JPS6360089A - 光ビ−ムの焦点位置検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばＣ０２レーザ加工機におけるレーザビ
ームの焦点位置検出等において有用な光ビームの焦点位
置検出装置に関する。

〔従来技術〕

レーザ発振器にて発振されたＣ０２　レーザのレーザビ
ームを、集束レンズにて集束して被加工物上に照射し、
被加工物の切断、穴明は等の加工を行うＣ０２レーザ加
工機は、高エネルギによる加工であり・被加工物に接触
することなく前記の加工が可能であるから、従来の工作
機械において加工が困難であったセラミック等の硬脆性
材料又はゴム。

段ボール等の軟性材料の加工が精度良く、しかも容易に
行えるという優れた特性を有しており、近年注目を浴び
るようになって来た。

このようなＣＯ２レーザ加工機においては、被加工物ヒ
に照射されるレーザビームのスポット径を小さくし、加
工部でのエネルギー密度を高めるために、前記集束レン
ズにて集束されるレーザビームの焦点上に被加工物を位
置させて加工を行うことが、加工精度の向上及び加工時
間の短縮に有用であり、このためには前記レーザビーム
の焦点の位置を検出することが重要である。

レーザビームの焦点位置を検出するために従来は、前記
集束レンズに対向させて、例えば赤外線用のＣＣＯ＜以
下単にＣＣＤという）を配し、３ｃｃ。

をレーザビームの光軸方向に移動させつつ、該ＣＣＤに
てこれに照射されるレーザビームのスポット像を撮像し
、該スポット像が最小となる時のＣＣＤの位置がレーザ
ビームの焦点位置であるとしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、近年その加工能力向上のためＣＯ□レーザ加
工機は高出力化する傾向にあり、高出力のＣ０２レーザ
加工機において、そのレーザビームの焦点位置検出を前
述した如く行おうとすると、該レーザビームのエネルギ
により、ＣＣＤが加熱されて損傷される虞があり、そこ
で該レーザビームの一部を吸収させるために、集束レン
ズＣＣＤとの間にフィルタを設けると、該フィルタが加
熱されて損傷される虞があって、“いずれにしても高エ
ネルギのレーザビームの焦点位置を正確に検出すること
ができないという難点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、光ビ
ーム、特に高エネルギのレーザビームの焦点位置を精度
良く検出できる光ビームの焦点位置検出装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本願の第１の発明に係る光ビームの焦点位置検出装置は
、光ビームの光軸に沿う方向に移動する光ビームの通断
手段を、光ビームの焦点がその移Ｆ’ｓ範囲内にあるよ
うに配し、この通断手段にて光ビームを通過させつつ、
また遮断しつつ、これを移動させ、移動中に位置検出器
にてこの通断手段の位置を検出し、光検出器にてこの通
断手段を通過する光を検出して、雨検出器の検出結果に
基づいて光ビームの焦点位置を算出するものであり、本
願の第２の発明に係る光ビームの焦点位置検出装置は、
前記通断手段を、幅の異なる複数のスリットを間−円周
上に設けである回転板にて構成したものである。

〔作用〕

本発明においては、光ビームのビーム径がその焦点位置
で最小となり、前記通断手段を通過する光量は、該通断
手段が前記焦点位置にある時に最大となるから、この通
断手段を通過する光を光検出器にて捉えると共に、その
時のｉ１１１手段の移動方向の位置を位置検出器にて検
出し、光検出器が捉えた光量が最大となる時の位置検出
器の検出結果に相当する位置に、前記光ビームの焦点が
位置するとして、光ビームの焦点位置が検出される。

また、通断手段を幅の異なる複数のスリットを設けであ
る回転板にて構成した場合には、各スリットを通過して
光検出器にて捉えられた光量の差が最小となる時の位置
検出器の検出結果に相当する位置に、前記光ビームの焦
点が位置するとして、光ビームの焦点位置が検出される
。

〔実施例〕 以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。

第１図は本発明に係る光ビームの焦点位置検出装置（以
下本発明装置という）の構成を示す模式図、第２図は第
１図の■−■線による矢視図である。

図において１は、セラミック等の耐熱性材料を用いてな
り、薄肉円板状をなす回転板であり、該回転板１は、モ
ータ２の回転軸の上端部に固着され水平面内で回転する
円板状のターンテーブル３の上面に、これと同心をなし
て、着脱自在に取付けである。回転板１には、複数個（
本実施例においては４個）のスリン）　ｌａ、　ｌｂ、
　ｌｃ、　Ｉｄが穿設されている。これらのスリンＦ　
Ｉａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄは、第２図に示す如く回
転板ｌの回転中心を中心とする適宜の半径の円周上に等
配してあり、これらの回転板１の半径方向の幅寸法は同
一であり、また円周方向幅寸法（以下単に幅という）は
、ｌａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄの順に徐々に大きくし
である。

前記モータ２は、有底円筒状をなすモータ台４の底板上
面の中央部に、その回転軸を鉛直上方に向けて固着され
ており、該モータ台４の底板下面の外周寄り位置には、
１個の送りネジ挿入孔４ａと一個又は複数個の案内孔４
ｂとが、夫々鉛直上に形成されている。送りネジ挿入孔
４ａの内側には雌ネジが螺設され、該挿入孔４ａには、
平板状の基台６上面の適宜位置に、その回転軸を鉛直上
方に向けて固着されたモータ５にて回転駆動される送り
ネジ５ａが螺合されている。また前記案内孔４ｂには、
各案内孔４ｂの位置及び形状と対応するように、前記基
台６の上面から鉛直に立設された案内杆６ｂが嵌合され
ている。

前記モータ２は駆動回路７ａに接続され、該駆動回路７
ａの出力信号に応じて１回転し、回転板１を前記ターン
テーブル３と共に、水平面内で１回転させる。また前記
モータ５は駆動回路７ｂに接続され、該駆動回路７ｂの
出力信号に応じて所定■正転又は逆転し、前記送りネジ
５ａの作用により回転板１をモータ台４と共に所定量上
昇又は下降させる。

駆動回路７ａ、７ｂは、後述する演算制御部１０からの
動作指令信号に応じて、夫々の信号を、各１回交番的に
出力するようになしてあり、回転板１は、所定時間間隔
で複数回発せられる前記動作指令信号に応じて、１回転
した後所定量上昇又は下降する一連の動作を複数回繰返
す。モータ台４と基台６との間には、例えばディジタル
スケールを用いてなる位置検出器８が介装されており、
該位置検出器８は、前述の上下動に伴うモータ台４、換
言すれば回転板１の基台６にり１する相対変位に応じた
信号を演算制御部１０へ入力する。

さて前記スリットｌａ、　ｌｂ、　１ｃ＋　Ｉｄの回転
板１の半径方向位置に相当する前記モータ台４の底板上
面には、光検出器９が、その検知面を上方に向けて設置
されている。光検出器９としては、耐熱性に優れた熱変
換型の光検出器を用いるのが望ましく、該光検出器９は
、その検知面に照射される光の強さに応じたレベルの信
号を演算制御部１０へ入力する。演算制御部１０は、Ｃ
ＰＩＪ　１０ａとＲＡＭ　１０ｂとからなり、該演算制
御部１０から出力される前記動作指令信号に応じて回転
板１が１回転する間に、位置検出器Ｓから入力される前
記信号と、光検出！！３９から入力される前記信号とを
夫々取込み、ディジタルデータＰとディジクルデータＢ
としてこれらを互いに対応づけてＲＡＭ　１０ｂに格納
する。この−回転中回転板ｌの基台６に対する相対変位
は一定であるから、ＲＡＭ　１０ｂには、−個のディジ
タルデータＰに対して、回転板１の回転に伴う多数のデ
ィジクルデータＢが対応されて格納される。光検出器９
から入力される信号は、第４図（ａ）又は（ｂｌに示す
如く、回転板１の１回転中のスリットｌａ、ｌｂ。

ｌｃ、Ｉｄが光ビーム１２の照射点を通過する時にのみ
出力パルスが現れる態様のものであり、前記各スリット
の幅に応じてこの時間幅が異なっている。

前記ディジクルデータＢはこの一連の信号を適宜のサン
プリング周期でサンプリングしたものである。

１ｉｕｓ：制御部１０のＣＩ’ＬＩ　１０．１１は、１
２４Ｍ　ＩＯｂに格納されているデータを読込み、これ
らから後述する演算を行ってその結果を表示部１１に出
力する。

さて以上の如く構成された本発明装置にてＣＯ２レーザ
加工機におけるレーザビームの焦点位置を検出する場合
の、本発明装置の動作について次に説明する。

Ｃ０２レーザ加工機においては、図示しないレーザ発振
器にて発振されたＣＯ２レーザのレーザビーム１２がそ
の光路上に配した反射鏡にて屈折される等して、第１図
に２点鎖線にて示す加工へノド１３まで導かれ、該加工
ヘッド１３の先端部近傍に設けられた集束レンズ１４に
て該レンズ１４前方の焦点Ｆに集束される。

本発明装置を用いてこの焦点Ｆの位置を検出する場合に
は、集束レンズ１４透過後のレーザビームｌ２が、前記
回転板１上面のスリノ目ａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄが
形成されている円周上に、該回転板ｌと直交する方向か
ら照射されるように、基台６を集束レンズ１４からレー
ザビーム１２の光軸方向に所定距離１１だけ離隔させて
配置する。この時距Ｎ１Ｉ１１を、回転板１の基準位置
である該回転板１が最も下降した位置にあるときの、こ
の上面と基台６との間の距離／２、及び前記集束レンズ
１４本来の焦点距離を考慮に入れて設定すると、レーザ
ビーム１２の焦点Ｆが少なくともモータ５の回転による
回転板１の移動ストローク内に位置せしめることは容易
である。

さて、このように回転板１に配置せしめた後、ＣＯ２レ
ーザ加工機のレーザ発振器を動作させると、該発振ｔに
て発振されたＣＯ２レーザのレーザビーム１２は、加工
へラド１３内を進行し、集束レンズ１４を透過して回転
板１の上面に照射される。

次いで演算制御部１０を動作させると、駆動回路７ａ、
７ｂへ前記動作指令信号が複数回発せられ、回転板ｌは
、その上面にレーザビーム１２を照射された状態で、前
述の如く一回転した後所定量上界する一連の動作を複数
回繰り返し、例えば第１図に破線にて示す位置まで上昇
して停止する。回転板１のこの動作の間、位置検出′／
：Ｉ８及び光検出′Ｉ５９から演算制御部１０へ入力さ
れる信号は、前述の如くディジタルデータＰ及び同Ｂと
して該制御部１０に取込まれて、ＲＡＭ　１０ｂに格納
される。

第３図は、前記スリ７１−１ａ、　１ｂ＋　ｌｃ、　ｌ
ｄの内、幅が最小であるスリフ目ａの部分を含む、第１
図の■−ｍ線による回転板１の一部拡大縦断面図であり
、該スリット１ａを通過するレーザビーム１２と共に示
しである。

さて前述し７た如く、レーザビーム１２は回転板ｌ上の
スリンＦ　１ａ＋　Ｉｂ、１ｃ＋　Ｉｄが穿設されてい
る円周上に照射されているから、回転板ｌの１回転中に
演算制御部１０に取込まれるディジクルデータＢの大き
さは、４１固のスリットｌａ、　Ｉｂ、　ｌｃ、　ｌｄ
がレーザビーム１２の照射点を通過する時に大となる。

また第３図に示す如く、スリット１ａは、回転板１がそ
の厚さ方向中心位置の近傍にレーザビーム１２の焦点Ｆ
が位置するような高さ位置にある場合にのみ、該ビーム
１２の全量を通過させ得る幅を有しており、第３図に破
線にて示す如く、回転板ｌが前記位置よりも上にある場
合、又２点鎖線にて示す如く、回転板ｌが前記位置より
も下にある場合のいずれにおいても、該スリットｌａ上
に照射されるレーザビーム１２の一部は、回転板１に遮
断されて該スリット１ａを通過できない一方、最大の幅
を有するスリット１ｄにおいては、レーザビーム１２の
焦点Ｆの位置に対して、回転板１がかなり離隔した位置
にある場合においても、該ビーム１２は、その全量が該
スリンｌ−１ｔ１を通過する。

その結果、回転板１が焦点Ｆと同一高さ位置にある場合
には各スリン）　ｌａ、　Ｉｂ、　ｌｃ、　ｌｄを通過
して光検出器９に達する光量は互いに等しく、回転板１
が焦点Ｆから離隔するに従い、スリットｌｃ、　ｌｂ。

１ａを通過して光検出器９に達する光は、スリット１ｄ
を通過する光量に比較して、この順に減少する。

さて、演算制御部１０は駆動回路？ａ、７ｂへの動作指
令信号の出力を終えると、次いでＲＡＭ　１０ｂに格納
されているデータＢ及びＰをＣＰυ１０ａに取込み、こ
れらから例えば次の手順にて焦点Ｆの位置を算出する。

ＣＰ［ｌ　１０ａは、まず回転板１が最も下降した位置
において一回転した時に入力され、その時の回転板１の
上下方向変位に相当するデータＰと対応されてＲＡＭ　
１０ｂに格納されている光検出器９からの入力に対応す
る一組のデータＢを読込み、このデータＢを調べて、所
定値よりも大であるデータ、即ち前記−回転中にスリッ
トｌａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄの夫々を通過して光検
出器９上に照射される光ビームＩ２の光量に相当するデ
ータを、夫々Ｂａ、　Ｂｂ＋　Ｂｃ、　Ｂｄとして抽出
し、次いでこれらの平均値Ｂを算出して、この値から前
記Ｂａ、　Ｂｂ、　Ｂｃ、　Ｂｄのいずれか、例えばＢ
ａの値を減算してＸ、とする。

次いで、回転板１の上下方同各位置に対応する各組のデ
ータＢを調べ、同様の演算を行って、前記各位置におけ
るＸｉ　　（ｉ＝１．　２．・・・）の値を算出し、Ｘ
ｉ　の算出が全て終了するとこれらの値の内の最小値Ｘ
ｍ１ｎを求める。

さて、前述の如くスリット１ａ＋　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌ
ｄを通過する光量は、回転板１がレーザビーム１２の焦
点Ｆと同一高さ位置にある場合、換言すれば第３図に示
す如き位置にある場合には、第４図（δ）に示す如く互
いに等しく、焦点Ｆから離隔する従って第４同市）に示
す如く差を生じるようになり、前述の如く算出したＸｉ
の値は、この差に相当するから前記最小値Ｘ　５ｈｉｎ
に相当するＸｉが算出された場合の一組のデータＢに対
応するデータＰに相当する回転板Ｉの変位置Ｐｆが、回
転板１が基準位置にある時の該回転板１の厚さ方向中心
位置からレーザビーム１２の焦点Ｆまでの離隔距離に相
当する。

それ故、演算制御部１０のＣＰ［Ｉ　１０ａは、前記最
小値Ｘ＋ｓｉｎを求めた後、これが求められた一組のデ
ータＢに対応するデータＰを、前記変位ｆｉＰｆに換算
し、これと前記Ａ、、Ｎ２及び回転板１の厚さＷとから
、レーザビーム１２の焦点Ｆの位置を、集束レンズ１４
から該焦点Ｆまでの距ＭＬとして、次式により算出し、
その結果を表示部１１に出力する。

Ｌ−／！、−ｘ２−　　（Ｐｆ　　−Ｗ／２）なお本実
施例においては、回転板１に互いに幅の異なる４個のス
リットＩａ、　ｌｂ、　Ｉｃ、　ｌｄを穿設しているが
、スリットの個数は４個に限らないことは言うまでもな
い。

また本実施例においては、光ビームの３Ｉｆ１断手段を
回転板１にて構成しているが、例えばレーザビーム１２
の光軸方向に移動し、移動方向各位置において、適宜の
電磁アクチュエータの動作により所定幅だり開放される
シャッタにて構成してもよく、この場合においても該シ
ャンクを通過する光を検出する光検出器と該シャンクの
変位を検出する位置検出器との夫々の検出結果から、本
実施例の場合と同様にレーザビーム１２の焦点Ｆの位置
を算出することができる。

更に本実施例においては、焦点位置を算出する手段たる
演算制御部ｌＯにて算出されたレーザビームエ２の焦点
位置を、表示部ＩＩにて表示させる構成としているが、
焦点位置の算出結果をＣ０２レーザ加工機の制御部に出
力し、該加工機にて切断、穴明は等の加工を行う際に、
被加工物を、前記算出結果に基づいて、自動的にレーザ
ビーム１２の焦点Ｆの位置に位置させることも可能であ
る。

〔効果〕

以上ｉ１’ｌ’述した如く本発明装置によれば、通断手
段を通過する光ビームが断続的に光検出器に照射される
から、該光検出器が光ビームのエネルギにより損傷され
ることがなく、高エネルギの光ビームにおいてもその焦
点位置を精度よく検出できる等優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すものであり、第１図は本
発明装置の構成を示す枳弐図、第２図は第１図のｎ−ｎ
線による矢視図、第３図は第１図のＩｆｆ　−ＩＩＩ線
による拡大縦断面図、第４図ｆａｔ、　（ｂ）は光検出
器からの入力信号の態様を示す模式図である。 ｌ・・・光ビームの通断手段（回転板）２・・・位置検
出器　　９・・・光検出Ｓ　　　１０・・・演算制御部 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　　大　　岩　　増　　雄 第２図 第　４　図 手続補正書（自発） １、事件の表示　　　特願昭　６１−２０４２３４号３
、補正をする者 代表者志岐守哉 ４、代理人 住　所　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三
菱電機株式会社内 ５、補正の対象 図面 ６、補正の内容 第４図を別紙の通り番ご訂正する。 ７、　添付Ｗ類の目録 （１）訂正図面　　　　　　　　　　　　　１通第　４
　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、焦点上に集束する光ビームを通過させ、また遮断し
   、該光ビームの光軸に沿う方向に移動する光ビームの通
   断手段と、 該通断手段の前記方向の位置を検出する位 置検出器と、 前記通断手段を通過する光を検出する光検 出器と、 該光検出器の検出結果と、前記位置検出器 の検出結果とに基づいて、前記光ビームの焦点位置を算
   出する手段と を具備することを特徴とする光ビームの焦点位置検出装
   置。 ２、その回転中心を中心とする同一円の周上に穿設され
   た互いに異なる幅を有する複数のスリットを備え、その
   回転軸方向に移動する回転板と、 該回転板の軸方向位置を検出する位置検出 器と、 前記回転板の一面から適長離隔させて配し てあり、焦点上に集束する光ビームが、該回転板の他面
   側から照射された場合に、前記スリットを通過する光を
   検出する光検出器と、該光検出器の検出結果と、前記位
   置検出器 の検出結果とに基づいて、前記光ビームの焦点位置を算
   出する手段と を具備することを特徴とする光ビームの焦点位置検出装
   置。