レーザ加工装置
【課題】従来のレーザ加工装置は、加工ヘッド本体の重量が重く、高速、高精度な加工が困難である。
【解決手段】この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザビーム７が伝送される加工ヘッド本体３と、開口８がワーク５に指向した加工ノズル２と、この加工ノズル２に加工ガス６を供給するガス供給装置と、加工ヘッド本体３に設けられ加工ガス６が加工ヘッド本体３の内部に侵入するのを阻止する仕切板２１とを備え、加工ヘッド本体３は、レーザビーム７をワーク５に向けて集光させる加工レンズ１３を有しているレーザ加工装置であって、加工ヘッド本体３は、加工レンズ１３を、レーザビーム７の光軸１に対し垂直な平面内で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構４を備えている。
【解決手段】この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザビーム７が伝送される加工ヘッド本体３と、開口８がワーク５に指向した加工ノズル２と、この加工ノズル２に加工ガス６を供給するガス供給装置と、加工ヘッド本体３に設けられ加工ガス６が加工ヘッド本体３の内部に侵入するのを阻止する仕切板２１とを備え、加工ヘッド本体３は、レーザビーム７をワーク５に向けて集光させる加工レンズ１３を有しているレーザ加工装置であって、加工ヘッド本体３は、加工レンズ１３を、レーザビーム７の光軸１に対し垂直な平面内で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構４を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加工ガスを用いた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を偏芯させ、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で、溶融物の流れ方向、スパッタ付着領域を制御し高品質な切断加工が可能であることが広く知られている。
加工ノズル中心とレーザビームの光軸を偏芯させる方式としては、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を任意の位置へ移動する方法、あるいはレーザビーム光軸を法線とした曲面上を任意の位置へ移動する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
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、板厚などによって予め設定し、加工ノズルを駆動モータにより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）。
これに対して、ミラー、加工レンズを小型モータを用い、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２８７１１２号公報（段落[０００９]、図１から図４）
【特許文献２】特開平１１−９０６６３号公報（段落[００１２]から[００１５]、図３、図４）
【特許文献３】特開平５−１６９２８５号公報（段落[００１０]、[００１１]、図１から図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１及び２のものによれば、加工ヘッド本体は、加工ガスの圧力が常にかかっており、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が必要であり、加工ヘッド本体の構造が複雑になると共に、重量が増加する問題点があった。
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、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。
また、上記特許文献３のものによれば、駆動モータの回転運動を直線運動に変換するためには、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し、このような機械的送り機構に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。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、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を偏芯することができるレーザ加工装置に提供す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】
【０００６】
この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、前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構を備えている。
【０００７】
また、この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、前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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曲面内で電磁石による磁気駆動で２軸曲線移動させる磁気移動機構を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係るレーザ加工装置によれば、仕切板により加工ガスが加工ヘッド本体の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体は、加工ガスに対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズは、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構により２軸直線移動または２軸曲線移動するので、加工ヘッド本体は、小型化させる。
また、加工レンズは、電磁石に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【図２】図１の加工ヘッド本体、加工ノズル及びワークの使用態様を示す断面図である。
【図３】図１の加工ヘッド本体、加工ノズル及びワークの別の使用態様を示す断面図ある。
【図４】図２の磁気移動機構を示す構成図である。
【図５】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】この発明の実施の形態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。
【図７】図７（ａ）は、この発明の実施の形態３によるレーザ加工装置の磁気移動機構４Ｂを示す構成図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図である。
【図８】図８（ａ）は、この発明の実施の形態４によるレーザ加工装置の磁気移動機構を示す構成図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）はこの発明の実施の形態４によるレーザ加工装置の加工レンズ移動時の各模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態４のｙ方向移動用板ばねの変形例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の各実施の形態について図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。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
なお、各図において、切断加工を行う面は、ｘｙ平面で、それに垂直な方向をｚ軸と定義する。
このレーザ加工装置３０は、レーザビーム７を発振するレーザ発振器１１と、レーザビーム７を加工ヘッド本体３内に複数のミラー１２を介して伝送するレーザビーム伝送系２０と、この加工ヘッド本体３に取付けられた加工ノズル２と、この加工ノズル２に加工ガス６を供給するガス供給装置と、ワーク５の種類、加工条件に基づいて、加工ガス６の供給量、レーザ発振器１１のビーム出力、加工ヘッド本体３の駆動をそれぞれ制御する制御装置１６とを備えている。
ここで、ワーク５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５が金属である場合、加工ガス６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。
【００１２】
図２は、図１の加工ヘッド本体３、加工ノズル２及びワーク５の断面図であり、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。
加工ヘッド本体３は、内部の中心軸線上に配置された円形の加工レンズ１３と、この加工レンズ１３を囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構１７と、この加工レンズ保持機構１７の周囲に設けられ加工レンズ１３をレーザビーム７の光軸１に対して垂直な平面内で２軸直線移動させる磁気移動機構４と、加工レンズ１３に対向して設けられ、加工ガス６が加工ノズル２を通じて加工ヘッド本体３の内部に侵入するのを阻止する仕切板２１とを備えている。
加工ノズル２は、加工ガス導入パイプ２２の先端部が内部に臨んでおり、先端にワーク５に対向した開口が形成されている。
ガス供給装置は、例えば、酸素（Ｏ２）ガスや窒素（Ｎ２）ガスを収容したガスボンベ１４と、このガスボンベ１４と加工ノズル２とを接続した加工ガス導入パイプ２２と、この加工ガス導入パイプ２２に取付けられ加工ガス６の供給量を調整するガスバルブ１５とを備えている。
なお、ガスボンベ１４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。
制御装置１６は、ガスバルブ１５、レーザ発振器１１及び磁気移動機構４とそれぞれ接続され、ワークの種類、加工条件に基づいて、加工ガス６の供給量、レーザ発振器１１のビーム出力、及び加工レンズ１３の位置を制御する。
【００１３】
このレーザ加工装置３０は、レーザ発振器１１から発振したレーザビーム７は、レーザビーム伝送系２０を介して加工ヘッド本体３内に導かれ、この加工ヘッド本体３では加工レンズ１３により集光され加工ノズル２の先端の開口８を通じてワーク５に照射される。 図２に示されたレーザ加工装置３０は、ピアッシング加工時であるため、ワーク５は静止しており、レーザビーム７の光軸１は、加工レンズ１３の中心及び加工ノズル２の開口８の開口中心９と一致している。
一方、加工ガス６は、加工ガス導入パイプ２２から加工ノズル２に導入され、加工ノズル２の開口８からワーク５に噴出される。ワーク５では、レーザビーム７と加工ガス６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５ａが形成され、切断の開始位置となる貫通穴が形成される。
【００１４】
図３は、図１の加工ヘッド本体３、加工ノズル２及びワーク５の断面図であり、切断加工時の詳細を示すものである。
ワーク５においてレーザビーム７が走査した部分に切断溝５ｂが形成されて、切断加工が行われる。
ここで、加工レンズ１３が磁気移動機構４により、光軸１に対して加工レンズ中心軸２３を符号２４の方向に移動すると、レーザビーム７は、加工レンズ中心軸２３の方向に曲げられ、加工レンズ中心軸２３上で集光される。レーザビーム７が曲げられたことで、レーザビーム７の加工ノズル２の開口８での位置は、開口中心９から離れた位置になる。
例えば、図３に示すように、開口中心９に対して、レーザビーム７の位置を加工進行方向に偏心させた場合、切断溝５ｂが形成された後においては加工ガス６と溶融物１０が切断溝５ｂに沿ってスムーズに流れる。
ここで、磁気移動機構４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５の種類、加工条件に基づいて、任意の位置に制御される。
ここで、レーザビーム７の偏心量は、ワーク５の加工材料、厚み、加工ガス６の種類、吹き付け量、加工速度、レーザビーム７の強度等のパラメータによって選択される。
【００１５】
図４は、図２の磁気移動機構４を示す構成図である。
加工レンズ１３を保持した加工レンズ保持機構１７には、第１のアクチュエータ２５ａ、第２のアクチュエータ２５ｂ、第３のアクチュエータ２５ｃ及び第４のアクチュエータ２５ｄが４方向から取り付けられている。
第１のアクチュエータ２５ａと、この第１のアクチュエータ２５ａに対向して設けられた第２のアクチュエータ２５ｂとが、加工レンズ１３をｘ方向に移動させる。
第３のアクチュエータ２５ｃと、この第３のアクチュエータ２５ｃに対向して設けられた第４のアクチュエータ２５ｄとが、加工レンズ１３をｙ方向に移動させる。
第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄは、それぞれ四角形状の固定台４８に固定された電磁石２６と、各電磁石２６に対向して加工レンズ保持機構１７に固定された磁性体ターゲット２７とから構成されている。
図４では、図２に示すように、加工レンズ１３の光軸１がレーザビーム７の中心を通過するように、制御装置１６がそれぞれの第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に流れる電流を制御している。
【００１６】
一方、図５では、図３に示すように、光軸１から加工レンズ中心軸２３を偏心させた状態を示す。
ここでは、第１のアクチュエータ２５ａの電磁石２６に流れる電流を大きくして、磁性体ターゲット２７を電磁石２６に引き寄せることで磁性体ターゲット２７と一体の加工レンズ保持機構１７をｘマイナス側に引き寄せることで、加工レンズ１３をｘマイナス方向に移動させている。
この例は一例であり、各第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に流れる電流値を変えることで、電磁石２６と磁性体ターゲット２７とが接触しない範囲で加工レンズ保持機構１７をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる、即ち加工レンズ１３をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００１７】
この実施の形態１のレーザ加工装置３０によれば、仕切板２１により加工ガス６が加工ヘッド本体３の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体３は、加工ガス６に対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズ１３は、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構４により２軸直線移動するので、加工ヘッド本体３は、小型化させる。
また、加工レンズ１３は、電磁石２６に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
従って、加工ノズル２の中心とレーザビーム７の光軸１とを高速度、高精度で偏芯させ、レーザビーム７の光軸１を加工ノズル２の開口中心９より加工進行方向に偏らせることで、加工ガス６と溶融物１０が切断溝５ｂ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。
【００１８】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ａを示す構成図である。
この発明の実施の形態２では、四角形状の加工レンズ保持機構１７Ａの四隅のそれぞれに第１板のばね４１の一端部が接続されている。図６において上下方向に延びた各第１の板ばね４１の他端部には、第１の板ばね４１に対してほぼ直角で外側方向に延びた第２の板ばね４２の一端部が接続されている。対向した、第１の板ばね４１と第２の板ばね４２との接続部位間は、保持部材４０で接続されている。第２の板ばね４２の他端部は固定台４８に接続されている。
板ばね４１，４２は、ｚ方向に幅広で、ｘ方向またはｙ方向に肉薄であり、加工レンズ保持機構１７Ａは、ｚ方向への動きが規制され、レーザビーム７の光軸１に垂直なｘｙ平面内を移動することができる。
第１支持板ばね４１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支持板ばね４２は、第１支持板ばね４１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４０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。
なお、第１の板ばね４１、第２の板ばね４２及び保持部材４０により、加工レンズ１３が光軸１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。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００１９】
図６では、加工レンズ１３がｘマイナス方向に移動している状態を示す。
この状態のときには、第１のアクチュエータ２５ａ及び第２のアクチュエータ２５ｂの電磁石２６に流れる電流を制御装置１６からの信号により制御し、第１の板ばね４１がｘｙ平面内で曲げられ、アクチュエータ２５ａ，２５ｂの電磁力と第１の板ばね４１の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構１７Ａの位置が保持されている。
また、加工レンズ１３をｙ方向に移動するには、第３のアクチュエータ２５ｃ、第４のアクチュエータ２５ｄの電磁石２６に流れる電流を制御装置１６からの信号により制御し、両端部が保持部材４０と固定台４８とにそれぞれ固定された４枚の第２の板ばね４２がｘｙ平面内で曲げられ、アクチュエータ２５ｃ，２５ｄの電磁力と第２の板ばね４２の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構１７Ａの位置が保持されている。
【００２０】
この実施の形態によるレーザ加工装置３０によれば、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構４Ａは、加工レンズ１３が光軸１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備えたので、実施の形態１のレーザ加工装置３０と比較して、加工レンズ１３とワーク５との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
【００２１】
実施の形態３．
図７（ａ）は、この発明の実施の形態３によるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ｂを示す構成図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図であり、図７（ａ）では、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、加工レンズ保持機構１７Ｂに、各電磁石２６に対向した部位にプリロード用磁性体ターゲット４４がそれぞれ埋設されている。また四角形状の加工レンズ保持機構１７Ｂには、各隅部に磁性流体用磁性体ターゲット４６がそれぞれ埋設されている。
固定台４８には、プリロード用磁性体ターゲット４４と対向してプリロード用電磁石４３が埋設されており、また磁性流体用磁性体ターゲット４６と対向して磁性流体用電磁石４５が埋設されている。磁性流体用磁性体ターゲット４６と磁性流体用電磁石４５の間には、磁性流体４７が挟み込まれている。
磁性流体用磁性体ターゲット４６及び磁性流体用電磁石４５は、磁性流体４７の流出を防ぐための磁場を形成する。
また、プリロード用磁性体ターゲット４４と磁性流体用電磁石４５は、加工レンズ保持機構１７を固定台４８に対しｚ方向に一定の距離に保つための磁力を発生する。
【００２２】
なお、ここでは、磁場により保持でき、２次元静圧案内として、２次元のシール材を必要としない磁性流体４７を静圧案内に用いた構成について示したが、水、油、空気等の他の材料を用いた静圧案内でもよい。
ここで、プリロード用電磁石４３，プリロード用磁性体ターゲット４４、磁性流体用電磁石４５及び磁性流体用磁性体ターゲット４６及び磁性流体４７により、静圧案内手段を構成しており、この静圧案内手段により、加工レンズ１３が光軸１の方向に移動するのを静圧案内で規制している。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００２３】
この実施の形態によるレーザ加工装置３０では、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構４Ｂは、加工レンズ１３が光軸１の方向であるｚ方向に移動するのを規制する静圧案内手段を備えたので、実施の形態１のレーザ加工装置３０と比較して、加工レンズ１３とワーク５との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
【００２４】
実施の形態４．
図８（ａ）は、この発明の実施の形態４によるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ｃを示す構成図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図であり、図８（ａ）では、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、４枚のｘ方向移動用板ばね５１は、それぞれ下端部が固定台４８に固定され、上端部が四角形状の中間板４９のｘ方向の隅部に固定されている。
また、４枚のｙ方向移動用板ばね５２は、それぞれ下端部が加工レンズ保持機構１７Ｃのｙ方向の隅部に、上端部が四角形状の中間板４９のｙ方向の隅部に固定されている。
ここで、ｘ、ｙ方向移動用の板ばね５１，５２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。
また、電磁石２６と対向した磁性体ターゲット２７は、加工レンズ保持機構１７Ｃに埋設されている。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００２５】
このレーザ加工装置３０では、第１のアクチュエータ２５ａ及び第２のアクチュエータ２５ｂの各電磁石２６に電流を流すことで、電磁石２６は磁性体ターゲット２７を吸引し、加工レンズ保持機構１７Ｃは、ｘ方向に移動する。この移動の際には、ｙ方向移動用板ばね５２、中間板４９もｘ方向に移動し、またｘ方向移動用板ばね５１は弾性変形する。
また、第３のアクチュエータ２５ｃ及び第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に電流を流すことで、電磁石２６は磁性体ターゲット２７を吸引し、加工レンズ保持機構１７Ｃは、ｙ方向に移動する。この移動の際には、ｘ方向移動用板ばね５１、中間板４９もｙ方向に移動し、またｙ方向移動用板ばね５２は弾性変形する。
【００２６】
図９（ａ）は、実施の形態４による磁気移動機構４Ｃにおいて、加工レンズ１３の中心とレーザビーム７の光軸１とが一致しているときを示す模式図である。
このときは、ｘ方向移動用板ばね５１が直立しており、加工レンズ１３とワーク５との距離ＬＡは最大となる。
一方、図９（ｂ）に示すように、ｘ方向移動用板ばね５１の長さが変わらないことから、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１から離れることに連動してｘ方向移動用板ばね５１は傾き、加工レンズ１３は、固定台４８に若干接近し、結果としてワーク５との距離ＬＢが短くなる。これにより、ワーク５におけるレーザビーム７の焦点位置６０が変化する。
なお、ｙ方向移動用板ばね５２についても、ｘ方向移動用板ばね５１と同様の挙動であり、加工レンズ１３は、ワーク５との距離ＬＢが短くなり、ワーク５におけるレーザビーム７の焦点位置６０が変化する。
【００２７】
通常、加工レンズ１３のｘ方向、ｙ方向の移動量は、加工ノズル２の開口８の大きさよりも小さく、１ｍｍ程度以下であり、ワーク５における焦点位置６０の変化量は数十μｍ以下になり、実際のワーク５の加工には影響を及ぼさない。
しかし、高精度な緻密なワーク５の加工が必要な場合には、焦点位置６０の変化が、ワーク５の加工結果に影響を与える場合がある。
【００２８】
ところで、図９（ｃ）に示すように、加工レンズ１３の中心をレーザビーム７が通過したとときの第１の焦点位置６１に対し、加工レンズ１３の中心に対して偏心してレーザビーム６７を通過させることで第２の焦点位置６２を短くさせることができる。
従って、ワーク５における焦点位置６０の変化による影響がある場合には、加工レンズ１３がワーク５に対して接近する方向に若干移動しても、ワーク５における焦点位置６０が変化しないような加工レンズ１３を設計するようにすればよい。
即ち、通常の球面単レンズにおいては、レンズ中心の光に対し外周の光の焦点位置が短いという特性（球面収差）があり、この収差を利用して、加工レンズ１３の形状あるいはレンズの組み合わせを選べばよい。
【００２９】
図１０は、この発明の実施の形態４におけるｙ方向移動用板ばね５２の変形例を示す図である。
このｙ方向移動用板ばね５２は、一端部が中間板４９に接続された第１の板ばね部位５３、一端部が加工レンズ保持機構１７Ｃに接続された第２の板ばね部位５５、及び第１の板ばね部位５３の他端部と第２の板ばね部位５５の他端部とを結合した結合部材５４で構成された折り返しばね構造である。
図８に示されたｙ方向移動用板ばね５２は、一端部が中間板４９に接続され、他端部が加工レンズ保持機構１７Ｃに接続されており、ｙ方向移動用板ばね５２の全長は、固定台４８から垂直方向に延びたｘ方向移動用板ばね５１と比較して短い。
加工レンズ保持機構１７Ｃがｙ方向に移動する場合、ｙ方向移動用板ばね５２は、ｙ方向に弾性変形するが、折り返し構造のｙ方向移動用板ばね５２では、第１の板ばね部位５３及び第２の板ばね部位５５が弾性変形し、ｙ方向の弾性変形量を大きくすることができる。
従って、折り返し構造のｙ方向移動用板ばね５２を採用し、併せて直線状のｘ方向移動用板ばね５１の全長を短くすることで、ｚ方向に短い磁気移動機構４Ｃを実現することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置３０を示すブロック図である。
この発明の実施の形態では、レーザ加工装置３０のレーザビーム伝送系２０のレーザ経路の一部を伸縮可能とし、加工ヘッド本体３及び加工ノズル２で移動体３１を構成し、この移動体３１をワーク５に対して平行な方向、または光軸１に対して垂直な方向に移動させながらワーク５の加工を行うものである。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様である。
【００３１】
この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置３０では、加工ヘッド本体３には、実施の形態１の磁気移動機構４が加工ヘッド本体３に組み込まれており、加工レンズ１３を移動させるのに、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採用するのではなく、磁気移動機構４Ｃを用いて直接移動しており、移動体３１の加減速時にもバックラッシュ等の機械的な遅延の発生が抑えられ、高速で、高精度なワーク５の加工が可能になる。
なお、加工ヘッド本体３に、実施の形態２の磁気移動機構４Ａ、実施の形態３の磁気移動機構４Ｂ、実施の形態４の磁気移動機構４Ｃを組み入れても同様に、高速で、高精度なワーク５の加工が可能なレーザ加工装置３０を得ることができる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態１〜５のレーザ加工装置３０は、仕切板２１は加工ヘッド本体３に設けられているが、加工ノズルに仕切板を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ 光軸、２ 加工ノズル、３ 加工ヘッド本体、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 磁気移動機構、５ ワーク、５ａ ピアッシング穴、５ｂ 切断溝、６ 加工ガス、７ レーザビーム、８ 開口、９ 開口中心、１０ 溶融物、１１ レーザ発振器、１２ ミラー、１３ 加工レンズ、１４ ガス供給装置、１５ ガスバルブ、１６ 制御装置、１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 加工レンズ保持機構、２０ レーザビーム伝送系、２１ 仕切板、２２ 加工ガス導入パイプ、２３ 加工レンズ中心軸、２４ 加工レンズ移動方向、２５ａ 第１のアクチュエータ、２５ｂ 第２のアクチュエータ、２５ｃ 第３のアクチュエータ、２５ｄ 第４のアクチュエータ、２６ 電磁石、２７ 磁性体ターゲット、３０ レーザ加工装置、３１ 移動体、４０ 保持部材、４１ 第１の板ばね、４２ 第２の板ばね、４３ プリロード用電磁石、４４ プリロード用磁性体ターゲット、４５ 磁性流体用電磁石、４６ 磁性流体用磁性体ターゲット、４７ 磁性流体、４８ 固定台、４９ 中間板、５１ ｘ方向板ばね、５２ ｙ方向板ばね、５２ ｙ方向移動用板ばね、５３ 第１の板ばね部位、５４ 結合部材、５５ 第２の板ばね部位、６０ 集光位置、６１ 第１の集光位置、６２ 第２の集光位置、６７ レーザビーム、ＬＡ 加工レンズとワークとの距離、ＬＢ 加工レンズとワークとの距離。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加工ガスを用いた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を偏芯させ、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で、溶融物の流れ方向、スパッタ付着領域を制御し高品質な切断加工が可能であることが広く知られている。
加工ノズル中心とレーザビームの光軸を偏芯させる方式としては、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を任意の位置へ移動する方法、あるいはレーザビーム光軸を法線とした曲面上を任意の位置へ移動する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
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、板厚などによって予め設定し、加工ノズルを駆動モータにより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）。
これに対して、ミラー、加工レンズを小型モータを用い、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２８７１１２号公報（段落[０００９]、図１から図４）
【特許文献２】特開平１１−９０６６３号公報（段落[００１２]から[００１５]、図３、図４）
【特許文献３】特開平５−１６９２８５号公報（段落[００１０]、[００１１]、図１から図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１及び２のものによれば、加工ヘッド本体は、加工ガスの圧力が常にかかっており、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が必要であり、加工ヘッド本体の構造が複雑になると共に、重量が増加する問題点があった。
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、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。
また、上記特許文献３のものによれば、駆動モータの回転運動を直線運動に変換するためには、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し、このような機械的送り機構に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。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、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を偏芯することができるレーザ加工装置に提供す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】
【０００６】
この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、前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構を備えている。
【０００７】
また、この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、前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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曲面内で電磁石による磁気駆動で２軸曲線移動させる磁気移動機構を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係るレーザ加工装置によれば、仕切板により加工ガスが加工ヘッド本体の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体は、加工ガスに対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズは、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構により２軸直線移動または２軸曲線移動するので、加工ヘッド本体は、小型化させる。
また、加工レンズは、電磁石に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【図２】図１の加工ヘッド本体、加工ノズル及びワークの使用態様を示す断面図である。
【図３】図１の加工ヘッド本体、加工ノズル及びワークの別の使用態様を示す断面図ある。
【図４】図２の磁気移動機構を示す構成図である。
【図５】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】この発明の実施の形態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。
【図７】図７（ａ）は、この発明の実施の形態３によるレーザ加工装置の磁気移動機構４Ｂを示す構成図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図である。
【図８】図８（ａ）は、この発明の実施の形態４によるレーザ加工装置の磁気移動機構を示す構成図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）はこの発明の実施の形態４によるレーザ加工装置の加工レンズ移動時の各模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態４のｙ方向移動用板ばねの変形例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の各実施の形態について図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。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
なお、各図において、切断加工を行う面は、ｘｙ平面で、それに垂直な方向をｚ軸と定義する。
このレーザ加工装置３０は、レーザビーム７を発振するレーザ発振器１１と、レーザビーム７を加工ヘッド本体３内に複数のミラー１２を介して伝送するレーザビーム伝送系２０と、この加工ヘッド本体３に取付けられた加工ノズル２と、この加工ノズル２に加工ガス６を供給するガス供給装置と、ワーク５の種類、加工条件に基づいて、加工ガス６の供給量、レーザ発振器１１のビーム出力、加工ヘッド本体３の駆動をそれぞれ制御する制御装置１６とを備えている。
ここで、ワーク５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５が金属である場合、加工ガス６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。
【００１２】
図２は、図１の加工ヘッド本体３、加工ノズル２及びワーク５の断面図であり、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。
加工ヘッド本体３は、内部の中心軸線上に配置された円形の加工レンズ１３と、この加工レンズ１３を囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構１７と、この加工レンズ保持機構１７の周囲に設けられ加工レンズ１３をレーザビーム７の光軸１に対して垂直な平面内で２軸直線移動させる磁気移動機構４と、加工レンズ１３に対向して設けられ、加工ガス６が加工ノズル２を通じて加工ヘッド本体３の内部に侵入するのを阻止する仕切板２１とを備えている。
加工ノズル２は、加工ガス導入パイプ２２の先端部が内部に臨んでおり、先端にワーク５に対向した開口が形成されている。
ガス供給装置は、例えば、酸素（Ｏ２）ガスや窒素（Ｎ２）ガスを収容したガスボンベ１４と、このガスボンベ１４と加工ノズル２とを接続した加工ガス導入パイプ２２と、この加工ガス導入パイプ２２に取付けられ加工ガス６の供給量を調整するガスバルブ１５とを備えている。
なお、ガスボンベ１４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。
制御装置１６は、ガスバルブ１５、レーザ発振器１１及び磁気移動機構４とそれぞれ接続され、ワークの種類、加工条件に基づいて、加工ガス６の供給量、レーザ発振器１１のビーム出力、及び加工レンズ１３の位置を制御する。
【００１３】
このレーザ加工装置３０は、レーザ発振器１１から発振したレーザビーム７は、レーザビーム伝送系２０を介して加工ヘッド本体３内に導かれ、この加工ヘッド本体３では加工レンズ１３により集光され加工ノズル２の先端の開口８を通じてワーク５に照射される。 図２に示されたレーザ加工装置３０は、ピアッシング加工時であるため、ワーク５は静止しており、レーザビーム７の光軸１は、加工レンズ１３の中心及び加工ノズル２の開口８の開口中心９と一致している。
一方、加工ガス６は、加工ガス導入パイプ２２から加工ノズル２に導入され、加工ノズル２の開口８からワーク５に噴出される。ワーク５では、レーザビーム７と加工ガス６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５ａが形成され、切断の開始位置となる貫通穴が形成される。
【００１４】
図３は、図１の加工ヘッド本体３、加工ノズル２及びワーク５の断面図であり、切断加工時の詳細を示すものである。
ワーク５においてレーザビーム７が走査した部分に切断溝５ｂが形成されて、切断加工が行われる。
ここで、加工レンズ１３が磁気移動機構４により、光軸１に対して加工レンズ中心軸２３を符号２４の方向に移動すると、レーザビーム７は、加工レンズ中心軸２３の方向に曲げられ、加工レンズ中心軸２３上で集光される。レーザビーム７が曲げられたことで、レーザビーム７の加工ノズル２の開口８での位置は、開口中心９から離れた位置になる。
例えば、図３に示すように、開口中心９に対して、レーザビーム７の位置を加工進行方向に偏心させた場合、切断溝５ｂが形成された後においては加工ガス６と溶融物１０が切断溝５ｂに沿ってスムーズに流れる。
ここで、磁気移動機構４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５の種類、加工条件に基づいて、任意の位置に制御される。
ここで、レーザビーム７の偏心量は、ワーク５の加工材料、厚み、加工ガス６の種類、吹き付け量、加工速度、レーザビーム７の強度等のパラメータによって選択される。
【００１５】
図４は、図２の磁気移動機構４を示す構成図である。
加工レンズ１３を保持した加工レンズ保持機構１７には、第１のアクチュエータ２５ａ、第２のアクチュエータ２５ｂ、第３のアクチュエータ２５ｃ及び第４のアクチュエータ２５ｄが４方向から取り付けられている。
第１のアクチュエータ２５ａと、この第１のアクチュエータ２５ａに対向して設けられた第２のアクチュエータ２５ｂとが、加工レンズ１３をｘ方向に移動させる。
第３のアクチュエータ２５ｃと、この第３のアクチュエータ２５ｃに対向して設けられた第４のアクチュエータ２５ｄとが、加工レンズ１３をｙ方向に移動させる。
第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄは、それぞれ四角形状の固定台４８に固定された電磁石２６と、各電磁石２６に対向して加工レンズ保持機構１７に固定された磁性体ターゲット２７とから構成されている。
図４では、図２に示すように、加工レンズ１３の光軸１がレーザビーム７の中心を通過するように、制御装置１６がそれぞれの第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に流れる電流を制御している。
【００１６】
一方、図５では、図３に示すように、光軸１から加工レンズ中心軸２３を偏心させた状態を示す。
ここでは、第１のアクチュエータ２５ａの電磁石２６に流れる電流を大きくして、磁性体ターゲット２７を電磁石２６に引き寄せることで磁性体ターゲット２７と一体の加工レンズ保持機構１７をｘマイナス側に引き寄せることで、加工レンズ１３をｘマイナス方向に移動させている。
この例は一例であり、各第１のアクチュエータ２５ａ〜第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に流れる電流値を変えることで、電磁石２６と磁性体ターゲット２７とが接触しない範囲で加工レンズ保持機構１７をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる、即ち加工レンズ１３をｘｙ平面の任意の位置に移動させることができる。
【００１７】
この実施の形態１のレーザ加工装置３０によれば、仕切板２１により加工ガス６が加工ヘッド本体３の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体３は、加工ガス６に対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズ１３は、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構４により２軸直線移動するので、加工ヘッド本体３は、小型化させる。
また、加工レンズ１３は、電磁石２６に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
従って、加工ノズル２の中心とレーザビーム７の光軸１とを高速度、高精度で偏芯させ、レーザビーム７の光軸１を加工ノズル２の開口中心９より加工進行方向に偏らせることで、加工ガス６と溶融物１０が切断溝５ｂ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。
【００１８】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ａを示す構成図である。
この発明の実施の形態２では、四角形状の加工レンズ保持機構１７Ａの四隅のそれぞれに第１板のばね４１の一端部が接続されている。図６において上下方向に延びた各第１の板ばね４１の他端部には、第１の板ばね４１に対してほぼ直角で外側方向に延びた第２の板ばね４２の一端部が接続されている。対向した、第１の板ばね４１と第２の板ばね４２との接続部位間は、保持部材４０で接続されている。第２の板ばね４２の他端部は固定台４８に接続されている。
板ばね４１，４２は、ｚ方向に幅広で、ｘ方向またはｙ方向に肉薄であり、加工レンズ保持機構１７Ａは、ｚ方向への動きが規制され、レーザビーム７の光軸１に垂直なｘｙ平面内を移動することができる。
第１支持板ばね４１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支持板ばね４２は、第１支持板ばね４１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４０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。
なお、第１の板ばね４１、第２の板ばね４２及び保持部材４０により、加工レンズ１３が光軸１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。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００１９】
図６では、加工レンズ１３がｘマイナス方向に移動している状態を示す。
この状態のときには、第１のアクチュエータ２５ａ及び第２のアクチュエータ２５ｂの電磁石２６に流れる電流を制御装置１６からの信号により制御し、第１の板ばね４１がｘｙ平面内で曲げられ、アクチュエータ２５ａ，２５ｂの電磁力と第１の板ばね４１の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構１７Ａの位置が保持されている。
また、加工レンズ１３をｙ方向に移動するには、第３のアクチュエータ２５ｃ、第４のアクチュエータ２５ｄの電磁石２６に流れる電流を制御装置１６からの信号により制御し、両端部が保持部材４０と固定台４８とにそれぞれ固定された４枚の第２の板ばね４２がｘｙ平面内で曲げられ、アクチュエータ２５ｃ，２５ｄの電磁力と第２の板ばね４２の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構１７Ａの位置が保持されている。
【００２０】
この実施の形態によるレーザ加工装置３０によれば、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構４Ａは、加工レンズ１３が光軸１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備えたので、実施の形態１のレーザ加工装置３０と比較して、加工レンズ１３とワーク５との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
【００２１】
実施の形態３．
図７（ａ）は、この発明の実施の形態３によるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ｂを示す構成図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図であり、図７（ａ）では、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、加工レンズ保持機構１７Ｂに、各電磁石２６に対向した部位にプリロード用磁性体ターゲット４４がそれぞれ埋設されている。また四角形状の加工レンズ保持機構１７Ｂには、各隅部に磁性流体用磁性体ターゲット４６がそれぞれ埋設されている。
固定台４８には、プリロード用磁性体ターゲット４４と対向してプリロード用電磁石４３が埋設されており、また磁性流体用磁性体ターゲット４６と対向して磁性流体用電磁石４５が埋設されている。磁性流体用磁性体ターゲット４６と磁性流体用電磁石４５の間には、磁性流体４７が挟み込まれている。
磁性流体用磁性体ターゲット４６及び磁性流体用電磁石４５は、磁性流体４７の流出を防ぐための磁場を形成する。
また、プリロード用磁性体ターゲット４４と磁性流体用電磁石４５は、加工レンズ保持機構１７を固定台４８に対しｚ方向に一定の距離に保つための磁力を発生する。
【００２２】
なお、ここでは、磁場により保持でき、２次元静圧案内として、２次元のシール材を必要としない磁性流体４７を静圧案内に用いた構成について示したが、水、油、空気等の他の材料を用いた静圧案内でもよい。
ここで、プリロード用電磁石４３，プリロード用磁性体ターゲット４４、磁性流体用電磁石４５及び磁性流体用磁性体ターゲット４６及び磁性流体４７により、静圧案内手段を構成しており、この静圧案内手段により、加工レンズ１３が光軸１の方向に移動するのを静圧案内で規制している。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００２３】
この実施の形態によるレーザ加工装置３０では、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構４Ｂは、加工レンズ１３が光軸１の方向であるｚ方向に移動するのを規制する静圧案内手段を備えたので、実施の形態１のレーザ加工装置３０と比較して、加工レンズ１３とワーク５との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
【００２４】
実施の形態４．
図８（ａ）は、この発明の実施の形態４によるレーザ加工装置３０の磁気移動機構４Ｃを示す構成図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ-Ａ’線に沿った断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ-Ｂ’線に沿った断面図であり、図８（ａ）では、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、４枚のｘ方向移動用板ばね５１は、それぞれ下端部が固定台４８に固定され、上端部が四角形状の中間板４９のｘ方向の隅部に固定されている。
また、４枚のｙ方向移動用板ばね５２は、それぞれ下端部が加工レンズ保持機構１７Ｃのｙ方向の隅部に、上端部が四角形状の中間板４９のｙ方向の隅部に固定されている。
ここで、ｘ、ｙ方向移動用の板ばね５１，５２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。
また、電磁石２６と対向した磁性体ターゲット２７は、加工レンズ保持機構１７Ｃに埋設されている。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同じである。
【００２５】
このレーザ加工装置３０では、第１のアクチュエータ２５ａ及び第２のアクチュエータ２５ｂの各電磁石２６に電流を流すことで、電磁石２６は磁性体ターゲット２７を吸引し、加工レンズ保持機構１７Ｃは、ｘ方向に移動する。この移動の際には、ｙ方向移動用板ばね５２、中間板４９もｘ方向に移動し、またｘ方向移動用板ばね５１は弾性変形する。
また、第３のアクチュエータ２５ｃ及び第４のアクチュエータ２５ｄの各電磁石２６に電流を流すことで、電磁石２６は磁性体ターゲット２７を吸引し、加工レンズ保持機構１７Ｃは、ｙ方向に移動する。この移動の際には、ｘ方向移動用板ばね５１、中間板４９もｙ方向に移動し、またｙ方向移動用板ばね５２は弾性変形する。
【００２６】
図９（ａ）は、実施の形態４による磁気移動機構４Ｃにおいて、加工レンズ１３の中心とレーザビーム７の光軸１とが一致しているときを示す模式図である。
このときは、ｘ方向移動用板ばね５１が直立しており、加工レンズ１３とワーク５との距離ＬＡは最大となる。
一方、図９（ｂ）に示すように、ｘ方向移動用板ばね５１の長さが変わらないことから、加工レンズ１３の中心がレーザビーム７の光軸１から離れることに連動してｘ方向移動用板ばね５１は傾き、加工レンズ１３は、固定台４８に若干接近し、結果としてワーク５との距離ＬＢが短くなる。これにより、ワーク５におけるレーザビーム７の焦点位置６０が変化する。
なお、ｙ方向移動用板ばね５２についても、ｘ方向移動用板ばね５１と同様の挙動であり、加工レンズ１３は、ワーク５との距離ＬＢが短くなり、ワーク５におけるレーザビーム７の焦点位置６０が変化する。
【００２７】
通常、加工レンズ１３のｘ方向、ｙ方向の移動量は、加工ノズル２の開口８の大きさよりも小さく、１ｍｍ程度以下であり、ワーク５における焦点位置６０の変化量は数十μｍ以下になり、実際のワーク５の加工には影響を及ぼさない。
しかし、高精度な緻密なワーク５の加工が必要な場合には、焦点位置６０の変化が、ワーク５の加工結果に影響を与える場合がある。
【００２８】
ところで、図９（ｃ）に示すように、加工レンズ１３の中心をレーザビーム７が通過したとときの第１の焦点位置６１に対し、加工レンズ１３の中心に対して偏心してレーザビーム６７を通過させることで第２の焦点位置６２を短くさせることができる。
従って、ワーク５における焦点位置６０の変化による影響がある場合には、加工レンズ１３がワーク５に対して接近する方向に若干移動しても、ワーク５における焦点位置６０が変化しないような加工レンズ１３を設計するようにすればよい。
即ち、通常の球面単レンズにおいては、レンズ中心の光に対し外周の光の焦点位置が短いという特性（球面収差）があり、この収差を利用して、加工レンズ１３の形状あるいはレンズの組み合わせを選べばよい。
【００２９】
図１０は、この発明の実施の形態４におけるｙ方向移動用板ばね５２の変形例を示す図である。
このｙ方向移動用板ばね５２は、一端部が中間板４９に接続された第１の板ばね部位５３、一端部が加工レンズ保持機構１７Ｃに接続された第２の板ばね部位５５、及び第１の板ばね部位５３の他端部と第２の板ばね部位５５の他端部とを結合した結合部材５４で構成された折り返しばね構造である。
図８に示されたｙ方向移動用板ばね５２は、一端部が中間板４９に接続され、他端部が加工レンズ保持機構１７Ｃに接続されており、ｙ方向移動用板ばね５２の全長は、固定台４８から垂直方向に延びたｘ方向移動用板ばね５１と比較して短い。
加工レンズ保持機構１７Ｃがｙ方向に移動する場合、ｙ方向移動用板ばね５２は、ｙ方向に弾性変形するが、折り返し構造のｙ方向移動用板ばね５２では、第１の板ばね部位５３及び第２の板ばね部位５５が弾性変形し、ｙ方向の弾性変形量を大きくすることができる。
従って、折り返し構造のｙ方向移動用板ばね５２を採用し、併せて直線状のｘ方向移動用板ばね５１の全長を短くすることで、ｚ方向に短い磁気移動機構４Ｃを実現することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置３０を示すブロック図である。
この発明の実施の形態では、レーザ加工装置３０のレーザビーム伝送系２０のレーザ経路の一部を伸縮可能とし、加工ヘッド本体３及び加工ノズル２で移動体３１を構成し、この移動体３１をワーク５に対して平行な方向、または光軸１に対して垂直な方向に移動させながらワーク５の加工を行うものである。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工装置３０と同様である。
【００３１】
この発明の実施の形態５によるレーザ加工装置３０では、加工ヘッド本体３には、実施の形態１の磁気移動機構４が加工ヘッド本体３に組み込まれており、加工レンズ１３を移動させるのに、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採用するのではなく、磁気移動機構４Ｃを用いて直接移動しており、移動体３１の加減速時にもバックラッシュ等の機械的な遅延の発生が抑えられ、高速で、高精度なワーク５の加工が可能になる。
なお、加工ヘッド本体３に、実施の形態２の磁気移動機構４Ａ、実施の形態３の磁気移動機構４Ｂ、実施の形態４の磁気移動機構４Ｃを組み入れても同様に、高速で、高精度なワーク５の加工が可能なレーザ加工装置３０を得ることができる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態１〜５のレーザ加工装置３０は、仕切板２１は加工ヘッド本体３に設けられているが、加工ノズルに仕切板を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ 光軸、２ 加工ノズル、３ 加工ヘッド本体、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 磁気移動機構、５ ワーク、５ａ ピアッシング穴、５ｂ 切断溝、６ 加工ガス、７ レーザビーム、８ 開口、９ 開口中心、１０ 溶融物、１１ レーザ発振器、１２ ミラー、１３ 加工レンズ、１４ ガス供給装置、１５ ガスバルブ、１６ 制御装置、１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 加工レンズ保持機構、２０ レーザビーム伝送系、２１ 仕切板、２２ 加工ガス導入パイプ、２３ 加工レンズ中心軸、２４ 加工レンズ移動方向、２５ａ 第１のアクチュエータ、２５ｂ 第２のアクチュエータ、２５ｃ 第３のアクチュエータ、２５ｄ 第４のアクチュエータ、２６ 電磁石、２７ 磁性体ターゲット、３０ レーザ加工装置、３１ 移動体、４０ 保持部材、４１ 第１の板ばね、４２ 第２の板ばね、４３ プリロード用電磁石、４４ プリロード用磁性体ターゲット、４５ 磁性流体用電磁石、４６ 磁性流体用磁性体ターゲット、４７ 磁性流体、４８ 固定台、４９ 中間板、５１ ｘ方向板ばね、５２ ｙ方向板ばね、５２ ｙ方向移動用板ばね、５３ 第１の板ばね部位、５４ 結合部材、５５ 第２の板ばね部位、６０ 集光位置、６１ 第１の集光位置、６２ 第２の集光位置、６７ レーザビーム、ＬＡ 加工レンズとワークとの距離、ＬＢ 加工レンズとワークとの距離。
【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、
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記磁気移動機構は、前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記磁気移動機構は、前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを静圧案内で規制する静圧案内手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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曲面内で電磁石による磁気駆動で２軸曲線移動させる磁気移動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記加工ヘッド本体、前記加工ノズルは前記ワークに対して平行な方向、または前記光軸に対し垂直な方向に移動が可能であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工レンズの中心軸は、前記加工ノズルの前記開口の中心よりも加工進行方向側に位置していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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で電磁石による磁気駆動で２軸直線移動させる磁気移動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記磁気移動機構は、前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記磁気移動機構は、前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを静圧案内で規制する静圧案内手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、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有しているレーザ加工装置であって、
前記加工ヘッド本体は、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曲面内で電磁石による磁気駆動で２軸曲線移動させる磁気移動機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記加工ヘッド本体、前記加工ノズルは前記ワークに対して平行な方向、または前記光軸に対し垂直な方向に移動が可能であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工レンズの中心軸は、前記加工ノズルの前記開口の中心よりも加工進行方向側に位置していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１５７８９２（Ｐ２０１２−１５７８９２Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７２１（Ｐ２０１１−１９７２１）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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