６はモードストリッパ３３の周囲を囲むように配設されている。なお、図示しないが、伝送ファイバ３０の出射端の近傍にもモードストリッパ３３は設けられている。

【0058】

ここで、モードストリッパ３３について説明する。伝送ファイバ３０は、入射端近傍と出射端近傍のそれぞれにモードストリッパ３３を備えていることが多い。モードストリッパ３３は、伝送ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢのうち、コア３１を伝搬せずクラッド３２に入射される漏れ光を除去するための機構である。モードストリッパ３３が無い場合、クラッド３２に入射されたレーザ光ＬＢがクラッド３２中を伝搬し、伝送ファイバ３０の出射端から低ビーム品質のレーザ光ＬＢが出射されてしまう。モードストリッパ３３の詳細な機構は、伝送ファイバ３０を製造するメーカーにより異なるが、原理としては、クラッド３２に入射した光を全反射させずに、熱に変換して除去するものである。このとき、クラッド３２に入射した光はモードストリッパ３３による損失を受け、大部分はクラッド３２内を伝搬しない。また、クラッド３２内を伝搬する光の一部はモードストリッパ３３の外部に放射される。

【0059】

本変形例では、モードストリッパ３３の周囲を囲むように光軸ずれ検出器１６を設けることで、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅのいずれかが所定値以上の信号を出力した場合は、レーザ光ＬＢがクラッド３２に所定量以上入射されたと判定することができる。つまり、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡが伝送ファイバ３０のコア３１からずれていると判定でき、実施形態１と同様に、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅの出力信号に基づいてレーザ光ＬＢの光軸ずれを補正することができる。

【0060】

＜変形例２＞
図５は、本変形例に係るレーザ装置の要部の配置を、図６は、別のレーザ装置の要部の配置をそれぞれ模式的に示す。なお、図５，６において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、説明の便宜上、図６において、レーザ光ＬＢは光軸ＬＡのみを図示している。

【0061】

図５に示す構成は、集光レンズＦＬにアクチュエータＡＣＴ３が連結されている点で実施形態１に示す構成と異なる。光軸ずれ検出器１６での検出結果に基づいて、制御部２０がアクチュエータＡＣＴ３を駆動して、集光レンズＦＬをＸＹ平面内で移動させることによっても、レーザ光ＬＢの光軸ずれを補正することができる。ただし、この場合は、レーザ光ＬＢの加工に必要なモード成分が集光レンズＦＬの周縁でけられてしまわないように留意する必要があり、所定の許容範囲内で集光レンズＦＬは移動可能である。

【0062】

また、図６に示す構成は、アクチュエータＡＣＴ４に連結された平行平板状の光学部材ＧＰが反射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間に配設されている点で実施形態１に示す構成と異なる。光学部材ＧＰは石英からなり、レーザ光ＬＢを透過させるとともに、レーザ光ＬＢの波長に対して１よりも大きい屈折率を有している。

【0063】

光学部材ＧＰを図６に示す位置に配置することで、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡを、光学部材ＧＰの屈折率と厚さに応じた量だけシフトさせることができる。また、アクチュエータＡＣＴ４を駆動させてレーザ光ＬＢの光軸ＬＡに対する光学部材ＧＰの角度を変更することで、光学部材ＧＰを透過した後のレーザ光ＬＢを当初の進行方向から角度を変えて進行させることができる。このことにより、実施形態１と同様の効果を奏することができる。

【0064】

なお、図６では、反射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間のレーザ光ＬＢの光上に光学部材ＧＰを配設したが、反射ミラーＭ２と光軸ずれ検出器１６との間のレーザ光ＬＢの光路上に光学部材ＧＰを配設するようにしてもよい。この場合、光学部材ＧＰはビーム結合器１４の内部に配設されてもよいし、集光光学ユニット１５の内部に配設されていてもよい。

【0065】

また、以上の説明から明らかなように、集光レンズＦＬや光学部材ＧＰは実施形態１の光路変更部品に相当する。なお、ＡＣＴ３，ＡＣＴ４はいずれも圧電アクチュエータである。

【0066】

（実施形態２）
図７は、本実施形態に係るレーザ装置の要部の配置を模式的に示し、図８は、複数の光軸ずれ検出器によってレーザ光の光軸ずれを検出する原理を説明する模式図を示す。なお、図７，８において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、説明の便宜上、反射ミラーＭ１，Ｍ２と光軸ずれ検出器１６，１７と集光レンズＦＬ以外の構成部品の図示及び詳細な説明を省略する。また、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡのみを図示している。

【0067】

本実施形態に示す構成は、反射ミラーＭ１，Ｍ２と集光レンズＦＬとの間のレーザ光ＬＢの光路上に２つの光軸ずれ検出器１６，１７が設けられている点で、実施形態１に示す構成と異なる。光軸ずれ検出器１６，１７はいずれも図３に示すのと同様の構造を有している。また、２つの光軸ずれ検出器１６，１７は、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡに沿って所定の間隔をあけて配置されている。

【0068】

レーザ装置１０をこのように構成することで、光路変更部品である反射ミラーＭ１，Ｍ２の位置ずれによって、レーザ光ＬＢの光軸ずれが発生している場合に、この光軸ずれを確実に検出できるともに、その補正を行うことができる。このことについて、図８を用いてさらに説明する。

【0069】

図７に示す位置に、反射ミラーＭ１，Ｍ２がそれぞれ配置されている場合には、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡはアパーチャー１６ａの中心を通って集光レンズＦＬに入射される。一方、図８に示すように、反射ミラーＭ１が図７に示す位置から傾いて配置されていると、その傾きに応じて、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡが所定の進行方向から傾いてしまう。このとき、光軸ずれ検出器の配置個数が１個であると、この光軸ずれを検出できないことがある。つまり、図８に示す光軸ずれ検出器１６は、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡがアパーチャー１６ａの内部を通っているため、光軸ずれ検出器１６のサイズやレーザ光の伝搬条件によっては、第１～第４光検出器１６ｂ～１６ｅの出力信号が許容範囲内に留まってしまう場合がある。

【0070】

一方、本実施形態によれば、光軸ずれ検出器１６の後段、この場合は、集光レンズＦＬにより近い側に別の光軸ずれ検出器１７を配置することにより、レーザ光ＬＢの光軸ＬＡの光軸ずれがあった場合に、それを補正して、光軸ＬＡを所望の位置に調整することが可能となる。

【0071】

また、図示しないが、反射ミラーＭ２の角度が所定の位置からずれている場合にも同様の現象が起こりうる。本実施形態によれば、この場合もレーザ光ＬＢの光軸ずれを確実に検出することができる。また、後段の位置にのみ光軸ずれ検出器１７を配置した場合に、レーザ光ＬＢの光軸ずれをうまく検出できない場合があるが、本実施形態によれば、レーザ光ＬＢの光軸ずれを確実に検出することができる。

【0072】

光軸ずれ検出器は、アクチュエータに連結された光路変更部品である反射ミラーの数に応じた個数を設けるのが好ましいが、２つの光軸ずれ検出器１６，１７がレーザ光ＬＢの光軸ＬＡに沿って所定の間隔をあけて配置されていれば、各光路変更部品の位置ずれ等に起因した光軸ずれを検出することは可能である。

【0073】

なお、図７では、反射ミラーＭ２と集光レンズＦＬとの間のレーザ光ＬＢの光路上に２つの光軸ずれ検出器１６，１７が設けられた例を示したが、例えば、反射ミラーＭ２と集光レンズＦＬとの間のレーザ光ＬＢの光路上に１つの光軸ずれ検出器１６を設け、伝送ファイバ３０の入射端近傍であって、モードストリッパ３３を囲むように別の光軸ずれ検出器１７を設けてもよい。

【0074】

（その他の実施形態）
なお、変形例１，２を含む実施形態１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、アクチュエータＡＣＴ３に連結され、ＸＹ平面内に移動可能な変形例２に示す集光レンズＦＬを実施形態１，２に示す構成に適用してもよい。

【0075】

また、実施形態１において、複数のレーザモジュール１３を有するレーザ発振器１２を例に取って説明したが、レーザ光ＬＢを出射する単一のレーザ光源を用いるようにしてもよい。この場合、ビーム結合器１４の内部でのモジュールレーザ光の結合は省略されるが、レーザ光ＬＢの光路を変更するために複数の反射ミラーが筐体１４ａ内に設けられていてもよい。

【0076】

また、変形例１，２を含む実施形態１，２において、光路変更部品として反射ミラーＭ１，Ｍ２や集光レンズＦＬや光学部材ＧＰを例に取って説明したが、これら以外の部品であってもよい。例えば、反射ミラーＭ１，Ｍ２に代えて、レーザ光ＬＢを透過させるウェッジ板を用いてもよい。なお、ウェッジ板は、光学部材ＧＰとは異なり、互いに対向し、レーザ光ＬＢを透過する２つの面が平行ではない構成も含まれる。なお、ビーム結合器１４の内部は、特に図２，４～６に示した構成に特に限定されず、別の構成であってもよい。

【0077】

また、レーザ光ＬＢの波長帯によっては、伝送ファイバ３０の入射端に接して設けられる光学部材が石英ブロック１５ｃではなく、レーザ光ＬＢを透過する他の材質の部材であってもよい。また、伝送ファイバ３０を構成するコア３１及びクラッド３２の材質も特に石英に限定されず、レーザ光ＬＢの波長帯によって適宜変更されうる。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本開示のレーザ装置は、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれを補正できるため、大出力のレーザ光を用いるレーザ加工装置等に適用する上で有用である。

【符号の説明】

【0079】

１０ レーザ装置
１２ レーザ発振器
１３ レーザモジュール
１４ ビーム結合器
１５ 集光光学ユニット
１６，１７ 光軸ずれ検出器
１６ａ アパーチャー
１６ａ１ アパーチャー１６ａの第１面
１６ｂ～１６ｅ 第１～第４光検出器
２０ 制御部
３０ 伝送ファイバ
３１ コア
３２ クラッド
３３ モードストリッパ
４０ レーザ光出射ヘッド
５０ 電源
１００ レーザ加工装置
ＡＣＴ１，ＡＣＴ２，ＡＣＴ３，ＡＣＴ４ アクチュエータ
ＦＬ 集光レンズ（光路変更部品）
ＧＰ 光学部材（光路変更部品）
ＬＡ レーザ光ＬＢの光軸
ＬＢ レーザ光
Ｍ１，Ｍ２ 反射ミラー（光路変更部品）
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】