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WO2018105344A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2018105344A1
WO2018105344A1 PCT/JP2017/041182 JP2017041182W WO2018105344A1 WO 2018105344 A1 WO2018105344 A1 WO 2018105344A1 JP 2017041182 W JP2017041182 W JP 2017041182W WO 2018105344 A1 WO2018105344 A1 WO 2018105344A1
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WO
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laser
laser beam
optical
optical sensor
condenser lens
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PCT/JP2017/041182
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English (en)
French (fr)
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静波 王
同慶 長安
竹中　義彰
仁志 西村
誠 龍堂
清隆 江泉
秀明 山口
諒 石川
西尾　正敏
孝 角谷
康士 向井
満 向井
林川　洋之
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01S3/10069—Memorized or pre-programmed characteristics, e.g. look-up table [LUT]

Definitions

  • the present invention relates to a laser apparatus that performs laser processing such as laser welding and laser cutting.
  • Patent Document 1 discloses a laser apparatus including a beam switch that selectively switches a laser beam emitted from one laser oscillator so as to be emitted from one of two optical fibers.
  • the beam switch has a mirror for switching the laser beam, two condensing lenses for condensing the laser beam, and two optical fibers.
  • the two optical fibers are respectively connected to different laser processing heads, and the laser apparatus can perform laser processing at different locations and timings.
  • optical parts such as mirrors and condenser lenses and optical fibers are deteriorated with time due to the influence of ambient temperature, humidity, etc., or the surface is soiled by deposits from the surrounding environment. A minute change may occur in the irradiation position of the laser beam.
  • a fiber optic laser device configured such that the laser beam is incident on an optical fiber having a small core diameter
  • the laser beam is not incident on the core even if a very small deviation occurs in the irradiation position.
  • the peripheral portion of the core is damaged.
  • the laser beam used for laser welding or laser cutting has a high output ranging from several kW to several tens kW. For this reason, if there is any damage to the optical component or the optical fiber, the damage may rapidly expand upon receiving the laser beam irradiation, leading to a failure of the entire laser device.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to prevent the failure of the entire laser apparatus from spreading due to damage to optical components or optical fibers.
  • the present invention includes a laser resonator that emits a laser beam, a condenser lens that condenses the laser beam emitted from the laser resonator, and an optical fiber that transmits the laser beam condensed by the condenser lens.
  • the present invention includes at least one optical sensor that is disposed on the laser beam incident side of the condenser lens and at a position deviating from the optical path of the laser beam, and detects the amount of return light from the condenser lens; And an abnormality determination unit that determines that an abnormal state is detected when the detection value of any one of the at least one optical sensor is larger than a predetermined maximum threshold value.
  • an abnormal state such as dirt or damage of an optical component or an optical fiber is detected at an early stage based on the amount of return light detected by one of the optical sensors.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laser device according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a beam switching unit according to the first embodiment. It is a figure for demonstrating the ON state of a mirror. It is a figure for demonstrating the OFF state of a mirror. It is a schematic diagram which shows the structure of the beam switching part when a mirror is switched. It is a schematic diagram which shows the structure of a fiber coupling part. It is a schematic diagram which shows arrangement
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of a beam switching unit of a laser apparatus according to Embodiment 2.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the irradiation position of the laser beam when a mirror falls off. It is a figure which shows each value which a control part uses for determination.
  • the laser device 100 includes a laser resonator 1, a beam switch 30, and two optical fibers 7 and 8.
  • the laser resonator 1 emits a laser beam OP1 to the outside by collimating a laser beam obtained by laser resonance.
  • the laser resonator 1 for example, any of a direct diode laser, a fiber laser, a disk laser, or a YAG laser may be used.
  • the beam switch 30 selectively switches the laser beam OP1 emitted from the laser resonator 1 so as to be emitted from either one of the optical fibers 7 and 8.
  • the beam switch 30 includes a beam switching unit 2, two fiber coupling units 3 and 4, and two optical sensors 5 and 6.
  • the beam switching unit 2 receives the laser beam OP1 emitted from the laser resonator 1 as an input, and selectively selects whether the laser beam OP2 is emitted to the fiber coupling unit 3 or the laser beam OP3 to the fiber coupling unit 4. Switch to.
  • the fiber coupler 3 receives the laser beam OP2 and outputs the laser beam OP4 to the optical fiber 7.
  • the fiber coupler 4 receives the laser beam OP3 and outputs a laser beam OP5 to the optical fiber 8.
  • the beam switching unit 2 is connected to a drive unit 9 that rotationally drives motors 13 and 17 (see FIG. 2).
  • a power source unit 10 is connected to the laser resonator 1.
  • the power supply unit 10 supplies power for laser oscillation to the laser resonator 1.
  • the optical sensor 5 detects the amount of return light reflected at the fiber coupling portion 3 and returning to the incident side from the fiber coupling portion 3.
  • the optical sensor 6 detects the amount of return light reflected at the fiber coupling portion 4 and returned to the incident side from the fiber coupling portion 4.
  • An output signal indicating a detection value detected by the optical sensors 5 and 6 is input to the control unit 11. The arrangement positions of the optical sensors 5 and 6 will be described later.
  • the control unit 11 controls the operations of the drive unit 9 and the power supply unit 10 based on the output signals of the optical sensors 5 and 6.
  • the number of laser beams selectively output by the beam switching unit 2 is two (laser beams OP2 and OP3).
  • the beam switching unit 2 may be configured to selectively output two or more laser beams.
  • the beam switch 30 may have a configuration including a housing (not shown). You may make it attach the beam switch part 2, the fiber coupling parts 3 and 4, and the optical sensors 5 and 6 inside a housing
  • the beam switching unit 2 changes the optical path by refracting the laser beam OP1.
  • the beam switching unit 2 includes two mirrors 12 and 16, two motors 13 and 17 that rotate the mirrors 12 and 16, and a damper 20 that absorbs the energy of the laser beam OP1.
  • the mirror 12 is held by a mirror holder 15.
  • the mirror holder 15 is connected to the motor 13 via the motor shaft 14.
  • the rotation operation of the motor 13 is controlled by the drive unit 9 that operates according to a command from the control unit 11.
  • the mirror 12 moves as the motor 13 rotates.
  • the mirror 16 is held by a mirror holder 19.
  • the mirror holder 19 is connected to the motor 17 via the motor shaft 18.
  • the rotation operation of the motor 17 is controlled by the drive unit 9 that operates according to a command from the control unit 11.
  • the mirror 16 moves as the motor 17 rotates.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the ON state of the mirrors 12 and 16, and the mirrors 12 and 16 are viewed from the direction indicated by X or Y in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the OFF state of the mirrors 12 and 16, and the mirrors 12 and 16 are viewed from the direction indicated by X or Y in FIG.
  • the mirrors 12 and 16 have a flat plate shape with a rectangular reflection surface.
  • Mirror holders 15 and 19 are connected to the mirrors 12 and 16 near one end in the direction along the long side of the reflecting surface.
  • the mirrors 12 and 16 and the mirror holders 15 and 19 rotate around the motor shafts 14 and 18 as the rotation axes as the motors 13 and 17 rotate.
  • the state in which the end (the other end) opposite to the end to which the mirror holders 15 and 19 are connected is lowered is the “ON state” of the mirrors 12 and 16.
  • the other end is lowered to a position where the long side of the reflecting surface is parallel to the horizontal direction.
  • the state in which the other end is raised is referred to as “OFF state” of the mirrors 12 and 16.
  • the other end is raised to a position where the long side of the reflecting surface is parallel to the vertical direction.
  • the beam switching unit 2 sets the mirror 12 to the ON state, that is, the state where the mirror 12 is lowered.
  • the laser beam OP1 hits the point C of the mirror 12, and the optical axis AB of the laser beam OP1 is refracted to the optical axis CD perpendicular to the horizontal plane.
  • the beam switching unit 2 outputs the laser beam OP2.
  • the mirror 16 is in an OFF state, that is, a state in which the mirror 16 is raised (see FIG. 4).
  • control unit 11 performs laser processing by outputting the laser beam OP1 by turning on the power supply unit 10 after turning on the mirror 12 in advance. At the end of laser processing, the control unit 11 turns off the power supply unit 10 to stop the laser output and then turns off the mirror 12.
  • the beam switching unit 2 sets the mirror 12 to the OFF state, that is, the mirror 12 is raised, the laser beam OP1 travels straight across the mirror 12.
  • the mirror 16 is in the ON state, that is, the mirror 16 is in the lowered state.
  • the laser beam OP1 hits the point E of the mirror 16, and the optical axis AB of the laser beam OP1 is refracted to the optical axis EF perpendicular to the horizontal plane. In this way, the beam switching unit 2 outputs the laser beam OP3.
  • the damper 20 is installed at a position facing the incidence of the laser beam OP1 so that the optical axis of the laser beam OP1 coincides with the center position of the damper 20.
  • the damper 20 absorbs the energy of the laser beam OP1 when the laser beam OP1 goes straight due to some abnormality (for example, rotation failure or dropout of the mirrors 12 and 16) during laser processing. .
  • some abnormality for example, rotation failure or dropout of the mirrors 12 and 16
  • the damper 20 is not directly irradiated with the laser beam OP1.
  • the fiber coupling unit 3 includes a condenser lens 21 and an optical system holder 22 that holds the condenser lens 21 and the optical fiber 7.
  • the fiber coupling unit 4 has the same configuration as that of the fiber coupling unit 3 and thus will not be described.
  • the condensing lens 21 condenses the laser beam OP2 incident on the fiber coupling unit 3 and makes it incident on the optical fiber 7 as a laser beam OP4.
  • the optical system holder 22 is formed in a cylindrical shape, and the condenser lens 21 is fitted and held in the cylinder.
  • the end of the optical fiber 7 is held on the exit side of the optical system holder 22 from the condenser lens 21.
  • the optical fiber 7 is held at a position where the optical axis of the optical fiber 7 coincides with the optical axis of OP4 so that all of the laser beam OP4 collected by the condenser lens 21 enters the core of the optical fiber 7. .
  • the optical system holder 22 may be provided with an adjustment mechanism that can move the end of the optical fiber 7 along the optical axis direction of the laser beam OP2.
  • an adjustment mechanism that can move the end of the optical fiber 7 in a direction orthogonal to the optical axis direction of the laser beam OP ⁇ b> 2 may be provided in the optical system holder 22.
  • the optical system holding body 22 is constituted by one cylindrical body, but this is an example.
  • the part that holds the condenser lens 21 and the part that holds the end of the optical fiber 7 may be formed of different members. You may make it combine both members, after attaching the condensing lens 21 and the optical fiber 7 to each member.
  • the condensing lens 21 is a single lens
  • a combination lens may be used. Accordingly, the aberration may be reduced, and the laser beam OP4 may be incident on the optical fiber 7 more efficiently.
  • the optical sensor 5 is disposed at a position deviating from the optical path of the laser beam OP2 incident on the fiber coupling portion 3 and closer to the incident side of the laser beam OP2 than the condenser lens 21.
  • the optical sensor 5 includes a light receiving surface 5 a that receives the return light in a direction obliquely behind the incident direction of the laser beam OP ⁇ b> 2 incident on the fiber coupling portion 3. 21 is disposed so as to face the central portion of 21. In addition, the light receiving surface 5 a is disposed in a posture orthogonal to the central axis OX ⁇ b> 1 of the optical sensor 5.
  • the light receiving surface 5a is opposed to the central portion of the condensing lens 21” means that the central axis OX1 of the optical sensor 5 and the central axis of the condensing lens 21 are as shown in FIG. Arrangement to intersect at the center position R.
  • the center axis OX1 of the optical sensor 5 has the highest light receiving sensitivity, the amount of return light entering the optical sensor 5 can be maximized by arranging the optical sensor 5 in this way. Thereby, the precision of the abnormality determination process by the control part 11 mentioned later improves.
  • the arrangement of the optical sensor 6 is the same as the arrangement of the optical sensor 5 with respect to the fiber coupling portion 3, and thus the description thereof is omitted.
  • the laser beam OP2 is condensed by the condenser lens 21 and is incident on the optical fiber 7 as the laser beam OP4, a part of the laser beam is reflected from the end face of the optical fiber 7. The reflected light travels toward the optical sensor 5 through the condenser lens 21 and is detected by the optical sensor 5 as return light.
  • the optical sensor 5 when the laser beam OP2 is irradiated, the return light from the end surface of the condenser lens 21 and the optical fiber 7 is detected by the optical sensor 5.
  • the amount of return light detected by the optical sensor 5 varies depending on the laser output (intensity of the laser beam OP2), but at a constant laser output, the end surfaces of the condenser lens 21 and the optical fiber 7 are In a normal state, a relatively small value is shown.
  • the reflection from the condensing lens 21 and the end face of the optical fiber 7 is a loss, and in order to suppress this loss, the reflection is usually applied to these surfaces so that the reflection is minimized at the laser wavelength used. This is because the coating is applied.
  • the control unit 11 performs the following determination while inputting the output signal indicating the detection value of the optical sensor 5 during the output of the laser beam OP4.
  • the control unit 11 stores in advance a maximum threshold value S-ref1 shown in FIG. 9 and a normal value S-nor of return light corresponding to the value of the laser output. Then, the control unit 11 acquires the detection value of the optical sensor 5 and the value of the laser output, the detection value of the optical sensor 5 is smaller than the maximum threshold value S-ref1, and the normal value S- according to the value of the laser output. If nor, it is determined that the fiber coupling unit 3 is in a normal state. That is, it is determined that the collecting lens 21 and the end face of the optical fiber 7 are not soiled or damaged.
  • the value of the laser output converges to the target value by adjusting the output of the power supply unit 10 so that the detection value of the optical sensor 5 matches the normal value S-nor corresponding to the value of the laser output.
  • a stable laser output value can be obtained by controlling the detection value of the optical sensor 5 to be a constant value.
  • the control unit 11 determines that the fiber coupling unit 3 is in an abnormal state. That is, it is determined that dirt or damage has occurred on the end surfaces of the condenser lens 21 and the optical fiber 7. Since the intensity of the return light varies depending on the degree of damage, S-des is indicated by a hatched area having a width.
  • control unit 11 constitutes an abnormality determination unit for determining an abnormal state of the fiber coupling unit 3.
  • control part 11 of this embodiment judges whether the detection value of the optical sensor 5 is the normal value S-nor according to the value of a laser output, this is not an essential structure.
  • the control unit 11 only needs to be configured to determine whether or not at least the detection value of the optical sensor 5 is smaller than the predetermined maximum threshold value S-ref1. In this case, the control unit 11 does not need to store S-nor.
  • the control unit 11 controls the beam switch 30 through the drive unit 9, and the laser beam OP 1 generated by the laser resonator 1 is transmitted from one of the optical fibers 7 and 8. Switch to be emitted. Thereby, laser processing is performed by the laser beam OP4 or the laser beam OP5.
  • the control unit 11 determines that the state is abnormal. That is, it is determined that the condensing lens 21 of the fiber coupling unit 3 or the end face of the optical fiber 7 is contaminated or damaged.
  • the control unit 11 determines that the state is abnormal. That is, it is determined that dirt or damage has occurred on the end face of the condensing lens 21 or the optical fiber 8 of the fiber coupling portion 4.
  • control unit 11 determines that the state is abnormal, the control unit 11 controls the power supply unit 10 to immediately cut off the power supply to the laser resonator 1 and stop the laser oscillation. Thereby, the failure expansion of the laser apparatus 100 can be prevented.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of a beam switching unit of the laser apparatus according to the second embodiment.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only differences will be described.
  • the mirror 12 is in the ON state, that is, the state in which the mirror 12 is lowered. Then, the beam switching unit 2 refracts the optical axis AB of the laser beam OP1 to the optical axis CD perpendicular to the horizontal plane by applying the laser beam OP1 to the point C of the mirror 12, and outputs it as the laser beam OP2. . At this time, the mirror 16 is in an OFF state, that is, a state in which the mirror 16 is raised.
  • the laser beam OP1 goes straight without being refracted by the mirror 12.
  • the mirror 16 since the mirror 16 is in the OFF state, the laser beam OP1 travels straight across the mirror 16 and is directly applied to the damper 20.
  • illustration is omitted, since the return light returning from the condenser lens 21 of the fiber coupling portion 3 to the optical sensor 5 is almost eliminated, the output of the optical sensor 5 rapidly decreases.
  • the control unit 11 uses this phenomenon to perform the following determination while inputting the output signal indicating the detection value of the optical sensor 5 during the output of the laser beam OP1.
  • the control part 11 of Embodiment 2 has memorize
  • control unit 11 determines that the state is abnormal, the control unit 11 controls the power supply unit 10 to immediately cut off the power supply to the laser resonator 1 and stop the laser oscillation. Thereby, the failure expansion of the laser apparatus 100 can be prevented.
  • the control unit 11 may compare the detection values of the optical sensors 5 and 6 with both the predetermined maximum threshold value S-ref1 and the predetermined minimum threshold value S-ref2. And the control part 11 determines with it being in an abnormal state, when the detection value of the optical sensors 5 and 6 is more than the maximum threshold value S-ref1, or it is less than the minimum threshold value S-ref2. As described above, the control unit 11 determines both the maximum threshold value and the minimum threshold value to detect dirt and damage of the condenser lens 21 and the optical fibers 7 and 8 at an early stage, and the mirrors 12 and 16 are dropped or damaged. Can be detected early.
  • the laser device 100 includes the two fiber coupling portions 3 and 4 and the two optical fibers 7 and 8.
  • the beam switching unit 2 is configured to switch from which optical fiber the laser beam is output.
  • the configuration in which the laser apparatus 100 switches the output of the laser beam is not essential.
  • the laser device 100 transmits a laser resonator 1 that emits a laser beam, a condensing lens 21 that condenses the laser beam emitted from the laser resonator 1, and a laser beam condensed by the condensing lens 21.
  • the plurality of optical sensors may be arranged at regular intervals around the incident optical path to the condenser lens. In this case, by using the average value of the detection values of a plurality of photosensors, the amount of the return light can be detected with higher accuracy, and it is possible to cope with a positional deviation on the arrangement of each component.
  • the present invention includes at least one optical sensor that is disposed on the laser beam incident side and out of the optical path of the laser beam relative to the condensing lens, and that detects the amount of return light from the condensing lens; And an abnormality determination unit that determines that an abnormal state occurs when the detection value of any one of the two optical sensors is greater than a predetermined maximum threshold value.
  • each optical sensor by providing at least one optical sensor at a position on the laser beam incident side and out of the optical path of the laser beam from the condensing lens, each optical sensor returns light from the condensing lens. Is detected.
  • the normal state that is, the condensing lens that is an optical component or the end face of the optical fiber is contaminated or damaged. It may be determined that there is no laser oscillation and the laser oscillation may be continued.
  • the detection value of any one of the optical sensors is larger than the maximum threshold, the abnormal state, that is, the end surface of the condenser lens or the optical fiber is contaminated or damaged, and the reflection to the laser beam becomes strong, It is determined that the amount of reflected light that has passed through the condenser lens and returned to the optical sensor has increased.
  • If it is determined as an abnormal state for example, if the laser oscillation is stopped by immediately shutting off the power supply to the laser oscillation unit, it is possible to prevent the laser device from expanding.
  • the present invention provides a highly practical effect that can prevent a failure from spreading to the entire apparatus due to damage to an optical component or an optical fiber.
  • the above availability is high.
  • Laser resonator (laser resonator) 2 Beam switching unit 3 Fiber coupling unit 4 Fiber coupling unit 5 Optical sensor 5a Light receiving surface 6 Optical sensor 7 Optical fiber 8 Optical fiber 9 Drive unit 10 Power supply unit 11 Control unit (abnormality determination unit) DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Mirror 13 Motor 14 Motor shaft 15 Mirror holder 16 Mirror 17 Motor 18 Motor shaft 19 Mirror holder 20 Damper 21 Condensing lens 22 Optical system holder 30 Beam switch 100 Laser apparatus

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Abstract

レーザ装置は、レーザビームを出射するレーザ共振器と、レーザ共振器から出射されたレーザビームを集光する集光レンズ（２１）と、集光レンズ（２１）で集光されたレーザビームを伝送する光ファイバ（７）とを備え、集光レンズ（２１）よりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に配設され、集光レンズ（２１）からの戻り光の光量を検出する少なくとも１つの光センサ（５）と、少なくとも１つの光センサ（５）のいずれかの検出値が所定の最大閾値よりも大きい場合に、異常状態であると判定する制御部（異常判定部）とを備えたことを特徴とする。

Description

レーザ装置
　本発明は、レーザ溶接やレーザ切断等のレーザ加工を行うレーザ装置に関するものである。
　従来より、被加工材にレーザビームを照射することで、レーザ溶接やレーザ切断等のレーザ加工を行うレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、１台のレーザ発振器から出射されるレーザビームを、２本の光ファイバの何れか一方から出射させるように選択的に切り替えるビームスイッチを備えたレーザ装置が開示されている。
　ビームスイッチは、レーザビームを切り替えるためのミラーと、レーザビームを集光する２つの集光レンズと、２本の光ファイバとを有する。２本の光ファイバは、それぞれ異なるレーザ加工ヘッドに接続されており、レーザ装置は、異なる場所やタイミングでレーザ加工を行うことができる。
米国特許第７９８２９３５号明細書
　ところで、従来のレーザ装置では、ミラーや集光レンズ等の光学部品や光ファイバが、周囲温度や湿気等の影響により経時劣化したり、周囲環境からの付着物によって表面が汚れたりすることで、レーザビームの照射位置に微小な変化が生じることがある。
　そして、レーザビームがコア径の小さな光ファイバへ入射する構成のファイバ光学系レーザ装置では、照射位置に極微小なずれが発生しただけでも、レーザビームがコアに入射されなくなる。この場合は、レーザビームがコアの周辺部に入射することになるため、コアの周辺部に損傷を与えてしまう。
　ここで、レーザ溶接又はレーザ切断に使用するレーザビームは、数ｋＷから数十ｋＷに及ぶ高出力のものである。そのため、光学部品や光ファイバに少しでも損傷があると、レーザビームの照射を受けてその損傷が急激に拡大し、レーザ装置全体を故障に至らしめるおそれがある。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学部品や光ファイバの損傷等に起因してレーザ装置全体に故障が拡大するのを防止することにある。
　本発明は、レーザビームを出射するレーザ共振部と、レーザ共振部から出射されたレーザビームを集光する集光レンズと、集光レンズで集光されたレーザビームを伝送する光ファイバとを備えたレーザ装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。
　すなわち、本発明は、集光レンズよりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に配設され、集光レンズからの戻り光の光量を検出する少なくとも１つの光センサと、少なくとも１つの光センサのいずれかの検出値が所定の最大閾値よりも大きい場合に、異常状態であると判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするものである。
　本発明によれば、レーザビームを出射したときの初期段階において、いずれかの光センサが検出する戻り光の光量に基づき、光学部品又は光ファイバの汚れや損傷等の異常状態を早期に検出することができる。
実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。 実施形態１に係るビーム切替部の構成を示す模式図である。 ミラーのＯＮ状態を説明するための図である。 ミラーのＯＦＦ状態を説明するための図である。 ミラーを切り替えたときのビーム切替部の構成を示す模式図である。 ファイバ結合部の構成を示す模式図である。 光センサの配置を示す模式図である。 集光レンズ又は光ファイバ端面に損傷が発生したときの光の反射を示す模式図である。 制御部が判定に用いる各値を示す図である。 実施形態２に係るレーザ装置のビーム切替部の構成を示す模式図である。 ミラーが脱落したときのレーザビームの照射位置を示す模式図である。 制御部が判定に用いる各値を示す図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、好ましい実施形態について説明するが、この実施形態は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
　《実施形態１》
　図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ共振器１と、ビームスイッチ３０と、２つの光ファイバ７，８とを備えている。
　レーザ共振器１は、レーザ共振により得られたレーザビームをコリメートすることで、レーザビームＯＰ１として外部へ出射するものである。レーザ共振器１としては、例えば、ダイレクトダイオードレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ、又はＹＡＧレーザの何れを用いてもよい。
　ビームスイッチ３０は、レーザ共振器１から出射されたレーザビームＯＰ１を、光ファイバ７，８の何れか一方から出射させるように選択的に切り替えるものである。ビームスイッチ３０は、ビーム切替部２と、２つのファイバ結合部３，４と、２つの光センサ５，６とを有する。
　ビーム切替部２は、レーザ共振器１から出射されたレーザビームＯＰ１を入力とし、レーザビームＯＰ２としてファイバ結合部３に出射するか、又はレーザビームＯＰ３としてファイバ結合部４に出射するかを選択的に切り替える。
　ファイバ結合部３は、レーザビームＯＰ２を入力とし、光ファイバ７に対してレーザビームＯＰ４を出力する。ファイバ結合部４は、レーザビームＯＰ３を入力とし、光ファイバ８に対してレーザビームＯＰ５を出力する。
　ビーム切替部２には、モータ１３，１７（図２参照）を回転駆動させる駆動部９が接続されている。レーザ共振器１には、電源部１０が接続されている。電源部１０は、レーザ共振器１に対してレーザ発振用の電力を供給する。
　光センサ５は、ファイバ結合部３において反射されてファイバ結合部３よりも入射側に戻ってきた戻り光の光量を検出するものである。光センサ６は、ファイバ結合部４において反射されてファイバ結合部４よりも入射側に戻ってきた戻り光の光量を検出するものである。光センサ５，６で検出された検出値を示す出力信号は、制御部１１に入力される。なお、光センサ５，６の配設位置については後述する。
　制御部１１は、光センサ５，６の出力信号に基づいて、駆動部９及び電源部１０の動作を制御する。
　なお、本実施形態では、ビーム切替部２において選択的に出力されるレーザビームの数を２つ（レーザビームＯＰ２，ＯＰ３）としている。しかしこれは一例であり、ビーム切替部２は、２つ以上のレーザビームを選択的に出力する構成であってもよい。
　また、ビームスイッチ３０は、図示しない筐体を備えた構成であってもよい。ビーム切替部２、ファイバ結合部３，４、及び光センサ５，６を筐体内部に取り付けるようにしてもよい。
　〈ビーム切替部について〉
　図２に示すように、ビーム切替部２は、レーザビームＯＰ１を屈折させることで光路を変更するものである。ビーム切替部２は、２つのミラー１２，１６と、ミラー１２，１６を回転させる２つのモータ１３，１７と、レーザビームＯＰ１のエネルギーを吸収するダンパー２０とを備えている。
　ミラー１２は、ミラーホルダ１５によって保持されている。ミラーホルダ１５は、モータ軸１４を介してモータ１３に接続されている。モータ１３は、制御部１１からの指令に応じて動作する駆動部９によって回転動作が制御される。ミラー１２は、モータ１３の回転に伴って可動する。
　同様に、ミラー１６は、ミラーホルダ１９によって保持されている。ミラーホルダ１９は、モータ軸１８を介してモータ１７に接続されている。モータ１７は、制御部１１からの指令に応じて動作する駆動部９によって回転動作が制御される。ミラー１６は、モータ１７の回転に伴って可動する。
　図３は、ミラー１２，１６のＯＮ状態を説明するための図であって、図２におけるＸ又はＹで示す方向からミラー１２，１６を見ている。図４は、ミラー１２，１６のＯＦＦ状態を説明するための図であって、図２におけるＸ又はＹで示す方向からミラー１２，１６を見ている。
　図３及び図４に示すように、ミラー１２，１６は、反射面が矩形の平板状である。ミラー１２，１６には、反射面の長辺に沿った方向の一方の端部寄りに、ミラーホルダ１５，１９が接続されている。ミラー１２，１６及びミラーホルダ１５，１９は、モータ１３，１７の回転に伴い、モータ軸１４，１８を回転軸として回転する。
　図３に示すように、ミラーホルダ１５，１９が接続されている端部とは反対側の端部（他方の端部）を下げた状態をミラー１２，１６の「ＯＮ状態」とする。図３に示す例では、反射面の長辺が水平方向と平行になる位置まで他方の端部を下げている。
　図４に示すように、他方の端部を上げた状態をミラー１２，１６の「ＯＦＦ状態」とする。図４に示す例では、反射面の長辺が鉛直方向と平行になる位置まで他方の端部を上げている。
　ビーム切替部２は、図２及び図３に示すように、ミラー１２をＯＮ状態、つまり、ミラー１２を下げた状態とする。これにより、レーザビームＯＰ１はミラー１２のＣ点に当たり、レーザビームＯＰ１の光軸ＡＢは、水平面内直角の光軸ＣＤに屈折する。このようにして、ビーム切替部２は、レーザビームＯＰ２を出力する。このとき、ミラー１６は、図４に示すように、ＯＦＦ状態、つまり、ミラー１６を上げた状態とする（図４参照）。
　実際のレーザ加工では、制御部１１は、予めミラー１２をＯＮ状態にしてから電源部１０をＯＮ状態にすることで、レーザビームＯＰ１を出力してレーザ加工を行う。そして、レーザ加工終了時には、制御部１１は、電源部１０をＯＦＦ状態にすることで、レーザ出力を停止してから、ミラー１２をＯＦＦ状態にする。
　一方、図５及び図４に示すように、ビーム切替部２は、ミラー１２をＯＦＦ状態、つまり、ミラー１２を上げた状態とすると、レーザビームＯＰ１はミラー１２を横切って直進する。このとき、図３に示すように、ミラー１６をＯＮ状態、つまり、ミラー１６を下げた状態とする。すると、レーザビームＯＰ１はミラー１６のＥ点に当たり、レーザビームＯＰ１の光軸ＡＢは、水平面内直角の光軸ＥＦに屈折する。このようにして、ビーム切替部２は、レーザビームＯＰ３を出力する。
　ダンパー２０は、レーザビームＯＰ１の光軸とダンパー２０の中心位置とが一致するように、レーザビームＯＰ１の入射に対向する位置に設置されている。
　ダンパー２０は、レーザ加工中に何らかの異常（例えば、ミラー１２，１６の回転不良や脱落等）が発生することによって、レーザビームＯＰ１が直進した場合に、レーザビームＯＰ１のエネルギーを吸収するものである。なお、レーザ装置１００が正常な状態では、レーザビームＯＰ１がダンパー２０に直接照射されることはない。
　〈ファイバ結合部について〉
　図６に示すように、ファイバ結合部３は、集光レンズ２１と、集光レンズ２１及び光ファイバ７を保持する光学系保持体２２とを有する。なお、ファイバ結合部４については、ファイバ結合部３と同様の構成であるため、説明を省略する。
　集光レンズ２１は、ファイバ結合部３に入射されるレーザビームＯＰ２を集光して、レーザビームＯＰ４として光ファイバ７に入射させるものである。
　光学系保持体２２は、筒状に形成され、その筒内に集光レンズ２１が嵌め込まれて保持されている。光学系保持体２２における集光レンズ２１よりも出射側には、光ファイバ７の端部が保持されている。光ファイバ７は、集光レンズ２１で集光したレーザビームＯＰ４の全てが、光ファイバ７のコアに入るように、光ファイバ７の光軸がＯＰ４の光軸に一致する位置で保持されている。
　なお、図示を省略するが、光ファイバ７の端部をレーザビームＯＰ２の光軸方向に沿って移動可能な調整機構を光学系保持体２２に設けてもよい。また、光ファイバ７の端部をレーザビームＯＰ２の光軸方向と直交する方向に移動可能な調整機構を光学系保持体２２に設けてもよい。
　また、本実施形態では、光学系保持体２２を１つの筒状体で構成しているがこれは一例である。例えば、集光レンズ２１を保持する部分と、光ファイバ７の端部を保持する部分とを別々の部材で構成してもよい。集光レンズ２１と光ファイバ７とをそれぞれの部材に取り付けた後で、両部材を組み合わせるようにしてもよい。
　また、本実施形態では、集光レンズ２１を１枚レンズとした場合について説明しているが、組み合わせレンズを使用してもよい。これにより収差を減少させ、レーザビームＯＰ４をより効率良く光ファイバ７に入射させるようにしてもよい。
　〈光センサの配置について〉
　光センサ５は、ファイバ結合部３に対して入射するレーザビームＯＰ２の光路から外れた位置で且つ集光レンズ２１よりもレーザビームＯＰ２の入射側に配設されている。
　具体的に、図７に示すように、光センサ５は、ファイバ結合部３に対して入射するレーザビームＯＰ２の入射方向の斜め後ろ方向において、戻り光を受光する受光面５ａを、集光レンズ２１の中心部に対向させた姿勢で配設されている。また、受光面５ａが光センサ５の中心軸ＯＸ１と直交する姿勢で配設されている。
　「受光面５ａを、集光レンズ２１の中心部に対向させる」とは、図７に示すように、光センサ５の中心軸ＯＸ１と集光レンズ２１の中心軸とが、集光レンズ２１の中心位置Ｒにおいて交差するように配置することをいう。
　光センサ５の中心軸ＯＸ１は最も受光感度が高いので、このように光センサ５を配置することで、光センサ５に入る戻り光の光量を最も高くすることができる。これにより、後述する制御部１１による異常判定処理の精度が向上する。
　なお、光センサ６の配置は、ファイバ結合部３に対する光センサ５の配置と同様であるため、説明を省略する。
　ここで、レーザ出力中、すなわち、レーザビームＯＰ２がファイバ結合部３に入射される際には、集光レンズ２１の表面からレーザビームの一部が反射される。この反射された光が戻り光として光センサ５によって検出される。
　また、レーザビームＯＰ２が集光レンズ２１によって集光され、レーザビームＯＰ４として光ファイバ７に入射される際にも、光ファイバ７の端面からレーザビームの一部が反射される。この反射された光が集光レンズ２１を通して光センサ５に向かい、戻り光として光センサ５によって検出される。
　このように、レーザビームＯＰ２が照射される際に、集光レンズ２１や光ファイバ７の端面からの戻り光が光センサ５によって検出されることとなる。
　〈光センサの動作原理〉
　以下、光センサ５の動作原理について、図８及び図９を参照しながら説明する。なお、光センサ６の動作原理は、光センサ５と同様であるため、説明を省略する。
　実際のレーザ加工では、光センサ５で検出される戻り光の光量は、レーザ出力（レーザビームＯＰ２の強さ）によって異なるが、一定のレーザ出力では、集光レンズ２１や光ファイバ７の端面が正常状態であれば、比較的小さな値を示す。
　これは、集光レンズ２１や光ファイバ７の端面からの反射は損失になるので、この損失を抑制するために、通常、使用されるレーザ波長において反射が最も小さくなるように、これらの表面にコーティングが施されるためである。
　一方、レーザ照射中に集光レンズ２１や光ファイバ７の端面に汚れが付着し、コーティングや光学部品自身に損傷が発生すると、入射するレーザビームＯＰ２に対する反射が急激に増加する。その結果、光センサ５に戻る光量が急激に増加する。
　図８に示すように、集光レンズ２１の表面にあるＰ点において、汚れや損傷が発生した場合、Ｐ点では、レーザビームＯＰ２に対する反射が強くなり、反射されて光センサ５に戻る光Ｒｆ１の光量が急激に増加する。
　同様に、光ファイバ７の端面にあるＱ点において、汚れや損傷が発生した場合、Ｑ点では、レーザビームＯＰ４に対する反射が強くなり、反射された後で集光レンズ２１を通って光センサ５に戻る光Ｒｆ２の光量が急激に増加する。
　この現象を利用して、制御部１１は、レーザビームＯＰ４の出力中に、光センサ５の検出値を示す出力信号を入力として以下の判定を行う。制御部１１は、予め、図９に示す最大閾値Ｓ-ref1と、レーザ出力の値に応じた戻り光の正常値Ｓ-norとを記憶している。そして、制御部１１は、光センサ５の検出値とレーザ出力の値とを取得し、光センサ５の検出値が最大閾値Ｓ-ref1よりも小さく、レーザ出力の値に応じた正常値Ｓ-norであれば、ファイバ結合部３が正常状態であると判定する。つまり、集光レンズ２１や光ファイバ７の端面に汚れや損傷が生じていないものと判定する。
　なお、このとき、光センサ５の検出値がレーザ出力の値に応じた正常値Ｓ-norに合致するように電源部１０の出力を調整することで、レーザ出力の値が目標値に収束するようにする。すなわち、光センサ５の検出値が一定値となるように制御することで、安定したレーザ出力値が得られる。
　一方、制御部１１は、光センサ５の検出値が最大閾値Ｓ-ref1よりも大きく、図９に示すＳ-desであれば、ファイバ結合部３が異常状態であると判定する。つまり、集光レンズ２１や光ファイバ７の端面に汚れや損傷が発生していると判定する。なお、損傷の程度によって戻り光の強さが異なるため、Ｓ-desは、幅を持たせたハッチング領域で示している。
　このように、制御部１１は、ファイバ結合部３の異常状態を判定するための異常判定部を構成している。
　なお、本実施形態の制御部１１は、光センサ５の検出値がレーザ出力の値に応じた正常値Ｓ-norであるか否か判断しているが、これは必須の構成ではない。制御部１１は、少なくとも光センサ５の検出値が所定の最大閾値Ｓ-ref1より小さいか否かを判断する構成であれば足りる。この場合、制御部１１がＳ-norを記憶している必要はない。
　〈レーザ装置の動作とその効果〉
　以下、レーザ装置１００の動作とその効果について説明する。
　レーザ加工の開始時には、図１に示すように、制御部１１が駆動部９を通してビームスイッチ３０を制御し、レーザ共振器１で発生したレーザビームＯＰ１を、光ファイバ７，８の何れか一方から出射されるように切り替える。これにより、レーザビームＯＰ４又はレーザビームＯＰ５によってレーザ加工を行う。
　ここで、レーザビームＯＰ４を出力中に、光センサ５の検出値が最大閾値Ｓ-ref1（図９参照）よりも大きくなった場合に、制御部１１では、異常状態であると判定する。つまり、ファイバ結合部３の集光レンズ２１又は光ファイバ７の端面に汚れや損傷が発生したと判定する。
　同様に、レーザビームＯＰ５を出力中に、光センサ６の検出値が最大閾値Ｓ-ref1よりも大きくなった場合に、制御部１１では、異常状態であると判定する。つまり、ファイバ結合部４の集光レンズ２１又は光ファイバ８の端面に汚れや損傷が発生したと判定する。
　そして、制御部１１において異常状態であると判定されると、制御部１１は、電源部１０を制御することによって、レーザ共振器１への電力供給を即座に遮断してレーザ発振を停止する。これにより、レーザ装置１００の故障拡大を防ぐことができる。
　《実施形態２》
　図１０は、本実施形態２に係るレーザ装置のビーム切替部の構成を示す模式図である。以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
　図１０に示す例では、ミラー１２はＯＮ状態、つまり、ミラー１２を下げた状態である。そして、ビーム切替部２は、レーザビームＯＰ１をミラー１２のＣ点に当てることで、レーザビームＯＰ１の光軸ＡＢを、水平面内直角の光軸ＣＤに屈折させ、レーザビームＯＰ２として出力している。このとき、ミラー１６はＯＦＦ状態、つまり、ミラー１６を上げた状態となっている。
　ここで、経年劣化や取付不良等の理由によって、ミラー１２がミラーホルダ１５から脱落した場合には、図１１に示す状態となる。
　この場合、レーザビームＯＰ１はミラー１２により屈折することなく直進する。このとき、ミラー１６がＯＦＦ状態となっているため、レーザビームＯＰ１はミラー１６を横切って直進しダンパー２０に直接照射される。その結果、図示を省略するが、ファイバ結合部３の集光レンズ２１から光センサ５へ戻ってくる戻り光がほとんど無くなるので、光センサ５の出力が急激に減少する。
　この現象を利用して、制御部１１は、レーザビームＯＰ１の出力中に、光センサ５の検出値を示す出力信号を入力として以下の判定を行う。実施形態２の制御部１１は、予め、図１２に示す最小閾値Ｓ-ref2を記憶している。そして、制御部１１は、光センサ５の検出値が最小閾値Ｓ-ref2よりも小さいＳ-no-MRRであれば、異常状態、つまり、ミラー１２が脱落又は破損等していると判定する。同様に、光センサ６の検出値に基づいて、ミラー１６の脱落等についても判定することができる。
　そして、制御部１１において異常状態であると判定されると、制御部１１は、電源部１０を制御することによって、レーザ共振器１への電力供給を即座に遮断してレーザ発振を停止する。これにより、レーザ装置１００の故障拡大を防ぐことができる。
　なお、上記の実施形態１及び実施形態２を組み合わせてもよい。すなわち、制御部１１が、光センサ５，６の検出値を所定の最大閾値Ｓ-ref1及び所定の最小閾値Ｓ-ref2の両方と比較する構成であってもよい。そして、制御部１１は、光センサ５，６の検出値が最大閾値Ｓ-ref1以上であるか、又は、最小閾値Ｓ-ref2以下である場合には、異常状態であると判定する。このように、制御部１１が最大閾値及び最小閾値の両方を判断することで、集光レンズ２１や光ファイバ７，８の汚れや破損を早期に検知すると共に、ミラー１２，１６の脱落や破損を早期に検知することができる。
　なお、上記の実施形態１及び２では、レーザ装置１００は、２つのファイバ結合部３，４、及び２つの光ファイバ７，８を備えていた。そしてビーム切替部２が、何れの光ファイバからレーザビームを出力するかを切り替える構成であった。しかし、本発明において、レーザ装置１００がレーザビームの出力を切り替える構成は必須ではない。レーザ装置１００は、レーザビームを出射するレーザ共振器１と、レーザ共振器１から出射されたレーザビームを集光する集光レンズ２１と、集光レンズ２１で集光されたレーザビームを伝送する光ファイバ７とを備え、集光レンズ２１よりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に配設され、集光レンズからの戻り光の光量を検出する光センサ５と、光センサ５の検出値が所定の最大閾値よりも大きい場合に、異常状態であると判定する制御部１１とを備えていればよい。
　また、上記の実施形態１及び２では、１つのレーザビームに対して光センサが１つの例を説明したが、光センサは複数であってもよい。複数の光センサは、例えば、集光レンズへの入射光路の周囲に等間隔で配置してもよい。この場合、複数の光センサの検出値の平均値を用いることで、より精度良く戻り光の光量を検出することができ、各部品の配置上の位置ずれなどに対応することができる。
　本発明は、集光レンズよりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に配設され、集光レンズからの戻り光の光量を検出する少なくとも１つの光センサと、少なくとも１つの光センサのいずれかの検出値が所定の最大閾値よりも大きい場合に、異常状態であると判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするものである。
　このような構成とすれば、光学部品の損傷等に起因してレーザ装置の故障が拡大するのを防止することができる。
　具体的に、集光レンズよりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に少なくとも１つの光センサを配設したことで、それぞれの光センサでは、集光レンズからの戻り光の光量が検出される。
　このとき、いずれかの光センサの検出値が、予め設定された所定の最大閾値よりも小さければ、正常状態、つまり、光学部品である集光レンズや光ファイバの端面に汚れや損傷が生じていないものと判断して、レーザ発振を継続して行うようにすればよい。
　一方、いずれかの光センサの検出値が最大閾値よりも大きくなった場合には、異常状態、つまり、集光レンズや光ファイバの端面に汚れや損傷が生じてレーザビームに対する反射が強くなり、反射された光が集光レンズを通って光センサに戻る光の光量が増加したものと判断するようにしている。
　そして、異常状態と判定された場合に、例えば、レーザ発振部への電力供給を即座に遮断してレーザ発振を停止するようにすれば、レーザ装置の故障拡大を防ぐことができる。
　以上説明したように、本発明は、光学部品や光ファイバの損傷等に起因して装置全体に故障が拡大するのを防止することができるという実用性の高い効果が得られ、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
　　　１　　レーザ共振器（レーザ共振部）
　　　２　　ビーム切替部
　　　３　　ファイバ結合部
　　　４　　ファイバ結合部
　　　５　　光センサ
　　　５ａ　受光面
　　　６　　光センサ
　　　７　　光ファイバ
　　　８　　光ファイバ
　　　９　　駆動部
　　１０　　電源部
　　１１　　制御部（異常判定部）
　　１２　　ミラー
　　１３　　モータ
　　１４　　モータ軸
　　１５　　ミラーホルダ
　　１６　　ミラー
　　１７　　モータ
　　１８　　モータ軸
　　１９　　ミラーホルダ
　　２０　　ダンパー
　　２１　　集光レンズ
　　２２　　光学系保持体
　　３０　　ビームスイッチ
　１００　　レーザ装置

Claims (6)

  1. 　レーザビームを出射するレーザ共振部と、前記レーザ共振部から出射されたレーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光されたレーザビームを伝送する光ファイバとを備えたレーザ装置であって、
    　前記集光レンズよりもレーザビームの入射側で且つレーザビームの光路から外れた位置に配設され、前記集光レンズからの戻り光の光量を検出する少なくとも１つの光センサと、
    　前記少なくとも１つの光センサのいずれかの検出値が所定の最大閾値よりも大きい場合に、異常状態であると判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  2. 　前記異常判定部は、前記少なくとも１つの光センサのいずれかの検出値が所定の最小閾値よりも小さい場合に、異常状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　前記少なくとも１つの光センサのそれぞれは、戻り光を受光する受光面が前記集光レンズの中心部に対向するように配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 　前記少なくとも１つの光センサのそれぞれは、前記受光面に垂直な中心軸と前記集光レンズの中心軸とが、前記集光レンズの中心位置において交差するように配設されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 　前記少なくとも１つの光センサは、複数であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ装置。
  6. 　前記レーザ共振部に対してレーザ発振用の電力を供給する電源部をさらに備え、
    　前記少なくとも１つの光センサのそれぞれの検出値が別個に一定値になるように前記電源部を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022501806A (ja) * 2018-09-30 2022-01-06 アジレント・テクノロジーズ・インクAgilent Technologies, Inc. 複数のコンポーネントレーザを有するレーザモジュール

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6513306B1 (ja) * 2018-05-07 2019-05-15 三菱電機株式会社 レーザ装置、レーザ加工機およびレーザ装置の出力制御方法
EP4074454A4 (en) * 2019-12-13 2023-05-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. LASER DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING A LASER DEVICE
JP7475220B2 (ja) * 2020-07-03 2024-04-26 住友重機械工業株式会社 レーザパワー計測装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07266067A (ja) * 1994-03-29 1995-10-17 Mitsubishi Electric Corp レーザ伝送用光ファイバー装置
JP2001246489A (ja) * 2000-03-02 2001-09-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザ加工装置
JP2001339112A (ja) * 2000-05-30 2001-12-07 Mitsubishi Electric Corp レーザ発振器
WO2004108342A2 (en) * 2003-06-06 2004-12-16 Bright Solutions Soluzioni Laser Innovative S.R.L. Spot welding laser apparatus and method thereof
JP2005161361A (ja) * 2003-12-02 2005-06-23 Fujitsu Ltd レーザ加工機の管理方法及びレーザ加工機

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62190434A (ja) 1986-02-17 1987-08-20 Asahi Optical Co Ltd レ−ザ伝送用フアイバのトラブル検出安全装置
JPS63248586A (ja) 1987-04-02 1988-10-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd レ−ザ加工装置
JPH02107939A (ja) 1988-10-14 1990-04-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光ファイバーの状態監視装置
JPH1197776A (ja) * 1997-09-18 1999-04-09 Amada Eng Center Co Ltd レーザ加工機におけるレーザ出力検出方法およびその装置、並びに前記レーザ出力検出方法およびその装置を用いたレーザ出力方法およびその装置
JP4213599B2 (ja) 2004-01-28 2009-01-21 株式会社東芝 光学式計測方法および装置
US7982935B2 (en) 2008-12-31 2011-07-19 Yuri Grapov Mirror positioning apparatus for use in beam switching
JP5705503B2 (ja) * 2010-10-28 2015-04-22 三菱重工業株式会社 レーザ加工装置及びレーザビーム調整方法
JP5789527B2 (ja) * 2012-01-18 2015-10-07 株式会社アマダホールディングス レーザ加工装置及びレーザ発振制御方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07266067A (ja) * 1994-03-29 1995-10-17 Mitsubishi Electric Corp レーザ伝送用光ファイバー装置
JP2001246489A (ja) * 2000-03-02 2001-09-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザ加工装置
JP2001339112A (ja) * 2000-05-30 2001-12-07 Mitsubishi Electric Corp レーザ発振器
WO2004108342A2 (en) * 2003-06-06 2004-12-16 Bright Solutions Soluzioni Laser Innovative S.R.L. Spot welding laser apparatus and method thereof
JP2005161361A (ja) * 2003-12-02 2005-06-23 Fujitsu Ltd レーザ加工機の管理方法及びレーザ加工機

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3553901A4 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022501806A (ja) * 2018-09-30 2022-01-06 アジレント・テクノロジーズ・インクAgilent Technologies, Inc. 複数のコンポーネントレーザを有するレーザモジュール
JP7398437B2 (ja) 2018-09-30 2023-12-14 アジレント・テクノロジーズ・インク 複数のコンポーネントレーザを有するレーザモジュール

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