CN108602160B - 激光加工机 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工机，其使用激光束对被加工物(W)进行加工，该激光加工机具备：第一棱镜(37)、第二棱镜(47)、第三棱镜(57)及第四棱镜(67)，从所述激光束的光路上游侧依次配置；第一主轴(32)、第二主轴(42)、第三主轴(52)及第四主轴(62)，独立地保持所述第一棱镜(37)、第二棱镜(47)、第三棱镜(57)及第四棱镜(67)；第一保持机构(31)、第二保持机构(41)、第三保持机构(51)及第四保持机构(61)，以分别能够旋转的方式保持所述第一主轴(32)、第二主轴(42)、第三主轴(52)及第四主轴(62)；第一马达(35)、第二马达(45)、第三马达(55)及第四马达(65)，由分别固定于所述第一主轴(32)、第二主轴(42)、第三主轴(52)及第四主轴(62)的转子(35b、45b、55b、65b)以及分别固定于所述第一保持机构(31)、第二保持机构(41)、第三保持机构(51)及第四保持机构(61)的定子(35a、45a、55a、65a)构成；及棱镜移动机构(101、102)，至少移动所述第一棱镜(37)或所述第二棱镜(47)中的至少一个。

Description

激光加工机
技术领域
本发明涉及一种使用激光束对被加工物进行钻孔等加工的激光加工机。
背景技术
激光加工机为通过从激光振荡器振荡规定波长的激光束，并经由聚光透镜对被加工物照射该激光束来熔融(或蒸发)被加工物并进行钻孔等加工的加工机，且为适于精密加工的机床。
在激光加工机中设有用于使激光束的光路位移及偏向的多个棱镜，通过这些多个棱镜，入射于聚光透镜的位置及角度，即经由该聚光透镜照射于被加工物的角度及位置得到控制。并且，通过多个棱镜同步旋转，激光束相对于被加工物在规定的照射角度及照射位置进行回转(轨道回转)，由此在被加工物中形成规定的孔形状及孔径的孔。
如此，在激光加工机中，通过控制激光束的照射轨道(照射角度、照射位置及轨道回转等)，能够得到所希望的加工形状。作为使用多个棱镜控制激光束的照射轨道的技术，例如有专利文献1中所记载的技术。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-167704号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
专利文献1中记载有如下技术：一种使用了四个或六个楔形棱镜的光速旋转器，该光速旋转器通过楔形棱镜之间的相位差来调整激光束的照射角度及照射位置，并通过使该楔形棱镜同步旋转来使激光束进行轨道回转，从而进行钻孔加工。
但是，在专利文献1中，经由齿轮及输送带等将伺服马达的驱动传递给圆筒支承部件，并使嵌合于该圆筒支承部件的楔形棱镜旋转，因此很难使多个楔形棱镜高精度地同步旋转。
并且，在专利文献1中，仅通过楔形棱镜的旋转轴周围的相对相位差来控制激光束的照射角度及照射位置，即使设定(变更)激光束的照射角度或照射位置中的任一个，激光束也会三维地偏向，因此需要复杂的轨道计算。
近年来，推进电子设备等产品的进一步的小型化，在制造这些产品中所使用的组件时，要求更精密且高精度的加工。但是，在专利文献1所记载的技术中，能够高精细地控制激光束的照射轨道，并能够进行精密且高精度的加工。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于高精细地控制激光束的照射轨道。
用于解决技术课题的手段
解决上述课题的第一发明所涉及的激光加工机使用激光束对被加工物进行加工，该激光加工机的特征在于，具备：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜及第四棱镜，从所述激光束的光路上游侧依次配置；第一主轴、第二主轴、第三主轴及第四主轴，分别独立地保持所述第一棱镜、所述第二棱镜、所述第三棱镜及所述第四棱镜；第一保持机构、第二保持机构、第三保持机构及第四保持机构，以分别能够旋转的方式保持所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴；第一马达、第二马达、第三马达及第四马达，由分别固定于所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴的转子以及分别固定于所述第一保持机构、所述第二保持机构、所述第三保持机构及所述第四保持机构的定子构成；以及棱镜移动机构，移动所述第一棱镜或所述第二棱镜中的至少一个，所述第一棱镜与所述第二棱镜为使所通过的所述激光束位移的一对棱镜，所述第三棱镜与所述第四棱镜为使所通过的所述激光束偏向的一对棱镜。
解决上述课题的第二发明所涉及的激光加工机为第一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴分别经由空气静压轴承以能够旋转的方式保持于所述第一保持机构、所述第二保持机构、所述第三保持机构及所述第四保持机构。
解决上述课题的第三发明所涉及的激光加工机为第一或第二发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备：聚光透镜，配置于所述激光束的光路上，且对照射于所述被加工物的所述激光束进行聚光；及透镜移动机构，使所述聚光透镜沿所述激光束的回转中心轴移动。
解决上述课题的第四发明所涉及的激光加工机为第一至第三中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备，像散校正机构，配置于所述激光束的光路上的所述第一棱镜的光路上游侧，且校正所述激光束的像散。
解决上述课题的第五发明所涉及的激光加工机为第四发明所涉及的激光加工机，其特征在于，所述像散校正机构具备一对柱面透镜及一对凹透镜。
解决上述课题的第六发明所涉及的激光加工机为第一至第五中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备，偏振转换机构，配置于所述激光束的光路上的所述第一棱镜的光路上游侧，且转换所述激光束的偏振状态。
解决上述课题的第七发明所涉及的激光加工机为第一至第六中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备，摄像机构，拍摄照射有所述激光束的所述被加工物。
解决上述课题的第八发明所涉及的激光加工机为第一至第七中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备，等离子体产生抑制机构，抑制通过所述激光束加工所述被加工物时的等离子体的产生。
解决上述课题的第九发明所涉及的激光加工机为第一至第八中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，具备，等离子体抽吸机构，抽吸通过所述激光束加工所述被加工物时所产生的等离子体。
解决上述课题的第十发明所涉及的激光加工机为第一至第九中任一发明所涉及的激光加工机，其特征在于，所述激光束为纳秒以下的短脉冲激光。
发明效果
根据第一发明所涉及的激光加工机，通过第一马达及第二马达，第一棱镜及第二棱镜直接(不通过齿轮等间接机构)被旋转驱动，因此不产生基于齿隙等的旋转斑，能够进行精密的同步旋转。并且，通过移动机构，能够控制第一棱镜与第二棱镜之间的距离，即通过第一棱镜及第二棱镜的激光束位移的量，并能够轻松地进行该控制。并且，第一棱镜及第二棱镜位于比第三棱镜及第四棱镜更靠激光束的光路上游侧，因此入射于第三棱镜及第四棱镜的激光束的轨道不会三维地变化(位移)，能够简单地控制第一至第四棱镜。
根据第二发明所涉及的激光加工机，相对于第一至第四保持机构，第一至第四主轴非接触且能够旋转，因此不会产生基于摩擦等的振动，能够提高同步旋转的精度。
根据第三发明所涉及的激光加工机，设为使聚光透镜能够沿激光束的回转中心轴移动，由此能够与被加工物的表面形状等对应地进行移动。因此，无需使被加工物移动(动作)就能够控制聚光透镜与被加工物的距离来进行激光加工。
根据第四发明所涉及的激光加工机，通过像散校正机构，能够校正因激光束的光路上的所有光学元件而产生的激光束的像散。通过校正像散，能够高精度地控制激光束的焦点与形状，因此能够进行精密且高精度的加工。并且，像散校正机构配置于第一棱镜的光路上游侧，因此在使激光束位移及偏向之前，能够相对于始终从相同的轨道入射的激光束进行基于像散校正机构的像散的校正。
根据第五发明所涉及的激光加工机，能够将像散校正机构设为简单的结构。
根据第六发明所涉及的激光加工机，通过偏振转换机构，转换激光束的偏振状态，由此能够与加工形状对应地转换激光束的偏振状态。即，将激光束的偏振状态设为适于加工形状的状态，由此能够进行精密且高精度的加工。
根据第七发明所涉及的激光加工机，通过摄像机构，能够观察激光束的焦点位置的模样。向激光加工的动作反馈该观察，由此能够控制闭环。
根据第八发明所涉及的激光加工机，通过等离子体产生抑制机构抑制等离子体的产生，由此能够抑制基于等离子体的产生的光的吸收及散射，并能够维持稳定的加工精度。
根据第九发明所涉及的激光加工机，抽吸通过等离子体抽吸机构而产生的等离子体，由此能够抑制因等离子体的产生而引起的光的吸收及散射，并维持稳定的加工精度。
根据第十发明所涉及的激光加工机，通过使用纳秒(ns)以下的短脉冲激光，能够进行精密且高精度的激光加工。
附图说明
图1为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头的结构的说明图。
图2A为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头中的第一及第二棱镜单元的结构的说明图。
图2B为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头中的第三及第四棱镜单元的结构的说明图。
图3为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头中的光学***的说明图。
图4为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头中的控制的框图。
图5为表示实施例1所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头中的激光束的焦点位置附近的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的激光加工机的实施例详细地进行说明。理所当然，本发明并不限定于以下实施例，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够进行各种变更。
实施例1
本发明的实施例1所涉及的激光加工机通过相对于被加工物照射激光束来进行钻孔等加工，且具备能够高精度地控制相对于被加工物的激光束的照射轨道的激光加工用光学头。
参考图1至图5对本实施例所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头的结构进行说明。
如图1所示，激光加工用光学头1中设有由激光振荡器10振荡的激光束经由全反射镜20进行导光的多个棱镜单元(第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60)，通过这些第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60的激光束经由分光镜70及聚光透镜80被照射于被加工物(工件)W。
在此，本实施例所涉及的激光加工机能够进行烧蚀加工(基于蒸发的加工)，激光振荡器10作为激光束能够振荡纳秒(ns)以下的短脉冲激光。并且，设置于第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60的光路下游侧的分光镜70反射由激光振荡器10振荡的激光束(特定的波长的光)，并透过其它(与特定的波长不同的波段)波长的光。
第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60从激光束的光路上游侧(在图1中为右侧)依次排列，且激光束依次通过这些第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60，由此入射于聚光透镜80的位置(入射位置dL)及角度(入射角度θL)，即经由聚光透镜80照射于被加工物W的角度(照射角度θW)及位置(照射位置dW)得到控制(参考图5)。
如图1所示，激光加工用光学头1中设有固定于支承架90的第一单元表100及第二单元表110，这些第一及单元表100及第二单元表110以沿激光束的光路的方式相邻配置。
第一单元表100中设有沿激光束的光路延伸的单元移动导轨101，经由该单元移动导轨101，第一棱镜单元30以能够沿X轴方向(在图1中为左右方向)移动的方式被支承。并且，第一单元表100中设有单元移动马达102，若该单元移动马达102被驱动，则第一棱镜单元30沿单元移动导轨101移动。
另一方面，第二单元表110中固定支承有第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60。在第二单元表110上，第二棱镜单元40以与第一棱镜单元30相邻的方式配置于一侧(在图1中为右侧)，第三棱镜单元50以与第二棱镜单元40相邻的方式配置于中央，第四棱镜单元60以与第三棱镜单元50相邻的方式配置于另一侧(图1中为左侧)。
即，第一棱镜单元30经由第一单元表100以能够移动的方式支承于支承架90，相对于此，第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60经由第二单元表110固定支承于支承架90，通过单元移动马达102的驱动，第一棱镜单元30相对于第二棱镜单元40接近/分离。
如图2A所示，第一棱镜单元30大致由作为其外壳的单元外壳31及设置于该单元外壳31内的筒状的主轴32构成。主轴32经由径向空气静压轴承33及止推空气静压轴承34，相对于单元外壳31以能够旋转的方式被支承。另外，主轴32的中心轴与通过全反射镜20反射并入射于第一棱镜单元30的激光束的光路(光轴C)对齐，主轴32围绕以该光轴C为旋转中心的C1轴旋转。
并且，第一棱镜单元30中设有第一旋转马达35。第一旋转马达35由固定于单元外壳31的定子35a及固定于主轴32的转子35b构成。因此，在第一棱镜单元30中，若第一旋转马达35被驱动，则主轴32(转子35b)相对于单元外壳31(定子35a)围绕C1轴旋转。
如图2A及图2B所示，与第一棱镜单元30同样地，在第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60中设有：作为其外壳的单元外壳41、51、61；经由径向空气静压轴承43、53、63及止推空气静压轴承44、54、64，以能够旋转的方式支承于该单元外壳41、51、61内的筒状的主轴42、52、62；及相对于单元外壳41、51、61(定子45a、55a、65a)，用于使主轴42、52、62(转子45b、55b、65b)旋转的第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65。另外，与第一主轴32同样地，主轴42、52、62的中心轴与光轴C对齐，主轴42、52、62围绕以光轴C为旋转中心的C2轴、C3轴、C4轴分别旋转。
如图4所示，本实施例所涉及的激光加工机中设有进行激光加工的控制的NC装置120，激光加工用光学头1中的单元移动马达102及第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65电连接于该NC装置120。
并且，如图1、图2A及图2B所示，第一单元表100中设有用于检测第一棱镜单元30的移动量(X轴方向上的位置)的线性标尺103，第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60中分别设有用于检测主轴32、42、52、62的旋转相位的编码器(第一编码器36、第二编码器46、第三编码器56、第四编码器66)。
这些线性标尺103及第一编码器36、第二编码器46、第三编码器56及第四编码器66电连接于NC装置120，通过线性标尺103检测的第一棱镜单元30的移动量及通过第一编码器36、第二编码器46、第三编码器56及第四编码器66检测的第一主轴32、第二主轴42、第三主轴52及第四主轴62的旋转相位的信息被发送至NC装置120(参考图4)。
并且，NC装置120能够根据这些信息(第一棱镜单元30的移动量及第一主轴32、第二主轴42、第三主轴52及第四主轴62的旋转相位)控制单元移动马达102及第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65。
如图1所示，第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60中分别设有用于使激光束的光路位移或偏向的棱镜(第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67)。第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67分别固定支承于第一棱镜单元30、第二棱镜单元40、第三棱镜单元50及第四棱镜单元60中的主轴32、42、52、62内，且通过第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65的驱动，与主轴32、42、52、62一同围绕C1轴、C2轴、C3轴及C4轴分别旋转(参考图2A及图2B)。
如图3所示，第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67为具有楔形剖面的棱镜，且以一面(正交面)37a、47a、57a、67a与光轴C正交，并且另一面(倾斜面)37b、47b、57b、67b与光轴C倾斜的(不平行或不正交)方式配置。因此，激光束在通过第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67时，被偏向(折射)。
关于第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47，彼此的倾斜面37b、47b以对置的方式配置，激光束通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47，由此各个偏向角(偏角)被抵消而相对于光轴C平行移动(位移)。
激光束被位移的量(位移量)与第一楔形棱镜37和第二楔形棱镜47之间的距离相应地发生变化，且对通过聚光透镜80并被照射于被加工物W的激光束的照射角度θW带来影响(参考图5)。即，通过单元移动马达102的驱动，激光束的位移量，即照射角度θW得到控制。
并且，如图1所示，激光加工用光学头1中设有用于对基于第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束的位移进行零点校正的平行板130。平行板130在第二棱镜单元40的主轴42内，相对于光轴C以能够倾斜的方式设置，且以位于第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的光路下游侧且第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的光路上游侧的方式配置。
因此，通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束与平行板130的倾斜角度相应地被位移之后，入射于第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67。即，在第一楔形棱镜37与第二楔形棱镜47为规定的距离的(第一棱镜单元30位于规定的位置)情况下，使平行板130倾斜来使激光束与光轴C对齐，由此能够对基于第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束的位移进行零点校正。
如图3所示，关于第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67，彼此的正交面57a、67a以对置的方式配置，激光束通过第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67，由此只有组合各个偏向的角度而成的角度(偏角)相对于光轴C偏向(倾斜)。
激光束偏向的角度(偏角)与第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的旋转相位差相应地发生变化，且对通过聚光透镜80并被照射于被加工物W的激光束的照射位置dW带来影响(参考图5)。即，通过第三旋转马达55及第四旋转马达65的驱动，激光束的偏角，即照射位置dW得到控制。
并且，如图1所示，激光加工用光学头1中设有用于将激光束的偏振状态转换为规定的偏振状态(例如，线偏振、圆偏振、椭圆偏振、径向(放射状)偏振、方位(同一圆形)偏振等)的偏振转换元件140。偏振转换元件140安装于第一棱镜单元30中的主轴32内，且以比第一楔形棱镜37更靠光路上游侧的方式配置。
因此，由激光振荡器10振荡的激光束通过全反射镜20被反射，且通过偏振转换元件140被转换为所希望的偏振状态之后，入射于第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67。另外，偏振转换元件140中有与所转换的规定的偏振状态相应的各种偏振转换元件，在激光加工用光学头1中，与对被加工物W进行的加工形状对应地选定一种偏振转换元件140或组合使用多种偏振转换元件140。
并且，也可以代替使用偏振转换元件140或同时使用偏振转换元件140而设置衍射光学元件(未图示)。即，通过使用衍射光学元件，除了能够优化激光束的形状且提高基于激光束的加工精度以外，还能够进行不只圆孔形状以外的加工。
并且，如图1所示，激光加工用光学头1中设有用于校正激光束的像散的像散校正光学元件150。像散校正光学元件150安装于第一棱镜单元30中的主轴32内，且以位于比第一楔形棱镜37更靠光路上游侧的方式配置。
如图3所示，像散校正光学元件150由光路上游侧具有凸部的第一柱面透镜151、光路下游侧具有凹部的第一凹透镜152、光路上游侧具有凹部的第二凹透镜153及光路下游侧具有凸部的第二柱面透镜154从光路上游侧依次配置而成。
激光束的像散通过第一柱面透镜151及第一凹透镜152与第二凹透镜153及第二柱面透镜154之间的距离及相位(C轴周围的旋转相位)的调整而被校正。另外，这些调整经由未图示的机械机构，并通过操作员或NC装置120进行。
如图1所示，激光加工用光学头1中设有安装有聚光透镜80的喷嘴头160、沿Z轴方向以能够滑动的方式支承喷嘴头160的喷嘴体161及使喷嘴头160相对于喷嘴体161滑动的喷嘴移动马达162(参考图4)。因此，若喷嘴移动马达162被驱动，则喷嘴头160及聚光透镜80相对于被加工物W沿Z轴方向移动。即，通过控制喷嘴移动马达162的驱动，能够与被加工物W的表面形状对应地沿Z轴方向移动聚光透镜80，并能够使经由聚光透镜80照射于被加工物W的激光束的焦点位置始终位于被加工物W的表面。
在此，聚光透镜80以其旋转对称轴与后述的激光束的轨道回转中的回转中心轴CL对齐的方式配置，使聚光透镜80移动的Z轴方向为与回转中心轴CL平行的方向(参考图5)。因此，通过聚光透镜80的Z轴方向上的移动，相对于被加工物W的回转中心轴CL不会移动(偏离)。
如图1所示，激光加工用光学头1中设有用于喷出抑制基于激光加工的等离子体的产生的气体(等离子体抑制气体)的气体喷射装置170。气体喷射装置170设置于喷嘴160，等离子体抑制气体向被加工物W中的加工位置(激光束的焦点位置)喷出。因此，能够抑制激光加工中的等离子体的产生，即基于等离子体的产生的光(激光束)的吸收及散射，并使基于激光束的加工精度稳定化。另外，作为等离子体抑制气体，例如可举出氦气等。
并且，也可以代替使用气体喷射装置170或同时使用气体喷射装置170而设置通过激光加工产生的用于抽吸等离子体的等离子体抽吸装置171(在图1中，用双点划线进行图示)。如此，抽吸在激光加工中所产生的等离子体，由此能够抑制基于等离子体的产生的光(激光束)的吸收及散射，并使基于激光束的加工精度稳定化。
并且，如图1所示，激光加工用光学头1中设有用于观察激光束的焦点位置(被加工物W的加工位置)的模样的观察用摄像机180及观察用照明190。从观察用照明190发出的照明光经由全反射镜200、半反射镜210、全反射镜220、放大镜230到达分光镜70。该照明光为与激光束不同的波长(与特定的波长不同的波段的波长)的光，因此能够透过分光镜70。透过分光镜70的照明光经由聚光透镜80照射于被加工物W中的加工位置，并通过该被加工物W反射。通过被加工物W反射的反射光经由聚光透镜80到达分光镜70。该反射光为与激光束不同的波长(与特定的波长不同的波段的波长)的光，因此透过分光镜70，并经由放大镜230、全反射镜220、半反射镜210到达观察用摄像机180。
即，观察用照明190的照明光照射于被加工物W中的加工位置，其模样通过观察用摄像机180被拍摄，由此被加工物W中的加工位置，即激光束的焦点位置被可视化，操作员(或、NC装置120)能够观察(确认)其模样。
基于本实施例所涉及的激光加工机的激光加工通过相对于被固定于未图示的工作台的被加工物W照射激光束来进行，并通过激光加工用光学头1控制激光束的照射轨道。
参考图1至图5对激光加工(在本实施例中为钻孔加工)时的基于激光加工用光学头1的照射轨道的控制进行说明。在钻孔加工时，在激光加工用光学头1中，进行激光束的照射角度θW的设定、激光束的照射位置dW的设定及激光束的轨道回转，由此在被加工物W中形成有规定的形状及内径的孔。
关于激光束的照射角度θW(参考图5)的设定，通过驱动单元移动马达102，并使第一棱镜单元30相对于第二棱镜单元40接近/分离(沿X轴方向移动)来进行(参考图1及图2A)。即，将第一楔形棱镜37与第二楔形棱镜47之间的距设定为规定值，且使通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束移动(平行移动)规定量，并将经由聚光透镜80照射于被加工物的激光束的照射角度θW设定为规定角度。
另外，对于基于第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束的位移，在需要进行零点校正的情况下，调整相对于设置于第二棱镜单元40的平行板130的光轴C的倾斜角度。即，通过单元移动马达102的驱动，使第一棱镜单元30移动至规定位置(将第一楔形棱镜37与第二楔形棱镜47之间的距离设定为规定值)，并使平行板130倾斜来使激光束与光轴C对齐，由此进行零点校正。
关于激光束的照射位置dW(参考图5)的设定，通过驱动第三旋转马达55及第四旋转马达65中的至少一个，并使第三棱镜单元50及第四棱镜单元60中的至少一个围绕C3轴或C4轴旋转来进行(参考图1及图2B)。即，将第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67设定为规定的旋转相位差，且使通过第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的激光束偏向(倾斜)规定的偏角，并将经由聚光透镜80照射于被加工物W的激光束的照射位置dW设定为规定位置。
在此，入射于第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的激光束通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47被位移，但该位移并非为三维位移。这是因为通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47时的激光束的位移量通过第一楔形棱镜37与第二楔形棱镜47之间的距离而得到控制。即，即使在改变激光束的位移量的情况下，激光束相对于光轴C也始终沿相同方向(二维)位移。因此，入射于第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的激光束不会三维地位移，因此相较于现有技术(例如，专利文献1中所记载的技术)，能够简单地进行激光束的轨道计算。
激光束的轨道回转通过在使第一楔形棱镜37与第二楔形棱镜47维持规定的距离，并且使第三楔形棱镜57与第四楔形棱镜67维持规定的旋转相位差的状态下，驱动第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65来进行(参考图1、图2A及图2B)。即，使第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67同步旋转，且使通过第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67入射于聚光透镜80的激光束围绕回转中心轴CL回转，并使经由聚光透镜80照射于被加工物W的激光束的轨道围绕回转中心轴CL回转。如此，通过使在规定的照射角度θW及照射位置dW照射于被加工物W的激光束的轨道围绕回转中心轴CL回回转，能够在被加工物W中形成规定的形状及内径的孔(参考图5)。
在激光加工用光学头1中，固定支承第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的主轴32、42、52、62不经由齿轮等间接机构而被第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65直接驱动(参考图2A及图2B)。因此，能够使主轴32、42、52、62，即第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67高精度地同步旋转。
并且，在激光加工用光学头1中，能够通过编码器36、46、56、66检测主轴32、42、52、62的旋转相位。因此，NC装置120能够根据该编码器36、46、56、66的检测结果，控制主轴32、42、52、62(第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65)即第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67的旋转，并能够使第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67高精度地同步旋转(参考图2A、图2B及图4)。
并且，在激光加工用光学头1中，主轴32、42、52、62经由径向空气静压轴承33、43、53、63及止推空气静压轴承34、44、54、64被支承于各个单元外壳31、41、51、61，且相对于单元外壳31、41、51、61不接触而进行旋转。因此，在主轴32、42、52、62与单元外壳31、41、51、61之间几乎不产生接触阻力，例如相较于使用了滚动轴承等的现有技术，能够抑制旋转时的振动，因此能够使第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67高精度地同步旋转。
并且，本实施例所涉及的激光加工机在激光加工用光学头1中进一步高精细地控制激光束的照射轨道，由此能够相对于被加工物W进行进一步精密且高精度的激光加工。在激光加工用光学头1中，作为激光束的照射轨道的进一步的控制，进行激光束的偏振状态的转换、激光束的像散的校正。
激光束的偏振状态的转换通过与对被加工物W进行加工的形状对应地选定偏振转换元件140，并将其安装于第一棱镜单元30的主轴32来进行(参考图1及图2A)。例如，在对被加工物W进行的加工形状为圆形的情况下，通过偏振转换元件140将激光束的偏振状态转换为圆偏振或径向偏振等，由此能够提高形成于被加工物W的圆孔的圆度。
另外，偏振转换元件140配置于比第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67更靠光路上游侧，激光束始终在相同角度及相同位置入射于偏振转换元件140，因此能够可靠(有效地)地进行基于偏振转换元件140的偏振状态的转换。
激光束的像散的校正通过调整像散校正光学元件150即调整第一柱面透镜151及第一凹透镜152与第二凹透镜153及第二柱面透镜154之间的距离及相位(C轴周围的旋转相位)来进行(参考图1及图3)。即，与基于像散的焦点距离的偏离方向相应地调整第一柱面透镜151及第一凹透镜152与第二凹透镜153及第二柱面透镜154之间的相位，且与基于像散的焦点距离的偏离程度相应地调整第一柱面透镜151及第一凹透镜152与第二凹透镜153及第二柱面透镜154之间的距离，并校正激光束的像散。
另外，像散校正光学元件150配置于比第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67更靠光路上游侧，激光束始终在相同角度及相同位置入射于像散校正光学元件150，因此能够可靠(有效地)地进行基于像散校正光学元件150的像散的校正。
并且，本实施例所涉及的激光加工机在激光加工用光学头1中通过闭环控制来高精细地控制激光束的照射轨道，由此能够相对于被加工物W进行进一步精密且高精度的激光加工。NC装置120中反馈有通过第一编码器36、第二编码器46、第三编码器56、第四编码器66、线性标尺103及观察用摄像机180检测的信息。
通过第一编码器36、第二编码器46、第三编码器56及第四编码器66检测的主轴32、42、52、62的旋转相位的信息发送至NC装置120，由此NC装置120能够高精度地控制第一旋转马达35、第二旋转马达45、第三旋转马达55及第四旋转马达65的动作。通过该控制，主轴32、42、52、62，即第一楔形棱镜37、第二楔形棱镜47、第三楔形棱镜57及第四楔形棱镜67高精度地同步旋转。
通过线性标尺103检测的第一棱镜单元30的移动量(X轴方向上的位置)发送至NC装置120，由此NC装置120能够高精度地控制单元移动马达102的动作。通过该控制，第一棱镜单元30高精度地移动，第一棱镜单元30(第一楔形棱镜37)与第二棱镜单元40(第二楔形棱镜47)之间的距离被高精度地设定，且通过第一楔形棱镜37及第二楔形棱镜47的激光束的位移量，即经由聚光透镜80照射于被加工物的激光束的照射角度θW被高精度地设定。
通过观察用摄像机180检测的激光束的焦点位置的模样发送至NC装置120，由此NC装置120(或操作员)能够确认激光束的照射轨道(照射角度θW、照射位置dW、轨道回转、偏振状态(形成于被加工物W的孔的圆度)、像散)，并能够进行与其状态相应的激光束的照射轨道的控制。通过该控制，激光束的照射轨道被高精细地控制。
并且，NC装置120根据基于观察用摄像机180的撮像，以聚光透镜80与被加工物W的距离D成为恒定的方式，沿Z轴方向滑动喷嘴头160，由此能够与被加工物W的表面形状对应地移动激光束的焦点位置。另外，在被加工物W的表面附加能够识别观察用摄像机180的识别标志(未图示)，由此NC装置120能够以该识别标志为基准，准确地掌握被加工物W的表面形状及加工位置等。
当然，本发明所涉及的激光加工机并不限定于如本实施例那样根据观察用摄像机180的撮像移动喷嘴头160(聚光透镜80)的加工机，例如，也可以根据被加工物W的三维加工数据移动喷嘴头160(聚光透镜80)，并使激光束的焦点位置与被加工物W的表面形状对应。
当然，本发明并不限定于以上说明的实施例，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种变更。例如，也可以在本实施例所涉及的激光加工机所具备的激光加工用光学头1中进一步设置图像旋转器(例如，道威棱镜)。即使在将这种图像旋转器安装于激光加工用光学头1的情况下，也与本实施例同样地，能够高精细地控制激光束的照射轨道，并能够进行精密且高精度的激光加工。
符号说明
1-激光加工用光学头，10-激光振荡器，20-全反射镜，30-第一棱镜单元，31-第一单元外壳(第一保持机构)，32-第一主轴，33-径向空气静压轴承，34-止推空气静压轴承，35-第一旋转马达(第一马达)，35a-第一旋转马达中的定子，35b-第一旋转马达中的转子，36-第一编码器，37-第一楔形棱镜(第一棱镜)，37a-第一楔形棱镜中的平坦面，37b-第一楔形棱镜中的倾斜面，40-第二棱镜单元，41-第二单元外壳(第二保持机构)，42-第二主轴，43-径向空气静压轴承，44-止推空气静压轴承，45-第二旋转马达(第二马达)，45a-第二旋转马达中的定子，45b-第二旋转马达中的转子，46-第二编码器，47-第二楔形棱镜(第二棱镜)，47a-第二楔形棱镜中的平坦面，47b-第二楔形棱镜中的倾斜面，50-第三棱镜单元，51-第三单元外壳(第三保持机构)，52-第三主轴，53-径向空气静压轴承，54-止推空气静压轴承，55-第三旋转马达(第三马达)，55a-第三旋转马达中的定子，55b-第三旋转马达中的转子，56-第三编码器，57-第三楔形棱镜(第三棱镜)，57a-第三楔形棱镜中的平坦面，57b-第三楔形棱镜中的倾斜面，60-第四棱镜单元，61-第四单元外壳(第四保持机构)，62-第四主轴，63-径向空气静压轴承，64-止推空气静压轴承，65-第四旋转马达(第四马达)，65a-第四旋转马达中的定子，65b-第四旋转马达中的转子，66-第四编码器，67-第四楔形棱镜(第四棱镜)，67a-第四楔形棱镜中的平坦面，67b-第四楔形棱镜中的倾斜面，70-分光镜，80-聚光透镜，90-支承架，100-第一单元表，101-单元移动导轨(棱镜移动机构)，102-单元移动马达(棱镜移动机构)，103-线性标尺，110-第二单元表，120-NC装置，130-平行板，140-偏振转换元件(偏振转换机构)，150-像散校正光学元件(像散校正机构)，151-第一柱面透镜，152-第一凹透镜，153-第二柱面透镜，154-第二凹透镜，160-喷嘴头(透镜移动机构)，161-喷嘴体，162-喷嘴移动马达(透镜移动机构)，170-气体喷射装置(等离子体产生抑制机构)，171-气体抽吸装置(等离子体抽吸机构)，180-观察用摄像机(摄像机构)，190-观察用照明(摄像机构)，200-全反射镜，210-半反射镜，220-全反射镜，230-放大镜。

Claims (10)

1.一种激光加工机，其使用激光束对被加工物进行加工，该激光加工机的特征在于，具备：
第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜及第四棱镜，从所述激光束的光路上游侧依次配置；
第一主轴、第二主轴、第三主轴及第四主轴，分别独立地保持所述第一棱镜、所述第二棱镜、所述第三棱镜及所述第四棱镜；
第一保持机构、第二保持机构、第三保持机构及第四保持机构，以分别能够旋转的方式保持所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴；
第一马达、第二马达、第三马达及第四马达，由分别固定于所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴的转子以及分别固定于所述第一保持机构、所述第二保持机构、所述第三保持机构及所述第四保持机构的定子构成；
棱镜移动机构，移动所述第一棱镜或所述第二棱镜中的至少一个；以及
平行板，在所述第二主轴中相对于光轴以能够倾斜的方式设置，且配置于所述第二棱镜的光路下游侧，
所述第一棱镜与所述第二棱镜为使所通过的所述激光束位移的一对棱镜，
所述第三棱镜与所述第四棱镜为使所通过的所述激光束偏向的一对棱镜。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述第一主轴、所述第二主轴、所述第三主轴及所述第四主轴分别经由径向空气静压轴承及止推空气静压轴承以能够旋转的方式保持于所述第一保持机构、所述第二保持机构、所述第三保持机构及所述第四保持机构。
3.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备：
聚光透镜，配置于所述激光束的光路上，且对照射于所述被加工物的所述激光束进行聚光；及
透镜移动机构，使所述聚光透镜沿所述激光束的回转中心轴移动。
4.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备，
像散校正机构，固定于所述第一主轴中的所述第一棱镜的光路上游侧，且校正所述激光束的像散。
5.根据权利要求4所述的激光加工机，其特征在于，
所述像散校正机构具备一对柱面透镜及一对凹透镜。
6.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备，
偏振转换机构，固定于所述第一主轴中的所述第一棱镜的光路上游侧，且转换所述激光束的偏振状态。
7.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备，
摄像机构，拍摄照射有所述激光束的所述被加工物。
8.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备，
等离子体产生抑制机构，抑制通过所述激光束加工所述被加工物时的等离子体的产生。
9.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，具备，
等离子体抽吸机构，抽吸通过所述激光束加工所述被加工物时所产生的等离子体。
10.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述激光束为纳秒以下的短脉冲激光。
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