JP2015182104A - レーザ光の伝播監視機能を備えたレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら、レーザ光の広がり及び光軸ずれを的確に検出できる手段を備えたレーザ加工機の提供。【解決手段】ハーフミラー２４の、レーザ光１４を反射する面４６とは反対の面４８側に、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を受光するセンサ５０が配置される。センサ５０は、断熱材５２を介してハーフミラー２４の背面４８と、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を遮断又は吸収する遮蔽板５４との間に配置されており、他の部材とは熱的に独立した部材となっている。またセンサ５０は、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光は受光せず、レーザ光が広がった場合又はレーザ光の光軸がずれた場合に、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を直接受光する位置に配置されている。【選択図】図３ａ

Description

本発明は、レーザ光の伝播監視機能を備えたレーザ加工機に関する。

ガスレーザ発振器を搭載したレーザ加工機では、該レーザ発振器から出射されたレーザ光は、大気中を伝播し１つ以上の反射鏡を介して加工点まで導かれる。通常は、レーザ光を確実に加工点まで導くために、蛇腹やダクトで密閉されたレーザ光路をクリーンガスでパージする。

レーザ光路を構成する蛇腹は、レーザ加工時に伸縮するため、その継ぎ目や該継ぎ目に設けたパッキンと蛇腹端部との隙間から、外気が光路内に入り込む可能性がある。従来、レーザ加工機が設置されている工場内でペンキやシンナー等を使用すると、光路内に不純ガスが混入してレーザ光（ビーム径）が拡大し、レーザ加工に不具合が生じることがあった。また、周辺機器の振動等により、光軸のズレが発生することもある。そのためレーザ加工機には、レーザ光の広がり、光軸ズレを監視又は検知する装置を取り付けることが望ましい。

レーザ光の広がりや光軸ズレを監視するための手段としては、主に以下の３つが挙げられる。
（ａ）レーザ光路と同軸に、アパーチャ（開口部を有する板）を設置し、該アパーチャの温度又は該アパーチャからの反射光を監視する。
（ｂ）レーザ光路内にガスセンサを設置し、レーザ光の伝播に悪影響を与えるガスや粒子が存在するか否かを監視する。
（ｃ）レーザ光路途中にハーフミラーを設置し、該ハーフミラーにて分光されたレーザ光を、ビームプロファイラで監視する。

上記（ａ）に関連する従来技術として、例えば特許文献１には、光伝送路中にアパーチャを有するアパーチャ部材を設け、該アパーチャ部材の入射面側を凹面鏡とし、該凹面鏡の集光位置に検出器を設けた、レーザ加工機の異常ビーム検出装置が記載されている。

また特許文献２には、レーザビーム通過穴（アパーチャ）を有するベースブロックと、該アパーチャの内壁に設けた穴部に嵌め込んだ赤外線センサと、該アパーチャより小径でかつ周縁がテーパ部となっている他のアパーチャを有する反射板とを有し、レーザビームの光軸がずれた場合は、該反射板からの反射光が該赤外線センサに入射するようにしたレーザビーム光軸ずれ検出装置が記載されている。

一方、上記（ｂ）に関連する従来技術として、例えば特許文献３には、中空の導光路内に煙検出装置を設け、該導光路内の透過度を検出できるようにしたレーザ加工装置が記載されている。

またビーム径を監視する他の従来技術として、特許文献４には、中央部を全反射部とし、その周辺部を透過部とした一部透過鏡を用いて、該一部透過鏡を透過した光を監視することによりビーム径の変化を検出できるようにしたレーザ加工機が記載されている。

特開平０７−２９０２５９号公報 特開２０００−０９４１７２号公報 特開平０５−２１２５７５号公報 実開平０３−０７０８７６号公報

特許文献１及び２に記載されるようなアパーチャを用いた監視方法（ａ）は、最も一般的ではあるが、以下のような課題がある。
（ａ１）センサの応答性の観点からは、アパーチャの径は小さい方が好ましいのであるが、アパーチャ径を小さくしていくと、レーザ光特性に影響を与える。また大出力のレーザ光がアパーチャ部材に当たると、アパーチャ部材に熱変形が生じたり、該アパーチャ部材に施しためっき等の蒸気が発生し、反射鏡を汚染したりする恐れがある。
（ａ２）アパーチャからの反射光は一定のパワーを有するので、該反射光を受けるセンサを保護するために、該反射光を減衰させる手段を設ける必要がある。しかし一方で、レーザ加工は加工対象によって様々な出力で行われるので、低出力での加工を行う場合は、上記手段によってレーザ光が減衰されてしまいセンサが反応しないという不具合が生じ得る。また反射光を利用する（つまりレーザ光を間接的に監視する）場合、センサの反応が遅くなるという問題もある。
（ａ３）アパーチャによってレーザ光路が一部狭窄しているので、光路内部のパージを行う際にパージガスの流れが妨げられ、パージガスが滞留し易くなる。

特許文献３に記載されるようなガスセンサによる監視方法（ｂ）には、下記の課題がある。
（ｂ１）レーザ光の伝播に影響を与えるガスの種類は多数ある（例えば、六フッ化硫黄、エチレン、ハロゲン化炭化水素、アンモニア、アセトン、アルコール、炭酸ガス）ので、ガスの種類に応じて複数種類のガスセンサを設置しなければならない場合がある。
（ｂ２）レーザ光路のパージには、空気、乾燥空気、二酸化炭素を低減した空気、窒素ガス等の様々な種類の気体が使用される。このため、ガスセンサの出力にオフセット（オフセット電圧）が生じたり、正常時なのにアラームが発生したりする等、ガスセンサが安定して動作しない虞がある。
（ｂ３）粉塵等の微小粒子もレーザ光の伝播に影響を与える場合があるが、通常、ガスセンサでは粒子を検知できない。

またレーザ光を分光してプロファイラで監視する方法（ｃ）は、そのための装置が大きく、複雑かつ高価なため、量産機への適用は困難である。

一方、特許文献４に記載の技術では、中央部を全反射部とし、その周辺部を透過部とした一部透過鏡を用いるので、該周辺部をレーザ光が透過しなくなったときにビーム径が小さくなったことを検知することはできる。しかし正常時は、該周辺部をレーザ光が透過し、その透過光をセンサが受光しているので、正常時よりもレーザ光（ビーム径）が広がった場合を検知することはできない。また、中央部を円形の全反射部とし、その周辺部を透過部とした一部透過鏡は、その製造が困難であると思われることに加え、該一部透過鏡の外縁部にレーザ光が当たった場合はレーザ光の反射・吸収、及びそれに伴うレーザ光の回折を予測することが極めて困難である。

そこで本発明は、簡易な構成でありながら、レーザ光の広がり及び光軸ずれを的確に検出できる手段を備えたレーザ加工機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光が通過する光路と、前記光路内に配置された少なくとも１つの反射鏡と、を備え、前記光路内をレーザ光が伝播するレーザ加工機であって、前記反射鏡の少なくとも１つがハーフミラーであり、前記ハーフミラーの、レーザ光を反射する面とは反対の面側に、前記ハーフミラーを透過したレーザ光を受光する少なくとも１つのセンサを設け、前記センサは、正常時はレーザ光を受光せず、かつレーザ光が正常時より広がった場合又はレーザ光の光軸が正常時よりずれた場合にレーザ光を受光する位置に配置されることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記センサを複数有し、前記複数のセンサは、前記ハーフミラーを透過したレーザ光の直径より大きい直径を有する円の周上、又は前記レーザ光の直径より大きい短径を有する楕円の周上に等間隔で配置される、レーザ加工機を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記センサは、前記ハーフミラーを透過したレーザ光を直接受光するように構成されている、レーザ加工機を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記ハーフミラーの温度を測定するミラー温度センサをさらに有する、レーザ加工機を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記センサは、熱電対、温度スイッチ、サーモスタット、サーモパイル及び白金測温抵抗体を含む群から選択される、レーザ加工機を提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記センサがレーザ光を受光したときにアラームを出力する手段を有する、レーザ加工機を提供する。

本発明によれば、レーザ光路内の反射鏡の少なくとも１つをハーフミラーとし、該ハーフミラーの背面側に、正常時のレーザ光の最大直径よりも外側の位置にセンサを設置することにより、レーザ光が広がった場合やレーザ光の光軸ズレが発生した場合のみセンサがレーザ光を受光することができるので、レーザ光の拡大や光軸ずれを容易に検知することができる。またセンサはレーザ光路には配置されないため、レーザ光の伝播及びパージガスの滞留による悪影響は発生しない。さらに、ハーフミラーを透過するレーザ光のパワーは大きく減衰される（通常は２％以下）ため、センサがレーザ光を受けても熱変形したり、有害な蒸気が発生したりすることがない。また、透過光は低出力のためセンサを破壊することはないため、レーザ光とセンサ位置を最適化できる。

複数のセンサを円又は楕円の周上に等間隔で配置することにより、レーザ光の拡大と光軸ずれとを識別でき、かつ光軸ずれの場合はそのずれ方向も特定することができる。

センサが、ハーフミラーを透過したレーザ光を直接受光することにより、センサ構成がより単純化されることに加え、レーザ光の伝播不具合の発生を高速で検知できる。またこのようなセンサは、周囲雰囲気を監視するガスセンサ等と比較し誤作動が少なく、連続運転に支障をきたす可能性が低い。

ハーフミラーの温度を測定するミラー温度センサを使用することにより、ハーフミラー自体の汚れや熱変形によるレーザ光の吸収や散乱を事前に検知することができるとともに、レーザ光の拡大や光軸ずれの検知精度がさらに高まる。

不具合発生時に直ちにアラームを出力することにより、加工不良による損失を最小限に抑えることができる。

本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。 ハーフミラーの背面に１つの熱電対を設けた例を示す図である。 ハーフミラーの背面にサーモパイルを設けた例を示す図である。 ハーフミラーの背面に３つのサーモスタットを設けた例を示す図である。 ハーフミラーの背面に３つの熱電対と、３つの白金測温抵抗体を設けた例を示す図である。 ハーフミラーの背面に温度スイッチを設け、ハーフミラーの前面にミラー測定用熱電対を設けた例を示す図である。 ハーフミラーの背面に１つの熱電対を設け、該熱電対の前面側に受光部を設けた例を示す図である。 図２ａ、図２ｂ及び図２ｃの構成のレーザ軸方向断面図である。 図２ｄの構成のレーザ軸方向断面図である。 図２ｅの構成のレーザ軸方向断面図である。 図２ｆの構成のレーザ軸方向断面図である。 図２ａの構成において、レーザ光が広がった場合を示す図である。 図２ｂの構成において、レーザ光が広がった場合を示す図である。 図２ｃの構成において、レーザ光が広がった場合を示す図である。 図２ａの構成において、レーザ光軸がずれた場合を示す図である。 図２ｂの構成において、レーザ光軸がずれた場合を示す図である。 図２ｃの構成において、レーザ光軸がずれた場合を示す図である。 図２ａ、図２ｂ及び図２ｆの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 図２ｃの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 図２ｄの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 図２ｅの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 各々が背面側にセンサを有する２つのハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 レーザ光の伝播特性を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。レーザ加工機１０は、炭酸ガス等を媒質とするガスレーザ発振器１２と、ガスレーザ発振器１２から出力されたレーザ光１４が通過する光路（光伝送路）１６と、光路１６内に配置された少なくとも１つの反射鏡と、を備え、レーザ光１４は光路１６内を伝播し、加工対象であるワーク１８まで導かれる。図示例では、レーザ発振器１２から出射されたレーザ光１４は、第１反射鏡２０及び第２反射鏡２２によって全反射され、可動のハーフミラー（部分透過鏡）２４によって反射された後、可動の加工レンズ２６を透過して、ワーク１８に対して所定の加工を行う。なお図１に付した寸法は例示であり、本発明はこれに限られるものではない。

光路１６は、蛇腹からなる密閉構造を有し、図１の例では、４つの蛇腹３０、３２、３４及び３６がこの順に、略直交するように接続されており、蛇腹３４が（図１では左右方向に）伸縮することにより、ハーフミラー２４及び加工レンズ２６が移動可能となっている。なお光路１６を構成する部分のうち、可動部（ハーフミラー２４及び加工レンズ２６）を含まない部分（例えば蛇腹３０及び３２）については、蛇腹の代わりに実質剛性のダクト等を使用してもよい。

またレーザ加工機１０は、光路１６内に送られるパージ用乾燥ガス（クリーンエアー）を発生するコンプレッサ３８と、パージ用窒素ガスが封入されたガスボンベ４０と、エアーフィルター４２を介して光路１６と流体的に接続されたパージガス切替バルブ４４とを有し、切替バルブ４４の操作によって、光路１６内に送るパージガスをクリーンエアーと窒素とで切替えることができる。

反射鏡２０及び２２としては、銅ミラー、モリブデンミラー若しくはアルミニウムミラー等の金属ミラーか、又は、シリコンベースミラー等の、炭酸ガスレーザ光の吸収が小さく反射率の高いものが使用可能である。一方、ハーフミラー２４としては、セレン化亜鉛（ZnSe）ミラー、ゲルマニウム（Ge）ミラー又はガリウム・ヒ素（GaAs）ミラー等の、炭酸ガスレーザ光を９８％以上反射し、それ以外（２％以下）を透過するミラーが好ましい。なお図示例では、いずれのミラーにおいてもレーザ光の反射角が９０度となっているが、本発明はこれに限定されるものではない。

加工レンズ２６は、レーザ光１４をワーク１８上で集光する機能を有する。また、加工レンズ２６と蛇腹３６との境界にはパッキン等が設けられ、外部からの光路１６内部へ空気やアシストガスが混入しないようになっている。同様に、光路１６を構成する蛇腹間についてもパッキンを設け、外部から光路１６内へ空気が混入しないようになっている。なお図１の例では、蛇腹３４の伸縮により加工レンズ２６が左右に移動しながらレーザ加工を行うが、レーザ加工機１０は、前後方向（紙面に垂直な方向）や、上下方向の可動軸を有してもよい。その場合も、可動部については伸縮性の蛇腹が使用され、レーザ光路は密閉される。

次に、ハーフミラー２４に設けられるセンサの具体例について、図２ａ〜図２ｆ、図３ａ〜図３ｄを参照しつつ説明する。なお図３ａは、図２ａ〜図２ｃの構成のレーザ光軸方向断面を示し、図３ｂ〜図３ｄはそれぞれ、図２ｄ〜図２ｆの構成のレーザ光軸方向断面を示している。

図２ａ（図３ａ）は、ハーフミラー２４の、レーザ光１４を反射する面（前面）４６とは反対の面（背面）４８側に、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を受光する１つのセンサ５０を設けた例を示す。図２ａにおけるセンサ５０は熱電対であり、断熱材５２を介してハーフミラー２４の背面４８と、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を遮断又は吸収する遮蔽板５４との間に配置されており、換言すればセンサ５０は他の部材とは熱的に独立した部材となっている。またセンサ５０は、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光の外側に配置される。すなわちセンサ５０は、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光は受光せず、レーザ光（ビーム径）が広がった場合又はレーザ光の光軸がずれた場合に、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を直接受光する位置に配置されている。これについては後述する。

図２ｂ（図３ａ）は、上述の熱電対５０の代わりに、ハーフミラー２４の背面４８側に、複数の熱電対を直列又は並列に接続してなる略環状のサーモパイル５６を略環状に設けた例を示す。サーモパイル５６もセンサ５０と同様、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光の外側に配置される。他の構成については図２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

図２ｃ（図３ａ）は、上述の熱電対５０の代わりに、サーモスタット５５を複数設けた例を示し、具体的には、３つのサーモスタット５５が、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光の直径より大きい円、又はレーザ光の直径より大きい短径を有する楕円の周上に等間隔の角度で配置される。なおサーモスタット５５は４つ以上設けてもよいし、必ずしも周方向に等間隔で配置されなくてもよいが、等間隔であることが好ましい。また、センサは全て同種類でなくともよく、例えば１つの熱電対と２つのサーモスタットを使用することも可能である。他の構成については図２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

ここで、複数のセンサ（サーモスタット）が円周上に配置されるのは、図１の拡大図Ａに示すように、複数のセンサがレーザ光１４の進行方向に垂直な同一断面に配置されている場合であり、複数のセンサが楕円の周上に配置されるのは、図１の拡大図Ａとは択一的な拡大図Ｂに示すように、複数のセンサがハーフミラー２４に平行に（各センサとハーフミラー２４との距離が同一）に配置されている場合である。

図２ｄ（図３ｂ）は、複数の熱電対５０を設けた構成にさらに、他の種類のセンサ（ここでは白金測温抵抗体）５８を、各熱電対５０に隣接配置した例を示す。３つの白金測温抵抗体５８は、３つの熱電対と５０と同様、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光の直径より大きい直径を有する円、又はレーザ光の直径より大きい短径を有する楕円の周上に等間隔で配置されるが、熱電対５０が配置された円又は楕円を内包する円又は楕円の周上に配置される。他の構成については図２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

図２ｅ（図３ｃ）は、図２ａの構成において、熱電対５０を温度スイッチ５９に置換し、さらに、ハーフミラー２４の温度を測定するためのミラー温度センサ（ここではミラー温度測定用熱電対）６０を、ハーフミラー２４の前面に取付けた例を示す。他の構成については図２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

図２ｆ（図３ｄ）は、図２ａの構成において、センサ５０の前面側に金属等のレーザ受光部６２を取付けた例を示す。従って図２ｆの例は他の例と異なり、センサ５０はレーザ光が広がった場合又はレーザ光の光軸がずれた場合に該レーザ光を直接受光するのではなく、代わりに受光部６２が受光する。そしてセンサ５０は、レーザ光を受光した受光部６２の温度を測定するように構成されている。他の構成については図２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

次に、上述のセンサの作用について、図４ａ〜図４ｃ、図５ａ〜図５ｃを参照しつつ説明する。なお図４ａ〜図４ｃは、光路１６内への不純物の混入等によってレーザ光が正常時より拡大した場合を示し、一方図５ａ〜図５ｃは、反射鏡の向きの誤差やレーザ発振器自体の不具合等によってレーザ光軸が正常時よりずれている場合を示している。

図４ａは、１つの熱電対５０を有するハーフミラー（図２ａ）に、正常時のレーザ光１４よりも広がったレーザ光１４ａが照射され、その一部がハーフミラー２４を透過した場合を示す。熱電対５０は、正常時のレーザ光１４は受光しないが、拡大したレーザ光１４ａを直接受光することができる。また図５ａに示すように、正常時のレーザ光１４の光軸が上方にずれた場合（レーザ光１４ｃ）も、ずれたレーザ光をセンサ５０で検知することができる。

このように、ハーフミラー２４を透過した正常時のレーザ光は受光せず、レーザ光（ビーム径）が広がった場合又はレーザ光の光軸がずれた場合にのみ、ハーフミラー２４を透過したレーザ光を直接受光する位置にセンサを配置することにより、レーザ光の拡大又は光軸のずれを容易かつ迅速に検知することができる。またセンサはハーフミラーを透過したレーザ光（通常は透過前の２％以下のパワー）を受光するので、センサが熱変形したりセンサから有害な蒸気が生じたりする可能性は極めて低い。さらに、センサは正常時にレーザ光を受光しないので、センサがレーザ光を受光したら直ちに異常と判定することが可能であり、センサの受光量を定量的に測定・評価する必要がない。また、同一円又は楕円の周上に異なる種類のセンサを使用しても実質同一の効果が得られる。

一方、図５ａに示すように、センサ（熱電対）５０が１つの場合は、光軸のずれについては、そのずれ方向によって検知できる場合とできない場合がある。例えば、正常時のレーザ光１４の光軸が上方にずれた場合（レーザ光１４ｃ）はセンサ５０で検知可能であるが、逆に下方にずれた場合（レーザ光１４ｄ）は検知できない。

そこで、図２ｂに示したような略環状のサーモパイル５６を使用すれば、拡大したレーザ光１４ａを検知できる（図４ｂ）ことに加え、レーザ光軸がいずれの方向にずれてもそのずれを確実に検知することができる（図５ｂ）。また図２ｃに示したような複数のセンサ５５を円又は楕円の周上に等間隔で配置した場合も、拡大したレーザ光１４ａを検知できる（図４ｃ）ことに加え、レーザ光軸のずれをほぼ確実に検知することができる（図５ｃ）。このようにサーモパイルを使用した場合やセンサが複数ある場合は、レーザ光の拡大と光軸ずれとを識別することができ、さらに光軸ずれについてはその方向も概ね特定することができる。

なお上述の図２ｄ〜図２ｆについても、少なくとも図２ａと同様の作用効果が得られるが、図２ｄに示すように検知範囲の異なる複数種のセンサ（熱電対５０及び測温抵抗体５８）を使用した場合は、図２ｃと同等の作用に加え、レーザ光が拡大の程度に応じて段階的な措置を採ることができる（後述する第３のフローチャート（図８）参照）。また図２ｅに示すようにハーフミラー２４自体の温度を測定するセンサ６０を設けた場合は、ハーフミラーの熱変形や汚れに起因する不具合を検知できる（後述する第４のフローチャート（図９）参照）。

また、図２ｆに示すようにセンサ５０の前面側に受光部６２を設けた場合は、受光部６２の寸法・形状を適宜選定することにより、１つのセンサでより広い領域を監視できる一方、受光部６２からの伝熱作用を利用するため、センサがレーザ光を直接受光する場合よりも検知が遅くなる。そこで、図２ａのような直接受光式のセンサと、図２ｆのような間接受光式のセンサとを組み合わせて使用し、双方の利点が得られるようにすることもできる。

なお図２ａ〜図２ｆに示したセンサは例示であり、正常時のレーザ光は受光せず、ハーフミラーを透過した異常時のレーザ光を受光できるものであれば、センサの種類、位置又は個数を変更したり、上記以外の他の種類のセンサも使用したりすることも可能である。またセンサの構成や種類は、レーザ発振器から何番目のミラーに設置すべきか、或いは検知すべき不具合の内容等によって、適宜変更が可能である。

次に、図２ａ〜図２ｆの構成を有するハーフミラーを用いて、レーザ光の拡大や光軸ずれを検知する処理の流れを、第１〜第４のフローチャート（図６〜図９）を参照しつつ説明する。

図６に示す第１のフローチャートは、図２ａ、図２ｂ及び図２ｆの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示す。先ず、レーザ加工を開始・続行し（ステップＳ１０１）、センサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ１０２）。センサがレーザ光を受光しなければレーザ加工を続行するが、受光した場合は、レーザ光に異常があったと判断する（ステップＳ１０３）。但しこの時点では、レーザ光の異常が拡大なのか光軸ずれなのかが不明なので、次のステップＳ１０４では、レーザ加工機周辺にて不純ガスが使用されているか否かを確認する。

不純ガスが使用されている場合は、その不純ガスの使用を停止し、レーザ光路内をパージガスでパージすれば（ステップＳ１０５）、レーザ加工を続行することができる。一方、不純ガスが使用されていない場合は光軸がずれている可能性があるので、適当な手段によって光軸のずれの有無を調べ（ステップＳ１０６）、光軸ずれがある場合は光軸を再調整する（ステップＳ１０７）。

一方、光軸ずれが確認されなかった場合は、レーザ光のモード（強度分布）を確認し（ステップＳ１０８）、異常があればレーザ加工を停止し、レーザ発振器の調整を行う（ステップＳ１０９）。レーザ光のモードにも異常がない場合は、不純ガス及び光軸ずれ以外の要因が考えられるので、その要因を調査して排除する。

図７に示す第２のフローチャートは、図２ｃの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示す。先ず、レーザ加工を開始・続行し（ステップＳ２０１）、センサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ２０２）。センサがレーザ光を受光しなければレーザ加工を続行するが、受光した場合は、受光したセンサがいくつであるかを検出する（ステップＳ２０３）。図２ｃの例ではセンサ（サーモスタット５５）が３つあるので、受光したセンサの個数が１つ又は２つの場合は、レーザ光の異常の原因は光軸ずれである可能性が高いので、適当な手段を用いて、光軸ずれを表すアラームを出力し、レーザ加工機の制御装置や作業者に通知する（ステップＳ２０４）。一方、全ての（ここでは３つの）センサが受光した場合は、レーザ光の異常の原因は不純ガス（レーザ光の拡大）である可能性が高いので、適当な手段を用いて、不純ガスが光路内に混入したことを表すアラームを出力し、レーザ加工機の制御装置や作業者に通知する（ステップＳ２０５）。

受光したセンサの個数が１つ又は２つの場合は、ステップＳ２０６に進み、光軸ずれが実際に発生しているか否かを確認する。そして光軸ずれが発生している場合は、レーザ光軸の再調整を行う（ステップＳ２０７）ことにより、レーザ加工機は加工可能な状態に戻る。

一方、光軸ずれが発生していない場合、及び、全てのセンサが受光した場合は、レーザ光の異常の要因が不純ガスである可能性が高いので、レーザ加工機周辺にて不純ガスが使用されているか否かを確認する（ステップＳ２０８）。不純ガスが使用されている場合は、その不純ガスの使用を停止し、レーザ光路内をパージガスでパージすれば（ステップＳ２０９）、レーザ加工を続行することができる。一方、全てのセンサが受光したにも関わらず不純ガスが使用されていない場合は、光軸がずれている可能性があるので、光軸のずれの有無を調べ（ステップＳ２０６）、光軸ずれがある場合は光軸を再調整する（ステップＳ２０７）。

なお図７のフローチャートでは、不純ガスの使用も光軸ずれも確認されなかった場合はステップＳ２０６とＳ２０８との往復を繰り返して処理が進まない可能性があるが、この場合は不純ガス及び光軸ずれ以外の要因が考えられるので、その要因を調査して排除する。

図８に示す第３のフローチャートは、図２ｄの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示す。先ず、レーザ加工を開始・続行し（ステップＳ３０１）、センサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ３０２）。センサがレーザ光を受光しなければレーザ加工を続行するが、図２ｄの例では、センサ（熱電対５０と白金測温抵抗体５８）が内側に３つ及び外側に３つあるので、先ず内側（正常時のレーザ光に近い方）のセンサ５０が受光したか否かを検出する（ステップＳ３０３）。受光した内側のセンサの個数が１つ又は２つの場合は、レーザ光の異常の原因は光軸ずれである可能性が高いので、適当な手段を用いて、光軸ずれを表すアラームを出力し、レーザ加工機の制御装置や作業者に通知する（ステップＳ３０４）。

一方、全ての（ここでは３つの）内側のセンサが受光した場合は、レーザ光の異常の原因は不純ガス（レーザ光の拡大）である可能性が高いので、適当な手段を用いて、不純ガスが光路内に混入したことを表すアラームを出力し、レーザ加工機の制御装置や作業者に通知する（ステップＳ３０５）とともに、パージガスを乾燥空気から窒素に変更する（ステップＳ３０９）。パージガスの変更により、アラームの発生を抑えることができる。

受光した内側のセンサの個数が１つ又は２つの場合は、ステップＳ３０６に進み、光軸ずれが実際に発生しているか否かを確認する。そして光軸ずれが発生している場合は、レーザ光軸の再調整を行う（ステップＳ３０７）ことにより、レーザ加工機は加工可能な状態に戻る。

一方、光軸ずれが発生していない場合、及び、全ての内側のセンサが受光した場合は、レーザ光の異常の要因が不純ガスである可能性が高いので、レーザ加工機周辺にて不純ガスが使用されているか否かを確認する（ステップＳ３０８）。不純ガスが使用されている場合は、その不純ガスの使用を停止してレーザ加工機が設置されている工場・建屋の換気を行い（ステップＳ３１０）、パージガスを窒素から乾燥空気に戻す（ステップＳ３１１）ことにより、レーザ加工を続行することができる。つまり、パージガスを窒素に切り替えて加工を続行し、その間に不純ガス等の異常の原因が排除できれば、レーザ加工を停止する必要がない。一方、内側の全てのセンサが受光したにも関わらず不純ガスが使用されていない場合は、光軸がずれている可能性があるので、光軸のずれの有無を調べ（ステップＳ３０６）、光軸ずれがある場合は光軸を再調整する（ステップＳ３０７）。

またステップＳ３０８で不純ガスの使用が確認された場合は、ステップＳ３１０と並行して、外側（正常時のレーザ光に遠い方）のセンサ５８がレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ３１２）。外側のセンサが１つでも受光した場合は、レーザ光の拡大の程度が相当大きいと判断できるので、この場合はレーザ加工を停止する（ステップＳ３１３）。

図１に示すように、レーザ発振器１２とハーフミラー２４との距離が相当量変化し得る場合には、ビーム径が拡大した場合にアラームを出力すべきビーム径の閾値が、ハーフミラー２４の位置によって異なることがある。このような場合に、図２ｄのような構成のセンサでは、ハーフミラー２４がレーザ発振器１２に比較的近い位置にある場合は図８のフローチャートに従った処理を行い、ハーフミラー２４がレーザ発振器１２に比較的遠い位置にある場合は、内側のセンサ５０の機能を停止させ、外側のセンサ５８を図２ｃのセンサ５５と同様に使用する、という使い分けができる。

なお図２ｄでは、内側と外側とで異なる種類のセンサを使用しているが、これはそれぞれ要求される応答速度や信号の受信方法から適宜選択可能であり、同じ種類のセンサを使用することもできる。また内側の複数のセンサも互いに同種である必要はなく、異種のセンサを用いてもよい。同様に、外側の複数のセンサも互いに同種である必要はなく、異種のセンサを用いてもよい。

図９に示す第４のフローチャートは、図２ｅの構成を有するハーフミラーを使用した場合の処理の流れを示す。この処理は、センサがレーザ光を受光するか否かを確認するステップ（Ｓ４０２）の前に、ハーフミラー２４に取付けた温度センサ６０を用いてハーフミラー２４の温度を測定するステップ（Ｓ４１０）と、その測定結果に応じてハーフミラー２４のクリーニングを行うステップ（Ｓ４１１）が挿入されていることを除けば、図６に示した第１のフローチャートと同等である。

すなわち本実施例では、ハーフミラー２４が汚染されてくるとレーザ光を吸収して発熱し、該ハーフミラーの変形や該ハーフミラーでの反射光及び透過光に悪影響を与えることを考慮し、ハーフミラー２４の温度が所定の温度閾値を超えた場合は、ハーフミラーのクリーニングを行うことを企図している。これにより、レーザ光の拡大や光軸ずれの誤認を防止することができる。なお図９のフローチャートにおいて、ステップＳ４１０及びＳ４１１以外は図６のフローチャートと同等でよいので、図９では図６に対応するステップの番号に３００を付し、詳細な説明は省略する。

以上、レーザ加工機１０が、１つのハーフミラー２４を有する（具体的には、レーザ発振器１２から最も遠い（図１の例では３番目）ミラーがハーフミラーとなっている）場合を説明したが、レーザ光路１６に複数のハーフミラーを設け、それぞれに上述のセンサを設けることも可能である。そこで図１０に示すフローチャートは、図１のレーザ加工機が、レーザ発振器１２に最も近い第１の反射鏡２０をハーフミラー（部分透過鏡）２５に置換した構成を有し、かつハーフミラー２４及び２５の各々が３つのセンサを有する場合（図２ｃ）の処理の流れを説明する。

先ず、レーザ加工を開始・続行し（ステップＳ５０１）、ハーフミラー２４（レーザ発振器からみて遠い方）のセンサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ５０２）。受光したセンサの個数が１つ又は２つの場合は、ハーフミラー２５（レーザ発振器からみて近い方）のセンサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ５０３）。ハーフミラー２５において少なくとも１つのセンサが受光した場合は、レーザ発振器自体又は光路にずれが生じていると判断し（ステップＳ５０４）、適切な措置を採る。一方、ハーフミラー２５のセンサが受光しなかった場合は、ハーフミラー２５又は他の反射鏡が変位していると判断し（ステップＳ５０５）、適切な措置を採る。

ステップＳ５０２においてハーフミラー２４のセンサの全て（３つ）が受光した場合は、先ずハーフミラー２４が汚染されていないかをチェックし（ステップＳ５０６）、汚染があればハーフミラー２４の交換又はクリーニングを行う（ステップＳ５０７）。一方、ハーフミラー２４が汚染されていない場合は、ハーフミラー２４より上流側でレーザ光が拡大している可能性があるので、ハーフミラー２５のセンサがレーザ光を受光するか否かを監視する（ステップＳ５０８）。ハーフミラー２５において少なくとも１つのセンサが受光した場合は、光路内への不純ガスの混入又はレーザ発振器自体の不具合があると判断し（ステップＳ５０９）、適切な措置を採る。

ステップＳ５０８において、ハーフミラー２５のセンサが受光しなかった場合は、ハーフミラー２５又は他の反射鏡が汚染されている可能性があるので、これらの汚染の有無をチェックする（ステップＳ５１０）。汚染があれば汚染されたミラーの交換又はクリーニングを行い（ステップＳ５１１）、汚染がなければ光路内への不純ガスの混入があると判断し（ステップＳ５１２）、適切な措置を採る。

またステップＳ５０２においてハーフミラー２４のセンサが受光しなかった場合は、ハーフミラー２５のセンサがレーザ光を受光するか否かを監視し（ステップＳ５１３）、センサが受光していなければレーザ加工を続行する（ステップＳ５０１）。一方、ハーフミラー２５において受光したセンサの個数が１つ又は２つの場合は、レーザ発振器自体又は光路にずれが生じていると判断し（ステップＳ５１４）、適切な措置を採る。また、ステップＳ５１３においてハーフミラー２５のセンサの全て（３つ）が受光した場合は、先ずハーフミラー２５が汚染されていないかをチェックし（ステップＳ５１５）、汚染があればハーフミラー２５の交換又はクリーニングを行う（ステップＳ５１６）。一方、ハーフミラー２５が汚染されていない場合は、光路内への不純ガスの混入又はレーザ光の大幅な軸ずれが生じていると判断し（ステップＳ５１７）、適切な措置を採る。

図１１は、レーザ光の伝播特性を示すグラフであり、具体的には伝播距離とレーザ光の直径との関係を、光路内のパージガスの種類及び流量をパラメータとして表している。図１１からわかるように、レーザ光の直径は、パージガスの種類及び流量、並びにレーザ発振器からの距離（伝播距離）に依存し、その他、空気中の炭酸ガス等によるレーザ光の吸収、レーザ光を散乱させる作用を持つガス組成の濃度等にも影響を受ける。従って、レーザ発振器からの距離と使用するパージガスの組成及び流量毎に、レーザ光の直径は予め推定又は計測できる。

図１１に示したようなグラフ又はデータを予め取得しておくことにより、上述した「正常時」のレーザ径を求めることができる。例えば図１のレーザ加工機では、ハーフミラー２４の位置はレーザ発振器１２から５〜７メートルの範囲で可変であるため、レーザ光の最大直径は２３．５ミリメートルとなる。ハーフミラーへのセンサの取付け位置は、この正常時のレーザ径と、要求されるレーザ加工の精度、ワークの材質及び板厚等に基づき、適宜決定することができるが、例えば正常時の最大レーザ径の１．２〜２倍、より好ましくは１．５〜１．８倍の直径を有する円内又は円周上にセンサを配置することが考えられる。

なお理論的には、レーザ光の裾は無限に広がっており、レーザ光の境界を厳密に定義することは難しい。そこで、本願明細書における「レーザ光」とは、図１１に示したようなレーザ直径を有する（略円筒状の）光線を意味するものとし、このレーザ直径は、熱電対等の上記センサがレーザ直径より大きい部分のレーザ光を長時間受けても、異常を生じないような値として設定される。例えば、非対称のレーザ光の場合、レーザ光の全パワーのうち、ピークパワーを基準とする特定の割合を含む円を算出し、この円の直径をレーザ光の最大直径とすることができる。また比較的対称性のよいレーザ光の場合は、レーザの照射強度がピークパワーに対して１／ｅ（３６．８％）又は１／ｅ²（１３．５％）となる位置をレーザ直径とすることができる。

１０ レーザ加工機
１２ レーザ発振器
１４ レーザ光
１６ 光路
１８ ワーク
２０、２２ 反射鏡
２４、２５ ハーフミラー
２６ 加工レンズ
３０、３２、３４、３６ 蛇腹
３８ コンプレッサ
４０ ガスボンベ
４２ エアーフィルター
４４ 切替バルブ
５０ 熱電対
５２ 断熱材
５４ 遮蔽板
５５ サーモスタット
５６ サーモパイル
５８ 白金測温抵抗体
５９ 温度スイッチ
６０ ミラー温度センサ
６２ 受光部

Claims (6)

1. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出力されたレーザ光が通過する光路と、
   前記光路内に配置された少なくとも１つの反射鏡と、を備え、前記光路内をレーザ光が伝播するレーザ加工機であって、
   前記反射鏡の少なくとも１つがハーフミラーであり、前記ハーフミラーの、レーザ光を反射する面とは反対の面側に、前記ハーフミラーを透過したレーザ光を受光する少なくとも１つのセンサを設け、
   前記センサは、正常時はレーザ光を受光せず、かつレーザ光が正常時より広がった場合又はレーザ光の光軸が正常時よりずれた場合にレーザ光を受光する位置に配置されることを特徴とする、レーザ加工機。
2. 前記センサを複数有し、前記複数のセンサは、前記ハーフミラーを透過したレーザ光の直径より大きい直径を有する円の周上、又は前記レーザ光の直径より大きい短径を有する楕円の周上に等間隔で配置される、請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記センサは、前記ハーフミラーを透過したレーザ光を直接受光するように構成されている、請求項１又は２に記載のレーザ加工機。
4. 前記ハーフミラーの温度を測定するミラー温度センサをさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
5. 前記センサは、熱電対、温度スイッチ、サーモスタット、サーモパイル及び白金測温抵抗体を含む群から選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
6. 前記センサがレーザ光を受光したときにアラームを出力する手段を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。

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