JPH0585276B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザ加工機に関するもので、特
に、焦点位置と被加工物の位置との関係を補正制
御するレーザ加工用集光レンズ位置調整装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来のレーザ加工機のレーザ加工用レ
ンズの動作を説明する加工ヘツド部の概略図であ
る。

図において、１はレーザ加工機の本体に取付け
られたレンズ保持筒、２はレーザビームを収束す
る加工レンズ、３はレンズ保持筒１と加工レンズ
２との間に配設されたレンズ保持スペーサ、４は
ノズル、５はレーザ加工機で加工される被加工物
である。

また、２点鎖線で示すＡは、通常の使用時の集
束するレーザビームである。破線で示すＢは熱レ
ンズ効果発生後の集束するレーザビームを示すも
のである。そして、ノズル４と被加工物５との間
の距離ｄは、両者間の加工距離を示すものであ
る。

次に、このように構成された従来のレーザ加工
用レンズの動作を説明する。

レーザビームは図示されていないレーザ発振器
から伝送されて、加工レンズ２で集束され、２点
鎖線で示したレーザビームＡのようにノズル４の
外部で焦点を結ぶ。通常、焦点位置は被加工物５
の表面、内部または上部等に適宜設定される。レ
ーザビームＡは、被加工物５にノズル４から所定
の距離ｄを設けて照射され、溶接または切断が行
われる。

また、図示されていないが、レンズ保持円筒内
の加工レンズ２の下方（レーザビームが透過され
た部分）には、溶接加工の場合にはヘリウムガ
ス、切断の場合には酸素ガスが供給され、ノズル
４から矢印の方向に噴出されて、被加工物５の加
工表面をそれらのガスで覆つた状態で加工され
る。したがつて、レーザ加工においてはノズル４
と被加工物５の距離ｄ及び加工レンズ２との焦点
距離は、加工条件として重要であり、加工の結果
を左右するものである。なお、通常の加工では、
ノズル４と被加工物５の距離ｄは一定値に設定さ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記加工レンズ２はその物性的及び製
造上、レーザビームＡが透過されるとき少量であ
るがレーザビームＡを吸収する。所謂、吸収率に
より、例えば、主な材質がZnSeからなる加工レ
ンズ２では、初期吸収率が0.3％程度である。

したがつて、仮に、加工レンズ２が1KWのレ
ーザビームＡを透過すると30Wが加工レンズ２に
吸収され、加工レンズ２が発熱する。このため、
加工レンズ２が図の破線の熱レンズ効果発生後の
加工レンズ２のように膨張し、あたかも、短焦点
化された加工レンズ２のように焦点距離を短くす
る。故に、被加工物５と焦点位置の関係が所定位
置からずれを生じ、被加工物５の上に入熱密度
（単価面積当たりのレーザビームの入熱）が異な
り、適正な加工が不可能になり、結果的に加工不
良が発生する。

加工レンズ２の吸収率は加工レンズ２の表面の
汚れ等で更に大きくなり、相乗的に焦点距離が短
焦点化することになる。このような現象は、通
常、熱レンズ効果とよばれている。

一方、レーザビームのビーム径を絞る技術とし
て、特開昭61−186186号公報に掲載の技術を挙げ
ることができる。

即ち、前記公報に掲載の技術は、被加工物のレ
ーザ加工に先立ち、レーザビームを被加工物上で
所定のビーム径とするものであり、本願発明とは
発明の課題から相違するものである。

即ち、前記公報に掲載の技術は、被加工物のレ
ーザ加工に先立ち、レーザビームを被加工物上で
所定のビーム径とするために、レーザビームのビ
ーム径を絞る開口部材を設け、この開口部材の周
辺にレーザ光検出素子を配設し、レーザビームの
被加工物からの反射光を検出し、反射光の広がり
がレーザビームを集光する光学素子と被加工物と
の距離によつて異なることを利用して焦点を結ぶ
位置を調節するものである。

この技術をもつて、熱レンズ効果によつて加工
レンズの焦点位置の変化を補正しようとすると、
作業中のレーザビームの反射光を検出する必要が
生じ、反射の少ない被加工物、加工面が傾いてい
る被加工物には使用ができなくなる。

また、譬え、この種の反射光を利用する技術を
熱レンズ効果による焦点位置の変化の補正に使用
したとしても、次のような問題が生じる。

即ち、レーザビームの被加工物で集光するスポ
ツトは、レーザ加工中のビーム照射面が常に平面
状態であればよいが、通常では、加工中の面を常
に平面状態に維持することは困難であるから、被
加工物からのレーザビームの反射光を検出し、反
射光の広がりがレーザビームを集光する光学素子
と被加工物との距離によつて、一義的に決定され
ると想定すると誤差の介在が大きくなり使用でき
なくなる。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題点
を解消すべくなされたもので、熱レンズ効果が生
じても、その影響を少なくし、常に、被加工物と
加工レンズの焦点位置との関係を一定の光学的条
件に保持することができるレーザ加工用集光レン
ズ位置調整装置の提供を課題とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかるレーザ加工用集光レンズ位置
調整装置は、レーザビームを集束する加工レンズ
と、この加工レンズと被加工物との間に設けら
れ、上記加工レンズから上記被加工物へ進む上記
レーザビームの温度を上記レーザビームが上記被
加工物に到達する以前に検出する温度検出器と、
この温度検出器で検出された上記温度の変化に対
応した出力に基づき、上記加工レンズの位置を調
整する加工レンズ位置調整手段とを備えたもので
ある。

〔作用〕

この発明においては、被加工物に照射されてい
るレーザビームの集束状態を温度検出器で直接検
出し、レーザビームの集束状態によつて変化する
温度検出器の出力に基づき、加工レンズ位置調整
手段を駆動して加工レンズを移動することによ
り、被加工物とレーザビームの焦点位置との距離
を補正し、レーザ加工中においても、常に光学的
に一定条件に保持するものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例のレーザ加工用集光
レンズ位置調整装置の要部説明図、第２図は温度
検出器１５で検出したレーザビームの中心からの
距離と温度との関係を示す特性図である。また、
第３図は加工レンズ位置調整手段の摺動筒部７を
駆動するレーザ加工用集光レンズ制御回路図であ
る。なお、各図中、第４図で用いた符号または記
号と同一符号または同一記号は、従来の構成部分
と同一または相当部分を示すものである。

第１図ａにおいて、７はその下部でノズル４と
嵌合する摺動筒部で、この摺動筒部７はその上部
で外筒部８と嵌合している。摺動筒部７は基本的
に従来のレンズ保持筒１と同じで、加工レンズ２
との間に配設されたレンズ保持スペーサ３を具備
している。９は摺動筒部７に固着した所定のピツ
チで歯を形成したラツク、１０はラツク９と噛み
合うピニオンギアである。１１はピニオンギア１
０を取り付けたサーボモータ１２のシヤフトで、
サーボモータ１２はレーザ加工機の本体１３側に
取付けられている。なお、前記摺動筒部７に固着
したラツク９、ピニオンギア１０、サーボモータ
１２等は、集束されたレーザビームを照射する被
加工物と加工レンズ２との距離を調整する加工レ
ンズ位置調整手段を構成する。

また、１４はノズル４をレーザ加工機の本体１
３側に取り付けるノズル支持部材である。１５は
熱電対からなる温度検出器で、ノズル４に配設さ
れている。

温度検出器１５はノズル４に複数取り付けられ
ており、温度検出器１５とレーザビームＡ及びＢ
の照射位置との関係は、第１図ｂの第１図ａの切
断線Ｘ−Ｘによる断面図に示すように、レーザビ
ームＡ及びＢの光路の周縁部にかかるように温度
検出器１５が配設されている。

そして、１８は温度検出器１５に接続されたリ
ード線で、このリード線１８は差動増幅器２０に
接続されている。１９はポテンシヨメータで所定
の閾値電位を前記差動増幅器２０に入力し、ポテ
ンシヨメータ１９で得た所定の閾値電位と温度検
出器１５の差電位を得ている。したがつて、前記
温度検出器１５とポテンシヨメータ１９で得た所
定の閾値電位との差電位出力は、摺動筒部７を上
下動させるサーボモータ１２に入力される前記差
動増幅器２０の出力は、サーボモータ１２で構成
される駆動装置に供給され、温度検出器１５の温
度出力に応じて、摺動筒部７を上下に移動させ
る。

次に、上記構成による本実施例のレーザ加工用
集光レンズ制御装置の動作について説明する。

レーザビームＡの光路の周縁部にかかるように
設けた熱電対等の温度検出器１５により、レーザ
ビームの位置を、レーザビームの周縁部が温度検
出器１５にかかる、そのかかり具合の変化に対応
する温度変化により検出し、リード線１８を介し
て差動増幅器２０に送信する。このとき、温度検
出器１５はレーザビームＡの周縁部に、その円周
上に等間隔に設けてあり、複数本の温度検出器１
５がほぼ同一起電力となるように設定してある。
なお、熱電対等の温度検出器１５、温度検出器１
５で検出された出力及びポテンシヨメータ１９の
出力を入力する差動増幅器２０、差動増幅器２０
の出力で駆動されるサーボモータ１２は、加工レ
ンズ位置調整手段を構成するサーボモータ１２に
よつて、加工レンズ２との距離を補正するための
制御手段を構成する。

いま、熱レンズ効果の発生でレーザビームの太
さが変化すると、即ち、レーザビームＡから熱レ
ンズ効果発生後にレーザビームＢのように正常よ
り被加工物面上の照射面積が大きくなつた場合、
温度検出器１５にかかるレーザビームＢの周縁部
の面積が少なくなり、感知する温度が降下し、温
度検出器１５の起電力は小さくなる。例えば、第
２図でａ点を適正の動作点として、レーザビーム
Ａの周縁部が温度検出器１５にかかる厚み（幅）
を長さXaに設定した場合の温度検出器１５の検
出温度は温度Taである。しかし、加工レンズ２
の熱レンズ効果によつて、温度検出器１５の周囲
温度がTbに降下したとする。このとき、差動増
幅器２０に入力される温度検出器１５の起電力信
号は小さくなり、温度検出器１５の起電力が小さ
くなれば、当初のポテンシヨメータ１９で得た所
定の閾値電位との差の値を縮小すべく方向に、サ
ーボモータ１２を駆動し、摺動筒部７に設けたラ
ツク９に噛み合わせたサーボモータ１２のピニオ
ンギア１０を回転し、摺動筒部７を下方向へ移動
する。これによつて、レーザビームＢの断面がレ
ーザビームＡに等価になるまで駆動する。これに
より温度検出器１５が検出する温度は、再び、温
度Taになり起電力は上昇する。また、逆に、摺
動筒部７が下方向に過大に移動した場合には、温
度検出器１５が検出する温度は温度Taよりも上
昇し、起電力は増加となる。この場合は、差動増
幅器２０から摺動筒部７を上方へ移動する指令を
出し、加工レンズ２が上昇し、レーザビームＡに
等価なレーザビームの断面となる。

このように、温度検出器１５からの起電力が常
に一定値になつておれば、等価的に焦点位置は、
初期状態の位置を保持可能となる。即ち、温度検
出器１５の信号でレーザ加工中にある摺動筒部７
を上下移動するフイードバツク機構により、加工
レンズ２の位置を最適位置に調整している。

以上に述べた様に、本実施例のレーザ加工用集
光レンズ位置調整装置は、レーザビームを集束す
る加工レンズ２と、加工レンズ２で集束されたレ
ーザビームを照射する被加工物５と加工レンズ２
との距離を調整する摺動筒部７に固着したラツク
９、ピニオンギア１０、サーボモータ１２等から
なる加工レンズ位置調整手段と、加工レンズ２か
ら照射されるレーザビームの集束状態が、レーザ
ビームの熱レンズ効果により変化する領域にあ
り、熱レンズ効果により変化するレーザビームで
直接照射可能で、かつ、加工レンズ２の被加工物
５側に位置するノズル４の内側周囲に配設された
温度検出器１５とを具備し、さらに温度検出器１
５で検出されたレーザビームの集束状態の出力
で、加工レンズ位置調整手段を駆動して集束され
たレーザビームを照射する被加工物５と加工レン
ズとの距離を補正する熱電対等の温度検出器１
５、温度検出器１５で検出された出力およびポテ
ンシヨメータ１９の出力を入力する差動増幅器２
０からなる制御手段とを具備するものである。

したがつて、レーザ加工中にレーザビームを被
加工物５に照射し、このときの加工レンズ２の熱
レンズ効果の状態を判断し、熱レンズ効果の状態
に応じて摺動筒部７に固着したラツク９、ピニオ
ンギア１０、サーボモータ１２等からなる加工レ
ンズ位置調整手段でレーザビームを照射する被加
工物５と加工レンズ２との距離を調整することが
できる。故に、熱レンズ効果が生じても、常に、
被加工物５と加工レンズ２の光学的位置との関係
を一定に保持することができる。

なお、上記実施例の加工レンズ２で集束された
レーザビームを照射する被加工物５と加工レンズ
２との距離を調整する加工レンズ位置調整手段
は、摺動筒部７に固着したラツク９、ピニオンギ
ア１０、サーボモータ１２等からなるものである
が、本発明を実施する場合には、サーボモータ１
２を駆動し、摺動筒部７を上下方向に移動した
が、ノズル４と一体にした構造とし、全体を上下
方向に移動する構造としてもよい。あるいは、摺
動筒部７に固着したラツク９、ピニオンギア１０
との噛み合いについても、摺動筒部７の回転によ
る変位手段等の外部の駆動手段によつて加工レン
ズ２を変位する手段であればよい。当然ながら、
駆動手段のサーボモータ１２についてもステツピ
ングモータまたは他のモータまたはソレノイド等
としてもよい。

また、上記実施例の前記被加工物に照射されて
いるレーザビームの太さ、即ち、集束状態を判断
するノズルに配設された温度検出器は、加工レン
ズ２の被加工物５側にあるノズルの内側に配設し
ているが、本発明を実施する場合には、ノズルの
先端部分に配設してもよい。何れにせよ熱レンズ
効果によりレーザビームの集束状態が変化する箇
所であればよい。しかし、レーザ加工機の作業性
からすれば、上記実施例のように、ノズルの内側
に温度検出器１５を配設した方がよい。

そして、上記実施例の温度検出器で検出された
レーザビームの集束状態の出力で、加工レンズ位
置調整手段を駆動して集束されたレーザビームを
照射する被加工物と前記加工レンズとの距離を補
正する制御手段は、集束されたレーザビームを照
射する被加工物と加工レンズ２との距離を補正す
る熱電対等の温度検出器１５、温度検出器１５で
検出された出力及びポテンシヨメータ１９の出力
を入力する差動増幅器２０からなるものである
が、本発明を実施する場合には、前述した駆動手
段の種類に応じて、また制御量に応じて、デイジ
タルまたはアナログ的に信号処理することができ
る。

更に、上記実施例のレーザ加工用集光レンズ位
置調整装置は、構造も簡単なためレーザ加工ライ
ンに組み込んで使用することができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明のレーザ加工用集
光レンズ位置調整装置は、加工レンズの熱レンズ
効果の状態を、温度検出器によりレーザビームの
温度を直接検出することによつて、所定位置での
レーザビームの太さ、すなわち集束状態の変化を
判断し、変化の状態に応じて加工レンズの位置を
調整するものである。

これにより、加工レンズに熱レンズ効果が生じ
てレーザビームの焦点位置が変化しても、被加工
物の表面状態の如何にかかわらず、被加工物と焦
点距離の焦点位置との関係を一定に保持した状態
でレーザ加工することができる。

また、レーザビームの焦点位置の変化を、その
レーザビームが被加工物に到達する以前のレーザ
ビーム自体の温度の変化を検出することによつて
検出するので、微妙で、かつ連続的な焦点位置の
変化にもきめ細かく対応して、加工レンズの位置
を精密に補正することができる、といつた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のレーザ加工用集光
レンズ位置調整装置の要部説明図、第２図は温度
検出器で検出したレーザビームの中心からの距離
と温度との関係を示す特性図、第３図は加工レン
ズ位置調整手段を駆動する制御回路図、第４図は
従来のレーザ加工機のレーザ加工用レンズの動作
を説明する加工ヘツド部の概略図である。 図において、２は加工レンズ、５は被加工物、
７は摺動筒部、１５は温度検出器、１９はポテン
シヨメータ、２０は差動増幅器である。なお、各
図中、同一符号及び同一記号は、同一または相当
部分を示すものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザビームを集束する加工レンズ、この加
   工レンズと被加工物との間に設けられ、上記加工
   レンズから上記被加工物へ進む上記レーザビーム
   の温度を上記レーザビームが上記被加工物に到達
   する以前に検出する温度検出器、この温度検出器
   で検出された上記温度の変化に対応した出力に基
   づき、上記加工レンズの位置を調整する加工レン
   ズ位置調整手段を備えたことを特徴とするレーザ
   加工用集光レンズ位置調整装置。