JP2015160226A

JP2015160226A - レーザ加工機

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Publication number: JP2015160226A
Application number: JP2014036787A
Authority: JP
Inventors: 泰之古田; Yasuyuki Furuta
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP6253449B2

Abstract

【課題】スパッタの影響を受けることなくノズルとワークとの距離を精度良く調整できるレーザ加工機を提供すること。【解決手段】加工ヘッド４のノズル６へ流入するガスの流量が流量計２５により検出される。ノズル６とワークＷとの距離によってガスの流量が変化するので、流量計２５により検出されたガスの流量に基づき、Ｚ駆動装置８が作動されてノズル６とワークＷとの距離Ｄが調整される。ノズル６へ流入するガスの流量を検出して距離Ｄを調整するので、スパッタがノズル６に付着した場合も、流量の検出値に影響を与えないようにできる。その結果、スパッタの影響を受けることなくノズル６とワークＷとの距離Ｄを精度良く調整できる。【選択図】図１

Description

本発明はレーザ加工機に関し、特にスパッタの影響を受けることなくノズルとワークとの距離を精度良く調整できるレーザ加工機に関するものである。

レーザ加工機は、集光したレーザ光を加工ヘッドのノズルから薄板状のワークへ向けて照射すると共に、ノズルからワークへ向けてガスを噴射することで穴あけや切断等の加工を行う装置である。レーザ加工機では、薄板状のワークの加工位置にレーザ光を集光することで加工精度を高めることができる。その一方、薄板状のワークに撓みが生じる等によってノズルとワークとの距離が変化すると、レーザ光の集光点がワークの厚さ方向にずれるので、加工精度が低下する。そこで、加工精度を高めるために、ノズルとワークとの距離を検出し、ワークの厚さ方向に対するノズルの相対位置を調整する手段を有するレーザ加工機が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１には、圧力検出用の孔をノズルの先端の複数箇所に設け、ノズルからワークへ向けてガスを噴射したときに孔の部分に現れる圧力差を検出し、その圧力差に基づいてノズルとワークとの距離を推定するレーザ加工機が開示されている。このレーザ加工機は、推定された距離（推定値）に基づいて、ワークの厚さ方向に対するノズルの相対位置を調整する。

特開昭６２−７７１９３号公報

しかしながら特許文献１に開示される技術では、レーザ加工中に発生するスパッタ（溶融したワークの粒やスラグ）が、飛散してノズルに付着して圧力検出用の孔が塞がれたり孔径が小さくなったりすると、検出される圧力差に影響が生じ、ノズルとワークとの距離（推定値）の検出精度が低下する。その結果、ノズルとワークとの距離の調整精度が低下するという問題があった。

本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、スパッタの影響を受けることなくノズルとワークとの距離を精度良く調整できるレーザ加工機を提供することを目的とする。

この目的を達成するために請求項１記載のレーザ加工機は、薄板状のワークへ向けてノズルからガスを噴射すると共にレーザ光を前記ノズルから前記ワークへ向けて照射する加工ヘッドと、その加工ヘッドに内設され前記レーザ光を集光する集光手段と、前記加工ヘッドを前記ワークに対して前記ノズルの軸方向に相対移動させる軸方向駆動装置と、前記集光手段を前記ワークに対して前記ノズルの軸方向と直交する方向に相対移動させる軸直方向駆動装置と、その軸直方向駆動装置によって前記集光手段を前記ワークに対して相対移動させることにより前記ワーク上の集光点を走査してレーザ加工を行うものにおいて、前記ノズルへ流入する前記ガスの流量を検出する流量計と、その流量計により検出された前記ガスの流量に基づいて前記軸方向駆動装置を作動させて前記ノズルと前記ワークとの距離を調整する距離調整手段とを備えている。

請求項２記載のレーザ加工機は、請求項１記載のものにおいて、前記ノズルから前記ワークへ向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段を備え、そのレーザ光照射手段は、前記距離調整手段により前記軸方向駆動装置を作動させて前記ノズルと前記ワークとの距離を調整する間は実行されず、前記距離調整手段により前記ノズルと前記ワークとの距離を調整した後に実行される。

請求項３記載のレーザ加工機は、請求項１又は２に記載のものにおいて、前記距離調整手段は、前記ワークに照射されたレーザ光の前記ワーク上の集光点の走査軌跡によって一の線図形を加工する間は実行されず、前記一の線図形を加工した後、前記一の線図形とは異なる他の線図形を加工する前に実行される。

請求項４記載のレーザ加工機は、請求項３記載のものにおいて、前記一の線図形が存在する領域とは異なる領域に前記他の線図形が存在するか否か、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離以上であるか否かを判断する線図形判断手段を備え、前記距離調整手段は、前記線図形判断手段により、前記一の線図形が存在する領域と同じ領域に前記他の線図形が存在すると判断される場合、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離未満であると判断される場合には実行されず、前記一の線図形が存在する領域と異なる領域に前記他の線図形が存在すると判断される場合、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離以上であると判断される場合に実行される。

請求項５記載のレーザ加工機は、請求項１から４のいずれかに記載のものにおいて、前記流量計は、前記加工ヘッドにガスを出射する管路に配設されている。

請求項１記載のレーザ加工機によれば、薄板状のワークへ向けて加工ヘッドのノズルからガスが噴射されると共に、加工ヘッドに内設された集光手段によって集光したレーザ光がノズルからワークへ向けて照射される。軸方向駆動装置によりワークに対してノズルの軸方向に加工ヘッドが相対移動され、軸直方向駆動装置によりワークに対してノズルの軸方向と直交する方向に集光手段が相対移動される。軸直方向駆動装置によってワークに対して集光手段が相対移動されることによりワーク上の集光点が走査されてレーザ加工が行われる。

ここで、ノズルとワークとの距離がある程度小さい場合には、ノズルからのガスの噴射がワークによって阻害されるので、ガスの流量が減少する。そこで、ノズルとワークとの距離によってガスの流量が変化するこの特性を利用して、ノズルとワークとの距離が調整される。具体的には、ノズルへ流入するガスの流量が流量計により検出され、流量計により検出されたガスの流量に基づき、距離調整手段により軸方向駆動装置が作動されてノズルとワークとの距離が調整される。ノズルへ流入するガスの流量を検出するので、スパッタがノズルに付着した場合も、流量の検出値に影響を与えないようにできる。よって、スパッタの影響を受けることなく、ノズルとワークとの距離を精度良く調整できる効果がある。

請求項２記載のレーザ加工機によれば、レーザ光照射手段によりノズルからワークへ向けてレーザ光が照射される。レーザ光照射手段は、距離調整手段により軸方向駆動装置が作動されてノズルとワークとの距離が調整される間は実行されず、距離調整手段によりノズルとワークとの距離が調整された後に実行される。仮に、距離調整手段によりノズルとワークとの距離が調整される間にレーザ光照射手段が実行されると、ワークがレーザ光で加工されることにより加工された分だけノズルとワークとの距離が変化したり、レーザ光の集光点が軸方向に移動したりして、加工精度が低下する。本請求項によればこれを防止できるので、請求項１又は２の効果に加え、加工精度を向上できる効果がある。

請求項３記載のレーザ加工機によれば、距離調整手段は、ワークに照射されたレーザ光のワーク上の集光点の走査軌跡によって一の線図形を加工する間は実行されず、一の線図形を加工した後、一の線図形とは異なる他の線図形を加工する前に実行される。仮に、ワークに照射されたレーザ光のワーク上の集光点の走査軌跡によって一の線図形が加工される間に距離調整手段が実行されると、一の線図形の加工中に集光点が軸方向に移動して加工精度にばらつきが生じる。また、距離調整手段が実行される分だけ、加工速度が低下する。本請求項によればこれを防止できるので、請求項１又は２の効果に加え、加工精度にばらつきを生じ難くできると共に、加工速度の低下を抑制できる効果がある。

請求項４記載のレーザ加工機によれば、一の線図形が存在する領域とは異なる領域に他の線図形が存在するか否か、又は、他の線図形と一の線図形との距離が所定距離以上であるか否かが線図形判断手段により判断される。判断の結果、一の線図形が存在する領域と同じ領域に他の線図形が存在する場合、又は、他の線図形と一の線図形との距離が所定距離未満である場合には、距離調整手段は実行されない。その結果、距離調整手段が実行される分だけ線図形を加工する速度が低下することを抑制できる。

一方、線図形判断手段による判断の結果、一の線図形が存在する領域と異なる領域に他の線図形が存在する場合、又は、他の線図形と一の線図形との距離が所定距離以上である場合に距離調整手段が実行される。これらの場合は、ワークに生じる撓みによってノズルとワークとの距離が変化し易いので、距離調整手段により軸方向駆動装置が作動されてノズルとワークとの距離が調整されることにより、加工精度を向上できる。よって、請求項３の効果に加え、線図形の加工速度が低下することを抑制しつつ加工精度を向上できる効果がある。

請求項５記載のレーザ加工機によれば、流量計は加工ヘッドにガスを出射する管路に配設されているので、加工ヘッドに流量計を配設する場合と比較して、加工ヘッドの構造を簡素化できると共に、加工ヘッドの質量を小さくできる。加工ヘッドの質量が大きくなるにつれて、加工ヘッドを移動させるときに大きな駆動力を必要とするが、本請求項によれば加工ヘッドの質量を小さくできるので、請求項１から４の効果に加え、加工ヘッドを移動させるための駆動装置を小型化できると共に、加工ヘッドの構造を簡素化できる効果がある。

本発明の第１実施の形態におけるレーザ加工機のブロック図である。ガス出射装置の系統図である。レーザ加工機の電気的構成を示したブロック図である。距離計算式を図示した模式図である。ワークに加工される線図形の模式図である。レーザ加工処理のフローチャートである。レーザ加工処理のフローチャートである。第２実施の形態におけるレーザ加工機のガス出射装置の系統図である。レーザ加工処理のフローチャートである。レーザ加工処理のフローチャートである。第３実施の形態におけるレーザ加工機のガス出射装置の系統図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず図１を参照してレーザ加工機１の概略の構造について説明する。図１は本発明の第１実施の形態におけるレーザ加工機１のブロック図である。なお、図１の矢印Ｘ及びＹは、ワークＷの平面上の直交座標系を示し、矢印Ｚは矢印Ｘ及びＹ（Ｘ軸およびＹ軸）と直交する軸を示している。

図１に示すようにレーザ加工機１は、レーザ光を発生するレーザ発生装置２と、レーザ発生装置２により発生されるレーザ光を集光してワークＷへ向けて照射する加工ヘッド４と、ワークＷを保持する保持装置７とを主に備えて構成されている。ワークＷは、シート状や薄い板状に形成された金属製や合成樹脂製等の薄板状の部材である。

レーザ発生装置２は、レーザ光を発振するレーザ発振器（図示せず）を備えて構成される。レーザ発生装置２で発生したレーザ光は、光ファイバ３を通って加工ヘッド４に導入される。加工ヘッド４は筒状に形成される部材であり、レーザ光を集光する集光レンズ５が内部に配置され、集光レンズ５と同軸に設けられた円錐筒状のノズル６が、小径側をワークＷに向けて下端部に配置される。

保持装置７は、ワークＷの長さ方向または幅方向の両端を挟持し、集光レンズ５で集光されたレーザ光の光軸（ノズル６の軸方向Ｚ）と直交するＸＹ座標平面に沿ってワークＷを保持する装置である。本実施の形態では、保持装置７は、加工ヘッド４に対してＺ方向（図１上下方向）の位置を調整するために昇降可能に構成されたサーボモータ等のＺ駆動装置８を介して、盤状体９に支持されている。また、加工ヘッド４は、ワークＷに対してＸＹ方向（ワークＷと平行方向）の位置を調整するために水平方向に移動可能に構成されたサーボモータ等のＸＹ駆動装置１０を介して、固定の装置本体（図示せず）に支持されている。

ガス出射装置２０は、アシストガスを加工ヘッド４に供給するための装置である。ガス出射装置２０から出射されたアシストガスは、集光レンズ５より下方の加工ヘッド４に連通する管路２１から加工ヘッド４に供給される。アシストガスは、レーザ加工により発生する溶融物等を吹き飛ばすための酸素ガス、圧縮空気、窒素ガス等のガスであり、ノズル６からワークＷへ噴き付けられる。管路２１は、可撓性を有するホース状の配管である。

制御装置３０は、レーザ発生装置２、Ｚ駆動装置８、ＸＹ駆動装置１０及びガス出射装置２０の制御を行うための装置である。制御装置３０によるレーザ発生装置２の電圧制御により、任意のエネルギー密度のパルス状のレーザ光（パルスレーザ）がワークＷの加工点に照射される。また、制御装置３０によるＺ駆動装置８の駆動制御により、ノズル６とワークＷとのＺ方向（図１上下方向）の距離Ｄが調整され、ＸＹ駆動装置１０の駆動制御により、ワークＷのＸＹ方向に対するレーザ光の集光点の相対位置が調整される。また、制御装置３０によるガス出射装置２０の制御により、アシストガスが加工ヘッド４へ供給されるか否かが決定される。

次に図２を参照してガス出射装置２０について説明する。図２はガス出射装置２０の系統図である。ガス出射装置２０は、加工ヘッド４に供給するアシストガスを出射するための装置であり、管路２１より剛性の大きい管路２２の端部に接続されるガス供給源２３と、管路２２に配設される減圧弁２４、流量計２５及び開閉弁２６とを備えている。ガス供給源２３は、酸素ガス、窒素ガス等のアシストガスの供給源である。

減圧弁２４は、ガス供給源２３から管路２２に供給されるガスの圧力を設定された所定の圧力に減圧するための圧力調整器である。流量計２５は、減圧弁２４により所定の圧力に減圧されたガスの流量を検出すると共に、その検出結果を処理して制御装置３０に出力する出力回路（図示せず）とを備えている。開閉弁２６は、例えば電磁弁から構成される装置であり、制御装置３０からの制御信号により開弁状態または閉止状態に切り替えられる。開閉弁２６は一方のポートに管路２２が接続され、他方のポートに管路２１が接続される。

ガス出射装置２０は、可撓性を有するホース状の管路２１によって加工ヘッド４及びノズル６に連通する。減圧弁２４によって減圧されて管路２２に供給されるガスの圧力が一定の場合、ガスの流量は、管路２１，２２、加工ヘッド４及びノズル６のどこで測定しても同じ値である。従って、加工ヘッド４やノズル６に流量計２５を配置する必要はなく、加工ヘッド４にガスを流入する管路２２に流量計２５を配置することができる。

流量計２５を有するガス出射装置２０は、可撓性を有するホース状の管路２１によって加工ヘッド４に連通するので、加工ヘッド４は、ガス出射装置２０の質量の影響を受けることなく、ＸＹ駆動装置１０により駆動される。これにより、加工ヘッド４に流量計２５を設置する場合と比較して、加工ヘッド４の構造を簡素化できると共に、加工ヘッド４の質量を小さくできる。加工ヘッド４の質量が大きくなるにつれて、加工ヘッド４を移動させるときに大きな駆動力を必要とするが、加工ヘッド４の質量を小さくできるので、加工ヘッド４を移動させるためのＸＹ駆動装置１０を小型化できると共に、加工ヘッド４の構造を簡素化できる。また、質量を小さくすることで加工ヘッド４の慣性力を小さくできるので、ＸＹ駆動装置１０によって移動される加工ヘッド４の敏捷性を向上できる。

次に図３を参照して、レーザ加工機１の電気的構成について説明する。図３はレーザ加工機１の電気的構成を示したブロック図である。制御装置３０は、レーザ加工機１を制御するＮＣ方式の制御装置であり、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２及びＲＡＭ３３を備え、それらがバスライン３４を介して入出力ポート３５に接続されている。入出力ポート３５にはレーザ発生装置２やＺ駆動装置８等の装置が接続されている。

ＣＰＵ３１は、バスライン３４により接続された各部を制御する演算装置である。ＲＯＭ３２はＣＰＵ３１により実行される制御プログラム（例えば図６や図７に図示されるフローチャートのプログラム）や固定値データ等を記憶する書き換え不能な不揮発性のメモリであり、距離計算式３２ａが記憶されている。ＲＡＭ３３は、制御プログラムの実行時に各種のデータ（加工点の座標データ等）を書き換え可能に記憶するためのメモリである。

次に図４を参照して、ＲＯＭ３２に記憶された距離計算式３２ａについて説明する。図４は距離計算式３２ａを図示した模式図である。距離計算式３２ａは、ノズル６とワークＷとの距離Ｄと、加工ヘッド４に供給されるガスの流量との関係を示す等式である。図４は、距離計算式３２ａを、横軸にノズル６とワークＷとの距離Ｄをとり、縦軸に流量計２４で検出されるガスの流量をとって図示したものである。ノズル６とワークＷとの距離Ｄがある程度小さい場合には、ノズル６からのガスの噴射がワークＷによって阻害されるので、ガスの流量が減少する。本実施の形態では、図４に示すように、距離Ｄが０．５ｍｍ程度より大きい場合にはガスの流量は略一定であるが、距離Ｄが０．５ｍｍ程度より小さくなるにつれて流量が次第に０に近づく。

減圧弁２３によりガスの圧力が所定の圧力（一定値）に設定されるので、距離Ｄが０．５ｍｍ程度より小さいときには、ガスの流量に対してノズル６とワークＷとの距離は一意的に定まる。そこで、ＣＰＵ３１は流量計２５で検出されるガスの流量を距離計算式３２ａに代入して、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを算出する。本実施の形態では、距離が０ｍｍから約０．３ｍｍ（図４点Ｑ）までは距離の増加に対して流量が略一定の割合で増加し、距離が約０．３ｍｍ（点Ｑ）より大きくなると距離の増加に対する流量の増加率が小さくなる。レーザ加工機１は、ノズル６とワークＷとの距離Ｄが０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度（点Ｑより０に近いところ）に調整されるので、距離Ｄが０．４ｍｍ程度に調整される場合と比較して、距離の変化に対する流量の変化率を大きくできる。その結果、流量による距離の検出感度を高めることができる。

次に図５を参照して、レーザ加工機１によりワークＷに加工される線図形について説明する。図５はワークＷに加工される線図形の模式図である。本実施の形態では、金属製の薄板（ワークＷ）に複数の開口（閉じた線図形）が加工されたステンシル（メタルマスク）を例示して説明する。なお、図５ではワークＷの一部を図示し、その周辺部の図示を省略する。

図５に示すようにワークＷは、複数の開口（線図形）を１つのまとまりとする領域４２〜４９が複数箇所に設けられる。開口（線図形）は、レーザ光の集光点をワークＷに沿って走査した走査軌跡によって形成される。本実施の形態では、便宜上、第１の線図形４０、第２の線図形４１を有する領域４２を「第１の領域」、それ以外の領域４３〜４９を「他の領域」と称す。以下に説明するレーザ加工処理では、第１の領域４２に含まれる第１の線図形４０、第２の線図形４１の順に加工し、第１の領域４２に含まれる６つの線図形の加工が全て終わってから、他の領域４３〜４９に含まれる線図形の加工を順番に行うものとする。

次に図６及び図７を参照して、レーザ加工機１によるレーザ加工処理について説明する。図６及び図７はレーザ加工処理のフローチャートである。この処理は、レーザ加工機１に電源が投入されてスタートスイッチ（図示せず）がオンに操作されると、ＣＰＵ３１によって実行される処理であり、ワークＷ上の集光点を走査して、その走査軌跡によりワークＷに線図形を加工するための処理である。

レーザ加工処理において、ＣＰＵ３１は、まずワークＷに対応して予め設定された第１の加工点（第１の線図形４０の一部）のＸＹ座標データをＲＡＭ３３から取得する（Ｓ１）。次いで、第１の加工点のＸＹ座標データに基づいてＸＹ駆動装置１０を駆動して加工ヘッド４をＸＹ方向へ移動させ、加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第１の加工点のＸＹ座標データとを一致させる（Ｓ２）。

次にＣＰＵ３１は、レーザ光の照射位置（加工ヘッド４の中心線の座標位置）と第１の加工点の座標位置とが一致したか否かを判断する（Ｓ３）。Ｓ３の処理の結果、レーザ光の照射位置と第１の加工点の座標位置とが不一致の場合には（Ｓ３：Ｎｏ）、Ｓ２の処理に戻り、ＸＹ駆動装置１０を駆動する。一方、レーザ光の照射位置と第１の加工点の座標位置とが一致する場合には（Ｓ３：Ｙｅｓ）、開閉弁２６を開弁してアシストガスをノズル６に供給する（Ｓ４）。次いでＣＰＵ３１は、流量計２５により検出されるアシストガスの流量を取得し（Ｓ５）、ＲＯＭ３２に記憶されている距離計算式３２ａを使ってノズル６とワークＷとの距離Ｄを算出する（Ｓ６）。

次いでＣＰＵ３１は、算出された距離Ｄが、予め設定された所定範囲（本実施の形態では０．２ｍｍ±α）になるように、Ｚ駆動装置８を駆動してワークＷをＺ方向へ移動させる（Ｓ７）。ＣＰＵ３１は、流量計２５により検出されるアシストガスの流量を取得した後（Ｓ８）、ＲＯＭ３２に記憶されている距離計算式３２ａを使って算出される距離Ｄが所定範囲内であるか否かを判断する（Ｓ９）。その結果、距離Ｄが所定範囲外の場合には（Ｓ９：Ｎｏ）、Ｓ７の処理に戻り、Ｚ駆動装置８を駆動して距離Ｄを調整する。一方、距離Ｄが所定範囲内の場合には（Ｓ９：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ３１はレーザ発生装置２を作動させてレーザ光を出射し、ワークＷの第１の加工点に照射する（Ｓ１０、図７参照）。ノズル６とワークＷとの距離Ｄが所定範囲のときにレーザ光が照射されるので、レーザ光の集光点をワークＷ上に位置させることができ、加工精度を確保できる。

次にＣＰＵ３１は、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）があるか否かを判断する（Ｓ１１）。その結果、第２の加工点のデータがあると判断される場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ３１は、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）をＲＡＭ３３から取得する（Ｓ１２）。次いで、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）が、第１の加工点により加工される線図形（第１の線図形４０）を加工するデータ（座標位置）であるか否かを判断する（Ｓ１３）。Ｓ１３の処理の結果、第２の加工点のデータが第１の線図形４０を加工する加工点のデータであると判断される場合には（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ３１は、第２の加工点のＸＹ座標データに基づいてＸＹ駆動装置１０を駆動して加工ヘッド４をＸＹ方向へ移動させ、加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第２の加工点のＸＹ座標データとを一致させる（Ｓ１４）。

次にＣＰＵ３１は、レーザ光の照射位置（加工ヘッド４の中心線の座標位置）と第２の加工点の座標位置とが一致したか否かを判断し（Ｓ１５）、レーザ光の照射位置と第２の加工点の座標位置とが不一致の場合には（Ｓ１５：Ｎｏ）、Ｓ１４の処理に戻り、ＸＹ駆動装置１０を駆動する。一方、レーザ光の照射位置と第２の加工点の座標位置とが一致する場合には（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、Ｓ１０の処理に戻って、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すことなく、レーザ発生装置２を作動させてレーザ光を出射し、集光したレーザ光をワークＷの第２の加工点に照射する（Ｓ１０）。この処理では、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直さないので、第１の線図形４０の加工処理速度を向上できる。

これに対しＳ１３の処理の結果、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）が、第１の加工点により加工される線図形（第１の線図形４０）を加工するデータ（座標位置）でないと判断される場合には（Ｓ１３：Ｎｏ）、第２の加工点のデータは第１の線図形４０とは異なる第２の線図形４１のデータなので、第２の線図形４１の加工精度を向上させるため、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直す。

この場合、ＣＰＵ３１は、第２の加工点のＸＹ座標データに基づいてＸＹ駆動装置１０を駆動して加工ヘッド４をＸＹ方向へ移動させ、加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第２の加工点のＸＹ座標データとを一致させる（Ｓ１６）。次にＣＰＵ３１は、レーザ光の照射位置（加工ヘッド４の中心線の座標位置）と第２の加工点の座標位置とが一致したか否かを判断し（Ｓ１７）、レーザ光の照射位置と第２の加工点の座標位置とが不一致の場合には（Ｓ１７：Ｎｏ）、Ｓ１６の処理に戻り、ＸＹ駆動装置１０を駆動する。

一方、レーザ光の照射位置と第２の加工点の座標位置とが一致する場合には（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、Ｓ５（図６参照）の処理に戻って、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直した後、レーザ発生装置２を作動させてレーザ光を出射し、集光したレーザ光をワークＷの第２の加工点に照射する（Ｓ１０）。この処理では、第２の線図形４１を加工するときにノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すので、距離Ｄを調整し直す分だけ処理時間を要するが、第２の線図形４１の加工精度を向上できる。

これに対しＳ１１の処理の結果、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）がない場合には（Ｓ１１：Ｎｏ）、このワークＷに対する最後の加工点の加工が終了したので、開閉弁２６を閉止してアシストガスの供給を停止する（Ｓ１８）。これにより、このワークＷに対するレーザ加工が終了する。

以上説明したレーザ加工処理によれば、ノズル６へ流入するガスの流量が流量計２５により検出され、流量計２５により検出されたガスの流量に基づき、Ｚ駆動装置８が作動されてノズル６とワークＷとの距離Ｄが調整される。ノズル６へ流入するガスの流量を検出するので、加工中にスパッタがノズル６に付着した場合も、流量の検出値に影響を与えないようにできる。よって、スパッタの影響を受けることなく、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを精度良く調整できる。また、加工ヘッド４やノズル６の改良を要しないので、既存の加工ヘッド４やノズル６を用いることができる。

また、レーザ光は、ノズル６とワークＷとの距離Ｄが調整される間はワークＷに照射されず、Ｚ駆動装置８が作動されてノズル６とワークＷとの距離Ｄが調整された後に照射される。仮に、ノズル６とワークＷとの距離が調整される間にレーザ光がワークＷに照射されると、ワークＷにレーザ光が照射されて加工された分だけノズル６とワークＷとの距離Ｄが変化したり、レーザ光の集光点が軸方向（Ｚ方向）に移動したりして、加工精度が低下する。これによる加工精度の低下を防止できるので、加工精度を向上できる。

また、距離Ｄの調整は、第１の線図形４０を加工する間は実行されず、第１の線図形４０を加工した後、第１の線図形４０とは異なる第２の線図形４１を加工する前に実行される。仮に、第１の線図形４０の加工中に距離Ｄが調整されると、第１の線図形４０の加工中に集光点が軸方向に移動するので、第１の線図形４０の加工精度にばらつきが生じると共に、距離Ｄを調整する分だけ加工速度が低下する。本実施の形態によれば、これらを防止することができ、第１の線図形４０の加工精度を均一化できると共に、加工速度の低下を防止できる。

なお、図６及び図７に示すフローチャート（レーザ加工処理）において、請求項１記載の移動調整手段としてはＳ７〜Ｓ９の処理が、請求項２記載のレーザ光照射手段としてはＳ１０の処理がそれぞれ該当する。

次に図８から図１０を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、アシストガスの流量に基づいてノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整する場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、アシストガスとは材質の異なる調整用ガス（安価な圧縮空気等）を使ってノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整する場合について説明する。なお、第１実施の形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図８は第２実施の形態におけるレーザ加工機のガス出射装置５０の系統図である。なお、第２実施の形態におけるレーザ加工機は、第１実施の形態におけるレーザ加工機１のガス出射装置２０及び制御装置３０を、ガス出射装置５０及び制御装置６０に置き換えたものである。

図８に示すようにガス出射装置５０は、ガス供給源２３の下流側かつ減圧弁２４の上流側の管路２２に配設される切換弁５１と、切換弁５１のポートの１つに接続される調整用ガス供給源５２とを備えている。切換弁５１は、制御装置６０からの制御信号によって流路が切り替えられる弁であり、調整用ガス供給源５２は、アシストガスとは材質の異なる安価な調整用ガスの供給源である。ガス出射装置５０は、制御装置６０からの制御信号によって切換弁５１の流路を切り替えることで、アシストガス又は調整用ガスが管路２１へ供給される。

次に図９及び図１０を参照して、ガス出射装置５０及び制御装置６０を備えるレーザ加工機によるレーザ加工処理について説明する。図９及び図１０はレーザ加工処理のフローチャートである。なお、制御装置６０のＲＯＭ３２には、第１実施の形態で説明したレーザ加工処理（図６及び図７参照）を実行するプログラムに代えて、図９及び図１０を参照して説明するレーザ加工処理のプログラムが記憶されている。

レーザ加工処理において、ＣＰＵ３１は、ワークＷに対応して予め設定された第１の加工点（第１の線図形４０の一部）のＸＹ座標データをＲＡＭ３３から取得し（Ｓ１）、取得した第１の加工点のＸＹ座標データに基づいてＸＹ駆動装置１０を駆動して加工ヘッド４をＸＹ方向へ移動させ、加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第１の加工点のＸＹ座標データとを一致させる（Ｓ２）。

ＣＰＵ３１は、レーザ光の照射位置（加工ヘッド４の中心線の座標位置）と第１の加工点の座標位置とが一致する場合には（Ｓ３：Ｙｅｓ）、切換弁５１を操作して調整用ガスをノズル６に供給する（Ｓ２１）。ＣＰＵ３１は、流量計２５により検出される調整用ガスの流量を取得し（Ｓ５）、ＲＯＭ３２に記憶されている距離計算式３２ａを使ってノズル６とワークＷとの距離Ｄを算出する（Ｓ６）。アシストガスとは異なる調整用ガスを用いて距離Ｄの調整を行うので、アシストガスの消費量を削減できる。

ＣＰＵ３１は、算出された距離Ｄが、予め設定された所定範囲になるように、Ｚ駆動装置８を駆動してワークＷとノズル６との距離Ｄを調整する（Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９）。距離Ｄが所定範囲内の場合には（Ｓ９：Ｙｅｓ）、切換弁５１を操作してアシストガスをノズル６に供給した後（Ｓ２２）、レーザ発生装置２を作動させてレーザ光を出射し、ワークＷの第１の加工点に照射する（Ｓ１０、図１０参照）。

次にＣＰＵ３１は、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）があるか否かを判断し（Ｓ１１）、第２の加工点のデータがある場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）をＲＡＭ３３から取得する（Ｓ１２）。次いで、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）が、第１の加工点により加工される線図形（第１の線図形４０）が含まれる第１の領域４２と異なる他の領域４３〜４９に含まれる線図形を加工するデータ（座標位置）であるか否かを判断する（Ｓ２３）。

Ｓ２３の処理の結果、第２の加工点のデータが第１の領域４２に含まれる線図形を加工するデータであると判断される場合には（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、第２の加工点のＸＹ座標データに基づいてＸＹ駆動装置１０を駆動して加工ヘッド４をＸＹ方向へ移動させ、加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第２の加工点のＸＹ座標データとを一致させる（Ｓ１４，Ｓ１５）。レーザ光の照射位置と第２の加工点の座標位置とが一致する場合には（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、Ｓ１０の処理に戻って、レーザ発生装置２を作動させてレーザ光を出射し、集光したレーザ光をワークＷの第２の加工点に照射する（Ｓ１０）。この処理では、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直さないので、第１の線図形４０が含まれる第１の領域４２内の線図形の加工処理速度を向上できる。

これに対しＳ２３の処理の結果、次に加工する第２の加工点のデータ（座標位置）が、第１の加工点により加工される第１の領域４２に含まれる線図形を加工するデータでないと判断される場合には（Ｓ２３：Ｎｏ）、第２の加工点のデータは他の領域４３〜４９の加工点のデータなので、他の領域４３〜４９に含まれる線図形の加工精度を向上させるため、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直す。

この場合、ＣＰＵ３１は、第２の加工点のＸＹ座標データに基づいて加工ヘッド４の中心線（レーザ光の光軸）の座標位置と第２の加工点のＸＹ座標データとを一致させた後（Ｓ１６，Ｓ１７：Ｙｅｓ）、Ｓ２１（図９参照）の処理に戻って、ノズル６に供給するガスをアシストガスから調整用ガスに切り替える（Ｓ２１）。次いで、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直した後（Ｓ５〜Ｓ８，Ｓ９：Ｙｅｓ）、切換弁５１を操作してノズル６に供給するガスを調整用ガスからアシストガスに切り替え（Ｓ２２）、集光したレーザ光をワークＷの第２の加工点に照射する（Ｓ１０）。この処理では、他の領域４３〜４９に含まれる線図形を加工するときにノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すので、他の領域４３〜４９に含まれる線図形の加工精度を向上できる。

一般に、ワークＷ上の異なる２つの領域にそれぞれ含まれる加工点間の距離は、同じ領域に含まれる２つの加工点間の距離より大きい場合が多い。また、ワークＷ上の２つの加工点間の距離が大きくなるにつれ（２点が離れるにつれ）、ワークＷの撓み（ワークＷの厚さ方向の変位）によってワークＷの厚さ方向における２点の位置ずれ量が大きくなる傾向がみられる。そこで、次に加工する加工点が、今加工した加工点と異なる領域に含まれる場合にノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すことで、次に加工する加工点が含まれる領域内の線図形の加工精度を向上させることができる。

また、２つの加工点が同じ領域に含まれる場合、ワークＷの撓みによってワークＷの厚さ方向に生じる２つの加工点間の位置ずれ量は比較的小さいと考えられるので、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すことなくレーザ光をワークＷに照射することで、同じ領域に含まれる線図形の加工処理速度を向上できる。これにより、異なる領域に含まれる線図形の加工精度を向上させ、同じ領域に含まれる線図形の加工処理速度を向上させることで、加工精度の向上と加工処理速度の向上とを両立できる。

なお、図９及び図１０に示すフローチャート（レーザ加工処理）において、請求項４記載の線図形判断手段としてはＳ２３の処理が該当する。本実施の形態では、Ｓ２３の処理（線図形判断手段）において、２つの加工点が同じ領域に存在するか否かを判断する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、２つの加工点の座標データを（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２）としたときの２つの加工点間の距離｛（ｘ_２−ｘ_１）^２+（ｙ_２−ｙ_１）^２｝^１／２を演算して、その距離が、予め設定された所定距離以上か否かを判断することは当然可能である。その判断の結果、所定距離以上の場合にノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直し、所定距離未満の場合にノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整し直すことなくレーザ光をワークＷに照射することで、本実施の形態と同様の作用効果を実現できる。

次に図１１を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施の形態では、レーザ光の照射と同時にノズル６から噴射するアシストガスの圧力と、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整するときのアシストガスの圧力とを同一にする場合について説明した。これに対し第３実施の形態では、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整するときのアシストガスの圧力を、レーザ光をワークＷに照射するときにノズル６から噴射するアシストガスの圧力より低圧に設定する場合について説明する。なお、第１実施の形態および第２実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図１１は第３実施の形態におけるレーザ加工機のガス出射装置７０の系統図である。なお、第３実施の形態におけるレーザ加工機は、第１実施の形態におけるレーザ加工機１のガス出射装置２０及び制御装置３０を、ガス出射装置７０及び制御装置８０に置き換えたものである。

図１１に示すようにガス出射装置７０は、減圧弁２４の下流側かつ流量計２５の上流側の管路２２に配設される切換弁７１と、切換弁７１のポートの１つに一端が接続され、ガス供給源２３の下流側かつ減圧弁２４の上流側の管路２２に他端が連通するバイパス管７２と、バイパス管７２に配設される低圧用減圧弁７３とを備えている。低圧用減圧弁７３は、減圧弁２４の設定圧力より低圧に設定される。バイパス管７２は、低圧用減圧弁７３の下流側に圧力計７４及びリリーフ弁７５が配設され、管路２２は、減圧弁２４の下流側に圧力計７６が配設される。

ガス出射装置７０は、制御装置８０からの制御信号によって切換弁７１の流路を切り替えることで、高圧のアシストガスが管路２２から管路２１へ供給され、又は、低圧のアシストガスがバイパス管７２から管路２１へ供給される。リリーフ弁７５は、切換弁７１によって高圧から低圧に切り替えるときに高圧のアシストガスを排気するので、高圧から低圧の切り替えを素早く行うことができる。

第３実施の形態におけるレーザ加工処理は、第２実施の形態で説明したレーザ加工処理（図９及び図１０参照）のＳ２１の処理に代えて、切換弁７１を操作して低圧のアシストガスをノズル６に供給し、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整する（Ｓ５〜Ｓ９）。ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整した後、Ｓ２２の処理に代えて、切換弁７１を操作して高圧のアシストガスをノズル６に供給し、レーザ光をワークＷへ照射する（Ｓ１０）。第３実施の形態によれば、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整するときには低圧のアシストガスを使うので、第１実施の形態と比較して、アシストガスの消費量を少なくすることができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記各実施の形態ではパルスレーザを用いてワークＷを加工するレーザ加工機について説明したが、連続波レーザを用いてワークＷを加工するレーザ加工機に適用することは当然可能である。

上記各実施の形態では、距離計算式３２ａを用いてガスの流量を距離に変換した後、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ガスの流量を距離に変換することなく、流量が所定範囲（例えば６〜８Ｌ／ｍｉｎ）になるようにノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整することは当然可能である。図４から明らかなように、距離が約０．５ｍｍより小さい場合に流量と距離とは１対１の関係にあるので、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整するときに流量を距離に変換しなくても良いからである。

上記各実施の形態では、Ｚ駆動装置８を駆動して保持装置７を昇降させることにより、加工ヘッド４に対してノズル６の軸方向（Ｚ方向）にワークＷを移動させて、ノズル６とワークＷとの距離Ｄを調整する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、ノズル６の軸方向（Ｚ方向）に加工ヘッド４を昇降可能とする駆動装置を設け、その駆動装置によって、ワークＷに対して加工ヘッド４を昇降させることは当然可能である。

上記各実施の形態では、ＸＹ駆動装置１０を駆動してワークＷと水平に加工ヘッド４をＸＹ方向に移動させる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、ワークＷの保持装置８をＸＹ方向に移動可能とするステージを設け、そのステージを移動させることにより、加工ヘッド４に対してワークＷをＸＹ方向に移動させることは当然可能である。

また、集光レンズ５を加工ヘッド４に対してＸＹ方向に移動可能とする駆動装置を加工ヘッド４に内設し、その駆動装置によって集光レンズ５をＸＹ方向に移動させることにより、ワークＷ上の集光点をＸＹ方向に移動させることは当然可能である。この場合も、集光点をワークＷ上に走査することができ、その集光点の走査軌跡によって線図形を加工できる。

上記第１実施の形態では、同じ線図形を加工する間はワークＷとノズル６との距離を調整せずに、異なる線図形を加工する前にワークＷとノズル６との距離を調整する場合（図形単位の処理）について説明した。また、第２実施の形態では、同じ領域内の線図形を加工する間はワークＷとノズル６との距離を調整せずに、異なる領域内の線図形を加工する前にワークＷとノズル６との距離を調整する場合（領域単位の処理）について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、第１実施の形態において領域単位の処理を実行し、第２実施の形態において図形単位の処理を実行することは当然可能である。また、当然のことながら、図形単位の処理と領域単位の処理とを組み合わせて実行することは可能である。

１レーザ加工機
４加工ヘッド
５集光レンズ（集光手段）
６ノズル
８Ｚ駆動装置（軸方向駆動装置）
１０ＸＹ駆動装置（軸直方向駆動装置）
２０，５０，７０ガス出射装置（レーザ加工機の一部）
３０，６０，８０制御装置（レーザ加工機の一部）
２２管路
２５流量計
４０第１の線図形（一の線図形）
４１第２の線図形（他の線図形）
４２第１の領域（領域）
４３〜４９他の領域（異なる領域）
Ｄ距離
Ｗワーク

Claims

薄板状のワークへ向けてノズルからガスを噴射すると共にレーザ光を前記ノズルから前記ワークへ向けて照射する加工ヘッドと、
その加工ヘッドに内設され前記レーザ光を集光する集光手段と、
前記加工ヘッドを前記ワークに対して前記ノズルの軸方向に相対移動させる軸方向駆動装置と、
前記集光手段を前記ワークに対して前記ノズルの軸方向と直交する方向に相対移動させる軸直方向駆動装置と、
その軸直方向駆動装置によって前記集光手段を前記ワークに対して相対移動させることにより前記ワーク上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工機において、
前記ノズルへ流入する前記ガスの流量を検出する流量計と、
その流量計により検出された前記ガスの流量に基づいて前記軸方向駆動装置を作動させて前記ノズルと前記ワークとの距離を調整する距離調整手段とを備えていることを特徴とするレーザ加工機。
前記ノズルから前記ワークへ向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段を備え、
そのレーザ光照射手段は、前記距離調整手段により前記ノズルと前記ワークとの距離を調整する間は実行されず、前記距離調整手段により前記軸方向駆動装置を作動させて前記ノズルと前記ワークとの距離を調整した後に実行されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
前記距離調整手段は、前記ワークに照射されたレーザ光の前記ワーク上の集光点の走査軌跡によって一の線図形を加工する間は実行されず、前記一の線図形を加工した後、前記一の線図形とは異なる他の線図形を加工する前に実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工機。
前記一の線図形が存在する領域とは異なる領域に前記他の線図形が存在するか否か、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離以上であるか否かを判断する線図形判断手段を備え、
前記距離調整手段は、前記線図形判断手段により、前記一の線図形が存在する領域と同じ領域に前記他の線図形が存在すると判断される場合、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離未満であると判断される場合には実行されず、
前記一の線図形が存在する領域と異なる領域に前記他の線図形が存在すると判断される場合、又は、前記他の線図形と前記一の線図形との距離が所定距離以上であると判断される場合に実行されることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工機。
前記流量計は、前記加工ヘッドにガスを流入する管路に配設されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工機。