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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023168832
(43)【公開日】2023-11-29
(54)【発明の名称】レーザ加工機の焦点位置の調整方法及びレーザ加工機
(51)【国際特許分類】
B23K 26/046 20140101AFI20231121BHJP
B23K 26/03 20060101ALI20231121BHJP
【ＦＩ】
B23K26/046
B23K26/03
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080169
(22)【出願日】2022-05-16
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-09-06
(71)【出願人】
【識別番号】000154990
【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所
(71)【出願人】
【識別番号】000227205
【氏名又は名称】ＮＥＣプラットフォームズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100160705
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】矢田 賢一
(72)【発明者】
【氏名】本田 直晃
(72)【発明者】
【氏名】別府 宗明
(72)【発明者】
【氏名】荒川 祐一
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168CA06
4E168CA13
4E168CA15
4E168CB04
4E168CB15
4E168CB22
4E168CB24
4E168EA15
(57)【要約】
【課題】レーザ加工においてレーザのスポット形状を円形にすることができるレーザ加工機の焦点位置の調整方法及びレーザ加工機を提供する。
【解決手段】レーザ加工機１００の焦点位置の調整方法は、Ｘ軸方向に沿ってワークＷをレーザ加工し、レーザ加工機１００のレーザ照射方向の位置は、複数の位置とする第１の加工をすることと、第１の加工に連続して行われ、Ｙ軸方向に沿ってワークＷをレーザ加工し、レーザ加工機１００のレーザ照射方向の位置は複数の位置とする第２の加工をすることと、第１の加工及び第２の加工の加工痕から、第１の加工及び第２の加工に適した第１の有効位置範囲Ｒ１及び第２の有効位置範囲Ｒ２を求めることと、第１の有効位置範囲Ｒ１と第２の有効位置範囲Ｒ２とを対比することによって、ワークＷの加工に適した最適位置範囲を特定し、最適位置範囲に基づいて加工初期位置を調整することと、を含む。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ加工機１００の焦点位置の調整方法は、Ｘ軸方向に沿ってワークＷをレーザ加工し、レーザ加工機１００のレーザ照射方向の位置は、複数の位置とする第１の加工をすることと、第１の加工に連続して行われ、Ｙ軸方向に沿ってワークＷをレーザ加工し、レーザ加工機１００のレーザ照射方向の位置は複数の位置とする第２の加工をすることと、第１の加工及び第２の加工の加工痕から、第１の加工及び第２の加工に適した第１の有効位置範囲Ｒ１及び第２の有効位置範囲Ｒ２を求めることと、第１の有効位置範囲Ｒ１と第２の有効位置範囲Ｒ２とを対比することによって、ワークＷの加工に適した最適位置範囲を特定し、最適位置範囲に基づいて加工初期位置を調整することと、を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ加工機の焦点位置の調整方法であって、
レーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第１の加工をすることと、
前記第１の加工に連続して行われる第２の加工であって、前記レーザ照射方向と直交し、かつ、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、前記加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第２の加工をすることと、
前記第１の加工の加工痕から、前記第１の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることと、
前記第２の加工の加工痕から、前記第２の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることと、
前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを対比することによって、前記評価対象の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定し、前記最適位置範囲に基づいて前記加工初期位置を調整することと、を含む焦点位置の調整方法。
レーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第１の加工をすることと、
前記第１の加工に連続して行われる第２の加工であって、前記レーザ照射方向と直交し、かつ、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、前記加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第２の加工をすることと、
前記第１の加工の加工痕から、前記第１の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることと、
前記第２の加工の加工痕から、前記第２の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることと、
前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを対比することによって、前記評価対象の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定し、前記最適位置範囲に基づいて前記加工初期位置を調整することと、を含む焦点位置の調整方法。
【請求項2】
前記第１の加工及び前記第２の加工は、前記レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置を変えて複数回行われ、１回の前記第１の加工及び前記第２の加工では前記レーザ照射方向の位置は一定とされ、
レーザ加工の加工痕は線状とされ、複数回の前記第１の加工及び前記第２の加工による複数本の前記加工痕は、前記第１の方向及び前記第２の方向に互いにオフセットされ、かつ、互いに平行となるように加工が行われ、
複数本の前記加工痕を撮像することによって、前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを求める、請求項１に記載の焦点位置の調整方法。
レーザ加工の加工痕は線状とされ、複数回の前記第１の加工及び前記第２の加工による複数本の前記加工痕は、前記第１の方向及び前記第２の方向に互いにオフセットされ、かつ、互いに平行となるように加工が行われ、
複数本の前記加工痕を撮像することによって、前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを求める、請求項１に記載の焦点位置の調整方法。
【請求項3】
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向とされる、請求項１又は請求項２に記載の焦点位置の調整方法。
【請求項4】
前記評価対象は、被加工物、又は、上面が前記被加工物の上面と面一となるように前記被加工物に隣接配置された試験片とされる、請求項３に記載の焦点位置の調整方法。
【請求項5】
テーブルに載置された被加工物にレーザ光を照射するレーザ発振器と、
該レーザ光をレーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って移動させ、かつ、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させるガルバノミラーと、
前記レーザ発振器の前記レーザ照射方向の位置を調整する焦点距離調整部と、
前記レーザ発振器と前記被加工物との間の距離を計測する測長センサと、
照射された該レーザ光の加工痕を撮像する撮像装置と、を備えるレーザ加工機。
該レーザ光をレーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って移動させ、かつ、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させるガルバノミラーと、
前記レーザ発振器の前記レーザ照射方向の位置を調整する焦点距離調整部と、
前記レーザ発振器と前記被加工物との間の距離を計測する測長センサと、
照射された該レーザ光の加工痕を撮像する撮像装置と、を備えるレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工機の焦点位置の調整方法及びレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザ加工機によってレーザ加工を実施するには、レーザ加工ヘッドに設けた集光レンズの焦点を被加工材の表面に正確に合わせる必要がある。しかしながら、レンズの焦点距離が明示されていたとしても、実際には、機械の組立て誤差、レンズ自体の誤差及び被加工材自体の寸法の誤差といった様々な誤差の累積によって、レンズの焦点距離を調整する必要が生じる。
【0003】
そこで、特許文献１には、機械によるレーザ加工機の焦点合わせ方法が開示されている。具体的には、はじめに、被加工材の上方近傍の位置と裏面との間において焦点を合わせるためにレーザ加工ヘッドの位置を一定間隔で上方移動させ、それぞれの位置において切断加工を実施し、一定の溝幅を有するテストパターンを作成する。次に、被加工材との上下方向の間隙を一定に保った状態でレーザ加工ヘッド先端部に設けられた静電容量センサをテストパターンの切断溝に直交する方向に沿って移動させると共に静電容量を測定し、測定した静電容量が最小となるテストパターンを特定する。最後に、静電容量が最小となるテストパターンを切断したときのレーザ加工ヘッドの上下方向の座標を集光レンズの焦点が被加工材の表面に正確に合焦した位置とする。これによって、一定の溝幅を有するテストパターンを機械で判断することによって正確な焦点合わせが可能になることが示されている。
【0004】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、板金の切断をするためのレーザ加工機に適用するためのものであって、被加工材を切断しない加工には、適用することができない。さらに、レーザ光は一般的にＸ方向に沿った照射とＹ方向に沿った照射、すなわち、縦方向に沿った照射と横方向に沿った照射とでは、上下方向には同じ照射位置であっても被加工材の表面におけるレーザの太さ、すなわち幅が異なるため、レーザのスポット形状は楕円形になる場合がある。このため、特許文献１に記載の方法のように一方向だけに沿った切断加工に基づいて焦点合わせしたのでは、他方向のレーザ加工機の焦点位置が調整できず、むしろ、レーザのスポット形状が楕円形になることを助長する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平１０－０７６３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記事情を鑑み、レーザ加工においてレーザのスポット形状を円形にすることができるレーザ加工機の焦点位置の調整方法及びレーザ加工機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一の態様によれば、レーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、レーザ加工機のレーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び加工初期位置から変位した複数の位置とする第１の加工をすることと、第１の加工に連続して行われる第２の加工であって、レーザ照射方向と直交し、かつ、第１の方向とは異なる第２の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、レーザ加工機のレーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び加工初期位置から変位した複数の位置とする第２の加工をすることと、第１の加工の加工痕から、第１の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることと、第２の加工の加工痕から、第２の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることと、第１の有効位置範囲と第２の有効位置範囲とを対比することによって、評価対象の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定し、最適位置範囲に基づいて加工初期位置を調整することと、を含むレーザ加工機の焦点位置の調整方法が提供される。
【0008】
また、本発明の一の態様によれば、テーブルに載置された被加工物にレーザ光を照射するレーザ発振器と、レーザ光をレーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って移動させ、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させるガルバノミラーと、レーザ発振器のレーザ照射方向の位置を調整する焦点距離調整部と、レーザ発振器と被加工物との間の距離を計測する測長センサと、照射されたレーザ光の加工痕を撮像する撮像装置と、を備えるレーザ加工機が提供される。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一の態様に係るレーザ加工機の焦点位置の調整方法によると、第１の加工及び第１の加工に連続する第２の加工は、レーザ照射方向と直交する第１の方向及び第２の方向に沿って評価対象をレーザ加工する。ここでは、レーザ加工機のレーザ照射方向の位置を加工初期位置及び加工初期位置から変位した複数の位置で加工が行われる。このため、複数のレーザ照射方向位置で加工された第１の加工の加工痕から、第１の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることができる。また、複数のレーザ照射方向位置で加工された第２の加工の加工痕から、第２の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることができる。さらに、第１の有効位置範囲と第２の有効位置範囲とを対比することによって、評価対象の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定することができる。これによって、最適位置範囲に基づいてレーザ加工機の加工初期位置を調整することができ、被加工物のレーザ加工におけるレーザのスポット形状を楕円形から円形にすることができる。
【0010】
また、本発明の一の態様に係るレーザ加工機によると、レーザ発振器からテーブルに載置された被加工物に照射するレーザ光をガルバノミラーによってレーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って移動させ、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させることができる。このとき、焦点距離調整部によってレーザ発振器のレーザ照射方向の位置を調整することができるため、レーザ照射方向の位置を変化させ、複数の位置から被加工物にレーザ光を照射することができる。また、測長センサによってレーザ発振器と被加工物との間の距離を計測することができるため、レーザ発振器のレーザ照射方向の位置を計測することができる。さらに、撮像装置によって、加工痕を撮像することができるため、レーザ加工におけるレーザのスポット形状とレーザ発振器のレーザ照射方向の位置との関係を求めることができる。このため、焦点距離調整部によってレーザ発振器のレーザ照射方向の位置を調整することができるため、被加工物のレーザ加工におけるレーザのスポット形状を楕円形から円形にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図3】図３は、レーザ加工機の焦点位置の調整方法を説明するための斜視図であって、（ａ）は測長センサによる位置計測を示し、（ｂ）はレーザ発振器によるレーザの照射を示し、（ｃ）は撮像装置による加工痕の撮像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付図面を参照して、実施形態に係るレーザ加工機を説明する。同様な又は対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。理解を容易にするために、図の縮尺を変更して説明する場合がある。
【0013】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１には、本実施形態に係るレーザ加工機１００を示す。図中には、レーザ加工機１００を工場等の床面のような水平面上に配置したときの装置前後方向、装置左右方向及び装置上下方向を矢印で示す。図中のＸは、装置左右方向（Ｘ軸方向）を示しており、Ｙは、装置前後方向（Ｙ軸方向）を示しており、Ｚは、装置上下方向（Ｚ軸方向）を示す。
【0014】
レーザ加工機１００は、床面に固定される基台となるベッド１０２を有する。ベッド１０２の上面の機械後方側にはコラム１０４が立設され、ベッド１０２の上面には、一対のＹ軸案内レール１０６がＹ軸方向に沿って延設されている。Ｙ軸案内レール１０６には、評価対象としての被加工物であるワークＷを設置するためのテーブル１０８がＹ軸方向に沿って往復動可能に取り付けられている。また、コラム１０４の前面には、一対のＺ軸案内レール１４２がＺ軸方向に沿って延設されており、Ｚ軸案内レール１４２には、焦点距離調整部としてのＺ軸スライダ１４０が、Ｚ軸方向に沿って往復動可能に取り付けられている。さらに、Ｚ軸スライダ１４０の前方側には一対のＸ軸案内レール１４６がＸ軸方向に沿って延設されており、Ｘ軸案内レール１４６にはヘッドストック１４４がＸ軸方向に沿って往復動可能に取り付けられている。
【0015】
ヘッドストック１４４は、その筐体１２２の外周形状が直方体状に形成されており、筐体１２２の下方側には、レーザ照射ヘッド１１０が取り付けられている。レーザ照射ヘッド１１０には、レーザ発振器１５６から、例えば、光ファイバーの導光部材１５８を介して、レーザ光ＢＬ（図２参照）が導入される。
【0016】
ヘッドストック１４４、テーブル１０８及びＺ軸スライダ１４０は、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直線送り軸装置（図示省略）によってＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に沿って駆動させることができる。これによって、ヘッドストック１４４を位置決めすることができる。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直線送り軸装置は、それぞれの軸方向に延設されたボールねじ１５２と、ヘッドストック１４４、テーブル１０８及びＺ軸スライダ１４０に取り付けられ、各ボールねじに係合するナット（図示省略）、並びに、各ボールねじの一端と連結されたサーボモータ１５０とを備える。サーボモータ１５０及びボールねじ１５２は、図１では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の各サーボモータ１５０並びにＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の各ボールねじ１５２を総括して概略的に表す。
【0017】
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各サーボモータ１５０は、制御装置１６０と接続されている。制御装置１６０は、読取解釈部１６２、ガルバノミラー制御部１６６、位置決め制御部１６８及びレーザ制御部１７０を含んで構成されている。制御装置１６０を構成する読取解釈部１６２、ガルバノミラー制御部１６６、位置決め制御部１６８及びレーザ制御部１７０は、ＣＰＵ（中央演算素子）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）及びＲＯＭ（リードオンリーメモリ）といったメモリ装置、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）及びＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）といった記憶デバイス、出入力ポート、並びに、これらを相互接続する双方向バスを含むコンピュータ装置とされている。また、これらは、関連するソフトウェア、並びに、サーボモータ１５０、後述するガルバノスキャナのＸスキャンモータ１１２及びＹスキャンモータ１１６を駆動する電源を含んで構成されてもよい。なお、以下の説明では制御装置１６０は、いわゆるハードウェアによって構成されているとして説明するが、これに限らず、レーザ加工機のためのＮＣ装置やＰＬＣの一部としてソフトウェア的に構成されてもよい。
【0018】
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ１５０は、制御装置１６０の位置決め制御部１６８と接続されており、制御装置１６０の読取解釈部１６２に入力され、実行される加工プログラムから出力された指令に基づき制御される、すなわち作動される。ここでは、位置決め制御部１６８は、ＮＣ装置である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の各サーボモータ１５０を作動させることによって、ヘッドストック１４４が制御される、すなわち位置決めされる。また、レーザ発振器１５６は、レーザ制御部１７０と接続されており、レーザ制御部１７０によってレーザ光ＢＬの出力がオン－オフ制御される。
【0019】
図２に示されるように、ヘッドストック１４４の筐体１２２（図１参照）の内側に取り付けられたレーザ照射ヘッド１１０は、ガルバノスキャナ１１１を備える。ガルバノスキャナ１１１は、レーザ光ＢＬを反射させるためのガルバノミラーとしてのＸスキャンミラー１１４及びＹスキャンミラー１１８と、Ｘスキャンミラー１１４及びＹスキャンミラー１１８を駆動させるためのＸスキャンモータ１１２及びＹスキャンモータ１１６と、を備える。また、ガルバノスキャナ１１１は、その下方側にＸスキャンミラー１１４及びＹスキャンミラー１１８によって反射されたレーザ光ＢＬを通過させるためのｆθレンズ１２０を備える。これによって、レーザ照射ヘッド１１０は、ワークＷの表面へ照射するレーザ光ＢＬの照射方向を２方向、ここではＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動させることができる。
【0020】
Ｘスキャンミラー１１４は、Ｘスキャンモータ１１２によってＺ軸に平行な軸線周りに回動させることができる。また、Ｙスキャンミラー１１８は、Ｙスキャンモータ１１６によってＸ軸に平行な軸線周りに回動させることができる。レーザ発振器１５６から導入されたレーザ光ＢＬがｆθレンズ１２０を通過できるように、Ｘスキャンミラー１１４及びＹスキャンミラー１１８の反射角度が調整される。さらに、レーザ照射ヘッド１１０は、図１に示されるように、筐体１２２の下方側に配置され、ｆθレンズ１２０を通過したレーザ光ＢＬを集光する集光レンズ（図示省略）を有し、レーザ光ＢＬをワークＷへ照射させるためのノズル１２４を備える。
【0021】
Ｘスキャンモータ１１２及びＹスキャンモータ１１６は、制御装置１６０のガルバノミラー制御部１６６と接続されており、その回動はガルバノミラー制御部１６６によって制御される。このため、光軸Ｏに対するｆθレンズ１２０へ入射するレーザ光ＢＬｉの入射角αｘ、αｙを制御する、すなわち調節する。ここで、入射角αｘとは、ｆθレンズ１２０に入射するレーザ光ＢＬｉのＺＸ平面への投影に沿った直線Ｌｘと光軸Ｏとがなす角度であり、入射角αｙとは、入射するレーザ光ＢＬｉのＹＺ平面への投影に沿った直線Ｌｙと光軸Ｏとがなす角である。これによって、ワークＷ表面上のレーザスポットＰＬＳの位置を、レーザ照射ヘッド１１０の光軸Ｏ、すなわちレーザ光ＢＬの照射方向に対して垂直なＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って連続的に移動させることができる。
【0022】
なお、ここでは、ｆθレンズ１２０は、光軸Ｏ方向に固定されているとして説明するが、これに限らず、ｆθレンズは、光軸方向に移動可能とされ、制御装置によってｆθレンズの光軸方向の位置が制御されてもよい、すなわち変更可能とされてもよい。また、ｆθレンズに代えてテレセントリックレンズが用いられてもよい。
【0023】
図１に示されるように、ヘッドストック１４４の下方側には、ワークＷをレーザ加工する、すなわちワークＷにレーザ光ＢＬ（図２参照）を照射することによって、ワークＷに生じる加工痕ＰＬ１、ＰＬ２（図３参照）を上方から撮像するための撮像装置としてのビジョンカメラ１２６が配置されている。このため、ワークＷの加工痕ＰＬ１、ＰＬ２を含む部分を撮像することによって、その輝度情報ＬＭ（図５参照）を取得することができる。なお、以下の説明では、撮像装置はビジョンカメラ１２６であるとして説明するが、これに限らず、同軸カメラや高倍率カメラが使用されてもよい。
【0024】
ヘッドストック１４４の筐体１２２の下方側には、レーザ照射ヘッド１１０の先端とワークＷの上面とのＺ軸方向の距離、すなわちノズル１２４の下端とワークＷの上面とのＺ軸方向の距離を計測するための測長センサ１２８が配置されている。測長センサ１２８は、装置上下方向の距離を計測できればよく、例えば、レーザ式センサ、超音波センサ、渦電流損式センサ等のセンサが用いられてもよい。
【0025】
焦点位置の調整方法の説明を通じて、本実施形態に係るレーザ加工機１００の作用効果を以下に説明する。
【0026】
図３及び図４を用いて、レーザ加工機１００の焦点位置の調整方法を説明する。はじめに、図３（ａ）に示されるように、測長センサ１２８を用いてレーザ照射ヘッド１１０の先端とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺを計測する。制御装置１６０は、計測した距離ＨＺに基づいてＺ軸スライダ１４０を上下動させる。これによって、レーザ照射ヘッド１１０の先端とワークＷとの距離ＨＺがレーザ照射ヘッド１１０の設計上の焦点距離と同一になるように、レーザ照射ヘッド１１０が上下動される。このように調整された距離ＨＺ、すなわちレーザ照射ヘッド１１０のノズル１２４のＺ軸方向位置を加工初期位置として設定する。
【0027】
つぎに、図３（ｂ）に示されるように、制御装置１６０はレーザ発振器１５６を作動させ、レーザ照射ヘッド１１０のノズル１２４からワークＷの表面にレーザを照射し、直線状のＸ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２を生成する。Ｘ方向加工痕ＰＬ１とＹ方向加工痕ＰＬ２とは、平面視でＬ字形状となるように連続的に生成される。ガルバノミラー制御部１６６は、ガルバノスキャナ１１１のＸスキャンモータ１１２及びＹスキャンモータ１１６を作動させる。これによって、ノズル１２４から出力するレーザ光ＢＬをレーザ照射方向であるＺ軸方向と直交する第１の方向としてのＸ軸方向に沿ってワークＷに照射する第１の加工を行う。さらに第１の加工に連続して、レーザ光ＢＬをＺ軸方向と直交する第２の方向としてのＹ軸方向に沿ってワークＷに照射する第２の加工を行う。１回の連続する第１の加工と第２の加工とは、ノズル１２４のＺ軸方向位置を一定にして行われる。これによって、平面視Ｌ字形状の１組のＸ方向加工痕ＰＬ１とＹ方向加工痕ＰＬ２とが生成される。
【0028】
１組のＸ方向加工痕ＰＬ１とＹ方向加工痕ＰＬ２とが生成されると、制御装置１６０は、ヘッドストック１４４及びワークＷが設置されたテーブル１０８をＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って等間隔で移動させる。さらに、制御装置１６０は、Ｚ軸スライダ１４０を上下動させることによって、レーザ照射ヘッド１１０を加工初期位置にから上方側又は下方側へ等間隔で移動させる。このようにワークＷに対するレーザ照射ヘッド１１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を移動すると共にレーザ照射ヘッド１１０とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺを変更した上で新たに第１の加工と第２の加工とを複数回行う。
【0029】
図４に示されるように、ワークＷに対するレーザ照射ヘッド１１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を等間隔ｄで移動させると共にレーザ照射ヘッド１１０とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺを等間隔で変更して生成される複数のＬ字形状の加工痕ＰＬ１、ＰＬ２は、互いに平行になるように生成される。ここでは、図４に示されるように、加工初期位置からレーザ光ＢＬを照射して加工痕ＰＬ１、ＰＬ２を生成する開始位置ＩＰからＰ方向に沿って移動する加工痕ＰＬ１、ＰＬ２は、距離ＨＺを加工初期位置から順次増加させた、すなわちワークＷから遠ざかる位置からレーザ光ＢＬを照射した加工痕ＰＬ１、ＰＬ２である。また、開始位置ＩＰからＭ方向に沿って移動する加工痕ＰＬ１、ＰＬ２は、距離ＨＺを加工初期位置から順次減少させた、すなわちワークＷに近づいた位置からレーザ光ＢＬを照射した加工痕ＰＬ１、ＰＬ２である。距離ＨＺが増加又は減少するとレーザ光ＢＬの焦点距離から大きく外れていくため、レーザ光ＢＬをワークＷ表面で収束させることができなくなり、この結果、加工ができなくなる。このため、Ｌ字形状の加工痕ＰＬ１、ＰＬ２は、開始位置ＩＰから遠ざかるにつれて、生成されなくなる。これによって、レーザ照射ヘッド１１０とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺと加工痕ＰＬ１、ＰＬ２のスポット形状との対応を明らかにすることができる。
【0030】
最後に、図３（ｃ）に示されるように、制御装置１６０は、ビジョンカメラ１２６を用いて複数のＸ方向加工痕ＰＬ１を撮像することによって、Ｘ方向加工痕ＰＬ１の輝度情報ＬＭ（図５参照）を取得する。このとき、制御装置１６０は、テーブル１０８（図１参照）をＹ軸方向に沿って移動させることによって、図４に示されるように、複数のＸ方向加工痕ＰＬ１に直交する第１の走査方向ＳＬ１に沿って輝度情報ＬＭを取得する。ワークＷ上に等間隔で生成された複数のＸ方向加工痕ＰＬ１は、レーザ照射ヘッド１１０とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺを等間隔で変更した位置で生成されているため、第１の走査方向ＳＬ１に沿って取得された輝度情報ＬＭは、レーザ照射ヘッド１１０のＺ軸方向の位置と対応付けることができる。このため、適切にレーザ光ＢＬが照射されてＸ方向加工痕ＰＬ１が生成されたことによって輝度が低くなっている部分を特定することができる。このように、輝度情報ＬＭに対応付けられたレーザ照射ヘッド１１０のＺ軸方向位置に基づき、第１の加工に適したレーザ加工機１００のＺ軸方向位置についての第１の有効位置範囲Ｒ１を求めることができる。
【0031】
また、制御装置１６０は、ビジョンカメラ１２６を用いて複数のＹ方向加工痕ＰＬ２を撮像することによって、Ｙ方向加工痕ＰＬ２の輝度情報ＬＭを取得する。このとき、制御装置１６０は、ヘッドストック１４４（図１参照）をＸ軸方向に沿って移動させることによって、複数のＹ方向加工痕ＰＬ２に直交する第２の走査方向ＳＬ２に沿って輝度情報ＬＭを取得する。ワークＷ上に等間隔で生成された複数のＹ方向加工痕ＰＬ２は、レーザ照射ヘッド１１０とワークＷとのＺ軸方向の距離ＨＺを等間隔で変更して生成されているため、第２の走査方向ＳＬ２に沿って取得された輝度情報ＬＭは、レーザ照射ヘッド１１０のＺ軸方向の位置と対応付けることができる。このため、適切にレーザ光ＢＬが照射されてＹ方向加工痕ＰＬ２が生成されたことによって輝度が低くなっている部分を特定することができる。このように、輝度情報ＬＭに対応付けられたレーザ照射ヘッド１１０のＺ軸方向の位置に基づき、第２の加工に適したレーザ加工機１００のＺ軸方向位置についての第２の有効位置範囲Ｒ２を求めることができる。
【0032】
図５及び図６に示されるように、第１の有効位置範囲Ｒ１及び第２の有効位置範囲Ｒ２は、ビジョンカメラ１２６を用いて取得されたＸ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２についての輝度情報ＬＭを平滑化することによって求める、すなわち特定することができる。図５（ａ）に示されるように、複数のＸ方向加工痕ＰＬ１を第１の走査方向ＳＬ１に沿って撮像して得られたＸ方向加工痕ＰＬ１の輝度情報ＬＭと第１の走査方向ＳＬ１、すなわちＹ軸方向の位置との関係は、例えば、図５（ｂ）のように表される。ビジョンカメラ１２６は、適切に加工されたことによって輝度が低下しているＸ方向加工痕ＰＬ１とワークＷ上面とを交互に撮像するため、適切に加工されたＸ方向加工痕ＰＬ１の周辺では輝度が大きく変動する。このため、これらの輝度情報ＬＭを平滑化処理することによって、図５（ｃ）のように、輝度の高い範囲と低い範囲との対比を明確にすることができる。ここでは、加工条件やワークＷの材質等によって設定される輝度の閾値ＴＶを下回る範囲が有効位置範囲ＶＤ、この場合は第１の有効位置範囲Ｒ１であるとされる。
【0033】
図６に示されるように、平滑化処理は、前後位置の輝度情報ＬＭを平均化した値ｖａｌｕｅ［ｉ］をその位置における輝度情報ＬＭとするための処理である。これによって、輝度情報ＬＭの分布を滑らかにして輝度の高い範囲と低い範囲との対比を明確にすることができる。具体的には、平均化した値ｖａｌｕｅ［ｉ］は、以下の式（１）によって算出される。
ｖａｌｕｅ［ｉ］＝｛α［ｉ－ｎ］＋α［ｉ－ｎ＋１］＋．．．＋α［ｉ－２］＋α［ｉ－１］＋α［ｉ］＋α［ｉ＋１］＋α［ｉ＋２］＋．．．＋α［ｉ＋ｎ－１］＋α［ｉ＋ｎ］｝／（２×ｎ＋１） （１）
ここで、α［ｉ］は、平均化する位置ｉにおける輝度、ｎは、平均化の計算に含める前後位置の数を表す。図５（ｃ）に示されるように、輝度の低い範囲である有効位置範囲ＶＤ（第１の有効位置範囲Ｒ１）とそれ以外との対比が明確に表される。図５（ｂ）及び（ｃ）に表示されていない第２の有効位置範囲Ｒ２についても、上述の第１の有効位置範囲Ｒ１と同様に特定することができる。
ｖａｌｕｅ［ｉ］＝｛α［ｉ－ｎ］＋α［ｉ－ｎ＋１］＋．．．＋α［ｉ－２］＋α［ｉ－１］＋α［ｉ］＋α［ｉ＋１］＋α［ｉ＋２］＋．．．＋α［ｉ＋ｎ－１］＋α［ｉ＋ｎ］｝／（２×ｎ＋１） （１）
ここで、α［ｉ］は、平均化する位置ｉにおける輝度、ｎは、平均化の計算に含める前後位置の数を表す。図５（ｃ）に示されるように、輝度の低い範囲である有効位置範囲ＶＤ（第１の有効位置範囲Ｒ１）とそれ以外との対比が明確に表される。図５（ｂ）及び（ｃ）に表示されていない第２の有効位置範囲Ｒ２についても、上述の第１の有効位置範囲Ｒ１と同様に特定することができる。
【0034】
図７（ａ）に示されるように、レーザ照射ヘッド１１０のＺ軸方向の位置の第１の有効位置範囲Ｒ１における上限（ＴＯＰ）及び下限（ＢＯＴＴＯＭ）と第２の有効位置範囲Ｒ２における上限（ＲＩＧＨＴ）及び下限（ＬＥＦＴ）とが特定される。これらを対比することによって、第１の有効位置範囲Ｒ１と第２の有効位置範囲Ｒ２とが重複する最適位置範囲を特定することができる。最適位置範囲の中間点を算出し、加工初期位置とずれている長さだけレーザ照射ヘッド１１０をＺ軸方向に沿って移動させることによってレーザ照射ヘッド１１０の焦点位置、すなわちＺ軸方向の位置を調整することができる。
【0035】
本実施形態に係るレーザ加工機１００の焦点位置の調整方法によると、第１の加工及び第１の加工に連続する第２の加工は、Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に沿ってワークＷをレーザ加工する。加工は、レーザ加工機１００のレーザ照射方向の位置を加工初期位置及び加工初期位置から変位した複数の位置で行われる。このため、複数のレーザ照射方向位置で加工されたＸ方向加工痕ＰＬ１から、第１の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲Ｒ１を求めることができる。また、複数のレーザ照射方向位置で加工されたＹ方向加工痕ＰＬ２から、第２の加工に適したレーザ加工機のレーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲Ｒ２を求めることができる。
【0036】
さらに、本実施形態に係るレーザ加工機１００の焦点位置の調整方法によると、レーザ光ＢＬのＸＹ方向の歪みによって、第１の有効位置範囲Ｒ１と第２の有効位置範囲Ｒ２とは異なるため、これらを対比することによって、評価対象の加工に適したレーザ加工機１００のＺ方向位置についての最適位置範囲を特定することができる。これによって、最適位置範囲に基づいてレーザ加工機１００の加工初期位置をレーザ光ＢＬのＸＹ方向の歪みを考慮した上で調整することができ、ワークＷのレーザ加工におけるレーザのスポット形状を楕円形から円形にすることができる。
【0037】
また、本実施形態に係るレーザ加工機１００の焦点位置の調整方法によると、Ｘ方向加工痕ＰＬ１とＹ方向加工痕ＰＬ２とは、平面視でＬ字形状となるように連続的に生成される。これによって、複数の加工痕ＰＬ１、ＰＬ２を密集して生成できるため、撮像範囲をコンパクトにすることができ、さらに、最適位置範囲を特定するための制御装置１６０の処理速度を速くすることができる。
【0038】
また、本実施形態に係るレーザ加工機１００によると、レーザ発振器１５６からテーブルに載置されたワークＷに照射するレーザ光ＢＬをＸスキャンミラー１１４及びＹスキャンミラー１１８によってレーザ照射方向と直交するＸ軸方向に沿って移動させ、かつ、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に沿って移動させることができる。このとき、Ｚ軸スライダ１４０によってレーザ発振器１５６のレーザ照射方向の位置を調整することができるため、Ｚ軸方向の位置を変化させ、複数のＺ軸方向位置からワークＷにレーザ光ＢＬを照射することができる。また、測長センサ１２８によってレーザ発振器１５６とワークＷとの間の距離を計測することができるため、レーザ発振器１５６のレーザ照射方向の位置を計測することができる。さらに、ビジョンカメラ１２６によって、Ｘ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２を撮像することができるため、レーザ加工におけるレーザのスポット形状及びその輝度情報ＬＭとレーザ発振器１５６のＺ軸方向の位置との関係を求めることができる。このため、Ｚ軸スライダ１４０によってレーザ発振器１５６のレーザ照射方向の最適位置範囲を設定することができ、最適位置範囲に基づいて加工初期位置を調整することができる。これによって、ワークＷのレーザ加工におけるレーザのスポット形状を楕円形から円形にすることができる。
【0039】
さらに、本実施形態に係るレーザ加工機１００によると、ビジョンカメラ１２６の撮像によって、Ｘ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２の輝度情報ＬＭを取得すればよい。このため、Ｘ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２を束として把握さればよく、Ｘ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２の幅や間隔を計測する必要がない。このため、高価なカメラを必要とすることなく、しかも、最適位置範囲を特定するための制御装置１６０の処理速度を速くすることができる。
【0040】
以上により、本実施形態に係るレーザ加工機１００及びその焦点位置の調整方法は、レーザ加工においてレーザ光ＢＬのスポット形状を円形にすることができる。
【0041】
以上、レーザ加工機１００及びその焦点位置の調整方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。当業者であれば、上記の実施形態の様々な変形が可能であることを理解できると考えられる。
【0042】
なお、Ｘ方向加工痕ＰＬ１及びＹ方向加工痕ＰＬ２は、複数個生成されているとして説明したが、これに限らず、レーザ照射ヘッドをＺ軸方向に上下動させながら生成された１組のＸ方向加工痕及びＹ方向加工痕を用いてレーザ照射ヘッドの焦点位置が調整されてもよい。
【0043】
さらに、評価対象は、被加工物であるワークＷであるとして説明したが、これに限らず、上面がワークの上面と面一となるようにワークに隣接配置された試験片とされてもよい。
【符号の説明】
【0044】
１００ レーザ加工機
１１４ Ｘスキャンミラー（ガルバノミラー）
１１８ Ｙスキャンミラー（ガルバノミラー）
１２６ ビジョンカメラ（撮像装置）
１２８ 測長センサ
１４０ Ｚ軸スライダ（焦点距離調整部）
１５６ レーザ発振器
ＢＬ レーザ光
ＰＬ１ Ｘ方向加工痕（加工痕）
ＰＬ２ Ｙ方向加工痕（加工痕）
Ｗ ワーク（評価対象、被加工物）
１１４ Ｘスキャンミラー（ガルバノミラー）
１１８ Ｙスキャンミラー（ガルバノミラー）
１２６ ビジョンカメラ（撮像装置）
１２８ 測長センサ
１４０ Ｚ軸スライダ（焦点距離調整部）
１５６ レーザ発振器
ＢＬ レーザ光
ＰＬ１ Ｘ方向加工痕（加工痕）
ＰＬ２ Ｙ方向加工痕（加工痕）
Ｗ ワーク（評価対象、被加工物）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2023-06-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ加工機の焦点位置の調整方法であって、
レーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第１の加工をすることと、
前記第１の加工に連続して行われる第２の加工であって、前記レーザ照射方向と直交し、かつ、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、前記加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第２の加工をすることと、
前記第１の加工の加工痕から、前記第１の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることと、
前記第２の加工の加工痕から、前記第２の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることと、
前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを対比することによって、前記評価対象の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定し、前記最適位置範囲に基づいて前記加工初期位置を調整することと、を含む焦点位置の調整方法。
レーザ照射方向と直交する第１の方向に沿って評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第１の加工をすることと、
前記第１の加工に連続して行われる第２の加工であって、前記レーザ照射方向と直交し、かつ、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記評価対象をレーザ加工し、該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置は、前記加工初期位置及び前記加工初期位置から変位した複数の位置とする第２の加工をすることと、
前記第１の加工の加工痕から、前記第１の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第１の有効位置範囲を求めることと、
前記第２の加工の加工痕から、前記第２の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置についての第２の有効位置範囲を求めることと、
前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを対比することによって、前記評価対象の加工に適した該レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置について最適位置範囲を特定し、前記最適位置範囲に基づいて前記加工初期位置を調整することと、を含む焦点位置の調整方法。
【請求項2】
前記第１の加工及び前記第２の加工は、前記レーザ加工機の前記レーザ照射方向の位置を変えて複数回行われ、１回の前記第１の加工及び前記第２の加工では前記レーザ照射方向の位置は一定とされ、
レーザ加工の加工痕は線状とされ、複数回の前記第１の加工及び前記第２の加工による複数本の前記加工痕は、前記第１の方向及び前記第２の方向に互いにオフセットされ、かつ、互いに平行となるように加工が行われ、
複数本の前記加工痕を撮像することによって、前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを求める、請求項１に記載の焦点位置の調整方法。
レーザ加工の加工痕は線状とされ、複数回の前記第１の加工及び前記第２の加工による複数本の前記加工痕は、前記第１の方向及び前記第２の方向に互いにオフセットされ、かつ、互いに平行となるように加工が行われ、
複数本の前記加工痕を撮像することによって、前記第１の有効位置範囲と前記第２の有効位置範囲とを求める、請求項１に記載の焦点位置の調整方法。
【請求項3】
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する方向とされる、請求項１又は請求項２に記載の焦点位置の調整方法。
【請求項4】
前記評価対象は、被加工物、又は、上面が前記被加工物の上面と面一となるように前記被加工物に隣接配置された試験片とされる、請求項３に記載の焦点位置の調整方法。