WO2002067390A1 - Laser apparatus - Google Patents

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Takafumi Kawai
Kenichi Matsui
Akihiro Otani
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Description

明 細 書 レーザ装置 技術分野
この発明は、 レーザ装置、 特にそのレーザビームを伝送する光フアイ バの入射側端部及び該光ファイバを接続するファイバ接続部の保護に 関するものである。 背景技術
第 5図は、 従来のレーザ装置を示す概略構成図である。 1は保護筐体、 2はレーザ共振器、 3は部分反射ミラ一、 4は全反射ミラー、 5は励起 光源、 6は励起媒体である固体素子、 7は励起光源 5と固体素子 6とを 内蔵するキヤビティ (箱) 、 8はレ一ザ共振器 2から出射したレ一ザビ ーム、 9は拡大レンズ、 1 0はコリメ一トレンズ、 1 1は内部シャツ夕、 1 2は外部シャツ夕、 1 3はファイバ入射レンズ、 2 0は保護筐体 1に 設けられたファイバ出口、 2 2は固定側ファイバコネクタ、 2 3は光フ アイバケ一ブルであり、 光ファイバ 2 3 a , ケーブル側ファイバコネク 夕 2 3 b , 保護管 2 3 cを有する。 2 4はコネクタ取付板、 2 5は加工 ヘッド、 2 5 a, 2 5 bは集光レンズである。
次に動作について説明する。 第 5図のレーザ装置において、 励起光源 5の励起光により固体素子 6が励起され、 固体素子 6を挟むように設け られた部分反射ミラー 3と全反射ミラー 4とによりレ一ザ発振する。 レ 一ザ共振器 2から出射したレーザビーム 8は拡大レンズ 9を通過する ことにより広げられ、 コリメ一トレンズ 1 0を通過することにより平行 ビームとなり、 その後、 ファイバ入射レンズ 1 3を通過することにより 集光されレ一ザビーム 8が光フアイバケ一ブル 2 3すなわち光フアイ バ 2 3 aへと導かれる。
全反射ミラ一 4と部分反射ミラー 3の間に内部シャツ夕 1 1が設け られており、 レーザビーム 8のレーザ共振器 2からの出射が不要の場合 には、 レーザビ一ム 8を遮断できるようになつている。 '
コリメ一トレンズ 1 0とフアイバ入射レンズ 1 3との間に外部シャ ッ夕 1 2が設けられており、 保護筐体 1外へのレ一ザビ一ム 8の出射が 不要の場合には、 レーザビーム 8を遮断できるようになつている。 外部 シャツ夕 1 2は、 レ一ザビーム 8を反射する反射ミラー 1 2 aとレーザ ビーム 8を吸収し熱に変換するダンパ一 1 2 bとからなっている。
■ 保護筐体 1内で光ファイバケ一ブル 2 3に導かれたレーザビ一ム 8 は, 光ファイバケーブル 2 3内を通過し加工へッド 2 5に接続された光 ファイバケーブル 2 3の他端面から出射する。 加工ヘッド 2 5に導かれ たレーザビーム 8は集光レンズ 2 5 a , 2 5 bにより集光され, 加工等 に利用される。
第 6図は、 従来のフアイバ接続部及び光フアイバ入射側端部の概略構 成図である。 第 6図においては、 保護筐体 1に対して着脱自在のケ一ブ ル側ファイバコネクタ 2 3 bに温度センサ 1 0 1が取り付けられてい る。 また、 4 1はべ一ス、 4 2はホルダべ一ス、 6 1は制御装置である c レーザビーム 8の光軸ずれなどにより、 レ一ザビーム 8が光ファイバ 入射側端^である光ファイバ 2 3 aの入射端面の中心部に入射せず、 そ の周辺部のケ一ブル側ファイバコネクタ 2 3 bや固定側ファイバコネ クタ 2 2等のいわゆるファイバ接続部に誤照射される場合がある。
レ一ザビーム 8、 特に加工用等の高出力のレーザビーム 8が誤照射さ れると、 ケ一ブル側ファイバコネクタ 2 3 や固定側ファイバコネクタ 2 2は温度上昇し、 そのまま放置すると, 過熱状態となり溶融 ·焼損し てしまう恐れがある。 そのような事態を防ぐため、 ケーブル側ファイバ コネクタ 2 3 bに取り付けられている温度センサ 1 0 1がケーブル側 ファイバコネクタ 2 3 bの温度を検出することにより、 ケ一ブル側ファ ィバコネクタ 2 3 bの温度変化ゃケ一ブル側ファイバコネクタ 2 3 b へ熱が伝達される固定側ファイバコネクタ 2 2の温度を検出し、 一定の 温度以上に上昇した場合には、 その温度センサ 1 0 1からの出力に基き 制御装置 6 1が、 アラーム発生, またはファイバ接続部へのレ一ザビー ム 8の到達を停止させる等の処理を行うことにより、 ファイバ接続部及 び光フアイバ入射側端部の保護を行っている。
第 6図で説明したような従来のファイバ接続部及び光ファイバ入射 側端部の構成では、 ファイバ接続部であるケーブル側ファイバコネクタ 2 3 bの温度のみを検出しているため、 保護筐体 1内の他の部分の温度 に関係なく、 ある温度で、 レーザ共振器 2による発振を停止するなどに よりファイバ接続部へのレーザビーム 8の到達を停止させる、 或いはァ ラームの発生等の処理を行っていた。 そのため、 保護筐体 1内の温度が 全体的に上がっていった場合などに、 '誤ってレーザ発振を停止したり或 いはアラームを発生したりしてしまう、 といった問題点があつた。 また、 着脱されるケーブル側ファイバコネクタ 2 3 b側に温度センサ 1 0 1が取り付けられているため、 光ファイバケーブル 2 3を固定側フ アイバコネクタ 2 2に対し着脱するたびに温度センサ 1 0 1の配線に ついても着脱の作業をしなければならず、 その作業が煩わしく、 また、 配線のし忘れ ·誤り等が生じる、 といった問題点があった。
この発明は、 上述の問題点を解決するためになされたものであり、 レ 一ザビームの誤照射の有無を正確に判断することにより、 誤動作が少な く信頼性の高いレーザ装置を得るものである。 発明の開示
この発明は、 レーザビームを被加工物まで導く光ファイバと、 レーザ 共振器と、 このレーザ共振器より出射されたレーザビームの光路を形成 する内部レーザ光路系と、 前記光ファイバを接続し前記レーザ共振器よ り出射され前記内部レーザ光路系を伝達されたレーザビームを前記光 フアイバへ入射させるフアイバ接続部と、 前記レーザ共振器と前記内部 レーザ光路系と前記ファイバ接続部とを収納する保護筐体と、 前記ファ ィバ接続部に設けられた第一の温度センサと、 前記ファイバ接続部とは 別の部材に設けられた第二の温度センサと、 前記第一の温度センサによ る第一の検出温度と前記第二の温度センサによる第二の検出温度とを 入力情報として演算処理を行う演算手段と、 この演算手段からの出力に 基きレ一ザ出力に関する制御またはアラーム出力を行う制御手段とを 備えたレーザ、装置を提供するものである。
したがって、 温度検出に基く、 ファイバ接続部若しくはその近傍の部 材へのレーザビームの誤照射の検出において、 第一の温度センサに検出 された第一の検出温度の上昇が、 ファイバ接続部若しくはその近傍の部 材に対するレーザビームの誤照射によるものなのか否かを判断するこ とが可能となり、 誤照射の有無を正確に判断し、 制御手段の誤動作の発 生を低減することができるものである。 , ' また、 この発明は、 第二の温度センサが設けられる部材は、 保護筐体 の内面部または.この保護筐体の内部に収納された部材であるレーザ装 置を提供するものである。
したがって、 第一の温度センサに検出された第一の検出温度の上昇が、 ファイバ接続部若しくはその近傍の部材に対するレーザビームの誤照 射によるものなのか、 保護筐体の内部の雰囲気温度の上昇によるものな のかを判断することが可能となり、 誤照射の有無を正確に判断し、 制御 手段の誤動作の発生を低減することができるものである。 また、 この発明は、 演算手段が、 第一の検出温度と第二の検出温度と の検出温度差を算出するとともにこの検出温度差と予め設定された基 準温度差との比較判断結果を出力するレーザ装置を提供するものであ る。 .
したがって、 該比較判断結果に基き、 制御手段が対応を取ることがで きるものである。
また、 この発明は、 基準温度差を複数設定するレーザ装置を提供する ものである。
レたがって、 検出温度差の値に応じて適切な対応を取ることができる. ものである。 '
また、 この発明は、 レーザ共振器の内部に設けられレ一ザ共振を停止 する内部シャツ夕と内部レーザ光路系に設けられレーザビームを遮'断 する外部シャツ夕とを有し、 検出温度差と基準温度差との比較判断結果 に基き、 前記内部シャツ夕または前記外部シャッ夕を閉状態とするレー ザ装置を提供するものである。
したがって、 レーザ共振器によるレーザ発振を停止することなく、 フ アイバ接続部へのレーザビームの到達を停止させることができるもの である。
また、 この発明は、 内部レーザ光路系にアパーチャを設け、 このアバ —チヤに第三の温度センサを備えたレ一ザ装置を提供するものである。
したがって、 アパーチャに対するレーザビームの光軸ずれの有無を正 確に判断し 制御手段の誤動作の発生を低減することができるものであ る。 図面の簡単な説明
第 1図は、 この発明の第 1の実施の形態によるレーザ装置のファイバ 入射部の概略構成図である。 第 2図は、 温度と光ファイバ入射端面損傷度合いの関係を示す図であ る。
第 3図は、 この発明の第 2の実施の形態によるレーザ装置のファイバ 入射部の概略構成図である。
第 4図は、 ファイバ入射レンズとレーザビームの光軸との位置関係と それによる光ファイバ通過後のレ一ザビームのビームパターンとの関 係を示す概略説明図である。
第 5図は、 従来のレーザ装置の概略構成図である。
第 6図は、 従来のレーザ装置のファイバ接続部及び光ファイバ入射側 端部の概略構成図である。
第 7図は、 他のレーザ装置のファイバ接続部及び光ファイバ入射側端 部の概略構成図である。 発明を実施するための最良の形態 "
実施の形態 1 : '
従来は、 第 6図に示したようなフアイバ接続部及び光フアイバ入射側 端部の構成であり、 先にも述べたように、 温度センサ 1 0 1が着脱自在 のケーブル側ファイバコネクタ 2 3 b側に取り付けられているため、 光 ファイバケーブル 2 3を固定側ファイバコネクタ 2 2に対し着脱する たびに温度センサ 1 0 1の配線についても着脱の作業をしなければな らず、 その作業が煩わしく、 また、 配線のし忘れ ·誤り等が生じる、 と いった問題点があった。
そのため、 第 7図に示すようなファイバ接続部及び光ファイバ入射側 端部の構成が考え出された。 すなわち、 温度センサ 1 0 1を固定側ファ ィバコネクタ 2 2、 すなわち固定側に取り付けることにより、 光フアイ バケ一ブル 2 3すなわちケーブル側ファイバコネクタ 2 3 bの着脱の たびに、 温度センサ 1 0 1の配線について作業を行う必要が無くなった。 しかし、 さらに、 上述のように温度センサを固定側に取り付けること により、 温度センサの配線について度々煩雑な作業を行う必要が無くな つたことから、 以下に説明するように、 温度センサを複数箇所に取り付 けておくことが考え出された。 , .
以下、 この発明の第 1の実施の形態によるレ一ザ装置について、 第 1 図を用いて説明する。 第 1図はこの発明の第 1の実施の形態によるレー ザ装置のファイバ接続部及び光ファイバ入射側端部の概略構成図であ る。
第 1図において、 符号 8, 1 3 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 4 1 , 4 2, 6 1のものは、 従来例のものと同一または相当のものであるため、 詳細な 説明は省略する。 5 1は第一の温度センサとしての温度センサ A、 5 2 は第二の温度センサとしての温度センサ Bである。 6 2は演算装置、 6 3は表示装置である。 、
次に動作について説明する。 レーザビーム 8の光軸ずれなどにより、 レーザビーム 8が光ファイバ 2 3 aに入射せず、 その周辺部の固定側フ アイバコネクタ 2 2などに誤照射される場合がある。
この実施の形態のものでは、 レーザビーム 8が誤照射された場合の発 熱源となる固定側ファイバコネクタ 2. 2に温度センサ A 5 1が取り付 けられているとともに、 発熱源となる固定側ファイバコネクタ 2 2から 離れた別部材であるベース 4 1に温度センサ B 5 2が取り付けられて いる。 このため、 固定側ファイバコネクタ 2 2がレーザビーム 8の誤照 射により過熱し温度上昇した場合に、 固定側ファイバコネクタ 2 2とべ ース 4 1とで温度勾配をもち、 温度センサ A 5 1と温度センサ B 5 2と でそれぞれ検出される温度には温度差 (以下適宜、 「検出温度差」 と記 す) が生じることになる。 この検出温度差を演算装置 6 2を用いて算出 する。
すなわち、 この実施の形態のものでは、 固定側ファイバコネクタ 2 2 の位置とベ一ス 4 1の位置との 2箇所の温度を検出しているため、 何ら かの理由により保護筐体 1内全体或いはレーザ装置の雰囲気温度が全 体的に上昇して、 固定側ファイバコネクタ 2 2等のファイバ接続部の部 材が溶融 ·焼損してしまう温度に徐々に近づいているだけなのか、 雰囲 気温度にはほとんど変化が無く、 実際にレーザビーム 8の誤照射により フアイバ接続部の部材が局部的に過熱した状態にあるのか ¾、 温度セン サ A 5 1と温度センサ B 5 2とでそれぞれ検出される温度とその検出 温度差の変化の様子によって判断することができる。 , そして、 この実施の形態のものの場合、 温度センサ A 5 1と温度セン サ B 5 2との検出温度差に対して、 アラームの発生、 レ一ザビームの出 力の低減、 或いはファイバ接続部へのレーザビーム 8の到達の停止を行 うための判断基準となる温度差 (以下適宜、 「基準温度差」 と記す) を 設定する。 この基準温度差と検出温度差とを演算装置 6 2により比較し, レーザビーム 8の誤照射の有無を判断する。 その演算装置 6 2の判断結 果に応じて、 制御装置 6 1が、 アラーム発生、 レーザビームの出力の低 減、 或いはファイバ接続部へのレーザビーム 8の到達停止等の処理を行 う。
第 2図に、 温度センサ A 5 1, 温度センサ B 5 2による検出温度とそ の時間経過による変化の関係を示す。 温度センサ A 5 1による検出温度 を t a, 温度.センサ B 5 2による検出温度を t bとし、 この検出温度 t aと検出温度 1; bとから検出温度差 t dを算出し、 例えば、 この検出温 度差 t dが予め定めた所定値に達した場合には、 検出温度 t aそのもの がその時点で、 実際に固定側ファイバコネクタ 2 2等が熱により溶融 - 焼損してしまう温度より多少低くても、 アラームを発生したり、 フアイ バ接続部へのレーザビーム 8の到達を停止する等の処理を行うことと する。
アラームとしては、 例えば表示装置 6 3にメッセージを表示したり、 ライト等の点灯機器 (図示せず) の点灯 ·点滅による光等、 視覚的なも の、 または、 ブザー等 (図示せず) の警報音等、 聴覚に訴えるものなど がある。
ファイバ接続部へのレ一ザビーム 8の到達を停止する方法としては、 例えば、 レーザ共振器 2の電源の遮断や励起光源 5への電力供給の遮断 によってレーザ共振器 2を停止させる方法、 或いは、 第 5図に示した内 部シャツタ 1 1若しくは外部シャツ夕 1 2 ¾閉状態とする、 といった方 法などがある。
なお、 各温度センサの取り付け位置は、 必ずしも第 1図に示した位置 でなくともよく、 例えば、 温度センサ B 5 2は、 ベース 4 1の他、 ホル ダベース 4 2でもよく、 或いは保護筐体 1の外側表面等に取り付けても よい。
なお、 この実施例のものにおいて、 温度センサ A 5 1による検出温度 t aが、 固定側ファイバコネクタ 2 2等のファイバ接続部が溶融 ·焼損 ,してしまう恐れがある温度まで達した場合には、 温度センサ B 5 2によ る検出温度' t bに拘らず、 従来と同様に、 制御装置 6 1がアラーム発生 やファイバ接続部へのレーザビーム 8の到達停止等の処理を行うこと は、 言うまでもない。
実施の形態 2 .
この発明の第 2の実施の形態によるレーザ装置について、 第 3図を用 いて説明する。 第 3図はこの発明の第 2の実施の形態によるレーザ装置 のフアイバ接続部及び光フアイバ入射側端部の概略構成図である。 第 3図において、 符号 8, 1 3, 2 2 , 2 3 , 2 4 , 4 1 . 4 2' . 5 1, 5 2, 6 1, 6 2, 6 3のものは、 第 1図に示したものと同一また は相当のものであるため、 詳細な説明は省略する。 5 3は温度センサ (:、 7 1はアパーチャである。
次に動作について説明する。 固定側ファイバコネクタ 2 2に温度セン サ A 5 1が、 ベース 4 1に温度センサ B 5 2が、 それぞれ取り付けられ ている。 また、 ファイバ入射レンズ 1 3の入射側にファイバ入射レンズ 1 3と同軸にアパーチャ 7 1が設けてあり、 そのアパーチャ 7 1に第三 の温度センサとしての温度センサ C 5 3が取り付けられている。 これら 3個の温度センサにより、 固定側ファイバコネクタ 2 2, ベース 4 1 , アパーチャ 7 1の温度をそれぞれ検出する。
光ファイバ 2 3 aは断面の中心部である数 1 0 0 z mのコアに正確 にレーザビーム 8を集光された場合に最も効率よく導光する。 したがつ て、 光ファイバ 2 3 aのレーザビーム入射端面において、 そのコアにレ 一ザビーム 8が正確に集光されるよう調整しなければならない。 そのた め球面収差, コマ収差等の収差を少なくするように、 ファイバ入射レン ズ Γ 3の中心にレーザビーム 8を通す必要がある。 ファイバ入射レンズ 1 3とレーザビーム 8の光軸との位置関係とそれによる光ファイバ通 過後のレーザビームのビームパターンとの関係を示す概略説明図を第 4図に示す。
第 4図 (a ) に示すように、 予め光ファイバ 2 3 aのレーザビーム入 射端面との光軸に関する位置調整をされたファイバ入射レンズ 1 3の 中心にレーザビーム 8.の中心が正確に通過する場合には、 同図 (b ) に 示すように、 光ファイバ 2 3 aの出射端面から出射されたレーザビーム 8は、 コア部のみを伝送された円形状のビームパターンとなる。 他方、 同図 (c ) または (cl ) に示すように、 レ一ザビーム 8の光軸がずれる などして、 ファイバ入射レンズ 1 3の中心からずれた状態でレーザビ一 ム 8が通過する場合には、 同図 (e ) に示すように、 光ファイバ 2 3 a の出射端面から出射されたレーザビーム 8は、 光ファイバ 2 3 , aのコア 部を伝送された円形状とその外側にクラッド部を伝送された円環形状 とが生じるビームパターンとなり、 加工ワーク等の被照射面におけるレ 一ザ光の密度すなわち強度が低下するなど、 良好なレ一ザ光照射となら ないという問題がある。 '
このため、 ファイバ入射レンズ 1 3を通過するレーザビーム 8を制限 し、 その光軸を規正するために、 レーザ光路上のファイバ入射レンズ 1 3の直前の位置に設けられるのがアパーチャ 7 1である。 そして、 その ァパ一チヤ 7 1の中心をレーザビーム 8が正確に通過していない状態 を検出するために、 アパーチャ 7 1に温度センサ C 5 3を取り付け、 光 軸がずれたレーザビーム 8がアパーチャ 7 1に誤照射されることによ るアバ一チヤ 7 1の温度上昇を検出するようにしたものである。
温度センサ B 5 2による検出温度と温度センサ C 5 3による検出温 度との温度差を検出し、 この検出温度差が所定の値より大きい場合、 レ —ザビーム 8の光軸のずれと判断して、 ファイバ入射レンズ 1 3若しく はレ一ザビーム 8の光軸を自動または手動で調整し、 ファイバ入射レン ズ 1 3の中心にレーザビーム 8が通るように調整する。 また、 検出温度 差が大きい場合にはレーザ共振器 2を停止させるようにする。
この実施の形態のものにおいて、 検出精度のよい温度センサ C 5 3を アパーチャ 7 1の円周方向に複数個設けることによって、 どの方向にレ 一ザビーム 8の光軸がずれているのかが判るようにしてもよい。
上述の第 1及び第 2の実施の形態のものにおいて、 基準温度差を予め 複数設定してもよい。
例えば、 第 2図に示すように、 複数の基準温度差をそれぞれ基準温度 差 t d 1 , 基準温度差 t d 2とする。 そして、 基準温度差 t d 1は、 レ 一ザビーム 8の光軸が僅かにずれたことにより固定側ファイバコネク 夕 2 2にレーザビーム 8が僅かに照射され、 固定側ファイバコネクタ 2 2が僅かに温度上昇する場合を想定した、 正常な状態よりは僅かに大き いレベルの温度差に設定し、 基準温度差 t d 2は、 固定側ファイバコネ クタ 2 2に損傷 ·溶融が生じ始める閾値に相当するレベルの温度差に設 上述のように.基準温度差 t d 1 , t d 2を設定したうえで、 例えば、 検出温度差が基準温度差 t d 1未満の場合は、 アラームの発生をしない か、 若しくは異常が無い旨の表示を行うようにする。
検出温度差が基準温度差 t d 1以上且つ基準温度差 t d 2未満の場 合には、 アラームの発生のみを行うものとする。 そして検出温度差が、 基準温度差 t d 2以上の場合には、 アラームの発生を行うとともに固定 側ファイバコネクタ 2 2すなわちファイバ接続部へのレーザビーム 8 の到達を停止する等の処理を行う。
また、 上述の実施の形態のものに関して、 基準温度差の設定を、 固定 側ファイバコネクタ 2 2やコネクタ取付板 2 4の材質等、 種々の条件に 応じて変更するようにしてもよい。 産業上の利用可能性
以上のように、 この発明にかかるレ一ザ装置は、 例えば高出力の工業 用レーザ加工機において用いられるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . レーザビームを被加工物まで導く光ファイバと、 レーザ共振器と、 このレーザ共振器より出射されたレーザビームの光路を形成する内部 レーザ光路系と、 前記光ファイバを接続し前記レーザ共振器より出射さ れ前記内部レーザ光路系を伝達されたレーザビームを前記光ファイバ へ入射させるファイバ接続部と、 前記レーザ共振器と前記内部レーザ光 路系と前記ファイバ接続部とを収納する保護筐体と、 前記ファイバ接続 部に設けられた第一の温度センサと、 前記ファイバ接続部とは別の部材 に設けられた第二の温度センサと、 前記第一の温度センサによる第一の 検出温度と前記第二の温度センサによる第二の検出温度とを入力情報 として演算処理を行う演算手段と、 この演算手段からの出力に基きレー ザ出力に関する制御またはアラーム出力を行う制御手段とを備えたこ とを特徴とするレーザ装置。
2 . 第二の温度センサが設けられる部材は、 保護筐体の内面部またはこ の保護筐体の内部に収納された部材であることを特徴とする請求項 1 に記載のレーザ装置。
3 . 演算手段は、 第一の検出温度と第二の検出温度との検出温度差を算 出するとともにこの検出温度差と予め設定された基準温度差との比較 判断結果を出力することを特徴とする請求項 1または請求項 2のいず れかに記載のレーザ装置。
4 . 基準温度差を複数設定することを特徴とする請求項 3に記載のレー ザ装置。
5 . レーザ共振器の内部に設けられレーザ共振を停止する内部シャツ夕 と内部レーザ光路系に設けられレ一ザビームを遮断する外部シャツ夕 とを有し、 検出温度差と基準温度差との比較判断結果に基き、 前記内部 シャツ夕または前記外部シャツ夕を閉状態とすることを 徵とする請 求項 3または請求項 4のいずれかに記載のレーザ装置。
6 . 内部レーザ光路系にアパーチャを設け、 このアパーチャに第三の温 度センサを備えたことを特徴とする請求項 1乃至請求項 5のいずれか に記載のレーザ装置。
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