JP6395970B2

JP6395970B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法

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Publication number: JP6395970B2
Application number: JP2018506454A
Authority: JP
Inventors: 恭平石川; 直幸中村; 山本　達也; 達也山本; 瀬口　正記; 正記瀬口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-09-26
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Description

本発明は、レーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの複合材料または半導体薄膜といった難加工材をレーザ加工するためには、加工材料の熱影響を考慮して、レーザを複数回走査させて加工を行う必要がある。

特開２０１５−２１４７７１号公報

特許文献１に開示される技術は、強化繊維基材の切断方法であって、ワークの切断線にレーザビームを複数回照射することによって強化繊維基材を切断している。特許文献１においては、レーザビームを切断線に複数回照射することによって、ワークである強化繊維基材の熱影響を低減している。

しかし、ワークが曲面を有している場合に、レーザビームの集光径である照射径およびワークに対するレーザビームの入射角度を一律にしようとすると、ワークを回転させるかレーザ発振器から先の加工光学系全体を回転させるしかない。レーザビームを複数回照射して加工する必要がある難加工材がワークである場合に、複数回の走査中に上記のような運動をさせることは困難である。したがって、曲率を有している難加工材のワークにおいては、レーザビームの走査中において、レーザビームの照射径およびワークに対するレーザビームの入射角度が変化してしまい加工条件が変わってしまう。その結果、曲率を有している難加工材のワークの加工は、レーザビームの照射径およびワークに対するレーザビームの入射角度が一律な平面の加工と比較して生産性が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、曲率を持つワークに対して、レーザビームの走査中に加工条件を一律にすることが可能なレーザ加工装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザビームを出射するレーザ発振器と、レーザビームをワークに照射する集光レンズと、レーザ発振器と集光レンズとの間のレーザビームの光路上に配置され、レーザビームの発散角および集光レンズに入射するレーザビームの入射径を制御する集光位置制御機構と、を備える。本発明は、レーザビームが集光レンズに入射する前に、レーザビームを偏向するレーザビーム偏向器と、集光レンズを集光レンズの光軸方向に移動させることによってレーザビーム偏向器と集光レンズとの間の距離を変更する出射角度制御機構と、ワークの形状に基づいて、集光位置制御機構を制御することによってレーザビーム走査中にレーザビームのワークの表面における照射径および光軸方向の集光位置を制御する制御部と、をさらに備える。

本発明によれば、曲率を持つワークに対して、レーザビームの走査中に加工条件を一律にすることが可能なレーザ加工装置を実現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成を示す断面図実施の形態１にかかる集光位置制御機構のレンズの光学配置の一例を示す断面図実施の形態１にかかる集光位置制御機構のレンズの光学配置の別の例を示す断面図実施の形態１にかかる入射瞳位置、集光レンズおよびワークの関係を示す図実施の形態１にかかるワークの厚さとレーザビームの入射角度との関係の一例を示した図実施の形態１にかかるワークの厚さとレーザビームの入射角度との関係の別の例を示した図実施の形態１にかかる入射位置制御機構による制御の一例を示す断面図実施の形態１にかかる入射位置制御機構による制御の別の例を示す断面図本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す断面図実施の形態２にかかる入射位置制御機構による制御の一例を示す断面図実施の形態２にかかる入射位置制御機構による制御の別の例を示す断面図本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態５にかかるレーザ加工装置の構成を示す断面図実施の形態１から５にかかる制御部の機能をコンピュータシステムで実現する場合のハードウェア構成を示す図実施の形態１から５にかかる制御部の機能を専用のハードウェアで実現する場合の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、こ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、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の構成を示す断面図である。図１にはＸ方向およびＺ方向が示してあり、紙面垂直方向がＹ方向になる。レーザ加工装置１００は、レーザビームＬを出射するレーザ発振器１と、レーザビームＬの集光位置を制御する集光位置制御機構２と、レーザビームＬを偏向するガルバノスキャナ３と、レーザビームＬをワークＷに照射する集光レンズ４と、集光レンズ４へレーザビームＬが入射する位置を制御する入射位置制御機構５と、制御部５０と、を備える。集光位置制御機構２は、レーザ発振器１と集光レンズ４との間のレーザビームＬの光路上に配置されている。レーザビーム偏向器であるガルバノスキャナ３は、レーザビームＬが集光レンズ４に入射する前にレーザビームＬを偏向することが可能な位置に配置されている。制御部５０は、レーザ発振器１、集光位置制御機構２、ガルバノスキャナ３および入射位置制御機構５を制御する。

図２は、実施の形態１にかかる集光位置制御機構２のレンズ２０，２１，２２の光学配置の一例を示す断面図である。図３は、実施の形態１にかかる集光位置制御機構２のレンズ２０，２１，２２の光学配置の別の例を示す断面図である。図２および図３のそれぞれに、集光レンズ４および集光レンズ４に入射されるレーザビームＬの様子も示されているが、ガルバノスキャナ３などは省いてある。図４は、実施の形態１にかかる入射瞳位置６、集光レンズ４およびワークＷの関係を示す図である。

発振中のレーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、複数のレンズ群で構成された集光位置制御機構２を通過し、ガルバノスキャナ３により集光レンズ４への入射位置および入射角度が制御され、集光レンズ４を通過して、ワークＷに集光照射される。

集光位置制御機構２は、レンズ２０，２１，２２からなる複数のレンズを備える。光学素子群であるレンズ２０，２１，２２には、それぞれ駆動機構が設けられており、光軸方向に独立に移動させることによってレンズ２０，２１，２２の光学配置を制御する。

集光位置制御機構２におけるレンズ２１および２２の光学配置を独立に制御することにより、図３のように配置すると、図２のように配置した場合と比較して、集光レンズ４へのレーザビームＬの入射径を同じにして、レンズ２２からのレーザビームＬの発散角を小さくすることが可能である。

このように、集光位置制御機構２のレンズ２０，２１，２２の光学配置により集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および集光位置制御機構２からのレーザビームＬの発散角を制御することが出来る。

図１において、集光レンズ４の光軸方向は破線で示すようにＺ方向になっており、ガルバノスキャナ３の走査方向はＸ方向になっている。集光位置制御機構２は、集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および集光位置制御機構２からの発散角を制御することが出来るため、ワークＷ表面に照射させるレーザビームＬの照射径およびＺ方向の集光位置を制御することが可能である。集光位置制御機構２は、集光レンズ４とレーザ発振器１との間であればどこに配置されていてもかまわないが、レーザ発振器１とガルバノスキャナ３との間に配置されることが望ましい。集光位置制御機構２は、集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および集光位置制御機構２からの発散角を制御することが出来ればよいので、図１に示したようなレンズ配置でなくてもよく、また動かすことができるレンズの枚数が２枚より多くてもよい。

また、入射位置制御機構５は集光レンズ４に装着されている。実施の形態１における入射位置制御機構５は、集光レンズ４を光軸方向であるＺ方向に移動して、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離を変更させる機構である。

入射位置制御機構５は、集光レンズ４の光軸上にある入射瞳位置６がガルバノスキャナ３上になるように設定する。これにより、ガルバノスキャナ３が入射瞳位置６において集光レンズ４へのレーザビームＬの入射角度を変化させることが可能になる。そして、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離を入射位置制御機構５が変更させることにより、集光レンズ４へレーザビームＬが入射する集光レンズ４上の位置を調整することが可能になる。このように、集光レンズ４におけるレーザビームＬの入射角度および入射位置が調整されることにより、集光レンズ４からのレーザビームＬの出射角度を変化させることができる。すなわち、入射位置制御機構５は、集光レンズ４からのレーザビームＬの出射角度を変化させる出射角度制御機構にもなっている。したがって、入射位置制御機構５を設けたことにより、ワークＷに対するレーザビームＬの入射角度を変更することが可能になる。

図４において、ガルバノスキャナ３によって偏向されるレーザビームＬの集光レンズ４に対する入射角度をθとし、レーザビームＬの集光レンズ４に対する出射角度をβとし、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離をＤとし、集光レンズ４の焦点距離をｆとし、ワークＷの曲率半径をＲとする。なお、入射瞳位置６がガルバノスキャナ３上になるように入射位置制御機構５が設定している状態において、距離Ｄは、入射瞳位置６と集光レンズ４との間のＺ方向の距離になっている。

ここで、入射瞳位置６およびワークＷの曲率中心が集光レンズ４の光軸上にある時、レーザビームＬが照射される範囲でのワークＷに曲率変化がないとすると、以下の数式（１）および（２）といった関係式が成り立つ。

上記の数式（１）および（２）から距離Ｄについて以下の数式（３）を導くことができる。

ここで、ワークＷが平面形状である場合においては、ワークＷの曲率半径Ｒは無限大であると考える。

上記の数式（３）によれば、集光レンズ４の焦点距離ｆが一定ならば、曲率半径Ｒによってガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離Ｄを決定することができる。ここで、ワークＷの曲率半径Ｒが正である場合は、ワークＷは凸面形状であり、ワークＷの曲率半径Ｒが負である場合は、ワークＷは凹面形状である。

凸面形状のワークＷを加工する際は、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離Ｄを集光レンズ４の焦点距離ｆより大きくすることによって、集光レンズ４を経た後のレーザビームＬを、ワークＷの曲率中心に向ける。円の接線は、円の中心と接点とを結ぶ半径の長さの線分と垂直に交わるため、レーザビームＬをワークＷに対して垂直に入射させることが可能である。

図５は、実施の形態１にかかるワークＷの厚さとレーザビームＬの入射角度との関係の一例を示した図である。図６は、実施の形態１にかかるワークＷの厚さとレーザビームＬの入射角度との関係の別の例を示した図である。

図５および図６において、ワークＷの厚さはｔである。図６に示すように、レーザビームＬがワークＷに対してθ傾いて入射する場合、レーザビームＬがワークＷ内を通過する距離は、ｔ／ｃｏｓθとなる。これに対して、図５に示すように、レーザビームＬがワークＷに対して垂直に入射する場合、レーザビームＬがワークＷ内を通過する距離はｔとなり最小の値となる。このため、レーザビームＬをワークＷに対して垂直に入射させると、レーザビームＬがワークＷを通過する距離が最小となるため、効率的な加工を行うことができる。

凹面形状のワークＷを加工する場合の加工方法は、ワークＷの曲率半径Ｒは負となるので、数式（３）で求めた距離Ｄが正である場合と負である場合とに応じて２種類に分類される。

図７は、実施の形態１にかかる入射位置制御機構５による制御の一例を示す断面図である。図８は、実施の形態１にかかる入射位置制御機構５による制御の別の例を示す断面図である。なお、図７および図８において、入射位置制御機構５自体は記載を省いてある。また、図７および図８において、入射瞳位置６にガルバノスキャナ３が存在しているが、ガルバノスキャナ３は図から省いてある。

数式（３）で求めた距離Ｄが正となる場合、入射位置制御機構５は、図７に示すようにワークＷの曲率中心より集光レンズ４が下になるように制御する。入射位置制御機構５が図７に示すようにガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離を集光レンズ４の焦点距離ｆよりも小さくすることにより、集光レンズ４を経てワークＷに向かうレーザビームＬの点線で示した反対方向の延長線がワークＷの曲率中心と交わる配置構成にする。円の接線は、円の中心と接点とを結ぶ半径の長さの線分と垂直に交わるため、図７のような配置構成とすることにより、レーザビームＬをワークＷに対して垂直に入射させることが可能である。

数式（３）で求めた距離Ｄが負となる場合、または数式（３）で求めた距離Ｄの絶対値よりもガルバノスキャナ３のサイズが大きくなってガルバノスキャナ３と集光レンズ４とが衝突してしまう場合、入射位置制御機構５は、図８に示すようにワークＷの曲率中心より集光レンズ４が上になるように制御する。距離Ｄが負となる場合、または距離Ｄの絶対値よりもガルバノスキャナ３のサイズが大きくなる場合は、図７のように集光レンズ４を経てワークＷに向かうレーザビームＬの点線で示した反対方向の延長線をワークＷの曲率中心と交わらせることができない。したがって、入射位置制御機構５は、図８に示すようにガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離を集光レンズ４の焦点距離ｆよりも大きくすることにより、集光レンズ４を経てワークＷに向かうレーザビームＬにワークＷの曲率中心を通過させる。円の接線は、円の中心と接点とを結ぶ半径の長さの線分と垂直に交わるため、図８のような配置構成とすることにより、レーザビームＬをワークＷに対して垂直に入射させることが可能である。

難加工材を加工する際には、熱によるワークＷに対する影響を考慮しなければならないので、レーザビームＬを１回走査してワークＷを加工するだけではなく、レーザビームＬを複数回走査してワークＷを加工することが一般的である。そのため、曲面を有するワークＷに対しては、レーザビームＬの走査中、ワークＷに照射されるレーザビームＬと垂直な関係を保つ必要があるが、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００によればこれが可能となる。また、レーザ加工装置１００は、金属の３次元切断加工に用いることも可能である。

なお、レーザビームＬをワークＷに対して斜入射することが生産性を高める場合は、ワークＷの曲率半径Ｒに対する距離Ｄの値を調整することによって、ワークＷに対してレーザビームＬを斜入射させることができる。

レーザ加工装置１００は、集光レンズ４に入射するレーザビームＬの発散角および入射径を制御できる集光位置制御機構２を設けたことにより、集光レンズ４から出射したレーザビームＬの集光レンズ４の光軸方向の集光位置およびレーザビームＬの照射径を調整することが可能である。これにより、曲面を有するワークＷまたはレーザビーム走査範囲内にある一部が集光レンズ４の光軸と垂直な面にない形状のワークＷに対して、レーザビーム走査中に集光レンズ４からのレーザビームＬの集光位置をワークＷ上に調整するとともにレーザビームＬの照射径を調整することが可能になる。

また、レーザ加工装置１００は、偏向後のレーザビームＬが集光レンズ４へ入射する位置を制御する入射位置制御機構５を設けたことにより、集光レンズ４からのレーザビームＬの出射角すなわちワークＷに対するレーザビームＬの入射角を制御することが可能になる。したがって、上記した形状のワークＷに対してレーザビームＬの入射角を調整して、ワークＷの表面に対してレーザビームＬを垂直に照射させることが可能になる。レーザ加工装置１００においては、あらかじめワークＷのＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いて制御部５０がワークＷの形状を認識した後、ワークＷの形状に合わせて制御部５０が集光位置制御機構２に光学素子を配置させてワークＷの加工形状のＺ軸に沿った集光位置にレーザビームＬを調整することが可能になる。なお、ＣＡＤデータを用いたワークＷの形状の認識は制御部５０の外部で実行されて、ワークＷの形状のデータが制御部５０に与えられるようにしてもかまわない。また、入射位置制御機構５によってワークＷの加工形状曲率に合わせた入射角でレーザビームＬを入射させることが可能である。

すなわち、レーザ加工装置１００は、集光位置制御機構２および入射位置制御機構５を設けたことにより、集光レンズ４の光軸方向であるＺ方向に曲率を持つワークＷに対して、レーザビームＬの走査中に加工条件を一律にすることができる。この結果、レーザビームＬの照射径およびワークＷに対するレーザビームＬの入射角度が一律となる平面加工と比較して加工速度の低下を緩和することが可能である。また、ワークＷの形状に依存して加工品質がばらつくのを防ぐことが可能となる。また、３次元形状加工時、加工ヘッドを回転させたりワークＷを回転させたりする方法よりも生産性が高くなるという効果がある。

集光レンズ４は、レーザビームＬを集光することが出来ればよいので１枚のレンズであっても、複数枚のレンズを組み合わせたものであってもかまわない。また、集光レンズ４の焦点距離ｆに対してガルバノスキャナ３の偏向角をθとすると、集光レンズ４の走査位置がｆθとなる関係を維持するようなｆθレンズを用いてもよい。

また、図１では、レーザ加工装置１００に紙面垂直なＹ軸周りの回転に対応できるようにガルバノスキャナ３が１つ設けられているが、３次元形状のワークＷを加工する際は、さらにもう１つの軸周りの回転に対応できるようにガルバノスキャナ３を追加しなければならない。例えば、Ｘ軸周りの回転に対応できるようなガルバノスキャナ３を追加する。この場合、入射位置制御機構５は、集光レンズ４の入射瞳位置６が、Ｘ軸回転用およびＹ軸回転用の２つのガルバノスキャナ３の中間地点に位置するように配置してもよい。

また、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間のＺ方向の距離Ｄを変更させる機構である入射位置制御機構５は、集光レンズ４ではなくガルバノスキャナ３に設けてもよい。また、入射位置制御機構５は、ガルバノスキャナ３および集光レンズ４の双方に設けてもよい。

ガルバノスキャナ３は、レーザビームＬを偏向することが出来ればよいので光波の音響光学変調を利用した音響光学偏向器（ＡＯＤ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＤｅｆｌｅｃｔｏｒ）、または、電気光学効果を利用した電気変調偏向器を用いてもよい。

集光位置制御機構２は、集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および発散角を制御することが出来ればよいので、備えるレンズは複数でもよいが、１枚であってもかまわない。また、集光位置制御機構２は、レンズでなくてミラーを備えていてもかまわない。また、集光位置制御機構２は、レンズの光学配置の関係を変更するだけでなく、ミラーの配置および向きまたはレンズなどの曲率半径を変更することにより、集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および発散角を制御してもかまわない。

また、レーザ発振器１の部分反射ミラーの外面曲率を調整または交換することによっても集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および発散角の調整が可能なので、レーザ発振器１の部分反射ミラーを集光位置制御機構２に含めてもかまわない。

上記では、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００において、動作の制御機構を有する構成要素であるレーザ発振器１、集光位置制御機構２、ガルバノスキャナ３および入射位置制御機構５と、上記制御機構を有さない構成要素である集光レンズ４とが混在している構成について説明した。しかし、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００はこのような構成に限定されるものではない。レーザ加工装置１００を、上記制御機構を有する構成要素と、駆動機構のみを有して制御部５０によって動作が制御される構成要素とを組み合わせて構成することもできる。

すなわち、例えば入射位置制御機構５は、集光レンズ４へレーザビームＬが入射する位置を変更する機構だけを有し、制御部５０からの信号に応じて入射する位置を変更するように構成してもよい。

また、例えば集光位置制御機構２は、レーザビームＬの集光位置を変更する機構のみ有し、制御部５０からの信号に応じて集光位置を変更するように構成してもよい。

また、例えばレーザビーム偏向器であるガルバノスキャナ３は、レーザビームＬを偏向する機構のみを有し、制御部５０からの信号に応じてレーザビームＬを偏向するように構成してもよい。

また、レーザ加工装置１００の構成要素のうちの一部が動作を制御する機構を有し、残りの構成要素は駆動機構のみを有し制御部５０によって動作を制御されるように構成されてもよいことは言うまでもない。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置２００の構成を示す断面図である。図９にはＸ方向およびＺ方向が示してあり、紙面垂直方向がＹ方向になる。集光レンズ４の光軸方向は破線で示すようにＺ方向である。実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００においては、入射位置制御機構５を集光レンズ４に装着したが、実施の形態２にかかるレーザ加工装置２００においては、入射位置制御機構５を、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間に挿入したウェッジ基板７に装着する。入射位置制御機構５がウェッジ基板７の位置を集光レンズ４の光軸方向に調整することにより、ウェッジ基板７は集光レンズ４の入射瞳位置６を変更する。図９に示すウェッジ基板７は、集光レンズ４の光軸に対して軸対称な構造になっている。ウェッジ基板７および入射位置制御機構５以外のレーザ加工装置２００の構成および動作については、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様である。

図９に示すレーザ加工装置２００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様に、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、集光位置制御機構２を通過してガルバノスキャナ３に到達する。レーザ加工装置２００においては、ガルバノスキャナ３が位置決めすることによりウェッジ基板７へのレーザビームＬの入射角度が決定される。ガルバノスキャナ３から入射されてウェッジ基板７を経たレーザビームＬは、集光レンズ４を通過することにより集光されて、ワークＷに照射される。

図１０は、実施の形態２にかかる入射位置制御機構５による制御の一例を示す断面図である。図１１は、実施の形態２にかかる入射位置制御機構５による制御の別の例を示す断面図である。なお、図１０および図１１において、入射位置制御機構５自体は記載を省いてある。また、図１０および図１１において、入射瞳位置６にガルバノスキャナ３が存在しているが、ガルバノスキャナ３は図から省いてある。

図１０および図１１に示すように、入射瞳位置６に存在するガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間にウェッジ基板７を挿入すると、集光レンズ４の入射瞳位置６を変更することが可能である。ウェッジ基板７の屈折率をｎとし、ウェッジ基板７のウェッジ角をαとすると、レーザビームＬの偏向角δは、以下の数式で示される。
δ＝ｓｉｎ^-1（ｎ×ｓｉｎα）−α≒（ｎ−１）α

入射位置制御機構５がウェッジ基板７を集光レンズ４の光軸方向であるＺ方向に移動させることによって、集光レンズ４の入射瞳位置６を移動させることが可能になる。その結果、集光レンズ４へレーザビームＬが入射する位置を制御することができる。レーザ加工装置２００においては、ワークＷの形状を認識した後、ワークＷの形状に合わせて集光位置制御機構２の光学素子を配置してワークＷの加工形状のＺ軸に沿った集光位置にレーザビームＬを調整することが可能になる。また、入射位置制御機構５によってワークＷの加工形状曲率に合わせた入射角でレーザビームＬを入射させることが可能である。

レーザ加工装置２００は、ガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間にウェッジ基板７を挿入するように設けることにより、入射位置制御機構５が集光レンズ４の入射瞳位置６を変更する。これによりワークＷの表面に対してレーザビームＬを垂直に照射させることが可能になる。その結果、Ｚ方向に曲率を持つワークＷに関して、レーザビームＬの走査中に加工条件を一律にすることができ、平面の加工と比較して加工速度の低下を緩和することが可能である。また、ワークＷの形状に依存して加工品質がばらつくのを防ぐことが可能となる。また、３次元形状加工時、加工ヘッドを回転させたりワークＷを回転させたりする方法よりも生産性が高くなるという効果がある。

なお、上記では、ガルバノスキャナ３および集光レンズ４をＺ方向に固定して入射位置制御機構５がウェッジ基板７をＺ方向に移動させるとして説明した。しかし、入射位置制御機構５がガルバノスキャナ３または集光レンズ４のいずれかをＺ方向に移動する機能を有していてもよいし、ガルバノスキャナ３および集光レンズ４の両方をＺ方向に移動する機能を有していてもかまわない。入射位置制御機構５がガルバノスキャナ３、集光レンズ４、ガルバノスキャナ３および集光レンズ４の両方をＺ方向に移動する機能を有している場合は、ウェッジ基板７をＺ方向に移動させる機能は有していなくてもかまわない。

実施の形態２にかかるレーザ加工装置２００によれば、ウェッジ基板７を設けることにより、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の入射位置制御機構５とは別の構成の入射位置制御機構５を用いて、実施の形態１と同様な効果を得ることが可能となる。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工装置３００の構成を示す断面図である。図１２にはＸ方向およびＺ方向が示してあり、紙面垂直方向がＹ方向になる。集光レンズ４の光軸方向は破線で示すようにＺ方向である。実施の形態３にかかるレーザ加工装置３００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００のガルバノスキャナ３が平面ミラー９、ウェッジプリズム１０および回転機構８に置き換わっている。制御部５０は、レーザ発振器１、集光位置制御機構２および入射位置制御機構５に加えて回転機構８を制御する。平面ミラー９は固定されており、ウェッジプリズム１０はレーザビームＬを偏向させるプリズムである。回転機構８は、集光レンズ４の光軸と垂直な平面上でウェッジプリズム１０を回転させる機能を有している。平面ミラー９、ウェッジプリズム１０および回転機構８以外のレーザ加工装置３００の構成および動作については、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様である。

図１２に示すレーザ加工装置３００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様に、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、集光位置制御機構２を通過する。その後、レーザビームＬは、平面ミラー９により反射され、ウェッジプリズム１０により偏向され、入射位置制御機構５が設けられた集光レンズ４を通過して集光され、ワークＷに照射される。

回転機構８が集光レンズ４の光軸と垂直な平面上でウェッジプリズム１０を回転させることにより、レーザビームＬを走査方向に偏向させる。これにより、回転機構８およびウェッジプリズム１０は、実施の形態１のガルバノスキャナ３と同様にレーザビーム偏向器として機能する。レーザ加工装置３００の入射位置制御機構５は、集光レンズ４の入射瞳位置６がウェッジプリズム１０上になるように設定する。

ウェッジプリズム１０と集光レンズ４との間のＺ方向の距離を変更させる機構である入射位置制御機構５は、集光レンズ４またはウェッジプリズム１０のいずれに設けてもよい。また、入射位置制御機構５は、ウェッジプリズム１０および集光レンズ４の双方に設けてもよい。さらに、実施の形態２で説明したウェッジ基板７がウェッジプリズム１０と集光レンズ４との間に設けられていてもかまわない。その場合の、入射位置制御機構５のバリエーションは実施の形態２で説明したのと同様である。

実施の形態３にかかるレーザ加工装置３００によれば、ガルバノスキャナ３の代りに回転機構８およびウェッジプリズム１０を設けることにより、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００のレーザビーム偏向器とは別の構成のレーザビーム偏向器を用いて、実施の形態１と同様な効果を得ることが可能となる。

実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工装置４００の構成を示す断面図である。図１３にはＸ方向およびＺ方向が示してあり、紙面垂直方向がＹ方向になる。集光レンズ４の光軸方向は破線で示すようにＺ方向である。実施の形態４にかかるレーザ加工装置４００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００のレーザ発振器１としてパルスＣＯ₂レーザ１１を使用している。制御部５０は、パルスＣＯ₂レーザ１１、集光位置制御機構２、ガルバノスキャナ３および入射位置制御機構５を制御する。パルスＣＯ₂レーザ１１以外のレーザ加工装置４００の構成および動作については、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様である。

図１３に示すレーザ加工装置４００においては、パルスＣＯ₂レーザ１１から出射されたレーザビームＬは、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様に、集光位置制御機構２を通過する。その後、レーザビームＬは、ガルバノスキャナ３により偏向され、入射位置制御機構５が設けられた集光レンズ４を通過して集光され、ワークＷに照射される。

パルスＣＯ₂レーザ１１は、熱レンズ効果の影響等を考慮すると固体レーザと比較してレーザ出力の高出力化が容易である。一般的に、レーザ出力は、加工速度と正の相関があるので、パルスＣＯ₂レーザ１１を用いることにより、加工の高速化を図ることができる。また、パルスＣＯ₂レーザ１１を用いることにより、高品質な加工を行うことが可能である。なお、パルスＣＯ₂レーザ１１のレーザ波長は９μｍから１２μｍであることが望ましい。

入射位置制御機構５は、集光レンズ４ではなくガルバノスキャナ３に設けてもよい。また、入射位置制御機構５は、ガルバノスキャナ３および集光レンズ４の双方に設けてもよい。さらに、実施の形態２で説明したウェッジ基板７がガルバノスキャナ３と集光レンズ４との間に設けられていてもかまわない。その場合の、入射位置制御機構５のバリエーションは実施の形態２で説明したのと同様である。

また、パルスＣＯ₂レーザ１１の部分反射ミラーの外面曲率を調整または交換することによっても集光レンズ４に入射するレーザビームＬの入射径および発散角の調整が可能なので、パルスＣＯ₂レーザ１１の部分反射ミラーを集光位置制御機構２に含めてもかまわない。

パルスＣＯ₂レーザ１１のパルス方式は、音響光学素子（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）または電気変調光学素子（ＥＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いたＱスイッチング方式、キャビティダンプ方式、励起放電を断続的に発振させるゲインスイッチ方式といった方式を用いてもかまわない。

実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５にかかるレーザ加工装置５００の構成を示す断面図である。図１４には、Ｘ方向およびＺ方向が示してあり、紙面垂直方向がＹ方向になる。集光レンズ４の光軸方向は破線で示すようにＺ方向である。実施の形態５にかかるレーザ加工装置５００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００に加えて、距離計測センサ２３が設けられている。距離計測センサ２３は、ワークＷと距離計測センサ２３との間の距離を計測することによりワークＷの形状を測定し、測定結果に基づいて曲率半径を算出する。距離計測センサ２３が求めた曲率半径のデータを用いてレーザ加工装置５００は加工を行う。

図１４に示すレーザ加工装置５００においては、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様に、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、集光位置制御機構２を通過する。その後、レーザビームＬは、ガルバノスキャナ３により偏向され、入射位置制御機構５が設けられた集光レンズ４を通過して集光され、ワークＷに照射される。距離計測センサ２３が求めたワークＷの曲率半径のデータは制御部５０に読み込まれ、集光位置制御機構２および入射位置制御機構５が制御する量は距離計測センサ２３が求めた曲率半径のデータによって決定される。レーザ加工装置５００は、距離計測センサ２３が測定した実際の形状データを用いることによってワークＷの形状のずれに対しても対応して加工を行うことが可能になる。

なお、距離計測センサ２３がワークＷの形状を測定して、制御部５０がワークＷの形状の測定結果に基づいて、ワークＷの曲率半径のデータを算出するようにしてもかまわない。

また、実施の形態２、３および４にかかるレーザ加工装置２００、３００および４００においても距離計測センサ２３を設けることができれば上記と同様な効果を得ることができる。

また、制御部５０があらかじめ読み込んでいるワークＷのＣＡＤデータと、距離計測センサ２３が測定したワークＷの形状とを照らし合わせてワークＷのより詳細な形状データを求めることによって、レーザ加工装置５００は精密な加工を行うことも可能である。

図１５は、実施の形態１から５にかかる制御部５０の機能をコンピュータシステムで実現する場合のハードウェア構成を示す図である。すなわち、実施の形態１から５にかかる制御部５０は図１５に示すようなコンピュータシステムにより実現することが可能である。この場合、制御部５０の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１およびメモリ１０２により実現される。制御部５０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１０２に格納される。ＣＰＵ１０１は、メモリ１０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部５０の機能を実現する。すなわち、コンピュータシステムは、制御部５０の機能を実現する動作を実施するステップを含んだプログラムを格納するためのメモリ１０２を備える。また、これらのプログラムは、制御部５０の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ１０２とは、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）が該当する。

図１６は、実施の形態１から５にかかる制御部５０の機能を専用のハードウェアで実現する場合の構成を示す図である。図１６に示すように制御部５０は、専用のハードウェアである処理回路１０３で構成してもよい。処理回路１０３は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサー、並列プログラム化したプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１レーザ発振器、２集光位置制御機構、３ガルバノスキャナ、４集光レンズ、５入射位置制御機構、６入射瞳位置、７ウェッジ基板、８回転機構、９平面ミラー、１０ウェッジプリズム、１１パルスＣＯ₂レーザ、２０，２１，２２レンズ、２３距離計測センサ、５０制御部、１００，２００，３００，４００，５００レーザ加工装置、１０１ＣＰＵ、１０２メモリ、１０３処理回路、Ｌレーザビーム、Ｗワーク。

Claims

レーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザビームをワークに照射する集光レンズと、
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間の前記レーザビームの光路上に配置され、前記レーザビームの発散角および前記集光レンズに入射する前記レーザビームの入射径を制御する集光位置制御機構と、
前記レーザビームが前記集光レンズに入射する前に、前記レーザビームを偏向するレーザビーム偏向器と、
前記集光レンズを前記集光レンズの光軸方向に移動させることによって前記レーザビーム偏向器と前記集光レンズとの間の距離を変更する出射角度制御機構と、
前記ワークの形状に基づいて、前記集光位置制御機構を制御することによってレーザビーム走査中に前記レーザビームの前記ワークの表面における照射径および前記光軸方向の集光位置を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
レーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザビームをワークに照射する集光レンズと、
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間の前記レーザビームの光路上に配置され、前記レーザビームの発散角および前記集光レンズに入射する前記レーザビームの入射径を制御する集光位置制御機構と、
前記レーザビームが前記集光レンズに入射する前に、前記レーザビームを偏向するレーザビーム偏向器と、
前記レーザビーム偏向器によって偏向された前記レーザビームの前記集光レンズからの出射角度を、前記レーザビーム偏向器と前記集光レンズとの間に設けられたウェッジ基板の位置を前記集光レンズの光軸方向に移動させて調整することにより制御する出射角度制御機構と、
前記レーザ発振器、前記集光位置制御機構、前記レーザビーム偏向器および前記出射角度制御機構を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザビーム偏向器は、音響光学偏向器である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記レーザビーム偏向器は、プリズム、および前記集光レンズの光軸と垂直な平面上で前記プリズムを回転させる回転機構である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振器は、パルスＣＯ₂レーザである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、前記ワークの曲率半径に基づいて、前記レーザビームを前記ワークに対して垂直に入射させるように前記出射角度制御機構を制御する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、前記ワークの曲率半径に基づいて、前記レーザビームの集光位置を前記ワーク上に調整するように前記出射角度制御機構を制御する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置を用いて、前記レーザビームを複数回走査させて前記ワークを加工することを特徴とするレーザ加工方法。
前記ワークは、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics）であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。