JP6559442B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザは、光としての単色性、集光性、指向性、および干渉性等の特性に優れており、とくに集光状態では、パワー密度がきわめて高いエネルギー源となることから、広範な材料に対して、加熱、溶融、蒸発・蒸散処理を行うことができる。そのため、レーザ加工技術は、特許文献１〜３の例に示されるように、非特許文献１、２に開示されているような炭素強化複合材料等の非金属材料等にも応用されつつある。

特許文献１には、ＣＯ_２レーザ発振器及びエキシマレーザを用いて、プラスチック部材又はＦＲＰ部材（以下、「ワーク」という）を加工する方法が提案されている。同方法では、初めに該切断又は穴あけ加工部へＣＯ_２レーザのレーザビームを照射し、ワークの切断又は穴あけを行う。その後、エキシマレーザのレーザビームをその切断面及びその近傍に照射して前記切断面に生起した炭化層或いは熱影響層を除去することを骨子としている。

また、特許文献２には、固体レーザを用いた方法が開示されている。同方法では、出力が１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、繊維強化複合材料を粗加工（第１の除去加工）した後に、該粗加工後における除去加工面に、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを１秒間に複数回照射して、さらに第２の除去加工を施すことを骨子としている。

特許文献３には、特許文献２の欠点を改良した方法が開示されている。

特許文献１〜３に開示された技術で上述のような炭素強化複合材料等をレーザで加工した場合には、加工時の加工溝がくさび型になり、切り口が深さ方向に進行しない、という問題があった。そのため、ワークが厚板の場合には、レーザビームによる切断が困難になっていた。そのような問題を解決するため、レーザビームのスポット径を大きくすることも考えられる。しかしながら、その場合には、スポット径が増大するに伴い、切断に必要な出力が二次関数的に増加してしまう。また、スポット径が大きくなると、ワークに対する熱影響が大きくなる。

ところで、レーザビームの集光スポットの径を小さく維持しつつ、カーフ幅を広くする方法として、特許文献４の構成が知られている。特許文献４に開示されている方法ないし装置では、レーザビームを鋼板に照射して切断するに当たり、所定の加工線に沿ってレーザビームを移動する際に、レーザビームの集光スポットを複数個結像し、レーザビームが加工線に沿って移動する方向（加工方向）に対し、直角方向に各集光スポットを並べる手段を採用している。特許文献４の構成では、二つの集光スポットが切断方向に対し直角方向に並んで照射されるので、切断断面粗さ等の断面品質が向上し、溶鋼の残留やドロスの付着等のない安定した切断面品質を得ることができる。

二つの集光スポットを結像するために、引用文献１に採用されている切断用トーチは、筒状のノズル部と、ノズル部の内側に配置されたビームスプリッタと、ビームスプリッタを透過したレーザビームを集光する集光レンズとを備えている。ビームスプリッタは、回折型（Diffractive Optical Elements, DOE）である。レーザ発振器から切断用トーチに導かれたレーザビームは、ビームスプリッタで出力時に二分割され、集光レンズによって鋼板の上表面に集光スポットとして結像し照射される。

特許第２８３１２１５号公報 特許第４７３４４３７号公報 特開２０１２−１９２４２０号公報 特開２００２−１３７０７８号公報

H.Niino ら、JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering誌、Vol.9, No.2、PP.180-186 (2014) Y.Harada ら、Materials Science Forum誌、Vols. 783-786、PP.1518-1523 (2014)

特許文献４の構成では、二つの集光スポットを照射して鋼板を切断するに際し、二つの集光スポットの間隔（「スポットピッチ」という）を当該鋼板の切断に好適な一定値に設定して切断していた。

しかしながら、単一のスポットピッチでレーザ加工することが困難な材料も存在する。例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）に代表される炭素強化複合材料は、炭素繊維とプラスチック（主に熱硬化性のもの）からなる。炭素繊維は、５ミクロン〜１０ミクロン直径の高耐熱性且つ高伝熱性の繊維材料である。一方、プラスチックは、低耐熱性、低伝熱性のマトリックス材料が用いられている。

そのような炭素強化複合材料においては、レーザビームによって切断された溝が深くなるほど加工速度が低下するという現象が観測されている。これは、溝の内奥部に微粒子やプラズマが滞留して溝の深部までレーザビームがうまく届かないことが原因と考えられている。そのため、炭素強化複合材料をレーザで加工する場合には、同一の加工経路に沿ってレーザビームを複数回掃引する必要がある。従って、特許文献４のように、スポットピッチが固定された一定値の場合において、複数パスのレーザビームを複数回掃引したときは、炭素強化複合材料が低耐熱性、低伝熱性のプラスチックをマトリックス材料として採用していることにより、層間剥離が生じて強度が低下する恐れ等の不具合が想定されるため、特許文献４の構成を炭素強化複合材料に適用することは、困難であった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、炭素強化複合材料等、単一のスポットピッチでレーザ加工することが困難なワークにも対応することができ、しかも高速で高い断面品質を得ることのできるレーザ加工装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、ワークに予め設定された加工線であって曲線部分を含む加工線に沿って、二つの集光スポットが互いに前記ワーク上で前記加工線と直交する方向に対向するようにレーザビームを前記ワークに複数回掃引することにより前記二つの集光スポットを含む加工溝を形成して前記ワークを裁断するレーザ加工装置であって、前記二つの集光スポットの光源となる２本のレーザビームを生成するビーム生成手段と、前記ビーム生成手段が生成したレーザビームから前記二つの集光スポットを結像する集光レンズとこの集光レンズを内蔵するトーチとを含み、前記ビーム生成手段が生成した一方のレーザビームを前記集光レンズに導く第１の光路と他方のレーザビームを前記集光レンズに導く第２の光路とを形成する集光ユニットと、前記ビーム生成手段と前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ予め設定された軸回りに姿勢を変更可能な状態で前記ビーム生成手段が生成した他方のレーザビームを反射する第１の可動ミラーと、前記第１の可動ミラーと前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ予め設定された軸回りに姿勢を変更可能な状態で前記第１の可動ミラーが反射した前記他方のレーザビームをさらに反射する第２の可動ミラーと、前記第１の可動ミラーがレーザビームを反射する角度である第１の反射角度と前記第２の可動ミラーがレーザビームを反射する角度である第２の反射角度をそれぞれ個別に調整可能に前記第１の可動ミラーおよび前記第２の可動ミラーを対応する軸回りに選択的に駆動する駆動機構と、予め設定された条件に基づいて前記二つの集光スポット同士が隣接する間隔であるスポットピッチを演算するスポットピッチ演算部と、前記スポットピッチ演算部が演算したスポットピッチに基づいて、前記二つの集光スポットが互いに前記ワーク上で前記加工線と直交する方向に常に対向するように前記第１の可動ミラーの軸回りの変位量および前記第２の可動ミラーの軸回りの変位量をそれぞれ演算するミラー変位量演算部と、前記ミラー変位量演算部が演算した各軸回りの変位量に基づいて、前記駆動機構を制御する駆動機構制御部と、を備え、前記ミラー変位量演算部は、前記加工線の前記曲線部分において前記二つの集光スポットが前記曲線部分の法線方向に対向するように前記第１の可動ミラーの軸回りの変位量および前記第２の可動ミラーの軸回りの変位量をそれぞれ演算するように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置である。この態様では、加工線に沿ってレーザビームをワークに複数回掃引する際に、二つの集光スポットが同時にワークに結像される。二つの集光スポットは、ワーク上で加工線に対し直交する方向に対向している。そして、隣接する二つの集光スポット同士のスポットピッチは、予め設定された条件に基づいて調整可能に演算され、選択的に第１、第２の可動ミラーを対応する軸回りに駆動することにより、任意に変更することができる。従って、ワークの加工条件に応じて、スポットピッチを変更し、好適な照射条件でワークをレーザ加工することができる。また、スポットピッチの変更は、ワークの材料ごとに設定することはもちろん、ワークの加工中にも実行することが可能となる。

好ましい態様のレーザ加工装置において、前記スポットピッチ演算部は、前記レーザビームを掃引した回数の増加に伴って前記スポットピッチが小さくなるように前記スポットピッチを演算する。この態様によれば、ワークの加工溝の深さに応じた照射条件を設定することができ、加工パスに応じてワークに適合させることができる。

好ましい態様のレーザ加工装置において、前記ビーム生成手段は、単一のレーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から照射された単一のレーザビームを二つの互いに直交する直線偏光ビームに分光するとともに一方の偏光ビームを前記第１の光路に導き、他方の偏光ビームを前記第１の可動ミラーに向けて前記第２の光路に導く偏光ビームスプリッタと、を含む。この態様では、単一のレーザ発振器を設けるだけで、二つの集光スポットを結像することができる。また、偏光ビームスプリッタを用いて、二つの集光スポットを結像しているので、特許文献４のように回析型のスプリッタを用いている場合に比べ、エネルギー損失が少ないばかりでなく、集光特性を汎用化することも容易になる。また、分光されたレーザビームによって集光された集光スポットは、互いに偏光の方向が直交するため、集光スポット間での干渉が生じなくなる。偏光ビームスプリッタは、一方の偏光ビームを透過し、他方の偏光ビームを反射するものであってもよく、一方の偏光ビームを反射し、他方の偏光ビームを透過するものであってもよい。

好ましい態様のレーザ加工装置において、前記第２の可動ミラーと前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ前記第２の可動ミラーが反射した偏光ビームを前記集光レンズに反射する第３のミラーをさらに備え、前記偏光ビームスプリッタは、前記第３のミラーが反射した偏光ビームの光路と前記レーザ発振器が発振した単一のレーザビームの光路との交点に配置されている。この態様では、単一の偏光ビームスプリッタによって、分光されたレーザビームをそれぞれ集光レンズに導くことができる結果、集光のための機構を簡素で廉価な構成で実現することができる。

好ましい態様のレーザ加工装置において、前記ビーム生成手段は、前記第１の光路にレーザビームを発振する第１のレーザ発振器と、前記第２の光路にレーザビームを発振する第２のレーザ発振器と、を含み、前記レーザ加工装置は、前記第１のレーザ発振器及び前記第２のレーザ発振器による前記レーザビームの発振を制御する発振制御部をさらに備える。この態様では、複数のレーザ発振器を用いて、二つの集光スポットを結像しているので、特許文献４のように回析型のスプリッタを用いている場合に比べ、高い出力を得ることができ、しかも集光特性を汎用化することも容易になる。

好ましい態様のレーザ加工装置において、前記第１の光路と前記第２の光路との交点に配置され、且つ前記第１のレーザ発振器が発振したレーザビームを透過して前記集光レンズに導くとともに、前記第２のレーザ発振器から発振されて前記第２の可動ミラーに反射されたレーザビームを前記集光レンズに反射するダイクロイックミラーをさらに備えている。この態様では、単一のダイクロイックミラーにより、複数のレーザビームを集光レンズに導くことができる結果、集光スポットを形成する手段を簡素で廉価な構成で実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、小さな集光スポット径で広いカーフ幅の切り口を得ることができるので、ワークに応じた複数のスポットピッチを設定することができる結果、炭素強化複合材料等、単一のスポットピッチでレーザ加工することが困難なワークにも対応することができ、しかも高速で高い断面品質を得ることができるという顕著な効果を奏する。

本発明のさらなる特徴、目的、構成、並びに作用効果は、添付図面と併せて読むべき以下の詳細な説明から容易に理解できるであろう。

本発明の実施の一形態に係るトーチ型レーザ加工装置の斜視図である。 図１のトーチ型レーザ加工装置の要部を拡大して示す斜視図である。 図１のトーチ型レーザ加工装置のブロック図である。 図１のトーチ型レーザ加工装置に採用された第１実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 図４の集光ユニットの構成を概略的に示す側面略図である。 第１実施形態に係る座標変換の説明図である。 第１実施形態に係る集光スポットの説明図である。 第１実施形態に係る加工手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 第３実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 第４実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 第５実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 第６実施形態に係る集光ユニットの構成図である。 第７実施形態に係る集光ユニットの構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

なお、以下に説明する各実施形態において、同等の部材には、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
まず、図１を参照して、第１実施形態に係るトーチ型レーザ加工装置１０は、メートル級の大型製品をＣＦＲＰで製造する際に、ＣＦＲＰを切断する装置として具体化されている。トーチ型レーザ加工装置１０は、生産ラインに設置され、上流側の装置から予め設定された搬送経路に沿って搬送されたワークＷＫを切断し、切断後のワークＷＫを上記搬送経路に沿って下流側の装置に受け渡す機能を奏する。

以下の説明では、搬送経路に沿う方向を仮にＸ方向とし、Ｘ方向と直交する水平方向をＹ方向とし、上下方向をＺ方向とする。また、Ｙ方向において、一方を仮に前方とする。

トーチ型レーザ加工装置１０は、ワークステーション２０を備えている。ワークステーション２０は、ワークＷＫが載置されるワークテーブル２２と、ワークテーブル２２を担持して、ワークテーブル２２をＹ方向に駆動するＹ軸テーブル２３と、Ｙ軸テーブル２３を介してワークテーブル２２をＸ方向に駆動するＸ軸テーブル２４とを備えている。各テーブル２３、２４には、それぞれＹ軸モータユニット２５と、Ｘ軸モータユニット２６（図３参照）が設けられている。各モータユニット２５、２６は、サーボモータやステッピングモータ等の駆動モータおよびエンコーダを備えている。

ワークステーション２０の後方には、裁断ロボット３０が設置されている。

裁断ロボット３０は、ワークステーション２０のＸ方向中間部分に立設されたピラー３１と、このピラー３１に設けられた昇降ユニット３２と、レーザビームの発生源であるレーザ発振ユニット３５（図３参照）と、昇降ユニット３２によって、上下に移動可能に担持されるとともに、レーザ発振ユニット３５が発振したレーザビームを集光する集光ユニット４０とを備えている。昇降ユニット３２には、Ｚ軸モータユニット３４（図３参照）が設けられている。昇降ユニット３２は、サーボモータやステッピングモータ等の駆動モータおよびエンコーダを備えている。

レーザ発振ユニット３５は、レーザ発振器３６（図３、図４参照）を含む構造体である。レーザ発振器３６は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ（ＬＤレーザ）、ディスクレーザ、炭素ガスレーザ等の基本発振波長光、およびその基本発振波長光を非線形光学素子等により高調波に変換したものを好適に用いることが可能である。

図２を参照して、集光ユニット４０は、上下に延びる箱型の第１導光体４１と、この第１導光体４１の下部に配置され、第１導光体４１に対して相対的にＺ軸回りに回動する第２導光体４２と、第２導光体４２の側部に配置され、第２導光体４２に対して相対的に一水平軸（図示の例では、Ｘ方向に沿う軸）回りに回動するトーチホルダ４３と、トーチホルダ４３に対し、相対的にＺ方向に移動するトーチ４４と、このトーチ４４に内蔵される集光レンズ４５とを備えている。

第１導光体４１および第２導光体４２は、何れも中空の構造体であり、詳しくは後述するように、それぞれ内部に複数のミラー等の光学ユニットや、一部の光学ユニットを駆動する駆動機構等を備えている。これらの構造体により、集光ユニット４０の内部には、一方の集光スポットＰ１の光源となるレーザビームを伝搬する第１の光路ＯＰ１と、他方の集光スポットＰ２の光源となるレーザビームを伝搬する第２の光路ＯＰ２とが形成されている。

第１導光体４１の頂部には、第１導光体４１よりも小さな直方体形状の突出部４１ａが延設されている。突出部４１ａは、光学系のユニットを組み付けるための中空の構造体であり、この突出部４１ａの頂部には、入射部４６が付設されている。入射部４６は、レーザ発振ユニット３５から照射されたレーザビームの入口となる部位である。詳しくは後述するように、入射部４６は、突出部４１ａの複数の適所に形成されていてもよい。また、図２の例では、第１導光体４１の頂部に突出部４１ａを設け、この突出部４１ａのさらに頂部に入射部４６を設けているが、入射部４６は、突出部４１ａの側部に設けられていてもよい。また、突出部４１ａを省略し、直接、第１導光体４１に１または複数の入射部４６を設けていてもよい。

トーチホルダ４３は、トーチ４４を機械的に保持する構造体である。

トーチ４４は、トーチホルダ４３に担持されるトーチヘッド部４４ａと、トーチヘッド部４４ａと一体的に設けられたトーチノズル４４ｂとを備えている。

トーチホルダ４４ａは、第２の導光体４２と連通し、導光体４２の内部とともに、レーザビームを導く光路を形成している。トーチヘッド４４ａには、図２に示す初期位置において、トーチヘッド４４ａの下部に位置するトーチノズル４４ｂが設けられている。

トーチノズル４４ｂは、先端がテーパ状に先細りする筒状の構造体である。トーチノズル４４ｂは、先端が先細りしたスリーブ体であり、トーチヘッド４４ａとともに、上記光路を形成している。トーチ４４は、トーチヘッド４４ａからトーチノズル４４ｂの終端までの光路の途中に集光レンズ４５（図４参照）を内蔵している。集光レンズ４５は、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚと同心に配置されている。

集光レンズ４５は、上記第１、第２の光路ＯＰ１、ＯＰ２のそれぞれから伝搬されるレーザビームを集光し、トーチノズル４４ｂからレーザビームを出射してワークテーブル２２上のワークＷＫに結像する。

トーチノズル４４ｂを任意の姿勢に変更するため、第１導光体４１には、第２導光体４２を上記鉛直軸回りに駆動するＣ軸駆動ユニット５０（図３参照）が設けられている。また、第２導光体４２には、トーチホルダ４３を上記一水平軸回りに駆動するＡ軸駆動ユニット５１（図３参照）が設けられている。各駆動ユニット５０、５１は、サーボモータやステッピングモータ等の駆動モータおよびエンコーダを備えている。

なお、以下の説明では、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚが図２の通り鉛直方向に沿って下向きにレーザビームを照射するときの姿勢を初期位置とし、この初期位置を基準に内部の光学系の姿勢を説明する。

図４および図５を参照して、第１実施形態では、上述のように、レーザ発振ユニット３５を単一のレーザ発振器３６で構成する一方、第１の導光体４１に突出部４１ａを設け、さらに突出部４１ａの頂部に入射部４６を設け、この入射部４６から鉛直方向にレーザビームを入射させる構成を採用している。第２の導光体４２内には、長方形の反射ミラー１１が入射部４６の下方に配置されている。反射ミラー１１は、その一辺が水平に沿って配置され、第１の導光体４１に入射されたレーザビームを水平方向に沿ってトーチヘッド４４ａの内部に反射するように傾斜している。さらに、トーチヘッド４４ａ内には、長方形の偏光ビームスプリッタ６０が内蔵されている。偏光ビームスプリッタ６０は、反射ミラー１１に対し水平に対向するとともに、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚ上に配置されており、反射ミラー１１から反射されたレーザビームをＰ波とＳ波との二つの互いに直交する直線偏光ビームに分光する。偏光ビームスプリッタ６０は、反射ミラー１１から照射されたレーザビームのうちの一方の偏光ビーム（図示の例では、Ｐ波）を垂直方向下向きに反射して集光レンズ４５に導き、他方の偏光ビーム（図示の例では、Ｓ波）を透過することにより、レーザビームを第１の光路ＯＰ１および第２の光路ＯＰ２に分光している。図示の例では、第１の光路ＯＰ１に分光される偏光ビームは、Ｐ波であり、第２の光路ＯＰ２に分光される偏光ビームは、Ｓ波であるが、これらを逆に設定してもよい。第１実施形態では、レーザ発振器３６と偏光ビームスプリッタ６０とにより、２本のレーザビーム（Ｐ波とＳ波の偏光ビーム）を生成するビーム生成手段を構成している。

第１の光路ＯＰ１は、偏光ビームスプリッタ６０から反射した偏光ビームが集光レンズ４５に到達するまでの光路である。集光レンズ４５は、第１の光路ＯＰ１を経て入射した偏光ビームをトーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚに沿って出射し、ワークＷＫ上に集光スポットＰ１を結像する。

第２の光路ＯＰ２は、偏光ビームスプリッタ６０を透過した偏光ビームが集光レンズ４５に到達するまでの光路である。第２の光路ＯＰ２は、偏光ビームスプリッタ６０に分光された他方の偏光ビーム（Ｓ波）を反射する第１のミラー６１と、第１のミラー６１が反射した他方の偏光ビームをさらに反射して偏光ビームスプリッタ６０を経由して集光レンズ４５に導く第２のミラー６２とによって形成されている。

第１、第２のミラー６１、６２は、何れも、例えば長方形に形成されており、予め設定された軸回りにそれぞれ回動可能に支持されている。以下の説明では、第１のミラー６１が回動する回動中心の軸をα軸とし、第２のミラー６２が回動する回動中心の軸をβ軸とする。

第１のミラー６１は、一辺を水平方向に沿わせて、反射ミラー１１から入射したレーザビームを斜め上方に反射する姿勢に傾斜している。第１のミラー６１のα軸は、第１のミラー６１の傾斜した辺と平行に設けられている。

第２のミラー６２は、第１のミラー６１の水平な辺と一辺を平行に沿わせて、第１のミラー６１から反射されたレーザビームを垂直方向下方に反射する姿勢に傾斜している。第２のミラー６２のβ軸は、第２のミラー６２の水平な辺と平行に設けられている。

第１のミラー６１および第２のミラー６２は、何れもトーチヘッド４４ａに内蔵されている。第１のミラー６１は、偏光ビームスプリッタ６０を水平に対向している。また、第２のミラー６２は、偏光ビームスプリッタ６０を挟んで集光レンズ４５と垂直に対向している。

第２のミラー６２から偏光ビームスプリッタ６０に反射された偏光ビームは、偏光ビームスプリッタ６０を透過する方向に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ６０を透過し、集光レンズ４５に入射する。集光レンズ４５は、入射した偏光ビームを、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚに近接させて、下方のワークステーション２０上に載置されたワークＷＫ上に集光する。

なお、第１、第２の光路ＯＰは、上述したミラー以外のミラーを用いて、適宜光路を変更してもよい。例えば、入射部４６と反射ミラー１１との間に別のミラーが配置されていてもよい。また、第１のミラー６１と第２のミラー６２との間に別のミラーが配置されていてもよい。

さらに、集光ユニット４０は、第１のミラー６１をα軸回りに駆動するα軸駆動ユニット６４と、第２のミラー６２をβ軸回りに駆動するβ軸駆動ユニット６５とを備えている。各駆動ユニット６４、６５は、サーボモータやステッピングモータ等の駆動モータおよびエンコーダを備えている。

第１、第２のミラー６１、６２の傾斜をそれぞれα軸、β軸回りに調整することにより、それぞれのミラー６１、６２の第１、第２の反射角度（入射角と出射角の和）θ１、θ２が変更される。これにより、一方の偏光ビームを集光した集光スポットＰ１と、他方の偏光ビームを集光した集光スポットＰ２との間隔（以下、「スポットピッチ」という。）ｍを設定・変更することが可能になる。

上述のようなレイアウトを採用することにより、入射部４６から入射したレーザビームは、まず、反射ミラー１１によって、トーチヘッド４４ａ内に反射される。反射ミラー１１から反射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ６０によって分光される。分光された一方の偏光ビーム（Ｐ波）は、偏光ビームスプリッタ６０によって鉛直方向下向きに反射され、集光レンズ４５に入射する。そして、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ１を結像する。

一方、偏光ビームスプリッタ６０によって分光された他方の偏光ビーム（Ｓ波）は、偏光ビームスプリッタ６０を透過し、第１のミラー６１に反射される。さらに、第１のミラー６１から第２のミラー６２を経て、直下の偏光ビームスプリッタ６０に入射する。このレーザビームは、偏光ビームスプリッタ６０を透過するので、そのまま、集光レンズ４５に入射し、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ２を結像する。

上述したスポットピッチの設定や、各集光スポットＰ１、Ｐ２の座標の決定は、次に説明する制御装置１００によって処理される。

図１〜図３を参照して、トーチ型レーザ加工装置１０には、制御装置１００が併設されている。制御装置１００は、図略のマイクロプロセッサや、入出力装置を有し、トーチ型レーザ加工装置１０の各駆動系の制御を司る機能を有している。

図３を参照して、制御装置１００は、各モータユニット２５、２６、３４、５０、５１、６４、６５と接続されるモータユニット制御部１０１と、レーザ発振器３６と接続される発振制御部１０２とを備えている。

モータユニット制御部１０１は、模式的に単一のブロックで表されているが、具体的には、個々のモータユニットの駆動に必要なドライバを実行することにより実現されるモジュールである。上述のように、各モータユニットには、図略のエンコーダが設けられており、エンコーダの出力は、モータユニット制御部１０１を介して制御装置１００に入力されるようになっている。モータユニット制御部１０１は、各モータユニットのエンコーダの出力に基づいて、制御装置１００がフィードバック制御を行うための演算処理を実行することができるように構成されている。

発振制御部１０２は、レーザ発振器３６の駆動に必要なドライバを実行することにより実現されるモジュールである。レーザ発振器３６には、発振データ（発振周波数、照射強度等）を出力する出力部が設けられており、この出力部からの発振データが発振制御部１０２を介して制御装置１００に入力されるようになっており、発振制御部１０２は、入力された発振データに基づいて、制御装置１００がフィードバック制御を行うための演算処理を実行することができるように構成されている。

次に、制御装置１００は、記憶部１１０を有している。

記憶部１１０は、主記憶装置を構成するＲＯＭ、ＲＡＭの他、ハードディスク装置や、ＤＶＤドライブ装置等の補助記憶装置によって具体化されるモジュールである。制御装置１００のマイクロプロセッサは、実行されるプログラムに基づき、補助記憶装置等のデータ記憶領域に保存されているデータを読み取って、必要なプログラムを実行する。

記憶部１１０のデータ記憶領域には、ワークＷＫごとに加工ラインの軌跡データ（座標を示すデータ）や加工条件等を含む加工データが保存されている。加工データは、マイクロプロセッサが一回に処理するブロック毎に分割されて保存されている。加工データには、加工線Ｌの座標や、加工線Ｌに沿ってワークＷＫを裁断するためにトーチノズル４４ｂが移動する軌跡を示す軌跡データに係る５軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸、およびＡ軸。以下、同様。）の座標が含まれる。また、レーザビームの照射パス（同一エリアを照射する回数）、出力（ワット）、周波数、パルス幅も含まれている。

次に、制御装置１００は、記憶部１１０から加工データを読み取るデータ読取部１１１と、読み取られた加工データに基づいて、トーチノズル４４ｂの移動方向を表すベクトルデータを演算するベクトル演算部１１２と、スポットピッチｍを演算するスポットピッチ演算部１１３と、演算されたベクトルデータおよびスポットピッチｍに基づいて、第１、第２のミラー６１、６２の姿勢をそれぞれの軸データ（α軸、β軸回りの座標）で決定するミラー変位量演算部１１４と、発振条件を決定する発振条件演算部１１５とを機能的に備えている。これらは、制御装置１００を構成するミドルウェアやアプリケーションソフトウェアによって実行されるプログラムモジュールである。

データ読取部１１１は、制御装置１００は、実行時に必要なブロックの加工データと、次に実行されるブロックの加工データとを一度の処理で読み取るように構成されている。

ベクトル演算部１１２は、読み取られた軌跡データに基づいて、トーチノズル４４ｂの進行方向を示すベクトルデータを生成する。ここで第１実施形態においては、トーチノズル４４ｂは、５軸に基づいて任意の角度でワークＷＫの加工面Ｓに対向し、レーザ加工するものである。そのため、ベクトル演算部１１２がベクトルデータを演算する際には、図６に示すように、ワークＷＫの法線ｚ’をＺ軸とする平面座標（ｘ’，ｙ’）をトーチノズル４４ｂの軸線ＴｚをＺ軸とする平面座標（ｘ，ｙ）に変換する処理が含まれている。

図６を参照して、例えば、一ブロックの加工データにおいて、加工面Ｓにおいて加工される座標（ｘ０’，ｙ０’）を始点とし、座標（ｘ１’，ｙ１’）を終点とするベクトルＶ’に対応して、トーチノズル４４ｂの移動ベクトルＶの始点（ｘ０，ｙ０）と終点（ｘ１，ｙ１）とを演算する場合には、ベクトルＶ’の始点（ｘ０’，ｙ０’）と終点（ｘ１’，ｙ１’）とをそれぞれ加工面Ｓの法線ｚ’を基準に加工面Ｓの二次元座標系（ｘ’，ｙ’）上に定め、次いでこれらの各座標をトーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚをｚ軸とする二次元座標系（ｘ，ｙ）上の座標（ｘ０，ｙ０）、（ｘ１，ｙ１）に変換することとしている。

スポットピッチ演算部１１３は、ベクトル演算部１１２の演算結果とデータ読取部１１１が読み取った加工データとに基づき、スポットピッチｍを演算する。ここで、第１実施形態では、モータユニット制御部１０１から、レーザビームを掃引した回数であるパス回数がフィードバックされるように構成されている。炭素強化複合材料のワークＷＫを裁断する場合、一度の照射でワークＷＫを裁断することは少なく、通常は、複数回レーザビームを照射して裁断している。一方、炭素強化複合材料の場合には、加工時の加工溝がくさび型になり、切り口が深さ方向に進行しない、という問題がある。そのため、第１実施形態では、レーザビームの照射パス前半では、スポットピッチｍを大きく設定し、照射パスの後半では、スポットピッチｍが小さくなるように、スポットピッチ演算部１１３がフィードバックされたパス回数に基づき、レーザビームの掃引回数の増加に伴って、スポットピッチｍを小さく変更することができるように構成されているのである。

なお、スポットピッチｍの演算方法としては、ブロックごとに同一の値を採用してもよく、可能であれば、座標ごとにスポットピッチｍを変更するようにしてもよい。

ミラー変位量演算部１１４は、ベクトル演算部１１２が演算したベクトルデータと、スポットピッチ演算部１１３が演算したスポットピッチｍとに基づき、第１の反射角度θ１の制御量であるα軸回りの回動量（α軸データ）と、第２の反射角度θ２の制御量であるβ軸回りの回動量（β軸データ）とを決定する。

図７を参照して、第１実施形態では、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２が常に加工線Ｌに対し、加工面Ｓ上で直交する方向に対向するようにα軸回りの回動量とβ軸回りの回動量とがそれぞれ決定される。これにより、加工線Ｌに曲線部分が含まれていたとしても、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２は、その曲線部分の法線方向に対向し、予め設定されたスポットピッチｍを維持しながら進行方向に移動する。ミラー変位量演算部１１４が決定したα、β軸データは、モータユニット制御部１０１に出力される。モータユニット制御部１０１は、出力されたα、β軸データに基づいて、各モータユニット２６、２５、３４、５０、５１、６４、６５の駆動を制御する。

発振条件演算部１１５は、図３に示すように、加工データとベクトル演算部１１２が演算したベクトルデータに基づき、ブロックごとにレーザ発振器３６による発振条件を演算（または設定）する。演算された発振条件は、発振制御部１０２に出力される。発振制御部１０２は、出力された発振条件に基づいて、レーザ発振器３６の発振を制御する。

次に、第１実施形態の作用について、説明する。

図１、図３、図８を参照して、ワークＷＫが上流側の装置から受け渡されると、ワークＷＫは、ワークステーション２０のワークテーブル２２に固定される（図１参照）。ついで、このワークＷＫについて、制御装置１００のデータ読取部１１１は、実行ブロックと、次のブロックの加工データを読み取る（ステップＳ１）。

次いで、ベクトル演算部１１２は、進行方向の演算を実行する（ステップＳ２）。この演算結果に基づき、スポットピッチ演算部１１３は、ｍデータ（スポットピッチ）を演算する（ステップＳ３）。

次いで、ミラー変位量演算部１１４は、ベクトル演算部１１２が演算したベクトルデータと、スポットピッチ演算部１１３が演算したｍデータとに基づき、α、β軸データを演算し、モータユニット制御部１０１に出力する（ステップＳ４）。

さらに、発振条件演算部１１５は、演算されたベクトルデータおよびデータ読取部１１１が読み取った加工データに基づき、発振条件を決定する発振条件データを演算し、演算結果を発振制御部１０２に出力する（ステップＳ５）。

次いで、各制御部１１０、１１１は、それぞれの制御対象となるモータユニットまたはレーザ発振器３６を制御し、トーチ４４やワークテーブル２２を駆動しながら、予め設定された加工線Ｌに沿って、レーザを複数パスにわたり、掃引する。

照射されるレーザビームは、図７に示すように、加工線Ｌに対し、互いに直交する平面上（ｘ’，ｙ’平面）上で、直交する方向に対向し、照射パスごとに予め設定されたスポットピッチｍを維持しつつ、加工線Ｌに沿って移動する。この結果、ワークＷＫの切り口は、何れも比較的小さなスポット径ｄで高速に切断され、しかも、大きなカーフ幅の切り口を形成する。

ここで、ワークＷＫが炭素強化複合材料（特に、炭素強化複合プラスチック）である場合、照射パスが増加するに伴い、スポットピッチｍは、狭く設定される。そのため、通常では、レーザビームの届きにくい加工溝の最深部にも高いエネルギーでレーザビームを到達させることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、図９を参照して、第２実施形態について説明する。

第２実施形態では、レーザ発振ユニット３５（図３参照）を第１、第２のレーザ発振器７１、７２の二つで構成する一方、これら第１、第２のレーザ発振器７１、７２に対応して、突出部４１ａの側部に第１入射部４８を設け、頂部に第２入射部４９を設けている。また、突出部４１ａの内部には、長方形の第１のダイクロイックミラー８１が配置されている。第１のダイクロイックミラー８１は、第１のレーザ発振器７１が発振したレーザビームを鉛直方向下向きに反射し、第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームを透過する特性に設定されている。

第１、第２のレーザ発振器７１、７２は、何れもレーザ発振器３６と同様に、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ（ＬＤレーザ）、ディスクレーザ、炭素ガスレーザ等の基本発振波長光、およびその基本発振波長光を非線形光学素子等により高調波に変換したものを好適に用いることが可能である。ただし、第１のレーザ発振器７１が発振するレーザビームと第２のレーザ発振器７２が発振するレーザビームは、互いの干渉を回避することができるようにそれぞれ異なる波長に設定されている。

第１のレーザ発振器７１は、第１の集光スポットＰ１を結像するレーザビームを照射する。また、第２のレーザ発振器７２は、第２の集光スポットＰ２を結像するレーザビームを照射する。このように第２実施形態では、これら第１、第２のレーザ発振器７１、７２により、２本のレーザビームを生成するビーム生成手段を構成している。

第１のレーザ発振器７１が発振するレーザビームと第２のレーザ発振器７２が発振するレーザビームがそれぞれ異なる波長に設定されている結果、第１のダイクロイックミラー８１は、第１のレーザ発振器７１から発振されたレーザビームを鉛直方向下方に反射し、第２のレーザビーム発振器７２から発振されたレーザビームを鉛直方向下方に透過する。

第１のダイクロイックミラー８１から出射した各レーザビームは、それぞれ第２の導光体４２に配置された反射ミラー１１に反射され、水平方向に沿って第１のミラー６１に入射する。ここで、第２実施形態においては、第１実施形態の偏光ビームスプリッタ６０に代えて、長方形の第２のダイクロイックミラー８２が当該偏光ビームスプリッタ６０と同一場所に配置されている。この第２のダイクロイックミラー８２は、第１のダイクロイックミラー８１と同様に、第１のレーザ発振器７１が発振したレーザビームを鉛直方向下向きに反射し、第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームを透過する特性に設定されている。

上述のようなレイアウトを採用することにより、第１のレーザ発振器７１から水平に発振されたレーザビームは、第１のダイクロイックミラー８１に反射されて鉛直方向下方に進行し、反射ミラー１１に水平に反射されることによって第２のダイクロイックミラー８２に入射する。第２のダイクロイックミラー８２に入射したレーザビームは、この第２のダイクロイックミラー８２によって鉛直方向下向きに反射されて集光レンズ４５に入射し、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ１を結像する。

一方、第２のレーザ発振器７２からのレーザビームは、第１のダイクロイックミラー８１を透過して鉛直方向下方に進行し、反射ミラー１１に入射して水平に反射された後、第２のダイクロイックミラー８１を透過し、第１のミラー６１に入射する。第１のミラー６１に入射したレーザビームは、この第１のミラー６１に反射されることによって第２のミラー６２に入射し、さらにこの第２のミラー６２に反射されることによって、直下の第２のダイクロイックミラー８２に入射する。このレーザビームは、第２のダイクロイックミラー８２を透過するので、そのまま、集光レンズ４５に入射し、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ２を結像する。

［第３実施形態］
次に、図１０を参照して、第３実施形態について説明する。

第３実施形態では、レーザ発振ユニット３５（図３参照）を単一のレーザ発振器３６で構成する一方、第１の導光体４１の内部に第１、第２のミラー６１、６２、並びにα軸駆動ユニット６４及びβ軸駆動ユニット６５を配置している。また、この第１の導光体４１の内部における光学系等のレイアウト変更に伴い、第３実施形態では、突出部４１ａを省略し、第１の導光体４１の側部に入射部４６を設けている。

第３実施形態においては、第１の導光体４１の内部において、入射部４６と水平に対向する位置に第１のミラー６１を配置し、第１のミラー６１の直下に長方形の第２のミラー６２を配置している。

第１のミラー６１は、一辺を水平方向に沿わせて、入射部４６から入射したレーザビームを垂直方向に沿って下方に反射する姿勢に傾斜している。第１のミラー６１のα軸は、第１のミラー６１の傾斜した辺と平行に設けられている。α軸駆動ユニット６４は、このα軸回りに第１のミラー６１を駆動するように構成されている。

第２のミラー６２は、一辺を水平方向に沿わせて、第１のミラー６１から反射されたレーザビームを水平方向に沿って反射する姿勢に傾斜している。第２のミラー６２のβ軸は、第２のミラー６２の水平な辺と平行に設けられている。β軸駆動ユニット６４は、このβ軸回りに第２のミラー６１を駆動するように構成されている。

第１のミラー６１と入射部４６との間には、長方形の第１の偏光ビームスプリッタ９１が配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ９１は、第２の導光体４２の反射ミラー１１の真上に配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ９１は、第１実施形態と同様に、レーザ発振器３６から照射されたレーザビームのうちの一方の偏光ビーム（図示の例では、Ｐ波）を垂直方向下向きに反射する一方、他方の偏光ビーム（図示の例では、Ｓ波）を透過することにより、レーザビームを第１の光路ＯＰ１および第２の光路ＯＰ２に分光している。

また、第１の偏光ビームスプリッタ９１の直下には、第２のミラー６２と水平に対向する長方形の第２の偏光ビームスプリッタ９２が配置されている。この第２の偏光ビームスプリッタ９２は、第１の偏光ビームスプリッタ９１とは逆に、一方の偏光ビーム（図示の例では、Ｐ波）を透過する一方、他方の偏光ビーム（図示の例では、Ｓ波）を反射する。

第２の偏光ビームスプリッタ９２は、第２の導光体４２に内蔵された反射ミラー１１に上方から臨んでいる。すなわち、同一鉛直線上に、第１、第２の偏光ビームスプリッタ９１、９２と、反射ミラー１１とが上から順に並んでいる。

第３実施形態では、レーザ発振器３６と第１の偏光ビームスプリッタ９１とにより、２本のレーザビーム（Ｐ波とＳ波の偏光ビーム）を生成するビーム生成手段を構成している。

反射ミラー１１は、トーチヘッド４４ａ内に配置された反射ミラー１２と対向し、第２の偏光ビームスプリッタ９２から出射されたそれぞれの偏光ビームを反射し、この反射ミラー１２に出射する。反射ミラー１２は、トーチヘッド４４ａ内において、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚ上に配置されており、反射ミラー１１から反射された偏光ビームをそれぞれ集光レンズ４５に反射する。

上述のようなレイアウトを採用することにより、第１の偏光ビームスプリッタ９１から反射されて第１の光路ＯＰ１を辿るレーザビームは、第２の偏光ビームスプリッタ９２を透過して下方に進行し、第２の導光体４２に配置された反射ミラー１１に反射されることによって反射ミラー１２に入射した後、反射ミラー１２に反射されることよって垂直方向下向きに出射され、集光レンズ４５に入射する。一方、第１の偏光ビームスプリッタ９１を透過して第２の光路ＯＰ２を辿るレーザビームは、第１、第２のミラー６１、６２によって形成される光路を辿った後、第２の偏光ビームスプリッタ９２に反射されて下方に導かれ、さらに第２の導光体４２に配置された反射ミラー１１から反射ミラー１２を経て集光レンズ４５に入射する。各レーザビームは、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ２を結像する。

［第４実施形態］
次に、図１１を参照して、第４実施形態について説明する。

第４実施形態では、レーザ発振ユニット３５（図３参照）を第１、第２のレーザ発振器７１、７２の二つで構成する一方、第１の導光体４１の内部に第１、第２のミラー６１、６２、並びにα軸駆動ユニット６４及びβ軸駆動ユニット６５を配置している。また、この第１の導光体４１の内部における光学系等のレイアウト変更に伴い、突出部４１ａを省略し、第１、第２のレーザ発振器７１、７２に対応して、第１の導光体４１の頂部に第１入射部４８を設け、側部に第２入射部４９を設けている。

第４実施形態は、これら第１、第２のレーザ発振器７１、７２により、２本のレーザビームを生成するビーム生成手段を構成している。

第４実施形態のビーム生成手段は、基本的には第２実施形態と同等であるが、第１のレーザ発振器７１と第２のレーザ発振器７２とが逆になっているとともに、第１、第２のミラー６１、６２、並びにα軸駆動ユニット６４及びβ軸駆動ユニット６５のレイアウトが異なっていることから、後述する通り、若干の相違がある。他方、第２導光体４２に配置された反射ミラー１１、トーチヘッド４４ａに配置された反射ミラー１２、並びに集光レンズ４５については、第３実施形態と同様の形態を採用している。

第４実施形態においては、第１入射部４８と反射ミラー１１との間に、長方形のダイクロイックミラー８０が配置されている。ダイクロイックミラー８０は、第２のミラー６２と水平方向に対向し、第１のレーザ発振器７１が発振したレーザビームを透過し、第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームを鉛直方向下向きに反射する特性に設定されている。ダイクロイックミラー８０は、一辺を水平に沿わせ、第２のミラー６２が出射したレーザビームを鉛直方向に沿って下方に反射する方向に傾斜している。

上述のようなレイアウトを採用することにより、第１のレーザ発振器７１から発振されて第１入射部４８から第１の光路ＯＰ１を辿るレーザビームは、ダイクロイックミラー８０を透過して第２の導光体４２に配置された反射ミラー１１に入射し、さらに、反射ミラー１１に水平に反射されて反射ミラー１２に入射した後、反射ミラー１２によって垂直方向下向きに出射され、集光レンズ４５に入射する。一方、第２のレーザ発振器７２から発振されて第２入射部４９から第２の光路ＯＰ２を辿るレーザビームは、第１、第２のミラー６１、６２によって形成される光路を辿った後、ダイクロイックミラー８０に反射されて下方に導かれ、さらに第２の導光体４２に配置された反射ミラー１１から反射ミラー１２を経て集光レンズ４５に入射する。各レーザビームは、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ２を結像する。

［第５実施形態］
次に、図１２を参照して、第５実施形態について説明する。なお、以下に説明する第５実施形態から図１４の第７実施形態では、図１、図２に示した裁断ロボット３０には実装されないが、原理的には、別の筐体によって実現可能な構成例である。

第５実施形態では、レーザ発振ユニット３５（図３参照）を単一のレーザ発振器３６で構成する一方、集光ユニット４０は、第１実施形態と同様の偏光ビームスプリッタ６０を備えている。

第５実施形態において、第２の光路ＯＰ２は、偏光ビームスプリッタ６０に分光された他方の偏光ビーム（Ｓ波）を反射する第１のミラー６１と、第１のミラー６１が反射した他方の偏光ビームをさらに反射する第２のミラー６２と、第２のミラー６２が反射した他方の偏光ビームをさらに反射する第３のミラー６３とによって形成されている。

第３のミラー６３は、第２のミラー６２の反射した偏光ビームが、偏光ビームスプリッタ６０を経由して集光レンズ４５に反射されるように配置されている。

上述のようなレイアウトを採用することにより、第３のミラー６３から偏光ビームスプリッタ６０に反射された偏光ビームは、偏光ビームスプリッタ６０を透過する方向に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ６０を透過し、集光レンズ４５に入射する。集光レンズ４５は、入射した偏光ビームを、トーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚに近接させて、下方のワークステーション２０上に載置されたワークＷＫ上に集光する。

［第６実施形態］
次に、図１３を参照して、第６実施形態について説明する。

第６実施形態では、レーザ発振器３６から集光レンズ４５までの経路に２枚の偏光ビームスプリッタ６０、６６を直列に配置している。これらは、何れも第３実施形態の第１の偏光ビームスプリッタ９１と同様に、一方の偏光ビーム（図示の例では、Ｐ波）を透過し、他方の偏光ビーム（図示の例では、Ｓ波）を反射してレーザビームを分光する。第６実施形態において、第２のミラー６２に反射されたレーザビーム（Ｓ波）は、下流側の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

上流側の偏光ビームスプリッタ６０は、第１のミラー６１の上流側に配置され、レーザ発振器３６のレーザビームが直接入射するようになっている。下流側の偏光ビームスプリッタ６６は、第２のミラー６２の下流側において、上流側の偏光ビームスプリッタ６０の下流側と交差する位置に配置されている。また、集光レンズ４５は、上流側の偏光ビームスプリッタ６０と下流側の偏光ビームスプリッタ６６とを結ぶ線上において、下流側の偏光ビームスプリッタ６６の下流側に配置されている。

上述のようなレイアウトを採用することにより、レーザ発振器３６から発振されたレーザビームは、上流側の偏光ビームスプリッタ６０に入射し、Ｐ波とＳ波の二つの偏光ビームに分光される。一方の偏光ビーム（図示の例では、Ｐ波）は、両偏光ビームスプリッタ６０、６６を透過して、集光レンズ４５に入射する。また他方の偏光ビーム（図示の例では、Ｓ波）は、上流側の偏光ビームスプリッタ６０に反射されることによって、第１のミラーに入射し、第２のミラーを経て下流側の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。下流側の偏光ビームスプリッタ６６は、他方の偏光ビームを反射する特性を有することから、入射した偏光ビームを下方に反射して、集光レンズ４５に入射する。各偏光ビームは、集光レンズ４５に集光されることによって、トーチノズル４４ｂから出射し、ワークＷＫ上で集光スポットＰ２を結像する。

［第７実施形態］
次に、図１４を参照して、第７実施形態について説明する。

第７実施形態では、第２実施形態と同様に、レーザ発振ユニット３５を第１、第２のレーザ発振器７１、７２で具体化している。

第１のレーザ発振器７１は、第１の光路ＯＰ１に沿ってレーザビームを発振する。第１の光路ＯＰ１中の第１のレーザ発振器７１と集光レンズ４５との間には、ダイクロイックミラー８０が配置されている。ダイクロイックミラー８０は、第１のレーザ発振器７１が発振したレーザビームを透過し、第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームを鉛直方向下向きに反射する特性に設定されている。

第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームは、第２の光路ＯＰ２に沿って発振される。第２の光路ＯＰ２に配置された第１、第２のミラー６１、６２は、それぞれ予め設定された第１、第２の反射角度θ１、θ２で第２のレーザ発振器７２が発振したレーザビームを反射する。第２のミラー６２が反射したレーザビームは、ダイクロイックミラー８０に入射し、このダイクロイックミラー８０によってさらに反射されることにより、集光レンズ４５に入射する。

［各実施形態の効果］
以上説明したように、第１〜第７実施形態においては、加工線Ｌに沿ってレーザビームをワークＷＫに複数回掃引する際に、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２が同時にワークＷＫに結像される。二つの集光スポットＰ１、Ｐ２は、図７に示すように、ワークＷＫ上で加工線Ｌに対し直交する方向に対向している。そして、隣接する二つの集光スポットＰ１、Ｐ２同士のスポットピッチｍは、予め設定された条件に基づいて調整可能に演算されている。この結果、ワークＷＫの加工条件に応じて、スポットピッチｍを変更し、好適な照射条件でワークＷＫをレーザ加工することができる。また、スポットピッチｍの変更は、集光ユニット４０の第１、第２のミラー６１、６２を駆動して、それぞれの反射角度θ１、θ２を選択的に変更することにより、任意に設定することができる。従って、ワークＷＫの材料ごとに設定することはもちろん、ワークＷＫの加工中にスポットピッチｍを変更することも可能となる。

また、第１〜第７実施形態において、発振ユニット３５および集光ユニット４０は、５軸の駆動機構（駆動モータユニット２５、２６、３４、５０、５１）と、この駆動機構によって駆動されるトーチ４４とを含む裁断ロボット３０に実装されている。このため、第１〜第７実施形態では、トーチ４４のトーチノズル４４ｂを三次元空間内の加工線Ｌに沿ってワークＷＫを加工することも可能となる。

また、第１〜第７実施形態に係る制御装置１００は、加工線Ｌの法線をＺ座標とする直交平面座標（ｘ’、ｙ’）に基づき、トーチノズル４４ｂの軸線ＴｚをＺ軸とする直交平面座標（ｘ、ｙ）に変換して、加工線Ｌ上の座標を演算する演算部（ベクトル演算部１１２）を含んでいる。そのため、５軸駆動のトーチ４４と含む裁断ロボット３０に発振ユニット３５および集光ユニット４０を実装した際、精緻な座標演算に基づいて、ワークＷＫを加工することが可能となる。

さらに、第１〜第７実施形態は、炭素強化複合材料（特に、炭素強化複合プラスチック）を加工するものであり、スポットピッチ演算部１１３は、レーザビームを掃引した回数の増加に伴ってスポットピッチｍが小さくなるようにスポットピッチｍを演算する。このため第１〜第７実施形態では、ワークＷＫの加工溝の深さに応じた照射条件を設定することができ、加工パスに応じてワークＷＫに適合させることができる。従来技術欄で説明したように、炭素強化複合材料においては、加工時の加工溝がくさび型になり、切り口が深さ方向に進行しない、という問題があるが、第１〜第７実施形態では、加工溝のカーフ幅を広く設定して初期の工程を実行し、掃引回数が増加するに伴って、カーフ幅が狭くなるように、スポットピッチｍを狭くするようにしているので、加工溝の最深部にレーザビームを効果的に到達させ、確実且つ高速にワークＷＫを裁断することが可能となるのである。

また、第１、第３、５、６実施形態では、単一のレーザビームを発振するレーザ発振器３６と、レーザ発振器３６から発振されたレーザビームを二つの互いに直交する直線偏光ビームに分光するとともに一方の偏光ビームを第１の光路ＯＰ１に導くように反射し、他方の偏光ビームを第１のミラー６１に向けて第２の光路ＯＰ２に導くように反射する偏光ビームスプリッタ６０、９１を含む。このため第１、第３、５、６実施形態では、レーザ発振ユニット３５に単一のレーザ発振器３６を設けるだけで、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２を結像することができる。また、偏光ビームスプリッタ６０、９１を用いて、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２を結像しているので、回析型のスプリッタを用いている場合に比べ、エネルギー損失が少ないばかりでなく、集光特性を汎用化することも容易になる。また、分光されたレーザビームによって集光された集光スポットＰ１、Ｐ２は、互いに偏光の方向が直交するため、集光スポットＰ１、Ｐ２間での干渉が生じなくなる。

一方、第５実施形態では、第２の可動ミラー６２と集光レンズ４５との間に配置されて第２の光路ＯＰ２を形成し、且つ第２の可動ミラー６２が反射した偏光ビームを集光レンズ４５に反射する第３のミラー６３をさらに備えている。また、偏光ビームスプリッタ６０は、第３のミラー６３から反射した偏光ビームの光路とレーザ発振ユニット３５が発振したレーザビームの光路との交点に配置されている。このため第５実施形態では、単一の偏光ビームスプリッタ６０によって、分光されたレーザビームをそれぞれ集光レンズ４５に導くことができる結果、集光ユニット４０を簡素で廉価な構成で実現することができる。

他方、第３、６実施形態では、複数の偏光ビームスプリッタ９１、９２、６０、６６を採用している。そのため、第３、６実施形態では、同一光路中に複数の偏光ビームスプリッタ９１、９２、６０、６６を配置して二つの集光スポットを結像することができ、集光ユニット４０のコンパクト化を図ることが可能となる。

また、第２、４、７実施形態では、レーザ発振ユニット３５は、発振制御部１０２によってそれぞれ制御され、第１の光路ＯＰ１にレーザビームを照射する第１のレーザ発振器７１と、第２の光路ＯＰ２にレーザビームを照射する第２のレーザ発振器７２を含む。このため第２、４、７実施形態では、複数のレーザ発振器３６を用いて、二つの集光スポットＰ１、Ｐ２を結像しているので、回析型のスプリッタを用いている場合に比べ、高い出力を得ることができ、しかも集光特性を汎用化することも容易になる。

特に第４、第７実施形態では、集光ユニット４０は、第１のレーザ発振器７１が発振したレーザビームを透過して集光レンズ４５に導くとともに、第２のレーザ発振器７２から発振されて第２の可動ミラー６２に反射されたレーザビームを集光レンズ４５に反射するダイクロイックミラー８０をさらに含む。このダイクロイックミラー８０は、第１の光路ＯＰ１と第２の光路ＯＰ２との交点に配置されている。このため第４、７実施形態では、単一のダイクロイックミラー８０により、複数のレーザビームを集光レンズ４５に導くことができる結果、集光ユニット４０を簡素で廉価な構成で実現することができる。

また、第１、第３、第５、第６実施形態では、第２のミラー６２の下流側であって集光レンズ４５の上流側に、第１の光路ＯＰ１と交差する交点を設け、この交点に偏光ビームスプリッタ６０、９２、６６を配置している。そのため、偏光ビームスプリッタ６０、９２、６６の特性を活かして単一の偏光ビームスプリッタ６０、９２、６６で所期の方向に導き、双方の偏光ビームを集光レンズ４５に導くことが可能になる。

一方、第２、第４、第６の実施形態では、第２のミラー６２の下流側であって集光レンズ４５の上流側に、第１の光路ＯＰ１と第２の光路ＯＰ２とが交差する交点を設け、この交点にダイクロイックミラー８２、８０を配置している。このため、ダイクロイックミラー８２、８０の特性を活かして単一のダイクロイックミラー８２、８０で所期の方向に導き、双方のレーザビームを集光レンズに導くことが可能になる。

［その他の変形例］
上述した各実施形態は、好適な例示に過ぎず、本発明は、上述した実施形態に限定されない。

例えば、集光スポットの座標の制御は、一方のレーザビーム（偏光ビーム）をトーチノズル４４ｂの軸線Ｔｚに沿わせる必要はなく、双方のレーザビーム（偏光ビーム）を軸線Ｔｚに対して僅かにずらす構成を採用してもよい。

また、第１、第２の可動ミラーを双方の集光スポットの光源に設けてもよい。

さらに、可動ミラーの何れかを偏光ビームスプリッタ又はダイクロイックミラーで構成してもよい。

また、裁断ロボットにアシストガスを供給する機構を設けて、アシストガスをトーチに供給するようにしてもよい。

また、裁断ロボットは、５軸制御に限らず、２軸制御であってもよい。

また、光路中において偏光ビームスプリッタ９１、６０の下流側に別の偏光ビームスプリッタ９２、６６をさらに備えている態様において、別の偏光ビームスプリッタは、上流側の偏光ビームスプリッタ９１、６０が反射した一方の偏光ビームを透過し、他方の偏光ビームを反射するもの（偏光ビームスプリッタ９２、６６）であってもよい。また、上流側の偏光ビームスプリッタ９１、６０が反射した一方の偏光ビームを反射し、他方の偏光ビームを透過するもの（偏光ビームスプリッタ９２、６６）であってもよい。これらの態様では、複数の偏光ビームスプリッタ９１、９２、６０、６６によって、第１、第２のミラー６１、６２等をより複雑な光路に配置することができるので、種々の仕様の集光ユニットを有するレーザ加工装置に対応することができる。

同様に、光路中においてダイクロイックミラー８１の下流側に別のダイクロイックミラー８２をさらに備えている態様において、別のダイクロイックミラー８２は、上流側のダイクロイックミラー８１が反射した一方のレーザビームを透過し、他方のレーザビームを反射するものであってもよい。また、上流側のダイクロイックミラー８１が反射した一方のレーザビームを反射し、他方のレーザビームを透過するものであってもよい。これらの態様では、複数のダイクロイックミラー８１、８２によって、第１、第２のミラー６１、６２等をより複雑な光路に配置することができるので、種々の仕様の集光ユニットを有するレーザ加工装置に対応することができる。

また、各実施形態において、ミラーの形状は、長方形のものを例示しているが、長方形に限定されない。ミラーの形状は、例えば、円形や楕円形のものを採用してもよい。その場合には、高速でミラーを駆動するに際し、ミラーの軽量化を図り、また、イナーシャの軽減化を図ることができる。

その他、種々の変更が可能であることは、いうまでもない。

１０ トーチ型レーザ加工装置
２０ ワークステーション
３５ レーザ発振ユニット（ビーム生成手段の要部）
３６ レーザ発振器
４５ 集光レンズ
６０ 偏光ビームスプリッタ（ビーム生成手段の要部）
６１ 第１のミラー（第１の可動ミラーの一例）
６２ 第２のミラー（第２の可動ミラーの一例）
６３ 第３のミラー
６４ α軸駆動ユニット
６５ β軸駆動ユニット
６６ 偏光ビームスプリッタ
７１ 第１のレーザ発振器
７２ 第２のレーザ発振器
８０ ダイクロイックミラー
１００ 制御装置
１０１ モータユニット制御部
１０２ 発振制御部
１１１ データ読取部
１１２ ベクトル演算部
１１３ スポットピッチ演算部
１１４ ミラー変位量演算部（駆動機構制御部の一例）
１１５ 発振条件演算部
ｄ スポット径
Ｌ 加工線
ｍ スポットピッチ
ＯＰ１ 第１の光路
ＯＰ２ 第２の光路
Ｐ１ 第１の集光スポット
Ｐ２ 第２の集光スポット
Ｓ 加工面
Ｔｚ 軸線
Ｖ ベクトル
ＷＫ ワーク
ｚ 法線
θ１ 第１の反射角度
θ２ 第２の反射角度

Claims (6)

1. ワークに予め設定された加工線であって曲線部分を含む加工線に沿って、二つの集光スポットが互いに前記ワーク上で前記加工線と直交する方向に対向するようにレーザビームを前記ワークに複数回掃引することにより前記二つの集光スポットを含む加工溝を形成して前記ワークを裁断するレーザ加工装置であって、
   前記二つの集光スポットの光源となる２本のレーザビームを生成するビーム生成手段と、
   前記ビーム生成手段が生成したレーザビームから前記二つの集光スポットを結像する集光レンズとこの集光レンズを内蔵するトーチとを含み、前記ビーム生成手段が生成した一方のレーザビームを前記集光レンズに導く第１の光路と他方のレーザビームを前記集光レンズに導く第２の光路とを形成する集光ユニットと、
   前記ビーム生成手段と前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ予め設定された軸回りに姿勢を変更可能な状態で前記ビーム生成手段が生成した他方のレーザビームを反射する第１の可動ミラーと、
   前記第１の可動ミラーと前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ予め設定された軸回りに姿勢を変更可能な状態で前記第１の可動ミラーが反射した前記他方のレーザビームをさらに反射する第２の可動ミラーと、
   前記第１の可動ミラーがレーザビームを反射する角度である第１の反射角度と前記第２の可動ミラーがレーザビームを反射する角度である第２の反射角度をそれぞれ個別に調整可能に前記第１の可動ミラーおよび前記第２の可動ミラーを対応する軸回りに選択的に駆動する駆動機構と、
   予め設定された条件に基づいて前記二つの集光スポット同士が隣接する間隔であるスポットピッチを演算するスポットピッチ演算部と、
   前記スポットピッチ演算部が演算したスポットピッチに基づいて、前記二つの集光スポットが互いに前記ワーク上で前記加工線と直交する方向に常に対向するように前記第１の可動ミラーの軸回りの変位量および前記第２の可動ミラーの軸回りの変位量をそれぞれ演算するミラー変位量演算部と、
   前記ミラー変位量演算部が演算した各軸回りの変位量に基づいて、前記駆動機構を制御する駆動機構制御部と、を備え、
   前記ミラー変位量演算部は、前記加工線の前記曲線部分において前記二つの集光スポットが前記曲線部分の法線方向に対向するように前記第１の可動ミラーの軸回りの変位量および前記第２の可動ミラーの軸回りの変位量をそれぞれ演算するように構成されている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記スポットピッチ演算部は、前記レーザビームを掃引した回数の増加に伴って前記スポットピッチが小さくなるように前記スポットピッチを演算する
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
   前記ビーム生成手段は、単一のレーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から照射された単一のレーザビームを二つの互いに直交する直線偏光ビームに分光するとともに一方の偏光ビームを前記第１の光路に導き、他方の偏光ビームを前記第１の可動ミラーに向けて前記第２の光路に導く偏光ビームスプリッタと、を含む
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項３に記載のレーザ加工装置において、
   前記第２の可動ミラーと前記集光レンズとの間に配置されて前記第２の光路の一部を形成し、且つ前記第２の可動ミラーが反射した偏光ビームを前記集光レンズに反射する第３のミラーをさらに備え、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記第３のミラーが反射した偏光ビームの光路と前記レーザ発振器が発振した単一のレーザビームの光路との交点に配置されている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
   前記ビーム生成手段は、前記第１の光路にレーザビームを発振する第１のレーザ発振器と、前記第２の光路にレーザビームを発振する第２のレーザ発振器と、を含み、前記レーザ加工装置は、前記第１のレーザ発振器及び前記第２のレーザ発振器による前記レーザビームの発振を制御する発振制御部をさらに備える
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１の光路と前記第２の光路との交点に配置され、且つ前記第１のレーザ発振器が発振したレーザビームを透過して前記集光レンズに導くとともに、前記第２のレーザ発振器から発振されて前記第２の可動ミラーに反射されたレーザビームを前記集光レンズに反射するダイクロイックミラーをさらに備えている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
   
   

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