JPH0726711U - レーザ用焦点距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な操作で焦点距離を正確に測定できるこ
と。 【構成】 光定盤１と、光定盤１の一側に設けられ光定
盤１に沿ってレーザ光を出射するようにレーザトーチ２
を保持する保持台３と、出射レーザ光に対して所定の径
のレーザ光を通過させるピンホールフィルタ11と、ピン
ホールフィルタ11の裏側に設けられピンホールフィルタ
11を通過したレーザ光を検出する光センサ13と、ピンホ
ールフィルタ11を光定盤１上に支持し、ピンホールフィ
ルタ11をレーザ光の光軸に一致するようにピンホールフ
ィルタ11の位置を調整すると共に、光軸が一致した後ピ
ンホールフィルタ11を光軸に沿って移動させるピンホー
ルフィルタ位置調整・移動手段４、７、８、10と、ピン
ホールフィルタ11の光軸上の移動を検出する移動検出手
段と、光センサからの出力が入力され、かつ移動検出手
段の移動値が入力され両出力から焦点距離を検出する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光ファイバからのレーザ光を集光してこれを材料等に照射してレー ザ加工を行うレーザトーチの焦点距離を測定するためのレーザ用焦点距離測定装 置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

気体レーザ（Ａｒガスレーザ、ＣＯ₂ ガスレーザ）や固体レーザ（ＹＡＧレー ザ）等の大出力（数ＫＷ）レーザからのレーザ光で金属材料等を溶接したり切断 したりすることが行われている。このようなレーザ加工を行う場合レーザトーチ が用いられる。このレーザトーチは、大出力レーザからのレーザ光を光ファイバ を介して受光して集光した後金属等の材料に照射してレーザ加工を行うためのも のである。

【０００３】 ところで、大出力のレーザ光は、紫外線の場合が多いので目視で光軸を確認す ることができない。また、そのレーザ光が可視光領域の場合でもそのまま材料に 照射するとレーザ光のスポット径が変化して溶接不良や切断不良の原因となるた め、レーザ光を出射する前にレーザ光の焦点距離を測定する必要がある。

【０００４】 そこで、この焦点距離を求めるには低出力（材料に照射されても発熱しない数 ｍＷ程度）かつ可視光領域の波長を有するレーザ、すなわちＨｅ−Ｎｅ（ヘリウ ムネオン）レーザ（照準レーザ）が用いられる。

【０００５】 通常、焦点距離の測定は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光をレーザトーチの光ファイバに 入射させて集光したレーザ光のスポットを、あて紙に照射させると共にあて紙を 光軸に沿って移動させ、スポットの径が最小となったときの距離をスケールで測 定することにより行われる。焦点距離の測定が終了した後、大出力レーザ光をレ ーザトーチの光ファイバに入射してレーザ加工が行われる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上述した従来の方法では測定者があて紙を光軸に垂直にしたま まスケールに沿って移動させスポット径が最小になる位置を目視により求めなけ ればならないので、あて紙がぶれたり、ゆがんだりして位置合わせに非常に手間 がかかる上、測定者の個人差によりスポット径の大きさに誤差が生じて焦点距離 の精度が低くなってしまう。

【０００７】 また、レーザトーチの焦点距離を測定した後レーザ加工を行うとレーザトーチ 内のミラーが曇ったり、塵や埃が付着したりして焦点距離が変化するので再度焦 点距離を測定しなければならないという問題点がある。

【０００８】 そこで、本考案の目的は、上記課題を解決し、簡単な操作で焦点距離を正確に 測定できるレーザ用焦点距離測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために本考案は、光ファイバからのレーザ光を集光してこ れを材料等に照射してレーザ加工を行うレーザトーチの焦点距離を測定するため のレーザ用焦点距離測定装置において、光定盤と、光定盤の一側に設けられ光定 盤に沿ってレーザ光を出射するようにレーザトーチを保持する保持台と、出射レ ーザ光に対して所定の径のレーザ光を通過させるピンホールフィルタと、ピンホ ールフィルタの裏側に設けられピンホールフィルタを通過したレーザ光を検出す る光センサと、ピンホールフィルタを光定盤上に支持し、ピンホールフィルタを レーザ光の光軸に一致するようにピンホールフィルタの位置を調整すると共に、 光軸が一致した後ピンホールフィルタを光軸に沿って移動させるピンホールフィ ルタ位置調整・移動手段と、ピンホールフィルタの光軸上の移動を検出する移動 検出手段と、光センサからの出力が入力され、かつ移動検出手段の移動値が入力 され両出力から焦点距離を検出するためのＸＹレコーダとを備えたものである。

【００１０】

【作用】

上記構成によれば、ピンホールフィルタ位置調整・移動手段でピンホールフィ ルタの光軸を合わせた後ピンホールフィルタをその光軸に沿ってぶれることなく 移動させることができる。ピンホールフィルタで所定の径のレーザ光のみを通過 させて光センサで検出するため、このピンホールフィルタを光軸に沿って前後に 移動させることにより、ピンホールセンサの位置を移動検出手段で検出し、この 移動位置に対するレーザ光の単位当たりのエネルギー強度を光センサで検出する ことが可能となる。光センサからの出力と移動検出手段の移動値とエネルギー強 度とがＸＹレコーダに入力されると、レーザトーチからのピンホールフィルタま での距離をＸ軸とし、レーザ光の単位当たりのエネルギー強度をＹ軸とするグラ フがＸＹレコーダ上に描かれ、このグラフにおけるピーク値が焦点距離と一致す るので、レーザトーチの焦点距離を正確かつ容易に求めることができる。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

【００１２】 図１は本考案のレーザ用焦点距離測定装置の一実施例の側面概略図であり、図 ２は図１に示したレーザ用焦点距離測定装置の光学系の平面図である。尚、図１ 及び図２において、説明の便宜上被測定体としてのレーザトーチが示されている 。

【００１３】 図１及び図２において、１は光定盤であり、この光定盤１上に光定盤に沿って レーザ光を出射するようにレーザトーチ２の円筒２ａを保持する保持台３が取り 付けられている。保持台３の上面は円筒２ａを置いたときに転がるのを防止する ように断面が略Ｖ字状の溝３ａが形成されている。

【００１４】 光定盤１の中央部には、α軸ステージ４が取り付けられている。このα軸ステ ージ４は一方の辺（図の右側）に蝶番５が設けられた板状の固定台４ａと、この 蝶番５に一方の辺が接続され回動可能な板状の回動台４ｂと、回動台４ｂの他方 の辺の近傍を貫通すると共にネジ部が固定台４ａに接触するボルト６とで形成さ れており、ボルト６の頭部を回転させることにより、回動台４ｂがα軸（蝶番の 中心軸で紙面に垂直）を中心にしてボルト６の回転数に応じた角度で回動できる ようになっている。すなわち例えばボルト６を右回転させると回動台４ｂの傾斜 角度が大きくなり、左回転させると回動台４ｂの傾斜角度が小さくなるようにな っている。

【００１５】 α軸ステージ４の回動台４ｂの上には、Ｘ軸ステージ７が取り付けられている 。このＸ軸ステージ７は、板状の固定台７ａと、固定台７ａの上にガイド（図示 せず）を介して設けられ固定台７ａに平行かつ固定台７ａに沿ってＸ軸（紙面に 垂直な軸）方向に移動可能な板状の移動台７ｂとで形成されている。

【００１６】 Ｘ軸ステージ７の上には、θ軸ステージ８が取り付けられている。このθ軸ス テージ８は板状の固定台８ａと、固定台８ａに垂直に設けられた回転軸（θ軸） １５と、固定台８ａに平行かつこの回転軸を中心にして回転可能な板状の回転台 ８ｂとで形成されている。

【００１７】 θ軸ステージ８の上には、Ｙ軸ステージ９が取り付けられている。Ｙ軸ステー ジ９は、板状の固定台９ａと、固定台９ａの上にガイド（図示せず）を介して設 けられ固定台９ａに平行かつ固定台９ａに沿ってＹ軸（紙面に平行な軸）方向に 移動可能な板状の移動台９ｂとで形成されている。このＹ軸ステージ９にはリニ アスケール（Ｙ軸ステージ９に内蔵されている）とＺ軸ステージ１０とが設けら れている。

【００１８】 リニアスケールは、例えば両端に所定の電圧が印加され、Ｙ軸ステージ９の固 定台９ａ上にＹ軸に沿って取り付けられた略直線状の抵抗体（図示せず）と、抵 抗体上を抵抗体に沿って移動すると共に移動台９ｂに連結された摺動端子（図示 せず）とからなる抵抗直線型ポテンショメータで形成されており、抵抗体の一端 と摺動端子との間に移動台９ｂの位置に比例した出力電圧を発生するようになっ ている。この出力電圧を検出することにより移動台９ｂの位置、すなわちレーザ トーチ２と後述するピンホールフィルタ１１との間の距離を知ることができる。 リニアスケールの出力電圧は後述するＸＹレコーダ１２のＸ軸端子に入力される 。尚、本実施例ではリニアスケールに抵抗直線型ポテンショメータを用いたが、 これに限定されず、距離を検出することができればマグネスケール等他の距離測 定装置を用いてもよい Ｚ軸ステージ１０は、Ｙ軸ステージ９に垂直な側面を有する固定台１０ａと、 固定台１０ａの側面上にガイド（図示せず）を介して設けられ、側面に平行かつ 側面に沿ってＺ軸（紙面に平行な軸）方向に移動可能な板状の移動台１０ｂとで 形成されている。Ｚ軸ステージ１０は、ピンホールフィルタ１１の上下方向の調 整を行うことができる。

【００１９】 このＺ軸ステージ１０の移動台１０ｂにはピンホールフィルタ１１が、表面が Ｚ軸に沿うように取り付けられている。

【００２０】 ピンホールフィルタ１１は、レーザ光の最大ビーム径より小さい径のピンホー ル１１ａを有しており、ピンホール１１ａの裏側（図の左側）には光センサ１３ が取り付けられている。

【００２１】 光センサ１３は、ピンホール１１ａを通過したレーザ光を受光して電気信号に 変換するようになっている。光センサ１３からの電気信号は光パワーメータ１４ に入力される。

【００２２】 光パワーメータ１４は、光センサ１３からの電気信号を増幅して指示計の指針 （共に図示せず）を振らせ、その角度で光強度を表示するようになっており、光 パワーメータ１４の出力はＸＹレコーダ１２のＹ軸端子に接続されている。

【００２３】 ＸＹレコーダ１２は、Ｘ軸端子１２ａに入力された電圧をＸ軸とし、Ｙ軸端子 １２ｂに入力された電圧をＹ軸として記録紙（図示せず）上に直交座標系のグラ フとして可視表示するようになっている。

【００２４】 尚、ピンホールフィルタ位置調整・移動手段はα軸ステージ４、Ｘ軸ステージ ７、θ軸ステージ８、Ｙ軸ステージ９及びＺ軸ステージ１０で形成されており、 移動検出手段はリニアスケールで形成されている。

【００２５】 レーザトーチ２は、一端に光ファイバ１７が同軸になるように貫通して設けら れ側面に開口部が形成された略円筒状の容器２ａと、容器内２ａに設けられ光フ ァイバ１７の端面から出射したレーザ光を略容器の半径方向に反射するミラー（ 図示せず）と、ミラーの出射側の光軸上に設けられレーザ光を集光して開口部を 介して容器窓から出射する集光レンズ１６（図３（ａ）参照）とで形成されてい る。

【００２６】 レーザトーチ２の光ファイバ１７に入射される照準用のレーザ光は、例えば７ ６０ｎｍ、数ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ光で、加工用のレーザ光は１．０６μｍ、 数ＫＷのＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザ光である。

【００２７】 ところで、レーザトーチ２の光ファイバ１７にＨｅ−Ｎｅレーザ光を入射した ときの焦点距離と、ＹＡＧレーザ光を入射したときの焦点距離とは両レーザ光の 波長が異なるため同一とならず一定の比を有している。すなわちＹＡＧレーザ光 の焦点距離はＨｅ−Ｎｅレーザ光の焦点距離の１．０４倍となっている。本実施 例のレーザ用焦点距離測定装置により得られた焦点距離に１．０４を乗じた数値 がＹＡＧレーザ光の焦点距離となる（他の加工用レーザ光を用いた場合には波長 より求めた係数を乗じればよい）。

【００２８】 次に実施例の作用を述べる。

【００２９】 図１に示すようにまず保持台３上にレーザトーチ２の円筒２ａを、開口部がピ ンホールフィルタ１１に対向するように搭載し、光ファイバ１７にＨｅ−Ｎｅレ ーザ光を入射する。α軸ステージ４でピンホールフィルタ１１と光センサ１３と が形成する光軸の上下方向の傾斜を調整し、Ｘ軸ステージ７でピンホールフィル タ１１の左右方向を調整され、θ軸ステージ８でピンホールフィルタ１１の回転 角度が調整され、Ｙ軸ステージ９でピンホールフィルタ１１の前後方向が調整さ れ、Ｚ軸ステージ１０でピンホールフィルタ１１の上下方向の位置が順次調整さ れてレーザ光の焦点を含む光軸がピンホールフィルタ１１のピンホール１１ａに 一致される。集光レンズ１６で集光されたレーザ光は焦点に接近するに伴いビー ム径が小さくなり、焦点から離れるに伴いビーム径が大きくなるが（図３（ａ） 参照）、ピンホール１１ａと光軸とが一致した後、ピンホールフィルタ１１をＹ 軸に沿って前後に移動させると、Ｙ軸方向の位置に関わりなくピンホールフィル タ１１によって所定の径のレーザ光のみ通過されるので、レーザ光の単位当たり のエネルギー強度が光センサ１３で検出される。これとともにＸ軸方向の移動位 置がリニアスケール（移動位置検出装置）で検出される。リニアスケールの出力 がＸＹレコーダ１２のＸ軸端子１２ａに入力され、光センサ１３の出力が光パワ ーメータ１４を介してＸＹレコーダ１２のＹ軸端子１２ｂに入力されると、上に 図３（ｂ）に示すような略山形の曲線が描かれる。この曲線がピーク値をとると きのＸＹレコーダ１２のＹ軸の値がレーザトーチ２の焦点と一致するので、レー ザトーチ２の焦点距離を正確かつ容易に求めることができる。尚、図３（ａ）は 集光レンズとレーザ光との関係を示し、図３（ｂ）は集光レンズからの距離と単 位面積当たりのエネルギーとの関係を示す図であり、横軸が距離、縦軸が単位面 積当たりのエネルギーを示している。

【００３０】 このようにして求めた照準用レーザ光の焦点距離に所定の係数を乗じれば加工 用レーザ光の焦点距離を求めることができる。

【００３１】 以上本実施例によれば、光定盤１と、光定盤１の一側に設けられ光定盤１に沿 ってレーザ光を出射するようにレーザトーチ２を保持する保持台３と、出射レー ザ光に対して所定の径のレーザ光を通過させるピンホールフィルタ１１と、ピン ホールフィルタ１１の裏側に設けられピンホールフィルタ１１を通過したレーザ 光を検出する光センサ１３と、ピンホールフィルタ１１を光定盤１上に支持し、 ピンホールフィルタ１１をレーザ光の光軸に一致するようにピンホールフィルタ １１の位置を調整すると共に、光軸が一致した後ピンホールフィルタ１１を光軸 に沿って移動させるピンホールフィルタ位置調整・移動手段４、７、８、１０と 、ピンホールフィルタ１１の光軸上の移動を検出する移動検出手段と、光センサ １３からの出力が入力され、かつ移動検出手段の移動値が入力され両出力から焦 点距離を検出するためのＸＹレコーダ１２とを備えたので、簡単な操作で焦点距 離を正確に測定できるレーザ用焦点距離測定装置を実現することができる。

【００３２】

【考案の効果】

以上要するに本考案によれば、次のような優れた効果を発揮する。

【００３３】 (1) 簡単な操作でレーザトーチの焦点距離を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のレーザ用焦点距離測定装置の一実施例
の側面概略図である。

【図２】図１に示したレーザ用焦点距離測定装置の光学
系の平面図である。

【図３】（ａ）は集光レンズとレーザ光との関係を示
し、（ｂ）は集光レンズからの距離と単位面積当たりの
エネルギーとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 光定盤 ２ レーザトーチ ３ 保持台 ３ａ 溝 ４ α軸ステージ ４ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ 固定台 ４ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ 移動台 ５ 蝶番 ６ ボルト ７ Ｘ軸ステージ ８ θ軸ステージ ９ Ｙ軸ステージ １０ Ｚ軸ステージ １１ ピンホールフィルタ １１ａ ピンホール １２ ＸＹレコーダ １２ａ Ｘ軸端子 １２ｂ Ｙ軸端子 １３ 光センサ １４ 光パワーメータ １５ 回転軸

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバからのレーザ光を集光してこ
   れを材料等に照射してレーザ加工を行うレーザトーチの
   焦点距離を測定するためのレーザ用焦点距離測定装置に
   おいて、光定盤と、該光定盤の一側に設けられ該光定盤
   に沿ってレーザ光を出射するようにレーザトーチを保持
   する保持台と、出射レーザ光に対して所定の径のレーザ
   光を通過させるピンホールフィルタと、該ピンホールフ
   ィルタの裏側に設けられ該ピンホールフィルタを通過し
   たレーザ光を検出する光センサと、前記ピンホールフィ
   ルタを前記光定盤上に支持し、前記ピンホールフィルタ
   を前記レーザ光の光軸に一致するように前記ピンホール
   フィルタの位置を調整すると共に、該光軸が一致した後
   前記ピンホールフィルタを前記光軸に沿って移動させる
   ピンホールフィルタ位置調整・移動手段と、前記ピンホ
   ールフィルタの光軸上の移動を検出する移動検出手段
   と、前記光センサからの出力が入力され、かつ前記移動
   検出手段の移動値が入力され両出力から焦点距離を検出
   するためのＸＹレコーダとを備えたことを特徴とするレ
   ーザ用焦点距離測定装置。