JP2002168688A - レーザ出力検出方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ射出装置から出射されたレーザ
光線の出射エネルギを直接にしかも高精度でレーザ加工
中でも連続的に検出できるようにすることにある。 【構成】 レーザ出射装置(1)から出射されたレ
ーザ光線(2)の周縁部の光を周縁部全周の複数箇所から
取り出し、取り出した前記光を電気信号に変換し、該レ
ーザ光線(2)の出射エネルギを算出する事を特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドライ方式で且つレーザ
光線による加工中でもその出力を連続的に演算出来且つ
予め記憶されている校正データに基づいて実測出射エネ
ルギの算出値を自動補正する事ができるレーザ出力検出
方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ出力測定装置には種々のも
のがあるが、その一例を示すと、入射レーザ光線をでき
るだけ吸収してそのエネルギ量を検出するセンサディス
クと、該センサディスクを中央に設置した水冷容器とで
構成された水冷式レーザ出力測定装置（以下、校正用基
準測定器という。）がある。このものは測定時にはレー
ザ出射装置の直下に配置され、レーザ出射装置から射出
されたレーザ光線を前記センサディスクに照射してレー
ザ光線のできるだけ多くの量を吸収させ、これを電気信
号に変換してレーザ光線のエネルギ量を計測していた。

【０００３】このタイプの測定装置は射出されたレーザ
光線全体を吸収するため精度的には優れており正確な測
定値が得られるものの、(a)加工位置に測定装置を設置
しなければならず、測定中は加工をストップしなければ
ならないこと、(b)水冷方式であるから、水温を一定に
保つためのクーラが必要であり、装置が大掛かりになる
と同時に費用も高くなり、レーザ加工装置の台数に対し
て水冷式基準測定装置の台数は必然的に絞られるという
欠点がある。また、水冷式基準測定装置を使用する場合
は、常時レーザ出力をチェックしているわけではないの
で、レーザ出力を変更する場合、出力変更の都度実際に
設定出力になっているかどうかチェックしなければなら
ず、そのために作業を中断する必要がある。

【０００４】そこで、本発明者は水冷式基準測定装置を
用いる事なく、レーザ出射装置から出射されたレーザ光
線を作業中でも常時測定できるような装置として特許第
３００７８７５号に記載したレーザ出力検出方法並びに
該方法を使用する測定装置を開発した。この方法は、加
工中のレーザ光線の一部を１本のミラー或いは光ファイ
バで取り出し、これを電気信号に変換してレーザ出射装
置から出射されたレーザ光線の出射エネルギを算出する
というもので、これにより水冷式基準測定装置に代わっ
て簡易にレーザ出力を作業中でも測定できるようになっ
たが、測定子が１本のミラー或いは光ファイバであった
ため、測定子の設置位置によって測定値にばらつきが生
じるおそれがあり、更なる測定精度の向上が求められて
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明に係るレーザ出
力検出方法並びにその装置の解決課題の第１は、レーザ
射出装置から出射されたレーザ光線の出射エネルギを直
接にしかも高精度でレーザ加工中でも連続的に検出でき
るようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】「請求項１」に記載のレ
ーザ出力検出方法は「レーザ出射装置(1)から出射され
たレーザ光線(2)の周縁部の光を周縁部全周の複数箇所
から取り出し、取り出した前記光を電気信号に変換し、
該レーザ光線(2)の出射エネルギを算出する」事を特徴
とする。

【０００７】レーザ光線(2)は、レーザ出射装置(1)の光
学系(5)にてワーク(6)の加工面に集光され、溶接や切断
或いは彫刻などが加工面に施される。今、加工に供され
るレーザ光線(2)内の周縁部の光を取り出したとしても
全体のエネルギ量からすれば極く僅かなものであるから
加工性能に大きく影響するような事はない。そしてその
取り出されたエネルギは、出射されたレーザ光線(2)の
エネルギ（即ち、実際は電気信号に変えられてその大き
さが算出された演算値）の(１/ｎ)で比例している。換
言すれば、ｎ倍すれば出射されたレーザ光線(2)のエネ
ルギを推算出来る。この場合、レーザ光線(2)の取り出
し方として、１ヶ所からでなくレーザ光線(2)内の周縁
部全体から満遍なく採取されており、こうすることでよ
りその精度が向上する。

【０００８】「請求項２」は「請求項１」に記載のレー
ザ出力制御方法の改良に関し、「レーザ出射装置(1)か
ら出射されたレーザ光線(2)の周縁部の光を周縁部全周
の複数箇所から取り出し、取り出した前記光を電気信号
に変換し、該レーザ光線(2)の出射エネルギをレーザ出
力検出装置(7)にて算出し、レーザ出力検出装置(7)にて
算出したレーザ光線(2)の実測出射エネルギの算出値と
予め校正用の基準測定器で測定して記憶させておいたレ
ーザ光線の出射エネルギの測定基準値とを比較校正し、
校正データに基づいて実測出射エネルギの算出値を補正
する」事を特徴とする。

【０００９】このように実測出射エネルギの算出値を予
め求めておいた校正データに基づいて補正する事で、出
射の度にリアルタイムで自動補正する事ができ、実測精
度が飛躍的に向上する。

【００１０】「請求項３」は前記方法を実施するための
レーザ出力検出装置(7)で、「レーザ出射装置(1)の出射
部分に設けられ、出射されたレーザ光線(2)の周囲を囲
繞する測定リング(8)と、測定リング(8)に所定間隔で配
設され、レーザ光線(2)の周縁部の光を周縁部全周の複
数箇所から取り込む光ファイバ(9)群と、光ファイバ(9)
群で取り込んだ光を電気信号に変換する変換装置(10)
と、変換装置(10)の出力電気信号を演算して出射された
レーザ光線(2)の出射エネルギを算出する検出回路(11)
とで構成された」事を特徴とするもので、これによれ
ば、光ファイバ(9)群にてレーザ光線(2)の周縁部全周か
ら満遍なく光を取り込むので、サンプルの取り込みが偏
らず実測精度が向上した出射エネルギの算出が可能とな
る。

【００１１】「請求項４」は改良された前記方法を実施
するためのレーザ出力検出装置(7)で、「レーザ出射装
置(1)の出射部分に設けられ、出射されたレーザ光線(2)
の周囲を囲繞する測定リング(8)と、測定リング(8)に所
定間隔で配設され、レーザ光線(2)の周縁部の光を周縁
部全周の複数箇所から取り込む光ファイバ(9)群と、光
ファイバ(9)群で取り込んだ光を電気信号に変換する変
換装置(10)と、変換装置(10)の出力電気信号を演算して
出射されたレーザ光線(2)の出射エネルギを算出する検
出回路(11)と、予め校正用の基準測定器で測定したレー
ザ光線(2)の出射エネルギの測定基準値を記憶してお
り、検出回路(11)で算出された前記レーザ光線(2)の実
測出射エネルギの算出値と前記記憶させておいた測定基
準値とを比較校正し、校正データに基づいて実測出射エ
ネルギの算出値を補正する校正回路(12)とで構成されて
いる」事を特徴とするもので、出射の度にリアルタイム
で自動補正する事ができ、実測精度が飛躍的に向上する
だけでなく、出射のエネルギレベルを変えたときでも、
校正用基準測定器で測定しなおす必要がなく、そのまま
作業を続ける事が出来る。

【００１２】「請求項５」は測定リング(8)のセット位
置の調整に関し、「測定リング(8)がレーザ光線(2)の光
軸(CL)に沿って移動できるようになっている」事を特徴
とするもので、測定リング(8)を光軸(CL)に沿って昇降
させる事で測定リング(8)に設置された光ファイバ(9)群
に対する周縁部のレーザ光線(2)の当り方が変化し、測
定についての最適位置に微調整することが出来る。

【００１３】「請求項６」は光ファイバ(9)群の配置関
係に関し、「光ファイバ(9)群の入光面が同一円上に配
置されている」事を特徴とするもので、断面円形のレー
ザ光線(2)の周囲に光ファイバ(9)群を同一円上に配置す
ることで、レーザ光線(2)の周縁部から光を均等に採取
することが出来、測定ムラを回避する事が出来る。

【００１４】

【発明の実施の態様】以下、本発明を図示実施例に従っ
て説明する。図１はレーザ発生装置（図示せず）に接続
されたレーザ出射装置(1)で、シングルレンズ、ダブル
レットレンズ、トリプルレットレンズ、平凸レンズ、シ
リンドリカルレンズなど適宜なものが組み合わされて最
適の光学系(5)が出射筒(1a)に内蔵されている。このレ
ーザ出射装置(1)とレーザ発生装置(図示せず)とは、カ
プラ(13)を介してレーザトランスファ部材(14)《例えば
光ファイバのような部材で構成されている。》で接続さ
れ、レーザ光線(2)がレーザ出射装置(1)に入力するよう
になっている。出射筒(1a)の対物面側の外周には測定リ
ング(8)を取り付けるためのネジ(29)が刻設されてい
る。

【００１５】また、レーザ出射装置(1)の対物側には、
図１に示すようにアパーチャ(15)が取り付けられてお
り、アパーチャ(15)には保護ガラス(16)が交換可能に嵌
め込まれており、光学系(5)の対物レンズ(16)を保護し
ている。なお、アパーチャ(15)は絞りのようなもので、
保護ガラス(16)に半透光性フィルムを貼着し、保護ガラ
ス(16)を通過するレーザ光線(2)の通過量を一定の割合
に規制している。

【００１６】また、レーザ出射装置(1)から出射される
レーザ光線(2)は、例えば連続発振、パルス発振、Ｑス
イッチパルス発振、シングルモードなどの手法により出
力されており、用途により最適のものが使用される。

【００１７】測定リング(8)は図２から分かるように、
リング状のケーシング(18)内に光ファイバ(9)群を収納
するためのリング状収納空間(19)が形成されており、更
に、前記リング状収納空間(19)に連通し、レーザ出射装
置(1)の対物面に向かって開口する小孔(20)が同一円上
にて所定間隔で均等に複数箇所(本実施例では16箇所)穿
設されている。中央にはレーザ光線(2)が通る段付きの
通孔(8a)が穿設されており、上の段付き孔には出射筒(1
a)のネジ(29)に螺着される雌ネジが刻設されている。ま
た、下の段付き孔には後述する保護ノズル(28)が螺着さ
れる雌ネジが刻設されている。また、上の段付き孔に
は、光ファイバ(9)群への光の入光量を制限するリング
フィルタ(17)が配設されている。リングフィルタ(17)も
前述の保護ガラス(16)と同様半透光性フィルムが貼着さ
れ、サンプリングされるレーザ光線(2)の周縁部の光の
通過量を一定の割合に規制している。リングフィルタ(1
7)は、中央にレーザ光線(2)が通る透孔が穿孔されてい
るリング状の場合と、円板状のガラス板にリング状に半
透光性フィルムが貼着されている場合とがある。

【００１８】レーザ光線(2)を採取するための光ファイ
バ(9)は、入光面の直径が例えば50μｍ程度の極く微細
なもので、前記リング状収納空間(19)に束ねられて収納
されて樹脂モールドにて固定されており、その入光端が
測定リング(8)の小孔(20)に挿入されてリングフィルタ
(17)に面している。光ファイバ(9)の出光側は、リング
状収納空間(19)に取り付けられた可撓性チューブ(21)を
通って測定リング(8)外に引き出されており、その出光
端は変換装置(10)のハウジング(22)に設けられた受光孔
(23)に装着され、後述するレーザ用フィルタ(25)を介し
て変換装置(10)のハウジング(22)内に内蔵されている変
換素子(24)に面している。

【００１９】測定リング(8)のレーザ出射装置(1)の取付
側と反対の面には、コーン状《勿論、筒状のものでもよ
いが本実施例ではコーン状となっている。》の保護ノズ
ル(28)がその上端部分の刻設されたネジ(31)にて取り付
けられている。前記ノズル(28)にはパージガス供給孔(3
0)が穿設されており、例えば、窒素ガスやアルゴンガス
などの不活性パージガス(P)を内部に充填する事でレー
ザ加工時のヒュームが対物面に付着するのを防止すると
同時にレーザ光線(2)が外部に露光するのを防止してい
る。

【００２０】レーザ出力検出装置(4)は、受光孔(23)が
穿設されているハウジング(22)と、受光孔(23)の入り口
部分に必要に応じて設けられているレーザ用フィルタ(2
5)《この場合はヤグレーザ用であるが勿論、これに限定
されない》と、その背後に設けられているレーザ用の例
えばピンフォトダイオードのような光を電気信号に変換
する変換素子(24)と、ハウジング(22)に続くケース(26)
と、ケース(26)内に収納され、変換素子(24)の出力電気
信号を演算して出射されたレーザ光線(2)の出射エネル
ギを演算する検出回路(11)並びに予め校正用の基準測定
器で測定したレーザ光線(2)の様々な出力レベルでの出
射エネルギの測定基準値を記憶しており、検出回路(11)
で算出された前記レーザ光線(2)の実測出射エネルギの
算出値と前記記憶させておいた測定基準値とをレーザ加
工作業前に比較校正し、校正データに基づいて実測出射
エネルギの算出値を補正する校正回路(12)とで構成し、
更にこれに表示装置(5a)が接続されている。

【００２１】さて、レーザ光線(2)はレーザ出射装置(1)
の光学系(5)にて加工面に集光され、溶接や切断或いは
彫刻などが加工面に施されるが、その際、レーザ光線
(2)のエネルギ状態は図３に示すように収束部分(3)の光
軸を含む中心部分から周縁部に向かって次第にある割合
で低下して行き、収束部分(3)の外縁部分の外側には極
く僅かであるがレーザ光線(2)の収束部分(3)に収束しな
い非収束部分(4)がある。請求項で言う「レーザ光線(2)
の周縁部」とは、前記収束部分(3)のレーザ加工には殆
ど寄与しない外縁部分或いは非収束部分(4)をいう。

【００２２】即ち、レーザ出射装置(1)から出射された
レーザ光線(2)の１００％が単一波長のビームとなって
光学系(5)にて一点に集光されるわけでなく、その極く
一部は非収束状態となって収束部分(3)の周囲に存在す
る。この部分を非収束部分(4)とする。この非収束部分
(4)も図１の「略三角形の斜線部分」で示すように収束
部分(3)の外縁部から離れるにしたがって次第にエネル
ギ強度が低下するものの、レーザ出射装置(1)から出射
されたレーザ光線(2)に対して或る関係を持つエネルギ
帯として存在する。図３は非収束部分(4)実測値で、縦
軸は検出値、横軸はレーザ出射装置(1)の光軸からの距
離(mm)である。折れ線グラフの実線は検出電圧(Vp)の変
化、破線は検出熱量＝検出パワー(ジュール)の変化、一
点鎖線は検出パワーのピーク値(Wp)の変化を示す。いず
れも光軸から離れるに従って検出値は低下している。本
実測値は光軸から１４.５〜１５.５ｍｍの間を測定した
だけであるが、光軸に近づくにつれて検出値は次第に大
きくなっていくと推定される。従って、前記収束部分
(3)の外縁部分或いは非収束部分(4)から光をレーザ光線
(2)の全周から均等に複数箇所から採取する。

【００２３】そして、取り出したレーザ光線(2)を電気
信号に変換し、予め分かっている倍率（即ち、基準測定
器にて検出した測定基準値に対する校正倍率）をかける
事「即ち、校正データに即して補正する事」でレーザ出
射装置(1)から出射され、加工に使用される収束部分(3)
の出射エネルギを出射の度にリアルタイムで算出し、正
確な実測値をリアルタイムで表示する事が出来る。な
お、出射エネルギの相対的な値を知るだけであれば、校
正データによる補正をすることなく表示させればよい。

【００２４】校正データの作成方法の仕方は、従来例で
述べた水冷式校正用基準測定器をワーク(6)の代わりに
作業台上に置き、種々の出力(単位：ジュール)でそれぞ
れ複数回出射しこれを実測して平均し系統立ててそのデ
ータをリストにする事によって行われる。この校正デー
タは基準値として校正回路(12)に記憶される。

【００２５】次に、レーザ光線(2)からのサンプリング
方式について説明する。レーザ出力検出装置(4)の測定
リング(8)を出射筒(1a)の下端の取付螺子(1b)に螺着
し、光ファイバ(9)の受光面をレーザ出射装置(1)の対物
面(24a)に向け、出射されたレーザ光線(2)の外縁部或い
は非収束部分(4)の光を周縁部全周の複数箇所から複数
の箇所から光ファイバ(9)内に取り込む。取り込まれた
光は光ファイバ(9)内を伝送され、レーザ用フィルタ(2
5)を介して変換素子(24)に入力され、電気信号に変えて
出力され、前述のように検出回路(11)にて演算され、更
に校正データによって補正された後、表示装置(5a)にて
出射されたレーザ光線(2)のエネルギ強さとして表示さ
れる。表示の方法は数字が最も一般的であるが、棒グラ
フ、円グラフその他適当な表示方法で表示される事にな
る。

【００２６】なお、測定リング(8)とレーザ出射装置(1)
の対物面との間隔は、測定リング(8)の射出筒(1a)に対
する螺入量で調節出来るようになっている。即ち、レー
ザ光線(2)は光学系(5)で絞られているので、測定リング
(8)を射出筒(1a)に近接させる事で、レーザ光線(2)のよ
り内側の部分が測定され、逆に離間させる事でより外側
の部分の測定が可能になるので、最適の位置にて測定リ
ング(8)を固定し、出射エネルギーの測定を行う。

【００２７】

【発明の効果】本発明方法は、レーザ出射装置から出射
されたレーザ光線の周縁部の光を１ヶ所からでなく周縁
部全周の複数箇所から取り出すので、データに偏りがな
く精度が向上し信頼性が高くなる。そして、取り出した
前記光を電気信号に変換し、該レーザ光線の出射エネル
ギを算出するので、出射の度にリアルタイムで出射エネ
ルギを知ることが出来、更には出射エネルギを校正デー
タに従って自動補正するようにすれば実測精度が飛躍的
に向上する。また、サンプルを採取する場所は、レーザ
光線の周縁部であるから、加工性能に大きく影響するよ
うな事もない。また、測定リングはレーザ光線の光軸に
沿って移動できるようになっているので、測定リングを
光軸に沿って昇降させる事で測定に対する最適位置を微
調整することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるレーザ出射装置の実施例の一部
切欠側面図

【図２】本発明にかかるレーザ出射装置の平面図

【図３】本発明のレーザ光線の説明図

【符号の説明】

(1)…レーザ出射装置 (1a)…出射筒 (2)…レーザ光線 (3)…レーザ光線の収束部分 (4)…レーザ光線の非収束部分 (5)…光学系 (6)…ワーク (7)…レーザ出力検出装置 (8)…測定リング (9)…光ファイバ (10)…変換装置 (11)…検出回路 (12)…校正回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ出射装置から出射されたレーザ光
   線の周縁部の光を周縁部全周の複数箇所から取り出し、
   取り出した前記光を電気信号に変換し、該レーザ光線の
   出射エネルギを算出する事を特徴とするレーザ出力検出
   方法。
2. 【請求項２】 レーザ出射装置から出射されたレーザ光
   線の周縁部の光を周縁部全周の複数箇所から取り出し、
   取り出した前記光を電気信号に変換し、該レーザ光線の
   出射エネルギをレーザ出力検出装置にて算出し、レーザ
   出力検出装置にて算出したレーザ光線の実測出射エネル
   ギの算出値と予め校正用の基準測定器で測定して記憶さ
   せておいたレーザ光線の出射エネルギの測定基準値とを
   比較校正し、校正データに基づいて実測出射エネルギの
   算出値を補正する事を特徴とするレーザ出力制御方法。
3. 【請求項３】 レーザ出射装置の出射部分に設けられ、
   出射されたレーザ光線の周囲を囲繞する測定リングと、
   測定リングに所定間隔で配設され、レーザ光線の周縁部
   の光を周縁部全周の複数箇所から取り込む光ファイバ群
   と、光ファイバ群で取り込んだ光を電気信号に変換する
   変換装置と、変換装置の出力電気信号を演算して出射さ
   れたレーザ光線の出射エネルギを算出する検出回路とで
   構成された事を特徴とするレーザ出力検出装置。
4. 【請求項４】 レーザ出射装置の出射部分に設けられ、
   出射されたレーザ光線の周囲を囲繞する測定リングと、
   測定リングに所定間隔で配設され、レーザ光線の周縁部
   の光を周縁部全周の複数箇所から取り込む光ファイバ群
   と、光ファイバ群で取り込んだ光を電気信号に変換する
   変換装置と、変換装置の出力電気信号を演算して出射さ
   れたレーザ光線の出射エネルギを算出する検出回路と、
   予め校正用の基準測定器で測定したレーザ光線の出射エ
   ネルギの測定基準値を記憶しており、検出回路で算出さ
   れた前記レーザ光線の実測出射エネルギの算出値と前記
   記憶させておいた測定基準値とを比較校正し、校正デー
   タに基づいて実測出射エネルギの算出値を補正する校正
   回路とで構成されている事を特徴とするレーザ出力検出
   装置。
5. 【請求項５】 測定リングがレーザ光線の光軸に沿って
   移動できるようになっている事を特徴とする請求項３又
   は４に記載のレーザ出力検出装置。
6. 【請求項６】 光ファイバ群の入光面が同一円上に配置
   されている事を特徴とする請求項３〜５に記載のレーザ
   出力検出装置。