(57)【要約】【課題】  光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側のレーザ出力状態や加工状態等をインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させること。【解決手段】  レーザ加工機本体１０内のレーザ発振器１０ａで生成されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ１４を通ってレーザ加工ヘッド１２より被加工物Ｗの加工点ＷＰに向けて集光照射される。レーザ加工ヘッド１２の上面には、レーザ伝送用の光ファイバ１４、モニタリング用のレーザ光検出器２０、反射光検出器２２及びＣＣＤカメラ２４が取り付けられている。モニタ装置本体１６は、レーザ光検出器２０、反射光検出器２２及びＣＣＤカメラ２４より光強度検出信号ＳL，ＳR及び画像信号ＳVを受け取り、、加工点ＷＰにおけるレーザ光ＬＢのレーザ出力状態や、加工点ＷＰにおける加工状態等に関するモニタリング情報をディスプレイ１６ｂに表示出力する。【選択図】  図１
2007054881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、
前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、
前記被加工物の加工点付近を撮像するために前記レーザ加工ヘッドに取り付けられたカメラと
を有するレーザ加工モニタリング装置。
【請求項２】
前記レーザ光測定部より出力された前記レーザ光の光強度を表す第１の電気信号に基づいて、前記レーザ加工ヘッドより前記被加工物の加工点に照射される直前の前記レーザ光のレーザパワーに関するモニタリング情報を生成する第１の信号処理部を有する請求項１に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項３】
前記反射測定部より出力された前記反射光の光強度を表す第２の電気信号に基づいて、前記加工点におけるレーザパワーの状態に関するモニタリング情報を生成する第２の信号処理部を有する請求項１または請求項２に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項４】
前記カメラより出力された映像信号に基づいて前記被加工物の加工点付近を写す画像を表示するディスプレイを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項５】
前記第１の信号処理部、前記第２の信号処理部および前記ディスプレイを１つのユニットに具備したモニタ装置本体を有する請求項４に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項６】
前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光を前記被加工物の加工点に集光させるために前記レーザ加工ヘッド内に設けられる光学レンズと、
前記レーザ加工ヘッド内で前記光学レンズと前記カメラとの間に配置され、前記光ファイバの終端面からの前記レーザ光を前記光学レンズに向けて反射するとともに、前記被加工物の加工点側からの可視光を前記カメラに向けて透過させる第１のミラーと
を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項７】
前記光学レンズと前記カメラとを同軸上に配置する請求項６に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項８】
前記光ファイバの終端部を取り付けるための光ファイバ接続部が、前記カメラから前記光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置で前記レーザ加工ヘッドに設けられる請求項７に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項９】
前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光を前記第１のミラーに向けて反射するために前記レーザ加工ヘッド内に設けられる第２のミラーを有する請求項８に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項１０】
前記レーザ光測定部が、前記カメラから前記光ファイバ接続部とは反対側に前記光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置で前記レーザ加工ヘッドに設けられる請求項８または請求項９に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項１１】
前記レーザ光に対応する前記第１のミラーの裏側に漏れる光を前記レーザ光測定部の受光面に向けて反射するために前記レーザ加工ヘッド内に設けられる第３のミラーを有する請求項１０に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項１２】
前記反射光測定部が、前記カメラから前記光ファイバ接続部とは直交する側に前記光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置で前記レーザ加工ヘッドに設けられる請求項８〜１１のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項１３】
前記第１のミラーを透過した所定の非可視光を前記反射光測定部の受光面に向けて反射するために前記レーザ加工ヘッド内に設けられる第４のミラーを有する請求項１２に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いるレーザ加工のモニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力レーザは、溶接、切断あるいは表面処理等の加工業の分野で広く利用されている。特にレーザ溶接加工は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物（ワーク）に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能になることから、ますますその重要性を高めている。また、光ファイバを利用した遠隔でのレーザ溶接も可能であり、レーザ発振器からたとえば３０ｍ〜５０ｍも離れた遠隔の場所で溶接加工が行われることもめずらしくない。一般のレーザ溶接機は、本体に内蔵のレーザ発振器より発振出力されたレーザ光のレーザ出力をモニタリングする機能が備わっており、レーザ発振器に異常があればレーザ出力のモニタリングを通じて即時にその事態を検知できるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、遠隔でのレーザ加工にあっては、レーザ発振器より発振出力されたレーザ光が入射ユニット、光ファイバおよびレーザ加工ヘッド等の光学系を経て遠隔の場所で被加工物へ照射されるため、レーザ光路上の何処かの光学部品に生じた汚れや損傷・劣化によって被加工物の加工点でのレーザ出力が異常に低下していても本体側はそれを把握できない。このため、加工後の検査（外観検査、破壊検査または非破壊検査等）に至ってはじめて不良を発見するはめになり、生産管理の面で（不良品の多発等の）問題がある。また、各部のメンテナンス（チェック、清掃、修理、部品交換等）を短いサイクルで定期的に行う対処法は、メンテナンス作業のために生産ラインを頻繁にストップしなければならず、生産効率の面で問題がある。また、従来より、レーザ加工ヘッドから出射されたレーザ光の出力状態をレーザパワーメータによる計測でモニタリングすることも行われている。しかし、この方法も、レーザ加工を止めて実施されるものであり、やはり生産性を下げるという不利点がある。
【０００４】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側の実際のレーザ出力状態や加工状態あるいは光学系の状態等を信頼性の高いインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させるレーザ加工モニタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、前記被加工物の加工点付近を撮像するために前記レーザ加工ヘッドに取り付けられたカメラとを有する。
【０００６】
上記の構成においては、レーザ加工ヘッド内でレーザ光が出射される直前の光強度（レーザ出力）をレーザ光測定部で測定し、かつ被加工物の加工点からの反射光の光強度を反射光測定部で測定することで、光ファイバを含むレーザ光学系の状態や被加工物の加工点に照射される前後のレーザ出力状態あるいは加工点の加工状態をインラインで適確に監視することができる。すなわち、レーザ光測定部の測定結果から異常が検出されたなら、その原因はレーザ照射ユニットの手前の光学系にあるとのモニタリング情報を得ることができ、レーザ光測定部の測定からは異常が検出されず、反射光測定部の測定から異常が検出されたときはレーザ照射ユニット内の光学系または光学部品あるいは被加工物に原因があるとのモニタリング情報を得ることができる。しかも、レーザ加工ヘッドに搭載のカメラが被加工物の加工点付近を撮像し、可視的なモニタリング情報（画像情報）を提供するので、より適確なインラインの監視を可能とする。
【０００７】
本発明の好適な一態様によれば、レーザ光測定部より出力されたレーザ光の光強度を表す第１の電気信号に基づいてレーザ加工ヘッドより被加工物の加工点に照射される直前のレーザ光のレーザパワーに関するモニタリング情報を生成する第１の信号処理部、および／または反射測定部より出力された反射光の光強度を表す第２の電気信号に基づいて加工点におけるレーザパワーの状態に関するモニタリング情報を生成する第２の信号処理部が設けられる。また、ビデオカメラより出力された映像信号に基づいて被加工物の加工点付近の画像を表示するディスプレイが設けられる。好ましくは、モニタ装置本体が、これら第１、第２の信号処理部およびディスプレイを１つのユニットに備える。
【０００８】
好適な一態様によれば、レーザ加工ヘッド内に、光ファイバの終端面から出たレーザ光を被加工物の加工点に集束させるための光学レンズと、この光学レンズとカメラとの間に配置され、光ファイバの終端面からのレーザ光を光学レンズに向けて反射するとともに、被加工物の加工点側からの可視光をカメラに向けて透過させる第１のミラーが設けられる。また、光ファイバの終端面から出たレーザ光を第１のミラーに向けて反射するための第２のミラー、レーザ光に対応する第１のミラーの裏側に漏れる光をレーザ光測定部の受光面に向けて反射するための第３のミラー、さらには第１のミラーを透過した所定の非可視光を反射光測定部の受光面に向けて反射するための第４のミラーが設けられる。
【０００９】
また、好適な一態様によれば、レーザ加工ヘッドにおいて、カメラが上記レーザ集束用の光学レンズと同軸上に配置される。光ファイバの終端部を取り付けるための光ファイバ接続部は、カメラから光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置でレーザ加工ヘッドに設けられる。レーザ光測定部は、ビデオカメラから光ファイバ接続部とは反対側に光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置に設けられる。また、反射光測定部が、カメラから光ファイバ接続部とは直交する側にレーザ集束用の光学レンズの光軸と平行にオフセットした位置に設けられる。このように、光ファイバ、レーザ光測定部、反射光測定部および／またはカメラをレーザ加工ヘッドの同じ面に並列的に取付する構成においては、光ファイバや信号線をヘッド上方に集約して架空配線ないし敷設することができるため、加工ヘッドの取付または搭載が簡単であり、加工場所付近のスペース効率や使い勝手が改善され、加工ヘッド自体のメンテナンス性やレーザ漏れ時の安全性も向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザ加工ヘッドまたはレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、光ファイバ伝送方式において被加工物の加工点に照射される前後のレーザ出力状態や加工点の加工状態さらにはレーザ光学系の状態等をインラインで適確にモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１２】
図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタリング装置の適用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、基本構成として、レーザ加工用のレーザ光（たとえばパルスレーザ光）ＬＢを発振出力するレーザ発振器１０ａを内蔵するレーザ加工機本体１０と、所望の加工場所に配置されるレーザ加工ヘッド１２と、レーザ加工機本体１０とレーザ加工ヘッド１２とを光学的に結ぶ光ファイバ１４と、モニタリング用の所要の信号処理や表示出力等を行うモニタ装置本体１６と、システム全体のシーケンスを制御するコントローラ１８とを有する。
【００１３】
このレーザ加工装置において、レーザ加工機本体１０内のレーザ発振器１０ａで生成または発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ１４を通って遠隔のレーザ加工ヘッド１２まで伝送され、レーザ加工ヘッド１２よりワーク（被加工物）Ｗの加工点ＷＰに向けて集光照射される。たとえば溶接加工の場合、ワークＷの加工点ＷＰでは、互いに重ね合わされた（または突き合わされた）２つの部材がレーザ光ＬＢのレーザエネルギーにより溶融接合する。モニタ装置本体１６は、後述するレーザ加工ヘッド１２に取り付けられているモニタリング用のレーザ光検出器２０、反射光検出器２２およびＣＣＤカメラ２４より光強度検出信号ＳL，ＳRおよび画像信号ＳVを受け取り、インラインでレーザ伝送路上の光学部品の状態、加工点ＷＰにおけるレーザ光ＬＢのレーザ出力状態、加工点ＷＰにおける加工状態等に関するモニタリング情報を文字および画像の形態で表示出力するようになっている。
【００１４】
レーザ発振器１０ａは、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ等のような固体レーザのレーザ発振器あるいは炭酸ガスレーザ等のガスレーザのレーザ発振器を有している。レーザ加工機本体１０には、レーザ発振器１０ａより出射されたレーザ光ＬＢを光ファイバ１４の一端面に集光入射させる入射ユニット（図示せず）や、光ファイバ１４に入射する直前のレーザ光ＬＢのレーザ出力を測定するレーザ出力測定部（図示せず）等も設けられている。光ファイバ１４は、たとえば任意のマルチモード光ファイバでよい。
【００１５】
レーザ加工ヘッド１２は、たとえばアルミニウムからなる中空のハウジングまたはヘッド本体２６を有し、このヘッド本体２６内の所定位置に後述する光学レンズやミラー等を配置している。このヘッド本体２６において、ワークＷの加工点ＷＰと向き合う本体下面にはレーザ出射口２８が設けられ、このレーザ出射口２８とは反対側の本体上面には光ファイバ１４の終端部よりレーザ光を出射させるための光ファイバ出射部３０および上記モニタリング用のレーザ光検出器２０、反射光検出器２２およびＣＣＤカメラ２４が取り付けられている。
【００１６】
図２〜図４に、この実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の具体的な構成を示す。図２の平面図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は図２のIV−IV線断面図である。
【００１７】
図３および図４に示すように、このレーザ加工ヘッド１２においては、ヘッド本体２６の下面中心部から下方に延びる筒部３２が形成され、この筒部３２の下端部に位置するレーザ出射口２８に保護ガラス３６が取り付けられ、この保護ガラス３６の内奥近傍に集束レンズ３８が配置されている。
【００１８】
集束レンズ３８の直上にはヘッド本体２６内部のほぼ中心位置にてベントミラー４０がその反射面４０ａをたとえば４５°の角度で斜め下方に向けて配置され、その直上にはベントミラー４２およびビデオレンズ４４が配置され、さらにその直上にＣＣＤカメラ２４が配置されている。
【００１９】
図３に示すように、ヘッド本体２６の上面には、集束レンズ３８と同軸上にＣＣＤカメラ２４が取り付けられ、ＣＣＤカメラ２４から一方向（図２、図３では右側）に集束レンズ３８の光軸と平行にオフセットした位置で、筒状の光ファイバ出射部３０が垂直上方に延びている。この光ファイバ出射部３０の上端には、光ファイバ１４の終端部を着脱可能に受けるコネクタまたはレセプタクル４６が設けられている。
【００２０】
光ファイバ出射部３０の内部には、光ファイバ１４の終端面１４ａから放射状に出たレーザ光ＬＢを平行光にするためのコリメートレンズ４８が配置されるとともに、このコリメートレンズ４８の真下にベントミラー５０がその反射面５０ａをたとえば４５°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー５０の反射面５０ａはベントミラー４０の反射面４０ａと光学的に対向しており、光ファイバ１４の終端面１４ａからのレーザ光ＬＢはベントミラー５０で光路を垂直方向から水平方向に直角に曲げてからベントミラー４０に入射し、ベントミラー４０で光路を水平方向から垂直下方に直角に曲げて集束レンズ３８に入射するようになっている。集束レンズ３８は、ワークＷの加工点ＷＰにレーザ光ＬＢを集光させる。
【００２１】
ヘッド本体２６の上面には、ＣＣＤカメラ２４から光ファイバ出射部３０とは反対側（図２、図３では左側）に集束レンズ３８の光軸と平行にオフセットした位置に、レーザ光検出器２０がその受光面２０ａを垂直下方に向けて取り付けられている。このレーザ光検出器２０の真下には、ベントミラー５２がその反射面５２ａをたとえば４５°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー５２の反射面５２ａはベントミラー５０の反射面５０ａとベントミラー４０を介して光学的に対向しており、光ファイバ１４の終端面１４ａからのレーザ光ＬＢがベントミラー４０で反射する際にベントミラー４０の後方（左方）へ漏れた光ＭLBがベントミラー５２に入射し、ベントミラー５２で光路を水平方向から垂直上方に直角に曲げてレーザ光検出器２０の受光面２０ａに入射するようになっている。ベントミラー４０とベントミラー５２との間には、たとえばセラミックからなる光拡散板５４が配置されている。光拡散板５４とレーザ光検出器２０との間の光通路５６は円筒（横断面が円形のトンネル）に形成されている。
【００２２】
レーザ光検出器２０は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、ベントミラー４０から水平方向の後方に漏れるレーザ光ＬＢの一部または漏れ光ＭLBを受光してその光強度を表す電気信号ＳLを発生する。ここで、漏れ光ＭLBの光強度は、光ファイバ１４の終端面１４ａより出射された直後のレーザ光ＬＢの光強度またはレーザ出力ＰLと一定の比例関係にある。レーザ光検出器２０の出力信号（レーザ光強度検出信号）ＳLは信号線５８を介してモニタ装置本体１６へ送られる。
【００２３】
ヘッド本体２６の上面には、ＣＣＤカメラ２４から光ファイバ出射部３０およびレーザ光検出器２０と直交する側に集束レンズ３８の光軸と平行にオフセットした位置に、反射光検出器２２がその受光面２２ａを垂直下方に向けて取り付けられている。図４に示すように、反射光検出器２２の真下には、ベントミラー６０がその反射面６０ａをたとえば４５°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー６０の反射面６０ａはベントミラー４２の反射面４２ａと光学的に対向しており、ベントミラー４２はその反射面４２ａをたとえば４５°の角度で斜め下方に向けて配置されている。ワークＷの加工ポイントＷＰから光学レンズ３８およびベントミラー４０を透過してきた所定波長（たとえばレーザ光ＬＢと同じ波長）の反射光ＲLBが、ベントミラー４２で光路を垂直上方から水平方向（図４では左方）に直角に曲げてベントミラー６０に入射し、ベントミラー６０で光路を水平方向から垂直上方に直角に曲げて反射光検出器２２の受光面２２ａに入射するようになっている。ベントミラー４２とベントミラー６０との間には、たとえばセラミックからなる光拡散板６２が配置されている。光拡散板６２と反射光検出器２２との間の光通路６４は円筒（横断面が円形のトンネル）に形成されている。
【００２４】
反射光検出器２２は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、ベントミラー４２，６０からの反射光ＲLBを受光してその光強度を表す電気信号ＳRを発生する。ここで、反射光ＲLBの光強度は、ワークＷの加工点ＷＰにおける表面反射率、溶け込み具合等にも依存するが、少なくとも加工点ＷＰにおけるレーザ出力とは一定の比例関係にある。反射光検出器２８の出力信号（反射光強度検出信号）ＳRは信号線６６を介してモニタ装置本体１６へ送られる。
【００２５】
ＣＣＤカメラ２４は、ビデオレンズ４４、ベントミラー４２，４０、光学レンズ３８および保護ガラス３６を通して、被加工物Ｗの加工点ＷＰおよびその周囲を撮像する。すなわち、加工点ＷＰ付近からの可視光ＬWPが保護ガラス３６、光学レンズ３８、ベントミラー４０，４２およびビデオレンズ４４を通り抜けてＣＣＤカメラ２４の受光面に入射し、ＣＣＤカメラ２４のＣＣＤ素子により光電変換される。ビデオレンズ４４は、加工点ＷＰからの可視光ＬWPをＣＣＤカメラ２４の受光面に集光させるための集光レンズである。焦点合わせのために、外側のローレット７０を回転させることによりビデオレンズ４４の位置を光軸方向で調整できるようになっている。ＣＣＤカメラ２４は、被加工物Ｗの加工点ＷＰ付近の画像を表すたとえばＮＴＳＣ方式の画像信号ＳVを生成する。この画像信号ＳVは信号線６８を介してモニタ装置本体１６へ送られる。
【００２６】
図１において、モニタ装置本体１６は、正面のパネルにキーまたはボタン類を含む入力部１６ａや液晶パネル等のディスプレイ１６ｂを備えるとともに、本実施形態のモニタリングに必要な各種演算処理を行う電子回路を内蔵している。このモニタ装置本体１６内蔵の電子回路は、たとえばマイクロコンピュータや周辺回路を含み、機能的には図５に示すように制御部７２、レーザ光計測演算部７４、反射光計測演算部７６、比較部７８，８０、モニタ区間設定部８２、演算区間設定部８４等を有している。制御部７２は、パネル入力部１６ａおよびディスプレイ１６ｂを通じてユーザとマン・マシン・インタフェースを行うほか、レーザ溶接機本体１０でレーザ光ＬＢが発振出力される度に本体１０より同期用のタイミング信号を受け取り、コントローラ１８からはレーザ加工条件または条件番号を受け取って、ユニット内の各部に所要の制御信号またはデータを与える。
【００２７】
図５において、レーザ光計測演算部７４は、レーザ照射ユニット１２に搭載のレーザ光検出器２０より送られてくる光強度検出信号ＳLを基に、レーザ加工ヘッド１２内で光ファイバ１４の終端面より出射された直後のレーザ光ＬＢの光強度測定値ＰLを求める。一般に、レーザ溶接用のレーザ光ＬＢは、図６の（ａ）に示すように略矩形のレーザ出力波形を有するパルスレーザ光として発振出力される。このようなパルスレーザ光ＬＢを光ファイバ１４に通すと、図６の（ｂ）に示すように振幅または光強度（レーザ出力）がファイバ伝送中に減衰するものの、光ファイバ１４から出た直後も略矩形のレーザ出力波形は大体維持されている。レーザ光計測演算部７４は、レーザ光検出器２０からの光強度検出信号ＳLのピーク値または平均値を求め、それに所定の係数を乗じてレーザ光ＬＢのファイバ出射直後の光強度測定値ＰLを求める。レーザ光計測演算部７４で得られたレーザ光強度測定値ＰLは、制御部７２に与えられるとともに、両比較部７８，８０にも与えられる。制御部７２は、レーザ光計測演算部７４からのレーザ光強度測定値ＰLをそのままディスプレイ１６ｂに表示出力してもよい。
【００２８】
比較部７８には、制御部７２より比較基準値ＡＰLと判定基準値Ｊとが与えられる。ここで、比較基準値ＡＰLは、コントローラ１８より与えられるレーザ光ＬＢのレーザ出力設定値、あるいはレーザ加工機本体１０のレーザ出力測定部より与えられるレーザ光ＬＢのレーザ出力測定値に対応している。比較部７８は、比較基準値ＡＰLに対するレーザ光強度測定値ＰLの割合または比率（ＰL／ＡＰL）を求め、その比率（ＰL／ＡＰL）と判定基準値Ｊとを比較する。制御部７２は、比較部７８からの比較結果を受け、比率（ＰL／ＡＰL）＞Ｊのときはレーザ加工ヘッド１２内で光ファイバ１４の終端面より出射された直後のレーザ光ＬＢのレーザ出力が基準値を超えている、つまり正常と判定し、比率（ＰL／ＡＰL）≦Ｊのときは該レーザ光ＬＢのレーザ出力は基準値よりも低下している、つまり異常であると判定する。
【００２９】
このようにレーザ光検出器２０にてレーザ出力の異常低下が検出されるときは、レーザ発振元のレーザ発振器１０ａからレーザ加工ヘッド１２内のベントミラー４０に至るレーザ伝送路上の光学部品の何れかに許容度を超える汚れ・損傷・劣化等がある場合である。レーザ発振器１０ａ回りに異常があれば、レーザ加工機本体１０内のレーザ出力測定部によるモニタリングで検出される。本体１０側の異常でなければ、通常は、ベントミラー５０，４０に汚れ・損傷・劣化等は殆ど発生しないので、光ファイバ１４の何処かに原因（主に損傷・劣化）があると断定ないし推定することができる。制御部７２は、ディスプレイ１６ｂを通じて判定結果を表示出力し、異常の判定結果を出すときは適当な警報またはメッセージを発してもよい。さらにコントローラ１８にも判定結果を送ることができる。
【００３０】
反射光計測演算部７６は、レーザ加工ヘッド１２に搭載の反射光検出器２２より送られてくる光強度検出信号ＳRを基に、レーザ溶接中にワークＷの加工点ＷＰから加工ヘッド１２側へ放射された反射光ＲLBの光強度測定値ＰRを求める。一般に、この種の反射光ＲLBは、図６の（ｃ）に示すように矩形から相当崩れたレーザ出力波形として検知される。この実施形態では、モニタ区間設定部８２および演算区間設定部８４が設けられており、ユーザがパネル入力部１６ａを通じて所望のモニタ区間ＴMよび演算区間ＴCを任意に設定入力できるようになっている。  
【００３１】
モニタ区間ＴMは、たとえば、図７および図８に示すように１個（単ショット）のパルスレーザ光のみを含む期間に設定することも可能であれば、図９および図１０に示すように複数個（複数ショット）のパルスレーザ光を含む期間に設定することも可能である。後者（複数ショット）の場合は、パルス列全体（一括）で良否判定の評価を行うことも可能である。演算区間ＴCは、パルスレーザ光の立ち上がりエッジ（ｔa）より所望時間後の第１の時点（ｔb）から立ち下がりエッジ（ｔd）よりも所望時間前の第２の時点（ｔc）までの区間（ｔa〜ｔb）として設定することができる。実際、ワークＷからの反射光ＲLBは、パルスレーザ光の立ち上がり時にはワーク表面状態の影響を受けて不安定なオーバーシュート波形を示し、それが落ち着いた後に本来のレーザ出力に応じた反射光強度を示す。反射光計測演算部７６は、制御部７２（あるいはユーザ）からの指示にしたがい、反射光ＲLBの光強度測定値ＰRを求めるために、演算区間ＴCでたとえば積分値ＥRあるいは平均値ＰAVを演算する。積分値ＥRは、当該パルスレーザ光のレーザエネルギー（ジュール）に相当する。平均値ＰAVは、光強度検出信号ＳRを適当な周期でサンプリングして相加平均としてよい。図示省略するが、演算区間ＴC内の最大値またはピーク値をもって光強度測定値ＰRとすることもできる。１パルス毎のモニタリングと複数ショット分のモニタリングとは、基本的にはユーザの設定するモニタ区間ＴMの長さが違うだけであり、アルゴリズムやハードウェアまたはソフトウェアで特別な切り替えを要しない。
【００３２】
反射光計測演算部７６で得られた光強度測定値ＰRは、制御部７２に与えられるとともに比較部８０にも与えられる。制御部７２は、反射光計測演算部７６からの光強度測定値ＰRをそのままディスプレイ１６ｂに表示出力してもよい。比較部８０には、上記のように反射光計測演算部７６から光強度測定値ＰRを与えられ、制御部７２からは加工部正常／異常判定用の判定基準値Ｄおよび溶接良否判定用の判定基準値Ｆや所要の係数Ｋを与えられる。ここで、係数Ｋは、レーザ加工条件（特にワークＷの材質等）に応じて設定される。溶接良否判定用の判定基準値Ｄは、コントローラ１８より与えられるレーザ光ＬＢのレーザ出力設定値、あるいは溶接機本体１０のレーザ出力測定部より与えられるレーザ光ＬＢのレーザ出力測定値に対応したものでよく、上限値ＦHおよび下限値ＦLとして設定されてよい。
【００３３】
加工部正常／異常判定のために、比較部８０は、光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値ＰLBに対する反射光強度測定値ＰRの割合または比率（ＰR／ＰLB）を求め、その比率（ＰR／ＰLB）を判定基準値Ｄと比較する。制御部７２は、比較部８０からの比較結果を受け、比率（ＰR／ＰLB）＞Ｄのときはレーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ出力が基準値または閾値を超えている、つまり加工部は正常（異常なし）であると判定し、比率（ＰR／ＰLB）≦Ｄのときはレーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ出力が基準値または閾値よりも低下している、つまり加工部に異常ありと判定する。
【００３４】
このように加工部に異常ありと判定されるときは、ワークＷの状態（特に表面状態）に異常があるか、あるいはレーザ加工ヘッド１２内の光路上の光学部品つまりベントミラー５０，４０，４２、集束レンズ３８および保護レンズ３６のいずれかに許容度を超える汚れ・損傷・劣化等がある場合である。いずれにしても、レーザ加工をいったん停止して加工部の検査を行うべき場面である。
【００３５】
ワークＷ側の異常が想定できないときは、光学部品側に原因があると断定ないし推定できる。通常、加工ヘッド１２に内蔵されているベントミラー５０，４０，４２や集束レンズ３８に原因（汚れ・損傷・劣化等）があることはめったになく、ワークＷと向き合う保護レンズ３６が汚れているケースが原因の殆どである。一般に、保護レンズ３６の汚れは経時的に増大する。したがって、比率（ＰR／ＰLB）が経時的に低下する様子をモニタリングすることも可能である。制御部７２は、ディスプレイ１６ｂを通じて検査や点検を促す判定結果を表示出力し、異常の判定結果を出すときは適当な警報またはメッセージを発してもよい。さらに、コントローラ１８に判定結果を送ってもよい。
【００３６】
溶接良否判定のために、比較部８０は、反射光強度測定値ＰRを判定基準値Ｆ（上限値ＦHおよび下限値ＦL）と比較する。制御部７２は、比較部８０からの比較結果を受け、ＦL＜ＰR＜ＦHのときはレーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ出力が正常範囲内にあり溶接良好と判定し、ＰR≦ＦLまたはＰR≧ＦHときはレーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ出力が正常範囲外にあり、溶接不良と判定する。制御部７２は、溶接良否についての判定結果をディスプレイ１６ｂを通じて表示出力したり、コントローラ１８に送る。さらに、レーザ出力フィードバック制御のために判定結果あるいは反射光強度測定値ＰRをレーザ溶接機本体１０に送ることもできる。
【００３７】
上記の装置機能においては、加工部正常／異常判定のために、比較部８０において光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値ＰLBと反射光強度測定値ＰRとの比率（ＰR／ＰLB）を求めて判定基準値Ｄと比較した。しかし、別の手法として、レーザ光強度測定値ＰLBおよび反射光強度測定値ＰRのいずれもレーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザパワー状態と一定の関係にある点を利用して、レーザ光強度測定値ＰLBおよび反射光強度測定値ＰRの両面から加工点のレーザパワー状態を総合的または複合的に評価することも可能である。
【００３８】
さらに、このモニタ装置本体１６では、ＣＣＤカメラ２４から信号線６８を介して送信されてきた画像信号ＳVを受信して所要の映像信号処理を行い、ディスプレイ１６ｂに表示出力する映像信号処理回路および表示出力回路がたとえば制御部７２内に設けられている。これにより、ディスプレイ１６ｂには、レーザ加工ヘッド１２に取り付けられたレーザ光検出器２０および反射光検出器２２からのレーザ光強度検出信号ＳLおよび反射光強度検出信号ＳRを基に上記のようなレーザ光計測演算部７４、反射光演算部７６、比較部７８，８０で得られた計測値や判定値等が文字情報として表示出力されるだけでなく、レーザ加工ヘッド１２に搭載のＣＣＤカメラ２４が撮る加工点ＷＰ付近の動画像も表示出力される。つまり、加工点ＷＰ付近におけるレーザ加工の状況が、文字情報および画像情報の両面でモニタ表示される。
【００３９】
上記のように、この実施形態のレーザ加工モニタリング装置においては、レーザ加工ヘッド１２に２つの光検出器２０，２２とＣＣＤカメラ２４とを取り付け、この加工ヘッド１２内で光ファイバ１４の終端面１４ａより出射された直後のレーザ光ＬＢの光強度をレーザ光測定部の光検出器２０を用いて測定するとともに、ワークＷからレーザ加工ヘッド１２に反射されてきた光ＲLBの光強度を反射光測定部の光検出器２２を用いて測定し、レーザ光ＬＢの光強度測定値ＰLBと反射光ＲLBの光強度測定値ＰRとに基づいてレーザ光ＬＢの通る光学部品の状態、レーザ出力状態、レーザ加工状態等について光学的計測や良否判定をインラインで行うとともに、ワーク加工点ＷＰ付近の加工状態をＣＣＤカメラ２４で撮像してインラインで画像表示するようにしており、生産管理または品質管理の面でユーザに信頼性の高い有益なモニタリング情報を提供することができる。また、ワークＷの異常や保護ガラス３６の汚れはモニタ画像を通じて目視で確認できるため、保護ガラス交換等のメンテナンスのために生産ラインをストップさせる時間を必要最小限に食い止めることができる。
【００４０】
加えて、この実施形態のレーザ加工ヘッド１２においては、光ファイバ１４、レーザ光検出器２０、反射光検出器２２およびＣＣＤカメラ２４の全部をレーザ加工ヘッド１２の上面に接続または取付しているので、光ファイバ１４および信号線５８，６６，６８の全部をヘッド上方に集約して架空配線ないし敷設することができる。このことにより、図示しないヘッド支持部またはロボットアーム等への加工ヘッド１２の取付または搭載が簡単になり、加工場所付近のスペース効率や使い勝手が改善され、加工ヘッド１２自体のメンテナンス性も改善される。また、何らかの原因でレーザ光検出器２０または反射光検出器２２の取付口が開いて加工ヘッド１２の中から外部へレーザ光が出たとしても、加工ヘッド１２の側方ではなく上方へ漏れるため、付近の作業者に照射するおそれはなく、安全面でも優れている。
【００４１】
上記した実施形態では、レーザ加工ヘッド１２に取り付けるレーザ光測定部２０および反射光測定部２２を光電変換素子で構成し、それらの光電変換素子より出力される電気信号ＳL，ＳRを信号線５８，６６を介してモニタ装置本体１６へ送るようにした。しかし、たとえば、レーザ加工ヘッド１２において、レーザ光測定部２０および／または反射光測定部２２を光ファイバで構成することも可能である。
【００４２】
より詳細には、図１１に示すように、レーザ光検出器２０（図３）の取付位置にコネクタまたはレセプタクル９０を介して光ファイバ９２の一端部を取り付け、ベントミラー５２より垂直上方に反射したレーザ光ＬＢの漏れ光ＭLBが光ファイバ９２の一端面（受光面）９２ａに入射するようにする。また、図１２に示すように、反射光検出器２２（図４）の取付位置にコネクタまたはレセプタクル９４を介して光ファイバ９６の一端部を取り付け、ベントミラー６０より垂直上方に透過した反射光ＲLBが光ファイバ９６の一端面（受光面）９６ａに入射するようにする。両光ファイバ９２，９６の他端部（終端部）はモニタ装置本体（図示せず）に接続され、モニタ装置本体側で両光ファイバ９２，９６の他端面より出射されたレーザ漏れ光ＭLB，反射光ＲLBがそれぞれ光電変換素子（図示せず）によって電気信号ＳL，ＳRに変換されるようになっている。
【００４３】
この構成例においても、ＣＣＤカメラ２４は、ビデオレンズ４４、ベントミラー４２，４０、光学レンズ３８および保護ガラス３６を介して被加工物Ｗの加工点ＷＰおよびその周囲を撮像し、撮像した被写体を表す画像信号ＳVを信号線６８を通じてモニタ装置本体１６に送る。
【００４４】
上記した実施形態ではレーザ伝送用の光ファイバ１４やレーザ光測定部２０、反射光測定部２２、ＣＣＤカメラ２４の全部をレーザ加工ヘッド１２の上面に取り付けたが、一変形例としてその一部または全部をレーザ加工ヘッド１２の側面に取り付ける構成も可能である。ＣＣＤカメラ２４で撮像した加工点ＷＰ付近の画像をモニタ装置本体１６のディスプレイ１６ｂとは別体の専用ディスプレイに表示することも可能である。ＣＣＤカメラ２４で撮影する画像は動画に限らず、静止画でもよい。また、図示省略するが、レーザ加工ヘッドにおいて光ファイバの終端面をレーザ出射口または保護レンズと対向する位置に取り付け、光ファイバの終端面より出たレーザ光をベントミラーを介さずにまっすぐ直進させて保護レンズの外に出射させることも可能である。その場合は、途中に反射率の非常に低いミラーを配置し、該ミラーで反射した光をレーザ光測定部の受光面に導くようにすればよい。本発明は、上記実施形態におけるようなレーザ溶接に限定されるものではなく、光ファイバを利用する任意のレーザ加工に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるレーザ加工モニタリング装置の適用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す図である。
【図２】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す平面図である。
【図３】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIII−III線についての縦断面図である。
【図４】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIV−IV線についての縦断面図である。
【図５】実施形態のモニタ装置本体内の信号処理部の機能的な構成を示すブロック図である。
【図６】実施形態のレーザ加工用モニタリング装置の各部におけるパルスレーザ光の波形を示す波形図である。
【図７】実施形態において単一のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法（一例）を示す図である。
【図８】実施形態において単一のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法（一例）を示す図である。
【図９】実施形態において一連（複数ショット）のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法（一例）を示す図である。
【図１０】実施形態において一連（複数ショット）のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法（一例）を示す図である。
【図１１】別の実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIII−III線についての縦断面図である。
【図１２】別の実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIV−IV線についての縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０    レーザ加工機本体
１０ａ    レーザ発振器
１２    レーザ加工ヘッド
１４    レーザ伝送用光ファイバ
１６    モニタ装置本体
１８    コントローラ
２０    レーザ光検出器
２２    反射光検出器
２４    ＣＣＤカメラ
２６    ヘッド本体
３６    保護ガラス
３８    集束レンズ
４０，４２，５０，５２，６０    ベントミラー
５４，６２    光拡散板
５８，６６，６８    信号線
７２    制御部
１６ｂ    ディスプレイ
９２，９６    モニタリング用光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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