JPH01162586A - レーザ加工装置 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はビームスプリッタを備えたレーザ加工装置にか
かり、特にビームスプリッタの熱レンズ効果防止手段に
関するものである。

（従来の技術） 一般に、レーザ加工装置は第８図に示すように構成され
ており、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２はペ
ンダミラー３で方向変換され、集光レンズ４で集光され
て加工物５に照射される。

さらにレーザ光出力を分割する機能を備えたレーザ加工
装置では第９図に示すように、レーザ発振器１から出力
されたレーザ光２は光軸に垂直な面と角度θだけ傾いた
ビームスプリッタ６に入射され、レーザ光２の一部はビ
ームスプリッタ６で反射され、ビームスプリッタ６を透
過したレーザ光８はレーザ加工に利用され、ビームスプ
リッタ６で反射された反射光７はレーザ光出力安定化用
モニタ信号または他のレーザ加工用ビームとして利用さ
れる。

（発明が解決しようとする問題点） 一般にビームスプリッタ６は一定の吸収率を持っていて
レーザ光２の一部を吸収するが、吸収されたレーザ光は
熱に変換されて熱歪を発生させ、ビースプリッタ６はこ
の熱歪によって集光作用を持つようになり、いわゆる熱
レンズ効果を発生す机 この熱レンズ効果はレーザ出力の増大と共に顕著になっ
てビームスプリッタ６を透過したレーザ光８を集光し、
第３図に示すように透過光のビーム径りはレーザ光出力
Ｐの増大に伴って減少する。

レーザ光のパフ密度Ｗは、レーザ光２の出力Ｐ、集光レ
ンズ４による集光スポット径ｄに対応して下記０式であ
たえられる。

一方、集光スポット径ｄは、レーザ光２の横モードによ
る集光係数Ｋ、集光レンズ４の焦点距離ｆ、集光レンズ
４への入射ビーム径Ｄ、レーザ光２の波長λに対応して
下記０式であたえられる。

■■式より、パワ密度Ｗは下記０式で表わされる。

レーザ光がビームスプリッタ６を透過するとビームスプ
リッタ６に熱レンズ効果が生ずるので。

組、み合わせレンズの焦点距離で考える必要があり、ビ
ームスプリッタ６の熱レンズ効果をｆ’ｓ、ビームスプ
リッタ６と集光レンズ４間の距離をＬとすると、組み合
わせレンズの等価焦点距離ｆ。ｑは下記（イ）式で表わ
される。

さらに（へ）式を変形すると。

となる。

また０式からビームスプリッタ６を透過させた場合のス
ポット径ｄ。ｑは、次式で表わされる。

一般に、レーザ加工装置ではＬ＞ｆであるから。

等価焦点距離ｆ。ｑは集光レンズ４の焦点距離ｆより大
きく、 ｆｅｑ＞ｆ　　　　　　　　　　　　　■となる。

上記■（００式から ｄｅｑ＞ｄ　　　　　　　　　　　（８）の関係が得ら
れ、従ってビームスプリッタ６を用いた場合、透過光の
集光スポット径はビームスプリッタ６を用いない場合に
比べて大きくなり、レーザ加工性能に重要な集光特性が
悪くなる。

また上述のようにビームスプリッタ６の熱レンズ効果は
レーザ光出力Ｐが大きくなるにつれて増大し、レーザ光
出力Ｐが大きくなるにつれて集光レンズ４に入射すφビ
ーム径りが小さくなり、集光レンズ４が受けるパワ密度
が大きくなるので、集光レンズ４に発生する熱応力が大
きくなり、安全率が低下して損傷する危険性が増大する
。

さらに、ビームスプリッタ６によってレーザ光２の出力
Ｐを等分割し、複数の加工ステージョンで同じ加工を同
時に行う加工装置の場合、ビームスプリッタ６による反
射光７のビーム径は熱レンズ効果を受けないのでＤｏと
なるが、透過光８のビーム径Ｉ）ａｓは、熱レンズ効果
を受けるためり。

より小さくなり、レーザ光２の出力Ｐが等分割されても
、反射光７を利用する加工ステージョンと。

透過光８を利用する加工入チージョンとでは、集光され
たレーザ光２のパワ密度が異なって、加工特性が異なる
という問題を生ずる。

本発明は上記の問題点を考慮してなされたもの、で、ビ
ームスプリッタの熱レンズ効果を抑制して常に安定した
ビーム径を得ることのできる合理的なレーザ加工装置を
提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）本発明は、レー
ザ発振器の出力するビーム光をビームスプリッタを介し
て透過光と反射光とに分割し、透過光は加工用ビーム、
反射光は加工用またはモニタ用ビームとして利用するレ
ーザ加工装置において、ビームスプリッタに冷却ガスま
たは冷却空気を噴射してビームスプリッタを冷却し。

その熱歪みによるレンズ効果を抑制する冷却装置を設け
ると共に、冷却ガスまたは冷却空気の流量をレーザ光の
出力に対応して最適値に制御し、これによってビームス
プリッタの熱レンズ効果による透過ビームのビーム径の
減少を抑制して均一なビーム径とし、ビームエネルギを
均一にして加工特性の向上をはかっている。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図に示す。

第１図において、レーザ発振器１がら出力されたレーザ
光２がビームスプリッタ６で分割されるまでの構成は従
来の第９図と同じである。

第１図においては、さらにビームスプリッタ６に冷却用
ガス（空気を含む）を噴出させるノズル９が設けられて
おり、冷却用ガスが冷却ガス供給装置１０から供給され
る。

供給される冷却ガスの流量Ｆを増加させていくと冷却効
果は増大するが、゛同時にビームスプリッタ６への汚れ
の付着が促進され、汚れが付着した部分でのレーザ光２
の吸収作用によって逆に熱レンズ効果が助長されるので
、流量Ｆは熱レンズ効果を抑制できる範囲で最低流量で
あることが望ましい。

この流量が各レーザ出力に対応する最適流量Ｆ　ＯＰＴ
となり、その関係を第４図に示している。

第４図において、　レーザ出力ＰがＰ≦Ｐｓの場合には
ＦＯＰＴ”ＯｌＰ　）　Ｐ　ｓの場合にはＦＯＰＴ＝Ｋ
ｔ・Ｐ−に、となる。

ここにＰ３．に□、に２はそれぞれレーザ光２を出力す
るレーザ発振器１によって決まる熱レンズ効果のしきい
出力、比例定数および定数である。

Ｐ≦Ｐｓの領域でＦ＝Ｏとなるのは、　レーザ光２の出
力レベルが低いときは熱レンズ効果がほとんど発生しな
いからである。

第１図における最適流量演算装置１１は上記の関係式に
基づいて、設定されたレーザ光出力Ｐにおける冷却用ガ
スの最適流量Ｆ　ＯＰＴを演算し、演算された最適流量
Ｆ。ＰＴが得られるように流量制御装置１１２が流量Ｆ
を制御する６ 第２図は上記最適流量演算装置１１の演算処理フローを
示している。

このように、レーザ光の出力に応じた最適流量の冷却用
ガスでビームスプリッタを冷却することにより、熱レン
ズ効果を抑制して常に安定したビーム径のレーザ光を得
ることができる。

上記実施例では、最適流量演算装置１１に設定出力Ｐを
入力しているが、ビームスプリッタ６からの反射光７を
レーザ光出力安定化のためのモニタ用検出光として取り
出すレーザ加工装置の場合には、第５図に示すように反
射光７をセンサ１３で電気信号ｖＦに変換し、この電気
信号ＶＦを最適流量演算袋＠１１に入力して最適流量Ｆ
　ＯＰＴを演算することもできる。

この場合、ビームスプリッタ６の反射率をＲとすると、
反射光７の出力ＰＲはレーザ光２の出力Ｐを用いて下記
（９）式で表わされ、レーザ光２の出力Ｐと一対一に対
応する。

ｐＲ＝Ｒ−ｐ　　　　　　　　　　（９）センサ１３か
らは反射光７の出力ＰＲに対応した電気信号ＶＦが出力
されるので、　レーザ光２の出力Ｐとセンサ１３からの
電気信号ｖＦも一対一に対応し、従って電気信号ＶＦに
基づいて最適流量演算装置１１で演算された最適流量Ｆ
ＯＰＴはレーザ光２の出力Ｐに対応したものとなる。

第６図は本実施例における最適流量演算装置１１の処理
フローを示す図、第７図は電気信号Ｆと最適流量ＦＯＰ
Ｔとの関係を示す特性図である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、レーザ光の出力に
応じてビームスプリッタの冷却を最適に行っているので
、ビームスプリッタの熱レンズ効果を抑制し、レーザ光
出力が変化しても常に安定したビーム径を得ることがで
き、これによって加工特性に優れたレーザ加工装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図における最適流量演算装置の処理手順を示すフローチ
ャート、第３図はビームスプリッタ透過光のビーム径と
レーザ出力との関係を示す特性図、第４図は熱レンズ効
果を抑制する冷却ガスの最適流量とレーザ出力との関係
を示す特性図、第５図は本発明の他の実施例を示す構成
図、第６図は第５図における最適流量演算装置の処理手
順を示すフローチャート、第７図は熱レンズ効果を抑制
する冷却ガスの最適流量とセンサから出力される電気信
号との関係を示す特性図、第８図はレーザ加工装置の全
体構成を示す図、第９図は従来のレーザ加工装置の一例
を示す構成図である。 １・・・レーザ発振器　　２・・・レーザ光３・・・ペ
ンダミラー　　４・・・集光レンズ５・・・加工物　　
　　　６・・・ビームスプリッタ７・・・反射レーザ光
　　８・・・透過レーザ光９・・・ノズル　　　　　１
０・・・冷却ガス供給装置１１・・・最適流量演算装置
　　１２・・・流量制御装置１３・・・センサ 代理人　弁理士　猪股祥晃（はが１名）第１図 第２１Ａ 第　３　丙 第４図 第５図 第６図 第　８　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振器の出力するビーム光をビームスプリッタを
   介して透過光と反射光とに分割し、透過光は加工用ビー
   ム、反射光は加工用またはモニタ用ビームとして利用す
   るレーザ加工装置において、上記ビームスプリッタに冷
   却ガスまたは冷却空気を噴射してビームスプリッタの熱
   レンズ効果を抑制する冷却装置を設けると共に、上記冷
   却ガスまたは冷却空気の流量をレーザ光の出力に応じて
   最適値に制御することを特徴とするレーザ加工装置。