JPS6044193A

JPS6044193A - レ−ザ加工装置

Info

Publication number: JPS6044193A
Application number: JP58152748A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Niitsuma; 新妻　正行
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-08-22
Filing date: 1983-08-22
Publication date: 1985-03-09
Also published as: JPS6258834B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕本発明はレーザビームによって銘板の刻印等の加工を行
なうレーザ加工装置で、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラー等
の光路変更素子によりレーザビームのスポットを平面上
の所望の位置に移動させることによって、被加工物を移
動させることなく二次元加工を行なうレーザ加工装置、
特にレーザスポットの位置歪み補償機構に関する。

〔従来技術とその問題点〕

レーザ加工を行なう方法はレーザスポットと被加工物と
のそれぞれの空間的な位置関係から大別して、前記スポ
ットの位置を同定してこの位置に対して被加工物を移動
させて加工する方法と、前記被加工物の位置を固定して
この被加工物に対してレーザスポットをミラー等の光路
変更素子によって移動させて加工する方法と罠分けられ
るが、前者には被加工物の広い面積の部分の加工が可能
で、後者には被加工物の加工可能な面積は狭いが加工速
度が早いという利点があり、このため小面積の銘板の刻
印を行なうようなレーザ加工装置には一般に後者の方法
が採用されている。第１図はこのようなレーザスポット
を移動させて加工する従来のレーザ加工装置の構成図、
第２図は第１図におけるレーザビーム駆動部２の構成図
、第３図は第２図における集光レンズ２５の動作原理図
である。各図において同一の部分には同一の符号が付し
である。

第１図において、１はレーザビーム発生装置、１ａはそ
の出力としてのレーザビーム、２は集光レンズ２５が設
げられたレーザビーム駆動部、２ａはレーザビーム駆動
部２内から出射され集光レンズ２５によって集束されて
被加工物３の加工面３ａにビームスポット２ｂが形成さ
れるレーザビーム、４は被加工物３を設置する被加工物
設置台、５はレーザビーム発生装置ｌル−ザビーム駆動
部２、被加工物、設置台４からなる加工処理部、６は加
工処理部５に対して加工信号■ｘおよびＶｙ、を出力す
る加工信号発生部で、信号ＶＸおよびＶｙはそれぞれ加
工面３ａにおけるレーザスポット２ｂのＸおよびＹ座標
に応じた信号である。６１および６２はそれぞれ加工信
号処理部６に設けられていて、該処理部６内に別に設け
られた図示されていない電子計算機の出力するＸおよび
Ｙ座標ディジタル信号をそれぞれＸおよびＹ座標アナロ
グ信号■工およびＶｙに変換して出力するＸおよびＹ座
標信号発器である。レーザビーム発生装置、レーザビー
ム駆動部２および被加工物設置台４は加工処理部５の図
示されていない筐体に固設されていて、図では被加工物
設置台４の被加工物３に対向する設置面が垂直状態とし
て示されているが、該設置台４は被加工物３を設置し一
？−Ｊ−＜するために通常前記設置面が水平に設けられ
ている。被加工物３は被加工物設置台４に設置されて、
その加工面３ａにレーザビーム２ａによるビームスポッ
ト２ｂが形成されて、該スボツ）２ｂのエネルギーによ
って被加工物３が加工される。２３．２４はそれぞれＸ
、Ｙ座標信号■Ｘ、Ｖｙが入力され該信号を増幅してこ
れらの信号に応じた信号２３ａ、２４ａ　を出力するＸ
、Ｙ座標用サーボアンプ、２１ａ、２２ａはそれぞれ信
号２３ａ　、２４ａが入力されてこれらの信号に応じた
角度だけ内蔵のサーボモータの軸２１ｂ、２２ｂが回転
するＸ軸、Ｙ軸スキャナ、２１．２２はそれぞれ軸２１
ｂ、２２ｂに結合されてこれらの軸の回転に伴なって回
転し、レーザビーム１ａを反射してその光路を変更し、
ビームスボッ）２ｂの加工面３ａＫおけるＸ、Ｙ座標を
決定する光路変更素子としてのＸ軸、Ｙ軸ミラーである
。レーザビーム駆動部２はミラー２１．２２、スキャナ
２１ａ、２２ａ、軸２１ｂ、２２ｂ１サーボアンズ２３
，２４．集光レンズ２５で構成されている。第１図にお
いては加工処理部５および加工信号発生部６が上述のよ
うに構成されているので、Ｘ軸およびＹ軸ミラー２１．
２２は座標信号Ｖｘ　＊　Ｖｙのそれぞれに応Ｕた回転
位置まで回転して停止する。以上の説明から明らかなよ
うに、サーボアンプ２３とスキ″ヤナ２１ａ１サーボア
ンプ２４とスキャナ２２ａのそれぞれは機能的に一体の
ものと考えてよいので、以下それぞれを単にスキャナ２
１ａ、スキャナ２２ａと呼ぶこともある。

第２図において、２１Ｃ，２２Ｇはそれぞれ第１図にお
けるサーボアンプ２３．２４の各出力信号２３ａ、’２
４ａをスキャナ２１ａ、２２ａに導く電線、Ｘ−Ｘおよ
びＹ−Ｙで示した部分はそれぞれ加工面３ａに設定され
たＸ軸および該Ｘ軸に直交したＹ軸で、Ｚ−ｚで示した
部分はＸ軸とＹ軸との交点ＯにおいてＸ軸とＮ軸とがつ
くる平面に対して垂直に設けた２軸である。したがって
点０はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる三軸直交座標系の
原点である。Ｚ軸は集光レンズ２５０光軸と一致し、か
つＹ軸ミラー２２と交わるように構成されている。図に
おいて、第１図のレーザビーム発生装置１からのレーザ
ビーム１ａが本図のレーザビーム駆動部２に入射すると
該ビーム１ａはまずＸ軸ミラー２１で反射され、ついで
Ｙ軸ミラー２２で反射された後集光レンズ２５で集果さ
れてビームスポット２ｂを被加工物３の加工１ｌＴＩｉ
３ａに形成する。ｌ＋１主ビーム１ａとのなす角度が原
点状態忙あるＸ軸ミラー２１によるレー、ザビーム１ａ
のである。ビームＲ１はＺ軸と一致するようにミラー２
１および２２が配設されているので、該ビームＲ１はレ
ンズ２５を透過した後ビーム２ａｌとしてビームスボッ
）２ｂを座標の原点Ｏに形成する。Ｉ２はＸ軸ミラー２
１がＸ軸スキャナ２１ａによっである角度回転したとき
のビーム１ａの反射ビーム、几、はＹ軸ミラー２２がビ
ーム也を形成した時の原点状態のままでビームエ、がそ
のミラー２２によって反射されて形成されたビームで、
ビームＲ１はレンズ２５で集束された後、ビーム２ａ２
となってビームスポット２ｂをＸ軸上の点Ｘａに形成す
る。点Ｘ８がＸ軸上の点になることは後に説明する。

第３図において、θはビー′ムＲ２とし／ズ２５の光軸
とのなす角度で、Ｌｘは原点Ｏと点Ｘｓとの間の距離、
すなわち点ＸｓのＸ座標値である。し・ンズ２５は焦点
距離をｆとした場合、Ｌｘ＝ｆ・θの関係を満足する関
係を有している。

したがって第２図および第３１において、Ｘ軸ミラー２
１がスキャナ２１ａによって回転させられビームＩ２と
Ｉ、とのなす角αが変化すると、Ｙ軸ミラー２２が原点
状態のままの場合はビームＲ７のＺ軸となす角θが角α
に応じて変化するので、ビーム２ａ２の形成するビーム
スボッ）２ｂはＸ軸上を移動し、この時ビームスポット
２ｂの原点Ｏからの距離Ｌｘは角θに比例するので角θ
が角αと比例関係にあれば距離Ｌｘは角αに比例するこ
とになる。以上の説明はＹ軸ミラー２２が原点状態に固
定された状態でＸ軸ミラー２１が回転した場合のビーム
スボッ）２ｂの形成の経緯であるが、今度はＸ軸ミラー
２１が原点状態のままでＹ軸ミラー２２がスキャｆ２２
ａにょっ向へ反射され、この反射ビームはレンズ２５を
透過してビームスボッ）２ｂを加工面３ａに形成する。

この場合、ビームスボッ）２ｂはミラー２２の回転に伴
なってＹ軸上を移動するように該ミラー２２が構成され
ており、このスポット２ｂと原点０との距離り。

は集光レンズ２５の前述の特性によって前記角度βに比
例している。したがってミラー２１と２２とが同時に回
転するとビームスボッ）２ｂが角度αおよびβに応じた
加工面３ａの位置に形成される。

第１図ないし、第３図においてはレーザ加工装置が上述
のように構成されているので、加工信号発生部６から座
標信号Ｖｚ、Ｖｙが出方されると、これらの信号に応じ
てミラー２１．２２が原点状態から回転し、この結果レ
ーザビームのスボッ）２ｂが加工面３ａの前記信号Ｖｘ
、Ｖｙに応じた座標位置忙形成されて加工が行なわれる
。

次に上述のレーザ加工装置の欠点を説明する。

すなわち、とのレーザ加工装置が加工動作を行なう際は
加工信号発生部６内の電子計Ｘ機が加ニブログラム知従
って動作する。この加ニブログラムには通常被加工物３
の加工すべき点の位置がＸおよびＹ座標の値で設定され
ていて、これらの値は電子計算機からディジタル信号の
形で出力された後座標信号発生器６１．６２によってア
ナログ座標信号Ｖ　ｘ　、　Ｖ　ｙに変換され、上述の
機構を介して集光レンズ２５に入射するレーザビームの
２軸となす角度θおよびβに変換される。したがってレ
ンズ２５に収差がなくかつ角度θおよびβがそれぞれ信
号■Ｘおよび■、に比例していれば、前述のディジタル
出力信号で指定された被加工物３の加工すべき点の位置
に正しくレーザビームのスポット２ｂが形成される。し
かしながらこのレーザ加工装置は上述のような構成にな
っているので角度βは信号■、に比例するが、角度θは
後述の理由で角度βの影響を受けて角度α、したかって
信号■ｘに比例しない。またレンズ２５には通常収差が
あるので、仮に角度θおよびβがそれぞれ信号Ｖｘおよ
び■ｙに比例していてもθやβが大きくなるとＩ、ｘ＝
（ｅθ・Ｌｙ＝　ｆ・βの関係が成立しなくなる。

この結果電子計算機の出力する座標位置とビームスポッ
ト２ｂの被加工物３における実際の位置との間に差異を
生じ、この差異か上述のレーザ加工装置の加工歪みとな
る。第４図はこのような加工歪みの発生状況を示したも
ので、第４図の囚および０図はそれぞれ電子計算機から
等間隔で直交する格子状パターン信号を出力させた場合
にビームスボッ）２ｂが実際に被加工物３において形成
しくハ）は収差のある集光レンズ２５を使用した場合の
例である。第４図（５）においては、横方向の格子線Ｈ
はＹ軸に平行でかつそのＹ軸方向の格子間隔は等間隔と
なっているが、縦方向の格子線ｑは湾曲していてそのＸ
軸方狗の格子間隔はＸ座標が零の時は等間隔であるがＸ
座標の絶対値がふえると大きくなっている。これはレン
ズ２５に収差がない状態では、ビームスボッ）２ｂのＸ
座標は信号■ｙに比例する角度βによって決定されるが
、ビームスボッ）２ｂのＸ座標は角度βによる干渉を受
けて信号■Ｘ忙比例しなくなる角度θによって決定され
たためである。また第４図（ハ）においては格子線Ｈ，
Ｇは共にＹ軸およびＹ軸上では等間隔となっているが、
これらの格子線ｆ−１、ＧはＹ軸およびＹ軸から離れる
につれて湾曲が大きくなっている。

これは第４図（５）に示した歪みにさらにレンズ２５の
収差による歪みが合成された結果で、本（ハ）図では格
子線ＨはＹ軸に対して凸に、また格子線ＧはＹ軸に対し
て凹に湾曲しているが、これら格子線の凹凸状態はレン
ズ２５の収差の度合いによって決定されるものであって
、この凹凸状態は場合によっては（ハ）図とは逆の状態
になることもあり一般には不定である。いずれにしても
第４図から明らかなように上述のレーザ加工装置では、
ビームスポット２ｂの位置の計算機出力信号に対する歪
みは、該スポラ）２ｂの位置が座標の原点０の附近にあ
るときは小さく、該スポット２ｂの位置が原点Ｏからは
なれるにつれて大きくなる。この結果、このような構成
の従来のレーザ加工装置には、被加工物３の加工面が大
面積であると加工精度が低下するという欠点があり、加
工精度を上げるためには被加工物３の加工面積を狭（せ
ざるをえないという欠点があることになる。また広い面
積の加工面ニ対して加工精度を上げるためにはビームス
ボッ）２ｂの位置歪みを補償するプログラムを予め前述
の加ニブログラムに組みこんでおく方法が考えられるカ
ーこの方法では電子計算機におゆる補償演算に時間がか
かるので加工速度が遅いという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上述のようなレーザスポットを移動させて二次
元加工を行なう従来のレーザ加工装置における欠点を解
消して、かなり広い面積にわたって加工歪みが少なく、
かつ加工速度の早いレーザ加工装置を提供することを目
的とするものである。

〔発明の要点〕

本発明は上述の目的を達成するために、レーザビーム発
生装置の発生するレーザビームなレーザビーム駆動部に
設けた集光レンズで集束して被加工物の加工面にスポッ
トを形成させ、このスポットの位置を加工信号発生部の
出力信号によって前記駆動部に設けたＹ軸およびＹ軸谷
光路変更素子を駆動して移動させて前記被加工物の二次
元加゛工を行なうレーザ加工装置において、前記加工信
号発生部と前記レーザビーム駆動部との間に加工歪み補
償回路を設け、この回路に加工信号発生部の出力信号が
入力されるとこの回路からレーザビーム駆動部に対して
、前記スポットの位置のＹ軸光路変更素子の状態にもと
づく歪みと集光レンズの収差にもとづく歪みとを補償す
る信号が出力されるようにすることによって、被加工物
のかなり広い面積にわたって歪みが少なく、かつ速度の
早い加工が行なわれるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下に本発明を図面を参照して説明する。

まず、木９発明の詳細な説明するために第２図のビーム
駆動部におけるレーザビームの軌跡を第５図によって説
明する。図において第１図および第２図におけるものと
同一の部分には同一の符号が付しである。説明を容易に
するために最初に集光レンズ２５に収差がない場合につ
いて説明する。

第５図においてＸ軸ミラー２１は平面状の反射面を有し
ていて、線分８−Ｚｘはこの反射面内にある回転軸であ
る。Ｘ軸ミラー２１はＸ軸スキャナ２１ａによって回転
軸Ｓ　−Ｚｘを軸として回転する。

Ｓは回転軸５−４ｘ上にあり、かつＸ軸ミラー２１の反
射面上にある点である。レーザビーム１ａは点Ｓにおい
て回転軸５−ｚＸに対し℃垂直になるように入射してお
り、■はその反射ビームである。

したがってビームｌａと■とは軸８−ＺＸＫ対して垂直
な平面を形成していて、その平面は軸８−ＺＸと点Ｓに
おいて交わっていることになる。Ｙ軸ミラー２２は平面
状の反射面を有していて、線分０Ｉ−Ｘｙはこの反射面
内にある回転軸である。Ｙ軸ミーラー２２はＹ軸スキャ
ナ２２ａによって回転軸Ｑ’＋　−Ｘｙを軸として回転
する。回転軸Ｏ，−Ｘ、はビーム１ａと工とで形成され
た平面内にあって、ビームエは、ミラー２２０反射面上
にあってかつ回転軸ｏ、−ｘｙ上にある点０１で該軸０
ｌ−Ｘｙと交わるように構成されている。線分０．−２
ｙは点ＯＬにおいて、と−ム１ａと工とで形成された平
面に対して垂直に設定した軸である。線分５−ＸＸは、
軸Ｏ，−Ｘｙと軸０ｌ−Ｚｙとがつくる平面に対して平
行な点Ｓを含んだ平面がビーム１ａとＩとがつくる平面
と交わる交線である。したがって回転軸Ｓ　−ＺＸは点
Ｓを含んだ軸Ｏ，−Ｘｙと軸０．−Ｚｙとがつくる平面
に対して平行な平面内に含まれている。以下説明の便宜
上、軸０．−Ｘ、　、　ｏ、−Ｚ、およびＳ　−Ｚ　ｘ
をそれぞれ軸Ｘ　Ｆ　＊　Ｚ　ＹおよびＺｘと略称し、
線分Ｓ　−Ｘｘを軸Ｘｘと略称する。ま７二軸ＺｘとＸ
ｘとがつくる平面、軸ｚｙとＸｙとがつくる平面および
レーザビームｌａと工とがつくる平面をそれぞれＺＸ−
Ｘｘ面、ｚｙ−Ｘ、面および１ａ−Ｉ面と略称すること
にする。以上の説明から明らかなように軸２χとＺ、と
は平行で、軸ＸｓとＸｙも平行である。Ｐ。

は点ＯＩを通ってＺ　ｘ　−Ｘ　ｘ面に立てた垂線の足
で、ＺｘＸｘ面と１ａ−Ｉ而とは垂直であるから点Ｐ。

は軸ＸＸ上にある。αはビームＩと垂線０．Ｐ、とのな
す角度であつ℃第２図における角度αに対応している。

Ｘｌは軸ＸＸ上の点で線分Ｏ，Ｘ、と垂線の法線が垂１
ｍ　Ｏ＋　Ｐ　＋と一致している時のビームエの点０１
から反射したビーム几の経路と一致している。故に点Ｐ
、は線分ＳＸＩの中点である。０２は点Ｘ１から軸Ｘｙ
におろした垂線の足である。しだがつてビームＩ、Ｒお
よび垂線ｏ、ｐ、　、ｘ、ｏ、はすべて１ａ−Ｉ面内に
ある。垂線ｏ、　ｐ、とＸ、０．とは平行で、垂線ｏ、
ｐ、とビームエとは角度αで交わっているので、ビーム
■の延長線と垂ｍＸｓ　Ｏ−の延長線とは角度αで交わ
る。Ｘｓはその交点である。線分ｏ、ｙ。

は垂、＠　ｏ、ｐ、の延長線で、垂線０．Ｐ、はＺ、　
−Ｘ、面に直交しているから、軸Ｚ、と軸Ｘｙと線分０
．Ｙ、とで三軸直交座標糸が構成されていることになる
。以下説明の便宜上線分ｏ、ｙｙを軸Ｙｙ、＠ＺｙとＹ
、とのなす平面をｚ、−Ｙｙ面、軸ｘｙとＹｙとのなす
千面乞Ｘ、−Ｙ、面と略称する。ｘｙ−Ｙ、面は１ａ−
Ｉ面と一致している。ミラー２２０反射面が軸Ｘｙを軸
として回転すると、ミラー２２０反射面上の点ＯＡＫお
（ける法線はｚｙ−ｙ　、面内を点Ｏ１を中心として回
転する。

今ミラー２２０反射面が・軸Ｘｙを軸として回転して、
・該ミ９−２２の反射面上の点Ｏ１における法線が垂線
０．　Ｐ、と角度γをなしたとする。Ｑ、はその法線と
Ｚｘ−Ｘｘ面との交点である。Ｑ、はＺＸ−Ｘｘ面内で
点Ｘ、において軸Ｘｘに垂直に立てた、すなわち軸Ｚｘ
に平行な直線と、ビームエと法＋ｖＪ　０１Ｑ＋　との
な・す平面との交点である。したがって線分Ｘ、Ｑ。

とＸ１０．とのなす平面はＺ、−Ｙｙ面に平行である。

以後説明の便宜上線分Ｘ、Ｑ、とＸ、　Ｏ，とのなす平
面を、点Ｘ−が線分Ｘｌ山の延長線上にあるのでＸＩＱ
　ｔ　Ｘｘ面と略称する。今、ミラー２２０反射面の法
線ｏｌＱ、が線分ｏ、ｐ、とγの角度をなしているので
、ビームｌは該ビームＩと法＆ＩＯ，Ｑ、とがなす平面
内で点０．において反射される。その反射ビームがＸ、
Ｑ。

Ｘ１面と交わった点Ｘ、と１−る。　この場合（１）式
が成立する。

Ｚ′３０　＋　Ｑ　＊　＝／Ｑ　ｔ　Ｃ）＋　Ｘ　ｔ・
・・・・・・・・・・・・・・・曲・（１１線分Ｑ、Ｘ
１はビーム■と法線０．Ｑ、とのなす平面とＸ、Ｑ！Ｘ
、面との交線であり、線分０．Ｘ、はビームエトｒＪｄ
ｔｍＯＩＱ、とのなす平面内にあるから、点入、は線分
Ｑ、Ｘ、上にある。三角形ＳＩＪ、Ｘ、において線分ｏ
、Ｑ、、とＸ、Ｑ、と（・ま平行であるから次の（２）
式が成立する。

／ｓＯ，Ｑｌ＝１０．Ｘ、Ｘ、　、／ＱｔＯ，Ｘ、＝１
０．Ｘ、Ｘｌ・−・＜２）（１）式と（２）とから（３
）式が得られるので三角形ｏＩＸｌＸ、は二等辺三角形
である。

／（Ｊ、Ｘ、Ｘ、　＝１０．ｘ、ｘ、・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（３）すなわち線分Ｏ，Ｘ
、とＯ，Ｘ、とは長さが等しい。線分Ｏ，Ｘ、の長さは
、三角形ＳＸ、Ｘ、において線分り、Ｐ。

とＸ、Ｘ、とが平行で点Ｐ、が線分ＳＸ、の中点である
から、線分ＳＯ，の長さに等しい。点Ｓはレーザビーム
１ａとミラー２１とのビーム駆動部にｊ６げる配置によ
って固定された点であり、点ＯＩはミラー２１と２２と
のビーム駆動部における配置と角度αとによって決定さ
れた点で、点０．はミラー２１０回転に伴なって角度α
が増減すれば軸Ｘｌ上を動（が、角度αが設定されると
軸Ｘｌ上に固定された点である。したがって線分ＳＯ３
の長さは角度αが一定であると一定である。故に線分Ｏ
，Ｘ、の長さは角度αる点と点Ｏ１との間の該反射ビー
ムの長さは、／Ｐ。

如０、Ｑ、＝γの伺何にかがわらず線分８０．の長さに等
しく一足である。この結果ビームｌの点Ｏ１における反
射ビームは、ミラー２２０反射面が軸Ｘｙを軸として回
転すると点０１を頂点とする円錐面上を動くことになり
、この円錐面とＸ、Ｑ、Ｘ、面との交綴は、点Ｘｌがそ
の交線上の一つの点であるから、Ｘ、Ｑ、Ｘ。

面上において点０！を中心とし半径が線分Ｏ，Ｘ、の長
さに等しい円Ｃになる。点Ｘ、はこの円Ｃ上にある０Ｉ
ＰｔＯ＋ＸＩ＝αであるから、円錐回Ｘ、Ｏ，Ｘ、上の
母線のＺｙ−Ｙｙ面となす角度はαに等しく、ビーム■
の法線０．Ｐ、となす角度αか小さくなるとＸ、　Ｑｔ
Ｘ　。

面はｚｙ−Ｙｙ面に近づき４、α＝０°では円ＣはＺｙ
−Ｙｙ而面における中心を０１とし半径を（Ｊ、）’、
と１−る円となる。なお／Ｐ　Ｉ（Ｊ＋　Ｑｒ　−Ｉ　
Ｕｓ　）’−ａ　Ｃ２−γであるから、ｌＸ、Ｏ，Ｘ、
　＝　２γである。すなわちミラー２２０反射面の法想
ｏ＋Ｑ、がＺ　ｙ−１’、ｙ面内で軸Ｙｙに対して角度
γだけ傾くと、線分Ｏ，Ｘ、はＺｙ−Ｙ１面に平行なＸ
、Ｑ、Ｘ、抑内で軸Ｙｙに平行な線分０．Ｘｌに対して
角度２γだけ傾くことになる。図におい１：Ｘ、はγ＝
４５°の場合に、点Ｏ１におい壬ビーム１が反射したと
きのその反射ビームと円Ｃとの交点である。

したがって点Ｘ、はＺ　ｙ−Ｘ　ｙ面内にある。、ｔｆ
ｉ　Ｘ、は４５°〈γ＜９００の範囲のある角度γに応
じた円Ｃ上の点である。Ｐｔ１Ｐｓ　、ｐ、およびＰ、
はそれぞれＸｌ　ｌＸ、　、　Ｘ４およびＸ、のｚｙ−
Ｙｙ面における正写影である。この場合／ｘ、ｏ、ｐ、
　＝αが成立することは明らかである。

以上の説明で明らかなように、ミラー２２かγ＝４５°
の状態にあるときはビームＩのミラー２２による反射ビ
ームＺｙ−Ｘｙ面内にあり、ミラー２２がこの状態のま
までミラー２１が回Ｉ賦してビームＩの法線０．　Ｐ、
に対する一度αか変ると、１１１記反剖ビームはＺｙ−
Ｘｙ面内で点Ｏ１を中心とし−（回転する。この時の該
反射ビームの軸Ｚ、に対する角度はαに等しい。したが
ってこの場合、α＝０°では反射ビームの方向は軸Ｚｙ
に一致する。またミラー２１′がα−００の状態にある
ときはビームＩのミラー２２による反射ビームはＺｙ−
’Ｙｙ面内にあり、ミラー２１がこの状態のままでミラ
ー２２が回転して角度γが変ると、該反射ビームＺ、−
Ｙｙ面内で点Ｏ１を中心として回転する。この時の該反
射ビームの軸ＺｙＫ対する角度は２γに等しい。

第６図は第５図の部分拡大図である。図において第５図
と同一の部分には同一の符号を−付しである。第６図に
おいてＣ８は第５図における円Ｃの一部、入。およびＰ
２Ｏはそれぞれ点人および点Ｐ４のｚｙ−Ｘ、面への正
写影である。角度βＭｓ　Ｏ，ｐ、の角度であって、線
分０．Ｐ４が線分０１Ｘ４のＺ、−Ｙ、面への正写影で
あるから、角度βは第５図の角度２γに応じた角度で、
同図においてミラー２２の反射面がγ＝４５°＋（β／
２）だけ回転すると第６図においてｌ　Ｐ８０１Ｐ４　
＝βとなる。αはｌ　Ｐ２Ｏ０１Ｘ４０の角度である。

したがって第６図から（３）式が得られる。

線分ＯＩ”４０　＋　ｏｌｐ、　ｌ　”１ｌＸ３および
０．Ｐ、の長さである。

（３）式から（４）式がまる。

ｔａｎα＝　ｔａｎα／ｃｏｓβ　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（４）すなわち（４）式は、第５図におけるレーザ
ビームｌａに対するミラー２１０反射面の傾きが一定で
、その結果角度αが一定であっても、ミラー２２の反射
面が。γ＝４５°＋（β／２）だけ傾くと、第６図にお
いて反射ビーム０１ｘ４のＺ、−Ｘ、面への正写影ＯＩ
＊入。Ｏｚｙ軸となす角αがβによって変化することを意
味している。

前述した従来のレーザ加工装置では、第５図および第６
図における軸Ｚ、上の点０２よりも下側にある点Ｏにお
いて軸ｚｙに直交するように被加工物の加工面をおいて
加工するようにしているので、ｚｙ−Ｘ、面とＺ　ｙ　
７　Ｙ　ｙ面とが前記加工面と交わることによってこの
加工面に点Ｏを原点とするＸ−’−Ｙ直交座標系が形成
され、この座標糸のＸ軸はＺ、−Ｘ。

面によって、またこの座標系のＹ軸はｚ、−ｙ、面によ
って形成される。したがって従来のレーザ加工装置では
反射ビーム０．Ｘ４が軸Ｚ、上にある時のＸおよびＹ軸
ミラー２１．２２の各反射面の傾き状態を原点状態とし
ており、この原点状態では前述のようにα＝００．γ＝
４５°である。すなわちＹ軸ミラー２２０反射面がこの
原点状態を維持した状態でＸ軸ミラー２１０反射面が回
転すると、反射ビームＯ，Ｘ、はＺ、−Ｘ；面内で点Ｏ
，を中心として回転し、該ビームの原点状態０．Ｐ、と
なす角Ｐ、０．Ｘ、の大きさは／５ＯＩＰ１の大きさに
等しい。この場合反射ビームＯ，Ｘ、によって第２図の
集光レンズ２５を介して被加工物の加工面に形成される
ビームスポットは前述したところから明らかなように該
加工面におけるＸ軸上を移動し、該ビームスポットのＸ
座標の値はｌ　Ｐｓ　ＵｌＸｓの大きさ、すなわちαに
比例する。換言すればαがビームスポットのＸ座標の値
を決定することＫなる。したがってαがＸ軸スキャナ２
１ａに人力される信号に比例していれハ、コの時のビー
ムスポットのＸ座標の値は該信号に比例する。またＸ軸
ミラー２１０反射面が原点状態を維持した状態でＹ軸ミ
ラー２２０反射面が原点状態からβ／２の角度だけ回転
すると反射ビームＯ，Ｐ４はｚｙ−ｙｙ面内で点０１を
中心として回転し、該ビームの原点状態となす角Ｐ、　
Ｏ，Ｐ４の大きさはβとなる。この場合反射ビーム０．
Ｐ、によって第２図の集光レンズ２５を介して被加工物
の加工面に形成されるビームスポットは前述したところ
から明らかなように該加工面におけるＹ軸上を移動し、
該ビームスポットのＸ座標の値は１ＰｓＯ＋Ｐ４−の大
きさ、すなわちβに比例する。換言すればβがビームス
ポットのＸ座標の値を決定することになる。したがって
βがＹ軸スキャナ２２ａに入力される信号に比例してい
れば、この時のビームスポットのＸ座標の値は該信号に
比例する。したがって、ビームＩの点Ｏ１にお（・て反
射されたビームが、Ｚｙ−Ｘ、面およびＺｙ−ｙｙ面の
いずれの面内にもない０１Ｘ４である場合には、このビ
ームＯ，Ｘ４か第２図のｉ＋レンズ２５を介して被加工
物の加工面ニラくルビームスポットのＸおよびＸ座標の
値は、れることになる。この場合角度βはミラー２２０
反射面の回転角β／２に比例しているので、前記ビーム
スポットのＸ座標の値はミラー２２０反射＊面の回転角に比例していて問題はないが、角度αは角度
αに等しくなり（４）式で示されて℃・るように角度β
の影響を受ける。このため、この場合の前記ビームスポ
ットのＸ座標の値は、角度αがたとえＸ軸スキャナ２１
ａの人力信号に比例していても該人力信号に比例しない
ことになる。すなわち前記ビームスポットのＸ座標の値
はスキャナ２２．ａの人力１ｄ号の影舎を受げ、（４）
式にもとづく歪みを含んだものとなる。この歪みが第４
図（５）で説明した格子ａＧの湾曲である。

次にこの歪みを少なくする補償原理を説明する。

すなわち、まず文字記号の意味を次のように定めると（
５）式が得られる。ここにＫ　ｓ　、　Ｋ　ｔは定数で
ある。

ＶＸｏＳＸ軸スキャナ２１ａの人力信号。

■ｙｏ：Ｙ軸スキャナ２２ａの人力信号。

Ｌｘ：被加工物の加工面におけるビームス列ミツトのＸ
座標の値。

Ｌｙ：被加工物の加工面におけるビームスＳ＜ットのＸ
座標の値。

Ｋｓ：ＸおよびＹ軸スキャナにおける電圧・ビーム反射
角変換係数。

Ｋｔ：レーザビームの集光レンズ入射角・被加工物上ノ
ビームスポット座標没換係数（４）　、　（５１式から（６）および（７）式がめら
れる。

Ｌ　ｙ　＝　Ｋ　ｔ　−Ｋ　ｓ・ｖｙｏ　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（７）（６）式を展開すると近似式として（８）式
が得られる。

（７）および（８）式から明らかなように、ビームスポ
ットのＹ座標の値り、はＹ軸スなりナ２２ａの人力信号
■ｙｏのみに比例していて問題はないが、ビームスポッ
トのＸ座標の値、ＬｘはＸ軸スキャナ２１ａの入力信号
■ｘｏのみに比・倒せず、（８）式の（）内の第２項以
下の項の影響を受けることになる。すなわち、（８）式
の（）内の第２項以下の項はｖｙｏｌｃ起因する加工歪
みに対応する項である。したがって、この加工歪みに対
応する項の除去を目的として。

入力信号Ｖｘおよびｖｙｏが入力されると出方信号Ｖｘ
６を出力する加工歪み補償回路を設け、その出方信号Ｖ
ｘｏをＸ軸スキャナ２１ａに入力するものとし。

この加工歪み補償回路の入出力信号変換特性が（９）式
であられされるものとする。

ここで（９）式を（８）式に代入し、さらにＫｔおよび
Ｋａの定数の値を考慮すれば近似的に（１ｏ）が得られ
る。

Ｌｘ＝Ｋｔ−Ｋｓ＠ＶＸ四〇・曲曲曲−・曲・曲（１ｏ
）（１０）から明らかなように、ビームスポットのＸ座
標の値Ｌｘは歪み補償回路の入力信号Ｖｘに比例してい
る。すなわち（１０）式を導出する過程で使用した信号
Ｖ　ｘ　＋　Ｖ’　ｙｏがそれぞれ第１図に示した加工
信号発生部６の出力する座＠伯号Ｖｘ、Ｖｙに相当する
ものであれば、ビームスポットのＸ、Ｙ座標の値Ｌｘ’
、Ｌｙは該加工信号発生部６の出方信号に比例した加工
歪みのない値になる。以上の説明では歪み補償回路の変
換特性が（９）式であられされるものとしたが、（９）
式の（）内の８１４　Ｊ　′ｊ６よび第４項は第１およ
び第２項に比べて一般に小さい。このため本発明者は歪
み補償回路の変換特性を（１工）式のようにして計算な
らびに実験を行なった結果、Ｘ座標の値Ｌｘの歪みは無
視しうる程度の小さい値になることを確認した。したが
つ℃前記歪み補償回路の変換特性は（１１）式を採用し
ても差し支えないことになる。

以上に説明した事項は集光レンズに収差がない場合にレ
ーザビームのスポットが被加工物において形成する位置
歪みとその歪みを低減する補償原理とであった。ところ
がこのビームスポットの位置歪みは前述したように集光
レンズの取止によって発生し、この結果前記位置歪みの
態様は第４図β）において説明したようになる。そして
この場合の格子線Ｇ　、　ＩＩの歪みの状態は第４図（
ハ）から明らかなようにレンズの収差の度合いによって
凸になるか凹になるかの違いはあろても第４図（６）の
格子線Ｇの歪みの状態に力ｊ似している。このため本発
明者は、集光レンズ［Ｉｐ（差がある場合、前述の歪み
補償回路に（１２）および（１３）式で示されるような
変換特性をもたせ、この歪み補償回路にカムエイぽ号発
生部６の出力するＸおよびＹ座標信号ＶｘおよびＶ、を
入力し、この歪み補償回路から出力される信号ｖｘＯお
よびＶＦｏをそれぞれＸ軸およびＹ軸スキャナ２１ａ、
、、２２ａに入力するようにして実験を行なった結果、
定数鳩および１ｔ２を適当に選定することによってビー
ムスポットのＸおよびＹＪ３ｆｌの値Ｌ　ｘ　、　Ｌ　
ｙのそれぞれの歪みは無視しうる程夏の小さい値になる
ことを６Ｌｇした。

（１２）、（１３）式において抜刀は第４図の）におけ
る格子線Ｇ、Ｈの凹凸の状態に応じてｉ！ｓ足されるも
ので、たとえば格子線Ｇ、Ｈの凹凸が第４図◎の状態に
ある時は、（１２）式では−が選定され（１３）式では
十が選定される。

本発明は以上に説明した歪へ補償原理を用いて、集光レ
ンズにおける収差の有無にかかわらずビームスポットの
位置歪みを除去しようとするものであって、以下に本発
明の実施例を図面を参照して説明する。第７図は本発明
によるレーザ加工装置の一実施例の概略ブロック図で、
図において加工処理部５は第１図におけるものと同様に
構成されているが説明の便宜上レーザビーム駆動部２の
みが示され、被加工物設置台等は省略されている。

また図において第１図におけるものと同一の機能を有す
る部分には同一の符号が付しである。

第７図において第１図と異なる旨は７０の加工歪み補償
回路で、この補償回路７０において、Ａ。

ＢはそれぞれＸおよびＹ座標信号発生器６１．６２の各
出力信号Ｖｘおよびｖｙが人力される端子、７１は端子
Ａから信号Ｖｘが入力され出力信号として−Ｖｘを出力
する反転増幅器、７２，７３，７７．７８はそれぞれ二
個の入力端子を有しこの両入方端子に入力された二つの
信号の積に相当する信号を出力する乗算器で、乗算器７
２はその両入力端子に共に端子Ｂから信号Ｖ、が入力さ
れるので出方信号として■ｙ′を出力し、乗算器７７は
その両入方端子に共に端子Ａから信号Ｖｘが入力される
ので出方信号としてＶｘを出力し、乗算器７３はその両
入方端子のそれぞれに反転増幅７１の出力信号−Ｖｘと
乗算器７２の出力信号Ｖ、”とが入力されるので出方信
号として−Ｖｘ・７戸を出力し、乗算器７８はそのｖｙ
・■ｘ″を出力する。７４．７９はそれぞれ係数器で、
係数器７４には乗算器７３の出力信号が入力されるので
この係数器７４からは前記出方信号に定数Ｍを乗じた信
号−Ｍ・ＶＸＩＩＶＦ”が出力され、係数器７９には乗
算器７８の出力信号が入力されるのでこの係数器７９か
らは前記出力信号に定数へを乗じた信号へ・Ｖ、・Ｖｘ
が出力される。この場合、係数器７４．７９においては
可変抵抗抵抗器を用いることによって係数Ｍ、Ｎが可変
に構成されている。７５は反転増幅器７１の出力信号−
Ｖｘが入力されて出力信号Ｖｘを出力する反転増幅器で
ある。

７６．８０はそれぞれ二個の入力端子を有しこの両入力
端子に入力された二つの信号の和に、相当する信号を出
力する加算器で、加算器７６はその両入力端子のそれぞ
れに反転増幅７５の出力信号Ｖｘと係数器７４の出力信
号−Ｍ・Ｖｘ・■ｙ′とが入力されるので出力信号とし
てＶｘ−Ｍ・Ｖ、・Ｖ　ｙ　”　”’　Ｖ　ＸＩを出力
し、加算器８０はその両入力端子のそれぞれに係数器７
９の出力信号Ｎａ　％ｌ　ｙ・Ｖｘと端子Ｂからの信号
Ｖ、とが入力されるので出力信号としてＶｙ＋Ｎ・Ｖ　
ｙ−Ｖ　：ｃ　”　””　Ｖ　ｙｌを出力する。Ｃ，Ｄ
はそれぞれ信号Ｖｘ１．　Ｖ７ｔ−を出力する端子で、
レーザビーム駆動部２のＸ軸片およびＹ軸周サーボアン
プ２３．２４はそれぞれ出力端子ＣおよびＤに接続され
ている。

したがって本レーザ加工装置ではスキャナ２１ａ。

２２ａはそれぞれ信号ＶｘＩ＋Ｖ）’ｌによって駆動さ
れることになる。加工歪み補償回路７０は上述の端子Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄ、反転増幅器７１，７５、乗算器７２゜７
３．７７．７８、係数器７４，７９、加算器７６　、８
０で構成されている。この場合、信号Ｖ　ｘｌは（１２
）式において復号の−を採用した時の信号Ｖｘ６に相当
し、信号ｖｙ１は（１３）式において復号の十を採用し
た時の信号ＶＦｏに相当する。このため、加工信号発生
部６の出力信号Ｖｘ、Ｖｙをそのままレーザビーム駆動
部２に入力した時ビームスポットの位置歪みが第４図（
ハ）に示したようになる従来のレーザ加工装置に本実施
例の加工歪み補償回路７ｏを使用すると、係数器７４．
７９における定数ｆＪＮを適当に選定することによって
前記ビームスポットの位置歪みを殆ど無視し得る程度に
小さくすることができる。

すなわち本実施例のレーザ加工装置では、加工信号発生
部６の出力座標信号Ｖ、、Ｖｙは加工歪み補償回路７０
でそれぞれ変換されてＶｘｌ　＋ＶＦＩとなってレーザ
ビーム駆動部２に入力されるので、定数Ｍ、Ｎを適宜設
定することによって、集光レンズの収差にもとづ（レー
ザスポットの位置歪みとＹ軸ミラー２２の傾き状態によ
って干渉されるレ−ザスポットのＸ軸方向位置歪みとの
合成歪みが第４図（ハ）のようになってもこの合成歪み
は殆ど補償され、被加工物には信号Ｖｘ、Ｖｙに応じた
正確なパターンがレーザスポットによって形成される。

信号Ｖｘ１　ｅＶｙ、はそれぞれ（１２）、（１３）式
にもとづくものであり、（１２）、（１３）式は上述の
歪み補償原理の説明から明らかなように近似的にめられ
たものである。したがって（１２）、（１３）式は信号
Ｖｘ、Ｖｙのすべての値に対して適用できるものではな
いが、本発明者は実験によって、−辺工０ｃｌｒＬの正
方形状加工面において、補償回路７０がない場合とある
場合とにおけるレーザスポットのＸおよびＹ座標の各最
大歪みがそれぞれ約６チと約０．５％になることを確認
している。

第７図においては、加工歪み補償回路７０の出力端子Ｃ
，Ｄにおいてそれぞれ信号Ｖｘ＋　、Ｖｙ、が得られる
ようにしたが、第４図（ハ）において格子線Ｇが凸にな
るようなレーザスポットの歪みが発生する場合は加算器
７６の代りに減算器を使用すること圧よってこの歪みを
補償することができ、また第４図但）において格子線Ｈ
が凹になるようなレーザスポットの歪みが発生する場合
も加算器８００代りに減算器を使用することによってこ
の歪みを補償することができることは上述の説明から明
らかである。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、レーザビー
ム発生装置と、被加工物設置台と、前記被加工物設置台
に設置された被加工物の加工面に前記レーザビーム発生
装置の発生するレーザビームノスポットを形成する集光
レンズをＶａ　、ｔ　タレーザビーム駆動部と、加工信
号発生部とを有し、前記加工信号発生部の出力信号を前
記レーザビーム駆動部の入力信号として該駆動部に設け
たＸ軸光路変更素子およびＹ軸光路変更素子によって前
記スポットを前記加工面のＸ軸方向およびこれに直交す
るＹ軸方向に駆動して、前記スポットにより前記被加工
物を加工するレーザ加工装置において、前記加工信号発
生部の出力信号が人力されて、前記加工面における前記
スポットの位置の、前記Ｙ軸光路変更素子の状態にもと
づく歪みと前記集光レンズの収差にもとづく歪みとを補
償する信号を出力する加工歪み補償回路を設け、この加
工歪み補償回路の出力信号を前記レーザビーム駆動部の
入力信号とするようにしたので、このようなレーザ加工
装置によれば、従来のレーザ加工装置において発生した
加工面における。レーザビームのスポットの集光レンズ
の収差にもとづく位置歪みやＹ軸光路変更素子の干渉に
もとづく前記スポットのＸＮ座標の歪みが前記加工面の
広い面積にわたって補償されるので加工歪みの少１よい
正確な加工が行なえる効果があり、またこのようなレー
ザ加工装置では、レーザスポットの位置歪みの補償が加
工信号発生部内の電子計算機のプログラムによって行な
われるのではなくて、（１２）、（１３）式にもとづく
歪み補償回路によって行なわれるので補償動作が高速と
なり加工速度が向上する効果がある。なお本発明のレー
ザ加工装置においては収差の大きい集光レンズを使用し
ても、この収差にもとづくレーザスポットの位置歪みが
加工歪み補償回路によって効果的に補償されるがで、こ
のようなレーザ加工装置には安価な集光レンズを使用で
きるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザ加工装置のｍｗ図、第２図は第１
図におけるレーザビーム駆動部の構成図、第３図は第２
図におげろ集光レンズの動作原理図、第４図は加工歪み
の発生状況を示した図で、同図（５）は収差のない集光
レンズを使用した場合、同図（ハ）は収差のある集光レ
ンズを使用した場合、第５図は第２図のレーザビーム駆
動部に２けるレーザビームの軌跡説明図、第６図は第５
図の部分拡大図、第７図は本発明によるレーザ加工装置
の一実施例の概略ブロック図である。各図において、１・・・・・・レーザビーム発生装置、
１ａ＋２ａ１２ａｌＪａｌＬＩ＋　、ｉ、、ｉｔ、ｉｔ
、ｒｋＬｔ−・−・・・レーザビーム、２・・・・・・
レーザビーム駆動部、２ｂ・・・・・・レーザビームの
スポット、３・・・・・・被加工物、３ａ・・・・・・
加工面、４・・・・・・被加工物設置台、６・・・・・
・加工信号発生部、２１・・・・・・Ｘ１１］光路変更
素子としてのＸ軸ミラー、２２・・・・・・Ｙ軸光路変
更素子としてのＹ軸ミラー、２５・・・・・・集光レン
ズ、７０・・・・・・加工歪み補償回路、　Ｖ、、Ｖ、
・・・・・・加工信号発生部の出力信号、Ｖｘｌ　、Ｖ
ｙｌ・・・・・・加工歪み補償回路の出第２図第　３　図＋［３）１８４図

Claims

【特許請求の範囲】

レーザビーム発生装置と被加工物設置台と、前記被加工
物設置台に設置された被加工物の加工面に前記レーザビ
ーム発生装置の発生するレーザビームのスポットを形成
する集光レンズを備えたレーザ・ビーム駆動部と、加工
信号発生部とを有し、前記加工信号発生部の出力信号を
箭・記レーザビーム駆動部の人１号として該駆動部に設
けたＸ軸光路変更累子およびＹ軸光路変更素子によって
前記スポットを前記加工面のＸ軸方向およびこれに直交
するＹ軸方向に駆動して、前記スポットにより前記被加
工物を加工するレーザ加工装置において、前記加工信号
発生部の出力信号が入力されて、前記加工面における前
記スポットの位置の、前記Ｙ＠光路変更素子の状態にも
とづく歪みと前記集光レンズの収差にもとづく歪みとを
補償する信号を出力する加工歪み補償回路を設け、この
加工歪み補償回路の出力信号を前記レーザビーム駆動部
の入力信号としたことを特徴とするレーザ加工装置。