JP2970927B2 - レーザビームのコリメート装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザビームのコリメート装置に関する。

（従来の技術） レーザ発振器から発振されたレーザビームをコリメー
トするために、レーザビームの光軸上にコリメートレン
ズ（単レンズ又は組合せレンズ）を設けていた。

（発明が解決しようとする課題） ところで、一般に高出力タイプ（1kw以上）の炭酸ガ
スレーザ発振器においては、出力ミラー（材質ZnSe）自
身の吸収率が大きくなると熱レンズ効果により凸レンズ
として作用して、レーザ発振器から発振されたレーザビ
ームが収縮する傾向になる。このために、長距離ビーム
伝送を伴う加工システムにおいては、第７図に示すよう
にビーム径の変動が大きくなるという問題があった。レ
ーザ加工を行う場合においては、加工点でのビーム径が
変動し、安定した出力を得ることができず、適切なレー
ザ加工を行うことができないという問題があった。

また、コリメートレンズにおいても同レンズ自身の吸
収率が大きくなると、コリメートレンズに熱レンズ効果
が発生して、第８図に示すように更にビーム径が変動し
て、レーザビームの出力が更に安定しなくなるという問
題があった。

さらに、レーザビームは一般的に拡散するものであっ
て、レーザ発振器からレーザ加工ヘッドまでの光路長が
大きく変化すると、上記レーザ加工ヘッドに備えた集光
レンズへ入射するレーザビームのビーム径が変化すると
いう問題がある。

そこで、本発明は上記の問題点を解決するために、レ
ーザビームにおいてコリメート部をつくり、レーザビー
ムの出力を安定させることのできるレーザビームのコリ
メート装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 前述のごとき従来の問題に鑑みて、本発明は、レーザ
発振器とレーザ加工ヘッドとの間の光路上に、コリメー
トレンズを光軸方向へ移動可能に設けたレーザビームの
コリメート装置において、前記コリメートレンズとレー
ザ加工ヘッドとの間の光路上に、光軸方向の複数箇所に
おけるレーザビームのビーム径を検出するためのレーザ
ビーム解析装置を前記光軸方向へ移動自在に配置して設
け、上記レーザビーム解析装置によって検出した複数箇
所のビーム径に基いてレーザビームの収縮状態又は拡散
状態を演算処理し、この演算結果に基いて前記コリメー
トレンズを光軸方向へ移動するためのサーボモータの制
御を行う制御手段を設け、上記制御手段の制御の下に前
記コリメートレンズが移動され調整されたレーザビーム
径で前記レーザ加工ヘッドに入射する構成としてなるも
のである。

（実施例） 以下、本発明に係る実施例について図面に基づいて説
明する。

第１図を参照するに、レーザ加工機のレーザ発振器１
は、光伝導装置３を介してレーザ加工ヘッド５と光学的
に連結してある。これによって、レーザ発振器１に発振
されたレーザビームLBは、光伝導装置３、レーザ加工ヘ
ッド５を介してワークＷに照射されるものである。

上記レーザ発振器１は、出力ミラー７、反射ミラー９
（本実例では例えば曲率半径30m）を備えており、本実
施例では例えばレーザ出力2000W、共振器長6mである。
また、上記レーザ加工ヘッド５は、折返しミラー11、集
光レンズ13、出力測定装置15を備えている。上記折返し
ミラー11は透過性のミラーであって、折返しミラー11を
透過したレーザビームLBの出力は出力測定装置15により
測定されるものである。

上記光伝導装置３における光軸上には、コリメート装
置17の一部を構成するコリメートレンズ19が光軸方向へ
移動可能に設けてある。

より詳細には、光伝導装置３におけるフレーム21に
は、エア室23が設けてあり、このエア室23には第１サー
ボモータ25に連動連結した第１螺子杆27が回転自在に設
けてある。コリメートレンズ19を支持するレンズ支持部
材29には、第１螺子杆27に螺合したナット部材31が取付
けてある。また、エア室23内にはコリメートレンズ19を
光軸方向へ案内するための複数のガイド部材32が設けて
ある。なお、本実例ではコリメートレンズ19の焦点距離
は19.66mで、コリメートレンズ19は出力ミラー７から25
0mmの位置と出力ミラー７から2000mmの位置との間を移
動する。なお、コリメートレンズ19は単レンズに限るも
のではなく、組合せレンズであっても差し支えないもの
である。

また、レーザビームLBの発振中に、コリメートレンズ
19の周囲の熱を放熱させるために、上記エア室23には供
給口33と排出口35を備えると共に、供給口33と排出口35
はドライエアを供給するためのエア供給装置37に接続し
てある。なお、ドライエアの代わりにＮ・ガスを用いて
も差し支えないものである。

上記構成により、第１サーボモータ25を作動させて第
１螺子杆27を回転させることにより、レンズ支持部材29
はナット部材31と一体となって光軸方向へ移動する。し
たがって、コリメートレンズ19は光軸方向へ移動するこ
とができるものである。また、レーザ発振器１にレーザ
ビームLBを発振している間には、エア供給装置37を適宜
に操作していることにより、供給口33、排出口35を介し
てエア室23内にドライエアを循環させる。したがって、
コリメートレンズ19のビーム吸収率が高くなった場合に
おいても、コリメートレンズ19の周囲の放熱作用を行う
と共に、大気中のエアの混入を避けてコリメートレンズ
19の周囲を正常に保つことができるために、コリメート
レンズ19の熱レンズ効果は生じないものである。

レーザビームLBのビーム径を検出するために、光伝導
装置３における光軸上にはレーザビーム解析装置39が所
定範囲内で光軸方向へ移動可能に設けてある。出力ミラ
ー７からのＡ位置（Ａ点）と出力ミラー７からのＢ位置
（Ｂ点）との間を移動可能に設けてある。

より詳細には、前記フレーム21におけるコリメートレ
ンズ19の後側には第２サーボモータ41に連動連結した第
２螺子杆43が回転自在に設けてあり、レーザビーム解析
装置39を支持する支持部材45には、第２螺子杆43に螺合
したナット部材47が一体的に取付けてある。また、上記
レーザビーム解析装置39はガイド部材（図示省略）によ
って光軸方向へ案内されるものである。なお、レーザビ
ーム解析装置39は市販のものを使用すればよく、その構
成は公知であるために構成の詳細については省略する。

上記構成により、第２サーボモータ41を適宜に操作し
て第２螺子杆43を回転させることにより、支持部材45は
ナット部材47と一体となって光軸方向へ移動する。した
がって、レーザビーム解析装置39が光軸方向へ所定範囲
（本実施例ではＡ点とＢ点との間）内を移動することが
でき、上記所定範囲内に亘ってレーザビームLBのビーム
径を検出することができるものである。

上記光伝導装置３には第３図に示すビームガイド49が
設けてあり、前記出力測定装置15によって出力が落ちた
場合には、ビームガイド49とレーザビームLBが干渉した
ことがわかるものである。

Ａ点とＢ点の間のレーザビームLBの収縮状態又は拡散
状態を演算処理すると共に、この演算処理された値に応
じてコリメートレンズ19の光軸上の位置を調節するため
に、制御手段51が設けてある。より詳細には、第２図を
参照するに、制御手段51の一部を構成するCPU53には、
第１サーボモータ25を駆動させる第１駆動部55、第２サ
ーボモータ41を駆動させる第２駆動部57が接続してあ
る。また、前記レーザビーム解析装置39、出力測定装置
15はCPU53に接続してある。

前述の構成に基づいて本実施例の作用について第４図
に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、レーザ発振器１を適宜に操作してレーザビーム
LBを発振する。発振されたレーザビームLBは、光伝導装
置３を介してレーザ加工ヘッド５から照射される。

そして、折返しミラー11を透過したレーザビームLBの
出力が出力測定装置15により測定され、レーザビームLB
の出力が安定してくると（ステップS1）、CPU53、第２
駆動部57を介して第２サーボモータ41を適宜に制御して
レーザビーム解析装置39をＡ点からＢ点まで移動させる
（ステップS2）。このとき、レーザビーム解析装置39に
よりＡ点からＢ点までのビーム径が検出され、この検出
値に基づいてレーザビームLBがコリメートされているか
（平行光になっているか）、CPU53により判断される
（ステップS3）。そして、第６図に実線で示すように良
いコリメート状態になっている場合には、コリメートレ
ンズ19の位置をそのままとして、レーザビームLBのコリ
メートは終了する。

また、第６図に仮想線で示すようにレーザビームLBが
収縮傾向にある場合には、ビーム径の検出値に基づいて
CPU53により収縮状態を演算処理する（ステップS4,S
5）。そして、CPU53、第１駆動部55を介して第１サーボ
モータ25を適宜に制御してこの演算処理された値に応じ
た長さだけコリメートレンズ19を出力ミラー７から離反
させる（ステップS6）。そして、ステップS2にフィード
バックして、レーザビームLBがコリメートされるまで上
記動作を繰り返す。

なお本実施例においては第５図に示すように、出力ミ
ラー７のビーム吸収率が０％から２％になって出力ミラ
ー７に熱レンズ効果が発生するとレーザビームLBは収縮
傾向になる。そして、CPU53によって収縮状態を演算処
理した後に、この演算処理された値に基づいてコリメー
トレンズ19を出力ミラー７から離反すると、レーザビー
ムLBは第６図に示すようにコリメートされるものであ
る。

更に、第６図に点線で示すようにレーザビームLBが収
縮傾向でなく、拡散傾向にある場合には、ビーム径の検
出値に基づいてCPU53により拡散状態を演算処理する
（ステップS4,S7）。そして、CPU53、第１駆動部55を介
して第１サーボモータ25を適宜に制御して、演算処理さ
れた値に応じた長さだけコリメートレンズ19を出力ミラ
ー７に接近させる（ステップS8）。そして、ステップS2
にフィードバックして、レーザビームLBがコリメートさ
れるまで上記動作を繰り返す。

本実施例によれば、光軸上のＡ点とＢ点との間におけ
るビーム径を１個のレーザビーム解析装置39により検出
し、制御手段51により、上記検出値に基づいてレーザビ
ームLBの収縮状態又は拡散状態を演算処理すると共に、
コリメートレンズ19の光軸上の位置を調節しているため
に、熱レンズ効果により出力ミラー７が凸レンズとして
作用した場合においても、レーザビームLBを適切にコリ
メートすることができ、レーザの出力の安定化を図るこ
とができるものである。そのために、例えばレーザビー
ムLBを用いてレーザ加工を行う場合においても、安定さ
れた出力のもとで適切なレーザ加工を行うことができる
ものである。

更に、エア供給装置37を適宜に操作してエア室37内に
ドライエアを循環させることにより、コリメートレンズ
19の周囲の放熱を図ることができる。したがって、コリ
メートレンズ19の熱レンズ効果は生じないもので、レー
ザの出力は安定するものである。

なお、本発明は前述のごとく実施例の説明に限るもの
ではなく、適宜の変更を行うことにより、その他種々の
態様で実施可能である。

［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるように、本
発明においては、光軸方向へ移動自在に配置したレーザ
ビーム解析装置39によってレーザビームLBの複数箇所の
ビーム径を検出し、この検出した複数箇所のビーム径に
基いて演算手段51においてレーザビームLBの収縮状態又
は拡散状態を演算処理し、この演算結果に基いて、コリ
メートレンズ19を光軸方向へ移動するためのサーボモー
タ25を制御して、レーザ加工ヘッド５に入射されるレー
ザビーム径の調整を行う構成である。

したがって、本発明によれば、コリメートレンズ19の
熱レンズ効果によってレーザビームLBが収縮する傾向に
ある場合は勿論のこと、上記コリメートレンズ19の熱レ
ンズ効果がない状態においてレーザ発振器１から発振さ
れたレーザビームLBが通常のように拡散する傾向にある
場合においても、レーザビームLBの平行光線化を調整し
てレーザ加工ヘッド５に入射されるレーザビーム径を調
整することができるものである。

ために、本願発明によれば、レーザ発振器１からレー
ザ加工ヘッド５に至る光路長が非常に長く、レーザビー
ムLBの拡散によってビーム径が大きくなる傾向にある場
合であっても適正に補正することができるものであり、
コリメートレンズ19に熱レンズ効果を生じた場合や例え
ばレーザ加工ヘッド５の移動によって光路長が大きく変
化するような場合であっても適正に、例えばレーザ加工
ヘッド５に備えた集光レンズに対するレーザビームの径
を常にほぼ一定に調整できるものであり、精度の良いレ
ーザ加工を行い得るものである。

また、本発明によれば、光軸方向へ移動自在のレーザ
ビーム解析装置39によって複数箇所におけるレーザビー
ムLBのビーム径を検出するものであるから、複数箇所の
レーザビームLBのビーム径検出時の特性は一定であり精
度の良い検出を行うことができると共に、１個のレーザ
ビーム解析装置39によって複数箇所のレーザビームLBの
ビーム径を検出するもので、より簡単で安価な構成とな
るものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る実施例を説明するものであり、第１
図は本実施例の要部を示す図である。第２図は制御手段
のブロック図である。第３図はビームガイドを示す図で
ある。第４図はフローチャート図である。第５図は出力
ミラーからの距離とビーム径の関係を示すグラフ図であ
る。第６図はＡ点とＢ点との間においてビーム径の変化
を示すグラフ図である。第７図は出力ミラーに熱レンズ
効果が生じた場合の出力ミラーからの距離とビーム径と
の関係を示すグラフ図である。第８図はコリメートレン
ズに熱レンズ効果が生じた場合の出力ミラーからの距離
とビーム径の関係を示すグラフ図である。 １……レーザ発振器、７……出力ミラー、17……コリメ
ート装置 19……コリメートレンズ、23……エア室、37……エア供
給装置 39……レーザビーム解析装置、51……制御手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器（１）とレーザ加工ヘッド
   （５）との間の光路上に、コリメートレンズ（19）を光
   軸方向へ移動可能に設けたレーザビームのコリメート装
   置において、前記コリメートレンズ（19）とレーザ加工
   ヘッド（５）との間の光路上に、光軸方向の複数箇所に
   おけるレーザビーム（LB）のビーム径を検出するための
   レーザビーム解析装置（39）を前記光軸方向へ移動自在
   に配置して設け、上記レーザビーム解析装置（39）によ
   って検出した複数箇所のビーム径に基いてレーザビーム
   （LB）の収縮状態又は拡散状態を演算処理し、この演算
   結果に基いて前記コリメートレンズ（19）を光軸方向へ
   移動するためのサーボモータ（25）の制御を行う制御手
   段（51）を設け、上記制御手段（51）の制御の下に前記
   コリメートレンズ（19）が移動され調整されたレーザビ
   ーム径で前記レーザ加工ヘッド（５）に入射する構成と
   してなることを特徴とするレーザビームのコリメート装
   置。