JP2010036240A

JP2010036240A - Laser beam machining apparatus

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Publication number: JP2010036240A
Application number: JP2008205291A
Authority: JP
Inventors: Morikatsu Matsuda; 守且松田
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: JP5207371B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To smoothen a surface to be machined of a workpiece, in machining the workpiece with a laser beam, by vibrating an irradiation position of the laser beam at an amplitude along the irradiation direction of the laser beam. <P>SOLUTION: A laser beam machining head 1 is provided with a fiber connector 10 in which the laser beam is guided through an optical fiber cable. There are further provided a collimator lens 26 which parallelizes the laser beam emitted in a diffused state by the fiber connector 10 and a condensing lens 41 which converges light passed through the collimator lens 26. The workpiece is irradiated with the beam converged by the condensing lens 41 to form an image. The collimator lens 26 is set in a collimator lens case 12 which is freely movable in the irradiation direction of the laser beam inside the laser beam machining head 1. The collimator lens case 12 is connected to an ultrasonic vibration body 51 that vibrates along the laser beam irradiation direction. By the vibration of this collimator lens 26, the focal position of the laser beam vibrates at an amplitude along the optical axis direction of the laser beam. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ワーク（被加工物）をレーザで加工するレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus that processes a workpiece (workpiece) with a laser.

例えば、レーザ加工装置として、レーザの光源から光ファイバーケーブルを介してレーザを導き、光ファイバーケーブルの末端から出射されて拡散するレーザをコリメートレンズで平行光としたのちに焦点レンズで集光もしくは結像させ、当該レーザをワークに照射して熱処理や、切断加工や、切削加工や、溶接を行ったりすることが知られている。
なお、レーザを光ファイバケーブルではなくミラーで導くものは、さらに以前より良く知られている。
レーザ加工装置において、ワークとして金属の板体を切断・切削する場合に、ＹＡＧレーザやファイバレーザやディスクレーザなどの波長１μｍ帯レーザが用いられる場合がある。 For example, as a laser processing device, a laser is guided from a laser light source through an optical fiber cable, and the laser beam emitted and diffused from the end of the optical fiber cable is collimated by a collimator lens, and then condensed or imaged by a focus lens. It is known that the workpiece is irradiated with the laser to perform heat treatment, cutting, cutting, or welding.
It is well known that lasers are guided by mirrors instead of optical fiber cables.
In a laser processing apparatus, when cutting and cutting a metal plate as a workpiece, a 1 μm wavelength laser such as a YAG laser, a fiber laser, or a disk laser may be used.

これら波長１μｍ帯レーザは、ＣＯ₂レーザなどの波長１０μｍ帯レーザに比べて金属への吸収率が良いことが知られている。
このようなレーザ加工装置においては、単にレーザを板体に対して垂直に当てながら加工方向に移動させて、切断等の加工を行うものだけではなく、例えば、２つの金属部材を溶接する際に、２つの金属部材を十分に近接させられないような場合に、レーザの光軸に直交するとともに、レーザの移動方向に直交する方向にレーザの照射位置を往復動させるレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 These 1 μm-band lasers are known to have better absorption into metals than 10 μm-band lasers such as CO ₂ lasers.
In such a laser processing apparatus, not only one that moves in the processing direction by simply irradiating the laser perpendicularly to the plate body and performs processing such as cutting, but when, for example, two metal members are welded There has been proposed a laser processing apparatus that reciprocates the laser irradiation position in a direction that is orthogonal to the laser optical axis and orthogonal to the laser moving direction when the two metal members cannot be sufficiently close to each other. (For example, refer to Patent Document 1).

また、厚いコンクリートの部材を切断するような場合に、レーザの照射方向を厚み方向に対して斜めとし、かつ、レーザを加工方向だけに動かすのではなく、所定のピッチだけレーザを加工方向に動かす工程と、その移動した位置で厚み方向にレーザを移動させる工程とを繰り返すことにより、比較的小さな出力で厚いコンクリート部材を切断できるようにしたレーザ加工装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。 Also, when cutting thick concrete members, the laser irradiation direction is oblique to the thickness direction, and the laser is moved in the processing direction by a predetermined pitch instead of moving the laser only in the processing direction. There has been proposed a laser processing apparatus capable of cutting a thick concrete member with a relatively small output by repeating the process and the process of moving the laser in the thickness direction at the moved position (for example, Patent Document 2). reference).

特開２００１−３８４８４号公報JP 2001-38484 A 特開２００１−１５０１７０号公報JP 2001-150170 A

ところで、上述の波長１μｍ帯レーザは、金属での吸収率が良いため、金属の薄板では加工速度の向上が見込まれる。しかし、金属の中板や厚板を加工する場合に、上述の波長１０μｍ帯レーザに比較して切断、切削加工した際の加工面の面粗度が悪いという問題がある。特にステンレススチールを加工した場合にこの問題が顕著に現れる。
例えば、図６の模式図に示すように、１μｍ帯レーザでステンレススチールの板９１を切断した場合に、切断面９２に縦すじが付き、１０μｍ帯レーザの切断における切断面が光沢面となるのと大きな違いを見せる。なお、縦方向が板９１の厚み方向でかつレーザの光軸方向となる。 By the way, since the above-mentioned 1 μm wavelength laser has a good absorption rate with metal, an improvement in processing speed is expected with a thin metal plate. However, when processing a metal intermediate plate or thick plate, there is a problem that the surface roughness of the processed surface is poor when cut and cut as compared with the above-mentioned 10 μm wavelength laser. This problem appears particularly when stainless steel is processed.
For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 6, when a stainless steel plate 91 is cut with a 1 μm band laser, a vertical streak is added to the cut surface 92 and the cut surface in the cutting of the 10 μm band laser becomes a glossy surface. And show a big difference. The vertical direction is the thickness direction of the plate 91 and the optical axis direction of the laser.

この縦すじの幅Ｗ（間隔）は、レーザの移動速度に因って変化するものであるが、この原因を探るため切断現象をハイスピードカメラで撮影したところ、切断下部からの火花（これは溶融物の排出である）が、１０μｍ帯レーザの場合のように連続的でなく、一定の周期を持って爆発現象的（断続的）に発生する。 The width W (interval) of the vertical streaks changes depending on the moving speed of the laser. When the cutting phenomenon was photographed with a high-speed camera in order to investigate the cause, a spark from the lower part of the cutting (this is This is not continuous as in the case of a 10 μm band laser, but occurs explosively (intermittently) with a certain period.

これは、図７に模式的に図示されるように、ステンレススチールの板９１がレーザ加工ヘッド９３から照射されるレーザで切断される場合の切断面の現状でレーザが照射されている部分（切断フロント面）に溶融物の池（melting pool）が発生し、この池が生成と決壊を繰り返していると推測される。
そして、その周期は、約１ｍｓｅｃのものが観察された。 As schematically shown in FIG. 7, this is the portion of the cut surface where the stainless steel plate 91 is cut by the laser irradiated from the laser processing head 93 (the cutting surface). A melting pool is generated on the front surface, and it is assumed that this pond is repeatedly generated and destroyed.
A period of about 1 msec was observed.

なお、ここでは、切断、切削加工での加工面の表面粗度の問題なので、溶接する際のようにレーザの照射位置を加工方向に直交する方向に往復動させると振幅が僅かであっても逆に表面粗度が悪化する可能性がある。
また、コンクリート部材などに比較して薄い金属板の切断、切削加工において、レーザの照射方向を斜めにして厚さ方向に移動させる必要はないと思われる。 Here, since the surface roughness of the machined surface in cutting and cutting is a problem, if the laser irradiation position is reciprocated in a direction orthogonal to the machining direction as in welding, even if the amplitude is slight, On the contrary, the surface roughness may be deteriorated.
Further, in cutting and cutting a thin metal plate compared to a concrete member or the like, it does not seem necessary to move the laser irradiation direction obliquely and move it in the thickness direction.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、レーザ加工において加工面の表面粗度の向上を図ることができるレーザ加工装置を提供することを課題としている。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it the subject to provide the laser processing apparatus which can aim at the improvement of the surface roughness of a processing surface in laser processing.

上記課題を解決するために、請求項１に記載のレーザ加工装置は、被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
被加工物に照射されるレーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させる振動手段を備え、
前記振動手段により前記焦点位置を前記光軸方向に沿って振動させた状態で被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより被加工物を加工することを特徴とする。 In order to solve the above problem, a laser processing apparatus according to claim 1 irradiates a workpiece with a laser and moves a laser irradiation position relative to the workpiece to move the workpiece. A laser processing apparatus for processing
A vibration means for vibrating the focal position of the laser irradiated to the workpiece in a direction along the optical axis of the laser;
The workpiece is processed by moving the irradiation position of the laser relative to the workpiece in a state where the focal position is vibrated along the optical axis direction by the vibration means.

請求項１に記載の発明においては、被加工物に照射されるレーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させる振動手段を備え、焦点位置を光軸方向に沿って振動させた状態で被加工物を加工するので、例えば、被加工物をレーザで切断するように加工する場合に、焦点位置がレーザの照射方向となるレーザの光軸に沿って被加工物の厚み方向に移動することになる。また、焦点位置は、基本的に被加工物の厚みの範囲内に設定されているが、振動した状態でも被加工物の厚みの範囲内に収まるようにすることが好ましいが、それに限定されるものではない。
これにより、焦点位置が光軸方向、すなわち、被加工物の厚み方向に振動することで、例えば、金属対して吸収率の高い波長１μｍ帯レーザが被加工物の厚みの焦点位置で局所的に吸収されるのを防止し、被加工物へのレーザの吸収を分散させることで、上述のような縦すじの発生を抑制することができる。
また、レーザの焦点位置を光軸方向に沿って振動させることで、上述ような断続的で周期的な爆発現象となる溶融物の池の定期的な生成と決壊の規則性を乱すことで、池の生成を防止し、これによって加工面を平滑化すること、すなわち、縦すじの発生を防止する。 According to the first aspect of the present invention, there is provided vibration means for vibrating the focal position of the laser irradiated to the workpiece in a direction along the optical axis of the laser, and the focal position is vibrated along the optical axis direction. Since the workpiece is processed in a state, for example, when the workpiece is processed so as to be cut with a laser, the focal position is in the thickness direction of the workpiece along the optical axis of the laser, which is the laser irradiation direction. Will move. Further, the focal position is basically set within the thickness range of the workpiece, but it is preferable that the focal position is within the thickness range of the workpiece even in a vibrated state, but it is not limited thereto. It is not a thing.
As a result, the focal position vibrates in the optical axis direction, that is, in the thickness direction of the workpiece, so that, for example, a 1 μm wavelength laser having a high absorptivity with respect to metal is locally at the focal position of the thickness of the workpiece. By preventing absorption and dispersing laser absorption into the workpiece, it is possible to suppress the occurrence of vertical streaks as described above.
Also, by oscillating the focal position of the laser along the optical axis direction, disturbing the regular generation and breakage regularity of the molten pond, which becomes an intermittent and periodic explosion phenomenon as described above, The generation of ponds is prevented, thereby smoothing the work surface, that is, preventing the occurrence of vertical stripes.

請求項２に記載のレーザ加工装置は、請求項１に記載の発明において、
光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は、電歪振動子、超磁歪振動子を含む磁歪振動子等の超音波振動を含む振動を発生させる振動子と、前記コリメートレンズもしくは前記焦点レンズを当該レンズの光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該レンズを錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該レンズの振動の振幅を増幅する共振機構とを備えることを特徴とする。 The laser processing apparatus according to claim 2 is the invention according to claim 1,
A collimating lens that makes the laser guided from the light source side substantially parallel light, and a focusing lens that focuses the laser that has passed through the collimating lens with respect to the workpiece;
The vibrating means includes an oscillator that generates vibration including ultrasonic vibration, such as an electrostrictive oscillator and a magnetostrictive oscillator including a giant magnetostrictive oscillator, and the collimator lens or the focus lens along the optical axis direction of the lens. And a resonance mechanism that amplifies the amplitude of the vibration of the lens by resonating with the vibration of the vibrator with the lens as at least a part of a weight.

請求項２に記載の発明においては、振動子の小さな振幅の振動に対して、コリメートレンズもしくは焦点レンズの振動の振幅を共振機構により増幅することにより、より効果的に加工面の表面粗度の向上を図ることができる。すなわち、焦点位置の光軸方向に沿った振幅が一般的な超音波振動子程度の振幅だと、被加工物の厚みによっては、表面粗度の向上を十分に見込めない虞があるが、共振により、コリメートレンズもしくは焦点レンズの振幅を増幅することで、振動子の振幅に対してレーザの焦点位置の振幅を増幅することが可能となり、一般的な超音波振動子の振幅よりかなり厚みのある被加工物の加工面の表面粗度の向上を図ることができる。また、共振により焦点位置の振動の振幅の増幅を図ることで、低コストで厚みのある被加工物への対応が可能となる。 According to the second aspect of the present invention, the surface roughness of the processed surface can be more effectively reduced by amplifying the amplitude of the vibration of the collimator lens or the focus lens by the resonance mechanism with respect to the vibration of the small amplitude of the vibrator. Improvements can be made. In other words, if the amplitude along the optical axis direction of the focal position is about the same as that of a general ultrasonic vibrator, the surface roughness may not be improved sufficiently depending on the thickness of the workpiece. By amplifying the amplitude of the collimator lens or the focus lens, it becomes possible to amplify the amplitude of the focal position of the laser with respect to the amplitude of the vibrator, which is considerably thicker than the amplitude of a general ultrasonic vibrator The surface roughness of the processed surface of the workpiece can be improved. Further, by amplifying the amplitude of the vibration at the focal position by resonance, it is possible to deal with a thick workpiece at low cost.

請求項３に記載のレーザ加工装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は前記コリメートレンズを当該コリメートレンズの光軸方向に沿って振動させることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the laser processing apparatus according to the first or second aspect, wherein the laser guided from the light source side is a substantially collimated lens, and the laser that has passed through the collimating lens is processed. A focusing lens that focuses on the object,
The vibrating means vibrates the collimating lens along the optical axis direction of the collimating lens.

請求項３に記載の発明においては、コリメートレンズをその光軸方向に振動させることで、焦点レンズにおける焦点位置を照射されるレーザの光軸方向に沿って振動させることになり、例えば、コリメートレンズや焦点レンズを有するレーザトーチ全体を振動させるよりも問題が生じる可能性が少ない構成とすることができる。
たとえば、レーザトーチのノズルの高さ位置が変化することになるので、ノズルが被加工物に接触しないようにするために、振幅が制限されるなどの問題がある。また、コリメートレンズの振幅に対して、焦点レンズの焦点の振幅の増幅が見込まれるので、コリメートレンズを振動させる振動手段における振動の振幅を小さく設定することができ、振動装置にかかるコストの低減や、コリメートレンズの振動の振幅を確保するために構造上の影響を小さくすることができる。 According to the third aspect of the present invention, the collimating lens is vibrated along the optical axis direction of the irradiated laser by vibrating the collimating lens in the optical axis direction. In addition, it is possible to adopt a configuration in which there is less possibility of problems than when the entire laser torch having a focus lens is vibrated.
For example, since the height position of the nozzle of the laser torch changes, there is a problem that the amplitude is limited in order to prevent the nozzle from coming into contact with the workpiece. Further, since the amplitude of the focal point of the focal lens is expected to be amplified with respect to the amplitude of the collimating lens, the vibration amplitude in the vibration means that vibrates the collimating lens can be set small, and the cost for the vibration device can be reduced. In order to secure the amplitude of the vibration of the collimating lens, the influence on the structure can be reduced.

請求項４に記載のレーザ加工方法は、被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工方法であって、
レーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させた状態で被加工物に照射して当該被加工物を加工することを特徴とする。 The laser processing method according to claim 4 is a laser processing method for processing a workpiece by irradiating the workpiece with a laser and moving the laser irradiation position relative to the workpiece. And
The workpiece is processed by irradiating the workpiece with the focal position of the laser oscillated in a direction along the optical axis of the laser.

請求項４に記載の発明においては、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏する。 The invention according to claim 4 has the same effect as that of the invention according to claim 1.

本発明のレーザ加工装置によれば、切断、切削等の切断面において、レーザの焦点位置がレーザの光軸方向に沿って振動させることにより、被加工物の加工部分におけるレーザの吸収を分散することができる。これにより、加工面をより平滑化することが可能となる。さらに、波長１μｍ帯レーザで金属板を加工した場合、特にステンレススチールを加工した場合に、周期的な溶融物の池の発生と決壊との規則性を乱し、上記池の発生を抑制することで、切断面における縦すじの発生を抑制し、より平滑な面とすることができる。 According to the laser processing apparatus of the present invention, the laser focal position is vibrated along the optical axis direction of the laser on a cutting surface such as cutting or cutting, thereby dispersing the laser absorption in the processing portion of the workpiece. be able to. This makes it possible to further smooth the processed surface. Furthermore, when metal plates are processed with a laser with a wavelength of 1 μm, especially when stainless steel is processed, the regularity between the occurrence and rupture of periodic molten ponds is disturbed and the generation of the above ponds is suppressed. Thus, the occurrence of vertical stripes on the cut surface can be suppressed and a smoother surface can be obtained.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、この例のレーザ加工装置で用いられるレーザ加工ヘッド（レーザトーチ）を示すものである。
この例のレーザ加工装置は、図示しないワークテーブルと、図１に示されるレーザ加工ヘッド１とを備え、ワークテーブル上に設置されたワーク（被加工物）を例えば切断加工するものである。
レーザ加工装置においては、ワークテーブル上のワークもしくはレザー加工ヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、ワーク上のレーザ加工ヘッドから照射されるレーザの照射位置をレーザの光軸方向にほぼ直交する方向に相対的に移動可能となっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a laser processing head (laser torch) used in the laser processing apparatus of this example.
The laser processing apparatus of this example includes a work table (not shown) and the laser processing head 1 shown in FIG. 1, and cuts, for example, a work (workpiece) placed on the work table.
In the laser processing apparatus, the position of the laser irradiated from the laser processing head on the work is substantially orthogonal to the optical axis direction of the laser by moving the work on the work table or the leather processing head in the XY axis direction. Is relatively movable.

なお、移動方向が一軸方向であってもよい。また、ワーク側が例えばＸ軸方向（一軸方向）に移動し、レーザ加工ヘッドがＹ軸方向（一軸方向に交差する方向）に移動するものであってもよい。
なお、この例では、ワーク上をレーザ加工ヘッドがＸ軸方向およびＹ軸方向に移動するように支持されている。また、この例では、板状のワークの面に対してほぼ直交するようにレーザが照射される。すなわち、レーザの照射方向が、上述のＸＹ軸方向に直交するＺ軸方向となる。 The moving direction may be a uniaxial direction. Moreover, the workpiece | work side may move to a X-axis direction (uniaxial direction), for example, and a laser processing head may move to a Y-axis direction (direction crossing a uniaxial direction).
In this example, the laser processing head is supported on the workpiece so as to move in the X-axis direction and the Y-axis direction. In this example, the laser is irradiated so as to be substantially orthogonal to the surface of the plate-like workpiece. That is, the laser irradiation direction is the Z-axis direction orthogonal to the XY-axis direction described above.

そして、レーザ加工ヘッド１は、同軸上に配置された筒状（概略円筒状）のヘッドコラム２、ヘッド４、ヘッド４の先端となるノズル６を有するものとなっている。なお、これらヘッドコラム２、ヘッド４、ノズル６は、同軸上に配置され、ヘッドコラム２の基端部からレーザが通過可能な構成となっている。
ヘッドコラム２は、レーザ加工ヘッド１が上から下にほぼ鉛直方向に沿ってレーザを照射する場合に、レーザ加工ヘッド１の上部側（基部側）となり、全体として概略円筒状のケーシングとして機能するものであり、内部に後述のファイバコネクタ１０、コリメートレンズケース１２等が配置される。 The laser processing head 1 has a cylindrical (substantially cylindrical) head column 2, a head 4, and a nozzle 6 serving as a tip of the head 4 arranged on the same axis. The head column 2, the head 4, and the nozzle 6 are arranged coaxially so that laser can pass from the base end portion of the head column 2.
The head column 2 becomes the upper side (base side) of the laser processing head 1 when the laser processing head 1 irradiates the laser substantially vertically from top to bottom, and functions as a generally cylindrical casing as a whole. A fiber connector 10, a collimating lens case 12, and the like, which will be described later, are disposed inside.

当該ヘッドコラム２は、基端部側から後述のファイバコネクタ１０が固定されるコネクタ支持筒部２１と、内部に後述のコリメートレンズケース１２が収納されるレンズケース収納筒部２２と、ヘッド４が先端側に固定されるヘッド接続部２３とを有する。
これらコネクタ支持筒部２１、レンズケース収納筒部２２、ヘッド接続部２３は、レーザが通過する内部空間を有し、概略円筒状で、かつ、これらが全て同軸上に配置される。
コネクタ支持筒部２１は、二重管状となっており、ファイバコネクタ１０の外周に固定される内筒部３１と、当該内筒部３１の外周に配置される外筒部３２とを備えている。
そして、ファイバコネクタ１０は、レーザの出射方向を固定された状態でヘッドコラム２に固定される。 The head column 2 includes a connector support tube portion 21 to which a fiber connector 10 described later is fixed from the base end side, a lens case storage tube portion 22 in which a collimator lens case 12 described later is stored, and a head 4 And a head connection portion 23 fixed to the distal end side.
The connector support cylinder part 21, the lens case storage cylinder part 22, and the head connection part 23 have an internal space through which the laser passes, are substantially cylindrical, and are all arranged coaxially.
The connector support cylinder portion 21 has a double tubular shape, and includes an inner cylinder portion 31 fixed to the outer periphery of the fiber connector 10 and an outer cylinder portion 32 disposed on the outer periphery of the inner cylinder portion 31. .
The fiber connector 10 is fixed to the head column 2 with the laser emission direction fixed.

ここでファイバコネクタ１０には、光ファイバケーブル１１が接続され、レーザ発生源（光源）からレーザが導かれるようになっている。そして、ファイバコネクタ１０の先端からレーザが出力されるようになっている。なお、ファイバコネクタ１０の先端（光ファイバの先端）から出射されるレーザは拡散する状態となっている。
そして、コネクタ支持筒部２１の外筒部３２は、モータブラケット７１に、ウォームホイール７２を介して支持された状態となっている。このモータブラケット７１により、コネクタ支持筒部２１を介して、レーザ加工ヘッド１が支持された状態となっている。 Here, an optical fiber cable 11 is connected to the fiber connector 10, and a laser is guided from a laser generation source (light source). A laser is output from the tip of the fiber connector 10. The laser emitted from the tip of the fiber connector 10 (tip of the optical fiber) is in a diffused state.
The outer cylinder part 32 of the connector support cylinder part 21 is supported by the motor bracket 71 via the worm wheel 72. The laser machining head 1 is supported by the motor bracket 71 via the connector support cylinder portion 21.

ウォームホイール７２は、モータブラケット７１に対してラジアル軸受７３を介して回転自在とされているととともに、その内周面側に形成された雌ねじが外筒部３２の外周面に形成された雄ねじに噛み合っており、ウォームホイール７２を回転させることで、後述のコリメートレンズケース１２を後述のように超音波振動体５１等を介して上下に移動可能となっている。
また、モータブラケット７１には、図示しないサーボモータが配置され、ウォームホイール７２を回転駆動して、コリメートレンズケース１を上下動させて、Ｚ軸方向（レーザの光軸方向、ＸＹ軸方向となるワークの切断方向に直交する方向）に移動させるようになっている。なお、このＺ軸方向の移動は、後述のアクティブコリメートーコントロール（以下、ＡＣＣと略す）のためのものであり、ワークの厚み等に対応してレーザ加工ヘッド１をさらに大きくＺ軸方向に移動させたり、レーザ加工ヘッド１を上方に退避させたりするためのＺ軸方向の移動機構が前記ウォームホイール７２を用いた移動機構以外に別に備えられている。 The worm wheel 72 is rotatable with respect to the motor bracket 71 via a radial bearing 73, and a female screw formed on the inner peripheral surface side thereof is a male screw formed on the outer peripheral surface of the outer cylinder portion 32. By meshing and rotating the worm wheel 72, the collimating lens case 12 described later can be moved up and down via the ultrasonic vibrator 51 and the like as described later.
The motor bracket 71 is provided with a servo motor (not shown). The worm wheel 72 is rotationally driven to move the collimating lens case 1 up and down to be in the Z-axis direction (laser optical axis direction, XY axis direction). It is made to move in a direction perpendicular to the cutting direction of the workpiece. This movement in the Z-axis direction is for active collimation control (hereinafter abbreviated as ACC), which will be described later, and the laser machining head 1 is moved further in the Z-axis direction in accordance with the thickness of the workpiece. In addition to the moving mechanism using the worm wheel 72, a moving mechanism in the Z-axis direction for moving the laser processing head 1 upward is provided.

また、モータブラケット７１には、ＬＭガイド（リニアモーションガイド）７５のガイドレール７６が固定されている。ガイドレール７６は、レーザ加工ヘッド１の移動方向に沿って配置されており、レーザの光軸方向（Ｚ軸方向）に沿ったものとなっている。
また、ＬＭガイド７５でガイドレール７６に案内されてレーザの光軸方向に沿って、前記ガイドレールに対して相対的に移動自在なスライダ７７がレンズケース収納筒部２２の外周に固定されている。これによって、上述のウォームホイール７２の回転による後述のコリメートレンズケース１２のレーザの光軸方向に沿った移動がＬＭガイドによりガイドされている。 A guide rail 76 of an LM guide (linear motion guide) 75 is fixed to the motor bracket 71. The guide rail 76 is disposed along the moving direction of the laser processing head 1 and is along the optical axis direction (Z-axis direction) of the laser.
A slider 77 guided by the LM guide 75 to the guide rail 76 and movable relative to the guide rail along the direction of the optical axis of the laser is fixed to the outer periphery of the lens case storage tube portion 22. . Thereby, the movement of the collimating lens case 12 (described later) along the optical axis direction of the laser by the rotation of the worm wheel 72 described above is guided by the LM guide.

また、前記モータブラケット７１には、レーザ加工ヘッド１の左右に超音波振動体５１，５１がそれぞれ固定されている。なお、超音波振動体５１の振動部５３は、光軸方向に沿って鉛直方向に延出し、後述の振動板５２を介してコリメートレンズケース１２に接続されている。したがって、コリメートレンズケース１２は、超音波振動体５１，５１と振動板５２，５２を介してモータブラケット７１に固定された状態となっており、ウォームホイール７２の回転により、レーザ加工ヘッド１に対して、モータブラケット７１、超音波振動体および振動板５２，５２と一体にコリメートレンズ２６を備えるコリメートレンズケース１２が移動することになる。 In addition, ultrasonic vibration bodies 51 and 51 are fixed to the motor bracket 71 on the left and right sides of the laser processing head 1, respectively. The vibrating portion 53 of the ultrasonic vibrator 51 extends in the vertical direction along the optical axis direction, and is connected to the collimating lens case 12 via a diaphragm 52 described later. Accordingly, the collimating lens case 12 is fixed to the motor bracket 71 via the ultrasonic vibrators 51 and 51 and the diaphragms 52 and 52, and the rotation of the worm wheel 72 causes the laser processing head 1 to be rotated. Thus, the collimating lens case 12 including the collimating lens 26 is moved integrally with the motor bracket 71, the ultrasonic vibrating body, and the diaphragms 52 and 52.

レンズケース収納筒部２２は、その基端部に前記コネクタ支持筒部２１の内筒部３１より先側に突出した外筒部３２内に挿入される挿入筒３３を有し、当該挿入筒３３により、コネクタ支持筒部２１に接続されている。
そして、レンズケース収納筒部２２内には、円筒状のエアベアリング２４が固定され、このエアベアリング２４の内側にコリメートレンズケース１２が収納されている。なお、コリメートレンズケース１２およびエアベアリング２４は、ヘッドコラム２全体と同軸上に配置されている。そして、エアベアリング２４によりコリメートレンズケース１２はレンズケース収納筒部２２を含むレーザ加工ヘッド１（但し、コリメートレンズケース１２を除く）に対して軸方向に移動自在となっている。なお、コリメートレンズケース１２の軸方向と、ヘッドコラム２内におけるレーザの軸方向とは一致し、コリメートレンズケース１２は、照射されるレーザの光軸方向に沿って移動自在かつ振動自在となっている。 The lens case storage tube portion 22 has an insertion tube 33 inserted into the outer tube portion 32 protruding from the inner tube portion 31 of the connector support tube portion 21 at the base end portion. Thus, the connector support cylinder portion 21 is connected.
A cylindrical air bearing 24 is fixed in the lens case housing cylinder 22, and the collimating lens case 12 is housed inside the air bearing 24. The collimating lens case 12 and the air bearing 24 are arranged coaxially with the entire head column 2. The collimating lens case 12 is movable in the axial direction with respect to the laser processing head 1 (excluding the collimating lens case 12) including the lens case housing cylinder portion 22 by the air bearing 24. The axial direction of the collimating lens case 12 and the axial direction of the laser in the head column 2 coincide with each other, and the collimating lens case 12 can move and vibrate along the optical axis direction of the irradiated laser. Yes.

なお、コリメートレンズケース１２は、エアベアリング２４より先側に延出した先部が上述の一対の超音波振動体５１，５１に接続されている振動板５２，５２に接続されるようになっており、レンズケース収納筒部２２には、振動板５２，５２がヘッドコラム２全体の軸方向、すなわち、照射されるレーザの光軸方向にそって移動できるように、光軸方向にそった開口部が形成され、当該開口部から振動板５２，５２がレンズケース収納筒部２２内に挿入されてコリメートレンズケース１２に接続されている。 The collimating lens case 12 is connected to the diaphragms 52 and 52 connected to the above-described pair of ultrasonic vibrators 51 and 51, with the tip portion extending forward from the air bearing 24. In addition, the lens case storage cylinder portion 22 has an opening along the optical axis direction so that the diaphragms 52 and 52 can move along the axial direction of the entire head column 2, that is, along the optical axis direction of the irradiated laser. The diaphragms 52 and 52 are inserted into the lens case storage cylinder 22 from the opening and connected to the collimating lens case 12.

以上のような構造により、レーザ加工ヘッド１内でレーザを出射するファイバコネクタ１０や、後述のレーザ光を例えば焦点位置で結像させてワークに照射する焦点レンズ４１に対してコリメートレンズ１３をファイバコネクタ１０、コリメートレンズ１３、焦点レンズ４１を通るレーザの光軸に沿って移動可能で振動自在としている。 With the structure as described above, the collimator lens 13 is used as a fiber for the fiber connector 10 that emits a laser within the laser processing head 1 and the focus lens 41 that forms an image of a laser beam to be described later at a focal position and irradiates the workpiece. It is movable along the optical axis of the laser that passes through the connector 10, the collimating lens 13, and the focusing lens 41, and can be vibrated.

また、レンズケース収納筒部２２の先端内部には、レンズケースガイド筒部２５がレンズケース収納筒部２２と同軸上に配置されている。レンズケースガイド筒部２５は、先端部に設けられたフランジ部がレンズケース収納筒部２２に接続され、フランジ部に接続される本体筒部が、筒状のコリメートレンズケース１２の内径よりも僅かに小径に形成され、その基端部側が、コリメートレンズケース１２内に挿入された状態で、本体筒部の基端部の外周に対してコリメートレンズケース１２の先端部内周が摺動することで、コリメートレンズケース１２の前記移動をガイドしている。 In addition, a lens case guide tube portion 25 is disposed coaxially with the lens case storage tube portion 22 inside the tip end of the lens case storage tube portion 22. The lens case guide tube portion 25 has a flange portion provided at the tip thereof connected to the lens case storage tube portion 22, and the main body tube portion connected to the flange portion is slightly smaller than the inner diameter of the cylindrical collimator lens case 12. The inner periphery of the distal end portion of the collimating lens case 12 slides with respect to the outer periphery of the proximal end portion of the main body cylindrical portion in a state where the proximal end portion is inserted into the collimating lens case 12. The movement of the collimating lens case 12 is guided.

そして、レンズケース収納筒部２２の先端部には、前記レンズケースガイド筒部２５のフランジ部を介してヘッド接続部２３が固定され、当該ヘッド接続部２３に筒状のヘッド４が固定されている。ヘッド４内には、焦点レンズ４１が固定されている。また、ヘッド４の先端側は、先に行くにつれて細くなるように円錐台状に形成されている。そして、円錐台状の先端に小径となった円筒部があり、この円筒部の先端部に先に行くほど細くなる円錐台状のノズル６が固定されている。なお、これらヘッド４およびノズル６は中空であり、内部をレーザが通過可能で、ノズル６から出射可能となっている。 The head connection portion 23 is fixed to the tip of the lens case storage tube portion 22 via the flange portion of the lens case guide tube portion 25, and the cylindrical head 4 is fixed to the head connection portion 23. Yes. A focus lens 41 is fixed in the head 4. Moreover, the front end side of the head 4 is formed in a truncated cone shape so as to become narrower as it goes forward. There is a cylindrical portion with a small diameter at the tip of the truncated cone, and a truncated cone-shaped nozzle 6 that is tapered toward the tip of the cylindrical portion is fixed. The head 4 and the nozzle 6 are hollow, so that the laser can pass through the inside and can be emitted from the nozzle 6.

以上のようなレーザ加工ヘッド１においては、内部に基端側からファイバコネクタ１０、コリメートレンズケース１２内のコリメートレンズ２６と、ヘッド４内の焦点レンズ４１とを備えており、ファイバコネクタ１０の先端から出射し拡散する状態の光がコリメートレンズ２６によりほぼ平行光となり、この平行光となったレーザが焦点レンズ４１により例えば集光方向に屈曲し焦点位置で結像するようになっている。 The laser processing head 1 as described above includes the fiber connector 10 from the proximal end side, the collimating lens 26 in the collimating lens case 12 and the focus lens 41 in the head 4, and the distal end of the fiber connector 10. The collimating lens 26 emits light that is diffused from the light and becomes substantially parallel light, and the laser that has become the parallel light is bent in the condensing direction, for example, by the focusing lens 41 and forms an image at the focal position.

なお、ここで、上述のウォームホイール７２を有する移動機構により、レーザ加工ヘッド１内における光源であるファイバコネクタ１０および焦点レンズ４１に対してコリメートレンズ２６を光軸方向に動かした場合に、ファイバコネクタ１０からの拡散する光のコリメートレンズの各半径位置での光の入射角度が変化し、これによりコリメートレンズ２６を通過する光の方向が変化し、さらに、焦点レンズ４１に入射する光の角度が変化する。これによって、焦点位置（焦点深度）が変化する。また、この場合に、ビーム品質定数（以下、ＢＰＰと略す）の測定結果も変化することになり、ＢＰＰの値を変えるためにも、コリメートレンズ２６の位置が調整されるようになっており、このコリメートレンズ２６の位置調整が上述のＡＣＣとなる。また、コリメートレンズ２６の位置調整によって焦点深度の調整も行うことができる。 Here, when the collimating lens 26 is moved in the optical axis direction with respect to the fiber connector 10 and the focus lens 41 which are light sources in the laser processing head 1 by the moving mechanism having the worm wheel 72, the fiber connector is used. The incident angle of light at each radial position of the collimating lens for the light diffusing from 10 changes, whereby the direction of the light passing through the collimating lens 26 changes, and further, the angle of the light incident on the focus lens 41 changes. Change. As a result, the focal position (depth of focus) changes. In this case, the measurement result of the beam quality constant (hereinafter abbreviated as BPP) also changes, and the position of the collimating lens 26 is adjusted in order to change the BPP value. The position adjustment of the collimating lens 26 is the ACC described above. Further, the focal depth can be adjusted by adjusting the position of the collimating lens 26.

なお、ＢＰＰは、ビーム品質を表す指標であり、ビーム広がり角（半角）と最小スポット径（半径）との積であり、単位はｍｍ／ｍｒａｄである。そして、ＢＰＰの値が小さいほどビーム品質が高いことになる。
なお、ビーム品質を表す指標としては、Ｍ²（エムスクエア）も知られており、理論的な最小集光ビーム径に対して、どの程度大きくなるかを表すものであり、波長に依存しない値となっている。
また、ＢＰＰは、Ｍ²を用いて以下の式で表すことができる。
BPP=M2・(λ/π)=(d₀・D)/(1.27・λ・f)・(λ/π)=(d₀・D)/(1.27・f・π)
ここで
d₀：焦点直径
D ：ビーム径
λ：波長
f ：周波数 BPP is an index representing beam quality, is a product of a beam divergence angle (half angle) and a minimum spot diameter (radius), and its unit is mm / mrad. The smaller the BPP value, the higher the beam quality.
In addition, M ² (M square) is also known as an index representing beam quality, and represents how much it becomes larger than the theoretical minimum focused beam diameter, and is a value independent of wavelength. It has become.
BPP can be expressed by the following equation using M ² .
BPP = M2 ・ (λ / π) = (d ₀・ D) / (1.27 ・ λ ・ f) ・ (λ / π) = (d ₀・ D) / (1.27 ・ f ・ π)
here
d ₀ : Focus diameter
D: Beam diameter λ: Wavelength
f: Frequency

また、コリメートレンズケース１２は、上述のモータブラケット７１に対して超音波振動体５１，５１を介して接続されている。すなわち、コリメートレンズケース１２は、超音波振動体５１，５１の振動部５３，５３に振動板５２，５２を介して接続される。なお、超音波振動体５１，５１の振動部５３，５３は、レーザ加工ヘッド１におけるレーザの照射方向に沿ったＺ軸方向が振幅方向となるように振動する。
また、超音波振動体５１，５１は、その振動源として、例えば、圧電素子（電歪素子）、超磁歪素子を含む磁歪素子などを使用することができる。 Further, the collimating lens case 12 is connected to the motor bracket 71 described above via ultrasonic vibrators 51 and 51. That is, the collimating lens case 12 is connected to the vibrating portions 53 and 53 of the ultrasonic vibrators 51 and 51 via the diaphragms 52 and 52. The vibrating portions 53 and 53 of the ultrasonic vibrators 51 and 51 vibrate so that the Z-axis direction along the laser irradiation direction in the laser processing head 1 is the amplitude direction.
The ultrasonic vibrators 51, 51 can use, for example, a piezoelectric element (electrostrictive element), a magnetostrictive element including a super magnetostrictive element, or the like as a vibration source.

また、振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２からなる振動系における振動の固有周波数と、超音波振動体５１，５１の振動の周波数とを対応させることで、前記振動系が超音波振動体５１，５１の振動に共振し、コリメートレンズケース１２の振幅が大きくなるように設定されていることが好ましい。この場合に、振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２は、前記コリメートレンズ１３を当該コリメートレンズ１３の光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該コリメートレンズ１３を錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該コリメートレンズ１３の振動の振幅を増幅する共振機構となる。なお、コリメートレンズケース１２も錘の一部として機能する。 Further, the vibration system in the vibration system including the diaphragms 52, 52 and the collimating lens case 12 is made to correspond to the vibration frequency of the ultrasonic vibration bodies 51, 51, so that the vibration system has the ultrasonic vibration body 51. , 51 so that the amplitude of the collimating lens case 12 is increased. In this case, the diaphragms 52 and 52 and the collimating lens case 12 support the collimating lens 13 so as to vibrate along the optical axis direction of the collimating lens 13 and support the collimating lens 13 at least part of the weight. As a resonance mechanism that resonates with the vibration of the vibrator and amplifies the amplitude of the vibration of the collimating lens 13. The collimating lens case 12 also functions as a part of the weight.

なお、超音波振動体５１，５１における振動の周波数は、いわゆる超音波と呼ばれる２０ｋＨｚを越える必要はなく、超音波より低い周波数の振動であってもよく、例えば、５００Ｈｚ以下であってもよい。また、例えば、振動の周波数は１０ｋＨｚや、２０ｋＨｚ以上であってもよい。 The frequency of vibration in the ultrasonic vibrators 51 and 51 does not need to exceed 20 kHz called so-called ultrasonic waves, and may be vibration with a frequency lower than that of ultrasonic waves, for example, 500 Hz or less. For example, the frequency of vibration may be 10 kHz or 20 kHz or more.

また、実際の超音波振動体５１，５１において、最適な振動数は、たとえば、実験的に切断面が最も平滑となる振動の周波数やその際の焦点の振幅などを求めるなどして、超音波振動体５１，５１における最適な振動の周波数と焦点位置の振幅を決定する。 Further, in the actual ultrasonic vibrators 51, 51, the optimum vibration frequency is determined by, for example, obtaining the frequency of the vibration at which the cut surface is the smoothest, the amplitude of the focus at that time, and the like. The optimal vibration frequency and focal position amplitude in the vibrating bodies 51 and 51 are determined.

また、この最適な周波数とは、波長１μｍ帯レーザにおいて、上述の約１μｓｅｃ（１ｋＨｚ）で繰り返される火花の噴出を抑制できる周波数である。
また、最適な周波数は、材質、厚み、加工速度（レーザの照射位置の移動速度）等によって変化する可能性がありこれらを考慮する必要がある。そして、超音波振動体５１，５１における最適な振動の周波数を決めたところで、上述の振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２からなる振動系の固有振動数を調節する。なお、この際には、振動板５２，５２の長さが大きく影響するので、後述の変形例に示すように、振動板５２，５２を折り返し形状等の湾曲した形状としてもよい。 Further, this optimum frequency is a frequency that can suppress the ejection of sparks repeated at about 1 μsec (1 kHz) as described above in a laser having a wavelength of 1 μm.
Further, the optimum frequency may change depending on the material, thickness, processing speed (moving speed of the laser irradiation position), etc., and these must be taken into consideration. When the optimum vibration frequency in the ultrasonic vibrators 51 and 51 is determined, the natural frequency of the vibration system including the diaphragms 52 and 52 and the collimating lens case 12 is adjusted. In this case, since the lengths of the diaphragms 52 and 52 are greatly affected, the diaphragms 52 and 52 may be curved shapes such as a folded shape as shown in a modification example described later.

そして、このようなレーザ加工ヘッド１を有するレーザ加工装置で、たとえば、ステンレススチール等の金属板（板９１）を切断した場合に、図２に示すようにレーザが照射される加工面（切断面９２）で照射されるレーザの軸方向に沿って焦点位置Ｓが振動し、焦点の軌跡Ｋが図示したようにＺ軸方向に沿った振幅で波状となる。たとえば、従来、金属板の上面（表面）から一定の距離にある部分を切断方向に沿って照射されるレーザの焦点位置が通過することになり、金属板の特定の厚み位置でレーザエネルギが集中して吸収される状態となるが、この例では、切断方向へのレーザの照射位置の移動に対してレーザの焦点位置がレーザの照射方向に沿って上下に移動し、切断方向へのレーザの移動速度にもよるが切断箇所において、レーザのエネルギの吸収が分散される。 Then, when a metal plate (plate 91) such as stainless steel is cut with a laser processing apparatus having such a laser processing head 1, a processing surface (cut surface) to which a laser is irradiated as shown in FIG. 92), the focal position S vibrates along the axial direction of the laser irradiated, and the focal locus K has a wave shape with an amplitude along the Z-axis direction as shown. For example, conventionally, the focal position of the laser irradiated along the cutting direction passes through a portion at a certain distance from the upper surface (surface) of the metal plate, and the laser energy is concentrated at a specific thickness position of the metal plate. In this example, the focal position of the laser moves up and down along the laser irradiation direction with respect to the movement of the laser irradiation position in the cutting direction. Although it depends on the moving speed, the absorption of laser energy is dispersed at the cutting position.

これにより、加工面（切断面）の平滑化を図ることができる。
また、上述のように切断部分において、溶融物の池の生成と決壊が周期的に繰り返されるような場合に、焦点位置にエネルギ吸収が局在することがなく、レーザの焦点位置の移動により池の生成を阻害したり、池の決壊を促したりすることが可能となり、周期性が乱され、この周期性による縦すじの発生を防止して、切断面の平滑化を図ることができる。
例えば、同じ厚み内の高さ位置にエネルギの吸収が局在するとその部分の近傍で溶融物の池ができ易くなる可能性が高いが、焦点位置が移動してしまうことで、溶融物の池ができにくくなる。また、溶融物の池ができてしまったとしても、焦点位置が移動してしまうことで、溶融物の池を決壊させる可能性が高まる。
そして、上述の１μｓｅｃ毎の溶融物の排出に対して、適切な振動の周波数で焦点位置を振動させた場合に、より効率的に溶融物の池の生成や決壊のリズムを崩し、切断面の平滑化を図れる可能性がある。 Thereby, the processing surface (cut surface) can be smoothed.
In addition, when the molten pool is generated and broken periodically in the cut portion as described above, energy absorption does not localize at the focal position, and the movement of the laser focal position causes the pond to move. It is possible to inhibit the generation of ponds or to promote the destruction of the pond, the periodicity is disturbed, the occurrence of vertical streaks due to this periodicity can be prevented, and the cut surface can be smoothed.
For example, if energy absorption is localized at a height position within the same thickness, there is a high possibility that a molten pond is likely to be formed near that portion. It becomes difficult to do. In addition, even if a molten pond is formed, the possibility that the molten pond is broken is increased by moving the focal position.
When the focal position is vibrated at an appropriate vibration frequency with respect to the discharge of the melt every 1 μsec described above, the rhythm of generation and breakage of the melt pond is more efficiently destroyed, There is a possibility of smoothing.

また、この際に焦点位置の移動がレーザの射出方向に沿って振動するので、焦点位置の変位が、レーザの加工方向（ＸＹ軸方向への移動）によって異なるように影響することがない。すなわち、レーザの加工方向が変わることにより、レーザの加工品質が異なるようなことがなく、全方向に適用可能となる。特に、レーザの照射方向（Ｚ軸方向）と、加工方向たとえば切断方向（ＸＹ軸方向）とが直交している場合に、切断方向を一つの平面内で３６０度のどの方向に変更しても良いし、直線だけではなく、加工方向を曲線としても良い。 At this time, since the movement of the focal position vibrates along the laser emission direction, the displacement of the focal position is not affected differently depending on the laser processing direction (movement in the XY axis direction). That is, by changing the laser processing direction, the laser processing quality does not change and the laser processing direction can be applied in all directions. In particular, when the laser irradiation direction (Z-axis direction) is orthogonal to the machining direction, for example, the cutting direction (XY-axis direction), the cutting direction can be changed to any direction of 360 degrees within one plane. It is good, and not only a straight line but a processing direction may be a curve.

また、この例では、ＡＣＣとして、コリメートレンズ２６を有するコリメートレンズケース１２を光軸方向に移動させる機構と、焦点位置を振動させるためにコリメートレンズ２６を有するコリメートレンズケース１２を振動させる構成とを組み合わせることにより、レーザ加工ヘッド１が煩雑な構成となるのを防止している。
すなわち、コリメートレンズケース１２を除くレーザ加工ヘッド１に対して相対的にコリメートレンズケース１２を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させる機構の中で、コリメートレンズケース１２と一体となって相対的にレーザ加工ヘッド１に対して移動する側に振動源としての超音波振動体５１，５１を組み込むことで、構成を簡略化している。
なお、超音波振動体５１，５１（振動部５３，５３）、コリメートレンズケース１２、コリメートレンズ２６、振動部５３，５３、振動板５２，５２がこの例において、焦点距離を振動させるための振動手段となる。 In this example, the ACC includes a mechanism for moving the collimating lens case 12 having the collimating lens 26 in the optical axis direction, and a configuration for vibrating the collimating lens case 12 having the collimating lens 26 to vibrate the focal position. By combining them, the laser processing head 1 is prevented from having a complicated configuration.
That is, in the mechanism for moving the collimating lens case 12 in the optical axis direction (Z-axis direction) relative to the laser processing head 1 excluding the collimating lens case 12, the collimating lens case 12 is relatively integrated. Further, by incorporating ultrasonic vibrators 51 and 51 as vibration sources on the side moving with respect to the laser processing head 1, the configuration is simplified.
In this example, the ultrasonic vibrators 51 and 51 (vibrating parts 53 and 53), the collimating lens case 12, the collimating lens 26, the vibrating parts 53 and 53, and the diaphragms 52 and 52 are vibrations for vibrating the focal length. It becomes a means.

なお、被加工物の材質や、照射されるレーザの波長（たとえば、１０μｍ帯レーザ）によっては、上述のような周期的な溶融物の池の生成と破壊が生じることがなく、元々切断面が平滑な場合においては、この周期性を乱す必要がないが、上述のように焦点位置をレーザの照射方向に沿って振動させて、非加工物側においてレーザエネルギの吸収を分散させることで、さらなる平滑化が図れる可能性があり、この例のレーザ加工装置は、たとえば、波長１μｍ帯レーザのステンレススチールの切断や切削加工に限定されるものではなく、ステンレススチール以外の材質の被加工物への応用も可能であり、波長１μｍ帯レーザ以外のたとえば波長１０μｍ帯レーザにも適用可能である。
また、上記例では、焦点位置の移動に、レーザ加工ヘッドにおいてコリメートレンズ２６をレーザの光軸方向に沿って振動させるものとしたが、焦点レンズ４１を振動させるものとしてもよい。 Depending on the material of the work piece and the wavelength of the irradiated laser (for example, a 10 μm band laser), the generation and destruction of the periodic melt pond as described above does not occur, and the cut surface is originally formed. In the smooth case, it is not necessary to disturb this periodicity. However, as described above, the focal position is vibrated along the irradiation direction of the laser to disperse the absorption of the laser energy on the non-workpiece side. For example, the laser processing apparatus of this example is not limited to cutting or cutting of stainless steel with a laser having a wavelength of 1 μm, but is applicable to a workpiece made of a material other than stainless steel. Application is also possible, and for example, lasers other than the 1 μm wavelength laser can also be applied.
In the above example, the collimating lens 26 is vibrated along the optical axis direction of the laser in the laser processing head to move the focal position, but the focal lens 41 may be vibrated.

図３は、焦点レンズを振動させるようにした本発明の第２の実施の形態のレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示すものである。
なお、第２の実施の形態のレーザ加工ヘッドは、第１の実施の形態と同様のレーザ加工装置で用いることが可能である。言い換えれば、第２の実施の形態におけるレーザ加工装置は、そのレーザ加工ヘッドが異なる以外は、第１の実施の形態と同様の構成を有するものであり、その説明を省略する。 FIG. 3 shows a laser processing head of the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention in which the focus lens is vibrated.
Note that the laser processing head of the second embodiment can be used in the same laser processing apparatus as that of the first embodiment. In other words, the laser processing apparatus in the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the laser processing head is different, and the description thereof is omitted.

第２の実施の形態において、レーザ加工ヘッド１ａは、同軸上に配置された筒状（概略円筒状）のヘッドコラム２ａ、ヘッド４ａ、ヘッド４ａの先端となるノズル６ａを有するものとなっている。
ヘッドコラム２ａは、レーザ加工ヘッド１ａが上から下にほぼ鉛直方向に沿ってレーザを照射する場合に、レーザ加工ヘッド１ａの上側（基部側）となり、全体として概略円筒状のケーシングとして機能するものであり、内部にファイバコネクタ１０、コリメートレンズ２６、焦点レンズ４１等が配置される。 In the second embodiment, the laser processing head 1a has a cylindrical (substantially cylindrical) head column 2a, a head 4a, and a nozzle 6a serving as a tip of the head 4a arranged coaxially. .
The head column 2a is the upper side (base side) of the laser processing head 1a when the laser processing head 1a irradiates the laser substantially from the top to the bottom, and functions as a generally cylindrical casing as a whole. The fiber connector 10, the collimating lens 26, the focus lens 41, and the like are disposed inside.

当該ヘッドコラム２ａは、基端部側からファイバコネクタ１０が固定されるコネクタ支持筒部２１ａと、内部にコリメートレンズケース１２が収納されるレンズケース収納筒部２２ａと、ヘッド４ａが先端側に固定されるヘッド接続筒部２３ａとを有する。
これらコネクタ支持筒部２１ａ、レンズケース収納筒部２２ａ、ヘッド接続筒部２３ａは、レーザが通過する内部空間を有し、概略円筒状で、かつ、これらが全て同軸上に配置される。 The head column 2a includes a connector support tube portion 21a to which the fiber connector 10 is fixed from the base end side, a lens case storage tube portion 22a in which the collimating lens case 12 is stored, and a head 4a fixed to the front end side. And a head connecting cylinder portion 23a.
The connector support tube portion 21a, the lens case storage tube portion 22a, and the head connection tube portion 23a have an internal space through which the laser passes, are substantially cylindrical, and are all arranged coaxially.

コネクタ支持筒部２１ａは、ファイバコネクタ１０が支持されるフランジ部３１ａと、当該フランジ部３１ａの外周側に固定される筒部３２ａとを備えている。
そして、ファイバコネクタ１０は、レーザの出射方向を固定された状態でヘッドコラム２ａに固定される。 The connector support cylinder part 21a includes a flange part 31a on which the fiber connector 10 is supported, and a cylinder part 32a fixed to the outer peripheral side of the flange part 31a.
The fiber connector 10 is fixed to the head column 2a with the laser emission direction fixed.

そして、筒部３２ａの先端側がレンズケース収納筒部２２ａに接続されている。
また、レンズケース収納筒部２２ａの外側には左右に延出する取付部５５を介して左右にそれぞれ超音波振動体５１，５１が固定されている。なお、レンズケース収納筒部２２ａに固定されているのは、超音波振動体５１，５１の振動部５３ではなく、本体側が固定されている。 And the front end side of the cylinder part 32a is connected to the lens case storage cylinder part 22a.
Further, on the outside of the lens case storage cylinder portion 22a, ultrasonic vibrators 51 and 51 are fixed to the left and right via attachment portions 55 extending to the left and right, respectively. Note that what is fixed to the lens case storage cylinder portion 22a is not the vibration portion 53 of the ultrasonic vibrators 51 and 51 but the main body side.

そして、レンズケース収納筒部２２ａの内部には、ウォームホイール７２を介してコリメートレンズケース１２が接続されて収納されている。
また、レンズケース収納筒部２２ａの外部には、ＡＣＣ軸モータ８１が固定され、ウォームホイール７２を回転駆動するようになっている。また、ウォームホイール７２は、コリメートレンズケース１２の外周に形成された雄ねじに噛み合う雌ねじを有し、ウォームホイール７２を回転することで、コリメートレンズケース１２とともに内部に固定されたコリメートレンズ２６をレーザの照射方向（コリメートレンズの光軸方向）に沿って移動可能となっている。 The collimator lens case 12 is connected and stored in the lens case storage tube portion 22a via a worm wheel 72.
Further, an ACC shaft motor 81 is fixed outside the lens case storage cylinder portion 22a, and the worm wheel 72 is driven to rotate. Further, the worm wheel 72 has a female screw that meshes with a male screw formed on the outer periphery of the collimating lens case 12, and by rotating the worm wheel 72, the collimating lens 26 fixed inside together with the collimating lens case 12 is made to emit laser light. It is movable along the irradiation direction (the optical axis direction of the collimating lens).

なお、この例では、コリメートレンズ２６をコリメートレンズケース１２と一体に超音波振動体５１，５１を用いて振動させることはないので、コリメートレンズケース１２およびコリメートレンズ２６の移動は、ＡＣＣおよび焦点深度の調整のための移動だけとなる。
また、ウォームホイール７２によるコリメートレンズ２６のレーザの照射方向に沿った移動により、コリメートレンズ２６は、ファイバコネクタ１０と、焦点レンズ４１に対して移動することになる。
これにより、ＢＰＰの最適化および焦点深度の調整を行う。 In this example, since the collimating lens 26 is not vibrated integrally with the collimating lens case 12 using the ultrasonic vibrating bodies 51 and 51, the movement of the collimating lens case 12 and the collimating lens 26 is performed according to ACC and depth of focus. It becomes only movement for adjustment.
Further, the collimating lens 26 moves relative to the fiber connector 10 and the focus lens 41 by the movement of the collimating lens 26 along the laser irradiation direction by the worm wheel 72.
As a result, the BPP is optimized and the depth of focus is adjusted.

また、レンズケース収納筒部２２ａの先端部には、ヘッド接続筒部２３ａが固定され、当該ヘッド接続筒部２３ａと、レンズケース収納筒部２２ａとの接続部は、それぞれフランジ状とされ、このフランジ部分にＺ軸ＬＭガイド８２のスライダ８３に固定されるブラケット８４が固定されている。また、Ｚ軸ＬＭガイド８２のガイドレール８０はＺ軸ボールねじ８５のフレーム８６に固定され、スライダ８３は、ナット部８７に接続されている。 Further, a head connection cylinder part 23a is fixed to the tip of the lens case storage cylinder part 22a, and the connection part between the head connection cylinder part 23a and the lens case storage cylinder part 22a has a flange shape. A bracket 84 fixed to the slider 83 of the Z-axis LM guide 82 is fixed to the flange portion. The guide rail 80 of the Z-axis LM guide 82 is fixed to the frame 86 of the Z-axis ball screw 85, and the slider 83 is connected to the nut portion 87.

また、フレーム８６には、Ｚ軸モータ８８が固定され、Ｚ軸ボールねじ８５を回転させることでナット部８７をＺ軸方向に移動させるようになっている。これらからＺ軸移動機構が構成されており、ナット部８７によりＺ軸ＬＭガイド８２のスライダ８３がＺ軸方向に移動することで、レーザ加工ヘッド１ａがＺ軸方向に移動するようになっている。 A Z-axis motor 88 is fixed to the frame 86, and the nut portion 87 is moved in the Z-axis direction by rotating the Z-axis ball screw 85. The Z-axis moving mechanism is constituted by these, and the laser machining head 1a moves in the Z-axis direction by moving the slider 83 of the Z-axis LM guide 82 in the Z-axis direction by the nut portion 87. .

このレーザ加工ヘッド１ａの移動は、たとえば、被加工物のセット高さや厚みに対応してレーザ加工ヘッド１ａの高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を設定するためのものである。
そして、前記ヘッド接続筒部２３ａの先端部には、ヘッド４ａが接続されている。 The movement of the laser processing head 1a is for setting the height position (position in the Z-axis direction) of the laser processing head 1a in accordance with, for example, the set height and thickness of the workpiece.
And the head 4a is connected to the front-end | tip part of the said head connection cylinder part 23a.

そして、ヘッド４ａ内には、焦点レンズ４１が焦点レンズケース４２内に収納された状態で配置されている。また、焦点レンズケース４２は、その外周がエアベアリング４３を介してヘッド４ａの内周側に配置された状態となっている。
そして、焦点レンズケース４２は、超音波振動体５１の振動部５３に接続された振動板５２，５２に接続されている。 In the head 4 a, the focal lens 41 is disposed in a state of being accommodated in the focal lens case 42. Further, the outer periphery of the focus lens case 42 is arranged on the inner peripheral side of the head 4 a via the air bearing 43.
The focal lens case 42 is connected to diaphragms 52, 52 connected to the vibration part 53 of the ultrasonic vibrator 51.

したがって、超音波振動体５１，５１（振動部５３，５３）、焦点レンズケース４２、焦点レンズ４１、振動部５３，５３、振動板５２，５２がこの例において、焦点距離を振動させるための振動手段となる。また、振動板５２，５２および焦点レンズケース４２は、前記焦点レンズ４１を当該焦点レンズ４１の光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該焦点レンズ４１を錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該焦点レンズ４１の振動の振幅を増幅する共振機構となる。なお、焦点レンズケース４２も錘の一部として機能する。 Therefore, in this example, the ultrasonic vibrators 51 and 51 (vibrating units 53 and 53), the focal lens case 42, the focal lens 41, the vibrating units 53 and 53, and the diaphragms 52 and 52 are vibrations for vibrating the focal length. It becomes a means. The diaphragms 52 and 52 and the focus lens case 42 support the focus lens 41 so as to vibrate along the optical axis direction of the focus lens 41, and use the focus lens 41 as at least a part of a weight. It becomes a resonance mechanism that resonates with the vibration of the vibrator and amplifies the amplitude of the vibration of the focus lens 41. The focus lens case 42 also functions as a part of the weight.

また、ヘッド４ａには、振動板５２，５２をヘッド４ａ外部から内部に貫通させるための開口部が形成されている。
そして、焦点レンズケース４２は、振動板５２，５２を介してレーザの照射方向に振幅方向を沿わせた状態で振動する振動部５３，５３に接続されることで、レーザの照射方向で、レーザ加工装置のＺ軸方向で、レーザ加工ヘッド１ａの軸方向で、かつ、焦点レンズ４１の光軸方向にそって振動するようになっている。これにより、焦点位置がレーザの照射方向に沿って振動するようになっている。
そして、ヘッド４ａの先端にはノズル６が取り付けられている。 The head 4a is formed with an opening for allowing the diaphragms 52 and 52 to penetrate from the outside to the inside of the head 4a.
The focal lens case 42 is connected to the vibrating portions 53 and 53 that vibrate in the state in which the amplitude direction is aligned with the laser irradiation direction via the vibration plates 52 and 52, so that the laser is irradiated in the laser irradiation direction. It vibrates along the Z-axis direction of the processing apparatus, along the axial direction of the laser processing head 1a, and along the optical axis direction of the focus lens 41. Thereby, the focal position vibrates along the laser irradiation direction.
A nozzle 6 is attached to the tip of the head 4a.

以上のような第２の実施の形態のレーザ加工ヘッド１ａを有するレーザ加工装置においても第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、第１の実施の形態では、可動部がコリメートレンズケース１２に集中しているので、それ以外の構成を簡略化できる。すなわち、コリメートレンズケース１２は、ＡＣＣのために駆動されるとともに超音波振動されることになる。これによって焦点レンズが固定となり、コリメートレンズケース１２周りの構造以外の簡素化を図ることができる。 In the laser processing apparatus having the laser processing head 1a of the second embodiment as described above, the same operational effects as those of the first embodiment can be obtained.
In the first embodiment, since the movable part is concentrated on the collimating lens case 12, other configurations can be simplified. That is, the collimating lens case 12 is driven for ACC and is vibrated ultrasonically. Accordingly, the focus lens is fixed, and simplifications other than the structure around the collimating lens case 12 can be achieved.

一方、第２の実施の形態では、コリメートレンズケース１２がＡＣＣのためにＺ軸方向に移動自在とされ、焦点レンズケース４２が被加工物におけるレーザエネルギ吸収の分散のために振動可能とされ、全体としては可動部が二カ所となってしまうが、それぞれの可動部分の構成を簡易なものとすることができる。 On the other hand, in the second embodiment, the collimating lens case 12 is movable in the Z-axis direction for ACC, and the focus lens case 42 is vibrated for dispersion of laser energy absorption in the workpiece. Although there are two movable parts as a whole, the structure of each movable part can be simplified.

なお、上述のように焦点を振動させる際に、振動するコリメートレンズケース１２および振動板５２，５２の振動系もしくは焦点レンズケース４２および振動板５２，５２の振動系が超音波振動体５１の振動部５３の振動に共振することが好ましい。
この際に、好ましい振動の周波数が決まっている場合には、その周波数で、共振が発生する構造とする必要がある。ここで、振動部５３，５３とコリメートレンズケース１２もしくは焦点レンズケース４２とを繋ぐ振動板５２，５２の長さを調整することで、比較的容易に振動系の固有振動数を変えて共振させることが可能となる。 When the focal point is vibrated as described above, the vibrating system of the collimating lens case 12 and the diaphragms 52 and 52 or the vibrating system of the focal lens case 42 and the diaphragms 52 and 52 is vibrated by the ultrasonic vibrator 51. It is preferable to resonate with the vibration of the portion 53.
At this time, if a preferable vibration frequency is determined, it is necessary to have a structure in which resonance occurs at that frequency. Here, by adjusting the lengths of the diaphragms 52 and 52 that connect the vibrating sections 53 and 53 to the collimating lens case 12 or the focus lens case 42, it is possible to resonate by changing the natural frequency of the vibration system relatively easily. It becomes possible.

しかし、振動板５２，５２を長くする方へ変更する場合に、振動板５２，５２を直線状に長くしてしまうと、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドがスペースを取る構造となり、レーザ加工ヘッドをＸＹ軸方向に移動させる場合に、問題が生じ易い。そこで、図４，図５に示すように、振動の周波数に対して上述の振動系が共振するように、振動板５２，５２を長くする場合に、振動板５１，５１を曲げることで、同じ長さでも振動板５１，５１が占める空間部分の長さを短くすることが考えられる。特に振動板５１，５１を波状に繰り返し曲げたり、折り返すように曲げることを繰り返したりすることで、長い振動板５１，５１をコンパクトに配置し、レーザ加工ヘッド１，１ａを嵩張らせることなく、振動板５１，５１の長さに基づいて、前記振動系の固有振動数を変化させて、共振させることができる。なお、図４は振動板５１，５１を横方向に波状に折り返して曲げた例でし、図５は振動板５１，５１と縦方向に波状に折り返して曲げた例である。
なお、この例では、光ファイバケーブルでレーザを焦点レンズ４１側に導く構造としたが、たとえば、１０μｍ帯レーザ等に本発明を適用する場合に、ミラーで焦点レンズ４１側にレーザを導く構成としてもよい。 However, when the diaphragms 52, 52 are changed to be longer, if the diaphragms 52, 52 are lengthened linearly, the laser processing head of the laser processing apparatus has a structure that takes up space. A problem is likely to occur when moving in the XY-axis direction. Therefore, as shown in FIGS. 4 and 5, when the diaphragms 52 and 52 are lengthened so that the above-described vibration system resonates with respect to the vibration frequency, the same can be achieved by bending the diaphragms 51 and 51. It is conceivable to shorten the length of the space occupied by the diaphragms 51 and 51 in terms of length. In particular, the vibration plates 51 and 51 are repeatedly bent in a wave shape or repeatedly bent so that the long vibration plates 51 and 51 are arranged in a compact manner, and the laser processing heads 1 and 1a are vibrated without being bulky. Based on the length of the plates 51, 51, the natural frequency of the vibration system can be changed to resonate. FIG. 4 shows an example in which the diaphragms 51 and 51 are bent and bent in the horizontal direction. FIG. 5 shows an example in which the diaphragms 51 and 51 are bent and bent in the vertical direction.
In this example, the laser is guided to the focus lens 41 by an optical fiber cable. However, for example, when the present invention is applied to a 10 μm band laser or the like, the laser is guided to the focus lens 41 by a mirror. Also good.

本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laser processing head of the laser processing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記レーザ加工装置でワークを切断加工した際の切断面における焦点の位置の移動を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the movement of the position of the focus in a cut surface at the time of cut-processing a workpiece | work with the said laser processing apparatus. 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laser processing head of the laser processing apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記レーザ加工装置における振動板の変形例を示す概略図である。It is the schematic which shows the modification of the diaphragm in the said laser processing apparatus. 前記レーザ加工装置における振動板の変形例を示す概略図である。It is the schematic which shows the modification of the diaphragm in the said laser processing apparatus. 従来における問題点を説明するためのレーザ加工による（ａ）切断溝（ｂ）切断面を示す図である。It is a figure which shows the (a) cut groove | channel (b) cut surface by the laser processing for demonstrating the problem in the past. 従来における問題点を説明するためのレーザ加工中の切断面の状態を示す推測図である。It is a guess figure which shows the state of the cut surface during the laser processing for demonstrating the problem in the past.

Explanation of symbols

１２コリメートレンズケース（振動手段、共振機構）
２６コリメートレンズ（振動手段）
４１焦点レンズ（振動手段）
４２焦点レンズケース（振動手段、共振機構）
５１超音波振動体（振動手段）
５２振動板（振動手段、共振機構）
５３振動部（振動手段） 12 Collimating lens case (vibration means, resonance mechanism)
26 Collimating lens (vibration means)
41 Focus lens (vibration means)
42 Focus lens case (vibration means, resonance mechanism)
51 Ultrasonic vibrator (vibration means)
52 Diaphragm (vibration means, resonance mechanism)
53 Vibration part (vibration means)

Claims

A laser processing apparatus for processing a workpiece by irradiating the workpiece with a laser and moving the laser irradiation position relative to the workpiece,
A vibration means for vibrating the focal position of the laser irradiated to the workpiece in a direction along the optical axis of the laser;
A laser that processes a workpiece by moving the irradiation position of the laser relative to the workpiece in a state where the focal position is vibrated along the optical axis direction by the vibration means. Processing equipment.

A collimating lens that makes the laser guided from the light source side substantially parallel light, and a focusing lens that focuses the laser that has passed through the collimating lens with respect to the workpiece;
The vibrating means includes an oscillator that generates vibration including ultrasonic vibration, such as an electrostrictive oscillator and a magnetostrictive oscillator including a giant magnetostrictive oscillator, and the collimator lens or the focus lens along the optical axis direction of the lens. And a resonance mechanism that amplifies the vibration amplitude of the lens by resonating with the vibration of the vibrator as at least a part of the weight. The laser processing apparatus as described.

A collimating lens that makes the laser guided from the light source side substantially parallel light, and a focusing lens that focuses the laser that has passed through the collimating lens with respect to the workpiece;
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the vibration unit vibrates the collimating lens along an optical axis direction of the collimating lens.

A laser processing method for processing a workpiece by irradiating the workpiece with a laser and moving a laser irradiation position relative to the workpiece,
A laser processing method characterized by processing a workpiece by irradiating the workpiece with the focal position of the laser oscillated in a direction along the optical axis of the laser.