JPS63180392A - 加工レンズの焦点距離調整装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ加工機に集光用レンズとして用いられ
るレーザ用加工レンズの焦点距離をオフマシンで測定し
、その加工レンズがレーザ加工機に装着される際に正確
に焦点距離に応じた位置にセットできるようにした装置
に関する。

［従来の技術］ 従来ＣＯ２レーザ等不可視レーザ加工における加工レン
ズの焦点位置の調整は、レーザ加工機に加工レンズを装
着した上で、被加工物に対して実際にＣＯ全レーザ光を
照射し、「金属プレス、１９８３年１０月号９９頁図４
」に示される様に、加工ヘッドに設けられたレンズ上下
機構により、加工レンズを上下動させることによって加
工レンズと被加工物の距離を変化させ、レーザ照射部に
発生するプラズマの状態変化、もしくは被加工物の加工
状態等を調べることによって、焦点距離を推測し、加工
レンズの位置を設定する方法が一般的に用いられている
。

また、レーザ加工機に１ｌｅ−Ｎｅレーザ光等の可視レ
ーザ先発振器を組込み、そのレーザ光を用いて加工レン
ズの位置を設定する方法も知られている（たとえは特開
昭５７−１３７０９２号公報、特開昭５７−１７５０９
３号公報）。

［発明が解決しようとする問題点コ Ｃ０２レーザ加工機の場合、加工レンズはＺｎ５ｅ、に
Ｃ１等を素材として表面に無反射コーティングを施した
ものが従来一般的に使用されているが、その寿命は５０
０時間程度の有限のものであり、適時交換が必要となる
。また、被加工物から発生する飛散物、金属蒸気、スパ
ッタ等がレンズ面に付着した場合、比較的短時間に加工
レンズが破損に至る場合があり、レーザ加工機が稼動中
にレンズ交換作業が必要となることが多い。

また、レーザ加工においては、加工レンズによリレーザ
を集光し、その集光点を被加工物に対しである設定され
た位置に配する必要があり、たとえば５インチレンズを
用いて溶接、切断等の加工を実施する場合、その位置設
定の余裕度は、±１゜０ＩＩＩＪｆｔ程度といわれてい
る。

それに対し加工レンズの焦点距離は製作時の加工による
バラツキによって個々のレンズによって異なっており、
製造公差±２％のバラツキが存在しているのが現状であ
る。つまり、焦点距離５インチのレンズを使用した場合
、上２゜５４ｍのバラツキが生じる。これはレーザ加工
に際して必要な焦点位置の設定余裕度±１履を超えてお
り、加工レンズを交換した場合必らず焦点位置の再設定
が必要になる。

しかし、従来の加工レンズの焦点位置調整方法では、レ
ーザ加工機にレンズを装着しなければ調整ができないた
め、レーザ加工機が稼動中に加工レンズが破損した場合
には、その作動を停止させ、レンズを予備の新しいもの
に交換し、その後でレンズの焦点位置合せの作業を行な
うことが必要であり、そのために加工装置の停止時間を
長くとることになり、作業効率を大幅に低下させる原因
ともなっているのが現状である。

また、Ｃ０２レーザ光は可視光ではないために、とくに
前述のような被加工物の加工状態を調べる方法では、そ
の焦点合せの作業は熟練作業者の経験と勘に頼って行な
われているのが普通であり、しかもその技術に熟練した
作業者によっても調整作業は時間のかかる仕事であり、
したがってこれまでは加工レンズが破損した場合には設
備の停止時間が非常に長くなるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点に着目し、被加工物を実
際に加工することなく、しかもレーザ加工機に対しオフ
マシン状態にて、正確にかつ容易に加工レンズの焦点距
離を測定でき、加工レンズ交換後にはレーザ加工機にお
けるレンズ位置調整を全く不要とすることのできる装置
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］ この目的に沿う本発明の加工レンズの焦点距離調整装置
は、 可視レーザ光を発振し、発振された可視レーザ光を横断
面が円環で平行に照射される円筒状光に整形する光学機
構と、 上記円筒状光の光路上に設けられ、レーザ加工機に用い
られレーザ加工機のレーザ光を集光する加工レンズを、
円筒状光の中心軸に対し垂直に保持する加工レンズホル
ダと、 円筒状光が加工レンズを透過し該加工レンズにより集光
される透過光の光路上に配設され、該集光される透過光
に対する受光面を有し、該受光面が加工レンズに接近、
離反する方向に移動可能であるとともにその位置を計測
可能な受光手段と、上記光学機構、加工レンズホルダお
よび受光手段を円筒状光の中心軸上に支持する支持体と
、から成る。

［作　用］ このような装置においては、可視レーザ光の円筒状光の
中心軸上に、加工レンズホルダに保持された加］ニレン
ズと、受光手段とが配置され、加工レンズを透過し集光
される可視レーザ光が受光手段の受光面に照射される。

受光手段は、加工レンズに接近、離反する方向に移動可
能であるから、受光面の位置を加工レンズの焦点近傍で
動かすことにより、受光面上で上記集光透過光の影像パ
ターンが、点およびリング状の状態に変化する。つまり
、受光面が加工レンズの焦点にあるときは点になり、そ
れから両側に離れると、それぞれリング状になる。この
リング状のパターンは、多少個人差はあるものの目視に
より明確に認識できるものである。受光手段の受光面の
位置は計測可能であるから、上記焦点両側のリング状パ
ターンの位置を計測し、その中間点を算出すればそれが
加工レンズの焦点位置ということになり、単に目視によ
る計測のみにより、かつレーザ加工機からオフマシン状
態にて、加工レンズの焦点距離が測定される。この測定
値に、本装置に用いた可視レーザ光とレーザ加工機に用
いる不可視レーザ光との違いによる補正を加えれば、加
工レンズをレーザ加工機に装着した際に改めてその焦点
距離を確認しなくても、加工レンズは正確に所定位置に
セットされる。

［実施例］ 以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明
する。

第１図は、本発明の一実施例に係る加工レンズの焦点距
離調整装置を示している。図において、１は、可視レー
ザ光としてのＨｅ−Ｎｅレーザ光２を発振する１ｌｅ−
Ｈｅレーザを示している。ｔｉｅ−Ｈｅレーザ１から照
射されたＨｅ−Ｎｅレーザ光２は、ミラー３で反ｔＪＪ
され、ミラー４へと照射される。ミラー４は、モータ５
により同転可能となっており、該ミラー４から反射され
たレーザ光は円錐状光に整形されてレンズ６を透過する
。レンズ６により、レーザ光は横断面が円環で平行に照
射される円筒状光７に整形される。したがって、これら
装置は、本発明でいう光学機構８を構成している。

上記円筒状光７の光路上に、レーザ加工機に用いられレ
ーザ加工機のレーザ光を集光する加工レンズ９が位置さ
れる。加工レンズ９は、加工レンズホルダ１０内に、円
筒状光７の中心軸１１に対し垂直になるように保持され
る。

円筒状光７が加工レンズ９を透過すると、該加工レンズ
９により集光されるが、この集光される透過光１２の光
路上に受光手段としてのマイクロメータヘッド１３が配
設されている。マイクロメータヘッド１３の頂面１４は
、透過光１２に対する受光面を構成する。このマイクロ
メータヘッド１３の頂面１４は、加工レンズ９に接近、
離反する方向（第１図の上下方向）に位置調整可能とな
っている。そして、その移動位置は、ある基準点から、
望ましくは加工レンズ９の位置からの距離が、計測可能
となっている。

これら光学機構８、加工レンズホルダ１０およびマイク
ロメータヘッド１３を、円筒状光７の中心軸１１上に支
持するために、支持体としてのスタンド１５が設けられ
ている。

このような装置においては、レーザ用加工レンズの焦点
距離は次のように測定される。

Ｈｅ−Ｈｅレーザ装置１からの可視レーザ光がミラー３
、回転ミラー４で反射され、レンズ６により円筒状光７
に整形される。この円筒状光７に整形されたｔｔ　ｅ　
−Ｈｅレーザ光が加工レンズ９に入射する。

加工レンズ９によって透過したＨｅ−Ｎｅレーザ光は円
錐状に集光され、マイクロメータヘッド１３の頂部の受
光面１４に照射される。

第２図に、本装置による加工レンズ９の焦点距離測定の
概念図を示す。円筒状に整形されたＨ　ｅ　−Ｎｅレー
ザ光は、加工レンズ９によって集光されるが、集光点近
傍でのマイクロメータヘッド１３の受光面１４での１ｉ
ｅ−Ｈｅレーザ光の形状は、集光点の上方Ａ点および下
方Ｃ点では、中央が抜けた赤色のリングとして認識され
るが、焦点位置Ｂ点では、中央の暗部がない赤色の点と
して認識される。このリングから点に変わる境界位置で
のマイクロメータの読み値を、焦点位置の上方、下方で
読み取り、基準位置からの距離をそれぞれＤＡ　、ＤＣ
とすると、ＤＢ＝（ＤＡ−ＤＣ）／２＋ＤＣが焦点位置
での読み値となる。この際、受光面１４が上方に移動し
たときにマイクロメータヘッドの読みが正となる様に設
置される。

一方、ＣＯａレーザ光とｔｉｅ−Ｎｅレーザ光との違い
による補正は次のように行われる。

ＣＯ２レーザの波長は１０．６μｍ、　Ｈｅ−Ｎｅ　レ
ーザの波長は０．６３３μ汎であり、Ｚｎ５ｅのレンズ
に対する屈折率αは、α。。＝　２．４０２８、α１ｉ
ｅ−Ｎｅ　＝２”０であるからＩｆ　ｅ　−Ｎ　ｅレー
ザ光の焦点距”　ｔｌｅ−Ｎｅは、ＣＯ□レーザの焦点
距ａ！ｔＥｃｏ２に対し補正係数［（α　　−１）／（
α　　　−１）　＝０．８８２３］ＣＯ２Ｈｅ−Ｎｅ を乗することにより、 ＦＨｅ−Ｎｅ　＝　ＦＣＯ，Ｘｏ、８８２３で求められ
る。逆に、 ＦＣｏ、　＝　Ｆ　Ｈｅ−Ｎｅ　／　０．８８２３で換
算が可能である。

また、現在ＣＯ２レーザ加工機に装着して使用中のレン
ズ［）Ｂ値が判明していれば、交換用の予備レンズを予
備のホルダに装着し、予価レンズについて同様の方法で
［）ＡおよびＤＣの値をＤＡ　−１ＤＣ＝とじて読みと
れば、予備レンズのＤＢ　−値は、 ＤＢ　−＝　（ＤＡ　−−ＤＣ′）／２＋ＤＣ′で算出
され、新しいレンズを装置する場合には、その差分と補
正形数で徐した量ΔＤ＝　（ＤＢ　−ＤＢ　”　）　１
０．８８２３だけ加工ヘッドに設けられたレンズ上下機
構により加工レンズを上下動させて補正を加えることに
よって容易に加工レンズ交換時の焦点位置調整を行なう
ことができる。

本装置を使用して焦点位置の調整を行なった実施例を表
１、表２及び第３図に示す。焦点距離１５インチの加工
レンズＬ１、Ｌ２の２枚を使用し、４人の測定者による
ＤＡ及び［）Ｃの測定値及びｉｌ算ｆａ　Ｄ　Ｂを表１
．２に示すが、識別限界には個人差があるため測定値Ｄ
Ａ　、ＤＣは各人によりバラツキを示すが、ＤＢを算出
する際に個人差はキャンセルされ、ＤＢのバラツキは０
．３．以内と抑えられる。したがって、１５インチレン
ズを使用して溶接を実施する場合の焦点位置余裕度（溶
込み深さがほぼ一定となる許容度）±２ｍｍに対して、
十分に精度の良い値が得られている。

［表−１１Ｌルンズ　（単位二Ｍ） また、表１、表２から、ＬｌからＬ２ヘレンズを交換し
た場合の加工レンズ位置の補正量は、ΔＤ　＝０．４１
ｍ　（４人の平均値）、１０．８８２３＝０．４６ｍで
おり、この補正を加えたＬ２レンズとＬルンズを使用し
て軟鋼平板にビードオン溶接を実施したところ、第３図
のような結果を得た。図から判るように、焦点位置の移
動に対し、溶込み深さは、両者は同様の特性を示し、本
発明によるレンズの焦点位置調整が精度よく行なわれた
ことを示している。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の加工レンズの焦点距離調
整装置によるときは、次のような種々の効果が得られる
。

可視レーザ光を用いたオフマシン測定で必るため、被加
工物を実際に加工することなく焦点距離を測定できる。

また、可視レーザ光を用いた測定であるため、測定に熟
練を要さず、かつ加工レンズの焦点距離がレーザ加工機
に装備する前に判るので、レーザ加工機における従来の
熟練を要する焦点位置調整作業が全く不要になる。した
がって、レーザ加工機における調整作業が大幅に簡略化
され、それに要する工数も少なくて済む。

また、可視レーザ光を用いたオフマシンでの焦点距離測
定であるため、レーザ加工機使用中でも測定が可能であ
り、レーザ加工機の稼動率を大幅に高めることができる
とともに、レンズ交換時間も短時間ですむ。

さらに、加工レンズ焦点近傍の２点測定による焦点距離
測定方法を採用すれば、測定者による読−み取り誤差も
出にくく、正確な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る加工レンズの焦点路＃
を調整装置の、部分的に断面表示した側面図、 第２図は第１図の装置における焦点距離測定の状態を示
す概念図、 第３図は第１図の装置による測定レンズの特性図、 である。 １・・・・・・・・・ｌ１ｅ−Ｎｅレーザ２・・・・・
・・・・レーザ光 ３．４・・・ミラー ５・・・・・・・・・モータ ６・・・・・・・・・レンズ ７・・・・・・・・・円筒状光 ８・・・・・・・・・光学機構 ９・・・・・・・・・加工レンズ １０・・・・・・・・・加工レンズホルダ１１・・・・
・・・・・円筒状光の中心軸１２・・・・・・・・・透
過光 １３・・・・・・・・・受光手段 １４・・・・・・・・・受光面 １５・・・・・・・・・支持体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）可視レーザ光を発振し、発振された可視レーザ光
   を横断面が円環で平行に照射される円筒状光に整形する
   光学機構と、 前記円筒状光の光路上に設けられ、レーザ加工機に用い
   られレーザ加工機のレーザ光を集光する加工レンズを、
   前記円筒状光の中心軸に対し垂直に保持する加工レンズ
   ホルダと、 前記円筒状光が前記加工レンズを透過し該加工レンズに
   より集光される透過光の光路上に配設され、該集光され
   る透過光に対する受光面を有し、該受光面が前記加工レ
   ンズに接近、離反する方向に移動可能であるとともにそ
   の位置を計測可能な受光手段と、 前記光学機構、加工レンズホルダおよび受光手段を前記
   円筒状光の中心軸上に支持する支持体と、から成る加工
   レンズの焦点距離調整装置。