JPH10186215A - 高出力レーザ伝送ミラー駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力レーザ伝送光軸が正規の経路から外れ
ても、光軸を微小角度で精度良く修正することが可能な
高出力レーザの伝送ミラー駆動装置を提供する。 【解決手段】 ミラーによって高出力レーザを伝送する
方法において、高出力レーザの光軸ずれを修正するのに
伝送ミラー１１は、ミラーホルダ６１および駆動アーム
６２、６４によりくさび高さ変位機構７０、７１に連結
され、くさび高さの変位により伝送ミラー１１の角度を
微小角度で調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切断、溶接等のレ
ーザ加工において利用される高出力レーザ伝送ミラー駆
動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置として、レーザ発振器か
ら放射されたレーザ光線を反射して加工ヘッドに導入す
るとともにそのレーザ光線の光軸の位置を調整可能な反
射手段と、レーザ光線が最適な光軸の位置で加工ヘッド
に導入されるように上記反射手段と、レーザ光線が最適
な光軸の位置で加工ヘッドに導入されるように上記反射
手段を介して光軸の位置調整を行う制御装置とを備えた
ものは知られている（例えば、特開平６−３４４１６９
号公報）。該公開公報のレーザ加工装置においては、光
軸の位置調整を行う機構としてモータを用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高出力レーザを用いる
レーザ加工装置においては、ミラー等を組合せた光学系
によってレーザ光を加工対象物まで伝送しなければなら
ない。このレーザ伝送系において、レーザ光が正確に伝
送されるように、ミラー等の位置を調整することは極め
て重要である。例えば、焦点距離３００mmである集光光
学系により集光して加工を行う装置の場合、レーザ光軸
に１mrad（５×１０^-2度）のずれが生じると、レーザ光
の集光位置は最大３００mm×１mrad＝３００μｍずれる
ことになる。一般に、レーザ加工ではレーザビームを数
１００μｍ程度のスポットに集光するため、このような
ビーム集光位置のずれが加工結果に与える影響は極めて
強く、加工欠陥が生じる原因となる。

【０００４】さらに、加工レーザの伝送距離が数１０ｍ
と長距離である場合、レーザ光軸の角度に１mradのずれ
が生じたとすると、伝送後のレーザ位置のずれは数１０
mmにも達する。このため加工レーザを伝送する光学系に
用いるミラー等のサイズを大型化しなければならず、レ
ーザ加工装置全体の大型化・コストアップ等の要因とな
る。また、平面ミラーの大型化であれば製作は容易であ
るが、集光光学系に用いるのは曲率を有する曲面ミラー
であり、その大型化には技術上の困難性を伴う。

【０００５】このようにレーザ加工装置においては、伝
送するレーザ光軸を正確に保持することが、加工性能、
設備設計の上で極めて重要なポイントとなる。しかしな
がら、モータの位置決め精度のみでレーザ光軸を正確に
保持するのに必要なミラー等の角度を調整するのは技術
的に困難である。

【０００６】本発明は、加工レーザ照射中に加工レーザ
の伝送光軸が正規の経路から外れても、光軸を高精度に
修正することが可能な高出力レーザの伝送ミラー駆動装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、レーザ
光をミラー伝送するミラー駆動装置において、独立する
２軸の該伝送ミラー回転軸に連結した駆動アームと、該
駆動アームに直角に連結された対向する１対のくさび形
状のスライド板と、くさびスライド板の反対側より駆動
アームを押し付けるバネ機構からなり、該くさびスライ
ド板のうち少なくとも一方のくさび板を移動させること
により該伝送ミラー角度を微小角度変化させるくさび機
構を有する特徴とする高出力レーザ伝送ミラー駆動装置
である。望ましくは本発明の装置においては、該伝送ミ
ラーの変位量を測定する変位計と、該伝送ミラー位置お
よび角度粗調整用の機構とを持ち、さらに該伝送ミラー
回転軸に十字バネを用いるとよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のレーザ伝送ミラー駆動装
置は、高出力レーザ加工装置において用いられる。ここ
でレーザ加工装置とは、高出力レーザビームを被加工物
に集光照射して、溶接、切断等のレーザ加工を行う装置
をいう。レーザ加工はオンラインで移動する被加工物に
対して実施しても、或いはオフラインで被加工物を固定
して加工を行ってもよい。前項で述べたように、加工中
の伝送ミラーの角度変位は加工不良、レーザ光の伝送エ
ラーを引き起こすので、伝送ミラーの角度を予め調整し
た角度に保持する事が極めて重要である。

【０００９】これに対し、本発明者らはガイドレーザの
変位をもとに、伝送ミラーの角度変位を測定し、伝送ミ
ラー角度を制御するレーザ光の伝送方法を考案し、その
特許を既に出願している（特願平７−３１８４１６
号）。しかし、この先願方法を実現するには、１０^-3度
程度の微小角度を駆動するミラー角度駆動装置が必要で
ある。本発明は、このような極微小角度のミラー駆動装
置に関するものである。

【００１０】図１に本発明のミラー駆動装置全体図を示
す。レーザ伝送ミラー１１はミラーホルダー６１に連結
した駆動アーム６２によりＺ軸のまわりに回転できる。
さらに、駆動アーム６２の先端はくさび高さ変位機構７
０に連結され、くさび高さの変位により垂直軸Ｚのまわ
りに微小回転する。同様に、内側の駆動板６３全体が駆
動アーム６４を介しくさび高さ変位機構７１によりＸ軸
のまわりに微小回転する。これによりレーザ伝送ミラー
１１はＸ、Ｚ両軸まわりに角度を駆動される。両軸の回
転角度は距離計６６により、駆動アーム６２および駆動
板６３の端部の変位量として計測される。また、ミラー
角度駆動機構は全体として、荷台８１の上に設置され、
該荷台８１は粗動機構８２、８３により、上下、前後、
左右、各方向の位置調整が可能である。

【００１１】図２に本発明のミラー角度駆動装置の角度
駆動方法の概念図を示す。図２（ａ）にはＺ軸のまわり
に回転するミラー角度駆動装置を示し、図２（ｂ）には
くさび高さ変位機構をＺ軸に平行でＡ−Ａ′を含む平面
で切った断面図を示す。ミラー角度駆動の仕組みは、ミ
ラー回転軸に直交した駆動アーム６２、該駆動アーム６
２と駆動板６３に取り付けた対向する１組のくさびスラ
イド板７２，７３、駆動アーム６２が振動などで簡単に
動かないように固定する押し付けバネ機構６５、くさび
スライド板を駆動する駆動モータ７４からなる。駆動モ
ータ７４でくさびスライド板の一方を移動することによ
り、対向するくさびスライド板の接触位置が変化する
と、駆動アーム６２の端部高さｈが連続的に変化し、結
果としてミラーの角度を連続的に変位させることができ
る。駆動アーム６２は押し付けバネ機構６５により、く
さび板７２に押し付けられている。押し込みねじ６８に
より固定バネ６９の縮み量は調節可能であり、ミラー角
度駆動機構の機械的共振周波数を調整できる。

【００１２】ここで一般にモータの回転角度の分解能は
１／２０４８回転であり、くさびスライド板を駆動する
ボールねじのピッチを１mmとした場合、くさびスライド
板のくさび角度を１００mmで１mm程度になるように加工
することで、制御できるミラー角度変位分解能を１０^-4
度オーダーの極微小量にすることができる。図２では、
くさびスライド板７３を移動させ、駆動アーム高さｈを
変化させたが、対向するくさびスライド板７２、７３は
駆動アーム側、固定壁側のいずれを移動する方式でも、
両方を移動し、駆動アーム高さｈを変化させる方法でも
よい。

【００１３】本発明のミラー駆動装置は制御システムに
より、微小角度の駆動をくり返し受ける。そのため、駆
動軸にベアリングを使用すると、ベアリングの接触状態
が変化しないまま、くり返しの振動を受けるような状態
となり、疲労破壊をおこす。本発明では、駆動軸に十字
バネ６７を用い疲労破壊への耐久性を高めている。十字
バネの概略図を図３に示す。十字に組み合わされた平板
のたわみ力で回転力を支え、矢印のように微小回転する
機構になっている。また、本発明では２軸の駆動軸はミ
ラー１１表面の中心点で直交するようになっているが、
これはミラー回転によりミラー表面中心が変位しないよ
うにしたためである。これにより、レーザ光は平行の位
置シフトをうけることなく、ミラーの回転角度分の伝送
角度だけを変えることができ、レーザ光の位置制御が容
易になる。

【００１４】本発明のミラー角度駆動装置は制御システ
ムの中に組み込むためのものである。そのためには、く
さびスライド板７２、７３の位置変化によりミラー角度
がいくら変化したかを知る必要がある。そのための測定
手段として、本発明では駆動アーム６２および駆動板６
３の端部に距離計６６を取付け、駆動アーム、駆動板の
変位量を測定できるようにしている（図１）。

【００１５】オンラインで制御するミラー角度は１０^-3
度の非常に微小な角度である。しかし、ミラーの角度の
初期設定調整は１０^-1度のオーダーで行う。微小角度の
調整範囲を大きくして、角度を初期設定値に合せること
も可能であるが、精密なくさび機構を大きくするため、
加工技術、加工コストの問題が発生する。また、伝送ミ
ラーの角度制御によりレーザ光軸を制御する場合、ミラ
ー中心にレーザを入射しないと、ミラー角度を制御した
際にミラー上でのレーザ光反射位置がずれ、その補正の
ための角度制御プログラムが複雑になる。

【００１６】本発明では図１の８２、８３のミラー位置
粗動機構を設け、ミラー駆動装置全体が上下、前後、左
右、の各方向に平行移動可能であるとともに、ミラー角
度粗動機構８４、８５を設け、ミラーの初期位置設定が
簡易に行えるようにしている。Ｘ軸回りに回転する駆動
板６３は、対向する１組みの押し込みネジからなる、角
度粗動機構８４により、駆動アーム６２に連結されてい
る。押し込みネジの位置を変えることにより、駆動アー
ム６２と駆動板６３の連結角度が調整できる（図４）。
また、ミラー駆動装置の上部構造はミラー角度粗動機構
８５により、図５のようにＺ軸まわりに回転可能な構造
になっている。

【００１７】図６は、本発明を用いた鉄板のレーザ溶接
装置の一例を示す模式的に示す斜視図である。レーザ加
工装置は、レーザ供給源１、レーザ伝送ミラー群１１〜
１６、親台車３１、子台車４１、加工ヘッド２３、ガイ
ドレーザ位置検出ユニット５１、制御装置５３、ミラー
駆動装置６０よりなっている。また、図中Ｗは被加工物
を、Ｌは加工レーザの光軸を、Ｇはガイドレーザの光軸
をそれぞれ示している。

【００１８】被加工物Ｗは矢印方向に連続的に移動して
おり、これと同期して親台車３１が親台車レール３３上
を移動する。子台車４１は親台車３１上に設けられた子
台車レール４３上を被加工物の幅方向に移動する。親台
車３１の移動距離は最長３０ｍ、子台車４１の移動距離
は最長２ｍである。

【００１９】レーザ供給源１から出射された加工レーザ
は、第１伝送ミラー１１、親台車３１上に設けた第２伝
送ミラー１２、子台車４１上に設けた第３伝送ミラー１
３、第４伝送ミラー１４、第５伝送ミラー１５、及び第
６伝送ミラー１６により伝送されて、パラボリックミラ
ー２１により集光され、加工ヘッド２３から被加工物Ｗ
の加工点に照射される。

【００２０】レーザ供給源１から加工レーザと同時に、
光軸Ｇが加工レーザの光軸Ｌと平行なガイドレーザを出
射し、第１伝送ミラー（可動ミラー）１１により伝送さ
せる。このガイドレーザの位置を第２伝送ミラー１２の
手前に設けた検出ユニット５１により検出した位置信号
を制御装置５３に出力する。制御装置５３からの制御信
号によりミラー駆動装置６０で第１伝送ミラー１１の角
度を調整する。

【００２１】上記構成のレーザ加工装置を用いて、鋼板
の溶接をおこなった。伝送ミラー１１の角度制御をおこ
なわない場合、親台車３１の走行振動により、伝送ミラ
ー１１が振動し、レーザ加工中にレーザが伝送経路から
外れ鋼板の溶接不良が発生した。伝送ミラー１１の角度
制御を行い、レーザ伝送ずれを修正した結果、接合不良
のない良好な鋼板接合が安定して達成された。

【００２２】

【発明の効果】レーザ加工中にレーザ伝送装置に振動等
が加わると、加工レーザが正規の伝送経路から外れる不
都合があるが、本発明におけるくさび機構を用いて伝送
ミラーを微小角度をオンラインで調整して光軸を修正す
ることで、正確なレーザ伝送が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のミラー駆動装置の模式図である。

【図２】本発明のミラー駆動装置のくさび機構の模式図
である。

【図３】本発明のミラー駆動軸にもちいる十字バネの模
式図である。

【図４】本発明のミラー角度粗動調整機構の模式図であ
る。

【図５】本発明のミラー角度粗動調整機構の模式図であ
る。

【図６】本発明のミラー駆動装置を用いたレーザ加工装
置の模式図である。

【符号の説明】

１ レーザ供給源 １１〜１６ 第１伝送ミラー〜第６伝送ミラー ２１ パラボリックミラー ２３ 加工ヘッド ３１ 親台車 ３３ 親台車レール ４１ 子台車 ４３ 子台車レール ５１ 検出ユニット ５３ 制御装置 ６０ ミラー駆動装置 ６１ ミラーホルダー ６２ 駆動アーム ６３ 駆動板 ６４ 駆動アーム ６５ 駆動アーム押し付けバネ機構 ６６ 変位計 ６７ 十字バネ ６８ 調整ネジ ６９ 固定バネ ７０、７１ くさび機構 ７２、７３ くさびスライド板 ７４、７５ モータ ８１ 荷台 ８２ ミラー高さ調節機構 ８３ ミラー位置粗動機構 ８４、８５ ミラー角度粗動機構 Ｌ 加工レーザ光軸 Ｇ ガイドレーザ光軸 Ｗ 被加工物 ｈ くさび高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 城戸 基 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新日 本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者 西山 和宏 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高出力レーザをミラー伝送する伝送ミラ
   ーにおいて、独立した２軸の該伝送ミラー回転軸に連結
   した駆動アームと、該駆動アームの先端部に直角に連結
   された対向する１対のくさび形状のスライド板と、該く
   さびスライド板の反対側より該駆動アームを押し付ける
   バネ機構を有し、該くさびスライド板のうち少なくとも
   一方のくさび板を移動させることにより該伝送ミラー角
   度を微小角度変化させるくさび機構を持つことを特徴と
   する高出力レーザ伝送ミラー駆動装置。
2. 【請求項２】 前記伝送ミラー回転軸に十字バネを用い
   ることを特徴とする請求項１記載の高出力レーザ伝送ミ
   ラー駆動装置。
3. 【請求項３】 前記伝送ミラーの変位量を測定する変位
   計を有することを特徴とする請求項１又は２記載の高出
   力レーザ伝送ミラー駆動装置。
4. 【請求項４】 前記伝送ミラー位置および角度粗調整用
   の機構を持つことを特徴とする請求項１、２又は３記載
   の高出力レーザ伝送ミラー駆動装置。