JP2001246489A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常にレーザビームの径および入射位置が一定
になるレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザビーム２ａを出力するレーザ発振
器１と、レーザビーム２ａの径を調整するコリメータ５
と、レーザビーム２ｂを被加工物９へ集光する集光レン
ズ７を備え、集光レンズ７から反射されるレーザビーム
１５を受光する検出素子１４を集光レンズ７に対して同
心円状に配置し、前記検出素子１４からの信号に基づい
てコリメータ５を制御する制御装置１３を設けたレーザ
加工装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ加工装置は、レーザ発振器
から取出されたレーザビームを、数枚の反射ミラーを介
して加工位置まで伝送するもので、集光レンズで一定の
集光スポット径に集光し、集光されたレーザビームを被
加工材に照射することによって、レーザ加工を行うもの
であった。

【０００３】レーザ加工の加工品質は、レーザビームの
集光スポット径に大きく依存し、常にこの集光スポット
径を一定に保つことが、安定したレーザ加工を行う上で
必須となる。そして、集光スポット径は、集光レンズに
入射するビーム径、すなわち加工位置でのビーム径によ
って決まるため、もし加工位置でのビーム径が変化する
と、集光スポット径も変化し、加工品質が低下してしま
う。よって安定したレーザ加工を行うためには、常に加
工位置でのビーム径を一定に保つ必要がある。

【０００４】一般にレーザ発振器から取出されたレーザ
ビームは、一定の発散角を持っているため、光路長が変
わると、加工位置でのビーム径が変わってくる。光路長
可変タイプのレーザ加工装置においては、加工位置によ
って、レーザ発振器からレーザ加工ヘッドまでの光路長
が変化するため、それに伴い加工位置でのビーム径が変
化し、加工性能が変化してしまうという問題がある。よ
って光路長が変わっても加工位置でのビーム径が一定に
なるように、レーザビーム径路に凹凸レンズの組み合わ
せや凹凸面鏡の組み合わせによるコリメータを挿入し、
ビーム径を調整するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし実際には経時変
化する状態に対応させてコリメータを調整することは困
難であり、加工位置による加工品質の変化を完全に抑え
ることは出来ていない。

【０００６】また、集光レンズの中心にレーザビームの
中心を安定して入射させるため、レーザ発振器の内部構
造や反射ミラーの保持部材には、熱歪み対策および振動
対策が必要であったが、これらによりレーザ発振器およ
び反射ミラー保持部材に多大な費用が必要となったり、
またそれらのサイズを大きくしてしまうという課題があ
った。

【０００７】本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされ
たものであり、常にレーザビームの径および入射位置が
一定になるように制御するレーザ加工装置を提案するも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の本発明は、レーザビームを出力するレ
ーザ発振器と、前記レーザビームの径を調整するコリメ
ータと、前記レーザビームを被加工物へ集光する集光レ
ンズを備え、前記集光レンズから反射されるレーザビー
ムを受光する検出素子を集光レンズに対して同心円上に
配置し、前記検出素子からの信号に基づいてコリメータ
を制御する制御装置を設けたレーザ加工装置である。

【０００９】請求項２記載の本発明は、コリメータと集
光レンズの間に反射鏡を設け、制御装置で前記反射鏡を
制御する請求項１記載のレーザ加工装置である。

【００１０】請求項３記載の本発明は、検出素子からの
信号に基づいて異常状態を判断し、作業者へ通知または
レーザ発振を停止させる請求項１または２記載のレーザ
加工装置である。

【００１１】請求項４記載の本発明は、集光レンズのレ
ーザビームの入射面に所定の反射率でレーザビームを反
射する加工を施した請求項１から３の何れかに記載のレ
ーザ加工装置である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、集光レンズに対して同
心円状に検出素子、例えば感熱素子または感光素子を配
置して、集光レンズに入射するレーザビームの反射光に
よりレーザビーム（ビーム中心部付近を除く）の２次元
強度分布を検出する。

【００１３】この２次元強度分布によりレーザビーム径
を演算して、レーザ発振器から集光レンズの間に設けら
れたコリメータ、例えばサーボモータによってレンズ間
距離を可変とした凹凸組み合わせレンズに制御信号を与
えてレンズ間距離を駆動制御することにより、集光レン
ズに入射するレーザビーム径を一定に制御することがで
きる。

【００１４】また、前記２次元強度分布によりレーザビ
ーム中心位置を演算でき、レーザ発振器から集光レンズ
の間に設けられた反射鏡の角度を変えるサーボモータを
制御することにより、集光レンズ中心とレーザビーム中
心が常に一致するように制御することができる。

【００１５】また、前記検出素子による２次元強度分布
を正常時のそれと比較演算することにより、レーザ発振
器の異常、反射ミラーの汚れ・歪み等の異常、集光レン
ズへへのスパッタ付着や歪み等の集光レンズの異常を検
知し、適切な処置をオペレータ等に促したり、レーザ発
振器を停止させたりすることができる。

【００１６】また、集光レンズのレーザビームの入射面
に所定の反射率を付与するコーティング加工を施すこと
により、例えば低出力のレーザ加工装置の場合でも前記
検出素子の検出精度を保つことができる。

【００１７】（実施の形態）以下に本発明の実施の形態
を図面によって説明する。図１は本発明の実施の形態例
に関するレーザ加工装置の構成図である。

【００１８】レーザ発振器１より取り出されたレーザビ
ーム２ａは、例えば凸レンズ可動のコリメータ５に入射
し、凹面レンズ３によりビーム径が拡大された後、凸面
レンズ４により平行光にされ、反射鏡６で反射された
後、集光レンズ７に入射して、集光したレーザビームを
被加工物９に照射して切断・溶接時の加工を行うように
なっている。

【００１９】前記凹面レンズ３と凸面レンズ４間の距離
は、凸面レンズ４に備えられた駆動装置１１によって調
整可能となっており、駆動装置１１は制御装置１３によ
って制御されている。すなわち、凸面レンズ４が凹面レ
ンズ３から遠ざかった場合ビーム径は大きくなり、逆に
近づいた場合ビーム径は小さくなる。また反射鏡６の角
度は駆動装置１２によって調整可能となっており、駆動
装置１２は制御装置１３によって制御されている。

【００２０】加工ヘッド内の集光レンズ７の上部には、
レーザビームの光路の妨げにならない位置に、２次元に
配列されたエネルギー検出素子１４が設置されている。
このエネルギー検出素子は、例えばフォトセンサーのよ
うな感光素子であったり、またサーミスタや熱電対等の
感熱素子で構成可能である。集光レンズ７に入射したレ
ーザビームは、そのほとんどが透過し被加工物９上で１
点に集光されるが、集光レンズ７の上面において微弱な
反射光１５が生じる。ここで、集光レンズ７の上面形状
は通常凸状の球面になっており、反射光１５の一部は２
次元エネルギー検出素子１４に照射され、その信号は演
算装置１７に送出される。

【００２１】図２は２次元エネルギー検出素子１４から
の信号の一例で、図３は演算装置１７における演算内容
を示した図である。演算装置１７では、エネルギー検出
径２１と、集光レンズ上面の曲率半径、および集光レン
ズ７と２次元エネルギー検出素子１４間の距離から、集
光レンズ７に入射するレーザビーム２ｂの直径、ならび
に中心位置を算出する。

【００２２】算出したビーム径をビーム径指令と比較し
て、ビーム径指令より大きい場合は凸面レンズ４に備え
られた駆動装置１１に信号を送出して、凸面レンズ４を
凹面レンズ３に近接させることによりビーム径を小さく
して指令ビーム径に一致させる。また逆に、ビーム径指
令より小さい場合は凸面レンズ４に備えられた駆動装置
１１に信号を送出して、凸面レンズ４を凹面レンズ３か
ら遠ざけることによりビーム径を大きくして指令ビーム
径に一致させるよう制御を行う。

【００２３】また、算出したレーザビーム２ｂの中心位
置が集光レンズ７の中心と異なる場合は、演算装置１７
から反射鏡６の角度を調整する駆動装置１２に送出さ
れ、それらが一致するように制御される。

【００２４】また、算出したレーザビーム２ｂの形状が
図４のように真円形状でなかったり、あるいは凸面レン
ズ４の位置と光路長（レーザ発振器１と集光レンズ７間
の距離）から比較して異常に異なる場合は、レーザ発振
器１、反射鏡６、集光レンズ７のいずれかが何らかの異
常な状態にあり、そのままで使用し続けた場合レーザ発
振器１、反射鏡６、集光レンズ７のいずれかに大きな障
害をもたらすことになる。

【００２５】したがって、算出したレーザビーム２ｂの
形状がこのように異常である場合、レーザ発振器１、反
射鏡６、集光レンズ７のいずれかの異常をオペレータに
知らせ、しかるべき処置を促す。同様にして、算出した
レーザビーム２ｂの形状が図５のように、部分的に陥没
等不連続な部分がある場合、レーザ発振器１から集光レ
ンズ７に至るまでの反射鏡６や集光レンズ７の表面に異
物が付着していたり、表面のコーディングが剥離してい
ることを意味する。この場合、そのままで使用し続けた
場合、反射鏡６や集光レンズ７に回復不可能な障害を与
えたり、またレーザビームの吸収により異常発熱し、そ
の周辺部分にも障害を与えたりする場合がある。

【００２６】したがって、算出したレーザビーム２ｂの
形状がこのように異常である場合、反射鏡６または集光
レンズ７の異常をオペレータに知らせ、しかるべき処置
を促す。

【００２７】また、低出力のレーザ加工装置の場合、集
光レンズ７の状面からの反射光１５の絶対量が小さく、
２次元エネルギー検出素子１４で安定的に検出すること
が不可能な場合がある。

【００２８】このような場合は、集光レンズ７の上面を
レーザビームが反射しやすいようコーディング処理する
ことにより、安定した検出を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、レーザビームに干渉する
ことなくレーザビームの径、中心位置、および形状を監
視し、光路長の変化や、経時的なレーザ発振器のビーム
径変化などの外乱要素に依らず、常に加工位置にて一定
のビーム径を得る事ができ、且つレーザビームの中心位
置を常に集光レンズ中心に一致させることができるた
め、長期に渡って高品質なレーザ加工を提供することが
出来る。

【００３０】また、レーザ発振器や反射鏡・集光レンズ
の障害の前兆を事前に検知・処置することにより、レー
ザ加工装置を長期にわたって故障なく安定的に使用する
ことができ、修理費用を最小に押さえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例に関するレーザ加工装置
の構成図

【図２】２次元エネルギー検出素子の検出信号（正常
時）を示した図

【図３】演算装置での演算ブロック図を示した図

【図４】２次元エネルギー検出素子の検出信号の一例
で、レーザ発振器、反射鏡、集光レンズのいずれかに異
常がある場合の検出信号を示した図

【図５】２次元エネルギー検出素子の検出信号の一例
で、反射鏡、集光レンズのいずれかに異常がある場合の
検出信号を示した図

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ａ レーザビーム（発振器出口部） ２ｂ レーザビーム（集光レンズ部） ３ 凹面レンズ ４ 凸面レンズ ５ コリメータ ６ 反射鏡 ７ 集光レンズ ９ 被加工材 １１ 駆動装置 １２ 駆動装置 １３ 制御装置 １４ ２次元エネルギー検出素子 １５ 集光レンズからの反射光 １７ 演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敦樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 江口 聡 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 CA07 CB01 CB05 CB09 CC01 CD14 5F072 JJ05 KK05 KK30 YY06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを出力するレーザ発振器
   と、前記レーザビームの径を調整するコリメータと、前
   記レーザビームを被加工物へ集光する集光レンズを備
   え、前記集光レンズから反射されるレーザビームを受光
   する検出素子を集光レンズに対して同心円上に配置し、
   前記検出素子からの信号に基づいてコリメータを制御す
   る制御装置を設けたレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 コリメータと集光レンズの間に反射鏡を
   設け、制御装置で前記反射鏡を制御する請求項１記載の
   レーザ加工装置。
3. 【請求項３】 検出素子からの信号に基づいて異常状態
   を判断し、作業者へ通知またはレーザ発振を停止させる
   請求項１または２記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 集光レンズのレーザビームの入射面に所
   定の反射率でレーザビームを反射する加工を施した請求
   項１から３の何れかに記載のレーザ加工装置。