JPH1038751A

JPH1038751A - 光ファイバ破断検出装置

Info

Publication number: JPH1038751A
Application number: JP19789996A
Authority: JP
Inventors: Norio Kamagami; 則夫鎌上; Masami Ishii; 正美石井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギ損失を低減し、誤検出を防止する光
ファイバ破断検出装置を提供する。【解決手段】高エネルギの光を伝送する光ファイバ１
の入射端１ａに光源２からの光を光ファイバへ集光する
レンズ系４ａを設けると共に出射端１ｂには伝送先へ光
を照射・集光するレンズ系４ｂを設け、これら入射端レ
ンズ系及び出射端レンズ系のそれぞれ近傍にレンズ系内
の迷光を受光する受光器５ａ，５ｂを設け、これら受光
器５ａ，５ｂの出力を比較して光ファイバの破断を検出
する検出部３０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高エネルギの光を
伝送する光ファイバの破断を検出する光ファイバ破断検
出装置に係り、特に、エネルギ損失を低減し、誤検出を
防止する光ファイバ破断検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光による材料加工装置は、レーザ
光源と対象材料との間に光ファイバを設けてレーザ光を
伝送する。このように高エネルギの伝送に使用される光
ファイバには、破断等の故障を監視することが重要であ
る。

【０００３】従来は、光ファイバの入射光と出射光とを
検出し、これらを比較して光ファイバの破断を検出して
いる。このために、レーザ光源と光ファイバとの間及び
光ファイバと対象材料との間にそれぞれ光分岐素子，ビ
ームスプリッタ等を挿入し、このビームスプリッタで取
り出された光をそれぞれ受光器で受光している。入射光
が十分に受光されているのに出射光がそれに見合うだけ
受光されていなければ、破断と考えてよい。比較の方法
は、受光器出力同士の差分又は比をとり、その差分又は
比が許容範囲にあるかを評価する方法や、各受光器出力
をそれぞれ基準レベルと比較し、光の有無を二値化検出
して論理的に光の有無が不一致であれば破断と判定する
方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のビー
ムスプリッタには分岐比の小さなものを使用し、破断検
出用の受光器には僅かの光だけを分岐するよう構成する
のは勿論のことである。しかし、このように分岐比を小
さくしても、もともとの光が高エネルギであり、２箇所
のビームスプリッタを挿入したために、かなりのエネル
ギが失われてしまう。

【０００５】なお、出射光に対しては、照射された光の
反射光を受光するようにしてビームスプリッタをなく
し、エネルギ損失を低減することもできるが、その場
合、反射光の受光角度により受光器出力が変動し、一
方、基準レベルは受光角度に対して不動であるから、出
射光有無の検出が安定しないことになる。従って、受光
器の設置調整に厳密さが要求される。

【０００６】また、材料加工等のための高エネルギのレ
ーザ光には、パルス光等の振幅が変化する光が使用され
ることがある。パルス光の場合、入射光及び出射光の有
無を検出する二値化の際に基準レベルの僅かの差が時間
的なずれとなって検出される。また、レーザ光の強度や
周波数の違いによって、二値化の時間的なずれが変化す
る。このため光ファイバが正常であっても入射光及び出
射光の有無が不一致となる場合が生じる。これを避ける
ために入射光の基準レベルと出射光の基準レベルとを互
いに整合するよう調整するのは大変困難である。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、エネルギ損失を低減し、誤検出を防止する光ファイ
バ破断検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、高エネルギの光を伝送する光ファイバの入
射端に光源からの光を光ファイバへ集光するレンズ系を
設けると共に出射端には伝送先へ光を照射・集光するレ
ンズ系を設け、これら入射端レンズ系及び出射端レンズ
系のそれぞれ近傍にレンズ系内の迷光を受光する受光器
を設け、これら受光器の出力を比較して光ファイバの破
断を検出する検出部を設けたものである。

【０００９】上記レンズ系を収容するレンズ筒の内周壁
に窪み部を形成し、この窪み部内に上記受光器を収容し
てもよい。

【００１０】上記検出部は、入射端及び出射端の受光器
出力をそれぞれ予め設定したしきい値と比較して光の有
無を検出する二値化検出部と、光が有ることを示す光有
り信号を光が無くなってからも所定時間経過後まで維持
する信号延長部と、入射端の光有り信号と出射端の光有
り信号とが不一致ならば破断と判定する破断判定部とか
ら構成してもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１２】図１に示されるように、レーザ加工装置に
は高エネルギの光を伝送する光ファイバ１が設けられ、
光ファイバの入射端１ａには光源２、出射端１ｂには加
工ヘッド３が設けられている。光源２には、気体レー
ザ、固体レーザ等の高エネルギレーザ光を出射するもの
を用いることができ、その出力動作は連続パルス、三角
波、正弦波等である。ここではパルス動作をする光源を
用いた説明をする。光ファイバの入射端１ａと光源２と
の間には、光源２からの光を入射端１ａへ集光するレン
ズ系４ａが設けられている。加工ヘッド３内には、対象
材料に光を集光・照射するためのレンズ系４ｂが設けら
れている。

【００１３】本発明に係る光ファイバ破断検出装置を備
えたレーザ加工装置にあっては、入射端レンズ系４ａ及
び出射端レンズ系４ｂのそれぞれの近傍に受光器５ａ，
５ｂが設けられている。受光器５ａ，５ｂからの出力信
号ライン６ａ，６ｂは異常判別装置７に接続されてい
る。この異常判別装置７内には、受光器５ａ，５ｂの出
力信号を比較して光ファイバ１の破断及び異常を検出す
る検出部が設けられている。

【００１４】図２にレンズ系の詳細を示す。ここでは、
レンズ系４ｂについて説明するがレンズ系４ａについて
もほぼ同じと考えてよい。レンズ系４ｂは、光ファイバ
出射端１ｂからの出射発散光を平行光化するコリメート
レンズ２１とその平行光を対象材料へ集光する集光レン
ズ２２とを組み合わせ、これらを光軸上に並べて構成し
たものであり、レンズ系全体がレンズ筒２３に収容され
ている。レンズ筒２３の内周壁には、断面が角型の窪み
部２４が形成されている。この窪み部２４内に受光器５
ｂが収容されるかたちで取り付けられている。Ｔは対象
材料、２５は光学窓である。

【００１５】なお、窪み部２４は、実線で示すようにコ
リメートレンズ２１よりも入射側の位置に、または破線
で示す位置へ形成してもよく、受光器５ｂを安定に設置
できればよい。その受光器５ｂは、レンズ系４ｂを透過
するレーザ光の存在を検知し、好適には強度に比例する
光を受光する目的で設けられている。そのため必ずしも
レンズ２１，２２からの直接の反射光が受光できなくて
もよく、反射や散乱によってレンズ系４ｂ内に生じてい
る迷光を受光することができればよい。通常の高エネル
ギレーザ光を扱う光学系においては、その光学系周辺に
迷光が漠然と存在しているので、受光器５ｂの位置は、
図２に示した窪み部２４，２４に限定されずレンズ系近
傍であればよい。

【００１６】次に、図３に示されるように、光ファイバ
破断検出装置の電気系は、光検出器（受光器）５ａ，５
ｂの出力電流を電圧に変換する電流・電圧変換回路３１
ａ，３１ｂ、その電圧を増幅する電圧増幅回路３２ａ，
３２ｂ、発振器側異常を判別する光量敷居値を設定する
基準電圧回路及び加工ヘッド側異常を判別する光量しき
い値を設定する基準電圧回路（図示せず）、受光器出力
電圧と各基準電圧とを大小比較して二値化する電圧比較
回路３３ａ，３３ｂ、その二値化出力とサンプリングト
リガとなるＣＬＫとでＮＡＮＤをとり、そのトリガが立
ち上がりから設定する所定時間幅のタイマパルスを出力
し、かつ再トリガによりその時間が延長されるリトリガ
ブルタイマ回路３４ａ，３４ｂ、リトリガブルタイマ回
路３４ａ，３４ｂに対し共通のサンプリングトリガクロ
ックを供給するサンプリングトリガ回路３５、リトリガ
ブルタイマ回路３４ａ，３４ｂの出力同士を排他的論理
演算する排他的論理回路３６、その排他的論理回路３６
の出力を所定時間無効化する信号を発生するマスク回路
３７、排他的論理回路出力が有効な場合のみ、光量の正
常・異常を判別する正常・異常判別回路３８とからな
る。受光器５ａ，５ｂから電圧増幅回路３２ａ，３２ｂ
までを受光部３９とすると、それ以降が検出部３０とい
うことになる。

【００１７】検出部３０の各回路を機能により区分する
と、基準電圧回路及び電圧比較回路３３ａ，３３ｂは、
入射端及び出射端の受光器出力をそれぞれ予め設定した
しきい値と比較して光の有無を検出する二値化検出部４
１である。リトリガブルタイマ回路３４ａ，３４ｂ及び
サンプリングトリガ回路３５は、光が有ることを示す光
有り信号を光が無くなってからも所定時間経過後まで維
持する信号延長部４２である。信号延長部４２は、リト
リガブルタイマ回路３４ａ，３４ｂの前段に電圧比較回
路３３ａ，３３ｂの出力に応じてサンプリングトリガク
ロックを通過／遮断するＮＡＮＤゲートを内蔵し、その
後段に内蔵されるタイマ回路のトリガタイミングをサン
プリングトリガクロックに同期させる機能を持つ。排他
的論理回路３６、マスク回路３７及び正常・異常判別回
路３８は、入射端の光有り信号と出射端の光有り信号と
が不一致ならば破断と判定する破断判定部４３である。
破断判定部４３は、マスク回路３７によって各光有り信
号の変化の過渡的なずれによる論理の不一致を除外する
機能を持ち、正常・異常判別回路３８より最終的な破断
判定を出力するようになっている。

【００１８】次に動作を説明する。

【００１９】まず、図１のレーザ加工装置において、光
源２は高エネルギのレーザ光をパルス状に発振し、レン
ズ系４ａにてレーザ光を集光し光ファイバ１に入射させ
る。光ファイバ１に破断等の異常がなければ、レーザ光
は光ファイバ１より出射され、加工ヘッド３内のレンズ
系４ｂにて集光されて対象材料に照射・集光される。

【００２０】このとき、図２のレンズ筒２３内には迷光
により漠然と光が存在する。受光器５ｂが受光する迷光
の強度は、レンズ系４ｂを通過するレーザ光の強度に概
ね比例する。このようにして受光器５ｂでは光ファイバ
１の出射端１ｂの受光器出力が得られる。同様にして、
受光器５ａでは光ファイバ１の入射端１ａの受光器出力
が得られる。

【００２１】図３の検出部の動作は、各部の信号波形を
示した図４を用いて説明する。光ファイバの入射端１ａ
及び出射端１ｂにおける光強度をＡ，Ｂとし、これに基
づく信号には回路処理の順に番号を付記する。入射端及
び出射端の受光器出力を示す電圧増幅回路３２ａ，３２
ｂの電圧Ａ１，Ｂ１は、光源光とほぼ同じパルス幅及び
パルス間隔を有している。しかし、完全な矩形波にはな
らず、高電圧部分の波形は飽和してしまう。また、図か
らは読み取りにくいが低電圧部分でも過渡的な波形のな
まりがある。

【００２２】この波形には基準電圧Ｖａ，Ｖｂが重ねて
示されている。基準電圧Ｖａ，Ｖｂは、図３の発振器側
異常を判別する光量しきい値及び加工ヘッド側異常を判
別する光量しきい値を意味する。ただし、ここでの異常
とは光強度Ａ，Ｂがパルス幅内でしきい値を下回ること
をいう。基準電圧Ｖａ，Ｖｂは、電圧Ａ１，Ｂ１の波形
を考慮して任意に設定できるが、前記のように波形には
なまりがあるため、二値化の際に時間的なずれが生じ
る。

【００２３】次に二値化検出部４１による二値化出力の
例を示す。電圧比較回路３３ａ，３３ｂの出力である二
値化信号Ａ２，Ｂ２は、高レベルが光有り、低レベルが
光無しという論理になっている。さらに信号Ｃ２として
二値化信号Ａ２，Ｂ２の排他的論理が示されている（た
だし、検出部３０内には信号Ｃ２は存在しない）。信号
Ｃ２は二値化信号Ａ２，Ｂ２の僅かな時間的なずれによ
って高レベルになっている。従来技術ではこのために誤
検出が生じた。信号Ｃ２を解消するために基準電圧Ｖ
ａ，Ｖｂを厳密に調整しても、光源光の波形・強度・周
波数を変えたり、光ファイバ１の特性が代わることによ
り誤検出が生じる。また、光源２の運転開始・停止時に
も誤検出が生じることがあった。本発明の場合、二値化
信号Ａ２，Ｂ２は、直ちに比較せず、さらに加工され
る。

【００２４】信号延長部４２では、電圧比較回路３３
ａ，３３ｂの出力に応じてサンプリングトリガクロック
を通過／遮断する。図４に示したサンプリングトリガク
ロックＣＫは光源光のパルス幅及びパルス間隔よりも十
分に短い周期で、常時、発振されている。次に示したＮ
ＡＮＤ出力Ａ３，Ｂ３は、光有りの期間のみサンプリン
グトリガクロックＣＫに同期するクロックが存在し、光
無しの期間は高レベルになっている。このクロックの立
上りがトリガ及び再トリガに使用される。

【００２５】図４には、リトリガブルタイマ回路３４
ａ，３４ｂの基本のタイマパルス（再トリガなしの場
合）ＴＰが参考に示されている。図示例では、タイマパ
ルスＴＰは、光源光パルスの２個分を跨ぐ程度の時間幅
になっているが、これに限定されず任意に設定してよ
い。

【００２６】ここで図の上に戻って電圧Ａ１，Ｂ１の波
形を見ると、入射端受光器出力である電圧Ａ１は継続的
にパルスが出ているのに対し、出射端受光器出力である
電圧Ｂ１は２個のパルスの後、とぎれている。これは例
えば×印の時点で光ファイバの破断したことを表してい
る。従って、ＮＡＮＤ出力Ｂ３も×印以降にはクロック
が存在しない。

【００２７】次に示したタイマパルスＡ４は、基本のタ
イマパルスＴＰの時間幅が光源光のパルス間隔よりも広
いので、クロックの立上りの度に次々と再トリガされ、
最初の立下がり以後、低レベル（光有り）を維持してい
る。一方、タイマパルスＢ４は２個目の光源光パルスに
対応したクロックの後尾で再トリガされた後はクロック
が来ないので、所定時間経過後に高レベル（光無し）に
なっている。

【００２８】破断判定部４３では、排他的論理回路３６
によりタイマパルスＡ４とタイマパルスＢ４との排他的
論理をとる。排他的論理出力Ｃ４は、タイマパルスＢ４
の論理反転により直ちに論理反転している。同時に、マ
スク回路３７は、所定のマスク時間のみ高レベル（無
効）となるマスク信号ＭＴを出力する。正常・異常判別
回路３８は、排他的論理出力Ｃ４をマスク信号ＭＴが低
レベル（有効）のときのみ通過させ、破断判定出力Ｃ５
を得る。マスク信号ＭＴが低レベル（有効）になったと
き排他的論理出力Ｃ４が高レベルであるため、最終的な
破断判定出力Ｃ５は高レベル（異常＝破断）となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３０】（１）破断検出のための光学素子（ビーム
スプリッタ）が不要となり、エネルギ損失を低減するこ
とができる。

【００３１】（２）二値化の際の時間的なずれに左右さ
れなくなり、光源の状態の影響による誤検出がなくなる
と共に基準レベルの設定も容易になる。

【００３２】（３）レーザ光の発振出力，発振動作に関
係なく、正異常判別が可能である。そのことにより、レ
ーザ光発振状態変更毎の電気的な回路定数再調整などが
不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す光ファイバ破断検出
装置を備えたレーザ加工装置の構成図である。

【図２】図１のレーザ加工装置の加工ヘッド内を示す断
面図である。

【図３】本発明に係る光ファイバ破断検出装置の電気系
のブロック回路図である。

【図４】図３の検出部各部の信号波形を示す信号波形図
である。

【符号の説明】

１光ファイバ１ａ入射端１ｂ出射端２光源４ａ，４ｂレンズ系５ａ，５ｂ受光器２３レンズ筒２４窪み部３０検出部４１二値化検出部４２信号延長部４３破断判定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高エネルギの光を伝送する光ファイバの
入射端に光源からの光を光ファイバへ集光するレンズ系
を設けると共に出射端には伝送先へ光を照射・集光する
レンズ系を設け、これら入射端レンズ系及び出射端レン
ズ系のそれぞれ近傍にレンズ系内の迷光を受光する受光
器を設け、これら受光器の出力を比較して光ファイバの
破断を検出する検出部を設けたことを特徴とする光ファ
イバ破断検出装置。
【請求項２】上記レンズ系を収容するレンズ筒の内周
壁に窪み部を形成し、この窪み部内に上記受光器を収容
したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ破断検
出装置。
【請求項３】上記検出部は、入射端及び出射端の受光
器出力をそれぞれ予め設定したしきい値と比較して光の
有無を検出する二値化検出部と、光が有ることを示す光
有り信号を光が無くなってからも所定時間経過後まで維
持する信号延長部と、入射端の光有り信号と出射端の光
有り信号とが不一致ならば破断と判定する破断判定部と
から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の
光ファイバ破断検出装置。