JP2019051541A - レーザ加工前に光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正するレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する。【解決手段】レーザ加工装置１０は、外部光学系１２が汚染されていない状態で反射板３に向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせて反射板３を溶融又は変形させない程度に低い予め定めた出力でレーザ光を出射したときの戻り光のエネルギ量に基づく基準値を記憶する記憶部と、レーザ加工前に外部光学系１２の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部２１と、を備えており、加工条件補正部２１は、戻り光測定部４によって測定された測定値と基準値とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザ加工前に光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正するレーザ加工装置に関する。

レーザ光を被加工物に照射して被加工物のレーザ加工を行うレーザ加工装置は、レーザ光をレンズで所定の焦点位置に集光し、集光したレーザ光を被加工物に照射する。斯かるレーザ加工装置では、レーザ発振器からレーザ光を導光してワーク表面に集光する外部光学系が汚染してレーザ光を吸収すると、いわゆる熱レンズ効果によって曲率を変えて焦点位置を移動させる。また、汚れ方によっては、外部光学系の透過率も変化させる。焦点位置の変化及び透過率の変化が発生すると、加工不具合が発生するため、外部光学系が汚染されていないかを確認する必要がある。このことが自動運転の妨げになっている。

斯かる課題を解決するため、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付けることで外部光学系の汚染を検出するものが公知である。特許文献１には、レーザ加工前ではないものの、加工後に外部光学系の熱レンズ効果又は保護ガラスの汚れに起因する焦点ずれを検出し補正可能なレーザ加工装置が開示されている。熱レンズ効果により焦点ずれが生じると、レーザ照射径が大きくなるため、レーザ加工装置は、小開口を有する測定基準面を備えることにより、小開口の周囲から放射される放射光のレベルに基づいて焦点ずれを検出して補正する。

特許文献２には、レーザ光線の反射光を検出することにより焦点を自動調整するレーザ加工機が開示されている。斯かるレーザ加工機は、焦点位置検出用反射板と、反射板で反射された反射光を検出する反射光検出装置と、を備えており、レーザ光の焦点位置をＺ軸方向に調整していき、レーザ光の焦点が反射板の表面に合致したときに発生する輝度の高い青色の反射光を検出することにより、加工レンズの汚れによる焦点ずれを調整する。

特開２０１６−２５８０号公報 特開２００５−３３４９２８号公報

外部光学系は時間と共に劣化する。その結果、集光点でレーザパワーの損失が発生する。軽度の汚染であっても、焦点位置が移動するため、レーザ加工の品質に著しい劣化を招く。この場合、速やかに光学部品を交換するか又はクリーニングする必要がある。しかしながら、加工不具合が発生した後に光学部品のメンテナンスを行うのでは、自動運転時に大量の不良部品が発生するという問題がある。他方、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付ける方式では、付加設備が必要となるため、装置が複雑になり、外部光学系が重くなることにより機械性能に影響を与える、また、後付けできないといった問題もある。さらに、全ての外部光学系が汚染を検知できるセンサに対応している訳ではないため、加工不具合が発生した後に光学系の汚染が判明することもある。

そこで、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する技術が求められている。

本開示の一態様は、光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率を有する反射板と、反射板で反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、外部光学系が汚染されていない状態で反射板に向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせて前記反射板を溶融又は変形させない程度に低い予め定めた出力でレーザ光を出射したときの戻り光のエネルギ量に基づく基準値を記憶する記憶部と、レーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、を備え、加工条件補正部は、反射板に向かって予め定めた位置と同じ位置に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部に対して行う駆動指令部と、反射板に向かって予め定めた出力と同じ低い出力でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う低出力指令部と、戻り光測定部によって測定された測定値と基準値とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部と、を有する、レーザ加工装置を提供する。
本開示の他の態様は、光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率を有するハーフミラーと、ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部と、ハーフミラーで反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、レーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、を備え、加工条件補正部は、ハーフミラーに向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部に対して行う駆動指令部と、ハーフミラーに向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う高出力指令部と、外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部によって測定された第一測定値と、外部光学系が温められた一定時間経過期間内に戻り光測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部と、計算した焦点移動量に基づいて、加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部と、を有する、レーザ加工装置を提供する。
本開示の別の態様は、光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率を有するハーフミラーと、ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部と、ハーフミラーで反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、レーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、を備え、加工条件補正部は、ハーフミラーの表面に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部に対して行う第一駆動指令部と、ハーフミラーに向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う第一高出力指令部と、ハーフミラーの表面より上方及び下方に焦点位置を移動する指令を駆動制御部に対して行う第二駆動指令部と、上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でレーザ光をそれぞれ出射する指令をレーザ発振器に対して行う第二高出力指令部と、ハーフミラーの表面に焦点位置を合わせた状態で測定された第一測定値と、ハーフミラーの表面より上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でそれぞれ測定された複数の第二測定値と、を含むグラフを作成するグラフ作成部と、グラフから焦点位置を計算し、計算した焦点位置とハーフミラーの表面に合わせるように指令した焦点位置との差分に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部と、計算した焦点移動量に基づいて、加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部と、を有する、レーザ加工装置を提供する。

本開示によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できるため、外部光学系のメンテナンス期間を延長できる。

外部光学系の汚染の種類を説明するための模式図である。 汚染の種類に応じた焦点移動量と戻り光のエネルギ量との関係を示すグラフである。 一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。 一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 別の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 別の実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 更に他の実施形態に係る戻り光測定部の配置を示す配置図である。 更に別の実施形態に係る戻り光測定部の配置を示す配置図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

本明細書における用語の定義について説明する。本明細書における用語「レンズ」とは、曲率を有する表面を備えた光学部品のことをいう。換言すれば、本明細書で使用するレンズは、汚染によってレーザ光を吸収した場合に、いわゆる熱レンズ効果による曲率の変化が大きい光学部品である。また、本明細書における用語「ウインド」とは、概ね平面から成る光学部品のことをいう。換言すれば、本明細書で使用するウインドは、汚染によってレーザ光を吸収した場合であっても、曲率の変化が小さい光学部品である。さらに、本明細書における用語「汚染」とは、単に塵埃が堆積した状態だけではなく、堆積した塵埃がレーザ光によって点々と焼付いた状態、又はミラー等に設けられている薄膜が剥がれ落ちて劣化した状態等も含む。

図１は、外部光学系の汚染の種類を説明するための模式図である。外部光学系は、限定されないが、レーザ発振器からのレーザ光をワーク表面に集光するレンズ１と、外部光学系の最も外側に配置されたウインド２と、を備えている。レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率（例えば９８％）を有する銅製の平滑な反射板３の表面に焦点位置を合わせ、反射板３を溶融又は変形させない程度に低い出力（例えば１０Ｗ）で外部光学系からレーザ光Ｌを出射した場合、レンズ１もウインド２も汚染していない正常時には、反射板３で反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光Ｒのエネルギ量を測定する戻り光測定部４において９８％のエネルギ量（例えば９．８Ｗ）が観測される。なお、図１では、理解を容易にするため、レーザ光の光軸の右側には、出射したレーザ光Ｌを、光軸の左側には、反射板３で反射して戻る戻り光Ｒを描いている。ウインド２のみが汚染しているウインド汚染時には、ウインド２がレーザ光Ｌを吸収又は散乱するため、戻り光測定部４によって測定される戻り光のエネルギ量は低下する。また、レンズ１のみが汚染しているレンズ汚染時には、レンズ１の熱レンズ効果により焦点位置が上方（又は下方）へ移動するため、戻り光測定部４によって測定される戻り光Ｒのエネルギ量は低下する。さらに、図示しないものの、レンズ１及びウインド２の双方が汚染している場合には、戻り光測定部４によって測定される戻り光Ｒのエネルギ量は最小となる。

図２は、汚染の種類に応じた焦点移動量と戻り光のエネルギ量との関係を示すグラフである。前述した通り、実線で示す正常時と比べ、破線で示すレンズ汚染時には、焦点位置が移動し且つエネルギ量が低下する。また、一点鎖線で示すウインド汚染時には、焦点位置が移動しないもののエネルギ量が低下する。さらに、二点鎖線で示すレンズ及びウインド汚染時には、焦点位置が移動すると共にエネルギ量が最小となる。但し、反射板３の表面より上方又は下方に焦点位置を合わせてレーザ光を出射した場合には、反射板３の表面に近づくように焦点位置がシフトすることがあるため、戻り光のエネルギ量が上昇する場合があることにも留意されたい。加えて、レーザ加工に使用する程度に高い出力のレーザ光によって外部光学系が温められた状態では、熱レンズ効果が発生して焦点位置が移動するものの、外部光学系が温められていない状態では、レンズが汚染していたとしても熱レンズ効果が発生せず焦点位置が移動しない。本実施形態に係るレーザ加工装置は、斯かる物理現象を利用し、外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、を備えている。レーザ発振器１１は、例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのファイバレーザ発振器である。レーザ加工装置１０は、さらに、加工テーブルの外側に配置された反射板３と、反射板３で反射してレーザ加工装置１０内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部４と、を備えている。反射板３は、例えばレーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率（例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光に対して約９８％の反射率）を有する平滑な銅板である。戻り光測定部４は、レーザ発振器１１の内部に配置された既存のパワーセンサを利用できる。これによりレーザ加工装置１０は追加のセンサを必要としない。

図４は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１０は、さらに、外部光学系１２から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部２０と、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の半導体集積回路、プロセッサ、又はコンピュータによって実行可能なプログラムで構成されていてレーザ加工前に外部光学系１２の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部２１と、種々のデータを記憶する記憶部２２と、備えている。記憶部２２は、外部光学系１２が汚染されていない状態で反射板３に向かって予め定めた位置（例えば＋１ｍｍ）に焦点位置を合わせて反射板を溶融又は変形させない程度に低い予め定めた出力（例えば１０Ｗ）でレーザ光を出射したときの戻り光のエネルギ量に基づく基準値を予め記憶している。加工条件補正部２１は、予め定めた位置と同じ位置（例えば＋１ｍｍ）に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う駆動指令部３０と、反射板３に向かって予め定めた出力と同じ低い出力（例えば１０Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う出力指令部３１と、戻り光測定部４によって測定された測定値と、記憶部２２に予め記憶した基準値（例えば８Ｗ（＝理論値９．８Ｗ×マージンα（０．８１６）））とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部３２と、を備えている。

図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。以下、図４及び図５を参照してレーザ加工前に外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する処理について説明する。加工条件補正部２１がレーザ加工前に加工条件の補正を開始すると、ステップＳ１０では、駆動指令部３０が予め定めた位置と同じ位置に焦点位置（例えば＋１ｍｍ）を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ１１では、低出力指令部３１が反射板３に向かって予め定めた出力と同じ低い出力（例えば１０Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ１２では、戻り光測定部４が反射板３で反射してレーザ加工装置１０の内部に戻る戻り光のエネルギ量を測定する。ステップＳ１３では、記憶部２２が測定値を格納する。ステップＳ１４では、レーザパワー補正部３２が、戻り光測定部４によって測定された測定値と、記憶部２２に記憶された基準値とを比較することにより（すなわち外部光学系１２に汚染があるか否かを判定）、加工条件におけるレーザパワーを補正する。ステップＳ１４において、測定値（例えば７．７Ｗ）が基準値（例えば８Ｗ）より小さい場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、ステップＳ１５において、レーザパワー補正部３２が加工条件におけるレーザパワーを補正する。例えばレーザパワーが３０００Ｗである場合には、３０００Ｗ×９．８Ｗ／７．７Ｗ＝３８１８Ｗに補正される。次いで、ステップＳ１６において、レーザ加工装置１０がレーザ加工を開始する。他方、ステップＳ１４において、測定値（例えば８．４Ｗ）が基準値（例えば８Ｗ）以上の場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、加工条件におけるレーザパワーが補正されることなく、ステップＳ１６において、レーザ加工装置１０がレーザ加工を開始する。斯かるレーザ加工装置１０によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成（反射板３等）によってレーザ加工前にウインド２の汚染レベルに応じて加工条件におけるレーザパワーを補正できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できるため、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図６は、他の実施形態に係るレーザ加工装置４０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置４０は、反射板３の代わりにハーフミラー５と、ハーフミラー５を透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部１４と、を備え、ハーフミラー５に向かって高出力でレーザ光を出射することにより、あえて外部光学系１２を温めてレンズ１の汚染による焦点シフトを発生させ、戻り光のエネルギ量から焦点位置の補正を行う点で、図４のレーザ加工装置１０とは異なる。

レーザ加工装置４０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、を備えている。レーザ加工装置４０は、さらに、加工テーブルの外側に配置されたハーフミラー５と、ハーフミラー５を透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部１４と、ハーフミラー５で反射してレーザ加工装置１０内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部４と、を備えている。ハーフミラー５は、例えばレーザ光の光軸に対して垂直に配置されていてレーザ光に対して一定の反射率（例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光に対して約０．５％の反射率、すなわち約９９．５％の透過率）を有する平滑なハーフミラーである。レーザ光除去部１４は、例えばレーザ光の光軸に対して４５°傾斜していてアルマイト処理されたアルミ板でもよく、又は、レーザ光を別の場所へ反射するミラー等の光学系でもよい。戻り光測定部４は、レーザ発振器１１の内部に配置された既存のパワーセンサを利用できる。これによりレーザ加工装置４０は追加のセンサを必要としない。

図７は、レーザ加工装置４０の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置４０は、さらに、外部光学系１２から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部２０と、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の半導体集積回路、プロセッサ、又はコンピュータによって実行可能なプログラムで構成されていてレーザ加工前に外部光学系１２の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部４１と、種々のデータを記憶する記憶部２２と、備えている。加工条件補正部４１は、ハーフミラー５に向かって予め定めた位置（例えば＋１ｍｍ）に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う駆動指令部３０と、ハーフミラー５に向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力（例えば３０００Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う高出力指令部４２と、を備えている。加工条件補正部４１は、さらに、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第一測定値と、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内に戻り光測定部４によって測定された第二測定値との比較に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部４３と、計算した焦点移動量に基づいて加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部４４と、を備えている。なお、必須ではないが、レーザ加工装置４０は、さらに、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第一測定値と、記憶部２２に予め記憶した基準値（例えば１４Ｗ（＝理論値１５Ｗ×マージンα（０．９３）））とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部４５を備えていてもよい。なお、基準値は、外部光学系１２が汚染されていない状態でハーフミラー５に向かって予め定めた位置（例えば＋１ｍｍ）に焦点位置を合わせてレーザ光を出射したときの戻り光のエネルギ量に基づく。

図８は、他の実施形態に係るレーザ加工装置４０の動作を示すフローチャートである。以下、図７及び図８を参照して外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する処理について説明する。加工条件補正部４１がレーザ加工前に外部光学系の汚染による加工条件の補正を開始すると、ステップＳ２０では、駆動指令部３０がハーフミラー５に向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ２１では、高出力指令部４２がハーフミラー５に向かって高出力（例えば３０００Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ２２では、戻り光測定部４が、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内（例えば５秒後）にハーフミラー５で反射して戻る戻り光のエネルギ量を第一測定値として測定する。なお、図示しないものの、ステップＳ２２の後、レーザパワー補正部４５が、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第一測定値と、記憶部２２に予め記憶した基準値（例えば１４Ｗ）とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正してもよい。ステップＳ２３では、記憶部２２が第一測定値を格納する。ステップＳ２４では、戻り光測定部４が、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内（例えば３０秒後）にハーフミラー５で反射して戻る戻り光のエネルギ量を第二測定値として測定する。ステップＳ２５では、記憶部２２が第二測定値を格納する。ステップＳ２６では、焦点移動量計算部４３が、レーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第一測定値と、一定時間経過期間内に戻り光測定部４によって測定された第二測定値とを比較することにより、焦点移動量を計算する。ステップＳ２６において、第一測定値（例えば１５Ｗ）が第二測定値（例えば１３Ｗ）にマージンα（例えば１±０．０７）を掛けた値より大きい場合（ステップＳ２６のＹＥＳ）、ステップＳ２７において、焦点移動量計算部４３が焦点移動量（例えば＋１ｍｍ）を計算する。次いで、ステップＳ２８では、焦点位置補正部４４が、加工条件における焦点位置を補正する（例えば０ｍｍをー１ｍｍに補正）。ステップＳ２９では、レーザ加工装置４０がレーザ加工を開始する。ステップＳ２６において、第一測定値（例えば１５Ｗ）が第二測定値（例えば１４．５Ｗ）にマージンα（例えば１±０．０７）を掛けた値以下である場合（ステップＳ２６のＮＯ）、焦点位置が補正されることなく、ステップＳ２９において、レーザ加工装置４０がレーザ加工を開始する。斯かるレーザ加工装置４０によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成（ハーフミラー５、レーザ光除去部１４等）によってレーザ加工前にレンズ１及びウインド２の汚染レベルに応じて加工条件における焦点位置及びレーザパワーを補正できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できるため、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図９は、別の実施形態に係るレーザ加工装置５０の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置５０は、異なる構成の加工条件補正部５１を有していて、ハーフミラー５の表面より上方及び下方にも焦点位置を合わせてそれぞれレーザ光を出射することにより、戻り光測定部４によってそれぞれ測定された複数の測定値を含むグラフを作成し、グラフから計算した焦点位置とハーフミラー５の表面に合わせるように指令した焦点位置との差分に基づいて、焦点移動量を計算する点で、図７のレーザ加工装置４０とは異なる。

加工条件補正部５１は、ハーフミラー５の表面に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う第一駆動指令部５２と、ハーフミラー５に向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力（例えば３０００Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う第一高出力指令部５３と、を備えている。加工条件補正部５１は、さらに、ハーフミラー５の表面より上方及び下方に焦点位置を移動する指令を駆動制御部２０に対して行う第二駆動指令部５４と、上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でレーザ光をそれぞれ出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う第二高出力指令部５５と、を備えている。加工条件補正部５１は、さらに、ハーフミラー５の表面に焦点位置を合わせた状態で測定された第一測定値と、ハーフミラー５の表面より上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でそれぞれ測定された複数の第二測定値と、を含むグラフを作成するグラフ作成部５６と、グラフから焦点位置を計算し、計算した焦点位置とハーフミラー５の表面に合わせるように指令した焦点位置との差分に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部５７と、計算した焦点移動量に基づいて、加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部４４と、を有している。なお、必須ではないが、レーザ加工装置４０は、さらに、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第三測定値と、記憶部２２に予め記憶した基準値（例えば１４Ｗ（＝理論値１５Ｗ×マージンα（０．９３）））とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部４５を備えていてもよい。なお、基準値は、外部光学系１２が汚染されていない状態でハーフミラー５の表面に焦点位置を合わせてレーザ光を出射したときの戻り光のエネルギ量に基づく。

図１０は、レーザ加工装置５０の動作を示すフローチャートである。以下、図９及び図１０を参照して外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する処理について説明する。加工条件補正部５１がレーザ加工前に加工条件の補正を開始すると、ステップＳ３０では、第一駆動指令部５２がハーフミラー５の表面に焦点位置を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ３１では、第一高出力指令部５３がハーフミラー５に向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力（例えば３０００Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ３２では、戻り光測定部４がハーフミラー５で反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を第一測定値として測定する。なお、図示しないものの、ステップＳ３２の後、レーザパワー補正部４５が、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に戻り光測定部４によって測定された第三測定値と、記憶部２２に予め記憶した基準値（例えば１４Ｗ）とに基づいて、加工条件におけるレーザパワーを補正してもよい。ステップＳ３３では、記憶部２２が第一測定値を格納する。ステップＳ３４では、第二駆動指令部５４がハーフミラー５の表面より上方及び下方に焦点位置を移動する指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ３５では、第二高出力指令部５５が上方及び下方に焦点位置を合わせた状態で高出力（例えば３０００Ｗ）のレーザ光をそれぞれ出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ３６では、戻り光測定部４が、ハーフミラー５で反射してレーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を複数の第二測定値としてそれぞれ測定する。ステップＳ３７では、記憶部２２が複数の第二測定値を格納する。ステップＳ３８では、グラフ作成部５６が、ハーフミラー５の表面に焦点位置を合わせた状態で測定された第一測定値と、ハーフミラー５の表面より上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でそれぞれ測定された複数の第二測定値と、を含むグラフを作成する。ステップＳ３９では、焦点移動量計算部５７が、グラフから焦点位置を計算し、計算した焦点位置とハーフミラー５の表面に合わせるように指令した焦点位置との差分に基づいて、焦点移動量を計算する。ステップＳ４０では、焦点位置補正部４４が、計算した焦点移動量に基づいて、加工条件における焦点位置を補正する。ステップＳ４１では、レーザ加工装置５０がレーザ加工を開始する。斯かるレーザ加工装置５０によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成（ハーフミラー５、レーザ光除去部１４、等）によってレーザ加工前にレンズ１及びウインド２の汚染レベルに応じて加工条件における焦点位置及びレーザパワーを補正できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できるため、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、更に他の実施形態に係る戻り光測定部６０、７０の配置を示す配置図である。戻り光測定部６０、７０は、レーザ発振器内に配置された既存の戻り光測定部４とは異なり、外部光学系の内部に配置されている。図１１Ａに示す戻り光測定部６０は、Ｌ字形の加工ヘッドの折返し部分において光軸に対して４５°傾斜して配置されたハーフミラー６１を透過した戻り光を測定する。図１１Ｂに示す戻り光測定部７０は、直線形の加工ヘッド内の集光レンズ１とコリメーションレンズ６との間において光軸に対して４５°傾斜して配置されたハーフミラー７１で反射した戻り光を測定する。戻り光測定部６０又は７０は、外部光学系の内部に配置されるため、比較的容易に後付けできる構成であり、既存の戻り光測定部４を利用できない場合には特に有利である。

なお、戻り光測定部４、６０、７０の応答速度は、２０μ秒以下であることが好ましい。一般的に、高出力のレーザ出射によって比較的大きな戻り光が発生する穴開け加工では、厚さ１ｍｍのワークを穴開け加工するのに概ね１００μ秒の時間が掛かるが、出射時間が１００μ秒程度に短い時間であれば、高出力のレーザ出射であってもレーザ発振器１１が損傷しないことが分かっている。また、一般的に、戻り光測定部４、６０、７０によって測定される測定値は、ノイズを有するため、数点（例えば５点）の測定値を平均化することよって算出される。これら２つの背景を考慮すると、戻り光測定部４、６０、７０の応答速度が２０μ秒以下（＝１００μ秒÷５）であることにより、高出力のレーザ出射による比較的大きな戻り光が発生したとしても、レーザ発振器に損傷を与えることなく外部光学系の汚染レベルに応じた加工条件の補正を行うことができる。

前述した実施形態におけるコンピュータによって実行可能なプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ等に記録して提供できる。本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１ レンズ
２ ウインド
３ 反射板
４ 戻り光測定部
５ ハーフミラー
１０ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 外部光学系
１３ 数値制御装置
１４ レーザ光除去部
２０ 駆動制御部
２１ 加工条件補正部
２２ 記憶部
３０ 駆動指令部
３１ 低出力指令部
３２ レーザパワー補正部
４０ レーザ加工装置
４１ 加工条件補正部
４２ 高出力指令部
４３ 焦点移動量計算部
４４ 焦点位置補正部
４５ レーザパワー補正部
５０ レーザ加工装置
５１ 加工条件補正部
５２ 第一駆動指令部
５３ 第一高出力指令部
５４ 第二駆動指令部
５５ 第二高出力指令部
５６ グラフ作成部
５７ 焦点移動量計算部
６０ 戻り光測定部
７０ 戻り光測定部

Claims (8)

1. 光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、
   前記レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていて前記レーザ光に対して一定の反射率を有する反射板と、
   前記反射板で反射して前記レーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、
   前記外部光学系が汚染されていない状態で前記反射板に向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせて前記反射板を溶融又は変形させない程度に低い予め定めた出力でレーザ光を出射したときの前記戻り光のエネルギ量に基づく基準値を記憶する記憶部と、
   レーザ加工前に前記外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、
   を備え、
   前記加工条件補正部は、
   前記反射板に向かって前記予め定めた位置と同じ位置に焦点位置を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う駆動指令部と、
   前記反射板に向かって前記予め定めた出力と同じ低い出力でレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う低出力指令部と、
   前記戻り光測定部によって測定された測定値と前記基準値とに基づいて、前記加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、
   前記レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていて前記レーザ光に対して一定の反射率を有するハーフミラーと、
   前記ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部と、
   前記ハーフミラーで反射して前記レーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、
   レーザ加工前に前記外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、
   を備え、
   前記加工条件補正部は、
   前記ハーフミラーに向かって予め定めた位置に焦点位置を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う駆動指令部と、
   前記ハーフミラーに向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う高出力指令部と、
   前記外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内に前記戻り光測定部によって測定された第一測定値と、前記外部光学系が温められた一定時間経過期間内に前記戻り光測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部と、
   計算した焦点移動量に基づいて、前記加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. さらに、前記外部光学系が汚染されていない状態で前記ハーフミラーに向かって前記予め定めた位置と同じ位置に焦点位置を合わせてレーザ光を出射したときの前記戻り光のエネルギ量に基づく基準値を記憶する記憶部を備え、
   前記加工条件補正部は、さらに、
   前記外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内に前記戻り光測定部によって測定された前記第一測定値と前記基準値とに基づいて、前記加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部を有する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置を移動させるための駆動制御部と、
   前記レーザ光の光軸に対して垂直に配置されていて前記レーザ光に対して一定の反射率を有するハーフミラーと、
   前記ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部と、
   前記ハーフミラーで反射して前記レーザ加工装置内に戻る戻り光のエネルギ量を測定する戻り光測定部と、
   レーザ加工前に前記外部光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正する加工条件補正部と、
   を備え、
   前記加工条件補正部は、
   前記ハーフミラーの表面に焦点位置を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う第一駆動指令部と、
   前記ハーフミラーに向かってレーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う第一高出力指令部と、
   前記ハーフミラーの表面より上方及び下方に焦点位置を移動する指令を前記駆動制御部に対して行う第二駆動指令部と、
   前記上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でレーザ光をそれぞれ出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う第二高出力指令部と、
   前記ハーフミラーの表面に焦点位置を合わせた状態で測定された第一測定値と、前記ハーフミラーの表面より上方及び下方に焦点位置を合わせた状態でそれぞれ測定された複数の第二測定値と、を含むグラフを作成するグラフ作成部と、
   前記グラフから焦点位置を計算し、計算した焦点位置と前記ハーフミラーの表面に合わせるように指令した焦点位置との差分に基づいて、焦点移動量を計算する焦点移動量計算部と、
   計算した前記焦点移動量に基づいて、前記加工条件における焦点位置を補正する焦点位置補正部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
5. さらに、前記外部光学系が汚染されていない状態で前記ハーフミラーの表面に焦点位置を合わせてレーザ光を出射したときの前記戻り光のエネルギ量に基づく基準値を記憶する記憶部を備え、
   前記加工条件補正部は、さらに、
   前記外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内に前記戻り光測定部によって測定された第三測定値と前記基準値とに基づいて、前記加工条件におけるレーザパワーを補正するレーザパワー補正部を有する、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記戻り光測定部が外部光学系の内部に配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記戻り光測定部が前記レーザ発振器の内部に配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記戻り光測定部の応答速度が２０μ秒以下である、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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