JP5737312B2 - レーザ出力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、出力検出手段で受光することで、当該レーザ光の出力状態を検出するレーザ出力検出装置に関する。

従来、レーザ出力検出装置は、レーザ光の出力状態を検出する為に、例えば、レーザ加工装置等に配設されている。レーザ加工装置においては、レーザ出力検出装置は、加工対象物を加工する為のレーザ光の出力（光強度）を検出することで、当該レーザ光による加工品質を自動的に管理している。

このようなレーザ出力検出装置に関する発明の一つとして、特許文献１記載の発明が知られている。特許文献１記載のレーザ出力検出装置は、当該レーザ光の出力を検出するフォトダイオードまでの光路上に、３枚の減光フィルタを並べて配置することで、レーザ光の光強度を所定の光強度まで減衰させるように構成されている。特許文献１記載のレーザ出力検出装置によれば、３枚の減光フィルタでレーザ光の光強度を減衰させることで、所定以上の強度のレーザ光を受光することによるフォトダイオードの故障を防止している。

特開平０８−０２９２５２号公報

しかしながら、特許文献１記載のレーザ出力検出装置では、所定以下の光強度に減衰した状態のレーザ光をフォトダイオードで受光する為に、３枚の減光フィルタを、レーザ光源からフォトダイオードまでの光路上に並べて配置しなければならない。従って、特許文献１記載のレーザ出力検出装置では、当該装置を構成する部品点数の増大を招き、当該装置の大型化を招いてしまう虞があった。

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、出力検出手段で受光することで、当該レーザ光の出力状態を検出するレーザ出力検出装置に関し、減光フィルタの数を抑え、小さなスペースに配設し得るレーザ出力検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る請求項１記載のレーザ出力検出装置は、レーザ光を生成するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を受光することにより、当該レーザ光の出力状態を検出する出力検出手段と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記出力検出手段へ反射する反射面を有するミラーと、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させることにより、当該レーザ光の光強度を減衰させる減光フィルタと、を有し、前記減光フィルタは、前記ミラーの反射面と対向し、前記レーザ光源から出射されたレーザ光と、前記ミラーの反射面により反射されたレーザ光と、の何れもが透過するように配置されており、前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸は、前記ミラーの反射面及び前記減光フィルタの表面に対して、所定角度で傾斜していることを特徴とする。

当該レーザ出力検出装置は、レーザ光源と、出力検出手段と、ミラーと、減光フィルタと、を有し、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、減光フィルタを透過させることにより、当該レーザ光の光強度を減衰させて、出力検出手段によって、当該レーザ光の出力状態を検出することができる。そして、当該レーザ出力検出装置によれば、前記減光フ ィルタは、前記ミラーの反射面と対向配置されており、前記レーザ光源から出射されたレーザ光と、前記ミラーの反射面により反射されたレーザ光と、の何れもが透過するように構成されている。従って、当該レーザ出力検出装置によれば、ミラーの反射面に対して入射する際と、ミラーの反射面によって反射された際の何れの場合でも、減光フィルタを透過することになるため、一枚の減光フィルタで、二枚の減光フィルタを光路上に並べた場合と同様以上の効果を奏させることができる。この結果、当該レーザ出力検出装置によれば、所定の光強度までに減光するために必要な減光フィルタの数を低減することができ、当該レーザ出力検出装置を、より小さなスペースに設置することが可能となる。
更に、当該レーザ出力検出装置によれば、前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸は、前記ミラーの反射面及び前記減光フィルタの表面に対して、所定角度で傾斜している。これにより、当該レーザ出力検出装置によれば、ミラーの反射面に対して入射する際と、ミラーの反射面によって反射された際に、レーザ光が減光フィルタ中を透過する光路を、長く確保することができ、当該レーザ光の光強度を十分に減衰させることができる。

本発明の一側面に係る請求項２記載のレーザ出力検出装置は、請求項１記載のレーザ出力検出装置であって、前記減光フィルタは、前記ミラーの反射面に対向しつつ、且つ、前記ミラーの反射面から所定の間隔を隔てた位置に配設されていることを特徴とする。

当該レーザ出力検出装置において、前記減光フィルタは、前記ミラーの反射面に対向しつつ、且つ、前記ミラーの反射面から所定の間隔を隔てた位置に配設されている。従って、当該レーザ出力検出装置によれば、ミラーの反射面に減光フィルタが直接接触することを防ぐことができ、ミラーの反射面が傷つくことを防ぐことができる。

本発明の一側面に係る請求項３記載のレーザ出力検出装置は、請求項１又は請求項２記載のレーザ出力検出装置であって、前記出力検出手段は、前記減光フィルタを透過し、前記ミラーの反射面によって反射されたレーザ光の屈折によるシフト量に基づく位置に配設されていることを特徴とする。

当該レーザ出力検出装置によれば、前記出力検出手段は、前記減光フィルタを透過し、前記ミラーの反射面によって反射されたレーザ光の屈折によるシフト量に基づく位置に配設されているので、出力検出手段によるレーザ光の出力に係る検出精度を高めることができる。

本実施形態に係るレーザマーカ１の平面図である。 本実施形態に係るレーザマーカ１の部分拡大図である。 反射ミラーユニット５０の構成を示す説明図である。 レーザ光Ｌのシフト量Ｄの算出に関する模式説明図である。 反射ミラーユニット５０と出力検出センサ３５の位置関係を示す説明図である。

以下、本発明に係るレーザ出力検出装置を、レーザマーカにおけるレーザ光の出力検出に適用した一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（レーザマーカの構成）
先ず、本実施形態に係るレーザマーカ１の構成について、図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態に係るレーザマーカ１は、金属板を加工して形成されたベースフレーム５に対して、レーザヘッドユニット１０と、シャッター２０と、ダンパー２５と、ダイクロイックミラーユニット３０と、出力検出センサ３５と、ガイド光源４０と、反射ミラーユニット５０と、ガルバノスキャナ６０と、集光レンズ６５と、を取り付けることによって構成されている。レーザマーカ１は、レーザヘッドユニット１０で生成されたレーザ光Ｌを、ガルバノスキャナ６０等を介して、加工対象物（ワーク）に照射し走査することで、加工対象物を任意に加工する。

レーザヘッドユニット１０は、レーザヘッド１１と、エキスパンダ１２と、冷却ユニット１５と、を有しており、加工対象物を加工する為のレーザ光Ｌを生成・出射する。レーザヘッド１１は、励起光を出射する半導体レーザを備え、半導体レーザから出射された励起光を入射し励起光に基づいて共振してレーザ光Ｌを出射する。レーザヘッド１１は、励起光のパワーを調整することによってレーザヘッド１１から出射するレーザ光Ｌの出力を制御する。

エキスパンダ１２は、レーザヘッド１１よりもレーザ光Ｌの出射方向下流側に配置されており、レーザヘッド１１からのレーザ光Ｌが入射される入射レンズと、レーザ光Ｌを出射する為の出射レンズと、を有している。エキスパンダ１２は、入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化可能に構成されており、加工対象物へ集光されるレーザ光Ｌの焦点位置を、光軸方向に移動可能に構成されている。

冷却ユニット１５は、ヒートシンク１６と、ファン１７と、ペルチェと、断熱板と、冷却板と、を有しており、レーザヘッド１１、エキスパンダ１２等に隣接して配設されている。ヒートシンク１６は、多数の放熱フィンを備えた放熱板であり、ファン１７は、ヒートシンク１６の放熱フィンに対して、送風する送風装置である。従って、冷却ユニット１５は、ファン１７によって、ヒートシンク１６の放熱フィンに対して送風することで、レーザ光Ｌの出射に伴い発熱したレーザヘッド１１等を冷却する。

尚、本実施形態においては、レーザヘッドユニット１０から出射されるレーザ光Ｌの波長は、１０６０ｎｍであり、本発明におけるレーザ光に相当する。しかしながら、本発明に係るレーザ光は、加工対象物を加工するものであればよく、その波長が上記の態様に限定されるものではない。

そして、シャッター２０は、レーザヘッドユニット１０からダイクロイックミラーユニット３０へと向かうレーザ光Ｌの光路上に配設されており、開閉可能に配設された遮光板によって、レーザ光Ｌの光路を遮断している。シャッター２０は、出力制御信号に基づいて、遮光板の開閉動作を行い、レーザ光Ｌの照射時を除き、レーザ光Ｌの光路を遮断している。そして、シャッター２０の遮光板表面には、鏡面加工が施されており、レーザ光Ｌの光路を遮断した場合、シャッター２０の遮光板は、レーザ光Ｌをダンパー２５に向かって反射する。そして、ダンパー２５は、シャッター２０の遮光板により反射されたレーザ光Ｌを吸収し、レーザ光Ｌの散乱を防止している。

ダイクロイックミラーユニット３０は、レーザヘッドユニット１０から出射されたレーザ光Ｌの光軸上であり、且つ、ガイド光源４０から出射されたガイド光の光軸上に配設されており、ダイクロイックミラー３１を有している。そして、ダイクロイックミラー３１は、特殊な光素材を用いて作成された鏡の一種で、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する性質を有している。

ダイクロイックミラー３１は、平面視で、レーザ光Ｌの光軸及びガイド光の光軸に対して、所定角度（それぞれ、４５度）を為すように保持されている。従って、ガイド光は、ガイド光源４０から出射されると、ダイクロイックミラー３１に対して、４５度の入射角で入射し、４５度の反射角で反射されて、ガルバノスキャナ６０へ到達する。又、レーザ光Ｌの一部は、レーザヘッドユニット１０から出射されると、ダイクロイックミラー３１に対して４５度の入射角で入射し、４５度の反射角で反射されて、反射ミラーユニット５０を介して、出力検出センサ３５の受光部３５Ａへ到達する。

従って、ダイクロイックミラーユニット３０は、「前記ガイド光源４０から出射されたガイド光を、前記ガルバノスキャナ６０へ反射するする機能」と、「前記レーザヘッドユニット１０から出射されたレーザ光Ｌの一部を、反射ミラーユニット５０を介して、前記出力検出センサ３５へ反射する機能」と、「レーザ光Ｌの内、前記出力検出センサ３５側へ反射されなかったレーザ光Ｌの一部を、前記ガルバノスキャナ６０に向けて透過する機能」と、の３つの機能を果たす。

出力検出センサ３５は、例えば、フォトダイオードにより構成されており、レーザヘッドユニット１０から出射されたレーザ光Ｌを、反射ミラーユニット５０を介して、受光部３５Ａで受光することで、レーザ光Ｌの出力パワーを検出する。出力検出センサ３５の検出結果は、レーザヘッドユニット１０の出力制御に用いられる。例えば、出力検出センサ３５が、所定の閾値より大きな出力パワーを検出した場合、レーザヘッドユニット１０は、レーザ光Ｌを出力しないように制御する。

ガイド光源４０は、レーザ光Ｌによる加工位置を加工対象物上に表示するガイド光を生成する光源装置であり、ＬＤ（レーザーダイオード）などの発光素子によって構成されている。ガイド光源４０から出射されるガイド光は、可視光のレーザ光であり、ガイド光の波長は、６４０ｎｍである。図１〜図３に示すように、ガイド光源４０は、ガイド光源４０から出力されたガイド光の光軸と、レーザヘッドユニット１０から出力されたレーザ光Ｌの光軸とが略直交するように、ベースフレーム５上に配設される。

反射ミラーユニット５０は、ダイクロイックミラーユニット３０によって反射されたレーザ光Ｌの一部を反射して、出力検出センサ３５の受光部３５Ａへ入射する。そして、反射ミラーユニット５０は、レーザ光Ｌを減光フィルタ５３に透過させることによって、ダイクロイックミラーユニット３０によって反射されたレーザ光Ｌの一部の光強度を減衰させる機能を果たす。従って、ダイクロイックミラーユニット３０によって反射されたレーザ光Ｌは、反射ミラーユニット５０で反射される過程で減衰して、出力検出センサ３５の受光部３５Ａへ入射される。反射ミラーユニット５０の構成については、後に図面を参照しつつ詳細に説明する。

ガルバノスキャナ６０は、Ｘ軸ガルバノミラーと、Ｙ軸ガルバノミラーと、を有しており、ダイクロイックミラーユニット３０を透過したレーザ光Ｌ及びダイクロイックミラーユニット３０に反射されたガイド光を、集光レンズ６５を介して、加工対象物に対して、Ｘ方向及びＹ方向に走査させる。Ｘ軸ガルバノミラーは、Ｘ軸ガルバノモータの回動制御により、レーザ光Ｌ及びガイド光をＹ軸ガルバノミラーに向けて反射して、加工対象物に対してＸ方向に走査させる。Ｙ軸ガルバノミラーは、Ｙ軸ガルバノモータの回動制御により、Ｘ軸ガルバノミラーに反射されたレーザ光Ｌ及びガイド光を集光レンズ６５に向けて反射して、加工対象物に対してＹ方向に走査させる。従って、加工対象物に向けて出射されるレーザ光Ｌ及びガイド光は、Ｘ軸ガルバノミラー及びＹ軸ガルバノミラーの回転制御により、加工対象物に対して、Ｘ方向及びＹ方向に走査される。

集光レンズ６５は、ガルバノスキャナ６０によって偏向されたレーザ光Ｌ及びガイド光を、加工対象物表面に集光し、走査する為のレンズであり、例えば、ｆθレンズによって構成される。そして、集光レンズ６５を介して集光されたレーザ光Ｌは、加工対象物をＸ方向及びＹ方向へ任意に走査可能である為、レーザマーカ１は、加工対象物に対して、ユーザの任意の加工を施すことができる。

（反射ミラーユニットの構成）
次に、反射ミラーユニット５０の構成について、図３を参照して説明する。上述したように、反射ミラーユニット５０は、反射ミラー５１と、スペーサ５２と、減光フィルタ５３と、ホルダ５４と、複数のネジ５５と、により構成されており、ダイクロイックミラーユニット３０によって反射されたレーザ光Ｌの一部を反射して、出力検出センサ３５の受光部３５Ａへ入射する。そして、反射ミラーユニット５０は、減光フィルタ５３を透過させることによって、ダイクロイックミラーユニット３０によって反射されたレーザ光Ｌの一部の光強度を減衰させる機能を果たす。

反射ミラー５１は、円板状に形成された鏡部材であり、入射された光を反射する反射面５１Ａを一面に有している。反射ミラー５１は、反射面５１Ａによって、ダイクロイックミラーユニット３０からの光を反射する。

スペーサ５２は、所定の厚みを有する円環状に形成されており、反射ミラー５１の反射面５１Ａ上に積層される。図４、図５に示すように、ダイクロイックミラーユニット３０からのレーザ光Ｌは、スペーサ５２中央部の開口部分を通過して、反射ミラー５１の反射面５１Ａに到達する。そして、スペーサ５２は、反射ミラー５１の反射面５１Ａと、減光フィルタ５３との間に配設されるので、反射ミラー５１の反射面５１Ａと、減光フィルタ５３との間に、所定の間隔を形成する。

減光フィルタ５３は、円板状に形成された光学フィルタであり、光が透過することにより、所定の減衰率で、当該光の光量を減少させる機能を有する。そして、減光フィルタ５３は、反射ミラー５１の反射面５１Ａ及び、スペーサ５２上に積層され、反射ミラー５１及びスペーサ５２よりもダイクロイックミラーユニット３０側に位置している。従って、ダイクロイックミラーユニット３０からのレーザ光Ｌは、先ず、減光フィルタ５３を透過して、反射ミラー５１の反射面５１Ａで反射される。そして、反射ミラー５１の反射面５１Ａで反射されたレーザ光Ｌは、再び減光フィルタ５３を透過して、出力検出センサ３５の受光部３５Ａへ出射される（図４、図５参照）。

ホルダ５４は、積層された反射ミラー５１、スペーサ５２、減光フィルタ５３を、ベースフレーム５に対して垂直な状態で、複数のネジ５５によって保持しつつ、ベースフレーム５上の所定位置に固定している。本実施形態において。反射ミラーユニット５０は、ホルダ５４をベースフレーム５上に固定することにより、ダイクロイックミラーユニット３０からのレーザ光Ｌの光軸と、反射ミラー５１の反射面５１Ａ及び減光フィルタ５３とのなす角が平面視で４５度となるように固定されている。

図４、図５に示すように、レーザマーカ１の反射ミラーユニット５０において、減光フィルタ５３は、反射ミラー５１の反射面５１Ａと対向配置されており、ダイクロイックミラーユニット３０からのレーザ光Ｌと、反射ミラー５１の反射面５１Ａにより反射されたレーザ光Ｌと、の何れもが透過する。即ち、本実施形態によれば、レーザ光Ｌの光軸上に２枚の減光フィルタ５３を並べた態様以上に、レーザ光Ｌの光量を減衰させることができる。

又、レーザマーカ１の反射ミラーユニット５０において、反射ミラー５１の反射面５１Ａ及び減光フィルタ５３は、ダイクロイックミラーユニット３０からのレーザ光Ｌの光軸に対して、平面視で４５度を為すように配置されている。従って、反射ミラー５１の反射面５１Ａで入射・反射される過程で、レーザ光Ｌは、減光フィルタ５３のフィルタ厚Ｔよりも長い光路で、減光フィルタ５３を透過する。この結果、レーザマーカ１によれば、レーザ光Ｌを減光フィルタ５３に対して斜入射させることで、レーザ光Ｌの光量を、より大きく減衰させることができる。

そして、反射ミラーユニット５０においては、反射ミラー５１の反射面５１Ａと、減光フィルタ５３の間に、スペーサ５２が配設されているので、反射ミラー５１の反射面５１Ａに減光フィルタ５３が直接接触することを防ぐ。この結果、レーザマーカ１によれば、減光フィルタ５３が反射ミラー５１の反射面５１Ａに直接接触することによって、反射ミラー５１の反射面５１Ａが傷つくことを防ぐことができる。

（シフト量Ｄの算出）
図４、図５に示すように、レーザ光Ｌは、反射ミラーユニット５０がレーザ光Ｌの光軸に対して所定角度で傾斜するように配設されている為、反射ミラー５１の反射面５１Ａに入射される前に、減光フィルタ５３を透過する時点で屈折する。更に、レーザ光Ｌは、反射ミラー５１の反射面５１Ａによって反射された後に、減光フィルタ５３を透過する時点においても屈折する。この結果、レーザ光Ｌは、減光フィルタ５３を用いずに、反射ミラー５１の反射面５１Ａで反射した場合と比べて、所定距離ずれた位置に至る。従って、レーザ光Ｌの出力を検出し、レーザ光Ｌの出力制御を行うためには、レーザ光Ｌのずれを考慮して、出力検出センサ３５を配置する必要がある。

ここで、本実施形態におけるレーザ光Ｌの光路と、減光フィルタ５３を用いずに、反射ミラー５１の反射面５１Ａで反射した場合を仮想したレーザ光Ｌの光路（以下、仮想光路Ｉ）とのズレ量を「シフト量Ｄ」という。

本実施形態において、レーザ光Ｌの出力を検出して、レーザ光Ｌの出力制御を行う為には、シフト量Ｄを算出する必要がある。図４に示すように、シフト量Ｄは、フィルタ厚Ｔと、第１角度αと、第２角度βと、を用いて、下記の式で算出することができる。
シフト量Ｄ＝（２×フィルタ厚Ｔ×ｓｉｎ（α−β））／ｃｏｓβ
・第１角度α：減光フィルタ５３に対する入射角（本実施形態においては４５度）
・第２角度β：減光フィルタ５３における屈折角
・フィルタ厚Ｔ：減光フィルタ５３の厚み

そして、減光フィルタ５３における屈折角（第２角度β）は、第１屈折率ＮＡと、第２屈折率ＮＢと、第１角度αとを用いて、下記の式により算出することができる。
第１屈折率ＮＡ×ｓｉｎα＝第２屈折率ＮＢ×ｓｉｎβ
・第１屈折率ＮＡ：空気における屈折率
・第２屈折率ＮＢ：減光フィルタ５３における屈折率
ここで、減光フィルタ５３に対するレーザ光Ｌの入射角は既知である為、第１角度αは既知の値であり、空気及び減光フィルタ５３の材質等を特定することもできるので、第１屈折率ＮＡ、及び第２屈折率ＮＢは、既知の値である。従って、上述の式により、第２角度βを特定することができる。

図５に示すように、本実施形態においては、上述した算出式により、シフト量Ｄを算出することができるので、出力検出センサ３５を、反射ミラーユニット５０によって反射されたレーザ光Ｌの光軸と、出力検出センサ３５の受光部３５Ａ中心とが一致するように配設することができる。この結果、レーザマーカ１によれば、出力検出センサ３５によるレーザ光Ｌの出力に係る検出精度を高めることができ、もって、レーザ光Ｌの出力制御を、より高い精度で行うことができる。

ここで、本実施形態に係るレーザヘッドユニット１０は、本発明に係る「レーザ光源」の一例であり、出力検出センサ３５は、本発明に係る「出力検出手段」の一例である。そして、本実施形態に係る反射ミラー５１は、本発明に係る「ミラー」の一例であり、減光フィルタ５３は、本発明に係る「減光フィルタ」の一例である。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば、本実施形態においては、レーザ光Ｌによって加工対象物を加工する為のレーザマーカ１に適用していたが、この態様に限定されるものではない。即ち、レーザ光Ｌの出力検出を必要とする装置であれば、種々の装置に、本発明を適用することができる。

又、本実施形態に係るレーザマーカ１においては、反射ミラーユニット５０は、反射ミラー５１の反射面５１Ａ上に、一枚の減光フィルタ５３を保持する構成であったが、この態様に限定されるものではない。例えば、複数枚の減光フィルタ５３を、反射ミラー５１の反射面５１Ａ上に保持する構成であってもよい。

１ レーザマーカ
１０ レーザヘッドユニット
３５ 出力検出センサ
５０ 反射ミラーユニット
５１ 反射ミラー
５２ スペーサ
５３ 減光フィルタ
Ｌ レーザ光
Ｉ 仮想光路
Ｄ シフト量

Claims (3)

1. レーザ光を生成するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を受光することにより、当該レーザ光の出力状態を検出する出力検出手段と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記出力検出手段へ反射する反射面を有するミラーと、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させることにより、当該レーザ光の光強度を減衰させる減光フィルタと、を有し、
   前記減光フィルタは、
   前記ミラーの反射面と対向し、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光と、前記ミラーの反射面により反射されたレーザ光と、の何れもが透過するように配置されており、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸は、
   前記ミラーの反射面及び前記減光フィルタの表面に対して、所定角度で傾斜している
   ことを特徴とするレーザ出力検出装置。
2. 請求項１記載のレーザ出力検出装置であって、
   前記減光フィルタは、
   前記ミラーの反射面に対向しつつ、且つ、前記ミラーの反射面から所定の間隔を隔てた位置に配設されている
   ことを特徴とするレーザ出力検出装置。
3. 請求項１又は請求項２のレーザ出力検出装置であって、
   前記出力検出手段は、
   前記減光フィルタを透過し、前記ミラーの反射面によって反射されたレーザ光の屈折によるシフト量に基づく位置に配設されている
   ことを特徴とするレーザ出力検出装置。

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