JPH08174255A - レーザ加工機焦点検出装置 - Google Patents

レーザ加工機焦点検出装置

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JPH08174255A
JPH08174255A JP6336930A JP33693094A JPH08174255A JP H08174255 A JPH08174255 A JP H08174255A JP 6336930 A JP6336930 A JP 6336930A JP 33693094 A JP33693094 A JP 33693094A JP H08174255 A JPH08174255 A JP H08174255A
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JP
Japan
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laser beam
branched
energy
optical sensor
laser
Prior art date
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Pending
Application number
JP6336930A
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English (en)
Inventor
Kenichi Yokota
謙一 横田
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Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
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Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高エネルギを出力するレーザビームの焦点位
置を精度良く検出し、加工始めまたは加工中に変化する
レーザビームの焦点位置を直接検出し、常に最適の加工
条件にするためのレーザ加工機の焦点位置検出装置を提
供する。 【構成】 レーザ発振器から発射されるレーザビームを
集光する集光レンズと被加工物との間にレーザビームの
一部を分岐するビームスプリッタを設けて集光レンズの
焦点位置を検出するレーザ加工機焦点検出装置におい
て、ビームスプリッタから分岐したレーザビームを拡大
する凹レンズと、その拡大したレーザビームの一部を通
過させる小穴を有する遮蔽物と、その小穴を通過したレ
ーザビームの光の強度を検出する光センサとを設けてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機焦点検出
装置に係わり、特には、高エネルギのレーザビームの焦
点位置を精度良く検出できるレーザ加工機焦点検出装置
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、レーザ加工機において、集光レン
ズの焦点位置を検出する方法として次のものがある。ま
ず、加工前にレーザビームの焦点位置を決める方法とし
て、実開平1−135190号公報に示されているよう
に、試験材を予め加工してみてその加工幅や溶融溝の深
さを測定して焦点位置を求め、この焦点位置を合わせて
固定された焦点位置で加工を行なう。
【0003】次に、加工しながらレーザビームの焦点位
置を検出する方法として、特開昭60ー227989号
公報に示されているように、レーザビームの集光レンズ
と被加工物との間にビームスプリッタを設けてレーザビ
ームを分岐し、その分岐したレーザビームからレーザビ
ームの焦点位置を検出し、自動的にレーザビームの集光
点位置を加工点位置に合わせて加工を行う。
【0004】また、加工しながらレーザビームの焦点位
置を検出する方法として、特開昭59ー159291号
公報に示されているように、レーザビームを減衰器で減
衰し、この減衰したレーザビームを集光レンズにおいて
集光し、その後にレーザビーム像が最も小さくなった位
置を検出して焦点位置を検出し、この焦点位置を合わせ
て加工を行なう。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の加工
前にビーム焦点位置を決める方法は、本加工中に光学系
の温度が上昇し焦点位置がズレて加工精度、粗さ等の切
断品質が悪くなる。また、正規の材料またはテスト用の
アクリル板等で予め加工をしてみて焦点位置を決めてい
るため、加工前の工数が必要となり非能率的である。ま
た、上記でアクリル板を使用する場合には有毒ガスが発
生し危険であるという問題点がある。さらに、大出力炭
酸ガスレーザ加工機においては、レーザビームのエネル
ギが大きく、かつ、内蔵された集光レンズが長時間のレ
ーザ照射によって膨張して、わずかながら集光レンズの
光学系にも変化を来たし、そのため焦点位置が変わるた
めに切断精度が変化して均一な品質が保障できなくな
る。このため、作業を一時中断して焦点位置を修正しな
おすことが必要となり、非能率的である。
【0006】次に、加工しながらレーザビームの焦点位
置を検出する方法の特開昭60ー227989号公報、
あるいは、特開昭59ー159291号公報の場合に
は、大出力炭酸ガスレーザ加工機等の高出力を必要とす
るレーザビーム加工機において、ビームスプリッタによ
りレーザビームのエネルギ密度を数%にまで低減して
も、焦点近辺のビームエネルギが大きいためにこれを検
出するセンサの損傷が避けられず、これを解決する手段
はいまのところ見当たらない。また、特開昭60ー22
7989号公報では、被加工物からの反射を光源として
用いているため、被加工物の材質により反射の少ないも
のでは、精度良く加工できないという問題がある。
【0007】本発明は、上記従来の問題点に着目し、レ
ーザ加工機焦点検出装置に係わり、特に、高エネルギを
出力するレーザビームの焦点位置を精度良く検出し、加
工始めまたは加工中に変化するレーザビームの焦点位置
を直接検出し、常に最適の加工条件にするためのレーザ
加工機の焦点位置検出装置を提供することを目的として
いる。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレーザ加工機焦点検出装置の発明では、レ
ーザ発振器から発射されるレーザビームを集光する集光
レンズと被加工物との間にレーザビームの一部を分岐す
るビームスプリッタを設けて集光レンズの焦点位置を検
出するレーザ加工機焦点検出装置において、ビームスプ
リッタから分岐したレーザビームを拡大する凹レンズ
と、その拡大したレーザビームの一部を通過させる小穴
を有する遮蔽物と、その小穴を通過したレーザビームの
光の強度を検出する光センサとを設けたことを特徴とす
る。
【0009】
【作用】上記構成によれば、ビームスプリッタで減衰し
たレーザビームの分岐した一部を凹レンズで拡大してエ
ネルギ密度を低下させ、さらに小穴を通してレーザビー
ムのエネルギの量を低下しているため、現状の光センサ
で正確な光の強度の検出が行える。また、この検出は、
加工用のレーザビームを分岐して測定しているため、加
工始め前、または加工中でも変化するレーザビームの焦
点位置が検出できる。
【0010】
【実施例】以下に、本発明に係わるレーザ加工機焦点検
出装置の実施例を図面を参照して説明する。図1はレー
ザ加工機焦点検出装置の断面図であり、図2は温度上昇
前と、温度上昇後の測定を説明する図である。図1にお
いて、図示されないレーザ発振器に連結されたトーチ1
には、集光レンズ2が配置されている。集光レンズ2の
図示の下方には、ビームスプリッタ3が配置され、さら
に、その下方で、トーチ1の先端部近傍1aの焦点位置
(f)には切断される被加工物4が置かれている。ビー
ムスプリッタ3のほぼ横方位置には、順次、凹レンズ5
と、小穴6aを有する遮蔽物6と、光センサ7とが同軸
上に配置されている。
【0011】上記構成において、次に作動について説明
する。図示されないレーザ発振器より発射されるレーザ
ビーム11は、集光レンズ2と被加工物4との間に配置
されたビームスプリッタ3により、レーザビーム11の
一部が分岐され、直角に屈折されてレーザビーム12
(以下、分岐レーザビーム12という)となる。分岐レ
ーザビーム12は、凹レンズ5により光路が拡大されエ
ネルギの密度が低下される。さらに、低下されたレーザ
ビーム12は遮蔽物6の小穴6aを通過してさらにエネ
ルギの量を低下し、光センサ7の受光面7aに到達す
る。到達した分岐レーザビーム12は光センサ7によ
り、光のエネルギーの強度が測定される。
【0012】上記において、被加工物の加工が進むと、
トーチ1の内部の集光レンズ2はレーザビームの長時間
の照射によって温度が上昇しわずかながら膨張する。こ
のため、焦点距離が減少し、作業の進行とともに焦点距
離は時々刻々と変化する。図2に示される実施例では、
被加工物の加工の開始時、すなわち、集光レンズ2の温
度が低いときには、レーザビーム11は集光レンズ2に
よって焦点距離f1で集光されている。このとき、ビー
ムスプリッタ3によって分岐された分岐レーザビーム1
2aは凹レンズ5によって平行にされ、平行分岐レーザ
ビーム13aとなる。この平行分岐レーザビーム13a
は、遮蔽物6が無いと仮定した場合には、光センサ7の
受光面7aの位置でのエネルギ密度分布図は図2、およ
び図3に示す実線の分布(a)となる。このとき、中央
部では、エネルギ密度はIaとなる。実際には、測定す
る平行分岐レーザビーム13aは遮蔽物6の小穴6aを
通過しており、この小穴6aを通過した平行分岐レーザ
ビーム13aの一部14は、さらにエネルギーの量が低
下し図4の実線で示す分布となる。そして、光センサで
測定するのは遮蔽物の小穴の計dの範囲の平均値Iaで
ある。
【0013】さらに、被加工物の加工が進み、集光レン
ズ2の温度が高くなったときには、レーザビーム11
は、温度が低いときの焦点距離f1から変化して焦点距
離f2で集光されている。このとき、ビームスプリッタ
3によって分岐された図2に示す点線の分岐レーザビー
ム12bは、温度が低いときの分岐レーザビーム12a
の光路より狭く凹レンズ5によって平行にされ、平行分
岐レーザビーム13bとなる。この平行分岐レーザビー
ム13bは、遮蔽物6が無いと仮定した場合には、光セ
ンサ7の受光面7aの位置でのエネルギ密度分布図は図
2、および図3に示す分布(b)となる。このとき、中
央部でのエネルギ密度は、温度が低いときのエネルギ密
度Iaよりも高いエネルギ密度Ib(破線で示す)とな
る。実際には、前記と同様に、遮蔽物6の小穴6aを通
過した平行分岐レーザビーム13bの一部14はさらに
エネルギの量が低下し、図4の破線で示す分布となる。
光センサで測定するのは遮蔽物6の小穴6aの径dの範
囲の平均値Ib1 である。
【0014】従って、集光レンズ2の温度の変化に対応
する焦点距離の位置の変化は、温度が低いときの分岐し
たレーザビームのエネルギーの強度Ia1 から温度が高
くなるときに、エネルギの強度の変化に対して集光レン
ズ2の焦点距離の位置の変化の関係を把握しておくこと
により、補正できる。なお、上記において、凹レンズを
通過してやや拡大光になったビームのエネルギ密度分布
は、中央が高い山型分布曲線になる。遮蔽物6の小穴6
aを通過した光センサで検出される光量は、中央の山の
一番高い部分に相当する部分のエネルギに限定して測定
している。中央が高い分布曲線になる。中央の最大値部
分は最も精度よくセンシブルに測定される部分であり、
この部分を光センサにて計測する。
【0015】また、上記実施例では、図示していないが
レーザ加工機に設けられたコントローラ等により、温度
の変化に対応する焦点の位置の変化をフィードバックし
て集光レンズ2の位置を変化させることは容易に可能で
ある。また、大出力炭酸ガスレーザ加工機は当然なが
ら、その他のレーザ溶接加工機および、レーザ熱処理機
等の焦点位置検出にも応用可能で、リアルタイムに焦点
位置を調節して最適加工位置に加工点を保持していくこ
とが出来る。
【0016】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【0017】レーザビームの一部をビームスプリッタに
より分岐させてレーザエネルギを低減させるとともに、
更にそのエネルギを低減させるために凹レンズによって
その密度を減じ、更に小穴を通過させることによってそ
の一部のエネルギにとどめることにより、光センサによ
り測定できるとともに、密度が低いために光センサの損
傷を防止することができる。特に、大出力炭酸ガスレー
ザのように高エネルギ密度の加工機においては、光セン
サの寿命が焦点距離自動測定のキーポイントになるた
め、低エネルギでかつ精度よく測定する本法の最大の効
果といえる。
【0018】光センサにて検出されるエネルギは、凹レ
ンズで拡大された分岐レーザビームのエネルギ密度分布
の最大値部分を遮蔽物の小穴を通して測定しているた
め、最もセンシブルに精度よく測定でき、焦点位置の微
量の変化に即応できて加工精度が向上する。
【0019】また、レーザビームの焦点検出方法におい
て、加工用レーザビームの一部を直接取り出して計測し
ているため、特に計測用のレーザ発振機は不要であり、
また、被加工物からの反射光を用いていないため被加工
材の材質の種類等に影響されることなく測定でき、多種
類の被加工材の材質を加工できる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザ加工機焦点検出装置の断面図で
ある。
【図2】本発明のレーザ加工機焦点検出装置の温度上昇
前と、温度上昇後の測定を説明する図である。
【図3】平行分岐レーザビームのエネルギ密度の分布を
説明するための図である。
【図4】小穴を通過した平行分岐レーザビームのエネル
ギ量を説明するための図である。
【符号の説明】
1… トーチ 2… 集光レンズ 3… ビームスプリッタ 4… 被加工物 5… 凹レンズ 6a… 小穴 7… 光センサ 11… レーザビーム 12… 分岐レーザビーム。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器から発射されるレーザビー
    ムを集光する集光レンズと被加工物との間にレーザビー
    ムの一部を分岐するビームスプリッタを設けて集光レン
    ズの焦点位置を検出するレーザ加工機焦点検出装置にお
    いて、ビームスプリッタから分岐したレーザビームを拡
    大する凹レンズと、その拡大したレーザビームの一部を
    通過させる小穴を有する遮蔽物と、その小穴を通過した
    レーザビームの光の強度を検出する光センサとを設けた
    ことを特徴とするレーザ加工機焦点検出装置。
JP6336930A 1994-12-27 1994-12-27 レーザ加工機焦点検出装置 Pending JPH08174255A (ja)

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