JPH10258381A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時的に集光レンズが汚染された場合でも、
安定した高品質なレーザ加工を行う。 【解決手段】 集光レンズよりの伝導熱の応じ膨張、収
縮する膨張部材からなるスペーサを前記集光レンズ上部
に設け、バネ性を有するリングを前記集光レンズ下部に
設ける事で、前記集光レンズをその伝導熱に応じて膨張
部材によりワーク方向へ押し下げ、熱レンズ効果による
焦点位置の上方向への移動と相殺させ、焦点位置を最適
値に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工装置に係
わり、更に詳細には集光レンズよりの伝導熱に応じて、
集光レンズをワークに接離する方向に自動的に移動させ
るようにしたレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３はレーザ加工装置の構成を示す図で
あり、図において、１はレーザビームを出力するレーザ
発振器、２はレーザ発振器１より発生したレーザビーム
であり、反射鏡３によりレーザビーム２は方向を変え、
加工ヘッド４内に設けられた集光レンズ５により集光さ
れ、加工ヘッド４内に導入されたアシストガス７と共
に、テーブル８に積載されたワーク６に照射される。Ｎ
Ｃ９は、予め設定された値に応じて、電源装置１０によ
りレーザ光２を、アシストガスコントローラ１１により
アシストガス７を、サーボコントローラ１２により加工
ヘッド４とテーブル８を制御し、ワーク６を任意の形に
加工する。また倣いセンサ１３により加工ヘッド４とワ
ーク６の距離を検出し、ＮＣ９へ信号を送る。ＮＣ９は
倣いセンサ１３よりの信号が予め設定した値になるよう
にサーボコントローラ１２を制御し、加工ヘッド４とワ
ーク６の距離が一定になるようにする。

【０００３】図４は加工ヘッド４部の詳細図である。集
光レンズ５はレンズ固定リング１５により、レンズホル
ダ１４内に固定されている。またレンズホルダ１４はホ
ルダ固定リング１６により加工ヘッド４内に固定されて
いるため、集光レンズ５は加工ヘッド４に対して完全に
固定されており、加工中に絶対に動かない様になってい
る。集光レンズ５により集光されたレーザビーム２は焦
点１７付近にて、加工ヘッド４の下端に備えられたノズ
ル１８の貫通口より、アシストガス７と共にワーク６に
照射され、ワーク６は加工される、レーザ出力やアシス
トガス圧と同様に、焦点１７とワーク６の相対位置は、
ワーク６の種類や加工形状などに応じた最適値がある。
この最適値を外れると安定した加工が出来なくなるた
め、加工中には常にこの最適値を保ち続けるようにする
必要がある。よって、倣いセンサ１２によって加工ヘッ
ド４とワーク６との相対位置を検出し、この相対位置が
常に一定の値になるように制御している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、集光レンズは
粉塵や加工部からのスパッタ・ヒュームなどにより汚染
されやすく、汚染に伴うレーザビームの吸収率増大は避
けられない。集光レンズはその特性上、吸収率が増大す
ると温度上昇により熱膨張を起こし、屈折率が変化して
しまうため焦点距離が変化してしまう。この現象は一般
に熱レンズ効果と呼ばれるが、この現象により、汚染さ
れた集光レンズの焦点距離は、そうでないものと比べ、
短くなる傾向がある。

【０００５】図５（ａ）、（ｂ）は集光レンズ５とレー
ザビームの焦点１７およびワーク６との相対位置の一例
である。図５（ａ）は集光レンズ５の汚染などの無い状
態で、焦点１７がワーク６の表面に位置しており、この
状態が安定加工を行う上での最適状態である。しかし集
光レンズ５が汚染されてくると前述した熱レンズ効果に
より、図５（ｂ）のように焦点１７はワーク６の上方向
へ移動してしまう。このため焦点１７とワーク６の相対
位置は最適の条件を外れ、安定加工を行えなくなる。

【０００６】これを解決するために例えば、特開平２−
６０９３号や、特開平４−１６７９９０号のように、集
光レンズの温度を直接もしくは間接的に、温度検出素子
により検出し、その情報によって演算回路によって演算
し、この演算回路の指令に従い、上下移動装置によって
焦点距離変化量を補正するというものがある。ただし、
これらは温度検出素子や演算回路など様々な装置、回路
の付加が必要となり、動作機構も複雑となり、実際に製
品に適用しようとする場合に、コスト面、信頼性の面に
おいて、問題が多い。

【０００７】この発明はかかる問題点を解決するために
なされものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するために、集光レンズからの伝導熱に応じて、前記
集光レンズをワークに接離する方向に自動的に移動させ
る集光レンズ移動手段を備えたことを特徴とし、前記集
光レンズよりの伝導熱に応じ膨張、収縮する膨張部材か
らなるスペーサを前記集光レンズ上部に設け、バネ性を
有するリングを前記集光レンズ下部に設けることを特徴
とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の作用を説明する。集光レ
ンズが汚染され、吸収率増大に伴い集光レンズの温度が
上昇すると、熱レンズ効果により焦点距離は短くなり、
焦点位置は集光レンズに近づく方向、すなわちワークに
対して上方向に移動する。一方集光レンズの温度が上昇
すると、集光レンズの上部に設けた膨張部材からなるス
ペーサに伝導熱が伝わり、スペーサの温度も上昇する。
膨張部材からなるスペーサはその温度に応じて熱膨張
し、バネ性を有するリングによりスペーサに押し当てら
れれいる集光レンズをワークに近づく方向に押し下げ
る。すなわち熱レンズ効果により焦点距離が短くなる一
方で、集光レンズそのものは下方向へ移動するため、ワ
ークに対する相対的な焦点位置は当初の最適位置を保つ
ことになる。

【００１０】図１は、本発明の一実施の形態を示すもの
であり、加工ヘッド部の詳細図である。集光レンズ４の
上部には熱膨張率の高い部材からなるスペーサ１９が、
下部には下部スペーサ２０およびバネ性を有するリング
２１が備えられ、レンズ固定リング１５によりレンズホ
ルダ１４内部に組付けられている。リング２１はバネ性
を有しているため、集光レンズ５は一定の力でスペーサ
１９に押し当てられている。

【００１１】集光レンズ５が汚染され、吸収率増大に伴
い集光レンズ５の温度が上昇すると、熱レンズ効果によ
り焦点位置は集光レンズ５に近づく方向、すなわちワー
ク６に対して上方向へ移動する。一方集光レンズ５の温
度が上昇すると、スペーサ１９に伝導熱が伝わり、スペ
ーサ１９の温度も上昇する。スペーサ１９はその温度に
応じて熱膨張し、バネ性を有するリング２１により下部
からスペーサ１９に押し当てられている集光レンズ５を
ワーク６に近づく方向へ押し下げ、結果的にワーク６に
対する相対的な焦点１７の位置は当初の最適値を保つこ
とが出来る。

【００１２】図２は、集光レンズが汚染された場合の焦
点の上方向へのズレ量を表したもので、横軸は集光レン
ズへのレーザビーム照射時間、縦軸は焦点の上方向への
ズレ量であり、従来例および本発明の一実施の形態との
比較を示したものになっていいる。この図よりわかるよ
うに、本発明により焦点位置のズレは大きく改善されて
いることが判る。

【００１３】従来のものに比べ本発明は、従来より問題
となっていた熱レンズ効果に対する焦点位置の補正を、
膨張部材からなるスペーサの追加のみで実現でき、構造
的にも非常に簡単であることから、コスト面、信頼性の
面でも非常に有利である。

【００１４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、経時的に集光レンズが汚染された場合でも、自
動的に焦点の位置を補正する機能を備えることにより、
長期に渡って安定した高品質なレーザ加工を行うことが
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における加工ヘッド部の
詳細図

【図２】集光レンズが汚染された場合の焦点の上方向へ
のズレ量を表した、従来例および本発明の一実施の形態
との比較図

【図３】従来例におけるレーザ加工装置の構成図

【図４】従来例における加工ヘッド部の詳細図

【図５】従来例における集光レンズとレーザビームの焦
点およびワークとの相対位置を示す図

【符号の説明】

２ レーザビーム ４ 加工ヘッド ５ 集光レンズ ６ ワーク ７ アシストガス １３ 倣いセンサ １４ レンズホルダ １５ レンズ固定リング １６ ホルダ固定リング １７ 焦点 １８ ノズル １９ スペーサ ２０ 下部スペーサ ２１ リング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集光レンズからの伝導熱に応じて、前記集
   光レンズをワークに接離する方向に自動的に移動させる
   集光レンズ移動手段を備えたことを特徴とするレーザ加
   工装置。
2. 【請求項２】集光レンズからの伝導熱に応じ膨張、収縮
   する膨張部材からなるスペーサを前記集光レンズ上部に
   設け、バネ性を有するリングを前記集光レンズ下部に設
   けることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。