JP2017060971A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲率可変ミラーの曲率を変化させても、レーザビームの光路を変えることなく、高精度なレーザ加工が行うことができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】本開示のレーザ加工装置は、 レーザ発振器と、第１の曲率可変ミラーと、加工ヘッドと、加工テーブルと、制御装置とを有する。レーザ発振器は、レーザビームを出射する。第１の曲率可変ミラーは、レーザビームを反射し、凹形状である反射面の曲率が変化する。加工ヘッドは、レーザビームを集光し、被加工物に照射する。加工テーブルは、被加工物が搭載される。制御装置は、レーザ発振器のレーザ出力と、第１の曲率可変ミラーの曲率と、加工ヘッドと被加工物との相対位置と、を制御する。さらに、第１の曲率可変ミラーは、反射面の中心位置を変えずに曲率を変化させる。
【選択図】図４

Description

本開示は、レーザ加工装置に関し、特に、レーザビームを集光する曲率可変ミラーに関するものである。

図９、図１０、図１１を用いて、特許文献１に記載された、従来のレーザ加工機９００およびレーザビームコリメーション装置９２０について説明する。図９は、従来のレーザ加工機９００の概略を示すブロック図である。図１０、図１１は、従来のレーザビームコリメーション装置９２０のコリメーションミラー部を示す断面図である。

図９に示すように、従来のレーザ加工機９００は、レーザ発振器９１０と、レーザビームコリメーション装置９２０と、平面反射鏡９３０と、加工ヘッド９４０と、コリメーション制御装置９５０と、ＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）装置９６０とを有する。レーザ発振器９１０は、レーザビームを発振し、レーザビーム９１１をレーザビームコリメーション装置９２０に向けて出射する。レーザビームコリメーション装置９２０は、平面鏡９２１とコリメーションミラー９２２とを有し、レーザビーム９１１を平行化してコリメート光９１２を平面反射鏡９３０に出射する。コリメーションミラー９２２の曲率Ｒは変化可能である。平面反射鏡９３０は、コリメート光９１２を加工ヘッド９４０に向けて反射する。加工ヘッド９４０は、集光レンズ９４１を有し、コリメート光９１２を被加工物９７０に集光する。

また、図９に示すように、コリメーション制御装置９５０は、制御信号９５１によって、コリメーションミラー９２２の曲率Ｒを制御する。ＮＣ装置９６０は、加工ヘッド９４０の駆動機構（図示せず）を制御し、加工ヘッド９４０を被加工物９７０上の任意の位置に移動する。

図１０に示すように、コリメーションミラー９２２の表側の周縁は、ミラーホルダー９２３の支持部９２４によって支持されており、コリメーションミラー９２２の裏側の中央部は、加圧手段であるアクチュエータ９２５によって支持されている。コリメーション制御装置９５０からの制御信号９５１は、信号線９２６を介してアクチュエータ９２５に伝達される。図１１に示すように、アクチュエータ９２５は制御信号９５１に基づいてコリメーションミラー９２２の中央部を裏側から加圧し、コリメーションミラー９２２の曲率Ｒを変化させる。

以上のように、従来のレーザ加工機９００のコリメーションミラー９２２では、容易に、精度良く、理想的な放物面となるように変化させることができ、レーザ加工の精度が向上するとされている。

特開平１１−１４９４５号公報

しかしながら、従来のコリメーションミラー９２２は、周縁がミラーホルダー９２３の支持部９２４によって固定されており、中央部がアクチュエータ９２５によって加圧されて曲率を変化させる。このため、コリメーションミラー９２２の中央部の位置が前後方向に移動し、レーザビーム９１１を反射させる位置が前後に変化してしまい、レーザビーム９１１の光路が変化してしまう。すなわち、図１１に示すように、コリメーションミラー９２２が変形する前の光路（点線の矢印）とコリメーションミラー９２２を変形させた後の光路（実線の矢印）とが異なってしまう。本開示は、レーザビームの光路を変えることなく、曲率可変ミラーの曲率を変化させることで、高精度なレーザ加工が行うことができるレーザ加工装置を提供する。

上記課題を解決するために、本開示のレーザ加工装置は、 レーザ発振器と、第１の曲率可変ミラーと、加工ヘッドと、加工テーブルと、制御装置とを有する。レーザ発振器は、レーザビームを出射する。第１の曲率可変ミラーは、レーザビームを反射し、凹形状である反射面の曲率が変化する。加工ヘッドは、レーザビームを集光し、被加工物に照射する。加工テーブルは、被加工物が搭載される。制御装置は、レーザ発振器のレーザ出力と、第１の曲率可変ミラーの曲率と、加工ヘッドと被加工物との相対位置と、を制御する。さらに、第１の曲率可変ミラーは、反射面の中心位置を変えずに曲率を変化させる。

以上により、本開示のレーザ加工装置は、レーザビームの光路を変えることなく、曲率可変ミラーの曲率を変化させることで、高精度なレーザ加工が行うことができる。

図１は、実施の形態１のレーザ加工装置１の概略構成を示す図である。 図２は、実施の形態１における、反射面ＲＦ１が平面である時の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。 図３は、実施の形態１における、反射面ＲＦ１が曲率Ｒ１の凹面であり、位置調整が不要である場合の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。 図４は、実施の形態１における、反射面ＲＦ１が曲率Ｒ１の凹面であり、位置調整が必要である場合の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。 図５は、実施の形態２のレーザ加工装置２の概略構成を示す図である。 図６は、実施の形態２における、反射面ＲＦ２が平面である時の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。 図７は、実施の形態２における、反射面ＲＦ２が曲率Ｒ２の凸面であり、位置調整が不要である場合の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。 図８は、実施の形態２における、反射面ＲＦ２が曲率Ｒ２の凹面であり、位置調整が必要である場合の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。 図９は、従来のレーザ加工機９００の概略を示すブロック図である。 図１０は、従来のレーザビームコリメーション装置９２０のコリメーションミラー部を示す断面図である。 図１１は、従来のレーザビームコリメーション装置９２０のコリメーションミラー部を示す断面図である。

以下に本開示を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態にかかるレーザ加工装置１について説明する。図１は、本実施の形態のレーザ加工装置１の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態のレーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、全反射ミラー２０と、曲率可変ミラー３０（第１の曲率可変ミラー）と、全反射ミラー４０と、加工ヘッド５０と、加工テーブル６０と、加工ヘッド移動装置７０と、制御装置８０とを有する。

レーザ発振器１０は、制御装置８０によって制御され、レーザを発振して、全反射ミラー２０に向けてレーザビームＬＢを出射する。レーザ発振器１０としては、例えば、ガスレーザ発振器である。なお、レーザビームＬＢは、進行方向に垂直な断面では面積を有するが、本明細書においては、最も強度が強い点をレーザビームＬＢの光軸とし、レーザビームＬＢの光路とは、レーザビームＬＢの光軸が通過する位置とする。

全反射ミラー２０は、反射面が平面であり、レーザ発振器１０からのレーザビームＬＢを曲率可変ミラー３０に向けて反射する。なお、本実施の形態では、全反射ミラー２０の反射面の法線をレーザビームＬＢの光軸から４５度傾けることで、レーザビームＬＢの進行方向を９０度変化させている。また、全反射ミラー２０の裏面には、冷却機構が設けられていることが好ましい。

曲率可変ミラー３０は、制御装置８０によって制御され、反射面が凹形状の曲面であり、全反射ミラー２０からのレーザビームＬＢを全反射ミラー４０に向けて反射する。なお、曲率可変ミラー３０に到達したレーザビームＬＢは拡散光であるが、曲率可変ミラー３０によってコリメートされ、平行光となったレーザビームＬＢが全反射ミラー４０に向けて反射される。また、本実施の形態では、曲率可変ミラー３０の反射面の法線をレーザビームＬＢの光軸から４５度傾けることで、レーザビームＬＢの進行方向を９０度変化させている。曲率可変ミラー３０の詳細については、後述する。

全反射ミラー４０は、反射面が平面であり、曲率可変ミラー３０からのレーザビームＬＢを加工ヘッド５０に向けて反射する。なお、本実施の形態では、全反射ミラー４０の反射面の法線をレーザビームＬＢの光軸から４５度傾けることで、レーザビームＬＢの進行方向を９０度変化させている。また、全反射ミラー４０の裏面には、冷却機構が設けられていることが好ましい。

加工ヘッド５０は、内部に集光レンズ（図示せず）を有しており、全反射ミラー４０からの平行化されているレーザビームＬＢを集光し、加工テーブル６０に搭載された被加工物Ｗに照射する。集光レンズは、制御装置８０に制御され、Ｚ軸方向に移動でき、加工ヘッド５０から被加工物Ｗに照射されるレーザビームＬＢの焦点位置のＺ軸方向を調整できる。また、加工ヘッド５０は、側面からアシストガス（点線の矢印）が導入できるようになっており、加工ヘッド５０の先端からは、アシストガスを被加工物に吹き付けることができる。これにより、被加工物Ｗのレーザ加工が行われる。なお、アシストガスは必ずしも必要ではない。

加工ヘッド移動装置７０は、制御装置８０によって制御され、Ｘ軸モータ７１とＹ軸モータ７２とを有し、加工ヘッド５０の位置をＸＹ平面において調整できる。加工ヘッド移動装置７０によって加工ヘッド５０を移動させることで、被加工物Ｗの加工位置（レーザビームＬＢの照射位置）を移動させることができる。

なお、本実施の形態では、加工ヘッド移動装置７０によって加工ヘッド５０を移動させているが、これに限らず、加工テーブル６０によって被加工物Ｗを移動させて、レーザビームＬＢの照射位置のＸＹ平面の移動を行ってもよい。また、加工ヘッド５０内の集光レンズを上下に移動させているが、これに限らず、加工テーブル６０によって被加工物Ｗを移動させて、レーザビームＬＢの照射位置のＺ軸方向の移動を行ってもよい。

次に、図２〜図４を用いて、本実施の形態の曲率可変ミラー３０について、具体的に説明する。図２は、本実施の形態における、反射面ＲＦ１が平面である時の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。図３は、本実施の形態における、反射面ＲＦ１が曲率Ｒ１の凹面であり、位置調整が不要である場合の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。図４は、本実施の形態における、反射面ＲＦ１が曲率Ｒ１の凹面であり、位置調整が必要である場合の曲率可変ミラー３０の状態を示す断面図である。

図２〜図４に示すように、曲率可変ミラー３０は、ミラー３１と、位置制御装置３２と、位置調整部材３３とを有する。ミラー３１は、制御装置８０によって制御され、反射面ＲＦ１の曲率Ｒ１を変化させることができる。位置制御装置３２は、制御装置８０によって制御され、位置調整部材３３によって、ミラー３１の位置を制御できる。また、ミラー３１の裏面には、冷却機構が設けられていることが好ましい。

図２に示すように、ミラー３１の反射面ＲＦ１が平面である時は、レーザビームＬＢの光軸は、ミラー３１の反射点Ｐ１によって反射される。ミラー３１の反射点Ｐ１はミラー３１の中心であり、この時のレーザビームＬＢの光路を、レーザ加工装置１におけるレーザビームＬＢの基準光路とする。

次に、図３を用いて、ミラー３１の反射面ＲＦ１を曲率Ｒ１の凹面に変化させた場合の曲率可変ミラー３０について説明する。図３では、ミラー３１は、反射面ＲＦ１の中心の位置を変えずに、反射面ＲＦ１の周辺を突出させて凹形状となる。この場合、ミラー３１の反射点Ｐ１の位置は変わらないため、位置制御装置３２によるミラー３１の位置調整は不要である。そして、曲率可変ミラー３０は、レーザビームＬＢの光路を基準光路としたままで、レーザビームＬＢを平行化することができる。

次に、図４を用いて、ミラー３１の反射面ＲＦ１を曲率Ｒ１の凹面に変化させた場合の曲率可変ミラー３０について説明する。図４では、ミラー３１は、反射面ＲＦ１の周辺の位置を変えずに、反射面ＲＦ１の中心を後退させて凹形状となる。この場合、ミラー３１の反射点Ｐ１の位置が後退するため、位置調整部材３３によって、ミラー３１の位置を前方に押し出す必要がある。これにより、曲率可変ミラー３０は、レーザビームＬＢの光路を基準光路としたままで、レーザビームＬＢを平行化することができる。

なお、ミラー３１の周辺および中心の両方の位置を変えて、ミラー３１の反射面ＲＦ１を凹形状とする場合であっても、ミラー３１の反射点Ｐ１の位置が元の位置に戻るように、位置調整部材３３によって、ミラー３１の位置を移動させればよい。
（実施の形態２）
次に、図５〜図８を用いて、本実施の形態にかかるレーザ加工装置２について説明する。なお、実施の形態１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５は、本実施の形態のレーザ加工装置２の概略構成を示す図である。

図５に示すように、本実施の形態のレーザ加工装置２は、レーザ加工装置２の全反射ミラー４０を曲率可変ミラー１３０（第２の曲率可変ミラー）とした点、および、曲率可変ミラー３０の曲率が異なり、その他の構成は同じである。

曲率可変ミラー３０は、制御装置８０によって制御され、反射面が凹形状の曲面であり、全反射ミラー２０からのレーザビームＬＢを曲率可変ミラー１３０に向けて反射する。本実施の形態の曲率可変ミラー３０に到達したレーザビームＬＢは拡散光であるが、曲率可変ミラー３０によって集光され、収束光となったレーザビームＬＢが曲率可変ミラー１３０に向けて反射される。すなわち、本実施の形態の曲率可変ミラー３０は、実施の形態１よりも曲率が大きくなっている。その他の点については、実施の形態１と同様である。

曲率可変ミラー１３０は、制御装置８０によって制御され、反射面が凸形状の曲面であり、曲率可変ミラー３０からのレーザビームＬＢを加工ヘッド５０に向けて反射する。なお、曲率可変ミラー１３０に到達したレーザビームＬＢは収束光であるが、曲率可変ミラー１３０によってコリメートされ、平行光となったレーザビームＬＢが加工ヘッド５０に向けて反射される。また、本実施の形態では、曲率可変ミラー１３０の反射面の法線をレーザビームＬＢの光軸から４５度傾けることで、レーザビームＬＢの進行方向を９０度変化させている。曲率可変ミラー１３０の詳細については、後述する。

次に、図６〜図８を用いて、本実施の形態の曲率可変ミラー１３０について、具体的に説明する。図６は、本実施の形態における、反射面ＲＦ２が平面である時の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。図７は、本実施の形態における、反射面ＲＦ２が曲率Ｒ２の凸面であり、位置調整が不要である場合の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。図８は、本実施の形態における、反射面ＲＦ２が曲率Ｒ２の凸面であり、位置調整が必要である場合の曲率可変ミラー１３０の状態を示す断面図である。

図６〜図８に示すように、曲率可変ミラー１３０は、ミラー１３１と、位置制御装置１３２と、位置調整部材１３３とを有する。ミラー１３１は、制御装置８０によって制御され、反射面ＲＦ２の曲率Ｒ２を変化させることができる。位置制御装置１３２は、制御装置８０によって制御され、位置調整部材１３３によって、ミラー１３１の位置を制御できる。また、ミラー１３１の裏面には、冷却機構が設けられていることが好ましい。

図６に示すように、ミラー１３１の反射面ＲＦ２が平面である時は、レーザビームＬＢの光軸は、ミラー１３１の反射点Ｐ２によって反射される。ミラー１３１の反射点Ｐ２はミラー１３１の中心であり、この時のレーザビームＬＢの光路を、レーザ加工装置２におけるレーザビームＬＢの基準光路とする。

次に、図７を用いて、ミラー１３１の反射面ＲＦ２を曲率Ｒ２の凸面に変化させた場合の曲率可変ミラー１３０について説明する。図７では、ミラー１３１は、反射面ＲＦ２の中心の位置を変えずに、反射面ＲＦ２の周辺を後退させて凸形状となる。この場合、ミラー１３１の反射点Ｐ２の位置は変わらないため、位置制御装置１３２によるミラー１３１の位置調整は不要である。そして、曲率可変ミラー１３０は、レーザビームＬＢの光路を基準光路としたままで、レーザビームＬＢを平行化することができる。

次に、図８を用いて、ミラー１３１の反射面ＲＦ２を曲率Ｒ２の凸面に変化させた場合の曲率可変ミラー１３０について説明する。図８では、ミラー１３１は、反射面ＲＦ２の周辺の位置を変えずに、反射面ＲＦ２の中心を突出させて凸形状となる。この場合、ミラー３１の反射点Ｐ２の位置が突出するため、位置調整部材１３３によって、ミラー１３１の位置を後退させる必要がある。これにより、曲率可変ミラー１３０は、レーザビームＬＢの光路を基準光路としたままで、レーザビームＬＢを平行化することができる。

なお、ミラー１３１の周辺および中心の両方の位置を変えて、ミラー１３１の反射面ＲＦ２を凸形状とする場合であっても、ミラー１３１の反射点Ｐ２の位置が元の位置に戻るように、位置調整部材１３３によって、ミラー１３１の位置を移動させればよい。

また、本実施の形態では、曲率可変ミラー３０によって反射された収束光の焦点よりも手前に曲率可変ミラー１３０を設ける必要がある。そして、曲率可変ミラー３０によって反射された収束光の焦点よりも遠くに曲率可変ミラー１３０が設けられている場合は、曲率可変ミラー１３０は、反射面ＲＦ２を凹形状にしてレーザビームＬＢを平行化すればよい。その場合も、必要に応じて、位置調整部材１３３によって、ミラー１３１の反射点Ｐ２の位置を調整し、レーザビームＬＢの光路を基準光路とすればよい。

実施の形態１では、曲率可変ミラー３０によってレーザビームＬＢを平行化するため、曲率可変ミラー３０に達したときのレーザビームＬＢの幅でレーザビームＬＢは平行化される。それに対し、本実施の形態では、曲率可変ミラー３０によってレーザビームＬＢを集光してから、曲率可変ミラー１３０で平行化するため、曲率可変ミラー３０に達したときのレーザビームＬＢの幅よりも狭い幅で曲率可変ミラー１３０によって平行化できる。

本開示のレーザ加工装置は、レーザビームの光路を変えることなく、曲率可変ミラーの曲率を変化させることで、高精度なレーザ加工が行うことができ、産業上有用である。

１、２ レーザ加工装置
１０ レーザ発振器
２０ 全反射ミラー
３０、１３０ 曲率可変ミラー
３１、１３１ ミラー
３２、１３２ 位置制御装置
３３、１３３ 位置調整部材
４０ 全反射ミラー
５０ 加工ヘッド
６０ 加工テーブル
７０ 加工ヘッド移動装置
７１ Ｘ軸モータ
７２ Ｙ軸モータ
８０ 制御装置
ＬＢ レーザビーム
Ｐ１、Ｐ２ 反射点
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２ 曲率
ＲＦ１、ＲＦ２ 反射面
Ｗ 被加工物
９００ レーザ加工機
９１０ レーザ発振器
９１１ レーザビーム
９１２ コリメート光
９２０ レーザビームコリメーション装置
９２１ 平面鏡
９２２ コリメーションミラー
９２３ ミラーホルダー
９２４ 支持部
９２５ アクチュエータ
９２６ 信号線
９３０ 平面反射鏡
９４０ 加工ヘッド
９４１ 集光レンズ
９５０ コリメーション制御装置
９５１ 制御信号
９６０ 装置
９７０ 被加工物

Claims (6)

1. レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを反射し、凹形状である反射面の曲率が変化する第１の曲率可変ミラーと、
   前記レーザビームを集光し、被加工物に照射する加工ヘッドと、
   前記被加工物が搭載される加工テーブルと、
   前記レーザ発振器のレーザ出力と、前記第１の曲率可変ミラーの曲率と、前記加工ヘッドと前記被加工物との相対位置と、を制御する制御装置と、を備え、
   前記第１の曲率可変ミラーは、前記反射面の中心位置を変えずに前記曲率を変化させるレーザ加工装置。
2. 前記第１の曲率可変ミラーは、第１のミラーと前記第１のミラーの位置を変更する第１のミラー移動装置とを有し、
   前記第１のミラーは曲率の変化に伴って中心位置が移動し、
   前記第１のミラー移動装置は、前記中心位置の移動した方向と逆方向に、前記中心位置が移動した距離だけ前記第１のミラーを移動させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザビームを反射し、凸形状である反射面の曲率が変化する第２の曲率可変ミラーをさらに備え、
   前記第２の曲率可変ミラーは、前記第１の曲率可変と前記加工ヘッドとの間に設けられた請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第２の曲率可変ミラーは、第２のミラーと前記第２のミラーの位置を変更する第２のミラー移動装置とを有し、
   前記第２のミラーは曲率の変化に伴って中心位置が移動し、
   前記第２のミラー移動装置は、前記中心位置の移動した方向と逆方向に、前記中心位置が移動した距離だけ前記第２のミラーを移動させる請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記制御装置は、前記加工ヘッドの位置を移動させて前記加工ヘッドと前記被加工物との相対位置を制御する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御装置は、前記加工テーブルを駆動して前記加工ヘッドと前記被加工物との相対位置を制御する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。

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