JP3918583B2 - 高密度エネルギー加工装置及び高密度エネルギー加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度エネルギービームを照射して被加工物を加工する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高密度エネルギービームとしてのレーザ光（レーザビーム）を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置が知られている。
例えば、特開平１０−３０５３８３号公報には、被加工物へのレーザ光の照射方向と垂直な方向に加工ヘッドを移動させつつ加工を行うレーザ加工装置が開示されている。このレーザ加工装置は、加工ヘッドの先端と被加工面との距離の変動を検出する静電容量型のギャップセンサと、加工ヘッド内でレーザ光の照射路に沿って移動可能に設けられる集光レンズとを備えている。そして、このレーザ加工装置は、加工ヘッドを移動させつつレーザ光を照射して被加工物の加工を行っている際に、被加工物の板厚が不均一である等の理由により、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離に微妙な変動が生じると、ギャップセンサの検出値に応じて集光レンズを移動させ、レーザ光の焦点の位置を加工に最適な位置へ調整するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示されている装置では、レーザ光の照射方向に垂直な平面を基準とするその照射方向に沿った被加工面の高さ（以下、単に「被加工面の高さ」という）が、その被加工面における場所によって大きく異ならない形状（即ち、被加工面の高さの差が小さい形状）の被加工物を加工する場合には、加工精度を向上させる効果が高いものの、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状（即ち、被加工面の高さの差が大きい形状）の被加工物を加工する場合には、十分な効果が得られないことがある。この理由としては、例えば、次の（１）、（２）が挙げられる。
【０００４】
（１）上記装置では、加工ヘッドを移動させつつ加工を行っている際に、加工ヘッドの先端と被加工面との距離が実際に変動してからレーザ光の焦点の位置を最適な位置へ調整するようになっているが、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工しようとすると、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離が急激に変化することとなる。このため、加工ヘッドの移動に対しレーザ光の焦点の最適な位置への調整が遅れ、意図しない加工（過剰加工や加工不足等）が発生しやすくなり、精度良く加工することができない。
【０００５】
（２）また、上記装置では、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離をピンポイントで検出している訳ではないため、例えば、被加工面に径の小さい所定深さの穴が形成された被加工物を加工しようとした場合に、加工ヘッドからその穴の底面までの距離を検出することができず、正確な加工を行うことができない。つまり、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を、精度良く加工することができない。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工する際の加工精度を向上させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、照射位置移動手段が、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。そして特に、本装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、照射位置移動手段により被加工面における高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、上記距離を、焦点位置変更手段及び集光レンズを通して検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。尚、高密度エネルギービームとしては、例えば、レーザ光や、光ビーム（レーザ光のように特定の波長の光のみではなく、幅広い範囲の波長の光を集光したビーム）等を用いることができる。
【０００８】
つまり、請求項１の高密度エネルギー加工装置では、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させつつ加工を行う際に、その照射位置の移動先となる箇所での被加工面の高さを検出し、その検出結果に基づき高密度エネルギービームの焦点の位置を変えるようになっている。
【０００９】
このような請求項１の高密度エネルギー加工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を、高密度エネルギービームの照射位置を移動させつつ加工する場合に、その照射位置での被加工面の高さが急激に変化しても、その変化に遅れることなく高密度エネルギービームの焦点の位置を加工に最適な位置へ調整することができるため、加工精度を向上させることができる。
【００１０】
次に、請求項２に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。そして特に、本装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、上記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から焦点位置変更手段及び集光レンズを通して検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。
【００１１】
つまり、請求項２の高密度エネルギー加工装置では、被加工面に高密度エネルギービームを照射して加工を行う際に、その高密度エネルギービームの照射方向と同じ方向からその照射位置での被加工面の高さを検出し、その検出結果に基づき高密度エネルギービームの焦点の位置を変えるようになっている。
【００１２】
このような請求項２の高密度エネルギー加工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工する場合に、高密度エネルギービームの照射位置とその近傍の位置とで被加工面の高さが大きく異なっていても、その照射位置での被加工面の高さを確実に検出することができるため、加工精度を向上させることができる。
【００１３】
ところで、上記請求項１，２の装置に用いられる焦点位置変更手段は、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることで、その焦点の位置を変えるように構成されており、曲率可変レンズを少し変形させるだけで焦点の位置を大きく変えることができるため、焦点を高速で移動させることができると共に、その応答性や精度についても高くすることができる。即ち、従来技術として示した特開平１０−３０５３８３号公報に記載のレーザ加工装置では、レーザ光の照射路に沿って集光レンズを移動させることで焦点の位置を変えるようになっているが、こうした構成では、焦点の移動量だけ集光レンズを移動させなければならないため、焦点を高速で移動させることが困難であり、しかも、集光レンズを移動させるのに機械的な構造が必要となるため、その応答性や精度も低下してしまう。これに対して、本発明では、焦点の移動について、速度、応答性及び精度を向上させることができるため、加工精度を一層向上させることができる。
【００１４】
また、検出手段は、請求項３に記載のように、基準面と検出対象点との距離を、被加工面と非接触で検出することが好ましい。即ち、被加工面と非接触で距離を検出する構成では、被加工面と接触して検出する構成に比べ、高速な検出が可能となるからである。加えて、被加工面と接触して距離を検出する構成では、検出用センサにより被加工面に傷などを付けてしまったり、検出用センサの被加工面に接触する部分が摩耗して正確な距離が検出できなくなってしまう可能性があるからである。
【００１５】
そして、この検出手段としては、例えば、請求項４のように、基準面と検出対象点との距離をＣＣＤカメラを用いて検出するものや、請求項５のように、その距離をレーザ光により検出するものを用いることができる。
そして特に、請求項４の検出手段を上記請求項１に適用すれば、高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所と基準面との距離を容易に検出することができる。即ち、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置の移動方向が一定でなければ、その照射位置と検出対象点との相対位置が変化することとなるが、ＣＣＤカメラを用いれば、高密度エネルギービームの照射位置を中心とする一定範囲を撮影し、その範囲内における任意の点を検出対象点として距離を検出することができ、高密度エネルギービームの照射位置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラによる撮影位置を移動させる必要が無いからである。
【００１６】
また、請求項５の検出手段を上記請求項２に適用すれば、被加工面における距離の検出対象となるポイントが小さくても、そのポイントと基準面との距離を確実に検出することができる。したがって、微細な加工を行う場合には特に効果的である。
【００１７】
次に、請求項６に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。更に、本装置は、照射位置移動手段が被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させる第１のモードと、この照射位置移動手段を動作させない第２のモードとの、何れかの動作モードで動作するようになっている。
【００１８】
そして特に、請求項６の高密度エネルギー加工装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、当該装置が第１のモードで動作している場合には、照射位置移動手段により被加工面における高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、上記距離を、焦点位置変更手段及び集光レンズを通してＣＣＤカメラを用いて検出し、当該装置が第２のモードで動作している場合には、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、上記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から焦点位置変更手段及び集光レンズを通してレーザ光により検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。
【００１９】
このような請求項６の高密度エネルギー加工装置によれば、上記請求項１〜５の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
次に、請求項７に記載の高密度エネルギー加工方法では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、その照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、この検出対象点と高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で、焦点位置変更手段により高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うことを特徴としている。そして、この高密度エネルギー加工方法によれば、上記請求項１の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
次に、請求項８に記載の高密度エネルギー加工方法では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、この検出対象点と高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で、焦点位置変更手段により前高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うことを特徴としている。そして、この高密度エネルギー加工方法によれば、上記請求項２の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
また、請求項９に記載のように、検出対象点と基準面との距離を、ＣＣＤカメラを用いて検出するようにすれば、上記請求項４の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
一方、請求項１０に記載のように、検出対象点と基準面との距離を、レーザ光により検出するようにすれば、上記請求項５の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施形態の高密度エネルギー加工装置について、図面を用いて説明する。
まず図１は、本実施形態の高密度エネルギー加工装置としてのレーザ加工装置１０の概略構成図である。
【００２４】
このレーザ加工装置１０は、被加工物１を加工するためのレーザ光（本実施形態では、短波長（０．５３２μｍ）のＹＡＧレーザ）Ｌ１を出力するレーザ発振器１２と、レーザ発振器１２により出力されたレーザ光Ｌ１を反射して方向変換し、被加工物１の被加工面１ａに照射する反射ミラー１４と、反射ミラー１４により反射されたレーザ光Ｌ１の照射路に設けられる可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８と、レーザ光Ｌ２を出力すると共に、被加工面１ａで反射されたレーザ光Ｌ２を入力してその被加工面１ａまでの距離を計測するレーザ計測器２０と、レーザ計測器２０により出力されたレーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、被加工面１ａに照射すると共に、その被加工面１ａで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、レーザ計測器２０に入力させる反射ミラー２２と、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置近傍を撮影するＣＣＤカメラ２４を有し、その撮影している映像に基づき被加工面１ａまでの距離を計測する測距装置２５と、被加工物１をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向（矢印ｘ，矢印ｙに示す方向）に移動させる加工テーブル２７と、被加工物１を加工するため上記レーザ発振器１２，可変焦点レンズ装置１６，レーザ計測器２０，測距装置２５及び加工テーブル２７を制御する制御装置２６とを備えている。尚、図１では、可変焦点レンズ装置１６を、構造を分かりやすくするために半分に切断された状態で表している。
【００２５】
そして、図２に示すように、可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８は、加工ヘッド２８内に同軸に設けられている。
また、レーザ計測器２０は、レーザ発振器１２により出力されるレーザ光Ｌ１に比べビーム径が小さく、且つ、このレーザ光Ｌ１とは波長の異なるレーザ光Ｌ２を出力する。
【００２６】
一方、反射ミラー１４は、透明な板の表面にレーザ光Ｌ１のみを全反射させるコーティングが施されたものである。また、反射ミラー２２は、透明な板の表面にレーザ光Ｌ２のみを全反射させるコーティングが施されたものである。そして、この反射ミラー２２は、レーザ光Ｌ２をレーザ光Ｌ１の照射路と同軸となるように方向変換する位置に設けられている。このため、反射ミラー２２で反射されたレーザ光Ｌ２は、反射ミラー１４を通過し、レーザ光Ｌ１と同一の照射路で加工ヘッド２８を通過して被加工面１ａに照射される。更に、レーザ光Ｌ２は、被加工面１ａで反射され、同一の経路でレーザ計測器２０に戻る。そして、レーザ計測器２０は、戻ってきたレーザ光Ｌ２に基づき、当該計測器２０から被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離を計測する。
【００２７】
一方また、測距装置２５のＣＣＤカメラ２４は、レーザ光Ｌ１の被加工面１ａへの照射路と同軸に、被加工面１ａに向けて設けられており、レーザ光Ｌ１の照射方向と同じ方向から、反射ミラー２２，１４、可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８を通して、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心とする一定範囲を撮影するようになっている。そして、測距装置２５は、制御装置２６により、上記一定範囲内の任意の点が検出対象点として指示されると、ＣＣＤカメラ２４により撮影している映像に基づき、ＣＣＤカメラ２４からその指示された点までの距離を計測する。
【００２８】
次に、可変焦点レンズ装置１６の構造について説明する。
図３は、可変焦点レンズ装置１６を、レーザ光Ｌ１の照射路を包含する平面で切断した断面図である。
この可変焦点レンズ装置１６は、環状の第１リング部材３０と、第１リング部材３０の軸方向両側に貼り付けられるガラス製の第１透明弾性板３２及び第２透明弾性板３４と、各透明弾性板３２，３４及び第１リング部材３０により形成される密閉空間に封入される作動流体３６と、第２透明弾性板３４の外面に貼り付けられる環状の第２リング部材３８と、第１透明弾性板３２の外面に貼り付けられるステンレス製の環状の第３リング部材４０と、等間隔に積層される環状の４枚の圧電バイモルフ４２，４２，…と、各圧電バイモルフ４２の内周部にそれぞれ接合されると共に、軸方向の一端が第１透明弾性板３２に接合される筒状の内周連結部材４４と、各圧電バイモルフ４２の外周部にそれぞれ接合されると共に、一端が第３リング部材４０に接合される棒状の６本の外周連結部材４６，４６，…とを備えている。尚、各リング部材３０，３８，４０と、各圧電バイモルフ４２と、内周連結部材４４とは、それぞれ同軸に設けられている。また、外周連結部材４６は、第３リング部材４０の全周に等間隔（６０度毎）に設けられている。
【００２９】
作動流体３６としては、各透明弾性板３２，３４とほぼ同じ屈折率のシリコンオイルが用いられており、その作動流体３６と各透明弾性板３２，３４とによってレーザ光Ｌ１が通過するレンズが形成されている。
圧電バイモルフ４２は、バネ弾性を有するステンレス鋼製の環状薄板である弾性板の両面に、圧電材料（具体的には、ＰＺＴ）からなる環状の圧電板が接合されたものである。そして、各圧電板における弾性板との接合面とは反対側の表面には、銀の微細粉末を主成分とする導電ペーストが印刷されて膜状の表面電極が形成されている。尚、圧電バイモルフ４２の各圧電板の分極方向は、軸方向となる同一方向へ向けられている。
【００３０】
内周連結部材４４及び外周連結部材４６は、共にステンレス鋼製である。そして、内周連結部材４４は、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に導通しており、且つ、各圧電バイモルフ４２の弾性板と電気的に絶縁されている。一方、外周連結部材４６は、各圧電バイモルフ４２の弾性板と電気的に導通しており、且つ、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に絶縁されている。
【００３１】
このような構造により、各圧電バイモルフ４２は、内周連結部材４４と外周連結部材４６とを介して電圧が印加されることにより同一の方向に変形する。例えば、正の電圧が印加されると、図３に示すように、各圧電バイモルフ４２の変形により内周連結部材４４が第１透明弾性板３２側に押し出され、第１透明弾性板３２の外面が凹状になると共に、第２透明弾性板３４の外面が凸状になる。一方、負の電圧が印加されると、図４に示すように、各圧電バイモルフ４２の変形により内周連結部材４４が第１透明弾性板３２側とは反対側に引っ張られ、第１透明弾性板３２の外面が凸状になると共に、第２透明弾性板３４の外面が凹状になる。
【００３２】
つまり、内周連結部材４４と外周連結部材４６とを介して印加する電圧を変化させることで、各透明弾性板３２，３４と作動流体３６とにより形成されるレンズを変形させ、そのレンズの曲率を変化させることができるようになっている。尚、レンズの形状は図３及び図４に示した状態に限らず、印加する電圧値に応じて連続的に変形するようになっており、その結果、レンズの曲率を連続的に変化させることが可能となる。
【００３３】
次に、制御装置２６が行う加工処理について説明する。
制御装置２６には、被加工物１についての加工内容を表す加工プログラムが予め入力されている。そして、制御装置２６は、この加工プログラムに従い、被加工物１の加工処理を行うようになっている。
【００３４】
ここで、制御装置２６が行う加工処理は、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ加工を行う第１種の加工処理と、レーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で加工を行う第２種の加工処理との２つの種類に大別される。即ち、制御装置２６は、加工プログラムにより、レーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ行う加工（例えば、切断加工）が指示されている場合には、第１種の加工処理として、測距装置２５による計測距離に基づく加工処理を行い、一方、レーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で行う加工（例えば、穴開け加工）が指示されている場合には、第２種の加工処理として、レーザ計測器２０による計測距離に基づく加工処理を行うようになっている。尚、本実施形態では、上記第１種の加工処理を行う場合が第１のモードに相当し、上記第２種の加工処理を行う場合が第２のモードに相当する。
【００３５】
以下、切断加工を行う場合と、穴開け加工を行う場合とを例に挙げて、具体的に説明する。
［切断加工を行う場合（第１種の加工処理）］
（１−１）：制御装置２６は、加工プログラムに従い、加工テーブル２７に被加工物１を移動させつつ、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌ１を出力させて、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を切断線に沿って移動させる。
【００３６】
（１−２）：また、これと並行して、制御装置２６は、加工プログラムに基づき、被加工面１ａにおける現在のレーザ光Ｌ１の照射位置からその照射位置が移動しようとする方向に一定距離（例えば、数ミリ程度）離れた位置（以下、「距離検出点」という）を求め、測距装置２５にその距離検出点を検出対象点として指示することにより、その距離検出点までの距離を計測させる。
【００３７】
（１−３）：そして、制御装置２６は、測距装置２５による計測結果に基づき、被加工面１ａでレーザ光Ｌ１が集光するように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
例えば、図５に示すように、被加工面１ａの高さが場所によって大きく異なる場合に、測距装置２５により計測される距離（言い換えれば、加工ヘッド２８先端の平面と被加工面１ａにおける距離検出点との距離ｚ）が基準値（例えば、加工開始時の計測距離）より長くなった場合には、集光レンズ１８から焦点までの距離もその分長くなるように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させ、逆に、計測される距離が基準値より短くなった場合には、集光レンズ１８から焦点までの距離もその分短くなるように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
【００３８】
また、レーザ光Ｌ１の照射位置と上記距離検出点との距離は、レーザ光Ｌ１がその距離検出点に照射されるタイミングと、レーザ光Ｌ１の焦点の位置がその距離検出点の加工に最適な位置まで調整されるタイミングとが一致するような値に設定されている。このため、加工ヘッド２８から被加工面１ａまでの距離が急激に変化しても、それに遅れることなく、レーザ光Ｌ１が常に被加工面１ａで集光する。
【００３９】
［穴開け加工を行う場合（第２種の加工処理）］
（２−１）：制御装置２６は、被加工面１ａにおける穴を開けようとする箇所にレーザ光Ｌ１が照射されるように、加工テーブル２７に被加工物１を移動させた後、その位置を固定させた状態で、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌ１を出力させる。
【００４０】
（２−２）：また、これと並行して、制御装置２６は、レーザ計測器２０に、現在のレーザ光Ｌ１の照射位置（この場合、穴の底面）までの距離を計測させる。
（２−３）：そして、制御装置２６は、レーザ計測器２０による計測結果に基づき、被加工面１ａでレーザ光Ｌ１が集光するように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
【００４１】
このため、加工に伴い、形成される穴が深くなっていっても、レーザ光Ｌ１が常にその穴の底面で集光する。
尚、本実施形態のレーザ加工装置１０では、レーザ発振器１２と、反射ミラー１４とが、照射手段に相当し、加工テーブル２７と、上記（１−１）の処理とが、照射位置移動手段に相当している。また、測距装置２５と、上記（１−２）の処理とが、請求項１の検出手段に相当し、レーザ計測器２０及び反射ミラー２２と、上記（２−２）の処理とが、請求項２の検出手段に相当し、測距装置２５と、レーザ計測器２０及び反射ミラー２２と、上記（１−２），（２−２）の処理とが、請求項７の検出手段に相当している。また更に、可変焦点レンズ装置１６が、焦点位置変更手段に相当し、上記（１−３），（２−３）の処理が、制御手段に相当している。
【００４２】
また、上記説明では、測距装置２５はＣＣＤカメラ２４から被加工面１ａにおける距離検出点までの距離を計測すると説明したが、結局、測距装置２５は、レーザ光Ｌ１の照射方向に垂直な特定の基準面（例えば、加工ヘッド２８先端の平面）と被加工面１ａにおける距離検出点との距離（被加工面１ａの高さに対応する値）を計測していると言える。同様に、レーザ計測器２０は当該計測器２０から被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離を計測すると説明したが、結局、レーザ計測器２０も、レーザ光Ｌ１の照射方向に垂直な特定の基準面と被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置との距離を計測していると言える。
【００４３】
このような本実施形態のレーザ加工装置１０によれば、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ加工を行う場合には、その照射位置の移動先となる箇所での被加工面１ａの高さを計測するようにしているため、その照射位置での被加工面１ａの高さが急激に変化しても、その変化に遅れることなくレーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な位置に調整することができ、加工精度を向上させることができる。
【００４４】
また、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で加工を行う場合には、その照射位置での被加工面１ａの高さを計測するようにしているため、この場合も、加工に伴う照射位置の高さの変化に合わせてレーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な位置に調整することができ、加工精度を向上させることができる。よって、例えば、径の小さい（例えば、数１０μｍ程度）穴や深さ方向に長い穴等を精度良く加工することができる。また、穴の底面までの距離を正確に計測できるため、貫通穴のみならず所望の深さの止まり穴についても、精度良く形成することができる。
【００４５】
また更に、可変焦点レンズ装置１６が、内周連結部材４４を小さなストロークだけ変位させることで、レーザ光Ｌ１の焦点を大きく変位させることができる構成であるため、レーザ光Ｌ１の焦点を高速で移動させることが可能となり、また、レンズの曲率を変化させるために機械的な構造を用いていない分、応答性や精度についても高くすることができる。しかも、被加工面１ａの高さが場所により大きく異なる被加工物１に対しても、加工ヘッド２８を固定した状態で加工を行うことができるため、焦点の位置の精度を損なわない。そして、こうした理由により、加工精度を一層向上させることができる。
【００４６】
一方、被加工面１ａまでの距離を、測距装置２５やレーザ計測器２０により非接触で計測する構成により、被加工面１ａと接触して計測する構成に比べ、高速且つ正確な計測を行うことができる。また、ギャップセンサのように、被加工物１の材質が導電性のあるものに限定されない。
【００４７】
また更に、測距装置２５が被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心とする一定範囲内の任意の点までの距離を計測する構成により、その照射位置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラ２４による撮影位置を移動させる必要がないため、検出精度を損なわない。
【００４８】
加えて、レーザ計測器２０がビーム径の小さいレーザ光Ｌ２で被加工面１ａまでの距離を計測する構成により、計測対象となる部分の面積が小さくても正確に計測することができ、微細な形状の加工についても精度良く行うことができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００４９】
例えば、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、切断加工を行う場合に、加工テーブル２７により被加工物１をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向に移動させることで、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させるようにしているが、これに限ったものではなく、加工ヘッド２８をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向に移動させるようにしてもよい。但し、この場合には、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射路についても、加工ヘッド２８と共に移動するように構成する必要がある。
【００５０】
また更に、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、切断加工を行う場合に、被加工面１ａにおける距離検出点までの距離を測距装置２５によりＣＣＤカメラ２４を用いて計測するようになっているが、これに限ったものではなく、例えば、計測用のレーザ光を用いて計測するようにしてもよい。但し、この場合には、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置の移動方向の変化に応じて、その計測用のレーザ光の照射位置を変えなければならないため、上記実施形態の如くＣＣＤカメラ２４を用いた方が有利である。
【００５１】
また、これとは逆に、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、穴開け加工を行う場合に、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離をレーザ計測器２０により計測するようになっているが、これに限ったものではなく、例えば、測距装置２５により計測するようにしてもよい。但し、この場合には、径の小さい穴の底面のように計測対象となる部分の面積が小さいほど、画素数の多い高価なＣＣＤカメラが必要になってしまうため、上記実施形態の如くレーザ計測器２０を用いた方が有利である。
【００５２】
一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、穴開け加工を行う場合に、レーザ光Ｌ１を照射して加工を行いつつ、レーザ光Ｌ２を照射してその照射位置での距離の計測を行っているが、これに限ったものではない。例えば、加工及び距離の計測を交互に行い、距離の計測については、加工により溶融状態となっている部分が冷却されてから行うようにすれば、距離の計測精度を一層向上させることができる。
【００５３】
また更に、上記実施形態のレーザ加工装置１０が備える制御装置２６は、専用のものであってもよく、また、汎用のコンピュータを利用したものであってもよい。
一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０は、切断加工や穴開け加工に限らず、例えば、溶接加工や表面改質処理等の様々な加工に用いることができる。
【００５４】
一方また、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、被加工物１にレーザ光Ｌ１を照射することで加工を行っているが、被加工物１に照射する高密度エネルギービームはこれ以外のもの（例えば、光ビーム）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】 加工ヘッドを説明する説明図である。
【図３】 正の電圧が印加された状態での可変焦点レンズ装置の断面図である。
【図４】 負の電圧が印加された状態での可変焦点レンズ装置の断面図である。
【図５】 レーザ光の焦点の位置の変化を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…被加工物、１ａ…被加工面、１０…レーザ加工装置、１２…レーザ発振器、１４，２２…反射ミラー、１６…可変焦点レンズ装置、１８…集光レンズ、２０…レーザ計測器、２４…ＣＣＤカメラ、２５…測距装置、２６…制御装置、２７…加工テーブル、２８…加工ヘッド、３０…第１リング部材、３２…第１透明弾性板、３４…第２透明弾性板、３６…作動流体、３８…第２リング部材、４０…第３リング部材、４２…圧電バイモルフ、４４…内周連結部材、４６…外周連結部材、Ｌ１，Ｌ２…レーザ光
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度エネルギービームを照射して被加工物を加工する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高密度エネルギービームとしてのレーザ光（レーザビーム）を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置が知られている。
例えば、特開平１０−３０５３８３号公報には、被加工物へのレーザ光の照射方向と垂直な方向に加工ヘッドを移動させつつ加工を行うレーザ加工装置が開示されている。このレーザ加工装置は、加工ヘッドの先端と被加工面との距離の変動を検出する静電容量型のギャップセンサと、加工ヘッド内でレーザ光の照射路に沿って移動可能に設けられる集光レンズとを備えている。そして、このレーザ加工装置は、加工ヘッドを移動させつつレーザ光を照射して被加工物の加工を行っている際に、被加工物の板厚が不均一である等の理由により、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離に微妙な変動が生じると、ギャップセンサの検出値に応じて集光レンズを移動させ、レーザ光の焦点の位置を加工に最適な位置へ調整するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示されている装置では、レーザ光の照射方向に垂直な平面を基準とするその照射方向に沿った被加工面の高さ（以下、単に「被加工面の高さ」という）が、その被加工面における場所によって大きく異ならない形状（即ち、被加工面の高さの差が小さい形状）の被加工物を加工する場合には、加工精度を向上させる効果が高いものの、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状（即ち、被加工面の高さの差が大きい形状）の被加工物を加工する場合には、十分な効果が得られないことがある。この理由としては、例えば、次の（１）、（２）が挙げられる。
【０００４】
（１）上記装置では、加工ヘッドを移動させつつ加工を行っている際に、加工ヘッドの先端と被加工面との距離が実際に変動してからレーザ光の焦点の位置を最適な位置へ調整するようになっているが、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工しようとすると、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離が急激に変化することとなる。このため、加工ヘッドの移動に対しレーザ光の焦点の最適な位置への調整が遅れ、意図しない加工（過剰加工や加工不足等）が発生しやすくなり、精度良く加工することができない。
【０００５】
（２）また、上記装置では、加工ヘッドの先端から被加工面までの距離をピンポイントで検出している訳ではないため、例えば、被加工面に径の小さい所定深さの穴が形成された被加工物を加工しようとした場合に、加工ヘッドからその穴の底面までの距離を検出することができず、正確な加工を行うことができない。つまり、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を、精度良く加工することができない。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工する際の加工精度を向上させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、照射位置移動手段が、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。そして特に、本装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、照射位置移動手段により被加工面における高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、上記距離を、焦点位置変更手段及び集光レンズを通して検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。尚、高密度エネルギービームとしては、例えば、レーザ光や、光ビーム（レーザ光のように特定の波長の光のみではなく、幅広い範囲の波長の光を集光したビーム）等を用いることができる。
【０００８】
つまり、請求項１の高密度エネルギー加工装置では、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させつつ加工を行う際に、その照射位置の移動先となる箇所での被加工面の高さを検出し、その検出結果に基づき高密度エネルギービームの焦点の位置を変えるようになっている。
【０００９】
このような請求項１の高密度エネルギー加工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を、高密度エネルギービームの照射位置を移動させつつ加工する場合に、その照射位置での被加工面の高さが急激に変化しても、その変化に遅れることなく高密度エネルギービームの焦点の位置を加工に最適な位置へ調整することができるため、加工精度を向上させることができる。
【００１０】
次に、請求項２に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。そして特に、本装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、上記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から焦点位置変更手段及び集光レンズを通して検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。
【００１１】
つまり、請求項２の高密度エネルギー加工装置では、被加工面に高密度エネルギービームを照射して加工を行う際に、その高密度エネルギービームの照射方向と同じ方向からその照射位置での被加工面の高さを検出し、その検出結果に基づき高密度エネルギービームの焦点の位置を変えるようになっている。
【００１２】
このような請求項２の高密度エネルギー加工装置によれば、被加工面の高さがその被加工面における場所によって大きく異なる形状の被加工物を加工する場合に、高密度エネルギービームの照射位置とその近傍の位置とで被加工面の高さが大きく異なっていても、その照射位置での被加工面の高さを確実に検出することができるため、加工精度を向上させることができる。
【００１３】
ところで、上記請求項１，２の装置に用いられる焦点位置変更手段は、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることで、その焦点の位置を変えるように構成されており、曲率可変レンズを少し変形させるだけで焦点の位置を大きく変えることができるため、焦点を高速で移動させることができると共に、その応答性や精度についても高くすることができる。即ち、従来技術として示した特開平１０−３０５３８３号公報に記載のレーザ加工装置では、レーザ光の照射路に沿って集光レンズを移動させることで焦点の位置を変えるようになっているが、こうした構成では、焦点の移動量だけ集光レンズを移動させなければならないため、焦点を高速で移動させることが困難であり、しかも、集光レンズを移動させるのに機械的な構造が必要となるため、その応答性や精度も低下してしまう。これに対して、本発明では、焦点の移動について、速度、応答性及び精度を向上させることができるため、加工精度を一層向上させることができる。
【００１４】
また、検出手段は、請求項３に記載のように、基準面と検出対象点との距離を、被加工面と非接触で検出することが好ましい。即ち、被加工面と非接触で距離を検出する構成では、被加工面と接触して検出する構成に比べ、高速な検出が可能となるからである。加えて、被加工面と接触して距離を検出する構成では、検出用センサにより被加工面に傷などを付けてしまったり、検出用センサの被加工面に接触する部分が摩耗して正確な距離が検出できなくなってしまう可能性があるからである。
【００１５】
そして、この検出手段としては、例えば、請求項４のように、基準面と検出対象点との距離をＣＣＤカメラを用いて検出するものや、請求項５のように、その距離をレーザ光により検出するものを用いることができる。
そして特に、請求項４の検出手段を上記請求項１に適用すれば、高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所と基準面との距離を容易に検出することができる。即ち、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置の移動方向が一定でなければ、その照射位置と検出対象点との相対位置が変化することとなるが、ＣＣＤカメラを用いれば、高密度エネルギービームの照射位置を中心とする一定範囲を撮影し、その範囲内における任意の点を検出対象点として距離を検出することができ、高密度エネルギービームの照射位置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラによる撮影位置を移動させる必要が無いからである。
【００１６】
また、請求項５の検出手段を上記請求項２に適用すれば、被加工面における距離の検出対象となるポイントが小さくても、そのポイントと基準面との距離を確実に検出することができる。したがって、微細な加工を行う場合には特に効果的である。
【００１７】
次に、請求項６に記載の高密度エネルギー加工装置では、照射手段が、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射し、検出手段が、高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と被加工面における検出対象点との距離を検出する。また、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段が設けられており、制御手段が、検出手段による検出結果に基づいて、その焦点位置変更手段を制御する。更に、本装置は、照射位置移動手段が被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させる第１のモードと、この照射位置移動手段を動作させない第２のモードとの、何れかの動作モードで動作するようになっている。
【００１８】
そして特に、請求項６の高密度エネルギー加工装置では、高密度エネルギービームを集光する集光レンズと上記焦点位置変更手段とが同軸上に配置されており、上記検出手段が、当該装置が第１のモードで動作している場合には、照射位置移動手段により被加工面における高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、上記距離を、焦点位置変更手段及び集光レンズを通してＣＣＤカメラを用いて検出し、当該装置が第２のモードで動作している場合には、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、上記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から焦点位置変更手段及び集光レンズを通してレーザ光により検出するようになっている。そして、制御手段は、検出手段により検出された距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行う。
【００１９】
このような請求項６の高密度エネルギー加工装置によれば、上記請求項１〜５の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
次に、請求項７に記載の高密度エネルギー加工方法では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、被加工面における高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、その照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、この検出対象点と高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で、焦点位置変更手段により高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うことを特徴としている。そして、この高密度エネルギー加工方法によれば、上記請求項１の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
次に、請求項８に記載の高密度エネルギー加工方法では、被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、この検出対象点と高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から、高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき集光レンズの位置を固定した状態で、焦点位置変更手段により前高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うことを特徴としている。そして、この高密度エネルギー加工方法によれば、上記請求項２の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
また、請求項９に記載のように、検出対象点と基準面との距離を、ＣＣＤカメラを用いて検出するようにすれば、上記請求項４の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
一方、請求項１０に記載のように、検出対象点と基準面との距離を、レーザ光により検出するようにすれば、上記請求項５の装置について述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施形態の高密度エネルギー加工装置について、図面を用いて説明する。
まず図１は、本実施形態の高密度エネルギー加工装置としてのレーザ加工装置１０の概略構成図である。
【００２４】
このレーザ加工装置１０は、被加工物１を加工するためのレーザ光（本実施形態では、短波長（０．５３２μｍ）のＹＡＧレーザ）Ｌ１を出力するレーザ発振器１２と、レーザ発振器１２により出力されたレーザ光Ｌ１を反射して方向変換し、被加工物１の被加工面１ａに照射する反射ミラー１４と、反射ミラー１４により反射されたレーザ光Ｌ１の照射路に設けられる可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８と、レーザ光Ｌ２を出力すると共に、被加工面１ａで反射されたレーザ光Ｌ２を入力してその被加工面１ａまでの距離を計測するレーザ計測器２０と、レーザ計測器２０により出力されたレーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、被加工面１ａに照射すると共に、その被加工面１ａで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して方向変換し、レーザ計測器２０に入力させる反射ミラー２２と、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置近傍を撮影するＣＣＤカメラ２４を有し、その撮影している映像に基づき被加工面１ａまでの距離を計測する測距装置２５と、被加工物１をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向（矢印ｘ，矢印ｙに示す方向）に移動させる加工テーブル２７と、被加工物１を加工するため上記レーザ発振器１２，可変焦点レンズ装置１６，レーザ計測器２０，測距装置２５及び加工テーブル２７を制御する制御装置２６とを備えている。尚、図１では、可変焦点レンズ装置１６を、構造を分かりやすくするために半分に切断された状態で表している。
【００２５】
そして、図２に示すように、可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８は、加工ヘッド２８内に同軸に設けられている。
また、レーザ計測器２０は、レーザ発振器１２により出力されるレーザ光Ｌ１に比べビーム径が小さく、且つ、このレーザ光Ｌ１とは波長の異なるレーザ光Ｌ２を出力する。
【００２６】
一方、反射ミラー１４は、透明な板の表面にレーザ光Ｌ１のみを全反射させるコーティングが施されたものである。また、反射ミラー２２は、透明な板の表面にレーザ光Ｌ２のみを全反射させるコーティングが施されたものである。そして、この反射ミラー２２は、レーザ光Ｌ２をレーザ光Ｌ１の照射路と同軸となるように方向変換する位置に設けられている。このため、反射ミラー２２で反射されたレーザ光Ｌ２は、反射ミラー１４を通過し、レーザ光Ｌ１と同一の照射路で加工ヘッド２８を通過して被加工面１ａに照射される。更に、レーザ光Ｌ２は、被加工面１ａで反射され、同一の経路でレーザ計測器２０に戻る。そして、レーザ計測器２０は、戻ってきたレーザ光Ｌ２に基づき、当該計測器２０から被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離を計測する。
【００２７】
一方また、測距装置２５のＣＣＤカメラ２４は、レーザ光Ｌ１の被加工面１ａへの照射路と同軸に、被加工面１ａに向けて設けられており、レーザ光Ｌ１の照射方向と同じ方向から、反射ミラー２２，１４、可変焦点レンズ装置１６及び集光レンズ１８を通して、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心とする一定範囲を撮影するようになっている。そして、測距装置２５は、制御装置２６により、上記一定範囲内の任意の点が検出対象点として指示されると、ＣＣＤカメラ２４により撮影している映像に基づき、ＣＣＤカメラ２４からその指示された点までの距離を計測する。
【００２８】
次に、可変焦点レンズ装置１６の構造について説明する。
図３は、可変焦点レンズ装置１６を、レーザ光Ｌ１の照射路を包含する平面で切断した断面図である。
この可変焦点レンズ装置１６は、環状の第１リング部材３０と、第１リング部材３０の軸方向両側に貼り付けられるガラス製の第１透明弾性板３２及び第２透明弾性板３４と、各透明弾性板３２，３４及び第１リング部材３０により形成される密閉空間に封入される作動流体３６と、第２透明弾性板３４の外面に貼り付けられる環状の第２リング部材３８と、第１透明弾性板３２の外面に貼り付けられるステンレス製の環状の第３リング部材４０と、等間隔に積層される環状の４枚の圧電バイモルフ４２，４２，…と、各圧電バイモルフ４２の内周部にそれぞれ接合されると共に、軸方向の一端が第１透明弾性板３２に接合される筒状の内周連結部材４４と、各圧電バイモルフ４２の外周部にそれぞれ接合されると共に、一端が第３リング部材４０に接合される棒状の６本の外周連結部材４６，４６，…とを備えている。尚、各リング部材３０，３８，４０と、各圧電バイモルフ４２と、内周連結部材４４とは、それぞれ同軸に設けられている。また、外周連結部材４６は、第３リング部材４０の全周に等間隔（６０度毎）に設けられている。
【００２９】
作動流体３６としては、各透明弾性板３２，３４とほぼ同じ屈折率のシリコンオイルが用いられており、その作動流体３６と各透明弾性板３２，３４とによってレーザ光Ｌ１が通過するレンズが形成されている。
圧電バイモルフ４２は、バネ弾性を有するステンレス鋼製の環状薄板である弾性板の両面に、圧電材料（具体的には、ＰＺＴ）からなる環状の圧電板が接合されたものである。そして、各圧電板における弾性板との接合面とは反対側の表面には、銀の微細粉末を主成分とする導電ペーストが印刷されて膜状の表面電極が形成されている。尚、圧電バイモルフ４２の各圧電板の分極方向は、軸方向となる同一方向へ向けられている。
【００３０】
内周連結部材４４及び外周連結部材４６は、共にステンレス鋼製である。そして、内周連結部材４４は、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に導通しており、且つ、各圧電バイモルフ４２の弾性板と電気的に絶縁されている。一方、外周連結部材４６は、各圧電バイモルフ４２の弾性板と電気的に導通しており、且つ、各圧電バイモルフ４２の表面電極と電気的に絶縁されている。
【００３１】
このような構造により、各圧電バイモルフ４２は、内周連結部材４４と外周連結部材４６とを介して電圧が印加されることにより同一の方向に変形する。例えば、正の電圧が印加されると、図３に示すように、各圧電バイモルフ４２の変形により内周連結部材４４が第１透明弾性板３２側に押し出され、第１透明弾性板３２の外面が凹状になると共に、第２透明弾性板３４の外面が凸状になる。一方、負の電圧が印加されると、図４に示すように、各圧電バイモルフ４２の変形により内周連結部材４４が第１透明弾性板３２側とは反対側に引っ張られ、第１透明弾性板３２の外面が凸状になると共に、第２透明弾性板３４の外面が凹状になる。
【００３２】
つまり、内周連結部材４４と外周連結部材４６とを介して印加する電圧を変化させることで、各透明弾性板３２，３４と作動流体３６とにより形成されるレンズを変形させ、そのレンズの曲率を変化させることができるようになっている。尚、レンズの形状は図３及び図４に示した状態に限らず、印加する電圧値に応じて連続的に変形するようになっており、その結果、レンズの曲率を連続的に変化させることが可能となる。
【００３３】
次に、制御装置２６が行う加工処理について説明する。
制御装置２６には、被加工物１についての加工内容を表す加工プログラムが予め入力されている。そして、制御装置２６は、この加工プログラムに従い、被加工物１の加工処理を行うようになっている。
【００３４】
ここで、制御装置２６が行う加工処理は、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ加工を行う第１種の加工処理と、レーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で加工を行う第２種の加工処理との２つの種類に大別される。即ち、制御装置２６は、加工プログラムにより、レーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ行う加工（例えば、切断加工）が指示されている場合には、第１種の加工処理として、測距装置２５による計測距離に基づく加工処理を行い、一方、レーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で行う加工（例えば、穴開け加工）が指示されている場合には、第２種の加工処理として、レーザ計測器２０による計測距離に基づく加工処理を行うようになっている。尚、本実施形態では、上記第１種の加工処理を行う場合が第１のモードに相当し、上記第２種の加工処理を行う場合が第２のモードに相当する。
【００３５】
以下、切断加工を行う場合と、穴開け加工を行う場合とを例に挙げて、具体的に説明する。
［切断加工を行う場合（第１種の加工処理）］
（１−１）：制御装置２６は、加工プログラムに従い、加工テーブル２７に被加工物１を移動させつつ、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌ１を出力させて、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を切断線に沿って移動させる。
【００３６】
（１−２）：また、これと並行して、制御装置２６は、加工プログラムに基づき、被加工面１ａにおける現在のレーザ光Ｌ１の照射位置からその照射位置が移動しようとする方向に一定距離（例えば、数ミリ程度）離れた位置（以下、「距離検出点」という）を求め、測距装置２５にその距離検出点を検出対象点として指示することにより、その距離検出点までの距離を計測させる。
【００３７】
（１−３）：そして、制御装置２６は、測距装置２５による計測結果に基づき、被加工面１ａでレーザ光Ｌ１が集光するように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
例えば、図５に示すように、被加工面１ａの高さが場所によって大きく異なる場合に、測距装置２５により計測される距離（言い換えれば、加工ヘッド２８先端の平面と被加工面１ａにおける距離検出点との距離ｚ）が基準値（例えば、加工開始時の計測距離）より長くなった場合には、集光レンズ１８から焦点までの距離もその分長くなるように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させ、逆に、計測される距離が基準値より短くなった場合には、集光レンズ１８から焦点までの距離もその分短くなるように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
【００３８】
また、レーザ光Ｌ１の照射位置と上記距離検出点との距離は、レーザ光Ｌ１がその距離検出点に照射されるタイミングと、レーザ光Ｌ１の焦点の位置がその距離検出点の加工に最適な位置まで調整されるタイミングとが一致するような値に設定されている。このため、加工ヘッド２８から被加工面１ａまでの距離が急激に変化しても、それに遅れることなく、レーザ光Ｌ１が常に被加工面１ａで集光する。
【００３９】
［穴開け加工を行う場合（第２種の加工処理）］
（２−１）：制御装置２６は、被加工面１ａにおける穴を開けようとする箇所にレーザ光Ｌ１が照射されるように、加工テーブル２７に被加工物１を移動させた後、その位置を固定させた状態で、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌ１を出力させる。
【００４０】
（２−２）：また、これと並行して、制御装置２６は、レーザ計測器２０に、現在のレーザ光Ｌ１の照射位置（この場合、穴の底面）までの距離を計測させる。
（２−３）：そして、制御装置２６は、レーザ計測器２０による計測結果に基づき、被加工面１ａでレーザ光Ｌ１が集光するように可変焦点レンズ装置１６のレンズの曲率を変化させる。
【００４１】
このため、加工に伴い、形成される穴が深くなっていっても、レーザ光Ｌ１が常にその穴の底面で集光する。
尚、本実施形態のレーザ加工装置１０では、レーザ発振器１２と、反射ミラー１４とが、照射手段に相当し、加工テーブル２７と、上記（１−１）の処理とが、照射位置移動手段に相当している。また、測距装置２５と、上記（１−２）の処理とが、請求項１の検出手段に相当し、レーザ計測器２０及び反射ミラー２２と、上記（２−２）の処理とが、請求項２の検出手段に相当し、測距装置２５と、レーザ計測器２０及び反射ミラー２２と、上記（１−２），（２−２）の処理とが、請求項７の検出手段に相当している。また更に、可変焦点レンズ装置１６が、焦点位置変更手段に相当し、上記（１−３），（２−３）の処理が、制御手段に相当している。
【００４２】
また、上記説明では、測距装置２５はＣＣＤカメラ２４から被加工面１ａにおける距離検出点までの距離を計測すると説明したが、結局、測距装置２５は、レーザ光Ｌ１の照射方向に垂直な特定の基準面（例えば、加工ヘッド２８先端の平面）と被加工面１ａにおける距離検出点との距離（被加工面１ａの高さに対応する値）を計測していると言える。同様に、レーザ計測器２０は当該計測器２０から被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離を計測すると説明したが、結局、レーザ計測器２０も、レーザ光Ｌ１の照射方向に垂直な特定の基準面と被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置との距離を計測していると言える。
【００４３】
このような本実施形態のレーザ加工装置１０によれば、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させつつ加工を行う場合には、その照射位置の移動先となる箇所での被加工面１ａの高さを計測するようにしているため、その照射位置での被加工面１ａの高さが急激に変化しても、その変化に遅れることなくレーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な位置に調整することができ、加工精度を向上させることができる。
【００４４】
また、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を固定した状態で加工を行う場合には、その照射位置での被加工面１ａの高さを計測するようにしているため、この場合も、加工に伴う照射位置の高さの変化に合わせてレーザ光Ｌ１の焦点の位置を加工に最適な位置に調整することができ、加工精度を向上させることができる。よって、例えば、径の小さい（例えば、数１０μｍ程度）穴や深さ方向に長い穴等を精度良く加工することができる。また、穴の底面までの距離を正確に計測できるため、貫通穴のみならず所望の深さの止まり穴についても、精度良く形成することができる。
【００４５】
また更に、可変焦点レンズ装置１６が、内周連結部材４４を小さなストロークだけ変位させることで、レーザ光Ｌ１の焦点を大きく変位させることができる構成であるため、レーザ光Ｌ１の焦点を高速で移動させることが可能となり、また、レンズの曲率を変化させるために機械的な構造を用いていない分、応答性や精度についても高くすることができる。しかも、被加工面１ａの高さが場所により大きく異なる被加工物１に対しても、加工ヘッド２８を固定した状態で加工を行うことができるため、焦点の位置の精度を損なわない。そして、こうした理由により、加工精度を一層向上させることができる。
【００４６】
一方、被加工面１ａまでの距離を、測距装置２５やレーザ計測器２０により非接触で計測する構成により、被加工面１ａと接触して計測する構成に比べ、高速且つ正確な計測を行うことができる。また、ギャップセンサのように、被加工物１の材質が導電性のあるものに限定されない。
【００４７】
また更に、測距装置２５が被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を中心とする一定範囲内の任意の点までの距離を計測する構成により、その照射位置の移動方向が変化してもＣＣＤカメラ２４による撮影位置を移動させる必要がないため、検出精度を損なわない。
【００４８】
加えて、レーザ計測器２０がビーム径の小さいレーザ光Ｌ２で被加工面１ａまでの距離を計測する構成により、計測対象となる部分の面積が小さくても正確に計測することができ、微細な形状の加工についても精度良く行うことができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００４９】
例えば、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、切断加工を行う場合に、加工テーブル２７により被加工物１をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向に移動させることで、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置を移動させるようにしているが、これに限ったものではなく、加工ヘッド２８をレーザ光Ｌ１の照射方向と垂直な方向に移動させるようにしてもよい。但し、この場合には、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射路についても、加工ヘッド２８と共に移動するように構成する必要がある。
【００５０】
また更に、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、切断加工を行う場合に、被加工面１ａにおける距離検出点までの距離を測距装置２５によりＣＣＤカメラ２４を用いて計測するようになっているが、これに限ったものではなく、例えば、計測用のレーザ光を用いて計測するようにしてもよい。但し、この場合には、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置の移動方向の変化に応じて、その計測用のレーザ光の照射位置を変えなければならないため、上記実施形態の如くＣＣＤカメラ２４を用いた方が有利である。
【００５１】
また、これとは逆に、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、穴開け加工を行う場合に、被加工面１ａにおけるレーザ光Ｌ１の照射位置までの距離をレーザ計測器２０により計測するようになっているが、これに限ったものではなく、例えば、測距装置２５により計測するようにしてもよい。但し、この場合には、径の小さい穴の底面のように計測対象となる部分の面積が小さいほど、画素数の多い高価なＣＣＤカメラが必要になってしまうため、上記実施形態の如くレーザ計測器２０を用いた方が有利である。
【００５２】
一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、穴開け加工を行う場合に、レーザ光Ｌ１を照射して加工を行いつつ、レーザ光Ｌ２を照射してその照射位置での距離の計測を行っているが、これに限ったものではない。例えば、加工及び距離の計測を交互に行い、距離の計測については、加工により溶融状態となっている部分が冷却されてから行うようにすれば、距離の計測精度を一層向上させることができる。
【００５３】
また更に、上記実施形態のレーザ加工装置１０が備える制御装置２６は、専用のものであってもよく、また、汎用のコンピュータを利用したものであってもよい。
一方、上記実施形態のレーザ加工装置１０は、切断加工や穴開け加工に限らず、例えば、溶接加工や表面改質処理等の様々な加工に用いることができる。
【００５４】
一方また、上記実施形態のレーザ加工装置１０では、被加工物１にレーザ光Ｌ１を照射することで加工を行っているが、被加工物１に照射する高密度エネルギービームはこれ以外のもの（例えば、光ビーム）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】 加工ヘッドを説明する説明図である。
【図３】 正の電圧が印加された状態での可変焦点レンズ装置の断面図である。
【図４】 負の電圧が印加された状態での可変焦点レンズ装置の断面図である。
【図５】 レーザ光の焦点の位置の変化を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…被加工物、１ａ…被加工面、１０…レーザ加工装置、１２…レーザ発振器、１４，２２…反射ミラー、１６…可変焦点レンズ装置、１８…集光レンズ、２０…レーザ計測器、２４…ＣＣＤカメラ、２５…測距装置、２６…制御装置、２７…加工テーブル、２８…加工ヘッド、３０…第１リング部材、３２…第１透明弾性板、３４…第２透明弾性板、３６…作動流体、３８…第２リング部材、４０…第３リング部材、４２…圧電バイモルフ、４４…内周連結部材、４６…外周連結部材、Ｌ１，Ｌ２…レーザ光
Claims (10)
- 被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射する照射手段と、
前記高密度エネルギービームを集光する集光レンズと、
前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置を移動させる照射位置移動手段と、
前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する検出手段と、
前記高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、
前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更手段を制御する制御手段とを備え、
前記集光レンズと前記焦点位置変更手段とは同軸上に配置されており、
前記検出手段は、前記照射位置移動手段により前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を前記検出対象点として、前記距離を前記焦点位置変更手段及び前記集光レンズを通して検出し、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された距離に基づき前記集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行うこと、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射する照射手段と、
前記高密度エネルギービームを集光する集光レンズと、
前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する検出手段と、
前記高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、
前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更手段を制御する制御手段とを備え、
前記集光レンズと前記焦点位置変更手段とは同軸上に配置されており、
前記検出手段は、前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置を前記検出対象点として、前記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から前記焦点位置変更手段及び前記集光レンズを通して検出し、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された距離に基づき前記集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行うこと、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 請求項１又は請求項２に記載の高密度エネルギー加工装置において、
前記検出手段は、前記距離を前記被加工面と非接触で検出すること、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 請求項３に記載の高密度エネルギー加工装置において、
前記検出手段は、前記距離をＣＣＤカメラを用いて検出すること、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 請求項３に記載の高密度エネルギー加工装置において、
前記検出手段は、前記距離をレーザ光により検出すること、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射する照射手段と、
前記高密度エネルギービームを集光する集光レンズと、
前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置を移動させる照射位置移 動手段と、
前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面と前記被加工面における検出対象点との距離を検出する検出手段と、
前記高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、
前記検出手段による検出結果に基づき前記焦点位置変更手段を制御する制御手段とを備え、
前記照射位置移動手段を動作させる第１のモードと、前記照射位置移動手段を動作させない第２のモードとの、何れかの動作モードで動作する高密度エネルギー加工装置であって、
前記集光レンズと前記焦点位置変更手段とは同軸上に配置されており、
前記検出手段は、当該装置が前記第１のモードで動作している場合には、前記照射位置移動手段により前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置が移動されようとしている箇所を前記検出対象点として、前記距離を前記焦点位置変更手段及び前記集光レンズを通してＣＣＤカメラを用いて検出し、当該装置が前記第２のモードで動作している場合には、前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置を前記検出対象点として、前記距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から前記焦点位置変更手段及び前記集光レンズを通してレーザ光により検出し、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された距離に基づき前記集光レンズの位置を固定した状態で焦点の位置を変化させ加工を行うこと、
を特徴とする高密度エネルギー加工装置。 - 被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、前記高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、前記被加工面における前記高密度エネルギービームの照射位置を移動させ、その照射位置が移動されようとしている箇所を検出対象点として、該検出対象点と前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、前記高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、前記集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき前記集光レンズの位置を固定した状態で、前記焦点位置変更手段により前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うこと、
を特徴とする高密度エネルギー加工方法。 - 被加工物の被加工面に向けて高密度エネルギービームを照射すると共に、前記高密度エネルギービームを集光レンズにより集光し、前記高密度エネルギービームの照射位置を検出対象点として、該検出対象点と前記高密度エネルギービームの照射方向に垂直な基準面との距離を、その高密度エネルギービームの照射方向から、前記高密度エネルギービームが通過する曲率可変レンズの曲率を変化させることにより前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変える焦点位置変更手段と、前記集光レンズとを通して検出し、その検出結果に基づき、検出した距離に基づき前記集光レンズの位置を固定した状態で、前記焦点位置変更手段により前記高密度エネルギービームの照射方向に沿ってその高密度エネルギービームの焦点の位置を変化させ加工を行うこと、
を特徴とする高密度エネルギー加工方法。 - 請求項７又は請求項８に記載の高密度エネルギー加工方法において、
前記距離を、ＣＣＤカメラを用いて検出すること、
を特徴とする高密度エネルギー加工方法。 - 請求項７又は請求項８に記載の高密度エネルギー加工方法において、
前記距離を、レーザ光により検出すること、
を特徴とする高密度エネルギー加工方法。
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