JPH01113192A

JPH01113192A - レーザ加工機用集光装置

Info

Publication number: JPH01113192A
Application number: JP62266635A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Hashiura; 橋浦　雅義; Kazuo Mera; 和夫米良
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1987-10-23
Publication date: 1989-05-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高出力レーザ光束を被加工物の局部に集中せ
しめて急速加熱して溶断、溶接などを行う加工機に用い
られる、反射鏡式の集光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の集光装置に関しては、特開昭５８−４３４２０
号公報に記載の技術が公知である。

上記公知技術においては、集光ミラーに放物面鏡を用い
、この焦点位置に可視レーザ光を重畳させるため、４５
°傾斜させた傾斜窓を設け、この傾斜窓の中心に設けら
れた貫通孔を通してＣＯ２レーザビームと同軸上に細径
のＨｅＮｅレーザを重畳させる方式が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の従来例においては、傾斜窓を構成しているＧａＡ
ｓを通過する光量の内５貫通孔を通過するビームと、そ
れ以外のビームとの割合によってエネルギー分布が異な
り、３％程度のロスが生じるという問題、及び、傾斜窓
自体が消耗品であるという問題が有る。

また、Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ光は細径で集光用ミラーで
ある放物面鏡のほぼ中心位置にあるため、放物面鏡が傾
いていても、はぼ正常位置と同様の焦点位置に集光され
るが、一方、Ｃ○２レーザビームは大径であるため傾い
た方向の焦点位置に集光される。このため、被加工物表
面におけるＨｅ−Ｎｅレーザビーム（可視光）のスポッ
トと、ＣＯ２レーザ（加工用高出力）のスポットとが必
ずしも一致しないという問題がある。上記双方のスポッ
トにずれがあると、可視光で照準した点の隣接部に加工
用高出力レーザが照射されて加工精度を低下させる。

更に、レーザ集光装置の光学系を構成している光学系部
材の製造誤差や取付誤差などによって、被加工物表面（
説明の便宜上、Ｘ−Ｙ平面という。

Ｘ、Ｙは直交２軸である）に結像するレーザビームのス
ポットが、Ｘ方向、Ｙ方向について必ずしも等径でない
という問題が有る。このような異方性が有ると、被加工
物表面のレーザスポットをＸ方向に移動させるときとＹ
方向に移動させるときとで加工性能に差を生じる。従来
技術においては、上記スポットのＸ方向径とＹ方向径と
を等しからしめるように（つまり真円に近いスポット像
を結ばせるように）調整する操作が８常に煩准であり。

高度の熟練と、多大の時間、労力とを要する。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、焦点調節
の容易な、レーザ加工機用の集光装置を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為、本発明の集光装置は、（ａ）
曲率半径を変化せしめて得る１対の凹円柱面ミラーを構
成し、（ｂ）前記高出力レーザを反射して被加工物面上に集光
させる集光ミラーと、該被加工物との間に前記１対の凹
円柱面ミラーを配設し、（Ｃ）かつ、前記１対の凹円柱面は、その中心軸を相互
に立体的に直角に配置したものである。

ただし、上記（ａ）項の曲率半径の変化は、その極限の
状態として曲率半径を無限大ならしめることを妨げない
。従って、この場合における円柱面は平面となる。

また、上記（ｃ）項において、１対の中心軸を立体的に
直角に配置するについては、狭義の直交であることを要
せず、捻れた状態で直角を為していれば足りる。

〔作用〕

前記の構成において、中心軸を直角に配設した１対の凹
円柱面鏡で順次に反射される光束は収束される。即ち、
該１対の凹円柱面鏡は１個の中間凸レンズと同様に作用
する。而して該１対の凹円柱面鏡の曲率半径をそれぞれ
加減すると、Ｘ軸方向。

Ｙ軸方向のそれぞれについて、焦点距離＝曲率半径／２に従って焦点距離が変化する。

このため、該１対の凹円柱面鏡の曲率半径をそれぞれ相
互に独立に調節すると、スポット結像のＸ方向の径、Ｙ
方向の径が個別に調整される。従って該スポット結像を
、真円に近い小径の形状に調節することができる。

〔実施例〕

１　　本発明に係る・レーザ加工機用集光装置の一実施
例の全体システム構成図を第１図に示す。Ｃ○２レーザ
ビーム５は金属ミラー３の貫通孔３ａを通り、凹面状集
光ミラー７及び円筒状に形状可変にできる一対の平面ミ
ラー８ｘ、８ｙを介して焦点位置９にスポット状に集光
される（形状可変構造については後述）。

一方、凹凸レンズで構成されたビーム拡大器４により、
ＣＯＺレーザビーム５よりもわずかに大径に調光された
可視光のＨｅ　−Ｎ　ｅレーザ光６は金属ミラー３によ
り、ＣＯ２レーザビーム５と同軸方向に反射され前記の
ミラー７．８ｘ、８ｙで順次に反射されて、焦点９にス
ポット状に集光される。また、前記ミラー７．８ｘ、８
ｙはガス吹付装置１０を用いて、即用のコールドガス１
１を吹付けることにより、温度上昇しないようになって
いる。

第２図は、前記集光ミラー７の曲率半径調節機構の説明
図である。

一金属板１２は曲率半径Ｒｏに成形され、金コート１３
を施されて凹面鏡を構成している。

支持ボルト１７の図示左端は、接続部１４を介して金属
板１２の中央部に取り付けられている。

該支持ボルト１７の図示右端部は支持台１９の螺合され
、止めナツト１８で固定されている。

上記金属板１２の外周縁を８等分する各点に、押しピン
２０の先端（図において左端）が当接している。この押
しピン２ｏは、目盛付き調整ネジ２１によって支持台１
９に対して図示右方向に前後進調節し得る構造である。

これにより、集光ミラー７の曲率半径をＲｏからＲ１に
変化させることができる。

また、前記形状可変型平面ミラー即ち曲率半径を変化せ
しめ得る円柱面ミラー８ｘ、８ｙは第３図に示すように
、金コート１３された金属板１２により構成され、かつ
、支持台１６上に接続部１４を介して接続された支持ボ
ルト１７およびナツト１８により固定されている。通常
は該平面ミラー８ｘ、８ｙはそれぞれ第３図に実線で示
すような平面形状であるが、ナツト１８を締め込むこと
により両端の支持ピン１５との間に軸力Ｐが作用し、破
線で示す形状のごとく円筒状に変化する。

この変化量δはミラーとしての特性を損わない程度（数
＋ｗ）で足りる。

第４図は、曲率半径を変化せしめ得る円柱面ミラー８ｘ
、８ｙの設置姿勢の説明図である。

図示のＸ−Ｙは、被加工物表面に設定した直交座標軸で
ある。

円柱面ミラー８ｘの中心軸（図示省略）は、ＸＹ平面へ
の投影がＸ軸に直交する姿勢に設置し、矢印Ｘ＋　Ｘ方
向に湾曲度を変化せしめ得る構造である。

反矢印Ｘ方向に弾性的に復元して平面鏡ならしめると、
該平面とｘＹ平面との交線（図示せず）をＸ軸に平行と
なる。

上記の円柱面ミラー８ｘを矢印Ｘｙ３’方向に、又は反
矢印Ｘｅ’／方向に変形させると、焦点９の結像のＸ軸
方向の径ｄ、が変化する。

円柱面ミラー８ｙは、前記円柱面ミラー８ｘの説明につ
いて、Ｘをｙに、Ｘ軸をＹ軸に置換して読み変えた姿勢
２作用である。

次に、集光部の主要な動作を第４図を用いて説明する。

集光ミラー７により、レーザビーム５は焦点位置９にス
ポット状に集光される。集光ミラー７の製作誤差、取付
は誤差、傾斜角などにより集光上の収差が発生し、ビー
ムスポット径寸法ｃｔＸ、　ｄｙに大きな差異が生じる
。この差異に起因して、切断加工時には切断幅が、溶接
時にはビード幅が方向によって変・化し、加工性能が大
幅に相違する。

こうした不具合を防止するため、本実施例の集光装置に
おいては、焦点９のスポットのｄ。がｄｙよりも大きい
場合は８ｘをＸ方向に、逆にｄｙが大きい場合は８ｙを
Ｘ方向に、それぞれ第３図に示した機構により調整する
。ｄｘ押ｄｙになっているか否かは、集光されたＨｅ−
Ｎｅレーザ光６により確認できる。

また、焦点位置を９から９′に変更したい場合は、集光
ミラー７の曲率半径Ｒｏを第２図に示す機構により、Ｒ
１に変化させることで容易に行える。この時の焦点位置
は、集光されたＨ　ｅ　−Ｎ　ａレーザ光６のスポット
径が最小になる位置として目視で容易に確認できる。

本実施例の集光装置について、次記の効果が確認された
。

（ｉ）消耗部品が無く、集光ロスも数％程小さくできる
。

（ｉｉ）可視光のＨｅ’−Ｎｅレーザ光とＣ○２レーザ
・ビームそれぞれの集光点の位置ずれが無く、加工ミス
を起す危険性が排除できる。

（ｉｉｉ）スポットビーム径の差異が無くなるよう矯正
できるので、方向性の無い良好な加工性能が得られる。

（ｉｖ）対象ワーク毎に集光ミラーを変換しなくても焦
点位置を可変にできるので、調整時間も１／１０程度で
済み、集光ミラーも１枚で良く経済的である。

〔発明の効果〕

本発明の集光装置を高出力レーザ加工機に適用すると、
その焦点の結像スポットの形状を任意に調節することが
出来る。従って該スポット形状を可能な限り小径の真円
に近づけることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る集光装置の模式的な光路図である
。第２図は上記実施例の集光ミラーの断面図、第３図は同
じく円柱面ミラーの断面図、第４図は同じく作用説明図
である。１・・・Ｃｏｘレーザ発振器、２・・・Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ発振器、３・・・金属ミラー、３ａ・・・貫通孔、７
・・・集光ミラー、８ｘ、８ｙ・・・曲率半径可変の円
柱面ミラー、９，９′・・・焦点、１２・・・金属板、
１３・・・金コード、１４・・・接続部、１５・・・支
持ピン、１６゜１９・・・ミラー支持台、１７・・・支
持ボルト、２０・・・押しピン、２１・・・目盛付き調
整ネジ。

Claims

【特許請求の範囲】１、高出力レーザを用いた加工機用の集光装置において
、（ａ）曲率半径を変化せしめ得る１対の円柱面ミラー
を構成し、（ｂ）前記高出力レーザを反射して被加工物
面上に集光させる集光ミラーと、該被加工物との間に前
記１対の円柱面ミラーを配設し、（ｃ）かつ、前記１対
の円柱面は、その中心軸を相互に立体的に直角に配置し
たものであることを特徴とする、レーザ加工機用集光装
置。２、前記集光ミラーは、焦点距離を調節し得る構造であ
ることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレ
ーザ加工機用集光装置。３、前記の高出力レーザビームは、該ビームの径と略同
径の可視レーザビームを同軸上に重畳したものであり、
上記高出力レーザビームと可視レーザビームとは、同じ
集光ミラーによつて反射され、同じ被加工物面上の同じ
位置に略同形同寸に結像するように構成したことを特徴
とする、特許請求の範囲第１項又は同第２項に記載のレ
ーザ加工機用集光装置。