JPS632581A - レ−ザビ−ム調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明。

［産業上の利用分野〕 本発明はレーザビーム調整装置に関し、特にレーザ加工
装置に通用して好適なものである。

〔従来の技術〕

従来レーザ加工装置として、被加工対象に照射すべきレ
ーザビームの断面形状を、予め所定の形状に成形するよ
うにし、これにより被加工対象上に決められている加工
領域を高い精度で加工するようζこした構成のものが提
案されている。

この場合レーザビームの断面形状を成形する方法として
、レーデビーム発生手段及び被加工対象間に、成形すべ
き断面形状の開口を有するビーム成形手段を設け、この
ビーム成形手段の開口を通すことにより、レーザビーム
の断面周縁部分をぼかすことなく成形するようにしたレ
ーザビーム調整’ＡＷが用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところでかかる構成のレーザビーム調整装置においては
、レーザビーム発生手段から発生されるレーザビームの
光軸を、ビーム成形手段の開口の中心位置を通るように
調整してお（必要があり、この光軸がずれると、レーザ
ビームの一部が開口に遮られて被加工対象に供給すべき
レーザビームのエネルギーが不足したり、レーザビーム
の断面におけるエネルギー分布が変化するために加工精
度が劣化するおそれがある。

因に、第３図（Ａ）に示すように、成形手段の開口ＡＰ
の中心位置を通った加工レーザビームしＢが加工対象に
照射したとき、加工対象上のビーム像の各部の光強度分
布は、はぼ対象なガウス分布曲線を呈し、かくして開口
ＡＰによって区切られた領域に対して好適な条件で加工
を施すことができる。これに対して、第３図（Ｂ）に示
すように、加工レーザビームＬＢの位置が成形手段の開
口ＡＰの中心位置からずれると、レーザビーム発生手段
から発生されるレーザビームのうち十分に大きなエネル
ギをもっている先部分が成形手段の開口ＡＰを通り切れ
ずに遮られることにより、加工作業に有効に利用し得な
くなると共に、加工対象上のビーム像の光強度分布が非
対象になることにより偏った加工を施すおそれがある。

ところが実際上レーザ加工装置を用いて被加工対象を加
工作業している間に、レーザビーム発生手段における熱
的条件が変化したり、レーザビーム発生手段とビーム成
形手段との間の位置関係が経時的に変化したり、レーザ
ビーム発生手段を保守した際に、レーザビームの光軸の
位置が変化したりすることを避は得ない。

従来加工レーザビームを光軸に合わせるようなレーザビ
ーム調整手段として、例えば特開昭５７−１５４３８９
号公報に開示のものがあるが、ビーム成形手段の開口を
効率良くレーザビームを通すように制御する手段として
利用し得るように構成されておらず、調整手段としては
未だ不十分である。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ビーム成
形手段の開口に対するレーザビームの光軸が変化した場
合には、これを確実かつ容易に判定し得ると共に、当該
位置ずれを容易に調整し得るようにしたレーザビーム調
整装置を提案しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、レーザ
ビーム発生手段２において発生されたレーザビームＬＢ
Ｏの断面形状をビーム成形手段６の開口６Ａによって成
形した後、結像レンズ７を通して加工部８に載置された
加工対象１１に照射するようになされたレーザ加工装置
ｌにおいて、レーザビーム発生手段２から得られるレー
ザビームＬＢＯを偏向し得る第１のビーム偏向手段３と
、この第１のビーム偏向手段３から得られるレーザビー
ムを再度偏向してビーム成形手段６に送る第２のビーム
偏向手段４と、この第２のビーム偏向手段４から得られ
るレーザビームＬＢ２を開口６Ａに対して共役の関係に
ある位置において受けて開口６Ａを通るレーザビームＬ
ＢＩの位置を表す第１の位置ずれ検出信号Ｓ２を発生す
る第１のビームポジションセンサ２０と、結像レンズ７
を通して加工部８に照射されるレーザビームＬＢＩを受
けて開口６Ａ及び結像レンズ７の光軸ＲＯに対する当２
亥レーザビームＬＢＩの光路Ｒ１のずれを表す第２の位
置ずれ検出信号Ｓ１を発生する第２のビームポジション
センサ１８とを具え、第１及び第２のビームポジション
センサ２０．．１８から得られる第１及び第２の位置ず
れ検出信号Ｓ２及びＳｌに基づいて第１及び第２のビー
ム偏向手段３及び４の偏向角度を制御することにより、
開口６Ａ及び結像レンズ７を通るレーザビームＬＢＩの
光路Ｒ１を光軸ＲＯに一致させるようにする。

〔作用〕

第１のビームポジションセンサ２０から得られる位置ず
れ検出信号Ｓ２によって、開口６Ａを通るレーザビーム
ＬＢＩの光路Ｒ１の開口６Ａにおける位置を検出して当
該検出位置が開口６Ａの基準位置になるように第１のビ
ーム偏向手段３を調整する。

かかる調整に加えて、第２のビームポジションセンサ１
８から得られる位置ずれ検出信号Ｓ１によって開口６Ａ
及び結像レンズ７を通って加工部８に照射されるレーザ
ビームＬＢＩの光路Ｒ１が、光軸ＲＯからずれていると
きこれを積出し、その位置ずれがなくなるように第２の
ビーム偏向手段４を調整する。

かくして位置ずれ検出信号Ｓ２及びＳｌが共に位置ずれ
かないことを表す状態になるように、第１及び第２のビ
ーム偏向手段３及び４を調整すれば、開口６Ａ’及び結
像レンズ７を通るレーザビームＬＢＩ（従って加工部８
の加工対象１１に対する加工用レーザビーム）が、開口
６Ａ及び結像レンズ７の光軸ＲＯ上を通るように容易に
調整し得る。これによりレーザビーム発生手段２におい
て発生されたレーザビームＬＢＯを効率よく利用して加
工対象１■を、開口６Ａによって決まる所定の断面形状
で加工することができる。

〔実施例〕

以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

第１図において、１は全体としてレーザ加工装置を示し
、レーザビーム発生手段２から発生されたレーザビーム
ＬＢＯは、例えばジンバルミラーでなる第１のビーム偏
向器３によって反射され、同様にジンバルミラーでなる
第２のビーム偏向器４に入射される。

第２のビーム偏向器４によって反射されたレーザビーム
は、−部透過ミラー５に入射し、この−部透過ミラー５
によって反射されたレーザビームＬＢＩがビーム成形手
段６の開口６Ａを通った後、結像レンズ７によって加工
部８の加工面８Ａ上に結像される。

加工部８は移動ステージ１０を有し、この移動ステージ
ｌＯは、レーザビームＬＢＩに対しで直交する面すなわ
ち水平面上に設定されたＸ軸及びＹ軸方向に移動制御さ
れるようになされ、移動ステージ１０の加工台１０Ａ上
に載置した加工対象１１上の所定領域にレーザビームＬ
ＢＩを照射し得るようになされている。

実際上移動ステージｌＯはコンピュータ構成の加工制御
装置１５から位置データ発生回路１２の出力に基づいて
送出される加工データＤＡＴＡにより位置決め駆動装置
１６を介してＸ軸及びＹ軸方向に移動制御され、かくし
て加工面８Ａ上に載置された加工対象１１の加工領域を
、レーザビームＬＢＩの直下に位置決め制御することに
よって、加工対象１１を加工するようになされている。

移動ステージＩＯは、加工台１０Ａより低い取付は面を
存するビーム調整台１０Ｂが設けられ、このビーム調整
台１０Ｂ上に表面にＮＤフィルタ１７を有するビームポ
ジションセンサ１８が取り付けられている。なおＮＤフ
ィルタ１７は、ビームポジションセンサ１８に入射する
レーデビームＬＢ１の光量を、ビームポジションセンサ
１８の感度に合わせるように動作する。

ここで結像レンズ７は、加工面８Ａ上に焦点面をもつよ
うになされ、かくして開口６Ａを通ったレーザビームＬ
ＢＩが加工面８Ａより低い位置にあるビームポジション
センサ１８の表面にデフォーカスした像を結像するよう
になされている。

かくしてレーザビームＬＢＩが、開口６Ａの中心位置を
通る結像レンズ７の光軸位置を通ってビームポジション
センサ１８に入射したとき、ビームボジンヨンセンナ１
８上のレーザビームの像の各点のエネルギー分布が、光
軸ＲＯを中心として対称な分布を呈することにより、そ
の光量重心に基づいて、レーザビームＬＢＩが光軸ＲＯ
位置にあることを検出する。

これに対してレーザビームＬＢＩが開口６Ａの中心位置
からずれて、光軸ＲＯに対して傾斜する光路Ｒ１を通っ
て結像レンズ７に入射したときには、ビームポジション
センサ１８上のレーザビームの像のエネルギー分布が、
光路Ｒ１の光軸ＲＯからのずれ量に相当する量だけ光軸
ＲＯから離れる方向にずれることに基づいて、ビームポ
ジションセンサ１８がそのずれ量を検出する。

かくしてビームポジションセンサ１８から得られる位置
ずれ検出信号Ｓ１は、切換えスイッチ回路２１を介して
検出信号処理回路２２に与えられる。

かかる構成に加えて、−部透過ミラー５を透過したレー
ザビームＬＢ２はビームポジションセンサ２０に入射さ
れ、透過レーザビームＬＢ２が中心位置に入射したとき
、基準位置にあることを表す位置ずれ検出信号Ｓ２を送
出し、透過レーザビームＬＢ２が基準位置からずれたと
き、そのずれた方向及びずれた量を表す位置ずれ検出信
号Ｓ２を送出する。

この位置ずれ検出信号Ｓ２は切換スイッチ回路２１を介
して検出信号処理回路２２に供給される。

この実施例の場合、ビームポジションセンサ１８及び２
０は４分割センサ例えば特開昭５７−１５４３８９号公
報に開示されているような４分割センサによって構成さ
れ、レーザビームが４分割エレメントの中心位置に入射
したとき、基準位置に入射したことを表す０レベルの検
出信号を４分割エレメントから送出し、これに対してレ
ーザビームが中心位置からずれたとき、当該ずれた位置
にある４分割エレメントからずれた方向及びずれ量を表
すヰ★出信号を送出する。

検出信号処理回路２２は、切換スイッチ回路２１を介し
て与えられる位置ずれ検出信号Ｓ１及びＳ２を受けて、
各位置ずれ検出信号Ｓ１及びＳ２が表すビーム位置のず
れた方向及びずれ量を演算してそれぞれ表示器２３及び
２４に表示する。

以上の構成において、ビーム成形手段６の開口６Ａに対
するレーザビームＬＢＩの位置は、共役関係にあるビー
ムポジションセンサ２０に入射される透過レーザビーム
ＬＢ２によって検出するごとができ、反射レーザビーム
ＬＢＩの基準位置からのずれ方向及びずれ計が表示器２
４上に表示される。

また開口６Ａを通った反射レーザビームＬＢ１の光路Ｒ
１の光軸ＲＯからのずれがビームポジションセンサ１８
によって検出され、光軸ＲＯからのずれ方向及びずれ計
が表示器２３に表示される。

ここで第１及び第２のビーム偏向器３及び４は、それぞ
れ２軸方向に独立に回動自在の構成を有し第１軸方向に
偏向調整されたとき加工面８Ａへの反射レーザビームＬ
ＢＩの入射位置をＸ軸方向に偏向させ、かつ第２軸方向
に偏向調整されたとき加工面８Ａへの反射レーザビーム
ＬＢＩの入射位置をＹ軸方向に偏向させるように動作す
る。

かくして第１及び第２のビーム偏向器３及び４を回動操
作することによってビームポジションセンサ２０上の透
過レーザービームＬＢ２の照射位置を基準位置に調整し
、かつ反射レーザービームＬＢＩの光路Ｒ１を光軸ＲＯ
に一致させるように調整し得る。

ここでビーム偏向器３の回動角をθ３、第２のビーム偏
向器４の回動角をθ２としたとき、第１のビーム偏向器
３を調整換作することによって、反射レーザビームＬＢ
Ｉ及び透過レーザビームＬＢ２に生ずるビーム移動量ｒ
１は次式 ％式％（１） によって求めることができる。ここでＬｌは第２のビー
ム偏向器４からビームポジションセンサ２０　（従って
開口６Ａ＞までの距離、Ｌ２は第１及び第２のビーム偏
向器３及び４間の距離である。

また、第２のビーム偏向器４を調整操作することによっ
て反射レーザビームＬＢＩ及び透過レーザビームＬＢ２
に生ずるビーム移動ｔｒＺは次式ｒ２＝２０．ｔ、、　
　　　　　　　　　　　−−−−−−（２）によって求
めることができる。

（１）式及び（２）式において、ビーム移動量ｒ、及び
ｒ２が次式 ％式％（３） で表されるように、互いに等しい値になるように第１及
び第２のビーム偏向器３及び４をそれぞれ調整したとす
ると、　その調整量（従って回動角θ１及びθｔ）の比
率は、次式 のように表すことができる。

（４）式において左辺θ２／θ、は反射レーザビームＬ
ＢＩ及び透過レーザビームＬＢ２を同じ量だけ移動させ
る際に必要とする第１及び第２のビーム偏向器３及び４
の操作量の比率を表しており、換言すれば第１及び第２
のビーム偏向器３及び４を同じ回動角だけ回動させたと
き、反射レーザビームＬＢＩ及び透過レーザビームＬＢ
２に生ずる調整効果の割合を表している。

これに対して（４）式の右辺は、この調整効果の割合が
、距離Ｌ２及びＬｌの比率によって決まることを表して
おり、距離Ｌ２が距離Ｌ１より大きな値に選定すれば、
同じビーム移動量だけ調整しようとする場合、第２のビ
ーム偏向器４の回動調整量を、第１のビーム偏向器３の
回動調整量より大きくする必要があることを意味してい
る。

この関係を用いれば、反射レーザビームＬＢＩ及びＬＢ
２を基準位置に調整するにつき、第１のビーム偏向器３
を粗調整用手段として用いることができ、これに対して
第２のビーム偏向器４を微調整用調整手段として用いる
ことができる。

かくして表示器２３及び２４上の表示が、それぞれ基準
位置及び光軸からずれていることを表しているとき、オ
ペレータはまず第１のビーム偏向器３を回動させて表示
器２４の表示が基準位置を表す状態になるように粗調整
する。

この状態において次にオペレータは第２のビーム偏向器
４を操作して表示器２３の表示が光軸ＲＯと一致するよ
うな状態を得るようになるまで微調整をする。

この微調整をすると、ビームポジションセンサ２２上の
位置が僅かにずれるから、オペレータは再度第１のビー
ム偏向器３の調整をした後、第２のビーム偏向器４の調
整をする。

以下同様にして第１及び第２のビーム偏向器３及び４を
用いて粗調整及び微調整を繰り返せば、透過レーザビー
ムＬＢ２がビームポジションセンサ２０の基準位置に入
射し、かつ反射レーザビームＬＢＩの光路Ｒ１が光軸Ｒ
Ｏと一致する状態に収束させることができ、かくしてレ
ーザビームの位置調整を終了する。

この位置調整は、（４）式においてＬ　２　／　Ｌ　１
の項が大きくなればなる程収束が速くなることにより、
調整繰返し回数を低減させることができる。

この調整完了状態においては、反射レーザビームＬＢＩ
の光路Ｒ１を開口６Ａ及び結像レンズ７の光軸ＲＯに一
致した状態を得ることができることより、ビームポジシ
ョンセンサ１８に入射する開口６Ａのビーム像は、その
中心位置に最大値をもつガウス分布を呈することになり
、かくしてレーザ発生手段２から送出されるレーザビー
ムＬＢＯを効率良く開口６Ａを通過させることができる
。

か（してレーザビームの位置調整を終わって加工モード
に入ると、加工部８の移動ステージ１０がビームポジシ
ョンセンサ１８の位置を基準にして加工制御装置１５か
ら指定された位置データＤＡＴＡに基づいて移動制御さ
れることにより、開口６Ａによって成形された反射レー
ザビームＬＢｌを加工対象１１の加工位置に照射するこ
とができ、かくしてレーザ発生手段２から発生されたレ
ーザビームＬＢＯを効率良く利用しながら加工対象１１
の加工をすることができる。

なお第１図の実施例の場合は、ビームポジションセンサ
１８及び２０の位置ずれ検出信号Ｓ１及びＳ２に基づい
て、そのずれ量及び方向を表示器２３及び２４に表示し
、この表示を見ながらオペレータが手動で第１及び第２
のビーム偏向器３及び４を調整操作するようにした実施
例について述べたが、これに代え、第２図に示すように
、ずれ量検出信号Ｓ１及びＳ２に対応して検出信号処理
回路２２において得られるずれ批判定信号Ｓ３及びＳ４
を例えば加工制御装置１５に入力し、この加工制御装置
１５においてビーム偏向駆動装置３１及び３２に対する
調整制御信号Ｓ５及びＳ６を演算により求めて送出し、
このビーム偏向駆動装置３１及び３２によって第２及び
第１のビーム偏向器３及び４の回動角を制御するように
しても良く、このようにすれば自動的にビーム位置の調
整をすることができる。

このようにしても上述の場合と同様の効果を得ることが
できる。

また第１図の実施例においては、ビームポジションセン
サ１８を載置したビーム調整台１０Ｂを加工面８Ａより
低い位置に形成した場合について述べたが、これに代え
、加工面８Ａより高い位置に選定することによってビー
ムポジションセンサ１８上にデフォーカス像を得るよう
にしても、上述の場合と同様の効果を得ることができる
。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ビーム成形手段の開口に
よって成形したレーザビームを加工対象に照射するにつ
き、ビーム発生手段において発生されたビーム中心を確
実に開口及び結像レンズの光軸に合わせることができる
ことにより、レーザビームを効率良く利用しながら加工
対象の加工をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザビーム調整装置の一実施例
を示す路線的系統図、第２図は本発明の他の実施例を示
す路線的系統図、第３図はレーザビームが開口中心から
ずれた場合の光強度分布を示す曲線図である。 １・・・・・・レーザ加工装置、２・・・・・・レーザ
発生手段、３．４・・・・・・ビーム偏向器、５・・・
・・・−部透過ミラー、６・・・・・・ビーム成形手段
、６Ａ・・・・・・開口、７・・・・・・結像レンズ、
８・・・・・・加工部、１８．２０・・・・・・ビーム
ポジションセンサ、１０・・・・・・移動ステージ、１
０Ａ・・・・・・加工台、ＩＯＢ・・・・・・ビーム調
整台、１１・・・・・・加工対象。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザビーム発生手段において発生されたレーザビーム
   の断面形状をビーム成形手段の開口によつて成形した後
   、結像レンズを通して加工部に載置された加工対象に照
   射するようになされたレーザ加工装置において、 上記レーザビーム発生手段から得られる上記レーザビー
   ムを偏向し得る第１のビーム偏向手段と、上記第１のビ
   ーム偏向手段から得られるレーザビームを再度偏向して
   上記ビーム成形手段に送る第２のビーム偏向手段と、 上記第２のビーム偏向手段から得られるレーザビームを
   上記開口に対して共役の関係にある位置において受けて
   上記開口を通るレーザビームの位置を表す第１の位置ず
   れ検出信号を発生する第１のビームポジションセンサと
   、 上記結像レンズを通して上記加工部に照射されるレーザ
   ビームを受けて上記開口及び上記結像レンズの光軸に対
   する当該レーザビームの光路のずれを表す第２の位置ず
   れ検出信号を発生する第２のビームポジションセンサと を具え、上記第１及び第２のビームポジションセンサか
   ら得られる上記第１及び第２の位置ずれ検出信号に基づ
   いて上記第１及び第２のビーム偏向手段の偏向角度を調
   整することにより、上記開口及び上記結像レンズを通る
   レーザビームの光路を上記光軸に一致させる ようにしたことを特徴とするレーザビーム調整装置。