WO2012137579A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

　焦点距離自動調整装置を単純な構成にして安価なレーザ加工装置を得るために、加工対象（９）にレーザ光（２）を集光させる加工レンズ（３）と、加工レンズ（３）の焦点距離を調整する焦点距離調整手段（４）、（６）と、加工レンズ（３）のレーザ光（２）の入射側の中心から径方向に沿って一直線上に、レーザ光（２）が照射されないレンズ表面に設置され、加工レンズ（３）の中心からの距離が異なる第１および第２の温度測定点を有し、第１および第２の温度測定点で温度差を検出する接触式の温度センサ（５）と、温度センサ（５）によって検出された温度差に対応する電位差から加工レンズの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、焦点距離補正量を計算して焦点距離調整手段（６）に制御信号を出力する制御装置（７）、（８）と、を備える。

Description

レーザ加工装置

　この発明は、焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置に関するものである。

　レーザ加工装置は、レーザ光を集光させてパワー密度を高め、金属、樹脂材料などの被加工物に照射して穴あけ、切断などの加工を行うものである。レーザ光を集光するレンズは加工レンズと呼ばれ、レーザ光が透過する時、その一部を吸収し温度が上昇する。この熱は、レーザ光が透過するレンズ中心部分からレンズの外周部分に向かって拡散する。そのため、加工レンズ中央部分では温度が高く、外周部分では相対的に低くなるという温度分布を生じる。

　一方、加工レンズを構成する材料の屈折率は温度依存性を有している。したがって加工レンズが温度分布を示す場合、この温度分布は屈折率分布となり、いわゆる熱レンズ効果を発生する。

　上記屈折率分布は、レーザ光が透過している時間とともに変化し、所定の時定数で定常値へ収束していく。言い替えれば、加工時間の経過にともなって熱レンズ効果の大きさも変化し、その後所定の大きさに飽和する傾向を示す。

　加工レンズを用いてレーザ光を集光させ、被加工物に照射する場合、この熱レンズ効果により、加工レンズの焦点距離が変化し、被加工物に照射されるレーザ光のビーム径が変化する。さらに加工時間の経過とともに熱レンズ効果の大きさが変化し、ビーム径も加工時間にともなって変化するので、加工が不安定となり、加工不良が発生する原因となる。

　そこで、上記熱レンズ効果による被加工物上でのビーム径の変化、加工工程中でのビーム径の経時変化を防止するために、遠赤外線放射温度計と熱電対を用い、それぞれ加工レンズ上のレーザ照射部分と加工レンズ周辺部分の温度を検出し、それに基づいて熱レンズ効果を相殺するように加工レンズと被加工物間の距離を補正して、被加工物上でのレーザ光のビーム径を一定に維持する焦点位置自動補正機能を備えたレーザ加工装置が提案されている（たとえば、特許文献１）。

　以下、従来の焦点距離自動調整装置を備えたレーザ加工装置について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。

　図１０において、レーザ光３２が入射したときの加工レンズ３１の中心部分の温度を、加工レンズ３１から離れた位置に設置した遠赤外線放射温度計３４で測定し、さらに加工レンズ３１の側面の温度を熱電対３３で測定している。これらの温度測定結果をマイクロコンピュータ３６に入力し、必要なレンズ移動量を計算し、Ｚ軸ステージ３８によって加工レンズ３１の位置をレーザ光３２の光軸方向に調整している。

　加工レンズ３１はレーザ光３２が透過するときにレーザ光３２の一部を吸収し、吸収された熱は加工レンズ３１の外周に向かって流れる。これにより、加工レンズ３１は中心部分の温度が高くなり、外周部の温度がそれに対して低くなる。つまり、加工レンズ３１は径方向に温度分布が生じることになり、このとき熱レンズと呼ばれる現象が発生する。

　加工レンズ３１の材料はその屈折率が温度依存性を持ち、温度分布があると屈折率分布が存在することになる。つまり、この屈折率分布によりレンズ作用を発生させるものが熱レンズである。ここで、加工レンズ３１の温度そのものが熱レンズになるわけではないことに注意する必要がある。加工レンズ３１の熱レンズは、通常、凸レンズ成分となる。熱レンズが発生すると加工レンズ３１の焦点距離が変化し、加工対象に照射されるビーム径が変化することになる。

　また、加工開始時にレーザ光３２が加工レンズ３１に照射され始めてから、加工レンズ３１の温度分布はある時定数をもって定常値に近づく。このため、熱レンズの大きさは加工中に変化することになる。つまり、加工中に加工対象に照射されるビーム径が変化することになり、加工が不安定になったり、加工不良が発生したりする原因となる。

　これを避けるためには熱レンズの大きさに応じて加工レンズ３１の位置を変化させ、焦点距離の変化を補正することが考えられる。ただし、上述したように熱レンズの大きさは加工中に変化するため、加工中リアルタイムに熱レンズの大きさを検知しなければならない。

　熱レンズは温度分布によるため、温度分布を測定できれば熱レンズの大きさを知ることができる。特許文献１においては、これを熱電対３３と遠赤外線放射温度計３４を用い、加工レンズ３１のレーザ光照射部と加工レンズ３１の周辺部との各温度を測定することにより熱レンズを計算していた。

特開平１－１２２６８８号公報（４頁７～１８行）

　しかしながら、このような焦点距離自動調整装置を備えた従来のレーザ加工装置にあっては、熱電対と放射温度計の２種類の温度センサを使用する必要があり、特に放射温度計は比較的高価である。また、レーザ光源として波長約１０μｍのＣＯ２レーザをレーザ加工装置で使用する場合、被加工物からのＣＯ２レーザの散乱光および被加工物の温度による放射光などの影響で、遠赤外線放射温度計が誤動作をする可能性があり、安定した加工をすることができないという課題があった。

　また、レーザ加工装置では加工材料や加工条件によって加工レンズから加工対象までの距離を変化させて加工することが必要である。このため、放射温度計を取り付ける位置によっては放射温度計から加工レンズまでの距離が変動してしまい、測定点がばらつくため正確な温度が測定できない可能性がある。放射温度計から加工レンズまでの距離を固定する場合は、加工レンズと放射温度計を同時に動かす必要があり、装置が大型化するという課題もあった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、焦点距離自動調整装置を単純な構成にすることができ、ひいては安価で誤動作のない焦点位置自動補正機能を有し、安定した加工をすることのできるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

　この発明に係るレーザ加工装置は、加工対象にレーザ光を集光させる加工レンズと、加工レンズの焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、加工レンズのレーザ光の入射側の中心から径方向に、レーザ光が照射されないレンズ表面に設置され、加工レンズの中心からの距離が異なる第１および第２の温度測定点を有し、第１および第２の温度測定点で温度差を検出する接触式の温度センサと、温度センサによって検出された温度差に対応する電位差から加工レンズの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、焦点距離補正量を計算して焦点距離調整手段に制御信号を出力する制御装置とを備えるものである。

　この発明に係るレーザ加工装置によれば、接触型の温度差センサにより、レーザ光の光路中に設置された透明部材上の２点間の温度差を検出し、温度差の検出結果に基づいて焦点位置の補正を行うものであり、高価な遠赤外線放射温度計を用いないので安価であり、またレーザの散乱光、被加工物からの反射光および被加工物の温度による放射光などの影響による誤動作がないうえ、温度測定点とレンズの相対位置が変化しないため、レンズの位置によらず常に一定した条件で正確な温度を測定することができ、測定した温度に基づき熱レンズの大きさに応じて焦点を自動調整することにより安価で単純な構成で安定した加工を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズ付近の構成を拡大して示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の温度センサである熱電対の結線方法を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の複数の熱電対の結線方法を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の複数の熱電対の結線方法を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズの径方向の温度分布を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズへレーザ光を照射したときの熱電対の温接点と冷接点の温度差の時間変化を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。 この発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。 従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサの平面図である。 この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサの部分拡大図である。 この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。 この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサの平面図である。 この発明の実施の形態８に係るレーザ加工装置のウィンドウの平面図である。

　実施の形態１．
　以下、この発明のレーザ加工装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
　なお、実施の形態の説明および各図において、同一の符号を付した部分は、同一または相当する部分を示すものである。

　まず、図１～図７を参照しながら、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置について説明する。
　図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。図１は、レーザ加工装置の加工ヘッドの付近を示しており、加工レンズの中心の断面であり、レーザ加工装置に含まれるレーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光を加工ヘッドまで導く光路系などは省略して図示していない。

　図１において、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置は、外形が円柱状、多角柱状などの加工ヘッド１と、レーザ光２を加工対象９に集光させる円形の凸レンズである加工レンズ３と、加工レンズ３を保持する外形が円筒状、多角筒状などのレンズホルダ４と、温度センサ５と、レンズホルダ４をレーザ光２の光軸方向に移動させるレンズ駆動装置６と、温度センサ５によって検出された温度差に対応する電位差から加工レンズ３の熱レンズの大きさを計算する計算用コンピュータ７と、熱レンズの大きさに応じてレンズ位置補正量を計算してレンズ駆動装置６に制御信号を出力する制御用コンピュータ８とが設けられている。なお、計算用コンピュータ７と制御用コンピュータ８は、両者の機能を持つ一体となった１台のコンピュータ（制御装置）でもよい。

　図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズ付近の構成を拡大して示す図である。

　図２において、レンズホルダ４には、レーザ光２の全周囲を囲むようにドーナツ状などの冷却水路１０と、加工レンズ３の両側（レーザ光２が入射する側と出て行く側）の端部に対抗する、レーザ光２の全周囲を囲むようにドーナツ状などの遮蔽板１３とが設けられている。また、加工レンズ３の上面には、温度センサ５である熱電対の温接点１１と、熱電対の冷接点１２とが設けられている。なお、加工レンズ３の下面に、熱電対の温接点１１と冷接点１２を設けてもよい。

　図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の温度センサである熱電対の結線方法を示す図である。

　図３において、熱電対の温接点１１と冷接点１２の間にマイナス側の熱電対素線１４が接続され、温接点１１と冷接点１２にそれぞれプラス側の熱電対素線１５が接続される。

　図４および図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の複数の熱電対の結線方法を示す図である。

　図４において、加工レンズ３をレーザ光２が入射する軸方向からみた平面（正面）図で、（ａ）は複数（４つの例）の熱電対を並列接続する場合、（ｂ）は複数（８つの例）の熱電対を直列接続する場合をそれぞれ示す。並列接続の場合には、各熱電対によって検出した電位差（温度差）を平均することにより、熱伝導のバラツキを抑え、精度を向上することができる。一方、直列接続の場合には、熱電対の数だけ検出精度を上げることができるので、１つの熱電対によって検出した電位差（温度差）が非常に小さいときに有用である。図５も、複数の熱電対を直列接続する場合を示す。図４は、熱電対の温接点１１と冷接点１２が加工レンズ３の中心から径方向に沿って一直線上に設置されている例を示すが、図５のように、一直線上に設置されていなくてもよく、冷接点１２をもう１つ設けて、加工レンズ３から外への配線は通常の信号線２２で行う方法も有効である。

　つぎに、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の動作について図面を参照しながら説明する。

　図６は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズの径方向の温度分布を示す図である。図６において、加工レンズ３に対するレーザ光２の照射時間をパラメータにとってあり、図６に示す照射時間１、２、３の順に照射時間が長くなる。

　図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工レンズへレーザ光を照射したときの熱電対の温接点と冷接点の温度差の時間変化を示す図である。

　図１において、レーザ光２は、図示していないレーザ発振器から光学系を介して加工ヘッド１に導かれる。加工ヘッド１に入射したレーザ光２は、加工ヘッド１内の加工レンズ３に入射し、その後、加工対象９に集光、照射される。

　加工対象９は、たとえば、軟鋼やステンレスなどの金属である。これらの金属の切断加工において、加工ヘッド１は金属の表面と平行（通常、水平方向）に移動、あるいは加工対象９の金属の方が移動することによって切断加工が行われる。ここで使用されるレーザは、たとえば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどである。

　加工レンズ３は、レーザ光２が透過するときにレーザ光２の一部を吸収し、吸収された熱は加工レンズ３の外周のレンズホルダ４に向かって流れる。これにより、加工レンズ３は径方向に、図６に示すような温度分布が生じることになり、上述したような熱レンズと呼ばれる現象が発生する。また、温度分布は、レーザ光２が加工レンズ３に照射される時間に依存し、照射時間が長くなるにつれて加工レンズ３の径方向の温度差が大きくなり、最終的にはある一定の温度分布形状になる。

　加工レンズ３には径方向に温度分布が生じるため、熱電対の温接点１１と冷接点１２の間にはレーザ光２の照射時間に応じて、図７に示すような温度差が生じ、これが熱電対に電位差を生じさせる。この電位差から、計算用コンピュータ７が熱レンズの大きさを計算する。計算用コンピュータ７によって求められた熱レンズの大きさに応じて、制御用コンピュータ８は、レーザ光２が加工対象９に対して安定した一定のビーム径となるように、必要なレンズ位置補正量を計算し、レンズ駆動装置６に制御信号を送る。

　ここで、計算用コンピュータ７による、電位差から熱レンズの大きさを計算する過程について説明する。熱レンズの大きさは、公知文献１（たとえば、「Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」　Ｄ．Ｒ．Ｈａｌｌ，Ｐ．Ｅ．Ｊａｃｋｓｏｎ　ＩＳＢＮ：０－８５２７４－１１７－０、ｐ１８１）に参照されているように、次の式（１）で表される。

　式（１）で、ｆは熱レンズの焦点距離、κは熱伝導率（物性値）、ＡＩ₀は加工レンズ３に吸収される単位時間、単位面積当たりの熱量であり、Ａは吸収係数、Ｉ₀はビーム強度、ｄｎ／ｄＴは屈折率温度依存性（物性値）、Ｔは温度である。実際には、式（１）にビームプロファイルに応じた係数を掛けた値となる。一方、熱流が径方向のみに流れる場合は一次元円柱座標系におけるフーリエの法則が適用され、以下の式（２）のようになる。ここで、λは熱伝導率（物性値）である。

　つまり、加工レンズ３の径方向の温度勾配が分かれば、加工レンズ３への入熱量が分かるということになる。また、温度の時間変化は、よく知られている熱伝導方程式から求められる。たとえば、図６は加工レンズ３の径方向の温度分布の時間依存性を示している。つまり、２点間の温度差およびその時間変化が分かれば、原理的に加工レンズ３に入射する熱量およびその時間変化が分かる。入射する熱量は加工レンズ３に入射するレーザ光の出力と加工レンズ３の吸収率を掛けたものとなり、式（１）により熱レンズの大きさが分かる。計算用コンピュータ７では、図６に示した温度分布の時間依存性をリアルタイムで計算してもよいし、予め計算した値あるいは予め測定した値をデータベースとして持っておき、リアルタイムで測定された温度差と比較して入射する熱量つまり熱レンズの大きさを求めてもよい。

　続いて、制御用コンピュータ８による、熱レンズの大きさに応じて必要なレンズ位置補正量を計算する過程について説明する。レンズ位置補正量ｄＺは、加工レンズ３の焦点距離ｆ₀と式（１）の熱レンズの焦点距離ｆから以下の式（３）のようになる。

　熱レンズの焦点距離ｆが加工レンズ３の焦点距離ｆ₀に対して十分大きい場合は、次のように近似できる。

　次に、制御用コンピュータ８が計算したレンズ位置補正量を、どのような形で変換した制御信号をレンズ駆動装置６へ送り、レンズ駆動装置６が、制御信号に基づきどのようにレンズホルダ４を駆動するのかについて説明する。レンズ駆動装置６は、公知文献２（たとえば、国際特許出願「ＷＯ２００９／１２２７５８　Ａ１」の図３）に参照されているように、ステッピングモータとボールネジを用いてレンズホルダ４を駆動させてもよい。
　上記公知文献２（図３）においては、ステッピングモータが回転することによりボールネジが回転し、固定板がガイドロッドに沿って上下に移動する。

　これにより、加工レンズ７が加工ヘッド１０内で上下に移動する。本実施の形態１では、制御用コンピュータ８が計算したレンズ位置補正量から必要なステッピングモータ回転量を求め、ステッピングモータを必要量回転させる制御信号をレンズ駆動装置６へ送る。これにより、熱レンズの大きさに応じて加工レンズ３の位置を補正することができる。

　熱電対の温接点１１と冷接点１２の温度差は、図７に示すように、時間的に変化するため熱レンズの大きさも時間的に変化する。このため、これらの制御を加工中リアルタイムに行うことにより加工対象９に対して安定した一定のビーム径でレーザ光２を照射し、安定な加工を実現する。

　ここで、熱電対の温接点１１と冷接点１２を取り付ける位置は、同じ材料でかつ接触面などがない同一の個体内であることが重要である。これにより、２点の温度差から加工レンズ３に入射した熱量を求めるために熱伝導理論におけるフーリエの法則がそのまま利用できる。フーリエの法則の式にある熱伝導率は物性値であり正確な値が分かっている。

　一方、温接点１１と冷接点１２を取り付ける位置がそれぞれ別の材料で、これらの間に接触面がある場合、熱量を知るためには接触の熱抵抗を求める必要がある。しかしながら、熱抵抗は物性値ではなく、接触面の状況によって大きく異なる値となるため、正確な熱量を求めることが困難となる。また、熱は加工レンズ３の径方向に向かって流れるため、温接点１１と冷接点１２の位置は加工レンズ３の中心から径方向に沿って一直線上に設置するのが望ましい。

　温度差を求めるための熱電対の結線方法は、直接温度差を電位差に変換するため、図３に示すように直列につないでいる。図３に示す熱電対素線１４、１５のマイナス側とプラス側は逆でもよい。また、通常の熱電対で温度を測定するときのように、温接点１１と冷接点１２の温度を別々に測定し、計算用コンピュータ７によって、それらの差分を計算させて温度差を求めてもよい。この場合、温度センサ５は、熱電対以外の白金測温抵抗体、サーミスタなどでもよい。

　温度測定点である温接点１１と冷接点１２は、レーザ光２が照射されない位置に設置するが、さらに図２に示すように、遮蔽板１３を設けてレーザ光２の散乱光や加工対象９からの反射光が温度測定点に入射することを防ぐようにする。

　加工レンズ３に入射するビーム直径は、たとえば、ＣＯ２レーザでは通常、直径Φ２０ｍｍ～Φ３０ｍｍ程度である。このため、熱電対の温接点１１は、レンズ中心から半径１０ｍｍ以上の位置に取り付ける必要がある。熱電対の冷接点１２は、これより外側に取り付ける必要があるため、加工レンズ３の直径は少なくともΦ２インチ～Φ２．５インチ程度の大きさが必要となる。加工レンズ３に入射したレーザ光２によって加工レンズ３に吸収された熱量が、温接点１１と冷接点１２を通過する前に他の部分に流れると温度差による熱量の測定が正確にできない。このため、加工レンズ中心から熱電対の冷接点１２までの間で熱電対の温接点１１以外に加工レンズ３に接触するものが無いようにする。また、遮蔽板１３は加工レンズ３から１ｍｍ以上は離しておいた方がよい。ただし、接触する場合でも断熱材などで熱が他に流れないようにすればよい。

　たとえば、ＣＯ２レーザで加工レンズ３として使用されるＺｎＳｅでは熱伝導率は１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。加工レンズ３の熱電対の冷接点１２より外側のレンズホルダ４との接触面と、加工レンズ３と上記断熱材の接触部の面積をほぼ同じにし、断熱材へ流れる熱量を１／２０にしたい場合、断熱材の熱伝導率がＺｎＳｅの１／２０の０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のものを使用すればよい。この場合、熱電対により測定され、計算用コンピュータ７により計算された熱レンズの大きさは５％程度の誤差が生じるが、５％程度の誤差であれば十分安定な加工が可能となる。

　加工レンズ３上に１つまたは複数の熱電対を設け、２ヶ所の温度差から熱レンズの大きさを求め、加工中にこれを補正するような加工レンズ位置制御を行うことにより、熱レンズの大きさによらない安定な加工ができる。

　本実施の形態１では、前述の特許文献１とは異なり、温度測定点と加工レンズ３の相対位置が変化しないため、加工レンズ３の位置によらず常に一定した条件で正確な温度を測定することができ、安価で単純な構成の焦点距離自動調整装置が得られる。

　実施の形態２．
　この発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。図８は、レーザ加工装置の加工ヘッド部を示しており、レーザ加工装置に含まれるレーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光を加工ヘッドまで導く光路系などの一部は省略して図示していない。

　図８において、この発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置は、レンズ駆動装置６の代わりに、曲率可変ミラーおよびその曲率を可変させるミラー駆動装置１６が設けられている。なお、曲率を変えたミラーの状態を破線で示している。

　つぎに、この実施の形態２に係るレーザ加工装置の動作について図面を参照しながら説明する。

　上記の実施の形態１と同様に、図８において、レーザ光２は図示していないレーザ発振器から光学系を介して曲率可変ミラー１６に入射し、その後加工ヘッド１に導かれる。加工ヘッド１に入射したレーザ光２は加工ヘッド１内の加工レンズ３に入射し、その後、加工対象９に集光、照射される。

　加工対象９は、たとえば軟鋼やステンレスなどの金属である。ここで使用されるレーザは、たとえばＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどである。

　加工レンズ３はレーザ光２が透過するときにレーザ光の一部を吸収し、吸収された熱は加工レンズの外周のレンズホルダ４に向かって流れ、これにより熱レンズが発生する。

　温度センサ５は、上記の実施の形態１と同様、図３のようになっている。熱電対の温接点１１と冷接点１２の間には温度差が生じ、このときの熱電対の電位差から計算用コンピュータ７は熱レンズの大きさを計算する。計算用コンピュータ７によって求められた熱レンズの大きさに応じて、制御用コンピュータ８は、レーザ光２が加工対象９に対して安定した一定のビーム径となるように、必要な曲率変化量を計算し、曲率可変ミラー１６のミラー駆動装置に制御信号を送る。

　ここで、制御用コンピュータ８による、熱レンズの大きさに応じて、必要な曲率変化量を計算する過程について説明する。曲率変化量をｄＤ、加工レンズ３から加工対象９までのレーザ光の焦点距離をｆ’、加工レンズ３の焦点距離をｆ₀、熱レンズの焦点距離ｆとすると、以下の式（４）の関係が成立する。

　熱レンズが発生しても加工レンズ３から加工対象９までの焦点距離が変化しないようにする必要があるため、以下の式（５）の関係が成立している必要がある。

　つまり、曲率変化量は、以下の式（６）となる。

　続いて、制御用コンピュータ８が計算した曲率変化量を、どのような形で変換した制御信号をミラー駆動装置１６へ送り、ミラー駆動装置１６が、制御信号に基づきどのように曲率可変ミラー１６を駆動するのかについて説明する。ミラー駆動装置１６は、公知文献３（たとえば、特許第３１３８６１３号公報の図２）に参照されているように、エアーの圧力によりミラーを変形させてもよい。

　上記公知文献３（図２）においては、制御装置により曲率可変ミラーの背面に配置されたエアージャケットにエアーを送り込み、圧力を加えることにより、ミラーの曲率を可変させる。エアーの圧力は電磁弁によって調整され、電磁弁の制御は制御装置によって行われる。

　本実施の形態２において、ミラー駆動装置１６は、上記構成と同様のものが使用可能である。本実施の形態２では、制御用コンピュータ８により必要な曲率変化量を計算し、所望の曲率変化が得られるようにミラー駆動装置１６に制御信号が送られる。
　ミラー駆動装置１６は、上記公知文献３と同様に、ミラーの背面にエアーを送り込み、圧力を加えミラー曲率を変化させる。

　曲率可変ミラー１６は、加工レンズ３に入射するときのレーザ光２の波面曲率を変化させ、熱レンズにより生じた焦点変化を補正するように機能する。

　これらのことを加工中リアルタイムに行うことにより、加工対象９に対して安定した一定のビーム径でレーザ光２を照射することができ、安定な加工を実現できる。

　加工レンズ３上に１つまたは複数の熱電対を設け、２ヶ所の温度差から熱レンズの大きさを求め、加工中にこれを補正するような曲率可変ミラー曲率制御を行うことにより、熱レンズの大きさによらない安定な加工ができる。

　本実施の形態２では、前述の特許文献１とは異なり、温度測定点と加工レンズ３の相対位置が変化しないため、加工レンズ３の位置によらず常に一定した条件で正確な温度を測定することができ、安価で単純な構成の焦点距離自動調整装置が得られる。

　実施の形態３．
　この発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置について図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。図９は、レーザ加工装置の加工ヘッド付近を示しており、レーザ加工装置に含まれるレーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光を加工ヘッドまで導く光路系などの一部は省略して図示していない。

　図９において、この発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置は、加工レンズ３の代わりに、加工レンズ３とたとえば、同じ材質の円形のウィンドウ３Ａおよび放物面ミラーあるいはトロイダルミラー１８と、レンズホルダ４の代わりに、ウィンドウ３Ａを保持するウィンドウホルダ４Ａと、折り返しミラー２０とが設けられている。なお、ウィンドウ３Ａは、放物面ミラーあるいはトロイダルミラー１８の直後に設けられているが、直前に設けてもよい。

　つぎに、この実施の形態３に係るレーザ加工装置の動作について図面を参照しながら説明する。

　レーザ加工ではレーザ光２を加工対象９に集光させるために加工レンズ３以外に放物面ミラーあるいはトロイダルミラー１８を用いることがある。この場合でも加工ヘッド１にレーザ光２を通すためのウィンドウ３Ａを設ける場合がある。ウィンドウ３Ａも、前述の実施の形態１に示したような熱レンズが発生する。

　実施の形態１と同様に、図９において、レーザ光２は図示していないレーザ発振器から光学系を介して曲率可変ミラー１６に入射し、その後折り返しミラー２０を介してウィンドウ３Ａを透過し加工ヘッド１に導かれる。

　加工ヘッド１に入射したレーザ光２は、加工ヘッド１内の放物面ミラーあるいはトロイダルミラー１８に入射し、その後、加工対象９に集光、照射される。

　加工対象９は、たとえば軟鋼やステンレスなどの金属である。ここで使用されるレーザは、たとえばＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどである。

　ウィンドウ３Ａは、レーザ光２が透過するときにレーザ光２の一部を吸収し、吸収された熱はウィンドウ３Ａの外周のウィンドウホルダ４Ａに向かって流れ、これにより熱レンズが発生する。

　温度センサ５は、上記の実施の形態１と同様、図３のようになっている。熱電対の温接点１１と冷接点１２の間には温度差が生じ、このときの熱電対の電位差から計算用コンピュータ７は熱レンズの大きさを計算する。計算用コンピュータ７によって求められた熱レンズの大きさに応じて、制御用コンピュータ８は、レーザ光２が加工対象９に対して安定した一定のビーム径となるように、必要な曲率変化量を計算し、曲率可変ミラー１６のミラー駆動装置に制御信号を送る。

　曲率可変ミラー１６は、放物面ミラーあるいはトロイダルミラー１８に入射するときのレーザ光２の波面曲率を変化させ、熱レンズにより生じた焦点変化を補正するように機能する。

　これらのことを加工中リアルタイムに行うことにより、加工対象９に対して安定した一定のビーム径でレーザ光２を照射することができ、安定な加工を実現できる。

　ウィンドウ３Ａ上に１つまたは複数の熱電対を設け、２ヶ所の温度差から熱レンズの大きさを求め、加工中にこれを補正するような曲率可変ミラー曲率制御を行うことにより、熱レンズの大きさによらない安定な加工ができる。

　実施の形態４．
　この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置について、前述の図１、図２とともに、図１１および図１２を参照しながら説明する。
　この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の構成は、図１（加工ヘッド１および加工対象９は断面）に示す通りである。また、この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッド１の中に設置された加工レンズ３の周辺構造（レーザ光２を透過する透明部材である加工レンズ３付近の断面）は、図２に示す通りである。
　なお、この場合、レーザはＣＯ２レーザであり、温度センサ５はサーモパイル型温度差センサである。

　加工ヘッド１は、レーザ光源（図示せず）から出射されるレーザ光２を集光させて被加工物９に照射するものであり、被加工物９と一定間隔を保って配置される。加工ヘッド１は、図１に示すように、加工レンズ３、レンズホルダ４、接触型の温度差センサであるサーモパイル型温度差センサ５（詳細については後述する）、レンズ駆動装置６を備えている。加工レンズ３は、レーザ光２の光路中に設置され、レーザ光２を集光させるものであり、円形の片凸レンズが用いられる。

　加工レンズ３のレーザ光２の出射側の面には、サーモパイル型温度差センサ５が形成された絶縁性フィルムが貼付されており、加工レンズ３はレンズホルダ４に保持されている。さらにレンズホルダ４はレーザ光２の光軸方向（矢印で示す）に加工レンズ３を移動させるレンズ駆動装置６に取り付けられている。

　サーモパイル型温度差センサ５により検出された温度差に基づいて、焦点位置の補正を行う制御手段は、レンズ駆動装置６と、温度差の検出結果に基づいてレンズ移動量を求める計算用コンピュータ７、レンズ移動量の計算結果に基づいてレンズ駆動装置６を駆動する制御用コンピュータ８を備えている。

　レンズホルダ４は円筒状で、レーザ光２の全周囲を囲むように環状の冷却水路１０が設けられており、加工レンズ３の上下には、加工レンズ３から一定の間隙を維持して、被加工物表面で反射などしたレーザ光２がサーモパイル型温度差センサ５に当たり、温度差の値に誤差を生じないように円環状の遮光板１３が設けられている。
　なお、本実施の形態４において、レンズホルダ４は円筒状のものを用いたが、多角筒状などのレンズホルダ４を用いることができる。

　また、加工レンズ３の中心からの距離が異なる加工レンズ３の表面の２点間の温度差を検出するために、接触型の温度差センサとしてサーモパイル型温度差センサ５を用いたが、加工レンズ３の表面の２点間の温度差を検出することが可能なセンサであれば、任意のものを用いることができる。

　たとえば、２種の異種金属を接合させた熱電対を用い、２個の熱電対を加工レンズ３の中心から距離の異なる加工レンズの表面の２点に貼り付けて温度測定を行い、温度差を算出してもよい。また、２個の白金抵抗温度計を加工レンズ３の中心から距離の異なる加工レンズの表面の２点に取り付け、個々に温度測定を行い、温度差を算出してもよい。さらに、熱電対と白金抵抗温度計を１個ずつ用い、加工レンズ３の中心から距離の異なる加工レンズ３の表面の２点にそれぞれ取り付けて温度測定を行い、温度差を求めてもよい。
　また、本実施の形態４で用いたサーモパイル型温度差センサ５は、検出精度が高く、加工レンズ３の表面の温度差を検出することに適している。

　また、本実施の形態４では、加工レンズ３として片凸レンズを用いたが、レーザ光２を被加工物９上に集光することができればよく、両凸レンズも用いることができる。
　また、サーモパイル型温度差センサ５を形成した絶縁性フィルムを、加工レンズ３のレーザ光２の出射側の面に貼付したが、レーザ光２による加工レンズ３の温度分布変化を検出することができればよく、加工レンズ３のレーザ光２の入射側の面に貼付して用いることもできる。

　以下、図１１、図１２を用いて、サーモパイル型温度差センサ５の構成について詳細に説明する。
　図１１はこの発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサ５の平面図であり、図１２はこの発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサ５の部分拡大図である。

　図１１はこの発明のレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサ５を、レーザ光２が出射する光軸方向から観察したものである。
　図１１において、円環状のポリイミドフィルム４４上に、２種の異種金属による複数の熱電対が交互に、直列に接続して配列されてサーモパイル型温度差センサ５を形成し、連続した熱電対の両端には検出用端子４５、４６が形成されている。
　サーモパイル型温度差センサ５を形成するポリイミドフィルム４４は、加工レンズ３に接着して貼り付けられる。サーモパイル型温度差センサ５の温度差の検出は、検出用端子４５、４６間の電位差を検出することで行う。

　図１２の部分拡大図においては、２種の異種金属を用いて、ポリイミドフィルム４４上に、Ｌ字型の金属配線４７、４８が形成され、それらの交差部分で電気的に接続し熱電対を形成している。これらの熱電対は、熱電対が２重の円となるように配列されている。
　レーザ光２は、加工レンズ３の中心近傍に照射されるので、加工レンズ３の中心部分が高温に、加工レンズ３の外周部分が相対的に低温になり、その結果、加工レンズ３の中心側の円を構成する熱電対が温接点１１、外側の円を構成する熱電対が冷接点１２として機能する。

　２種の異種金属は銅とコンスタンタン（Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎ：銅５５％、Ｎｉ４５％の組成からなる合金）を用い、蒸着後写真製版法を用いてパターニングして、それぞれの膜厚０．５μｍ、配線幅０．５ｍｍの金属配線４７、４８を形成する。２種の異種金属が重なりあい、接触した部分が熱電対であり、加工レンズ３の中心側に位置し相対的に高温となる温接点１１は３２個、加工レンズ３の外側に位置し相対的に低温となる冷接点１２は３１個形成する。温接点１１が配列する円の半径は２０ｍｍ、冷接点１２が配列する円の半径は２５ｍｍで、円の径方向の温接点１１と冷接点１２の距離は５ｍｍである。またポリイミドフィルム４４の厚みは５０μｍである。

　温接点１１と冷接点１２が交互に直列に配列したサーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を貼り付けた加工レンズ３にレーザ光２を照射して、複数の温接点１１と複数の冷接点１２が直列に配列した両端の検出用端子４５、４６間の電位差を検出する。このとき、温接点１１と冷接点１２の間に温度差がある場合、熱電効果に起因した電位差が検出され、さらに、温接点１１と冷接点１２が各１個ずつの温度差センサの場合と比べ、温接点１１と冷接点１２が複数ある場合は熱電効果に起因する電位差が積算されるため、わずかな温度差であっても大きな電位差となり正確に検出することができる。

　なお、本実施の形態４においては、銅とコンスタンタンを熱電対に用いたが、用いる金属材料は種類の異なる金属であればよく、一般に熱電対用の金属材料として用いる、クロメル／アルメル、鉄／コンスタンタン、白金ロジウム／白金なども用いることができる。
　また、金属配線４７、４８の幅は、特に限定するものではないが、温接点１１と冷接点１２を多数配列する場合の配線引きまわしの観点から０．２５～１ｍｍとすると配線設計などが容易となる。

　また、異なる２種の金属配線４７、４８の膜厚を０．５μｍとしたが、特にこの膜厚に限定されるものではなく、通常の蒸着などにより成膜することができ、また断線など不良の生じない膜厚であれば用いることができる。

　また、本実施の形態４においては、サーモパイル型温度差センサ５の加工レンズ３の中心側に配置する温接点１１は、加工レンズ中心から２０ｍｍの位置とした。
　加工レンズ３に入射するビーム直径は、たとえば、ＣＯ２レーザでは通常、半径１０ｍｍから１５ｍｍ程度である。このため、熱電対の温接点１１は、レーザ光２を遮光しないように、レンズ中心から半径１０ｍｍ以上の位置に取り付ける必要がある。さらに、冷接点１２は、これより外側に取り付ける必要があるため、加工レンズ３の半径は少なくとも２５ｍｍから３０ｍｍ程度の大きさが必要となる。

　サーモパイル型温度差センサ５の温接点１１と冷接点１２を取り付ける位置は、両者が同じ材料、且つ間に接触面などがない同一の個体内であることが必要である。同一個体内であれば熱伝導理論におけるフーリエの法則を適用することができ、サーモパイル型温度センサ５により検出した温度差から加工レンズ３に与えられた熱量を算出することができる。温接点１１と冷接点１２の間に接触面がある場合、接触の熱抵抗値は接触状態により大きく変化するので熱量の値を正確に算出することができない。

　温接点１１および冷接点１２の数、温接点１１および冷接点１２の加工レンズ３上の径方向の距離は、特に限定するものではなく、検出する温度差、電位差を検出する計測器の感度などに基づき定めることができる。
　一般的には、温接点１１と冷接点１２の加工レンズ３の径方向の距離は、用いる加工レンズ３の直径およびレーザ光２をサーモパイル型温度差センサ５で遮光しないように配置する観点から１０ｍｍ以下であることが好ましい。また温接点１１と冷接点１２の数はそれぞれ１個以上であればよく、温接点１１と冷接点１２のそれぞれの数を多くするほど温度差の検出感度を高くすることができ、より好ましい。

　また、温接点１１と冷接点１２の位置関係は、特に限定するものではないが、隣接する温接点１１と冷接点１２を、加工レンズ３の中心から略同一方向とした場合、加工レンズ３面内での熱伝導性の分布の影響を受けず、より正確な温度差を検出することができる。具体的には隣接する温接点１１と冷接点１２が、加工レンズ中心から中心角６０°の範囲に形成することによって、より正確な温度差の検出が可能である。

　また、ポリイミドフィルム４４の厚みは特に限定するものではなく、絶縁性があり、表面にサーモパイル型温度差センサ５を形成することができる絶縁性フィルムであれば適用することができる。例としては厚さ１０～１２５μｍ程度のポリイミドフィルム４４も適用することができる。さらに、材質はポリイミドに限らず、絶縁性を有する、厚さ０．３ｍｍから２ｍｍ程度の薄厚の樹脂と繊維からなる電子回路基板や、厚さ０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度のポリイミドフィルムからなるＦＰＣ基板も用いることができる。

　サーモパイル型温度差センサ５の温接点１１と冷接点１２は、レーザ光２が照射されない位置に設置する。さらに、図２に示すように、遮光板１３を設けてレーザ光２の散乱光や加工対象９からの反射光、赤外線放射光が温度検出点に入射することを防ぐようにすると、より正確な温度差検出が可能となり適している。このとき、遮光板１３からサーモパイル型温度差センサ５への輻射熱の影響を無くすため、加工レンズ３から遮光板１３は１ｍｍ以上離れた位置とすることが好ましい。

　また、本実施の形態４においては、サーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３上に接着剤で貼りつけたが、ポリイミドフィルム４４の加工レンズ３上への取り付け方法は、これに限定されるものではなく、サーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３上に密着することが可能な手法であれば任意の手法を用いることができる。

　たとえば、フッ素樹脂など熱伝導性の低い断熱材で押さえて加工レンズ３上に取り付けることができる。具体的には、円環状に断熱材を加工してレンズホルダ４に取り付け、加工レンズ３の周辺部分をレンズホルダ４で挟みこんで固定する力を利用し、円環状の断熱材でサーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３上に押さえつけてもよい。

　加工レンズ３に入射したレーザ光２によって加工レンズ３に吸収された熱が、温接点１１と冷接点１２を通過する前に他の部分に流れると検出した温度差が加工レンズ３の熱レンズの状態を反映していない場合がある。このため、加工レンズ３中心から冷接点１２までの間で熱電対の温接点１１以外に加工レンズ３に接触するものが無いようにすることが必要であり、加工レンズ３の冷接点１２よりも外周側のみで、加工レンズ３をレンズホルダ４によりレーザ光２の光路中に保持し、且つサーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３上に接着剤を用いて貼り付けることで達成することができる。

　サーモパイル型温度差センサ５を加工レンズ３に断熱材により押さえて固定する場合、加工レンズ３の中心から冷接点１２までの間に、断熱材が接触する可能性がある。一方、十分に安定な加工特性を確保するためには温度差の値について誤差を５％以下とすることが必要である。したがって、断熱材が加工レンズ３の中心から冷接点１２までの間に、加工レンズ３表面に接触した場合であっても、温度差の検出誤差を５％以下として安定な加工特性を確保するためには、サーモパイル型温度差センサ５よりも外側に位置する加工レンズ３の外周部分とレンズホルダ４の接触面積と断熱材の接触面積とを同じにし、且つサーモパイル型温度差センサ５を押しつける断熱材の熱伝導率を加工レンズ３の一般的な材料であるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）の熱伝導率１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）の５％以下、つまり０．９Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以下とすることが必要である。

　２種の異種金属の配線を蒸着などの成膜法を用いて、熱電対を薄膜状に形成することにより、通常の熱電対素線を用いて複数の熱電対を直列結合する場合よりも容易に、高密度で熱電対を形成、結合することができるため、高感度のサーモパイル型温度差センサ５を得ることができる。

　次に、前述の図１、図６、図７を用いて、この発明の実施の形態４による焦点位置の制御手法について説明する。
　この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工レンズ温度の加工レンズ３中心からの距離依存性は、図６に示す通りである。また、この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサ５を用いた温度差のレーザ照射時間依存性は、図７に示す通りである。

　レーザ光源（図示せず）から出射されたレーザ光２は、図１に示すように、加工レンズ３に入射し、集光されて被加工物９に照射される。加工レンズ３は、その中心部分はレーザ光２の一部を吸収して温度が高くなり、外周部分はレンズホルダ４に接触、保持されているため、外周部分の方向に熱は流れる。そのため、図６に示すように、加工レンズ３の中心から径方向の温度分布は、中央部分で高く、外周部分では相対的に低くなる。さらに、照射時間が、照射時間１から照射時間３に長くなると、加工レンズ３の中心部分と外周部分の温度差は大きくなり、図６には示されていないが、その後一定の温度分布形状となり、加工レンズ３の中心部分と外周部分の温度差も一定となる。

　加工レンズ３上のサーモパイル型温度差センサ５を用いた温接点１１と冷接点１２の温度差は、図７に示すように、レーザ光２の照射時間にともなって次第に大きくなり、徐々に一定値に飽和する傾向を示す。この温度差に対応したレーザ光２の焦点距離変化を相殺し、被加工物９に照射したレーザ光２のビーム径を一定に維持するための加工レンズ３のレンズ位置補正量を試測定により事前に求めておき、計算用コンピュータ７に記憶させておく。

　加工レンズ３上のサーモパイル型温度差センサ５により検出した温度差に対応し、計算用コンピュータ７はレンズ位置補正量を選択し制御用コンピュータ８へ出力する。制御用コンピュータ８はこのレンズ位置補正量の値に基づきレンズ駆動装置６を駆動し、加工レンズ３位置をレーザ光２の光軸方向（図１の矢印方向）に沿って移動して、加工レンズ３の位置を補正する。その結果、被加工物上のビーム径は一定に保つことができ、安定したレーザ加工を行うことができる。

　図７から分かるように、加工レンズ３上の温度差は、レーザ光２の照射時間によって変化するため、この制御を高速に、リアルタイムで行うことで、被加工物９に安定した一定のビーム径のレーザ光２を照射することができ、安定した加工が可能となる。

　本実施の形態４によれば、サーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３に貼り付けて用いているため、温度差検出位置と加工レンズ３の相対位置が変化しない。そのため、特許文献１と異なり、加工レンズ３の位置によらず常に一定した条件で正確な温度差を検出することができ、安定した加工が実現できる。

　また、本実施の形態４によれば、特許文献１と異なり、遠赤外線放射温度計を用いないため、安価であり、またレーザ光２の散乱光、被加工物９からの反射光および被加工物９の温度による放射光などの影響での誤動作のなく、安定した加工をすることができる。

　なお、本実施の形態４においては、検出した加工レンズ３上の温度差に応じて、計算用コンピュータ７が記憶したレンズ位置補正量から、最適なレンズ位置補正量を選択し、その値を制御用コンピュータ８に送る制御方式を用いたが、最適なレンズ位置補正量を求める手段は、特に限定されるものではなく、加工レンズ３の温度差変化に対応したレーザ光２の焦点距離変化を相殺するレンズ位置補正量を求めることが可能な方法であれば、いかなる方法であっても用いることができる。

　たとえば、検出した温度差、熱伝導率などの物理定数を用いて熱レンズの大きさを計算用コンピュータ７により算出し、さらにその熱レンズの影響によるレーザ光２の焦点距離変化を相殺するためのレンズ位置補正量を算出し、その値を制御用コンピュータ８に出力する制御方式も用いることができる。

　実施の形態５．
　この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置について、主として図１３を参照しながら説明する。
　図１３は、この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の構成を一部断面で示す図である。

　図１３においては、被加工物９と一定間隔を保って設置されて、集光したレーザ光を出射する加工ヘッド１の部分断面図を示している。レーザ加工装置の構成は、基本的には前述の実施の形態４に示したレーザ加工装置と同じ構成であり、加工レンズ３上に形成された後述するサーモパイル型温度差センサ５Ａの構成の違いに起因し、サーモパイル型温度差センサ５Ａから計算用コンピュータ７に接続されている出力配線が多くなっている点が異なっている。

　次に、図１４を用いて、サーモパイル型温度差センサ５Ａの構成について説明する。
　図１４は、この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置のサーモパイル型温度差センサ５Ａを示す図である。

　サーモパイル型温度差センサ５Ａは、実施の形態４で用いたサーモパイル型温度差センサ５と比べ、円環状のポリイミドフィルム４４上に、２種の異種金属による複数の熱電対が交互に連続して直列に配列している点においては共通している。

　しかし、前述（図１１）のサーモパイル型温度差センサ５は、全周にわたって熱電対が連続して形成され、検出用端子４５、４６間の電位差を検出することで温度差を検出するものである。
　一方、ここで用いるサーモパイル型温度差センサ５Ａは、図１４に示すように、円環状に配置した熱電対が４つの領域に分割されており、それぞれの連続した熱電対の両端に設けられた検出用端子５０、５１、検出用端子５２、５３、検出用端子５４、５５、および検出用端子５６、５７の電位差をそれぞれ検出し、４つの領域のそれぞれについて温接点１１と冷接点１２の間の温度差を検出する。

　次に、図１３、図１４に示したこの発明のレーザ加工装置５による焦点位置の制御手法について説明する。
　焦点位置の制御手法は、基本的には実施の形態４と同じであり、レーザ光２により加工レンズ３の温度が変化し、加工レンズ３上に形成したサーモパイル型温度差センサ５Ａにより温接点１１と冷接点１２の間の温度差を検出する。この温度差の検出結果に基づいて計算用コンピュータ７によりレーザ光２の焦点距離変化を相殺する加工レンズ位置補正値を求め制御用コンピュータ８に出力し、制御用コンピュータ８によりレンズ駆動装置６を駆動して、加工レンズ位置を補正し、被加工物９上でのレーザビーム径が一定となるようにする。

　ここで、サーモパイル型温度差センサ５Ａは４つの領域のそれぞれについて温接点１１と冷接点１２の間の温度差を検出し、それぞれの検出結果を計算用コンピュータ７に出力する。レーザ光２が加工レンズ３の中心に照射されている場合、４つの値は同じ値となるので、その検出結果に基づき計算用コンピュータで加工レンズ位置補正値を求めることができる。

　また、加工レンズ３の中心からレーザ光２がずれている場合、検出された４つの温度差が異なった値となる。このとき、検出された４つの温度差に基づいて、レーザ光２のずれ量を計算用コンピュータ７を用いて算出し、光路中のミラーを電動モータなどを用いてアライメントを行ったり、加工ヘッド１の位置を自動調整する機構を設けるなどにより、常に加工レンズ３の中心にレーザ光２が入射するようにすることが可能である。またレーザ光２が加工レンズ３の中心からずれていることをアラームなどにより作業者に知らせ、調整を促すこともできる。

　なお、本実施の形態５では、４つの領域に分割されたサーモパイル型温度差センサ５Ａを用いたが、分割する数は４つに限定されるものではなく、２つ以上の領域であれば、レーザ光２のずれを計算することが可能であり、適用することができる。
　また、分割した各領域の温接点１１および冷接点１２の数も特に限定されるものではなく、これらの数は温度差の検出精度に影響するものであるので、温度差を目的とする精度で検出することができればよく、少なくとも各１個以上であればよい。

　また、本実施の形態５では、サーモパイル型温度差センサ５Ａを形成したポリイミドフィルム４４を加工レンズ３に貼り付けて用いていることから、温度差の検出位置と加工レンズ３の相対位置が変化しないため、特許文献１と異なり、加工レンズ３の位置によらず常に一定した条件で正確な温度差を検出することができ、安定した加工が実現できる。

　また、本実施の形態５によれば、特許文献１と異なり、遠赤外線放射温度計を用いないため、安価であり、またレーザ光２の散乱光、被加工物９からの反射光および被加工物９の温度による放射光などの影響での誤動作がなく、安定した加工をすることができる。

　実施の形態６．
　この発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置について、前述の図８を用いて説明する。この発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の構成（一部断面）は、図８に示す通りである。

　加工ヘッド１の構成は、基本的には実施の形態４に示すレーザ加工装置と同一であり、図１に示すレンズ駆動装置６を備えず、レーザ光源（図示せず）からのレーザ光２が、制御用コンピュータ８と接続した曲率調整装置を備えた曲率可変ミラー１６を経て加工ヘッド１に入射している点で異なる。

　曲率可変ミラー１６は、図８の矢印で示すように、ミラー面を実線と破線の間で変化させ、曲率を変化させることができる。制御用コンピュータ８は、曲率可変ミラー１６の曲率調整装置を駆動し、曲率可変ミラー１６の曲率を調整するものである。

　次に、この発明の実施の形態６による焦点位置の制御手法について説明する。
　レーザ光２の光路中に配置された加工レンズ３はレーザ光２により温度分布が変化し、サーモパイル型温度差センサ５により温接点１１と冷接点１２の間の温度差が検出される。

　曲率可変ミラー１６、計算用コンピュータ７、制御用コンピュータ８は、焦点位置を補正する制御手段として機能する。まず計算用コンピュータ７によって、サーモパイル型温度差センサ５で検出した温度差の値に基づいて、レーザ光２の焦点距離変化を相殺する加工レンズ３の焦点位置の補正量、その補正のための曲率可変ミラー１６の曲率変化量を算出し、制御用コンピュータ８へ出力する。制御用コンピュータ８は、その結果を受けて、曲率可変ミラー１６の曲率調整装置を駆動し、曲率可変ミラーの曲率を調整する。

　これによりレーザ光２の焦点位置が変化し、被加工物９上でのレーザ光２のビーム径を一定に保ち、安定した加工を達成することができる。
　また、本実施の形態６によれば、特許文献１と異なり、遠赤外線放射温度計を用いないため、安価であり、またレーザ光２の散乱光、被加工物９からの反射光および被加工物９の温度による放射光などの影響での誤動作がなく、安定した加工をすることができる。

　本実施の形態６においては、サーモパイル型温度差センサ５として実施の形態４に示す円周全体で熱電対が連続した構成のものを用いたが、実施の形態５に示す複数の領域ごとに分割したサーモパイル型温度差センサ５Ａも用いることができる。また、曲率可変ミラー１６の種類は特に限定するものではなく、一例として空気圧によりミラーの曲率調整を行うＡＯ０９０／７０ミラー（商品名：クグラー社製）などを用いることができる。

　実施の形態７．
　この発明の実施の形態７に係るレーザ加工装置について、前述の図９を用いて説明する。この発明の実施の形態７に係るレーザ加工装置の構成（一部断面）は、図９に示す通りである。

　レーザ光２は、レーザ光源（図示せず）から曲率調整装置を備えた曲率可変ミラー１６に入射され、折り返しミラー２０を経て集光用のトロイダルミラー１８に照射される。トロイダルミラー１８で反射されたレーザ光２は集光され、被加工物９に照射される。

　一方、レーザ加工時においてはレーザ光２により溶融した被加工物を取り除くためのアシストガスを加工ヘッド内に吹き込むため、レーザ加工装置の他の部分にアシストガスが流れ込まないように、加工ヘッド１とレーザ加工装置本体の間に、レーザ光２の光路中に配置され、レーザ光２を透過する透明部材であるウィンドウ３Ａを設けている。

　アシストガスはアルゴンを用いている。また、ウィンドウ３Ａは、加工レンズ３と同じＺｎＳｅで形成され、ウィンドウホルダ４Ａにより保持されており、ウィンドウ３Ａの折り返しミラー２０側の表面に円周全体で連続して接続されたサーモパイル型温度差センサ５が形成されたポリイミドフィルム４４が貼付されている。

　次に、この発明の実施の形態７による焦点位置の制御手法について説明する。
　レーザ光２はウィンドウ３Ａを透過してトロイダルミラー１８に入射する。その後、反射して集光し、被加工物９上に照射される。ウィンドウ３Ａはレーザ光２をわずかに吸収して温度が上昇し、熱レンズ効果により焦点位置が変化し、被加工物９上のビーム径が変化する。

　そこで、ウィンドウ３Ａ上に形成されたサーモパイル型温度差センサ５によりウィンドウ３Ａ上の所定の位置間の温度差を検出する。制御手段は、図９の矢印で示すように、ミラー面を実線と破線の間で変化させ、曲率を調整することができる曲率可変ミラー１６、計算用コンピュータ７、および制御用コンピュータ８からなり、温度差の検出結果に基づき計算用コンピュータ７がレーザ光２の焦点距離変化を相殺するための曲率可変ミラー１６の曲率変化量を求め、制御用コンピュータ８により曲率可変ミラー１６を調整する。

　これによりレーザ光２の焦点位置が変化し、被加工物９上でのビーム径を一定に保ち、安定した加工を達成することができる。
　また、本実施の形態７によれば、特許文献１と異なり、遠赤外線放射温度計を用いないため、安価であり、またレーザ光２の散乱光、被加工物９からの反射光および被加工物９の温度による放射光などの影響での誤動作がなく、安定した加工をすることができる。

　なお、ウィンドウ３Ａは、トロイダルミラー１８と折り返しミラー２０の間に用いたが、トロイダルミラー１８と被加工物９の間、または折り返しミラー２０と曲率可変ミラー１６の間などに設置することができる。

　また、サーモパイル型温度差センサ５を形成したポリイミドフィルム４４を、ウィンドウ３Ａの折り返しミラー２０側の面に貼付して用いたが、ウィンドウ３Ａ面内の温度差を正確に検出することができればよく、折り返しミラー２０の反対側に貼付して用いることもできる。

　また、トロイダルミラー１８は、レーザ光２を被加工物９上に集光することができればよく、特に限定するものではないが、トロイダルミラー、放物面ミラーなどを用いることができる。さらにアシストガスは特に限定するものではなく、本実施の形態７に用いたアルゴンの他に一般的な不活性ガスを用いることが好ましい。

　さらに、本実施の形態７においては、サーモパイル型温度差センサ５として実施の形態４に示す円周全体で熱電対が連続した構成のものを用いたが、実施の形態５に示す複数の領域ごとに分割したサーモパイル型温度差センサ５Ａも用いることができる。

　実施の形態８．
　この発明の実施の形態８に係るレーザ加工装置について図１５を用いて説明する。
　図１５は、この発明の実施の形態８に係るレーザ加工装置のウィンドウ３Ａの平面図である。

　レーザ加工装置の構成および焦点位置制御手法は、前述の実施の形態７の図９基本的には同じであり、レーザ光２の光路中に設置され、レーザ光２を透過する透明部材であるウィンドウ３Ａの表面に、図１５に示すように、サーモパイル型温度差センサ５が直接形成されている点が異なっている。サーモパイル型温度差センサ５は、ウィンドウ３Ａ上に蒸着法などにより直接形成され、円周全体にわたって熱電対が連続して接続された構造を用いている。

　ウィンドウ３Ａは電位差を検出する端子位置を分かりやすくするため切欠５８を設けており、外形を円形とせず非対称な形状としている。これによりウィンドウ３Ａの設置方向を規定することができ、レーザ加工装置の組み立て、補修などが容易となる。

　このように、ウィンドウ３Ａ上に直接熱電対を形成すると、ウィンドウ３Ａと温度差センサ５との接触状態が安定していることから、より高精度の温度検出が可能となる。
　また、本実施の形態８によれば、特許文献１と異なり、遠赤外線放射温度計を用いないため、安価であり、またレーザ光２の散乱光、被加工物９からの反射光および被加工物９の温度による放射光などの影響での誤動作がなく、安定した加工をすることができる。

　なお、本実施の形態８においては、実施の形態７で示したウィンドウ３Ａ上にサーモパイル型温度差センサ５を直接形成しているが、実施の形態４、実施の形態５、実施の形態６において、加工レンズ３上にサーモパイル型温度差センサ５を直接形成しても同様の効果を得ることができる。

　また、サーモパイル型温度差センサ５として実施の形態４に示す円周全体で熱電対が連続した構成のものを用いたが、実施の形態５に示す複数の領域ごとに分割したサーモパイル型温度差センサ５Ａとしても同様に用いることができる。

　また、上述した各実施の形態１～８において、被加工物９は、たとえば軟鋼やステンレスなどの金属、炭素繊維、樹脂材料である。
　また、上述した各実施の形態１～８においては、計算用コンピュータ７および制御用コンピュータ８として個別のコンピュータを用いたが、両者の機能を一体として有する単独のコンピュータを計算制御用コンピュータとして用いることもできる。

　また、レーザ光源としてＣＯ２レーザを用いたが、レーザの種類は特に限定するものではなく、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。
　この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することができる。

　１　加工ヘッド、２　レーザ光、３　加工レンズ、３Ａ　ウィンドウ、４　レンズホルダ、４Ａ　ウィンドウホルダ、５、５Ａ　温度センサ（サーモパイル型温度差センサ）、６　レンズ駆動装置、７　計算用コンピュータ、８　制御用コンピュータ、９　加工対象、１０　冷却水路、１１　温接点、１２　冷接点、１３　遮蔽板、１６　ミラー駆動装置、１６　曲率可変ミラー、１８　放物面ミラー、１８　トロイダルミラー、２０　折り返しミラー、４４　ポリイミドフィルム、４５、４６　検出用端子、４７、４８　金属配線、５８　切欠。

Claims (28)

1. 　加工対象にレーザ光を集光させる加工レンズと、
   　前記加工レンズの焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
   　前記加工レンズのレーザ光の入射側の中心から径方向に、レーザ光が照射されないレンズ表面に設置され、前記加工レンズの中心からの距離が異なる第１および第２の温度測定点を有し、第１および第２の温度測定点で温度差を検出する接触式の温度センサと、
   　前記温度センサによって検出された温度差に対応する電位差から加工レンズの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、焦点距離補正量を計算して前記焦点距離調整手段に制御信号を出力する制御装置と
   　を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 　前記焦点距離調整手段は、
   　　レーザ光の光軸がレンズ中心を通るように前記加工レンズを保持するレンズホルダと、
   　　前記レンズホルダをレーザ光の光軸方向に移動させるレンズ駆動装置とを含み、
   　前記制御装置は、前記温度センサの第１および第２の温度測定点で検出された温度差に対応する電位差から加工レンズの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、前記焦点距離補正量の代わりに、レンズ位置補正量を計算して前記レンズ駆動装置に制御信号を出力する
   　ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 　前記焦点距離調整手段は、
   　　入射したレーザ光を前記加工レンズへ導く曲率可変ミラーと、
   　　前記曲率可変ミラーの曲率を可変させるミラー駆動装置とを含み、
   　前記制御装置は、前記温度センサの第１および第２の温度測定点で検出された温度差に対応する電位差から加工レンズの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、前記焦点距離補正量の代わりに、曲率変化量を計算して前記ミラー駆動装置に制御信号を出力する
   　ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
4. 　前記加工レンズは、
   　　加工対象にレーザ光を集光させる放物面ミラーあるいはトロイダルミラーと、
   　　前記放物面ミラーあるいはトロイダルミラーの直前または直後に設けられ、レーザ光を通す円形のウィンドウとを含み、
   　前記焦点距離調整手段は、
   　　入射したレーザ光を前記放物面ミラーあるいはトロイダルミラーまたは前記ウィンドウへ導く曲率可変ミラーと、
   　　前記曲率可変ミラーの曲率を可変させるミラー駆動装置とを含み、
   　前記制御装置は、前記温度センサの第１および第２の温度測定点で検出された温度差に対応する電位差からウィンドウの熱レンズの大きさを計算し、計算した熱レンズの大きさに応じて、加工対象に集光されるレーザ光のビーム径が一定になるように、前記焦点距離補正量の代わりに、曲率変化量を計算して前記ミラー駆動装置に制御信号を出力する
   　ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
5. 　前記温度センサは、１つまたは複数の熱電対であり、
   　前記第１の温度測定点は、温接点であり、
   　前記第２の温度測定点は、冷接点である
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 　前記温度センサの第１の温度測定点は、加工レンズ中心またはウィンドウ中心に最も近い位置で、かつ加工レンズ中心またはウィンドウ中心から径方向の距離１０ｍｍ以上の位置である
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
7. 　レーザ光の光軸方向から前記温度センサにレーザ光が照射されないように、前記レンズホルダに遮蔽板を設けた
   　ことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
8. 　加工レンズ中心またはウィンドウ中心から最も近い前記温度センサの第１の温度測定点と最も遠い第２の温度測定点の間では、加工レンズまたはウィンドウに何も接触しないようにした
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
9. 　加工レンズ中心またはウィンドウ中心から最も近い前記温度センサの第１の温度測定点と最も遠い第２の温度測定点の間では、加工レンズまたはウィンドウに接触する断熱材の熱伝導率が０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. 　レーザ光源は、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれかである
    　ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光路中に設置され、前記レーザ光を透過する透明部材と、
    　前記透明部材の中心から第１の距離の前記透明部材の表面と前記第１の距離よりも遠い第２の距離の前記透明部材の表面との間の温度差を検出する接触型の温度差センサと、
    　前記温度差センサにより検出された温度差に基づいて、被加工物上に集光された前記レーザ光のビーム径を一定とするように焦点位置の補正を行う制御手段と、を備えるレーザ加工装置。
12. 　前記温度差センサが、前記第１の距離および前記第２の距離に形成された熱電対である請求項１１に記載のレーザ加工装置。
13. 　前記温度差センサが、前記第１の距離に１個以上配置された前記熱電対の温接点と前記第２の距離に１個以上配置された前記熱電対の冷接点が交互に接続して配列され、前記温接点と前記冷接点の温度差を検出するサーモパイル型温度差センサである請求項１２に記載にレーザ加工装置。
14. 　前記透明部材が前記レーザ光を集光させる加工レンズであり、
    　前記制御手段が前記温度差センサにより検出された前記温度差に基づいて、前記加工レンズと前記被加工物間の距離を調整し、前記加工レンズから出射された前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
15. 　前記制御手段が、前記温度差に対応して、前記加工レンズの熱レンズ効果に起因する前記レーザ光の焦点距離変化を相殺するように、前記加工レンズと前記被加工物間の距離を調整することにより、前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１４に記載のレーザ加工装置。
16. 　前記透明部材が前記加工レンズであり、
    　前記加工レンズに前記レーザ光を導く曲率可変ミラーを備え、
    　前記制御手段が前記温度差センサにより検出された前記温度差に基づいて、前記曲率可変ミラーの曲率を調整し、前記加工レンズから出射された前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
17. 　前記制御手段が、前記温度差に対応して、前記加工レンズの熱レンズ効果に起因する前記レーザ光の焦点距離変化を相殺するように、前記曲率可変ミラーの曲率を調整することにより、前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１６に記載のレーザ加工装置。
18. 　前記透明部材がウィンドウであり、
    　前記レーザ光を集光させる集光ミラーと、
    　前記集光ミラーに前記レーザ光を導く曲率可変ミラーと、を備え、
    　前記制御手段が前記温度差センサにより検出された前記温度差に基づいて、前記曲率可変ミラーの曲率を調整し、前記集光ミラーに反射された前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１１から請求項１４までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
19. 　前記制御手段が、前記温度差に対応して、前記ウィンドウの熱レンズ効果に起因する前記レーザ光の焦点距離変化を相殺するように、前記曲率可変ミラーの曲率を調整することにより、前記レーザ光の焦点位置を補正する請求項１８に記載のレーザ加工装置。
20. 　前記サーモパイル型温度差センサが前記透明部材の表面に直接形成されている請求項１３から請求項１９までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
21. 　前記サーモパイル型温度差センサが絶縁性フィルム上に形成され、当該絶縁性フィルムを介して前記透明部材の表面に取り付けられている請求項１３から請求項２０までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
22. 　前記サーモパイル型温度差センサの一組の隣接する前記温接点と前記冷接点が前記透明部材中心から略同一方向に形成されている請求項１３から請求項２１までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
23. 　前記サーモパイル型温度差センサが複数の領域に分割されている請求項１３から請求項２２までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
24. 　前記サーモパイル型温度差センサが、前記透明部材の中心から１０ｍｍ以上離れて形成されている請求項１３から請求項２３までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
25. 　前記透明部材を前記レーザ光の光路中に保持するホルダを備え、前記ホルダが前記サーモパイル型温度差センサと一定の間隙を保持して対向する遮光板を備える請求項１３から請求項２４までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
26. 　前記透明部材が、前記サーモパイル型温度差センサの前記冷接点よりも外周側でのみ、前記ホルダによって前記レーザ光の光路中に保持されている請求項１３から請求項２５までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
27. 　前記透明部材の中心から前記冷接点までの間で前記透明部材に接触する断熱材を有しており、この断熱材の熱伝導率が０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１３から請求項２６までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
28. 　前記レーザ光源が、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれか１つである請求項１３から請求項２７までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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