JP6633297B2 - レーザ加工装置、及び、レーザ加工装置の集光角設定方法 - Google Patents
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Description
レーザ光を偏向してワークの加工面を走査するレーザ加工装置に関する。
従来、レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査するレーザ加工装置において、レーザ光の焦点位置を設定可能なものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザマーキング装置はレーザ光源と走査部との間に焦点位置設定手段が設けられているとともに、走査部とワークとの間に収束レンズが設けられている。そして、収束レンズに入射するレーザ光のビーム径又は広がり角を焦点位置設定手段によって変更することによって焦点位置を設定している。
また、従来、ワークの加工中に焦点距離を設定する所謂Ｚモジュールを備えるレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のレーザ加工装置はＺ軸スキャナを備え、ワークの加工中にＺ軸スキャナによって焦点位置を設定している。
特許文献１に記載のレーザマーキング装置は平坦な加工面を有するワークにレーザ光を垂直に照射し、そのときに形成されるスポット光の面積が目的の面積となるように焦点位置を設定している。しかしながら、レーザ光が斜めに照射される位置では垂直に照射される位置に比べてスポット光の面積が大きくなる。このため特許文献１に記載のレーザマーキング装置によると、加工面上の位置の違いによってスポット光の面積にばらつきが生じ、加工品質が低下してしまう虞がある。
ところで、特許文献１に記載のレーザマーキング装置の場合は、レーザ光がどの位置に入射してもワークに垂直にレーザ光を照射する収束レンズを用いることによってスポット光の面積のばらつきが小さくなるようにすることも可能である。しかしながら、そのような収束レンズは一般にレーザ光を垂直に照射できる範囲が狭いので加工エリアが小さくなってしまう。また、加工エリアを大きくしようとするとレンズ径が大きくなることによって高価になってしまう。
また、従来のＺモジュールを備えるレーザ加工装置の場合は加工中に焦点位置を動的に設定することによってスポット光の面積のばらつきを低減できる。しかしながら、そのためには高速に動く走査部と同期してリアルタイムに加工座標に応じてＺ軸方向の集光位置を高速に調整しなければならないので構造も複雑で高価になってしまう。
本明細書では、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減でき、且つ、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる技術を開示する。
また、本明細書では、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる技術を開示する。
また、本明細書では、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる技術を開示する。
本明細書によって開示されるレーザ加工装置は、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査する走査部と、前記レーザ発振器と前記走査部との間に設けられ、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光部と、を備え、前記集光部は、レーザ光が垂直に照射される位置に対して、当該垂直に照射される位置からワークの加工面上の最遠点までの距離より離間した位置にレーザ光を集光するように設定されている。
上記のレーザ加工装置によると、平坦な加工面にレーザ光を垂直に照射したときに形成されるスポット光の面積と、上述した離間した位置にレーザ光を斜めに照射したときに形成されるスポット光の面積とが略一致するようにレーザ光を集光するよう集光部を設定（固定あるいは調整）することにより、収束レンズを用いなくてもスポット光の面積のばらつきを低減できる。このためレーザ加工装置の構成を簡素にすることができる。また、集光部は加工中に走査部に追従する必要がないので集光部の構造を簡素にすることもできる。このため、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減でき、製造コストを低減できる。
また、上記のレーザ加工装置によると、上述した離間した位置で面積が一致するように集光部を設定することにより、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、上記のレーザ加工装置によると、上述した離間した位置で面積が一致するように集光部を設定することにより、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、前記集光部の集光位置を調整可能に構成されていてもよい。
上記のレーザ加工装置によると、ワークの大きさが変わった場合にそのワークの加工面から外れた位置に集光位置を調整することにより、ワークの大きさが変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、前記集光部は、当該レーザ加工装置の加工エリアの外側の位置にレーザ光を集光してもよい。
上記のレーザ加工装置によると、ワークの大きさが変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、前記集光部は、前記離間した位置において、レーザ光が垂直に照射される方向に焦点位置を設定可能に構成されていてもよい。
上記のレーザ加工装置によると、走査部からワークの加工面までの距離（ワーク間距離）が変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、本明細書によって開示されるレーザ加工装置の集光角設定方法は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査する走査部と、前記レーザ発振器と前記走査部との間に設けられ、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光部と、ワークの加工前に前記集光部の集光角を設定するための設定部と、を備えるレーザ加工装置の集光角設定方法であって、平坦な加工面にレーザ光を垂直に照射したときに形成されるスポット光の面積と当該スポット光が形成される位置から離間した位置にレーザ光を斜めに照射したときに形成されるスポット光の面積とが略一致するように前記設定部を用いて集光角を設定する。
上記の集光角設定方法によると、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる。
本明細書によって開示されるレーザ加工装置によれば、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減でき、且つ、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
また、本明細書によって開示されるレーザ加工装置の集光角設定方法によれば、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる。
また、本明細書によって開示されるレーザ加工装置の集光角設定方法によれば、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる。
＜実施形態＞
実施形態を図１ないし図１１によって説明する。
実施形態を図１ないし図１１によって説明する。
（１）レーザ加工装置の構成
図１を参照して、本実施形態に係るレーザ加工装置としてのレーザ溶着装置１の構成について説明する。レーザ溶着装置１は二つの樹脂部材Ａと樹脂部材Ｂとをレーザ光によって溶着するものである。樹脂部材Ａはレーザ光をほぼ透過する素材で形成されている一方、樹脂部材Ｂはレーザ光を吸収する素材で形成されており、樹脂部材Ｂがレーザ光を吸収して溶融するとその熱によって樹脂部材Ａも溶融し、それにより樹脂部材Ａと樹脂部材Ｂとが溶着される。
図１を参照して、本実施形態に係るレーザ加工装置としてのレーザ溶着装置１の構成について説明する。レーザ溶着装置１は二つの樹脂部材Ａと樹脂部材Ｂとをレーザ光によって溶着するものである。樹脂部材Ａはレーザ光をほぼ透過する素材で形成されている一方、樹脂部材Ｂはレーザ光を吸収する素材で形成されており、樹脂部材Ｂがレーザ光を吸収して溶融するとその熱によって樹脂部材Ａも溶融し、それにより樹脂部材Ａと樹脂部材Ｂとが溶着される。
レーザ溶着装置１は制御部２０、入力部２１、レーザ発振器２２、集光部２３、設定部２４、走査部２５、レーザパワー監視部２６などを備えている。
制御部２０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することによってレーザ溶着装置１の各部を制御する。ＲＯＭにはＣＰＵによって実行される制御プログラムや制御に用いる各種のデータ等が記憶されている。ＲＡＭはＣＰＵが各種の処理を実行するための主記憶装置として用いられる。なお、制御部２０はＣＰＵに替えてＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを備えていてもよい。
制御部２０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することによってレーザ溶着装置１の各部を制御する。ＲＯＭにはＣＰＵによって実行される制御プログラムや制御に用いる各種のデータ等が記憶されている。ＲＡＭはＣＰＵが各種の処理を実行するための主記憶装置として用いられる。なお、制御部２０はＣＰＵに替えてＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを備えていてもよい。
入力部２１はキーボードやマウスなどの入力装置、液晶ディスプレイなどの表示装置などで構成されている。作業者は入力部２１を操作することによってレーザパワーの設定、走査速度、ワーク間距離、加工パターン１１（図６参照）などを設定できる。なお、入力部２１はタッチパネルを備えていてもよい。
レーザ発振器２２は気体レーザである炭酸ガスレーザ、固定レーザであるＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどで構成され、集光部２３に向けてレーザ光を出射する。レーザ発振器２２はレーザパワーを調整可能に構成されており、制御部２０によってレーザパワーが制御される。
集光部２３はレーザ発振器２２から出射されたレーザ光を集光するものである。また、集光部２３には加工前に作業者が集光部２３の集光角を設定するための設定部２４が一体に設けられている。集光部２３及び設定部２４の具体的な構成については後述する。
走査部２５は所謂ガルバノスキャニング方式を採用したものであり、レーザ光を反射する２つのガルバノミラー、これらのガルバノミラーの角度を変位させる２つの駆動モータなどを備えている。一方のガルバノミラーは一方の駆動モータに駆動されて縦方向に角度を変位し、他方のガルバノミラーは他方の駆動モータに駆動されて横方向に角度を変位する。これによりレーザ光の照射点がワークＢの加工面上を二次元移動する。
なお、走査部２５はレーザ光を偏向可能なものであればよく、例えばガルバノミラーに替えてポリゴンミラーを用いるものであってもよいし、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを組み合わせて用いるものであってもよい。
なお、走査部２５はレーザ光を偏向可能なものであればよく、例えばガルバノミラーに替えてポリゴンミラーを用いるものであってもよいし、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを組み合わせて用いるものであってもよい。
レーザパワー監視部２６は制御部２０がレーザパワーを監視するためのものである。レーザパワー監視部２６の具体的な構成については後述する。
図２に示すように、レーザ溶着装置１は走査部２５から樹脂部材Ｂ（以下、ワークＢという）の加工面までの距離が３００ｍｍ〜３３０ｍｍまで対応可能である。以降の説明では走査部２５からワークＢの加工面までの距離のことをワーク間距離という。
（２）集光部及び設定部
次に、図３を参照して、集光部２３及び設定部２４の具体的な構成について説明する。集光部２３は拡大レンズ２３Ａ及び集光レンズ２３Ｂを備えている。レーザ光Ｌは拡大レンズ２３Ａによってビーム径が拡げられ、集光レンズ２３Ｂによって集光角θａで集光される。
次に、図３を参照して、集光部２３及び設定部２４の具体的な構成について説明する。集光部２３は拡大レンズ２３Ａ及び集光レンズ２３Ｂを備えている。レーザ光Ｌは拡大レンズ２３Ａによってビーム径が拡げられ、集光レンズ２３Ｂによって集光角θａで集光される。
設定部２４は集光部２３の集光角θａを設定するためのものであり、円筒状の筐体２４Ａ、拡大レンズ２３Ａを保持するホルダ２４Ｂ、ホルダ移動部２４Ｃ、調整ネジ２４Ｄ、圧縮コイルバネ２４Ｅなどを備えている。
ホルダ２４Ｂは円筒状の部材であり、レーザ光Ｌの光軸方向に移動可能に筐体２４Ａの内部に嵌合挿入されている。また、ホルダ２４Ｂには外周面に図示しない凸部が設けられている。一方、筐体２４Ａの内周面にはその凸部をレーザ光Ｌの光軸方向に案内する図示しないガイド溝が形成されており、そのガイド溝にホルダ２４Ｂの凸部が嵌ることによってホルダ２４Ｂがレーザ光Ｌの光軸周りに回動してしまうことが規制されている。
ホルダ２４Ｂは円筒状の部材であり、レーザ光Ｌの光軸方向に移動可能に筐体２４Ａの内部に嵌合挿入されている。また、ホルダ２４Ｂには外周面に図示しない凸部が設けられている。一方、筐体２４Ａの内周面にはその凸部をレーザ光Ｌの光軸方向に案内する図示しないガイド溝が形成されており、そのガイド溝にホルダ２４Ｂの凸部が嵌ることによってホルダ２４Ｂがレーザ光Ｌの光軸周りに回動してしまうことが規制されている。
ホルダ移動部２４Ｃは円筒状の部材であり、レーザ光Ｌの光軸方向に移動可能に筐体２４Ａの内部に一部が嵌合挿入されている。ホルダ移動部２４Ｃは外周面にねじ山が形成されている。
調整ネジ２４Ｄも円筒状に形成されている。調整ネジ２４Ｄは前側部分の内側に筐体２４Ａの後側部分が嵌合されて筐体２４Ａの外周周りに回動可能に筐体２４Ａに取り付けられている。調整ネジ２４Ｄの内周面にはホルダ移動部２４Ｃの外周面に形成されているねじ山に噛み合うねじ山が形成されている。
圧縮コイルばね２４Ｅはホルダ２４Ｂを後側に押圧するものである。
調整ネジ２４Ｄも円筒状に形成されている。調整ネジ２４Ｄは前側部分の内側に筐体２４Ａの後側部分が嵌合されて筐体２４Ａの外周周りに回動可能に筐体２４Ａに取り付けられている。調整ネジ２４Ｄの内周面にはホルダ移動部２４Ｃの外周面に形成されているねじ山に噛み合うねじ山が形成されている。
圧縮コイルばね２４Ｅはホルダ２４Ｂを後側に押圧するものである。
作業者が調整ネジ２４Ｄを一方の回動方向に回動させるとホルダ移動部２４Ｃが前方向に移動し、ホルダ移動部２４Ｃに押されてホルダ２４Ｂが前方向に移動する。これにより拡大レンズ２３Ａと集光レンズ２３Ｂとの距離が近くなり、レーザ光Ｌの集光角θａが小さくなる。
一方、作業者が調整ネジ２４Ｄを他方の回動方向に回動させるとホルダ移動部２４Ｃが後方向に移動する。ホルダ移動部２４Ｃが後方向に移動するとホルダ２４Ｂが圧縮コイルバネ２４Ｅに付勢されて後方向に移動する。これにより拡大レンズ２３Ａと集光レンズ２３Ｂとの距離が遠くなり、レーザ光Ｌの集光角θａが大きくなる。
（３）スポット光の面積のばらつきの低減
図４は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に焦点が合っている状態を示している。なお、本実施形態ではレーザ光Ｌが垂直に照射される位置は加工エリア１２（図６参照）の中心である。加工エリア１２とはワークを配置できる最大のエリアである。ただし、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置が走査部２５の振れ角の端になる場合はレーザ光Ｌが垂直に照射される位置が加工エリア１２の中心からずれる場合もある。
図４は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に焦点が合っている状態を示している。なお、本実施形態ではレーザ光Ｌが垂直に照射される位置は加工エリア１２（図６参照）の中心である。加工エリア１２とはワークを配置できる最大のエリアである。ただし、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置が走査部２５の振れ角の端になる場合はレーザ光Ｌが垂直に照射される位置が加工エリア１２の中心からずれる場合もある。
図４に示す状態の場合、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置ではスポット光が楕円形になるので面積が大きくなる上、レーザ光Ｌのビーム径も大きくなるので、レーザ光が斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積より大きくなる。
すなわち、図４に示す状態は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とがばらついている状態である。
すなわち、図４に示す状態は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とがばらついている状態である。
そこで、図５に示すように、本実施形態ではレーザ光Ｌが垂直に照射される位置から敢えて焦点をずらし、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と、レーザ光が斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように焦点位置を設定する。以降の説明では焦点をずらすことをデフォーカスという。
レーザ光Ｌが垂直に照射される位置からデフォーカスすると、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積は大きくなる。一方、レーザ光が斜めに照射される位置ではスポット光は楕円形のままであるが、デフォーカスされることによってレーザ光Ｌのビーム径が小さくなるので、スポット光の面積が小さくなる。このため焦点位置を適切に設定すると、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致し、スポット光の面積のばらつきを低減することができる。
ここで、本実施形態では、焦点位置の設定はワークＢの加工を開始する前に作業者によって行われ、ワークＢの加工中は作業者によって設定された焦点位置に固定される。以下、図６を参照して、作業者による焦点位置の設定について説明する。
図６において点線１１はワークＢの加工面上をレーザ光Ｌが走査する加工パターンの一例を示している。加工パターン１１の中心はレーザ光が垂直に照射される位置であり、加工パターン１１上でレーザ光の光路長が最小となる位置である。加工パターン１１の四隅はレーザ光が斜めに照射される位置であり、加工パターン１１上でレーザ光の光路長が最大となる位置である。また、図６において点線１２はレーザ溶着装置１の加工エリア１２を示している。本実施形態に係るレーザ溶着装置１は加工エリア１２の外側にもレーザ光を照射できるものとする。
図６において点線１１はワークＢの加工面上をレーザ光Ｌが走査する加工パターンの一例を示している。加工パターン１１の中心はレーザ光が垂直に照射される位置であり、加工パターン１１上でレーザ光の光路長が最小となる位置である。加工パターン１１の四隅はレーザ光が斜めに照射される位置であり、加工パターン１１上でレーザ光の光路長が最大となる位置である。また、図６において点線１２はレーザ溶着装置１の加工エリア１２を示している。本実施形態に係るレーザ溶着装置１は加工エリア１２の外側にもレーザ光を照射できるものとする。
位置Ｐは、レーザ光が垂直に照射される位置に対して、当該垂直に照射される位置からワークの加工面上の最遠点までの距離（ワークＢの四隅のいずれか）より離間した位置であって、より具体的には加工エリア１２の外側の位置である。位置Ｐは集光位置の一例である。以降の説明においてレーザ光Ｌが斜めに照射される位置とは位置Ｐのことをいう。
焦点位置の設定では、作業者は実際にレーザ溶着装置１を用いて加工エリア１２より面積が大きいテスト用のワークに加工を行い、レーザ光Ｌが垂直に照射された位置に形成されている加工跡の面積と、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されている加工跡の面積とを測定する。作業者は設定部２４によって集光部２３の集光角θａを少しずつ変えながらこの作業を繰り返すことにより、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように焦点位置を設定することができる。
ここで、集光部２３は、位置Ｐにおいて、設定部２４によって集光角θａを調整することにより、レーザ光Ｌが垂直に照射される方向に焦点位置を設定することもできる。
次に、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致する集光角θａが存在することについて、図７を参照して説明する。
図７は、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に焦点が合っている状態を示している。ここでは、レーザ光Ｌが平行光であると仮定したとき、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積の１０７％になるとする。
図７は、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に焦点が合っている状態を示している。ここでは、レーザ光Ｌが平行光であると仮定したとき、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積の１０７％になるとする。
スポット光の面積はレーザ光Ｌのビーム半径の自乗に比例するので、この場合はレーザ光Ｌが斜めに照射される位置でのレーザ光Ｌのビーム半径の自乗が、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置でのビーム半径の自乗の７％分以上小さくなっていれば、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積の方が、垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積より小さくなる。
言い換えると、７の平方根は約２．６５であるので、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置でのレーザ光Ｌのビーム半径が、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置でのビーム半径の２．６５％分以上小さくなっていれば、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積の方が、垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積より小さくなる。
ここで、レーザ光Ｌのビーム半径を求める計算式を以下に示す。
・・・式Ｉ
上述した式１の係数について、図８を参照して説明する。ｚはビームウェスト（ビーム半径が最も小さくなる位置）からの距離、ωｚは距離ｚにおけるビーム半径、λは光の波長、ωｏはビームウェストにおけるビーム半径である。なお、図８に示すように、ｚが十分大きい位置ではビーム半径は光軸からの傾斜角度θｂで直線的に広がる。
上述した式１によれば、レーザ光Ｌの光路上の各点におけるビーム半径を計算できるので、その計算結果に基づいて光路長を調整するなどによってレーザ光Ｌの光路上において加工に用いられる区間を適切に設定すれば、レーザ光Ｌが斜めに照射される位置でのレーザ光Ｌのビーム半径が、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置でのビーム半径の２．６５％分以上小さくなるようにすることができる。
このため、レーザ溶着装置１では、図４に対応する集光角θａと図７に対応する集光角θａとの間に、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致する集光角θａが存在する。このため、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とを一致させることができる。
（４）集光角θａの設定範囲
設定部２４は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように設定可能に集光角θａの設定範囲が設定されている。言い換えると、スポット光の面積が一致する集光角θａに設定できるようにホルダ２４Ｂの移動範囲が設定されている。
設定部２４は、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように設定可能に集光角θａの設定範囲が設定されている。言い換えると、スポット光の面積が一致する集光角θａに設定できるようにホルダ２４Ｂの移動範囲が設定されている。
ところで、ワーク間距離が常に一定であれば集光角θａを固定しておくことができる。しかしながら、本実施形態ではワーク間距離が３００ｍｍ〜３３０ｍｍまで対応可能であることを前提としているため、集光角θａを固定することができない。そのため、設定部２４は、ワーク間距離が３００ｍｍである場合に面積が一致する集光角θａと、ワーク間距離が３３０ｍｍである場合に面積が一致する集光角θａとの両方が含まれるように集光角θａの設定範囲が設定されている。
（５）間にある位置に形成されるスポット光の面積
次に、図９、図１０及び図１１を参照して、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように集光角θａが設定された場合における、それらの間にある位置に形成されるスポット光の面積について説明する。
次に、図９、図１０及び図１１を参照して、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積と斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積とが一致するように集光角θａが設定された場合における、それらの間にある位置に形成されるスポット光の面積について説明する。
ここで、図９において楕円度とは、レーザ光Ｌが平行光であると仮定して、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積を１００％としたときの斜めに照射される位置に形成されるスポット光の面積を％で示したものである。
図９に示すように、レーザ光Ｌが垂直に照射される位置からの距離（距離差）と楕円度とは正比例の関係にあり、距離差が大きくなるに連れて楕円度が大きくなる。これに対し、図１０に示すように、距離差とレーザ光Ｌのビーム半径の自乗とは反比例の関係にある。つまり、楕円度とビーム半径の自乗とには一方が大きくなれば他方が小さくなるという関係がある。
図１１に示すように、間にある位置では面積は完全には一致せず多少のばらつきは生じるが、レーザ光Ｌの光路上において加工に用いられる区間を前述した式１に基づいて適切に設定すれば、楕円度の増大による面積の増加分とビーム半径の自乗の減少による面積の減少分とがほぼ一致し、それらが相殺される。これにより、間にある位置に形成されるスポット光の面積がほぼ一定となり、間にある位置においてもスポット光の面積のばらつきを十分に低減できる。これによりスポット光の面積のばらつきをより低減できる。
ここでほぼ一定とは、間にある位置に形成されるスポット光の面積とレーザ光が垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積との差が、当該垂直に照射される位置に形成されるスポット光の面積の例えば３％分未満であることをいう。
（６）レーザパワー監視部
次に、図１を参照して、レーザパワー監視部２６の構成について説明する。レーザパワー監視部２６はレーザ光Ｌの光路上に配置されてレーザ光Ｌの一部を一定比率で反射するビームスプリッタ２６Ａ、ビームスプリッタ２６Ａによって反射されたレーザ光を集光する集光レンズ２６Ｂ、集光レンズ２６Ｂによって集光されたレーザ光を受光し、受光量に応じた電圧を出力するパワーディテクタ２６Ｃ、パワーディテクタ２６Ｃから出力された電圧に応じた信号をレーザパワーの相関値として制御部２０に出力する図示しない出力部などを備えている。
次に、図１を参照して、レーザパワー監視部２６の構成について説明する。レーザパワー監視部２６はレーザ光Ｌの光路上に配置されてレーザ光Ｌの一部を一定比率で反射するビームスプリッタ２６Ａ、ビームスプリッタ２６Ａによって反射されたレーザ光を集光する集光レンズ２６Ｂ、集光レンズ２６Ｂによって集光されたレーザ光を受光し、受光量に応じた電圧を出力するパワーディテクタ２６Ｃ、パワーディテクタ２６Ｃから出力された電圧に応じた信号をレーザパワーの相関値として制御部２０に出力する図示しない出力部などを備えている。
ビームスプリッタ２４Ａとしてはハーフミラーや偏向ミラーなどを用いることができる。パワーディテクタ２６Ｃとしては例えば光電式のものを用いてもよいし熱式のものを用いてもよい。光電式のパワーディテクタ２６Ｃには高速（高応答）のものと低速（低応答）のものとがあり、本実施形態では高速のものを用いている。
また、本実施形態では反射されたレーザ光の一部ではなく、反射されたレーザ光全体をパワーディテクタ２６Ｃに入射させる。これは、一部のみだとノイズなどの影響を受け易いため、反射されたレーザ光全体を入射させることによってノイズの影響を低減するためである。ただし、パワーディテクタ２６Ｃは一般に高価であるので、本実施形態では集光レンズ２６Ｂによってレーザ光を集光することによってパワーディテクタ２６Ｃの面積を低減している。
なお、反射されたレーザ光の一部を円柱状のレーザ光に変換してパワーディテクタ２６Ｃに入射させ、入射しなかったレーザ光の光量を計算によって求める構成であってもよい。また、集光レンズ２６Ｂに変えて回折格子を備え、それによりノイズのないフラットなレーザ光をパワーディテクタ２６Ｃに入射させる構成であってもよい。
（７）制御部による制御処理
ここでは制御部２０による制御処理としてワークの加工処理、レーザパワーの監視処理、及び、ティーチング処理について説明する。
ここでは制御部２０による制御処理としてワークの加工処理、レーザパワーの監視処理、及び、ティーチング処理について説明する。
（７−１）ワークの加工処理
ワークの加工処理はレーザ発振器２２や走査部２５を制御してワークＢを加工する処理である。制御部２０はレーザ発振器２２を制御してレーザ光Ｌを出射させ、加工パターン１１やワーク間距離に従って走査部２５を制御することにより、レーザ光Ｌを偏向してワークＢの加工面を走査する。これによりワークＢが加工される。
ワークの加工処理はレーザ発振器２２や走査部２５を制御してワークＢを加工する処理である。制御部２０はレーザ発振器２２を制御してレーザ光Ｌを出射させ、加工パターン１１やワーク間距離に従って走査部２５を制御することにより、レーザ光Ｌを偏向してワークＢの加工面を走査する。これによりワークＢが加工される。
（７−２）レーザパワーの監視処理
レーザパワーの監視処理はレーザ発振器２２のレーザパワーが異常になった場合にエラーを出力する処理である。レーザパワーは必ずしも一定ではなく、高くなったり低くなったりすることがある。あるいは、経時変化によってレーザパワーが劣化することもある。
レーザパワーの監視処理はレーザ発振器２２のレーザパワーが異常になった場合にエラーを出力する処理である。レーザパワーは必ずしも一定ではなく、高くなったり低くなったりすることがある。あるいは、経時変化によってレーザパワーが劣化することもある。
そこで、制御部２０はレーザ発振器２２からレーザ光Ｌを出射している間、前述したレーザパワー監視部２６から所定のサンプリング時間毎にレーザパワーの相関値を取得し、取得した相関値がエラー判定閾値（上限値と下限値）の範囲内にあるか否かを判断する。そして、制御部２０は相関値がエラー判定閾値の範囲から外れている場合は、入力部２１の表示装置に警告メッセージを表示させるなどによってエラーを出力する。
ところで、レーザ光は加工面上を曲線状に走査する場合がある。曲線状に走査する場合、走査部２５の応答遅れがあるため、高速で走査すると曲線の半径が小さくなってしまう。それを防止するため、制御部２０は曲線状に走査するときは走査部２５を制御して走査速度を遅くする。しかしながら、走査速度を遅くすると照射位置にレーザ光が長く当たるため、加工状態が変わってしまう。
そこで、制御部２０は、走査速度を遅くするとき、補正値に基づいてレーザパワーを補正する。この補正値は予めＲＯＭに記憶されていてもよいし、作業者が入力部２１を操作して設定してもよい。そして、制御部２０は、レーザパワーを補正した場合は前述したエラー判定閾値を以下のように補正する。
・走査速度を遅くした場合（レーザパワーの補正値が１より小さい場合）は、エラー判定閾値の下限値をオフセット値分小さくする。
・走査速度を速くした場合（レーザパワーの補正値が１より大きい場合）は、エラー判定閾値の上限値をオフセット値分大きくする。
・走査速度を補正していない場合（レーザパワーの補正値が１の場合）は、補正されていない元のエラー判定閾値を用いる。なお、エラー判定閾値が補正されている場合は補正を戻す。
・走査速度を速くした場合（レーザパワーの補正値が１より大きい場合）は、エラー判定閾値の上限値をオフセット値分大きくする。
・走査速度を補正していない場合（レーザパワーの補正値が１の場合）は、補正されていない元のエラー判定閾値を用いる。なお、エラー判定閾値が補正されている場合は補正を戻す。
従来はレーザパワーが補正された場合にエラーと判定しないようにするために上限値を高く設定したり下限値を低く設定したりしていた。このため、レーザパワーが緩やかに劣化した場合にエラー判定を正しく行うことができない可能性があった。
これに対し、上述したようにエラー判定閾値を補正すると、レーザパワーを補正した場合にエラー判定閾値が自動追従するので、レーザパワーが緩やかに劣化してもエラー判定をより正しく行うことができる。
（７−３）ティーチング処理
ティーチング処理は前述したエラー判定閾値を自動で設定する処理である。ティーチング処理では、制御部２０は実際にレーザ溶着装置１を制御してワークＢを加工し、加工中に取得したレーザパワーの相関値の最大値と最小値とからエラー判定閾値の上限値と下限値とを設定するとともに、オフセット値を計算する。なお、通常の加工とは異なり、ティーチング処理のための加工では制御部２０はレーザパワーのエラー判定は行わない。
ティーチング処理は前述したエラー判定閾値を自動で設定する処理である。ティーチング処理では、制御部２０は実際にレーザ溶着装置１を制御してワークＢを加工し、加工中に取得したレーザパワーの相関値の最大値と最小値とからエラー判定閾値の上限値と下限値とを設定するとともに、オフセット値を計算する。なお、通常の加工とは異なり、ティーチング処理のための加工では制御部２０はレーザパワーのエラー判定は行わない。
従来はエラー判定閾値が固定されていたり、あるいは作業者が入力部２１を操作して設定したりしていた。しかしながら、エラー判定閾値が固定されているとレーザ溶着装置１毎に適切なエラー判定閾値を設定することができなかった。また、作業者が設定する場合は適切な閾値を設定することが難しい場合もあった。
これに対し、上述したティーチング処理によると、レーザ溶着装置１毎に適切なエラー判定閾値を作業者が意識することなく設定できる。また、エラー判定閾値の上限値と下限値とからオフセット値を計算するので、レーザパワーが補正された場合のエラー判定をより正しく行うことができる。
（８）実施形態の効果
以上説明したレーザ溶着装置１によると、平坦な加工面にレーザ光Ｌを垂直に照射したときに形成されるスポット光の面積と位置Ｐにレーザ光を斜めに照射したときに形成されるスポット光Ｌの面積とが略一致するようにレーザ光を集光するよう集光部２３を設定することにより、収束レンズを用いなくてもスポット光Ｌの面積のばらつきを低減できる。このためレーザ溶着装置１の構成を簡素にすることができる。また、集光部２３は加工中に走査部２５に追従する必要がないので集光部２３の構造を簡素にすることもできる。このため、スポット光Ｌの面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減でき、製造コストを低減できる。
また、レーザ溶着装置１によると、位置Ｐで面積が一致するようにレーザ光Ｌを集光するよう集光部２３を設定することにより、ワークＢの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
以上説明したレーザ溶着装置１によると、平坦な加工面にレーザ光Ｌを垂直に照射したときに形成されるスポット光の面積と位置Ｐにレーザ光を斜めに照射したときに形成されるスポット光Ｌの面積とが略一致するようにレーザ光を集光するよう集光部２３を設定することにより、収束レンズを用いなくてもスポット光Ｌの面積のばらつきを低減できる。このためレーザ溶着装置１の構成を簡素にすることができる。また、集光部２３は加工中に走査部２５に追従する必要がないので集光部２３の構造を簡素にすることもできる。このため、スポット光Ｌの面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減でき、製造コストを低減できる。
また、レーザ溶着装置１によると、位置Ｐで面積が一致するようにレーザ光Ｌを集光するよう集光部２３を設定することにより、ワークＢの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
更に、レーザ溶着装置１によると、レーザ溶着装置１の加工エリア１２の外側に集光部２３の集光位置を設定するので、ワークの大きさが変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
更に、レーザ溶着装置１によると、集光部２３は、位置Ｐにおいて、レーザ光Ｌが垂直に照射される方向に焦点位置を設定することもできるので、ワーク間距離が変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
更に、レーザ溶着装置１によると、ホルダ２４Ｂがレーザ光Ｌの光軸周りに回動してしまうことが規制されている。拡大レンズ２３Ａの中心軸は必ずしもレーザ光Ｌの光軸と一致していないため、ホルダ２４Ｂが回動すると拡大レンズ２３Ａの中心がレーザ光Ｌの光軸周りに回ってしまい、集光角θａの設定が難しくなる。ホルダ２４Ｂがレーザ光Ｌの光軸周りに回動してしまうことを規制すると、集光角θａの設定が難しくなってしまうことを低減できる。
更に、レーザ溶着装置１によると、レーザパワー監視部２６によってレーザパワーを監視するので、レーザパワーが異常な状態でワークを加工してしまうことを低減できる。
＜関連技術＞
次に、本発明の関連技術を図６によって説明する。
前述した実施形態１では、焦点位置を設定するとき、ワークＢの加工面から外れた位置Ｐにレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定する場合を例に説明した。これに対し、ワークＢの加工面上にレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定してもよい。具体的には例えば、図６に示す加工パターン１１において、加工パターン１１の四隅にレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定してもよい。
次に、本発明の関連技術を図６によって説明する。
前述した実施形態１では、焦点位置を設定するとき、ワークＢの加工面から外れた位置Ｐにレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定する場合を例に説明した。これに対し、ワークＢの加工面上にレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定してもよい。具体的には例えば、図６に示す加工パターン１１において、加工パターン１１の四隅にレーザ光Ｌを照射して焦点位置を設定してもよい。
＜他の実施形態＞
本明細書によって開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も技術的範囲に含まれる。
本明細書によって開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では位置Ｐが加工エリア１２の外側である場合を例に説明したが、位置Ｐはレーザ光Ｌが垂直に照射される位置に対して、当該垂直に照射される位置からワークの加工面上の最遠点までの距離より離間した位置であれば、加工エリア１２内の位置であってもよい。
ただし、位置Ｐを加工エリア１２内に設定する場合は、位置Ｐが固定されているとワークが大きい場合にワークの加工面上に位置Ｐが位置してしまうので、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できるようにするために、位置Ｐの位置を調整可能に構成されていてもよい。このようにすると、ワークの大きさが変わった場合にそのワークの加工面から外れた位置に集光位置を調整することにより、ワークの大きさが変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
ただし、位置Ｐを加工エリア１２内に設定する場合は、位置Ｐが固定されているとワークが大きい場合にワークの加工面上に位置Ｐが位置してしまうので、ワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できるようにするために、位置Ｐの位置を調整可能に構成されていてもよい。このようにすると、ワークの大きさが変わった場合にそのワークの加工面から外れた位置に集光位置を調整することにより、ワークの大きさが変わってもワークの加工面の全域においてスポット光の面積のばらつきを低減できる。
（２）上記実施形態では作業者が調整ネジ２４Ｄを回して集光角θａを手動で設定する場合を例に説明した。これに対し、ホルダ２４Ｂを移動させるモータを備え、そのモータを用いて自動で設定するようにしてもよい。例えば３００ｍｍ〜３３０ｍｍまでの間の複数のワーク間距離についてそれぞれスポット光の面積が一致する集光角θａを予めＲＯＭに記憶しておき、作業者によってワーク間距離が入力されると制御部２０がモータを制御してそのワーク間距離に対応する集光角θａに自動で設定してもよい。あるいは、ワーク間距離毎に集光角θａを記憶しておくのではなく、ワーク間距離からスポット光の面積が一致する集光角θａを計算によって求めてもよい。
（３）上記実施形態ではレーザ光Ｌを集光する集光部２３として拡大レンズ２３Ａと集光レンズ２３Ｂとを用いる場合を例に説明したが、集光部２３は集光角θａを設定可能なものであればこれに限られない。例えば集光部２３は液体レンズを用いるものであってもよい。液体レンズの場合は液体レンズを圧縮することによって集光角θａを設定できる。この他、集光部２３は電気工学的なレンズを用いるものであってもよい。電気工学的なレンズは集光角θａを電気的に設定できるものである。
（４）上記実施形態ではワーク間距離が３００ｍｍ〜３３０ｍｍまで対応可能な場合を例に説明した。これに対し、加工対象のワークが予め一つに決まっており、それによりワーク間距離が常に一定である場合は、予め工場出荷の段階でそのワーク間距離に応じて集光角θａを設定し、その集光角θａに固定して出荷することにより、レーザ加工装置に設定部２４を備えないようにしてもよい。この場合であっても、ワークは限定されるものの、スポット光の面積のばらつきによる加工品質の低下を簡素な構成で低減できる。
上記実施形態では集光部２３及び設定部２４として拡大レンズ２３Ａのみを移動（スライド）することによって集光角θａを設定する場合を例に説明したが、集光角θａとワークに照射されるビーム径とを共に設定するために、複数のレンズが独立して、若しくは連動して光軸に沿ってスライドできる構成であってもよい。
（６）上記実施形態では走査部２５とワークＢとの間に収束レンズが設けられていないが、収束レンズ（例えばｆθレンズ）を設けてもよい。
（７）上記実施形態ではレーザ加工装置としてレーザ溶着装置１を例に説明した。これに対し、レーザ加工装置はワークの表面に文字・記号・図形などを形成する所謂レーザマーキング装置であってもよい。
１…レーザ溶着装置、１１…加工パターン、２２…レーザ発振器、２３…集光部、２４…設定部、２５…走査部、Ｂ…樹脂部材（ワーク）、θａ…集光角
Claims (4)
- レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査する走査部と、
前記レーザ発振器と前記走査部との間に設けられ、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光部と、
前記集光部の集光角を設定するための設定部と、
を備え、
前記設定部では、前記ワークの加工面の高さにおいて、前記レーザ光が垂直に照射される位置から、当該垂直に照射される位置からワークの加工面上の最遠点までの距離より離間した位置に前記レーザ光の焦点位置を配し、かつ前記レーザ光を垂直に照射した状態で前記ワークを加工可能なように前記集光角を設定し、前記ワークの加工の際には前記レーザ光の焦点は前記焦点位置で固定され、前記レーザ光が前記ワークの加工面上に垂直に照射される位置でのスポット光の面積と、前記ワークの加工面の高さにおいて前記離間した位置でのスポット光の面積とが略一致するように設定する、レーザ加工装置。 - 前記集光部の焦点位置を調整可能に構成されている、請求項１に記載のレーザ加工装置。
- 前記集光部は、前記ワークの加工面上における当該レーザ加工装置の加工エリアの外側の位置に前記焦点位置を配する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
- レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を偏向してワークの加工面を走査する走査部と、
前記レーザ発振器と前記走査部との間に設けられ、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光部と、
ワークの加工前に前記集光部の集光角を設定するための設定部と、
を備えるレーザ加工装置の集光角設定方法であって、
平坦な加工面にレーザ光を垂直に照射したときに形成されるスポット光の面積と、当該スポット光が形成される位置から離間した位置にレーザ光を斜めに照射し、前記離間した位置に前記レーザ光の焦点位置を配したときに形成されるスポット光の面積とが略一致するように前記設定部を用いて集光角を設定し、
前記ワークの加工の際には前記レーザ光の焦点は前記焦点位置に固定して加工する、レーザ加工装置の集光角設定方法。
Priority Applications (8)
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