JPS62501620A - レーザー・ビームの衝突点可変装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザー・ビームの部品」＊衝突点講変位させる方法および装置 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方法および装置 に関する。

レーザー・ビームの産業上の用途は、益々おびただだしく多岐にわたるものとな り、し゛−ザー・ビームは特に切断、マーク付け、部品の溶着、表面処理等のた め使用されている。

一般に、レーザー・ビームは、ミラーに対して指向され、ミラーはこのビームを 該ミラーと処理すべき部品との間に挿置された集束レンズに向ける。レーザー・ ビームの部品上への衝突点は、ミラー／集束レンズ組立体をこの部品に対し変位 させることにより、さもなけわばこの部品とその支持部をミラー／レンズ組立体 に対して変位させることによって予め定めた軌跡に沿って変位させられる。

しかし、何わの場合も、変位させることを必要とする質Ｕｔは比較的大きく、又 慣性が大きいため、レーザー・ビームか部品に対して変位し得る加速度および速 度を大きく制限してしまう。こわは特に衝突点の軌跡が小さな曲率半径の領域を 含んで描くとき著しい。このような速度の低下は、部品を焼損する危険をもたら し、また時間を浪費し、こわにより従来の切断またはマーク付は装置に比してレ ーザー・ビームの使用の競争力を餞殺している。

本発明の目的は、レーザー・ビームを変位させる方法および装置にあり、この方 法および装置は上記の欠点を解決し、また特に衝突点の軌跡が非常に小さな曲率 半径の半径を含む時、これまでに得ることができた加速度よりも遂かに大きな加 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ものである。

本発明の別の目的は、こわまで得ることができたものよりもふかに高い精度でレ ーザー・ビームを予め定めた軌跡に沿って変位させることを可能にする方法およ び装置にある。

本発明による方法は、レーザー・ビームをミラーに向け、これによりビームを部 品の方向へ偏向させ、ミラーの支持部または部品の支持部を、部品上のビームの 衝突点に対する所要の軌跡と実質的に対応する所定の運動を伴って他の支持部に 対して変位させることからなる方法において、 ミラーの支持部に対するミラーの小さな振幅運動を前記所定の運動に重ね、ミラ ーの中心において交差する軸心の回りに回転可能なミラーを支持し、前記軸心の 回りにミラーを回転させることにより前記の小さな振幅運動を決定することから なることを特徴とする。

望ましくは、ミラーは、その中心から磁気の吸引作用により、また空気のｖＡ衝 により摩擦がなく吊下げらね、上記の軸心の回りのミラー回転運動か、固定磁界 中に置かむかつ上記の回転軸心上の地点でミラー上に固定されたコイルに流れる 電流を変化させることにより制御される。

本発明はまた、レーザー・ビームの部品上への衝突点を変位させる装置を提供す るもので、レーザー・ビームが指向されるミラーと、ミラー支持部または部品支 持部を、部品上のレーサー・ビームの衝突点に対して必要な軌跡と実質的に対応 する運動を伴って、他の支持部に対して変位させる装置とを含む前記装置におい て、前記ミラーがその中心を通る２つの直交回転軸心の回りでその支持部に対し て回転自在に取付けられること、および他の支持部に対する前記ミラー支持部ま たは部品支持部の上記運動に重ねられる小さな振幅の運動を伴ってミラーを前記 の２つの軸心の回りに変位させる装置か設けられることを特徴とする。

本発明は、このように、部品上の決定すべきレーザー・ビームの衝突点の平均的 な軌跡をその平均軌跡が非常に小さな曲率半径部分を含まないよう与え、かつ前 記の平均値的な軌跡上にレーザー・ビームの部品上への衝突点の小さな振幅の曲 率を重ねる作用を与え、これによりレーザー・ビームの衝突点に対する所要の軌 跡を正確に得るものである。この小さな振幅の変位は反射ミラーを回転運動させ ることにより得られるが、ミラーの質量は非常に小さく、またミラーの中心の回 りあるいはこの中心と交差する回転軸心の回りにおりる慣性モーメレーザー・ビ ームの部品上への衝突点の加速度は、上記の平均的な軌跡に沿ったその運動の加 速度よりも遥かに大きくすることもできる。

部品上のレーザー・ビームのための非常に正確な軌跡は、このように、従来技術 において得られた焼損の危険および速度の低下を避けながら得られるものである 。

上記の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（ｐｌａｓｍａ　ｃｌｏｕｄ　ｅｆｆｅｃし）を低派させるため役立つよう交 互運動とできる。

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および集束レンズ組立体 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および集束レンズの組立体の支持 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！２を有するフレーム即ちシャーシＩＯを 有する。軸心１８を有するレーザー・ビーム１６は開口１４を介して該軸心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２ ｊ、２６の光学軸２８は上記軸心１８に対して直交している。

光学装置２２を通過するこのレーザー・ビームは、その軸心２８上で光学装置２ ２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により集束される。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ｌＯ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、非常に小さなものとなる。

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つの直交軸心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 直交軸心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心３０に対し直交している。

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 球状の鋼製の枢着部３４が設けられている。ミラーはまた、その回りに９０°の 間隔で配置され、ミラーの中心で交差してミラーの回転軸心を構成する２つの直 交する軸心４０．４２に沿って延長する４つの放射方向のアーム３８を含む。

上記の軸心３０に対し平行な軸心を仔する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、軸心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つの放射状アーム３８にそれぞれ取付けられた合計２つの コイル４４は、コイルの一方にはある方向に流ね他方には他の方向に流れる同じ ｔｒ：ｆ、流が両方のコイルに流れるように電気的に反対方向に接続されている 。従って、直径方向に対向する２つの放射状アーム３８により生じる電磁力が等 しい大きさでかつ軸心３０に対し平行な反対方向となり、これにより、ミラー２ ０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ｌＯの中心部の立上がり部イ８の端部の関連１ −る形状の腔部内に収容された半球状の枢１１部３４によって、フレームｌＯ内 に吊下げられている。前記立上り部は、その端部の付近において、磁気吸引力に より枢着部３４上に作用する永久磁石５０（または電におけるそのハウジングと の間の摩擦を避けるかあるいは少なくとも減らずため、軸方向の通路５２が立上 がり部４８に沿って形成されている。この通路５２は圧縮空気の供給源（図示せ ず）に対して結合され、その他端部においては枢着部収受ハウシングの中間に設 けられる開［１を有する。そして１前記ハウシング内に吹込む空気か前記枢着部 ３４とそのハウジングの内面との間に空気のクッションを形成することにより、 ミラー２０か軸心４０．４２の回りに回転する時Ｆ′ｆ、擦を大幅に餞少すると 同時に、もしミラーか高出力のレーザー・ビームと関連して用いられる場合にミ ラーを冷却するようになっている。

フレームＩＯのｆｆ１部は、内部に取付けらね軸心３０に沿って変位することが てきるボール柱５６を有す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の下方においてこれに対し平行に延長するリング６２を支持 している。このリンク６２は、レーザー・ビームが直接前記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は軸心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かでき、こわに よりレーザー・ビーム１６の軸心１８に対しこの時丁度４５°傾ネＩするミラー に対１−る基準位置を決定し、またこねにより軸心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コ１Ｌべ（位置を決定する 。

こわらのセンサは適当な形式のものでよく、例えば、光線か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に対し反射させることができるものでよい。

４つの直線変位誘導型センサもまた使用でき、各センサは第１図の如く、コイル ４４の１つと関連され、かつコイル４４を貫通して軸方向に延長するロット６４ を有し、このロット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、センサの固定要素を構成 するシリンダ６６の内側に交互の直線状に変位できるよう案内され、その運動要 素は前記シリンダ６８の内部でロッド６４によって支持されている。

これらセンサの運動要素の直線状の変位は、その軸心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、これが軸心３０の回りで回転することを阻止する装置と関連 させられている。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、 板６８により構成さね、板６８はミラー２０のアーム３８の一方により支持され かつ部分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間に延長している。この部分７４は圧縮空気を開［１７０ に供給するための溝７６を有する。穴７０から出た空気の噴流は板６８に直角に 当たってこれを穴７０の中間に保持し、こむによりミラー２０が軸心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、磁気の吸 引によってフレームｌＯから立上がり部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上に支えられる。対向して結合された１対のコイル４４ を流れる電流の変化が、関連する磁気回路４６におけるこのコイル４４により生 じるｉ［力の変動を生じ、またこのためミラー２０を他の対のコイル４４を通る 軸心の回りに回転させる。

ミラー２０の軸心４０．４２の回りの回転運動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におけるレーザー・ビームの衝突点の小さな 振幅の運動を惹起し、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ｌＯに対して変 位させることによって１°Ｉ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、回転軸心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 ｆ！１．Ｐｌ、の除去により、ｌｏｇ乃至３０ｇ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４・１に与えら才する電流の変化は、第４図に略図的に示され、その出力 が加算回路８２の正の入力側に接続されるアナログの機能発生器８０からなる形 式の制御回路によフて生しることが望ましい。この加算回路８２からの出力は、 例えば比例積分および微分形式のものでよくかつその出力が増巾器８６を介して コイル４４に対し接続される修正回路８４の入力側に接続されている。これらコ イルからの出力は、ミラー支持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と関連する回転 センサにより生じる信号を勘案する回路を介して加算回路８２の負の入力側に接 続される。修正回路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の実際の運動を表わす信ぢとの間の差を表わす信号旦を低減し打消すよ 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集束装置２２の焦点に置かれ、 このため反射され集束されたレーザー・ビームが処理されるべき部品に対して直 角の状態を維持する。

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ｌＯはミラー２０ およびそのコイル４４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でありかつミラー２０と 同じものであるが光学面がない疑似ミラーは、その周部に固定されたコイル４４ と同じものであり、かつコイル４４と軸方向整合されている。各コイル９４は、 こむと整合された４４と電気的に反対に結合され、磁気回路４６と対称的な磁気 回路９６と共働する。戻しばね装置９８が疑似ミラー９２と関連付けられ、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、立上かり部４８の頂端部の空気クッション−にに支持される中心 の枢着部を含む。

作用においては、この疑似ミラー９２は、ミラー２０か受ける加速度の作用力と 大きさが等しいか方向が反対の作用力を受け、これによりミラー２０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、また前記支持装置ｈ）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 また必要に応して凹状の光学面を有することかできる。第６図に示されるように 、カセグレン（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）式の組立体および環状の入射レーサー・ ビームを用いることにより集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が断面が環状を呈し、平坦な環状 ミラー！０２によってミラー２０と対応するミラー１０Ｂ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１ ０８において集束させられるものである。

ＦＩＧ、１ 胛４２ 国際調査報告 λＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＢＥ　ＩＮＴＥＲ：４ＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ工　Ｒ ＥＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザー・ビームをミラーに対して指向させ、このミラーが該ビームを部品 に対し反射させ、ミラーの支持部または部品の支持部を、該部品上のビームの衝 突点に対する所要の軌跡と実質的に対応する所定の運動を伴って、他の支持部に 対して変位させることからなるレーザー・ビームの部分上への衝突点を変位させ る方法において、 ミラー（２０）の支持部に対するミラーの小さな振幅の運動を前記所定の運動に 重ね、ミラー中心において交差する２つの直交する軸心（４０、４２）の回りに 回転可能なミラーを支持し、前記の２つの軸心（４０、４２）の回りにおける前 記ミラー（２０）の回転運動によって前記の小さな振幅の運動を決定することか らなることを特徴とする方法。 ２．前記ミラーを、磁気吸引力によりかつ空気のクッションにより摩擦を生じる ことなくミラー中心において支持し、前記ミラー（２０）の回転軸心（４０、４ ２）上の地点で該ミラーに対して固定されると共に固定磁界中に置かれたコイル （４４）に流れる電流を変化させることにより、前記軸心の回りのミラーの回転 運動を制御することからなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の方３．レ ーザー・ビームが指向されるミラー（２０）と、ミラーの支持部または部品の支 持部を、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、他の支持部に対して変位させる装置とを有する、レーザー・ ビームの部品上への衝突点を変位させる装置において、 前記ミラー（２０）がその支持部（１０）に対してミラー中心を通る２つの直交 する回転軸心（４０、４２）の回りに回転するように支持され、前記ミラーの支 持部または部品の支持部の前記他の支持部に対する上記運動に重ねられる小さな 振幅の運動を伴って、前記ミラー（２０）を前記の２つの軸心の回りに変位させ る装置（４４、８０）が設けられることを特徴とする装置。 ４．前記ミラー（２０）が、その中心部において空気クッション形式の吊下げ枢 着部（３４）が設けられ、かつその枢着は磁気吸引によりなされることを特徴と する請求の範囲第３項記載の装置。 ５．前記ミラー（２０）が、前記回転軸心（４０、４２）に対し直交する軸心（ ３０）の回りのその回転運動を阻止する装置（６８、７４）と関連させられるこ とを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の装置。 ６．前記ミラー（２０）が、前記回転軸心（４０、４２）に沿って対をなして延 長する４つのアーム（３８）を含み、該各アーム上に各コイル（４４）がそれら の軸心が前記回転軸心に対し直交するよう対称的に固定され、前記コイルは前記 ミラー支持部（１０）により支持された固定磁気回路（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３項乃至第５項のいずれかに記載の装置。 ７．前記ミラーの共通の回転軸心上に支持された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６項記 載の装置。 ８．前記軸心（４０、４２）回りの前記ミラーの回転運動の角度を測定する装置 を設けることを特徴とする請求の範囲第３項乃至第７項のいずれかに記載の装置 。 ９．前記の角度測定装置が、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つの回転軸心に対し直交する軸に沿って案 内されると共に、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 ミラーに対して該コイルと共に固定されるロッド（６４）上に支持されることを 特徴とする請求の範囲第８項記載の装置。 １０．前記電気的制御回路が、例えば比例積分および微分形式のものである修正 回路（８４）と関連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７項記載の装置。 １１．ミラー（２０）およびその変位装置（４４）に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、該バランス装置は前記の運動組立体（２０、 ４４）と対称的である運動組立体（９２、９４）により構成され、前記ミラー（ ２０）に対するものと同じであるがこれと反対に結合された変位装置を含むこと を特徴とする請求の範囲第３項乃至第１０項のいずれかに記載の装置。