(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角１０度以下で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と同方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置された球面の凹面反射鏡および凸面反射鏡を備え、前記球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように曲率を設定したものであり、
前記凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
前記ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるように、前記ミラー駆動装置を制御して前記球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変える事により入射ビーム径に対する出射ビーム径を可変する制御装置とを備えたレーザ発振装置。
【請求項２】
光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角約４５度で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と正反対の方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置された放物面の凹面反射鏡および凸面反射鏡を備え、前記球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように曲率を設定したものであり、
前記凹面反射鏡と凸面反射鏡の位置を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
前記ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるように、前記ミラー駆動装置を制御して前記球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対する出射ビーム径を可変する制御装置とを備えたレーザ発振装置。
【請求項３】
光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角約４５度で反射されるように配置された平面反射鏡と、
前記平面反射鏡で反射されたレーザビームが入射角約２２．５度で反射されるように配置された第１の放物面反射鏡と、前記第１の放物面反射鏡で反射されたレーザビームが入射角約２２．５度で反射されるように配置された第２の放物面反射鏡とを備え、前記第１および第２の放物面反射鏡は一方が凹面、他方が凸面であり、前記第１の放物面反射鏡に入射したレーザビームが前記第２の放物面反射鏡より、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と正反対の方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置されたものであり、
前記平面反射鏡と前記第１の放物面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように前記第１の放物面反射鏡および第２の放物面反射鏡の曲率を設定したものであり、
前記第１の放物面反射鏡および前記平面反射鏡の位置を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
前記ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるように前記ミラー駆動装置を制御する制御装置とを備えたレーザ発振装置。
【請求項４】
前記反射鏡のうち任意の反射鏡の反射面の２次元温度分布を計測可能な温度分布検出手段を有し、ビーム径検出手段は、前記温度分布検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出する請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
前記レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段の代替手段として、レーザビーム受光部と、制御装置よりの指令に従ってレーザビーム経路上と前記レーザビーム経路外との間に前記レーザビ−ム受光部を進退させる受光部駆動手段と、レーザビーム経路挿入時にレーザビーム受光部の２次元温度分布を計測する温度分布検出手段とを有し、ビーム径検出手段は前記温度分布検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出する請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項６】
前記反射鏡の反射面以外の部分に取り付けられた温度を計測可能な温度検出手段を有し、ビーム径検出手段は前記温度検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出する請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項７】
レーザビーム経路上のレーザビームの経路に交差する方向の空気中の電気伝導度を測定可能な電気伝導度測定手段を有し、ビーム径検出手段は前記電気伝導度測定手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出する請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項８】
レーザビーム経路上の空気の屈折率を測定可能な屈折率測定手段を有し、ビーム径検出手段は前記屈折率測定手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出する請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項９】
前記屈折率測定手段は、半導体レーザとフォトダイオードとを、レーザビーム経路を挟んで対向に配置させたものであり、屈折率変化に対応したフォトダイオードの受光量変化を用いたものである請求項８記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置において、加工位置でのビーム径を常に一定に制御する事により、常に安定した高品質な加工を提供するレーザ発振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置では、レーザ発振器から取出されたレーザビームは、数枚の反射ミラーを介して加工位置まで伝送され、加工ヘッド内に設けられた集光レンズで一定の集光スポット径に集光される。集光されたレーザビームは被加工材に照射され、レーザ加工が行われる。
【０００３】
レーザ加工の加工品質は、レーザビームの集光スポット径に大きく依存し、常にこの集光スポット径を一定に保つことが、安定したレーザ加工を行う上で必須となる。
【０００４】
集光スポット径は、集光レンズに入射するビーム径、すなわち加工位置でのビーム径によって決まるため、もし加工位置でのビーム径が変化すると、集光スポット径も変化し、加工品質が低下してしまう。よって安定したレーザ加工を行うためには、常に加工位置でのビーム径を一定に保つ必要がある。
【０００５】
レーザ発振器から取出されたレーザビームは、一定の発散角を持っているため、光路長が変わると、加工位置でのビーム径が変わってくる。光路長可変タイプのレーザ加工装置においては、加工位置によって、レーザ発振器からレーザ加工へツドまでの光路長が変化するため、それに伴い加工位置でのビーム径が変化し、加工性能が変化してしまうという問題がある。よって光路長が変わっても加工位置でのビーム径が一定になるように、レーザビーム経路にビームコリメーションのための凹凸レンズの組み合わせや凹凸面鏡の組み合わせを挿入するという方法が従来手法として用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし実際にはビームのコリメーションを行っても完全にビーム径を一定にすることは極めて困難であり、加工位置による加工品質の変化を完全に抑えることは出来ていない。
【０００７】
これを解決するひとつの手法として、加工位置が変わっても光路長変化が無いような光路長一定タイプのレーザ加工装置も用いられている。しかしこのタイプのレーザ加工装置においては、構造が複雑になる事より、コスト面また信頼性の面から問題が多く、光路長可変タイプにおいて、完全に加工位置でのビーム径を一定にする手法が望まれていた。
【０００８】
また光路長可変タイプ、光路長一定タイプ共通の問題として、レーザ発振器より取り出されるレーザビーム径自体の経時変化の問題がある。レーザ発振器の共振系を構成しているミラーのうち、レーザビームを取り出す出力鏡の大気側は、常に大気中のごみや粉塵などにさらされているため、次第に汚れが付着し、そのことによる熱レンズ効果により、経時にレーザビームの発散角が変化し、加工位置でのビーム径が小さくなってしまう。
【０００９】
これらの問題を解決するための手法として、例えば特開平１−２７１０８７号に示す構成のように、レーザ発振器とレーザビームを集光させる集光レンズとのレーザビーム経路途中に設けたセンサによりレ−ザビームの径を検知し、そのセンサとレーザ発振器との間に設けられたコリメータを駆動装置により動かし、常にレーザビームの径が一定になるように制御するというアイデアも提案されている。しかしこのアイデア自体は公知の事実の範疇を越えるものではなく、むしろこれを実現するための具体手法が求められていた。
【００１０】
本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものであり、レーザ発振器とレーザビームを集光させる集光レンズとのレーザビーム経路途中に設けたセンサによりレーザビームの径を検知し、そのセンサとレーザ発振器との間に設けられたコリメータを駆動装置により動かし、常にレーザビームの径が一定になるように制御する手法に関して、これを実現するための具体手法を提案するものである。
【００１１】
すなわち、本発明の目的は、レーザビームに干渉することなくレーザビーム径を監視でき、コリメーション部での収差の発生を常に最小に抑えることができ、光路長の変化や、経時的なレーザ発振器のビーム径変化などの外乱要素に依らず、常に加工位置にて一定のビーム径を得る事が出来るレーザ発振装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のレーザ発振装置は、光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角１０度以下で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と同方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置された球面の凹面反射鏡および凸面反射鏡を備え、球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように曲率を設定したものであり、
凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるように、ミラー駆動装置を制御して球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離および各角度を変える事により入射ビーム径に対する出射ビーム径を可変する制御装置とを備えたものである。
【００１３】
請求項１記載のレーザ発振装置によれば、レーザビームに干渉することなくレーザビーム径を監視し、それに基づき加工位置でのビーム径を常に一定に制御することができ、かつコリメーション部での収差の発生を常に最小に抑える事が出来るため、光路長の変化や、経時的なレーザ発振器のビーム径変化などの外乱要素に依らず、常に加工位置にて一定のビーム径を得る事が出来、長期に渡って高品質なレーザ加工を提供することが出来る。
【００１４】
請求項２記載のレーザ発振装置は、光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角約４５度で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と正反対の方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置された放物面の凹面反射鏡および凸面反射鏡を備え、球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように曲率を設定したものであり、
凹面反射鏡と凸面反射鏡の位置を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるように、ミラー駆動装置を制御して球面の凹面反射鏡と凸面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対する出射ビーム径を可変する制御装置とを備えたものである。
【００１５】
請求項２記載のレーザ発振装置によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１６】
請求項３記載のレーザ発振装置は、光路長可変タイプのレーザ加工装置に用いられるレーザ発振装置であって、入射したレーザビームが、入射角約４５度で反射されるように配置された平面反射鏡と、
平面反射鏡で反射されたレーザビームが入射角約２２．５度で反射されるように配置された第１の放物面反射鏡と、第１の放物面反射鏡で反射されたレーザビームが入射角約２２．５度で反射されるように配置された第２の放物面反射鏡とを備え、第１および第２の放物面反射鏡は一方が凹面、他方が凸面であり、第１の放物面反射鏡に入射したレーザビームが第２の放物面反射鏡より、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と正反対の方向に出射されるような反射条件を満たすように、互いに向かい合わせて配置されたものであり、
平面反射鏡と第１の放物面反射鏡との距離を変える事により入射ビーム径に対して出射ビーム径を所定の範囲で可変する事が可能なように第１の放物面反射鏡および第２の放物面反射鏡の曲率を設定したものであり、
第１の放物面反射鏡および平面反射鏡の位置を変化可能なミラー駆動装置と、
レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段と、
ビーム径検出手段により検出したレーザビーム径の情報と、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性・加工位置の光路長の情報に基づき、予め最適加工結果を得る事が判明しているビーム径の値となるようにミラー駆動装置を制御する制御装置とを備えたものである。
【００１７】
請求項３記載のレーザ発振装置によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１８】
請求項４記載のレーザ発振装置は、請求項１、請求項２または請求項３において、反射鏡のうち任意の反射鏡の反射面の２次元温度分布を計測可能な温度分布検出手段を有し、ビーム径検出手段は、温度分布検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出するものである。
【００１９】
請求項４記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００２０】
請求項５記載のレーザ発振装置は、請求項１、請求項２または請求項３において、レーザビーム経路外に設けられてレーザビーム径を検出するビーム径検出手段の代替手段として、レーザビーム受光部と、制御装置よりの指令に従ってレーザビーム経路上とレーザビーム経路外との間にレーザビ−ム受光部を進退させる受光部駆動手段と、レーザビーム経路挿入時にレーザビーム受光部の２次元温度分布を計測する温度分布検出手段とを有し、ビーム径検出手段は温度分布検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出するものである。
【００２１】
請求項５記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００２２】
請求項６記載のレーザ発振装置は、反射鏡の反射面以外の部分に取り付けられた温度を計測可能な温度検出手段を有し、ビーム径検出手段は温度検出手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出するものである。
【００２３】
請求項６記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００２４】
請求項７記載のレーザ発振装置は、レーザビーム経路上のレーザビームの経路に交差する方向の空気中の電気伝導度を測定可能な電気伝導度測定手段を有し、ビーム径検出手段は電気伝導度測定手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出するものである。
【００２５】
請求項７記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００２６】
請求項８記載のレーザ発振装置は、請求項１、請求項２または請求項３において、レーザビーム経路上の空気の屈折率を測定可能な屈折率測定手段を有し、ビーム径検出手段は屈折率測定手段よりの信号とあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を算出するものである。
【００２７】
請求項８記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００２８】
請求項９記載のレーザ発振装置は、屈折率測定手段は、半導体レーザとフォトダイオードとを、レーザビーム経路を挟んで対向に配置させたものであり、屈折率変化に対応したフォトダイオードの受光量変化を用いたものである。
【００２９】
請求項９記載のレーザ発振装置によれば、請求項８と同様な効果がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００３１】
図１は本発明の第１の実施の形態であり請求項１および請求項４に関するレーザ発振装置の構成図である。
【００３２】
まず本装置の構成について説明する。レーザ発振器１より取り出されたレーザビーム４は、ビームコリメーション部、すなわち反射面が凸の球面である凸面鏡２ａおよび反射面が凹の球面である凹面鏡２ｂにて、共に入射角１０度以下で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と同方向に出射された後、平面鏡７で反射され、加工位置にある集光レンズ８に入射する。集光レンズ８で集光された後、被加工材９に照射され、加工が行われる。
【００３３】
凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間の距離は、それぞれを保持可能に備えた駆動装置３ａ、３ｂによって調整可能となっており、駆動装置３ａ、３ｂは、制御装置６によって制御されている。また凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間距離を変えるときには、それに応じて制御装置６が所定の演算を行い、レーザビームの入射、出射位置および方向が一定に保たれるように、凸面鏡２ａ、凹面鏡２ｂの角度を変化させるようになっている。この時入射角は常に１０度以下となるように各反射鏡２ａ、２ｂの位置が設定されている。図２に球面鏡へのレーザビームの入射角と、反射後のレーザビーム真円度との関係を示す。球面鏡は基本的に入射角０度、すなわち入射方向と反射方向が完全に正反対となる場合が、最も収差の影響を受けにくく、反射後のレーザビームの真円度は最良状態の１００％となる。しかし現実的に入射角０度で使用することは不可能であり、収差の影響を最小限に抑えられる範囲で、ある程度の入射角を設ける必要がある。図２より明らかなように入射角１０度以下では、収差の影響はほとんど無く、レーザビーム真円度はほぼ１００％を保っている。これより、本発明の構成においては、凸面鏡２ａおよび凹面鏡２ｂでの反射によるレーザビーム真円度の低下、すなわちレーザビーム品質の低下を防ぐ事が出来ることが判る。
【００３４】
レーザビーム経路近傍には、凸面鏡２ａの反射面２次元温度分布を測定するための温度分布検出手段５が設けられている。この温度分布検出手段５は、たとえば凸面鏡２ａの反射面温度に応じて放出される放射光１０の波長およびその強度の２次元分布を検出するセンサが用いられ、この温度分布検出手段５よりの信号とあらかじめ設定された値との比較により、ビーム径検出手段１１が、反射面でのレーザビーム径を算出する。ビーム径検出手段１１より、反射鏡位置でのビーム径の情報を受け取った制御装置６は、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性、加工位置の光路長などの情報と合わせ、加工位置でのレーザビーム径を所定の値に調整すべく、駆動装置３ａ、３ｂを制御し、凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間距離、および各球面鏡２ａ、２ｂの角度調整を行う。
【００３５】
本発明の構成により、光路長可変タイプのレーザ加工装置において、加工位置の光路長変化に応じて、ビームコリメーション部の凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間距離の調整を行う事で、常に加工位置のビーム径が一定になり、且つ本発明の構成を採る事でレーザビーム経路のずれや収差の影響も最小限に抑えられるため、常に高品質なレーザビームが得られる事になる。
【００３６】
これに加え、レーザビーム自体に干渉せずにビーム径を検出する手法を取る事が出来る為、レーザビームの品質を低下させること無く、経時的なレーザビームの発散角変化に応じて、常に加工位置のビーム径を一定にする事が出来る。
【００３７】
図３は本発明の第１の実施の形態と従来例とでの、経時的な加工品質の変化を示したものである。従来例１はレーザビーム径のセンシング自体を行わない場合を示しており、経時的にレーザ発振器より取り出されるレーザビームの発散角が変化するに従い、加工品質が低下していっている事が判る。従来例２は特開平１−２７１０８７号に示されるように、レーザビーム経路にセンサを挿入する形でレーザビーム径をセンシングする構成を採った場合であり、経時的な加工品質の低下は無いが、センシング自体によるレーザビーム品質の低下が見られる。本発明の第１の実施の形態においては、高い加工品質を、経時変化無く保つ事が出来ている。
【００３８】
図４は本発明の第２の実施の形態であり、レーザ径の検出に関する請求項１および請求項５に関してのレーザ発振装置の構成図である。図１において、レーザビーム経路の近傍には、レーザビーム受光部１２と、制御装置６よりの指令に従ってレーザビーム経路に対しレーザビーム受光部１２の出し入れを行う受光部駆動手段１３が備えられている。レーザ加工を行っている時には、レーザビーム受光部１２はレーザビーム経路から外れた位置にあり、通常はレーザビームへの干渉が起きないようになっている。外部よりの指令などにより制御装置６は受光部駆動手段１３を制御し、レーザビーム受光部１２をレーザビーム経路に挿入する。この事によりレーザビーム受光部１２は、レーザビームを直接受ける事になる。レーザビーム受光部１２に接続された温度分布検出手段５は、レーザビーム受光部１２の受光面の２次元温度分布を検出し、ビーム径検出手段１１へと信号を送る。この後の動作および上記以外の構成は前出した図１の説明と同様であり、この温度分布検出手段５よりの信号とあらかじめ設定された値との比較により、ビーム径検出手段１１が、反射面でのレーザビーム径を算出し、制御装置６はあらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性、加工位置の光路長などの情報と合わせ、加工位置でのレーザビーム径を所定の値に調整すべく、駆動装置３ａ、３ｂを制御し、凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間距離、および各球面鏡の角度調整を行う。
【００３９】
図４の構成においては、レーザビーム径を測定する時のみセンサをレーザビーム経路に挿入する方法であり、レーザ加工時にはレーザビームには干渉しないため、図１の構成と同様に、レーザビームの品質を低下させること無く、経時的なレーザビームの発散角変化に応じて、常に加工位置のビーム径を一定にする事が出来る。
【００４０】
図５は本発明の第３の実施の形態であり請求項２および請求項４に関するレーザ発振装置の構成図である。図１に示す第１の実施の形態と異なる点は、ビームコリメーション部およびその駆動方式にある。レーザ発振器１より取り出されたレーザビーム４は、ビームコリメーション部、すなわち反射面が凸の９０度反射の放物面である凸面鏡２ａおよび反射面が凹の９０度反射の放物面である凹面鏡２ｂにて、共に入射角約４５度で２回反射された後、入射方向に対して平行移動した位置に、入射方向と正反対の方向に出射された後、平面鏡７で反射され、加工位置にある集光レンズ８に入射する。凸面鏡２ａ〜凹面鏡２ｂ間の距離、および各反射鏡２ａ、２ｂの角度は常に一定であり、それぞれを保持可能に備えられたミラー駆動装置３ａ、３ｂによって、レーザビームの入射方向に対し、平行移動できるようになっている。移動時には、レーザビームの入射、出射位置および方向を一定に保ったまま、移動するようになっており、入射角は常に約４５度に保たれる。コリメーション部の凸凹各放物面鏡（２ａ、２ｂ）は９０度反射時に収差が最小となるように設計されているため、図１の例と同様に、収差の影響はほとんど無く、レーザビーム真円度は１００％を保つことが出来る。これより、本発明の構成においては、凸面鏡２ａおよび凹面鏡２ｂでの反射によるレーザビーム真円度の低下、すなわちレーザビーム品質の低下を防ぐ事が出来ることが判る。
【００４１】
図６は本発明の第４の実施の形態であり請求項３および請求項４に関するレーザ発振装置の構成図である。図１、図５に示す実施の形態と異なる点は、ビームコリメーション部およびその駆動方式にある。レーザ発振器１より取り出されたレーザビーム４は、平面反射鏡７によって入射角約４５度で反射された後、反射面が凹の４５度反射の放物面である凹面鏡２ｂおよび反射面が凸の４５度反射の放物面である凸面鏡２ａにて、共に入射角約２２．５度で２回反射された後、加工位置にある集光レンズ８に入射する。
【００４２】
凸面鏡２ａの位置は一定であり、平面反射鏡７および凹面鏡２ｂが、それぞれを保持可能に備えられたミラー駆動装置３ａ、３ｂによって、入射角２２．５度を保ったまま移動するようになっている。コリメーション部の凸凹各放物面鏡は４５度反射時に収差が最小となるように設計されているため、図１、図５の実施の形態と同様に、収差の影響はほとんど無く、レーザビーム真円度は１００％を保つことが出来るという効果が得られる。
【００４３】
なお、図５、図６の実施の形態に、図４の実施の形態を適用することができる。
【００４４】
図７は本発明の第５の実施の形態であり請求項６に関するレーザ発振装置の構成図である。すなわち、図１、図５、図６の凹面鏡２ｂの反射面の裏面に、熱電対やサーミスタなどの温度検出手段１４が取り付けられている。この温度分布検出手段１４は、レーザビーム径に応じ変化する凹面鏡２ｂの反射面の２次元温度分布を、間接的に測定するためのものである。温度分布検出手段１４より、温度情報がビーム径検出手段１１へと送られ、ビーム径検出手段１１はあらかじめ与えられた情報に基づき、反射面でのレーザビーム径を算出する。ビーム径検出手段１１より、反射鏡位置でのビーム径の情報を受け取った制御装置６は、あらかじめ与えられたレーザ発振器のビーム特性、加工位置の光路長などの情報と合わせ、加工位置でのレーザビーム径を所定の値に調整すべく、駆動装置３ｂによって各鏡の調整を行う。この事により図１の例と同様に、レーザビーム自体に干渉せずにビーム径を検出する手法を取る事が出来る為、レーザビームの品質を低下させること無く、ビーム径の制御を行うことが出来る。
【００４５】
なお、凸面鏡２ａおよび平面鏡７に温度検出手段１４を設けてもよい。
【００４６】
図８は本発明の第６の実施の形態であり請求項７に関するレーザ発振装置の構成図である。すなわち、図１、図５および図６の実施の形態のレーザビーム経路外にレーザビーム経路を挟んで、空気中の電気伝導度を測定可能な電気伝導度測定手段１５が設けられている。電気伝導度測定手段１５は、例えばある距離を置いて対向して配置された２個の金属電極間に数ＫＶの定電圧をかけておき、空気の電気伝導度に応じて２個の金属電極間に流れる漏れ電流を測定するものである。レーザビームが空気中を伝播すると、その部分の空気中の分子、すなわち窒素、酸素などの分子がレーザビームよりエネルギを受け取り、プラズマ化する。このことにより、レーザビームが通過した部分の空気伝導度は、それ以外の部分より低下する。レーザビーム径が大きいほど、プラズマ化する範囲も広くなり、それに応じ空気の電気伝導度も低下する。これを電気伝導度測定手段１５により測定することで、レーザビーム径を測定することが出来る。これにより図１、図７の例と同様に、レーザビーム自体に干渉せずにビーム径を検出する手法を取る事が出来る為、レーザビームの品質を低下させること無く、ビーム径の制御を行うことが出来る。
【００４７】
図９は本発明の第７の実施の形態であり請求項８および請求項９に関するレーザ発振装置の構成図である。
【００４８】
すなわち、図１、図５および図６の実施の形態において、温度分布検出手段５に代えて、レーザビーム経路外に空気の屈折率を測定可能な屈折率測定手段１６が設けられている。屈折率測定手段１６は、例えば半導体レーザ１７とフォトダイオード１８とをレーザビーム経路を挟んで、互いに対向させて配置した構成をとっている。通常時は、半導体レーザ１７より出たレーザビームが、空気中を伝播し、対向したフォトダイオード１８の受光部中心にて受光されるようになっている。
【００４９】
レーザビームが空気中を伝播すると、その部分の空気中の分子、すなわち窒素、酸素などの分子がレーザビームよりエネルギを受け取り、プラズマ化する。このことにより、レーザビームが通過した部分の空気屈折率が変化する。レーザビーム径が大きいほど、プラズマ化する範囲も広くなり、それに応じより広い部分の屈折率が変化する。
【００５０】
これにより半導体レーザ１７より出たレーザビームの進行方向は、屈折率変化領域の広さに応じて若干変化し、フオトダイオード１８の受光部中心よりずれた位置に照射され、フォトダイオード１８の受光量は低下する。このようにして空気中を伝播するレーザビーム径とフォトダイオード１８の受光量との間に一定の相関が見られることになるため、屈折率測定手段１６によってその信号を入力するビーム径検出手段１１によりあらかじめ設定された値との比較によりレーザビーム径を測定することが出来る。この方法によっても、図１、図７、図８の例と同様、レーザビーム自体に干渉せずにビーム径を検出出来る為、レーザビームの品質を低下させること無く、ビーム径の制御を行うことが出来る。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載のレーザ発振装置によれば、レーザビームに干渉することなくレーザビーム径を監視し、それに基づき加工位置でのビーム径を常に一定に制御することができ、かつコリメーション部での収差の発生を常に最小に抑える事が出来るため、光路長の変化や、経時的なレーザ発振器のビーム径変化などの外乱要素に依らず、常に加工位置にて一定のビーム径を得る事が出来、長期に渡って高品質なレーザ加工を提供することが出来る。
【００５２】
請求項２記載のレーザ発振装置によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００５３】
請求項３記載のレーザ発振装置によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００５４】
請求項４記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００５５】
請求項５記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００５６】
請求項６記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００５７】
請求項７記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００５８】
請求項８記載のレーザ発振装置によれば、請求項１、請求項２または請求項３と同様な効果がある。
【００５９】
請求項９記載のレーザ発振装置によれば、請求項８と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図２】その球面鏡へのレーザビームの入射角と、反射後のレーザビーム真円度との関係を示した関係図である。
【図３】本発明の実施の形態の例と従来例との、経時的な加工品質の変化を示した時間関係図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態のレーザ発振装置の構成図である。
【符号の説明】
１    レーザ発振器
２ａ    凸面鏡
２ｂ    凹面鏡
３ａ    ミラー駆動装置
３ｂ    ミラー駆動装置
４    レーザビーム
５    温度分布検出手段
６    制御装置
７    平面鏡
８    集光レンズ
９    被加工材
１０    放射光
１１    ビーム径検出手段
１２    レーザビーム受光部
１３    受光部駆動手段
１４    温度検出手段
１５    電気伝導度測定手段
１６    屈折率測定手段
１７    半導体レーザ
１８    フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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