(57)【要約】【課題】レーザー加工装置において、レーザーの焦点を液体噴流の軸線に対して高精度に且つ容易に位置合わせすることができるアライメント調整装置を提供する。【解決手段】アライメント調整装置１０は、ジェットノズル２０と光ファイバ２２を相対的に移動させる相対移動機構３４と、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像Ｑおよびレーザーの像の画像Ｒを撮影する撮像手段３７と、画像Ｑ，Ｒに基づいて相対移動機構３４を制御するアライメント制御手段と、を有し、アライメント制御手段は、ａ）画像Ｑに基づいて、入口開口部２０ａの中心を求めるステップと、ｂ）画像Ｒに基づいて、レーザーの像の中心を求めるステップと、ｃ）レーザーの像の中心が入口開口部２０ａの中心に一致するように、相対移動機構３４を駆動して光ファイバ２２をジェットノズル２０に対して移動させるステップと、を実行するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、上記液柱内にレーザー光源からのレーザーを集光させるレーザー光学系とを有し、液柱内に導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置に使用され、上記レーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整装置であって、
上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口部の中心に対して位置合わせできるように、上記ジェットノズルと上記レーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構と、
上記ジェットノズルの入口開口部の画像および上記入口開口部付近に照射された微弱なレーザーの像の画像を撮影する撮像手段と、
上記撮像手段によって撮像された上記ジェットノズルの入口開口部および上記レーザーの像の画像に基づいて上記相対移動機構を制御して、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口部の中心に移動させるアライメント制御手段と、を有し、
上記アライメント制御手段は、
ａ）上記ジェットノズルの入口開口部の画像に基づいて、上記入口開口部の中心を求めるステップと、
ｂ）上記ジェットノズルの入口開口部付近に照射されたレーザーの像の画像に基づいて、上記レーザーの像の中心を求めるステップと、
ｃ）上記レーザーの像の中心が上記入口開口部の中心に一致するように、上記相対移動機構を駆動して上記ジェットノズルと上記レーザーの焦点とを相対的に移動させるステップと、
を実行するように構成されている、
ことを特徴とするアライメント調整装置。
【請求項２】
上記ステップａ）は、上記ジェットノズルの入口開口部の中心の情報を含む入口開口部の画像を予め記憶しておき、上記撮像手段により撮像した上記ジェットノズルの入口開口部の画像と比較することにより、上記入口開口部の中心を求めるステップを有する、
請求項１に記載のアライメント調整装置。
【請求項３】
上記ステップｂ）は、上記レーザーの像の画像を、所定の輝度以上の領域と、所定の輝度未満の領域とに分類し、所定の輝度以上の領域の重心を求めることによってレーザーの像の中心を求めるステップを有する、
請求項１又は２に記載のアライメント調整装置。
【請求項４】
レーザーの出力を測定するためのパワーメータを更に有し、
上記アライメント制御手段は、
ｄ）液柱内に導かれたレーザーの出力を上記パワーメータで所定領域にわたって測定し、測定されたレーザーの出力が最大となる位置に、上記ジェットノズルおよび上記レーザーの焦点の相対位置を設定するステップを更に実行するように構成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載のアライメント調整装置。
【請求項５】
上記レーザー光学系は、上記レーザー光源から出射されたレーザーを導く光ファイバと、光ファイバからのレーザーを平行光にするコリメートレンズと、コリメートレンズからのレーザーを集光させる集光レンズとを備え、
上記相対移動機構は、上記光ファイバを移動させることにより、上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルに対して移動させるように構成され、
更に、上記レーザー光学系は、上記光ファイバの移動距離が、レーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成される、
請求項１から４のいずれか１項に記載のアライメント調整装置。
【請求項６】
上記撮像手段は、ＣＣＤカメラと、上記ジェットノズル付近を照らす照明と、上記照明からの光の中心部分に配置されたフィルタと、上記照明からの光を上記ジェットノズル付近に導くコリメートレンズおよび集光レンズと、上記ＣＣＤカメラにより得られた画像を表示するモニタと、を備えて構成される、
請求項１から５のいずれか１項に記載のアライメント調整装置。
【請求項７】
液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、レーザーを出射するレーザー光源と、上記液柱内に上記レーザー光源からのレーザーを集光させるレーザー光学系とを有し、液柱内に導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置に使用され、上記レーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法であって、
Ａ）上記ジェットノズルの入口開口部の画像を得て、この入口開口部の画像に基づいて、上記入口開口部の中心を求めるステップと、
Ｂ）上記ジェットノズルの入口開口部付近に微弱なレーザーを照射してレーザーの像の画像を得て、このレーザーの像の画像に基づいて、上記レーザーの像の中心を求めるステップと、
Ｃ）上記レーザーの像の中心が上記入口開口部の中心に一致するように、上記ジェットノズルと上記レーザーの焦点とを相対的に移動させるステップと、を有する
ことを特徴とするアライメント調整方法。
【請求項８】
上記ステップＡ）は、上記ジェットノズルの入口開口部の中心の情報を含む入口開口部の画像を予め記憶しておき、撮像した上記ジェットノズルの入口開口部の画像と比較することにより、上記入口開口部の中心を求めるステップを有する、
請求項７に記載のアライメント調整方法。
【請求項９】
上記ステップＢ）は、上記レーザーの像の画像を、所定の輝度以上の領域と、所定の輝度未満の領域とに分類し、所定の輝度以上の領域の重心を求めることによってレーザーの像の中心を求めるステップを有する、
請求項７又は８に記載のアライメント調整方法。
【請求項１０】
Ｄ）液柱内に導かれたレーザーの出力を所定領域にわたって測定し、測定されたレーザーの出力が最大となる位置に、上記入口開口部と上記レーザーの焦点の相対位置を設定するステップを更に有する、
請求項７から９のいずれか１項に記載のアライメント調整方法。
【請求項１１】
上記レーザー光学系を通るレーザーは、上記レーザー光源から光ファイバによって導かれ、コリメートレンズによって平行光にされ、その後集光レンズによって集光され、
上記ステップＣ）は、上記光ファイバを移動させることにより、上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルに対して移動させ、上記光ファイバの移動距離は、上記レーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成されている、
請求項７から１０のいずれか１項に記載のアライメント調整方法。
【請求項１２】
上記ステップＡ）およびＢ）において、上記入口開口部の画像または上記レーザーの画像は、光の中心部分をフィルタによって覆われた照明によって上記ジェットノズル付近を照らして得る、
請求項７から１１のいずれか１項に記載のアライメント調整方法。
【請求項１３】
液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、
上記液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、
請求項１から６のいずれか１項に記載のアライメント調整装置と、を備えた、
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴流により導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置のレーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法、アライメント調整装置、及びアライメント調整装置を備えたレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴流により導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置において、レーザーの照射光軸を液体噴流の軸線に合わせることは、重要である。なぜなら、液体噴流に対するレーザーの焦点位置は、レーザーの出力に大きく影響し、ひいてはレーザー加工能力に大きく影響するからである。レーザーの照射光軸を液体噴流の軸線に合わせる方法として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されるような方法がある。特許文献１に記載される方法では、ノズルから噴射される液体噴流内にレーザーを照射し、ノズルの下方に配置された透光板を透過したレーザーの像の欠け方向からレーザーの焦点位置を推定し、レーザーの焦点をノズルの軸線上に位置決めする。
【０００３】
特許文献２に記載される方法では、液体噴流内に導かれたレーザーの強度を計測し、このレーザーの強度が最大となるようにノズルをレーザーの照射位置に対して位置決めを行う。
【０００４】
また、液体噴流を使用せずにレーザー照射のみで加工を行うレーザー加工装置においては、レーザーの照射位置を被加工物等に対して位置合わせする方法として、例えば特許文献３及び特許文献４に記載されるような方法がある。特許文献３に記載の方法では、光ファイバからの光を分割して２つのスポット光を照射するレーザー加工装置において、コリメートレンズを光軸方向に移動させることにより、２つのスポット光の焦点を調整することができる。また、このレーザー加工装置には、２つのスポット光の照射域を観察するためにＣＣＤカメラが設けられており、このＣＣＤカメラでスポット光の照射域を観察しながらワークの位置決めを行うことができる。
【０００５】
特許文献４に記載される方法では、固定治具に配置された感光板にレーザーを照射してバーンパターンを形成し、バーンパターンをＴＶカメラのモニタで観察しながらバーンパターンがモニタの中心に位置し且つバーンパターンのスポット径が光ファイバのコア径内に収まるように固定治具を位置決めする。その後、固定治具に光ファイバを取り付け、ＴＶカメラで撮影した光ファイバの画像がモニタの中心に位置するように光ファイバを位置決めする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６２１６３号公報
【特許文献２】特開２００７−６１９１４号公報
【特許文献３】特開２００１−７９６７９号公報
【特許文献４】特開平５−１５０１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、照射レーザーの位置およびノズルの開口部からレーザーの焦点位置を直接求めるものではなく、レーザーの焦点とノズルの開口部との位置のずれによって生じる液柱内のレーザーの像の欠け方向からレーザーの焦点座標を間接的に求めるため、レーザーの焦点座標とノズルの開口部の中心座標を高精度に一致させることが難しい。
また、特許文献２に記載の方法では、液柱内に導かれたレーザーのラマン散乱光の強度を測定することによってレーザーの焦点の位置合わせを行うので、レーザーの焦点を高精度に位置あわせすることが困難である。また、その位置あわせを作業者によって手動で行うので、位置合わせ作業に時間がかかるとともに、作業者によって調整精度にばらつきがありレーザー出力にばらつきが出てしまう。さらに、水にラマン散乱光を発生させるには、強いレーザー出力が必要であるため、調整をする段階でレーザーを照射するときに、レーザーがノズルに照射されてノズルを損傷する可能性がある。
【０００８】
また、特許文献３に記載の方法では、光ファイバの位置合わせやレーザーの焦点合わせは手動で複数箇所のねじを用いて行うため、位置合わせ作業に時間がかかるとともに、高精度な位置合わせができない。
特許文献４に記載の方法では、感光板上に形成したレーザーのバーンパターンを検証してレーザーの中心を求めるものであり、レーザー自体から中心を求めるものではなく、また感光板上でのレーザーの位置合わせ作業後に、光ファイバを取り付けるため、このとき取付誤差が生じる可能性があり、光ファイバとレーザーの中心とのアライメントが正確でなく、高精度なレーザーの位置合わせができない。また、レーザーの中心を求めるためにバーンパターンを繰り返し形成しなくてはならず、時間がかかるとともに、これらの位置合わせ作業が手作業であるため、位置合わせが不正確となる。
【０００９】
そもそも、特許文献３および４に記載のレーザー加工装置は、レーザーの焦点を直接ワークに合わせて加工を行う装置であるため、ノズルから噴射される液柱内にレーザーを導くレーザー加工装置とは原理的に異なるものである。したがって、レーザーによるノズルの損傷を考慮に入れる必要がなく、レーザーと被加工物との関係でのみ位置合わせを行えばよいから、液柱にレーザーを導くレーザー加工装置のような問題が生じない。
【００１０】
本発明の目的は、液体噴流により導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置において、レーザーの焦点を液体噴流に対して高精度に且つ容易に位置合わせすることができるアライメント調整方法、アライメント調整装置、およびアライメント調整装置を備えたレーザー加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明のアライメント調整装置は、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、液柱内にレーザー光源からのレーザーを集光させるレーザー光学系とを有し、液柱内に導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置に使用され、レーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整装置であって、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口部の中心に対して位置合わせできるように、ジェットノズルとレーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構と、ジェットノズルの入口開口部の画像および入口開口部付近に照射された微弱なレーザーの像の画像を撮影する撮像手段と、撮像手段によって撮像された上記ジェットノズルの入口開口部およびレーザーの像の画像に基づいて相対移動機構を制御して、レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口部の中心に移動させるアライメント制御手段と、を有し、アライメント制御手段は、ａ）ジェットノズルの入口開口部の画像に基づいて、入口開口部の中心を求めるステップと、ｂ）ジェットノズルの入口開口部付近に照射されたレーザーの像の画像に基づいて、レーザーの像の中心を求めるステップと、ｃ）レーザーの像の中心が入口開口部の中心に一致するように、相対移動機構を駆動してジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させるステップと、を実行するように構成されている、ことを特徴としている。
【００１２】
このように構成された本発明においては、撮像手段によってジェットノズルの入口開口部の画像と、入口開口部付近に照射された微弱なレーザーの像の画像を撮像し、アライメント制御手段が、これらの画像に基づいて、入口開口部の中心とレーザーの像の中心とをそれぞれ求める。そして、これらの入口開口部の中心とレーザーの像の中心とが一致するように、相対移動機構を制御して、ジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させる。
【００１３】
このような本発明によれば、ジェットノズルの入口開口部の画像と、入口開口部付近に照射されたレーザーの像の画像とに基づいて直接入口開口部およびレーザーの中心を求めるので、入口開口部の位置とレーザーの像の位置自体を直接比較して位置合わせすることができるから、高精度の位置合わせが可能になる。
また、入口開口部およびレーザーの像の中心をそれぞれ求め、これらの中心が互いに一致するように、ジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させるので、レーザーの焦点を微少量移動させてから再びレーザーの像の画像を取得して比較するというような作業を繰り返し行う必要がないから、調整作業が短時間で行われる。また、作業者が手動で位置合わせ作業を行う必要がなく、作業時間が短縮されると共に容易且つ高精度な位置合わせが可能となる。これにより、作業者による手動調整作業による調整位置のばらつきの発生が防止され、レーザーの出力が安定し、加工性が安定する。
【００１４】
更に、レーザーの像の画像を得る際には、ジェットノズルの入口開口部付近に微弱なレーザーを照射するので、アライメント調整の際にレーザーの照射によってジェットノズルを損傷するのを防止することができる。
ここで、微弱なレーザーとは、ジェットノズルを損傷しない程度の出力のレーザーを意味し、例えばジェットノズルを構成する材料を加工するのに必要なレーザー出力よりも低いレーザー出力を有するレーザーや、レーザー加工装置が被加工物を加工するのに設定されるレーザー出力よりも低いレーザー出力を有するレーザーとして設定される。
また、レーザーの焦点位置の決定およびレーザーの焦点とジェットノズルの入口開口部との相対位置の移動制御を、アライメント制御手段の制御によって行うので、作業者が手動で位置合わせを行う必要がない。したがって、アライメント調整作業を短時間且つ容易に行うことができ、手動で調整を行う場合に比べて、より高精度に調整することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、ステップａ）は、ジェットノズルの入口開口部の中心の情報を含む入口開口部の画像を予め記憶しておき、撮像手段により撮像したジェットノズルの入口開口部の画像と比較することにより、入口開口部の中心を求めるステップを有する。
このように構成された本発明においては、ジェットノズルの入口開口部の中心を、予め登録した入口開口部の画像と、撮像した画像とを比較することにより求めるので、ジェットノズルの入口開口部の中心を簡単な手法で且つ短時間に求めることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、ステップｂ）は、レーザーの像の画像を、所定の輝度以上の領域と、所定の輝度未満の領域とに分類し、所定の輝度以上の領域の重心を求めることによってレーザーの像の中心を求めるステップを有する。
このように構成された本発明においては、レーザーの像の中心を、所定の輝度以上の領域の重心を算出することによって求めるので、レーザーの像の中心を簡単な手法で正確に求めることができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、レーザーの出力を測定するためのパワーメータを更に有し、アライメント制御手段は、ｄ）液柱内に導かれたレーザーの出力をパワーメータで所定領域にわたって測定し、測定されたレーザーの出力が最大となる位置に、ジェットノズルおよびレーザーの焦点の相対位置を設定するステップを更に実行するように構成されている。
【００１８】
このように構成された本発明においては、パワーメータで測定されたレーザーの出力が最大となる位置にジェットノズルおよびレーザーの焦点の相対位置が設定されるので、レーザーの焦点をより高精度にジェットノズルの入口開口部に位置決めすることができる。また、ジェットノズルの入口開口部およびレーザーの像の画像に基づいて両者の相対位置を位置決めした後にこのステップｄ）を行うので、より信頼性の高い位置決めが可能となる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、レーザー光学系は、レーザー光源から出射されたレーザーを導く光ファイバと、光ファイバからのレーザーを平行光にするコリメートレンズと、コリメートレンズからのレーザーを集光させる集光レンズとを備え、相対移動機構は、光ファイバを移動させることにより、レーザーの焦点を、ジェットノズルに対して移動させるように構成され、更に、レーザー光学系は、光ファイバの移動距離が、レーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成される。
【００２０】
このように構成された本発明においては、相対移動機構が、光ファイバを移動させることにより、レーザーの焦点を、ジェットノズルに対して移動させるように構成されているので、ジェットノズルは静止したままとなる。通常、ジェットノズルは、液柱用の液体を導入するための機構や各部品を支持する必要があるため、レーザー光学系に比べて重量が大きくなる場合がある。したがって、本発明では、レーザーの焦点をジェットノズルに対して移動させることにより、レーザー加工装置の安定性を良好にできる。また、相対移動機構が、液体噴流が噴射されるジェットノズルを移動させる構成ではなく、レーザー光学系の光ファイバを移動させる構成となっているので、ジェットノズルから離れた位置に相対移動機構を配置することができ、相対移動機構への液滴の付着、侵入等を確実に防止することができる。
また、レーザー光学系が、相対移動機構による光ファイバの移動距離がレーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成されているので、相対移動機構による光ファイバの移動距離を大きく取ってもレーザーの焦点の移動距離を小さくすることができる。これにより、レーザーの焦点の移動を精密に行うことができ、レーザーの焦点の位置の調整を高精度に行うことができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、撮像手段は、ＣＣＤカメラと、ジェットノズル付近を照らす照明と、照明からの光の中心部分に配置されたフィルタと、照明からの光をジェットノズル付近に導くコリメートレンズおよび集光レンズと、ＣＣＤカメラにより得られた画像を表示するモニタと、を備えて構成される。
このように構成された本発明においては、撮像手段が、照明からの光の中心部分に配置されたフィルタを有するので、当該中心部分からＣＣＤカメラに届く不要な光を除去して、鮮明な画像を得ることができる。
【００２２】
また、上記の目的を達成するために、本発明のアライメント調整方法は、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、レーザーを出射するレーザー光源と、液柱内にレーザー光源からのレーザーを集光させるレーザー光学系とを有し、液柱内に導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置に使用され、レーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法であって、Ａ）ジェットノズルの入口開口部の画像を得て、この入口開口部の画像に基づいて、入口開口部の中心を求めるステップと、Ｂ）ジェットノズルの入口開口部付近に微弱なレーザーを照射してレーザーの像の画像を得て、このレーザーの像の画像に基づいて、レーザーの像の中心を求めるステップと、Ｃ）レーザーの像の中心が入口開口部の中心に一致するように、ジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させるステップと、を有することを特徴としている。
【００２３】
このような本発明によれば、ジェットノズルの入口開口部の画像と、入口開口部付近に照射されたレーザーの像の画像とに基づいて直接入口開口部およびレーザーの中心を求めるので、入口開口部の位置とレーザーの像の位置自体を直接比較して位置合わせすることができるから、高精度の位置合わせが可能になる。
また、入口開口部およびレーザーの像の中心をそれぞれ求め、これらの中心が互いに一致するように、ジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させるので、レーザーの焦点を微少量移動させてから再びレーザーの像の画像を取得して比較するというような作業を繰り返し行う必要がないから、調整作業が短時間で行われる。また、作業者が手動で位置合わせ作業を行う必要がなく、作業時間が短縮されると共に容易且つ高精度な位置合わせが可能となる。これにより、作業者による手動調整作業による調整位置のばらつきの発生が防止され、レーザーの出力が安定し、加工性が安定する。
更に、レーザーの像の画像を得る際には、ジェットノズルの入口開口部付近に微弱なレーザーを照射するので、アライメント調整の際にレーザーの照射によってジェットノズルを損傷するのを防止することができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、ステップＡ）は、ジェットノズルの入口開口部の中心の情報を含む入口開口部の画像を予め記憶しておき、撮像したジェットノズルの入口開口部の画像と比較することにより、入口開口部の中心を求めるステップを有する。
このように構成された本発明においては、ジェットノズルの入口開口部の中心を、予め登録した入口開口部の画像と、撮像した画像とを比較することにより求めるので、ジェットノズルの入口開口部の中心を簡単な手法で且つ短時間に求めることができる。
【００２５】
本発明において、好ましくは、ステップＢ）は、レーザーの像の画像を、所定の輝度以上の領域と、所定の輝度未満の領域とに分類し、所定の輝度以上の領域の重心を求めることによってレーザーの像の中心を求めるステップを有する。
このように構成された本発明においては、レーザーの像の中心を、所定の輝度以上の領域の重心を算出することによって求めるので、レーザーの像の中心を簡単な手法で正確に求めることができる。
【００２６】
本発明において、好ましくは、Ｄ）液柱内に導かれたレーザーの出力を所定領域にわたって測定し、測定されたレーザーの出力が最大となる位置に、ジェットノズルおよびレーザーの焦点の相対位置を設定するステップを更に有する。
このように構成された本発明においては、測定されたレーザーの出力が最大となる位置にジェットノズルおよびレーザーの焦点の相対位置が設定されるので、レーザーの焦点をより高精度にジェットノズルの入口開口部に位置決めすることができる。また、ジェットノズルの入口開口部およびレーザーの像の画像に基づいて両者の相対位置を位置決めした後にこのステップＤ）を行うので、より信頼性の高い位置決めが可能となる。
【００２７】
本発明において、好ましくは、レーザー光学系を通るレーザーは、レーザー光源から光ファイバによって導かれ、コリメートレンズによって平行光にされ、その後集光レンズによって集光され、ステップＣ）は、光ファイバを移動させることにより、レーザーの焦点を、ジェットノズルに対して移動させ、光ファイバの移動距離は、レーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成されている。
【００２８】
このように構成された本発明においては、光ファイバを移動させることにより、レーザーの焦点を、ジェットノズルに対して移動させるので、ジェットノズルは静止したままとなる。通常、ジェットノズルは、液柱用の液体を導入するための機構や各部品を支持する必要があるため、レーザー光学系に比べて重量が大きくなる場合がある。したがって、本発明では、レーザーの焦点をジェットノズルに対して移動させることにより、レーザー加工装置の安定性を良好にできる。また、レーザーの焦点を移動させるために、液体噴流が噴射されるジェットノズルを移動させるのではなく、レーザー光学系の光ファイバを移動させるので、ジェットノズルから離れた位置に、レーザーの焦点を移動させるための相対移動機構を配置することができるから、相対移動機構への液滴の付着、侵入等を確実に防止することができる。
また、光ファイバの移動距離がレーザーの焦点の移動距離よりも大きくなるように構成されているので、光ファイバの移動距離を大きく取ってもレーザーの焦点の移動距離を小さくすることができる。これにより、レーザーの焦点の移動を精密に行うことができ、レーザーの焦点の位置の調整を高精度に行うことができる。
【００２９】
本発明において、好ましくは、ステップＡ）およびＢ）において、入口開口部の画像またはレーザーの像の画像は、光の中心部分をフィルタによって覆われた照明によってジェットノズル付近を照らして得る。
このように構成された本発明においては、照明からの光の中心部分に配置されたフィルタによって、当該中心部分からの不要な光を除去するので、鮮明な画像を得ることができる。
【００３０】
また、上記の目的を達成するために、本発明のレーザー加工装置は、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、前述のアライメント調整装置と、を備えた、ことを特徴としている。
このような本発明によれば、レーザー加工装置が前述のアライメント調整装置を備えているので、アライメント調整装置の前述の効果と同様の効果が得られる。即ち、ジェットノズルの入口開口部の画像と、入口開口部付近に照射されたレーザーの像の画像とに基づいて直接入口開口部およびレーザーの中心を求めるので、入口開口部の位置とレーザーの像の位置自体を直接比較して位置合わせすることができるから、高精度の位置合わせが可能になる。
また、入口開口部およびレーザーの像の中心をそれぞれ求め、これらの中心が互いに一致するように、ジェットノズルとレーザーの焦点とを相対的に移動させるので、レーザーの焦点を微少量移動させてから再びレーザーの像の画像を取得して比較するというような作業を繰り返し行う必要がないから、調整作業が短時間で行われる。また、作業者が手動で位置合わせ作業を行う必要がなく、作業時間が短縮されると共に容易且つ高精度な位置合わせが可能となる。これにより、作業者による手動調整作業による調整位置のばらつきの発生が防止され、レーザーの出力が安定し、加工性が安定する。
【００３１】
更に、レーザーの像の画像を得る際には、ジェットノズルの入口開口部付近に微弱なレーザーを照射するので、アライメント調整の際にレーザーの照射によってジェットノズルを損傷するのを防止することができる。
また、レーザーの焦点位置の決定およびレーザーの焦点とジェットノズルの入口開口部との相対位置の移動制御を、アライメント制御手段の制御によって行うので、作業者が手動で位置合わせを行う必要がない。したがって、アライメント調整作業を短時間且つ容易に行うことができ、手動で調整を行う場合に比べて、より高精度に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザー加工装置の構造を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置のフィルタを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置において、ジェットノズルの入口開口部の中心を求める方法を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置において、ジェットノズルの入口開口部とともに示されるレーザーの像の画像を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置において、レーザーの画像の輝度の分布を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置において、レーザーの画像の中心を求める方法を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置において、レーザーの焦点の移動量とレーザー出力との関係の例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるアライメント調整装置による調整結果の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるレーザー加工装置１の構造を概略的に示す図である。この図１に示すように、本実施形態におけるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２内の所定の位置にレーザーを集光させるレーザー光学系４と、このレーザー光学系４にレーザーを入射させるレーザー光源６と、レーザー加工ヘッド２に高圧水を送り込む加圧ポンプ８と、を有する。
また、レーザー加工装置１は、レーザー光学系４から出射されるレーザーの焦点を位置合わせするためのアライメント調整装置１０を備えている。さらに、レーザー加工装置１は、レーザー光源６、加圧ポンプ８、およびアライメント調整装置１０を制御するコントローラとしてのパソコン１４を有する。パソコン１４には、モニタ１６が設けられている。
【００３４】
また、レーザー加工ヘッド２は、ヘッド本体部１８と、このヘッド本体部１８に取り付けられたジェットノズル２０と、を有する。
ヘッド本体部１８は、その内部に液体供給チャンバ１８ａが形成されており、この液体供給チャンバ１８ａに連通するように液体供給通路１８ｂが形成されている。また、液体供給チャンバ１８ａの底部には、ジェットノズル２０が配置されている。さらに、液体供給チャンバ１８ａの上端には、レーザー光学系４から射出されたレーザーを透過させ、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａまで導くための窓部材１８ｃが取り付けられている。加圧ポンプ８から送られた水は、液体供給通路１８ｂを通って液体供給チャンバ１８ａに流入し、ジェットノズル２０から噴射される。
【００３５】
ジェットノズル２０は、概ね円柱形の部材であり、その中心軸線上に鉛直方向に向けられたノズル孔が形成されている。ノズル孔は、直径が小さく円筒状に延びる円筒形部分と、この円筒形部分に連なり、下流側に向かって直径が拡張されている円錐状部分から構成されている。ジェットノズル２０の上端面３５に開口するノズル孔の上端面は、液体がノズル孔に入る円形の入口開口部２０ａとなっている。
【００３６】
レーザー光学系４は、レーザー光源６から射出されたレーザーを、レーザー加工ヘッド２に導くと共に、このレーザーをジェットノズル２０の入口開口部２０ａに集光させるように構成されている。レーザー光学系４によりジェットノズル２０の入口開口部２０ａに集光されたレーザーは、ジェットノズル２０から噴射される水柱（液柱）内で全反射を繰り返し、水柱により被加工物（図示せず）まで導かれる。
【００３７】
具体的には、レーザー光学系４は、レーザー光源６から射出されたレーザーを導く光ファイバ２２と、光ファイバ２２から鉛直方向下方に出射されたレーザーを平行光にするコリメートレンズ２４と、コリメートレンズ２４からのレーザーの通過量を制限するアパーチャ部材２６と、アパーチャ部材２６を通ったレーザーを反射するミラー２８と、ミラー２８と平行に設けられ、ミラー２８で反射されたレーザーを再び反射するミラー３０と、レーザーをジェットノズル２０の入口開口部２０ａに集光させるための集光レンズ３２と、を備える。ミラー２８，３０は、全反射ミラーであり、透過防止コーティングが施されている。また、コリメートレンズ２４および集光レンズ３２には、反射防止コーティングが施されている。
【００３８】
本実施形態では、ミラー２８は、光ファイバ２２を出たレーザーの光軸Ａに対して４５°の角度で配置されており、この配置により、光ファイバ２２を鉛直方向下方に出たレーザーは、ミラー２８によって９０°の角度で水平方向に反射される。また、ミラー３０は、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａに集光されるレーザーの光軸Ｂに対して４５°の角度で配置されており、この配置により、水平方向に入ってきたレーザーは再び９０°の角度で反射して、鉛直方向下方に向く。本実施形態では、ミラー２８およびミラー３０により、光軸Ａが光軸Ｂと平行で且つ光軸Ｂから外れた位置に位置する。このような構成により、レーザー加工ヘッド２の上方のスペースを空けることができ、このスペースにアライメント調整装置１０を配置することが可能になる。
【００３９】
レーザー光源６は、パソコン１４からの制御信号に基づいて、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。なお、本実施形態においては、レーザーとして、ＹＡＧレーザーの２倍波である、波長５３２ｎｍのグリーンレーザーが使用されている。なお、レーザーとしては、緑色の波長帯であれば他の波長のレーザーを使用してもよく、またレーザー加工装置に使用されるのに適した波長のレーザーであれば、任意の波長のレーザーを使用してよい。
【００４０】
加圧ポンプ８は、パソコン１４からの制御信号に基づいて水を所定の圧力に加圧し、レーザー加工ヘッド２のヘッド本体部１８内に流入させるように構成されている。ヘッド本体部１８に送り込まれた水は、ジェットノズル２０から噴射され、水柱を形成する。
【００４１】
パソコン１４は、レーザー光源６、加圧ポンプ８及び相対移動機構１２を作動させ、レーザーの焦点の位置合わせを実行し、又は被加工物を加工するように構成されている。具体的には、パソコン１４は、各種信号の入出力インターフェイス、メモリ、マイクロプロセッサ、及びこれらを作動させるプログラム等により構成されている。また、パソコン１４は、レーザーの焦点の位置合わせを実行する際には、アライメント調整装置１０の動作を制御するアライメント制御手段として機能する。
【００４２】
アライメント調整装置１０は、光ファイバ２２に取り付けられ、光ファイバ２２を移動させる相対移動機構３４と、ジェットノズル２０の上端面３５の像を撮像する撮像手段３７と、ジェットノズル２０から出射された液柱内に導かれたレーザーの出力を測定するためのパワーメータ４０と、相対移動機構３４、ＣＣＤカメラ３６、およびパワーメータ４０に接続されたパソコン１４とを備えて構成される。撮像手段３７は、ＣＣＤカメラ３６と、アライメント用コリメータレンズ３８と、前述の集光レンズ３２とを備えて構成される。
【００４３】
相対移動機構３４は、光ファイバ２２を、光軸Ａの方向（Ｚ軸方向）に移動させるためのＺ軸用モータ（図示せず）と、光軸Ａに直交する平面（ＸＹ平面）内で移動させるためのＸ軸およびＹ軸用モータ（共に図示せず）とを備え、これらのＸＹＺ軸用モータによって、光ファイバ２２をＸＹＺ軸方向に移動可能に構成されている。光ファイバ２２が移動すると、これに伴って、レーザー加工ヘッド２内におけるレーザーの焦点の位置が移動する。本実施形態では、相対移動機構３４は、光ファイバ２２の位置を、１μｍの精度で調整可能に構成されている。
相対移動機構３４は、パソコン１４からの制御信号により制御され、レーザーの焦点を所定の目標焦点位置に移動させるように構成されている。本実施形態では、所定の目標焦点位置は、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心に設定されている。
【００４４】
ＣＣＤカメラ３６は、レーザー加工ヘッド２の上方に、光軸Ｂ上に配置されており、入口開口部２０ａを含むジェットノズル２０の上端面３５を撮像するように構成される。ＣＣＤカメラ３６には、撮像用の照明（図示せず）が取り付けられており、照明としては、赤色の照明が使用される。ここで、本実施形態ではレーザーとしてグリーンレーザーが採用されているため、ミラー３０においては緑色の光に対して反射率が高くなるように設定されている。このため、ミラー３０は、赤色の光に対する透過率が高くなる。そこで、照明として赤色のものを用いることにより、ミラー３０での透過率を高くすることができる。
【００４５】
また、照明には、照明の中心部分を覆うフィルタ４２（図２）が設けられている。フィルタ４２は、図２に示すように、照明に取り付けられる環状の枠部分４２ａと、枠部分４２ａの内部に配置され、複数の連結部で枠部分４２ａに連結された円形のフィルタ部分４２ｂとを有する。
【００４６】
アライメント用コリメータレンズ３８は、光軸Ｂ上でミラー３０とＣＣＤカメラ３６との間に配置されており、反射防止コーティングが施されている。
パワーメータ４０は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置され、ジェットノズル２０から噴射された液柱内に導かれたレーザーの出力を測定可能に構成されている。パワーメータ４０には、噴射された液柱がかかるので、防水処理が施されている。
【００４７】
次に、このように構成された本実施形態のレーザー加工装置１のアライメント調整装置１０を用いて、レーザーの焦点をジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心に位置合わせする際のアライメント調整方法を、図３〜７を用いて以下に説明する。
アライメント調整方法は、概略的に、撮像手段３７によって撮像した画像に基づいてレーザーの焦点とジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心を位置合わせする粗調整を行い、パワーメータ４０を用いて両者を位置合わせする微調整を行い、その後、アライメント調整が適切に行われたかどうかを確認するアライメント確認を行い、所望の出力が得られるかどうかを確認する出力確認を行う。
【００４８】
まず、粗調整によって、レーザーの焦点をジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心に位置合わせする。
まず、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心を求める。図３は、本実施形態のアライメント調整装置１０によってジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心を求める方法を示す。図３（Ａ）に示すように、パソコン１４には、予めジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像Ｐを登録しておく。この画像Ｐには、予め中心Ｐ１が設定され、この中心Ｐ１の情報も、画像Ｐとともにパソコン１４に登録されている。
【００４９】
次に、ＣＣＤカメラ３６により、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像Ｑを撮像する。図３（Ｂ）は、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像Ｑを示す。図３（Ｂ）に示すように、モニタ１６に表示される画像Ｑには、ジェットノズル２０の上端面３５の全体が比較的明るく表示され、入口開口部２０ａに相当する部分が比較的暗く円形に表示される。
パソコン１４は、この画像Ｑを画像Ｐと比較し、図３（Ｃ）に示すように、登録された画像Ｐと撮像した画像Ｑの入口開口部２０ａの形状が一致する点を探索し、その点における画像Ｐの中心Ｐ１の座標を、入口開口部２０ａの中心座標として検出するとともに、その座標位置を記憶する。
【００５０】
次に、アライメント調整装置１０は、ジェットノズル２０の上端面３５の入口開口部２０ａ付近に照射されるレーザーの像の中心を求める。
まず、加圧ポンプ８を運転して液体供給通路１８ｂを通って液体供給チャンバ１８ａに水を供給し、ジェットノズル２０から水柱を噴射する。また、レーザー光源６から、第１のアライメント用に出力した微弱なレーザーを出射する。この第１のアライメント用出力は、レーザーがジェットノズル２０の上端面３５に照射された場合でも、ジェットノズル２０を損傷しない程度の出力に選択されている。本実施形態では、第１のアライメント用出力は、０．０１Ｗ以下に設定されている。
レーザー光源６から出射されたレーザーは、光ファイバ２２、コリメータレンズ２４、アパーチャ部材２６、ミラー２８，３０，集光レンズ３２を通って、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａ付近に集光する。
【００５１】
ＣＣＤカメラ３６で、ジェットノズル２０の上端面３５に照射されたレーザーの像を撮像する。図４は、本実施形態によるアライメント調整装置１０において、ＣＣＤカメラ３６によってレーザーの像を撮像した画像Ｒを示す。図４において、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａは比較的暗い領域Ｒ１に表示され、また、レーザーの像は、比較的明るい領域Ｒ２に表示されている。
【００５２】
次に、パソコン１４は、この画像Ｒから、レーザーの像の中心を推定する。図５は、本実施形態によるアライメント調整装置１０において、レーザーの画像Ｒの輝度の分布を示す図である。この図５に示すように、輝度は、或る一定範囲に集中し、それよりも大きい輝度分布は小さくなる。ここで、集中した範囲の輝度を有する領域は、ジェットノズル２０の上端面３５および入口開口部２０ａの領域であり、レーザーの像は、それよりも大きな輝度を有すると考えられる。そこで、パソコン１４は、集中する範囲の輝度よりも大きな輝度を２値化用閾値として設定し、レーザーの画像Ｒを、輝度が２値化用閾値未満の場合には、０とし、２値化用閾値以上である場合には、１とする２値化処理を行う。２値化用閾値は、測定条件や演算処理条件によって様々な値を採用することができるが、本実施形態では、検出された輝度の最大値の９割の値を２値化用閾値に設定している。このような２値化処理をモニタ１６に表示する際には、図５に示すように、２値化用閾値以上の輝度の領域を１とし、モニタ１６には白で表示し、２値化用閾値未満の輝度の領域は０として、モニタ１６には黒で表示する。
【００５３】
図６は、本実施形態によるアライメント調整装置１０において、画像Ｒのレーザーの像の中心を求める方法を示す図である。図６（Ａ）に示すように、レーザーの画像Ｒを２値化処理して白黒で表示すると、レーザーの像に相当する領域Ｒ３だけが白く表示されることとなる。パソコン１４は、この白い領域Ｒ３の重心を求めることにより、図６（Ｂ）に示すように、レーザーの像の中心Ｒ４の座標を算出する。
【００５４】
次に、パソコン１４は、レーザーの像の中心Ｒ４の座標と、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心の座標とを比較して、これらの座標のずれを計算し、座標のずれに相当する光ファイバ２２の移動量を計算する。そして、光ファイバ２２の必要移動量に応じた移動信号を相対移動機構３４に送信する。相対移動機構３４は、Ｘ軸用モータおよびＹ軸用モータを駆動して、光ファイバ２２をＸＹ平面内で移動させ、これにより、レーザーの像の中心Ｒ４がジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心に一致する。
以上のような調整手順により、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心とレーザーの焦点との粗調整が完了する。
【００５５】
次に、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心とレーザーの焦点との位置合わせの微調整について説明する。
まず、レーザー光源６において、第２のアライメント用の微弱なレーザーを出射する。ここで、第２のアライメント用出力は、第１のアライメント用出力よりも高く、且つジェットノズル２０を損傷しないが、水柱内でレーザーを伝搬することができる程度の出力に設定される。本実施形態では、第２のアライメント用出力は、０．５〜２Ｗに設定される。このように、第１および第２のアライメント用出力は、ジェットノズル２０を損傷しないような出力に設定されている。
【００５６】
ここで、微弱なレーザーとは、ジェットノズル２０に照射してもジェットノズル２０を損傷しない程度の出力で出射されるレーザーを意味し、例えばジェットノズルを構成する材料を加工するのに必要なレーザー出力よりも低いレーザー出力を有するレーザーや、レーザー加工装置が被加工物を加工するのに設定されるレーザー出力よりも低いレーザー出力を有するレーザーとして設定される。このようなレーザーの出力は、ジェットノズル２０の材質に応じて、２Ｗ以下に設定されるのがよい。
【００５７】
パソコン１４は、相対移動機構３４のＺ軸用モータを駆動して、光ファイバ２２をＺ軸方向に所定距離（例えば４００μｍずつ）移動させ、各移動位置において、ジェットノズル２０から噴射された水柱内のレーザーの出力をパワーメータ４０によって測定する。本実施形態では、粗調整した後のレーザーの焦点位置を測定の開始点とし、所定距離（例えば４００μｍ）を１ステップとして、開始点からＺ軸に沿って上方および下方にそれぞれ１０ステップ移動させ、開始点における測定と合わせて計２１箇所においてレーザーの出力を測定する。したがって、本実施形態では、パワーメータ４０は、複数回（２１回）、Ｚ軸に沿った線状領域にわたって、レーザーの出力を測定する。
【００５８】
ここで、光ファイバ２２のＺ軸方向の移動量とレーザーの焦点のＺ軸方向の移動量は、レーザー光学系の焦点距離に反比例する。即ち、一般的に、物点からレンズまでの物点距離をａ、レンズから像点までの像点距離をｂとすると、このレーザー光学系全体の焦点距離ｆは、近似的に次の式で表される。
【００５９】
2011235347.tif 000003
【００６０】
本実施形態では、上記の近似式を用いてレーザーの焦点の移動距離を算出している。つまり、本実施形態では、物点距離ａは、コリメートレンズ２４の焦点距離に対応し、この焦点距離は４００ｍｍに設定されている。また、像点距離ｂは、集光レンズ３２の焦点距離に対応し、この焦点距離は６０ｍｍに設定されている。したがって、上記の近似式を用いると、レーザー光学系４全体の焦点距離ｆは約５２．１７ｍｍとなる。同じレーザー光学系であれば、レーザー光学系４全体の焦点距離ｆは変化しないため、光ファイバ２２のＺ軸方向の移動によってコリメートレンズ２４の焦点距離ａ’が変化すると、これに伴って集光レンズ３２の焦点距離ｂ’も変化することとなる。具体的には、光ファイバ２２をＺ軸に沿って上方に４００μｍ移動させると、レーザーの焦点は、約１０μｍ上方に移動する。なお、上記のように、本実施形態では、レーザー光学系４の焦点距離は、光ファイバ２２のＺ軸方向の移動距離が、レーザーの焦点のＺ軸方向の移動距離よりも大きくなるように設定されている。
【００６１】
図７は、本実施形態によるアライメント調整装置１０において、レーザーの焦点の移動量（即ち光ファイバ２２の移動量）とレーザー出力との関係の例を示す図である。図７（Ｃ）に示すように、レーザーの出力はＺ軸方向の各移動位置において変化する。パソコン１４は、これらのレーザー出力のうち、レーザーの出力が最大となる位置のＺ軸座標を算出する。そして、このＺ軸座標と測定の開始点との間の座標のずれを計算し、この座標のずれを光ファイバ２２の移動量に変換し、レーザーの焦点がそのＺ軸座標に位置するように、光ファイバ２２を移動させる。
【００６２】
次に、相対移動機構３４のＸ軸用モータおよびＹ軸用モータを駆動して、光ファイバ２２をＸ軸およびＹ軸方向にそれぞれ所定距離ずつ移動させ、各移動位置においてレーザーの出力をパワーメータ４０で測定する。本実施形態では、測定の開始点、および開始点からＸ軸およびＹ軸に沿ってそれぞれ両方向に所定距離ずつ（例えば１０μｍずつ）、１０ステップ移動させて測定するので、計２１箇所においてレーザーの出力を測定する。
ここで、光ファイバ２２のＸ軸およびＹ軸方向の移動量とレーザーの焦点のＸ軸およびＹ軸方向の移動量は、レンズの倍率に比例する。本実施形態では、コリメートレンズ２４の焦点距離が４００ｍｍであり、集光レンズ３２の焦点距離が６０ｍｍであるので、倍率は０．１５となり、したがって、光ファイバ２２をＸ軸またはＹ軸に沿って一方向に１０μｍ移動させると、レーザーの焦点は、光ファイバ２２の移動方向とは反対方向に約１．５μｍ移動する。なお、上記のように、本実施形態では、レーザー光学系４のレンズの倍率は、光ファイバ２２のＸ軸及びＹ軸の移動距離が、レーザーの焦点のＸ軸及びＹ軸方向の移動距離よりも大きくなるように設定されている。
【００６３】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、レーザーの出力は、各移動位置において変化する。パソコン１４は、得られたＸ軸およびＹ軸それぞれの計２１箇所におけるレーザー出力のピーク値をそれぞれ計算し、そのピーク値におけるＸ座標およびＹ座標にレーザーの焦点が位置するように、Ｘ軸座標およびＹ軸座標を決定する。そして、このＸ軸座標およびＹ軸座標と測定の開始点との間の座標のずれを計算し、この座標のずれを光ファイバ２２の移動量に変換し、レーザーの焦点がそのＸ軸座標およびＹ軸座標に位置するように、相対移動機構３４を駆動して光ファイバ２２を移動させる。
以上のような調整作業により、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心とレーザーの焦点との位置合わせの微調整が完了する。
【００６４】
次に、上記のような方法で、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心とレーザーの焦点とを位置合わせした状態で、アライメント調整が適切であるどうかを確認するアライメント確認を行う。
【００６５】
ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心とレーザーの焦点との位置合わせの微調整が終了した状態で、レーザー光源６においてレーザーの出力を上げ、アライメント確認用出力のレーザーを出射する。ここで、アライメント確認用出力は、第１および第２のアライメント用出力よりも大きいが、実際のレーザー加工時に使用する出力よりは小さく設定され、例えば５〜１２．５Ｗ程度に設定される。なお、アライメント確認用出力を第１および第２のアライメント用出力よりも大きく設定することにより、第１および第２のアライメント用出力での微弱なレーザーでは確認しにくい場合がある出力の差がより明確になるため、より正確な出力が得られる。また、アライメント確認用出力を実際のレーザー加工時に使用する出力より小さく設定することにより、アライメント確認作業中のレーザーによるジェットノズル２０の損傷を最小限に抑制することができる。
【００６６】
パワーメータ４０は、水柱に導かれたレーザーの出力を測定し、この測定データをパソコン１４に送信する。パソコン１４は、このレーザーの出力を、予め設定されたアライメント確認用出力閾値と比較し、レーザーの出力がアライメント確認用出力閾値に到達しているかどうかを判断する。アライメント確認用出力閾値は、レーザー光学系４における出力の損失等を考慮して設定され、本実施形態では、例えば５〜１０Ｗ程度に設定される。
レーザーの出力が、アライメント確認用出力閾値に到達している場合には、アライメント調整が完了したとして、アライメント調整作業を完了する。一方、レーザーの出力がアライメント確認用出力閾値に到達していない場合には、再び、光ファイバ２２をＸＹＺ軸にそれぞれ移動させてパワーメータ４０でレーザーの出力を測定し、それぞれレーザーの出力が最大となる位置にレーザーの焦点が位置するように、光ファイバ２２を移動させる微調整を行う。
【００６７】
アライメント確認が終了すると、パソコン１４は、次に、ジェットノズル２０からの水柱に導かれるレーザーが所望の出力となるかどうかを確認する出力確認を行う。
まず、レーザー光源６において、レーザーの出力を上げ、出力確認用出力のレーザーを出射する。ここで、出力確認用出力は、第１および第２のアライメント用出力よりも大きく、実際のレーザー加工時に使用する出力程度に設定される。この出力確認用出力は、被加工物の材料、厚さなどに応じて決定され、例えば被加工物の材料としてＳＵＳ３０４、厚さｔ＝０．１ｍｍを使用する場合には、１０〜１９Ｗ程度に設定される。パワーメータ４０は、水柱内に導かれたレーザーの出力を測定し、この測定データをパソコン１４に送信する。パソコン１４は、このレーザーの出力を、予め設定された出力閾値と比較し、レーザーの出力が出力閾値に到達しているかどうかを判断する。出力閾値は、レーザー光学系４における出力の損失等を考慮して設定され、本実施形態では、例えば１０〜１５Ｗ、好ましくは１３Ｗ前後を目安として設定される。
【００６８】
パソコン１４は、レーザーの出力が出力閾値に到達していれば、アライメント調整が適切に行われていると判断し、アライメント調整作業を完了する。一方、レーザーの出力が出力閾値に到達していない場合には、再び、光ファイバ２２をＸＹＺ軸にそれぞれ移動させてパワーメータ４０でレーザーの出力を測定し、それぞれレーザーの出力が最大となる位置にレーザーの焦点が位置するように、光ファイバ２２を移動させる微調整を行う。
【００６９】
図８は、本実施形態によるアライメント調整装置１０による調整結果の例を示す図である。図８では、本実施形態によるレーザー加工装置１のアライメント調整装置１０を繰り返し作動させてアライメント調整を４回行い、各調整後における各軸の座標の、１回目の座標とのずれを表している。図８に示すように、ＸＹＺ軸それぞれにおいて、各回の座標の誤差は、μｍ台の誤差に留まっており、したがって、本実施形態によるアライメント調整装置１０の調整再現性が非常に高いことが分かる。
【００７０】
このように構成された本実施形態によれば、次のような優れた効果を得ることができる。
アライメント調整装置１０が、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像Ｐとレーザーの像の画像Ｒとに基づいて、レーザーの焦点を入口開口部２０ａの中心に位置合わせするので、入口開口部２０ａおよびレーザーの像の実際の位置情報を使用してアライメント調整を行うことができる。したがって、アライメント調整を高精度に行うことができる。
また、このアライメント調整作業、即ちレーザーの焦点位置の計算および光ファイバ２２の移動制御を、パソコン１４の制御によって行うので、作業者が手動で位置合わせを行う必要がない。したがって、アライメント調整作業を短時間且つ容易に行うことができ、手動で調整を行う場合に比べて、より高精度に調整することができる。これにより、作業者による調整位置のばらつきの発生を防止することができ、調整位置の再現性を高めることができるとともに、調整位置のばらつきが防止されることにより、安定したレーザー出力を得ることができ、安定したレーザー加工を行うことができる。
【００７１】
アライメント調整作業中に照射するレーザーを、微弱な第１および第２のアライメント用出力で出射するので、アライメントが調整されていない状態でレーザーがジェットノズル２０の上端面３５に照射されてジェットノズル２０を損傷するのを防止することができる。
【００７２】
ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心を求める際には、予めジェットノズルの２０の画像Ｐをその中心位置の情報と共に登録しておき、ＣＣＤカメラ３６で撮像した入口開口部２０ａの画像Ｑと比較することにより、入口開口部２０ａの中心の座標を求める。したがって、入口開口部２０ａの中心座標を簡単な手法で短時間に求めることができる。
また、レーザーの像の画像Ｒの中心座標と入口開口部の画像Ｑの中心座標をそれぞれ求めて、レーザーの焦点位置を入口開口部の中心座標に移動させるので、繰り返しレーザーの像の画像Ｒや入口開口部の画像Ｑを撮像して比較する必要がない。したがって、レーザーの焦点の位置合わせ作業を容易且つ短時間に行うことができる。
【００７３】
レーザーの像の中心を求める際には、画像Ｒの輝度の最大値の９割の値を閾値に設定して、画像Ｒを、この閾値以上の画像領域および閾値未満の画像領域に２値化処理を行い、閾値以上の画像領域の重心を求めることによってレーザーの像の中心を求める。このように、２値化処理による簡単な画像解析でアライメント調整を行うので、短時間にレーザーの中心を求めることができる。
【００７４】
画像Ｑ，Ｒの解析によるレーザーの焦点の粗調整の後、パワーメータ４０を用いてレーザーの出力を測定し、レーザーの出力が最大となるように、レーザーの焦点の位置を移動させるので、レーザーの焦点の位置を更に微調整することができ、アライメント調整をより高精度に行うことができる。
また、パワーメータ４０は、水柱内に導かれたレーザーの出力を測定するので、水柱内にレーザーを導くために、レーザーには或る程度の出力が必要となる。このとき、画像Ｑ，Ｒの解析によってレーザーの焦点を粗調整した後に、パワーメータ４０による微調整を行うので、レーザーを確実に入口開口部２０ａに入射させることができるから、ジェットノズル２０を損傷するリスクを軽減することができる。
【００７５】
ここで、実際のレーザー加工装置１では、レーザーの焦点の中心とジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心が一致した位置において、常に水中内に導かれたレーザーの出力が最大となるとは限らない。そこで、本実施形態では、画像Ｑ，Ｒの解析によるレーザーの焦点の粗調整の後に、パワーメータ４０を用いてレーザーの焦点の微調整を行うので、実際のレーザー加工装置１の状態に合わせて、レーザーの出力が最大となる位置にレーザーの焦点の位置合わせを行うことができる。
また、粗調整によってレーザーの焦点の中心をジェットノズル２０の入口開口部２０ａの中心に一致させ、その位置を微調整時の測定開始点として設定するので、測定開始点から所定範囲内でレーザーの焦点を移動させてレーザーの出力を測定することができる。つまり、微調整の際には、入口開口部２０ａの全範囲にわたってレーザーの出力をパワーメータ４０で測定する必要がなく、入口開口部２０ａの中心付近のみを測定すればよい。したがって、パワーメータ４０を使用した微調整の調整時間を短縮することができる。
【００７６】
相対移動機構３４が光ファイバ２２に設けられ、光ファイバ２２がレーザー加工ヘッド２に対して移動するように構成されているので、レーザー加工ヘッド２を移動させる必要がない。レーザー加工ヘッド２は、液体供給空間１８ｂを有し、高圧水配管等にも接続しているため、重量が光ファイバ２２を支持する構造よりも重い場合が多い。したがって、相対移動機構３４をより重量が軽い光ファイバ２２に取り付けることにより、レーザー加工装置１の機械的安定性を確保することができる。
また、レーザー加工ヘッド２の周辺は、加圧ポンプ８等、様々な構造部品が配置されることが多く、相対移動機構３４のためのスペースを確保しにくい。本実施形態では、相対移動機構３４が光ファイバ２２に取り付けられているので、相対移動機構３４のためのスペースを確保しやすく、レーザー加工装置１の設計が容易になる。
【００７７】
相対移動機構３４が光ファイバ２２に取り付けられているので、ＸＹＺ軸用モータ等の液体の付着や侵入を確実に防止する必要がある構造部品を、レーザー加工ヘッド２から遠くに配置することができる。したがって、相対移動機構３４に必要な防水対策を容易に講じることができる。
【００７８】
レーザー光学系４が、光ファイバ２２のＸＹＺ軸方向の移動距離がレーザー焦点のＸＹＺ軸方向の移動距離よりも大きくなるように設定されているので、光ファイバ２２の移動距離に対してレーザーの焦点を短距離だけ移動させることができる。したがって、光ファイバ２２の移動精度に対してレーザーの焦点の位置を高精度に制御することができる。また反対に、必要なレーザーの焦点の移動精度に対して相対移動機構３４の移動精度を比較的粗く取ることができるので、相対移動機構３４に要求される移動精度が比較的低くなるから、相対移動機構３４の構成を簡単且つ安価に設計することができる。
【００７９】
ＣＣＤカメラ３６の照明の中心部分がフィルタ４２で覆われているので、フィルタ４２によって不要な光成分を除去することができ、ＣＣＤカメラ３６において、鮮明な画像を得ることができる。つまり、照明から照射される照明光のうちの数％は、アライメント用コリメートレンズ３８や集光レンズ３２で反射される。このとき、照明の中心部分から照射された光の反射光は、そのままＣＣＤカメラ３６に向かって反射されるため、ＣＣＤカメラ３６においてこの反射光を受光すると、ジェットノズル２０の入口開口部２０ａの画像に全体的に明るい成分（バイアス成分）が含まれ、画像のコントラストが弱くなってしまう。本実施形態では、フィルタ４２を設けたので、このバイアス成分を除去することができ、鮮明な画像Ｑ，Ｒを得ることができる。
【００８０】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、例えば、ジェットノズルの入口開口部の中心を求める方法は、前述の実施形態では、予め登録した入口開口部の画像を、撮像した入口開口部の画像と比較したが、これに限らず、例えばレーザーの像の中心を求める方法と同様に、入口開口部の画像を２値化処理して入口開口部の中心を求めてもよい。
また、ジェットノズルの入口開口部およびレーザーの中心を位置合わせする際には、前述の実施形態では、粗調整においてＸＹ軸方向のみに移動させたが、これに限らず、例えば画像における入口開口部およびレーザーの像の大きさを考慮してＺ軸方向にも調整してもよい。
【００８１】
パワーメータによってレーザーの出力を測定する際には、前述の実施形態では複数回にわたって所定距離毎にレーザーの出力を測定していたが、これに限らず、例えばレーザーの焦点を移動させながらレーザーの出力を連続的に測定してもよい。
また、前述の実施形態では、レーザーの出力をＸＹＺ軸のそれぞれの方向について線状の領域にわたって測定していたが、これに限らず、例えばレーザーの焦点をＸＹの２次元の領域にわたって移動させて、レーザーの出力を測定するようにしてもよい。
また、パワーメータによってレーザーの出力を測定してレーザーの焦点を位置合わせする方法は、必ずしも必要ではなく、例えば画像に基づいてジェットノズルの入口開口部とレーザーの中心を位置合わせすることにより十分な調整精度が得られる場合には、パワーメータによってレーザーの出力を測定してレーザーの焦点位置を微調整しなくてもよい。
【００８２】
レーザー光学系は、前述の実施形態では、光ファイバ２２、コリメートレンズ２４、アパーチャ部材２６、ミラー２８，３０、集光レンズ３２を備えて構成されていたが、このような構成に限られず、レーザー光源から出射されたジェットノズルまで伝搬されるように構成されていれば、部材の構成、配置等は任意に設定できる。
また、相対移動機構は、光ファイバを移動させるものに限らず、レーザーの焦点をジェットノズルに対して移動させるように構成されていればその構成は任意である。また、相対移動機構は、レーザーの焦点をジェットノズルに対して移動させる構成に限らず、ジェットノズルをレーザーの焦点に対して移動させる構成となっていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  レーザー加工装置
６  レーザー光源
１０  アライメント調整装置
１４  パソコン
１６  モニタ
２０  ジェットノズル
２０ａ  入口開口部
３２  集光レンズ
３４  相対移動機構
３６  ＣＣＤカメラ
３８  アライメント用コリメートレンズ
４０  パワーメータ
４２  フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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