(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、
上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるヘッド部とを備え、
上記ヘッド部は、上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なレンズ及び当該レンズを移動させるモータを備えるＺスキャナと、
上記レーザ光を光軸に交差する方向に走査させるＸＹスキャナと、
上記ＸＹスキャナを制御するＸＹスキャナ制御回路と、を有し、
上記本体部が、上記モータに駆動電流を供給して上記Ｚスキャナを制御するＺスキャナ制御回路を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記ヘッド部は、光軸がフレーム面と交差するように上記光ファイバーケーブルが取り付けられる第１フレームと、
上記光ファイバーケーブルの端面から出射された上記レーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段と、
上記戻り光抑制手段を介在させて、フレーム面が第１フレームの上記フレーム面と対向配置される第２フレームと、
第１フレーム及び第２フレームを連結し、フレーム面が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に配置される第３フレームとを有し、
上記ＸＹスキャナ制御回路は、Ｘ方向走査用の制御回路が設けられたＸスキャナ制御基板と、Ｙ方向走査用の制御回路が設けられたＹスキャナ制御基板とからなり、上記Ｘスキャナ制御基板及び上記Ｙスキャナ制御基板が第３フレームの上記フレーム面と略平行に配置され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】
上記Ｚスキャナが、第２フレームを挟んで上記戻り光抑制手段とは反対側で光軸を第２フレームの上記フレーム面と略平行にして配置され、
上記ＸＹスキャナが、第１フレーム及び第２フレーム間に配置され、上記Ｚスキャナを通過した上記レーザ光が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に入射されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記Ｘスキャナ制御基板が、第３フレームを挟んで、上記Ｙスキャナ制御基板とは反対側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
上記戻り光抑制手段を通過した上記レーザ光を受光し、レーザパワーを検出するパワーモニタが、第２フレームを挟んで上記戻り光抑制手段とは反対側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光を走査させるヘッド部まで光ファイバーケーブルによってレーザ光を伝送させるレーザ加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工装置として、ＸＹスキャナによってレーザ光を光軸と交差する方向に走査させるだけでなく、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるＺスキャナを備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１）。ＸＹスキャナが、直交する回転軸を中心として２つのミラーをそれぞれ回転させることによってレーザ光を走査させるのに対して、Ｚスキャナは、光路上に配置されたレンズを移動させてビームの拡がり角を調整することによってレーザ光の焦点位置を移動させている。この様なＸＹスキャナやＺスキャナを有するヘッド部は、ワークの製造ラインなどへ設置する際の作業性やスペース効率を良くするという点で小型である方が望ましい。しかし、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、ヘッド部の筐体内にレーザ光を増幅するための固体レーザを内蔵するレーザ発振部が設けられているため、ヘッド部の長さをレーザ発振部の全長よりも短くすることができない。しかも、そのレーザ発振部は、レーザ媒体の両側に配置されたミラー間をレーザ光が往復することによって光増幅を行っており、レーザ加工に必要なエネルギーを蓄積させるためには一定の全長を確保しなければならない。このため、レーザ発振部の全長は、一定の長さよりも短くすることもできない。
【０００３】
この点、レーザ発振部がヘッド部内になければヘッド部を小型化することができる。すなわち、レーザ発振部をヘッド部とは異なる本体部に配設し、レーザ発振部によって増幅されたレーザ光を本体部からヘッド部まで光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に伝送させれば、ヘッド部を小型化できると考えられる。しかし、この場合、本体部内のレーザ発振部から一度出射されたレーザ光を光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に入射させることは極めて困難である。そこで、コアにレーザ媒質として希土類元素がドープされた希土類ドープ光ファイバーを使用するファイバーレーザをレーザ光増幅器として本体部内に配設し、レーザ光増幅器と光ファイバーケーブルを直接連結することにより、増幅後のレーザ光を光ファイバー外に出射させることなく、当該レーザ光を本体部からヘッド部まで伝送させることが考えられる（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載のレーザ加工装置によれば、レーザ光増幅器が本体部内に配設されるので、ヘッド部の長さを短くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６２２６０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近では、ヘッド部の更なる小型化が求められている。そこで、ＸＹスキャナやＺスキャナを制御するための制御回路が設けられたスキャナ制御基板をヘッド部内に設けるのに代えて、本体部内に配設し、スキャナ制御用の駆動信号を本体部からヘッド部に伝送させることが考えられる。しかしながら、駆動信号の伝送途中で付加されたノイズの影響によってレーザ光の走査にブレが生じ、加工精度が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、加工精度の低下を抑制しつつ、レーザ光増幅手段を有する本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部を小型化することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。特に、ＸＹスキャナやＺスキャナを有するヘッド部を小型化することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明によるレーザ加工装置は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるヘッド部とを備え、上記ヘッド部が、上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なレンズ及び当該レンズを移動させるモータを備えるＺスキャナと、上記レーザ光を光軸に交差する方向に走査させるＸＹスキャナと、上記ＸＹスキャナを制御するＸＹスキャナ制御回路と、を有し、上記本体部が、上記モータに駆動電流を供給して上記Ｚスキャナを制御するＺスキャナ制御回路を有するように構成される。
【０００８】
この様な構成によれば、ヘッド部のＺスキャナを制御するＺスキャナ制御手段が本体部内に設けられるので、Ｚスキャナ制御手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。また、ＸＹスキャナを制御するＸＹスキャナ制御手段はヘッド部内に設けられるので、ＸＹスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。ここで、Ｚスキャナを用いた焦点位置の調整では、駆動信号に付加されるノイズの影響によって焦点位置の誤差が生じた場合であっても、レーザ光の焦点深度により誤差の影響が軽微であるのに対して、ＸＹスキャナを用いたＸ方向及びＹ方向の走査では、ノイズの影響による走査位置の誤差の影響が大きくなってしまう。本発明によるレーザ加工装置では、この様なスキャナの特性に注目して、スキャナの制御手段をヘッド部と本体部とに割り振ることにより、加工精度の低下を抑制しつつ、ヘッド部を小型化することができる。
【０００９】
第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ヘッド部が、光軸がフレーム面と交差するように上記光ファイバーケーブルが取り付けられる第１フレームと、上記光ファイバーケーブルの端面から出射された上記レーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段と、上記戻り光抑制手段を介在させて、フレーム面が第１フレームのフレーム面と対向配置される第２フレームと、第１フレーム及び第２フレームを連結し、フレーム面が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に配置される第３フレームとを有し、上記ＸＹスキャナ制御回路が、Ｘ方向走査用の制御回路が設けられたＸスキャナ制御基板と、Ｙ方向走査用の制御回路が設けられたＹスキャナ制御基板とからなり、上記Ｘスキャナ制御基板及び上記Ｙスキャナ制御基板が第３フレームの上記フレーム面と略平行に配置されるように構成される。
【００１０】
この様な構成によれば、Ｘ方向走査用の制御回路が設けられたＸスキャナ制御基板と、Ｙ方向走査用の制御回路が設けられたＹスキャナ制御基板とが第３フレームのフレーム面と略平行に配置されるので、第３フレームのフレーム面と交差する方向に関して、ヘッド部を薄型化することができる。また、ＸＹスキャナ制御回路をＸスキャナ制御基板とＹスキャナ制御基板とに割り振ることにより、Ｘ方向走査用の制御回路及びＹ方向走査用の制御回路が１つの基板上に設けられる場合に比べて、基板のサイズを小さくすることができる。
【００１１】
第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記Ｚスキャナが、第２フレームを挟んで上記戻り光抑制手段とは反対側で光軸を第２フレームのフレーム面と略平行にして配置され、上記ＸＹスキャナが、第１フレーム及び第２フレーム間に配置され、上記Ｚスキャナを通過した上記レーザ光が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に入射されるように構成される。この様な構成によれば、Ｚスキャナを第１フレーム及び第２フレーム間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部の長さを短くすることができる。
【００１２】
第４の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記Ｘスキャナ制御基板が、第３フレームを挟んで、上記Ｙスキャナ制御基板とは反対側に配置されるように構成される。この様な構成によれば、Ｘスキャナ制御基板とＹスキャナ制御基板とが、第３フレームに関して互いに反対側に配置されるので、ＸＹスキャナに駆動電流を供給する増幅器などの発熱源をこれらのスキャナ制御基板間で離間させることができる。その結果、Ｘスキャナ制御基板及びＹスキャナ制御基板の放熱効果を高めることができる。
【００１３】
第５の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記戻り光抑制手段を通過した上記レーザ光を受光し、レーザパワーを検出するパワーモニタが、第２フレームを挟んで上記戻り光抑制手段とは反対側に配置されるように構成される。この様な構成によれば、パワーモニタを第１フレーム及び第２フレーム間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部の長さを短くすることができる。特に、戻り光抑制手段を通過したレーザ光をそのままパワーモニタに受光させるので、戻り光抑制手段の通過後のレーザ光をミラーで反射させてからパワーモニタに受光させる場合に比べて、パワーモニタの受光面の大きさに相当する分だけ、ヘッド部の長さを短くすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるレーザ加工装置によれば、ヘッド部のＺスキャナを制御するＺスキャナ制御手段が本体部内に設けられるので、Ｚスキャナ制御手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。また、ＸＹスキャナを制御するＸＹスキャナ制御手段はヘッド部内に設けられるので、ＸＹスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。従って、加工精度の低下を抑制しつつ、レーザ光増幅手段を有する本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。
【図２】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を短くして焦点位置が遠ざかる様子が示されている。
【図３】図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を示した説明図であり、レンズ間の距離を長くして焦点位置が近づく様子が示されている。
【図４】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を模式的に示した展開図であり、ヘッド部４内の様子が示されている。
【図５】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を右前方から見た様子が示されている。
【図６】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図７】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【図８】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、フロントカバー４ａが取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。
【図９】図８のヘッド部４の構成例を示した図であり、シャッタ２４の駆動機構２４ｂ周辺の切断面が示されている。
【図１０】図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ダイクロイックミラー２６周辺のレーザ光の光路が示されている。
【図１１】図１０のヘッド部４の構成例を示した平面図であり、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜レーザ加工装置＞
図１は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１００の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置１００は、レーザ光を走査させてワークＷを加工する加工装置であり、コンソール１、本体部２、光ファイバーケーブル３及びヘッド部４からなる。コンソール１は、ワークＷの加工条件などを入力するための入力装置である。
【００１７】
本体部２は、メイン制御回路１１、ワーク加工情報記憶部１２、電源回路１３、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５により構成されるレーザ発振器ユニットであり、レーザ発振の制御やレーザ光の走査制御を行っている。励起光源１４は、レーザ媒質を励起するための励起光を生成し、レーザ光増幅器１５へ出射する光源装置であり、ＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子と、集光レンズによって構成される。
【００１８】
レーザ光増幅器１５は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するファイバーレーザであり、エネルギー密度の高い高出力のレーザ光が生成される。このレーザ光増幅器１５は、低出力の種光を発生させるマスターオシレータ部、種光を増幅するパワーアンプ部、ポンピング用光源装置、アイソレータなどによって構成され、光ファイバーケーブル３と直接連結している。マスターオシレータ部及びパワーアンプ部は、レーザ媒質としてイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイバーによって構成される。
【００１９】
レーザ光増幅器１５では、励起光によって励起されたレーザ媒質の誘導放射によりレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を光ファイバーの外へ出射させることなく、そのまま光ファイバーケーブル３に伝送する。
【００２０】
レーザ光増幅器１５には、例えば、レーザ発振を制御するためのＱスイッチが設けられており、Ｑスイッチの切り替えにより、連続発振をパルス発振に変換することができ、ピークパワーの大きなパルス波を生成することができる。なお、レーザ光増幅器１５としては、種光を生成するＬＤを直接にオン又はオフすることによって、パルス発振可能な発振器のように、Ｑスイッチを備えないものであっても良い。
【００２１】
光ファイバーケーブル３は、レーザ光増幅器１５によって増幅されたレーザ光をヘッド部４に伝送するデリバリファイバーである。ヘッド部４は、本体部２のレーザ光増幅器１５から光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光を走査させるスキャナユニットであり、レーザ光をワークＷに向けて出射する。
【００２２】
このヘッド部４は、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２、ビームサンプラー２３、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７、ＸＹスキャナ２８、パワーモニタ２９、ガイド光源３０及びＸＹスキャナ制御回路３１からなる。
【００２３】
光アイソレータ２１は、光ファイバーケーブル３の端面から出射されたレーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段であり、光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光をビームエキスパンダ２２へ出射する。この光アイソレータ２１により、光アイソレータ２１の光ファイバーケーブル３側の端面からビームエキスパンダ２２側の端面に向う方向を順方向として、レーザ光は、順方向にのみ伝送され、逆方向への伝送は制限される。
【００２４】
この様な光アイソレータ２１は、例えば、アパーチャ、偏光子、ファラデー回転子によって構成され、光軸方向に長いデバイスとなっている。アパーチャは、通過光を制限するための遮断板である。偏光子は、複屈折結晶からなるロッド状の光学素子である。ファラデー回転子は、磁界の印加によって偏光面を回転させる磁気光学素子である。
【００２５】
ビームエキスパンダ２２は、レーザ光のビーム径を拡大させるビーム径拡大機構であり、光アイソレータ２１と光軸を一致させて配置される。このビームエキスパンダ２２は、光路上に配置された複数のレンズによって構成され、レンズ間の距離を調整することにより、ビーム径を所望の値に変換している。ビームサンプラー２３は、ビームエキスパンダ２２を通過したレーザ光の一部をダイクロイックミラー２６に向けて反射させ、他の一部をパワーモニタ２９側へ透過させる光学素子である。
【００２６】
パワーモニタ２９は、ビームサンプラー２３を透過したレーザ光を受光し、レーザパワーを検出するレーザパワー検出用センサであり、レーザパワーの検出結果をパワーレベル検出信号として本体部２内のメイン制御回路１１へ出力する。この様なパワーモニタ２９としては、例えば、サーモパイル（熱電堆）、或いは、フォトダイオードが用いられる。
【００２７】
シャッタ２４は、レーザ光を必要に応じて遮断するための遮断装置であり、遮断板や遮断板を移動させる駆動機構によって構成される。このシャッタ２４は、ビームサンプラー２３及びダイクロイックミラー２６間に配置されている。
【００２８】
フォトインタラプタ２５は、シャッタ２４が閉じているか否かを光学的に検出する光学センサである。ダイクロイックミラー２６は、特定波長の光のみを反射し、他の波長の光を透過させる光学素子であり、シャッタ２４を通過したレーザ光をＺスキャナ２７に向けて反射し、ガイド光源３０からのガイド光をそのまま透過させる。
【００２９】
Ｚスキャナ２７は、光路上に配置された１又は２以上のレンズと、レンズを移動させるレンズ駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、レンズを移動させることによって、ヘッド部４から出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させている。また、Ｚスキャナ２７は、レーザ光の集光機能を有している。なお、このＺスキャナ２７は、ワークＷの高さに追随してレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させることが可能な走査機構である。
【００３０】
Ｚスキャナ２７のレンズ駆動用モーターとしては、例えば、メイン制御回路１１からのパルス信号に基づいて動作するステッピングモーターやボイスコイルモーターが用いられる。
【００３１】
ＸＹスキャナ２８は、交差する回転軸にそれぞれ配置された２つのミラーと、これらのミラーを回転させるミラー駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、回転軸を中心としてミラーを回転させることによって、レーザ光を光軸と交差する方向に走査させる。ここでは、ＸＹスキャナ２８が、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂ及びその駆動用モーター２８ａからなるＸスキャナと、Ｙ方向走査用のガルバノミラー２８ｄ及びその駆動用モーター２８ｃからなるＹスキャナによって構成されるものとする。
【００３２】
ＸＹスキャナ２８のミラー駆動用モーターとしては、例えば、ロータリエンコーダなどの位置センサを有し、ＸＹスキャナ制御回路３１からの高周波信号に基づいて動作するサーボモーターが用いられる。
【００３３】
Ｚスキャナ２７を通過したレーザ光は、ＸＹスキャナ２８のガルバノミラーによって反射され、ワークＷに照射される。ガイド光源３０は、レーザ光の照射位置をワークＷ上で可視化するためのガイド光を生成する光源装置である。ガイド光源３０から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６を透過し、レーザ光の光路に入る。レーザ光の光路に入ったガイド光は、Ｚスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８を経てワークＷに照射される。
【００３４】
ワーク加工情報記憶部１２は、ワークＷのレーザ加工に関する情報をワーク加工情報として保持するメモリであり、ワーク加工情報として、レーザ光の照射目標を示す３次元位置情報、レーザ発振を制御するためのレーザ出力制御情報などが保持される。３次元位置情報としては、例えば、座標データが保持される。また、レーザ出力制御情報としては、例えば、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数などが保持される。
【００３５】
ピークパワーは、パルスエネルギーをパルス幅で除算することによって得られる物理量である。パルス幅は、ピークパワーの半分程度のパワーレベルにおけるパルス波の時間長であり、繰返し周波数は、パルス発振の周波数である。また、中心波長は、レーザ光増幅器１５により生成されるレーザ光の波長である。
【００３６】
メイン制御回路１１は、ワーク加工情報記憶部１２内に保持されているワーク加工情報に基づいて、励起光源１４、レーザ光増幅器１５及びＺスキャナ２７を制御する制御部である。具体的には、レーザ出力制御情報に基づいて、ヘッド部４から出射されるレーザ光のピークパワーやパルス幅を調整するための発振器制御信号を生成し、励起光源１４及びレーザ光増幅器１５へ出力する動作が行われる。
【００３７】
また、レーザ出力制御情報や３次元位置情報に基づいて、Ｚスキャナ２７のレンズ駆動用モーターを制御するための駆動信号としてパルス信号を生成し、Ｚスキャナ２７へ出力する動作が行われる。電源回路１３は、励起光源１４やレーザ光増幅器１５、ヘッド部４内の駆動用モーターなどに電力を供給する電源装置である。
【００３８】
ＸＹスキャナ制御回路３１は、ＸＹスキャナ２８を制御する制御部であり、本体部２のワーク加工情報記憶部１２からメイン制御回路１１を介して転送されたワーク加工情報やＸＹスキャナ２８からの位置情報に基づいてＸＹスキャナ２８を駆動制御する。具体的には、３次元位置情報とサーボモーターの位置情報とに基づいて、ＸＹスキャナ２８のミラー駆動用モーターを制御するための駆動信号として高周波信号を生成し、ＸＹスキャナ２８へ出力する動作が行われる。つまり、ＸＹスキャナ制御回路３１では、ＸＹスキャナ２８のサーボモーターの位置センサによって検出された位置情報に基づいて、当該サーボモーターが入力指示位置に正しく追従するように、フィードバック制御が行われる。
【００３９】
Ｚスキャナ２７は、レンズ駆動用モーターを駆動してレンズを光軸方向に移動させるという走査特性により、レンズ駆動モーターの応答性がＸＹスキャナ２８に比べて遅いので、ノイズの影響を受けにくい。
【００４０】
この様なレーザ加工装置１００としては、例えば、レーザ光を照射することによってワークＷの表面に文字や図形をマーキングするレーザマーカが考えられる。また、ワーク加工情報としての３次元位置情報やレーザ出力制御情報は、コンソール１からの入力情報に基づいて手動で設定され、或いは、自動的に設定される。或いは、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）をレーザ加工装置１００に接続し、ＰＣのモニター画面を見ながらマウスを使ってワーク加工情報を設定することもできる。
【００４１】
＜Ｚ方向スキャン＞
図２及び図３は、図１のレーザ加工装置１００におけるＺ方向のスキャン動作の一例を模式的に示した説明図であり、ヘッド部４内のＺスキャナ２７及びＸＹスキャナ２８が示されている。図２には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ１を短くすることによってレーザ光の焦点位置がヘッド部４から遠ざかる様子が示されている。また、図３には、入射レンズ２７ａ及び出射レンズ２７ｂ間の距離Ｒｄ２を長くすることによって焦点位置がヘッド部４に近づく様子が示されている。
【００４２】
このＺスキャナ２７は、ダイクロイックミラー２６側に配置される入射レンズ２７ａと、ミラー３２側に配置される出射レンズ２７ｂと、入射レンズ２７ａを光軸方向に移動させるレンズ駆動用モーター（図示せず）により構成される。入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ１を短くすれば、ビームの拡がり角が大きくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置は、レーザ光の出射面、すなわち、ヘッド部４のアンダーフレーム３３に設けられた開口面から遠ざかり、ワーキングディスタンスＬｄ１が長くなる。
【００４３】
一方、入射レンズ２７ａと出射レンズ２７ｂとの間の距離Ｒｄ２（Ｒｄ２＞Ｒｄ１）を長くすれば、ビームの拡がり角が小さくなるので、ヘッド部４から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置は、出射面に近づき、ワーキングディスタンスＬｄ２（Ｌｄ２＜Ｌｄ１）が短くなる。
【００４４】
つまり、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂに近づくように移動させることによって、焦点位置を遠ざけることができ、また、入射レンズ２７ａを出射レンズ２７ｂから遠ざかるように移動させることによって、焦点位置を近づけることができる。
【００４５】
＜ヘッド部＞
図４は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を模式的に示した展開図であり、フロントカバー及びリアカバーが取り外されたヘッド部４内の様子が示されている。ヘッド部４は、アンダーフレーム３３、リアフレーム３４、フロントフレーム３５及びセンターフレーム３６によって３つの領域に区分され、これらの領域内に各デバイスが収容される。
【００４６】
アンダーフレーム３３、リアフレーム３４、フロントフレーム３５及びセンターフレーム３６は、いずれも矩形形状の金属板、例えば、アルミ板からなる部材であり、リアフレーム３４、フロントフレーム３５及びセンターフレーム３６は、いずれもアンダーフレーム３３上に立てた状態で配置されている。
【００４７】
リアフレーム３４の後面には、光ファイバーケーブル３が、カバー部３ａを介して取り付けられる。光ファイバーケーブル３は、その光軸がリアフレーム３４のフレーム面と交差するように取り付けられる。フロントフレーム３５は、そのフレーム面をリアフレーム３４のフレーム面と対向させて配置されている。センターフレーム３６は、これらのフレーム３４及び３５を連結し、互いに対向する端面がそれぞれフレーム３４，３５に固着されている。リアフレーム３４及びフロントフレーム３５は、いずれもアンダーフレーム３３上に固着されている。
【００４８】
フロントフレーム３５及びリアフレーム３４間の領域のうち、センターフレーム３６の右側の領域には、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２及びＸスキャナ制御基板３１ａが収容される。光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、その光軸を光ファイバーケーブル３と一致させて配置される。Ｘスキャナ制御基板３１ａは、Ｘスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、センターフレーム３６のフレーム面と略平行に配置される。なお、図４では、説明の便宜上、光アイソレータ２１と光ファイバーケーブル３とを分離させて記載しているが、光アイソレータ２１及び光ファイバーケーブル３は、一体的に構成されていても良い。
【００４９】
フロントフレーム３５及びリアフレーム３４間の領域のうち、センターフレーム３６の左側の領域には、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ及びヘッド制御基板３７が収容される。ＸＹスキャナ２８は、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂ及びその駆動用モーター２８ａからなるＸスキャナと、Ｙ方向走査用のガルバノミラー２８ｄ及びその駆動用モーター２８ｃからなるＹスキャナによって構成される。Ｙスキャナ制御基板３１ｃは、Ｙスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、センターフレーム３６のフレーム面と略平行に配置される。なお、本実施の形態では、センターフレーム３６の左側の領域にＹスキャナ制御基板３１ｃ、右側の領域にＸスキャナ制御基板３１ａが収容されているが、センターフレーム３６の左側の領域にＸスキャナ制御基板３１ａ、右側の領域にＹスキャナ制御基板３１ｃを収容するものであっても良い。
【００５０】
フロントフレーム３５の前側の領域には、Ｚスキャナ２７、ミラー３２などが収容される。Ｚスキャナ２７は、光軸方向に移動可能に配置される可動レンズと、可動レンズの位置を調整するための駆動用モーターによって構成され、その光軸がフロントフレーム３５のフレーム面と略平行になるように配置される。ミラー３２は、Ｚスキャナ２７を通過したレーザ光の光軸を垂直面内で略９０度曲げるように配置される。
【００５１】
Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂには、Ｚスキャナ２７を透過し、ミラー３２によって反射されたレーザ光が、光アイソレータ２１の長手方向及びビームエキスパンダ２２の光軸方向と略平行に入射される。
【００５２】
この様に、ＸＹスキャナ２８は、センターフレーム３６に取り付けられた光アイソレータ２１の下方であって、かつ、Ｘスキャナ制御基板３１ａ及びＹスキャナ制御基板３１ｃの前方の領域（空間）に配置されている。つまり、ＸＹスキャナ２８は、Ｚスキャナ２７とＸスキャナ制御基板３１ａ及びＹスキャナ制御基板３１ｃとの間に介在するように配置されている。
【００５３】
図５〜図７は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部４内の様子が示されている。図５には、ヘッド部４を右前方から見た様子が示され、図６には、ヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。また、図７には、ヘッド部４を下側から見た様子が示されている。
【００５４】
このヘッド部４は、図示しないリアカバー、フロントカバー４ａ、アンダーフレーム３３及びリアフレーム３４からなる直方体形状の箱体内部が、フロントフレーム３５及びセンターフレーム３６によって３つの領域に区分され、これらの領域内に各デバイスが収容されている。
【００５５】
リアフレーム３４は、光ファイバーケーブル３が後面に取り付けられ、前面に光アイソレータ２１などが取り付けられるフレームである。光ファイバーケーブル３は、カバー部３ａを介して光軸がリアフレーム３４のフレーム面と交差するように取り付けられている。光アイソレータ２１は、光ファイバーケーブル３と光軸を一致させて配置されている。
【００５６】
フロントフレーム３５は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を介在させて、リアフレーム３４と対向配置されるフレームである。センターフレーム３６は、リアフレーム３４とフロントフレーム３５とを連結するフレームであり、リアフレーム３４及びフロントフレーム３５と交差させて配置されている。
【００５７】
このセンターフレーム３６は、光アイソレータ２１やビームエキスパンダ２２と略平行に配置され、フレーム３４〜３６は、上から見てＨ形状に配置されている。フロントフレーム３５よりも前側の領域は、フロントカバー４ａで覆われており、ビームサンプラー２３、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、ダイクロイックミラー２６、Ｚスキャナ２７、ミラー３２、パワーモニタ２９及びガイド光源３０が収容されている。
【００５８】
フロントフレーム３５とリアフレーム３４との間でセンターフレーム３６の右側の領域には、光アイソレータ２１、ビームエキスパンダ２２及びＸスキャナ制御基板３１ａが収容されている。光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、光軸がセンターフレーム３６と平行になるように配置されている。
【００５９】
一方、フロントフレーム３５とリアフレーム３４との間でセンターフレーム３６の左側の領域には、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ及びヘッド制御基板３７が収容されている。つまり、Ｘスキャナ制御基板３１ａとＹスキャナ制御基板３１ｃとは、センターフレーム３６に関して、互いに反対側に配置されている。
【００６０】
Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂ及びその駆動用モーター２８ａからなるＸスキャナと、Ｙ方向走査用のガルバノミラー２８ｄ及びその駆動用モーター２８ｃからなるＹスキャナは、上記右側の領域と上記左側の領域とに跨って収容されている。そのため、センターフレーム３６には、ＸＹスキャナ２８を収容するための欠け部３６ａ（図４参照）が形成されている。欠け部３６ａにＸＹスキャナ２８の一部が入り込むことにより、ヘッド部４の高さを低くすることができる。
【００６１】
Ｘスキャナ制御基板３１ａは、Ｘスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、Ｙスキャナ制御基板３１ｃは、Ｙスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Ｘスキャナ制御基板３１ａには、Ｘスキャナの駆動用モーターに駆動電流を供給する増幅器として、オペアンプ３１ｂが設けられている。このオペアンプ３１ｂは、平板形状の部品であり、Ｘスキャナ制御基板３１ａ上に立設され、放熱面をリアフレーム３４に密着させて固定されている。
【００６２】
一方、Ｙスキャナ制御基板３１ｃには、Ｙスキャナの駆動用モーターに駆動電流を供給する増幅器としてのオペアンプ３１ｄが設けられている。このオペアンプ３１ｄも、平板形状の部品であり、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ上に立設され、放熱面をリアフレーム３４に密着させて固定されている。スキャナ制御基板３１ａ，３１ｃ上に配設されたオペアンプ３１ｂ、３１ｄをリアフレーム３４に密着させることにより、放熱性を向上させている。
【００６３】
ヘッド制御基板３７は、シャッタ２４、フォトインタラプタ２５、パワーモニタ２９、ガイド光源３０、図示しない各種のインジケータを制御するための制御回路が形成された配線基板である。
【００６４】
ここで、Ｘスキャナ制御基板３１ａ、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ及びヘッド制御基板３７は、センターフレーム３６と交差する方向に関してヘッド部４の厚さを薄くするために、いずれも当該センターフレーム３６と略平行に配置されている。また、Ｘスキャナ制御基板３１ａは、センターフレーム３６の右面に取り付けられ、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ及びヘッド制御基板３７は、センターフレーム３６の左面に取り付けられている。この例では、Ｘスキャナ制御基板３１ａ、Ｙスキャナ制御基板３１ｃ及びヘッド制御基板３７が、いずれも互いに対向させて配置された複数の基板上に制御回路を分散させた多段式の基板となっている。
【００６５】
ヘッド部４の底面を構成するアンダーフレーム３３には、ＸＹスキャナ２８によって走査されたレーザ光を出射するための開口３３ａが形成されており、カバーレンズが配置される。ダイクロイックミラー２６により反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、Ｘ方向走査用のガルバノミラー２８ｂによって反射される。そして、Ｙ走査用のガルバノミラー２８ｄによって反射され、開口３３ａを介してワークＷに照射される。
【００６６】
図８及び図９は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、リアカバー及びフロントカバー４ａが取り外されたヘッド部４を左前方から見た様子が示されている。図８には、フロントフレーム３５よりも前側の領域内の各デバイスが示され、図９には、シャッタ２４の駆動機構２４ｂ周辺の切断面が示されている。
【００６７】
フロントフレーム３５の前側の領域には、パワーモニタ２９、パワーモニタ用アンプ２９ａ、シャッタ２４の遮断板２４ａ、その駆動機構２４ｂ、粉塵落下防止カバー２４ｃ、フォトインタラプタ２５、Ｚスキャナ２７などが配置されている。
【００６８】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ビームサンプラー２３によって、その一部がダイクロイックミラー２６に向けて反射され、他の一部が透過してパワーモニタ２９に入射される。
【００６９】
光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２は、互いに光軸を一致させて配置されており、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光は、その一部がそのまま直進してパワーモニタ２９に入射する。一方、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光の他の一部は、ビームサンプラー２３で反射され、遮断板２４ａを介してダイクロイックミラー２６に入射する。
【００７０】
パワーモニタ２９は、フロントフレーム３５に関して光アイソレータ２１やビームエキスパンダ２２とは反対側に配置されている。パワーモニタ２９の受光面は、フロントフレーム３５を介しビームエキスパンダ２２の出射側端面と対向させて配置されている。
【００７１】
Ｚスキャナ２７は、フロントフレーム３５に関して光アイソレータ２１やビームエキスパンダ２２とは反対側で光軸を当該フロントフレーム３５と略平行にして配置されている。一方、ＸＹスキャナ２８は、リアフレーム３４及びフロントフレーム３５間に配置され、Ｚスキャナ２７を通過したレーザ光が光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２と略平行に入射される。
【００７２】
シャッタ２４は、レーザ光を遮断するための遮断板２４ａと、遮断板２４ａを回転させる駆動機構２４ｂと、粉塵が周囲に散逸するのを防ぐための粉塵落下防止カバー２４ｃにより構成される。駆動機構２４ｂとしては、例えば、回転軸方向の磁気力を回転トルクに変換するロータリーソレノイドが用いられる。粉塵落下防止カバー２４ｃは、駆動機構２４ｂのロータリーソレノイドや遮断板２４ａの摺動部分を覆うカバーである。
【００７３】
図１０及び図１１は、図１のレーザ加工装置１００のヘッド部４の構成例を示した斜視図であり、ダイクロイックミラー２６周辺のレーザ光の光路が示されている。図１０には、ヘッド部４を左前方から見た様子が示され、図１１には、ヘッド部４を上から見た様子が示されている。
【００７４】
フロントフレーム３５の前側の領域には、ビームサンプラー２３、パワーモニタ２９、遮断板２４ａ、駆動機構２４ｂ、粉塵落下防止カバー２４ｃ、ダイクロイックミラー２６、ガイド光源３０及びＺスキャナ２７などが配置されている。
【００７５】
光ファイバーケーブル３を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過した後、ビームサンプラー２３によって反射され、水平面内で光軸が直角に曲げられる。そして、レーザ光は、遮断板２４ａを介してダイクロイックミラー２６に入射し、垂直面内で下方向に反射される。
【００７６】
ダイクロイックミラー２６によって反射されたレーザ光は、Ｚスキャナ２７を通過後、ミラー３２によって反射され、垂直面内で光軸が直角に曲げられてＸＹスキャナ２８に水平方向から入射する。一方、ガイド光源３０から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー２６をそのまま下方向に透過して、レーザ光の光路に入る。
【００７７】
ガイド光源３０は、レーザ光の遮断時であってもガイド光を照射可能とするために、シャッタ２４の遮断板２４ａよりも下流側に配置しなければならない。このため、ビームサンプラー２３及びダイクロイックミラー２６を水平面内に配置して、ビームサンプラー２３及びダイクロイックミラー２６間にシャッタ２４を配設するとともに、ダイクロイックミラー２６の真上にガイド光源３０を配置している。Ｚスキャナ２７は、光軸を下方向に向けてダイクロイックミラー２６の真下に配置されている。
【００７８】
パワーモニタ２９が、フロントフレーム３５に関して光アイソレータ２１やビームエキスパンダ２２とは反対側に配置されるので、パワーモニタ２９をリアフレーム３４及びフロントフレーム３５間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部４の長さを短くすることができる。特に、光アイソレータ２１及びビームエキスパンダ２２を通過したレーザ光をそのままパワーモニタ２９に受光させるので、ビームエキスパンダ２２の通過後のレーザ光をミラーで反射させてからパワーモニタ２９に受光させる場合、すなわち、受光面がセンターフレーム３６のフレーム面と平行になるようにパワーモニタ２９が配置される場合に比べて、パワーモニタ２９の受光面の大きさに相当する分だけ、ヘッド部４の長さを短くすることができる。
【００７９】
また、Ｚスキャナ２７が、光軸を下方向に向けて配置されるので、ヘッド部４の左右方向の厚さを薄くすることができる。また、粉塵落下防止カバー２４ｃを設けているので、シャッタ２４内部で発生した金属粉が落下して、Ｚスキャナ２７などの光学系に付着するのを防止することができる。
【００８０】
本実施の形態によれば、Ｚスキャナ２７を制御するメイン制御回路１１が本体部２内に設けられるので、ヘッド部４内に設けられる場合に比べて、ヘッド部４を小型化することができる。また、ＸＹスキャナ２８を制御するＸＹスキャナ制御回路３１はヘッド部４内に設けられるので、ＸＹスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。さらに、Ｚスキャナ２７用の制御回路が本体部２内に設けられるので、ヘッド部４内の発熱を抑制することができる。
【００８１】
また、Ｘスキャナ制御基板３１ａとＹスキャナ制御基板３１ｃとがセンターフレーム３６と略平行に配置されるので、センターフレーム３６と交差する方向に関して、ヘッド部４を薄型化することができる。また、ＸＹスキャナ制御回路３１をＸスキャナ制御基板３１ａとＹスキャナ制御基板３１ｃとに割り振ることにより、Ｘ方向走査用の制御回路及びＹ方向走査用の制御回路が１つの基板上に設けられる場合に比べて、基板のサイズを小さくすることができる。さらに、Ｘスキャナ制御基板３１ａとＹスキャナ制御基板３１ｃとが、センターフレーム３６に関して互いに反対側に配置されるので、オペアンプ３１ｂ，３１ｄをこれらのスキャナ制御基板間で離間させることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  コンソール
２  本体部
３  光ファイバーケーブル
３ａ  カバー部
４  ヘッド部
４ａ  フロントカバー
１１  メイン制御回路
１２  ワーク加工情報記憶部
１３  電源回路
１４  励起光源
１５  レーザ光増幅器
２１  光アイソレータ
２２  ビームエキスパンダ
２３  ビームサンプラー
２４  シャッタ
２４ａ  遮断板
２４ｂ  駆動機構
２４ｃ  粉塵落下防止カバー
２５  フォトインタラプタ
２６  ダイクロイックミラー
２７  Ｚスキャナ
２８  ＸＹスキャナ
２８ａ，２８ｃ  駆動用モーター
２８ｂ，２８ｄ  ガルバノミラー
２９  パワーモニタ
２９ａ  パワーモニタ用アンプ
３０  ガイド光源
３１  ＸＹスキャナ制御回路
３１ａ  Ｘスキャナ用制御基板
３１ｂ  Ｘスキャナ用オペアンプ
３１ｃ  Ｙスキャナ用制御基板
３１ｄ  Ｙスキャナ用オペアンプ
３２  ミラー
３３  アンダーフレーム
３３ａ  開口
３４  リアフレーム
３５  フロントフレーム
３６  センターフレーム
３６ａ  欠け部
３７  ヘッド制御基板
１００  レーザ加工装置
Ｗ  ワーク
【図１】
0005465495.tif 000002
【図２】
0005465495.tif 000003
【図３】
0005465495.tif 000004
【図４】
0005465495.tif 000005
【図５】
0005465495.tif 000006
【図６】
0005465495.tif 000007
【図７】
0005465495.tif 000008
【図８】
0005465495.tif 000009
【図９】
0005465495.tif 000010
【図１０】
0005465495.tif 000011
【図１１】
0005465495.tif 000012