JPH0768396A

JPH0768396A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0768396A
Application number: JP5218505A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Shimomura; 義昭下村; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Nobuhiko Tada; 信彦多田; Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】ワークの加工面上におけるレーザ光のスポット
径を、短時間かつ容易に、加工目的に応じた適切な大き
さに調整することができるレーザ加工装置を提供する。【構成】レーザ光２より取り出したサンプル光３２をフ
ーリエ変換レンズ３４で集光し、光検出器３５でそのフ
ーリエ変換像を得る。また、そのフーリエ変換像に基づ
くデジタル信号３８をもとに演算部３７でレーザ光２の
拡がり角θを算出し、さらにこの拡がり角θから調整機
構部、即ち凸レンズ５及び集光レンズ９の調整量を算出
する。そして、この調整量の値に基づいてコントローラ
１７の制御のもとに位置調整装置７及び１１、従って凸
レンズ５及び集光レンズ９の位置を自動的に調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工装置に係わ
り、特にワークの加工面上におけるレーザ光のビーム径
を変更することが可能なレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ加工装置の構成について図
７及び図８により説明する。図７において、レーザ発振
器１０１から出力されたレーザ光１０２は、ビームエキ
スパンダ１０３に備えられた凹レンズ１０４と凸レンズ
１０５とより、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１０３に備えらた凸レンズ１
０５には位置調整装置１０７が設けられており、凸レン
ズ１０５を移動させることによって凹レンズ１０４と凸
レンズ１０５の間の距離を図中矢印１０６で示す光路方
向に変更することができる。凹レンズ１０４と凸レンズ
１０５の間の距離を変更すると、ビームエキスパンダ１
０３からのレーザ光１０２ａ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１０３から出力され
たレーザ光１０２ａは、ベンディングミラー１０８でそ
の進路が曲げられる。

【０００３】次いで、レーザ光１０２ａは集光レンズ１
０９で集光され、集光状態のスポット１０２ｂとしてワ
ーク１１０の加工面に照射される。集光レンズ１０９に
ついても、位置調整装置１１１が設けられ、その位置を
図中矢印１１２で示す光路方向に調整することができ
る。ワーク１１０は、Ｘテーブル１１３ＡとＹテーブル
１１３Ｂとからなる加工テーブル１１４の上に載置され
る。Ｘテーブル１１３Ａは、Ｘ軸方向への移動を行うた
めのモータ１１３ａを備え、Ｙテーブル１１３ＢはＹ軸
方向への移動を行うためのモータ１１３ｂを備える。但
し、Ｘ軸及びＹ軸はワーク１０の加工面内に設定した相
直交する軸である。

【０００４】レーザ発振器１０１とビームエキスパンダ
１０３との間には、機械的にレーザ光１０２を遮断する
シャッタ１１５が配設される。このシャッタ１１５は、
シャッタ駆動装置１１６により、加工テーブル１１４の
移動動作に同期して開閉動作を行い、レーザ発振器１０
１から出力したレーザ光１０２が、所定のタイミングで
ワーク１１０の方へ導かれる。また、ビームダンパ１１
８はシャッタ１１５が閉状態の時のレーザ光を吸収す
る。さらに、レーザ発振器１０１、位置調整装置１０
７，１１１、モータ１１３ａ，１１３ｂ、シャッタ駆動
装置１１６のそれぞれの動作は、コントローラ１１７に
より制御される。ワーク１１０の加工面では、加工テー
ブル１１４の移動動作により、ワーク１１０の加工面に
２次元の軌跡を自由に描くことができ、そしてこの軌跡
に沿ってレーザ光が照射される。

【０００５】以上のような構成において、ワーク１１０
の加工面でのスポット１０２ｂのエネルギ密度を制御す
ることにより、切断や表面熱処理等の種々の加工を行う
ことができる。この時のワーク１１０の加工面における
スポット径やエネルギ密度等の制御は、位置調整装置１
０７で凸レンズ１０５の位置を調整するか、位置調整装
置１１１で集光レンズ１０９の位置を調整し、集光レン
ズ１０９の焦点位置を変更することによって行われる。
特に、レーザ光でワークに切断加工を施す場合には、エ
ネルギ密度を高くし、かつ切断幅を狭くすることが要求
されるため、ワーク１１０の加工面に集光レンズ１０９
の焦点が位置するように、位置調整装置１０７，１１１
を制御する必要がある。

【０００６】上記のうち、凸レンズ１０５によってワー
ク１１０の加工面に焦点を結ばせる方法について述べ
る。位置調整装置１０７で凸レンズ１０５の位置を変化
させれば、集光レンズ１０９に入射するレーザ光１０２
ａの拡がり角が変化し、集光レンズ１０９で集光される
レーザ光１０２ａの焦点の位置が変化する。例えば、集
光レンズ１０９の焦点距離の位置にワーク１１０の加工
面が存在する場合、上記拡がり角を０として平行ビーム
で集光レンズ１０９に入射させると、ワーク１１０の加
工面上で焦点を結ぶことになる。また、レーザ発振器１
０１から出力されるレーザ光１０２が平行ビームの場合
に、凹レンズ１０４と凸レンズ１０５の間の距離を両レ
ンズそれぞれの焦点距離の和になるようにしておけば、
レーザ光１０２ａは集光レンズ１０９へ平行ビームで入
射し、必ずワーク１１０の加工面で焦点を結ぶ。一方、
これ以外の場合には、レーザ光２ａはワーク１１０の加
工面上に集光せず、ワーク１１０の加工面から外れるこ
とになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ発振
器１０１から出力されるレーザ光１０２は、一般に平行
ビームではなく、最初から或る拡がり角を有している。
また、レーザ発振器１０１から出力されるレーザ光１０
２の拡がり角は、そのレーザ発振器１０１の出力レベル
に応じても変化する。このため、ある出力レベルの時に
おいて、凸レンズ１０５や集光レンズ１０９の位置がワ
ーク１１０の加工面上で焦点を結ぶ位置関係を満足する
ように設定されていたとしても、他の出力レベルの時に
はレーザ光１０２ａはワーク１１０の加工面で集束せ
ず、焦点が外れることになる。

【０００８】従来、ワーク１１０の加工面でレーザ光１
０２ａが集束されているか否かは、ワークサンプル１２
０に集束させたレーザ光１０２ａを照射して実際に加工
を行い、図８（ａ）及び（ｂ）のように形成された穴１
２１の径を観測することにより判断していた。そして、
ワーク１１０の加工面にレーザ光１０２ａの焦点がくる
ようにするためには、凸レンズ１０５および集光レンズ
１０９を、それぞれの位置調整装置１０７，１１１によ
って適宜に移動させて、ワークサンプル１２０に形成さ
れた穴１２１の径が最小になるように調整することが必
要である。かかる調整作業は、レーザ加工の作業中にお
いてレーザ発振器１０１の出力レベルが変動するたびに
行なわなければならず、しかも、実際にワークを加工し
なければならないため、長時間を要し、かつ手間がかか
るものであった。

【０００９】本発明の目的は、ワークの加工面上におけ
るレーザ光のスポット径を、短時間かつ容易に、加工目
的に応じた適切な大きさに調整することができるレーザ
加工装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、レーザ光を出力するレーザ発振器
と、ワークの加工面におけるレーザ光のスポット径を調
整する調整機構部を備え前記レーザ光を前記加工面まで
誘導する加工用光学系と、前記ワークを載置する加工テ
ーブルとを有す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たレーザ光の一部をサンプル光とし
て取り出す減光光学系と、前記サンプル光をフーリエ変
換するフーリエ変換レンズと、前記フーリエ変換レンズ
によるフーリエ変換像を検出する光検出手段と、前記フ
ーリエ変換像を解析することによりエネルギ分布を得る
解析手段と、前記エネルギ分布より前記レーザ光の拡が
り角を算出しこの拡がり角の値より前記調整機構部の調
整量を演算する演算手段と、前記調整量の値に基づいて
前記調整機構部を制御する制御手段とを有することを特
徴とするレーザ加工装置が提供される。

【００１１】

【作用】以上のように構成した本発明においては、減光
光学系によってレーザ発振器からのレーザ光の一部が取
り出され、この取り出された一部のレーザ光がフーリエ
変換レンズによってフーリエ変換され、そのフーリエ変
換像が光検出手段によって検出される。そして、上記フ
ーリエ変換像におけるエネルギ分布が解析手段で解析さ
れ、演算手段で上記エネルギ分布をもとにレーザ光の拡
がり角が求められると共に、この拡がり角の値より調整
機構部の調整量が演算される。さらに、制御手段によっ
て、集光レンズやビームエキスパンダ等の調整機構部が
上記調整量の値に基づき制御される。これにより、ワー
クの加工面上におけるレーザ光のスポット径を、短時間
かつ容易に、加工目的に応じた適切な大きさに調整する
ことが可能となる。特に、切断加工を行う場合には、ワ
ークの加工面上にレーザ光の焦点を位置させることがで
きる。

【００１２】

【実施例】本発明によるレーザ加工装置の一実施例につ
いて、図１〜図７を参照しながら説明する。

【００１３】図１において、本実施例のレーザ加工装置
は、レーザ光２を出力するレーザ発振器１と、凹レンズ
４及び凸レンズ５を備えたビームエキスパンダ３と、ビ
ームエキスパンダ３からのレーザ光２ａの進路を曲げる
ベンディングミラー８と、レーザ光２ａを集光する集光
レンズ９と、ワーク１０を載置する加工テーブル１４
と、レーザ発振器１とビームエキスパンダ３との間で機
械的にレーザ光２を遮断するシャッタ１５と、レーザ発
振器１、凸レンズ５の位置調整装置７、集光レンズ９の
駆動装置１１、加工テーブル１４、及びシャッタ１５の
駆動装置１６の制御を行うコントローラ１７とを備え
る。

【００１４】上記レーザ発振器１は固体レーザ発振器で
あって固体結晶１ａと、２枚の共振ミラー１ｂ，１ｃと
から構成され、固体結晶１ａは図示しない励起ランプに
より励起され、共振ミラー１ｂ，１ｃによって誘導放出
とその増幅が行われレーザ光２が出力される。また、ビ
ームエキスパンダ３に備えらた凸レンズ５には位置調整
装置７が設けられており、凸レンズ５を移動させること
によって凹レンズ４と凸レンズ５の間の距離を図中矢印
６で示す光路方向に変更することができる。尚、凸レン
ズ５を固定し、凹レンズ４を移動させてもよい。また、
集光レンズ９についても、位置調整装置１１が設けら
れ、その位置を図中矢印１２で示す光路方向に調整する
ことができる。また、加工テーブル１４は、Ｘテーブル
１３Ａ及びＹテーブル１３Ｂを備え、Ｘテーブル１３Ａ
はモータ１３ａによってＸ軸方向へ移動し、Ｙテーブル
１３Ｂはモータ１３ｂによってＹ軸方向へ移動する。但
し、Ｘ軸及びＹ軸はワーク１０の加工面内に設定した相
直交する軸である。

【００１５】さらに、本実施例のレーザ加工装置は、レ
ーザ光２の一部をサンプル光３２として取り出す減光ミ
ラー３１、サンプル光３２を反射させる反射ミラー３
３、サンプル光３２をフーリエ変換するフーリエ変換レ
ンズ３４、フーリエ変換されたフーリエ変換像を検出す
る光検出器３５、フーリエ変換像を解析してレーザ光２
のエネルギ分布を得るための解析手段である画像処理部
３６、エネルギ分布をもとにレーザ光２の拡がり角を算
出すると共に、これらの値より凸レンズ５や集光レンズ
９の調整量を演算する演算部３７を備える。

【００１６】但し、上記ビームエキスパンダ３、位置調
整装置７、集光レンズ９、及び位置調整装置１１によっ
て調整機構部が構成され、この調整機構部と、ベンディ
ングミラー８によって加工用光学系が構成される。ま
た、上記調整機構部を調整する調整手段はコントローラ
１７に含まれる。

【００１７】以上のような構成において、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
いる状態で、ビームエキスパンダ３に備えられた凹レン
ズ４と凸レンズ５とを通過し、そのビーム径が拡大され
る。ビームエキスパンダ３から出力されたレーザ光２ａ
は、ベンディングミラー８でその進路が曲げられ、集光
レンズ９で集光された後に、集光状態のスポット２ｂと
してワーク１０の加工面に照射される。また、シャッタ
１５は、シャッタ駆動装置１６により加工テーブル１４
の移動動作に同期して開閉動作を行い、レーザ発振器１
から出力したレーザ光２が、所定のタイミングでワーク
１０の方へ導かれる。また、ビームダンパ１８はシャッ
タ１５が閉状態の時のレーザ光を吸収する。

【００１８】ワーク１０の加工面では、加工テーブル１
４の移動動作により、ワーク１０の加工面に例えば図２
に示すような２次元の軌跡１９を自由に描くことがで
き、この軌跡に沿ってレーザ光２ａが照射される。そし
て、ワーク１０の加工面でのスポット２ｂのエネルギ密
度を制御することにより、切断や表面熱処理等の種々の
加工を行うことができる。この時のワーク１０の加工面
におけるスポット径やエネルギ密度等の制御は、位置調
整装置７で凸レンズ５の位置を調整するか、位置調整装
置１１で集光レンズ９の位置を調整し、集光レンズ９の
焦点位置を変更することによって行われる。特にレーザ
光でワークに切断加工を施す場合には、エネルギ密度を
高くし、かつ切断幅を狭くすることが要求されるため、
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、位置調整装置７，１１を制御する必要がある。

【００１９】上記のうち、凸レンズ５、従ってビームエ
キスパンダ３によってワーク１０の加工面に焦点を結ば
せる方法について述べる。図３は、凸レンズ５の位置、
即ち凹レンズ４と凸レンズ５の距離Ｚ₂を変化させた時
の状態を模式的に示す図である。但し、図３において、
φは集光レンズ９に入射するレーザ光２ａの拡がり角で
あり、（ａ）はφ＝φ_a＞０、（ｂ）はφ＝０、（ｃ）
はφ＝φ_c＜０の場合を示す。ここに、φはレーザ光が
拡がる方向を正とした。また、レーザ発振器１から出力
されるレーザ光２は平行ビームであり、集光レンズ９の
焦点距離Ｆ₃の位置にワーク１０の加工面が存在するも
のとする。

【００２０】図３に示すように、位置調整装置７で凸レ
ンズ５の位置を変化させれば、集光レンズ９に入射する
レーザ光２ａの拡がり角が変化し、集光レンズ９で集光
されるレーザ光２ａの焦点の位置が変化する。そして、
図３（ｂ）のようにφ＝０としてレーザ光２ａを平行ビ
ームで集光レンズ９に入射させると、レーザ光２ａは集
光レンズ９より焦点距離Ｆ₃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。この場合、レーザ発振
器１から出力されるレーザ光２が平行ビームであること
から、レーザ光２ａを集光レンズ９へ平行ビームで入射
させる条件は、凹レンズ４、凸レンズ５の焦点距離をそ
れぞれＦ₁，Ｆ₂とすると、Ｚ₂＝Ｆ₁＋Ｆ₂ …（１）となり、この式を満たす時レーザ光２ａは必ずワーク１
０の加工面で焦点を結ぶ。

【００２１】一方、図３（ｂ）以外の場合、即ちφ＝φ
_a＞０及びφ＝φ_c＜０の場合は、図３（ａ）及び（ｃ）
にそれぞれ示すように、レーザ光２ａはワーク１０の加
工面上に集光せず、ワーク１０の加工面から外れた位置
に集光することになる。このように、凹レンズ４と凸レ
ンズ５の間の距離を変更することにより、レーザ光２ａ
の焦点位置が変わり、ワーク１０の加工面上におけるビ
ーム径が変わる。

【００２２】ところで、レーザ発振器１から出力される
レーザ光２は、一般に図３に示すような平行ビームでは
なく、最初から或る拡がり角を有している。また、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、そ
のレーザ発振器１の出力レベルに応じても変化する。こ
のため、ある出力レベルの時において、凸レンズ５や集
光レンズ９の位置がワーク１０の加工面上で焦点を結ぶ
位置関係を満足するように設定されていたとしても、他
の出力レベルの時にはレーザ光２ａはワーク１０の加工
面で集束せず、焦点が外れることになる。

【００２３】従来、ワーク１０の加工面でレーザ光２ａ
が集束されているか否かは、ワークサンプル１２０に実
際に集束させたレーザ光２ａを照射して加工を行い、図
８（ａ）及び（ｂ）のように形成された穴１２１の径を
観測することにより判断する。そして、ワーク１０の加
工面にレーザ光２ａの焦点がく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によって適宜に移動させて、ワークサンプ
ル１２０に形成された穴１２１の径が最小になるように
調整することが必要である。かかる調整作業は、レーザ
加工の作業中においてレーザ発振器１の出力レベルが変
動するたびに行なわなければならず、しかも、実際にワ
ークを加工しなければならないため、長時間を要し、か
つ手間がかかるものであった。

【００２４】これに対し、本実施例では、次に述べる動
作により、上記のような問題点が解決する。以下、本実
施例の動作について図１及び図４〜図７により説明す
る。図１において、レーザ発振器１から出力されたレー
ザ光２は前述のように一般に平行光とはならず、ある拡
がり角θ（図６参照）を有する。このレーザ光２の一部
がサンプル光３２として減光ミラー３１により取り出さ
れ、取り出されたサンプル光３２は反射ミラー３３で反
射して、フーリエ変換レンズ３４に誘導される。サンプ
ル光３２はフーリエ変換レンズ３４で集光され、光検出
器３５に照射される。この光検出器３５の受光面３５ａ
はフーリエ変換レンズ３４の焦点距離Ｆの位置に置かれ
ており、これによって光検出器３５の受光面３５ａ上に
レーザ光２のエネルギ分布を表すフーリエ変換像が得ら
れる。光検出機３５としてはＣＣＤカメラが使用され、
このＣＣＤカメラの受光素子３５ｂは図４に示すマトリ
ックス状に配列された画素３５ｃから構成される。

【００２５】光検出機３５で検出されたサンプル光３２
のフーリエ変換像は電気信号に変換され、画像処理部３
６に転送され、ここでデジタル信号３８に変換される。
図５は、レーザ光のフーリエ変換像より得られたプロフ
ァイル（エネルギ分布）の一例を示すものであって、光
検出機３５として有限の受光面積を有するＣＣＤカメラ
を使用し、このＣＣＤカメラから得たフーリエ変換像の
データをＡ／Ｄ変換し、コンピュータ表示させたもので
ある。図５では、フーリエ変換像の中央に向かうほどエ
ネルギが高くなっている。但し、図中Ｉ（Ｘ，Ｙ）はエ
ネルギの大きさを表す。

【００２６】続いて、デジタル信号３８は演算部３７に
転送され、ここでレーザ光２の拡がり角θの算出が行わ
れる。さらに演算部３７では算出された拡がり角θから
調整機構部、即ち凸レンズ５及び集光レンズ９の調整量
が算出される。この調整量の値をもとにコントローラ１
７は位置調整装置７及び１１を制御し凸レンズ５及び集
光レンズ９の位置を自動的に調整する。

【００２７】次に、演算部３７で行われる拡がり角θの
算出方法及び凸レンズ５及び集光レンズ９の調整量の算
出法について、詳細に述べる。まず、光検出機（ＣＣＤ
カメラ）３５の座標（Ｘ_n，Ｙ_m）における画素の光強度
分布データをＩ（Ｘ_n，Ｙ_m）とし、またＸ軸及びＹ軸方
向の各画素ピッチをΔＸ，ΔＹ（図４参照）とすると、
プロファイル（エネルギ分布）の重心ｒ_G ^*は、

【００２８】

【数１】

【００２９】と表すことができる。ここで記号の右肩に
付した＊はベクトルを表し、ｒ_n,m ^*は座標（Ｘ_n，Ｙ_m）
の位置ベクトルである。また、この式（２）で求めたプ
ロファイルの重心ｒ_Gを用いるとプロファイルの標準偏
差σは、

【００３０】

【数２】

【００３１】のように表される。

【００３２】上記プロファイルはフーリエ変換レンズ３
４からその焦点距離Ｆだけ離れた位置（焦点面）におけ
る光の強度分布であるので、レーザ光２の拡がり角θと
標準偏差σとの間には、 σ＝Ｆ・θ …（４）なる関係式が成り立つ。つまり、フーリエ変換レンズ３
４からその焦点距離Ｆだけ離れた位置におけるプロファ
イルの標準偏差σを求めることにより、式（４）よりレ
ーザ光２の拡がり角θを知ることができる。

【００３３】次に、以上の手法で算出された拡がり角θ
を用い、調整機構部である凸レンズ５及び集光レンズ９
の位置を設定する方法について述べる。図６は図１にお
ける加工光学系の各光学部品間の寸法及び光路を詳細に
示した図である。図６において、レーザ光２は、一般に
は前述のようにある拡がり角θ（＞０）をもって伝搬す
る。尚、図中レーザ光２Ａ及び２Ｂは特別な場合であっ
て、拡がり角θが０の場合を示す。ここで、凸レンズ５
及び集光レンズ９のみが可動であるとし、他の光学部品
は固定とする。つまり、Ｚ₁＝Ｌ₁ …（５）Ｚ₂＋Ｚ₃＝Ｌ₂ …（６）Ｚ₄＋Ｚ₅＝Ｌ₃ …（７）なる一定値Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃が存在するものとする。ここ
に、Ｚ₁はレーザ発振器１の固体結晶１ａの出力側端面
と凹レンズ４との距離、Ｚ₂は凹レンズ４と凸レンズ５
との距離、Ｚ₃は凸レンズ５とベンディングミラー８の
中心との距離、Ｚ₄はベンディングミラー８の中心と集
光レンズ９との距離、Ｚ₅は集光レンズ９とワーク１０
の加工面との距離である。

【００３４】また、凹レンズ４、凸レンズ５の焦点距離
をそれぞれＦ₁，Ｆ₂とし、Ｌ₀＝Ｆ₁＋Ｆ₂とすると、距
離Ｚ₂，Ｚ₃は、Ｚ₂＝Ｌ₀＋δＺ₁ …（８）Ｚ₃＝Ｌ₂−Ｌ₀−δＺ₁ …（９）と表すことができる。但し、δＺ₁は位置調整装置７に
よる凸レンズ５の可動距離であって、δＺ₁＞０とす
る。

【００３５】さらに、集光レンズ９の焦点距離をＦ₃と
すると距離Ｚ₄，Ｚ₅は、Ｚ₄＝Ｌ₃−Ｆ₃−δＺ₂ …（１０）Ｚ₅＝Ｆ₃＋δＺ₂ …（１１）と表すことができる。但し、δＺ₂は位置調整装置１１
による集光レンズ９の可動距離である。

【００３６】以上の条件を有する加工光学系において、
δＺ₁＝０かつδＺ₂＝０とすると、拡がり角θ＝０であ
るレーザ光２Ａは最終的にワーク１０の加工面に集束さ
れる。一方、０ではない拡がり角θ（＞０）を有するレ
ーザ光２は最終的にワーク１０の加工面より下方にて集
束される。この場合の集光レンズ９から集束位置までの
距離をＺ₆、ワーク１０の加工面から集束位置までの距
離をδＺ₃とすると、 δＺ₃＝Ｚ₆−Ｚ₅ …（１２）の関係が成り立つ。切断を行う場合には、ワーク１０の
加工面上にレーザ光２の焦点を結ばせるため、加工光学
系の調整は一般的には式（１２）のδＺ₃を０にするよ
うに行われる。

【００３７】ところで、集光レンズ９で集光されたレー
ザ光２ａのビーム径の変化は、集光レンズ９の主点から
の距離Ｚの関数としてＷ（Ｚ）で表すことができる。こ
のＷ（Ｚ）はレーザ光２の拡がり角θ、凸レンズ５の可
動距離δＺ₁、及び集光レンズ９の可動距離δＺ₂の関数
である。また、ビーム径Ｗ（Ｚ）は波面係数Ｐ（Ｚ）を
求めることにより、Ｗ（Ｚ）＝（Ｒｅ（Ｐ（Ｚ）））^-0.5 …（１３）より算出される。ここに、Ｐ（Ｚ）は一般に複素数であ
り、Ｒｅ（Ｐ（Ｚ））はＰ（Ｚ）の実部を示す。

【００３８】上記波面係数Ｐ（Ｚ）は、レーザ発振器１
の固体結晶１ａ端面における波面係数をＰ₀とすると、
係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを用いて、

【００３９】

【数３】

【００４０】と表される。ここで、波面係数Ｐ₀はレー
ザ光２の拡がり角θを用いると、

【００４１】

【数４】

【００４２】となる。但し、ｋは波数（＝２π／λ；λ
はレーザ光２の波長）、Ｗ₀は固体結晶１ａの半径であ
る。

【００４３】また、式（１４）中の係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
は、

【００４４】

【数５】

【００４５】で示される行列Ｍの成分である。この行列
Ｍは、

【００４６】

【数６】

【００４７】

【数７】

【００４８】

【数８】

【００４９】

【数９】

【００５０】

【数１０】

【００５１】

【数１１】

【００５２】

【数１２】

【００５３】

【数１３】

【００５４】を用いて、Ｍ＝Ｍ₁・Ｍ₂・Ｍ₃・Ｍ₄・Ｍ₅・Ｍ₆・Ｍ₇・Ｍ₈ …（２５）と表される。但し、ｉは虚数単位である。

【００５５】レーザ光２は集光レンズ９からの距離がＺ
₆のところで集束するから、Ｚ₆は上記説明したビーム径
Ｗ（Ｚ）の最小値を与える。つまり、Ｗ（Ｚ）の微分係
数が０となる条件、 δＷ（Ｚ）／δＺ＝０ …（２６）を満たすＺがＺ₆となる。このＺ₆は、拡がり角θ、可動
距離δＺ１及びδＺ２の関数、即ち、Ｚ₆＝Ｚ₆（θ，δＺ₁，δＺ₂） …（２７）となっている。

【００５６】凸レンズ５及び集光レンズ９の調整は、前
述の式（１２）において、 δＺ₃＝０ …（２８）を満たすように行われるから、式（１１），（１２），
（２８）より、δＺ₁及びδＺ₂は、Ｚ₆（θ，δＺ₁，δＺ₂）−Ｆ₃−δＺ₂＝０ …（２９）の条件を満たすように変動することになる。この式（２
９）より（δＺ₁，δＺ₂）を求めるためには、δＺ₁ま
たはδＺ₂の一方の値を固定しておき、その時の他方の
解を求めればよい。

【００５７】例えば、δＺ₁＝０に固定すれば、Ｚ₆（θ，０，δＺ₂）−Ｆ₃−δＺ₂＝０ …（３０）より解δＺ₂を求めることになる。この場合、δＺ₁＝０
であるので凸レンズ５は固定とし、集光レンズ９のみを
δＺ₂だけ調整すればよい。この調整はコントローラ１
７の制御のもとに、位置調整装置１１によって行われ
る。

【００５８】逆に、δＺ₂＝０に固定すれば、Ｚ₆（θ，δＺ₁，０）−Ｆ₃＝０ …（３１）の解δＺ₁が凸レンズ５の調整量となり、集光レンズ９
は固定し、凸レンズ５のみを調整すればよいことにな
る。この調整もコントローラ１７の制御のもとに、位置
調整装置７によって行われる。

【００５９】このように、上記動作によって、凸レンズ
５や集光レンズ９の調整量が算出され、これに従ってコ
ントローラ１７の制御のもとに位置調整装置７，１１が
自動的に調整されるので、短時間かつ容易に、ワーク１
０の加工面上でレーザ光２を集束させることができる。

【００６０】以上の本実施例においては、レーザ光２よ
り取り出したサンプル光３２をフーリエ変換レンズ３４
で集光し、光検出器３５でそのフーリエ変換像を得る。
また、そのフーリエ変換像に基づくデジタル信号３８を
もとに演算部３７でレーザ光２の拡がり角θを算出し、
さらにこの拡がり角θから調整機構部、即ち凸レンズ５
及び集光レンズ９の調整量を算出する。そして、この調
整量の値に基づいてコントローラ１７の制御のもとに位
置調整装置７及び１１、従って凸レンズ５及び集光レン
ズ９の位置を自動的に調整する。これにより、短時間か
つ容易に、ワーク１０の加工面上でレーザ光２を集束さ
せることができ、切断加工に必要なスポット径やエネル
ギ密度等を得ることができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、減光光学系によって取
り出したレーザ光の一部よりフーリエ変換像を得、この
フーリエ変換像におけるエネルギ分布をもとにレーザ光
の拡がり角を求め、この拡がり角の値より調整機構部の
調整量を演算し、この調整量の値に基づき調整機構部を
調整するので、ワークの加工面上におけるレーザ光のス
ポット径を、短時間かつ容易に、加工目的に応じた適切
な大きさに調整することができる。

【００６２】また、上記調整機構部の調整は自動的に行
うことができ、レーザ加工装置全体の自動化に役立てる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ加工装置の構成
を示す図である。

【図２】図１のレーザ加工装置によってワークの加工面
上に描かれる２次元の軌跡の一例を示す図であって、加
工テーブルに載置されたワークを上面からみた図であ
る。

【図３】図１の凹レンズと凸レンズの距離Ｚ₂を変化さ
せた時の状態を模式的に示す図であって、（ａ）はφ＝
φ_a＞０の場合、（ｂ）はφ＝０の場合、（ｃ）はφ＝
φ_c＜０の場合を示す。但し、φは集光レンズに入射す
るレーザ光の拡がり角であり、レーザ光が拡がる方向を
正とする。

【図４】図１の光検出機として使用されるＣＣＤカメラ
の受光素子の表面を示す図である。

【図５】図１の画像処理部において、レーザ光のフーリ
エ変換像より得られたプロファイル（エネルギ分布）の
一例を示す図である。

【図６】図１の加工光学系の各光学部品間の寸法及び光
路を詳細に示した図である。

【図７】従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。

【図８】図７のレーザ加工装置を用い、ワークの加工面
でレーザ光が集束されているか否かを判断する方法を説
明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ
−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２，２ａレーザ光２ｂスポット２Ａ，２Ｂレーザ光３ビームエキスパンダ４凹レンズ５凸レンズ７位置調整装置８ベンディングミラー９集光レンズ１０ワーク１１位置調整装置１４加工テーブル１７コントローラ３１減光ミラー３２サンプル光３４フーリエ変換レンズ３５光検出器３６画像処理部３７演算部３８デジタル信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桜井茂行茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出力するレーザ発振器と、ワ
ークの加工面におけるレーザ光のスポット径を調整する
調整機構部を備え前記レーザ光を前記加工面まで誘導す
る加工用光学系と、前記ワークを載置する加工テーブル
とを有す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たレーザ光の一部をサン
プル光として取り出す減光光学系と、前記サンプル光を
フーリエ変換するフーリエ変換レンズと、前記フーリエ
変換レンズによるフーリエ変換像を検出する光検出手段
と、前記フーリエ変換像を解析することによりエネルギ
分布を得る解析手段と、前記エネルギ分布より前記レー
ザ光の拡がり角を算出しこの拡がり角の値より前記調整
機構部の調整量を演算する演算手段と、前記調整量の値
に基づいて前記調整機構部を制御する制御手段とを有す
ることを特徴とするレーザ加工装置。