レーザ加工装置及びレーザビーム調整方法
【課題】被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できるレーザ加工装置及びレーザビーム調整方法を得ることを目的とする。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、レーザ出射部２２Ａから伝送ファイバー１４によって伝送されたレーザビームが出射され、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａによって、レーザ出射部２２Ａから出射されたレーザビームが被加工物２０へ集光される。そして、レーザ加工装置１０は、コリメートレンズ２４Ａで散乱し、レーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、レーザ出射部２２Ａから伝送ファイバー１４によって伝送されたレーザビームが出射され、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａによって、レーザ出射部２２Ａから出射されたレーザビームが被加工物２０へ集光される。そして、レーザ加工装置１０は、コリメートレンズ２４Ａで散乱し、レーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザビーム調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属板等の被加工物を加工（切断や溶接）する加工ヘッドに、レーザ発振器から光ファイバーを介してレーザビームが送られ、該レーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置の開発が進んでいる。この光ファイバーを用いたレーザには、固体レーザ（例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザ等）がある。
特に、ファイバーレーザは、気体レーザ（例えば、ＣＯ２レーザ）に比較してレーザの生成に要する電気エネルギーが少なく、ロッドタイプの固体レーザに比較して、レーザの生成に要する電気エネルギーが少ない上、レーザビームの品質（レーザの集光性と直進性）が高く、高出力化が可能であるため、普及が進んでいる。
【０００３】
なお、被加工物に照射するレーザビームの品質にばらつきが生じると、被加工物に対する加工品質に差異が生じる。そこで、被加工物に照射するレーザビームの品質を保つために、特許文献１には、伝送用光ファイバーから出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズとコリメートされたレーザビームを被加工物に対して集光照射する集光レンズとを光軸線方向へ移動させることにより、集光レンズにおける集光直径を変換するファイバーレーザ加工機が記載されている。
また、特許文献２には、レーザ発振器から射出されたレーザビームを、光ファイバーを用いて伝送して、被加工物に照射するレーザ加工装置において、レーザ発振器から出射されたレーザビームの拡がり角を調整する調整機構を、光ファイバーの入射側直前に設け、該調整機構を用いて、光ファイバーの許容開口数以下となる拡がり角に、光ファイバーに入射するレーザビームの拡がり角を調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２６４７３号公報
【特許文献２】特開２００９−５６４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、レーザビームを用いた被加工物の加工において、レーザビームの集光位置で被加工物を加工するのではなく、デフォーカス位置で被加工物を加工する場合がある。
特許文献１に記載の技術は、集光位置における被加工物に照射されるレーザビームの径を調整する技術であるが、デフォーカス位置でレーザビームの径を調整するものではない。また、特許文献２に記載の技術は、レーザ発振器から出射されたレーザビームの拡がり角を調整する調整機構が、光ファイバーの入射側直前のみに設けられているので、レーザビームの拡がり角の調整が容易ではない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できるレーザ加工装置及びレーザビーム調整方法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】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置は、光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射された前記レーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、を備え、前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する。
【０００８】
本発明によれば、光ファイバーによって伝送されたレーザビームが出射手段から出射され、少なくとも一つのレンズを有する集光手段によって、出射手段から出射されたレーザビームが被加工物へ集光される。
【０００９】
そして、本発明は、レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する計測手段を備え、前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１１】
ここで、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角は、出射手段から出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。また、レンズで散乱されるレーザビームの強度も、レーザビームのレンズへの入射角の変化、すなわち、出射手段から出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。そのため、計測手段によって、集光手段が有するレンズで散乱されたレーザビームの強度の変化を計測することは、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
そして、本発明は、計測手段によって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記被加工物の位置において前記レーザビームの径が所定の大きさとなるように、前記被加工物の位置と前記集光手段の位置とを相対的に光軸線方向へ移動してもよい。
本発明によれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角と共に、レーザビームの径も適正な大きさに調整できる。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器で生成された前記レーザビームを出射する第２出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記第２出射手段から出射された前記レーザビームを前記光ファイバーへ入射するように集光させる第２集光手段と、を備え、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１４】
本発明によれば、第２出射手段からレーザ発振器で生成されたレーザビームが出射され、少なくとも一つのレンズを有する第２集光手段によって、第２出射手段から出射されたレーザビームが光ファイバーへ入射するように集光される。
【００１５】
そして、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができる。
【００１６】
一方、光ファイバーに入射したレーザビームは、光ファイバーを構成するコアとクラッドとの境界面で全反射しながら光ファイバー内を伝搬する。レーザビームは、所定の臨界角よりも小さな角度で光ファイバーに入射すると全反射しながら伝搬するが、臨界角よりも大きな角度で光ファイバーに入射する全反射せず、光ファイバー内を伝搬しない。
【００１７】
そこで、本発明は、第２出射手段及び第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、臨界角度以上の拡がり角を有するレーザビームが光ファイバーから出射されることがなくなるので、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記第２集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する第２計測手段を備え、前記第２計測手段で計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１９】
本発明によれば、第２計測手段によって、第２集光手段が有するレンズで散乱されたレーザビームの強度を計測することは、光ファイバーへ入射するレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
【００２０】
そこで、本発明は、第２計測手段によって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、第２出射手段及び第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、光ファイバーへ入射するレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００２１】
一方、課題を解決するために、本発明のレーザビーム調整方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザビーム調整方法は、光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射されたレーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、を備えたレーザ加工装置のレーザビーム調整方法であって、前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する。
【００２２】
本発明によれば、レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る出射光学系のレーザ出射部を移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る出射光学系のレーザ出射部及びコリメートレンズを移動させることによってレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る入射光学系の集光レンズを移動させることによって、伝送ファイバーのレーザ入射部に入射するレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザビーム調整方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１に、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示す。
レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１２、伝送ファイバー１４、及び出射光学系１６を備え、出射光学系１６から出射されたレーザビームをテーブル１８に載置されている被加工物（「ワーク」ともいう。）２０に照射することで被加工物２０を加工する。なお、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、伝送ファイバー１４とは別に励起用媒質を添加したファイバーによりレーザ発振するファイバーレーザを用いるが、用いるレーザとしてはこの限りではない。
【００２７】
また、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、出射光学系１６から出射されたレーザビームを被加工物２０の位置でデフォーカスさせて、被加工物２０の加工に用いる。
【００２８】
さらに、本第１実施形態では、レーザ加工装置１０を、テーブル２８に載置されている被加工物３０に連続的にレーザビームを照射することで被加工物３０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明する。なお、被加工物２０は、金属（例えば、鉄（Ｆｅ））であり、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物２０を切断する際に、アシストガスである酸素ガスを切断部分に吹きかけながら切断する。
また、出射光学系１６は、３軸方向（ｘｙｚ軸）に移動できる不図示の３軸アームによって支持され、３軸アームが駆動することによって、被加工物２０の切断の進行方向が変化する。
【００２９】
レーザ発振器１２は、レーザ（本第１実施形態では、ＹＡＧレーザ）を生成し、生成されたレーザは、伝送ファイバー１４で増幅されながら伝送され、伝送ファイバー１４の末端に設けられているレーザ出射部２２Ａから出射光学系１６へ出射される。
【００３０】
出射光学系１６は、上流側から、レーザ出射部２２Ａから出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にするコリメートレンズ２４Ａ、及びコリメートレンズ２４Ａによって平行光とされたレーザビームをテーブル２８に載置された被加工物３０を切断するために集束させる集光レンズ２６Ａを有している。なお、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａは、中心軸線が同軸となるように配置されている。
【００３１】
本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０では、レーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８が、モータ（ステッピングモータ）等の駆動装置によって各々光軸線方向へ移動可能とされている。
【００３２】
また、本第１実施形態に係る出射光学系１６は、コリメートレンズ２４Ａで散乱されたレーザビームの強度（以下、「散乱強度」という。）を計測する計測部２８Ａ，２８Ｂを備えている。計測部２８Ａ，２８Ｂは、例えば、フォトダイオードで構成されており、該フォトダイオードから出力される電流の大きさからレーザビームの散乱強度を計測する。
【００３３】
なお、以下の説明において、計測部２８Ａ，２８Ｂを区別する場合は、符号の後にＡ，Ｂのいずれかを付して説明し、計測部２８Ａ，２８Ｂを区別しない場合は、Ａ，Ｂを省略する。また、本第１実施形態に係る出射光学系１６は、２つの計測部２８Ａ，２８Ｂを有するが、これに限らず、計測部は一つであってもよいし、３つ以上でもよい。より多くの計測部を有することによって、レーザビームの散乱強度の変化、すなわち、レンズへ入射するレーザビームの拡がり角の変化をより正確に計測することができる。
【００３４】
ここで、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角は、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。また、レーザビームの散乱強度は、レーザビームのコリメートレンズ２４Ａへの入射角の変化、すなわち、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。そのため、計測部２８によって、レーザビームの散乱強度を計測することは、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
【００３５】
次に、本第１実施形態に係る出射光学系１６の作用について説明する。
本第１実施形態に係る出射光学系１６は、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が予め定められた範囲（以下、「基準範囲」という。）内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する。
【００３６】
図２（Ａ）又は図３（Ａ）に示すように、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角にばらつきが生じる場合がある。このばらつきは、伝送ファイバー１４に入射されるレーザビームの拡がり角のばらつき、伝送ファイバー１４の個体差、及び伝送ファイバー１４の敷設状態に応じて外部から加えられるストレス（応力）等が原因と考えられる。
【００３７】
そして、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い、被加工物２０の位置（図２（Ａ）、図３（Ａ）におけるワーク表面想定位置であるデフォーカス位置）におけるレーザビームの径や拡がり角に変化が生じる。すなわち、被加工物２０に照射するレーザビームの品質にばらつきが生じる。これによって、レーザ加工装置１０による被加工物２０に対する加工品質に劣化する可能性がある。
レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角に変化が生じると、計測部２８で計測されるレーザビームの散乱強度に変化が生じる。そして、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化が大きくなると、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内からずれる。すなわち、基準範囲とは、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角が、被加工物２０に対する加工品質を保てる大きさであることを示すレーザビームの散乱強度の範囲を示す。
【００３８】
そこで、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じて、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させる。この移動によって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を被加工物２０に対する加工品質を保てる拡がり角に維持させる。
【００３９】
なお、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、計測部２８Ａ，２８Ｂを備えているため、一例として、計測部２８Ａ，２８Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度の平均値が基準範囲からずれた場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させる。また、これに限らず、計測部２８Ａ，２８Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度のうち、何れか一方又は両方が基準範囲からずれた場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させてもよい。
【００４０】
図２（Ｂ），（Ｃ）は、レーザ出射部２２Ａを光軸線方向へ移動させた場合の一例であり、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａの移動量及び移動方向は、例えば実験又はレーザビームの光線追跡計算等によって予め定められる。そして、図２（Ｂ）,（Ｃ）に示されるように、レーザ出射部２２Ａを移動させることによって、ワーク表面想定位置（デフォーカス位置）におけるレーザビームの径及び拡がり角が一定となる。
また、図３（Ｂ），（Ｃ）は、レーザ出射部２２Ａとコリメートレンズ２４Ａ共に、光軸線方向へ移動させた場合の一例である。そして、図３（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａを光軸線に対して移動させることによって、ワーク表面想定位置（デフォーカス位置）におけるレーザビームの径及び拡がり角が一定となる。
これらのように、レーザ出射部２２Ａと共にコリメートレンズ２４Ａを移動させることによって、レーザ出射部２２Ａの移動量を小さくすること、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の調整幅を広げることができる。
【００４１】
レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整することに伴い、被加工物２０の位置におけるレーザビームの径の大きさが変化する。このため、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、テーブル１８を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとする。なお、テーブル１８の移動量及び移動方向も、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じて、例えば実験又はレーザビームの光線追跡計算等によって予め定められる。
【００４２】
なお、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの移動は、手動で行ってもよいし、自動で行ってもよい。
【００４３】
以下に、上記自動で行う処理（以下、「自動調整処理」という。）を説明する。
自動調整処理は、レーザ加工装置１０の全体の動作を司るＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行される。また、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８の移動量を示す移動量情報が、磁気記憶装置又は半導体記憶装置等で構成される記憶部に記憶されている。
【００４４】
そして、ＣＰＵは、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲からずれているか否かを判定する。そして該判定が肯定判定となった場合に、ＣＰＵは、記憶部から移動量情報を読み出し、該移動量情報によって示される上記ずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８の移動量に基づいて、各々に対応する駆動装置を駆動させる。
【００４５】
以上説明したように、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、伝送ファイバー１４によって伝送されたレーザビームがレーザ出射部２２Ａから出射され、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａによって、レーザ出射部２２Ａから出射されたレーザビームが被加工物２０へ集光される。そして、レーザ加工装置１０は、計測部２８によって計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整できる。
【００４６】
また、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物２０の位置においてレーザビームの径が所定の大きさとなるように、被加工物２０の位置を光軸線方向へ移動させるので、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角と共に、レーザビームの径を適正な大きさに調整できる。
【００４７】
なお、本第１実施形態では、コリメートレンズ２４Ａを移動させる場合について説明したが、これに限らず、コリメートレンズ２４Ａと共に集光レンズ２６Ａを移動させてもよいし、コリメートレンズ２４Ａは移動させずに、集光レンズ２６Ａのみを移動させてもよい。
【００４８】
なお、本第１実施形態では、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとするために、テーブル１８の位置を光軸線方向へ移動させたが、これに限らず、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとするためには、被加工物２０と出射光学系１６とが相対的に光軸線方向へ移動すればよいため、３軸アームを用いて出射光学系１６の位置を光軸線方向へ移動させてもよい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００５０】
図４に、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０の構成を示す。なお、図４における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。
レーザ加工装置５０は、発振ファイバー５２、入射光学系５４、伝送ファイバー１４、出射光学系１６を備え、出射光学系１６から出射されたレーザビームをテーブル１８に載置されている被加工物２０に照射することで被加工物を加工する。なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、伝送ファイバー１４とは別に励起用媒質を添加したファイバーによりレーザ発振するファイバーレーザを用いるが、用いるレーザとしてはこの限りではない。
【００５１】
レーザ発振器１２は、レーザ（本第２実施形態では、ＹＡＧレーザ）を生成し、生成されたレーザは、発振ファイバー５２で増幅されながら伝送され、発振ファイバー５２の末端に設けられているレーザ出射部２２Ｂから入射光学系５４へ出射される。
【００５２】
入射光学系５４は、上流側から、レーザ出射部２２Ｂから出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にするコリメートレンズ２４Ｂ、及びコリメートレンズ２４Ｂによって平行光とされたレーザビームを伝送ファイバー１４のレーザ入射部２２Ｃへ入射させる集光レンズ２６Ｂを有している。なお、コリメートレンズ２４Ｂ及び集光レンズ２６Ｂは、中心軸線が同軸となるように配置されている。
【００５３】
また、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０では、集光レンズ２６Ｂが、モータ（ステッピングモータ）等の駆動装置によって各々光軸線方向へ移動可能とされている。
【００５４】
さらに、本第１実施形態に係る入射光学系５４は、出射光学系１６が備える計測部２８と同様の、コリメートレンズ２４Ｂで散乱されたレーザビームの散乱強度を計測する計測部５６Ａ，５６Ｂを備えている。なお、以下の説明において、計測部５６Ａ，５６Ｂを区別する場合は、符号の後にＣ，Ｄのいずれかを付して説明し、計測部５６Ａ，５６Ｂを区別しない場合は、Ｃ，Ｄを省略する。
【００５５】
そして、伝送ファイバー１４に入射されたレーザビームは、伝送ファイバー１４の末端に設けられているレーザ出射部２２Ａから出射光学系１６へ出射される。
【００５６】
次に、本第２実施形態に係る出射光学系１６の作用について説明する。
本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０によれば、レーザ発振器１２で生成されたレーザビームがレーザ出射部２２Ｂから出射され、コリメートレンズ２４Ｂ及び集光レンズ２６Ｂによって、レーザ出射部２２Ｂから出射されたレーザビームが伝送ファイバー１４へ入射するように集光される。
【００５７】
ここで、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができれば、被加工物２０の位置における出射光学系１６で集光されたレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができる。
【００５８】
一方、伝送ファイバー１４は、光ファイバーであり、光ファイバーに入射したレーザビームは、光ファイバーを構成するコアとクラッドとの境界面で全反射しながら光ファイバー内を伝搬する。そして、レーザビームは、所定の臨界角よりも小さな角度で光ファイバーに入射すると全反射しながら伝搬するが、臨界角よりも大きな角度で光ファイバーに入射すると全反射せず、光ファイバー内を伝搬しない。
【００５９】
そこで、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、伝送ファイバー１４でレーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で、レーザビームを伝送ファイバー１４へ入射させる。これによって、臨界角度以上の拡がり角を有するレーザビームが伝送ファイバー１４から出射されることがなくなるので、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。本第２実施形態では、伝送ファイバー１４へ入射させるレーザビームの拡がり角を、一例として、開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．１９〜０．２の範囲とする。
【００６０】
なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、図５（Ｂ）に示すように、レーザビームの散乱強度が基準範囲内の場合である図５（Ａ）に対して、集光レンズ２６Ｂをレーザ入射部２２Ｃと共に光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で伝送ファイバー１４へ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。なお、基準範囲は、伝送ファイバー１４へ入射するレーザビームの拡がり角が、臨界角度と略同等の拡がり角（一例として、開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．１９〜０．２となる拡がり角）であることを示すレーザビームの散乱強度の範囲を示す。なお、図５（Ｂ）の例では、集光レンズ２６Ｂを移動させることによって、レーザ入射部２２Ｃへ入射するレーザビームの拡がり角が臨界角度を略同等の一定値とされ、レーザビームの径は小さくなる。
【００６１】
なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６Ａ，５６Ｂを備えているため、一例として、計測部５６Ａ，５６Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度の平均値が基準範囲からずれた場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させる。また、これに限らず、計測部５６Ａ，５６Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度のうち、何れか一方が基準範囲からずれた場合、又は、予め定めた一方が基準範囲からずれた場合等の条件を満たした場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させてもよい。
【００６２】
なお、集光レンズ２６Ｂの移動は、手動で行われてもよいし、自動で行ってもよい。
以下に、集光レンズ２６Ｂの移動を自動で行う処理（以下、「第２自動調整処理」という。）を説明する。
【００６３】
第２自動調整処理は、レーザ加工装置５０の全体の動作を司るＣＰＵによって実行される。また、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じた集光レンズ２６Ｂの移動量を示す移動量情報が、磁気記憶装置又は半導体記憶装置等で構成される記憶部に記憶されている。
【００６４】
そして、ＣＰＵは、計測部５６で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲からずれているか否かを判定する。該判定が肯定判定となった場合に、ＣＰＵは、記憶部から移動量情報を読み出し、該移動量情報によって示される上記ずれ量に応じた集光レンズ２６Ｂの移動量に基づいて、集光レンズ２６Ｂに対応する駆動装置を駆動させる。
【００６５】
以上説明したように、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６Ａ，５６Ｂによって計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、伝送ファイバー１４へ入射するレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００６６】
なお、本第２実施形態では、集光レンズ２６Ｂを移動させる場合について説明したが、これに限らず、集光レンズ２６Ｂと共にコリメートレンズ２４Ｂを移動させてもよいし、集光レンズ２６Ｂは移動させずに、コリメートレンズ２４Ｂのみ、又はレーザ入射部２２Ｃを移動させてもよい。
【００６７】
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６８】
例えば、上記各実施形態では、レーザ加工装置１０，５０を、被加工物２０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、レーザ加工装置１０，５０を複数の被加工物を溶接するレーザ溶接装置として用いる形態としてもよい。
【００６９】
また、上記各実施形態では、アシストガスとして酸素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アシストガスとして窒素ガスやアルゴンガス等、他のガスを用いる形態としてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、レーザ加工装置１０，５０にファイバーレーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、光ファイバー伝送可能なレーザであれば他のレーザを用いる形態としてもよい。
【００７１】
また、上記各実施形態では、３軸アームによって被加工物２０の切断の進行方向を変化させる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縦（ｘ）及び横（ｙ）に移動する２軸アームに支持される形態としてもよい。さらに、３軸アームを用いずに、被加工物２０を載置したテーブル１８を３軸方向へ移動可能とし、テーブル１８を移動させることによって、被加工物２０の切断の進行方向を変化させる形態としてもよい。
【００７２】
また、上記各実施形態では、計測部２８Ａ，２８Ｂや計測部５６Ａ，５６Ｂによって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、レーザビームの拡がり角を調整する場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ加工装置１０が計測部２８Ａ，２８Ｂや計測部５６Ａ，５６Ｂを備えず、被加工物２０におけるレーザビームの強度を測定し、該強度が予め定められた範囲内でない場合に、レーザビームの拡がり角を調整する形態としてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０ レーザ加工装置
１６ 出射光学系
２０ 被加工物
２２Ａ レーザ出射部
２４Ａ，２４Ｂ コリメートレンズ
２６Ａ，２６Ｂ 集光レンズ
２８Ａ，２８Ｂ 計測部
５０ レーザ加工装置
５４ 入射光学系
５６Ａ，５６Ｂ 計測部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザビーム調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属板等の被加工物を加工（切断や溶接）する加工ヘッドに、レーザ発振器から光ファイバーを介してレーザビームが送られ、該レーザビームによって被加工物を加工するレーザ加工装置の開発が進んでいる。この光ファイバーを用いたレーザには、固体レーザ（例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザ等）がある。
特に、ファイバーレーザは、気体レーザ（例えば、ＣＯ２レーザ）に比較してレーザの生成に要する電気エネルギーが少なく、ロッドタイプの固体レーザに比較して、レーザの生成に要する電気エネルギーが少ない上、レーザビームの品質（レーザの集光性と直進性）が高く、高出力化が可能であるため、普及が進んでいる。
【０００３】
なお、被加工物に照射するレーザビームの品質にばらつきが生じると、被加工物に対する加工品質に差異が生じる。そこで、被加工物に照射するレーザビームの品質を保つために、特許文献１には、伝送用光ファイバーから出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズとコリメートされたレーザビームを被加工物に対して集光照射する集光レンズとを光軸線方向へ移動させることにより、集光レンズにおける集光直径を変換するファイバーレーザ加工機が記載されている。
また、特許文献２には、レーザ発振器から射出されたレーザビームを、光ファイバーを用いて伝送して、被加工物に照射するレーザ加工装置において、レーザ発振器から出射されたレーザビームの拡がり角を調整する調整機構を、光ファイバーの入射側直前に設け、該調整機構を用いて、光ファイバーの許容開口数以下となる拡がり角に、光ファイバーに入射するレーザビームの拡がり角を調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２６４７３号公報
【特許文献２】特開２００９−５６４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、レーザビームを用いた被加工物の加工において、レーザビームの集光位置で被加工物を加工するのではなく、デフォーカス位置で被加工物を加工する場合がある。
特許文献１に記載の技術は、集光位置における被加工物に照射されるレーザビームの径を調整する技術であるが、デフォーカス位置でレーザビームの径を調整するものではない。また、特許文献２に記載の技術は、レーザ発振器から出射されたレーザビームの拡がり角を調整する調整機構が、光ファイバーの入射側直前のみに設けられているので、レーザビームの拡がり角の調整が容易ではない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できるレーザ加工装置及びレーザビーム調整方法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】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置は、光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射された前記レーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、を備え、前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する。
【０００８】
本発明によれば、光ファイバーによって伝送されたレーザビームが出射手段から出射され、少なくとも一つのレンズを有する集光手段によって、出射手段から出射されたレーザビームが被加工物へ集光される。
【０００９】
そして、本発明は、レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する計測手段を備え、前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１１】
ここで、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角は、出射手段から出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。また、レンズで散乱されるレーザビームの強度も、レーザビームのレンズへの入射角の変化、すなわち、出射手段から出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。そのため、計測手段によって、集光手段が有するレンズで散乱されたレーザビームの強度の変化を計測することは、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
そして、本発明は、計測手段によって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記被加工物の位置において前記レーザビームの径が所定の大きさとなるように、前記被加工物の位置と前記集光手段の位置とを相対的に光軸線方向へ移動してもよい。
本発明によれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角と共に、レーザビームの径も適正な大きさに調整できる。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器で生成された前記レーザビームを出射する第２出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記第２出射手段から出射された前記レーザビームを前記光ファイバーへ入射するように集光させる第２集光手段と、を備え、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１４】
本発明によれば、第２出射手段からレーザ発振器で生成されたレーザビームが出射され、少なくとも一つのレンズを有する第２集光手段によって、第２出射手段から出射されたレーザビームが光ファイバーへ入射するように集光される。
【００１５】
そして、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができる。
【００１６】
一方、光ファイバーに入射したレーザビームは、光ファイバーを構成するコアとクラッドとの境界面で全反射しながら光ファイバー内を伝搬する。レーザビームは、所定の臨界角よりも小さな角度で光ファイバーに入射すると全反射しながら伝搬するが、臨界角よりも大きな角度で光ファイバーに入射する全反射せず、光ファイバー内を伝搬しない。
【００１７】
そこで、本発明は、第２出射手段及び第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、臨界角度以上の拡がり角を有するレーザビームが光ファイバーから出射されることがなくなるので、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、前記第２集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する第２計測手段を備え、前記第２計測手段で計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整してもよい。
【００１９】
本発明によれば、第２計測手段によって、第２集光手段が有するレンズで散乱されたレーザビームの強度を計測することは、光ファイバーへ入射するレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
【００２０】
そこで、本発明は、第２計測手段によって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、第２出射手段及び第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、光ファイバーへ入射するレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、光ファイバーから出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００２１】
一方、課題を解決するために、本発明のレーザビーム調整方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザビーム調整方法は、光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射されたレーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、を備えたレーザ加工装置のレーザビーム調整方法であって、前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する。
【００２２】
本発明によれば、レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、出射手段及びレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を容易に調整できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る出射光学系のレーザ出射部を移動させることによって、被加工物の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る出射光学系のレーザ出射部及びコリメートレンズを移動させることによってレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る入射光学系の集光レンズを移動させることによって、伝送ファイバーのレーザ入射部に入射するレーザビームの拡がり角を調整する場合を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザビーム調整方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１に、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示す。
レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１２、伝送ファイバー１４、及び出射光学系１６を備え、出射光学系１６から出射されたレーザビームをテーブル１８に載置されている被加工物（「ワーク」ともいう。）２０に照射することで被加工物２０を加工する。なお、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、伝送ファイバー１４とは別に励起用媒質を添加したファイバーによりレーザ発振するファイバーレーザを用いるが、用いるレーザとしてはこの限りではない。
【００２７】
また、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、出射光学系１６から出射されたレーザビームを被加工物２０の位置でデフォーカスさせて、被加工物２０の加工に用いる。
【００２８】
さらに、本第１実施形態では、レーザ加工装置１０を、テーブル２８に載置されている被加工物３０に連続的にレーザビームを照射することで被加工物３０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明する。なお、被加工物２０は、金属（例えば、鉄（Ｆｅ））であり、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物２０を切断する際に、アシストガスである酸素ガスを切断部分に吹きかけながら切断する。
また、出射光学系１６は、３軸方向（ｘｙｚ軸）に移動できる不図示の３軸アームによって支持され、３軸アームが駆動することによって、被加工物２０の切断の進行方向が変化する。
【００２９】
レーザ発振器１２は、レーザ（本第１実施形態では、ＹＡＧレーザ）を生成し、生成されたレーザは、伝送ファイバー１４で増幅されながら伝送され、伝送ファイバー１４の末端に設けられているレーザ出射部２２Ａから出射光学系１６へ出射される。
【００３０】
出射光学系１６は、上流側から、レーザ出射部２２Ａから出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にするコリメートレンズ２４Ａ、及びコリメートレンズ２４Ａによって平行光とされたレーザビームをテーブル２８に載置された被加工物３０を切断するために集束させる集光レンズ２６Ａを有している。なお、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａは、中心軸線が同軸となるように配置されている。
【００３１】
本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０では、レーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８が、モータ（ステッピングモータ）等の駆動装置によって各々光軸線方向へ移動可能とされている。
【００３２】
また、本第１実施形態に係る出射光学系１６は、コリメートレンズ２４Ａで散乱されたレーザビームの強度（以下、「散乱強度」という。）を計測する計測部２８Ａ，２８Ｂを備えている。計測部２８Ａ，２８Ｂは、例えば、フォトダイオードで構成されており、該フォトダイオードから出力される電流の大きさからレーザビームの散乱強度を計測する。
【００３３】
なお、以下の説明において、計測部２８Ａ，２８Ｂを区別する場合は、符号の後にＡ，Ｂのいずれかを付して説明し、計測部２８Ａ，２８Ｂを区別しない場合は、Ａ，Ｂを省略する。また、本第１実施形態に係る出射光学系１６は、２つの計測部２８Ａ，２８Ｂを有するが、これに限らず、計測部は一つであってもよいし、３つ以上でもよい。より多くの計測部を有することによって、レーザビームの散乱強度の変化、すなわち、レンズへ入射するレーザビームの拡がり角の変化をより正確に計測することができる。
【００３４】
ここで、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角は、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。また、レーザビームの散乱強度は、レーザビームのコリメートレンズ２４Ａへの入射角の変化、すなわち、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い変化する。そのため、計測部２８によって、レーザビームの散乱強度を計測することは、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を計測することとなる。
【００３５】
次に、本第１実施形態に係る出射光学系１６の作用について説明する。
本第１実施形態に係る出射光学系１６は、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が予め定められた範囲（以下、「基準範囲」という。）内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整する。
【００３６】
図２（Ａ）又は図３（Ａ）に示すように、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角にばらつきが生じる場合がある。このばらつきは、伝送ファイバー１４に入射されるレーザビームの拡がり角のばらつき、伝送ファイバー１４の個体差、及び伝送ファイバー１４の敷設状態に応じて外部から加えられるストレス（応力）等が原因と考えられる。
【００３７】
そして、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化に伴い、被加工物２０の位置（図２（Ａ）、図３（Ａ）におけるワーク表面想定位置であるデフォーカス位置）におけるレーザビームの径や拡がり角に変化が生じる。すなわち、被加工物２０に照射するレーザビームの品質にばらつきが生じる。これによって、レーザ加工装置１０による被加工物２０に対する加工品質に劣化する可能性がある。
レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角に変化が生じると、計測部２８で計測されるレーザビームの散乱強度に変化が生じる。そして、レーザ出射部２２Ａから出射されるレーザビームの拡がり角の変化が大きくなると、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内からずれる。すなわち、基準範囲とは、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角が、被加工物２０に対する加工品質を保てる大きさであることを示すレーザビームの散乱強度の範囲を示す。
【００３８】
そこで、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じて、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させる。この移動によって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を被加工物２０に対する加工品質を保てる拡がり角に維持させる。
【００３９】
なお、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、計測部２８Ａ，２８Ｂを備えているため、一例として、計測部２８Ａ，２８Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度の平均値が基準範囲からずれた場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させる。また、これに限らず、計測部２８Ａ，２８Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度のうち、何れか一方又は両方が基準範囲からずれた場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させてもよい。
【００４０】
図２（Ｂ），（Ｃ）は、レーザ出射部２２Ａを光軸線方向へ移動させた場合の一例であり、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａの移動量及び移動方向は、例えば実験又はレーザビームの光線追跡計算等によって予め定められる。そして、図２（Ｂ）,（Ｃ）に示されるように、レーザ出射部２２Ａを移動させることによって、ワーク表面想定位置（デフォーカス位置）におけるレーザビームの径及び拡がり角が一定となる。
また、図３（Ｂ），（Ｃ）は、レーザ出射部２２Ａとコリメートレンズ２４Ａ共に、光軸線方向へ移動させた場合の一例である。そして、図３（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａを光軸線に対して移動させることによって、ワーク表面想定位置（デフォーカス位置）におけるレーザビームの径及び拡がり角が一定となる。
これらのように、レーザ出射部２２Ａと共にコリメートレンズ２４Ａを移動させることによって、レーザ出射部２２Ａの移動量を小さくすること、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の調整幅を広げることができる。
【００４１】
レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整することに伴い、被加工物２０の位置におけるレーザビームの径の大きさが変化する。このため、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、テーブル１８を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとする。なお、テーブル１８の移動量及び移動方向も、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じて、例えば実験又はレーザビームの光線追跡計算等によって予め定められる。
【００４２】
なお、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの移動は、手動で行ってもよいし、自動で行ってもよい。
【００４３】
以下に、上記自動で行う処理（以下、「自動調整処理」という。）を説明する。
自動調整処理は、レーザ加工装置１０の全体の動作を司るＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行される。また、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８の移動量を示す移動量情報が、磁気記憶装置又は半導体記憶装置等で構成される記憶部に記憶されている。
【００４４】
そして、ＣＰＵは、計測部２８で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲からずれているか否かを判定する。そして該判定が肯定判定となった場合に、ＣＰＵは、記憶部から移動量情報を読み出し、該移動量情報によって示される上記ずれ量に応じたレーザ出射部２２Ａ、コリメートレンズ２４Ａ、及びテーブル１８の移動量に基づいて、各々に対応する駆動装置を駆動させる。
【００４５】
以上説明したように、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、伝送ファイバー１４によって伝送されたレーザビームがレーザ出射部２２Ａから出射され、コリメートレンズ２４Ａ及び集光レンズ２６Ａによって、レーザ出射部２２Ａから出射されたレーザビームが被加工物２０へ集光される。そして、レーザ加工装置１０は、計測部２８によって計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、レーザ出射部２２Ａ及びコリメートレンズ２４Ａの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることによって、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整するので、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角を調整できる。
【００４６】
また、本第１実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物２０の位置においてレーザビームの径が所定の大きさとなるように、被加工物２０の位置を光軸線方向へ移動させるので、被加工物２０の位置におけるレーザビームの拡がり角と共に、レーザビームの径を適正な大きさに調整できる。
【００４７】
なお、本第１実施形態では、コリメートレンズ２４Ａを移動させる場合について説明したが、これに限らず、コリメートレンズ２４Ａと共に集光レンズ２６Ａを移動させてもよいし、コリメートレンズ２４Ａは移動させずに、集光レンズ２６Ａのみを移動させてもよい。
【００４８】
なお、本第１実施形態では、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとするために、テーブル１８の位置を光軸線方向へ移動させたが、これに限らず、被加工物２０におけるレーザビームの径の大きさを所定の大きさとするためには、被加工物２０と出射光学系１６とが相対的に光軸線方向へ移動すればよいため、３軸アームを用いて出射光学系１６の位置を光軸線方向へ移動させてもよい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００５０】
図４に、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０の構成を示す。なお、図４における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。
レーザ加工装置５０は、発振ファイバー５２、入射光学系５４、伝送ファイバー１４、出射光学系１６を備え、出射光学系１６から出射されたレーザビームをテーブル１８に載置されている被加工物２０に照射することで被加工物を加工する。なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、伝送ファイバー１４とは別に励起用媒質を添加したファイバーによりレーザ発振するファイバーレーザを用いるが、用いるレーザとしてはこの限りではない。
【００５１】
レーザ発振器１２は、レーザ（本第２実施形態では、ＹＡＧレーザ）を生成し、生成されたレーザは、発振ファイバー５２で増幅されながら伝送され、発振ファイバー５２の末端に設けられているレーザ出射部２２Ｂから入射光学系５４へ出射される。
【００５２】
入射光学系５４は、上流側から、レーザ出射部２２Ｂから出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にするコリメートレンズ２４Ｂ、及びコリメートレンズ２４Ｂによって平行光とされたレーザビームを伝送ファイバー１４のレーザ入射部２２Ｃへ入射させる集光レンズ２６Ｂを有している。なお、コリメートレンズ２４Ｂ及び集光レンズ２６Ｂは、中心軸線が同軸となるように配置されている。
【００５３】
また、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０では、集光レンズ２６Ｂが、モータ（ステッピングモータ）等の駆動装置によって各々光軸線方向へ移動可能とされている。
【００５４】
さらに、本第１実施形態に係る入射光学系５４は、出射光学系１６が備える計測部２８と同様の、コリメートレンズ２４Ｂで散乱されたレーザビームの散乱強度を計測する計測部５６Ａ，５６Ｂを備えている。なお、以下の説明において、計測部５６Ａ，５６Ｂを区別する場合は、符号の後にＣ，Ｄのいずれかを付して説明し、計測部５６Ａ，５６Ｂを区別しない場合は、Ｃ，Ｄを省略する。
【００５５】
そして、伝送ファイバー１４に入射されたレーザビームは、伝送ファイバー１４の末端に設けられているレーザ出射部２２Ａから出射光学系１６へ出射される。
【００５６】
次に、本第２実施形態に係る出射光学系１６の作用について説明する。
本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０によれば、レーザ発振器１２で生成されたレーザビームがレーザ出射部２２Ｂから出射され、コリメートレンズ２４Ｂ及び集光レンズ２６Ｂによって、レーザ出射部２２Ｂから出射されたレーザビームが伝送ファイバー１４へ入射するように集光される。
【００５７】
ここで、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができれば、被加工物２０の位置における出射光学系１６で集光されたレーザビームの拡がり角の変化を抑制することができる。
【００５８】
一方、伝送ファイバー１４は、光ファイバーであり、光ファイバーに入射したレーザビームは、光ファイバーを構成するコアとクラッドとの境界面で全反射しながら光ファイバー内を伝搬する。そして、レーザビームは、所定の臨界角よりも小さな角度で光ファイバーに入射すると全反射しながら伝搬するが、臨界角よりも大きな角度で光ファイバーに入射すると全反射せず、光ファイバー内を伝搬しない。
【００５９】
そこで、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、伝送ファイバー１４でレーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で、レーザビームを伝送ファイバー１４へ入射させる。これによって、臨界角度以上の拡がり角を有するレーザビームが伝送ファイバー１４から出射されることがなくなるので、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。本第２実施形態では、伝送ファイバー１４へ入射させるレーザビームの拡がり角を、一例として、開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．１９〜０．２の範囲とする。
【００６０】
なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、図５（Ｂ）に示すように、レーザビームの散乱強度が基準範囲内の場合である図５（Ａ）に対して、集光レンズ２６Ｂをレーザ入射部２２Ｃと共に光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で伝送ファイバー１４へ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。なお、基準範囲は、伝送ファイバー１４へ入射するレーザビームの拡がり角が、臨界角度と略同等の拡がり角（一例として、開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．１９〜０．２となる拡がり角）であることを示すレーザビームの散乱強度の範囲を示す。なお、図５（Ｂ）の例では、集光レンズ２６Ｂを移動させることによって、レーザ入射部２２Ｃへ入射するレーザビームの拡がり角が臨界角度を略同等の一定値とされ、レーザビームの径は小さくなる。
【００６１】
なお、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６Ａ，５６Ｂを備えているため、一例として、計測部５６Ａ，５６Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度の平均値が基準範囲からずれた場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させる。また、これに限らず、計測部５６Ａ，５６Ｂで計測されたレーザビームの散乱強度のうち、何れか一方が基準範囲からずれた場合、又は、予め定めた一方が基準範囲からずれた場合等の条件を満たした場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させてもよい。
【００６２】
なお、集光レンズ２６Ｂの移動は、手動で行われてもよいし、自動で行ってもよい。
以下に、集光レンズ２６Ｂの移動を自動で行う処理（以下、「第２自動調整処理」という。）を説明する。
【００６３】
第２自動調整処理は、レーザ加工装置５０の全体の動作を司るＣＰＵによって実行される。また、レーザビームの散乱強度の基準範囲からのずれ量に応じた集光レンズ２６Ｂの移動量を示す移動量情報が、磁気記憶装置又は半導体記憶装置等で構成される記憶部に記憶されている。
【００６４】
そして、ＣＰＵは、計測部５６で計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲からずれているか否かを判定する。該判定が肯定判定となった場合に、ＣＰＵは、記憶部から移動量情報を読み出し、該移動量情報によって示される上記ずれ量に応じた集光レンズ２６Ｂの移動量に基づいて、集光レンズ２６Ｂに対応する駆動装置を駆動させる。
【００６５】
以上説明したように、本第２実施形態に係るレーザ加工装置５０は、計測部５６Ａ，５６Ｂによって計測されたレーザビームの散乱強度が基準範囲内でない場合に、集光レンズ２６Ｂを光軸線方向へ移動させることで、臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、レーザビームの拡がり角を調整する。これによって、伝送ファイバー１４へ入射するレーザビームの拡がり角の変化を容易に把握できると共に、伝送ファイバー１４から出射されるレーザビームの拡がり角のばらつきを抑制できる。
【００６６】
なお、本第２実施形態では、集光レンズ２６Ｂを移動させる場合について説明したが、これに限らず、集光レンズ２６Ｂと共にコリメートレンズ２４Ｂを移動させてもよいし、集光レンズ２６Ｂは移動させずに、コリメートレンズ２４Ｂのみ、又はレーザ入射部２２Ｃを移動させてもよい。
【００６７】
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６８】
例えば、上記各実施形態では、レーザ加工装置１０，５０を、被加工物２０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、レーザ加工装置１０，５０を複数の被加工物を溶接するレーザ溶接装置として用いる形態としてもよい。
【００６９】
また、上記各実施形態では、アシストガスとして酸素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アシストガスとして窒素ガスやアルゴンガス等、他のガスを用いる形態としてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、レーザ加工装置１０，５０にファイバーレーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、光ファイバー伝送可能なレーザであれば他のレーザを用いる形態としてもよい。
【００７１】
また、上記各実施形態では、３軸アームによって被加工物２０の切断の進行方向を変化させる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縦（ｘ）及び横（ｙ）に移動する２軸アームに支持される形態としてもよい。さらに、３軸アームを用いずに、被加工物２０を載置したテーブル１８を３軸方向へ移動可能とし、テーブル１８を移動させることによって、被加工物２０の切断の進行方向を変化させる形態としてもよい。
【００７２】
また、上記各実施形態では、計測部２８Ａ，２８Ｂや計測部５６Ａ，５６Ｂによって計測されたレーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、レーザビームの拡がり角を調整する場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ加工装置１０が計測部２８Ａ，２８Ｂや計測部５６Ａ，５６Ｂを備えず、被加工物２０におけるレーザビームの強度を測定し、該強度が予め定められた範囲内でない場合に、レーザビームの拡がり角を調整する形態としてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０ レーザ加工装置
１６ 出射光学系
２０ 被加工物
２２Ａ レーザ出射部
２４Ａ，２４Ｂ コリメートレンズ
２６Ａ，２６Ｂ 集光レンズ
２８Ａ，２８Ｂ 計測部
５０ レーザ加工装置
５４ 入射光学系
５６Ａ，５６Ｂ 計測部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射された前記レーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、
を備え、
前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する計測手段を備え、
前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記被加工物の位置において前記レーザビームの径が所定の大きさとなるように、前記被加工物の位置と前記集光手段の位置とを相対的に光軸線方向へ移動させる請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
レーザ発振器で生成された前記レーザビームを出射する第２出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記第２出射手段から出射された前記レーザビームを前記光ファイバーへ入射するように集光させる第２集光手段と、
を備え、
前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項１から請求項３の何れか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第２集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する第２計測手段を備え、
前記第２計測手段で計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射されたレーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、
を備えたレーザ加工装置のレーザビーム調整方法であって、
前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整するレーザビーム調整方法。
【請求項１】
光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射された前記レーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、
を備え、
前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する計測手段を備え、
前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記被加工物の位置において前記レーザビームの径が所定の大きさとなるように、前記被加工物の位置と前記集光手段の位置とを相対的に光軸線方向へ移動させる請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
レーザ発振器で生成された前記レーザビームを出射する第２出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記第２出射手段から出射された前記レーザビームを前記光ファイバーへ入射するように集光させる第２集光手段と、
を備え、
前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記光ファイバーで該レーザビームの伝送ができなくなる臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項１から請求項３の何れか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第２集光手段が有する前記レンズで散乱された前記レーザビームの強度を計測する第２計測手段を備え、
前記第２計測手段で計測された前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記第２出射手段及び前記第２集光手段が有するレンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、前記臨界角度と略同等の拡がり角で該光ファイバーへ入射するように、前記レーザビームの拡がり角を調整する請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
光ファイバーによって伝送されたレーザビームを出射する出射手段と、
少なくとも一つのレンズを有し、前記出射手段から出射されたレーザビームを前記被加工物へ集光させる集光手段と、
を備えたレーザ加工装置のレーザビーム調整方法であって、
前記レーザビームの強度が予め定められた範囲内でない場合に、前記出射手段及び前記レンズの少なくとも一方を光軸線方向へ移動させることで、被加工物の位置における前記レーザビームの拡がり角を調整するレーザビーム調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９１２１７（Ｐ２０１２−９１２１７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２３９８（Ｐ２０１０−２４２３９８）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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