JP2003245789A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物に凹凸がある場合でも受光レンズの
調節をすることなく加工箇所の温度を測定できるレーザ
加工ヘッドを提供する。 【解決手段】 レーザ加工ヘッド１１０は、投光レンズ
１２０、ダイクロイックミラー１２５、受光レンズ１３
０を備える。投光レンズは、レーザダイオード１６０か
らのレーザ光を集光する。ダイクロイックミラーは、集
光されたレーザ光を反射して被加工物１０に照射する。
受光レンズは、加工箇所から発する輻射光を集光する。
輻射光は、光軸１９２上に配置された輻射光出射口１１
８で光ファイバ１５２に入射し、放射温度計１７０へ伝
送される。こうして、加工箇所の温度が測定される。レ
ーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合で
も、輻射光は常に受光レンズの光軸に沿って集光され
る。このため、受光レンズの向きや位置の調節は必要な
い。

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
使用されるレーザ加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は、レーザ光の照射により被
加工物を加工する技術である。レーザ加工の例として
は、切断、溶接、表面処理などが挙げられる。

【０００３】レーザ加工を行う際、被加工物のレーザ光
照射箇所（加工箇所）の温度を測定することがある。こ
れは、レーザ出力の制御や加工不良の検出のためであ
る。この温度は、加工箇所から輻射される光の強度に基
づいて求めることができる。

【０００４】輻射光を利用して加工箇所の温度を測定す
るレーザ加工装置の一例は、特開平５−２６１５７６号
公報に開示されている。この装置は、レーザ光を集光す
る投光レンズと、輻射光を集光する受光レンズを備えて
いる。投光レンズは、被加工物に対して鉛直下方にレー
ザ光を照射する。受光レンズは、被加工物の表面から斜
めに輻射する光を集光してイメージファイバに導く。こ
の輻射光は、イメージファイバによってＣＣＤへ伝送さ
れる。ＣＣＤの出力は、データ処理装置に送られる。デ
ータ処理装置は、ＣＣＤの出力を用いて加工箇所の温度
を算出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この装置では、加工箇
所の高さが変わると、受光レンズの向きや位置を調節し
なければならない。加工箇所の高さは、被加工物が３次
元形状を有している場合、被加工物表面の凹凸に応じて
変化する。受光レンズは、加工箇所から斜めに輻射され
た光を受光するため、加工箇所の高さが変化すると、集
光された輻射光が向かう方向も変化する。この結果、輻
射光をイメージファイバの入射端面に集光できなくな
る。この場合、イメージファイバに入射するのは、加工
箇所とは異なる箇所から発した光である。したがって、
加工箇所とは別の箇所の温度が測定されてしまう。これ
を防ぐためには、受光レンズの向きや位置の調節が必要
になる。しかし、この調節は非常に難しい。

【０００６】そこで、本発明は、被加工物に凹凸がある
場合でも、受光レンズの調節をせずに加工箇所の温度を
測定できるレーザ加工ヘッドを提供することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１態様のレー
ザ加工ヘッドは、（ａ）レーザ光を集光するための投光
レンズと、（ｂ）投光レンズによって集光されたレーザ
光を反射して被加工物に照射するダイクロイックミラー
と、（ｃ）被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射
光を集光する受光レンズと、（ｄ）投光レンズ、ダイク
ロイックミラーおよび受光レンズを収容する筐体と、を
備えている。投光レンズの光軸は、受光レンズの光軸と
交差する（つまり、同軸ではない）。ダイクロイックミ
ラーは、投光レンズの光軸上を進行するレーザ光を受光
レンズの光軸上に反射する。ダイクロイックミラーは、
被加工物からの輻射光を透過させる。受光レンズは、ダ
イクロイックミラーを透過した輻射光を集光する。

【０００８】この構成によれば、ダイクロイックミラー
は、受光レンズの光軸に沿ってレーザ光を被加工物に照
射する。このため、レーザ光照射箇所（すなわち、加工
箇所）は、常に受光レンズの光軸上に位置する。加工箇
所から発する輻射光のなかには、受光レンズの光軸方向
に放射される光線が必ず含まれる。したがって、被加工
物からの輻射光は、受光レンズによって必ず受光され
る。加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、
どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光を受光
できる。受光レンズの光軸上の位置から輻射光を温度測
定装置（例えば、放射温度計）に導けば、加工箇所の温
度を求められる。加工箇所の表面に対するレーザ光の照
射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも輻射光を受
光できるので、被加工物の凹凸に応じて受光レンズの位
置や向きを調節する必要はない。

【０００９】第１態様のレーザ加工ヘッドは、筐体内に
レーザ吸収体（例えば、ビームストップ）を備えていて
もよい。このレーザ光吸収体は、ダイクロイックミラー
を挟んで投光レンズと対向するように配置される。レー
ザ光の一部がダイクロイックミラーを透過しても、レー
ザ光吸収体に吸収される。したがって、筐体内でのレー
ザ光の乱反射が抑えられる。これにより、レーザ光と輻
射光の混在が防止され、温度測定の精度が高まる。

【００１０】本発明の第２態様のレーザ加工ヘッドは、
（ａ）レーザ光を集光するための投光レンズと、（ｂ）
投光レンズによって集光されたレーザ光を透過させて被
加工物に照射するダイクロイックミラーと、（ｃ）被加
工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光を集光する受
光レンズと、（ｄ）投光レンズ、ダイクロイックミラー
および受光レンズを収容する筐体と、を備えている。投
光レンズの光軸は、受光レンズの光軸と交差する（つま
り、同軸ではない）。ダイクロイックミラーは、投光レ
ンズの光軸上を進行する輻射光を受光レンズの光軸上に
反射する。受光レンズは、ダイクロイックミラーで反射
された輻射光を集光する。

【００１１】この構成によれば、ダイクロイックミラー
は、レーザ光と同軸に放射された輻射光を受光レンズの
光軸上に導く。レーザ光照射箇所（すなわち、加工箇
所）から発する輻射光のなかには、レーザ光と同軸に放
射される光線が必ず含まれる。したがって、被加工物か
らの輻射光は、受光レンズによって必ず受光される。加
工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのよ
うな角度でレーザ光を照射しても、輻射光を受光でき
る。受光レンズの光軸上の位置から輻射光を温度測定装
置（例えば、放射温度計）に導けば、加工箇所の温度を
求められる。加工箇所の高さが変化する場合や、加工箇
所の表面に対して斜めからレーザ光を照射する場合でも
輻射光を受光できるので、被加工物の凹凸に応じて受光
レンズの位置や向きを調節する必要はない。

【００１２】第１および第２態様のレーザ加工ヘッドで
は、投光レンズの光軸とその受光レンズの光軸とが直交
していてもよい。また、ダイクロイックミラーは、その
鏡面が投光レンズの光軸と受光レンズの光軸との交点を
含むように配置されていてもよい。ダイクロイックミラ
ーの鏡面と投光レンズの光軸とがなす鋭角が４５度で、
かつダイクロイックミラーの鏡面と受光レンズの光軸と
がなす鋭角が４５度であってもよい。このような構成の
レーザ加工ヘッドは、投光レンズ、受光レンズおよびダ
イクロイックミラーを位置決めしやすいので、製造が容
易である。

【００１３】第１および第２態様のレーザ加工ヘッド
は、受光レンズとダイクロイックミラーの間に、レーザ
光を遮断するフィルタを更に備えていてもよい。この場
合、レーザ光と輻射光の混在が防止され、温度測定の精
度が高まる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明に
おいて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明
を省略する。

【００１５】（第１実施形態）本発明の第１の実施形態
を説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置１０
０の構成を示す模式図である。レーザ加工装置１００
は、レーザ光を用いて被加工物１０を加工する。レーザ
加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１１０、レーザダ
イオード（ＬＤ）１６０、および２色式放射温度計１７
０を備えている。

【００１６】レーザ加工ヘッド１１０は、加工用レーザ
光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定め
る。レーザ加工ヘッド１１０は、ＬＤ１６０からのレー
ザ光を被加工物１０に照射する。これにより、被加工物
１０が加工される。また、レーザ加工ヘッド１１０は、
被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）から輻射
される光を２色式放射温度計１７０に導く。これによ
り、加工箇所の温度が測定される。

【００１７】ＬＤ１６０は、加工用レーザ光の光源であ
る。ＬＤ１６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ
１６０は、光ファイバ１５０を用いてレーザ加工ヘッド
１１０に光学的に接続されている。ＬＤ１６０から出射
したレーザ光は、光ファイバ１５０内を伝搬してレーザ
加工ヘッド１１０内に入射する。

【００１８】２色式放射温度計１７０は、被加工物１０
の加工箇所の温度を測定する。２色式放射温度計１７０
は、二つの測定中心波長を有している。第１に１８００
ｎｍであり、第２に２０００ｎｍである。放射温度計１
７０は、これら二つの波長における放射エネルギーの比
率から温度を求める。放射温度計１７０は、光ファイバ
１５２を用いてレーザ加工ヘッド１１０に光学的に接続
されている。レーザ加工ヘッド１１０は、被加工物１０
の加工箇所からの輻射光を光ファイバ１５２に導く。こ
の輻射光は、光ファイバ１５２内を伝搬して放射温度計
１７０に入射する。

【００１９】レーザ加工ヘッド１１０は、主たる構成要
素として、投光レンズ１２０、ダイクロイックミラー１
２５、および受光レンズ１３０を有している。レーザ加
工ヘッド１１０は、このほかにビームトラップ１８０も
有している。これらは、筐体１１２内に収容されてい
る。

【００２０】筐体１１２は、中心部１１２ａと、そこか
ら水平方向に延びる側方延長部１１２ｂおよび１１２
ｃ、ならびに鉛直方向に延びる上方延長部１１２ｄを有
している。側方延長部１１２ｂおよび１１２ｃは、中心
部１１２ａから互いに反対方向に延びている。中心部１
１２ａは、ダイクロイックミラー１２５を収容してい
る。中心部１１２ａの下壁には、開口１１６が設けられ
ている。この開口１１６からレーザ光が出射する。側方
延長部１１２ｂは、投光レンズ１２０を収容している。
側方延長部１１２ｂの先端には、レーザ光入射口１１４
が設けられている。レーザ光入射口１１４は、投光レン
ズ１２０の光軸１９０上に位置する。レーザ光入射口１
１４には、光ファイバ１５０の端部が挿入される。この
ファイバ端部の光軸は、投光レンズ１２０の光軸１９０
とほぼ一致する。側方延長部１１２ｃは、ビームトラッ
プ１８０を収容している。上方延長部１１２ｄは、受光
レンズ１３０を収容している。上方延長部１１２ｄの先
端には、輻射光出射口１１８が設けられている。輻射光
出射口１１８は、受光レンズ１３０の光軸１９２上に位
置する。輻射光出射口１１８には、光ファイバ１５２の
端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レ
ンズ１３０の光軸１９２とほぼ一致する。

【００２１】投光レンズ１２０は、ＬＤ１６０からのレ
ーザ光を集光してダイクロイックミラー１２５に導く。
ＬＤ１６０から出射したレーザ光は、光ファイバ１５０
によって筐体１１２内に伝送される。レーザ光は、レー
ザ光入射口１１４で光ファイバ１５０から出射し、投光
レンズ１２０に向かう。投光レンズ１２０は、光軸１９
０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ
光は、ダイクロイックミラー１２５に向かう。

【００２２】投光レンズ１２０は、二枚の単レンズ１２
１、１２２から構成されている。レンズ１２１、１２２
は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レン
ズ１２１、１２２の表面には、それぞれ反射防止膜（Ａ
Ｒコート）が付されている。このＡＲコートは、ＬＤ１
６０の発振波長の光のみを透過対象とする。９６％以上
という高い透過率が実現可能である。

【００２３】ダイクロイックミラー１２５は、投光レン
ズ１２０によって集光されたレーザ光を反射する。ダイ
クロイックミラー１２５は、ＬＤ１６０の発振波長の光
を９９％以上の反射率で反射する。反射されたレーザ光
は、開口１１６から出射する。これにより、被加工物１
０にレーザ光を照射できる。

【００２４】被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇
所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開
口１１６を通過して、レーザ加工ヘッド１１０に入射す
る。ダイクロイックミラー１２５は、この輻射光を透過
させる。

【００２５】受光レンズ１３０は、ダイクロイックミラ
ー１２５を透過した輻射光を集光する。ダイクロイック
ミラー１２５は、被加工物１０の表面で反射されたレー
ザ光を透過させない。したがって、受光レンズ１３０
は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光
レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射
口１１８で光ファイバ１５２に入射する。

【００２６】受光レンズ１３０は、二つの複合レンズ１
４０および１４５から構成されている。複合レンズ１４
０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。こ
れは、二枚の単レンズ１４１、１４２から構成されてい
る。複合レンズ１４５は、フォーカス用のアクロマティ
クレンズである。これは、三枚の単レンズ１４６、１４
７、１４８から構成されている。アクロマティクレンズ
１４０、１４５は、双方とも、２色式放射温度計１７０
の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されてい
る。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光
できる。

【００２７】集光された輻射光は、光ファイバ１５２に
よって２色式放射温度計１７０まで伝送される。放射温
度計１７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加
工箇所の温度を測定する。

【００２８】ビームトラップ１８０は、ダイクロイック
ミラー１２５を挟んで投光レンズ１２０と対向してい
る。ビームトラップ１８０は、ＬＤ１６０からのレーザ
光を吸収するレーザ光吸収体である。投光レンズ１２０
によって集光されたレーザ光のなかには、ダイクロイッ
クミラー１２５を透過するものもわずかに存在する。ダ
イクロイックミラー１２５を透過したレーザ光は、ビー
ムトラップ１８０によって吸収され、減衰する。これに
より、筐体１１２内でのレーザ光の乱反射が抑えられ
る。

【００２９】投光レンズ１２０の光軸１９０は、受光レ
ンズ１３０の光軸１９２と直交している。したがって、
レーザ加工ヘッド１１０の向きを調節して投光レンズの
光軸１９０を水平方向に向けると、受光レンズの光軸１
９２は鉛直方向を向く。

【００３０】ダイクロイックミラー１２５は、その鏡面
が光軸１９０と光軸１９２との交点を含むように配置さ
れている。鏡面の向きは、鏡面で反射されたレーザ光が
受光レンズ１３０から遠ざかるように、すなわち開口１
１６に向かって進むように定められている。また、この
鏡面は、光軸１９０および光軸１９２とそれぞれ４５度
の角度で交差する。

【００３１】ダイクロイックミラー１２５は、投光レン
ズ１２０の光軸１９０上を進行するレーザ光を、受光レ
ンズ１３０の光軸１９２上に反射する。このため、レー
ザ光は、投光レンズ１２０により光軸１９０を中心とし
て集光され、その後、ダイクロイックミラー１２５で反
射されると、受光レンズ１３０の光軸１９２を中心とし
て集光される。つまり、レーザ加工ヘッド１１０は、レ
ーザ光を受光レンズ１３０の光軸１９２に沿って集光し
ながら被加工物１０に照射する。したがって、光軸１９
２は、常に被加工物１０の加工箇所を通る。

【００３２】レーザ加工ヘッド１１０は、以下の五つの
利点を有する。

【００３３】第１に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工
箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高
さが変化する場合でも、受光レンズ１３０の向きや位置
を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイ
クロイックミラー１２５は、受光レンズ１３０の光軸１
９２に沿ってレーザ光を照射するから、加工箇所は常に
光軸１９２上に位置する。加工箇所から発する輻射光の
なかには、光軸１９２の方向に放射される光線が必ず含
まれるので、被加工物１０からの輻射光は、受光レンズ
１３０によって必ず受光される。したがって、加工箇所
にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角
度でレーザ光を照射しても、輻射光は常に光軸１９２に
沿って受光レンズ１３０に集光される。この結果、光軸
１９２上に位置する輻射光出射口１１８から輻射光を効
率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定でき
る。したがって、被加工物１０に凹凸がある場合でも、
受光レンズ１３０の向きや位置を調節する必要はない。

【００３４】第２に、レーザ加工ヘッド１１０は、レー
ザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光
レンズ１２０と受光レンズ１３０を別個に設置したから
である。一つのレンズ系が投光レンズと受光レンズを兼
ねる構成ではないので、投光レンズ１２０を構成する単
レンズの枚数は少なくて済む。このため、レンズ面での
反射によるパワーロスが抑えられる。また、レーザ光の
光路上に受光レンズ１３０が配置されていないので、レ
ンズ透過によるパワーロスも抑えられる。

【００３５】第３に、レーザ加工ヘッド１１０は、筐体
１１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパ
ワーロスが少ないからである。熱の発生が少ないことか
ら、レーザ加工ヘッド１１０の信頼性が高まる。具体的
には、被加工物１０の温度測定の精度やレーザ加工ヘッ
ド１１０の寿命が高まる。また、熱の発生が少ないこと
から、冷却機構も不要になる。

【００３６】第４に、レーザ加工ヘッド１１０は、放射
温度計１７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポッ
ト径を自由に変更できる。これは、投光レンズ１２０と
受光レンズ１３０が別個に設けられており、投光光学系
の変更が受光光学系に影響を与えないからである。レー
ザ光のスポット径は、投光レンズ１２０の倍率を変える
と変更できる。

【００３７】第５に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工
箇所の温度を正確に測定できる。これは、ビームトラッ
プ１８０によって、筐体１１２の内面で乱反射するレー
ザ光がほとんどなくなるからである。乱反射するレーザ
光が少ないので、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度
計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反
射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５によ
って遮断される。この点からもレーザ光が放射温度計に
入射するおそれが少ない。したがって、正確な温度測定
を実行できる。

【００３８】（第２実施形態）本発明の第２の実施形態
を説明する。図２は、本実施形態のレーザ加工装置２０
０の構成を示す模式図である。レーザ加工装置２００
は、レーザ加工ヘッド２１０、レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）２６０、および２色式放射温度計２７０を備えてい
る。

【００３９】レーザ加工ヘッド２１０は、加工用レーザ
光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定め
る。ＬＤ２６０は、加工用レーザ光の光源である。ＬＤ
２６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ２６０
は、光ファイバ２５０を用いてレーザ加工ヘッド２１０
に光学的に接続されている。２色式放射温度計２７０
は、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。２色式
放射温度計２７０は、二つの測定中心波長を有してい
る。第１に１８００ｎｍであり、第２に２０００ｎｍで
ある。放射温度計２７０は、これら二つの波長における
放射エネルギーの比率から温度を求める。放射温度計２
７０は、光ファイバ２５２を用いてレーザ加工ヘッド２
１０に光学的に接続されている。

【００４０】レーザ加工ヘッド２１０は、投光レンズ２
２０、ダイクロイックミラー２２５、および受光レンズ
２３０を有している。これらは、筐体２１２内に収容さ
れている。

【００４１】筐体２１２は、中心部２１２ａと、そこか
ら延びる上方延長部２１２ｂおよび側方延長部２１２ｃ
を有している。中心部２１２ａは、ダイクロイックミラ
ー２２５を収容している。中心部２１２ａの下壁には、
開口２１６が設けられている。この開口２１６からレー
ザ光が出射する。上方延長部２１２ｂは、投光レンズ２
２０を収容している。上方延長部２１２ｂの先端には、
レーザ光入射口２１４が設けられている。レーザ光入射
口２１４は、投光レンズ２２０の光軸２９０上に位置す
る。レーザ光入射口２１４には、光ファイバ２５０の端
部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、投光レン
ズ２２０の光軸２９０とほぼ一致する。側方延長部２１
２ｃは、受光レンズ２３０を収容している。側方延長部
２１２ｃの先端には、輻射光出射口２１８が設けられて
いる。輻射光出射口２１８は、受光レンズ２３０の光軸
２９２上に位置する。輻射光出射口２１８には、光ファ
イバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光
軸は、受光レンズ２３０の光軸２９２とほぼ一致する。

【００４２】投光レンズ２２０は、ＬＤ２６０からのレ
ーザ光を集光してダイクロイックミラー２２５に導く。
ＬＤ２６０から出射したレーザ光は、光ファイバ２５０
によって筐体２１２内に伝送される。レーザ光は、レー
ザ光入射口２１４で光ファイバ２５０から出射し、投光
レンズ２２０に向かう。投光レンズ２２０は、光軸２９
０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ
光は、ダイクロイックミラー２２５に向かう。

【００４３】投光レンズ２２０は、二枚の単レンズ２２
１、２２２から構成されている。レンズ２２１、２２２
は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レン
ズ２２１、２２２の表面には、それぞれＡＲコートが付
されている。このＡＲコートは、ＬＤ２６０の発振波長
の光のみを透過対象とする。投光レンズ２２０は、加工
用レーザ光に対して９６％以上の透過率を有している。

【００４４】ダイクロイックミラー２２５は、投光レン
ズ２２０によって集光されたレーザ光を透過させる。ダ
イクロイックミラー２２５を透過したレーザ光は、開口
２１６から出射する。これにより、被加工物１０にレー
ザ光を照射できる。

【００４５】被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇
所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開
口２１６を通過して、レーザ加工ヘッド２１０に入射す
る。ダイクロイックミラー２２５は、この輻射光のう
ち、２色式放射温度計２７０の二つの測定中心波長の光
を反射する。

【００４６】受光レンズ２３０は、ダイクロイックミラ
ー２２５で反射された輻射光を集光する。ダイクロイッ
クミラー２２５は、被加工物１０の表面で反射されたレ
ーザ光を反射しない。したがって、受光レンズ２３０
は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光
レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射
口２１８で光ファイバ２５２に入射する。

【００４７】受光レンズ２３０は、二つの複合レンズ２
４０および２４５から構成されている。複合レンズ２４
０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。こ
れは、二枚の単レンズ２４１、２４２から構成されてい
る。複合レンズ２４５は、フォーカス用のアクロマティ
クレンズである。これは、三枚の単レンズ２４６、２４
７、２４８から構成されている。アクロマティクレンズ
２４０、２４５は、双方とも、２色式放射温度計２７０
の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されてい
る。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光
できる。

【００４８】集光された輻射光は、光ファイバ２５２に
よって２色式放射温度計２７０まで伝送される。放射温
度計２７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加
工箇所の温度を測定する。

【００４９】投光レンズ２２０の光軸２９０は、受光レ
ンズ２３０の光軸２９２と直交している。したがって、
レーザ加工ヘッド２１０の向きを調節して投光レンズの
光軸２９０を鉛直方向に向けると、受光レンズの光軸２
９２は水平方向を向く。この場合、レーザ光は鉛直方向
に照射される。このとき、投光レンズの光軸２９０は被
加工物１０の加工箇所を通る。加工箇所からの輻射光
は、光軸２９０を中心として発散し、ダイクロイックミ
ラー２２５に向かう。

【００５０】ダイクロイックミラー２２５は、その鏡面
が光軸２９０と光軸２９２との交点を含むように配置さ
れている。鏡面の向きは、鏡面で反射された輻射光が受
光レンズ２３０に向かうように定められている。また、
この鏡面は、光軸２９０および光軸２９２とそれぞれ４
５度の角度で交差する。

【００５１】ダイクロイックミラー２２５は、投光レン
ズ２２０の光軸上２９０を進行する輻射光を、受光レン
ズ２３０の光軸２９２上に反射する。このため、輻射光
は、投光レンズ２２０の光軸２９０を中心として発散し
ながらダイクロイックミラー２２５に向かい、その後、
ダイクロイックミラー２２５で反射されると、受光レン
ズ２３０の光軸２９２を中心として発散しながら受光レ
ンズ２３０に向かう。したがって、受光レンズ２３０
は、その光軸２９２を中心として輻射光を集光する。

【００５２】上記の構成により、レーザ加工ヘッド２１
０は、以下の六つの利点を有する。第１〜第５の利点
は、第１実施形態のレーザ加工ヘッド１１０と共通す
る。第６の利点は、レーザ加工ヘッド２１０においての
み得られる。

【００５３】第１に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工
箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高
さが変化する場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置
を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイ
クロイックミラー２２５は、レーザ光と同軸に放射され
た輻射光を受光レンズ２３０の光軸２９２上に導く。加
工箇所から発する輻射光のなかには、レーザ光と同軸に
放射される光線が必ず含まれるので、被加工物１０から
の輻射光は、受光レンズ２３０によって必ず受光され
る。したがって、加工箇所にレーザ光が合焦していなく
ても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、
輻射光は常に受光レンズの光軸２９２に沿って集光され
る。この結果、光軸２９２上に位置する輻射光出射口１
１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用い
て温度を測定できる。したがって、被加工物に凹凸があ
る場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置を調節する
必要はない。

【００５４】第２に、レーザ加工ヘッド２１０は、レー
ザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光
レンズ２２０と受光レンズ２３０を別個に用意したから
である。この点は、第１実施形態と共通である。

【００５５】第３に、レーザ加工ヘッド２１０は、筐体
２１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパ
ワーロスが少ないからである。この点は、第１実施形態
と共通である。

【００５６】第４に、レーザ加工ヘッド２１０は、放射
温度計２７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポッ
ト径を自由に変更できる。これは、投光レンズ２２０と
受光レンズ２３０が別個に設けられており、投光光学系
の変更が受光光学系に影響を与えないからである。この
点は、第１実施形態と共通である。

【００５７】第５に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工
箇所の温度を正確に測定できる。これは、ダイクロイッ
クミラー２２５がレーザ光を反射しないからである。レ
ーザ光の光路上に筐体２１２の内面は存在しないので、
筐体２１２の内面で乱反射するレーザ光はほとんどなく
なる。このため、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度
計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反
射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５で反
射されないので、受光レンズ２３０に向かわない。この
点からもレーザ光が放射温度計に入射するおそれが少な
い。したがって、正確な温度測定を実行できる。

【００５８】第６に、レーザ加工ヘッド２１０は、レー
ザ光の乱反射を抑えるためにビームトラップ１８０を要
しない。これも、ダイクロイックミラー２２５がレーザ
光を反射しないからである。

【００５９】（比較例）上記実施形態のレーザ加工装置
１００、２００と比較するためのレーザ加工装置３００
を説明する。図３は、このレーザ加工装置３００の構成
を示す模式図である。

【００６０】レーザ加工装置３００は、レーザ加工ヘッ
ド３１０、レーザダイオード（ＬＤ）３６０、および２
色式放射温度計３７０を備えている。ＬＤ３６０は、光
ファイバ３５０を用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続
されている。放射温度計３７０は、光ファイバ３５２を
用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続されている。

【００６１】レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３
２０およびダイクロイックミラー３２５を有している。
これらは、筐体３１２内に収容されている。筐体３１２
の下壁には、開口３１６が設けられている。この開口３
１６からレーザ光が出射する。筐体３１２の側壁には、
レーザ光入射口３１４が設けられている。レーザ光入射
口３１４には、光ファイバ３５０の端部が挿入される。
筐体３１２の上壁には、輻射光出射口３１８が設けられ
ている。輻射光出射口３１８は、集光レンズ３２０の光
軸３９０上に位置する。輻射光出射口３１８には、光フ
ァイバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の
光軸は、受光レンズ３２０の光軸３９０とほぼ一致す
る。

【００６２】レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３
２０がレーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼
ねる点で、投光レンズと受光レンズを独立に備えるレー
ザ加工ヘッド１１０、２１０と異なっている。

【００６３】集光レンズ３２０は、フォーカス用のアク
ロマティクレンズ３３０と、コリメート用のアクロマテ
ィクレンズ３３５を備えている。フォーカス用アクロマ
ティクレンズ３３０は、二枚の単レンズ３３１、３３２
から構成されている。コリメート用アクロマティクレン
ズ３３５は、三枚の単レンズ３３６、３３７、３３８か
ら構成されている。これらのアクロマティクレンズ３３
０、３３５は、双方とも、２色式放射温度計３７０の二
つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。

【００６４】ＬＤ３６０からのレーザ光は、光ファイバ
３５０を通ってレーザ加工ヘッド３１０に入射する。こ
のレーザ光は、レーザ光入射口３１４で光ファイバ３５
０から出射し、ダイクロイックミラー３２５に向かう。
ダイクロイックミラー３２５は、９９％以上の反射率で
レーザ光を反射する。反射されたレーザ光は、集光レン
ズ３２０によって光軸３９０を中心として集光される。
光軸３９０を鉛直方向に向けると、レーザ光は鉛直下方
に照射される。

【００６５】集光レンズ３２０は、レーザ光を集光する
だけでなく、被加工物１０からの輻射光を光軸３９０を
中心として集光する。集光された輻射光は、ダイクロイ
ックミラー３２５に送られる。ダイクロイックミラー３
２５は、輻射光を透過させる。この後、輻射光は、光フ
ァイバ３５２に入射する。光ファイバ３５２は、輻射光
を放射温度計３７０まで伝送する。放射温度計３７０
は、輻射光に基づいて被加工物１０の加工箇所の温度を
求める。

【００６６】レーザ加工ヘッド３１０では、加工箇所の
表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変
化する場合でも、集光レンズ３２０の向きや位置を調節
する必要はない。この点は、第１、第２実施形態のレー
ザ加工ヘッド１１０、２１０と同じである。集光レンズ
３２０の光軸は常に加工箇所を通過するので、輻射光は
常に光軸３９０に沿って集光される。この結果、光軸３
９０上に位置する輻射光出射口３１８から輻射光を効率
良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。
したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、集光レン
ズ３２０の向きや位置を調節する必要はない。

【００６７】しかし、レーザ加工ヘッド３１０は、上記
実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０と比較して
以下の五つの点で劣っている。

【００６８】第１に、レーザ光のパワーロスが大きい。
これは、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと
輻射光の受光レンズを兼ねているからである。集光レン
ズ３２０を受光レンズとして考えると、温度測定の精度
を高めるためには、色収差の少ないレンズ構成が必要と
なる。このため、集光レンズ３２０を構成する単レンズ
の枚数が多くなる。したがって、集光レンズ３２０のレ
ンズ面で反射されるレーザ光も増加する。これが、レー
ザ光のパワーロスを高める。

【００６９】第２に、筐体３１２内で発生する熱が大き
い。これは、集光レンズ３２０で失われたレーザ光のパ
ワーの一部が熱に変わるからである。この熱は、ダイク
ロイックミラー３２５の特性を変化させる。また、この
熱により発生する赤外線が放射温度計に入射すると、ノ
イズが発生する。これらの現象は、温度測定の精度を低
下させる。この熱は、集光レンズ３２０の寿命低下をま
ねくおそれもある。

【００７０】第３に、集光レンズ３２０のレンズ面で反
射されたレーザ光が放射温度計３７０に入射してノイズ
を発生させる可能性が高い。これは、集光レンズ３２０
が多数枚のレンズから構成されているからである。レン
ズ面での反射光は、筐体の内面で乱反射され、光ファイ
バ３５２に入射して放射温度計３７０まで伝送されるこ
とがある。集光レンズ３２０は、投光レンズと受光レン
ズを兼ねているため、レンズ面の数が多く、それだけレ
ーザ光の乱反射を促進しやすい。

【００７１】第４に、レーザ光のスポット径を変更する
と、放射温度計３７０を校正する必要が生じる。これ
は、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと輻射
光の受光レンズを兼ねているからである。レーザ光のス
ポット径は、集光レンズ３２０の倍率を変えれば変更で
きる。しかし、集光レンズ３２０の倍率を変えれば、輻
射光の受光光学系も変化してしまう。このため、放射温
度計３７０の校正が必要になる。

【００７２】第５に、集光レンズ３２０の製造が難し
い。これは、波長の異なるレーザ光と輻射光の双方に対
して透過率の高いレンズを集光レンズ３２０として製造
しなければならないからである。

【００７３】これらの欠点は、レーザ光の投光レンズと
輻射光の受光レンズを単一のレンズ系３２０で兼ねてい
ることに起因する。上記実施形態のレーザ加工ヘッド１
１０、２１０は、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光
レンズを別個に備えることでこれらの欠点を解消してい
る。

【００７４】ここまで、本発明をその実施形態に基づい
て具体的に説明してきた。しかし、本発明は上記の実施
形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を
逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。

【００７５】例えば、放射温度計にレーザ光が入射する
可能性をさらに低減するために、ダイクロイックミラー
と受光レンズとの間に遮断フィルタを設けてもよい。こ
うすると、より高い精度で加工箇所の温度を測定でき
る。現在の連続波の大出力レーザは、ほとんどが赤外線
である。このため、加工箇所の温度を測定するために輻
射赤外光を検出する場合、加工用レーザ光はノイズの発
生原因となる。実際、温度測定のために検出される光量
は、通常、１μＷ以下であるのに対し、加工用レーザ光
のパワーは１Ｗ以上である。このため、加工用レーザ光
の反射光であっても、それが放射温度計に入射すると、
充分に大きなノイズとなる。したがって、加工用レーザ
光を遮断することは重要である。

【００７６】加工用レーザ光のような強い光は、できる
だけ放射温度計から遠い位置で遮断することが好まし
い。このため、レーザ加工ヘッド内で遮断すべきであ
る。第１および第２実施形態のレーザ加工ヘッド１１
０、２１０では、ダイクロイックミラーと受光レンズと
の間に遮断フィルタを設けられる。これは、投光レンズ
と受光レンズとが光軸を異にして別個に設けられている
からである。

【００７７】図４は、遮断フィルタ４１０、４２０を設
置できるようにしたレーザ加工ヘッド１１０を示してい
る。遮断フィルタ４１０、４２０は、筐体１１２の上方
延長部１１２ｄ内に配置される。遮断フィルタ４１０、
４２０は、上方延長部１１２ｄに設けられたスリットに
着脱自在に挿入される。これにより、遮断フィルタ４１
０、４２０は、ダイクロイックミラー１２５と受光レン
ズ１３０との間に配置される。遮断フィルタ４１０、４
２０は、加工用レーザ光を遮断する。これにより、光フ
ァイバ１５２および放射温度計１７０へのレーザ光の入
射を防ぐことができる。したがって、より高精度の温度
測定が可能である。

【００７８】同様に、第２実施形態のレーザ加工ヘッド
２１０でも、筐体の側方延長部２１２ｃ内に遮断フィル
タを配置できる。この遮断フィルタは、ダイクロイック
ミラー２２５と受光レンズ２３０との間に配置され、加
工用レーザ光を遮断する。

【００７９】一方、図３のレーザ加工ヘッド３１０で
は、遮断フィルタを配置する空間がダイクロイックミラ
ー３２５の上部にしかない。この位置には、集光レンズ
３２０の表面や筐体３１２の内面で乱反射したレーザ光
が多く存在する。このため、効果的にレーザ光を遮断す
ることができない。より効果的な遮断のためには、より
手前の光路上でレーザ光を遮断し、レーザ光の乱反射を
抑えるべきである。

【００８０】

【発明の効果】本発明のレーザ加工ヘッドは、加工箇所
の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが
変化する場合でも、被加工物からの輻射光を受光レンズ
の光軸に沿って集光できるように構成されている。した
がって、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズの
向きや位置を調節せずに加工箇所の温度を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ
加工装置の構成を示す模式図である。

【図２】第２実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ
加工装置の構成を示す模式図である。

【図３】比較例のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装
置の構成を示す模式図である。

【図４】レーザ加工ヘッドへの遮断フィルタの取付けを
示す図である。

【符号の説明】

１０…被加工物、１００、２００…レーザ加工装置、１
１０、２１０…レーザ加工ヘッド、１２０、２２０…投
光レンズ、１２５、２２５…ダイクロイックミラー、１
３０、２３０…受光レンズ、１５０、１５２、２５０、
２５２…光ファイバ、１６０、２６０…レーザダイオー
ド、１７０、２７０…２色式放射温度計、１８０…ビー
ムスプリッタ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を集光するための投光レンズ
   と、 前記投光レンズによって集光されたレーザ光を反射して
   被加工物に照射するダイクロイックミラーと、 前記被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光を集
   光する受光レンズと、 前記投光レンズ、ダイクロイックミラーおよび受光レン
   ズを収容する筐体と、を備えるレーザ加工ヘッドであっ
   て、 前記投光レンズの光軸は、前記受光レンズの光軸と交差
   し、 前記ダイクロイックミラーは、前記投光レンズの光軸上
   を進行する前記レーザ光を前記受光レンズの光軸上に反
   射し、 前記ダイクロイックミラーは、前記輻射光を透過させ、 前記受光レンズは、前記ダイクロイックミラーを透過し
   た前記輻射光を集光する、レーザ加工ヘッド。
2. 【請求項２】 レーザ光を集光するための投光レンズ
   と、 前記投光レンズによって集光されたレーザ光を透過させ
   て被加工物に照射するダイクロイックミラーと、 前記被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光を集
   光する受光レンズと、 前記投光レンズ、ダイクロイックミラーおよび受光レン
   ズを収容する筐体と、を備えるレーザ加工ヘッドであっ
   て、 前記投光レンズの光軸は、前記受光レンズの光軸と交差
   し、 前記ダイクロイックミラーは、前記投光レンズの光軸上
   を進行する前記輻射光を前記受光レンズの光軸上に反射
   し、 前記受光レンズは、前記ダイクロイックミラーで反射さ
   れた前記輻射光を集光する、レーザ加工ヘッド。
3. 【請求項３】 前記投光レンズの光軸と前記受光レンズ
   の光軸とが直交し、 前記ダイクロイックミラーは、その鏡面が前記投光レン
   ズの光軸と前記受光レンズの光軸との交点を含むように
   配置され、 前記ダイクロイックミラーの鏡面と前記投光レンズの光
   軸とがなす鋭角は４５度であり、 前記ダイクロイックミラーの鏡面と前記受光レンズの光
   軸とがなす鋭角は４５度である、請求項１または２記載
   のレーザ加工ヘッド。
4. 【請求項４】 前記筐体内には、前記ダイクロイックミ
   ラーを挟んで前記投光レンズと対向するレーザ光吸収体
   が配置されている、請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
5. 【請求項５】 前記受光レンズと前記ダイクロイックミ
   ラーの間に、前記レーザ光を遮断するフィルタを更に備
   える請求項１または２記載のレーザ加工ヘッド。