JP7324976B2 - レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置及びレーザ加工制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ発振器により出射されて光ファイバを通過したレーザ光をワークに向けて出射するレーザ加工ヘッド、当該レーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置、及び当該レーザ加工装置によるレーザ加工制御方法に関する。

特許文献１には、光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光を平行化するコリメートレンズと、前記コリメートレンズによって平行化されたレーザ光を集光して前記ワークに向けて出射する集光レンズと、前記ワークから反射して前記集光レンズによって平行化された反射光の一部を、前記コリメートレンズに向けて戻り光として反射させるとともに、当該反射光の残りを透過させるベンドミラーと、前記ベンドミラーを透過した反射光の光量を検出する光センサとを備えたレーザ加工ヘッドが開示されている。

特開２０１２－１７９６２号公報

ところで、特許文献１のようなレーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置では、一般に、ワークからの反射光の少なくとも一部は、戻り光としてコリメートレンズを透過し、光ファイバのコア又はクラッドを通過して発振器の内部、光ファイバの接続部、及び光ファイバのクラッドの外周に配設された保護層等、レーザ加工装置の複数箇所に逆に入射してしまう。そして、当該戻り光の入射光量が所定の許容値を超えた箇所には、損傷等の不具合が生じる。なお、通常のレーザ加工装置では、当該戻り光が入射する複数箇所における入射光量の許容値が異なる場合が多い。そのため、レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に取得し、各々の箇所の許容値と比較してその危険度を予知又は警告したいという要望がある。しかし、上記特許文献１では、ワークからの反射光の光量を検出するための光センサが１つしか設けられていないので、レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に取得できない。

本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に取得し、各々の箇所における入射光量の許容値に応じてその危険度を予知又は警告できるようにすることにある。

上記の目的を達成するため、本開示は、レーザ発振器により出射されて光ファイバを通過したレーザ光をワークに向けて出射するレーザ加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射された前記レーザ光を平行化するコリメートレンズと、前記コリメートレンズによって平行化された前記レーザ光を集光して前記ワークに向けて出射する集光レンズと、前記ワークから反射して前記集光レンズによって平行化された反射光を、前記コリメートレンズに戻る戻り光、第１分割光、及び第２分割光を含む複数の分割光に分割する光学系と、前記第１分割光のうち、前記ワークにおける反射角が第１の範囲内にある光を第１通過光として通過させる第１窓部が形成され、前記第１分割光のうち、前記ワークにおける反射角が第１の範囲外にある光を遮蔽する第１遮蔽部材と、前記第２分割光のうち、前記ワークにおける反射角が第１の範囲とは異なる第２の範囲内にある光を第２通過光として通過させる第２窓部が形成され、前記第２分割光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第２の範囲外にある光を遮蔽する第２遮蔽部材と、前記第１通過光の光量を検出する第１の光センサと、前記第２通過光の光量を検出する第２の光センサとを備えていることを特徴とする。

これにより、第１の光センサにより検出される光量は、ワークにおける反射角が第１の範囲内にある戻り光の光量に応じた値となり、第２の光センサにより検出される光量は、ワークにおける反射角が第２の範囲内にある戻り光の光量に応じた値となる。そして、ワークにおける反射角が第１の範囲内にある戻り光と、ワークにおける反射角が第２の範囲内にある戻り光とは、レーザ加工装置の異なる箇所に逆に入射する。第１及び第２の光センサにより検出される光量は、レーザ加工装置の異なる箇所における戻り光の入射光量に応じた値となる。したがって、レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に測定し、各々の箇所における入射光量の許容値に応じてその危険度を予知または警告することができる。

レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に取得し、各々の箇所における入射光量の許容値に応じてその危険度を予知または警告することができる。

本開示の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 レーザ加工ヘッドの構成を示す概略図である。 （ａ）は、第１遮蔽部材の平面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のIIIb－IIIb線における断面図である。 （ａ）は、第２遮蔽部材の平面図であり、（ｂ）は、図４（ａ）のIVb－IVb線における断面図である。 第１の光センサにより検出される光量を例示するグラフである。 第２の光センサにより検出される光量を例示するグラフである。 光ファイバ９０の出射端部の概略を示す断面図である。 実施形態２の図２相当図である。 （ａ）は、実施形態２の図４（ａ）相当図であり、（ｂ）は、実施形態２の図４（ｂ）相当図である。 （ａ）は、第３遮蔽部材の平面図であり、（ｂ）は、図９（ａ）のIXb－IXb線における断面図である。 （ａ）は、実施形態３の図３（ａ）相当図であり、（ｂ）は、実施形態３の図３（ｂ）相当図である。 （ａ）は、実施形態３の図４（ａ）相当図であり、（ｂ）は、実施形態３の図４（ｂ）相当図である。

以下、本開示の実施形態について図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

また、以降の説明において、「一致」するとは、厳密に一致するものの他、製造上の組立公差や加工公差を含んで一致するものも含まれる。なお、「概略平行」とは、厳密に平行するものの他に、ある所定の誤差の範囲で殆ど平行に近いものも含まれる。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置１００の構成を示し、レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド３０と、マニピュレータ６０と、コントローラ７０と、レーザ発振器８０と、光ファイバ９０とを備えている。

レーザ加工ヘッド３０は、光ファイバ９０からのレーザ光ＬＢをワークＷに照射する。マニピュレータ６０は、先端にレーザ加工ヘッド３０が取り付けられ、レーザ加工ヘッド３０を移動させる。コントローラ７０は、レーザ加工ヘッド３０の動作とマニピュレータ６０の動作と、レーザ発振器８０のレーザ発振を制御する。レーザ発振器８０は、発振によりレーザ光ＬＢを光ファイバ９０に出射する。光ファイバ９０は、レーザ発振器８０により出射されたレーザ光ＬＢをレーザ加工ヘッド３０に導く。このような構成により、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器８０から出射されたレーザ光ＬＢを、レーザ加工ヘッド３０及びマニピュレータ６０を動作させてワークＷに所望の軌跡で照射させる。

レーザ加工装置１００は、ワークＷの切断や溶接加工等を行うのに使用される。

レーザ加工ヘッド３０は、図２に示すように、光ファイバ９０の出射端面から出射された出射ビームＯＢ（レーザ光）を平行化してコリメートビームＣＢとして出射するコリメートレンズ３１と、コリメートレンズ３１によって出射されたコリメートビームＣＢ（レーザ光）を、ワークＷにおける加工点で焦点を結ぶように集光して加工ビームＰＢとしてワークＷに向けて出射するとともに、ワークＷからの反射光を平行化する第１の集光レンズ３２と、第１の集光レンズ３２とワークＷとの間に介在する保護ガラス３３とを備えている。図２中、θ０は、光ファイバ９０から実際に出射される出射ビームＯＢの出射角を示す。

コリメートレンズ３１と、第１の集光レンズ３２との間には、第１ミラー３４が、コリメートレンズ３１及び第１の集光レンズ３２の光軸ＯＡ１に対して所定の傾斜角度で傾斜した状態で配設されている。当該所定の傾斜角度は、任意に設定できるが、概略４５度に設定することが望ましい。第１ミラー３４は、コリメートレンズ３１によって出射されたコリメートビームＣＢの殆どを、第１の集光レンズ３２に向けて透過させる。第１ミラー３４は、コリメートビームＣＢの９９．０％以上を透過させるように構成するのが望ましい。また、第１ミラー３４は、ワークＷから反射して第１の集光レンズ３２を通過した反射光の一部を第１ミラー反射光ＲＢ１として反射させて、当該反射光の残りを通過させてコリメートレンズ３１に戻り光ＦＢとして出射する。第１ミラー３４としては、コリメートビームＣＢの反射を防止するための反射防止膜のコーティングをその両面に同様に施した石英ガラス製のミラーを用いることができる。当該反射防止膜における反射率はできるだけ低く設定することが望ましく、具体的には、１．０％以下に設定することが望ましい。図１では、ワークＷに入射するレーザビームのパワー密度が高くなるように、ワークＷを第１の集光レンズ３２の焦点の近傍に配置している。したがって、ワークＷから反射して第１の集光レンズ３２を通過した戻り光ＦＢが概略平行な光となる。しかし、ワークＷを第１の集光レンズ３２の焦点から離れた位置に配置し、ワークＷから反射して第１の集光レンズ３２を通過した戻り光ＦＢの一部だけが概略平行な光となるようにしてもよい。

第１ミラー３４から第１ミラー反射光ＲＢ１の出射方向に離れた箇所には、第２ミラー３５が第１ミラー３４と平行に配設されている。第２ミラー３５は、第１ミラー反射光ＲＢ１の一部を第２ミラー透過光ＴＢ２として透過させるとともに、当該第１ミラー反射光ＲＢ１の残りを第２ミラー反射光ＲＢ２として反射させる。したがって、第１ミラー３４と第２ミラー３５とで、ワークＷから反射して第１の集光レンズ３２によって平行化された反射光を、上記戻り光ＦＢ、第１分割光としての第２ミラー透過光ＴＢ２、及び第２分割光としての第２ミラー反射光ＲＢ２に分割する光学系が構成されている。第２ミラー３５における第１ミラー反射光ＲＢ１の反射率は、特に限定されないが、第２ミラー透過光ＴＢ２と第２ミラー反射光ＲＢ２とがほぼ均等になるように、５０％に設定することが望ましい。

第２ミラー３５から第２ミラー透過光ＴＢ２の出射方向に離れた箇所には、図３にも示す正方形板状の第１遮蔽部材３６が第２ミラー透過光ＴＢ２の光軸に垂直な状態で配設されている。第１遮蔽部材３６は、アルミニウム合金、銅、鉄、ステンレス等の金属、又は第２ミラー透過光ＴＢ２を透過させない性質の樹脂からなる。第１遮蔽部材３６の中央には、円形の第１窓部としての第１開口部３６ａが貫通形成されている。当該第１開口部３６ａの中心は、第２ミラー透過光ＴＢ２の光軸ＯＡ２に一致している。第１開口部３６ａの直径Ｄ１は、第２ミラー透過光ＴＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第１の範囲内にある光を第１通過光ＰＢ１として通過させるように設定される。また、第１遮蔽部材３６における第１開口部３６ａ非形成領域によって、第２ミラー透過光ＴＢ２の残り（すなわち、第２ミラー透過光ＴＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第１の範囲外にある光）が遮蔽される。すなわち、第１遮蔽部材３６は、直径Ｄ１を有する円形領域内に第１窓部（第１開口部３６ａ）を有し、この円形領域外に入射した光を遮蔽する。上記第１の範囲は、具体的には、０度以上で所定の第１設定角度ＳＡ１以下と対応する範囲とされる。第１設定角度ＳＡ１は、戻り光ＦＢのうち、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１となる光が、光ファイバ９０の出射端に戻った時に、最大受光角θ１と等しい入射角で光ファイバ９０に入射するように設定される。最大受光角θ１は、光ファイバ９０のコア９１（図６参照）を逆方向に（レーザ発振器８０に向けて）伝搬可能な光の入射角の最大値である。すなわち、このθ１は、光ファイバ９０のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）と対応するものである。したがって、第１開口部３６ａの直径Ｄ１は、その全体が光ファイバ９０のコア９１（図６参照）を逆方向（レーザ発振器８０側）へ伝搬可能な入射ビームの最大の直径と対応する。また、図３中、Ｄ０は、戻り光ＦＢのうち、光ファイバ９０から実際に出射される出射ビームＯＢと逆の経路で戻った時の入射ビームの直径と対応する。

第１遮蔽部材３６から第２ミラー透過光ＴＢ２の出射方向に離れた箇所には、第２の集光レンズ３７が第１遮蔽部材３６と平行に配設されている。第２の集光レンズ３７の光軸は、第１開口部３６ａの中心（第２ミラー透過光ＴＢ２の光軸ＯＡ２）と一致している。

第２の集光レンズ３７から第２ミラー透過光ＴＢ２の出射方向に離れた箇所には、第１の光センサ３８がその受光面を第２の集光レンズ３７に対向させた状態で配設されている。第１の光センサ３８の受光面は、第２の集光レンズ３７の焦点に位置していることが望ましいが、この限りではない。第１の光センサ３８により検出される光量は、第１通過光ＰＢ１の光量となる。

また、第２ミラー３５から第２ミラー反射光ＲＢ２の出射方向に離れた箇所には、図４にも示す正方形板状の第２遮蔽部材３９が第２ミラー反射光ＲＢ２の光軸に垂直な状態で配設されている。第２遮蔽部材３９も、アルミニウム合金、銅、鉄、ステンレス等の金属、又は第２ミラー反射光ＲＢ２を透過させない性質の樹脂からなる。第２遮蔽部材３９には、共通の点を中心とする半円弧状に延びる長孔状の１対の第２窓部としての第２開口部３９ａが、その開放側を互いに対向させた状態で互いに間隔を空けて貫通形成されている。両第２開口部３９ａの間隔ＤＥ１は、両第２開口部３９ａによって囲まれた円形の領域を支持するための機械的強度を確保できる範囲で、短く設定することが好ましい。両第２開口部３９ａの内周縁の直径Ｄ１は、第１遮蔽部材３６の第１開口部３６ａの直径Ｄ１と同じである。第２開口部３９ａの径方向の位置及び幅は、第２ミラー反射光ＲＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第２の範囲内にある光を第２通過光ＰＢ２として通過させるように設定される。第２の範囲は、具体的には、第１設定角度ＳＡ１を超え、かつ所定の第２設定角度ＳＡ２以下となる範囲とされる。また、第２遮蔽部材３９における第２開口部３９ａ非形成領域によって、第２ミラー反射光ＲＢ２の残り（すなわち、第２ミラー反射光ＲＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第２の範囲外にある光）が遮蔽される。すなわち、第２遮蔽部材３９は、直径Ｄ１を有する内周縁および直径Ｄ１よりも大きな直径Ｄ２を有する外周縁により形成される円環領域内に第２窓部（両第２開口部３９ａ）を有し、この円環領域外に入射した光を遮蔽する。第２設定角度ＳＡ２は、戻り光ＦＢのうち、ワークＷにおける反射角が第２設定角度ＳＡ２となる光が、光ファイバ９０の出射端に戻った時に、最大受光角θ１を超え、最大投射角θ３をも超え、最大入射角θ２以下となる入射角で光ファイバ９０に入射するように設定される。最大投射角θ３は、光ファイバ９０のクラッド９２内を逆方向に伝搬可能な光の入射角の最大値である。最大入射角θ２は、光ファイバ９０の保護層９３に入射可能な光の入射角の最大値である。なお、最大入射角θ２は、最大投射角θ３を超えた、所定の角度に設定してよい。したがって、第２開口部３９ａの外周縁の直径Ｄ２は、光ファイバ９０のクラッド９２を逆方向へ伝搬可能な光の入射ビームの直径を超える。

第２遮蔽部材３９から第２ミラー反射光ＲＢ２の出射方向に離れた箇所には、第３の集光レンズ４０が第２遮蔽部材３９と平行に配設されている。第３の集光レンズ４０の光軸ＯＡ３は、両第２開口部３９ａの中心（第２ミラー反射光ＲＢ２の光軸）と一致している。

第３の集光レンズ４０から第２ミラー反射光ＲＢ２の出射方向に離れた箇所には、第２の光センサ４１がその受光面を第３の集光レンズ４０に対向させた状態で配設されている。第２の光センサ４１の受光面は、第３の集光レンズ４０の焦点に位置していることが望ましいが、この限りではない。第２の光センサ４１により検出される光量は、第２通過光ＰＢ２の光量となる。

マニピュレータ６０は、サーボモータ（図示せず）及びエンコーダ（図示せず）を関節軸毎に有している。

コントローラ７０は、制御部７１と、表示部７２とを有している。

制御部７１は、入力された制御プログラムに従って、レーザ発振器８０のレーザ光出力を制御するように構成されている。

さらに、制御部７１は、制御プログラム及びマニピュレータ６０に設けられたエンコーダ（図示せず）からのフィードバック信号に従って、マニピュレータ６０に設けられたサーボモータ（図示せず）に位置指令を送信し、サーボモータ（図示せず）の回転速度及び回転量を制御する。

また、制御部７１は、図５Ａに示すように、第１の光センサ３８によって検出された光量が、所定の第１の警告閾値Ｖｆａ１を超えたときに、表示部７２に警告を表示出力させる。また、制御部７１は、第１の光センサ３８によって検出された光量が、第１の警告閾値Ｖｆａ１よりも大きい所定の第１の停止閾値Ｖｆｓ１を超えたときに、レーザ発振器８０に対し、レーザ発振を停止させる制御を行う。

また、制御部７１は、図５Ｂに示すように、第２の光センサ４１によって検出された光量が、所定の第２の警告閾値Ｖｆａ２を超えたときに、表示部７２に警告を表示出力させる。また、制御部７１は、第２の光センサ４１によって検出された光量が、第２の警告閾値Ｖｆａ２よりも大きい所定の第２の停止閾値Ｖｆｓ２を超えたときに、レーザ発振器８０に対し、レーザ発振を停止させる制御を行う。

表示部７２は、制御部７１による制御により、レーザ発振器８０の出力状態、マニピュレータ６０の動作状態、及び警告等を表示するように構成されている。

そして、上述のように構成されたレーザ加工装置１００では、レーザ発振器８０がレーザ光ＬＢを出射する。出射されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ９０によってレーザ加工ヘッド３０に導かれる。そして、レーザ光ＬＢが、光ファイバ９０の出射端から出射ビームＯＢとして出射され、コリメートレンズ３１によって平行化され、コリメートビームＣＢとして第１ミラー３４に入射する。第１ミラー３４を透過したコリメートビームＣＢは、第１の集光レンズ３２によって集光され、加工ビームＰＢとして出射される。第１の集光レンズ３２から出射された加工ビームＰＢは、保護ガラス３３を通過してワークＷに照射され、その一部がワークＷから反射する。ワークＷから反射した反射光は、第１の集光レンズ３２を通過して第１ミラー３４に入射する。そして、第１ミラー３４に到達した反射光の一部は、戻り光ＦＢとして第１ミラー３４を透過してコリメートレンズ３１によって光ファイバ９０の出射端に入射する。この光は、光ファイバ９０内を伝搬して、レーザ発振器８０の内部、光ファイバ９０の接続部及び図６に示すクラッド９２の外周に配設された保護層９３等、レーザ加工装置１００の複数箇所に入射する。図６は、戻り光ＦＢ１、ＦＢ２およびＦＢ３を示す。戻り光ＦＢ１は、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１以下となる光である。戻り光ＦＢ１は、光ファイバ９０の最大受光角θ１以下の入射角で光ファイバ９０に入射し、コア９１内を伝搬してレーザ発振器８０の内部に入射する。また、戻り光ＦＢ２は、ワークＷにおける反射角が第３設定角度ＳＡ３以下で、かつ第１設定角度ＳＡ１を超える光である。戻り光ＦＢ２は、最大受光角θ１を超え、かつ最大投射角θ３以下となる入射角で光ファイバ９０に入射し、クラッド９２内を伝搬してレーザ発振器８０の内部に入射する。戻り光Ｆ３は、ワークＷにおける反射角が第３設定角度ＳＡ３を超え、かつ第２の設定角度ＳＡ２以下となる光である。戻り光ＦＢ３は、最大投射角θ３を超える入射角で光ファイバ９０に入射し、クラッド９２内を通過してから保護層９３に入射する。この範囲の戻り光ＦＢ３は光ファイバ９０の保護層９３を通過しながら、保護層９３によって吸収され、熱に変わってしまう。図６に示していないが、通常、光ファイバ９０の出射端は、クラッド９２を突き抜けて保護層９３に入射可能な戻り光ＦＢ３を吸収する光吸収構造体を備える。光吸収構造体は、この戻り光ＦＢ３を熱に変換する。更に、冷却水によってこの光吸収構造体を冷却することによって、この戻り光ＦＢ３が光ファイバ９０に被害を与えないようそのリスクを回避している。一方、第１ミラー３４に到達した反射光の一部は、第１ミラー３４で反射して第１ミラー反射光ＲＢ１として第２ミラー３５に入射する。第２ミラー３５に入射した第１ミラー反射光ＲＢ１の一部は、第２ミラー透過光ＴＢ２として第２ミラー３５を透過し、第１遮蔽部材３６に入射する。そして、第１遮蔽部材３６に入射した第２ミラー透過光ＴＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１以下となる光が、第１開口部３６ａを第１通過光ＰＢ１として通過し、第２の集光レンズ３７によって、第１の光センサ３８の受光面で焦点を結ぶように集光される。一方、第２ミラー３５に入射した第１ミラー反射光ＲＢ１の一部は、第２ミラー反射光ＲＢ２として第２ミラー３５で反射し、第２遮蔽部材３９に入射する。そして、第２遮蔽部材３９に入射した第２ミラー反射光ＲＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１を超え、かつ第２設定角度ＳＡ２以下となる光が、第２開口部３９ａを第２通過光ＰＢ２として通過し、第３の集光レンズ４０によって、第２の光センサ４１の受光面で焦点を結ぶように集光される。これにより、第１の光センサ３８により検出される光量は、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１以下となる戻り光ＦＢ１の光量、すなわちコア９１を伝搬しうる光の光量に応じた値となる。第２の光センサ４１により検出される光量は、ワークＷにおける反射角が第１設定角度ＳＡ１を超え、かつ第２設定角度ＳＡ２以下となる戻り光ＦＢ２，ＦＢ３の光量、すなわちクラッド９２と保護層９３内を伝搬しうる光の光量に応じた値となる。したがって、コア９１を伝搬してレーザ発振器８０の内部へ到達しうる戻り光ＦＢ１の入射光量と、クラッド９２内又は保護層９３を伝搬して光ファイバ９０の端面又はレーザ発振器８０の内部へ到達しうる戻り光ＦＢ２，ＦＢ３の入射光量とを個別に測定できる。前述の通り、保護層９３に入射しうる戻り光ＦＢ３は、光ファイバ９０の出射端に設けられる光吸収構造体によって吸収される。但し、この戻り光ＦＢ３が増えすぎると、光吸収構造体によって吸収しきれなくなってしまう。

そして、第１の光センサ３８によって検出された光量が、第１の警告閾値Ｖｆａ１を超えたとき、表示部７２が、制御部７１の制御により警告を表示出力させる。また、第２の光センサ４１によって検出された光量が、第２の警告閾値Ｖｆａ２を超えたときも、表示部７２が、制御部７１の制御により警告を表示出力させる。さらに、第１の光センサ３８によって検出された光量が、第１の停止閾値Ｖｆｓ１を超えたとき、レーザ発振器８０が、制御部７１の制御によりレーザ発振を停止する。また、第２の光センサによって検出された光量が、第２の停止閾値Ｖｆｓ２を超えたときも、レーザ発振器８０が、制御部７１の制御によりレーザ発振を停止する。例えば、第１の警告閾値Ｖｆａ１及び第１の停止閾値Ｖｆｓ１は、戻り光ＦＢ１がコア９１を通過して逆方向に入射する箇所、すなわちレーザ発振器８０の内部構造、に応じた値に個別に設定されてもよい。これにより、レーザ発振器８０の損傷を確実に抑制するとともに、レーザ発振器８０がさらに多くの入射光を許容できる状態で警告の出力やレーザ発振の停止が無駄になされるのを防止できる。また、第２の警告閾値Ｖｆａ２、及び第２の停止閾値Ｖｆｓ２は、戻り光ＦＢ２，ＦＢ３がクラッド９２を通過して逆方向に入射する箇所の内部構造や、保護層９３及び光吸収構造体の特性に応じた値に個別に設定されてもよい。これにより、光ファイバ９０又はレーザ発振器８０の損傷を確実に抑制するとともに、光ファイバ９０又はレーザ発振器８０がさらに多くの入射光を許容できる状態で警告の出力やレーザ発振の停止が無駄になされるのを防止できる。

（実施形態２）
実施形態２では、図７に示すように、第１ミラー３４と第２ミラー３５との間に、第３ミラー４２が第１ミラー３４及び第２ミラー３５と平行に配設されている。第３ミラー４２は、第１ミラー反射光ＲＢ１の一部を第３ミラー透過光ＴＢ３として透過させるとともに、当該第１ミラー反射光ＲＢ１の残りを第３ミラー反射光ＲＢ３として反射させる。そして、第３ミラー透過光ＴＢ３の一部が第２ミラー透過光ＴＢ２として第２ミラー３５を透過するとともに、第３ミラー透過光ＴＢ３の残りが第２ミラー反射光ＲＢ２として第２ミラー３５で反射する。したがって、第１ミラー３４と第２ミラー３５と第３ミラー４２とで、ワークＷから反射して第１の集光レンズ３２を通過した反射光を、上記戻り光ＦＢ、第１分割光としての第２ミラー透過光ＴＢ２、第２分割光としての第２ミラー反射光ＲＢ２、及び第３分割光としての第３ミラー反射光ＲＢ３に分割する光学系が構成されている。第３ミラー４２における第１ミラー反射光ＲＢ１の反射率は、特に限定されないが、第３ミラー透過光ＴＢ３と第３ミラー反射光ＲＢ３とがほぼ均等になるように、５０％に設定することが望ましい。また、図８に示すように、第２遮蔽部材３９の第２開口部３９ａの幅が、実施形態１よりも狭くなっている。具体的には、第２開口部３９ａの径方向の位置及び幅は、第２ミラー反射光ＲＢ２のうち、ワークＷにおける反射角が、第１設定角度ＳＡ１を超え、かつ第３設定角度ＳＡ３以下となる光を第２通過光ＰＢ２として通過させるように設定される。したがって、本実施形態２では、第２の範囲が、第１設定角度ＳＡ１を超え、かつ第３設定角度ＳＡ３以下となる範囲となる。第２の範囲は、光ファイバ９０のクラッド９２を逆方向に伝搬しうる戻り光ＦＢ２の範囲と対応する。したがって、第２開口部３９ａの外周縁の直径Ｄ３は、その全体が光ファイバ９０のクラッド９２を伝搬可能な入射ビームの最大直径と対応する。言うまでもなく、第２開口部３９ａの内周縁の直径Ｄ１は光ファイバ９０のコア９１を伝搬しうる入射ビームの最大直径と対応するものであり、図３の直径Ｄ１と等しい。

また、第３ミラー４２から第３ミラー反射光ＲＢ３の出射方向に離れた箇所には、図９にも示す正方形板状の第３遮蔽部材４３が第３ミラー反射光ＲＢ３の光軸に垂直な状態で配設されている。第３遮蔽部材４３も、アルミニウム合金、銅、鉄、ステンレス等の金属、又は第３ミラー反射光ＲＢ３を透過させない性質の樹脂からなる。第３遮蔽部材４３には、共通の点を中心とする半円弧状に延びる長孔状の１対の第３窓部としての第３開口部４３ａが、その開放側を互いに対向させた状態で互いに間隔を空けて貫通形成されている。両第３開口部４３ａの間隔ＤＥ１は、両第３開口部４３ａによって囲まれた円形の領域を支持するための機械的強度を確保できる範囲で、短く設定することが好ましい。両第３開口部４３ａの内周縁の直径Ｄ３は、第２遮蔽部材３９の第２開口部３９ａの外周縁の直径Ｄ３と等しい。第３開口部４３ａの径方向の位置及び幅は、第３ミラー反射光ＲＢ３のうち、ワークＷにおける反射角が第３の範囲内にある光を第３通過光ＰＢ３として通過させるように設定される。また、第３遮蔽部材４３における第３開口部４３ａ非形成領域によって、第３ミラー反射光ＲＢ３の残り（すなわち、ワークＷにおける反射角が第３の範囲外にある光）が遮蔽される。上記第３の範囲は、具体的には、第３設定角度ＳＡ３を超え、かつ第２設定角度ＳＡ２以下となる範囲とされる。両第３開口部４３ａの外周縁の直径Ｄ２は、第２開口部３９ａの外周縁の直径Ｄ２と等しい。

第３遮蔽部材４３から第３ミラー反射光ＲＢ３の出射方向に離れた箇所には、第４の集光レンズ４４が第３遮蔽部材４３と平行に配設されている。第４の集光レンズ４４の光軸ＯＡ４は、両第３開口部４３ａの中心（第３ミラー反射光ＲＢ３の光軸）と一致している。

第４の集光レンズ４４から第３ミラー反射光ＲＢ３の出射方向に離れた箇所には、第３の光センサ４５がその受光面を第４の集光レンズ４４に対向させた状態で配設されている。第３の光センサ４５の受光面は、第４の集光レンズ４４の焦点に位置していることが望ましいが、この限りではない。したがって、第３の光センサ４５により検出される光量は、第３通過光ＰＢ３の光量、すなわち光ファイバ９０の保護層９３を通過しうる戻り光ＦＢ３の光量となる。

また、コントローラ７０の制御部７１が、第３の光センサ４５によって検出された光量が、所定の第３の警告閾値を超えたときにも、表示部７２に警告を表示出力させる。また、第３の光センサ４５によって検出された光量が、第３の警告閾値よりも大きい所定の第３の停止閾値を超えたときにも、レーザ発振器８０に対し、レーザ発振を停止させる制御を行う。

その他の構成は実施形態１と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態２において、例えば、第２の警告閾値Ｖｆａ２、及び第２の停止閾値Ｖｆｓ２は、戻り光ＦＢ２が光ファイバ９０のクラッド９２を通過して逆方向に入射する箇所の内部構造（レーザ発振器８０の内部構造）に応じた値に設定されてもよい。これにより、レーザ発振器８０の損傷を確実に抑制するとともに、レーザ発振器８０がさらに多くの入射光を許容できる状態で警告の出力やレーザ発振の停止がなされるのを防止できる。また、第３の警告閾値、及び第３の停止閾値は、戻り光ＦＢ３が入射する箇所、すなわち保護層９３及び光吸収構造体の特性に応じた値に設定されてもよい。これにより、光ファイバ９０の損傷を確実に抑制するとともに、光ファイバ９０がさらに多くの入射光を許容できる状態で警告の出力やレーザ発振の停止が無駄になされるのを防止できる。

（実施形態３）
実施形態３では、図１０及び図１１に示すように、第１遮蔽部材３６が、透光性を有するガラス又は樹脂からなる正方形状の第１板状部材３６ｂと、当該第１板状部材３６ｂの一方の面における中央部を除く領域に形成された不透光性の第１コーティング層３６ｃとで構成されている。第１コーティング層３６ｃは、第２ミラー透過光ＴＢ２を透過させない性質を有する金属又は樹脂からなる。そして、第１板状部材３６ｂの第１コーティング層３６ｃ非形成領域が、透光性を有する第１窓部３６ｄを構成している。第１窓部３６ｄの領域は、実施形態１の第１開口部３６ａ形成領域に該当する。同様に、第２遮蔽部材３９も、透光性を有するガラス又は樹脂からなる正方形状の第２板状部材３９ｂと、当該第２板状部材３９ｂの一方の面における円環状の領域を除く領域に形成された不透光性の第２コーティング層３９ｃとで構成されている。第２コーティング層３９ｃは、第２ミラー反射光ＲＢ２を透過させない性質を有する金属又は樹脂からなる。そして、第２板状部材３９ｂの第２コーティング層３９ｃ非形成領域が、透光性を有する第２窓部３９ｄを構成している。第２窓部３９ｄの領域は、実施形態１の第２開口部３９ａの形成領域に該当する。

その他の構成は実施形態１と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

なお、上記実施形態２でも、第１遮蔽部材３６、第２遮蔽部材３９、及び第３遮蔽部材４３として、実施形態３と同様に、透光性の板状部材に不透光性のコーティング層を形成したものを用いてもよい。

また、上記実施形態１，３では、第１遮蔽部材３６及び第２遮蔽部材３９を正方形板状としたが、長方形板状、円形板状等、他の形状としてもよい。同様に、実施形態２でも、第３遮蔽部材４３を正方形板状以外の形状としてもよい。

上記実施形態１では、レーザ加工ヘッド３０は、第２ミラー透過光ＴＢ２から第１の範囲内の光の光量を検出し、第２ミラー反射光ＲＢ２から第２の範囲内の光の光量を検出している。これに限らず、レーザ加工ヘッド３０は、第２ミラー透過光ＴＢ２から第２の範囲の光の光量を検出し、第２ミラー反射光ＲＢ２から第１の範囲の光の光量を検出してもよい。上記実施形態２では、レーザ加工ヘッド３０は、第２ミラー透過光ＴＢ２から第１の範囲内の光の光量を検出し、第２ミラー反射光ＲＢ２から第２の範囲内の光量を検出し、第３ミラー反射光ＲＢ３から第３の範囲内の光量を検出している。これに限らず、レーザ加工ヘッド３０は、例えば、第２ミラー透過光ＴＢ２から第３の範囲内の光の光量を検出し、第２ミラー反射光ＲＢ２から第１の範囲内の光量を検出し、第３ミラー反射光ＲＢ３から第２の範囲内の光量を検出してもよい。

以上説明したように、本開示は、レーザ加工装置の複数箇所における戻り光の入射光量を個別に取得し、各々の箇所における入射光量の許容値に応じてその危険度を予知又は警告できるようにするという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用性は高い。

３０ レーザ加工ヘッド
３１ コリメートレンズ
３２ 第１の集光レンズ
３４ 第１ミラー（光学系）
３５ 第２ミラー（光学系）
３６ 第１遮蔽部材
３６ａ 第１開口部（第１窓部）
３６ｄ 第１窓部
３８ 第１の光センサ
３９ 第２遮蔽部材
３９ａ 第２開口部（第２窓部）
３９ｄ 第２窓部
４１ 第２の光センサ
４２ 第３ミラー（光学系）
４３ 第３遮蔽部材
４３ａ 第３開口部（第３窓部）
４５ 第３の光センサ
７０ コントローラ
８０ レーザ発振器
９０ 光ファイバ
９１ コア
９３ 保護層
１００ レーザ加工装置
ＬＢ レーザ光
ＦＢ 戻り光
ＴＢ２ 第２ミラー透過光（第１分割光）
ＲＢ２ 第２ミラー反射光（第２分割光）
ＲＢ３ 第３ミラー反射光（第３分割光）
ＰＢ１ 第１通過光
ＰＢ２ 第２通過光
ＰＢ３ 第３通過光
Ｖｆａ１ 第１の警告閾値
Ｖｆｓ１ 第１の停止閾値
Ｖｆａ２ 第２の警告閾値
Ｖｆｓ２ 第２の停止閾値
θ１ 最大受光角
θ２ 最大入射角
θ３ 最大投射角
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. レーザ発振器により出射されて光ファイバを通過したレーザ光をワークに向けて出射するレーザ加工ヘッドであって、
   前記光ファイバから出射された前記レーザ光を平行化するコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズによって平行化された前記レーザ光を集光して前記ワークに向けて出射する集光レンズと、
   前記ワークから反射して前記集光レンズによって平行化された反射光を、前記コリメートレンズに戻る戻り光、第１分割光、及び第２分割光を含む複数の分割光に分割する光学系と、
   前記第１分割光のうち、前記ワークにおける反射角が第１の範囲内にある光を第１通過光として通過させる第１窓部が形成され、前記第１分割光のうち、前記ワークにおける反射角が第１の範囲外にある光を遮蔽する第１遮蔽部材と、
   前記第２分割光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第１の範囲とは異なる第２の範囲内にある光を第２通過光として通過させる第２窓部が形成され、前記第２分割光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第２の範囲外にある光を遮蔽する第２遮蔽部材と、
   前記第１通過光の光量を検出する第１の光センサと、
   前記第２通過光の光量を検出する第２の光センサとを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記戻り光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第１の範囲内にある光が、前記光ファイバのコアを伝搬可能な光の最大受光角以下の入射角で前記光ファイバに入射し、かつ前記戻り光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第２の範囲内にある光が、前記最大受光角を超え、かつ前記光ファイバの保護層へ入射可能な光の最大入射角以下となる入射角で前記光ファイバに入射することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記複数の分割光は、第３分割光をさらに含み、
   当該レーザ加工ヘッドは、前記第３分割光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第１及び第２の範囲とは異なる第３の範囲内にある光を第３通過光として通過させる第３窓部が形成され、前記第３分割光の残りを遮蔽する第３遮蔽部材と、
   前記第３通過光の光量を検出する第３の光センサとをさらに備え、
   前記戻り光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第２の範囲内にある光が、前記最大受光角を超え、かつ光ファイバのクラッドを伝搬可能な光の最大投射角以下となる入射角で前記光ファイバに入射し、かつ前記戻り光のうち、前記ワークにおける反射角が前記第３の範囲内にある光が、前記最大投射角を超え、かつ前記最大入射角以下となる入射角で前記光ファイバに入射することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ発振器と、
   前記光ファイバと、
   前記第１の光センサによって検出された光量が、所定の第１の閾値を超えたとき、及び前記第２の光センサによって検出された光量が、所定の第２の閾値を超えたときに、所定の処理を行うコントローラとを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項４に記載のレーザ加工装置において、
   前記所定の処理は、警告の出力であることを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項４に記載のレーザ加工装置において、
   前記所定の処理は、前記レーザ発振器のレーザ発振を停止させる制御であることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と、前記光ファイバとを備えたレーザ加工装置によるレーザ加工制御方法であって、
   前記第１の光センサによって検出された光量が、所定の第１の閾値を超えたとき、及び前記第２の光センサによって検出された光量が、所定の第２の閾値を超えたときに、所定の処理を行うことを特徴とするレーザ加工制御方法。
8. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記光学系は、
   前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間に配置され、前記反射光を受けて、前記反射光の一部を前記戻り光として透過し、前記反射光の残りの一部を前記第１分割光および前記第２分割光を含む第１ミラー反射光として反射する、第１ミラーと、
   前記第１ミラー反射光を受けて、前記第１ミラー反射光内の前記第１分割光を前記第１遮蔽部材に向け、前記第１ミラー反射光内の前記第２分割光を前記第２遮蔽部材に向ける、第２ミラーと、
   を備えるレーザ加工ヘッド。
9. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記第１の範囲は、前記ワークにおける反射角が０度以上で第１設定角度以下の範囲であり、
   前記第２の範囲は、前記ワークにおける反射角が第１設定角度を超え、前記第１設定角度よりも大きな第２設定角度以下の範囲である、
   レーザ加工ヘッド。
10. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、
    前記第１遮蔽部材は、第１の直径を有する円形領域内に前記第１窓部を有し、前記円形領域外に入射した光を遮蔽し、
    前記第２遮蔽部材は、前記第１の直径を有する内周縁および前記第１の直径よりも大きな第２の直径を有する外周縁により形成される円環領域内に前記第２窓部を有し、前記円環領域外に入射した光を遮蔽する、
    レーザ加工ヘッド。

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