JP2019201031A - 集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置、レーザ発振器の異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振器内部の異常の有無を簡便に判定する。【解決手段】集光光学ユニット１４０は、レーザ光ＬＢを集光する集光レンズ１４２を筐体１４１内に有し、集光レンズ１４２で集光されたレーザ光ＬＢを石英ブロック１４４を介して伝送ファイバ２００に入射させる。筐体１４１における集光レンズ１４２と石英ブロック１４４との間に、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を受光するフォトダイオード１４７と、集光レンズ１４２からの散乱光を受光するフォトダイオード１４８とが所定の間隔をあけて配設されている。【選択図】図２

Description

本発明は、集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置、レーザ発振器の異常診断方法に関する。

従来、伝送ファイバを用いて、離れた場所にあるワークをレーザ加工するレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置では、レーザ発振器が内部に設けられており、レーザ発振器から出射されたレーザ光は、伝送ファイバのコア内を伝搬して伝送ファイバに接続されたレーザ光出射ヘッドからワークに向けて照射される。また、レーザ光が伝送ファイバに入射されるときに、レーザ発振器内に設けられた集光レンズで伝送ファイバのコアに収まるスポット径までレーザ光のビーム径が縮小される。

一方、伝送ファイバを用いたレーザ加工装置では、ワークの加工点で反射されて伝送ファイバ内に戻る戻り光の影響で励起光源であるレーザダイオードが損傷するおそれがあった。

そこで、特許文献１には、レーザ光出射ヘッド内に設けられたベンドミラーにレーザ光の一部を透過させる光学特性を持たせ、ベンドミラーを透過した透過光を吸収体に入射させ、吸収体からの散乱光を光検出手段で検出してレーザ光出力とワークからの戻り光との検出を行う構成が開示されている。

特開２０１２−１７９６２７号公報

ところで、レーザ光を集光レンズで集光して伝送ファイバに入射させるレーザ発振器において、集光レンズの汚れや損傷、あるいは、レーザ光が入射する伝送ファイバの入射端での損傷があると、レーザ光出力が低下する場合がある。また、最終的な出力があまり低下しない場合でもレーザ光のビーム品質が低下して加工品質に影響を与えるおそれがあった。

しかし、上記のレーザ発振器に特許文献１に開示された構成を適用した場合、光検出手段で検出された散乱光が集光レンズの異常によるものか、あるいは伝送ファイバの異常によるものかの判別が困難であった。このため、光検出手段での検出結果によって、レーザ発振器の内部で何らかの異常が発生していると判定されても、異常箇所の特定が困難であり、メンテナンス作業に時間を要して生産性を低下させるおそれがあった。

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、内部の異常の有無及び異常箇所を特定可能な集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置を提供することにある。また、内部の異常の有無及び異常箇所を特定可能なレーザ発振器の異常診断方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る集光光学ユニットは、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズを筐体内に有し、前記集光レンズで集光された前記レーザ光をレーザ光出射部を介して伝送ファイバに入射させる集光光学ユニットであって、前記筐体における前記集光レンズと前記レーザ光出射部との間に、前記伝送ファイバ及び／または前記レーザ光出射部からの反射光を受光する第１受光部と、前記集光レンズからの散乱光を受光する第２受光部とが所定の間隔をあけて配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、簡便な構成で集光光学ユニットの異常の有無を判定できるとともに異常箇所を特定することができる。

また、本発明に係るレーザ発振器は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を集光して伝送ファイバに入射させる上記の集光光学ユニットと、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、レーザ発振器の内部の異常箇所を簡便に特定して、対象箇所の修理交換等を行うことができる。このことにより、レーザ光のビーム品質を維持できるとともに、レーザ発振器のダウンタイムを低減できる。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ発振器と、前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を導光する伝送ファイバと、前記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、レーザ発振器の内部の異常箇所を簡便に特定して、対象箇所の修理交換等を行うことができる。このことにより、レーザ加工装置のダウンタイムを低減できる。また、レーザ光のビーム品質を維持して、良好な加工品質を保つことができる。

本発明のレーザ発振器の異常診断方法は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズを筐体内に有し、前記集光レンズで集光された前記レーザ光をレーザ光出射部を介して伝送ファイバに入射させる集光光学ユニットと、を備えたレーザ発振器の異常診断方法であって、前記集光光学ユニットは、前記伝送ファイバ及び／または前記レーザ光出射部からの反射光を受光する第１受光部と、前記集光レンズからの散乱光を受光する第２受光部と、を有し、前記レーザ光を出射させるレーザ光出射ステップと、前記第１受光部で前記反射光を受光して第１受光信号を得るとともに、前記第２受光部で前記散乱光を受光して第２受光信号を得る受光信号取得ステップと、前記第１受光信号と前記第２受光信号とに基づいて、前記レーザ発振器における異常の有無を判定する異常診断ステップとを備えたことを特徴とする。

この方法によれば、集光光学ユニットでの異常の有無を簡便に判定できる。

以上説明したように、本発明の集光光学ユニットによれば、簡便な構成で集光光学ユニットの異常の有無を判定できるとともに異常箇所を特定することができる。

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。 集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の異常診断手順を示すフローチャートである。 変形例１に係る集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。 変形例２に係る集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。 変形例２に係る別の集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。 変形例３に係る集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器の異常診断手順を示すフローチャートである。

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］
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、集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、以降の説明において、レーザ光ＬＢが集光光学ユニット１４０に向かう進行方向をＸ方向、複数のレーザモジュール１２０の配列方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とそれぞれ呼ぶことがある。

レーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１００と伝送ファイバ２００とレーザ光出射ヘッド３００と制御部４００と電源５００と表示部６００とを備えている。レーザ発振器１００と伝送ファイバ２００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２００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１１０内に収容されている。

レーザ発振器１００は、複数のレーザモジュール１２０とビーム結合器１３０と集光光学ユニット１４０と、を有している。レーザモジュール１２０は、異なる波長のレーザビーム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１２０内で波長合成されたレーザ光が各レーザモジュール１２０からそれぞれ出射される。

ビーム結合器１３０は、複数のレーザモジュール１２０からそれぞれ出射されたレーザ光を一つのレーザ光（以下、レーザ光ＬＢという）に結合して集光光学ユニット１４０に出射する。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。

図２に示すように、集光光学ユニット１４０は、筐体１４１と、その内部に配設された集光レンズ１４２とを有している。集光光学ユニット１４０の各部の構造及び機能については、後で詳述する。

レーザ発振器１００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１０００を得ることができる。また、レーザ発振器１００は、後述する電源５００から電力が供給されてレーザ発振を行い、レーザ光ＬＢが伝送ファイバ２００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１２０がレーザ発振器１００に搭載されているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール１２０の搭載個数は、レーザ加工装置１０００に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール１２０の出力仕様によって適宜変更されうる。

伝送ファイバ２００は、集光光学ユニット１４０の集光レンズ１４２に光学的に結合され、集光レンズ１４２を介してレーザ発振器１００から受け取ったレーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド３００に導光する。また、図２に示すように、伝送ファイバ２００は、軸心にレーザ光ＬＢを導光するためのコア２０１と、コア２０１の外周側に、コア２０１と同軸に設けられたクラッド２０２及び外側クラッド２０３とを有している。なお、コア２０１、クラッド２０２及び外側クラッド２０３は、それぞれ石英からなるが、クラッド２０２及び外側クラッド２０３の屈折率はコア２０１の屈折率よりも低くなるように構成されており、クラッド２０２及び外側クラッド２０３はレーザ光ＬＢをコア２０１内に閉じ込める機能を有している。また、外側クラッド２０３の外周面は、保護管２０４で覆われており、保護管２０４内には伝送ファイバ２００を冷却するための冷却水が流れている。ただし、保護管２０４の代わりに、外光の遮蔽と伝送ファイバ２００を機械的ダメージから保護するための皮膜が設けられていてもよい。

レーザ光出射ヘッド３００は、伝送ファイバ２００で導光されたレーザ光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１０００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４００は、レーザ発振器１００のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１００に接続された電源５００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１２０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４００は、記憶部４１０を有しており、記憶部４１０には、レーザ加工条件や加工用の動作プログラム等が格納されている。また、後述するように、記憶部４１０には、レーザモジュール１２０や集光レンズ１４２や伝送ファイバ２００の特性に関連付けられて、後述する第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２が配列された判定テーブルが格納されている。また、制御部４００は、集光光学ユニット１４０に配設されたフォトダイオード１４７，１４８（図２参照）の受光信号を受け取って、この受光信号に基づいて、レーザ発振器１００の異常の有無を判定し、異常箇所を特定する異常診断部としても機能する。また、制御部４００は、レーザ光出射ヘッド３００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。なお、複数のレーザモジュール１２０とビーム結合器１３０と集光光学ユニット１４０と制御部４００とでレーザ発振器１００が構成されるようにしてもよい。

電源５００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１００、具体的には、複数のレーザモジュール１２０のそれぞれに対して供給する。制御部４００からの指令により、各々のレーザモジュール１２０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５００は、レーザ加工装置１０００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１０００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６００は、制御部４００で判定されたレーザ発振器１００の異常箇所を表示するように構成されている。なお、表示部６００には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ光ＬＢの出力を表示させるようにしてもよい。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６００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。

［集光光学ユニットの内部構成］
集光光学ユニット１４０では、筐体１４１内に配設された集光レンズ１４２によって、筐体１４１内に入射されたレーザ光ＬＢを集光し、集光されたレーザ光ＬＢは、所定の倍率でビーム径が縮小される。また、集光されたレーザ光ＬＢは、伝送ファイバ２００の入射端が接続されたコネクタ１４３を介して伝送ファイバ２００のコア２０１内に入射される。なお、コネクタ１４３は内部に石英ブロック（レーザ光出射部）１４４を有しており、石英ブロック１４４は、その端面が伝送ファイバ２００の入射端に融着されている。このことにより、石英ブロック１４４は伝送ファイバ２００に屈折率整合して結合されており、この融着部分でレーザ光ＬＢの乱反射等が起こらないようにしている。なお、石英ブロック１４４と伝送ファイバ２００の入射端とを両方の屈折率に整合した接着剤で接合するようにしてもよい。

筐体１４１には、内部に連通する開口を一端に有する第１及び第２光案内路１４５，１４６が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ形成されている。また、第１光案内路１４５の他端側にはフォトダイオード１４７（第１受光部）が、第２光案内路１４６の他端側にはフォトダイオード１４８（第２受光部）がそれぞれ設けられている。

フォトダイオード１４７は、第１光案内路１４５を通って伝搬される光を受光して電気信号（第１受光信号Ｓｇ１）を出力する。フォトダイオード１４８は、第２光案内路１４６を通って伝搬される光を受光して電気信号（第２受光信号Ｓｇ２）を出力する。フォトダイオード１４７，１４８はそれぞれ、配線基板１４９，１５０に実装されて、筐体１４１に取付けられている。また、配線基板１４９，１５０は、それぞれ制御部４００に接続されており、配線基板１４９，１５０を介して第１受光信号Ｓｇ１及び第２受光信号Ｓｇ２が制御部４００に送られる。

また、集光光学ユニット１４０は、筐体１４１の内面にそれぞれ一端が取付けられた第１遮蔽板１５１と第２遮蔽板１５２とを有している。

第１遮蔽板１５１は、レーザ光ＬＢを透過しない材質、例えば、金属材料からなり、フォトダイオード１４７及び第１光案内路１４５と集光レンズ１４２との間に位置する筐体１４１の内面に一端が取付けられ、レーザ光ＬＢの光軸と略垂直な方向に延びる第１立直部１５１ａと、第１立直部１５１ａの他端から石英ブロック１４４に向けて折り曲げられて延びる第１折り曲げ部１５１ｂとで構成されている。また、第１折り曲げ部１５１ｂは、第１光案内路１４５の開口の上部に延びて設けられている。なお、本実施形態では、第１立直部１５１ａと第１折り曲げ部１５１ｂとの角度は９０°になるように構成されているが、特にこれに限定されず、後述するように、集光レンズ１４２からの散乱光を遮蔽するように配置されていればよい。

第２遮蔽板１５２は、レーザ光ＬＢを透過しない材質、例えば、金属材料からなり、フォトダイオード１４８及び第２光案内路１４６と石英ブロック１４４との間に位置する筐体１４１の内面に一端が取付けられ、レーザ光ＬＢの光軸と略垂直な方向に延びる第２立直部１５２ａと、第２立直部１５２ａの他端から集光レンズ１４２に向けて折り曲げられて延びる第２折り曲げ部１５２ｂとで構成されている。また、第２折り曲げ部１５２ｂは、第２光案内路１４６の開口の上部に延びて設けられている。なお、本実施形態では、第２立直部１５２ａと第２折り曲げ部１５２ｂとの角度は９０°になるように構成されているが、特にこれに限定されず、後述するように、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を遮蔽するように配置されていればよい。

ここで、フォトダイオード１４７，１４８の機能について説明する。集光光学ユニット１４０に入射され、集光レンズ１４２で集光されたレーザ光ＬＢは、その大部分が石英ブロック１４４を介して伝送ファイバ２００のコア２０１内を伝搬し、伝送ファイバ２００の出射端から出射される。しかし、図２に示すように、一部の光は、伝送ファイバ２００の出射端から出射されずに、集光光学ユニット１４０の筐体１４１内に反射されて戻ってくる。例えば、石英ブロック１４４の入射端面での反射光（図２に示す経路Ｉ）やコア２０１の入射端面での反射光（図２に示す経路ＩＩ）やクラッド２０２と外側クラッド２０３との境界での反射光（図２に示す経路Ｉ）等がある。また、伝送ファイバ２００の出射端面で反射されてコア２０１内を戻ってくる光（図２に示す経路ＩＶ）も集光光学ユニット１４０の筐体１４１内に入射される。また、これらとは別に、集光レンズ１４２に汚れや損傷等があると、その部分に入射されたレーザ光ＬＢは所定の焦点に集光されず、別の方向に散乱されて集光光学ユニット１４０の筐体１４１内に入射される（図２に示す経路Ｖ）。

フォトダイオード１４７，１４８は、正常な光路を通らずに筐体１４１内に入射されたこれらの光を受光するように構成されている。また、第１遮蔽板１５１は、前述した位置に設けられることで、経路Ｖに示す集光レンズ１４２からの散乱光が第１光案内路１４５，ひいてはフォトダイオード１４７に入射されるのを防止する。一方、第１遮蔽板１５１は、経路Ｉ〜ＩＶに示す伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光が第１光案内路１４５に入射されるのを妨げない。このため、フォトダイオード１４７は、第１光案内路１４５に入射された伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を受光し、この反射光に基づいて第１受光信号Ｓｇ１を出力する。

同様に、第２遮蔽板１５２は、前述した位置に設けられることで、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光が第２光案内路１４６，ひいてはフォトダイオード１４８に入射されるのを防止する。一方、第２遮蔽板１５２は、集光レンズ１４２からの散乱光が第２光案内路１４６に入射されるのを妨げない。このため、フォトダイオード１４８は、第２光案内路１４６に入射された集光レンズ１４２からの散乱光を受光し、この散乱光に基づいて第２受光信号Ｓｇ２を出力する。

以上から明らかなように、第１受光信号Ｓｇ１及び第２受光信号Ｓｇ２がそれぞれ大きくなるほど、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光や集光レンズ１４２からの散乱光の強度が増加していると言える。また、第１受光信号Ｓｇ１の大きさは、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４に生じた何らかの異常に対応しており、第２受光信号Ｓｇ２の大きさは、集光レンズ１４２に生じた何らかの異常に対応している。

［レーザ発振器の異常診断手順］
図３は、本実施形態に係るレーザ発振器の異常診断手順を示す。

まず、電源５００から電力を投入して、レーザ発振器１００をレーザ発振させ、レーザ光ＬＢを出射させる（ステップＳ１）。このとき、集光光学ユニット１４０には伝送ファイバ２００が接続されている。

次に、フォトダイオード１４７，１４８にそれぞれ入射された光に基づいて、第１受光信号Ｓｇ１及び第２受光信号Ｓｇ２を取得する（ステップＳ２）。取得された第１及び第２受光信号Ｓｇ１，Ｓｇ２は制御部４００に送られる。また、ステップＳ２の実行中または実行後に、レーザ光ＬＢの発振は停止される。

制御部４００の記憶部４１０には、予め実験的に取得された第１しきい値Ｔｈ１及び第２しきい値Ｔｈ２が保存されている。制御部４００は、第１受光信号Ｓｇ１が第１しきい値Ｔｈ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。

第１しきい値Ｔｈ１は、第１受光信号Ｓｇ１が許容範囲にあるか否かを判定するためのしきい値であり、第１受光信号Ｓｇ１が第１しきい値Ｔｈ１よりも大きければ、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光が許容範囲よりも大きく、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４に何らかの異常が起こっていると判定される。同様に、第２しきい値Ｔｈ２は、第２受光信号Ｓｇ２が許容範囲にあるか否かを判定するためのしきい値であり、第２受光信号Ｓｇ２が第２しきい値Ｔｈ２よりも大きければ、集光レンズ１４２からの散乱光が許容範囲よりも大きく、集光レンズ１４２に何らかの異常が起こっていると判定される。なお、第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２は、それぞれ集光光学ユニット１４０に異常がない場合の第１及び第２受光信号Ｓｇ１，Ｓｇ２に対して３倍程度の値であるが、特にこれに限定されない。伝送ファイバ２００の仕様や、レーザ光ＬＢの強度やビーム径、また、集光レンズ１４２のサイズやフォトダイオード１４７，１４８のサイズ、さらに第１及び第２遮蔽板１５１，１５２の配置や形状等に応じて、この倍率は適宜変更されうる。

ステップＳ３での判定結果が肯定的であればステップＳ４に進み、第２受光信号Ｓｇ２が第２しきい値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ４での判定結果が肯定的であればステップＳ５に進んで、集光レンズ１４２，石英ブロック１４４及び伝送ファイバ２００のすべてを点検し、異常箇所を特定するとともに、当該箇所の修理交換を行う。ステップＳ４での判定結果が否定的であればステップＳ６に進んで、石英ブロック１４４と伝送ファイバ２００とを点検し、異常箇所を特定するとともに、当該箇所の修理交換を行う。

一方、ステップＳ３での判定結果が否定的であればステップＳ７に進み、第２受光信号Ｓｇ２が第２しきい値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ７での判定結果が肯定的であればステップＳ８に進んで、集光レンズ１４２を点検し、異常箇所を特定するとともに、当該箇所の修理交換を行う。ステップＳ７での判定結果が否定的であれば、集光レンズ１４２，石英ブロック１４４及び伝送ファイバ２００のすべてに異常なしと判定されるため、異常診断作業を終了する。

なお、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ７での判定結果を表示部６００に表示させるようにしてもよい。

［効果等］
本実施形態の集光光学ユニット１４０は、レーザ光源である複数のレーザモジュール１２０から出射されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ１４２を筐体１４１内に有し、集光レンズ１４２で集光されたレーザ光ＬＢをレーザ光出射部である石英ブロック１４４を介して伝送ファイバ２００に入射させる。

集光光学ユニット１４０において、筐体１４１における集光レンズ１４２と石英ブロック１４４との間に、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を受光するフォトダイオード（第１受光部）１４７と、集光レンズ１４２からの散乱光を受光するフォトダイオード（第２受光部）１４８とが所定の間隔をあけて配設されている。

集光光学ユニット１４０をこのように構成することで、簡便な構成で集光光学ユニット１４０での異常の有無を判定できるとともに異常箇所を特定することができる。また、異常箇所を簡便に特定できるため、必要に応じて、適切なタイミングで異常箇所の修理交換を行うことができる。特に、伝送ファイバ２００や石英ブロック１４４の取り外し、交換は比較的容易であるが、集光レンズ１４２が損傷していると、交換後の位置調整に非常に工数を要する。

前述したように、特許文献１に開示された従来技術では、レーザ発振器１００の内部で何らかの異常が発生していると判定できても、異常箇所の特定が困難であった。このため、一旦、異常が発生していると判定されれば、レーザ発振器１００を分解して、想定される部品をすべて点検あるいは交換する必要があった。

一方、本実施形態によれば、伝送ファイバ２００または石英ブロック１４４と集光レンズ１４２のいずれに異常が発生しているかを簡便に特定できるため、例えば、集光レンズ１４２に異常が発生していないと判定されれば、点検及び修理交換作業が簡素化するとともに作業時間が大幅に短縮可能となる。

また、筐体１４１内には、フォトダイオード１４７への集光レンズ１４２からの散乱光の入射を制限する第１遮蔽板（第１光入射制限部）１５１とフォトダイオード１４８への伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光の入射を制限する第２遮蔽板（第２光入射制限部）１５２とが配設されている。

さらに、筐体１４１には、筐体１４１内に連通する開口を一端に有する第１及び第２光案内路１４５，１４６がそれぞれ形成され、第１及び第２光案内路１４５，１４６の他端側にフォトダイオード１４７，１４８がそれぞれ配設されている。

第１遮蔽板１５１は、筐体１４１における第１光案内路１４５と集光レンズ１４２との間に位置する部分に一端が取付けられた第１立直部１５１ａと第１立直部１５１ａの他端から石英ブロック１４４に向けて折り曲げられて延びる第１折り曲げ部１５１ｂとで構成されている。

第２遮蔽板１５２は、筐体１４１における第２光案内路１４６と石英ブロック１４４との間に位置する部分に一端が取付けられた第２立直部１５２ａと第２立直部１５２ａの他端から集光レンズ１４２に向けて折り曲げられて延びる第２折り曲げ部１５２ｂとで構成されている。

本実施形態によれば、第１遮蔽板１５１を設けることで、集光レンズ１４２からの散乱光が第１光案内路１４５を通ってフォトダイオード１４７に入射されるのを防止でき、フォトダイオード１４７で受光される伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光のＳ／Ｎ比を高めることができる。なお、Ｓ／Ｎ比は信号（ｓｉｇｎａｌ）と雑音（ｎｏｉｓｅ）の比であり、Ｓ／Ｎ比が高ければ伝送における雑音（ｎｏｉｓｅ）の影響が小さく、Ｓ／Ｎ比が小さければ雑音（ｎｏｉｓｅ）の影響が大きいことを示す。

このようなフォトダイオード１４７で受光される伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光による受光信号に基づいて、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４に何らかの異常が発生しているか否かを精度良く判定することができる。また、第１遮蔽板１５１が前述した第１立直部１５１ａ及び第１折り曲げ部１５１ｂで構成されることで、集光レンズ１４２からの散乱光がフォトダイオード１４７に入射されるのをより確実に防止できる。

また、第２遮蔽板１５２を設けることで、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光が第２光案内路１４６を通ってフォトダイオード１４８に入射されるのを防止でき、フォトダイオード１４８に入射された集光レンズ１４２からの散乱光のＳ／Ｎ比を高めることができる。このことにより、集光レンズ１４２に何らかの異常が発生しているか否かを精度良く判定することができる。また、第２遮蔽板１５２が前述した第２立直部１５２ａ及び第２折り曲げ部１５２ｂで構成されることで、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光がフォトダイオード１４８に入射されるのをより確実に防止できる。

また、フォトダイオード１４７とフォトダイオード１４８とは、レーザ光ＬＢの光軸を挟んで互いに反対側に配置されていてもよい。

このような配置にすることで、筐体１４１内での第１及び第２光案内路１４５，１４６や第１及び第２遮蔽板１５１，１５２の配置の自由度を高められる。

本実施形態のレーザ発振器１００は、レーザ光ＬＢを出射するレーザ光源である複数のレーザモジュール１２０と、レーザ光ＬＢを集光して伝送ファイバ２００に入射させる集光光学ユニット１４０と、を少なくとも備えている。

本実施形態によれば、簡便な構成でレーザ発振器１００の内部の異常箇所を特定して、レーザ発振器１００における対象パーツの修理交換を行うことができる。このことにより、レーザ光ＬＢのビーム品質を維持できるとともに、レーザ発振器１００のダウンタイムを低減できる。

レーザ発振器１００に、フォトダイオード１４７，１４８でそれぞれ受光された第１及び第２受光信号Ｓｇ１，Ｓｇ２に基づいて、レーザ発振器１００の異常の有無を判定する異常診断部をさらに備えていてもよい。なお、本実施形態において、この異常診断部は、制御部４００が奏する機能に相当する。

このようにすることで、レーザ発振器１００の異常の有無及び異常箇所を迅速に特定することができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１００と、レーザ発振器１００に接続され、レーザ発振器１００から出射されたレーザ光ＬＢを導光する伝送ファイバ２００と、伝送ファイバ２００の出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッド３００と、を少なくとも備えている。

本実施形態によれば、簡便な構成でレーザ発振器１００の内部の異常箇所を特定して、レーザ発振器１００における対象パーツの修理交換を行うことができる。このことにより、レーザ加工装置１０００のダウンタイムを低減できる。また、レーザ光ＬＢのビーム品質を維持して、良好な加工品質を保つことができる。

また、本実施形態のレーザ発振器１００の異常診断方法は、レーザ光ＬＢを出射させるレーザ光出射ステップ（ステップＳ１）と、フォトダイオード１４７で伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を受光して第１受光信号Ｓｇ１を得るとともに、フォトダイオード１４８で集光レンズ１４２からの散乱光を受光して第２受光信号Ｓｇ２を得る受光信号取得ステップ（ステップＳ２）と、第１受光信号Ｓｇ１と第２受光信号Ｓｇ２とに基づいて、レーザ発振器１００における異常の有無を判定する異常診断ステップ（ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ７）と、を備えている。

この方法によれば、集光光学ユニット１４０での異常の有無を簡便に判定できる。

また、異常診断ステップでは、第１受光信号Ｓｇ１が第１しきい値Ｔｈ１よりも大きい場合に、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４に異常があると判定し、第２受光信号Ｓｇ２が第２しきい値Ｔｈ２よりも大きい場合に、集光レンズ１４２に異常があると判定する。

この方法によれば、集光光学ユニット１４０での異常箇所を簡便に特定することができる。このことにより、適切なタイミングで異常箇所の修理交換を行うことができ、また、点検及び修理交換作業が簡素化するとともに大幅に短縮可能となる。

＜変形例１＞
図４は、本変形例に係る集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。本変形例に示す集光光学ユニット１４０の構成は、第１及び第２光案内路１４５ａ，１４６ａがレーザ光ＬＢの光軸に対して所定の角度で傾いて設けられている点及び第１及び第２遮蔽板１５１，１５２が省略されている点で実施形態１に示す集光光学ユニット１４０の構成と異なる。なお、実施形態１と同様の部材等については、同じ符号を付して説明を省略する。また、図示しないが、配線基板１４９，１５０がそれぞれ制御部４００に接続されている点は、実施形態１に示したのと同様である。

また、図４に示すように、筐体１４１内に連通する開口よりもフォトダイオード１４７が配設された他端が石英ブロック１４４から遠ざかるように第１光案内路１４５ａが傾斜して形成されている。また、筐体１４１内に連通する開口よりもフォトダイオード１４８が配設された他端が集光レンズ１４２から遠ざかるように第２光案内路１４６ａが傾斜して形成されている。

言いかえると、第１光案内路１４５ａは石英ブロック１４４から離れる方向に傾斜しており、第２光案内路１４６ａは集光レンズ１４２から離れる方向に傾斜している。

第１及び第２光案内路１４５ａ，１４６ａをそれぞれこのように形成することで、第１光案内路１４５ａに集光レンズ１４２からの散乱光が入射されるのを防止できる。また、第２光案内路１４６ａに伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光が入射されるのを防止できる。言いかえると、第１光案内路１４５ａはそれ自体で第１光入射制限部として機能し、第２光案内路１４６ａはそれ自体で第２光入射制限部として機能している。

本変形例によれば、実施形態１に示すのと同様の効果を奏することができる。また、第１及び第２遮蔽板１５１，１５２を省略できるため、集光光学ユニット１４０の部品点数が削減できるとともに、第１及び第２光案内路１４５ａ，１４６ａ、ひいては、フォトダイオード１４７，１４８の配置の自由度を高めることができる。なお、第１及び第２光案内路１４５ａ，１４６ａの傾斜角度によっては、それぞれに入射される不要光、例えば、第１光案内路１４５ａに対しては集光レンズ１４２からの散乱光の遮蔽性能が、実施形態１に示す構成に比べて低下することがあるので、実際にこの構成を製造する場合には、この点に留意する必要がある。

＜変形例２＞
図５は、本変形例に係る集光光学ユニットの内部構成の模式図を、図６は、別の集光光学ユニットの内部構成の模式図をそれぞれ示す。なお、実施形態１と同様の部材等については、同じ符号を付して説明を省略する。また、図示しないが、配線基板１４９，１５０がそれぞれ制御部４００に接続されている点は、実施形態１に示したのと同様である。

本変形例に示す集光光学ユニット１４０の構成と実施形態１に示す集光光学ユニット１４０の構成とでは以下に説明する点で異なる。

図５に示すように、フォトダイオード１４７ａは、筐体１４１に一端が取付けられ、レーザ光ＬＢの光軸に対して略垂直に延びる第１遮蔽板１５３の石英ブロック１４４に対向する面に配設されている。また、フォトダイオード１４８ａは、筐体１４１に一端が取付けられ、レーザ光ＬＢの光軸に対して略垂直に延びる第２遮蔽板１５４の集光レンズ１４２に対向する面に配設されている。また、フォトダイオード１４７ａ，１４８ａともに複数個設けられているが、それぞれ１個ずつであってもよい。

本変形例によれば、フォトダイオード１４７ａを第１遮蔽板１５３の石英ブロック１４４に対向する面に配設することで、フォトダイオード１４７ａに入射される伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光の光量を大きくすることができる。また、第１遮蔽板１５３において、フォトダイオード１４７ａの配設面の反対側の面で集光レンズ１４２からの散乱光を遮蔽するため、第１受光信号Ｓｇ１のＳ／Ｎ比を高く維持できる。同様に、フォトダイオード１４８ａを第２遮蔽板１５４の集光レンズ１４２に対向する面に配設することで、フォトダイオード１４７ａに入射される集光レンズ１４２からの散乱光の光量を大きくすることができる。また、第２遮蔽板１５４において、フォトダイオード１４８ａの配設面の反対側の面で伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光を遮蔽するため、第２受光信号Ｓｇ２のＳ／Ｎ比を高く維持できる。

なお、図６に示すように、第１遮蔽板１５３を石英ブロック１４４に近づくように傾斜させ、第２遮蔽板１５４を集光レンズ１４２に近づくように傾斜させてもよい。

＜変形例３＞
図７は、本変形例に係る集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、実施形態１と同様の部材等については、同じ符号を付して説明を省略する。また、図示しないが、配線基板１４９，１５０がそれぞれ制御部４００に接続されている点は、実施形態１に示したのと同様である。

本変形例に示す集光光学ユニット１４０の構成と実施形態１に示す集光光学ユニット１４０の構成とでは以下に説明する点で異なる。

図７に示すように、第１光案内路１４５と第２光案内路１４６とは、レーザ光ＬＢの光軸から見て同じ側に配置されている。また、筐体１４１における第１光案内路１４５と第２光案内路１４６との間に位置する部分に第３遮蔽板（第３光制限部）１５５の一端が取り付けられており、第３遮蔽板１５５は筐体１４２内に延びるように設けられている。また、第３遮蔽板１５５はレーザ光ＬＢを反射する材質、例えば、金属材料からなる。

本変形例によれば、所定の間隔をあけて隣り合って配置された第１光案内路１４５と第２光案内路１４６との間に第３遮蔽板１５５を配設することにより、伝送ファイバ２００及び／または石英ブロック１４４からの反射光は、第３遮蔽板１５５で反射されて第１光案内路１４５に入射し、集光レンズ１４２からの散乱光は、第３遮蔽板１５５で反射されて第２光案内路１４６に入射する。このことにより、フォトダイオード１４７，１４８のそれぞれに対して不要光を遮蔽することができ、第１及び第２受光信号Ｓｇ１，Ｓｇ２のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、実施形態１に示す構成に比べて、部品点数を減らすことができ、第１及び第２光案内路１４５，１４６、ひいては、フォトダイオード１４７，１４８の配置の自由度を高められる。

（実施形態２）
図８は、本実施形態に係るレーザ発振器の異常診断手順を示す。なお、図８に示すステップＳ１２，Ｓ１３と図３に示すステップＳ１，Ｓ２とはそれぞれ同様であるので説明を省略する。また、図８に示すステップＳ１５〜Ｓ２０と図３に示すステップＳ３〜Ｓ８とはそれぞれ同様であるので説明を省略する。

本実施形態において、集光光学ユニット１４０等の構成は、実施形態１や変形例１〜３に示す構成と同様である。一方、図８に示すフローチャートにおいて、判定テーブルを準備すること（ステップＳ１１）と、判定テーブルから第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２をそれぞれ呼び出している（ステップＳ１４）点で、図３に示すフローチャートと異なる。

前述したように、第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２は、種々の条件によって変更され、例えば、コア２０１の直径が異なる伝送ファイバ２００を用いただけでも第１しきい値Ｔｈ１は変更されうる。また、レーザ光ＬＢの強度を変えただけでも、第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２は変更されうる。

一方、レーザ加工装置１０００において、異なる光強度でレーザ加工をしたり、また、伝送ファイバ２００を交換して、異なるビーム径でレーザ加工をしたりすることは良くあることであり、また、レーザ光源や集光レンズ１４２等を交換して、それ以外の部品はそのまま用いることもあり得る。

このような場合に、都度、第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２を求めるのは大変手間のかかる作業である。

そこで、本実施形態では、レーザ発振器１００及びレーザ加工装置１０００において使用されうる種々の条件、例えば、伝送ファイバ２００やレーザ光ＬＢを出射するレーザモジュール１２０及びビーム結合器１３０，また、集光レンズ１４２の種類あるいは特性等のバリエーションを抽出して、それらを変更した場合の組み合わせ毎に第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２を予め求めておく。そして、このしきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２を、上記の条件に関連付けて配列し、判定テーブルを準備するとともに、当該判定テーブルを記憶部４１０に格納しておく。実際の異常診断においては、判定テーブルから実際の条件に合致する第１及び第２しきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２を呼び出し、これらに基づいて集光光学ユニット１４０内の部品及び伝送ファイバ２００の異常の有無を判定し、また、異常箇所を特定する。

このようにすることで、レーザ発振器１００及びレーザ加工装置１０００の仕様変更等に対応して、集光光学ユニット１４０内の部品及び伝送ファイバ２００の異常の有無を精度良く判定し、また、異常箇所を特定することができる。

（その他の実施形態）
なお、変形例１〜３を含む上記実施形態１，２において、複数のレーザモジュール１２０からそれぞれ出射されるレーザ光をビーム結合器１３０で結合してレーザ光ＬＢを出射させる構成としたが、特にこれに限定されず、例えば、一つのレーザ光源からレーザ光ＬＢが出射されるようにしてもよい。

また、図２，４，７において、第１及び第２光案内路１４５，１４６とフォトダイオード１４７，１４８とをそれぞれ一つずつ設ける構成を示したが、特にこれに限定されず、それぞれを複数設けるようにしてもよい。また、その場合は、個々のフォトダイオードから出力される受光信号に基づいて、異常箇所をさらに細かく特定することができる。例えば、第２光案内路１４６とフォトダイオード１４８とを複数組、レーザ光ＬＢの光軸の周りに設けることで、集光レンズ１４２の汚染箇所または損傷箇所を細かく特定して、点検または修復作業を短縮することができる。

本発明の集光光学ユニットは、内部の異常の有無の判定及び異常箇所の特定を簡便に行えるため、レーザ加工装置等に使用されるレーザ発振器に適用する上で有用である。

１００ レーザ発振器
１２０ レーザモジュール
１３０ ビーム結合器
１４０ 集光光学ユニット
１４１ 筐体
１４２ 集光レンズ
１４３ コネクタ
１４４ 石英ブロック（レーザ光出射部）
１４５ 第１光案内路
１４５ａ 第１光案内路（第１光入射制限部）
１４６ 第２光案内路
１４６ａ 第２光案内路（第２光入射制限部）
１４７，１４７ａ フォトダイオード（第１受光部）
１４８，１４８ａ フォトダイオード（第２受光部）
１５１，１５３ 第１遮蔽板（第１光入射制限部）
１５１ａ 第１立直部
１５１ｂ 第１折り曲げ部
１５２，１５４ 第２遮蔽板（第２光入射制限部）
１５２ａ 第２立直部
１５２ｂ 第２折り曲げ部
１５５ 第３遮蔽板（第３光入射制限部）
２００ 伝送ファイバ
３００ レーザ光出射ヘッド
４００ 制御部
４１０ 記憶部
５００ 電源
６００ 表示部
１０００ レーザ加工装置
Ｗ ワーク

Claims (14)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズを筐体内に有し、前記集光レンズで集光された前記レーザ光をレーザ光出射部を介して伝送ファイバに入射させる集光光学ユニットであって、
   前記筐体における前記集光レンズと前記レーザ光出射部との間に、前記伝送ファイバ及び／または前記レーザ光出射部からの反射光を受光する第１受光部と、前記集光レンズからの散乱光を受光する第２受光部とが所定の間隔をあけて配設されていることを特徴とする集光光学ユニット。
2. 請求項１に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記筐体内には、前記第１受光部への前記散乱光の入射を制限する第１光入射制限部と前記第２受光部への前記反射光の入射を制限する第２光入射制限部とが配設されていることを特徴とする集光光学ユニット。
3. 請求項２に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記筐体には、前記筐体内に連通する開口を一端に有する第１及び第２光案内路がそれぞれ形成され、
   前記第１及び第２光案内路の他端側に前記第１及び第２受光部がそれぞれ配設され、
   前記第１光入射制限部は、前記第１光案内路と前記集光レンズとの間に位置する筐体に一端が取付けられた第１立直部と前記第１立直部の他端から前記レーザ光出射部に向けて折り曲げられて延びる第１折り曲げ部とで構成され、
   前記第２光入射制限部は、前記第２光案内路と前記レーザ光出射部との間に位置する筐体に一端が取付けられた第２立直部と前記第２立直部の他端から前記集光レンズに向けて折り曲げられて延びる第２折り曲げ部とで構成されていることを特徴とする集光光学ユニット。
4. 請求項２に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記筐体には、前記筐体内に連通する開口を一端に有する第１及び第２光案内路がそれぞれ形成され、
   前記第１及び第２光案内路の他端側に前記第１及び第２受光部がそれぞれ配設され、
   前記開口よりも他端が前記レーザ光出射部から遠ざかるように前記第１光案内路が傾斜して形成されることで、前記第１光入射制限部が構成され、
   前記開口よりも他端が前記集光レンズから遠ざかるように前記第２光案内路が傾斜して形成されることで、前記第２光入射制限部が構成されていることを特徴とする集光光学ユニット。
5. 請求項２に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記第１受光部は、前記筐体に一端が取付けられた前記第１光入射制限部の前記レーザ光出射部に対向する面に配設され、
   前記第２受光部は、前記筐体に一端が取付けられた前記第２光入射制限部の前記集光レンズに対向する面に配設されていることを特徴とする集光光学ユニット。
6. 請求項５に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記第１光入射制限部は、前記レーザ光出射部に近づくように傾斜しており、
   前記第２光入射制限部は、前記集光レンズに近づくように傾斜していることを特徴とする集光光学ユニット。
7. 請求項２ないし６のいずれか１項に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記第１受光部と前記第２受光部とは、前記レーザ光の光軸を挟んで互いに反対側に配置されていることを特徴とする集光光学ユニット。
8. 請求項１に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記筐体には、前記筐体内に連通する開口を一端に有する第１及び第２光案内路がそれぞれ形成され、
   前記第１及び第２光案内路の他端側に前記第１及び第２受光部がそれぞれ配設され、
   前記第１光案内路と第２光案内路とは、前記レーザ光の光軸から見て同じ側に配置されており、
   前記第１光案内路と前記第２光案内路との間に位置する筐体に一端が取り付けられた第３光制限部を有していることを特徴とする集光光学ユニット。
9. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を集光して伝送ファイバに入射させる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の集光光学ユニットと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ発振器。
10. 請求項９に記載のレーザ発振器において、
    前記第１及び第２受光部でそれぞれ受光された受光信号に基づいて、前記レーザ発振器の異常の有無を判定する異常診断部をさらに備えたことを特徴とするレーザ発振器。
11. 請求項９または１０に記載のレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を導光する伝送ファイバと、
    前記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。
12. レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズを筐体内に有し、前記集光レンズで集光された前記レーザ光をレーザ光出射部を介して伝送ファイバに入射させる集光光学ユニットと、を備えたレーザ発振器の異常診断方法であって、
    前記集光光学ユニットは、前記伝送ファイバ及び／または前記レーザ光出射部からの反射光を受光する第１受光部と、前記集光レンズからの散乱光を受光する第２受光部と、を有し、
    前記レーザ光を出射させるレーザ光出射ステップと、
    前記第１受光部で前記反射光を受光して第１受光信号を得るとともに、前記第２受光部で前記散乱光を受光して第２受光信号を得る受光信号取得ステップと、
    前記第１受光信号と前記第２受光信号とに基づいて、前記レーザ発振器における異常の有無を判定する異常診断ステップとを備えたことを特徴とするレーザ発振器の異常診断方法。
13. 請求項１２に記載のレーザ発振器の異常診断方法において、
    前記異常診断ステップでは、前記第１受光信号が第１しきい値よりも大きい場合に、前記伝送ファイバ及び／または前記レーザ光出射部に異常があると判定し、前記第２受光信号が第２しきい値よりも大きい場合に、前記集光レンズに異常があると判定することを特徴とするレーザ発振器の異常診断方法。
14. 請求項１３に記載のレーザ発振器の異常診断方法において、
    前記伝送ファイバ、前記レーザ光源及び前記集光レンズの少なくともいずれかの種類及び／または特性に関連付けられた前記第１及び第２しきい値が配列された判定テーブルを準備する判定テーブル準備ステップをさらに備え、
    前記異常診断ステップでは、前記受光信号取得ステップで取得された前記第１及び第２受光信号と、前記判定テーブルの前記第１及び第２しきい値とをそれぞれ比較して、前記レーザ発振器における異常箇所を特定することを特徴とするレーザ発振器の異常診断方法。

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