JPH0761554B2 - レーザー・ビームの衝突点可変装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、部品に対するレーザー・ビームの衝突点を変
位させることができるレーザー・ビームの衝突点可変装
置に関する。

レーザー・ビームの産業上の用途は、益々おびただしく
多岐にわたるものとなり、特に切断、マーク付け（マー
キング）、部品の溶着、表面処理等のため使用されてい
る。

従来の技術及び解決しようとする課題 一般に、レーザー・ビームはミラーに対して指向され、
次いで該ミラーにより、該ミラーと処理すべき部品との
間に置かれた収束レンズに向けられる。レーザー・ビー
ムの部品への衝突点は、ミラー／収束レンズ組立体を部
品に対して変位させることにより、あるいは部品と部品
支持部とをミラー／収束レンズ組立体に対して変位させ
ることによって、あらかじめ定めた軌跡に沿って変位さ
せられる。

しかし、前記いずれの場合にも、変位させられるべき質
量、すなわちミラー／収束レンズ組立体あるいは部品及
び部品支持部の質量は比較的大きく、レーザー・ビーム
が部品に対して変位する際の加速度及び速度を大きく制
限してしまう慣性が大きい。特に、衝突点の軌跡が小さ
な曲率半径の領域を含む際に、前記加速度及び速度を大
きく制限する。このような速度の低下は、部品を焼損す
る危険性をもたらし、また時間を浪費することになり、
従来の切断またはマーク付け装置に比較してレーザー・
ビームの使用の競争力を減殺している。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を解決し、特に
レーザー・ビームの衝突点の軌跡が非常に小さな曲率半
径を含む際に、これまでに得ることができた加速度より
もはるかに大きな加速度により、レーザー・ビームの衝
突点を部品上で変位させることができるレーザー・ビー
ムの衝突点可変装置を提供することにある。

また本発明の別の目的は、これまで得ることができた精
度よりも高い精度で、レーザー・ビームをあらかじめ定
めた軌跡に沿って変位させることを可能にするレーザー
・ビームの衝突点可変装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明のレーザー・ビームの衝突点可変装置は、部品上
のレーザー・ビームの衝突点に対する所要の軌跡と実質
的に対応する運動を伴って、ミラー支持部又は部品支持
部を相対的に変位させる変位装置を有するレーザー・ビ
ームの部品上への衝突点を可変させるレーザー・ビーム
の衝突点可変装置であって、ミラー中心を通る２つの直
交する回転軸の回りに回転するように、ミラー支持部に
支持されているミラーと、該回転軸上で該ミラーに対し
て固定されている磁気回路及びコイルよりなる電磁石に
流れる電流を変化させることにより該回転軸に対するミ
ラーの回転運動を制御するミラー変位装置と、を備えて
おり、該ミラーの中心部に、磁気吸引力により枢着され
ている空気クッション形式の吊り下げ枢着部を備え、ミ
ラー支持部又は部品支持部の運動に重ねられる小さな振
幅の運動を生じさせるように、該ミラーを該回転軸の回
りに変位させることを特徴とする。

作用 本発明のレーザー・ビーム衝突点可変装置によれば、部
品上で決定されるべきレーザー・ビームの衝突点の平均
的な軌跡は、非常に小さな曲率半径部分を含まないよう
に与えられ、かつ該平均的な軌跡上にレーザー・ビーム
の衝突点の小さな振幅の曲線を重ねることができるの
で、レーザー・ビームの衝突点に対する所要の軌跡を正
確に得ることができる。この小さな振幅の変位は、質量
が非常に小さく、かつミラー中心の回りあるいは該中心
と交差する回転軸の回りにおける慣性モーメントが非常
に小さい、反射ミラーを回転運動させることにより得ら
れる。さらに、該小さな振幅の運動でのレーザー・ビー
ムの部品上への衝突点の加速度は、前記平均的な軌跡に
沿った運動の加速度よりもはるかに大きくすることがで
きる。

よって、部品上でのレーザー・ビームの非常に正確な軌
跡は、従来技術にみられる焼損の危険性及び速度低下を
避けながら得られるものである。

上記軌跡に重ねられる小さな振幅の運動は、溶着部の急
速な冷却を避け、あるいはレーザー・ビームの切断力を
低下させる傾向を有するプラズマのクラウド効果（PLAS
MA CLOUD EFFECT）を低減させるために役立つように交
互運動とできる。

実施例 以下の記述においては、例示による図面を照合する。

第１図は本発明による装置の一部を構成する反射ミラー
／収束レンズ組立体の軸方向断面図、 第２図は無接触支持装置と関連する反射ミラーの底面
図、 第３図はミラーとその支持装置を示す側面図、 第４図は反射ミラーの変位を制御する回路のブロック
図、 第５図は別の実施例を示す第１図と類似の図、 および第６図はミラーの他の例を示す図である。

最初に、本発明による装置における反射ミラー／収束レ
ンズ組立体の支持部に関する軸方向断面図である第１図
を参照する。

この支持部は、開口14を設けた壁面12を有するフレーム
即ちシャーシ10を有する。軸18を有するレーザー・ビー
ム16は開口14を介して該軸18に対して45゜傾斜したミラ
ー20に対して指向され、このミラー20はレーザー・ビー
ムを光学的収束装置22に指向させる。この収束装置22は
２つの凸レンズ24、26を含み、それらレンズ24、26の光
軸28は上記軸18に対して直交している。光学的収束装置
22を通過するこのレーザー・ビームは、その光軸28上で
光学的収束装置22の下方に位置された支持部上に置かれ
た部品（図示せず）に対してレンズ24、26により収束さ
れる。上記の如く、部品上のレーザー・ビームの衝突点
に対する平均的な軌跡は、フレーム即ちシャーシ10に対
して部品の支持部を変位させることによるか、あるいは
このフレームを処理すべき部品に対して変位させること
によって得られる。部品およびその支持部またはフレー
ム10の質量および慣性モーメントは共に比較的大きいた
め、レーザー・ビームの部品上の衝突点の最大加速度は
3gを超えることができず、このためもし前記軌跡が小さ
な曲率半径の部分を含むならば前記衝突点の変位速度
は、非常に遅いものとなる。

その軌跡の小さな曲率半径の部分におけるレーザー・ビ
ーム衝突点の加速度を非常に大きく増加させるために、
本発明は、２つの直交軸40、42（第２図参照）の回りに
回転自在に取付けられる反射ミラー20を提供するもの
で、その各直交軸40、42はミラーの中心において交差
し、かつミラーの光学面36に対し直交するミラーの中心
を通る軸30に対して直交している。

このためには、第１図、第３図の如くミラー20の後面32
（その反射光学面の反対側の面）の中心には、それ自体
の中心がミラーの光学面36の中心と一致する半球状の鋼
製の吊り下げ枢着部34が設けられている。ミラーはさら
に４つの半径方向のアーム38を含む。該アームはミラー
の回りに90゜の間隔で配置されており、かつミラーの中
心で交差してミラーの回転軸を構成する２つの直交軸4
0、42に沿って延長している。

上記の軸30に対し平行な軸を有する４個のコイル44は、
ミラー20の中心から等しい距離において各アーム38に対
して固定されている。各コイル44は、フレーム10により
支持される磁気回路46と共働し、軸30に対して平行に延
長しかつコイル44の内側と係合するコアを有する。直径
方向に対向する２つの半径方向アーム38にそれぞれ取付
けられた２つのコイル44は、電気的に反対方向に接続さ
れている。すなわち、同じ電流が一方のコイルにはある
一方向に流れ、他方のコイルには反対の方向に流れる。
従って、直径方向に対向する一対の半径方向アーム38に
より生じる電磁力が等しい大きさでかつ軸30に対し平行
な反対方向となり、これにより、ミラー20に対して剪断
作用力が加わることを避ける。

前記ミラー20は、前記フレーム10の中心部の立上り部48
の端部に形成された相補的な形状の腔部（キャビティ）
内に収容された半球状の吊り下げ枢着部34によって、フ
レーム10内に吊り下げられている。前記立上り部は、そ
の端部の付近において、磁気吸引力（磁力）により枢着
部34上に作用する永久磁石50（または電流を流す巻線）
を含む。立上り部48の端部において、枢着部34とそのハ
ウジングとの間の摩擦を避けるかあるいは少なくとも減
らすため、軸方向の通路52が立上り部48に沿って形成さ
れている。この通路52の一方の端部は圧縮空気の供給源
（図示せず）に対して結合されており、その他端部は枢
着部収受ハウジングの中間に開放されて通じており、前
記ハウジング内に吹込む空気が前記枢着部34とそのハウ
ジングの内面との間に空気クッションを形成する。こう
して、ミラー20が軸40、42の回りに回転する際に摩擦を
大幅に減少することができる。同時に、もしミラーが高
出力のレーザー・ビームと共に用いられるならばミラー
を冷却することができる。

フレーム10の頂部は、軸30に沿って変位することができ
るボール柱56を内部に取付けている軸方向のスリーブ54
を含む。このボール柱56の底端部は、板58を介して２つ
のアーム60に対し結合され、このアーム60の底端部はミ
ラー20の下方にかつミラーに対し平行に延長するリング
62を支持している。このリング62は、レーザー・ビーム
が直接コイル44、磁気回路46を含むミラー変位装置及び
後述するロッド64、シリンダ66を含む回転センサからな
る組立体の感応部分に衝突することを阻止するシールド
を構成する。更に、ボール柱56は軸30に沿って運動し
て、リング62をミラー20の回りに押し付けることができ
る。これによりレーザー・ビーム16の軸18に対し、この
時丁度45゜に傾斜するミラーに対する基準位置を決定す
る。また軸40、42の回りのミラー20の回転運動を検出す
るための回転センサに対する基準位置をも決定する。

これらのセンサは適当な形式のものでよく、例えば、光
線がミラーに対して当てられて４象限形式のアナログ光
電管（フォトセル）に対し反射させることができるもの
でよい。４つのフォトセルからなる直線変位誘導型セン
サを使用することもできる。各センサは第１図の如く、
コイル44の１つと結合しており、かつコイル44を貫通し
て軸方向に延長するロッド64を有している。このロッド
64はその一端がミラー20の対応するアーム38の端部にコ
イル44と共に固定される。ロッド64の他端部は、シリン
ダ66の内側に交互に直線状に変位できるよう案内され
る。該シリンダ66は、シリンダ66の内部でロッド64によ
って支持されている運動要素を備えるセンサの固定要素
を構成する。これらセンサの運動要素の直線状の変位
は、その軸40、42の回りにおけるミラー20の回転運動と
対応している。

ミラー20はまた、ミラーが軸30の回りで回転することを
阻止する装置と係合している。この装置は、例えば、第
２図および第３図に示されるように、ミラー20のアーム
38の一方で支持されている板68により構成されており、
該板68は部分74の２つの平行なアーム72から板68に対し
て空気を吹込むための２つの対向する穴70の間に延長し
ている。この部分74は圧縮空気を開口70に供給するため
の経路、図においては溝76を有する。穴70から出た空気
の噴流は板68に直角に当たって、板を穴70の中間に保持
し、これによりミラー20が軸30の回りで回転することを
阻止する。

上記の装置は下記の如く作動する。即ち、 ミラー20の枢着部34は、フレーム10からの立上り部48の
端部において、その半球状のハウジング内の空気クッシ
ョン像に磁力により吸引され吊り下げられている。対向
して結合している１対のコイル44を流れる電流の変化に
より、結合する磁気回路46上のコイル44により生じる電
磁力の変動が生じ、このためミラー20を他の１対のコイ
ル44を通る軸の回りに回転させる。

ミラー20の軸40、42の回りの回転は振幅が非常に小さく
（数度より大きくない）、処理されるべき部品上のレー
ザー・ビームの衝突点の小さな振幅の運動を惹起する。
この小さな振幅の運動は、フレーム10を部品に対して変
位させることにより、あるいは部品およびその支持部を
フレーム10に対して変位させることによって得られる前
記衝突点の平均的な軌跡上に重ねられる。ミラーの比較
的小さな質量、回転軸40、42回りのその小さな慣性モー
メント、および枢着部34とその半球状のハウジングとの
間の空気クッションによる摩擦の除去により、10g乃至3
0gの範囲もしくはそれ以上の値に達し得る加速度を以て
ビームの衝突点を変位させることを可能にする。

コイル44に与えられる電流の変化は、第４図に略図的に
示されているようなその出力が加算回路82の正の入力に
接続されるアナログ機能発生器80を備える形式の制御回
路によって生成されることが望ましい。この加算回路82
からの出力は、補正回路84の入力に接続され、該補正回
路の出力は増巾器86を介してコイル44に対し接続され
る。該補正回路84は、比例−積分−微分（PID）形式で
あってもよい。これらコイルからの出力は、ミラー吊り
下げ部の摩擦および剛直さによって、ミラー20の慣性に
より形成される機械的インピーダンスを介し、かつミラ
ー20と結合する回転センサ64、66により生成される信号
を勘案する回路90を介して、加算回路82の負の入力に接
続される。補正回路84は、アナログ機能発生器80により
与えられる信号とミラー20の実際の運動を表す信号との
間の差を表わす信号ｅを低減し打消すように作用する。

望ましくは、ミラー20の光学面の中心は光学的収束装置
22の焦点に置かれ、このため反射されて収束されたレー
ザー・ビームが処理されるべき部品に対して直角の状態
のまま維持される。

次に別の実施例を示す図である第５図を参照すると、フ
レーム10はミラー20およびミラー変位装置すなわちコイ
ル44及び磁気回路46により構成される運動組立体に対す
る動的バランス装置を含んでいる。これら装置は、上記
の組立体に対し対称的に配置されており、ミラー20と同
じものであるが光学面がない疑似ミラー92及びミラー20
の周辺部に固定されたコイル44と同じものでありコイル
44と軸方向に整合している４つのコイル94を含む運動組
立体により形成される。各コイル94は、整合するコイル
44と電気的に反対に結合されており、磁気回路46と対照
的な磁気回路96と共働する。戻しばね装置98が疑似ミラ
ー92と結合しており、疑似ミラー92をその平均位置へ自
動的に戻そうとする。ミラー20と同様に、疑似ミラー92
は、立上り部48の頂端部にて空気クッション上に吊り下
げられている中央枢着部を含む。

作用においては、この疑似ミラー92は、ミラー20が受け
る加速度の作用力と大きさが等しいが方向が反対の作用
力を受け、これによりミラーの運動に起因するミラー支
持装置に対する作用を打消し、また該支持装置が振動す
ることを防止する。

ミラー20は第１図および第５図に示される如き平坦な光
学面を有し、あるいはまた必要に応じて凹状の光学面を
有することができる。第６図に示されるように、カセグ
レン（Cassegrain）式（ミラー付レンズ系）の組立体お
よび環状の入射レーザー・ビームを用いることにより収
束レンズを省くことさえ可能である。

同図においては、入射レーザー・ビーム100が環状断面
を呈し、平坦な環状ミラー102によってミラー20と対応
するミラー106の凹状の光学面104に対して反射させられ
る。この光学面104によって反射させられたビームは108
において収束させられるものである。

発明の効果 本発明のレーザー・ビームの衝突点可変装置によれば、
以下の作用効果が得られる。すなわち、 （１）空気クッション及び磁気吸引手段を備える枢着部
により、摩擦を生じることなくミラーを支持することが
できる。

（２）回転軸上でミラーに対して固定されている電磁石
に流れる電流を変化させる電磁気的制御手段を用いるミ
ラー変位装置により、接触や遅れを生じることなしにミ
ラーの回転運動を制御することが可能である。

（３）したがって、レーザー・ビームの衝突点に対する
所定の軌跡に沿った変位を正確に得ることができ、従来
の加速度よりもはるかに大きな加速度にて、且つ小さな
振幅で、レーザー・ビームの部品上への衝突点を変位さ
せることができる。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による装置の一部を構成する反射ミラ
ー／収束レンズ組立体の軸方向断面図である。

第２図は、吊り下げ枢着部を備える無接触支持装置と係
合する反射ミラーの底面図である。

第３図は、ミラーとミラー支持装置とを示す側面図であ
る。

第４図は、反射ミラーの変位を制御する回路のブロック
図である。

第５図は、別の実施例を示す第１図と類似の図である。

第６図は、ミラーの他の例を示す図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】部品上のレーザー・ビームの衝突点に対す
   る所要の軌跡と実質的に対応する運動を伴って、ミラー
   支持部又は部品支持部を相対的に変位させる変位装置を
   有するレーザー・ビームの部品上への衝突点を可変させ
   るレーザー・ビームの衝突点可変装置において、 ミラー中心を通る２つの直交する回転軸（40、42）の回
   りに回転するように、ミラー支持部（10）に支持されて
   いるミラー（20）と、 該回転軸（40、42）上で該ミラー（20）に対して固定さ
   れている磁気回路（46）及びコイル（44）よりなる電磁
   石に流れる電流を変化させることにより該回転軸（40、
   42）に対するミラー（20）の回転運動を制御するミラー
   変位装置（44、46、80）と、を備えており、 該ミラーの中心部に、磁気吸引力により枢着されている
   空気クッション形式の吊り下げ枢着部（34）を備え、ミ
   ラー支持部（10）又は部品支持部の運動に重ねられる小
   さな振幅の運動を生じさせるように、該ミラー（20）を
   該回転軸（40、42）の回りに変位させることを特徴とす
   るレーザー・ビームの衝突点可変装置。
2. 【請求項２】前記ミラー（20）は、前記回転軸（40、4
   2）に直交する軸（30）に対するミラーの回転運動を阻
   止する装置（68、74）と係合していることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. 【請求項３】前記ミラー（20）は、前記回転軸（40、4
   2）に沿って対をなして延長する４つのアーム（38）を
   含み、該各アーム上には前記コイル（44）が前記回転軸
   （40、42）に直交する軸（30）について対称位置に固定
   されており、該コイル（44）は前記ミラー支持部（10）
   により支持されている前記磁気回路（46）に対して運動
   可能であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２
   項のいずれかに記載の装置。
4. 【請求項４】前記回転軸（40、42）に沿って延長するア
   ーム（38）のそれぞれに支持されたコイル（44）のう
   ち、共通する回転軸（40または42）上の２つのコイル
   （44）が電気的な制御回路に対して反対方向に接続され
   ることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。
5. 【請求項５】さらに、前記回転軸（40、42）についての
   ミラーの回転運動の角度を測定する回転角度測定装置を
   設けることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】前記回転角度測定装置が、運動要素を有す
   る直線変位センサ（66）であり、該運動要素は前記ミラ
   ー（20）の２つの回転軸（40、42）に直交する軸（30）
   に沿って案内され、前記コイル（44）の１つを軸方向に
   貫通して延長しかつ前記ミラー（20）に対して該コイル
   （44）と共に固定されているロッド（64）上に支持され
   ることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記電気的な制御回路が、例えば比例−積
   分−微分形式の補正回路（84）と結合するアナログ機能
   発生器（80）を含むことを特徴とする請求の範囲第４項
   記載の装置。
8. 【請求項８】さらに、ミラー（20）及びミラー変位装置
   （44、46）より構成される運動組立体のための動的バラ
   ンス装置を設け、該バランス装置は該運動組立体（20、
   44、46）と同じ構成であるが対称位置に設けられている
   運動組立体（92、94、96）により構成されていることを
   特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに
   記載の装置。