JPH0767630B2 - レ−ザモニタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ加工装置等に好適なレーザモニタ装置
に関し、特に一台で連続波レーザ光もパルスレーザ光も
高速かつ高精度にモニタできるように工夫したものであ
る。

（従来の技術） レーザ加工では、用途に応じて連続波出力のレーザ光ま
たはパルス状のレーザ光が選択的に使われる。例えば、
連続波レーザ光はハンダ付やロー付等に使われ、パルス
レーザ光はシーム溶接やスポット溶接、穴開け等に使わ
れる。一般にパルスレーザ光は１〜50パルス／秒の周期
（周波数）で繰り返し発せられることが多いが、時には
単一のパルスレーザ光が使用されることもある。

いずれにしても、このようなレーザ光の出力パワー密度
またはエネルギは加工品質に大きく影響するので、それ
をモニタする必要がある。

従来、連続波レーザ光をモニタする装置は、該レーザ光
を検出するフォトダイオード等の光検出器を備え、その
出力信号の平均値をレーザ出力（ワット）の計測値とし
て表示する。また、パルスレーザ光をモニタする装置
は、該パルスレーザ光を熱量に変換しさらにその熱量を
電気信号に変換する例えばカロリーメータからなる変換
手段と、該パルスレーザ光の総発生個数を計数するカウ
ンタ手段とを備え、変換手段の出力信号を累積して総発
熱量（ジュール）を求め、その総発熱量を該パルスレー
ザ光の総発生個数で割算することによってパルス１個当
たりの平均出力（ジュール）を算出し、これを表示す
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の連続波レーザ光モニタ装置では、
レーザ出力（ワット）が平均値で与えられるので、発振
期間中にレーザ出力が変動してもそれが観測されないと
いう問題がある。

また、従来のパルスレーザ光モニタ装置では、パルスレ
ーザ光の出力を一旦熱に変換するため、追随性ないし応
答速度が低く、計測値が得られるまで20秒ないし30秒も
かかるという欠点がある。

そして、連続波レーザ光とパルスレーザ光の双方をモニ
タしようとすれば、上述のような連続波レーザ光モニタ
装置とパルスレーザ光モニタ装置をそれぞれ用意しなけ
ればならず、モニタ装置分のコストが重み取扱いが煩雑
になる等の不都合がある。

本発明は、従来技術の上記問題点に鑑みてなされたもの
で、一台で連続波レーザ光もパルスレーザ光も高速かつ
高精度にモニタできるレーザモニタ装置を提供すること
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的の達成するために、本発明のレーザモニタ装
置は、レーザ光発生手段より出力される連続波のレーザ
光およびパルス状のレーザ光を切り替えて検出するレー
ザ光検出手段と、パルスレーザ光の発生時に前記レーザ
光検出手段より得られたレーザ出力量検出信号を前記パ
ルスレーザ光の各パルス期間毎に逐次時間積分して積分
値信号を出力する積分手段と、前記積分手段からの前記
積分値信号を前記パルスレーザ光の周期に同期したタイ
ミングで逐次サンプリングしてサンプリング積分値を出
力する第１のサンプリング手段と、前記第１のサンプリ
ング手段からの前記サンプリング積分値を逐次読み取
り、そのサンプリング積分値に基づいて前記パルスレー
ザ光のレーザ出力量を表す第１のレーザ光測定データを
得る第１の読取手段と、連続波レーザ光の発生時に前記
レーザ光検出手段より得られたレーザ出力量検出信号を
所定の周期のタイミングでサンプリングしてサンプリン
グレーザ出力量検出値を出力する第２のサンプリング手
段と、前記第２のサンプリング手段からの前記サンプリ
ングレーザ出力量検出値を逐次読み取り、そのサンプリ
ングレーザ出力量検出値に基づいて前記連続波レーザ光
のレーザ出力量を表す第２のレーザ光測定データを得る
第２の読取手段とを具備する構成とした。

（作用） レーザ発生手段よりパルスレーザ光が発せられると、そ
れに対応したパルス状のレーザ出力量検出信号がレーザ
光検出手段より生成される。このパルス状レーザ出力量
検出信号は積分手段により各パルス期間で時間積分され
ることによってパルス期間の平均をとられる。しかし
て、積分手段からの積分値信号が第１のサンプリング手
段によりサンプリングされることにより得られたサンプ
リング積分値は、各パルスレーザ光のレーザ出力量をエ
ネルギとして表すもので、第１の読取手段により測定デ
ータに変換または換算される。

また、レーザ発生手段より連続波レーザ光が発せられる
と、それに対応した連続波のレーザ出力量検出信号がレ
ーザ光検出手段より生成される。この連続波のレーザ出
力量検出信号は、第２のサンプリング手段により所定の
周期のタイミングでサンプリングされることによって所
定期間毎のサンプリングレーザ出力量検出値が得られ、
第２の読取手段により測定データに変換または換算され
る。

このように、本発明では、各パルス期間または所定の周
期毎にレーザ出力量の測定値が得られるので応答性が高
く、高速繰り返しのパルスレーザ光であっても迅速に追
随でき、また連続波レーザ光に対してもきめ細かい測定
が行える。

（実施例） 以下、添付図を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は、この実施例によるレーザモニタ装置の構成と
レーザ加工装置の要部の構成を示す。図中、点線で囲ま
れた部分がレーザモニタ装置である。

レーザ加工装置 レーザ加工装置において、レーザ電源100は設定条件に
したがってパルス状の励起用ランプ電流FIまたは連続波
の励起用ランプ電流CIを選択的にレーザ発振器102に供
給する。レーザ発振器102は、例えばYAG（イットリウム
・アルミニウム・ガーネット）レーザで、レーザロッド
102a,励起用ランプ102b,共振器102cおよび冷却装置（図
示せず）を含み、励起用ランプ102bが励起用パルスラン
プ電流FIまたは励起用連続波ランプ電流CIに応じた光量
の光をレーザロッド102aに照射することによりそれが励
起されて励起用パルスランプ電流FIに対応したパルスレ
ーザ光FLB（第２図ａ）または励起用連続波ランプ電流C
Iに対応した連続波レーザ光CLB（第３図ａ）を発振出力
するようになっている。そして、レーザ発振器102から
のレーザ光FLBまたはCLBは99.9％の反射率をもつミラー
104により進行方向を曲げられてからレンズ106,光ファ
イバ108を介して出射ユニット110に送られ、そこから集
光されたレーザ光FLBWまたはCLBWが被加工物112に照射
されるようになっている。

レーザモニタ装置 （Ａ）測定部 レーザモニタ装置において、上記ミラー104を透過した
0.1％のレーザ光FLBtまたはCLBtを受光する光検出器10
が設けられる。この光検出器10は、応答速度の早い光電
変換素子例えばPINフォトダイオードを有し、パルスレ
ーザ光FLBの瞬時出力を表す電気的なレーザ光検出信号P
LF（第２図ｂ）または連続波レーザ光CLBの瞬時出力を
表す電気的なレーザ光検出信号PLC（第３図ｂ）を生成
する。そして、レーザ光検出信号PLF,PLCは、増幅器12,
切替スイッチ14,16を介して積分回路18,サンプル・ホー
ルド回路22にそれぞれ入力される。

積分回路18は、タイミング回路24からのタイミング信号
TS1（第２図ｄ）に応答してパルスレーザ光FLBに対応し
たパルス状のレーザ光検出信号PLFを各パルス期間Ta毎
に時間積分するもので、その出力端子に得られる積分値
信号SPLF（第２図ｃ）はサンプル・ホールド（S/H）回
路20に入力される。サンプル・ホールド回路20は、各パ
ルスレーザ光FLBに対しタイミング信号TS1に応答して積
分値信号SPLFをサンプリングし且つホールドするもので
その出力信号（サンプリング積分値）HPLF（第２図ｅ）
は切替スイッチ26を介してアナログ−ディジタル（A/
D）変換器28に入力される。

サンプル・ホールド回路22は、タイミング回路24からの
タイミング信号TS2（第３図ｃ）に応答して連続波レー
ザ光CLBを所定時間毎にサンプリングし且つホールドす
るもので、その出力信号（サンプリングレーザ出力量検
出値）HPLC（第３図ｄ）は切替スイッチ26を介してA/D
変換器28に入力される。

A/D変換器28は、タイミング回路24からのタイミング信
号TS1またはTS2に応答して入力のアナログ積分値HPLFま
たはHPLCをディジタル信号Ｄ［HPLF］またはＤ［HPLC］
に変換するもので（第２図f,第３図ｅ）、そのディジタ
ル信号Ｄ［HPLF］またはＤ［HPLC］は測定値データ出力
回路30,測定値表示部32に供給されるとともに、比較判
定部の上限比較回路34,下限比較回路36にも供給され
る。

測定値データ出力回路30は、各ディジタル信号Ｄ［HPL
F］またはＤ［HPLC］を測定値データとして外部装置、
例えばマイクロプロセッサや記憶装置等に送るもので、
測定後に測定値データの詳しい分析や記録あるいはプリ
ントアウト等が行えるようになっている。測定値表示部
32は、パルスレーザ光FLBに対してはジュール単位のレ
ーザ出力測定値をディジタル表示し、また連続波レーザ
光CLBに対しては所定時間間隔毎のレーザ出力測定値を
ワット単位でディジタル表示する。

なお、スイッチ14は、後述する光伝送系異常モニタ部の
スイッチ68と連動する電子的または機械的スイッチで、
通常モニタモード時には開き光伝送系モニタモード時に
は閉成する。また、スイッチ16,26も互いに連動する電
子的または機械的スイッチで、パルスレーザ光の測定時
にはそれぞれ端子16a,26aに切り替わり、連続波レーザ
光の測定時にはそれぞれ端子16b,26bに切り替わる。

（Ｂ）比較判定部 上限比較回路34は、各ディジタル信号Ｄ［HPLF］,D［HP
LC］をそれぞれ所定の上限基準値SFU,SCUと比較するも
ので、前者が後者よりも小さいときに“0"のOK信号を出
力しその逆の場合つまり前者が後者より大きいときに
“1"のNG信号を出力する。上限比較回路34より出力され
たOK信号もしくはNG信号は判定部38に供給される。この
判定部38は、OK信号,NG信号をそれぞれ計数するカウン
タを含みそれらの計数値に基づいた判定結果を判定表示
部42に与える。しかして、例えばNG信号の計数値が所定
値に達すると、警報ないし作業中止の判定結果が出され
る。

また下限比較回路36は、各ディジタル信号Ｄ［HPLF］,D
［HPLC］をそれぞれ所定の下限基準値SFL,SCLと比較す
るもので、前者が後者よりも大きいときに“0"の比較結
果信号をOK信号として出力し、その逆の場合つまり前者
が後者より小さいときに“1"の比較結果信号をNG信号と
して出力する。下限比較回路36より出力された比較結果
信号OK信号もしくはNG信号は判定部40に供給される。こ
の判定部40は、上記判定部38と同様に、OK信号,NG信号
をそれぞれ計数するカウンタを含み、それらの計数値に
基づいた判定結果を判定表示部42に与え、例えばNG信号
の計数値が所定値に達すると警報ないし作業中止の判定
結果が出される。

このような比較判定部の動作は、タイミング回路24から
のタイミング信号TS3またはTS4に同期してA/D変換後の
所定時間TdまたはTg中に行われる（第２図g,第３図
ｆ）。

（Ｃ）異常モニタ部 第１図に示すようなレーザ加工装置では、レーザ発振器
102内に故障が生じて、レーザ電源100から励起用ランプ
電流FIまたはCIが与えられても、実際にはレーザ発振が
起きないことがある。また、光ファイバ108や出射ユニ
ット110等の光伝送系で異常（例えばファイバ断線）が
生じると、レーザ発振器102からレーザ光FLBまたはCLB
が発せられても、実際には出射ユニット110からレーザ
光FLBWまたはCLBWが出射されず、所期の加工が行われな
いことになる。

従来、上述のような事態を検出しない判定するモニタ装
置はなかった。そこで、本実施例は、以下に説明するよ
うに、レーザ発振の異常および光伝送系の異常の検出，
判定を行う異常モニタ手段を提供する。

先ず、レーザ発振の異常の検出，判定を行う異常モニタ
手段について説明すると、第１図において、スイッチ14
の出力端子はタイミング回路24に接続され、これにより
光検出器10からのレーザ光検出信号PLFまたはPLCはタイ
ミング回路24にも供給される。そして、タイミング回路
24は、レーザ光検出信号PLFまたはPLCを受けると、それ
に応答した所定のタイミング信号TS5を異常事態検出回
路70に送る。

一方、レーザ電源100より励起用ランプ電流FIまたはCI
の出力開始時にスタートタイミング信号ATが異常事態検
出回路70に送られる。しかして、異常事態検出回路70で
は、スタートタイミング信号ATを受け取ってから所定時
間内にタイミングTS5が来れば“0"のOK信号を出力し、
そうでなければ“1"のNG信号を出力する。判定回路72
は、そのようなOK信号,NG信号を計数するカウンタ等を
含み、モニタ状況を判定表示部42に送る。したがって、
例えばレーザ発振器102の故障でパルスレーザ光FLBnが
出力されなかったときには、光検出器10からレーザ光検
出信号PLFまたはPLCが発生せず、したがってタイミング
回路24からタイミング信号TS5が発生しないので、異常
事態検出回路70からNG信号（“1"）が出力されることに
なり、レーザ発振の異常が検出される。

次に、光伝送系の異常の検出，判定を行う異常モニタ手
段について説明すると、第１図においてレーザ加工装置
の光ファイバ108から分岐する光ファイバ50が設けら
れ、その光ファイバ50の終端は光コネクタ52を介してレ
ンズ54に向けられる。レンズ54の後方にはガラス板56お
よび光吸収体58が配置され、これにより光コネクタ52か
ら出たレーザ光FLBW′またはCLBW′の大部分がガラス板
56を通って光吸収体58に吸収される。しかし、ガラス板
56でレーザ光FLBW′またはCLBW′の一部が反射され、こ
の反射光はNDフイルタからなる減衰器60,レンズ62を通
って例えばPINフォトダイオードからなるレーザ光検出
器64に受光される。

そして、レーザ光検出器64の出力信号JLFまたはJLCは増
幅器66,スイッチ68を通ってタイミング回路24に供給さ
れる。タイミング回路24では、レーザ光検出器64からの
信号JLFまたはJLCを受けると、それに応答した上記タイ
ミング信号TS5を異常事態検出回路70に送る。一方、上
述のようにレーザ電源100より励起用ランプ電流FIまた
はCIの出力開始時にスタートタイミング信号ATが異常事
態検出回路70に送られてくるので、異常事態検出回路70
は、スタートタイミング信号ATが受けてから所定時間内
にタイミングTS5が来れば“0"のOK信号を、そうでなけ
れば“1"のNG信号を判定回路72に送る。したがって、レ
ンズ106から光ファイバ108にレーザ光が入らなかったと
きには、レーザ光検出器64の出力信号JLFまたはJLCが発
生せず、タイミング回路24からタイミング信号TS5が発
生しないので、異常事態検出回路70からNG信号（“1"）
が出力されることになり、異常が検出される。

なお、スイッチ68は、前記のようにスイッチ14と連動
し、通常モニタモード時には開き、光伝送系モニタモー
ド時には閉成する。

実施例の特徴 上述のように、本実施例では、パルスレーザ光も連続波
レーザ光もそれぞれ所定時間毎にレーザ出力測定値が逐
一得られ、詳しい測定データが得られる。また、測定デ
ータがディジタル信号として与えられるので、表示の他
に解析，記録，プリントアウト等の多様な測定処理が可
能である。

また、レーザ出力が所定の上下限値を越えたときにはNG
信号が出されるので、パルスレーザ光であれ連続波レー
ザ光であれ、そのレーザ出力の変動を即座に知ることが
できる。

さらに、異常モニタ手段が備えられ、実際にレーザ発振
したかどうか、あるいはレーザ光が実際に光ファイバに
入射したかどうか等を確認することができ、異常事態が
起これば直ちにそれを検出して迅速な処置を取ることが
可能である。

なお、本実施例の動作の説明において、繰り返しパルス
レーザ光FLB（第２図ａ）を例にあげたが、理解される
ように、単一パルスレーザ光についても同様な動作が行
われ、同様な作用が奏される。

変形例 上述した実施例において、スイッチ14,68を省略または
常時閉成状態にして通常モニタと光伝送系モニタとを同
時に行ってもよい。

また、光伝送系モニタの光ファイバ50を光ファイバ108
の終端部（出射ユニット110側端部）から分岐させても
よく、その場合には光ファイバ108の断線事故を検出す
ることもできる。

また、上述した実施例はレーザ加工装置に係るものであ
るが、本発明は他のレーザシステムにも適用可能であ
る。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、パルスレーザ光に対し
ては各パルス毎にレーザ出力測定値が得られるので応答
速度が極めて高く、高速繰り返しのパルスレーザ光であ
っても迅速に追随できる。

また、連続波レーザ光に対しては所定の周期毎に測定値
データが得られるので、従来の平均値測定と比較してよ
り精細であり、例えばレーザ出力量の変動の様子を観測
することも可能である。

そして、パルスレーザ光と連続波レーザ光に対する測定
方式，構成が共通しているため、本発明のレーザモニタ
装置１台でパルスレーザ光も連続波レーザ光も測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるレーザモニタ装置の
構成、およびそのレーザモニタ装置を使用するレーザ加
工装置の主要な構成を示すブロック図、 第２図は、パルスレーザ光に対する上記レーザモニタ装
置の動作を説明するためのタイミング図および 第３図は、連続波レーザ光に対する上記レーザモニタ装
置の動作を説明するためのタイミング図である。 10……光検出器、14,16,26……スイッチ、18……積分回
路、20,22……サンプル・ホールド回路、24……タイミ
ング回路、28…アナログ−ディジタル変換回路、30……
測定データ出力回路、32……測定値表示部、34……上限
比較回路、36……下限比較回路、38,40……判定回路、5
0……光ファイバ、64……レーザ光検出器、70……異常
事態検出回路、72……判定回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光発生手段より出力される連続波の
   レーザ光およびパルス状のレーザ光を切り替えて検出す
   るレーザ光検出手段と、 パルスレーザ光の発生時に前記レーザ光検出手段より得
   られたレーザ出力量検出信号を前記パルスレーザ光の各
   パルス期間毎に逐次時間積分して積分値信号を出力する
   積分手段と、 前記積分手段からの前記積分値信号を前記パルスレーザ
   光の周期に同期したタイミングで逐次サンプリングして
   サンプリング積分値を出力する第１のサンプリング手段
   と、 前記第１のサンプリング手段からの前記サンプリング積
   分値を逐次読み取り、そのサンプリング積分値に基づい
   て前記パルスレーザ光のレーザ出力量を表す第１のレー
   ザ光測定データを得る第１の読取手段と、 連続波レーザ光の発生時に前記レーザ光検出手段より得
   られたレーザ出力量検出信号を所定の周期のタイミング
   でサンプリングしてサンプリングレーザ出力量検出値を
   出力する第２のサンプリング手段と、 前記第２のサンプリング手段からの前記サンプリングレ
   ーザ出力量検出値を逐次読み取り、そのサンプリングレ
   ーザ出力量検出値に基づいて前記連続波レーザ光のレー
   ザ出力量を表す第２のレーザ光測定データを得る第２の
   読取手段と、 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】前記第１の読取手段より得られた第１のレ
   ーザ光測定データまたは前記第２の読取手段より得られ
   た第２のレーザ光測定データをそれぞれ基準値と比較し
   て所定の判定を出す比較判定手段を備える特許請求の範
   囲第１項に記載のレーザモニタ装置。
3. 【請求項３】前記レーザ発生手段における励起動作に同
   期して所定の時間期間中に前記レーザ光検出手段より所
   定のレーザ出力量検出信号が発生されたかどうかを監視
   するレーザ発生判定手段を備える特許請求の範囲第１項
   に記載のレーザモニタ装置。
4. 【請求項４】前記レーザ発生手段より出力されたレーザ
   光を伝送して所定の場所で出射する光伝送系における前
   記レーザ光を検出するための光伝送系用レーザ光検出装
   置と、前記レーザ発生手段における励起動作に同期して
   所定の時間期間中に前記光伝送系用レーザ光検出手段よ
   り所定のレーザ出力量検出信号が発生されたかどうかを
   監視する判定手段とを有する光伝送系異常モニタ手段を
   備える特許請求の範囲第１項に記載のレーザモニタ装
   置。