JP2008168352A - レーザ加工装置の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースを小さくするためにレーザビームの集光レンズを移動させるよう構成しても被測定物へのレーザビームのスポット径を一定に維持できるレーザ加工装置とすること。
【解決手段】レーザビーム２の集光レンズ４をＸ軸及びＹ軸制御部１１，１２により被加工物５の表面に対して所定距離を隔てて平行なＸ軸及びＹ軸方向に移動させる際，レーザ発振器１から出射されるレーザビーム２を反射して集光レンズに導く複数の反射手段３１〜３４のうちの一部のミラー３２を，被加工物の材質，厚さに応じて移動させることにより，レーザ発振器１から集光レンズ４に至るレーザビーム２の光路長が一定となるように調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は，レーザビームにより金属板やプラスチック板，木製合板等の被加工物を加工するレーザ加工装置の使用方法に関するものである。

レーザビームを用いて加工を行う従来のレーザ加工装置Ｂは，図２に示すように，レーザ発振器１から出射されるレーザビーム２が，ミラー３（反射手段の一例）によって集光レンズ４に導かれ，該集光レンズ４によって集光されたレーザビーム２が，所定のＸＹテーブル６上に載置された金属板や木製合板等の平面状の表面を有する被加工物５に照射されるよう構成されている。ここで，前記ＸＹテーブル６は，前記レーザビーム２の被加工物５への入射方向（Ｚ軸方向）に直交する２次元方向（Ｘ軸及びＹ軸の方向）に移動可能に構成されており，これに載置された被加工物５も同方向に移動する。これにより，前記ＸＹテーブル６を移動させることによって被加工物５表面の任意の位置に前記集光レンズ４によって集光されたレーザビーム２が照射される。また，前記集光レンズ４はＺ軸方向の位置決め機構を有するヘッド部７に支持され，これにより，前記集光レンズ４と被加工物５との距離を任意に設定できる。
しかし，従来のレーザ加工装置Ｂでは，被加工物５をＸＹ平面方向に移動させるため，被加工物５全体に渡って加工できるようにするためには，ＸＹ平面方向において，被加工物５の面積の約４倍程度の占有面積が必要となり設置スペースが非常に大きくなる。この問題を解消するためには，被加工物５を移動させるのではなく，前記集光レンズ４をＸＹ平面方向に移動させることが考えられる。

しかしながら，前記集光レンズ４を移動させた場合には，前記レーザ発振器１から前記集光レンズ４に至るレーザビーム２の光路長が変化するため，以下のような問題点が生じる。
図３は，ＸＹ平面方向から見た前記集光レンズ４と被加工物５とを模式的に表した図である。通常，被加工物５が金属である場合，図３（ａ）に示すように，前記集光レンズ４により集光されたレーザビーム２がその焦点Ｏにおいて被加工物５の表面に照射されるよう前記集光レンズ４のＺ軸方向の位置が設定される（即ち，前記集光レンズ４〜被加工物５間の距離＝前記集光レンズの焦点距離）。一方，木製合板等の被加工物５の抜型加工等を行う場合は，図３（ｂ）に示すように，集光されたレーザビーム２がその焦点Ｏの近傍で被加工物５の表面に照射されるよう前記集光レンズ４のＺ軸方向の位置が設定される（即ち，前記集光レンズ４〜被加工物５間の距離≠前記集光レンズの焦点距離）。図３（ｂ）の例では，前記集光レンズ４の位置が，レーザビーム２がその焦点Ｏよりも若干離れた位置で被加工物５に照射されるよう設定されているが（前記集光レンズ４〜被加工物５間の距離＞前記集光レンズの焦点距離），焦点Ｏよりも若干近い位置で被加工物に照射されるよう設定することも考えられる（前記集光レンズ４〜被加工物５間の距離＜前記集光レンズの焦点距離）。
ところで，レーザビーム２は，その光路長が長くなるに従ってそのビーム径Ｒが大きくなる。例えば，ビーム径Ｒが２０ｍｍ程度のレーザビーム２の場合，光路長が１ｍ長くなるごとにそのビーム径Ｒが２ｍｍ程度大きくなる場合がある。このようにレーザビーム２の光路長が変化することにより前記集光レンズ４に入射されるレーザビーム２のビーム径Ｒが変化すると，図３（ｂ）に示すように，前記レーザビーム２が前記集光レンズ４の焦点とずれた位置（近傍）で被加工物５に照射される場合，被加工物５に照射されるレーザビーム２のスポット径ｒが前記ビーム径Ｒの変化に比例して変化する。このようなスポット径ｒの変化は，そのまま被加工物５の加工精度に影響する。例えば，ビーム径Ｒが２０ｍｍのときにスポット径が０．６３ｍｍとなる位置（Ｚ軸方向）に前記集光レンズ４が設定されている場合，ビーム径Ｒが２２ｍｍになるとスポット径は０．６９３ｍｍとなり，０．０１ｍｍの精度を争うレーザビーム加工では非常に大きな問題となる。もちろん，前記レーザ発振器１と前記集光レンズ４とを一体的に（相対位置を維持した状態で）移動させる構成とすれば光路長が変化しないようにできるが，このような構成とすると，重いレーザ発振器１を移動させる大型かつ高精度の位置決め装置が必要となり，設置スペースや消費電力の増大，並びにコスト上昇を招く上，レーザ発振器１の振動を抑制する機構も必要になる等，非現実的である。

従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その課題とするところは，設置スペースを小さくするためにレーザビームの集光レンズを移動させるよう構成しても被加工物へのレーザビームのスポット径を一定に維持できるレーザ加工装置の使用方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，レーザ発振器から出射されるレーザビームを所定の被加工物の表面から所定距離を隔てて設けられた集光レンズに導くことにより，該集光レンズで集光された前記レーザビームがその焦点近傍で前記被加工物に照射されるよう構成され，前記集光レンズを前記被加工物の表面に平行な２次元方向に移動させて，前記被加工物を加工するレーザ加工装置であって，前記レーザビームを反射して前記集光レンズに導く複数の反射手段を具備した導光手段を具備してなるレーザ加工装置の使用方法において，前記被加工物の材質あるいは厚さに応じて，前記導光手段における反射手段の一部を前記集光レンズの位置に応じて移動させることにより前記レーザ発振器から前記集光レンズに至る前記レーザビームの光路長を調整することを特徴とするレーザ加工装置の使用方法として構成されるものである。
これにより，設置スペースを小さくするためにレーザビームの集光レンズを移動させるよう構成しても，集光レンズに入射されるレーザビームのビーム径が略一定に維持されるので，被加工物へのレーザビームのスポット径を一定に維持できる。

以上説明したように，本発明によれば，集光レンズの移動にかかわらず，常にレーザビームの全光路長を略一定に維持でき，集光レンズに入射されるレーザビームのビーム径及び被加工物に照射されるレーザビームのスポット径も略一定に維持できる。その結果，被加工物をＸＹテーブル等により移動させて加工する従来のレーザ加工装置よりも設置スペースをはるかに小さく抑えられるとともに，被加工物の加工精度も一定に維持することが可能となる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置Ａの概略構成を表す図，図２は従来のレーザ加工装置Ｂの概略構成を模式的に表すブロック図，図３はＸＹ平面方向から見た集光レンズと被加工物とを模式的に表した図である。

以下，図１を用いて，本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置Ａについて説明する。図１は，本レーザ加工装置Ａを上方から見たときの構成を表す。
本レーザ加工装置Ａは，被加工物５を載置する載置台１０と，レーザビーム２を出射するレーザ発振器１と，該レーザ発振器１からのレーザビーム２を反射することにより導光する導光手段である複数のミラー３１（ミラー３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅからなる），３２（ミラー３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄからなる），３３，３４と，該ミラー３１，３２，３３，３４により導光されたレーザビーム２を受光して集光する集光レンズ４とを具備している。さらに，本レーザ加工装置Ａは，被加工物５の表面に平行な１次元方向（以下，Ｘ軸方向という）の位置決め装置であるＸ軸制御部１１と，該Ｘ軸制御部１１によりＸ軸方向に位置決めされるよう支持されＸ軸方向と直交するＹ軸方向の位置決めを行う装置であるＹ軸制御部１２と，該Ｙ軸制御部１２により位置決めされるよう支持されたヘッド部７と，前記複数のミラーのうちの一部３２を後述するように前記ヘッド部７の位置（即ち，前記集光レンズ４の位置）に応じて所定方向に移動させて位置決めするミラー制御部１３と，電子計算機等からなる演算部１４とを具備しており，前記集光レンズ４は，前記ヘッド部７の有するＺ軸方向（Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向）の位置決め機構（不図示）により位置決めされるよう支持されている。前記演算部１４は，該演算部１４に入力される所定の加工データ（どの位置をどのように加工するかに関するＣＡＤデータ等）に従って，前記Ｘ軸及びＹ軸制御部１１，１２と前記ヘッド部７の位置決め機構に対して前記集光レンズ４をいずれの位置に位置決めするか（即ち，いずれの位置の加工を行うか）を指示する所定の制御指令を出力し，該制御指令に従って前記Ｘ軸及びＹ軸制御部１１，１２と前記ヘッド部７の位置決め機構とによる前記集光レンズ４の位置決めがなされる。このとき，前記ミラー制御部１３に対してもいずれの位置に位置決めするかの制御指令を出力する。ここで，前記各制御部１１〜１３及び前記ヘッド部７の位置決め機構は，前記演算部１４からの制御指令に従って連続的に（アナログ的に）移動して位置決めするものや，加工精度の許容範囲内でステップ状に（非連続的に）移動して位置決めするものが考えられる。

前記レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２は，固定されたミラー３１，前記ミラー制御部１３により前記ヘッド部７の位置（即ち，前記集光ミラー４の位置）に応じて位置決めされるミラー３２，前記Ｙ軸制御部１２に支持され該Ｙ軸制御部１２とともにＸ軸方向に移動可能に構成されたミラー３３，及び前記ヘッド部７に支持され該ヘッド部７とともにＹ軸方向に移動可能に構成されたミラー３４により前記レーザ発振器１から前記集光レンズ４へ導かれ，該集光レンズ４によって集光されたレーザビーム２が，前記載置台１０上に載置された金属板や木製合板等の被加工物５に照射される。従って，前記ヘッド部７のＺ軸方向の位置決め機構を所定位置に保持（固定）した状態で，前記Ｘ軸制御部１１及び前記Ｙ軸制御部１２を動作させる（移動させて位置決めする）ことにより，前記集光レンズ４を，被加工物５の表面に対して所定距離を隔てて平行な２次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能である（前記Ｘ軸制御部１１及びＹ軸制御部１２が前記集光レンズ移動手段の一例を構成する）。ここでは，レーザビーム２の反射手段の例としてミラーを用いているが，これに限るものでなく，プリズムや光ファイバー等の反射手段によってレーザビーム２の方向を変化させるよう構成する等，他の構成も考えられる。例えば，図４は，光ファイバー８でレーザビーム２を反射させる場合の構成例であり，所定方向に曲げた光ファイバー８の一端からレーザビーム２を入射させ，他端から出射させることによりレーザビーム２の方向を変えるものである。また，ミラー（反射手段）の数や配置も図１に示すものはあくまで一例であって，前記レーザ発振器１から前記集光レンズ４に至るレーザビーム２の光路長を調節する機構（本レーザ加工装置Ａでは，前記ミラー３２及び前記ミラー制御部１３がこれに該当）を有する構成であれば他の構成とすることも自由である。
また，本レーザ加工装置Ａは，以上の他にも，加工屑を除去するための集塵器や，前記レーザ発振器１に用いられるエアドライヤー及びコンプレッサ等，一般的なレーザ加工装置が備える構成要素を有しているが，本発明の構成上特に特徴を有するものではないのでここでは説明を省略する。

次に，前記レーザ発振器１から前記集光レンズ４に至るレーザビーム２の光路長について説明する。
前記レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２は，前記各ミラー３１〜３４で反射されることにより，３１ｅ→３１ａ→３２ａ→３２ｂ→３１ｂ→３１ｃ→３２ｃ→３２ｄ→３１ｄ→３３→３４の経路（光路）を進んだ後，前記集光レンズ４に導かれる。ここで，前記集光レンズ４のＺ軸方向の位置が前記ヘッド部７のＺ軸方向位置決め機構により所定位置に保持されている場合，固定されたミラー３１ｄから前記集光レンズ４に至る（３１ｄ→３３→３４→４）光路長Ｌ１は，前記Ｘ軸制御部１１及び前記Ｙ軸制御部１２により位置決めされた前記前記ヘッド部７の位置（即ち，前記集光レンズ４の位置）に応じて変化する。この光路長Ｌ１は，前記集光レンズ４のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置により一意に定まる。
一方，ミラー３１（３１ａ〜３１ｅ）は固定されており，またミラー３２（３２ａ〜３２ｄ）相互間の位置関係も固定されているため，前記レーザ発振器１からミラー３１ｄに至る光路長のうち，前記レーザ発振器１からミラー３１ａに至る（１→３１ｅ→３１）光路長と，ミラー３２ａ→３２ｂ間の光路長と，ミラー３１ｂ→３１ｃ間の光路長と，ミラー３２ｃ→３２ｄ間の光路長との和の光路長Ｌ０は，前記集光レンズ４の移動及び前記ミラー制御部１３によるミラー３２（３２ａ〜３２ｄ）の移動にかかわらず一定である。
また，前記レーザ発振器１から前記集光レンズ４に至る全光路長Ｌのうち，前記光路長Ｌ１及びＬ０を除く残りの光路長Ｌ２，即ち，｛（ミラー３１ａ→３２ａ間の光路長）＋（ミラー３２ｂ→３１ｂ間の光路長）＋（ミラー３２ｃ→３１ｃ間の光路長）＋（ミラー３２ｄ→３１ｄ間の光路長）｝は，前記ミラー制御部１３により位置決めされたミラー３２（３２ａ〜３２ｄ）の位置に応じて一意に定まる。
従って，前記集光レンズ４のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置（により定まる前記光路長Ｌ１）に応じて，（前記光路長Ｌ１＋前記光路長Ｌ２）の値が一定となるように前記ミラー制御部１３によってミラー３２（３２ａ〜３２ｄ）の位置を設定すれば，全光路長Ｌ（＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）を一定に維持できる。
ここで，図１に示す構成では，前記ミラー制御部１３により位置決めされるミラー３２ａ〜３２ｄを４つ設け，これらそれぞれに対応する固定ミラー３１ａ〜３２ｄも４つ設けているが，これは前記ミラー制御部１３によるミラー３２の移動可能距離が小さい場合であっても，前記光路長Ｌ２の変更可能範囲（調節範囲）を大きくとれるようにしたためであり（図１の構成では，前記ミラー制御部１３の移動可能距離の４倍の範囲で，前記光路長Ｌ２を変更可能），前記ミラー制御部１３によるミラー３２の移動可能距離を十分とれる場合は，ミラー３１ｂ，３１ｃ及びミラー３２ｂ，３２ｃを除いた構成としてもよい。この場合，レーザビームの経路は，１→３１ｅ→３１ａ→３２ａ→３２ｄ→３１ｄ→３３→３４→４となるが，考え方は上述した図１の構成の場合と同様である。また，前記ミラー制御部１３の移動可能距離をより小さくする場合には，同様の構成でさらにミラーの数を増やせばよい。さらに，前記レーザ発振器２から出射されるレーザビーム２がミラー３２ａに直接照射されるよう配置すれば，ミラー３１ｅを除くこともできる。もちろん図１に示すミラー（反射手段）の構成はあくまで一例であって，レーザビーム２の全光路長Ｌを一定に調節できるものであれば他の構成としても何ら問題はない。

次に，本レーザ加工装置Ａにおける，全光路長Ｌを一定に調節する手順について説明する。
前述したように，前記演算部１４は，入力された加工データに従って，前記Ｘ軸制御部１１及びＹ軸制御部１２に対して位置決めすべき位置，即ちＸ軸方向及びＹ軸方向の前記集光レンズ４の位置情報に関する制御指令を出力するので，この位置情報から，前記演算部１４は前記光路長Ｌ１を求める。
さらに，前記演算部１４は，前記Ｘ軸制御部１１及び前記Ｙ軸制御部１２に対して前記集光レンズ４の位置決めに関する制御指令を出力する際に，（Ｌ１＋Ｌ２）が一定となるように前記ミラー制御部１３に対して前記ミラー３２の位置情報に関する制御指令を出力するよう構成されている。この他にも，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置ごとに全光路長Ｌが一定となるミラー３１の位置を対応させた対応表を記憶しておき，該対応表に従ってミラー３１の位置決めを行うよう構成する等，全光路長Ｌを一定に調節する手順は各種考えられる。
これにより，前記集光レンズ４の移動にかかわらず，常に全光路長Ｌが一定（ミラー３２がステップ状に位置決めされる場合は加工精度の許容範囲内で略一定）に調節され，その結果，前記集光レンズ４に入射されるレーザビーム２のビーム径Ｒ及び被加工物５に照射されるレーザビーム２のスポット径ｒも一定（又は略一定）に維持できる。その結果，被加工物５をＸＹ平面方向に移動させて加工する従来のレーザ加工装置よりも設置スペースをはるかに小さく抑えられるとともに，被加工物５の加工精度も一定（又は許容範囲内）に維持することが可能となる。
なお，ここでスポット径ｒを一定に維持させるのは，被加工物５の材質や厚さ等の加工条件が一定の場合であり，この加工条件が変われば，スポット径ｒもそれに合わせて変化させるべきことは当然である。この場合，前記ヘッド部７のＺ軸方向の位置決め機構により前記集光レンズ４と被加工物５との距離を前記加工条件に合わせて調節すればよい。或いは，前記集光レンズ４と被加工物５との距離は変化させずに，一定に調節する（前記光路長Ｌ１＋前記光路長Ｌ２）の設定値自体を前記加工条件に合わせた設定値とすることにより，前記集光レンズ４に入射させるレーザビーム２のビーム径Ｒが，必要なスポット径ｒに対応した径となるように構成することも考えられる。このように，前記加工条件に合わせてスポット径ｒが調節されるよう構成されたものも本発明の実施形態の一例である。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置Ａの概略構成を模式的に表すブロック図。 従来のレーザ加工装置Ｂの概略構成を表す図。 ＸＹ平面方向から見た集光レンズと被加工物とを模式的に表した図。

符号の説明

１…レーザ発振器
２…レーザビーム
３，３１（３１ａ〜３１ｅ），３２（３２ａ〜３２ｄ），３３，３４…ミラー（反射手段）
４…集光レンズ
５…被加工物
６…ＸＹテーブル
７…ヘッド部
１０…載置台
１１…Ｘ軸制御部
１２…Ｙ軸制御部
１３…ミラー制御部
１４…演算部

Claims (1)

1. レーザ発振器から出射されるレーザビームを所定の被加工物の表面から所定距離を隔てて設けられた集光レンズに導くことにより，該集光レンズで集光された前記レーザビームがその焦点近傍で前記被加工物に照射されるよう構成され，前記集光レンズを前記被加工物の表面に平行な２次元方向に移動させて，前記被加工物を加工するレーザ加工装置であって，前記レーザビームを反射して前記集光レンズに導く複数の反射手段を具備した導光手段を具備してなるレーザ加工装置の使用方法において，
   前記被加工物の材質あるいは厚さに応じて，前記導光手段における反射手段の一部を移動させることにより前記レーザ発振器から前記集光レンズに至る前記レーザビームの光路長を調整することを特徴とするレーザ加工装置の使用方法。

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