JP2003251476A - 高密度エネルギー加工装置及び高密度エネルギー加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工面の高さがその被加工面における場所
によって大きく異なる形状の被加工物を加工する際の加
工精度を向上させる。 【解決手段】 本レーザ加工装置１０は、被加工物１を
レーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向（矢印ｘ，ｙ）に
移動させつつ加工を行う場合には、ＣＣＤカメラ２４を
有する測距装置２５により、レーザ光Ｌ１の照射位置の
移動先となる箇所での上記照射方向に沿った被加工面１
ａの高さを計測し、この計測結果に基づき可変焦点レン
ズ装置１６を制御して、レーザ光Ｌ１の焦点の位置を調
整する。一方、被加工物１を固定した状態で加工を行う
場合には、レーザ計測器２０により、レーザ光Ｌ１の照
射位置での被加工面１ａの高さを計測し、この計測結果
に基づき可変焦点レンズ装置１６を制御して、レーザ光
Ｌ１の焦点の位置を調整する。その結果、レーザ光Ｌ１
を被加工面１ａで確実に集光させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度エネルギー
ビームを照射して被加工物を加工する技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高密度エネルギービームとし
てのレーザ光（レーザビーム）を照射して被加工物を加
工するレーザ加工装置が知られている。例えば、特開平
１０−３０５３８３号公報には、被加工物へのレーザ光
の照射方向と垂直な方向に加工ヘッドを移動させつつ加
工を行うレーザ加工装置が開示されている。このレーザ
加工装置は、加工ヘッドの先端と被加工面との距離の変
動を検出する静電容量型のギャップセンサと、加工ヘッ
ド内でレーザ光の照射路に沿って移動可能に設けられる
集光レンズとを備えている。そして、このレーザ加工装
置は、加工ヘッドを移動させつつレーザ光を照射して被
加工物の加工を行っている際に、被加工物の板厚が不均
一である等の理由により、加工ヘッドの先端から被加工
面までの距離に微妙な変動が生じると、ギャップセンサ
の検出値に応じて集光レンズを移動させ、レーザ光の焦
点の位置を加工に最適な位置へ調整するようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示されている装置では、レーザ光の照射方向に垂
直な平面を基準とするその照射方向に沿った被加工面の
高さ（以下、単に「被加工面の高さ」という）が、その
被加工面における場所によって大きく異ならない形状
（即ち、被加工面の高さの差が小さい形状）の被加工物
を加工する場合には、加工精度を向上させる効果が高い
ものの、被加工面の高さがその被加工面における場所に
よって大きく異なる形状（即ち、被加工面の高さの差が
大きい形状）の被加工物を加工する場合には、十分な効
果が得られないことがある。この理由としては、例え
ば、次の（１）、（２）が挙げられる。

【０００４】（１）上記装置では、加工ヘッドを移動さ
せつつ加工を行っている際に、加工ヘッドの先端と被加
工面との距離が実際に変動してからレーザ光の焦点の位
置を最適な位置へ調整するようになっているが、被加工
面の高さがその被加工面における場所によって大きく異
なる形状の被加工物を加工しようとすると、加工ヘッド
の先端から被加工面までの距離が急激に変化することと
なる。このため、加工ヘッドの移動に対しレーザ光の焦
点の最適な位置への調整が遅れ、意図しない加工（過剰
加工や加工不足等）が発生しやすくなり、精度良く加工
することができない。

【０００５】（２）また、上記装置では、加工ヘッドの
先端から被加工面までの距離をピンポイントで検出して
いる訳ではないため、例えば、被加工面に径の小さい所
定深さの穴が形成された被加工物を加工しようとした場
合に、加工ヘッドからその穴の底面までの距離を検出す
ることができず、正確な加工を行うことができない。つ
まり、被加工面の高さがその被加工面における場所によ
って大きく異なる形状の被加工物を、精度良く加工する
ことができない。

【０００６】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、被加工面の高さがその被加工面における場所
によって大きく異なる形状の被加工物を加工する際の加
工精度を向上させることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達成するためになされた請求項１に記載の高密度エネ
ルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面
に向けて高密度エネルギービームを照射し、照射位置移
動手段が、被加工面における高密度エネルギービームの
照射位置を移動させ、検出手段が、高密度エネルギービ
ームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出
対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービ
ームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの
焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられてお
り、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、
その焦点位置変更手段を制御する。そして特に、本装置
では、上記検出手段が、照射位置移動手段により被加工
面における高密度エネルギービームの照射位置が移動さ
れようとしている箇所を検出対象点として、上記距離を
検出するようになっている。尚、高密度エネルギービー
ムとしては、例えば、レーザ光や、光ビーム（レーザ光
のように特定の波長の光のみではなく、幅広い範囲の波
長の光を集光したビーム）等を用いることができる。

【０００８】つまり、請求項１の高密度エネルギー加工
装置では、被加工面における高密度エネルギービームの
照射位置を移動させつつ加工を行う際に、その照射位置
の移動先となる箇所での被加工面の高さを検出し、その
検出結果に基づき高密度エネルギービームの焦点の位置
を変えるようになっている。

【０００９】このような請求項１の高密度エネルギー加
工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面におけ
る場所によって大きく異なる形状の被加工物を、高密度
エネルギービームの照射位置を移動させつつ加工する場
合に、その照射位置での被加工面の高さが急激に変化し
ても、その変化に遅れることなく高密度エネルギービー
ムの焦点の位置を加工に最適な位置へ調整することがで
きるため、加工精度を向上させることができる。

【００１０】次に、請求項２に記載の高密度エネルギー
加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向け
て高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密
度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工
面における検出対象点との距離を検出する。また、高密
度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネ
ルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が
設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果
に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。そして
特に、本装置では、上記検出手段が、被加工面における
高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点とし
て、上記距離を、その高密度エネルギービームの照射方
向から検出するようになっている。

【００１１】つまり、請求項２の高密度エネルギー加工
装置では、被加工面に高密度エネルギービームを照射し
て加工を行う際に、その高密度エネルギービームの照射
方向と同じ方向からその照射位置での被加工面の高さを
検出し、その検出結果に基づき高密度エネルギービーム
の焦点の位置を変えるようになっている。

【００１２】このような請求項２の高密度エネルギー加
工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面におけ
る場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工する
場合に、高密度エネルギービームの照射位置とその近傍
の位置とで被加工面の高さが大きく異なっていても、そ
の照射位置での被加工面の高さを確実に検出することが
できるため、加工精度を向上させることができる。

【００１３】ところで、上記請求項１，２の装置に用い
られる焦点位置変更手段は、請求項３に記載のように、
高密度エネルギービームが通過するレンズの曲率を変化
させることで、その焦点の位置を変えるように構成され
ていることが好ましい。このようにすれば、レンズを少
し変形させるだけで焦点の位置を大きく変えることがで
きるため、焦点を高速で移動させることができると共
に、その応答性や精度についても高くすることができ
る。即ち、従来技術として示した特開平１０−３０５３
８３号公報に記載のレーザ加工装置では、レーザ光の照
射路に沿って集光レンズを移動させることで焦点の位置
を変えるようになっているが、こうした構成では、焦点
の移動量だけ集光レンズを移動させなければならないた
め、焦点を高速で移動させることが困難であり、しか
も、集光レンズを移動させるのに機械的な構造が必要と
なるため、その応答性や精度も低下してしまう。これに
対して、本請求項３の発明では、焦点の移動について、
速度、応答性及び精度を向上させることができるため、
加工精度を一層向上させることができる。

【００１４】また、検出手段は、請求項４に記載のよう
に、基準面と検出対象点との距離を、被加工面と非接触
で検出することが好ましい。即ち、被加工面と非接触で
距離を検出する構成では、被加工面と接触して検出する
構成に比べ、高速な検出が可能となるからである。加え
て、被加工面と接触して距離を検出する構成では、検出
用センサにより被加工面に傷などを付けてしまったり、
検出用センサの被加工面に接触する部分が摩耗して正確
な距離が検出できなくなってしまう可能性があるからで
ある。

【００１５】そして、この検出手段としては、例えば、
請求項５のように、基準面と検出対象点との距離をＣＣ
Ｄカメラを用いて検出するものや、請求項６のように、
その距離をレーザ光により検出するものを用いることが
できる。そして特に、請求項５の検出手段を上記請求項
１に適用すれば、高密度エネルギービームの照射位置が
移動されようとしている箇所と基準面との距離を容易に
検出することができる。即ち、被加工面における高密度
エネルギービームの照射位置の移動方向が一定でなけれ
ば、その照射位置と検出対象点との相対位置が変化する
こととなるが、ＣＣＤカメラを用いれば、高密度エネル
ギービームの照射位置を中心とする一定範囲を撮影し、
その範囲内における任意の点を検出対象点として距離を
検出することができ、高密度エネルギービームの照射位
置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラによる撮影位置
を移動させる必要が無いからである。

【００１６】また、請求項６の検出手段を上記請求項２
に適用すれば、被加工面における距離の検出対象となる
ポイントが小さくても、そのポイントと基準面との距離
を確実に検出することができる。したがって、微細な加
工を行う場合には特に効果的である。

【００１７】次に、請求項７に記載の高密度エネルギー
加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向け
て高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密
度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工
面における検出対象点との距離を検出する。また、高密
度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネ
ルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が
設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果
に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。更に、
本装置は、照射位置移動手段が被加工面における高密度
エネルギービームの照射位置を移動させる第１のモード
と、この照射位置移動手段を動作させない第２のモード
との、何れかの動作モードで動作するようになってい
る。

【００１８】そして特に、請求項７の高密度エネルギー
加工装置では、上記検出手段が、当該装置が第１のモー
ドで動作している場合には、照射位置移動手段により被
加工面における高密度エネルギービームの照射位置が移
動されようとしている箇所を検出対象点として、上記距
離をＣＣＤカメラを用いて検出し、当該装置が第２のモ
ードで動作している場合には、被加工面における高密度
エネルギービームの照射位置を検出対象点として、上記
距離を、その高密度エネルギービームの照射方向からレ
ーザ光により検出するようになっている。

【００１９】このような請求項７の高密度エネルギー加
工装置によれば、上記請求項１，２，４，５及び６の装
置について述べた効果と同様の効果を得ることができ
る。次に、請求項８に記載の高密度エネルギー加工方法
では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービ
ームを照射すると共に、被加工面における高密度エネル
ギービームの照射位置を移動させ、その照射位置が移動
されようとしている箇所を検出対象点として、この検出
対象点と高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基
準面との距離を検出し、その検出結果に基づき、高密度
エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネル
ギービームの焦点の位置を変えることを特徴としてい
る。そして、この高密度エネルギー加工方法によれば、
上記請求項１の装置について述べた効果と同様の効果を
得ることができる。

【００２０】次に、請求項９に記載の高密度エネルギー
加工方法では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
ルギービームを照射すると共に、高密度エネルギービー
ムの照射位置を検出対象点として、この検出対象点と高
密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距
離を、その高密度エネルギービームの照射方向から検出
し、その検出結果に基づき、高密度エネルギービームの
照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の
位置を変えることを特徴としている。そして、この高密
度エネルギー加工方法によれば、上記請求項２の装置に
ついて述べた効果と同様の効果を得ることができる。

【００２１】そして更に、請求項１０に記載のように、
高密度エネルギービームの焦点の位置を、その高密度エ
ネルギービームが通過するレンズの曲率を変化させるこ
とにより変えるようにすれば、上記請求項３の装置につ
いて述べた効果と同様の効果を得ることができる。

【００２２】また、請求項１１に記載のように、検出対
象点と基準面との距離を、ＣＣＤカメラを用いて検出す
るようにすれば、上記請求項５の装置について述べた効
果と同様の効果を得ることができる。一方、請求項１２
に記載のように、検出対象点と基準面との距離を、レー
ザ光により検出するようにすれば、上記請求項６の装置
について述べた効果と同様の効果を得ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明が適用された実施形
態の高密度エネルギー加工装置について、図面を用いて
説明する。まず図１は、本実施形態の高密度エネルギー
加工装置としてのレーザ加工装置１０の概略構成図であ
る。

【００２４】このレーザ加工装置１０は、被加工物１を
加工するためのレーザ光（本実施形態では、短波長
（０．５３２μｍ）のＹＡＧレーザ）Ｌ１を出力するレ
ーザ発振器１２と、レーザ発振器１２により出力された
レーザ光Ｌ１を反射して方向変換し、被加工物１の被加
工面１ａに照射する反射ミラー１４と、反射ミラー１４
により反射されたレーザ光Ｌ１の照射路に設けられる可
変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８と、レーザ光
Ｌ２を出力すると共に、被加工面１ａで反射されたレー
ザ光Ｌ２を入力してその被加工面１ａまでの距離を計測
するレーザ計測器２０と、レーザ計測器２０により出力
されたレーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、被加工面１
ａに照射すると共に、その被加工面１ａで反射されたレ
ーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、レーザ計測器２０に
入力させる反射ミラー２２と、被加工面１ａにおけるレ
ーザ光Ｌ１の照射位置近傍を撮影するＣＣＤカメラ２４
を有し、その撮影している映像に基づき被加工面１ａま
での距離を計測する測距装置２５と、被加工物１をレー
ザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向（矢印ｘ，矢印ｙに示
す方向）に移動させる加工テーブル２７と、被加工物１
を加工するため上記レーザ発振器１２，可変焦点レンズ
装置１６，レーザ計測器２０，測距装置２５及び加工テ
ーブル２７を制御する制御装置２６とを備えている。
尚、図１では、可変焦点レンズ装置１６を、構造を分か
りやすくするために半分に切断された状態で表してい
る。

【００２５】そして、図２に示すように、可変焦点レン
ズ装置１６及び集光レンズ１８は、加工ヘッド２８内に
同軸に設けられている。また、レーザ計測器２０は、レ
ーザ発振器１２により出力されるレーザ光Ｌ１に比べビ
ーム径が小さく、且つ、このレーザ光Ｌ１とは波長の異
なるレーザ光Ｌ２を出力する。

【００２６】一方、反射ミラー１４は、透明な板の表面
にレーザ光Ｌ１のみを全反射させるコーティングが施さ
れたものである。また、反射ミラー２２は、透明な板の
表面にレーザ光Ｌ２のみを全反射させるコーティングが
施されたものである。そして、この反射ミラー２２は、
レーザ光Ｌ２をレーザ光Ｌ１の照射路と同軸となるよう
に方向変換する位置に設けられている。このため、反射
ミラー２２で反射されたレーザ光Ｌ２は、反射ミラー１
４を通過し、レーザ光Ｌ１と同一の照射路で加工ヘッド
２８を通過して被加工面１ａに照射される。更に、レー
ザ光Ｌ２は、被加工面１ａで反射され、同一の経路でレ
ーザ計測器２０に戻る。そして、レーザ計測器２０は、
戻ってきたレーザ光Ｌ２に基づき、当該計測器２０から
被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距
離を計測する。

【００２７】一方また、測距装置２５のＣＣＤカメラ２
４は、レーザ光Ｌ１の被加工面１ａへの照射路と同軸
に、被加工面１ａに向けて設けられており、レーザ光Ｌ
１の照射方向と同じ方向から、反射ミラー２２，１４、
可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８を通して、
被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心と
する一定範囲を撮影するようになっている。そして、測
距装置２５は、制御装置２６により、上記一定範囲内の
任意の点が検出対象点として指示されると、ＣＣＤカメ
ラ２４により撮影している映像に基づき、ＣＣＤカメラ
２４からその指示された点までの距離を計測する。

【００２８】次に、可変焦点レンズ装置１６の構造につ
いて説明する。図３は、可変焦点レンズ装置１６を、レ
ーザ光Ｌ１の照射路を包含する平面で切断した断面図で
ある。この可変焦点レンズ装置１６は、環状の第１リン
グ部材３０と、第１リング部材３０の軸方向両側に貼り
付けられるガラス製の第１透明弾性板３２及び第２透明
弾性板３４と、各透明弾性板３２，３４及び第１リング
部材３０により形成される密閉空間に封入される作動流
体３６と、第２透明弾性板３４の外面に貼り付けられる
環状の第２リング部材３８と、第１透明弾性板３２の外
面に貼り付けられるステンレス製の環状の第３リング部
材４０と、等間隔に積層される環状の４枚の圧電バイモ
ルフ４２，４２，…と、各圧電バイモルフ４２の内周部
にそれぞれ接合されると共に、軸方向の一端が第１透明
弾性板３２に接合される筒状の内周連結部材４４と、各
圧電バイモルフ４２の外周部にそれぞれ接合されると共
に、一端が第３リング部材４０に接合される棒状の６本
の外周連結部材４６，４６，…とを備えている。尚、各
リング部材３０，３８，４０と、各圧電バイモルフ４２
と、内周連結部材４４とは、それぞれ同軸に設けられて
いる。また、外周連結部材４６は、第３リング部材４０
の全周に等間隔（６０度毎）に設けられている。

【００２９】作動流体３６としては、各透明弾性板３
２，３４とほぼ同じ屈折率のシリコンオイルが用いられ
ており、その作動流体３６と各透明弾性板３２，３４と
によってレーザ光Ｌ１が通過するレンズが形成されてい
る。圧電バイモルフ４２は、バネ弾性を有するステンレ
ス鋼製の環状薄板である弾性板の両面に、圧電材料（具
体的には、ＰＺＴ）からなる環状の圧電板が接合された
ものである。そして、各圧電板における弾性板との接合
面とは反対側の表面には、銀の微細粉末を主成分とする
導電ペーストが印刷されて膜状の表面電極が形成されて
いる。尚、圧電バイモルフ４２の各圧電板の分極方向
は、軸方向となる同一方向へ向けられている。

【００３０】内周連結部材４４及び外周連結部材４６
は、共にステンレス鋼製である。そして、内周連結部材
４４は、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に導
通しており、且つ、各圧電バイモルフ４２の弾性板と電
気的に絶縁されている。一方、外周連結部材４６は、各
圧電バイモルフ４２の弾性板と電気的に導通しており、
且つ、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に絶縁
されている。

【００３１】このような構造により、各圧電バイモルフ
４２は、内周連結部材４４と外周連結部材４６とを介し
て電圧が印加されることにより同一の方向に変形する。
例えば、正の電圧が印加されると、図３に示すように、
各圧電バイモルフ４２の変形により内周連結部材４４が
第１透明弾性板３２側に押し出され、第１透明弾性板３
２の外面が凹状になると共に、第２透明弾性板３４の外
面が凸状になる。一方、負の電圧が印加されると、図４
に示すように、各圧電バイモルフ４２の変形により内周
連結部材４４が第１透明弾性板３２側とは反対側に引っ
張られ、第１透明弾性板３２の外面が凸状になると共
に、第２透明弾性板３４の外面が凹状になる。

【００３２】つまり、内周連結部材４４と外周連結部材
４６とを介して印加する電圧を変化させることで、各透
明弾性板３２，３４と作動流体３６とにより形成される
レンズを変形させ、そのレンズの曲率を変化させること
ができるようになっている。尚、レンズの形状は図３及
び図４に示した状態に限らず、印加する電圧値に応じて
連続的に変形するようになっており、その結果、レンズ
の曲率を連続的に変化させることが可能となる。

【００３３】次に、制御装置２６が行う加工処理につい
て説明する。制御装置２６には、被加工物１についての
加工内容を表す加工プログラムが予め入力されている。
そして、制御装置２６は、この加工プログラムに従い、
被加工物１の加工処理を行うようになっている。

【００３４】ここで、制御装置２６が行う加工処理は、
被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動さ
せつつ加工を行う第１種の加工処理と、レーザ光Ｌ１の
照射位置を固定した状態で加工を行う第２種の加工処理
との２つの種類に大別される。即ち、制御装置２６は、
加工プログラムにより、レーザ光Ｌ１の照射位置を移動
させつつ行う加工（例えば、切断加工）が指示されてい
る場合には、第１種の加工処理として、測距装置２５に
よる計測距離に基づく加工処理を行い、一方、レーザ光
Ｌ１の照射位置を固定した状態で行う加工（例えば、穴
開け加工）が指示されている場合には、第２種の加工処
理として、レーザ計測器２０による計測距離に基づく加
工処理を行うようになっている。尚、本実施形態では、
上記第１種の加工処理を行う場合が第１のモードに相当
し、上記第２種の加工処理を行う場合が第２のモードに
相当する。

【００３５】以下、切断加工を行う場合と、穴開け加工
を行う場合とを例に挙げて、具体的に説明する。 ［切断加工を行う場合（第１種の加工処理）］ （１−１）：制御装置２６は、加工プログラムに従い、
加工テーブル２７に被加工物１を移動させつつ、レーザ
発振器１２にレーザ光Ｌ１を出力させて、被加工面１ａ
におけるレーザ光Ｌ１の照射位置を切断線に沿って移動
させる。

【００３６】（１−２）：また、これと並行して、制御
装置２６は、加工プログラムに基づき、被加工面１ａに
おける現在のレーザ光Ｌ１の照射位置からその照射位置
が移動しようとする方向に一定距離（例えば、数ミリ程
度）離れた位置（以下、「距離検出点」という）を求
め、測距装置２５にその距離検出点を検出対象点として
指示することにより、その距離検出点までの距離を計測
させる。

【００３７】（１−３）：そして、制御装置２６は、測
距装置２５による計測結果に基づき、被加工面１ａでレ
ーザ光Ｌ１が集光するように可変焦点レンズ装置１６の
レンズの曲率を変化させる。例えば、図５に示すよう
に、被加工面１ａの高さが場所によって大きく異なる場
合に、測距装置２５により計測される距離（言い換えれ
ば、加工ヘッド２８先端の平面と被加工面１ａにおける
距離検出点との距離ｚ）が基準値（例えば、加工開始時
の計測距離）より長くなった場合には、集光レンズ１８
から焦点までの距離もその分長くなるように可変焦点レ
ンズ装置１６のレンズの曲率を変化させ、逆に、計測さ
れる距離が基準値より短くなった場合には、集光レンズ
１８から焦点までの距離もその分短くなるように可変焦
点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。

【００３８】また、レーザ光Ｌ１の照射位置と上記距離
検出点との距離は、レーザ光Ｌ１がその距離検出点に照
射されるタイミングと、レーザ光Ｌ１の焦点の位置がそ
の距離検出点の加工に最適な位置まで調整されるタイミ
ングとが一致するような値に設定されている。このた
め、加工ヘッド２８から被加工面１ａまでの距離が急激
に変化しても、それに遅れることなく、レーザ光Ｌ１が
常に被加工面１ａで集光する。

【００３９】［穴開け加工を行う場合（第２種の加工処
理）］ （２−１）：制御装置２６は、被加工面１ａにおける穴
を開けようとする箇所にレーザ光Ｌ１が照射されるよう
に、加工テーブル２７に被加工物１を移動させた後、そ
の位置を固定させた状態で、レーザ発振器１２にレーザ
光Ｌ１を出力させる。

【００４０】（２−２）：また、これと並行して、制御
装置２６は、レーザ計測器２０に、現在のレーザ光Ｌ１
の照射位置（この場合、穴の底面）までの距離を計測さ
せる。 （２−３）：そして、制御装置２６は、レーザ計測器２
０による計測結果に基づき、被加工面１ａでレーザ光Ｌ
１が集光するように可変焦点レンズ装置１６のレンズの
曲率を変化させる。

【００４１】このため、加工に伴い、形成される穴が深
くなっていっても、レーザ光Ｌ１が常にその穴の底面で
集光する。尚、本実施形態のレーザ加工装置１０では、
レーザ発振器１２と、反射ミラー１４とが、照射手段に
相当し、加工テーブル２７と、上記（１−１）の処理と
が、照射位置移動手段に相当している。また、測距装置
２５と、上記（１−２）の処理とが、請求項１の検出手
段に相当し、レーザ計測器２０及び反射ミラー２２と、
上記（２−２）の処理とが、請求項２の検出手段に相当
し、測距装置２５と、レーザ計測器２０及び反射ミラー
２２と、上記（１−２），（２−２）の処理とが、請求
項７の検出手段に相当している。また更に、可変焦点レ
ンズ装置１６が、焦点位置変更手段に相当し、上記（１
−３），（２−３）の処理が、制御手段に相当してい
る。

【００４２】また、上記説明では、測距装置２５はＣＣ
Ｄカメラ２４から被加工面１ａにおける距離検出点まで
の距離を計測すると説明したが、結局、測距装置２５
は、レーザ光Ｌ１の照射方向に垂直な特定の基準面（例
えば、加工ヘッド２８先端の平面）と被加工面１ａにお
ける距離検出点との距離（被加工面１ａの高さに対応す
る値）を計測していると言える。同様に、レーザ計測器
２０は当該計測器２０から被加工面１ａにおけるレーザ
光Ｌ１の照射位置までの距離を計測すると説明したが、
結局、レーザ計測器２０も、レーザ光Ｌ１の照射方向に
垂直な特定の基準面と被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ
１の照射位置との距離を計測していると言える。

【００４３】このような本実施形態のレーザ加工装置１
０によれば、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射
位置を移動させつつ加工を行う場合には、その照射位置
の移動先となる箇所での被加工面１ａの高さを計測する
ようにしているため、その照射位置での被加工面１ａの
高さが急激に変化しても、その変化に遅れることなくレ
ーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な位置に調整する
ことができ、加工精度を向上させることができる。

【００４４】また、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１
の照射位置を固定した状態で加工を行う場合には、その
照射位置での被加工面１ａの高さを計測するようにして
いるため、この場合も、加工に伴う照射位置の高さの変
化に合わせてレーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な
位置に調整することができ、加工精度を向上させること
ができる。よって、例えば、径の小さい（例えば、数１
０μｍ程度）穴や深さ方向に長い穴等を精度良く加工す
ることができる。また、穴の底面までの距離を正確に計
測できるため、貫通穴のみならず所望の深さの止まり穴
についても、精度良く形成することができる。

【００４５】また更に、可変焦点レンズ装置１６が、内
周連結部材４４を小さなストロークだけ変位させること
で、レーザ光Ｌ１の焦点を大きく変位させることができ
る構成であるため、レーザ光Ｌ１の焦点を高速で移動さ
せることが可能となり、また、レンズの曲率を変化させ
るために機械的な構造を用いていない分、応答性や精度
についても高くすることができる。しかも、被加工面１
ａの高さが場所により大きく異なる被加工物１に対して
も、加工ヘッド２８を固定した状態で加工を行うことが
できるため、焦点の位置の精度を損なわない。そして、
こうした理由により、加工精度を一層向上させることが
できる。

【００４６】一方、被加工面１ａまでの距離を、測距装
置２５やレーザ計測器２０により非接触で計測する構成
により、被加工面１ａと接触して計測する構成に比べ、
高速且つ正確な計測を行うことができる。また、ギャッ
プセンサのように、被加工物１の材質が導電性のあるも
のに限定されない。

【００４７】また更に、測距装置２５が被加工面１ａに
おけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心とする一定範囲内
の任意の点までの距離を計測する構成により、その照射
位置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラ２４による撮
影位置を移動させる必要がないため、検出精度を損なわ
ない。

【００４８】加えて、レーザ計測器２０がビーム径の小
さいレーザ光Ｌ２で被加工面１ａまでの距離を計測する
構成により、計測対象となる部分の面積が小さくても正
確に計測することができ、微細な形状の加工についても
精度良く行うことができる。以上、本発明の一実施形態
について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得る
ことは言うまでもない。

【００４９】例えば、上記実施形態のレーザ加工装置１
０では、切断加工を行う場合に、加工テーブル２７によ
り被加工物１をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向に
移動させることで、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１
の照射位置を移動させるようにしているが、これに限っ
たものではなく、加工ヘッド２８をレーザ光Ｌ１の照射
方向と垂直な方向に移動させるようにしてもよい。但
し、この場合には、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射路につい
ても、加工ヘッド２８と共に移動するように構成する必
要がある。

【００５０】また更に、上記実施形態のレーザ加工装置
１０では、切断加工を行う場合に、被加工面１ａにおけ
る距離検出点までの距離を測距装置２５によりＣＣＤカ
メラ２４を用いて計測するようになっているが、これに
限ったものではなく、例えば、計測用のレーザ光を用い
て計測するようにしてもよい。但し、この場合には、被
加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置の移動方向
の変化に応じて、その計測用のレーザ光の照射位置を変
えなければならないため、上記実施形態の如くＣＣＤカ
メラ２４を用いた方が有利である。

【００５１】また、これとは逆に、上記実施形態のレー
ザ加工装置１０では、穴開け加工を行う場合に、被加工
面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離をレ
ーザ計測器２０により計測するようになっているが、こ
れに限ったものではなく、例えば、測距装置２５により
計測するようにしてもよい。但し、この場合には、径の
小さい穴の底面のように計測対象となる部分の面積が小
さいほど、画素数の多い高価なＣＣＤカメラが必要にな
ってしまうため、上記実施形態の如くレーザ計測器２０
を用いた方が有利である。

【００５２】一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０
では、穴開け加工を行う場合に、レーザ光Ｌ１を照射し
て加工を行いつつ、レーザ光Ｌ２を照射してその照射位
置での距離の計測を行っているが、これに限ったもので
はない。例えば、加工及び距離の計測を交互に行い、距
離の計測については、加工により溶融状態となっている
部分が冷却されてから行うようにすれば、距離の計測精
度を一層向上させることができる。

【００５３】また更に、上記実施形態のレーザ加工装置
１０が備える制御装置２６は、専用のものであってもよ
く、また、汎用のコンピュータを利用したものであって
もよい。一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０は、
切断加工や穴開け加工に限らず、例えば、溶接加工や表
面改質処理等の様々な加工に用いることができる。

【００５４】一方また、上記実施形態のレーザ加工装置
１０では、被加工物１にレーザ光Ｌ１を照射することで
加工を行っているが、被加工物１に照射する高密度エネ
ルギービームはこれ以外のもの（例えば、光ビーム）で
あってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態のレーザ加工装置の概略構成図であ
る。

【図２】 加工ヘッドを説明する説明図である。

【図３】 正の電圧が印加された状態での可変焦点レン
ズ装置の断面図である。

【図４】 負の電圧が印加された状態での可変焦点レン
ズ装置の断面図である。

【図５】 レーザ光の焦点の位置の変化を説明する説明
図である。

【符号の説明】

１…被加工物、１ａ…被加工面、１０…レーザ加工装
置、１２…レーザ発振器、１４，２２…反射ミラー、１
６…可変焦点レンズ装置、１８…集光レンズ、２０…レ
ーザ計測器、２４…ＣＣＤカメラ、２５…測距装置、２
６…制御装置、２７…加工テーブル、２８…加工ヘッ
ド、３０…第１リング部材、３２…第１透明弾性板、３
４…第２透明弾性板、３６…作動流体、３８…第２リン
グ部材、４０…第３リング部材、４２…圧電バイモル
フ、４４…内周連結部材、４６…外周連結部材、Ｌ１，
Ｌ２…レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀山 美知夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 金子 卓 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 川北 晋一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 神谷 哲章 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4E068 AE00 AF00 CA11 CC01 CC06 CD14 CE02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
   ルギービームを照射する照射手段と、 前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照
   射位置を移動させる照射位置移動手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面
   と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する
   検出手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高
   密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変
   更手段と、 前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更
   手段を制御する制御手段とを備え、 前記検出手段は、前記照射位置移動手段により前記被加
   工面における前記高密度エネルギービームの照射位置が
   移動されようとしている箇所を前記検出対象点として、
   前記距離を検出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
2. 【請求項２】 被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
   ルギービームを照射する照射手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面
   と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する
   検出手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高
   密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変
   更手段と、 前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更
   手段を制御する制御手段とを備え、 前記検出手段は、前記被加工面における前記高密度エネ
   ルギービームの照射位置を前記検出対象点として、前記
   距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から検
   出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の高密度エ
   ネルギー加工装置において、 前記焦点位置変更手段は、前記高密度エネルギービーム
   が通過するレンズの曲率を変化させることで、焦点の位
   置を変えること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３の何れか１項に
   記載の高密度エネルギー加工装置において、 前記検出手段は、前記距離を前記被加工面と非接触で検
   出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の高密度エネルギー加工
   装置において、 前記検出手段は、前記距離をＣＣＤカメラを用いて検出
   すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の高密度エネルギー加工
   装置において、 前記検出手段は、前記距離をレーザ光により検出するこ
   と、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
7. 【請求項７】 被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
   ルギービームを照射する照射手段と、 前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照
   射位置を移動させる照射位置移動手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面
   と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する
   検出手段と、 前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高
   密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変
   更手段と、 前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更
   手段を制御する制御手段とを備え、 前記照射位置移動手段を動作させる第１のモードと、前
   記照射位置移動手段を動作させない第２のモードとの、
   何れかの動作モードで動作する高密度エネルギー加工装
   置であって、 前記検出手段は、当該装置が前記第１のモードで動作し
   ている場合には、前記照射位置移動手段により前記被加
   工面における前記高密度エネルギービームの照射位置が
   移動されようとしている箇所を前記検出対象点として、
   前記距離をＣＣＤカメラを用いて検出し、当該装置が前
   記第２のモードで動作している場合には、前記被加工面
   における前記高密度エネルギービームの照射位置を前記
   検出対象点として、前記距離を、その高密度エネルギー
   ビームの照射方向からレーザ光により検出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工装置。
8. 【請求項８】 被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
   ルギービームを照射すると共に、前記被加工面における
   前記高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、そ
   の照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点
   として、該検出対象点と前記高密度エネルギービームの
   照射方向に垂直な基準面との距離を検出し、その検出結
   果に基づき、前記高密度エネルギービームの照射方向に
   沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変え
   ること、 を特徴とする高密度エネルギー加工方法。
9. 【請求項９】 被加工物の被加工面に向けて高密度エネ
   ルギービームを照射すると共に、前記高密度エネルギー
   ビームの照射位置を検出対象点として、該検出対象点と
   前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面
   との距離を、その高密度エネルギービームの照射方向か
   ら検出し、その検出結果に基づき、前記高密度エネルギ
   ービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービー
   ムの焦点の位置を変えること、 を特徴とする高密度エネルギー加工方法。
10. 【請求項１０】 請求項８又は請求項９に記載の高密度
    エネルギー加工方法において、 前記高密度エネルギービームの焦点の位置を、前記高密
    度エネルギービームが通過するレンズの曲率を変化させ
    ることにより変えること、 を特徴とする高密度エネルギー加工方法。
11. 【請求項１１】 請求項８ないし請求項１０の何れか１
    項に記載の高密度エネルギー加工方法において、 前記距離を、ＣＣＤカメラを用いて検出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工方法。
12. 【請求項１２】 請求項８ないし請求項１０の何れか１
    項に記載の高密度エネルギー加工方法において、 前記距離を、レーザ光により検出すること、 を特徴とする高密度エネルギー加工方法。