JPH1076384A - レーザ加工機の焦点位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械による精度の高いレーザ加工機の焦点合
わせ方法を提供することである。 【解決手段】 被加工材Ｗの上方近傍の位置と裏面との
間において焦点ｆが合うように、レーザ加工ヘッドを一
定間隔で移動位置決めして切断加工を実施し、それぞれ
の溝幅をもつテストパターンを作成し、これらのテスト
パターンの切断溝に対して、レーザ加工ヘッド先端部に
設けられた静電容量センサーと被加工材との間隙を一定
に保って切断溝に直交する方向に相対的に移動させて静
電容量の変化を測定して静電容量が最小のテストパター
ンを検出し、該静電容量が最小のテストパターンを切断
したときのレーザ加工ヘッドのＺ軸座標を集光レンズの
焦点が被加工材の表面に正確に合焦した位置とする。そ
の結果テストパターンの溝幅判断を目視から機械で判断
させるようにしたので、正確な焦点合わせが可能となる
と共に加工精度が向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工機の焦点
合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機によってレーザ加工を実施
するには、レーザ加工ヘッドに設けた集光レンズの焦点
を被加工材の表面に正確に合わせる必要がある。しか
し、炭酸ガスレーザ加工機の如く、波長１０．６μｍの
非可視光の赤外線を使用するレーザ加工機においては、
集光レンズの焦点が被加工材の表面に正確に合ったか否
かを直接的に確認することができない。また、レンズの
焦点距離が明示されていても、機械の組立て誤差、レン
ズ自体の誤差、被加工材自体の寸法の誤差など種々の誤
差の累積により、焦点が被加工材の表面に正確に合った
か否かを直接的に確認することができない。したがっ
て、従来から焦点合わせは次のような間接的な方法で行
われている。

【０００３】すなわち、レーザ加工ヘッドと被加工材と
の距離を少しずつ（例えば０．５ｍｍずつ）変化させて
被加工材を切断すると、少しずつ溝幅の変化した切断溝
が得られる。この様にして得られた切断溝の中から、オ
ペレーターが目視によって最小の溝幅の切断溝を選択
し、その最小の溝幅の切断溝を加工したときのレーザ加
工ヘッドの位置を、集光レンズの焦点が被加工材の表面
に実際に合った位置であると判断するのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の集光レンズの焦
点合わせの方法においては、オペレーターが目視で切断
溝の溝幅の大小の判断を行なっているのでその判断が難
しい。特に焦点位置近傍での切断における切断溝の溝幅
は細く、またその幅の差が僅差であるため、溝幅の大小
の判断は一層に難しく、正確な焦点合わせをすることが
困難となるという問題がある。また、人間の目視による
判断なので、その日の健康状態により判断のばらつきが
発生するという問題もある。そして、この焦点位置の設
定が不正確であれば当然にレーザ加工の精度も低下す
る。

【０００５】本発明は上述の如き問題を解決するために
成されたものであり、本発明の課題は、機械による精度
の高い焦点合わせ方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
として、請求項１に記載のレーザ加工機の焦点位置検出
方法は、静電容量センサー付きレーザ加工ヘッドを備え
たレーザ加工機において、次の工程により、静電容量が
最小のテストパターンを検出して焦点位置を検出するこ
とを要旨とするものである。１．前記レーザ加工ヘッド
を集光レンズの焦点が被加工材のほぼ裏面にくるように
位置決め後、切断を実施して溝状のテストパターンを作
成し、以後、被加工材の裏面と表面近傍上方との間にお
いて、レーザ加工ヘッドを一定距離ずつ上昇位置決めさ
せると共に被加工材に対してレーザ加工ヘッドを水平方
向に相対的に移動させ、上昇位置及び水平方向の位置を
変更する毎に切断を実施して複数のテストパターンを作
成する。２．被加工材と静電容量センサーとの間隙を一
定に固定して、テストパターンの溝に対して静電容量セ
ンサーを直交する方向に相対的に移動させて静電容量の
変化を測定して静電容量が最小のテストパターンを検出
し、該静電容量が最小のテストパターンを切断したとき
のレーザ加工ヘッドのＺ軸座標を集光レンズの焦点が被
加工材の表面に合焦した位置とする したがって、人間の目視による判断によらないので、被
加工材の表面に正確な焦点を合わせることができる。な
お、一度、被加工材Ｗに対する焦点位置を機械で測定す
れば、被加工材Ｗの任意の位置に正確に焦点を合わせる
ことが可能である。また、本発明の方法は、通常レーザ
加工機に備わっているセンサーの機能を利用するもので
あるから機械のコストを増加させることもほとんどない
という利点がある。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
によって説明する。図１を参照するに、レーザ加工機１
は、レーザ加工機１の右側に炭酸ガスレーザ発振器３が
搭載してあり、この炭酸ガスレーザ発振器３からのレー
ザビームＬＢをレーザ加工機１へ向けて出射するように
構成してある。

【０００８】レーザ加工機１は、ベース５にコラム７が
設けてあり、このコラム７にベース５の上方に片持状に
張り出した上部フレーム９が設けてある。またベース５
には、被加工材Ｗを載置するワークテーブル１１が設け
てあり、このワークテーブル１１には被加工材Ｗを把持
するクランプ１３が設けてある。そして、ワークテーブ
ル１１は、ＮＣ装置（図示省略）の制御の下に駆動され
るＸ軸駆動モーターとＹ軸駆動モーター（図示省略）と
によって、ＸＹ平面（水平面：図１で紙面に直交する平
面）上の任意の位置に移動位置決め自在に設けてある。

【０００９】前記上部フレーム９の先端部には前記ＮＣ
装置（図示省略）の制御の下に駆動されるレーザ加工ヘ
ッド１５が前記ＸＹ平面に直交するＺ軸方向に移動位置
決め自在に設けてある。そして、このレーザ加工ヘッド
１５には、レーザ発振器３からのレーザビームＬＢを被
加工材Ｗに集光して照射するため図示省略のベンドミラ
ー及び焦点距離ｆの判明した集光レンズが設けてあり、
レーザ加工ヘッド１５の先端部には静電容量センサー１
７を備えたノズル１９が設けてある。

【００１０】上記構成のレーザ加工機１により、被加工
材Ｗをレーザ加工ヘッド１５に対して、移動位置決めす
ると共にレーザビームＬＢを被加工材Ｗに集光照射する
ことにより適宜なレーザ加工を行うことができる。ま
た、レーザ加工ヘッド１５に設けたノズル１９の先端に
は公知の静電容量センサー１７が設けてあるので、前記
ＮＣ装置の制御によって、被加工材Ｗと静電容量センサ
ー１７との間隙を一定に保つようにレーザ加工ヘッド１
５を制御することができる。なお、静電容量センサーの
詳細については公知なので説明を省略する。

【００１１】上記静電容量センサー１７による、被加工
材Ｗとセンサー１５との間隙Ｇの検出原理を簡単に説明
する。周知のように、コンデンサーを形成する両極間の
誘電体の誘電率をε、対向する平板電極の面積をＳ、両
極間の距離をｄとするとき、両極間の静電容量Ｃは、Ｃ
＝Ｑ／Ｖ＝（ε＊Ｓ）／ｄ…（１）で与えられる。な
お、Ｑは電荷、Ｖは極間の電位差である。

【００１２】上述の式（１）の関係から、εとＳを一定
とすれば、静電容量Ｃを測定することにより、両極間の
距離のｄを知ることができる。すなわち、前記被加工材
Ｗとセンサー１５との間隙Ｇを知ることができる。ま
た、εとｄを一定とし、Ｓを変数とするとき、静電容量
Ｃの変化を測定することにより電極の面積Ｓの変化を知
ることができる。

【００１３】さて、図２〜図４により、本発明に係わる
レーザ加工機の焦点位置検出方法について説明する。図
２は、焦点位置検出方法の第一の工程であり、前記レー
ザ加工ヘッド１５の静電容量センサー１７を利用して、
集光レンズの焦点が被加工材のほぼ裏面にくるようにＺ
軸方向に移動位置決めして、スリット状のテストパター
ンＴＰの切断加工を行う。つづいて、被加工材の裏面と
表面との間において、レーザ加工ヘッドを約０．１ｍｍ
〜０．５ｍｍのピッチＰで一定距離ずつ上昇位置決めさ
せると共に被加工材に対してレーザ加工ヘッドを水平方
向に（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）適宜な距離間隔（例え
ば５ｍｍ〜１０ｍｍ間隔）を相対的に移動させ、上昇位
置（Ｚ座標）及び水平方向の位置（Ｘ座標またはＹ座
標）を変更する毎に切断を実施して複数の溝状のテスト
パターンＴＰを作成する。

【００１４】図３に示すテストパターンＴＰは、板厚を
Ａｍｍ、レーザ加工ヘッドの上昇ピッチＰを０．１ｍｍ
とし、焦点位置を被加工材Ｗのほぼ裏面から被加工材Ｗ
の上方位置Ａｍｍ（板厚と同じ）まで変化させると共に
水平方向にピッチ約１０ｍｍでレーザ加工ヘッドを移動
させたときに得られたテストパターンＴＰを示したもの
である。このようにして、溝状のテストパターンＴＰを
作成すると、図３に示す如く、被加工材Ｗの表面に真の
焦点がある場合のテストパターンＴＰの溝幅Ｗｓが最小
となり、焦点位置が被加工材Ｗの表面から上方または下
方に移動するにつれて、テストパターンＴＰの溝幅Ｗｓ
がほぼ左右対称に増加したテストパターンＴＰが得られ
る。なお、上昇ピッチは０．５ｍｍ程度にしてもかまわ
ない。

【００１５】上記テストパターンＴＰの溝幅Ｗｓにおい
て、焦点位置が被加工材Ｗのほぼ裏面にあるときのテス
トパターンＴＰの溝幅ａと、被加工材Ｗの上方のほぼＡ
ｍｍの位置にあるときのテストパターンＴＰの溝幅ａ’
とがほぼ同じとなる。同様に溝幅、ｂとｂ’、ｃと
ｃ’、ｄとｄ’およびｅとｅ’とがほぼ同じとなる。

【００１６】次に、図４に示す如く、被加工材Ｗと静電
容量センサー１７との間隙Ｇを一定に固定（例えば０．
５ｍｍ程度）して、前記図３に示したテストパターンＴ
Ｐの溝に対して静電容量センサー１７を直交する方向に
相対的に移動させて静電容量の大小の変化を測定して、
静電容量が最小のテストパターンＴＰを切断したときの
レーザ加工ヘッドのＺ軸座標を集光レンズの焦点が被加
工材の表面に合焦した位置とする。

【００１７】上記方法によれば、人間の目視による判断
によらないので、被加工材の表面に正確な焦点を合わせ
ることができる。なお、一度、被加工材Ｗに対する焦点
位置を機械で測定すれば、被加工材Ｗの任意の位置に正
確に焦点を合わせることが可能である。また、本発明の
方法は、通常レーザ加工機に備わっているセンサーの機
能を利用するものであるから機械のコストを増加させる
こともほとんどないという利点がある。

【００１８】なお、上述の説明から容易に理解されるよ
うに、上記実施の形態では炭酸ガスレーザを使用したレ
ーザ加工機の例で説明したが、本発明の方法は炭酸ガス
レーザを使用したレーザ加工機に限定されるものではな
く、可視光のレーザを使用したレーザ加工機にも応用す
ることができる。

【００１９】

【発明の効果】レーザ加工ヘッドと被加工材との間の間
隙を種々に変化させて作成したスリット状のテストパタ
ーンの溝幅を目視で判断して、被加工材に対する焦点合
わせを行っていたのを、レーザ加工機に付属する間隙を
コントロールするセンサーを利用して機械に判断させる
ようにしたので、被加工材に対するより正確な焦点合わ
せが可能になった。さらに、正確な焦点合わせを行うこ
とによって加工精度が向上する。また、レーザ加工機に
付属するセンサーを利用しているので、ほとんど機械の
コストを増加させないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる焦点位置検出方法を実施したレ
ーザ加工機の図。

【図２】本発明に係わる焦点位置検出方法に使用するテ
ストパターンの作成方法を説明する図。

【図３】図２のテストパターンの作成方法で作成された
テストパターンの例。

【図４】図３の溝幅の相違する各種テストパターンを静
電容量センサーで静電容量の変化を測定する状態を示し
た図。

【符号の説明】

１ レーザ加工機 ３ 炭酸ガスレーザ発振器 ５ ベース ７ コラム ９ 上部フレーム １１ ワークテーブル １３ クランプ １５ レーザ加工ヘッド １７ 静電容量センサー １９ ノズル ｆ 焦点距離 Ａ 板厚 ＬＢ レーザビーム Ｇ 間隙 Ｐ ピッチ Ｗ 被加工材 Ｗｓ 溝幅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電容量センサー付きレーザ加工ヘッド
   を備えたレーザ加工機において、次の工程により、静電
   容量が最小のテストパターンを検出して焦点位置を検出
   することを特徴とするレーザ加工機の焦点位置検出方
   法。 １．前記レーザ加工ヘッドを集光レンズの焦点が被加工
   材のほぼ裏面にくるように位置決め後、切断を実施して
   溝状のテストパターンを作成し、以後、被加工材の裏面
   と表面近傍上方との間において、レーザ加工ヘッドを一
   定距離ずつ上昇位置決めさせると共に被加工材に対して
   レーザ加工ヘッドを水平方向に相対的に移動させ、上昇
   位置及び水平方向の位置を変更する毎に切断を実施して
   複数のテストパターンを作成する。 ２．被加工材と静電容量センサーとの間隙を一定に固定
   して、テストパターンの溝に対して静電容量センサーを
   直交する方向に相対的に移動させて静電容量の変化を測
   定して静電容量が最小のテストパターンを検出し、該静
   電容量が最小のテストパターンを切断したときのレーザ
   加工ヘッドのＺ軸座標を集光レンズの焦点が被加工材の
   表面に合焦した位置とする。