WO2019221034A1 - レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

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諒 石川
真也 堂本
秀明 山口
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention is a laser apparatus and a laser processing apparatus using the same.
  • laser processing in which a workpiece is processed using a laser processing apparatus having a high-power laser oscillator, is used for processing various members.
  • the optical axis of the laser beam may be displaced internally due to vibrations of peripheral devices or the like.
  • the transmission fiber that guides the laser beam may be damaged, or the set processing position may be shifted from the actual processing position, resulting in processing failure.
  • Patent Document 1 in a half mirror that reflects laser light toward a workpiece, the sensor emits laser light so that the laser light that passes through the half mirror is directly received when the optical axis of the laser light is shifted.
  • a configuration provided on the back side of the surface is disclosed.
  • the sensor disclosed in Patent Document 1 is a heat detection sensor such as a thermocouple or a thermostat that detects heat generated by absorbing laser light, has a response delay until the temperature rises, and is continuously oscillating.
  • a heat detection sensor such as a thermocouple or a thermostat that detects heat generated by absorbing laser light
  • the heat generation near the sensor is also detected, it is impossible to accurately detect the presence or absence of the optical axis deviation of the laser beam.
  • the deviation between the optical axis of the laser beam and the core of the transmission fiber is important. It was difficult to detect this shift.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a laser device capable of detecting the presence or absence of an optical axis shift of a laser beam with a simple configuration and a laser processing apparatus using the laser device.
  • a laser apparatus includes a laser oscillator that emits laser light, and an optical unit that receives the laser light emitted from the laser oscillator and emits the laser light to the outside.
  • the optical unit reflects a part of the laser light toward the outside, while diffusing the partial transmission mirror that transmits the remaining part and the laser light transmitted through the partial transmission mirror at a predetermined diffusion angle.
  • a light deflecting member that deflects in a predetermined direction, and a light receiving unit that receives the laser light deflected by the light deflecting member and outputs an electrical signal, and based on the output signal of the light receiving unit,
  • the optical axis deviation of the laser beam is configured to be monitored.
  • the rate of change in the light receiving sensitivity with respect to the optical axis shift of the laser beam can be increased. Thereby, it is possible to detect the presence or absence of the optical axis deviation of the laser light with a simple configuration.
  • a laser processing apparatus is attached to the laser apparatus described above, a transmission fiber connected to the laser apparatus and guiding laser light emitted from the laser apparatus, and an output end of the transmission fiber. And at least a laser beam emitting head.
  • the laser device of the present invention it is possible to detect the presence or absence of the optical axis deviation of the laser light with a simple configuration.
  • the cause of the decrease in the output of the laser beam can be easily identified, and the productivity can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the internal configuration of the beam combiner.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a light incident state on the light receiving unit and a light intensity distribution on the light receiving surface according to the first embodiment, and illustrates a case where there is no optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a light incident state on the light receiving unit and a light intensity distribution on the light receiving surface according to Embodiment 1, and illustrates a case where there is an optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a light incident state on the light receiving unit and a light intensity distribution on the light receiving surface according to the first embodiment, and illustrates a case where there is no optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a light incident state on the light receiving unit and
  • FIG. 4A is a diagram showing a light incident state on the light receiving portion and a light intensity distribution on the light receiving surface for comparison, and shows a case where there is no optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 4A is a diagram showing a light incident state on the light receiving unit and a light intensity distribution on the light receiving surface for comparison, and shows a case where there is an optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an internal configuration of a laser module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the configuration of the laser processing apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the internal configuration of the beam combiner.
  • the traveling direction of the laser light incident on the beam combiner 13 from the laser oscillator 20 in FIG. 1 is the Z direction
  • the arrangement direction of the laser modules 12 is the Y direction
  • the Y direction is the arrangement direction of the laser modules 12
  • the direction orthogonal to the Z direction May be referred to as the X direction, respectively.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser apparatus 10, a laser beam emitting head 30, a transmission fiber 40, a control unit 50, a power source 60, and a display unit 70.
  • the end of the laser device 10 and the transmission fiber 40 where the laser light is incident (hereinafter simply referred to as the incident end; the end where the laser light of the transmission fiber 40 is emitted is simply referred to as the emission end hereinafter). Housed in the housing 11.
  • the laser apparatus 10 includes a laser oscillator 20 including a plurality of laser modules 12, a beam coupler 13, and a condensing unit 14.
  • the beam combiner 13 and the condensing unit 14 may be collectively referred to as an optical unit 16.
  • the laser module 12 includes a plurality of laser diodes or laser arrays that emit laser beams having different wavelengths, and laser beams synthesized in the laser module 12 are emitted from the respective laser modules 12.
  • the laser beams emitted from the plurality of laser modules 12 are coupled to one laser beam (hereinafter referred to as coupled laser beam LB) by the beam combiner 13.
  • the optical axes of the respective laser beams are close to or coincide with each other, and are coupled so that the optical axes thereof are parallel to each other.
  • the combined laser beam LB is condensed by a condensing lens (not shown) disposed in the condensing unit 14, the beam diameter is reduced at a predetermined magnification, and is incident on the transmission fiber 40.
  • the laser device 10 With the laser device 10 having such a configuration, it is possible to obtain a high-power laser processing device 100 having a laser light output exceeding several kW. Further, the laser device 10 is supplied with electric power from the power source 60 to perform laser oscillation, and the coupled laser beam LB is emitted from the emission end of the transmission fiber 40.
  • the laser oscillator 20 is configured by the four laser modules 12, but the present invention is not particularly limited thereto. The number of mounted laser modules 12 can be changed as appropriate according to the output specifications required for the laser processing apparatus 100 and the output specifications of the individual laser modules 12.
  • the beam combiner 13 includes therein a beam combining optical system 13a, a mirror MD, a diffusion plate DP as a light deflection member, and a photodiode PD as a light receiving unit.
  • the beam combining optical system 13a includes a mirror (not shown), a polarization beam splitter (not shown), etc. for combining the laser beams LB1 to LB4 incident from the laser beam incident portions LI1 to LI4, respectively. It consists of a plurality of optical components.
  • the mirror MD is a partially transmissive mirror configured to reflect most of the combined laser beam LB coupled by the beam coupling optical system 13a toward the laser beam emitting portion LO while transmitting the remaining portion.
  • the reflectance of the mirror MD with respect to the coupled laser beam LB is set to 99.99% and the transmittance is set to 0.01%, but the present invention is not particularly limited thereto. It can be appropriately changed according to the maximum output of the combined laser beam LB, the performance of a photodiode PD described later, and the like.
  • the diffusion plate DP When a part of the combined laser light that has passed through the mirror MD (hereinafter, sometimes referred to as monitor laser light LBA) is incident on the diffusion plate DP, the diffusion plate DP is incident on the light receiving surface of the photodiode PD at a predetermined diffusion angle. This is an optical deflecting member that deflects toward PDa (see FIG. 3A).
  • the monitoring laser light LBA after being deflected by the diffusion plate DP may be particularly referred to as the monitoring laser light LBA1. Further, the light distribution characteristics of the diffusion plate DP can be appropriately changed including the diffusion angle.
  • the diffusion plate DP is respectively in relation to the optical axis of the monitor laser beam LBA and the optical axis of the monitor laser beam LBA1. It arrange
  • the photodiode PD is a light receiving unit that receives the monitoring laser light LBA1 deflected by the diffusion plate DP by the light receiving surface PDa and outputs an electrical signal.
  • the value of the electrical signal depends on the amount of light received by the light receiving surface PDa.
  • the output signal of the photodiode PD and the amount of light received by the photodiode PD are proportional. It is configured.
  • the output signal of the photodiode PD is input to the control unit 50 (see FIG. 1) and used to monitor the optical axis shift of the combined laser beam LB.
  • the condensing unit 14 has a condensing lens (not shown) inside, and the condensing lens has a spot diameter smaller than the core diameter of the core (not shown) at the incident end of the transmission fiber 40.
  • the combined laser beam LB is condensed so that Moreover, the condensing unit 14 has a connector (not shown), and the incident end of the transmission fiber 40 is connected to the connector.
  • the condensing unit 14 is provided with an output monitor 15 that monitors the output of the combined laser beam LB.
  • the transmission fiber 40 is optically coupled to the condensing lens of the condensing unit 14 and guides the combined laser light LB received from the laser device 10 to the laser light emitting head 30 via the condensing lens.
  • the transmission fiber 40 includes a core for guiding the coupled laser beam LB in the axial center and a clad having a refractive index lower than the refractive index of the core in contact with the outer peripheral surface of the core.
  • the clad has a function of confining the coupled laser beam LB in the core.
  • the outer peripheral surface of the clad is covered with a coating (not shown) for shielding external light and protecting mechanical damage.
  • the laser beam emitting head 30 radiates the coupled laser beam LB guided by the transmission fiber 40 toward the outside.
  • the combined laser beam LB is emitted toward the workpiece W that is a processing target disposed at a predetermined position. By doing so, the workpiece W is laser processed.
  • the control unit 50 controls the laser oscillation of the laser oscillator 20. Specifically, the laser oscillation control of each laser module 12 is performed by supplying control signals such as output voltage and on-time to the power source 60 connected to the laser oscillator 20. It is also possible to individually control the laser oscillation for each laser module 120. For example, the laser oscillation output, on-time, etc. may be varied for each laser module 120.
  • the control unit 50 receives an output signal from the photodiode PD arranged in the beam combiner 13, and based on this output signal, calculates the light intensity distribution of the monitoring laser light LBA1 on the light receiving surface PDa. calculate. Further, the output of the combined laser beam LB is calculated based on the output signal from the output monitor 15 in the light collecting unit 14. Note that the output of the combined laser beam LB may be calculated based on the output signal from the photodiode PD.
  • the control unit 50 may control the operation of a manipulator (not shown) to which the laser beam emitting head 30 is attached.
  • the power source 60 supplies power for performing laser oscillation to the laser oscillator 20, specifically, each of the plurality of laser modules 12.
  • the power supplied to each laser module 12 may be made different according to a command from the control unit 50.
  • the power supply 60 may supply power to a movable part of the laser processing apparatus 100, for example, the manipulator described above, or another power supply (not shown) for the movable part of the laser processing apparatus 100. ) May be supplied with power.
  • the display unit 70 is configured to display the light intensity distribution of the monitoring laser beam LBA1 calculated by the control unit 50. Further, the output of the combined laser beam LB calculated by the control unit 50 based on the output signal of the output monitor 15 or the photodiode PD may be displayed.
  • the display unit 70 may display data other than the output of the laser beam. For example, processing parameters and actual measurement values at the time of laser processing may be displayed simultaneously.
  • the display unit 70 usually includes a display device such as a cathode ray tube or a liquid crystal display.
  • FIG. 3A is a diagram showing a light incident state on the light receiving unit and a light intensity distribution on the light receiving surface according to the present embodiment, showing a case where there is no optical axis shift of the coupled laser beam LB, and FIG. The case where there is an optical axis shift of the light LB is shown.
  • the monitoring laser light LBA1 deflected by the diffusion plate DP is incident on the light receiving surface PDa of the photodiode PD while spreading at a predetermined diffusion angle.
  • the light distribution characteristics of the diffusion plate DP and the distance between the diffusion plate DP and the photodiode PD so that the half-value width D1 of the monitoring laser light LBA1 when reaching the light reception surface PDa is larger than the light reception surface PDa. Is set.
  • the half width D1 and the width D2 of the light receiving surface PDa may be the same.
  • the monitoring laser beam LBA1 is adjusted so that the peak of the light intensity is approximately at the center of the light receiving surface PDa. Further, in the diagram showing the relationship between the position on the light receiving surface PDa and the light intensity of the monitoring laser light LBA1 shown on the right side of FIG. 3A, the area under the light intensity curve is received by the photodiode PD. This corresponds to the amount of the laser beam LBA1 for use. As described above, since the transmittance of the coupled laser beam LB at the mirror MD is fixed, the area is proportional to the output of the coupled laser beam LB.
  • the monitoring laser The light LBA1 is incident on the photodiode PD with the light intensity peak shifted from the center of the light receiving surface PDa.
  • the light amount of the monitoring laser light LBA1 shown in FIG. 3B is smaller than the light amount shown in FIG. 3A.
  • the amount of the monitor laser light LBA1 received by the photodiode PD corresponds to the degree of optical axis deviation of the combined laser beam LB.
  • the optical axis shift of the combined laser beam LB can be evaluated based on the output signal of the photodiode PD.
  • the output of the combined laser beam LB is evaluated to be lower than actual due to the optical axis shift of the combined laser beam LB.
  • the amount of light when there is no optical axis deviation of the combined laser light LB the amount of light when the optical axis deviation of the combined laser light LB occurs, or the like, in advance through experiments or the like.
  • the optical axis shift of the laser beam is monitored by obtaining the output of the photodiode PD and monitoring the output of the combined laser beam LB based on the output signal of the photodiode PD.
  • the output signal of the monitored photodiode PD and the output signal of the photodiode PD when there is no deviation of the optical axis of the combined laser beam LB obtained in advance are relatively compared, and the degree of decrease in the output is determined, thereby coupling The quality of the optical axis deviation of the laser beam LB is determined.
  • the monitor laser beam LBA is diffused by the diffusion plate DP at a predetermined diffusion angle and is incident on the photodiode PD.
  • the output signal of the photodiode PD shown in the present embodiment is expanded by about 10 times when the output of the coupled laser beam LB fluctuates by 1%, and fluctuates by 10%. More stable detection of the optical axis deviation is possible.
  • the optical axis deviation of the coupled laser beam LB is monitored as compared with the case where there is no optical axis deviation of the coupled laser beam LB, the optical axis deviation of the coupled laser beam LB is reduced by, for example, 3% or more.
  • the laser oscillation of the laser oscillator 20 is set to stop when the output signal of the photodiode PD corresponding to the optical axis shift of the coupled laser beam LB decreases by about 10 times, 30% or more.
  • the rate of signal decrease of the photodiode PD when laser oscillation is stopped is not particularly limited to the above, and is appropriately changed depending on the dimensions of the laser device 10, the core diameter of the transmission fiber 40, the beam diameter of the coupled laser beam LB, and the like. Can be done.
  • a warning sound may be emitted to the worker before the laser oscillation is stopped, or a warning screen may be displayed on the display unit 70.
  • the amount of light when there is no optical axis shift of the combined laser beam LB in other words, is a predetermined allowable value or a predetermined allowable value when there is no optical axis shift of the combined laser beam LB. It may be a value in the range of values.
  • the laser apparatus 10 includes the laser oscillator 20 that emits laser light, and the optical unit 16 that receives the laser light emitted from the laser oscillator 20 and emits the laser light to the outside.
  • the laser oscillator 20 is composed of a plurality of laser modules 12 each emitting laser light.
  • the optical unit 16 combines a plurality of laser beams emitted from a plurality of laser modules 12 and emits them as a combined laser beam LB, and condenses the combined laser beam LB to the outside, in this case, transmission. And a light collecting unit 14 that emits light to an incident end of the fiber 40.
  • the beam combiner 13 reflects the combined laser beam LB toward the condensing unit 14, while the mirror MD, which is a partially transmitting mirror that transmits the monitor laser beam LBA, and the monitor laser beam LBA that transmits the mirror MD.
  • a diffusion plate DP which is a light deflecting member that diffuses at a predetermined diffusion angle and deflects in a predetermined direction, and a photoreceiver that receives the monitor laser light LBA1 deflected by the diffusion plate DP and outputs an electrical signal And a diode PD, and configured to monitor the optical axis shift of the combined laser beam LB based on the output signal of the photodiode PD.
  • the laser beam LBA for monitoring transmitted through the partial transmission mirror MD is expanded by a diffusion plate DP at a predetermined diffusion angle and received by the photodiode PD, and the optical axis shift of the combined laser beam LB is achieved.
  • the presence or absence of can be detected.
  • by making the laser device 10 in this way it is possible to easily specify the cause of the failure of the laser device 10 with a simple configuration. As described above, when the output of the laser device 10 decreases, it is due to a malfunction of the laser module 12, an abnormal power supply from the power supply 60 to the laser module 12, or the optical in the optical unit 16. It was unclear whether it was due to misalignment of parts.
  • the laser processing apparatus 100 when the output of the laser beam is reduced to a predetermined ratio or less, it is necessary to stop the laser oscillation and inspect each part to identify the cause of the defect. However, these operations are very time-consuming, and the downtime of the laser processing apparatus 100 becomes long, which causes a decrease in productivity.
  • FIG. 4A is a diagram showing a light incident state on the light receiving portion and a light intensity distribution on the light receiving surface for comparison, and shows a case where there is no optical axis shift of the combined laser light.
  • FIG. 4B is a diagram showing a light incident state on the light receiving portion and a light intensity distribution on the light receiving surface for comparison, and shows a case where there is an optical axis shift of the combined laser light.
  • FIGS. 3A and 3B differ from the configuration shown in FIGS. 3A and 3B in that a mirror MR is arranged instead of the diffusion plate DP.
  • the mirror MR causes the incident monitor laser light LBA to enter the light receiving surface PDa of the photodiode PD without diffusing, that is, without changing the beam spread.
  • the optical axis shift of the coupled laser beam LB when the optical axis shift of the coupled laser beam LB occurs, the light intensity peak position of the monitor laser beam LBA on the light receiving surface PDa shifts.
  • the half-value width D3 of the monitoring laser light LBA on the light receiving surface PDa is narrower than the half-value width D1 of the monitoring LBA1 when the diffusion plate DP is used, and smaller than the width D2 of the light receiving surface PDa. ing.
  • the optical axis shift of the coupled laser beam LB even if the optical axis shift of the coupled laser beam LB occurs, the total amount of the light amount itself of the monitor laser beam LBA1 received by the photodiode PD, in other words, the width D2 of the light receiving surface PDa of the photodiode PD is almost changed. do not do. For this reason, it is impossible to detect the presence / absence of the optical axis shift of the combined laser beam LB from the output signal of the photodiode
  • the spot shape of the combined laser beam LB is approximately 100 ⁇ m in both vertical and horizontal directions, and is set to be equal to the core diameter of the transmission fiber 40. Further, when the output of the combined laser beam LB emitted from the emission end of the transmission fiber 40 is reduced by 3% or more from the normal value, the amount of laser light incident on the clad exceeds a predetermined value and the transmission fiber 40 is damaged. To do. Under such conditions, even if the output of the coupled laser beam LB is monitored by the output end of the transmission fiber 40 or the output monitor 15 in the condensing unit 14, the detection sensitivity to the output fluctuation of the coupled laser beam LB is small. It was not possible to determine whether the output fluctuation was due to an optical axis shift or an abnormality of the laser oscillator 20.
  • the laser beam LBA for monitoring is diffused at a predetermined diffusion angle by the diffusion plate DP disposed in the beam combiner 13 and is incident on the photodiode PD.
  • the rate of change of the light receiving sensitivity of the photodiode PD with respect to the axis deviation can be increased.
  • the output signal of the photodiode PD shown in the present embodiment is expanded by about 10 times and varies by 10% when the output of the coupled laser beam LB varies by 1% according to the optical axis shift of the coupled laser beam LB. As a result, it is possible to detect the presence or absence of an optical axis shift of the combined laser beam LB.
  • the output value of the output monitor 15 of the light collecting unit 14 and the output value of the photodiode PD in the beam combiner 13 are compared, and the output value of the output monitor 15 of the light collecting unit 14 and the output value of the beam combiner 13 are compared. If the output value of the photodiode PD is within a predetermined range set together, the laser device 10 can be determined to be normal.
  • the output value of the output monitor 15 of the light collecting unit 14 is within a predetermined range, but the output value of the photodiode PD in the beam combiner 13 is out of the predetermined range, It can be determined that the optical component is displaced, and the beam combiner 13 can be replaced or the position of the optical component in the beam combiner 13 can be adjusted to eliminate the problem.
  • the defective portion may be specified only by the output value of the photodiode PD.
  • the output value of the photodiode PD is enlarged by about 10 times and varies by 10%. Therefore, if the output fluctuation of the photodiode PD is 10% to 20%, first, the positional deviation of the optical component in the beam combiner 13 is confirmed. If the output fluctuation of the photodiode PD exceeds 20%, the laser is changed. The presence or absence of abnormality of the oscillator 20 may be confirmed.
  • the laser oscillator 20 is stopped when the output signal of the photodiode PD is decreased at a predetermined rate or more with respect to the output signal when there is no optical axis shift of the coupled laser beam LB. It is configured as follows.
  • the laser processing apparatus 100 includes the laser apparatus 10 described above, a transmission fiber 40 that is connected to the laser apparatus 10 and guides the combined laser light LB emitted from the laser apparatus 10, and the transmission fiber 40. And at least a laser beam emitting head 30 attached to the emitting end.
  • the laser processing apparatus 100 By configuring the laser processing apparatus 100 in this way, it is possible to quickly identify a defect in the laser apparatus 10 and take measures against the occurrence of the defect, thereby reducing downtime and improving productivity. Further, the combined laser beam LB whose optical axis is deviated or whose output is reduced is not emitted to the workpiece W, the occurrence of machining defects in the workpiece W can be suppressed, and the machining quality can be maintained.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the internal configuration of the laser module according to this embodiment.
  • the laser processing apparatus 100 and the laser apparatus 10 according to the present embodiment are the same as those shown in the first embodiment except that the internal configuration of the laser module 12 shown in FIG. 5 is different. For this reason, in the present embodiment, illustrations and descriptions thereof are omitted except for the internal configuration of the laser module 12.
  • the laser module 12 of the present embodiment includes a partially reflecting mirror MD2 that transmits most of the laser light therein and directs it toward the mirror M1, while reflecting the remaining portion toward the optical waveguide 12a.
  • An optical waveguide 12a that guides the laser light reflected by the partial reflection mirror MD2 toward the photodiode PD2, and a photodiode (another light receiving portion) PD2 that receives the laser light reflected by the mirror MR2 in the optical waveguide 12a. And have. These components are provided in each of the plurality of laser modules 12.
  • the laser module 12 By configuring the laser module 12 in this way, it becomes possible to monitor the laser beam outputs of the plurality of laser modules 12 respectively. In addition, using the output values monitored by these laser modules 12, it is possible to identify the defective part of the laser device 10 more reliably. For example, the output value of the photodiode PD2 in the laser module 12 is compared with the output value of the photodiode PD in the beam combiner 13, and both the output value of the photodiode PD2 and the output value of the photodiode PD are set. If it is within the predetermined range, it can be determined that the laser device 10 is normal.
  • the output values of the plurality of photodiodes PD2 are each within a predetermined range, but the output values of the photodiodes PD within the beam combiner 13 are out of the predetermined range, the optical component within the beam combiner 13 is obtained. Therefore, it is possible to determine that the positional deviation of the beam coupler 13 has occurred and replace the beam combiner 13 or adjust the position of the optical component in the beam combiner 13 to solve the problem.
  • the laser oscillator 20 is configured to combine the laser beams respectively emitted from the plurality of laser modules 12 and emit the combined laser beam LB.
  • a single laser beam generated by the laser resonance structure may be emitted.
  • the diffusing plate DP and the photodiode PD may be arranged in a separate housing (not shown) different from the beam combiner 13.
  • another output monitor (not shown) for monitoring the output of the combined laser beam LB emitted from the emission end of the transmission fiber 40 may be provided in the laser processing apparatus 100.
  • the output monitor 15 in the light collecting unit 14 may be omitted.
  • the present invention is not limited to this, and it is possible to combine the components described in the above-described embodiments and modifications to form a new embodiment.
  • the laser apparatus according to the present invention can detect the optical axis shift of the laser beam with a simple configuration, it is useful for application to a laser apparatus that emits laser light through a plurality of components, for example, a laser processing apparatus. It is.

Abstract

レーザ装置１０は、レーザ光を発するレーザ発振器２０と、レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニット１６と、を備えている。光学ユニット１６は、レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーＭＤと、部分透過ミラーＭＤを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する拡散板ＤＰと、拡散板ＤＰで偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力するフォトダイオードＰＤと、を有し、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されている。

Description

レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置
　本発明はレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置
　近年、高出力のレーザ発振器を有するレーザ加工装置を用いてワークの加工を行う、いわゆるレーザ加工が各種部材の加工に用いられている。しかし、レーザ加工装置において、周辺機器の振動等により内部でレーザ光の光軸ずれを生じることがあった。このような光軸ずれが起こると、例えば、レーザ光を導光する伝送ファイバの損傷や、設定された加工位置と実際の加工位置とがずれて加工不良を起こしたりすることがあった。
　そこで、従来、レーザ光の光軸ずれをモニターする技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ光をワークに向けて反射するハーフミラーにおいて、レーザ光の光軸がずれた場合にハーフミラーを透過するレーザ光を直接受光するように、センサがレーザ光照射面の裏側に設けられた構成が開示されている。
特開２０１５－１８２１０４号公報
　しかし、特許文献１に開示されたセンサは、レーザ光を吸収することで発生した熱を検知する熱電対やサーモスタット等の熱検知センサであり、温度上昇までの応答遅れがあるとともに、連続発振中には、センサ近傍の発熱も検知してしまうため、レーザ光の光軸ずれの有無を正確に検知できなかった。また、ハーフミラーの裏面側にレーザ光を遮蔽する遮蔽板を配置したり、センサを遮蔽板と熱的に分離したりする必要があり、構造が複雑なものとなっていた。また、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送ファイバを介してレーザ光出射ヘッドに導光する構成では、レーザ光の光軸と伝送ファイバのコアとのずれが重要であるが、上記のセンサでは、このずれを検知することが難しかった。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれの有無を検知できるレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を発するレーザ発振器と、該レーザ発振器から出射された前記レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニットと、を備えたレーザ装置であって、前記光学ユニットは、前記レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーと、該部分透過ミラーを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材と、該光偏向部材で偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力する受光部と、を有し、前記受光部の出力信号に基づいて、前記レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とする。
　この構成によれば、光偏向部材によって所定の拡散角で偏向されたレーザ光を受光部で受光するため、レーザ光の光軸ずれに対する受光感度の変化率を大きくできる。このことにより、簡便な構成で、レーザ光の光軸ずれの有無を検知することができる。
　また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ装置と、前記レーザ装置に接続され、前記レーザ装置から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
　この構成によれば、レーザ装置や伝送ファイバが損傷するのを防止し、また、レーザ加工時の不良や加工品質の発生を防止することができる。
　本発明のレーザ装置によれば、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれの有無を検知できる。また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光の出力低下原因を簡便に特定でき、生産性を向上することができる。
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 図２は、ビーム結合器の内部構成を示す模式図である。 図３Ａは、実施形態１に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。 図３Ｂは、実施形態１に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。 図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。 図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。 図５は、本発明の実施形態２に係るレーザモジュールの内部構成を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態１）　
　［レーザ加工装置の構成及びビーム結合器の内部構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、図２は、ビーム結合器の内部構成の模式図を示す。なお、以降の説明において、図１におけるレーザ発振器２０からビーム結合器１３へ入射されるレーザ光の進行方向をＺ方向、レーザモジュール１２の配列方向をＹ方向、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向とそれぞれ呼ぶことがある。
　レーザ加工装置１００は、レーザ装置１０とレーザ光出射ヘッド３０と伝送ファイバ４０と制御部５０と電源６０と表示部７０とを備えている。レーザ装置１０と伝送ファイバ４０のレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。また、伝送ファイバ４０のレーザ光が出射される端部を、以下、単に出射端という。）とは筐体１１内に収容されている。
　レーザ装置１０は、複数のレーザモジュール１２で構成されたレーザ発振器２０とビーム結合器１３と集光ユニット１４と、を有している。なお、以降の説明において、ビーム結合器１３と集光ユニット１４とをまとめて光学ユニット１６と呼ぶことがある。
　レーザモジュール１２は、互いに異なる波長のレーザ光を発する複数のレーザダイオードまたはレーザアレイからなり、レーザモジュール１２内で波長合成されたレーザ光が各々のレーザモジュール１２からそれぞれ出射される。複数のレーザモジュール１２からそれぞれ出射されたレーザ光をビーム結合器１３で、一つのレーザ光（以下、結合レーザ光ＬＢという）に結合する。具体的には、各々のレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。また、結合レーザ光ＬＢは、集光ユニット１４に配設された集光レンズ（図示せず）によって集光され、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ４０に入射される。レーザ装置１０をこのような構成とすることで、レーザ光出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ装置１０は、電源６０から電力が供給されてレーザ発振を行い、結合レーザ光ＬＢが伝送ファイバ４０の出射端から出射される。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１２でレーザ発振器２０を構成しているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール１２の搭載個数は、レーザ加工装置１００に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール１２の出力仕様によって適宜変更されうる。
　ビーム結合器１３は、ビーム結合光学系１３ａとミラーＭＤと光偏向部材である拡散板ＤＰと受光部であるフォトダイオードＰＤとを内部に有している。図示しないが、ビーム結合光学系１３ａは、レーザ光入射部ＬＩ１～ＬＩ４からそれぞれ入射されたレーザ光ＬＢ１～ＬＢ４を結合するためのミラー（図示せず）や偏光ビームスプリッタ（図示せず）等の複数の光学部品で構成されている。
　ミラーＭＤは、ビーム結合光学系１３ａで結合された結合レーザ光ＬＢの大部分をレーザ光出射部ＬＯに向けて反射する一方、残部を透過するように構成された部分透過ミラーである。本実施形態では、結合レーザ光ＬＢに対するミラーＭＤの反射率を９９．９９％、透過率を０．０１％に設定しているが特にこれに限定されない。結合レーザ光ＬＢの最大出力や後述するフォトダイオードＰＤの性能等に応じて適宜変更されうる。
　拡散板ＤＰは、ミラーＭＤを透過した結合レーザ光の一部（以下、モニター用レーザ光ＬＢＡと呼ぶことがある。）が入射されると、これを所定の拡散角でフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａ（図３Ａ参照）に向けて偏向する光偏向部材である。なお、以降の説明で、拡散板ＤＰで偏向された後のモニター用レーザ光ＬＢＡを、特にモニター用レーザ光ＬＢＡ１と呼ぶことがある。また、拡散板ＤＰの配光特性は、拡散角も含め適宜変更されうる。例えば、モニター用レーザ光ＬＢＡの強度や拡散板ＤＰとフォトダイオードＰＤとの距離や受光面ＰＤａのサイズ等によって適宜変更されうる。なお、レーザ装置１０内で結合レーザ光ＬＢの光軸が決定された所定の位置にあるとき、拡散板ＤＰはモニター用レーザ光ＬＢＡの光軸とモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光軸に対してそれぞれ４５°の角度をなすようにビーム結合器１３内に配置されている。
　フォトダイオードＰＤは、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１を受光面ＰＤａで受光して電気信号を出力する受光部である。この電気信号の値は、受光面ＰＤａで受光された光の光量に依存しており、本実施形態では、フォトダイオードＰＤの出力信号とフォトダイオードＰＤで受光された光の光量とは比例するように構成されている。また、フォトダイオードＰＤの出力信号は制御部５０に入力されて（図１参照）、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターするのに用いられる。
　集光ユニット１４は、内部に集光レンズ（図示せず）を有しており、集光レンズは、伝送ファイバ４０の入射端において、そのコア（図示せず）のコア径よりも小さいスポット径となるように結合レーザ光ＬＢを集光する。また、集光ユニット１４は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ４０の入射端が接続されている。なお、集光ユニット１４には、結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする出力モニター１５が設けられている。
　伝送ファイバ４０は、集光ユニット１４の集光レンズに光学的に結合され、集光レンズを介してレーザ装置１０から受け取った結合レーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド３０に導光する。また、図示しないが、伝送ファイバ４０は、軸心に結合レーザ光ＬＢを導光するためのコアと、コアの外周面に接して、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとで構成されており、クラッドは結合レーザ光ＬＢをコア内に閉じ込める機能を有している。また、クラッドの外周面は、外光の遮蔽と機械的なダメージ保護のために図示しない皮膜で覆われている。
　レーザ光出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で導光された結合レーザ光ＬＢを外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けて結合レーザ光ＬＢを出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。
　制御部５０は、レーザ発振器２０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器２０に接続された電源６０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１２のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１２０に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１２０毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部５０は、ビーム結合器１３内に配置されたフォトダイオードＰＤからの出力信号を受け取って、この出力信号に基づいて、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度分布を算出する。また、集光ユニット１４内の出力モニター１５からの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力を算出する。なお、フォトダイオードＰＤからの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力を算出するようにしてもよい。また、制御部５０は、レーザ光出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。
　電源６０は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器２０、具体的には、複数のレーザモジュール１２のそれぞれに対して供給する。制御部５０からの指令により、各々のレーザモジュール１２に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源６０は、レーザ加工装置１００の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。
　表示部７０は、制御部５０で算出されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度分布を表示するように構成されている。また、出力モニター１５又はフォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて制御部５０で算出された結合レーザ光ＬＢの出力を表示するようにしてもよい。なお、表示部７０には、レーザ光の出力以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ加工時の加工パラメータと実測値とを同時に表示させるようにしてもよい。表示部７０は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。
　次に、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターする手法について説明する。
　図３Ａは、本実施形態に係る受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合を示し、図３Ｂは、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがある場合を示している。
　図３Ａ，３Ｂに示すように、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１は、所定の拡散角で拡がりつつ、フォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに入射される。ここで、受光面ＰＤａに到達したときのモニター用レーザ光ＬＢＡ１の半値幅Ｄ１は、受光面ＰＤａよりも大きくなるように、拡散板ＤＰの配光特性及び拡散板ＤＰとフォトダイオードＰＤとの距離が設定されている。なお、半値幅Ｄ１と受光面ＰＤａの幅Ｄ２とは同じであってもよい。
　図３Ａに示すように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合、つまり、ビーム結合器１３から出射された結合レーザ光ＬＢが、集光ユニット１４を介して、伝送ファイバ４０のコア内に入射する場合は、モニター用レーザ光ＬＢＡ１は、光強度のピークが受光面ＰＤａのほぼ中央に来るように調整されている。また、図３Ａの右側に示す、受光面ＰＤａ上の位置とモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光強度との関係を示す図において、光強度カーブの下側の面積が、フォトダイオードＰＤで受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量に相当する。また、前述したように、結合レーザ光ＬＢのミラーＭＤでの透過率は固定されているため、上記面積は、結合レーザ光ＬＢの出力に比例している。
　一方、図３Ｂに示すように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがある場合、つまり、結合レーザ光ＬＢが伝送ファイバ４０のコアから漏れて所定の割合でクラッドに入射する場合は、モニター用レーザ光ＬＢＡ１は、受光面ＰＤａの中央から光強度のピークがずれて、フォトダイオードＰＤに入射される。この場合、図３Ｂに示すモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量が、図３Ａに示す場合の光量よりも小さくなっている。このことは、フォトダイオードＰＤで受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力信号が、結合レーザビームＬＢの光軸ずれの度合いに対応していることを示している。つまり、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの光軸ずれを評価することができる。また、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする場合、結合レーザビームＬＢの光軸ずれによって、結合レーザ光ＬＢの出力が実際よりも低く評価される。
　なお、本実施形態に示す構成において、予め実験等により、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の光量や結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが生じている場合の光量等、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力を求め、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて結合レーザ光ＬＢの出力をモニターすることでレーザ光の光軸ずれをモニターする。
　また、このモニターしたフォトダイオードＰＤの出力信号と予め求めた結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合のフォトダイオードＰＤの出力信号とを相対比較し、出力の低下度合いを判定することで、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの良否を判定する。
　結合レーザ光ＬＢの光軸ずれのモニターでは、拡散板ＤＰでモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散させてフォトダイオードＰＤに入射させるため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに対するフォトダイオードＰＤの受光感度の変化率を大きくでき、例えば、本実施形態に示すフォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動すると約１０倍に拡大されて１０％変動することとなり、より安定した光軸ずれの検出が可能となる。これにより、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合と比べて、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが生じた場合をモニターし、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが例えば３％以上低下した場合、言い換えると結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じたフォトダイオードＰＤの出力信号が約１０倍の３０％以上低下した場合は、レーザ発振器２０のレーザ発振を停止するように設定されている。ただし、レーザ発振を停止する場合のフォトダイオードＰＤの信号低下の割合は、特に上記に限定されず、レーザ装置１０の寸法や伝送ファイバ４０のコア径や結合レーザ光ＬＢのビーム径等によって適宜変更されうる。また、レーザ発振停止前に作業者に対して警告音を発するようにしてもよいし、表示部７０に警告画面を表示させるようにしてもよい。なお、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の光量、言いかえると、フォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の所定の許容値の値または所定の許容値の範囲の値としても良い。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１０は、レーザ光を発するレーザ発振器２０と、レーザ発振器２０から出射されたレーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニット１６と、を備えている。また、レーザ発振器２０はそれぞれレーザ光を発する複数のレーザモジュール１２で構成されている。
　光学ユニット１６は、複数のレーザモジュール１２から出射された複数のレーザ光を結合して結合レーザ光ＬＢとして出射するビーム結合器１３と、結合レーザ光ＬＢを集光して外部、この場合は伝送ファイバ４０の入射端に出射する集光ユニット１４と、を有している。
　ビーム結合器１３は、結合レーザ光ＬＢを集光ユニット１４に向けて反射する一方、モニター用レーザ光ＬＢＡを透過させる部分透過ミラーであるミラーＭＤと、ミラーＭＤを透過したモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材である拡散板ＤＰと、拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光ＬＢＡ１を受光して電気信号を出力する受光部であるフォトダイオードＰＤと、を有し、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれをモニターするように構成されている。
　本実施形態によれば、部分透過ミラーＭＤを透過したモニター用レーザ光ＬＢＡを拡散板ＤＰで所定の拡散角で拡げてフォトダイオードＰＤで受光するという簡便な構成で結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知できる。また、レーザ装置１０をこのようにすることで、簡便な構成でレーザ装置１０の不良原因を簡便に特定することができる。前述したように、レーザ装置１０の出力が低下した場合、それがレーザモジュール１２の不具合によるものか、電源６０からレーザモジュール１２への電力供給異常によるものか、あるいは、光学ユニット１６内での光学部品の位置ずれによるものかは判然としなかった。このため、レーザ加工装置１００において、レーザ光の出力が所定の割合以下に低下した場合は、レーザ発振を停止するとともに、各部を点検して、不良原因を特定する必要があった。しかし、これらの作業は非常に手間がかかるものであり、かつ、レーザ加工装置１００のダウンタイムが長くなり、生産性を低下させる原因となっていた。
　一方、本実施形態によれば、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが発生したか否かを確実に検知することができる。このことについてさらに説明する。
　図４Ａは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがない場合を示している。また、図４Ｂは、比較のための受光部への光入射状態及び受光面での光強度分布を示す図であり、結合レーザ光の光軸ずれがある場合を示している。
　図４Ａ，４Ｂに示す構成は、図３Ａ，３Ｂに示す構成に対して、拡散板ＤＰに代えてミラーＭＲが配置されている点で異なる。ミラーＭＲは入射されたモニター用レーザ光ＬＢＡを拡散させずに、つまり、ビームの拡がりを変えずにフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに入射させている。
　図４Ａ，４Ｂから明らかなように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが起こった場合、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡの光強度ピーク位置はシフトする。しかし、受光面ＰＤａ上でのモニター用レーザ光ＬＢＡの半値幅Ｄ３は、拡散板ＤＰを用いた場合のモニター用ＬＢＡ１の半値幅Ｄ１よりも狭く、また、受光面ＰＤａの幅Ｄ２よりも小さくなっている。このため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが起こったとしても、フォトダイオードＰＤ、言い換えるとフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａの幅Ｄ２で受光されるモニター用レーザ光ＬＢＡ１の光量自体の総量はほとんど変化しない。このため、フォトダイオードＰＤの出力信号から結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知ことはできない。
　また、本実施形態において、結合レーザ光ＬＢのスポット形状は、縦横とも約１００μｍの略四角形状であり、伝送ファイバ４０のコア径と同等になるように設定されている。また、伝送ファイバ４０の出射端から出射される結合レーザ光ＬＢの出力が正常値よりも３％以上低下すると、クラッドに入射されるレーザ光の光量が所定値を越えて、伝送ファイバ４０が損傷する。このような条件下では、伝送ファイバ４０の出射端または集光ユニット１４内の出力モニター１５で結合レーザ光ＬＢの出力をモニターしても、結合レーザ光ＬＢの出力変動に対する検出感度が小さく、その出力変動が光軸ずれによるものかレーザ発振器２０の異常によるものかは判別できなかった。
　一方、本実施形態によれば、ビーム結合器１３内に配置された拡散板ＤＰでモニター用レーザ光ＬＢＡを所定の拡散角で拡散させてフォトダイオードＰＤに入射させるため、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに対するフォトダイオードＰＤの受光感度の変化率を大きくできる。例えば、本実施形態に示すフォトダイオードＰＤの出力信号は、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じて、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動すると約１０倍に拡大されて１０％変動する。このことにより、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれの有無を検知することができる。
　また、集光ユニット１４の出力モニター１５と組み合わせて、簡便かつ確実にレーザ装置１０の不具合箇所を特定し対処することができる。
　例えば、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とを比較して、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに設定された所定の範囲内にあれば、レーザ装置１０は正常と判定できる。一方、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに所定の範囲から外れていれば、レーザ発振器２０で不具合が起こったと判断でき、電源６０とレーザモジュール１２との結線を確認するともに、各レーザモジュール１２を確認し、必要に応じてレーザモジュール１２を交換して不具合を解消する。さらに、集光ユニット１４の出力モニター１５の出力値が所定の範囲内にある一方、ビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値が所定の範囲から外れていれば、ビーム結合器１３内で光学部品の位置ずれが起こっていると判断でき、ビーム結合器１３を交換するか、またはビーム結合器１３内の光学部品の位置調整を行って不具合を解消することができる。
　なお、フォトダイオードＰＤの出力値のみで、不具合箇所を特定できるようにしてもよい。前述したように、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれに応じて、結合レーザ光ＬＢの出力が１％変動するとフォトダイオードＰＤの出力値は約１０倍に拡大されて１０％変動する。よって、フォトダイオードＰＤの出力変動が１０％～２０％であれば、まず、ビーム結合器１３内の光学部品の位置ずれを確認するようにし、フォトダイオードＰＤの出力変動が２０％を超えればレーザ発振器２０の異常の有無を確認するようにしてもよい。
　また、いずれの場合も、フォトダイオードＰＤの出力信号が、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれがない場合の出力信号に対して所定の割合以上で低下している場合は、レーザ発振器２０を停止するように構成されている。
　このようにすることで、結合レーザ光ＬＢの光軸ずれが発生した場合に、それをいち早く検知することで、レーザ装置１０や伝送ファイバ４０が損傷するのを防止し、また、レーザ加工時の不良や加工品質の発生を防止することができる。
　また、本実施形態のレーザ加工装置１００は、上記のレーザ装置１０と、レーザ装置１０に接続され、レーザ装置１０から出射された結合レーザ光ＬＢを導光する伝送ファイバ４０と、伝送ファイバ４０の出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッド３０と、を少なくとも備えている。
　レーザ加工装置１００をこのように構成することで、レーザ装置１０の不具合をいち早く特定して、不具合発生箇所への対策を行えるため、ダウンタイムを短くでき、生産性を向上させることができる。また、光軸がずれたり出力が低下したりした結合レーザ光ＬＢをワークＷに出射させることがなく、ワークＷでの加工不良の発生を抑制し、また、加工品質を維持することができる。
　（実施形態２）
　図５は、本実施形態に係るレーザモジュールの内部構成の模式図を示す。本実施形態に係るレーザ加工装置１００及びレーザ装置１０は、図５に示すレーザモジュール１２の内部構成が異なる点を除いて、実施形態１に示す構成と同じである。そのため、本実施形態において、レーザモジュール１２の内部構成以外については、図示及びその説明を省略している。
　図５に示すように、本実施形態のレーザモジュール１２は、内部にレーザ光の大部分を透過してミラーＭ１に向かわせる一方、残部を光導波路１２ａに向けて反射する部分反射ミラーＭＤ２と、部分反射ミラーＭＤ２で反射されたレーザ光をフォトダイオードＰＤ２に向けて導光する光導波路１２ａと、光導波路１２ａ内でミラーＭＲ２に反射されたレーザ光を受光するフォトダイオード（別の受光部）ＰＤ２とを有している。これらの部品は、複数のレーザモジュール１２のそれぞれに設けられている。
　レーザモジュール１２をこのように構成することで、複数のレーザモジュール１２のレーザ光出力をそれぞれモニターすることが可能となる。また、これらのレーザモジュール１２でモニターされた出力値を用いて、より確実にレーザ装置１０の不具合箇所を特定することができる。例えば、レーザモジュール１２内のフォトダイオードＰＤ２の出力値とビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値とを比較して、フォトダイオードＰＤ２の出力値とフォトダイオードＰＤの出力値とが、ともに設定された所定の範囲内にあれば、レーザ装置１０は正常と判定できる。一方、複数のフォトダイオードＰＤ２の出力値のうち一つの値が、所定の範囲から外れていれば、対応するレーザモジュール１２で不具合が起こったと判断でき、電源６０とレーザモジュール１２との結線を確認するともに、必要に応じてレーザモジュール１２を交換して不具合を解消する。さらに、複数のフォトダイオードＰＤ２の出力値がそれぞれ所定の範囲内にある一方、ビーム結合器１３内のフォトダイオードＰＤの出力値が所定の範囲から外れていれば、ビーム結合器１３内で光学部品の位置ずれが起こっていると判断でき、ビーム結合器１３を交換するか、またはビーム結合器１３内の光学部品の位置調整を行って不具合を解消することができる。
　（その他の実施形態）
　なお、実施形態１において、レーザ発振器２０を、複数のレーザモジュール１２からそれぞれ出射されたレーザビームを結合して、結合レーザビームＬＢとして出射する構成としたが、特にこれに限定されず、一つのレーザ共振構造で生成された単一のレーザビームを出射する構成としてもよい。その場合、拡散板ＤＰ及びフォトダイオードＰＤは、ビーム結合器１３とは異なる別の筐体（図示せず）内に配置されるようにしてもよい。また、伝送ファイバ４０の出射端から出射される結合レーザ光ＬＢの出力をモニターする別の出力モニター（図示せず）をレーザ加工装置１００に設けるようにしてもよい。その場合、集光ユニット１４内の出力モニター１５を省略してもよい。また、これに限らず、上記の実施形態や各変形例で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。
　本発明に係るレーザ装置は、簡便な構成でレーザ光の光軸ずれを検知できるため、複数の部品を通過してレーザ光が出射されるレーザ装置、例えば、レーザ加工装置に適用する上で有用である。
１０　　　レーザ装置
１２　　　レーザモジュール
１２ａ　　光導波路
１３　　　ビーム結合器
１３ａ　　ビーム結合光学系
１４　　　集光ユニット
１５　　　出力モニター
１６　　　光学ユニット
２０　　　レーザ発振器
３０　　　レーザ光出射ヘッド
４０　　　伝送ファイバ
５０　　　制御部
６０　　　電源
７０　　　表示部
１００　　レーザ加工装置
ＤＰ　　　ビーム結合器１３内の拡散板（光偏向部材）
ＬＢ　　　結合レーザ光
ＬＢＡ　　モニター用レーザ光
ＬＢＡ１　拡散板ＤＰで偏向されたモニター用レーザ光
ＭＤ　　　部分透過ミラー
ＭＤ２　　レーザモジュール１２内の部分反射ミラー
ＰＤ　　　ビーム結合器１３内のフォトダイオード（受光部）
ＰＤａ　　フォトダイオードＰＤの受光面
ＰＤ２　　レーザモジュール１２内のフォトダイオード（別の受光部）
Ｗ　　　　ワーク

Claims (7)

  1. 　レーザ光を発するレーザ発振器と、該レーザ発振器から出射された前記レーザ光を受け取って外部に出射する光学ユニットと、を備えたレーザ装置であって、
    　前記光学ユニットは、前記レーザ光の一部を外部に向けて反射する一方、残部を透過させる部分透過ミラーと、該部分透過ミラーを透過したレーザ光を所定の拡散角で拡散して所定の方向に偏向する光偏向部材と、該光偏向部材で偏向されたレーザ光を受光して電気信号を出力する受光部と、を有し、
    　前記受光部の出力信号に基づいて、前記レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ装置において、
    　前記受光部の受光面の幅は、該受光面における前記光偏向部材で偏向されたレーザ光の半値幅以下であることを特徴とするレーザ装置。
  3. 　請求項１または２に記載のレーザ装置において、
    　前記受光部の出力信号が、前記レーザ光の光軸ずれがない場合の出力信号に対して所定の割合以上で低下している場合は、前記レーザ発振器のレーザ発振を停止するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
    　前記受光部は、前記レーザ光の出力をモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
    　前記レーザ発振器は、レーザ光をそれぞれ発する複数のレーザモジュールで構成され、
    　前記光学ユニットは、前記複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器と、該ビーム結合器から出射された結合レーザ光を集光して外部に出射する集光ユニットと、を有し、
    　前記ビーム結合器は、前記部分透過ミラーと前記光偏向部材と前記受光部とを内部に有し、
    　前記受光部の出力信号に基づいて、前記結合レーザ光の光軸ずれをモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  6. 　請求項５に記載のレーザ装置において、
    　前記複数のレーザモジュールは、前記ビーム結合器に出射されるレーザ光の出力をモニターする別の受光部をそれぞれ有し、
    　前記ビーム結合器に設けられた前記受光部の出力信号と、前記別の受光部の出力信号とを比較して、前記レーザ装置における不具合箇所を特定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    　前記レーザ装置に接続され、前記レーザ装置から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、
    　該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
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