JP5364856B1 - 加工装置、加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供すること。
【解決手段】加工装置は照射ヘッド１６と制御装置とを有し、照射ヘッド１６はコリメート光学系とレーザ旋回部３５と集光光学系３７とに分割可能である。レーザ旋回部３５は第１プリズム５１と第２プリズム５２と第１回転機構５３と第２回転機構５４とを有する。制御装置は、少なくとも被加工部材の熱影響層とレーザの旋回数との関係に基づいて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数と位相角の差とを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行う加工装置および加工方法に関する。
被加工部材に対して切断や穴あけ等の加工を行う加工装置として、レーザを用いる加工装置がある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に記載の加工装置は、被加工部材にレーザを照射することで、被加工部材に対して切断や穴あけを行う。また、特許文献１には、被加工部材に少なくとも２種類の波長のレーザ光を照射して穴加工を行うレーザ加工方法であって、穴の径よりも小さなスポット径の第１のレーザ光を穴の内周に沿って照射して加工するステップと、穴の径よりも小さなスポット径で、且つ第１のレーザ光よりも波長の長い第２のレーザ光を穴の内周よりも内側に照射するステップとを有し、後のステップによって、前のステップで加工されずに残った部分を加工するレーザ加工方法が記載されている。また、特許文献１には、ガルバノミラーを組み合わせて、第１のレーザ光の照射位置をずらす装置が記載されている。特許文献２には、レンズを保持する構造体にコイルを設け、ベースに永久磁石を設けた構成とし、コイルを駆動することでレンズを回転運動させて、集光点を旋回させることが記載されている。
また、本出願人が先に出願した特許文献３には、ＣＯ２レーザ発振器およびエキシマレーザ発振器を備え、２つのレーザとしてＣＯ２レーザビームとエキシマレーザビームとを使用し、ＣＯ２レーザビームを照射することによりプラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけを行った後、引き続いてエキシマレーザビームをその切断面および近傍に照射して当該切断面に生起した炭化層あるいは熱影響層を除去する加工装置が記載されている。特許文献３に記載の加工装置は、エキシマレーザビームをその横断面がリング状のレーザビームとし、該レーザビームの中空部にＣＯ２レーザビームを挿通し、両レーザビームの光軸を同一にした後、両レーザビームを同一の伝送経路で伝送し、プラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけ加工部の近傍まで導き、該近傍にて再び両レーザビームを分離することが記載されている。
特開２０１１−１１０５９８号公報 特許第２８２８８７１号公報 特許第２８３１２１５号公報
特許文献１および特許文献２に記載の加工装置のように、レーザの照射位置を旋回させることで、被加工部材を適切に加工することができる。また、特許文献３に記載の加工装置のように、２つのレーザを用いることで被加工部材を適切に加工することができる。しかしながら、特許文献１から特許文献３に記載の加工装置は、加工精度を高くするためには装置構成を複雑にする必要があるという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の加工装置は、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、前記レーザをコリメートするコリメート光学系と、前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材にレーザを照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、前記照射ヘッドは、前記コリメート光学系と前記レーザ旋回部と前記集光光学系とに分割可能であり、前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力されたレーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、前記コリメート光学系と前記レーザ旋回部と前記集光光学系とが一体に接続されることが好ましい。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、前記レーザ旋回部のレーザの光路と前記集光光学系のレーザの光路とをオフセットさせる反射光学系と、前記反射光学系から出力されるレーザの光路の角度を前記被加工部材に対する割出角度に調整する割出機構と、を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記割出機構は、前記反射光学系と接続された割出軸と、前記割出軸が回転自在に内挿され当該割出軸を回転駆動する中空モータと、を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、前記レーザの焦点と前記被加工部材とのギャップを検出するギャップ検出手段を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記ギャップ検出手段は、被加工部材の加工部位を撮像する撮像手段を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、前記レーザ旋回部を冷却する冷却機構を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムは、外形が多角形状であることが好ましい。
また、上記加工装置において、前記第１プリズムは、入射面が前記レーザの光軸に対して傾けられ、前記第２プリズムは、出射面が前記レーザの光軸に対して傾けられていることが好ましい。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、内部にアシストガス供給配管を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記照射ヘッドは、前記被加工部材に照射するレーザのエネルギ分布における裾野をカットする裾切光学系を有することが好ましい。
また、上記加工装置において、前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことが好ましい。
また、上記加工装置において、前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことが好ましい。
また、上記加工装置において、前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることが好ましい。
また、上記加工装置において、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することが好ましい。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の加工方法は、上記加工装置を用いて、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、レーザを出力する出力ステップと、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、前記第１回転機構および前記第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする。
また、上記加工方法において、前記被加工部材に対して旋回するレーザのパワーを周回ごとに変調することが好ましい。
また、上記加工方法において、前記被加工部材に対して多段階で加工することが好ましい。
また、上記加工方法において、前記被加工部材に非真円の穴をあけることが好ましい。
また、上記加工方法において、穴の真円度を検出し、検出した真円度に基づいて照射するレーザを真円とする前記第１プリズムと前記第２プリズムとの位相角の差を算出し、算出した位相角の差で前記第１プリズムと前記第２プリズムとを制御し、前記被加工部材にあける穴の真円度を補正することが好ましい。
また、上記加工方法において、前記レーザの焦点と前記被加工部材とのギャップを検出し、検出したギャップに基づいてテーパ穴またはストレート穴をあける前記焦点と前記被加工部材との相対位置を算出し、前記焦点と前記被加工部材とを算出した相対位置とし、前記レーザを照射して前記被加工部材にテーパ穴またはストレート穴をあけることが好ましい。
また、上記加工方法において、材質が異なる境界部分で前記レーザを前記被加工部材に非真円に照射し、前記被加工部材に斜めの穴をあけることが好ましい。
また、上記加工方法において、前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することが好ましい。
本発明の加工装置および加工方法によれば、照射ヘッドをコリメート光学系とレーザ旋回部と集光光学系とに分割可能であるので、照射ヘッドを小型化することができ、加工装置をより小型化できるという効果を奏する。また、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えるだけで被加工部材に照射されるレーザの旋回径が可変となるので、簡単な構成にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を制御し被加工部材に照射されるレーザの旋回径を可変とすることで、加工条件により適した旋回径で加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を高速で行うことが可能であるという効果を奏する。
図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。 図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。 図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。 図４は、冷却ジャケットの構成例を示す模式図である。 図５は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。 図６は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。 図７は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。 図８は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。 図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１１は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１２は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１３は、被加工部材に照射するレーザの軌跡を真円補正する際の一例を示す模式図である。 図１４は、被加工部材に照射するレーザの軌跡を真円補正しつつ旋回径補正する際の一例を示す模式図である。 図１５は、穴あけ加工におけるテーパ補正の動作の説明図である。 図１６は、斜めに穴あけ加工された薄板状の被加工部材の断面の説明図である。 図１７は、斜めに穴あけ加工する際の動作の説明図である。 図１８は、連続して穴をあける際の動作の説明図である。 図１９は、プリズムの位相角をゼロに設定したときの動作の説明図である。 図２０は、レーザのエネルギ分布の裾切りの説明図である。 図２１は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。 図２２は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図２３は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。 図２４は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図２５は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。 図２６は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図２７は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。 図２８は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図２９は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。 図３０は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。 図３１は、図３０に示す被加工部材を反対側から見た図である。
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。
加工装置１０は、図１に示すように、レーザ発振器１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、加工ステージ２０と、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、制御装置３０と、を含む。加工装置１０は、加工ステージ２０を囲む門型ブリッジ３２を有する。加工装置１０は、加工ステージ２０上に保持される被加工部材Ｗにレーザを照射し、被加工部材Ｗを加工する。ここで、本実施形態では、加工ステージ２０の水平面をＸＹ平面とし、加工ステージ２０の水平面に直交する方向をＺ軸方向としている。また、本実施形態では、Ｚ軸回りの回転方向をＣ軸方向としている。
ここで、被加工部材Ｗは、例えば、板状の部材である。被加工部材Ｗとしては、種々の材料、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、Ｎｉ基耐熱合金等で作成された部材を用いることができる。また、被加工部材Ｗとして、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat Reinforced Thermoplastics）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、種々の複合材等で作成された部材も用いることができる。また、本実施形態において、加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれかであり、これらの加工を組み合わせることもできる。
レーザ発振器１２は、レーザを出力する装置であり、加工装置１０の門型ブリッジ３２に併設される。レーザ発振器１２は、例えば、光ファイバを媒質としてレーザを出力するファイバレーザ出力装置、または、短パルスのレーザを出力する短パルスレーザ出力装置などが用いられる。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。短パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザも使用可能である。
案内光学系１４は、レーザ発振器１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６へ案内する光学系である。案内光学系１４は、本実施形態では、例えば、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ発振器１２のレーザ出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６のレーザ入射端と接続される。案内光学系１４は、レーザ発振器１２のレーザ出射口から照射ヘッド１６の入射端へレーザを導光する。
照射ヘッド１６は、案内光学系１４で案内されたレーザを旋回させつつ被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、レーザをプリズムで屈折させることで、屈折前のレーザの光路と被加工部材Ｗに照射されるレーザの光路とをオフセットする。さらに、照射ヘッド１６は、レーザを集光させて、被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、照射ヘッドカバー１６ａにより覆われる。照射ヘッド１６の構造については、後述する。
加工ステージ２０は、表面に載置された被加工部材Ｗを保持する機構である。加工ステージ２０は、被加工部材Ｗを保持する表面が基準面（例えば、加工装置１０の設置面）に対して水平面（ＸＹ平面）である。
Ｘ軸移動機構２２は、加工ステージ２０を支持するＸ軸ステージであって、加工ステージ２０をＸ軸方向に移動させることで、Ｘ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを移動させる。
Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２と加工ステージ２０との間に配置される。つまり、Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２に支持されており、加工ステージ２０を支持する。Ｃ軸回転機構２４は、加工ステージ２０をＣ軸方向に回転駆動することにより、Ｃ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを回転させる。
Ｙ軸移動機構２６は、Ｚ軸移動機構２８を支持しつつ、照射ヘッド１６をＹ軸方向に移動させる。これにより、Ｙ軸移動機構２６は、Ｙ軸方向の所定の位置に照射ヘッド１６を移動させる。
Ｚ軸移動機構２８は、照射ヘッド１６を支持しつつ、照射ヘッド１６をＺ軸方向の所定位置に移動させる。
加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向の４軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗとレーザとの相対位置関係を４軸方向に移動させる。
制御装置３０は、レーザ発振器１２と照射ヘッド１６とＸ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにそれぞれ接続され、各部の動作を制御する。制御装置３０は、例えば、レーザ発振器１２から出力されるレーザの各種条件を調整したり、Ｘ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにより照射ヘッド１６および加工ステージ２０を移動させて被加工部材Ｗに対する照射ヘッド１６の位置を調整したり、被加工部材Ｗの条件（材質、厚み等）や加工処理の条件から熱影響層の許容厚みを検出して設定したり、照射ヘッド１６から被加工部材Ｗに照射されるレーザの後述する旋回数や旋回径Ｒを制御したりする。
次に、図２から図５を用いて、照射ヘッド１６について説明する。図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。図４は、冷却ジャケットの構成例を示す模式図である。図５は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。
照射ヘッド１６は、図２および図３に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、反射光学系３６と、集光光学系３７と、ノズル３８と、割出機構３９と、撮像手段４０と、ギャップ検出手段４１と、支持部材４２と、を含む。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、反射光学系３６、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、コリメート光学系３４とレーザ旋回部３５と反射光学系３６と集光光学系３７とにそれぞれ分割可能である。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する被加工部材Ｗに向けて照射する。
コリメート光学系３４は、案内光学系１４のレーザＬが出射される端面に対向して配置される。つまりコリメート光学系３４は、案内光学系１４とレーザ旋回部３５との間に配置される。コリメート光学系３４は、コリメータレンズ等を備えており、案内光学系１４から出力されたレーザＬをコリメート光とし、レーザ旋回部３５に向けて出射する。
レーザ旋回部３５は、図２および図５に示すように、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射レーザ、つまりレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。レーザ旋回部３５は、図３に示すように、第１プリズム５１と、第２プリズム５２と、第１回転機構５３と、第２回転機構５４と、冷却機構５５と、を有する。
第１プリズム５１は、レーザＬを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾ける。第２プリズム５２は、第１プリズム５１で屈折されたレーザＬを再度屈折させて、集光する位置を制御する。これにより、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬは、通過前のレーザＬの光路に対してずれた光路で出力される。
第１プリズム５１は、図２および図４に示すように、レーザＬが入射される入射面５１ａと、レーザＬが出射される出射面５１ｂと、を有する。また、第１プリズム５１は、例えば、その外形が八角形状である。第１プリズム５１は、プリズムホルダ５６に固定される。プリズムホルダ５６は、例えば、第１プリズム５１の外形に対応する八角形状の保持穴を有し、この保持穴で第１プリズム５１を保持する。
入射面５１ａは、光軸ＯＡに対して僅かに傾く平坦面である。入射面５１ａは、光軸ＯＡに対する傾きが１°未満である。つまり、入射面５１ａは、案内光学系１４から出力されたレーザＬが入射する時、入射面５１ａで反射するレーザを光軸ＯＡからずらすことができる。これにより、第１プリズム５１は、入射面５１ａから案内光学系１４に向かって反射するレーザの反射量を抑え、レーザ発振器１２の出射口に向かって反射するレーザの量を抑制することができる。
出射面５１ｂは、出射するレーザＬを屈折させる傾きの平坦面である。これにより、第１プリズム５１は、案内光学系１４から出力されたレーザＬを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾ける。
第２プリズム５２は、レーザＬが入射される入射面５２ａと、レーザＬが出射される出射面５２ｂと、を有する。また、第２プリズム５２は、例えば、その外形が八角形状である。第２プリズム５２は、プリズムホルダ５７に固定される。プリズムホルダ５７は、例えば、第２プリズム５２の外形に対応する八角形状の保持穴を有し、この保持穴で第２プリズム５２を保持する。
入射面５２ａは、第１プリズム５１から出力されたレーザＬを屈折させる傾きの平坦面である。これにより、第２プリズム５２は、第１プリズム５１で屈折されたレーザＬを再度屈折させて、集光する位置を制御する。すなわち、第２プリズム５２は、レーザ旋回部３５を通過前のレーザＬの光路に対して、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬの光路をずらして出力する。
出射面５２ｂは、入射面５２ａで屈折したレーザＬの光軸に対して僅かに傾く平坦面である。出射面５２ｂは、入射面５２ａで屈折したレーザＬの光軸に対する傾きが１°未満である。つまり、出射面５２ｂは、第１プリズム５１から出力されたレーザＬが出射する時、出射面５２ｂで反射するレーザＬを、入射面５２ａで屈折したレーザＬの光軸からずらすことができる。これにより、第２プリズム５２は、出射面５２ｂから案内光学系１４に向かって反射するレーザＬの反射量を抑え、レーザ発振器１２の出射口に向かって反射するレーザＬの量を抑制することができる。
第１回転機構５３は、図３に示すように、第１プリズム５１を保持する第１スピンドル５８と、第１スピンドル５８が内部に挿入され当該第１スピンドル５８を回転させる第１中空モータ５９と、を有する。第２回転機構５４は、第２プリズム５２を保持する第２スピンドル６０と、第２スピンドル６０が内部に挿入され当該第２スピンドル６０を回転させる第２中空モータ６１と、を有する。第１回転機構５３と第２回転機構５４とは、互いに同期回転および相対回転可能である。
第１スピンドル５８と第２スピンドル６０とは、レーザＬの光路の部分が中空の筒状部材である。第１スピンドル５８には、レーザＬの進行方向の先側にプリズムホルダ５６が固定される。第２スピンドル６０には、レーザＬの進行方向の後側にプリズムホルダ５７が固定される。第１スピンドル５８と第２スピンドル６０とは、軸受６２および軸受６３を介して支持される。軸受６２および軸受６３は、例えば、転がり玉軸受等の転がり軸受である。
第１中空モータ５９は、第１スピンドル５８の外周面に固定された中空ロータ６４と、中空ロータ６４に対向配置されたステータ６５と、を有する。第１中空モータ５９は、第１スピンドル５８とともに第１プリズム５１を回転させる。第２中空モータ６１は、第２スピンドル６０の外周面に固定された中空ロータ６６と、中空ロータ６６に対向配置されたステータ６７と、を有する。第２中空モータ６１は、第２スピンドル６０とともに第２プリズム５２を回転させる。第１プリズム５１と前記第２プリズム５２とは、互いに同期回転および相対回転可能である。
また、第１回転機構５３および第２回転機構５４は、それぞれ、回転部（第１スピンドル５８および中空ロータ６４、第２スピンドル６０および中空ロータ６６）と固定部（ステータ６５、ステータ６７）との相対的な位置、回転数を検出するエンコーダ６８を備える。エンコーダ６８は、上記回転部側に固定される識別子６９と、上記固定部側に固定され、識別子６９を検出する検出部７０と、を有する。エンコーダ６８は、検出部７０で識別子６９を検出することで、上記回転部の相対的な位置を検出することができる。エンコーダ６８は、検出した上記回転部の回転数および回転位置（位相角）の情報を制御装置３０に出力する。また、エンコーダ６８としては、例えば、回転位置（位相角）を数千分の一度（０．００１度以下）の分解能で検出する検出機器を用いることが好ましい。
また、第１回転機構５３と第２回転機構５４とは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることができる。これにより、図５に示すように、レーザ照射点を回転軸の光路の中心Ｐから第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差に対応する距離だけ離れた照射位置ＩＰまで偏心させることができる。この第１プリズム５１と前記第２プリズム５２との位相角の差を維持しながら、第１回転機構５３と第２回転機構５４とを同回転周期で同期回転させる場合、レーザ照射点は旋回径Ｒの円軌道を描く。また、第１プリズム５１と前記第２プリズム５２とを非同期回転（異なる回転周期で回転）させる場合には、レーザ照射点の旋回径を増減させながらレーザ照射点を旋回させることができ、任意の曲線軌道を描くことも可能である。
なお、本実施形態において、第１中空モータ５９と第２中空モータ６１との位相角の差とは、第１中空モータ５９と第２中空モータ６１との回転位置（位相角）の相対的なずれの角度のことをいう。また、第１中空モータ５９と第２中空モータ６１との位相角の差の誤差とは、第１中空モータ５９と第２中空モータ６１との位相のずれの角度の誤差のことをいう。
また、旋回径Ｒとは、図２および図５に示すように、光路の中心Ｐから被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰまでの距離のことをいい、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬが中心Ｐ周りに旋回する半径のことをいう。旋回径Ｒは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることにより被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒが変わるので、可変である。旋回数とは、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰが中心Ｐ周りに旋回する単位時間当たりの回数のことをいう。
冷却機構５５は、図３および図４に示すように、冷却ジャケット５５ａを有する。冷却ジャケット５５ａは、プリズムホルダ５６およびプリズムホルダ５７の周囲を冷却媒体流路が取り囲んでいる。冷却ジャケット５５ａは、冷却媒体供給源７８の冷却媒体供給配管７８ａと接続される接続部５５ｂから冷却媒体が供給され（矢印ａ方向）、冷却媒体供給源７８の冷却媒体排出配管７８ｂと接続される接続部５５ｃから冷却媒体が排出される（矢印ｂ方向）。また、冷却ジャケット５５ａは、温度センサを有する。これにより、冷却ジャケット５５ａは、温度センサから制御装置３０へ出力される検出温度信号に基づいて、冷却媒体供給源７８から供給される冷却媒体の温度や流量が調整され、第１プリズム５１および第２プリズム５２が所定の温度に維持される。
反射光学系３６は、図２および図３に示すように、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬを反射する第１反射ミラー７１と、第１反射ミラー７１で反射したレーザＬを再び反射する第２反射ミラー７２と、筒部７３と、ノズル装着部７４と、を有する。反射光学系３６は、第１反射ミラー７１と第２反射ミラー７２とにより、レーザ旋回部３５から出力されたレーザＬを集光光学系３７に向けて反射する。つまり、反射光学系３６は、レーザ旋回部３５のレーザの光路と、集光光学系３７のレーザの光路と、をオフセットする。第２反射ミラー７２は、ハーフミラーであり、被加工部材Ｗの加工部位を撮像手段４０で撮像可能とする。筒部７３とノズル装着部７４とは、継手部７５で連結される。
集光光学系３７は、複数のレンズを有しており、この複数のレンズにより、第２反射ミラー７２で反射されたレーザＬを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザＬを形成する。集光光学系３７は、被加工部材Ｗに所定のスポット径のレーザＬを照射する。また、集光光学系３７は、冷却機構７６を有する。冷却機構７６は、例えば、上記複数のレンズを冷却するための冷却ジャケット等である。
ノズル３８は、レーザＬの進行方向の先側に向かうにつれて次第に径が縮小する中空の円錐形状である。ノズル３８は、集光光学系３７を介してノズル装着部７４に装着される。ノズル３８は、被加工部材Ｗの加工点で生じるスパッタ等により集光光学系３７が汚損するのを防ぐための透光部材７７を有する。また、ノズル３８は、アシストガス供給源７９からアシストガスが供給され、このアシストガスを被加工部材Ｗに向けて噴射可能である。
本実施形態において、アシストガスは、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス、または、これらの混合ガスを用いることができる。アシストガスとして、酸化反応熱を加工処理に利用できる酸素ガスを用いた場合、金属等の被加工部材Ｗに対する加工速度をより向上させることができる。また、アシストガスとして、熱影響層としての酸化被膜の生成を抑える窒素ガスやアルゴンガス等を用いた場合、金属等の被加工部材Ｗに対する加工精度をより向上させることができる。アシストガスのガス種、混合比、および、ノズル３８からの噴出量（圧力）などは、被加工部材Ｗの種類や加工モード等の加工条件に応じて変えることができる。
割出機構３９は、割出軸８１と、中空モータ８２と、割出角度検出手段８３と、を有する。割出軸８１は、ノズル装着部７４に連結され、ノズル装着部７４と一体で回転する。割出軸８１には、ノズル装着部７４内にアシストガスを供給するためのアシストガス供給配管８１ａ（内部配管）が形成されている。割出軸８１は、軸受８４でＹ軸回りに回転可能に支持される。軸受８４は、例えば、静圧軸受（流体軸受）である。中空モータ８２は、割出軸８１の外周面に固定された中空ロータ８５と、中空ロータ８５に対向して配置されたステータ８６と、を有する。
中空モータ８２は、割出軸８１を回転中心とし、ノズル装着部７４に装着されたノズル３８を割出軸８１回り（矢印ｄ方向）に首振り可能に駆動する。すなわち、中空モータ８２は、ノズル３８をＹ軸回りに首振り可能に駆動する。これにより、割出機構３９は、割出軸８１を回転中心として反射光学系３６のノズル装着部７４を回転させ、この回転に伴って、割出軸８１の同軸上に配置された第２反射ミラー７２を回転させることができるので、割出角度を変更しても第２反射ミラー７２で反射したレーザＬをノズル３８から照射することができる。また、割出機構３９は、ノズル装着部７４およびノズル３８を一体で首振りさせるので、首振り部分の大型化を抑制することができる。
割出角度検出手段８３は、回転部（割出軸８１および中空ロータ８５）と固定部（ステータ８６）との相対的な位置（割出角度）を検出するエンコーダを備える。エンコーダは、検出した上記回転部の割出角度の情報を制御装置３０に出力する。このように、割出機構３９を用いる場合、加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２、Ｃ軸回転機構２４、Ｙ軸移動機構２６、Ｚ軸移動機構２８、割出機構３９、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向、首振り方向からなる５軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗと照射するレーザＬとの相対位置関係を５軸方向に移動させることができる。
撮像手段４０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等を有するカメラである。撮像手段４０は、レーザＬの照射位置ＩＰや旋回径Ｒなどを撮像し、この撮像した画像から画像データを生成し、制御装置３０に画像データを出力する。撮像手段４０は、ノズル装着部７４を挟んでノズル３８と対向する位置で、ノズル装着部７４に装着される。撮像手段４０は、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。
ギャップ検出手段４１は、レーザ光を用いたギャップ測定装置である。ギャップ検出手段４１は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの焦点と、被加工部材Ｗとのギャップを検出する。ギャップ検出手段４１は、検出したギャップを制御装置３０に出力する。ギャップ検出手段４１は、撮像手段４０に連結されており、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。
支持部材４２は、Ｙ軸移動機構２６に支持される。支持部材４２は、レーザ旋回部３５と割出機構３９とを支持する。また、支持部材４２には、ノズル装着部７４内にアシストガスを供給するためのアシストガス供給配管４２ａ（内部配管）が形成されている。これにより、アシストガスは、アシストガス供給源７９からガス配管７９ａを介して支持部材４２のアシストガス供給配管４２ａに送られ、アシストガス供給配管４２ａを通って割出機構３９の中空モータ８２の内部空間に送られ、この内部空間から割出軸８１のアシストガス供給配管８１ａに送られ、アシストガス供給配管８１ａからノズル装着部７４内に送られ、ノズル装着部７４内から集光光学系３７を通ってノズル３８に送られ、ノズル３８から被加工部材Ｗに向かって噴射する。
次に、図５から図７を用いて、加工装置１０による加工処理について説明する。図５は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。図６は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。図７は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。
まず、加工装置１０（制御装置３０）は、図７に示すように、加工モードを決定する（ステップＳＴ１）。例えば、加工装置１０は、オペレータ等の作業員によって入力された、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のうち、いずれを実行するかを示す操作を確認し、確認した操作に基づいて、加工モードを決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する（ステップＳＴ２）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、被加工部材Ｗの材質や厚みを入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、加工条件を決定する（ステップＳＴ３）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、ステップＳＴ１で決定した加工モードにおいて被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、熱影響層Ｗａ（図６参照）の許容厚みを決定する（ステップＳＴ４）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ１で決定した加工モード、ステップＳＴ２で決定した被加工部材Ｗの材質や厚み、ステップＳＴ３で決定した加工条件、をそれぞれ取得し、加工モードと被加工部材Ｗの材質や厚みと加工条件と熱影響層Ｗａの許容厚みとの相関関係を定めた制御マップ（加工条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの許容厚みを決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザＬの許容旋回数、許容旋回径を決定する（ステップＳＴ５）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みに基づいて、熱影響層Ｗａの厚みとレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとの相関関係を定めた制御マップ（旋回条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの厚みＴＨ（図５参照）が許容厚みを超えないレーザＬの許容旋回数範囲および許容旋回径範囲を決定する。なお、ステップＳＴ５においては、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、旋回径Ｒは必須ではないため、旋回数のみを決定してもよい。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、位相角の差を決定する（ステップＳＴ６）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回数範囲に含まれる旋回数を第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数として決定する。さらに、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザＬの旋回径Ｒと第１プリズム５１および第２プリズム５２の位相角の差との相関関係を定めた制御マップ（位相角制御マップ）を参照し、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回径範囲に含まれる位相角の差を第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差として決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザ出力を決定する（ステップＳＴ７）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みを取得し、熱影響層Ｗａの厚みとレーザＬの出力との相関関係を定めた制御マップ（レーザ出力制御マップ）を参照し、レーザＬのピーク出力およびパルス幅を選択し、レーザ出力を決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、アシストガス噴射条件を決定する（ステップＳＴ８）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みを取得し、熱影響層Ｗａの許容厚みとアシストガスのガス種、圧力、混合比等との相関関係を定めた制御マップ（ガス条件制御マップ）を参照し、このガス条件制御マップからアシストガスのガス種、圧力、混合比等を選択し、アシストガスの噴射条件を決定する。
次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに対して加工を実行する（ステップＳＴ９）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ７で決定したアシストガス噴射条件に基づいてアシストガス供給源７９からアシストガスを供給してノズル３８から噴射し、ステップＳＴ８で決定したレーザ出力に基づいてレーザ発振器１２を発振させてレーザＬを出射させると同時に、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とに基づき第１中空モータ５９および第２中空モータ６１の回転を調整し、被加工部材Ｗに対してレーザＬを照射し、加工を実行する。上述したステップＳＴ１からステップＳＴ９により、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに加工処理を施す。
ここで、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、ステップＳＴ９において、レーザ発振器１２から出射されたレーザＬは、案内光学系１４を介して照射ヘッド１６の入射端に入射し、図２、図５および図６に示すように、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とで矢印ｃ方向に回転する第１プリズム５１および第２プリズム５２により屈折し、屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる光路の中心Ｐから偏心した位置に照射される。この状態で第１プリズム５１と前記第２プリズム５２とを同じ回転周期で回転させると、レーザ照射点が屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる回転軸の光路の中心Ｐ周りに旋回し、中心Ｐを旋回中心とする仮想円ＩＣ上をレーザＬの照射位置ＩＰが移動し、被加工部材Ｗに穴Ｗｂがあけられる。なお、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、穴径は設定値によりほぼ決まる。これに対して溶接加工、クラッディング加工などは、熱影響層Ｗａや表面、裏面の飛散物量の制御を旋回数に加えて、旋回径Ｒも用いることが可能である。
次に、図８から図２０を用いて、加工装置１０によるレーザＬの照射動作について説明する。図８は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１１は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１２は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１３は、被加工部材に照射するレーザの軌跡を真円補正する際の一例を示す模式図である。図１４は、被加工部材に照射するレーザの軌跡を真円補正しつつ旋回径補正する際の一例を示す模式図である。図１５は、穴あけ加工におけるテーパ補正の動作の説明図である。図１６は、斜めに穴あけ加工された薄板状の被加工部材の断面の説明図である。図１７は、斜めに穴あけ加工する際の動作の説明図である。図１８は、連続して穴をあける際の動作の説明図である。図１９は、プリズムの位相角をゼロに設定したときの動作の説明図である。図２０は、レーザのエネルギ分布の裾切りの説明図である。
一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせて被加工部材ＷにレーザＬを照射する場合、図８に示すように、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期を、照射位置ＩＰの旋回周期の非整数倍とすることが好ましい。すなわち、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期と、照射位置ＩＰの旋回周期とをずらすことにより、一周目はレーザＬを照射位置ＩＰａに照射し、二周目はレーザＬを照射位置ＩＰｂに照射することができる。つまり、加工装置１０は、三周目以降も動揺にレーザＬのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、照射位置を順次ずらすことができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬの照射位置が各周回でずれ、被加工部材Ｗの加工対象の領域に効率よくレーザＬを照射することができる。
また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変化させつつ第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させる場合、図９に示すように、加工装置１０は、中心Ｐから徐々に離れる渦巻状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。これにより、加工装置１０は、渦巻状にレーザＬを照射することで、レーザＬが入りにくくなる厚みを有する被加工部材Ｗに対しても精度良く加工することができる。
同様に、図１０および図１１に示すように、加工装置１０は、楕円状やハート状の軌跡ＴＲで被加工部材ＷにレーザＬを照射することもできる。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させつつ第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変えることで、レーザＬの旋回径Ｒを変え、種々の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。すなわち、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との回転および位相角の差を制御することで、種々の形状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。
また、被加工部材Ｗに対して施す加工処理に適したレーザＬの旋回径Ｒを光学上の理論値から算出した後、熱影響層Ｗａを考慮してその旋回径Ｒを補正する場合、図１２に示すように、加工装置１０は、一周目は穴あけ加工する目標穴の穴径よりも小さい円形状の軌跡ＴＲａでレーザＬを被加工部材Ｗに照射し、二周目は穴あけ加工する目標穴の穴径と同じ大きさの円形状の軌跡ＴＲｂでレーザＬを被加工部材Ｗに照射する。この場合、一周目のレーザＬの旋回径Ｒａは目標穴よりも小さい旋回径とし、二周目のレーザＬの旋回径Ｒｂは目標穴をあけるための旋回径を光学上の理論値から算出した後に目標穴において熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように補正した旋回径とすることが好ましい。これにより、レーザＬが被加工部材Ｗに最初に照射される一周目では熱の拡がりが大きくなるが、加工装置１０は、一周目では目標穴よりも小さい穴をあけることで熱の拡がりを抑え、二周目で目標穴をあけることができる。つまり、加工装置１０は、一周目で粗加工し、二周目で仕上げ加工することができるので、高精度で加工することができる。
また、レーザＬの軌跡ＴＲを真円に近づける場合（真円度を補正する場合）、図１３に示すように、加工装置１０は、被加工部材Ｗにパイロット穴Ｗｂ１をあけた後、撮像手段４０でパイロット穴Ｗｂ１を撮像した画像データから当該パイロット穴Ｗｂ１の真円度を検出し、検出した真円度に基づいて、レーザＬの照射位置ＩＰの軌跡ＴＲが真円となる第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の変化パターン（旋回するレーザＬの一周期における位相角の差の連続的変動）を算出し、算出した位相角の差の変化パターンで第１プリズム５１と第２プリズム５２とを回転制御することにより、レーザＬを真円形状に旋回させつつ被加工部材Ｗに照射する。これにより、加工装置１０は、本穴Ｗｂ２を真円形状にあけることができる。
また、レーザＬの軌跡ＴＲを真円補正すると同時に穴径を補正（穴径補正）する場合、図１４に示すように、加工装置１０は、撮像手段４０で撮像したパイロット穴Ｗｂ１の画像データから当該パイロット穴Ｗｂ１の真円度と大きさ（穴径）とを検出し、検出した真円度と穴径とに基づいて、レーザＬの照射位置ＩＰの軌跡ＴＲが所定の穴径の真円となる第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の変化パターン（旋回するレーザＬの一周期における位相角の差の連続的変動）を算出し、算出した位相角の差の変化パターンで第１プリズム５１と第２プリズム５２とを回転制御することにより、レーザＬを所定の大きさの真円形状に旋回させつつ被加工部材Ｗに照射する。これにより、加工装置１０は、本穴Ｗｂ２を所定の大きさで真円形状にあけることができる。
また、レーザＬの照射方向の先側に向かって穴径が次第に大きくなるテーパ穴Ｗｄをあける場合、図１５に示すように、加工装置１０は、レーザＬの焦点と被加工部材Ｗとのギャップをギャップ検出手段４１により検出し、検出したギャップに基づいて、Ｚ軸移動機構２８によりＺ軸方向の相対位置を調整してレーザＬの照射位置ＩＰと当該レーザＬの焦点とした後、被加工部材Ｗの板厚ＷＴよりも焦点深度ＬＤが深いレーザＬを用いて、照射位置ＩＰを旋回中心Ｐ周りに旋回径Ｒで矢印ｃ方向に旋回させつつ被加工部材Ｗに照射することができる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗの表側（すなわちレーザＬの照射側）の穴径Ｆａよりも、裏側の穴径Ｆｂが大きいテーパ穴Ｗｄをあけることができる。
また、レーザＬの照射方向の先側に向かって穴径が次第に小さくなるテーパ穴Ｗｄをあける場合、加工装置１０は、検出したギャップに基づいて、Ｚ軸移動機構２８によりＺ軸方向の相対位置を調整してレーザＬの焦点を被加工部材Ｗの裏側とした後、照射位置ＩＰを旋回中心Ｐ周りに旋回径Ｒで矢印ｃ方向に旋回させつつ被加工部材Ｗに照射することができる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗの裏側の穴径Ｆｂよりも、表側の穴径Ｆａが大きいテーパ穴Ｗｄをあけることができる。つまり、加工装置１０は、ギャップ検出手段４１により検出したギャップに基づいて、Ｚ軸移動機構２８により被加工部材ＷのＺ軸方向の相対位置を制御することにより、所望の形状のテーパ穴Ｗｄをあけることができる。
また、テーパ穴Ｗｄのテーパ形状を補正（テーパ補正）する場合、加工装置１０は、検出したギャップに基づいて、Ｚ軸移動機構２８により被加工部材ＷのＺ軸方向の相対位置を制御することで、被加工部材Ｗの表側の穴径Ｆａと裏側の穴径Ｆｂとが同じ大きさになる穴Ｗｂ（図６参照）をあけることができる。つまり、加工装置１０は、ギャップ検出手段４１により検出したギャップに基づいて、テーパ穴Ｗｄをストレート穴に補正することもできる。
また、複数の異なる材料の層を有する被加工部材Ｗに斜めの穴Ｗｅをあける場合、例えば、セラミック層Ｗ１と金属層Ｗ２とを有する薄板状の被加工部材Ｗに対して傾斜角αが２０°から４０°斜めの穴Ｗｅをあける場合、図１６および図１７に示すように、加工装置１０は、割出機構３９によりノズル３８の割出角度を２０°から４０°とし、セラミック層Ｗ１では、照射するレーザＬの旋回数を相対的に遅くして照射位置ＩＰにおける単位時間当たりのエネルギを高くして穴あけ加工する。また、加工装置１０は、金属層Ｗ２では、照射するレーザＬの旋回数を相対的に速くして照射位置ＩＰにおける単位時間当たりのエネルギを低くして穴あけ加工する。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑えつつ熱伝導性の比較的に低いセラミック層Ｗ１に穴をあけることができ、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑えつつ熱伝導性の比較的に高い金属層Ｗ２に穴をあけることができる。さらに、加工装置１０は、セラミック層Ｗ１および金属層Ｗ２のそれぞれの穴あけにかかる所要時間を短縮することができる。
また、加工装置１０は、セラミック層Ｗ１と金属層Ｗ２との境界付近では、金属層Ｗ２側に照射するレーザＬの軌跡ＴＲが、セラミック層Ｗ１側に照射するレーザＬの軌跡ＴＲよりも相対的に小さくなる非真円形状とする。これにより、加工装置１０は、金属層Ｗ２の熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑えることができ、セラミック層Ｗ１よりも穴あけ加工速度が相対的に速い金属層Ｗ２の穴あけの進行速度を抑えることができる。つまり、加工装置１０は、セラミック層Ｗ１と金属層Ｗ２とを同様に穴あけできる。すなわち、加工装置１０は、セラミック層Ｗ１および金属層Ｗ２のそれぞれに適した加工条件で加工する多段階加工を行うことができ、セラミック層Ｗ１および金属層Ｗ２を一直線状に貫く加工品質の高いストレート穴をあけることができる。
また、加工装置１０は、上記多段階加工において、各段階に適したガス種のアシストガスを用いることにより、より適した加工条件で被加工部材Ｗに加工処理することができる。
また、加工装置１０は、薄板状の被加工部材Ｗに対して斜めに穴をあける際、上記テーパ補正を行うことで、容易にストレート穴をあけることができる。
また、被加工部材Ｗ上に間隔をおいて複数の穴Ｗｃをあける場合、図１８に示すように、加工装置１０は、送り機構（Ｘ軸移動機構２２、Ｙ軸移動機構２６、Ｚ軸移動機構２８）により穴あけ位置に被加工部材Ｗを移動し、この穴あけ位置で上記送り機構を停止すると同時にレーザＬを被加工部材Ｗに照射して穴Ｗｃ１を形成し、再び上記送り機構により次の穴あけ位置に被加工部材Ｗを移動し、次の穴あけ位置で上記送り機構を停止すると同時にレーザＬを被加工部材Ｗに照射して穴Ｗｃ２を形成し、再び上記送り機構により次の穴あけ位置に被加工部材Ｗを移動し、次の穴あけ位置で上記送り機構を停止すると同時にレーザＬを被加工部材Ｗに照射して穴Ｗｃ３を形成し、以降も同様に繰り返して穴を連続的にあける。つまり、加工装置１０は、照射ヘッド１６からのレーザＬの照射のみで穴あけ加工することができるので、穴あけ時に上記送り機構の機械動作を停止することができる。すなわち、加工装置１０は、上記送り機構の機械動作の停止時間をレーザＬの照射時間とすることにより、上記送り機構の機械動作の停止時間を短時間とすることができるので、上記送り機構の待ち時間（停止時間）を短くすることができる。これにより、加工装置１０は、加工動作を高速化することができるので、加工時間を短縮することができる。
また、加工装置１０は、間隔をおいて複数の穴Ｗｃを被加工部材Ｗにあける場合、被加工部材Ｗが移動する方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）側の旋回径Ｒを相対的に短くした楕円形状でレーザＬを旋回させつつ照射することで、上記送り機構を停止させることなく、被加工部材Ｗを連続して移動させながら略真円（真円を含む）の穴Ｗｃを連続的にあけることもできる。
また、加工装置１０は、図１９に示すように、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を０°とすることにより、中心Ｐと照射位置ＩＰとのオフセット量をゼロとすることができる。また、加工装置１０は、中心Ｐと照射位置ＩＰとのオフセット量がゼロの状態で、第１プリズム５１と第２プリズム５２との回転数を同期させて回転することができる。これにより、レーザ発振器１２や案内光学系１４、コリメート光学系３４等の光学上のごく僅かなずれにより、照射位置ＩＰにおいて、レーザＬのエネルギ分布に偏りが生じ、相対的に低い強度のレーザＬａと相対的に高い強度のレーザＬｂとが中心Ｐからずれて照射されることがあっても、比較的に低い強度レーザＬａと比較的に高い強度のレーザＬｂとを中心Ｐ周りに矢印ｃ方向に旋回させることができる。すなわち、加工装置１０は、照射位置ＩＰにおけるレーザＬのスポット内のエネルギ密度を平均化することができるので、レーザＬのスポット（照射位置ＩＰ）の外周部でのエネルギむらを均一化することができ、エネルギむらを均一化したレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。つまり、加工装置１０は、切断加工等の際、切断面に影響を与えるレーザＬのスポットの外周部のエネルギむらが生じないので、切断方向（加工経路）を変えても加工品質（切断面品質）を維持することができる。同様に、加工装置１０は、例えば、溶接加工の際、溶接方向（加工経路）を変えても加工品質（溶接品質）を維持することができる。
また、加工装置１０は、図２０に示すように、被加工部材Ｗに照射するレーザＬのエネルギ分布（つまり、レーザＬの照射方向の断面のエネルギ分布）の裾野Ｌｃを切る裾切光学系を照射ヘッド１６に設けることにより、被加工部材Ｗに照射するレーザＬのスポットの外周部のエネルギを相対的に高めることができる。これにより、加工装置１０は、穴Ｗｂ（穴Ｗｃ，テーパ穴Ｗｄ，斜めの穴Ｗｅ）の縁端部や、切断面の縁端部などをシャープにすることができ、加工品質を向上することができる。裾切光学系としては、例えば、アパーチャによりレーザ旋回部３５のレーザＬの光路の一部を遮蔽するもの、あるいは、照射ヘッド１６の筐体でレーザＬの光路の一部を遮蔽するものを用いることができる。
また、加工装置１０は、撮像手段４０により被加工部材Ｗ上の加工部位を観察しつつ、照射するレーザＬの焦点と被加工部材Ｗとのギャップをギャップ検出手段４１検出して加工処理を行うことができるので、加工調整作業などが容易に行えるようになる。
また、加工装置１０は、第１回転機構５３が第１中空モータ５９で駆動され、第２回転機構５４が第２中空モータ６１で駆動され、割出機構３９が中空モータ８２で駆動されることから、第１回転機構５３、第２回転機構５４、割出機構３９のそれぞれにはバックラッシュがないので、第１回転機構５３および第２回転機構５４による第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を高精度に制御することができ、割出機構３９によるノズル３８の割出角度を高精度に制御することができる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの旋回径Ｒを高精度に制御することができ、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの割出角度を高精度に制御することができる。
また、加工装置１０は、アシストガス供給配管４２ａおよびアシストガス供給配管８１ａが照射ヘッド１６の内部に設けられた内部配管であるので、被加工部材Ｗの加工部位から飛散するスパッタの付着を防止し、アシストガス供給配管４２ａおよびアシストガス供給配管８１ａの破損を防止することができる。
また、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して旋回するレーザＬのパワーを周回ごとに変調することが好ましい。例えば、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの広がりを抑えるために、被加工部材Ｗの加工部位に対するレーザＬのパワー（出力）を周回ごとに変調する。加工装置１０は、レーザＬの出力の変調として、例えば、パルス変調、リニア変調、高周波重畳変調などを用いることで、被加工部材Ｗに施す加工処理に適したレーザＬを出力する。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対する加工品質を安定化することができる。
また、加工装置１０は、第１中空モータ５９と第２中空モータ６１との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。この場合、制御装置３０は、エンコーダ６８から出力された第１スピンドル５８および第２スピンドル６０の回転数と回転位置（位相角）とに基づいて、上述したステップＳＴ６で決定した第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とする。これにより、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の光学特性にもよるが、旋回径Ｒのずれを数十μｍ以内とすることができ、被加工部材Ｗに対して精度良くレーザＬを照射して加工することができる。
また、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２０ｒｐｍ以上で回転させることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２００ｒｐｍ以上で回転させることが好ましい。つまり、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの旋回数を、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では２０ｒｐｍ以上とすることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では２００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。
加工装置１０は、レーザＬの出力周波数に応じて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を調節することで、加工をより高速に行うことができ、さらに加工精度をより向上することができる。すなわち、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が相対的に高い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に高くなることから、レーザＬを相対的に高速旋回させ、レーザＬの出力周波数が相対的に低い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に低くなることから、レーザＬを相対的に低速旋回させる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、一定範囲において均一にレーザＬを照射することができ、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制できる。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの制御を行いやすくなり、加工精度を高くすることもできる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、レーザＬを相対的に高出力にしても熱影響（熱ダメージの影響）を抑制し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑え、加工品質を維持しつつ加工速度を高速化することができる。
また、加工装置１０は、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることで、好適に切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工あるいはレーザ積層造形することができ、且つ、切断面をより好適な形状とすることができる。これにより、加工装置１０は、加工精度を高くすることができる。また、加工装置１０は、旋回させながらレーザＬを照射することで、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制することができることから、高出力のレーザＬを用いることができるようになるので、溶接加工やクラッディング加工に好適に使用することができ、耐熱性の高い材料にも好適に使用することができる。
また、加工装置１０は、第１回転機構５３を第１中空モータ５９で回転駆動し、第２回転機構５４を第２中空モータ６１で回転駆動することから、第１中空モータ５９および第２中空モータ６１の径方向を小型化することができるので、照射ヘッド１６を小型化することができる。つまり、加工装置１０の大型化を抑制することができる。
また、加工装置１０は、制御装置３０が第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数を決定することにより、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下としつつ被加工部材Ｗを加工することができる。
次に、図２１から図２８を用いて、加工装置１０による他の加工例について説明する。図２１は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。図２２は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図２３は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。図２４は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図２５は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。図２６は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図２７は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。図２８は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。
加工装置１０は、加工モードが切断加工の場合、図２１および図２２に示すように、ＸＹ平面（水平面）のうちの任意の方向である矢印ｆ方向に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｆ方向に照射し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下に抑えることができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄで被加工部材Ｗに照射し、照射幅Ｄで被加工部材Ｗを切断することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
また、加工装置１０は、加工モードが溶接加工の場合、図２３および図２４に示すように、矢印ｆ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに溶接ワイヤ９１等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｆ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、例えば、Ｉ形などの開先形状である一方の被加工部材Ｗ３と他方の被加工部材Ｗ４とを溶接部Ｗｆで溶接することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、一方の被加工部材Ｗ３と他方の被加工部材Ｗ４との開先に照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚みを制御することができる。
また、加工装置１０は、加工モードがクラッディング加工の場合、図２５および図２６に示すように、矢印ｆ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに肉盛り材ワイヤ９２等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｆ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗ上に肉盛り部Ｗｇを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
また、加工装置１０は、加工モードが表面改質加工の場合、図２７および図２８に示すように、矢印ｆ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｆ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄａで被加工部材Ｗに照射することで、例えば、被加工部材Ｗの表面を平滑化したり、被加工部材Ｗの表面の材料粒子を微細化したりし、被加工部材Ｗの表面を改質した表面改質部Ｗｈを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
本実施形態において、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａは、被加工部材Ｗに照射されたレーザＬにより形成される再溶融層、酸化層、クラック、ドロスを少なくとも１つ含む。再溶融層は、加工時に、レーザＬの照射により被加工部材Ｗの固体が液体化し、再び固体化した層である。再溶融層は、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先に形成される層ではなく、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向に形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された穴Ｗｂの内周面や、切断された被加工部材Ｗの切断面に形成されるものである。また、再溶融層は、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先と照射方向に直交する方向とに形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された溶接部Ｗｆの周囲や下側、肉盛り部Ｗｇの周囲や下側、表面改質部Ｗｈの周囲や下側に形成されるものである。
酸化層は、被加工部材Ｗが金属等である場合、アシストガスとして酸素を使用した際に、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に形成される酸化被膜である。クラックは、レーザＬの照射により被加工部材Ｗが急速加熱され、この急速加熱時に被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に生じる微細なひび割れ（マイクロクラック）である。ドロスは、被加工部材Ｗの穴あけ時や切断時などに液体化した材料が溶融物となって、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に付着して固体化した付着物である。被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みは、再溶融層の厚み、酸化被膜の厚み、ひび割れの深さ、付着物の厚みを含む。
許容厚みは、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含む加工処理を被加工部材Ｗに施した際に、穴Ｗｂの内周面、切断部分や溶接部Ｗｆの熱影響層Ｗａの厚みＴＨ、肉盛り部Ｗｇや表面改質部Ｗｈの熱影響層Ｗａの厚みＴＨなどが、加工処理を施された製品としての被加工部材Ｗにおいて許容できる範囲内の厚みである。
また、許容厚みは、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向の長さである。また、許容厚みは、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の長さ、および、レーザＬの照射方向に直交する方向の長さである。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る照射ヘッド１６について説明する。図２９は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。第２実施形態に係る照射ヘッド１６の基本的構成は、第１実施形態に係る加工装置１０の照射ヘッド１６と同様であるので、同一部分の構成の説明は省略する。第２実施形態に係る照射ヘッド１６は、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７のそれぞれのレーザＬの光路が直線状（同軸上）に並んで一体的に連結される。
照射ヘッド１６は、図２９に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、集光光学系３７と、ノズル３８と、を有する。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する位置に配置された被加工部材Ｗに向けて照射する。
レーザ旋回部３５は、第１回転機構５３で回転駆動され、第１プリズム５１を支持する中空筒状の第１スピンドル５８と、第２回転機構５４で回転駆動され、第２プリズム５２を支持する中空筒状の第２スピンドル６０と、を有する。これにより、照射ヘッド１６は、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。
また、照射ヘッド１６は、第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒ、旋回数および軌跡ＴＲなどを加工モード等に合わせて変えることができる。
また、照射ヘッド１６は、第１プリズム５１および第２プリズム５２を冷却するための冷却機構５５、集光光学系３７を冷却するための冷却機構７６、撮像手段４０、ギャップ検出手段４１などを有し、第１プリズム５１と第２プリズム５２との回転数や位相角の差を制御することにより、上記第１実施形態に係る照射ヘッド１６と同様の加工を行うことができる。
［実験例］
ここで、加工装置１０を用いて被加工部材Ｗに施した穴あけ加工の実験例について説明する。図３０は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。図３１は、図３０に示す被加工部材を反対側から見た図である。
被加工部材Ｗに照射するレーザＬは、レーザピークパワーを１００Ｗ〜２０ｋＷ、周波数を５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、パルス幅を１μｓ〜１００ｍｓ、照射時間を１０ｍｓ〜１０秒、焦点距離を４０〜４００ｍｍ、旋回数を２０〜５０００ｒｐｍとした。アシストガスは、圧力が０．１〜１ＭＰａの酸素を用いたが、空気や窒素でもよいし、アルゴンガス（Ａｒ）やキセノンガス（Ｘｅ）等の希ガスでもよい。また、被加工部材Ｗは、厚さが０．５〜１０ｍｍのインコネル（登録商標）を用いた。
加工装置１０により上記条件で加工を行った結果を図３０および図３１に示す。ここで、図３０は、被加工部材Ｗの表面（レーザの入射側）を示し、図３１は、被加工部材Ｗの裏面を示す。本実験例では、図３０および図３１に示すように、被加工部材Ｗに穴Ｗｂを形成した。加工装置１０は、上記条件で加工を行うことで、レーザの照射時間が０．２秒であっても、穴Ｗｂの周囲にゆがみや凹凸が少なく、高い精度で加工できていることがわかった。
以上のように、実施形態に係る加工装置１０によれば、照射ヘッド１６をコリメート光学系３４とレーザ旋回部３５と集光光学系３７とに分割可能であるので、照射ヘッド１６を小型化することができ、加工装置１０をより小型化できるという効果を奏する。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えるだけで、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることができるので、加工装置１０、すなわちレーザ加工装置を簡単かつ小型にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御し、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることで、加工モードや加工条件により適した旋回径Ｒで加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を高速で行うことが可能であるという効果を奏する。
なお、上記実施形態において、加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置や短パルスレーザ出力装置を用いているが、これらに限定されず、被加工部材Ｗに対して加工処理を施すことができるレーザＬを出力するレーザ出力装置であればよい。これにより、加工装置１０は、種々のレーザ出力装置を利用することができ、加工用途に応じて適したレーザ出力装置を用いることができる。
また、ファイバレーザ出力装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）あるいはパルス発振（Pulsed Operation）のいずれかの方式を用いるレーザ出力装置であってもよい。ファイバレーザ出力装置は、連続波発振の場合、高出力を得やすいことから、切断加工や溶接加工などに好適に使用することができ、パルス発振の場合、熱的影響を抑えやすいことから、微細加工などに好適に使用することができる。
また、ファイバレーザ出力装置は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの断面の光強度分布が、ガウシアンモード（シングルモード）あるいはマルチモードであってもよい。ファイバレーザ出力装置は、ガウシアンモードの場合、照射位置ＩＰのスポット径を絞り込みやすく、高出力を得やすいことから、溶接加工、切断加工および極微細な穴あけ加工などに好適に使用することができ、マルチモードの場合、母材への熱的影響を抑えやすいことから、表面改質加工、表面仕上げ加工およびブレージング加工などに好適に使用することができる。
また、上記実施形態において、加工装置１０は、板状の被加工部材Ｗを加工しているが、被加工部材Ｗの形状は特に限定されず、種々の形状とすることができる。また、加工装置１０は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形を組み合わせて被加工部材Ｗに対して加工処理を施してもよい。また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰを制御することで、屈曲点を有する軌跡ＴＲで照射したり、湾曲形状を有する軌跡ＴＲで照射したりすることもできる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して、レーザＬを旋回しつつ照射する各種加工処理を施すことができる。
また、加工装置１０は、加工精度を高くすることができるため、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることが好ましいが、これに限定されず、被加工部材Ｗとして、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のうち少なくともいずれかの材料で作成されていればよい。また、加工装置１０は、熱影響（熱ダメージの影響）を低減や除去できるため、熱影響を低減や除去して加工を行う必要のある各種材料、複合材に用いることができる。これにより、加工装置１０は、種々の材料に対して加工処理を施すことができる。
また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰと被加工部材Ｗとの相対位置を移動させるために、被加工部材Ｗを移動させてもよく、照射ヘッド１６を移動させてもよく、被加工部材Ｗと照射ヘッド１６とを移動させてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対してより高速で加工処理を施すことができる。
また、上記実施形態において、被加工部材Ｗ上でレーザＬを旋回させつつ当該レーザの旋回径Ｒを変更する加工装置１０について説明したが、加工装置１０は、照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えた場合、旋回するレーザの照射位置ＩＰの移動速度（例えば、仮想円ＩＣ上の線速度）が一定となるように、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御してもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰにおける単位時間当たりのエネルギを一定とすることができる。
また、加工装置１０は、被加工部材Ｗにあけたパイロット穴を撮像手段４０で撮像し、撮像したパイロット穴の画像データから穴径を測定し、測定した穴径と照射したレーザＬの条件（ピーク出力やパルス幅、旋回数、旋回径Ｒなど）とから熱影響層Ｗａの厚みＴＨを推定し、推定した熱影響層Ｗａの厚みＴＨから該熱影響層Ｗａの許容厚みの範囲となるレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとを決定し、決定したレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとで第１中空モータ５９および第２中空モータ６１の回転数と位相角の差とを制御装置３０で制御し、本穴をあけてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように、より正確に制御することができる。
また、加工装置１０は、割出機構３９によりノズル３８の割出角度を調整し、被加工部材Ｗの表面に直交する方向でレーザＬを照射することにより、テーパ穴Ｗｄをストレート穴に補正することもできる。
また、加工装置１０は、コリメート光学系３４や反射光学系３６などを冷却ジャケット等の冷却機構により冷却してもよい。これにより、加工装置１０は、レーザＬによるレンズやミラーなどの温度上昇を抑えることができるので、照射ヘッド１６の光学特性を安定化し、レーザＬの照射位置ＩＰを高精度に制御することができる。
また、上記実施形態において、加工装置１０は、ギャップ検出手段４１が集光光学系３７の集光レンズに対向する位置（真後ろ）に配置されているが、レーザＬの焦点と被加工部材Ｗとのギャップとを検出できる位置であればよいので、照射ヘッド１６の他の位置に配置してもよい。これにより、加工装置１０は、装置の形態に応じてギャップ検出手段４１の取付位置を変更することができる。
また、上記実施形態において、加工装置１０は、第１プリズム５１の入射面５１ａの傾きを１°未満とし、第２プリズム５２の出射面５２ｂの傾きを１°未満としたが、第１プリズム５１の入射面５１ａで反射したレーザ、および、第２プリズム５２の出射面５２ｂで反射したレーザがレーザ発振器１２の出射口に到達しない傾きであればよい。これにより、加工装置１０は、案内光学系１４の長さに応じて入射面５１ａおよび出射面５２ｂの傾きを変えることができる。また、入射面５１ａが上記傾きとなるようにプリズムホルダ５６に第１プリズム５１を取り付けてもよく、出射面５２ｂが上記傾きとなるようにプリズムホルダ５７に第２プリズム５２を取り付けてもよい。
また、第１プリズム５１は、プリズムホルダ５６との位置がずれない形状であればよいので、八角形状に限定されず、六角形状から十一角形状であってもよく、これ以外の多角形状であってもよい。第２プリズム５２も同様に、その外形がプリズムホルダ５７との位置ずれを生じない多角形状であればよい。これにより、加工装置１０は、第１プリズム５１とプリズムホルダ５６との位置ずれを抑え、第２プリズム５２とプリズムホルダ５７との位置ずれを抑えることができるので、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を高精度に制御することができる。
また、セラミック層Ｗ１と金属層Ｗ２とを有する被加工部材Ｗに対して二段階で条件を変えて加工する方法を説明したが、これに限定されず、例えば、三層以上であれば三段階で条件を変えて加工することができ、多層であれば多段階で条件を変えて加工（多段階加工）することができる。また、セラミック層Ｗ１および金属層Ｗ２の他に、種々の材料を用いることができる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに多段階で加工処理を施すことができ、被加工部材Ｗの材質に適した加工条件で加工を行うことができる。
また、裾切光学系は、アパーチャや照射ヘッド１６の筐体でレーザＬのエネルギ分布の裾野Ｌｃをカットしているので、冷却ジャケット等の冷却機構によりアパーチャや照射ヘッド１６の筐体を冷却することが好ましい。加工装置１０は、レーザＬが有するエネルギのうちの数パーセントである裾野Ｌｃの部分をカットするので、冷却ジャケット等の冷却機構で十分にアパーチャや筐体を冷却することができる。これにより、加工装置１０は、簡単な構成で、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの品質を高めることができる。
また、第１中空モータ５９および第２中空モータ６１のうち少なくとも一方は、超音波モータであってもよい。これにより、加工装置１０は、第１中空モータ５９および第２中空モータ６１の位相角（回転位置）の位置決め精度を容易に向上することができる。
また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を上げたり、レーザＬのパルス幅を短くしたりしてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨをより薄くすることができる。
また、被加工部材Ｗ上のレーザＬの照射位置ＩＰからの飛散物の量とレーザＬの旋回数との相関関係を定めた制御マップ（飛散物制御マップ）を参照し、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を決定し、決定した回転数と位相角の差とで第１中空モータ５９および第２中空モータ６１を回転させてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨと、飛散物の量とを抑えることができる。
また、上記実施形態において、案内光学系１４は、光ファイバであるが、これに限定されず、ミラーやレンズを組み合わせ、レーザＬを反射や集光等して照射ヘッド１６に案内してもよい。これにより、照射ヘッド１６は、種々の加工装置で利用することができる。
また、上記実施形態において、Ｘ軸移動機構２２により相対移動する加工ステージ２０について説明しているが、加工ステージ２０は、ＸＹステージまたはＸＹＺステージ等であってもよい。また、照射ヘッド１６をＸＹＺの三方向に相対移動させてもよく、照射ヘッド１６をアームで支持し、ＸＹＺの３軸方向に加え、Ｃ軸方向に移動させてもよい。これにより、照射ヘッド１６は、種々の形態の加工装置に利用することができる。
１０ 加工装置
１２ レーザ発振器
１４ 案内光学系
１６ 照射ヘッド
１６ａ 照射ヘッドカバー
２０ 加工ステージ
２２ Ｘ軸移動機構
２４ Ｃ軸回転機構
２６ Ｙ軸移動機構
２８ Ｚ軸移動機構
３０ 制御装置
３２ 門形ブリッジ
３５ レーザ旋回部
３６ 反射光学系
３７ 集光光学系
３８ ノズル
３９ 割出機構
４０ 撮像手段
４１ ギャップ検出手段
４２ 支持部材
４２ａ アシストガス供給配管
５１ 第１プリズム
５２ 第２プリズム
５３ 第１回転機構
５４ 第２回転機構
５５，７６ 冷却機構
５６，５７ プリズムホルダ
５８ 第１スピンドル
５９ 第１中空モータ
６０ 第２スピンドル
６１ 第２中空モータ
６２，６３ 軸受
６４，６６ 中空ロータ
６５，６７ ステータ
６８ エンコーダ
６９ 識別子
７０ 検出部
７１ 第１反射ミラー
７２ 第２反射ミラー
７３ 筒部
７４ ノズル装着部
７５ 継手部
７７ 透光部材
７８ 冷却媒体供給源
７８ａ，７８ｂ 冷却媒体配管
７９ アシストガス供給源
７９ａ ガス配管
８１ 割出軸
８１ａ アシストガス供給配管
８２ 中空モータ
８３ 割出角度検出手段
８４ 軸受
８５ 中空ロータ
８６ ステータ
９１ 溶接ワイヤ
９２ 肉盛り材ワイヤ
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ 矢印
ＩＣ 仮想円
Ｄ，Ｄａ 幅
ＩＰ，ＩＰａ，ＩＰｂ 照射位置
Ｌ レーザ
Ｌｃ 裾野
ＯＡ 光軸
Ｐ 中心
Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ 旋回径
ＴＨ 厚み
ＴＲ，ＴＲａ，ＴＲｂ 軌跡
Ｗ 被加工部材
Ｗ１ セラミック層
Ｗ２ 金属層
Ｗ３ 一方の被加工部材
Ｗ４ 他方の被加工部材
Ｗａ 熱影響層
Ｗｂ，Ｗｃ 穴
Ｗｂ１ パイロット穴
Ｗｂ２ 本穴
Ｗｄ テーパ穴
Ｗｅ 斜めの穴
Ｗｆ 溶接部
Ｗｇ 肉盛り部
Ｗｈ 表面改質部

Claims (23)

  1. 被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、
    前記レーザをコリメートするコリメート光学系と、前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材にレーザを照射する照射ヘッドと、
    前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、
    前記照射ヘッドは、前記コリメート光学系と前記レーザ旋回部と前記集光光学系とに分割可能であり、
    前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力されたレーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、
    前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする加工装置。
  2. 前記照射ヘッドは、前記コリメート光学系と前記レーザ旋回部と前記集光光学系とが一体に接続されることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
  3. 前記照射ヘッドは、前記レーザ旋回部のレーザの光路と前記集光光学系のレーザの光路とをオフセットさせる反射光学系と、前記反射光学系から出力されるレーザの光路の角度を前記被加工部材に対する割出角度に調整する割出機構と、を有することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
  4. 前記割出機構は、前記反射光学系と接続された割出軸と、前記割出軸が回転自在に内挿され当該割出軸を回転駆動する中空モータと、を有することを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
  5. 前記照射ヘッドは、前記レーザの焦点と前記被加工部材とのギャップを検出するギャップ検出手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の加工装置。
  6. 前記ギャップ検出手段は、被加工部材の加工部位を撮像する撮像手段を有することを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
  7. 前記照射ヘッドは、前記レーザ旋回部を冷却する冷却機構を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の加工装置。
  8. 前記第１プリズムおよび前記第２プリズムは、外形が多角形状であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の加工装置。
  9. 前記第１プリズムは、入射面が前記レーザの光軸に対して傾けられ、
    前記第２プリズムは、出射面が前記レーザの光軸に対して傾けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の加工装置。
  10. 前記照射ヘッドは、内部にアシストガス供給配管を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の加工装置。
  11. 前記照射ヘッドは、前記被加工部材に照射するレーザのエネルギ分布における裾野をカットする裾切光学系を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の加工装置。
  12. 前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の加工装置。
  13. 前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の加工装置。
  14. 前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の加工装置。
  15. 前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の加工装置。
  16. 請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の加工装置を用いて、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、
    レーザを出力する出力ステップと、
    少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、
    前記第１回転機構および前記第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、
    前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする加工方法。
  17. 前記被加工部材に対して旋回するレーザのパワーを周回ごとに変調することを特徴とする請求項１６に記載の加工方法。
  18. 前記被加工部材に対して多段階で加工することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の加工方法。
  19. 前記被加工部材に非真円の穴をあけることを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の加工方法。
  20. 穴の真円度を検出し、検出した真円度に基づいて照射するレーザを真円とする前記第１プリズムと前記第２プリズムとの位相角の差を算出し、算出した位相角の差で前記第１プリズムと前記第２プリズムとを制御し、前記被加工部材にあける穴の真円度を補正することを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の加工方法。
  21. 前記レーザの焦点と前記被加工部材とのギャップを検出し、検出したギャップに基づいてテーパ穴またはストレート穴をあける前記焦点と前記被加工部材との相対位置を算出し、前記焦点と前記被加工部材とを算出した相対位置とし、前記レーザを照射して前記被加工部材にテーパ穴またはストレート穴をあけることを特徴とする請求項１６から請求項２０のいずれか一項に記載の加工方法。
  22. 材質が異なる境界部分で前記レーザを前記被加工部材に非真円に照射し、前記被加工部材に斜めの穴をあけることを特徴とする請求項１６から請求項２１のいずれか一項に記載の加工方法。
  23. 前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することを特徴とする請求項１６から請求項２２のいずれか一項に記載の加工方法。
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