JPH07245437A - ガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判定方法及びその装置並びにレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命を確実
に判定する。 【構成】 ＣＯ2 レーザ発振器からのレーザ光のパワー
密度分布を測定し、このパワー密度分布とレーザ加工に
寄与する最小しきい値ＣＳとの比較によりパワー密度の
径Ｄを検出し、この径Ｄの使用時間とともに現われる急
激な変化点ＤａをもってＣＯ2 レーザ発振器の出力ミラ
ーの寿命と判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスレーザ発振器の出
力ミラーの寿命を判定する判定方法、及び、その具体的
な判定装置、並びに、該判定装置を搭載したレーザ加工
機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスレーザ発振器、例えば、ＣＯ2 レー
ザ発振器は、高エネルギー密度の熱源とて、材料の切
断，溶接或いは熱処理等の加工に広く利用されている。
そして、レーザ光のパワー密度分布は、一般に、ガウシ
アン分布と称される理想的な分布を基に種々の形態の分
布（低次モード，マルチモード等）が個々のＣＯ2 レー
ザ発振器により決定されている。この場合、ＣＯ2 レー
ザ発振器を長時間使用すると、使用部品の経年変化に伴
う劣化により、初期のレーザ発振性能を維持できなくな
ることが往々にしてあり、このようになると、レーザ光
としての加工能力に変動を生じ、必要とされる切断，溶
接或いは熱処理等の加工性能が得られなくなる。

【０００３】ところで、ＣＯ2 レーザ発振器の共振器に
試用される光学部品の内で、レーザ光を出力する側に配
設されるハーフミラーからなる出力ミラーの長時間使用
による劣化は、上記のようなＣＯ2 レーザ発振器の加工
能力の低下の主要因と考えられている。即ち、一般に、
出力ミラーを長時間使用すると、出力ミラーの表面のコ
ーティング層が劣化してレーザ光を吸収し易くなり、こ
れにより、使用中の出力ミラーの温度が上昇してその温
度分布が不均一になり、出力ミラーのレーザ光の屈折率
に大きな影響を及ぼすことになって、発振するレーザ光
の性能が著しく変化すると言われている。従って、出力
ミラーの劣化度合、即ち、寿命を判断し、出力ミラーの
適切な交換時期を知ってＣＯ2 レーザ発振器の発振性能
を維持する必要がある。

【０００４】しかしながら、従来では、出力ミラーの劣
化度合を判定することは行なわれておらず、通常は、出
力ミラーの使用時間を積算し、その総使用時間が設定時
間（例えば２０００時間〜４０００時間）に到達したこ
とを目安として出力ミラーを新品のものと交換するよう
にしており、出力ミラー交換は、その劣化度とは関係な
く経験的な判断に基づいて行なわれているのが現状であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のような、出力ミ
ラーの使用時間を基に交換を行なう場合には、次のよう
な不具合がある。

【０００６】例えば、ＣＯ2 レーザ発振器が塵埃が多い
環境，若しくは、高湿度の環境で使用された場合には、
出力ミラーには塵埃が付着したり、或いは、結露が生じ
たりして、出力ミラーの劣化を助長し易いものである。
又、ＣＯ2 レーザ発振器が安定した環境下にあっても、
レーザ加工機の回転部品から発生する潤滑油分，磨耗粉
或いは放電電極の放電により発生する異物が出力ミラー
に付着して、出力ミラーの劣化を引起す。従って、従来
のように、設定時間後に出力ミラーを交換する方法で
は、ＣＯ2レーザ発振器の発振性能を維持することはで
きず、必要な加工性能を供給することができない。

【０００７】それならば、逆に、使用限度の設定時間を
短時間に設定して出力ミラーの交換を実施し、ＣＯ2 レ
ーザ発振器の加工性能を維持することも考えられるが、
これでは、出力ミラーの劣化が進行しないにもかかわら
ず交換を余儀なくされる場合も生じ、コストの増大にな
る。

【０００８】一方、最近では、ＣＯ2 レーザ発振器から
出力されるレーザ光のパワー密度分布を測定することに
より、出力ミラーの寿命を判定する方法が試みられてい
る。即ち、レーザ光のパワー密度分布をガウシアン分布
と仮定し、パワー密度分布のピーク値の１／ｅの二乗の
パワー密度の径をレーザ光の径とし、その径の大小によ
りレーザ光の良否、即ち、出力ミラーの寿命を判定する
ものである。ところが、この方法では、レーザ光のパワ
ー密度分布がガウシアン分布の場合には、適している
が、レーザ光が回折，干渉等が生じる場合には、そのパ
ワー密度分布はガウシアン分布にはならないので、適切
な判断は下せない。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、ガスレーザ発振器の出力ミラーの寿
命を確実に判定することができる判定方法及びその装置
を提供することにあり、更に、レーザ加工の性能を維持
することができるレーザ加工機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のガスレーザ発振
器の出力ミラーの寿命判断方法は、ガスレーザ発振器の
出力ミラーから出力されるレーザ光のパワー密度分布を
測定し、この測定されたパワー密度分布とレーザ加工に
寄与する最小しきい値とからパワー密度の径を検出し、
この径の使用時間とともに現われる急激な変化点をもっ
て前記出力ミラーの寿命と判定するようにしたことを特
徴とする（請求項１）。

【００１１】本発明のガスレーザ発振器の出力ミラーの
寿命判定装置は、ガスレーザ発振器の出力ミラーから出
力されるレーザ光のパワー密度分布を測定する測定手段
と、この測定手段によって測定されたパワー密度分布と
レーザ加工に寄与する最小しきい値とを比較してパワー
密度の径を検出する検出手段と、この検出手段によって
検出された径を順次記憶してその径の使用時間とともに
現われる急激な変化点をもって前記出力ミラーの寿命と
判定する判定手段とを具備してなる構成に特徴を有する
（請求項２）。

【００１２】本発明のレーザ加工機は、請求項２記載の
ガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判定装置を搭載し
たことを特徴とする（請求項３）。

【００１３】

【作用】請求項１及び２記載のガスレーザ発振器の出力
ミラーの寿命判定方法及びその装置によれば、レーザ光
のパワー密度分布とレーザ加工に寄与する最小しきい値
とによりレーザ光のパワー密度の径を検出して、この径
の使用時間とともに現われる急激な変化点をもって出力
ミラーの寿命と判定するので、出力ミラーの寿命を劣化
の過不足なく正確に判定することができる。

【００１４】請求項３記載のレーザ加工機によれば、請
求項２記載のガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判定
装置を搭載するようにしたので、出力ミラーの交換時期
を適切に判断することができて、加工性能を維持するこ
とができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面を参照
しながら説明する。先ず、図３において、ガスレーザ発
振器たるＣＯ2 レーザ発振器１は、ハーフミラーからな
る出力ミラー２からレーザ光ＬＳを出力するようになっ
ており、このレーザ光ＬＳは、ベンダミラー３，４及び
５によって回折されてレーザ加工機たるレーザ切断機６
の加工ヘッド７に供給されるようになっている。この加
工ヘッド７内にはレンズ８が収納されており、このレン
ズ８は、ベンダミラー５からのレーザ光ＬＳを集光して
加工台９上の被加工物１０に照射するようになってい
る。尚、ＣＯ2 レーザ発振器１からのレーザ光ＬＳが加
工ヘッド７に達するまでのレーザ光経路は、レーザ光Ｌ
Ｓが誤まって外部に照射されないように難燃材の保護チ
ューブによって保護されているが、ベンダミラー４及び
５間の保護チューブは、加工ヘッド７の移動に追従し得
るように伸縮自在な蛇腹状チューブ１１で構成されてい
る。

【００１６】一方、レーザ切断機６において、加工台９
は、Ｘ軸駆動モータ１２を含むＸ軸駆動機構１３により
Ｘ軸方向に往復移動され、又、Ｙ軸駆動モータ１４を含
むＹ軸駆動機構１５によりＹ軸方向に往復移動されるよ
うになっている。又、マイクロコンピュータ及びその周
辺回路からなる制御回路１６は、ＣＯ2 レーザ発振器
１，Ｘ軸駆動機構１３及びＹ軸駆動機構１５を制御する
ものである。即ち、制御回路１６は、周知のように、Ｃ
Ｏ2 レーザ発振器１との間での情報信号の授受により、
ＣＯ2 レーザ発振器１の動作開始，動作停止及びレーザ
光のパワー増減の制御を行なうとともに、Ｘ軸駆動機構
１３のＸ軸駆動モータ１２及びＹ軸駆動機構１５のＹ軸
駆動モータ１４との間での情報信号の授受により、加工
台９のＸ軸及びＹ軸方向の位置制御を行なうようになっ
ている。

【００１７】さて、ＣＯ2 レーザ発振器１とベンダミラ
ー３との間には、測定手段としてのビームプロファイル
検出器１７が配設されている。即ち、図４に示すよう
に、ＣＯ2 レーザ発振器１の出力ミラー２からベンダミ
ラー３へのレーザ光ＬＳの光路中には、ハーフミラーか
らなる検出ミラー１８が配設されており、この検出ミラ
ー１８は、レーザ光ＬＳの一部を検出レーザ光ＬＳａと
して所定部位に反射するようになっている。更に、この
検出ミラー１８によって検出された検出レーザ光ＬＳａ
は、集光レンズ１９により所定のビーム径に集光された
後にヒートシンク２０に到達するようになっている。

【００１８】ビームプロファイル検出器１７の駆動源た
るシンクロモータ２１のシャフト２１ａには、回転円板
２２が固定されており、この回転円板２２には、その径
方向に延びる検出ワイヤ２３が取付けられている。そし
て、その検出ワイヤ２３は、集光レンズ１９により集光
された検出レーザ光ＬＳａを横断して、順次その一部を
反射レーザ光ＬＳｂとして受光器２４に反射して受光さ
せるようになっている。この場合、シンクロモータ２１
及び受光器２４と前記制御回路１６との間では信号の授
受がなされるようになっている。尚、制御回路１６は、
後述するように出力ミラー２が寿命であると判定したと
きには、ＣＯ2 レーザ発振器１の発振動作を停止させる
とともに、報知手段とてのブザー，ランプ等の報知器２
５に報知動作を行なわせるようになっている。

【００１９】次に、本実施例の作用につき、図１及び図
２をも参照しながら説明する。制御回路１６によりビー
ムプロファイル検出器１７が動作されると、検出ワイヤ
２３からの反射レーザ光ＬＳｂが受光器２４で受光さ
れ、以て、図１（ａ）で示すようなパワー密度分布が測
定され、これが制御回路１６に与えられる。

【００２０】この場合、図１（ａ）に示されるように、
出力ミラー２の劣化が進展するに従って、レーザ光のパ
ワー密度分布が変化する。即ち、新品の出力ミラー２を
使用した場合には、ガウシアン分布の第１のパワー密度
分布Ａとなるが、発振時間の経過とともに出力ミラー２
の劣化が著しくなると、第２のパワー密度分布Ｂ，第３
のパワー密度分布Ｃのようにガウシアン分布から次第に
変形し、一定のパワー密度で一義的に分布を表わすこと
は不可能になる。

【００２１】ところで、レーザ切断機６でレーザ切断を
行なう場合、レーザ加工たるレーザ切断に寄与するパワ
ー密度が存在する。荒田ら（Ｙｏｓｈｉａｋｉ ＡＲＡ
ＴＡ，Ｈｉｒｏｓｈｉ ＭＡＲＵＯ，Ｉｓａｍｕ ＭＩ
ＹＡＭＯＴＯ ａｎｄ Ｓａｄａｏ ＴＡＫＥＵＣＨ
Ｉ，“Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ Ｌａ
ｓｅｒ Ｇａｓ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｌｄ Ｓ
ｔｅｅｌ”，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＪＷＲ
Ｉ，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．２（１９７９））によれば、図
２に示されるように、軟鉄（ＳＳ４１）の場合、鉄の酸
化反応開始のパワー密度ＥS と酸化反応停止のパワー密
度ＥF とは切断速度に依存している。例えば、切断速度
が１００ｃｍ／分において、酸化反応開始のパワー密度
は約５０ＫＷ／ｃｍ2 であり、酸化反応停止のパワー密
度は約２０ＫＷ／ｃｍ2 である。これらの内の、より低
いパワー密度が切断に寄与するとすると、切断に寄与す
るパワー密度は酸化反応停止のパワー密度ということが
でき、その最小値をレーザ切断の最小しきい値ＣＳと
し、これが制御回路１６の記憶手段（ＲＯＭ）に予め記
憶されている。

【００２２】而して、制御回路１６は、ビームプロファ
イル検出器１７を動作させる毎に受光器２４から与えら
れるパワー密度分布の情報と最小しきい値ＣＳとからパ
ワー密度の径Ｄを演算して順次バックアップ電源を有す
る記憶手段（ＲＡＭ）に記憶させ、その径Ｄの変化を観
測する。出力ミラー２の使用時間（発振時間）に依存す
る劣化度とパワー密度の径Ｄとの関係を表わすと、図１
（ｂ）のようになる。即ち、総発振時間が短い場合に
は、径Ｄには大きな変化はないが、総発振時間が長くな
ると、径Ｄが急激に変化する。そこで、制御回路１６
は、径Ｄが急激に変化する変化点Ｄａにおける総発振時
間を出力ミラー２の寿命を判定し、ＣＯ2 レーザ発振器
１の発振動作を停止させるとともに、報知器２５に報知
動作を行なわせ、以て、作業者に出力ミラー２の交換時
期である旨を知らせる。

【００２３】尚、ビームプロファイル検出器１７による
レーザ光のパワー密度分布の測定は、ＣＯ2 レーザ発振
器１の発振動作中は常に行なってもよく、又は、加工開
始直前に行なってもよく、或いは、ＣＯ2 レーザ発振器
１の一定時間の発振動作毎に定期的に行なってもよく、
若しくは、ＣＯ2 レーザ発振器１の所定時間の発振動作
後に常時又は定期的に行なうようにしてもよい。

【００２４】このように、本実施例によれば、ビームプ
ロファイル検出器１７によって、レーザ光のパワー密度
分布を測定し、制御回路１６によって、その測定したパ
ワー密度分布とレーザ切断に寄与する最小しきい値ＣＳ
との比較によりパワー密度の径Ｄを検出し、この径Ｄの
使用時間にともなって現われる急激な変化点Ｄａをもっ
て出力ミラー２の寿命と判定するようにした。従って、
単に設定時間の経過をもって寿命を判定するようにした
従来に比し、出力ミラー２を長時間にわたって使用し過
ぎて切断不良を発生することを防止することができると
ともに、逆に、使用可能な出力ミラー２を不良と判定す
ることがない等、出力ミラー２の寿命を劣化の過不足な
く確実に判定することができる。しかも、前述したよう
に、レーザ光の回折，干渉が混在したパワー密度分布の
場合でも、径Ｄの急激な変化点Ｄａをもって出力ミラー
２の寿命を判定するので、出力ミラー２の寿命を適切に
判定することができる。

【００２５】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、次のような変更若しくは拡張を行なうことが
できる。レーザ光のパワー密度分布を測定する測定手段
としては、検出ワイヤ２３を用いたビームプロファイル
検出器１７以外のものを用いてもよい。レーザ加工機は
レーザ切断器６のみならず、溶接，熱処理を行なうもの
でもよい。この場合でも、レーザ加工に寄与する最小し
きい値を設定すればよいのである。制御回路１６として
は、ソフトウェア構成の他に、ハードウェア構成として
もよい。ガスレーザ発振器としては、ＣＯ2 レーザ発振
器１の他に、他のレーザガスを利用したものを設けても
よい。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上説明した通りであるの
で、次のような優れた効果を奏するものである。請求項
１及び２記載のガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判
定方法及びその装置によれば、レーザ光のパワー密度分
布とレーザ加工に寄与する最小しきい値との比較により
レーザ密度の径を検出して、この径の使用時間とともに
現われる急激な変化点をもって出力ミラーの寿命を判定
するようにしたので、出力ミラーの寿命を劣化の過不足
なく確実且つ適切に判定することができる。

【００２７】請求項３記載のレーザ加工機によれば、請
求項２記載のガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判定
装置を搭載したことにより、レーザ加工の安定した維持
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示し、（ａ）は出力ミラー
の劣化度とパワー密度分布の変化との関係を示す図及び
（ｂ）は出力ミラーの劣化度とパワー密度の径との関係
を示す図

【図２】最小しきい値の根拠を示す図

【図３】レーザ切断機の構成図

【図４】ビームプロファイル検出器の構成図

【符号の説明】

図面中、１はＣＯ2 レーザ発振器（ガスレーザ発振
器）、２は出力ミラー、６はレーザ切断機（レーザ加工
機）、７は加工ヘッド、１６は制御回路（検出手段，判
定手段）、１７はビームプロファイル検出器（測定手
段）を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスレーザ発振器の出力ミラーから出力
   されるレーザ光のパワー密度分布を測定し、この測定さ
   れたパワー密度分布とレーザ加工に寄与する最小しきい
   値とからパワー密度の径を検出し、この径の使用時間と
   ともに現われる急激な変化点をもって前記出力ミラーの
   寿命と判定するようにしたことを特徴とするガスレーザ
   発振器の出力ミラーの寿命判定方法。
2. 【請求項２】 ガスレーザ発振器の出力ミラーから出力
   されるレーザ光のパワー密度分布を測定する測定手段
   と、 この測定手段によって測定されたパワー密度分布とレー
   ザ加工に寄与する最小しきい値とを比較してパワー密度
   の径を検出する検出手段と、 この検出手段によって検出された径を順次記憶してその
   径の使用時間とともに現われる急激な変化点をもって前
   記出力ミラーの寿命と判定する判定手段とを具備してな
   るガスレーザ発振器の出力ミラーの寿命判定装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のガスレーザ発振器の出力
   ミラーの寿命判定装置を搭載したことを特徴とするレー
   ザ加工機。