(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームをレーザ加工ヘッド内の集光レンズに入射すべく反射せしめる反射面を備えると共にこの反射面が凹面で薄肉円盤状をなす曲率可変ミラーを設け、この曲率可変ミラーの背面に気体圧を封じ切り可能な気密式の加圧室を設け、この加圧室に気体圧を流入せしめると共にこの気体圧を前記加圧室に封じ切り可能に気密式の気体供給路を設け、この気体供給路から気体圧の正圧を増大するよう流入せしめるに伴って加工されるワークの板厚に対応した焦点長さとスポット径を常に維持するように、前記気体圧力の加減圧を調整する圧力調整装置を設け、レーザ加工条件に応じて前記曲率可変ミラーの反射面の曲率を変更調整すべく前記圧力調整装置に指令を与える制御装置を設けてなり、前記曲率可変ミラーは、製造過程において、薄肉反射面の背面から一定のガス圧を加えて反射面を凸状に変化させた状態で上記反射面を平面加工して形成され、前記ガス圧をなくしたときには、前記反射面は非線形の凹面状となっていることを特徴とする曲率可変ミラーの曲率調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器から発振されるレーザビームを曲率可変ミラーで反射し集光レンズを経てワークに照射するレーザ加工において、特にレーザ加工条件に応じて曲率可変ミラーの反射面の曲率の変化量を適正に制御する曲率可変ミラーの曲率調整方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザビームには発散角があるために、レーザビームを集光レンズにより集光し得られるスポット径はレーザ発振器からの距離の違いにより変化する。光移動方式のレーザ加工機においては、その加工領域長に長短の差が生じるためにレーザビームのビーム径を均等になるように固定の凹凸ミラーの複数枚の組み合わした光学系を通過してレーザ加工ヘッド内にある集光レンズ（透過レンズ）にまで導かれて集光される。
【０００３】
この集光されるレーザビームのスポット径は、集光レンズに入射するレーザビームのビーム径の大きさに左右されるものであり、集光レンズにおけるレーザビームの焦点長さは入射するレーザビームの発散角の影響が付加されるものである。つまり、入射するレーザビームのビーム径とレーザ発振器から集光レンズまでの距離が異なるとスポット径と焦点長さは変化する。
【０００４】
また、ワークの材質、板厚、加工方法によりそれぞれ適したスポット径が存在することが分かってきているので、現状ではレーザ加工ヘッド内には異なる焦点長さの集光レンズを交換して使い分けしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来においては、ワークの材質、板厚、加工方法に適したスポット径を得るためにはその都度焦点長さの異なる集光レンズを交換し対応するので、作業性が悪く、また自動化を図ることが難しいという問題点があった。
【０００６】
上記の集光レンズの交換の必要性に伴って、集光レンズを交換するにはレーザ加工ヘッドの構造の複雑化及びそれに伴うコストアップ、集光レンズの交換に要する時間のタクトタイムが長いという問題点があった。また、集光レンズの焦点長さの長焦点化にも構造上の上限があるという問題点があった。
【０００７】
また、従来においては、レーザ発振器の個体差、ミラー等の光学系の劣化に対応できないという問題点があった。
【０００８】
本発明は叙上の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の集光レンズを使い分けることなく、ベンドミラーの反射面の曲率を自在に変化せしめることにより、１つの集光レンズでワークの材質、板厚、加工方法の違いに合わせて適正なスポット径を制御し、安定したレーザ加工を実現し得る曲率可変ミラーの曲率調整方法及びその装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、レーザビームをレーザ加工ヘッド内の集光レンズに入射すべく反射せしめる反射面を備えると共にこの反射面が凹面で薄肉円盤状をなす曲率可変ミラーを設け、この曲率可変ミラーの背面に気体圧を封じ切り可能な気密式の加圧室を設け、この加圧室に気体圧を流入せしめると共にこの気体圧を前記加圧室に封じ切り可能に気密式の気体供給路を設け、この気体供給路から気体圧の正圧を増大するよう流入せしめるに伴って加工されるワークの板厚に対応した焦点長さとスポット径を常に維持するように、前記気体圧力の加減圧を調整する圧力調整装置を設け、レーザ加工条件に応じて前記曲率可変ミラーの反射面の曲率を変更調整すべく前記圧力調整装置に指令を与える制御装置を設けてなり、前記曲率可変ミラーは、製造過程において、薄肉反射面の背面から一定のガス圧を加えて反射面を凸状に変化させた状態で上記反射面を平面加工して形成され、前記ガス圧をなくしたときには、前記反射面は非線形の凹面状となっている曲率可変ミラーの曲率調整装置である。
【００１０】
したがって、正圧の気体圧で曲率可変ミラーの反射面の曲率を自在に変化せしめることにより、レーザビームの伝搬に伴う光波面曲率の変化を変換制御することが可能であり、ワークに対する焦点位置が安定する。さらには反射後のレーザビーム径が縮小・拡大へ制御されるので、加工領域におけるスポット径差が最小限に抑えられ、ワークの材質、板厚、加工方法の違いに合わせてスポット径及び焦点長さが適正に制御され、高品質なビームが作り出されるので、切断速度の向上、安定性の向上、アシストガス消費量の低減が図られる。
【００１１】
また、加圧室並びに気体供給路は気体圧を封じ切り可能な気密式（密閉室）であるので、圧力調整が容易で、曲率可変ミラーの曲率を確実に調整できる。而して、加工精度の向上が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の曲率可変ミラーの曲率調整方法及びその装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図３を参照するに、本実施の形態に係わるレーザ加工装置１は、図示せざる加工装置本体に内蔵されているレーザ発振器から発振されたレーザビームＬＢが光制御装置としての例えば曲率可変ミラー３を経てレーザ加工ヘッド５の内部に設けられた集光レンズ７に導かれる。この集光レンズ７で集光されたレーザビームＬＢは、レーザ加工ヘッド５の先端に設けられた噴射ノズル９を通過してワークＷに照射される。例えば数値制御のワーク移送位置決め装置で移送位置決めされたワークＷのレーザ加工点に、レーザビームＬＢの焦点を結ばせて、所望の形状に切断するなどのレーザ加工が行なわれる。
【００２１】
レーザ加工ヘッド５は前記加工装置本体に設けられた加工ヘッド移動装置としての例えば加工ヘッド用駆動モータ１１により回転駆動されるボールねじ１３Ａを介して昇降自在に換言すれば噴射ノズル９をワークＷに接離するように移動自在に設けられている。
【００２２】
さらに、集光レンズ７はレーザ加工ヘッド５に設けられた集光レンズ移動装置としての例えば集光レンズ用駆動モータ１５により回転駆動されるボールねじ１３Ｂを介してレーザ加工ヘッド５の内部で上下動自在に設けられている。なお、加工ヘッド用駆動モータ１１及び集光レンズ用駆動モータ１５はそれぞれ、図１に示されている制御装置１７に電気的に接続されている。
【００２３】
一般的にレーザビーム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図３に示されているように徐々に広がっていくものである。そのためにレーザ加工点におけるレーザビームＬＢのスポット径はレーザ発振器から集光レンズ７までの距離の違いにより変化することになる。
【００２４】
集光レンズ７により集光されるレーザビームＬＢのスポット径は、集光レンズ７に入射するレーザビームＬＢのビーム径の大きさに左右されるものであり、集光レンズ７におけるレーザビームＬＢの焦点長さは集光レンズ７自体の焦点距離に対して入射するレーザビームＬＢの発散角の影響が付加されるものである。つまり、入射するレーザビームＬＢのビーム径とレーザ発振器から集光レンズ７までの距離が異なるとスポット径と焦点長さは変化する。
【００２５】
例えば、集光レンズ７に入射するレーザビームＬＢのビーム径ＤL が大きい場合は図３の実線で示されているように長い焦点長さＬｆL で小さいスポット径ｄL が得られるが、この同じ集光レンズ７に入射するビーム径ＤS が小さい場合は図３の点線で示されているように短い焦点長さＬｆS で大きいスポット径ｄS が得られる。
【００２６】
本発明のレーザ加工では光制御装置により集光レンズ７に入射するレーザビームＬＢのビーム径Ｄを自在に変更調整することにより１枚の集光レンズ７を交換することなくワークＷの材質及び板厚とその加工方法の違いに応じてレーザビームＬＢのスポット径をレーザ加工に適した大きさに調整するものである。
【００２７】
なお、光制御装置とはワークＷの材質、板厚、加工方法に適するレーザ加工点におけるスポット径ｄ0 （ｄL やｄS などの）を得るために、レーザ加工ヘッド５内の集光レンズ７に入射するレーザビームＬＢのビーム径Ｄ（ＤL やＤS などの）を変化させる装置である。
【００２８】
本発明の実施の形態の主要部となる光制御装置として用いられている曲率可変ミラー３は、図１に示されているようにミラー固定ブラケット１９に装着されており、図３に示されているようにレーザ発振器側からのレーザビームＬＢを集光レンズ７の方向へ反射するもので、反射面Ｍの曲率を自在に変更調整可能に設けられている。なお、ミラー固定ブラケット１９としては三角ブロックやデルタマウントなどがあり、図１においては曲率可変ミラー３の反射面Ｍへ入射及び反射されるレーザビームＬＢが通過するための開口が設けられている。
【００２９】
図１及び図２を参照するに、本実施の形態では、ミラー２１は反射面Ｍに該当する底面が薄肉の円筒形状で、しかも厚みが内側、外側に関係なくほぼ一定をなしており、前記反射面Ｍを外側にして円柱形状のミラーベースブロック２３に装着されボルトＢＴで一体的に固定されている。このミラーベースブロック２３には接合部より冷却せしめるための冷却水路２４を備えている。反射面Ｍの背面とミラーベースブロック２３の端面との間には気体圧を封じ切って気体圧力を維持可能な気密式の加圧室２５が設けられている。なお、ミラー２１とミラーベースブロック２３との接触面にはＯリング２７が嵌挿されて加圧室２５内が気密状態に保たれている。
【００３０】
なお、ミラー２１の薄肉の反射面Ｍは非加圧時には常時非線形の凹面状態にある。例えば、ミラー２１は製造過程において薄肉の反射面Ｍの背面から一定のガス圧力を加えて反射面Ｍを凸状に変形させた状態で上記の反射面Ｍを平面加工すると、上記の加圧力をなくしたときに反射面Ｍは通常では非線形の凹面形状となる。
【００３１】
また、ミラーベースブロック２３には加圧室２５に圧力気体としての制御用ガスを供給するために流入せしめて、この気体圧を加圧室２５に封じ切って気体圧力を維持可能な気密式の気体供給路としての例えばガス供給路２９と、加圧室２５内の圧力を確認するための圧力検出用流路３１との少なくとも２つの流路が、加圧室２５を構成する端面に連通して設けられている。
【００３２】
上記のガス供給路２９には供給側ガスケット３３並びにガス供給管路３５を介して空気圧または他のガス等の圧力気体を供給する圧力気体供給源としての例えば圧縮エア供給源３７に連通されており、上記のガス供給管路３５には圧縮エアＧの圧力を制御するための圧力制御システム３９が設けられている。なお、圧力制御システム３９の詳細は後述する。また、圧力検出用流路３１には圧力検出手段としての圧力計などの圧力表示器４１もしくは圧力センサが設けられている。なお、圧力表示器４１もしくは圧力センサは検出された圧力が制御装置１７にフィードバックされるべく、制御装置１７に電気的に接続されている。
【００３３】
上記のミラー２１，ミラーベースブロック２３、圧力表示器４１を組み合わせて一体構造とした状態で曲率可変ミラー組立体４３を構成する。
【００３４】
この曲率可変ミラー組立体４３は図１に示されているように底面に開口部４５を設けた円筒形状のアタッチメントプレート４７に着脱自在に、しかもミラー２１の反射面Ｍが前記開口部４５に臨むように装着されている。
【００３５】
また、アタッチメントプレート４７には外周端側を周囲に配置した複数箇所に、図１において下方側に示されているようにバネ用穴４９並びに挿通孔５１が設けられている。上記のバネ用穴４９内にはスプリング５３が嵌挿されており、このスプリング５３並びに挿通孔５１にショルダボルト５５が挿通され、このショルダボルト５５がミラー固定ブラケット１９に螺着されている。なお、本実施の形態では、上記のバネ用穴４９、挿通孔５１並びにショルダボルト５５は図２に示されているように３ヶ所設けられている。
【００３６】
さらに、アタッチメントプレート４７の外周端側を周囲に配置した上記の複数の各バネ用穴４９の近くに、図１において上方側に示されているようにアタッチメントプレート４７の側面から切欠溝６１が設けられており、この切欠溝６１の図１において左右には前フランジ部５７と後フランジ部５９が形成されている。さらに、切欠溝６１及び前後フランジ部５７，５９の部分には図１において左右方向に貫通するネジ穴にジャッキボルト６３が螺合されており、このジャッキボルト６３より外側に位置して図１において後フランジ部５９にロックボルト６５が螺合され、このロックボルト６５の先端が前フランジ部５７の図１において右側の面が押圧されるよう設けられている。
【００３７】
上記構成により、アタッチメントプレート４７は、ショルダボルト５５の頭部５５Ａとバネ用穴４９の底面との間に設けたスプリング５３の付勢力により、ジャッキボルト６３を介して常時ミラー固定ブラケット１９の裏面に押圧されている。ジャッキボルト６３が回されてミラー固定ブラケット１９に対するアタッチメントプレート４７の位置決めが行なわれる。その後、ロックボルト６５が回されることにより、ジャッキボルト６３がアタッチメントプレート４７に固定された状態になり、アタッチメントプレート４７の位置決め状態が維持される。
【００３８】
したがって、ミラー固定ブラケット１９へのアタッチメントプレート４７の取付状態が上記のジャッキボルト６３により調整され、レーザビームＬＢの光軸が調整される。
【００３９】
図１を参照するに、圧力制御システム３９としては、ガス供給管路３５には、圧縮エアＧの圧力を調整するための圧力調整装置としての例えば電空レギュレータ６７が介設されている。この電空レギュレータ６７は電気信号により圧縮エアＧを任意に加減圧可能であり、レーザ加工条件に応じて曲率可変ミラー３の反射面Ｍの曲率を変更調整すべく電空レギュレータコントローラ６９により電気的に接続されている。また、電空レギュレータコントローラ６９は制御装置１７としての例えばＮＣ制御装置に電気的に接続されている。
【００４０】
また、制御装置１７としては、図１に示されているように、例えば中央処理装置としてのＣＰＵ７１に、ワークＷの材質、板厚、加工方法等の情報、加工点座標、曲率可変ミラー３の曲率の変化量と焦点長さのデータ等を入力するための入力装置７３と表示装置７５と、入力されたデータを記憶するメモリ７７と、上記の加工点座標に伴う曲率可変ミラー３の曲率の変化量と焦点長さとの関係式又はワークＷの板厚と焦点長さ、スポット径との関係を式あるいは実験により求めたデータのテーブルに基づいてレーザビームＬＢのスポット径ｄ0 やスポット位置（焦点長さＬｆ0 ）並びに曲率可変ミラー３の曲率の変化量を演算する演算装置７９が接続されている。
【００４１】
さらに、ＣＰＵ７１には上記のワークＷの材質、板厚、加工方法等の情報に基づいて得た曲率可変ミラー３の曲率の変化量と集光レンズ７における焦点長さに合わせるべく曲率可変ミラー３の曲率を変化させるように電空レギュレータコントローラ６９に指令を発生すると共に圧力発生器４１で検出された圧力と、予め設定されたミラー２１の曲率と圧力との関係式又はデータテーブルで得られた圧力とを比較判断する比較判断装置８１が接続されている。
【００４２】
上記構成により、電空レギュレータ６７により圧力制御された圧縮空気Ｇの制御ガスは、０kgf/cm2以上の正圧領域で行われる。ミラー２１の反射面Ｍは制御 ガスが０kgf/cm2で図１の点線のように凹面形状となり、それから加圧していく に伴って凹面の曲率は大きくなっていき、ミラー２１の製造過程における指定圧力にて図１の実線のように平面となり、さらに加圧されると図１の一点鎖線のように凸面形状へと自在に変化されていく。
【００４３】
制御装置１７では、ミラー２１の反射面Ｍの曲率の所望の変形量を得るためのガス圧力の圧力指令が、予め入力され記憶されている２つのパラメータ（圧力設定値）の間を、ワークＷのレーザ加工条件とレーザ加工領域を判断するワークＷのＸ，Ｙ，Ｚ座標値（ワークＷの平面での前後左右方向並びに垂直方向の座標値）の変化に合わせて、直線的に補間変化させて電空レギュレータ６７に電気信号を与える。
【００４４】
しかも、加圧室２５並びにガス供給路２９は、気体圧を封じ切り可能な気密式であるので、圧力表示器４１もしくは圧力センサで検出された気体圧力が維持される。したがって、制御装置１７の比較判断装置８１並びに電空レギュレータコントローラ６９により与えられる指令により電空レギュレータ６７が作動して所望の気体圧力が容易に調整できて維持されるので、得られた曲率可変ミラー３の曲率は維持される。したがって、電空レギュレータ６７の作動のみで曲率可変ミラー３の曲率変化を正確に調整することができ、延いては加工精度の向上を図ることができる。
【００４５】
なお、上記の予め記憶されたパラメータとは材質、板厚、加工方法毎に適した値が入力され、ＮＣ加工条件ファイルとリンクさせたものである。
【００４６】
したがって、上記の加圧室２５内の気体圧は電空レギュレータ６７の作動により安定した状態に維持されるのでミラー２１の反射面Ｍの曲率は維持される。
【００４７】
ミラー２１の反射面Ｍの曲率が電空レギュレータ６７により制御されて、例えば図３に示されているように反射されるレーザビームＬＢのビーム径が縮小及び拡大されるので、集光レンズ７へ入射するレーザビームＬＢのビーム径Ｄの大きさが自在に変更調整される。スポット径における加工領域差を最小限に押さえることが可能となり、又、ワークＷの材質、板厚、加工方法に適した集光直径及びレーリー長のレーザビームＬＢが得られるので、レーザ加工の安定化を図ることができると共にレーザ加工能力を向上せしめることができる。
【００４８】
また、ミラーベースブロック２３には冷却水路２４が備えられているから、ミラー２１との接合面より熱伝達されてミラー２１を冷却除去せしめることができる。
【００４９】
なお、この発明は前述した発明の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。
【００５０】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態から理解されるように、請求項１の発明によれば、正圧の気体圧で曲率可変ミラーの反射面の曲率を自在に変化せしめることにより、レーザビームの伝搬に伴う光波面曲率の変化を変換制御することが可能であり、ワークに対する焦点位置を安定できる。さらには反射後のレーザビーム径を縮小・拡大へ制御できるので、加工領域におけるスポット径差を最小限に抑えることができると共に、ワークの材質、板厚、加工方法の違いに合わせてスポット径及び焦点長さを適正に制御でき、高品質なビームを作り出せるので、切断速度の向上、安定性の向上、アシストガス消費量の低減を図ることができる。
【００５１】
また、加圧室並びに気体供給路は気体圧を封じ切り可能な気密式（密閉室）であるので、圧力調整を容易にでき、曲率可変ミラーの曲率を確実に調整することができる。而して、加工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の曲率可変ミラー及びその制御回路図で、図２の矢視Ｉ−Ｉ線の断面図ある。
【図２】図１の右側面図である。
【図３】本発明の実施の形態の曲率可変ミラーを備えたレーザ加工装置の部分的な概略説明図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工装置
３  曲率可変ミラー
５  レーザ加工ヘッド
７  集光レンズ
１７  制御装置
１９  ミラー固定ブラケット
２１  ミラー
２３  ミラーベースブロック
２４  冷却水路
２５  加圧室
２９  ガス供給路（気体供給路）
３１  圧力検出用流路
３７  圧縮エア供給源（圧力気体供給源）
３９  圧力制御システム
４１  圧力表示器もしくは圧力センサ（圧力検出手段）
４３  曲率可変ミラー組立体
６７  電空レギュレータ（圧力調整装置）
６９  電空レギュレータコントローラ
７１  ＣＰＵ（中央処理装置）
８１  比較判断装置
ＬＢ  レーザビーム
Ｄ（ＤL，ＤS）  ビーム径
ＬｆL，ＬｆS  焦点長さ
ｄ0（ｄL，ｄS）  スポット径
Ｍ  反射面
【図１】
0003854010.tif 000002
【図２】
0003854010.tif 000003
【図３】
0003854010.tif 000004