(57)【要約】【課題】ワークをレーザ加工する際に、レーザの照射位置をレーザの照射方向に沿った振幅で振動させることにより、加工面の平滑化を図る。【解決手段】レーザ加工ヘッド１は、レーザが光ファイバケーブルを介して導かれるファイバコネクタ１０を有する。ファイバコネクタ１０で拡散された状態に出射されるレーザを平行光とするコリメートレンズ２６と、コリメートレンズ２６を通過した光を集光する焦点レンズ４１を備える。焦点レンズ４１で集光されて結像する光をワークに照射する。コリメートレンズ２６は、レーザ加工ヘッド１内でレーザの照射方向に移動自在なコリメートレンズケース１２にセットされている。コリメートレンズケース１２は、レーザの照射方向に沿って振動する超音波振動体５１に接続されている。このコリメートレンズ２６の振動により、レーザの焦点位置がレーザの光軸方向に沿った振幅で振動する。【選択図】図１
2010036240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
被加工物に照射されるレーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させる振動手段を備え、
前記振動手段により前記焦点位置を前記光軸方向に沿って振動させた状態で被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は、電歪振動子、超磁歪振動子を含む磁歪振動子等の超音波振動を含む振動を発生させる振動子と、前記コリメートレンズもしくは前記焦点レンズを当該レンズの光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該レンズを錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該レンズの振動の振幅を増幅する共振機構とを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は前記コリメートレンズを当該コリメートレンズの光軸方向に沿って振動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工方法であって、
レーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させた状態で被加工物に照射して当該被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワーク（被加工物）をレーザで加工するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、レーザ加工装置として、レーザの光源から光ファイバーケーブルを介してレーザを導き、光ファイバーケーブルの末端から出射されて拡散するレーザをコリメートレンズで平行光としたのちに焦点レンズで集光もしくは結像させ、当該レーザをワークに照射して熱処理や、切断加工や、切削加工や、溶接を行ったりすることが知られている。
なお、レーザを光ファイバケーブルではなくミラーで導くものは、さらに以前より良く知られている。
レーザ加工装置において、ワークとして金属の板体を切断・切削する場合に、ＹＡＧレーザやファイバレーザやディスクレーザなどの波長１μｍ帯レーザが用いられる場合がある。
【０００３】
これら波長１μｍ帯レーザは、ＣＯ2レーザなどの波長１０μｍ帯レーザに比べて金属への吸収率が良いことが知られている。
このようなレーザ加工装置においては、単にレーザを板体に対して垂直に当てながら加工方向に移動させて、切断等の加工を行うものだけではなく、例えば、２つの金属部材を溶接する際に、２つの金属部材を十分に近接させられないような場合に、レーザの光軸に直交するとともに、レーザの移動方向に直交する方向にレーザの照射位置を往復動させるレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、厚いコンクリートの部材を切断するような場合に、レーザの照射方向を厚み方向に対して斜めとし、かつ、レーザを加工方向だけに動かすのではなく、所定のピッチだけレーザを加工方向に動かす工程と、その移動した位置で厚み方向にレーザを移動させる工程とを繰り返すことにより、比較的小さな出力で厚いコンクリート部材を切断できるようにしたレーザ加工装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３８４８４号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述の波長１μｍ帯レーザは、金属での吸収率が良いため、金属の薄板では加工速度の向上が見込まれる。しかし、金属の中板や厚板を加工する場合に、上述の波長１０μｍ帯レーザに比較して切断、切削加工した際の加工面の面粗度が悪いという問題がある。特にステンレススチールを加工した場合にこの問題が顕著に現れる。
例えば、図６の模式図に示すように、１μｍ帯レーザでステンレススチールの板９１を切断した場合に、切断面９２に縦すじが付き、１０μｍ帯レーザの切断における切断面が光沢面となるのと大きな違いを見せる。なお、縦方向が板９１の厚み方向でかつレーザの光軸方向となる。
【０００７】
この縦すじの幅Ｗ（間隔）は、レーザの移動速度に因って変化するものであるが、この原因を探るため切断現象をハイスピードカメラで撮影したところ、切断下部からの火花（これは溶融物の排出である）が、１０μｍ帯レーザの場合のように連続的でなく、一定の周期を持って爆発現象的（断続的）に発生する。
【０００８】
これは、図７に模式的に図示されるように、ステンレススチールの板９１がレーザ加工ヘッド９３から照射されるレーザで切断される場合の切断面の現状でレーザが照射されている部分（切断フロント面）に溶融物の池（melting  pool）が発生し、この池が生成と決壊を繰り返していると推測される。
そして、その周期は、約１ｍｓｅｃのものが観察された。
【０００９】
なお、ここでは、切断、切削加工での加工面の表面粗度の問題なので、溶接する際のようにレーザの照射位置を加工方向に直交する方向に往復動させると振幅が僅かであっても逆に表面粗度が悪化する可能性がある。
また、コンクリート部材などに比較して薄い金属板の切断、切削加工において、レーザの照射方向を斜めにして厚さ方向に移動させる必要はないと思われる。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、レーザ加工において加工面の表面粗度の向上を図ることができるレーザ加工装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載のレーザ加工装置は、被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
被加工物に照射されるレーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させる振動手段を備え、
前記振動手段により前記焦点位置を前記光軸方向に沿って振動させた状態で被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより被加工物を加工することを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明においては、被加工物に照射されるレーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させる振動手段を備え、焦点位置を光軸方向に沿って振動させた状態で被加工物を加工するので、例えば、被加工物をレーザで切断するように加工する場合に、焦点位置がレーザの照射方向となるレーザの光軸に沿って被加工物の厚み方向に移動することになる。また、焦点位置は、基本的に被加工物の厚みの範囲内に設定されているが、振動した状態でも被加工物の厚みの範囲内に収まるようにすることが好ましいが、それに限定されるものではない。
これにより、焦点位置が光軸方向、すなわち、被加工物の厚み方向に振動することで、例えば、金属対して吸収率の高い波長１μｍ帯レーザが被加工物の厚みの焦点位置で局所的に吸収されるのを防止し、被加工物へのレーザの吸収を分散させることで、上述のような縦すじの発生を抑制することができる。
また、レーザの焦点位置を光軸方向に沿って振動させることで、上述ような断続的で周期的な爆発現象となる溶融物の池の定期的な生成と決壊の規則性を乱すことで、池の生成を防止し、これによって加工面を平滑化すること、すなわち、縦すじの発生を防止する。
【００１３】
請求項２に記載のレーザ加工装置は、請求項１に記載の発明において、
光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は、電歪振動子、超磁歪振動子を含む磁歪振動子等の超音波振動を含む振動を発生させる振動子と、前記コリメートレンズもしくは前記焦点レンズを当該レンズの光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該レンズを錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該レンズの振動の振幅を増幅する共振機構とを備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明においては、振動子の小さな振幅の振動に対して、コリメートレンズもしくは焦点レンズの振動の振幅を共振機構により増幅することにより、より効果的に加工面の表面粗度の向上を図ることができる。すなわち、焦点位置の光軸方向に沿った振幅が一般的な超音波振動子程度の振幅だと、被加工物の厚みによっては、表面粗度の向上を十分に見込めない虞があるが、共振により、コリメートレンズもしくは焦点レンズの振幅を増幅することで、振動子の振幅に対してレーザの焦点位置の振幅を増幅することが可能となり、一般的な超音波振動子の振幅よりかなり厚みのある被加工物の加工面の表面粗度の向上を図ることができる。また、共振により焦点位置の振動の振幅の増幅を図ることで、低コストで厚みのある被加工物への対応が可能となる。
【００１５】
請求項３に記載のレーザ加工装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、  光源側から導かれるレーザを略平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザを被加工物に対して焦点を合わせる焦点レンズとを備え、
前記振動手段は前記コリメートレンズを当該コリメートレンズの光軸方向に沿って振動させることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明においては、コリメートレンズをその光軸方向に振動させることで、焦点レンズにおける焦点位置を照射されるレーザの光軸方向に沿って振動させることになり、例えば、コリメートレンズや焦点レンズを有するレーザトーチ全体を振動させるよりも問題が生じる可能性が少ない構成とすることができる。
たとえば、レーザトーチのノズルの高さ位置が変化することになるので、ノズルが被加工物に接触しないようにするために、振幅が制限されるなどの問題がある。また、コリメートレンズの振幅に対して、焦点レンズの焦点の振幅の増幅が見込まれるので、コリメートレンズを振動させる振動手段における振動の振幅を小さく設定することができ、振動装置にかかるコストの低減や、コリメートレンズの振動の振幅を確保するために構造上の影響を小さくすることができる。
【００１７】
請求項４に記載のレーザ加工方法は、被加工物にレーザを照射するとともに被加工物に対してレーザの照射位置を相対的に移動することにより、被加工物を加工するレーザ加工方法であって、
レーザの焦点位置をレーザの光軸に沿った方向に振動させた状態で被加工物に照射して当該被加工物を加工することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明においては、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレーザ加工装置によれば、切断、切削等の切断面において、レーザの焦点位置がレーザの光軸方向に沿って振動させることにより、被加工物の加工部分におけるレーザの吸収を分散することができる。これにより、加工面をより平滑化することが可能となる。さらに、波長１μｍ帯レーザで金属板を加工した場合、特にステンレススチールを加工した場合に、周期的な溶融物の池の発生と決壊との規則性を乱し、上記池の発生を抑制することで、切断面における縦すじの発生を抑制し、より平滑な面とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、この例のレーザ加工装置で用いられるレーザ加工ヘッド（レーザトーチ）を示すものである。
この例のレーザ加工装置は、図示しないワークテーブルと、図１に示されるレーザ加工ヘッド１とを備え、ワークテーブル上に設置されたワーク（被加工物）を例えば切断加工するものである。
レーザ加工装置においては、ワークテーブル上のワークもしくはレザー加工ヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、ワーク上のレーザ加工ヘッドから照射されるレーザの照射位置をレーザの光軸方向にほぼ直交する方向に相対的に移動可能となっている。
【００２１】
なお、移動方向が一軸方向であってもよい。また、ワーク側が例えばＸ軸方向（一軸方向）に移動し、レーザ加工ヘッドがＹ軸方向（一軸方向に交差する方向）に移動するものであってもよい。
なお、この例では、ワーク上をレーザ加工ヘッドがＸ軸方向およびＹ軸方向に移動するように支持されている。また、この例では、板状のワークの面に対してほぼ直交するようにレーザが照射される。すなわち、レーザの照射方向が、上述のＸＹ軸方向に直交するＺ軸方向となる。
【００２２】
そして、レーザ加工ヘッド１は、同軸上に配置された筒状（概略円筒状）のヘッドコラム２、ヘッド４、ヘッド４の先端となるノズル６を有するものとなっている。なお、これらヘッドコラム２、ヘッド４、ノズル６は、同軸上に配置され、ヘッドコラム２の基端部からレーザが通過可能な構成となっている。
ヘッドコラム２は、レーザ加工ヘッド１が上から下にほぼ鉛直方向に沿ってレーザを照射する場合に、レーザ加工ヘッド１の上部側（基部側）となり、全体として概略円筒状のケーシングとして機能するものであり、内部に後述のファイバコネクタ１０、コリメートレンズケース１２等が配置される。
【００２３】
当該ヘッドコラム２は、基端部側から後述のファイバコネクタ１０が固定されるコネクタ支持筒部２１と、内部に後述のコリメートレンズケース１２が収納されるレンズケース収納筒部２２と、ヘッド４が先端側に固定されるヘッド接続部２３とを有する。
これらコネクタ支持筒部２１、レンズケース収納筒部２２、ヘッド接続部２３は、レーザが通過する内部空間を有し、概略円筒状で、かつ、これらが全て同軸上に配置される。
コネクタ支持筒部２１は、二重管状となっており、ファイバコネクタ１０の外周に固定される内筒部３１と、当該内筒部３１の外周に配置される外筒部３２とを備えている。
そして、ファイバコネクタ１０は、レーザの出射方向を固定された状態でヘッドコラム２に固定される。
【００２４】
ここでファイバコネクタ１０には、光ファイバケーブル１１が接続され、レーザ発生源（光源）からレーザが導かれるようになっている。そして、ファイバコネクタ１０の先端からレーザが出力されるようになっている。なお、ファイバコネクタ１０の先端（光ファイバの先端）から出射されるレーザは拡散する状態となっている。
そして、コネクタ支持筒部２１の外筒部３２は、モータブラケット７１に、ウォームホイール７２を介して支持された状態となっている。このモータブラケット７１により、コネクタ支持筒部２１を介して、レーザ加工ヘッド１が支持された状態となっている。
【００２５】
ウォームホイール７２は、モータブラケット７１に対してラジアル軸受７３を介して回転自在とされているととともに、その内周面側に形成された雌ねじが外筒部３２の外周面に形成された雄ねじに噛み合っており、ウォームホイール７２を回転させることで、後述のコリメートレンズケース１２を後述のように超音波振動体５１等を介して上下に移動可能となっている。
また、モータブラケット７１には、図示しないサーボモータが配置され、ウォームホイール７２を回転駆動して、コリメートレンズケース１を上下動させて、Ｚ軸方向（レーザの光軸方向、ＸＹ軸方向となるワークの切断方向に直交する方向）に移動させるようになっている。なお、このＺ軸方向の移動は、後述のアクティブコリメートーコントロール（以下、ＡＣＣと略す）のためのものであり、ワークの厚み等に対応してレーザ加工ヘッド１をさらに大きくＺ軸方向に移動させたり、レーザ加工ヘッド１を上方に退避させたりするためのＺ軸方向の移動機構が前記ウォームホイール７２を用いた移動機構以外に別に備えられている。
【００２６】
また、モータブラケット７１には、ＬＭガイド（リニアモーションガイド）７５のガイドレール７６が固定されている。ガイドレール７６は、レーザ加工ヘッド１の移動方向に沿って配置されており、レーザの光軸方向（Ｚ軸方向）に沿ったものとなっている。
また、ＬＭガイド７５でガイドレール７６に案内されてレーザの光軸方向に沿って、前記ガイドレールに対して相対的に移動自在なスライダ７７がレンズケース収納筒部２２の外周に固定されている。これによって、上述のウォームホイール７２の回転による後述のコリメートレンズケース１２のレーザの光軸方向に沿った移動がＬＭガイドによりガイドされている。
【００２７】
また、前記モータブラケット７１には、レーザ加工ヘッド１の左右に超音波振動体５１，５１がそれぞれ固定されている。なお、超音波振動体５１の振動部５３は、光軸方向に沿って鉛直方向に延出し、後述の振動板５２を介してコリメートレンズケース１２に接続されている。したがって、コリメートレンズケース１２は、超音波振動体５１，５１と振動板５２，５２を介してモータブラケット７１に固定された状態となっており、ウォームホイール７２の回転により、レーザ加工ヘッド１に対して、モータブラケット７１、超音波振動体および振動板５２，５２と一体にコリメートレンズ２６を備えるコリメートレンズケース１２が移動することになる。
【００２８】
レンズケース収納筒部２２は、その基端部に前記コネクタ支持筒部２１の内筒部３１より先側に突出した外筒部３２内に挿入される挿入筒３３を有し、当該挿入筒３３により、コネクタ支持筒部２１に接続されている。
そして、レンズケース収納筒部２２内には、円筒状のエアベアリング２４が固定され、このエアベアリング２４の内側にコリメートレンズケース１２が収納されている。なお、コリメートレンズケース１２およびエアベアリング２４は、ヘッドコラム２全体と同軸上に配置されている。そして、エアベアリング２４によりコリメートレンズケース１２はレンズケース収納筒部２２を含むレーザ加工ヘッド１（但し、コリメートレンズケース１２を除く）に対して軸方向に移動自在となっている。なお、コリメートレンズケース１２の軸方向と、ヘッドコラム２内におけるレーザの軸方向とは一致し、コリメートレンズケース１２は、照射されるレーザの光軸方向に沿って移動自在かつ振動自在となっている。
【００２９】
なお、コリメートレンズケース１２は、エアベアリング２４より先側に延出した先部が上述の一対の超音波振動体５１，５１に接続されている振動板５２，５２に接続されるようになっており、レンズケース収納筒部２２には、振動板５２，５２がヘッドコラム２全体の軸方向、すなわち、照射されるレーザの光軸方向にそって移動できるように、光軸方向にそった開口部が形成され、当該開口部から振動板５２，５２がレンズケース収納筒部２２内に挿入されてコリメートレンズケース１２に接続されている。
【００３０】
以上のような構造により、レーザ加工ヘッド１内でレーザを出射するファイバコネクタ１０や、後述のレーザ光を例えば焦点位置で結像させてワークに照射する焦点レンズ４１に対してコリメートレンズ１３をファイバコネクタ１０、コリメートレンズ１３、焦点レンズ４１を通るレーザの光軸に沿って移動可能で振動自在としている。
【００３１】
また、レンズケース収納筒部２２の先端内部には、レンズケースガイド筒部２５がレンズケース収納筒部２２と同軸上に配置されている。レンズケースガイド筒部２５は、先端部に設けられたフランジ部がレンズケース収納筒部２２に接続され、フランジ部に接続される本体筒部が、筒状のコリメートレンズケース１２の内径よりも僅かに小径に形成され、その基端部側が、コリメートレンズケース１２内に挿入された状態で、本体筒部の基端部の外周に対してコリメートレンズケース１２の先端部内周が摺動することで、コリメートレンズケース１２の前記移動をガイドしている。
【００３２】
そして、レンズケース収納筒部２２の先端部には、前記レンズケースガイド筒部２５のフランジ部を介してヘッド接続部２３が固定され、当該ヘッド接続部２３に筒状のヘッド４が固定されている。ヘッド４内には、焦点レンズ４１が固定されている。また、ヘッド４の先端側は、先に行くにつれて細くなるように円錐台状に形成されている。そして、円錐台状の先端に小径となった円筒部があり、この円筒部の先端部に先に行くほど細くなる円錐台状のノズル６が固定されている。なお、これらヘッド４およびノズル６は中空であり、内部をレーザが通過可能で、ノズル６から出射可能となっている。
【００３３】
以上のようなレーザ加工ヘッド１においては、内部に基端側からファイバコネクタ１０、コリメートレンズケース１２内のコリメートレンズ２６と、ヘッド４内の焦点レンズ４１とを備えており、ファイバコネクタ１０の先端から出射し拡散する状態の光がコリメートレンズ２６によりほぼ平行光となり、この平行光となったレーザが焦点レンズ４１により例えば集光方向に屈曲し焦点位置で結像するようになっている。
【００３４】
なお、ここで、上述のウォームホイール７２を有する移動機構により、レーザ加工ヘッド１内における光源であるファイバコネクタ１０および焦点レンズ４１に対してコリメートレンズ２６を光軸方向に動かした場合に、ファイバコネクタ１０からの拡散する光のコリメートレンズの各半径位置での光の入射角度が変化し、これによりコリメートレンズ２６を通過する光の方向が変化し、さらに、焦点レンズ４１に入射する光の角度が変化する。これによって、焦点位置（焦点深度）が変化する。また、この場合に、ビーム品質定数（以下、ＢＰＰと略す）の測定結果も変化することになり、ＢＰＰの値を変えるためにも、コリメートレンズ２６の位置が調整されるようになっており、このコリメートレンズ２６の位置調整が上述のＡＣＣとなる。また、コリメートレンズ２６の位置調整によって焦点深度の調整も行うことができる。
【００３５】
なお、ＢＰＰは、ビーム品質を表す指標であり、ビーム広がり角（半角）と最小スポット径（半径）との積であり、単位はｍｍ／ｍｒａｄである。そして、ＢＰＰの値が小さいほどビーム品質が高いことになる。
なお、ビーム品質を表す指標としては、Ｍ2（エムスクエア）も知られており、理論的な最小集光ビーム径に対して、どの程度大きくなるかを表すものであり、波長に依存しない値となっている。
また、ＢＰＰは、Ｍ2を用いて以下の式で表すことができる。
BPP=M2・(λ/π)=(d0・D)/(1.27・λ・f)・(λ/π)=(d0・D)/(1.27・f・π)
ここで
d0：焦点直径
D ：ビーム径
λ：波長
f ：周波数
【００３６】
また、コリメートレンズケース１２は、上述のモータブラケット７１に対して超音波振動体５１，５１を介して接続されている。すなわち、コリメートレンズケース１２は、超音波振動体５１，５１の振動部５３，５３に振動板５２，５２を介して接続される。なお、超音波振動体５１，５１の振動部５３，５３は、レーザ加工ヘッド１におけるレーザの照射方向に沿ったＺ軸方向が振幅方向となるように振動する。
また、超音波振動体５１，５１は、その振動源として、例えば、圧電素子（電歪素子）、超磁歪素子を含む磁歪素子などを使用することができる。
【００３７】
また、振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２からなる振動系における振動の固有周波数と、超音波振動体５１，５１の振動の周波数とを対応させることで、前記振動系が超音波振動体５１，５１の振動に共振し、コリメートレンズケース１２の振幅が大きくなるように設定されていることが好ましい。この場合に、振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２は、前記コリメートレンズ１３を当該コリメートレンズ１３の光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該コリメートレンズ１３を錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該コリメートレンズ１３の振動の振幅を増幅する共振機構となる。なお、コリメートレンズケース１２も錘の一部として機能する。
【００３８】
なお、超音波振動体５１，５１における振動の周波数は、いわゆる超音波と呼ばれる２０ｋＨｚを越える必要はなく、超音波より低い周波数の振動であってもよく、例えば、５００Ｈｚ以下であってもよい。また、例えば、振動の周波数は１０ｋＨｚや、２０ｋＨｚ以上であってもよい。
【００３９】
また、実際の超音波振動体５１，５１において、最適な振動数は、たとえば、実験的に切断面が最も平滑となる振動の周波数やその際の焦点の振幅などを求めるなどして、超音波振動体５１，５１における最適な振動の周波数と焦点位置の振幅を決定する。
【００４０】
また、この最適な周波数とは、波長１μｍ帯レーザにおいて、上述の約１μｓｅｃ（１ｋＨｚ）で繰り返される火花の噴出を抑制できる周波数である。
また、最適な周波数は、材質、厚み、加工速度（レーザの照射位置の移動速度）等によって変化する可能性がありこれらを考慮する必要がある。そして、超音波振動体５１，５１における最適な振動の周波数を決めたところで、上述の振動板５２，５２およびコリメートレンズケース１２からなる振動系の固有振動数を調節する。なお、この際には、振動板５２，５２の長さが大きく影響するので、後述の変形例に示すように、振動板５２，５２を折り返し形状等の湾曲した形状としてもよい。
【００４１】
そして、このようなレーザ加工ヘッド１を有するレーザ加工装置で、たとえば、ステンレススチール等の金属板（板９１）を切断した場合に、図２に示すようにレーザが照射される加工面（切断面９２）で照射されるレーザの軸方向に沿って焦点位置Ｓが振動し、焦点の軌跡Ｋが図示したようにＺ軸方向に沿った振幅で波状となる。たとえば、従来、金属板の上面（表面）から一定の距離にある部分を切断方向に沿って照射されるレーザの焦点位置が通過することになり、金属板の特定の厚み位置でレーザエネルギが集中して吸収される状態となるが、この例では、切断方向へのレーザの照射位置の移動に対してレーザの焦点位置がレーザの照射方向に沿って上下に移動し、切断方向へのレーザの移動速度にもよるが切断箇所において、レーザのエネルギの吸収が分散される。
【００４２】
これにより、加工面（切断面）の平滑化を図ることができる。
また、上述のように切断部分において、溶融物の池の生成と決壊が周期的に繰り返されるような場合に、焦点位置にエネルギ吸収が局在することがなく、レーザの焦点位置の移動により池の生成を阻害したり、池の決壊を促したりすることが可能となり、周期性が乱され、この周期性による縦すじの発生を防止して、切断面の平滑化を図ることができる。
例えば、同じ厚み内の高さ位置にエネルギの吸収が局在するとその部分の近傍で溶融物の池ができ易くなる可能性が高いが、焦点位置が移動してしまうことで、溶融物の池ができにくくなる。また、溶融物の池ができてしまったとしても、焦点位置が移動してしまうことで、溶融物の池を決壊させる可能性が高まる。
そして、上述の１μｓｅｃ毎の溶融物の排出に対して、適切な振動の周波数で焦点位置を振動させた場合に、より効率的に溶融物の池の生成や決壊のリズムを崩し、切断面の平滑化を図れる可能性がある。
【００４３】
また、この際に焦点位置の移動がレーザの射出方向に沿って振動するので、焦点位置の変位が、レーザの加工方向（ＸＹ軸方向への移動）によって異なるように影響することがない。すなわち、レーザの加工方向が変わることにより、レーザの加工品質が異なるようなことがなく、全方向に適用可能となる。特に、レーザの照射方向（Ｚ軸方向）と、加工方向たとえば切断方向（ＸＹ軸方向）とが直交している場合に、切断方向を一つの平面内で３６０度のどの方向に変更しても良いし、直線だけではなく、加工方向を曲線としても良い。
【００４４】
また、この例では、ＡＣＣとして、コリメートレンズ２６を有するコリメートレンズケース１２を光軸方向に移動させる機構と、焦点位置を振動させるためにコリメートレンズ２６を有するコリメートレンズケース１２を振動させる構成とを組み合わせることにより、レーザ加工ヘッド１が煩雑な構成となるのを防止している。
すなわち、コリメートレンズケース１２を除くレーザ加工ヘッド１に対して相対的にコリメートレンズケース１２を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させる機構の中で、コリメートレンズケース１２と一体となって相対的にレーザ加工ヘッド１に対して移動する側に振動源としての超音波振動体５１，５１を組み込むことで、構成を簡略化している。
なお、超音波振動体５１，５１（振動部５３，５３）、コリメートレンズケース１２、コリメートレンズ２６、振動部５３，５３、振動板５２，５２がこの例において、焦点距離を振動させるための振動手段となる。
【００４５】
なお、被加工物の材質や、照射されるレーザの波長（たとえば、１０μｍ帯レーザ）によっては、上述のような周期的な溶融物の池の生成と破壊が生じることがなく、元々切断面が平滑な場合においては、この周期性を乱す必要がないが、上述のように焦点位置をレーザの照射方向に沿って振動させて、非加工物側においてレーザエネルギの吸収を分散させることで、さらなる平滑化が図れる可能性があり、この例のレーザ加工装置は、たとえば、波長１μｍ帯レーザのステンレススチールの切断や切削加工に限定されるものではなく、ステンレススチール以外の材質の被加工物への応用も可能であり、波長１μｍ帯レーザ以外のたとえば波長１０μｍ帯レーザにも適用可能である。
また、上記例では、焦点位置の移動に、レーザ加工ヘッドにおいてコリメートレンズ２６をレーザの光軸方向に沿って振動させるものとしたが、焦点レンズ４１を振動させるものとしてもよい。
【００４６】
図３は、焦点レンズを振動させるようにした本発明の第２の実施の形態のレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示すものである。
なお、第２の実施の形態のレーザ加工ヘッドは、第１の実施の形態と同様のレーザ加工装置で用いることが可能である。言い換えれば、第２の実施の形態におけるレーザ加工装置は、そのレーザ加工ヘッドが異なる以外は、第１の実施の形態と同様の構成を有するものであり、その説明を省略する。
【００４７】
第２の実施の形態において、レーザ加工ヘッド１ａは、同軸上に配置された筒状（概略円筒状）のヘッドコラム２ａ、ヘッド４ａ、ヘッド４ａの先端となるノズル６ａを有するものとなっている。
ヘッドコラム２ａは、レーザ加工ヘッド１ａが上から下にほぼ鉛直方向に沿ってレーザを照射する場合に、レーザ加工ヘッド１ａの上側（基部側）となり、全体として概略円筒状のケーシングとして機能するものであり、内部にファイバコネクタ１０、コリメートレンズ２６、焦点レンズ４１等が配置される。
【００４８】
当該ヘッドコラム２ａは、基端部側からファイバコネクタ１０が固定されるコネクタ支持筒部２１ａと、内部にコリメートレンズケース１２が収納されるレンズケース収納筒部２２ａと、ヘッド４ａが先端側に固定されるヘッド接続筒部２３ａとを有する。
これらコネクタ支持筒部２１ａ、レンズケース収納筒部２２ａ、ヘッド接続筒部２３ａは、レーザが通過する内部空間を有し、概略円筒状で、かつ、これらが全て同軸上に配置される。
【００４９】
コネクタ支持筒部２１ａは、ファイバコネクタ１０が支持されるフランジ部３１ａと、当該フランジ部３１ａの外周側に固定される筒部３２ａとを備えている。
そして、ファイバコネクタ１０は、レーザの出射方向を固定された状態でヘッドコラム２ａに固定される。
【００５０】
そして、筒部３２ａの先端側がレンズケース収納筒部２２ａに接続されている。
また、レンズケース収納筒部２２ａの外側には左右に延出する取付部５５を介して左右にそれぞれ超音波振動体５１，５１が固定されている。なお、レンズケース収納筒部２２ａに固定されているのは、超音波振動体５１，５１の振動部５３ではなく、本体側が固定されている。
【００５１】
そして、レンズケース収納筒部２２ａの内部には、ウォームホイール７２を介してコリメートレンズケース１２が接続されて収納されている。
また、レンズケース収納筒部２２ａの外部には、ＡＣＣ軸モータ８１が固定され、ウォームホイール７２を回転駆動するようになっている。また、ウォームホイール７２は、コリメートレンズケース１２の外周に形成された雄ねじに噛み合う雌ねじを有し、ウォームホイール７２を回転することで、コリメートレンズケース１２とともに内部に固定されたコリメートレンズ２６をレーザの照射方向（コリメートレンズの光軸方向）に沿って移動可能となっている。
【００５２】
なお、この例では、コリメートレンズ２６をコリメートレンズケース１２と一体に超音波振動体５１，５１を用いて振動させることはないので、コリメートレンズケース１２およびコリメートレンズ２６の移動は、ＡＣＣおよび焦点深度の調整のための移動だけとなる。
また、ウォームホイール７２によるコリメートレンズ２６のレーザの照射方向に沿った移動により、コリメートレンズ２６は、ファイバコネクタ１０と、焦点レンズ４１に対して移動することになる。
これにより、ＢＰＰの最適化および焦点深度の調整を行う。
【００５３】
また、レンズケース収納筒部２２ａの先端部には、ヘッド接続筒部２３ａが固定され、当該ヘッド接続筒部２３ａと、レンズケース収納筒部２２ａとの接続部は、それぞれフランジ状とされ、このフランジ部分にＺ軸ＬＭガイド８２のスライダ８３に固定されるブラケット８４が固定されている。また、Ｚ軸ＬＭガイド８２のガイドレール８０はＺ軸ボールねじ８５のフレーム８６に固定され、スライダ８３は、ナット部８７に接続されている。
【００５４】
また、フレーム８６には、Ｚ軸モータ８８が固定され、Ｚ軸ボールねじ８５を回転させることでナット部８７をＺ軸方向に移動させるようになっている。これらからＺ軸移動機構が構成されており、ナット部８７によりＺ軸ＬＭガイド８２のスライダ８３がＺ軸方向に移動することで、レーザ加工ヘッド１ａがＺ軸方向に移動するようになっている。
【００５５】
このレーザ加工ヘッド１ａの移動は、たとえば、被加工物のセット高さや厚みに対応してレーザ加工ヘッド１ａの高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を設定するためのものである。
そして、前記ヘッド接続筒部２３ａの先端部には、ヘッド４ａが接続されている。
【００５６】
そして、ヘッド４ａ内には、焦点レンズ４１が焦点レンズケース４２内に収納された状態で配置されている。また、焦点レンズケース４２は、その外周がエアベアリング４３を介してヘッド４ａの内周側に配置された状態となっている。
そして、焦点レンズケース４２は、超音波振動体５１の振動部５３に接続された振動板５２，５２に接続されている。
【００５７】
したがって、超音波振動体５１，５１（振動部５３，５３）、焦点レンズケース４２、焦点レンズ４１、振動部５３，５３、振動板５２，５２がこの例において、焦点距離を振動させるための振動手段となる。また、振動板５２，５２および焦点レンズケース４２は、前記焦点レンズ４１を当該焦点レンズ４１の光軸方向に沿って振動自在に支持し、かつ、当該焦点レンズ４１を錘の少なくとも一部として前記振動子の振動に共振して当該焦点レンズ４１の振動の振幅を増幅する共振機構となる。なお、焦点レンズケース４２も錘の一部として機能する。
【００５８】
また、ヘッド４ａには、振動板５２，５２をヘッド４ａ外部から内部に貫通させるための開口部が形成されている。
そして、焦点レンズケース４２は、振動板５２，５２を介してレーザの照射方向に振幅方向を沿わせた状態で振動する振動部５３，５３に接続されることで、レーザの照射方向で、レーザ加工装置のＺ軸方向で、レーザ加工ヘッド１ａの軸方向で、かつ、焦点レンズ４１の光軸方向にそって振動するようになっている。これにより、焦点位置がレーザの照射方向に沿って振動するようになっている。
そして、ヘッド４ａの先端にはノズル６が取り付けられている。
【００５９】
以上のような第２の実施の形態のレーザ加工ヘッド１ａを有するレーザ加工装置においても第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、第１の実施の形態では、可動部がコリメートレンズケース１２に集中しているので、それ以外の構成を簡略化できる。すなわち、コリメートレンズケース１２は、ＡＣＣのために駆動されるとともに超音波振動されることになる。これによって焦点レンズが固定となり、コリメートレンズケース１２周りの構造以外の簡素化を図ることができる。
【００６０】
一方、第２の実施の形態では、コリメートレンズケース１２がＡＣＣのためにＺ軸方向に移動自在とされ、焦点レンズケース４２が被加工物におけるレーザエネルギ吸収の分散のために振動可能とされ、全体としては可動部が二カ所となってしまうが、それぞれの可動部分の構成を簡易なものとすることができる。
【００６１】
なお、上述のように焦点を振動させる際に、振動するコリメートレンズケース１２および振動板５２，５２の振動系もしくは焦点レンズケース４２および振動板５２，５２の振動系が超音波振動体５１の振動部５３の振動に共振することが好ましい。
この際に、好ましい振動の周波数が決まっている場合には、その周波数で、共振が発生する構造とする必要がある。ここで、振動部５３，５３とコリメートレンズケース１２もしくは焦点レンズケース４２とを繋ぐ振動板５２，５２の長さを調整することで、比較的容易に振動系の固有振動数を変えて共振させることが可能となる。
【００６２】
しかし、振動板５２，５２を長くする方へ変更する場合に、振動板５２，５２を直線状に長くしてしまうと、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドがスペースを取る構造となり、レーザ加工ヘッドをＸＹ軸方向に移動させる場合に、問題が生じ易い。そこで、図４，図５に示すように、振動の周波数に対して上述の振動系が共振するように、振動板５２，５２を長くする場合に、振動板５１，５１を曲げることで、同じ長さでも振動板５１，５１が占める空間部分の長さを短くすることが考えられる。特に振動板５１，５１を波状に繰り返し曲げたり、折り返すように曲げることを繰り返したりすることで、長い振動板５１，５１をコンパクトに配置し、レーザ加工ヘッド１，１ａを嵩張らせることなく、振動板５１，５１の長さに基づいて、前記振動系の固有振動数を変化させて、共振させることができる。なお、図４は振動板５１，５１を横方向に波状に折り返して曲げた例でし、図５は振動板５１，５１と縦方向に波状に折り返して曲げた例である。
なお、この例では、光ファイバケーブルでレーザを焦点レンズ４１側に導く構造としたが、たとえば、１０μｍ帯レーザ等に本発明を適用する場合に、ミラーで焦点レンズ４１側にレーザを導く構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【図２】前記レーザ加工装置でワークを切断加工した際の切断面における焦点の位置の移動を説明するための図面である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【図４】前記レーザ加工装置における振動板の変形例を示す概略図である。
【図５】前記レーザ加工装置における振動板の変形例を示す概略図である。
【図６】従来における問題点を説明するためのレーザ加工による（ａ）切断溝（ｂ）切断面を示す図である。
【図７】従来における問題点を説明するためのレーザ加工中の切断面の状態を示す推測図である。
【符号の説明】
【００６４】
１２    コリメートレンズケース（振動手段、共振機構）
２６    コリメートレンズ（振動手段）
４１    焦点レンズ（振動手段）
４２    焦点レンズケース（振動手段、共振機構）
５１    超音波振動体（振動手段）
５２    振動板（振動手段、共振機構）
５３    振動部（振動手段）
【図１】
2010036240.tif 000003
【図２】
2010036240.tif 000004
【図３】
2010036240.tif 000005
【図４】
2010036240.tif 000006
【図５】
2010036240.tif 000007
【図６】
2010036240.tif 000008
【図７】
2010036240.tif 000009