JP2012179627A

JP2012179627A - ファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法及びファイバーレーザ加工機の加工ヘッド

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Publication number: JP2012179627A
Application number: JP2011043829A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kobayashi; 哲也小林; Junichi Takami; 純一高見
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: JP5785740B2

Abstract

【課題】ファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法及びファイバーレーザ加工機の加工ヘッドの提供。
【解決手段】1.ベンドミラー5からの反射光を集光する集光レンズ5を備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにして、ベンドミラー透過光を吸収体(11,15)に入射し、この吸収体からの散乱光(L_Ｓ１,L_Ｓ２)を光検出手段(13,17)で検出して加工部のレーザ出力と加工部からの戻り光との検出を行うファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法。2.ベンドミラーからの反射光を加工部に集光する集光レンズを備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにして、ベンドミラー透過光を吸収する第１吸収体と加工部からの戻り光のベンドミラ透過光を吸収する第２吸収体とを設け、第１吸収体と第２吸収体からの散乱光を光検出手段で検出して加工部のレーザ出力と戻り光との検出を行うファイバーレーザ加工機の加工ヘッド。
【選択図】図１

Description

本発明はファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法及びファイバーレーザ加工機の加工ヘッドに関する。

ファイバーレーザ加工機は炭酸ガスレーザ加工機に比べて、メンテナンスが容易である。また、ファイバーレーザは優れたビーム品質、金属材料に対する高い吸収率、高発振効率、長距離伝播可能などの数々の利点から、金属材料その他のレーザ切断加工分野にファイバーレーザが適用されつつある。

特に、発振器から加工ヘッドまで光ファイバーでレーザ光を伝送できるので、ベンドミラーその他の光学部品を最小限に抑えることができる点はファイバーレーザ加工機の大きな利点である。

しかしながら、ファイバーレーザにおいてミスアラインメントやファイバーの損傷などは出力低下を引き起こし、加工精度や安全性に悪影響を与える要因となっている。従ってこれらの悪影響を回避するには出来るだけ加工部近傍で出力光をモニタリングしてこれらの要因を検出して対応することが最良の方法である。

図４は、ファイバーレーザ加工機の概要を模式的にを示したものであり、ファイバーレーザ加工機１００のファイバーレーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、プロセスファイバー１０３を伝播してレーザ加工ヘッド１０５のコリメートレンズ１０７に入射され、コリメートレンズ１０７に入射されたレーザ光は平行光線となりベンドミラー１０９を介して集光レンズ１１１に入射されワークＷに集光照射される。

加工部近傍の出力および加工点（ワーク上面）からの反射光（戻り光）をモニタリングする装置にして、図５に示すような、ベンドミラーの後方と上方とにフォトダイオードをそれぞれ配置してベンドミラーを透過してきた透過光を測定する方法が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１記載のレーザ加工用モニタリング装置２００の概要は、ファイバ出射部２０１側から見てベントミラー２０２の裏側または後方に、フォトダイオードからなるレーザ光検出器２０３を設け、コリメートレンズＣＲで平行光にしたレーザ光ＬＢがベントミラー２０２に入射され、このベントミラー２０２からの漏れ光Ｍ_ＬＢをレーザ光検出器２０３が受光して、この漏れ光Ｍ_ＬＢの強度から光ファイバ２０４の終端面より出射された直後のレーザ光ＬＢの光強度を求めるものである。

前記ベントミラー２０２の上方には、集束レンズ２０５と反射光Ｒ_ＬＢを検出するフォトダイオードとを備えた反射光検出器２０６とが設けてあり、この反射光検出器２０６により集束レンズ２０７およびベントミラー２０２を透過してきたワークＷの加工点ＷＰからの反射光Ｒ_ＬＢを受光して、その光強度から加工点ＷＰにおけるレーザ出力が求められる。

また、図６に示すように、レーザー発振器のリアミラー（図示省略）から後方に漏出したレーザ光ＬＢがベンドミラー３０１で方向を変更されて、複数枚（８枚）の光拡散板３０２(1,2..8)とＮＤフィルタ３０３、赤外線透過フィルタ３０４を順番に通過させてから光電変換素子３０５に入力してレーザ出力を検出するレーザ出力検出装置３００もある（例えば特許文献２）。

特開２００６−２４７６８１号公報特開平１１−２７７２５９号公報

図４に示した前記ファイバーレーザ発振器１０１は、ファイバーレーザ発振器１０１およびプロセスファイバー１０３を含めてモノリシック（monolithic）構造であるため、ファイバーレーザ発振器１０１内やプロセスファイバー１０３の中に出力光をモニタリングする検出装置を設けるのは困難である。

レーザ加工ヘッド１０５内に出力光をモニタリングする光学部品や出力検出装置を設ければ、出力光をモニタリングすることは可能ではあるが、レーザ加工ヘッド１０５の重量および体積が増加して、レーザ加工の精度が悪化するという問題がある。

従って、レーザ加工ヘッド内に１０５内で如何に省スペース、かつ軽量で信頼性の高い出力検出装置を構築できるかが課題である。かつまた、ファイバーレーザでは加工点（ワーク上面）からの戻り光により、ファイバーレーザ発振器１０１において励起光源として用いられているレーザダイオード（図示省略）が破損する恐れがあるため、戻り光のモニタリング方法の確立させることも課題である。

特許文献１記載のモニタリング装置の如く、コリメートレンズＣＲで平行光にされてベントミラー２０２を透過した透過光の一部を漏れ光Ｍ_ＬＢとしてレーザ光検出器２０３が受光して、この漏れ光Ｍ_ＬＢの強度から光ファイバ２０４の終端面より出射された直後のレーザ光ＬＢの光強度からレーザ出力を求める方法の場合、レーザ出力は図７に示す様に、実線で示される透過光Ｍ_ＬＢは時間や出力に応じて空間的強度分布が変化しており、この変化する空間的強度分布を有した透過光Ｍ_ＬＢが伝播する。

上述のモニタリング装置のレーザ光検出器では、上述のように時間的及び空間的に変化した透過光Ｍ_ＬＢを測定するため、測定値が変動して正確なレーザ出力を測定することができないという問題がある。

特許文献２記載のレーザ出力検出装置では、リアミラー（図示省略）からの漏洩光の光軸上に光電変換素子３０５を設けているので、複数枚の光拡散板３０２、ＮＤフィルタ３０３および赤外線透過フィルタ３０４等の光学部品を必要となり、結果的に加工ヘッドの重量が増加し、加工精度が低下しかつ高コストになるという問題がある。

本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、多くの光学部品を必要とせず軽量で加工精度が高いファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法およびファイバーレーザ加工機の加工ヘッドを提供することである。

上述の課題を解決する手段として請求項１に記載のファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法は、プロセスファイバーから出射されたレーザ光の一部が透過可能なベンドミラーと、該ベンドミラーからの反射光を被加工材の加工部に集光照射する集光レンズとを備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにおいて、前記プロセスファイバーから出射されたレーザ光の前記ベンドミラー透過光と前記加工部からの戻り光の前記ベンドミラー透過光とを吸収体に入射させ、該吸収体からの散乱光を光検出手段で検出して加工部のレーザ出力と加工部からの戻り光との検出を行うことを要旨とするものである。

請求項２に記載のファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法は、請求項１に記載のファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法において、前記吸収体がカーボングラファイトであり、前記光検出手段がフォトダイオードであることを要旨とするものである。

請求項３に記載のファイバーレーザ加工機の加工ヘッドは、プロセスファイバーから出射されたレーザ光の一部が透過可能なベンドミラーと、該ベンドミラーからの反射光を被加工材の加工部に集光照射する集光レンズとを備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにおいて、少なくとも前記プロセスファイバーから出射されたレーザ光の前記ベンドミラー透過光を吸収する第１吸収体と、前記加工部からの戻り光の前記ベンドミラー透過光を吸収する第２吸収体のどちらか一方を設け、少なくとも前記第１吸収体と第２吸収体のどちらか一方から散乱する散乱光を検出する光検出手段を備えてなることを要旨とするものである。

請求項４に記載のファイバーレーザ加工機の加工ヘッドは、請求項３に記載のファイバーレーザ加工機の加工ヘッド、前記吸収体がカーボングラファイトであり、前記光検出手段がフォトダイオードであることを要旨とするものである。

本願発明によれば、ベンドミラーの透過光が有するレーザ光の空間強度分布のバラツキが吸収体からの散乱光では平均化されるので、レーザ光の空間強度分布の変化に影響されることなく、常に発振器の出力に比例した光強度が得られる。従って、このような散乱光をフォトダイオードの如き光電変換素子で光量を測定することにより、加工部近傍のレーザ出力及び戻り光を正確に検出することができる。

また、ベンドミラーの透過光を利用しているので、レーザ出力をロスすることなく測定することができる。かつ光軸上に光学部品を配置することがないので、加工ヘッドがコンパクトにかつ低コストで製作することができる。

本願発明に係るファイバーレーザ加工機におけるレーザ加工ヘッドの説明図。本願発明に係るレーザ出力とフォトダイオード（ＰＤ）受光電圧との関係を示したグラフ。ベンドミラーを透過した透過光または反射光及び散乱光の光強度の分布と拡がり状況の説明図。ファイバーレーザ加工機の概要を模式的に説明した図。加工部近傍の出力および加工点からの反射光をモニタリングする装置の従来例（特許文献１）の説明図。リアミラーから後方に漏出したレーザ光を複数枚の光拡散板とＮＤフィルタ、赤外線透過フィルタを介して光電変換素子に入力してレーザ出力を検出するレーザ出力検出装置の従来例（特許文献２）の説明図。ベンドミラーからの透過光が時間やレーザ出力に応じて空間的強度が変化していることを説明する図。

以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。

図１は、本願発明に係るファイバーレーザ加工機の加工ヘッド部分の詳細説明図である。なお、ファイバーレーザ加工機本体およびファイバーレーザ発振器部分は公知であるので説明を省略してある。

図１を参照するに、総括的に示すレーザ加工ヘッド１の内部には、ワークＷにレーザ光ＬＢを集光して照射するための集光レンズ３が設けてある。この集光レンズ３の上方位置には入射光Ｌｉまたは加工部ＷＰからの戻り光Ｌ_Ｍの９９％を反射し、残余を透過させる特性を有したベンドミラー５が、反射面を入射光Ｌｉに対してほぼ４５度傾斜させて設けてある。

前記レーザ加工ヘッド１には、他端部がファイバーレーザ発振器（図示省略）につながるプロセスファイバー７の出射端部７ｔが固定してあり、このプロセスファイバーの出射端部７ｔから出射されたレーザ光ＬＢを平行光束の入射光Ｌｉにするためのコリメータレンズ９が設けてある。

前記ベンドミラー５の裏側に位置して、前記プロセスファイバー７から出射され前記コリメータレンズ９で平行光束になった入射光Ｌｉの光軸の延長線上の適宜な位置には、前記ベンドミラー５を透過した透過光ＬＴ_１のほとんどを吸収する特性を有する第１吸収体１１が前記第１透過光ＬＴ_１の光軸に対してほぼ４５度傾斜させて設けてある。なお、本実施例ではほぼ４５度傾斜としているが、反射する角度であれば適宜な傾斜角度でも構わない。

前記第１吸収体１１の材質は、赤外線からなるレーザ光ＬＢを良く吸収するカーボングラファイト板（例えば５０mm×６０mm）を用いている。カーボングラファイトは、耐熱性および熱伝導性が高い（鋼の２〜３倍、銅の１/２〜１/３）などの特性を有している。

前記第１吸収体１１に入射された透過光ＬＴ_１は、微弱な反射光Ｌ_Ｒ１が透過光ＬＴ_１に対して上方向に、実施例ではほぼ９０度に反射すると共に微弱な散乱光が発生する。

前記レーザ加工ヘッド１内において、この微弱な散乱光の一部の散乱光Ｌ_Ｓ１を検出するためのフォトダイオードからなる第１光電変換素子１３が前記第１吸収体１１に対向する適宜な位置に設けてある。

また、前記ベンドミラー５の裏側にあって、前記集光レンズ３の光軸の延長線上にベンドミラー５を透過した透過光ＬＴ_２の吸収するために、前記第１吸収体１１と同一材質からなる第２吸収体１５が前記透過光ＬＴ_２の光軸に対してほぼ４５度傾斜させて対向する様に設けてある。なお、本実施例ではほぼ４５度傾斜としているが、反射する角度であれば適宜な角度でも構わない。

前記第２吸収体１５に入射された透過光ＬＴ_２は、微弱な反射光Ｌ_Ｒ２が透過光ＬＴ_２に対して、実施例ではほぼ９０度右方向に反射すると共に微弱な散乱光を発生させる。

そして、前記第２吸収体１５からの微弱な散乱光の一部の散乱光Ｌ_Ｓ２を検出すするためのフォトダイオードからなる第２光電変換素子１７が第２吸収体１５に対向する適宜な位置に設けてある。

前記フォトダイオードからなる第１光電変換素子１３または第２光電変換素子１７は、前記第１吸収体１１および第２吸収体１５からの散乱光Ｌ_Ｓ１または散乱光Ｌ_Ｓ２を受光すると、この受光した光の強度[Ｗ]に比例した受光電圧[Ｖ]を発生させるものである。

フォトダイオードからなる第１、第２光電変換素子（１３、１７）の受光電圧[Ｖ]と光の強度[Ｗ]との関係は、実測値から図２に示す様にほぼ直線的な比例関係を成していることが解っているので、この受光電圧からレーザ出力または加工部からの戻り光の強度が求めることができる。

また図３は、ベンドミラーにおける透過光（ＬＴ_１、ＬＴ_２）およびカーボングラファイトからなる吸収体（１１、１５）からの反射光（Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２）と散乱光（Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２）の空間光強度分布を示した図であり、透過光（ＬＴ_１、ＬＴ_２）と反射光（Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２）はビーム拡がり角も小さく、高い強度分布を有しているが、空間モードの変化により光強度がランダムに変化している。

なお、図３では透過光（ＬＴ_１、ＬＴ_２）と反射光（Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２）を一緒に表しているが、実際には当然ながら反射光（Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２）の光強度レベルはかなり小さくなり、この図３では、単に光強度のバラツキを表現しているだけである。

一方、散乱光（Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２）は、光強度は低いがビーム拡がり角も大きく、空間モードが透過光（ＬＴ_１、ＬＴ_２）や反射光（Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２）の様にランダムに変化せずに一定の強度分布を有している。これにより、散乱光（Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２）のみを測定することにより光強度の定量的測定が可能となり、レーザ出力と加工部からの戻り光の正確な検出が可能となる。

上記構成のファイバーレーザ加工機の加工ヘッドを使用したレーザ加工時には、プロセスファイバー７の出射端部７ｔから出射されたレーザ光ＬＢがコリメータレンズ９で平行光束になって、入射光Ｌｉとなりベンドミラー５により反射された反射光Ｌ_Ｈが集光レンズ３へ指向され、この集光レンズ３により集光されたレーザ光ＬＢがワークＷに集光照射されてレーザ加工がなされる。

上述の入射光Ｌｉの一部はベンドミラー５を透過して透過光ＬＴ_１となり、前記第１吸収体１１にその大部分が吸収されるが、第１吸収体１１からの散乱光Ｌ_Ｓ１が第１光電変換素子１３により受光され、集光レンズに入射される直前位置におけるレーザ出力を正確に検出することができる。

同様に、加工部ＷＰからの戻り光Ｌ_Ｍは、ベンドミラー５を透過して透過光ＬＴ_２となり、第２吸収体１５にその大部分が吸収されるが、第２吸収体１５からの散乱光Ｌ_Ｓ２が第２光電変換素子１５により受光され、加工部ＷＰからの戻り光Ｌ_Ｍのレーザ出力を正確に検出することができる。

１レーザ加工ヘッド
３集光レンズ
５ベンドミラー
７プロセスファイバー
７ｔプロセスファイバーの出射端部
９コリメータレンズ
１１第１吸収体
１３第１光電変換素子
１５第２吸収体
１７第２光電変換素子
Ｌｉ入射光
Ｌ_Ｍ戻り光
Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２吸収体からの反射光
Ｌ_Ｈベンドミラーにより集光レンズへ指向される反射光
Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２吸収体からの散乱光
ＬＴ_１、ＬＴ_２ベンドミラーにおける透過光
ＬＢレーザ光
Ｗワーク
ＷＰ加工部

Claims

プロセスファイバーから出射されたレーザ光の一部が透過可能なベンドミラーと、該ベンドミラーからの反射光を被加工材の加工部に集光照射する集光レンズとを備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにおいて、前記プロセスファイバーから出射されたレーザ光の前記ベンドミラー透過光と前記加工部からの戻り光の前記ベンドミラー透過光とを吸収体に入射させ、該吸収体からの散乱光を光検出手段で検出して加工部のレーザ出力と加工部からの戻り光との検出を行うことを特徴とするファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法。
請求項１に記載のファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法において、前記吸収体がカーボングラファイトであり、前記光検出手段がフォトダイオードであることを特徴とするファイバーレーザ加工機におけるレーザ出力および戻り光検出方法。
プロセスファイバーから出射されたレーザ光の一部が透過可能なベンドミラーと、該ベンドミラーからの反射光を被加工材の加工部に集光照射する集光レンズとを備えたファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにおいて、少なくとも前記プロセスファイバーから出射されたレーザ光の前記ベンドミラー透過光を吸収する第１吸収体と、前記加工部からの戻り光の前記ベンドミラー透過光を吸収する第２吸収体のどちらか一方を設け、前記第１吸収体と第２吸収体の両方またはどちらか一方から散乱する散乱光を検出する光検出手段を備えてなることを特徴とするファイバーレーザ加工機の加工ヘッド。
請求項３に記載のファイバーレーザ加工機の加工ヘッドにおいて、前記吸収体がカーボングラファイトであり、前記光検出手段がフォトダイオードであることを特徴とするファイバーレーザ加工機の加工ヘッド。