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技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例涉及用于通過(guò)使激光偏斜而掃描工件的加工目標(biāo)表面的激光加工機(jī)。

背景技術(shù)：

在通過(guò)使從激光振蕩器發(fā)射的激光偏斜而掃描工件的加工目標(biāo)表面的傳統(tǒng)的激光加工機(jī)之中，存在能夠設(shè)定激光的焦點(diǎn)位置的激光加工機(jī)(例如，參考JP-A-2009-208093)。在JP-A-2009-208093中公開的激光標(biāo)記機(jī)中，在激光源與掃描單元之間布置了焦點(diǎn)位置設(shè)定裝置，并且在掃描單元與工件之間布置了聚焦透鏡。利用焦點(diǎn)位置設(shè)定裝置通過(guò)改變?nèi)肷湓诰劢雇哥R上的激光的光束直徑或者發(fā)散角而設(shè)定焦點(diǎn)位置。

還已知如下激光加工機(jī)：其裝配有所謂的Z模塊，用于在工件處理期間設(shè)定焦距(例如，參考JP-A-2007-111763)。在JP-A-2007-111763中公開的裝配有Z軸掃描儀的激光加工機(jī)中，在工件處理期間利用Z軸掃描儀設(shè)定焦點(diǎn)位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在JP-A-2009-208093中公開的激光標(biāo)記機(jī)中，工件的平坦的加工目標(biāo)表面由激光垂直照射，并且將焦點(diǎn)位置設(shè)定為使得產(chǎn)生的光斑具有指定的面積。然而，在激光傾斜入射的位置處比垂直入射的位置光 斑的面積大。因此，在JP-A-2009-208093中公開的激光標(biāo)記機(jī)中，光斑面積依據(jù)在加工目標(biāo)表面上的位置而變化，可能降低加工質(zhì)量。

順便提及，在JP-A-2009-208093中公開的激光標(biāo)記機(jī)中，能夠利用聚焦透鏡而降低光斑面積的變化，該聚焦透鏡使得激光在任意位置處都垂直地照射在工件上。然而，利用這樣的聚焦透鏡，因?yàn)橥ǔＪ辜す鈨H能夠在窄的范圍內(nèi)垂直入射，所以使得加工區(qū)域小。為了擴(kuò)大加工區(qū)域，需要增加透鏡直徑，這使得激光標(biāo)記機(jī)昂貴。

在傳統(tǒng)的裝配有Z模塊的激光加工機(jī)中，能夠通過(guò)在加工期間動(dòng)態(tài)地設(shè)定焦點(diǎn)位置而減少光斑面積的變化。然而，為此，需要與掃描單元的高速移動(dòng)同步地根據(jù)加工坐標(biāo)而實(shí)時(shí)地以高速調(diào)整在Z軸方向上的焦點(diǎn)位置。結(jié)果，使得激光加工機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且因此昂貴。

本說(shuō)明書公開了這樣的技術(shù)：能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造而抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的降低，并且減少在工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上的光斑面積的變化。本說(shuō)明書還公開了這樣的技術(shù)：其能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的降低。

本說(shuō)明書中公開了一種激光加工機(jī)，包括：激光振蕩器，其發(fā)射激光；掃描單元，其通過(guò)使從所述激光振蕩器發(fā)射的所述激光偏轉(zhuǎn)而掃描工件的加工目標(biāo)表面；以及聚焦單元，其被配置在所述激光振蕩器與所述掃描單元之間，并且使從所述激光振蕩器發(fā)射的所述激光聚焦，其中，所述聚焦單元被設(shè)定為將所述激光聚焦在第二位置處，該第二位置比在所述工件的所述加工目標(biāo)表面中距離第一位置最遠(yuǎn)的第三位置更加遠(yuǎn)離所述第一位置，激光在該第一位置處垂直入射。

利用該激光加工機(jī)，通過(guò)設(shè)定(固定地或者可調(diào)整地)聚焦單元從而聚焦激光使得在激光垂直入射的第一位置處在降音加工目標(biāo)表面 上形成的光斑的面積與在激光傾斜入射的第二位置處形成的光斑的面積大概一致，使光斑面積的變化能夠減小，而不需要額外的聚焦透鏡。結(jié)果，能夠使得激光加工機(jī)的構(gòu)造更簡(jiǎn)單。

此外，由于在工件加工期間聚焦單元不需要跟隨掃描單元，所以能夠簡(jiǎn)化聚焦單元的構(gòu)造。結(jié)果，能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降，并且因此能夠降低制造成本。

此外，利用該激光加工機(jī)，能夠通過(guò)設(shè)定聚焦單元而遍及整個(gè)加工目標(biāo)表面的減小光斑面積的變化，使得光斑面積在彼此遠(yuǎn)離的兩個(gè)位置處互相大概一致。

激光加工機(jī)可以被構(gòu)造為使得所述聚焦單元的聚焦位置能夠調(diào)節(jié)。

利用該激光加工機(jī)，即使工件尺寸改變，也能夠通過(guò)將聚焦位置設(shè)定在新工件的加工目標(biāo)表面外側(cè)，而在新工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑面積的變化。

所述聚焦單元可以將所述激光聚焦在定位于所述激光加工機(jī)的加工區(qū)域外部的位置處。

利用該激光加工機(jī)，即使工件尺寸改變，也能夠在新工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑面積的變化。

所述聚焦單元可以被配置為使得在所述激光垂直入射的方向上所述聚焦單元的焦點(diǎn)位置能夠被設(shè)定在所述第二位置處。

利用該激光加工機(jī)，即使從掃描單元到工件的加工目標(biāo)表面的距離(工作距離)改變，也能夠在工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑 面積的變化。

本說(shuō)明書中還公開了一種激光加工機(jī)的聚焦角度設(shè)定方法，該激光加工機(jī)包括：激光振蕩器，其發(fā)射激光；掃描單元，其通過(guò)使從所述激光振蕩器發(fā)射的所述激光偏轉(zhuǎn)而掃描工件的加工目標(biāo)表面；聚焦單元，其被配置在所述激光振蕩器與所述掃描單元之間，并且使從所述激光振蕩器發(fā)射的所述激光聚焦；以及設(shè)定單元，其在所述工件的加工之前設(shè)定所述聚焦單元的聚焦角度，所述聚焦角度設(shè)定方法包括：利用所述設(shè)定單元設(shè)定聚焦角度，使得在所述激光垂直入射的第一位置處在平坦的加工目標(biāo)表面上形成的光斑的面積與在第二位置處形成的光斑的面積大概一致，該第二位置遠(yuǎn)離所述第一位置，并且所述激光在該第二位置處傾斜入射。

這種聚焦角度設(shè)定方法能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降。

在說(shuō)明書中公開的激光加工機(jī)中，能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降，并且能夠在工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上降低光斑面積的變化。

說(shuō)明書中公開的激光加工機(jī)的聚焦角度設(shè)定方法使得能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的激光加工機(jī)的方塊圖。

圖2是示出激光加工機(jī)能夠容納的工作距離范圍的示意圖。

圖3是聚焦單元和設(shè)定單元的截面圖。

圖4是示出焦點(diǎn)位置定位在激光垂直入射的位置處的狀態(tài)的示意圖。

圖5是示出在激光垂直入射的位置處形成的光斑的面積等于在激 光傾斜入射位置處形成的光斑的面積的狀態(tài)的示意圖。

圖6是示出加工模式的示意圖。

圖7是示出焦點(diǎn)位置定位在激光傾斜入射的位置處的狀態(tài)的示意圖。

圖8是圖示出用于計(jì)算激光的光束半徑的方程的變量和參數(shù)的示意圖。

圖9是示出距離與橢圓率之間的關(guān)系的圖。

圖10是示出距離與光束半徑的平方之間的關(guān)系的圖。

圖11是示出在中間位置處光斑面積的變化的圖。

具體實(shí)施方式

<實(shí)施例>

下文中，將參考圖1至11描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。

(1)激光加工機(jī)的構(gòu)造

將參考圖1描述作為根據(jù)實(shí)施例的激光加工機(jī)的激光焊接機(jī)1的構(gòu)造。激光焊接機(jī)1將利用激光將兩個(gè)樹脂部件A和B焊接到一起。然而，樹脂部件A由使光幾乎完全透過(guò)的材料制成，樹脂部件B由吸收激光的材料制成。當(dāng)樹脂材料B從樹脂材料A吸收激光而融化時(shí)，樹脂材料A也接收產(chǎn)生的熱量而融化，從而樹脂材料A和B焊接在一起。

激光焊接機(jī)1裝配有控制單元20、輸入單元21、激光振蕩器22、聚焦單元23、設(shè)定單元24、掃描單元25、激光功率監(jiān)視單元26等。

控制單元20裝配有CPU、ROM和RAM等。CPU通過(guò)運(yùn)行存儲(chǔ)在ROM中的控制程序來(lái)控制激光焊接機(jī)1的各個(gè)單元。ROM存儲(chǔ)有將由CPU運(yùn)行的控制程序、用于控制的各種類型的數(shù)據(jù)和其他信息。當(dāng)CPU進(jìn)行各種類型的處理時(shí)，RAM用作主要的存儲(chǔ)裝置?？刂茊卧?0可以裝配有代替CPU的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)、ASIC(專 用集成電路)等。

輸入單元21由諸如鍵盤和鼠標(biāo)這樣的輸入裝置、諸如液晶顯示器這樣的顯示裝置、以及其他裝置構(gòu)成。通過(guò)操縱輸入單元21，操作者能夠設(shè)定激光功率、掃描速度、工作距離、加工模式11(參見圖6)等。輸入單元21可以裝配有觸摸面板。

激光振蕩器22是作為氣體激光器的二氧化碳?xì)怏w激光器、作為固態(tài)激光器的YAG激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等，并且該激光振蕩器22朝著聚焦單元23發(fā)射激光。激光振蕩器22被配置為使得激光功率能夠調(diào)節(jié)，并且利用控制單元20控制激光功率。

聚焦單元23將從激光振蕩器22發(fā)射的激光聚焦。在激光加工之前，操作者通過(guò)設(shè)定單元24設(shè)定聚焦單元23的聚焦角度，該設(shè)定單元24與聚焦單元23一體地設(shè)置。稍后將描述聚焦單元23和設(shè)定單元24的具體構(gòu)造。

被稱為檢流計(jì)掃描類型的掃描單元25裝配有：兩個(gè)檢流計(jì)鏡，用于反射激光；兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于分別改變檢流計(jì)鏡的角度，以及其他元件。一個(gè)檢流計(jì)鏡的角度由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而在豎直方向上改變，并且另一個(gè)檢流計(jì)鏡的角度由另一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而在水平方向上改變。結(jié)果，激光照射點(diǎn)在樹脂部件B(后文中，稱為“工件B”)的加工目標(biāo)表面上二維地移動(dòng)。

使得掃描單元25滿足作為能夠使激光偏轉(zhuǎn)的單元。例如，掃描單元25可以諸如采用多面鏡來(lái)代替檢流計(jì)鏡，或者采用多面鏡與檢流計(jì)鏡的組合。

激光功率監(jiān)視單元26是用于使得控制單元20能夠監(jiān)視激光功率的單元。稍后將描述激光功率監(jiān)視單元26的具體構(gòu)造。

如圖2所示，激光焊接機(jī)1能夠容納從掃描單元25到工件B的加工目標(biāo)表面的距離為300到330mm的范圍。在下面說(shuō)明中，從掃描單元25到工件B的加工目標(biāo)表面的距離將稱為“工作距離”。

(2)聚焦單元23和設(shè)定單元24

接著，將參考圖3描述聚焦單元23和設(shè)定單元24的具體構(gòu)造。聚焦單元23裝配有放大透鏡23A和聚焦透鏡23B。通過(guò)放大透鏡23A擴(kuò)大激光L的光束直徑，而后通過(guò)聚焦透鏡23B聚焦，從而具有聚焦角度θa。

用于設(shè)定聚焦單元23的聚焦角度θa的設(shè)定單元24裝配有筒狀體24A、保持放大透鏡23A的保持器24B、保持器移動(dòng)單元24C、調(diào)整螺旋部24D、螺旋壓縮彈簧24E等。

作為筒狀部件的保持器24B插入(即，嵌合)到筒狀體24A中，從而能夠在光學(xué)軸向上移動(dòng)。保持器24B的外周表面形成有突起(未示出)。另一方面，筒狀體24A的內(nèi)周表面形成有引導(dǎo)槽(未示出)，用于在光學(xué)軸向上引導(dǎo)保持器24B的突起。保持器24B的突起嵌合在筒狀體24A的引導(dǎo)槽中，從而防止了保持器24B繞著光軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為筒狀部件的保持器移動(dòng)單元24C的一部分插入(即，嵌合)到筒狀體24A中，從而能夠在光學(xué)軸向上移動(dòng)。保持器移動(dòng)單元24C的外周表面形成有螺紋。

調(diào)整螺旋部24D也是筒狀部件。筒狀體24A的后部嵌合在調(diào)整螺旋部24D的前部的內(nèi)側(cè)，從而調(diào)整螺旋部24D裝接到筒狀體24A，從而能夠與筒狀體24A同軸地轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整螺旋部24D的內(nèi)周表面形成有螺紋，該螺紋與形成在保持器移動(dòng)單元24C的外周表面中的螺紋嚙合。壓縮螺旋彈簧24E用于向后推動(dòng)保持器24B。

如果操作者在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺旋部24D，則保持器移動(dòng)單元24C向前移動(dòng)，并且保持器24B也由保持器移動(dòng)單元24C推動(dòng)而向前移動(dòng)。結(jié)果，放大透鏡23A與聚焦透鏡23B之間的距離減小，并且從而激光L的聚焦角度θa變窄。

另一方面，如果操作者在另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺旋部24D，則保持器移動(dòng)單元24C向后移動(dòng)，并且保持器24B也由壓縮螺旋彈簧24E推動(dòng)而向后移動(dòng)。結(jié)果，放大透鏡23A與聚焦透鏡23B之間的距離減小，并且從而激光L的聚焦角度θa變寬。

(3)光斑面積的變化的減小

圖4示出了激光L在垂直入射的位置處聚焦在工件B的加工目標(biāo)表面上的狀態(tài)。在實(shí)施例中，激光L的垂直入射的位置是加工區(qū)域12的中心(參見圖6)。加工區(qū)域12是待加工的工件能夠被放置的最大區(qū)域。然而，在定位在掃描單元25的偏轉(zhuǎn)角范圍的端部處的情況下，激光L的垂直入射位置可能從加工區(qū)域12的中心偏離。

在圖4所示的狀態(tài)下，在激光L傾斜地照射在工件B的加工目標(biāo)表面上的位置處，形成具有較寬面積的橢圓形的光斑，并且激光L具有較大光束直徑。因此，在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積大于在垂直入射位置處形成的光斑的面積。即，在圖4所示的狀態(tài)下，在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積之間存在變化。

鑒于以上，在實(shí)施例中，如圖5所示，有意地將激光L的焦點(diǎn)從激光L垂直入射的位置偏離，從而使得在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積等于在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積。在以下說(shuō)明中，將焦點(diǎn)偏離將稱為“散焦”。

當(dāng)激光L散焦，使得焦點(diǎn)從激光L垂直入射的位置偏離時(shí)，在垂直入射的位置處形成的光斑的面積增大。另一方面，在激光L傾斜入射的位置處，由于散焦而使激光L的光束直徑減小，并且光斑面積減小，然而光斑維持橢圓形。因此，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定焦點(diǎn)位置，能夠使得在垂直入射的位置處形成的光斑的面積等于在傾斜入射的位置處形成的光斑的面積，即，能夠減小光斑面積的變化。

在實(shí)施例中，在工件B的加工開始之前，通過(guò)操作者設(shè)定焦點(diǎn)位置。在工件B的加工期間，焦點(diǎn)位置固定在由操作者設(shè)定的位置處。下面將參考圖6描述操作者如何設(shè)定焦點(diǎn)位置。

在圖6中，點(diǎn)劃線11表明在工件B的加工目標(biāo)表面上利用激光L掃描的實(shí)例加工圖案。加工圖案11的中心是激光L垂直入射在加工目標(biāo)表面上的位置，并且在加工圖案11中的位置之中，激光光程長(zhǎng)度最短。加工圖案11的四個(gè)角部是激光L傾斜入射的位置，并且在加工圖案11的位置之中，激光光程長(zhǎng)度最大。在圖6中，實(shí)線12表示激光焊接機(jī)1的加工區(qū)域。假定根據(jù)實(shí)施例的激光焊接機(jī)1還能夠利用激光L照射到加工區(qū)域12外部的區(qū)域。

位置P是如下位置：其到垂直入射的位置比在工件B的加工目標(biāo)表面中距離垂直入射的位置最遠(yuǎn)的點(diǎn)(即，工件B的加工目標(biāo)表面的四個(gè)角中的一個(gè)角)更遠(yuǎn)。更具體地，位置P是定位在加工區(qū)域12外部的位置。位置P被稱為“聚焦位置”。在以下說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“激光L傾斜入射的位置”是指位置P。

為了確定焦點(diǎn)位置，操作者實(shí)際上利用激光焊接機(jī)1加工測(cè)試工件，該測(cè)試工件比加工區(qū)域12的面積大，并且測(cè)量在激光L垂直入射的位置處形成的加工標(biāo)記的面積、和在激光L傾斜入射的位置處形成的加工標(biāo)記的面積。通過(guò)在利用設(shè)定單元24而一點(diǎn)一點(diǎn)地改變聚焦單元23的聚焦角度θa的同時(shí)重復(fù)該操作，操作者能夠確定焦點(diǎn)位置，使 得在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積一致。

通過(guò)利用設(shè)定單元24來(lái)調(diào)整聚焦單元23的聚焦角度θa，操作者能夠在位置P處在激光L垂直入射的方向上設(shè)定焦點(diǎn)位置。

接著，參考圖7，將進(jìn)行如下說(shuō)明，存在聚焦角度θa，在該角度處，在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積一致。

圖7示出了激光L在傾斜入射的位置處聚焦在工件B的加工目標(biāo)表面上。此處假定，在假定是平行光的激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積是在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積的107％。

利用以上假定，由于激光L的光斑的面積與其光束半徑的平方成比例，所以如果在傾斜入射的位置處激光L的光束半徑的平方比在垂直入射的位置處小到超過(guò)7％，則在傾斜入射位置處形成的光斑的面積變得比在垂直入射的位置處形成的光斑的面積小。

換句話說(shuō)，由于7的平方根為大約2.65，所以如果在傾斜入射位置處的激光L的光束半徑比垂直入射的位置處的激光L的光束半徑小到超過(guò)2.65％，則在傾斜入射位置處形成的光斑的面積變得比在垂直入射的位置處形成的光斑的面積小。

通過(guò)如下方程(1)給出了激光L的光束半徑：

在方程(1)中，如圖8所示，z是到光束腰部的距離(即，光束半徑最小的位置)，ω_z是在具有距離z的位置處的光束半徑，λ是光的波長(zhǎng)，并且ω₀是在光束腰部處的光束半徑。如圖8所示，在z充分大 的范圍內(nèi)，在截面圖中，光束外邊界呈現(xiàn)分別與光軸形成角度θb的直線。

由于能夠根據(jù)方程(1)計(jì)算在激光L的光路上的各個(gè)點(diǎn)處的光束半徑，所以能夠通過(guò)例如利用基于光束半徑計(jì)算結(jié)果而調(diào)整光路長(zhǎng)度，來(lái)適當(dāng)?shù)貙⒂糜诩庸さ膮^(qū)間設(shè)定在激光L的光路上，從而將在傾斜入射的位置處的激光L的光束半徑設(shè)定為比在垂直入射的位置處的激光L的光束半徑小到超過(guò)2.65％。

因此，在圖4和7所示的聚焦角度θa之間存在這樣的聚焦角度θa：在該角度處，在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積一致。結(jié)果，能夠使在垂直入射的位置處形成的光斑面積與在傾斜入射的位置處形成的光斑的面積相等。

(4)設(shè)定聚焦角度θa的范圍

在設(shè)定單元24中，設(shè)定聚焦角度θa設(shè)定范圍，使得聚焦角度θa能夠設(shè)定為使得在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積一致。換句話說(shuō)，保持器24B的移動(dòng)范圍被設(shè)定為使得能夠設(shè)定聚焦角度θa，在該角度處以上兩個(gè)光斑面積互相一致。

順便提及，如果工作距離總是恒定的，則能夠固定聚焦角度θa。然而，在實(shí)施例中，由于假定了激光焊接機(jī)1能夠容納300至330mm的工作距離范圍，所以聚焦角度θa不能夠固定。因此，在設(shè)定單元24中，聚焦角度θa設(shè)定范圍被設(shè)定為包括以下兩者：當(dāng)工作距離等于300mm時(shí)的兩個(gè)光斑面積互相一致的聚焦角度θa，和當(dāng)工作距離等于330mm時(shí)的兩個(gè)光斑面積互相一致的聚焦角度θa。

(5)中間位置處形成的光斑的面積

接著，參考圖9至11，描述在設(shè)定聚焦角度θa使得兩個(gè)光斑面積互相一致的情況下的、在位于在激光L垂直入射的位置與激光L傾斜入射的位置之間的位置形成的光斑的面積。

在圖9中，術(shù)語(yǔ)“橢圓率”是指在激光L假定為平行光的情況下，在激光L傾斜入射的位置處形成的光斑的面積與在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積(100％)的百分比。

如圖9所示，橢圓率是與到激光L垂直入射的位置的距離成比例；橢圓率隨著距離而增加。另一方面，如圖10所示，激光L的光束半徑的平方與距離成反比。從而，橢圓率與光束半徑的平方具有當(dāng)一者減少時(shí)另一者增加的關(guān)系。

如圖11所示，在中間部處，兩個(gè)光斑面積不完全互相一致，并且具有小的變化。然而，如果根據(jù)上述方程(1)而在激光L的光路上適當(dāng)?shù)卦O(shè)定用于加工的區(qū)間，則由于橢圓率的增加而導(dǎo)致的面積增加和由于光束半徑的平方的減少而導(dǎo)致的面積減少大概互相一致并且互相抵消。結(jié)果，使得在中間位置處形成的光斑的面積大概恒定，并且能夠使得在中間位置處的光斑面積的變化充分小。從而，能夠減少光斑面積的改變。

上述術(shù)語(yǔ)“大概恒定”是指在中間位置處形成的光斑的面積與在激光L垂直入射的位置處形成的光斑的面積之間的差小于，例如，在垂直入射的位置處形成的光斑的面積的3％。

(6)激光功率監(jiān)視單元26

接著，將參考圖1描述激光功率監(jiān)視單元26的構(gòu)造。激光功率監(jiān)視單元26裝配有：分束器26A，其配置在激光L的光路上，并且反射激光L的指定部分；聚焦透鏡26B，其將從分束器26A反射的激光聚焦；功率檢測(cè)器26C，其檢測(cè)由聚焦透鏡26B聚焦的激光，并且輸出 與檢測(cè)到的光量相對(duì)應(yīng)的電壓；輸出單元(未示出)，其將與功率檢測(cè)器26C的輸出電壓相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出到控制單元20，作為激光功率相關(guān)值；以及其它元件。

分束器24A能夠是半反射鏡、偏光反射鏡等。功率檢測(cè)器26C可以是例如光電式檢測(cè)器或者熱感式檢測(cè)器。光電檢測(cè)器包括高速(高響應(yīng)速度)檢測(cè)器和低速(低響應(yīng)速度)檢測(cè)器。在實(shí)施例中，高速光電功率檢測(cè)器用作功率檢測(cè)器26C。

在實(shí)施例中，所有反射的激光而不是反射激光的一部分照射在功率檢測(cè)器26C上。因?yàn)槿绻麅H一部分照射在功率檢測(cè)器26C上則檢測(cè)電壓易于受噪聲等影響，所以如上所述降低了噪聲的影響。然而，由于通常的功率檢測(cè)器26C是昂貴的，所以在實(shí)施例中通過(guò)利用聚焦透鏡26B聚焦激光來(lái)減少功率檢測(cè)器26C的檢測(cè)面積。

下述可以是替換構(gòu)造：其中，反射激光的一部分轉(zhuǎn)換成筒狀激光，其照射在功率檢測(cè)器26C上。并且計(jì)算剩余的非入射激光的光量。下述可以是另一個(gè)替換構(gòu)造：其中，設(shè)置衍射光柵。來(lái)代替聚焦透鏡26B并且用于將無(wú)噪聲的平激光照射在功率檢測(cè)器26C上。

(7)控制單元20的控制處理

下面將描述工件加工處理、激光功率監(jiān)視處理和教學(xué)處理作為控制單元20的控制處理。

(7-1)工件加工處理

工件加工處理是通過(guò)控制激光振蕩器22和掃描單元25而加工工件B的處理?？刂茊卧?0控制激光振蕩器22，以使得其發(fā)射激光L，并且通過(guò)根據(jù)加工圖案11和工作距離控制掃描單元25而使激光L偏轉(zhuǎn)來(lái)掃描工件B的加工目標(biāo)表面。結(jié)果，加工了工件B。

(7-2)激光功率監(jiān)視處理

激光功率監(jiān)視處理是當(dāng)激光振蕩器22的激光功率已經(jīng)出現(xiàn)異常值時(shí)提示發(fā)生錯(cuò)誤的處理。激光功率不必須是恒定的，即，隨著時(shí)間具有較大值和較小值。并且激光功率可能隨著時(shí)間而降低。

鑒于以上，在激光振蕩器22發(fā)射激光L的同時(shí)，控制單元20每預(yù)定采樣周期從激光功率監(jiān)視單元26獲取激光功率相關(guān)值，并且判斷獲取到的相關(guān)值是否落入錯(cuò)誤判斷閾值(上限和下限)之間的范圍內(nèi)。如果相關(guān)值在范圍之外，則控制單元20通過(guò)例如使得輸入單元21的顯示裝置顯示警告信息而提示發(fā)生錯(cuò)誤。

順便提及，可能存在利用激光L沿著曲線掃描加工目標(biāo)表面的情況。在這種情況下，因?yàn)閽呙鑶卧?5的響應(yīng)延遲，所以當(dāng)掃描速度高時(shí)掃描曲線可能具有較小的曲率半徑。為了防止這個(gè)現(xiàn)象，在進(jìn)行曲線掃描時(shí)，控制單元20通過(guò)控制掃描單元25而降低掃描速度。然而，當(dāng)掃描速度降低時(shí)，各個(gè)照射位置由激光L照射更長(zhǎng)時(shí)間，結(jié)果改變了加工結(jié)果。

鑒于以上，當(dāng)掃描速度降低時(shí)，基于更正值而更正激光功率。更正值或者可以預(yù)先存儲(chǔ)在ROM中，或者可以通過(guò)操縱輸入單元21而由操作者設(shè)定。當(dāng)具有更正的激光功率時(shí)，控制單元20以下面方式更正上述錯(cuò)誤判斷閾值：

-當(dāng)掃描速度已經(jīng)降低時(shí)(即，激光功率更正值小于“1”)，將下限錯(cuò)誤判斷閾值減小補(bǔ)償值。

-當(dāng)掃描速度已經(jīng)提高時(shí)(即，激光功率更正值大于“1”)，將上限錯(cuò)誤判斷閾值增加補(bǔ)償值。

-當(dāng)掃描速度不更正時(shí)(即，激光功率更正值等于“1”)，使用 原始的(未更正的)錯(cuò)誤判斷閾值。如果已經(jīng)更正了錯(cuò)誤判斷閾值，則取消更正。

傳統(tǒng)地，為了防止對(duì)當(dāng)激光功率更正時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的效果的錯(cuò)誤判斷，設(shè)定非常大的上限值或者非常小的下限值。這可能導(dǎo)致當(dāng)激光功率由于劣化而緩慢地降低時(shí)不能夠正確地做出錯(cuò)誤判斷的問(wèn)題。

相比之下，在以上述方式更正錯(cuò)誤判斷閾值的情況下，錯(cuò)誤判斷閾值自動(dòng)遵循激光功率的更正。結(jié)果，即使由于劣化而導(dǎo)致激光功率緩慢地降低，也能夠正確地做出錯(cuò)誤判斷。

(7-3)教學(xué)處理

教學(xué)處理是自動(dòng)地設(shè)定(上述的)錯(cuò)誤判斷閾值的處理。在教學(xué)處理中，控制單元20實(shí)際上控制激光焊接機(jī)1處理工件B?；谠诠ぜ庸て陂g獲取的激光功率相關(guān)值的最大值和最小值，控制單元20設(shè)定上限和下限錯(cuò)誤判斷閾值，并且計(jì)算補(bǔ)償值。不像通常的工件加工，控制單元20在教學(xué)處理中在工件加工期間不做出激光功率錯(cuò)誤判斷。

傳統(tǒng)地，使用固定的錯(cuò)誤判斷閾值，或者操作者通過(guò)操縱輸入單元而設(shè)定錯(cuò)誤判斷閾值。然而，如果使用固定的錯(cuò)誤判斷閾值，則不能夠設(shè)定適用于每個(gè)激光焊接機(jī)的錯(cuò)誤判斷閾值。在由操作者設(shè)定錯(cuò)誤判斷閾值的情況下，可能難以設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝怠?/p>

相比之下，上述教學(xué)處理使得能夠設(shè)定適用于每個(gè)激光焊接機(jī)1的錯(cuò)誤判斷閾值，而操作者不需要關(guān)注這點(diǎn)。此外，由于基于上限和下限錯(cuò)誤判斷閾值來(lái)計(jì)算補(bǔ)償值，所以當(dāng)已經(jīng)更正激光功率時(shí)能夠使得錯(cuò)誤判斷更加準(zhǔn)確。

(8)實(shí)施例的有益效果

在上述激光焊接機(jī)1中，通過(guò)設(shè)定聚焦單元23來(lái)聚焦激光L，使 得在激光L垂直入射在平坦的加工目標(biāo)表面上的位置處形成的光斑的面積與在激光L傾斜入射的位置P處形成的光斑的面積大概一致，從而能夠減少光斑面積的變化，而不使用任何額外的聚焦透鏡。結(jié)果，能夠簡(jiǎn)化激光焊接機(jī)1的構(gòu)造。此外，由于在工件加工期間聚焦單元23不需要跟隨掃描單元25，所以能夠簡(jiǎn)化聚焦單元23的構(gòu)造。結(jié)果，能夠利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降，并且因此能夠降低制造成本。

在激光焊接機(jī)1中，由于聚焦單元23設(shè)定為使得激光L聚焦，從而使光斑面積在中心處與在位置P處相等，所以能夠在工件B的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑面積的變化。

在激光焊接機(jī)1中，由于將用于聚焦單元23的聚焦位置設(shè)定在激光焊接機(jī)1的加工區(qū)域12的外部，所以即使工件尺寸改變，也能夠在新工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑面積的變化。

在激光焊接機(jī)1中，由于能夠利用聚焦單元23將在激光L垂直入射的方向上的焦點(diǎn)位置設(shè)定在位置P處，所以能夠在工件B的整個(gè)加工目標(biāo)表面上減小光斑面積的變化。

此外，在激光焊接機(jī)1中，防止保持器24B繞著光軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于放大透鏡23A的中心軸不必須與激光L的軸線一致，所以如果保持器24B轉(zhuǎn)動(dòng)，則放大透鏡23A的中心軸會(huì)繞著激光L的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以使得難以設(shè)定聚焦角度θa。能夠通過(guò)防止保持器24B繞著激光L的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)解決該問(wèn)題。

此外，在激光焊接機(jī)1中，由于利用激光功率監(jiān)視單元26而監(jiān)視激光功率，所以能夠降低利用異常激光功率加工工件B的事件發(fā)生的可能性。

<相關(guān)技術(shù)>

接著，將參考圖6描述與本實(shí)用新型的實(shí)施例相關(guān)的技術(shù)。在上述實(shí)施例中，通過(guò)偏轉(zhuǎn)激光L使得其到達(dá)定位在工件B的加工目標(biāo)表面的外部處的位置P，而設(shè)定焦點(diǎn)位置?；蛘?，可以通過(guò)偏轉(zhuǎn)激光L使得其到達(dá)工件B的加工目標(biāo)表面上的位置，例如圖6所示的加工圖案11的四個(gè)角，而設(shè)定焦點(diǎn)位置。

<其他實(shí)施例>

本實(shí)用新型的技術(shù)范圍不限于參考附圖的上述實(shí)施例，而包含例如以下實(shí)施例：

(1)在上述實(shí)施例中，位置P定位在加工區(qū)域12的外部。然而，位置P可以定位在加工區(qū)域12內(nèi)，只要其比在工件的加工目標(biāo)表面中距離垂激光L垂直入射的位置最遠(yuǎn)的位置更加遠(yuǎn)離激光L垂直入射的位置。

然而，在位置P設(shè)定在加工區(qū)域12中的情況下，如果位置P固定并且工件是寬的，則位置P可以定位在工件的加工目標(biāo)表面中。因此，為了使得能夠在各個(gè)工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面中減小光斑面積的變化，激光焊接機(jī)1可以構(gòu)造成使得能夠調(diào)整位置P。利用該測(cè)量，即使工件尺寸改變，也能夠通過(guò)將聚焦位置設(shè)定在新工件的加工目標(biāo)表面外側(cè)，而在新工件的整個(gè)加工目標(biāo)表面中減小光斑面積的變化。

(2)在上述實(shí)施例中，以操作者轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺旋部24D的方式手動(dòng)地設(shè)定聚焦角度θa?？商鎿Q地，可以利用設(shè)置為使保持器24B移動(dòng)的電機(jī)來(lái)自動(dòng)地設(shè)定聚焦角度θa，例如，可以是這樣的構(gòu)造：其中，對(duì)于例如300至330mm的多個(gè)工作距離，實(shí)現(xiàn)光斑面積一致性的聚焦角度θa預(yù)先存儲(chǔ)在ROM中，并且當(dāng)由操作者輸入工作距離時(shí)，控制單元20通過(guò)控制電機(jī)而自動(dòng)設(shè)定與輸入的工作距離相對(duì)應(yīng)的聚焦角度θa。代替存儲(chǔ)與各個(gè)工作距離相對(duì)應(yīng)的聚焦角度θa，可以基于輸入工作距離來(lái)計(jì)算實(shí)現(xiàn)光斑面積的一致性的聚焦角度θa。

(3)雖然在上述實(shí)施例中，用于聚焦激光L的聚焦單元23裝配有放大透鏡23A和聚焦透鏡23B，但是聚焦單元23不總是以這種方式構(gòu)造，只要其能夠設(shè)定聚焦角度θa即可。例如，聚焦單元23可以是使用液體透鏡的聚焦單元。在使用液體透鏡的情況下，能夠通過(guò)壓縮液體透鏡而設(shè)定聚焦角度θa。用于另一個(gè)實(shí)例，聚焦單元23可以使用光電透鏡的聚焦單元。光電透鏡使得能夠電氣地設(shè)定聚焦角度θa。

(4)上述實(shí)施例使得激光焊接機(jī)1能夠容納300至330mm的工作距離范圍?？蛇x擇地，在預(yù)先判定了僅要加工一種類型的工件并且因此工作距離總是固定的情況下，沒(méi)有裝配設(shè)定單元24的激光加工機(jī)可以通過(guò)如下構(gòu)成：在裝載和運(yùn)輸采用作為固定值的工作距離的激光加工機(jī)時(shí)，根據(jù)工作距離來(lái)設(shè)定聚焦角度θa。在這種情況下，雖然可加工工件類型被限制，但能夠利用較簡(jiǎn)單的構(gòu)造來(lái)抑制由于光斑面積的變化而導(dǎo)致的加工質(zhì)量的下降。

(5)在上述實(shí)施例中，聚焦單元23和設(shè)定單元24使得通過(guò)僅使放大透鏡23A移動(dòng)(滑動(dòng))來(lái)設(shè)定聚焦角度θa。可以是設(shè)定激光照射在工件上的聚焦角度θa和光束直徑兩者的如下替換構(gòu)造：多個(gè)透鏡沿著光軸互相獨(dú)立或者互相關(guān)聯(lián)地移動(dòng)。

(6)雖然在上述實(shí)施例中，在掃描單元25與工件B之間不配置聚焦透鏡，但是這里可以配置聚焦透鏡(例如，fθ透鏡)。

(7)雖然上述實(shí)施例涉及激光焊接機(jī)1作為激光加工機(jī)的實(shí)例，但是本實(shí)用新型能夠應(yīng)用到其它種類的激光加工機(jī)，諸如被稱為激光標(biāo)記機(jī)的激光加工機(jī)，其用于在工作的表面上形成字符、符號(hào)、圖形等。