(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、レーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工テーブルに載置したワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工方法において、レーザビームの光路中に第１曲率可変ミラーを配置し且つ第２曲率可変ミラーをレーザビームの光路中における前記集光レンズの近傍に配置し、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし、他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御せしめることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし、レーザ加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を予め光伝播計算により求め、この一次関数式に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、レーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工すべきワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
レーザビームの光路中に配置した第１曲率可変ミラーと、レーザビームの光路中における集光レンズの近傍に配置した第２曲率可変ミラーと、前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御する曲率制御装置と、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし且つ他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すべく曲率制御装置に指令を与えると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を調整する指令を与える制御装置と、を備えてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記制御装置が、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とする指令を与えると共に、加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とする指令を与える指令部を備えてなることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記制御装置が、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を記憶するメモリと、この一次関数式に基づいてレーザビームの任意の光路長に対応する前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を計算する演算装置と、この演算装置で求めた計算値に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する指令を与える指令部と、を備えてなることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ加工ヘッドをＹ軸方向へ移動するＹキャレッジを設け、このＹキャレッジをＸ軸方向に移動するＸキャレッジを設け、前記第１及び第２曲率可変ミラーを前記Ｙキャレッジに設けてなることを特徴とする請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記第２曲率可変ミラーを前記Ｙキャレッジ又はレーザ加工ヘッド内に設けてなることを特徴とする請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークにレーザ加工を行うレーザ加工方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、異なる板厚を加工する場合、例えば薄板を加工する場合、レーザ加工点での集光ビーム径はできるだけ小さい方が高速・高精度切断が可能であるため短焦点集光レンズが用いられている。
【０００３】
また、板厚が厚い場合には、その板厚に適した集光ビーム径が存在するために大きめの集光ビーム径が得られる長焦点集光レンズを用いてレーザ加工が行われる。
【０００４】
そこで、レーザ加工装置の中で、自動化・省力化を図るとしても、オペレータがマニュアルに基づいて加工すべき板材に応じて集光レンズを短焦点レンズあるいは長焦点レンズに交換するシステムでは、全体的に製品を完成するまでの時間が長くなり、不具合を生じる。
【０００５】
したがって、一般的には図１４（Ａ），（Ｂ）に示されているような透過レンズ型ズーミングシステムが提案されて商品化されている。ただし、このズーミング方式は1000〜2000Ｗ以下の低パワーのみである。
【０００６】
例えば、図１４（Ａ）、（Ｂ）において、図示せざるレーザ加工ヘッド内にはレーザ光ＬＢをワークＷのレーザ加工点へ集光せしめる集光レンズ１０１が設けられており、この集光レンズ１０１の上方には凸レンズ１０３と凹レンズ１０５がそれぞれ上下動自在に設けられている。すなわち、有効焦点距離Feは集光レンズ１０１自体の焦点距離に対して入射する集光レンズ１０１上のビーム径Ｄや発散角により影響を受けて変化するので、有効焦点距離Feをほぼ一定に保持しながらレーザ加工点の集光ビーム径ｄ０を大きくしたり小さくしたりするために上記の凸レンズ１０３と凹レンズ１０５が組み合わされて上下動される。
【０００７】
凸レンズ１０３と凹レンズ１０５の上下動により、図１４（Ａ）では集光レンズ１０１上のビーム径Ｄが小さく（小ビーム径に）されてレーザ加工点の集光ビーム径ｄ０を大きくしており、逆に図１４（Ｂ）では集光レンズ１０１上のビーム径Ｄが大きく（大ビーム径に）されて集光ビーム径ｄ０を小さくしている。
【０００８】
また、図１５を参照するに、従来の光軸移動型レーザ加工装置１０７においては、レーザ発振器１０９から出力されたレーザ光ＬＢは９枚の反射ミラー（Ｍ１０〜Ｍ３及びＭ１）を介して集光レンズ１１１により集光される。また、このレーザ加工装置１０７では６軸制御の３次元レーザ加工機として示されている。例えば、加工テーブル（図示省略）上にセットされたワークＷの上方にはＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド（図示省略）が設けられており、しかも、このレーザ加工ヘッド内には集光レンズ１１１が備えられている。レーザ加工ヘッドは、Ｘ軸モータ１１３にリンクして図示省略のＸキャレッジによりＸ軸方向へ、Ｙ軸モータ１１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されている。また、集光レンズ１１１はＺ軸方向に上下動自在に構成されている。
【０００９】
また、ＸキャレッジにはミラーＭ６が設けられていると共にＹキャレッジには複数のミラーＭ５，Ｍ４，Ｍ３並びにミラーＭ１が設けられている。さらに、光伝播特性の立場からミラーＭ９に凸ミラー、ミラーＭ８に凹ミラーが採用され、近場加工点から遠場加工点までの光路差Δ＝4.5ｍに対して平滑ビームとなるようにミラーＭ９及びミラーＭ８の曲率が決定され固定されている。
【００１０】
また、上記のミラーＭ５には曲率可変ミラー（アダプティグ・オプティクスで、「ＡＯ」という）が採用されており、近場加工点から遠場加工点の間で生じる有効焦点距離Feの差Δ＝（Fe）遠−（Fe）近≒1.5〜2mmを補正して全加工領域において一定の有効焦点距離Feで加工できるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のレーザ加工装置における透過組合せレンズズーミング方式では、以下の問題点があった。
【００１２】
(1)レーザ出力2000Ｗ以上のシステムでは、高出力に伴う熱レンズ効果のために、理論通りの集光ビーム径が形成されない。
【００１３】
(2)透過型レンズの組合せでは、光路系の汚れ等がレンズに付着した場合、上記の(1)と同様に熱レンズ効果を助長する。
【００１４】
(3)レーザ光ＬＢと組合せレンズとの正確なビームアラインメントが要求され、一枚レンズ当たりの微小なアラインメントずれでも最終加工点では結像が困難となる。
【００１５】
(4)レンズを最低２枚以上を別個に上下動しなければならないために、最大２個のステッピングモータが必要となり、構造が複雑となり、また可動部分が多くなるために故障の原因となりやすい。
【００１６】
(5)小さな集光ビーム径と大きな集光ビーム径の２条件に対して、最終端集光レンズ１０１により形成される有効焦点距離Feに差が生じる場合が多く、ノズルと集光ビームＬＢが干渉する等の不具合が生じる。
【００１７】
(6)組合せレンズが汚れなどにより交換の必要が発生したとき、再び３枚のレンズ１０１，１０３，１０５の正確なアラインメントが必要となりメンテナンスがやりにくい。
【００１８】
(7)レーザ出力3000Ｗ以上の棚付の自動化セルシステムでは、薄板加工と厚板加工とが混在しており、現在薄板の5”レンズ、厚板のとき7.5”レンズをオペレータ自身が交換するために、実際のレーザ加工時間以外の機械停止時間が長く、トータルとして加工システムの効率低下となっていた。
【００１９】
また、図１５に示されている従来の光軸移動型レーザ加工装置１０７においては、曲率可変ミラーＭ５からパスラインＰＬまでの距離が1000〜1500mm程度と短いので、曲率可変ミラーＭ５を利用しても集光レンズ１１１に入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄの最大変化量が約2〜3mmと小さいためにレーザ加工点での集光ビーム径ｄ０を大きく変化させることは困難であった。
【００２０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、透過型組合せレンズを採用せずに、ワークの板厚に適した集光ビーム径にてレーザ加工を実現し、高出力レーザにも対応でき、レンズ方式よりも構造的な簡略化を図り、アラインメントズレに対する調整困難さをも軽減し得るレーザ加工方法及びその装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明のレーザ加工方法は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、ワークに対して相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工テーブルに載置したワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工方法において、
レーザビームの光路中に第１曲率可変ミラーを配置し且つ第２曲率可変ミラーを前記集光レンズの近傍に配置し、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし、他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御せしめることを特徴とするものである。
【００２２】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用可能となる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００２３】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径が自動的に制御されることによりワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることが容易に行われ、安定したレーザ加工が行われる。
【００２４】
請求項２によるこの発明のレーザ加工方法は、請求項１記載のレーザ加工方法において、前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし、レーザ加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とすることを特徴とするものである。
【００２５】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００２６】
請求項３によるこの発明のレーザ加工方法は、請求項１記載のレーザ加工方法において、第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を予め光伝播計算により求め、この一次関数式に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御することを特徴とするものである。
【００２７】
したがって、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御することで安定切断が行われる。
【００２８】
請求項４によるこの発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、レーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工すべきワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
レーザビームの光路中に配置した第１曲率可変ミラーと、レーザビームの光路中に集光レンズの近傍に配置した第２曲率可変ミラーと、前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御する曲率制御装置と、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし且つ他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すべく曲率制御装置に指令を与えると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を調整する指令を与える制御装置と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００２９】
したがって、請求項１記載の作用と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用可能となる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００３０】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径が自動的に制御されることによりワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることが容易に行われ、安定したレーザ加工が行われる。
【００３１】
請求項５によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４記載のレーザ加工装置において、前記制御装置が、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とする指令を与えると共に、加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とする指令を与える指令部を備えてなることを特徴とするものである。
【００３２】
したがって、請求項２記載の作用と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００３３】
請求項６によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４記載のレーザ加工装置において、前記制御装置が、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を記憶するメモリと、この一次関数式に基づいてレーザビームの任意の光路長に対応する前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を計算する演算装置と、この演算装置で求めた計算値に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する指令を与える指令部と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００３４】
したがって、請求項３記載の作用と同様であり、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御することで安定加工が行われる。
【００３５】
請求項７によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置において、前記レーザ加工ヘッドをＹ軸方向へ移動するＹキャレッジを設け、このＹキャレッジをＸ軸方向に移動するＸキャレッジを設け、前記第１及び第２曲率可変ミラーをそれぞれ前記Ｙキャレッジおよびレーザ加工ヘッドに設けてなることを特徴とするものである。
【００３６】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーがそれぞれＹキャレッジおよびレーザ加工ヘッドに設けられることにより、第１及び第２曲率可変ミラーの間の距離が短くても集光レンズ上のビーム径が大きく変化されるので、結果としてレーザ加工点での集光ビーム径が大きく変化されるためにワークの板厚に幅広い対応が可能となる。
【００３７】
請求項８によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置において、前記加工テーブルをＸ軸方向へ移動自在に設け、前記レーザ加工ヘッドをＹ軸方向へ移動するＹキャレッジを設け、前記第１曲率可変ミラーを前記レーザ発振器の近傍に設け、前記第２曲率可変ミラーを前記Ｙキャレッジ又はレーザ加工ヘッド内に設けてなることを特徴とするものである。
【００３８】
したがって、一軸テーブル移動、一軸光軸移動式のレーザ加工装置にも幅広く適用できる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１を参照するに、本実施の形態に係わる光軸移動型レーザ加工装置１は、反射型曲率可変ミラーによるズームシステムが適用されたものである。なお、図１５に示されている従来の光軸移動型レーザ加工装置１と比較するために、便宜上、同様の構造のミラーには同符号が用いられている。
【００４１】
レーザ加工装置１には、レーザ発振器３が備えられており、このレーザ発振器３内には出力ミラー５が設けられていると共にレーザ発振器３の前方近傍には複数のミラーＭ１０，Ｍ９，Ｍ８，Ｍ７が設けられている。
【００４２】
なお、光伝播特性の立場からミラーＭ９には凸ミラー、ミラーＭ８には凹ミラーが採用され、近場加工点から遠場加工点までの光路差Δ＝4.5ｍに対して平滑ビームとなるようにミラーＭ９及びミラーＭ８の曲率が決定され固定されている。
【００４３】
加工すべきワークＷは加工テーブル７上に図示せざるクランプ装置によりクランプされており、このワークＷの上方にはＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド９が設けられており、しかも、このレーザ加工ヘッド９内には集光レンズ１１が備えられている。レーザ加工ヘッド９は、Ｘ軸モータ１３にリンクして図示省略のＸキャレッジによりＸ軸方向へ、Ｙ軸モータ１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されている。
【００４４】
なお、Ｘキャレッジ、Ｙキャレッジの駆動は例えばラックアンドピニオンあるいはボールネジによって行われる。ＸキャレッジにはミラーＭ６が設けられていると共にＹキャレッジには２つの第１曲率可変ミラーＭ５（本実施の形態では「ＡＯ１」とも称する）と第２曲率可変ミラーＭ２（本実施の形態では「ＡＯ２」とも称する）並びに複数のミラーＭ４，Ｍ３，Ｍ１が設けられている。なお、上記のＸ軸モータ１３及びＹ軸モータ１５は制御装置１７に電気的に接続されている。
【００４５】
上記構成により、レーザ発振器３から出力されたレーザ光ＬＢ（レーザビーム）は複数のミラーＭ１０〜Ｍ７を経て、さらにミラーＭ６、第１曲率可変ミラーＭ５及び複数のミラーＭ４，Ｍ３及び第２曲率可変ミラーＭ２及びミラーＭ１を経て、すなわち本実施の形態では合計１０枚の反射ミラー（Ｍ１０〜Ｍ１）を経てレーザ加工ヘッド９内に備えられた集光レンズ１１で集光される。この集光レンズ１１で集光されたレーザ光ＬＢは、加工すべきワークＷへ向けて照射されてレーザ加工が行われる。
【００４６】
なお、制御装置１７には曲率制御装置１９が接続されており、制御装置１７から出力されるアナログ信号により曲率制御装置１９を介して第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を変化させるようになっている。
【００４７】
一般的に、レーザ光ＬＢには発散角があるために一様なビーム径で進行するのではなく徐々に広がっていくので、図３（Ａ），（Ｂ）に示されているようにレーザ加工点におけるレーザ光ＬＢの集光ビーム径ｄ０は集光レンズ１１に入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄの大きさに左右されるものであり、集光レンズ１１におけるレーザ光ＬＢの有効焦点距離Feは集光レンズ１１自体の焦点距離F０に対して入射するレーザ光ＬＢの発散角（光伝播波面曲率半径Reにより表される）の影響が付加されるものである。換言すれば、入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄとレーザ光ＬＢの光伝播波面曲率半径Reが異なると、集光ビーム径ｄ０と有効焦点距離Feは変化する。
【００４８】
また、集光レンズ１１に入射するビーム径Ｄの大きさと集光ビーム径ｄ０の関係は、ｄ０＝１．２７λＭ２Fe／Ｄで表されるので、図３（Ａ）に示されているようにビーム径Ｄが小さくなれば集光ビーム径ｄ０が大きくなる。逆に、図３（Ｂ）に示されているようにビーム径Ｄが大きくなれば集光ビーム径ｄ０が小さくなる。
【００４９】
上述したように、本実施の形態では２枚の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２を組み合わせたズーミングシステムが形成されている。ワークＷに対して最適なレーザ加工点の集光ビーム径ｄ０にて加工ができるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を対で制御し、またこれに伴って集光レンズ１１の加工点での有効焦点距離Feが常に一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率を調整するのが本発明の基本的な特徴である。
【００５０】
なお、第１曲率可変ミラーＭ５からパスラインＰＬ（レーザ加工点）までの距離は1000〜1500mm程度と短いため、この間にミラーＭ５とミラーＭ２の２枚の曲率可変ミラーが配置されてもほとんどレーザ光ＬＢの発散角の影響はない。
【００５１】
図２を参照するに、制御装置１７は、ＣＰＵ２１を備えており、このＣＰＵ２１には種々のデータを入力せしめるためのキーボードのごとき入力装置２３が接続されていると共に種々のデータを出力するためＣＲＴのごとき表示装置２５が接続されている。
【００５２】
また、ＣＰＵ２１には、入力装置２３から入力されたデータや後述する演算装置で計算された計算値を記憶するメモリ２７が接続されている。なお、このメモリ２７には近場加工点と遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離Feがほぼ一定となるように、第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径と出力ミラー５からレーザ加工点までのレーザ光路長との一次関数式が、予めレーザ光ＬＢの光伝播計算に基づいて得られたデータが記憶されている。
【００５３】
また、ＣＰＵ２１には、上記の一次関数式に基づいて各レーザ加工点に対応する第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を計算する演算装置２９が接続されている。
【００５４】
また、ＣＰＵ２１には、第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２のうち一方の曲率半径を凹面とし且つ他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すべく曲率制御装置１９に指令を与える指令部３１が接続されている。
【００５５】
例えば、レーザ加工点で小さな集光ビーム径ｄ０を形成するときは、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を凹面とする指令を与える。レーザ加工点で大きな集光ビーム径ｄ０を形成するときは、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を凸面とする指令を与えるものである。
【００５６】
また、上記の指令部３１は、ワークＷのレーザ加工点での有効焦点距離Feをほぼ一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を調整する指令も曲率制御装置１９に与える。
【００５７】
また、上記の指令部３１は、レーザ発振器３からレーザ加工点までのレーザビームの光路の距離が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離Feをほぼ一定とすべく、予めメモリ２７に記憶されている一次関数式により演算装置２９で計算された計算値に基づいて第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を対で制御する指令を曲率制御装置１９に与えるものでもある。
【００５８】
より詳しく説明すると、図４及び図５を参照するに、レーザ発振器３の出力ミラー５からの距離が9576mmの近場加工点において集光レンズ１１上のビーム径Ｄが小ビーム（Φ16）及び大ビーム（Φ35）となるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２を制御される一例が示されている。換言すれば、上述したように小ビーム（Φ16）のときはレーザ加工点での集光ビーム径ｄ０が大きくなるので厚板のワークＷのレーザ加工に適しており、大ビーム（Φ35）のときは集光ビーム径ｄ０が小さくなるので薄板のワークＷのレーザ加工に適している。
【００５９】
図４を参照するに、集光レンズ１１上の小ビーム形成（大きい集光ビーム径ｄ０形成）の例に基づいて光伝播の様子を説明すると、出力ミラー５から出射されたレーザ光ＬＢはミラーＭ９の凸ミラーにて拡大されてからミラーＭ８の凹ミラーによりほぼ平滑に制御される。次に、第１曲率可変ミラーＭ５が８ｍＲ凹面に設定されることによりレーザ光ＬＢは縮小され、最後に第２曲率可変ミラーＭ２が5.2ｍＲ凸面に設定されることにより、集光レンズ１１上でＤ＝φ16の平滑ビームが形成される。
【００６０】
図５を参照するに、集光レンズ１１上の大ビーム形成（小さい集光ビーム径ｄ０形成）の例に基づいて光伝播の様子を説明すると、ミラーＭ９及びミラーＭ８は図４の小ビーム形成の場合と同様に設定され、第１曲率可変ミラーＭ５が５ｍＲ凸面に設定されることによりレーザ光ＬＢは拡大され、第２曲率可変ミラーＭ２が7.5ｍＲ凹面に設定されることにより、集光レンズ１１上でＤ＝φ35の平滑ビームが形成される。
【００６１】
以上のように、加工対象板厚に応じて小ビーム径や大ビーム径が形成できるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が対で制御される。なお、この時に形成されるレーザ加工点での集光ビーム径ｄ０は、レンズ焦点距離F０＝190.5mmの集光レンズ１１が使用されたとき、それぞれ小ビーム（Φ16）ではｄ０＝462μm、大ビーム（Φ35）ではｄ０＝254μmとなり、厚板切断用と薄板切断用に使用可能となる。
【００６２】
なお、ワークＷとしては軟鋼材の薄板から厚板のみならず、ステンレスＳＵＳ（アシストガスがＮ２）の切断やアルミニウムＡｌ等の切断にも材料特性に応じて適切に第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を制御して実施可能となる。
【００６３】
図６を参照するに、次に重要なパラメータは有効焦点距離Feであるので、集光レンズ１１上の波面曲率半径Reと有効焦点距離Feとの関係について説明する。レーザ光路中の第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２が変化されることにより、集光レンズ１１上の波面曲率半径Reは、正及び負の極性を持って変化することは良く知られている。一般に、│Re│≫F０（レンズ焦点距離）のとき、有効焦点距離Ｆeは（１）式で近似される。
【００６４】
Fe≒F０（１＋F０／Re）＝F０＋F０２／Re）……（１）
（１）式は重要な近似式で、有効焦点距離Feがレンズ焦点距離F０を中心として、波面曲率半径Reの極性に応じて前後にF０２／Reだけ変化することになる。
【００６５】
この有効焦点距離Feのパラメータの重要性の理由は、実際のレーザ加工の際に集光レンズ１１上で小ビームや大ビームを採用するときに、有効焦点距離Feが大きく変化すると加工用ノズル（図示省略）と集光されたレーザ光ＬＢが干渉して加工不良が発生する場合があるからである。したがって、有効焦点距離Feを一定となるように第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２が制御される必要がある。
【００６６】
そこで、図５において集光レンズ１１上で大ビーム（φ35）が形成される場合のレーザ加工点での集光レンズ１１上の波面曲率半径Reは、Re＝−171.4(mR)と計算されるので、有効焦点距離Feは、190.3mmとなる。
【００６７】
次に、図４において小ビーム（φ16）が形成される場合で、有効焦点距離Feが上記の図５における大ビーム形成の場合と同様な値となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を決定するまでの方法について説明する。
【００６８】
図７を参照するに、このグラフは、加工点9576mmの近場で、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率が８mR凹に固定された場合において、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径に対する集光レンズ１１上の波面曲率半径Re及び有効焦点距離Feの関係を示している。
【００６９】
図７に示されているように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が−5.15〜−5.1 mR（凸面）の間に変曲点があり、波面曲率半径Reの極性が変化することが判る。
【００７０】
したがって、（１）式により有効焦点距離Feは、（２）式のような一次関数式で表される。
【００７１】
Fe＝2.65・ＲＡＯ２＋204.1………（２）
ただし、ＲＡＯ２は第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径である。
【００７２】
そこで、（２）式により、Fe＝190.3mmとなるためにはＲＡＯ２＝−5.2ｍが決定される。
【００７３】
以上のように、ワークＷの加工対象に合わせてレーザ加工点の集光ビーム径ｄ０を適切に制御する場合には、有効焦点距離Feが一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２を適切に制御しなければならない。
【００７４】
図８を参照するに、このグラフでは、上記の概念を取り入れて、加工点9576mmの近場で、集光ビーム径ｄ０が235〜462μmまで変化する場合の第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の制御の方法が示されている。
【００７５】
このグラフからも明らかなように、集光ビーム径ｄ０が約320μmより小さい領域では、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径ＲＡＯ５は負（凸面）、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径ＲＡＯ２は正（凹面）に設定されなければならない。また、集光ビーム径ｄ０が約350μmより大きい領域では、設定するミラーの曲率半径を反転させ、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径ＲＡＯ５は正（凹面）、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径ＲＡＯ２は負（凸面）に設定されなければならない。
【００７６】
また、図９を参照するに、このグラフは上記の図８の制御方法で得られた結果を集光レンズ１１上のビーム直径に対する集光ビーム径ｄ０及び有効焦点距離Feの関係でまとめたものである。グラフから集光ビーム径ｄ０の変化に対して有効焦点距離Feが一定に制御されていることが判る。
【００７７】
以上のことから、最終的には、光軸移動型レーザ加工装置１の近場加工点から遠場加工点までの全領域に対して均一な集光ビーム径ｄ０及び有効焦点距離Feの基で安定加工が得られなければならない。
【００７８】
図１０を参照するに、このグラフは小ビーム径Ｄを得る条件で、出力ミラー５からレーザ加工点までの距離に対する集光レンズ１１上のビーム径Ｄの関係が近場加工点9576mmと遠場加工点13656mの場合に示されている。この時、遠場加工点でのレンズ上の波面曲率半径Reと有効焦点距離FeはそれぞれRe＝20.1（m）、Fe＝192.3（mm）となり、近場加工点のFe＝190.3（mm）よりも２mm程度長くなり、均一な有効焦点距離Feとはならない。
【００７９】
そこで、図１１を参照するに、このグラフは遠場領域においても有効焦点距離Feを近場加工点とほぼ同じになるように調整すべく第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を調整した結果を示したものである。このときの設定条件は第１曲率可変ミラーＭ５が10mR（凹面）で、第２曲率可変ミラーＭ２が−8.15 mR（凸面）となる。その結果として、遠場領域においても有効焦点距離FeはFe＝190.3（mm）となる。以上のように、出力ミラー５からのレーザ光路長に対して第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が変化される必要がある。
【００８０】
図１２を参照するに、このグラフは、集光レンズ１１上の小ビーム径を得るための第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径の設定方法を示すもので、出力ミラー５からの距離に対する第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径の関係が示されている。このグラフから、第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径は、出力ミラー５からの距離に対して一次関数式で近似できる。その関係式が下記の（３）式及び（４）式に示される。
【００８１】
ＲＡＯ１＝0.4367・Ｌ＋4.04………（３）
ＲＡＯ２＝−0.644・Ｌ＋0.757………（４）
ただし、Ｌは出力ミラー５からの距離である。
【００８２】
上記の場合と同様、集光レンズ１１上の大ビーム径を得るための第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を設定するために、第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径は出力ミラー５からの距離に対する一次関数式で予め近似できる。
【００８３】
したがって、上記の一次関数式は予めメモリ２７に記憶され、この一次関数式に基づいて演算装置２９により出力ミラー５からレーザ加工点までの距離に応じて第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が計算され、この計算値に基づいて制御すべく指令部３１から曲率制御装置１９を経て第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２へ指令が与えられる。
【００８４】
以上のように、本発明の２枚の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２によるズーム式のレーザ加工システムが採用されることで、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で、しかも正負の曲率で制御され、さらに、光軸移動型レーザ加工装置１においては、出力ミラー５からの距離に対して直線的に制御されることで安定切断が可能となる。
【００８５】
前述した実施の形態では、レーザ加工ヘッド９がワークＷに対してＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動自在な光軸移動型レーザ加工装置１に適用されたもので説明したのであるが、一軸テーブル移動、一軸光軸移動型のレーザ加工装置にも適用される。
【００８６】
以下、後者のレーザ加工装置３３について、前述した実施の形態の場合と同様の構造については同符号を付して説明する。
【００８７】
図１３を参照するに、レーザ加工装置３３は、ワークＷは加工テーブル３７上にクランプ装置３５によりクランプされ、加工テーブル３７がＸ軸方向に移動自在に構成されている。また、レーザ加工装置３３には、レーザ発振器３が備えられており、レーザ発振器３の前方近傍には複数のミラーＭ１６，Ｍ１５並びに第１曲率可変ミラーＭ１４（前述した実施の形態と同様「ＡＯ１」と称する）、ミラーＭ１３が設けられている。
【００８８】
また、加工テーブル３７の上方にはレーザ加工ヘッド９がＹ軸モータ１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されており、レーザ加工ヘッド９内には集光レンズ１１が備えられている。
【００８９】
Ｙキャレッジには第２曲率可変ミラーＭ１２（前述した実施の形態と同様「ＡＯ２」と称する）並びにミラーＭ１１が設けられている。
【００９０】
上記構成により、レーザ発振器３から出力されたレーザ光ＬＢは複数のミラーＭ１６、Ｍ１５を経て第１曲率可変ミラーＭ１４、さらにミラーＭ１３、及び第２曲率可変ミラーＭ１２、ミラーＭ１を経てレーザ加工ヘッド９内に備えられた集光レンズ１１で集光される。このとき、第１曲率可変ミラーＭ１４及び第２曲率可変ミラーＭ１２の曲率半径が前述した実施の形態と同様に有効焦点距離Feがほぼ一定となるようにして大ビームあるいは小ビームに応じて対で、しかも正負の曲率で制御され、さらに、出力ミラーからの距離に対して直線的に制御される。集光レンズ１１で集光されたレーザ光ＬＢは、加工すべきワークＷへ向けて照射されてレーザ加工が行われる。
【００９１】
以上のことから全体的にまとめると、本発明のレーザ加工のシステムでは従来の透過レンズ型ズーミングシステムに比較して考慮すると以下の利点がある。
【００９２】
(1)反射ミラー型曲率可変ミラーが採用されているのでレーザ出力3000Ｗ以上にも適用可能である。
【００９３】
(2)透過レンズ型のような熱レンズ効果が発生しないのでレーザ加工システムとして安定する。
【００９４】
(3)レーザ光ＬＢと組合せレンズとのビームアラインメントが透過レンズ型より簡単である。
【００９５】
(4)メカ的構造が簡略となりうる。
【００９６】
(5)集光レンズ１１上のビーム径Ｄを拡大あるいは縮小させたり、また有効焦点距離Feを変化させたりする基本動作において、透過レンズ型ではレンズ間の距離を変化させることにより制御する必要があり、このときにレンズ間のアラインメントずれにより、加工点でのノズルとの干渉が生じやすいが、本発明のレーザ加工システムでは第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の位置は動的に変化しないので、結果として安定集光状態が得られる。
【００９７】
(6)レーザ出力が3000Ｗ以上においても集光レンズ１１の交換なしに250〜450μmの集光ビーム径ｄ０が得られるので、薄板から厚板までのワークＷの棚付の自動化用セルシステムなどが効率よく稼動可能となることから、無人化、省力化を図ることができる。
【００９８】
(7)集光レンズ１１に近い位置に配置された第２曲率可変ミラーＭ２では、図７に示されているように曲率半径の変化に対して焦点位置のみが変化するので、レーザ加工点の焦点位置を大きく上下動したいとき、レンズを上下動するのではなく、制御装置１７により第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を制御することにより自動焦点が可能となる。
【００９９】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【０１００】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用できる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０１】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径を自動的に制御することにより、ワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることを容易に確実に行えるので安定したレーザ加工を行うことができる。
【０１０２】
請求項２の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０３】
請求項３の発明によれば、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で容易に制御でき安定切断を行うことができる。
【０１０４】
請求項４の発明によれば、請求項１記載の効果と同様であり、２枚の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用できる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０５】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径を自動的に制御することにより、ワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることを容易に確実に行えるので安定したレーザ加工を行うことができる。
【０１０６】
請求項５の発明によれば、請求項２記載の効果と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０７】
請求項６の発明によれば、請求項３記載の効果と同様であり、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で容易に制御でき安定切断を行うことができる。
【０１０８】
請求項７の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーをＹキャレッジ又はレーザ加工ヘッドに設けたので、第１及び第２曲率可変ミラーの間の距離が短くても集光レンズ上のビーム径を大きく変化できる。その結果、レーザ加工点での集光ビーム径を大きく変化できるので幅広いワークの板厚に対してレーザ加工を行える。
【０１０９】
請求項８の発明によれば、一軸テーブル移動、一軸光軸移動式のレーザ加工装置にも幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【図２】レーザ加工装置を制御せしめる制御装置の構成ブロック図である。
【図３】（Ａ）はレーザ光が大きな集光ビーム径となる状態説明図で、（Ｂ）はレーザ光が小さな集光ビーム径となる状態説明図である。
【図４】出力ミラーから近場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図５】出力ミラーから近場加工点までの距離に対する大ビーム径を得るときのグラフである。
【図６】集光レンズ上での波面曲率半径Reと有効焦点距離Feを示すもので、（Ａ）は波面曲率半径Reが負のときを示し、（Ｂ）は波面曲率半径Reが正のときを示す状態説明図である。
【図７】ＡＯ２の曲率半径に対する集光レンズ上の波面曲率半径Reと有効焦点距離Feの関係を示すグラフである。
【図８】集光ビーム径に対するＡＯ１とＡＯ２の曲率半径との関係を示すグラフである。
【図９】集光レンズ上でのビーム径に対する集光ビーム径と有効焦点距離との関係を示すグラフである。
【図１０】出力ミラーから近場加工点と遠場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図１１】出力ミラーから遠場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図１２】小ビーム径の場合で、出力ミラーからの距離に対するＡＯ１及びＡＯ２の設定を示すグラフである。
【図１３】本発明の他の実施の形態のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【図１４】従来のレーザ加工装置における透過組合せレンズのズーミング方式を示すもので、（Ａ）はレーザ光が大きな集光ビーム径となる状態説明図で、（Ｂ）はレーザ光が小さな集光ビーム径となる状態説明図である。
【図１５】従来のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工装置
３  レーザ発振器
５  出力ミラー
９  レーザ加工ヘッド
１１  集光レンズ
１３  Ｘ軸モータ
１５  Ｙ軸モータ
１７  制御装置
１９  曲率制御装置
２７  メモリ
２９  演算装置
３１  指令部
３３  レーザ加工装置
３７  加工テーブル
Ｍ１，Ｍ３〜Ｍ４，Ｍ６〜Ｍ１０  ミラー
Ｍ５  第１曲率可変ミラー（ＡＯ１）
Ｍ２  第２曲率可変ミラー（ＡＯ２）
【図１】
0004499248.tif 000002
【図２】
0004499248.tif 000003
【図３】
0004499248.tif 000004
【図４】
0004499248.tif 000005
【図５】
0004499248.tif 000006
【図６】
0004499248.tif 000007
【図７】
0004499248.tif 000008
【図８】
0004499248.tif 000009
【図９】
0004499248.tif 000010
【図１０】
0004499248.tif 000011
【図１１】
0004499248.tif 000012
【図１２】
0004499248.tif 000013
【図１３】
0004499248.tif 000014
【図１４】
0004499248.tif 000015
【図１５】
0004499248.tif 000016