焦点位置調整装置、及びレーザ加工装置
【課題】ビーム径に制限を生じさせることが無い焦点位置調整装置及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】外部から入射されたレーザ光４５のビーム径を拡大して集光レンズ３４に入射する凹レンズ６４を有し、前記凹レンズ６４の光軸に沿って前記凹レンズ６４を直動させ、前記凹レンズ６４と前記集光レンズ３４との距離を可変し前記レーザ光４５の焦点位置を調整する焦点位置調整装置３１であって、前記凹レンズ６４をレンズホルダ６５に保持し、前記レンズホルダ６５を、ベース体５０に設けた直動機構５１の可動片６２に設けると共に、前記レンズホルダ６５を前記凹レンズ６４と略同程度の厚みに形成し、前記ベース体５０から突出させた状態で前記可動片６２に設けた。
【解決手段】外部から入射されたレーザ光４５のビーム径を拡大して集光レンズ３４に入射する凹レンズ６４を有し、前記凹レンズ６４の光軸に沿って前記凹レンズ６４を直動させ、前記凹レンズ６４と前記集光レンズ３４との距離を可変し前記レーザ光４５の焦点位置を調整する焦点位置調整装置３１であって、前記凹レンズ６４をレンズホルダ６５に保持し、前記レンズホルダ６５を、ベース体５０に設けた直動機構５１の可動片６２に設けると共に、前記レンズホルダ６５を前記凹レンズ６４と略同程度の厚みに形成し、前記ベース体５０から突出させた状態で前記可動片６２に設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線の焦点位置を調整する焦点位置調整装置、及び、この焦点位置調整装置を備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、部品や製品等の加工対象物をレーザ光により走査して、この加工対象物の表面に印字やマーキング等の加工を行うレーザ加工装置が知られている。また、光硬化樹脂にレーザ光を照射して光硬化造形法により三次元形状の物体を造形する光造形装置が知られている。これらのレーザ加工装置、及び、光造形装置においては、加工対象物或いは光硬化樹脂をレーザ光で走査するための走査手段として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の２軸方向にレーザ光を偏向可能にするスキャナ装置（例えばガルバノスキャナ装置）が用いられている。
【０００３】
さらに、加工対象物或いは光硬化樹脂におけるレーザ光の照射スポット径を調整することで、所定の加工精度や加工深度を維持するようにしたレーザ加工装置や光造形装置も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
照射スポット径の調整は、加工対象物とレーザ光の焦点位置とのＺ軸方向の距離を調整することで行われる。
このような焦点位置調整装置としては、例えば特許文献２に示されているように、レーザ光のビーム径を拡大して（デフォーカスして）、外部に設けられた集光レンズたる対物レンズに入射する、焦点位置及びビーム径調整用のレンズを円筒状のボビンに収納し、このボビンの両端にボイルコイルモータを配設し、これらのボイスコイルモータによって円筒状のボビンと共にレンズを直動することで、加工対象物に対してレーザ光の焦点位置を調整可能に構成したものが知られている。
【特許文献１】特開２００７−６１８５６号公報
【特許文献２】特開２００６−１５４１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の焦点位置調整装置においては、ボビン内のレンズによって拡径したレーザ光が出射側のボイスコイルモータから出射する前に、ボビンやボイスコイルモータの内周面に当たってしまうという問題が生じる。この結果、レーザ光の最大ビーム径が実質的に制限され、焦点位置の調整範囲も制約を受けてしまう。また、集光レンズでの開口数を高めることでレーザ光の照射位置での解像度が高められるものの、上記のように最大ビーム径が制限されると、開口数にも制限が生じ、加工精度に制約が生じる恐れがある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ビーム径に制限を生じさせることが無い焦点位置調整装置及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、ベース体に設けられ、可動片を往復動する直動機構と、前記可動片に一体に設けられ、光線が入射するレンズを保持するレンズホルダとを備え、前記レンズホルダは、前記レンズを前記ベース体から突出した位置に保持し、前記レンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されていることを特徴とする焦点位置調整装置を提供する。
【０００７】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記可動片に、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記レンズホルダに、前記レンズを冷却する冷却機構を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記直動機構は、前記可動片の往復動を案内する直動ガイドレールを備え、前記直動機構に、前記可動片と前記直動ガイドレールの摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記可動片は、前記レンズホルダが取付けられる可動プレートを備え、前記可動プレートには、該可動プレートの重心位置に前記レンズホルダが取付けられると共に、前記レンズホルダを挟んだ両側に開口又は凹みが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また上記目的を達成するために、本発明は、加工条件に応じて光線の照射スポット径を可変させながら加工対象物に前記光線を照射するレーザ加工装置において、上記本発明に係る焦点位置調整装置と、この焦点位置調整装置に入力する光線を出力するレーザ装置と、前記照射スポット径に基づいて、前記焦点位置調整装置が備える可動片の移動量を規定する駆動信号を生成する制御回路とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、レンズホルダが、ベース体から突出した位置にレンズを保持するため、該レンズの径がベース体の寸法に制限される事がなく、これに加え、このレンズホルダがレンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されているため、特にレンズが光線を拡径する場合でも、この光線がレンズホルダに遮蔽される事が無いから、ビーム径を大きくして高い精度の加工が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態では、レーザ加工装置に本発明を適用した場合を説明するが、光硬化造形法により三次元造形を行う光造形装置にも本発明を適用可能である。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。また、図２は、図１に示すモータ４１Ａにスキャナミラー４０Ａを取り付けた状態を拡大して示す図である。
【００１５】
レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、スキャナ光学装置３と、レーザ発振器２から放射された光線たるレーザ光４５をスキャナ光学装置３に導く１対のミラー４Ａ、４Ｂとを備えており、これらが板状の石定盤５に載置・固定されている。
レーザ発振器２は、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光４５を発振するものであり、図示せぬレーザ共振器を内蔵する直方体形状の発振器本体２０を備え、この発振器本体２０の先端部２０Ａにはレーザ出射口２１が形成されている。
なお、レーザ発振器２としては、固体レーザ発振器、液体レーザ発振器、気体レーザ発振器、ファイバレーザ、半導体レーザ発振器、或いは、自由電子レーザ発振器などが用いられる。
【００１６】
発振器本体２０の底面には、先端部２０Ａ側及び後端部２０Ｂ側のそれぞれに、石定盤５にねじ止め固定されたＸＹＺ軸ステージ２２が設けられている。石定盤５は、平面精度が非常に高いため、各ＸＹＺ軸ステージ２２を調整することで、レーザ発振器２の光軸の微調整が可能となる。さらに、石定盤５は、熱伝導率が非常に小さいため、レーザ発振器２の発熱が他の光学要素に伝導し熱的影響を及ぼすことが抑制される。
【００１７】
スキャナ光学装置３は、光学要素として、レーザ発振器２から出力されたレーザ光４５の強度を変調するＡＯＭ（音響光学変調素子）３０と、レーザ光４５のＺ軸上での焦点位置を調整する焦点位置調整装置３１と、レーザ光４５をＸ軸、Ｙ軸の２軸に偏向して加工対象物に照射するスキャナヘッド３２とを備え、これらの光学要素が、ミラー４Ｂとの光軸を合わせるための直線状に延びた高さ調整用のステージ３３に載置されている。
この高さ調整用のステージ３３には、焦点位置調整装置３１及びスキャナヘッド３２の間に固定配置され、焦点位置調整装置３１から出力された光を集光する集光レンズ３４と、ＡＯＭ３０に入射するレーザ光４５を整形する光学素子としての２組のレンズ３５Ａ、３５Ｂとが取り付けられている。
【００１８】
スキャナヘッド３２は、底面が開口した箱型の筐体４２を備えており、この筐体４２の上部及び側部には、モータ４１Ａ、４１Ｂが設けられている。
モータ４１Ａの回転軸４７（駆動軸）は、図１における左右方向に延在しており、その先端には、レーザ光４５を偏向するスキャナミラー４０Ａが取り付けられている。このスキャナミラー４０Ａは、モータ４１Ａの回転軸４７をＲ方向（図２参照）へ適宜回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
一方、モータ４１Ｂの駆動軸は、図１における上下方向に延在しており、その先端には、スキャナミラー４０Ａの偏向方向に対して所定の角度となる方向にレーザ光４５を偏向するスキャナミラー４０Ｂが取り付けられている。このスキャナミラー４０Ｂは、モータ４１Ｂの駆動軸を回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
これらのスキャナミラー４０Ａ、４０Ｂは、筐体４２の内部に配置されており、筐体４２の側面には、その内部にレーザ光４５を導くための図示せぬ導入口が形成されている。
【００１９】
また、筐体４２が配置された部分の高さ調整用のステージ３３には、上記スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂにて偏向された光を出射する出射口４３が設けられている。これにより、スキャナヘッド３２、集光レンズ３４及びこの出射口４３によって、レーザ発振器２から出力されたレーザ光４５を偏向する偏向モジュールが構成されている。この偏向モジュールによって偏向されたレーザ光４５は、出射口４３を通過して加工対象物が載置されるワーキングエリア４６へと向けられる。
【００２０】
焦点位置調整装置３１は、レーザ光４５をスキャナヘッド３２で偏向し加工対象物をレーザ光４５で走査する際に、加工対象物の走査面におけるレーザ光４５の照射スポット径を可変するために、レーザ光４５の焦点位置を調整するものであり、具体的な構成については後詳述する。
ＡＯＭ３０は、上記の通り、レーザ発振器２から出力された連続発振レーザ光、或いは、パルスレーザ光の強度変調を行うものである。
【００２１】
また図１に示すように、レーザ加工装置１は、上記ＡＯＭ３０、焦点位置調整装置３１及びスキャナヘッド３２を制御するコントロールユニット６を有している。
コントロールユニット６は、加工対象物の走査面におけるレーザ加工深度等の加工度合いを一定に維持すべく、スキャナヘッド３２のモータ４１Ａ、４１Ｂの駆動量によって規定されるレーザ光４５の走査速度に応じて、走査面でのレーザ光４５の強度又は密度を調整するための制御を行う。
【００２２】
具体的には、コントロールユニット６は、レーザ光４５の走査速度が速い場合、単位面積あたりのエネルギー低下を防止するために、レーザ光４５の強度もしくはレーザ光４５の密度を高め、これとは逆に、走査速度が遅い場合、単位面積あたりのエネルギー上昇を抑制するために、レーザ光４５の強度もしくはレーザ光４５の密度を低める制御を行うことで、レーザ光４５の走査時の単位面積あたりのエネルギーを略一定に維持する制御を行う。なお、上記レーザ光４５の密度は、パルスレーザ光の単位時間当たりのパルス数により定義され、当該レーザ光密度を可変することで、単位面積当たりのレーザ光４５のエネルギーを可変することができる。
【００２３】
また、スキャナヘッド３２のモータ４１Ａ、４１Ｂには、スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂの回転量に応じたパルス数のデジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢをコントロールユニット６に出力するエンコーダ４４Ａ及び４４Ｂが設けられている。
上記コントロールユニット６は、各デジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢをカウントし、このカウント値に基づいて、スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂの回転量を特定し、現在のレーザ光照射位置のＸＹ座標値を特定する。
このときコントロールユニット６は、レーザ光照射位置の目標値と現在のＸＹ座標値との偏差を打ち消すように、モータ４１Ａ、４１Ｂのそれぞれに出力してネガティブフィードバック制御を実行する。すなわち、コントロールユニット６においては、デジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢを出力するエンコーダ４４Ａ、４４Ｂ、及び、コントロールユニット６により、フルデジタルのクローズドループ制御系が構成されており、各モータ４１Ａ、４１Ｂの駆動が高精度に補償される。これにより、高精度なモータ制御、すなわち、加工対象物の加工面における高精度な照射位置制御が実現される。
【００２４】
そして、このようなレーザ加工装置１は、例えば、リモートレーザ溶接、ワーキングディスタンスが比較的長い光造形システム、高い描画精度が要求される描画システム（単なる製造年月日などの文字を認識するために描画されるものを除く）などに使用することができる。
【００２５】
次いで、上記焦点位置調整装置３１について詳述する。
図３は焦点位置調整装置３１の構成を示す図であり、図３（Ａ）は焦点位置調整装置３１の平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。また、図４は焦点位置調整装置３１の構成を模式的に示す斜視図であり、図５は図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。なお、焦点位置調整装置３１の構成の把握を容易とするために、図４及び図５では一部の構成の図示を省略している。
【００２６】
これらの図に示すように、焦点位置調整装置３１は、箱形のベース体５０と、このベース体５０に設けられた直動機構５１と、この直動機構５１の駆動量を検出する検出部５２（図４及び図５には図示せず）とを有している。
ベース体５０は、厚みのあるアルミニウム製部材に、直線状に延びる断面略矩形の凹溝部６０を設けて構成され、この凹溝部６０に、上記直動機構５１が収められている。
直動機構５１は、可動片６２と、この可動片６２を直線的に往復移動する駆動部６３とを有し、さらに、レーザ光４５をデフォーカスしてビーム径を拡径し、光軸一致に設けられた上記集光レンズ３４（図１参照）に入射する凹レンズ６４を保持するレンズホルダ６５が可動片６２に取り付け固定されている。
【００２７】
可動片６２の直動方向Ｘは凹レンズ６４の光軸と一致し、上記可動片６２の直動に伴って凹レンズ６４と上記集光レンズ３４との間の距離が可変される。これにより、焦点位置調整装置３１から集光レンズ３４に入射するレーザ光４５のビーム径、すなわち、集光レンズ３４へのレーザ光４５の入射角が可変されて、集光レンズ３４からレーザ光４５の焦点位置までの距離が変更されるため、加工対象物に対する焦点位置が調整されることとなる。
【００２８】
直動機構５１の駆動部６３は、図５に示すように、互いに対向配置され、直動方向Ｘに延びる一対の板状永久磁石６７、６８と、板状永久磁石６７、６８ごとに接合して設けられる板状の継鉄（ヨーク）６９、７０とを有し、これら一対の板状永久磁石６７、６８が形成する磁界中に、可動片６２に一体的に設けたボイスコイル体７２を配置して構成されている。
ボイスコイル体７２は、図６に示すように、複数のボイスコイル７３が直動方向Ｘに沿って並設されて構成されており、前掲図３（Ｂ）に示すように、一対の板状永久磁石６７、６８を挟んだ両側に延在するように可動片６２に設けられた一対の支持脚７４に一体的に取り付けられている。
【００２９】
また上記一対の板状永久磁石６７、６８のそれぞれは、図５及び図６に示すように、磁極が一定ピッチＰで交互に配列されており、さらに、対向する板状永久磁石６７、６８の間で各磁極が反対極性になるように配列されている。
すなわち、駆動部６３は、ボイスコイル型のリニアモータとして構成されており、上記コントロールユニット６から送出された駆動信号によってボイスコイル体７２に電流が流れることで、ボイスコイル体７２には、一対の板状永久磁石６７、６８間を直動方向に沿ってスライド移動させる力が加わることとなる。
【００３０】
ベース体５０の上面には、板状永久磁石６７、６８を挟んだ両側に、２本の直動ガイドレール８１、８２が設けられ、これら直動ガイドレール８１、８２に遊嵌するガイド溝８３、８４が可動片６２の裏面側に形成されている。そして、上記駆動部６３の駆動によって、ボイスコイル体７２にスライド移動方向の力が加わることで、可動片６２が直動ガイドレール８１、８２及びガイド溝８３、８４によって案内されて直動することとなる。
また、ベース体５０には、可動片６２の直動範囲の両端部に位置する箇所に、緩衝材８６有した規制凸部８５が配設され、これら規制凸部８５によって直動範囲の両端部で可動片６２が速やかに停止される。
【００３１】
上記駆動部６３によって直動される可動片６２は、図３（Ａ）及び図４に示すように、ベース体５０上を移動する略矩形の板状の可動プレート８０を有し、この可動プレート８０の上面には、可動プレート８０の重心位置に上記レンズホルダ６５が載置され、また、可動プレート８０の下側に上記駆動部６３が配設される。
可動プレート８０には、直動方向Ｘに平行な一方の縁部に、Ｌ字状に立ち上がった側壁８７が形成されている。この側壁８７の外側面には、直動方向Ｘに直線状に延び、可動片６２と一体的に移動するリニアスケール８９（図４には図示せず）が設けられ、また、ベース体５０には、リニアスケール８９と対向して、当該リニアスケール８９の移動を検出する例えば光学式又は磁気式の検出ユニット９０が配置されており、これらリニアスケール８９及び検出ユニット９０によって上記検出部５２が構成されている。検出ユニット９０及びリニアスケール８９の対向箇所は、覆い板９１によって覆われており、検出ノイズの低減が図られている。
【００３２】
検出ユニット９０の検出信号は、上記コントロールユニット６に入力される。コントロールユニット６は、加工対象物に形成すべき照射スポット径に基づいて、凹レンズ６４を可動片６２と共に所定距離だけ直動させレーザ光４５の焦点位置を調整する制御を行っており、上記検出ユニット９０からの検出信号に基づいて、可動片６２の移動量（位置）を特定し、フィードバック制御を行っている。このとき、上記のように、駆動部６３がリニアモータとして構成されているため、高精度で、かつ、高速な位置制御が実現可能となる。
【００３３】
ここで、凹レンズ６４を透過したレーザ光４５は、集光レンズ３４に向けて拡径しながら進むこととなる。本実施形態では、上述の通り、凹レンズ６４を保持するレンズホルダ６５は、可動プレート８０の上面に、ベース体５０の上面から上方に突出させた状態で設け、可動プレート８０の下側に、ベース体５０に収容するように駆動部６３を設けているため、この駆動部６３が凹レンズ６４と集光レンズ３４との間に介在することが無く、当該駆動部６３によってレーザ光４５が遮蔽される心配は無い。
【００３４】
さらに、レンズホルダ６５の凹レンズ６４を保持する部分においては、図５に示すように、凹レンズ６４の光軸に沿った厚みＷが、当該凹レンズ６４の厚みと同程度、或いは、若干厚い程度に形成され、かかるレンズホルダ６５がベース体５０から突出した状態で可動プレート８０と共に直動する。これにより、凹レンズ６４を透過することで拡径するレーザ光４５がレンズホルダ６５によって遮蔽され難くなり、レーザ光４５のビーム径を従来よりも大きく拡径することができる。
【００３５】
上記可動プレート８０には、レンズホルダ６５を挟んで直動方向Ｘに沿った両側に、それぞれ同形に開口してなる軽量化用の開口部９２が形成されており、これにより、可動片６２の高速駆動を可能にし、レーザ加工速度の向上が図られている。
このとき、可動プレート８０及び支持脚７４を含む上記可動片６２は、レンズホルダ６５を通り直動方向Ｘに対して垂直な軸線（図３（Ａ）中、Ａ−Ａ線に相当）を対称軸として軸対称形状に形成されている。
これにより、可動片６２においては、レンズホルダ６５を中心として直動方向Ｘの重量バランスが維持され、高精度、かつ、高速な駆動を実現可能にし、さらに、直動に伴うレンズホルダ６５の光軸のずれが抑制されるため、高速、かつ、高精度なレーザ加工が実現可能になる。
【００３６】
ここで、コントロールユニット６は、加工開始時、或いは、１ラインの走査の開始時には、レーザ光４５の照射位置をワーキングエリア４６の所定の位置から走査開始位置まで移動し、その走査開始位置での照射スポット径が所定値となるように、焦点位置調整装置３１の可動片６２みを駆動して焦点位置を調整し、また、レーザ光４５で走査している間は、走査位置によらず照射スポット径が所定値、或いは、走査位置でのレーザ光４５のエネルギーが略一定となる照射スポット径となるように、スキャナヘッド３２のＸ軸、Ｙ軸のモータ４１Ａ、４１Ｂの駆動（すなわち、レーザ光の照射位置）と同期して焦点位置調整装置３１の可動片６２を駆動する。
【００３７】
レーザ加工装置１は、走査開始時に、レーザ光４５のワーキングエリア４６での焦点位置を調整する際に、焦点位置調整装置３１の１ステップあたりの駆動量をレーザ走査による加工時よりも大きくして（いわゆる、粗動動作）させて、精度よりも高速性を優先して焦点位置調整が行われ、次いで、次いで、加工時には、１ステップあたりの駆動量を小さくしてレーザ走査を行う（微動動作）。上記のように、可動片６２を高精度、かつ、高速に駆動可能な構成を有しているため、この微動動作を高精度、かつ、高速に行うことが可能となり、これにより、生産性の高い、高品位な加工が可能になる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、レンズホルダ６５をベース体５０から突出させた状態で可動片６２に設けて直動する構成としため、レンズホルダ６５の寸法が制限される事が無いから、加工に必要なレンズ（本実施形態では凹レンズ６４）の径に合わせてレンズホルダ６５を構成することができる。
これに加え、レンズホルダ６５の凹レンズ６４を保持する部分の厚みＷが、当該凹レンズ６４の厚みと同程度（若干厚い又は薄いものも当然含む）に形成され、凹レンズ６４を通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されているため、レーザ光４５のビーム径を従来よりも大きく拡径することができるから、当該焦点位置調整装置３１の次段に、開口数のより大きな集光レンズ３４を配置し、分解能が高く高精細なレーザ加工が実現できる。
【００３９】
また本実施形態によれば、可動片６２の可動プレート８０の面内に軽量化用の開口部９２を設けたため、可動片６２の高速駆動が可能になる。なお、軽量化用の開口部９２に代えて凹部によって軽量化を図る構成としても良い。
【００４０】
また本実施形態によれば、上記可動片６２を、レンズホルダ６５を通り直動方向Ｘに対して垂直な軸線（図３（Ａ）中、Ａ−Ａ線に相当）を対称軸として軸対称形状に形成し、この可動片６２の重心位置にレンズホルダ６５を配置したため、レンズホルダ６５を中心として直動方向Ｘの重量バランスが維持され、高速に可動片６２を駆動しても、直動に伴うレンズホルダ６５の光軸のずれが抑制され、高速、かつ、高精度なレーザ加工が実現される。
【００４１】
さらに、本実施形態によれば、上記焦点位置調整装置３１及び集光レンズ３４を同一のステージ３３に取り付けてスキャナ光学装置３を構成しているため、焦点位置調整装置３１及び集光レンズ３４の光軸のずれが防止される。
【００４２】
［第２実施形態］
図７は、本実施形態に係る焦点位置調整装置１３１の構成を示す図であり、図７（Ａ）は焦点位置調整装置１３１の平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。また、図８は焦点位置調整装置１３１の構成を模式的に示す斜視図であり、図９は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
なお、これらの図において、第１実施形態で説明した焦点位置調整装置３１と同様な部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、これらの図では、直動機構５１の可動プレート８０の位置を検出するための検出部５２の記載を省略している。
【００４３】
これらの図に示すように、本実施形態の焦点位置調整装置１３１は、大きなレーザ出力を要する例えばレーザ溶接などの加工を行うレーザ加工装置に用いて好適に構成されたものであり、光学系の破損を防止すべく径を大きくしたレーザ光４５を通過可能な径のレンズ１６４を嵌め込み可能な寸法のレンズホルダ１６５を備えている。
このような高エネルギーのレーザ光４５がレンズ１６４を通した場合、レンズ１６４が発熱し、何ら対策を施さなければ熱損傷が生じることがある。
そこで、レンズホルダ１６５を、例えばアルミニウム（アルミニウム合金を含む）等の高熱伝導性の素材から形成すると共に、このレンズホルダ１６５に、図７（Ｂ）に示すように、レンズ１６４を冷却する冷却機構１１００を設けている。
【００４４】
冷却機構１１００は、水冷によってレンズホルダ１６５を冷却して、当該レンズホルダ１６５が保持するレンズ１６４を冷却するものであり、レンズ１６４が嵌め込まれる嵌込開口１６５Ａを囲むように形成された正面視Ｕ字状の冷却水路１１０１と、この冷却水路１１０１の各端部に設けられた注水口１１０３及び排水口１１０５とを備えている。注水口１１０３及び排水口１１０５は、レンズホルダ１６５の上部に設けられ、それぞれには、ビニール製のチューブを螺旋状に形成した伸縮性に優れる冷却水配管（図示せず）が接続されている。これら冷却水路１１０１、注水口１１０３及び排水口１１０５は、正面からみてレンズ１６４の光軸（中心軸）を中心に左右対称形状に形成され、左右の重量がバランスされている。
レーザ加工時には、冷却機構１１００を冷却水が循環することで、レンズホルダ１６５を介してレンズ１６４が冷却される。
【００４５】
図９に示すように、レンズ１６４の縁部１６４Ａは、ある程度の幅Ｔを有するように切り（削り）落とされており、このレンズ１６４の縁部１６４Ａがレンズホルダ１６５の嵌込開口１６５Ａに嵌め込まれ、その前面側が環状の抑え部材１１３０によって抑えられる。
上記のようにレンズ１６４の縁部１６４Ａの幅Ｔを大きくすることで、レンズホルダ１６５との間の接触面積が増え、レンズ１６４の冷却効率が高められている。また、レンズホルダ１６５には、レンズ１６４の裏面１６７に係合する段付部１６６が形成されており、この段付部１６６とレンズ１６４との接触箇所からも熱伝導可能にすることで、冷却効率がさらに高められる。
【００４６】
ここで、レンズホルダ１６５のサイズや重量、直動機構５１の直動時の周波数（往復動の周期）によっては、直動機構５１の可動片６２に共振が生じて雑音が生じることがある。
そこで、本実施形態では、可動片６２に、共振防止部材１１１０、１１１２を設けている。
共振防止部材１１１０、１１１２は、それぞれ所定の重さを有した円柱状の部材であり、直動ガイドレール８２の長手方向と略平行な姿勢で可動片６２に取付けられており、可動片６２の駆動時の共振発生が抑制されている。
【００４７】
また、上記共振防止部材１１１０、１１１２は、可動片６２に対して着脱自在に構成されており、共振の特性に応じて共振防止部材１１１０、１１１２を交換し、調整できるようになっている。
これら共振防止部材１１１０、１１１２は、可動片６２（可動プレート８０）の角部に設ける事が良く、どの角部に設ける構成とするかは、共振が防止できる構成であれば、本実施形態のように、直動ガイドレール８２側の２つの角部だけに設ける構成であっても、直動ガイドレール８１側の角部も合わせて４つ角全部に設ける構成であっても、また、４つ角のうちのいずれか数個の角部だけに設ける構成であっても良い。
【００４８】
また、可動片６２をガイドする直動ガイドレール８１は、その大部分が可動プレート８０によって覆われた構成とされているが、この可動プレート８０には、図７及び図８に示すように、直動ガイドレール８１に対応した箇所に、潤滑油を導入するための導入孔１１２０が形成されている。
これにより、直動ガイドレール８１と可動プレート８０との摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
【００４９】
このように本実施形態によれば、レンズホルダ１６５に、レンズ１６４を冷却するための冷却機構１１００を設けたため、レーザ光４５を通したときの発熱による熱損傷を防止することが可能となり、高いレーザ出力を要するレーザ加工装置に好適な焦点位置調整装置１３１が実現される。
【００５０】
また本実施形態によれば、直動機構５１の可動片６２に、往復動に伴う共振を防止する共振防止部材１１１０、１１１２を設ける構成としたため、可動片６２の駆動時の雑音を防止することができる。
また本実施形態によれば、可動片６２と直動ガイドレール８１の摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔１１２０を設けているため、この摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
【００５１】
なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態において、レンズホルダ６５を可動片６２の可動プレート８０に対してネジ止め固定する構成とし、レンズホルダ６５ごと凹レンズ６４を交換自在に構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】スキャナヘッドの主要構成を示す概要図である。
【図３】焦点位置調整装置の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】焦点位置調整装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図６】ボイスコイル体の構成を説明するための図である。
【図７】第２実施形態に係る焦点位置調整装置の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図８】焦点位置調整装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】図７（Ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ加工装置
３ スキャナ光学装置
６ コントロールユニット
３０ ＡＯＭ
３１、１３１ 焦点位置調整装置
３２ スキャナヘッド
３４ 集光レンズ
４５ レーザ光
４６ ワーキングエリア
５０ ベース体
５１ 直動機構
６２ 可動片
６３ 駆動部
６４、１６４ レンズ
６５、１６５ レンズホルダ
８０ 可動プレート
９２ 開口部
１１００ 冷却機構
１１０１ 冷却水路
１１０３ 注水口
１１０５ 排水口
１１１０ 共振防止部材
１１２０ 導入孔
Ｘ 直動方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線の焦点位置を調整する焦点位置調整装置、及び、この焦点位置調整装置を備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、部品や製品等の加工対象物をレーザ光により走査して、この加工対象物の表面に印字やマーキング等の加工を行うレーザ加工装置が知られている。また、光硬化樹脂にレーザ光を照射して光硬化造形法により三次元形状の物体を造形する光造形装置が知られている。これらのレーザ加工装置、及び、光造形装置においては、加工対象物或いは光硬化樹脂をレーザ光で走査するための走査手段として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の２軸方向にレーザ光を偏向可能にするスキャナ装置（例えばガルバノスキャナ装置）が用いられている。
【０００３】
さらに、加工対象物或いは光硬化樹脂におけるレーザ光の照射スポット径を調整することで、所定の加工精度や加工深度を維持するようにしたレーザ加工装置や光造形装置も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
照射スポット径の調整は、加工対象物とレーザ光の焦点位置とのＺ軸方向の距離を調整することで行われる。
このような焦点位置調整装置としては、例えば特許文献２に示されているように、レーザ光のビーム径を拡大して（デフォーカスして）、外部に設けられた集光レンズたる対物レンズに入射する、焦点位置及びビーム径調整用のレンズを円筒状のボビンに収納し、このボビンの両端にボイルコイルモータを配設し、これらのボイスコイルモータによって円筒状のボビンと共にレンズを直動することで、加工対象物に対してレーザ光の焦点位置を調整可能に構成したものが知られている。
【特許文献１】特開２００７−６１８５６号公報
【特許文献２】特開２００６−１５４１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の焦点位置調整装置においては、ボビン内のレンズによって拡径したレーザ光が出射側のボイスコイルモータから出射する前に、ボビンやボイスコイルモータの内周面に当たってしまうという問題が生じる。この結果、レーザ光の最大ビーム径が実質的に制限され、焦点位置の調整範囲も制約を受けてしまう。また、集光レンズでの開口数を高めることでレーザ光の照射位置での解像度が高められるものの、上記のように最大ビーム径が制限されると、開口数にも制限が生じ、加工精度に制約が生じる恐れがある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ビーム径に制限を生じさせることが無い焦点位置調整装置及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、ベース体に設けられ、可動片を往復動する直動機構と、前記可動片に一体に設けられ、光線が入射するレンズを保持するレンズホルダとを備え、前記レンズホルダは、前記レンズを前記ベース体から突出した位置に保持し、前記レンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されていることを特徴とする焦点位置調整装置を提供する。
【０００７】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記可動片に、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記レンズホルダに、前記レンズを冷却する冷却機構を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記直動機構は、前記可動片の往復動を案内する直動ガイドレールを備え、前記直動機構に、前記可動片と前記直動ガイドレールの摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、本発明に係る上記焦点位置調整装置において、前記可動片は、前記レンズホルダが取付けられる可動プレートを備え、前記可動プレートには、該可動プレートの重心位置に前記レンズホルダが取付けられると共に、前記レンズホルダを挟んだ両側に開口又は凹みが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また上記目的を達成するために、本発明は、加工条件に応じて光線の照射スポット径を可変させながら加工対象物に前記光線を照射するレーザ加工装置において、上記本発明に係る焦点位置調整装置と、この焦点位置調整装置に入力する光線を出力するレーザ装置と、前記照射スポット径に基づいて、前記焦点位置調整装置が備える可動片の移動量を規定する駆動信号を生成する制御回路とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、レンズホルダが、ベース体から突出した位置にレンズを保持するため、該レンズの径がベース体の寸法に制限される事がなく、これに加え、このレンズホルダがレンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されているため、特にレンズが光線を拡径する場合でも、この光線がレンズホルダに遮蔽される事が無いから、ビーム径を大きくして高い精度の加工が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態では、レーザ加工装置に本発明を適用した場合を説明するが、光硬化造形法により三次元造形を行う光造形装置にも本発明を適用可能である。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。また、図２は、図１に示すモータ４１Ａにスキャナミラー４０Ａを取り付けた状態を拡大して示す図である。
【００１５】
レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、スキャナ光学装置３と、レーザ発振器２から放射された光線たるレーザ光４５をスキャナ光学装置３に導く１対のミラー４Ａ、４Ｂとを備えており、これらが板状の石定盤５に載置・固定されている。
レーザ発振器２は、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光４５を発振するものであり、図示せぬレーザ共振器を内蔵する直方体形状の発振器本体２０を備え、この発振器本体２０の先端部２０Ａにはレーザ出射口２１が形成されている。
なお、レーザ発振器２としては、固体レーザ発振器、液体レーザ発振器、気体レーザ発振器、ファイバレーザ、半導体レーザ発振器、或いは、自由電子レーザ発振器などが用いられる。
【００１６】
発振器本体２０の底面には、先端部２０Ａ側及び後端部２０Ｂ側のそれぞれに、石定盤５にねじ止め固定されたＸＹＺ軸ステージ２２が設けられている。石定盤５は、平面精度が非常に高いため、各ＸＹＺ軸ステージ２２を調整することで、レーザ発振器２の光軸の微調整が可能となる。さらに、石定盤５は、熱伝導率が非常に小さいため、レーザ発振器２の発熱が他の光学要素に伝導し熱的影響を及ぼすことが抑制される。
【００１７】
スキャナ光学装置３は、光学要素として、レーザ発振器２から出力されたレーザ光４５の強度を変調するＡＯＭ（音響光学変調素子）３０と、レーザ光４５のＺ軸上での焦点位置を調整する焦点位置調整装置３１と、レーザ光４５をＸ軸、Ｙ軸の２軸に偏向して加工対象物に照射するスキャナヘッド３２とを備え、これらの光学要素が、ミラー４Ｂとの光軸を合わせるための直線状に延びた高さ調整用のステージ３３に載置されている。
この高さ調整用のステージ３３には、焦点位置調整装置３１及びスキャナヘッド３２の間に固定配置され、焦点位置調整装置３１から出力された光を集光する集光レンズ３４と、ＡＯＭ３０に入射するレーザ光４５を整形する光学素子としての２組のレンズ３５Ａ、３５Ｂとが取り付けられている。
【００１８】
スキャナヘッド３２は、底面が開口した箱型の筐体４２を備えており、この筐体４２の上部及び側部には、モータ４１Ａ、４１Ｂが設けられている。
モータ４１Ａの回転軸４７（駆動軸）は、図１における左右方向に延在しており、その先端には、レーザ光４５を偏向するスキャナミラー４０Ａが取り付けられている。このスキャナミラー４０Ａは、モータ４１Ａの回転軸４７をＲ方向（図２参照）へ適宜回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
一方、モータ４１Ｂの駆動軸は、図１における上下方向に延在しており、その先端には、スキャナミラー４０Ａの偏向方向に対して所定の角度となる方向にレーザ光４５を偏向するスキャナミラー４０Ｂが取り付けられている。このスキャナミラー４０Ｂは、モータ４１Ｂの駆動軸を回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
これらのスキャナミラー４０Ａ、４０Ｂは、筐体４２の内部に配置されており、筐体４２の側面には、その内部にレーザ光４５を導くための図示せぬ導入口が形成されている。
【００１９】
また、筐体４２が配置された部分の高さ調整用のステージ３３には、上記スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂにて偏向された光を出射する出射口４３が設けられている。これにより、スキャナヘッド３２、集光レンズ３４及びこの出射口４３によって、レーザ発振器２から出力されたレーザ光４５を偏向する偏向モジュールが構成されている。この偏向モジュールによって偏向されたレーザ光４５は、出射口４３を通過して加工対象物が載置されるワーキングエリア４６へと向けられる。
【００２０】
焦点位置調整装置３１は、レーザ光４５をスキャナヘッド３２で偏向し加工対象物をレーザ光４５で走査する際に、加工対象物の走査面におけるレーザ光４５の照射スポット径を可変するために、レーザ光４５の焦点位置を調整するものであり、具体的な構成については後詳述する。
ＡＯＭ３０は、上記の通り、レーザ発振器２から出力された連続発振レーザ光、或いは、パルスレーザ光の強度変調を行うものである。
【００２１】
また図１に示すように、レーザ加工装置１は、上記ＡＯＭ３０、焦点位置調整装置３１及びスキャナヘッド３２を制御するコントロールユニット６を有している。
コントロールユニット６は、加工対象物の走査面におけるレーザ加工深度等の加工度合いを一定に維持すべく、スキャナヘッド３２のモータ４１Ａ、４１Ｂの駆動量によって規定されるレーザ光４５の走査速度に応じて、走査面でのレーザ光４５の強度又は密度を調整するための制御を行う。
【００２２】
具体的には、コントロールユニット６は、レーザ光４５の走査速度が速い場合、単位面積あたりのエネルギー低下を防止するために、レーザ光４５の強度もしくはレーザ光４５の密度を高め、これとは逆に、走査速度が遅い場合、単位面積あたりのエネルギー上昇を抑制するために、レーザ光４５の強度もしくはレーザ光４５の密度を低める制御を行うことで、レーザ光４５の走査時の単位面積あたりのエネルギーを略一定に維持する制御を行う。なお、上記レーザ光４５の密度は、パルスレーザ光の単位時間当たりのパルス数により定義され、当該レーザ光密度を可変することで、単位面積当たりのレーザ光４５のエネルギーを可変することができる。
【００２３】
また、スキャナヘッド３２のモータ４１Ａ、４１Ｂには、スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂの回転量に応じたパルス数のデジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢをコントロールユニット６に出力するエンコーダ４４Ａ及び４４Ｂが設けられている。
上記コントロールユニット６は、各デジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢをカウントし、このカウント値に基づいて、スキャナミラー４０Ａ、４０Ｂの回転量を特定し、現在のレーザ光照射位置のＸＹ座標値を特定する。
このときコントロールユニット６は、レーザ光照射位置の目標値と現在のＸＹ座標値との偏差を打ち消すように、モータ４１Ａ、４１Ｂのそれぞれに出力してネガティブフィードバック制御を実行する。すなわち、コントロールユニット６においては、デジタルパルス信号ＳＡ、ＳＢを出力するエンコーダ４４Ａ、４４Ｂ、及び、コントロールユニット６により、フルデジタルのクローズドループ制御系が構成されており、各モータ４１Ａ、４１Ｂの駆動が高精度に補償される。これにより、高精度なモータ制御、すなわち、加工対象物の加工面における高精度な照射位置制御が実現される。
【００２４】
そして、このようなレーザ加工装置１は、例えば、リモートレーザ溶接、ワーキングディスタンスが比較的長い光造形システム、高い描画精度が要求される描画システム（単なる製造年月日などの文字を認識するために描画されるものを除く）などに使用することができる。
【００２５】
次いで、上記焦点位置調整装置３１について詳述する。
図３は焦点位置調整装置３１の構成を示す図であり、図３（Ａ）は焦点位置調整装置３１の平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。また、図４は焦点位置調整装置３１の構成を模式的に示す斜視図であり、図５は図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。なお、焦点位置調整装置３１の構成の把握を容易とするために、図４及び図５では一部の構成の図示を省略している。
【００２６】
これらの図に示すように、焦点位置調整装置３１は、箱形のベース体５０と、このベース体５０に設けられた直動機構５１と、この直動機構５１の駆動量を検出する検出部５２（図４及び図５には図示せず）とを有している。
ベース体５０は、厚みのあるアルミニウム製部材に、直線状に延びる断面略矩形の凹溝部６０を設けて構成され、この凹溝部６０に、上記直動機構５１が収められている。
直動機構５１は、可動片６２と、この可動片６２を直線的に往復移動する駆動部６３とを有し、さらに、レーザ光４５をデフォーカスしてビーム径を拡径し、光軸一致に設けられた上記集光レンズ３４（図１参照）に入射する凹レンズ６４を保持するレンズホルダ６５が可動片６２に取り付け固定されている。
【００２７】
可動片６２の直動方向Ｘは凹レンズ６４の光軸と一致し、上記可動片６２の直動に伴って凹レンズ６４と上記集光レンズ３４との間の距離が可変される。これにより、焦点位置調整装置３１から集光レンズ３４に入射するレーザ光４５のビーム径、すなわち、集光レンズ３４へのレーザ光４５の入射角が可変されて、集光レンズ３４からレーザ光４５の焦点位置までの距離が変更されるため、加工対象物に対する焦点位置が調整されることとなる。
【００２８】
直動機構５１の駆動部６３は、図５に示すように、互いに対向配置され、直動方向Ｘに延びる一対の板状永久磁石６７、６８と、板状永久磁石６７、６８ごとに接合して設けられる板状の継鉄（ヨーク）６９、７０とを有し、これら一対の板状永久磁石６７、６８が形成する磁界中に、可動片６２に一体的に設けたボイスコイル体７２を配置して構成されている。
ボイスコイル体７２は、図６に示すように、複数のボイスコイル７３が直動方向Ｘに沿って並設されて構成されており、前掲図３（Ｂ）に示すように、一対の板状永久磁石６７、６８を挟んだ両側に延在するように可動片６２に設けられた一対の支持脚７４に一体的に取り付けられている。
【００２９】
また上記一対の板状永久磁石６７、６８のそれぞれは、図５及び図６に示すように、磁極が一定ピッチＰで交互に配列されており、さらに、対向する板状永久磁石６７、６８の間で各磁極が反対極性になるように配列されている。
すなわち、駆動部６３は、ボイスコイル型のリニアモータとして構成されており、上記コントロールユニット６から送出された駆動信号によってボイスコイル体７２に電流が流れることで、ボイスコイル体７２には、一対の板状永久磁石６７、６８間を直動方向に沿ってスライド移動させる力が加わることとなる。
【００３０】
ベース体５０の上面には、板状永久磁石６７、６８を挟んだ両側に、２本の直動ガイドレール８１、８２が設けられ、これら直動ガイドレール８１、８２に遊嵌するガイド溝８３、８４が可動片６２の裏面側に形成されている。そして、上記駆動部６３の駆動によって、ボイスコイル体７２にスライド移動方向の力が加わることで、可動片６２が直動ガイドレール８１、８２及びガイド溝８３、８４によって案内されて直動することとなる。
また、ベース体５０には、可動片６２の直動範囲の両端部に位置する箇所に、緩衝材８６有した規制凸部８５が配設され、これら規制凸部８５によって直動範囲の両端部で可動片６２が速やかに停止される。
【００３１】
上記駆動部６３によって直動される可動片６２は、図３（Ａ）及び図４に示すように、ベース体５０上を移動する略矩形の板状の可動プレート８０を有し、この可動プレート８０の上面には、可動プレート８０の重心位置に上記レンズホルダ６５が載置され、また、可動プレート８０の下側に上記駆動部６３が配設される。
可動プレート８０には、直動方向Ｘに平行な一方の縁部に、Ｌ字状に立ち上がった側壁８７が形成されている。この側壁８７の外側面には、直動方向Ｘに直線状に延び、可動片６２と一体的に移動するリニアスケール８９（図４には図示せず）が設けられ、また、ベース体５０には、リニアスケール８９と対向して、当該リニアスケール８９の移動を検出する例えば光学式又は磁気式の検出ユニット９０が配置されており、これらリニアスケール８９及び検出ユニット９０によって上記検出部５２が構成されている。検出ユニット９０及びリニアスケール８９の対向箇所は、覆い板９１によって覆われており、検出ノイズの低減が図られている。
【００３２】
検出ユニット９０の検出信号は、上記コントロールユニット６に入力される。コントロールユニット６は、加工対象物に形成すべき照射スポット径に基づいて、凹レンズ６４を可動片６２と共に所定距離だけ直動させレーザ光４５の焦点位置を調整する制御を行っており、上記検出ユニット９０からの検出信号に基づいて、可動片６２の移動量（位置）を特定し、フィードバック制御を行っている。このとき、上記のように、駆動部６３がリニアモータとして構成されているため、高精度で、かつ、高速な位置制御が実現可能となる。
【００３３】
ここで、凹レンズ６４を透過したレーザ光４５は、集光レンズ３４に向けて拡径しながら進むこととなる。本実施形態では、上述の通り、凹レンズ６４を保持するレンズホルダ６５は、可動プレート８０の上面に、ベース体５０の上面から上方に突出させた状態で設け、可動プレート８０の下側に、ベース体５０に収容するように駆動部６３を設けているため、この駆動部６３が凹レンズ６４と集光レンズ３４との間に介在することが無く、当該駆動部６３によってレーザ光４５が遮蔽される心配は無い。
【００３４】
さらに、レンズホルダ６５の凹レンズ６４を保持する部分においては、図５に示すように、凹レンズ６４の光軸に沿った厚みＷが、当該凹レンズ６４の厚みと同程度、或いは、若干厚い程度に形成され、かかるレンズホルダ６５がベース体５０から突出した状態で可動プレート８０と共に直動する。これにより、凹レンズ６４を透過することで拡径するレーザ光４５がレンズホルダ６５によって遮蔽され難くなり、レーザ光４５のビーム径を従来よりも大きく拡径することができる。
【００３５】
上記可動プレート８０には、レンズホルダ６５を挟んで直動方向Ｘに沿った両側に、それぞれ同形に開口してなる軽量化用の開口部９２が形成されており、これにより、可動片６２の高速駆動を可能にし、レーザ加工速度の向上が図られている。
このとき、可動プレート８０及び支持脚７４を含む上記可動片６２は、レンズホルダ６５を通り直動方向Ｘに対して垂直な軸線（図３（Ａ）中、Ａ−Ａ線に相当）を対称軸として軸対称形状に形成されている。
これにより、可動片６２においては、レンズホルダ６５を中心として直動方向Ｘの重量バランスが維持され、高精度、かつ、高速な駆動を実現可能にし、さらに、直動に伴うレンズホルダ６５の光軸のずれが抑制されるため、高速、かつ、高精度なレーザ加工が実現可能になる。
【００３６】
ここで、コントロールユニット６は、加工開始時、或いは、１ラインの走査の開始時には、レーザ光４５の照射位置をワーキングエリア４６の所定の位置から走査開始位置まで移動し、その走査開始位置での照射スポット径が所定値となるように、焦点位置調整装置３１の可動片６２みを駆動して焦点位置を調整し、また、レーザ光４５で走査している間は、走査位置によらず照射スポット径が所定値、或いは、走査位置でのレーザ光４５のエネルギーが略一定となる照射スポット径となるように、スキャナヘッド３２のＸ軸、Ｙ軸のモータ４１Ａ、４１Ｂの駆動（すなわち、レーザ光の照射位置）と同期して焦点位置調整装置３１の可動片６２を駆動する。
【００３７】
レーザ加工装置１は、走査開始時に、レーザ光４５のワーキングエリア４６での焦点位置を調整する際に、焦点位置調整装置３１の１ステップあたりの駆動量をレーザ走査による加工時よりも大きくして（いわゆる、粗動動作）させて、精度よりも高速性を優先して焦点位置調整が行われ、次いで、次いで、加工時には、１ステップあたりの駆動量を小さくしてレーザ走査を行う（微動動作）。上記のように、可動片６２を高精度、かつ、高速に駆動可能な構成を有しているため、この微動動作を高精度、かつ、高速に行うことが可能となり、これにより、生産性の高い、高品位な加工が可能になる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、レンズホルダ６５をベース体５０から突出させた状態で可動片６２に設けて直動する構成としため、レンズホルダ６５の寸法が制限される事が無いから、加工に必要なレンズ（本実施形態では凹レンズ６４）の径に合わせてレンズホルダ６５を構成することができる。
これに加え、レンズホルダ６５の凹レンズ６４を保持する部分の厚みＷが、当該凹レンズ６４の厚みと同程度（若干厚い又は薄いものも当然含む）に形成され、凹レンズ６４を通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されているため、レーザ光４５のビーム径を従来よりも大きく拡径することができるから、当該焦点位置調整装置３１の次段に、開口数のより大きな集光レンズ３４を配置し、分解能が高く高精細なレーザ加工が実現できる。
【００３９】
また本実施形態によれば、可動片６２の可動プレート８０の面内に軽量化用の開口部９２を設けたため、可動片６２の高速駆動が可能になる。なお、軽量化用の開口部９２に代えて凹部によって軽量化を図る構成としても良い。
【００４０】
また本実施形態によれば、上記可動片６２を、レンズホルダ６５を通り直動方向Ｘに対して垂直な軸線（図３（Ａ）中、Ａ−Ａ線に相当）を対称軸として軸対称形状に形成し、この可動片６２の重心位置にレンズホルダ６５を配置したため、レンズホルダ６５を中心として直動方向Ｘの重量バランスが維持され、高速に可動片６２を駆動しても、直動に伴うレンズホルダ６５の光軸のずれが抑制され、高速、かつ、高精度なレーザ加工が実現される。
【００４１】
さらに、本実施形態によれば、上記焦点位置調整装置３１及び集光レンズ３４を同一のステージ３３に取り付けてスキャナ光学装置３を構成しているため、焦点位置調整装置３１及び集光レンズ３４の光軸のずれが防止される。
【００４２】
［第２実施形態］
図７は、本実施形態に係る焦点位置調整装置１３１の構成を示す図であり、図７（Ａ）は焦点位置調整装置１３１の平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。また、図８は焦点位置調整装置１３１の構成を模式的に示す斜視図であり、図９は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
なお、これらの図において、第１実施形態で説明した焦点位置調整装置３１と同様な部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、これらの図では、直動機構５１の可動プレート８０の位置を検出するための検出部５２の記載を省略している。
【００４３】
これらの図に示すように、本実施形態の焦点位置調整装置１３１は、大きなレーザ出力を要する例えばレーザ溶接などの加工を行うレーザ加工装置に用いて好適に構成されたものであり、光学系の破損を防止すべく径を大きくしたレーザ光４５を通過可能な径のレンズ１６４を嵌め込み可能な寸法のレンズホルダ１６５を備えている。
このような高エネルギーのレーザ光４５がレンズ１６４を通した場合、レンズ１６４が発熱し、何ら対策を施さなければ熱損傷が生じることがある。
そこで、レンズホルダ１６５を、例えばアルミニウム（アルミニウム合金を含む）等の高熱伝導性の素材から形成すると共に、このレンズホルダ１６５に、図７（Ｂ）に示すように、レンズ１６４を冷却する冷却機構１１００を設けている。
【００４４】
冷却機構１１００は、水冷によってレンズホルダ１６５を冷却して、当該レンズホルダ１６５が保持するレンズ１６４を冷却するものであり、レンズ１６４が嵌め込まれる嵌込開口１６５Ａを囲むように形成された正面視Ｕ字状の冷却水路１１０１と、この冷却水路１１０１の各端部に設けられた注水口１１０３及び排水口１１０５とを備えている。注水口１１０３及び排水口１１０５は、レンズホルダ１６５の上部に設けられ、それぞれには、ビニール製のチューブを螺旋状に形成した伸縮性に優れる冷却水配管（図示せず）が接続されている。これら冷却水路１１０１、注水口１１０３及び排水口１１０５は、正面からみてレンズ１６４の光軸（中心軸）を中心に左右対称形状に形成され、左右の重量がバランスされている。
レーザ加工時には、冷却機構１１００を冷却水が循環することで、レンズホルダ１６５を介してレンズ１６４が冷却される。
【００４５】
図９に示すように、レンズ１６４の縁部１６４Ａは、ある程度の幅Ｔを有するように切り（削り）落とされており、このレンズ１６４の縁部１６４Ａがレンズホルダ１６５の嵌込開口１６５Ａに嵌め込まれ、その前面側が環状の抑え部材１１３０によって抑えられる。
上記のようにレンズ１６４の縁部１６４Ａの幅Ｔを大きくすることで、レンズホルダ１６５との間の接触面積が増え、レンズ１６４の冷却効率が高められている。また、レンズホルダ１６５には、レンズ１６４の裏面１６７に係合する段付部１６６が形成されており、この段付部１６６とレンズ１６４との接触箇所からも熱伝導可能にすることで、冷却効率がさらに高められる。
【００４６】
ここで、レンズホルダ１６５のサイズや重量、直動機構５１の直動時の周波数（往復動の周期）によっては、直動機構５１の可動片６２に共振が生じて雑音が生じることがある。
そこで、本実施形態では、可動片６２に、共振防止部材１１１０、１１１２を設けている。
共振防止部材１１１０、１１１２は、それぞれ所定の重さを有した円柱状の部材であり、直動ガイドレール８２の長手方向と略平行な姿勢で可動片６２に取付けられており、可動片６２の駆動時の共振発生が抑制されている。
【００４７】
また、上記共振防止部材１１１０、１１１２は、可動片６２に対して着脱自在に構成されており、共振の特性に応じて共振防止部材１１１０、１１１２を交換し、調整できるようになっている。
これら共振防止部材１１１０、１１１２は、可動片６２（可動プレート８０）の角部に設ける事が良く、どの角部に設ける構成とするかは、共振が防止できる構成であれば、本実施形態のように、直動ガイドレール８２側の２つの角部だけに設ける構成であっても、直動ガイドレール８１側の角部も合わせて４つ角全部に設ける構成であっても、また、４つ角のうちのいずれか数個の角部だけに設ける構成であっても良い。
【００４８】
また、可動片６２をガイドする直動ガイドレール８１は、その大部分が可動プレート８０によって覆われた構成とされているが、この可動プレート８０には、図７及び図８に示すように、直動ガイドレール８１に対応した箇所に、潤滑油を導入するための導入孔１１２０が形成されている。
これにより、直動ガイドレール８１と可動プレート８０との摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
【００４９】
このように本実施形態によれば、レンズホルダ１６５に、レンズ１６４を冷却するための冷却機構１１００を設けたため、レーザ光４５を通したときの発熱による熱損傷を防止することが可能となり、高いレーザ出力を要するレーザ加工装置に好適な焦点位置調整装置１３１が実現される。
【００５０】
また本実施形態によれば、直動機構５１の可動片６２に、往復動に伴う共振を防止する共振防止部材１１１０、１１１２を設ける構成としたため、可動片６２の駆動時の雑音を防止することができる。
また本実施形態によれば、可動片６２と直動ガイドレール８１の摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔１１２０を設けているため、この摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
【００５１】
なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態において、レンズホルダ６５を可動片６２の可動プレート８０に対してネジ止め固定する構成とし、レンズホルダ６５ごと凹レンズ６４を交換自在に構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】スキャナヘッドの主要構成を示す概要図である。
【図３】焦点位置調整装置の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】焦点位置調整装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図６】ボイスコイル体の構成を説明するための図である。
【図７】第２実施形態に係る焦点位置調整装置の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図８】焦点位置調整装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】図７（Ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ加工装置
３ スキャナ光学装置
６ コントロールユニット
３０ ＡＯＭ
３１、１３１ 焦点位置調整装置
３２ スキャナヘッド
３４ 集光レンズ
４５ レーザ光
４６ ワーキングエリア
５０ ベース体
５１ 直動機構
６２ 可動片
６３ 駆動部
６４、１６４ レンズ
６５、１６５ レンズホルダ
８０ 可動プレート
９２ 開口部
１１００ 冷却機構
１１０１ 冷却水路
１１０３ 注水口
１１０５ 排水口
１１１０ 共振防止部材
１１２０ 導入孔
Ｘ 直動方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース体に設けられ、可動片を往復動する直動機構と、
前記可動片に一体に設けられ、光線が入射するレンズを保持するレンズホルダとを備え、
前記レンズホルダは、前記レンズを前記ベース体から突出した位置に保持し、前記レンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されていることを特徴とする焦点位置調整装置。
【請求項２】
前記可動片に、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の焦点位置調整装置。
【請求項３】
前記レンズホルダに、前記レンズを冷却する冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置調整装置。
【請求項４】
前記直動機構は、前記可動片の往復動を案内する直動ガイドレールを備え、
前記直動機構に、前記可動片と前記直動ガイドレールの摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点位置調整装置。
【請求項５】
加工条件に応じて光線の照射スポット径を可変させながら加工対象物に前記光線を照射するレーザ加工装置において、
請求項１乃至４のいずれかに記載の焦点位置調整装置と、
前記焦点位置調整装置に入力する光線を出力するレーザ装置と、
前記照射スポット径に基づいて、前記焦点位置調整装置が備える可動片の移動量を規定する駆動信号を生成する制御回路と
を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
ベース体に設けられ、可動片を往復動する直動機構と、
前記可動片に一体に設けられ、光線が入射するレンズを保持するレンズホルダとを備え、
前記レンズホルダは、前記レンズを前記ベース体から突出した位置に保持し、前記レンズを通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されていることを特徴とする焦点位置調整装置。
【請求項２】
前記可動片に、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の焦点位置調整装置。
【請求項３】
前記レンズホルダに、前記レンズを冷却する冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置調整装置。
【請求項４】
前記直動機構は、前記可動片の往復動を案内する直動ガイドレールを備え、
前記直動機構に、前記可動片と前記直動ガイドレールの摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点位置調整装置。
【請求項５】
加工条件に応じて光線の照射スポット径を可変させながら加工対象物に前記光線を照射するレーザ加工装置において、
請求項１乃至４のいずれかに記載の焦点位置調整装置と、
前記焦点位置調整装置に入力する光線を出力するレーザ装置と、
前記照射スポット径に基づいて、前記焦点位置調整装置が備える可動片の移動量を規定する駆動信号を生成する制御回路と
を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２９１８１１（Ｐ２００９−２９１８１１Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７５５１（Ｐ２００８−１４７５５１）
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（３９１０６４４２９）シーメット株式会社 (38)
【出願人】（５０３４０５６８９）ナブテスコ株式会社 (737)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（３９１０６４４２９）シーメット株式会社 (38)
【出願人】（５０３４０５６８９）ナブテスコ株式会社 (737)
【Ｆターム（参考）】
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