JP5100827B2 - 加工制御装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物に照射するレーザ光の焦点位置を制御する加工制御装置およびレーザ加工装置に関するものである。

レーザ光を被加工物に照射して被加工物のレーザ加工を行なうレーザ加工装置では、加工レンズでレーザ光を所定の焦点位置に集光し、集光したレーザ光を被加工物に照射している。このようなレーザ加工装置では、加工レンズがレーザ光を吸収することによって、加工レンズの屈折率が変化する。この現象が熱レンズ効果であり、レーザ光の焦点位置を変化させてしまう原因となる。このため、レーザ加工装置では、加工レンズの光軸方向の位置を調整することによって熱レンズ効果による焦点位置のずれを補正し、所望の焦点位置にレーザ光を集光させている。

例えば、特許文献１に記載のレーザ加工装置は、焦点位置のずれを検出するために、被加工物の加工処理を行うエリアとは異なる位置（加工テーブル外）に被検物を配置している。そして、レーザ加工を開始する前に被検物にレーザ光を照射し、被検物の温度上昇に基づいて焦点位置のずれを測定するとともに、この測定結果に基づいてレーザ加工を開始する前に被加工物と加工レンズとの距離を補正している。

また、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、焦点位置のずれを検出するために、加工ノズルに温度検出器を設けている。そして、この温度検出器の測定結果に基づいてレーザ加工を行う際の被加工物と加工レンズとの距離を補正している。

特開昭６３−９３４９１号公報 特開昭６３−９３４９２号公報

しかしながら、上記前者の従来技術では、被検物を用いて焦点位置のずれを補正した後にレーザ加工を開始するので、レーザ加工中に発生する焦点位置のずれをリアルタイムに検出することができなかった。このため、焦点位置のずれを正確に補正しながらのレーザ加工はできないという問題があった。

また、上記後者の従来技術では、加工ノズルの構成が複雑になるという問題があった。また、温度検出器が加工レンズから離れた位置に配置されているのでレーザ加工中に発生する焦点位置のずれを正確に検出することができなかった。このため、焦点位置のずれを正確に補正しながらのレーザ加工はできないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被加工物に照射するレーザ光の焦点位置を正確に制御することができる加工制御装置およびレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ加工装置が加工レンズによってレーザ光を所定の焦点位置に集光して被加工物のレーザ加工を行なう際の前記レーザ光の焦点位置を制御する加工制御装置において、レーザ加工中に変化する前記レーザ光の出力の大きさに基づいて、レーザ光の照射位置でレーザ加工中に変化する光軸方向の焦点位置の位置ずれの変化量を算出する算出部と、前記算出部が算出した位置ずれの変化量に基づいて、前記焦点位置の位置ずれを解消するようレーザ加工中の前記レーザ光の焦点位置を制御する焦点位置制御部と、を備え、前記算出部は、前記レーザ光の出力の大きさを用いて前記レーザ光の単位面積当たりのビーム強度を算出するとともに、算出した単位面積当たりのビーム強度と、外部入力される前記加工レンズの熱吸収率と、を用いて前記位置ずれの変化量を算出することを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光の出力の大きさを用いてレーザ光の単位面積当たりのビーム強度を算出するとともに、算出した単位面積当たりのビーム強度と、外部入力される加工レンズの熱吸収率と、を用いて焦点位置の位置ずれの変化量を算出するので、被加工物に照射するレーザ光の焦点位置を正確に制御することが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る加工制御装置およびレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器（レーザ光出力部）１、ＰＲ（Partial Reflection）ミラー２、ベンドミラー３、ビーム最適化ユニット４、ベンドミラー５，６、加工レンズ７を含んで構成されている。

レーザ発振器１は、ＣＯ２レーザなどのレーザ光（ビーム光）を発振させる装置であり、レーザ加工の際にはレーザ出力を種々変化させながらレーザ光を出射する。ＰＲミラー（部分反射鏡）２は、レーザ発振器１が出射するレーザ光を部分反射させてベンドミラー３へ導く。ベンドミラー（ビーム角度変化用ミラー）３は、ＰＲミラー２から送られてくるレーザ光のビーム角度を変えてビーム最適化ユニット４へ導く。

ビーム最適化ユニット（ビーム径変更装置）４は、ベンドミラー３から送られてくるレーザ光のビーム径（直径）を調整してベンドミラー５へ送る。ベンドミラー５，６は、ビーム角度変化用のミラーである。ベンドミラー５は、ビーム最適化ユニット４から送られてくるレーザ光のビーム角度を水平方向に偏向してベンドミラー６に送る。ベンドミラー６は、ベンドミラー５から送られてくるレーザ光のビーム角度を垂直下方に偏向して加工レンズ７に送る。ベンドミラー５とベンドミラー６の間には、図示しない偏光を変化させるミラーが装着される。

加工レンズ７は、ベンドミラー６からのレーザ光を小さなスポット径に集光して被加工物９に照射する。本実施の形態の加工レンズ７は、レーザ発振器１から出力されるレーザ光のパワー（レーザ光の設定出力）の大きさ等に応じて焦点位置が調整される。レーザ光の設定出力はレーザ加工中に種々変化するので、レーザ加工装置１００は、レーザ加工の間、加工レンズ７の位置をレーザ光の設定出力に応じて種々変化させる。これにより、レーザ加工装置１００は、熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれを補正しながら被加工物９のレーザ加工を行なう。レーザ加工装置１００での熱レンズ効果は、ＰＲミラー２や加工レンズ７の熱吸収に起因して生じる。したがって、本実施の形態では、ＰＲミラー２や加工レンズ７の熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれを解消するよう、加工レンズ７の位置を調整する。被加工物９は、図示しない加工テーブル上に載置されており、この加工テーブル上でレーザ加工される。

図２は、加工レンズを備えた加工ヘッドの構成を示す概略図である。加工ヘッド１０は、レンズ保持筒１１、加工レンズ７、レンズ保持スペーサ１３、加工ノズル１４を有している。

レンズ保持筒１１は、加工レンズ７、レンズ保持スペーサ１３を格納する筐体であり、光軸と筒軸とが同じになるようレンズ保持筒１１がレーザ加工装置１００の本体に取り付けられる。

加工レンズ７は、概略円板状をなしており、その主面が光軸方向（焦点深度方向）と垂直な方向となるよう、レンズ保持筒１１内に設置される。加工レンズ７は、レンズ保持筒１１内で筒軸方向に移動自在なよう取り付けられている。

レンズ保持スペーサ１３は、レンズ保持筒１１と加工レンズ７の間に配設されて、レンズ保持筒１１内の所定の位置に加工レンズ７を固定する。レンズ保持スペーサ１３は、加工レンズ７の側面を囲うよう配設され、後述する固定板１６Ａ，１６Ｂなどを介してレンズ保持筒１１の内壁面側と当接する。加工ノズル１４は、レンズ保持筒１１の下部側に配設されており、加工レンズ７を介して送られてくるレーザ光を被加工物９側へ照射する。

図２において、２点鎖線で示す光路Ａは、通常使用時の光路であり、破線で示す光路Ｂは、熱レンズ効果が発生した場合の光路である。通常使用時には、焦点位置が被加工物９の表面近傍（所望の加工位置）に設定される。一方、熱レンズ効果が発生した場合には、焦点位置が所望の加工位置からずれることとなる。本実施の形態では、熱レンズ効果が発生した場合であっても、レーザ加工装置１００が焦点位置のずれ量（焦点位置ずれ量ｚ）に応じた光軸方向の位置に加工レンズ７を移動させて焦点位置の補正を行う。具体的には、レーザ加工装置１００は、焦点位置ずれ量ｚの変化量（焦点位置変化量Δｚ）と同じ距離である位置補正値ｈ（調整量）だけ加工レンズ７を移動（位置補正）させることによって、熱レンズ効果が発生していない場合と同じ焦点位置にレーザ光を集光させる。レーザ加工装置１００は、レーザ加工中に変化する焦点位置変化量Δｚに応じて位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させながら、被加工物９のレーザ加工を行なっていく。なお、ここでの焦点位置変化量Δｚが特許請求の範囲に記載の位置ずれの変化量に対応する。

図３は、加工ヘッド内での加工レンズの移動動作を説明するための図である。同図に示すように、加工ヘッド１０は、その内部にガイドロッド（上下案内シャフト）１５を有している。ガイドロッド１５は、長手方向がレーザ光の光軸方向となるよう、加工ヘッド１０内に取り付けられている。なお、図３では、ガイドロッド１５が２本である場合について説明したが、ガイドロッド１５は３本以上であってもよい。

加工レンズ７は、上面側がレンズ保持スペーサ１３を介して固定板１６Ａと当接するとともに下面側がレンズ保持スペーサ１３を介して固定板１６Ｂと当接しており、固定板１６Ａ，１６Ｂによって固定されている。固定板１６Ａは、レーザ光が加工レンズ７に入射する箇所に加工レンズ７の上面よりも大きさな穴が開けられた円板状をなしており、レーザ光の加工レンズ７への入射を妨げることはない。固定板１６Ｂは、レーザ光が加工レンズ７から出射する箇所に加工レンズ７の下面よりも大きな穴が開けられた円板状をなしており、レーザ光の加工レンズ７からの出射を妨げることはない。

固定板１６Ａ，１６Ｂは、外周部にガイドロッド１５を貫通させる貫通穴が設けられており、ガイドロッド１５の配置方向（長手方向）に沿って上下に移動する。また、固定板１６Ａ，１６Ｂは、ボールネジ１８に螺合されている。ボールネジ１８は、ステッピングモータ１７によって回転させられる。ステッピングモータ１７が回転すると、ボールネジ１８が回転し、固定板１６Ａ，１６Ｂがガイドロッド１５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。

図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の機能ブロック図である。レーザ加工装置１００は、レーザ加工機構３００と加工制御装置２００を有している。レーザ加工機構３００は、レーザ発振器１、加工ヘッド１０、駆動部４０などを含んで構成されており、加工制御装置２００からの指令に基づいて被加工物９のレーザ加工を行なう。

レーザ加工機構３００は、熱レンズ効果を生じさせる要素（情報）のうちレーザ加工機構３００で取得できる情報を、熱レンズ情報３１として加工制御装置２００に送る。この熱レンズ情報３１は、レーザ加工時のレーザ加工機構３００の状態に関する情報であり、レーザ発振器１に設定されるレーザ光の出力（設定出力Ｐ）、加工レンズ７の焦点距離ｆ、ビーム最適化ユニット４への設定値（ビーム径の設定値）（以下、ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOという）などである。設定出力Ｐは、加工プログラム（加工条件）に従ってレーザ加工中に変化する値である。また、焦点距離ｆは加工レンズ７の種類（直径など）によって決まる値でありレーザ加工中に変化しない固定値である。ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOは、被加工物９に照射するビーム径を変化させながらレーザ加工を行う場合にはレーザ加工中に変化する値であり、被加工物９に照射するビーム径を固定してレーザ加工を行う場合にはレーザ加工中に変化しない固定値である。

駆動部４０は、加工制御装置２００から送られてくる加工レンズ７の位置を調整するための指令（レンズ位置補正指令）に従って加工ヘッド１０内で加工レンズ７の光軸方向の位置を調整する。駆動部４０は、加工レンズ７の位置を調整する際の基準の位置を加工レンズ７の現在位置とし、この現在位置から位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させる。

加工制御装置２００は、熱レンズ効果に応じた焦点位置変化量Δｚを算出し、焦点位置変化量Δｚに対応するレンズ位置補正指令（位置補正値ｈ）をレーザ加工機構３００に送る。加工制御装置２００は、レーザ加工機構３００にレンズ位置補正指令を送ることによって加工レンズ７の光軸方向の位置を制御する。

加工制御装置２００は、設定情報入力部２１、算出部２２、制御部（焦点位置制御部）２３を有している。設定情報入力部２１は、マウスやキーボードを備えて構成され、熱レンズ効果の発生要因に関する情報が設定情報３２として使用者に入力される。設定情報３２は、レーザ加工装置１００の使用状況などによって変化する情報であり、例えば月に１回などの使用者の所望のタイミングで変更してもよい情報である。また、設定情報３２は、レーザ加工を開始する前に予め入力しておく情報であり、レーザ加工中に変化しない固定値である。

設定情報３２は、加工条件に関する情報であり、例えば加工レンズ７の熱吸収率Ａｗ、ＰＲミラー２の熱吸収率Ａｐ、焦点変化の時定数τ、被加工物９に照射されるレーザ光のビーム径ωである。なお、ビーム径ωは、設定情報入力部２１から入力してもよいし、算出部２２によって算出してもよい。以下では、算出部２２がビーム径ωを算出する場合について説明する。

加工レンズ７の熱吸収率Ａｗは、例えば０．１６〜０．２５（％）内に設定され、ＰＲミラー２の熱吸収率Ａｐは、例えば０．０７〜０．１５（％）に設定される。焦点変化の時定数τは、焦点位置を変化させる際の焦点位置の変化速度である。ビーム径ωは、被加工物９に照射するレーザ光のビーム径であり、所定の算出式を用いて算出される。

算出部２２は、設定情報入力部２１に入力された設定情報３２と、レーザ加工機構３００からの熱レンズ情報３１と、を用いて焦点位置変化量Δｚを算出する。算出部２２は、算出した焦点位置変化量Δｚを制御部２３に送る。

算出部２２は、例えば以下に示す式（１）を用いて焦点位置変化量Δｚを算出する。
Δｚ＝（α×Ａｗ×Ｐ／ω²−ｚ）×Δｔ／τ・・・（１）
式（１）に示すように、焦点位置変化量Δｚは、加工レンズ７の熱吸収率Ａｗと、単位面積当たりのビーム強度（Ｐ／ω²）に依存している。式（１）において、αは定数である。ω²は、設定出力Ｐ、ＰＲミラー２の熱吸収率Ａｐ、ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AO、加工レンズ７の焦点距離ｆに依存する値である。そして、ω²を決定するためのこれら４つの要素のうち、設定出力Ｐには多項式を用いる。したがって、使用者は、上述した４つの値を設定情報入力部２１に入力しておく。これにより、算出部２２がω²を算出し、このω²を用いて焦点位置変化量Δｚを算出する。

制御部２３は、算出部２２からの焦点位置変化量Δｚに対応するレンズ位置補正指令（位置補正値ｈ）をレーザ加工機構３００に送ることによって、加工レンズ７の光軸方向の位置を調整する。

なお、設定情報３２は、使用者によって入力される値を使用することとしたが、所定のデフォルト値を用いてもよい。例えば、加工レンズ７の熱吸収率Ａｗのデフォルト値として０．１２（％）を設定するとともに、ＰＲミラー２の熱吸収率Ａｐのデフォルト値として０．１５（％）を設定しておき、これらのデフォルト値をそれぞれ加工レンズ７の熱吸収率Ａｗ、ＰＲミラー２の熱吸収率Ａｐとする。また、焦点変化の時定数τに所定のデフォルト値を用いてもよい。

つぎに、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の動作手順について説明する。図５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の動作手順を示すフローチャートである。レーザ加工を開始する前に、使用者によって設定情報入力部２１から設定情報３２が入力される（ステップＳ１０）。この設定情報３２は、設定情報入力部２１から算出部２２に入力される。

また、レーザ加工装置１００に取り付けられた加工ヘッド１０に基づいて、焦点距離ｆが判断される。例えば、レーザ加工装置１００に加工ヘッド１０と焦点距離ｆとの対応関係を示す情報テーブルを記憶させておき、レーザ加工装置１００が、この情報テーブルから加工ヘッド１０に応じた焦点距離ｆを抽出する。また、ビーム最適化ユニット４には、使用者によってビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOが設定される。

レーザ加工を開始すると、レーザ発振器１から出射されるレーザ光の現在のレーザ出力として設定出力Ｐが加工プログラムなどから読み出される（ステップＳ２０）。そして、設定出力Ｐ、焦点距離ｆ、ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOを含んだ現在の熱レンズ情報３１がレーザ加工機構３００から算出部２２に入力される（ステップＳ３０）。

なお、レーザ加工機構３００は、焦点距離ｆを加工開始後の最初の１度だけ算出部２２に入力することとしてもよい。この場合、レーザ加工を開始して、最初の熱レンズ情報３１を算出部２２に入力する際にのみ、熱レンズ情報３１に焦点距離ｆを含めておく。そして、レーザ加工を開始して２回目以降に算出部２２に入力する熱レンズ情報３１には焦点距離ｆを含めない。

また、加工中にビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOが変化しない場合には、レーザ加工機構３００は、ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOを加工開始後の最初の１度だけ算出部２２に入力することとしてもよい。この場合、レーザ加工を開始して、最初の熱レンズ情報３１を算出部２２に入力する際にのみ、熱レンズ情報３１にビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOを含めておく。そして、レーザ加工を開始して２回目以降に算出部２２に入力する熱レンズ情報３１にはビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOを含めない。

一方、加工中にビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOが変化する場合には、レーザ加工機構３００は、算出部２２に入力する全ての熱レンズ情報３１にビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOと設定出力Ｐを含めておく。この場合、ビーム最適化ユニット設定値Ｄ_AOは、加工プログラムから読み出されて熱レンズ情報３１内に含められる。

算出部２２は、設定情報３２と熱レンズ情報３１を用いて焦点位置変化量Δｚを算出し（ステップＳ４０）、算出結果を制御部２３に送る。制御部２３は、焦点位置変化量Δｚに対応する距離だけ加工レンズ７を移動させるためのレンズ位置補正指令（位置補正値ｈ）をレーザ加工機構３００（加工ヘッド１０）に送る（ステップＳ５０）。このレンズ位置補正指令は、レーザ加工機構３００の駆動部４０に送られる。

駆動部４０は、加工レンズ７の現在位置から位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させる（ステップＳ６０）。具体的には、ｎ（ｎは自然数）回目時点での焦点位置ずれ量ｚがＺｎであり、（ｎ＋１）回目時点での焦点位置ずれ量ｚがＺ（ｎ＋１）である場合、（ｎ＋１）回目の焦点位置補正の際に、加工レンズ７は（Ｚ（ｎ＋１）−Ｚｎ）＝Δｚ＝ｈだけ移動させられることとなる。

駆動部４０は、位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させたか否かを確認する（ステップＳ７０）。位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させていない場合（ステップＳ７０、Ｎｏ）、駆動部４０は、ステップＳ６０，Ｓ７０の処理を繰り返す。位置補正値ｈだけ加工レンズ７を移動させると（ステップＳ７０、Ｙｅｓ）、駆動部４０は、移動の完了を加工制御装置２００に通知する（ステップＳ８０）。この後、レーザ加工が完了していなければ（ステップＳ９０、Ｎｏ）、レーザ加工装置１００はレーザ加工が完了するまでステップＳ２０〜Ｓ９０の処理を繰り返す。

図６は加工中のレーザ光の設定出力Ｐの変化の一例を示す図であり、図７は加工中の焦点位置ずれ量の変化の一例を示す図である。図６に示すグラフの縦軸は設定出力Ｐ（Ｗ）であり、横軸は加工時間（ｓｅｃ）である。また、図７に示すグラフの縦軸は焦点位置ずれ量ｚ（ｍｍ）であり、横軸は加工時間（ｓｅｃ）である。図７に示す焦点位置ずれ量ｚは、図６に示す設定出力Ｐに応じて変化していく。

図６に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光の出射オンと出射オフとを繰り返すよう種々の設定出力Ｐが設定されている。そして、設定出力Ｐの変化に伴って焦点位置ずれ量ｚが変化していく。換言すると、レーザ加工装置１００では、レーザ加工中に焦点位置変化量Δｚを算出していくことにより、結果として図７に示す焦点位置ずれ量ｚの履歴を得ることができる。本実施の形態では、この焦点位置ずれ量ｚを解消するよう、加工レンズ７を移動させることにって熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれを補正している。これにより、熱吸収率が０に近い加工レンズ７やＰＲミラー２を用いることなく、所望の焦点位置にレーザ光を集光させることが可能となる。したがって、被加工物９のレーザ加工を低コストで行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、レーザ加工を行ないながら焦点位置変化量Δｚを算出し、加工レンズ７の位置を補正する場合について説明したが、レーザ加工を開始する前に予め加工プログラム、熱レンズ情報３１、設定情報３２などに基づいて加工時間毎の焦点位置変化量Δｚを算出しておいてもよい。

このように実施の形態１によれば、設定出力Ｐなどに基づいて加工レンズ７の光軸方向の位置を制御するので、レーザ加工中に発生する焦点位置のずれを正確に解消することが可能となる。したがって、簡易な構成で形状精度の良いレーザ加工を行うことが可能となる。

実施の形態２．
つぎに、図８〜図１０を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、設定出力Ｐなどに基づいてベンドミラー６が焦点位置を制御する。具体的には、本実施の形態のベンドミラー６は、レーザ発振器１から出力されるレーザ光のパワーの大きさ等に応じて曲率が調整される。レーザ光の設定出力はレーザ加工中に種々変化するので、レーザ加工装置１００は、レーザ加工の間、ベンドミラー６の曲率をレーザ光の設定出力に応じて種々変化させる。これにより、レーザ加工装置１００は、熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれを補正しながら被加工物９のレーザ加工を行なう。レーザ加工装置１００での熱レンズ効果は、ＰＲミラー２や加工レンズ７の熱吸収に起因して生じる。したがって、本実施の形態では、ＰＲミラー２や加工レンズ７の熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれを解消するよう、ベンドミラー６の曲率を制御（調整）する。以下、実施の形態２に係るレーザ加工装置の機能構成と動作手順について説明する。

図８は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の機能ブロック図である。図８の各構成要素のうち図４に示す実施の形態１のレーザ加工装置１００と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。レーザ加工装置１００は、レーザ加工機構３００と加工制御装置２００を有している。レーザ加工機構３００は、レーザ発振器１、ベンドミラー６、駆動部４０などを含んで構成されており、加工制御装置２００からの指令に基づいて被加工物９のレーザ加工を行なう。

駆動部４１は、加工制御装置２００から送られてくるベンドミラー６の曲率を調整するための指令（曲率補正指令）に従ってベンドミラー６の曲率を調整する。駆動部４１は、ベンドミラー６の曲率を調整する際の基準の位置をベンドミラー６の現在の曲率とし、この曲率から曲率補正値ｉだけベンドミラー６の曲率を変化させる。

加工制御装置２００は、熱レンズ効果に応じた焦点位置変化量Δｚを算出し、焦点位置変化量Δｚに対応する曲率補正指令（曲率補正値ｉ）をレーザ加工機構３００に送る。本実施の形態の加工制御装置２００は、レーザ加工機構３００に曲率補正指令を送ることによってベンドミラー６の曲率を制御する。具体的には、制御部２３は、算出部２２からの焦点位置変化量Δｚに対応する曲率補正指令（曲率補正値ｉ）をレーザ加工機構３００に送ることによって、ベンドミラー６の曲率を調整し、これにより被加工物９に集光させるレーザ光の焦点位置を補正する。

ここで、曲率可変なベンドミラー６（曲率可変反射鏡）の構成の一例について説明する。本実施の形態のベンドミラー６は、例えばエアー、水等の流体圧力により曲率を可変できるレーザ光反射部材と、反射部材支持部と、流体供給手段と、流体供給圧力を段階的又は連続的に切り換える手段と、流体排出手段と、を含んで構成されている。

レーザ光反射部材は、レーザ光の光路に設けられるとともに、流体圧力によって弾性変形する。反射部材支持部は、レーザ光反射部材の周囲部を支持しレーザ光反射部材とともにレーザ光反射面の反対側に空間を形成する。流体供給手段は、反射部材支持部の空間に流体を供給し、流体排出手段は、反射部材支持部の空間から流体を排出する。

ベンドミラー６では、レーザ光反射部材と反射部材支持部とによって形成される空間を、流体供給経路と流体排出経路を除いて密閉構造としている。そして、レーザ光反射面の反対側にレーザ光反射部材が弾性変形するのに要する流体圧力がかけられる。この流体圧力の変化によって、ベンドミラー６のレーザ光反射部材は、その表面が凸面または凹面に変形して曲率が変化する。

つぎに、実施の形態２に係るレーザ加工装置１００の動作手順について説明する。図９は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、図５で説明した実施の形態２に係るレーザ加工装置１００と同様の動作を行なう手順についてはその説明を省略する。

レーザ加工装置１００は、焦点位置変化量Δｚを算出する処理までは、実施の形態１のレーザ加工装置１００と同様の処理を行なう。なお、図９に示したステップＳ１１０〜１４０の処理は、図５に示したステップＳ１０〜４０の処理に対応している。

算出部２２は、設定情報３２と熱レンズ情報３１（設定出力Ｐなど）を用いて算出した焦点位置変化量Δ（算出結果）を制御部２３に送る。制御部２３は、焦点位置変化量Δｚに対応する曲率だけベンドミラー６を移動させるための曲率補正指令（曲率補正値ｉ）をレーザ加工機構３００に送る（ステップＳ１５０）。この曲率位置補正指令は、レーザ加工機構３００の駆動部４１に送られる。

駆動部４１は、ベンドミラー６の現在の曲率から曲率補正値ｉだけベンドミラー６の曲率を変化させる（ステップＳ１６０）。具体的には、ｍ（ｍは自然数）回目時点での焦点位置ずれ量ｚがＺｍであり、（ｍ＋１）回目時点での焦点位置ずれ量ｚがＺ（ｍ＋１）である場合、（ｍ＋１）回目の焦点位置補正の際に、（Ｚ（ｍ＋１）−Ｚｍ）だけ焦点位置が変化するようベンドミラー６の曲率が変化させられる。

駆動部４１は、曲率補正値ｉだけベンドミラー６の曲率を変化させたか否かを確認する（ステップＳ１７０）。曲率補正値ｉだけベンドミラー６の曲率を変化させていない場合（ステップＳ１７０、Ｎｏ）、駆動部４１は、ステップＳ１６０，Ｓ１７０の処理を繰り返す。曲率補正値ｉだけベンドミラー６の曲率を変化させると（ステップＳ１７０、Ｙｅｓ）、駆動部４１は、曲率変化の完了を加工制御装置２００に通知する（ステップＳ１８０）。

ここで、ベンドミラー６の曲率変化と焦点位置の変化の関係について説明する。図１０は、ベンドミラーの曲率変化と焦点位置の変化の関係を説明するための図である。図１０の左側は、ベンドミラー６が凸面である場合を示し、図１０の右側は、ベンドミラー６が凹面である場合を示している。

凸面のベンドミラー６を介して被加工物９に照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光が被加工物９に照射される場合よりも、焦点位置が長くなる。凹面のベンドミラー６を介して被加工物９に照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光が被加工物９に照射される場合よりも、焦点位置が短くなる。

このように、本実施の形態では、ベンドミラー６の曲率を変化させることによって、加工レンズ７の位置を変化させた場合と同様に、被加工物９に照射するレーザ光の焦点位置を変化させることが可能となる。

駆動部４１が曲率変化の完了を加工制御装置２００に通知した後、レーザ加工が完了していなければ（ステップＳ１９０、Ｎｏ）、レーザ加工装置１００はレーザ加工が完了するまでステップＳ１２０〜Ｓ１９０の処理を繰り返す。

このように、実施の形態２によれば、設定出力Ｐなどに基づいてベンドミラー６の曲率を制御するので、レーザ加工中に発生する焦点位置のずれを正確に解消することが可能となる。したがって、簡易な構成で形状精度の良いレーザ加工を行うことが可能となる。

以上のように、本発明に係る加工制御装置およびレーザ加工装置は、被加工物に照射するレーザ光の焦点位置の制御に適している。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 図２は、加工レンズを備えた加工ヘッドの構成を示す概略図である。 図３は、加工ヘッド内での加工レンズの移動動作を説明するための図である。 図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の機能ブロック図である。 図５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の動作手順を示すフローチャートである。 図６は、加工中のレーザ光の設定出力の変化の一例を示す図である。 図７は、加工中の焦点位置ずれ量の変化の一例を示す図である。 図８は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の機能ブロック図である。 図９は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の動作手順を示すフローチャートである。 図１０は、ベンドミラーの曲率変化と焦点位置の変化の関係を説明するための図である。

１ レーザ発振器
２ ミラー
３ ベンドミラー
４ ビーム最適化ユニット
５，６ ベンドミラー
７ 加工レンズ
９ 被加工物
１０ 加工ヘッド
１１ レンズ保持筒
１３ レンズ保持スペーサ
１４ 加工ノズル
２１ 設定情報入力部
２２ 算出部
２３ 制御部
３１ 熱レンズ情報
３２ 設定情報
４０，４１ 駆動部
１００ レーザ加工装置
２００ 加工制御装置
３００ レーザ加工機構

Claims (4)

1. レーザ加工装置が加工レンズによってレーザ光を所定の焦点位置に集光して被加工物のレーザ加工を行なう際の前記レーザ光の焦点位置を制御する加工制御装置において、
   レーザ加工中に変化する前記レーザ光の出力の大きさに基づいて、レーザ光の照射位置でレーザ加工中に変化する光軸方向の焦点位置の位置ずれの変化量を算出する算出部と、
   前記算出部が算出した位置ずれの変化量に基づいて、前記焦点位置の位置ずれを解消するようレーザ加工中の前記レーザ光の焦点位置を制御する焦点位置制御部と、
   を備え、
   前記算出部は、前記レーザ光の出力の大きさを用いて前記レーザ光の単位面積当たりのビーム強度を算出するとともに、算出した単位面積当たりのビーム強度と、外部入力される前記加工レンズの熱吸収率と、を用いて前記位置ずれの変化量を算出することを特徴とする加工制御装置。
2. 前記焦点位置制御部は、レーザ加工中の前記加工レンズの光軸方向の位置を制御することによって、前記レーザ光の焦点位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の加工制御装置。
3. 前記レーザ加工装置は、
   前記レーザ光を前記加工レンズへ導くベンドミラーを備え、
   前記焦点位置制御部は、レーザ加工中の前記ベンドミラーの曲率を制御することによって、前記レーザ光の焦点位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の加工制御装置。
4. レーザ光の焦点位置を制御することによって前記レーザ光を所定の焦点位置に集光して被加工物のレーザ加工を行なうレーザ加工装置において、
   前記レーザ光を所定の焦点位置に集光する加工レンズと、
   前記レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
   レーザ加工中に変化する前記レーザ光の出力の大きさに基づいて、レーザ光の照射位置でレーザ加工中に変化する光軸方向の焦点位置の位置ずれの変化量を算出する算出部と、
   前記算出部が算出した位置ずれの変化量に基づいて、前記焦点位置の位置ずれを解消するようレーザ加工中の前記レーザ光の焦点位置を制御する焦点位置制御部と、
   を備え、
   前記算出部は、前記レーザ光の出力の大きさを用いて前記レーザ光の単位面積当たりのビーム強度を算出するとともに、算出した単位面積当たりのビーム強度と、外部入力される前記加工レンズの熱吸収率と、を用いて前記位置ずれの変化量を算出することを特徴とするレーザ加工装置。

Images