レーザ加工装置
【課題】レーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにしたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】射出レーザ光出力を常時計測する計測器と、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値を求める最大値判定手段と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段と、この異常判定手段により最大値が規定範囲外であると判定された場合にアラーム内容を表示すると同時に少なくとも前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段とを具備したこととした。
【解決手段】射出レーザ光出力を常時計測する計測器と、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値を求める最大値判定手段と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段と、この異常判定手段により最大値が規定範囲外であると判定された場合にアラーム内容を表示すると同時に少なくとも前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段とを具備したこととした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工の不安定性の問題を好適に解消したパルス発振型固体レーザ装置、及びレーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにしたレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザダイオード（以降「ＬＤ」と表記する）励起固体レーザ装置本体の高出力化、高輝度化が進展したことにより、従来の加工装置では成し得なかった精密溶接や微細除去加工が、レーザ装置により高速かつ高精度で得られるようになってきた。このために、レーザ装置は電気・電子部品のスポット溶接やシーム溶接加工に使用されたり、金属、半導体、セラミック材料等への表面マーキングやスクライビング加工、また穴あけ、切断加工に活発に適用されるようになった。
【０００３】
従来の固体レーザ装置の代表例として、レーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００Ｗクラスのレーザダイオード励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置本体を具備する構成を図９に示す。
【０００４】
ここで、φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１は、中心波長８０８ｎｍで発振する平均光出力２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット２から射出したＬＤ光３により励起され、共振器長４００mmのレーザ共振器４を構成する全反射鏡５と反射率７０％の出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μmの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７となり射出する。また、ＬＤ励起ユニット２は直流安定化電源８より通電され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ励起ユニット２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置９から供給された純水を介して温度管理されている。
【０００５】
また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の一部はビームスプリッター１０によりモニター用レーザ光１１としてパワー減衰器１２を透過して高速パワーセンサー１３に導かれる。その他のレーザ光７は入射集光光学系１４によりコア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１５の伝送条件を満足するように集光されている。光ファイバ１５から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１６に置かれた被加工物１７上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１８により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【０００６】
本構成において、レーザ光７は高速パワーセンサー１３によりモニターされたレーザ出力値と指令レーザ出力値が一致するように直流安定化電源８からＬＤ励起ユニット２に通電される電流がフィードバック制御されている。
【０００７】
しかしながら従来の構成において、モニター用レーザ光の高速パワーセンサーとして一般的にはＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを用いた場合、以下の欠点を有している。
（１）パワーセンサーへの許容入力光レベルはｍＷレベルであるために、モニター用レーザ光は高精度のパワー分割手段と高減衰手段とを併用して、実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ光を約１００，０００分の一程度にまで減衰させなければいけない。しかし、前記手段として用いる光学部品のパワー分割率およびパワー減衰率は、湿度変化や光学部品への粉塵の付着等により容易にそれらの特性が変化してしまい、モニター用レーザ出力から高精度に実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を予測することは困難である。
（２）パワーセンサーの検出感度の温度依存性が０．２〜１．０％／°Ｃと大きいために、周囲温度変化により容易に感度変化が生じ、周囲温度が一定でない環境下に置かれたレーザ装置本体においては、測定されたモニター出力から実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ光出力を安定に精度良く予測することは困難である。
【０００８】
したがって、このようなパワーセンサーで測定されたモニターレーザ出力値をフィードバック信号として、ＬＤ電流を制御するＮｄ：ＹＡＧレーザ装置においては、上記したセンサーの諸問題により、絶対精度として２％以下の安定したＮｄ：ＹＡＧレーザ出力が得られないのが実情であった。このために、同構成のレーザ装置本体を使用したレーザ加工において精度不良、強度不足等の加工不良が不可避的に伴うという問題が発生していた。
【０００９】
また、この種のパルス発振型固体レーザ装置を使用したレーザ加工装置では、レーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにすることが望まれている。この種のレーザ加工装置としては、以下に説明するものが知られている。
【００１０】
従来例として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ加工装置の構成を図１０に示す。
【００１１】
ここで、ロッド直径φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１０１は、中心波長８０８ｎｍで発振する２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット１０２から射出したＬＤ光１０３により励起され、共振器長４００ｍｍのレーザ共振器１０４を構成する全反射鏡１０５と反射率７０％の出力結合鏡１０６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μmの光が選択的に増幅され、出力結合鏡１０６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光１０７となり射出する。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０１およびＬＤ励起ユニット１０２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置１０８から供給された純水を介して温度管理され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力が維持できるように構成されている。
【００１２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の一部はビームスプリッター１０９により反射されモニター光１１０として取り出され、熱電変換型のモニター光出力測定器１１１に導かれ出力の測定が行われ、ビームスプリッターを透過したＮｄ：ＹＡＧレーザ光１０７は、ビームシャッター１１２が開状態で入射集光光学系１１３に入射し、コア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１１４に集光され伝送されている。ビームシャッター１１２が閉状態では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７は熱電変換型のレーザ光出力測定器１１５に入射し出力が測定される構成となっている。
【００１３】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ出力の制御およびＯＮ、ＯＦＦは、直流安定化電源１１６よりＬＤ電流を制御することにより行われ、一般的には、レーザ光を外部に射出する以前に求めたレーザ出力特性から決定されるＬＤ電流が所望のレーザ出力に対応して通電されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の出力監視は、モニター光１１０の出力値と規定値とを比較することにより行われている。
【００１４】
光ファイバ１４から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１１７に置かれた被加工物１１８上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１１９により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【００１５】
しかしながら、従来の構成において搭載している熱電変換型のモニター光出力測定器１１１では、応答速度が０．１〜３ｓｅｃ程度と遅いために、測定が精度良く行えても異常を検出できるのに応答速度と同程度の時間が必要となっていた。また、この時定数以下の時間でレーザ発振動作が終了する場合やパルス繰返し周波数が１００Ｈｚ以下のパルス発振運転時においては、図１１に示したように平均レーザ出力の測定が十分な精度で行えないので、前記短パルス発振運転時や前記低周波数以下のパルス発振運転時にはモニター光の出力を測定しているものの、射出レーザ出力の監視は行えなかった。
【００１６】
したがって、レーザ共振器１０４を構成する全反射鏡１０５や出力結合鏡１０６が、塵やごみの付着により損傷しレーザ出力が急激に低下した場合においても、この出力低下の異常状態の検出が遅れたりまたは検出が不可能であったりして、正常なレーザ加工が行われないまま加工を継続してしまうという問題が発生していた。
【発明の開示】
【００１７】
本発明では、レーザ出力の高速フィードバック制御が困難なパルス型ＬＤ励起固体レーザ装置を用いた加工において問題となる、レーザ出力の不安定性に起因する加工の不安定性の問題を解決するパルス型ＬＤ励起固体レーザ装置を提供するものである。
【００１８】
本発明では上記課題を解決するために、モニターレーザ出力をフィードバック信号としたＬＤ電流のクローズドループ制御方式に換わり、レーザ出力値に対応するＬＤ電流値を単純に通電するオープンループ制御方式に変更可能とする技術を提供するものである。
【００１９】
基本的には、レーザ光をレーザ装置本体外部に射出する以前に、レーザ装置本体内部でレーザ発振動作を行い、パルスレーザ出力値とパルスＬＤ電流値との正確な相関関係を求めた後、レーザ光をレーザ装置本体外部に射出する場合には、事前に求めたパルスレーザ出力値とパルスＬＤ電流値との相関関係に従い、所望のパルスレーザ出力値に対応したパルスＬＤ電流を通電するようにしたものである。
【００２０】
このようにすれば、所望のパルスレーザ出力値が得られるパルスＬＤ電流値の通電技術を確立することができるので、常に安定したレーザ出力を得ることができる。この結果、同レーザ装置本体を使用したレーザ加工装置においは、レーザ出力の不安定性に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が発生しなくなるので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の低減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供することができる。
【００２１】
また、本発明では、パルス型ＬＤ励起固体レーザユニットから射出するパルスレーザ出力を常時監視し、異常出力値を検出した際にはレーザ装置の運転を停止することにより、レーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにしたレーザ加工装置を提供するものである。
【００２２】
本発明では上記課題を解決するために、モニター光出力の測定手段に、当該モニター光出力を常時計測し得るものを採用する。例えば、固体レーザ装置の発振波長域において十分な検出感度を有し、且つ数ｎｓｅｃの応答速度とを有したＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを用いる。
【００２３】
そして、モニター光のレーザ出力値の正常値を予め計測し記録しておき、記録された数値を比較基準に設定し、通常運転中のモニター光出力の監視期間中に計測されるレーザ出力値と比較し、規定値以上に計測値があれば異常と判断処理する。
【００２４】
レーザ出力値の監視は、設定された監視期間内の最大レーザ出力値を比較基準値として行うことにより比較基準値を最小個数にして、記憶メモリー量を最小限にすると同時に比較演算処理の高速化を行う。
【００２５】
本発明に係るモニター光出力の監視技術を適用することにより、短時間の発振動作でもパルス繰返し周波数が１００Ｈｚ以下の場合においても、そのパルスレーザ出力値の計測と異常レーザ出力の検出がｍｓｅｃオーダで可能となる。
【００２６】
この結果、同レーザ加工装置を使用したレーザ加工においは、レーザ出力の不安定性に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が大幅に減少するので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の低減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２８】
本発明の実施形態として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置本体を主体とした固体レーザ装置の構成を図1に示す。
【００２９】
ここで、ロッド直径φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１は、中心波長８０８ｎｍで発振する２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット２から射出したＬＤ光３により励起され、共振器長４００ｍｍのレーザ共振器４を構成する全反射鏡５と反射率７０％の出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μｍの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７となり射出する。また、ＬＤ励起ユニット２は直流安定化電源８より通電され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ励起ユニット２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置９から供給された純水を介して温度管理されている。
【００３０】
また、出力結合鏡６と入射集光光学系１４とのビーム伝送経路間にビームシャッター１０および熱電型レーザ出力測定器１３が配置されていて、レーザ光７はビームシャッター１０が開状態で入射集光光学系１５に入射し、コア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１５に集光される。伝送用光ファイバ１５から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１６に置かれた被加工物１７上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１８により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【００３１】
このような構成において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７を用いてレーザ加工を行う前に、正確なレーザ光出力がレーザ加工に適用されることを目的に、レーザ出力値の校正を実施する。そのために、この実施形態の固体レーザ装置に図３に示す制御手段２０を備えておく。制御手段２０は、予め規定された矩形パルス電流値及び各矩形パルス電流値に対応するパルスレーザ出力値を記憶する記憶部２１と、この記憶部２１に記憶された矩形パルス電流値及びパルスレーザ出力値から所要のパルスレーザ出力値に対応するパルス電流値を線形予測する演算部２２と、この演算部２２にて線形予測されたパルス電流値をレーザダイオードに通電するための出力部２３とを備える。記憶部２１に記憶されるパルスレーザ出力値など必要なものについては、この実施形態においては予め演算部２２で演算しておく。これら記憶部２１、演算部２２及び出力部２３からなる制御手段２０は、ＣＰＵ、メモリ及びインターフェースを備えた通常のマイクロコンピュータを用いて容易に構成することができ、専用機によることも勿論実現することが可能である。
【００３２】
以下に、上記制御手段を用いた校正の手順を示す。
ここでは、レーザ出力の校正実施サンプル点数を5点とし、またレーザ発振閾値を与えるＬＤ電流Ｉtは２５Ａとして実施した（図２参照）。
【００３３】
（１）ビームシャッター１０を閉状態にし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の全てのレーザ出力が熱電型レーザ出力測定器１２に入射するようにビーム伝送経路を変更する。
【００３４】
（２）パルス幅τ、パルス繰返し周波数fの条件で、第一サンプルＬＤ電流値Ｉ1においてレーザ発振動作を行い、熱電型レーザ出力測定器１２により平均レーザ出力Ｐa1を測定した後、パルスレーザ出力Ｐ1を
Ｐn＝Ｐan／（τ・ｆ）…式（１）
を使用して演算部２１で求め、記憶部２１に記憶する。
ここでτ＝０．５ｍｓｅｃ、ｆ＝２００Ｈｚ、Ｉ1＝３０Ａの場合、Ｐa1＝２０ＷでＰ1＝２００Ｗであった。また、Ｐa1の測定はＬＤ電流を通電指令してから３秒後の値を測定データとした。
【００３５】
（３）パルス幅、パルス繰返し周波数は同一で、サンプルＬＤ電流値のみをＩ2、Ｉ3、Ｉ4、Ｉ5の順に増加させ、各サンプルＬＤ電流値におけるパルスレーザ出力値Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4、Ｐ5を演算部２２にて求め、記憶部２１に記憶した後、各サンプルＬＤ電流値をＩt以下にしてレーザ発振動作を中止する。
ここで、Ｉ2＝５０Ａ、Ｉ3＝７０Ａ、Ｉ4＝９０Ａ、Ｉ5＝１１０Ａの時、Ｐ2＝５３０Ｗ、Ｐ3＝１２６０Ｗ、Ｐ4＝２０５０Ｗ、Ｐ5＝３１６０Ｗであった。
また、各平均レーザー出力値Ｐan（ｎ＝２〜５）の測定はサンプルＬＤ電流を通電指令してから全て一定で、３秒後の値を測定データとした。
【００３６】
（４）各サンプルＬＤ電流値とパルスレーザ出力値のデータを基にして、測定された最大パルスレーザ出力値Ｐ5までの任意のパルスレーザ出力値Ｐpが得られるレーザダイオード通電パルス電流値Ｉcを予測するために以下の線形式を作製する。
【００３７】
Ｐ1＜Ｐp≦Ｐ2の場合：
Ｉc＝（（Ｉ2−Ｉ1）／（Ｐ2−Ｐ1））・Ｐp＋（Ｐ2Ｉ1−Ｐ1Ｉ2）／（Ｐ2−Ｐ1）……式（２）‐１
Ｐ2＜Ｐp≦Ｐ3の場合：
Ｉc＝（（Ｉ3−Ｉ2）／（Ｐ3−Ｐ2））・Ｐp＋（Ｐ3Ｉ2−Ｐ2Ｉ3）／（Ｐ3−Ｐ2）……式（２）‐２
Ｐ3＜Ｐp≦Ｐ4の場合：
Ｉc＝（（Ｉ4−Ｉ3）／（Ｐ4−Ｐ3））・Ｐp＋（Ｐ4Ｉ3−Ｐ3Ｉ4）／（Ｐ4−Ｐ3）……式（２）‐３
Ｐ4＜Ｐp≦Ｐ5の場合：
Ｉc＝（（Ｉ5−Ｉ4）／（Ｐ5−Ｐ4））・Ｐp＋（Ｐ5Ｉ4−Ｐ4Ｉ5）／（Ｐ5−Ｐ4）……式（２）‐４
０＜Ｐp≦Ｐ1 の場合は、
Ｉc＝（（Ｉ1−Ｉt）／Ｐ1）・Ｐp＋Ｉt……式（３）
ここで、式（２）‐１〜式（２）‐４を一般関係式で表現すると、
Ｐn−1＜Ｐp≦Ｐn、（ｎ≧２）の場合は、
Ｉc＝（（Ｉn−Ｉn−1）／（Ｐn−Ｐn−1））・Ｐp＋（ＰnＩn−1−Ｐn−1Ｉn）／（Ｐn−Ｐn−1）……式（２）
となる。
【００３８】
パルスレーザ出力値の校正動作を終えた後は、これらの関係式（２）および（３）を使用して、演算部２２が所望のパルスレーザ出力に対応するレーザダイオード通電パルス電流値を演算し、出力部を通じてＬＤに通電する。そのためのプログラムは、制御手段２０の記憶部２１に記憶されており、演算部２２は適宜そのプログラムを取り出して演算を実行し、その結果を前記記憶部２１に書き込む。図４はその概略的なフローチャートである。
【００３９】
この結果、パルスレーザ出力値の指令値が１５０Ｗの場合、パルスＬＤ電流は２８．７５Ａが通電され、実際のパルスレーザ出力値は１５２Ｗで、約１．３％の絶対精度でレーザ出力が得られた。また、パルスレーザ出力値の指令値が２５００Ｗの場合、パルスＬＤ電流は９８Ａが通電され、実際のパルスレーザ出力値は２４８５Ｗで、約０．６％の絶対精度でレーザ出力が得られた。
【００４０】
なお、制御手段２０は、前記レーザ装置本体Ａのパルスレーザ出力値の校正時において、各レーザダイオード通電パルス電流値において得られるパルスレーザ出力値が、前回の校正時に得られた同一電流値のパルスレーザ出力値と比較して、規定された増減率と同一もしくはそれ以下の場合に限り取得データで更新することが可能な機能を備えている。
【００４１】
また、制御手段２０は、前記レーザ装置本体Ａのパルスレーザ出力値の校正時において、各レーザダイオード通電パルス電流値において得られるパルスレーザ出力値が、前回の校正時に得られた同一電流値のパルスレーザ出力値と比較して、規定された増減率以上の場合は、新規取得データによるデータ更新は実施せず、レーザ装置本体Ａの異常とみなし異常内容を表示すると共にレーザ装置本体の校正動作を中止する機能をも備えている。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００４３】
以上のように、固体レーザ装置を使用するに際して、使用前にレーザ装置本体の校正を行うことにより、レーザ出力の不安定性に起因する過去の不安定性の問題を解決するものであるので、このような構成をレーザ加工装置に採用することができる。
【００４４】
また、レーザ加工装置としては、以下に説明する構成を採用することにより、さらに信頼性を向上させることができる。
【００４５】
すなわち、本発明の他の実施形態として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡを主体として構成したレーザ加工装置を図５に示す。
【００４６】
ここで、レーザ共振器およびビーム伝送系の構成は従来例と同一であるが、最も大きな相違はモニター光出力測定器１１１をＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードに変更し、ビームスプリッター１０９での射出レーザ光に対する反射率を約１％としてモニターレーザ光１１０を作製している点にある。
【００４７】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の出力監視は、ＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを検出器として用いることで、ＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡから射出可能なパルスレーザ光出力は、全てのレーザ射出期間において監視可能となる。しかしながら、一般的には図６に示したようにレーザ加工を実施する場合、加工部位により様々なレーザ出力値から成るパルスレーザ光で加工が行われるので、監視基準値もそれに連動した設定値で常時監視を行わなければならない。これでは、図６に示した加工条件＃１のような０．５ｍｓｅｃのパルス幅を有するパルスレーザ光が１００Ｈｚの繰り返し周波数で運転されている場合、監視サンプリング間隔は少なくとも０．０５ｍｓｅｃは必要で、レーザ射出時間中の全ての期間である２．５ｓｅｃの期間で監視を行うと、約５×１０4回も比較演算処理が必要となり、高速処理可能な演算装置と大容量メモリーを具備した制御装置が必要となり、レーザ装置が高価になってしまう。
【００４８】
本発明の他の実施形態では、簡便な方法として監視時間をある特定の短期間に限定して設定可能とし、さらにその期間中の最大値のみを監視対象とした。
【００４９】
そのために、固体レーザユニットＡＡのレーザ光射出部と当該レーザ光射出部から射出したレーザ光が導入されるレーザ光伝送系たる伝送用光ファイバ１１４の入射導光部である入射集光光学系１１３との間にあって、レーザ光の一部を分離するビームスプリッター１０９より反射する射出レーザ光出力を計測器たるモニター光出力測定器１１１に導入するモニター光１１０とし、当該モニター光出力測定器１１１において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、ビームスプリッター１０９における射出レーザ光の反射率から伝送用光ファイバ１１４に導光されるレーザ出力値を推定計測するものである。
【００５０】
具体的構成としては、図７に例示するように、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値である実最大レーザ出力値を求める最大値判定手段１２０と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段１２１と、この異常判定手段が規定範囲外であると判定した場合にアラーム内容を表示すると同時に前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段１２２とを備える。
【００５１】
このうち、少なくとも前記モニター光出力測定器１１１の一部、最大値判定手段１２０、異常判定手段２１及び異常処理手段１２２は、ＣＰＵ、メモリ及びインターフェースを備えた通常のマイクロコンピュータシステム等によって容易に構成することができる。
【００５２】
図８は、この場合にＣＰＵが実行すべきものとしてメモリ内に格納されるプログラムの概要を示すフローチャートであり、図６はレーザ光射出中の監視期間を具体的に示すものである。これらの図に基づいて説明すると、レーザ光が射出されると同時にモニター光出力測定器１１１がモニターレーザ光出力を監視すべくサンプリングを開始し（Ｓ１，Ｓ２）、開始後１００ｍｓｅｃ後に監視終了する（Ｓ５）。正常時における監視期間中の代表値として、この期間中の最大レーザ出力値を取得する（Ｓ３，Ｓ４）。これは、最大値が最もＳ／Ｎ値が大きいからである。このステップＳ３、Ｓ４は、容易にピークホールド回路に代替して構成することもできる。正常時のモニターレーザ光出力を監視基準とするための上記ステップでは、実加工と同一条件でレーザ装置を運転し基準最大レーザ出力値を取得する。また監視基準幅としては、センサー感度の周囲環境に対する変化（一般的に０．５％／°Ｃ）やレーザ加工品質の許容幅等から、基準最大レーザ出力値に対して±３％の値を上限規定レーザ出力値及び下限規定レーザ出力値として設定する。
【００５３】
実加工時には、上述した基準最大レーザ出力値の取得ステップと同様の実最大レーザ出力値の取得ステップ（Ｓ１〜Ｓ５）を実施し、これに加えて、実最大レーザ出力値を前記監視基準幅を踏まえた上限規定レーザ出力値及び下限規定レーザ出力値と比較する比較ステップ（Ｓ６）を実施する。そして、実最大レーザ出力値が下限規定レーザ出力値から上限規定レーザ出力値までの範囲を外れる場合は、監視期間終了直後にアラームとしてレーザ装置の表示器に「レーザ出力異常」を表示すると同時に、レーザ装置ならびに加工機械の運転を中止する等の異常処理を行う（Ｓ７）。
【００５４】
つまり本他の実施形態によって、監視期間中は常にレーザ出力の最大値を取得し、期間終了と同時に監視基準値と最新の最大値とを比較するという、きわめて単純な構成で高精度のレーザ出力の監視が実現できた。
【００５５】
そして、従来技術では不可能であった短パルスおよび低パルス周波数でレーザ加工中の異常レーザ出力の監視が実現できたことにより、異常時には、即座にレーザ装置の運転を停止することができるようになった。
【００５６】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００５７】
例えば、上記他の実施形態では、レーザレーザ光射出直後から１００ｍｓｅｃの期間をモニターレーザ出力の監視期間としたが、レーザ光が射出されている時間内であれば、任意の時間範囲を監視期間としても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、上記実施形態では、監視期間をレーザ光射出直後から１００ｍｓｅｃの１期間としたが、レーザ光が射出されている時間内であれば、複数の監視期間を設けることで、より高精度のレーザ出力の監視が行なえる。
【００５９】
さらに、上記他の実施形態では、数ｎｓｅｃの応答速度を有するフォトダイオードを使用したが、一般的に加工に適用されるレーザ光のパルス幅は１００μｓｅｃ以上であるので、検出器の応答速度は数十μｓｅｃの応答速度でも十分な機能と効果が期待できる。
【００６０】
さらにまた、射出レーザ光の伝播経路を変更する反射鏡からの透過レーザ光もしくはレーザ共振器を構成する全反射鏡からの透過レーザ光を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、透過レーザ光の射出レーザ光に対する比率からレーザ光伝送系に導光するようにしても構わない。
【００６１】
なお、上記したそれぞれの実施形態は、単独で実施されるものであってよく、また両者を組み合わせて実施するものであってもよい。
【００６２】
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
上述したように、本願のパルス発振型固体レーザ装置によれば、安定的に２％以下の絶対精度でパルスレーザ出力値を射出することが可能となる。上記実施形態によるレーザ加工機を用いたレーザ溶接加工においては、ブローホール等の溶接欠陥が減少したり、溶接深度のバラツキが低減したことにより、溶接品質を大幅に改善することができた。
【００６４】
また、本願のレーザ加工装置によれば、レーザ出力の過不足に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が大幅に減少するので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の節減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式的な構成図。
【図２】同実施形態におけるレーザ出力校正データ作成の概念図。
【図３】同実施形態における制御手段の機能ブロック図。
【図４】同制御手段による処理の概要を示すフローチャート。
【図５】本発明の他の実施形態を示す模式的な構成図。
【図６】同実施形態によるモニターレーザ出力の概念図。
【図７】同実施形態の機能ブロック図。
【図８】同実施形態の処理手順を示すフローチャート。
【図９】従来例を示す模式的な構成図。
【図１０】従来例を示す図５に対応した図。
【図１１】同従来例によるモニターレーザ出力の概念図。
【符号の説明】
【００６６】
ＡＡ…固体レーザユニット
１０９…ビームスプリッター
１１０…モニター光
１１１…計測器（モニター光出力測定器）
１１４…レーザ光伝送系（伝送用光ファイバ）
１２０…最大値判定手段
１２１…異常判定手段
１２２…異常処理手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工の不安定性の問題を好適に解消したパルス発振型固体レーザ装置、及びレーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにしたレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザダイオード（以降「ＬＤ」と表記する）励起固体レーザ装置本体の高出力化、高輝度化が進展したことにより、従来の加工装置では成し得なかった精密溶接や微細除去加工が、レーザ装置により高速かつ高精度で得られるようになってきた。このために、レーザ装置は電気・電子部品のスポット溶接やシーム溶接加工に使用されたり、金属、半導体、セラミック材料等への表面マーキングやスクライビング加工、また穴あけ、切断加工に活発に適用されるようになった。
【０００３】
従来の固体レーザ装置の代表例として、レーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００Ｗクラスのレーザダイオード励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置本体を具備する構成を図９に示す。
【０００４】
ここで、φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１は、中心波長８０８ｎｍで発振する平均光出力２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット２から射出したＬＤ光３により励起され、共振器長４００mmのレーザ共振器４を構成する全反射鏡５と反射率７０％の出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μmの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７となり射出する。また、ＬＤ励起ユニット２は直流安定化電源８より通電され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ励起ユニット２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置９から供給された純水を介して温度管理されている。
【０００５】
また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の一部はビームスプリッター１０によりモニター用レーザ光１１としてパワー減衰器１２を透過して高速パワーセンサー１３に導かれる。その他のレーザ光７は入射集光光学系１４によりコア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１５の伝送条件を満足するように集光されている。光ファイバ１５から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１６に置かれた被加工物１７上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１８により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【０００６】
本構成において、レーザ光７は高速パワーセンサー１３によりモニターされたレーザ出力値と指令レーザ出力値が一致するように直流安定化電源８からＬＤ励起ユニット２に通電される電流がフィードバック制御されている。
【０００７】
しかしながら従来の構成において、モニター用レーザ光の高速パワーセンサーとして一般的にはＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを用いた場合、以下の欠点を有している。
（１）パワーセンサーへの許容入力光レベルはｍＷレベルであるために、モニター用レーザ光は高精度のパワー分割手段と高減衰手段とを併用して、実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ光を約１００，０００分の一程度にまで減衰させなければいけない。しかし、前記手段として用いる光学部品のパワー分割率およびパワー減衰率は、湿度変化や光学部品への粉塵の付着等により容易にそれらの特性が変化してしまい、モニター用レーザ出力から高精度に実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を予測することは困難である。
（２）パワーセンサーの検出感度の温度依存性が０．２〜１．０％／°Ｃと大きいために、周囲温度変化により容易に感度変化が生じ、周囲温度が一定でない環境下に置かれたレーザ装置本体においては、測定されたモニター出力から実際のＮｄ：ＹＡＧレーザ光出力を安定に精度良く予測することは困難である。
【０００８】
したがって、このようなパワーセンサーで測定されたモニターレーザ出力値をフィードバック信号として、ＬＤ電流を制御するＮｄ：ＹＡＧレーザ装置においては、上記したセンサーの諸問題により、絶対精度として２％以下の安定したＮｄ：ＹＡＧレーザ出力が得られないのが実情であった。このために、同構成のレーザ装置本体を使用したレーザ加工において精度不良、強度不足等の加工不良が不可避的に伴うという問題が発生していた。
【０００９】
また、この種のパルス発振型固体レーザ装置を使用したレーザ加工装置では、レーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにすることが望まれている。この種のレーザ加工装置としては、以下に説明するものが知られている。
【００１０】
従来例として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ加工装置の構成を図１０に示す。
【００１１】
ここで、ロッド直径φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１０１は、中心波長８０８ｎｍで発振する２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット１０２から射出したＬＤ光１０３により励起され、共振器長４００ｍｍのレーザ共振器１０４を構成する全反射鏡１０５と反射率７０％の出力結合鏡１０６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μmの光が選択的に増幅され、出力結合鏡１０６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光１０７となり射出する。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０１およびＬＤ励起ユニット１０２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置１０８から供給された純水を介して温度管理され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力が維持できるように構成されている。
【００１２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の一部はビームスプリッター１０９により反射されモニター光１１０として取り出され、熱電変換型のモニター光出力測定器１１１に導かれ出力の測定が行われ、ビームスプリッターを透過したＮｄ：ＹＡＧレーザ光１０７は、ビームシャッター１１２が開状態で入射集光光学系１１３に入射し、コア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１１４に集光され伝送されている。ビームシャッター１１２が閉状態では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７は熱電変換型のレーザ光出力測定器１１５に入射し出力が測定される構成となっている。
【００１３】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ出力の制御およびＯＮ、ＯＦＦは、直流安定化電源１１６よりＬＤ電流を制御することにより行われ、一般的には、レーザ光を外部に射出する以前に求めたレーザ出力特性から決定されるＬＤ電流が所望のレーザ出力に対応して通電されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の出力監視は、モニター光１１０の出力値と規定値とを比較することにより行われている。
【００１４】
光ファイバ１４から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１１７に置かれた被加工物１１８上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１１９により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【００１５】
しかしながら、従来の構成において搭載している熱電変換型のモニター光出力測定器１１１では、応答速度が０．１〜３ｓｅｃ程度と遅いために、測定が精度良く行えても異常を検出できるのに応答速度と同程度の時間が必要となっていた。また、この時定数以下の時間でレーザ発振動作が終了する場合やパルス繰返し周波数が１００Ｈｚ以下のパルス発振運転時においては、図１１に示したように平均レーザ出力の測定が十分な精度で行えないので、前記短パルス発振運転時や前記低周波数以下のパルス発振運転時にはモニター光の出力を測定しているものの、射出レーザ出力の監視は行えなかった。
【００１６】
したがって、レーザ共振器１０４を構成する全反射鏡１０５や出力結合鏡１０６が、塵やごみの付着により損傷しレーザ出力が急激に低下した場合においても、この出力低下の異常状態の検出が遅れたりまたは検出が不可能であったりして、正常なレーザ加工が行われないまま加工を継続してしまうという問題が発生していた。
【発明の開示】
【００１７】
本発明では、レーザ出力の高速フィードバック制御が困難なパルス型ＬＤ励起固体レーザ装置を用いた加工において問題となる、レーザ出力の不安定性に起因する加工の不安定性の問題を解決するパルス型ＬＤ励起固体レーザ装置を提供するものである。
【００１８】
本発明では上記課題を解決するために、モニターレーザ出力をフィードバック信号としたＬＤ電流のクローズドループ制御方式に換わり、レーザ出力値に対応するＬＤ電流値を単純に通電するオープンループ制御方式に変更可能とする技術を提供するものである。
【００１９】
基本的には、レーザ光をレーザ装置本体外部に射出する以前に、レーザ装置本体内部でレーザ発振動作を行い、パルスレーザ出力値とパルスＬＤ電流値との正確な相関関係を求めた後、レーザ光をレーザ装置本体外部に射出する場合には、事前に求めたパルスレーザ出力値とパルスＬＤ電流値との相関関係に従い、所望のパルスレーザ出力値に対応したパルスＬＤ電流を通電するようにしたものである。
【００２０】
このようにすれば、所望のパルスレーザ出力値が得られるパルスＬＤ電流値の通電技術を確立することができるので、常に安定したレーザ出力を得ることができる。この結果、同レーザ装置本体を使用したレーザ加工装置においは、レーザ出力の不安定性に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が発生しなくなるので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の低減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供することができる。
【００２１】
また、本発明では、パルス型ＬＤ励起固体レーザユニットから射出するパルスレーザ出力を常時監視し、異常出力値を検出した際にはレーザ装置の運転を停止することにより、レーザ出力の変動に基づく加工不良が発生しないようにしたレーザ加工装置を提供するものである。
【００２２】
本発明では上記課題を解決するために、モニター光出力の測定手段に、当該モニター光出力を常時計測し得るものを採用する。例えば、固体レーザ装置の発振波長域において十分な検出感度を有し、且つ数ｎｓｅｃの応答速度とを有したＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを用いる。
【００２３】
そして、モニター光のレーザ出力値の正常値を予め計測し記録しておき、記録された数値を比較基準に設定し、通常運転中のモニター光出力の監視期間中に計測されるレーザ出力値と比較し、規定値以上に計測値があれば異常と判断処理する。
【００２４】
レーザ出力値の監視は、設定された監視期間内の最大レーザ出力値を比較基準値として行うことにより比較基準値を最小個数にして、記憶メモリー量を最小限にすると同時に比較演算処理の高速化を行う。
【００２５】
本発明に係るモニター光出力の監視技術を適用することにより、短時間の発振動作でもパルス繰返し周波数が１００Ｈｚ以下の場合においても、そのパルスレーザ出力値の計測と異常レーザ出力の検出がｍｓｅｃオーダで可能となる。
【００２６】
この結果、同レーザ加工装置を使用したレーザ加工においは、レーザ出力の不安定性に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が大幅に減少するので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の低減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２８】
本発明の実施形態として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置本体を主体とした固体レーザ装置の構成を図1に示す。
【００２９】
ここで、ロッド直径φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１は、中心波長８０８ｎｍで発振する２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット２から射出したＬＤ光３により励起され、共振器長４００ｍｍのレーザ共振器４を構成する全反射鏡５と反射率７０％の出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μｍの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７となり射出する。また、ＬＤ励起ユニット２は直流安定化電源８より通電され、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ励起ユニット２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置９から供給された純水を介して温度管理されている。
【００３０】
また、出力結合鏡６と入射集光光学系１４とのビーム伝送経路間にビームシャッター１０および熱電型レーザ出力測定器１３が配置されていて、レーザ光７はビームシャッター１０が開状態で入射集光光学系１５に入射し、コア径０．３ｍｍ、長さ１０ｍの伝送用光ファイバ１５に集光される。伝送用光ファイバ１５から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１６に置かれた被加工物１７上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１８により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
【００３１】
このような構成において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７を用いてレーザ加工を行う前に、正確なレーザ光出力がレーザ加工に適用されることを目的に、レーザ出力値の校正を実施する。そのために、この実施形態の固体レーザ装置に図３に示す制御手段２０を備えておく。制御手段２０は、予め規定された矩形パルス電流値及び各矩形パルス電流値に対応するパルスレーザ出力値を記憶する記憶部２１と、この記憶部２１に記憶された矩形パルス電流値及びパルスレーザ出力値から所要のパルスレーザ出力値に対応するパルス電流値を線形予測する演算部２２と、この演算部２２にて線形予測されたパルス電流値をレーザダイオードに通電するための出力部２３とを備える。記憶部２１に記憶されるパルスレーザ出力値など必要なものについては、この実施形態においては予め演算部２２で演算しておく。これら記憶部２１、演算部２２及び出力部２３からなる制御手段２０は、ＣＰＵ、メモリ及びインターフェースを備えた通常のマイクロコンピュータを用いて容易に構成することができ、専用機によることも勿論実現することが可能である。
【００３２】
以下に、上記制御手段を用いた校正の手順を示す。
ここでは、レーザ出力の校正実施サンプル点数を5点とし、またレーザ発振閾値を与えるＬＤ電流Ｉtは２５Ａとして実施した（図２参照）。
【００３３】
（１）ビームシャッター１０を閉状態にし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の全てのレーザ出力が熱電型レーザ出力測定器１２に入射するようにビーム伝送経路を変更する。
【００３４】
（２）パルス幅τ、パルス繰返し周波数fの条件で、第一サンプルＬＤ電流値Ｉ1においてレーザ発振動作を行い、熱電型レーザ出力測定器１２により平均レーザ出力Ｐa1を測定した後、パルスレーザ出力Ｐ1を
Ｐn＝Ｐan／（τ・ｆ）…式（１）
を使用して演算部２１で求め、記憶部２１に記憶する。
ここでτ＝０．５ｍｓｅｃ、ｆ＝２００Ｈｚ、Ｉ1＝３０Ａの場合、Ｐa1＝２０ＷでＰ1＝２００Ｗであった。また、Ｐa1の測定はＬＤ電流を通電指令してから３秒後の値を測定データとした。
【００３５】
（３）パルス幅、パルス繰返し周波数は同一で、サンプルＬＤ電流値のみをＩ2、Ｉ3、Ｉ4、Ｉ5の順に増加させ、各サンプルＬＤ電流値におけるパルスレーザ出力値Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4、Ｐ5を演算部２２にて求め、記憶部２１に記憶した後、各サンプルＬＤ電流値をＩt以下にしてレーザ発振動作を中止する。
ここで、Ｉ2＝５０Ａ、Ｉ3＝７０Ａ、Ｉ4＝９０Ａ、Ｉ5＝１１０Ａの時、Ｐ2＝５３０Ｗ、Ｐ3＝１２６０Ｗ、Ｐ4＝２０５０Ｗ、Ｐ5＝３１６０Ｗであった。
また、各平均レーザー出力値Ｐan（ｎ＝２〜５）の測定はサンプルＬＤ電流を通電指令してから全て一定で、３秒後の値を測定データとした。
【００３６】
（４）各サンプルＬＤ電流値とパルスレーザ出力値のデータを基にして、測定された最大パルスレーザ出力値Ｐ5までの任意のパルスレーザ出力値Ｐpが得られるレーザダイオード通電パルス電流値Ｉcを予測するために以下の線形式を作製する。
【００３７】
Ｐ1＜Ｐp≦Ｐ2の場合：
Ｉc＝（（Ｉ2−Ｉ1）／（Ｐ2−Ｐ1））・Ｐp＋（Ｐ2Ｉ1−Ｐ1Ｉ2）／（Ｐ2−Ｐ1）……式（２）‐１
Ｐ2＜Ｐp≦Ｐ3の場合：
Ｉc＝（（Ｉ3−Ｉ2）／（Ｐ3−Ｐ2））・Ｐp＋（Ｐ3Ｉ2−Ｐ2Ｉ3）／（Ｐ3−Ｐ2）……式（２）‐２
Ｐ3＜Ｐp≦Ｐ4の場合：
Ｉc＝（（Ｉ4−Ｉ3）／（Ｐ4−Ｐ3））・Ｐp＋（Ｐ4Ｉ3−Ｐ3Ｉ4）／（Ｐ4−Ｐ3）……式（２）‐３
Ｐ4＜Ｐp≦Ｐ5の場合：
Ｉc＝（（Ｉ5−Ｉ4）／（Ｐ5−Ｐ4））・Ｐp＋（Ｐ5Ｉ4−Ｐ4Ｉ5）／（Ｐ5−Ｐ4）……式（２）‐４
０＜Ｐp≦Ｐ1 の場合は、
Ｉc＝（（Ｉ1−Ｉt）／Ｐ1）・Ｐp＋Ｉt……式（３）
ここで、式（２）‐１〜式（２）‐４を一般関係式で表現すると、
Ｐn−1＜Ｐp≦Ｐn、（ｎ≧２）の場合は、
Ｉc＝（（Ｉn−Ｉn−1）／（Ｐn−Ｐn−1））・Ｐp＋（ＰnＩn−1−Ｐn−1Ｉn）／（Ｐn−Ｐn−1）……式（２）
となる。
【００３８】
パルスレーザ出力値の校正動作を終えた後は、これらの関係式（２）および（３）を使用して、演算部２２が所望のパルスレーザ出力に対応するレーザダイオード通電パルス電流値を演算し、出力部を通じてＬＤに通電する。そのためのプログラムは、制御手段２０の記憶部２１に記憶されており、演算部２２は適宜そのプログラムを取り出して演算を実行し、その結果を前記記憶部２１に書き込む。図４はその概略的なフローチャートである。
【００３９】
この結果、パルスレーザ出力値の指令値が１５０Ｗの場合、パルスＬＤ電流は２８．７５Ａが通電され、実際のパルスレーザ出力値は１５２Ｗで、約１．３％の絶対精度でレーザ出力が得られた。また、パルスレーザ出力値の指令値が２５００Ｗの場合、パルスＬＤ電流は９８Ａが通電され、実際のパルスレーザ出力値は２４８５Ｗで、約０．６％の絶対精度でレーザ出力が得られた。
【００４０】
なお、制御手段２０は、前記レーザ装置本体Ａのパルスレーザ出力値の校正時において、各レーザダイオード通電パルス電流値において得られるパルスレーザ出力値が、前回の校正時に得られた同一電流値のパルスレーザ出力値と比較して、規定された増減率と同一もしくはそれ以下の場合に限り取得データで更新することが可能な機能を備えている。
【００４１】
また、制御手段２０は、前記レーザ装置本体Ａのパルスレーザ出力値の校正時において、各レーザダイオード通電パルス電流値において得られるパルスレーザ出力値が、前回の校正時に得られた同一電流値のパルスレーザ出力値と比較して、規定された増減率以上の場合は、新規取得データによるデータ更新は実施せず、レーザ装置本体Ａの異常とみなし異常内容を表示すると共にレーザ装置本体の校正動作を中止する機能をも備えている。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００４３】
以上のように、固体レーザ装置を使用するに際して、使用前にレーザ装置本体の校正を行うことにより、レーザ出力の不安定性に起因する過去の不安定性の問題を解決するものであるので、このような構成をレーザ加工装置に採用することができる。
【００４４】
また、レーザ加工装置としては、以下に説明する構成を採用することにより、さらに信頼性を向上させることができる。
【００４５】
すなわち、本発明の他の実施形態として、レーザ溶接加工を主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡを主体として構成したレーザ加工装置を図５に示す。
【００４６】
ここで、レーザ共振器およびビーム伝送系の構成は従来例と同一であるが、最も大きな相違はモニター光出力測定器１１１をＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードに変更し、ビームスプリッター１０９での射出レーザ光に対する反射率を約１％としてモニターレーザ光１１０を作製している点にある。
【００４７】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光１０７の出力監視は、ＰＩＮ型Ｓｉフォトダイオードを検出器として用いることで、ＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡから射出可能なパルスレーザ光出力は、全てのレーザ射出期間において監視可能となる。しかしながら、一般的には図６に示したようにレーザ加工を実施する場合、加工部位により様々なレーザ出力値から成るパルスレーザ光で加工が行われるので、監視基準値もそれに連動した設定値で常時監視を行わなければならない。これでは、図６に示した加工条件＃１のような０．５ｍｓｅｃのパルス幅を有するパルスレーザ光が１００Ｈｚの繰り返し周波数で運転されている場合、監視サンプリング間隔は少なくとも０．０５ｍｓｅｃは必要で、レーザ射出時間中の全ての期間である２．５ｓｅｃの期間で監視を行うと、約５×１０4回も比較演算処理が必要となり、高速処理可能な演算装置と大容量メモリーを具備した制御装置が必要となり、レーザ装置が高価になってしまう。
【００４８】
本発明の他の実施形態では、簡便な方法として監視時間をある特定の短期間に限定して設定可能とし、さらにその期間中の最大値のみを監視対象とした。
【００４９】
そのために、固体レーザユニットＡＡのレーザ光射出部と当該レーザ光射出部から射出したレーザ光が導入されるレーザ光伝送系たる伝送用光ファイバ１１４の入射導光部である入射集光光学系１１３との間にあって、レーザ光の一部を分離するビームスプリッター１０９より反射する射出レーザ光出力を計測器たるモニター光出力測定器１１１に導入するモニター光１１０とし、当該モニター光出力測定器１１１において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、ビームスプリッター１０９における射出レーザ光の反射率から伝送用光ファイバ１１４に導光されるレーザ出力値を推定計測するものである。
【００５０】
具体的構成としては、図７に例示するように、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値である実最大レーザ出力値を求める最大値判定手段１２０と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段１２１と、この異常判定手段が規定範囲外であると判定した場合にアラーム内容を表示すると同時に前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段１２２とを備える。
【００５１】
このうち、少なくとも前記モニター光出力測定器１１１の一部、最大値判定手段１２０、異常判定手段２１及び異常処理手段１２２は、ＣＰＵ、メモリ及びインターフェースを備えた通常のマイクロコンピュータシステム等によって容易に構成することができる。
【００５２】
図８は、この場合にＣＰＵが実行すべきものとしてメモリ内に格納されるプログラムの概要を示すフローチャートであり、図６はレーザ光射出中の監視期間を具体的に示すものである。これらの図に基づいて説明すると、レーザ光が射出されると同時にモニター光出力測定器１１１がモニターレーザ光出力を監視すべくサンプリングを開始し（Ｓ１，Ｓ２）、開始後１００ｍｓｅｃ後に監視終了する（Ｓ５）。正常時における監視期間中の代表値として、この期間中の最大レーザ出力値を取得する（Ｓ３，Ｓ４）。これは、最大値が最もＳ／Ｎ値が大きいからである。このステップＳ３、Ｓ４は、容易にピークホールド回路に代替して構成することもできる。正常時のモニターレーザ光出力を監視基準とするための上記ステップでは、実加工と同一条件でレーザ装置を運転し基準最大レーザ出力値を取得する。また監視基準幅としては、センサー感度の周囲環境に対する変化（一般的に０．５％／°Ｃ）やレーザ加工品質の許容幅等から、基準最大レーザ出力値に対して±３％の値を上限規定レーザ出力値及び下限規定レーザ出力値として設定する。
【００５３】
実加工時には、上述した基準最大レーザ出力値の取得ステップと同様の実最大レーザ出力値の取得ステップ（Ｓ１〜Ｓ５）を実施し、これに加えて、実最大レーザ出力値を前記監視基準幅を踏まえた上限規定レーザ出力値及び下限規定レーザ出力値と比較する比較ステップ（Ｓ６）を実施する。そして、実最大レーザ出力値が下限規定レーザ出力値から上限規定レーザ出力値までの範囲を外れる場合は、監視期間終了直後にアラームとしてレーザ装置の表示器に「レーザ出力異常」を表示すると同時に、レーザ装置ならびに加工機械の運転を中止する等の異常処理を行う（Ｓ７）。
【００５４】
つまり本他の実施形態によって、監視期間中は常にレーザ出力の最大値を取得し、期間終了と同時に監視基準値と最新の最大値とを比較するという、きわめて単純な構成で高精度のレーザ出力の監視が実現できた。
【００５５】
そして、従来技術では不可能であった短パルスおよび低パルス周波数でレーザ加工中の異常レーザ出力の監視が実現できたことにより、異常時には、即座にレーザ装置の運転を停止することができるようになった。
【００５６】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００５７】
例えば、上記他の実施形態では、レーザレーザ光射出直後から１００ｍｓｅｃの期間をモニターレーザ出力の監視期間としたが、レーザ光が射出されている時間内であれば、任意の時間範囲を監視期間としても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、上記実施形態では、監視期間をレーザ光射出直後から１００ｍｓｅｃの１期間としたが、レーザ光が射出されている時間内であれば、複数の監視期間を設けることで、より高精度のレーザ出力の監視が行なえる。
【００５９】
さらに、上記他の実施形態では、数ｎｓｅｃの応答速度を有するフォトダイオードを使用したが、一般的に加工に適用されるレーザ光のパルス幅は１００μｓｅｃ以上であるので、検出器の応答速度は数十μｓｅｃの応答速度でも十分な機能と効果が期待できる。
【００６０】
さらにまた、射出レーザ光の伝播経路を変更する反射鏡からの透過レーザ光もしくはレーザ共振器を構成する全反射鏡からの透過レーザ光を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、透過レーザ光の射出レーザ光に対する比率からレーザ光伝送系に導光するようにしても構わない。
【００６１】
なお、上記したそれぞれの実施形態は、単独で実施されるものであってよく、また両者を組み合わせて実施するものであってもよい。
【００６２】
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
上述したように、本願のパルス発振型固体レーザ装置によれば、安定的に２％以下の絶対精度でパルスレーザ出力値を射出することが可能となる。上記実施形態によるレーザ加工機を用いたレーザ溶接加工においては、ブローホール等の溶接欠陥が減少したり、溶接深度のバラツキが低減したことにより、溶接品質を大幅に改善することができた。
【００６４】
また、本願のレーザ加工装置によれば、レーザ出力の過不足に起因する精度不良、強度不足等の加工不良が大幅に減少するので、加工歩留まり率が向上し加工コストが低減する。また、さらに加工材料資源の節減と運転コストの低減を通じて、地球環境に対してより優しいレーザ加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式的な構成図。
【図２】同実施形態におけるレーザ出力校正データ作成の概念図。
【図３】同実施形態における制御手段の機能ブロック図。
【図４】同制御手段による処理の概要を示すフローチャート。
【図５】本発明の他の実施形態を示す模式的な構成図。
【図６】同実施形態によるモニターレーザ出力の概念図。
【図７】同実施形態の機能ブロック図。
【図８】同実施形態の処理手順を示すフローチャート。
【図９】従来例を示す模式的な構成図。
【図１０】従来例を示す図５に対応した図。
【図１１】同従来例によるモニターレーザ出力の概念図。
【符号の説明】
【００６６】
ＡＡ…固体レーザユニット
１０９…ビームスプリッター
１１０…モニター光
１１１…計測器（モニター光出力測定器）
１１４…レーザ光伝送系（伝送用光ファイバ）
１２０…最大値判定手段
１２１…異常判定手段
１２２…異常処理手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ活性媒体の主たるエネルギー吸収帯域において発光するレーザダイオードを励起源としたパルス発振型の固体レーザユニットを主体とするものであって、射出レーザ光出力を常時計測する計測器と、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値を求める最大値判定手段と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段と、この異常判定手段により最大値が規定範囲外であると判定された場合にアラーム内容を表示すると同時に少なくとも前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段とを具備したことを特徴としたレーザ加工装置。
【請求項２】
固体レーザユニットのレーザ光射出部と当該レーザ光射出部から射出したレーザ光が導入されるレーザ光伝送系の入射導光部との間に、レーザ光の一部を分離するビームスプリッターを設け、該ビームスプリッターから反射する射出レーザ光出力を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、ビームスプリッターにおける射出レーザ光の反射率からレーザ光伝送系に導光されるレーザ出力値を推定計測する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
射出レーザ光の伝播経路を変更する反射鏡からの透過レーザ光もしくはレーザ共振器を構成する全反射鏡からの透過レーザ光を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、透過レーザ光の射出レーザ光に対する比率からレーザ光伝送系に導光されるレーザ出力値を推定計測する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
実際に監視を行う運転条件と同一のレーザ射出条件で、少なくとも一回以上運転し、その際に計測されたレーザ光出力の監視期間における最大値を前記最大値判定手段が自動的に取得し、その最大値が前記異常判定手段における実際の運転時の監視レベルとして設定されることを特徴とした請求項１〜３記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
異常判定手段におけるレーザ出力の監視期間は、レーザ光射出中の全区間でも、あるいはレーザ出力値の計測が可能な時間以上の任意の期間でも設定可能であることを特徴とした請求項１〜４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
レーザ光射出期間において、前記異常判定手段が複数個の監視期間を任意に設定可能であることを特徴とした請求項１〜５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
レーザ光出力の計測器として固体レーザユニットの発振波長域において十分な検出感度を有し且つ数ｎｓｅｃ〜数十μｓｅｃの応答速度とを有した検出器を搭載したことを特徴とした請求項１〜６記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
固体レーザ活性媒体の主たるエネルギー吸収帯域において発光するレーザダイオードを励起源としたパルス発振型の固体レーザユニットを主体とするものであって、射出レーザ光出力を常時計測する計測器と、レーザ光射出中の規定監視時間内において計測されたレーザ光出力値の最大値を求める最大値判定手段と、予め定めた規定監視時間経過後に該最大値と監視レベルである規定レーザ出力値とを比較して該最大値が規定範囲内か否かを判定する異常判定手段と、この異常判定手段により最大値が規定範囲外であると判定された場合にアラーム内容を表示すると同時に少なくとも前記固体レーザユニットの運転を停止する異常処理手段とを具備したことを特徴としたレーザ加工装置。
【請求項２】
固体レーザユニットのレーザ光射出部と当該レーザ光射出部から射出したレーザ光が導入されるレーザ光伝送系の入射導光部との間に、レーザ光の一部を分離するビームスプリッターを設け、該ビームスプリッターから反射する射出レーザ光出力を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、ビームスプリッターにおける射出レーザ光の反射率からレーザ光伝送系に導光されるレーザ出力値を推定計測する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
射出レーザ光の伝播経路を変更する反射鏡からの透過レーザ光もしくはレーザ共振器を構成する全反射鏡からの透過レーザ光を前記計測器におけるモニター光とし、当該計測器において直接光もしくは拡散反射板を介して高速光センサーに入射したモニター光のレーザ出力値を計測し、透過レーザ光の射出レーザ光に対する比率からレーザ光伝送系に導光されるレーザ出力値を推定計測する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
実際に監視を行う運転条件と同一のレーザ射出条件で、少なくとも一回以上運転し、その際に計測されたレーザ光出力の監視期間における最大値を前記最大値判定手段が自動的に取得し、その最大値が前記異常判定手段における実際の運転時の監視レベルとして設定されることを特徴とした請求項１〜３記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
異常判定手段におけるレーザ出力の監視期間は、レーザ光射出中の全区間でも、あるいはレーザ出力値の計測が可能な時間以上の任意の期間でも設定可能であることを特徴とした請求項１〜４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
レーザ光射出期間において、前記異常判定手段が複数個の監視期間を任意に設定可能であることを特徴とした請求項１〜５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
レーザ光出力の計測器として固体レーザユニットの発振波長域において十分な検出感度を有し且つ数ｎｓｅｃ〜数十μｓｅｃの応答速度とを有した検出器を搭載したことを特徴とした請求項１〜６記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−６５２０２（Ｐ２００９−６５２０２Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９９８０（Ｐ２００８−２９９９８０）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【分割の表示】特願２００３−５３７１６８（Ｐ２００３−５３７１６８）の分割
【原出願日】平成１４年２月１８日（２００２．２．１８）
【出願人】（５９８０７２１７９）株式会社片岡製作所 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【分割の表示】特願２００３−５３７１６８（Ｐ２００３−５３７１６８）の分割
【原出願日】平成１４年２月１８日（２００２．２．１８）
【出願人】（５９８０７２１７９）株式会社片岡製作所 (24)
【Ｆターム（参考）】
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