JP2013146752A - レーザ加工装置及びレーザ発振制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ光を、加工条件に応じて出力可変に発振するレーザ発振器(1)と、レーザ光を伝搬するための光ファイバ(2)と、光ファイバ(2)のクラッド(2b)側面から漏出する光の強度を検出してその強度を示す検出信号(SN1)を出力するセンサ(7)と、検出信号(SN1)に基づいて当該レーザ加工装置(51)の動作を制御する発振制御部(HS)と、を備える。発振制御部(HS)は、レーザ発振器(1)の出力が所定出力以下の場合には、当該出力に対応して設定された第1の閾値(HK2)と検出信号(SN1)から得られた強度又は光量とを比較し、レーザ発振器(1)の出力が前記所定出力より高い場合には、当該出力に対応して設定された第2の閾値(LK2)と検出信号(SN1)から得られた強度又は光量とを比較し、比較した結果に基づいて当該レーザ加工装置(51)の動作を制御する。
【選択図】図1
Description
そのため、戻り光を検出し、その光量に応じてレーザ発振器の動作を制御する技術が提案されており、一例として特許文献1に記載されたものがある。
特許文献1には、コア,クラッド,及びアウターコアの三重構造の光ファイバにおいて、戻り光を外部に漏出させる戻り光漏出部を設けると共に、漏出光を検出するセンサを、光ファイバの側面近傍における光漏出部に対応した位置に設けて、センサが漏出光を検出したときにレーザ発振器の発振を停止することが記載されている。
クラッド漏れ光の強度は、光ファイバ内を伝搬する光の強度が高いほど増加する。従って、戻り光が生じている場合に、光ファイバの側面近傍に設けたセンサで検出する光の強度は、レーザ発振器側から伝搬するレーザ光(以下、順光とも称する)による漏出光と、光ファイバ端部側から伝搬する戻り光による漏出光とを合わせた強度となる。
また、戻り光の検出結果を評価する方法は、高度な演算処理が不要であって装置を安価で汎用的に構成できることから、検出したクラッド漏れ光の強度に閾値を設定しておき、その閾値を越えた場合にNGとする方法が第一に望まれる。
しかしながら、レーザ光の出力が変わった場合には、戻り光の有無や程度によらず、センサで検出するクラッド漏れ光の強度が変わってしまうので、光ファイバに悪影響を及ぼす戻り光が発生しているか否かの判定を精度よく行うことが難しくなっている。
図9(a)は、出力可変タイプのレーザ加工装置における、高出力時のセンサの出力波形例であり、図9(b)は、低出力時のセンサの出力波形例である。縦軸は検出したクラッド漏れ光の強度であり横軸は時間sである。
各図において、強度A1,B1は、順光に基づく値であり、強度A1〜A2(tA1〜tA2)の部分と強度B1〜B2(tB1〜tB2)の部分とが、戻り光に基づく部分である。
まず、不具合が生じ得る戻り光の強度レベルをΔYとし、これを高出力時〔図9(a)参照〕に適用してΔY=S−A1として検出閾値をSと設定したとする。そして、低出力時〔図9(b)参照〕において、強度レベルΔYBが、ΔYB=B2−B1<S−B1、かつ、ΔY<ΔYBとして発生した戻り光が、仮に高出力時に発生したとすると、閾値Sを超えてNGと判定される。
逆に、その強度レベルΔYBの戻り光が低出力で発生したとすると、上記大小関係から閾値Sを超えずNGとは判定されない。
このように、同じ戻り光の強度レベルでも、NGになる場合とならない場合があり得る、という問題が生じる。
この例からもわかるように、出力可変タイプの場合、不具合が生じ得る戻り光の検出を高精度で行うことは簡単ではなく、戻り光に起因する不具合の発生を良好に防止することが難しいという問題がある。
1) レーザ加工装置において、
レーザ光を、加工条件に応じて出力可変に発振するレーザ発振器(1)と、
前記レーザ光を伝搬するための光ファイバ(2)と、
前記光ファイバ(2)のクラッド(2b)側面から漏出する光の強度を検出してその強度を示す検出信号(SN1)を出力するセンサ(7)と、
前記検出信号(SN1)に基づいて当該レーザ加工装置(51)の動作を制御する発振制御部(HS)と、
を備え、
前記発振制御部(HS)は、
前記レーザ発振器(1)の出力が所定出力以下の場合には、当該出力に対応して設定された第1の閾値(HK2)と前記検出信号(SN1)から得られた強度又は光量とを比較し、
前記レーザ発振器(1)の出力が前記所定出力より高い場合には、当該出力に対応して設定された第2の閾値(LK2)と前記検出信号(SN1)から得られた強度又は光量とを比較し、
前記比較した結果に基づいて当該レーザ加工装置(51)の動作を制御することを特徴とするレーザ加工装置(51)である。
2) 前記発振制御部(HS)は、前記第1の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第1の閾値(HK2)を越える場合、又は、前記第2の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第2の閾値(LK2)を越える場合に、前記レーザ発振器(1)における前記レーザ光の発振を停止させることを特徴とする1)に記載のレーザ加工装置(51)である。
3) 前記発振制御部(HS)は、前記第1の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第1の閾値(HK2)を越える場合、又は、前記第2の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第2の閾値(LK2)を越える場合に、前記レーザ発振器(1)が発振する前記レーザ光の出力を増加させる、又は、前記レーザ光が照射されるワーク(W)の相対移動速度を減速させることを特徴とする1)に記載のレーザ加工装置(51)である。
4) 前記第1の閾値(HK2)又は前記第2の閾値(LK2)は、大きさの異なる複数の閾値(HK2,HK1)(LK2,LK1)を含み、
前記発振制御部(HS)は、前記複数の閾値(HK2,HK1)(LK2,LK1)それぞれと前記強度又は前記光量とを比較し、その比較結果毎に異なる動作制御を行うことを特徴とする1)に記載のレーザ加工装置(51)である。
5) ファイバーレーザ加工装置(51)に搭載されレーザ光を加工条件に応じて出力可変に発振可能なレーザ発振器(1)の動作を制御するレーザ発振制御方法であって、
前記レーザ光が伝搬している光ファイバ(2)のクラッド(2b)側面から漏出する漏れ光の強度をセンサ(7)で検出して前記強度を示す検出信号(SN1)を得る検出ステップと、
発振制御部(HS)において、前記検出信号(SN1)から強度又は光量を求めると共に、得られた前記強度又は光量と予め設定された閾値(HK2,LK2)とを比較する比較ステップと、
前記比較ステップにおける比較結果に応じて前記レーザ発振器(1)の動作を制御する制御ステップと、
を含み、
前記閾値(HK2,LK2)を、前記レーザ発振器(1)の前記複数の出力それぞれに対応した異なる値で設定し、
前記比較ステップは、前記レーザ発振器(1)で発振中の出力に対応した前記閾値(HK2)と前記強度又は光量とを比較し、
前記制御ステップは、前記比較ステップの比較結果において前記強度又は光量が前記閾値(HK2)を越えた場合に、前記レーザ発振器(1)のレーザ発振を停止、前記レーザ発振器(1)が発振する前記レーザ光の出力を増加、又は、前記レーザ光が照射されるワーク(W)の相対移動速度を減速させることを特徴とするレーザ発振制御方法である。
まず、図1及び図2を用いて、実施例のレーザ加工装置51の構成を説明する。
レーザ加工装置51は、所謂ファイバーレーザ加工装置であって、レーザ発振器1と、レーザ発振器1から発振されたレーザ光を伝搬する光ファイバ2と、光ファイバ2の先端部に設けられたコネクタ部3と、前記コネクタ部3が接続され、被加工材であるワークWに対してレーザ光を照射するヘッド部4と、レーザ発振器1の動作を含む装置全体を制御する制御部SGと、コネクタ部3からの出力信号を受け、制御部SGとの間で信号授受を行うモニタユニット5と、スピーカ装置や画像表示装置などを有して情報を外部に出力する出力部DPと、ユーザが情報等を入力するための入力部NRと、有して構成されている。また、モニタユニット5と制御部SGとを含んで、レーザ発振器1の動作を制御する発振制御部HSが構成されている。
ワークWとワークWにレーザ光を照射するヘッド部4とは、図示しない駆動装置により相対的に移動するようになっている。
ヘッド部4は、ファイバ2が伝搬したレーザ光を平行光にするコリメータレンズ4aと、ワークWにレーザ光を集光させる集光レンズ4b等を有し、先端部からレーザ光Lsを出射する。
コネクタ部3は、ファイバ2の素線2sを中心軸線上にて支持する筐体3aと、素線2sの側面(クラッド2bの側面)に対し近接対向して配置されたセンサ7と、センサ7からの出力を伝達するケーブル8と、を有している。センサ7は、例えば光電センサである。
センサ7は、検出した光の強度に応じた検出信号SN1を出力し、この検出信号SN1はケーブル8を介してモニタユニット5に入力される。
モニタユニット5は、出力モード毎に、基準レベル強度や閾値等の情報(詳細は後述する)が記憶された記憶部5Mと、それらの情報に基づいて演算等を行うCPU5Cとを備えている。
ここで、発振制御部HSとセンサ7とでレーザ発振制御部LHSが構成されている。
ここでは、簡単のため、レーザ加工装置51の出力を、所定の出力よりも高い出力の高出力モードHMと、所定の出力よりも低い出力の低出力モードLMと、の二段の出力に分けて説明する。
出力設定は、一例として、最大出力が4kWの場合、高出力モードHMを4kWとし低出力モードLMを1kW未満の出力とする。
図3(a)図3(b)は、戻り光がない状態で、センサ7により順光のみに基づくクラッド漏れ光を検出した場合の検出信号SN1を示す図である。図3(a)には高出力モードHM、図3(b)には低出力モードLMの場合が示されている。
図3(a)では高出力モードHMにおける基準レベルとなる強度H1の出力が得られ,図3(b)では低出力モードLMにおける基準レベルとなる強度L1が得られているのがわかる。強度の大小はL1<H1である。
各モードにおける基準レベルの強度H1,L1についての情報は、記憶部5Mに予め記憶されている。
すなわち、閾値HK,LKは、HK=α×H1,LK=α×L1 である。
また、各モードHM,LMにおいて、閾値を複数設定してもよい。ここでは、図3に示されるように、倍率α1として注意喚起用としての注意閾値HK1,LK1を設定し、倍率α2として警告用としての警告閾値HK2,LK2を設定している。すなわち、二段階を閾値を設定している。強度の大小は、HK1<HK2,LK1<LK2である。
さらに、センサの出力特性が検出した光の強度に対して線形でない場合等での補正の意味合いで、各モードHM,LM毎に異なる倍率を用いてもよい。
すなわち、
HK1=α1×H1,HK2=α2×H1 (α1<α2)
LK1=β1×L1,LK2=β2×H1 (β1<β2)
としてもよい。
倍率設定の一例は、α1=1.3,α2=1.6,α1=β1,α2=β2である。
図4には、戻り光として、時間t1〜t2における波形P1,時間t3〜t5における波形P2,及び時間t6〜t9における波形P3、の三つの波形が示されている。図5は、制御部SGの判断を説明するための高出力モード時のフロー図である。
例えば、CPU5Cが注意閾値HK1(LK1)を越えたと判定した場合、制御部SGは、その旨を注意喚起する表示又は音声を出力するように表示部DPに対して指示する。これは、図4における時間t3〜t4及び時間t6〜t9の期間が該当する。このCPU5Cの判定を、以下、注意判定とも称する。
また、警告閾値HK2(LK2)を越えた場合には、制御部SGは警告表示及び警告音声を出力するように表示部DPに対して指示すると共に、レーザ光の発振を停止するようにレーザ発振器1に対して指示する。これは、図4における時間t7〜t8の期間が該当する。このCPU5Cの判定を、以下、警告判定とも称する。
また、実施例においては、クラッド漏れ光を検出するセンサ7を、ヘッド部4に近いコネクタ部3に配設している。これにより、例えばレーザ発振器1で戻り光を検出する場合と比べ、光ファイバ2内を伝搬していない戻り光をその入射元に近い位置で検出ができるので、ノイズの影響が少ない高精度な検出が可能となっている。
具体的には、図4に示される時間t3からt4までの時間Δtbと、時間t6からt9までの時間Δtcが、所定の時間ts1よりも長い場合に、注意判定をする。また、時間t7からt8までの時間Δtdが、所定の時間ts2よりも長い場合に、警告判定をする。
まず、制御部SGが、加工条件に基づいてレーザ出力範囲内の所定の出力を選択する(S1)。
制御部SGは、選択したモードが高出力モードか否かの判定をする(S2)。ここでは高出力モードHMであるものとし、Yesへ進む(低出力モードLMである場合は、Noへ進む)。
判定された出力モードの情報は、制御部SGからモニタユニット5に伝達される。CPU5Cは、判定された出力モードに対応する閾値及び基準レベルの情報を記憶部5Mから得ると共に演算に用いる数値に設定する(図5には不図示)。
CPU5Cは、検出信号SN1を監視し、注意閾値HK1を越えたか否かを判定する(S3)。
この判定は、検出信号SN1の強度と基準レベルの強度との差分から評価する。
越えた(Yes)と判定したら、経過時間のカウントを開始し、警告閾値HK2を越えたか否かを判定する(S4)。
Noの場合、S3でYesと判定した時点からの経過時間と照合し、S3でYesと判定してから時間ts1を経過したか否かを判定する(S5)。
Noの場合、注意閾値HK1を越えているか否かの判定をし(S6)、Noの場合S3へ戻り、Yesの場合S5へ戻る。
S5においてYesの場合、注意喚起を実行する判定(注意判定)をし、その判定結果を制御部SGに供給する。この判定結果に基づいて、制御部SGは、出力部DPに対して注意喚起する表示又は音声を出力するように指示する(S7)。
そして、動作の停止指示有無を判定する(S8)。
Yesの場合このフロー判定動作を終了し、Noの場合S3へ戻る。
Noの場合、警告閾値HK2を越えているか否かの判定をし(S10)、Noの場合S5へ行き、Yesの場合S9へ戻る。
S9においてYesの場合、CPU5Cは、警告判定をしてその判定内容を制御部SGに供給する。制御部SGは、その供給された判定内容に基づいて、警告表示及び警告音声を出力するように表示部DPに対して指示すると共に、レーザ光の発振を停止するようにレーザ発振器1に対して指示する(S11)。
そして、動作の停止指示有無を判定する(S8)。
Yesの場合、このフロー判定動作を終了し、Noの場合、S3へ戻る。
この場合の閾値は、予め出力レベルを細かく分割し、この分割した微小レベル範囲毎に閾値を設定し、両者を対応づけたテーブルを用意して記憶部5Mに記憶させておくとよい。
また、レーザ加工装置は、レーザ発振の動作中に、出力レベルを、加工に最適となるよう変動させるものでもよい。
この場合、CPU5Cは、制御部SGから入来し刻々と変化する出力レベル情報に応じ、記憶部5Mに記憶されたテーブルから対応する閾値を取得すると共に、演算の基準値として随時置換するようにする。
この場合、制御部SGから入来する出力レベル情報は、例えば125μsec毎の短期間で更新され得るので、モニタユニット5のCPU5Cとしては、その更新に対応し得る高速演算能力を有するものを採用する。
モニタユニット5に対し、制御部SGから供給される出力レベル情報は、設定上のものに限らず、実際に得られているレーザ光の出力レベルを検出し、その検出値に基づくものであってもよい。
実際に光ファイバは、戻り光の強度が設定した閾値以下であっても、閾値に近い強度の戻り光が長時間継続する場合には総光量が多くなり、光ファイバに損傷が発生する可能性が高まる。
例えば、図6に示される検出信号SN1の図において、波形P4,P5における各t11〜t12,t13〜t14の斜線で示される範囲(基準レベルH1を超える波形の部分)の面積S4,S5を求める。面積S4,S5は戻り光の光量Q4,Q5に相当する。
そして、光ファイバへの影響度に応じて、光量についての注意閾値及び警告閾値を設けておき、これらの閾値に基づいて注意及び警告を判定する。
図6において、波形P4は、その一部が強度の注意閾値HK1を越えるものの、波形P5は注意閾値HK1以下である。
しかしながら、波形P5は持続時間が長く、その光量Q5が光量Q4よりも多いので、光ファイバ2への影響度は大となる。この光量を評価する方法によれば、強度の閾値を越えずに光量大となる戻り光を検出することができる。
その場合は、図7に示されるように、強度についての別の閾値HK3を設定しておき、波形を所定の単位時間毎に細かく分割すると共に、閾値HK3を越える分割部分の数Nを求め、その数Nに基づいて注意判定及び警告判定を行ってもよい。以下、分割した一つを単位分割部TBと称することとする。
例えば、単位分割部に係る数Nについて閾値Nxを設定しておき、閾値Nxを越えた場合、注意判定をする。
これについて図7を参照して具体的に説明する。
図7には、閾値HK3を越える波形範囲としてP6(t21〜t22),P7(t23〜t24),及びP8(t25〜t26)が示されている。ここで閾値Nxを5と設定し、閾値Nxを越えるか否かの判定をするものとする。
範囲P6は、一定時間内に閾値HK3を越えた単位分割部が七つあるので、閾値Nxを越えている。従って、注意判定をする。
範囲P7は、閾値HK3を越える単位分割部があるものの、その数が四つなので閾値Nxを越えず、かつ閾値HK4を越える単位分割部がないので、注意判定及び警告判定は行わない。
範囲P8は、閾値HK3を越える単位分割部が五つなので閾値Nxを越えないものの、一つの単位分割部TB8が閾値HK4を越えているので、警告判定をする。
この変形例は、単に強度のみでの評価ではなく、時間を加味した判定が成されるので、より精度よく戻り光の評価を行うことができる。また、面積計算を行わないので、CPU5Cへの負荷が比較的少なく、汎用で安価なCPUを用いる場合に好適である。
図8の横軸にて示されるように、レーザ出力値PWは、最小出力PWminから最大出力PWmaxまでの範囲の任意の値をとり得るようになっている。縦軸は閾値のレベルが示される。
まず、レーザ出力値PWが取り得る範囲をn分割(n=2以上の整数)し、各分割領域に応じた閾値を与えるように制御する例(分割関係例)がある。
図8(a)は、この例におけるn=2の場合を示し、分割点となるレーザ出力値PW1を境として、PW1≦PWで閾値Kg2を、PW<PW1で閾値Kg1を与える制御例である。
図8(b)は、KとPWとを線形関係にした例(K=aPW a:正の定数)(線形関係例)であり、これは上述の実施例に相当する。
図8(c)は、KとPWとを非線形の関係にした例(非線形関係例)である。
これらは互いに組み合わせることは自由である。例えば、n分割した内の一領域に線形関係又は非線形関係を適用するなどしてよい。
より詳しい例としては、注意閾値を越えた場合にレーザ光の出力を高くし又はワークWの相対移動速度を減速させ、警告閾値を超えた場合にレーザ光の発振を停止させる。
2 光ファイバ
2a コア、 2b クラッド、 2c 被覆層、 2s 素線
3 コネクタ部、 3a 筐体
4 ヘッド部
4a コリメータレンズ、 4b 集光レンズ
5 モニタユニット
5C CPU、 5M 記憶部
7 センサ
8 ケーブル
51 レーザ加工装置
DP 表示部
H1,L1 (基準レベルの)強度
HM 高出力モード、 LM 低出力モード
HK1 閾値(注意閾値)
HK2 閾値(警告閾値)
HK3,HK4,LK1,LK2,Nx,K,Kg1〜Kg4 閾値
HS 発振制御部、 LHS レーザ発振制御装置
Ls レーザ光
NR 入力部
P1〜P8 波形
PW,PWmin,PWmax,PW1 レーザ出力
Q,Q4,Q5 光量
SG 制御部
SN1 検出信号
TB,TB8 単位分割部
α1,α2,β1,β2 倍率
Claims (5)
- レーザ加工装置において、
レーザ光を、加工条件に応じて出力可変に発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を伝搬するための光ファイバと、
前記光ファイバのクラッド側面から漏出する光の強度を検出してその強度を示す検出信号を出力するセンサと、
前記検出信号に基づいて当該レーザ加工装置の動作を制御する発振制御部と、
を備え、
前記発振制御部は、
前記レーザ発振器の出力が所定出力以下の場合には、当該出力に対応して設定された第1の閾値と前記検出信号から得られた強度又は光量とを比較し、
前記レーザ発振器の出力が前記所定出力より高い場合には、当該出力に対応して設定された第2の閾値と前記検出信号から得られた強度又は光量とを比較し、
前記比較した結果に基づいて当該レーザ加工装置の動作を制御することを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記発振制御部は、前記第1の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第1の閾値を越える場合、又は、前記第2の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第2の閾値を越える場合に、前記レーザ発振器における前記レーザ光の発振を停止させることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
- 前記発振制御部は、前記第1の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第1の閾値を越える場合、又は、前記第2の状態において前記強度若しくは前記光量が前記第2の閾値を越える場合に、前記レーザ発振器が発振する前記レーザ光の出力を増加させる、又は、前記レーザ光が照射されるワークの相対移動速度を減速させることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
- 前記第1の閾値又は前記第2の閾値は、大きさの異なる複数の閾値を含み、
前記発振制御部は、前記複数の閾値それぞれと前記強度又は前記光量とを比較し、その比較結果毎に異なる動作制御を行うことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。 - ファイバーレーザ加工装置に搭載されレーザ光を加工条件に応じて出力可変に発振可能なレーザ発振器の動作を制御するレーザ発振制御方法であって、
前記レーザ光が伝搬している光ファイバのクラッド側面から漏出する漏れ光の強度をセンサで検出して前記強度を示す検出信号を得る検出ステップと、
発振制御部において、前記検出信号から強度又は光量を求めると共に、得られた前記強度又は光量と予め設定された閾値とを比較する比較ステップと、
前記比較ステップにおける比較結果に応じて前記レーザ発振器の動作を制御する制御ステップと、
を含み、
前記閾値を、前記レーザ発振器の前記複数の出力それぞれに対応した異なる値で設定し、
前記比較ステップは、前記レーザ発振器で発振中の出力に対応した前記閾値と前記強度又は光量とを比較し、
前記制御ステップは、前記比較ステップの比較結果において前記強度又は光量が前記閾値を越えた場合に、前記レーザ発振器のレーザ発振を停止、前記レーザ発振器が発振する前記レーザ光の出力を増加、又は、前記レーザ光が照射されるワークの相対移動速度を減速させることを特徴とするレーザ発振制御方法。
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