JP6643026B2 - レーザ加工機およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機およびレーザ加工方法に係り、特に、ＡＯミラーを用いてワークを加工するものに関する。

従来、図５で示すようなレーザ加工ヘッド２０１を備えたレーザ加工機が知れている（たとえば、特許文献１参照）。

レーザ加工ヘッド２０１には、ＡＯミラー２０３と、集光レンズ２０５とが設けられており、図示しないレーザ発振器から発振されたレーザ光ＬＢ０が、ＡＯミラー２０３で反射され、集光レンズ２０５を通って、ワークに照射されることで、ワークの加工が行われる。

なお、ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状を凹面２０７Ａや平面２０７Ｂや凸面２０７Ｃに変更することによって、ＡＯミラー２０３で反射されたレーザ光の形態が、参照符号ＬＢＡ，ＬＢＢ，ＬＢＣで示す範囲で変化する。

ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状を凹面２０７Ａにしたときのレーザ光ＬＢＡでは、集光レンズ２０５に入射するレーザ光のビーム径ＤＡは小さくなり、集光レンズ２０５による集光径ｄＡは大きくなる。

ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状を平面２０７Ｂにしたときのレーザ光ＬＢＢでは、集光レンズ２０５に入射するレーザ光のビーム径ＤＢ（ＤＢ＞ＤＡ）は標準値になり、集光レンズ２０５による集光径ｄＢ（ｄＢ＜ｄＡ）も標準値になる。

ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状を凸面２０７Ｃにしたときのレーザ光ＬＢＣでは、集光レンズ２０５に入射するレーザ光のビーム径ＤＣ（ＤＣ＞ＤＢ）は大きくなり、集光レンズ２０５による集光径ｄＣ（ｄＣ＜ｄＢ）は小さくなる。

レーザ加工ヘッド２０１を備えたレーザ加工機を用いてワークの切断加工をするに先立って、ワークに貫通孔をあけるピアス加工がなされるのであるが、ピアス加工をするときには、レーザ加工ヘッド２０１を、ワークを切断加工するときよりも上方に位置調整する（ノズルギャップを大きくする）。

この理由は、ピアス加工時のアシストガスによるピアス点の流速を下げてスパッタの飛散を抑制するとともに、スパッタが集光レンズ２０５に付着し難くするためである。

図６を用いてさらに説明する。図６（ａ）は、ワークＷを切断加工している状態を示しており、図６（ｂ）は、ワークＷにピアス加工をしている状態を示している。

図６（ａ）では、ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状が平面２０７Ｂになっており、また、ノズルギャプＧＰ１が０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度になっている。

図６（ｂ）では、レーザ加工ヘッド２０１が図６（ａ）で示す場合よりも上昇しており、ノズルギャプＧＰ２がノズルギャプＧＰ１よりも大きい３．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度になっている。

図６（ａ）に示すように、ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状が平面２０７Ｂになっている状態のまま、レーザ加工ヘッド２０１を上昇させると、集光レンズ２０５が上昇することにより、集光レンズ２０５の焦点位置が上昇してしまう。

そこで、図６（ｂ）で示すように、ＡＯミラー２０３の反射面２０７の形状を凸面２０７Ｃにして、集光レンズ２０５の焦点位置を下方に移動している。これにより、レーザ加工でワークＷの切断加工を行うとともに、その前に、レーザ加工でワークＷを加工するときにおけるピアス加工の加工時間をある程度短縮することができるようになっている。

特開２００１−３８４８５号公報

しかし、レーザ加工で生成される製品や半製品の形状の複雑化等により、レーザ加工でワークを加工するときにおけるピアス加工の加工時間をさらに短縮したいというさらなる要求がある。

本発明は、上記要求に応じてなされたものであり、ワークを加工するときにおけるピアス加工の加工時間をさらに短縮することができるレーザ加工機およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を反射する第１のＡＯミラーと、前記第１のＡＯミラーで反射されたレーザ光を反射する第２のＡＯミラーと、前記第２のＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズとを有し、ワークを切断加工する場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状が平面となり、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状も平面となり、前記ワークにピアス加工をする場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状が、前記ワークを切断加工する場合よりも凹方向に変形し、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状が、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向に変形するように、前記第１のＡＯミラーと前記第２のＡＯミラーとを制御する制御部を有するレーザ加工機である。

請求項２に記載の発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を反射する第１のＡＯミラーと、前記第１のＡＯミラーで反射されたレーザ光を反射する第２のＡＯミラーと、前記第２のＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズとを用いるとともに、ワークを切断加工する場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状を平面とし、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状も平面とし、前記ワークにピアス加工をするときに、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凹方向に変形し、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向に変形するレーザ加工方法である。

本発明によれば、ワークを加工するときにおけるピアス加工の加工時間をさらに短縮することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機の加工ヘッドの概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機の加工ヘッドの概略構成を示す図である。 従来のレーザ加工機によるピアス加工時間と、本発明の実施形態に係るレーザ加工機よるピアス加工時間とを示す図である。 従来のレーザ加工機の加工ヘッドの動作と、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の加工ヘッドの動作とを示す図である。 従来のレーザ加工機の加工ヘッドを示す図である。 従来のレーザ加工機の加工ヘッドを示す図である。 従来のレーザ加工機の加工ヘッドを示す図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機（レーザ加工装置）１は、図１で示すように、第１のＡＯミラー（曲率可変ミラー）３と、第２のＡＯミラー５と、集光レンズ７と、制御部９とを備えて構成されている。

第１のＡＯミラー３は、レーザ発振器（図示せず）から発振（出射）されたレーザ光ＬＢを反射するようになっている。図１では、第１のＡＯミラー３で反射されたレーザ光を、参照符号ＬＢ１または参照符号ＬＢ３で示している。

第１のＡＯミラー３は、レーザ発振器に向かう方向とは交差する方向にレーザ光ＬＢを反射するようになっている。すなわち、レーザ発振器から発振されたレーザ光ＬＢの光軸ＯＰと、第１のＡＯミラー３で反射されたレーザ光ＬＢ１，ＬＢ３の光軸ＯＰ１とはお互いが交差している。

第１のＡＯミラー３に入射する直前のレーザ光ＬＢは、たとえば、平行光もしくは平行光に近い発散光もしくは平行光に近い収束光になっている。

また、第１のＡＯミラー３は、たとえば、第１のＡＯミラー３の内部空間に供給される流体の圧力を変えることで反射面１１の曲率半径を変え、変更した流体の圧力を維持することで変更した曲率半径の値を維持することができるように構成されている。

第１のＡＯミラー３の反射面１１は、たとえば、凹面１１Ｂもしくは平面１１Ａになる。ここで、流体の圧力を上げて凹面１１Ｂの曲率半径の値が大きくなると、凹面１１Ｂの凹み量（平面１１Ａからの凹み量の最大値）が減少し、流体の圧力を下げて凹面１１Ｂの曲率半径の値が小さくなると、凹面１１Ｂの凹み量（平面１１Ａからの凹み量の最大値）が増すようになっている。流体の圧力を上げることで反射面１１の曲率半径の値が無限大になると、反射面１１は平面１１Ａになる。なお、流体の圧力をさらに上げたときに、反射面１１が凸面になるように構成されていてもよい。

第２のＡＯミラー５は、第１のＡＯミラー３で反射されたレーザ光ＬＢ１，ＬＢ３を反射するようになっている。図１では、第２のＡＯミラー５で反射されたレーザ光を、参照符号ＬＢ２または参照符号ＬＢ４で示している。

また、第２のＡＯミラー５は、第１のＡＯミラー３とほぼ同様に構成されており、第２のＡＯミラー５も、第１のＡＯミラー３に向かう方向とは交差する方向にレーザ光を反射するようになっている。すなわち、第１のＡＯミラー３で反射されたレーザ光ＬＢ１，ＬＢ３の光軸ＯＰ１と、第２のＡＯミラー５で反射されたレーザ光ＬＢ２，ＬＢ４の光軸ＯＰ２とはお互いが交差している。

第１のＡＯミラー３で反射されて第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ３は、第１のＡＯミラー３の反射面１１の形状によって変化するが、たとえば、平行光もしくは平行光に近い収束光になっている。

すなわち、第１のＡＯミラー３の平面１１Ａで反射されて第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ１はほぼ平行光になっており、第１のＡＯミラー３の凹面１１Ｂで反射されて第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ３は平行光に近い収束光になっている。なお、第１のＡＯミラー３で反射されて第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光を発散光とすることも可能である。

また、レーザ光ＬＢ１の径（第２のＡＯミラー５の反射面１３における径）Ｄ１は、レーザ光ＬＢ３の径（第２のＡＯミラー５の反射面１３における径）Ｄ３よりも大きくなっている。

第２のＡＯミラー５の反射面１３は、たとえば、平面１３Ａもしくは凸面１３Ｂになる。流体の圧力を下げて凸面１３Ｂの曲率半径の値が大きくなると、凸面１３Ｂの突出量（平面１３Ａからの突出量の最大値）が減少し、さらに、流体の圧力を下げると平面１３Ａになり、流体の圧力を上げて凸面１３Ｂの反射面の曲率半径の値が小さくなると、凸面１３Ｂの突出量（平面１３Ａからの突出量の最大値）が増すようになっている。なお、第２のＡＯミラー５の反射面１３が凹面になるように構成されていてもよい。

第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７に入るレーザ光ＬＢ２，ＬＢ４は、第２のＡＯミラー５の反射面１３の形状によって変化するが、たとえば、平行光もしくは平行光に近い発散光になっている。

すなわち、第２のＡＯミラー５の平面１３Ａで反射されて集光レンズ７に入るレーザ光ＬＢ２はほぼ平行光になっており、第２のＡＯミラー５の凸面１３Ｂで反射されて集光レンズ７に入るレーザ光ＬＢ４は平行光に近い発散光になっている。なお、第２のＡＯミラー５で集光レンズ７に入るレーザ光を収束光（平面１３Ａで反射されたレーザ光ＬＢ２よりも平行光に近い収束光）とすることも可能である。

また、レーザ光ＬＢ２の径（集光レンズ７に入る直前の径）Ｄ２は、レーザ光ＬＢ４の径（集光レンズ７に入る直前の径）Ｄ４よりも大きくなっている。

集光レンズ７は、凸レンズになっており、第２のＡＯミラー５で反射されたレーザ光ＬＢ２，ＬＢ４を集光するようになっている。集光レンズ７を透過したレーザ光（収束光）が、ワークＷ（図４参照）に照射されるようになっている。ワーク（被加工物）Ｗは、たとえば、鋼等の板状の金属で構成されており、レーザ光ＬＢ２，ＬＢ４の光軸ＯＰ２は、ワークＷの厚さ方向に延びている。

制御部９は、ＣＰＵ１５と、メモリ１７とを備えて構成されており、たとえば、メモリ１７に予め格納されている動作プログラムにしたがって、レーザ加工機１の動作を制御するようになっている。

制御部９は、ワークＷにピアス加工をするときに、第１のＡＯミラー３の反射面１１の曲率を制御し、第１のＡＯミラー３の反射面１１の形状を、ワークＷを切断加工する場合よりも凹方向に湾曲変形し、第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光のビーム径を、ワークＷを切断加工する場合よりも小さくするようにしている。すなわち、図１で示すように、反射面１１の形状を、参照符号１１Ａで示す状態から参照符号１１Ｂで示すように凹ます側に移行することで、レーザ光ＬＢ１を、収束光としてのレーザ光ＬＢ３の側に移している。

さらに、制御部９は、ワークＷにピアス加工をするときに、第２のＡＯミラー５の曲率を制御し、第２のＡＯミラー５の反射面１３の形状を、ワークＷを切断加工する場合よりも凸方向に湾曲変形して、集光レンズ７の入射されるレーザ光をたとえば発散光ＬＢ４に変形する。そして、集光レンズ７を透過したレーザ光の焦点位置１９を、集光レンズ７から離れる方向に補正して適正位置にしている。

すなわち、ワークＷにピアス加工をするときに、図１で示すように、反射面１３の形状を、たとえば、参照符号１３Ａで示す平面状態から参照符号１３Ｂで示すように凸側に移行する（凸面となるように変形する）ことで、レーザ光を、レーザ光ＬＢ４で示すような発散光に変形して、焦点距離を長くしている。そして、集光レンズ７と焦点位置１９との間の距離Ｌ１が、加工ヘッド（図１等では図示せず）を上昇したにもかかわらず、ワークＷを切断加工する場合とほぼ等しくなるようにしている。

換言すれば、ワークＷにピアス加工を行うために、加工ヘッドをワークＷに対して、より上方に移動した場合であっても、ワークＷの切断加工時における焦点位置とピアス加工時の焦点位置とがお互いにほぼ等しくなるように、各ＡＯミラー３、５の反射面１１，１３の曲率を調節している。

制御部９による第１のＡＯミラー３と第２のＡＯミラー５との上記制御は、ピアス加工をするときに溶融させるワークＷの部位の体積（金属の体積；ピアス加工における貫通孔２１の体積）を減少させることで、ピアス加工における貫通孔２１（図４参照）の形成に要する時間（ピアス貫通時間）を短くするためになされるものである。

なお、レーザ加工機１では、加工ヘッド（図１等では図示せず）を構成する集光レンズ７、第１のＡＯミラー３、第２のＡＯミラー５およびノズル２３は、ハウジング（図示せず）に一体的に設けられており、集光レンズ７、第１のＡＯミラー３、第２のＡＯミラー５およびノズル２３間の相対的な位置関係は、たとえば、一定になっている。また、集光レンズ７を透過したレーザ光ＬＢ４の光軸ＯＰ２の延伸方向とワークＷの厚さ方向とは、上述したように、お互いが一致しており、たとえば、上下方向になっている（図４参照）。また、ワークＷにピアス加工や切断加工を行う場合、アシストガスを用いる。

板状のワークＷを切断加工する場合、切断加工に先立ってピアス加工によってワークＷに小さな貫通孔２１を形成し、この形成された貫通孔２１を起点としてワークＷに切断加工を行うことは周知の事実であるが、ワークＷを切断加工するときには、上述したように、第１のＡＯミラー３の反射面１１と、第２のＡＯミラー５の反射面１３とは平面１１Ａ，１３Ａになっており（曲率半径が無限大になっており）、ワークＷにピアス加工をするときには、第１のＡＯミラー３の反射面１１は所定の曲率半径の凹面１１Ｂになっており、第２のＡＯミラー５の反射面１３は所定の曲率半径の凸面１３Ｂになっている。

これにより、ワークＷにピアス加工をするときには、第１のＡＯミラー３で反射されて第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光（たとえば収束光）ＬＢ３のビーム径Ｄ３が、ワークＷを切断加工する場合のレーザ光（たとえば平行光）ＬＢ１のビーム径Ｄ１よりも小さくなる。

また、第１のＡＯミラー３の反射面１１Ｂの形状がワークＷを切断加工する場合よりも凹方向に変形していることで、第２のＡＯミラー５の反射面１３Ｂが凸方向に変形しているにもかかわらず、第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７の入るレーザ光ＬＢ４（たとえば発散光）のビーム径Ｄ４が、ワークＷを切断加工する場合のレーザ光（たとえばほぼ平行光）ＬＢ２のビーム径Ｄ２よりも小さくなる。

また、第２のＡＯミラー５で反射されるレーザ光ＬＢ４を発散光とすることによって、加工ヘッド（集光レンズ７）を、ワークＷに切断加工を行う場合よりも上昇させたにもかかわらず、第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７を透過したレーザ光ＬＢ４の焦点位置１９がワークＷに到達する前に焦点を結んでしまうことが回避され、ワークＷに切断加工を行う場合と同様になる。

そして、第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７を透過したレーザ光ＬＢ４の焦点位置１９がワークＷの表面もしくは表面の近傍（ワークＷの外部の近傍）もしくはワークＷの表面の近傍（ワークＷの内部の近傍）になる。すなわち、ピアス加工をするときにおいて、集光レンズ７を透過したレーザ光を収束光として焦点距離を大きくすることができる。

さらに説明すると、図５に示す従来のレーザ加工機でワークＷを切断加工するときには、ＡＯミラー２０３の反射面２０７が平面２０７Ｂになっており、図７（ａ）で示すように、ビーム径ＤＢのレーザ光ＬＢＢが集光レンズ２０５に入射し、集光レンズ２０５で集光された収束光（スポット径）ｄＢのレーザ光（集光レンズ２０５の焦点位置１９）が、ワークＷの上面の近傍に位置している。

また、従来のレーザ加工機でピアス加工をするときに、図７（ｂ）で示すようにレーザ加工ヘッド（図７では図示せず）を上方に移動しただけでは、ビーム径ＤＢのレーザ光ＬＢＢが集光レンズ２０５に入射するが、集光レンズ２０５で集光されたスポット径ｄＢのレーザ光（集光レンズ２０５の焦点位置１９）が、ワークＷの上面の上方に位置してしまう（図７（ａ）に比べてレーザ加工ヘッドを上方に移動した距離だけ上方に位置してしまう）。

そこで、従来のレーザ加工機２０１でピアス加工をするときには、図７（ｃ）で示すように、レーザ加工ヘッドを上方にしかも図７（ｂ）で示す場合と同様に移動してノズルギャップを大きくするとともに、ＡＯミラー２０３の反射面２０７Ｃを凸面（図５参照）にして、ビーム径ＤＣのレーザ光ＬＢＣが集光レンズ２０５に入射し、集光レンズ２０５で集光されたスポット径ｄＣのレーザ光（集光レンズ２０５の焦点位置１９）が、ワークＷの中（板厚方向の中間部）に位置するようにしている。

図７（ｃ）で示す状態では、ビーム径ＤＣが大きいことでスポット径ｄＣが小さくなり、集光レンズ２０５の焦点位置１９がワークＷの中に存在しているので、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積を減少させることができる。なお、スポット径ｄＣは、「ｄＣ≒Ｍ^２×４λｆ／πＤＣ」という式（式１）で表すことができる。なお、上記式における「λ」は、レーザ光の波長であり、「ｆ」は集光レンズ７，２０５の焦点距離であり、「π」は円周率であり、「Ｍ^２」はモード係数（ビーム品質を表すパラメータ）である。

しかし、図７（ｃ）で示す状態では、ビーム径ＤＣが大きいことで発散角Ψ０が大きくなってしまい。スポット径ｄＣを小さくしたにもかかわらず、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔（ワークＷに形成される貫通孔）２１の体積が多くなってしまう。

これに対して、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１では、２つのＡＯミラー３，５の曲率を調節することで集光レンズ７に入射されるレーザ光をより小径の発散光に調節することができる。そして、図４（ｃ）で示すように、レーザ光のビーム径Ｄ４を小さくすることで、レーザ光ＬＢ４の発散角Ψを小さくし、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積を小さくすることができる。

また、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１では、ワークＷを切断加工するとき、第１のＡＯミラー３の反射面１１と、第２のＡＯミラー５の反射面１３とは平面１１Ａ，１３Ａになっており、図１に参照符号ＬＢ１，ＬＢ２で示すレーザ光によってワークＷの切断加工がなされる。そして、良好なワークＷの切断加工を行うことができる。

次に、発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１を用いてワークＷにピアス加工をしようとするときについて説明する。

図１のレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の状態（第１のＡＯミラー３の反射面１１と、第２のＡＯミラー３の反射面１３とは平面１１Ａ，１３ＡになっていてワークＷに切断加工を行う状態）から加工ヘッドを上昇させて第２のＡＯミラー５の反射面１３を凸面１３Ｂにする。これによって、図４（ａ）（＝図７（ｃ））で示す状態になる。

図４（ａ）で示す状態では、集光レンズ７に入射するレーザ光のビーム径ＤＣが大きいので、集光レンズ７で集光されたレーザ光のスポット径ｄＣが小さくなっており、集光レンズ７で集光されたレーザ光の焦点位置１９がワークＷの上面近傍でワークＷの内部に存在している。

しかし、図４（ａ）で示す状態でピアス加工すると、レーザ光のビーム径ＤＣが大きいことでレーザ光の発散角Ψ０が大きくなっており、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積が大きくなってしまう。

貫通孔２１の体積が大きくなってしまうことを回避すべく、図４（ａ）で示す状態から、仮に、第２のＡＯミラー５の反射面１３を凹面（図１では凹面を図示していない）にすると、図４（ｂ）で示すように、レーザ光のビーム径ＤＳが小さくなることでレーザ光のスポット径ｄＳはやや大きくなるが発散角Ψ１は小さくなる。しかし、集光レンズ７で集光されたレーザ光の焦点位置１９が、ワークＷの上面の上方に位置してしまい、これでは、溶融させる貫通孔２１の体積が増し、ワークＷに良好なピアス加工を行うことができない。

そこで、図１のレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の状態（第１のＡＯミラー３の反射面１１と、第２のＡＯミラー３の反射面１３とは平面１１Ａ，１３ＡになっていてワークＷに切断加工を行う状態）から加工ヘッドを上昇させて第２のＡＯミラー５の反射面１３を凸面１３Ｂにするとともに、第１のＡＯミラー３の反射面１１を凹面１１Ｂにする。これによって、図４（ｃ）で示す状態になり、図１で示すレーザ光ＬＢ３，ＬＢ４でワークＷにピアス加工がなされるようになっている。

図４（ｃ）で示す状態では、発散光であるレーザ光ＬＢ４が集光レンズ７入射する時のビーム径Ｄ４をより小さくして、このビーム径Ｄ４に応じたレーザ光のスポット径ｄ４を得ることができ、発散角Ψを小さくしたままで、集光レンズ７で集光されたレーザ光ＬＢ４の焦点位置１９をワークＷの上面近傍でワークＷの内部に存在させることができる。

以上により、集光レンズ７に入射するレーザ光を発散光に調節するとともに、入射時の径を通常の切断加工（レーザ切断加工）を行う場合の入射光の径よりも小径にして、発散角Ψを発散角Ψ０よりも小さくすることで、ワークＷにピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積を、図４（ａ）で示す場合よりも、図４（ｃ）で示す場合において少なくすることができ、ピアス加工するときの加工時間をさらに短縮することができる。

なお、発散角Ψを小さくすることで減少させることができる貫通孔２１の体積（ワークＷにピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積）は、ワークＷが厚いほど減少させることができる。

次にレーザ加工機１の動作について説明する。

まず、第１のＡＯミラー３の反射面１１を凹面１１Ｂにし、第１のＡＯミラー３で反射されるレーザ光を収束光ＬＢ３にする。また、第２のＡＯミラー５の反射面１３を凸面１３Ｂにしておいて、第２のＡＯミラー５で反射され集光レンズ７に入射する前のレーザ光を発散光ＬＢ４にする。これにより、ワークＷにピアス加工をする。このとき、レーザ光の焦点位置１９は、ワークＷの表面（たとえば、上面）もしくはこの近傍に位置しており、ノズル２３からはアシストガスが適宜噴出されている。また、集光レンズ７に入射する直前のレーザ光ＬＢ４のビーム径（図１における集光レンズ７上面におけるレーザ光ＬＢ４のビーム径）Ｄ４は、１２ｍｍ〜１５ｍｍ程度になっている。なお、ビーム径Ｄ４が、１２．５ｍｍ〜１４．５ｍｍ程度になっていてもよいし、ビーム径Ｄ４が、１３．０ｍｍ〜１４．０ｍｍ程度になっていてもよいし、ビーム径Ｄ４が、１３．０ｍｍになっていてもよい。

ピアス加工が終わった後に、第１のＡＯミラー３の反射面１１を平面１１Ａにし、第１のＡＯミラー３で反射されるレーザ光をほぼ平行光ＬＢ１にする。また、第２のＡＯミラー５の反射面１３を平面１３Ａにし、第２のＡＯミラー５で反射され集光レンズ７に入射する前のレーザ光をほぼ平行光ＬＢ２にする。そして、加工ヘッドをワークＷに近づけて、貫通孔２１を起点とし、ワークＷに対して加工ヘッドを相対的に適宜移動し、ワークＷの切断加工を行う。このとき、レーザ光の焦点位置１９は、ワークＷの表面（たとえば、上面）もしくはこの近傍に位置しているものとする。また、ノズル２３からはアシストガスが適宜噴出されている。

レーザ加工機１によれば、ワークＷにピアス加工をするときに、第１のＡＯミラー３の反射面１１の形状を、ワークＷを切断加工する場合よりも曲率半径が小さな凹曲面にして、第２のＡＯミラー５の反射面１３の形状を、ワークＷを切断加工する場合よりも曲率半径が小さな凸曲面にするので、ワークＷを加工するときにおけるピアス加工の加工時間をさらに短縮することができ、ワークＷの切断加工を良好な状態で行うことができる。

すなわち、ワークＷにピアス加工をするときに、各ＡＯミラー３，５の反射面１１，１３を上述したように調節することで、第２のＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ３のビーム径Ｄ３がワークＷを切断加工する場合のビーム径Ｄ１よりも小さくなり、第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７に入るレーザ光ＬＢ４のビーム径Ｄ４が、ワークＷを切断加工する場合のビーム径Ｄ２よりも小さくなる。これによって、集光レンズ７で集光されたレーザ光のスポット径（集光レンズ７の焦点位置１９におけるレーザ光の最小ビーム径）は、ワークＷを切断加工する場合よりも大きくなる（上記式１参照）。

しかし、ワークＷにピアス加工をするときに、第２のＡＯミラー５で反射されて集光レンズ７に入るレーザ光ＬＢ４のビーム径Ｄ４を小さくしていることで、レーザ光の発散角（集光レンズ７透過後のレーザ光の発散角）Ψが、ワークＷを切断加工する場合よりも小さくなる。

ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積は、集光レンズ７で集光されたレーザ光のスポット径が小さくなるにしたがって小さくなり、また、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積は、レーザ光の発散角Ψが小さくなるにしたがって小さくなる。

ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積に与える影響は、レーザ光のスポット径の値よりも、レーザ光の発散角Ψのほうが大きい。特に、ワークＷが厚くなるほど、レーザ光の発散角の影響が大きくなる。

したがって、ピアス加工をするときに第１のＡＯミラー３と第２のＡＯミラー５とに上記制御をすることで、集光レンズ７で集光されたレーザ光のスポット径が大きくなっても、ピアス加工をするときに溶融させる貫通孔２１の体積を小さくすることができる。

なお、ピアス加工をするときにおける焦点位置１９の位置を、ワークＷの板厚に応じて適宜変更してもよい。たとえば、焦点位置１９の位置をワークＷの板厚の中央部もしくは中間部にしてもよい。

図３に示すグラフは、横軸がワークＷの厚さを示しており、縦軸がピアス加工での貫通孔２１の形成に要する時間を示している。図３の線図Ｇ２は、集光レンズ７に入射されるレーザ光のビーム径を従来のレーザ加工機の場合と同一径に調節してのピアス加工における貫通孔２１の形成に要する時間を示しており、図３の線図Ｇ１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１でのピアス加工における貫通孔２１の形成に要する時間を示している。すなわち、集光レンズ７に入射されるレーザ光は、従来の場合のレーザ光よりも小径であってかつ発散光に調節してある。したがって、レーザ光の発散角を従来よりも小さくすることができ、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１でのピアス加工における貫通孔２１の形成に要する時間は、従来のものに比べて少なくなっている。

なお、上記説明では、ワークＷの切断加工時には、各ＡＯミラー３，５の反射面１１，１３が平面１１Ａ，１３Ａになっており、ワークＷのピアス加工時には、第１のＡＯミラー３の反射面１１が凹面１１Ｂになり、第２のＡＯミラー５の反射面１３が凸面１３Ｂになっているが、反射面１１、１３の態様が必ずしも上述した態様になっている必要は無い。

たとえば、第１のＡＯミラー３に入射するレーザ光の態様等によって、ワークＷの切断加工時に第１のＡＯミラー３の反射面１１が凹面になっており、ワークＷのピアス加工時に第１のＡＯミラー３の反射面１１が、切断加工時よりも曲率半径の絶対値が小さい凹面になるようにしてもよいし、ワークＷの切断加工時に第１のＡＯミラー３の反射面１１が凸面になっており、ワークＷのピアス加工時に第１のＡＯミラー３の反射面１１が凹面（平面でもよい）になるようにしてもよいし、ワークＷの切断加工時に第１のＡＯミラー３の反射面が凸面になっており、ワークＷのピアス加工時に第１のＡＯミラー３の反射面１１が、切断加工時よりも曲率半径の絶対値が大きい凸面（平面でもよい）になるようにしてもよい。

また、ワークＷの切断加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が凸面になっており、ワークＷのピアス加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が、切断加工時よりも曲率半径の絶対値が小さい凸面になるようにしてもよいし、ワークＷの切断加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が凹面になっており、ワークＷのピアス加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が凸面（平面でもよい）になるようにしてもよいし、ワークＷの切断加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が凹面になっており、ワークＷのピアス加工時に第２のＡＯミラー５の反射面１３が、切断加工時よりも曲率半径の絶対値が大きい凹面（平面でもよい）になるようにしてもよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機１Ａは、図２で示すように、第１のＡＯミラー３に代えて、コリメートレンズ２５を用いる点が、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１と異なり、その他の点は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１とほぼ同様構成され、動作し、ほぼ同様の効果を奏し、同様に変形が可能である。

すなわち、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機１Ａは、コリメートレンズ２５と、ＡＯミラー（第１の実施形態に係るレーザ加工機１の第２のＡＯミラー５と同様のＡＯミラー）５と、集光レンズ７と、制御部９とを備えて構成されている。なお、集光レンズ７と制御部９とは、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機１のものと同様に構成されている。

レーザ加工機１Ａでは、コリメートレンズ２５を、レーザ発振器（図示せず）から発振（出射）されたレーザ光ＬＢが透過するようになっており、この透過するレーザ光ＬＢの光軸ＯＰ１の延伸方向でコリメートレンズ２５が移動位置決め自在になっている。

すなわち、コリメートレンズ２５は、リニアガイドベアリング（図示せず）によってハウジング２７に支持されており、リニアモータ等のアクチュエータ（図示せず）によって、移動位置決め自在になっている。なお、コリメートレンズ２５は、たとえば、凸レンズで構成されており、コリメートレンズ２５に入る直前のレーザ光ＬＢは、たとえば、平行光に近い発散光になっている。

ＡＯミラー５は、コリメートレンズ２５を透過したレーザ光を反射するようになっている。すなわち、ＡＯミラー５は、第１の実施形態に係るレーザ加工機１の第２のＡＯミラー５と同様にして、コリメートレンズ２５に向かう方向とは異なる方向（交差する方向）にレーザ光を反射するようになっている。

なお、コリメートレンズ２５が上述したように移動位置決め自在であることで、コリメートレンズ２５とＡＯミラー５との間の距離を変更することができるようになっている。

コリメートレンズ２５を透過してＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ３は、コリメートレンズ２５の位置によって変化するが、たとえば、平行光もしくは平行光に近い収束光になっている。ＡＯミラー５の反射面１３は、たとえば、平面１３Ａや凸面１３Ｂになっている。

集光レンズ７は、凸レンズになっており、ＡＯミラー５で反射されたレーザ光ＬＢ２，ＬＢ４を集光するようになっている。そして、集光レンズ７を透過したレーザ光がワークＷに照射されるようになっている。

制御部９は、ワークＷにピアス加工をするときに、コリメートレンズ２５の位置を、ワークＷを切断加工する場合よりも、ＡＯミラー５側（マイナス側）に位置調整して、ＡＯミラー５に入射するレーザ光ＬＢ３のビーム径Ｄ３を、ワークＷを切断加工する場合よりも小さくし、ＡＯミラー５の反射面１３の形状を、ワークＷを切断加工する場合よりも凸方向に変形して、集光レンズ７を透過したレーザ光ＬＢ４の焦点位置を補正して適正位置にするように、コリメートレンズ２５の位置と、ＡＯミラー５とを制御するようになっている。

ところで、上記実施形態に説明されている内容をレーザ加工方法の発明として把握してもよい。

すなわち、レーザ発振器から発振されたレーザ光を反射する第１のＡＯミラーと、前記第１のＡＯミラーで反射されたレーザ光を反射する第２のＡＯミラーと、前記第２のＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズとを用いるレーザ加工方法であって、ワークにピアス加工をするときに、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凹方向に変形して、第２のＡＯミラーに入射するレーザ光のビーム径を、ワークを切断加工する場合よりも小さくし、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向に変形して、集光レンズを透過したレーザ光の焦点位置を補正して適正位置にするレーザ加工方法の発明として把握してもよい。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光が透過し、この透過するレーザ光の光軸の延伸方向で移動位置決め自在であるコリメートレンズと、前記コリメートレンズを透過したレーザ光を反射するＡＯミラーと、前記ＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズとを用いるレーザ加工方法であって、ワークにピアス加工をするときに、前記コリメートレンズの位置を、前記ワークを切断加工する場合よりも、前記ＡＯミラー側（マイナス側）に位置調整して、ＡＯミラーに入射するレーザ光のビーム径を、ワークを切断加工する場合よりも小さくし、前記ＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向変形にして、集光レンズを透過したレーザ光の焦点位置を補正して適正位置にするレーザ加工方法の発明として把握してもよい。

１，１Ａ レーザ加工機
３ 第１のＡＯミラー
５ 第２のＡＯミラー
７ 集光レンズ
９ 制御部
１１ 第１のＡＯミラーの反射面
１３ 第２のＡＯミラーの反射面
２５ コリメートレンズ
ＬＢ，ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４ レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光を反射する第１のＡＯミラーと、
   前記第１のＡＯミラーで反射されたレーザ光を反射する第２のＡＯミラーと、
   前記第２のＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   を有し、
   ワークを切断加工する場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状が平面となり、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状も平面となり、前記ワークにピアス加工をする場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状が、前記ワークを切断加工する場合よりも凹方向に変形し、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状が、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向に変形するように、前記第１のＡＯミラーと前記第２のＡＯミラーとを制御する制御部を有することを特徴とするレーザ加工機。
2. レーザ発振器から発振されたレーザ光を反射する第１のＡＯミラーと、前記第１のＡＯミラーで反射されたレーザ光を反射する第２のＡＯミラーと、前記第２のＡＯミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズとを用いるとともに、
   ワークを切断加工する場合には、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状を平面とし、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状も平面とし、前記ワークにピアス加工をするときに、前記第１のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凹方向に変形し、前記第２のＡＯミラーの反射面の形状を、前記ワークを切断加工する場合よりも凸方向に変形することを特徴とするレーザ加工方法。

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