レーザ加工装置およびレーザ加工方法
【課題】温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置を得る。
【解決手段】加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、ワークの切断加工を行う際に、レーザビームを集光させる加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内で２軸移動させることで、加工ノズルの中心とレーザビームの光軸中心との偏心量を制御する制御部（５０）を有し、制御部は、計測された位置情報が目標位置となるように加工レンズの位置をフィードバック制御することで偏心量制御を行うとともに、フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で計測された原点位置情報に基づいて、フィードバック制御の実行中に計測される位置情報を補償する。
【解決手段】加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、ワークの切断加工を行う際に、レーザビームを集光させる加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内で２軸移動させることで、加工ノズルの中心とレーザビームの光軸中心との偏心量を制御する制御部（５０）を有し、制御部は、計測された位置情報が目標位置となるように加工レンズの位置をフィードバック制御することで偏心量制御を行うとともに、フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で計測された原点位置情報に基づいて、フィードバック制御の実行中に計測される位置情報を補償する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、切断加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工ガスを用いた従来のレーザ切断加工では、加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、レーザビームの光軸中心とを偏心させ、レーザビームの光軸を加工ノズルの開口中心より加工進行方向に片寄らせることが広く知られている。これにより、溶融物の流れ方向およびスパッタ付着領域を制御し、高品質な切断加工を可能としている。
【０００３】
加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させる方式としては、次のようなものがある。たとえば、加工ノズルを、駆動装置である２つの駆動モータを用いて、レーザビームに直交する平面上の任意の位置へ移動させる方法、あるいは、レーザビーム光軸を法線とした曲面上の任意の位置へ移動させる方法などが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の方式として、レーザビーム光軸に対する加工ノズルの開口中心の偏心量を、加工するワークの材質、板厚などによってあらかじめ設定し、駆動モータにより加工ノズルをハウジングごと回転させることにより、加工方向と偏心方向を維持する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、この特許文献２には、偏心方向、偏心量を、駆動モータに備え付けられたエンコーダによって検出し、加工ヘッド本体をＮＣで走査制御する方法も開示されている。
【０００５】
また、このような方式とは別に、ミラー、加工レンズを、小型モータを用いて、クランク機構により揺動する方法も開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２８７１１２号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６６３号公報
【特許文献３】特開平５−１６９２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１および特許文献２における加工ヘッド本体は、加工ガスの圧力が常にかかっている状態である。したがって、気密を保ったままで移動するための構造と、ガス圧力に対する耐圧構造の両方が必要であり、加工ヘッド本体の構造が複雑になるとともに、重量が増加するという問題点があった。
【０００８】
さらに、加工ヘッド本体を走査するレーザ加工装置の場合には、加工ヘッド本体の重量が重くなると、加工ヘッド本体の走査機構にも負荷がかかり、走査速度が低下し、走査精度が悪くなる問題点があった。
【０００９】
また、特許文献３においては、駆動モータの回転運動を直線運動に変換するために、ボールネジ、スパーギア（平歯車）、クランク機構等の機械的機構を必要とする、しかしながら、このような機械的送り機構では、バックラッシュ等を避けがたく、そのために位置決め精度に限界があるという問題点があった。
【００１０】
さらに、レンズ位置あるいはノズル位置の直接の計測、レンズ位置のフィードバックによる位置制御に関しては、いずれの特許文献にも開示されていない。
【００１１】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、加工ガスを供給するガス供給部と、レーザ発振器から発振されたレーザビームを、加工ノズルから出射するとともに、ガス供給部から供給された加工ガスを加工ノズルから噴出することで、加工対象であるワークの切断加工を行う加工ヘッド本体と、ワークの種類および加工条件に基づいて、レーザ発振器から発振されるレーザビームのビーム出力およびガス供給部から供給される加工ガスの供給量を制御するとともに、加工ノズルから出射されるレーザビームの光軸を、加工ノズルの開口中心に対して片寄らせる偏心量制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置であって、加工ヘッド本体は、レーザ発振器から発振されたレーザビームをワークに向けて集光させる加工レンズと、複数の電磁石による磁気駆動により、加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させる磁気移動機構と、加工レンズの位置情報を計測する位置検出器とを有し、制御部は、位置検出器で計測された位置情報が目標位置となるように、複数の電磁石の電流値をフィードバック制御し、加工レンズを目標位置に２軸移動させることで偏心量制御を行うとともに、フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で位置検出器により計測された原点位置情報に基づいて、フィードバック制御の実行中に位置検出器により計測される位置情報を補償するものである。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、加工対象であるワークの切断加工を行う際に、レーザビームをワークに向けて集光させる加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させることで、加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、レーザビームの光軸中心との偏心量を制御するレーザ加工方法であって、偏心量の制御の実行前に、加工レンズの本来原点であるべき位置を原点位置情報として計測するステップと、偏心量の制御の実行中に計測される加工レンズの位置情報を原点位置情報に基づいて補償するステップと、補償後の位置情報が目標位置となるように偏心量の制御を行うステップとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、電磁石に流れる電流、あるいはレンズで吸収されるレーザ光に起因して、距離測定系の温度上昇による計測値の変化があった場合にも、実際に加工を行う際の温度状態において、本来原点であるべき位置の測定を行い、この測定結果に基づいて加工レンズの位置補正を行うことにより、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの使用態様を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの別の使用態様を示す断面図ある。
【図４】本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構の一使用態様を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１による先の図２の磁気移動機構を示す別の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の磁気移動機構を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の各実施の形態について図面に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。また、各図においては、切断加工を行う面をｘｙ平面とし、それに垂直な方向をｚ軸として定義している。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。本実施の形態１におけるレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０、レーザビーム伝送系２０、加工ヘッド本体３０、ガス供給装置４０（ガスボンベ４０）、および制御装置５０を備えて構成されている。
【００１８】
レーザビーム伝送系２０は、レーザ発振器１０から発振されたレーザビーム１１を、複数のミラー２１を介して、加工ヘッド本体３０内に伝送する。また、加工ヘッド本体３０には、加工ノズル３６が取り付けられている。
【００１９】
また、ガスボンベ４０には、加工ガス導入パイプ４１が接続されており、この加工ガス導入パイプ４１を介して、加工ノズル３６に加工ガス４３が供給される。また、加工ガス導入パイプ４１の途中には、加工ガス４３の供給量を調整するためのガスバルブ４２が設けられている。
【００２０】
そして、制御装置５０は、ワーク１の種類、加工条件に基づいて、ガスバルブ４２による加工ガス４３の供給量、レーザ発振器１０のビーム出力、および加工ヘッド本体３０の駆動をそれぞれ制御する。
【００２１】
ここで、ワーク１は、金属、樹脂、セラミック、ガラス、結晶等、様々な材料が対象である。特に、ワーク１が金属である場合には、加工ガス４３により、金属の酸化熱を発生し、切断をより高速に行うことができる。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体３０、加工ノズル３６およびワーク１の使用態様を示す断面図である。より具体的には、ピアッシング時（切断加工の開始位置に貫通穴を開ける加工）の詳細構成を示している。
【００２３】
加工ヘッド本体３０は、加工レンズ３１、加工レンズ保持機構３２、磁気移動機構３３、仕切板３４、および固定台３５を含んで構成されている。加工レンズ３１は、ピアッシング時において、加工ヘッド本体３０内部の中心軸線上に円形として配置されている。そして、加工レンズ保持機構３２は、加工レンズ３１を囲い、周縁部を保持している。
【００２４】
磁気移動機構３３は、加工レンズ３１の周囲に設けられ加工レンズ保持機構３２を、レーザビーム２２の光軸２２ａに対して垂直な平面内（ＸＹ平面内）で２軸直線移動させることで、加工レンズ３１を移動させる。また、仕切板３４は、加工レンズ３１に対向して設けられ、加工ガス４３が加工ノズル３６を通じて加工ヘッド本体３０の内部に侵入するのを阻止している。また、固定台３５は、磁気移動機構３３を固定しており、この磁気移動機構３３の詳細については、後述する。
【００２５】
加工ノズル３６は、加工ガス導入パイプ４１の先端部が内部に臨んでおり、先端にワーク１に対向した開口３７が形成されている。そして、この加工ガス導入パイプ４１を介してガスボンベ４０から加工ノズル３６へ加工ガス４３が供給される。ここで、例えば、ガスボンベ４０には、酸素（Ｏ２）ガスや窒素（Ｎ２）ガスが収容されている。また、この加工ガス導入パイプ４１には、加工ガス４３の供給量を調整するガスバルブ４２が取り付けられており、制御装置５０により供給量を調整できる構成となっている。なお、ガスボンベ４０の代わりに、高圧空気を供給するコンプレッサを用いてもよい。
【００２６】
制御装置５０は、ガスバルブ４２、レーザ発振器１０および磁気移動機構３３にそれぞれ接続されており、ワークの種類、加工条件に基づいて、加工ガス４３の供給量、レーザ発振器１０のビーム出力、および加工レンズ３１の位置を制御する。ここで、制御装置５０は、固定台３５に固定された位置検出器３３１と加工レンズ保持機構３２に固定された位置検出器ターゲット３３２との間隔を、位置検出器３３１で計測することで、加工レンズ３１の位置を求める。
【００２７】
本実施の形態１におけるこのようなレーザ加工装置１００では、レーザ発振器１０から発振されたレーザビーム２２が、レーザビーム伝送系２０を介して加工ヘッド本体３０内に導かれる。さらに、この加工ヘッド本体３０では、導入されたレーザビーム２２が加工レンズ３１により集光され、加工ノズル３６の先端の開口３７を通じて、ワーク１に照射される。
【００２８】
図２に示されたレーザ加工装置１００は、ピアッシング加工時を示している。このため、ワーク１は、静止しており、レーザビーム２２の光軸２２ａは、加工レンズ３１の中心および加工ノズル３６の開口３７の開口中心３７ａと一致している。
【００２９】
一方、加工ガス導入パイプ４１から加工ノズル３６に導入された加工ガス４３は、加工ノズル３６の開口３７からワーク１に噴出される。ワーク１では、レーザビーム２２と加工ガス４３により材料が加熱、溶融され、吹き飛ばされる。この動作により、ピアッシング穴２が形成され、切断の開始位置となる貫通穴が形成される。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの別の使用態様を示す断面図ある。より具体的には、切断加工時の詳細構成を示しており、ワーク１において、レーザビーム２２が走査された部分に、切断溝３が形成されて、切断加工が行われる。
【００３１】
ここで、図３は、磁気移動機構３３により加工レンズ３１を移動させ、光軸２２ａに対して加工レンズ中心軸３１ａを、図３中の符号Ｄ１の方向に移動させた場合を示している。この場合、レーザビーム２２は、加工レンズ中心軸３１ａの方向に曲げられ、加工レンズ中心軸３１ａ上で集光される。レーザビーム２２が曲げられたことで、加工ノズル３６の開口３７部分でのレーザビーム２２の位置は、開口中心３７ａから離れた位置になる。
【００３２】
例えば、図３に示すように、開口中心３７ａに対して、レーザビーム２２の位置を加工進行方向に偏心させた場合には、切断溝３が形成された後においては、加工ガス４３と溶融物４が、切断溝３に沿ってスムーズに流れる。
【００３３】
ここで、磁気移動機構３３は、２軸直線移動を行う機構の組み合わせになっており、ワーク１の種類、加工条件に基づいて、制御装置５０により、任意の位置に制御される。また、レーザビーム２２の偏心量は、ワーク１の加工材料、厚み、加工ガス４３の種類、吹き付け量、加工速度、レーザビーム２２の強度等のパラメータによって、選択される。
【００３４】
図４は、本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構３３を示す構成図である。より具体的には、ピアッシング時における磁気移動機構３３の構成をＸＹ平面で表したものである。加工レンズ３１を保持する加工レンズ保持機構３２には、第１のアクチュエータ３３０（１）、第２のアクチュエータ３３０（２）、第３のアクチュエータ３３０（３）および第４のアクチュエータ３３０（４）が、４方向から取り付けられている。
【００３５】
第１のアクチュエータ３３０（１）と、この第１のアクチュエータ３３０（１）に対向して設けられた第２のアクチュエータ３３０（２）とが、加工レンズ３１をｘ方向に移動させるアクチュエータに相当する。また、第３のアクチュエータ３３０（３）と、この第３のアクチュエータ３３０（３）に対向して設けられた第４のアクチュエータ３３０（４）とが、加工レンズ３１をｙ方向に移動させるアクチュエータに相当する。
【００３６】
また、第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）のそれぞれは、四角形状の固定台３５に固定された電磁石３３０ａと、各電磁石３３０ａに対向して加工レンズ保持機構３２に固定された磁性体ターゲット３３０ｂとから構成されている。ここで、加工レンズ保持機構３２は、空気、油、磁性流体等の静圧案内、あるいは、板ばね等で構成される弾性ヒンジ案内により、ｚ方向の位置が規定されている。
【００３７】
また、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、固定台３５に固定され、対向して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘが加工レンズ保持機構３２に固定されている。そして、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測する。
【００３８】
同様に、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、固定台３５に固定され、対向して、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙが加工レンズ保持機構３２に固定されている。そして、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙまでの距離を計測する。
【００３９】
図４では、先の図２に示すようなピアッシング時を示しており、制御装置５０は、加工レンズ３１の光軸２２ａがレーザビーム２２の中心を通過するように、それぞれの第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）の各電磁石３３０ａに流れる電流を制御している。
【００４０】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、レンズ位置のフィードバック制御を行っている。
【００４１】
一方、図５は、本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構３３の一使用態様を示す構成図である。より具体的には、切断加工時における磁気移動機構３３の構成をＸＹ平面で表したものであり、先の図３に示すように、光軸２２ａから加工レンズ中心軸３１ａをＸ方向に偏心させた状態を示している。
【００４２】
ここでは、ｘ方向に偏心させる位置の設定値に基づいて、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）の電磁石３３０ａに流れる電流を大きくして、磁性体ターゲット３３０ｂを電磁石３３０ａに引き寄せることで、磁性体ターゲット３３０ｂと一体の加工レンズ保持機構３２をｘマイナス側に引き寄せ、加工レンズ３１をｘマイナス方向に移動させている。
【００４３】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、アクチュエータのフィードバック制御を行っている。
【００４４】
この例は、Ｘ方向へ移動させる場合の一例であり、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）のそれぞれの電磁石３３０ａに流れる電流値を変えることで、それぞれの電磁石３３０ａと磁性体ターゲット３３０ｂとが接触しない範囲で、加工レンズ保持機構３２をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００４５】
すなわち、先の図５では、Ｘ方向に移動させる場合を例示したが、制御装置５０は、Ｙ方向に関しても、ｙ方向位置検出器３３１ｙとｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙにより、ｙ方向の位置情報を得ることができる。この結果、制御装置５０は、加工レンズ３１を、ｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００４６】
次に、位置検出器を介して取得した位置情報に基づいて、制御装置５０が温度変化に対する位置補償を行う方法について、具体的に説明する。電磁石３３０ａは、電流を流すと発熱し、この熱は、固定台３５を経て、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの温度を上昇させる。
【００４７】
また、レーザビーム２２のエネルギーの一部は、加工レンズ３１で吸収され、熱に変わり、加工レンズ保持機構３２を介して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘ、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙの温度を上昇させる。さらに、電磁石３３０ａの発熱、レーザビーム２２のエネルギーの吸収に起因する発熱は、接触部分、雰囲気における磁気移動機構３３全体の温度を上昇させる。
【００４８】
これらの温度上昇により、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの計測値がドリフトすることとなる。その結果、正確な位置情報が得られなくなり、加工レンズ３１を目的の位置に移動できなくなる。
【００４９】
そこで、本実施の形態１のレーザ加工装置１００における制御装置５０は、４個の電磁石３３０ａに対して等しい電流を流した状態における、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙのそれぞれの計測値を原点位置として求め、その後に計測された位置情報を補償している。
【００５０】
すなわち、この原点位置は、本来原点であるべき位置に相当し、位置検出器による計測値としては温度ドリフトした結果となるが、アクチュエータからの一定出力に基づく再現性のある原点位置となる。
【００５１】
これにより、常に、４個の電磁石３３０ａの電気吸引力が釣り合う位置を原点とすることができるので、加工レンズ３１の位置情報を補正でき、正確なレンズ位置の制御が可能になる。この結果、加工レンズ３１は、電磁石３３０ａに流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ正確な位置情報に基づく制御により、高精度で位置決めされる。
【００５２】
従って、磁気移動機構３３が電磁石３３０ａの発熱、あるいはレーザビーム２２の吸収等により温度変化した場合にも、加工ノズル３６の中心とレーザビーム２２の光軸２２ａとを高速度、高精度で偏心させることができる。これにより、レーザビーム２２の光軸２２ａを加工ノズル３６の開口中心３７ａより加工進行方向に偏らせることで、加工ガス４３と溶融物４が切断溝３に沿ってスムーズに流れることを可能とし、高品質の切断加工を行うことができる。
【００５３】
なお、電磁石３３０ａに等しい電流を流した状態で、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの計測値を原点位置として位置情報を補償するためには、加工ヘッド本体３０が、加速度運動を行っていない状態であることが必要である。なぜならば、加工ヘッド本体３０が、加速度運動を行っていると、加工レンズ保持機構３２に電磁石３３０ａの吸引力以外の力が加わり、加工レンズ保持機構３２が原点位置に保持されていないこととなるからである。
【００５４】
また、レーザビーム２２をワーク１に照射する加工中は、加工レンズ保持機構３２の位置制御を行っているので、位置情報を補償することができない。そこで、制御装置５０は、レーザ加工装置１００が加工動作中で、レーザ加工ヘッド本体３０が停止しており、かつ、ワーク１にレーザビーム２２が照射されてない時間に、位置情報を補償する。位置情報を補償する時間は、加工形状、加工経路により異なるが、制御装置５０により、任意に設定することができる。
【００５５】
以上のように、実施の形態１によれば、電磁石に流れる電流あるいはレンズで吸収されるレーザ光に起因して、距離測定系の温度上昇による計測値の変化があった場合にも、実際に加工を行う際の温度状態において、本来原点であるべき位置の測定を行うことで、この測定結果に基づく加工レンズの位置補正を行っている。
【００５６】
これにより、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口の中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることができる。
【００５７】
具体的には、レーザ加工機が加工動作中のレーザ加工ヘッドが停止している時間に、位置情報の補償を行うことで、常に変化する温度環境に追従できる。さらに、磁気移動機構が磁石の発熱、レーザ光の吸収等により温度変化しても、安定して高速、高精度加工が実現できる。
【００５８】
なお、上述した実施の形態１では、ｘ方向、ｙ方向の位置検出器と位置検出器ターゲットがそれぞれ１組の場合を示したが、本発明は、このような構成に限定されるものではない。図６は、本発明の実施の形態１による先の図２の磁気移動機構３３を示す別の構成図である。
【００５９】
例えば、この図６では、ｘ方向位置検出器３３１ｘとｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘに対して、加工レンズ保持機構３２を挟んで対称な位置に、第２のｘ方向位置検出器３３３ｘと第２のｘ方向位置検出器ターゲット３３４ｘを配置している。このような２組の配置とすることで、ｘ方向位置検出器３３１ｘと第２のｘ方向位置検出器３３３ｘの差動計測により、より安定した位置情報を得ることができる。ｙ方向についても同様である。
【００６０】
さらに、位置検出器と位置検出器ターゲットを追加すれば、加工レンズ保持機構３２のねじれや、ｚ方向の移動等の姿勢情報を検出することができる。
【００６１】
また、位置検出器としては、渦電流を利用したもの、静電容量を利用したもの、光の反射を利用したもの、音波を利用したもの等、加工レンズ保持機構３２の移動範囲、位置精度により、任意に選択することができる。
【００６２】
実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１の構成に対して、ばねによる保持機構をさらに備えた磁気移動機構３３Ａについて説明する。図７は、本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置１００の磁気移動機構３３Ａを示す構成図である。
【００６３】
本実施の形態２では、四角形状の加工レンズ保持機構３２Ａの四隅のそれぞれに、第１板ばね３３６の一端部が接続されている。図７において、上下方向に延びた各第１板ばね３３６の他端部には、第１板ばね３３６に対してほぼ直角で外側方向に延びた第２板ばね３３７の一端部が接続されている。対向した、第１板ばね３３６と第２板ばね３３７との接続部位間は、保持部材３３５で接続されている。さらに、第２板ばね３３７の他端部は、固定台３５に接続されている。
【００６４】
第１板ばね３３６および第２板ばね３３７は、ｚ方向に幅広で、ｘ方向またはｙ方向に肉薄である。そして、このようなバネ機構により、加工レンズ保持機構３２Ａは、ｚ方向への動きが規制され、レーザビーム２２の光軸２２ａに垂直なｘｙ平面内を移動することができる。
【００６５】
ここで、第１板ばね３３６は、例えば、ステンレス、リン青銅、ベリリウム銅などのばね鋼材の薄板を、矩形平板に打ち抜いて作製されている。第２板ばね３３７は、第１板ばね３３６と同じ材料を用い、同じ形状に作製されている。また、保持部材３３５は、例えば、アルミニウムなどの厚い板材を矩形平板に成形して作製されている。
【００６６】
なお、第１板ばね３３６、第２板ばね３３７および保持部材３３５により、加工レンズ３１が光軸２２ａの方向であるｚ方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを構成している。
【００６７】
また、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、固定台３５に固定され、対向して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘが加工レンズ保持機構３２Ａに固定されている。そして、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測する。
【００６８】
同様に、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、固定台３５に固定され、対向して、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙが加工レンズ保持機構３２Ａに固定されている。そして、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙまでの距離を計測する。他の構成は、先の実施の形態１のレーザ加工装置１００と同じである。
【００６９】
図７では、先の実施の形態１における図５と同様に、加工レンズ３１がｘマイナス方向に移動している状態を示している。この状態のときには、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）および第２のアクチュエータ３３０（２）の電磁石３３０ａに流れる電流を制御している。この結果、４枚の第１板ばね３３６がｘｙ平面内で曲げられ、第１のアクチュエータ３３０（１）、第２のアクチュエータ３３０（２）の電磁力と第１板ばね３３６の弾性力との釣り合った位置で、加工レンズ保持機構３２Ａの位置が保持されている。
【００７０】
また、加工レンズ３１をｙ方向に移動させる場合には、制御装置５０は、第３のアクチュエータ３３０（３）、第４のアクチュエータ３３０（４）の電磁石３３０ａに流れる電流を制御する。この結果、両端部が保持部材３３５と固定台３５とにそれぞれ固定された４枚の第２板ばね３３７がｘｙ平面内で曲げられ、第３のアクチュエータ３３０（３）、第４のアクチュエータ３３０（４）の電磁力と第２板ばね３３７の弾性力との釣り合った位置で、加工レンズ保持機構３２Ａの位置が保持されている。
【００７１】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、レンズ位置のフィードバック制御を行っている。
【００７２】
このような構成を備えることで、先の実施の形態１のレーザ加工装置と同様の効果を得ることができるとともに、さらに、磁気移動機構３３Ａが弾性ヒンジを備えているため、電磁石３３０ａに電流を流さない状態でも弾性ヒンジの復元力により、加工レンズ保持機構３２Ａを一定の位置に保つことができる。
【００７３】
すなわち、電磁石３３０ａに電流を流さない状態での加工レンズ保持機構３２Ａの一定の位置とは、本来原点であるべき位置に相当し、位置検出器による計測値としては温度ドリフトした結果となるが、弾性ヒンジによる一定の復元力に基づく再現性のある原点位置となる。
【００７４】
従って、電磁石３３０ａの電流をゼロにした状態における、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙのそれぞれの計測値を原点位置として求めることで、位置情報を補償することができる。すなわち、弾性ヒンジの力の釣り合った位置を、加工レンズの位置情報の原点と一致させることができるため、レンズを移動させる際、特定の電磁石３３０ａの電流値を極端に大きくする必要がなく、電磁石３３０ａの電流値に偏りを出なくさせることができる。
【００７５】
従って、磁気移動機構３３Ａが電磁石３３０ａの発熱、レーザビーム２２の吸収等により温度変化しても、加工ノズル３６の中心とレーザビーム２２の光軸２２ａとを高速度、高精度で偏心させることができ、レーザビーム２２の光軸２２ａを加工ノズル３６の開口中心３７ａより加工進行方向に偏らせることができる。この結果、加工ガス４３と溶融物４が切断溝３に沿ってスムーズに流れることを可能とし、高品質の切断加工を行うことができる。
【００７６】
以上のように、実施の形態２によれば、磁気移動機構に弾性ヒンジを備えた構成となっている。この結果、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、電磁石の電流をゼロにした状態で計測した原点位置に基づいて、位置情報を補償することができる。この結果、弾性ヒンジの力の釣り合った位置を、加工レンズの位置情報の原点と一致させることができるため、レンズを移動させる際、特定の電磁石の電流値を極端に大きくする必要がなくなるというさらなる効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ ワーク、２ ピアッシング穴、３ 切断溝、４ 溶融物、１０ レーザ発振器、２０ レーザビーム伝送系、２１ ミラー、２２ レーザビーム、２２ａ 光軸、３０ 加工ヘッド本体、３１ 加工レンズ、３１ａ 加工レンズ中心軸、３２、３２Ａ 加工レンズ保持機構、３３、３３Ａ 磁気移動機構、３３０（１） 第１のアクチュエータ、３３０（２） 第２のアクチュエータ、３３０（３） 第３のアクチュエータ、３３０（４） 第４のアクチュエータ、３３０ａ 電磁石、３３０ｂ 磁性体ターゲット、３３１ 位置検出器、３３１ｘ ｘ方向位置検出器、３３１ｙ ｙ方向位置検出器、３３２ 位置検出器ターゲット、３３２ｘ ｘ方向位置検出器ターゲット、３３２ｙ ｙ方向位置検出器ターゲット、３３３ｘ 第２のｘ方向位置検出器、３３３ｙ 第２のｙ方向位置検出器、３３４ｘ 第２のｘ方向位置検出器ターゲット、３３４ｙ 第２のｙ方向位置検出器ターゲット、３３５ 保持部材、３３６ 第１板ばね、３３７ 第２板ばね、３４ 仕切板、３５ 固定台、３６ 加工ノズル、３７ 開口、３７ａ 開口中心、４０ ガス供給装置（ガス供給部）、４２ ガスバルブ、４１ 加工ガス導入パイプ、４３ 加工ガス、５０ 制御装置（制御部）、１００ レーザ加工装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、切断加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工ガスを用いた従来のレーザ切断加工では、加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、レーザビームの光軸中心とを偏心させ、レーザビームの光軸を加工ノズルの開口中心より加工進行方向に片寄らせることが広く知られている。これにより、溶融物の流れ方向およびスパッタ付着領域を制御し、高品質な切断加工を可能としている。
【０００３】
加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させる方式としては、次のようなものがある。たとえば、加工ノズルを、駆動装置である２つの駆動モータを用いて、レーザビームに直交する平面上の任意の位置へ移動させる方法、あるいは、レーザビーム光軸を法線とした曲面上の任意の位置へ移動させる方法などが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の方式として、レーザビーム光軸に対する加工ノズルの開口中心の偏心量を、加工するワークの材質、板厚などによってあらかじめ設定し、駆動モータにより加工ノズルをハウジングごと回転させることにより、加工方向と偏心方向を維持する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、この特許文献２には、偏心方向、偏心量を、駆動モータに備え付けられたエンコーダによって検出し、加工ヘッド本体をＮＣで走査制御する方法も開示されている。
【０００５】
また、このような方式とは別に、ミラー、加工レンズを、小型モータを用いて、クランク機構により揺動する方法も開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２８７１１２号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６６３号公報
【特許文献３】特開平５−１６９２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１および特許文献２における加工ヘッド本体は、加工ガスの圧力が常にかかっている状態である。したがって、気密を保ったままで移動するための構造と、ガス圧力に対する耐圧構造の両方が必要であり、加工ヘッド本体の構造が複雑になるとともに、重量が増加するという問題点があった。
【０００８】
さらに、加工ヘッド本体を走査するレーザ加工装置の場合には、加工ヘッド本体の重量が重くなると、加工ヘッド本体の走査機構にも負荷がかかり、走査速度が低下し、走査精度が悪くなる問題点があった。
【０００９】
また、特許文献３においては、駆動モータの回転運動を直線運動に変換するために、ボールネジ、スパーギア（平歯車）、クランク機構等の機械的機構を必要とする、しかしながら、このような機械的送り機構では、バックラッシュ等を避けがたく、そのために位置決め精度に限界があるという問題点があった。
【００１０】
さらに、レンズ位置あるいはノズル位置の直接の計測、レンズ位置のフィードバックによる位置制御に関しては、いずれの特許文献にも開示されていない。
【００１１】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、加工ガスを供給するガス供給部と、レーザ発振器から発振されたレーザビームを、加工ノズルから出射するとともに、ガス供給部から供給された加工ガスを加工ノズルから噴出することで、加工対象であるワークの切断加工を行う加工ヘッド本体と、ワークの種類および加工条件に基づいて、レーザ発振器から発振されるレーザビームのビーム出力およびガス供給部から供給される加工ガスの供給量を制御するとともに、加工ノズルから出射されるレーザビームの光軸を、加工ノズルの開口中心に対して片寄らせる偏心量制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置であって、加工ヘッド本体は、レーザ発振器から発振されたレーザビームをワークに向けて集光させる加工レンズと、複数の電磁石による磁気駆動により、加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させる磁気移動機構と、加工レンズの位置情報を計測する位置検出器とを有し、制御部は、位置検出器で計測された位置情報が目標位置となるように、複数の電磁石の電流値をフィードバック制御し、加工レンズを目標位置に２軸移動させることで偏心量制御を行うとともに、フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で位置検出器により計測された原点位置情報に基づいて、フィードバック制御の実行中に位置検出器により計測される位置情報を補償するものである。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、加工対象であるワークの切断加工を行う際に、レーザビームをワークに向けて集光させる加工レンズをレーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させることで、加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、レーザビームの光軸中心との偏心量を制御するレーザ加工方法であって、偏心量の制御の実行前に、加工レンズの本来原点であるべき位置を原点位置情報として計測するステップと、偏心量の制御の実行中に計測される加工レンズの位置情報を原点位置情報に基づいて補償するステップと、補償後の位置情報が目標位置となるように偏心量の制御を行うステップとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、電磁石に流れる電流、あるいはレンズで吸収されるレーザ光に起因して、距離測定系の温度上昇による計測値の変化があった場合にも、実際に加工を行う際の温度状態において、本来原点であるべき位置の測定を行い、この測定結果に基づいて加工レンズの位置補正を行うことにより、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの使用態様を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの別の使用態様を示す断面図ある。
【図４】本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構の一使用態様を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１による先の図２の磁気移動機構を示す別の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の磁気移動機構を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の各実施の形態について図面に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。また、各図においては、切断加工を行う面をｘｙ平面とし、それに垂直な方向をｚ軸として定義している。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。本実施の形態１におけるレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０、レーザビーム伝送系２０、加工ヘッド本体３０、ガス供給装置４０（ガスボンベ４０）、および制御装置５０を備えて構成されている。
【００１８】
レーザビーム伝送系２０は、レーザ発振器１０から発振されたレーザビーム１１を、複数のミラー２１を介して、加工ヘッド本体３０内に伝送する。また、加工ヘッド本体３０には、加工ノズル３６が取り付けられている。
【００１９】
また、ガスボンベ４０には、加工ガス導入パイプ４１が接続されており、この加工ガス導入パイプ４１を介して、加工ノズル３６に加工ガス４３が供給される。また、加工ガス導入パイプ４１の途中には、加工ガス４３の供給量を調整するためのガスバルブ４２が設けられている。
【００２０】
そして、制御装置５０は、ワーク１の種類、加工条件に基づいて、ガスバルブ４２による加工ガス４３の供給量、レーザ発振器１０のビーム出力、および加工ヘッド本体３０の駆動をそれぞれ制御する。
【００２１】
ここで、ワーク１は、金属、樹脂、セラミック、ガラス、結晶等、様々な材料が対象である。特に、ワーク１が金属である場合には、加工ガス４３により、金属の酸化熱を発生し、切断をより高速に行うことができる。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体３０、加工ノズル３６およびワーク１の使用態様を示す断面図である。より具体的には、ピアッシング時（切断加工の開始位置に貫通穴を開ける加工）の詳細構成を示している。
【００２３】
加工ヘッド本体３０は、加工レンズ３１、加工レンズ保持機構３２、磁気移動機構３３、仕切板３４、および固定台３５を含んで構成されている。加工レンズ３１は、ピアッシング時において、加工ヘッド本体３０内部の中心軸線上に円形として配置されている。そして、加工レンズ保持機構３２は、加工レンズ３１を囲い、周縁部を保持している。
【００２４】
磁気移動機構３３は、加工レンズ３１の周囲に設けられ加工レンズ保持機構３２を、レーザビーム２２の光軸２２ａに対して垂直な平面内（ＸＹ平面内）で２軸直線移動させることで、加工レンズ３１を移動させる。また、仕切板３４は、加工レンズ３１に対向して設けられ、加工ガス４３が加工ノズル３６を通じて加工ヘッド本体３０の内部に侵入するのを阻止している。また、固定台３５は、磁気移動機構３３を固定しており、この磁気移動機構３３の詳細については、後述する。
【００２５】
加工ノズル３６は、加工ガス導入パイプ４１の先端部が内部に臨んでおり、先端にワーク１に対向した開口３７が形成されている。そして、この加工ガス導入パイプ４１を介してガスボンベ４０から加工ノズル３６へ加工ガス４３が供給される。ここで、例えば、ガスボンベ４０には、酸素（Ｏ２）ガスや窒素（Ｎ２）ガスが収容されている。また、この加工ガス導入パイプ４１には、加工ガス４３の供給量を調整するガスバルブ４２が取り付けられており、制御装置５０により供給量を調整できる構成となっている。なお、ガスボンベ４０の代わりに、高圧空気を供給するコンプレッサを用いてもよい。
【００２６】
制御装置５０は、ガスバルブ４２、レーザ発振器１０および磁気移動機構３３にそれぞれ接続されており、ワークの種類、加工条件に基づいて、加工ガス４３の供給量、レーザ発振器１０のビーム出力、および加工レンズ３１の位置を制御する。ここで、制御装置５０は、固定台３５に固定された位置検出器３３１と加工レンズ保持機構３２に固定された位置検出器ターゲット３３２との間隔を、位置検出器３３１で計測することで、加工レンズ３１の位置を求める。
【００２７】
本実施の形態１におけるこのようなレーザ加工装置１００では、レーザ発振器１０から発振されたレーザビーム２２が、レーザビーム伝送系２０を介して加工ヘッド本体３０内に導かれる。さらに、この加工ヘッド本体３０では、導入されたレーザビーム２２が加工レンズ３１により集光され、加工ノズル３６の先端の開口３７を通じて、ワーク１に照射される。
【００２８】
図２に示されたレーザ加工装置１００は、ピアッシング加工時を示している。このため、ワーク１は、静止しており、レーザビーム２２の光軸２２ａは、加工レンズ３１の中心および加工ノズル３６の開口３７の開口中心３７ａと一致している。
【００２９】
一方、加工ガス導入パイプ４１から加工ノズル３６に導入された加工ガス４３は、加工ノズル３６の開口３７からワーク１に噴出される。ワーク１では、レーザビーム２２と加工ガス４３により材料が加熱、溶融され、吹き飛ばされる。この動作により、ピアッシング穴２が形成され、切断の開始位置となる貫通穴が形成される。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態１による図１の加工ヘッド本体、加工ノズルおよびワークの別の使用態様を示す断面図ある。より具体的には、切断加工時の詳細構成を示しており、ワーク１において、レーザビーム２２が走査された部分に、切断溝３が形成されて、切断加工が行われる。
【００３１】
ここで、図３は、磁気移動機構３３により加工レンズ３１を移動させ、光軸２２ａに対して加工レンズ中心軸３１ａを、図３中の符号Ｄ１の方向に移動させた場合を示している。この場合、レーザビーム２２は、加工レンズ中心軸３１ａの方向に曲げられ、加工レンズ中心軸３１ａ上で集光される。レーザビーム２２が曲げられたことで、加工ノズル３６の開口３７部分でのレーザビーム２２の位置は、開口中心３７ａから離れた位置になる。
【００３２】
例えば、図３に示すように、開口中心３７ａに対して、レーザビーム２２の位置を加工進行方向に偏心させた場合には、切断溝３が形成された後においては、加工ガス４３と溶融物４が、切断溝３に沿ってスムーズに流れる。
【００３３】
ここで、磁気移動機構３３は、２軸直線移動を行う機構の組み合わせになっており、ワーク１の種類、加工条件に基づいて、制御装置５０により、任意の位置に制御される。また、レーザビーム２２の偏心量は、ワーク１の加工材料、厚み、加工ガス４３の種類、吹き付け量、加工速度、レーザビーム２２の強度等のパラメータによって、選択される。
【００３４】
図４は、本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構３３を示す構成図である。より具体的には、ピアッシング時における磁気移動機構３３の構成をＸＹ平面で表したものである。加工レンズ３１を保持する加工レンズ保持機構３２には、第１のアクチュエータ３３０（１）、第２のアクチュエータ３３０（２）、第３のアクチュエータ３３０（３）および第４のアクチュエータ３３０（４）が、４方向から取り付けられている。
【００３５】
第１のアクチュエータ３３０（１）と、この第１のアクチュエータ３３０（１）に対向して設けられた第２のアクチュエータ３３０（２）とが、加工レンズ３１をｘ方向に移動させるアクチュエータに相当する。また、第３のアクチュエータ３３０（３）と、この第３のアクチュエータ３３０（３）に対向して設けられた第４のアクチュエータ３３０（４）とが、加工レンズ３１をｙ方向に移動させるアクチュエータに相当する。
【００３６】
また、第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）のそれぞれは、四角形状の固定台３５に固定された電磁石３３０ａと、各電磁石３３０ａに対向して加工レンズ保持機構３２に固定された磁性体ターゲット３３０ｂとから構成されている。ここで、加工レンズ保持機構３２は、空気、油、磁性流体等の静圧案内、あるいは、板ばね等で構成される弾性ヒンジ案内により、ｚ方向の位置が規定されている。
【００３７】
また、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、固定台３５に固定され、対向して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘが加工レンズ保持機構３２に固定されている。そして、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測する。
【００３８】
同様に、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、固定台３５に固定され、対向して、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙが加工レンズ保持機構３２に固定されている。そして、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙまでの距離を計測する。
【００３９】
図４では、先の図２に示すようなピアッシング時を示しており、制御装置５０は、加工レンズ３１の光軸２２ａがレーザビーム２２の中心を通過するように、それぞれの第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）の各電磁石３３０ａに流れる電流を制御している。
【００４０】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、レンズ位置のフィードバック制御を行っている。
【００４１】
一方、図５は、本発明の実施の形態１による図２の磁気移動機構３３の一使用態様を示す構成図である。より具体的には、切断加工時における磁気移動機構３３の構成をＸＹ平面で表したものであり、先の図３に示すように、光軸２２ａから加工レンズ中心軸３１ａをＸ方向に偏心させた状態を示している。
【００４２】
ここでは、ｘ方向に偏心させる位置の設定値に基づいて、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）の電磁石３３０ａに流れる電流を大きくして、磁性体ターゲット３３０ｂを電磁石３３０ａに引き寄せることで、磁性体ターゲット３３０ｂと一体の加工レンズ保持機構３２をｘマイナス側に引き寄せ、加工レンズ３１をｘマイナス方向に移動させている。
【００４３】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、アクチュエータのフィードバック制御を行っている。
【００４４】
この例は、Ｘ方向へ移動させる場合の一例であり、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）〜第４のアクチュエータ３３０（４）のそれぞれの電磁石３３０ａに流れる電流値を変えることで、それぞれの電磁石３３０ａと磁性体ターゲット３３０ｂとが接触しない範囲で、加工レンズ保持機構３２をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００４５】
すなわち、先の図５では、Ｘ方向に移動させる場合を例示したが、制御装置５０は、Ｙ方向に関しても、ｙ方向位置検出器３３１ｙとｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙにより、ｙ方向の位置情報を得ることができる。この結果、制御装置５０は、加工レンズ３１を、ｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００４６】
次に、位置検出器を介して取得した位置情報に基づいて、制御装置５０が温度変化に対する位置補償を行う方法について、具体的に説明する。電磁石３３０ａは、電流を流すと発熱し、この熱は、固定台３５を経て、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの温度を上昇させる。
【００４７】
また、レーザビーム２２のエネルギーの一部は、加工レンズ３１で吸収され、熱に変わり、加工レンズ保持機構３２を介して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘ、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙの温度を上昇させる。さらに、電磁石３３０ａの発熱、レーザビーム２２のエネルギーの吸収に起因する発熱は、接触部分、雰囲気における磁気移動機構３３全体の温度を上昇させる。
【００４８】
これらの温度上昇により、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの計測値がドリフトすることとなる。その結果、正確な位置情報が得られなくなり、加工レンズ３１を目的の位置に移動できなくなる。
【００４９】
そこで、本実施の形態１のレーザ加工装置１００における制御装置５０は、４個の電磁石３３０ａに対して等しい電流を流した状態における、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙのそれぞれの計測値を原点位置として求め、その後に計測された位置情報を補償している。
【００５０】
すなわち、この原点位置は、本来原点であるべき位置に相当し、位置検出器による計測値としては温度ドリフトした結果となるが、アクチュエータからの一定出力に基づく再現性のある原点位置となる。
【００５１】
これにより、常に、４個の電磁石３３０ａの電気吸引力が釣り合う位置を原点とすることができるので、加工レンズ３１の位置情報を補正でき、正確なレンズ位置の制御が可能になる。この結果、加工レンズ３１は、電磁石３３０ａに流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ正確な位置情報に基づく制御により、高精度で位置決めされる。
【００５２】
従って、磁気移動機構３３が電磁石３３０ａの発熱、あるいはレーザビーム２２の吸収等により温度変化した場合にも、加工ノズル３６の中心とレーザビーム２２の光軸２２ａとを高速度、高精度で偏心させることができる。これにより、レーザビーム２２の光軸２２ａを加工ノズル３６の開口中心３７ａより加工進行方向に偏らせることで、加工ガス４３と溶融物４が切断溝３に沿ってスムーズに流れることを可能とし、高品質の切断加工を行うことができる。
【００５３】
なお、電磁石３３０ａに等しい電流を流した状態で、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙの計測値を原点位置として位置情報を補償するためには、加工ヘッド本体３０が、加速度運動を行っていない状態であることが必要である。なぜならば、加工ヘッド本体３０が、加速度運動を行っていると、加工レンズ保持機構３２に電磁石３３０ａの吸引力以外の力が加わり、加工レンズ保持機構３２が原点位置に保持されていないこととなるからである。
【００５４】
また、レーザビーム２２をワーク１に照射する加工中は、加工レンズ保持機構３２の位置制御を行っているので、位置情報を補償することができない。そこで、制御装置５０は、レーザ加工装置１００が加工動作中で、レーザ加工ヘッド本体３０が停止しており、かつ、ワーク１にレーザビーム２２が照射されてない時間に、位置情報を補償する。位置情報を補償する時間は、加工形状、加工経路により異なるが、制御装置５０により、任意に設定することができる。
【００５５】
以上のように、実施の形態１によれば、電磁石に流れる電流あるいはレンズで吸収されるレーザ光に起因して、距離測定系の温度上昇による計測値の変化があった場合にも、実際に加工を行う際の温度状態において、本来原点であるべき位置の測定を行うことで、この測定結果に基づく加工レンズの位置補正を行っている。
【００５６】
これにより、移動機構の発熱、レーザ光の吸収等の原因で温度変化が発生した場合にも、安定して高速に高精度で、加工ノズルの開口の中心とレーザビームの光軸とを偏心させることのできるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることができる。
【００５７】
具体的には、レーザ加工機が加工動作中のレーザ加工ヘッドが停止している時間に、位置情報の補償を行うことで、常に変化する温度環境に追従できる。さらに、磁気移動機構が磁石の発熱、レーザ光の吸収等により温度変化しても、安定して高速、高精度加工が実現できる。
【００５８】
なお、上述した実施の形態１では、ｘ方向、ｙ方向の位置検出器と位置検出器ターゲットがそれぞれ１組の場合を示したが、本発明は、このような構成に限定されるものではない。図６は、本発明の実施の形態１による先の図２の磁気移動機構３３を示す別の構成図である。
【００５９】
例えば、この図６では、ｘ方向位置検出器３３１ｘとｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘに対して、加工レンズ保持機構３２を挟んで対称な位置に、第２のｘ方向位置検出器３３３ｘと第２のｘ方向位置検出器ターゲット３３４ｘを配置している。このような２組の配置とすることで、ｘ方向位置検出器３３１ｘと第２のｘ方向位置検出器３３３ｘの差動計測により、より安定した位置情報を得ることができる。ｙ方向についても同様である。
【００６０】
さらに、位置検出器と位置検出器ターゲットを追加すれば、加工レンズ保持機構３２のねじれや、ｚ方向の移動等の姿勢情報を検出することができる。
【００６１】
また、位置検出器としては、渦電流を利用したもの、静電容量を利用したもの、光の反射を利用したもの、音波を利用したもの等、加工レンズ保持機構３２の移動範囲、位置精度により、任意に選択することができる。
【００６２】
実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１の構成に対して、ばねによる保持機構をさらに備えた磁気移動機構３３Ａについて説明する。図７は、本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置１００の磁気移動機構３３Ａを示す構成図である。
【００６３】
本実施の形態２では、四角形状の加工レンズ保持機構３２Ａの四隅のそれぞれに、第１板ばね３３６の一端部が接続されている。図７において、上下方向に延びた各第１板ばね３３６の他端部には、第１板ばね３３６に対してほぼ直角で外側方向に延びた第２板ばね３３７の一端部が接続されている。対向した、第１板ばね３３６と第２板ばね３３７との接続部位間は、保持部材３３５で接続されている。さらに、第２板ばね３３７の他端部は、固定台３５に接続されている。
【００６４】
第１板ばね３３６および第２板ばね３３７は、ｚ方向に幅広で、ｘ方向またはｙ方向に肉薄である。そして、このようなバネ機構により、加工レンズ保持機構３２Ａは、ｚ方向への動きが規制され、レーザビーム２２の光軸２２ａに垂直なｘｙ平面内を移動することができる。
【００６５】
ここで、第１板ばね３３６は、例えば、ステンレス、リン青銅、ベリリウム銅などのばね鋼材の薄板を、矩形平板に打ち抜いて作製されている。第２板ばね３３７は、第１板ばね３３６と同じ材料を用い、同じ形状に作製されている。また、保持部材３３５は、例えば、アルミニウムなどの厚い板材を矩形平板に成形して作製されている。
【００６６】
なお、第１板ばね３３６、第２板ばね３３７および保持部材３３５により、加工レンズ３１が光軸２２ａの方向であるｚ方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを構成している。
【００６７】
また、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、固定台３５に固定され、対向して、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘが加工レンズ保持機構３２Ａに固定されている。そして、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測する。
【００６８】
同様に、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、固定台３５に固定され、対向して、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙが加工レンズ保持機構３２Ａに固定されている。そして、ｙ方向位置検出器３３１ｙは、ｙ方向位置検出器ターゲット３３２ｙまでの距離を計測する。他の構成は、先の実施の形態１のレーザ加工装置１００と同じである。
【００６９】
図７では、先の実施の形態１における図５と同様に、加工レンズ３１がｘマイナス方向に移動している状態を示している。この状態のときには、制御装置５０は、第１のアクチュエータ３３０（１）および第２のアクチュエータ３３０（２）の電磁石３３０ａに流れる電流を制御している。この結果、４枚の第１板ばね３３６がｘｙ平面内で曲げられ、第１のアクチュエータ３３０（１）、第２のアクチュエータ３３０（２）の電磁力と第１板ばね３３６の弾性力との釣り合った位置で、加工レンズ保持機構３２Ａの位置が保持されている。
【００７０】
また、加工レンズ３１をｙ方向に移動させる場合には、制御装置５０は、第３のアクチュエータ３３０（３）、第４のアクチュエータ３３０（４）の電磁石３３０ａに流れる電流を制御する。この結果、両端部が保持部材３３５と固定台３５とにそれぞれ固定された４枚の第２板ばね３３７がｘｙ平面内で曲げられ、第３のアクチュエータ３３０（３）、第４のアクチュエータ３３０（４）の電磁力と第２板ばね３３７の弾性力との釣り合った位置で、加工レンズ保持機構３２Ａの位置が保持されている。
【００７１】
このとき、同時に、ｘ方向位置検出器３３１ｘは、ｘ方向位置検出器ターゲット３３２ｘまでの距離を計測し、制御装置５０は、ｘ方向の位置情報をｘ方向位置検出器３３１ｘから読み取る。そして、制御装置５０は、設定値（目標値）と位置情報（フィードバック値）との差が小さくなるように、レンズ位置のフィードバック制御を行っている。
【００７２】
このような構成を備えることで、先の実施の形態１のレーザ加工装置と同様の効果を得ることができるとともに、さらに、磁気移動機構３３Ａが弾性ヒンジを備えているため、電磁石３３０ａに電流を流さない状態でも弾性ヒンジの復元力により、加工レンズ保持機構３２Ａを一定の位置に保つことができる。
【００７３】
すなわち、電磁石３３０ａに電流を流さない状態での加工レンズ保持機構３２Ａの一定の位置とは、本来原点であるべき位置に相当し、位置検出器による計測値としては温度ドリフトした結果となるが、弾性ヒンジによる一定の復元力に基づく再現性のある原点位置となる。
【００７４】
従って、電磁石３３０ａの電流をゼロにした状態における、ｘ方向位置検出器３３１ｘ、ｙ方向位置検出器３３１ｙのそれぞれの計測値を原点位置として求めることで、位置情報を補償することができる。すなわち、弾性ヒンジの力の釣り合った位置を、加工レンズの位置情報の原点と一致させることができるため、レンズを移動させる際、特定の電磁石３３０ａの電流値を極端に大きくする必要がなく、電磁石３３０ａの電流値に偏りを出なくさせることができる。
【００７５】
従って、磁気移動機構３３Ａが電磁石３３０ａの発熱、レーザビーム２２の吸収等により温度変化しても、加工ノズル３６の中心とレーザビーム２２の光軸２２ａとを高速度、高精度で偏心させることができ、レーザビーム２２の光軸２２ａを加工ノズル３６の開口中心３７ａより加工進行方向に偏らせることができる。この結果、加工ガス４３と溶融物４が切断溝３に沿ってスムーズに流れることを可能とし、高品質の切断加工を行うことができる。
【００７６】
以上のように、実施の形態２によれば、磁気移動機構に弾性ヒンジを備えた構成となっている。この結果、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、電磁石の電流をゼロにした状態で計測した原点位置に基づいて、位置情報を補償することができる。この結果、弾性ヒンジの力の釣り合った位置を、加工レンズの位置情報の原点と一致させることができるため、レンズを移動させる際、特定の電磁石の電流値を極端に大きくする必要がなくなるというさらなる効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ ワーク、２ ピアッシング穴、３ 切断溝、４ 溶融物、１０ レーザ発振器、２０ レーザビーム伝送系、２１ ミラー、２２ レーザビーム、２２ａ 光軸、３０ 加工ヘッド本体、３１ 加工レンズ、３１ａ 加工レンズ中心軸、３２、３２Ａ 加工レンズ保持機構、３３、３３Ａ 磁気移動機構、３３０（１） 第１のアクチュエータ、３３０（２） 第２のアクチュエータ、３３０（３） 第３のアクチュエータ、３３０（４） 第４のアクチュエータ、３３０ａ 電磁石、３３０ｂ 磁性体ターゲット、３３１ 位置検出器、３３１ｘ ｘ方向位置検出器、３３１ｙ ｙ方向位置検出器、３３２ 位置検出器ターゲット、３３２ｘ ｘ方向位置検出器ターゲット、３３２ｙ ｙ方向位置検出器ターゲット、３３３ｘ 第２のｘ方向位置検出器、３３３ｙ 第２のｙ方向位置検出器、３３４ｘ 第２のｘ方向位置検出器ターゲット、３３４ｙ 第２のｙ方向位置検出器ターゲット、３３５ 保持部材、３３６ 第１板ばね、３３７ 第２板ばね、３４ 仕切板、３５ 固定台、３６ 加工ノズル、３７ 開口、３７ａ 開口中心、４０ ガス供給装置（ガス供給部）、４２ ガスバルブ、４１ 加工ガス導入パイプ、４３ 加工ガス、５０ 制御装置（制御部）、１００ レーザ加工装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
加工ガスを供給するガス供給部と、
前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームを加工ノズルから出射するとともに、前記ガス供給部から供給された前記加工ガスを前記加工ノズルから噴出することで、加工対象であるワークの切断加工を行う加工ヘッド本体と、
前記ワークの種類および加工条件に基づいて、前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのビーム出力および前記ガス供給部から供給される前記加工ガスの供給量を制御するとともに、前記加工ノズルから出射されるレーザビームの光軸を、前記加工ノズルの開口中心に対して片寄らせる偏心量制御を行う制御部と
を備えたレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、
前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、
複数の電磁石による磁気駆動により、前記加工レンズを前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させる磁気移動機構と、
前記加工レンズの位置情報を計測する位置検出器と
を有し、
前記制御部は、前記位置検出器で計測された前記位置情報が目標位置となるように、前記複数の電磁石の電流値をフィードバック制御し、前記加工レンズを前記目標位置に２軸移動させることで前記偏心量制御を行うとともに、前記フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で前記位置検出器により計測された原点位置情報に基づいて、前記フィードバック制御の実行中に前記位置検出器により計測される前記位置情報を補償する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記複数の電磁石の電流値を等しく設定することで、前記フィードバック制御の実行前における前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記磁気移動機構は、前記複数の電磁石の電流値が０に設定された際に、前記加工レンズが本来原点であるべき位置となるような弾性ヒンジ機構を有し、
前記制御部は、前記複数の電磁石の電流値を０に設定することで、前記フィードバック制御の実行前における前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記フィードバック制御の実行前であり、前記レーザ加工ヘッドが停止中であり、かつ前記ワークに前記レーザビームが照射されていない時間に、前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記加工レンズの中心軸が前記加工ノズルの前記開口中心よりも加工進行方向側に位置するように前記偏心量制御を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、加工対象であるワークの切断加工を行う際に、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズを前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させることで、前記加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、前記レーザビームの光軸中心との偏心量を制御するレーザ加工方法であって、
前記偏心量の制御の実行前に、前記加工レンズの本来原点であるべき位置を原点位置情報として計測するステップと、
前記偏心量の制御の実行中に計測される前記加工レンズの位置情報を前記原点位置情報に基づいて補償するステップと、
補償後の位置情報が目標位置となるように前記偏心量の制御を行うステップと
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
加工ガスを供給するガス供給部と、
前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームを加工ノズルから出射するとともに、前記ガス供給部から供給された前記加工ガスを前記加工ノズルから噴出することで、加工対象であるワークの切断加工を行う加工ヘッド本体と、
前記ワークの種類および加工条件に基づいて、前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのビーム出力および前記ガス供給部から供給される前記加工ガスの供給量を制御するとともに、前記加工ノズルから出射されるレーザビームの光軸を、前記加工ノズルの開口中心に対して片寄らせる偏心量制御を行う制御部と
を備えたレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、
前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、
複数の電磁石による磁気駆動により、前記加工レンズを前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させる磁気移動機構と、
前記加工レンズの位置情報を計測する位置検出器と
を有し、
前記制御部は、前記位置検出器で計測された前記位置情報が目標位置となるように、前記複数の電磁石の電流値をフィードバック制御し、前記加工レンズを前記目標位置に２軸移動させることで前記偏心量制御を行うとともに、前記フィードバック制御の実行前に本来原点であるべき位置で前記位置検出器により計測された原点位置情報に基づいて、前記フィードバック制御の実行中に前記位置検出器により計測される前記位置情報を補償する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記複数の電磁石の電流値を等しく設定することで、前記フィードバック制御の実行前における前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記磁気移動機構は、前記複数の電磁石の電流値が０に設定された際に、前記加工レンズが本来原点であるべき位置となるような弾性ヒンジ機構を有し、
前記制御部は、前記複数の電磁石の電流値を０に設定することで、前記フィードバック制御の実行前における前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記フィードバック制御の実行前であり、前記レーザ加工ヘッドが停止中であり、かつ前記ワークに前記レーザビームが照射されていない時間に、前記原点位置情報の計測を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記加工レンズの中心軸が前記加工ノズルの前記開口中心よりも加工進行方向側に位置するように前記偏心量制御を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、加工対象であるワークの切断加工を行う際に、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズを前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内または曲面内で２軸移動させることで、前記加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、前記レーザビームの光軸中心との偏心量を制御するレーザ加工方法であって、
前記偏心量の制御の実行前に、前記加工レンズの本来原点であるべき位置を原点位置情報として計測するステップと、
前記偏心量の制御の実行中に計測される前記加工レンズの位置情報を前記原点位置情報に基づいて補償するステップと、
補償後の位置情報が目標位置となるように前記偏心量の制御を行うステップと
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８７６０６（Ｐ２０１２−１８７６０６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２８０３（Ｐ２０１１−５２８０３）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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