JPH1052779A - 材料処理操作におけるレーザーの収束制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確なビーム収束位置決めを可能にする。 【構成】 レーザービームが該ビームにより溶接される
べき被加工体と相互作用する時、光学的放射のプルーム
が発生される。該プルームからの放射が色収差を有する
光学素子（Ｌ１、Ｌ２）から成るビーム供給経路を通し
て帰還受信される装置及び方法が提供される。これによ
り、プルーム放射の異なる分光帯域の焦点が変更され
る。判別開口は光学ファイバー（３）の面により形成さ
れる。ファイバーを通った後、プルーム放射は何れかの
レーザー放射から分離され、上記異なる分光帯域の夫々
のパワーが測定される（５）。差引により誤差信号が得
られ、レーザービームの焦点を制御するのに用いられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料のレーザー処
理における収束の制御に関する。特に、しかし制限する
ものではないが、レーザーによる材料の全処理操作中に
レーザービームが処理点に収束し続けるように該操作
中、レーザービームの実時間収束制御が行われるように
する装置及び方法に関する。本発明はまた、レーザービ
ームの収束監視に関する。当該処理操作は、例えば、レ
ーザー溶接であり、或いはレーザー切断又は穿孔、その
他、どのようなレーザー処理操作でも良い。

【０００２】

【従来の技術】レーザー溶接は一般に、連続（ＣＷ）レ
ーザービーム又は繰り返しパルス化レーザービームを用
いて行われる。特に、後者の場合、溶接により接合され
るべき材料がレーザービームを横切って移動するにした
がい、連続溶接を行う為、一パルスの収束スポットが前
のパルスの収束スポットに部分的に重複する。従来のレ
ーザー溶接方法は、適度のピークパワーを有する比較的
長いパルスを用いる。比較的長いパルスにより、金属の
厚さを導通すべく印加されるエネルギー時間で深さ全長
の溶融を得ることが出来る。また、適度のピークパワー
により、表面層が必要以上に蒸発されることが無い。

【０００３】より近時にキーホール溶接技術が開発さ
れ、高いピークパワーの連続又はパルス化レーザービー
ムが用いられ、ビームの収束点（焦点）において材料を
蒸発させるようにしている。これにより、材料に穴（キ
ーホール）が生成される。この穴はプラズマにより充満
され、該プラズマはそれ自体でレーザービームにより提
供されるエネルギーを連続的に吸収出来る程密度が高
い。ビームが材料を（又はその逆に）横断するにしたが
い、キーホールは材料に跨って横方向に移動し、全深さ
溶接ビードを残す。ビームの焦点（収束点）は、この種
のレーザー溶接においては極めて重要である。即ち、被
加工体におけるビーム強度がビームパワーの減少により
低下するか、ビームがもはや被加工体表面に収束されな
いと、キーホールは崩壊し、溶接性能は低下する。正確
なビーム収束位置決めは、より従来的なレーザー溶接方
法でも重要である。正確な収束位置からの外れは、溶接
又は切断幅と深さに有害に影響する傾向が有るからであ
る。

【０００４】場合によっては、非溶接体に跨って為すビ
ーム供給ヘッドの移動を該非溶接体の既知の定まった形
状に基づいて予めプログラムすることが出来る。しかし
ながら、これは何時でも出来るわけではない。特に、プ
レスシート金属等の被加工体は、一定形状をしばしばも
たず、曲がり易いからである。また、ビーム供給ヘッド
が関節のあるロボットアームにより操作される場合、位
置精度の維持は比較的不良好なままである。

【０００５】自動焦点（収束）制御方法は過去にも行わ
れ、これ等の方法はしばしばキャパシタンス（容量）測
定に基づく。システムによっては、レーザービームは、
酸素又は空気の同軸流を処理領域に供給する同軸ノズル
を介して非加工体に収束され、材料に対するレーザービ
ームの効果を高める。金属ガスノズルと金属被加工体間
の容量を電気的に測定することによって、或程度の収束
制御を制御出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、従来のレ
ーザー加工にあっては、正確なビーム収束位置決め制御
に問題があった。更に、ビーム収束位置決めを行う場
合、上記のような電気系センサは、レーザー溶接中に発
生される高レベルの電気的干渉により有害に影響される
傾向がある。従って、この方法は、パルス化レーザーと
共に且つ干渉を避ける為、パルス間の期間中にのみしか
用いることが出来ない。このことは好ましくなく、この
技術が連続（ＣＷ）レーザービームを用いる溶接には一
般には使用し得ず、また種々の要素を通して誤り読み出
しが生じ得ることを意味する。

【０００７】従って、この発明の目的は、レーザー溶接
を含むレーザー加工の為の改良された自動収束（焦点）
制御システムであって、電荷測定に依存しないかかるシ
ステムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第一の発明は、レーザー
ビームを被加工体に供給し、色収差を有する光学ユニッ
トを含み且つ該上記加工体とレーザービーム間の相互作
用により発生される光学的放射の少なくとも一部が上記
光学ユニットを通して帰還送信されるように形成された
ビーム供給経路と、強度判別開口と、受信光学放射が該
開口を通った後、それを少なくとも二つの分光帯域に分
離する手段と、該少なくとも二つの分光帯域の受信放射
の夫々のパワーを検出し且つ該パワーを表す電気信号を
発生する手段と、該電気信号から、前記被加工体からの
レーザービームの収束の分離を表す誤差信号を発生する
手段とを備えて成るレーザー光の収束を監視する装置で
ある。

【０００９】上記構成において、更に、レーザーの収束
を制御する手段を含み、該手段は前記誤差信号に応答し
てレーザービームの収束位置を変更する手段から成る装
置が提供される。

【００１０】また、前記強度判別開口が、前記被加工体
に向かってレーザービームを通過せしめ且つ該被加工体
から前記発生された放射を通過せしめる光学的ファイバ
ーの芯又は被覆部の面により形成されるようにすること
が望ましい。

【００１１】また、レーザービーム放射の何れかから前
記発生放射を分離する手段を備えることが望ましい。

【００１２】また、前記分離手段が、波長の一波長又は
領域において反射性であり、他の波長において透過性で
ある光学的手段を備えることが好ましい。

【００１３】また、前記光学的放射を前記少なくとも二
つの分光帯域に分離する手段と該二帯域の夫々のパワー
を検出する手段とを備えることが望まれる。

【００１４】また、一分光帯域が波長領域１１００から
１６００ｎｍの赤外にあり、他の帯域が３００から７０
０ｎｍの紫外／可視分光波長領域にあり、レーザー放射
が上記二帯域間又は二帯域外にあるように構成すること
が好ましい。

【００１５】また、赤外検出器をＩｎＧａＡｓ光ダイオ
ードで構成することが望まれる。

【００１６】また、紫外／可視光検出器を紫外強化シリ
コン光ダイオードで構成することが望まれる。

【００１７】また、パワー表示電気信号が夫々の低域フ
ィルターを通り、増幅され且つ一信号を他信号から差し
引いて前記誤差信号を得る差引手段に印加されるように
装置を構成することが好ましい。

【００１８】また、前記光学ユニットは、前記被加工体
に対して移動可能であって該被加工体に対するレーザー
ビームの収束位置を変更し且つ前記誤差信号に応答して
駆動される駆動手段により駆動可能に構成することが好
ましい。

【００１９】また、前記開口が、開口を有する板により
提供されるように装置を構成することが望ましい。

【００２０】また、前記発生放射が、少なくとも一部、
前記被加工体に形成されたプルーム（ｐｌｕｍｅ）から
のものとする構成が望まれる。。

【００２１】また、色収差を有する前記光学ユニットが
レンズ又はレンズユニットであるように構成することが
好ましい。

【００２２】第二の発明は、レーザービームをビーム供
給経路を通して被加工体に供給し、上記ビーム供給経路
は色収差を有する光学ユニットを含み且つ上記被加工体
とレーザービーム間の相互作用により該被加工体に発生
される光学的放射の少なくとも一部が上記光学ユニット
を通して帰還送信されるように形成される、レーザービ
ームの収束を監視する方法であって、発生された光学的
放射を判別開口を通して通過せしめ、該光学的放射を上
記光学ユニットの収差により異なって影響される少なく
とも二つの分光帯域に分離し、前記開口における上記少
なくとも二つの分光帯域の放射の夫々のパワーを検出
し、そして該パワーから前記被加工体からのレーザービ
ームの収束の分離を表す誤差信号を発生することを特徴
とする方法である。

【００２３】上記構成において、前記判別開口が、レー
ザービームを前記被加工体に向かって通過せしめ且つ該
被加工体から発生放射の少なくとも部分を通過せしめる
光学ファイバーの芯又は被覆部分の面において形成され
ることことが好ましい。

【００２４】更に、前記レーザーの収束を制御する方法
を含む方法であって、前記誤差信号を用いて前記レーザ
ービームの収束位置を変更する工程を含んで成る方法が
提供される。

【００２５】また、監視放射が少なくとも一部、前記被
加工体において発生されたプルーム（ｐｌｕｍｅ）から
であるようにすることが好ましい。

【００２６】

【作 用】従来のレーザー加工において問題があった正
確なビーム収束位置決めを可能にする。それにより、溶
接又は切断幅、深さ等に有害な影響を与えることが無
い。更に、従来問題のあったセンサを用いないので、予
めプログラムが所望の結果を得る為に可能になり、より
正確なビーム収束制御を、より信頼性のあるものとし且
つ簡便にする。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を、添付する図面
を参照して、以下記述する。図１は、本発明の実施例に
おいて、芯（コア）パワー監視に用いられる装置を示
す。芯パワー監視（モニター）において、レーザーパワ
ーは光学ファイバーにより被加工体に伝達され、その結
果生ずる処理により発生される光学的放射は該光学ファ
イバーを介して監視される。用語「芯（コア）」は光学
ファイバーの芯（コア）を意味し、芯パワー監視におい
ては、レーザー放射、そして反対方向の監視放射は、芯
を走行し、芯と該芯を囲繞する環状被覆材間の界面にお
ける全内部反射により芯内に拘束される。ファイバーの
被覆材を通して帰還する光又は放射を監視する被覆材パ
ワー監視等の他の技術手段を用いても良い。本発明を実
施する図８に示されたような他の技術においては、光学
ファイバー以外の手段が用いられる。

【００２８】図１に示されたシステムにおいて、レーザ
ー（図示せず）からのレーザービーム１は、レンズ又は
レンズユニット２により光学ファイバー３の近位面上に
収束される。ビームは、ファイバー３の遠位面から現出
し、レンズユニットＬ１，Ｌ２を通過する。ビームは、
第一のレンズＬ１によりコリメート（平行化）され、次
いで第二の収束レンズＬ２により被加工体４上に収束さ
れる。

【００２９】レンズＬ１とＬ２の組み合わせは、被加工
体４上にファイバー芯の拡大が解かれた影像を生ずるレ
ンズユニットを形成する。それに対応して、レンズ組み
合わせ（Ｌ１＋Ｌ２）はまた、被加工体４の照射面積の
影像を形成し、該影像はファイバー芯上に正確に重畳さ
れて、ファイバー３の出力面に位置付けられる。かくし
て、レーザー放射が被加工体表面により反射又は散乱さ
れると、該放射の一部はファイバー芯に帰還連結され、
ファイバー３を通りレンズ２を通って戻り、原理的に、
レーザー自体に逆走行する。

【００３０】レーザー溶接が行われる時、ビームと材料
の相互作用が、可視炎に類似した、被加工体表面から数
ミリメーターまで延びるプルーム（ｐｌｕｍｅ）を生ず
ることは良く知られた現象である。図１におけるような
構成を用いることによって、上記プルームからの放射の
一部は、影像化レンズユニットＬ１、Ｌ２によりファイ
バー芯に帰還連結され、ファイバー３を近位端に走行す
る。レーザー放射からプルーム放射を分離することによ
って（これは波長が異なる故に可能である）プルーム放
射は、ファイバー３の近位端に達した後、監視出来る。
プルーム特性の監視は、材料処理操作の状態と質に関し
て価値ある情報を提供し得る。

【００３１】しかしながら、プルーム放射はプロセスが
発生する唯一の放射では無く、放射はまた、金属上にビ
ームが収束される点における溶融材料のプール（ウェル
ドプール）及び他の源から現出する。本発明の実施例に
より監視されるプロセス放射は、プルーム放射に加え
て、この放射を含むものである。

【００３２】プロセス放射は、一特定波長、即ちレーザ
ー波長において高度に反射性があるが他の波長において
はかなりの透過性のあるミラー構成を用いることによっ
て、レーザー放射から分離出来る。例えば、使用される
レーザーにおいて高度に反射性があり、従って、レーザ
ー放射は反射するが、プルーム放射及び他のプロセス放
射を含む他の波長を透過するビーム回転ミラーを用いる
ことが出来る。

【００３３】本発明の実施例において、１０６４ｎｍの
波長で動作するＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いることは現
在の処、好ましいが、本発明は他の波長及び／又は他の
型のレーザーにも適用可能である。例えば、二酸化炭素
レーザーを用いることも出来る。

【００３４】図２は溶接（加工）のレーザー加工システ
ムを概略的に示す。レーザーは、二つのミラーが境を為
すレーザー共振器内のポンピング室の形式の少なくとも
一つのポンピング部を具備する。図示された例では、４
個の複数ポンピング室Ｐ１〜Ｐ４が直列に配置され、各
室は活性状態のレーザーゲイン素子Ｇ及び励起ランプＥ
L を含む。ポンピング室は通常の様式で二つのミラーＭ
１とＭ２間に配置され部分的透過性のミラーＭ２を通し
てレーザービームを発生する。

【００３５】レーザービーム自体の出力はパワーモニタ
ーＰＭ１により測定することが出来る。この種のＮｄ：
ＹＡＧレーザーは、英国、Ｗａｒｗｉｃｋｓｈｉｒｅ
ＣＶ２１ １ＱＮ， Ｒｕｇｂｙ， Ｓｗｉｆｔ Ｖａ
ｌｌｅｙ， ＣｏｓｆｏｒｄＬａｎｅ在のＬｕｍｏｎｉ
ｃｓ Ｌｉｍｉｔｅｄにより、ＭＩＬＴＩＷＡＶＥ^TMの
商品名で製造販売されている。レーザービームは、ビー
ム回転ミラーＭ３、Ｍ４を介して、光学ファイバー３の
入力近位面にビームを収束する光学ユニット２に指向さ
れる。ファイバー３の遠位端から出て来るビームは、レ
ンズユニットＬ１、Ｌ２を通り、被加工体４上に収束さ
れる。この時、被加工体４とレンズユニットＬ１，Ｌ２
間に相対運動が生じ、溶接（加工）操作を行うことが出
来る。

【００３６】尚、用語「被加工体」は本明細書において
は、単一被加工体並びに溶接操作により接合されるべき
複数の被加工体を含むものとする。

【００３７】図１に関して記述されたように、溶接操作
により発生されるプロセス放射は、レンズユニットＬ
１、Ｌ２、光学ファイバー３、光学ユニット（レンズ）
２を通して帰還指向される。ビーム回転ミラーＭ４は、
１０６４ｎｍの選ばれたレーザー波長において高度に反
射性であるが、他の放射に対して透過性があるように選
ばれ、従って、プルームの光学特性を分析し得る芯パワ
ーモニター５にプロセス放射を透過させる。

【００３８】或いは、レーザー放射を透過させ且つ他の
波長を反射する手段を用いても良い。芯パワーモニター
５は、更に図４と図５を参照して以下に記述する。

【００３９】図２のビーム収束構成Ｌ１とＬ２は通常、
色収差の無いように選ばれる。図示の例においては、レ
ンズＬ１とＬ２は、両者とも正レンズで、接合色消しＳ
ｉｌｌレンズである。一実施例において、Ｌ１の焦点
（収束）長さは１６０ｍｍで、Ｌ２の焦点（収束）長さ
は８０ｍｍである。このレンズ組み合わせは、拡大率が
８０／１６０＝０．５の影像化ユニットと見做すことが
出来る。

【００４０】かくして、ビーム供給ファイバーの芯径が
例えば１ｍｍであれば、第二のレンズは、直径０．５ｍ
ｍの、ファイバー芯の鋭い影像を、その後部収束面の８
０ｍｍ下流に位置する被加工体上に投影する。

【００４１】正の色消しレンズは一般に、最小の色収差
を有するように設計される。これは、色消しレンズの有
効焦点長さを可視分光における少なくとも二波長に等し
くすることによって、達成される。

【００４２】しかしながら、二つの選ばれた波長に関し
て色収差を無くしても、色収差の完全な除去は得られな
いことを認識することが重要である。残る色収差は二次
分光として知られ、良く知られた現象である。本発明
は、この色収差を用いて収束制御を行う。

【００４３】レーザービームと材料との相互作用から生
ずるプルームを含むプロセス放射は、可視及び紫外（Ｕ
Ｖ）放射のみならず赤外（ＩＲ）放射から成る。レンズ
ユニットＬ１とＬ２は、二次分光における色収差を示
し、プルーム／相互作用領域から放射される光の異なる
分光帯域はこの収差により影響され、レンズ装置により
異なって収束されるようにする。

【００４４】図３（ａ）は、図１の部分を少し単純化し
た変形である。この図は、レンズＬ２の焦点に位置する
被加工体４を示し、光学ファイバー３の出力面から被加
工体４へのレーザービームの包絡面を描写している。こ
こで、ビームは１０６４ｎｍの波長である。図３（ｂ）
は、赤外（ＩＲ）及び紫外（ＵＶ）帯域からの二つの光
線を描写している。

【００４５】図示された実施例では、ＵＶ帯域は可視分
光を含むものと仮定され且つ３００から７００ｎｍの波
長領域を含む一方、ＩＲ帯域は１１００から１６００ｎ
ｍの波長帯域にある。レンズ組み合わせＬ１、Ｌ２の有
効焦点（収束）距離は、ＩＲ帯域に対するよりＵＶ帯域
に対する方が短い。

【００４６】図３（ｂ）に示されているように、この色
収差により、ＵＶ光線は、面Ｐ１において、ファイバー
出力面の前方に被加工体の照射領域の影像を形成する。
ＩＲ光線は、出力面の上流面Ｐ２において、影像を形成
する。出力面Ｐ３において、二帯域の「錯乱円」は、こ
の図に示されているように、同様の大きさとなり、従っ
て、光学ファイバーの芯に入る各帯域における放射量は
同一となる。従って、光学ファイバーの芯は強度判別手
段として作用し、同一大きさの信号は各分光帯域に対し
て芯パワーモニターにより検出されることが予測出来
る。ここで、各帯域において光出力が等しいこと、検出
器感度等が等しいこと等が仮定される。かくして、ＩＲ
及びＵＶ信号が互いに差し引かれると、零の誤差信号ε
が得られる。

【００４７】図３（ｃ）において、被加工体はレンズＬ
２から更に離れて移動されている。これにより、対応す
る影像はＬ１により近く、即ち、面Ｐ３により近く移動
し、ＩＲ影像は今や面Ｐ３に位置し、ファイバー芯と一
致するようになる。その結果、増大された最大ＩＲ影像
が芯パワーモニターにより検出される。即ち、レンズに
より集められたＲパワーの全てがファイバー芯の判別出
力面内に有効に通過するからである。しかしながら、Ｕ
Ｖ影像はまたレンズＬ１に向かって移動し、ファイバー
の面において錯乱円の増大を生じ、従って、ＵＶ放射の
より少ない部分がファイバーに入るようになる。かくし
て、ＵＶ放射のより少ない量がファイバー面に入り、よ
り低い信号が検出される。

【００４８】図３（ｄ）において、被加工体はＬ２及び
レーザービーム収束面から尚、更に離れている。その結
果、ＩＲ及びＵＶ影像の両方はＬ１に向かって移動して
居り、従って、芯パワーモニターにおける検出信号は、
図３（ｃ）の状態に対するよりこれ等両者に対してより
低くなる。

【００４９】図３（ｅ）において、被加工体はＬ２に向
かって戻り、レーザービーム収束面の前方に位置してい
る。これにより、ＩＲ及びＵＶの両影像はＬ１から離れ
ＵＶ影像は今やファイバーの端部面に位置し、最大のＵ
Ｖ信号とより少ないＩＲ信号を生ずるようになる。

【００５０】図３（ｆ）において、被加工体はＬ２に更
に近接し、ＵＶ及びＩＲ両影像は光学ファイバー出口面
の後方に形成され、両帯域からの低下された信号を生ず
るようになる。

【００５１】図３（ａ）〜図３（ｆ）から、被加工体に
対しＵＶ信号が最大になる一つの特異位置があり、また
ＩＲ信号が最大になる別の一特異位置があることが分か
る。かくして、両信号を測定することにより、ビームが
被加工体に収束しているかどうかを判断する為に有効に
用いることが出来、そしてフィードバックループを制御
してレーザービームに対し被加工体を移動するのに用い
ることが出来る誤差信号を得ることが出来る。

【００５２】固定された開口から成るファイバー芯は、
強度判別器として作用し、従って、ファイバーの他端に
離れて位置する芯パワーモニターがファイバー出力面に
おいて強度を有効に測定するのを可能にする。

【００５３】光学ファイバーを省略し、代わりに、ファ
イバー面に加えて又はその代替として適切な判別開口を
単に設けることが可能なことは理解されよう。

【００５４】図６は、レーザービームの焦点に対する被
加工体位置の関数として芯パワーモニターにより発生さ
れるＩＲ及びＵＶ信号（及びまた１０６４ｎｍ信号）の
理論的作図を示す。図７ａは、ＩＲ及びＵＶ信号のみに
対する図６の作図の単純化（即ち三角）表示を示す。Ｉ
Ｒ及びＵＶ信号は、被加工体がレーザービーム焦点面に
ある時、等しくなるように尺度調整されている。

【００５５】図７ｂは、誤差信号εを発生する為にＵＶ
信号からＩＲ信号を差し引くことの効果を示している。
尚、記述された実施例においては、ＵＶ及びＩＲ帯域に
対する平均分離は約１ｍｍである。この値は、レンズＬ
１とＬ２及び監視（モニター）用に選ばれた分光帯域の
適切な選択により増大にても良い。図７（ｂ）に示され
た特性は、急勾配の中央線形領域Ｅ_LIN を有する。

【００５６】本発明の実施例において、誤差信号特性の
この部分は、閉ループ収束制御用に用いることが出来
る。収束誤差がこの線形領域内に留まっていれば、適切
なフィードバック手段を有するシステムを用いて誤差の
大きさと方向を計算し且つビーム収束光学系（例えば、
Ｌ１、Ｌ２）と被加工体間の相対的分離を調整すること
によって該誤差を除くことが出来る。

【００５７】収束誤差が線形領域の境界を超えて移動す
る場合、制御システムは誤差信号により収束誤差を修正
出来ないことがある。しかしながら、かかる場合には、
箇々のＵＶ及びＩＲ信号を監視することにより、収束誤
差を線形領域Ｅ_LIN に戻し、かくして収束修正を回復す
ることは一般に可能である。

【００５８】図４は、芯パワーモニター５の例示的実施
例を概略的に示す。放射は被加工体により反射され、散
乱され且つ発生されるが、その部分はレンズＬ１とＬ
２、光学ファイバー３、光学ユニット２及びミラーＭ４
（これ等全て図２に図示されている）を通り、次いで、
レンズ６を通って第二の光学ファイバー７（図４に図
示）に帰還する。

【００５９】放射は、元のレーザー波長（Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザーを用いる記述実施例において１０６４ｎｍ）の
放射、また他の波長（上述のようなＩＲ及びＵＶ帯域を
含む）における放射を含む。放射は、レンズ８を通って
レーザー波長において高度に反射性があるが他の波長を
透過させるミラーＭ５に至る。従って、レーザー放射は
このミラーにより反射され、残りの放射は通過する。ミ
ラーＭ５を通った光は、二色性ミラーＭ６により所望の
ＩＲ及びＵＶ分光帯域に分割される。ミラーＭ６は一実
施例において、厚さが０．５ｍｍのポリシリコンウェフ
ァーである。

【００６０】赤外線光ＩＲはミラーＭ６を透過し、Ｉｎ
ＧａＡｓ光ダイオードであるＩＲ検出器９により検出さ
れる。反射光は、透過光を７００ｎｍ以下の領域のもの
に制限するフィルター１０を通り、ＵＶ強化シリコン光
ダイオードである検出器１１により検出される。フィル
ター１０は、Ｓｃｈｏｔｔ ＢＧ４０ ガラスフィルタ
ーである。次いで、出力信号は二つの光ダイオード９と
１１から導出され、処理されて誤差信号を得る。

【００６１】処理装置及びフィードバックループの一例
は、図５に示されている。同図において、レンズ装置Ｌ
１とＬ２は、駆動される可動変換段１２内に設けられ
る。被加工体４は、変換段１２に対して横方向に並進す
る。図はまた、レーザー溶接中に被加工体４上に形成さ
れる放射プルーム１３を概略的に示す。レーザー放射と
レンズＬ１及びＬ２とファイバー３を通って帰還受信さ
れるＩＲ及びＵＶ放射は、レーザー装置１４を通って芯
パワーモニター５に戻る。尚、レーザー装置１４は、ミ
ラーＭ１とＭ２が境となる実際のレーザーに加えて、光
学ユニット２を含む。

【００６２】ＵＶ及びＩＲ信号は、図４に関連して記載
されたように、芯パワーモニター５内で分離され、そし
て検出され、光ダイオード９と１１において、夫々、Ｉ
Ｒ放射を表す信号Ｖ_IRとＵＶを表す信号Ｖ_URを得る。こ
れ等の光ダイオードの各々からの出力は、低域濾過さ
れ、フィルター１５と１６において、夫々、１００Ｈｚ
より高い高周波成分を除去する。これ等の高周波成分
は、キーホールとウェルドプールの両方における振動に
付随していると考えられる。

【００６３】フィルター１５と１６は一次で、平均発振
周波数より充分低く選ばれた１００Ｈｚで遮断される。
濾過後、両信号は夫々の増幅器１７と１８で増幅され且
つ等化されて零収束誤差で等しくなるようにされる。該
両信号は次いで差引器に印加され、後者は一信号を他信
号から差引き、被加工体が焦点合わせされる時、即ち最
適レーザービーム焦点又は収束面に位置する時、零値で
ある誤差信号εを生ずる。

【００６４】結果として生ずる誤差信号εは、典型的に
アナログ入力として、コンピュータ２０に印加される。
アナログ信号はコンピュータによりサンプルされ、対応
する焦点（収束）誤差を計算し且つビーム収束ユニット
と被加工体間の距離を変更する為に変換段１２を調整す
る駆動回路２１を制御するのに用いられるサンプル化デ
ィジタル信号を得る。

【００６５】誤差信号は好ましくはサンプルされ、処理
され且つモーター化変換段１２に１０ｍｓ毎に出力され
レーザービームを最適収束位置に保持する。勿論、サン
プリングレートはこの値から変更することが出来る。

【００６６】図８は、強度判別器がファイバーでない代
替的実施例を示す。この例においては、被加工体４を溶
接する為に用いられるべきレーザービームは、ミラーＭ
７とレンズＬ２により被加工体４に向けられる。このミ
ラーはレーザー波長において反射性であるが他の波長に
おいて透過性である。被加工体からのＵＶ及びＩＲ放射
は、ミラーＭ７を透過し、レンズＬ１により判別板２２
に形成された開口２３を通して収束される。

【００６７】開口２３は、他の実施例における光学ファ
イバーの芯の出力面と同等の目的を果たす。次いで、Ｕ
Ｖ及びＩＲ放射は、放射を再平行化する更なるレンズ２
４を介して、芯パワーモニター５に達する。この場合、
レンズＬ１とＬ２は、適切な色収差を有するように設計
される。この型の構成は、二酸化炭素レーザー等のレー
ザーに適している。

【００６８】図４の芯パワーモニターは例示的に示され
たに過ぎず、選ばれた分光帯域において光を分離且つ検
出し得る多くの異なるモニターを用いることが出来る。
特に、光学ファイバー７により、芯パワーモニター５の
構成要素の全てを、便宜上、レーザー装置１４から離れ
て位置付けることが出来る。

【００６９】他の例において、そして上述のように、レ
ーザービームを被加工体に供給する為に光学ファイバー
を用いる場合、プロセス放射は、ファイバーの芯ではな
く、その被覆材を介して、監視しても良い。これ等の場
合、強度測定用制限判別開口は被覆層の環状断面であ
る。

【００７０】一変更例においては、プルーム放射は二分
光領域以上、例えば三以上の分光領域で監視される。こ
れ等の場合、例えば、三領域Ａ、Ｂ及びＣを用いるとす
ると、例えば、領域ＡとＢを通常通り微細制御に用い、
領域ＡとＣを粗制御に用いることが出来る。

【００７１】本発明の実施例によっては、収束制御フィ
ードバック・ループを省略し、誤差信号を単に焦点（収
束点）変化を監視するのみに用い、制御信号として作用
せしめ、焦点を変更するようにしても良い。これは、例
えば、消極的監視又は実験目的の為に有用である。

【００７２】本発明により用いられる色収差を導入する
光学ユニットは、レンズＬ１とＬ２等のレンズのみを含
む必要はなく、付加的に又は代替的に、回析又はホログ
ラフィー素子等の他の素子を具備することが出来る。

【００７３】

【発明の効果】従来のレーザー加工において問題があっ
た正確なビーム収束位置決めを可能にする。それによ
り、溶接又は切断幅、深さ等に有害な影響を与えること
が無い。更に、従来問題のあったセンサを用いないの
で、予めプログラムが所望の結果を得る為に可能にな
り、より正確なビーム収束制御を、より信頼性のあるも
のとし且つ簡便にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザービームを被加工体に向ける光学ファイ
バー及びレンズ装置の概略図である。

【図２】本発明に従って芯パワーモニターを含むレーザ
ー溶接（加工）装置の概略図である。

【図３】異なる分光帯域に関し色収差を有するレンズ配
置の及び被加工体位置を変更することの効果を示す説明
図である。

【図４】放射を異なる波長に付き分離する手段を含む芯
パワーモニターの概略図である。

【図５】フィードバック・ループで構成された収束制御
装置の概略図である。

【図６】異なる分光帯域の放射に対して被加工体位置を
変更する効果を示す線図である。

【図７】図６の部分の近似変形を示す線図およびこの線
図において、二つの信号の差引信号を示す線図である。

【図８】本発明の代替的実施例を示す概略図である。

【符号の説明】

１…レーザービーム、２…レンズ、３…光学ファイバ
ー、Ｌ１，Ｌ２…レンズ、４…被加工体、５…芯（ｃｏ
ｒｅ）パワーモニター、Ｐ１〜Ｐ４…ポンピング室、Ｍ
１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４…ミラー、ＰＭ１…パワーモニタ
ー、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…面、ＩＲ…赤外光成分、ＵＶ…
紫外光成分、６…レンズ、７…光学ファイバー、８…レ
ンズ、Ｍ５，Ｍ６…ミラー、９…赤外検出器（光ダイオ
ード）、１０…フィルター、１１…光ダイオード、１２
…可動変換段、１３…プルーム、１４…レーザー装置、
１５，１６…低域フィルター、１７，１８…増幅器、１
９…差引器、２０…コンピュータ、２１…駆動回路、Ｍ
７…ミラー、２２…板、２３…開口、２４…レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジュリアン デー シー ジョーンズ 英国、ピーブルシァイア イーエッチ46 ７エイエル、ウェスト リントン、ドルフ ィントン、ペギース ノウエ ３ (72)発明者 ダンカン ポール ハンド 英国、エジンバラ イーエッチ12 ７イ− エス、ケーリック ノウエ テラス 24 (72)発明者 フランシス マーティン ハラン 英国、ブリストル ビー57 ０エッチキュ ー、ホアフィールド、キーズ アベェニュ 69

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザービームを被加工体に供給し、色
   収差を有する光学ユニットを含み且つ該上記加工体とレ
   ーザービーム間の相互作用により発生される光学的放射
   の少なくとも一部が上記光学ユニットを通して帰還送信
   されるように形成されたビーム供給経路と、 強度判別開口と、 受信光学放射が該開口を通った後、それを少なくとも二
   つの分光帯域に分離する手段と、 該少なくとも二つの分光帯域の受信放射の夫々のパワー
   を検出し且つ該パワーを表す電気信号を発生する手段
   と、 該電気信号から、前記被加工体からのレーザービームの
   収束の分離を表す誤差信号を発生する手段とを備えて成
   るレーザー光の収束を監視する装置。
2. 【請求項２】 更に、レーザーの収束を制御する手段を
   含み、該手段は前記誤差信号に応答してレーザービーム
   の収束位置を変更する手段から成る、請求項１に記載す
   る装置。
3. 【請求項３】 前記強度判別開口が、前記被加工体に向
   かってレーザービームを通過せしめ且つ該被加工体から
   前記発生された放射を通過せしめる光学的ファイバーの
   芯又は被覆部の面により形成される、請求項２に記載す
   る装置。
4. 【請求項４】 レーザービーム放射の何れかから前記発
   生放射を分離する手段を備えて成る、請求項２に記載す
   る装置。
5. 【請求項５】 前記分離手段が、波長の一波長又は領域
   において反射性であり、他の波長において透過性である
   光学的手段を備えて成る、請求項４に記載する装置。
6. 【請求項６】 前記光学的放射を前記少なくとも二つの
   分光帯域に分離する手段と該二帯域の夫々のパワーを検
   出する手段とを備えて成る、請求項４に記載する装置。
7. 【請求項７】 一分光帯域が波長領域１１００から１６
   ００ｎｍの赤外にあり、他の帯域が３００から７００ｎ
   ｍの紫外／可視分光波長領域にあり、レーザー放射が上
   記二帯域間又は二帯域外にある、請求項６に記載する装
   置。
8. 【請求項８】 赤外検出器がＩｎＧａＡｓ光ダイオード
   である、請求項６に記載する装置。
9. 【請求項９】 紫外／可視光検出器が紫外強化シリコン
   光ダイオードである、請求光６に記載する装置。
10. 【請求項１０】 パワー表示電気信号が、夫々の低域フ
    ィルターを通り、増幅され且つ一信号を他信号から差し
    引いて前記誤差信号を得る差引手段に印加される、請求
    項１から９の何れかに記載する装置。
11. 【請求項１１】 前記光学ユニットは前記被加工体に対
    して移動可能であって該被加工体に対するレーザービー
    ムの収束位置を変更し且つ前記誤差信号に応答して駆動
    される駆動手段により駆動可能である、請求項２に記載
    する装置。
12. 【請求項１２】 前記開口が、開口を有する板により提
    供される、請求項１に記載する装置。
13. 【請求項１３】 前記発生放射が、少なくとも一部、前
    記被加工体に形成されたプルーム（ｐｌｕｍｅ）からの
    ものである、上記請求項の何れかに記載する装置。
14. 【請求項１４】 色収差を有する前記光学ユニットがレ
    ンズ又はレンズユニットである上記請求項の何れかに記
    載する装置。
15. 【請求項１５】 レーザービームをビーム供給経路を通
    して被加工体に供給し、上記ビーム供給経路は色収差を
    有する光学ユニットを含み且つ上記被加工体とレーザー
    ビーム間の相互作用により該被加工体に発生される光学
    的放射の少なくとも一部が上記光学ユニットを通して帰
    還送信されるように形成される、レーザービームの収束
    を監視する方法であって、 発生された光学的放射を判別開口を通して通過せしめ、 該光学的放射を上記光学ユニットの収差により異なって
    影響される少なくとも二つの分光帯域に分離し、 前記開口における上記少なくとも二つの分光帯域の放射
    の夫々のパワーを検出し、そして該パワーから前記被加
    工体からのレーザービームの収束の分離を表す誤差信号
    を発生することを特徴とする方法。
16. 【請求項１６】 前記判別開口が、レーザービームを前
    記被加工体に向かって通過せしめ且つ該被加工体から発
    生放射の少なくとも部分を通過せしめる光学ファイバー
    の芯又は被覆部分の面において形成されることを特徴と
    する請求項１５に記載する方法。
17. 【請求項１７】 更に、前記レーザーの収束を制御する
    方法を含む方法であって、前記誤差信号を用いて前記レ
    ーザービームの収束位置を変更する工程を含んで成るこ
    とを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載する方
    法。
18. 【請求項１８】 監視放射が少なくとも一部、前記被加
    工体において発生されたプルーム（ｐｌｕｍｅ）からで
    あることを特徴とする請求項１５から１７の何れかに記
    載する方法。