JP4428256B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工する装置に関するものである。

レーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、このレーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に照射する照射光学系とを備える（例えば特許文献１および非特許文献１を参照）。
特開２００４−３２２１４６号公報 川人洋介、他、「アルミニウム合金のレーザマイクロスポット重ね溶接におけるインプロセスモニタリングと適応制御」、第６２回レーザ加工学会論文集、第１３６頁〜第１４２頁、２００４年１２月

しかしながら、従来のレーザ加工装置では、レーザ光が人体に照射される可能性や、塵埃など不測の可燃物混入などに因る火災発生の危険性が考慮されていない。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、より安全にレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、(3) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、(4) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で熱放射が開始される前に、反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より下がると、レーザ光源のレーザ光出力を低下または停止させる制御部と、を備えることを特徴とする。このレーザ加工装置では、レーザ光源から出力されたレーザ光は、照射光学系により、加工対象物の加工面に略垂直に照射される。このとき加工面で発生する反射光の強度は反射光モニタ部によりモニタされ、このモニタされた反射光強度が第１の所定値より下がると、制御部により、レーザ光源のレーザ光出力は低下または停止される。「熱放射が開始される」とは、「照射後であり、加工面からの熱放射強度がある所定値に達するまで期間」をさす。なお、「熱放射が開始される前」は、前もって確認された照射開始後の所定の時間で判断してもよい。本発明に係るレーザ加工装置は、照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で発生する熱放射の強度をモニタする熱放射モニタ部を備えるのが好適である。

本発明に係るレーザ加工装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、(3) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、(4) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で熱放射が観測されない場合に、反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より下がると、レーザ光源のレーザ光出力を低下または停止させる制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、(3) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、(4) 照射光学系によりレーザ光が照射された加工面で発生する熱放射の強度をモニタする熱放射モニタ部と、(5) 反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より下回っているとき、熱放射モニタ部によりモニタされた熱放射強度が第２の所定値より上回っているときは、レーザの出力パワーを正常動作時のパワーに制御する制御部とを備えることを特徴とする。

制御部は、熱放射モニタ部によりモニタされた熱放射強度が第２の所定値より上回っていて、反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より上回っているとき、警報を発出するのが好適である。

本発明によれば、より安全にレーザ加工を行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置１は、レーザ光を加工対象物２に照射して該加工対象物２を加工する装置であって、レーザ光源１１、ビームスプリッタ１２、集光レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、反射光モニタ部１５、熱放射モニタ部１６および制御部１７を備える。

レーザ光源１１は、加工対象物２へ照射すべきレーザ光を出力するものである。レーザ光源１１から出力されるレーザ光は、連続光であってもよいし、パルス光であってもよい。また、レーザ光源１１から出力されるレーザ光の波長は、加工対象物２の材料（例えば金属や樹脂）に応じて適切に選ばれ、例えば１μｍ帯である。なお、ＣＯ_２レーザ光源から出力される波長１０.６μｍ帯のレーザ光と比べると、波長１μｍ帯のレーザ光は、回折拡がりが小さく、狭い領域への集光が容易である。例えば、レーザ光源１１は、Ｎｄ添加ＹＡＧロッドやＹｂ添加ファイバなどをレーザ媒質として含み、また、このレーザ媒質に添加された活性元素（Ｎｄ，Ｙｂなど）を励起する励起光を出力する励起光源としてレーザダイオードを含む。

ビームスプリッタ１２および集光レンズ１３は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を加工対象物２の加工面に略垂直に照射する照射光学系を構成する。ビームスプリッタ１２は、例えば反射率が９９％であって透過率が１％であり、入射した光の殆どを反射させ、残部を透過させる。集光レンズ１３は、ビームスプリッタ１２と加工対象物２との間に設けられている。

ビームスプリッタ１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を入力し、そのレーザ光の殆どを集光レンズ１３へ反射する。集光レンズ１３は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光のうちビームスプリッタ１２により反射されたレーザ光を入力して、そのレーザ光を加工対象物２の加工面上に集光する。集光レンズ１３から加工対象物２の加工面にレーザ光が垂直に入射するように、照射光学系と加工対象物２との相対的位置関係を調整する手段（例えば、加工対象物２を載置するステージ）が設けられているのが好適である。

また、集光レンズ１３は、レーザ光が照射された加工対象物２の加工面で発生した反射光および熱放射を入力して、これら反射光および熱放射をビームスプリッタ１２へ出力する。ビームスプリッタ１２は、集光レンズ１３から出力された反射光および熱放射を入力して、これら反射光および熱放射それぞれの一部を透過させてダイクロイックミラー１４へ出力する。ここで、反射光は、レーザ光源１１から出力されるレーザ光と同一の波長である。また、熱放射は、レーザ光照射に因り加工対象物２が溶融してプラズマ状態となることに伴って発生するものであり、上記レーザ光の波長とは異なる波長成分（例えば可視域や波長１.３μ帯等の近赤外域の光）を含む。

ダイクロイックミラー１４は、ビームスプリッタ１２から出力された反射光および熱放射を入力して、これら反射光と熱放射とを互いに分離して出力する。例えば、ダイクロイックミラー１４は、反射光を反射させ、熱放射を透過させる。反射光モニタ部１５は、ダイクロイックミラー１４から到達した反射光を入力し、その反射光の強度をモニタする。熱放射モニタ部１６は、ダイクロイックミラー１４から到達した熱放射を入力し、その熱放射の強度をモニタする。制御部１７は、反射光モニタ部１５によりモニタされた反射光強度、および、熱放射モニタ部１６によりモニタされた熱放射強度に基づいて、レーザ光源１１のレーザ光出力を制御する。

加工対象物２にレーザ光が照射されるとき、その照射の開始の当初は反射が生じる。加工対象および加工目的次第ではこの過程で加工が終了する。この場合、反射光が検出される状態が正常であり、モニタされる反射光強度が所定値より低い場合は、不測の物質が混入したと判断され、前記レーザ光源１１のレーザ光出力を低下または停止させ、或いは警報を発出させる。

より長時間を要する溶接・切断などの加工の場合、レーザ光照射後に、やがて加工対象物２が溶融し始めると、反射率が低下するとともに、熱放射が発生する。したがって、通常、反射光モニタ部１５によりモニタされる反射光強度は徐々に減衰し、熱放射モニタ部１６によりモニタされる熱放射強度は徐々に増加する。

仮に、レーザ光照射時に、人体や可燃物（例えば塵埃）などの異物が加工対象物２の直前に誤って挿入された場合、火傷または火災などの災害が発生することが想定される。しかし、加工対象物２の直前に挿入された異物にレーザ光が照射された場合に生じる反射光および熱放射は、加工対象物２にレーザ光が照射された場合に生じる反射光および熱放射とは相違する。そこで、制御部１７は、この相違を利用して、以下のような制御を行う。

最も簡易には、制御部１７による制御は以下のとおりである。レーザ光源１１からレーザ光を出力させ、そのレーザ光のパワーが目標値に設定される。レーザ光源１１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により反射され、集光レンズ１３により収斂されて、加工対象物２の加工面に集光照射される。レーザ光が照射された加工対象物２の加工面で発生した反射光の強度が反射光モニタ部１５によりモニタされ、このモニタにより得られた反射光強度Ｐｒと所定値Ａとが制御部１７により大小比較される。そして、反射光強度Ｐｒが所定値以上であると制御部１７により判断された場合には、その状態が継続され、そうでない場合には、レーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止され、或いは警報が発出される。

しかし、より好適には、制御部１７は、熱放射モニタ部１６によるモニタ結果を利用して、図２または図３に示されるような制御を行う。

図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の動作の一例を示すタイミングチャートである。ステップＳ１では、レーザ光源１１からレーザ光を出力させ、続くステップＳ２では、レーザ光源１１から出力されるレーザ光のパワーが目標値に設定される。ステップＳ２では、レーザ光源１１において励起光源からレーザ媒質に供給される励起光のパワーが目標値に設定されてもよい。レーザ光源１１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により反射され、集光レンズ１３により収斂されて、加工対象物２の加工面に集光照射される。

ステップＳ３では、レーザ光が照射された加工対象物２の加工面で発生した反射光の強度が反射光モニタ部１５によりモニタされ、このモニタにより得られた反射光強度Ｐｒと所定値Ａとが制御部１７により大小比較される。そして、反射光強度Ｐｒが所定値Ａ以上であると制御部１７により判断された場合にはステップＳ２に戻り、そうでない場合にはステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、レーザ光が照射された加工対象物２の加工面で発生した熱放射の強度が熱放射モニタ部１６によりモニタされ、このモニタにより得られた熱放射強度Ｐｈと所定値Ｂとが制御部１７により大小比較される。そして、熱放射強度Ｐｈが所定値Ｂ以上であると制御部１７により判断された場合にはステップＳ２に戻り、そうでない場合にはステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、制御部１７により、レーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止され、或いは警報が発出される。

このように、ステップＳ２およびＳ２のループ、ならびに、ステップＳ２〜Ｓ４のループにより、「Ｐｒ＜Ａ」且つ「Ｐｈ＜Ｂ」であるか否かが判断され、「Ｐｒ＜Ａ」且つ「Ｐｈ＜Ｂ」である場合にはステップＳ５に進み、そうでない場合（「Ｐｒ≧Ａ」又は「Ｐｈ≧Ｂ」である場合）にはレーザ光源１１から出力されるレーザ光のパワーは目標値のままとされる。

すなわち、「Ｐｒ≧Ａ」又は「Ｐｈ≧Ｂ」である場合には、レーザ光が加工対象物２に正常に照射されていると判断され、その状態が継続される。これに対して、「Ｐｒ＜Ａ」且つ「Ｐｈ＜Ｂ」である場合には、人体や可燃物などの異物が加工対象物２の直前に存在する為に、モニタにより得られた反射光強度Ｐｒおよび熱放射強度Ｐｈそれぞれが小さくなったと判断されて、制御部１７により、レーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止され、或いは警報が発出される（ステップＳ５）。したがって、人体や可燃物などの異物が加工対象物２の直前に挿入されたときに、直ちにレーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止されることにより、より安全にレーザ加工を行うことができる。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の動作の他の一例を示すカルノーマップである。この図は、反射光モニタ部１５によるモニタにより得られた反射光強度Ｐｒと所定値Ａとの大小関係、および、熱放射モニタ部１６によるモニタにより得られた熱放射強度Ｐｈと所定値Ｂとの大小関係について、４つの場合それぞれにおける制御部１７の動作を示している。

この図に示されるように、「Ｐｒ＜Ａ」且つ「Ｐｈ≧Ｂ」である場合、または、「Ｐｒ≧Ａ」且つ「Ｐｈ＜Ｂ」である場合には、レーザ光が加工対象物２に正常に照射されていると判断される。「Ｐｒ＜Ａ」且つ「Ｐｈ＜Ｂ」である場合には、人体や可燃物などの異物が加工対象物２の直前に存在する為に、モニタにより得られた反射光強度Ｐｒおよび熱放射強度Ｐｈそれぞれが小さくなったと判断されて、制御部１７により、レーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止され、或いは警報が発出される（ステップＳ５）。以上の３つの場合は、図２における制御と同様である。「Ｐｒ≧Ａ」且つ「Ｐｈ≧Ｂ」である場合は通常ありえないので、この場合には、レーザ加工装置１の何れかの構成要素が異常であると判断されて、警報が発出され、また、安全の為にレーザ光源１１のレーザ光出力が低下または停止される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ビームスプリッタ１２に替えて偏波消光比モニタ結合器が用いられてもよい。また、レーザ光源１１から出力されたレーザ光は、上記実施形態では空間伝搬して加工対象物２に照射されたが、光ファイバを伝搬して加工対象物２に照射されてもよく、この場合には、ビームスプリッタ１２に替えて光ファイバカプラが好適に用いられる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置１の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係るレーザ加工装置１の動作の他の一例を示すカルノーマップである。

符号の説明

１…レーザ加工装置、２…加工対象物、１１…レーザ光源、１２…ビームスプリッタ、１３…集光レンズ、１４…ダイクロイックミラー、１５…反射光モニタ部、１６…熱放射モニタ部、１７…制御部。

Claims (5)

1. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で熱放射が開始される前に、前記反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より下がると、前記レーザ光源のレーザ光出力を低下または停止させる制御部と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で発生する熱放射の強度をモニタする熱放射モニタ部を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で熱放射が観測されない場合に、前記反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が第１の所定値より下がると、前記レーザ光源のレーザ光出力を低下または停止させる制御部と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
4. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を加工対象物の加工面に略垂直に照射する照射光学系と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で発生する反射光の強度をモニタする反射光モニタ部と、
   前記照射光学系によりレーザ光が照射された前記加工面で発生する熱放射の強度をモニタする熱放射モニタ部と、
   前記反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が前記第１の所定値より下回っているとき、前記熱放射モニタ部によりモニタされた熱放射強度が第２の所定値より上回っているときは、前記レーザの出力パワーを正常動作時のパワーに制御する制御部と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 前記制御部は、前記熱放射モニタ部によりモニタされた熱放射強度が前記第２の所定値より上回っていて、前記反射光モニタ部によりモニタされた反射光強度が前記第１の所定値より上回っているとき、警報を発出することを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ加工装置。
   
   

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