JP5460934B1 - 曲率制御装置およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

曲率制御装置において、レーザ加工機が照射するレーザ光のビーム径、ビーム発散角または焦点位置に関するビーム特性を補正するビーム補正値に基づいて、曲率可変ミラーの曲率を補正する曲率補正指令を生成し、生成した曲率補正指令を曲率可変ミラーの曲率を変更させる曲率可変ユニットに出力する補正指令出力部を備え、ビーム補正値は、ビーム特性と、レーザ加工機の機種毎に設定されたビーム特性基準値と、に基づいて算出された値であり、補正指令出力部は、レーザ加工機がレーザ光を照射した場合に、照射したレーザ光のビーム特性がビーム特性基準値と同じ値になる曲率補正指令を生成する。

Description

本発明は、曲率可変ミラーの曲率を制御することによってレーザ光のビーム径またはビーム発散角を制御する曲率制御装置およびレーザ加工機に関する。

レーザ加工機は、光路中に配置されたレーザ光折り返し反射鏡の面精度ばらつきと、レーザ発振器から発振されるビームのばらつき等が原因で、ビーム径およびビーム発散角の機差ばらつきを有している。

これらのビーム径およびビーム発散角等のばらつきを小さくする目的で、レーザ加工機に用いる反射ミラーおよびレンズには厳しい面精度基準が設けられている。また、特許文献１に記載のレーザ加工機は、曲率可変ミラーをレーザ加工機の光路中に配置し、レーザ加工条件に応じて、集光レンズに入射するレーザビーム径、集光後のスポット径または焦点距離を調整している。

特開２０００−８４６８９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ビーム径およびビーム発散角にばらつきが生じるので、加工条件にマージンを設けておく必要があった。すなわち、加工機間におけるビーム径およびビーム発散角等のばらつきを許容する目的で、加工機制御装置内にインプットされる加工条件にはマージンが設けられている。このため、ベストの加工条件で加工を行なうことができないので、加工速度が低下するとともに加工の安定性が低下するという問題があった。

また、上記従来の技術では、各加工機でビーム径およびビーム発散角がばらつくことを考慮して、面精度基準の厳しい反射ミラーおよびレンズを用いる必要がある。このため、光学部品の加工コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行う曲率制御装置およびレーザ加工機を得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、本発明は、レーザ加工機が照射するレーザ光のビーム径、ビーム発散角または焦点位置に関するビーム特性を補正するビーム補正値に基づいて、曲率可変ミラーの曲率を補正する曲率補正指令を生成し、生成した曲率補正指令を前記曲率可変ミラーの曲率を変更させる曲率可変ユニットに出力する補正指令出力部を備え、前記ビーム補正値は、前記ビーム特性と、前記レーザ加工機の機種毎に設定されたビーム特性基準値と、に基づいて算出された値であり、前記補正指令出力部は、前記レーザ加工機がレーザ光を照射した場合に、照射したレーザ光のビーム特性が前記ビーム特性基準値と同じ値になる曲率補正指令を生成することを特徴とする。

本発明によれば、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行うことが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ加工処理の概念を説明するための図である。 図２は、実施の形態１に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、曲率可変ユニットの構成を示す図である。 図５は、曲率可変ミラーの構成を示す図である。 図６−１は、曲率可変ミラーが凸面である場合の曲率変化とビーム径変化との関係を説明するための図である。 図６−２は、曲率可変ミラーが凹面である場合の曲率変化とビーム径変化との関係を説明するための図である。 図７は、ビーム径の測定方法を説明するための図である。 図８は、実施の形態２に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。 図９は、実施の形態３に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。 図１０は、実施の形態４に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る曲率制御装置およびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工処理の概念を説明するための図である。本実施の形態のレーザ加工機１００−１〜１００−Ｎ（Ｎは２以上の自然数）は、曲率可変ミラー２の曲率を補正したうえで、ワーク（後述する被加工物３０）へのレーザ加工を行なう装置である。ここでは、レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎが、それぞれ同じ機種であるとする。

ビーム特性の基準値であるビーム特性基準値は、レーザ加工機の開発段階で定められる任意の値である。ビーム径基準値５１は、レーザ加工機の機種毎に算出される。ここでのビーム特性は、ビーム径であるので、ビーム径の基準値であるビーム径基準値５１が評価システム２００などを用いて算出される（Ｓ１）。ここでの評価システム２００は、例えば、レーザ加工機の試作機、ビーム特性の測定装置およびコンピュータなどである。

また、製造されたレーザ加工機１００−１〜１００−Ｎを用いて、ビーム特性基準値を設定してもよい。この場合、各レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎから照射されるレーザ光のビーム特性として、ビーム径５０−１〜５０−Ｎが測定される（Ｓ２〜Ｓ４）。この後、測定結果（ビーム径５０−１〜５０−Ｎ）を用いて、ビーム特性の基準値であるビーム特性基準値が算出される（Ｓ５）。

算出されたビーム径基準値５１は、各レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎに設定され（Ｓ６）、その後、出荷される（Ｓ７）。換言すると、出荷されるレーザ加工機１００−１〜１００−Ｎにビーム径基準値５１を設定することによって、ビーム径の合わせ込みが行われる。各レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎが使用される際には、ビーム径基準値５１を用いて、ビーム特性を補正するためのビーム補正値が算出される。さらに、ビーム補正値を用いて、曲率補正指令が生成される。

例えば、レーザ加工機１００−１では、曲率補正指令５２−１が生成され、レーザ加工機１００−２では、曲率補正指令５２−２が生成される。また、レーザ加工機１００−Ｎでは、曲率補正指令５２−Ｎが生成される。曲率補正指令は、各レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎから照射されるレーザ光のビーム特性（ビーム径など）を補正させるために、曲率可変ユニット１０に送られる。なお、曲率補正指令５２−１〜５２−Ｎは、レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎの製造者または使用者が生成してもよい。

例えば、レーザ加工機１００−１では、曲率補正指令５２−１によって、ビーム径５０−１がビーム径基準値５１と同じ値になるよう曲率可変ミラー２の曲率が補正される。また、レーザ加工機１００−２では、曲率補正指令５２−２によって、ビーム径５０−２がビーム径基準値５１と同じ値になるよう曲率可変ミラー２の曲率が補正される。また、レーザ加工機１００−Ｎでは、曲率補正指令５２−Ｎによって、ビーム径５０−Ｎがビーム径基準値５１と同じ値になるよう曲率可変ミラー２の曲率が補正される。

生成された曲率補正指令は、曲率可変ユニット１０に送られる。曲率可変ユニット１０は、曲率補正指令に従って、曲率可変ミラー２の曲率を変更させる。これにより、何れのレーザ加工機１００−１〜１００−Ｎでも、ビーム径基準値５１と同じビーム径のレーザ光が照射されることとなる。したがって、各レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎから生じるビーム径の機差ばらつきを抑制することが可能となる。

なお、ここでは、ビーム特性がビーム径である場合について説明したが、ビーム特性はビーム発散角または焦点位置であってもよい。したがって、ビーム補正値は、ビーム径、ビーム発散角または焦点位置に関するビーム特性を補正するためのものである。

以下の説明では、ビーム特性の一例として、ビーム特性がビーム径またはビーム発散角である場合について説明する。また、レーザ加工機１００−１〜１００−Ｎをレーザ加工機１００として説明する。また、ビーム径５０−１〜５０−Ｎをビーム径５０として説明し、曲率補正指令５２−１〜５２−Ｎを曲率補正指令５２として説明する。

図２は、実施の形態１に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。レーザ加工機１００は、レーザ発振器（レーザ光出力部）３１、ＰＲ（Partial Reflection）ミラー３２、ベンドミラー２Ａ，２Ｂ、曲率可変ミラー２を有した曲率可変ユニット１０、加工レンズ３７、曲率制御装置２０Ｘを含んで構成されている。

レーザ発振器３１は、ＣＯ₂レーザなどのレーザ光（ビーム光）を発振させる装置であり、レーザ加工の際にはレーザ出力を種々変化させながらレーザ光を出射する。ＰＲミラー（部分反射鏡）３２は、レーザ発振器３１が出射するレーザ光を部分反射させてベンドミラー２Ａへ導く。

ベンドミラー（レーザ光折り返し反射鏡）２Ａ，２Ｂは、ビーム角度変化用のミラーである。ベンドミラー２Ａは、ＰＲミラー（部分反射鏡）３２から送られてくるレーザ光のビーム角度を変えてベンドミラー２Ｂへ導く。ベンドミラー２Ｂは、ベンドミラー２Ａから送られてくるレーザ光のビーム角度を偏向して曲率可変ミラー２に送る。

曲率可変ミラー２は、レーザ発振器３１と加工レンズ３７（加工ヘッド）との間のレーザ伝播光路中に配置されている。なお、レーザ発振器３１内の反射ミラーに曲率可変ミラー２を適用してもよい。曲率可変ミラー２は、レーザ加工機１００内で発生するレーザ光のビーム径５０のばらつきを補正する。

曲率可変ミラー２は、ミラーの曲率が曲率可変なよう構成されるとともにミラー反射面側でレーザ光を反射するミラーである。曲率可変ミラー２は、ベンドミラー２Ｂから送られてくるレーザ光のビーム角度、ビーム径５０などを変えて加工レンズ３７に送る。曲率可変ミラー２は、ミラーの曲率を変化させることによって、ビーム径５０または焦点深さなどを変化させる。

曲率制御装置２０Ｘは、曲率可変ミラー２の曲率を制御する装置である。本実施の形態の曲率制御装置２０Ｘは、レーザ加工機１００の機差ばらつきを持つビーム径５０が、レーザ加工機１００の機種毎に設定されたビーム径基準値５１に近付くよう曲率可変ミラー２の曲率を制御する。曲率制御装置２０Ｘは、例えば、レーザ加工機１００を出荷する際に、曲率可変ミラー２の曲率を制御しておく。また、光学部品（ＰＲミラー３２、ベンドミラー２Ａ，２Ｂ、曲率可変ミラー２など）の経年劣化よって、ビーム径５０およびビーム発散角が変化する場合があるので、曲率制御装置２０Ｘは、アフターサービス時に、曲率可変ミラー２の曲率を制御してもよい。

ビーム発散角は、例えば、光路中の２点で測定されたビーム径と、これらのビーム径を測定した２点間の距離と、を用いて算出される。この場合において、ビーム径は、何れの方法で測定してもよい。

なお、加工レンズ３７からの距離（高さ）が同じ位置にレーザ光を照射した場合、ビーム径５０が同じであれば、ビーム発散角も同じである。ところで、加工レンズ３７と被加工物３０との間の距離を、加工レンズ３７の焦点距離の２倍の距離とすれば、加工レンズ３７に入射するビーム径と同じビーム径のレーザ光が被加工物３０に照射される。本実施の形態では、レーザ光を照射する高さ方向の位置を加工レンズ３７の焦点距離の２倍の位置に固定したうえで、ビーム径５０を測定する。換言すると、加工レンズ３７と被加工物３０との間の距離を、加工レンズ３７の焦点距離の２倍としておく。

なお、加工レンズ３７と被加工物３０との間の距離は、加工レンズ３７の焦点距離の２倍の距離に限らず何れの距離であってもよい。ここで、もし焦点距離の２倍の位置ではない位置でビーム径５０を測定したとしても、相似形の関係式から集光レンズ３７へ入射する際のビーム径５０を求めることができる。したがって、ビーム径５０は、加工レンズ３７と被加工物３０との間の何れの位置で測定してもよい。レーザ加工機１００は、ビーム径５０の測定結果に基づいてビーム径５０を補正することによって、ビーム径５０とビーム発散角との両方を所望の値に補正する。なお、レーザ加工機１００の機差ばらつきを持つビーム発散角が、レーザ加工機１００の機種毎に設定されたビーム発散角の基準値に近付くよう曲率可変ミラー２の曲率を制御してもよい。

曲率可変ミラー２の曲率を制御する際には、ビーム径５０を測定する際に用いるビーム特性測定用部材（照射対象）に、レーザ加工機１００がレーザ光を照射する。そして、レーザ光が照射されたことによって形成されたレーザ光照射痕に対してビーム径５０が測定される。本実施の形態では、測定されたビーム径５０が、曲率制御装置２０Ｘに入力される。これにより、曲率制御装置２０Ｘは、入力されたビーム径５０に基づいて、曲率可変ミラー２の曲率を補正する曲率補正指令５２を生成する。そして、曲率制御装置２０Ｘは、生成した曲率補正指令５２を用いて曲率可変ユニット１０を制御する。

加工レンズ３７は、曲率可変ミラー２から送られてくるレーザ光を小さなスポット径に集光して被加工物３０に照射する。被加工物３０は、図示しない加工テーブル上に載置されており、この加工テーブル上でレーザ加工される。

なお、レーザ加工機１００は、板金などの板状部材を切断するレーザ加工機であってもよいし、プリント基板などに穴あけ加工を行うレーザ加工機であってもよい。また、レーザ加工機１００は、２次元のレーザ加工を行ってもよいし、３次元のレーザ加工を行ってもよい。

レーザ加工機１００では、レーザ発振器３１からレーザ光が出力されると、ベンドミラー２Ａ，２Ｂを介して曲率可変ミラー２に送られる。曲率可変ミラー２は、ベンドミラー２Ａ，２Ｂおよび曲率可変ミラー２などの面精度ばらつきと、レーザ発振器３１内で励起されたレーザ光のビーム特性（ビーム径５０）のばらつきと、ＰＲミラー３２の面精度ばらつきと、に起因するレーザ光のビーム径５０のばらつきを補正する。曲率可変ミラー２は、曲率制御装置２０Ｘから送られてくる曲率補正指令５２に応じた曲率に補正される。これにより、本実施の形態では、レーザ加工機１００の機種に応じた任意の寸法にレーザ光のビーム径５０が補正される。

曲率可変ミラー２でビーム径５０が補正されたレーザ光は、加工レンズ３７に送られる。加工レンズ３７は、このレーザ光を集光し、集光したレーザ光を、加工対象である被加工物３０に照射する。

図３は、実施の形態１に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。図３では、曲率制御装置２０Ｘの一例である曲率制御装置２０Ａの構成を示している。曲率制御装置２０Ａは、ビーム径入力部２１Ａ、基準値記憶部２２、補正値算出部２３、補正指令出力部２４を備えている。

ビーム径入力部２１Ａは、レーザ光のビーム径５０（寸法）を入力して補正値算出部２３に送る。ビーム径入力部２１Ａに入力されるビーム径５０は、アクリルなどのビーム特性測定用部材にレーザ加工機１００が照射したレーザ光の照射痕から得られるものである。ビーム径５０は、例えば、照射痕の直径である。

なお、ビーム特性測定用部材は、感熱紙および木材等のレーザ光の照射によって、レーザ光照射痕が形成され且つビーム径５０の測定が可能な材料であれば、何れの部材であってもよい。以下では、ビーム特性測定用部材がアクリルであり、レーザ光の照射痕がアクリルバーンパターンである場合について説明する。

基準値記憶部２２は、レーザ加工機１００の機種に応じたビーム径基準値５１を記憶するメモリなどである。基準値記憶部２２へは、例えば、レーザ加工機１００を出荷する際に、予めビーム径基準値５１を記憶させておく。ビーム径基準値５１は、例えば、開発段階で設定された値である。なお、ビーム径基準値５１は、レーザ加工機１００と機種が同じ複数のレーザ加工機１００−１〜１００−Ｎから得られたビーム径５０−１〜５０−Ｎの平均値などであってもよい。

なお、基準値記憶部２２へは、例えば、レーザ加工機１００の出荷後に、ユーザがビーム径基準値５１を記憶させてもよい。また、基準値記憶部２２内のビーム径基準値５１を任意の値に書き換え可能なよう、曲率制御装置２０Ａを構成しておいてもよい。

補正値算出部２３は、ビーム径入力部２１Ａから送られてくるビーム径５０と、基準値記憶部２２内のビーム径基準値５１とに基づいて、ビーム径５０を補正するビーム径補正値を算出する。ビーム径補正値は、曲率可変ミラー２の曲率を補正するための補正値である。

補正値算出部２３は、ビーム径補正値を用いて曲率可変ミラー２の曲率を補正した場合にレーザ加工機１００から得られるビーム径５０と、ビーム径基準値５１と、が同じ値になるようなビーム径補正値を算出する。換言すると、補正値算出部２３は、レーザ加工機１００から得られたビーム径５０とビーム径基準値５１との差を補正するビーム径補正値を算出する。補正値算出部２３は、例えば、ビーム径５０とビーム径基準値５１との差をビーム径補正値として算出する。

ビーム径入力部２１Ａから送られてくるビーム径５０は、レーザ加工機１００に固有のビーム径５０であり、ビーム径基準値５１は、レーザ加工機１００の機種に固有のビーム径である。本実施の形態では、レーザ加工機１００に固有のビーム径５０がレーザ加工機１００の機種に応じたビーム径（ビーム径基準値５１）となるよう、ビーム径補正値を算出する。補正値算出部２３は、算出したビーム径補正値を補正指令出力部２４に送る。

補正指令出力部２４は、補正値算出部２３から送られてきたビーム径補正値に基づいて、曲率可変ユニット１０への曲率補正指令５２を生成し出力する。曲率補正指令５２は、曲率可変ミラー２の曲率を補正させる指令である。補正指令出力部２４は、例えば、ビーム径補正値と曲率補正指令５２との対応関係を示す、データテーブルまたは関係式を用いて曲率補正指令５２を生成する。

補正指令出力部２４は、曲率可変ユニット１０が備えるアクチュエータ（後述するアクチュエータ６）に印加する電圧を曲率補正指令５２として曲率可変ユニット１０に出力する。曲率補正指令５２は、曲率可変ユニット１０へのオフセット指令値であり、曲率補正指令５２を曲率可変ユニット１０に送ることで、ビーム径がビーム径基準値５１となるよう曲率可変ミラー２の曲率が変更される。

図４は、曲率可変ユニットの構成を示す図である。図４では、曲率可変ユニット１０の断面図を示している。曲率可変ユニット１０は、概略円板状の部材を用いて形成されている曲率可変ミラー２の曲率（屈曲の仕方）を変化させるユニットである。

曲率可変ユニット１０は、センサ３、内側ミラー支持体４、外側ミラー支持体５、アクチュエータ６を備えている。内側ミラー支持体４、外側ミラー支持体５は、それぞれ有底円筒状部材を用いて構成されている。

内側ミラー支持体４は、有底円筒状部材を構成する側壁面の上面部側に支持部４５を有している。支持部４５は、曲率可変ミラー２の底面部のうちの外周部で曲率可変ミラー２に接する。

また、外側ミラー支持体５の内壁面は、内側ミラー支持体４の外壁面よりも大きく構成されている。外側ミラー支持体５は、内側ミラー支持体４を囲うよう内側ミラー支持体４の外側に配置されている。外側ミラー支持体５は、有底円筒状部材の上面部側に、側壁面と垂直方向をなすよう接合された板状のリング状部材を有している。そして、リング状部材の底面側に押下部４６が設けられている。押下部４６は、曲率可変ミラー２の上面部のうちの外周部で曲率可変ミラー２に接する。支持部４５は、押下部４６よりも曲率可変ミラー２の外周側で曲率可変ミラー２に接するよう、支持部４５、押下部４６は構成されている。

この構成により、曲率可変ミラー２は、内側ミラー支持体４と外側ミラー支持体５とで挟持される。具体的には、曲率可変ミラー２は、底面側の外周部が内側ミラー支持体４の支持部４５に押し当てられ、上面側の外周部が外側ミラー支持体５の押下部４６によって押し当てられる。

アクチュエータ６は、内側ミラー支持体４を、曲率可変ミラー２の主面に垂直な方向に移動させる。曲率可変ミラー２の曲率を変化させる際には、アクチュエータ６が内側ミラー支持体４を曲率可変ミラー２側に移動させる。これにより、曲率可変ミラー２の底面が支持部４５によって押し上げられるとともに、曲率可変ミラー２の上面が押下部４６によって押さえつけられる。その結果、曲率可変ミラー２は、凹状（椀状）に変形し、曲率が変化する。なお、曲率可変ユニット１０では、曲率可変ミラー２を、凸状に変形させてもよい。

センサ３は、曲率可変ミラー２の底面部側に配置されており、曲率可変ミラー２の曲率を検出する。なお、曲率可変ユニット１０の構成は、図４に示した構成に限らない。曲率可変ユニット１０は、曲率可変ミラー２に曲率を与える構成であれば、何れの構成であってもよい。例えば、内側ミラー支持体４、外側ミラー支持体５、支持部４５、押下部４６の構造や駆動方式の形態は、何れの構造、駆動方式であってもよい。

また、曲率可変ミラー２のミラー表面における曲率形状は、球面、非球面の何れであってもよい。また、ベンドミラー２Ａ，２Ｂに曲率可変ミラー２を適用してもよい。また、レーザ発振器３１内の反射ミラーに曲率可変ミラー２を適用してもよい。

図５は、曲率可変ミラーの構成を示す図である。図５では、曲率可変ミラー２の斜視図を示している。曲率可変ミラー２は、概略円板状のミラー母材を用いて構成されており、ミラー反射面側に円形領域の反射膜１が形成されている。反射膜１の中心は、ミラー母材のミラー反射面の中心と略同じである。反射膜１が形成される領域は、ミラー反射面よりも小さな領域であってもよいし、ミラー反射面と同じ領域であってもよい。

なお、曲率可変ミラー２に入射するレーザ光の出力が低い場合には、反射膜１の形成を省略し、ミラー反射面に対して金を蒸着するだけでもよい。この場合、ミラー反射面に対し、反射膜１の位置に金の薄膜が形成される。

曲率可変ミラー２が曲率を変化させることによって、被加工物３０に照射されるレーザ光の焦点位置、ビーム径５０およびビーム発散角が変化する。ここで、曲率可変ミラー２の曲率変化とビーム径変化との関係について説明する。

図６−１および図６−２は、曲率可変ミラーの曲率変化とビーム径変化との関係を説明するための図である。図６−１は、曲率可変ミラー２が凸面である場合を示し、図６−２は、曲率可変ミラー２が凹面である場合を示している。

図６−１に示すように、凸面の曲率可変ミラー２を介して被加工物３０に照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光が被加工物３０に照射される場合よりも、焦点位置が長くなる。この結果、凸面の曲率可変ミラー２でレーザ光が反射されると、反射前よりも反射後の方がレーザ光のビーム径５０が大きくなる。

一方、図６−２に示すように、凹面の曲率可変ミラー２を介して被加工物３０に照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光が被加工物３０に照射される場合よりも、焦点位置が短くなる。この結果、凹面の曲率可変ミラー２でレーザ光が反射されると、反射前よりも反射後の方がレーザ光のビーム径５０が小さくなる。

このように、曲率可変ミラー２の曲率を変化させることによって、加工レンズ３７の位置を変化させた場合と同様に、被加工物３０に照射するレーザ光のビーム径５０を変化させることが可能となる。

曲率可変ミラーなどの一般的な光学部品は、光の特性が変化しないようミラー反射面には高い面精度が要求される。本実施の形態では、レーザ加工機１００の機種に応じたビーム径５０にレーザ光を補正するので、反射ミラー（ＰＲミラー３２、ベンドミラー２Ａ，２Ｂ）およびレンズなどの光学部品に、高い面精度は要求されない。したがって、安価な光学部品を用いてレーザ加工機１００を構成することが可能となる。

なお、曲率可変ミラー２は、概略円板状に限らず、何れの形状であってもよい。例えば、曲率可変ミラー２を多角形の主面を有した板状部材や楕円板状部材で形成してもよい。また、曲率可変ミラー２の底面側またはミラー内に中空領域を設けておいてもよい。

つぎに、ビーム径５０の測定方法について説明する。図７は、ビーム径の測定方法を説明するための図である。レーザ加工機１００が被加工物３０に照射するレーザ光のビーム径５０を測定する際には、レーザ加工機１００がアクリル４１にレーザ光を照射する。このとき、加工ヘッド（加工レンズ３７）の下方（被加工物３０が載置される位置）にアクリル４１を配置しておき、このアクリル４１にレーザ光が例えば数秒間照射される。

これにより、アクリル４１が溶融しアクリルバーンパターン４２が形成される。アクリルバーンパターン４２の直径が測定されることによって、レーザ加工機１００のビーム径５０を得ることができる。このビーム径５０は、標準ビーム径（理想値）と差を有していることが多い。なお、レーザ光のビーム径５０を測定する位置（ここでは、アクリル４１の配置位置）は、曲率可変ミラー２より先（光路の後段側）であれば何れの位置であってもよい。

また、ここでは、アクリルバーンパターン４２に対して１箇所の直径を測定する場合について説明したが、アクリルバーンパターン４２に対して複数個所の直径を測定してもよい。この場合、例えば、測定した直径の平均値を、レーザ加工機１００のビーム径とする。

レーザ加工機１００の機種毎に設定されるビーム径基準値５１は、図７で説明した方法と同様の方法によって測定されたビーム径５０を用いて算出される。レーザ加工機１００を製造する際には、レーザ加工機１００と機種が同じ複数のレーザ加工機にアクリルバーンパターン４２を形成させる。そして、各アクリルバーンパターン４２から得られるビーム径５０を用いて、ビーム径基準値５１が算出される。ビーム径基準値５１は、例えば、設計段階で設定された値、または各アクリルバーンパターン４２から得られるビーム径５０の平均値である。算出されたビーム径基準値５１は、レーザ加工機１００およびレーザ加工機１００と機種が同じレーザ加工機の基準値記憶部２２に格納しておく。

このように、実施の形態１によれば、ビーム径５０が、レーザ加工機１００の機種毎に設定されたビーム径基準値５１に近付くよう補正されるので、加工条件にマージンを設ける必要がない。このため、ベストの加工条件で加工を行なうことができるので、加工速度を低下させることなく、安定したレーザ加工を行うことができる。また、ビーム径５０がばらつくことを防止できるので、面精度基準の厳しい光学部品を用いる必要がない。このため、光学部品の加工コストを安く抑えることができる。

したがって、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行うことが可能になる。また、安定したレーザ加工を行うことができるので、歩留まりが向上するとともに、加工機操作者による条件調整が不要となる。

実施の形態２．
つぎに、図８を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、レーザ加工機１００から取得されたビーム径５０を用いて、予めビーム径補正値を算出しておく。そして、算出したビーム径補正値がレーザ加工機に手入力される。

図８は、実施の形態２に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。図８では、曲率制御装置２０Ｘの一例である曲率制御装置２０Ｂの構成を示している。なお、図８の各構成要素のうち図３に示す実施の形態１の曲率制御装置２０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

曲率制御装置２０Ｂは、補正値入力部２７、補正指令出力部２４を備えている。補正値入力部２７は、ビーム径補正値を入力して補正指令出力部２４に送る。補正値入力部２７へは、マウスやキーボードなどを介してビーム径補正値が手入力される。

補正値入力部２７に入力されるビーム径補正値は、補正値算出部２３で算出されたビーム径補正値と同様のものである。換言すると、ビーム径補正値は、ビーム径５０とビーム径基準値５１とに基づいて算出されたものである。

補正指令出力部２４は、補正値入力部２７から送られてきたビーム径補正値に基づいて、曲率可変ユニット１０への曲率補正指令５２を生成し出力する。なお、補正値入力部２７に入力されたビーム径補正値では、ビーム径基準値５１に応じた所望のビーム径に補正できていない場合がある。このような場合には、トライ＆エラーによって、曲率可変ミラー２の曲率が変更される。具体的には、以下の処理が繰り返される。
（１）ビーム径５０の測定結果に応じたビーム径補正値の入力
（２）ビーム径補正値に応じた曲率補正指令５２の生成
（３）曲率補正指令５２に基づいて曲率を変更したうえでビーム径５０を測定
（４）測定結果に基づいて、所望のビーム径となっているかを確認

レーザ加工機１００では、ビーム径基準値５１に応じた所望のビーム径に補正できるまで、上述した（１）〜（４）の処理が繰り返される。なお、本実施の形態では、ビーム径補正値を手入力する場合について説明したが、曲率補正指令５２を手入力してもよい。

このように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行うことが可能になる。また、基準値記憶部２２および補正値入力部２７が不要になるので、曲率制御装置２０Ａよりも安価な曲率制御装置２０Ｂで、レーザ加工を行うことが可能となる。

実施の形態３．
つぎに、図９を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、ビームプロファイラを用いてレーザ加工機１００のビーム径５０を測定し、測定したビーム径５０をレーザ加工機１００に入力する。

図９は、実施の形態３に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。図９では、曲率制御装置２０Ｘの一例である曲率制御装置２０Ｃの構成を示している。なお、図９の各構成要素のうち図３に示す実施の形態１の曲率制御装置２０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

曲率制御装置２０Ｃは、ビーム径入力部２１Ｃ、基準値記憶部２２、補正値算出部２３、補正指令出力部２４を備えている。ビーム径入力部２１Ｃは、ビームプロファイラ４０に接続されている。ビームプロファイラ４０は、レーザ加工機１００が照射するレーザ光のビーム径５０を測定する装置である。ビームプロファイラ４０は、測定したビーム径５０をビーム径入力部２１Ｃに送る。

ビーム径入力部２１Ｃは、ビーム径５０を入力して補正値算出部２３に送る。これにより、補正値算出部２３は、ビーム径入力部２１Ｃから送られてくるビーム径５０と、基準値記憶部２２内のビーム径基準値５１とに基づいて、ビーム径補正値を算出する。そして、補正指令出力部２４は、補正値算出部２３が算出したビーム径補正値に基づいて、曲率補正指令５２を生成し、曲率可変ユニット１０に出力する。

なお、ビームプロファイラ４０は、加工レンズ３７を透過した後の集光点におけるスポット径または焦点位置を測定してもよい。この場合、スポット径の測定値とビーム径基準値５１との間の差異、または焦点位置の測定値と予め設定しておいた焦点位置の基準値との間の差異が、曲率可変ミラー２の曲率制御によって補正される。

このように、実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行うことが可能になる。また、ビームプロファイラ４０を用いて測定したビーム径をビーム径入力部２１Ｃに入力するので、簡便な操作でレーザ加工を行うことが可能となる。また、ビームプロファイラ４０を用いる場合、定期的にビーム径を測定するよう設定しておくことにより、ビーム径の補正作業が不要になる。

実施の形態４．
つぎに、図１０を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、ビーム径のばらつきを補正する曲率制御と、加工条件に応じた曲率制御と、の両方を曲率制御装置で行う。

図１０は、実施の形態４に係る曲率制御装置の構成を示すブロック図である。図１０では、曲率制御装置２０Ｘの一例である曲率制御装置２０Ｄの構成を示している。なお、図１０の各構成要素のうち図３に示す実施の形態１の曲率制御装置２０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

曲率制御装置２０Ｄは、ビーム径入力部２１Ａ、基準値記憶部２２、補正値算出部２３、補正指令出力部２４に加えて、加工条件入力部２５、曲率制御部２６を備えている。本実施の形態の補正指令出力部２４は、生成した曲率補正指令５２を曲率制御部２６に送る。

加工条件入力部２５は、加工条件を入力して曲率制御部２６に送る。ここでの加工条件は、被加工物３０の板厚または材質などである。曲率制御部２６は、加工条件に基づいて曲率変更指令を生成する。曲率変更指令は、曲率可変ミラー２の曲率を変更させる指令である。

曲率制御部２６は、曲率補正指令５２と曲率変更指令とを合わせた指令を曲率可変ユニット１０に送る。これにより、曲率補正指令５２に応じた曲率変更と、加工条件に応じた曲率変更とが、曲率可変ユニット１０で行われる。なお、加工条件入力部２５および曲率制御部２６を、曲率制御装置２０Ａ〜２０Ｃに配置してもよい。

このように、実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、安定したレーザ加工を高速かつ低コストで行うことが可能になる。また、曲率制御装置２０Ｄが、加工条件入力部２５および曲率制御部２６を備えているので、加工条件に応じた曲率制御を行うことが可能となる。

以上のように、本発明に係る曲率制御装置およびレーザ加工機は、レーザ光のビーム径の補正に適している。

２ 曲率可変ミラー、６ アクチュエータ、１０ 曲率可変ユニット、２０Ａ〜２０Ｄ，２０Ｘ 曲率制御装置、２１Ａ，２１Ｃ ビーム径入力部、２２ 基準値記憶部、２３ 補正値算出部、２４ 補正指令出力部、２５ 加工条件入力部、２６ 曲率制御部、２７ 補正値入力部、３０ 被加工物、３１ レーザ発振器、３７ 加工レンズ、４０ ビームプロファイラ、４１ アクリル、４２ アクリルバーンパターン、５０ ビーム径、１００ レーザ加工機。

Claims (2)

1. レーザ加工機が照射するレーザ光のビーム径、ビーム発散角または焦点位置に関するビーム特性を補正するビーム補正値に基づいて、曲率可変ミラーの曲率を補正する曲率補正指令を生成し、生成した曲率補正指令を前記曲率可変ミラーの曲率を変更させる曲率可変ユニットに出力する補正指令出力部を備え、
   前記ビーム補正値は、前記ビーム特性と、前記レーザ加工機の機種毎に設定されたビーム特性基準値と、に基づいて算出された値であり、
   前記補正指令出力部は、前記レーザ加工機がレーザ光を照射した場合に、照射したレーザ光のビーム特性が前記ビーム特性基準値と同じ値になる曲率補正指令を生成することを特徴とする曲率制御装置。
2. 曲率可変ミラーと、
   前記曲率可変ミラーの曲率を変更させる曲率可変ユニットと、
   前記曲率可変ユニットを制御する曲率制御装置と、
   を備え、
   前記曲率制御装置は、レーザ加工機が照射するレーザ光のビーム径、ビーム発散角または焦点位置に関するビーム特性を補正するビーム補正値に基づいて、曲率可変ミラーの曲率を補正する曲率補正指令を生成し、生成した曲率補正指令を前記曲率可変ユニットに出力する補正指令出力部を備え、
   前記ビーム補正値は、前記ビーム特性と、前記レーザ加工機の機種毎に設定されたビーム特性基準値と、に基づいて算出された値であり、
   前記補正指令出力部は、前記レーザ加工機がレーザ光を照射した場合に、照射したレーザ光のビーム特性が前記ビーム特性基準値と同じ値になる曲率補正指令を生成することを特徴とするレーザ加工機。
   
   
   
   
   
   

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