JP5311682B2 - 抜型製造用レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、抜型製造用レーザー加工装置に関する。

従来、レーザー加工装置として、レーザー光を被加工物に照射するレーザー光照射口を固定し、被加工物を載置した台を移動させる構成を有するレーザー加工装置が知られている。このようなレーザー加工装置によれば、被加工物全体を加工するためには非常に広範囲な台の移動領域を確保する必要があり、装置が大型化するという問題がある。一方、装置の大型化を回避するために、被加工物を載置した台を固定し、レーザー光照射口を移動させる構成を有するレーザー加工装置も知られている。このようなレーザー加工装置によれば、レーザー光照射口の移動によりレーザー光源からレーザー光照射口までの光路長が変化し、その結果、被加工物に照射されるレーザー光のビーム径が変化し、被加工物の均一性が不十分であるという問題がある。

上記それぞれの構成の装置の問題を同時に解決するために、被加工物を載置した台を固定し、レーザー光照射口を移動させる構成を有するレーザー加工装置において、レーザー光照射口が移動してもレーザー光源からレーザー光照射口までの光路長を一定に保持する光路長調整手段を設けたレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献１）。このようなレーザー加工装置によれば、光路長調整手段を設けることにより、レーザー光のビーム径の変化を防止することができるとされている。光路長調整手段は、具体的には、加工動作に連動して連続的に移動する反射ミラーである。

ところで、金属の被加工物を切断するような場合には、レーザー光照射口の集光レンズにより集光されたレーザー光はその焦点において被加工物の表面に照射される（すなわち、集光レンズと被加工物との距離＝集光レンズの焦点距離とされる）。この場合、特許文献１に記載のようなレーザー加工装置は好適に用いられ、大きな問題は生じない。

しかし、木製合板等の被加工物について抜型加工を行う（すなわち、打ち抜き刃を埋め込む基体部を作製する）場合には、特許文献１に記載のようなレーザー加工装置では、重大な問題が生じ得る。以下、具体的に説明する。抜型加工を行う場合、被加工物に所定幅の溝を形成するので、レーザー光照射口の集光レンズにより集光されたレーザー光は、その焦点からずれた位置で被加工物の表面に照射される（すなわち、集光レンズと被加工物との距離≠集光レンズの焦点距離とされる）。このような場合、通常、図３に示すように、レーザー光は、その焦点より遠い位置で被加工物の表面に照射される（すなわち、集光レンズと被加工物との距離＞集光レンズの焦点距離とされる）。このような焦点からずれた位置でのレーザー光照射に特許文献１に記載のようなレーザー加工装置を用いる場合、加工動作に連動して光路長調整手段が連続的に移動すると、レーザー光の中心軸を所望の位置に維持することは実質的に不可能である。より詳細には、加工動作によりレーザー照射口（集光レンズ）がＸＹ平面で移動し、かつ、それに伴って光路長調整手段の反射ミラーが連続的に移動することにより、レーザー光の集光レンズへの入射角が不可避的にずれてしまい（すなわち、レーザー光の集光レンズへ一定の角度で入射せず）、その結果、被加工物の表面においてレーザー光の中心軸を所望の位置に維持することができない（すなわち、被加工物表面に対するレーザー光の照射角度が変動してしまう）。レーザー光の中心軸がずれてしまうと、溝が許容範囲を超えてずれてしまい、基体部に打ち抜き刃を埋め込めない、仮に埋め込めたとしても抜型として実用不可能である等の問題が生じる。集光レンズおよび反射ミラーが同時に移動する場合に、照射されるレーザー光の中心軸を所定の位置に維持するよう調整することは、レーザー加工装置の構成上実質的に不可能である。

特開平３−２９４０７９号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、被加工物表面へのレーザー光の照射幅の変動を許容範囲内に維持し、かつ、被加工物表面の所定の位置に中心軸を維持してレーザー光を照射することができる抜型製造用レーザー加工装置を提供することにある。

本発明の抜型製造用レーザー加工装置は、レーザー発振器から出射されるレーザー光を被加工物の表面から所定距離を隔てて設けられたレーザー照射部の集光レンズに導くことにより、該集光レンズで集光されたレーザー光がその焦点からずれた位置において所定幅で該被加工物に照射され、該被加工物に所定幅の溝を形成するよう構成され；該集光レンズを該被加工物の表面に対して所定距離を隔てて平行な２次元方向に移動させる位置制御部と；該レーザー発振器から該集光レンズまで該レーザー光を導く導光手段とを備える。該導光手段は、該集光レンズの２次元方向の位置にかかわらず、該レーザー光が該所定幅から所定の範囲内の幅で該被加工物に照射されるようにして、かつ、該レーザー光を実質的に一定の入射角で集光レンズに導く。
好ましい実施形態においては、上記導光手段は、上記レーザー光を反射して上記集光レンズに導く複数の反射手段を備え、該複数の反射手段のうちの１つの反射手段は、上記集光レンズが移動しても該レーザー光が上記所定幅から所定の範囲内の幅で上記被加工物に照射されている間は、所定の位置で保持されており、該集光レンズが移動することにより該レーザー光が該所定幅から該所定の範囲を超える場合には、別の所定の位置まで移動する。
好ましい実施形態においては、上記抜型製造用レーザー加工装置は、上記反射手段が上記所定の位置から上記別の所定の位置まで移動する間、上記レーザー光の照射を停止する。

本発明のレーザー加工装置によれば、導光手段を、集光レンズの位置にかかわらず、レーザー光が所定幅から所定の範囲内の幅で被加工物に照射されるようにして、かつ、当該レーザー光を実質的に一定の入射角で集光レンズに導くように構成することにより、抜型加工において、被加工物表面におけるレーザー光の中心軸のずれを防止することができる。その結果、形成される溝が歪むのを防止することができ、最終的には、抜型に打ち抜き刃を良好に埋め込むことができる。

本発明の１つの実施形態によるレーザー加工装置を上方から見たときの構成を表す概略図である。 図１の装置をＸＹ平面方向から見たときの概略図である。 抜型加工における集光レンズ、レーザー光およびその焦点と被加工物との関係を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明するが、本発明はこれらの具体的な実施形態には限定されない。

図１は、本発明の１つの実施形態によるレーザー加工装置を上方から見たときの構成を表す概略図であり、図２は、図１の装置をＸＹ平面方向から見たときの概略図である。このレーザー加工装置１００は、レーザー光２を出射するレーザー発振器１と、該レーザー光２を反射することにより導光する導光手段と、該導光手段により導光されたレーザー光２を被加工物５に照射するレーザー照射部４と、被加工物５を載置する載置台６と、位置制御部と、を備える。レーザー発振器１としては、例えば炭酸ガスレーザー発振器が用いられる。導光手段は、複数の反射ミラー３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄおよび３１ｅ）、３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃおよび３２ｄ）、３３ならびに３４で構成される。反射ミラー３２は、ミラー制御部１３により、被加工物５の表面におけるレーザー光２の幅に応じて移動され、位置決めされるよう構成されている。反射ミラー３４は、レーザー照射部４に配置されている。レーザー照射部４は、集光レンズ４１と、レーザー照射口４２と、を有する。集光レンズ４１は、Ｚ軸方向（被加工物５の法線方向）についての任意の適切な位置決め機構（図示せず）により位置決めされるよう支持されている。位置制御部は、被加工物５の表面に平行な面内の１次元方向（以下，Ｘ軸方向という）の位置決め装置であるＸ軸制御部７１と、該Ｘ軸制御部７１によりＸ軸方向に位置決めされるよう支持され上記面内でＸ軸方向と直交するＹ軸方向の位置決め装置であり、上記レーザー照射部４を位置決めするよう支持するＹ軸制御部７２と、電子計算機等からなる演算部７４と、を有する。演算部７４は、該演算部７４に入力される所定の加工データ（例えば、どの位置をどのように加工するかに関するＣＡＤデータ）に従って、Ｘ軸制御部７１およびＹ軸制御部７２、ならびに上記光照射部４のＺ軸方向位置決め機構に対して集光レンズ４１をいずれの位置に位置決めするか（すなわち、被加工物５のいずれの位置の加工を行うか）を指示する所定の制御指令を出力し、該制御指令に従って、Ｘ軸制御部７１およびＹ軸制御部７２ならびにＺ軸方向位置決め機構による集光レンズ４１の位置決めがなされる。なお、演算部７４は、上記ミラー制御部１３に対する制御指令も出力し得る。

上記導光手段は、上記レーザー発振器１から出射されたレーザー光２を、固定されたミラー３１、上記ミラー制御部１３により被加工物５の表面におけるレーザー光２の幅に応じて位置決めされる反射ミラー３２、上記Ｙ軸制御部７２に支持され該Ｙ軸制御部７２とともにＸ軸方向に移動可能に構成された反射ミラー３３、および、上記レーザー照射部４に支持され該レーザー照射部４とともにＹ軸方向に移動可能に構成された反射ミラー３４を介して集光レンズ４１へと導く。該集光レンズ４１によって集光されたレーザー光２は、上記載置台６上に載置された被加工物５に照射される。従って、上記レーザー照射部４のＺ軸方向の位置決め機構を所定位置に保持（固定）した状態で、上記Ｘ軸制御部７１および上記Ｙ軸制御部７２を動作させる（移動させて位置決めする）ことにより、上記集光レンズ４１を、被加工物５の表面に対して所定距離を隔てて平行な２次元方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に移動可能である。なお、図示例では、反射手段として反射ミラーを例示しているが、本発明における反射手段としては、光ファイバー、プリズム等の任意の適切な反射手段が採用され得る。

上記レーザー加工装置１００は抜型製造用の装置であり、図３に示すように、集光レンズ４１で集光されたレーザー光２は、上記位置制御部によりＸＹ方向に移動しながら、その焦点Ｏからずれた位置において所定幅Ｗで被加工物５に照射され、被加工物５に所定幅Ｗに対応する幅の溝を所望のパターンで形成する。すなわち、このような所定幅Ｗでの照射が可能となるように、上記レーザー照射部４の集光レンズ４１は、Ｚ軸方向の位置決め機構により所定位置に保持（固定）される。レーザー光２は、図３に示すようにその焦点より遠い位置で被加工物の表面に照射されてもよく、その焦点より近い位置で被加工物の表面に照射されてもよい（図示せず）。

本発明においては、上記導光手段は、集光レンズ４１の位置（ＸＹ方向における位置）にかかわらず、レーザー光２が上記所定幅Ｗから所定の範囲内の幅で被加工物５に照射されるようにして、かつ、当該レーザー光２を実質的に一定の入射角で集光レンズ４１に導く。具体的には、上記ミラー制御部１３により被加工物５の表面におけるレーザー光２の幅に応じて位置決めされる反射ミラー３２は、集光レンズ４１が移動してもレーザー光２が上記所定幅Ｗから所定の範囲内の幅で被加工物５に照射されている間は、所定の位置Ａで保持されている。反射ミラー３２が上記所定の位置Ａに保持されている状態において、集光レンズ４１が移動することによりレーザー光２が被加工物５の表面において当該所定幅Ｗから所定の範囲を超える幅となる場合には、反射ミラー３２は、レーザー光２が上記所定幅Ｗから所定の範囲内の幅で被加工物５に照射されるような別の所定の位置Ｂまで移動し、当該位置Ｂで保持される。後述するように、反射ミラーの移動の際には、好ましくはレーザー光の照射は停止され、レーザー照射部（集光レンズ）の移動も停止される。同様に、反射ミラー３２が上記所定の位置Ｂに保持されている状態において、集光レンズ４１が移動することによりレーザー光２が被加工物５の表面において当該所定幅Ｗから所定の範囲を超える幅となる場合には、反射ミラー３２は、レーザー光２が上記所定幅Ｗから所定の範囲内の幅で被加工物５に照射されるような別の所定の位置Ｃまで移動し、当該位置Ｃで保持される。抜型加工全体にわたって、集光レンズの移動によりレーザー光２が被加工物５の表面において当該所定幅Ｗから所定の範囲を超える幅となる場合には、反射ミラー３２の移動および保持が繰り返される（図示例においては、反射ミラー３２が位置Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄと移動する）。すなわち、本発明においては、反射ミラー３２は、段階的に移動する（図示例においては、４段階で移動する）。従来のレーザー加工装置のように反射ミラーが集光レンズの移動に連動して連続的に移動する場合には、レーザー光の集光レンズへの入射角が不可避的にずれてしまい（すなわち、レーザー光の集光レンズへ垂直に入射せず）、その結果、被加工物の表面においてレーザー光の中心軸を所望の位置に維持することができない（すなわち、被加工物表面に対するレーザー光の照射角度が変動してしまう）。一方、本発明のような導光手段の構成を採用することにより、反射ミラーの移動に伴うレーザー光の集光レンズへの入射角のズレを回避して、レーザー光２を実質的に一定の入射角で集光レンズ４１に導くことができるので、被加工物表面の所定の位置にレーザー光の中心軸を維持することができる。より詳細には、従来のように反射ミラーと集光レンズを同時に移動させると、レーザー光の中心軸のずれを回避することも調整することも装置の構成上実質的に不可能であるが、本発明においては、反射ミラーを段階的に移動させて、その固定位置に対して集光レンズの中心軸を調整することができる。このような構成を採用すれば、光路長変化によるレーザー光のビーム径の変化を所定範囲内で許容する代わりに、被加工物表面におけるレーザー光の中心軸のずれを回避することができる。その結果、抜型の基体部の溝を形成する際に、打ち抜き刃が埋め込めない、仮に埋め込めたとしても抜型として実用不可能である等の問題を回避することができる。なお、図示例では保持位置としてＡ〜Ｄの４ヶ所（すなわち、４段階の移動）を示しているが、保持位置の数、配置等は、レーザー光２が被加工物５の表面において上記所定幅Ｗから所定の範囲内を維持できる限りにおいて、被加工物に形成される溝のパターンに応じて適切に設定され得る。例えば、保持位置の間隔は一定であってもよく、保持位置間ごとに異なってもよい（反射ミラー３２の移動間隔は同一であってもよく、異なっていてもよい）。さらに、反射ミラー３２の数も、溝のパターンに応じた所望の光路長に対応して適切に設定され得る。

好ましくは、本発明のレーザー加工装置においては、上記反射ミラー３２が上記所定の位置から上記別の所定の位置まで移動する間、上記レーザー光の照射を停止する。このような構成は、ミラー制御部１３が反射ミラー３２を移動させる際にレーザー発振器１をオフにするよう制御することにより実現され得る。この場合、好ましくは、上記反射ミラー３２の移動の際には、レーザー照射部（集光レンズ）の移動も停止される。このような構成は、反射ミラー３２を移動させる際に上記位置制御部がレーザー照射部（集光レンズ）の移動停止の制御を行うことにより実現され得る。このような構成を採用することにより、反射ミラーが移動する際の不具合を確実に防止することができる。

以下、本発明のレーザー加工装置を用いた抜型の製造方法を具体的に説明する。一例として、打ち抜き刃を埋め込む基体部として例えば厚み１８ｍｍの木製合板を用い、当該合板に幅Ｗが０．７ｍｍの溝を形成する場合について説明する。抜型加工においては、通常、所定幅Ｗに対して誤差±０．１％以内が許容範囲（上記所定幅Ｗからの所定範囲）となる。

まず、図１に示すＸＹ平面内の位置から抜型加工を開始する場合、反射ミラー３２は、当該位置のレーザー照射部４から照射されたレーザー光２のビーム径に対応した溝加工の幅（以下、単にレーザー光の幅と称する場合もある）が０．７ｍｍ±０．００７ｍｍとなるような所定の位置Ａに保持される。抜型加工においてレーザー照射部４が連続的に移動しても、レーザー光の幅が０．７ｍｍ±０．００７ｍｍであれば、反射ミラー３２は上記位置Ａに保持されたままである。言い換えれば、レーザー照射部４の移動によりレーザー発振器１からレーザー照射部４までの光路長が変動しても（結果として、レーザー光の幅が変動しても）、その変動幅が上記のような許容範囲内であれば、反射ミラー３２は上記位置Ａに保持されたままである。レーザー照射部４が移動しても反射ミラー３２を所定位置で保持することにより、レーザー光のレーザー照射部４（集光レンズ４１）への入射角を一定に維持することができ、その結果、合板表面におけるレーザー光の中心軸のずれを防止することができる。すなわち、本発明においては、光路長の変動によるビーム径の変化を所定範囲内で許容することにより、合板表面におけるレーザー光の中心軸のずれを防止することができる。その結果、形成される溝の中心位置がずれるのを防止することができ、最終的には、打ち抜き刃を良好に埋め込むことができる。

レーザー照射部４がさらに移動してレーザー光の幅が上記許容範囲を超えることになる場合、ミラー制御部１３により反射ミラー３２が別の所定の位置Ｂに移動し、レーザー光の幅をふたたび上記許容範囲におさめるようにする。本発明においては、好ましくは、反射ミラー３２の移動の際にはレーザー照射を停止するよう設定されるので、反射ミラー３２の移動に伴う不具合が防止され得る。

形成すべき溝のパターンに準じたレーザー照射部４の移動に応じて、反射ミラー３２の保持および移動を繰り返すことにより、合板表面におけるレーザーの中心軸をずらすことなく、かつ、実用的に許容範囲内の幅で溝を形成することができる。

なお、溝のパターンに応じてレーザー光照射部の位置とレーザー光の幅とを関連付けておけば、反射ミラー３２の移動を最小限とすることができる。また、反射ミラー３２の移動および保持は周知の機械的手段で行われるので、本明細書での詳細な説明は省略する。

本発明のレーザー加工装置は、抜型の製造に好適に利用され得る。

１ レーザー発振器
２ レーザー光
４ レーザー照射部
５ 被加工物
６ 載置台
１３ ミラー制御部
３１、３２、３３、３４ 反射ミラー
４１ 集光レンズ
４２ レーザー照射口
７１ Ｘ軸制御部
７２ Ｙ軸制御部
７４ 演算部
１００ レーザー加工装置

Claims (3)

1. レーザー発振器から出射されるレーザー光を被加工物の表面から所定距離を隔てて設けられたレーザー照射部の集光レンズに導くことにより、該集光レンズで集光されたレーザー光がその焦点からずれた位置において所定幅で該被加工物に照射され、該被加工物に所定幅の溝を形成するよう構成された抜型製造用レーザー加工装置であって、
   該集光レンズを該被加工物の表面に対して所定距離を隔てて平行な２次元方向に移動させる位置制御部と、
   該レーザー発振器から該集光レンズまで該レーザー光を導く導光手段と、を備え
   該導光手段は、該集光レンズの２次元方向の位置にかかわらず、該レーザー光が該所定幅から所定の範囲内の幅で該被加工物に照射されるようにして、かつ、該レーザー光を一定の入射角で集光レンズに導く
   抜型製造用レーザー加工装置。
2. 前記導光手段が、前記レーザー光を反射して前記集光レンズに導く複数の反射手段を備え、
   該複数の反射手段のうちの１つの反射手段が、前記集光レンズが移動しても該レーザー光が前記所定幅から所定の範囲内の幅で前記被加工物に照射されている間は、所定の位置で保持されており、該集光レンズが移動することにより該レーザー光が該所定幅から該所定の範囲を超える場合には、別の所定の位置まで移動する、
   請求項１に記載の抜型製造用レーザー加工装置。
3. 前記反射手段が前記所定の位置から前記別の所定の位置まで移動する間、前記レーザー光の照射を停止する、請求項２に記載の抜型製造用レーザー加工装置。
   
   
   

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