JP2023170071A - 集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で光ファイバのコアに対するレーザ光の入射ずれ量とずれの方向を評価可能な集光光学ユニットを提供する。
【解決手段】集光光学ユニット３０は、レーザ光入射口３１ａとレーザ光出射口３１ｂとを有する第２筐体３１と、第２筐体３１の内部に、集光レンズ３２とを、集光レンズ３２の位置を調整するレンズ位置調整機構３３とを備えている。第２筐体３１には、光ファイバ８０で反射された第１反射光を受光する第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄが取り付けられている。第２光センサ３５ｂと第４光センサ３５ｄは、Ｘ方向に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置に取り付けられている。第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃは、Ｙ方向に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置に取り付けられている。
【選択図】図４

Description

本開示は、集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置に関する。

近年、ダイレクトダイオードレーザ（以下、ＤＤＬという）の高出力化に伴い、ＤＤＬを用いたレーザ加工装置が広く使用されつつある。ＤＤＬを用いたレーザ発振器では、複数のレーザモジュールから出射されたレーザ光を合成することで数ｋＷを超える高い出力を得ることができる。ビーム合成器から出射されたレーザ光は、光ファイバを介して所定の位置に設置されたレーザヘッドに伝送される。この際、ビーム合成器から出射されたレーザ光は集光レンズで集光され、光ファイバのレーザ光入射端面（以下、単に入射端面という）において、その集光スポット（以下、単にスポットという）がコアに収まるサイズまで縮小されて光ファイバに入射される（例えば、特許文献１参照）。

レーザ光と光ファイバのコアとの光結合状態を集光光学ユニットの内部に配置された光センサを用いて診断する技術も従来知られている（例えば、特許文献２，３参照）。特許文献２には、集光光学ユニットの内部で互いに間隔をあけて配置された２つの光センサを用いて、レーザ発振器の内部異常の有無を診断する構成が開示されている。特許文献３には、内部に集光レンズが配置され、かつ集光レンズがレーザ光の光軸方向に移動可能なスライダに保持された構成を有する集光光学ユニット及びレーザ発振器が開示されている。このレーザ発振器では、光ファイバの入射端面で反射され、集光光学ユニットの内部に戻ってきた反射光を、反射光センサで検出する。別途、設けられた出力光センサの出力信号と反射光センサの出力信号とに基づいて、スライダの位置を調整して、レーザ光と光ファイバのコアとの光結合効率を調整している。

国際公開第２０１６／１５２４０４号 特開２０１９－２０１０３１号公報 国際公開第２０１９／０４９９１４号

通常、レーザ光と光ファイバのコアとの光結合効率を調整するため、集光光学ユニットに配置された集光レンズは、レーザ光の光軸方向それぞれ直交する２つの軸方向に移動可能に構成される。このような構成を採用することで、レーザ光を光ファイバのコアに確実に入射させることができる。

一方、特許文献２，３に開示される光モニタを集光光学ユニットに設けたとしても、レーザ光が光ファイバのコアに対して、どの方向にどの程度ずれているのかを評価することは難しかった。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成で光ファイバのコアに対するレーザ光の入射ずれ量とずれの方向を評価可能な集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係る集光光学ユニットは、レーザ光が入射されるレーザ光入射口と前記レーザ光を伝送する光ファイバが取り付けられたレーザ光出射口とを有する筐体と、前記筐体の内部に配置され、前記レーザ光入射口から入射した前記レーザ光を集光し、前記光ファイバに入射させる集光レンズと、前記集光レンズの位置を調整するレンズ位置調整機構と、を少なくとも備え、前記筐体には、前記光ファイバで反射された第１反射光を少なくとも受光する光センサが複数取り付けられており、複数の前記光センサは、前記筐体の内部における前記レーザ光の光軸方向である第３方向と直交する第１方向に沿って、かつ前記レーザ光の光路を挟んで対向する位置に取り付けられるとともに、前記第３方向と直交し、かつ前記第１方向と交差する第２方向に沿って、かつ前記レーザ光の光路を挟んで対向する位置に取り付けられていることを特徴とする。

本開示に係るレーザ発振器は、前記集光光学ユニットと、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、複数の前記光センサの出力信号を受け取るとともに、複数の前記出力信号に基づいて、前記光ファイバのコアに対する前記レーザ光の位置ずれ量とすれの方向とを算出する演算部と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

本開示に係るレーザ加工装置は、前記レーザ発振器と、前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する前記光ファイバと、前記光ファイバの出射端に取り付けられたレーザヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

本開示の集光光学ユニットによれば、簡便な構成で光ファイバのコアに対するレーザ光の位置ずれ量とずれの方向をそれぞれ精度良く評価できる。

本開示のレーザ発振器によれば、光ファイバのコアに対するレーザ光の位置ずれ量とずれの方向をそれぞれ精度良く評価して、集光レンズの位置を調整できる。このことにより、レーザ光の出力の低下や光ファイバの光学損傷の発生を抑制できる。

本開示のレーザ加工装置によれば、レーザ光と光ファイバのコアとの光結合効率の低下を抑制でき、高出力のレーザ光をワークに向けて照射できる。

実施形態１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 集光光学ユニットの断面模式図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ線での断面図である。 光ファイバの入射端面におけるレーザ光のスポット形状の一例を示す模式図である。 光ファイバで反射された第１反射光と石英ブロックで反射された第２反射光が光センサに入射する様子を示す模式図である。 第２テーブルの概要を示す模式図である。 実施形態２に係る集光レンズの位置調整手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。

（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す。なお、以降の説明において、ビーム合成器２０から出射された、後述するレーザ光ＬＢが集光光学ユニット３０に向かう進行方向をＺ方向または第３方向と呼ぶことがある。Ｚ方向または第３方向は、集光光学ユニット３０の第２筐体３１の内部におけるレーザ光ＬＢの光軸方向でもある。複数のレーザモジュールの配列方向をＸ方向または第１方向と呼ぶことがある。Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向または第２方向と呼ぶことがある。

なお、本願明細書において、「直交」または「平行」とは、レーザ加工装置２００やその構成部品の組立公差や加工公差を含んで直交しているか、または平行であるという意味であり、比較対象同士が厳密な意味で直交しているか、または平行であることまでを意味するものではない。

また、本願明細書において、「断面視」とは、対象をＺ方向に直交する断面で見た場合という意味である。

レーザ加工装置２００は、第１筐体４０とレーザ発振器１００と表示部７０と光ファイバ８０とレーザヘッド９０とを備えている。レーザ発振器１００と光ファイバ８０のレーザ光ＬＢが入射される端部（以下、単に入射端という。また、光ファイバ８０のレーザ光ＬＢが出射される端部を、以下、単に出射端という。）とは第１筐体４０の内部に収容されている。

レーザ発振器１００は、複数のレーザモジュール１０とビーム合成器２０と集光光学ユニット３０と制御部５０と電源６０とを有している。レーザモジュール１０は、異なる波長のレーザ光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バーからなるレーザ光源である。レーザモジュール１０内で波長合成されたモジュールレーザ光が各レーザモジュール１０からそれぞれ出射される。

ビーム合成器２０は、複数のレーザモジュール１０からそれぞれ出射されたモジュールレーザ光を一つのレーザ光（以下、レーザ光ＬＢという）に結合して集光光学ユニット３０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また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。ビーム合成器２０は、複数のモジュールレーザ光が入射される筐体と、当該筐体の内部にモジュールレーザ光の光路を変更するための複数のミラーと２つ以上のモジュールレーザ光の光路を一致させるための偏光ビームスプリッタ（いずれも図示せず）とを有している。なお、ビーム合成器２０の内部構成の詳細については図示及び説明を省略する。

集光光学ユニット３０は、第２筐体（筐体）３１と、その内部に配置された集光レンズ３２と、レンズ位置調整機構３３と、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄと、を有している（図２～４参照）。集光光学ユニット３０の各部の構造及び機能については、後で詳述する。また、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄを総称して、単に光センサ３５と呼ぶことがある。

制御部５０は、レーザ発振器１００のレーザ発振を制御する。具体的には、電源６０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１０のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１０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１０毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。

また、制御部５０は、演算部５２を有している。後で述べるように、演算部５２は、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄ（図４参照）の出力信号を受け取って、これらの出力信号に基づいて、光ファイバ８０のコア８１（図２参照）に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを算出する。演算部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。制御部５０は、演算部５２以外に、１または複数のＣＰＵを備えていてもよい。

また、制御部５０は、記憶部５１を有しており、記憶部５１には、レーザ加工条件や加工用の動作プログラム等が格納されている。記憶部５１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の半導体メモリで構成される。なお、記憶部５１は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等で構成されてもよい。

また、後述するように、記憶部５１には、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向に対して、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号がどのように変化するかが、予め実験的に求められた第１テーブルが保存されている。また、記憶部５１には、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号に対して、予め実験的に求められた反射光成分の寄与度がまとめられた第２テーブルが保存されている（図７参照）。第１テーブルと第２テーブルについては後で述べる。また、制御部５０は、レーザヘッド９０が取り付けられたロボットの動作を制御してもよい。

電源６０は、前述したように、レーザ発振を行うための電力を複数のレーザモジュール１０のそれぞれに対して供給する。制御部５０からの指令により、各々のレーザモジュール１０に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源６０は、レーザ加工装置２００の可動部、例えば、前述のロボットに対して電力を供給するようにしてもよい。なお、レーザ加工装置２００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。

レーザ発振器１００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を超える高出力のレーザ加工装置２００を得ることができる。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１０がレーザ発振器１００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１０の搭載個数は、レーザ加工装置２００に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール１０の出力仕様によって適宜変更されうる。

表示部７０は、演算部５２で算出された、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量及びすれの方向を可視化して表示するように構成されている。なお、表示部７０には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、各モジュールレーザ光の出力を表示させるようにしてもよい。レーザ加工時の加工パラメータを同時に表示させるようにしてもよい。表示部７０は、通常、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。

光ファイバ８０は、集光光学ユニット３０の集光レンズ３２に光学的に結合され、集光レンズ３２を介してレーザ発振器１００から受け取ったレーザ光ＬＢをレーザヘッド９０に伝送する。光ファイバ８０の構造については後で述べる。

レーザヘッド９０は、光ファイバ８０で伝送されたレーザ光ＬＢ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２００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。

［集光光学ユニットの内部構成］
図２は、集光光学ユニットの断面模式図を示し、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図を示し、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線での断面図を示す。なお、図２は、集光光学ユニット３０をＸ方向に直交する断面で見た場合の断面図を示している。

図２に示すように、集光光学ユニット３０は、第２筐体（筐体）３１と集光レンズ３２とレンズ位置調整機構３３と光センサ３５とを有している。

第２筐体３１は、外形が四角柱である中空の箱体である。ただし、第２筐体３１の形状は特にこれに限定されず、例えば、外形が円柱である中空の箱体であってもよい。この場合は、円柱の２つの底面がＺ方向と直交するように第２筐体３１が配置される。また、第２筐体３１は、外形がｎ角柱（ｎは４以上の整数）である中空の箱体であってもよい。

第２筐体３１において、Ｚ方向に対向する２つの壁面のそれぞれに開口が設けられている。ビーム合成器２０に近い側に設けられた開口は、ビーム合成器２０から出射されたレーザ光ＬＢが入射するレーザ光入射口３１ａである。一方、レーザ光入射口３１ａとＺ方向に対向する位置に設けられた開口には、石英ブロック３４を介して、光ファイバ８０の入射端が接続されている。以降の説明において、当該開口をレーザ光出射口３１ｂという。また、石英ブロック３４は、接着材（図示せず）により、光ファイバ８０の入射端面に接着されている。当該接着材は、石英ブロック３４と光ファイバ８０との間で所定以上の屈折率差が生じないように、屈折率が調整されている。

また、図２に示すように、光ファイバ８０は、軸心に断面視で円形で、レーザ光ＬＢを伝送するためのコア８１と、コア８１の外周側に、コア８１と同軸に設けられた断面視で同心円状のクラッド８２とを有している。なお、コア８１及びクラッド８２は、それぞれ石英からなるが、クラッド８２の屈折率はコア８１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８２はレーザ光ＬＢをコア８１の内部に閉じ込める機能を有している。また、クラッド８２の外周面は、保護皮膜８３で覆われている。なお、光ファイバ８０の構造は、図２に示すものに特に限定されない。例えば、クラッド８２の外側に断面視で同心円状の第２コア（図示せず）と、その外側に断面視で同心円状の第２クラッド（図示せず）とが、さらに設けられていてもよい。また、保護皮膜８３の外周面に接して、光ファイバ８０を冷却するための冷却管（図示せず）が設けられていてもよい。

集光レンズ３２は、ビーム合成器２０から出射されたレーザ光ＬＢを受け取って集光し、光ファイバ８０の入射端面に入射させる。この際、レーザ光ＬＢの光軸が、光ファイバ８０のコア８１から所定以上にずれてしまうと、レーザ光ＬＢとコア８１との光結合効率が急激に低下してしまう。つまり、光ファイバ８０に伝送されるレーザ光ＬＢの光量が大幅に低下してしまう。このようなことが起こると、所望のレーザ加工が行えない。よって、レンズ位置調整機構３３を用いて、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率が所定値以上になるように集光レンズ３２の位置を調整している。

レンズ位置調整機構３３は、例えば、図２，３に示すように、第２筐体３１の内部に取り付けられた枠体３３ａと枠体３３ａに取り付けられた４本の調整ねじ３３ｂとボールねじ３３ｃとを有している。集光レンズ３２は、枠体３３ａに保持されている。また、枠体３３ａは、ボールねじ３３ｃとこれに連結されたアクチュエータ（図示せず）とにより、第２筐体３１の内部でＺ方向に移動可能に構成されている。また、４本の調整ねじ３３ｂは、集光レンズ３２の中心を通り、Ｚ方向に延びる仮想軸の周りに略等角度間隔で、この場合は、略９０度ずつ離れて配置されている。つまり、調整ねじ３３ｂは、前述の仮想軸を挟んでＸ方向に対向して設けられるとともに、当該仮想軸を挟んでＹ方向に対向して設けられている。なお、レーザ光ＬＢの光軸が集光レンズ３２の中心を通る場合、前述の仮想軸とレーザ光ＬＢの光軸とは略一致する。

なお、図２，３に示すレンズ位置調整機構３３の構造はあくまで一例であり、特にこれに限定されない。例えば、調整ねじ３３ｂやボールねじ３３ｃの位置や個数は適宜変更されうる。レンズ位置調整機構３３は、第２筐体３１の内部で集光レンズ３２の位置をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれに移動させられる構成であればよい。ただし、その場合、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれに対して、前述の仮想軸を挟んだ両側にそれぞれ移動させられることは必要である。

レーザ光ＬＢが石英ブロック３４を透過して光ファイバ８０に入射する際、レーザ光ＬＢの光軸がコア８１の中心を通らずに所定以上、コア８１の中心からずれる場合がある。この場合、レーザ光ＬＢは、光ファイバ８０の入射端面や石英ブロック３４の端面で反射されて、第２筐体３１の内部に戻ってくる場合がある。

光センサ３５は、光ファイバ８０で反射した反射光（以下、第１反射光と呼ぶことがある。）や石英ブロック３４で反射した反射光（以下、第２反射光と呼ぶことがある。）を受光する位置に取り付けられている。

図４に示すように、光センサ３５は、第２筐体３１の内部に計４箇所取り付けられている。具体的には、第２筐体３１の内壁であって、Ｘ方向に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置にそれぞれ１つずつ、第２光センサ３５ｂと第４光センサ３５ｄとが取り付けられている。さらに、第２筐体３１の内壁であって、Ｙ方向に沿って、レーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置にそれぞれ１つずつ、第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃとが取り付けられている。

なお、第２筐体３１への光センサ３５の取り付けは、種々の態様を取りうる。例えば、第２筐体３１の内壁面に光センサ３５が直接設置されてもよい。その場合、光センサ３５の受光面がレーザ光出射口３１ｂの方を向くように、第２筐体３１の内壁面に対して、光センサ３５が所定の角度、傾いて取り付けられてもよい。また、第２筐体３１の内壁に図示しない凹部を設け、凹部の底面に光センサ３５が配置されてもよい。いずれの場合も、光ファイバ８０で反射された反射光（以下、第１反射光と呼ぶことがある。）や石英ブロック３４で反射された反射光（以下、第２反射光と呼ぶことがある。）を受光可能な位置に、光センサ３５が配置されていればよい。

また、光センサ３５は、それぞれ、フォトダイオードアレイやイメージセンサ等の受光素子からなり、受光した第１反射光や第２反射光の光量に基づいた出力信号をそれぞれ発生させる。図４に示すように、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄからそれぞれ出力された出力信号は、制御部５０に送られる。さらに、演算部５２において、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを算出する。

なお、演算部５２は、記憶部５１から前述した第１テーブルを読み出して、入力された各信号の大きさと第１テーブルに記述された各信号の大きさとを対比し、位置ずれ量とずれの方向を算出する。この場合、第１テーブルに記述された各信号の大きさと入力された各信号の大きさとの間に差があれば、線形近似等の補間処理が行われる。また、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向と第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさとの関係が実験的に近似式として導出されている場合がある。この場合は、演算部５２は、第１テーブルに代えて、入力された第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさと当該近似式とに基づいて、位置ずれ量とずれの方向を算出する。

なお、第２筐体３１の内部に取り付けられる光センサ３５の個数は、４つ以上であってもよい。その場合、Ｚ方向から見て、レーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置に配置された一対の光センサ３５が複数組設けられているのが好ましい。光センサ３５をこのように配置することで、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを簡便に算出できる。

また、演算部５２での演算結果に基づいて、レンズ位置調整機構３３の４本の調整ねじ３３ｂとボールねじ３３ｃの少なくとも１つを操作して、集光レンズ３２の位置を調整する。つまり、集光レンズ３２を透過したレーザ光ＬＢの光軸とコア８１の中心とのずれ量が許容値に収まるように、集光レンズ３２の位置が調整される。また、光ファイバ８０の入射端面において、集光レンズ３２を透過したレーザ光ＬＢが光ファイバ８０のコア８１に収まるように、集光レンズ３２の位置が調整される。具体的な例を図面を用いて説明する。

図５は、光ファイバの入射端面におけるレーザ光のスポット形状の一例を示す。

レーザ光ＬＢの光軸がコア８１の中心を通り、かつ、集光レンズ３２を透過したレーザ光ＬＢの焦点位置が光ファイバ８０の出射端面に来るように集光レンズ３２の位置が調整されているとする。この場合、図５のパターンＩに示すように、光ファイバ８０の出射端面において、レーザ光ＬＢのスポットは、コア８１の内部に収まる。つまり、レーザ光ＬＢの全量が光ファイバ８０に伝送され、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率が所定値以上である良好な状態である。図５では、この状態を判定結果がＯＫであるとしている。

また、パターンＩの状態から、集光レンズ３２の位置がＺ方向にずれていたとしても、光ファイバ８０の出射端面において、レーザ光ＬＢのスポットの外形がコア８１の外形に略一致する場合（図５に示すパターンＩＩ）も、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率が所定値以上であり、判定結果はＯＫである。なお、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率が所定値以上であれば、レーザ光ＬＢのスポットの直径が、コア８１の直径よりも大きくてもよい。なお、本実施形態では、パターンＩ及びパターンＩＩに示す場合に、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれから出力される出力信号の大きさが同じである。ただし、パターンＩＩに示す場合は、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさは、パターンＩに示す場合と異なる。光センサ３５のＺ方向の位置に応じて、パターンＩＩに示す場合における光センサ３５の出力信号の大きさは、パターンＩに示す場合よりも大きくなる場合もあれば小さくなる場合もある。これらの情報も第１テーブルに記述されている。

一方、レーザ光ＬＢの光軸がコア８１の中心から所定値を超えてＹ方向にずれている場合（図５に示すパターンＩＩＩ）やＸ方向にずれている場合（図５に示すパターンＩＶ）は、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率が所定値未満となる。図５では、これらの状態を判定結果がＮＧであるとしている。前者の場合は、Ｙ方向に対向する一対の光センサ３５（第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃ）のうち、一方の出力信号が他方よりも大きくなる。後者の場合は、Ｘ方向に対向する一対の光センサ３５（第２光センサ３５ｂと第４光センサ３５ｄ）のうち、一方の出力信号が他方よりも大きくなる。

よって、パターンＩＩＩの場合であれば、レンズ位置調整機構３３を用いて、集光レンズ３２をＹ方向に移動させて、パターンＩの状態になるように調整する。また、パターンＩＶの場合であれば、レンズ位置調整機構３３を用いて、集光レンズ３２をＸ方向に移動させて、パターンＩの状態になるように調整する。

また、パターンＩの状態から、集光レンズ３２の位置がＺ方向に大きくずれた場合、光ファイバ８０の出射端面において、レーザ光ＬＢのスポットの直径が、コア８１の直径よりも所定値を超えて大きくなり、レーザ光ＬＢのスポットがコア８１からはみ出してしまう（図５に示すパターンＶ）。判定結果はＮＧである。パターンＶに示す場合は、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさは、パターンＩに示す場合から変化する。光センサ３５のＺ方向の位置に応じて、光センサ３５の出力信号の大きさは、パターンＩに示す場合よりも大きくなる場合もあれば小さくなる場合もある。

よって、パターンＶの場合も、レンズ位置調整機構３３を用いて、集光レンズ３２をＺ方向に移動させて、パターンＩまたはパターンＩＩの状態になるように調整する。

なお、集光レンズ３２の位置によっては、パターンＩＩＩ～パターンＶが混在した状態となる場合もありうる。その場合は、レンズ位置調整機構３３を用いて、集光レンズ３２をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれに移動させて、パターンＩまたはパターンＩＩの状態になるように調整する。判定結果がＮＧであるそれぞれの場合において、集光レンズ３２の移動方向及び移動量は、演算部５２での演算結果に基づいて決定される。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る集光光学ユニット３０は、レーザ光ＬＢが入射されるレーザ光入射口３１ａとレーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ８０が取り付けられたレーザ光出射口３１ｂとを有する第２筐体（筐体）３１を少なくとも備えている。

集光光学ユニット３０は、第２筐体３１の内部に配置され、レーザ光入射口３１ａから入射したレーザ光ＬＢを集光し、光ファイバ８０に入射させる集光レンズ３２をさらに備えている。

集光光学ユニット３０は、集光レンズ３２の位置を調整するレンズ位置調整機構３３をさらに備えている。

レンズ位置調整機構３３は、集光レンズ３２をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向のいずれにも、つまり、第１～第３方向のいずれにも移動可能に構成されている。

第２筐体３１には、光ファイバ８０で反射された第１反射光を受光する光センサ３５が複数、具体的には、４つ以上取り付けられている。第２光センサ３５ｂと第４光センサ３５ｄは、Ｘ方向（第１方向）に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置に取り付けられている。さらに、第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃは、Ｙ方向（第２方向）に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置にも取り付けられている。

集光光学ユニット３０をこのように構成することで、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれから出力される出力信号は、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向に応じて変化する。このことを利用して、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向をそれぞれ精度良く評価することができる。

また、従来、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを作業者が手作業で試行しながら確定していた。このため、多くの時間を要していた。また、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率を所定値以上にするのみ、作業者の熟練を要し、属人性の高い作業となっていた。

一方、本実施形態によれば、作業者の経験に依存した手作業での位置ずれ量とすれの方向の確定作業が不要となるため、短時間でレーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率を所定値以上に調整することが可能となる。

また、特許文献２に開示される従来の構成では、光センサが２箇所に取り付けられているのみであり、例えば、集光レンズ３２がＹ方向にずれているのか否か、また、位置ずれがある場合は、その位置ずれ量を評価できても、Ｘ方向やＺ方向にずれているのか否か、また、その位置ずれ量を評価することは難しかった。

一方、本実施形態によれば、例えば、位置ずれが無い場合の第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄから出力されるそれぞれの出力信号の大きさを予め求めておき、第１テーブルに保存する。また、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に予めわかった距離だけ集光レンズを移動させたときの、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄから出力されるそれぞれの出力信号の大きさも、第１テーブルに保存する。第１テーブルに保存された各値を利用して、集光レンズ３２のずれの方向を評価できる。正常な位置からの集光レンズ３２の位置ずれ量と第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさとの関係を予め実験的に求めておき、第１テーブルに保存し、これを利用して、集光レンズ３２の位置ずれ量を評価できる。

また、第１テーブルを利用することで、集光レンズ３２のＺ方向でのずれの方向、つまり、集光レンズ３２が正常な位置からレーザ光入射口３１ａに近い側にずれているか、またはレーザ光出射口３１ｂに近い側にずれているかを評価できる。一般に、集光レンズ３２がレーザ光出射口３１ｂに近い側にずれていれば、光センサ３５の出力信号の大きさは、位置ずれが無い場合に比べて小さくなる。また、集光レンズ３２のＺ方向での位置ずれ量を評価できる。

なお、Ｘ方向とＹ方向と第２筐体３１の内部におけるレーザ光ＬＢの光軸方向であるＺ方向（第３方向）とは、互いに直交している。ただし、第２光センサ３５ｂと第４光センサ３５ｄをＸ方向に沿って対向して配置させる場合に、第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃは、必ずしもＹ方向に沿って配置しなくてもよい。第１光センサ３５ａと第３光センサ３５ｃは、Ｚ方向と直交し、かつＸ方向と交差する方向（当該方向も第２方向に含まれる）に沿って、かつレーザ光ＬＢの光路を挟んで対向する位置にも取り付けられればよい。この場合も、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向をそれぞれ精度良く評価することができることは言うまでもない。

本実施形態に係るレーザ発振器１００は、集光光学ユニット３０と、レーザ光ＬＢを出射するレーザ光源と、を少なくとも備えている。本実施形態では、レーザ光源は、４つのレーザモジュール１０である。

また、レーザ発振器１００は、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号を受け取って、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを算出する演算部５２をさらに備えている。

演算部５２を備えることで、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向をそれぞれ精度良く評価することができる。

また、レンズ位置調整機構３３は、演算部５２の算出結果に基づいて、集光レンズ３２の位置を調整するように構成されている。

レンズ位置調整機構３３をこのように構成することで、演算部５２で算出された光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とに基づいて、集光レンズ３２の位置を調整できる。このことにより、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率の低下を抑制でき、ひいては、レーザ光ＬＢの出力の低下や光ファイバ８０の光学損傷の発生を抑制できる。

また、レーザ光源が、複数のレーザモジュール１０を含み、レーザ発振器１００が、ビーム合成器２０を備えているのが好ましい。ビーム合成器２０は、複数のレーザモジュール１０のそれぞれから出射されたモジュールレーザ光を合成してレーザ光ＬＢとして集光光学ユニット３０に出射する。

レーザ発振器１００をこのように構成することで、簡便な構成で高出力のレーザ光ＬＢを出射することができる。このことにより、例えば、レーザ穴あけやレーザ切断やレーザ溶接等のレーザ加工に用いられるのに好適なレーザ発振器１００を実現できる。

本実施形態に係るレーザ加工装置２００は、レーザ発振器１００と、レーザ発振器１００に接続され、レーザ発振器１００から出射されたレーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ８０と、光ファイバ８０の出射端に取り付けられたレーザヘッド９０と、を少なくとも備えている。

レーザ加工装置２００をこのように構成することで、レーザ発振器１００から離れた位置にあるワークＷに対して簡便にレーザ加工を行える。また、光ファイバ８０を介して高出力のレーザ光ＬＢをワークＷに照射できる。さらに、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向を精度良く評価できる。このことにより、集光レンズ３２の位置を調整して、レーザ光ＬＢと光ファイバ８０のコア８１との光結合効率の低下を抑制でき、高出力のレーザ光ＬＢをワークＷに向けて照射できる。また、光ファイバ８０の光学損傷の発生を抑制できる。

（実施形態２）
図６は、光ファイバで反射された第１反射光と石英ブロックで反射された第２反射光が光センサに入射する様子を示す模式図である。図７は、第２テーブルの概要を示す模式図である。なお、説明の便宜上、図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。

実施形態１に示す集光光学ユニット３０では、前述したように、レーザ光出射口３１ｂに、石英ブロック３４を介して光ファイバ８０が取り付けられている。また、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれは、光ファイバ８０で反射された第１反射光だけでなく、石英ブロック３４で反射された第２反射光も受光するように構成されている。

一方、レーザ光ＬＢの入射角度によっては、第１反射光が第２筐体３１の内壁面に入射される位置と、第２反射光が第２筐体３１の内壁面に入射される位置とが、Ｚ方向で異なる場合がある。例えば、図６に示すように、第１反射光（実線矢印で図示）が入射される位置に光センサ３５を配置した場合、集光レンズ３２でのレーザ光ＬＢの収束状態によっては、光センサ３５に第２反射光（破線矢印で図示）が一部しか入射されない場合がある。なお、図６では、第２反射光が入射される位置に配置された場合の光センサ３５を破線で示している。

これは、石英ブロック３４のＺ方向の長さ分、光路長が異なることと、石英ブロック３４の内部での屈折により、反射光の光路自体が変わってくることによる。同様の現象は、Ｘ方向でもＹ方向でも起こりうる。

このような場合、例えば、光センサ３５の配置個数をＺ方向に沿って増やして対応することも考えられる。しかし、単なる光センサ３５の個数増加では、第１反射光に基づく出力信号（以下、第１信号成分ともいう）と第２反射光に基づく出力信号（以下、第２信号成分ともいう）とを分離できず、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向を正しく評価できない場合がある。また、光センサ３５の個数増加は、集光光学ユニット３０、ひいてはレーザ発振器１００やレーザ加工装置２００のコスト増加につながる。

そこで、本実施形態では、前述した第２テーブルを用いて、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号における反射光成分の寄与度を導出し、その結果に基づいて、演算部５２で、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを算出するようにしている。以下、さらに説明する。

図７に示すように、数値テーブルである第２テーブルは、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ集光レンズ３２が移動した場合の第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号が記述されている。なお、レーザ光ＬＢの光軸が光ファイバ８０のコア８１の中心を通る場合の集光レンズ３２の位置（仮に（０，０，０）とする。）を原点位置としている。また、それぞれの出力に対して、反射光成分の寄与度、つまり、出力信号の大きさに占める第１信号成分の割合と第２信号成分の割合とが記述されている。

反射光成分の寄与度は、予め実験的に求められる。例えば、第１信号成分のみを抽出する場合は、光ファイバ８０の位置を固定した上で、石英ブロック３４を除去し、レーザ光ＬＢを出射させて、反射光を第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄで受光する。この場合、不要な反射光を第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄで受光しないように、光ファイバ８０の周囲には吸光性の部材が配置されていることが好ましい。

第２信号成分のみを抽出する場合は、石英ブロック３４の位置を固定した上で、光ファイバ８０を除去し、レーザ光ＬＢを出射させて、反射光を第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄで受光する。この場合、石英ブロック３４のＺ方向に対向する２つの端面のうち、集光レンズ３２から遠い側を吸光性の部材で覆うのが好ましい。不要な反射光を第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄで受光しないようにすることができる。

なお、実験的に求められた第１信号成分と第２信号成分との和と、図２に示す構成の集光光学ユニット３０を用いて取得された出力信号の大きさとを用いて、適宜、補正等の処理を行って、反射光成分の寄与度が算出される。本実施形態では、第２信号成分の寄与度（％）を１００％から第１信号成分の寄与度（％）を引いた値としている。

本実施形態における集光レンズ３２の位置調整手順について、以下に説明する。

図８は、実施形態２に係る集光レンズの位置調整手順を示すフローチャートである。

まず、レーザ発振器１００において、レーザ光ＬＢを発生させ、光ファイバ８０に向けて出射する（ステップＳ１）。次に、例えば、実施形態１で示したように、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号に基づいて、演算部５２は、第１テーブルを用いて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを算出する（ステップＳ２）。演算部５２は、第１テーブルの代わりに前述の近似式を用いてもよい。この場合、第１信号成分と第２信号成分の両方と、第１テーブルまたは近似式とに基づいて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とが算出されていると言える。

演算部５２の算出結果に基づいて、レンズ位置調整機構３３を操作して、集光レンズ３２を移動させる（ステップＳ３）。再度、レーザ光ＬＢを光ファイバ８０に向けて出射し、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号を確認する（ステップＳ４）。

第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号と第１テーブルとに基づいて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量が所定値以下である否かを判断する（ステップＳ５）。演算部５２は、第１テーブルの代わりに前述の近似式を用いてもよい。制御部５０に設けられたＣＰＵ上で所定のソフトウェアを実行することで、ステップＳ５における判断がなされる。このＣＰＵは、演算部５２を構成するＣＰＵであってもよいし、別のＣＰＵであってもよい。ステップＳ５の判断結果が肯定的、つまり、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量が所定値以下であると判断された場合は、集光レンズ３２の位置調整を終了する。

一方、ステップＳ５の判断結果が否定的、つまり、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量が所定値を超えている場合は、集光レンズ３２を透過したレーザ光ＬＢが散乱等により拡がった状態で、石英ブロック３４や光ファイバ８０の入射端面に入射している可能性がある。つまり、入射角度がばらついた状態で、レーザ光ＬＢが石英ブロック３４や光ファイバ８０の入射端面に入射している可能性がある。あるいは、複数の方向からレーザ光ＬＢが石英ブロック３４や光ファイバ８０の入射端面に入射している可能性がある。

このような場合は、演算部５２は、第２テーブルに基づいて、反射光成分の寄与度を算出する（ステップＳ６）。さらに、寄与度を考慮して、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号における第１信号成分の大きさを算出する（ステップＳ７）。

ステップＳ７の算出結果と、第１テーブルとに基づいて、演算部５２は、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを、再度、算出する（ステップＳ８）。演算部５２は、第１テーブルの代わりに前述の近似式を用いてもよい。

ステップＳ３に戻って、演算部５２の算出結果に基づいて、レンズ位置調整機構３３を操作して、集光レンズ３２を移動させる。再度、レーザ光ＬＢを出射させ、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄのそれぞれの出力信号を確認する（ステップＳ４）。さらに、ステップＳ５に進み、ステップＳ５の判断結果が肯定的になるまで、一連の処理を繰り返し実行する。

以上説明したように、本実施形態において、演算部５２は、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号と予め準備された数値テーブルである第２テーブルとに基づいて、第１反射光に基づく第１信号成分と第２反射光に基づく第２信号成分とを算出する。さらに、演算部５２は、第１信号成分及び第２信号成分に基づいて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とすれの方向とを算出する（ステップＳ６～Ｓ８）ように構成されている。

本実施形態によれば、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施形態によれば、第２筐体３１の内部における光センサ３５の配置を厳密に設定しなくても、また、光センサ３５の配置個数を増加すること無く、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを精度良く算出することができる。

（その他の実施形態）
実施形態１，２におけるレーザ発振器１００は、必ずしも演算部５２を有していなくてもよい。その場合、例えば、作業者が、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさと予め準備された第１テーブルや第２テーブルとを用いて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを算出する。また、作業者は、自らが算出した算出結果に基づいて、レンズ位置調整機構３３を操作し、集光レンズ３２の位置を調整する。

この場合、レーザ加工装置２００は、図示しない入力部を備えているのが好ましく、入力部への入力内容にしたがって、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号の大きさや第１テーブルや第２テーブルが、表示部７０に表示されるのが好ましい。入力部は、例えば、キーボードやタッチパネルなどの公知の入力デバイスで構成されるのが好ましい。

あるいは、演算部５２は、制御部５０と別個に設けられた機器であってもよい。当該機器が、第１～第４光センサ３５ａ～３５ｄの出力信号を受け取って、演算部５２がそれぞれの出力信号に基づいて、光ファイバ８０のコア８１に対するレーザ光ＬＢの位置ずれ量とずれの方向とを算出可能であればよい。この場合も、演算部５２はＣＰＵで構成される。

本開示の集光光学ユニットは、光ファイバのコアに対するレーザ光の入射ずれ量とずれの方向を簡便な構成で精度良く評価可能なため、有用である。

１０ レーザモジュール
２０ ビーム合成器
３０ 集光光学ユニット
３１ 第２筐体（筐体）
３１ａ レーザ光入射口
３１ｂ レーザ光出射口
３２ 集光レンズ
３３ レンズ位置調整機構
３３ａ 枠体
３３ｂ 調整ねじ
３３ｃ ボールねじ
３４ 石英ブロック
３５ 光センサ
３５ａ～３５ｄ 第１～第４光センサ
４０ 第１筐体
５０ 制御部
５１ 記憶部
５２ 演算部
６０ 電源
７０ 表示部
８０ 光ファイバ
８１ コア
８２ クラッド
８３ 保護皮膜
９０ レーザヘッド
１００ レーザ発振器
２００ レーザ加工装置
ＬＢ レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. レーザ光が入射されるレーザ光入射口と前記レーザ光を伝送する光ファイバが取り付けられたレーザ光出射口とを有する筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、前記レーザ光入射口から入射した前記レーザ光を集光し、前記光ファイバに入射させる集光レンズと、
   前記集光レンズの位置を調整するレンズ位置調整機構と、を少なくとも備え、
   前記筐体には、前記光ファイバで反射された第１反射光を少なくとも受光する光センサが複数取り付けられており、
   複数の前記光センサは、前記筐体の内部における前記レーザ光の光軸方向である第３方向と直交する第１方向に沿って、かつ前記レーザ光の光路を挟んで対向する位置に取り付けられるとともに、前記第３方向と直交し、かつ前記第１方向と交差する第２方向に沿って、かつ前記レーザ光の光路を挟んで対向する位置に取り付けられており、
   前記レンズ位置調整機構は、前記集光レンズを前記第１～第３方向のいずれにも移動可能に構成されていることを特徴とする集光光学ユニット。
2. 請求項１に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記レンズ位置調整機構は、複数の前記光センサの出力信号に基づいて、前記集光レンズの位置を調整するように構成されていることを特徴とする集光光学ユニット。
3. 請求項１に記載の集光光学ユニットと、
   前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
   複数の前記光センサの出力信号を受け取るとともに、複数の前記出力信号に基づいて、前記光ファイバのコアに対する前記レーザ光の位置ずれ量とすれの方向とを算出する演算部と、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ発振器。
4. 請求項３に記載のレーザ発振器において、
   前記レンズ位置調整機構は、前記演算部の算出結果に基づいて、前記集光レンズの位置を調整するように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。
5. 請求項３に記載のレーザ発振器において、
   前記レーザ光源は、複数のレーザモジュールを含み、
   前記レーザ発振器は、複数の前記レーザモジュールのそれぞれから出射されたモジュールレーザ光を合成して前記レーザ光として前記集光光学ユニットに出射するビーム合成器をさらに備えたことを特徴とするレーザ発振器。
6. 請求項３に記載のレーザ発振器において、
   前記集光光学ユニットの前記レーザ光出射口には、石英ブロックを介して前記光ファイバが取り付けられており、
   複数の前記光センサのそれぞれは、前記第１反射光とともに、前記石英ブロックで反射された第２反射光を受光するように構成され、
   前記演算部は、前記出力信号と予め準備された数値テーブルとに基づいて、前記第１反射光に基づく第１信号成分と前記第２反射光に基づく第２信号成分とを算出するとともに、前記第１信号成分及び前記第２信号成分の少なくとも一方に基づいて、前記位置ずれ量と前記すれの方向とを算出するように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。
7. 請求項３に記載のレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する前記光ファイバと、
   前記光ファイバの出射端に取り付けられたレーザヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。