CN110605475A - 检流计镜和激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检流计镜和激光加工装置，能够提高层的平滑性并且提高对规定波长的光的反射率和对规定波长以外的波长的光的反射率。本发明的检流计镜(60)具备：透明的基板(61)；激光反射层(62)，其配置在基板(61)的一面侧，对规定波长的激光进行反射；以及加工点光反射层(64)，其配置在基板(61)的另一面侧，所述加工点光反射层(64)对规定波长以外的波长的光的反射率比激光反射层(62)的该反射率高。

Description

检流计镜和激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种反射激光的检流计镜以及具备检流计镜的激光加工装置。
背景技术
激光加工装置被用于激光加工领域的标记、焊接加工。在专利文献1中公开了一种利用第一反射镜和第二反射镜(检流计镜)反射激光来对加工对象物进行加工的激光加工装置。
在由该激光加工装置对加工对象物进行激光加工时，在加工对象物的加工点产生光。该加工点的光被第二反射镜(检流计镜)反射后沿与激光的路径相反的路径返回第一反射镜。在这样的情况下，例如，如果将加工点的光从第一反射镜取出到外部并利用检测器来检测该加工点的光的强度和波长，则能够判断加工对象物的加工状态。
此时，需要使加工点的光以不衰减的方式被第二反射镜(检流计镜)以更高的反射率反射后从第一反射镜导向检测器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平05-228677号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，假设当以在对加工点的光进行反射的层之上层叠对激光进行反射的层的方式构成第二反射镜(检流计镜：galvanometer mirror)时，层会变厚，因此层的平滑性劣化，第二反射镜(检流计镜)的反射率下降。
本发明是鉴于上述那样的状况而完成的，其目的在于提供一种能够提高层的平滑性来提高对规定波长的光的反射率和对规定波长以外的波长的光的反射率的检流计镜。
用于解决问题的方案
(1)本发明涉及一种检流计镜(例如后述的检流计镜60、160、260、360、460、560)，其具备：透明的基板(例如后述的基板61)；第一反射层(例如后述的激光反射层62)，其配置在所述基板的一面侧，对规定波长的激光进行反射；以及第二反射层(例如后述的加工点光反射层64)，其配置在所述基板的另一面侧，所述第二反射层对所述规定波长以外的波长的光的反射率比所述第一反射层的该反射率高。
(2)也可以是，在(1)的检流计镜中，所述基板的热膨胀系数为1.0×10-6/℃以下。
(3)也可以是，在(1)或(2)的检流计镜中，所述基板的透过率针对400nm～2000nm的光为80％/cm以上的透过率。
(4)也可以是，在(1)～(3)中的任一检流计镜中，所述基板的材质为合成石英。
(5)也可以是，在(1)～(4)中的任一检流计镜中，所述第一反射层由多层膜构成，所述第二反射层由多层膜构成。
(6)也可以是，在(1)～(4)中的任一检流计镜中，所述第一反射层由多层膜构成，所述第二反射层由金属膜构成。
(7)也可以是，在(1)～(4)中的任一检流计镜中，所述第一反射层由多层膜构成，所述第二反射层由多层膜(例如后述的多层膜66、67)和配置在所述多层膜的最外表面的金属膜(例如后述的金属膜68)构成。
(8)也可以是，在(6)或(7)的检流计镜中，所述金属膜的材质为金、银、铜或铝。
(9)也可以是，在(5)～(7)的检流计镜中，所述多层膜为高折射率层(例如后述的高折射率层66)和低折射率层(例如后述的低折射率层67)交替地重复的膜。
(10)也可以是，在(1)～(6)中的任一检流计镜中，所述第二反射层(例如后述的加工点光反射层85)由加强所述基板的强度的肋构成，在所述肋的内部反射所述规定波长以外的波长的光。
(11)也可以是，在(1)～(6)中的任一检流计镜中，所述第二反射层(例如后述的加工点光反射层611)与所述基板构成为一体，并且所述第二反射层由在从与所述基板的旋转轴(例如后述的旋转轴X)正交的方向观察时形成为阶梯状的凸状部(例如后述的凸状部612、613)构成，在所述凸状部的内部反射所述规定波长以外的波长的光。
(12)本发明的激光加工装置(例如后述的激光加工装置500)具备(1)～(11)中的任一检流计镜以及发出向所述检流计镜的所述第一反射层照射的激光的激光振荡器(例如后述的激光振荡器100)。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种能够提高层的平滑性来提高对规定波长的光的反射率和对规定波长以外的波长的光的反射率的检流计镜。
附图说明
图1是表示作为本发明的第一实施方式的激光加工装置的概要结构图。
图2是表示作为本发明的第一实施方式的激光加工装置所具有的激光振荡器的概要结构图。
图3A是作为本发明的第一实施方式的检流计镜的截面图。
图3B是作为比较例的检流计镜的截面图。
图4A是作为本发明的变形例1的检流计镜的截面图。
图4B是图4A的局部放大截面图。
图5A是作为本发明的变形例2的检流计镜的截面图。
图5B是作为本发明的变形例3的检流计镜的截面图。
图6A是作为本发明的第二实施方式的检流计镜的主视图。
图6B是作为本发明的第二实施方式的检流计镜的侧视图。
图6C是图6B的局部放大截面图。
图7A是作为本发明的第三实施方式的检流计镜的俯视图。
图7B是作为本发明的第三实施方式的检流计镜的主视图。
图7C是作为本发明的第三实施方式的检流计镜的侧视图。
附图标记说明
45：激光加工头；50：检测器前镜；60、160、260、360、460、560：检流计镜；61：基板；62：激光反射层(第一反射层)；64：加工点光反射层(第二反射层)；66：高折射率层；67：低折射率层；68：金属膜；80：检测器；85：加工点光反射层(第二反射层)；100：激光振荡器；500：激光加工装置；611：加工点光反射层(第二反射层)；X：旋转轴。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。其中，本发明能够以不同的方式来实施，并不解释为被以下例示的实施方式所限定。另外，在本说明书和附图中，在后面说明与前面说明过的结构相同的结构的情况下，有时标注相同的标记或者使标记的后两位相同，并适当省略详细的说明。
〔第一实施方式〕
〔激光加工装置的整体结构〕
参照附图来说明本发明的第一实施方式的激光加工装置。图1是表示作为本发明的第一实施方式的激光加工装置的概要结构图。图2是表示作为本发明的第一实施方式的激光加工装置所具有的激光振荡器的概要结构图。
如图1所示，本实施方式的激光加工装置500具备激光振荡器100和激光加工头45。如图2所示，激光振荡器100具备激光射出部1、第一光纤40以及模块驱动部110。
〔激光射出部〕
如图2所示，激光射出部1为射出激光的部位。激光射出部1具备多个(在图示的例子中为五个)半导体激光模块10(11、12、13、14、15)、模块内光纤20(21、22、23、24、25)、以及谐振器或组合器30(谐振器31、组合器32)。
〔半导体激光模块〕
半导体激光模块10(11、12、13、14、15)具备壳体2、半导体激光元件3以及透镜4。壳体2收容半导体激光元件3和透镜4。半导体激光元件3发出激光。透镜4使来自半导体激光元件3的激光折射后聚光。
关于半导体激光模块10(11、12、13、14、15)，使额定输出不同的半导体激光模块混合来构成半导体激光模块组。作为具体例，在半导体激光模块组之中混合有50W和100W的半导体激光模块。在该情况下，在仅有100W的半导体激光模块时仅能够将激光振荡器的激光输出控制在100W，而通过还具备50W的半导体激光模块，还能够将激光输出控制在50W。通过在半导体激光模块组之中具备10W以下这样的半导体激光模块，能够进行更细致的激光输出控制。
另外，半导体激光模块也能够通过控制电流来控制激光输出。
〔模块内光纤〕
模块内光纤20(21、22、23、24、25)从壳体2被导出。模块内光纤20(21、22、23、24、25)用于传输来自半导体激光模块10(11、12、13、14、15)的激光，并将该激光供给至谐振器或组合器30(谐振器31、组合器32)。
〔谐振器或组合器〕
在具备谐振器31的情况下，来自半导体激光模块10(11、12、13、14、15)的激光被用作谐振器31的激励光。在仅具备组合器32的情况下，利用组合器32使来自多个半导体激光模块11、12、13、14、15的激光聚光以供使用。有时也具备谐振器31和组合器32这两方。在任一方式中，激光振荡器100都使激光通过输出用的第一光纤40后输出。
〔第一光纤〕
第一光纤40对来自具备半导体激光模块10(11、12、13、14、15)的激光射出部1的激光进行传输(传送、导光)。
〔模块驱动部〕
模块驱动部110为对多个半导体激光模块10(11、12、13、14、15)分别单独进行驱动的部位。
模块驱动部110对多个半导体激光模块10(11、12、13、14、15)中的各半导体激光模块选择性地应用并执行以输出额定输出的方式进行驱动的额定驱动模式(将相应的开关部设为接通(ON))以及不进行驱动的停止模式(将相应的开关部设为断开(OFF))这两个控制模式。即，半导体激光模块10(11、12、13、14、15)的状态只有输出截止(OFF)或额定输出开启(ON)这两个状态。
模块驱动部110具备作为电源的电流供给部95、开关部111、112、113、114、115、控制信号产生部116以及控制部90。
〔电流供给部〕
电流供给部95为向半导体激光模块10(11、12、13、14、15)的半导体激光元件3供给激励电流的部位。
〔开关部〕
作为切换部的开关部111、112、113、114、115为接入至用于从电流供给部95向半导体激光模块11、12、13、14、15供给激励电流的电路中的部位。开关部111、112、113、114、115为能够切换从电流供给部95向半导体激光模块11、12、13、14、15的激励电流的接通/断开的部位。
〔控制信号产生部〕
控制信号产生部116为产生对开关部111、112、113、114、115进行控制的控制信号SC1、SC2、SC3、SC4、SC5的部位。
〔控制部〕
控制部90对开关部111、112、113、114、115、控制信号产生部116以及后述的检测器80的驱动进行控制。
〔激光加工头〕
如图1所示，激光加工头45具备检测器前镜50、检流计镜60以及检测器80。
〔检测器前镜〕
检测器前镜50以与检测器80相向的方式配置在该检测器80的前方。检测器前镜50反射规定波长的激光并且使规定波长的激光以外的光透过。例如，在从激光振荡器100的激光射出部1(参照图2)射出的激光为波长(中心波长)：1070nm的激光的情况下，检测器前镜50对波长(中心波长)为1070nm的激光进行反射，另一方面，使由加工对象物70产生的波长为1070nm以外的光透过。
〔检测器〕
检测器80以与检测器前镜50的背面相向的方式配置。检测器80检测在加工对象物70的加工点产生且透过检测器前镜50的光。控制部90能够基于检测器80的检测结果来监视加工对象物70的加工状态，从而能够判断激光的强度是否良好。检测器80由能够检测光的波长的光电二极管等构成。
〔检流计镜〕
检流计镜60是以规定的旋转轴为中心旋转的镜子，用于变更激光的传播方向。例如，当检流计镜60向箭头A方向旋转时，箭头L2所示的激光向箭头M的方向移动。当检流计镜60向箭头B方向旋转时，箭头L2所示的激光向箭头N的方向移动。检流计镜60需要对激光和在加工对象物70的加工点产生的光这两方进行反射。此外，加工内容为切割、焊接等。另外，在图1中仅示出一个检流计镜60，但通常会设置X轴方向扫描用的检流计镜和Y轴方向扫描用的检流计镜这两个检流计镜。由此，激光振荡器100能够向加工对象物70的任意的加工点照射激光。
要求检流计镜60具有高的反射率。这是基于以下的理由。这是因为在检流计镜60的反射率低的情况下，检流计镜60吸收几kW这样的高输出的激光而使激光衰减，并且检流计镜60发热，有可能产生能量损失，想要抑制这些现象。
另外，要求检流计镜6是轻量的且热膨胀系数低。为了抑制检流计镜60因吸收激光而发热从而发生热膨胀，需要使热膨胀系数低。为了利用电动机容易地使检流计镜60旋转，需要使检流计镜60为轻量的。
如图1和图3A所示，检流计镜60具有透明的基板61、作为第一反射层的激光反射层62以及作为第二反射层的加工点光反射层64。
〔基板〕
基板61使用透明的材质。这是为了使加工点的光透过基板61后被配置于基板61的背面侧的加工点光反射层64反射。具体地说，优选针对400nm～2000nm的光具有80％/cm以上的透过率。
透明的基板61的热膨胀系数优选为1.0×10-6/℃以下。这是因为要求检流计镜60具有λ/10(62nm)的面精度以进行准确的激光的定位，且要求检流计镜60的热膨胀系数低以使即便发热也不会使面精度劣化。
透明的基板61的材质例如为合成石英。合成石英符合表现出前述的透过率、热膨胀系数的材料。
〔激光反射层〕
激光反射层62配置在基板61的一面侧。激光反射层62由多层膜构成。激光反射层62对规定波长的激光进行反射。作为激光反射层62，例如高折射率层使用氧化钽这样的材质的层，低折射率层使用氧化硅这样的材质的层。高折射率层和低折射率层的厚度、层数被设计为对规定波长的激光进行反射。
〔加工点光反射层〕
加工点光反射层64配置在基板61的另一面侧。加工点光反射层64由多层膜构成。加工点光反射层64为对在加工对象物70的加工点产生的光进行反射的面，对规定波长以外的波长的光的反射率比激光反射层62的该反射率高。作为加工点光反射层64，例如高折射率层使用氧化钽这样的材质的层，低折射率层使用氧化硅这样的材质的层。高折射率层和低折射率层的厚度、层数被设计为对规定波长以外的波长的光的反射率比激光反射层62的该反射率高。
检流计镜60的反射层通过层叠几十层电介质多层膜来构成。检流计镜60的反射率除了受到层的数量、层的厚度的影响以外，还受到层的平滑性的高低、异物的多少的影响。当将加工点光反射层64和激光反射层62层叠时，层数增加，因此平滑性下降，产生很多异物，反射率下降。因此，在基板61的表面侧配置激光反射层62，在基板61的背面侧配置加工点光反射层64，由此减少检流计镜60的表面侧的层数，提高检流计镜60的激光和加工点光的反射率。在激光的波长例如为1070nm的情况下，激光反射层62对波长：1070nm的激光进行反射，加工点光反射层64对其它波长的光进行反射。
说明激光行进的情形。如图1所示，激光从激光振荡器100的激光射出部1(参照图2)射出后如箭头L0那样行进，被检测器前镜50反射后如箭头L1那样行进，被检流计镜60的激光反射层62反射后如箭头L2那样行进。激光被照射至加工对象物70来对加工对象物70进行加工。在加工对象物70的加工点产生的光如箭头L3那样行进，如箭头L4那样透过检流计镜60的激光反射层62和基板61，被检流计镜60的加工点光反射层64反射后如箭头L5那样透过检流计镜60的基板61和激光反射层62，如箭头L6那样行进。之后，在加工对象物70的加工点产生的光透过检测器前镜50后被检测器80检测。
根据本实施方式的检流计镜60，例如起到以下的效果。
本实施方式的检流计镜60具备：透明的基板61；激光反射层62，其配置在基板61的一面侧，对规定波长的激光进行反射；以及加工点光反射层64，其配置在基板61的另一面侧，该加工点光反射层64对规定波长以外的波长的光的反射率比激光反射层62的该反射率高。
因此，本实施方式的检流计镜60能够提高层的平滑性并且能够提高对规定波长的光的反射率和对规定波长以外的波长的光的反射率。另外，基板61是透明的，因此能够抑制基板61吸收规定波长以外的波长的光的程度，加工点光反射层64对规定波长以外的光进行反射的反射率提高。
另外，在本实施方式的检流计镜60中，基板61的热膨胀系数为1.0×10-6/℃以下。像这样，由于基板61的热膨胀系数为1.0×10-6/℃以下，因此能够抑制检流计镜60针对发热产生的形状变化。
另外，在本实施方式的检流计镜60中，基板61的透过率针对400～2000nm的光为80％/cm以上的透过率。在加工对象物70的加工点产生的光容易透过基板61，因此能够抑制检测器80的检测精度的下降。
另外，在本实施方式的检流计镜60中，基板61的材质为合成石英。像这样，由于基板61的材质使用合成石英，因此能够确保基板61的透明性和低的热膨胀系数。
另外，在本实施方式的检流计镜60中，激光反射层62由多层膜构成，加工点光反射层64由多层膜构成。像这样，由于激光反射层62和加工点光反射层64由多层膜构成，因此能够得到高的反射率。
〔比较例〕
图3B是概要性地表示比较例所涉及的检流计镜960的结构的一部分的截面图。检流计镜960是在基板61的一面侧层叠激光反射层62和加工点光反射层64来构成的。
说明激光行进的情形。如图3B所示，激光从激光射出部1射出后如箭头L1那样行进，被激光反射层62反射后如箭头L2那样行进。如图1所示，激光被照射到加工对象物70来对加工对象物70进行加工。在加工对象物70的加工点产生的光如图3B所示的箭头L3那样行进，如箭头L4那样透过激光反射层62，被加工点光反射层64反射后如箭头L5那样透过激光反射层62，如箭头L6那样行进。
根据比较例的结构，在检流计镜960中，激光反射层62和加工点光反射层64层叠在基板61的同一面侧，因此层的平滑性低，另外，激光反射层62对规定波长的光的反射率以及加工点光反射层64对规定波长以外的波长的光的反射率低。
〔变形例1〕
图4A是表示变形例1所涉及的检流计镜160的结构的截面图。图4B是图4A的局部放大截面图。激光反射层62的多层膜是以高折射率层66和低折射率层67交替地重复的方式构成的膜。加工点光反射层64的多层膜与激光反射层62同样为以高折射率层66和低折射率层67交替地重复的方式构成的膜。高折射率层66使用氧化钛、氧化钽等。低折射率层67使用氧化硅、氟化镁等。一层的厚度约为几十nm～几百nm。此外，可以根据设计适当地使高折射率层66和低折射率层67的层数、厚度不同。
〔变形例2〕
图5A是表示变形例2所涉及的检流计镜260的结构的截面图。激光反射层62由多层膜构成。加工点光反射层64需要针对宽的波长带具有高的反射率，因此由金属膜构成。金属膜的材质为金、银、铜或铝。
根据变形例2的结构，加工点光反射层64由金属膜构成，另外，金属膜针对宽范围的波长具有高的反射率，因此能够对加工点的发光的宽范围的波长成分进行反射。另外，金属膜的材质为金、银、铜或铝，因此检流计镜160的反射率提高。
〔变形例3〕
图5B是表示变形例3所涉及的检流计镜360的结构的截面图。激光反射层62由多层膜构成。加工点光反射层64需要针对宽的波长带具有高的反射率，因此具备高折射率层66和低折射率层67交替地重复的多层膜、以及配置在该多层膜的最外表面的金属膜68。金属膜的材质为金、银、铜或铝。
〔第二实施方式〕
图6A是第二实施方式所涉及的检流计镜460的主视图。图6B是检流计镜460的侧视图。图6A和图6B所示的第二实施方式所涉及的检流计镜460具备基板61、激光反射层62以及加工点光反射层85。检流计镜460一边高速旋转一边被定位，因此检流计镜460需要具有能够进行高速旋转的重量以及针对加速不变形的强度。因此，加工点光反射层85由加强基板61的强度的直线状的肋构成。事先对加工点光反射层85的上表面851、侧面852及底面853以及基板61的背面侧实施反射涂覆，从而能够使在加工点产生的加工点的光被反射。
图6C是表示在加工点产生的光被加工点光反射层85反射的情形的截面图。如图6C所示，在加工对象物70的加工点产生的规定波长以外的波长的光如箭头那样在加工点光反射层85的内部被反射。即，在加工对象物70的加工点产生的光透过激光反射层62和基板61后被加工点光反射层85反射，并且透过基板61和激光反射层62后去向检测器前镜50。
根据这样的第二实施方式，加工点光反射层85由肋形成，因此能够确保检流计镜460的刚性。同时，能够使加工点光反射层85和基板61的厚度形成为减薄与加工点光反射层85和基板61所需的刚性可以减少的量相应的量，因此能够实现检流计镜460的轻量化。
另外，对加工点光反射层85的整面实施了反射涂覆。因此，进入到加工点光反射层85的加工点的光在加工点光反射层85之中被反射多次之后能够被检流计镜460反射。
〔第三实施方式〕
图7A、图7B、图7C是作为本发明的第三实施方式的检流计镜560的俯视图、主视图、侧视图。图7A、图7B、图7C所示的第三实施方式所涉及的检流计镜560具备基板61、激光反射层62以及加工点光反射层611。加工点光反射层611与基板61一体地构成，并且该加工点光反射层611由从与基板61的旋转轴X正交的方向观察形成为阶梯状的凸状部612、613构成。在从与基板61的旋转轴X正交的方向观察时，凸状部612从基板61的一部分突出。另外，在从与基板61的旋转轴X正交的方向观察时，凸状部613从凸状部612突出。
凸状部612、613在内部反射规定波长以外的波长的光。靠近旋转轴X的对惯性力矩(inertia：惯量)的影响小的部分形成得厚，对惯性力矩的影响大的部分形成得薄。对加工点光反射层611的阶梯状的凸部的整面进行了反射涂覆。
根据这样的第三实施方式的结构，加工点光反射层611为阶梯状的凸部。因此，能够抑制惯性力矩的增加，确保强度，实现轻量化。
另外，对加工点光反射层611的阶梯状的凸部的整面实施了反射涂覆。因此，进入到加工点光反射层611的加工点的光在加工点光反射层611之中被反射多次之后能够被检流计镜360反射。
〔变形例〕
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于此。
基板的材质也可以为陶瓷系的材料。优选该陶瓷系的材料的热膨胀系数也为1.0×10-6/℃以下。
在上述的方式和例子中，没有在合成石英设置空洞，但不限于此，也可以在合成石英设置空洞。通过像这样设置空洞来实现检流计镜360的轻量化。
基板的材质不限于合成石英，也可以使用强度高的碳化硅。在该情况下，要求基板的材质的透过率比较高，以能够在加工点光反射层中对在加工点产生的光进行反射。

Claims (12)

1.一种检流计镜，具备：
透明的基板；
第一反射层，其配置在所述基板的一面侧，对规定波长的激光进行反射；以及
第二反射层，其配置在所述基板的另一面侧，所述第二反射层对所述规定波长以外的波长的光的反射率比所述第一反射层的该反射率高。
2.根据权利要求1所述的检流计镜，其特征在于，
所述基板的热膨胀系数为1.0×10-6/℃以下。
3.根据权利要求1或2所述的检流计镜，其特征在于，
所述基板的透过率针对400nm～2000nm的光为80％/cm以上的透过率。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述基板的材质为合成石英。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述第一反射层由多层膜构成，所述第二反射层由多层膜构成。
6.根据权利要求1～4中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述第一反射层由多层膜构成，所述第二反射层由金属膜构成。
7.根据权利要求1～4中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述第一反射层由多层膜构成，
所述第二反射层由多层膜和配置在所述多层膜的最外表面的金属膜构成。
8.根据权利要求6或7所述的检流计镜，其特征在于，
所述金属膜的材质为金、银、铜或铝。
9.根据权利要求5～7中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述多层膜为高折射率层和低折射率层交替地重复的膜。
10.根据权利要求1～6中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述第二反射层由加强所述基板的强度的肋构成，
在所述肋的内部反射所述规定波长以外的波长的光。
11.根据权利要求1～6中的任一项所述的检流计镜，其特征在于，
所述第二反射层与所述基板构成为一体，并且所述第二反射层由在从与所述基板的旋转轴正交的方向观察时形成为阶梯状的凸状部构成，
在所述凸状部的内部反射所述规定波长以外的波长的光。
12.一种激光加工装置，具备：
根据权利要求1～11中的任一项所述的检流计镜；以及
激光振荡器，其发出向所述检流计镜的所述第一反射层照射的激光。
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