CN112352186B - 导光装置及激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

导光装置包含第一导光部、多面镜、及第二导光部。第一导光部反射并导引从激光产生器照射的激光。多面镜被可旋转地构成，具有以当沿旋转轴方向观察时构成正多边形状的反射面的方式配置的多个反射部(33)，且一面使通过第一导光部导引的光旋转，一面由该反射部(33)进行反射。第二导光部反射由多面镜的反射部(33)反射的激光，且按照每个该反射部(33)导引光以使激光分别照射在工件上。多面镜的反射部(33)，是以使入射的光的光轴朝旋转轴方向偏移而进行反射的方式构成。至少两个反射部(33)，在旋转轴方向上的位置互不相同。

Description

导光装置及激光加工装置
技术领域
本发明主要要涉及一种导光装置，其使用具有多个反射面的镜片来扫描光。
背景技术
过往，沿直线状的扫描线扫描光源的光的技术，已被广泛利用在图象形成装置或激光加工装置等中。专利文献1公开了一种搭载于此种装置上的光学扫描装置。
该专利文献1的光学扫描装置，具备光投射手段及光反射手段。光投射手段具有多面镜，该多面镜通过以旋转的多面镜的正多边形各边的反射面反射从既定方向入射的光，能够一面旋转一面放射光。光反射手段通过多个反射部反射从光投射手段放射的光，且朝既定的扫描线上的任意的被照射点导引。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利第5401629号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在此，在以照射区域成为圆形/点状的方式照射光而对被照射物进行加工、或读取被照射物的信息等情况下，有时希望不移动被照射物而能使照射区域的位置分散(偏移)。关于这点，专利文献1中并未公开此种构成。
本发明鉴于所述情状而完成，其主要的目的在于提供一种导光装置，其能在不移动被照射物的情况下使照射区域的位置分散在宽度方向上。
解决问题所使用的技术方案
本发明所欲解决的问题诚如上所述，以下对用以解决该问题的技术方案及其效果进行说明。
根据本发明的观点，提供以下构成的导光装置。亦即，该导光装置包含第一导光部、多面镜、及第二导光部。所述第一导光部反射并导引从光源照射的光。所述多面镜被可旋转地构成，具有以当沿旋转轴方向观察时构成正多边形状的反射面的方式配置的多个反射部，且一面使通过所述第一导光部导引的光旋转，一面以该反射部进行反射。所述第二导光部反射由所述多面镜的所述反射部反射的光，且按照每个该反射部导引光以使光分别照射在所述被照射物上。所述多面镜的所述反射部，是以使入射的光的光轴朝所述旋转轴方向偏移而进行反射的方式构成。至少两个所述反射部，在所述旋转轴方向上的位置互不相同。
由此，在反射部的旋转轴方向上的位置不同的情况下，照射在被照射物的光的宽度方向的位置也不同。因此，能够在不移动被照射物的情况下使照射区域的位置分散在宽度方向。
发明效果
根据本发明，能够实现一种导光装置，其能在不移动被照射物的情况下使照射区域的位置分散在宽度方向。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的激光加工装置的立体图；
图2是显示从激光产生器照射的激光被照射在工件上的光路的图；
图3是显示多面镜的偏转中心、第一照射反射镜、第二照射反射镜及扫描线的位置关系的示意图；
图4是显示多面镜的反射部的旋转轴方向的位置不同的情况的剖视图；
图5是显示反射光的相对于入射光的偏移量因多面镜的反射部的旋转轴方向的位置不同而变化的情况的图；
图6是用以说明激光的外观上的线宽变宽的情况的图；和
图7是显示根据工件的加工状况使激光的焦点的位置在厚度方向上变化的图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。首先，参照图1，对激光加工装置 1的构成进行说明。图1为激光加工装置1的立体图。激光加工装置1，是通过对工件(被照射物)100照射激光而进行该工件100的加工的装置。
本实施方式的工件100是板状，例如为CFRP(碳纤维强化塑料)。再者，工件100也可为其他材料。另外，工件100不限于板状，例如也可为块体状。再者，将工件100的厚度方向定义为板厚方向。
本实施方式的激光加工装置1用以进行烧蚀加工，该烧蚀加工通过照射激光使工件100蒸发而进行加工。再者，激光加工装置1也可为进行热加工的构成，该热加工通过激光的热量使工件100熔化而进行加工。另外，激光加工装置1进行通过激光来切割工件100的加工。激光加工装置1对工件100进行的加工不限于切割，例如，也可为沿既定形状去除工件100的表面的加工。
再者，激光可为可视光，也可为除可视光以外的波长带的电磁波。另外，在本实施方式中，不仅可视光，连同波长带较其宽的各种电磁波亦称为「光」。
如图1所示，激光加工装置1，具备运送部11、激光产生器(光源)12、及导光装置13。
运送部11是带式输送机，将载置的工件100沿既定方向运送。运送部11 能够沿运送方向运送工件100，并且能使工件100停在既定的位置上。运送部11运送工件100且停在用于进行激光加工的位置上。再者，运送部11也可为辊式输送机，或者也可为夹持工件100进行运送的构成。另外，也能省略运送部 11，对以不能移动的方式固定的工件100照射激光而进行加工。
激光产生器12，通过脉冲振荡产生时宽短的脉冲激光。脉冲激光的时宽虽无特别限制，但以短时间间隔、例如纳秒级、皮秒级或飞秒级产生激光。再者，激光产生器12，也可为通过连续波振荡产生CW激光的构成。
导光装置13导引激光产生器12产生的激光而朝工件100照射。导光装置13以照射聚光于工件100的表面的激光的方式导引该激光，从而切割工件100。
以下，参照图2及图3，详细地说明该导光装置13。如图2所示，导光装置13包含第一导光部20、多面镜30、及第二导光部40。再者，这些光学零件的至少一部分配置在导光装置13的壳体内部。
第一导光部20，由用于将激光产生器12产生的激光导引至多面镜30的光学零件构成。第一导光部20从激光产生器12侧沿激光的光路依序包含导入透镜21、导入棱镜22、第一导入反射镜23、及第二导入反射镜24。
导入透镜21使激光产生器12产生的激光聚焦于焦点上。导入棱镜22、第一导入反射镜23及第二导入反射镜24，将通过导入透镜21的激光朝多面镜30 导引。另外，导入棱镜22、第一导入反射镜23及第二导入反射镜24构成一光学单元，该光学单元在较多面镜30靠近光路上游侧使光路弯曲而用以确保为了使焦点位于工件100的表面上而需要的光程。本实施方式中所示的构成第一导光部20的光学零件，可适宜省略，也能够在导入透镜21与多面镜30之间适宜添加其他的棱镜或反射镜。
如图2所示，多面镜30整体形成为正多边形(本实施方式中为正八边形)。另外，多面镜30被构成为通过传递来自省略图示的电动机的动力而能以例如等角速度进行旋转。多面镜30的旋转轴方向与图2中的视点方向(即、多面镜30 成为正多边形形状的视点方向)相同。
激光产生器12产生且由多面镜30反射的激光，通过第二导光部40导引而被照射在工件100上。此时，激光的照射位置，根据多面镜30的反射面的角度变化而改变。换句话说，当多面镜30旋转时，来自激光产生器12的激光被偏转，激光在该多面镜30上的反射角发生变化。由此，激光在工件100上进行扫描。扫描表示使激光等光的照射位置朝既定方向变化的意思。以下的说明中，将激光的扫描方向简称为扫描方向。工件100是被沿扫描方向进行切割。
多面镜30通过旋转，以使通过第二导入反射镜24导入的激光以等速进行角移动的方式进行放射。第二导光部40反射从多面镜30出射的光且朝扫描线 91导引。随着多面镜30的旋转角变化，照射位置沿着工件100上的扫描线91 依序沿扫描方向移动。
第二导光部40具有多个反射面，适宜反射由多面镜30反射的激光，而朝工件100的表面导引。第二导光部40，包含多个第一照射反射镜41及多个第二照射反射镜42。
下面，参照图3，说明第二导光部40的配置及功能。图3是显示偏转中心 C、第一照射反射镜41、第二照射反射镜42、及扫描线91的位置关系的示意图。
在假定不存在第二导光部40的情况下，如图3的上侧所示，随着多面镜30 的旋转角变化相当于正多边形的一条边的量，激光的焦点(沿着光与激光产生器 12分离既定距离的点)会描绘一圆弧形的轨迹。该轨迹的中心，是通过多面镜30 使激光偏转的偏转中心C，该轨迹的半径，是从该偏转中心C至焦点的光程。另一方面，与圆弧形轨迹不同，扫描线91沿扫描方向线性延伸。于是，从扫描线91上的照射位置至焦点的距离，会根据该照射位置的不同而变化。因此，当考虑从所述偏转中心C至扫描线91上的任意照射位置的光程时，该光程并非恒 定而会根据该照射位置的位置变化。
第二导光部40是为了解决该问题而配备，用以将来自多面镜30的激光至少反射两次之后朝工件100(扫描线91)导引。第二导光部40，分别以自多面镜 30的反射面至工件100上的扫描线91上的任意照射位置的光程在所有照射位置上皆大致一定的方式配置。
本实施方式的第二导光部40，其包含：第一照射反射镜41，其反射来自多面镜30的激光；及第二照射反射镜42，其进一步反射来自该第一照射反射镜 41的激光，该第二导光部40对来自多面镜30的激光进行两次反射。第二导光部40，是由这些第一照射反射镜41及第二照射反射镜42所构成。但也可在第二导光部40中，以反射三次以上的激光的方式配置光学零件。
如上所述，假定不存在第一照射反射镜41及第二照射反射镜42，则随着光的出射角变化，激光的焦点描绘一以偏转中心C为中心的圆弧(以下，称为虚拟圆弧)。虚拟圆弧的半径R，是从偏转中心C至焦点的光程。第一照射反射镜41 及第二照射反射镜42，使从偏转中心C至焦点间的光路弯曲，由此以在工件100 上沿扫描方向大致直线状地延伸的方式转换虚拟圆弧。详细而言，将虚拟圆弧分割而成的分割圆弧DA1、DA2、...的位置，是通过第二导光部40以各弦VC1、 VC2、...的方向与扫描线91大致一致的方式所转换。
亦即，第一照射反射镜41及第二照射反射镜42，分别具有多个反射面，且以分割圆弧DA 1、DA 2、...的弦VC1、VC2、...与扫描方向成为相同方向的方式(与扫描方向并排的方式)使光多次反射，其中，该分割圆弧DA 1、DA 2、...，是按照将来自多面镜30的激光的出射角的范围分割成多个的每个分割角度范围，由沿着光而与激光产生器12分离一定距离的点(焦点)在该分割角度范围内伴随光的出射角变化而描绘的轨迹。
接着，对用以将虚拟圆弧的位置转换成与扫描线91一致的具体方法简单地进行说明，首先，以等间隔分割虚拟圆弧而获得多个分割圆弧DA1、DA2、...。其次，获得与多个分割圆弧DA1、DA2、...分别对应的多个虚拟弦VC1、VC2、...。然后，以多个虚拟弦VC1、VC2、...在工件100上沿扫描方向依序直线状地排列的方式规定第一照射反射镜41及第二照射反射镜42分别具有的反射面的位置及朝向。
由此，当形成扫描线91时，分割圆弧DA1、DA2、...的两端2点被再配置在扫描线91上，分割圆弧DA1、DA2、...(即连接该2点的曲线)被再配置在较扫描线91靠近光轴方向下游侧。激光的焦点，沿着依此方式转换了位置的分割圆弧DA1、DA2、...移动。
当分割虚拟圆弧而获得多个分割圆弧DA1、DA2、...时，分割圆弧DA1、 DA2、...非常近似于与其对应的虚拟弦VC1、VC2、...。因此，从多面镜30的偏转中心C至扫描线91上的任意照射位置的光程，在所有照射位置上大致成为一定。由于分割圆弧DA1、DA2、...与对应的虚拟弦VC1、VC2、...非常近似，因此，每个分割圆弧DA1、DA2、...中的焦点的动作，与沿扫描线91的等速直线运动非常相似。
随着分割圆弧DA1、DA2、...的分割数增加越多，虚拟弦VC1、VC2、... 的中点与分割圆弧DA1、DA2、...的中点之间的距离变得越小，焦点的轨迹越接近于虚拟弦VC1、VC2、...。因此，能够较高地保持光程的一定性。分割数能够根据导光装置13的容许误差而适宜确定。
由此，由于通过第二导光部40而使激光的焦点位于工件100的表面上，因此能够适宜加工工件100的表面。
其中，在本实施方式中，由于以短脉冲的激光加工工件100，因此为了集中能量，加工点的光束直径变得非常小。因此，根据工件100的材料及厚度，需要在相同位置上多次照射激光。然而，在该情况下，有可能造成通过激光形成于工件100的凹槽的形状弯曲，进而引起加工饱和而变得不能进行切割。加工饱和是指激光的能量不能转移至烧蚀而被变化为热。
考虑到所述情况，在本实施方式中，通过导光装置13使激光的照射位置即扫描线91分散，进行工件100的加工。以下，参照图4及图5对该构成进行说明。图4是显示多面镜30的反射部33的旋转轴方向的位置不同的情况的剖视图。图5是显示反射光相对于入射光的偏移量因多面镜30的反射部33的旋转轴方向的位置不同而变化的情况的图。
如图4所示，多面镜30包含旋转轴31、多个支撑体32、及多个反射部33。
如上所述，旋转轴31是用以使多面镜30旋转的轴部件等。旋转轴31通过所述省略图示的电动机，以旋转轴线L1为旋转中心而被旋转驱动。另外，将旋转轴线L1及与其平行的方向称为旋转轴方向。
多个支撑体32是被固定在旋转轴31，且与旋转轴31一体旋转。其中，将以旋转轴线L1为中心朝外侧放射状扩展的方向称为径向。另外，将径向方向上的以远离旋转轴线L1的方式扩展之侧称为径向外侧，且将接近旋转轴线L1之侧称为径向内侧。当沿旋转轴方向观察时，支撑体32以径向外侧的端部构成正多边形的各边的方式排列配置。亦即，支撑体32与多面镜30的正多边形的顶点设为相同数量。另外，如图4及图5所示，在支撑体32的径向外侧的端部形成有三角形的凹槽部，且反射部33配置在该凹槽部中。
反射部33是底角为45度的直角等腰三角形状的棱镜。反射部33以斜边与入射的激光垂直的方式配置。另外，夹着反射部33的斜边的两条边，分别作为第一反射面34及第二反射面35。
根据该构成，入射于反射部33的激光，如图4中的一点点划线所示通过反射而改变行进方向。再者，在本说明书中，省略对激光的行进方向的变化中的扫描方向上的方向变化的说明。如图4所示，入射于反射部33的激光，朝径向内侧行进，且通过第一反射面34反射，使行进方向改变90度后射向第二反射面35。然后，该激光再次由第二反射面35反射，使行进方向再改变90度。也就是说，该激光的入射光与反射光平行，且旋转轴方向的位置不同。
过往，旋转轴方向上的反射部33的位置，在所有反射部33上皆相同，与此相对，在本实施方式中，如图4所示，存在有旋转轴方向上的反射部33的位置不同者。换句话说，反射部33在旋转轴方向上的位置，可在所有反射部33 上皆不同，或者只要一部分反射部33彼此的位置不同，另一部分反射部33彼此的位置也可相同。
另外，如图5所示，通过使反射部33在旋转轴方向上的位置不同，以使激光在旋转轴方向上的偏移量变化。另外，在图5中，以点划线显示某反射部33 及激光等，并且以实线显示旋转轴方向的位置不同的另一反射部33及激光等。如图5所示，当反射部33在旋转轴方向上的位置相差距离L时，由于该距离L 会影响激光的第一反射面34的入射位置与激光的第二反射面35的入射位置双方，因此偏移量变化距离2L
多面镜30的旋转轴方向，与照射在工件100的激光的照射区域的线宽方向 (宽度方向)相同。由此，通过使反射部33的位置不同且偏移量不同，以使激光照射至分散(偏移)在线宽方向上的位置上。
具体而言，如图6上侧的图所示，由多面镜30的一个反射部33反射的激光的各脉冲的照射区域是圆形。通过使这些圆形照射区域在相同方向上重叠，以实现沿既定方向直线状扩展的照射区域。
在此，在下一个反射激光的反射部33的旋转轴方向的位置与前一个反射部 33的旋转轴方向的位置不同的情况下，如图6下侧的图所示，照射区域分散在线宽方向上。尤其是，在本实施方式中，在多面镜30具有的所有反射部33中，以不存在照射区域与其它照射区域分离的激光的方式确定反射部33的位置。换句话说，以通过某反射部33实现的照射区域与通过其他任何的反射部33实现的照射区域重叠的方式确定反射部33的位置。
由此，当使多面镜30旋转一转时通过所有的激光形成沿既定方向直线状扩展的照射区域。因此，能扩大激光的照射区域的外观上的线宽。因此，能够扩大加工区域。另外，由于能防止激光连续地仅照射在相同位置上，因而不易产生所述加工饱和，从而能够以短时间确实地切割工件100。
接着，参照图7，对根据工件100的加工状况使激光的焦点位置相对地接近工件100的加工位置的构成进行说明。
如图7所示，通过激光使工件100蒸发或熔化而进行去除，以改变工件100 的表面的位置(即，加工位置)。具体而言，加工位置是在板厚方向上、详细而言朝激光照射方向的下游侧变化。
因此，在本实施方式中，使激光的焦点位置的相对于工件100的加工位置的相对位置变化，使焦点位置与加工位置相对地接近。再者，作为激光的焦点位置的相对位置的变化方法，例如，具有使工件100朝激光照射方向的上游侧移动的方法等。由此，由于能使激光聚光在加工位置，因此能够有效地加工工件100。
在此，由于在如过往那样不能于线宽方向上改变激光的照射区域的构成中加工槽的宽度较窄，因此当使焦点位置变化时，若加工槽变深，则激光可能照射至边缘部E。在该情况下，由于能量在该边缘部E被消耗，因此焦点位置的热密度降低，进而有可能产生加工饱和而使加工变得困难。
关于这点，在本实施方式中，由于使激光的照射区域在线宽方向上变化，因此能够扩大加工槽的宽度，且激光的照射区域的外观上的线宽变宽。因此，通过使焦点位置变化，外观上的线宽中央部的激光不易受边缘部E的影响。其结果，能够防止加工饱和的产生，从而能适宜地继续加工。
其中，为了根据工件100的加工槽的深度进行使激光的焦点位置相对地接近于工件100的加工位置的控制，需要预估或检测工件100的当前的加工槽的深度。具体而言，能够根据激光的照射次数、及加工开始后的经过时间等来预估工件100的加工槽的深度，或者也能通过光或音波等检测工件100的形状，来检测工件100的加工槽的深度。通过使用依此方式获得的加工槽的深度，能够根据加工槽的深度，调整激光的焦点位置。另外，对于一次激光加工(在本实施方式中一个工件100的切割)，焦点位置的变更次数可为一次，也可为多次。
如以上说明，本实施方式的导光装置13，包含第一导光部20、多面镜30、及第二导光部40。第一导光部20反射并导引从激光产生器12照射的激光。多面镜30被可旋转地构成，具有以当沿旋转轴方向观察时构成正多边形状的反射面的方式配置的多个反射部33，且一面使通过第一导光部20导引的光旋转，一面由该反射部33进行反射。第二导光部40反射由多面镜30的反射部33反射的激光，且按照每个该反射部33导引光以使激光分别照射在工件100上。多面镜30的反射部33，以使入射的激光的光轴朝旋转轴方向偏移而进行反射的方式构成。至少两个反射部33，在旋转轴方向上的位置互不相同。
由此，在反射部33的旋转轴方向的位置不同的情况下，照射至工件100的激光的线宽方向的位置也不同。因此，能不移动工件100而使激光的照射区域的位置分散在线宽方向。
另外，在本实施方式的导光装置13中，多面镜30旋转一转时照射在工件 100上的多条光的各照射区域，与至少一个其他照射区域在线宽方向重叠。
由此，能够无缝隙地将激光照射在工件100上，从而能够增加照射区域的外观上的线宽。
另外，本实施方式的激光加工装置1，包含导光装置13及激光产生器12。激光产生器12产生激光。
由此，由于能照射使照射区域的位置分散在线宽方向上的激光，因此能够有效地加工各种各样的材料。
另外，在本实施方式的激光加工装置1中，工件100是板状。以照射区域重叠的方式多次对工件100照射激光。激光加工装置1，根据工件100的加工槽的深度，使激光的焦点位置相对地接近工件100的加工位置。
由此，即使在工件100的加工作业正进行中且加工槽变深的情况下，也能够使焦点位置接近于加工位置。
以上尽管对本发明的优选实施方式进行了说明，但所述构成例如能依如下方式进行变更。
在所述实施方式中，虽然旋转轴方向上的多面镜30(反射部33)的位置固定且不能变化，但也能设置用以使旋转轴方向上的多面镜30(反射部33)的位置变化的可调螺栓(位置调整件)等。可调螺栓，能够设置于所有多面镜30上，也能够仅设置于一部分的多面镜30上。
在本实施方式中，反射部33是棱镜，但也能够为在与第一反射面34及第二反射面35对应的位置分别配置反射镜的构成。
在所述实施方式中，说明了将导光装置13应用在激光加工装置1上的例子，但也能够将导光装置13应用在例如图象形成装置等其他装置上。再者，图象形成装置，是对感光鼓照射光而形成调色剂图象的装置。在该情况下，能够使用除了激光以外的光源(例如，LED灯)作为光源。
附图标记说明
1 激光加工装置
2 激光产生器(光源)
13 导光装置
20 第一导光部
30 多面镜
31 旋转轴
32 支撑体
33 反射部
34 第一反射面
35 第二反射面。
40 第二导光部
100 工件(被照射物)。

Claims (4)

1.一种导光装置，其特征在于，具备：
第一导光部，其反射并导引从光源照射的光；
多面镜，其被可旋转地构成，具有以当沿旋转轴方向观察时构成正多边形状的反射面的方式配置的多个反射部，且一面使通过所述第一导光部导引的光旋转，一面由该反射部进行反射；及
第二导光部，其反射由所述多面镜的所述反射部反射的光，且按照每个该反射部导引光以使光分别照射在被照射物上；
所述多面镜的所述反射部，是以使入射的光的光轴朝所述旋转轴方向偏移而进行反射的方式构成，
至少两个所述反射部，在所述旋转轴方向上的位置互不相同，
其中，在所述旋转轴方向上的位置不同的两个所述反射部使光在偏移并反射时的偏移量不同。
2.根据权利要求1所述的导光装置，其中，所述多面镜旋转一转时照射在所述被照射物上的多条光的各照射区域，与至少一个其他照射区域在宽度方向上重叠。
3.一种激光加工装置，其特征在于，具备：
根据权利要求1或2所述的导光装置；及
所述光源，其产生激光。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其中，
所述被照射物是板状，
以照射区域在宽度方向上重叠的方式多次对所述被照射物照射激光，
根据所述被照射物的加工槽的深度，使所述激光的焦点位置相对地接近所述被照射物的照射位置。
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