JPH07270230A - レーザ出力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］周囲温度に関係なく高精度で信頼性の高いレー
ザ出力測定値を得る。 ［構成］ハウジング１２内に入ったレーザ光ＬＢは、反
射ミラー１４で光路を９０゜曲げて、ガラス板３６、光
拡散板４０、ＮＤフィルタ４２および可視光遮断フィル
タ４４を通ってフォトダイオード４６の受光面に入射す
る。光学フィルタ４２，４４およびフォトダイオード４
６は高熱伝導性の第２保持体２８に一体的に保持されて
いる。第２保持体２８は、発熱体４８、温度センサ５０
および温調制御回路からなる温調システムによって設定
温度（たとえば約４５゜Ｃ）に温調されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光検出方式のレーザ出
力検出装置に関する。

【０００２】たとえばレーザ加工分野では、加工品質を
自動的に管理するために、レーザ光の出力（光強度）を
検出するレーザ出力検出装置が使われている。一般に、
レーザ出力検出装置は、カロリーメータのような光熱変
換器を用いる熱量計測方式のものと、フォトダイオード
のような光電変換素子を用いる光検出方式のものとに大
別される。熱量計測方式は、レーザ光の出力をいったん
熱に変換するため、応答速度が低く、計測値が得られる
までに数十秒もかかるという欠点があり、最近は光検出
方式が主流になっている。

【０００３】図６および図７は光検出方式による従来の
レーザ出力検出装置の構成を示す図であって、図６は横
断面図および図７は正面図である。

【０００４】このレーザ出力検出装置において、取付基
板１００上には、一側面にレーザ光導入窓１０２ａを有
するハウジング１０２が立設されている。ハウジング１
０２内には該レーザ光導入窓１０２ａに対して４５゜の
向きで反射ミラー１０４が配設されている。反射ミラー
１０４からみて反射方向に位置するハウジング１０２の
側面には開口１０２ｂが設けられ、この開口１０２ｂに
支持部材１０６を介して絶縁材からなる筒状の第１保持
体１０８の一方の開口部（レーザ光入口部）１０８ａが
ボルト（図示せず）等で固定されている。そして、第１
保持体１０８の他方の開口部（レーザ光出口部）１０８
ｂに金属からなる筒状の第２保持体１１０の一方の開口
部（レーザ光入口部）１１０ａが嵌め込みで固定され、
第２保持体１１０の他方の開口部（レーザ光出口部）１
１０ｂ側に回路基板１１２が取り付けられている。取付
基板１００の四隅にはボルトを通すための取付穴１００
ａが設けられている。

【０００５】第１保持体１０８のレーザ光入口部１０８
ａには平凸レンズ１１４が凸面を反射ミラー１０４側に
向けて配置されている。第２保持体１１０のレーザ光入
口部１１０ａには複数枚たとえば３枚のＮＤフィルタ１
１６と１枚の可視光遮断フィルタまたは赤外線透過フィ
ルタ１１８が光軸方向に並べて配置され、第２保持体１
１０のレーザ光出口部１１０ｂには光電変換素子たとえ
ばフォトダイオード１２０が受光面をフィルタ側に向け
て回路基板１１２上に取り付けられている。

【０００６】かかる構成において、レーザ光導入窓１０
２ａには、たとえばレーザ発振部（図示せず）より出射
されたレーザ光をビームスプリッタ（図示せず）に通
し、そこで反射した一部（たとえば１％）のレーザ光Ｌ
Ｂが入射される。ハウジング１０２内に入ったレーザ光
ＬＢは、反射ミラー１０４で光路を９０゜曲げ、平凸レ
ンズ１１４、ＮＤフィルタ１１６および可視光遮断フィ
ルタ１１８を通ってフォトダイオード１２０の受光面に
入射する。この際、平凸レンズ１１４はレーザ光ＬＢを
フォトダイオード１２０の受光面に集光せしめ、ＮＤフ
ィルタ１１６はレーザ光ＬＢの光強度を所定の減衰率で
減衰させ、可視光遮断フィルタ１１８はレーザ光ＬＢか
ら可視光成分をノイズ成分として除去する。フォトダイ
オード１２０の出力端子からは、受光したレーザ光ＬＢ
の出力ひいてはレーザ光導入窓１０２ａに入射されたレ
ーザ光ＬＢの出力あるいはレーザ発振部より出射された
レーザ光ＬＢの出力を表す電気信号が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フォトダイ
オード等の光電変換素子は、周囲温度に応じて光電変換
特性が変化し、同じ出力のレーザ光を受光しても出力信
号が変わってしまう。上記したような従来のレーザ出力
検出装置においても、たとえばレーザ加工場において朝
と昼とではレーザ光ＬＢの出力が同じでもフォトダイオ
ード１２０の出力信号が違ってくるという不具合があっ
た。

【０００８】このような光電変換素子の光電変換特性を
温度補償する回路が知られてはいるが、レーザ出力検出
装置では光学的にフォトダイオード１２０の前段に位置
するＮＤフィルタ１１６や可視光遮断フィルタ１１８等
の光学フィルタも周囲温度によってフィルタ特性が変動
するために、光電変換素子の光電変換特性だけを温度補
償しても正確なレーザ出力測定値は得られない。

【０００９】また、光学フィルタおよび光電変換素子の
それぞれの特性は周囲温度だけでなくレーザ光のエネル
ギによっても影響されるため、信号処理回路で両者の特
性を同時に温度補償するのは極めて難しい。とりわけ、
従来のレーザ出力検出装置では、測定開始直後つまりレ
ーザ光の透過または入射の直後に光学フィルタの透過率
および光電変換素子の光電変換率がそれぞれ大きく変動
しやすく、このためにレーザ出力測定値が大きく変動し
やすかった。

【００１０】このような測定開始直後におけるレーザ出
力測定値の変動は、レーザ出力をフィードバック制御す
る場合に大きなネックとなっていた。つまり、フィード
バック制御では、レーザ発振開始直後から正確なレーザ
出力測定値がレーザ制御部に与えられなければならず、
レーザ出力測定値に相当の誤差があると、所望のレーザ
出力が得られないばかりか、乱調の原因にもなる。

【００１１】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、周囲温度に関係なく高精度で信頼性の高いレー
ザ出力測定値を保証するレーザ出力検出装置を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１のレーザ出力検出装置は、レーザ光
の出力を検出するレーザ出力検出装置において、前記レ
ーザ光を通す光学フィルタと、前記光学フィルタを通っ
た前記レーザ光を受光して前記レーザ光の出力を電気信
号に変換する光電変換素子と、前記光学フィルタと前記
光電変換素子とを保持する熱伝導率の高い保持体と、前
記保持体の温度を所定温度に制御する温調手段とを具備
する構成とした。

【００１３】また、本発明の第２のレーザ出力検出装置
は、レーザ光の出力を検出するレーザ出力検出装置にお
いて、前記レーザ光を通す光拡散板と、前記光拡散板を
通った前記レーザ光を通す光学フィルタと、前記光学フ
ィルタを通った前記レーザ光を受光して前記レーザ光の
出力を電気信号に変換する光電変換素子と、前記光学フ
ィルタおよび前記光電変換素子を保持する熱伝導率の高
い保持体と、前記保持体の温度を所定温度に制御する温
調手段と、前記光拡散板と前記光学フィルタとの間のレ
ーザ光路を外部から遮光する遮光体とを具備する構成と
した。

【００１４】

【作用】第１のレーザ出力検出装置では、光学フィルタ
および光電変換素子を保持する保持体が温調手段によっ
て所定温度に温調されるため、周囲温度やレーザ光の状
態等に左右されることなく光学フィルタおよび光電変換
素子がそれぞれ動作し、レーザ光の出力を正確に表す高
精度な電気信号が得られる。

【００１５】第２のレーザ出力検出装置では、上記第１
のレーザ出力検出装置において、光拡散板により光束断
面積を大きくしたレーザ光を光学フィルタに通して光電
変換素子に入射させるようにしているので、光学フィル
タを光電変換素子に近接した位置に配置することで、保
持体を小型で熱容量の小さなものに構成することができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、図１〜図５を参照して本発明の実施例
を説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施例によるレーザ出力
検出装置の全体構成を示す横断面図であり、図２はこの
レーザ出力検出装置の要部の構成を示す側断面図であ
る。

【００１８】このレーザ出力検出装置１０において、取
付基板１１上には、一側面にレーザ光導入窓１２ａを有
する箱状のハウジング１２が設けられている。ハウジン
グ１２内には該レーザ光導入窓１２ａに対して４５゜の
向きで反射ミラー１４がミラー支持体１６に取り付けら
れている。反射ミラー１４からみて反射方向に位置する
ハウジング１２の側面には開口１２ｂが設けられてい
る。

【００１９】ハウジング１２の中央部には光軸と垂直な
方向に一対の棒状支持部材１８がハウジング１２の側面
にボルト２０で固定されている。これらの棒状支持部材
１８に遮光性の絶縁材たとえば樹脂からなる四角筒状の
第１保持体２２の一方の開口部（レーザ光入口部）２２
ａがボルト２４で固定されている。

【００２０】そして、ハウジング１２の開口１２ｂ付近
で、第１保持体２２の他方の開口部（レーザ光出口部）
２２ｂに遮光性の絶縁材たとえば樹脂からなる四角筒状
の連結部材２６を介して熱伝導率の高い金属たとえばア
ルミニウムからなる四角筒状の第２保持体２８の一方の
開口部（レーザ光入口部）２８ａが接続され、第２保持
体２８の他方の開口部（レーザ光出口部）２８ｂに回路
基板３０が接続されている。棒状支持部材１８には光軸
と平行に４本の棒状支持部材３２の一端が固定され、こ
れらの棒状支持部材３２の他端に回路基板３０がボルト
３４で固着されている。取付基板１１の四隅にはボルト
を通すための取付穴１１ａが形成されている。

【００２１】第１保持体２２のレーザ光入口部２２ａに
は防塵用のガラス板３６が取り付けられ、このガラス板
３６の内側にＯリング３８を介して光拡散板４０が取り
付けられている。第２保持体２８には、レーザ光入口部
２８ａから内奥へ向かって順に複数枚たとえば３枚のＮ
Ｄフィルタ４２と１枚の可視光遮断フィルタまたは赤外
線透過フィルタ４４が光軸方向に並べて配置され、レー
ザ光出口部２８ｂ付近に光電変換素子たとえばフォトダ
イオード４６が受光面をフィルタ側に向けて回路基板３
０上に取り付けられている。第２保持体２８の内壁面に
おいて、フォトダイオード４６の受光面より少し中心部
寄りの位置に段部２８ｃが形成され、この段部２８ｃを
ストッパにして光学フィルタ４２，４４が筒状連結部材
２６の端面で押し込められることにより、光学フィルタ
４２，４４が第２保持体２８内でしっかりと保持されて
いる。

【００２２】第２保持体２８の４辺の側壁は、図１に示
すように相対向する一対の肉薄な側壁と、図２に示すよ
うに相対向する一対の肉厚な側壁とからなる。

【００２３】図２に示すように、第２保持体２８の一方
の肉厚側壁２８ｄの外壁面にはたとえば金属被膜抵抗体
からなる発熱体４８が接着または貼付されている。この
発熱体４８は、取付基板１０が取付される回路基板（図
示せず）あるいは回路基板３０上に実装されている温調
制御回路（図示せず）の制御の下で電源（図示せず）よ
り電力を供給され、抵抗発熱することによって、第２保
持体２８を加熱する。

【００２４】第２保持体２８の他方の肉厚側壁２８ｅの
中には温度センサたとえばサーミスタ５０が埋め込まれ
ている。このサーミスタ５０の端子５０ａは、回路基板
３０の外側に突出し、回路基板３０上の配線を介して上
記温調制御回路に接続されている。温調制御回路は、第
２保持体２８の温度を設定温度（たとえば約４５゜Ｃ）
に維持するように、サーミスタ５０の出力信号（温度検
出信号）をフィードバック信号として入力し、発熱素子
４８の発熱量を可変制御するように構成されている。

【００２５】第２保持体２８の他方の肉厚側壁２８ｅの
外壁面にはサーマルガードまたはサーマルプロテクタ５
２が貼付されている。このサーマルガード５２は、熱応
動素子たとえばサーモスタットを内蔵している。温調シ
ステムが暴走するなどして第２保持体２８の温度が所定
の過熱温度（たとえば約６５゜Ｃ）まで上昇すると、サ
ーマルガード５２のサーモスタットが動作して発熱素子
４８への給電を断つようになっている。

【００２６】かかる構成において、レーザ光導入窓１２
ａには、たとえばレーザ発振部（図示せず）より出射さ
れたレーザ光をビームスプリッタ（図示せず）に通し、
そこで反射した一部（たとえば１％）のレーザ光ＬＢが
入射される。ハウジング１２内に入ったレーザ光ＬＢ
は、反射ミラー１４で光路を９０゜曲げて、ガラス板３
６、光拡散板４０、ＮＤフィルタ４２および可視光遮断
フィルタ４４を通ってフォトダイオード４６の受光面に
入射する。

【００２７】この際、光拡散板４０はレーザ光ＬＢを拡
散させる。これによって、レーザ光ＬＢの光束断面積が
拡がる。第１保持体２２および連結部材２６がそれぞれ
遮光性であるため、レーザ光ＬＢは外部へ漏れることは
なく、かつ外部の光がレーザ光路に入ってくることもな
く、レーザ光ＬＢの全部が第２保持体２８のレーザ光入
口２８ａに配置されているＮＤフィルタ４２に入射す
る。ＮＤフィルタ４２はレーザ光ＬＢの光強度を所定の
減衰率で減衰させる。可視光遮断フィルタ４４はレーザ
光ＬＢから可視光成分をノイズ成分として除去する。フ
ォトダイオード４６は、受光したレーザ光ＬＢの光強度
を電気信号に変換する。この電気信号は、レーザ光導入
窓１２ａに入射されたレーザ光ＬＢの出力を表し、ひい
てはレーザ発振部より出射されたレーザ光ＬＢの出力を
表す。

【００２８】このように光電変換方式でレーザ光ＬＢの
出力が検出される時、光学フィルタ４２，４４およびフ
ォトダイオード４６を一体的に保持している高熱伝導性
の第２保持体２８は発熱体４８、温度センサ５０および
温調制御回路からなる温調システムによって設定温度
（約４５゜Ｃ）に温調されている。これにより、光学フ
ィルタ４２，４４およびフォトダイオード４６は、周囲
温度に関係なく、またレーザ光ＬＢのエネルギに影響さ
れることなく、ほぼ一定の温度で動作する。したがっ
て、レーザ発振開始直後から精度の高いレーザ出力測定
値が得られる。

【００２９】また、本実施例のレーザ出力検出装置で
は、光拡散板４０により光束断面積を大きくしたレーザ
光ＬＢを光学フィルタ４２，４４に通してフォトダイオ
ード４６に入射させるようにしているので、光学フィル
タ４２，４４を光拡散板４０の後方の任意の位置に配置
することが可能であり、好ましくはフォトダイオード４
６に近接した位置に配置することによって、高熱伝導性
の第２保持体２８を小型で熱容量の小さいものに構成す
ることが可能である。このように第２保持体２８の熱容
量が小さいと、設定温度まで立ち上げる時間が短く、温
調に要する電力も少なくて済む。この点に関し、従来の
レーザ出力検出装置（図６）においては、集光レンズ１
１４によって光電変換素子１２０の受光面付近に集光さ
れるレーザ光が光学フィルタ１１６，１１８を通るた
め、発熱による変動を避けるためには光学フィルタ１１
６，１１８をできるだけレーザ光束断面積の大きな位置
つまり集光レンズ１１４に近い位置に配置せざるを得
ず、そうすると必然的に第２保持体１１０が長くなって
大型化し、その熱容量が大きくなってしまうという不具
合があった。

【００３０】図３は、本実施例におけるレーザ出力検出
装置を適用したＹＡＧレーザ加工システムの構成を示す
ブロック図である。図３において、図１および図２中の
ものと対応する部分には同一の符号を付してある。

【００３１】このＹＡＧレーザ加工システムは、ＹＡＧ
レーザ発振器６２より発振出力されるレーザ光ＬＢの出
力をフィードバック方式で制御するようにしたものであ
る。ＹＡＧレーザ発振器６２にはＹＡＧロッド、励起ラ
ンプおよび光共振器等が内蔵されており、レーザ電源６
０からのランプ電流に応じて励起ランプが点灯し、その
光エネルギで励起されたＹＡＧロッドから所定の波長成
分を有する光が出射され、光共振器で特定波長の光が共
振増幅されて、レーザ光ＬＢが出力される。このレーザ
光ＬＢはビームスプリッタ６４を通され、そこで反射し
た一部のレーザ光ＬＢが本実施例のレーザ出力検出装置
１０に導かれる。上記のようにして、レーザ出力検出装
置１０のフォトダイオード４６より、レーザ光ＬＢの出
力を表す電気信号ＩLBが得られる。

【００３２】ビームスプリッタ６４を透過した大部分の
レーザ光ＬＢは、そのまま光学レンズ（図示せず）を介
して被加工物（図示せず）に照射されるか、あるいはい
ったん入射ユニット（図示せず）に入射され、そこから
光ファィバ（図示せず）を介して遠隔の出射ユニットへ
送られ、出射ユニットから被加工物に照射される。

【００３３】レーザ出力検出装置１０のフォトダイオー
ド４６より出力される電気信号ＩLBは光電流としての信
号であり、この光電流の信号が光電流−電圧変換回路６
６で電圧信号ＳLBに変換される。変換回路６６より得ら
れる電圧信号ＳLBは、サンプ・ホールド回路７０および
ディジタル／アナログ変換回路７２によってディジタル
信号に変換されてからＣＰＵ７４に入力される。

【００３４】ＣＰＵ７４は、メモリ７６に格納されてい
るプログラムによって動作し、入力したレーザ出力検出
信号ＳLBに所定の校正または補正演算等を施して、レー
ザ光ＬＢの出力の測定値を求める。そして、ＣＰＵ７４
は、求めたレーザ出力測定値を入力部８０より入力され
メモリ７６に格納されているレーザ出力設定値と比較し
て比較誤差を求め、その比較誤差を零にするような制御
信号ＣＳをレーザ電源６０に与える。また、必要に応じ
てレーザ出力測定値その他のデータを表示部７８を通じ
て表示する。さらに、ＣＰＵ７４は、温調制御回路８２
に対しても、入力部８０より入力された温度設定値等の
データや所要の制御信号ＴＳを与える。

【００３５】このレーザ加工システムでは、周囲温度の
影響を受けることなく、ＹＡＧレーザ発振器６２の発振
開始直後からレーザ光ＬＢの出力を正確に表すレーザ出
力検出信号ＩLBがレーザ出力検出装置１０より得られる
ので、精度の高い安定したフイードバック制御で所望の
レーザ出力波形を得ることができる。

【００３６】図４は、パワーメータを比較基準とした場
合のレーザ出力測定値の安定性について本実施例のレー
ザ出力検出装置と従来のレーザ出力検出装置との精度の
違いを示す実験データである。従来のレーザ出力検出装
置（図６，７）によれば、誤差があるだけでなく、時間
とともに変動する。これに対して、本実施例のレーザ出
力検出装置によれば、誤差が小さく、時間的にも安定し
ている。なお、図４において、縦軸の値は比較基準との
比を示し、「１．００」は比較基準に等しい値であるこ
とを意味している。

【００３７】図５は、参考迄に、可視光遮断フィルタま
たは赤外線透過フィルタの透過光強度の温度依存性を温
調した場合と温調しない場合とで比較して示す実験デー
タである。温調しない場合には、フィルタ特性が温度に
大きく依存して変動する。これに対して、本実施例のよ
うにして温調した場合には、フィルタ特性が温度に左右
されることなく安定している。図５において、縦軸の値
は基準値または設定値との比を示し、「１．００」は基
準値に等しい値であることを意味している。ＮＤフィル
タの温度依存性においても同様の比較結果が得られる。

【００３８】上記した実施例では、第２保持体２８の熱
容量を可及的に小さくするために筒状連結部２６を別体
にしていたが、これらを一体に構成することも可能であ
る。上記実施例における光学フィルタ４２，４４の種類
および枚数は一例であり、任意の種類の光学フィルタを
それぞれ任意の枚数用いることが可能である。光電変換
素子もフォトダイオード以外のものを用いることが可能
である。検出対象となるレーザ光はＹＡＧレーザ光に限
らず、ＣＯ2 レーザ光や半導体レーザ光等の他のレーザ
光でも可能である。

【００３９】また、上記実施例では第２保持体２８を抵
抗発熱素子４８で加熱して常温よりも高い設定温度（約
４５゜Ｃ）に温調するようにしたが、冷却水やペルチェ
素子等を用いて常温よりも低い設定温度での冷却式の温
調も可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のレーザ
出力検出装置によれば、周囲温度やレーザ発振状態等に
左右されずに高精度で信頼性の高いレーザ出力測定値を
保証することができる。

【００４１】また、請求項２のレーザ出力検出装置によ
れば、光学フィルタおよび光電変換素子を保持する保持
体を小型で熱容量の小さなものに構成し、温調効果を一
層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ出力検出装置の
全体の構成を示す縦断面図である。

【図２】実施例によるレーザ出力検出装置の要部の構成
を示す側断面図である。

【図３】実施例におけるレーザ出力検出装置を適用した
ＹＡＧレーザ加工システムの構成を示すブロック図であ
る。

【図４】パワーメータを比較基準とした場合のレーザ出
力測定値の安定性について本実施例のレーザ出力検出装
置と従来のレーザ出力検出装置との精度の違いを示す実
験データの図である。

【図５】可視光遮断フィルタまたは赤外線透過フィルタ
の透過光強度の温度依存性を温調した場合と温調しない
場合とで比較して示す実験データの図である。

【図６】従来のレーザ出力検出装置の構成を示す縦断面
図である。

【図７】従来のレーザ出力検出装置の構成を示す背面図
である。

【符号の説明】

１０ レーザ出力検出装置 ２２ 第１保持体 ２６ 筒状連結部材 ２８ 第２保持体 ４０ 光拡散板 ４２ ＮＤフィルタ ４４ 可視光遮断フィルタ ４６ フォトダイオード ４８ 発熱素子 ５０ サーミスタ（温度センサ） ５２ サーマルガード ８２ 温調制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光の出力を検出するレーザ出力検
   出装置において、前記レーザ光を通す光学フィルタと、
   前記光学フィルタを通った前記レーザ光を受光して前記
   レーザ光の出力を電気信号に変換する光電変換素子と、
   前記光学フィルタと前記光電変換素子とを保持する熱伝
   導率の高い保持体と、前記保持体の温度を所定温度に制
   御する温調手段とを具備したことを特徴とするレーザ出
   力検出装置。
2. 【請求項２】 レーザ光の出力を検出するレーザ出力検
   出装置において、前記レーザ光を通す光拡散板と、前記
   光拡散板を通った前記レーザ光を通す光学フィルタと、
   前記光学フィルタを通った前記レーザ光を受光して前記
   レーザ光の出力を電気信号に変換する光電変換素子と、
   前記光学フィルタおよび前記光電変換素子を保持する熱
   伝導率の高い保持体と、前記保持体の温度を所定温度に
   制御する温調手段と、前記光拡散板と前記光学フィルタ
   との間のレーザ光路を外部から遮光する遮光体とを具備
   したことを特徴とするレーザ出力検出装置。