KR101233506B1 - 레이저 발진기 내 출사미러의 열화상태 측정방법 및 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

레이저 발진기(1)로부터 출사되는 레이저빔(4)에 의해 가공을 행하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔(4)의 광로(光路)상에 배치되고, 이 레이저빔(4)의 주변부분을 차폐하고 중앙부분을 투과시키기 위한 애퍼추어(aperture)(5)와, 이 애퍼추어(5)를 투과한 레이저빔(20)의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정센서(6)를 구비한 레이저 가공기에 있어서, 높은 빔파워인 레이저빔에 의해 레이저 발진기(1)의 출사미러가 고열부하상태가 되었을 경우에, 애퍼추어(5)를 투과하는 레이저빔의 빔파워가 출사미러(2)의 열화상태에 의해 현저하게 변화(열화할수록 빔파워가 상승)하는 것을 이용하여 출사미러(2)의 열화상태를 판단하는 것이다.

Description

레이저 발진기 내 출사미러의 열화상태 측정방법 및 레이저 가공장치{METHOD FOR MEASURING DETERIORATION STATE OF OUTPUT MIRROR IN LASER OSCILLATOR, AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 발진기(發振器) 내의 부분반사미러의 열화(劣化)상태를 측정하는 측정방법 및 레이저 가공장치에 관한 것이다.

레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔은 지향성·집광성이 뛰어나기 때문에, 렌즈나 미러에 의한 미소 스폿으로의 집광이 용이하여 높은 에너지밀도를 얻는 것이 가능하다. 그 때문에 레이저 발진기는 절단·보링·용접·열처리 가공분야에 있어서 최근 많이 이용되고 있다.

레이저 발진기는 일반적으로 레이저빔이 출사되는 측에 배치되어 있는 부분반사미러(이후, '출사미러'라고 칭함)가 1매, 그 이외의 1매 또는 복수 매의 전(全)반사미러로 구성되어 있고, 레이저빔이 미러 사이를 다중반사함으로써 증폭되어 발진하는 원리로 되어 있다. 이 레이저 발진기를 장시간 사용했을 경우, 레이저 발진기 내에 있는 미러의 코팅층의 열화나, 미러 재료 자체의 열화에 의해, 미러에서의 레이저빔의 흡수가 발생하여 미러 내부에 불균일한 온도분포가 생겨 버린다. 불균일한 온도분포는 불균일한 굴절률 분포를 발생시키게 되어, 레이저빔 특성의 변화나 레이저빔의 빔파워의 저하가 생기기 때문에, 가공품질을 유지하는 데에는 레이저 발진기 내에 있는 미러의 정기적인 청소·교환, 소위 메인터넌스가 필요하다. 특히, 출사미러는 그 이외의 전반사미러와 비교하여, 레이저빔이 투과하기 때문에 레이저빔의 흡수가 발생하기 쉽고, 또한 이면으로부터의 냉각이 곤란해 측면에서만 냉각되기 때문에, 미러 내부에 불균일한 온도분포가 생기기 쉽다.

그 때문에 종래에서는 가공품질을 유지하기 위해서, 미러의 열화상태를 측정하지 않고, 경험적으로 얻어진 기준시간을 기준으로 레이저 발진기 내에 있는 출사미러의 메인터넌스가 실시되고 있다.

일본국특개평7-245437호공보

상기 메인터넌스의 경우, 레이저빔 흡수율 등의 광학부품의 초기 특성값의 개체차이·사용환경·사용조건 등에 의해 발생하는 미러열화상태의 개체차이가 고려되어 있지 않다고 하는 문제가 있다. 미러열화가 메인터넌스의 기준이 되는 기준시간보다 빨리 진행한 경우, 메인터넌스 전에 가공품질의 저하가 발생하기 때문에, 생산을 중지하고, 긴급 메인터넌스를 실시하게 된다. 메인터넌스에는 시간을 필요로 하며, 또한 교환부품이나 작업을 행하는 서비스맨의 준비가 늦었을 경우, 생산을 중지하는 기간이 길어져, 생산라인에 큰 영향을 주어 버린다. 미러열화가 메인터넌스의 기준이 되는 기준시간보다 늦게 진행한 경우, 가공품질이 양호함에도 불구하고, 메인터넌스를 실시함으로써, 버려지는 미러 사용 가능시간이 발생해, 메인터넌스 비용의 증대하게 된다.

또, 상기 긴급 메인터넌스나 메인터넌스 비용의 증대라고 하는 문제점을 회피하기 위해서, 빔 프로파일 검출기에 의해 레이저빔 지름을 검출하고, 이 지름의 가동시간에 대한 변화량에 의해 출사미러의 열화상태를 정량적으로 측정하는 레이저 장치가 종래 이용되기도 했다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 일본국 특개평7-245437호 공보

그러나, 상기 종래의 레이저 장치의 경우, 레이저빔 지름을 검출하기 위해서 빔 프로파일 검출기라고 하는 고가의 측정기가 필요하게 되어 시스템의 비용이 증대하게 된다. 또, 초기상태에서의 레이저빔 지름과의 비교에 의해 출사미러의 열화상태를 측정하기 때문에, 초기상태에서 출사미러에 열화 등의 초기 이상(異常)이 있었다고 해도, 그 시점에서 이상을 발견하는 것은 불가능하다. 또한, 레이저 발진기 내에 있는 레이저 가스 등의 레이저 매체의 열화와 같이, 출사미러의 열화 이외의 요인에 의해 레이저빔 지름이 변화한 경우, 출사미러와 그 이외의 요인을 구분하는 것은 불가능하다.

본 발명은, 상술과 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 제1 목적은 염가로 간이한 구성에 의해 출사미러의 열화상태를 측정할 수 있는 레이저 가공장치를 얻는 것이다. 제2 목적은 초기상태에서의 레이저빔 지름과의 비교를 행하지 않고, 출사미러의 열화상태의 측정이나 초기상태에서의 출사미러의 이상을 정량적으로 평가할 수 있는 레이저 가공장치를 얻는 것이다.

본 발명에 관한 평가장치는 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정센서와, 레이저 발진기와 빔파워 측정센서의 사이에 있고, 레이저빔의 중심부분만을 투과시키기 위한 애퍼추어(aperture)와, 레이저 발진기의 소정의 열부하상태에서의 빔파워 측정센서의 측정값에 의해 출사미러의 열화상태를 수치화하는 제어장치로 구성되어 있고, 높은 빔파워의 레이저빔을 발진함으로써 출사미러를 고열부하상태로 하여, 애퍼추어로부터 투과해 오는 레이저빔의 빔파워를 측정함으로써, 출사미러의 열화상태의 평가를 행하는 것이다.

본 발명은 레이저 발진기로의 열부하상태를 변화시켜 애퍼추어를 투과하는 레이저빔의 빔파워를 측정함으로써, 염가로 간이한 구성에 의해, 출사미러의 열화상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 본 발명에서의 측정방법에 의해, 출사미러의 열화상태를 정기적으로 측정함으로써, 가공품질의 저하를 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1을 나타내는 레이저 가공장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1을 나타내는 레이저 가공장치의 다른 구성도이다.
도 3은 열화하고 있지 않은 출사미러에서 펄스주파수를 변화시켰을 때의 레이저빔의 빔파워의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 가동시간 4000시간의 출사미러에서 펄스주파수를 변화시켰을 때의 레이저빔의 빔파워의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 출사미러 열화상태가 가벼운 경우와 심한 경우의 각 레이저빔의 전파의 모습을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1을 나타내는 출사미러 열화상태 측정방법의 플로우차트도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1인 출사미러 열화상태 측정방법에서 측정되는 레이저빔의 빔파워의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1을 나타내는 레이저 가공장치의 측정제어장치 내의 블럭도이다.
도 9는 출사미러의 열화지수에 대한 초점위치 변화량을 나타낸 표이다.
도 10은 각종 재료의 절단가공에서의 초점유도를 나타낸 표이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 2를 나타내는 출사미러 열화상태 측정방법의 플로우차트도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 1인 출사미러 열화상태 측정방법에서의 측정 혹은 산출되는 레이저빔의 빔파워를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 2를 나타내는 레이저 가공장치의 측정제어장치 내의 블럭도이다.
도 14는 가동시간 4000시간의 출사미러에서 애퍼추어의 각 개구지름에서의 펄스주파수를 변화시켰을 때의 레이저빔의 빔파워의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 가동시간 4000시간의 출사미러에서 애퍼추어의 각 개구지름과 열화지수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 애퍼추어의 개구지름이 레이저빔 지름에 대해서 충분히 작은 경우의 애퍼추어 투과 전후의 레이저빔의 강도분포를 나타낸 개념도이다.
도 17은 애퍼추어의 개구지름이 레이저빔 지름에 대해서 대략 동등한 경우의 애퍼추어 투과 전후의 레이저빔의 강도분포를 나타낸 개념도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 4를 나타내는 레이저 가공장치의 구성도이다.
도 19는 실시형태 5에서의 출사미러 열화상태의 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 실시형태 5에서 출사미러 열화상태 측정의 제어 플로우차트를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 5를 나타내는 레이저 가공장치의 측정제어장치 내의 블럭도이다.
도 22는 본 발명의 실시형태 6을 나타내는 레이저 가공장치의 구성도이다.

<발명을 실시하기 위한 바람직한 형태>

실시형태 1.

본 발명의 실시형태 1에 따른 출사미러의 열화상태 측정방법 및 레이저 가공장치를 도 1 ~ 도 17을 이용하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명을 실시하기 위한 실시형태 1에서의 출사미러의 열화측정이 가능한 레이저 가공장치를 나타내는 것이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 관한 레이저 가공장치는 레이저빔이 출사되는 측에 배치되어 있는 1매의 출사미러(2)와, 그 이외의 1매 또는 복수의 전반사미러(3)(본 실시형태에서는 1매)로 공진기(共振器)를 구성하는 레이저 발진기(1)와, 이 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔(4)을 워크(12)까지 전파하는 복수의 미러(8, 9, 10)와, 전파된 레이저빔(4)을 워크(12)상에 집광하는 집광렌즈(11)와, 워크(12)를 실어 레이저빔 조사위치를 워크(12)상의 임의의 위치로 이동시키는 XY테이블(13)과, 레이저 발진기(1)와 XY테이블(13)의 동작을 제어하는 가공제어장치(14)를 구비하고 있다.

또한, 출사미러(2)의 열화상태를 측정하기 위해서, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정센서(6)(특허청구범위에 기재된 빔파워 측정수단에 대응)와, 이 빔파워 측정센서(6)로 입사하는 레이저빔(4)의 주변부분을 차폐하고 중앙부분만을 투과시키기 위한 애퍼추어(5)와, 이 빔파워 측정센서(6)와 애퍼추어(5)를 레이저빔 광로상으로 출입시키기 위한 구동장치(15)와, 출사미러(2)의 열화측정시의 레이저 발진기(1)의 동작이나 빔파워 측정센서(6) 및 구동장치(15)를 제어하는, 제어수단으로서의 측정제어장치(7)를 구비하고 있다. 그리고, 빔파워 측정센서(6)와 애퍼추어(5)는 출사미러(2)의 열화상태를 측정할 때에는, 도 1과 같이 레이저 가공장치의 레이저빔 광로상에 배치되고, 워크(12)를 가공하는 중에는, 도 2와 같이 레이저빔 광로의 밖에 배치되도록 구동장치(15)와 측정제어장치(7)에 의해 이동된다. 여기서, 빔파워 측정센서(6)는 레이저의 열에너지를 전류나 전압으로 변환하는 단순한 구조의 것으로 좋고, 특허문헌 1에 기재된 것 같은 강도분포를 측정하기 위한 CCD와 같은 고가의 측정기일 필요는 없다.

또한, 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치의 광학계의 구성의 일례를 나타내면, 레이저 발진기(1)로부터 애퍼추어(5)까지의 거리는 700㎜이며, 애퍼추어(5)로부터 집광렌즈(11)까지의 거리는 1300㎜이다. 또, 애퍼추어(5)의 개구지름은 레이저 발진기(1)로부터 출사되는 레이저빔(4)의 지름 φ5.0㎜의 50%인 φ2.5㎜로 하고, 레이저빔(4)의 펄스폭은 1㎳로 했다. 레이저빔 지름은, 펄스피크파워에 대해서 1/e²의 파워에서의 레이저빔 지름으로 한다.

여기서, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔(4)의 빔파워 측정센서(6)에서의 빔파워 측정값과, 펄스주파수의 변화 및 애퍼추어(5)의 유무와의 관계에 대해 설명한다. 레이저빔의 펄스피크파워 및 펄스폭(1㎳)은 고정으로 해둔다.

도 3은 레이저빔(4)의 펄스주파수를 100㎐에서 1000㎐까지 100㎐씩 변화시켰을 때의 애퍼추어(5)의 유무 각각에 대해서의 빔파워 측정센서(6)에서의 레이저빔의 빔파워의 측정결과이다. 100㎐에서 1000㎐로 한 것은, 본 실시형태에 나타낸 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 가공에 이용하는 레이저빔의 빔파워의 최소의 경우와 최대의 경우의 펄스주파수로 했기 때문이다. 특히 1000㎐는 펄스폭이 1㎳이므로, 1000㎐로 연속 출사되며, 그 이상 펄스주파수는 높일 수 없는 값이다. 또, 레이저빔의 빔파워 측정은 출사미러의 온도가 거의 변화하지 않는 열평형상태가 된 시점에 행하고 있으며, 본 실시형태에 나타낸 레이저 가공장치에서는 레이저를 출사하고 나서 약 10s 후에 측정을 행하고 있다. 또한, 출사미러(2)는 열화하고 있지 않은 신품인 것을 사용하고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 애퍼추어(5)의 유무와 관계없이, 펄스주파수의 변화에 대해 레이저빔의 빔파워는 대략 정비례하여 변화한다. 레이저빔의 빔파워는 레이저빔의 1펄스의 에너지와 펄스주파수의 곱으로 결정되기 때문이다. 또, 애퍼추어(5)가 있는 경우는, 없는 경우에 비해 레이저빔(4)의 주변부가 차폐되어 있으므로, 그만큼 레이저빔의 빔파워가 감소하지만, 애퍼추어(5)가 없을 때와 마찬가지로 대략 정비례로 변화한다.

한편, 열화한 출사미러(2)를 이용하여, 레이저빔(4)의 펄스주파수를 100㎐에서 1000㎐까지 100㎐씩 변화시켰을 때의 애퍼추어(5)의 유무 각각에 대해서의 빔파워 측정센서(6)에서의 빔파워의 측정결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 애퍼추어(5)가 없는 경우의 측정결과는 출사미러(2)가 열화하고 있지 않은 도 3과 대략 같다. 그러나, 애퍼추어(5)가 있는 경우의 측정결과는 도 3과 분명하게 차이가 나는 것을 알 수 있다.

이하, 애퍼추어(5)가 있는 경우에 출사미러(2)의 열화 유무에 의해 레이저빔의 빔파워의 측정값에 차이가 생기는 이유에 대해 설명한다.

출사미러(2)의 코팅층의 열화나, 미러 재료 자체에 열화가 있는 경우, 출사미러(2)에서의 레이저빔(4)의 흡수가 발생하여 출사미러(2) 내에 불균일한 온도분포가 생긴다. 불균일한 온도분포는 불균일한 굴절률 분포를 일으키는 원인이 되어, 레이저빔 특성의 변화나 레이저빔의 빔파워의 저하가 생긴다. 일반적으로, 레이저빔 강도가 높은 출사미러(2)의 중심부분일수록 열화가 생기기 쉽고, 또 출사미러(2)는 부분반사미러이기 때문에, 이면으로부터의 냉각이 곤란해 측면에서만의 냉각되기 때문에, 출사미러(2)의 중앙부분의 온도가 상승하기 쉬워 출사미러(2)의 중앙부분의 굴절률이 커지기 쉽다. 그 때문에, 출사미러(2)의 주변부분과 중앙부분에서 굴절률에 차이가 생겨 소위 열(熱)렌즈 상태가 되어 레이저빔을 집광하게 된다.

불균일한 온도분포에 의한 출사미러(2)의 중앙부분과 주변부분과의 굴절률의 차이는 출사미러 열화상태나 출사미러를 투과하는 레이저빔의 빔파워(소위, 열부하상태라고도 말할 수 있음)에 비례하여 크게 되어, 레이저빔을 더욱 집광하게 된다.

도 5는 열화한 출사미러(2a)에서의 열부하상태가 가벼운 경우와 심한 경우의 레이저빔(4)의 집광 정도의 변화를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)는 열부하상태가 가벼운 경우를 나타내고, 도 5의 (b)는 열부하상태가 심한 경우를 나타내고 있다. 펄스주파수가 100㎐인 경우는 출사미러(2a)의 열부하상태가 가볍기 때문에, 출사미러(2a)에는 거의 온도분포가 발생하지 않고, 레이저빔에 대해 집광하는 작용은 거의 없다. 그 때문에, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 출사미러(2a)를 투과한 레이저빔(4a)은 거의 평행인 채 애퍼추어(5)에 조사되고, 애퍼추어 중앙부분을 투과한 레이저빔(20a)만이 빔파워 측정센서에 조사된다.

그러나, 펄스주파수가 1000㎐인 경우는 출사미러(2a)의 열부하상태가 심하기 때문에, 출사미러(2a)에는 급(急)구배인 온도분포가 발생해 열렌즈 상태가 된다. 그 때문에, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 출사미러(2a)를 투과한 레이저빔(4b)은 집광되어 애퍼추어(5)에 조사된다. 그 때문에, 도 5의 (a)에 비해, 애퍼추어(5)의 중앙부분에 의해 많은 레이저빔(4b)이 집중하여 애퍼추어(5)를 투과하므로, 펄스주파수가 100㎐에서 1000㎐로 증가한, 즉 10배로 증가한 이상의 빔파워가 빔파워 측정센서(6)에서 측정된다.

한편, 열화하고 있지 않은 출사미러(2)의 경우는 펄스주파수의 높고 낮음에 상관없이 온도분포는 거의 발생하지 않기 때문에, 펄스주파수가 100㎐에서도 1000㎐에서도 도 5의 (a)와 같은 레이저빔 상태가 된다. 즉, 열화하고 있지 않은 출사미러의 경우, 펄스주파수 100㎐에서의 빔파워 측정값에 대해 1000㎐에서의 빔파워 측정값은 대략 10배가 된다. 그 때문에, 도 4 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 애퍼추어(5)의 중앙부분을 투과하는 레이저빔(20)의 빔파워는 펄스주파수 100㎐인 경우는, 열화한 출사미러와 열화하고 있지 않은 출사미러와의 사이에서는 거의 차이는 볼 수 없다. 그러나, 펄스주파수 1000㎐인 경우는 열화한 출사미러 쪽이 열화하고 있지 않은 출사미러보다 레이저빔의 빔파워가 크게 된다.

또한, 애퍼추어(5)가 없는 경우는, 빔파워 측정센서(6)에 의해 레이저빔(4)의 전체의 빔파워를 측정해 버리므로, 열렌즈의 발생에 관계없이, 열화하고 있지 않은 출사미러와 열화한 출사미러에서는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 빔파워 측정값은 거의 변함없다. 즉, 레이저빔의 강도분포는 열렌즈의 발생에 의해서 변화하지만, 레이저빔 전체로서의 빔파워는 거의 변화하지 않는다고 하는 것이다. 물론, 열화한 출사미러(2)에서는 약간의 레이저빔의 흡수는 있지만, 미소하기 때문에, 출사미러의 열화의 판단에는 적용이 곤란하다.

본원 발명은, 상술한 바와 같이, 출사미러의 열화 정도에 의해, 레이저빔의 중앙부를 투과시키는 애퍼추어를 투과한 레이저빔의 빔파워가 출사미러에서의 열부하상태가 심한 경우에 변화가 현저하게 되는 것을 찾아내고, 이것을 출사미러의 열화상태 판정에 이용한 것이다.

다음으로, 상술한 작용에 근거하여, 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치에서 어떻게 출사미러의 열화상태를 측정하는지에 대해서, 구체적인 동작을 설명한다. 도 6은 출사미러(2)의 열화상태의 측정을 행하는 경우의 측정제어장치(7)의 제어 플로우차트이다. 또, 도 7은 이 제어 플로우 중에 측정 혹은 기억되어 있는 레이저빔의 빔파워값을 그래프상에 나타낸 것이다. 또, 도 8은 측정제어장치(7)의 열화측정처리를 실현하기 위한 내부 블럭도이다. 하기(下記) 설명시의 측정값은 도 3에 나타낸 데이터를 측정했을 때에 사용한 열화가 없는 출사미러(2) 및 도 4에 나타낸 데이터를 측정했을 때에 사용한 가동시간이 4000시간인 출사미러(2)를 이용했을 때의 값이다. 이하, 도 6, 도 7, 도 8에 근거하여 설명한다.

우선, 출사미러의 열화상태의 측정을 행하기 전에, 출사미러의 교환시 등에 맞추어 출사미러의 초기상태에서의 레이저빔의 빔파워의 측정을 행해 둔다. 측정은 펄스주파수 1000㎐·펄스폭 1㎳로 높은 빔파워의 레이저빔을 출사하여 행한다. 이것은 열화하고 있지 않은 상태의 출사미러(2)에서 열부하가 심한 상태에서의 측정을 행하기 위해서이다. 측정된 레이저빔의 빔파워는 빔파워 기준값(S)으로서 측정제어장치(7)의 제2 기억부(101)(특허청구범위에 기재된 기억부에 대응)에 기억해 둔다. 여기서, 측정되어 기억된 빔파워 기준값(S)은 14.7W이었다고 한다(도 7의 □점이다).

그리고, 출사미러의 열화상태를 측정할 필요가 생긴 경우, 우선, 오퍼레이터가 「출사미러 오염측정」버튼을 누름으로써 측정이 개시된다(S01). 물론, 레이저 장치의 가동 개시시에 자동적으로 측정 동작을 행하도록 해도 되고, 가공 프로그램에 측정하는 명령을 입력하여 측정 동작을 행하도록 해도 된다.

다음으로, 측정제어장치(7)의 제어부(102)에 의해 구동장치(15)가 동작하고, 애퍼추어(5)와 빔파워 측정센서(6)가 레이저빔 광로상으로 이동한다(S02).

다음으로, 측정제어장치(7)의 제어부(102)는 가공제어장치(14)에 펄스주파수 1000㎐·펄스폭 1㎳로 높은 빔파워의 레이저빔을 출사하도록 지시하여 소망의 레이저빔이 출사된다. 이것은 출사미러(2)에서 열부하가 심한 상태를 재현하기 위해서이다. 그리고, 빔파워 측정센서(6)로 레이저빔의 빔파워를 측정하고, 측정 데이터가 측정제어장치(7)의 연산부(103)로 보내진다(S03). 여기서, 측정된 레이저빔의 빔파워를 고열부하시 빔파워(H)라고 부르기로 한다. 측정된 고열부하시 빔파워(H)는 25.0W이었다고 한다(도 7의 △표이다).

다음으로, 측정제어장치(7)의 연산부(103)에서 출사미러 열화상태를 구한다(S04). 출사미러의 열화상태를 나타내는 지표는 여러 가지 고려되지만, 여기서는 빔파워 기준값(S)에 대해 어느 정도 레이저빔의 빔파워가 증가했는지의 비율을 지표로서 이용했다. 출사미러 열화상태를 나타내는 지표(이하 열화지수(D)라고 부른다)는 아래와 같이 계산식에 의해 구해진다.

D(%) = (H - S) ÷ S × 100 … (식 1)

(식 1)로부터 출사미러의 열화지수는 70.1%가 된다.

측정제어장치(7)의 비교부(104)는 얻어진 출사미러의 열화지수와, 별도 측정제어장치(7) 내의 제1 기억부(105)에 기억되어 있는 판단 기준값을 비교하고, 출사미러의 열화지수가 판단 기준값보다 작으면, 출사미러는 사용 가능한 열화상태라고 판단한다. 한편, 출사미러의 열화지수가 판단 기준값보다 크면, 출사미러는 사용할 수 없는 정도로 열화하고 있다고 판단한다(S05).

스텝 S05에서 출사미러(2)가 사용 가능한 상태라고 판단된 경우, 측정제어장치(7)의 제어부(102)는 구동장치(15)를 동작시켜, 애퍼추어(5)와 빔파워 측정센서(6)가 레이저빔 광로상으로부터 광로 밖으로 이동된다(S06). 이것에 의해 출사미러의 오염측정이 완료하고, 통상의 가공작업이 행해진다.

한편, 스텝 S05에서 출사미러(2)가 열화하여 사용 불가능이라고 판단된 경우, 측정제어장치(7)의 제어부(102)는 출사미러(2)가 열화하고 있는 것을 오퍼레이터에게 알릴 수 있도록 알람 표시부(106)에 의해 알람 등을 표시한다(S07).

알람에 의해, 오퍼레이터는 출사미러(2)의 클리닝 혹은 교환을 행한다(S08). 물론, 출사미러(2)의 클리닝이나 교환은 자동적으로 행하도록 한 장치를 레이저 가공장치에 조립하여 자동 클리닝 등을 실시하도록 해도 된다. 출사미러(2)의 클리닝 혹은 교환을 완료함으로써, 출사미러 오염측정은 완료한다.

다음으로, 스텝 S05에서 이용한 판단 기준값의 설정의 방법에 대해 설명한다.

출사미러(2)에 열화가 생긴 경우, 열화상태에 따라 집광렌즈(11)에 의한 초점위치, 소위 레이저빔 집광포인트가 변화한다. 출사미러(2)의 열화상태에 대한 초점위치 변화량을 도 9에 나타낸다. 도 9에 나타낸 값은 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치의 최소 빔파워 즉 펄스주파수 100㎐에서의 초점위치와 최대 빔파워 즉 펄스주파수 1000㎐에서의 초점위치와의 차분을 나타낸 것이다. 이들 값은 실제로 가공을 행하여 구해도 되고, 시뮬레이션으로 구해도 된다. 도 9는 시뮬레이션으로 구한 것이다. 또, 이들 값은 레이저 가공장치에서의 광로부품배치나 애퍼추어의 위치, 레이저빔의 빔파워의 사용범위에 의해 변화하기 때문에, 레이저 가공장치마다 산출하는 것이 바람직하다. 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치의 경우, 출사미러의 열화지수가 70.1%인 가동시간 4000시간의 출사미러에서는, 도 9로부터 초점위치의 변화가 열부하상태에 의해서 최대로 약 11㎜변화하게 된다.

여기서, 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치에 의해, 절단가공을 실시한 경우의 각종 재료에서의 초점유도(焦点裕度)를 도 10에 나타낸다. 초점유도란, 초점위치가 재료 표면으로부터 변화해도 안정하게 절단할 수 있는 초점위치의 허용범위를 나타낸다. 출사미러의 열화지수가 70.1%(초점위치 변화량이 약 11㎜)의 경우, 스테인리스·철·알루미늄 중 어느 재료에 대해서도, 안정된 절단가공을 하는 것은 불가능하다라는 것을 알 수 있다. 반대로, 스테인리스·철·알루미늄 중 어느 재료에 대해서도, 안정된 절단가공을 하는 데에는 초점위치 변화량이 3㎜ 이하가 되어야 하기 때문에, 출사미러의 열화지수는 35% 이하로 해야 하는 것을 도 9로부터 알 수 있다. 즉, 판단 기준값을 35%로 하면 좋다고 하는 것이다. 따라서, 각 레이저 가공장치마다, 도 9나 도 10에 대응한 데이터를 취득함으로써, 워크의 재료에 의해 판단 기준값을 설정할 수 있다. 또한, 도 10에 나타낸 값은 본 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치의 일례에서의 값이며, 레이저 가공장치의 구성에 의해 변화하기 때문에, 레이저 가공장치마다 산출하는 것이 바람직하다.

이상에 의해, 출사미러의 열부하상태를 펄스주파수에 의해 변화시켜 애퍼추어를 투과하는 레이저빔의 빔파워를 측정함으로써, 간이하고 염가의 구성으로 출사미러의 열화상태를 정량적으로 평가할 수 있었다.

또한, 상기 실시형태 1에서는 애퍼추어(5)나 빔파워 측정센서(6)의 레이저빔 광로상으로의 출입을 구동장치(15)로 자동적으로 행하도록 했지만, 물론, 오퍼레이터가 필요에 따라서 수작업으로 출입을 행해도 된다.

또, 상기 실시형태 1에서는 출사미러의 열부하가 심한 상태를 재현하기 위해서, 펄스폭 1㎳에 대해 최대의 펄스주파수인 1000㎐로서 측정을 행했지만, 최대로 할 필요는 없고, 가능한 한 높은 빔파워로 측정을 행하면 된다. 물론, 도 4에서 최대의 빔파워로 측정을 행하는 것이 출사미러의 열화 정도에 의한 빔파워의 차이가 현저하게 되어, 측정의 정밀도가 향상하는 것은 말할 것도 없다.

또, 본 실시형태 1에서는 출사미러의 열화상태를 (식 1)에 의해 얻어지는 열화지수(D)에 근거하여 판단을 행했지만, 예를 들면, 측정된 고열부하시 빔파워(H)가 빔파워 기준값(S)보다 어느 정도 빔파워가 증가했는지 단순한 차분으로 판단해도 되며, 요점은 고열부하시 빔파워(H)를 판단의 대상으로 하면 된다.

또한, 출사미러(2)와 애퍼추어(5)와의 사이에는 열렌즈가 발생하도록 하는 광학부품이 배치되지 않은 것이 중요하다. 만약, 열렌즈가 발생하는 광학부품이 존재하면, 출사렌즈가 열화하고 있지 않아도 고열부하시 빔파워(H)가 변화해 버릴 가능성이 있어, 열화 판단이 정확하게 행해질 수 없기 때문이다. 따라서, 출사미러(2)의 열화상태를 판단하는 경우에는, 애퍼추어(5)나 빔파워 측정센서(6)는 레이저 발진기(1)의 직후에 배치되는 것이 바람직하다.

실시형태 2.

그런데, 실시형태 1에서의 레이저 가공장치에서는 출사미러교환 직후상태를 열화하고 있지 않은 상태로 간주하여, 펄스주파수 1000㎐에서의 레이저빔의 빔파워를 측정하고, 이 측정값을 기억하여 빔파워 기준값(S)으로 했다. 통상이라면, 이것으로 특별히 문제는 없지만, 출사미러에 열화 등의 초기 이상이 있었을 경우에는, 빔파워 기준값(S)이 부정확하게 될 가능성이 있다. 또, 초기상태의 측정을 행하지 않았기 때문에, 열화측정을 할 수 없다고 하는 문제가 발생하는 경우도 고려할 수 있다. 그래서, 본 실시형태 2에서의 레이저 가공장치는, 상기 문제를 해소하기 위해서, 빔파워 기준값(S)을 초기상태의 출사미러에서의 측정으로 구하는 것이 아니라, 열화 측정시에 구할 수 있는 것이다. 레이저 가공장치의 구성으로서는 실시형태 1의 도 1, 2와 대략 동일하며, 측정제어장치(7)의 동작이 차이가 나는 것이다.

출사미러의 열화 측정시에 빔파워 기준값(S)을 구할 수 있는 이유는 이하와 같다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 열화하고 있지 않은 출사미러에서는 애퍼추어의 유무와 관계없이 펄스주파수와 빔파워가 대략 비례하는 점, 및, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 펄스주파수가 100㎐에서는 출사미러의 열화 정도에 관계없이, 빔파워가 거의 동일하다는 점에 주목했다. 이것에 의해, 열화 측정시에 펄스주파수 100㎐의 저열부하상태의 레이저빔의 빔파워를 측정하고, 이 측정값을 열화하고 있지 않은 출사미러의 것이라고 가정하여, 열화하고 있지 않은 출사미러에서의 1000㎐의 빔파워를 비례식으로 구하고, 이것을 빔파워 기준값(S)으로 할 수 있는 것이다.

다음으로, 상술한 이유에 근거하여, 본 실시형태 2에 관한 레이저 가공장치의 동작에 대해 설명한다. 도 11은 출사미러(2)의 열화상태의 측정을 행하는 경우의 측정제어장치(7a)의 제어 플로우차트이다. 실시형태 1에서의 플로우차트도 6과 같은 제어에 대해서는 같은 스텝 번호를 부여하고 있다. 또, 도 12는 이 제어 플로우 중에 측정 혹은 산출되는 레이저빔의 빔파워값을 그래프상에 나타낸 것이다. 또, 도 13은 본 실시형태 2에 관한 열화측정처리를 실현하기 위한 측정제어장치(7a)의 내부 블럭도이다. 하기 설명시의 측정값은 도 4에 나타낸 데이터를 측정했을 때에 사용한 가동시간이 4000시간인 출사미러(2)를 이용했을 때의 값이다. 이하, 도 11, 도 12, 도 13에 근거하여 설명한다.

우선, 실시형태 1의 도 6과 마찬가지로, 스텝 S01 및 스텝 S02를 실시하여 열화상태의 측정의 준비를 행한다.

다음으로, 측정제어장치(7a)의 제어부(102a)는 애퍼추어(5)와 빔파워 측정센서(6)의 이동이 완료한 후, 가공제어장치(14)에 펄스주파수 100㎐·펄스폭 1㎳로 저빔파워의 레이저빔을 출사하도록 지시하여 소망의 레이저빔이 출사된다. 이것은 출사미러(2)에서 열부하가 가벼운 상태를 재현하기 위해서이다. 그리고, 빔파워 측정센서(6)로 레이저빔의 빔파워를 측정하고, 측정 데이터가 측정제어장치(7a)의 기준값 산출부(203)(특허청구범위에 기재된 산출부에 대응)로 보내진다(S11). 여기서, 측정된 레이저빔의 빔파워를 저열부하시 빔파워(L)라고 부르기로 한다. 측정된 저열부하시 빔파워(L)가 1.5W이었다고 한다(도 12의 □점이다).

다음으로, 측정제어장치(7a)의 기준값 산출부(203)는 측정된 저열부하시 빔파워(L)를 기초로 펄스주파수 1000㎐에서의 빔파워 기준값(S)을 구한다(S12). 상술한 바와 같이, 스텝 S11에서의 측정값을 열화하고 있지 않은 출사미러의 것으로 가정하고, 열화하고 있지 않은 출사미러에서의 1000㎐의 빔파워를 비례식으로 구한다. 따라서, 빔파워 기준값(S)은 하기 계산식에 의해 구해진다.

S = L × 1000㎐ ÷ 100㎐ … (식 2)

(식 2)에 의해, 빔파워 기준값(S)은 15.0W가 된다(도 12의 ○표이고, 도 12의 직선은 비례직선이다). 이것은 실시형태 1의 측정방법에서 얻어진 빔파워 기준값 14.7W와 대략 같은 값이며, (식 2)에 의해 열화하고 있지 않은 출사미러에서의 1000㎐의 빔파워가 정밀도 좋게 산출할 수 있던 것을 나타내고 있다.

다음으로, 실시형태 1의 도 6과 마찬가지로 스텝 S03를 실시한다. 즉, 펄스주파수 1000㎐·펄스폭 1㎳로 높은 빔파워의 레이저빔을 출사하고, 출사미러(2)에서 열부하가 심한 상태를 재현한다. 그리고, 빔파워 측정센서(6)로 레이저빔의 빔파워를 측정하고, 측정 데이터가 측정제어장치(7a)의 연산부(103)로 보내진다. 실시형태 1의 도 7과 마찬가지로 측정된 고열부하시 빔파워(H)는 25.0W이었다고 한다(도 12의 △표이다).

다음으로, 측정제어장치(7a)의 연산부(103)에서 출사미러 열화상태를 구한다(S13). 실시형태 1의 도 6에서의 스텝 S04에서는 기억부에 기억된 빔파워 기준값을 이용하여 열화지수(D)를 구했지만, 본 실시형태 2에서는 스텝 S12에서 산출된 빔파워 기준값(S)을 이용하여 열화지수(D)를 구한다. 열화지수(D)의 산출식은 실시형태와 마찬가지로 (식 1)을 이용한다. (식 1)로부터, 출사미러의 열화지수는 66.7%가 된다. 따라서, 실시형태 1의 경우의 측정방법에서 얻어진 열화지수 70.1%와 대략 같은 값이 얻어진다.

그리고, 이후는 실시형태 1의 도 6과 마찬가지로, 스텝 S05로부터 스텝 S06를 거쳐 열화측정을 종료하거나, 혹은 스텝 S05로부터 스텝 S07, S08를 거쳐 측정을 종료한다.

상술한 동작에 의해, 본 실시형태 2에 관한 레이저 가공장치는 실시형태 1에 관한 레이저 가공장치에 비해, 열화측정시에 저열부하시 빔파워(L)를 측정할 필요가 있어, 측정시간이 약간 많이 필요하다. 그러나, 출사미러의 초기상태에서의 레이저빔의 빔파워의 측정을 행하는 일 없이, 열화상태의 측정시에 빔파워 기준값을 구할 수 있으므로, 출사미러의 초기상태의 열화 정도에 관계없이, 열화상태의 측정을 행할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또, 이 특징으로부터 출사미러의 초기상태에 열화가 있는지 여부의 판단을 행할 수도 있다.

그런데, 열화측정에 이용하고 있는 애퍼추어에 대해서, 개구지름은 실시형태 1, 2 모두 레이저빔 지름 φ5.0㎜의 50%인 φ2.5㎜로서 출사미러(2)의 열화상태를 측정했다. 그러나, 애퍼추어(5)의 개구지름에 대해서는 적정한 범위가 있는 것이 실험으로 밝혀졌으므로, 이하 애퍼추어 개구지름의 적정화에 대해 설명한다.

도 14는 개구지름을 φ1.5㎜로부터 φ4.5㎜까지 φ0.5㎜씩 변화시킨 애퍼추어를 이용하여, 레이저빔의 펄스주파수와 빔파워의 관계를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 또한, 이용한 출사미러는 도 4와 같은 열화상태 66.7%의 것이다. 또, 도 15는 도 14의 측정결과에 근거하여, 펄스주파수 1000㎐에서의 레이저빔의 빔파워(즉 고열부하시 빔파워(H))와 펄스주파수 100㎐에서의 레이저빔의 빔파워(즉 저열부하시 빔파워(L))로부터 (식 2)에서 구한 펄스주파수 1000㎐에서의 빔파워 기준값(S)과, 이 고열부하시 빔파워(H)와 빔파워 기준값(S)을 이용하여 (식 1)로부터 구한 출사미러 열화지수(D)를 각 애퍼추어마다 기재한 것이다. 도 14로부터 애퍼추어의 개구지름이 크면 펄스주파수와 빔파워는 비례 관계에 있고, 개구지름이 작을수록 비례 관계로부터의 차이가 커지는 경향을 볼 수 있다. 또, 도 15로부터 애퍼추어의 개구지름이 클수록 열화지수의 측정결과가 0.0%에 가까워지고, 개구지름이 작을수록 열화지수가 70%에 가까워지는 경향을 볼 수 있다.

이것은 이하의 이유에 의한다.

도 16은 애퍼추어(5a)의 개구지름이 레이저빔 지름에 대해서 충분히 작은 경우의 애퍼추어(5a) 투과 전후의 레이저빔의 강도분포를 나타낸 것이다. 도 16의 (a)는 열화한 출사미러의 열부하상태가 가벼운 경우의 도면이고, 도 16의 (b)는 열부하상태가 심하여 열렌즈 효과에 의해 레이저빔(4b)이 집광된 경우의 도면이다. 애퍼추어(5a)의 개구지름이 레이저빔 지름보다 충분히 작은 경우, 도 16에 나타내는 바와 같이, 레이저빔(4)의 중앙부분만이 애퍼추어를 투과하고 있기 때문에, 열부하상태에 의한 레이저빔 지름의 변화가 빔파워 측정결과에 영향을 주기 쉽다. 즉, 도 16의 (a)에 나타낸 열부하상태가 가벼운 경우보다, 도 16의 (b)에 나타낸 열부하상태가 심한 경우가 레이저빔(4)의 강도분포의 중앙부분이 보다 강해져, 애퍼추어(5a)를 투과하는 레이저빔(20)의 비율이 많아지기 때문이다.

한편, 도 17은 애퍼추어(5b)의 개구지름이 레이저빔 지름에 대해서 대략 동등한 경우의 애퍼추어(5b) 투과 전후의 레이저빔의 강도분포를 나타낸 것이다. 도 16과 마찬가지로, 도 17의 (a)는 열부하상태가 가벼운 경우의 도면이며, 도 17의 (b)는 열부하상태가 심하고 열렌즈 효과에 의해 레이저빔(4b)이 집광된 경우의 도면이다. 애퍼추어(5b)의 지름이 레이저빔 지름보다 충분히 작지 않은, 즉 애퍼추어(5b)의 개구지름과 레이저빔 지름이 동일한 정도가 되면, 도 17의 (a)에 나타내는 바와 같이, 열부하상태가 가벼운 펄스주파수 100㎐에서의 측정의 시점에서 레이저빔(4a)의 대부분이 애퍼추어(5b)를 투과해 버린다. 그 때문에, 도 17의 (b)에 나타낸 바와 같이 열부하상태가 심한 펄스주파수 1000㎐에서 레이저빔(4b)의 지름이 보다 작은 경우도 레이저빔의 강도분포가 변화해도 레이저빔(4b)의 대부분은 애퍼추어(5b)를 투과하므로, 빔파워 측정결과에 영향을 주기 어려워지는 것이다. 이것은 상술한 애퍼추어가 없는 상태와 대략 같은 상태이기 때문이라고 말해도 된다.

출사미러의 열화상태를 정확하게 판단하는 데에는 레이저빔 지름의 변화가 빔파워 측정결과에 크게 영향을 주었던 경우가 적합하다. 도 15의 결과로부터 애퍼추어 지름이 레이저빔 지름의 60%이하(φ3.0㎜이하)인 경우, 출사미러의 열화지수가 약 70%로 포화하고 있는 경향을 볼 수 있기 때문에, 애퍼추어 지름이 레이저빔 지름의 60%이하로 하는 것이 바람직하다. 다만, 애퍼추어의 개구지름을 너무 작게 하면, 빔파워 측정값이 작아져 버려, 상대적으로 측정오차가 커지므로, 빔파워 측정센서의 정밀도를 고려하여 적절한 개구지름을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 출사미러의 열화상태 판단에 출사미러의 초기상태의 측정이 불필요하게 되므로, 예를 들면, 초기상태의 출사미러에 열화가 없는지 여부를 판단하는 것도 가능하게 된다. 또, 측정에 이용하는 애퍼추어의 개구지름을 적정화함으로써, 보다 정확하게 열화상태를 판단할 수 있다.

또한, 상기 실시형태 2에서는 출사미러의 열부하가 심한 상태를 재현하기 위해서, 최대의 펄스주파수 1000㎐로 측정을 행했지만, 실시형태 1과 마찬가지로, 최대로 할 필요는 없고, 가능한 한 높은 빔파워로 측정을 행하면 된다. 물론, 최대의 빔파워로 측정을 행하는 것이 측정의 정밀도가 향상하는 점에서 바람직하다. 또, 출사미러의 열부하가 가벼운 상태를 재현하기 위해서, 최소의 펄스주파수인 100㎐로 측정을 행했지만, 최소로 할 필요는 없고, 가능한 한 낮은 빔파워로 측정을 행하면 된다. 물론, 도 3 및 도 4로부터 최소 빔파워로 측정을 행하는 것이 열화하고 있지 않은 출사미러의 레이저빔의 빔파워에 보다 가까운 값이 얻어져, 보다 정확한 빔파워 기준값(S)이 얻어지는 것은 분명하다.

또, 본 실시형태 2 또는 앞의 실시형태 1에서는 애퍼추어(5)를 출사미러(2)의 열화판단측정에만 이용하고 있다. 한편, 프린트기판 가공용 레이저 가공장치와 같이, 가공용으로 미리 애퍼추어를 광축상에 구비하고 있는 것도 있다. 그와 같은 가공장치의 경우, 가공용 애퍼추어의 개구지름이 상기 적정한 범위 내, 즉 레이저빔 지름의 60%이하이며, 또한 애퍼추어의 위치가 적절한, 즉 레이저 발진기와 애퍼추어와의 사이에 열렌즈가 발생하는 광학부품이 없으면, 이 애퍼추어를 출사미러(2)의 열화판단측정에 이용하여도 된다. 이 경우, 애퍼추어는 고정인 채, 애퍼추어를 투과한 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정센서만을 레이저빔 광축상에 출입하는 구성으로 해도 된다. 이와 같은 구성에서는 애퍼추어를 별도 마련할 필요가 없기 때문에, 보다 염가로 간이한 구성으로 출사미러의 열화상태를 측정할 수 있다.

실시형태 3.

상기 실시형태 1 및 실시형태 2에서는 출사미러의 열부하상태를 레이저빔의 펄스주파수에 의해 변화시켰다. 이것은, 예를 들면 프린트 기판 등의 가공용 레이저 가공장치가 레이저빔의 펄스주파수를 제어하여 가공을 행하는 것이 많기 때문이다. 그러나, 본 발명인 출사미러의 열화상태측정은 출사미러의 열부하상태를 변화시키면 가능하게 되므로, 펄스주파수의 변화 이외의 것에 의해 열부하상태를 변화시키면 동일한 효과를 얻을 수 있다.

예를 들면, 펄스주파수를 100㎐로 고정하고, 펄스폭을 1㎳에서 10㎳까지 변화시켜 빔파워를 측정해도 된다. 예를 들면, 펄스피크파워가 도 12의 측정시와 같으면, 펄스주파수 100㎐에서 펄스폭 1㎳이면, 정확히 도 12의 □표와 같은 값이 얻어지고, 또 펄스주파수 100㎐에서 펄스폭 10㎳이면 연속발진이 되어, 도 12의 △표와 같은 값을 얻을 수 있게 된다.

또, 다른 구성으로서는, 펄스주파수와 펄스폭을 고정하고, 펄스피크파워를 변화시켜도 된다. 예를 들면, 펄스주파수를 100㎐, 펄스폭을 1㎳로 해 두고, 도 12에서의 □표를 측정했을 때의 펄스피크파워의 10배의 펄스피크파워로 레이저빔의 빔파워를 측정하면, 도 12의 △표의 값과 같은 값이 얻어지게 된다.

이상과 같이, 출사미러의 열부하상태를 변화시키는 데에는 펄스주파수나 펄스폭, 펄스피크파워를 변화시키면 되고, 이것에 의해 실시형태 1이나 2와 같은 효과를 얻을 수 있다. 펄스주파수 등 어느 파라미터를 변화시킬지는 레이저 가공장치가 구비하는 레이저 발진기의 사양에 의해 적당히 선택하면 된다. 물론, 복수의 파라미터를 조합시켜 변화시켜도 된다. 그리고, 선택한 파라미터를 변화시킬 수 있도록 가공제어장치(14)에 지시를 낼 수 있도록 측정제어장치(7)의 제어부(102)를 적당히 수정하면 된다.

또한, 상기 실시형태 1, 2에서는 펄스발진의 레이저 발진기를 예로 설명을 행했지만, 펄스발진이 아니고 연속발진하는 레이저 발진기이면, 레이저빔의 빔파워 자체를 변화시킴으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 낮은 빔파워의 레이저빔을 발진함으로써, 출사미러를 저열부하상태로 할 수 있고, 높은 빔파워의 레이저빔을 발진함으로써, 출사미러를 고열부하상태로 할 수 있으므로, 도 12의 □표나 △표의 값을 측정할 수 있다. 이것에 의해, 출사미러의 열화상태를 실시형태 2와 동일하게 판단할 수 있다. 물론, 출사미러의 초기상태에서 고열부하상태에서의 레이저빔의 빔파워를 측정해 두면, 실시형태 1과 동일하게 판단할 수도 있다.

실시형태 4.

실시형태 1, 2에서의 레이저 가공장치에서는 애퍼추어(5)나 빔파워 측정센서(6)를 필요에 따라서, 레이저빔 광로상에 출입하고 있었다. 따라서, 애퍼추어(5) 등을 출입하는 시간이나, 위치조정 등에 약간의 시간이 필요하다. 본 실시형태 4에 관한 레이저 가공장치는 애퍼추어(5) 등의 출입작업을 필요로 하지 않고, 출사미러의 열화상태측정을 행할 수 있는 것이다.

도 18은 본 발명을 실시하기 위한 실시형태 4에서의 출사미러의 열화측정이 가능한 레이저 가공장치를 나타내는 것이다. 도 1, 2와 동일한 구성부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔(4)의 광로상에 부분반사형 미러(30)를 배치한다. 그리고, 일부반사된 레이저빔(31)의 광로상에 애퍼추어(5) 및 빔파워 측정센서(6)를 배치함으로써, 애퍼추어(5)를 통과한 레이저빔의 빔파워 측정이 가능하게 되어, 실시형태 1, 2와 동일한 처리를 행함으로써, 동일하게 출사미러의 열화측정이 가능하게 된다.

본 실시형태 4에 관한 레이저 가공장치에 의하면, 열화상태의 측정의 유무에 의한 빔파워 측정센서(6)와 애퍼추어(5)의 이동을 없애는 것이 가능하게 되며, 워크(13)에 닿는 레이저빔의 빔파워가 실시형태 1, 2에 비해 적게 되지만, 리얼타임으로 빔파워를 측정할 수 있으므로, 일부러 측정모드에서 열화 정도를 측정할 필요가 없어져, 시간의 절약으로 이어진다. 예를 들면, 실가공시에 낮은 빔파워로 가공을 행하거나 높은 빔파워로 가공을 행하거나 하는 경우가 있으면, 그 때의 레이저빔의 빔파워를 측정함으로써, 출사미러의 열화상태를 측정할 수 있다.

실시형태 5.

실시형태 1, 2에 관한 레이저 가공장치에서는 출사미러가 열화하고 있다고 판단된 경우에, 알람 등으로 출사미러를 교환 혹은 클리닝을 행하도록 오퍼레이터에게 알리는 구성이었다. 본 실시형태 5에 관한 레이저 가공장치는 출사미러가 열화하여 교환 등이 필요하게 되기 전에, 교환 등의 시기가 가까워지고 있는 것을 사전에 오퍼레이터에게 알릴 수 있는 것이다. 본 실시형태 5에 관한 레이저 가공장치의 구성으로서는, 실시형태 1의 도 1, 도 2와 대략 동일하며, 측정제어장치(7b)의 동작이 차이가 나는 것이다.

도 19는 스테인리스에 대한 절단가공만을 계속 가공한 경우의 출사미러의 열화상태를 측정한 결과이다. 출사미러의 열화상태의 측정은 실시형태 2에 관한 열화측정방법을 이용하여, 절단가공을 실시하기 전에 1일 1회 정기적으로 실시했다. 또, 도 10으로부터 스테인리스에 대한 절단가공에서의 초점유도는 6㎜이며, 도 9로부터 초점위치 변화량이 6㎜가 되는 출사미러 열화상태는 열화지수 50%이므로, 출사미러 열화상태의 판단기준을 열화지수 50%로 했다. 여기서, 도 19에 나타낸 바와 같이, 출사미러의 메인터넌스의 준비를 판단기준의 열화지수 50%에 도달하기 전에 실시하기 때문에, 판단기준보다도 열화의 판단규격을 느슨하게 한 열화지수 45%를 경고기준으로서 마련하여 사전에 메세지를 발생시키도록 했다.

다음으로, 본 실시형태 5에 관한 레이저 가공장치의 동작에 대해 구체적으로 설명한다. 도 20은 출사미러(2)의 열화상태의 측정을 행하는 경우의 측정제어장치(7b)의 제어플로우차트이다. 실시형태 1에서의 플로우차트인 도 6 또는 실시형태 2에서의 플로우차트인 도 11과 같은 제어에 대해서는, 같은 스텝 번호를 부여하고 있다. 또, 도 21은 본 실시형태 5에 관한 열화측정처리를 실현하기 위한 측정제어장치(7b)의 내부 블럭도이다. 이하, 도 19, 20, 21에 근거하여 설명한다.

우선, 실시형태 1의 도 6과 마찬가지로, 스텝 S01 ~ 스텝 S13를 실시하거나, 혹은, 실시형태 2의 도 11과 마찬가지로, 스텝 S01 ~ 스텝 S04를 실시하여 출사미러의 열화지수를 구한다.

열화지수를 구한 후, 측정제어장치(7b)의 비교부(204)는 얻어진 출사미러의 열화지수와, 별도 측정제어장치(7b) 내의 제3 기억부(205)에 기억되어 있는 경고 기준값(도 19에서는 45%)을 비교하고, 출사미러의 열화지수가 경고기준값보다도 크면, 출사미러의 메인터넌스 시기가 가까워지고 있다고 판단한다. 한편, 출사미러의 열화지수가 경고기준값보다도 작으면, 출사미러의 메인터넌스 시기는 아직 멀었다고 판단한다.

스텝 S21에서 출사미러(2)의 메인터넌스 시기가 아직 멀었다고 판단된 경우, 측정제어장치(7b)의 제어부(102)는 구동장치(15)를 동작시키고, 애퍼추어(5)와 빔파워 측정센서(6)가 레이저빔 광로상으로부터 광로 밖으로 이동된다(S06). 이것에 의해 출사미러의 오염측정이 완료하여 통상의 가공작업이 행해진다.

한편, 스텝 S21에서 출사미러(2)의 열화가 진행되어, 메인터넌스 시기가 가까워지고 있다고 판단된 경우, 측정제어장치(7b)의 비교부(204)는 얻어진 출사미러의 열화지수와 별도 측정제어장치(7b) 내의 제1 기억부(105)에 기억되어 있는 판단 기준값(도 19에서는 50%)을 비교한다(S05).

스텝 S05에서 출사미러의 열화지수가 판단기준값보다도 작으면, 출사미러를 교환할 필요는 없으므로, 측정제어장치(7b)의 제어부(102)는 출사미러의 메인터넌스 시기가 가까워지고 있는 것을 오퍼레이터에게 알릴 수 있도록 알람표시부(106)에 의해 주의 메세지를 표시한다(S22). 그리고, 스텝 S06를 실시하여 측정을 종료한다. 한편, 출사미러의 열화지수가 판단기준값보다도 크면, 출사미러의 교환이 필요하다고 판단되고, 스텝 S07, S08가 실시되어 측정이 종료한다.

본 실시형태 5에 관한 레이저 가공장치에서 상술한 동작을 행함으로써, 예를 들면 도 19에서의 출사미러의 열화상태의 경과에 있어서, 오퍼레이터의 작업은 이하와 같이 된다. 가동시간 2300시간에서 출사미러 열화상태는 열화지수 45%가 되어, 출사미러의 메인터넌스 시기가 가까워지고 있는 메세지가 나왔기 때문에, 신품의 출사미러와 메인터넌스 작업자의 확보를 실시했다. 가동시간 2400시간에서 출사미러 열화상태는 열화지수 50%이 되어, 출사미러의 메인터넌스 시기가 되었기 때문에, 메인터넌스를 실시했다.

이상에 의해, 본 실시형태 5에 관한 레이저 가공장치는 출사미러의 열화상태 측정에서 판단기준값과는 별도로, 이 판단기준값보다도 열화판단의 규격을 느슨하게 한 경고기준을 설정함으로써, 사전에 출사미러의 메인터넌스의 준비를 할 수 있다. 이것에 의해, 출사미러의 메인터넌스에서의 시간의 로스를 저감하는 것이 가능하게 된다. 또한, 정기적으로 출사미러의 열화상태를 측정함으로써, 절단가공에서 가공품질의 저하를 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.

실시형태 6.

실시형태 1, 2에 관한 레이저 가공장치에서는 레이저 발진기 내의 출사미러에 특화하여 열화상태의 측정에 대해 설명했지만, 본 발명에 관한 출사미러의 열화 측정방법은 레이저 발진기 외의 광학계에서의 레이저빔을 투과시키는 광학부품의 열화상태를 측정할 때에도 적응할 수 있다.

도 22는 본 발명을 실시하기 위한 실시형태 6에서의 레이저 가공장치를 나타내는 것이다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저빔(4)의 광로 중에 레이저빔을 투과하는 렌즈 등의 광학부품(25)이 설치되어 있다. 이 광학부품(25)의 열화상태를 측정하기 위해서, 광학부품(25)의 직후에 광학부품을 투과한 레이저빔의 중앙부만을 투과하는 애퍼추어(5)와, 애퍼추어(5)를 투과한 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정센서(6)를 배치한 것이다. 애퍼추어(5)나 빔파워 측정센서(6)는 광학부품의 열화측정시 이외는 레이저빔의 광로 밖으로 나오는 점은 실시형태 1, 2와 같다.

도 22에 나타낸 바와 같은 구성으로 하여, 실시형태 1의 도 6 혹은 실시형태 2의 도 11과 마찬가지로, 애퍼추어(5)를 투과하는 레이저빔의 빔파워를 측정하고 열화지수를 산출하도록 처리를 행함으로써, 광학부품(25)의 열화상태를 정량적으로 판단할 수 있다.

다만, 레이저빔 광로상에서 측정대상의 광학부품(25)보다도 레이저 발진기 측으로 열화한 광학부품이 없는 것이 필요하다. 왜냐하면, 예를 들면, 출사미러(2)가 열화하고 있었을 경우, 출사미러(2)가 원인으로 빔파워에 의해서 레이저빔의 강도분포가 바뀌어 버려, 측정 대상의 광학부품(25)이 열화하고 있는지 여부를 분리할 수 없게 되기 때문이다. 따라서, 우선은 레이저 발진기(1)에 가까운 쪽으로부터 순서대로 레이저빔을 투과하는 광학부품의 열화상태를 확인할 필요가 있다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명에 관한 레이저 발진기의 출사미러 열화판단방법 및 레이저 가공장치는 염가로 간이하게 출사미러의 열화상태를 측정할 수 있다. 특히, 가공용으로 애퍼추어를 구비하고 있는 레이저 가공장치, 예를 들면 프린트 기판의 레이저 가공장치의 경우에 적용이 용이하다.

Claims (20)

1. 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기(發振器)와,
   상기 레이저 발진기(發振器)로부터 출사된 레이저빔의 광로(光路)상에 배치되고, 이 레이저빔의 주변부분을 차폐하고 중앙부분을 투과시키는 애퍼추어(aperture)와,
   상기 애퍼추어를 투과한 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정수단과,
   소정의 빔파워의 레이저빔이 출사되어 있을 때의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값에 근거하여 상기 레이저 발진기의 출사미러의 열화(劣化)상태를 판단하는 제어수단을 구비한 레이저 가공장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 소정의 빔파워는 열화한 상기 출사미러에서 열(熱)렌즈 효과가 발생하는 정도의 높은 빔파워인 레이저 가공장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어수단은,
   열화하고 있지 않은 출사미러에서 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에 의해 별도 측정된 빔파워값을 기준값으로서 기억하는 기억부를 구비하고,
   이 기억부에 기억된 기준값과 상기 측정된 빔파워값을 비교하여, 상기 레이저 발진기의 출사미러의 열화상태를 판단하는 것인 레이저 가공장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 소정의 빔파워는 열화한 상기 출사미러에서 열렌즈 효과가 발생하지 않는 정도의 낮은 빔파워도 더 포함하는 것인 레이저 가공장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제어수단은,
   상기 낮은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값으로부터 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 경우에 예상되는 빔파워값을 비례식에 의해 산출하는 산출부를 구비하고,
   이 산출부에서 산출된 빔파워값을 기준값으로 하고, 이 기준값과 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값을 비교하여, 상기 레이저 발진기의 출사미러의 열화상태를 판단하는 것인 레이저 가공장치.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 애퍼추어의 개구지름이 레이저빔 지름의 60%이하인 레이저 가공장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 발진기가 펄스 레이저빔을 출사하는 것인 경우,
   상기 레이저 발진기의 출사미러의 열화상태를 판단하기 위한 레이저빔의 빔파워 측정시에 펄스주파수, 펄스폭 또는 펄스피크파워 중 적어도 1개의 값을 변화시킴으로써 레이저빔의 빔파워를 변화시키는 것인 레이저 가공장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 발진기가 연속한 레이저빔을 출사하는 것인 경우,
   상기 레이저 발진기의 출사미러의 열화상태를 판단하기 위한 빔파워 측정시에 레이저빔의 빔파워를 변화시키는 것인 레이저 가공장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 애퍼추어 및 빔파워 측정수단을 출사미러의 열화상태 측정시에는 상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔의 광로상에 삽입하고, 레이저 가공시에는 광로상으로부터 빼내기 위한 구동수단을 구비한 레이저 가공장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 애퍼추어를 레이저 가공시에도 이용하는 레이저 가공장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 발진기와 상기 애퍼추어와의 사이의 레이저빔 광로상에 열렌즈가 발생하는 광학부품이 배치되지 않은 레이저 가공장치.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 출사미러를 열화했다고 판단하는 판단기준값과, 이 판단기준값보다도 느슨하게 설정되어 출사미러의 열화하는 시기가 가까워져 왔다고 판단하는 경고기준값을 구비하고 있는 레이저 가공장치.
13. 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기와,
    상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔의 광로상에 배치되고, 이 레이저빔을 투과하는 광학부품과,
    상기 광학부품을 투과한 레이저빔의 광로상에 배치되고, 이 레이저빔의 주변부분을 차폐하고 중앙부분을 투과시키는 애퍼추어와,
    상기 애퍼추어를 투과한 레이저빔의 빔파워를 측정하는 빔파워 측정수단과,
    소정의 빔파워의 레이저빔이 출사되어 있을 때의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값에 근거하여, 상기 광학부품의 열화상태를 판단하는 제어수단을 구비한 레이저 가공장치.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 소정의 빔파워는 열화한 상기 광학부품에서 열렌즈 효과가 발생하는 정도의 높은 빔파워인 레이저 가공장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제어수단은,
    열화하고 있지 않은 광학부품에서 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에 의해 별도 측정된 빔파워값을 기준값으로서 기억하는 기억부를 구비하고,
    이 기억부에 기억된 기준값과 상기 측정된 빔파워값을 비교하여, 상기 광학부품의 열화상태를 판단하는 것인 레이저 가공장치.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 소정의 빔파워는 열화한 상기 광학부품에서 열렌즈 효과가 발생하지 않는 정도의 낮은 빔파워도 더 포함하는 것인 레이저 가공장치.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 낮은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값으로부터 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 경우에 예상되는 빔파워값을 비례식에 의해 산출하는 산출부를 구비하고,
    이 산출부에서 산출된 빔파워값을 기준값으로 하고, 이 기준값과 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 상기 빔파워 측정수단에서 측정된 빔파워값을 비교하고, 상기 광학부품의 열화상태를 판단하는 것인 레이저 가공장치.
18. 열화한 레이저 발진기의 출사미러에서 열렌즈 효과가 발생하는 정도의 높은 빔파워로 레이저빔을 출사하는 공정과,
    이 레이저빔의 광로상에 배치되어 레이저빔의 주변부분을 차폐하고 중앙부분을 투과시키는 애퍼추어를 투과한 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 빔파워값을 측정하는 공정과,
    별도 기억된 기준값과 상기 측정된 빔파워값에 근거하여 레이저 발진기의 출사미러의 열화상태를 판단하는 공정을 구비한 레이저 발진기의 출사미러열화 판단 방법.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 기준값은,
    열화하고 있지 않은 레이저 발진기의 출사미러에서 상기 애퍼추어를 투과한 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 빔파워값을 측정하고, 이 측정된 빔파워값을 기준값으로서 기억하는 공정에 의한 것인 레이저 발진기의 출사미러열화 판단 방법.
20. 열화한 레이저 발진기의 출사미러에서 열렌즈 효과가 발생하지 않는 정도의 낮은 빔파워로 레이저빔을 출사하는 공정과,
    이 레이저빔의 광로상에 배치되어 레이저빔의 주변부분을 차폐하고 중앙부분을 투과시키는 애퍼추어를 투과한 상기 낮은 빔파워로 출사된 레이저빔의 빔파워값을 측정하는 공정과,
    열화한 레이저 발진기의 출사미러에서 열렌즈 효과가 발생하는 정도의 높은 빔파워로 레이저빔을 출사하는 공정과,
    상기 애퍼추어를 투과한 상기 높은 빔파워로 출사된 레이저빔의 빔파워값을 측정하는 공정과,
    상기 낮은 빔파워의 레이저빔 출사시에 측정된 빔파워값으로부터 비례식에 의해 열화하고 있지 않은 레이저 발진기의 출사미러에서의 상기 높은 빔파워의 레이저빔을 출사했을 때의 빔파워값을 산출하는 공정과,
    상기 산출된 빔파워값과 상기 높은 빔파워의 레이저빔 출사시에 측정된 빔파워값으로부터 출사미러의 열화상태를 판단하는 공정을 구비한 레이저 발진기의 출사미러열화 판단 방법.

Images