JPH06237028A - レーザモニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］断続的に出力されるレーザ光について精度の高
いレーザパワー測定値を得るようにし、モニタリングの
信頼性を向上させる。 ［構成］ビームスプリッタ２２で反射された一部のレー
ザ光ＬＢは、光減衰板３４を通ってレーザ光検出器３６
に入射し、そこで電気信号なレーザ光検出信号ＤＳに変
換される。このレーザ光検出信号ＤＳは積分回路４０に
供給される。積分回路４０は、ＣＰＵ４６の制御を受け
るタイミング回路４２からの積分スタート信号ＫS ，積
分ホールド信号ＫH ，積分リセット信号ＫE にしたがっ
て、レーザ光検出信号ＤＳをレーザ出力期間のみ所定の
累積期間にわたって積分する。ＣＰＵ４６は、積分回路
４０からの積分値を基にレーザパワー測定値を算出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光のレーザパワ
ーをモニタするレーザモニタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザの発振形態は、連続発振、パルス
発振、Ｑスイッチ発振に大別される。レーザ加工分野に
おいては、連続発振レーザ光はハンダ付やろう付等に、
パルス発振レーザ光はスポット溶接、シーム溶接、穴開
け等に、Ｑスイッチ発振レーザ光はマーキング等にそれ
ぞれ用いられている。レーザ加工では、レーザ光の単位
時間当たりのエネルギつまりレーザパワー（レーザ出
力）は、加工品質に大きく影響するので、その値を測定
ないし監視する必要がある。

【０００３】従来より、連続発振レーザ光およびＱスイ
ッチ発振レーザ光のレーザパワーの測定には、光検出方
式のモニタ装置が使われている。この種のモニタ装置で
は、レーザ光の一部をフォトダイオード等の光検出器に
入射させて、レーザ光の光強度に対応した電気信号を生
成し、その電気信号を積分して平均値を求め、その平均
値からレーザパワーの測定値を得るようにしている。瞬
時値ではなく積分して平均値を求める理由は、連続発振
レーザの場合はレーザ出力が変動することが多いためで
あり、Ｑスイッチ発振レーザの場合はＱスイッチパルス
のパルス幅が非常に狭くて（たとえば１００ｎｓｅｃ）
その尖頭値の測定が難しいためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、連続発振レ
ーザ光またはＱスイッチ発振レーザ光が断続的に出力さ
れる場合がある。たとえば、レーザマーキング加工の場
合は、図４の点線で示すように、描画線の切れ目で、つ
まり各描画線の終端から次の描画線の始端に移るまでの
間、被加工物に対するレーザ光の照射または出力は一時
的に中断する。

【０００５】従来のモニタ装置では、図５に示すよう
に、一定の周期で一定期間Ｔo 毎にレーザ光検出信号
（レーザ出力波形）を積分し、各期間Ｔo において積分
値ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 …を期間Ｔo （積分時間幅）で割算
してレーザ光検出信号レベルの平均値を求め、それらの
平均値をそれぞれ各期間Ｔo におけるレーザパワーの平
均値に換算するようにしている。なお、レーザマーキン
グ加工にはＱスイッチ発振レーザ光が使用されるため、
図５の(A) に示されるレーザ光検出信号にもＱスイッチ
パルスに対応したパルス幅の狭い多数のパルスが含まれ
ている。従来のモニタ装置では、この例のように、レー
ザ光が断続して出力される場合は、レーザ出力が特に変
動していなくても、各期間Ｔo における積分値ｓ1 ，ｓ
2 ，ｓ3 …にバラツキが生じるため、各期間Ｔo におけ
るレーザ光検出信号レベルの平均値ひいてはレーザパワ
ー測定値にバラツキが生じてしまい、信頼性の高いモニ
タリングを行うことができなかった。

【０００６】このことから、ＹＡＧレーザ等では、レー
ザ励起ランプに供給される電流の値を検出し、その電流
値からレーザパワーの値を求めることも行われている。
しかし、ランプ電流とレーザパワーとは正確な比例関係
で対応しているわけではないので、そのような間接的な
モニタ方法によっては目安程度の測定値または推定値し
か得られなかった。

【０００７】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、レーザ光の中断の影響を受けない高精度なレー
ザパワー測定値を得るようにしたレーザモニタ装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のレーザモニタ装置は、レーザ光のレーザ
パワーをモニタするレーザモニタ装置において、前記レ
ーザ光が出力されている期間と出力されていない期間と
を判別するレーザ出力判別手段と、前記レーザ光の一部
または全部を受光し、前記レーザ光のレーザ出力に対応
した電気的なレーザ光検出信号を発生するレーザ光検出
手段と、前記レーザ出力判別手段の判別に基づいて前記
レーザ光検出手段からの前記レーザ光検出信号を前記レ
ーザ光が出力されている期間のみ所定の累積時間にわた
って積分する積分手段と、前記積分手段の前記所定の累
積時間にわたる積分によって得られた積分値に基づいて
前記レーザ光のレーザパワー測定値を求めるレーザパワ
ー算出手段とを具備する校正とした。

【０００９】

【作用】本発明の積分手段においては、レーザ出力判別
手段の制御の下で、レーザ光が出力されている期間（レ
ーザ出力期間）中はレーザ光検出信号が積分され、レー
ザ光が出力されていない期間（レーザ中断期間）中は積
分値がホールドされたままで積分動作は行われず、積分
時間の累積値が所定値に達したところで、積分動作が終
了する。レーザパワー算出手段は、積分動作が終了した
時点での積分値を取り込み、たとえばその積分値を累積
時間で割算することでレーザ光検出信号のレベルの平均
値を求め、そのレベル平均値に所定の換算率を乗算し
て、レーザパワー測定値を求める。このレーザパワー測
定値は、測定期間においてレーザ光が実際に出力されて
いる期間についての正味のレーザパワー測定値であり、
測定期間中に中断時間が任意の時間、任意の回数介在し
ても、その影響を受けない測定値である。

【００１０】

【実施例】以下、図１〜図４を参照して本発明の実施例
を説明する。図１は、レーザマーキング装置に適用した
本発明の一実施例によるレーザモニタ装置の構成を示
す。

【００１１】このレーザマーキング装置において、レー
ザ発振部は、ＹＡＧロッド１０、励起ランプ１２、反射
ミラー１４、出力ミラー１６、Ｑスイッチ１８、シャッ
タ２０から主に構成される。レーザ電源回路５６よりラ
ンプ電流Ｉが励起ランプ１２に供給され、励起ランプ１
２が点灯すると、励起ランプ１２からの光のエネルギを
励起エネルギとしてＹＡＧロッド１０がレーザ発振し、
そのロッド両端面よりレーザ光ＬＢを出射する。このレ
ーザ光ＬＢは、反射ミラー１４と出力ミラー１６との間
で反射を繰り返して共振増幅されたのち出力ミラー１６
を抜けて出力される。Ｑスイッチ１８は、連続波レーザ
光を高速繰り返しパルスレーザ光に変換するための音響
光学素子であり、Ｑスイッチ駆動回路５８からの高周波
信号に応動して、共振器内に溜っているエネルギをたと
えばパルス幅１００ｎｓｅｃのＱスイッチパルスとして
高速繰り返し周波数で出力せしめる。出力ミラー１６よ
り出力されたレーザ光ＬＢの大部分（たとえば９９．９
％）は、光路上に所定の角度で配置された、たとえば
０．１％の反射率を有するビームスプリッタ２２を通過
して、レーザ出射部に送られる。

【００１２】レーザ出射部は、Ｘ軸回転ミラー２４、Ｘ
軸ガルバノメータ・スキャナ２６，Ｙ軸回転ミラー２
８，Ｙ軸ガルバノメータ・スキャナ３０，ｆθレンズ３
２から主に構成される。レーザ発振部から来たレーザ光
ＬＢは、先ずＸ軸回転ミラー２４に入射して、そこで全
反射してからＹ軸回転ミラー２８に入射し、このＹ軸回
転ミラー２８で全反射してのちｆθレンズ３２を通って
被加工物Ｗに集光照射する。被加工物Ｗ上のレーザビー
ムスポットの位置は、Ｘ方向においてはＸ軸回転ミラー
２４の角度によってきまり、Ｙ方向においてはＹ軸回転
ミラー２８の角度によってきまる。Ｘ軸回転ミラー２４
はＸ軸ガルバノメータ・スキャナ２６の駆動で回転振動
し、Ｙ軸回転ミラー２８はＹ軸ガルバノメータ・スキャ
ナ３０の駆動で回転振動する。両スキャナ２６，３０に
は、ガルバノメータ駆動回路６２よりスキャニング駆動
信号Ｆx,Ｆy がそれぞれ与えられる。レーザ発振部から
のレーザ光ＬＢが送られてくる度に、それと同期して両
スキャナ２６，３０がＸ軸回転ミラー２４、Ｙ軸回転ミ
ラー２８をそれぞれ所定の角度で振ることにより、被加
工物Ｗのマーキング面上でレーザ光ＬＢのビームスポッ
トがスキャンされ、所望の描画パターン（文字、記号、
図形等）がマーキング（刻印）される。

【００１３】ビームスプリッタ２２で所定の方向へ反射
された一部（０．１％）のレーザ光は、光減衰板３４を
通ってその光強度を所定の減衰率で減衰してから、たと
えばＰＩＮフォトダイオードからなるレーザ光検出器３
６に入射する。レーザ光検出器３６は、受光したレーザ
光ＬＢの光強度に対応した電気信号をレーザ光検出信号
ＤＳとして出力する。このレーザ光検出信号ＤＳは、増
幅回路３８で増幅されたのち積分回路４０に供給され
る。積分回路４０は、入力したレーザ光検出信号ＤＳを
タイミング回路４２の制御の下で所定の累積時間にわた
って積分する。本実施例において、タイミング回路４２
は、ＣＰＵ４６からの積分タイミング制御信号Ｊt に応
動して、積分回路４０に対して積分スタート信号ＫS ，
積分ホールド信号ＫH ，積分リセット信号ＫE を与える
ように構成されている。そして、積分回路４０は、積分
スタート信号ＫS を受けると積分動作を開始または再開
し、積分ホールド信号ＫH を受けるとそれまでの積分値
を保持したまま積分動作を中断し、積分リセット信号Ｋ
E を受けると積分動作を終了して積分値を初期値（たと
えば零）にリセットするように構成されている。積分回
路４０で各累積時間毎に得られた積分値は、Ａ／Ｄ変換
器４４でディジタル信号に変換されたうえでＣＰＵ４６
に与えられる。

【００１４】ＣＰＵ４６は、ＲＯＭおよびＲＡＭ（図示
せず）を内蔵するか、またはそれらのメモリに外付けで
接続されたマイクロプロセッサであり、該ＲＯＭに保持
されているプログラムおよび入力装置４８より該ＲＡＭ
に格納（設定入力）されている設定データにしたがって
本実施例のモニタ装置およびレーザマーキング装置にお
ける各種の制御、演算を実行する。レーザマーキング加
工中、ＣＰＵ４６は、インタフェース回路５４を介して
レーザ電源回路５６およびＱスイッチ駆動回路５８にそ
れぞれレーザ発振出力制御信号ＧL ，Ｑスイッチ制御信
号ＧQ を与えるとともに、インタフェース回路６０を介
してガルバノメータ駆動回路６２にスキャニング制御信
号Ｇxyを与える。また、本実施例によるレーザモニタの
ため、ＣＰＵ４６は、タイミング回路４２に積分タイミ
ング制御信号Ｊt を与えるとともに、Ａ／Ｄ変換器４４
より入力したディジタルの積分値を基に所定の演算・判
定を行い、その演算・判定で得られたレーザパワー測定
値および判定結果を表示装置５０に表示したり、入出力
装置５２を介して外部の装置に送出する。

【００１５】なお、本実施例において、ＣＰＵ４６は、
Ｑスイッチ制御信号ＧQ によってＱスイッチ５８の動作
を制御し、ひいてはレーザ光ＬＢの出力のタイミングを
制御しており、レーザ光ＬＢが出力されている期間（出
力期間）と出力されていない期間（中断期間）とを判別
することができる。したがって、ＣＰＵ４６は、レーザ
光ＬＢの出力期間を累積し、出力期間、中断期間および
累積時間のタイミングに同期した積分タイミング制御信
号Ｊt をタイミング回路４２に与えるようにしている。
出力期間と中断時間との判別は、外の方法でも可能であ
り、たとえば増幅回路３８の出力信号のレベル状態から
判別するようにしてもよい。

【００１６】次に、図２につき本実施例によるレーザモ
ニタ装置の作用を説明する。上記のようなレーザマーキ
ング装置において、たとえば図４に示すような文字パタ
ーンを被加工物Ｗにマーキングする場合は、描画線の切
れ目で点線で示すようにレーザ光ＬＢの出力は一時的に
中断するので、レーザ光検出器３６の出力端子には図２
の(A) に示すように断続的なレーザ光検出信号ＤＳが得
られる。このレーザ光検出信号ＤＳは、レーザ光ＬＢの
出力（光強度）波形に対応しており、レーザ光ＬＢが出
力されている期間ではパルス幅の狭いＱスイッチパルス
に対応したパルスが一定の周期で繰り返され、レーザ光
ＬＢが出力されていない期間ではパルスが完全に断たれ
る。

【００１７】図２において、時刻ｔ0 で、レーザ光検出
信号ＤＳ（レーザ光ＬＢ）が出力され始めると、タイミ
ング回路４２から積分スタート信号ＫS が発生され、積
分回路４０は初期値Ｓp から積分動作を開始する。これ
により、時刻ｔ0 から、時間の経過に比例して積分回路
４０における積分値が増大する。時刻ｔ1 で、レーザ光
検出信号ＤＳ（レーザ光ＬＢ）の出力が止まると、タイ
ミング回路４２から積分ホールド信号ＫH が発生され、
積分回路４０は積分動作を停止する。そして、それまで
の積分値Ｓa1をそのまま保持する。その後、時刻ｔ2
で、レーザ光検出信号ＤＳ（レーザ光ＬＢ）が再び出力
され始めると、タイミング回路４２から積分スタート信
号ＫS が発生され、積分回路４０は積分値Ｓa1から積分
動作を再開する。これにより、時刻ｔ2 から、時間の経
過に比例して積分値が増大する。そして、時刻ｔ3 で、
積分開始時刻（ｔ0 ）からの積分動作の累積時間（Ｔa1
＋Ｔa2）が所定値ＴW に達し、ここでタイミング回路４
２から積分リセット信号ＫRが発生され、積分回路４０
は積分動作を終了し、最終積分値ＳA がＡ／Ｄ変換器４
４を介してＣＰＵ４６に取り込まれ、次いで積分値が初
期値ＳP にリセットされる。そして、タイミング回路４
２から積分スタート信号ＫS が発生され、上記と同様な
積分動作が繰り返される。したがって、次のサイクルの
測定時間ＴB における積分累積時間（Ｔb1＋Ｔb2＋Ｔb
3）はＴw に等しく、その次のサイクルの測定時間ＴC
における積分累積時間（Ｔc1＋Ｔc2＋Ｔc3）もＴw に等
しい。

【００１８】このように、本実施例のレーザモニタ装置
においては、レーザ光ＬＢが出力されている期間（出力
期間）ではレーザ光検出信号ＤＳが積分されるとともに
その出力期間が累積時間に算入され、レーザ光ＬＢが出
力されていない期間（中断期間）では積分値がホールド
されるとともにその中断期間が累積時間には算入され
ず、累積時間が予め設定された所定時間ＴW に達した時
に、１サイクルの測定期間（たとえばＴA ）が終了し、
その時点の積分値（たとえばＳA ）がＣＰＵ４６に取り
込まれる。

【００１９】ＣＰＵ４６は、取り込んだ最終積分値ＳA
を累積時間ＴW で割算してレーザ光検出信号ＤＳのレベ
ルまたは尖頭値の平均値を求め、その平均値に所定の換
算率を乗算する等して、１サイクルの測定期間ＴA にお
けるレーザ光ＬＢのレーザパワー平均値（測定値）ＰA
を算出する。このレーザパワー測定値ＰA は、１サイク
ルの測定期間ＴA においてレーザ光ＬＢが実際に出力さ
れている期間の正味のレーザパワー平均値であり、測定
期間ＴA 中に中断時間が任意の時間、任意の回数介在し
ても、その影響を何ら受けない測定値である。したがっ
て、レーザ光ＬＢの光強度がほぼ一定であるときは、各
サイクルの測定期間ＴA,ＴB,ＴC,…におけるレーザパワ
ー測定値ＰA,ＰB,ＰC,…もほぼ一定の値になり、バラツ
キが生じることはない。また、レーザ光ＬＢの光強度が
変動するときは、各サイクルの測定期間ＴA,ＴB,ＴC,…
におけるレーザパワー測定値ＰA,ＰB,ＰC,…にバラツキ
が生じることになるが、それは測定誤差ではなく、実際
のレーザパワーの変動状態を表すものであるから、その
まま正確な測定値とみることができる。なお、測定期間
ＴA,ＴB,ＴC,…を連続的にではなく断続的に設定するこ
とも可能である。

【００２０】ＣＰＵ４６は、上記のようにして各サイク
ルの測定期間ＴA,ＴB,ＴC,…で求めたレーザパワー測定
値ＰA,ＰB,ＰC,…を表示装置５０に逐次表示する。さら
に、各レーザパワー測定値ＰA,ＰB,ＰC,…を予め設定し
た基準値または監視値と比較し、その監視値の範囲内で
あれば「良」、監視値の範囲を越えたときは「不良」と
判定し、各測定期間ＴA,ＴB,ＴC,…に対する判定出力Ｄ
A,ＤB,ＤC,…を入出力装置５２を介して外部装置へ送っ
たりする。また、必要に応じて、レーザパワー測定値Ｐ
A,ＰB,ＰC,…の相加平均または移動平均を求めることも
可能であり、判定出力ＤA,ＤB,ＤC,…を総合して、「不
良」の回数が所定値を越えた場合に総合的な「不良」の
判定結果を表示するようにしてもよい。

【００２１】上述した実施例は、Ｑスイッチ発振レーザ
光を用いるレーザマーキング装置に係るものであった
が、本発明のモニタ装置は他のレーザ装置にも適用する
ことが可能である。たとえば、連続発振レーザ光を用い
るレーザハンダ付装置でも、図３に示すように、連続発
振レーザ光が断続的に出力されることがあるので、本発
明のレーザモニタ装置を適用すると、上記と同様の効果
が得られる。また、本発明のレーザモニタ装置は、パル
ス発振レーザ光のレーザパワー測定にも適用することが
可能であり、連続発振レーザ光のレーザパワー測定に使
用することも可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザモ
ニタ装置によれば、レーザ光が出力されている期間だけ
レーザ光検出信号を累積的に積分し、その累積時間と積
分値とから精度の高いレーザパワーの測定値を求めるよ
うにしたので、レーザ光の中断による影響を受けること
がなく、信頼性の高いモニタリングが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザマーキング装置に適用した本発明の一実
施例によるレーザモニタ装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】実施例のレーザモニタ装置の作用を説明するた
めのタイミング図である。

【図３】本発明の適用可能なレーザ光の出力波形の一例
を示す図である。

【図４】レーザマーキング装置において被加工物にレー
ザ光が断続的に照射（出力）される様子を示すためのパ
ターン図である。

【図５】従来のレーザモニタ装置の作用を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１０ ＹＡＧレーザロッド １６ 出力ミラー ２２ ビームスプリッタ ３６ レーザ光検出器 ４０ 積分回路 ４２ タイミング回路 ４６ ＣＰＵ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光のレーザパワーをモニタするレ
   ーザモニタ装置において、 前記レーザ光が出力されている期間と出力されていない
   期間とを判別するレーザ出力判別手段と、 前記レーザ光の一部または全部を受光し、前記レーザ光
   のレーザ出力に対応した電気的なレーザ光検出信号を発
   生するレーザ光検出手段と、 前記レーザ出力判別手段の判別に基づいて前記レーザ光
   検出手段からの前記レーザ光検出信号を前記レーザ光が
   出力されている期間のみ所定の累積時間にわたって積分
   する積分手段と、 前記積分手段の前記所定の累積時間にわたる積分によっ
   て得られた積分値に基づいて前記レーザ光のレーザパワ
   ー測定値を求めるレーザパワー算出手段と、を具備する
   ことを特徴とするレーザモニタ装置。
2. 【請求項２】 前記レーザパワー算出手段によって求め
   られた前記レーザパワー測定値を所定の基準値と比較
   し、その比較結果に応じて所定の判定出力を与える判定
   手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレー
   ザモニタ装置。