(57)【要約】  被加工物Ｗにレーザ光を照射することによって、被加工物Ｗへのピアス加工とピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工装置において、少なくともピアス加工の開始時に、被加工物Ｗ内の表面近傍に焦点位置を設定して被加工物Ｗにレーザ光を照射するレーザ光照射部６０と、レーザ光照射部６０がピアス加工の開始時に設定した焦点位置で被加工物Ｗにレーザ光を照射した場合にプラズマの発生する周波数でレーザ光をパルス出射するレーザ発振器１と、を備える。
2009148022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザ光を照射することによって、前記被加工物へのピアス加工と前記ピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工装置において、
少なくとも前記ピアス加工の開始時に、前記被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定して前記被加工物にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部が前記ピアス加工の開始時に設定した焦点位置で前記被加工物にレーザ光を照射した場合にプラズマの発生する周波数で前記レーザ光をパルス出射するレーザ発振器と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射部は、前記ピアス加工の開始時には第１のビーム径を有したレーザ光を前記被加工物に照射し、その後、前記第１のビーム径よりも小さなビーム径である第２のビーム径を有したレーザ光を前記被加工物に照射することによって前記ピアス加工を進行させ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】
前記ピアス加工の際に前記被加工物側から出る光の光量を検知する光量検知センサをさらに備え、
前記光量検知センサが検知した光量に基づいて前記ピアス加工が完了したと判断された場合に、前記レーザ光照射部は、前記ピアス加工から前記切断加工への切替えを行なうことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
被加工物にレーザ光を照射することによって、前記被加工物へのピアス加工と前記ピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工方法において、
少なくとも前記ピアス加工の開始時に前記被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定する焦点位置設定ステップと、
前記ピアス加工の開始時に設定された焦点位置で前記被加工物にレーザ光を照射した場合にプラズマの発生する周波数で前記レーザ光をパルス出射するレーザ発振ステップと、
パルス出射されたレーザ光を前記被加工物に照射するレーザ光照射ステップと、
を含む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、被加工物をピアス加工した後に切断加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は、軟鋼などの被加工物にレーザ光を照射することによって被加工物から所望の加工物（製品）や不要箇所を切り出す装置である。レーザ加工装置は、加工開始時にピアス加工を行なうとともに、切り出す加工物に加工開始時のピアス穴が含まれないように加工物の切断処理を行っている。このため、被加工物から小さな不要箇所などを切り落とすためには、小さなピアス穴をあける必要がある。従来のピアシング技術では、ピアス穴径を小さくするためには、レーザ光の出力を小さくしなければならなかったのでピアス加工に長時間を要していた。レーザ光の出力を大きくしてピアシング時間を短くすると、ピアス穴径が拡大するからである。このように、従来のピアシング技術では、ピアス穴径の小径化とピアス時間の高速化を両立することはできなかった。【０００３】
例えば、特許文献１に記載のレーザ加工装置は、ピアス加工を安定して高速で行うために、ピアス加工を行う際に、集光レンズの焦点位置をワークの加工深さ方向へ下降させながらピアス加工を行なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１６０１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術ではピアス加工の高速化が不十分である。また、ピアス加工の進行に応じた位置に集光レンズの焦点位置を移動させなければならないので、焦点位置の制御が複雑になるという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピアス加工を短時間で容易に行なうことができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工物にレーザ光を照射することによって、前記被加工物へのピアス加工と前記ピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工装置において、少なくとも前記ピアス加工の開始時に、前記被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定して前記被加工物にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、前記レーザ光照射部が前記ピアス加工の開始時に設定した焦点位置で前記被加工物にレーザ光を照射した場合にプラズマの発生する周波数で前記レーザ光をパルス出射するレーザ発振器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ピアス加工の開始時に、被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定しプラズマの発生する周波数でレーザ光をパルス出射するので、ピアス加工を短時間で容易に行なうことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１に係るピアス加工の概念を説明するための説明図である。
【図２】図２は、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。
【図３−１】図３−１は、従来のピアス加工時に用いられてきたレーザ光の周波数を示す図である。
【図３−２】図３−２は、本実施の形態のレーザ加工装置がピアス加工時に用いるパルスレーザの周波数を示す図である。
【図４−１】図４−１は、従来のピアス加工で用いられていたレーザ光の焦点位置を示す図である。
【図４−２】図４−２は、本実施の形態のレーザ加工装置がピアス加工開始時に照射するレーザ光の焦点位置を示す図である。とした場合である。
【図５−１】図５−１は、ベンドミラーが凸面である場合のベンドミラーの曲率変化と焦点位置の変化の関係を示す図である。
【図５−２】図５−２は、ベンドミラーが凹面である場合のベンドミラーの曲率変化と焦点位置の変化の関係を示す図である。
【図６−１】図６−１は、ピアス加工の開始時に用いるレーザ光のビーム径を示す図である。
【図６−２】図６−２は、ピアス加工を開始して所定時間が経過した後に用いるレーザ光のビーム径を示す図である。
【図７−１】図７−１は、ベンドミラーが凸面である場合のベンドミラーの曲率変化とビーム径の変化の関係を示す図である。
【図７−２】図７−２は、ベンドミラーが凹面である場合のベンドミラーの曲率変化とビーム径の変化の関係を示す図である。
【図８−１】図８−１は、ピアス加工の開始時に用いる太いビーム径のレーザ光を示す図である。
【図８−２】図８−２は、ピアス加工を開始して所定時間経過後に用いる細いビーム径のレーザ光を示す図である。
【図９】図９は、ピアス加工時のビーム径の変移を示す図である。
【図１０】図１０は、加工ヘッドの構成を示す図である。
【図１１】図１１は、反射光の検出方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法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。以下の説明でのピアス加工（ピアシング）は、被加工物にピアス穴をあける処理であり、切断加工は、被加工物から加工物または不要箇所を切り出す処理である。
【００１１】
実施の形態１．
まず、本実施の形態に係るピアス加工の概念について説明する。図１は、実施の形態１に係るピアス加工の概念を説明するための説明図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルスレーザとして発振させるレーザ発振器１、レーザ光Ｌを小さなスポット径に集光して被加工物Ｗ（軟鋼など）に照射する加工レンズ７を有している。加工レンズ７は、高さ方向（レーザ光Ｌの照射方向）を調整することによって、被加工物Ｗへ照射するレーザ光Ｌの焦点位置を調整する。
【００１２】
本実施の形態の加工レンズ７は、少なくともピアス加工の加工開始時に被加工物Ｗ内の表面近傍（表面よりも下側）に焦点位置を設定する。さらに、レーザ発振器１は、この焦点位置でレーザ照射した場合に、被加工物Ｗの加工位置でプラズマを発生させることができる高周波数のレーザ光Ｌを発振する。ここでの高周波は、例えば従来のピアス加工時に用いられてきた周波数（プラズマの発生しない周波数）よりも高い周波数であって、切断加工時に用いられる周波数よりも低い周波数である。これにより、レーザ加工装置１００は、プラズマを発生させながら被加工物Ｗのピアス加工を行なってピアス穴Ｐを被加工物Ｗに形成する。
【００１３】
図２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１、ＰＲ（Partial  Reflection）ミラー２、レーザ光照射部６０、制御装置５０を有している。
【００１４】
レーザ発振器１は、ＣＯ２レーザなどのレーザ光（ビーム光）Ｌを発振させる装置であり、ピアス加工や切断加工などのレーザ加工の際には発振周波数やレーザ出力を種々変化させながらレーザ光を出射する。本実施の形態のレーザ発振器１は、ピアス加工や切断加工などの加工の種類に応じて出力するレーザ光Ｌの周波数を変更する。レーザ光照射部６０は、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、加工ヘッド３０を含んで構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
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ヘッド３０に送る。ベンドミラー５とベンドミラー６の間には、偏光を変化させる図示しないミラーが装着される。
【００１７】
加工ヘッド３０は、加工レンズ７を有している。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Ｗに照射する。本実施の形態の加工レンズ７は、ピアス加工や切断加工などの加工の種類に応じて焦点位置が調整される。加工レンズ７は、例えばピアス加工時に焦点位置を被加工物Ｗの表面よりも下側にし、切断加工時に焦点位置を被加工物Ｗの表面よりも上側にする。被加工物Ｗ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。
【００１８】
制御装置５０は、レーザ発振器１およびレーザ光照射部６０に接続されており、レーザ発振器１およびレーザ光照射部６０を制御する。レーザ加工装置１００は、例えばアシストガスに酸素を用いた酸素切断によって軟鋼などの被加工物Ｗをレーザ加工する。このとき、レーザ加工装置１００は、軟鋼への焦点位置を材料表面の近傍であって材料表面よりも下側に設定するとともに、レーザ光の周波数を所定値よりも高く設定することによってプラズマを発生させる。これにより、レーザ加工装置１００は、プラズマ発生下で軟鋼のピアス加工を行なう。
【００１９】
図３−１および図３−２は、ピアス加工時にレーザ発振器が出力するパルスレーザの周波数を説明するための図である。図３−１に示すグラフが従来のピアス加工時に用いられてきたレーザ光（パルスレーザ）の周波数を示す図である。また、図３−２に示すグラフが本実施の形態のレーザ加工装置１００がピアス加工時に用いるパルスレーザの周波数を示す図である。
【００２０】
従来のピアス加工時に用いられてきたパルスレーザ（プラズマの発生しない周波数のレーザ光）をパルスレーザＰＬ１とすると、本実施の形態のピアス加工時に用いるパルスレーザＰＬ２は、パルスレーザＰＬ１の周波数よりも高い周波数のレーザ光である。
【００２１】
パルスレーザＰＬ２は、加工レンズ７を用いて設定された焦点位置（被加工物Ｗの表面より下側）で被加工物Ｗにレーザ照射した場合にプラズマが発生する周波数であれば何れの周波数であってもよい。
【００２２】
なお、レーザ加工装置１００は、バーニングの発生を防止するためにパルスレーザＰＬ２よりも低い周波数のパルスレーザでピアス加工を開始してもよい。この場合、ピアス加工を開始して所定の時間だけバーニングの発生しない周波数でピアス加工を進行させた後、レーザ光をパルスレーザＰＬ２に変更してピアス加工を継続する。バーニングの発生を防止するための周波数からパルスレーザＰＬ２への変更は、例えば、ピアス加工を開始して所定の時間が経過した後に、少しずつ周波数を上げていくことによって変更する。
【００２３】
図４−１および図４−２は、ピアス加工時に被加工物に照射されるレーザ光の焦点位置を説明するための図である。図４−１は、従来のピアス加工で用いられていたレーザ光の焦点位置を示す図である。従来のピアス加工時には、被加工物Ｗの表面よりも上側をレーザ光の焦点位置としていた。図４−２は、被加工物Ｗの表面よりも下側をレーザ光の焦点位置とした場合である。本実施の形態でのレーザ加工装置１００は、ピアス加工開始時には、図４−２に示すように被加工物Ｗの表面近傍をレーザ光の焦点位置とし、望ましくは、被加工物Ｗの表面よりも下側をレーザ光の焦点位置とする。
【００２４】
レーザ加工装置１００は、ピアス加工の進行にしたがってレーザ光の焦点位置を下側にずらしてもよい。換言すると、レーザ加工装置１００は、ピアス加工を行う際に加工レンズ７の焦点位置を被加工物Ｗの加工深さ方向へ下降させながらピアス加工を行なってもよい。また、レーザ加工装置１００は、レーザ光の焦点位置を最初に設定した焦点位置に固定してピアス加工を行なってもよい。
【００２５】
レーザ加工装置１００は、ピアス加工が終わると切断加工へと移行する。レーザ加工装置１００は、被加工物Ｗの切断加工を行なう際には、被加工物Ｗの表面よりも上側をレーザ光の焦点位置とする。
【００２６】
なお、被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌの焦点位置は、ベンドミラー６を用いて制御してもよい。この場合、ベンドミラー６を曲率可変なミラー（曲率可変反射鏡）によって構成しておく。ここで曲率可変なベンドミラー６の構成の一例について説明する。曲率可変なベンドミラー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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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５−１および図５−２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５−１は、ベンドミラー６が凸面である場合を示し、図５−２は、ベンドミラー６が凹面である場合を示している。
【００３０】
凸面のベンドミラー６を介して被加工物Ｗに照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光Ｌが被加工物Ｗ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Ｗに照射されるレーザ光Ｌは、平行光のレーザ光Ｌが被加工物Ｗに照射される場合よりも、焦点位置が短くなる。
【００３１】
このように、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Ｗに照射するレーザ光Ｌの焦点位置を変化させることが可能となる。
【００３２】
以上のように、レーザ加工装置１００は、焦点位置の制御とともにパルスレーザの周波数を制御することによってピアス加工時にプラズマの誘発を図り、プラズマ発生下でピアス加工を行なっている。ピアス加工中にプラズマを発生させることでピアス加工の処理時間を従来の約半分に短縮することが可能となる。また、レーザ光を高出力で出力する必要がないので、小さなピアス穴を被加工物Ｗに形成することが可能となる。したがって、ピアス穴の高速な貫通処理とピアス穴の小径化を両立することが可能となる。
【００３３】
これにより、被加工物Ｗの加工に要する時間を短縮することができ、レーザ加工装置１００のランニングコストを低減させることが可能となる。また、ピアス時間の短縮により被加工物Ｗ（母材）への入熱を低く抑えることができるので、母材の温度上昇に起因する加工不良（バーニング）の発生を抑制することが可能となる。なお、本実施の形態では、制御装置５０とレーザ光照射部６０を別々の構成としたが、レーザ光照射部６０が制御装置５０を有する構成としてもよい。
【００３４】
このように実施の形態１によれば、被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌの焦点位置と、被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌの周波数と、を制御することによってピアス加工時にプラズマを発生させているので、短時間でピアス加工を行なうことが可能となる。
【００３５】
実施の形態２．
つぎに、図６−１〜図９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、レーザ光Ｌの焦点位置と周波数の制御に加えて、レーザ光Ｌのビーム径（光束径）を制御する。
【００３６】
本実施の形態のレーザ加工装置１００は、ピアス加工中にビーム径を変化させることによってピアス穴Ｐのレーザ加工に使用されるエネルギー効率を高める。具体的には、レーザ加工装置１００は、ピアス加工開始時にはバーニングなどの加工不良を回避するため、加工レンズ７への入射ビーム径（第１のビーム径）を大きくし、ピアス加工が進むにつれて入射ビーム径（第２のビーム径）が小さくなるよう変化させる。
【００３７】
図６−１および図６−２は、ピアス加工時に被加工物に照射されるレーザ光のビーム径を説明するための図である。図６−１は、ピアス加工の開始時に用いるレーザ光Ｌのビーム径を示す図である。また、図６−２は、ピアス加工を開始して所定時間が経過した後に用いるレーザ光Ｌのビーム径を示す図である。本実施の形態でのレーザ加工装置１００は、ピアス加工を行なう際に、ピアス加工の開始時にはビーム径の大きなレーザ光によってピアス加工し、その後、ビーム径を小さくしてピアス加工を行なう。
【００３８】
被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌのビーム径は、例えば曲率可変なベンドミラー６を用いて制御してもよい。曲率可変なベンドミラー６の構成は、実施の形態１のベンドミラー６と同様の構成を有しているので、ここではその説明を省略する。
【００３９】
ここで、ベンドミラー６の曲率変化とビーム径の変化の関係について説明する。図７−１および図７−２は、ベンドミラーの曲率変化とビーム径の変化の関係を説明するための図である。図７−１は、ベンドミラー６が凸面である場合を示し、図７−２は、ベンドミラー６が凹面である場合を示している。
【００４０】
凸面のベンドミラー６を介して被加工物Ｗに照射されるレーザ光Ｌは、平行光のレーザ光Ｌが被加工物Ｗに照射される場合よりもビーム径が太くなる。凹面のベンドミラー６を介して被加工物Ｗに照射されるレーザ光は、平行光のレーザ光が被加工物Ｗに照射される場合よりもビーム径が細くなる。
【００４１】
このように、ベンドミラー６の曲率を変化させることによって、被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌのビーム径を変化させることが可能となる。なお、ベンドミラー６の曲率を変化させることによって被加工物Ｗに照射するレーザ光Ｌの焦点位置がずれるので、例えば加工レンズ７の位置を変化させることによって焦点位置のずれを解消する。なお、焦点位置のずれは、ベンドミラー６の位置を変更することによって解消してもよい。例えば、レーザ光Ｌのビーム径を細くするためにベンドミラー６を凹面に変化させた場合、焦点位置は上側に変化する。したがって、レーザ光Ｌのビーム径を細くする際には、加工レンズ７またはベンドミラー６を降下させることによって焦点位置の変化を解消する。
【００４２】
レーザ光Ｌのビーム径を細くすることによって、ピアス穴Ｐの底面に到達するレーザ光の割合が多くなる。図８−１および図８−２は、ピアス穴の底面に到達するレーザ光とビーム径の関係を説明するための図である。
【００４３】
図８−１は、ピアス加工の開始時に用いる太いビーム径のレーザ光を示し、図８−２は、ピアス加工を開始して所定時間経過後に用いる細いビーム径のレーザ光を示している。
【００４４】
図８−１に示すように、ピアス穴Ｐに入射するビーム径が太い場合には、ピアス穴Ｐの側壁面へ照射されるレーザ光Ｌが多くなり、ピアス穴Ｐの底面に到達するレーザ光Ｌが少なくなる。このため、ピアス穴Ｐの穿孔（底面方向への加工）に用いられるエネルギー効率が低くなる。
【００４５】
一方、図８−２に示すように、ピアス穴Ｐに入射するビーム径が細い場合には、ビーム径が太い場合よりもピアス穴Ｐの側壁面へ照射されるレーザ光Ｌが少なくなり、ピアス穴Ｐの底面に到達するレーザ光Ｌが多くなる。このため、ピアス穴Ｐの穿孔（底面方向への加工）に用いられるエネルギー効率が高くなる。
【００４６】
つぎに、ピアス加工時のビーム径の変更タイミングについて説明する。図９は、ピアス加工時のビーム径の変移を示す図である。レーザ加工装置１００は、ピアス加工を開始する際には、太いビーム径ｒ１のレーザ光Ｌを被加工物Ｗに照射する。そして、太いビーム径ｒ１のレーザ光Ｌを所定時間だけ被加工物Ｗに照射すると、レーザ加工装置１００は、ビーム径ｒ１よりもビーム径が細いレーザ光Ｌ（ビーム径ｒ２のレーザ光Ｌ）を被加工物Ｗに照射する。ビーム径ｒ１からビーム径ｒ２への変更は、少しずつビーム径を小さくすることによって行なってもよいし（Ａ）、所定のタイミングでビーム径ｒ１からビーム径ｒ２へ切り替えることによって行なってもよい（Ｂ）。この後、レーザ加工装置１００は、ピアス加工が終了するまで、細いビーム径ｒ２のレーザ光Ｌを被加工物Ｗに照射する。
【００４７】
ビーム径ｒ１からビーム径ｒ２へ変更するタイミングは、例えばビーム径ｒ２のレーザ光Ｌによって被加工物Ｗをレーザ加工してもバーニングが発生しないタイミングである。換言すると、レーザ加工装置１００は、ピアス加工を開始した後、バーニングが発生しなくなるまでの間は、ビーム径ｒ１のレーザ光Ｌによってピアス加工し、その後、ビーム径ｒ２のレーザ光Ｌによってピアス加工する。
【００４８】
このように、ピアス加工の開始時には太いビーム径でレーザ加工を行なうので、ピアス開始時のバーニングを抑えることができる。また、所定時間が経過してバーニングが発生しなくなった後には、細いビーム径でレーザ加工を行なうので、ピアス穴Ｐの最深部まで効率良くエネルギーを伝達して短時間でピアス加工を行なうことが可能となる。
【００４９】
このように実施の形態２によれば、焦点位置の制御やパルスレーザの周波数制御とともに、レーザ光Ｌのビーム径を制御するので、実施の形態１のレーザ加工装置１００よりも短時間でピアス加工を行なうことが可能となる。
【００５０】
実施の形態３．
つぎに、図１０および図１１を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、ピアス加工を行なう際にピアス穴Ｐが貫通したか否かの検出を行なうとともに、検出結果に基づいてピアス加工から切断加工へ移行する。
【００５１】
本実施の形態のレーザ加工装置１００は、実施の形態１，２と同様の処理によってピアス加工を開始する。レーザ加工装置１００は、例えば加工ヘッドに配置したセンサ（後述の反射光検出センサ２０）によってピアス加工時に被加工物Ｗ側から発生する光を検出する。そして、検出した光の光量（エネルギー量）に基づいて、ピアス穴Ｐが貫通したか否かが判断される。
【００５２】
図１０は、加工ヘッドの構成を示す図である。加工ヘッド３０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、反射光検出センサ（光量検知センサ）２０を有している。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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ている。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Ｗ側へ照射する。
【００５６】
反射光検出センサ２０は、ピアス穴Ｐが貫通したか否かの判断に用いる光のエネルギー量を検出するセンサであり、レンズ保持筒１１内に配置されている。反射光検出センサ２０は、ピアス加工の際に被加工物Ｗから反射してくる光やプラズマ光のエネルギー量を検出する。反射光検出センサ２０は、検出したエネルギー量を、反射光（レーザ光Ｌの照射に起因する光）Ｒとしてレーザ加工装置１００の制御装置５０に送信し、制御装置５０がエネルギー量に基づいてレーザ加工装置１００を制御する。
【００５７】
制御装置５０は、ピアス加工を開始した後、例えば反射光Ｒのエネルギー量が所定値以下となった場合にピアス加工から切断加工へ移行する。制御装置５０は、エネルギー量の減少量が所定値以上となった場合やエネルギー量の減少速度が所定値以上となった場合にピアス加工から切断加工へ移行してもよい。
【００５８】
つぎに、反射光Ｒの検出方法について説明する。図１１は、反射光Ｒの検出方法（処理手順）を説明するための図である。レーザ加工装置１００が、ピアス加工を開始すると被加工物Ｗ側から反射光Ｒが出る（ａ）。この反射光Ｒは、レーザ光Ｌが被加工物Ｗで反射されることによって生じる反射光とレーザ光Ｌが被加工物Ｗに照射されることによって生じるプラズマ光とを含んでいる。反射光Ｒは、加工ヘッド３０内の反射光検出センサ２０によって検出される。反射光検出センサ２０によって検出される反射光Ｒのエネルギー量（光量）は、加工ヘッド３０から被加工物Ｗ（加工中のピアス穴Ｐの側壁面や底面）へ照射されるレーザ光Ｌのエネルギー量や加工中のピアス穴Ｐの形状などに応じた値となる。
【００５９】
ピアス加工が進んでピアス穴Ｐが被加工物Ｗの底面から開口すると（ｂ）、レーザ光Ｌが被加工物Ｗの底面から被加工物Ｗの外側へ通過する。そして、レーザ光Ｌのうちピアス穴Ｐの側壁面に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー量が減少する。また、ピアス穴Ｐの底面が無くなるので底面に照射されるレーザ光Ｌが無くなる。このため、被加工物Ｗで反射される光が減少する。また、被加工物Ｗと加工ヘッド３０の間に発生するプラズマも減少する。これにより、反射光Ｒのエネルギー量が減少し、反射光検出センサ２０が検出するエネルギー量も減少する。反射光検出センサ２０がエネルギー量の減少を検出すると、レーザ加工装置１００は、ピアス加工が完了したと判断し、被加工物Ｗの切断処理に移行する（ｃ）。
【００６０】
従来のピアス加工では、被加工物Ｗの板厚誤差や表面状態の誤差によって、加工処理時間にばらつきが生じていた。このため、ピアス穴が未貫通のままピアス加工から切断加工への切り替えをしてしまい、バーニングが発生する場合があった。バーニングの発生を防止するためには、ピアス加工の処理時間として設定するピアス加工設定時間にマージンが必要となる。しかしながら、この方法では、ピアス穴の貫通後もピアス加工処理を継続する場合があるので、ピアス加工に無駄な時間が発生していた。
【００６１】
これに対し、本実施の形態では、反射光Ｒを検知することによってピアス穴Ｐが貫通したか否かを判断している。そして、ピアス穴Ｐが貫通した後にピアス加工から切断加工へ移行している。これにより、レーザ加工装置１００は、被加工物Ｗの板厚誤差や表面状態などの誤差に依らず、適切なタイミングでピアス加工から切断加工への切り替えが可能となる。さらに、確実にピアス穴Ｐが貫通した後に、ピアス加工から切断加工へ切り替わるので、ピアス穴Ｐが未貫通のまま切断加工に切り替わりことがなく、この結果、加工不良の発生を抑えられる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、反射光検出センサ２０をレンズ保持筒１１内に配置する場合について説明したが、反射光検出センサ２０は加工ノズル１４内に配置してもよい。また、反射光検出センサ２０は加工ヘッド３０の外側に配置してもよい。
【００６３】
このように実施の形態３によれば、反射光Ｒを用いてピアス穴Ｐの加工完了タイミングを検出し、この検出結果に基づいてピアス加工から切断加工への切り替えを行なっているので、加工不良の発生を抑えつつ効率良くレーザ加工を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上のように、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、レーザ光を用いた被加工物のピアス加工に適している。
【符号の説明】
【００６５】
１  レーザ発振器
６  ベンドミラー
７  加工レンズ
９  被加工物
２０  反射光検出センサ
３０  加工ヘッド
５０  制御装置
６０  レーザ光照射部
１００  レーザ加工装置
Ｌ  レーザ光
Ｐ  ピアス穴
Ｒ  反射光
Ｗ  被加工物
【図１】
2009148022.tif 000003
【図２】
2009148022.tif 000004
【図３−１】
2009148022.tif 000005
【図３−２】
2009148022.tif 000006
【図４−１】
2009148022.tif 000007
【図４−２】
2009148022.tif 000008
【図５−１】
2009148022.tif 000009
【図５−２】
2009148022.tif 000010
【図６−１】
2009148022.tif 000011
【図６−２】
2009148022.tif 000012
【図７−１】
2009148022.tif 000013
【図７−２】
2009148022.tif 000014
【図８−１】
2009148022.tif 000015
【図８−２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月13日(2009.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザ光を照射することによって、前記被加工物へのピアス加工と前記ピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工装置において、
少なくとも前記ピアス加工の開始時に、前記被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定して前記被加工物にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部が前記ピアス加工の開始時に設定した焦点位置で前記被加工物にレーザ光を照射した場合にプラズマの発生するパルスの周波数で前記レーザ光をパルス出射するレーザ発振器と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射部は、前記ピアス加工の開始時には第１のビーム径を有したレーザ光を前記被加工物に照射し、その後、前記第１のビーム径よりも小さなビーム径である第２のビーム径を有したレーザ光を前記被加工物に照射することによって前記ピアス加工を進行させ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】
前記ピアス加工の際に前記被加工物側から出る光の光量を検知する光量検知センサをさらに備え、
前記光量検知センサが検知した光量に基づいて前記ピアス加工が完了したと判断された場合に、前記レーザ光照射部は、前記ピアス加工から前記切断加工への切替えを行なうことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
被加工物にレーザ光を照射することによって、前記被加工物へのピアス加工と前記ピアス加工の後の切断加工とを行うレーザ加工方法において、
少なくとも前記ピアス加工の開始時に前記被加工物内の表面近傍に焦点位置を設定する焦点位置設定ステップと、
前記ピアス加工の開始時に設定された焦点位置で前記被加工物にレーザ光を照射した場合にプラズマの発生するパルスの周波数で前記レーザ光をパルス出射するレーザ発振ステップと、
パルス出射されたレーザ光を前記被加工物に照射するレーザ光照射ステップと、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【国際調査報告】
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