(57)【要約】【課題】  レーザ加工の精度を向上できるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】  レーザ加工装置１は、レーザ光源を含むレーザ発振部２と、レーザ光源から発振されるレーザ光の光軸上に配置された集光光学系３と、レーザ加工装置１が所定の加工予定線ＳＳに沿って移動する際に、集光光学系３と加工予定線ＳＳとのずれ量を検出する倣い機構４とを備え、集光光学系３は、当該検出したずれ量に基づいて、レーザ光の光軸をレーザ発振部２に対して相対的に調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源を含むレーザ発振部と、前記レーザ光源から発振されるレーザ光の光軸上に配置された集光光学系と、を備えるレーザ加工装置において、
当該レーザ加工装置が所定の加工予定線に沿って移動する際に、前記集光光学系と前記加工予定線とのずれ量を検出する検出手段と、
当該検出したずれ量に基づいて、前記レーザ光の光軸を前記レーザ発振部に対して相対的に調整する光軸調整手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置では、レーザ発振器から出力されたレーザを光ファイバで加工ヘッドに伝送する。加工ヘッドには、コリメーションレンズと集光レンズとがレーザの光軸上に配置されている。レーザ加工装置は、集光レンズで集光されたレーザを被溶接物に照射しながら走査することによって連続溶接を行う。
【特許文献１】特開平１１−１９２５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
被溶接物の連続溶接を行う場合には、接合予定線に沿って加工ヘッドを所定の速度で移動させる必要がある。しかしながら、加工ヘッドを移動させると、加工ヘッドが左右にブレてしまい、さらに、加工へッドに働く慣性力によって加工ヘッドのブレ幅が大きくなり、レーザ溶接の精度を低下させるおそれがあった。
【０００４】
そこで本発明は、レーザ加工の精度を向上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】
【０００５】
本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光源を含むレーザ発振部と、レーザ光源から発振されるレーザ光の光軸上に配置された集光光学系と、を備え、当該レーザ加工装置が所定の加工予定線に沿って移動する際に、集光光学系と加工予定線とのずれ量を検出する検出手段と、当該検出したずれ量に基づいて、レーザ光の光軸をレーザ発振部に対して相対的に調整する光軸調整手段と、を備える。
【０００６】
本発明においては、集光光学系から出射されたレーザの光軸をレーザ発振部に対して相対的に調整することで、集光光学系と加工予定線とのずれを吸収するので、レーザ発振部の位置調整を行わずにレーザ加工の精度を上げることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、レーザ発振部の位置調整を行わずにレーザ加工の精度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【０００９】
（レーザ加工装置）  図１及び図２に示すように、レーザ加工装置１は、溶接用熱源として直接照射型の半導体レーザ（ＤＤＬレーザ）を用いる溶接装置である。レーザ加工装置１は、レーザ発振部２と、ステンレス製の板材（加工対象物）Ｗ１及びＷ２に向けてレーザを照射する集光光学系３（光軸調整手段）と、倣い機構４（検出手段）を備える。レーザ発振部２は、マニピュレータといった移動手段によって支持され、板材Ｗ２上に載置された板材Ｗ１の端部における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。また、倣い機構４は集光光学系３に取り付けられており、集光光学系３はレーザ発振部２に取り付けられている。従って、倣い機構４及び集光光学系３はレーザ発振部２の動きに合わせて接合予定線ＳＳに沿って移動する。
【００１０】
レーザ発振部２においては、ＤＤＬレーザを用いており、その発振波長は８０８ｎｍであって、出力は２ｋＷである。レーザ発振部２が発振したレーザ光は集光光学系３に導かれる。
【００１１】
集光光学系３は、レーザ発振部２に取り付けられており、レーザ発振部２が発振したレーザ光を集光し、板材Ｗの接合予定線ＳＳに照射する。集光光学系３は、倣い機構４からの出力に応じて、レーザ光の光軸を調整することが可能なように構成されている（詳細は後述する）。
【００１２】
倣い機構４は、機械的に接合予定線ＳＳを倣って動くように構成されている機構である。倣い機構４は、耐摩耗性の高いピンによって構成されており、板材Ｗ２の一方の辺に沿って動く。従って、加工開始位置から接合予定線ＳＳに沿ってレーザ発振部２及び集光光学系３が移動する場合、レーザ発振部２及び集光光学系３が何らかの理由で接合予定線ＳＳからずれた場合には、倣い機構４がそのずれに応じて動くので、集光光学系３と接合予定線ＳＳとのずれ量を検出することができる。倣い機構４が検出したずれ量は集光光学系３に出力される。
【００１３】
尚、板材Ｗを突き合わせて溶接する場合には、図２に示すような倣い機構４ａを用いることも好ましい。図２に示す倣い機構４ａは、光学的な倣い装置である。より具体的には、倣い機構４ａは、カメラといった撮像手段と、画像解析装置とを含むものである。撮像手段が板材Ｗ同士の突合せ部分近傍を撮影し、画像解析装置に出力する。画像解析装置はその撮影データに基づいて、接合予定線ＳＳがどの位置にあるかを認識する。従って、レーザ発振部２及び集光光学系３が何らかの理由で接合予定線ＳＳからずれた場合には、倣い機構４ａがそのずれに応じて動くので、集光光学系３と接合予定線ＳＳとのずれ量を検出することができる。倣い機構４ａが検出したずれ量は集光光学系３に出力される。
【００１４】
続いて、集光光学系３について説明する。図３に示すように、集光光学系３は、レーザの光軸ＬＳ上に配置されたコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２とを備え、レーザの光軸ＬＳ上においてコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間には、ウェッジ基板１３が配置されている。コリメーションレンズ１１は、材質がＢＫ７で焦点距離５０ｍｍの平凸レンズであり、レーザ光源の先端から約５０ｍｍ離れている。レーザ光源から出射されたレーザは、コリメーションレンズ１１によって平行に成形され、ウェッジ基板１３に入射する。
【００１５】
ウェッジ基板１３は円形であり、コリメーションレンズ１１側の上面１３ａは、集光レンズ１２側の下面１３ｂに対して傾いており、その傾斜角θは約１０度である。ウェッジ基板１３の上面１３ａに入射したレーザは、平行のまま角度α「約５．１度」だけ屈折して集光レンズ１２に入射する。
【００１６】
集光レンズ１２は、材質がＢＫ７で焦点距離が５０ｍｍの凸レンズであり、ウェッジ基板１３の下面１３ｂから１０ｍｍ離れている。集光レンズ１２を透過したレーザは集光レンズ１２から約５０ｍｍ離れた位置で集光する。集光レンズ１２の焦点位置は、ウェッジ基板１３を配置しない場合に比べて約４．４４ｍｍずれている。このずれ量Ｌは、ウェッジ基板１３の傾斜角θと密接に関係しており、傾斜角θが大きくなる程ずれ量Ｌは大きくなる（図７参照）。
【００１７】
図３及び図４に示すように、ウェッジ基板１３は円筒部材１７の内部に固定されており、円筒部材１７は軸受け１４を介してブラケット１６に固定され、ブラケット１６はケース３ａに固定されている。軸受け１４によって回転自在に支持された円筒部材１７の下部には、歯車１７ａが設けられている。この歯車１７ａは、減速機構１８を介してモータ１９の出力軸１９ａに連結されている。モータ１９は、モータドライバ（図示しない）によって駆動制御され、モータ１９の駆動によって円筒部材１７およびウェッジ基板１３は所定の回転角速度で回転する。円筒部材１７、減速機構１８、モータ１９及びモータドライバ（図示しない）によってウェッジ基板１３の回転機構２２が構成される。
【００１８】
ウェッジ基板１３は入射レーザの光軸ＬＳを中心に回転し、ウェッジ基板１３が回転すると、レーザの光軸ＬＳの屈折方向が変化し、レーザの光軸ＬＳが移動して焦点位置が移動する。集光光学系３のブレに伴ってレーザの光軸ＬＳがブレた場合には、ウェッジ基板１３を回転させることによって補正することができる。なお、ウェッジ基板１３の傾斜角θが大きいほど、光軸ＬＳのブレを補正できる範囲は広がるが、傾斜角θが大きくなるに従って焦点の収差も大きくなって加工性能に影響を及ぼすため、ウェッジ基板１３の傾斜角θは「１０°」程度が望ましい。
【００１９】
（補正制御）  次に、レーザ走査中におけるレーザの光軸ＬＳのブレを補正するための補正制御について説明する。図５（ａ）に示すように、前述したレーザ加工装置１では、レーザの焦点位置を接合予定線ＳＳ上に合わせ、レーザ走査を開始する。なお、レーザ走査の開始前には、ウェッジ基板１３を回転させる前の停止位置が、初期の回転角度として設定されている。
【００２０】
レーザ走査中は、図５（ｂ）に示すように、集光光学系３がレーザ発振部２の振動に伴う振動によってブレ易く、レーザ発振部２に働く慣性力によってそのブレ幅も大きくなり易い。図６（ａ）に示すように、このブレを補正しない場合には、レーザの焦点位置は接合予定線ＳＳを挟んで左右にブレた蛇行軌跡Ｆｔを描く。蛇行軌跡Ｆｔはサインカーブを描き、波長ｄ２は約１０ｍｍ、周期は０．１ｓ、蛇行幅ｄ３は約５ｍｍである。さらに、レーザ走査速度は６ｍ／ｍｉｎに設定されており、蛇行軌跡Ｆｔの周波数は１０Ｈｚとなる。
【００２１】
基準となる加工予定線ＳＳと蛇行軌跡Ｆｔとのずれにおける変位方向及び変位量は、倣い機構４（４ａ）によって検出される。その後、ウェッジ基板１３の停止位置としてＲＡＭといった記憶手段に記憶されている回転角度を読み出す。その回転角度を検出された変位方向及び変位量とともに、記憶手段に記憶されたテーブルを参照し、演算手段がウェッジ基板１３の回転方向と回転角速度と回転時間とを求める。
【００２２】
なお、ウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求める際に、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度を参照するのは、ウェッジ基板１３の回転角度によって、ウェッジ基板１３の角度変化量に対する焦点位置の変位幅が異なるからである。ウェッジ基板１３の回転角度と焦点位置の変位幅との関係をグラフ化するとサインカーブになる。そして、例えば、振幅を「Ａ」とし、回転角度「０°」の初期停止位置から回転角度「１５°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ１は「Ａ×（sin（15°）−sin（0°））＝０．２５９×Ａ」になる。一方、回転角度「１５°」から回転角度「３０°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ２は「Ａ×（sin（30°）−sin（15°））＝０．２４１×Ａ」になる。このように、ウェッジ基板１３の停止位置が異なれば、各停止位置から同じ角度変化量だけ回転させた場合の変位幅Δｙ１，Δｙ２が異なる。そのため、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度をも参照してウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求めている。
【００２３】
その後、演算手段は、ステップ７で求めたウェッジ基板１３の回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号を回転機構２２のモータドライバに入力する。回転機構２２のモータドライバは、補正制御信号に基づいてモータ１９を駆動制御し、ウェッジ基板１３を所定の回転角速度で所定の回転時間だけ回転させる。その結果として、図６（ｂ）に示すように、集光光学系３のブレに伴って生じるレーザの光軸ＬＳのブレは補正され、レーザの焦点位置の蛇行が軽減されて所望の直線に近づくようになる。
【００２４】
レーザ加工装置１によれば、レーザ発振部２を移動させることなく、ウェッジ基板１３の回転によってレーザの光軸ＬＳのブレを補正できるため、レーザの光軸ＬＳのブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。
【００２５】
また、ウェッジ基板１３がコリメーションレンズ１１よりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸ＬＳのブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板１３が集光レンズ１２よりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。レーザ加工装置１では、ウェッジ基板１３は、コリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間に配置されているために、レーザの光軸ＬＳのブレを補正しながら、容易にビームスポットを所望のサイズにすることができ、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。
【００２６】
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、集光レンズとしてＦθレンズを用いて収差の影響を少なくしてもよい。また、ウェッジ基板を複数設け、各ウェッジ基板を回転させる回転機構を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２に示すレーザ加工装置のウェッジ基板及び回転機構を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のIV−IVに沿った断面図である。
【図５】ウェッジ基板の回転に伴って移動するレーザの光軸を示す図である。
【図６】レーザの光軸のブレに伴って生じる焦点位置の蛇行軌跡を示す。
【図７】ウェッジ基板の傾斜角とレーザの焦点位置のずれ量との関係を示す表である。
【符号の説明】
【００２８】
１…レーザ加工装置、３…集光光学系、１１…コリメーションレンズ、１２…集光レンズ、１３…ウェッジ基板、２２…回転機構、ＳＳ…接合予定線、ＬＳ…光軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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