JP3769105B2

JP3769105B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP3769105B2
Application number: JP22946897A
Authority: JP
Inventors: 浩文今井; 勝宏南田; 辰彦坂井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH1168218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ装置、特に発振光軸位置が調整可能なレーザ装置に関する。
この発明のレーザ装置は、溶接、切断、表面処理その他の加工に利用され、比較的出力の大きなレーザ装置に適している。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工技術の実際の現場においては、レーザ加工システムは、従来からの機械加工機である旋盤やフライス盤等と同様な道具として認識されており、レーザ発振器は、機械モータに相当する重要度がある。しかし、レーザ発振器自体は機械モータなどに比較して必ずしも十分な長期安定性が確立しているとはいえない。このため、レーザ加工機が今一つ現場に受け入れられにくい原因となっている。レーザ発振器を長期間にわたりメンテナンスフリーで安定動作させるうえでの課題の１つは、その発振光軸の空間的な安定度の向上である。すなわち、装置自体の圧力変動や装置の設置環境における外部振動、気温変化等により、発振光軸がはじめに調整した位置から徐々にずれていき、レーザの出力特性や加工点の位置再現性等を劣化させる問題がある。特に、レーザビームをレーザ発振器から１０m 以上の離れた、溶接ヘッドや切断ヘッドなどに伝送する場合、発振光軸のずれが発生しやすく、またずれ量は大きい。このような作業現場では、たとえば１日数回程度の頻度でレーザ発振器を調整しなければならない。調整には熟練者でも１〜５時間程度かかる。また、調整には加工用レーザとは別の、たとえばＨｅ−Ｎｅガスレーザを必要とする。これは稼働率の低減と保守費用の点でコスト的に問題があるうえに、専門知識や熟練を要するために、現場レベルでの作業が困難で、現場作業者をレーザ加工機から遠ざける要因ともなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、発振光軸のずれを自動的に防ぐことができるレーザ装置を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ装置は、レーザビーム照射位置が調整可能なように、光共振器の全反射鏡が保持されたレーザ装置において、前記全反射鏡を移動または傾斜可能に保持する全反射鏡保持装置と、レーザ発振器の出射側でレーザビームの形状を維持した状態でレーザビームの一部を発振光軸からそらすビームスプリッタと、発振光軸からそらされたレーザビームを検出するレーザ光検出器と、検出ビームに基づいて発振光軸位置を求め、発振光軸をあらかじめ設定した許容範囲内に位置させる制御信号を求め、制御信号を前記全反射鏡保持装置に出力する制御装置とを備えていて、前記レーザ発振器はＱスイッチＣＯ_２レーザ発振器であり；前記全反射鏡は全反射凹面鏡であり；前記全反射鏡保持装置は、発振光軸に対して垂直な面内でＹ軸方向に移動可能なＹ軸ステージ、及び発振光軸に対して垂直な面内でＹ軸に対し直角方向に移動可能で前記Ｙ軸ステージに取り付けられたＸ軸ステージとで構成され；光共振器が半透鏡と前記全反射凹面鏡とからなり；前記全反射凹面鏡と集光素子とによりテレスコープが構成されており；前記全反射凹面鏡と集光素子と間にＱスイッチ装置のチョッパディスクが配置されていることを特徴とする。
【０００５】
レーザ装置では、レーザ発振器から出射されたレーザビームの光軸位置を検出し、その検出結果に基づいて光共振器の全反射鏡の位置または姿勢をフィードバック制御する。したがって、発振光軸のずれを自動的に防ぎ、常にレーザビームを目標位置に照射することができる。また、ビームスプリッタでレーザビームの一部を取り出して発振光軸位置を検出するので、レーザ光検出器に入射するレーザビームの強度を低く調整することができる。この結果、数 kW を超える大出力のレーザ装置であっても、耐パワー性の低いレーザ光検出器を使用できる。さらに、発振光軸位置検出のために、レーザ発振器から出射されたレーザビームの一部を直接取り出す。したがって、発振光軸位置調整ようの別のレーザ発振器（たとえば、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ）は不要であり、またレーザビームを直接取り出すために検出精度は高い。
【０００６】
上記レーザ装置において、ビームスプリッタとして半透鏡またはチョッパロッドを用いてもよい。チョッパロッドは、１面に平面反射鏡が形成されており、駆動モータで回転駆動される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、従来のレーザ装置の概略を模式的に示す装置構成図である。なお、図１では、放電励起部の電極、レーザガス供給装置、レーザ電源などレーザ発振器に必要な装置や部材を省略している。放電励起部１１は、ケーシング（図示しない）内に形成されており、ＣＯ_２などのレーザガスが常時供給されている。レーザガスは放電励起され、レーザ光が発生する。
【０００８】
放電励起部１１で発生したレーザ光は、光共振器１２で増幅される。光共振器１２は半透鏡１３と全反射鏡１４とからなっている。半透鏡１３は、たとえばＺｎＳｅ製で表面多層コートが施されており、反射率は５０％である。全反射鏡１４は平面鏡からなり、全反射鏡保持装置２１に保持されている。
【０００９】
全反射鏡保持装置２１は、傾斜ステージ２３が、ばね（図示しない）を介してベーステーブル２２に取り付けられている。傾斜ステージ２３は、ベーステーブル面に対し傾斜可能である。傾斜ステージ２３には、対角方向に１対の精密傾斜ねじ２５、２６が取り付けられている。ベーステーブル２２に支持されたサーボモータ２８、２９により精密傾斜ねじ２５、２６をそれぞれ駆動すると、傾斜ステージ２３はベーステーブル面（垂直面）に対し傾斜する。前記光共振器１２の全反射平面鏡１４は、傾斜ステージ２３に固定されている。上記サーボモータ２８、２９の駆動により、全反射平面鏡１４は発振光軸に直角な面内に対し傾斜する。この結果、全反射平面鏡１４に対するレーザ光の入射または出射角が変化し、発振光軸の位置が移動する。
【００１０】
レーザ発振器の出射側に、ビームスプリッタ４１が配置されている。ビームスプリッタ４１は、発振光軸に対し４５゜傾斜した半透鏡４２よりなっている。ビームスプリッタ４１の半透鏡４２は、たとえばＺｎＳｅで作られており、反射率は０．１〜５％程度である。レーザ照射作業開始時に、発振光軸をあらかじめ基準位置に合わせておき、この基準とする発振光軸に対して半透鏡４２を４５゜の傾斜角度に設定する。
【００１１】
ビームスプリッタ４１で発振光軸からそらされ、分割されたレーザビームＳＢは、レーザ光検出器５１で検出される。レーザ光検出器５１は、焦電型パワーメータからなっている。レーザ光検出器５１は、図３に示すように円形ＢのレーザビームＳＢを検出する。レーザ光検出器５１は、マトリックス状に配列した４個以上のフォトダイオード、またはエリアイメージセンサであってもよい。
【００１２】
レーザ光検出器５１は、制御用コンピュータ６１に接続されている。制御用コンピュータ６１は、レーザ光検出器５１からの信号に基づき検出レーザ光の強度分布よりその重心位置を求める。重心位置を、レーザ発振器から出射されたレーザビームＬＢの発振光軸位置とする。たとえば、レーザ光検出面を図３に示すように、あらかじめ設定した発振光軸の基準位置Ｏを原点とするＸＹ座標面とし、ＸＹ座標面を第１象限〜第４象限に分割する。そして、各象限での検出レーザ光の強度積分値をそれぞれ演算し、これら積分値から検出レーザ光強度分布の重心位置（レーザビームＬＢの中心位置）をＸＹ座標表示で求める。なお、レーザ光の強度分布が一様でない場合、各検出点の強度に強度分布に応じた加重係数を乗じて強度分布を補正し、レーザビームＬＢの中心位置を求める。また、レーザ光検出器４１がマトリックス状フォトダイオード、またはエリアイメージセンサの場合、検出レーザ光Ｂの円の中心Ｃを求める。ついで、検出した発振光軸位置Ｃと発振光軸の基準位置Ｏとの光軸位置のずれ（大きさおよび方向）δを求め、光軸ずれδが許容範囲Ａ内にあるかどうかを判断する。許容範囲Ａの半径は、たとえば０．０５〜０．１ mm である。光軸ずれδが許容範囲Ａ外にある場合、光軸ずれδに基づいて制御量を求め、これを前記サーボモータ２８、２９に出力する。サーボモータ２８、２９の駆動により、傾斜ステージ２３つまり全反射鏡１４が傾斜し、発振光軸は許容範囲Ａに位置する。光軸ずれδと制御量との関係はあらかじめ実験で求めておき、演算式または表の形で制御コンピュータに格納しておく。なお、傾斜ステージ２３の傾斜により、発振光軸の方向が変化する。この発明では、上述のように方向の変化を位置の変化として検出し、発振光軸の方向を制御する。
【００１３】
図４は、この発明の実施の態様を示している。なお、図１に示す装置および部材と同様のものには同一の参照符号を付け、その詳細な説明は省略する。
【００１４】
光共振器１６は、半透鏡１３とテレスコープ１７とから構成されている。テレスコープ１７は全反射凹面鏡１８と集光凸レンズ１９とからなっている。全反射凹面鏡１８は、銅などで作られており、表面は金めっきされている。テレスコープ１７は、全反射面が球面または放物面のいずれであってもよく、光軸は半透鏡１３の光軸に一致している。
【００１５】
テレスコープ１７にＱスイッチ装置７１が配置されている。Ｑスイッチ装置７１は、円盤状のチョッパディスク７２を備えている。チョッパディスク７２の外周寄りに多数のスリット（図示しない）が円周方向に沿って設けられている。チョッパディスク７２は、スリットがテレスコープ１７の全反射凹面鏡１８と集光凸レンズ１９の共焦点に位置するように配置されている。チョッパディスク７２は、ディスク駆動モータ７３により回転駆動される。回転速度は、１，０００〜１００，０００rpm である。
【００１６】
全反射鏡保持装置３１は、図５に示すようにベーステーブル３２に、Ｙ軸ステージ３３がＹ軸（垂直）方向に移動可能に取り付けられている。Ｙ軸ステージ３３に精密送りねじ３５がはめ合っている。サーボモータ３７がベーステーブル３２に金具３９で支持されている。サーボモータ３７により精密送りねじ３５を駆動すると、Ｙ軸ステージ３３はベーステーブル３２に対しＹ軸方向に前、後進する。Ｘ軸ステージ３４がＹ軸ステージ３３にＸ軸（水平）方向に移動可能に取り付けられている。Ｙ軸ステージ３３に支持されたサーボモータ３８により精密送りねじ３６を駆動すると、Ｘ軸ステージ３４はＹ軸ステージ３３に対しＸ軸方向に前、後進する。Ｘ軸ステージ３４に、全反射凹面鏡１８が取り付けられている。この実施の態様では、発振光軸と垂直な面内で全反射凹面鏡１８が平行移動する。この結果、入射または出射するレーザ光の全反射凹面鏡に対する位置が変化し、発振光軸の位置が移動する。全反射凹面鏡１８の平行移動が、前記実施の態様の全反射平面鏡１４の角度変化に相当する。
【００１７】
ビームスプリッタ４４は、４角形断面のチョッパロッド４７が駆動モータ４５の出力軸４６に取り付けられている。チョッパロッド４７は一面が反射鏡４８となっており、反射鏡４８は発振光軸に対し４５゜傾斜している。チョッパロッド４７の慣性モーメントを小さくするために、チョッパロッド４７の一端にカウンタウエイト４９が取り付けられている。駆動モータ４５によりチョッパロッド４７を回転し、レーザビームを周期的にサンプリングする。サンプリング周期が短ければ、つまりチョッパロッド４７の回転が速ければ、反射鏡４８の焼付きのおそれがなく、またレーザ光検出器５１での毎秒当たりの位置検出頻度が高くなるので、発振光軸位置の検出精度が向上する。
【００１８】
なお、この発明は、上記実施の態様の態様に限られるものではない。たとえば、図４の装置のビームスプリッタとして半透鏡を用いてもよい。また、テレスコープの全反射凹面鏡を発振光軸方向に沿って移動し、レーザビームの広がり角、または全反射凹面鏡の焦点位置を調整するようにしてもよい。
【００１９】
【実施例】
レーザ装置は、テレスコープを組み込んだＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置を用いた。ＱスイッチＣＯ_２レーザ装置の出力は、１０ kW であった。レーザ光検出器は、受光面を４分割した焦電型パワーメータを用いた。制御コンピュータでレーザビームの強度の重心位置を求め、レーザ光検出器の受光面上に設けた基準位置からの発振光軸位置ずれ量を制御コンピュータで求め、光共振器の全反射凹面鏡を平行進移動制御して発振光軸を基準位置に戻すように駆動モータを制御した。初期設定は発振光軸を手動で最適位置に調整し、つぎにビームスプリッタの半透鏡とレーザ光検出器を設置固定した。この際、レーザ光検出器の基準位置を決定した。
【００２０】
上記のようにして、発振光軸位置の制御を行った結果、発振光軸基準点を中心として半径３mm以内で自動制御可能で、ビーム位置安定度を±０．１mm以内に抑えることができた。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、発振光軸のずれを自動的に防ぐことができる。したがって、発振光軸調整が不要となり、レーザ加工の精度および作業能率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ装置の概略を模式的に示す装置構成図である。
【図２】図１に示す装置に設けられた全反射鏡保持装置の斜視図である。
【図３】レーザ光検出器で検出したレーザビームを模式的に示す図面である。
【図４】この発明の実施の形態を示すもので、レーザ装置の概略を模式的に示す装置構成図である。
【図５】図４に示す装置に設けられた全反射鏡保持装置の斜視図である。
【符号の説明】
１１放電励起部
１２、１６光共振器
１３半透鏡
１４全反射平面鏡
１７テレスコープ
１８全反射凹面鏡
１９集光凸レンズ
２１、３１全反射鏡保持装置
２２、３２ベーステーブル
２３傾斜ステージ
２５、２６精密傾斜ねじ
２８、２９サーボモータ
３３Ｙ軸ステージ
３４Ｘ軸ステージ
３５、３６精密送りねじ
３７、３８サーボモータ
４１、４４ビームスプリッタ
４２半透鏡
４５駆動モータ
４７チョッパロッド
４８反射鏡
５１光検出器
６１制御用コンピュータ
７１Ｑスイッチ装置
７２チョッパディスク
７３駆動モータ
ＬＢレーザビーム
ＳＢ分割ビーム

Claims

レーザビーム照射位置が調整可能なように、光共振器の全反射鏡が保持されたレーザ装置において、
前記全反射鏡を移動可能に保持する全反射鏡保持装置と、レーザ発振器の出射側でレーザビームの形状を維持した状態でレーザビームの一部を発振光軸からそらすビームスプリッタと、発振光軸からそらされたレーザビームを検出するレーザ光検出器と、検出ビームに基づいて発振光軸位置を求め、発振光軸をあらかじめ設定した許容範囲内に位置させる制御信号を求め、制御信号を前記全反射鏡保持装置に出力する制御装置とを備えているレーザ装置であって、
前記レーザ発振器はＱスイッチＣＯ_２レーザ発振器であり；前記全反射鏡は全反射凹面鏡であり；前記全反射鏡保持装置は、発振光軸に対して垂直な面内でＹ軸方向に移動可能なＹ軸ステージ、及び発振光軸に対して垂直な面内でＹ軸に対し直角方向に移動可能で前記Ｙ軸ステージに取り付けられたＸ軸ステージとで構成され；光共振器が半透鏡と前記全反射凹面鏡とからなり；前記全反射凹面鏡と集光素子とによりテレスコープが構成されており；前記全反射凹面鏡と集光素子と間にＱスイッチ装置のチョッパディスクが配置されていることを特徴とするレーザ装置。
ビームスプリッタが半透鏡からなる請求項１記載のレーザ装置。
ビームスプリッタが１面に平面反射鏡が形成されたチョッパロッドとチョッパロッドを回転駆動する駆動モータとからなる請求項１記載のレーザ装置。