JP2538799B2 - レ―ザビ―ムのエネルギ―分布の異常の測定方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザ光による材料の表面処理等に係り、特
にその場合のレーザビームのエネルギー分布の異常の測
定方法とその装置に関する。

（従来の技術） レーザ光による材料の表面処理（硬化）等において、
そのビームのエネルギー分布は品質に重要な影響を与え
るものである。

したがって、レーザビームのエネルギーを使用する加
工には、出力された所定の径のレーザ光を直角方向に横
切る細長い棒の反射体を一定速度で移動させ、この横切
る時間あるいは距離に応じて漸次エネルギー強度を測定
している。具体的には鏡面加工した直径1mm程度のモリ
ブデン材からなる反射体を所定のビーム径の左側から右
側に移動させ（又は右側から左側）、その移動中の単位
時間で変化する位置のビームエネルギー強度を漸次測定
している。この分布を示してのが第６図のグラフであ
る。従って、このグラフの左側は反射体がレーザ光の左
位置にいる時のエネルギー強度を示し、時間の経過とと
もに反射体が右に移動するので、グラフの右側はレーザ
光の右位置のエネルギー強度を示す。この様にして測定
されたレーザ光のエネルギー強度の強弱を判定して、最
適な状態において使用することが必要となる。

しかしながら第６図に示すように反射体の左側からの
距離または反射体が左側から移動して来た時間に対する
レーザビームのエネルギー分布のエネルギー強度は波の
山と谷の差が大きいため、ある上限、下限範囲を決めて
おき、この範囲内にあるかどうかでレーザビームのエネ
ルギー分布の変化を検出している。

（発明が解決しようとする課題） ところが上記の測定においては、上下限の設定のみで
あるから、上下限の局部ピーク異常は検出できるが、比
較的レーザビームのエネルギー分布の変動が大きいた
め、上下限の範囲Ｈを広く取らなければならず、また第
７図に示すような微細な変化は検出できないという問題
があり、さらに第８図のようにレーザビームのエネルギ
ー分布が斜めになった場合は、この測定方法では異常と
はならないが、しかし実際にはこのようなレーザビーム
における表面処理（焼入れ、クラッディング等）では局
部入熱過多になる。

例えば、第９図（ａ）に示すように水平のレーザビー
ムのエネルギー分布では、母材11の一様な硬化パターン
12に対して、（ｂ）のように斜めのレーザビームのエネ
ルギー分布では硬化パターン13は深さが不均一となって
入熱不足部分14は硬化されないことになり、焼入れ硬化
パターン不良となる。

また第10図（ａ）に示すように水平のレーザビームの
エネルギー分布では母材15に肉盛りしたクラッド層16の
場合、母材15表面がごく薄く均一に溶解し高密着が得ら
れるのに対し、（ｂ）のように斜めのレーザビームのエ
ネルギー分布では局部入熱過多となり母材15の希釈大と
なり、入熱不足部では剥離欠陥が起きる。

さらにクラッド層16は母材15の希釈が大のため、著し
くそのクラッド層16の耐熱、耐磨耗性等の優れた性質が
損なわれ、品質不具合が発生する。

したがって従来法ではレーザビームのエネルギー分布
の傾きは検出できるにしても、レーザビームのエネルギ
ー分布の微細な形状変化までは検出できなかった。

本発明はこれに鑑み上記のような不具合を解決し、微
細な変化をも検出することのできるようにしたレーザビ
ームのエネルギー分布の異常測定方法とその装置を提供
して、従来技術のもつ欠点を解消することを目的として
なされたものである。

（課題を解決する手段） 上記目的を達成するために本発明の第１は、レーザビ
ームのエネルギー分布のビームアナライザにより測定
し、レーザビームのエネルギー分布の異常を判断する方
法において、レーザビームのエネルギー分布のエネルギ
ー強度の極大値および極小値の数で判断することを特徴
とするレーザビームのエネルギー分布の異常の測定方法
とし、第２の発明は、前記第１の発明を主体とし、レー
ザビームのエネルギー分布のエネルギー強度に上限と下
限を設けたことを特徴とするレーザビームのエネルギー
分布の異常の測定方法とし、第３の発明は、レーザビー
ムのエネルギー分布をビームアナライザにより測定し、
レーザビームのエネルギー分布の異常を判断する方法に
おいて、レーザビームのエネルギー分布における互いに
隣合うエネルギー強度の極大値と極小値との間の間隔、
および、互いに隣合うエネルギー強度の極大値と極小値
との差を予め設定した値と比較し、その大小の比較で異
常を検出することを特徴とするレーザビームのエネルギ
ー分布の異常の測定方法とし、第４の発明は、レーザ光
を発生する発振器と、レーザ光を発生する発振器からの
レーザ光を受ける反射鏡および集光光学系に近接して設
けられたレーザビームアナライザと、該レーザビームア
ナライザからのデータを入手するデータレコーダと、を
有するレーザビームのエネルギー分布の異常の測定装置
において、データレコーダからのデータよりレーザビー
ムのエネルギー分布の所定距離内でのレーザビームのエ
ネルギー分布におけるエネルギー強度の極大値および極
小値の数を検出し、検出した極大値および極小値の数を
予め設定した数と比較する手段と、比較した結果から差
異があれば警報を出力する手段、あるいは、データレコ
ーダからのデータよりレーザビームのエネルギー分布に
おけるエネルギー強度の互いに隣り合う極大値と極小値
の間隔、および、レーザビームのエネルギー分布におけ
るエネルギー強度の互いに隣り合う極大値と極小値との
差を予め設定した値と大小を比較する手段と、比較した
結果から差異があれば警報を出力する手段と、のいずれ
かを備えたことを特徴とするレーザビームのエネルギー
分布の異常の測定装置とする。

（作用） 上記構成によりレーザビームのエネルギー分布変化の
測定は予め極大極小などの数値を設定しておいて、設定
値を外れた場合に異常値として警報が出力されることに
なる。

（実施例） 以下、本発明を第１図乃至第５図に示す実施例を参照
して説明する。

本発明にかかるレーザビームのエネルギー分布変化の
測定方法の請求項１乃至３項は請求項４の測定装置を用
いて行う方法である。

したがってまず請求項４の測定装置について説明す
る。

第１図はレーザ光の発振器１と、レーザ発振器１から
のレーザ光２を受ける反射鏡３および集光光学系４（レ
ンズ、凹面鏡、方物面鏡等）と、該集光光学系４に近接
して設けたレーザビームアナライザ５と、集光光学系４
からのレーザビーム光２により表面処理など加工される
資料６と、該レーザビームアナライザ５からデータを入
力するデータレコーダ７と、データレコーダ７からのデ
ータを解析して異常時に警報を発するデータ解析手段８
とより構成されている。前記集光光学系４はカライドス
コープ光学系等であってもよく、データ解析手段８はパ
ソコン等で請求項１乃至３の極大値極小値の数や、予め
極大値と極小値の間の距離、あるいは極大値−極小値の
値を設定して、実際値とその大小を比較し異常時には警
報を出力する構造を備えたものである。

第２図は第１図における本発明装置を用いて、請求項
１にかかる方法により示されたレーザビームの断面図
で、エネルギー強度と、距離または時間の関係が示され
ている。

この場合のレーザビームのエネルギー分布中、▼：極
大値および▼：極小値の数の上限、下限を予め設定して
おき、この数が上下限設定値を外れて検出されたとき異
常と判断されて警報が出力されるようにした方法であ
る。

したがって極大値や極小値の数がレーザビームの断面
図において上下限設定値の範囲内にあれば、試料６の表
面処理等の作業はそのまま継続できることになる。

第３図は第２図の場合に上下限の範囲を併用した方法
を示し、レーザビームのエネルギー分布が全体的に傾く
と極大値、極小値の発生する回数が多くなるのて異常と
して検出される。しかし、第４図の左の端に見られるよ
うな局部的にピーク発生に対する異常検出のためには、
請求項2,または請求項３の方法の併用が望ましい。

第４図は第２図や第３図と同じように、第１図の装置
を用いて請求項３の方法により示されたレーザビームの
断面図で、エネルギー強度と、距離または時間の関係が
示されている。

この場合、図中▼：極大値，▲：極小値とし、極大値
と極小値間の距離の実測値＝A,同上限設定値＝Ｃおよび
下限設定値 E,極大値−極小値の実測値＝Ｂ、同上限設
定値＝Ｄおよび下限設定値Ｆとすると、予め設定したC,
Dに対して、 Ａ≧C,またはＢ≧Ｄの場合 レーザビームのエネルギー分布が変化したとして異常
と判断され警報が出力される。

また、極大値および極小値の数は非常に敏感に変化す
るため処理品質に対して、微小過ぎるレーザビームのエ
ネルギー分布の変化を無視するために、Ａ＜E,かつＢ＜
Ｆの場合、A,Bは極大値、極小値とは考えないとするよ
うなフィルターを併用することが望ましい。

以上述べたレーザビームの測定方法は第５図に示すカ
ライドスコープやセグメントミラー等のビームの微細な
変化の検出にも応用できるようになり、この場合干渉縞
による微小エネルギーピークが請求項３の応用として検
出できることになる。

（発明の効果） 本発明は以上に説明したように、従来の方法では出来
なかったレーザビームのエネルギー分布の微細な変化の
場合でも検出することができる、例えば請求項１のよう
に極大値、極小値の数を検出するとビームの傾きが発生
する以前に極大値、極小値の変化（異常）が発生するの
で、これにより異常信号をとれば未然に品質の不具合を
防止できることになり、また請求項２のように請求項１
においてレーザビームのエネルギー分布のエネルギー強
度の極大値および極小値に上限と下限を設けることによ
り、更に品質の不具合を防止できるだけで無く、品質の
一定したものが得られ、また傾斜したレーザビームのエ
ネルギー分布に対しても検出して異常の場合には警報を
出力するようにしたから試料の加工精度は、本発明の他
の請求項を含めて従来より一段と向上させることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるレーザビームのエネルギー分布
変化の測定装置の一実施例を示す説明図、第２図は第１
図の装置を用いた請求項１によるレーザビームの断面
図、第３図は同じく請求項２によるレーザビームの断面
図、第４図は同じく請求項３によるレーザビームの断面
図、第５図は本発明の方法を応用したカライドスコープ
のレーザビームの断面図、第６図乃至第８図は従来の装
置および方法によるレーザビームの断面図、第９図は母
材に硬化パターンを形成する図を示し、（ａ）は水平な
レーザビームのエネルギー分布の場合、（ｂ）は斜めの
レーザビームのエネルギー分布の場合、第10図は母材に
クラッド層を形成する図を示し、（ａ）は水平なレーザ
ビームのエネルギー分布の場合、（ｂ）は斜めのレーザ
ビームのエネルギー分布の場合である。 １……レーザ発振器、２……レーザ光、３……反射鏡、
４……集光光学系、５……レーザビームアナライザ、６
……試料、７……データレコーダ、８……データ解析手
段

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザビームのエネルギー分布をビームア
   ナライザにより測定し、レーザビームのエネルギー分布
   の異常を判断する方法において、レーザビームのエネル
   ギー分布のエネルギー強度の極大値および極小値の数で
   判断することを特徴とするレーザビームのエネルギー分
   布の異常の測定方法。
2. 【請求項２】レーザビームのエネルギー分布のエネルギ
   ー強度に上限と下限を設けたことを特徴とする請求項１
   記載のレーザビームのエネルギー分布の異常の測定方
   法。
3. 【請求項３】レーザビームのエネルギー分布をビームア
   ナライザにより測定し、レーザビームのエネルギー分布
   の異常を判断する方法において、レーザビームのエネル
   ギー分布における互いに隣合うエネルギー強度の極大値
   と極小値との間の間隔、および、互いに隣合うエネルギ
   ー強度の極大値と極小値との差を予め設定した値と比較
   し、その大小の比較で異常を検出することを特徴とする
   レーザビームのエネルギー分布の異常の測定方法。
4. 【請求項４】レーザ光を発生する発振器と、レーザ光を
   発生する発振器からのレーザ光を受ける反射鏡および集
   光光学系に近接して設けられたレーザビームアナライザ
   と、該レーザビームアナライザからのデータを入手する
   データレコーダと、を有するレーザビームのエネルギー
   分布の異常の測定装置において、データレコーダからの
   データよりレーザビームのエネルギー分布の所定距離内
   でのレーザビームのエネルギー分布におけるエネルギー
   強度の極大値および極小値の数を検出し、検出した極大
   値および極小値の数を予め設定した数と比較する手段
   と、比較した結果から差異があれば警報を出力する手
   段、あるいは、データレコーダからのデータよりレーザ
   ビームのエネルギー分布におけるエネルギー強度の互い
   に隣り合う極大値と極小値の間隔、および、レーザビー
   ムのエネルギー分布におけるエネルギー強度の互いに隣
   り合う極大値と極小値との差を予め設定した値と大小を
   比較する手段と、比較した結果から差異があれば警報を
   出力する手段と、のいずれかを備えたことを特徴とする
   レーザビームのエネルギー分布の異常の測定装置。