JP7308355B2 - レーザ加工モニタ装置、レーザ加工モニタ方法、およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工モニタ装置、レーザ加工モニタ方法、およびレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工装置では、レーザ加工の良否判定を行う技術が用いられている。具体的には、レーザ加工装置は、被加工物に対してレーザ光を照射する加工ヘッドに内蔵された受光素子または光センサを有している。被加工物の加工点付近で発生または反射する被測定光は、加工ヘッド内の光学系を介して光センサに受光される。レーザ加工装置は、光センサの光電変換により得られる電気信号（センサ出力信号）に所定の信号処理を行い、これにより、レーザ加工の良否判定を行う。

この種のレーザ加工モニタリング技術は、撮像素子を用いて加工点付近の加工状況を画像解析する技法に比してハードウェアおよびソフトウェアが簡便であるだけでなく、信号処理技術の工夫次第でモニタリングの質的向上も図れるようになっている。たとえば、レーザ溶接においては、溶融部の微妙な挙動および変化を精細に監視または解析することも可能となっている。

特開２００７－３００３２号公報

しかしながら、本発明者らが上記のようなレーザ加工モニタリング技術の研究開発を進める中で、光センサの光電変換特性の誤差がモニタリング性能の向上にとって大きな足かせになってきた。すなわち、光センサに用いられるフォトダイオードの光電変換特性は、不可避的に経時変化を生じ、さらには周囲温度等の環境条件によっても左右される。フォトダイオードの光電変換特性が変わると、被加工物側から同じ光強度の被測定光を受光しても、それを光電変換して得られるセンサ出力信号の値が変わる。そのため、ディジタル式の信号処理技術を如何に高性能化しても、レーザ加工についての精細な監視および解析ができず、適確な良否判定ができない。

この問題に対処するため、本発明者らは次のような校正法を用いてきた。先ず、レーザ加工装置の出荷時またはセッティング時に、初期化の一環として、基準の被加工サンプルに基準パワーのレーザ光を照射する。そして、加工ヘッド内の光センサより得られるセンサ出力信号の波形をたとえば図１８Ａのような基準波形ＳＷとして取得する。

次いで、図１８Ｂのように、基準波形ＳＷの全区間（または一部の区間）で基準波形ＳＷの値から一定の許容範囲（±δ）だけ上下にオフセットした上下限値エンベロープＪＷ＋δ，ＪＷ－δを設定する。図示の許容範囲±δは、図解を容易にするため拡大しているが、実際には校正精度を上げるために限りなく小さな範囲にエンベロープ設定を行う。

以後、当該光センサの校正を行うときは、同一の被加工サンプルに同一基準パワーのレーザ光を照射し、それによって得られるセンサ出力信号の波形ＲＷをモニタ画面（メンテナンス画面）上に上下限値エンベロープＪＷ＋δ，ＪＷ－δと併せて表示する。そして、センサ出力信号の波形ＲＷがたとえば図１８Ｃのように上下限値エンベロープＪＷ＋δ，ＪＷ－δの外にはみ出たときは、上下限値エンベロープＪＷ＋δ，ＪＷ－δの内側（許容範囲）に収まるように現場関係者が画面入力等の操作によりセンサ出力のゲイン調整を行う。

しかしながら、上記のような光センサ校正法は有効な解決策にならないことが判明した。すなわち、校正時に光センサが受光する試験光の放射源にはレーザ発振部および被加工サンプルが関与し、試験光の光路にはレーザ光学系が介在する。このため、初期取得の基準波形ＳＷと現時に取得のセンサ出力信号の波形ＲＷとの間に生じる誤差には、光センサの光電変換特性の変動分だけでなく、それらの関与要素または介在要素の光学的特性または物理的特性の変動分も含まれている。そのため、光センサの光電変換特性に絞った校正を行うことができない。しかも、校正用の試験光の光強度が常に一定のものであるとの保証はない。したがって、光センサの光電変換特性の誤差を正しく補正することはできない。また、光センサの校正にレーザ発振部および被加工サンプルを関与させるため、校正作業が面倒で大掛かりである。

さらに、上記のような光センサ校正法は、装置固有の基準波形ＳＷと現時取得のセンサ出力信号の波形ＲＷとの相対比較に基づいて校正を行うものであり、光センサの校正基準値が装置毎に異なる。このため、モニタリングの性能および精度における、実際に示す値と本来示すべき値との差は、同一製品の光センサを用いる同機種のレーザ加工装置の個体差として、バラつきを生じさせている。つまり同機種のレーザ加工装置の器差が同機種間でバラつくので、同一の加工条件設定下での同一品質評価ができない。

本発明の一態様のレーザ加工モニタ装置は、被加工物に対して加工ヘッドよりレーザ加工用のレーザ光を照射している時に、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する所定の被測定光を前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置される光センサにより光電変換して前記被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を取得し、前記センサ出力信号に基づいて前記レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ装置であって、前記加工ヘッドに設けられ、前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源と、前記基準光源に前記基準光を発生するための調整可能な電力を供給する基準光源電源部と、前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源からの前記基準光を受光する受光部を有し、受光した前記基準光の光強度または前記光強度に対応する所定の物理量を測定する光測定器とを有する。

本発明の一態様のレーザ加工モニタ装置においては、レーザ加工のモニタリング用の光センサを加工ヘッド備え付けの基準光源を用いて校正し、この基準光源を装置備え付けの光測定器を通じて校正するので、基準光源の電光変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正し、光センサの光電変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正することができる。

本発明の一態様のレーザ加工モニタ方法は、被加工物に対して加工ヘッドよりレーザ加工用のレーザ光を照射している時に、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する被測定光を前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置される光センサにより光電変換して前記被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を取得し、前記センサ出力信号に基づいて前記レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ方法であって、前記加工ヘッドに組み込まれ、または前記加工ヘッドに近接して配置されるセンサユニット内に前記光センサを設けること、前記センサユニットに、前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源を取り付けること、前記レーザ加工を行う時は、前記センサユニット内に前記被加工物の加工点と前記光センサとを光学的に結ぶための第１の光路を設定すること、前記光センサの校正を行う時は、前記センサユニット内に前記基準光源と前記光センサとを光学的に結ぶための第２の光路を設定すること、前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源より放射される前記基準光を光測定器の受光部に入射させて、前記光測定器の測定値が基準値に一致するように、前記基準光源の出力を調整することを含む。

本発明の一態様のレーザ加工モニタ方法においては、レーザ加工のモニタリングを行うときはセンサユニット内に第１の光路を設定して光センサに被加工物側からの被測定光を入射させ、光センサを校正するときはセンサユニット内に第２の光路を設定して光センサに基準光源からの基準光を入射させる。そして、基準光源を校正するときは、光測定器の受光部に基準光源からの基準光を入射させる。これにより、基準光源の電光変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正し、光センサの光電変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正することができる。

本発明の一態様のレーザ加工装置は、レーザ加工用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部と光ファイバケーブルを介して光学的に接続され、前記レーザ発振部からの前記レーザ光を被加工物の加工点に集光照射する加工ヘッドと、レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ部とを備え、前記レーザ加工モニタ部は、前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置され、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する所定の被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を出力する光センサと、前記光センサからの前記センサ出力信号についてディジタルの波形データを生成し、前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を表示出力するセンサ信号処理部と、前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源と、前記基準光源に前記基準光を発生するための調整可能な電力を供給する基準光源電源部と、前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源からの前記基準光を受光する受光部を有し、受光した前記基準光の光強度または前記光強度に相当する所定の物理量を測定する光測定器とを有する。

本発明の一態様のレーザ加工装置においては、レーザ加工モニタ部の光センサを装置備え付けの基準光源を用いて校正し、この基準光源を装置備え付けの光測定器を通じて校正するので、基準光源の電光変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正し、光センサの光電変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正することができる。このようにレーザ加工モニタ部のモニタリング性能が向上することにより、レーザ加工について適格な良否判定を行うことができる。

本発明の一態様のレーザ加工モニタ装置またはレーザ加工モニタ方法によれば、上記のような構成および作用により、レーザ加工のモニタリングに用いられる光センサに対する校正の精度、再現性および作業性を改善し、モニタリング性能を向上させることができる。

本発明の一態様のレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、レーザ加工について適格な良否判定を行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタ装置を含むレーザ加工装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、黒体の放射スペクトル分布を示すグラフ図である。 図３は、ステンレス鋼にパルスレーザ光を照射してその溶融部から発せられた赤外線強度のスペクトル分布を示す図である。 図４は、実施形態におけるレーザ加工モニタ部のモニタリング機能を検証するための実験１の様子とその実験で取得されたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。 図５は、上記モニタリング機能を検証するための実験２の様子とその実験によって取得されたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。 図６は、上記モニタリング機能を検証するための実験３の様子とその実験によって取得されたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。 図７Ａは、実施形態における基準光源の一構成例を示す断面図である。 図７Ｂは、実施形態における基準光源の別の構成例を示す断面図である。 図８は、実施形態の校正部において、第２の光路を選択するために光路切替部の折り返しミラーが第２の位置に切り替えられている状態を模式的に示す図である。 図９は、上記校正部において、第３の光路を選択するために光路切替部の折り返しミラーが第３の位置に切り替えられている状態を模式的に示す図である。 図１０は、好適な構成例の光路切替部が内蔵されているセンサユニットの外観を示す斜視図である。 図１１は、図１０のセンサユニットの側面図である。 図１２は、図１０のセンサユニットに内蔵されている光路切替部をある角度から見たときの斜視図である。 図１３は、光路切替部を別の角度から見たときの斜視図である。 図１４は、光路切替部を基準光源側から見たときの側面図である。 図１５は、図１４のＡ－Ａ線についての断面図である。 図１６Ａは、校正部の第１モードにおける光路切替部の各部の位置関係を示す要部の縦断面図である。 図１６Ｂは、第２モードにおける光路切替部の各部の位置関係を示す要部の縦断面図である。 図１６Ｃは、第３モードにおける光路切替部の各部の位置関係を示す要部の横断面図である。 図１７は、実施形態におけるレーザ加工モニタ部の一変形例を示す図である。 図１８Ａは、従来技術の光センサ校正法の第１段階のモニタ画面を模式的に示す図である。 図１８Ｂは、従来技術の光センサ校正法の第２段階のモニタ画面を模式的に示す図である。 図１８Ｃは、従来技術の光センサ校正法の第３段階のモニタ画面を模式的に示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

［レーザ加工装置全体の構成］
図１に、本発明の一実施形態のレーザ加工モニタ装置を含むレーザ加工装置の全体の構成を示す。このレーザ加工装置は、たとえば、被加工物Ｗに対して高出力のＣＷレーザ光またはパルスレーザ光を照射し、被加工物Ｗの加工点Ｑをレーザのエネルギーにより溶かして所望のレーザ溶融加工を行うレーザ加工機として構成されている。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４、光ファイバケーブル１６、電気ケーブル１８、加工ヘッド２０、操作パネル２２およびレーザ加工モニタ部（実施形態のレーザ加工モニタ装置）２４を有している。

このレーザ加工装置において、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４および操作パネル２２は、通常は一箇所に集約または近接して配置され、装置本体を構成する。一方、加工ヘッド２０は、装置本体から分離独立したユニットとして構成され、光ファイバケーブル１６の長さに応じたエリア内で任意の加工場所に配置される。

レーザ加工モニタ部２４は、主要な機能つまりモニタリング機能のための基本構成として制御部１４、操作パネル２２、センサ信号処理部２６およびセンサユニット３０を含むほか、センサユニット３０に内蔵される光センサ５０を校正するための校正部３２として基準光源１００、基準光源電源１０２、光測定器１０４および光路切替部１０５を備えている。

レーザ発振器１０は、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザあるいは半導体レーザからなる。レーザ発振器１０は、被加工物Ｗに対してたとえばレーザスポット溶接を施すときは、制御部１４の制御の下でレーザ電源１２より励起電力の供給を受けて内蔵の媒質を励起し、その媒質に固有の波長を有するパルスのレーザ光ＬＢを発振出力する。レーザ発振器１０で発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバケーブル１６を介して加工ヘッド２０に伝送される。

加工ヘッド２０は、ヘッド本体である出射ユニット２８と、出射ユニット２８にユニット接続開口４５を介して一体または着脱可能に結合されるセンサユニット３０とを有している。出射ユニット２８は、筒状の筐体を有している。出射ユニット２８の筐体の上端部は、レーザ発振器１０からの光ファイバケーブル１６に接続され、出射ユニット２８の筐体の下端のレーザ出射口は、直下の被加工物Ｗに向けられる。出射ユニット２８の筐体の中には、レーザ光学系としてコリメートレンズ３８、ダイクロイックミラー４０、集束レンズ４２および保護ガラス４４が上から下に向かって縦一列に配置されている。ここで、保護ガラス４４はレーザ出射口に取り付けられている。ダイクロイックミラー４０は、ユニット接続開口４５に向けて４５°斜めに傾いて配置されている。ダイクロイックミラー４０には、光ファイバケーブル１６からのレーザ光ＬＢを透過し、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近からの被測定光および可視光を反射する誘電体多層膜がコーティングされている。

レーザ加工時には、光ファイバケーブル１６の中を伝播してきたレーザ光ＬＢが、出射ユニット２８内で光ファイバケーブル１６の終端面より一定の広がり角で垂直下方に射出される。レーザ光ＬＢは、コリメートレンズ３８を通り抜けて平行光となり、ダイクロイックミラー４０を透過してから集束レンズ４２および保護ガラス４４を通って集束され、被加工物Ｗの加工点Ｑに入射する。そうすると、レーザ光ＬＢのレーザエネルギーにより加工点Ｑ付近が溶融・凝固して、そこに溶接ナゲットひいては溶接継手が形成される。溶接継手は、たとえば突き合せ継手、Ｔ型継手、Ｌ字継手、重ね継手など任意であり、ユーザにより選択される。

センサユニット３０も、一体型または組立型の筒状の筐体を有している。センサユニット３０の筐体の中には、筐体の上端部に光センサ５０が設けられ、光センサ５０の直下にモニタ光学系として折り返しミラー４６、ダイクロイックミラー５８および集光レンズ４８が下から上に向かって縦一列に配置されている。ここで、折り返しミラー４６は、ユニット接続開口４５と同じ高さ位置で４５°斜めに傾けて配置されている。校正部３２の光路切替部１０５は、ダイクロイックミラー５８と集光レンズ４８との間に設けられている。

ダイクロイックミラー５８は、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近をモニタ撮影するために設けられている。ダイクロイックミラー５８は、ダイクロイックミラー５８の側方に設けられる折り返しミラー６０と同じ高さ位置に、４５°斜めに傾けて配置されている。このダイクロイックミラー５８には、被測定光を透過し、可視光を反射する誘電体多層膜がコーティングされている。折り返しミラー６０も４５°斜めに傾いて配置され、折り返しミラー６０の直上には、ＣＣＤカメラ６２が取り付けられている。ＣＣＤカメラ６２より出力される画像信号は、電気ケーブル６４を介してディスプレイ装置６６に送られる。ディスプレイ装置６６は、一般に装置本体側に配置される。図示省略するが、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近に可視光のガイド光を照射する光学系をセンサユニット３０に組み込むことも可能である。

この実施形態における光センサ５０は、光電変換素子としてたとえばフォトダイオード５６を備えている。光センサ５０は、特定帯域の波長を有する光ＬＭのみを透過してそれ以外の光を遮断する波長フィルタまたはバンド・パス・フィルタ５４をフォトダイオード５６の前段（下）に備えている。光センサ５０の背後には、増幅・出力回路７０の基板が設けられている。

レーザ加工時には、出射ユニット２８よりレーザ光ＬＢが照射される被加工物Ｗの加工点Ｑ付近から広帯域の波長を有する電磁波（光）が放射される。被加工物Ｗから放射される電磁波の中で垂直上方に向かう電磁波のうち、出射ユニット２８内で集束レンズ４２を通ってダイクロイックミラー４０で水平方向に反射した光がユニット接続開口４５を通ってセンサユニット３０内に導かれる。センサユニット３０内に導かれた光のうち、折り返しミラー４６で垂直上方に反射してからダイクロイックミラー５８を透過した光が、光路切替部１０５および集光レンズ４８を通ってバンド・パス・フィルタ５４に入射する。そして、バンド・パス・フィルタ５４によって選択された所定帯域の波長成分を有する光ＬＭが、フォトダイオード５６の受光面に集光入射する。この場合、光路切替部１０５は、被加工物Ｗの加工点Ｑと光センサ５０とが図１において一点鎖線で示す第１の光路Ｋ１で光学的に結ばれるように切り替えられている。

また、出射ユニット２８からユニット接続開口４５を通ってセンサユニット３０に入った光のうち、可視光は、折り返しミラー４６で垂直上方に折り返される。折り返された可視光は、図１において破線で示すようにダイクロイックミラー５８で水平方向に反射され、折り返しミラー６０で垂直上方に折り返されてＣＣＤカメラ６２の撮像面に入射する。ＣＣＤカメラ６２の前に集光レンズ（図示せず）が設けられてもよい。ＣＣＤカメラ６２の出力信号（映像信号）はディスプレイ装置６６に送られ、ディスプレイ装置６６の画面上に被加工物Ｗの加工点Ｑ付近の画像が表示される。

光センサ５０において、バンド・パス・フィルタ５４を透過する波長帯域は、単一のフォトダイオード５６を用いるモニタリング法において、感度、汎用性、コスト性等を総合的に勘案し、被加工物Ｗについて選択され得る複数種類の材料および多種多様な加工形態について加工点付近の溶接特性に対する所定の要因の影響を放射エネルギーの強度ないし変化として捉えるのに最も適した帯域に設定されるのが好ましい。

この点に関しては、図２に示すような周知の黒体放射スペクトル分布を好適に用いることができる。図２のグラフのように、黒体が放射する電磁波のスペクトルと表面温度との間には一定の関係がある。物体の温度が高いと放射エネルギーのピークは短波長へシフトし、低いと長波長にシフトし、かつ温度の変化に対してピークの放射エネルギーが指数関数的に変化する。このグラフによれば、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長は約１８００ｎｍである。

一方で、本発明者らが、鉄系のステンレス鋼（融点が約１５００℃）にレーザ光を照射した際に検出される１０００ｎｍ以上の光の強度（相対的カウント値）を加工点に対して様々な角度位置から測定し、スペクトル分布をスペクトラム・アナライザにより分析した結果を図３に示す。スペクトラム・アナライザの表示波形は、検出された１０００ｎｍ以上の光の強度について経時的な区別をせずに、それぞれのピーク値を相対強度として示すものである。示された波形は、測定時の角度位置に応じて波形全体が示す強度が異なっていたものの、一定の特性が得られた。これによれば、当該ステンレス鋼の溶融部から発せられる赤外線の強度（放射エネルギー密度）は、約１０００ｎｍ～１１００ｎｍの帯域にわたる急峻な山形の特性と、約１２００ｎｍ～２５００ｎｍの帯域にわたるブロードな山形の特性をもつ。後者のブロードな山形の特性に着目すると、ピーク点の波長は約１８００ｎｍであり、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長（約１８００ｎｍ）と概ね近似している。

このことから、被加工物Ｗの材質として想定され得る複数種類の金属について、それぞれの融点を指標とすることにより、図２のグラフを参照して、単一のフォトダイオード５６を用いるレーザ加工モニタ法における実用上の最適な波長帯域を決定することができる。一例として、レーザ溶融加工の主な材料である鉄系金属、銅系金属、アルミ系金属の融点がそれぞれ概ね１５００℃前後、１０００℃前後、６００℃前後であることから、図２において１．３μｍ（１３００ｎｍ）～２．５μｍ（２５００ｎｍ）の帯域を光センサ５０によって光電変換される波長帯域としてよい。

再び図１において、センサユニット３０内の増幅・出力回路７０より出力されたセンサ出力信号ＣＳは、電気ケーブル１８を介して装置本体側のセンサ信号処理部２６に伝送される。センサ出力信号ＣＳは、Ａ／Ｄ変換器８２によりディジタル信号に変換され、演算処理部８４でディジタルの信号処理を受ける。

演算処理部８４は、特定の演算処理を高速に行えるハードウェアまたはミドルウェアの演算処理装置、好ましくはＦＰＧＡ（フィード・プログラマブル・ゲートアレイ）からなる。演算処理部８４は、データメモリ８８を用いてセンサ出力信号ＣＳの瞬時的な電圧値を放射光の強度を表すカウント値（相対値）に換算し、換算値をディジタルの波形データＤＣＳとして生成する。生成された波形データＤＣＳは、データメモリ８８に保存される。演算処理部８４は、波形データＤＣＳに基づいて、制御部１４を介して操作パネル２２の表示部２２ａのディスプレイ上にセンサ出力信号ＣＳの波形を表示する。あるいは、演算処理部８４は、後述する良否判定の処理も実行して、判定結果をセンサ出力信号ＣＳの波形と一緒に表示するようになっている。制御部１４は、演算処理部８４から与えられた波形データＤＣＳおよび判定結果のデータを映像信号に変換して操作パネル２２の表示部２２ａのディスプレイ上にセンサ出力信号ＣＳの波形や判定結果情報等の画像を表示する。

このように、この実施形態のレーザ加工モニタ部２４によれば、被加工物の加工点が溶融状態に達する際の放射光（赤外線）をモニタリングの対象としている。そして、放射光を温度換算せずに、加工時の放射光量の変化を特定の帯域における瞬時的な積分値またはカウント値に換算して表示することにより、被加工物の加工状況を波形として可視化するようにしている。

操作パネル２２は、たとえば、液晶ディスプレイからなる表示部２２ａと、キーボード式またはタッチパネル式の入力部２２ｂとを有し、制御部１４の表示制御の下で設定画面、モニタ画面、メンテナンス画面等を表示する。たとえば、設定画面の一つとして、レーザ光ＬＢの設定条件に対応するレーザ出力波形を表示部２２ａのディスプレイ上に表示する。また、モニタ画面の一つとして、表示部２２ａのディスプレイ上に、たとえば後述する図４～図６に示すように、レーザ加工モニタ部２４において強度変化を損なわずに取得した非常に精細なセンサ出力信号の波形を可視化して表示する。さらには、メンテナンス画面の一つとして、光学センサ５０の出力に対するゲイン調整（ディジタルゲイン調整）を画面上で行えるようになっている。

［レーザ加工モニタ部のモニタリング機能］
本発明者らは、この実施形態におけるレーザ加工モニタ部２４のモニタリング機能を検証するために、図４～図６にそれぞれ示すような実験１，２，３を行った。各図に示す波形は、操作パネル２２の表示部２２ａのモニタ画面上に表示されたセンサ出力信号ＣＳの波形である。波形の中で細かなジグザグを描いている部分は、加工点付近で金属の溶融が生じ、溶融池の波面からの放射光乱れが検出されていることを示している。時間軸上で右肩上がりに増大する波形がピークに達した時点はレーザ光ＬＢの照射を止めた時点であり、この時点から波形が立ち下がる。

実験１（図４）は厚さ１．０ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）Ｗ１，Ｗ２を横に２枚並べたものを被加工物Ｗとし、パルスレーザ光を用いて突き合せ溶接を行った。この突き合せ溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍ、レーザ出力を５００Ｗ、パルス幅を２０ミリ秒とした。そして、被加工物Ｗ１，Ｗ２間にギャップ（隙間）がない場合（ａ）と、スポット径０．３ｍｍの３０％値である０．０９ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とで、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の突き合せ溶接の加工特性に対するギャップ（特定要因）の影響をレーザ加工モニタ部２４においてどのように監視・解析できるかを検証した。

突き合せ部にギャップがない場合（ａ）の波形とギャップがある場合（ｂ）の波形とを比較する。前者（ａ）は波形の立ち上がり開始直後の検出開始点が高く、波形の立ち下りが比較的緩やかである特性を有している。一方、後者（ｂ）は波形の立ち上がり開始直後の検出開始点が低く、波形の立ち下りが比較的急峻である特性を有している。この現象は、以下のことを示している。すなわち、突き合せ部にギャップがある場合（ｂ）には、金属のない箇所（ギャップ）にもレーザ光が入射されるので、照射点でのスポット径に対してギャップが存在することにより溶融池を形成する溶融金属量が少なくなる現象が生じる。溶融池付近から検出される放射光にも溶融金属量の差が放射光量の差になって現れて、波形の立ち上がり直後の検出開始点が低くなる。また、ギャップを透過する透過光と共に蒸発金属が飛んでしまう現象により、溶融金属量が少なくなるので、ギャップがある場合には、波形の立ち下りが速く検出される。

実験２（図５）は、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）Ｗ１，Ｗ２を２枚重ねたものを被加工物Ｗとし、パルスレーザ光を用いて重ね溶接を行った。この重ね溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍ、レーザ出力を５００Ｗ、パルス幅を４５ミリ秒とした。そして、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）間にギャップがない場合（ａ）と被加工材（Ｗ１，Ｗ２）間にスポット径０．３ｍｍの２０％値である０．０６ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とで、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の重ね溶接の加工特性に対するギャップ（特定要因）の影響の有無ないし程度をどのように監視・解析できるかを検証した。

この重ね溶接において０．０６ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とない場合（ａ）とを比較する。波形の右肩上り部分においては放射光の強度変化を識別しにくいものであったが、波形の立ち下り部分、すなわちパルスレーザの照射を止めた後においては、ギャップがある場合（ｂ）の方が、ギャップがない場合（ａ）よりも、波形の立ち下りが緩やかであった。この現象は、以下のことを示している。すなわち、重ね溶接において、被加工材にギャップがない場合（ａ）は、照射レーザ光が１枚目の金属Ｗ１を溶融して貫通した後にそのまま２枚目の金属Ｗ２を溶融に移行するように作用すると考えられる。一方で、被加工材に微小なギャップがある場合（ｂ）には、ギャップに存在する空気層の影響により被加工材における熱引きが金属層間にギャップがない場合（ａ）と比べて遅れることにより波形の立ち下りが緩やかに検出される。

実験３（図６）は、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３０４の板材Ｗ１，Ｗ２を隙間なく２枚重ねたものを被加工物Ｗとし、パルスレーザ光を用いて重ね溶接を行った。この重ね溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍとし、レーザ出力およびパルス幅をパラメータとした。すなわち、レーザ出力については、３００Ｗ～５５０Ｗまで５０Ｗ刻みで６段階の値を選択し、パルス幅について２５ミリ秒、３５ミリ秒、４５ミリ秒の３段階の値を選択した。そして、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の重ね溶接の加工特性に対するレーザ出力（第１の特定要因）およびパルス幅（第２の特定要因）の影響をどのように監視・解析できるかを検証した。

図６から、レーザ光ＬＢのレーザ出力設定値を大きくするほどセンサ出力信号ＣＳの波形により示される放射光強度も比例して増大し、かつ、レーザ光ＬＢのレーザ出力設定値を大きくするほどセンサ出力信号ＣＳの波形の立ち下りが遅れることが分かる。さらに、パルス幅を大きくするほどセンサ出力信号の波形により表示される放射光強度（特に立ち下り直前の最大ピーク値）がより高くなるという相関性が看取できる。これにより、レーザ加工における被加工物からの放射光が、数十Ｗ単位、１０ミリ秒単位で、正確に検出される。

上記のように、この実施形態のレーザ加工モニタ部２４によれば、レーザ加工時に操作パネル２２のモニタ画面上に表示されるセンサ出力信号ＣＳの波形特性から当該レーザ加工におけるレーザ光ＬＢの作用の監視・解析、当該レーザ加工の加工状態または加工品質に関係する所定の要因の影響度の監視・解析、当該レーザ溶接加工についての良否判定等を簡明かつ精細に行うことができる。

［校正部の構成及び作用］
ところで、この実施形態のレーザ加工モニタ部２４は、加工ヘッド２０に組み込まれたセンサユニット３０に受光素子または光センサ５０を内蔵している。しかしながら、この光センサ５０を構成するフォトダイオード５６の光電変換特性は、不可避的に経時変化を生ずるだけでなく周囲温度等の環境条件によっても左右される。フォトダイオード５６の光電変換特性が変わると、被加工物Ｗ側から同じ光強度の被測定光ＬＭを受光しても、それを光電変換して得られるアナログのセンサ出力信号ＣＳの値が変わる。そのため、センサ信号処理部２６が如何に高性能なものであっても、モニタ画面上に提供されるセンサ出力信号ＣＳの波形情報の精度および信頼性は低く、レーザ加工について精細な監視・解析や適確な良否判定ができない。

この問題に対処するために、本実施形態のレーザ加工モニタ部２４は、センサ５０の光電変換特性の経時変化や環境条件に応じた変動に対して精度および信頼性の高い校正を可能とする校正部３２を備えている。以下、校正部３２の構成および作用について詳しく説明する。

図１に示すように、校正部３２は、センサユニット３０の内外に設けられる基準光源１００、基準光源電源１０２、光測定器１０４および光路切替部１０５により構成されている。

基準光源１００は、被測定光ＬＭの波長を含む赤外線を発生する光源であり、好ましくは図２の理想黒体の放射スペクトル分布に近い放射特性を有する。

図７Ａに、基準光源１００の好適な構成例を示す。この基準光源１００は、黒体放射の可能な赤外線発光素子１１０を有している。この赤外線発光素子１１０は、表層部が晶質体で構成されている発光ダイオードからなり、該晶質体の表面には黒体層（黒体膜）が析出形成されている。この黒体層表面は好ましくは樹枝状に形成され、樹枝状表面から多方向に放射光が発せられることにより、結果的に放射方向に偏在がなく、信頼性の高い基準光が得られ、かつ極短時間での発熱（発光）が可能である。また、樹枝状表面の表面積が大きくて放熱性が高いため、発光停止時の熱の拡散速度も速く、繰り返し使用時にも出力低下のない安定的な黒体光源として使用できる。この基準光源１００において、１０７はコリメートレンズ、１１２は筐体、１１４は内部電気配線、１１５はコネクタ、１１６は回路基板、１１８は筒状保持部、１２０は開口部、１２２はサーミスタ、１２４は保護ガラス、１２６は永久磁石（ユニット３０に筐体１１２を脱着可能に固着するためのもの）である。

図７Ｂの基準光源１００は、筒状保持部１１８を軸方向に拡張してその中に拡散板１２８を配置している。それ以外の構成は、図７Ａのものと同じである。赤外線発光素子１１０の発光面より一定の広がり角で出射される光（基準光）は、拡散板１２８を透過して外へ出ることで、指向性の高い放射光になる。したがって、コリメートレンズ（１０７）が不要となる。

再び図１において、基準光源電源１０２は、基準光源１００に供給する可変の励起電力を通じて、基準光源１００の発生する基準光のパワーおよび発振モード（連続波または繰り返しパルス）を任意に制御することができる。光測定器１０４は、周知のパワーメータまたは光量計でよく、受光部１０４ａで受光した光のパワーまたは光束を測定してその測定値を本体１０４ｂのディスプレイ１０４ｃに数値で表示するようなっている。

光路切替部１０５は、被加工物Ｗの加工点Ｑと光センサ５０とを光学的に結ぶ第１の光路Ｋ１、基準光源１００と光センサ５０とを光学的に結ぶ第２の光路Ｋ２または基準光源１００と光測定器１０４の受光部１０４ａとを光学的に結ぶ第３の光路Ｋ３を選択するために切り替えられるようになっている。

この切替機能を実現するために、光路切替部１０５は、第１の光路Ｋ１を選択するために第１の光路Ｋ１から退避する第１の位置Ｐ１（図１）と、第２の光路Ｋ２を選択するために第１の光路Ｋ１を遮断して基準光源１００からの基準光を光センサ５０に向けて反射する第２の位置Ｐ２（図８）と、第３の光路Ｋ３を選択するためにその光路Ｋ３から退避する第３の位置Ｐ３（図９）との間で移動可能な１個（または複数個）の折り返しミラー１０６を有している。

この実施形態においては、光路切替部１０５が、センサユニット３０の筐体内でダイクロイックミラー５８と集光レンズ４８との間に設けられる。基準光源１００と光測定器１０４の受光部１０４ａとが、光路切替部１０５に隣接してセンサユニット３０の筐体の側壁に取り付けられる。光測定器１０４の受光部１０４ａの前に、光センサ５０のバンド・パス・フィルタ５４と同一または同様の波長選択特性を有する光学フィルタ１０３を配置してもよい。基準光源電源１０２および光測定器１０４の本体１０４ｂは、センサユニット３０の外に設けられる。

次に、校正部３２の作用について説明する。校正部３２には、当該レーザ加工装置の稼働状況や現場関係者の判断等によって選択される３つのモードがある。すなわち、レーザ加工のモニタリング中に光センサ５０の受光および光電変換に干渉しない第１モード、基準光源１００を用いて光センサ５０の校正を行う第２モードおよび光測定器１０４を用いて基準光源１００の校正を行う第３モードがある。

第１モードでは、上記のように、光路切替部１０５の折り返しミラー１０６を図１に示す第１の位置Ｐ１に切り替える。基準光源１００、基準光源電源１０２および光測定器１０４はオフ状態に置かれる。装置本体側では各部が動作し、特にセンサ信号処理部２６、制御部１４および操作パネル２２では上記のようにセンサ出力信号ＣＳにする波形表示処理が行われる。

第２モードは、レーザ加工モニタリングの合間に随時または定期的に選択（実施）される。このモードでは、光路切替部１０５の折り返しミラー１０６を図８に示す第２の位置Ｐ２に切り替えるとともに、基準光源電源１０２をオンにして基準光源１００より基準光を発生させる。この時、基準光源電源１０２は、今回の第２のモードに先立つ第３のモードで調整または更新されたボリューム位置の励起電力を基準光源１００に供給する。

第２モードでは、装置本体側でも、レーザ発振器１０およびレーザ電源１２を除いて各部を動作させる。もっとも、センサ信号処理部２６、制御部１４および操作パネル２２は、センサユニット３０より送られてくるセンサ出力信号ＣＳに対して、第１のモードにおけるような波形表示処理の機能ではなく、パワーまたは光束の測定値（測定カウント値）を数値で表示してゲイン調整を行うための校正機能に切り替えられる。

第２モードにおいて、基準光源１００より放射される基準光は、第２の光路Ｋ２を通って光センサ５０に導かれる。より詳しくは、基準光源１００より水平方向に放射された基準光は、光路切替部１０５の折り返しミラー１０６によって垂直上方に折り返される。そして、垂直上方に折り返された基準光は集光レンズ４８を介して光センサ５０のバンド・パス・フィルタ５４に入射し、このフィルタ５４を通り抜けた特定波長帯域の光がフォトダイオード５６に入射する。フォトダイオード５６は、受光した基準光の中から選択した波長を光電変換してアナログのセンサ出力信号ＣＳを出力する。このセンサ出力信号ＣＳは、上記と同様に後段の増幅・出力回路７０で増幅されてから電気ケーブル１８を介して装置本体側のセンサ信号処理部２６に送られる。

センサ信号処理部２６では、Ａ／Ｄ変換器８２によりディジタル信号に変換されたセンサ出力信号ＣＳに基づいて、センサ信号処理部２６が光センサ５０によって光電変換された基準光の光強度または光束の測定値つまり測定カウント値を演算して、データメモリ８８に格納する。制御部１４は、データメモリ８８から測定カウント値を読み出し、操作パネル２２の表示部２２ａのディスプレイ上に測定カウント値を表示する。

第２モードを実施する現場関係者は、表示部２２ａのモニタ画面（メンテナンス画面）に表示された測定カウント値を読み取る。現場関係者は、測定カウント値が所定の基準カウント値に一致するように、操作パネル２２上の入力操作により、光センサ５０の出力に対するゲイン調整またはオフセット調整を行う。

第３モードは、レーザ加工モニタリングの合間またはその最中に随時または定期的に選択（実施）され、第２のモードの直前に選択（実施）される。このモードでは、光路切替部１０５の折り返しミラー１０６を図９に示す第３の位置Ｐ３に切り替えるとともに、基準光源１００、基準光源電源１０２および光測定器１０４をそれぞれオンにする。装置本体側の各部はすべてオフ状態を保つ。基準光源１００より放射される基準光は、第３の光路Ｋ３を通って光測定器１０４の受光部１０４ａに入射する。この時、基準光源電源１０２は、前回の第３のモードで調整（更新）されたボリューム位置の励起電力を基準光源１００に供給する。

第３モードを実施する現場関係者は、光測定器１０４のディスプレイ１０４ｃに表示される基準光の測定値を読み取り、その測定値が光センサ５０の出力として予め設定されている絶対基準値に一致するかどうかをチェックする。現場関係者は、不一致であれば、測定値と絶対基準値とが一致するように基準光源電源１０２のボリューム位置を調整（更新）する。こうして、基準光源１００より放射される基準光の光強度が、光測定器１０４を介して絶対基準値に校正される。なお、通常の光測定器１０４は別途校正管理することで、その測定精度が保証されている。

基準光源１００は上記のように発光ダイオード等の半導体素子からなり、その電光変換特性が不可避的に経時変化を生じ、あるいは環境条件に応じて変動する。したがって、基準光源電源１０２より定常的に一定の励起電力が基準光源１００に供給されるときは、却って基準光源１００より放射される基準光の光強度が不所望かつ不定に変化する。この実施形態の校正部３２によれば、第３モードにより基準光源１００の電光変換特性の変化や変動を随時またはこまめに補正できる。そのため、第２モード（光センサ５０の校正）の際には常に基準光源１００より精度の高い基準光を光センサ５０に与えることができる。

上記のように、この実施形態のレーザ加工モニタ部２４は、センサユニット３０に内蔵される光センサ５０の校正に装置備え付けの基準光源１００を使用し、さらに基準光源１００を装置備え付けの光測定器１０４で校正するようにしている。このレーザ加工モニタ部２４においては、基準光源１００の電光変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正することができる。また、光センサ５０の光電変換特性が経時変化しあるいは環境条件によって変動してもこれを適時・適確に補正することができる。これにより、光センサ５０に対する校正の精度、再現性および作業性を大きく改善し、モニタリング性能を飛躍的に向上させることができる。また、光センサ５０の校正基準値を光測定器１０４の絶対基準値とするので、機差のないモニタリング性能を得ることができる。

さらに、この実施形態では、センサユニット３０内で光センサ５０の近くに光路切替部１０５を設けるとともに、光路切替部１０５に隣接してセンサユニット３０の筐体の側壁に基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａを取り付けている。これにより、センサユニット３０の分解や光センサ５０の取り外しを伴わずに光センサ５０の光電変換特性に絞った校正を簡便かつ安全に行うことができる。また、レーザ加工現場において、センサユニット３０内の光センサ５０およびモニタ光学系を周囲の塵埃環境に晒すことなく、光センサ５０の校正および基準光源１００の校正を日常点検または定期点検でこまめに行うことができる。

［光路切替部の好適な構成例］
上記したように、この実施形態のレーザ加工モニタ部２４では、センサユニット３０内に光センサ５０と一緒に（好ましくはその近くに）光路切替部１０５が設けられている。以下に、図１０～図１６Ｃを参照して、光路切替部１０５の好適な構成例を説明する。

図１０および図１１に、センサユニット３０の要部の外観構成を示す。図示のセンサユニット３０の筐体は、下から上に向かって縦一列に接続される下部円筒部１３０、中間角筒部１３２、上部円筒部１３４およびセンサボックス１３６によって構成されている。

下部円筒部１３０の中には、モニタ光学系の折り返しミラー４６およびダイクロイックミラー５８（図１）が収容される。中間角筒部１３２の側壁には、基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａが取り付けられるとともに、回転ノブ１３８が回転可能に設けられる。ここで、基準光源１００と回転ノブ１３８は、互いに向き合って中間角筒部１３２の対向する側面に位置している。光測定器１０４の受光部１０４ａは、中間角筒部１３２の周回方向において基準光源１００と回転ノブ１３８との間の側面に位置している。この構成例による光路切替部１０５は、中間角筒部１３２の中に設けられる。上部円筒部１３４の中にはモニタ光学系の集光レンズ４８（図１）が収容される。センサボックス１３６の中には光センサ５０が収容される。

このように、基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａがセンサユニット３０の内側に収容されるのではなく外から側壁に取り付けられ、光路切替部１０５の回転ノブ１３８もセンサユニット３０の側壁の外に設けられている。校正部３２を装備することでセンサユニット３０の内部空洞（光路）のサイズ（特に横幅サイズ）が実質的に増すわけではない。

図１２～図１５はこの実施例による光路切替部１０５の構成を示し、図１２および図１３は斜視図、図１４は側面図、図１５は図１４のＡ－Ａ線についての断面図である。

図１２および図１３に示すように、光路切替部１０５は筒状のミラー支持体１４０と複数のミラーを有し、ミラーに対向する孔がある。具体的にミラー支持体１４０は、第１の光路Ｋ１と直角に交差する方向（Ｘ方向）に延びていて、軸線ＨＸの回りに回転可能になっている。ミラー支持体１４０の一方の端面１４０ａには端面開口１４２が形成されている。端面開口１４２が基準光源１００の放射を臨むように取り付けられる。反対側の端面１４０ｂは閉塞され、この端面１４０ｂの中心部から回転軸１４４が軸線ＨＸ上（Ｘ方向）に突出している。回転ノブ１３８は、センサユニット３０の外側で回転軸１４４の先端に取り付けられる。

ミラー支持体１４０の側面には、周回方向に間隔を置いて３つの側面開口１４６，１４８，１５０が形成されている。第１および第２の側面開口１４６，１４８は互いに向き合い、両者の中間に第３の側面開口１５０が位置している。

ミラー支持体１４０の内側には、端面開口１４２と対向する端面１４０ｂの内側に第１の折り返しミラー１０６Ａが設けられるとともに、第３の側面開口１５０と対向する側面の内側に第２の折り返しミラー１０６Ｂが設けられている。ここで、第１の折り返しミラー１０６Ａは、基準光源１００より端面開口１４２を通って導入される基準光を斜めの入射角で受けて所定の方向つまり第２の折り返しミラー１０６Ｂに向けて反射するように所定の傾斜角で配置されている。一方、第２の折り返しミラー１０６Ｂは、第１の折り返しミラー１０６Ａからの基準光を斜めの入射角で受けて第３の側面開口１５０の外に向けて反射するように所定の傾斜角で配置されている。

図１６Ａ～図１６Ｃに示すように、基準光源１００は筒状の取付部材１６０を介して中間角筒部１３２の側壁に固定される。取付部材１６０とミラー支持体１４０の先端部との間には軸受１６２が設けられている。一方、ミラー支持体１４０の回転軸１４４と中間角筒部１３２の側壁との間に軸受１６４が設けられている。センサユニット３０の外で回転ノブ１３８を回すと、中でミラー支持体１４０が両軸受１６２，１６４に支持されながら軸線ＨＸの回りで回転するようになっている。

ミラー支持体１４０の回転位置は、校正部３２の３種類のモードに応じて３通り（または２通り）に選択される。第１モードでは、第１の光路Ｋ１を選択するために、第１および第２の側面開口１４６，１４８が垂直方向で相対向して第１の光路Ｋ１上に位置するように、ミラー支持体１４０の回転位置が選択または調整される。

図１６Ａに、第１モードにおける光路切替部１０５の各部の位置関係を示す。この場合、第１および第２の折り返しミラー１０６Ａ，１０６Ｂは第１の位置Ｐ１にセットされる。ここで、第２の折り返しミラー１０６Ｂは、第１の折り返しミラー１０６Ａと同様に起立した姿勢をとって第１の光路Ｋ１の傍らに退避する。

ダイクロイックミラー５８（図１）を透過して下部円筒部１３０内を伝播してきた被測定光は、光路切替部１０５において下側の側面開口１４８からミラー支持体１４０の中に入る。ミラー支持体１４０の中に入った被測定光は、第１および第２の折り返しミラー１０６Ａ，１０６Ｂの傍を通り抜け、上側の側面開口１４６からミラー支持体１４０の外へ抜け出る。こうして光路切替部１０５を通り抜けた被測定光は、そのまま上部円筒部１３４内を伝播し、集光レンズ４８を通って光センサ５０に入射する。

第２モードでは、第２の光路Ｋ２を選択するために、第３の側面開口１５０が光センサ５０と対向するように、ミラー支持体１４０の回転位置が選択または調整される。

図１６Ｂに、第２モードにおける光路切替部１０５の各部の位置関係を示す。この場合、第１および第２の折り返しミラー１０６Ａ，１０６Ｂは第２の位置Ｐ２にセットされる。ここで、第２の折り返しミラー１０６Ｂは、Ｚ方向に最も低い位置をとり、第３の側面開口１５０を介して直上の光センサ５０と対向する。第１の折り返しミラー１０６Ａは、光路切替部１０５の回転に連動し、斜め下向きになり基準光源１００と向き合う。

基準光源１００から放射された基準光は、端面開口１４２からミラー支持体１４０の中に入ると、そのまま直進して内奥の第１の折り返しミラー１０６Ａに斜めの入射角で入射し、そこで斜め下方に反射して第２の折り返しミラー１０６Ｂに斜めの入射角で入射する。そして、第２の折り返しミラー１０６Ｂに入射した基準光は、そこで垂直上方に向けて反射し、第３の側面開口１５０から外へ出る。こうして第３の側面開口１５０から外に出た基準光は、そのまま上部円筒部１３４内を伝播し、集光レンズ４８を通って光センサ５０に入射する。

第３モードでは、第３の光路Ｋ３を選択するために、第３の側面開口１５０が光路切替部１０５の真横に位置している光測定器１０４の受光部１０４ａと水平方向（Ｙ方向）で対向するように、ミラー支持体１４０の回転位置が選択または調整される。

図１６Ｃに、第３モードにおける光路切替部１０５の各部の位置関係を示す。この場合、第１および第２の折り返しミラー１０６Ａ，１０６Ｂは第３の位置Ｐ３にセットされる。ここで、第２の折り返しミラー１０６Ｂは、Ｙ方向に反射面が設定されて、第３の側面開口１５０を介して真横に位置する光測定器１０４の受光部１０４ａと対向する。第１の折り返しミラー１０６Ａは、光路切替部１０５の回転に連動し、基準光源１００と向き合う。

基準光源１００からの基準光は、端面開口１４２を通ってミラー支持体１４０の中に入ると、そのまま直進して正面内奥の第１の折り返しミラー１０６Ａに斜めの入射角で入射し、そこで斜め横に反射して第２の折り返しミラー１０６Ｂに斜めの入射角で入射する。そして、第２の折り返しミラー１０６Ｂに入射した基準光は、さらに斜め横（Ｙ方向）に反射し、第３の側面開口１５０から外へ出る。こうして基準光は、回転軸線ＨＸと直交する水平方向（Ｙ方向）に光路切替部１０５から抜け出て、光測定器１０４の受光部１０４ａに入射する。

なお、上述した説明ではミラー支持体１４０の回転位置が第１モードと第３モードとで１８０°違っていたが、同じ（共通）にすることも可能である。すなわち、図１６Ａに示す回転位置から１８０°回転させると、ミラー支持体１４０の回転位置は図１６Ｃと同じになる。このようにミラー支持体１４０の第１モードにおける回転位置（第１の位置Ｐ１）と第３モードにおける回転位置（第３の位置Ｐ３）とを同じ（共通）に設定することで、第１モード（レーザ加工のモニタリング）と第３モード（基準光源１００の校正）を同時に実施することも可能である。

この場合は、図１６Ｃに示すように、光路切替部１０５内部の中心付近で、第２の折り返しミラー１０６Ｂから光測定器１０４の受光部１０４ａに向かう横方向の第３の光路Ｋ３と下方のダイクロイックミラー５８を通り抜けて上方の光センサ５０に向かう縦方向の第１の光路Ｋ１とが垂直に交差するが、相互に干渉することはない。

この構成例の光路切替部１０５は、上記のように端面および側面に複数の開口を有する回転可能な筒状のミラー支持体１４０の内部に折り返しミラー１０６（１０６Ａ，１０６Ｂ）を搭載している。ミラー支持体１４０の回転位置を選択または調整することにより、折り返しミラー１０６（１０６Ａ，１０６Ｂ）を第１、第２および第３の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に選択的に移動させている。これにより、第１、第２および第３の光路Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を択一的に、または第１および第３の光路（Ｋ１，Ｋ３）もしくは第２の光路Ｋ２のいずれかを選択できるようにしている。かかる構成によれば、センサユニット３０の限られた空洞内で所要の光路選択または切替を効率的かつスムーズに行うことができる。

［他の実施形態又は変形例］
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、光路切替部１０５、基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａの配置構成を種種変形または変更することは可能である。すなわち、基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａ、光路切替部１０５のいずれかまたは全部をセンサユニット３０内または加工ヘッド２０内で光センサ５０から離して設ける構成や、基準光源１００および光測定器１０４の受光部１０４ａの少なくとも一方をセンサユニット３０に脱着可能に取り付ける構成も可能である。

さらには、図１７に示すように、センサユニット３０に基準光源１００を脱着可能に取り付けるとともに、光測定器１０４の受光部１０４ａをセンサユニット３０から分離して配置し、センサユニット３０の外で基準光源１００の校正を行うことも可能である。

あるいは、上記好適な構成例（図１０～図１６Ｃ）の光路切替部１０５を備える場合は、第３モードにおける第１および第２の折り返しミラー１０６Ａ，１０６Ｂの第３の位置Ｐ３を第２の位置Ｐ２と上下反転する位置（つまり第２の折り返しミラー１０６Ｂの反射面が第３の側面開口１５０を介して直下のダイクロイックミラー５８側を向く位置）に設定することも可能である。この場合、光測定器１０４の受光部１０４ａは、出射ユニット２８のレーザ出射口の近傍に配置される。これによって、第３の光路Ｋ３は、基準光源１００→光路切替部１０５→ダイクロイックミラー５８→折り返しミラー４６→ユニット接続開口４５→ダイクロイックミラー４０→集束レンズ４２→保護ガラス４４→光測定器１０４の受光部１０４ａとなる。

また、センサユニット３０において、基準光源１００と光測定器１０４の受光部１０４ａとを、光路切替部１０５を挟んで対向させ、光路切替部１０５の折り返しミラー１０６を１個で済ますこともできる。この場合、単一の折り返しミラー１０６を、第１の光路Ｋ１を選択するために第１の光路Ｋ１から退避する第１の位置Ｐ１と、第２の光路Ｋ２を選択するために傾斜角４５°で第１の光路Ｋ１を遮断して基準光源１００からの基準光を光センサ５０に向けて反射する第２の位置Ｐ２との間で移動可能とする構成を採ることができる。更に、この場合は、折り返しミラー１０６の第１の位置Ｐ１を第３の光路Ｋ３からも退避する位置に設定することで、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３とを共通にすることもできる。

上記実施形態のレーザ加工装置は、センサユニット３０を出射ユニット２８に一体結合して加工ヘッド２０に組み込んでいる。しかし、センサユニット３０を出射ユニット２８から分離して独立のユニットとし、被加工物Ｗに向けて加工ヘッド２０または出射ユニット２８の近くに配置する構成も可能である。

そのようにセンサユニット３０を独立ユニットとする場合は、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近で発生または反射する被測定光を直接取り込むように、センサユニット３０のモニタ光学系の前段（ユニット端面）に入射窓が設けられる。そして、この場合は、光測定器１０４の受光部１０４ａだけでなく基準光源１００もセンサユニット３０の外で使用することができる。すなわち、第２のモードにおいて、センサユニット３０の入射窓に外から基準光源１００の放射面を当て（向け）、基準光源１００より放射される基準光を入射窓からセンサユニット３０の中に取り込み、取り込んだ基準光を内部のモニタ光学系を介して内奥の光センサ５０に受光させることが可能である。これによって、センサユニット３０から光路切替部（１０５）を省くことができる。

上記実施形態におけるレーザ加工モニタ部２４は、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近から放射される赤外線を被測定光とした。しかし、被加工物Ｗの加工点Ｑ付近から放射されるプラズマ光や加工点Ｑ付近からの反射光（加工用のレーザ光が反射したもの）あるいは可視光を被測定光とすることも可能である。したがって、基準光源１００は黒体放射光源に限定されず、被測定光の波長帯域に応じた放射特性を有する各種発光ダイオードまたは半導体レーザを使用できる。その場合、基準光源１００と光センサ５０とを光学的に結ぶ第２の光路Ｋ２上には、使用する基準光源の放射特性あるいは被測定光の波長に応じた波長選択特性のバンド・パス・フィルタまたは光学フィルタを設けることができる。

本発明のレーザ加工モニタ方法または装置は、レーザ溶接を行うレーザ加工装置への適用に限定されず、他のレーザ加工たとえばレーザ切断、レーザろう付け、レーザ焼入れ、レーザ表面改質等を行うレーザ加工装置にも適用可能である。

本願の開示は、２０２０年４月７日に出願された特願２０２０－０６８８５３号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (18)

1. 被加工物に対して加工ヘッドよりレーザ加工用のレーザ光を照射している時に、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する所定の被測定光を前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置される光センサにより光電変換して前記被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を取得し、前記センサ出力信号に基づいて前記レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ装置であって、
   前記加工ヘッドに設けられ、前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源と、
   前記基準光源に前記基準光を発生するための調整可能な電力を供給する基準光源電源部と、
   前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源からの前記基準光を受光する受光部を有し、受光した前記基準光の光強度または前記光強度に相当する所定の物理量を測定する光測定器と
   を有するレーザ加工モニタ装置。
2. 前記光センサを内蔵して、前記加工ヘッドに組み込まれ、または前記加工ヘッドに近接して配置されるセンサユニットを有し、
   前記基準光源および前記光測定器の前記受光部の少なくとも一方が前記センサユニットに取り付けられる、
   請求項１に記載のレーザ加工モニタ装置。
3. 前記センサユニット内に、前記被加工物の加工点と前記光センサとを光学的に結ぶ第１の光路、前記基準光源と前記光センサとを光学的に結ぶ第２の光路または前記基準光源と前記光測定器の受光部とを光学的に結ぶ第３の光路を選択するための光路切替部が設けられている、請求項２に記載のレーザ加工モニタ装置。
4. 前記第２の光路上に、前記被測定光の波長を含む所定の波長帯域を選択して通す光学フィルタが設けられる、請求項３に記載のレーザ加工モニタ装置。
5. 前記加工ヘッドは、前記センサユニットにユニット接続開口を介して一体または着脱可能に結合される出射ユニットを有し、
   前記出射ユニットには、前記レーザ光を前記被加工物の加工点に向けて照射するとともに、前記加工点付近からの前記被測定光を前記レーザ光から分離して前記ユニット接続開口に通す第１の光学系が設けられ、
   前記センサユニットには、前記出射ユニットから前記ユニット接続開口を介して入ってくる前記被測定光を前記光センサに導くための第２の光学系が設けられる、
   請求項３または請求項４に記載のレーザ加工モニタ装置。
6. 前記光路切替部は、前記センサユニット内で前記第２の光学系の中または前記第２の光学系よりも前記光センサに近接して設けられ、
   前記基準光源および前記光測定器の受光部は、前記光路切替部の近傍に設けられる、
   請求項５に記載のレーザ加工モニタ装置。
7. 前記光路切替部は、
   前記第１の光路と交差する第１の軸線の回りに回転可能な筒状のミラー支持体と、
   前記基準光源からの前記基準光を導入するために、前記ミラー支持体の第１の端面に形成されている端面開口と、
   前記ミラー支持体の側面に相対向して形成されている第１および第２の側面開口と、
   周回方向において前記第１の側面開口と前記第２の側面開口との間で前記ミラー支持体の側面に形成されている第３の側面開口と、
   前記端面開口と対向して前記ミラー支持体の第２の端面の内側に配置され、前記基準光源より前記端面開口を介して導入される前記基準光を斜めの入射角で受けて所定の方向に反射する第１の折り返しミラーと、
   前記第３の側面開口と対向して前記ミラー支持体の側面の内側に配置され、前記第１の折り返しミラーからの前記基準光を斜めの入射角で受けて前記第３の側面開口の外に向けて反射する第２の折り返しミラーと
   を有し、
   前記第１の光路を選択するときは、前記第１および第２の側面開口が前記光センサと対向するように前記ミラー支持体の回転位置を選択または調整し、
   前記第２の光路を選択するときは、前記第３の側面開口が前記光センサと対向するように前記ミラー支持体の回転位置を選択または調整し、
   前記第３の光路を選択するときは、前記第３の側面開口が前記光測定器の受光部と対向するように前記ミラー支持体の回転位置を選択または調整する、
   請求項３～６のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタ装置。
8. 前記基準光源は、前記ミラー支持体の前記端面開口と対向して前記センサユニットの側壁に取り付けられ、
   前記光測定器の受光部は、前記ミラー支持体の側面と対向して前記センサユニットの側壁に取り付けられる、
   請求項７に記載のレーザ加工モニタ装置。
9. 前記ミラー支持体の前記第２の端面から突出する回転軸に回転ノブが結合されている、
   請求項７または請求項８に記載のレーザ加工モニタ装置。
10. 前記光路切替部は、前記第１の光路を選択するために前記第１の光路から退避する第１の位置と、前記第２の光路を選択するために前記第１の光路を遮断して前記基準光源からの前記基準光を前記光センサに向けて反射する第２の位置との間で移動可能な１個または複数個の折り返しミラーを有する、請求項３～６のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタ装置。
11. 前記光路切替部は、前記第３の光路を選択するために前記折り返しミラーを前記第１の位置に移動させる、請求項１０に記載のレーザ加工モニタ装置。
12. 前記光路切替部は、前記第１の光路を選択するために前記第１の光路から退避する第１の位置と、前記第２の光路を選択するために前記第１の光路を遮断して前記基準光源からの前記基準光を前記光センサに向けて反射する第２の位置と、前記第３の光路を選択するために前記第３の光路から退避する第３の位置との間で移動可能な１個または複数個の折り返しミラーを有する、請求項３～６のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタ装置。
13. 前記基準光源は、前記被測定光の波長帯域を含む放射特性を有する発光ダイオードまたは半導体レーザを有する、請求項１～１２のいずれか一項記載のレーザ加工モニタ装置。
14. 前記基準光源は、放射特性が黒体に近い発光ダイオードまたは半導体レーザを有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタ装置。
15. 被加工物に対して加工ヘッドよりレーザ加工用のレーザ光を照射している時に、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する被測定光を前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置される光センサにより光電変換して前記被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を取得し、前記センサ出力信号に基づいて前記レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ方法であって、
    前記加工ヘッドに組み込まれ、または加工ヘッドに近接して配置されるセンサユニット内に前記光センサを設けること、
    前記センサユニットに、前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源を取り付けること、
    前記レーザ加工を行うときは、前記センサユニット内に前記被加工物の加工点と前記光センサとを光学的に結ぶ第１の光路を設定すること、
    前記光センサの校正を行うときは、前記センサユニット内に前記基準光源と前記光センサとを光学的に結ぶ第２の光路を設定すること、
    前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源より放射される前記基準光を光測定器の受光部に入射させて、前記光測定器の測定値が基準値に一致するように、前記基準光源の出力を調整すること
    を含むレーザ加工モニタ方法。
16. 前記光測定器の前記受光部を前記センサユニットに取り付け、前記基準光源の校正を行うときは、前記加工ヘッド内に前記基準光源と前記受光部とを光学的に結ぶ第３の光路を設定することを含む、請求項１５に記載のレーザ加工モニタ方法。
17. 前記基準光源を前記センサユニットに脱着可能に取り付け、前記基準光源の校正を行う時は、前記基準光源を前記センサユニットから取り外し、前記センサユニットの外で前記基準光源より発生される前記基準光を前記光測定器の前記受光部に入射させることを含む、請求項１５に記載のレーザ加工モニタ方法。
18. レーザ加工用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、
    前記レーザ発振部と光ファイバケーブルを介して光学的に接続され、前記レーザ発振部からの前記レーザ光を被加工物の加工点に集光照射する加工ヘッドと、
    レーザ加工のモニタリングを行うレーザ加工モニタ部と
    を備え、
    前記レーザ加工モニタ部は、
    前記加工ヘッド内または前記加工ヘッドに近接して配置され、前記被加工物の加工点付近で発生または反射する所定の被測定光の光強度を表すセンサ出力信号を出力する光センサと、
    前記光センサからの前記センサ出力信号についてディジタルの波形データを生成し、前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を表示出力するセンサ信号処理部と、
    前記光センサを校正するための基準光を発生する基準光源と、
    前記基準光源に前記基準光を発生するための調整可能な電力を供給する基準光源電源部と、
    前記基準光源の校正を行うために、前記基準光源からの前記基準光を受光する受光部を有し、受光した前記基準光の光強度または前記光強度に相当する所定の物理量を測定する光測定器と
    を有するレーザ加工装置。

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