JPH07112295A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 折り返しミラー等の機構部品を設けることな
く、簡単で安価な構成により、加工精度を安定化すると
ともに、細部を高精度で加工する。 【構成】 レーザ加工機の制御装置７に、レーザ発振器
から集光レンズまでの距離とレンズ特性とに基づいて集
光レンズの収差を演算する演算部１９と、収差により集
光レンズからワーク表面までの距離を補正する補正部２
１とを設ける。そして、安定した加工精度が要求される
場合には、レーザ光のスポット径が一定化するように、
集光レンズからワーク表面までの距離を補正する。ま
た、微細加工等に際して高い精度が要求される場合に
は、集光レンズの各位置でスポット径が最小となるよう
に、集光レンズからワーク表面までの距離を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ加工機におい
て、集光レンズの収差を考慮して加工精度を改善する技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ加工機は、図４に示すよ
うに、機枠１にＸ方向移動体２、Ｙ方向移動体３、及び
Ｚ方向移動体４を設け、Ｚ方向移動体４に加工ノズル５
を装着し、レーザ発振器６から出射されたレーザ光を加
工ノズル５内の集光レンズにより集光し、制御装置７か
らのＮＣ指令に基づいて各移動体２〜４を移動して集光
レンズの位置を制御し、集光レンズから照射されたレー
ザ光によってテーブル８上のワーク９を加工するように
構成されている。

【０００３】ところで、集光レンズには球面収差があ
り、この収差は集光レンズに入射するレーザ光のビーム
径によって変化する。図５の（ａ）に示すように、ビー
ム半径ａが比較的小さい場合は、レーザ光が集光レンズ
１０で小さく屈折するため、球面収差が小さくなる。こ
れに対し、図５の（ｂ）に示すように、ビーム半径ａが
比較的大きい場合には、レーザ光が大きく屈折して、球
面収差も大きくなる。

【０００４】レーザ発振器から出射されたレーザ光のビ
ーム半径は、半共焦点型の共振器構造を備えた一般的な
レーザ発振器の場合、発振器の出射口で最小で、そこか
ら離れるに従って増加する。例えば、図６に示すよう
に、発振器から４ｍ先の位置ではビーム半径ａが１２ｍ
ｍであるのに対し、８ｍ先の位置ではビーム半径が１６
ｍｍになる。

【０００５】集光レンズを移動してワークを加工するレ
ーザ加工機の場合、レーザ発振器から集光レンズまでの
距離が変動するため、それに応じて入射光のビーム半径
も変化する。その結果、集光レンズの球面収差が加工点
ごとに相違し、これがレーザ光のスポット径に影響して
加工精度を悪化させる要因となっていた。

【０００６】球面収差がほとんどない非球面集光レンズ
を使用することも可能であるが、この特殊レンズは平凸
又は凹凸の通常レンズに比べ高価である。そこで、従
来、レーザ発振器から集光レンズまでの距離が変化して
も、光路長を一定に保持できる機構を組み込んだレーザ
加工機が提案されている。

【０００７】このレーザ加工機においては、図７に示す
ように、レーザ発振器６と集光レンズ１０との間の光路
上に、入射口１１、Ｘ−Ｙ反射鏡１２、折り返しミラー
１３、及びＹ−Ｚ反射鏡１４が配設されている。そし
て、レーザ発振器６から集光レンズ１０までの距離が長
い場合には、折り返しミラー１３をＹ−Ｚ反射鏡１４側
へ接近移動し、短い場合には、折り返しミラー１３をＹ
−Ｚ反射鏡１４から離間移動して、加工位置に係わら
ず、レーザ発振器６から集光レンズ１０までの光路長を
常に最大に保持し、球面収差を最大値に一定化して、安
定した精度で加工できるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のレー
ザ加工機によると、加工精度を安定化できる利点がある
反面、そのために折り返しミラー１３やその駆動及び案
内部材を含む多数の機構部品を設ける必要があって、構
成が複雑化し、コスト高を招くという問題点があった。
また、集光レンズの球面収差を常に最大値に保持して加
工するため、図５の（ｂ）に示すように、ワーク表面を
照射するレーザ光のスポット径が大きくなり、複雑形状
ワークの微細加工等に際して充分な加工精度を期待でき
ないという不具合もあった。

【０００９】そこで、この発明の課題は、折り返しミラ
ー等の機構部品を設けることなく、簡単で安価な構成に
より、加工精度を安定化できるとともに、細部を高精度
で加工できるレーザ加工機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明のレーザ加工機は、レーザ発振器と、レ
ーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光レン
ズと、集光レンズとワークとの相対位置を制御する制御
装置とを備え、前記制御装置に、レーザ発振器から集光
レンズまでの距離とレンズ特性とに基づき集光レンズの
収差を演算する手段、及び、その収差により集光レンズ
からワーク表面までの距離を補正する手段を設けて構成
される。

【００１１】

【作用】この発明のレーザ加工機において、安定した加
工精度が要求される場合には、レーザ光のスポット径が
一定化するように、集光レンズからワーク表面までの距
離が補正される。また、微細加工等に際して高い精度が
要求される場合には、集光レンズの各位置でスポット径
が最小となるように、集光レンズからワーク表面までの
距離が補正される。

【００１２】

【実施例】以下、この発明を具体化した実施例を図面に
基づいて説明する。本実施例のレーザ加工機において
は、外観が図４に示すように構成されるとともに、光路
は、図１に示すように、レーザ発振器６から出射された
レーザ光が入射口１１、Ｘ−Ｙ反射鏡１２、Ｙ−Ｚ反射
鏡１４、及び集光レンズ１０を通過してワークの表面を
照射するように構成されている。

【００１３】図２に示すように、集光レンズ１０はレン
ズホルダ１５に保持され、該ホルダ１５を介して加工ノ
ズル５に取り付けられている。集光レンズ１０のＺ軸移
動方向には、機械原点に原点オフセット値Ｃを見込んで
加工原点（Ｚ＝０）が設定されている。図において、ｚ
は加工時における集光レンズ１０の焦点位置を示すＺ座
標値であり、Ｚｈは焦点位置からレンズホルダ１５の加
工ノズル５に対する取付面までの距離を示す。

【００１４】図３に示すように、各移動体２〜４はモー
タ１６によりボールネジ１７を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向へ
駆動され、それぞれの位置がエンコーダ１８により検出
されて制御装置７に入力される。制御装置７は、演算部
１９、ＮＣ指令発生部２０、補正部２１、及びモータ制
御部２２等を備え、演算部１９でレーザ発振器６から集
光レンズ１０までの距離とレンズ特性とに基づいて集光
レンズ１０の球面収差を演算し、補正部２１では集光レ
ンズ１０の球面収差とＺ方向のＮＣ指令値とに基づき集
光レンズ１０からワーク９の表面までの距離を補正し、
その補正データに従ってモータ制御部２２によりＺ方向
移動体５のモータ１６を制御するように構成されてい
る。

【００１５】次に、制御装置７の作用について詳述する
と、レーザ発振器６から集光レンズ１０までの距離Ｌは
次式で求められる。 Ｌ＝Ｅ＋ｘ＋ｙ＋（Ｂ−ｚ−Ｚｈ−Ｃ） （１式） ここで、図１を参照して、 Ｅ：レーザ発振器６から入射口１１までの距離、 ｘ：入射口１１からＸ−Ｙ反射鏡１２までの距離、 ｙ：Ｘ−Ｙ反射鏡１２からＹ−Ｚ反射鏡１４までの距
離、 Ｂ：Ｙ−Ｚ反射鏡１４からＺ方向の機械原点までの距離 であり、Ｅ，Ｂは機械仕様値により、ｘ，ｙ，ｚはエン
コーダ１８の検出値により、ｚ，Ｃは加工プログラム中
の設定値により、Ｚｈはレンズ仕様値によりそれぞれ特
定される。

【００１６】集光レンズ１０に入射するレーザ光のビー
ム半径ａは、前述したようにレーザ発振器６の共振器構
造により決定されるが、例えば、図６に示す特性を備え
たレーザ発振器の場合、ビーム半径ａは発振器からの距
離Ｌに基づき次式で近似的に表すことができる。 ａ＝１０＋Ｌ・tan （θ／２） 〔Ｌ＜４０００〕 ＝１２＋（Ｌ−４０００）・tan （θ／２） 〔Ｌ≧４０００〕 （２式） ここで、θはビームの発散角を全角で表す値である。

【００１７】一方、レーザ光のスポット径が最小となる
位置、すなわち、図５において、ビームの火面２３と最
大入射径から屈折した光線とが交わる面に形成される最
小錯乱円２４から集光レンズ１０の焦点までの距離ΔＺ
は、幾何光学分野の公式により次式で求められる。 ΔＺ＝（３／４）・Ａ・ａ² （３式）

【００１８】最小錯乱円２４の半径Ｒmin は、同じく幾
何光学分野の公式により次式で求められる。 Ｒmin ＝｜Ａ・ａ³ ／（４ｆ）｜ （４式）

【００１９】上記３式及び４式において、Ａは集光レン
ズ１０の屈折率ｎ、焦点距離ｆ、入射面曲率ｒ１から決
まる定数で、これも幾何光学分野の公式を用いて次式で
表される。 Ａ＝（−ｎ² ）／｛２ｆ・（ｎ−１）² ｝ ＋（２ｎ＋１）／｛２（ｎ−１）・ｒ₁ ｝ −ｆ・（ｎ＋２）／（２ｎ・ｒ₁ ² ） （５式）

【００２０】また、ビームの火面２３を表す公式は次式
の通りである。 ２７ｆ² ・Ａ・Ｒ² ＝４ΔＺ³ （６式） ここで、Ｒはビーム半径である。

【００２１】上記６式において、レーザ発振器６から集
光レンズ１０までの距離Ｌが最大であるときの最小スポ
ット径Ｒmin （Ｌmax ）をＲに代入すると、何れの位置
においてもスポット径を一定化できる集光レンズ１０の
Ｚ方向位置Ｚave （Ｌ）が次式により求まる。 Ｚave （Ｌ）＝［｛２７ｆ² ・Ａ・Ｒmin ・（Ｌmax ）² ｝／４］^(1/3) （７式）

【００２２】従って、安定した加工精度が要求される場
合には、集光レンズ１０からワーク９の表面までの距離
を上記７式で得たＺave （Ｌ）で補正することによっ
て、集光レンズ１０の各位置におけるスポット径を一定
化することができる。また、微細加工等に際して高い精
度が要求される場合には、集光レンズ１０からワーク９
の表面までの距離を前記３式で得たΔＺで補正すること
によって、集光レンズ１０の何れの位置においても最小
のスポット径でワーク９の細部を精度よく加工すること
ができる。この微細加工に際しては、言うまでもなく、
加工ノズル５をレーザ発振器６に近い位置に配置して加
工するのが望ましい。また、制御装置７には、加工モー
ドに応じて上記２通りの補正方法を選択するモード切換
スイッチ（図示略）が設けられている。

【００２３】なお、この発明は上記実施例に限定される
ものではなく、例えば、集光レンズに対してワークを１
または２方向へ移動するタイプのレーザ加工機に適用す
るなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並
びに構成を適宜に変更して具体化することも可能であ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上に詳述したように、この発明によれ
ば、集光レンズの収差を考慮して集光レンズからワーク
表面までの距離を補正するように構成したので、折り返
しミラー等の機構部品を設けることなく、簡単で安価な
構成により、加工精度を安定化できるとともに、細部を
高精度で加工できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例のレーザ加工機の光路を
示す概略図である。

【図２】図１の集光レンズのＺ方向における位置関係を
示す説明図である。

【図３】図１のレーザ加工機の制御装置を示すブロック
図である。

【図４】レーザ加工機の外観を概略的に示す斜視図であ
る。

【図５】集光レンズの球面収差を説明する断面図であ
る。

【図６】レーザ光の特性を示すグラフである。

【図７】従来のレーザ加工機の光路を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

６・・レーザ発振器、７・・制御装置、９・・ワーク、
１０・・集光レンズ、１９・・演算部、２１・・補正
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器と、レーザ発振器から出射
   されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズと
   ワークとの相対位置を制御する制御装置とを備え、前記
   制御装置に、レーザ発振器から集光レンズまでの距離と
   レンズ特性とに基づいて集光レンズの収差を演算する手
   段、及び、前記収差により集光レンズからワーク表面ま
   での距離を補正する手段を設けたことを特徴とするレー
   ザ加工機。