JPS6116941Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は被加工部に照射されるレーザビーム
のスポツト径を安定にするレーザ加工装置に関す
る。

レーザ光による切断加工、溶接加工などを行う
場合、被加工物の形状やその他の理由で被加工物
を加工形状に合わせて移動することが不適当な場
合は、主として反射鏡で構成される伝送光学系や
集光レンズ等の集光光学系を加工部に沿つて走査
して加工を行つている。

第１図はこの様なレーザ加工装置の原理説明図
である。図においてレーザ光２は、レーザ発振器
１から送り出され、伝送反射鏡３によつて被加工
物まで伝送され、集光レンズ４によつて集光され
る。集光の様子は、図に示すようにレンズの焦点
距離（これをｆとする）の近傍の点５（レンズか
らの距離が_２の点）でスポツト径が最も小さな
値d₂（直径）となり、焦光点をはずれるとスポツ
ト径は大きくなる。切断加工等においては、被加
工部はレーザ光の集光点に置くのが普通である。
低いエネルギー密度で加工のできる焼入れにおい
ては、被加工部を集光点から離して置くのが普通
である。このように加工目的によつて被加工物と
集光レンズの距離は異なるが、従来の加工ではそ
れぞれの加工に対して集光レンズと被加工物との
距離を一定に保つたまま行つていた。

ところがレーザ光２はレーザ発振器３から離れ
るにつれて回折等の影響によりそのビームの形状
（スポツト径と波面の曲率）が変化する。たとえ
ば発振器からスポツト径d₁、波面の曲率半径が無
限大（すなわち平面波）で送り出した場合、ビー
ム２は図のように発散し、また波面は球面波にな
つて進行する。レーザ光の波長をλ（ラムダ）、
集光レンズまでの伝送距離を_１、集光レンズの
焦点距離をｆとすると、集光点５と集光レンズ４
との距離_２、及び集光点５におけるスポツト径
d₂は理論的に次式で与えられる。

１／ｄ_２ ^２＝１／ｄ_１ ^２（１−_１／ｆ）^２＋１／
ｆ^２（πｄ_１／２λ）^２(2) 更に光軸方向において集光点から_４だけ離れ
た点でのスポツト径d₄は次の式で与えられる。

これらの式は、加工形状に合わせて伝送光学系
と集光レンズを移動走査しながらレーザ加工をす
る場合に、集光点位置_２と集光スポツト直径d₂
の値が伝送距離_１の関数として変化すること、
更にレーザ発振器からのビーム送り出しの条件
（スポツト径d₁と波面曲率）、レーザ光の波長λ、
集光レンズの焦点距離ｆとが定まると、集光され
たレーザ光の任意の位置でのスポツト径が伝送距
離_１の値だけによつて一義的に決定されること
を示している。

したがつて、集光レンズと被加工部との距離を
一定に保ちながら行なう従来の加工では、被加工
物に照射されるレーザビームのスポツト径と集光
位置（最小スポツト位置）がビーム走査とともに
変化し（第１図に破線で示す）加工条件を常に最
適に保つことができなかつた。

たとえば鋼板の切断加工において重要な集光点
位置の変化を、レンズ焦点位置を基準にして計算
した例を第１図にグラフとして示す。これはレー
ザ発振器からビーム直径d₁＝10mm、平面波、波長
λ＝10.6μｍ，TEM₀₀モードのレーザ光送り出
し、伝送距離が_１（ｍ）だけ離れた点に焦点距
離ｆ＝250mmの集光レンズを置いて集光したとき
の集光点の焦点からのずれ量_１−ｆ（mm）を縦
軸に、伝送距離_１を横軸にとつて描いたもので
ある。

切断加工すべき鋼板が大きな場合には、たとえ
ば伝送距離は10m程度変化し、とくに加工機設置
スペースを節約するために発振器近傍1m付近で
も加工する必要が生じる。図によれば、たとえば
伝送距離が1mから7mに変化した場合、集光点は
3.3mm変化し、これは通常の鋼板厚さにとつて無
視できない値であり、切断品質にばらつきを与え
る要因となつていた。

この考案は上記の点に鑑みなされたもので、放
出されたレーザ光の伝送距離に対応してこの集光
レンヅと被加工部との間の距離を調整する構成に
して、集束スポツト径が可能な最小スポツト径と
なるように、あるいは被加工部に照射される収束
スポツト径を一定に保つようにしたものである。

以下、実施例を示す図面に基づいてこの考案を
説明する。

第２図はレーザ光を三軸方向に走査する加工装
置の例で、６はレーザ発振器（図示せず）からＸ
方向に放出されたレーザ光、７はこのレーザ光６
をＹ方向に偏向しＸ方向に走査する第１の反射
鏡、８は上記Ｙ方向に偏向された偏向レーザ光９
を被加工物１０方向、すなわちＺ方向に偏向しＹ
方向に走査する第２の反射鏡で、これら二つの反
射鏡により伝送光学系を構成している。また１１
は集光光学系を構成するもので、上記Ｚ方向に偏
向されたレーザ光を集光し被加工物１０に収束せ
しめる集光レンズである。上記のおいて、第２の
反射鏡８と集光レンズ１１はたとえば公知の鏡筒
（図示省略）内に収納され、一体になつて独立に
Ｙ方向に駆動され、かつ第１の反射鏡７とともに
Ｘ方向へ駆動されるようになつている。さらに、
この実施例では集光レンズ１１は調節機構１２に
保持されＺ方向に独立に駆動されるようになつて
いる。この調節機構１２は第１，第２の反射鏡
７，８のＸ，Ｙの走査およびＺ方向への伝送距離
を含めた被加工部１３までのレーザ光６の伝送距
離の変化に応じて集光レンズ１１と被加工部１３
までの距離_３を制御する機構になつている。し
かして、この制御量は、伝送距離に応じて式(1)〜
(3)を用いて算出することができる。また別の方法
としてはいくつかの伝送距離で加工が最適に行わ
れるような制御量を実験的に求め加工装置にテイ
ーチングしておいてもよい。

そして実際の加工においては、たとえば伝送距
離を基準にして、その伝送距離が上記走査によつ
て短かくなつた場合は、距離_３を小となるよう
に、また、長くなつた場合は大となるように制御
する。

以上の構成によりレーザ光の伝送距離が変つて
も被加工部上のスポツト径は補正され所定径のス
ポツト、あるいは最小径のスポツトに常時維持さ
れ、安定したレーザ加工が行えるようになつた。

なお、上記実施例では集光光学系に集光レンズ
を用いたが、公知の凹画鏡に代替しても支障な
い。また、集光光学系と被加工部間の距離に調整
を集光光学系の駆動によつて行つたが、要は相対
的に行えばよいので、加工物側を集光光学系に対
して遠近自在に駆動するようにしても上記実施例
と同様の効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を説明するための原理図、第２
図はこの考案の一実施例を示す構成図である。 １……レーザ光、２……第１の反射鏡、３……
第２の反射鏡、６……集光レンズ、７……調節機
構。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. レーザ発振器と、この発振器から放出されるレ
   ーザ光を加工形状に対応して被加工部へ走査する
   伝送光学系と、この伝送光学系で伝送されたレー
   ザ光を被加工部に集光する集光光学系と、上記レ
   ーザ光の伝送距離に応じて上記集光光学系と被加
   工物との距離を相対的に変化させる調節機構とを
   備えたことを特徴とするレーザ加工装置。