JP2001293588A - レーザビーム径の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】常にレーザビームの径が一定になるように制御
することができるレーザビーム径の制御装置を提供す
る。 【解決手段】レーザビーム４が通過する凸面鏡２ａ、凹
面鏡２ｂと、これらを駆動してレーザビーム４の光路長
を変化させる駆動装置３ａ、３ｂと、レーザビーム経路
近傍に備えられてレーザビーム径を検出するビーム径検
出手段１１と、運転用プログラムで指示された加工ヘッ
ド１２の絶対位置から導出された被加工物９の加工に最
適なレーザビーム径指令値と、ビーム径検出手段１１に
より検出したレーザビーム径フィードバック値より駆動
装置３ａ、３ｂを制御する数値制御装置６とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工機にお
いて、加工位置でのビーム径を常に一定に制御する事に
より、常に安定した高品質な加工を提供するレーザ加工
機用のレーザビーム径の制御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では、レーザ発振
器から取出されたレーザビームは、数枚の反射ミラーを
介して加工位置まで伝送され、加工へッド内に設けられ
た集光レンズで一定の集光スポット径に集光される。集
光されたレーザビームは被加工材に照射され、レーザ加
工が行われる。

【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。

【０００４】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。

【０００５】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機においては、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の変化を抑制す
るように、レーザビーム経路にビームコリメーションの
ための凹凸レンズの組み合わせや凹凸面鏡の組み合わせ
を挿入するという方法が従来手法として用いられてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし実際にはビーム
のコリメーションを行っても完全にビーム径を一定にす
ることは極めて困難であり、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。

【０００７】これを解決するひとつの手法として、加工
位置が変わっても光路長変化が無いような光路長一定タ
イプのレーザ加工機も用いられている。しかしこのタイ
プのレーザ加工機においては、構造が複雑になる事よ
り、コスト面および信頼性の面から問題が多く、光路長
可変タイプにおいて、完全に加工位置でのビーム径を一
定にする手法が望まれていた。

【０００８】また光路長可変タイプ、光路長一定タイプ
の共通の問題として、レーザ発振器より取り出されるレ
ーザビーム径自体の経時変化の問題がある。レーザ発振
器の共振系を構成しているミラーのうち、レーザビーム
を取り出す出力鏡の大気側は、常に大気中のごみや粉塵
などにさらされているため、次第に汚れが付着し、その
ことによる熱レンズ効果により、経時にレーザビームの
発散角が変化し、加工位置でのビーム径が小さくなって
しまう。

【０００９】これらの問題を解決するための手法とし
て、例えば特開平１−２７１０８７号に示す構成のよう
に、レーザ発振器とレーザビームを集光させる集光レン
ズとのレーザビーム経路途中に設けたセンサによりレー
ザビームの径を検知し、そのセンサとレーザ発振器との
間に設けられたコリメータを駆動装置により動かし、常
にレーザビームの径が一定になるように制御するという
アイデアも提案されている。

【００１０】しかし、このアイデア自体は公知の事実の
範疇を越えるものではなく、むしろこれを実現するため
の具体手法が求められていた。

【００１１】本発明は、上述のごとき問題に鑑みてなさ
れたものであり、レーザ発振器とレーザビームを集光さ
せる集光レンズとのレーザビーム経路途中に設けたセン
サによりレーザビームの径を検知し、そのセンサとレー
ザ発振器との間に設けられたコリメータを駆動装置によ
り動かし、常にレーザビームの径が一定になるように制
御することができるレーザビーム径の制御装置を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のレーザビ
ーム径の制御装置は、入射したレーザビームが、任意の
入射角で２回反射された後、入射方向に対して任意の方
向に出射されるように配置された球面の凹面鏡および凸
面鏡と、前記凹面鏡と凸面鏡との距離および各角度を変
化させ且つ保持可能なミラー駆動装置と、レーザビーム
経路近傍に備えられてレーザビーム径を検出するビーム
径検出手段と、運転用プログラムで指示された加工ヘッ
ドの絶対位置から導出された被加工物の加工に最適なレ
ーザビーム径指令値と、ビーム径検出手段により検出し
たレーザビーム径フィードバック値の偏差値より、レー
ザビーム径が常に一定となるように駆動装置を制御する
制御部とを備えたものである。

【００１３】請求項１記載のレーザビーム径の制御装置
によれば、運転用プログラムで指示された加工ヘツドの
絶対位置から導出された被加工物の加工に最適なレーザ
ビーム径指令値と、ビーム径検出手段により検出したレ
ーザビーム径フィードバック値により、ミラー駆動装置
の位置制御を行いレーザビーム径を最適化し、レーザ光
路長が変化する場合でも最適な加工結果を得ることがで
き、かつレーザビーム径の経年変化を補正できる。

【００１４】このように、レーザビーム径の監視に基づ
き加工位置でのビーム径を常に一定に制御する事が出来
るため、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出来、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。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態と
してのレーザビーム径の制御装置の構成図である。 レ
ーザ発振器１より取り出されたレーザビーム４は、ビー
ムコリメーション部の光学系、すなわち反射面が凸の球
面である凸面鏡２ａおよび反射面が凹の球面である凹面
鏡２ｂにて、共に任意の入射角で２回反射された後、入
射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と同方向
に出射された後、加工ヘッド１２内の平面鏡７で反射さ
れ、加工位置にある集光レンズ８に入射する。集光レン
ズ８で集光された後、被加工材９に照射され、加工が行
われる。なお、加工へッド１２は数値制御装置６から運
転プログラムに指示される移動指令に従い、軸駆動装置
１３によって位置制御が行われる。

【００１６】凸面鏡２ａから凹面鏡２ｂ間の距離および
各角度は、それぞれを保持可能に備えられた駆動装置３
ａ、３ｂによって調整可能となっている。

【００１７】レーザビーム４の経路近傍には、凸面鏡２
ａの反射面２次元温度分布を測定するための温度分布検
出手段５が設けられている。この温度分布検出手段５
は、たとえば反射鏡の反射面温度に応じて放出される放
射光１０の波長およびその強度の２次元分布を検出する
センサが用いられ、この温度分布検出手段５よりの信号
とあらかじめ設定された値との比較により、ビーム径検
出手段１１が、反射面でのレーザビーム径を算出する。

【００１８】ビーム径検出手段１１より、反射鏡位置で
のビーム径の情報を受け取った数値制御装置６は、運転
プログラムから得られた加工位置のレーザ光路長より、
加工位置でのレーザビーム径を所定の値に調整し、且つ
レーザビーム４の入射、出射位置および方向が一定に保
たれるようにすべく、駆動装置３ａ、３ｂを制御し、凸
面鏡２ａから凹面鏡２ｂ間距離、および各球面鏡２ａ、
２ｂの角度調整を行う。

【００１９】本発明のレーザビーム径の制御装置の構成
により、光路長可変タイプのレーザ加工装置において、
加工位置の光路長変化に応じて、ビームコリメーション
部の凸面鏡２ａから凹面鏡２ｂ間距離、および角度の調
整を行う事で、常に加工位置のビーム径が一定になり、
且つ本発明の構成を採る事でレーザビーム経路のずれや
収差の影響も最小限に抑えられるため、常に高品質なレ
ーザビームが得られ、且つ経時的なレーザビームの発散
角変化に応じて、常に加工位置のビーム径を一定にする
事が出来る。

【００２０】なお、ミラー駆動装置３ａ、３ｂの位置制
御に数値制御装置６を用いれば、従来では困難であった
レーザビーム径の制御の精度および再現性の向上を比較
的容易に実現することが出来る。

【００２１】図２は本発明の一実施の形態としてのレー
ザビーム径の制御装置の制御方法のフローチャートであ
る。

【００２２】ステップＳ２０において、運転プログラム
の解析を行い、加工ヘッド１２の移動命令より、加工へ
ッド１２の絶対位置を算出し、さらに加工ヘッド１２の
絶対位置よりレーザ光路長を算出する。

【００２３】ステップＳ２０において得られたレーザ光
路長より、ステップＳ２１ではレーザビーム径の指令値
を算出する。ここでレーザビーム径の指令値をデータＡ
とする。

【００２４】ステップＳ２２において、レーザビーム径
をビーム径検出手段１１から読み取る。ここでレーザビ
ーム径をフイードバック値とし、データＢとする。

【００２５】ステップＳ２３において、データＡよりデ
ータＢを減じ、備差値εを算出する。

【００２６】ステップｓ２４において、偏差値εより、
例えば偏差値εが０になるように、凹面鏡駆動装置３
ｂ、および凸面鏡駆動装置３ａの移動指令値Ｃを算出す
る。

【００２７】ステップＳ２５において、移動指令値Ｃよ
り凹面鏡２ｂおよび凸面鏡２ａ間の距離と、各凹、凸面
鏡２ａ、２ｂの角度の制御を行う。

【００２８】本発明のレーザビーム径の制御装置によ
り、光路長可変タイプのレーザ加工装置において、加工
位置の光路長変化に応じて、ビームコリメーション部の
凸面鏡２ａから凹面鏡２ｂ間距離、および角度の調整を
行う事で、常に加工位置のビーム径が一定になり、且つ
本発明の構成を採る事でコリメーション部での収差の発
生を常に最小に抑える事ができ、レーザビーム４の経路
のずれや収差の影響も最小限に抑えられるため、常に高
品質なレーザビームが得られ、且つ経時的なレーザビー
ムの発散角変化に応じて、常に加工位置のビーム径を一
定にする事が出来る。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載のレーザビーム径の制御装
置によれば、運転用プログラムで指示された加工ヘツド
の絶対位置から導出された被加工物の加工に最適なレー
ザビーム径指令値と、ビーム径検出手段により検出した
レーザビーム径フィードバック値により、ミラー駆動装
置の位置制御を行いレーザビーム径を最適化し、レーザ
光路長が変化する場合でも最適な加工結果を得ることが
でき、かつレーザビーム径の経年変化を補正できる。

【００３０】このように、レーザビーム径の監視に基づ
き加工位置でのビーム径を常に一定に制御する事が出来
るため、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出来、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示すレーザビーム径の
制御装置の構成図である。

【図２】本発明の一実施の形態を示すレーザビーム径の
制御装置の制御方法のフローチャートである。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ａ 凸面鏡 ２ｂ 凹面鏡 ３ａ 凸面鏡駆動装置 ３ｂ 凹面鏡駆動装置 ４ レーザビーム ５ 温度分布検出手段 ６ 数値制御装置 ７ 平面鏡 ８ 集光レンズ ９ 被加工材 １０ 放射光 １１ ビーム径検出手段 １２ 加工へツド １３ 軸駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本内 保義 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 橋川 正喜 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） 2H087 KA26 LA26 TA04 TA08 4E068 CA07 CB03 CC00 CC01 CD11 5F072 HH02 HH03 JJ05 JJ20 KK05 MM08 MM09 MM17 YY06 9A001 BB06 HH34 JJ49 KK16

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射したレーザビームが、任意の入射角
   で２回反射された後、入射方向に対して任意の方向に出
   射されるように配置された球面の凹面鏡および凸面鏡
   と、前記凹面鏡と凸面鏡との距離および各角度を変化さ
   せ且つ保持可能なミラー駆動装置と、レーザビーム経路
   近傍に備えられてレーザビーム径を検出するビーム径検
   出手段と、運転用プログラムで指示された加工ヘッドの
   絶対位置から導出された被加工物の加工に最適なレーザ
   ビーム径指令値と、前記ビーム径検出手段により検出し
   たレーザビーム径フィードバック値の偏差値より、前記
   レーザビーム径が常に一定となるように前記駆動装置を
   制御する制御部とを備えたレーザビーム径の制御装置。