JPH06218570A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工対象ワークに対する焦点位置またはトー
チ姿勢を最適な条件に制御することができるレーザ加工
機を提供する。 【構成】 前記加工対象ワーク１０からの戻り光Ｌ２を
第１のビームスプリッタ２３によって分離して検出用集
光レンズ３１で集光し、この集光された戻り光Ｌ２を第
２のビームスプリッタ３２により分離して、それぞれ第
１の光検出器３３、第２の光検出器３４で検出する。こ
の第１と第２の光検出器３３、３４の出力の差から焦点
位置のずれを検出して集光レンズ駆動機構２４を制御し
て焦点位置を制御するとともに第１の光検出器３３の検
出面上の検出像の位置ずれから加工対象ワーク１０に対
する相対角度を検知し、姿勢駆動部４により加工トーチ
部２の姿勢を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を集光レンズ
により集光させて対象物を加工するレーザ加工機、特に
対象物に対するレーザ光の焦点位置または／および相対
角度を制御するための検出器を備えるレーザ加工機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機では、加工トーチ部にレー
ザ光源と集光レンズや放物面鏡などの集光系を内蔵し、
当該レーザ光源から出射されたレーザ光線を集光系で絞
って加工対象ワークの加工面上で集光させ加工する。

【０００３】この際、レーザ光線が加工対象ワーク面上
で正しく焦点を結ぶ必要があるため、加工対象ワークに
対する加工トーチ部の距離を検出して当該レーザ光の焦
点が常に加工対象ワークの加工面に来るように制御しな
がらレーザ加工の経路（加工パス）を教示する必要があ
る。

【０００４】従来、この加工対象ワークに対する加工ト
ーチ部の距離を検出するための手段として静電容量式の
距離センサを備えたものがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】静電容量式距離センサ
は、トーチ部と加工対象ワーク間の空間の静電容量を検
出してその距離を算出するものであるが、高価であるう
え、加工対象ワークの加工面が滑らかでなく凹凸が多い
場合には、検出誤差が生じるおそれがあった。

【０００６】また、一方では、レーザ加工に際して、加
工対象ワークの加工面に対し、加工トーチ部の姿勢、す
なわちレーザ光の光軸の方向を垂直に保つのが理想的で
あるが、トーチ姿勢を検出して常に加工対象ワークの加
工面に対し垂直に制御するような従来技術はなく、最初
に加工対象ワークを設置したときの角度のままで加工作
業を進めていた。そのため、加工対象ワークの加工面の
角度が場所によって異なっているような場合にはレーザ
加工を精度よくできないという問題点があった。

【０００７】特に、３次元の複雑な形状を有する加工対
象ワークの場合、加工トーチ部の姿勢と加工トーチ部の
距離を同時に調整するのは極めて困難であった。

【０００８】本発明は、上記問題点を解消し、加工対象
ワークとレーザ加工機の加工トーチ部の位置関係を、そ
の焦点位置または／および姿勢において制御し、最適な
条件でのレーザ加工を可能にするレーザ加工機を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１のレーザ加工機
は、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレー
ザ光を集光する集光レンズと、加工対象物からの戻り光
を用いて焦点誤差を検出する焦点誤差検出手段と、この
焦点誤差検出手段からの検出信号により前記レーザ光の
焦点位置を移動させる焦点駆動手段と、を備える。

【００１０】また、請求項２のレーザ加工機は、レーザ
光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を集光
する集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レンズを
格納するトーチ部と、前記加工対象物からの戻り光を用
いて前記加工対象物と前記トーチ部との相対角度を検出
する相対角度検出手段と、この相対角度検出手段からの
検出信号により前記トーチ部の姿勢を変化させる姿勢駆
動手段とを備える。

【００１１】請求項３のレーザ加工機は、請求項１の焦
点誤差検出手段が、焦点合わせすべき加工対象物に反射
し前記集光レンズを逆方向に進む戻り光を前記レーザ光
源から出射されたレーザ光と分離する第１のビームスプ
リッタと、前記分離された戻り光を集光する検出用集光
レンズと、前記検出用集光レンズを通過して集光された
戻り光を第１の光束と第２の光束に分離する第２のビー
ムスプリッタと、前記第１の光束と第２の光束の光路途
中にそれぞれ配設された第１と第２の光検出手段と、を
備え、前記第１の光検出手段は、前記第１の光束の集光
点に対して前記第２のビームスプリッタと反対側に配置
されるとともに、前記第２の光検出手段は、前記第２の
光束の集光点と前記第２のビームスプリッタとの間に配
置され、前記第１と第２の光検出手段からの出力信号の
差をとることにより、前記焦点誤差を検出する。

【００１２】請求項４のレーザ加工機は、請求項２の相
対角度検出手段が、焦点合わせすべき加工対象物に反射
して前記集光レンズを逆方向に進む戻り光を前記レーザ
光源から出射されたレーザ光と分離する第１のビームス
プリッタと、前記分離された戻り光を集光する検出用集
光レンズと、前記検出用集光レンズを通過して集光され
た戻り光を受光する第３の光検出手段と、を備え、前記
第３の光検出手段の検出面に形成された戻り光の検出像
の位置によって前記トーチ部の加工対象物に対する相対
角を検出する。

【００１３】請求項５のレーザ加工機は、請求項４にお
ける第３の光検出手段の検出面が複数の検出領域に分割
されており、各対角の検出領域からの出力の差を取るこ
とによりに前記戻り光の検出像の前記検出面上での位置
を検出する。

【００１４】請求項６のレーザ加工機は、レーザ光源
と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を集光する
集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レンズを格納
するトーチ部と、請求項３の焦点誤差検出手段と、この
焦点誤差検出手段からの検出信号により前記レーザ光の
焦点位置を移動させる焦点駆動手段と、請求項４の相対
角度検出手段と、この相対角度検出手段からの検出信号
により前記トーチ部の姿勢を変化させる姿勢駆動手段
と、を備え、請求項３の焦点誤差検出手段における第１
もしくは第２の光検出手段と、請求項４の相対角度検出
手段における第３の光検出手段を共用する。

【００１５】請求項７のレーザ加工機は、請求項３また
は請求項６のレーザ加工機において、その焦点誤差検出
手段は、前記戻り光の出力に応じて利得を変化させるこ
とにより、常に一定の検出精度を維持する。

【００１６】請求項８のレーザ加工機は、請求項４〜請
求項６のいずれかのレーザ加工機において、その相対角
度検出手段は、前記戻り光の出力に応じて利得を変化さ
せることにより、常に一定の検出精度を維持する。

【００１７】請求項９のレーザ加工機は、請求項４〜請
求項６記載のレーザ加工機のトーチ部の姿勢制御におい
て、まず、トーチ部の姿勢を前記相対角度検出手段によ
って制御しない状態で加工対象物に対して変化させ、前
記戻り光が第３の光検出手段に検出されると前記相対角
度検出手段を用いて前記トーチ部の姿勢を制御して、前
記加工対象物に対する相対角度を調整する。

【００１８】請求項１０のレーザ加工機は、請求項１〜
請求項６記載のレーザ加工機においてレーザ光源は出力
可変型であって、加工パスを教示するときにその出力を
減少させて検出用光源として用いる。

【００１９】

【作用】請求項１の発明によれば、レーザ光の焦点位置
を、加工対象物からのレーザ光の戻り光を用いた焦点誤
差検出手段によって制御するので、レーザ加工しながら
常に最適な焦点位置に保つことができる。

【００２０】請求項２の発明によれば、加工対象物に対
するトーチ部の相対角度を、加工対象物からの戻り光を
用いた相対角度検出手段によって制御するので、レーザ
加工しながら加工対象物に対して常に最適な姿勢を保つ
ことができる。

【００２１】請求項３の発明によれば、請求項１におけ
る焦点誤差検出手段は、第１のビームスプリッタにより
加工対象物から反射して再びレーザ集光用の集光レンズ
を逆方向に戻ってくる光をレーザ光源から出射されるレ
ーザ光と分離し、検出用集光レンズによってこの分離さ
れた戻り光を集光する。第２のビームスプリッタは、前
記検出用集光レンズを通過して集光された戻り光を第１
の光束と第２の光束に分離する。第１の光検出手段が、
第１の光束の集光点に対して前記第２のビームスプリッ
タと反対側に配置され、第２の光検出手段が第２の光束
の集光点と前記第２のビームスプリッタとの間に配置さ
れているので、ビーム光の焦点位置がずれると戻り光の
光路が変化し、一方の光検出手段の検出像が大きくなる
とともに他方の光検出手段の検出像は小さくなって検出
出力に異動が生じる。この第１と第２の光検出手段の出
力の差をとることにより、焦点ずれを検出する。

【００２２】請求項４の発明によれば、請求項２の相対
角度検出手段は、第１のビームスプリッタにより加工対
象物から反射して再び前記集光レンズに逆に入射してく
る戻り光をレーザ光源から出射されたレーザ光と分離す
る。この分離された戻り光を検出用集光レンズにより集
光する。第３の光検出手段はこの集光された戻り光を受
光し、その検出面に形成される戻り光の検出像の位置に
よって前記相対角を検出する。

【００２３】請求項５の発明によれば、請求項４の第３
の光検出手段の検出面は複数の検出領域に分割されてい
るので、各対角の検出領域からの出力の差を取ることに
よりに前記戻り光の検出像の前記検出面上での位置を検
出する。

【００２４】請求項６の発明にかかるレーザ加工機は、
請求項３の焦点誤差検出手段と請求項４の相対角度検出
手段を備え、加工対象物に対する焦点位置制御と姿勢制
御を同時に行なうことができる。また、請求項３におけ
る焦点誤差検出手段の第１もしくは第２の光検出手段
と、請求項４における相対角度検出手段における第３の
光検出手段とを共用しているので、検出系の構成が簡易
となる。

【００２５】請求項７および請求項８の発明によれば、
焦点誤差検出手段または相対角度検出手段は、戻り光の
出力に応じて利得を変化させるので、レーザ光の出力や
加工対象物の反射率の大きさにかかわらず自動的に検出
出力を調整し、常に一定の検出精度を維持することがで
きる。

【００２６】請求項９の発明によれば、レーザ加工機の
トーチ部の姿勢の制御は、まず、トーチ部の姿勢を前記
相対角度検出手段による制御をしない状態で加工対象物
に対して変化させ、戻り光が第３の光検出手段に検出さ
れると前記相対角度検出手段を用いてトーチ姿勢を制御
するので、最初加工対象物が相対角度検出手段の検出範
囲内にない場合でも当該トーチ部と加工対象物との相対
角度を制御できる。

【００２７】請求項１０の発明によれば、レーザ光源は
出力可変型のものであって、加工パスを教示するときに
は、出力を減少させて検出用光源として用いるようにし
ているので、加工対象物を損傷することなく加工パスの
教示作業を行なえる。

【００２８】

【実施例】本発明の一実施例を以下図面に基づいて分説
するが、これにより本発明の範囲が限定されるものでは
ない。

【００２９】＜レーザ加工機の全体の構成＞図１は、本
発明にかかるレーザ加工機１の全体の構成を示す概要図
である。

【００３０】このレーザ加工機１は大きく分けて、加工
トーチ部２、検出部３、姿勢駆動部４および制御部５か
ら構成される。

【００３１】加工トーチ部２は、加工用のレーザ光源２
１と集光レンズ２２とを備えており、当該レーザ光源２
１から放出されたレーザ光Ｌ１は、第１のビームスプリ
ッタ２３を透過し、集光レンズ２２によって加工対象ワ
ーク１０の加工面１０ａ上に集光されて焦点ｆを結び所
定の加工を行う。

【００３２】集光レンズ２２からレーザ光Ｌ１の焦点ｆ
までの距離は、集光レンズ駆動機構２４によって集光レ
ンズ２２を水平に移動させることにより決定される。

【００３３】また、加工トーチ部２と加工対象ワーク１
０の相対角度は、下部の姿勢駆動部４によって制御され
る。この姿勢駆動部４の機構は公知のものであって、こ
こでは詳しい説明は省略するが、レーザ光の光軸が図の
縦方向と紙面に垂直な方向に偏向するように加工トーチ
部２を駆動する。

【００３４】＜レーザ加工機の焦点位置制御＞加工ワー
ク１０と加工トーチ部２からのレーザ光Ｌ１の光軸が垂
直の場合、ワーク１０の加工面１０ａで反射した戻り光
Ｌ２は、同じ経路を逆方向に戻り、集光レンズ２２を通
過したあと、第１のビームスプリッタ２３によってレー
ザ光源２１からのレーザ光Ｌ１と分離される。分離され
た戻り光Ｌ２は、検出用集光レンズ３１によって集光さ
れる。

【００３５】集光された戻り光Ｌ２は、検出用集光レン
ズ３１と戻り光Ｌ２の集光点Ｐ１の途中に介設された、
たとえばハーフミラー型の第２のビームスプリッタ３２
によって第１の光束Ｌ３と第２の光束Ｌ４に２分され
る。

【００３６】加工対象ワーク１０の加工面１０ａが丁度
集光レンズ２２の焦点ｆの位置にあるとき、検出用集光
レンズ３１によって集光された戻り光Ｌ２は、第２のビ
ームスプリッタ３２から等距離の位置に集光点Ｐ１とＰ
２を形成する。

【００３７】本実施例では２個の光検出器３３、３４と
を用い、第１の光検出器３３は、集光点Ｐ１に対して第
２のビームスプリッタ３２と反対方向に距離ｗだけ遠ざ
かった位置に配置され、第２の光検出器３４は集光点Ｐ
２から所定距離ｗだけ第２のビームスプリッタ３２寄り
の位置に置かれて、それぞれの位置で第１の光束Ｌ３と
第２の光束Ｌ４を受光する。

【００３８】第１と第２の光検出器３３と３４は、加工
対象ワーク１０の加工面１０ａが集光レンズ２２の焦点
位置にあってかつ当該加工面１０ａとレーザ光Ｌ１の光
軸が垂直であるときに、それぞれの検出面の中央部に同
一直径のほぼ円形の検出像が形成されるように配置され
る。

【００３９】加工対象ワーク１０が集光レンズ２２の焦
点ｆより遠い位置にあるときは、戻り光Ｌ２は、集光レ
ンズ２２通過後はもはや平行光線とならず収束光とな
り、集光点Ｐ１とＰ２の位置は第２のビームスプリッタ
３２方向に近づくので、第１の光検出器３３上の検出像
は直径ｄより大きくなり、第２の光検出器３４上の検出
像は直径ｄより小さくなる。逆に、加工対象ワーク１０
が集光レンズ２２の焦点ｆより近い位置にあるとき、戻
り光Ｌ２は集光用レンズ２２を通過して発散光となり、
集光点Ｐ１とＰ２は第２のビームスプリッタ３２から遠
ざかる方向に移動し、第１の光検出器３３上の検出像は
直径ｄより小さくなり、反対に第２の光検出器３４上の
検出像は直径ｄより大きくなる。

【００４０】図２（ａ），（ｂ）は、それぞれ第１の光
検出器３３、第２の光検出器３４のの検出面の様子を示
す図である。

【００４１】図２（ａ）に示すように第１の光検出器３
３は検出部が５分割された検出器であって中央部がほぼ
直径ｄの円形の検出領域３３ｅであり、周辺がさらに４
分割されて検出領域３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと
なっている。

【００４２】一方、第２の光検出器３４は検出部が２分
割されており、中央部がほぼ直径ｄの円形の検出領域３
４ｇであり、周辺が検出領域３４ｆである。第１の光検
出器３３の検出領域３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，
３３ｅからの光検出信号をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、およ
び、第２の光検出器３４の検出領域３４ｆ，３４ｇから
の光検出信号をＦ，Ｇは、戻り光を検出したときにそれ
ぞれ正の信号として出力される。

【００４３】加工対象ワーク１０の加工面１０ａが集光
レンズ２２の焦点ｆの位置にあるときは、第１と第２の
光束Ｌ３，Ｌ４は各光検出器の検出面中央に直径ｄの検
出像を形成するので、第１と第２の光検出器３３、３４
の中央の検出領域３３ｅと３４ｇの検出信号であるＥ，
Ｇ信号は正になるが、その外周部の検出領域３３ａ〜３
３ｄおよび３４ｆからの検出信号であるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
信号ならびにＦ信号はほぼ零となる。また、加工面１０
ａが集光レンズ２２の焦点ｆの位置より遠い位置にある
ときは、第１の光検出器３３における検出像は大きくな
り、反対に第２の光検出器３４における検出像は小さく
なるので、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ信号は正であり、Ｆ信号は零
のままである。逆に、加工対象ワーク１０が集光レンズ
２２の焦点位置より近い位置にあるとき、第１の光検出
器３３における検出像は小さくなり、第２の光検出器３
４における検出像は大きくなるので、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ信
号は零であり、Ｆ信号は正となる。

【００４４】したがって、焦点誤差の有無は、光検出信
号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを加算した信号値からＦ信号の信号値
を減算した焦点誤差信号Ｆｄすなわち、

【００４５】

【数１】Ｆｄ＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）−Ｆ

【００４６】で表される信号の大きさによって判断する
ことができる。

【００４７】図３は、このような焦点誤差信号Ｆｄの大
きさを縦軸に、焦点誤差ｘの大きさを横軸にとった場合
の当該焦点誤差信号Ｆｄと焦点誤差ｘの相関関係を示す
グラフである。

【００４８】加工対象ワーク１０が集光レンズ２２の焦
点位置より遠くにずれる、すなわち、焦点誤差ｘが正に
なると焦点誤差信号Ｆｄは正となり、加工対象ワーク１
０が集光レンズ２２の焦点位置より近くにずれる、すな
わち、焦点誤差ｘが負になると焦点誤差信号Ｆｄは負と
なる。同グラフにおいて、焦点誤差ｘの絶対値がある程
度大きくなるにつれて、Ｆｄ信号の絶対値も小さくなっ
ているのは、光のあたっている検出面での検出像が大き
くなり過ぎて検出面からはみだし、検出器部分での光の
パワー密度が低下して検出信号が低下するためである。

【００４９】したがって、この焦点誤差信号Ｆｄを求め
ることにより、図３のグラフから焦点誤差ｘの大きさと
方向を知ることができる。

【００５０】ただし、これら焦点誤差検出に用いている
Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＦ信号の大きさは、レーザ光源２
１のパワーや、加工対象ワーク１０でのレーザ光の反射
率に依存するので、一定の焦点誤差ｘの変化に対して検
出された焦点誤差信号Ｆｄの大きさ、すなわち、焦点誤
差検出利得が変化する。そのため、制御部５の焦点誤差
検出回路５１においては、総戻り光量を検出して検出利
得が一定になるように調整している。

【００５１】図４は、この焦点誤差検出回路５１の回路
構成の一例を示す図である。

【００５２】光検出器３３と３４の全領域にあたる光を
検出するために、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ信号が加
算器５１１で加算され総戻り光量信号ＴＬとなる。この
総戻り光量信号ＴＬによって利得調整回路５１２〜５１
６が制御されＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ信号は総戻り光量に依
存しないＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’信号となる。具
体的には、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ信号がおのおの総戻り光
量信号ＴＬによって割算されてＡ’，Ｂ’，Ｃ’，
Ｄ’，Ｆ’信号となる。すなわち、新しく算出された
Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’信号は、総戻り光量信号
ＴＬに対する割合として出力されるため、総戻り光量の
変化にもかかわらず、焦点誤差ｘの変化のみに依存した
出力となる。

【００５３】加減算器５１７は、上記利得調整回路５１
２〜５１６の出力であるＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’信号を
加算してＦ’信号を減算した焦点誤差信号Ｆｄ’、すな
わち、

【００５４】

【数２】Ｆｄ’＝（Ａ’＋Ｂ’＋Ｃ’＋Ｄ’）−Ｆ’

【００５５】で与えられる信号を演算し、その出力を駆
動制御部５３に送る。

【００５６】Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’信号が、総
戻り光量信号ＴＬの影響を受けないため、この焦点誤差
信号Ｆｄ’はレーザ光源２１のパワーや、加工対象ワー
ク１０でのレーザ光の反射率に依存せず、焦点誤差ｘの
変化のみに依存した精度の高い出力となる。

【００５７】駆動制御部５３には、図３のグラフ同様の
焦点誤差信号Ｆｄ’と焦点誤差ｘの関係を示す情報が記
憶されており、上記焦点誤差検出回路５１からの焦点誤
差信号Ｆｄ’に基づき集光レンズ駆動機構２４を駆動制
御し、加工対象ワーク１０の加工面１０ａが常に集光レ
ンズ２２の焦点ｆの位置にくるように調整する。

【００５８】なお、本実施例では集光レンズ２２のみを
光軸に沿って動かして、加工対象ワーク１０を集光レン
ズ２２の焦点位置に位置決めしているが、もちろんレー
ザ加工機１全体を動かして加工対象ワーク１０までの距
離を制御してもよい。

【００５９】＜レーザ加工機の相対角度制御＞次に本発
明の、加工対象ワーク１０とレーザ加工機１の相対角度
の制御について述べる。加工対象ワーク１０とレーザ加
工機１の光軸が垂直でない場合には、ワーク１０からの
戻り光Ｌ２は入射レーザ光Ｌ１の光軸と平行でなくな
り、第１のビームスプリッタ２３によって入射レーザ光
Ｌ１と分離されて検出用集光レンズ３１によって集光さ
れた光は、第１の光検出器３３の中央からずれた位置に
検出像を結ぶことになる。本実施例では、図１の上方か
ら見たときに第１の光検出器３３が図２（ａ）のように
配置されており、図１で加工対象ワーク１０が入射レー
ザ光Ｌ１の光軸に対して上向きの角度にずれた場合、図
２（ａ）の光検出器３３の検出面上での検出像は検出領
域３３ａ方向に移動する。同じく加工対象ワーク１０が
入射光軸に対して下向きの角度にずれた場合、図２
（ａ）の光検出器３３上で検出像は検出領域３３ｂ方向
に移動する。

【００６０】また、加工対象ワーク１０が入射光軸に対
して右向きの角度にずれた場合、図２（ａ）の光検出器
３３上で検出像は検出領域３３ｃ方向に移動する。ワー
ク１０が入射光軸に対して左向きの角度にずれた場合、
図２（ａ）の光検出器３３上で検出像は検出領域３３ｄ
方向に移動する。

【００６１】このような検出像の移動により、光検出器
３３からの各Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ信号に大小が生じ相対角度
検出回路５２では、対角となる検出領域からの出力信号
の差を計算する。

【００６２】図５は、この相対角度検出回路５２の回路
構成の一例を示す図である。この相対角度検出回路５２
は、２個の減算器５２１、５２２からなっており、減算
器５２１では上記Ａ’信号からＢ’信号を減算した上下
傾斜信号ＵＤ、すなわち、

【００６３】

【数３】ＵＤ＝Ａ’−Ｂ’

【００６４】で表される信号を、減算器５２２では上記
Ｃ’信号からＤ’信号を減算した左右傾斜信号ＲＬ、す
なわち、

【００６５】

【数４】ＲＬ＝Ｃ’−Ｄ’

【００６６】で表される信号を形成する。

【００６７】上下傾斜信号ＵＤは、上下方向の角度変化
に対して図６（ａ）のように変化する。すなわち、加工
対象ワーク１０が入射光軸に対して上向きの角度にずれ
た場合、上下傾斜信号ＵＤは正になり、加工対象ワーク
１０が入射光軸に対して下向きの角度にずれた場合、上
下傾斜信号ＵＤは負になる。

【００６８】一方、左右傾斜信号ＲＬは、左右方向の角
度変化に対して図６（ｂ）のように変化する。すなわ
ち、加工対象ワーク１０が入射光軸に対して右向きの角
度にずれた場合、左右傾斜信号ＲＬは正になり、加工対
象ワーク１０が入射光軸に対して左向きの角度にずれた
場合、左右傾斜信号ＲＬは負になる。

【００６９】図６（ａ）（ｂ）において角度変化の絶対
値がある程度大きくなると、ＵＤ，ＲＬ信号の絶対値も
小さくなっているのは、検出像が中心からずれ過ぎて光
検出器３３の検出面からはみだし、検出器部分での光の
パワー密度が低下して検出信号が低下するためである。

【００７０】この上下傾斜信号ＵＤと左右傾斜信号ＲＬ
は、次段の駆動制御部５３に与えられる。駆動制御部５
３内部には、図６（ａ）（ｂ）の各グラフに関する情報
が記憶されており、入力されてきた上下傾斜信号ＵＤと
左右傾斜信号ＲＬの大きさに応じて、姿勢駆動部４を駆
動制御し、加工対象ワーク１０の加工面１０ａが常にレ
ーザ光Ｌ１の光軸に垂直になるように姿勢決めする。

【００７１】なお、本実施例では、相対角度検出のため
に第１の光検出器３３の周辺を４分割して用いたが、加
工対象ワーク１０の傾斜に対する検出像の移動は、第２
の光検出器３４でも発生するので、第１の光検出器３３
のかわりに、第２の光検出器３４の周辺を４分割して用
いてもよい。

【００７２】上述のような相対角度検出においては、加
工対象ワーク１０と入射光軸が大幅にずれていると、戻
り光Ｌ２が検出系に戻らず当該相対角度を検出できな
い。そこで、本実施例ではオペレータが概略の焦点位置
と姿勢にあわせると、レーザ加工機１の加工トーチ部２
が、あらかじめ光軸の回りにらせん形のみそすり動作を
行うことにより、第１の光検出器３３に戻り光Ｌ２が検
出されるまで、加工トーチ部２の姿勢を加工対象物に対
して変化させ、当該トーチ姿勢が検出可能範囲に入ると
相対角度検出回路の光検出器３３の出力を用いて自動的
に姿勢制御するように駆動制御部５３にプログラムされ
ている。この姿勢制御後、焦点位置検出回路５１の出力
を用いて焦点距離の制御を行う。

【００７３】＜加工パスの教示と検出用光学系の保護＞
実際のレーザ加工においては、あらかじめ、駆動制御部
５３において加工対象ワーク１０に対する加工経路（加
工パス）を教示してこれを記憶させておき、その後、当
該加工パスに従ってレーザ加工する。この加工パスを決
定して駆動制御部５３に記憶させる段階では、加工対象
ワーク１０を加工せず、かつ、検出用光学系が破損しな
い状態で行う必要がある。

【００７４】レーザ光源２１の加工時のパワーで検出光
学系が破損するかどうか、レーザ光源２１のパワーが制
御可能かどうかで、表１に示すように４通りの場合分け
が生じる。

【００７５】

【表１】

【００７６】（１）の場合には、加工中も焦点位置と姿
勢の制御を行うことが可能であるが、その前にレーザ加
工機１と加工対象ワーク１０の距離と姿勢を含む加工パ
スを記憶する必要がある。このときはレーザ光源２１の
出力を落とし、加工対象ワーク１０が加工されないよう
にする。

【００７７】（２）の場合には、加工中は焦点位置と姿
勢の制御を行うことは不可能である。そのため、あらか
じめレーザ光源２１の出力を落とし、レーザ加工機１と
加工対象ワーク１０の距離と姿勢を含む加工パスを記憶
し、その後、記憶されたデータに基づいてレーザ光源２
１の出力を上げて加工を行う。加工中は第１のビームス
プリッタ２３を光路中から移動させ、光学検出系にレー
ザ光の戻り光Ｌ２が入射しないようにする。

【００７８】（３）の場合には、レーザ光源２１では加
工対象ワーク１０が加工されてしまうため、加工パスを
記憶させることができない。そのため、パワーの弱い検
出専用のレーザ光源に交換し、本発明の光学検出系を用
いて、あらかじめレーザ加工機１と加工対象ワーク１０
の距離と姿勢を含む加工パスを記憶し、その後、加工用
のレーザ光源２１に交換して記憶されたデータに基づい
て加工を行う。

【００７９】この場合、加工中は検出専用のレーザ光源
を光路中から移動させる。ただし、加工中は焦点位置と
姿勢の制御を行うことが可能なので、熱歪みなどで記憶
された加工パスと実際のパスが違ってもこれを補正する
ことができる。

【００８０】（４）の場合には、加工用のレーザ光源２
１を用いて加工パスを記憶させることも、加工中に焦点
位置と姿勢の制御を行うことも不可能である。そのた
め、検出専用のパワーの弱いレーザ光源を用いて、あら
かじめレーザ加工機１と加工対象ワーク１０の距離と姿
勢を含む加工パスを記憶し、その後、記憶されたデータ
にもとづいて加工用光源２１で加工を行う。加工中に
は、上記（２）の場合と同様に検出専用のレーザ光源を
光路中から移動させるとともに、検出系に戻り光Ｌ２が
入射しないようにする。

【００８１】なお上記（２）（４）の場合、レーザ加工
中は、戻り光Ｌ２が検出系に入射されないようにしてい
るが、たとえば透過率と屈折率が小さい透過フィルタを
光路中に介在させて光検出器３３、３４を保護するよう
にすれば、レーザ加工中でも検出することが一応可能に
なる。

【００８２】また、レーザ光源２１を加工トーチ部２と
別置にして光ファイバーなどのライトガイドにより当該
レーザ光源２１から射出されるレーザ光を加工トーチ部
２に導くようにしてもよい。

【００８３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、レーザ光の焦
点位置を、加工対象物からのレーザ光の戻り光を利用し
て焦点誤差を検出して制御するので、レーザ加工を行い
ながらで常に最適な焦点距離を保つことができる。ま
た、加工対象物の加工面が凹凸などがあって複雑な形状
をしていても、まさに加工している点からの反射光によ
って焦点誤差を検出するので、レーザ光の焦点位置を確
実に加工点に一致させることが可能である。

【００８４】請求項２の発明によれば、加工対象物に対
するトーチ部との相対角度を、加工対象物からの戻り光
を利用して検出し制御するので、レーザ加工しながら加
工対象物に対して常に最適なトーチ姿勢を保つことがで
きる。また、加工対象物の加工面が凹凸などがあって複
雑な形状をしていても、まさに加工している点からの反
射光によって焦点誤差を検出するので、加工点に入射さ
れるレーザ光の光軸の相対角度を最適に制御させること
が可能である。

【００８５】請求項３の発明によれば、焦点誤差検出手
段は、第１のビームスプリッタにより加工対象物から反
射して再びレーザ集光用の集光レンズを逆方向に戻って
くる光をレーザ光源からのレーザ光と分離して検出用集
光レンズによって集光し、この集光された戻り光を２分
し、一方の光束の集光点の前方および他方の光束の集光
点の後方にそれぞれ光検出手段を配置したので、焦点位
置がずれると一方の光検出器の検出像が大きくなり他方
の光検出器の検出像は小さくなって、検出出力に異動が
生じる。この第１と第２の光検出手段からの出力の差を
とることにより、焦点ずれを容易に検出することがで
き、焦点位置制御が確実に行える。

【００８６】請求項４の発明によれば、相対角度検出手
段は、第１のビームスプリッタにより加工対象物から反
射して再び前記集光レンズを逆方向に戻ってくる光を入
射光と分離して検出用集光レンズによりを集光し、第３
の光検出手段によって受光する。この第３の光検出手段
の検出面に形成される戻り光の検出像の位置によって、
容易に前記相対角を検出することができ、姿勢制御が確
実に行える。

【００８７】請求項５の発明によれば、第３の光検出手
段の検出面は複数の検出領域に分割されているので、各
対角の検出領域からの出力の差を取ることによりに前記
戻り光の検出像の前記検出面上での位置を容易に検出す
ることができる。

【００８８】請求項６の発明によれば、請求項３の焦点
誤差検出手段と請求項４の相対角度検出手段を備え、レ
ーザ加工しながら加工対象物に対する焦点位置制御と姿
勢制御を併せて行なうことができるレーザ加工機を得る
ことができる。また、焦点誤差検出手段における第１の
光検出器は、相対角度検出手段における第３の光検出器
と共用しているので、検出系の構成を簡易化することが
できる。

【００８９】請求項７および請求項８の発明によれば、
焦点誤差検出手段、相対角度検出手段の各検出回路は、
前記戻り光のパワーに応じて利得を変化させるようにな
っているので、レーザ光の出力や加工対象物の反射率の
大きさにかかわらず自動的に検出出力を調整することが
でき、焦点誤差や相対角度の変化のみに応じたより正確
な出力を得ることができる。

【００９０】請求項９の発明によれば、レーザ加工機の
トーチ姿勢の制御は、まず、レーザ加工機のトーチ部の
姿勢を前記相対角度検出手段による制御をしない状態で
加工対象物に対して変化させ、戻り光が第３の光検出器
に検出されると相対角度検出手段を用いてトーチ姿勢を
制御するようにしており、最初加工対象物が相対角度検
出手段の検出範囲内にない場合でもあっても相対角度制
御することが可能になる。

【００９１】請求項１０の発明によれば、加工用レーザ
光源は出力可変型であって、加工パスを教示するとき
は、出力を減少させることにより検出用光源として用い
るようにしているので、加工対象物を損傷することなく
加工パスの教示作業を行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるレーザ加工機の全体の
構成を示す図である。

【図２】図１のレーザ加工機の検出部における光検出器
の検出面の様子を示す図である。

【図３】図１のレーザ加工機における焦点誤差と焦点誤
差検出回路から出力される焦点誤差信号との関係を示す
グラフである。

【図４】図１のレーザ加工機における焦点誤差検出回路
の構成を示す図である。

【図５】図１のレーザ加工機における相対角度検出回路
の構成を示す図である。

【図６】図１のレーザ加工機の処理対象ワークに対する
相対角度と、相対角度検出回路から出力される上下傾斜
信号もしくは左右傾斜信号との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ レーザ加工機 ２ 加工トーチ部 ３ 検出部 ４ 姿勢駆動部 ５ 制御部 １０ 加工対象ワーク ２１ レーザ光源 ２２ 集光レンズ ２３ 第１のビームスプリッタ ３１ 検出用集光レンズ ３２ 第２のビームスプリッタ ３３ 第１の光検出器 ３４ 第２の光検出器 ５１ 焦点誤差検出回路 ５２ 相対角度検出回路 ５３ 駆動制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 俊英 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明和 工業株式会社開発技術本部内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集光したレーザ光を加工対象物に照射し
   て加工するレーザ加工機であって、 レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光
   を集光する集光レンズと、前記加工対象物からの戻り光
   を用いて焦点誤差を検出する焦点誤差検出手段と、この
   焦点誤差検出手段からの検出信号により前記レーザ光の
   焦点位置を移動させる焦点駆動手段と、を備えたことを
   特徴とするレーザ加工機。
2. 【請求項２】 集光したレーザ光を加工対象物に照射し
   て加工するレーザ加工機であって、 レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光
   を集光する集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レ
   ンズを格納するトーチ部と、前記加工対象物からの戻り
   光を用いて前記加工対象物と前記トーチ部との相対角度
   を検出する相対角度検出手段と、この相対角度検出手段
   からの検出信号により前記トーチ部の姿勢を変化させる
   姿勢駆動手段と、を備えたことを特徴とするレーザ加工
   機。
3. 【請求項３】 前記焦点誤差検出手段は、 焦点合わせすべき加工対象物に反射して前記集光レンズ
   を逆方向に進む戻り光を前記レーザ光源から出射された
   レーザ光と分離する第１のビームスプリッタと、 前記分離された戻り光を集光する検出用集光レンズと、 前記検出用集光レンズを通過して集光された戻り光を第
   １の光束と第２の光束に分離する第２のビームスプリッ
   タと、 前記第１の光束と第２の光束の光路途中にそれぞれ配設
   された第１と第２の光検出手段と、を備え、 前記第１の光検出手段は、前記第１の光束の集光点に対
   して前記第２のビームスプリッタと反対側に配置される
   とともに、 前記第２の光検出手段は、前記第２の光束の集光点と前
   記第２のビームスプリッタとの間に配置され、 前記第１と第２の光検出手段からの出力信号の差をとる
   ことにより、前記焦点誤差を検出することを特徴とする
   請求項１記載のレーザ加工機。
4. 【請求項４】 前記相対角度検出手段は、 焦点合わせすべき加工対象物に反射して前記集光レンズ
   を逆方向に進む戻り光を前記レーザ光源から出射された
   レーザ光と分離する第１のビームスプリッタと、 前記分離された戻り光を集光する検出用集光レンズと、 前記検出用集光レンズを通過して集光された戻り光を受
   光する第３の光検出手段と、を備え、 前記第３の光検出手段の検出面に形成された戻り光の検
   出像の位置によって前記トーチ部の加工対象物に対する
   相対角を検出することを特徴とする請求項２記載のレー
   ザ加工機。
5. 【請求項５】 前記第３の光検出手段の検出面は複数の
   検出領域に分割され、各対角の検出領域からの出力の差
   を取ることにより前記検出面上での前記戻り光の検出像
   の位置を検出することを特徴とする請求項４記載のレー
   ザ加工機。
6. 【請求項６】 集光したレーザ光を加工対象物に照射し
   て加工するレーザ加工機であって、 レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光
   を集光する集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レ
   ンズを格納するトーチ部と、請求項３の焦点誤差検出手
   段と、この焦点誤差検出手段からの検出信号により前記
   レーザ光の焦点位置を移動させる焦点駆動手段と、請求
   項４の相対角度検出手段と、この相対角度検出手段から
   の検出信号により前記トーチ部の姿勢を変化させる姿勢
   駆動手段と、を備え、 請求項３の焦点誤差検出手段における第１もしくは第２
   の光検出手段と、請求項４の相対角度検出手段における
   第３の光検出手段を共用することを特徴とするレーザ加
   工機。
7. 【請求項７】 前記焦点誤差検出手段は、前記戻り光の
   出力に応じて利得を変化させることにより、常に一定の
   検出精度を維持することを特長とする請求項３または請
   求項６記載のレーザ加工機。
8. 【請求項８】 前記相対角度検出手段は、前記戻り光の
   出力に応じて利得を変化させることにより、常に一定の
   検出精度を維持することができることを特長とする請求
   項４〜請求項６のいずれかに記載のレーザ加工機。
9. 【請求項９】 前記トーチ部の前記加工対象物に対する
   姿勢制御は、まず、前記トーチ部の姿勢を前記相対角度
   検出手段によって制御しない状態で加工対象物に対して
   変化させ、前記戻り光が第３の光検出手段に検出される
   と前記相対角度検出手段を用いて前記トーチ部の姿勢を
   制御して、前記加工対象物に対する相対角度を調整する
   ようにしたことを特徴とする請求項４〜請求項６のいず
   れかに記載のレーザ加工機。
10. 【請求項１０】 前記レーザ光源は出力可変型であっ
    て、加工パスを教示するときにその出力を減少させて検
    出用光源として用いること特徴とする請求項１〜請求項
    ６のいずれかに記載のレーザ加工機。