JPH0426817A

JPH0426817A - レーザビームのコリメート装置

Info

Publication number: JPH0426817A
Application number: JP2131173A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sako; 宏迫
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1992-01-30
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JP2970927B2

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）本発明はレーザビームのコリメート方法及びレーザビー
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Ｚｎ５ｅ
）のレーザビームの吸収率が大きくなって、出力ミラー
が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ニジステム
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レーザビームの吸収率
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。

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
ート方法及び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。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）前述のごとき、従来の問題点を解決するために本発明に
おいては、レーザ発振器により発振されたレーザビーム
をコリメートするレーザビームのコリメート方法におい
て、光軸上の所定範囲内においてビーム径を検出し、こ
の検出値に基づ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、この演算処理された値に基づいて光軸
上のコリメートレンズの位置を調節することにより、レ
ーザビームをコリメートするものである。

また、レーザ発振器により発振されたレーザビームをコ
リメートするためのレーザビームのコリメート装置にお
いて、レーザビームの光軸上にコリメートレンズを設け
、レーザビームのビーム径を検出するためのビーム径検
出装置を、光軸上に所定範囲内で移動自在に設け、上記
ビーム径検出装置の検出値に基づいてレーザビームの収
縮状態又は拡散状態を演算処理すると共に、この演算処
理された値に基づいて前記コリメートレンズの光軸上の
位置を調節する制御手段を設けてなるものである。

また、前記コリメートレンズの周囲の熱を放熱するため
の放熱手段を設けてなるものである。

（作用）前記の構成において、レーザ発振器を適宜に操作してレ
ーザビームを発振させた後、ビーム径検出装置を光軸方
向へ移動させることにより、光軸上の所定範囲内のビー
ム径を検出する。次に上記検出値に基づいて制御手段に
よりレーザビームの収縮状態又は拡散状態を演算処理す
る。そして、この演算処理された値に基づいて制御手段
によりコリメートレンズの光軸上の位置を調節する。こ
れによって、レーザ発振器の出力ミラーが熱レンズ効果
により凸レンズとして作用した場合においても、所定の
領域（コリメートしたい領域）のレーザビームのビーム
径をほぼ同一にしてコリメートすることができる。

また、上記作用の過程において、放熱手段によりコリメ
ートレンズの周囲の熱を放熱しているために、コリメー
トレンズに熱レンズ効果は生じないものである。

（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
連結しである。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、焦点レンズ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
へ移動可能に設けである。

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
在に設けである。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に螺合したナツト
部材３１が取付けである。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が設けである。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はリアミラー７から２５０ｍｍの位置とりア
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０３３
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に接続しである。なお、ドライエアの代わりにＮ
２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はナツト部材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１ｔ３７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、光転６
導装置３における光軸上にはレーザビーム解析装置３９
が所定範囲内で移動可能に設けである。

出力ミラー７から１２ｍの位ａｔ（Ａ点）と出力ミラー
７から２０ｍの位置（Ｂ点）との間を移動可能に設けで
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に螺合したナツト部材４７が一体的に取付けであ
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４
５はナツト部材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３つが光軸方向へ
所定範囲（本実施例ではＡ点とＢ点との間ン内を移動す
ることができ、上記所定範囲内に亘ってレーザビームＬ
Ｂのビーム径を検出することができるものである。

上記光転導装Ｗ３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が設けである。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ＣＰＵ
５３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が接続しである。また、前記レーザビーム解析装置
３９、出力測定装置１５はＣＰＵ５３に接続しである。

前述の構成に基づいて本実施例の作用について第３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Ｌ
Ｂ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Ｓｌ）　、Ｃ
ＰＵ５３、第２駆動部５７を介して第２サーボモータ４
１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Ｌ
Ｂ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５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５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Ｓ
４．Ｓ５）。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、ＣＰＵ５Ｂ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５図に示すようにコリメートされるも
のである。

更に、第５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ＣＰＵ５Ｂにより拡散状態を演算処理す
る（ステップＳ４．Ｓ７）。

そして、ＣＰＵ５Ｂ、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て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〈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。

［発明の効果コ以上のごとき実施例の説明により理解されるように、本
発明によれば、光軸上の所定範囲内においてビームをビ
ーム径検出装置により検出し、制御手段により、この検
出値に基づいてレーザビーム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レーザ発振
器の出力ミラー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。ま
た、レーザビーム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て適切なレーザ加工を行うこ
とができるものである。

更に、放熱手段によりコリメートレンズの周囲の熱の放
熱する場合においては、コリメートレンズに熱レンズ効
果が生じないために、レーザの出力が更に安定するもの
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
ミラーが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が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・・・制御手段代理人　弁理士　　三　好　秀　和第図巴カミう−ｈ゛らの距離第６図出カミうからの距離ｍｌ第７ＷＪ（吸収率）第８図手続補正書（睦）平成３年８月２８日特許庁長官殿１、事件の表示特願平２−１３１１７３号２、発明の名称レーザビームのコリメート方法及びレーザビームのコリ
メート装置３、補正をする者事件との関係住所（居所）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ発振器により発振されたレーザビームをコ
リメートするレーザビームのコリメート方法において、
光軸上の所定範囲内においてビーム径を検出し、この検
出値に基づ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、この演算処理された値に基づいて光軸上の
コリメートレンズの位置を調節することにより、レーザ
ビームをコリメートすることを特徴とするレーザビーム
のコリメート方法。
（２）レーザ発振器により発振されたレーザビームをコ
リメートするためのレーザビームのコリメート装置にお
いて、レーザビームの光軸上にコリメートレンズを設け
、レーザビームのビーム径を検出するためのビーム径検
出装置を、光軸上に所定範囲内で移動自在に設け、上記
ビーム径検出装置の検出値に基づいてレーザビームの収
縮状態又は拡散状態を演算処理すると共に、この演算処
理された値に基づいて前記コリメートレンズの光軸上の
位置を調節する制御手段を設け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。（３）前記コリメート
レンズの周囲の熱を放熱するための放熱手段を設けてな
ることを特徴とする請求項２記載のレーザビームのコリ
メート装置。