JP4757557B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバおよび光ファイバからレーザ光を受け取って被加工物に照射するレーザ加工ヘッドを用いるレーザ加工装置に関する。

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。

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。

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光の出力状態、レーザ光を通す光学部品の状態および被加工物の状態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レーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、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を介してレーザ加工ヘッドへ伝送し、前記レーザ加工ヘッドより被加工物に向けて前記レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、前記被加工物の加工点と向かい合う第１の面にレーザ出射口と、前記第１の面と反対側の第２の面に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とをそれぞれ設け、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の光学レンズを収容し、前記レーザ出射口に保護ガラスを取り付けるヘッド本体と、前記光ファイバに入射する前の前記レーザ光の出力を測定するためのレーザ出力測定部と、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ヘッド本体に取り付けられ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出射口の中に反射されてきた光の光強度を測定するために前記ヘッド本体に取り付けられる反射光測定部と、前記レーザ出力部より得られる前記レーザ光の出力の測定値と前記レーザ光測定部より得られる前記レーザ光の光強度の測定値とに基づいて、前記光ファイバが正常であるか否かをモニタする第１のモニタ部と、前記レーザ光測定部より得られる前記レーザ光の光強度の測定値と前記反射光測定部より得られる前記反射光の光強度の測定値とに基づいて、前記被加工物の表面状態が正常であるか否か、または前記保護レンズが異常に汚れているか否かをモニタする第２のモニタ部とを有する。

上記の構成においては、レーザ発振器部側で光ファイバに入射する前のレーザ光の出力をレーザ出力測定部により測定し、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）をレーザ光測定部により測定し、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により測定し、第１および第２のモニタ部により各測定値を組み合わせて解析することで、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被加工物の表面状態または保護レンズの汚れ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、レーザ出力測定部の測定結果に異常がないのに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つまり光ファイバの損傷・劣化等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保護レンズが相当汚れているか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。

本発明の好適な一態様によれば、レーザ発振部より発振出力されるレーザ光はパルスレーザ光であり、反射光測定部は、パルスレーザ光の立ち上がりエッジより所定時間後の第１の時点からパルスレーザ光の立ち下がりエッジより所定時間前の第２の時間までを演算区間とし、この演算区間内で求めた反射光の光強度の平均値、積分値、最大値またはピーク値を測定値とする。かかる構成によれば、反射光のパルス波形が相当崩れても、あるいはパルスレーザ光の立ち上がりにオーバーシュート波形が含まれても、適確なモニタリングを行うことができる。
別の好適な一態様においては、第２のモニタ部が、レーザ光の光強度測定値に対する反射光の光強度測定値の比率を演算し、その比率が経時的に低下する様子をモニタする。これによって、適時に検査や点検を促す判定結果を表示出力することができる。

本発明の好適な一態様によれば、レーザ光測定部および／または反射光測定部もヘッド本体の第２の面に取り付けられる。このように、光ファイバ、レーザ光測定部および／または反射光測定部をレーザ加工ヘッドの上面に接続または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。

本発明の好適な一態様によれば、光学レンズおよびレーザ出射口を通る光軸からオフセットした位置に光ファイバ接続部を設け、光ファイバの終端面から出たレーザ光を光学レンズに向けて反射するためにヘッド本体の中に設けられる１個または複数個の第１のミラーを有し、該第１のミラーの少なくとも１つをレーザ出射口側から見て光学レンズと同軸上に配置する。かかる構成においては、ヘッド上面に光ファイバ接続部とレーザ光測定部と反射光測定部とを効率的なレイアウトで並設することができる。好適には、反射光測定部が、レーザ出射口側から見て光学レンズと同軸上に配置されてよい。

また、好適な一態様によれば、光ファイバの終端面と第１のミラーとの間に、光ファイバの終端面から出たレーザ光を平行光にするためのコリメートレンズが設けられる。また、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に向けて反射するための第２のミラーがヘッド本体の中に設けられる。

好適な一態様として、レーザ光測定部は、第１のミラーからの漏れ光を受光してその光強度を表す第１の電気信号を生成する第１の光電変換素子を有する。また、反射光測定部は、被加工物の加工点からの反射光を受光してその光強度を表す第２の電気信号を生成する第２の光電変換素子を有する。この場合、第１および／または第２の光電変換素子より出力される電気信号は信号線を介して遠隔のモニタ装置へ伝送されてよい。

別の好適な一態様として、レーザ光測定部は、第１のミラーからの漏れ光を一端面に受光して遠隔の第１の光電変換素子まで伝送する第１のモニタリング用光ファイバを有する。また、反射光測定部は、被加工物の加工点からの反射光を一端面に受光して遠隔の第２の光電変換素子まで伝送する第２のモニタリング用光ファイバを有する。この場合、レーザ加工ヘッドと遠隔のモニタ装置とは第１および／または第２のモニタリング用光ファイバで接続される。

本発明の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レーザ光の出力状態、レーザ光を通す光学部品の状態および被加工物の状態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。

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。

図１に本発明の一実施形態における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。

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に備え付けのモニタリング用の２つの光検出器つまりレーザ光検出器２６および反射光検出器２８よりそれぞれ発生される電気信号（光強度検出信号）Ｓ_L，Ｓ_Rに基づいて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、加工品質等に関する計測値や良否判定を表示出力するようになっている。

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。

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２０を有し、このヘッド本体２０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２０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２２が設けられ、このレーザ出射口２２とは反対側の本体上面には光ファイバ１４の終端部を着脱可能に取り付けるための光ファイバ接続部２４および上記モニタリング用のレーザ光検出器２６および反射光検出器２８が取り付けられている。

図２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。ヘッド本体２０の下面中心部から下方に延びる筒部２９が形成され、この筒部２９の下端部に位置するレーザ出射口２２に保護ガラス３０が取り付けられ、この保護ガラス３０の内奥近傍に集束レンズ３２が配置されている。

集束レンズ３２の直上にはヘッド本体２０内部のほぼ中心位置にてベントミラー３４がその反射面３４ａをたとえば４５°の角度で斜め下方に向けて配置され、さらにその直上には反射光検出器２８がその受光面を垂直下方に向けて配置されている。ここで、反射光検出器２８は、ヘッド本体２０の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。ベントミラー３４と反射光検出器２８との間には光学フィルタ３５が配置されている。この光学フィルタ３５は、ワークＷの加工点ＷＰから保護ガラス３０、集束レンズ３２およびベントミラー３４を透過してきた反射光Ｒ_LBの中で特定波長（たとえばレーザ光ＬＢと同じ波長）の光を選択的に通すフィルタを含んでいる。

ヘッド本体２０の上面には、ヘッド中心軸線上の反射光検出器２８より横にずれた位置、つまりベントミラー３４、集束レンズ３２を通る光軸から横（図２の右側）にオフセットした位置にて、筒状の光ファイバ取付部２４が垂直上方に延びている。この光ファイバ取付部２４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３６が設けられている。

光ファイバ取付部２４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３８が配置されるとともに、このコリメートレンズ３８の真下にベントミラー４０がその反射面４０ａをたとえば４５°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー４０の反射面４０ａはベントミラー３４の反射面３４ａ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４０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３２に入射し、ベントミラー３２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３２に入射するようになっている。集束レンズ３２は、ワークＷの加工点ＷＰにレーザ光ＬＢを集光させる。

ヘッド本体２０の上面には、反射光検出器２８と並んで光ファイバ取付部２４とは反対側にオフセットした位置にレーザ光検出器２６がその受光面を垂直下方に向けて配置されている。ここで、レーザ光検出器２６は、ヘッド本体２０の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。このレーザ光検出器２６の真下には、ベントミラー４２がその反射面４２ａ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４２の反射面４２ａはベントミラー４０の反射面４０ａとベントミラー３４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３４で反射する際にベントミラー３４の後方（左方）へ漏れた光Ｍ_LBがベントミラー４２に入射し、ベントミラー４２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２６の受光面に入射するようになっている。ベントミラー３４とベントミラー４２との間には、レーザ光ＬＢの波長を選択的に通すフィルタや減衰用のＮＤフィルタ等を含む光学フィルタ４４が配置されている。

レーザ光検出器２６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３４から水平方向の後方に漏れるレーザ光ＬＢの漏れ光Ｍ_LBを受光してその光強度を表す電気信号Ｓ_Lを発生する。ここで、漏れ光Ｍ_LBの光強度は、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の光強度またはレーザ出力Ｐ_Lと一定の比例関係にある。レーザ光検出器２６の出力信号（レーザ光強度検出信号）Ｓ_Lは信号線４６を介してモニタ装置本体１６へ送られる。

反射光検出器２８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、光学レンズ３２から垂直上方にベントミラー３４を抜けてくる反射光Ｒ_LBを受光してその光強度を表す電気信号Ｓ_Rを発生する。ここで、反射光光Ｒ_LB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）Ｓ_Rは信号線４８を介してモニタ装置本体１６へ送られる。

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パネル入力部１６ａや液晶画面等のパネル表示部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を含み、機能的には図３に示すように制御部５０、レーザ光計測演算部５２、反射光計測演算部５４、比較部５６，５８、モニタ区設定部６０、演算区間設定部６２等を有している。制御部５０は、パネル入力部１６ａおよびパネル表示部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。

図３において、レーザ光計測演算部５２は、レーザ照射ユニット１２に搭載のレーザ光検出器２６より送られてくる光強度検出信号Ｓ_L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Ｐ_Lを求める。一般に、レーザ溶接用のレーザ光ＬＢは、図４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４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５２は、レーザ光検出器２６からの光強度検出信号Ｓ_L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Ｐ_Lを求める。レーザ光計測演算部５０で得られたレーザ光強度測定値Ｐ_Lは、制御部５０に与えられるとともに、両比較部５６，５８にも与えられる。制御部５０は、レーザ光計測演算部５０からのレーザ光強度測定値Ｐ_Lをそのままパネル表示部１６ｂに表示出力してもよい。

比較部５６には、制御部５０より比較基準値ＡＰ_Lと判定基準値Ｊとが与えられる。ここで、比較基準値ＡＰ_L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。比較判定部５６は、比較基準値ＡＰ_Lに対するレーザ光強度測定値Ｐ_Lの割合または比率（Ｐ_L／ＡＰ_L）を求め、その比率（Ｐ_L／ＡＰ_L）と判定基準値Ｊとを比較する。制御部５０は、比較部５６からの比較結果を受け、比率（Ｐ_L／ＡＰ_L）＞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（Ｐ_L／ＡＰ_L）≦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。

このようにレーザ光検出器２６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３２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４０，３２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５０は、パネル表示部１６ａ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。

反射光計測演算部５４は、レーザ加工ヘッド１２に搭載の反射光検出器４２より送られてくる光強度検出信号Ｓ_R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Ｒ_LBの光強度測定値Ｐ_Rを求める。一般に、この種の反射光Ｒ_LBは、図４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５６および演算区間設定部５８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Ｔ_Mよび演算区間Ｔ_Cを任意に設定入力できるようになっている。

モニタ区間Ｔ_Mは、たとえば、図５および図６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７および図８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Ｔ_Cは、パルスレーザ光の立ち上がりエッジ（ｔ_a）より所望時間後の第１の時点（ｔ_b）から立ち下がりエッジ（ｔ_d）よりも所望時間前の第２の時点（ｔ_c）までの区間（ｔ_a〜ｔ_b）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Ｒ_LB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５４は、制御部５０（あるいはユーザ）からの指示にしたがい、反射光Ｒ_LBの光強度測定値Ｐ_Rを求めるために、演算区間Ｔ_Cでたとえば積分値Ｅ_Rあるいは平均値Ｐ_AVを演算する。積分値Ｅ_R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Ｐ_AVは、光強度検出信号Ｓ_R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Ｔ_C内の最大値またはピーク値をもって光強度測定値Ｐ_R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Ｔ_M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。

反射光計測演算部５４で得られた光強度測定値Ｐ_Rは、制御部５０に与えられるとともに比較部５８にも与えられる。制御部５０は、反射光計測演算部５４からの光強度測定値Ｐ_Rをそのまま表示パネル１６ｂに表示出力してもよい。比較部５８には、上記のようにレーザ光計測演算部５２から光強度測定値Ｐ_LBを与えられ、制御部５０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Ｆ_Hおよび下限値Ｆ_Lとして設定されてよい。

加工部正常／異常判定のために、比較部５８は、光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値Ｐ_LBに対する反射光強度測定値Ｐ_Rの割合または比率（Ｐ_R／Ｐ_LB）を求め、その比率（Ｐ_R／Ｐ_LB）を判定基準値Ｄと比較する。制御部５０は、比較部５８からの比較結果を受け、比率（Ｐ_R／Ｐ_LB）＞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（Ｐ_R／Ｐ_LB）≦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。

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４０，３４、集束レンズ３２および保護レンズ３０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。

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４０，３４や集束レンズ３２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３０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３０の汚れは経時的に増大する。したがって、比率（Ｐ_R／Ｐ_LB）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５０は、パネル表示部１６ａ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。

溶接良否判定のために、比較部５８は、反射光強度測定値Ｐ_Rを判定基準値Ｆ（上限値Ｆ_Hおよび下限値Ｆ_L）と比較する。制御部５０は、比較部５８からの比較結果を受け、Ｆ_L＜Ｐ_R＜Ｆ_H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、Ｐ_R≦Ｆ_LまたはＰ_R≧Ｆ_H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５０は、溶接良否についての判定結果をパネル表示部１６ａ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Ｐ_Rをレーザ溶接機本体１０に送ることもできる。

上記したモニタ装置本体１６では、加工部正常／異常判定のために、比較部５８において光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値Ｐ_LBと反射光強度測定値Ｐ_Rとの比率（Ｐ_R／Ｐ_LB）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Ｐ_LBおよび反射光強度測定値Ｐ_R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Ｐ_LBおよび反射光強度測定値Ｐ_R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。

上記のように、この実施形態のレーザ加工装置においては、レーザ加工ヘッド１２に２つの光検出器２６，２８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２６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Ｒ_LBの光強度を反射光測定部の光検出器２８を用いて測定し、レーザ光ＬＢの光強度測定値Ｐ_LBと反射光Ｒ_LBの光強度測定値Ｐ_Rとに基づいてレーザ光ＬＢの通る光学部品の状態、ワークＷの状態、レーザ出力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えるようにしており、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、異常・故障の発見・通報が適時に出されるため、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。

さらに、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２６および反射光検出器２８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４６，４８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２６または反射光検出器２８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。

次に、図９〜図１２につき本発明の別の実施形態を説明する。

図９に、この第２の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す。この装置は、主に銅や金の溶接に用いて好適なもので、基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧ基本波パルスレーザ光と高調波たとえば第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧ高調波パルスレーザ光とを重畳してワークＷの加工点ＷＰに照射する方式のレーザ加工装置である。上記した第１の実施形態と異なる主要な部分は、レーザ加工機本体６４にＹＡＧ基本波レーザ光ＬＡおよびＹＡＧ高調波レーザ光ＳＨＧをそれぞれ発振出力する２台のＹＡＧパルスレーザ発振器６６，６８が設けられる点と、レーザ加工ヘッド７０内にＹＡＧ基本波レーザ光ＬＡとＹＡＧ高調波レーザ光ＳＨＧとを重畳させる光学系が内蔵されている点である。

両ＹＡＧパルスレーザ発振器６６，６８とレーザ加工ヘッド７０とはそれぞれ光ファイバ７２，７４によって光学的に結ばれている。レーザ加工ヘッド７０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７６を有し、このヘッド本体７６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７６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７８が設けられ、このレーザ出射口７８とは反対側の本体上面には両光ファイバ７２，７４の終端部を着脱可能に取り付けるための光ファイバ接続部８０，８２およびモニタリング用のレーザ光検出器８４，８６，８８が取り付けられている。

図１０〜図１２に、レーザ加工ヘッド７０の具体的な構成を示す。図１０は上面図、図１１は図１０のＸ−Ｘ線についての縦断面図、図１２は図１０のＹ−Ｙ線についての縦断面図である。

図１１および図１２に示すように、ヘッド本体７６の下面中心部から下方に延びる筒部９０が形成され、この筒部９０の下端部つまりレーザ出射口７８に保護ガラス９２が取り付けられ、この保護ガラス９２の内奥手前に集束レンズ９４が配置されている。

集束レンズ９４の直上にはヘッド本体７６内部のほぼ中心位置にて、ＹＡＧ基本波系のベントミラー９６がその反射面９６ａをたとえば４５°の角度でＸ方向斜め下方に向けて配置され（図１１）、その直上にＹＡＧ高調波系のベントミラー９８がその反射面９８ａをたとえば４５°の角度でＹ方向斜め下方に向けて配置され（図１２）、さらにその直上には反射光検出器８８がその受光面を垂直下方に向けて配置されている。ここで、反射光検出器８８は、ヘッド本体７６の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている（図１１、図１２）。ＹＡＧ高調波系のベントミラー９８と反射光検出器８８との間には、図２の光学フィルタ３５と同様の光学フィルタ（図示せず）が配置されてよい。その場合、該光学フィルタは、主たるレーザ光であるＹＡＧ基本波の波長を選択的に通すフィルタを含んでよい。

ヘッド本体７６の上面には、ヘッド中心軸線上の反射光検出器８８よりＸ方向にオフセットした位置にて、筒状の光ファイバ取付部８０が垂直上方に延びている。この光ファイバ取付部８０の上端には、光ファイバ７２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１０６が設けられている。

図１１に示すように、光ファイバ取付部８０の内部には、光ファイバ７２の終端面７２ａ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１０８が配置されるとともに、このコリメートレンズ１０８の真下にベントミラー１１０がその反射面１１０ａをたとえば−Ｘ方向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１１０の反射面１１０ａはベントミラー９６の反射面９６ａと光学的に対向しており、光ファイバ７２の終端面７２ａからのＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＡはベントミラー１１０で光路を垂直方向から水平方向（−Ｘ方向）に直角に曲げてからベントミラー９６に入射し、ベントミラー９６で光路を水平方向（−Ｘ方向）から垂直下方に直角に曲げて集束レンズ９４に入射するようになっている。集束レンズ９４は、ワークＷの加工点ＷＰにＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＡを集光させる。

ヘッド本体７６の上面には、反射光検出器８８からＹＡＧ基本波系の光ファイバ取付部８０とは反対側（−Ｘ方向）にオフセットした位置にＹＡＧ基本波系のレーザ光検出器８４がその受光面を垂直下方に向けて配置されている。ここで、レーザ光検出器８４は、ヘッド本体７６の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。このレーザ光検出器８４の真下には、ベントミラー１１２がその反射面１１２ａをたとえばＸ方向４５°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ベントミラー１１２の反射面１１２ａはベントミラー１１０の反射面１１０ａとベントミラー９６を介して光学的に対向しており、光ファイバ７２の終端面７２ａからのＹＡＧ基本波レーザ光ＬＡがベントミラー９６で垂直下方（集束レンズ９４側）へ反射する際にベントミラー９６の後方（−Ｘ方向）へ漏れた光Ｍ_LAがベントミラー１１２に入射し、ベントミラー１１２で光路を水平方向から垂直上方へ直角に曲げてＹＡＧ基本波レーザ光検出器８４の受光面に入射するようになっている。ベントミラー９６とベントミラー１１２との間には、図２の光学フィルタ４４と同様の光学フィルタ（図示せず）が配置されてよい。

ＹＡＧ基本波レーザ光検出器８４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、Ｘ方向においてベントミラー９６から漏れるＹＡＧ基本波の漏れ光Ｍ_LAを受光してその光強度を表す電気信号Ｓ_LAを発生する。ここで、漏れ光Ｍ_LAの光強度は、光ファイバ７２の終端面７２ａより出射された直後のＹＡＧ基本波レーザ光ＬＡの光強度またはレーザ出力Ｐ_LAと一定の比例関係にある。レーザ光検出器８４の出力信号（ＹＡＧ基本波レーザ光強度検出信号）Ｓ_LAは信号線１１４を介してモニタ装置本体１６へ送られる。

さらに、図１２に示すように、ヘッド本体７６の上面には、ヘッド中心軸線上の反射光検出器８８よりＹ方向にオフセットした位置にて、筒状の光ファイバ取付部８２が垂直上方に延びている。この光ファイバ取付部８２の上端には、光ファイバ７４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１１８が設けられている。

光ファイバ取付部８２の内部には、光ファイバ７４の終端面７４ａから放射状に出たＹＡＧ高調波パルスレーザ光ＳＨＧを平行光にするためのコリメートレンズ１２０が配置されるとともに、このコリメートレンズ１２０の真下にベントミラー１２２がその反射面１２２ａをたとえばＹ方向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１２２の反射面１２２ａはベントミラー９８の反射面９８ａと光学的に対向しており、光ファイバ７４の終端面７４ａからのＹＡＧ高調波パルスレーザ光ＳＨＧはベントミラー１２２で光路を垂直方向から水平方向（−Ｙ方向）に直角に曲げてからベントミラー９８に入射し、ベントミラー９８で光路を水平方向（−Ｙ方向）から垂直下方に直角に曲げ、ベントミラー９６を通り抜けて集束レンズ９４に入射するようになっている。集束レンズ９４はワークＷの加工点ＷＰにＹＡＧ高調波パルスレーザ光ＳＨＧを集光させる。

図１２において、ヘッド本体７６の上面には、反射光検出器８８からＹＡＧ高調波系の光ファイバ取付部８２とは反対側（−Ｙ方向）にオフセットした位置にＹＡＧ高調波系のレーザ光検出器８６がその受光面を垂直下方に向けて配置されている。ここで、レーザ光検出器８６は、ヘッド本体７６の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。このレーザ光検出器８６の真下には、ベントミラー１２４がその反射面１２４ａをたとえばＹ方向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１２４の反射面１２４ａはベントミラー１２２の反射面１２２ａとベントミラー９８を介して光学的に対向しており、光ファイバ７４の終端面７４ａからのＹＡＧ高調波レーザ光ＳＨＧがベントミラー９８で垂直下方（集束レンズ９４側）へ反射する際にベントミラー９８の後方（−Ｙ方向）へ漏れた光Ｍ_SHGがベントミラー１２４に入射し、ベントミラー１２４で光路を水平方向（−Ｙ方向）から垂直上方へ直角に曲げてＹＡＧ高調波レーザ光検出器８６の受光面に入射するようになっている。ベントミラー９８とベントミラー１２４との間には、図２の光学フィルタ４４と同様の光学フィルタ（図示せず）が配置されてよい。

ＹＡＧ高調波レーザ光検出器８６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９６から後方（−Ｙ方向）に漏れるＹＡＧ高調波の漏れ光Ｍ_SHGを受光してその光強度を表す電気信号Ｓ_SHGを発生する。ここで、漏れ光Ｍ_SHGの光強度は、光ファイバ７４の終端面７４ａより出射された直後のＹＡＧ高調波レーザ光ＳＨＧの光強度またはレーザ出力Ｐ_SHGと一定の比例関係にある。レーザ光検出器８６の出力信号（ＹＡＧ高調波レーザ光強度検出信号）Ｓ_SHGは信号線１２６を介してモニタ装置本体１６へ送られる。

反射光検出器８８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、光学レンズ９４からベントミラー９６，９８を垂直上方に抜けてくる反射光Ｒ_LAを受光してその光強度を表す電気信号Ｓ_R'を発生する。ここで、反射光Ｒ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（特にＹＡＧ基本波）とは一定の比例関係にある。反射光検出器８８の出力信号（反射光強度検出信号）Ｓ_R'は信号線１２８を介してモニタ装置本体１６へ送られる。

モニタ装置本体１６は、レーザ加工ヘッド７０に取り付けられた３つの光検出器８４，８６，８８より信号線１１４，１２６，１２８を介して送られてくるＹＡＧ基本波レーザ光強度検出信号Ｓ_LA、ＹＡＧ高調波レーザ光強度検出信号Ｓ_SHG、反射光強度検出信号Ｓ_R'に基づいてＹＡＧ基本波レーザ光ＬＡ，ＹＡＧ高調波レーザ光ＳＨＧの通る光学部品の状態、ワークＷの状態、レーザ出力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ことができる。

この実施形態においても、上記した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。特にレーザ加工ヘッド７０においては、光ファイバ７２，７４、ＹＡＧ基本波レーザ光検出器８４，ＹＡＧ高調波レーザ光検出器８６および反射光検出器８８の全部をヘッド上面に接続または取付しているので、光ファイバ７２，７４および信号線１１４，１２６，１２８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可能であり、スペース効率、使い勝手、メンテナンス性および安全性の面で一層大なる利点を奏することができる。

上記した実施形態では、レーザ加工ヘッド１２（７０）のヘッド上面に取り付けるレーザ光測定部２６（８４，８６）および反射光測定部２８（８８）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Ｓ_L（Ｓ_LA，Ｓ_SHG），ＳＲ（Ｓ_R'）を信号線４６（１１４，１２６），４８（１２８）を介してモニタ装置本体１６へ送るようにした。しかし、たとえば図１３に示すように、レーザ加工ヘッド１２において、レーザ光測定部２６および／または反射光測定部２８を光ファイバ１３０，１３２で構成することも可能である。

より詳細には、レーザ光検出器２６（図２）の取付位置に光ファイバ１３０の一端部を取り付け、ベントミラー４２より垂直上方に反射したレーザ光ＬＢの漏れ光Ｍ_LBが光ファイバ１３０の一端面（受光面）１３０ａに入射するようにする。また、反射光検出器２８（図２）の取付位置に光ファイバ１３２の一端部を取り付け、ベントミラー３４より垂直上方に透過した反射光の漏れ光Ｒ_LBが光ファイバ１３２の一端面（受光面）１３２ａに入射するようにする。両光ファイバ１３０，１３２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１３０，１３２の他端面より出射されたレーザ漏れ光Ｍ_LB，反射漏れ光Ｒ_LBがそれぞれ光電変換素子（図示せず）によって電気信号Ｓ_L，Ｓ_Rに変換されるようになっている。

この構成例においても、上記した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。特に、レーザ加工ヘッド１２においては、光ファイバ１４，１３０，１３２の全部をヘッド上方に集約して架空敷設できるため、スペース効率、使い勝手、メンテナンス性および安全性の面で一層大なる利点となる。

本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 実施形態におけるレーザ加工ヘッドの具体的な構成を示す縦断面図である。 実施形態のレーザ加工装置における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。 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。 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。 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。 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。 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。 別の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 別の実施形態におけるレー加工ヘッドの構成を示す上面図である。 図１０のＸ−Ｘ線についての縦断面図である。 図１０のＹ−Ｙ線についての縦断面図である。 別の実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

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 光ファイバ
１６ モニタ装置本体
１８ コントローラ
２０ ヘッド本体
２２ レーザ出射口
２４ 光ファイバ取付部
２６ レーザ光検出器
２８ 反射光受光器
３０ 保護ガラス
３２ 集束レンズ
３４，４０，４２ ベントミラー
３８ コリメータレンズ
４６，４８ 信号線
６６ ＹＡＧ基本波レーザ発振器
６８ ＹＡＧ高調波レーザ発振器
７０ レーザ加工ヘッド
７６ ヘッド本体
７８ レーザ出射口
８０，８２ 光ファイバ取付部
８４ レーザ光検出器
８６ 反射光受光器
９６，９８，１１０，１１２ ベントミラー
１０４，１１６
１０８，１２０ コリメートレンズ

Claims (6)

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を介してレーザ加工ヘッドへ伝送し、前記レーザ加工ヘッドより被加工物に向けて前記レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記被加工物の加工点と向かい合う第１の面にレーザ出射口と、前記第１の面と反対側の第２の面に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とをそれぞれ設け、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の光学レンズを収容し、前記レーザ出射口に保護ガラスを取り付けるヘッド本体と、
   前記光ファイバに入射する前の前記レーザ光の出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
   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ヘッド本体に取り付けられ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出射口の中に反射されてきた光の光強度を測定するために前記ヘッド本体に取り付けられる反射光測定部と、
   前記レーザ出力部より得られる前記レーザ光の出力の測定値と前記レーザ光測定部より得られる前記レーザ光の光強度の測定値とに基づいて、前記光ファイバが正常であるか否かをモニタする第１のモニタ部と、
   前記レーザ光測定部より得られる前記レーザ光の光強度の測定値と前記反射光測定部より得られる前記反射光の光強度の測定値とに基づいて、前記被加工物の表面状態が正常であるか否か、または前記保護レンズが異常に汚れているか否かをモニタする第２のモニタ部と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記レーザ光はパルスレーザ光であり、
   前記反射光測定部は、前記パルスレーザ光の立ち上がりエッジより所定時間後の第１の時点から前記パルスレーザ光の立ち下がりエッジより所定時間前の第２の時間までを演算区間とし、前記演算区間内で求めた前記反射光の光強度の平均値、積分値、最大値またはピーク値を測定値とする、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第２のモニタ部は、前記レーザ光の光強度測定値に対する前記反射光の光強度測定値の比率を演算し、その比率が経時的に低下する様子をモニタする、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光測定部が、前記ヘッド本体の第２の面に取り付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 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に向けて反射するために前記ヘッド本体の中に設けられる第２のミラーを有する、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記反射光測定部が、前記ヘッド本体の第２の面に取り付けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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