(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】2024-09-19
(45)【発行日】2024-09-30
(54)【発明の名称】レーザ出力制御方法及びレーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/00 20140101AFI20240920BHJP
H01S 5/0683 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
B23K26/00 N
B23K26/00 Q
H01S5/0683
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021570027
(86)(22)【出願日】2020-12-25
(86)【国際出願番号】 JP2020048897
(87)【国際公開番号】W WO2021140969
(87)【国際公開日】2021-07-15
【審査請求日】2023-07-05
(31)【優先権主張番号】P 2020001981
(32)【優先日】2020-01-09
(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】小松 嵩宙
【審査官】黒石 孝志
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１９０９０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２５２０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２４０３６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１８２１９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－６５２０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平８－１６８８９１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０
Ｈ０１Ｓ ５／０６８３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、
前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置において、前記制御部が実行するレーザ出力制御方法であって、
更新前プログラムの実行により、当該更新前プログラムによって規定された値に前記目標値を設定して前記フィードバック制御を行う第１実行ステップと、
前記第１実行ステップの実行中における前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動を検出する検出ステップと、
前記第１実行ステップの実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の物理量から、前記検出ステップで検出された前記出力変動の発生タイミングより前の所定の監視時間内における測定値が、所定の条件を満たさない物理量を異常物理量として特定する特定ステップと、
更新後プログラムの実行中に、前記特定ステップで特定された異常物理量に所定の特徴が現れるのを変動要因として検出し、当該変動要因の検出後に、前記レーザ出力と前記目標値との差を前記第１実行ステップにおける前記出力変動の発生時よりも減らす補正を前記駆動電流に対して行う補正処理、及び出力装置に警告を出力させる警告処理のうちの少なくとも一方の処理を行うように、前記更新前プログラムを前記更新後プログラムに更新するプログラム更新ステップとを実行することを特徴とするレーザ出力制御方法。
【請求項2】
請求項１に記載のレーザ出力制御方法において、前記所定の条件は、所定の数値範囲内に収まることであることを特徴とするレーザ出力制御方法。
【請求項3】
請求項１又は２に記載のレーザ出力制御方法において、前記所定の特徴は、前記異常物理量が前記監視時間内における所定のタイミングでの測定値となることであることを特徴とするレーザ出力制御方法。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ出力制御方法において、前記複数の物理量は、湿度を含むことを特徴とするレーザ出力制御方法。
【請求項5】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、
前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置であって、
前記制御部は、更新前プログラムの実行により、当該更新前プログラムによって規定された値に前記目標値を設定して前記フィードバック制御を行う第１実行ステップと、
前記第１実行ステップの実行中における前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動を検出する検出ステップと、
前記第１実行ステップの実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の物理量から、前記検出ステップで検出された前記出力変動の発生タイミングより前の所定の監視時間内における測定値が、所定の条件を満たさない物理量を異常物理量として特定する特定ステップと、
更新後プログラムの実行中に、前記特定ステップで特定された異常物理量に所定の特徴が現れるのを変動要因として検出し、当該変動要因の検出後に、前記レーザ出力と前記目標値との差を前記第１実行ステップにおける前記出力変動の発生時よりも減らす補正を前記駆動電流に対して行う補正処理、及び出力装置に警告を出力させる警告処理のうちの少なくとも一方の処理を行うように、前記更新前プログラムを前記更新後プログラムに更新するプログラム更新ステップとを実行するように構成されている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、レーザ発振器により出射されるレーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、レーザ発振器に供給する駆動電流を制御するレーザ出力制御方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光のレーザ出力を測定する出力測定部と、前記レーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、レーザ発振器の操作信号を制御する制御部とを備えたレーザ加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００３－５３５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、特許文献１のようなフィードバック制御を行う場合、出力測定部による測定から、その測定値がレーザ出力に反映されるまでの間に、レーザ加工装置の状態、例えば装置内部の温度や湿度が変化し、レーザ出力と目標値との差が瞬間的に大きくなる出力変動（スパイク）が発生することがある。そして、このような出力変動は加工精度の低下を招く。
【0005】
本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力変動に起因する加工精度の低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の目的を達成するため、本開示は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置において、前記制御部が実行するレーザ出力制御処理であって、更新前プログラムの実行により、当該更新前プログラムによって規定された値に前記目標値を設定して前記フィードバック制御を行う第１実行処理と、前記第１実行処理の実行中における前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動を検出する検出処理と、前記第１実行処理の実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の物理量から、前記検出処理で検出された前記出力変動の発生タイミングより前の所定の監視時間内における測定値が、所定の条件を満たさない物理量を異常物理量として特定する特定処理と、更新後プログラムの実行中に、前記特定処理で特定された異常物理量に所定の特徴が現れるのを変動要因として検出し、当該変動要因の検出後に、前記レーザ出力と前記目標値との差を前記第１実行処理における前記出力変動の発生時よりも減らす補正を前記駆動電流に対して行う補正処理、及び出力装置に警告を出力させる警告処理のうちの少なくとも一方の処理を行うように、前記更新前プログラムを前記更新後プログラムに更新するプログラム更新処理とを実行することを特徴とする。
【0007】
これにより、更新後プログラムの実行中における変動要因の発生後に、補正処理によって、レーザ出力と目標値との差が第１実行ステップにおける出力変動の発生時よりも低減されるか、又は警告処理に応じてユーザが加工動作を停止できるようになるので、出力変動に起因する加工精度の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、出力変動に起因する加工精度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、図１に示すように、レーザ発振器１０と、レーザ光出射ヘッド４０と、伝送ファイバ５０と、制御部６０と、電源７０と、出力装置としての表示装置８０と、コントローラ９０とを備えている。レーザ発振器１０と、伝送ファイバ５０の集光ユニット１３側の端部（入射端）とは筐体１１に収容されている。
【0012】
レーザ発振器１０は、複数のレーザ装置２０と、ビーム結合器１２と、集光ユニット１３とを有している。
【0013】
レーザ装置２０は、図２に示すように、互いに異なる波長のレーザ光ＬＢ１を発する例えば１０個のレーザモジュール３０と、１０個のレーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ１を結合させて出射するレーザ光学系としての回折格子２２と、回折格子２２により出射されたレーザ光の一部をレーザ光ＬＢ２として透過させる一方、残りを反射光ＬＢ３として反射させる部分透過ミラー２３と、部分透過ミラー２３からの反射光ＬＢ３を受光し、反射光ＬＢ３の光量を測定するフォトダイオード２４と、レーザ装置２０内部の温度を測定する温度測定部２０ａと、レーザ装置２０内部の湿度を測定する湿度測定部２０ｂとを有している。
【0014】
各レーザモジュール３０は、図３～５に示すように、レーザダイオードバー（ＬＤバー）３１を有しており、レーザダイオードバー３１は、並列に配置された複数のエミッタ３１ｂを有する半導体レーザアレイである。言い換えるとレーザダイオードバー３１は、エミッタ３１ｂを有する並列に配置された複数のレーザダイオードからなる半導体レーザアレイである。レーザダイオードバー３１は、平面視矩形状の平板形状をなし、その一方の面には板状の正電極３２が配置され、正電極３２の一方の面が取り付けられている。また、レーザダイオードバー３１の他方の面には、正電極３２よりも広い板状の負電極３３が配置され、負電極３３の一方の面の一部が取り付けられている。レーザダイオードバー３１の一側面が、レーザ光ＬＢ１を出射するレーザ光出射面３１ａを構成している。各電極（正電極３２，負電極３３）には、配線３５が接続され、当該配線３５を介して後述する電源７０から電流（電力）が供給される。なお、一つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数は、例えば５０個に設定される。１０個のレーザモジュール３０のレーザダイオードバー３１は、互いに直列に接続されている。
【0015】
負電極３３のレーザダイオードバー３１の取付面におけるレーザダイオードバー３１の取り付けられていない領域には、レーザダイオードバー３１の近傍の温度を測定する熱電対３６が取り付けられている。レーザダイオードバー３１の近傍の温度を測定する手段として、熱電対３６に代えて、ＲＴＤ（Resistance Temperature Detector，測温抵抗体）、サーミスタ、ＩＣ(Integrated Circuit)センサ等の他の手段を用いてもよい。また、サーミスタ、ＩＣセンサ等の半導体デバイスをレーザダイオードバー３１と一体的に形成しても良く、これにより、レーザダイオードバー３１の内部温度を間接的または直接的に測定することができ、測定される温度を、レーザダイオードバー３１の内部温度により近付けることができる。
【0016】
ビーム結合器１２は、複数のレーザ装置２０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ２（図２参照）を一つのレーザ光ＬＢ４に結合して集光ユニット１３に出射する。ビーム結合器１２には、レーザ光ＬＢ４の一定の割合を占める一部の光量を測定するフォトダイオード１２ａ、ビーム結合器１２内部の温度を測定する温度測定部１２ｂ、及びビーム結合器１２内部の湿度を測定する湿度測定部１２ｃが設けられている。
【0017】
集光ユニット１３は、内部に配設された集光レンズ（図示せず）によって、入射されたレーザ光ＬＢ４を集光して所定の倍率でビーム径を縮小して伝送ファイバ５０に出射する。図２中、符号ＬＢ５は、集光ユニット１３によって出射されるレーザ光である。集光ユニット１３は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ５０の入射端が接続されている。集光ユニット１３には、レーザ光ＬＢ５の一定の割合を占める一部の光量を測定するフォトダイオード１３ａ、集光ユニット１３内部の温度を測定する温度測定部１３ｂ、及び集光ユニット１３内部の湿度を測定する湿度測定部１３ｃが設けられている。
【0018】
レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザ出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ光ＬＢ５を得ることができる。
【0019】
伝送ファイバ５０は、レーザ発振器１０により出射されて伝送ファイバ５０の入射端に入射されたレーザ光ＬＢ５をレーザ光出射ヘッド４０に導く。
【0020】
レーザ光出射ヘッド４０は、伝送ファイバ５０によって導かれたレーザ光ＬＢ６を外部に向けて照射する。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、レーザ光出射ヘッド４０によりレーザ光ＬＢ６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。レーザ光出射ヘッド４０には、レーザ光ＬＢ６の一定の割合を占める一部の光量を測定する出力測定部としてのフォトダイオード４０ａが設けられている。
【0021】
制御部６０は、レーザ光ＬＢ６のレーザ出力を所定の目標値に近づけるように、フォトダイオード４０ａの測定値に基づいて、レーザ発振器１０に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う。ここで、制御部６０による駆動電流の制御は、電源７０に指令電流値を出力することによって行われる。また、制御部６０は、ワークＷに対して所定の加工を行うときに実行する加工プログラムを記憶している。加工プログラムは、加工中の各タイミングにおけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力の目標値を規定する。制御部６０による制御の詳細については、後述する。なお、制御部６０は、加工プログラムの実行中において後述する変動要因が検出されたタイミングｔ２（図８参照。）と、当該タイミングｔ２の直後における指令電流値の補正量とを表示装置８０に表示させる。
【0022】
電源７０は、制御部６０により出力された指令電流値に基づいて、駆動電流を複数のレーザ装置２０のそれぞれに対して供給する。
【0023】
表示装置８０は、制御部６０による加工プログラムの実行中において変動要因が検出されたタイミングｔ２（図８参照。）と、当該タイミングｔ２の直後における指令電流値の補正量とを、制御部６０の制御により表示する。
【0024】
コントローラ９０は、タイミングｔ２の直後における指令電流値の補正量を修正するための入力をユーザから受け付け、修正を指示する指令を制御部６０に出力する。
【0025】
以下、制御部６０が駆動電流を制御する動作について、図６を参照して説明する。
【0026】
まず、Ｓ１０１において、制御部６０は、記憶している加工プログラム（更新前プログラム）の実行により、レーザ光ＬＢ６のレーザ出力を、当該加工プログラムに規定された各タイミングの目標値に近づけるように、フォトダイオード４０ａの測定値に基づいて、指令電流値のフィードバック制御を行う（第１実行ステップ）。制御部６０は、加工プログラムの実行中におけるフォトダイオード１２ａ，１３ａ，２４，４０ａ、温度測定部１２ｂ，１３ｂ，２０ａ、熱電対３６、湿度測定部１２ｃ，１３ｃ，２０ｂの測定値をデータログとして記憶する。図７の（ａ）は、Ｓ１０１での加工プログラムの実行中におけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力の目標値、Ｓ１０１での加工プログラムの実行中におけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力の測定値、指令電流値を一定にしたときのレーザ光ＬＢ６のレーザ出力（補正前出力）、及びＳ１０１での加工プログラムの実行中におけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力の測定値と指令電流値を一定にしたときのレーザ光ＬＢ６のレーザ出力との差（補正量）を示す。ここで、レーザ光ＬＢ６のレーザ出力の測定値は、制御部６０によって、フォトダイオード４０ａの測定値に基づいて算出される。
【0027】
次に、Ｓ１０２において、制御部６０は、Ｓ１０１で記憶したデータログを参照することにより、Ｓ１０１での加工プログラムの実行中におけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力の測定値と、加工プログラムによって規定された目標値との差が所定の閾値ＴＨを超える出力変動を検出する（検出ステップ）。そして、出力変動を検出した出力変動発生タイミングｔ１（図７参照。）を記憶する。
【0028】
次に、Ｓ１０３において、制御部６０は、Ｓ１０１での加工プログラムの実行中にレーザ加工装置において測定される複数の物理量から、出力変動発生タイミングｔ１より前の所定の監視時間Ｔ内における測定値が、予め設定された所定の条件を満たさない物理量を異常物理量として特定する（特定ステップ）。前記複数の物理量には、温度測定部１２ｂ，１３ｂ，２０ａ、熱電対３６、及び湿度測定部１２ｃ，１３ｃ，２０ｂの測定値を含む。また、前記複数の物理量は、フォトダイオード１３ａの測定値に基づいて特定されるレーザ光ＬＢ５の光量から、フォトダイオード４０ａの測定値に基づいて特定されるレーザ光ＬＢ６の光量を引くことで得られる伝送ファイバ５０での損失量も含む。具体的には、湿度測定部２０ｂによって監視時間Ｔ内に測定された湿度が、０～Ｈ％の数値範囲内に収まらない場合、当該湿度が異常物理量として特定される。図７の例では、監視時間Ｔ内において、湿度がＨを超えているので、当該湿度が異常物理量として特定される。また、レーザ光ＬＢ５の光量からレーザ光ＬＢ６の光量を引くことで得られる伝送ファイバ５０での損失量が、所定の数値範囲に収まらない場合には、当該損失量が異常物理量として特定される。
【0029】
次に、Ｓ１０４において、制御部６０は、Ｓ１０３で特定された異常物理量の監視時間Ｔ内における測定値の特徴を記憶する。具体的には、異常物理量が湿度測定部２０ｂによって測定される湿度である場合、監視時間Ｔ内における所定のタイミングでの湿度の測定値ＶＡが、測定値の特徴として記憶される。監視時間Ｔ内における所定のタイミングとは、例えば、監視時間Ｔの開始タイミングでもよいし、監視時間Ｔの開始から所定時間経過後のタイミングであってもよい。
【0030】
次に、Ｓ１０５において、制御部６０は、加工プログラムを更新し（プログラム更新ステップ）、更新後の加工プログラム（更新後プログラム）を記憶する。加工プログラムは、更新後の加工プログラムの実行中に、制御部６０が、Ｓ１０４で記憶された特徴がＳ１０３において特定された異常物理量に現れるのを変動要因として検出し、当該変動要因の検出後の所定時間に、前記レーザ光ＬＢ６のレーザ出力の測定値と前記目標値との差をＳ１０１における出力変動の発生時よりも減らす補正を駆動電流に対して行うように更新される。駆動電流に対する補正は、出力変動時におけるレーザ光ＬＢ６のレーザ出力と目標値との差（閾値ＴＨ）に相当する分、レーザ出力を下げるように、指令電流値を補正することにより行われる。具体的には、異常物理量が湿度測定部２０ｂによって測定される湿度である場合には、湿度が測定値ＶＡに達するのを変動要因として検出する。
【0031】
したがって、更新後の加工プログラムの実行中に変動要因が発生すると、駆動電流が補正されることにより、レーザ光ＬＢ６のレーザ出力と前記目標値との差が、更新前の加工プログラムの実行中における出力変動の検出時よりも低減されるので、出力変動に起因する加工精度の低下を抑制できる。
【0032】
また、更新前の加工プログラムを更新後の加工プログラムに置換して、Ｓ１０１～Ｓ１０５の動作を繰り返すことにより、Ｓ１０１での加工プログラムの実行により加工されるワークＷの不具合率を徐々に低減できる。
【0033】
また、湿度が、所定の数値範囲に収まっていない場合に異常物理量として特定されるので、湿度の変動によるレーザ出力の出力変動を抑制できる。例えば、光路中の水分子や揮発性有機物の濃度の上昇によるレーザ出力の低下が、集塵機フィルタの集塵能力を低下させてさらなるレーザ出力の低下を招くのを抑制できる。
【0034】
また、伝送ファイバ５０での損失量が、所定の数値範囲に収まっていない場合に異常物理量として特定されるので、伝送ファイバ５０での損失量の変動によるレーザ出力の出力変動を抑制できる。
【0035】
なお、上記実施形態では、レーザ発振器１０にレーザ装置２０を複数設けたが、１つだけ設けてもよい。かかる場合、レーザ装置２０から出力されたレーザ光ＬＢ２がそのまま伝送ファイバ５０に入射される。
【0036】
また、上記実施形態では、１つのレーザ装置２０に含まれるレーザモジュール３０及びレーザダイオードバー３１の数を１０個に設定したが、レーザ装置２０に要求される最大出力やレーザ装置２０の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。
【0037】
また、上記実施形態では、１つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数を５０個に設定したが、レーザモジュール３０に要求される最大出力やレーザダイオードバー３１の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。
【0038】
また、上記実施形態では、温度測定部１２ｂ，１３ｂ，２０ａ、熱電対３６、及び湿度測定部１２ｃ，１３ｃ，２０ｂの測定値、及び伝送ファイバ５０の損失量から異常物理量を特定したが、レーザ加工装置１００における各部の電圧値、及び電流値や、レーザ加工装置１００における伝送ファイバ５０以外の部分でのレーザ光の損失量から異常物理量を特定できるようにしてもよい。
【0039】
また、上記実施形態では、Ｓ１０５において、更新後の加工プログラムの実行中において、変動要因の検出後に駆動電流の補正処理が行われるように加工プログラムを更新したが、上記補正処理に代えて、表示装置８０に警告を出力表示させる警告処理が行われるように加工プログラムを更新してもよい。また、上記補正処理に加えて、上記警告処理が行われるように加工プログラムを更新してもよい。これにより、更新後の加工プログラムの実行中に変動要因の発生後に、警告処理に応じてユーザが加工動作を停止できるようになる。
【0040】
また、上記実施形態では、Ｓ１０４で、制御部６０が、監視時間Ｔ内における湿度の測定値の特徴として、測定値ＶＡを記憶したが、監視時間Ｔ内における湿度の測定値の傾きを記憶するようにしてもよい。そして、Ｓ１０５において、Ｓ１０４で記憶された傾きで湿度が変位するのを、変動要因として検出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0041】
本開示は、レーザ発振器により出射されるレーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、レーザ発振器に供給する駆動電流を制御するレーザ出力制御方法及びレーザ加工装置として有用である。
【符号の説明】
【0042】
１００ レーザ加工装置
１０ レーザ発振器
２０ レーザ装置
１２ａ、１３ａ、２４ フォトダイオード
４０ａ フォトダイオード（出力測定部）
６０ 制御部
８０ 表示装置（出力装置）
ＴＨ 閾値
Ｔ 監視時間
ｔ１ 出力変動発生タイミング
１０ レーザ発振器
２０ レーザ装置
１２ａ、１３ａ、２４ フォトダイオード
４０ａ フォトダイオード（出力測定部）
６０ 制御部
８０ 表示装置（出力装置）
ＴＨ 閾値
Ｔ 監視時間
ｔ１ 出力変動発生タイミング
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】