JP3825683B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ある幅を持ちある速度で送られる加工対象物に幅方向にわたってレーザ光による加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、ある速度で送られてくる加工対象物、例えば長尺の板状部材を所定のサイズで切断するような加工は、カッタを用いて行われるのが普通である。この場合、板状部材を送る機構は板状部材を定速で送り、所定のサイズ分送ったところで一旦停止させ、この状態でカッタによる切断を行い、切断後再び板状部材の送りを再開する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カッタによる加工では切断時の停止動作を伴うので、加工速度に限界があるうえに、加工くずが発生しやすい。このために、加工くずを収集する手段が必要であり、収集されたくずの処理も必要となる。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、レーザ光を利用することで加工くずの発生しにくいレーザ加工方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の課題は、加工中の加工対象物の送り速度の変動にも対応できるレーザ加工方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の更に他の課題は、上記の加工方法に適したレーザ加工装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ある幅を持ちこの幅方向に直角な方向に送られる加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法において、レーザ発振器で発生されるレーザ光を照射するスキャナを、これを搭載した駆動機構により前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて定速で移動させながら前記レーザ光の照射を行わせ、この移動に際しては前記スキャナによる前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させることにより、前記加工対象物をその幅方向に加工するようにし、前記移動に際しては更に、前記加工対象物に対するスキャン中の該加工対象物の送り速度の変化量をも考慮して前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させることを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【０００９】
本発明によればまた、ある幅を持ちこの幅に直角な方向に送られる加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光を発生するためのレーザ発振器と、前記レーザ光を前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて定速で移動させながら照射すると共に、この移動に際しては前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させるための照射手段と、前記レーザ発振器からのレーザ光を前記照射手段に導くための光学系とを備え、前記加工対象物をその幅方向に加工するようにし、前記照射手段は、前記レーザ光を前記加工対象物の送り方向と平行な方向に振らせるためのスキャナと、該スキャナを前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて移動させる駆動機構とを含み、更に、前記加工対象物の送り速度を検出するための速度センサと、該速度センサの検出信号を受け、前記スキャナと前記駆動機構とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置は、前記駆動機構による前記スキャナの移動に際し、前記加工対象物に対するスキャン中の前記送り速度の変化量をも考慮して前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させるように前記スキャナを制御することを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【００１２】
更に、前記駆動機構には、前記スキャナのレーザ光入射側に、該レーザ光を前記加工対象物上に焦点を結ぶように集光させる集光レンズを搭載するのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態を、長尺の加工対象物、例えば金属板を、一旦停止させることなく一定のサイズで切断するレーザ加工装置について説明する。図１において、このレーザ加工装置は、切断加工用のレーザ光を発生するためのレーザ発振器１１と、レーザ光を振らせるためのスキャナ１２を搭載してこのスキャナ１２を、ある速度で送られてくる金属板１０の幅方向の一端側から反対端側に向けて移動させる駆動機構１３と、レーザ発振器１１からのレーザ光をスキャナ１２に導くための光学経路１４と、スキャナ１２と駆動機構１３とを制御するための制御装置（図示省略）とを備えている。金属板１０は、例えばロール状に巻かれたものから送られてくる。
【００１４】
レーザ発振器１１には、金属板１０の材質に応じて、金属板１０を切断できるエネルギーを持つレーザ光を発生できるもの、例えばＣＯ₂ レーザ発振器、固体レーザ発振器が使用される。更には、固体レーザから波長変換素子により生成される２ω、３ω等のｎ次高調波（ｎは２以上の整数）レーザ光を使用しても良い。また、スキャナ１２としては、図２に示すように、ガルバノミラー１２−１を１つ備えた１軸式ガルバノスキャナが使用される。スキャナ１２は、ガルバノミラー１２−１をモータ１２−２で回動させることにより、ミラーに入射するレーザ光を所定の範囲に渡ってスキャンすることができる。光学経路１４としては、ここでは、レーザ発振器１１からのレーザ光を平行光にするためのコリメーションレンズ１４−１、レーザ光の角度を変えるための反射ミラー１４−２が組合わされる。
【００１５】
駆動機構１３は、金属板１０の走行経路を直角方向に跨ぐように架け渡されたガイド機構１５に沿って移動可能に設けられる。特に、このガイド機構１５は、金属板１０の一端側からの駆動機構１５の移動開始時の加速区間、反対端での移動停止のための減速区間を設定できるような長さを持つ。すなわち、金属板１０に対するレーザ光のスキャンは定速で行う必要があるので、金属板１０を実際にスキャンする前に駆動機構１３の立上がり時間に対応する移動区間が金属板１０の一端より外側に確保されるようにすると共に、金属板１０のスキャンが終了してから減速を開始して完全に停止するまでの時間に対応する移動区間が金属板１０の反対端より外側に確保されるようにしている。
【００１６】
図３において、コリメーションレンズ１４−１からの平行光は、反射ミラー１４−２を経由して加工レンズ１２−３によりその焦点距離ｆにより決まる位置に焦点を結ぶように集光される。加工レンズ１２−３は、スキャナ１２の手前の位置でスキャナ１２と共に移動するように駆動機構１３に搭載されている。そして、加工レンズ１２−３からスキャナ１２を経由した金属板１０までの距離が焦点距離ｆに等しくなるように設定される。その結果、加工レンズ１２−３とスキャナ１２との位置関係は駆動機構１３による移動にかかわらず常に一定であり、金属板１０を同じレーザビーム径により切断することができる。これは、加工レンズ１２−３は、その移動により反射ミラーレンズ１４−２との間の距離が変化するが、コリメーションレンズ１４−１から常に平行光を受けることができるからである。
【００１７】
本形態では、制御装置が、駆動機構１３によるスキャナ１２の移動に際しては金属板１０の送り速度に応じてレーザ光の照射位置を、金属板１０の反対端に近づくにつれて金属板１０の送り方向と同じ方向に徐々にずらすようにスキャナ１２を制御することにより、金属板１０をその幅方向の端部に直角に切断できるようにしている。
【００１８】
ところで、金属板１０の送り速度は定速であることが望ましいが、速度変化が生じることは避けられない。そして、スキャン中にこのような速度変化が生じると、上記のような制御だけでは金属板１０をその幅方向の端部に直角に切断することが困難になる。
【００１９】
本発明は、上記のような金属板１０の送り速度の変化を考慮して、スキャン中、すなわちスキャナ１２の移動に際しては金属板１０の送り速度の変化量に応じてレーザ光の照射位置を、金属板１０の送り方向と平行な方向に移動させるようにスキャナ１２を制御するようにした点に特徴を有する。
【００２０】
このために、金属板１０の送り速度を検出するための速度センサが設けられ、この速度検出信号は制御装置にフィードバックされる。制御装置は、スキャン中に金属板１０の送り速度に変化があった場合には、その変化量に応じてレーザ光の照射位置を移動させる。例えば、金属板１０の送り速度が上昇してしまった場合には、レーザ光の照射位置を金属板１０の送り方向と同じ方向に移動させる。逆に、金属板１０の送り速度が低下してしまった場合には、レーザ光の照射位置を金属板１０の送り方向と反対方向に移動させる。このようにして、１回のスキャン中に送り速度に変化が生じたとしても、金属板１０をその幅方向の端部に直角に切断することができる。
【００２１】
図４において、ガルバノスキャナによるスキャナ１２は、通常、入射するレーザ光を幅数（ｃｍ）程度の線状エリア内をスキャンできる能力を有している。これを利用して、スキャナ１２は、移動している金属板１０に対し、金属板１０の幅方向に関してみかけ上、角度θをなすように斜めにレーザ光を照射するように制御される。その結果、金属板１０はその端部に直角に切断されることとなる。このためには、みかけ上の角度θは、金属板１０の幅にもよるが、金属板１０の送り速度に応じて、これを幅方向にスキャンしていった時の反対端における送り方向のずれ量ｄが上記の数（ｃｍ）の範囲内に入るようにする必要がある。言い換えれば、金属板１０の送り速度及び金属板１０の幅に応じて制御装置によりみかけ上の角度θが調整される。加えて、スキャン中に送り速度の変化があった場合には、制御装置はその変化量に応じて上記の角度θを調整する。
【００２２】
上記のような制御は、スキャン中のみならず、加工を開始する際の金属板１０の走行開始直後及び加工を終了する際の走行停止直前にも適用される。例えば、加工を開始する際には、金属板１０の送り速度は徐々に上昇してある速度に達して定速走行に移る。このような送り速度の上昇時には、送り速度に応じて角度θを徐々に増加させるようにする。逆に、加工を終了する際の送り速度の減少時には、送り速度に応じて角度θを徐々に減少させるようにする。勿論、このような送り速度の上昇あるいは減少時においてスキャン中に送り速度が変動した場合には、上記と同様の制御が行われる。
【００２３】
ガルバノスキャナは、通常、幅４００（ｍｍ）程度を持つ金属板１０に対して位置決め精度±０．１（ｍｍ）のレーザ光照射を行うことができる。一方、レーザ光のスポット径を０．４（ｍｍ）とし、金属板１０の切断サイズを１００（ｍｍ）とした場合、その性能を落とすことなくスキャナ１２を移動させるとすると、駆動機構１３による移動速度は２（ｍ／ｓｅｃ）となる。そして、このような駆動機構１３によれば、数十（ｍ／ｍｉｎ）程度の金属板１０の送り速度に対応できる。このような駆動機構１３は、例えばリニアモータを利用した直線運動機構や、ガイド機構１５の全長にわたって無端式ベルトを設けて駆動機構１３を走行可能にし、無端式ベルトを固定部材に配置したサーボモータで駆動する機構を使用できる。また、ガイド機構１５に沿った運動を円滑にするためには、エアスライド機構を組合せるのが好ましい。
【００２４】
一方、スキャナ１２は、金属板１０からの高さ４００（ｍｍ）、図１に示す金属板１０の送り方向に平行な方向の光路差約１２（ｍｍ）の場合、金属板１０に照射されるレーザ光のスポットは±７（ｍｍ）の焦点深度に入る。
【００２５】
なお、上記の説明では、スキャナ１２の金属板１０の一端から反対端に向かう移動により金属板１０を切断する場合について説明したが、この後の反対端から一端に向かうスキャナ１２の移動により切断が行われることは言うまでも無い。そして、この場合、スキャナ１２は、金属板１０の一端に近づくにつれて金属板１０の送り方向と同じ方向に徐々に照射位置をずらすようにされる。また、ある切断から次の切断までの間のレーザ光は、光学経路１４中に回動ミラーを設けてそらせることにより捨て打ちするか、レーザ発振器１１の発振を停止させるようにする。
【００２６】
本発明は、金属板に限らず、樹脂板や比較的固い紙板のような薄板にも適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、ある幅を持ちある速度で送られる加工対象物にレーザ光を照射することにより、加工対象物を一旦停止させることなく幅方向に加工することができるので、加工速度の向上を図ることができ、レーザ光による加工は溶融なので加工くずの発生を抑制することができる。また、加工中に加工対象物の送り速度が変化しても、加工対象物の縁部に直角な加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための概略構成を示した図である。
【図２】図１のスキャナを説明するための図である。
【図３】図１の一部を拡大して示した図である。
【図４】図１のスキャナによるスキャンを説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 金属板
１１ レーザ発振器
１２ スキャナ
１２−１ ガルバノミラー
１２−２ モータ
１２−３ 加工レンズ
１３ 駆動機構
１４ 光学経路
１４−１ コリメーションレンズ
１４−２ 反射ミラー
１５ ガイド機構

Claims (2)

1. ある幅を持ちこの幅方向に直角な方向に送られる加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法において、
   レーザ発振器で発生されるレーザ光を照射するスキャナを、これを搭載した駆動機構により前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて定速で移動させながら前記レーザ光の照射を行わせ、この移動に際しては前記スキャナによる前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させることにより、前記加工対象物をその幅方向に加工するようにし、
   前記移動に際しては更に、前記加工対象物に対するスキャン中の該加工対象物の送り速度の変化量をも考慮して前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させることを特徴とするレーザ加工方法。
2. ある幅を持ちこの幅に直角な方向に送られる加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置において、
   レーザ光を発生するためのレーザ発振器と、
   前記レーザ光を前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて定速で移動させながら照射すると共に、この移動に際しては前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させるための照射手段と、
   前記レーザ発振器からのレーザ光を前記照射手段に導くための光学系とを備え、
   前記加工対象物をその幅方向に加工するようにし、
   前記照射手段は、前記レーザ光を前記加工対象物の送り方向と平行な方向に振らせるためのスキャナと、該スキャナを前記加工対象物の幅方向の一端側から反対端側に向けて移動させる駆動機構とを含み、
   更に、前記加工対象物の送り速度を検出するための速度センサと、該速度センサの検出信号を受け、前記スキャナと前記駆動機構とを制御するための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記駆動機構による前記スキャナの移動に際し、前記加工対象物に対するスキャン中の前記送り速度の変化量をも考慮して前記レーザ光の照射位置を、前記加工対象物の送り方向と平行な方向に移動させるように前記スキャナを制御することを特徴とするレーザ加工装置。

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