JPH04237587A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工装置に関し
、特に、加工目的に応じた最適な品質を有するレーザ光
を容易かつ正確に得ることができるレーザ加工装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２〜図７に従って、従来のレーザ加工
装置におけるレーザ光の断面形状等の品質を調整する構
成について説明する。図２において、レーザ発振器１か
ら出力されたレーザ光２は、ビームエキスパンダ３によ
り、そのビーム径が拡大されるように構成される。ビー
ムエキスパンダ３は、凹レンズ４と凸レンズ５からなる
。凸レンズ５は、その位置を光路方向６に変更できるよ
うに、位置調整装置７が設けられる。位置調整装置７で
凸レンズ５を移動させ、凹レンズ４と凸レンズ５の距離
を変更すると、レーザ光２のビーム断面の径を変えるこ
とができる。ビームエキスパンダ３から出力されたレー
ザ光２は、ベンディングミラー８でその進路を曲げられ
る。次いで、レーザ光２は、集光レンズ９で集光された
後に、集光状態でワーク１０の加工面に照射される。 集光レンズ９についても、位置調整装置１１が設けられ
、その位置を光路方向１２にて調整することができる。 ワーク１０は、Ｘテーブル１３とＹテーブル１４からな
る加工テーブルの上に配置される。Ｘテーブル１３は、
Ｘ方向への移動を行うためのモータ１３ａを備え、Ｙテ
ーブル１４はＹ方向への移動を行うためのモータ１４ａ
を備える。Ｘテーブル１３とＹテーブル１４により、ワ
ーク１０の加工面に２次元の軌跡を自由に描くことがで
きる。レーザ発振器１とビームエキスパンダ３との間に
は、機械的な構成を有するシャッタ１５が配設される。 このシャッタ１５は、そのシャッタ駆動装置１６により
、Ｘテーブル１３とＹテーブル１４の各移動動作に同期
して開閉動作が行われ、所定のタイミングで、レーザ発
振器１から出力したレーザ光２を、ワーク１０へ送給す
る。ワーク１０の加工面では、図３に示されるように、
軌跡１７に沿ってレーザ光２を照射することができる。 以上の構成において、位置調整装置７，１１、テーブル
用モータ１３ａ，１４ａ、シャッタ駆動装置１６のそれ
ぞれの動作は、コントローラ１８により制御される。な
お、１９はビームダンパである。

【０００３】以上において、ワーク１０の加工面で、レ
ーザ光２のエネルギ密度を制御することにより、レーザ
光２を用いて切断から表面熱処理間での種々の熱処理を
行うことが可能となる。レーザ光２のビーム断面形状や
エネルギ密度等の制御は、加工用光学系における位置調
整装置７，１１によって行われる。

【０００４】従来のレーザ加工装置において、特にレー
ザ光でワークを切断する場合には、エネルギ密度を高く
し、かつ切断幅の狭い切断加工が要求される。そこで、
位置調整装置１１で集光レンズ９の位置を変化させ、ワ
ーク１０の加工面に集光レンズ９の焦点が位置するよう
に、制御を行う必要がある。

【０００５】また、ビームエキスパンダ３では、図４に
示すように、位置調整装置７で凸レンズ５の位置を変化
させることにより、距離Ｌを変化させることができる。 図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、距離Ｌを変えることに
より、集光レンズ５に入射されるレーザ光２の拡がり角
θを変化させる。図４（Ａ）ではθ＝θａ＞０、図４（
Ｂ）ではθ＝０、図４（Ｃ）ではθ＝θｂ＜０となって
いる。図４（Ｂ）の場合、平行ビームで集光レンズ９に
入射させると、集光レンズ９の焦点距離Ｆの位置にある
ワーク１０の加工面で焦点を結ぶことになる。これ以外
の場合には、図４（Ａ）または（Ｃ）で明らかなように
、レーザ光２は集光レンズ９の焦点位置に集光せず、ワ
ーク１０の加工面から外れることになる。一般的に、図
４（Ｂ）に示された位置的関係の条件を満足すれば、レ
ーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、必ずワーク
１０の加工面で一点に集束することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ発振
器１から出力されるレーザ光２は、一般的に、図４に示
す如き平行ビームではなく、最初から或る拡がり角度を
有している。さらに、レーザ発振器１から出力されるレ
ーザ光２の拡がり角は、出力レベルに応じても、変化す
る。このため、凸レンズ５や集光レンズ９の位置が図４
（Ｂ）の位置関係を満足するように設定されていても、
レーザ光２はワーク１０の加工面で一点に集束せず、外
れることになる。実際に、ワーク１０の加工面に焦点が
来るようにするためには、凸レンズ５および集光レンズ
９を、それぞれの位置調整装置７，１１で適宜に移動さ
せて、ワーク１０の加工面でレーザ光２が一点に集束す
るように調整する必要がある。

【０００７】ワーク１０の加工面にレーザ光２の集束点
が来ているか否かというということは、従来では、図５
および図６に示す如く、ワークサンプル２０に実際に加
工用光学系で集束させたレーザ光２を照射させて、その
加工を行い、形成された穴２１の径を観測して判断する
。この調整作業では、ワークサンプル２０に形成される
穴２１の径が最小になるように、集光レンズ９または凸
レンズ５の位置を調整する。かかる調整作業は、レーザ
加工作業の最中において、レーザ発振器１の出力レベル
が変動するたびに、行わなければならない。以上のワー
ク加工面における焦点位置合せの調整方法では、実際に
、ワークを加工しなければならず、非常に時間を要し、
手間がかかるものであった。

【０００８】さらに、ワーク加工面におけるレーザ光の
エネルギ分布は加工に大きく影響するので、エネルギ分
布も、適切に調整されなければならない。例えば、図７
に示すビームプロファイル（この例では、ｘ軸方向のレ
ーザ光のエネルギ分布である）において、（Ａ）の如く
対称でかつ偏差が小さい分布の場合には、狭い切断幅が
得られ、穴あけには都合が良い。しかしながら、（Ｂ）
の如く非対称でかつ偏差が大きい分布の場合には、切断
幅が広くなり、穴あけの場合には、真円度の精度が非常
に悪くなるという不具合を有している。

【０００９】本発明の目的は、ワーク加工面におけるレ
ーザ光のスポット径およびエネルギ分布を画像情報とし
て得ることができ、これを利用してスポット径およびエ
ネルギ分布を、容易、正確かつ短時間に、加工目的に応
じた最適な状態に調整することを企図したレーザ加工装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のレー
ザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レ
ーザ光をワークの加工面まで誘導すると共にその途中に
加工面におけるレーザ光のビーム品質を調整するための
調整機構部を備えた加工用光学系と、ワークを配設する
加工テーブルとからなるレーザ加工装置であり、レーザ
発振器から出力されるレーザ光の一部を取出す光学系で
あって加工用光学系と同じ構成を有しかつ同期がとられ
たモニタ用の光学系を有し、このモニタ用光学系で取出
されたレーザ光を入力して電気信号に変換する光電変換
器と、光電変換器で取出されたレーザ光のビーム断面の
エネルギ分布を表示する画像処理・表示装置とを備え、
画像処理・表示装置で表示されるレーザ光の断面に関す
る画像を参照しながら、モニタ用光学系の調整機構部を
調整し、この調整に基づき加工用に用いられるレーザ光
のビーム品質を調整するようにしたことを特徴とする。

【００１１】本発明に係る第２のレーザ加工装置は、前
記第１の構成において、モニタ用光学系の調整機構部と
加工用光学系の調整機構部との間で、モニタ用光学系の
調整機構部で調整操作を行うと、この調整操作に対応し
て、加工用光学系の調整機構部で調整動作が自動的に行
われることを特徴とする。

【００１２】本発明に係る第３のレーザ加工装置は、前
記第１の構成において、モニタ用光学系の調整機構部と
加工用光学系の調整機構部との間で、加工用光学系の調
整機構部で調整操作を行うと、この調整操作に対応して
、モニタ用光学系の調整機構部で調整動作が自動的に行
われることを特徴とする。

【００１３】本発明に係る第４のレーザ加工装置は、前
記第１〜第３のいずれかの構成において、最初の光学系
の調整機構部における調整操作は、操作者による人為的
な調整によるものであることを特徴とする。

【００１４】本発明に係る第５のレーザ加工装置は、前
記第１〜第３のいずれかの構成において、最初の光学系
の調整機構部における調整操作は、画像処理・表示装置
の記憶手段に予め用意される基準データに従い、この基
準データと画像データとの比較に基づくデータ処理によ
り自動的に行われる調整によるものであることを特徴と
する。

【００１５】

【作用】本発明によるレーザ加工装置では、レーザ発振
器から出力されるレーザ光を、分岐部である分光ミラー
で、加工用レーザ光とモニタ用レーザ光に分け、さらに
、モニタ用レーザ光を、加工用光学系と同一の構成を有
しかつ移動部分が同期して移動するモニタ用光学系に通
し、画像処理・表示装置で、ワーク加工面における加工
用レーザ光の品質を、モニタＴＶで画像情報として間接
的に得ることができる。そして、モニタ光学系でモニタ
用レーザ光のビーム品質を、加工目的に応じて、調整す
ると、加工用光学系で同期して調整動作が行われ、加工
用レーザ光についても、自動的に所望のビーム品質を得
ることができる。ビーム品質の調整は、加工用光学系に
おける調整操作を優先させることもできる。さらに、最
初の光学系の調整操作は、人為的に、または自動的に行
い得る。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図１に基づいて説
明する。図１は、本発明に係るレーザ加工装置のブロッ
ク構成図である。図１において、前述したレーザ加工装
置の要素と実質的に同一の要素には、同一の符号を付す
ものとする。

【００１７】図１を参照して、レーザ加工装置の加工用
系統を、再度、概説的に説明する。レーザ発振器１から
出力されたレーザ光２は、シャッタ１５が開いている時
には、凹レンズ４と凸レンズ５とからなるビームエキス
パンダ３を通過し、ベンディングミラー８によって反射
され、集光レンズ９を通過し、ワーク１０に誘導される
。ワーク１０は、Ｘテーブル１３とＹテーブル１４から
なる加工テーブルの上に配置されている。ワーク１０の
加工面におけるレーザ光の集束状態は、すなわちビーム
径のスポット径やエネルギ分布等は、位置調整装置７に
より凸レンズ５の位置を調整することにより、または位
置調整装置１１により集光レンズ９の位置を調整するこ
とにより、それぞれ適宜に調整することができる。シャ
ッタ１５の開閉動作は、シャッタ駆動装置１６により行
われる。シャッタ１５が光路を閉じる時には、レーザ光
２はビームダンパ１９の方向に送られる。また制御装置
としては、コントローラ１８が配設され、このコントロ
ーラ１８は、凸レンズ５の位置調整装置７、集光レンズ
９の位置調整装置１１、シャッタ１５の駆動装置１６の
動作を制御する。３１は指令信号を伝送するバス、３２
は駆動信号を伝送する信号ラインである。

【００１８】上記構成を有するレーザ加工装置の加工用
系統に対して、本発明のモニタ用の系統が付加される。 次に、モニタ用の系統について説明する。レーザ発振器
１の出力部とシャッタ１５との間の光路に、分光ミラー
３３が配設され、この分光ミラー３３で、レーザ発振器
１から出力されたレーザ光２が２Ａと２Ｂに分岐される
。分岐されたレーザ光２Ｂはモニタ用のサンプル光とし
て用いられ、レーザ光２Ａは加工用のレーザ光として用
いられる。レーザ光２Ｂの割合は、レーザ光２の例えば
４％程度である。サンプルのレーザ光２Ｂは、第２のビ
ームエキスパンダ３４によって、そのビーム径が拡大さ
れる。ビームエキスパンダ３４は凹レンズ３５と、位置
調整装置３７を備える凸レンズ３６とから構成される。 ビームエキスパンダ３４は、前述した加工用系統の第１
のビームエキスパンダ３と同一の構成を有し、同一の作
用を発揮する。ビームエキスパンダ３４を通ったレーザ
光は、ビームサンプラ３８でさらに減光され、集光レン
ズ３９で集光されて、２次元の入射部を有する固体撮像
素子４０に照射される。集光レンズ３９は位置調整装置
４１を備え、前記の集光レンズ９と同一の構成を有して
いる。

【００１９】以上の如く、レーザ発振器１から出力され
るレーザ光２に対して、加工用の光学系に対して、分岐
路としてモニタ用の光学系を併設し、レーザ光２の一部
がサンプル光２Ｂとして取り出される。このモニタ用光
学系は、ビームエキスパンダ３４および集光レンズ３９
を備え、加工用光学系と同一の構成を有している。なお
、４２はビームダンパである。

【００２０】固体撮像装置４０で捕らえられたレーザ光
２Ｂのエネルギ分布の画像データは、電気信号に変換さ
れ、画像処理部４３に転送され、ここで、ディジタル信
号に変換され、内蔵された画像メモリに格納される。画
像データは、さらにＴＶモニタ４４に伝送され、ここで
画像として表示され、サンプリングしたレーザ光２Ｂの
エネルギ分布の様子を観察することができる。この画像
は、同時に、加工用のレーザ光２Ａのエネルギ分布を表
示するものである。画像処理装置４３に蓄積された画像
データは、必要に応じて、データ処理および制御処理を
行うコンピュータ４５に転送され、コンピュータ４５で
画像データの解析およびこの解析結果に基づく制御指令
の作成等の動作が実行され、その結果を、フロッピーデ
ィスク４６に保存したり、ＣＲＴ４７に表示する。

【００２１】分光ミラー３３で分岐された２つのレーザ
光２Ａ，２Ｂは、それぞれ、光学的に同じ構成を有する
加工用光学系とモニタ用光学系を通過し、ワーク１０お
よび固体撮像装置４０に照射される。この場合において
、加工用光学系とモニタ用光学系の作動部は同期がとら
れており、それぞれの各条件、例えばビームエキスパン
ダ３，３４における凹レンズと凸レンズの距離、集光レ
ンズ９，３９の位置に関する条件などは全く同じである
。そのため、固体撮像装置４０におけるレーザ光２Ｂの
スポット径および規格化されたエネルギ分布は、ワーク
１０の加工面におけるレーザ光２Ａのものと実質的に同
じである。

【００２２】ここで、加工用光学系とモニタ用光学系と
の関係を、具体的に説明する。加工用光学系において、
分光ミラー３３と凹レンズ４との距離をＬ１、凹レンズ
４と凸レンズ５との距離をＬ２、凸レンズ５と集光レン
ズ９との距離Ｌ３、集光レンズ９とワーク１０との距離
をＬ４と、それぞれ定義する。またモニタ用光学系にお
いて、分光ミラー３３と凹レンズ３５との距離をＭ１、
凹レンズ３５と凸レンズ３６との距離をＭ２、凸レンズ
３６と集光レンズ３９との距離Ｍ３、集光レンズ３９と
固体撮像装置４０との距離をＭ４と、それぞれ定義する
。加工用光学系とモニタ用光学系とが同一の構成である
ということは、原則として、Ｌ１＝Ｍ１、Ｌ２＝Ｍ２、
Ｌ３＝Ｍ３、Ｌ４＝Ｍ４の関係が成立し、それぞれ対応
する光学部品が全く同じであることを意味する。したが
って、位置調整装置７と３７、位置調整装置１１と４１
は、それぞれ、同期して動くように構成され、前記距離
の関係を保持するようにしている。この同期関係は、コ
ントローラ１８により制御されている。

【００２３】上記構成を有するレーザ加工装置の実際の
調整動作を説明する。レーザ加工装置で加工を行うとき
、レーザ発振器１から出力されるレーザ光２について、
ワーク１０の加工面におけるレーザ光のスポット径等の
状態を、前記加工の目的に応じて適宜に調整する。 レーザ光２から分岐されたレーザ光２Ｂのスポット径等
の状態は、固体撮像装置４０と画像処理装置４３を介し
てモニタＴＶ４４に表示される。したがって、モニタ用
光学系が、加工用光学系と同一の構成を有するので、モ
ニタＴＶ４４に表示される画像内容が、ワーク１０の加
工面におけるレーザ光２Ａの状態を示している。そこで
、操作者は、モニタＴＶ４４の画像を観察しながら、こ
れを参照して、図示しない入力装置で、コントローラ１
８を介して、凸レンズ３６の位置調整装置３７と集光レ
ンズ３９の位置調整装置４１のいずれかを適宜に制御し
て、最適なスポット径およびエネルギ分布を有するレー
ザ光２Ｂを作る。このように調整することによって、レ
ーザ光２Ｂについても、モニタ用光学系と同期して動く
凸レンズ５および集光レンズ９により、ワーク１０の加
工面におけるビーム特性が、モニタＴＶ４４で表示され
る特性と全く同じものになるように調整される。こうし
て、例えば、切断加工を行う場合には、モニタＴＶを見
ながら、レーザ光２Ｂのスポット径が最小になるように
、調整操作を行うと、レーザ光２Ａのスポット径も最小
になるように調整される。この調整は、容易にかつ短時
間で行うことができ、最も望ましいを調整を行うことが
できる。

【００２４】また、前記調整のための操作において、モ
ニタＴＶ４４を観察しながら、位置調整装置７，１１を
制御するように構成することもできる。この場合、位置
調整装置７，１１の調整動作は、位置調整装置３７，４
１に同期しているから、モニタＴＶ４４を観察しながら
、同様に調整のための操作を行うことができる。

【００２５】さらに、その他の変形実施例として、コン
ピュータ４５を用いて、画像データの解析を行うように
すれば、この解析データを用いて、ワーク１０でのレー
ザ光２Ａのスポット径が最小になるような制御を行うこ
とができる。この場合には、コンピュータ４５からコン
トローラ１８へ、解析データによって得られた制御指令
が与えられ、コントローラ１８はこの制御指令に基づき
前述の制御を行う。

【００２６】前記実施例では、レーザ光のワーク加工面
におけるスポット径の制御に関して説明したが、エネル
ギ分布についても、同様に、最適な制御を容易にかつ短
時間で行うことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、レーザ加工装置において、ワークの加工面にお
けるレーザ光のスポット径やエネルギ分布等の特性を、
加工の目的に応じて、高い精度で最適な状態に調整する
ことができ、かつ、この調整は容易にかつ短時間に行う
ことができる。さらに、かかる調整は、自動的に行うこ
とができ、装置全体の自動化に役に立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。

【図２】従来のレーザ加工装置の構成図である。

【図３】加工テーブルの平面図である。

【図４】ビームエキスパンダの構成と作用を説明するた
めの図である。

【図５】ワークサンプルにおける調整のための加工状態
を示す平面図である。

【図６】前記ワークサンプルの加工の傷を示す要部断面
図である。

【図７】レーザ光のエネルギ分布を示す分布図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　レーザ発振器 ２　　　　　　　　　　レーザ光 ２Ａ　　　　　　　　加工用レーザ光 ２Ｂ　　　　　　　　モニタ用レーザ光３，３４　　　
　　　ビームエキスパンダ７，３７　　　　　　凸レン
ズ用位置調整装置９，３９　　　　　　集光レンズ １０　　　　　　　　ワーク １１，４１　　　　　　集光レンズ用位置調整装置１３
　　　　　　　　Ｘテーブル １４　　　　　　　　Ｙテーブル １５　　　　　　　　シャッタ １８　　　　　　　　コントローラ ３３　　　　　　　　分光ミラー ４０　　　　　　　　固体撮像装置 ４３　　　　　　　　画像処理装置 ４４　　　　　　　　モニタＴＶ ４５　　　　　　　　コンピュータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を出力するレーザ発振器と、
   前記レーザ光をワークの加工面まで誘導すると共に前記
   加工面におけるレーザ光のビーム品質を調整するための
   調整機構部を備えた加工用光学系と、前記ワークを配設
   する加工テーブルとからなるレーザ加工装置において、
   前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光の一部を
   取出す光学系であって、前記加工用光学系と同じ構成を
   有しかつ同期がとられたモニタ用の前記光学系を有し、
   このモニタ用光学系で取出されたレーザ光を入力して電
   気信号に変換する光電変換器と、前記光電変換器で取出
   された前記レーザ光のビーム断面のエネルギ分布を表示
   する画像処理・表示装置とを備え、前記画像処理・表示
   装置で表示される前記レーザ光の断面に関する画像を参
   照しながら、前記モニタ用光学系の調整機構部を調整し
   、この調整操作に基づき加工用に用いられる前記レーザ
   光のビーム品質を調整するようにしたことを特徴とする
   レーザ加工装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載のレーザ加工装置におい
   て、前記モニタ用光学系の調整機構部と前記加工用光学
   系の調整機構部との間で、モニタ用光学系の調整機構部
   で調整操作を行うと、この調整操作に対応して、前記加
   工用光学系の調整機構部で調整が自動的に行われること
   を特徴とするレーザ加工装置。
3. 【請求項３】　　請求項１記載のレーザ加工装置におい
   て、前記モニタ用光学系の調整機構部と前記加工用光学
   系の調整機構部との間で、加工用光学系の調整機構部で
   調整操作を行うと、この調整操作に対応して、前記モニ
   タ用光学系の調整機構部で調整が自動的に行われること
   を特徴とするレーザ加工装置。
4. 【請求項４】　　請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   レーザ加工装置において、調整操作される前記調整機構
   部における当該調整操作は、操作者による人為的な調整
   によるものであることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 【請求項５】　　請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   レーザ加工装置において、調整操作される前記調整機構
   部における当該調整操作は、前記画像処理・表示装置の
   記憶手段に予め用意される基準データに従い、この基準
   データと前記画像データとの比較に基づくデータ処理に
   より自動的に行われる調整によるものであることを特徴
   とするレーザ加工装置。