JP5401374B2 - レーザー加工装置 - Google Patents
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従来、レーザー光の光軸位置を確認する場合には、レーザー光が通過するレーザー経路に石膏ボードや耐火煉瓦等を配設し、この石膏ボードや耐火煉瓦等にレーザー光を照射し、焼き付き、燃焼及び赤熱位置等を確認していた。このようにしてレーザー光の光軸位置を確認し、光軸位置にズレが認められた場合には、ミラー部材やレンズ部材の位置を調整し、再度、石膏ボードや耐火煉瓦等によって光軸位置の確認を行っていた。
さらに、石膏ボードや耐火煉瓦等にレーザー光を照射し、焼き付き、燃焼及び赤熱位置を確認することから、レーザー加工装置内において、ミスト、ゴミ、煙等が発生することになり、これらミスト、ゴミ、煙等がレンズ部材やミラー部材等に付着してしまい、レンズ部材やミラー部材の部材が劣化してしまうおそれがあった。
レーザー光制御部は、レーザー光の進行方向を変化させ、レーザー光を加工ヘッド側に伝送するか否かを制御するものである。このレーザー光制御部に対してレーザー光が入射する際に光軸位置が変動していた場合には、上述の制御を精度良く行うことができなくなってしまう。また、レーザー光制御部から放出されるレーザー光の方向によって、レーザー光を加工ヘッド側に伝送するか否かが制御されることから、レーザー光が適正方向に偏向されていることを確認することが重要となる。よって、レーザー光制御部のレーザー光の入口と出口とに測温ユニットを配設することによって、レーザー光を精度良く制御することが可能となり、レーザー加工を安定して行うことができる。
また、前記レーザー光の入口と出口とでそれぞれ光軸位置を検出することにより、レーザー光制御部に対するレーザー光の進行方向を確認することができる。
さらに、前記レーザー光制御部の前記レーザー光の入口と出口とに設けられた前記測温ユニットによって前記レーザー光の光軸位置を検出し、前記レーザー光の入口と出口の光軸位置からレーザー光の進行方向を算出し、前記ミラー部材及び前記レーザー光制御部を移動させて、前記レーザー光の進行方向を調整するレーザー光進行方向調整手段を備えている。この場合、レーザー光進行方向調整手段によって、レーザー光制御部に対するレーザー光の進行方向が調整されるので、レーザー光制御部においてレーザー光の制御を精度良く行うことができ、加工品質を大幅に向上させることができる。
この場合、レーザー光が反射されるミラー部材やレーザー光が透過されるレンズ部材においても、光軸位置の変化を検出することが可能となり、例えば、レーザー発振器から加工ヘッドまでの距離が長くてもレーザー光を安定してワークに照射することが可能となり、加工品質をさらに向上させることができる。
また、前記光軸位置検出手段によって検出された前記レーザー光の光軸位置に基づいて、前記ミラー部材を移動させ、光軸位置の調整を行う光軸位置調整手段を備えていることが好ましい。
光軸位置検出手段によって前記レーザー光の光軸位置の変動が確認された場合には、そのレーザー経路の前段側(レーザー発振器側)のミラー部材の位置、角度を調整することによって、レーザー光の光軸位置を所定の位置に修正させることが可能となる。そこで、光軸位置調整手段を備えることによって、レーザー加工中において、光軸位置の検出のみでなく、光軸位置の調整も行うことができ、レーザー加工をさらに安定して行うことが可能となる。
この場合、レーザー光の光軸位置の変動を、上下方向と左右方向とで検出することが可能となる。よって、光軸位置の変動を、簡単にかつ精度良く検出することができる。
これは、レーザー光のエネルギー密度が高く、局所的であるという特徴によるものである。温度センサに近い位置にビームがある場合、ビームのエネルギーが強大であるため、ビームのエネルギーにより温度が極端に上昇する。一方、温度センサから遠い位置にビームがある場合は、測温データにはほとんど影響を及ぼさず、調節された温度で安定する。
温調する場合の温度範囲はT=10〜50℃の範囲内であることが望ましい。Tが低すぎると、多大なエネルギーを要して経済的でなく、また温調部への結露等による悪影響が懸念される。Tが高すぎると、やはり経済的に不利であり、またレーザー入射位置が温度センサに近づいた場合と遠ざかった場合との温度差が小さくなり、レーザー位置の同定精度が落ちることになる。
温度調節の手法については、特に限定はなく、例えば水、油等の液体や気体等の流体を利用したものや、電気的手法を利用したものであってもよい。
レーザー光のビーム径が大きくなった場合には、レーザー経路の周囲に配設された温度センサの全てにレーザー光が近接していくことになり、全ての温度センサで温度上昇が観測されることになる。一方、レーザー光のビーム径が小さくなった場合には、レーザー経路の周囲に配設された温度センサの全てからレーザー光が離間していくことになり、全ての温度センサで温度降下が観測されることになる。このようにして、測温ユニットによってレーザー光のビーム径を検出することが可能となる。
この場合、レンズ部材を制御することによってビーム径を調整することができる。また、レーザー加工中において、ビーム径の検出のみでなく、ビーム径の調整も行うことができ、レーザー加工をさらに安定して行うことが可能となる。
レーザー光制御部、ミラー部材及びレンズ部材等が劣化した場合、その部材自体の温度が上昇することになる。そこで、測温ユニットによる温度データが一定の閾値を超えた場合には、その部材が劣化したと判断することが可能となる。このように、寿命判断手段によって部材の交換時期を判断することにより、突発的な故障を防止することができ、レーザー加工をさらに安定して行うことができる。
本実施形態であるレーザー加工装置10は、例えば円筒状のなすスリーブ印刷版において、その外周面に凸版を形成する際に用いられるものである。
図1に示すレーザー加工装置10は、赤外線領域の波長のレーザー光を発振するレーザー発振器11と、このレーザー発振器11から発振されたレーザ光を遮断するシャッター部12と、レーザ光を反射してレーザー光の進路を変更する第1ミラー部材21と、レーザー光のビーム径を縮小させるコンパウンダー15と、ビーム径が縮小されたレーザー光を反射してレーザー光の進路を変更する第2ミラー部材22と、屈折率を変化させて通過するレーザー光の進行方向を変更するレーザー光制御部30と、レーザー光制御部30を通過したレーザー光を反射してレーザー光の進路を変更する第3ミラー部材23と、レーザー光のビーム径を拡大するエクスパウンダー17と、ビーム径が拡大されたレーザー光を反射してレーザー光の進路を変更する第4ミラー部材24と、レーザー光をワークWに対して照射する加工ヘッド18と、を備えている。
コンパウンダー15は、レーザー光の進行方向に対して複数のレンズが積層するように配設されており、レーザー光のビーム径を縮小するものである。なお、本実施形態では、約20mmのビーム径を約5mmまで縮小する構成とされている。
第2ミラー部材22は、コンパウンダー15を通過したレーザー光を反射して、レーザー光をレーザー光制御部30へと伝送する。なお、この第2ミラー部材22には、位置及び角度を調整する駆動部22aが設けられている。
このレーザー光制御部30では、レーザー光の進行方向を偏向させることによって、レーザー光による加工のON/OFF制御を行う。また、レーザー光の強度を変調させて、レーザー光によるワークWの加工深さを調整することになる。
さらに、このレーザー光制御部30は、回転移動可能な回転駆動テーブル31を備えている。また、レーザー光制御部30の内部には水路(図示なし)が設けられており、この水路に通す水の温度を所定温度(例えば21℃)に保持するための温度調整装置32が設けられている。
第4ミラー部材24は、エクスパウンダー17を通過したレーザー光を反射して、レーザー光を加工ヘッド18へと伝送する。なお、この第4ミラー部材24には、位置及び角度を調整する駆動部24aが設けられている。
加工ヘッド18は、ワークWに対してレーザー光を照射して、ワークWの加工を行うものである。
例えば、図3において、光軸が、基準位置(中心O)から(+X,+Y)の位置に変動した場合、レーザー光の光軸が近接する第1温度センサ41及び第3温度センサ43によって測定される温度が上昇し、レーザー光の光軸が離間する第2温度センサ42及び第4温度センサ44によって測定される温度が降下することになる。
光軸が、基準位置(中心O)から(+X,−Y)の位置に変動した場合、レーザー光の光軸が近接する第2温度センサ42及び第3温度センサ43によって測定される温度が上昇し、レーザー光の光軸が離間する第1温度センサ41及び第4温度センサ44によって測定される温度が降下することになる。
光軸が、基準位置(中心O)から(−X,−Y)の位置に変動した場合、レーザー光の光軸が近接する第2温度センサ42及び第4温度センサ44によって測定される温度が上昇し、レーザー光の光軸が離間する第1温度センサ41及び第3温度センサ43によって測定される温度が降下することになる。
光軸が、基準位置(中心O)から(−X,+Y)の位置に変動した場合、レーザー光の光軸が近接する第1温度センサ41及び第4温度センサ44によって測定される温度が上昇し、レーザー光の光軸が離間する第2温度センサ42及び第3温度センサ43によって測定される温度が降下することになる。
ここで、本実施形態では、レーザー光制御部30に、温度を所定温度(例えば21℃)に保持するための温度調整装置32が設けられているので、レーザー光の光軸が離間する温度センサによって測定される温度は、温度調整装置32によって保持される所定温度(例えば21℃)に収束することになる。よって、この所定温度を基準として前記温度センサ(第1温度センサ41、第2温度センサ42、第3温度センサ43及び第4温度センサ44)の温度上昇度合いから、光軸位置を正確に把握することができるのである。
レーザー光制御部30のレーザー光の入口側の測温ユニット40Aによって光軸位置を検出する(S1)。ここで、光軸位置が所定位置からずれていた場合には、第2ミラー部材22の駆動部22aに対して制御信号を発信し、第2ミラー部材22の位置、角度を変更して光軸位置を調整する(S2)。そして、再度、測温ユニット40Aによって光軸位置を検出する(S1)。測温ユニット40Aによって検出される光軸位置が所定位置に調整されたことが確認されたら、レーザー光の出口側の測温ユニット40Bによって光軸位置を検出する(S3)。光軸位置にズレが生じていた場合には、回転駆動テーブル31に対して制御信号を発信し、レーザー光制御部30を回転移動させる(S4)。そして、再度、レーザー光の入口側の測温ユニット40Aによって光軸位置を検出する(S1)。これらの作業を繰り返すことによって、レーザー光制御部30に対するレーザー光の進行方向及び光軸位置が調整されることになる。
そして、ビーム径を検出し、ビーム径が基準値から変動していた場合には、コンパウンダー15を調整し、ビーム径の調整を行うことになる。
また、検出部51によって検出されたレーザー光の光軸位置に基づいて、第2ミラー部材22、第1ミラー部材21の位置、角度を変更して光軸位置を調整する調整部52を備えているので、レーザー加工中において、光軸位置の検出のみでなく、光軸位置の調整を行うことができ、レーザー加工をさらに安定して行うことが可能となる。
さらに、検出部51で検出されたレーザー光のビーム径に基づいて、コンパウンダー15の制御を行ってビーム径を調整する調整部52を備えているので、レーザー加工中にビーム径が変動した場合でも、ビーム径を制御でき、レーザー加工をさらに安定して行うことが可能となる。
例えば、本実施形態では、レーザー光制御部に測温ユニットを配設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、ミラー部材や、コンパウンダー及びエクスパウンダー等のレンズ部材に、測温ユニットを配設してもよい。この場合、レーザー光が反射されるミラー部材やレーザー光が透過されるレンズ部材においても、光軸位置の変化を検出することが可能となり、例えば、レーザー発振器から加工ヘッドまでの距離が長くてもレーザー光を安定してワークに照射することが可能となり、加工品質をさらに向上させることができる。
また、ミラー部材の数、レンズ部材の数、レーザー発振器の配置等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更することが可能である。
この実施例においては、図5に示すレーザー光制御部130(AOM)の入側部分に、測温ユニット140を配設し、この測温ユニット140を用いてレーザー光の光軸位置を検出した。
一方、第3温度センサ143、第4温度センサ144については、レーザー光の光軸が近接すると、急激に温度が上昇するように、測定点毎に変化した。
また、幅方向に配設された第3温度センサ143、第4温度センサ144については、レーザー光の光軸が近接すると、急激に温度が上昇するように、測定点毎に変化した。
実機にて利用する場合には、レーザー光の通過孔を格子状に区画しておき、光軸位置の座標データと第1、第2、第3、第4温度センサ141、142、143、144の測温データとの関係を予めデータベース化しておくことで、連続稼働中であってもレーザー光の光軸位置を精度良く推定することが可能となる。
11 レーザー発振器
15 コンパウンダー(レンズ部材)
17 エクスパウンダー(レンズ部材)
21 第1ミラー部材(ミラー部材)
22 第2ミラー部材(ミラー部材)
23 第3ミラー部材(ミラー部材)
24 第4ミラー部材(ミラー部材)
30、130 レーザー光制御部
31 回転駆動テーブル
40、40A、40B、140 測温ユニット
41、41A、41B、141 第1温度センサ(温度センサ)
42、42A、42B、142 第2温度センサ(温度センサ)
43、43A、43B、143 第3温度センサ(温度センサ)
44、44A、44B、144 第4温度センサ(温度センサ)
51 検出部(光軸位置検出手段/ビーム径検出手段/寿命判断手段)
52 調整部(光軸位置調整手段/ビーム径調整手段/レーザー光進行方向調整手段)
Claims (8)
- レーザー光を照射してワークに加工を施すレーザー加工装置であって、
前記レーザー光を発振するレーザー発振器と、
前記レーザー光を反射してレーザ光の進行方向を変更するミラー部材と、
前記レーザー光のビーム径を調整するレンズ部材と、
通過するレーザー光の進行方向を変更するレーザー光制御部と、
前記レーザー光が通過するレーザー経路の周囲に配設された複数の温度センサからなる測温ユニットと、
前記測温ユニットに備えられた複数の温度センサの測定値から、前記レーザー経路における前記レーザー光の光軸位置を検出する光軸位置検出手段と、を備え、
前記測温ユニットが、前記レーザー光制御部の前記レーザー光の入口と出口とに、それぞれ配設されており、
前記レーザー光制御部の前記レーザー光の入口と出口とに設けられた前記測温ユニットによって前記レーザー光の光軸位置を検出し、前記レーザー光の入口と出口の光軸位置からレーザー光の進行方向を算出し、前記ミラー部材及び前記レーザー光制御部を移動させて、前記レーザー光の進行方向を調整するレーザー光進行方向調整手段を備えていることを特徴とするレーザー加工装置。 - 前記ミラー部材及び前記レンズ部材の少なくとも一方に、前記測温ユニットが配設されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザー加工装置。
- 前記光軸位置検出手段によって検出された前記レーザー光の光軸位置に基づいて、前記ミラー部材を移動させ、光軸位置の調整を行う光軸位置調整手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載のレーザー加工装置。
- 前記測温ユニットにおいては、前記温度センサが、前記レーザー経路の上下左右にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
- 前記ミラー部材、前記レンズ部材および前記レーザー光制御部のうち前記測温ユニットが取り付けられた部材は、温度調整装置によって一定温度に温度調整されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
- 前記測温ユニットに備えられた複数の温度センサの測定値から、前記レーザー光のビーム径を検出するビーム径検出手段を備えていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
- 前記ビーム径検出手段によって検出された前記レーザー光のビーム径に基づいて、前記レンズ部材を制御し、ビーム径の調整を行うビーム径調整手段を備えていることを特徴とする請求項6に記載のレーザー加工装置。
- 前記測温ユニットの測定値に基づいて、前記測定ユニットが配設された部材の交換時期を判断する寿命判断手段を備えていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
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