JP2000084689A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP2000084689A
JP2000084689A JP11199056A JP19905699A JP2000084689A JP 2000084689 A JP2000084689 A JP 2000084689A JP 11199056 A JP11199056 A JP 11199056A JP 19905699 A JP19905699 A JP 19905699A JP 2000084689 A JP2000084689 A JP 2000084689A
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diameter
condenser lens
laser beam
laser processing
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JP11199056A
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Atsushi Nakamura
淳 中村
Hiroshi Sako
宏 迫
Kiju Kawada
喜重 川田
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Amada Co Ltd
Amada Engineering Center Co Ltd
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Amada Co Ltd
Amada Engineering Center Co Ltd
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 焦点長さの異なる複数の集光レンズを使い分
けることなく１つの集光レンズで加工条件の違いに合わ
せてスポット径と焦点長さを適正且つ安定したレーザ加
工を実現する。 【解決手段】 レーザ発振器３から発振されるレーザビ
ームＬＢはビーム径調整装置としての曲率可変ミラー７
によりビーム径Ｄが変更調整された後にレーザ加工ヘッ
ド９内の集光レンズ１１へ入射されるので、集光レンズ
１１を透過後のレーザビームＬＢの焦点長さがレーザ加
工条件に応じて容易に変更調整される。集光レンズ１１
を透過後のレーザビームＬＢの焦点位置ＡがワークＷの
加工点Ｂに合わされるように制御装置２３の指令により
加工ヘッド移動装置１５及び／又は集光レンズ移動装置
１９が作動して集光レンズ１１が移動調整され、ワーク
Ｗへのスポット位置Ａが適正に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工方法お
よびその装置に関し、特に板状のワークの板厚等あるい
はレーザ発振器からレーザ加工ヘッドに至る光路長の変
化等のレーザ加工条件に応じて集光レンズによるスポッ
ト径及び焦点長さの変化量を常に適正に制御してレーザ
加工を行うレーザ加工方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、レーザビームには発散角があるた
めに、レーザビームのスポット径はレーザ発振器からの
距離の違いにより変化する。レーザ加工装置としてはレ
ーザビームが複数枚のベンドミラーもしくは透過レンズ
を通過してレーザ加工ヘッド内にある集光レンズ（透過
レンズ）にまで導かれて集光される。
【０００３】この集光されるレーザビームのスポット径
は、集光レンズに入射するレーザビームのビーム径の大
きさに左右されるものであり、集光レンズにおけるレー
ザビームの焦点長さは集光レンズ自体の焦点距離に対し
て入射するレーザビームの発散角の影響が付加されるも
のである。つまり、入射するレーザビームのビーム径と
レーザ発振器から集光レンズまでの距離が異なるとスポ
ット径と焦点長さは変化する。
【０００４】例えば、入射するビーム径Ｄのレーザビー
ムが焦点長さＬｆ0 の集光レンズを透過して得られるス
ポット径をｄ0 としたとき、この同じ集光レンズに入射
するレーザビームのビーム径ＤL が上記のビーム径Ｄよ
り大きい場合は集光長さＬｆ L が上記の焦点長さＬｆ0
より大きくなり、スポット径ｄL は上記のスポット径ｄ
0 より小さくなる。また、同じ集光レンズに入射するレ
ーザビームのビーム径ＤS が上記のビーム径Ｄより小さ
い場合は集光長さＬｆS が上記の焦点長さＬｆ 0 より小
さくなり、スポット径ｄS は上記のスポット径ｄ0 より
大きくなる。
【０００５】換言すれば、ＤL ＞Ｄ＞ＤS とすれば、Ｌ
ｆL ＞Ｌｆ0 ＞ＬｆS となり、ｄS＞ｄ0 ＞ｄL とな
る。
【０００６】したがって、レーザ加工ではワークの材質
及び板厚とその加工方法の違いにより、場合によって
は、レーザビームのスポット径をレーザ加工に適した大
きさに調整する必要がある。そこで、現状では焦点長さ
の異なる複数の集光レンズを使い分けてレーザ加工ヘッ
ドに交換装着することにより、ワークの材質及び板厚と
加工方法に適したスポット径を得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のレー
ザ加工方法及びその装置においては、ワークの材質、板
厚、加工方法に合わせてその都度集光レンズを交換する
ので作業性が悪く、また自動化を図ることが難しいとい
う問題点があった。
【０００８】さらに、レーザ加工ヘッドがワークに対し
て移動する形式のレーザ加工装置では、レーザ加工ヘッ
ドの移動距離の大きさによりレーザビームのスポット径
及び焦点長さの変化量が大きくなりすぎるので加工不良
が発生するという問題点があった。
【０００９】本発明は上述のごとき従来の問題に鑑みて
なされたもので、その目的は、焦点長さの異なる複数の
集光レンズを使い分けることなく１つの集光レンズでワ
ークの材質、板厚、加工方法の違いに合わせて適正なス
ポット径の大きさ及びワークへのスポット位置を適正に
制御し、安定したレーザ加工を実現し得るレーザ加工方
法及びその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述のごとき従来の問題
に鑑みて、請求項１に係る発明は、レーザ発振器から発
振されたレーザビームを集光レンズにより集光しワーク
へ照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法において、
前記レーザ発振器と集光レンズとの間に配置したビーム
径調整装置により、前記ワークの材質、板厚等の加工条
件に対応して前記集光レンズへ入射するレーザビーム径
を調整しスポット径及び焦点長さを調整してレーザ加工
を行うことを特徴とするレーザ加工方法である。
【００１１】請求項２に係る発明は、レーザ発振器から
発振されたレーザビームを集光レンズにより集光しワー
クへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法におい
て、スポット径及び焦点長さを常にほぼ一定に保持する
ように、前記レーザ発振器と集光レンズとの間に配置し
たビーム径調整装置により、前記レーザ発振器から前記
集光レンズに至る光路長の変化に対応して上記集光レン
ズへ入射するレーザビーム径を調整しつつレーザ加工を
行うレーザ加工方法である。
【００１２】請求項３に係る発明は、レーザ発振器と、
上記レーザ発振器から発振されたレーザビームを集光し
て加工すべきワークへ照射する集光レンズを備えたレー
ザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記集光レンズ
に至る光路中に設けられ前記集光レンズへ入射するレー
ザビーム径を調整自在のビーム径調整装置と、加工すべ
きワークの材質、板厚等の加工条件を記憶したメモリ
と、このメモリに記憶されたワークの材質、板厚等に対
応して上記ワークに対する焦点長さを調節すべく前記ビ
ーム径調整装置を制御して前記集光レンズへ入射される
レーザビーム径を制御するためのビーム制御装置と、前
記ワークの材質、板厚等に対応して上記ワークに対する
前記レーザ加工ヘッド及び集光レンズの接近位置を個別
に制御するための制御装置と、を備えた構成である。
【００１３】請求項４に係る発明は、レーザ発振器と、
上記レーザ発振器から発振されたレーザビームを集光し
て加工すべきワークへ照射する集光レンズを備えたレー
ザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記集光レンズ
に至る光路中に設けられ前記集光レンズへ入射するレー
ザビーム径を調整自在のビーム径調整装置と、前記レー
ザ発振器から前記集光レンズに至る光路長を検出するた
めの光路長検出装置と、上記光路長検出装置によって検
出された光路長に対応して前記集光レンズへ入射される
レーザビーム径が常にほぼ一定になるように前記ビーム
径調整装置を制御するための制御装置と、を備えた構成
である。
【００１４】請求項５に係る発明は、レーザ発振器と、
上記レーザ発振器から発振されたレーザビームを集光し
て加工すべきワークへ照射する集光レンズを備えたレー
ザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記集光レンズ
に至る光路中に設けられ前記集光レンズへ入射するレー
ザビーム径を調整自在のビーム径調整装置と、加工すべ
きワークの材質、板厚等の加工条件を記憶したメモリ
と、このメモリに記憶されたワークの材質、板厚等に対
応して上記ワークに対する焦点長さを調節すべく前記ビ
ーム径調整装置を制御して前記集光レンズへ入射される
レーザビーム径を制御するためのビーム制御装置と、前
記ワークの材質、板厚等に対応して上記ワークに対する
前記レーザ加工ヘッド及び集光レンズの接近位置を個別
に制御するための制御装置と、前記レーザ発振器から前
記集光レンズに至る光路長を検出するための光路長検出
装置と、上記光路長検出装置によって検出された光路長
に対応して前記集光レンズへ入射されるレーザビーム径
が常にほぼ一定になるように前記ビーム径調整装置を制
御するための制御装置と、を備えた構成である。
【００１５】請求項６に係る発明は、請求項３，４又は
５に記載のレーザ加工装置において、ビーム径調整装置
は、ピエゾアクチュエータの駆動によって反射面の曲率
を変更自在の曲率可変ミラーよりなり、上記反射面の曲
率を制御するために、前記ピエゾアクチュエータへ印加
する電圧と反射面の曲率変化との関係を示す式又はデー
タテーブルを記憶したメモリを備えた構成である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザ加工方法及
びその装置の実施の形態について、図面を参照して説明
する。
【００１７】図１を参照するに、本実施の形態に係わる
レーザ加工装置１は、図示せざる加工装置本体に内蔵さ
れているレーザ発振器３から発振されたレーザビームＬ
Ｂがベンドミラー５Ａ、ビーム径調整装置の１例として
の例えば曲率可変ミラー７、ベンドミラー５Ｂを経てレ
ーザ加工ヘッド９の内部に設けられた集光レンズ１１に
導かれる。この集光レンズ１１で集光されたレーザビー
ムＬＢは、レーザ加工ヘッド９の先端に設けられた噴射
ノズル１３を通過してワークＷに照射される。例えば数
値制御のワーク移送位置決め装置で移送位置決めされた
ワークＷのレーザ加工点に、レーザビームＬＢの焦点を
結ばせて、所望の形状に切断するなどのレーザ加工が行
なわれる。
【００１８】周知のように、レーザ加工装置には、所定
位置に固定したレーザ加工ヘッド９に対してワークＷを
Ｘ軸，Ｙ軸方向へ移動し位置決めする形式と、ワークＷ
に対してレーザ加工ヘッド９をＸ軸，Ｙ軸方向へ移動し
位置決めする形式及びワークＷ又はレーザ加工ヘッド９
の一方をＸ軸又はＹ軸方向へ移動位置決めし他方をＹ軸
又はＸ軸方向へ移動し位置決めする形式がある。そし
て、その形式に対応してワークＷのＸ軸，Ｙ軸方向への
移動位置決め位置を検出する位置検出装置やレーザ加工
ヘッドのＸ軸，Ｙ軸方向への移動位置を検出する位置検
出装置を備えているものである。すなわち、レーザ加工
装置は、ワークＷやレーザ加工ヘッド９の移動位置を検
出するための位置検出センサを備えているものである。
【００１９】レーザ加工ヘッド９は前記加工装置本体に
設けられた加工ヘッド移動装置としての例えば加工ヘッ
ド用駆動モータ１５により回転駆動されるボールねじ１
７を介して昇降自在に換言すれば噴射ノズル１３をワー
クＷに対して接近離反する方向へ移動自在かつ位置決め
自在に設けられている。さらに、集光レンズ１１はレー
ザ加工ヘッド９に設けられた集光レンズ移動装置として
の例えば集光レンズ用駆動モータ１９により回転駆動さ
れるボールねじ２１を介してレーザ加工ヘッド９内部で
上下動自在に、すなわちワークＷに対して接近離反する
方向へ移動自在かつ位置決め自在に設けられている。加
工ヘッド用駆動モータ１５及び集光レンズ用駆動モータ
１９はそれぞれ、ＣＮＣ制御装置等のごとき制御装置２
３に電気的に接続され、上記制御装置２３の制御の下に
制御駆動されるようになっている。
【００２０】一般的にレーザビームＬＢには発散角があ
るために、一様なビーム径で進行するのではなく、図１
に誇張して示されているように徐々に広がっていくもの
である。そのためにレーザ加工点におけるレーザビーム
ＬＢのスポット径はレーザ発振器３からレーザ加工ヘッ
ド９の集光レンズ１１に至るまでの光路長の違いにより
変化することになる。
【００２１】すなわち、集光レンズ１１により集光され
るレーザビームＬＢのスポット径は、集光レンズ１１に
入射するレーザビームＬＢのビーム径の大きさに左右さ
れるものであり、集光レンズ１１におけるレーザビーム
ＬＢの焦点長さは集光レンズ１１自体の焦点距離に対し
て入射するレーザビームＬＢの発散角の影響が付加され
るものである。つまり、集光レンズ１１に入射するレー
ザビームＬＢのビーム径はレーザ発振器３から集光レン
ズ１１までの距離によって異なり、入射するビーム径が
異なるとスポット径と焦点長さは変化する。
【００２２】例えば、図２（Ａ）に示されているように
入射するビーム径ＤのレーザビームＬＢが焦点長さＬｆ
0 の集光レンズ１１を透過して得られるスポット径をｄ
0 としたとき、この同じ集光レンズ１１に入射するレー
ザビームＬＢのビーム径ＤLが上記のビーム径Ｄより大
きい場合は図２（Ｂ）に示されているように集光長さＬ
ｆL が上記の焦点長さＬｆ0 より大きくなり、かつスポ
ット径ｄL は上記のスポット径ｄ0 より小さくなる。
【００２３】また、同じ集光レンズ１１に入射するレー
ザビームＬＢのビーム径ＤS が上記のビーム径Ｄより小
さい場合は図２（Ｃ）に示されているように集光長さＬ
ｆSが上記の焦点長さＬｆ0 より小さくなり、スポット
径ｄS は上記のスポット径ｄ 0 より大きくなる。
【００２４】換言すれば、ＤL ＞Ｄ＞ＤS とすれば、Ｌ
ｆL ＞Ｌｆ0 ＞ＬｆS となり、ｄS＞ｄ0 ＞ｄL とな
る。そして、上記集光長さに対応して焦点深さが変化す
る。
【００２５】本実施の形態においてビーム径調整装置の
１例としての曲率可変ミラー７により反射され集光レン
ズ１１に入射するレーザビームＬＢのビーム径Ｄを、上
記曲率可変ミラー７によって自在に変更調整することに
より１枚の集光レンズ１１を交換することなくワークＷ
の材質及び板厚とその加工方法等の違いに応じてレーザ
ビームＬＢのスポット径ｄ0 及び焦点深さをレーザ加工
に適した大きさに調整するものである。上記曲率可変ミ
ラー７は、レーザ発振器３から一定の距離の位置に配置
してあり、レーザ発振器３から上記曲率可変ミラー７に
入射されるレーザビームＬＢの径は常に一定である。
【００２６】なお、ビーム径調整装置としての曲率可変
ミラー７は、ワークＷの材質、板厚、加工方法等に適す
るスポット径ｄ0 及び焦点深さをレーザ加工装置に得る
ために、レーザ加工ヘッド９内の集光レンズ１１に入射
するレーザビームＬＢのビーム径Ｄを調整するための装
置である。
【００２７】前記曲率可変ミラー７はレーザ発振器３側
からのレーザビームＬＢを集光レンズ１１の方向へ反射
するもので、反射面の曲率を自在に変更調整可能に設け
られている。曲率可変ミラー７の制御方法には電気的な
ピエゾアクチュエータ式、空気圧制御式、液体圧制御式
等があり、ビーム制御装置としての曲率可変ミラー制御
装置２５により制御される構成である。この曲率可変ミ
ラー制御装置２５はレーザ加工装置１の全体的な動作を
コントロールする前記制御装置２３に電気的に接続され
ている。
【００２８】制御装置２３は、中央処理装置としてのＣ
ＰＵ２７に、ワークＷの材質、板厚、加工方法等の情
報、加工点座標、曲率可変ミラー７の曲率の変化量と焦
点長さのデータ等を入力するための入力装置２９と表示
装置３１と、入力された各種データ等を記憶するメモリ
３３と、曲率可変ミラー７の曲率の変化量と焦点長さと
の関係式に基づいてレーザビームＬＢのスポット径ｄ0
やスポット位置の焦点長さＬｆ0 や各種の演算を行う演
算装置３５が接続されている。
【００２９】また、ＣＰＵ２７にはワークＷの材質、板
厚、加工方法等の情報に基づいて得た集光レンズ１１に
おけるスポット径、焦点長さＬｆ0 に合わせるべく曲率
可変ミラー７の曲率を変化させるように曲率可変ミラー
制御装置２５に指令を発生すると共に上記の加工点座標
に基づいてレーザビームＬＢのスポット位置をワークＷ
のレーザ加工点に合わせるべく加工ヘッド用駆動モータ
１５及び集光レンズ用駆動モータ１９に指令を発生する
比較判断装置３７が接続されている。
【００３０】さらに、前記制御装置２３には、レーザ加
工ヘッド９が移動したときに、レーザ加工ヘッド９の移
動位置を検出して前記レーザ発振器３からレーザ加工ヘ
ッド９までの距離を演算して光路長を検出する光路長検
出装置３８が備えられている。
【００３１】上記構成により、曲率可変ミラー７の曲率
が曲率可変ミラー制御装置２５により制御されることに
より、反射されるレーザビームＬＢのビーム径が縮小又
は拡大されるので、集光レンズ１１へ入射するレーザビ
ームＬＢのビーム径Ｄの大きさを自在に変更調整でき
る。
【００３２】例えば、曲率可変ミラー７の反射面で反射
されたレーザビームＬＢが図１において実線で示されて
いるように広がって伝播され、集光レンズ１１に入射さ
れるときは図２（Ｂ）と同様にビーム径ＤL であるとす
ると、この曲率可変ミラー７の反射面の曲率が凹面の方
向に変形されると点線で示されているようにビーム径Ｄ
が小さく変更されるので集光レンズ１１を透過後のレー
ザビームＬＢはスポット径がｄL からｄ0 へと大きくな
ると共にレーザビームＬＢの焦点長さがＬｆLからＬｆ
0 へと変化する。これは、集光レンズ１１に入射される
レーザビームＬＢの波面曲率半径Ｒが、変化するために
生ずる結果である。通常、レーザ加工機、特に、切断用
の光軸移動型レーザ加工機では、レーザビームＬＢの発
散傾向のレーザビームＬＢの近場と遠場で焦点位置に差
が生じるが、上記例のごとく、曲率可変ミラー７の反射
面で曲率を調整することで、この焦点位置の差を補正す
ることが可能となる。
【００３３】又、上述した曲率可変ミラー７（アダプテ
ィブオプティクス）の制御方法について、より詳しく説
明すると、本実施の形態の曲率可変ミラー７はピエゾア
クチュエータ式であり、印加するアナログ電圧を制御す
ることによりミラーの曲率を凹面から凸面へ、あるいは
その逆へ制御できるものである。すなわち、上記ピエゾ
アクチュエータに印加する電圧と曲率可変ミラー７にお
ける反射面の曲率との関係は所定の関係にあり、印加す
る電圧を制御することにより上記曲率を所望の曲率に調
節できるものである。
【００３４】一般に、図３に示されているガウシアンビ
ームの伝播では最小スポット半径Ｗ 0 とそのレーザビー
ムＬＢの出射点として例えばレーザ発振器３の出力ミラ
ー３Ａから最小スポット位置までの距離Ｚmin が分かれ
ば、レーザビームＬＢの出射点から距離Ｚi に位置する
任意の点におけるスポット半径Ｗ（Ｚi ）は、一義的に
【数１】Ｗ（Ｚi ）＝Ｗ0 ・｛１＋〔（Ｚi −Ｚmin ）
／Ｚｒ〕2 ｝0.5 但し、Ｚr ＝πＷ0 2 ／λ で求められる。
【００３５】また、レーザビームＬＢの出射点から距離
Ｚi に位置する任意の点におけるレーザビームＬＢの波
面曲率半径Ｒ（Ｚi ）は、
【数２】Ｒ（Ｚi ）＝（Ｚi −Ｚmin ）・｛１＋〔Ｚr
／（Ｚi −Ｚmin )〕2｝で表される。
【００３６】したがって、集光レンズ１１を透過したレ
ーザビームＬＢの最小スポット位置（ビームウェスト位
置）までの焦点長さＬｆi に関しては、一般に集光レン
ズ１１へ入射するレーザビームＬＢ（以下、「入射ビー
ム」という）の集光レンズ面における波面曲率半径Ｒ
lensが、集光レンズ１１の焦点距離ｆに対してｆ＜＜Ｒ
lensの関係が成立している場合、 Ｌｆi ＝（１＋ｆ／Ｒlens）・ｆ の近似式が成立する。この近似式から分かるように図１
及び図３における焦点長さＬｆi は入射ビームが平行光
（波面曲率半径が∞）でない限り、ｆ2 ／Ｒlens程度前
後に変化することを示している。
【００３７】上記のガウシアンビームの伝播における種
々の関係式を図１の曲率可変ミラー７に適用し、アナロ
グ電圧を−４Ｖ〜＋４Ｖに変化させたときのレーザ加工
点Ａ（例えば出力ミラーから所定の距離、例えば５．２
ｍの位置）でのビーム径Ｄの変化とそれに伴う波面曲率
半径Ｒ（Ｚi ）の変化の演算値をグラフで表すと図４に
示すようになる。
【００３８】なお、アナログ電圧に対するビーム径Ｄは
一時的な関数式、 Ｄ＝１．２４Ｖ＋１８ で表される。このビーム径Ｄの式及び／又は図４に示し
た印加電圧とレーザ加工点でのビーム径Ｄとの関係を示
すデータは、前記メモリ３３に記憶されているものであ
る。
【００３９】また、波面曲率半径Ｒ（Ｚi ）はアナログ
電圧の変化に対して、アナログ電圧が０Ｖを境（この位
置では波面曲率半径が∞）として正及び負の値を取るこ
とが分かる。
【００４０】図５を参照するに、上記の関係式からアナ
ログ電圧を−４Ｖ〜＋４Ｖに変化させたときのレーザ加
工点Ａで求められる最小スポット径ｄ0 及びその時の焦
点長さＬｆi との関係がグラフで示されている。
【００４１】このグラフに示されている最小スポット径
ｄ0 の導入式は、レーザビームＬＢの波長をλとし、集
光レンズ１１の焦点距離をｆとし、レーザビームＬＢの
ビーム品質定数をＭ2 とし、集光レンズ１１への入射ビ
ーム径をＤとし、集光レンズ１１の形状ファクターをＫ
とすると、 ｄ0 ＝1.27λｆＭ2 ／Ｄ＋ＫＤ3 ／ｆ2 で表される。
【００４２】したがって、例えばＣＯ2 レーザのときは
λ＝１０６で、ｆ＝１９０．５ｍｍで、Ｍ2 ＝３．７
で、Ｋはプラノコンベックスレンズ使用の場合はＫ＝
０．０２８９であるので、アナログ電圧Ｖと最小スポッ
ト径ｄ0 の間には一次的な関数式、 ｄ0 ＝−２６．６Ｖ＋４１８．９ で表される。
【００４３】また、この時の焦点長さＬｆi は前述した
ように波面曲率半径Ｒ（Ｚi ）の影響を受けて変化する
ために、アナログ電圧Ｖに対する一次的な関数式、 Ｌｆi ＝０．７９Ｖ＋１９２．９５ で表される。
【００４４】上記最小スポット径ｄ0 及び焦点長さＬｆ
i の式及び／又は図５に示した印加電圧と集光直径（最
小スポット径）及び焦点長さとの関係を示すデータは前
記メモリ３３に記憶されているものである。
【００４５】以上のことから、ビーム径調整装置として
の曲率可変ミラー７の曲率を印加するアナログ電圧Ｖに
より制御することにより、図５に示されているように集
光レンズ１１を透過後のレーザビームＬＢの最小スポッ
ト径ｄ0 と焦点長さＬｆi を容易に求めることができ、
かつ制御することができるので、ワークＷの材質、板
厚、加工方法等の変化に応じて最適な最小スポット径ｄ
0 と焦点長さＬｆi とを任意に制御することができる。
【００４６】すなわち、例えばワークＷが薄板の場合に
は最小スポット径ｄ0 となるように制御してより高精度
の切断加工を行い、ワークＷが厚板の場合には焦点長さ
Ｌｆ i が長くなるように制御して厚板に対応する態様と
なして切断加工を行うことができる。
【００４７】ちなみに、レーザ加工ヘッド９及び集光レ
ンズ１１をそれぞれ図１に示すように上下方向に自在に
移動調整可能なレーザ加工装置を使用して３ＫＷ出力で
レーザ加工を行った場合、従来のレーザ加工方法ではあ
る領域によっては板厚１９ｍｍの鋼板の切断であっても
困難であったが、本発明のレーザ加工方法では板厚２２
〜２５ｍｍの鋼板の切断が全領域において可能である。
【００４８】また、ワークＷの材質がステンレスでは、
上記レーザ加工装置を使用して３ＫＷ出力でレーザ加工
を行った場合、従来のレーザ加工方法においては無酸化
切断では板厚８ｍｍの切断が限度であったが、本発明の
レーザ加工方法においては無酸化切断では板厚１２ｍｍ
の切断が全領域において可能であり、アシストガス圧力
２０気圧の下では板厚１５ｍｍの切断も可能である。
【００４９】ところで、レーザ加工ヘッド９がＸ軸又は
Ｙ軸方向の少なくとも一方向へ移動自在な光移動型のレ
ーザ加工装置においては、レーザ加工ヘッド９がＸ軸又
はＹ軸方向へ移動すると、レーザ発振器３からレーザ加
工ヘッド９に至る光路長が変化し、上記レーザ加工ヘッ
ド９に備えた集光レンズ１１へ入射されるレーザ光のビ
ーム径が大きく変化することになる。そこで、レーザ加
工ヘッド９がＸ軸，Ｙ軸方向へ移動したときに、その移
動距離に対応して、集光レンズ１１へ入射するレーザビ
ームのビーム径が予め設定された所定の径を維持するよ
うに制御する必要がある。
【００５０】前記レーザ加工ヘッド９のＸ軸，Ｙ軸方向
への移動位置決めは、ＣＮＣ装置のごとき前記制御装置
２３の制御の下にＸ軸用及びＹ軸用の各サーボモータ
（図示省略）を制御駆動することによって行われるもの
であり、上記レーザ加工ヘッド９のＸ軸，Ｙ軸方向への
移動位置は、上記Ｘ軸，Ｙ軸用の各サーボモータに備え
たパルスエンコーダやレーザ加工ヘッド９のＸ軸，Ｙ軸
方向への移動を直接検出するリニアスケールなどの位置
検出器によって検出される。そして、この位置検出器に
よって検出したレーザ加工ヘッド９のＸ軸，Ｙ軸方向の
位置と、レーザ発振器３からレーザ加工ヘッド９に至る
レーザビームの経路に基き、光路長検出装置３８によっ
てレーザビームの光路長が演算され検出されるものであ
る。
【００５１】ところで、レーザ発振器３から曲率可変ミ
ラー７までの光路長は、レーザ加工装置の組立後におい
ては一定であり、かつ上記曲率可変ミラー７へ入射する
レーザビームのビーム径が一定であって測定によって既
知である。また、曲率可変ミラー７のピエゾアクチュエ
ータへ印加する電圧と上記曲率可変ミラー７から所定の
位置におけるビーム径の変化との関係を示すデータが、
図４に示したように既知であるから、このデータを基準
にしてレーザ加工ヘッド９のＸ軸，Ｙ軸方向への移動に
よる光路長の変化に対応して、集光レンズ１１へ入射さ
れるレーザ光のビーム径を常にほぼ一定に維持するよう
に補正し制御できるものである。
【００５２】すなわち、ワークＷの材質、板厚、加工方
法等に適すように最小スポット径ｄ 0 と焦点長さＬｆi
とが定められると、集光レンズ１１に入射されるビーム
径が定まり、レーザ加工ヘッド９の移動位置に拘りなく
上記ビーム径を常にほぼ一定に維持するように、光路長
の変化に対応して曲率可変ミラー７のアクチュエータに
印加する電圧を制御するものである。
【００５３】なお、光路長の変化に対応してピエゾアク
チュエータに印加する電圧を制御する場合、光路長の変
化を追従して連続的に電圧を制御することも可能である
が、本例においては、光路長がある範囲から別の範囲に
変化するごとく、ある許容範囲を定めておき、この許容
範囲から光路長が外れた場合に印加する電圧を制御する
ようにしている。すなわち光路長の変化範囲を段階的に
定めておき、その各変化範囲の段階に対応して印加電圧
を制御しているものである。
【００５４】なお、曲率可変ミラー７におけるピエゾア
クチュエータに印加する電圧を制御するために、ワーク
Ｗの材質、板厚、加工方法等に対応して光路長と印加電
圧との関係を示す複数のデータテーブルを予めメモり３
３に格納しておき、この格納した複数のデータテーブル
に基いて印加電圧を制御することにより、演算装置に対
して補正のための演算等の負荷を軽くすることができる
ものである。
【００５５】また、印加電圧と曲率可変ミラーにおける
反射面の曲率の変化との関係を示す式又はデータテーブ
ルをメモリに記憶した構成とし、この反射面の曲率と曲
率可変ミラーからレーザ加工ヘッドまでの距離及びレー
ザビームの発散角とに基づいて集光レンズへ入射される
レーザビームのビーム径を演算する構成としてある。
【００５６】なお、この発明は前述した実施の形態に限
定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他
の態様で実施し得るものである。
【００５７】本実施の形態ではビーム径調整装置として
曲率可変ミラー７とこの曲率可変ミラー７の曲率を変更
調整するための曲率可変ミラー制御装置２５との組み合
わせを例にとって説明したが、図６に示されているよう
に、複数の透過レンズ４３，４５を組み合わせて１つの
透過レンズをレーザビームＬＢの光路方向に向けて前後
方向に移動自在に設けた装置や、この装置に前述した曲
率可変ミラー７を加えて組み合わせた複合式の装置であ
っても構わない。
【００５８】図６を参照するに、本発明の他の実施の形
態のレーザ加工装置としてはビーム径調整装置３９以外
の他の部分は前述した図１におけるレーザ加工装置１と
ほぼ同様である。レーザ発振器３の出力ミラー４１から
発振されたレーザビームＬＢはビーム径調整装置を構成
する固定透過レンズとしての例えば凹レンズ４３を透過
した後、前方の移動透過レンズとしての例えば凸レンズ
４５を透過してからレーザ加工ヘッド９の集光レンズ１
１側へ出射される。前記移動透過レンズの凸レンズ４５
は例えば図示せざる移動用の駆動モータで回転駆動され
るボールねじを介してレーザビームＬＢの光路方向に向
けて前後方向（図６において左右方向）に移動自在に設
けられている。
【００５９】したがって、図６において実線で示されて
いるように凸レンズ４５が凹レンズ４３に近い位置にあ
る場合は入射ビーム径Ｄは大きくなり、図６において２
点鎖線で示されているように凸レンズ４５が凹レンズ４
３から遠い位置にある場合は入射ビーム径Ｄは小さくな
る。
【００６０】以上のごとき説明より理解されるように、
本実施の形態においては、ワークの材質、板厚等の加工
条件と対応して集光レンズへ入射するレーザビームのビ
ーム径をビーム径調整装置により調整してレーザ加工を
行うものであるから、ワークの材質、板厚が変化した場
合であってもスポット径及び焦点長さをワークの板厚等
に対応して適正に調整してのレーザ加工を容易に実施で
きるものである。すなわち、薄板に対してはスポット径
をより小さくしてより高精度の切断加工等を行うことが
でき、厚板に対しては焦点長さを長くして厚板に対応し
ての切断加工等が容易である。例えば強度を異にするた
めにプレス加工等によって厚さの異なる部分を有する板
材のレーザ加工を行うとき、上記板厚の変化に対応して
のレーザ加工を連続して容易に行い得るものである。
【００６１】また、本実施の形態においては、光路長の
変化に対応して集光レンズへ入射するレーザビームのビ
ーム径を調整しつつレーザ加工を行うものであるから、
光路長が大きく変化するような場合であっても、例えば
スポット径、焦点長さを常にほぼ一定に維持してレーザ
加工を行うことができるものであり、レーザ加工ヘッド
が移動する形式のレーザ加工装置においての加工精度の
向上を図ることができるものである。
【００６２】さらに、本実施の形態においては、ワーク
の材質、板厚等に対応して集光レンズへ入射するレーザ
ビーム径を制御するためのビーム制御装置を備えると共
にワークに対するレーザ加工ヘッド及び集光レンズの接
近位置を制御する制御装置とを備えているから、ワーク
の板厚等に対応してスポット径、焦点長さを調整でき、
かつワークに対する上記スポット位置を調整することが
でき、ワークに対する正確なレーザ加工を精度良く行う
ことができるものである。
【００６３】また、さらに本実施の形態によれば、集光
レンズへ入射するレーザビーム径を調整自在のビーム径
調整装置及び光路長を検出する光路長検出装置とを備
え、かつ上記光路長検出装置によって検出した光路長に
対応して集光レンズへ入射されるレーザビーム径が常に
ほぼ一定になるように前記ビーム径調整装置を制御する
制御装置を備えているものであるから、レーザ加工ヘッ
ドの移動によって光路長が変化した場合であっても、集
光レンズによって集光されたスポット径、焦点長さを常
にほぼ一定に維持することができ、精度の良いレーザ加
工を行うことができるものである。
【００６４】さらにまた、本実施の形態によれば、ワー
クの材質、板厚等の変化に対応してスポット径、焦点長
さを適正に調整できると共にレーザ加工ヘッドが移動し
た場合であっても上記スポット径、焦点長さを常にほぼ
一定に維持できるものである。
【００６５】さらに、本実施の形態によれば、ビーム径
調整装置はピエゾアクチュエータによって反射面の曲率
を変更する構成であり、かつ上記ピエゾアクチュエータ
に印加する電圧と反射面の曲率変化との関係を示す式又
はデータテーブルをメモリに記憶した構成であるから、
ビーム径調整装置における反射面の曲率を所望の曲率に
調整することが容易なものである。
【００６６】
【発明の効果】以上のごとき発明の実施の形態の説明か
ら理解されるように、本発明によれば、ビーム径調整装
置によりレーザ加工ヘッド内の集光レンズに入射するレ
ーザビームのビーム径を容易に調整できるので、焦点長
さの異なる複数の集光レンズを使い分けることなくして
集光レンズを透過後のレーザビームの焦点長さをワーク
の材質や板厚や加工方法の違いに応じて容易に変更調整
できる。また、調整されたレーザビームの焦点長さに応
じてワークへのスポット位置を適正に制御できるので、
適正且つ安定したレーザ加工を実現可能である。
【００６７】また、本発明によれば、レーザ加工ヘッド
がＸ，Ｙ軸方向へ移動して光路長が変化した場合であっ
ても、ビーム径調整装置によりレーザ加工ヘッド内の集
光レンズに入射するレーザビームのビーム径を常にほぼ
一定に維持するように調整できるので、レーザ加工ヘッ
ドが移動する場合であっても、焦点長さの異なる複数の
集光レンズを使い分けることなくして集光レンズを透過
後のレーザビームの焦点長さをワークの材質や板厚や加
工方法の違いに応じて調整してレーザ加工を行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すもので、レーザ加工
方法を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施の形態を示すもので、入射ビーム
径の違いによるスポット径と焦点長さの変化を比較する
比較説明図であり、（Ａ）は中間の入射ビーム径の場合
で、（Ｂ）は大きい入射ビーム径の場合で、（Ｃ）は小
さい入射ビーム径の場合である。
【図３】本発明の実施の形態を示すもので、ガウシアン
ビームの伝播図である。
【図４】本発明の実施の形態を示すもので、アナログ電
圧に対する入射ビーム径及び波面曲率半径との関係を示
すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態を示すもので、アナログ電
圧に対する集光レンズの最小スポット径及び焦点長さと
の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施の形態に係わるビーム径調整
装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ加工装置 ３ レーザ発振器 ５Ａ、５Ｂ ベンドミラー ７ 曲率可変ミラー（ビーム径調整装置） ９ レーザ加工ヘッド １１ 集光レンズ １３ 噴射ノズル １５ 加工ヘッド用駆動モータ（加工ヘッド移動装置） １９ 集光レンズ用駆動モータ（集光レンズ移動装置） ２３ 制御装置 ２５ 曲率可変ミラー制御装置 ３７ 比較判断装置 ３９ 出力ミラー ４１ 凹レンズ（固定透過レンズ） ４３ 凸レンズ（移動透過レンズ）
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１２月１０日（１９９９．１２．
１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 レーザ加工装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
関し、特に板状のワークの板厚等あるいはレーザ発振器
からレーザ加工ヘッドに至る光路長の変化等のレーザ加
工条件に応じて集光レンズによるスポット径及び焦点長
さの変化量を常に適正に制御してレーザ加工を行うレー
ザ加工装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】本発明は上述のごとき従来の問題に鑑みて
なされたもので、その目的は、焦点長さの異なる複数の
集光レンズを使い分けることなく１つの集光レンズでワ
ークの材質、板厚、加工方法の違いに合わせて適正なス
ポット径の大きさ及びワークへのスポット位置を適正に
制御し、安定したレーザ加工を実現し得るレーザ加工装
置を提供することにある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述のごとき従来の問題
に鑑みて、請求項１に係る発明は、レーザ発振器と、上
記レーザ発振器から発振されたレーザビームを集光して
加工すべきワークへ照射する集光レンズを備えたレーザ
加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記集光レンズに
至る光路中に設けられ前記集光レンズへ入射するレーザ
ビーム径を調整自在のビーム径調整装置と、前記レーザ
発振器から前記集光レンズに至る光路長を検出するため
の光路長検出装置と、上記光路長検出装置によって検出
された光路長に対応して前記集光レンズへ入射されるレ
ーザビーム径が常にほぼ一定になるように前記ビーム径
調整装置を制御するための制御装置と、を備えたレーザ
加工装置において、前記ビーム径調整装置は、ピエゾア
クチュエータの駆動によって反射面の曲率を変更自在の
曲率可変ミラーよりなり、上記反射面の曲率を制御する
ために、前記ピエゾアクチュエータへ印加する電圧と反
射面の曲率変化との関係を示す式又はデータテーブルを
記憶したメモリを備えており、かつ印加する電圧は光路
長の変化範囲の段階に対応して制御する構成である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】請求項２に係る発明は、レーザ発振器と、
上記レーザ発振器から発振されたレーザビームを集光し
て加工すべきワークへ照射する集光レンズを備えたレー
ザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器から前記集光レンズ
に至る光路中に設けられ前記集光レンズへ入射するレー
ザビーム径を調整自在のビーム径調整装置と、加工すべ
きワークの材質、板厚等の加工条件を記憶したメモリ
と、このメモリに記憶されたワークの材質、板厚等に対
応して上記ワークに対する焦点長さを調節すべく前記ビ
ーム径調整装置を制御して前記集光レンズへ入射される
レーザビーム径を制御するためのビーム制御装置と、前
記ワークの材質、板厚等に対応して上記ワークに対する
前記レーザ加工ヘッド及び集光レンズの接近位置を個別
に制御するための制御装置と、前記レーザ発振器から前
記集光レンズに至る光路長を検出するための光路長検出
装置と、上記光路長検出装置によって検出された光路長
に対応して前記集光レンズへ入射されるレーザビーム径
が常にほぼ一定になるように前記ビーム径調整装置を制
御するための制御装置と、を備えたレーザ加工装置にお
いて、前記ビーム径調整装置は、ピエゾアクチュエータ
の駆動によって反射面の曲率を変更自在の曲率可変ミラ
ーよりなり、上記反射面の曲率を制御するために、前記
ピエゾアクチュエータへ印加する電圧と反射面の曲率変
化との関係を示す式又はデータテーブルを記憶したメモ
リを備えており、かつ印加する電圧は光路長の変化範囲
の段階に対応して制御する構成である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザ加工装置の
実施の形態について、図面を参照して説明する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】削除
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】削除
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図６
【補正方法】削除
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【符号の説明】 １ レーザ加工装置 ３ レーザ発振器 ５Ａ、５Ｂ ベンドミラー ７ 曲率可変ミラー（ビーム径調整装置） ９ レーザ加工ヘッド １１ 集光レンズ １３ 噴射ノズル １５ 加工ヘッド用駆動モータ（加工ヘッド移動装置） １９ 集光レンズ用駆動モータ（集光レンズ移動装置） ２３ 制御装置 ２５ 曲率可変ミラー制御装置 ３７ 比較判断装置 ３９ 出力ミラー
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】削除

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ発振器から発振されたレーザビー
    ムを集光レンズにより集光しワークへ照射してレーザ加
    工を行うレーザ加工方法において、前記レーザ発振器と
    集光レンズとの間に配置したビーム径調整装置により、
    前記ワークの材質、板厚等の加工条件に対応して前記集
    光レンズへ入射するレーザビーム径を調整しスポット径
    及び焦点長さを調整してレーザ加工を行うことを特徴と
    するレーザ加工方法。
  2. 【請求項２】 レーザ発振器から発振されたレーザビー
    ムを集光レンズにより集光しワークへ照射してレーザ加
    工を行うレーザ加工方法において、スポット径及び焦点
    長さを常にほぼ一定に保持するように、前記レーザ発振
    器と集光レンズとの間に配置したビーム径調整装置によ
    り、前記レーザ発振器から前記集光レンズに至る光路長
    の変化に対応して上記集光レンズへ入射するレーザビー
    ム径を調整しつつレーザ加工を行うことを特徴とするレ
    ーザ加工方法。
  3. 【請求項３】 レーザ発振器と、上記レーザ発振器から
    発振されたレーザビームを集光して加工すべきワークへ
    照射する集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、前記
    レーザ発振器から前記集光レンズに至る光路中に設けら
    れ前記集光レンズへ入射するレーザビーム径を調整自在
    のビーム径調整装置と、加工すべきワークの材質、板厚
    等の加工条件を記憶したメモリと、このメモリに記憶さ
    れたワークの材質、板厚等に対応して上記ワークに対す
    る焦点長さを調節すべく前記ビーム径調整装置を制御し
    て前記集光レンズへ入射されるレーザビーム径を制御す
    るためのビーム制御装置と、前記ワークの材質、板厚等
    に対応して上記ワークに対する前記レーザ加工ヘッド及
    び集光レンズの接近位置を個別に制御するための制御装
    置と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 【請求項４】 レーザ発振器と、上記レーザ発振器から
    発振されたレーザビームを集光して加工すべきワークへ
    照射する集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、前記
    レーザ発振器から前記集光レンズに至る光路中に設けら
    れ前記集光レンズへ入射するレーザビーム径を調整自在
    のビーム径調整装置と、前記レーザ発振器から前記集光
    レンズに至る光路長を検出するための光路長検出装置
    と、上記光路長検出装置によって検出された光路長に対
    応して前記集光レンズへ入射されるレーザビーム径が常
    にほぼ一定になるように前記ビーム径調整装置を制御す
    るための制御装置と、を備えたことを特徴とするレーザ
    加工装置。
  5. 【請求項５】 レーザ発振器と、上記レーザ発振器から
    発振されたレーザビームを集光して加工すべきワークへ
    照射する集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、前記
    レーザ発振器から前記集光レンズに至る光路中に設けら
    れ前記集光レンズへ入射するレーザビーム径を調整自在
    のビーム径調整装置と、加工すべきワークの材質、板厚
    等の加工条件を記憶したメモリと、このメモリに記憶さ
    れたワークの材質、板厚等に対応して上記ワークに対す
    る焦点長さを調節すべく前記ビーム径調整装置を制御し
    て前記集光レンズへ入射されるレーザビーム径を制御す
    るためのビーム制御装置と、前記ワークの材質、板厚等
    に対応して上記ワークに対する前記レーザ加工ヘッド及
    び集光レンズの接近位置を個別に制御するための制御装
    置と、前記レーザ発振器から前記集光レンズに至る光路
    長を検出するための光路長検出装置と、上記光路長検出
    装置によって検出された光路長に対応して前記集光レン
    ズへ入射されるレーザビーム径が常にほぼ一定になるよ
    うに前記ビーム径調整装置を制御するための制御装置
    と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 【請求項６】 請求項３，４又は５に記載のレーザ加工
    装置において、ビーム径調整装置は、ピエゾアクチュエ
    ータの駆動によって反射面の曲率を変更自在の曲率可変
    ミラーよりなり、上記反射面の曲率を制御するために、
    前記ピエゾアクチュエータへ印加する電圧と反射面の曲
    率変化との関係を示す式又はデータテーブルを記憶した
    メモリを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
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