(57)【要約】【課題】経年変化がほとんどなく、レーザ光のパワーを正確にモニタリングすることができるパワーモニタリング装置を提供する。【解決手段】光学部材１０は、レーザ光Ｌ１０の光路上に配置されている。光学部材１０は、互いに屈折率が異なる一対のガラス板であるウェッジプリズム１及び２が接合されている。ウェッジプリズム１及び２の接合面１２に対するレーザ光Ｌ１０の入射角は０度を超え、２０度以下に設定されている。光学部材１０は、接合面１２でレーザ光Ｌ１０の一部をサンプリング光Ｌ２０として反射させる。検出器であるフォトダイオード３は、サンプリング光Ｌ２０のパワーに応じた検出値を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の光路上に配置され、互いに屈折率が異なる第１及び第２のガラス板が接合され、前記第１及び第２のガラス板の接合面に対する前記レーザ光の入射角が０度を超え、２０度以下に設定されており、前記接合面で前記レーザ光の一部をサンプリング光として反射させる光学部材と、
前記サンプリング光のパワーに応じた検出値を出力する検出器と、
を備えることを特徴とするパワーモニタリング装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のガラス板はウェッジプリズムであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモニタリング装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のガラス板は、オプティカルコンタクトによって接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモニタリング装置。
【請求項４】
前記検出器は、前記検出値として前記サンプリング光のパワーに応じた電流を出力するフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモニタリング装置。
【請求項５】
レーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器が射出するレーザ光のパワー値を第１のパワー値に設定する制御部と、
前記レーザ発振器が射出するレーザ光の光路上に配置され、互いに屈折率が異なる第１及び第２のガラス板が接合され、前記第１及び第２のガラス板の接合面に対する前記レーザ光の入射角が０度を超え、２０度以下に設定されており、前記接合面で前記レーザ光の一部をサンプリング光として反射させる光学部材と、
前記サンプリング光のパワーに応じた検出値を出力する検出器と、
前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器が射出するレーザ光が有する第２のパワー値を検出するパワー検出部と、
前記第１のパワー値と前記第２のパワー値との差分値を求める差分演算部と、
前記レーザ発振器がレーザ光を射出するための駆動電流を前記差分値に応じて増減させて、前記レーザ発振器に供給する電源回路と、
を備えることを特徴とするレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光のパワーをモニタリングするためのパワーモニタリング装置、及び、レーザ光のパワーモニタリング装置を備えるレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、金属の板材の切断または溶接等の種々の用途で用いられている。レーザ加工機を例とすれば、レーザ光のパワー（レーザ出力）が安定していなければ、材料を品質よく加工することができない。そこで、材料の加工品質を安定化させるために、レーザ加工機はレーザ光のパワーをモニタリングするためのパワーモニタリング装置を備えることがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４７６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワーモニタリング装置におけるレーザ光の検出方法としては、大別すると、進行するレーザ光の近傍でレーザ光の散乱光を検出する方法と、進行するレーザ光の一部をサンプリングミラーでサンプリングする方法とがある。
【０００５】
前者の方法はレーザ光の広がり角度、ビーム径、プロファイル等のレーザ光自体の条件や、材料または光学素子からの反射光の影響を受けやすい。そこで、後者の方法の方が好ましい。しかしながら、レーザ加工機の内部の接着剤や潤滑油に起因して発生するわずかなガスがサンプリングミラーの性能に無視できない影響を与えることがある。防塵のためサンプリングミラーを含む部分をユニット化したとしても上記の影響を排除することができない。
【０００６】
サンプリングミラーはレーザ光の１％未満というわずかな光を反射させるので、経年変化によってサンプリングミラーの性能が悪化すると、サンプリングされるレーザ光の強度が減衰してしまう。よって、レーザ光のパワーを正確にモニタリングすることができない。
【０００７】
サンプリングミラーの１つとして、光学コーティングをサンプリング部とし、光学コーティングによってレーザ光をサンプリングするものがある。この場合、光学コーティングがレーザ光のエネルギの一部を熱に変換するので高温となり、高出力レーザに対する耐力が問題となることがある。
【０００８】
本発明は、経年変化がほとんどなく、レーザ光のパワーを正確にモニタリングすることができるパワーモニタリング装置、及び、材料の加工品質を経年的に安定化させることができるレーザ加工機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】
【０００９】
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザ光の光路上に配置され、互いに屈折率が異なる第１及び第２のガラス板が接合され、前記第１及び第２のガラス板の接合面に対する前記レーザ光の入射角が０度を超え、２０度以下に設定されており、前記接合面で前記レーザ光の一部をサンプリング光として反射させる光学部材と、前記サンプリング光のパワーに応じた検出値を出力する検出器とを備えることを特徴とするパワーモニタリング装置を提供する。
【００１０】
上記のパワーモニタリング装置において、前記第１及び第２のガラス板はウェッジプリズムであることが好ましい。上記のパワーモニタリング装置において、前記第１及び第２のガラス板は、オプティカルコンタクトによって接合されていることが好ましい。上記のパワーモニタリング装置において、前記検出器は、前記検出値として前記サンプリング光のパワーに応じた電流を出力するフォトダイオードであることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器が射出するレーザ光のパワー値を第１のパワー値に設定する制御部と、前記レーザ発振器が射出するレーザ光の光路上に配置され、互いに屈折率が異なる第１及び第２のガラス板が接合され、前記第１及び第２のガラス板の接合面に対する前記レーザ光の入射角が０度を超え、２０度以下に設定されており、前記接合面で前記レーザ光の一部をサンプリング光として反射させる光学部材と、前記サンプリング光のパワーに応じた検出値を出力する検出器と、前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器が射出するレーザ光が有する第２のパワー値を検出するパワー検出部と、前記第１のパワー値と前記第２のパワー値との差分値を求める差分演算部と、前記レーザ発振器がレーザ光を射出するための駆動電流を前記差分値に応じて増減させて、前記レーザ発振器に供給する電源回路とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のパワーモニタリング装置によれば、経年変化がほとんどなく、レーザ光のパワーを正確にモニタリングすることができる。本発明のレーザ加工機によれば、材料の加工品質を経年的に安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態のパワーモニタリング装置を示す概略図である。
【図２】第１〜第４実施形態のパワーモニタリング装置で用いる一対のウェッジプリズムを示す斜視図である。
【図３】一対のウェッジプリズムの接合面へのレーザ光の入射角と、Ｐ波及びＳ波の反射率との関係を表形式で示す図である。
【図４】第２実施形態のパワーモニタリング装置を示す概略図である。
【図５】第３実施形態のパワーモニタリング装置を示す概略図である。
【図６】第４実施形態のパワーモニタリング装置を示す概略図である。
【図７】第５実施形態のパワーモニタリング装置を示す概略図である。
【図８】一実施形態のレーザ加工機であり、第３実施形態のパワーモニタリング装置を備えるレーザ加工機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、各実施形態のパワーモニタリング装置及び一実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。まず、第１〜第５実施形態のパワーモニタリング装置を説明する。
【００１５】
＜第１実施形態のパワーモニタリング装置＞
図１において、第１実施形態のパワーモニタリング装置１０１は、互いに接合された一対のウェッジプリズム１及び２よりなる光学部材１０と、フォトダイオード３とを備える。ウェッジプリズム１及び２はガラス板の一例である。フォトダイオード３は、後述するサンプリング光Ｌ２０のパワーに応じた検出値を出力する検出器の一例である。フォトダイオード３としては、ＰＩＮフォトダイオードが好適である。
【００１６】
図２に示すように、ウェッジプリズム１は、一方の面１ａが側面に対して直交する円、他方の面１ｂが側面に対して傾斜する円となっている。ウェッジプリズム２は、一方の面２ａが側面に対して傾斜する円、他方の面２ｂが側面に対して直交する円となっている。図２ではウェッジプリズム１及び２を円形としているが、ウェッジプリズム１及び２は矩形であってもよい。
【００１７】
ウェッジプリズム１とウェッジプリズム２とは、面１ｂ及び２ａがオプティカルコンタクトまたは光学用接着剤によって接合されている。ウェッジプリズム１とウェッジプリズム２とは、オプティカルコンタクトによって接合されていることが好ましい。光学部材１０に入射するレーザ光Ｌ１０のパワーが高くても１ｋｗ程度であれば、ウェッジプリズム１とウェッジプリズム２とが光学用接着剤によって接合されていてもよい。
【００１８】
光学部材１０は、図示していないベースに固定されている。光学部材１０は、レーザ光Ｌ１０の進行方向と直交する方向の一方の端部のみがベースに固定されていてもよいし、ウェッジプリズム１及び２の外周の全体がベースに固定されていてもよい。光学部材１０を冷却するためにベースに冷却機構が設けられていてもよい。
【００１９】
図示していないレーザ発振器より射出され、平行光化されたレーザ光Ｌ１０は図１の左側から右側へと進行する。光学部材１０はレーザ光Ｌ１０の光路上に配置されており、レーザ光Ｌ１０はウェッジプリズム１及び２を透過する。
【００２０】
ウェッジプリズム１の面１ａはレーザ光Ｌ１０の進行方向に対して直交しており、ウェッジプリズム２の面２ｂもレーザ光Ｌ１０の進行方向に対して直交している。ウェッジプリズム１の面１ｂとウェッジプリズム２の面２ａとを接合した接合面１２は、レーザ光Ｌ１０の進行方向に対して傾斜している。接合面１２に対するレーザ光Ｌ１０の入射角をαとする。
【００２１】
ウェッジプリズム１は例えば合成石英で構成され、ウェッジプリズム２は例えばＢＫ７（硼珪酸クラウンガラス）で構成されている。ＹＡＧレーザ（１０６４ｎｍ）におけるウェッジプリズム１の屈折率ｎ１は例えば１．４４９であり、ウェッジプリズム２の屈折率ｎ２は例えば１．５０７である。ウェッジプリズム１とウェッジプリズム２との位置を逆にしてもよい。
【００２２】
ウェッジプリズム１の屈折率ｎ１とウェッジプリズム２の屈折率ｎ２とが異なることから、図１に示すように、レーザ光Ｌ１０の一部は接合面１２で反射して、サンプリング光Ｌ２０となる。フォトダイオード３はサンプリング光Ｌ２０の光路に配置されている。フォトダイオード３は、サンプリング光Ｌ２０のパワーに応じた電流を出力するので、サンプリング光Ｌ２０のパワーを検出することができる。
【００２３】
ウェッジプリズム１及び２の接合面１２は、外部に露出していないため、接着剤や潤滑油に起因するガスが発生したとしても、接合面１２におけるサンプリング光Ｌ２０の反射に影響を与えることがない。接合面１２には光学的な部分反射コーティングが施されているわけではないので、レーザ耐力が問題となることはなく、光学コーティングが熱を吸収することによる熱レンズ効果が問題となることもない。
【００２４】
よって、第１実施形態のパワーモニタリング装置１０１によれば、経年変化がほとんどなく、レーザ光Ｌ１０のパワーを正確にモニタリングすることができる。
【００２５】
ここで、接合面１２に対するレーザ光Ｌ１０の入射角αの好ましい範囲を考察する。図３は、入射角αを０度から９０度まで５度ずつ変化させたときの、入射角αと、レーザ光Ｌ１０のＰ波の反射率Ｒｐ及びＳ波の反射率Ｒｓとの関係を示している。図３においては、ウェッジプリズム１及び２の屈折率ｎ１及びｎ２と、接合面１２での屈折角βも併せて示している。
【００２６】
図３より分かるように、入射角αが大きくなるとＰ波の反射率ＲｐとＳ波の反射率Ｒｓとの差が大きくなる。Ｐ波の反射率ＲｐとＳ波の反射率Ｒｓとの差が大きくなりすぎると、レーザ光Ｌ１０のパワーを正確にモニタリングすることができない。そこで、入射角αは、Ｐ波の反射率ＲｐとＳ波の反射率Ｒｓとの差が比較的小さい２０度以下であるのがよい。
【００２７】
入射角αが０度であると、サンプリング光Ｌ２０がレーザ光Ｌ１０の入射側へと戻ってしまうため、入射角αは、０度を超える角度とする必要がある。即ち、入射角αは、０＜α≦２０とすることが好ましい。後述する第２〜第５実施形態でも同様に、入射角αの好ましい角度範囲は０＜α≦２０である。
【００２８】
＜第２実施形態のパワーモニタリング装置＞
図４に示す第２実施形態のパワーモニタリング装置１０２において、第１実施形態のパワーモニタリング装置１０１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第２実施形態のパワーモニタリング装置１０２は、光学部材１０と、減衰板４と、拡散板５と、フォトダイオード３とを備える。
【００２９】
図４において、光ファイバ３１の端部から射出されたレーザ光の拡散光はコリメートレンズ３２によって平行光化されてレーザ光Ｌ１０として射出する。ウェッジプリズム１及び２の接合面１２で反射したサンプリング光Ｌ２０は、減衰板４で減衰され、拡散板５で拡散されて拡散光とされる。フォトダイオード３は、拡散光とされたサンプリング光Ｌ２０の一部を受光してパワーに応じた電流を出力する。
【００３０】
第２実施形態のパワーモニタリング装置１０２によれば、拡散光とされたサンプリング光Ｌ２０の一部しか電流に変換することができないが、フォトダイオード３の位置を正確に位置決めする必要がない。
【００３１】
＜第３実施形態のパワーモニタリング装置＞
図５に示す第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３において、第２実施形態のパワーモニタリング装置１０２と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３は、光学部材１０と、減衰板４と、集光レンズ６と、フォトダイオード３とを備える。
【００３２】
図５において、ウェッジプリズム１及び２の接合面１２で反射したサンプリング光Ｌ２０は、減衰板４で減衰され、集光レンズ６によって集光される。フォトダイオード３は、集光されたサンプリング光Ｌ２０を受光してパワーに応じた電流を出力する。
【００３３】
第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３によれば、集光したサンプリング光Ｌ２０の径をフォトダイオード３の受光面積以下とすることによって、サンプリング光Ｌ２０の全光量を電流に変換することができる。但し、フォトダイオード３の位置を正確に位置決めする必要がある。このとき、フォトダイオード３の受光素子がレーザ光のエネルギで破損しないよう、フォトダイオード３を光軸上で焦点位置からずらした位置に配置するのがよい。
【００３４】
＜第４実施形態のパワーモニタリング装置＞
図６に示す第４実施形態のパワーモニタリング装置１０４において、第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第４実施形態のパワーモニタリング装置１０４は、光学部材１０と、減衰板４と、集光レンズ６と、光ファイバ７と、集光レンズ８と、フォトダイオード３とを備える。
【００３５】
図６において、集光レンズ６によって集光されたサンプリング光Ｌ２０は、光ファイバ７の一端に入射され、他端より拡散光として射出される。拡散光は集光レンズ８によって集光される。フォトダイオード３は、集光されたサンプリング光Ｌ２０を受光してパワーに応じた電流を出力する。集光したサンプリング光Ｌ２０の径は、フォトダイオード３の受光面積以下とされている。光ファイバ７を用いる場合、レーザ光をレンズで集光してもよく、レーザ光を平行光にしてさらに減衰または拡散させてもよい。
【００３６】
第４実施形態のパワーモニタリング装置１０４によれば、集光プロファイルを均一化することができ、フォトダイオード３を光学部材１０と離れた位置に配置することできる。
【００３７】
＜第５実施形態のパワーモニタリング装置＞
図７に示す第５実施形態のパワーモニタリング装置１０５において、第１実施形態のパワーモニタリング装置１０１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。第５実施形態のパワーモニタリング装置１０５は、光学部材５０と、フォトダイオード３とを備える。
【００３８】
第５実施形態において、光学部材５０は、ウェッジプリズム１及び２の代わりに、平行平板のガラス板１５及び２５によって構成されている。ガラス板１５の面１５ａはレーザ光Ｌ１０の進行方向に対して傾斜しており、ガラス板２５の面２５ｂもレーザ光Ｌ１０の進行方向に対して傾斜している。
【００３９】
ガラス板１５は例えば合成石英で構成され、ガラス板２５は例えばＢＫ７で構成されている。ガラス板１５とガラス板２５とは互いの屈折率が異なり、オプティカルコンタクトまたは光学用接着剤によって接合されている。
【００４０】
ガラス板１５とガラス板２５とは互いの屈折率が異なることから、図７に示すように、レーザ光Ｌ１０の一部は接合面１２０で反射して、サンプリング光Ｌ２０となる。フォトダイオード３は、サンプリング光Ｌ２０のパワーに応じた電流を出力する。
【００４１】
第５実施形態においては、ガラス板１５の面１５ａで反射したレーザ光と接合面１２０で反射したレーザ光とが干渉することがあるので、平行平板のガラス板１５及び２５を用いる第５実施形態よりもウェッジプリズム１及び２を用いる第１〜第５実施形態の方が好ましい。
【００４２】
＜一実施形態のレーザ加工機＞
次に、図８を用いて、一実施形態のレーザ加工機を説明する。図８に示す一実施形態のレーザ加工機においては、図５に示す第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３を備える構成を例としている。レーザ加工機は、第３実施形態のパワーモニタリング装置１０３の代わりに、第１，第２，第４、第５実施形態のパワーモニタリング装置１０１，１０２，１０４，１０５を備えてもよい。
【００４３】
図８において、オペレータは、図示していない操作部を操作してレーザ光Ｌ１０のパワー値ＰＷ０を指令する。制御部５２は、指令されたレーザ光Ｌ１０のパワー値ＰＷ０を保持する。パワー値ＰＷ０は第１のパワー値である。即ち、制御部５２は、レーザ発振器５５が射出するレーザ光Ｌ１０のパワー値を第１のパワー値に設定する。制御部５２は、演算処理装置（ＣＰＵ）によって構成することができる。
【００４４】
フォトダイオード３より出力されたサンプリング光Ｌ２０のパワーに応じた電流はパワー検出部５１に供給される。パワー検出部５１は、入力された電流値をレーザ光Ｌ１０のパワー値ＰＷ１に変換する。レーザ光Ｌ１０のパワー値とサンプリング光Ｌ２０のパワー値との対応関係は予め分かっているので、パワー検出部５１は、フォトダイオード３より出力された電流の電流値に基づいてレーザ光Ｌ１０のパワー値ＰＷ１を検出することができる。
【００４５】
即ち、フォトダイオード３及びパワー検出部５１は、レーザ発振器５５が実際に射出するレーザ光Ｌ１０の第２のパワー値を検出する。
【００４６】
パワー値ＰＷ０及びＰＷ１は、差分演算部５３に供給される。差分演算部５３は、パワー値ＰＷ０とパワー値ＰＷ１との差分値Ｄｐｗを求める。差分値Ｄｐｗは電源回路５４に供給される。電源回路５４は、入力された差分値Ｄｐｗに応じてレーザ発振器５５を駆動するための駆動電流Ｉdriveを出力する。駆動電流Ｉdriveは、レーザ発振器５５に供給される。
【００４７】
パワー値ＰＷ１がパワー値ＰＷ０よりも小さければ差分値Ｄｐｗは正の値となり、電源回路５４は駆動電流Ｉdriveを増大させる。パワー値ＰＷ１がパワー値ＰＷ０よりも大きければ差分値Ｄｐｗは負の値となり、電源回路５４は駆動電流Ｉdriveを減少させる。差分値Ｄｐｗは、駆動電流Ｉdriveを増減させる制御信号として働く。
【００４８】
レーザ発振器５５は、入力された駆動電流Ｉdriveに応じてレーザ光Ｌ１０を射出する。レーザ発振器５５は、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の任意のレーザ発振器でよい。
【００４９】
以上の構成によって、レーザ発振器５５は、オペレータが指令したパワー値ＰＷ０のレーザ光Ｌ１０を射出することができる。何らかの理由によってレーザ光Ｌ１０のパワーが変動してもフィードバック制御によってパワー値ＰＷ０に維持されるように安定化される。よって、本実施形態のレーザ加工機によれば、材料の加工品質を経年的に安定化させることができる。
【００５０】
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。フォトダイオード３の代わりに、応答時間の長いパワーメータが検出器として用いられてもよい。第１〜第５実施形態のパワーモニタリング装置は、レーザ加工機におけるレーザ光のパワーをモニタリングするだけでなく、レーザ光を扱う任意の装置おけるレーザ光のパワーをモニタリングするために用いてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１，２  ウェッジプリズム（ガラス板）
３  フォトダイオード（検出器）
４  減衰板
５  拡散板
６，８  集光レンズ
７，３１  光ファイバ
１０，５０  光学部材
１５，２５  ガラス板
５１  パワー検出部
５２  制御部
５３  差分演算部
５４  電源回路
５５  レーザ発振器
１０１〜１０５  パワーモニタリング装置
【図１】
2017144466.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017144466.tif 000007
【図６】
2017144466.tif 000008
【図７】
2017144466.tif 000009
【図８】
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