JP4444189B2

JP4444189B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP4444189B2
Application number: JP2005265798A
Authority: JP
Inventors: 航史宇野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2025-09-13
Also published as: JP2007075848A

Description

本発明は、レーザビームにより被加工部材にピアシング加工を行う際に、装置を保護する保護部材の損傷を防止することが可能なレーザ加工装置に関するものである。

レーザビームによる鋼板の切断ではピアシング作業を実施してから目的の切断作業を開始することが一般的である。一般に、ピアシング作業は、図７に示すように、切断ノズル１からレーザビーム２を鋼板等の被加工部材３に照射し、レーザビーム２と同軸にアシストガス４を供給して被加工部材３を過熱溶融し、レーザビーム２の照射により被加工部材３に形成されるピアシング孔５から溶融金属６をアシストガス４の運動エネルギーにより排除することによりなされ、レーザビーム２が被加工部材３を貫通するまでなされる。このピアシング作業でのレーザビームの照射時間は、あらかじめメモリに登録されたプログラムによって制御される。

ピアシング作業や切断作業中に被加工部材３を貫通させて通過したレーザビーム２はそのまま加工装置内部に照射されるため、加工装置自身が損傷する危険がある。特に、切断開始時のピアシング作業は、被加工部材３および加工装置に対して同一箇所に連続してレーザビーム２が照射され続けるため、被加工部材３を通過したレーザビーム２により加工装置が損傷する危険性が非常に高い。そのため、通常は、加工装置内部に保守交換可能な保護部材を設けてレーザビームから加工装置本体を保護している。

特許文献１には、被加工部材を互いに隣接する多数個の区分に区画し、被加工部材の材質、被加工部材の厚さ、被加工部材の表面状態、切断用ビームの形状、切断軌跡、周囲温度、および被加工部材の冷却条件を用いて、所定時間毎に上記各区分における温度を算出し、かつ切断点の位置する区分の温度に基づいて切断ビームの出力値を制御することにより、被加工部材に対して過大な入熱を与えることのない適正な切断用ビームの目標値出力値を決定することが記載されている。

特開平０５−３０９４８４号公報

レーザ加工装置における駆動軸の運転、レーザビームの照射開始、照射停止等の制御は、あらかじめメモリされたプログラムにしたがって自動運転する場合と、制御装置の押しボタン等によって直接手動操作する場合がある。従来のレーザ加工装置の制御では、レーザビームの連続照射による保護制御を行っていなかったので、プログラミングの誤りや制御装置の押しボタン操作の誤り等により被加工部材およびレーザ加工装置に対して同一箇所、すなわちレーザビームと被加工部材との相対位置が変化せずにレーザビームが連続的に照射され続けた場合、被加工部材を貫通して通過したレーザビームが保護部材を照射し続け、過度の入熱により損傷に至る場合がある。損傷に至った場合は、保護部材を交換するなどの保守の手間と費用が発生する。特に、加工速度の高速化や被加工部材の厚板化の要求に対応するために、レーザビームの高出力化や、長焦点の集光レンズを採用した場合、保護部材の損傷頻度も高くなって交換頻度が増加するため保守費用が増大する問題があった。さらに、保護部材の保守を怠ると保護部材の損傷部よりレーザビームが通過し、加工装置本体が損傷するという問題があった。

特許文献１には、切断作業時に、切断点の位置する区分の温度に基づいて被加工部材に対して過大な入熱を与えることのない切断ビームの目標出力値を決定するための手法が開示されているに過ぎず、同一箇所にレーザビームを連続照射するピアシング作業時における保護部材の損傷対策については、何の開示もない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、保護部材が損傷に達するまでのレーザビームの連続照射を防止し、保護部材の保守頻度を低減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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材の下方に保護部材を備え、切断の前に、被加工部材の同一位置にレーザを連続的に照射することによってピアシング孔を穿設するレーザ加工装置において、ピアシング孔形成の際、前記保護部材へのレーザの連続照射時間を測定する時間計測部と、ピアシング孔形成の際、レーザ出力、被加工部材と保護部材との距離、保護部材の熱容量および被加工部材のレーザビーム吸収率に基づき保護部材の温度が該保護部材の融点に達するまでの保護部材へのレーザの連続照射時間を求め、前記時間計測部が測定した連続照射時間が、前記求めた連続照射時間に達する前にレーザ出力を停止させるよう制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、保護部材の温度が融点になる前にレーザ照射を停止することとしたので、保護部材が損傷に達するまでのレーザビームの連続照射を防止し、保護部材の保守頻度を低減することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は制御系を含むレーザ加工装置全体の構成を示すブロック図であり、図２は保護部材周辺の概念的構成を示す斜視図であり、図３は保護部材周辺の概念的構成を示す断面図である。

図１〜図３に示すように、このレーザ加工装置１８は、レーザビーム２を用いて被加工部材３に切断加工を行うべく構成されたものであり、レーザビーム２を発生させるためのビーム発生器７と、被加工部材３をレーザビーム２に対して相対移動させるためのＸＹテーブル８とを具備している。ＸＹテーブル８は、Ｘ軸駆動モータ９およびＹ軸駆動モータ１０によってＸＹ方向に移動駆動される。ビーム発生器７から出射されたレーザビーム２は、ミラー２２、加工レンズ１７などの光学系を介して被加工部材３に照射される。

図２，図３に示すように、ＸＹテーブル８上には、レーザ加工装置の本体筐体２１が設けられ、本体筐体２１の上側には、保護部材１９が装着されている。本体筐体２１は、被加工部材３の切断片やスパッタ等の金属粉を収容する収容部としても機能する。保護部材１９はワーク台２０上に載置される被加工部材３に対し傾斜した傾斜部を備え、保護部材１９の上側にはワーク台２０が設けられている。保護部材１９は、被加工部材３を貫通したレーザビーム２が、被加工部材３の下側に配置された本体筐体２１、さらにはＸＹテーブル８に照射されて、これらが損傷するのを防止するために装着されており、また被加工部材３の切断片やスパッタ等の金属粉を下に落下させるために傾斜されている。

また、レーザ加工装置１８は、図１に示すように、数値制御プログラムメモリ１１、数値制御部１２、サーボ制御部１３を有している。数値制御プログラムメモリ１１に記憶されたプログラムに基づく数値制御部１２からの指令にしたがってビーム発生器７におけるレーザビーム２の照射開始および照射停止等の制御が実行される。

サーボ制御部１３は、数値制御プログラムメモリ１１に記憶されたプログラムに基づく数値制御部１２からの指令にしたがってＸ軸駆動モータ９およびＹ軸駆動モータ１０を駆動制御し、これによりレーザビーム２が予め設定した被加工部材上の切断軌跡に沿って移動するよう、被加工部材３が載置されたＸＹテーブルをＸＹ方向に移動制御するものである。なお、この場合は、被加工部材側を移動させたが、レーザビーム側をＸＹ方向に移動制御するようにしてもよい。

レーザ加工装置１８は、定数設定用メモリ１４と、時間計測部１６と、連続照射制御部１５とをさらに具備しており、これらの構成要件によって、プログラミングの誤りや制御装置の押しボタン操作の誤り等により、ピアシング作業などの際において被加工部材３および加工装置の同一箇所に連続してレーザビーム２が照射され続けた場合に、レーザビーム２が連続して照射される時間を監視することで、保護部材１９上のレーザビーム２が照射されている部位が融点温度に達する前にビーム発生器７を制御してレーザビーム２の出力を停止し、保護部材１９への過度な入熱を阻止して損傷を防止するようにしている。

以下、この発明の要部の基本的な考え方について述べる。レーザビーム２が照射される部位での保護部材１９の温度を正確に計算するには、被加工部材３を貫通させて通過したレーザビーム２からの入熱量と、保護部材１９におけるレーザビーム２照射位置の周囲への熱伝導、および放熱量等を求める必要がある。しかし、ピアシング作業のように保護部材１９の同一箇所に連続してレーザビーム２が照射される場合には、保護部材１９への入熱量のみが温度変化に対して支配的であるので、この場合、照射位置周囲への熱伝導および放熱量は無視する。

保護部材１９のレーザビーム照射位置におけるレーザビーム２からの入熱量Ｑは、レーザビーム２の出力値Ｗに比例するとともに、保護部材１９への連続照射時間Ｓ２に比例する。保護部材１９へのレーザ照射は、被加工部材３を貫通したレーザビーム２によりなされるものであるから、被加工部材３への連続照射時間Ｓと、被加工部材３のピアシング孔貫通に要する時間Ｓ１とから、保護部材１９への連続照射時間Ｓ２は、Ｓ２＝Ｓ−Ｓ１となる。ピアシング作業により被加工部材３にピアシング孔が貫通したことを検知することは非常に困難であるから、被加工部材３のピアシング孔貫通に要する時間Ｓ１は、被加工部材３の材質および板厚に応じて、レーザビーム２の出力、アシストガスの種類、アシストガスの圧力等のピアシング条件毎に実験、経験により得るが、被加工部材３の成分や表面状態のばらつきにより一定ではないため、ばらつきの範囲での最短時間Ｓ１(min)が定数設定用メモリ１４に登録される。つまり、保護部材１９への最長連続照射時間Ｓ２(max)は、下式（１）のようになり、Ｓ２(max)による入熱を監視すれば良い。
Ｓ２(max)＝Ｓ−Ｓ１(min) …（１）

図４に示すように、被加工部材３には、加工レンズ１７等により小さいスポットに集光されたレーザビーム２が照射されるため、被加工部材３を貫通したレーザビーム２は、その径を拡げながら進んでいく。すなわち、被加工部材３を貫通したレーザビーム２は、進んだ距離にほぼ比例してエネルギー密度が低下することになり、保護部材１９上でのレーザビーム２のエネルギー密度は加工レンズ１７等の焦点距離に左右される。

前述したように、レーザ加工装置１８に装着される保護部材１９は、被加工部材３の切断片やスパッタ等の金属粉が堆積することを防止するために傾斜させた状態で配置される場合が多い。また、レーザ加工装置の構造に合わせて保護部材１９が設置されるため、設置場所によりその配置高さは異なる。そのため、レーザビーム２の照射位置（Ｘ，Ｙ）毎に被加工部材３と保護部材１９との距離Ｌが異なることとなり、保護部材１９へのレーザビーム２による入熱量は、被加工部材３と保護部材１９との距離Ｌの２乗に反比例する。

すなわち、各Ｘ−Ｙ座標位置における保護部材１９への入熱量Ｑは、Ｋを実験、経験、計算により得られる係数とし、Ｗをレーザ出力とし、Ｓ２を保護部材１９への連続照射時間とし、Ｌを被加工部材３と保護部材１９との距離とすると、下記の式（２）によって求められる。
Ｑ（ｘ，ｙ）＝Ｋ＊Ｗ＊Ｓ２／Ｌ（ｘ，ｙ）² …（２）
なお、添字（ｘ，ｙ）はレーザビーム２が照射されるＸ−Ｙ座標位置を示している。

保護部材１９のレーザビーム照射位置（ｘ，ｙ）における温度変化量ΔＴ（ｘ，ｙ）は、入熱量Ｑ（ｘ，ｙ）に比例し、保護部材１９の材質、板厚、面積から一義的に決まる熱容量Ｈｃや、被加工部材３の材質や表面粗さ等により決定される被加工部材３表面におけるレーザビーム２の吸収率（吸収のし易さ）を表す係数Ｈｓにより、下式（３）のように算出される。
ΔＴ（ｘ，ｙ）＝Ｑ（ｘ，ｙ）／（Ｈｃ＊Ｈｓ） …（３）

保護部材１９のレーザビーム照射位置（ｘ，ｙ）におけるある時刻の温度Ｔ（ｘ，ｙ）は、レーザビーム照射前の温度Ｔ１（ｘ，ｙ）に温度変化量ΔＴ（ｘ，ｙ）を加算したものとなり、下式（４）で表される。
Ｔ（ｘ，ｙ）＝Ｔ１（ｘ，ｙ）＋ΔＴ（ｘ，ｙ） …（４）

しかし、レーザビーム２の照射前の温度Ｔ１（ｘ，ｙ）は、大気温度とほぼ等しいと考えることができ、レーザビーム２の照射における温度変化ΔＴ（ｘ，ｙ）にくらべて非常に小さい値であるから、
Ｔ（ｘ，ｙ）＝ΔＴ（ｘ，ｙ） …（５）
と近似することができる。

ここで、保護部材１９の融点をＵとすると、先の（２）〜（５）式から、保護部材１９の温度が保護部材１９の融点に達するまでの保護部材１９へのレーザの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）は、下式（６）のように表すことができる。
Ｓ２（Ｕ）＝｛Ｕ＊Ｈｃ＊Ｈｓ＊Ｌ（ｘ，ｙ）²｝／（Ｋ＊Ｗ）…（６）

したがって、先の（１）式に基づき保護部材１９への連続照射時間Ｓ２(max)を実際に測定し、測定した連続照射時間Ｓ２(max)を上記（６）式から求めた保護部材１９の融点に達するまでのレーザの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）と比較し、測定した連続照射時間Ｓ２(max)が連続照射時間Ｓ２（Ｕ）に達する前に、レーザ出力を停止させるようにすれば、保護部材１９への過大な入熱による保護部材１９の損傷を未然に防止することができる。

定数設定用メモリ１４には、被加工部材３のピアシング孔最短貫通時間Ｓ１(min)、実験、経験、計算により得られる係数Ｋ、保護部材１９の材質、板厚、面積から一義的に決まる保護部材１９の熱容量Ｈｃ、被加工部材３のレーザビーム吸収率Ｈｓ、各ピアシング座標位置（ｘ，ｙ）における被加工部材３と保護部材１９との距離Ｌ（ｘ，ｙ）および保護部材１９の融点Ｕ等の設定および記憶が行われている。

時間計測部１６には、数値制御部１２から、ピアシング孔穿設の際のレーザビーム２の照射開始指令が入力される。時間計測部１６は、ピアシング孔穿設の際には、定数設定用メモリ１４に設定記憶されている被加工部材３のピアシング孔最短貫通時間Ｓ１(min)を定数設定用メモリ１４を取得する。時間計測部１６は、数値制御部１２からレーザビーム２の照射開始指令が入力されると、この時点からピアシング孔最短貫通時間Ｓ１(min)が経過するまでの時間を計時し、この計時が終了した時点を被加工部材３にピアシング孔が貫通した時点とし、この時点から保護部材１９への連続照射時間ｔ（＝Ｓ２）の計時測定を開始する。測定時間ｔは、連続照射制御部１５に逐次入力される。

連続照射制御部１５には、数値制御部１２から、ピアシング孔穿設の際のレーザビーム２の照射開始指令と、レーザ出力指令値（または平均出力または測定値）Ｗと、今回のピアシング座標位置（ｘ，ｙ）が入力される。連続照射制御部１５は、レーザビーム２の照射開始指令が入力されると、定数設定用メモリ１４からピアシング孔最短貫通時間Ｓ１(min)、係数Ｋ、保護部材１９の熱容量Ｈｃ、被加工部材３のレーザビーム吸収率Ｈｓ、今回のピアシング座標位置（ｘ，ｙ）に対応する被加工部材３と保護部材１９との距離Ｌ（ｘ，ｙ）および保護部材１９の融点Ｕを取得し、これら取得した値と、数値制御部１２からのレーザ出力Ｗとを用い、先の（６）式に従って、保護部材１９の融点に達するまでの保護部材１９へのレーザの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）を導出する。そして、連続照射制御部１５は、導出した連続照射時間Ｓ２（Ｕ）と、時間計測部１６から入力されている測定時間ｔとを比較し、この比較結果に基づき測定時間ｔが連続照射時間Ｓ２（Ｕ）に達する前に、数値制御部１２にレーザビーム停止指令を出力する。数値制御部１２では、連続照射制御部１５からレーザビーム停止指令が入力されると、ビーム発生器７にレーザビーム停止指令を出力することで、レーザ出力を停止させる。

なお、測定時間ｔが融点Ｕに対応する連続照射時間Ｓ２（Ｕ）に達する前にレーザ出力停止指令を発生させるための手法としては、例えばつぎのような２手法がある。１つ目の手法では、（６）式に基づき算出した連続照射時間Ｓ２（Ｕ）から所定の若干時間を減算し、この減算結果に測定時間ｔが到達した場合、この到達時点でレーザ出力停止指令を発生させる。２つ目の手法では、先の（６）式に従って保護部材１９の融点Ｕよりも若干低い所定の温度Ｕ´に達するまでの保護部材１９へのレーザの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）´を導出し、この連続照射時間Ｓ２（Ｕ）´に測定時間ｔが到達した場合、この到達時点でレーザ出力停止指令を発生させる。

このような制御を各ピアシング座標位置で行うことで、ピアシング作業等のように保護部材１９の同一箇所にレーザビーム２が連続して照射された場合における保護部材１９の損傷を確実に防止することができる。

図５は、保護部材１９に板圧９ｍｍの軟鋼材を用いた場合において、所定のピアシング座標位置において板厚１２ｍｍの軟鋼材の被加工部材３にピアシング作業を行う場合の、レーザビーム２の平均出力Ｗと、保護部材１９が損傷に至るまでの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）との関係を示すものである。図５によれば、例えば、レーザ出力２０００（Ｗ）であれば、３０秒間を越えて連続出力した場合には保護部材１９が損傷するため、連続照射が３０秒に達する前にレーザビーム２の出力が停止されることになる。

このように、実施の形態１では、被加工部材３およびレーザ加工装置（保護部材１９）に対して連続してレーザビーム２が照射されるピアシング作業時、保護部材へのレーザの連続照射時間を測定し、この測定時間が保護部材の温度が融点Ｕに達するまでのレーザの連続照射時間に達する前にレーザ出力を停止させるようにしているので、プログラミングの誤りや制御装置の押しボタン操作の誤り等が発生した場合でも、過大な入熱による保護部材１９の損傷を防止することができ、保護部材１９の保守頻度を低減することができる。

なお、より簡単に制御するために、Ｌ（ｘ、ｙ）を最小値に固定し、被加工部材３との距離が最も近い保護部材１９、すなわち最も損傷し易い保護部材１９が損傷に至るまでのレーザビーム２の連続照射時間を、全ての座標に適用しても良い。また、本発明を、保護部材１９が傾斜されていないものに適用するようにしてもよい。

実施の形態２．
つぎに、図６を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１は、被加工部材３にピアシング孔を貫通して通過したレーザビーム２による損傷を防止するものであるが、プログラミングミスや誤操作によっては被加工部材３が載置されていない位置でのレーザビーム２照射による保護部材１９の損傷も予想される。

この場合、レーザビーム２の照射開始とともにレーザビーム２が保護部材１９に達するため、温度変化も急激となり損傷の可能性は高い。また、照射位置にはアシストガス４が吹き付けられるため、その反応熱も無視できない。さらには、高圧のアシストガス４が吹き付けられた場合には、溶融物を飛散させ、損傷を加速させる。

そこで、この実施の形態２では、ピアシングの際に、レーザ照射位置に被加工部材３が存在するか否かを判定するワーク検出器３０を具備させ、ワーク検出器３０により被加工部材３が無いと判定した場合には、式（６）から被加工部材３のレーザビーム吸収率Ｈｓを除いて保護部材１９が損傷に至るまでの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）を求めるとともに、定数設定用メモリ１４に設定記憶されている最短ピアス貫通時間（Ｓ１(min)）をＳ１(min)＝０として、保護部材１９への連続照射時間ｔの測定を実行する。すなわち、この場合、時間計測部１６では、数値制御部１２からレーザビーム２の照射開始指令が入力されると、この時点を被加工部材３にピアシング孔が貫通した時点とし、この時点から保護部材１９への連続照射時間ｔの計時動作を開始する。また、連続照射時間Ｓ２（Ｕ）の計算の際は、レーザビーム吸収率Ｈｓが除され、係数Ｋ、保護部材１９の熱容量Ｈｃ、今回のピアシング座標位置（ｘ，ｙ）に対応する被加工部材３と保護部材１９との距離Ｌ（ｘ，ｙ）および保護部材１９の融点Ｕを用いて、連続照射時間Ｓ２（Ｕ）が計算される。そして、実施の形態１と同様にして、測定時間ｔが保護部材１９が損傷に至るまでの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）に達する前にレーザ出力を停止させる。

図６に示すように、一般的にレーザ加工装置には、被加工部材３と切断ノズル１のギャップを検出するために例えば静電容量式センサ等の倣いセンサ３０が加工ヘッドに具備されており、数値制御部１２の制御に基づくサーボ制御部１３からの指令によりＺ軸駆動モータ３１によって加工ヘッドをＺ軸方向に駆動制御しており、このような構成の場合、ワーク検出器として倣いセンサ３０を採用することができる。

このように実施の形態２によれば、ワーク検出器３０を設け、ワーク検出器３０により被加工部材３が無いと判定した場合には、式（６）から被加工部材３のレーザビーム吸収率Ｈｓを除いて保護部材１９が損傷に至るまでの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）を求めるとともに、レーザ照射開始直後から保護部材１９への連続照射時間ｔの測定動作を行うようにしたので、被加工部材３が無い場合、測定時間ｔが保護部材１９が損傷に至るまでの連続照射時間Ｓ２（Ｕ）に達する前に正確にレーザ出力を停止させることができ、被加工部材３が無い場合においても、過大な入熱による保護部材１９の損傷を防止することができる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置は、切断作業前のピアシング作業に有用である。

実施の形態１にかかるレーザ加工装置を示す全体図である。レーザ加工装置の保護部材周辺部分の斜視図である。レーザ加工装置の保護部材周辺部分の横断面図である。被加工部材に照射されるレーザビームを示す図である。レーザビーム出力と連続照射可能時間との関係を示す図である。実施の形態２のレーザ加工装置を示す全体図である。レーザ加工装置におけるピアシング作業の説明図である。

符号の説明

１切断ノズル
２レーザビーム
３被加工部材
４アシストガス
５ピアシング孔
６溶融金属
７ビーム発生器
８ＸＹテーブル
９Ｘ軸駆動モータ
１０Ｙ軸駆動モータ
１１数値制御プログラムメモリ
１２数値制御部
１３サーボ制御部
１４定数設定用メモリ
１５連続照射制御部
１６時間計測部
１７加工レンズ
１８レーザ加工装置
１９保護部材
２０ワーク台
２１本体筐体
２２ミラー
３０ワーク検出器（倣いセンサ）
３１Ｚ軸駆動モータ

Claims

被加工部材の下方に保護部材を備え、切断の前に、被加工部材の同一位置にレーザを連続的に照射することによってピアシング孔を穿設するレーザ加工装置において、
ピアシング孔形成の際、前記保護部材へのレーザの連続照射時間を測定する時間計測部と、
ピアシング孔形成の際、レーザ出力、被加工部材と保護部材との距離、保護部材の熱容量および被加工部材のレーザビーム吸収率に基づき保護部材の温度が該保護部材の融点に達するまでの保護部材へのレーザの連続照射時間を求め、前記時間計測部が測定した連続照射時間が、前記求めた連続照射時間に達する前にレーザ出力を停止させるよう制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記保護部材は、被加工部材に対し傾斜されており、
前記制御手段は、ピアシング孔を形成する位置毎に、前記被加工部材と保護部材との距離を求めることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
被加工部材の有無を検出する被加工部材検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記被加工部材検出手段によって被加工部材が検出されない場合、レーザ出力、被加工部材と保護部材との距離および保護部材の熱容量に基づき保護部材が該保護部材の融点より低い温度に達するまでの保護部材へのレーザの連続照射時間を求めることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。