レーザ加工装置
【課題】 レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 本体部２と、本体部２から光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部４により構成され、ヘッド部４が、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナ２７を有し、本体部２が、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅器１５と、レーザ光増幅器１５を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するワーク加工情報記憶部１２と、レーザ出力制御情報に基づいて、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するように、Ｚスキャナ２７を制御するメイン制御回路１１を有する。
【解決手段】 本体部２と、本体部２から光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部４により構成され、ヘッド部４が、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナ２７を有し、本体部２が、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅器１５と、レーザ光増幅器１５を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するワーク加工情報記憶部１２と、レーザ出力制御情報に基づいて、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するように、Ｚスキャナ２７を制御するメイン制御回路１１を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光走査手段を有するヘッド部までレーザ光を光ファイバーケーブルによって伝送させるレーザ加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工装置として、ＸＹスキャナによってレーザ光を光軸と交差する方向に走査させるだけでなく、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるＺスキャナを備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１）。ＸＹスキャナが、直交する回転軸を中心として２つのミラーをそれぞれ回転させることによってレーザ光を走査させるのに対して、Ｚスキャナは、光路上に配置されたレンズを移動させてビーム径を調整することによってレーザ光の焦点位置を移動させている。この様なＸＹスキャナやＺスキャナを有するヘッド部は、ワークの製造ラインなどへ設置する際の作業性やスペース効率を良くするという点で小型である方が望ましい。しかし、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、ヘッド部の筐体内にレーザ光を増幅するための固体レーザを内蔵するレーザ発振部が設けられているため、ヘッド部の長さをレーザ発振部の全長よりも短くすることができない。しかも、そのレーザ発振部は、レーザ媒体の両側に配置されたミラー間をレーザ光が往復することによって光増幅を行っており、レーザ加工に必要なエネルギーを蓄積させるためには一定の全長を確保しなければならない。このため、レーザ発振部の全長は、一定の長さよりも短くすることもできない。
【０００３】
この点、レーザ発振部がヘッド部内になければヘッド部を小型化することができる。すなわち、レーザ発振部をヘッド部とは異なる本体部に配設し、レーザ発振部によって増幅されたレーザ光を本体部からヘッド部まで光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に伝送させれば、ヘッド部を小型化できると考えられる。しかし、この場合、本体部内のレーザ発振部から一度出射されたレーザ光を光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に入射させることは極めて困難である。そこで、コアにレーザ媒質として希土類元素がドープされた希土類ドープ光ファイバーを使用するファイバーレーザをレーザ光増幅器として本体部内に配設し、レーザ光増幅器と光ファイバーケーブルを直接連結することにより、増幅後のレーザ光を光ファイバー外に出射させることなく、当該レーザ光を本体部からヘッド部まで伝送させることが考えられる（例えば、特許文献２）。ところが、高出力パルス状のレーザ光が光ファイバーケーブルを通過すると、非線形光学効果により元の波長、すなわち、当該光ファイバーケーブルへの入射時点における波長以外の波長成分が増加する。その結果、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角が変化するので、レーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じ、加工品質が低下してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６２２６０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光走査手段を有するヘッド部までレーザ光を光ファイバーケーブルによって伝送させるレーザ加工装置の加工品質を向上させることを目的とする。特に、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制す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。また、経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングす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】
【０００６】
第１の本発明によるレーザ加工装置は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるレーザ光走査手段を有するヘッド部と、上記レーザ光走査手段の制御を行う走査制御手段と、少なくとも上記レーザ光のピークパワーを含み、上記レーザ光増幅手段を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するレーザ出力制御情報記憶手段とを備え、上記レーザ光走査手段が、上記光ファイバーケーブルの端面から出射される上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナを有し、上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報に基づいて、上記光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う上記焦点位置のずれを補正するように、上記Ｚスキャナを制御するように構成される。
【０００７】
このレーザ加工装置では、本体部のレーザ光増幅手段によって増幅されたレーザ光が、Ｚスキャナを有するヘッド部に光ファイバーケーブルを介して伝送される。増幅されたレーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際には、非線形光学効果により光ファイバーケーブルの端面から出射するレーザ光の拡がり角が変化し、焦点位置に光軸方向のずれが生じることになる。本発明による上記レーザ加工装置によれば、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、ヘッド部から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【０００８】
第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記走査制御手段が、上記焦点位置のずれを上記ピークパワーに基づいて推定する誤差推定手段を有し、上記ずれの推定結果に基づいて上記Ｚスキャナを制御するように構成される。非線形光学効果による拡がり角の変化は、光ファイバーケーブルを伝送されるレーザ光のピークパワーと相関関係がある。本発明による上記レーザ加工装置では、レーザ出力制御情報として保持されるピークパワーに基づいて焦点位置のずれを誤差として推定し、その推定結果に基づいてＺスキャナを制御するので、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する焦点位置のずれを効果的に補正させることができる。
【０００９】
第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ヘッド部が、上記光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光のパワーレベルを検出するパワーレベル検出手段を有し、上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報と上記パワーレベルの検出結果とに基づいて、上記焦点位置のずれを補正するように上記Ｚスキャナを制御するように構成される。この様な構成によれば、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、レーザ光増幅手段や光ファイバーケーブルの経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。
【００１０】
第４の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記本体部が、上記走査制御手段及び上記レーザ出力制御情報記憶手段を有するように構成される。この様な構成によれば、走査制御手段やレーザ出力制御情報記憶手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるレーザ加工装置によれば、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、ヘッド部から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。また、経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。
【図２】図１のレーザ加工装置１００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。
【図３】光ファイバーの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化による焦点位置の変化を模式的に示した説明図である。
【図４】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を短くして焦点位置が遠ざかる様子が示されている。
【図５】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を長くして焦点位置が近づく様子が示されている。
【図６】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を右前方から見た様子が示されている。
【図７】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図８】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【図９】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、フロントカバー４ａも取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図１０】図１のレーザ加工装置１００における焦点位置の調整動作の一例を示したフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置２００の概略構成の一例を示したブロック図である。
【図１２】図１１のレーザ加工装置２００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。
【図１３】図１１のレーザ加工装置２００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図１４】図１３のヘッド部４の構成例を示した平面図であり、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
＜レーザ加工装置＞
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置１００は、レーザ光を走査させてワークＷを加工する加工装置であり、コンソール１、本体部２、光ファイバーケーブル３及びヘッド部４からなる。コンソール１は、ワークＷの加工条件などを入力するための入力装置である。
【００１４】
本体部２は、メイン制御回路１１、ワーク加工情報記憶部１２、電源回路１３、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５により構成されるレーザ発振器ユニットであり、レーザ発振の制御やレーザ光の走査制御を行っている。励起光源１４は、レーザ媒質を励起するための励起光を生成し、レーザ光増幅器１５へ出射する光源装置であり、ＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子と、集光レンズによって構成される。
【００１５】
レーザ光増幅器１５は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するファイバーレーザであり、エネルギー密度の高い高出力のレーザ光が生成される。このレーザ光増幅器１５は、レーザ媒質としてイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイバーと、低出力の種光を発生させるマスターオシレータ部、種光を増幅するパワーアンプ部、ポンピング用光源装置、アイソレータなどによって構成され、光ファイバーケーブル３と直接連結している。レーザ光増幅器１５では、励起光によって励起されたレーザ媒質の誘導放射によりレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を光ファイバーの外へ出射させることなく、そのまま光ファイバーケーブル３に伝送する。
【００１６】
レーザ光増幅器１５には、レーザ発振を制御するためのＱスイッチが設けられており、Ｑスイッチの切り替えにより、連続発振をパルス発振に変換することができ、ピークパワーの大きなパルス波を生成することができる。なお、レーザ光増幅器１５としては、種光を生成するＬＤを直接にオン又はオフすることによって、パルス発振可能な発振器のように、Ｑスイッチを備えないものであっても良い。
【００１７】
光ファイバーケーブル３は、レーザ光増幅器１５によって増幅されたレーザ光をヘッド部４に伝送するデリバリファイバーである。ヘッド部４は、本体部２のレーザ光増幅器１５から光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光を走査させるスキャナユニットであり、レーザ光をワークＷに向けて出射する。
【００１８】
このヘッド部４は、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２、ミラー２３ａ、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７、ＸＹスキャナ２８、ガイド光源２９及びＸＹスキャナ制御回路３０からなる。光アイソレータ２１は、レーザ光を順方向にのみ伝送し、逆方向への伝送を制限する光学素子であり、光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光をビームエキスパンダ２２へ出射する。光アイソレータ２１は、例えば、複屈折結晶やファラデー回転子によって構成される。
【００１９】
ビームエキスパンダ２２は、レーザ光のビーム径を拡大させるビーム径拡大機構であり、光路上に配置された複数のレンズによって構成され、レンズ間の距離を調整することにより、ビーム径を所望の値に変換している。ミラー２３ａは、ビームエキスパンダ２２を通過後のレーザ光をダイクロイックミラー２６に向けて反射する平面鏡である。シャッタ２４は、レーザ光を必要に応じて遮断するための遮断装置であり、遮断板や遮断板を移動させる駆動機構によって構成される。このシャッタ２４は、ミラー２３ａ及びダイクロイックミラー２６間に配置されている。
【００２０】
フォトインタラプタ２５は、シャッタ２４が閉じているか否かを光学的に検出する光学センサである。ダイクロイックミラー２６は、特定波長の光のみを反射し、他の波長の光を透過させる光学素子であり、シャッタ２４を通過したレーザ光をＺスキャナ２７に向けて反射し、ガイド光源２９からのガイド光をそのまま透過させる。
【００２１】
Ｚスキャナ２７は、光路上に配置された１又は２以上のレンズと、レンズを移動させるレンズ駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、レンズを移動させることによって、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させている。また、Ｚスキャナ２７は、レーザ光の集光機能を有している。なお、このＺスキャナ２７は、ワークＷの高さに追随してレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させることが可能な走査機構である。
【００２２】
ＸＹスキャナ２８は、交差する回転軸にそれぞれ配置された２つのミラーと、これらのミラーを回転させるミラー駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、回転軸を中心としてミラーを回転させることによって、レーザ光を光軸と交差する方向に走査させる。ここでは、ＸＹスキャナ２８が、Ｘ方向走査用のガルバノミラー及びその駆動用モーターからなるＸスキャナと、Ｙ方向走査用のガルバノミラー及びその駆動用モーターからなるＹスキャナによって構成されるものとする。
【００２３】
Ｚスキャナ２７を通過したレーザ光は、ＸＹスキャナ２８のガルバノミラーによって反射され、ワークＷに照射される。ガイド光源２９は、レーザ光の照射位置をワークＷ上で可視化するためのガイド光を生成する光源装置である。ガイド光源２９から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６を透過し、レーザ光の光路に入る。レーザ光の光路に入ったガイド光は、Ｚスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８を経てワークＷに照射される。
【００２４】
ワーク加工情報記憶部１２は、ワークＷのレーザ加工に関する情報をワーク加工情報として保持するメモリであり、ワーク加工情報として、レーザ光の照射目標を示す３次元位置情報、レーザ発振を制御するためのレーザ出力制御情報などが保持される。３次元位置情報としては、例えば、座標データが保持される。また、レーザ出力制御情報としては、例えば、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数などが保持される。
【００２５】
ワーク加工情報記憶部１２には、後述する焦点位置のずれを補正するためのＺスキャナの制御情報が保持される。このＺスキャナ制御情報は、光ファイバーケーブル３に入射されるレーザ光の状態を示す情報であり、例えば、コンソール１を操作することによって設定される。具体的には、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数及び中心波長がＺスキャナ制御情報として予め保持される。この様なＺスキャナ制御情報としては、Ｚスキャナ制御用に単独で保持するものであっても良いが、ここでは、レーザ発振の制御情報として保持されているレーザ出力制御情報を用いるものとする。
【００２６】
メイン制御回路１１は、ワーク加工情報記憶部１２内に保持されているワーク加工情報に基づいて、励起光源１４、レーザ光増幅器１５及びＺスキャナ２７を制御する制御部である。電源回路１３は、励起光源１４やレーザ光増幅器１５、ヘッド部４内の駆動用モーターなどに電力を供給する電源装置である。
【００２７】
ＸＹスキャナ制御回路３０は、レーザ光の走査制御を行う制御部であり、本体部２のワーク加工情報記憶部１２からメイン制御回路１１を介して転送されたワーク加工情報に基づいてＸＹスキャナ２８を制御する。
【００２８】
この様なレーザ加工装置１００としては、例えば、レーザ光を照射することによってワークＷの表面に文字や図形をマーキングするレーザマーカが考えられる。また、ワーク加工情報としての３次元位置情報やレーザ出力制御情報は、コンソール１からの入力情報に基づいて手動で設定され、或いは、自動的に設定される。
【００２９】
＜本体部のメイン制御回路＞
図２は、図１のレーザ加工装置１００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。このメイン制御回路１１は、レーザ発振制御部４１及びＺスキャナ制御部４２からなり、ワーク加工情報記憶部１２内のワーク加工情報に基づいて、励起光源１４、レーザ光増幅器１５及びＺスキャナ２７を制御している。
【００３０】
レーザ発振制御部４１は、レーザ出力制御情報に基づいて、ヘッド部４から出射されるレーザ光のピークパワーやパルス幅を調整するための発振器制御信号を生成し、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５へ出力する動作を行なっている。
【００３１】
Ｚスキャナ制御部４２は、誤差推定部４３及び焦点位置調整部４４からなり、レーザ出力制御情報及び３次元位置情報に基づいてＺスキャナ２７を制御している。誤差推定部４３は、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に対応する焦点位置の誤差をレーザ出力制御情報に基づいて推定し、その推定結果を焦点位置調整部４４へ出力する動作を行っている。
【００３２】
一般に、ピークパワーの大きなレーザ光が光ファイバーケーブル３を通過すると、非線形光学効果によって色収差が増大する。レーザ品質の低下や色収差の増大に起因して、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角は、レーザ品質の低下や色収差の増大がない場合に比べて大きくなる。誤差推定部４３では、この様な非線形光学効果による色収差の増大やレーザ品質の低下によって拡がり角が変化する際のその変化量に対応する焦点位置の誤差が推定される。
【００３３】
焦点位置調整部４４は、上記誤差の推定結果に基づいて３次元位置情報を補正し、焦点位置の移動量を調整するためのＺスキャナ制御信号を生成してＺスキャナ２７へ出力する動作を行っている。
【００３４】
ここで、レーザ出力制御情報に基づいて焦点位置の誤差を推定する方法について説明する。レーザ出力制御情報から誤差を推定するには、所定の演算式（関数）を用いる方法と、変換テーブルを用いる方法とが考えられる。演算式を用いる方法は、レーザ出力制御情報としてワーク加工情報記憶部１２内に保持されているパラメータ、すなわち、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数又は中心波長を演算式に入力することによって、誤差を算出する方法である。
【００３５】
ピークパワーは、パルスエネルギーをパルス幅で除算することによって得られる物理量である。パルス幅は、ピークパワーの半分程度のパワーレベルにおけるパルス波の時間長であり、繰返し周波数は、パルス発振の周波数である。また、中心波長は、レーザ光増幅器１５により生成されるレーザ光の波長である。ピークパワー、パルス幅及び繰返し周波数は、平均出力が一定である場合、これらのパラメータのうちの１つが変化すれば、他のパラメータも連動して変化する。例えば、平均出力が３０Ｗの場合、繰返し周波数が３０ｋＨｚであれば、パルスエネルギーは１ｍＪであるのに対して、繰返し周波数が６０ｋＨｚであれば、パルスエネルギーは０．５ｍＪである。
【００３６】
本実施の形態では、非線形光学効果による拡がり角の変化がレーザ光のピークパワーと相関関係があることから、レーザ出力制御情報として保持されているピークパワーのみを用いて誤差を算出している。具体的には、補正係数をｒ、ピークパワーの設定値をＰ、定格出力の５０％で出力している時のピークパワーを０．５として、次式（１）から定格出力時に対する誤差ΔＬが算出される。
ΔＬ＝ｒ×（Ｐ−０．５）・・・（１）
【００３７】
上式（１）の補正係数ｒは、レーザ光のパワーレベルと焦点位置の誤差との関係を実験によって評価することにより、予め定められる正のパラメータである。焦点位置調整部４４では、この様にして算出される誤差ΔＬを用いて３次元位置情報を補正する。具体的には、座標データから算出される焦点位置の移動量をＬ１とすれば、補正後の移動量として最終的にＺスキャナ２７に指示する移動量の指示値Ｌ２は、Ｌ２＝Ｌ１−ΔＬによって算出される。
【００３８】
ここでは、ピークパワーのみを用いて誤差ΔＬを算出する場合について説明したが、レーザ出力制御情報として保持されている他のパラメータ、すなわち、パルス幅や繰返し周波数、中心波長も使って誤差ΔＬを算出することにより、誤差の推定精度を向上させることができる。なお、焦点位置の誤差を推定するための所定の演算式は、誤差推定部４３又はワーク加工情報記憶部１２に保持させることができる。
【００３９】
一方、変換テーブルを用いる方法は、レーザ光のパワーレベルと焦点位置の誤差との関係を実験によって評価することにより、異なる複数のパワーレベルにそれぞれ誤差を対応付けた変換テーブルを保持し、その変換テーブルを用いてレーザ出力制御情報から焦点位置の誤差を求める方法である。この様な方法で求めた誤差を用いて３次元位置情報を補正させることもできる。なお、この変換テーブルは、誤差推定部４３又はワーク加工情報記憶部１２に保持させることができる。
【００４０】
＜拡がり角の変化による焦点位置の変化＞
図３（ａ）及び（ｂ）は、光ファイバーの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化による焦点位置の変化を模式的に示した説明図である。図３（ａ）には、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角がパワーレベルの増加によって大きくなっている様子が示されている。図３（ｂ）には、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置が拡がり角の増加によって遠くなっている様子が示されている。
【００４１】
光ファイバーケーブル３は、レーザ光を伝送するためのコア３ａと、コア３ａを取り囲むクラッド３ｂからなり、コア３ａを通過したレーザ光が端面から出射される際の拡がり角は、レーザ光のパワーレベルが増加すると、非線形光学効果による色収差の増大によってΔθだけ大きくなる。
【００４２】
拡がり角がΔθだけ大きくなると、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置は、ヘッド部４からΔＬだけ光軸方向に遠くなる。Ｚスキャナ制御部４２では、この様に非線形光学効果によって拡がり角が変化した際のその変化量に対応する焦点位置の誤差ΔＬを推定し、その推定結果に基づいてＺスキャナ２７を制御する動作が行われる。レーザ光が光ファイバーケーブル３を通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【００４３】
＜Ｚ方向スキャン＞
図４及び図５は、図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、ヘッド部４内のＺスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８が示されている。図４には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ１を短くすることによってレーザ光の焦点位置がヘッド部４から遠ざかる様子が示されている。図５には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ２を長くすることによって焦点位置がヘッド部４に近づく様子が示されている。
【００４４】
このＺスキャナ２７は、ダイクロイックミラー２６側に配置される入射レンズ２７ａと、ミラー２３ｂ側に配置される出射レンズ２７ｂと、入射レンズ２７ａを光軸方向に移動させるレンズ駆動用モーター（図示せず）により構成される。入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ１を短くすれば、ビーム径が大きくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置はヘッド部４の出射面から遠ざかり、ワーキングディスタンスＬｄ１が長くなる。
【００４５】
一方、入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ２（Ｒｄ２＞Ｒｄ１）を長くすれば、ビーム径が小さくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置はヘッド部４の出射面に近づき、ワーキングディスタンスＬｄ２（Ｌｄ２＜Ｌｄ１）が短くなる。
【００４６】
つまり、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂに近づくように移動させることによって、焦点位置を遠ざけることができ、また、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂから遠ざかるように移動させることによって、焦点位置を近づけることができる。
【００４７】
この様なＺスキャナ２７を制御して焦点位置の移動量、すなわち、入射レンズ２７ａの移動量を調整することにより、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正させることができる。例えば、レーザ光のパワーが大きくなると、拡がり角の変化に伴ってヘッド部４から遠ざかる方向のずれが生じるので、焦点位置を近づける方向に焦点位置の移動量を補正する。一方、レーザ光のパワーが小さくなると、拡がり角の変化に伴ってヘッド部４に近づく方向のずれが生じるので、焦点位置を遠ざける方向に焦点位置の移動量を補正する。なお、パルス幅や繰返し周波数についても、焦点位置のずれが生じる場合には、実験結果に基づいて演算式の補正係数を決定し、焦点位置の移動量を補正することが望ましい。
【００４８】
＜ヘッド部＞
図６〜図８は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図である。図６には、リアカバーが取り外されたヘッド部４を右前方から見た様子が示され、図７には、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。また、図８には、リアカバーが取り外されたヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【００４９】
このヘッド部４は、内部がリアフレーム３１、フロントフレーム３２、センターフレーム３３及びアンダーフレーム３４によって３つの領域に区分された直方体形状の箱体からなり、光アイソレータ２１などの各デバイスが収容されている。リアフレーム３１、フロントフレーム３２、センターフレーム３３及びアンダーフレーム３４は、いずれも矩形形状の金属板からなる部材であり、リアフレーム３１、フロントフレーム３２及びセンターフレーム３３は、いずれもアンダーフレーム３４上に立てた状態で配置されている。
【００５０】
リアフレーム３１とフロントフレーム３２とは、対向させて配置され、これらのフレーム間にセンターフレーム３３が配置されている。センターフレーム３３は、リアフレーム３１及びフロントフレーム３２と交差させて配置され、水平な断面がＨ形状となっている。フロントフレーム３２よりも前側の領域は、フロントカバー４ａで覆われており、ミラー２３ａ，２３ｂ、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９が収容されている。
【００５１】
フロントフレーム３２とリアフレーム３１との間でセンターフレーム３３の右側の領域には、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２及びＸスキャナ用制御基板３０ａが収容されている。光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、光軸がセンターフレーム３３と平行になるように配置されている。
【００５２】
一方、フロントフレーム３２とリアフレーム３１との間でセンターフレーム３３の左側の領域には、Ｙスキャナ用制御基板３０ｂ及びヘッド制御基板３５が収容されている。Ｘスキャナ２８ａ及びＹスキャナ２８ｃは、上記右側の領域と上記左側の領域とに跨って収容されている。
【００５３】
Ｘスキャナ用制御基板３０ａは、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂ及びその駆動用モーター２８ａからなるＸスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Ｙスキャナ用制御基板３０ｂは、Ｙ方向走査用のガルバノミラー２８ｄ及びその駆動用モーター２８ｃからなるＹスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。
【００５４】
ヘッド制御基板３５は、ヘッド部４内の各デバイスを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Ｙスキャナ用制御基板３０ｂ及びヘッド制御基板３４は、いずれもセンターフレーム３３と平行に配置されている。リアフレーム３１の背面には、光ファイバーケーブル３のコネクタ部３ｃが取り付けられている。
【００５５】
ヘッド部４の底面を構成するアンダーフレーム３４には、ＸＹスキャナ２８によって走査されたレーザ光を出射するための開口３４ａが形成されており、カバーレンズが配置される。ダイクロイックミラー２６により反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂによって反射される。そして、Ｙ走査用のガルバノミラー２８ｄによって反射され、開口３４ａを介してワークＷに照射される。
【００５６】
図９は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、フロントカバー４ａも取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。フロントフレーム３２の前側の領域には、ミラー２３ａ、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９などが配置されている。
【００５７】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ミラー２３ａによって反射され、水平面内で直角に光軸が曲げられる。そして、レーザ光は、シャッタ２４を介してダイクロイックミラー２６に入射し、垂直面内で下方向に反射される。
【００５８】
ダイクロイックミラー２６によって反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、ミラー２３ｂによって反射され、垂直面内で光軸が直角に曲げられてＸＹスキャナ２８に入射する。一方、ガイド光源２９から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６を透過し、レーザ光の光路に入り、Ｚスキャナ２７を通過してＸＹスキャナ２８に入射する。
【００５９】
＜焦点位置の調整処理＞
図１０のステップＳ１０１〜Ｓ１０５は、図１のレーザ加工装置１００における焦点位置の調整動作の一例を示したフローチャートである。まず、Ｚスキャナ制御部４２は、コンソール１からの入力によって加工開始が指示されると、ワーク加工情報記憶部１２内に保持されているレーザ出力制御情報を参照し、非線形光学効果による焦点位置の誤差ΔＬを推定する(ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。
【００６０】
次に、Ｚスキャナ制御部４２は、誤差ΔＬの推定結果に基づいてワーク加工情報としての座標データを補正し、補正後の座標データに基づいてＺスキャナ制御信号を生成し、Ｚスキャナ２７へ出力する(ステップＳ１０３，Ｓ１０４）。ステップＳ１０１からステップＳ１０４までの処理手順は、ワークＷの加工が終了するまで繰り返される(ステップＳ１０５）。
【００６１】
本実施の形態によれば、予め保持されるレーザ出力制御情報に基づいてＺスキャナ２７を制御することによって、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブル３を通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【００６２】
また、レーザ出力制御情報として保持されるピークパワーから拡がり角の変化に対応する焦点位置の誤差ΔＬを推定して焦点位置の移動量を調整するので、Ｚスキャナ制御部４２の構成を複雑化させることなく、レーザ光の焦点位置にずれが生じるのを効果的に抑制することができる。さらに、Ｚスキャナ制御部４２及びワーク加工情報記憶部１２が本体部２内に配置されるので、Ｚスキャナ制御部４２やワーク加工情報記憶部１２がヘッド部４内に設けられる場合に比べて、ヘッド部４を小型化することができ、さらに、ヘッド部４内での発熱量を低減させることもできる。
【００６３】
実施の形態２．
実施の形態１では、レーザ出力制御情報に基づいて焦点位置の誤差ΔＬを推定して焦点位置の移動量を調整する場合の例について説明した。これに対して、本実施の形態では、光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光のパワーレベルを検出し、その検出結果を考慮して焦点位置の誤差ΔＬを判断する場合について説明する。
【００６４】
図１１は、本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置２００の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置２００は、図１のレーザ加工装置１００と比較すれば、パワーモニタ２０１を備え、ミラー２３に代えてビームサンプラー２０２を備えている点で異なる。ビームサンプラー２０２は、ビームエキスパンダ２２を通過したレーザ光の一部をダイクロイックミラー２６に向けて反射し、他の一部を透過させる光学素子である。
【００６５】
パワーモニタ２０１は、ビームサンプラー２０２を透過したレーザ光を受光してパワーレベルを検出し、その検出結果をパワーレベル検出信号として本体部２内のメイン制御回路１１へ出力するパワーレベル検出用センサである。この様なパワーモニタ２０１としては、例えば、サーモパイル（熱電堆）、或いは、フォトダイオードが用いられる。
【００６６】
図１２は、図１１のレーザ加工装置２００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。メイン制御回路１１のＺスキャナ制御部２０３は、ワーク加工情報記憶部１２内のレーザ出力制御情報と、パワーモニタ２０１からのパワーレベル検出信号に基づいて、Ｚスキャナ２７を制御している。すなわち、誤差推定部２０４は、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて、焦点位置の誤差ΔＬを推定し、その推定結果を焦点位置調整部４４へ出力する動作を行っている。
【００６７】
図１３は、図１１のレーザ加工装置２００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバー及びフロントカバーが取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。また、図１４は、図１３のヘッド部４の構成例を示した平面図であり、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【００６８】
フロントフレーム３２の前側の領域には、ビームサンプラー２０２、パワーモニタ２０１、パワーモニタ用アンプ２０１ａ、シャッタ２４の遮断板２４ａ、その駆動機構２４ｂ、フォトインタラプタ２５、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９などが配置されている。
【００６９】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ビームサンプラー２０２によって、その一部がダイクロイックミラー２６に向けて反射され、他の一部が透過してパワーモニタ２０１に入射される。
【００７０】
光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、互いに光軸を一致させて配置されており、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光は、その一部がそのまま直進してパワーモニタ２０１に入射する。一方、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光の他の一部は、ビームサンプラー２０２で反射され、遮断板２４ａを介してダイクロイックミラー２６に入射する。
【００７１】
本実施の形態によれば、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて焦点位置の誤差ΔＬを推定し、焦点位置の移動量を調整するので、レーザ光増幅器１５や光ファイバーケーブル３の経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ コンソール
２ 本体部
３ 光ファイバーケーブル
３ａ コア
３ｂ クラッド
３ｃ コネクタ部
４ ヘッド部
４ａ フロントカバー
１１ メイン制御回路
１２ ワーク加工情報記憶部
１３ 電源回路
１４ 励起光源
１５ レーザ光増幅器
２１ 光アイソレータ
２２ ビームエキスパンダ
２３ａ，２３ｂ ミラー
２４ シャッタ
２４ａ 遮断板
２４ｂ 駆動機構
２５ フォトインタラプタ
２６ ダイクロイックミラー
２７ Ｚスキャナ
２８ ＸＹスキャナ
２８ａ，２８ｃ 駆動用モーター
２８ｂ，２８ｄ ガルバノミラー
２９ ガイド光源
３０ ＸＹスキャナ制御回路
３０ａ Ｘスキャナ用制御基板
３０ｂ Ｙスキャナ用制御基板
３１ リアフレーム
３２ フロントフレーム
３３ センターフレーム
３４ アンダーフレーム
３５ ヘッド制御基板
４１ レーザ発振制御部
４２ Ｚスキャナ制御部
４３ 誤差推定部
４４ 焦点位置調整部
１００，２００ レーザ加工装置
２０１ パワーモニタ
２０２ ビームサンプラー
２０３ Ｚスキャナ制御部
２０４ 誤差推定部
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光走査手段を有するヘッド部までレーザ光を光ファイバーケーブルによって伝送させるレーザ加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工装置として、ＸＹスキャナによってレーザ光を光軸と交差する方向に走査させるだけでなく、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるＺスキャナを備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１）。ＸＹスキャナが、直交する回転軸を中心として２つのミラーをそれぞれ回転させることによってレーザ光を走査させるのに対して、Ｚスキャナは、光路上に配置されたレンズを移動させてビーム径を調整することによってレーザ光の焦点位置を移動させている。この様なＸＹスキャナやＺスキャナを有するヘッド部は、ワークの製造ラインなどへ設置する際の作業性やスペース効率を良くするという点で小型である方が望ましい。しかし、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、ヘッド部の筐体内にレーザ光を増幅するための固体レーザを内蔵するレーザ発振部が設けられているため、ヘッド部の長さをレーザ発振部の全長よりも短くすることができない。しかも、そのレーザ発振部は、レーザ媒体の両側に配置されたミラー間をレーザ光が往復することによって光増幅を行っており、レーザ加工に必要なエネルギーを蓄積させるためには一定の全長を確保しなければならない。このため、レーザ発振部の全長は、一定の長さよりも短くすることもできない。
【０００３】
この点、レーザ発振部がヘッド部内になければヘッド部を小型化することができる。すなわち、レーザ発振部をヘッド部とは異なる本体部に配設し、レーザ発振部によって増幅されたレーザ光を本体部からヘッド部まで光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に伝送させれば、ヘッド部を小型化できると考えられる。しかし、この場合、本体部内のレーザ発振部から一度出射されたレーザ光を光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に入射させることは極めて困難である。そこで、コアにレーザ媒質として希土類元素がドープされた希土類ドープ光ファイバーを使用するファイバーレーザをレーザ光増幅器として本体部内に配設し、レーザ光増幅器と光ファイバーケーブルを直接連結することにより、増幅後のレーザ光を光ファイバー外に出射させることなく、当該レーザ光を本体部からヘッド部まで伝送させることが考えられる（例えば、特許文献２）。ところが、高出力パルス状のレーザ光が光ファイバーケーブルを通過すると、非線形光学効果により元の波長、すなわち、当該光ファイバーケーブルへの入射時点における波長以外の波長成分が増加する。その結果、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角が変化するので、レーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じ、加工品質が低下してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６２２６０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光走査手段を有するヘッド部までレーザ光を光ファイバーケーブルによって伝送させるレーザ加工装置の加工品質を向上させることを目的とする。特に、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制す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。また、経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングす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】
【０００６】
第１の本発明によるレーザ加工装置は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるレーザ光走査手段を有するヘッド部と、上記レーザ光走査手段の制御を行う走査制御手段と、少なくとも上記レーザ光のピークパワーを含み、上記レーザ光増幅手段を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するレーザ出力制御情報記憶手段とを備え、上記レーザ光走査手段が、上記光ファイバーケーブルの端面から出射される上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナを有し、上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報に基づいて、上記光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う上記焦点位置のずれを補正するように、上記Ｚスキャナを制御するように構成される。
【０００７】
このレーザ加工装置では、本体部のレーザ光増幅手段によって増幅されたレーザ光が、Ｚスキャナを有するヘッド部に光ファイバーケーブルを介して伝送される。増幅されたレーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際には、非線形光学効果により光ファイバーケーブルの端面から出射するレーザ光の拡がり角が変化し、焦点位置に光軸方向のずれが生じることになる。本発明による上記レーザ加工装置によれば、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、ヘッド部から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【０００８】
第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記走査制御手段が、上記焦点位置のずれを上記ピークパワーに基づいて推定する誤差推定手段を有し、上記ずれの推定結果に基づいて上記Ｚスキャナを制御するように構成される。非線形光学効果による拡がり角の変化は、光ファイバーケーブルを伝送されるレーザ光のピークパワーと相関関係がある。本発明による上記レーザ加工装置では、レーザ出力制御情報として保持されるピークパワーに基づいて焦点位置のずれを誤差として推定し、その推定結果に基づいてＺスキャナを制御するので、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する焦点位置のずれを効果的に補正させることができる。
【０００９】
第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ヘッド部が、上記光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光のパワーレベルを検出するパワーレベル検出手段を有し、上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報と上記パワーレベルの検出結果とに基づいて、上記焦点位置のずれを補正するように上記Ｚスキャナを制御するように構成される。この様な構成によれば、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、レーザ光増幅手段や光ファイバーケーブルの経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。
【００１０】
第４の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記本体部が、上記走査制御手段及び上記レーザ出力制御情報記憶手段を有するように構成される。この様な構成によれば、走査制御手段やレーザ出力制御情報記憶手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるレーザ加工装置によれば、光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するようにＺスキャナを制御するので、ヘッド部から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。また、経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブルを通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。
【図２】図１のレーザ加工装置１００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。
【図３】光ファイバーの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化による焦点位置の変化を模式的に示した説明図である。
【図４】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を短くして焦点位置が遠ざかる様子が示されている。
【図５】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を長くして焦点位置が近づく様子が示されている。
【図６】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を右前方から見た様子が示されている。
【図７】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図８】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【図９】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、フロントカバー４ａも取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図１０】図１のレーザ加工装置１００における焦点位置の調整動作の一例を示したフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置２００の概略構成の一例を示したブロック図である。
【図１２】図１１のレーザ加工装置２００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。
【図１３】図１１のレーザ加工装置２００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図１４】図１３のヘッド部４の構成例を示した平面図であり、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
＜レーザ加工装置＞
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置１００は、レーザ光を走査させてワークＷを加工する加工装置であり、コンソール１、本体部２、光ファイバーケーブル３及びヘッド部４からなる。コンソール１は、ワークＷの加工条件などを入力するための入力装置である。
【００１４】
本体部２は、メイン制御回路１１、ワーク加工情報記憶部１２、電源回路１３、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５により構成されるレーザ発振器ユニットであり、レーザ発振の制御やレーザ光の走査制御を行っている。励起光源１４は、レーザ媒質を励起するための励起光を生成し、レーザ光増幅器１５へ出射する光源装置であり、ＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子と、集光レンズによって構成される。
【００１５】
レーザ光増幅器１５は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するファイバーレーザであり、エネルギー密度の高い高出力のレーザ光が生成される。このレーザ光増幅器１５は、レーザ媒質としてイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイバーと、低出力の種光を発生させるマスターオシレータ部、種光を増幅するパワーアンプ部、ポンピング用光源装置、アイソレータなどによって構成され、光ファイバーケーブル３と直接連結している。レーザ光増幅器１５では、励起光によって励起されたレーザ媒質の誘導放射によりレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を光ファイバーの外へ出射させることなく、そのまま光ファイバーケーブル３に伝送する。
【００１６】
レーザ光増幅器１５には、レーザ発振を制御するためのＱスイッチが設けられており、Ｑスイッチの切り替えにより、連続発振をパルス発振に変換することができ、ピークパワーの大きなパルス波を生成することができる。なお、レーザ光増幅器１５としては、種光を生成するＬＤを直接にオン又はオフすることによって、パルス発振可能な発振器のように、Ｑスイッチを備えないものであっても良い。
【００１７】
光ファイバーケーブル３は、レーザ光増幅器１５によって増幅されたレーザ光をヘッド部４に伝送するデリバリファイバーである。ヘッド部４は、本体部２のレーザ光増幅器１５から光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光を走査させるスキャナユニットであり、レーザ光をワークＷに向けて出射する。
【００１８】
このヘッド部４は、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２、ミラー２３ａ、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７、ＸＹスキャナ２８、ガイド光源２９及びＸＹスキャナ制御回路３０からなる。光アイソレータ２１は、レーザ光を順方向にのみ伝送し、逆方向への伝送を制限する光学素子であり、光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光をビームエキスパンダ２２へ出射する。光アイソレータ２１は、例えば、複屈折結晶やファラデー回転子によって構成される。
【００１９】
ビームエキスパンダ２２は、レーザ光のビーム径を拡大させるビーム径拡大機構であり、光路上に配置された複数のレンズによって構成され、レンズ間の距離を調整することにより、ビーム径を所望の値に変換している。ミラー２３ａは、ビームエキスパンダ２２を通過後のレーザ光をダイクロイックミラー２６に向けて反射する平面鏡である。シャッタ２４は、レーザ光を必要に応じて遮断するための遮断装置であり、遮断板や遮断板を移動させる駆動機構によって構成される。このシャッタ２４は、ミラー２３ａ及びダイクロイックミラー２６間に配置されている。
【００２０】
フォトインタラプタ２５は、シャッタ２４が閉じているか否かを光学的に検出する光学センサである。ダイクロイックミラー２６は、特定波長の光のみを反射し、他の波長の光を透過させる光学素子であり、シャッタ２４を通過したレーザ光をＺスキャナ２７に向けて反射し、ガイド光源２９からのガイド光をそのまま透過させる。
【００２１】
Ｚスキャナ２７は、光路上に配置された１又は２以上のレンズと、レンズを移動させるレンズ駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、レンズを移動させることによって、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させている。また、Ｚスキャナ２７は、レーザ光の集光機能を有している。なお、このＺスキャナ２７は、ワークＷの高さに追随してレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させることが可能な走査機構である。
【００２２】
ＸＹスキャナ２８は、交差する回転軸にそれぞれ配置された２つのミラーと、これらのミラーを回転させるミラー駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、回転軸を中心としてミラーを回転させることによって、レーザ光を光軸と交差する方向に走査させる。ここでは、ＸＹスキャナ２８が、Ｘ方向走査用のガルバノミラー及びその駆動用モーターからなるＸスキャナと、Ｙ方向走査用のガルバノミラー及びその駆動用モーターからなるＹスキャナによって構成されるものとする。
【００２３】
Ｚスキャナ２７を通過したレーザ光は、ＸＹスキャナ２８のガルバノミラーによって反射され、ワークＷに照射される。ガイド光源２９は、レーザ光の照射位置をワークＷ上で可視化するためのガイド光を生成する光源装置である。ガイド光源２９から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６を透過し、レーザ光の光路に入る。レーザ光の光路に入ったガイド光は、Ｚスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８を経てワークＷに照射される。
【００２４】
ワーク加工情報記憶部１２は、ワークＷのレーザ加工に関する情報をワーク加工情報として保持するメモリであり、ワーク加工情報として、レーザ光の照射目標を示す３次元位置情報、レーザ発振を制御するためのレーザ出力制御情報などが保持される。３次元位置情報としては、例えば、座標データが保持される。また、レーザ出力制御情報としては、例えば、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数などが保持される。
【００２５】
ワーク加工情報記憶部１２には、後述する焦点位置のずれを補正するためのＺスキャナの制御情報が保持される。このＺスキャナ制御情報は、光ファイバーケーブル３に入射されるレーザ光の状態を示す情報であり、例えば、コンソール１を操作することによって設定される。具体的には、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数及び中心波長がＺスキャナ制御情報として予め保持される。この様なＺスキャナ制御情報としては、Ｚスキャナ制御用に単独で保持するものであっても良いが、ここでは、レーザ発振の制御情報として保持されているレーザ出力制御情報を用いるものとする。
【００２６】
メイン制御回路１１は、ワーク加工情報記憶部１２内に保持されているワーク加工情報に基づいて、励起光源１４、レーザ光増幅器１５及びＺスキャナ２７を制御する制御部である。電源回路１３は、励起光源１４やレーザ光増幅器１５、ヘッド部４内の駆動用モーターなどに電力を供給する電源装置である。
【００２７】
ＸＹスキャナ制御回路３０は、レーザ光の走査制御を行う制御部であり、本体部２のワーク加工情報記憶部１２からメイン制御回路１１を介して転送されたワーク加工情報に基づいてＸＹスキャナ２８を制御する。
【００２８】
この様なレーザ加工装置１００としては、例えば、レーザ光を照射することによってワークＷの表面に文字や図形をマーキングするレーザマーカが考えられる。また、ワーク加工情報としての３次元位置情報やレーザ出力制御情報は、コンソール１からの入力情報に基づいて手動で設定され、或いは、自動的に設定される。
【００２９】
＜本体部のメイン制御回路＞
図２は、図１のレーザ加工装置１００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。このメイン制御回路１１は、レーザ発振制御部４１及びＺスキャナ制御部４２からなり、ワーク加工情報記憶部１２内のワーク加工情報に基づいて、励起光源１４、レーザ光増幅器１５及びＺスキャナ２７を制御している。
【００３０】
レーザ発振制御部４１は、レーザ出力制御情報に基づいて、ヘッド部４から出射されるレーザ光のピークパワーやパルス幅を調整するための発振器制御信号を生成し、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５へ出力する動作を行なっている。
【００３１】
Ｚスキャナ制御部４２は、誤差推定部４３及び焦点位置調整部４４からなり、レーザ出力制御情報及び３次元位置情報に基づいてＺスキャナ２７を制御している。誤差推定部４３は、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に対応する焦点位置の誤差をレーザ出力制御情報に基づいて推定し、その推定結果を焦点位置調整部４４へ出力する動作を行っている。
【００３２】
一般に、ピークパワーの大きなレーザ光が光ファイバーケーブル３を通過すると、非線形光学効果によって色収差が増大する。レーザ品質の低下や色収差の増大に起因して、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角は、レーザ品質の低下や色収差の増大がない場合に比べて大きくなる。誤差推定部４３では、この様な非線形光学効果による色収差の増大やレーザ品質の低下によって拡がり角が変化する際のその変化量に対応する焦点位置の誤差が推定される。
【００３３】
焦点位置調整部４４は、上記誤差の推定結果に基づいて３次元位置情報を補正し、焦点位置の移動量を調整するためのＺスキャナ制御信号を生成してＺスキャナ２７へ出力する動作を行っている。
【００３４】
ここで、レーザ出力制御情報に基づいて焦点位置の誤差を推定する方法について説明する。レーザ出力制御情報から誤差を推定するには、所定の演算式（関数）を用いる方法と、変換テーブルを用いる方法とが考えられる。演算式を用いる方法は、レーザ出力制御情報としてワーク加工情報記憶部１２内に保持されているパラメータ、すなわち、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数又は中心波長を演算式に入力することによって、誤差を算出する方法である。
【００３５】
ピークパワーは、パルスエネルギーをパルス幅で除算することによって得られる物理量である。パルス幅は、ピークパワーの半分程度のパワーレベルにおけるパルス波の時間長であり、繰返し周波数は、パルス発振の周波数である。また、中心波長は、レーザ光増幅器１５により生成されるレーザ光の波長である。ピークパワー、パルス幅及び繰返し周波数は、平均出力が一定である場合、これらのパラメータのうちの１つが変化すれば、他のパラメータも連動して変化する。例えば、平均出力が３０Ｗの場合、繰返し周波数が３０ｋＨｚであれば、パルスエネルギーは１ｍＪであるのに対して、繰返し周波数が６０ｋＨｚであれば、パルスエネルギーは０．５ｍＪである。
【００３６】
本実施の形態では、非線形光学効果による拡がり角の変化がレーザ光のピークパワーと相関関係があることから、レーザ出力制御情報として保持されているピークパワーのみを用いて誤差を算出している。具体的には、補正係数をｒ、ピークパワーの設定値をＰ、定格出力の５０％で出力している時のピークパワーを０．５として、次式（１）から定格出力時に対する誤差ΔＬが算出される。
ΔＬ＝ｒ×（Ｐ−０．５）・・・（１）
【００３７】
上式（１）の補正係数ｒは、レーザ光のパワーレベルと焦点位置の誤差との関係を実験によって評価することにより、予め定められる正のパラメータである。焦点位置調整部４４では、この様にして算出される誤差ΔＬを用いて３次元位置情報を補正する。具体的には、座標データから算出される焦点位置の移動量をＬ１とすれば、補正後の移動量として最終的にＺスキャナ２７に指示する移動量の指示値Ｌ２は、Ｌ２＝Ｌ１−ΔＬによって算出される。
【００３８】
ここでは、ピークパワーのみを用いて誤差ΔＬを算出する場合について説明したが、レーザ出力制御情報として保持されている他のパラメータ、すなわち、パルス幅や繰返し周波数、中心波長も使って誤差ΔＬを算出することにより、誤差の推定精度を向上させることができる。なお、焦点位置の誤差を推定するための所定の演算式は、誤差推定部４３又はワーク加工情報記憶部１２に保持させることができる。
【００３９】
一方、変換テーブルを用いる方法は、レーザ光のパワーレベルと焦点位置の誤差との関係を実験によって評価することにより、異なる複数のパワーレベルにそれぞれ誤差を対応付けた変換テーブルを保持し、その変換テーブルを用いてレーザ出力制御情報から焦点位置の誤差を求める方法である。この様な方法で求めた誤差を用いて３次元位置情報を補正させることもできる。なお、この変換テーブルは、誤差推定部４３又はワーク加工情報記憶部１２に保持させることができる。
【００４０】
＜拡がり角の変化による焦点位置の変化＞
図３（ａ）及び（ｂ）は、光ファイバーの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化による焦点位置の変化を模式的に示した説明図である。図３（ａ）には、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角がパワーレベルの増加によって大きくなっている様子が示されている。図３（ｂ）には、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置が拡がり角の増加によって遠くなっている様子が示されている。
【００４１】
光ファイバーケーブル３は、レーザ光を伝送するためのコア３ａと、コア３ａを取り囲むクラッド３ｂからなり、コア３ａを通過したレーザ光が端面から出射される際の拡がり角は、レーザ光のパワーレベルが増加すると、非線形光学効果による色収差の増大によってΔθだけ大きくなる。
【００４２】
拡がり角がΔθだけ大きくなると、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置は、ヘッド部４からΔＬだけ光軸方向に遠くなる。Ｚスキャナ制御部４２では、この様に非線形光学効果によって拡がり角が変化した際のその変化量に対応する焦点位置の誤差ΔＬを推定し、その推定結果に基づいてＺスキャナ２７を制御する動作が行われる。レーザ光が光ファイバーケーブル３を通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【００４３】
＜Ｚ方向スキャン＞
図４及び図５は、図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、ヘッド部４内のＺスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８が示されている。図４には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ１を短くすることによってレーザ光の焦点位置がヘッド部４から遠ざかる様子が示されている。図５には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ２を長くすることによって焦点位置がヘッド部４に近づく様子が示されている。
【００４４】
このＺスキャナ２７は、ダイクロイックミラー２６側に配置される入射レンズ２７ａと、ミラー２３ｂ側に配置される出射レンズ２７ｂと、入射レンズ２７ａを光軸方向に移動させるレンズ駆動用モーター（図示せず）により構成される。入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ１を短くすれば、ビーム径が大きくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置はヘッド部４の出射面から遠ざかり、ワーキングディスタンスＬｄ１が長くなる。
【００４５】
一方、入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ２（Ｒｄ２＞Ｒｄ１）を長くすれば、ビーム径が小さくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置はヘッド部４の出射面に近づき、ワーキングディスタンスＬｄ２（Ｌｄ２＜Ｌｄ１）が短くなる。
【００４６】
つまり、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂに近づくように移動させることによって、焦点位置を遠ざけることができ、また、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂから遠ざかるように移動させることによって、焦点位置を近づけることができる。
【００４７】
この様なＺスキャナ２７を制御して焦点位置の移動量、すなわち、入射レンズ２７ａの移動量を調整することにより、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正させることができる。例えば、レーザ光のパワーが大きくなると、拡がり角の変化に伴ってヘッド部４から遠ざかる方向のずれが生じるので、焦点位置を近づける方向に焦点位置の移動量を補正する。一方、レーザ光のパワーが小さくなると、拡がり角の変化に伴ってヘッド部４に近づく方向のずれが生じるので、焦点位置を遠ざける方向に焦点位置の移動量を補正する。なお、パルス幅や繰返し周波数についても、焦点位置のずれが生じる場合には、実験結果に基づいて演算式の補正係数を決定し、焦点位置の移動量を補正することが望ましい。
【００４８】
＜ヘッド部＞
図６〜図８は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図である。図６には、リアカバーが取り外されたヘッド部４を右前方から見た様子が示され、図７には、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。また、図８には、リアカバーが取り外されたヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【００４９】
このヘッド部４は、内部がリアフレーム３１、フロントフレーム３２、センターフレーム３３及びアンダーフレーム３４によって３つの領域に区分された直方体形状の箱体からなり、光アイソレータ２１などの各デバイスが収容されている。リアフレーム３１、フロントフレーム３２、センターフレーム３３及びアンダーフレーム３４は、いずれも矩形形状の金属板からなる部材であり、リアフレーム３１、フロントフレーム３２及びセンターフレーム３３は、いずれもアンダーフレーム３４上に立てた状態で配置されている。
【００５０】
リアフレーム３１とフロントフレーム３２とは、対向させて配置され、これらのフレーム間にセンターフレーム３３が配置されている。センターフレーム３３は、リアフレーム３１及びフロントフレーム３２と交差させて配置され、水平な断面がＨ形状となっている。フロントフレーム３２よりも前側の領域は、フロントカバー４ａで覆われており、ミラー２３ａ，２３ｂ、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９が収容されている。
【００５１】
フロントフレーム３２とリアフレーム３１との間でセンターフレーム３３の右側の領域には、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２及びＸスキャナ用制御基板３０ａが収容されている。光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、光軸がセンターフレーム３３と平行になるように配置されている。
【００５２】
一方、フロントフレーム３２とリアフレーム３１との間でセンターフレーム３３の左側の領域には、Ｙスキャナ用制御基板３０ｂ及びヘッド制御基板３５が収容されている。Ｘスキャナ２８ａ及びＹスキャナ２８ｃは、上記右側の領域と上記左側の領域とに跨って収容されている。
【００５３】
Ｘスキャナ用制御基板３０ａは、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂ及びその駆動用モーター２８ａからなるＸスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Ｙスキャナ用制御基板３０ｂは、Ｙ方向走査用のガルバノミラー２８ｄ及びその駆動用モーター２８ｃからなるＹスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。
【００５４】
ヘッド制御基板３５は、ヘッド部４内の各デバイスを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Ｙスキャナ用制御基板３０ｂ及びヘッド制御基板３４は、いずれもセンターフレーム３３と平行に配置されている。リアフレーム３１の背面には、光ファイバーケーブル３のコネクタ部３ｃが取り付けられている。
【００５５】
ヘッド部４の底面を構成するアンダーフレーム３４には、ＸＹスキャナ２８によって走査されたレーザ光を出射するための開口３４ａが形成されており、カバーレンズが配置される。ダイクロイックミラー２６により反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂによって反射される。そして、Ｙ走査用のガルバノミラー２８ｄによって反射され、開口３４ａを介してワークＷに照射される。
【００５６】
図９は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、フロントカバー４ａも取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。フロントフレーム３２の前側の領域には、ミラー２３ａ、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９などが配置されている。
【００５７】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ミラー２３ａによって反射され、水平面内で直角に光軸が曲げられる。そして、レーザ光は、シャッタ２４を介してダイクロイックミラー２６に入射し、垂直面内で下方向に反射される。
【００５８】
ダイクロイックミラー２６によって反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、ミラー２３ｂによって反射され、垂直面内で光軸が直角に曲げられてＸＹスキャナ２８に入射する。一方、ガイド光源２９から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６を透過し、レーザ光の光路に入り、Ｚスキャナ２７を通過してＸＹスキャナ２８に入射する。
【００５９】
＜焦点位置の調整処理＞
図１０のステップＳ１０１〜Ｓ１０５は、図１のレーザ加工装置１００における焦点位置の調整動作の一例を示したフローチャートである。まず、Ｚスキャナ制御部４２は、コンソール１からの入力によって加工開始が指示されると、ワーク加工情報記憶部１２内に保持されているレーザ出力制御情報を参照し、非線形光学効果による焦点位置の誤差ΔＬを推定する(ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。
【００６０】
次に、Ｚスキャナ制御部４２は、誤差ΔＬの推定結果に基づいてワーク加工情報としての座標データを補正し、補正後の座標データに基づいてＺスキャナ制御信号を生成し、Ｚスキャナ２７へ出力する(ステップＳ１０３，Ｓ１０４）。ステップＳ１０１からステップＳ１０４までの処理手順は、ワークＷの加工が終了するまで繰り返される(ステップＳ１０５）。
【００６１】
本実施の形態によれば、予め保持されるレーザ出力制御情報に基づいてＺスキャナ２７を制御することによって、光ファイバーケーブル３の端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う焦点位置のずれを補正するので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置に光軸方向のずれが生じるのを抑制することができる。従って、レーザ光が光ファイバーケーブル３を通過する際の非線形光学効果に起因する拡がり角の変化の影響を抑制することができるので、加工品質を向上させることができる。
【００６２】
また、レーザ出力制御情報として保持されるピークパワーから拡がり角の変化に対応する焦点位置の誤差ΔＬを推定して焦点位置の移動量を調整するので、Ｚスキャナ制御部４２の構成を複雑化させることなく、レーザ光の焦点位置にずれが生じるのを効果的に抑制することができる。さらに、Ｚスキャナ制御部４２及びワーク加工情報記憶部１２が本体部２内に配置されるので、Ｚスキャナ制御部４２やワーク加工情報記憶部１２がヘッド部４内に設けられる場合に比べて、ヘッド部４を小型化することができ、さらに、ヘッド部４内での発熱量を低減させることもできる。
【００６３】
実施の形態２．
実施の形態１では、レーザ出力制御情報に基づいて焦点位置の誤差ΔＬを推定して焦点位置の移動量を調整する場合の例について説明した。これに対して、本実施の形態では、光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光のパワーレベルを検出し、その検出結果を考慮して焦点位置の誤差ΔＬを判断する場合について説明する。
【００６４】
図１１は、本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置２００の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置２００は、図１のレーザ加工装置１００と比較すれば、パワーモニタ２０１を備え、ミラー２３に代えてビームサンプラー２０２を備えている点で異なる。ビームサンプラー２０２は、ビームエキスパンダ２２を通過したレーザ光の一部をダイクロイックミラー２６に向けて反射し、他の一部を透過させる光学素子である。
【００６５】
パワーモニタ２０１は、ビームサンプラー２０２を透過したレーザ光を受光してパワーレベルを検出し、その検出結果をパワーレベル検出信号として本体部２内のメイン制御回路１１へ出力するパワーレベル検出用センサである。この様なパワーモニタ２０１としては、例えば、サーモパイル（熱電堆）、或いは、フォトダイオードが用いられる。
【００６６】
図１２は、図１１のレーザ加工装置２００の要部における構成例を示したブロック図であり、メイン制御回路１１内の機能構成の一例が示されている。メイン制御回路１１のＺスキャナ制御部２０３は、ワーク加工情報記憶部１２内のレーザ出力制御情報と、パワーモニタ２０１からのパワーレベル検出信号に基づいて、Ｚスキャナ２７を制御している。すなわち、誤差推定部２０４は、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて、焦点位置の誤差ΔＬを推定し、その推定結果を焦点位置調整部４４へ出力する動作を行っている。
【００６７】
図１３は、図１１のレーザ加工装置２００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバー及びフロントカバーが取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。また、図１４は、図１３のヘッド部４の構成例を示した平面図であり、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【００６８】
フロントフレーム３２の前側の領域には、ビームサンプラー２０２、パワーモニタ２０１、パワーモニタ用アンプ２０１ａ、シャッタ２４の遮断板２４ａ、その駆動機構２４ｂ、フォトインタラプタ２５、Ｚスキャナ２７及びガイド光源２９などが配置されている。
【００６９】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ビームサンプラー２０２によって、その一部がダイクロイックミラー２６に向けて反射され、他の一部が透過してパワーモニタ２０１に入射される。
【００７０】
光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、互いに光軸を一致させて配置されており、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光は、その一部がそのまま直進してパワーモニタ２０１に入射する。一方、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光の他の一部は、ビームサンプラー２０２で反射され、遮断板２４ａを介してダイクロイックミラー２６に入射する。
【００７１】
本実施の形態によれば、レーザ出力制御情報とパワーレベルの検出結果とに基づいて焦点位置の誤差ΔＬを推定し、焦点位置の移動量を調整するので、レーザ光増幅器１５や光ファイバーケーブル３の経時劣化によってレーザ光の出力状態が変化した場合であっても、適切な位置にレーザ光をフォーカシングすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ コンソール
２ 本体部
３ 光ファイバーケーブル
３ａ コア
３ｂ クラッド
３ｃ コネクタ部
４ ヘッド部
４ａ フロントカバー
１１ メイン制御回路
１２ ワーク加工情報記憶部
１３ 電源回路
１４ 励起光源
１５ レーザ光増幅器
２１ 光アイソレータ
２２ ビームエキスパンダ
２３ａ，２３ｂ ミラー
２４ シャッタ
２４ａ 遮断板
２４ｂ 駆動機構
２５ フォトインタラプタ
２６ ダイクロイックミラー
２７ Ｚスキャナ
２８ ＸＹスキャナ
２８ａ，２８ｃ 駆動用モーター
２８ｂ，２８ｄ ガルバノミラー
２９ ガイド光源
３０ ＸＹスキャナ制御回路
３０ａ Ｘスキャナ用制御基板
３０ｂ Ｙスキャナ用制御基板
３１ リアフレーム
３２ フロントフレーム
３３ センターフレーム
３４ アンダーフレーム
３５ ヘッド制御基板
４１ レーザ発振制御部
４２ Ｚスキャナ制御部
４３ 誤差推定部
４４ 焦点位置調整部
１００，２００ レーザ加工装置
２０１ パワーモニタ
２０２ ビームサンプラー
２０３ Ｚスキャナ制御部
２０４ 誤差推定部
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、
上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるレーザ光走査手段を有するヘッド部と、
上記レーザ光走査手段の制御を行う走査制御手段と、
少なくとも上記レーザ光のピークパワーを含み、上記レーザ光増幅手段を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するレーザ出力制御情報記憶手段とを備え、
上記レーザ光走査手段は、上記光ファイバーケーブルの端面から出射される上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナを有し、
上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報に基づいて、上記光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う上記焦点位置のずれを補正するように、上記Ｚスキャナを制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記走査制御手段は、上記焦点位置のずれを上記ピークパワーに基づいて推定する誤差推定手段を有し、上記ずれの推定結果に基づいて上記Ｚスキャナを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
上記ヘッド部が、上記光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光のパワーレベルを検出するパワーレベル検出手段を有し、
上記走査制御手段は、上記レーザ出力制御情報と上記パワーレベルの検出結果とに基づいて、上記焦点位置のずれを補正するように上記Ｚスキャナを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記本体部が、上記走査制御手段及び上記レーザ出力制御情報記憶手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、
上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるレーザ光走査手段を有するヘッド部と、
上記レーザ光走査手段の制御を行う走査制御手段と、
少なくとも上記レーザ光のピークパワーを含み、上記レーザ光増幅手段を制御するためのレーザ出力制御情報を保持するレーザ出力制御情報記憶手段とを備え、
上記レーザ光走査手段は、上記光ファイバーケーブルの端面から出射される上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺスキャナを有し、
上記走査制御手段が、上記レーザ出力制御情報に基づいて、上記光ファイバーケーブルの端面から出射されるレーザ光の拡がり角の変化に伴う上記焦点位置のずれを補正するように、上記Ｚスキャナを制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記走査制御手段は、上記焦点位置のずれを上記ピークパワーに基づいて推定する誤差推定手段を有し、上記ずれの推定結果に基づいて上記Ｚスキャナを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
上記ヘッド部が、上記光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光のパワーレベルを検出するパワーレベル検出手段を有し、
上記走査制御手段は、上記レーザ出力制御情報と上記パワーレベルの検出結果とに基づいて、上記焦点位置のずれを補正するように上記Ｚスキャナを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記本体部が、上記走査制御手段及び上記レーザ出力制御情報記憶手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２０１４３（Ｐ２０１１−２０１４３Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６６８００（Ｐ２００９−１６６８００）
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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