JP2021162715A - 焦点距離調整装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で精度よいレーザ光の焦点距離を調整可能とすること。
【解決手段】焦点距離調整装置１２は、第１レンズ３１を保持する保持部７０と、保持部７０をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って移動可能に支持するガイド部６０と、軸体８１を有し、軸体８１の中心軸Ｏ１が光軸Ｌｘと直交するように配置されたステッピングモータ８０と、軸体８１と保持部７０との間に介在され、軸体８１の回転運動を保持部７０の直線運動に変換する変換部９０と、を備える。変換部９０は、保持部７０との間で、変換部９０から保持部７０に、光軸Ｌｘと平行な方向には、運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部９２を備える。
【選択図】図３

Description

本開示は、焦点距離調整装置及びレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工装置は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査し、ワークを加工する。レーザ加工装置には、レーザ光の焦点位置を調整するものが各種提案されている。

例えば、特許文献１には、ガイドやリニアスケールを使用して、永久磁石の磁力を使ってレンズを移動させる技術が開示されている。また、特許文献２には、ステッピングモータの軸体に送りねじが連結され、送りねじがねじ込まれた一軸テーブルがステッピングモータの回転に応じて送りねじの軸方向に移動することで、一軸テーブルに取り付けられた凹レンズが移動する技術が開示されている。また、特許文献３には、調整つまみの回転操作に応じて、その回転運動を直線運動に変換し、それをテーパ構造で接触しているレンズユニット側へと伝達して、レンズを移動させる技術が開示されている。

特開２００９−２９１８１１号公報 特開平０９−０６６３５７号公報 特開２００５−２３８３２７号公報

しかしながら、特許文献１は、磁力を使ったリニア駆動であるが、加工中における焦点移動のように微少な調整や滑らかな焦点位置の移動に関しては十分とは言えず、改善の余地があると考えられる。また、磁力を使ったシステムになり、必要以上に磁場を発生する土台が必要となりスペース的にも無駄が多くなる虞がある。

また、特許文献２では、ステッピングモータを使用した回転により一軸テーブルが移動するため、送りねじと一軸テーブルとに対して、加工中の焦点移動に必要な繊細な加工が難しいという課題がある。また、レーザ加工において、年々高速化が求められているなか、頻繁に焦点位置を調整する状況には向いていない。また、送りねじと一軸テーブルとの間のねじ構造の遊びによって、一軸テーブルをステッピングモータに近づける方向への移動と、ステッピングモータから離れる方向への移動とにおいて、ステッピングモータの回転方向に対して一軸テーブルの位置ずれが生じる虞があるため、焦点距離の調整に関して改善の余地があると考えられる。

また、特許文献３は、手動で調整するものであるが、これを自動化することを考えた場合、レンズを一定方向に付勢する構造を備えているにしても、やはり、調整つまみの回転方向に対するレンズの位置ずれが生じる虞があり、焦点距離の調整に関して改善の余地があると考えられる。

本開示の目的は、簡易な構成で精度よいレーザ光の焦点距離を調整可能とした焦点距離調整装置及びレーザ加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本開示の焦点距離調整装置は、第１レンズと、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズとを備え、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調整して前記第１レンズ及び前記第２レンズを透過したレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置であって、前記第１レンズを保持する保持部と、前記保持部を前記第１レンズの光軸に沿って移動可能に支持するガイド部と、軸体を有し、前記軸体の中心軸が前記光軸と直交するように配置されたステッピングモータと、前記軸体と前記保持部との間に介在され、前記軸体の回転運動を前記保持部の直線運動に変換する変換部と、を備え、前記変換部は、前記保持部との間で、前記変換部から前記保持部に、前記光軸と平行な方向には、運動力を伝達するとともに、前記軸体の前記中心軸と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部を備える。

また、本開示のレーザ加工装置は、レーザ光を走査してワークの加工面を加工するレーザ加工装置であって、前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光を走査する走査部と、前記レーザ発振器と前記走査部との間に配置され、第１レンズと、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズとを備え、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調整して前記走査部からワークに向かうレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置と、を備え、前記焦点距離調整装置は、前記第１レンズを保持する保持部と、前記保持部を前記第１レンズの光軸に沿って移動可能に支持するガイド部と、軸体を有し、前記軸体の中心軸が前記光軸と直交するように配置されたステッピングモータと、前記軸体と前記保持部との間に介在され、前記軸体の回転運動を前記保持部の直線運動に変換する変換部と、を備え、前記変換部は、前記保持部との間で、前記変換部から前記保持部に、前記光軸方向と平行な方向には、運動力を伝達するとともに、前記軸体の前記中心軸と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部を備える。

本開示の一態様によれば、簡易な構成で精度よいレーザ光の焦点距離を調整可能とした焦点距離調整装置及びレーザ加工装置を提供することができる。

一実施形態のレーザ加工装置のブロック図。 焦点距離調整装置の斜視図。 焦点距離調整装置の平面図。 焦点距離調整装置の一部拡大斜視図。 焦点距離調整装置の側面図。 図５の６−６線断面図であり、焦点距離調整装置の要部拡大図。 （ａ）〜（ｃ）はレンズの位置と焦点との関係を示す説明図。 焦点距離を調整した場合のレーザ光の説明図。 焦点距離を調整しない場合のレーザ光の説明図。

以下、一実施形態を説明する。
なお、添付図面は、理解を容易にするために構成要素を拡大して示している場合がある。構成要素の寸法比率は実際のものと、または別の図面中のものと異なる場合がある。また、断面図では、理解を容易にするために、一部の構成要素のハッチングを省略している場合がある。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１、焦点距離調整装置１２、走査部１３、光学部材１４、入力部１５、制御部１６を有している。
レーザ発振器１１は、ワークＷを加工するレーザ光Ｌｗを出射する。レーザ発振器１１は、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、等のレーザ光源である。レーザ光Ｌｗは、焦点距離調整装置１２、走査部１３、光学部材１４を介してワークＷに照射される。

焦点距離調整装置１２は、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光Ｌｗのビーム径を調整（拡大）するビームエキスパンダとしての機能を有している。また、焦点距離調整装置１２は、レーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置としての機能を有している。

走査部１３は、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光Ｌｗを走査するものである。走査部１３は、一対のガルバノミラー２１，２２と、一対のガルバノミラー２１，２２を駆動するモータ２３，２４を有する。ガルバノミラー２１，２２は、例えば全反射ミラーである。ガルバノミラー２１，２２は、それぞれ所定方向に回動可能に支持されている。ガルバノミラー２１は、ワークＷに対して第１の方向（例えば、Ｘ軸方向）に回動可能に支持され、ガルバノミラー２２は、ワークＷに対して第２の方向（第１の方向と直交する方向であり、例えばＹ軸方向）に回動可能に支持されている。モータ２３は、ガルバノミラー２１を回動駆動し、モータ２４は、ガルバノミラー２２を回動駆動する。これにより、走査部１３は、ワークＷに対して所定の２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）にレーザ光Ｌｗを２次元走査可能である。

走査部１３にて反射されたレーザ光Ｌｗは、光学部材１４を介してワークＷに照射される。光学部材１４は、レーザ光Ｌｗについて透光性を有する部材であり、例えば集束（収束）レンズやガラス部材（保護ガラス）などである。光学部材１４を集束レンズとした場合、光学部材１４は、焦点距離調整装置１２にてビーム径が調整された（あるいは、場合によっては集光角も調整された）レーザ光Ｌｗを集光する構成となる。また、光学部材１４をガラス部材（保護ガラス）とした場合、光学部材１４は、焦点距離調整装置１２にてビーム径や集光角が調整されたレーザ光Ｌｗを透過する構成となる。

レーザ加工装置１０は、レーザ光ＬｗをワークＷに照射し、ワークＷを加工する。レーザ光Ｌｗによる加工は、ワークＷの表面の一部を加工パターンに従って除去（切削）する処理、レーザ光Ｌｗの熱によってワークＷの表面の一部を加工パターンに従って変色、変質させる処理、等を含む。

入力部１５は、キーボードやマウスなどの入力装置、液晶ディスプレイなどの表示装置、ＰＣ等で構成されている。作業者は入力部１５を操作することによってレーザ光Ｌｗの強度の設定、走査速度、ワーク間距離、加工パターン、等を制御部１６に設定できる。なお、入力部１５はタッチパネルを備えていてもよい。また、入力部１５は、例えば携帯端末とし、無線通信により制御部１６に接続される構成としてもよい。

制御部１６は、各種の設定に基づいて、レーザ発振器１１、焦点距離調整装置１２、走査部１３を制御する。例えば、制御部１６は、強度設定に基づいて、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光Ｌｗの強度（レーザパワー、出力レベル）、レーザ光Ｌｗのオンオフを制御する。また、制御部１６は、加工パターンに基づいて、走査部１３のモータ２３，２４を制御するとともに焦点距離調整装置１２を制御する。これにより、ガルバノミラー２１，２２の回動によってレーザ光ＬｗをワークＷの所望の位置に照射するとともに、そのレーザ光の焦点距離を調整する。

［焦点距離の調整］
図７（ａ）に示すように、焦点距離調整装置１２は、少なくとも２枚のレンズ３１，３２を有している。第１レンズ３１は、例えば凹レンズであり、第２レンズ３２は凸レンズである。第１レンズ３１と第２レンズ３２は、入射するレーザ光のビーム径を拡大し、平行光となるレーザ光Ｌｗを出力する。光学部材１４が集束（収束）レンズの場合は、平行光であるレーザ光Ｌｗを集光する。

図７（ｂ）に示すように、第１レンズ３１を第２レンズ３２に近づけると、第２レンズ３２を透過したレーザ光Ｌｗは、広がりを持つ、つまりビーム径は徐々に大きくなる。このレーザ光Ｌｗにより、光学部材１４により集光されたレーザ光Ｌｗの焦点位置は、図７（ａ）に示す焦点位置よりも光学部材１４から遠くなる。つまり、レーザ光Ｌｗの焦点距離が長くなる。

図７（ｃ）に示すように、第１レンズ３１を第２レンズ３２から遠ざけると、第２レンズ３２を透過したレーザ光Ｌｗは、絞られる、ビーム径は徐々に小さくなる。このレーザ光Ｌｗにより、光学部材１４により集光されたレーザ光Ｌｗの焦点位置は、図７（ａ）に示す焦点位置よりも光学部材１４に近くなる。つまり、レーザ光Ｌｗの焦点距離が短くなる。

［ビーム調整部（焦点距離調整装置）の構成］
図２から図６は、焦点距離調整装置１２の構成を示す。
図２から図６に示すように、焦点距離調整装置１２は、ベース４０、レンズホルダ５１、ホルダベース５２、ガイド部６０、保持部７０、ステッピングモータ（以下、単に「モータ」という）８０、変換部９０を有している。

ベース４０は、図１に示すレーザ発振器１１及び走査部１３が固定される光学ベース（図示略）に固定される。ベース４０は、光学ベースに固定されるベース板４１と、ベース板４１から立設された固定部４２とを有している。本実施形態において、ベース板４１と固定部４２とは一体に形成されている。上記のホルダベース５２は、ベース板４１に固定され、ガイド部６０及びモータ８０は、固定部４２に固定されている。保持部７０は、ガイド部６０に固定されている。そして、変換部９０は、モータ８０と保持部７０との間に介在されている。

保持部７０は、第１レンズ３１を保持する。保持部７０は、ベース板７１と、ベース板７１の側面に設けられたレンズ固定部７２とを有している。レンズ固定部７２は、筒状に形成され、第１レンズ３１が内挿される。レンズ固定部７２には、固定リング７３が取着され、固定リング７３によって第１レンズ３１が固定される。焦点距離調整装置１２は、第１レンズ３１の中心をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘ上とするように配置される。

ベース板７１は、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って延びる第１ベース部７１ａと第２ベース部７１ｂとを有している。ベース板７１（第１ベース部７１ａと第２ベース部７１ｂ）は、ベース４０に固定されたガイド部６０に固定されている。

ガイド部６０は、１本のレール６１と、レール６１に取着された第１ブロック６２ａ及び第２ブロック６２ｂとを有している。レール６１は、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って延びるように、ベース４０に固定されている。第１ブロック６２ａ及び第２ブロック６２ｂは、レール６１に沿って移動する、つまり、第１ブロック６２ａ及び第２ブロック６２ｂは、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って移動する。

第１ブロック６２ａ及び第２ブロック６２ｂには、保持部７０のベース板７１が固定されている。第１ブロック６２ａには、ベース板７１の第１ベース部７１ａが固定され、第２ブロック６２ｂには、ベース板７１の第２ベース部７１ｂが固定されている。従って、第１レンズ３１が固定されたレンズ固定部７２は、第１ブロック６２ａと第２ブロック６２ｂとの間に配置される。

モータ８０は、制御によって回転する軸体８１を有している。モータ８０は、平面視において、軸体８１の中心軸Ｏ１を、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと直交するように、ベース４０に固定されている。本実施形態において、「平面視」は、ベース４０のベース板４１の上面４１ａに垂直な方向から視ることをいう。この平面視では、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと直交する方向のうち、ガイド部６０のレール６１が取着されたベース４０の面と平行な方向から対象物を視る。

変換部９０は、モータ８０の軸体８１の回転運動を、保持部７０の直線運動に変換する。図４、図５に示すように、変換部９０は、アーム部９１と、連結部９２とを有している。アーム部９１は、モータ８０の軸体８１に固定されている。アーム部９１は、軸体８１と一体回転する。連結部９２は、アーム部９１と保持部７０との間で、変換部９０から保持部７０に対して、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと平行な方向に運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には運動力を伝達しない。

図４、図５に示すように、連結部９２は、支持軸９３と、ベアリング９４ａ，９４ｂ，９４ｃと、係合片９５ａ，９５ｂ，９５ｃとを有している。アーム部９１は、モータ８０の軸体８１の径方向に延びるように形成され、軸体８１と一体回転するように軸体８１に固定されている。

支持軸９３は、アーム部９１の先端に固定され、アーム部９１からモータ８０の軸体８１の中心軸Ｏ１と平行に延びている。
図４、図６に示すように、本実施形態の連結部９２は、３つのベアリング９４ａ，９４ｂ，９４ｃを有している。３つのベアリング９４ａ，９４ｂ，９４ｃは、支持軸９３に取着されている。３つのベアリング９４ａ，９４ｂ，９４ｃは、支持軸９３の中心軸に沿って、つまりモータ８０の軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向に沿って配列されている。各ベアリング９４ａ〜９４ｃは、内輪と、外輪と、ボール又はローラとそれらを保持するリテーナと、を有している。各ベアリング９４ａ〜９４ｃの内輪は支持軸９３に固定されている。各ベアリング９４ａ〜９４ｃの外輪は、内輪、つまり支持軸９３に対して自在に回転する。

図４、図６に示すように、本実施形態の連結部９２は、３つの係合片９５ａ，９５ｂ，９５ｃを有している。３つの係合片９５ａ〜９５ｃは、保持部７０のベース板７１に固定されている。各係合片９５ａ〜９５ｃは、ベアリング９４ａ〜９４ｃに対してレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと平行な方向に沿って配置されている。更に、係合片９５ａ〜９５ｃは、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと平行な第１方向と、第１方向とは反対（逆）の第２方向とにおいて、ベアリング９４ａ〜９４ｃと係合する。詳述すると、３つの係合片９５ａ〜９５ｃのうちの少なくとも１つの係合片は、第１方向においてベアリングと係合し、他の係合片は第２方向においてベアリングと係合する。

図６に示すように、本実施形態において、支持軸９３に取着された３つのベアリング９４ａ〜９４ｃのうちの中央のベアリング９４ｂは、係合片９５ｂと第１方向（図６において右方向）に係合する。この１つのベアリング９４ｂについては、第２方向（図６において左方向）には係合するものが存在しない。そして、３つのベアリング９４ａ〜９４ｃのうちの両側のベアリング９４ａ，９４ｃは、係合片９５ａ，９５ｃと第２方向（図６において左方向）に係合する。これら２つのベアリング９４ａ，９４ｃについては、第１方向（図６において右方向）に係合するものが存在しない。

本実施形態において、光軸Ｌｘに平行な方向において、係合片９５ｂと係合片９５ａ，９５ｃとの間隔は、ベアリング９４ａ〜９４ｃの外径寸法と等しい。つまり、係合片９５ｂとベアリング９４ｂとが接しているとともに、係合片９５ａ，９５ｃとベアリング９４ａ，９４ｃとが接している。

図２，図３に示すように、ホルダベース５２は、ベース４０のベース板４１に固定されている。図３に示すように、本実施形態のレンズホルダ５１は、第２レンズ３２と第３レンズ３３を保持する。レンズホルダ５１は、ベース４０に固定されたホルダベース５２に取着されている。ホルダベース５２は、レンズホルダ５１の角度、つまり第２レンズ３２の角度を調整可能に構成されている。これにより、第２レンズ３２及び第３レンズ３３の光軸を、レーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと同一とするように調整される。

なお、図３に示すように、第２レンズ３２と第３レンズ３３とを備えた本実施形態の場合、図１に示す光学部材１４をガラス部材（保護ガラス）とすることができる。この場合、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す焦点距離の調整では、光学部材１４に替えて第３レンズ３３がレーザ光Ｌｗを集光する。一方、光学部材１４を集束（収束）レンズとした場合、第２レンズ３２と第３レンズ３３の一方を省略できる。

図２、図３に示すように、ベース板４１には、光電センサ４３が取着されている。この光電センサ４３は、保持部７０に保持された第１レンズ３１を初期位置に移動させるために設けられている。保持部７０のベース板７１（第１ベース部７１ａ）には、遮光板７５が固定されている。制御部１６は、光電センサ４３が遮光板７５を検出するまでモータ８０を駆動した後、反対方向にモータ８０を所定パルス駆動することにより、保持部７０、つまり第１レンズ３１を初期位置に移動させる。

より具体的には、制御部１６は、光電センサ４３が遮光板７５を検出するまで保持部７０を高速で移動させる。光電センサ４３が遮光板７５を検出すると、保持部７０の移動方向を反転させるとともに低速で光電センサ４３が遮光板７５を検出しなくなるまで移動させる。次に、光電センサ４３に向けて、光電センサ４３が遮光板７５を検出するまで保持部７０を低速で移動させる。このように、高速移動と低速移動とを用いることで、保持部７０を短時間で精度よく初期位置まで移動させることができる。

［作用］
次に、本実施形態のレーザ加工装置１０の作用を説明する。
焦点距離調整装置１２は、第１レンズ３１を保持する保持部７０と、保持部７０をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って移動可能に支持するガイド部６０と、軸体８１を有し、軸体８１の中心軸Ｏ１が光軸Ｌｘと直交するように配置されたステッピングモータ８０と、軸体８１と保持部７０との間に介在され、軸体８１の回転運動を保持部７０の直線運動に変換する変換部９０と、を備える。変換部９０は、保持部７０との間で、変換部９０から保持部７０に、光軸Ｌｘと平行な方向には、運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部９２を備える。

この構成によれば、ステッピングモータ８０の軸体８１の回転運動を、保持部７０の直線運動に変換する変換部９０によって、ステッピングモータ８０の軸体８１の中心軸Ｏ１をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと直交するようにステッピングモータ８０を配置することで、焦点距離調整装置１２を小型化できる。変換部９０の連結部９２は、光軸Ｌｘと平行な方向には、運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には、運動力を伝達しないことで、保持部７０において、光軸Ｌｘと平行な方向の運動力のみが加わり、光軸Ｌｘと直交する軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向の運動力が加わらないことで、保持部７０を小型化及び軽量化でき、保持部７０、つまり第１レンズ３１をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘの方向について、簡易な構成で精度よく移動させることができる。

連結部９２は、軸体８１から軸体８１の径方向に延びるアーム部９１と、アーム部９１から軸体８１の中心軸Ｏ１と平行に延びる支持軸９３と、支持軸９３に固定されたベアリング９４ａ〜９４ｃと、光軸Ｌｘと平行な方向にてベアリング９４ａ〜９４ｃと係合する係合片９５ａ〜９５ｃとを備える。ベアリング９４ａ〜９４ｃの内輪は支持軸９３に固定され、ベアリング９４ａ〜９４ｃの外輪が係合片９５ａ〜９５ｃと係合する。したがって、係合片９５ａ〜９５ｃと係合する外輪に対してベアリング９４ａ〜９４ｃの内輪が相対回転することで、支持軸９３の移動に対する抵抗が極めて少なく、モータ８０により保持部７０、つまり第１レンズ３１を容易に移動させることができる。

３つのベアリング９４ａ〜９４ｃのうちの中央のベアリング９４ｂを第１ベアリングとし、第１ベアリング９４ｂと係合する係合片９５ｂを第１係合片とする。また、第１ベアリング９４ｂの両側のベアリング９４ａ，９４ｃを第２ベアリングとし、第２ベアリング９４ａ，９４ｃと係合する係合片９５ａ，９５ｃを第２係合片とする。第１ベアリング９４ｂは、光軸Ｌｘと平行な第１方向において第１係合片９５ｂと係合する。したがって、第１ベアリング９４ｂによって係合片９５ｂを押圧して保持部７０を第１方向に移動させるとき、第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとを結ぶ線上に、保持部７０を移動させる運動力が生じる。一方、第２ベアリング９４ａ，９４ｃは、第１方向と反対の第２方向において、第２係合片９５ａ，９５ｃと係合する。したがって、２つの第２ベアリング９４ａ，９４ｃによって２つの第２係合片９５ａ，９５ｃを押圧して保持部７０を第２方向に移動させるとき、２つの第２ベアリング９４ａ，９４ｃの間、つまり第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとを結ぶ線上に、保持部７０を移動させる運動力が生じる。

このように、本実施形態の焦点距離調整装置１２は、保持部７０を第１方向に移動させるときと、保持部７０を第２方向に移動させるときとで、同じ位置において互いに反対方向に向かう運動力が生じる。したがって、他の方向に向けて運動力が加わることがなく、容易に保持部７０、つまり第１レンズ３１を移動させることができる。

第１ベアリング９４ｂは、第１方向において第１係合片９５ｂと係合し、第２方向において係合するものはない。第２ベアリング９４ａ，９４ｃは、第２方向において第２係合片９５ａ，９５ｃと係合し、第１方向において係合するものはない。この場合、各ベアリング９４ａ〜９４ｃは、外輪に対して内輪が回転自在であるため、第１ベアリング９４ｂの外輪と第２ベアリング９４ａ，９４ｃの外輪とが互いに反対方向に回転することで、モータ８０の駆動によって各ベアリング９４ａ〜９４ｃが容易に移動できる。このため、保持部７０を第１方向に移動させるときと、保持部７０を第２方向に移動させるときとで、保持部７０の位置ずれを抑制でき、精度よく保持部７０、つまり第１レンズ３１を移動させることができる。

また、光軸Ｌｘと平行な方向において、第１係合片９５ｂと第２係合片９５ａ，９５ｃとの間隔は、各ベアリング９４ａ〜９４ｃの外径寸法と等しい。したがって、第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとの間、第２ベアリング９４ａ，９４ｃと第２係合片９５ａ，９５ｃとの間に遊びが無い状態となる。このような状態であっても、上述したように、第１ベアリング９４ｂの外輪と第２ベアリング９４ａ，９４ｃの外輪とが互いに反対方向に回転することで、各ベアリング９４ａ〜９４ｃが各係合片９５ａ〜９５ｃと摺動することなく、移動できる。このため、保持部７０を１つの方向から移動させて位置決めしたり、付勢のための手段を備えたりすることなく、保持部７０の移動方向を反転させることができ、保持部７０を容易に位置決めできる。

図９は、本実施形態のレーザ加工装置１０に対する比較例の説明図である。
図９は、光学部材１４からレーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐまでの焦点距離Ｄ９を調整しない場合のワークＷの加工面Ｗａとレーザ光Ｌｗとの関係を示す。例えば、ワークＷの加工面Ｗａにおける加工範囲の中心において、レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して垂直に照射される。この加工面Ｗａにレーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐがくるように、ワークＷを配置する。この場合、加工範囲の周辺では、加工面Ｗａに対してレーザ光Ｌｗが斜めに照射される。そして、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ９を調整しない場合、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐは、加工面Ｗａから上方に離れてしまう。この場合、加工面Ｗａには、焦点Ｌｐから広がるレーザ光Ｌｗが照射されることになり、レーザ光Ｌｗが照射された加工面Ｗａにおいて形成されるスポット光の面積は、加工面Ｗａに対して垂直に照射されたレーザ光Ｌｗにより形成されるスポット光の面積よりも大きくなる。

本実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌｗの焦点距離を調整する。
図８に示すように、ワークＷの加工面Ｗａに対してレーザ光Ｌｗが斜めに照射される範囲、例えば、ワークＷの加工面Ｗａにおける加工範囲の周辺領域において、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａ上とするように、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ８ａを調整する。これにより、レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して斜めに照射される領域において、照射されたレーザ光Ｌｗによるスポット光の面積を小さくできる。

そして、レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して垂直に近い角度で照射される領域では、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ８ｂを調整し、この焦点距離Ｄ８ｂを、上述の焦点距離Ｄ８ａよりも短くする。つまり、レーザ光Ｌｗを照射するワークＷの加工面Ｗａの照射位置に応じて、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ８ａ，Ｄ８ｂを調整する。

さらに、本実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ光ＬｗがワークＷの加工面Ｗａに対して垂直に近い角度で照射される領域において、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａからずらすデフォーカス制御を行う。ワークＷの加工面Ｗａに対してレーザ光Ｌｗが斜めに照射される場合、加工面Ｗａにおけるスポット光の形状は楕円形となる。スポット光の形状は、加工面Ｗａに対してレーザ光Ｌｗが垂直に照射される領域では円形となる。焦点Ｌｐを加工面Ｗａに一致させると、そのスポット光の面積は、レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して斜めに照射される場合のスポット光の面積よりも小さい。このため、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａからずらすと、スポット光の面積を大きくできる。これにより、加工面Ｗａにおけるスポット光の面積のばらつきを低減できる。

（効果）
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）焦点距離調整装置１２は、第１レンズ３１を保持する保持部７０と、保持部７０をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘに沿って移動可能に支持するガイド部６０と、軸体８１を有し、軸体８１の中心軸Ｏ１が光軸Ｌｘと直交するように配置されたステッピングモータ８０と、軸体８１と保持部７０との間に介在され、軸体８１の回転運動を保持部７０の直線運動に変換する変換部９０と、を備える。変換部９０は、保持部７０との間で、変換部９０から保持部７０に、光軸Ｌｘと平行な方向には、運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部９２を備える。

この構成によれば、ステッピングモータ８０の軸体８１の回転運動を、保持部７０の直線運動に変換する変換部９０によって、ステッピングモータ８０の軸体８１の中心軸Ｏ１をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘと直交するようにステッピングモータ８０を配置することで、焦点距離調整装置１２を小型化できる。変換部９０の連結部９２は、光軸Ｌｘと平行な方向には、運動力を伝達するとともに、軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向には、運動力を伝達しないことで、保持部７０において、光軸Ｌｘと平行な方向の運動力のみが加わり、光軸Ｌｘと直交する軸体８１の中心軸Ｏ１と平行な方向の運動力が加わらないことで、保持部７０を小型化及び軽量化でき、保持部７０、つまり第１レンズ３１をレーザ光Ｌｗの光軸Ｌｘの方向について、簡易な構成で精度よく移動させることができる。

（２）連結部９２は、軸体８１から軸体８１の径方向に延びるアーム部９１と、アーム部９１から軸体８１の中心軸Ｏ１と平行に延びる支持軸９３と、支持軸９３に固定されたベアリング９４ａ〜９４ｃと、光軸Ｌｘと平行な方向にてベアリング９４ｂと係合する係合片９５ａ〜９５ｃとを備える。ベアリング９４ａ〜９４ｃの内輪は支持軸９３に固定され、ベアリング９４ａ〜９４ｃの外輪が係合片９５ａ〜９５ｃと係合する。したがって、係合片９５ａ〜９５ｃと係合する外輪に対してベアリング９４ａ〜９４ｃの内輪が相対回転することで、支持軸９３の移動に対する抵抗が極めて少なく、モータ８０により保持部７０、つまり第１レンズ３１を容易に移動させることができる。

（３）第１ベアリング９４ｂは、光軸Ｌｘと平行な第１方向において第１係合片９５ｂと係合する。したがって、第１ベアリング９４ｂによって第１係合片９５ｂを押圧して保持部７０を第１方向に移動させるとき、第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとを結ぶ線上に、保持部７０を移動させる運動力が生じる。一方、第２ベアリング９４ａ，９４ｃは、第１方向と反対の第２方向において、第２係合片９５ａ，９５ｃと係合する。したがって、２つの第２ベアリング９４ａ，９４ｃによって２つの第２係合片９５ａ，９５ｃを押圧して保持部７０を第２方向に移動させるとき、２つの第２ベアリング９４ａ，９４ｃの間、つまり第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとを結ぶ線上に、保持部７０を移動させる運動力が生じる。したがって、本実施形態の焦点距離調整装置１２は、保持部７０を第１方向に移動させるときと、保持部７０を第２方向に移動させるときとで、同じ位置において互いに反対方向に向かう運動力が生じる。したがって、他の方向に向けて運動力が加わることがなく、容易に保持部７０、つまり第１レンズ３１を移動させることができる。

（４）第１ベアリング９４ｂは、第１方向において第１係合片９５ｂと係合し、第２方向において係合するものはない。第２ベアリング９４ａ，９４ｃは、第２方向において第２係合片９５ａ，９５ｃと係合し、第１方向において係合するものはない。この場合、各ベアリング９４ａ〜９４ｃは、外輪に対して内輪が回転自在であるため、第１ベアリング９４ｂの外輪と第２ベアリング９４ａ，９４ｃの外輪とが互いに反対方向に回転することで、モータ８０の駆動によって各ベアリング９４ａ〜９４ｃが容易に移動できる。このため、保持部７０を第１方向に移動させるときと、保持部７０を第２方向に移動させるときとで、保持部７０の位置ずれを抑制でき、精度よく保持部７０、つまり第１レンズ３１を移動させることができる。

（５）光軸Ｌｘと平行な方向において、第１係合片９５ｂと第２係合片９５ａ，９５ｃとの間隔は、各ベアリング９４ａ〜９４ｃの外径寸法と等しい。したがって、第１ベアリング９４ｂと第１係合片９５ｂとの間、第２ベアリング９４ａ，９４ｃと第２係合片９５ａ，９５ｃとの間に遊びが無い状態となる。このような状態であっても、上述したように、第１ベアリング９４ｂの外輪と第２ベアリング９４ａ，９４ｃの外輪とが互いに反対方向に回転することで、各ベアリング９４ａ〜９４ｃが各係合片９５ａ〜９５ｃと摺動することなく、移動できる。このため、保持部７０を１つの方向から移動させて位置決めしたり、付勢のための手段を備えたりすることなく、保持部７０の移動方向を反転させることができ、保持部７０を容易に位置決めできる。

（６）ワークＷの加工面Ｗａに対してレーザ光Ｌｗが斜めに照射される範囲、例えば、ワークＷの加工面Ｗａにおける加工範囲の周辺領域において、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａ上とするように、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ８ａを調整する。これにより、レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して斜めに照射される領域において、照射されたレーザ光Ｌｗによるスポット光の面積を小さくできる。レーザ光Ｌｗが加工面Ｗａに対して垂直に近い角度で照射される領域では、レーザ光Ｌｗの焦点距離Ｄ８ｂを調整し、この焦点距離Ｄ８ｂを、上述の焦点距離Ｄ８ａよりも短くする。さらに、本実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ光ＬｗがワークＷの加工面Ｗａに対して垂直に近い角度で照射される領域において、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａからずらすデフォーカス制御を行う。これにより、加工面Ｗａにおけるスポット光の面積のばらつきを低減できる。

（変更例）
上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態において、レーザ発振器１１から走査部１３までを１つの筐体に収容したレーザ加工装置としてもよく、レーザ発振器１１と、焦点距離調整装置１２及び走査部１３とを別々の筐体に収容する構成としたレーザ加工装置としてもよい。

・変換部を構成するベアリング及び係合片の数を２つ又は４つ以上としてもよい。
・ワークＷの加工面Ｗａに対して垂直にレーザ光Ｌｗを照射する場合において、レーザ光Ｌｗの焦点Ｌｐを加工面Ｗａに一致させるように焦点距離を調整してもよい。

・上記実施形態では、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、第１レンズ３１を移動させることで、焦点距離を調整した。これに対し、図３に示す第２レンズ３２、又は第３レンズ３３を移動させて焦点距離を調整するようにしてもよい。また、第１レンズ３１から第３レンズ３３のうちの２枚を移動させて焦点距離を調整するようにしてもよい。

・上記実施形態において、第２レンズ３２と第３レンズ３３のいずれか一方を省略してもよい。
・上記実施形態に対し、第１レンズ３１から第３レンズ３３のうちの少なくとも１つを複数枚のレンズにて構成してもよい。

１０ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 焦点距離調整装置
１３ 走査部
１４ 光学部材
１５ 入力部
１６ 制御部
２１，２２ ガルバノミラー
２３，２４ モータ
３１ 第１レンズ
３１ レンズ
３２ 第２レンズ
３２ レンズ
４０ ベース
４１ ベース板
４１ａ 上面
４２ 固定部
４３ 光電センサ
５１ レンズホルダ
５２ ホルダベース
６０ ガイド部
６１ レール
６２ａ 第１ブロック
６２ｂ 第２ブロック
７０ 保持部
７１ ベース板
７１ａ 第１ベース部
７１ｂ 第２ベース部
７２ レンズ固定部
７３ 固定リング
７５ 遮光板
８０ ステッピングモータ
８１ 軸体
９０ 変換部
９１ アーム部
９２ 連結部
９３ 支持軸
９４ａ，９４ｃ ベアリング（第２ベアリング）
９４ｂ ベアリング（第１ベアリング）
９５ａ，９５ｃ 係合片（第２係合片）
９５ｂ 係合片（第１係合片）
Ｄ８ａ，Ｄ８ｂ，Ｄ９ 焦点距離
Ｌｐ 焦点
Ｌｗ レーザ光
Ｌｘ 光軸
Ｏ１ 中心軸
Ｗ ワーク
Ｗａ 加工面

Claims (9)

1. 第１レンズと、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズとを備え、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調整して前記第１レンズ及び前記第２レンズを透過したレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置であって、
   前記第１レンズを保持する保持部と、
   前記保持部を前記レーザ光の光軸に沿って移動可能に支持するガイド部と、
   軸体を有し、前記軸体の中心軸が前記光軸と直交するように配置されたステッピングモータと、
   前記軸体と前記保持部との間に介在され、前記軸体の回転運動を前記保持部の直線運動に変換する変換部と、
   を備え、
   前記変換部は、
   前記保持部との間で、前記変換部から前記保持部に、前記光軸と平行な方向には、運動力を伝達するとともに、前記軸体の前記中心軸と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部を備える、
   焦点距離調整装置。
2. 前記連結部は、
   前記軸体に固定され、前記軸体の径方向に延びるアーム部と、
   前記アーム部の先端から前記軸体の前記中心軸と平行に延びる支持軸と、
   前記支持軸に内輪が固定されたベアリングと、
   前記保持部に固定され、前記複数のベアリングと、前記光軸に沿った第１方向と、前記第１方向とは反対の第２方向とでベアリングと係合する係合片と、
   を備える、請求項１に記載の焦点距離調整装置。
3. 前記支持軸には、複数の前記ベアリングが固定され、
   前記係合片は、前記第１方向に複数の前記ベアリングのうちの第１ベアリングが係合する第１係合片と、前記第２方向に複数の前記ベアリングのうちの前記第１ベアリングと異なる第２ベアリングが係合する第２係合片と、を有する、
   請求項２に記載の焦点距離調整装置。
4. 前記支持軸の中心軸に沿って前記第１ベアリングを挟むように２つの前記第２ベアリングが前記支持軸に固定されている、請求項３に記載の焦点距離調整装置。
5. 前記光軸に沿った方向における前記第１係合片と前記第２係合片との間隔は、前記第１ベアリング及び前記第２ベアリングの外径と等しい、請求項３又は請求項４に記載の焦点距離調整装置。
6. 前記保持部は、前記ガイド部に固定されたベース板と、
   前記ベース板と直交する方向に延び、前記第１レンズが固定されたレンズ固定部と、
   を有し、
   前記係合片は、前記ベース板に連結されている、
   請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の焦点距離調整装置。
7. 前記ガイド部は、
   前記光軸に沿って延びる１本のレールと、
   前記レールに取着され、前記レールに沿って移動する第１ブロック及び第２ブロックと、
   を有し、
   前記保持部は、前記第１ブロック及び前記第２ブロックに接続されている、
   請求項６に記載の焦点距離調整装置。
8. 前記ベース板は、
   前記第１レンズに対して前記第２レンズの側に配置され、前記第１ブロックに固定された第１ベース部と、
   前記第１レンズに対して前記第２レンズとは反対側に配置され、前記第２ブロックに固定された第２ベース部と、
   を有する、請求項７に記載の焦点距離調整装置。
9. レーザ光を走査してワークの加工面を加工するレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ光を走査する走査部と、
   前記レーザ発振器と前記走査部との間に配置され、前記レーザ光の光軸上に配置された第１レンズ及び第２レンズを備え、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調整して前記走査部からワークに向かうレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置と、
   を備え、
   前記焦点距離調整装置は、
   前記第１レンズを保持する保持部と、
   前記保持部を前記光軸に沿って移動可能に支持するガイド部と、
   軸体を有し、前記軸体の中心軸が前記光軸と直交するように配置されたステッピングモータと、
   前記軸体と前記保持部との間に介在され、前記軸体の回転運動を前記保持部の直線運動に変換する変換部と、
   を備え、
   前記変換部は、
   前記保持部との間で、前記変換部から前記保持部に、前記光軸方向と平行な方向には、運動力を伝達するとともに、前記軸体の前記中心軸と平行な方向には、運動力を伝達しない連結部を備える、
   レーザ加工装置。

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