专利名称：激光振荡器内出射镜的老化状态测定方法以及激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对激光振荡器内的部分反射镜的老化状态进行测定的测定方法 以及激光加工装置。
背景技术：
由激光振荡器起振的激光束，由于指向性 聚光性优越，所以容易利用透镜或反射 镜聚光为微小的光点，可以得到高能量密度。因此，近年来，激光振荡器较多地用于切断 开 孔 焊接 热处理等加工领域。激光振荡器通常由1枚配置在激光束射出侧的部分反射镜(下面称为出射镜)、和 除此之外的1枚或多枚全反射镜构成，采用使激光束在反射镜之间多重反射而进行放大振 荡的原理。在长时间使用该激光振荡器的情况下，由于位于激光振荡器内的反射镜的涂层 老化，或反射镜材料自身的老化，导致产生反射镜吸收激光束，在反射镜内部产生不均勻的 温度分布。由于不均勻的温度分布产生不均勻的折射率分布，使激光束特性变化或产生激 光束的波束功率降低，所以为了维持加工品质，需要对位于激光振荡器内的反射镜进行定 期的清理 更换，即所谓维护。特别地，对于出射镜，与其以外的全反射镜相比，由于透过激 光束，所以容易发生激光束的吸收，且难以从背面进行冷却，只能从侧面进行冷却，因此，容 易在反射镜内部产生不均勻的温度分布。因此，在现有技术中，为了维持加工品质，以根据经验得到的基准时间为参考值， 实施位于激光振荡器内的出射镜的维护，而不对反射镜的老化状态进行测定。
发明内容
在上述维护的情况下，存在下述问题，S卩，没有考虑到根据激光束吸收率等光学部 件的初始特性值的个体差异 使用环境 使用条件等而产生的反射镜老化状态的个体差 异。在反射镜老化比作为维护的参考值的基准时间更早发生的情况下，由于在维护前发生 加工品质降低，所以导致中止生产，实施紧急维护这一情况。维护需要时间，进而在进行更 换部件或作业的维修人员的部署发生延误的情况下，生产中止的期间变长，对生产线造成 较大的影响。在反射镜老化比作为维护的参考值的基准时间更晚发生的情况下，由于无论 加工品质是否良好都实施维护，从而产生反射镜可使用时间的浪费，使维护费用增加。另外，为了避免上述紧急维护或维护费用增加这样的问题点，当前存在使用下述 激光装置的情况，该激光装置利用光束轮廓检测器对激光束直径进行检测，根据该直径相 对于运行时间的变化量，定量地测定出射镜的老化状态(例如，参照专利文献1)。专利文献1 日本特开平7-245437号公报但是，在上述现有的激光装置的情况下，为了检测激光束直径，需要所谓光束轮廓 检测器这样的高价的测定器，系统成本增加。另外，由于通过与初始状态下的激光束直径进 行比较，而测定出射镜的老化状态，所以在初始状态下出射镜存在老化等初始异常时，无法在该时刻发现异常。另外，在由于如位于激光振荡器内的激光气体等激光介质老化那样除 了出射镜老化以外的原因，导致激光束直径变化的情况下，无法将出射镜与除此之外的原 因进行区分。本发明就是为了解决上述课题而提出的，其第1目的是得到一种激光加工装置， 其可以通过廉价且简单的结构测定出射镜的老化状态。第2目的是得到一种激光加工装 置，其不与初始状态下的激光束直径进行比较，可以定量地评价出射镜的老化状态的测定 及初始状态下的出射镜的异常。本发明所涉及的评价装置由下述部分构成波束功率测定传感器，其测定从激光 振荡器射出的激光束的波束功率；孔径部，其位于激光振荡器和波束功率测定传感器之间， 用于仅使激光束的中心部分透过；以及控制装置，其通过在激光振荡器处于规定的热负荷 状态下的波束功率测定传感器的测定值，将出射镜的老化状态数值化，该评价装置利用起 振形成高波束功率的激光束而使出射镜处于高热负荷状态，通过测定从孔径部透过的激光 束的波束功率，由此，进行出射镜的老化状态的评价。发明的效果本发明通过使激光振荡器的热负荷状态变化，并测定透过孔径部的激光束的波束 功率，从而可以以廉价且简单的结构，定量地评价出射镜的老化状态。通过利用本发明中的 测定方法定期地测定出射镜的老化状态，可以事前防止加工品质降低。
图1是表示本发明的实施方式1的激光加工装置的结构图。图2是表示本发明的实施方式1的激光加工装置的其他的结构图。图3是表示对于没有老化的出射镜，在使脉冲频率变化时的激光束的波束功率的 测定结果的曲线图。图4是表示对于运行时间为4000小时的出射镜，在使脉冲频率变化时的激光束的 波束功率的测定结果的曲线图。图5是表示出射镜老化状态较轻的情况和较重的情况下的各激光束的传送状态 的示意图。图6是表示本发明的实施方式1的出射镜老化状态测定方法的流程图。图7是表示本发明的实施方式1的出射镜老化状态测定方法所测定的激光束的波 束功率的测定结果的曲线图。图8是表示本发明的实施方式1的激光加工装置的测定控制装置内的框图。图9是表示与出射镜的老化指数相对的焦点位置变化量的表。图10是表示各种材料在切断加工中的焦点允差的表。图11是表示本发明的实施方式2的出射镜老化状态测定方法的流程图。图12是表示本发明的实施方式1的出射镜老化状态测定方法所测定或计算出的 激光束的波束功率的曲线图。图13是表示本发明的实施方式2的激光加工装置的测定控制装置内的框图。图14是表示对于运行时间为4000小时的出射镜，在孔径部的各个开口直径下使 脉冲频率变化时的激光束的波束功率的测定结果的曲线图。
图15是表示对于运行时间为4000小时的出射镜，孔径部的各个开口直径与老化 指数之间的关系的图。图16是表示在孔径部的开口直径相对于激光束直径充分小的情况下，透过孔径 部前后的激光束的强度分布的示意图。图17是表示在孔径部的开口直径与激光束直径大致相同的情况下，透过孔径部 前后的激光束的强度分布的示意图。图18是表示本发明的实施方式4的激光加工装置的结构图。图19是表示实施方式5中的出射镜老化状态的测定结果的图。图20是表示在实施方式5中出射镜老化状态测定的控制流程的图。图21是表示本发明的实施方式5的激光加工装置的测定控制装置内的框图。图22是表示本发明的实施方式6的激光加工装置的结构图。
具体实施例方式实施方式1使用图1 图17，说明本发明的实施方式1所涉及的出射镜的老化状态测定方法 以及激光加工装置。图1及图2是表示用于实施本发明的实施方式1中的可以进行出射镜 的老化测定的激光加工装置的图。如图1及图2所示，本实施方式所涉及的激光加工装置 具有激光振荡器1，其由配置在激光束射出侧的1枚出射镜2和除此之外的1枚或多枚全 反射镜3 (在本实施方式中为1枚)构成谐振器；多个反射镜8、9、10，它们将从该激光振荡 器1射出的激光束4传送至工件12 ；聚光透镜11，其使传送来的激光束4在工件12上聚 光；XY工作台13，其载置工件12，使激光束照射位置向工件12上的任意位置移动；以及加 工控制装置14，其对激光振荡器1和XY工作台13的动作进行控制。而且，为了测定出射镜2的老化状态，具有波束功率测定传感器6，其测定从激光 振荡器1射出的激光束的波束功率；孔径部5，其用于遮挡向该波束功率测定传感器6入射 的激光束4的周边部分，仅使中央部分透过；驱动装置15，其用于将该波束功率测定传感器 6和孔径部5向激光束光路放入/移出；以及测定控制装置7，其对出射镜2的老化测定时 的激光振荡器1的动作、波束功率测定传感器6以及驱动装置15进行控制。另外，波束功 率测定传感器6和孔径部5通过驱动装置15和测定控制装置7进行移动，在测定出射镜2 的老化状态时，如图1所示，配置在激光加工装置的激光束光路上，在对工件12进行加工 中，如图2所示，配置在激光束光路外。在这里，波束功率测定传感器6可以采用将激光的 热能转换为电流或电压的简单的构造，不需要为如专利文献1所记载的用于测定强度分布 的CXD这样的高价的测定器。此外，如果示出本实施方式1所涉及的激光加工装置的光学系统的结构的1个 例子，则从激光振荡器1至孔径部5的距离为700mm，从孔径部5至聚光透镜11的距离为 1300mm。另外，孔径部5的开口直径设为从激光振荡器1射出的激光束4的直径Φ 5. Omm 的50%即Φ 2. 5mm，激光束4的脉宽为1ms。激光束直径设为相对于脉冲峰值功率为1/e2 的功率下的激光束直径。在这里，说明从激光振荡器1射出的激光束4由波束功率测定传感器6测定的波 束功率测定值与脉冲频率的变化以及有无孔径部5之间的关系。使激光束的脉冲峰值功率以及脉宽(Ims)固定。图3是使激光束4的脉冲频率从IOOHz至1000Hz为止以IOOHz间隔变化时，分别 针对有无孔径部5而利用波束功率测定传感器6得到的激光束的波束功率的测定结果。设 为从IOOHz至1000Hz的原因在于，它们是在本实施方式所示的激光加工装置中，激光加工 所使用的激光束的波束功率最小的情况和最大的情况下的脉冲频率。特别地，由于脉宽为 lms，所以在1000Hz下成为连续射出，因此，IOOOHz是脉冲频率无法进一步提高的值。另夕卜， 激光束的波束功率测定是在成为出射镜的温度基本不变化的热平衡状态的时刻进行的，在 本实施方式所示的激光加工装置中，在从射出激光开始大约IOs后进行测定。此外，出射镜 2使用没有老化的新品。如图3所示，与有无孔径部5无关地，激光束的波束功率均相对于 脉冲频率的变化以大致正比例进行变化。其原因是，激光束的波束功率是由激光束的1个 脉冲的功率和脉冲频率的积决定的。另外，在存在孔径部5的情况下，由于与没有孔径部的 情况相比，激光束4的周边部被遮挡，所以相应地激光束的波束功率减少，但与没有孔径部 5时相同地以大致正比例进行变化。另一方面，图4示出使用老化的出射镜2，使激光束4的脉冲频率从IOOHz至 IOOOHz为止以IOOHz间隔变化时，分别针对有无孔径部5而由波束功率测定传感器6得到 的波束功率的测定结果。如图4所示，在没有孔径部5的情况下的测定结果，与出射镜2没 有老化的图3大致相同。但是，在存在孔径部5的情况下的测定结果，与图3明显不同。下面，说明在存在孔径部5的情况下，通过出射镜2有无老化而使激光束波束功率 的测定值产生差异的原因。在存在出射镜2的涂层老化，或反射镜材料自身老化的情况下，在出射镜2中发生 激光束4的吸收，在出射镜2内产生不均勻的温度分布。不均勻的温度分布成为产生不均勻 的折射率分布的原因，从而产生激光束特性的变化及激光束的波束功率降低。通常，越是激 光束强度较高的出射镜2的中心部分，越容易产生老化，另外，由于出射镜2为部分反射镜， 所以难以从背面进行冷却，只能从侧面进行冷却，因此，出射镜2的中央部分的温度容易上 升，出射镜2的中央部分的折射率容易变大。因此，在出射镜2的周边部分和中央部分之间 折射率产生差异，成为所谓热透镜状态，使激光束聚光。由不均勻的温度分布引起的出射镜2的中央部分和周边部分之间的折射率的差 异，与出射镜老化状态或透过出射镜的激光束的波束功率(也称为所谓的热负荷状态)成 正比地变大，使激光束进一步聚光。图5是示意地表示在老化的出射镜2a中的热负荷状态较轻的情况和较重的情况 下，激光束4的聚光程度的变化的图。图5(a)表示热负荷状态较轻的情况，图5(b)表示热 负荷状态较重的情况。在脉冲频率为IOOHz的情况下，由于出射镜2a的热负荷状态较轻， 所以在出射镜2a中基本不产生温度分布，基本不发生对激光束进行聚光的作用。因此，如 图5 (a)所示，透过出射镜2a后的激光束4a大致平行地照射至孔径部5，仅透过孔径部中央 部分的激光束20a照射在波束功率测定传感器上。但是，在脉冲频率为1000Hz的情况下，由于出射镜2a的热负荷状态较重，所以在 出射镜2a中形成大梯度的温度分布，成为热透镜状态。因此，如图5(b)所示，透过出射镜 2a后的激光束4b被聚光并照射至孔径部5。因此，与图5(a)相比，由于在孔径部5的中央 部分集中了更多激光束4b并透过孔径部5，所以由波束功率测定传感器6测定到，在脉冲频率从IOOHz增加至1000Hz时增加了大于或等于10倍的波束功率。另一方面，在没有老化的出射镜2的情况下，由于无论脉冲频率的高低，都基本不 产生温度分布，因此，无论脉冲频率是IOOHz还是1000Hz，均成为与图5 (a)相同的激光束的 状态。即，在没有老化的出射镜的情况下，与脉冲频率为IOOHz下的波束功率测定值相对， IOOOHz下的波束功率测定值成为大致10倍。因此，如图4及图3所示，从孔径部5的中央 部分透过的激光束20的波束功率，在脉冲频率为IOOHz的情况下，老化的出射镜与没有老 化的出射镜之间基本没有观察到差异。但是，在脉冲频率为1000Hz的情况下，老化的出射 镜与没有老化的出射镜相比，激光束的波束功率变大。此外，由于在没有孔径部5的情况下，利用波束功率测定传感器6测定激光束4整 体的波束功率，所以无论是否产生热透镜，对于没有老化的出射镜和老化的出射镜，如图3 及图4所示，波束功率测定值基本不改变。即，虽然激光束的强度分布由于热透镜的产生而 变化，但作为激光束整体的波束功率基本不变化。当然，在老化的出射镜2中吸收了一些激 光束，但由于很少，所以难以用于判断出射镜的老化。本发明发现，如上述所示，根据出射镜的老化程度，透过使激光束的中央部透过的 孔径部后的激光束的波束功率，在出射镜的热负荷状态较重的情况下变化显著，将这一情 况用于出射镜的老化状态判定。下面，基于上述的作用，针对利用本实施方式1所涉及的激光加工装置，如何测定 出射镜的老化状态，说明具体的动作。图6是进行出射镜2的老化状态的测定的情况下的 测定控制装置7的控制流程图。另外，图7是将该控制流程中测定或者存储的激光束的波 束功率值表示在曲线图上的图。另外，图8是用于实现测定控制装置7的老化测定处理的 内部框图。下述说明时的测定值，是使用在测定图3所示的数据时使用的没有老化的出射 镜2、以及测定图4所示的数据时使用的运行时间为4000小时的出射镜2时的值。下面，基 于图6、图7、图8进行说明。首先，在进行出射镜的老化状态的测定前，与出射镜更换时等配合，在出射镜的初 始状态下进行激光束波束功率的测定。测定是以脉冲频率1000Hz ·脉宽Ims的状态射出 高波束功率的激光束而进行的。这是为了使没有老化的状态的出射镜2在热负荷较重的状 态下进行测定。所测定的激光束的波束功率作为波束功率基准值(S)存储在测定控制装置 7的第2存储部101中。在这里，测定并存储的波束功率基准值(S)为14. 7ff(图7的“□” 点)ο然后，在产生需要测定出射镜的老化状态的情况下，首先，操作人员通过按下“出 射镜污垢测定”按钮而开始测定(SOl)。当然，也可以在激光装置开始运行时自动地进行测 定动作，也可以通过在加工程序中写入进行测定的命令而进行测定动作。然后，利用测定控制装置7的控制部102使驱动装置15动作，将孔径部5和波束 功率测定传感器6移动至激光束光路上(S02)。然后，测定控制装置7的控制部102向加工控制装置14指示以脉冲频率 IOOOHz ·脉宽Ims的状态射出高波束功率的激光束，以射出期望的激光束。这是为了在出 射镜2中再现热负荷较重的状态。然后，利用波束功率测定传感器6测定激光束的波束功 率，将测定数据向测定控制装置7的运算部103发送(S03)。在这里，将测定到的激光束的 波束功率称为高热负荷时波束功率(H)。测定到的高热负荷时波束功率(H)为25. 0ff(图7的“Δ”标记)。然后，由测定控制装置7的运算部103求出出射镜老化状态(S04)。表示出射镜的 老化状态的指标具有多种，在这里，使用激光束的波束功率相对于波束功率基准值(S)以 何种程度增加的比例作为指标。表示出射镜老化状态的指标(以下，称为老化指数(D))利 用下述计算式求出。) = (H-S)+SX100...(算式 1)根据(算式1)，出射镜的老化指数为70. 1 %。测定控制装置7的比较部104将得到的出射镜的老化指数、与另外存储在测定控 制装置7内的第1存储部105中的判断基准值进行比较，如果出射镜的老化指数与判断基 准值相比较小，则判断为出射镜为可使用的老化状态。另一方面，如果出射镜的老化指数与 判断基准值相比较大，则判断为出射镜老化至无法使用的程度(S05)。在步骤S05中判断为出射镜2为可使用的状态的情况下，测定控制装置7的控制 部102使驱动装置15动作，将孔径部5和波束功率测定传感器6从激光束光路上向光路外 移动(S06)。由此，出射镜的污垢测定结束，进行通常的加工作业。另一方面，在步骤S05中判断为出射镜2老化而无法使用的情况下，为了将出射镜 2已经老化这一情况向操作人员通知，测定控制装置7的控制部102利用警报显示部106显 示警报等(S07)。根据警报，操作人员进行出射镜2的清理或者更换(S08)。当然，对于出射镜2的 清理或更换，也可以将自动进行的装置组装在激光加工装置中，而实施自动清理等。通过完 成出射镜2的清理或者更换，出射镜污垢测定结束。下面，说明步骤S05中使用的判断基准值的设定方法。在出射镜2产生老化的情况下，与老化状态对应地，聚光透镜11形成的焦点位置、 即所谓激光束聚光点变化。图9示出与出射镜2的老化状态相对的焦点位置变化量。图9 所示的值示出本实施方式1所涉及的激光加工装置的最小波束功率即脉冲频率为IOOHz时 的焦点位置、与最大波束功率即脉冲频率为1000Hz时的焦点位置之间的差值。上述值可以 通过实际进行加工而求出，也可以通过模拟求出。图9是通过模拟求出的值。另外，由于这 些值根据激光加工装置中的光路部件配置或孔径部的位置、激光束波束功率的使用范围而 变化，所以优选针对每台激光加工装置进行计算。在本实施方式1所涉及的激光加工装置 的情况下，对于出射镜的老化指数为70. 的运行时间为4000小时的出射镜，根据图9，焦 点位置的变化随着热负荷状态的不同而最大变化大约11mm。在这里，图10示出利用本实施方式1所涉及的激光加工装置实施切断加工的情 况下，各种材料的焦点允差。所谓焦点允差，表示即使焦点位置相对于材料表面发生变化， 也可以稳定地进行切断的焦点位置的容许范围。可知在出射镜的老化指数为70. (焦 点位置变化量大约Ilmm)的情况下，对于不锈钢 铁 铝中任一种材料，都无法进行稳定的 切断加工。相反地，由于为了对不锈钢 铁 铝中任一种材料都进行稳定的切断加工，必须 使焦点位置变化量小于或等于3mm，所以根据图9可知，出射镜的老化指数必须小于或等于 35%。S卩，将判断基准值设为35%即可。因此，通过针对各个激光加工装置，取得与图9及 图10对应的数据，从而可以根据工件的材料设定判断基准值。此外，图10所示的值是本 实施方式1所涉及的激光加工装置的一个例子中的值，由于根据激光加工装置的结构而变化，所以优选针对每台激光加工装置进行计算。根据上述内容，通过使出射镜的热负荷状态随着脉冲频率变化，测定透过孔径部 的激光束的波束功率，由此，可以利用简单且廉价的结构定量地评价出射镜的老化状态。此外，在上述实施方式1中，利用驱动装置15自动进行孔径部5及波束功率测定 传感器6向激光束光路的放入/移出，当然也可以由操作人员根据需要而利用手工操作进 行放入/移出。另外，在上述实施方式1中，为了再现出射镜的热负荷较重的状态，相对于脉宽 Ims,以最大的脉冲频率即1000Hz进行了测定，但无需设定为最大，只要以尽可能高的波束 功率进行测定即可。当然，根据图4，利用最大波束功率进行测定的方式，显然使得由于出射 镜的老化程度引起的波束功率差变得显著，测定的精度提高。另外，在本实施方式1中，基于由(算式1)得到的老化指数(D)，对出射镜的老 化状态进行判断，但也可以根据例如测定到的高热负荷时波束功率(H)与波束功率基准值 (S)相比增加了多大波束功率这样的简单差值进行判断，总之，只要将高热负荷时波束功率 (H)作为判断的对象即可。此外，重要的是，在出射镜2与孔径部5之间不配置产生热透镜的光学部件。其 原因是，如果存在产生热透镜的光学部件，则即使出射透镜没有老化，高热负荷时波束功率 (H)也可能变化，无法准确地进行老化判断。因此，在判断出射镜2的老化状态的情况下，优 选将孔径部5及波束功率测定传感器6配置在激光振荡器1的紧后方。实施方式2然而，在实施方式1的激光加工装置中，将刚更换后的出射镜的状态视为没有老 化的状态，测定脉冲频率为1000Hz下的激光束的波束功率，存储该测定值作为波束功率基 准值(S)。通常，这样做没有特别的问题，但在出射镜存在老化等初始异常的情况下，波束功 率基准值(S)可能不准确。另外，有时会产生由于没有进行初始状态的测定，所以无法进行 老化测定的问题。因此，为了解决上述问题，本实施方式2中的激光加工装置，可以在老化 测定时求出波束功率基准值(S)，而不是对初始状态的出射镜进行测定而求出。作为激光加 工装置的结构与实施方式1的图1、2大致相同，但测定控制装置7的动作不同。可以在出射镜的老化测定时求出波束功率基准值(S)的理由如下述所示。着眼于下述两点，S卩，如图3所示，对于没有老化的出射镜，无论有无孔径部，脉冲 频率与波束功率之间都大致成正比这一点，以及，如图3及图4所示，在脉冲频率为IOOHz 时，无论出射镜的老化程度如何，波束功率都基本相同这一点。由此，可以在老化测定时测 定脉冲频率为IOOHz的低热负荷状态的激光束的波束功率，将该测定值假定为没有老化的 出射镜的值，利用比例式计算没有老化的出射镜在1000Hz时的波束功率，并将其作为波束 功率基准值(S)。下面，基于上述理由，说明本实施方式2所涉及的激光加工装置的动作。图11是 在进行出射镜2的老化状态的测定的情况下，测定控制装置7a的控制流程图。对于与实施 方式1的流程图6相同的控制，标注相同的步骤编号。另外，图12是将该控制流程中测定 或者计算的激光束的波束功率值表示在曲线图上的图。另外，图13是用于实现本实施方式 2所涉及的老化测定处理的测定控制装置7a的内部框图。下述说明时的测定值，是使用在 测定图4所示的数据时使用的运行时间为4000小时的出射镜2时的值。下面，基于图11、
11图12、图13进行说明。首先，与实施方式1的图6相同地，实施步骤SOl以及步骤S02，进行测定老化状态 的准备。然后，在孔径部5和波束功率测定传感器6的移动结束后，测定控制装置7a的控 制部102a指示加工控制装置14以脉冲频率IOOHz ·脉宽Ims射出低波束功率的激光束， 从而射出期望的激光束。这是为了在出射镜2中再现热负荷较轻的状态。然后，利用波束 功率测定传感器6测定激光束的波束功率，将测定数据向测定控制装置7a的基准值计算部 203发送(Sll)。在这里，将测定到的激光束的波束功率称为低热负荷时波束功率(L)。测 定到的低热负荷时波束功率(L)为1. 5ff(图12的“□”点)。然后，测定控制装置7a的基准值计算部203基于测定到的低热负荷时波束功率 (L)，求出脉冲频率为1000Hz下的波束功率基准值(S) (S12)。如上述所示，将步骤Sll中的 测定值假定为没有老化的出射镜的值，利用比例式求出没有老化的出射镜在1000Hz下的 波束功率。因此，波束功率基准值(S)通过下述计算式求出。S = LXlOOOHz + lOOHz...(算式 2)根据(算式2)，波束功率基准值⑶为15. 0ff(图12的〇标记，图12的直线为比 例直线)。其与利用实施方式1的测定方法得到的波束功率基准值14. 7W为大致相同的值， 示出可以根据(算式2)而高精度地计算没有老化的出射镜在1000Hz下的波束功率。然后，与实施方式1的图6相同地，实施步骤S03。即，以脉冲频率1000Hz ·脉宽 Ims射出高波束功率的激光束，在出射镜2中再现热负荷较重的状态。然后，利用波束功率 测定传感器6测定激光束的波束功率，将测定数据向测定控制装置7a的运算部103发送。 与实施方式1的图7相同地，测定到的高热负荷时波束功率(H)为25. OW(图12的Δ标记)。然后，由测定控制装置7a的运算部103求出出射镜老化状态(S13)。在实施方式 1的图6中的步骤S04中，使用存储在存储部中的波束功率基准值求出老化指数(D)，但在 本实施方式2中，使用在步骤S12中计算出的波束功率基准值(S)求出老化指数(D)。老化 指数(D)的计算式与实施方式相同地使用(算式1)。根据(算式1)，出射镜的老化指数为 66. %。因此，可以得到与利用实施方式1的情况下的测定方法而得到的老化指数70. 1% 大致相同的值。然后，以后与实施方式1的图6相同地，从步骤S05经由步骤S06而结束老化测定， 或者从步骤S05经由步骤S07、S08而结束测定。根据上述动作，本实施方式2所涉及的激光加工装置与实施方式1所涉及的激光 加工装置相比，在老化测定时需要测定低热负荷时波束功率(L)，需要略多的测定时间。但 是，由于可以在老化状态测定时求出波束功率基准值，而不在出射镜的初始状态下进行激 光束波束功率的测定，所以具有下述优点，即，无论出射镜的初始状态的老化程度如何，都 可以进行老化状态的测定。另外，也可以根据这个特征，对出射镜在初始状态下是否存在老 化进行判断。另外，对于老化测定中使用的孔径部，在实施方式1、2中，均将开口直径设为激光 束直径Φ5. Omm的50%即Φ2. 5mm，测定出射镜2的老化状态。但是，由于根据实验可以明 确，对于孔径部5的开口直径存在合理范围，所以，下面说明孔径部开口直径的合理化。图14是表示使用开口直径从Φ 1. 5mm至Φ 4. 5mm以Φ 0. 5mm间隔变化的孔径部，测定激光束的脉冲频率与波束功率之间的关系的结果的曲线图。此外，使用的出射镜是与 图4相同的老化状态为66. 7%的出射镜。另外，图15基于图14的测定结果而针对各个孔 径部记载了下述内容脉冲频率为1000Hz下的激光束的波束功率(即，高热负荷时波束功 率(H))；根据脉冲频率为IOOHz下的激光束的波束功率(S卩，低热负荷时波束功率(L))，利 用(算式2)求出的脉冲频率为1000Hz下的波束功率基准值(S)；以及使用该高热负荷时 波束功率(H)和波束功率基准值(S)，根据(算式1)求出的出射镜老化指数(D)。根据图 14，发现下述趋势，S卩，如果孔径部的开口直径较大，则脉冲频率与波束功率成为正比关系， 开口直径越小，相对于正比关系的偏差越大。另外，根据图15，发现下述趋势，S卩，孔径部的 开口直径越大，老化指数的测定结果越接近0. 0 %，开口直径越小，老化指数越接近70 %。这是由于下述原因而导致的。图16是表示孔径部5a的开口直径相对于激光束直径充分小的情况下，透过孔径 部5a前后的激光束的强度分布的图。图16(a)是老化的出射镜的热负荷状态较轻的情况 下的图，图16(b)是热负荷状态较重、通过热透镜效应使激光束4b聚光的情况下的图。在 孔径部5a的开口直径与激光束直径相比充分小的情况下，如图16所示，仅激光束4的中央 部分透过孔径部，因此，由热负荷状态引起的激光束直径的变化容易对波束功率测定结果 造成影响。即，这是由于，与图16(a)所示的热负荷状态较轻的情况相比，在图16(b)示出 的热负荷状态较重的情况下，激光束4的强度分布的中央部分变得更强，透过孔径部5a的 激光束20的比例增加。另一方面，图17是表示在孔径部5b的开口直径与激光束直径大致相同的情况下， 透过孔径部5b前后的激光束的强度分布的图。与图16相同地，图17(a)是热负荷状态较 轻的情况下的图，图17(b)是热负荷状态较重、通过热透镜效应使激光束4b聚光的情况下 的图。如果孔径部5b的直径与激光束直径相比不是充分小，即，孔径部5b的开口直径与激 光束直径成为相同程度，则如图17(a)所示，在热负荷状态较轻的脉冲频率为IOOHz下进行 测定的时刻，激光束4a的大部分透过孔径部5b。因此，如图17(b)所示，在热负荷状态较重 的脉冲频率为1000Hz下激光束4b的直径更小的情况下，即使激光束的强度分布发生变化， 激光束4b的大部分也透过孔径部5b，由此，难以对波束功率测定结果造成影响。这也可以 说是由于处于与所述的没有孔径部的状态大致相同的状态。为了准确地判断出射镜的老化状态，激光束直径的变化对波束功率测定结果影响 较大的方式更加适合。根据图15的结果，由于发现下述倾向，S卩，在孔径部直径小于或等于 激光束直径的60% (小于或等于Φ3.0πιπι)的情况下，出射镜的老化指数在大约70%处饱 和，因此，优选孔径部直径小于或等于激光束直径的60%。但是，如果孔径部的开口直径过 小，则波束功率测定值变小，相对地测定误差变大，因此，优选考虑波束功率测定传感器的 精度而选择适当的开口直径。根据本发明，由于在出射镜的老化状态判断中，不需要出射镜的初始状态测定，所 以也可以对例如初始状态的出射镜是否老化进行判断。另外，通过使测定所使用的孔径部 的开口直径合理化，可以更准确地判断老化状态。此外，在上述实施方式2中，为了再现出射镜的热负荷较重的状态，以最大脉冲频 率即1000Hz进行了测定，但与实施方式1相同地，无需设定为最大，只要以尽可能高的波束 功率进行测定即可。当然，从提高测定精度的角度出发，优选以最大的波束功率进行测定。另外，为了再现出射镜的热负荷较轻的状态，以最小脉冲频率即IOOHz进行测定，但无需设 定为最小，只要以尽可能低的波束功率进行测定即可。当然，根据图3及图4可知，以最小 波束功率进行测定的方式，可以得到更接近于没有老化的出射镜的激光束波束功率的值， 可以得到更准确的波束功率基准值(S)。另外，在本实施方式2或者前面的实施方式1中，孔径部5仅在出射镜2的老化判 断测定中使用。另一方面，还存在如印刷基板加工用激光加工装置那样作为加工用而已经 在光轴上具有孔径部的装置。在这种加工装置的情况下，如果加工用的孔径部的开口直径 落在上述合理范围内、即小于或等于激光束直径的60%，且孔径部的位置合适，即在激光振 荡器与孔径部之间没有产生热透镜的光学部件，则也可以将该孔径部用于出射镜2的老化 判断测定。在此情况下，也可以采用下述结构，即，孔径部保持固定，仅将对透过孔径部的激 光束的波束功率进行测定的波束功率测定传感器在激光束光轴上放入/移出。在这种结构 中，由于不需要另外设置孔径部，所以可以以更加廉价且简单的结构测定出射镜的老化状 态。实施方式3在上述实施方式1以及实施方式2中，通过激光束的脉冲频率而使出射镜的热负 荷状态变化。这是因为，例如印刷基板等加工用的激光加工装置，大多对激光束的脉冲频率 进行控制而进行加工。但是，由于本发明中的出射镜的老化状态测定，只要使出射镜的热负 荷状态变化就可以进行，所以在脉冲频率的变化以外，只要能够使热负荷状态变化，就可以 得到相同的效果。例如，也可以将脉冲频率固定为100Hz，使脉宽从Ims变化至10ms，从而测定波束 功率。例如，如果脉冲峰值功率与图12的测定时相同，如果脉冲频率为IOOHz且脉宽为1ms， 则正好得到与图12的□标记相同的值，另外，如果脉冲频率为IOOHz且脉宽为10ms，则形成 连续振荡，可以得到与图12的Δ标记相同的值。另外，作为别的结构，也可以将脉冲频率和脉宽固定，使脉冲峰值功率变化。例如， 如果将脉冲频率设为100Hz，将脉宽设为1ms，以测定到图12中的□标记时的脉冲峰值功率 的10倍的脉冲峰值功率测定激光束的波束功率，则可以得到与图12的Δ标记的值相同的值。如上述所示，为了使出射镜的热负荷状态变化，只要使脉冲频率或脉宽、脉冲峰值 功率变化即可，由此，可以得到与实施方式1或2相同的效果。只要根据激光加工装置所具 有的激光振荡器的规格，适当选择使脉冲频率等哪个参数变化即可。当然，也可以将多个参 数组合而进行变化。并且，只要对测定控制装置7的控制部102进行适当修改，以使其可以 为了使所选择的参数变化而向加工控制装置14发出指示即可。此外，在上述实施方式1、2中，以脉冲振荡的激光振荡器为例进行了说明，但如果 不是脉冲振荡而是连续振荡的激光振荡器，则通过使激光束的波束功率自身变化，也可以 得到相同的效果。即，由于通过起振形成低波束功率的激光束，可以使出射镜成为低热负荷 状态，通过起振形成高波束功率的激光束，可以使出射镜成为高热负荷状态，所以可以测定 图12的□标记或Δ标记的值。由此，可以与实施方式2相同地判断出射镜的老化状态。当 然，如果在出射镜的初始状态下，测定高热负荷状态下的激光束的波束功率，则也可以与实 施方式1相同地进行判断。
实施方式4在实施方式1、2的激光加工装置中，根据需要而将孔径部5及波束功率测定传感器6在激光束光路上放入/移出。因此，需要对孔径部5等放入/移出的时间或位置调整 等的一些时间。本实施方式4所涉及的激光加工装置，可以不需要进行孔径部5等的放入 /移出作业，而进行出射镜的老化状态测定。图18是表示用于实施本发明的实施方式4中的可以进行出射镜老化测定的激光 加工装置的图。对于与图1、2相同的结构部分，标注相同的标号。如图18所示，在由激光 振荡器1射出的激光束4的光路上配置部分反射型反射镜30。而且，通过在部分反射而得 到的激光束31的光路上配置孔径部5以及波束功率测定传感器6，则可以进行通过孔径部 5后的激光束的波束功率测定，通过进行与实施方式1、2相同的处理，可以相同地进行出射 镜的老化测定。根据本实施方式4所涉及的激光加工装置，可以取消根据有无老化状态测定而移 动波束功率测定传感器6和孔径部5，到达工件13的激光束的波束功率与实施方式1、2相 比变少，但由于可以实时地测定波束功率，因此，不需要专门在测定模式下测定老化程度， 从而节约时间。例如，在实际加工时，如果是有时以低波束功率进行加工、有时以高波束功 率进行加工的情况，则通过测定此时的激光束的波束功率，可以测定出射镜的老化状态。实施方式5在实施方式1、2所涉及的激光加工装置中，采用下述结构，S卩，在判断为出射镜老 化的情况下，利用警报等向操作人员通知对出射镜进行更换或者清理。本实施方式5所涉 及的激光加工装置，可以在出射镜老化而需要更换等前，事先向操作人员通知已经接近更 换等时期这一情况。作为本实施方式5所涉及的激光加工装置的结构，与实施方式1的图 1、图2大致相同，而测定控制装置7b的动作不同。图19是在仅持续进行对不锈钢的切断加工的情况下，测定出射镜的老化状态的 结果。出射镜的老化状态的测定是使用实施方式2所涉及的老化测定方法，在实施切断加 工前每天1次定期实施的。另外，由于根据图10，对不锈钢的切断加工中的焦点允差为6mm， 根据图9，对于焦点位置变化量为6mm的出射镜老化状态的老化指数为50%，所以将出射镜 老化状态的判断基准设为老化指数50%。在这里，如图19所示，为了在到达判断基准即老 化指数50%前实施出射镜的维护准备，而将与判断基准相比将老化的判断标准放宽而得到 的老化指数45%设置为警告基准，以在事先产生信息。下面，具体地说明本实施方式5所涉及的激光加工装置的动作。图20是在进行出 射镜2的老化状态测定的情况下测定控制装置7b的控制流程图。对于与实施方式1中的 流程图6或者实施方式2中的流程图11相同的控制，标注相同的步骤编号。另外，图21是 用于实现本实施方式5所涉及的老化测定处理的测定控制装置7b的内部框图。下面，基于 图19、20、21进行说明。首先，与实施方式1的图6相同地，实施步骤SOl 步骤S13，或者，与实施方式2 的图11相同地，实施步骤SOl 步骤S04，求出出射镜的老化指数。在求出老化指数后，测定控制装置7b的比较部204将得到的出射镜的老化指数与 另外存储在测定控制装置7b内的第3存储部205中的警告基准值(在图19中为45% )进 行比较，如果出射镜的老化指数与警告基准值相比较大，则判断为接近出射镜的维护时期。另一方面，如果出射镜的老化指数与警告基准值相比较小，则判断为尚未接近出射镜的维 护时期。在步骤S21中，在判断为尚未接近出射镜2的维护时期的情况下，测定控制装置7b 的控制部102使驱动装置15动作，将孔径部5和波束功率测定传感器6从激光束光路上移 动至光路外(S06)。由此，出射镜的污垢测定结束，进行通常的加工作业。另一方面，在步骤S21中判断为出射镜2的老化加深而接近维护时期的情况下，测 定控制装置7b的比较部204将得到的出射镜的老化指数与另外存储在测定控制装置7b内 的第1存储部105中的判断基准值(在图19中为50% )进行比较(S05)。在步骤S05中，由于如果出射镜的老化指数与判断基准值相比较小，则不需要更 换出射镜，所以测定控制装置7b的控制部102利用警报显示部106显示提醒信息，以向操 作人员通知接近出射镜的维护时期这一情况(S22)。然后，在实施步骤S06后结束测定。另 一方面，如果出射镜的老化指数与判断基准值相比较大，则判断为出射镜需要更换，实施步 骤S07、S08而结束测定。在本实施方式5所涉及的激光加工装置中，通过进行上述动作，在例如图19的出 射镜的老化状态的过程中，操作人员的作业如下述所示。由于在运行时间为2300小时时， 出射镜老化状态成为老化指数45%，发出接近出射镜的维护时期的信息，所以实施对新出 射镜和维护作业人员的确保。由于在运行时间为2400小时时，出射镜老化状态成为老化指 数50 %，达到出射镜的维护时期，所以实施维护。根据上述内容，本实施方式5所涉及的激光加工装置，在出射镜的老化状态测定 中，通过在判断基准值之外，设定与该判断基准值相比将老化判断的标准放宽而得到的警 告基准，从而可以事先进行出射镜的维护准备。由此，可以减少出射镜维护中的时间损失。 另外，通过定期地测定出射镜的老化状态，可以事前防止在切断加工中加工品质的降低。实施方式6在实施方式1、2所涉及的激光加工装置中，专门针对激光振荡器内的出射镜，对 老化状态的测定进行了说明，但本发明所涉及的出射镜的老化测定方法，也可以适用于在 激光振荡器外的光学系统中对使激光束透过的光学部件的老化状态进行测定时。图22是表示用于实施本发明的实施方式6中的激光加工装置的图。如图22所示， 在从激光振荡器1射出的激光束4的光路中，设置有使激光束透过的透镜等光学部件25。 为了测定该光学部件25的老化状态，在光学部件25的紧后方配置有孔径部5，其仅使透 过光学部件后的激光束的中央部透过；以及波束功率测定传感器6，其测定透过孔径部5的 激光束的波束功率。孔径部5及波束功率测定传感器6在光学部件的老化测定时以外向激 光束的光路外移出这一点，与实施方式1、2相同。通过采用图22所示的结构，可以与实施方式1的图6或者实施方式2的图11相 同地，通过对透过孔径部5的激光束的波束功率进行测定并计算老化指数，从而进行处理， 由此定量地判断光学部件25的老化状态。但是，在激光束光路上，需要在测定对象的光学部件25的激光振荡器侧没有老化 的光学部件。其原因在于，在例如出射镜2老化的情况下，通过由于出射镜2的原因，随着 波束功率的不同而使激光束的强度分布变化，无法区分是否是测定对象的光学部件25老 化。因此，首先，必须从接近激光振荡器1的一侧开始依次确认使激光束透过的光学部件的老化状态。工业实用性本发明所涉及的激光振荡器的出射镜老化判断方法以及激光加工装置，可以廉价 且简单地测定出射镜的老化状态。特别地，易于应用于在用于加工而具有孔径部的激光加 工装置、例如印刷基板的激光加工装置的情况下。
权利要求
一种激光加工装置，其具有激光振荡器，其射出激光束；孔径部，其配置在从所述激光振荡器射出的激光束的光路上，遮挡该激光束的周边部分，使中央部分透过；波束功率测定单元，其测定透过所述孔径部的激光束的波束功率；以及控制单元，其基于在规定波束功率的激光束射出时由所述波束功率测定单元测定到的波束功率值，判断所述激光振荡器的出射镜的老化状态。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述规定波束功率是使老化的所述出射镜产生热透镜效应的程度的高波束功率。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中，所述控制单元具有存储部，其将针对没有老化的出射镜而由所述波束功率测定单元另 外测定到的以所述高波束功率射出的激光束的波束功率值，作为基准值进行存储，将存储在该存储部中的基准值与所述测定到的波束功率值进行比较，判断所述激光振 荡器的出射镜的老化状态。
4.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中，所述规定波束功率还包括不会使老化的所述出射镜产生热透镜效应的程度的低波束功率。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，所述控制装置具有计算部，其根据以所述低波束功率射出的激光束由所述波束功率测 定单元测定到的波束功率值，利用比例式计算在以所述高波束功率射出的激光束由所述波 束功率测定单元测定的情况下的预想的波束功率值，将由该计算部计算出的波束功率值作为基准值，将该基准值与以所述高波束功率射出 的激光束由所述波束功率测定单元测定到的波束功率值进行比较，判断所述激光振荡器的 出射镜的老化状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工装置，其中， 所述孔径部的开口直径小于或等于激光束直径的60%。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置，其中， 在所述激光振荡器为射出脉冲激光束的激光振荡器的情况下，在用于判断所述激光振荡器的出射镜的老化状态而对激光束的波束功率进行测定时， 通过使脉冲频率、脉宽或者脉冲峰值功率中的至少1个值变化，由此使激光束的波束功率 变化。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置，其中， 在所述激光振荡器为射出连续激光束的激光振荡器的情况下，在用于判断所述激光振荡器的出射镜的老化状态而对波束功率进行测定时，使激光束 的波束功率变化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光加工装置，其中，具有驱动单元，其用于将所述孔径部以及波束功率测定单元在出射镜的老化状态测定 时，插入至从所述激光振荡器射出的激光束的光路上，在激光加工时从光路上移出。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的激光加工装置，其中，在激光加工时也使用所述孔径部。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光加工装置，其中，在所述激光振荡器与所述孔径部之间的激光束光路上不配置产生热透镜的光学部件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光加工装置，其中， 所述控制单元具有判断基准值，其用于判断出所述出射镜已老化；以及警告基准值，其设定为与该判断基 准值相比较宽松，用于判断出接近了出射镜老化的时期。
13.—种激光加工装置，其具有 激光振荡器，其射出激光束；光学部件，其配置在从所述激光振荡器射出的激光束的光路上，使该激光束透过； 孔径部，其配置在透过所述光学部件后的激光束的光路上，遮挡该激光束的周边部分， 使中央部分透过；波束功率测定单元，其测定透过所述孔径部的激光束的波束功率；以及 控制单元，其基于在射出规定波束功率的激光束时由所述波束功率测定单元测定到的 波束功率值，判断所述光学部件的老化状态。
14.根据权利要求13所述的激光加工装置，其中，所述规定波束功率是使老化的所述光学部件产生热透镜效应的程度的高波束功率。
15.根据权利要求14所述的激光加工装置，其中，所述控制单元具有存储部，其将针对没有老化的光学部件而由所述波束功率测定单元 另外测定到的以所述高波束功率射出的激光束的波束功率值，作为基准值进行存储，将存储在该存储部中的基准值与所述测定到的波束功率值进行比较，判断所述光学部 件的老化状态。
16.根据权利要求14所述的激光加工装置，其中，所述规定波束功率还包括不会使老化的所述光学部件产生热透镜效应的程度的低波 束功率。
17.根据权利要求16所述的激光加工装置，其中，所述控制装置具有计算部，其根据以所述低波束功率射出的激光束由所述波束功率测 定单元测定到的波束功率值，利用比例式计算在以所述高波束功率射出的激光束由所述波 束功率测定单元测定的情况下的预想的波束功率值，将由该计算部计算出的波束功率值作为基准值，将该基准值与以所述高波束功率射出 的激光束由所述波束功率测定单元测定到的波束功率值进行比较，判断所述光学部件的老 化状态。
18.—种激光振荡器的出射镜老化判断方法，其具有下述工序以使老化的激光振荡器的出射镜产生热透镜效应的程度的高波束功率射出激光束； 测定以所述高波束功率射出的激光束透过孔径部后的波束功率值，其中，该孔径部配 置在该激光束的光路上，遮挡激光束的周边部分，使中央部分透过；以及基于另外存储的基准值和所述测定到的波束功率值，对激光振荡器的出射镜的老化状 态进行判断。
19.根据权利要求18所述的激光振荡器的出射镜老化判断方法，其中，所述基准值通过下述工序得到针对没有老化的激光振荡器的出射镜，对以所述高波束功率射出的激光束透过所述孔 径部后的波束功率值进行测定，并将所测定到的波束功率值作为基准值进行存储。
20. 一种激光振荡器的出射镜老化判断方法，其具有下述工序 以不会使老化的激光振荡器的出射镜产生热透镜效应的程度的低波束功率射出激光束；测定以所述低波束功率射出的激光束透过孔径部后的波束功率值，其中，该孔径部配 置在该激光束的光路上，遮挡激光束的周边部分，使中央部分透过；以使老化的激光振荡器的出射镜产生热透镜效应的程度的高波束功率射出激光束； 测定以所述高波束功率射出的激光束透过所述孔径部后的波束功率值； 根据所述低波束功率的激光束射出时测定到的波束功率值，利用比例式计算没有老化 的激光振荡器的出射镜在射出所述高波束功率的激光束时的波束功率值；以及根据所述计算出的波束功率值和所述高波束功率的激光束射出时测定到的波束功率 值，对出射镜的老化状态进行判断。
全文摘要
一种利用从激光振荡器(1)射出的激光束(4)进行加工的激光加工装置，其具有孔径部(5)，其配置在从激光振荡器(1)射出的激光束(4)的光路上，用于遮挡该激光束(4)的周边部分，使中央部分透过；以及波束功率测定传感器(6)，其测定透过该孔径部(5)的激光束(20)的波束功率，在该激光加工装置中，利用在通过高波束功率的激光束使激光振荡器(1)的出射镜成为高热负荷状态的情况下，透过孔径部(5)的激光束的波束功率根据出射镜(2)的老化状态而显著地变化(越老化，波束功率越上升)这一情况，判断出射镜(2)的老化状态。
文档编号B23K26/00GK101878087SQ20078010163
公开日2010年11月3日 申请日期2007年11月20日 优先权日2007年11月20日
发明者伊藤健治, 山冈理见, 木村贤光 申请人:三菱电机株式会社