JP4220707B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に使用されるレーザ加工ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工は、レーザ光の照射により被加工物を加工する技術である。レーザ加工の例としては、切断、溶接、表面処理などが挙げられる。
【０００３】
レーザ加工を行う際、被加工物のレーザ光照射箇所（加工箇所）の温度を測定することがある。これは、レーザ出力の制御や加工不良の検出のためである。この温度は、加工箇所から輻射される光の強度に基づいて求めることができる。
【０００４】
輻射光を利用して加工箇所の温度を測定するレーザ加工装置の一例は、特開平５−２６１５７６号公報に開示されている。この装置は、レーザ光を集光する投光レンズと、輻射光を集光する受光レンズを備えている。投光レンズは、被加工物に対して鉛直下方にレーザ光を照射する。受光レンズは、被加工物の表面から斜めに輻射する光を集光してイメージファイバに導く。この輻射光は、イメージファイバによってＣＣＤへ伝送される。ＣＣＤの出力は、データ処理装置に送られる。データ処理装置は、ＣＣＤの出力を用いて加工箇所の温度を算出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この装置では、加工箇所の高さが変わると、受光レンズの向きや位置を調節しなければならない。加工箇所の高さは、被加工物が３次元形状を有している場合、被加工物表面の凹凸に応じて変化する。受光レンズは、加工箇所から斜めに輻射された光を受光するため、加工箇所の高さが変化すると、集光された輻射光が向かう方向も変化する。この結果、輻射光をイメージファイバの入射端面に集光できなくなる。この場合、イメージファイバに入射するのは、加工箇所とは異なる箇所から発した光である。したがって、加工箇所とは別の箇所の温度が測定されてしまう。これを防ぐためには、受光レンズの向きや位置の調節が必要になる。しかし、この調節は非常に難しい。
【０００６】
そこで、本発明は、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズの調節をせずに加工箇所の温度を測定できるレーザ加工ヘッドを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ加工ヘッドは、（ａ）レーザ光を集光するための投光レンズと、（ｂ）投光レンズによって集光されたレーザ光を反射して被加工物に照射するダイクロイックミラーと、（ｃ）被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光としての赤外光を集光する受光レンズと、（ｄ）投光レンズ、ダイクロイックミラーおよび受光レンズを収容する筐体と、を備えている。ダイクロイックミラーは、受光レンズの光軸に沿ってレーザ光を被加工物に照射する。ダイクロイックミラーは、受光レンズの光軸の方向に放射される被加工物からの輻射光を透過させる。受光レンズは、ダイクロイックミラーを透過した輻射光を集光する。受光レンズによって集光された輻射光は、輻射光の所定波長を用いて被加工物のレーザ光照射箇所の温度を測定する放射温度計に導かれる。
【０００８】
ダイクロイックミラーが、受光レンズの光軸に沿ってレーザ光を被加工物に照射するので、レーザ光照射箇所（すなわち、加工箇所）は、常に受光レンズの光軸上に位置する。加工箇所から発する輻射光のなかには、受光レンズの光軸方向に放射される光線が必ず含まれる。したがって、被加工物からの輻射光は、受光レンズによって必ず受光される。加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光を受光できる。受光レンズの光軸上の位置から輻射光を温度測定装置（例えば、放射温度計）に導けば、加工箇所の温度を求められる。加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも輻射光を受光できるので、被加工物の凹凸に応じて受光レンズの位置や向きを調節する必要はない。
【０００９】
第１態様のレーザ加工ヘッドは、筐体内にレーザ吸収体（例えば、ビームストップ）を備えていてもよい。このレーザ光吸収体は、ダイクロイックミラーを挟んで投光レンズと対向するように配置される。レーザ光の一部がダイクロイックミラーを透過しても、レーザ光吸収体に吸収される。したがって、筐体内でのレーザ光の乱反射が抑えられる。これにより、レーザ光と輻射光の混在が防止され、温度測定の精度が高まる。
【００１２】
本発明のレーザ加工ヘッドでは、投光レンズの光軸とその受光レンズの光軸とが直交していてもよい。また、ダイクロイックミラーは、その鏡面が投光レンズの光軸と受光レンズの光軸との交点を含むように配置されていてもよい。ダイクロイックミラーの鏡面と投光レンズの光軸とがなす鋭角が４５度で、かつダイクロイックミラーの鏡面と受光レンズの光軸とがなす鋭角が４５度であってもよい。このような構成のレーザ加工ヘッドは、投光レンズ、受光レンズおよびダイクロイックミラーを位置決めしやすいので、製造が容易である。
【００１３】
本発明のレーザ加工ヘッドは、受光レンズとダイクロイックミラーの間に、レーザ光を遮断するフィルタを更に備えていてもよい。この場合、レーザ光と輻射光の混在が防止され、温度測定の精度が高まる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置１００の構成を示す模式図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光を用いて被加工物１０を加工する。レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１１０、レーザダイオード（ＬＤ）１６０、および２色式放射温度計１７０を備えている。
【００１６】
レーザ加工ヘッド１１０は、加工用レーザ光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定める。レーザ加工ヘッド１１０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を被加工物１０に照射する。これにより、被加工物１０が加工される。また、レーザ加工ヘッド１１０は、被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）から輻射される光を２色式放射温度計１７０に導く。これにより、加工箇所の温度が測定される。
【００１７】
ＬＤ１６０は、加工用レーザ光の光源である。ＬＤ１６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ１６０は、光ファイバ１５０を用いてレーザ加工ヘッド１１０に光学的に接続されている。ＬＤ１６０から出射したレーザ光は、光ファイバ１５０内を伝搬してレーザ加工ヘッド１１０内に入射する。
【００１８】
２色式放射温度計１７０は、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。２色式放射温度計１７０は、二つの測定中心波長を有している。第１に１８００ｎｍであり、第２に２０００ｎｍである。放射温度計１７０は、これら二つの波長における放射エネルギーの比率から温度を求める。放射温度計１７０は、光ファイバ１５２を用いてレーザ加工ヘッド１１０に光学的に接続されている。レーザ加工ヘッド１１０は、被加工物１０の加工箇所からの輻射光を光ファイバ１５２に導く。この輻射光は、光ファイバ１５２内を伝搬して放射温度計１７０に入射する。
【００１９】
レーザ加工ヘッド１１０は、主たる構成要素として、投光レンズ１２０、ダイクロイックミラー１２５、および受光レンズ１３０を有している。レーザ加工ヘッド１１０は、このほかにビームトラップ１８０も有している。これらは、筐体１１２内に収容されている。
【００２０】
筐体１１２は、中心部１１２ａと、そこから水平方向に延びる側方延長部１１２ｂおよび１１２ｃ、ならびに鉛直方向に延びる上方延長部１１２ｄを有している。側方延長部１１２ｂおよび１１２ｃは、中心部１１２ａから互いに反対方向に延びている。中心部１１２ａは、ダイクロイックミラー１２５を収容している。中心部１１２ａの下壁には、開口１１６が設けられている。この開口１１６からレーザ光が出射する。側方延長部１１２ｂは、投光レンズ１２０を収容している。側方延長部１１２ｂの先端には、レーザ光入射口１１４が設けられている。レーザ光入射口１１４は、投光レンズ１２０の光軸１９０上に位置する。レーザ光入射口１１４には、光ファイバ１５０の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、投光レンズ１２０の光軸１９０とほぼ一致する。側方延長部１１２ｃは、ビームトラップ１８０を収容している。上方延長部１１２ｄは、受光レンズ１３０を収容している。上方延長部１１２ｄの先端には、輻射光出射口１１８が設けられている。輻射光出射口１１８は、受光レンズ１３０の光軸１９２上に位置する。輻射光出射口１１８には、光ファイバ１５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ１３０の光軸１９２とほぼ一致する。
【００２１】
投光レンズ１２０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を集光してダイクロイックミラー１２５に導く。ＬＤ１６０から出射したレーザ光は、光ファイバ１５０によって筐体１１２内に伝送される。レーザ光は、レーザ光入射口１１４で光ファイバ１５０から出射し、投光レンズ１２０に向かう。投光レンズ１２０は、光軸１９０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５に向かう。
【００２２】
投光レンズ１２０は、二枚の単レンズ１２１、１２２から構成されている。レンズ１２１、１２２は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レンズ１２１、１２２の表面には、それぞれ反射防止膜（ＡＲコート）が付されている。このＡＲコートは、ＬＤ１６０の発振波長の光のみを透過対象とする。９６％以上という高い透過率が実現可能である。
【００２３】
ダイクロイックミラー１２５は、投光レンズ１２０によって集光されたレーザ光を反射する。ダイクロイックミラー１２５は、ＬＤ１６０の発振波長の光を９９％以上の反射率で反射する。反射されたレーザ光は、開口１１６から出射する。これにより、被加工物１０にレーザ光を照射できる。
【００２４】
被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開口１１６を通過して、レーザ加工ヘッド１１０に入射する。ダイクロイックミラー１２５は、この輻射光を透過させる。
【００２５】
受光レンズ１３０は、ダイクロイックミラー１２５を透過した輻射光を集光する。ダイクロイックミラー１２５は、被加工物１０の表面で反射されたレーザ光を透過させない。したがって、受光レンズ１３０は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射口１１８で光ファイバ１５２に入射する。
【００２６】
受光レンズ１３０は、二つの複合レンズ１４０および１４５から構成されている。複合レンズ１４０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。これは、二枚の単レンズ１４１、１４２から構成されている。複合レンズ１４５は、フォーカス用のアクロマティクレンズである。これは、三枚の単レンズ１４６、１４７、１４８から構成されている。アクロマティクレンズ１４０、１４５は、双方とも、２色式放射温度計１７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光できる。
【００２７】
集光された輻射光は、光ファイバ１５２によって２色式放射温度計１７０まで伝送される。放射温度計１７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。
【００２８】
ビームトラップ１８０は、ダイクロイックミラー１２５を挟んで投光レンズ１２０と対向している。ビームトラップ１８０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を吸収するレーザ光吸収体である。投光レンズ１２０によって集光されたレーザ光のなかには、ダイクロイックミラー１２５を透過するものもわずかに存在する。ダイクロイックミラー１２５を透過したレーザ光は、ビームトラップ１８０によって吸収され、減衰する。これにより、筐体１１２内でのレーザ光の乱反射が抑えられる。
【００２９】
投光レンズ１２０の光軸１９０は、受光レンズ１３０の光軸１９２と直交している。したがって、レーザ加工ヘッド１１０の向きを調節して投光レンズの光軸１９０を水平方向に向けると、受光レンズの光軸１９２は鉛直方向を向く。
【００３０】
ダイクロイックミラー１２５は、その鏡面が光軸１９０と光軸１９２との交点を含むように配置されている。鏡面の向きは、鏡面で反射されたレーザ光が受光レンズ１３０から遠ざかるように、すなわち開口１１６に向かって進むように定められている。また、この鏡面は、光軸１９０および光軸１９２とそれぞれ４５度の角度で交差する。
【００３１】
ダイクロイックミラー１２５は、投光レンズ１２０の光軸１９０上を進行するレーザ光を、受光レンズ１３０の光軸１９２上に反射する。このため、レーザ光は、投光レンズ１２０により光軸１９０を中心として集光され、その後、ダイクロイックミラー１２５で反射されると、受光レンズ１３０の光軸１９２を中心として集光される。つまり、レーザ加工ヘッド１１０は、レーザ光を受光レンズ１３０の光軸１９２に沿って集光しながら被加工物１０に照射する。したがって、光軸１９２は、常に被加工物１０の加工箇所を通る。
【００３２】
レーザ加工ヘッド１１０は、以下の五つの利点を有する。
【００３３】
第１に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、受光レンズ１３０の向きや位置を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイクロイックミラー１２５は、受光レンズ１３０の光軸１９２に沿ってレーザ光を照射するから、加工箇所は常に光軸１９２上に位置する。加工箇所から発する輻射光のなかには、光軸１９２の方向に放射される光線が必ず含まれるので、被加工物１０からの輻射光は、受光レンズ１３０によって必ず受光される。したがって、加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光は常に光軸１９２に沿って受光レンズ１３０に集光される。この結果、光軸１９２上に位置する輻射光出射口１１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物１０に凹凸がある場合でも、受光レンズ１３０の向きや位置を調節する必要はない。
【００３４】
第２に、レーザ加工ヘッド１１０は、レーザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光レンズ１２０と受光レンズ１３０を別個に設置したからである。一つのレンズ系が投光レンズと受光レンズを兼ねる構成ではないので、投光レンズ１２０を構成する単レンズの枚数は少なくて済む。このため、レンズ面での反射によるパワーロスが抑えられる。また、レーザ光の光路上に受光レンズ１３０が配置されていないので、レンズ透過によるパワーロスも抑えられる。
【００３５】
第３に、レーザ加工ヘッド１１０は、筐体１１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパワーロスが少ないからである。熱の発生が少ないことから、レーザ加工ヘッド１１０の信頼性が高まる。具体的には、被加工物１０の温度測定の精度やレーザ加工ヘッド１１０の寿命が高まる。また、熱の発生が少ないことから、冷却機構も不要になる。
【００３６】
第４に、レーザ加工ヘッド１１０は、放射温度計１７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポット径を自由に変更できる。これは、投光レンズ１２０と受光レンズ１３０が別個に設けられており、投光光学系の変更が受光光学系に影響を与えないからである。レーザ光のスポット径は、投光レンズ１２０の倍率を変えると変更できる。
【００３７】
第５に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工箇所の温度を正確に測定できる。これは、ビームトラップ１８０によって、筐体１１２の内面で乱反射するレーザ光がほとんどなくなるからである。乱反射するレーザ光が少ないので、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５によって遮断される。この点からもレーザ光が放射温度計に入射するおそれが少ない。したがって、正確な温度測定を実行できる。
【００３８】
（参考実施形態）
本発明の参考実施形態を説明する。図２は、本実施形態のレーザ加工装置２００の構成を示す模式図である。レーザ加工装置２００は、レーザ加工ヘッド２１０、レーザダイオード（ＬＤ）２６０、および２色式放射温度計２７０を備えている。
【００３９】
レーザ加工ヘッド２１０は、加工用レーザ光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定める。ＬＤ２６０は、加工用レーザ光の光源である。ＬＤ２６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ２６０は、光ファイバ２５０を用いてレーザ加工ヘッド２１０に光学的に接続されている。２色式放射温度計２７０は、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。２色式放射温度計２７０は、二つの測定中心波長を有している。第１に１８００ｎｍであり、第２に２０００ｎｍである。放射温度計２７０は、これら二つの波長における放射エネルギーの比率から温度を求める。放射温度計２７０は、光ファイバ２５２を用いてレーザ加工ヘッド２１０に光学的に接続されている。
【００４０】
レーザ加工ヘッド２１０は、投光レンズ２２０、ダイクロイックミラー２２５、および受光レンズ２３０を有している。これらは、筐体２１２内に収容されている。
【００４１】
筐体２１２は、中心部２１２ａと、そこから延びる上方延長部２１２ｂおよび側方延長部２１２ｃを有している。中心部２１２ａは、ダイクロイックミラー２２５を収容している。中心部２１２ａの下壁には、開口２１６が設けられている。この開口２１６からレーザ光が出射する。上方延長部２１２ｂは、投光レンズ２２０を収容している。上方延長部２１２ｂの先端には、レーザ光入射口２１４が設けられている。レーザ光入射口２１４は、投光レンズ２２０の光軸２９０上に位置する。レーザ光入射口２１４には、光ファイバ２５０の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、投光レンズ２２０の光軸２９０とほぼ一致する。側方延長部２１２ｃは、受光レンズ２３０を収容している。側方延長部２１２ｃの先端には、輻射光出射口２１８が設けられている。輻射光出射口２１８は、受光レンズ２３０の光軸２９２上に位置する。輻射光出射口２１８には、光ファイバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ２３０の光軸２９２とほぼ一致する。
【００４２】
投光レンズ２２０は、ＬＤ２６０からのレーザ光を集光してダイクロイックミラー２２５に導く。ＬＤ２６０から出射したレーザ光は、光ファイバ２５０によって筐体２１２内に伝送される。レーザ光は、レーザ光入射口２１４で光ファイバ２５０から出射し、投光レンズ２２０に向かう。投光レンズ２２０は、光軸２９０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー２２５に向かう。
【００４３】
投光レンズ２２０は、二枚の単レンズ２２１、２２２から構成されている。レンズ２２１、２２２は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レンズ２２１、２２２の表面には、それぞれＡＲコートが付されている。このＡＲコートは、ＬＤ２６０の発振波長の光のみを透過対象とする。投光レンズ２２０は、加工用レーザ光に対して９６％以上の透過率を有している。
【００４４】
ダイクロイックミラー２２５は、投光レンズ２２０によって集光されたレーザ光を透過させる。ダイクロイックミラー２２５を透過したレーザ光は、開口２１６から出射する。これにより、被加工物１０にレーザ光を照射できる。
【００４５】
被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開口２１６を通過して、レーザ加工ヘッド２１０に入射する。ダイクロイックミラー２２５は、この輻射光のうち、２色式放射温度計２７０の二つの測定中心波長の光を反射する。
【００４６】
受光レンズ２３０は、ダイクロイックミラー２２５で反射された輻射光を集光する。ダイクロイックミラー２２５は、被加工物１０の表面で反射されたレーザ光を反射しない。したがって、受光レンズ２３０は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射口２１８で光ファイバ２５２に入射する。
【００４７】
受光レンズ２３０は、二つの複合レンズ２４０および２４５から構成されている。複合レンズ２４０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。これは、二枚の単レンズ２４１、２４２から構成されている。複合レンズ２４５は、フォーカス用のアクロマティクレンズである。これは、三枚の単レンズ２４６、２４７、２４８から構成されている。アクロマティクレンズ２４０、２４５は、双方とも、２色式放射温度計２７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光できる。
【００４８】
集光された輻射光は、光ファイバ２５２によって２色式放射温度計２７０まで伝送される。放射温度計２７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。
【００４９】
投光レンズ２２０の光軸２９０は、受光レンズ２３０の光軸２９２と直交している。したがって、レーザ加工ヘッド２１０の向きを調節して投光レンズの光軸２９０を鉛直方向に向けると、受光レンズの光軸２９２は水平方向を向く。この場合、レーザ光は鉛直方向に照射される。このとき、投光レンズの光軸２９０は被加工物１０の加工箇所を通る。加工箇所からの輻射光は、光軸２９０を中心として発散し、ダイクロイックミラー２２５に向かう。
【００５０】
ダイクロイックミラー２２５は、その鏡面が光軸２９０と光軸２９２との交点を含むように配置されている。鏡面の向きは、鏡面で反射された輻射光が受光レンズ２３０に向かうように定められている。また、この鏡面は、光軸２９０および光軸２９２とそれぞれ４５度の角度で交差する。
【００５１】
ダイクロイックミラー２２５は、投光レンズ２２０の光軸上２９０を進行する輻射光を、受光レンズ２３０の光軸２９２上に反射する。このため、輻射光は、投光レンズ２２０の光軸２９０を中心として発散しながらダイクロイックミラー２２５に向かい、その後、ダイクロイックミラー２２５で反射されると、受光レンズ２３０の光軸２９２を中心として発散しながら受光レンズ２３０に向かう。したがって、受光レンズ２３０は、その光軸２９２を中心として輻射光を集光する。
【００５２】
上記の構成により、レーザ加工ヘッド２１０は、以下の六つの利点を有する。第１〜第５の利点は、第１実施形態のレーザ加工ヘッド１１０と共通する。第６の利点は、レーザ加工ヘッド２１０においてのみ得られる。
【００５３】
第１に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイクロイックミラー２２５は、レーザ光と同軸に放射された輻射光を受光レンズ２３０の光軸２９２上に導く。加工箇所から発する輻射光のなかには、レーザ光と同軸に放射される光線が必ず含まれるので、被加工物１０からの輻射光は、受光レンズ２３０によって必ず受光される。したがって、加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光は常に受光レンズの光軸２９２に沿って集光される。この結果、光軸２９２上に位置する輻射光出射口１１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置を調節する必要はない。
【００５４】
第２に、レーザ加工ヘッド２１０は、レーザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光レンズ２２０と受光レンズ２３０を別個に用意したからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５５】
第３に、レーザ加工ヘッド２１０は、筐体２１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパワーロスが少ないからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５６】
第４に、レーザ加工ヘッド２１０は、放射温度計２７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポット径を自由に変更できる。これは、投光レンズ２２０と受光レンズ２３０が別個に設けられており、投光光学系の変更が受光光学系に影響を与えないからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５７】
第５に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工箇所の温度を正確に測定できる。これは、ダイクロイックミラー２２５がレーザ光を反射しないからである。レーザ光の光路上に筐体２１２の内面は存在しないので、筐体２１２の内面で乱反射するレーザ光はほとんどなくなる。このため、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５で反射されないので、受光レンズ２３０に向かわない。この点からもレーザ光が放射温度計に入射するおそれが少ない。したがって、正確な温度測定を実行できる。
【００５８】
第６に、レーザ加工ヘッド２１０は、レーザ光の乱反射を抑えるためにビームトラップ１８０を要しない。これも、ダイクロイックミラー２２５がレーザ光を反射しないからである。
【００５９】
（比較例）
上記実施形態のレーザ加工装置１００、２００と比較するためのレーザ加工装置３００を説明する。図３は、このレーザ加工装置３００の構成を示す模式図である。
【００６０】
レーザ加工装置３００は、レーザ加工ヘッド３１０、レーザダイオード（ＬＤ）３６０、および２色式放射温度計３７０を備えている。ＬＤ３６０は、光ファイバ３５０を用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続されている。放射温度計３７０は、光ファイバ３５２を用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続されている。
【００６１】
レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３２０およびダイクロイックミラー３２５を有している。これらは、筐体３１２内に収容されている。筐体３１２の下壁には、開口３１６が設けられている。この開口３１６からレーザ光が出射する。筐体３１２の側壁には、レーザ光入射口３１４が設けられている。レーザ光入射口３１４には、光ファイバ３５０の端部が挿入される。筐体３１２の上壁には、輻射光出射口３１８が設けられている。輻射光出射口３１８は、集光レンズ３２０の光軸３９０上に位置する。輻射光出射口３１８には、光ファイバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ３２０の光軸３９０とほぼ一致する。
【００６２】
レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３２０がレーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねる点で、投光レンズと受光レンズを独立に備えるレーザ加工ヘッド１１０、２１０と異なっている。
【００６３】
集光レンズ３２０は、フォーカス用のアクロマティクレンズ３３０と、コリメート用のアクロマティクレンズ３３５を備えている。フォーカス用アクロマティクレンズ３３０は、二枚の単レンズ３３１、３３２から構成されている。コリメート用アクロマティクレンズ３３５は、三枚の単レンズ３３６、３３７、３３８から構成されている。これらのアクロマティクレンズ３３０、３３５は、双方とも、２色式放射温度計３７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。
【００６４】
ＬＤ３６０からのレーザ光は、光ファイバ３５０を通ってレーザ加工ヘッド３１０に入射する。このレーザ光は、レーザ光入射口３１４で光ファイバ３５０から出射し、ダイクロイックミラー３２５に向かう。ダイクロイックミラー３２５は、９９％以上の反射率でレーザ光を反射する。反射されたレーザ光は、集光レンズ３２０によって光軸３９０を中心として集光される。光軸３９０を鉛直方向に向けると、レーザ光は鉛直下方に照射される。
【００６５】
集光レンズ３２０は、レーザ光を集光するだけでなく、被加工物１０からの輻射光を光軸３９０を中心として集光する。集光された輻射光は、ダイクロイックミラー３２５に送られる。ダイクロイックミラー３２５は、輻射光を透過させる。この後、輻射光は、光ファイバ３５２に入射する。光ファイバ３５２は、輻射光を放射温度計３７０まで伝送する。放射温度計３７０は、輻射光に基づいて被加工物１０の加工箇所の温度を求める。
【００６６】
レーザ加工ヘッド３１０では、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、集光レンズ３２０の向きや位置を調節する必要はない。この点は、上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０と同じである。集光レンズ３２０の光軸は常に加工箇所を通過するので、輻射光は常に光軸３９０に沿って集光される。この結果、光軸３９０上に位置する輻射光出射口３１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、集光レンズ３２０の向きや位置を調節する必要はない。
【００６７】
しかし、レーザ加工ヘッド３１０は、上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０と比較して以下の五つの点で劣っている。
【００６８】
第１に、レーザ光のパワーロスが大きい。これは、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねているからである。集光レンズ３２０を受光レンズとして考えると、温度測定の精度を高めるためには、色収差の少ないレンズ構成が必要となる。このため、集光レンズ３２０を構成する単レンズの枚数が多くなる。したがって、集光レンズ３２０のレンズ面で反射されるレーザ光も増加する。これが、レーザ光のパワーロスを高める。
【００６９】
第２に、筐体３１２内で発生する熱が大きい。これは、集光レンズ３２０で失われたレーザ光のパワーの一部が熱に変わるからである。この熱は、ダイクロイックミラー３２５の特性を変化させる。また、この熱により発生する赤外線が放射温度計に入射すると、ノイズが発生する。これらの現象は、温度測定の精度を低下させる。この熱は、集光レンズ３２０の寿命低下をまねくおそれもある。
【００７０】
第３に、集光レンズ３２０のレンズ面で反射されたレーザ光が放射温度計３７０に入射してノイズを発生させる可能性が高い。これは、集光レンズ３２０が多数枚のレンズから構成されているからである。レンズ面での反射光は、筐体の内面で乱反射され、光ファイバ３５２に入射して放射温度計３７０まで伝送されることがある。集光レンズ３２０は、投光レンズと受光レンズを兼ねているため、レンズ面の数が多く、それだけレーザ光の乱反射を促進しやすい。
【００７１】
第４に、レーザ光のスポット径を変更すると、放射温度計３７０を校正する必要が生じる。これは、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねているからである。レーザ光のスポット径は、集光レンズ３２０の倍率を変えれば変更できる。しかし、集光レンズ３２０の倍率を変えれば、輻射光の受光光学系も変化してしまう。このため、放射温度計３７０の校正が必要になる。
【００７２】
第５に、集光レンズ３２０の製造が難しい。これは、波長の異なるレーザ光と輻射光の双方に対して透過率の高いレンズを集光レンズ３２０として製造しなければならないからである。
【００７３】
これらの欠点は、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを単一のレンズ系３２０で兼ねていることに起因する。上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０は、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを別個に備えることでこれらの欠点を解消している。
【００７４】
ここまで、本発明をその実施形態に基づいて具体的に説明してきた。しかし、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。
【００７５】
例えば、放射温度計にレーザ光が入射する可能性をさらに低減するために、ダイクロイックミラーと受光レンズとの間に遮断フィルタを設けてもよい。こうすると、より高い精度で加工箇所の温度を測定できる。現在の連続波の大出力レーザは、ほとんどが赤外線である。このため、加工箇所の温度を測定するために輻射赤外光を検出する場合、加工用レーザ光はノイズの発生原因となる。実際、温度測定のために検出される光量は、通常、１μＷ以下であるのに対し、加工用レーザ光のパワーは１Ｗ以上である。このため、加工用レーザ光の反射光であっても、それが放射温度計に入射すると、充分に大きなノイズとなる。したがって、加工用レーザ光を遮断することは重要である。
【００７６】
加工用レーザ光のような強い光は、できるだけ放射温度計から遠い位置で遮断することが好ましい。このため、レーザ加工ヘッド内で遮断すべきである。上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０では、ダイクロイックミラーと受光レンズとの間に遮断フィルタを設けられる。これは、投光レンズと受光レンズとが光軸を異にして別個に設けられているからである。
【００７７】
図４は、遮断フィルタ４１０、４２０を設置できるようにしたレーザ加工ヘッド１１０を示している。遮断フィルタ４１０、４２０は、筐体１１２の上方延長部１１２ｄ内に配置される。遮断フィルタ４１０、４２０は、上方延長部１１２ｄに設けられたスリットに着脱自在に挿入される。これにより、遮断フィルタ４１０、４２０は、ダイクロイックミラー１２５と受光レンズ１３０との間に配置される。遮断フィルタ４１０、４２０は、加工用レーザ光を遮断する。これにより、光ファイバ１５２および放射温度計１７０へのレーザ光の入射を防ぐことができる。したがって、より高精度の温度測定が可能である。
【００７８】
同様に、レーザ加工ヘッド２１０でも、筐体の側方延長部２１２ｃ内に遮断フィルタを配置できる。この遮断フィルタは、ダイクロイックミラー２２５と受光レンズ２３０との間に配置され、加工用レーザ光を遮断する。
【００７９】
一方、図３のレーザ加工ヘッド３１０では、遮断フィルタを配置する空間がダイクロイックミラー３２５の上部にしかない。この位置には、集光レンズ３２０の表面や筐体３１２の内面で乱反射したレーザ光が多く存在する。このため、効果的にレーザ光を遮断することができない。より効果的な遮断のためには、より手前の光路上でレーザ光を遮断し、レーザ光の乱反射を抑えるべきである。
【００８０】
【発明の効果】
本発明のレーザ加工ヘッドは、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、被加工物からの輻射光を受光レンズの光軸に沿って集光できるように構成されている。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズの向きや位置を調節せずに加工箇所の温度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２】 参考実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図３】 比較例のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図４】 レーザ加工ヘッドへの遮断フィルタの取付けを示す図である。
【符号の説明】
１０…被加工物、１００、２００…レーザ加工装置、１１０、２１０…レーザ加工ヘッド、１２０、２２０…投光レンズ、１２５、２２５…ダイクロイックミラー、１３０、２３０…受光レンズ、１５０、１５２、２５０、２５２…光ファイバ、１６０、２６０…レーザダイオード、１７０、２７０…２色式放射温度計、１８０…ビームスプリッタ。

Claims (4)

1. レーザ光を集光するための投光レンズと、
   前記投光レンズによって集光されたレーザ光を反射して被加工物に照射するダイクロイックミラーと、
   前記被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光としての赤外光を集光する受光レンズと、
   前記投光レンズ、ダイクロイックミラーおよび受光レンズを収容する筐体と、
   を備えるレーザ加工ヘッドであって、
   前記ダイクロイックミラーは、前記受光レンズの光軸に沿って前記レーザ光を前記被加工物に照射し、
   前記ダイクロイックミラーは、前記受光レンズの光軸の方向に放射される前記輻射光を透過させ、
   前記受光レンズは、前記ダイクロイックミラーを透過した前記輻射光を集光し、
   前記受光レンズによって集光された前記輻射光は、前記輻射光の所定波長を用いて前記被加工物の前記レーザ光照射箇所の温度を測定する放射温度計に導かれる、
   レーザ加工ヘッド。
2. 前記投光レンズの光軸と前記受光レンズの光軸とが直交し、
   前記ダイクロイックミラーは、その鏡面が前記投光レンズの光軸と前記受光レンズの光
   軸との交点を含むように配置され、
   前記ダイクロイックミラーの鏡面と前記投光レンズの光軸とがなす鋭角は４５度であり、
   前記ダイクロイックミラーの鏡面と前記受光レンズの光軸とがなす鋭角は４５度である、
   請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記筐体内には、前記ダイクロイックミラーを挟んで前記投光レンズと対向するレーザ光吸収体が配置されている、請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記受光レンズと前記ダイクロイックミラーの間に、前記レーザ光を
   遮断するフィルタを更に備える請求項１記載のレーザ加工ヘッド。

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