JPH08215873A - レーザ加工機のアライメント補正方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザ加工を中断することなくアライメント補
正を行う方法と装置の提供。 【構成】反射ミラーよりも下流側のビーム伝送基準線周
りに、複数のレーザ感知器を有効ビーム径領域外のパワ
ーが減衰したレーザビームに曝されるように同心配置
し、このレーザ感知器の検出結果に基づいて反射ミラー
の傾斜方位と傾斜角度を調整する。 【効果】レーザ製管溶接等のレーザ加工機の長時間加工
を容易に実施することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機のアライ
メント補正方法および装置、さらに詳しくは大出力レー
ザを複数の反射ミラーを用いて長距離伝送して加工する
必要のある場合、または／およびレーザ加工を中断せず
にアライメント補正を行う必要のある場合に適用して特
に有効なレーザ加工機のアライメント補正方法とこの方
法を実施するためのアライメント補正装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は、通常、精密加工であるた
めレーザビームを目的とする加工位置に高精度に照射す
る必要がある。しかしながら、レーザビームの伝送系の
アライメントは、レーザ発振器内やレーザビームの伝送
系内の光学部品の熱変形、伝送系を支持する支持機構の
温度変化による熱変形、レーザ発振器およびレーザビー
ムの伝送系の設置場所の振動あるいは不均一な地盤の変
動による発振器→伝送系→加工点の相対的位置のズレ等
によって狂いを生じることがしばしばある。

【０００３】このようなアライメントの狂いは、加工点
での集光性の劣化、レーザビーム照射点のズレを生じ
る。また、レーザビームを長距離伝送する場合には、反
射ミラーの微少な傾斜方位変化または／および傾斜角度
変化でもその反射ミラーからの離間距離が遠い位置での
ズレの絶対量は極めて大きな値となるため、レーザビー
ムが伝送管内面やその他の部材に直接当たって熱損傷を
発生する場合もある。

【０００４】上述したように、アライメントの狂いは、
レーザ加工に多大な影響をおよぼすため、従来から種々
の補正方法が提案されている。例えば、特開平３−２０
７５９１号公報には、加工位置の下流側に光路全面を遮
断する光電素子を配置し、この光電素子面にデフォーカ
スビームを照射して光軸心のズレ等を検出して予め設定
してある適正位置に復帰させる補正方法が提案されてい
る。また、特公平２−４５９７号公報には、レーザ発振
器から集光光学系までを単一のコラム上に搭載すること
によりアライメントのズレを微少にする方法が提案され
ている。

【０００５】しかし、特開平３−２０７５９１号公報に
提案された方法は、加工位置の下流側でアライメントを
補正する場合であり、加工位置に到達する以前の部分で
のアライメント補正については何等の考慮もしていな
い。また、この方法は、レーザビームの光路全面を遮断
する光電素子を用いることとしているので、レーザ加工
中に発生するアライメントのズレを検出することができ
ず、敢えて行うにはレーザ加工を中断する必要があるか
ら、例えばレーザ製管溶接などの数時間単位で連続的に
レーザ加工を行うプロセスには適用不可能である。ま
た、特公平２−４５９７号公報に提案された方法は、レ
ーザ発振器等の大きさが小さく、かつレーザビームの伝
送距離が短い場合には有効な方法であるが、前述のレー
ザ製管溶接等で、例えば５〜２５ｋＷというような大出
力、大重量のレーザ発振器を用い、かつ複雑な機器配置
の製管ラインに多くの光路変更を伴って比較的遠距離伝
送して加工を実施するプロセスには工業的に適用不可能
である。

【０００６】従って、大出力レーザをその光路を変更し
て長距離伝送して加工する場合、または／および加工を
中断することなくレーザ加工する場合におけるアライメ
ントの補正方法とその方法実施するためのアライメント
補正装置の開発が強く望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した実状に鑑みなされたもので、大出力レーザをその光
路を変更して長距離伝送してレーザ加工をする場合、ま
たは／および加工を中断することなくレーザ加工をする
場合に特に有効なアライメント補正方法とこの方法を実
施するための装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
（１）および（２）のレーザ加工機のアライメント補正
方法と装置にある。

【０００９】（１）レーザ発振器で発振されたレーザビ
ームを反射ミラーを用いてその光路を変更させながらレ
ーザ照射点まで伝送するに際し、反射ミラーよりも下流
側においてレーザビームを遮断することなく伝送中ビー
ムの光軸心のビーム伝送基準線に対するズレを検出し、
この検出結果に基づいて伝送中ビームの光軸心をビーム
伝送基準線に一致させるべく前記反射ミラーの傾斜方位
と傾斜角度を調整することを特徴とするレーザ加工機の
アライメント補正方法。

【００１０】（２）請求項１に記載の方法を実施するた
めのレーザ加工機のアライメント補正装置であって、傾
斜方位可変機構と傾斜角可変機構とを有する反射ミラー
と、この反射ミラーの下流側のビーム伝送基準線周りに
複数のレーザ感知器が有効ビーム径の領域外のレーザビ
ームに曝されるように同心配置された光軸心ズレ検出手
段と、この光軸心ズレ検出手段の検出結果に基づいて前
記反射ミラーの傾斜方位可変機構と傾斜角可変機構に補
正指令信号を発信する制御装置とを具備することを特徴
とするレーザ加工機のアライメント補正装置。

【００１１】

【作用】本発明のアライメント補正方法および装置は、
反射ミラーによって光路変更された伝送中のレーザビー
ムの反射ミラーよりも下流側の有効ビーム径領域外のパ
ワーが減衰したレーザビームに曝される位置に、光電素
子または熱電素子からなる複数個のレーザ感知器をビー
ム伝送基準線周りに等配設してビーム伝送基準線に対す
る伝送中ビームの光軸心のズレ方位と変位量を検出し、
この検出結果に基づいて伝送中ビームの光軸心をビーム
伝送基準線に一致させるように反射ミラーの傾斜方位と
傾斜角度を調整するようにしたので、レーザ加工を中断
することなくアライメント補正を行うことができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明のレーザ加工機のアライメント
補正方法とこの方法を実施するためのアライメント補正
装置を添付図面を参照して詳しく説明する。

【００１３】まず、本発明に係わるアライメント補正方
法の原理を図１〜図３を用いて説明する。図１は、代表
的な加工用レーザビームのビーム進行方向に対して垂直
な面内でのパワー密度分布を示し、同図（ａ）はシング
ルモードのレーザビーム、同図（ｂ）はマルチモードの
レーザビーム、同図（ｃ）はリングモードのレーザビー
ムの場合をそれぞれ示す図である。

【００１４】この図１から明らかなように、各モードの
レーザビームはそれぞれ特徴的なパワー密度分布を示す
が、いずれの場合も加工に利用される有効ビーム径ｄの
中央部付近が高密度となっており、周辺部に向かうに従
って密度が減衰するという共通の特徴を有している。

【００１５】このため、図２に示すように、光路管２内
を伝送される伝送中のレーザビーム１の加工に利用され
ない有効ビーム径ｄの領域外でパワーが減衰したビーム
周辺部にレーザを感知する光電素子または熱電素子から
なる複数個のレーザ感知器３ａ〜３ｄをビーム伝送基準
線である光路管２の軸心線Ｘ−Ｘ線周りに同心状に等配
置して各レーザ感知器３ａ〜３ｄに照射されるレーザパ
ワーを監視する場合には、レーザビーム１の光軸心の位
置変化、換言すればアライメントにズレがない時は各レ
ーザ感知器３ａ〜３ｄの検出値が図３（ａ）に示すよう
に同一もしくはほぼ同一の値となり、アライメントにズ
レが生じた時にはそれぞれのレーザ感知器３ａ〜３ｄの
検出値が例えば図３（ｂ）に示すように変化するので、
レーザビーム１のビーム伝送基準線Ｘ−Ｘ線に対する位
置変動方位と移動量をレーザ加工を中断することなく検
出することができる。

【００１６】本発明は、上述した測定原理を用いてアラ
イメントの補正を行うが、その補正方法と装置の具体的
な構成を図４および図５に示す。

【００１７】図４において、１は反射ミラー４によって
その光路を変更された有効ビーム径ｄを有する伝送中の
レーザビームで、その伝送下流側の有効ビーム径ｄの外
側領域には上記図２に示す構成からなる光軸心ズレ検出
手段３が設けられており、この光軸心ズレ検出手段３は
信号処理部６を介して反射ミラー４の傾斜方位可変機構
と傾斜各可変機構とからなるミラー駆動部５に連撃され
ている。

【００１８】かかる装置構成において、光軸心ズレ検出
手段３の検出結果を受信した信号処理部６は、図５に示
すように、第１ステップとして各レーザ感知器３ａ〜３
ｄからのレーザパワーの強度を、例えばＡ／Ｄ変換され
た電気信号ａ、ｂ、ｃ、ｄを受信し、第２ステップとし
てその検出値を大小順に並び変えて最大値を示したレー
ザ感知器からその変位方向を求め、第３ステップとして
「最大値−最小値」にて最大変位量Ｑを求め、第４ステ
ップとして伝送系および加工目的等から予め定めて信号
処理部６内に記憶させた閾値εと前記最大変位量Ｑとを
比較し、「Ｑ＜ε」の時はアライメント適正と判断して
ミラー駆動部５に対して補正指令信号を発信しない。こ
れに対し、「Ｑ≧ε」の時はアライメント補正が必要と
判定するとともに、最大値を示したレーザ感知器とビー
ム伝送基準線Ｘ−Ｘ（図示しない光路管の軸心）を結ぶ
直線上を最大値を示したレーザ感知器とは反対側の異な
るレーザ感知器方向へ変位させてその光軸心が前記ビー
ム伝送基準線Ｘ−Ｘに一致するように上記最大変位量Ｑ
と関連付けて伝送系および加工目的から予め定めて信号
処理部６に記憶させた適正な補正値Δθを信号処理部６
からミラー駆動部５に発信して反射ミラー４の傾斜方位
と傾斜角度θが調整される。

【００１９】このように、本発明では、上記第１ステッ
プから第４ステップの信号処理をレーザ加工中に繰り返
し行うことで、レーザ加工を中断することなくアライメ
ント補正を実施することがで、これによってアライメン
トは自動的に適正位置に保たれる。

【００２０】図６は、上記構成からなる本発明の方法を
複数の反射ミラーを用いて長距離伝送する実際のレーザ
加工機に適用した場合の装置構成例を示す図で、図中、
７はレーザ発振器であり、このレーザ発信器７から発振
されたレーザビームは図示しないミラー駆動部を有する
反射ミラー８(1) 〜８(n) によってその光路を変更され
ながら図示しない光路管内を通して集光光学系１０にま
で伝送され、この集光光学系１０内においてレーザビー
ムを集光して被レーザ加工部材１２の加工点Ａに照射す
るのであるが、前述したように伝送系を支持する支持機
構の温度変化による熱変形およびその設置場所の振動あ
るいは不均一な地盤の変動等によってビーム伝送基準線
Ｘ−Ｘからその光軸にズレが生じた場合にあっても、各
反射ミラー８(1) 〜８(n) の下流側、換言すれば次段の
反射ミラーの上流側近傍位置のビーム伝送基準線Ｘ−Ｘ
周りに設けられた上記図２に示す構成からなるレーザ感
知器９(1) 〜９(n) によって、各反射ミラーでのズレの
方位と変位量が検出されて信号処理部１１に入力され、
この信号処理部１１から各反射ミラーのミラー駆動部に
対して補正指令信号が発信されるので、集光されたレー
ザビームが加工点Ａに対して正確に照射される。

【００２１】図７は、上記図６に示す装置構成からなる
アライメント補正装置における信号処理フローを示す図
で、同図７（ａ）は全体の信号処理フローを、同図
（ｂ）は各レーザ感知器の信号処理フローを示す図であ
り、全体の信号処理は、図７（ａ）に示すように、第１
ステップとして各レーザ感知器９(1) 〜９(n) からの信
号ａ(i) 、ｂ(i) 、ｃ(i) 、ｄ(i) を読み込み、第２ス
テップとして各レーザ感知器９(1) 〜９(n) 内毎の最大
値と最小値の差Ｑ(i) を求め、第３ステップとしてＱ
(i) をＱ(1) 、Ｑ(2) ・・・Ｑ(n) の順に信号処理部１
１に予め記憶させた閾値εと比較し、Ｑ(1) からＱ(n)
までの全てがεより小さければアライメントは適正と判
断して補正信号を発信せずに処理を終了する。これに対
し、「i ＜n 」で「Ｑ(i) ≧ε」となるレーザ感知器９
(i) がある場合には、これに対応する反射ミラー８(i)
の傾斜方位と傾斜角度を、図７（ｂ）に示すフローに従
って図５の場合と同様にして求められ、信号処理部１１
から発信される補正値Δθに基づいて調整することによ
ってその光軸心をビーム伝送基準線に一致させた後、８
(i+1) から８(n) までの反射ミラーについても図７
（ｂ）に示すフローに従って調整し、しかる後に第１ス
テップに復帰してアライメントのズレを検出調整する。

【００２２】このように、フィードバック制御すること
によって複数の反射ミラーによりその光路を変更されな
がら長距離伝送されるレーザビームのレーザ伝送系内に
おけるアライメントが加工を中断することなく確実適正
に保たれる。

【００２３】なお、反射ミラーの傾斜方位と傾斜角度を
同時に変更可能とするミラー駆動部の機構としては、図
示省略するが、例えば反射ミラーを球面座で保持し、こ
の球面座の中心部に突設した軸を回転かつ傾動させる場
合にはその傾斜方位と傾斜角度を容易に変更調整するこ
とができるが、この調整機構は上記球面座を用いたもの
に限るものではなく、適宜な駆動手段を用いることがで
きる。

【００２４】《実験例》本発明のアライメント方法と装
置の効果を確認するため、本発明に係わるアライメント
補正装置を有しないレーザ加工機と、本発明に係わるア
ライメント補正装置を設けたレーザ加工機を用いてレー
ザ製管溶接した場合における連続製管可能継続時間を調
べた。その結果を、レーザ出力、使用反射ミラー枚数お
よび伝送距離と併せて表１に示した。なお、レーザ製管
溶接継続の可否は、次に示すまたはのいずれか一方
が発生した場合に継続不可とした。アライメントが狂
って集光性が低下し、溶け込み能力が減少した結果、溶
接部の内面ビードが形成されず消失した場合。光路管
の一部または複数の部分の温度が１００℃以上に達した
場合。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１に示す結果から明らかなように、本発
明に係わる装置を設けてアライメント補正を実施しない
場合には、小出力の短距離伝送（No. ５）では４８時間
連続製管可能であるが、大出力かつ短距離伝送（No.
６）、小出力かつ長距離伝送（No. ７）および大出力か
つ長距離伝送（No. ８）ではそれぞれ連続製管可能時間
が、２５分、１９分、３分と極めて短く、製管溶接ライ
ンへの適用が不可能であった。これに対し、本発明に係
わる装置を設けてアライメント補正を行った場合（No.
１〜No. ４）には、レーザ出力の大きさおよび伝送距離
の長短に関係なく、いずれの場合も連続製管可能時間が
４８時間以上と長く、製管溶接ラインへの適用が十分に
可能であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明のアライメント補正方法と装置に
よれば、大出力レーザを長距離伝送する場合にあっても
レーザ加工を中断することなくアライメント補正を行う
ことができるので、長時間のレーザ加工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工用レーザビームの光軸心に垂直な平面での
パワー密度分布を示す図で、同図（ａ）はシングルモー
ド、同図（ｂ）はマルチモード、同図（ｃ）はリングモ
ード、の場合のパワー密度分布を示す図ある。

【図２】本発明に係わるアライメント補正方法の原理を
説明する図で、同図（ａ）は側断面図、同図（ｂ）は同
図（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

【図３】本発明に係わるレーザ感知器の出力パターン例
を示す図で、同図（ａ）はアライメント補正不要の場
合、同図（ｂ）はアライメント補正要の場合の出力を示
す図である。

【図４】本発明のアライメント補正装置の実施例を示す
図である。

【図５】図４のアライメント補正装置における信号処理
フローを示す図である。

【図６】本発明のアライメント補正装置の他の実施例を
示す図である。

【図７】図６のアライメント補正装置における信号処理
フローを示す図で、同図（ａ）は全体の信号処理フロー
を、同図（ｂ）は部分信号処理フローを示す図である。

【符号の説明】

１：レーザビーム、 ２：光路管、 ３：
レーザ感知器、４：反射ミラー、 ５：ミラー駆
動部、 ６：信号処理部。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/101 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｆ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器で発振されたレーザビームを
   反射ミラーを用いてその光路を変更させながらレーザ照
   射点まで伝送するに際し、反射ミラーよりも下流側にお
   いてレーザビームを遮断することなく伝送中ビームの光
   軸心のビーム伝送基準線に対するズレを検出し、この検
   出結果に基づいて伝送中ビームの光軸心をビーム伝送基
   準線に一致させるべく前記反射ミラーの傾斜方位と傾斜
   角度を調整することを特徴とするレーザ加工機のアライ
   メント補正方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の方法を実施するためのレ
   ーザ加工機のアライメント補正装置であって、傾斜方位
   可変機構と傾斜角可変機構とを有する反射ミラーと、こ
   の反射ミラーの下流側のビーム伝送基準線周りに複数の
   レーザ感知器が有効ビーム径の領域外のレーザビームに
   曝されるように同心配置された光軸心ズレ検出手段と、
   この光軸心ズレ検出手段の検出結果に基づいて前記反射
   ミラーの傾斜方位可変機構と傾斜角可変機構に補正指令
   信号を発信する制御装置とを具備することを特徴とする
   レーザ加工機のアライメント補正装置。