JP7620795B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工装置に関する。

従来、光ファイバを用いて、離れた場所にあるワークをレーザ加工するレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置では、レーザ発振器から出射されたレーザ光を光ファイバに適切に入射させるための光学部品、例えば、集光レンズが用いられる。

ところで、レーザ光の出力がｋＷクラスの大出力になると、集光レンズでレーザ光の一部が吸収され温度が上昇してしまう。この場合、熱レンズ効果により、集光レンズの焦点距離が変化してしまうことがある。

そこで、特許文献１には、レーザ光が透過する集光レンズの面内温度分布を熱電対で多点測定することにより、集光レンズの屈折率分布やレーザ光の開口数の変化に相当する焦点距離の変化を検出する方法が開示されている。この検出結果に基づいて、レーザ光の焦点位置を補正することで、ワークに照射されるレーザ光のスポット径を適切な値に保つことができる。

特許第５５５８６２９号公報

ところで、レーザ発振器は、長期使用時に、温度上昇等の影響により、その状態が変化することがある。例えば、レーザ光の光軸が初期から変動する場合がある。また、レーザ光の出力を大幅に変えて使用する場合、出力変化の前後でレーザ光の拡がり角が変化してしまうことがある。

このような場合、光ファイバに入射されるレーザ光の開口数が変動し、ワークに照射されるレーザ光のビーム品質やスポット径を所望の値に維持できないおそれがある。ひいては、ワークの加工精度を損ねるおそれがあった。

しかし、特許文献１に開示された従来の方法では、熱電対を用いて、間接的に集光レンズの屈折率分布を求めているため、このような開口数の変化を短時間にかつリアルタイムで検出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、光ファイバに入射されるレーザ光の開口数を短時間にかつリアルタイムで検出することができる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、本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、入射端に入射された前記レーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバで伝送された前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、を少なくとも備え、前記レーザヘッドは、筐体と、前記筐体の内部に配置された第１光学部品及び第２光学部品と、前記筐体の内部に配置された第１受光部及び第２受光部と、を少なくとも有し、前記第１光学部品は、前記第２光学部品よりも前記光ファイバの出射端に近い位置に配置され、前記第１光学部品は、前記レーザ光の受光面のうち少なくとも一つの面に所定の反射率を有する第１コーティング膜が設けられ、前記第２光学部品は、前記レーザ光の受光面のうち少なくとも一つの面に第２コーティング膜が設けられ、前記第１受光部は、前記第１コーティング膜で反射された前記レーザ光を受光して第１受光信号を出力し、前記第２受光部は、前記第２コーティング膜の周縁部分で反射された前記レーザ光を受光して第２受光信号を出力することを特徴とする。

本開示によれば、光ファイバに入射されるレーザ光の開口数及びその変化を短時間にかつリアルタイムで検出することができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 図２は、光ファイバの断面模式図である。 図３は、レーザヘッドの内部の模式図である。 図４は、レーザ光のビームプロファイルを示す模式図である。 図５は、第１受光信号及び第２受光信号の時間変化の一例を示す図である。 図６は、レーザ光の出力及びＮＡに対する第１受光信号及び第２受光信号の相対強度を示す図である。 図７は、実施形態２に係る光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置と光ファイバから出射されるレーザ光のＮＡとの関係を示す図である。 図８は、実施形態３に係る第２コーティング膜の成膜装置の概略構成図である。 図９は、成膜時の光学部品とヤトイとの配置関係を示す図である。 図１０は、第２コーティング膜の膜厚分布を示す図である。 図１１は、レーザ光の波長と第２コーティング膜の反射率との関係を示す図である。

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）
［レーザ加工装置及び光ファイバの構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図を示し、図２は、光ファイバの断面模式図を示す。なお、以降の説明において、光ファイバ３０の入射端面３０ａ１と垂直な方向をＸ方向と呼び、レーザヘッド４０からワークＷに向かう方向をＺ方向と呼び、Ｘ方向及びＺ方向のそれぞれと直交する方向をＹ方向と呼ぶことがある。また、図２はあくまでも模式図であり、光ファイバ３０の各部の実際の寸法とは異なっている。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０と光結合器２０と光ファイバ３０とレーザヘッド４０と制御部６０を少なくとも有している。なお、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０の駆動用電源等を有しているが、これらについては、説明の便宜上、図示及び説明を省略する。

レーザ発振器１０は、レーザ光ＬＢを出射する。本実施形態では、レーザ光ＬＢの波長は９５０ｎｍ～１０００ｎｍ程度である。ただし、特にこれに限定されず、別の値を取ってもよい。

本実施形態のレーザ発振器１０は、半導体レーザからの出射光を直接に用いる半導体レーザ光源（ＤＤＬ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）である。また、ＤＤＬ光源として、複数のレーザ光エミッタを備える半導体レーザアレイが複数個用いられる。

光結合器２０は、第１筐体２１と反射ミラー２２と第１集光レンズ２３とを少なくとも有しており、反射ミラー２２と第１集光レンズ２３とは、互いに所定の配置関係を保った状態で、第１筐体２１の内部に収容されている。また、第１筐体２１は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢが入射される光入射口（図示せず）と、光ファイバ３０の入射端３０ａが接続される光出射口（図示せず）とを有している。

反射ミラー２２は、第１筐体２１の内部に入射されたレーザ光ＬＢを第１集光レンズ２３に向けて反射する。第１集光レンズ２３は、反射ミラー２２で反射されたレーザ光ＬＢを光ファイバ３０の入射端面３０ａ１に入射されるように集光する。

図１に示すように、第１集光レンズ２３から光ファイバ３０の入射端３０ａに向かうレーザ光ＬＢの光路において、レーザ光ＬＢの光軸と、レーザ光ＬＢの最外側とがなす角度を拡がり角θとする。

このとき、レーザ光ＬＢの入射側の開口数（ＮＡ）は、以下に示す式（１）で定義される。

ＮＡ＝ｓｉｎθ ・・・（１）
また、反射ミラー２２には、第１位置調整部７１が接続されている。第１位置調整部７１を駆動することで、レーザ光ＬＢの入射方向に対する反射ミラー２２の表面の角度が調整される。第１集光レンズ２３には、第２位置調整部７２が接続されている。第２位置調整部７２を駆動することで、第１集光レンズ２３は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の少なくとも１つの方向に移動し、かつその位置が所望の位置に調整される。

本実施形態では、レーザ光ＬＢが光ファイバ３０の第１コア３１（図２参照）に入射されるように、反射ミラー２２と第１集光レンズ２３との初期の配置関係が設定されている。

ただし、後で述べるように、レーザ光ＬＢは、光ファイバ３０の第２コア３３（図２参照）に入射されてもよい。その場合は、第１位置調整部７１及び／または第２位置調整部７２を駆動して、光ファイバ３０の入射端面３０ａ１へのレーザ光ＬＢの入射位置を変更する。

図１に示す例では、第１位置調整部７１及び第２位置調整部７２ともに第１筐体２１の外部に配置されているが、実際には、それぞれの一部が第１筐体２１の内部に設けられる。第１位置調整部７１及び第２位置調整部７２ともに第１筐体２１の内部に配置されていてもよい。

光ファイバ３０は、光結合器２０の第１集光レンズ２３で集光されたレーザ光ＬＢを受け取ってレーザヘッド４０に向けて伝送する。

図２に示すように、光ファイバ３０は、それぞれが光導波路である第１コア３１及び第２コア３３と第１クラッド３２及び第２クラッド３４とを少なくとも有しており、第２クラッド３４の外周面が遮光性の被膜（図示せず）で覆われている。

第１コア３１は、断面視で円形状であり、光ファイバ３０の軸心に配置されている。第１クラッド３２は、第１コア３１の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。第２コア３３は、第１クラッド３２の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。第２クラッド３４は、第２コア３３の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。

第１コア３１及び第２コア３３と第１クラッド３２及び第２クラッド３４とは、いずれも石英からなる。ただし、第１クラッド３２の屈折率は、第１コア３１及び第２コア３３のそれぞれの屈折率よりも低くなるように設定されている。また、第２クラッド３４の屈折率は、第２コア３３の屈折率よりも低くなるように設定されている。

レーザヘッド４０は、光ファイバ３０で伝送されたレーザ光ＬＢを受け取って、ワークＷに向けて照射するように構成されており、第２筐体（筐体）４１と複数の光学部品とを有している。図１に示すように、複数の光学部品には、コリメーションレンズ４２と第２集光レンズ４３と保護ガラス４４とが含まれる。また、複数の光学部品には、後で述べる第１シールドガラス（第１光学部品）４５と第２シールドガラス（第２光学部品）４７も含まれる（図３参照）。

第２筐体４１は、光ファイバ３０の出射端３０ｂが接続されるコネクタ部４１ａとレーザ光ＬＢがワークＷに向けて出射される光出射口（図示せず）とを有している。また、前述した複数の光学部品が、互いに所定の配置関係を保った状態で、第２筐体４１の内部に収容されている。

光ファイバ３０の出射端３０ｂから第２筐体４１の内部に入射したレーザ光ＬＢは、第１シールドガラス４５及び第２シールドガラス４７をそれぞれ透過して、集光光学系であるコリメーションレンズ４２及び第２集光レンズ４３に入射される。

コリメーションレンズ４２は、レーザ光ＬＢを平行光に変換し、第２集光レンズ４３は、コリメーションレンズ４２を透過したレーザ光ＬＢをワークＷの表面に集光するように構成されている。

また、コリメーションレンズ４２及び第２集光レンズ４３の両方、あるいは少なくとも一方に第３位置調整部７３が接続されている。第３位置調整部７３を駆動することで、コリメーションレンズ４２及び／または第２集光レンズ４３は、第２筐体４１の内部を進行するレーザ光ＬＢの光軸方向に移動し、レーザ光ＬＢの集光位置が所望の位置に調整される。

図１に示す例では、第３位置調整部７３は第２筐体４１の外部に配置されているが、実際には、一部が第２筐体４１の内部に設けられる。第３位置調整部７３が、第２筐体４１の内部に配置されていてもよい。

保護ガラス４４は、レーザ光ＬＢの照射によりワークＷが溶融して発生するヒュームやスパッタが、第２筐体４１の内部に入り込んで他の光学部品に付着するのを防止するために設けられる。

保護ガラス４４を始め、他の光学部品が、それぞれレーザ光ＬＢを透過する材質であることは言うまでもない。本実施形態では、複数の光学部品のそれぞれは、合成石英製である。ただし、特にこれに限定ざれず、レーザ光ＬＢの波長に応じて、適宜、他の材質を選択できる。

制御部６０は、第１～第３位置調整部７１～７３にそれぞれ接続され、第１～第３位置調整部７１～７３に制御信号を出力して、これらの動作を制御する。また、制御部６０には、レーザヘッド４０に設けられた第１受光部５１及び第２受光部５２（図３参照）のそれぞれの出力信号である第１受光信号と第２受光信号とが入力される。前述の制御信号は、第１受光信号及び第２受光信号に基づいて生成される。

なお、レーザ加工装置１００には、レーザヘッド４０を保持するマニピュレータ（図示せず）が設けられていてもよい。マニピュレータは、例えば、多関節ロボットであり、制御部６０に接続され、制御部６０からの動作指令に基づいて、所望の速度でレーザヘッド４０を所望の位置に移動させる。このようにすることで、レーザヘッド４０から出射されたレーザ光ＬＢは、ワークＷの表面に所望の軌跡を描くように照射される。なお、マニピュレータの動作を制御する別の制御部（図示せず）を設けてもよい。

［レーザヘッドの構成］
図３は、レーザヘッドの内部の模式図を示す。なお、説明の便宜上、図３において、レーザヘッド４０の下半分、例えば、第２集光レンズ４３や保護ガラス４４の図示を省略している。

図３に示すように、光ファイバ３０の出射端３０ｂは、コネクタ部４１ａを通って第２筐体４１の内部に配置されている。光ファイバ３０の出射端３０ｂから出射されたレーザ光ＬＢは、その光軸と最外側とが前述の拡がり角θをなすように拡がりながら、第１シールドガラス４５及び第２シールドガラス４７をそれぞれ透過して、コリメーションレンズ４２に入射される。つまり、光ファイバ３０の出射側でも、式（１）に示す開口数が維持されている。よって、光ファイバ３０の入射側及び出射側のレーザ光ＬＢの開口数を総称して、以下、単にレーザ光ＬＢのＮＡと呼ぶことがある。

第１シールドガラス４５と第２シールドガラス４７は、第２筐体４１の内部で、光ファイバ３０の出射端３０ｂとコリメーションレンズ４２との間に配置されている。また、第１シールドガラス４５と第２シールドガラス４７は、レーザ光ＬＢの光軸方向に互いに間隔をあけて配置されている。第１シールドガラス４５は、第２シールドガラス４７よりも光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い位置に配置されている。

第１シールドガラス４５及び第２シールドガラス４７は、第２筐体４１の内部に入り込んだヒューム等が、光ファイバ３０の出射端３０ｂに付着するのを防止している。

第１シールドガラス４５は、レーザ光ＬＢの受光面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い側の面に第１コーティング膜４６を有している。第１コーティング膜４６は、第１シールドガラス４５に入射するレーザ光ＬＢの光路に配置されており、レーザ光ＬＢに対して所定の反射率、例えば、０．数％の反射率を有している。

同様に、第２シールドガラス４７は、レーザ光ＬＢの受光面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い側の面に第２コーティング膜４８を有している。

第２コーティング膜４８は、第２シールドガラス４７に入射するレーザ光ＬＢの光路に配置されている。ただし、第１コーティング膜４６とは異なり、第２コーティング膜４８は、反射率が互いに異なる中央部分４８ａと周縁部分４８ｂとで構成されている。中央部分４８ａの反射率は、第１コーティング膜４６の反射率に等しい。一方、周縁部分４８ｂは、中央部分４８ａよりも反射率が高くなるように形成されている。例えば、周縁部分４８ｂの反射率が、中央部分４８ａの反射率よりも１～十数％程度高くなるように、第２コーティング膜４８が形成される。

なお、本願明細書において、「同じ」や「等しい」とは、レーザ加工装置１００内の各部品や第１コーティング膜４６及び第２コーティング膜４８の製造公差や各部品の配置関係の許容公差を含んで同じまたは等しいという意味であり、比較対象となる両者が厳密な意味で同じまたは等しいことまでを意味するものではない。

第１コーティング膜４６や第２コーティング膜４８は、例えば、Ｔａ（タンタル）等の金属を含む金属酸化物誘電体からなる薄膜であり、レーザ光ＬＢに対して合成石英よりも屈折率が高くなるように形成される。ただし、これに特に限定されず、適宜別の構成を取りうる。例えば、第１コーティング膜４６及び第２コーティング膜４８を、合成石英とは誘電率が異なり、かつ互いに誘電率が異なる誘電体膜を交互に積層して得られる誘電体多層膜としてもよい。また、第２コーティング膜４８として、レーザ光ＬＢを透過する一方、中央部分４８ａと周縁部分４８ｂとで屈折率分布が異なる構造体を用いてもよい。その場合も、前述した反射率の大小関係を満足していればよい。

また、第１コーティング膜４６や第２コーティング膜４８は、レーザ光ＬＢの大部分、例えば、９０％以上を透過させる一方、残部を反射するように構成されている。第１コーティング膜４６や第２コーティング膜４８の反射率は、高すぎない方がよい。ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのロスが大きくなるためである。また、レーザヘッド４０の内部での反射光強度が強くなりすぎると、内部の部品を損傷するおそれもある。

つまり、第１コーティング膜４６や第２コーティング膜４８の中央部分４８ａ及び周縁部分４８ｂは、レーザ光ＬＢの大部分、例えば９０％以上を透過し、残部を反射するように膜厚が設定されるのが好ましい。

また、第２筐体４１の内部には、第１受光部５１と第２受光部５２がそれぞれ配置されている。第１受光部５１は、第１コーティング膜４６で反射されたレーザ光ＬＢを受光可能な位置に配置されている。また、第２受光部５２は、第１受光部５１と所定の間隔をあけて、かつ第２コーティング膜４８の周縁部分４８ｂで反射されたレーザ光ＬＢを受光可能な位置に配置されている。

第１受光部５１及び第２受光部５２ともに、公知のフォトダイオード等の受光素子で構成されている。また、第１受光部５１及び第２受光部５２ともに、受光した光量に応じた電気信号を出力信号、つまり、第１受光信号及び第２受光信号として、それぞれ制御部６０に出力するように構成されている。制御部６０に入力された第１受光信号及び第２受光信号に基づいて、制御部６０でレーザ光ＬＢのＮＡが導出される。これについては後で詳述する。

なお、第１受光部５１及び第２受光部５２ともに、所定の指向性を有している。つまり、第１受光部５１及び第２受光部５２は、それぞれ所定の範囲の受光角で入射する光のみを受光可能に構成されている。

［レーザ光のＮＡのリアルタイムモニタ及びＮＡの修正手順］
図４は、レーザ光のビームプロファイルを模式的に示し、具体的には、レーザ光ＬＢの光強度の一次元分布を示している。図５は、第１受光信号及び第２受光信号の時間変化の一例を示し、図６は、レーザ光の出力及びＮＡに対する第１受光信号及び第２受光信号の相対強度を示す。なお、図６における信号強度は、レーザ光ＬＢの出力が５００Ｗの場合の第１受光信号の信号強度を１とした相対値で示している。

図４に示す内側の２本の破線で挟まれた部分は、レーザ光ＬＢのビームパワーの８６％が含まれる領域である。図４に示す例では、範囲Ｄ１とする。第１受光部５１は、この範囲Ｄ１に含まれるレーザ光ＬＢが第１コーティング膜４６で反射された反射光を受光して、第１受光信号を出力する。

一方、図４に示す内側の２本の破線で挟まれた部分は、レーザ光ＬＢのビームパワーの１００％が含まれる領域である。図４に示す例では、範囲Ｄ２とする。第２受光部５２は、範囲Ｄ１を除いた範囲Ｄ２（図４の斜線部分参照）に含まれるレーザ光ＬＢが第２コーティング膜４８の周縁部分４８ｂで反射された反射光を受光して、第２受光信号を出力する。

ところで、前述したように、レーザ光ＬＢのＮＡは、レーザ発振器１０の状態やレーザ光ＬＢの出力変化に応じて変化する。例えば、図５に示す例では、レーザ光ＬＢの出力を不連続に増加させた場合を考える。このとき、第１受光信号及び第２受光信号ともに、信号強度は増加するが、その程度は異なる。図５に示す例では、レーザ光ＬＢの出力変化の前後で、第１受光信号が増加する割合よりも第２受光信号が増加する割合が高くなる。これは、レーザ光ＬＢの出力の増加によって、レーザ光ＬＢのＮＡが増加したためである。

図６に示すように、初期のレーザ光ＬＢのＮＡが小さい値、例えば、０．１程度に設定される場合は、レーザ光ＬＢの出力が５００Ｗから４０００Ｗ（＝４ｋＷ）に増加した場合、第１受光信号の信号強度が２倍になるのに対して、第２受光信号の信号強度が１．５倍になる。一方、初期のレーザ光ＬＢのＮＡが大きい値、例えば、０．１８程度に設定される場合は、レーザ光ＬＢの出力が５００Ｗから４０００Ｗ（＝４ｋＷ）に増加した場合、第１受光信号の信号強度が３倍になるのに対して、第２受光信号の信号強度も３倍になる。

このように、レーザ光ＬＢの出力やＮＡの変化に応じて、第１受光信号及び第２受光信号の信号強度や互いの信号強度比は変化する。

よって、第１受光信号及び第２受光信号の信号強度や互いの信号強度比とレーザ光ＬＢのＮＡとの関係を予め実験的に求めておき、データテーブルとして、制御部６０の内部または外部に設けられた記憶部（図示せず）に保存しておく。

制御部６０は、第１受光部５１及び第２受光部５２でからそれぞれ入力される第１受光信号及び第２受光信号、また、これらの強度比と前述のデータテーブルとを照合して、レーザ光ＬＢのＮＡを導出し、また、レーザ光ＬＢのＮＡの変化を検出するように構成されている。

また、レーザ加工装置１００の動作中、具体的には、レーザ光ＬＢが出力されている間は、第１受光部５１及び第２受光部５２と制御部６０を動作させることにより、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化をリアルタイムでモニターすることができる。

なお、導出されたＮＡが所定の範囲を超えた場合、制御部６０は、レーザ光ＬＢのＮＡが所定の範囲に収まるように、光結合器２０内の光学部品の位置を制御する。具体的には、第１位置調整部７１及び／または第２位置調整部７２を駆動制御して、反射ミラー２２及び／または第１集光レンズ２３の位置を調整する。例えば、第１位置調整部７１を駆動して、反射ミラー２２の表面の角度を調整することで、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢのＮＡを変化させる。また、第２位置調整部７２を駆動して、第１集光レンズ２３の位置を調整することで、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢのＮＡを変化させる。

なお、前述の所定の範囲は、レーザ光ＬＢの出力やレーザ加工に求められる加工精度、さらにレーザ光ＬＢが照射されるワークＷの材質や形状等に応じて、適宜変更される。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、入射端３０ａに入射されたレーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ３０と、光ファイバ３０で伝送されたレーザ光ＬＢを受け取ってワークＷに向けて照射するレーザヘッド４０と、を少なくとも備えている。

レーザヘッド４０は、第２筐体（筐体）４１と、第２筐体４１の内部に配置された第１シールドガラス（第１光学部品）４５及び第２シールドガラス（第２光学部品）４７と、第２筐体４１の内部に配置された第１受光部５１及び第２受光部５２と、を少なくとも有している。

第１シールドガラス４５は、第２シールドガラス４７よりも光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い位置に配置される。

第１シールドガラス４５は、レーザ光ＬＢの受光面のうち少なくとも一つの面に所定の反射率を有する第１コーティング膜４６が設けられ、第２シールドガラス４７は、レーザ光ＬＢの受光面のうち少なくとも一つの面に第２コーティング膜４８が設けられる。

第１受光部５１は、第１コーティング膜４６で反射されたレーザ光ＬＢを受光して第１受光信号を出力し、第２受光部５２は、第２コーティング膜４８の周縁部分４８ｂで反射されたレーザ光ＬＢを受光して第２受光信号を出力する。

レーザ加工装置１００は、第１受光信号及び第２受光信号が入力される制御部６０をさらに備えている。制御部６０は、第１受光信号と第２受光信号との強度比に基づいて、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢのＮＡの変化を検出するように構成されている。

レーザ加工装置１００をこのように構成することで、レーザ光ＬＢのビームプロファイルの中央部分４８ａと周縁部分４８ｂ（図４参照）にそれぞれ対応する反射光を検出し、それぞれの強度に対応した第１受光信号及び第２受光信号を得ることができる。このことにより、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化をリアルタイムでモニターすることができる。また、レーザ光ＬＢが入射すると、第１受光部５１及び第２受光部５２からは、直ちに第１受光信号及び第２受光信号が出力される。このことにより、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化を短時間に検出することができる。

特許文献１に開示された従来の方法では、前述したように、熱電対を用いて、間接的に集光レンズの屈折率分布を求めているため、焦点距離の変化を検出する時間が長くかかっていた。このため、焦点位置の補正に時間を要し、レーザ加工を適切に行えないおそれがあった。

特に、レーザ発振器１０の状態変化やレーザ光ＬＢの出力変化に伴って、レーザ光ＬＢのＮＡが変化する場合、特許文献１に開示された従来の方法では、短時間にその変化を検出することが難しかった。

一方、本実施形態によれば、第１受光部５１及び第２受光部５２でそれぞれ発生した電気信号である第１受光信号及び第２受光信号に基づいて、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化を短時間に検出している。このことにより、レーザ加工装置１００の内部の各部品の位置を調整等して、レーザ光のＮＡ、ひいては、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を適切な値に維持することが可能となる。

また、第２コーティング膜４８の周縁部分４８ｂの反射率は、第１コーティング膜４６の反射率よりも高く設定されている。

このようにすることで、第２受光部５２に入射される反射光の光量を増加させて、第２受光信号の強度を高めることができる。このことにより、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化を精度良く検出することができる。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢを、光ファイバ３０の入射端３０ａに入射させるための光結合器２０をさらに備えている。

光結合器２０を設けることで、レーザ光ＬＢを光ファイバ３０に確実に入射させ、レーザヘッド４０に向けて伝送させることができる。

制御部６０は、レーザ光ＬＢのＮＡが所定の範囲を超えた場合は、当該ＮＡが所定の範囲に収まるように光結合器２０を制御する。具体的には、光結合器２０の内部に設けられた反射ミラー２２に接続された第１位置調整部７１及び／または第１集光レンズ２３に接続された第２位置調整部７２を駆動制御して、反射ミラー２２及び／または第１集光レンズ２３の位置を調整する。このことにより、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢのＮＡを変化させ、所望の範囲内に収まるようにする。

制御部６０をこのように構成することで、レーザ発振器１０の状態変化やレーザ光ＬＢの出力の急激な変化に起因して、レーザ光ＬＢのＮＡが変化した場合も、それを即座に検出して、所望の範囲内に収めることができる。このことにより、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビーム品質、ひいてはワークＷの加工精度を維持できる。

制御部６０は、レーザ光ＬＢが所望の集光位置に集光されるように、レーザヘッド４０を制御する。具体的には、レーザヘッド４０の内部に設けられたコリメーションレンズ４２及び／または第２集光レンズ４３に接続された第３位置調整部７３を駆動制御して、コリメーションレンズ４２及び／または第２集光レンズ４３の位置を調整する。このことにより、レーザ光ＬＢが所望の集光位置に集光されるようにする。

制御部６０をこのように構成することで、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を適切な値に確実に維持でき、ワークＷに対して所望の加工精度でレーザ加工を行うことができる。

光ファイバ３０は、軸心に第１コア３１と、第１コア３１の外周面に接して、第１コア３１と同軸に設けられた第１クラッド３２と、を有している。また、光ファイバ３０は、第１クラッド３２の外周面に接して、第１コア３１と同軸に設けられた第２コア３３と、を少なくとも有している。

光ファイバ３０をこのように構成してもよい。後で述べるように、光ファイバ３０の入射端面３０ａ１へのレーザ光ＬＢのスポット径または照射位置を変えることで、所望のビームプロファイルを有するレーザ光ＬＢをワークＷに向けて照射することが可能となる。

なお、本開示のレーザ加工装置１００に用いられる光ファイバ３０の種類は、特に図２に示した例に限定されない。例えば、第１コア３１及び第１クラッド３２のみを有するシングルコア構造であってもよい。

また、図３に示す例では、第１シールドガラス４５の表面の一部に第１コーティング膜４６を設けたが、特にこれに限定されない。例えば、第１シールドガラス４５の表面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂから遠い側の面に第１コーティング膜４６を設けてもよいし、第１シールドガラス４５の全面に第１コーティング膜４６を設けてもよい。

同様に、第２シールドガラス４７の表面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂから遠い側の面に第２コーティング膜４８を設けてもよいし、第２シールドガラス４７の全面に第２コーティング膜４８を設けてもよい。ただし、この場合は、中央部分４８ａと周縁部分４８ｂのいずれもがレーザ光ＬＢの光路中に配置される必要がある。

また、第１シールドガラス４５及び第２シールドガラス４７のいずれか一方または両方を省略してもよい。一方を省略する場合は、例えば、コリメーションレンズ４２の表面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い側の面に第２コーティング膜４８が設けられる。なお、コリメーションレンズ４２の全面に第２コーティング膜４８を設けてもよい。

また、第１シールドガラス４５及び第２シールドガラス４７の両方を省略する場合は、コリメーションレンズ４２の表面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂに近い側の面に第１コーティング膜４６を設けてもよい。その場合は、第２集光レンズ４３の表面のうち、光ファイバ３０の出射端３０ｂから遠い側の面に第２コーティング膜４８を設けてもよい。ただし、いずれの場合も、中央部分４８ａと周縁部分４８ｂのいずれもがレーザ光ＬＢの光路中に配置される必要がある。

つまり、前述の第１光学部品は、第１シールドガラス４５に限定されず、第２光学部品は、第１シールドガラス４５に限定されない。

本開示のレーザ加工装置１００において、第１光学部品は、レーザ光ＬＢの受光面のうち少なくとも一つの面に第１コーティング膜４６が設けられ、第２光学部品は、レーザ光ＬＢの受光面のうち少なくとも一つの面に第２コーティング膜４８が設けられていればよい。

（実施形態２）
図７は、本実施形態に係る光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置と光ファイバから出射されるレーザ光のＮＡとの関係を示す。図７の（ａ）図は、光ファイバ３０の断面構造を模式的に示しており、図２と同様の図である。図７の（ｂ）図は、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのＮＡを示している。図７の（ｂ）図の横軸は、光ファイバ３０の直径方向に対応している。なお、図７及び以降に示す各図面において、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。

図３に示す構造の光ファイバ３０の入射端面３０ａ１において、レーザ光ＬＢが入射される位置によって、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢの拡がり角θ、つまり、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのＮＡが変化する。図７に示すように、レーザ光ＬＢが第１コア３１や第２コア３３のみに入射される場合、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのＮＡは小さい値となる。一方、レーザ光ＬＢが第１コア３１や第２コア３３だけでなく、第１クラッド３２にも入射されると、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのＮＡは大きくなる。つまりレーザ光ＬＢの拡がり角は大きくなる。

ワークＷの材質や加工形態によっては、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのＮＡが小さく、レーザ光ＬＢが細く絞られた状態よりも、レーザ光ＬＢのＮＡが大きく、レーザ光ＬＢがある程度拡がった状態の方が適切な場合がある。例えば、薄板を切断する場合等である。

また、第１コア３１のみにレーザ光ＬＢを伝送する場合、ワークＷに照射するレーザ光ＬＢの出力が所望の値に達しない場合がある。このような場合は、入射端面３０ａ１におけるレーザ光ＬＢのスポット径を拡げて、第２コア３３にもレーザ光ＬＢを入射させ、ワークＷに照射するレーザ光ＬＢの出力を増加させる。その際、第１クラッド３２にもレーザ光ＬＢは入射され、レーザ光ＬＢのＮＡが大きくなる。

本開示のレーザ加工装置１００によれば、レーザ光ＬＢのＮＡ及びその変化をリアルタイムにモニターすることができる。また、第１位置調整部７１及び／または第２位置調整部７２を駆動して、光結合器２０の内部の反射ミラー２２や第１集光レンズ２３の位置を調整することができる。

これらのことにより、例えば、レーザ光ＬＢのＮＡをモニターしつつ、第１位置調整部７１により反射ミラー２２の位置を調整し、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの光軸の角度を変化させることができる。このことにより、レーザ光ＬＢのＮＡを大きくして、所望のスポット形状のレーザ光ＬＢをワークＷに照射することができる。また、レーザ光ＬＢのＮＡをモニターしつつ、第２位置調整部７２により第１集光レンズ２３の位置を調整し、入射端面３０ａ１におけるレーザ光ＬＢのスポット径を拡げることができる。このことにより、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢの出力を増加させることができる。

つまり、本実施形態の制御部６０は、レーザ光ＬＢの光ファイバ３０の入射端面３０ａ１への入射位置及びスポット径の少なくとも１つを変化させて、レーザ光ＬＢのＮＡが所望の値となるように光結合器２０、具体的には第１位置調整部７１及び第２位置調整部７２の少なくとも１つを駆動制御する。

（実施形態３）
図８は、本実施形態に係る第２コーティング膜の成膜装置の概略構成図を示し、図９は、成膜時の光学部品とヤトイとの配置関係を示す。図１０は、第２コーティング膜の膜厚分布を示し、図１１は、レーザ光の波長と第２コーティング膜の反射率との関係を示す。

第２コーティング膜４８は、例えば、図８に示す成膜装置２００を用いて、光学部品２８０の表面に成膜される。本実施形態では、第２コーティング膜４８として酸化タンタルを例に取って説明する。

成膜装置２００は、真空チャンバー２１０とヒーター２２０と電子銃２３０とるつぼ２４０とシャッター２６０と基板ドーム２７０とを有している。

真空チャンバー２１０の内部を真空ポンプ（図示せず）で真空状態にした後、電子銃２３０からるつぼ２４０に配置された蒸着源２５０、この場合は酸化タンタルのセラミック成形体に電子ビームを照射して、蒸着源２５０を蒸発させる。

蒸着源２５０の上方には、基板ドーム２７０が配置されている。基板ドーム２７０は、真空チャンバー２１０の内面に取り付けられており、図示しないモーター等により回転可能となっている。また、基板ドーム２７０には、図９に示すヤトイ３００が複数設けられており、複数のヤトイ３００のそれぞれに第２シールドガラス４７等の光学部品２８０が保持されている。ヤトイ３００は、いわゆる基板ホルダであり、中央が開口し、開口の周縁部で光学部品２８０を保持している。また、基板ドーム２７０の周囲に配設されたヒーター２２０により、基板ドーム２７０及びこれに保持された光学部品２８０が加熱され、所定の温度となる。

ヤトイ３００に光学部品２８０が配置され、基板ドーム２７０が回転した状態で、蒸着源２５０に電子ビームが照射され、蒸着源２５０の構成材料が蒸発流となる。この時点で基板ドーム２７０及び光学部品２８０は加熱されている。蒸発流が安定してから、それまで閉じていたシャッター２６０を開くことで、蒸発流が基板ドーム２７０に向かって流れ、ヤトイ３００の開口を通じて光学部品２８０に蒸発流が付着し、第２コーティング膜４８の成膜が開始する。所定の時間、シャッター２６０を開くことで、光学部品２８０の表面に所望の膜厚の第２コーティング膜４８が成膜される。なお、基板ドーム２７０の近くに取り付けられた水晶式膜厚計２９０により、第２コーティング膜４８の膜厚がモニターされており、所望の膜厚になると、シャッター２６０が閉じられて、成膜が終了する。

通常、このようにして成膜された第２コーティング膜４８は、周縁で急激に膜厚が減少する。一方、本実施形態に示す成膜装置２００では、ヤトイ３００の開口の内周部分にメッシュ部３１０が設けられている。メッシュ部３１０は、ヤトイ３００を厚さ方向に貫通する複数の開口（図示せず）を含んでおり、開口の内周縁から外側に向かうにつれて開口の寸法が小さくなるように設定されている。

このメッシュ部３１０を設けたヤトイ３００に光学部品２８０を保持し、第２コーティング膜４８を成膜すると、その膜厚分布は、図１０に示すように中央部分４８ａから周縁部分４８ｂにかけてなだらかに減少する分布となる。

例えば、レーザ光ＬＢの波長が９５０ｎｍ～１０００ｎｍ程度に設定されている場合、第２コーティング膜４８の膜厚を所定値にすることで、図１１に示すように、反射率をほぼゼロにすることができる。このときの膜厚を目標膜厚とすると、目標膜厚から膜厚を５％～１５％減少させることで、第２コーティング膜４８の反射率を１％～５％程度にすることができる。

つまり、第２コーティング膜４８の膜厚分布を図１０に示すような分布にすることで、周縁部分４８ｂの反射率を中央部分４８ａよりも高めることができる。

なお、本実施形態はあくまで一例を示しているにすぎず、第２コーティング膜４８の構造や材質によっては、周縁部分４８ｂの膜厚を中央部分４８ａの膜厚よりも厚くすることで、反射率が高められることもありうる。

ただし、単層膜や積層膜に限らず、誘電体膜は、その膜厚を変化させることで、光に対する反射率の波長依存性が変化することが一般に知られている。よって、第２コーティング膜４８の中央部分４８ａの膜厚を周縁部分４８ｂの膜厚と異ならせることで、周縁部分４８ｂの反射率を中央部分４８ａよりも高めることが可能である。

（その他の実施形態）
なお、本願明細書では、レーザ発振器１０が、ＤＤＬ光源である場合を例に取って説明したが、特にこれに限定されない。例えば、レーザ発振器１０は、固体レーザ光源であっても気体レーザ光源であってもよいし、ファイバレーザ光源であってもよい。

本開示のレーザ加工装置は、レーザ光の開口数及びその変化を短時間にかつリアルタイムで検出することができ、ワークの加工精度を維持するのに有用である。

１０ レーザ発振器
２０ 光結合器
２１ 第１筐体
２２ 反射ミラー
２３ 第１集光レンズ
３０ 光ファイバ
３０ａ 入射端
３０ａ１ 入射端面
３０ｂ 出射端
３１ 第１コア
３２ 第１クラッド
３３ 第２コア
３４ 第２クラッド
４０ レーザヘッド
４１ 第２筐体（筐体）
４２ コリメーションレンズ
４３ 第２集光レンズ
４４ 保護ガラス
４５ 第１シールドガラス（第１光学部品）
４６ 第１コーティング膜
４７ 第２シールドガラス（第２光学部品）
４８ 第２コーティング膜
４８ａ 中央部分
４８ｂ 周縁部分
５１ 第１受光部
５２ 第２受光部
６０ 制御部
７１～７３ 第１～第３位置調整部
１００ レーザ加工装置
２００ 成膜装置
２１０ 真空チャンバー
２７０ 基板ドーム
３００ ヤトイ
３１０ メッシュ部
ＬＢ レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   入射端に入射された前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバで伝送された前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、を少なくとも備え、
   前記レーザヘッドは、
   筐体と、
   前記筐体の内部に配置された第１光学部品及び第２光学部品と、
   前記筐体の内部に配置された第１受光部及び第２受光部と、を少なくとも有し、
   前記第１光学部品は、前記第２光学部品よりも前記光ファイバの出射端に近い位置に配置され、
   前記第１光学部品は、前記レーザ光の受光面のうち少なくとも一つの面に所定の反射率を有する第１コーティング膜が設けられ、
   前記第２光学部品は、前記レーザ光の受光面のうち少なくとも一つの面に第２コーティング膜が設けられ、
   前記第１受光部は、前記第１コーティング膜で反射された前記レーザ光を受光して第１受光信号を出力し、
   前記第２受光部は、前記第２コーティング膜の周縁部分で反射された前記レーザ光を受光して第２受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記第２コーティング膜の周縁部分の反射率は、前記第１コーティング膜の反射率よりも高いことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
   前記光ファイバは、
   軸心に第１コアと、
   前記第１コアの外周面に接して、前記第１コアと同軸に設けられた第１クラッドと、
   前記第１クラッドの外周面に接して、前記第１コアと同軸に設けられた第２コアと、を少なくとも有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１受光信号及び前記第２受光信号が入力される制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１受光信号と前記第２受光信号との強度比に基づいて、前記光ファイバに入射される前記レーザ光の開口数の変化を検出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。
5. 請求項４に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を、前記光ファイバの入射端に入射させるための光結合器をさらに備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記開口数が所定の範囲を超えた場合は、前記開口数が前記所定の範囲に収まるように前記光結合器を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項５または６に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記レーザ光の前記光ファイバの入射端面への入射位置及びスポット径の少なくとも１つを変化させて、前記開口数が所望の値となるように前記光結合器を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
8. 請求項４ないし７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記レーザ光が所望の集光位置に集光されるように、前記レーザヘッドを制御することを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記第２コーティング膜の中央部分の膜厚は、前記周縁部分の膜厚と異なっていることを特徴とするレーザ加工装置。
10. 請求項９に記載のレーザ加工装置において、
    前記中央部分の膜厚は、前記周縁部分の膜厚よりも厚いことを特徴とするレーザ加工装置。

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