JP2014161904A

JP2014161904A - 加工装置、加工方法

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Publication number: JP2014161904A
Application number: JP2013038008A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kureya; 真之呉屋; Masahito Kinouchi; 雅人木ノ内; Minoru Danno; 実団野; Toshiya Watanabe; 俊哉渡辺; Takashi Ishide; 孝石出; Tsugumaru Yamashita; 貢丸山下; Yoshihito Fujita; 善仁藤田; Makoto Yamazaki; 真山▲崎▼; Ryu Suzuki; 竜鈴木; Kohei Kaneoka; 耕平金岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: EP2962801B1; EP2962801A4; US20160008920A1; CN105008086B; TW201433394A; EP2962801A1; JP6071641B2; TWI551384B; KR101747579B1; US9862055B2; CN105008086A; WO2014132504A1; KR20150108922A

Abstract

【課題】簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供すること。
【解決手段】加工装置は照射ヘッド１６と制御装置とを有し、照射ヘッド１６はレーザ旋回部３５と集光光学系３７とを有し、レーザ旋回部３５は第１プリズム５１と第２プリズム５２と第１回転機構５３と第２回転機構５４とを有する。制御装置は、少なくとも被加工部材の熱影響層とレーザの旋回数との関係に基づいて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数と位相角の差とを調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行う加工装置および加工方法に関する。

被加工部材に対して切断や穴あけ等の加工を行う加工装置として、レーザを用いる加工装置がある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に記載の加工装置は、被加工部材にレーザを照射することで、被加工部材に対して切断や穴あけを行う。また、特許文献１には、被加工部材に少なくとも２種類の波長のレーザ光を照射して穴加工を行うレーザ加工方法であって、穴の径よりも小さなスポット径の第１のレーザ光を穴の内周に沿って照射して加工するステップと、穴の径よりも小さなスポット径で、且つ第１のレーザ光よりも波長の長い第２のレーザ光を穴の内周よりも内側に照射するステップとを有し、後のステップによって、前のステップで加工されずに残った部分を加工するレーザ加工方法が記載されている。また、特許文献１には、ガルバノミラーを組み合わせて、第１のレーザ光の照射位置をずらす装置が記載されている。特許文献２には、レンズを保持する構造体にコイルを設け、ベースに永久磁石を設けた構成とし、コイルを駆動することでレンズを回転運動させて、集光点を旋回させることが記載されている。

また、本出願人が先に出願した特許文献３には、ＣＯ_２レーザ発振器およびエキシマレーザ発振器を備え、２つのレーザとしてＣＯ_２レーザビームとエキシマレーザビームとを使用し、ＣＯ_２レーザビームを照射することによりプラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけを行った後、引き続いてエキシマレーザビームをその切断面および近傍に照射して当該切断面に生起した炭化層あるいは熱影響層を除去する加工装置が記載されている。特許文献３に記載の加工装置は、エキシマレーザビームをその横断面がリング状のレーザビームとし、該レーザビームの中空部にＣＯ_２レーザビームを挿通し、両レーザビームの光軸を同一にした後、両レーザビームを同一の伝送経路で伝送し、プラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけ加工部の近傍まで導き、該近傍にて再び両レーザビームを分離することが記載されている。

特開２０１１−１１０５９８号公報特許第２８２８８７１号公報特許第２８３１２１５号公報

特許文献１および特許文献２に記載の加工装置のように、レーザの照射位置を旋回させることで、被加工部材を適切に加工することができる。また、特許文献３に記載の加工装置のように、２つのレーザを用いることで被加工部材を適切に加工することができる。しかしながら、特許文献１から特許文献３に記載の加工装置は、加工精度を高くするためには装置構成を複雑にする必要があるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の加工装置は、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材にレーザを照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力されたレーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構及び前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズム及び前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする。

また、上記加工装置において、前記第１回転機構は、前記第１プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第１スピンドルと、前記第１スピンドルが回転自在に内挿され当該第１スピンドルを回転駆動する第１中空モータと、を有し、前記第２回転機構は、前記第２プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第２スピンドルと、前記第２スピンドルが回転自在に内挿され当該第２スピンドルを回転駆動する第２中空モータと、を有していることが好ましい。

また、上記加工装置において、前記第１中空モータと前記第２中空モータとの位相角の差の誤差が０．１°以内であることが好ましい。

また、上記加工装置において、前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、上記加工装置において、前記制御装置は、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数を制御することで前記熱影響層の許容厚みを制御することが好ましい。

また、上記加工装置において、前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、上記加工装置において、前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることが好ましい。

また、上記加工装置において、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の加工方法は、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、レーザを出力する出力ステップと、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、第１プリズムおよび第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、第１回転機構および第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする。

また、上記加工方法において、前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、上記加工方法において、前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、上記加工方法において、前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することが好ましい。

本発明の加工装置および加工方法によれば、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えるだけで被加工部材に照射されるレーザの旋回径が可変となるので、簡単な構成にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を制御し被加工部材に照射させるレーザの旋回径を可変とすることで、加工条件により適した旋回径で加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を行うことが高速で可能であるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。図４は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。図５は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。図６は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。図７は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。図８は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１１は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１２は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。図１３は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１４は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。図１５は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１６は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。図１７は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１８は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。図１９は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図２０は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。図２１は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。図２２は、図２１に示す被加工部材を反対側から見た図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。

加工装置１０は、図１に示すように、レーザ発振器１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、加工ステージ２０と、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、制御装置３０と、を含む。加工装置１０は、加工ステージ２０を囲む門型ブリッジ３２を有する。加工装置１０は、加工ステージ２０上に保持された被加工部材Ｗにレーザを照射し、被加工部材Ｗを加工する。ここで、本実施形態では、加工ステージ２０の水平面をＸＹ平面とし、加工ステージ２０の水平面に直交する方向をＺ軸方向としている。また、本実施形態では、Ｚ軸回りの回転方向をＣ軸方向としている。

ここで、被加工部材Ｗは、例えば、板状の部材である。被加工部材Ｗとしては、種々の材料、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、Ｎｉ基耐熱合金等で作成された部材を用いることができる。また、被加工部材Ｗとして、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat Reinforced Thermoplastics）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、種々の複合材等で作成された部材も用いることができる。また、本実施形態において、加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれかであり、これらの加工を組み合わせることもできる。

レーザ発振器１２は、レーザを出力する装置であり、加工装置１０の門型ブリッジ３２に併設される。レーザ発振器１２は、例えば、光ファイバを媒質としてレーザを出力するファイバレーザ出力装置、または、短パルスのレーザを出力する短パルスレーザ出力装置などが用いられる。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。短パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザも使用可能である。

案内光学系１４は、レーザ発振器１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６へ案内する光学系である。案内光学系１４は、本実施形態では、例えば、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ発振器１２のレーザ出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６のレーザ入射端と接続される。案内光学系１４は、レーザ発振器１２のレーザ出射口から照射ヘッド１６の入射端へレーザを導光する。

照射ヘッド１６は、案内光学系１４で案内されたレーザを旋回させつつ被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、レーザをプリズムで屈折させることで、屈折前のレーザの光路と被加工部材Ｗに照射されるレーザの光路とをオフセットする。さらに、照射ヘッド１６は、レーザを集光させて、被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、照射ヘッドカバー１６ａにより覆われる。照射ヘッド１６の構造については、後述する。

加工ステージ２０は、表面に載置された被加工部材Ｗを保持する機構である。加工ステージ２０は、被加工部材Ｗを保持する表面が基準面（例えば、加工装置１０の設置面）に対して水平面（ＸＹ平面）である。

Ｘ軸移動機構２２は、加工ステージ２０を支持するＸ軸ステージであって、加工ステージ２０をＸ軸方向に移動させることで、Ｘ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを移動させる。

Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２と加工ステージ２０との間に配置される。つまり、Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２に支持されており、加工ステージ２０を支持する。Ｃ軸回転機構２４は、加工ステージ２０をＣ軸方向に回転駆動することにより、Ｃ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを回転させる。

Ｙ軸移動機構２６は、Ｚ軸移動機構２８を支持しつつ、照射ヘッド１６をＹ軸方向に移動させる。これにより、Ｙ軸移動機構２６は、Ｙ軸方向の所定の位置に照射ヘッド１６を移動させる。

Ｚ軸移動機構２８は、照射ヘッド１６を支持しつつ、照射ヘッド１６をＺ軸方向の所定位置に移動させる。

加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向の４軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗとレーザとの相対位置関係を４軸方向に移動させる。

制御装置３０は、レーザ発振器１２と照射ヘッド１６とＸ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにそれぞれ接続され、各部の動作を制御する。制御装置３０は、例えば、レーザ発振器１２から出力されるレーザの各種条件を調整したり、Ｘ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにより照射ヘッド１６および加工ステージ２０を移動させて被加工部材Ｗに対する照射ヘッド１６の位置を調整したり、被加工部材Ｗの条件（材質、厚み等）や加工処理の条件から熱影響層の許容厚みを検出して設定したり、照射ヘッド１６から被加工部材Ｗに照射されるレーザの後述する旋回数や旋回径Ｒを制御したりする。

次に、図２から図４を用いて、照射ヘッド１６について説明する。図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。図４は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。

照射ヘッド１６は、図２に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、反射光学系３６と、集光光学系３７と、ノズル３８と、割出機構３９と、撮像手段４０と、ギャップ検出手段４１と、を含む。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、反射光学系３６、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する被加工部材Ｗに向けて照射する。

コリメート光学系３４は、案内光学系１４のレーザＬが出射される端面に対向して配置される。つまりコリメート光学系３４は、案内光学系１４とレーザ旋回部３５との間に配置される。コリメート光学系３４は、コリメータレンズ等を備えており、案内光学系１４から出力されたレーザＬをコリメート光とし、レーザ旋回部３５に向けて出射する。

レーザ旋回部３５は、図２および図４に示すように、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射レーザ、つまりレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。レーザ旋回部３５は、図２および図３に示すように、第１プリズム５１と、第２プリズム５２と、第１回転機構５３と、第２回転機構５４と、を有する。

第１プリズム５１は、レーザＬを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾ける。第２プリズム５２は、第１プリズム５１で屈折されたレーザＬを再度屈折させて、集光する位置を制御する。これにより、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬは、通過前のレーザＬの光路に対してずれた光路で出力される。

第１回転機構５３は、第１プリズム５１を保持する第１スピンドル５５と、第１スピンドル５５が内部に挿入され当該第１スピンドル５５を回転させる第１中空モータ５６と、を有する。第２回転機構５４は、第２プリズム５２を保持する第２スピンドル５７と、第２スピンドル５７が内部に挿入され当該第２スピンドル５７を回転させる第２中空モータ５８と、を有する。第１スピンドル５５と第２スピンドル５７とは、レーザＬの光路の部分が中空の筒状部材であり、軸受５９および軸受６０を介して支持される。軸受５９および軸受６０は、例えば、転がり玉軸受等の転がり軸受である。第１回転機構５３および第２回転機構５４は、互いに同期回転および相対回転可能である。

第１中空モータ５６は、第１スピンドル５５の外周面に固定された中空ロータ６１と、中空ロータ６１に対向配置されたステータ６２と、を有する。第１中空モータ５６は、第１スピンドル５５とともに第１プリズム５１を回転させる。第２中空モータ５８は、第２スピンドル５７の外周面に固定された中空ロータ６３と、中空ロータ６３に対向配置されたステータ６４と、を有する。第２中空モータ５８は、第２スピンドル５７とともに第２プリズム５２を回転させる。

また、第１回転機構５３および第２回転機構５４は、それぞれ、回転部（第１スピンドル５５および中空ロータ６１、第２スピンドル５７および中空ロータ６３）と固定部（ステータ６２、ステータ６４）との相対的な位置、回転数を検出するエンコーダ６５を備える。エンコーダ６５は、上記回転部側に固定される識別子６６と、上記固定部側に固定され、識別子６６を検出する検出部６７と、を有する。エンコーダ６５は、検出部６７で識別子６６を検出することで、上記回転部の相対的な位置を検出することができる。エンコーダ６５は、検出した上記回転部の回転数および回転位置（位相角）の情報を制御装置３０に出力する。また、エンコーダ６５としては、例えば、回転位置（位相角）を数千分の一度（０．００１度以下）の分解能で検出する検出機器を用いることが好ましい。

第１回転機構５３と第２回転機構５４とは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることができる。これにより、図４に示すように、レーザ照射点を回転軸の光路の中心Ｐから前記第１プリズム５１と前記第２プリズム５２との位相角の差に対応する距離（旋回径Ｒ）だけ離れた照射位置ＩＰまで偏心させることができる。この第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を維持しながら、第１回転機構５３と第２回転機構５４とを同回転周期で同期回転させる場合、レーザ照射点は旋回径Ｒの円軌道を描く。また、第１プリズム５１と前記第２プリズム５２とを非同期回転（異なる回転周期で回転）させる場合には、レーザ照射点の旋回径を増減させながらレーザ照射点を旋回させることができ、任意の曲線軌道を描くことも可能である。

なお、本実施形態において、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差とは、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との回転位置（位相角）の相対的なずれの角度のことをいう。また、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差の誤差とは、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相のずれの角度の誤差のことをいう。

また、旋回径Ｒとは、図２および図４に示すように、光路の中心Ｐから被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰまでの距離のことをいい、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬが中心Ｐ周りに旋回する半径のことをいう。旋回径Ｒは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることにより被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒが変わるので、可変である。旋回数とは、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰが中心Ｐ周りに旋回する単位時間当たりの回数のことをいう。

反射光学系３６は、図２および図３に示すように、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬを反射する第１反射ミラー７１と、第１反射ミラー７１で反射したレーザＬを再び反射する第２反射ミラー７２と、筒部７３と、ノズル装着部７４と、を有する。反射光学系３６は、第１反射ミラー７１と第２反射ミラー７２とにより、レーザ旋回部３５から出力されたレーザＬを集光光学系３７に向けて反射する。第２反射ミラー７２は、ハーフミラーであり、被加工部材Ｗの加工部位を撮像手段４０で撮像可能とする。筒部７３とノズル装着部７４とは、継手部７５で連結される。

集光光学系３７は、複数のレンズを有しており、この複数のレンズにより、第２反射ミラー７２で反射されたレーザＬを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザＬを形成する。集光光学系３７は、被加工部材Ｗに所定のスポット径のレーザＬを照射する。

ノズル３８は、レーザＬの進行方向の先側に向かうにつれて次第に径が縮小する中空の円錐形状である。ノズル３８は、集光光学系３７を介してノズル装着部７４に装着される。ノズル３８は、被加工部材Ｗの加工点で生じるスパッタ等により集光光学系３７が汚損するのを防ぐための透光部材７７を有する。また、ノズル３８は、アシストガス供給源７８からアシストガスが供給され、このアシストガスを被加工部材Ｗに向けて噴射可能である。

割出機構３９は、割出軸８１と、中空モータ８２と、割出角度検出手段８３と、を有する。割出軸８１は、ノズル装着部７４に連結され、ノズル装着部７４と一体で回転する。割出軸８１は、軸受８４でＹ軸回りに回転可能に支持される。軸受８４は、例えば、静圧軸受（流体軸受）である。中空モータ８２は、割出軸８１の外周面に固定された中空ロータ８５と、中空ロータ８５に対向して配置されたステータ８６と、を有する。中空モータ８２は、割出軸８１を回転中心とし、ノズル装着部７４に装着されたノズル３８を割出軸８１回り（矢印ｄ方向）に首振り可能に駆動する。すなわち、中空モータ８２は、ノズル３８をＹ軸回りに首振り可能に駆動する。これにより、割出機構３９は、割出軸８１を回転中心として反射光学系３６のノズル装着部７４を回転させ、この回転に伴って、割出軸８１の同軸上に配置された第２反射ミラー７２を回転させることができるので、割出角度を変更しても第２反射ミラー７２で反射したレーザＬをノズル３８から照射することができる。また、割出機構３９は、ノズル装着部７４を介してノズル３８を首振りさせるので、大型化を抑制できる。また、割出角度検出手段８３は、回転部（割出軸８１および中空ロータ８５）と固定部（ステータ８６）との相対的な位置（割出角度）を検出するエンコーダを備える。エンコーダは、検出した上記回転部の割出角度の情報を制御装置３０に出力する。

撮像手段４０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等を有するカメラである。撮像手段４０は、レーザＬの照射位置ＩＰや旋回径Ｒなどを撮像し、この撮像した画像から画像データを生成し、制御装置３０に画像データを出力する。撮像手段４０は、ノズル装着部７４を挟んでノズル３８と対向する位置で、ノズル装着部７４に装着される。撮像手段４０は、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。

ギャップ検出手段４１は、レーザ光を用いたギャップ測定装置である。ギャップ検出手段４１は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの焦点と、被加工部材Ｗとのギャップを検出する。ギャップ検出手段４１は、検出したギャップを制御装置３０に出力する。ギャップ検出手段４１は、撮像手段４０に連結されており、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。

次に、図４から図６を用いて、加工装置１０による加工処理について説明する。図５は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。図６は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。

まず、加工装置１０（制御装置３０）は、図６に示すように、加工モードを決定する（ステップＳＴ１）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、オペレータ等の作業員によって入力された、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれを実行するかを示す操作を確認し、確認した操作に基づいて、加工モードを決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する（ステップＳＴ２）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、被加工部材Ｗの材質や厚みを入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、加工条件を決定する（ステップＳＴ３）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、ステップＳＴ１で決定した加工モードにおいて被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、熱影響層Ｗａ（図５参照）の許容厚みを決定する（ステップＳＴ４）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ１で決定した加工モード、ステップＳＴ２で決定した被加工部材Ｗの材質や厚み、ステップＳＴ３で決定した加工条件、をそれぞれ取得し、加工モードと被加工部材Ｗの材質や厚みと加工条件と熱影響層Ｗａの許容厚みとの相関関係を定めた制御マップ（加工条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの許容厚みを決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザＬの許容旋回数、許容旋回径を決定する（ステップＳＴ５）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みに基づいて、熱影響層Ｗａの厚みとレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとの相関関係を定めた制御マップ（旋回条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの厚みＴＨ（図５参照）が許容厚みを超えないレーザＬの許容旋回数範囲および許容旋回径範囲を決定する。なお、ステップＳＴ５においては、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、旋回径Ｒは必須ではないため、旋回数のみを決定してもよい。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、位相角の差を決定する（ステップＳＴ６）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回数範囲に含まれる旋回数を第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数として決定し、レーザＬの旋回径Ｒと第１プリズム５１および第２プリズム５２の位相角の差との相関関係を定めた制御マップ（位相角制御マップ）を参照し、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回径範囲に含まれる位相角の差を第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差として決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザ出力を決定する（ステップＳＴ７）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みを取得し、熱影響層Ｗａの厚みとレーザＬの出力との相関関係を定めた制御マップ（レーザ出力制御マップ）を参照し、レーザＬのピーク出力およびパルス幅を選択し、レーザ出力を決定する。

次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに対して加工を実行する（ステップＳＴ８）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ７で決定したレーザ出力に基づいてレーザ発振器１２を発振させてレーザＬを出射させると同時に、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とに基づき第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の回転を調整し、被加工部材Ｗに対してレーザＬを照射し、加工を実行する。上述したステップＳＴ１からステップＳＴ８により、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに加工処理を施す。

ここで、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、ステップＳＴ８において、レーザ発振器１２から出射されたレーザＬは、案内光学系１４を介して照射ヘッド１６の入射端に入射し、図２、図４および図５に示すように、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とで矢印ａ方向に回転する第１プリズム５１および第２プリズム５２により屈折し、屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる光路の中心Ｐから偏心した位置に照射される。この状態で第１プリズム５１と前記第２プリズム５２とを同じ回転周期で回転させると、レーザ照射点が屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる回転軸の光路の中心Ｐ周りに旋回し、中心Ｐを旋回中心とする仮想円ＩＣ上をレーザＬの照射位置ＩＰが移動し、被加工部材Ｗに穴Ｗｂがあけられる。なお、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、穴径は設定値によりほぼ決まる。これに対して溶接加工、クラッディング加工などは、熱影響層Ｗａや表面、裏面の飛散物量の制御を旋回数に加えて、旋回径Ｒも用いることが可能である。

次に、図７から図１１を用いて、加工装置１０によるレーザＬの照射動作について説明する。図７は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。図８は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１１は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。

一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせて被加工部材ＷにレーザＬを照射する場合、図７に示すように、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期を、照射位置ＩＰの旋回周期の非整数倍とすることが好ましい。すなわち、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期と、照射位置ＩＰの旋回周期とをずらすことにより、一周目はレーザＬを照射位置ＩＰａに照射し、二周目はレーザＬを照射位置ＩＰｂに照射することができる。つまり、加工装置１０は、三周目以降も動揺にレーザＬのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、照射位置を順次ずらすことができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬの照射位置が各周回でずれ、被加工部材Ｗの加工対象の領域に効率よくレーザＬを照射することができる。

また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変化させつつ第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させる場合、図８に示すように、加工装置１０は、中心Ｐから徐々に離れる渦巻状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。これにより、加工装置１０は、渦巻状にレーザＬを照射することで、レーザＬが入りにくくなる厚みを有する被加工部材Ｗに対しても精度良く加工することができる。

同様に、図９および図１０に示すように、加工装置１０は、楕円状やハート状の軌跡ＴＲで被加工部材ＷにレーザＬを照射することもできる。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させつつ第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変えることで、レーザＬの旋回径Ｒを変え、種々の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。すなわち、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との回転および位相角の差を制御することで、種々の形状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。

また、被加工部材Ｗに対して施す加工処理に適したレーザＬの旋回径Ｒを光学上の理論値から算出した後、熱影響層Ｗａを考慮してその旋回径Ｒを補正する場合、図１１に示すように、加工装置１０は、一周目は穴あけ加工する目標穴の穴径よりも小さい円形状の軌跡ＴＲａでレーザＬを被加工部材Ｗに照射し、二周目は穴あけ加工する目標穴の穴径と同じ大きさの円形状の軌跡ＴＲｂでレーザＬを被加工部材Ｗに照射する。この場合、一周目のレーザＬの旋回径Ｒａは目標穴よりも小さい旋回径とし、二周目のレーザＬの旋回径Ｒｂは目標穴をあけるための旋回径を光学上の理論値から算出した後に目標穴において熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように補正した旋回径とすることが好ましい。これにより、レーザＬが被加工部材Ｗに最初に照射される一周目では熱の拡がりが大きくなるが、加工装置１０は、一周目では目標穴よりも小さい穴をあけることで熱の拡がりを抑え、二周目で目標穴をあけることができる。つまり、加工装置１０は、一周目で粗加工し、二周目で仕上げ加工することができるので、高精度で加工することができる。

また、加工装置１０は、加工モードが穴あけ加工である場合、目標穴の穴径と同じ大きさの旋回径ＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することで穴あけ加工するので、Ｘ軸移動機構２２、Ｙ軸移動機構２６、Ｃ軸回転機構２４を駆動させて穴あけ加工する場合よりも加工時間を短縮することができる。

また、加工装置１０は、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。この場合、制御装置３０は、エンコーダ６５から出力された第１スピンドル５５および第２スピンドル５７の回転数と回転位置（位相角）とに基づいて、上述したステップＳＴ６で決定した第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とする。これにより、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の光学特性にもよるが、旋回径Ｒのずれを数十μｍ以内とすることができ、被加工部材Ｗに対して精度良くレーザＬを照射して加工することができる。

また、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２０ｒｐｍ以上で回転させることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２００ｒｐｍ以上で回転させることが好ましい。つまり、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの旋回数を、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では２０ｒｐｍ以上とすることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では２００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。

加工装置１０は、レーザＬの出力周波数に応じて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を調節することで、加工をより高速に行うことができ、さらに加工精度をより向上することができる。すなわち、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が相対的に高い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に高くなることから、レーザＬを相対的に高速旋回させ、レーザＬの出力周波数が相対的に低い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に低くなることから、レーザＬを相対的に低速旋回させる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、一定範囲において均一にレーザＬを照射することができ、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制できる。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの制御を行いやすくなり、加工精度を高くすることもできる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、レーザＬを相対的に高出力にしても熱影響（熱ダメージの影響）を抑制し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑え、加工品質を維持しつつ加工速度を高速化することができる。

また、加工装置１０は、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることで、好適に切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工あるいはレーザ積層造形することができ、且つ、切断面をより好適な形状とすることができる。これにより、加工装置１０は、加工精度を高くすることができる。また、加工装置１０は、旋回させながらレーザＬを照射することで、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制することができることから、高出力のレーザＬを用いることができるようになるので、溶接加工やクラッディング加工に好適に使用することができ、耐熱性の高い材料にも好適に使用することができる。

また、加工装置１０は、第１回転機構５３を第１中空モータ５６で回転駆動し、第２回転機構５４を第２中空モータ５８で回転駆動することから、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の径方向を小型化することができるので、照射ヘッド１６を小型化することができる。つまり、加工装置１０の大型化を抑制することができる。

また、加工装置１０は、制御装置３０が第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数を決定することにより、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下としつつ被加工部材Ｗを加工することができる。

次に、図１２から図１９を用いて、加工装置１０による他の加工例について説明する。図１２は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。図１３は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１４は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。図１５は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１６は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。図１７は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１８は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。図１９は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。

加工装置１０は、加工モードが切断加工の場合、図１２および図１３に示すように、ＸＹ平面（水平面）のうちの任意の方向である矢印ｂ方向に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下に抑えることができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄで被加工部材Ｗに照射し、照射幅Ｄで被加工部材Ｗを切断することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。

また、加工装置１０は、加工モードが溶接加工の場合、図１４および図１５に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに溶接ワイヤ９１等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、例えば、Ｉ形などの開先形状である一方の被加工部材Ｗ１と他方の被加工部材Ｗ２とを溶接部Ｗｃで溶接することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、一方の被加工部材Ｗ１と他方の被加工部材Ｗ２との開先に照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚みを制御することができる。

また、加工装置１０は、加工モードがクラッディング加工の場合、図１６および図１７に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに肉盛り材ワイヤ９２等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗ上に肉盛り部Ｗｄを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。

また、加工装置１０は、加工モードが表面改質加工の場合、図１８および図１９に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄａで被加工部材Ｗに照射することで、例えば、被加工部材Ｗの表面を平滑化したり、被加工部材Ｗの表面の材料粒子を微細化したりし、被加工部材Ｗの表面を改質した表面改質部Ｗｅを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。

本実施形態において、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａは、被加工部材Ｗに照射されたレーザＬにより形成される再溶融層、酸化層、クラック、ドロスを少なくとも１つ含む。再溶融層は、加工時に、レーザＬの照射により被加工部材Ｗの固体が液体化し、再び固体化した層である。再溶融層は、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先に形成される層ではなく、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向に形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された穴Ｗｂの内周面や、切断された被加工部材Ｗの切断面に形成されるものである。また、再溶融層は、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先と照射方向に直交する方向とに形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された溶接部Ｗｃの周囲や下側、肉盛り部Ｗｄの周囲や下側、表面改質部Ｗｅの周囲や下側に形成されるものである。

酸化層は、被加工部材Ｗが金属等である場合、アシストガスとして酸素を使用した際に、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に形成される酸化被膜である。クラックは、レーザＬの照射により被加工部材Ｗが急速加熱され、この急速加熱時に被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に生じる微細なひび割れ（マイクロクラック）である。ドロスは、被加工部材Ｗの穴あけ時や切断時などに液体化した材料が溶融物となって、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に付着して固体化した付着物である。被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みは、再溶融層の厚み、酸化被膜の厚み、ひび割れの深さ、付着物の厚みを含む。

許容厚みは、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含む加工処理を被加工部材Ｗに施した際に、穴Ｗｂの内周面、切断部分や溶接部Ｗｃの熱影響層Ｗａの厚みＴＨ、肉盛り部Ｗｄや表面改質部Ｗｅの熱影響層Ｗａの厚みＴＨなどが、加工処理を施された製品としての被加工部材Ｗにおいて許容できる範囲内の厚みである。

また、許容厚みは、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向の長さである。また、許容厚みは、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の長さ、および、レーザＬの照射方向に直交する方向の長さである。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る照射ヘッド１６について説明する。図２０は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。第２実施形態に係る照射ヘッド１６の基本的構成は、第１実施形態に係る加工装置１０の照射ヘッド１６と同様であるので、同一部分の構成の説明は省略する。第２実施形態に係る照射ヘッド１６は、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７のそれぞれのレーザＬの光路が直線状（同軸上）に並んで一体的に連結される。

照射ヘッド１６は、図２０に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、集光光学系３７と、ノズル３８と、を有する。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する位置に配置された被加工部材Ｗに向けて照射する。

レーザ旋回部３５は、第１回転機構５３で回転駆動され、第１プリズム５１を支持する中空筒状の第１スピンドル５５と、第２回転機構５４で回転駆動され、第２プリズム５２を支持する中空筒状の第２スピンドル５７と、を有する。これにより、照射ヘッド１６は、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。

また、照射ヘッド１６は、第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒ、旋回数および軌跡ＴＲなどを加工モード等に合わせて変えることができる。

［実験例］
ここで、加工装置１０を用いて被加工部材Ｗに施した加工の実験例について説明する。図２１は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。図２２は、図２１に示す被加工部材を反対側から見た図である。

被加工部材Ｗに照射するレーザＬは、レーザピークパワーを１００Ｗ〜２０ｋＷ、周波数を５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、パルス幅を１μｓ〜１００ｍｓ、照射時間を１０ｍｓ〜１０秒、焦点距離を４０〜４００ｍｍ、旋回数を２０〜５０００ｒｐｍとした。アシストガスは、圧力が０．１〜１ＭＰａの酸素を用いたが、空気や窒素でもよいし、アルゴンガス（Ａｒ）やキセノンガス（Ｘｅ）等の希ガスでもよい。また、被加工部材Ｗは、厚さが０．５〜１０ｍｍのインコネル（登録商標）を用いた。

上記条件で加工装置１０により加工を行った結果を図２１および図２２に示す。ここで、図２１は、被加工部材Ｗの表面（レーザの入射側）を示し、図２２は、被加工部材Ｗの裏面を示す。本実験例では、図２１および図２２に示すように、被加工部材Ｗに穴Ｗｂを形成した。加工装置１０は、上記条件で加工を行うことで、レーザの照射時間が０．２秒であっても、穴Ｗｂの周囲にゆがみや凹凸が少なく、高い精度で加工できていることがわかった。

以上のように、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えるだけで、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることができるので、加工装置１０、すなわちレーザ加工装置を簡単かつ小型な構成にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御し、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることで、加工モードや加工条件により適した旋回径Ｒで加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を高速で行うことが可能であるという効果を奏する。

また、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１と第２プリズム５２とを別々に制御するので、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを任意の旋回径Ｒに設定することができる。つまり、加工装置１０は、加工の種類（加工モード）に適したレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。

また、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御装置３０で制御することにより、熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みとなるように制御することができるので、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａを制御することができる。したがって、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して高精度で加工処理を施すことができる。

なお、上記実施形態において、加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置や短パルスレーザ出力装置を用いているが、これらに限定されず、被加工部材Ｗに対して加工処理を施すことができるレーザＬを出力するレーザ出力装置であればよい。これにより、加工装置１０は、種々のレーザ出力装置を利用することができ、加工用途に応じて適したレーザ出力装置を用いることができる。

また、ファイバレーザ出力装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）あるいはパルス発振（Pulsed Operation）のいずれかの方式を用いるレーザ出力装置であってもよい。ファイバレーザ出力装置は、連続波発振の場合、高出力を得やすいことから、切断加工や溶接加工などに好適に使用することができ、パルス発振の場合、熱的影響を抑えやすいことから、微細加工などに好適に使用することができる。

また、ファイバレーザ出力装置は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの断面の光強度分布が、ガウシアンモード（シングルモード）あるいはマルチモードであってもよい。ファイバレーザ出力装置は、ガウシアンモードの場合、照射位置ＩＰのスポット径を絞り込みやすく、高出力を得やすいことから、溶接加工、切断加工および極微細な穴あけ加工などに好適に使用することができ、マルチモードの場合、母材への熱的影響を抑えやすいことから、表面改質加工、表面仕上げ加工およびブレージング加工などに好適に使用することができる。

また、上記実施形態において、加工装置１０は、板状の被加工部材Ｗを加工しているが、被加工部材Ｗの形状は特に限定されず、種々の形状とすることができる。また、加工装置１０は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形を組み合わせて被加工部材Ｗに対して加工処理を施してもよい。また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰを制御することで、屈曲点を有する軌跡ＴＲで照射したり、湾曲形状を有する軌跡ＴＲで照射したりすることもできる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して、レーザＬを旋回しつつ照射する各種加工処理を施すことができる。

また、加工装置１０は、加工精度を高くすることができるため、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることが好ましいが、これに限定されず、被加工部材Ｗとして、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のうち少なくともいずれかの材料で作成されていればよい。また、加工装置１０は、熱影響（熱ダメージの影響）を低減や除去できるため、熱影響を低減や除去して加工を行う必要のある各種材料、複合材に用いることができる。これにより、加工装置１０は、種々の材料に対して加工処理を施すことができる。

また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰと被加工部材Ｗとの相対位置を移動させるために、被加工部材Ｗを移動させてもよく、照射ヘッド１６を移動させてもよく、被加工部材Ｗと照射ヘッド１６とを移動させてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対してより高速で加工処理を施すことができる。

また、上記実施形態において、被加工部材Ｗ上でレーザＬを旋回させつつ当該レーザの旋回径Ｒを変更する加工装置１０について説明したが、加工装置１０は、照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えた場合、旋回するレーザの照射位置ＩＰの移動速度（例えば、仮想円ＩＣ上の線速度）が一定となるように、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御してもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰにおける単位時間当たりのエネルギを一定とすることができる。

また、加工装置１０は、被加工部材Ｗにあけたパイロット穴を撮像手段４０で撮像し、撮像したパイロット穴の画像データから穴径を測定し、測定した穴径と照射したレーザＬの条件（ピーク出力やパルス幅、旋回数、旋回径Ｒなど）とから熱影響層Ｗａの厚みＴＨを推定し、推定した熱影響層Ｗａの厚みＴＨから該熱影響層Ｗａの許容厚みの範囲となるレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとを決定し、決定したレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとで第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の回転数と位相角の差とを制御装置３０で制御し、本穴をあけてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように、より正確に制御することができる。

また、加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２、Ｃ軸回転機構２４、Ｙ軸移動機構２６、Ｚ軸移動機構２８、割出機構３９、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向、首振り方向からなる５軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗと照射するレーザＬとの相対位置関係を５軸方向に移動させてもよい。

また、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８のうち少なくとも一方は、超音波モータであってもよい。これにより、加工装置１０は、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の位相角（回転位置）の位置決め精度を容易に向上することができる。

また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を上げたり、レーザＬのパルス幅を短くしたりしてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨをより薄くすることができる。

また、被加工部材Ｗ上のレーザＬの照射位置ＩＰからの飛散物の量とレーザＬの旋回数との相関関係を定めた制御マップ（飛散物制御マップ）を参照し、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を決定し、決定した回転数と位相角の差とで第１中空モータ５６および第２中空モータ５８を回転させてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨと、飛散物の量とを抑えることができる。

また、上記実施形態において、案内光学系１４は、光ファイバであるが、これに限定されず、ミラーやレンズを組み合わせ、レーザＬを反射や集光等して照射ヘッド１６に案内してもよい。これにより、照射ヘッド１６は、種々の加工装置で利用することができる。

また、上記実施形態において、Ｘ軸移動機構２２により相対移動する加工ステージ２０について説明しているが、加工ステージ２０は、ＸＹステージまたはＸＹＺステージ等であってもよい。また、照射ヘッド１６をＸＹＺの三方向に相対移動させてもよく、照射ヘッド１６をアームで支持し、ＸＹＺの３軸方向に加え、Ｃ方向に移動させてもよい。これにより、加工装置１０は、例えば、既存の加工装置を利用することができる。

１０加工装置
１２レーザ発振器
１４案内光学系
１６照射ヘッド
１６ａ照射ヘッドカバー
２０加工ステージ
２２Ｘ軸移動機構
２４Ｃ軸回転機構
２６Ｙ軸移動機構
２８Ｚ軸移動機構
３０制御装置
３２門形ブリッジ
３４コリメート光学系
３５レーザ旋回部
３６反射光学系
３７集光光学系
３８ノズル
３９割出機構
４０撮像手段
４１ギャップ検出手段
５１第１プリズム
５２第２プリズム
５３第１回転機構
５４第２回転機構
５５第１スピンドル
５６第１中空モータ
５７第２スピンドル
５８第２中空モータ
５９，６０軸受
６１，６３中空ロータ
６２，６４ステータ
６５エンコーダ
６６識別子
６７検出部
７１第１反射ミラー
７２第２反射ミラー
７３筒部
７４ノズル装着部
７５継手部
７７透光部材
７８アシストガス供給源
８１割出軸
８２中空モータ
８３割出角度検出手段
８４軸受
８５中空ロータ
８６ステータ
９１溶接ワイヤ
９２肉盛り材ワイヤ
ａ，ｂ，ｄ矢印
ＩＣ仮想円
Ｄ，Ｄａ幅
ＩＰ，ＩＰａ，ＩＰｂ照射位置
Ｌレーザ
ＯＡ光軸
Ｐ中心
Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ旋回径
ＴＨ厚み
ＴＲ，ＴＲａ，ＴＲｂ軌跡
Ｗ被加工部材
Ｗ１一方の被加工部材
Ｗ２他方の被加工部材
Ｗａ熱影響層
Ｗｂ穴
Ｗｃ溶接部
Ｗｄ肉盛り部
Ｗｅ表面改質部

Claims

被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、
前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材にレーザを照射する照射ヘッドと、
前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、
前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力されたレーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、
前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構及び前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズム及び前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする加工装置。
前記第１回転機構は、前記第１プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第１スピンドルと、前記第１スピンドルが回転自在に内挿され当該第１スピンドルを回転駆動する第１中空モータと、を有し、
前記第２回転機構は、前記第２プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第２スピンドルと、前記第２スピンドルが回転自在に内挿され当該第２スピンドルを回転駆動する第２中空モータと、を有していることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記第１中空モータと前記第２中空モータとの位相角の差の誤差が０．１°以内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加工装置。
前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加工装置。
前記制御装置は、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数を制御することで前記熱影響層の許容厚みを制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の加工装置。
前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の加工装置。
前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の加工装置。
前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の加工装置。
被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、
レーザを出力する出力ステップと、
少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、第１プリズムおよび第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、
第１回転機構および第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、
前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする加工方法。
前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の加工方法。
前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の加工方法。
前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の加工方法。