特許 7584658 レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/38 20140101AFI20241108BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20241108BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20241108BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20241108BHJP

   B23K 26/04 20140101ALI20241108BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

B23K26/38 A

B23K26/064 A

B23K26/082

B23K26/073

B23K26/04

B23K26/064 N

B23K26/00 Q

B23K26/064 G

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023534564

(86)(22)【出願日】2021-07-16

(86)【国際出願番号】 JP2021026743

(87)【国際公開番号】W WO2023286265

(87)【国際公開日】2023-01-19

【審査請求日】2023-08-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】石川 恭平

(72)【発明者】

【氏名】瀬口 正記

(72)【発明者】

【氏名】河▲崎▼ 正人

(72)【発明者】

【氏名】山本 達也

(72)【発明者】

【氏名】藤井 健太

(72)【発明者】

【氏名】桂 智毅

【審査官】永井 友子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０１２３７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１９６０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３５６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１６４６６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－７３２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５１７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－２２７６８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／３８

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｂ２３Ｋ ２６／０８２

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｂ２３Ｋ ２６／０４

Ｂ２３Ｋ ２６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発振器指令に基づいてレーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ光を集光光学系によって集光して加工対象物の照射位置に照射する加工ヘッドと、
駆動指令に基づいて前記加工対象物と前記加工ヘッドとの相対位置を変更して前記照射位置を切断方向に移動させる制御部と、
一つの軸に関して回転対称な強度分布変換特性を有する光学部品を含み前記レーザ光の強度分布を強度分布調整指令に基づいて変更する強度分布調整部と、
前記加工対象物の材質、前記加工対象物の板厚及び前記切断方向の一部又は全部に対応して前記強度分布調整部に入射する前記レーザ光の入射位置と入射角度とを変更する光軸調整部とを備え、
前記強度分布調整部は、前記光軸調整部によって光軸が調整された前記レーザ光の強度分布を調整し、
前記集光光学系は、前記強度分布調整部によって強度分布が調整された前記レーザ光を集光し、
前記制御部は、切断加工に関する数値パラメータである加工パラメータに基づいて前記発振器指令、前記駆動指令、前記強度分布調整指令、前記材質、前記板厚及び前記切断方向の一部又は全部に対応して前記光軸調整部を制御するための光軸調整指令を決定する
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記光軸調整部は、前記レーザ光が前記強度分布調整部に入射する位置と角度とを調整するガルバノスキャナ又はマイクロエレクトロメカニカルシステムミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記光軸調整部は、
前記レーザ光が透過する平面基板と、
前記平面基板と前記レーザ光の光軸との相対角度を変更する機構と、
前記平面基板を、前記材質、前記板厚及び前記切断方向の一部又は全部に対応して前記光軸を中心に回転させる回転機構とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記強度分布調整部は、前記光学部品を前記レーザ光の光軸に挿入する又は前記光軸から取り除く動作を行う光路切替え機構を更に含む
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記光学部品は、アキシコンレンズである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記光学部品は、球面収差を発生させ、最小錯乱円と近軸焦点との関係を変更することが可能である複数のレンズが組み合わされた光学部品である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記加工ヘッドは、前記集光光学系に入射する前記レーザ光のビーム径を変更することによって前記加工対象物に照射される前記レーザ光の集光径を変更する集光径変更部を有する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記切断加工の加工条件、前記発振器指令、前記駆動指令、前記強度分布調整指令、及び前記加工パラメータを含む状態量を取得するデータ取得部と、前記状態量に基づいて、前記加工条件のもとで良い加工を得る加工条件を学習する学習部とを有する機械学習器
を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

前記レーザ発振器は、ファイバレーザ発振器であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項10】

発振器指令に基づいてレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ光を集光光学系によって集光して加工対象物の照射位置に照射する加工ヘッドとを有するレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法であって、
駆動指令に基づいて前記加工対象物と前記加工ヘッドとの相対位置を変更して前記照射位置を切断方向に移動させるステップと、
一つの軸に関して回転対称な強度分布変換特性を有する光学部品を用いて前記レーザ光の強度分布を強度分布調整指令に基づいて変更するステップと、
前記加工対象物の材質、前記加工対象物の板厚及び前記切断方向の一部又は全部に対応して、前記光学部品を含むと共に前記レーザ光の強度分布を変更する強度分布調整部に入射する前記レーザ光の入射位置と入射角度とを変更するステップと、
前記レーザ光の入射位置と入射角度とを変更するステップにおいて光軸が調整された前記レーザ光の強度分布を調整するステップと、
強度分布が調整された前記レーザ光を集光するステップと、
切断加工に関する数値パラメータである加工パラメータに基づいて前記発振器指令、前記駆動指令、前記強度分布調整指令、前記材質、前記板厚及び前記切断方向の一部又は全部に対応して前記強度分布調整部に入射する前記レーザ光の入射位置と入射角度とを変更する光軸調整部を制御するための光軸調整指令を決定するステップと
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ光を加工対象物に照射して加工対象物を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１が開示している加工方向にレーザビームを用いて材料を加工するための装置は、加工対象物へとレーザビームを集光させ光学軸を規定する集光光学系を有する。当該装置は、加工方向に垂直なレーザビームのパワー密度分布を非対称になるように調節するレーザビーム用の第１の調節装置を備える調節機構と、加工方向に垂直なガスジェットの密度分布を非対称になるように調節するガスジェット用の第２の調節装置との一方又は双方を更に有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０２０－５０８２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１が開示している装置には、加工対象物に照射されるレーザビームのビームモードと加工方向に照射されるレーザビームのビーム断面内の強度分布のエネルギ比率とを切断加工の加工パラメータに対応して制御することができないという課題がある。

【0005】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、加工対象物に照射されるレーザ光のビームモードと加工方向に照射されるレーザ光のビーム断面内の強度分布のエネルギ比率とを切断加工の加工パラメータに対応して制御することができるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るレーザ加工装置は、発振器指令に基づいてレーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ光を集光光学系によって集光して加工対象物の照射位置に照射する加工ヘッドと、駆動指令に基づいて加工対象物と加工ヘッドとの相対位置を変更して照射位置を切断方向に移動させる制御部とを有する。本開示に係るレーザ加工装置は、一つの軸に関して回転対称な強度分布変換特性を有する光学部品を含みレーザ光の強度分布を強度分布調整指令に基づいて変更する強度分布調整部と、加工対象物の材質、加工対象物の板厚及び切断方向の一部又は全部に対応して強度分布調整部に入射するレーザ光の入射位置と入射角度とを変更する光軸調整部とを更に有する。強度分布調整部は、光軸調整部によって光軸が調整されたレーザ光の強度分布を調整する。集光光学系は、強度分布調整部によって強度分布が調整されたレーザ光を集光する。制御部は、切断加工に関する数値パラメータである加工パラメータに基づいて発振器指令、駆動指令、強度分布調整指令、加工対象物の材質、加工対象物の板厚及び切断方向の一部又は全部に対応して光軸調整部を制御するための光軸調整指令を決定する。

【発明の効果】

【0007】

本開示に係るレーザ加工装置は、加工対象物に照射されるレーザ光のビームモードと加工方向に照射されるレーザ光のビーム断面内の強度分布のエネルギ比率とを切断加工の加工パラメータに対応して制御することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成の概要を示す図

【図2】実施の形態１に係るレーザ加工装置の具体的な構成の例を示す図

【図3】レーザビームの位置の変位量を説明するための図

【図4】図２のレーザ加工装置の強度分布調整部が有する光学部品の例を示す図

【図5】図２のレーザ加工装置の強度分布調整部が有する光学部品の例を示す図

【図6】図２のレーザ加工装置の強度分布調整部が有する光学部品の例を示す図

【図7】図２のレーザ加工装置の強度分布調整部が有する光学部品の例を示す図

【図8】実施の形態１に係るレーザ加工装置の具体的な使用方法の例を示す図

【図9】実施の形態１に係るレーザ加工装置の具体的な使用方法の別の例を示す図

【図10】光線追跡の計算結果の例を説明するための実施の形態１に係るレーザ加工装置の一部の構成を示す図

【図11】実施の形態１に係るレーザ加工装置が有する平面基板とレーザビームの光軸とが成す角度が９０°であって光学部品が光軸に挿入されていない場合の集光点付近のビーム強度分布を示す図

【図12】加工方向の中心軸断面を示す図

【図13】実施の形態１に係るレーザ加工装置において強度分布調整部の凸アキシコンレンズが光軸に挿入された場合の集光点付近のビーム強度分布を示す図

【図14】実施の形態１に係るレーザ加工装置において平面基板とレーザビームの光軸とが成す角度が４５°である場合のレーザビーム強度分布を示す図

【図15】実施の形態１に係るレーザ加工装置において平面基板の傾斜角とレーザビームの加工進行方向側の領域のピーク強度との関係を示す図

【図16】実施の形態１に係るレーザ加工装置の機能を説明するための図

【図17】実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成の概要を示す図

【図18】実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する加工条件解析器の構成を示す図

【図19】実施の形態３に係るニューラルネットワークモデルの構成を示す図

【図20】実施の形態３に係る変形例のレーザ加工装置の構成を示す図

【図21】実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工条件解析器が有する加工結果判定部、特徴量抽出部、機械学習器及び加工条件変更部の一部又は全部がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図

【図22】実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工条件解析器が有する加工結果判定部、特徴量抽出部、機械学習器及び加工条件変更部の一部又は全部が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、実施の形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。

【0010】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の構成の概要を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光を加工対象物Ｗに照射して加工対象物Ｗを加工する装置であって、発振器指令に基づいてレーザ光を発振して出力するレーザ発振器１を有する。以下では、レーザ発振器１が発振して出力するレーザ光は、レーザビームＬと記載される場合がある。図１には、加工対象物Ｗ及びレーザビームＬも示されている。レーザビームＬの波長は、例えば加工対象物ＷへのレーザビームＬの吸収率と加工対象物Ｗに対するレーザビームＬの反射率とが考慮されて適宜選択される。例えばレーザビームＬの波長は、０．１９３μｍから１１μｍまでのいずれかである。

【0011】

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬが供給される加工ヘッド２を更に有する。レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬは、光路を介して、加工ヘッド２に供給される。加工ヘッド２は、レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬを後述される集光光学系６によって集光して加工対象物Ｗの照射位置に照射する。照射位置は、加工対象物ＷにおいてレーザビームＬが照射される位置である。加工ヘッド２の内部には、加工ガスも供給され、レーザビームＬが加工対象物Ｗへ照射される際、加工ガスが加工対象物Ｗへ噴射される。

【0012】

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬをコリメートするコリメートレンズ３を更に有する。コリメートレンズ３は、一つ又は複数のレンズで構成される。レーザ加工装置１００は、コリメートレンズ３によってコリメートされたレーザビームＬの光軸を調整する光軸調整部４を更に有する。コリメートレンズ３及び光軸調整部４は、加工ヘッド２の内部に位置している。

【0013】

レーザ加工装置１００は、光軸調整部４によって光軸が調整されたレーザビームＬの強度分布を調整する強度分布調整部５と、強度分布調整部５によって強度分布が調整されたレーザビームＬを集光する集光光学系６とを更に有する。集光光学系６によって集光されたレーザビームＬは、加工対象物Ｗに照射される。強度分布調整部５及び集光光学系６は、加工ヘッド２の内部に位置している。

【0014】

例えば、レーザ加工装置１００は、レーザビームＬを集光してレーザビームＬを加工対象物Ｗに照射することにより加工対象物Ｗを切断する。図１には、切断方向を示す矢印も示されている。光軸調整部４は、加工対象物Ｗの材質、加工対象物Ｗの板厚及び切断方向の一部又は全部に対応して強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの入射位置又は入射角度を変更する。加工ヘッド２は、加工ノズル７を有する。加工ノズル７には、集光光学系６と加工対象物Ｗとの間の位置であってレーザビームＬの光路の一部となる位置に開口部が形成されている。レーザビームＬ及び加工ガスは、当該開口部を通過する。

【0015】

レーザ加工装置１００は、駆動指令に基づいて加工対象物Ｗと加工ヘッド２との相対位置を変更してレーザビームＬが加工対象物Ｗに照射される位置である照射位置を切断方向に移動させる制御部８を更に有する。図示されていないモータ及びモータ駆動装置が、加工ヘッド２が設置される軸又は加工対象物Ｗが配置される加工テーブルに備えられ、制御部８による制御によってモータ駆動装置がモータを制御することにより、レーザ加工装置１００は、加工ヘッド２と加工対象物Ｗとの相対位置を変更することができる。加工ヘッド２は、集光光学系６に入射するレーザビームＬのビーム径を変更することによって加工対象物Ｗに照射されるレーザビームＬの集光径を変更する集光径変更部３ａをコリメートレンズ３に置き換えてもよい。

【0016】

レーザ発振器１の種類は、限定されない。レーザ発振器１の一例は、ファイバレーザ発振器である。レーザ発振器１は、ダイレクトダイオードレーザ、炭酸ガスレーザ、銅蒸気レーザ、各種イオンレーザ、又は固体レーザであってもよい。固体レーザの一例は、ＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）結晶を励起媒体とするレーザである。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１が出力したレーザ光の波長を変換する波長変換部を有してもよい。

【0017】

制御部８は、加工プログラムと加工条件を示す加工パラメータとにしたがって、レーザビームＬが加工対象物Ｗの上の加工経路を走査するように、レーザ発振器１が出力するレーザ光の出力、パルス周波数、パルスデューティ及び発振のタイミングを指令する発振器指令と、モータ駆動装置の送り速度及び位置決めを指令する駆動指令とを制御する。使用されるレーザ光の種別及びレーザ加工装置１００が有する機能に対応して、加工パラメータとしてどのようなものを用いるかが適宜決定される。

【0018】

光軸調整部４について説明を行う。光軸調整部４は、光学部品と、光学部品をレーザビームＬの光軸に対して変位させる駆動部とを有する。図２は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の具体的な構成の例を示す図である。図２の例では、光軸調整部４の光学部品は平面基板４ａであり、駆動部は中空回転ステージ４ｂ及び角度調整機構４ｃである。レーザビームＬは、平面基板４ａを透過する。中空回転ステージ４ｂ及び角度調整機構４ｃは、平面基板４ａのレーザビームＬの光軸に対する傾斜角を変更する構成要素である。中空回転ステージ４ｂは、平面基板４ａを、加工対象物Ｗの材質、加工対象物Ｗの板厚及び切断方向の一部又は全部に対応してレーザビームＬの光軸を中心に回転させる回転機構である。角度調整機構４ｃは、平面基板４ａとレーザビームＬの光軸との相対角度を変更する機構である。

【0019】

例えば、中空回転ステージ４ｂは、ダイレクトドライブモータである。回転ステージは変位ステージと比較して加速度が大きいため、レーザ加工装置１００は、加工速度により追従してビームモードを変更することができる。平面基板４ａがレーザビームＬの光軸に対して傾斜することによって、強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの入射位置が変わる。図２のレーザ加工装置１００が有するレーザ発振器１は、ファイバレーザである。図２のレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬを加工ヘッド２に伝達するための光ファイバ９を有する。

【0020】

平面基板４ａがレーザビームＬの光軸に対して直交していて、中空回転ステージ４ｂの回転中心軸がレーザビームＬの光軸と一致している場合、図３に示されるように、平面基板４ａの厚さがｔであって、平面基板の屈折率がｎであり、レーザビームＬに対する平面基板４ａの角度がαに変化するとき、レーザビームＬの位置の変位量Δは下記の式（１）で表すことができる。図３は、レーザビームＬの位置の変位量Δを説明するための図である。

【0021】

【数1】

【0022】

レーザ加工装置１００は、レーザビームＬに対する平面基板４ａの角度αを変更することによって、レーザビームＬの強度分布調整部５への入射位置を変更することができる。

【0023】

レーザ加工装置１００は、直線だけでなく、円形又は角といった形状の加工を行う必要がある。レーザ加工装置１００は、中空回転ステージ４ｂによって加工方向に対して平面基板４ａを回転させることにより、加工方向に対してレーザビームＬの強度分布調整部５に入射する位置の変位量Δを一定に保ったまま、当該位置の変位の方向を変更させることができる。

【0024】

レーザ加工装置１００が形状加工を行う場合、光軸調整部４は、制御部８から加工方向の変更情報を加工中に受け取ってもよいし、加工前に加工方向を変更するタイミングを決定しておいてもよい。

【0025】

角度調整機構４ｃは、平面基板４ａのレーザビームＬの光軸に対する角度αを変更することができる構成要素であればよい。角度調整機構４ｃとして、傾斜ステージが用いられてもよいし、位置決めステージが用いられてもよい。平面基板４ａのレーザビームＬの光軸に対する角度αは、加工中に変更されてもよいし、加工前に設定されてもよい。

【0026】

光軸調整部４の光学部品は、平面基板４ａに限定されない。光軸調整部４の光学部品は、ウェッジ基板又は複数のウェッジ角を持つ屈折光学素子であってもよいし、ウェッジ基板又は屈折光学素子と同様の機能を持つ反射光学素子であってもよい。

【0027】

光軸調整部４の中空回転ステージ４ｂの変位量と角度調整機構４ｃの傾斜角の値とを決定する光軸調整指令は、制御部８によって発せられる。

【0028】

強度分布調整部５についての説明を行う。図２の例では、強度分布調整部５は、光学部品５ａと、光学部品５ａを駆動する光路切替え機構５ｂとを有する。光学部品５ａは、光軸調整部４と集光光学系６との間に配置される。光学部品５ａは、一つの軸に関して回転対称な強度分布変換特性を有する。強度分布調整部５は、光学部品５ａを含みレーザビームＬの強度分布を強度分布調整指令に基づいて変更する。

【0029】

例えば、光学部品５ａは、アキシコンレンズと、球面収差を発生させて最小錯乱円と近軸焦点との関係を変更することが可能であるレンズとが組み合わせられた構成要素であって、加工対象物Ｗの付近でレーザビームＬを一様な強度分布でないビーム強度分布にする構成要素である。「一様な強度分布でない」ビーム強度分布とは、例えばリングモードの分布である。光学部品５ａとして、回折光学素子ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）が用いられてもよい。

【0030】

図４から図７の各々は、図２のレーザ加工装置１００の強度分布調整部５が有する光学部品５ａの例を示す図である。図４は凸型のアキシコンレンズを示しており、凸型のアキシコンレンズは集光位置より加工ヘッド２の側にリングモードを生成することができる。図５は凹型のアキシコンレンズを示しており、凹型のアキシコンレンズは集光位置より加工対象物Ｗの側にリングモードを生成することができる。

【0031】

図６は、球面収差を発生させ、最小錯乱円と近軸焦点との関係を調整することが可能である複数のレンズが組み合わされた光学部品を示している。図６の光学部品は、レーザビームＬの分布をビームモードの外側が内側より高い強度分布を持つような分布に変換することができる。図７は、凹型のアキシコンレンズと凸型のアキシコンレンズとが組み合わせられた光学部品を示しており、図７の光学部品は、集光点の前後のどちらにもリングモードのビーム強度分布を生成することができる。光学部品５ａは、図４から図７までに示されている二つ以上の光学部品が組み合わせられた光学部品であってもよい。

【0032】

光学部品５ａを光路に挿入するか否かの切替えを決定する強度分布調整指令は、制御部８によって発せられる。制御部８は、切断加工に関する数値パラメータである加工パラメータに基づいて発振器指令、駆動指令、強度分布調整指令、加工対象物Ｗの材質、加工対象物Ｗの板厚及び切断方向の一部又は全部に対応して光軸調整部４を制御するための光軸調整指令を決定する。

【0033】

光学部品５ａへのレーザビームＬの入射位置は、光軸調整部４によって調整される。光軸調整部４に入射する前のレーザビームＬの光軸が強度分布調整部５の光学部品５ａの光軸と同じである場合、光学部品５ａへ入射するレーザビームＬのビーム直径をｄとし、強度分布調整部５の光軸中心に対するレーザビームＬの強度分布の割合をｋとすると、当該割合ｋは下記の式（２）で表すことができる。Δは、光軸調整部４によって調整されたレーザビームＬの位置の変位量である。

【0034】

【数2】

【0035】

レーザ加工装置１００は、光軸調整部４によってレーザビームＬの位置の変位量Δを調整することによって、加工方向に照射されるレーザビームＬの強度分布のエネルギ比率を変更することができる。

【0036】

光軸調整部４の光軸は、強度分布調整部５の中心軸であってもよい。強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの光軸に対する位置又は光軸に対する角度は、変更されてもよい。

【0037】

レーザ加工装置１００は、金属を溶接する加工又は切断する加工を行う場合、加工対象物Ｗの板厚及び材質毎に加工対象物Ｗに照射するレーザビームＬのビーム径、ビーム強度及び発散角を調整して加工を行う。金属の例は、鉄である。レーザ加工装置１００のユーザは、切断加工において切断したものを加工対象物Ｗから製品として取り出す必要がある。ビーム径が大きく、切断溝が拡げられて加工されると、製品を取り出しやすくなる。レーザビームＬの断面の形状が加工対象物Ｗに対して対称なビーム形状である場合、レーザビームＬの強度とビーム径とは一意に決まる。ビーム径を大きくして加工進行中のビーム強度を高くするためには、レーザ発振器１を高出力化しなければならない。

【0038】

レーザ加工装置１００は、強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの入射位置の変位量を光軸調整部４によって調整することにより、加工対象物Ｗに照射されるレーザビームＬの強度分布を調整するために非対称なレーザビームＬの強度分布を生成することが可能になる。更に言うと、レーザ加工装置１００は、同じレーザ出力及びビーム径において、レーザビームＬの強度を変更することが可能になる。加えて、レーザ加工装置１００は、加工進行方向にレーザビームＬの強度を上げるような非対称なレーザビーム強度分布を生成することにより、レーザ発振器１の出力に対して対称なレーザビーム強度分布と比較して、高いレーザビーム強度で加工を行うことが可能になる。

【0039】

特許文献１は、コリメートレンズとビーム源との間に光学要素を配置する技術を開示しているが、実施の形態１では、光学要素はコリメートレンズと集光光学系６との間に配置されている。コリメート部分では、ビームの大きさが一定で距離を自由にとることが可能であるので、特許文献１より実施の形態１の方が光学要素を容易に配置することができる。

【0040】

実施の形態１では、光軸方向及び光軸と垂直な方向に光軸調整部４を変位させる必要がないため、光軸調整部４を光路から取り出す又は挿入する機構を加えることが容易である。同様に、光軸方向及び光軸と垂直な方向に強度分布調整部５を変位させる必要がないため、強度分布調整部５を光路から取り出す又は挿入する機構を加えることが容易である。

【0041】

加工対象物Ｗが３．２ｍｍ以上の厚みを有する板である場合、レーザ加工装置１００は、加工対象物Ｗを加工するとき、強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの角度を光軸調整部４で変更することによって、加工方向へのレーザビーム強度及びエネルギ比率を調整して加工を行う。

【0042】

加工対象物Ｗが３．２ｍｍ以下の厚みを有する板である場合、レーザ加工装置１００が加工対象物Ｗを加工するとき、加工速度が比較的速いので、中空回転ステージ４ｂの回転速度が加工速度に追従することは難しい。ユーザは、ビーム径を小さくして加工を行いたいため、光学部品５ａを取り除いて加工を行いたい場合がある。その場合、図８に示されるように、ユーザは、平面基板４ａを傾斜させずに、すなわち平面基板４ａとレーザビームＬの光軸とが成す角度を９０°と設定し、光路切替え機構５ｂを用いて光学部品５ａを光路から取り除いて加工を行えばよい。図８は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の具体的な使用方法の例を示す図である。光路切替え機構５ｂは、光学部品５ａをレーザビームＬの光軸に挿入する又は光軸から取り除く動作を行う構成要素である。

【0043】

ユーザは、図９に示されるように、平面基板４ａを傾斜させずに、すなわち平面基板４ａとレーザビームＬの光軸とが成す角度を９０°と設定し、強度分布調整部５をレーザビームＬの光路から取り除かずに加工を行ってもよい。図９は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の具体的な使用方法の別の例を示す図である。

【0044】

厚みが異なる板についての加工方法は、上述の方法に限定されない。

【0045】

加工ヘッド２は、凸のアキシコンレンズと凹のアキシコンレンズとのうちのどちらも有していてもよい。凸のアキシコンレンズと凹のアキシコンレンズとは、板厚と加工ガス種との一方又は双方に対応して使い分けられてもよい。

【0046】

例えば、加工ガスとして、酸素、窒素又はエアーが使用される。しかしながら、加工ガスは、酸素、窒素又はエアー以外のガスであってもよいし、２種類以上のガスを含んでいてもよい。

【0047】

図１０は、光線追跡の計算結果の例を説明するための実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の一部の構成を示す図である。図１０の例では、レーザ発振器１はファイバレーザであり、レーザ出力は５ｋＷである。ファイバコア径Φは０．１ｍｍであり、ＮＡ（Numerical Aperture）は０．０８である。コリメートレンズ３の焦点距離は１００ｍｍであり、集光光学系６が集光レンズであって、当該集光レンズの焦点距離は２００ｍｍであり、光軸調整部４の平面基板４ａの厚さは１０ｍｍであり、強度分布調整部５の凸アキシコンレンズの頂角は１７９．５°である。

【0048】

図１１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００が有する平面基板４ａとレーザビームＬの光軸とが成す角度が９０°であって光学部品５ａが光軸に挿入されていない場合の集光点付近のビーム強度分布を示す図である。図１２は、加工方向の中心軸ＸＸ’断面を示す図である。図１１は、図１２の加工方向の中心軸ＸＸ’断面のレーザビームＬの強度分布を示している。

【0049】

光学部品５ａが光軸に挿入されていない場合、図１１に示されるように、トップハットビームといわれる一様分布が形成される。図１３は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００において強度分布調整部５の凸アキシコンレンズが光軸に挿入された場合の集光点付近のビーム強度分布を示す図である。強度分布調整部５の凸アキシコンレンズが光軸に挿入された場合、図１１のトップハットビームと比較すると、ビーム径が大きくなり、加工対象物Ｗにビーム強度がほぼ等しい二つのリングモード分布が形成されるため、断面図に二つの領域が存在する。図１３の加工方向は、図１２に示されているＸ軸のプラス方向である。図１３の領域ａは、加工方向のレーザビームＬの強度分布の領域であり、図１３の領域ｂは、加工方向の反対側に照射されるレーザビームＬの強度分布の領域である。加工進行側の領域ａのレーザビーム強度は、反対側の領域ｂのレーザビーム強度と等しい。

【0050】

図１４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００において平面基板４ａとレーザビームＬの光軸とが成す角度αが４５°である場合のレーザビーム強度分布を示す図である。図１４のレーザビーム強度分布では、加工方向に対するレーザビームＬの二つのピーク強度が異なっている。つまり、加工進行方向の領域ａは、領域ｂより大きい。

【0051】

図１５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００において平面基板４ａの傾斜角とレーザビームＬの加工進行方向側の領域ａのピーク強度との関係を示す図である。図１５から、平面基板４ａをレーザビームＬの光軸に対して傾けることによりレーザビーム強度を調整することができることが分かる。図１５は、平面基板４ａの傾斜角が０°である場合に対してピーク強度を最大で１．８倍に変更させることが可能であることを示している。レーザ加工装置１００は、平面基板４ａの傾斜角度によってピーク強度を調整することができるので、強度分布調整部５に入射するレーザビームＬのビーム径ｄを小さくする調整を行うことができる。ビーム径ｄは、コリメートレンズ３の焦点距離によって変更することが可能である。

【0052】

結像点のビーム径は、ファイバコア径と、コリメートレンズ３及び集光光学系６の焦点距離と、アキシコンレンズの頂角の角度との関係を変更すると変更することができる。

【0053】

図１６は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の機能を説明するための図である。コリメートレンズ３が複数のレンズで構成されている場合、図１６に示されるように、レーザ加工装置１００は、複数のレンズの各々を独立に駆動してコリメートレンズ３の有効焦点距離を変更させ、加工対象物Ｗに照射される集光径を変更させる集光径変更部３ａを有してもよい。レーザ加工装置１００は、当該集光径変更部を有する場合、集光光学系６の焦点距離が変化しないとき、加工対象物Ｗに照射するレーザビームＬの集光径と発散角とを調整することが可能になり、ビーム強度を変更することが可能になる。レーザ加工装置１００は、板厚に対応して、ビーム径と、発散角と、ビーム強度とを調整することが可能であるので、加工性能をより向上させることができる。

【0054】

レーザ加工装置１００が板金を加工する場合、レーザ発振器１がファイバレーザであるとき、ファイバコア径は、１００μｍから３００μｍまでのいずれかである。実際の加工では、レーザ加工装置１００は、集光点を加工対象物Ｗの表面にあわせてレーザビームＬを加工対象物Ｗに照射して加工対象物Ｗを加工するだけでなく、集光点をｚ方向において変更することによって加工を行うこともあり、ビーム径は、０．１ｍｍから２ｍｍまでのいずれかであることが望ましい。アキシコン角度は、１７９．０°から１７９．９°までのいずれかであることが望ましい。上記のｚ方向は、加工対象物Ｗの厚さ方向である。

【0055】

光軸調整部４の平面基板４ａが複数枚存在し、複数の平面基板４ａの各々の傾斜角が独立して調整されてもよい。複数の平面基板４ａの各々の傾斜角が独立して調整される場合、レーザ加工装置１００は、レーザビームＬの強度分布を複数の分布のいずれに調整することも可能になる。

【0056】

集光光学系６は、レーザビームＬを集光することができればよいので、１枚のレンズで構成されていてもよいし、複数枚のレンズを組み合わせられた構成要素であってもよい。集光光学系６としては、球面収差を取り除いた非球面レンズが用いられてもよいし、反射型光学系が用いられてもよい。

【0057】

上述の通り、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００は、発振器指令に基づいてレーザビームＬを出力するレーザ発振器１と、レーザビームＬを加工対象物Ｗの照射位置に照射する加工ヘッド２と、駆動指令に基づいて加工対象物Ｗと加工ヘッド２との相対位置を変更して照射位置を切断方向に移動させる制御部８とを有する。レーザ加工装置１００は、レーザビームＬの強度分布を強度分布調整指令に基づいて変更する強度分布調整部５と、強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの入射位置又は入射角度を変更する光軸調整部４とを更に有する。制御部８は、切断加工に関する数値パラメータである加工パラメータに基づいて発振器指令、駆動指令、強度分布調整指令、加工対象物Ｗの材質、加工対象物Ｗの板厚及び切断方向の一部又は全部に対応して光軸調整部４を制御するための光軸調整指令を決定する。レーザ加工装置１００は、加工対象物Ｗに照射するレーザビームＬのビームモードと加工方向に照射するレーザビームＬのビーム断面内の強度分布のエネルギ比率とを切断加工の加工パラメータに対応して制御することができる。レーザ加工装置１００は、加工対象物Ｗに照射するレーザビームＬのビーム強度を適切に調整することができる。レーザ加工装置１００は、加工対象物Ｗの溝幅に照射するレーザビームＬのビーム強度を適切に調整することができる。その結果、生産性が向上する。

【0058】

実施の形態２．
図１７は、実施の形態２に係るレーザ加工装置２００の構成の概要を示す図である。レーザ加工装置２００は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００が有するすべての構成要素のうちの光軸調整部４以外の構成要素を有する。レーザ加工装置２００は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００が有する光軸調整部４の代わりにガルバノスキャナ４ｄを有する。ガルバノスキャナ４ｄは、光軸調整部の一例である。実施の形態１の光軸調整部４がガルバノスキャナ４ｄに置き換えられている点が、実施の形態２と実施の形態１との相違点である。実施の形態２では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

【0059】

図１７に示されるように、ガルバノスキャナ４ｄは、コリメートレンズ３と強度分布調整部５との間に挿入されて集光光学系６の入射瞳位置に配置されることが望ましい。図１７の矢印は、ガルバノスキャナ４ｄが回転可能であることを意味する。ガルバノスキャナ４ｄは、コリメートレンズ３によってコリメートされたレーザビームＬを偏向する。これにより、強度分布調整部５の光学部品５ａへのレーザビームＬの入射位置と入射角度とが調整され、レーザ加工装置２００は、加工対象物Ｗに対する加工方向におけるビーム強度分布を調整することが可能になる。加えて、レーザ加工装置２００は、切断フロントに照射するレーザビームＬの強度を調整することが可能になる。これにより、レーザ加工装置２００は、レーザ出力が同じであっても加工の効率を向上させることができる。

【0060】

集光光学系６の焦点距離をｆとすると共にガルバノスキャナ４ｄの偏向角をθとすると、レーザビームＬの走査位置はｆ×ｔａｎθとなり、レーザ加工装置２００は、数百Ｈｚ以上の周波数で走査を行えば、加工対象物Ｗに照射されるレーザビームＬのビーム径を調整することが可能になる。その場合、レーザ加工装置２００は、加工性能をより向上させることができる。

【0061】

ガルバノスキャナ４ｄはレーザビームＬを偏向することができればよいので、ガルバノスキャナ４ｄとして、音響光学変調を利用した音響光学偏向器が用いられてもよい。ガルバノスキャナ４ｄは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーに置き換えられてもよい。ガルバノスキャナ４ｄ又はＭＥＭＳミラーは、制御部８によって制御される。実施の形態２に係るレーザ加工装置２００は、加工する溝幅を適切に調整することができる。その結果、生産性が向上する。

【0062】

実施の形態１で説明されたように、コリメートレンズ３が複数のレンズで構成されている場合、レーザ加工装置２００は、複数のレンズの各々を独立に駆動し、コリメートレンズ３の有効焦点距離を変更させるズーム機能を有していてもよい。この場合、集光光学系６の焦点距離が変化しないとき、レーザ加工装置２００は、加工対象物Ｗに照射するレーザビームＬのビーム径、発散角及びビーム強度を調整することが可能になる。その結果、レーザ加工装置２００は、加工性能の向上に寄与することが可能になる。

【0063】

図１７には、ガルバノスキャナ４ｄは、一つしか記載されていないが、２次元での走査が必要である場合、二つのガルバノスキャナ４ｄを配置する必要がある。

【0064】

集光光学系６は、レーザビームＬを集光することができればよいので、１枚のレンズで構成されていてもよいし、複数枚のレンズが組み合わせられた構成要素であってもよい。集光光学系６の焦点距離がｆであってレーザビームＬの偏向角がθであると定義された場合、集光光学系６の走査位置がｆθとなる関係を維持するようなｆθレンズが用いられてもよいし、反射光学系が用いられてもよい。

【0065】

実施の形態３．
実施の形態３に係るレーザ加工装置は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１００が有するすべての構成要素と、図１８に示される加工条件解析器１２とを有する。図１８は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する加工条件解析器１２の構成を示す図である。実施の形態３では、実施の形態１との相違点を主に説明する。なお、実施の形態３に係るレーザ加工装置は、実施の形態２に係るレーザ加工装置２００が有するすべての構成要素と、図１８に示される加工条件解析器１２とを有するレーザ加工装置であってもよい。

【0066】

加工条件解析器１２は、加工結果判定部１３と、特徴量抽出部１４と、機械学習器１５と、加工条件変更部１６とを有する。機械学習器１５は、特徴量抽出部１４により抽出された特徴量と、作業者が作成した評価値とを関連付けて学習する。作業者が作成した評価値は、作業者による評価値である。作業者による評価値は、例えば、図示されていない入力手段から入力されてもよいし、他の装置から送信されてもよい。

【0067】

機械学習器１５は、学習部１７と、データ取得部１８とを有する。データ取得部１８は、切断加工の加工条件、発振器指令、駆動指令、強度分布調整指令、及び加工パラメータを含む状態量を取得する。学習部１７は、データ取得部１８によって取得された状態量に基づいて、良い加工を得る加工条件を学習する。

【0068】

学習部１７は、機械学習により、入力と結果との組を学習する。学習部１７の機械学習のアルゴリズムとしては、どのようなものが用いられてもよいが、例えば、教師あり学習のアルゴリズムが用いられる。データ取得部１８は、学習部１７における入力として、特徴量抽出部１４から特徴量を取得し、取得した特徴量を学習部１７へ入力する。学習部１７には、作業者による評価値も入力される。作業者による評価値は、加工結果の良否について判断された結果であり、段階的なレベルを示す値であってもよいし、連続した数値のいずれかであってもよい。すなわち、作業者による評価値は、加工不良項目の組み合わせパターンに相当するものを作業者が決定した値である。

【0069】

データ取得部１８は、加工条件を学習部１７への入力として取得してもよい。データ取得部１８は、加工条件又は特徴量抽出部１４から出力される特徴量を、状態変数として取得し、学習部１７へ与える。学習部１７は、状態変数と評価値とで構成されるデータセットを用いて、加工条件と加工結果とを、又は加工不良項目の良否結果を機械学習する。データセットは、状態変数と評価値とが関連付けられたデータである。

【0070】

例えば、加工条件とは、加工速度、レーザ出力、加工ガス圧、集光光学系６の集光位置と加工対象物Ｗとの位置関係、集光光学系６によって集光された後のレーザビームＬのビーム径、レーザのパルス周波数、レーザのパルスのデューティ比、集光光学系６の倍率、ノズル径、加工対象物Ｗと加工ノズル７との距離、レーザビームモードの種類、ノズル穴の中心とレーザビームＬとの位置関係、光軸調整部４によって変位された強度分布調整部５に入射するレーザビームＬの位置の変位量Δ、加工方向の変更に対して光軸調整部４がレーザビームＬの光軸を調整するタイミング、及びガルバノスキャナ４ｄの偏向角の一部又は全部を特定するための条件である。

【0071】

学習部１７は、機械学習による学習済みモデルを用いて、特徴量に対応する加工条件を出力する。これにより、実施の形態３に係るレーザ加工装置は、より高精度に条件を調整することができる。学習部１７は、加工結果の良否と加工条件との関係を機械学習する機能と学習済モデルとしての機能との両方を有してもよい。学習済モデルを用いて評価値を出力する推論部が、学習部１７と別に設けられてもよい。すなわち、加工条件解析器１２は、学習部１７により学習が行われた学習済モデルを用いてデータ処理部で処理された加工条件の組み合わせパターンを算出する推論部を有してもよい。

【0072】

図１８に示される例では、機械学習器１５は加工条件解析器１２の内部に設けられているが、機械学習器１５は加工条件解析器１２とは別の装置であってもよい。例えば、加工条件解析器１２と機械学習器１５とが通信ネットワークを介して接続されてもよい。機械学習器１５は、クラウドサーバに存在してもよい。

【0073】

上述したデータセットが用いられてある程度学習が進んだ後に加工結果判定部１３による判定結果が修正された場合、学習部１７は修正された判定結果を学習してもよい。例えば、加工結果判定部１３が複数の加工不良を判定する項目の各々に対応する複数の評価値で構成される組み合わせパターンを算出し、作業者が評価値を修正し、修正された結果が機械学習器１５へ入力される。この場合、加工結果判定部１３における評価値を決定するためのアルゴリズムと、判定のための閾値とは、作業者により適宜変更可能であってもよい。

【0074】

加工不良を判定する項目の例は、レーザ切断中に溶融した金属が切断面に付着する症状で切断面の下端から発生するドロスという症状を示す項目、又は切断面の上部に周期的に発生する荒れを示す項目である。荒れが発生すると、荒れが発生しない場合に比べ、条痕の凹凸の深さが深くなる。条痕は切断に用いられる加工ガスが酸素である場合に生じ、条痕の凹凸は切断面に生じる酸化膜が剥れてしまう症状の有無で判定されてもよい。

【0075】

加工不良を判定する項目は、上述の例に限定されない。例えば、加工対象物Ｗの変色と、振動面の有無と、他の加工不良の項目とも含めて、加工不良は判定されてもよいし、上述した加工不良を判定する項目のうちの一部に替えて他の加工不良を判定する項目の判定が行われてもよい。レーザ出力、加工速度、加工板厚の組み合わせ、及び加工ガスの種類の一部又は全部の加工パラメータによって、加工不良を判定する項目は変更されてもよい。

【0076】

学習部１７は、例えば、ニューラルネットワークモデルを用いて、いわゆる教師あり学習により加工条件と加工結果とを学習する。教師あり学習とは、入力と結果とのデータの複数の組である複数のデータセットにある特徴を学習し、入力から結果を推定する機械学習である。結果は、ラベルである。

【0077】

ニューラルネットワークは、複数のニューロンからなる入力層と、複数のニューロンからなり隠れ層とも呼ばれる中間層と、複数のニューロンからなる出力層とで構成される。中間層については、１層の中間層だけが存在してもよいし、２層以上の中間層が存在してもよい。

【0078】

図１９は、実施の形態３に係るニューラルネットワークモデルの構成を示す図である。Ｘ１，Ｘ２及びＸ３は入力層のニューロンであり、Ｙ１及びＹ２は中間層のニューロンであり、Ｚ１，Ｚ２及びＺ３は出力層のニューロンである。図１９に示されるような３層のニューラルネットワークモデルであれば、Ｘ１，Ｘ２及びＸ３の各々に入力値が入力されると、各入力値は、対応する重みｗ１１から重みｗ１６までのいずれかが乗算されて中間層のニューロンであるＹ１及びＹ２の各々に入力される。

【0079】

Ｙ１及びＹ２からの出力値は、対応する重みｗ２１から重みｗ２６までのいずれかが乗算されて、出力層のニューロンであるＺ１，Ｚ２及びＺ３の各々に入力される。出力層は、入力された値を加算し、加算した結果を出力結果として出力する。例えば、Ｚ１，Ｚ２及びＺ３の各々から出力される結果を、各加工不良を判定する項目に対応する評価結果に対応させることができる。出力結果は、重みｗ１１から重みｗ１６までの各値と重みｗ２１から重みｗ２６までの各値とによって変わる。

【0080】

実施の形態３では、上述のデータセットを用いて上述のニューラルネットワークの出力結果が正解である加工良否の評価結果に近づくように、重みｗ１１から重みｗ１６までの各値と重みｗ２１から重みｗ２６までの各値とが調整されることにより、学習が行われる。図１９は、ニューラルネットワークモデルの一例を示しており、ニューラルネットワークモデルの層数及び各層に属するニューロンの数は、図１９の例に限定されない。

【0081】

学習部１７は、ニューラルネットワークモデルを用いて、いわゆる教師なし学習によって、加工条件と加工良否の評価結果とを学習することもできる。教師なし学習とは、大量の入力データのみに基づいて入力データがどのような分布をしているのかを学習し、対応する教師出力データが与えられなくても、入力データに対して例えば圧縮、分類及び整形の一部又は全部を行う方法を学習する手法である。

【0082】

例えば、教師なし学習では、入力データのなかの特徴が似ているデータ同士をクラスタリングすることができる。何らかの基準を設けてクラスタリングの結果を最適にするように、クラスタリングの結果に対して評価結果の割り当てを行うことで、評価結果の予測を実現することができる。

【0083】

教師なし学習と教師あり学習との中間的な問題設定として、半教師あり学習と呼ばれるものもある。半教師あり学習は、一部のみ入力と出力とのデータの組が存在し、残部は入力のみのデータである場合の学習である。学習部１７は、半教師あり学習により機械学習を実現してもよい。

【0084】

機械学習器１５は、複数の加工条件解析器１２からデータセットを取得し、加工条件と加工結果との評価結果を学習してもよい。複数の加工条件解析器１２の各々は、実施の形態３の加工条件解析器１２と同じ機能を有していてもよい。機械学習器１５は、同一の現場で使用される複数の加工条件解析器１２からデータセットを取得してもよいし、異なる現場の各々で稼動する加工条件解析器１２からデータセットを取得してもよい。データセットの取得元の加工条件解析器１２が途中で追加されてもよいし、取得元の加工条件解析器１２が途中で除去されてもよい。加工条件解析器１２とは別に機械学習器が設けられ、当該機械学習器が、ある加工条件解析器１２から取得したデータセットにより学習した後、別の加工条件解析器１２と接続されて別の加工条件解析器１２からデータセットを取得して再学習してもよい。

【0085】

データ取得部１８は、学習部１７の入力として、加工条件又は特徴量抽出部１４から出力される特徴量だけでなく、例えば加工対象物Ｗの板厚を示す情報及び加工対象物Ｗの材質を示す情報の一方又は双方も入力として取得してもよい。

【0086】

学習部１７で用いられる学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する深層学習（Deep Learning）を用いることもでき、学習部１７は、他の公知の方法、例えば遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシン、フィッシャー判別法、部分空間法又はマハラノビス空間を用いた判別分析にしたがって機械学習を実行してもよい。

【0087】

学習部１７で用いられる学習アルゴリズムとして、例えば、決定木、ランダムフォレスト、ロジスティック回帰、ｋ近傍法、部分空間法、ＣＬＡＦＩＣ法（CLAss-Featuring Information Compression method）、Isolation Forest、ＬＯＦ（Local Outlier Factor）、ブースティング、AdaBoost、LogitBoost、One-Class ＳＶＭ（Support Vector Machine）、又はGaussian Mixture Modeが用いられてもよい。

【0088】

例えば、深層学習又は畳み込みニューラルネットワーク（Convolution Neural Network）のように、画像から特徴量を抽出する学習が行われる場合、特徴量抽出部１４は設けられなくてもよい。機械学習器１５は加工不良を判定する項目毎に設けられてもよいし、一つの機械学習器１５が複数の加工不良を判定する項目に対応していてもよい。強化学習又はベイズ探索の探索アルゴリズムを用いたパラメータの探索が行われてもよい。

【0089】

実施の形態３に係るレーザ加工装置が光軸調整部４を有することにより従来のレーザ加工機と比較すると加工パラメータが多くなるが、実施の形態３に係るレーザ加工装置は、機械学習を行って加工パラメータを探索することによって加工パラメータを比較的高精度に調整することができる。

【0090】

加工の良否判定は、加工後に作業者によって行われてもよい。図２０に示されるように、加工中に加工状態を監視する加工状態監視センサ１９が設けられて監視結果が加工結果判定部１３に入力されてもよい。図２０は、実施の形態３に係る変形例のレーザ加工装置３００の構成を示す図である。例えば、加工状態監視センサ１９として、加工光を検知する光センサ、加工点の画像をとらえるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、又は加工音を検知する音センサが用いられてもよい。光センサの例はフォトダイオードであり、音センサの例はマイクである。

【0091】

レーザ加工装置３００は、加工中に加工状態を検知することが可能なので加工中の状態変化に応じて加工条件を調整することが可能である。更に言うと、レーザ加工装置３００は、加工状態を判定して加工条件を調整することが可能であり、加工不良を抑制する効果を得ることができる。

【0092】

１種類の加工状態監視センサ１９が用いられてもよいし、２種類の加工状態監視センサ１９が用いられてもよい。加工状態監視センサ１９は、加工ヘッド２の内部に配置されてもよいし、加工ヘッド２の外部に配置されてもよい。加工状態監視センサ１９が取得した時系列のデータは、特徴量抽出部１４に入力されてもよい。

【0093】

図２１は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工条件解析器１２が有する加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部がプロセッサ９１によって実現される場合のプロセッサ９１を示す図である。つまり、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部の機能は、メモリ９２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ９１によって実現されてもよい。プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図２１には、メモリ９２も示されている。

【0094】

加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、当該機能は、プロセッサ９１と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部の機能を実現する。

【0095】

加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、実施の形態３に係るレーザ加工装置は、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６によって実行される複数のステップの一部又は全部が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を有する。メモリ９２に格納されるプログラムは、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

【0096】

メモリ９２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等である。

【0097】

図２２は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工条件解析器１２が有する加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部が処理回路９３によって実現される場合の処理回路９３を示す図である。つまり、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部又は全部は、処理回路９３によって実現されてもよい。

【0098】

処理回路９３は、専用のハードウェアである。処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものである。加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の一部は、残部と別個の専用のハードウェアによって実現されてもよい。

【0099】

加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、加工結果判定部１３、特徴量抽出部１４、機械学習器１５及び加工条件変更部１６の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

【0100】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

【符号の説明】

【0101】

１ レーザ発振器、２ 加工ヘッド、３ コリメートレンズ、３ａ 集光径変更部、４ 光軸調整部、４ａ 平面基板、４ｂ 中空回転ステージ、４ｃ 角度調整機構、４ｄ ガルバノスキャナ、５ 強度分布調整部、５ａ 光学部品、５ｂ 光路切替え機構、６ 集光光学系、７ 加工ノズル、８ 制御部、９ 光ファイバ、１２ 加工条件解析器、１３ 加工結果判定部、１４ 特徴量抽出部、１５ 機械学習器、１６ 加工条件変更部、１７ 学習部、１８ データ取得部、１９ 加工状態監視センサ、９１ プロセッサ、９２ メモリ、９３ 処理回路、１００，２００，３００ レーザ加工装置、Ｌ レーザビーム、Ｗ 加工対象物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】