CN1125999C - 激光束准直装置及应用该装置的激光加工机 - Google Patents

Abstract

一种激光束准直装置及应用该装置的激光加工机，对准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而是从镜架的背侧由压板的支承部进行支承，并在比压板的支承部还靠近中心的位置从表侧由镜架的支承部对准直镜进行支承，可由作动器等加压装置从背侧对压板进行加压，由冷却板间接地冷却准直镜的周缘部分。可使准直镜容易变成具有精度良好的理想的抛物面，从而可始终以一定的能量密度加工被加工物。

Description

激光束准直装置及应用该装置的激光加工机

本发明涉及激光束准直装置(准直仪)及使用该装置的激光加工机，详细地说，涉及通过控制在激光束的光路中配置的反射镜的曲率而可控制激光束的束径与焦点位置的准直装置以及应用该装置的激光加工机。

作为以往的例如切割平板状被加工物的加工装置之一，有激光加工机。该激光加工机一般具有从激光振荡器到加工头内的激光束聚光用的透镜的光路长度是固定的光轴固定方式和从激光振荡器到加工头内的激光束聚光用的透镜的光路长度在加工中可变化的光扫描方式。

在光扫描方式的激光加工机中，由于从激光振荡器到聚光用的透镜的光路长度不固定，故射入该聚光用透镜的激光束的束径发生变化，由此，在聚光位置的束径不固定，恐有给被加工物的切割面带来不良影响之虞。

因此，为使加工中射入聚光用透镜的激光束的束径保持成固定，开发了一种在将由激光振荡器振荡的激光束变换成不会发散与收敛地沿光轴前进的准直光后，使其射入聚光用透镜的光扫描方式的激光加工机。对于具有将激光束变换成准直光的准直装置的激光加工机，揭示在日本发明专利公开1989年第166894号公报上。

图14表示日本发明专利为1989年6月30日公开的JP-166894A的激光加工机的构成。

该现有的激光加工机具有：通过由全反射镜3与部分反射镜4夹住激光的激发介质2而构成光谐振器以射出激光束的激光振荡器1、将从该激光振荡器1射出的激光束5a(图中用点划线表示)变换成准直光5b(图中用点划线表示)的激光束准直装置6B、将由该准直装置6B变换成的准直光5b反射而使其光路的方向变换90度的平面反射镜7、被射入由平面反射镜7反射后的准直光5b的加工头8、对激光束准直装置6B的准直镜11的曲率进行控制的准直控制装置15、对射入到加工头8内的聚光透镜9的准直光5b的束径进行检测的束径检测机构13、NC(Numerical Control：数值控制)装置14及由NC装置14驱动控制的驱动机构(图示省略)。

在准直装置6B内，设有曲率R可变化的准直镜11及为抑制象差而以小角度使激光束5a射入准直镜11用的平面镜12。

准直镜11的曲率根据由准直控制装置15生成、输出的控制信号S16来控制。

当在全反射镜3与部分反射镜4所构成的光谐振器内部产生激光谐振时，则其一部分从部分反射镜4到激光振荡器1的外部成为激光束5a而被振荡。在该激光振荡器1的外部振荡的激光束5a，通过准直装置6B后由平面反射镜7反射，方向改变90度，然后射入加工头8的聚光透镜9，由聚光透镜9聚光而照射到被加工物10上。聚光、照射到被加工物10上的激光束，通过由NC装置14控制的驱动机构(未图示)而可在被加工物10上任意移动，从而可将被加工物10加工成所希望的形状。

另外，在加工中，由束径检测机构13对射入到聚光透镜9的准直光5b的束径进行检测。并且由NC装置14对检测后的束径是否成为所希望的直径进行判断，当检测后的束径不是所希望的直径时，控制信号S16由准直控制装置15送向准直装置6B。由此改变准直镜11的曲率R，以使射入到聚光透镜9的准直光5b的束径成为所希望的直径。

图15表示现有的激光束准直装置6B。该准直装置6B包括：圆盘状的准直镜11；由对该准直镜11的背面中央部从背侧施加压力的压电元件所构成的作动器17；容纳该作动器17及准直镜11、且兼作固定准直镜11周缘的固定装置的镜架18A。

当通过信号线16而将来自准直控制装置15(参照图14)的驱动控制信号S16送向作动器17时，作动器17以根据该驱动控制信号S16的力而按压准直镜11的背面。因此，周缘固定在镜架18A上的准直镜11产生变形，其曲率发生变化。

这里，如图15所示，对圆盘状的准直镜11的周缘进行固定，若准直镜有效半径设为a，板的弯曲合成设为D，则在用负荷P按压中央部时处于任意半径r的弯曲量W用如下的(1)式表示： $W=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{16\mathrm{\πD}}\{1-(1+2\ln \frac{a}{r})\frac{r^2}{a^2}\}\…\…\left(1\right)$

从该(1)式得知，任意半径r的弯曲量W不是半径r的二次函数。

此外，在日本发明专利为1989年6月30日公开的JP1-166894A号公报中，做成了通过使作用于准直镜11背面的气体(或液体)的压力变化而使准直镜11的曲率发生变化的结构。

但在上述现有的激光束准直装置中，虽然可改变准直镜11的曲率，然而由于准直镜11的周缘固定在镜架18A上，故要使曲率产生变化需较大的力，存在着准直镜11的反射面不能成为理想的抛物面(参照上式(1))、激光束的聚光性等降低而不能始终以一定状态对被加工物10进行加工的问题。

另外，当作动器17使用压电元件时，由于压电元件只能产生按压方向的力，故只能单纯地按压准直镜11的背面，只能使准直镜11的反射面变成凸面镜，即，存在着不能使其变成凹面镜的缺点。

此外，在通过由束径检测机构13检测出射入到加工头8内的聚光透镜9的准直光5b的束径来对因射入准直光(激光束)而导致准直镜11的热变形所带来的束径变化进行控制的上述现有的激光加工机中，存在着束径检测机构13跟不上因准直镜11的热变形所带来的束径的变化速度、不能始终以高精度对射入到聚光透镜9的准直光5b的束径进行固定控制的问题。此外，必须设置将高价的束径检测机构13安装在加工头8上的空间，且束径检测机构13的安装是困难的。

鉴于上述的缺点，本发明的目的在于，提供一种可容易地使准直镜变化成具有良好精度的理想抛物面的激光束准直装置以及始终能以固定的能量密度对被加工物进行高精度加工的激光加工机。

为达到上述目的，对于本发明的激光束准直装置，即在射入激光束、且可将该射入后的激光束变换成准直光的激光束准直装置中，其特点在于，具有：在使射入的激光束反射而射出的同时、其反射面可变形成曲率可变化的准直镜；对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜的反射面周缘或周缘附近接触的、从反射面一侧支承所述准直镜的支承装置；从反射面的背侧对所述准直镜的中心部或对比所述支承装置的支承部位还偏向中心的部位可加压的加压装置。

该发明与现有的准直镜周缘被固定的结构的激光束准直装置相比较，由于以较小的力就可获得准直镜中心部分的相同的弯曲量，故能以更小的力使准直镜变形成具有所希望曲率的反射面的凸面镜。

对于其次的本发明的激光束准直装置，即在射入激光束、并将该射入后的激光束可变换成准直光的激光束准直装置中，其特点在于，具有：在使射入的激光束反射而射出的同时、其反射面可变形成曲率可变化的准直镜；对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜的反射面周缘或与比周缘附近还偏向中心的部位接触的、从反射面一侧支承所述准直镜的第1支承装置；对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜反射面的背侧面的周缘或与比所述第1支承装置的支承部位还偏向周缘的部位接触的、从反射面的背侧支承所述准直镜的第2支承装置；在所述准直镜一侧对所述第2支承装置可加压的加压装置。

该发明可使准直镜变形成具有所希望曲率的曲面的凹面镜。

对于如下的本发明的激光束准直装置，即在射入激光束、并将该射入后的激光束可变换成准直光的激光束准直装置中，其特点在于，具有：在使射入的激光束反射而射出的同时、其反射面可变形成曲率可变化的准直镜；对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜的反射面周缘或周缘附近接触的、从反射面一侧支承所述准直镜的第1支承装置；对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜反射面的背侧面的比所述第1支承装置的支承部位还偏向中心的部位接触的、从反射面的背侧支承所述准直镜的第2支承装置；在所述准直镜一侧对所述第2支承装置可加压的加压装置。

该发明可使准直镜变形成具有所希望曲率的曲面的凸面镜。

对于如下的本发明的激光束准直装置，其特点在于，在所述加压装置未加压的状态下，所述准直镜的反射面呈凹状的曲面。

该发明可使准直镜在从凹面镜到凸面镜的宽大的曲率范围内任意变化。

对于如下的本发明的激光束准直装置，其特点在于，在所述加压装置未加压的状态下，所述准直镜的反射面呈凸状的曲面。

该发明可使准直镜在从凸面镜到凹面镜的宽大的曲率范围内任意变化。

对于如下的本发明的激光束准直装置，其特点在于，所述第1支承装置及所述第2支承装置同心圆状地与所述准直镜接触。

采用本发明，作用于准直镜的力起到以第1或第2支承装置为支点的力矩的作用，且通过该力矩而使准直镜弯曲。

对于如下的本发明的激光束准直装置，其特点在于，具有对靠近所述准直镜的周缘部分进行间接冷却的冷却装置。

该发明可对因吸收激光束后的热量所带来的准直镜的变形进行修正。

对于如下的本发明的激光束准直装置，其特点在于，具有对所述准直镜的变形量进行检测的检测装置。

该发明由于用检测装置可检测准直镜的变形量，故可根据其检测结果来控制准直镜的曲率。

对于如下的本发明的激光加工机，其特点在于，具有：射出激光束的激光振荡器；射入从所述激光振荡器射出的激光束且将所述激光束变换成准直光的激光束准直装置；根据所述激光束准直装置的由对同一激光束准直装置内的准直镜的变形量进行检测的检测装置所测出的所述准直镜变形量的结果而对同一激光束准直装置内的加压装置进行控制的准直控制装置。

该发明由于准直镜的曲率控制的灵敏度能充分跟上准直镜的热变形变化的速度及光路长度变化的速度，故能即时控制准直镜的曲率。

对于如下的本发明的激光加工机，其特点在于，具有根据所述检测装置所检测出的准直镜变形量的结果而使所述激光振荡器停止驱动的连锁机构。

该发明当激光束准直装置产生不良动作或准直控制装置产生误动作时，可使激光振荡器停止驱动。

对于如下的本发明的激光加工机，其特点在于，具有对由所述连锁机构使所述激光振荡器停止驱动予以通知的通知装置。

该发明可将激光束准直装置产生的不良动作或准直控制装置产生的误动作及加工线的停止迅速通知给激光加工机的操作者。

对于如下的本发明的激光加工机，包括：通过激发激光介质而输出激光的激光振荡器；使来自所述激光振荡器的激光光学性聚光的加工头；对由所述加工头聚光后的激光的位置与被加工物的相对位置关系进行控制而使所述加工头移动到所需位置上的NC装置及驱动机构，在该激光加工机中，通过利用设在所述激光振荡器与加工头之间的可使准直镜的曲率变化的准直机构而使束径与聚光位置主动地变化，以便使聚光在加工头中的激光束适合于加工。

该发明为使束径与聚光位置主动地变化以便使聚光在加工头中的激光束适合于加工，应用了可使设在激光振荡器与加工头之间的准直镜的曲率变化的准直机构。

附图的简单说明

图1是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第1实施例的剖视图。

图2是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第1实施例的部分放大剖视图。

图3是表示作为本发明激光束准直装置一适用例子的激光加工机的大致方框图。

图4是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第2实施例的剖视图。

图5是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第2实施例的部分放大剖视图。

图6是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第2实施例变形例的部分放大剖视图。

图7是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第3实施例的剖视图。

图8是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第3实施例的部分放大剖视图。

图9是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第3实施例变形例的部分放大剖视图。

图10是表示本发明激光束准直装置的准直镜部第4实施例的剖视图。

图11是表示本发明激光加工机一例子的大致方框图。

图12是表示本发明激光加工机中光路的示意图。

图13是表示本发明激光加工机另一例子的大致方框图。

图14是表示现有激光加工机的大致方框图。

图15是表示现有激光束准直装置的准直镜部的剖视图。

第1实施例

下面，就本发明激光束准直装置的第1实施例进行说明。

作为本发明激光束准直装置一适用例子的激光加工机的概况表示于图3。该激光加工机具有：射出激光束的激光振荡器1；将从该激光振荡器1射出的激光束5a(图中用点划线表示)变换成准直光5b(图中用点划线表示)的激光束准直装置6；将由该准直装置6变换而成的准直光5b反射并使其光路的方向变换90度的平面反射镜7；被射入由平面反射镜7反射后的准直光5b的加工头8。

在准直装置6内，设有曲率R可变化的准直镜11及为抑制象差而以小角度使激光束5a射入准直镜11用的平面镜12。

并且，激光加工机具有对准直镜11的曲率进行控制的准直控制装置15。准直镜11的曲率根据该准直控制装置15所产生、输出的控制信号S16而变化。

射入到加工头8后的准直光5b，由加工头内的聚光透镜9聚光而成为收敛的激光束并照射到被加工物10上。加工头8可通过由NC装置14控制的驱动机构(图示省略)而在被加工物10上的任意位置进行移动。

图1表示激光束准直装置的准直镜部的第1实施例。该激光束准直装置具有准直镜部，其包括：圆盘状的准直镜11、从背侧对该准直镜11的背面中央部施加压力的作动器17等的加压装置、作为容纳所述加压装置及准直镜11的盒体并从表侧(本说明书中以准直镜11的反射面作为表侧)对准直镜11的周缘或周缘附近进行支承的镜架18、以及从准直控制装置15(参照图3)传递到作动器17等加压装置的作动器17等的驱动控制信号(S16)用的信号线16。

并且，通过根据用信号线16从准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)而驱动作动器17等，从背侧按压准直镜11的中央部。因此，从表侧由镜架18支承周缘或周缘附近的准直镜11弯曲成其中央部向表侧鼓出的状态，则曲率变化。

镜架18的从表侧支承准直镜11的支承部19，形成为与圆盘状的准直镜11及作动器17等其它结构要素构成同心圆的状态，以单纯支承准直镜11。

也就是说，当作动器17等的中心轴(未图示)通过准直镜11的中心位置并且镜架18的支承部19与准直镜11的接触部分的形状是环状时，就通过该环状形状的中心位置。或者，当作动器17等的中心轴(未图示)通过准直镜11的中心位置并且镜架18的支承部19与准直镜11的接触部分的形状不是环状时，则镜架18的支承部19形成且配置成通过与镜架18支承部19和准直镜11的整个接触部分外接的圆的中心位置的状态。

并且，准直镜11不是固定在镜架18上，而是通过从镜架18的背侧由作动器17等支承其中心部并从表侧由镜架18的支承部19支承其周缘或周缘附近保持在镜架18内。

镜架18的支承部19既可例如环状地与准直镜11线接触，也可在多个部位圆弧状地线接触，也可至少用3点作点接触。

不特别限定作动器17等，而可使用例如压电元件。这是因为压电元件适合于根据控制信号S16而使作动器17等动作量微小变化、从而可高精度地对准直镜11的背面施加压力的缘故。

图1所示结构的准直镜部的作用如下。即，当作动器17等获得由准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)时，则开始驱动，如图2箭头所示，以对应于所获得的控制信号的力从背侧按压准直镜11的中央部。因此，如图2所示，准直镜11弯曲成其中央部向表侧鼓出的状态，变化成具有与控制信号对应的曲率的凸面镜。

这样，通过将准直镜11做成不固定在镜架18上而单纯予以支承的那样的结构，与现有的准直镜的周边部被固定的结构(参照图15)相比，能以较小的力而获得准直镜11中心部分的相同的弯曲量。

具体地说，对于使图1所示结构的准直镜11中心部分与现有结构(参照图15)的中心部分相同程度地弯曲而需要的力F，与现有技术所需要的力F0的关系用如下的(2)式表示，其中ν是泊松比(0＜ν＜0.5)。 $F=\frac{1+\mathrm{\ν}}{3+\mathrm{\ν}}F0\…\…\left(2\right)$

这里，就上述(2)式的导出过程进行说明。对产生最大弯曲量的中心部分的弯曲量在相同情况下所需的力进行比较。当比较中心部分的弯曲量时，(2)式可从对于平板弯曲的公知事实(清家政一郎所著的「工程基础材料力学」、共立出版P136～138/日本机械学会所编的「机械工程手册基础篇A4材料力学」第5章“平板的弯曲”)而简单地导出。

当设载荷为P₀、准直镜的有效半径为a、板的弯曲合成为D时，在圆盘状的准直镜周边固定且中心受到集中载荷的情况下所获得的任意半径r的弯曲量W₁用如下的(3)式表示。 $W_1=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{16\mathrm{\πD}}\{1-(1+2\ln \frac{a}{r})\frac{r^2}{a^2}\}\…\…\left(3\right)$

上述(3)式的第2项，由于r→0时成为0，故获得最大弯曲量的中心的弯曲量W_1max用如下的(4)式表示。 $W_{1\max }=\frac{P_0{a}^2}{16\mathrm{\πD}}\…\…\left(4\right)$

然后，当设载荷为P、泊松比为ν、其它记号与上述(1)式相同时，单纯支承相同形状的准直镜且在中心受到集中载荷的情况下所获得的任意半径r的弯曲量成立如下的(5)式。 $W_2=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{16\mathrm{\πD}}\{\frac{3+\mathrm{\ν}}{1+\mathrm{\ν}}(1-\frac{r^2}{a^2})-2\frac{r^2}{a^2}\ln \frac{a}{r}\}\…\…\left(5\right)$

另外，获得与上述(4)式同样最大弯曲量的中心的弯曲量W_2max，用如下的(6)式表示。 $W_{2\max }=\frac{{\mathrm{Pa}}^2(3+\mathrm{\ν})}{16\mathrm{\πD}(1+\mathrm{\ν})}\…\…\left(6\right)$

这里，设W_1max＝W_2max，则由上述(4)式、(6)式，成立如下的(7)式而可导出上述(2)式。 $P=P_0\frac{3+\mathrm{\ν}}{1+\mathrm{\ν}}\…\…\left(7\right)$

因此，在例如铜的ν约为0.3的情况下，对于使图1所示结构的准直镜11中心部分与现有结构(参照图15)的中心部分相同程度地弯曲，只要用现有技术所需力的大约2/5的力即可。

采用上述实施例，由于用镜架18的支承部19从表侧单纯地支承准直镜11，而不是将其周缘或周缘附近进行固定，并且，用作动器17等的加压装置从背侧可对准直镜11的背面中央部进行加压，故与现有技术的准直镜的周缘被固定的结构(参照图15)相比，能以较小的力而获得准直镜11中心部分的相同的弯曲量，能以较小的力使准直镜11变形成具有所需曲率的反射面的凸面镜。

不言而喻，本发明的激光束准直装置也可适用于利用准直装置将激光束变换成准直光的其它装置，而不限于上述那样的激光加工机(在其它实施例中也一样)。

第2实施例

图4表示激光束准直装置的准直镜部的第2实施例。

该激光束准直装置具有准直镜部，其主要包括：由圆盘状的平板构成的准直镜11、对该准直镜11的周缘或周缘附近不进行固定而从背侧单纯进行支承的具有第2支承部21的压板20、从背侧对该压板20的背面中央部施加压力的作动器17等的加压装置、作为容纳所述加压装置和压板20以及准直镜11的盒体并对靠近准直镜11周缘的部分不进行固定而从表侧单纯予以支承的具有第1支承部19的镜架18、以及从准直控制装置15(参照图3)传递到作动器17等加压装置的作动器17等的驱动控制信号(S16)用的信号线16。

并且，通过根据用信号线16从准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)而驱动作动器17等，从背侧按压压板20而向表侧移动，由压板20的第2支承部21从背侧按压准直镜11的周缘部分。因此，由镜架18的第1支承部19从表侧来支承偏向周缘部分的准直镜11弯曲成其中央部向背侧凹入的状态，则曲率发生变化。

镜架18的第1支承部19及压板20的第2支承部21均形成为与圆盘状的准直镜11及作动器17等其它结构要素构成同心圆的状态，以单纯支承准直镜11。

也就是说，镜架18的支承部19及压板20的支承部21形成且配置成作动器17等中心轴(未图示)通过准直镜11的中心位置并通过镜架18支承部19及压板20支承部21的中心位置(所述支承部19、21与准直镜11的接触部分的形状为环状的情况)的状态。

当镜架18的支承部19或压板20的支承部21与准直镜11的接触部分的形状不是环状时，则成为作动器17等的中心轴(未图示)通过与镜架18支承部19和准直镜11的整个接触部分外接的圆的中心位置的状态，或成为通过与压板20支承部21和准直镜11的整个接触部分外接的圆的中心位置的状态。

并且，准直镜11不是固定在镜架18上，而是通过从镜架18的背侧由压板20的支承部21支承其周缘或周缘附近并在比压板20支承部21还中心侧的位置从表侧由镜架18的支承部19支承来保持在镜架18内。

镜架18的第1支承部19及压板20的第2支承部21中都既可例如环状地与准直镜11线接触，也可在多个部位圆弧状地线接触，也可至少用3点作点接触。

不特别限定作动器17等，但与上述第1实施例相同，可使用压电元件。通过使用压电元件，可高精度地对压板20的背面进行加压，从而可高精度地控制准直镜11的曲率。

另外，在图4所示的激光束准直装置中，在支架30a上安装有对到准直镜11的背面中心位置的距离进行计测的间隙传感器30。作为本例中可使用的传感器，例示了涡流式传感器和静电电容式传感器。

通过由该间隙传感器30对到准直镜11的背面中心位置的距离进行计测，并将其反馈到准直镜11的曲率控制机构中，从而可始终适当地保持准直镜11的曲率，能以极高的精度固定地保持由聚光透镜9聚光后的激光束的束径和聚光位置。

这里，间隙传感器30具有起到检测准直镜11变形量的检测装置的功能。另外，图4中，符号31所表示的是将间隙传感器30的检测信号予以传递的信号线。

图4所示结构的准直镜部的作用如下。即，当作动器17等获得由准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)时，则开始驱动，如图5箭头所示，以对应于所获得的控制信号的力从背侧按压压板20的中央部。

因此，压板20向表侧移动，从背侧按压准直镜11的周缘。从背侧按压准直镜11周缘的力，在准直镜11上起到以镜架18支承部19为支点的力矩作用。

如图5所示，利用该力矩，准直镜11弯曲成其中央部向背侧凹入的状态，变化成具有与控制信号对应的所需曲率的凹面镜。

这里，当压板20支承部21的半径表示为b(假定支承部21和准直镜11的接触部分的形状为环状时)、载荷表示为P、准直镜的有效半径为a、泊松比为ν以及板的弯曲合成为D时，从准直镜11的中心位置到任意半径r的弯曲量W，用如下的(8)式表示。 $W=\frac{{\mathrm{Pb}}^2}{16\mathrm{\πD}}\{1-(\frac{(3+\mathrm{\ν})b^2-(1-\mathrm{\ν})r^2}{2(1+\mathrm{\ν})b^2}(1-\frac{a^2}{b^2})-\frac{a^2+r^2}{b^2}\ln \frac{b}{a})\}\…\…\left(8\right)$

在上述(8)式的导出过程中，可从对于平板弯曲的公知事实(日本机械学会所编的「机械工程手册基础篇A4材料力学」第5章“平板的弯曲”)而简单地导出。

从上述(8)式可知，从准直镜11的中心位置到任意半径r的弯曲量W是以半径r为变数的2次式，即，激光束的反射面成为构成抛物面的凹面。

另外，我们知道，通过使准直镜的有效半径a、压板20支承部21的半径b及压板20的按压力P变化，可改变准直镜11的曲率变化的范围。

采用第2实施例，由于不是将准直镜11的周缘或周缘附近进行固定，而是用压板20的支承部21从准直镜11的背侧进行支承，并且在比压板20支承部21还中心侧的位置从表侧由镜架18的支承部19来支承准直镜11，由作动器17等的加压装置从背侧可对压板20施加压力，故可使准直镜11变形成具有所需曲率的曲面的凹面镜。

另外，在上述第2实施例中，准直镜11在处于作动器17等加压装置未产生载荷作用的初期状态下由圆盘状的平板构成，如图5所示，由作动器17等的驱动使其变化成凹面镜，但不限于此，也可如图6中用实线所示那样，在初期状态下为凸面镜，通过作动器17等的驱动使其变化成用双点划线表示的凹面镜。

这样，因可使准直镜11在从凸面镜到凹面镜的宽大的曲率范围内任意变化，则使用它的激光加工机由于可在更宽大的范围内防止激光束的聚光性等的降低，故可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

第3实施例

图7表示激光束准直装置的准直镜部的第3实施例。

该激光束准直装置具有准直镜部，其主要包括：由圆盘状的平板构成的准直镜11；对该准直镜11的周缘还偏向中心的位置不进行固定而从背侧单纯进行支承的具有第2支承部21的压板20；从背侧对该压板20的背面中央部施加压力的由压电元件等构成的作动器17等的加压装置；作为容纳所述加压装置和压板20以及准直镜11的盒体并对准直镜11的周缘或周缘附近(比第2支承部21的支承部位还外侧的位置)不进行固定而从表侧单纯予以支承的具有第1支承部19的镜架18；以及从准直控制装置15(参照图3)传递到作动器17等的加压装置的作动器17等的驱动控制信号(S16)用的信号线16。

并且，通过根据用信号线16从准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)而驱动作动器17等，从背侧按压压板20而向表侧移动，由压板20的第2支承部21从背侧按压比准直镜11的周缘还偏向中心的部分。

因此，从表侧由镜架18的第1支承部19来支承周缘或周缘附近部分的准直镜11弯曲成其中央部向表侧鼓出的状态，则曲率发生变化。

与上述第2实施例相同，镜架18的第1支承部19及压板20的第2支承部21均形成为与圆盘状的准直镜11及作动器17等其它结构要素构成同心圆的状态，以单纯支承准直镜11。

也就是说，镜架18的支承部19及压板20的支承部21形成且配置成作动器17等中心轴(未图示)通过准直镜11的中心位置并通过镜架18支承部19及压板20支承部21的中心位置(所述支承部19、21与准直镜11的接触部分的形状为环状的情况)的状态。

当镜架18的支承部19或压板20的支承部21与准直镜11的接触部分的形状不是环状时，则成为作动器17等的中心轴(未图示)通过与镜架18支承部19和准直镜11的整个接触部分外接的圆的中心位置的状态，或成为通过与压板20支承部21和准直镜11的整个接触部分外接的圆的中心位置的状态。

并且，准直镜11不是固定在镜架18上，而是通过从表侧由镜架18的支承部19支承其周缘或周缘附近并在比镜架18的支承部19还靠近中心的位置从准直镜11的背侧由压板20的支承部21支承而保持在镜架18内。

与上述第2实施例相同，镜架18的第1支承部19及压板20的第2支承部21都既可例如环状地与准直镜11线接触，也可在多个部位圆弧状地线接触，也可至少用3点作点接触。

另外，在如图7所示的激光束准直装置中，与上述第2实施例相同，在支架30a上安装有涡流式或静电电容式间隙传感器30，以对到准直镜11的背面中心位置的距离进行计测，将其反馈到准直镜11的曲率控制机构中。另外，图7中符号31是传递间隙传感器30检测信号的信号线。

图7所示结构的准直镜部的作用如下。即，当作动器17等获得由准直控制装置15(参照图3)送来的控制信号(S16)时，则开始驱动，如图8箭头所示，以对应于所获得的控制信号的力从背侧按压压板20的中央部。

因此，压板20向表侧移动，从背侧对准直镜11的周缘还偏向中心的部分进行按压。由于从表侧由镜架18的支承部19来支承准直镜11的周缘，故准直镜11如图8所示，弯曲成其中央部向表侧鼓出的状态，变化成具有与控制信号对应的曲率的凸面镜。

采用第3实施例，由于对准直镜11的周缘或周缘附近不进行固定而从表侧由镜架18的支承部19进行支承，并且在比镜架18的支承部19还靠近中心的位置，从准直镜11的背侧由压板20的支承部21来支承准直镜11，由作动器17等的加压装置从背侧可对压板20施加压力，故可使准直镜11变形成具有所需曲率的曲面的凸面镜。

另外，在上述第3实施例中，准直镜11在处于作动器17等加压装置未产生载荷作用的初期状态下由圆盘状的平板构成，如图8所示，由作动器17等的驱动使其变化成凸面镜，但不限于此，也可如图9中用实线所示那样，在初期状态下为凹面镜，通过作动器17等的驱动使其变化成用双点划线表示的凸面镜。

这样，因可使准直镜在从凹面镜到凸面镜的宽大的曲率范围内任意变化，则使用它的激光加工机由于可在更宽大的范围内防止激光束的聚光性等的降低，故可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

第4实施例

图10表示激光束准直装置的准直镜部的第4实施例。

该激光束准直装置具有与图4所示的上述第2实施例相同结构的准直镜部，即具有：准直镜11、有第2支承部21的压板20；作动器17等的加压装置：有第1支承部19的镜架18；含有间隙传感器30及信号线16、31结构的准直镜部；以及安装在该准直镜部的反射激光束侧的端面上的冷却板40。

另外，因由准直镜11、压板20、作动器17等加压装置、镜架18、间隙传感器30及信号线16、31所构成的准直镜部的结构与作用等与上述第2实施例相同，故省略其详细说明。

冷却板40上设有流通冷却水的水路45。并且，该水路45与冷却水的供给装置连接，通过供给冷却水，就可冷却准直镜部。

并且，在冷却板40上设有通过激光束的窗部41。

图10所示结构的准直镜部的作用如下。例如准直镜11通过将具有如图10中用符号50所示那样的强度分布的激光束进行反射，则从该激光束吸收的热量经镜架18的支承部19而传导给镜架18，再传导给冷却板40。

如上所述，当在准直镜11的中心射入强度高的热量、并且准直镜11受到镜架18的开口部的端部间接的冷却时，则可明白，准直镜11因热量而以近似于抛物面的形状鼓出。

因此，即使在因吸收了激光束的热量的缘故而使准直镜11变形的情况下，也可加上其变形量，对准直镜11曲率的变形量进行控制，从而可修正因吸收了激光束热量而带来的准直镜11的变形。

采用第4实施例，由于通过由冷却板40冷却镜架18开口部的端部而间接地冷却准直镜11的周缘部分，且由于可修正因吸收了激光束热量而带来的准直镜11的变形，故通过将该第4实施例的准直镜11用于激光加工机，适当对准直镜11的曲率进行控制，则防止降低激光束聚光性等的效果就高，可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

另外，在上述第4实施例中，在与第2实施例(参照图4)相同结构的准直镜部安装了冷却板40，但不限于此，也可在图1或图4所示结构的准直镜部安装冷却板40。

第5实施例

图11表示使用本发明激光束准直装置的激光加工机的一例子。

该激光加工机具有：通过由全反射镜3与部分反射镜4夹住激光的激发介质2而构成光谐振器以射出激光束的激光振荡器1；将从该激光振荡器1射出的激光束5a(图中用点划线表示)变换成准直光5b(图中用点划线表示)的例如与上述第2～4实施例中任一实施例相同结构的具有准直镜部的激光束准直装置6；将由该准直装置6变换成的准直光5b反射而使其光路的方向变换90度的平面反射镜7；被射入由平面反射镜7反射后的准直光5b的加工头8；对激光束准直装置6的准直镜11的曲率进行控制的准直控制装置15；NC(Numerical Control：数值控制)装置14及由NC装置14驱动控制的驱动机构(图示省略)。关于准直装置6的详细说明省略。

本实施例的激光加工机的作用如下。即，在需要按加工程序变化加工头8位置的场合，当由NC装置14向加工头8的驱动机构(图示省略)传递加工头8的移动位置的信息时，同时在NC装置14内计算从激光振荡器1至加工头8的距离。

根据计算所获得的激光振荡器1与加工头8的距离，详细如后所述，为使射入聚光透镜的激光束的特性成为一定，在NC装置14中，算出准直镜11曲率R的必要的变化量，根据算出的变化量的控制信号S16由准直控制装置15送到激光束准直装置6。当控制信号S16传递到作动器17时，激光束准直装置6内的作动器17等进行动作而使准直镜11的曲率变化。

另外，由激光束准直装置6内的上述间隙传感器30(图11中图示省略，参照图4、7、10)检测与准直镜11背面中央部之间的间隙。该检测出的间隙的实测值被反馈到NC装置14。

另一方面，在NC装置14中，计算可将激光束的束径与焦点位置成为一定的准直镜11的曲率，根据由其所获得的曲率来计算与准直镜11背面中央部之间的间隙的计算值。

并且在NC装置14中，对由间隙传感器30所获得的间隙的实测值与由NC装置14算出的间隙的计算值作比较。当比较的结果准直镜11的实际曲率R为不适当(即，间隙的实测值超出相对计算值的允许范围)时，由准直控制装置15产生控制信号S16传递给作动器17等，以使其成为适当的曲率。

因此，在图11所示的激光加工机中，可使准直镜11的曲率R成为与激光振荡器1与加工头8之间的距离相对应的适当的曲率。如图12所示，在处于激光振荡器1与加工头8内的聚光透镜9间的光路长度为最近的N点(用实线表示到N点的光路)和离开该N点AL的最远的F点(用虚线表示到F点的光路)之间的加工头8的可动范围内，可将射入聚光透镜9的激光束的束径d和处于透镜入射位置的激光束发散角θ保持一定。

射入聚光透镜9的激光束的束径d与在聚光位置的聚光束径df为反比例关系，另外，处于透镜入射位置的激光束发散角θ是决定聚光位置的变数，然而，在图11所示的激光加工机中，由于如上所述，即使自激光振荡器1的距离发生变化，也可将射入聚光透镜9的激光束的束径d和处于透镜入射位置的激光束发散角θ保持一定，故可将决定加工的聚光位置f和在聚光位置f的聚光束径df保持一定。

另外，在图11所示的激光加工机中，除上述的结构及作用以外，还具有根据准直镜11的曲率R而可将于激光振荡器1中的激光振荡予以停止的连锁机构。

该连锁机构当NC装置14进行比较由间隙传感器30所获得的间隙的实测值和由NC装置14所算出的间隙的计算值时，若间隙实测值超过规定值，则由NC装置14将其检测出并将振荡停止信号送到激光振荡器1，以停止激光振荡。由此，可防止激光束准直装置6内的作动器17等的动作不良，和防止因准直控制装置15的误动作而产生的加工不良或激光束过于扩散而产生的光路周边物的烧伤。

另外，在图11所示的激光加工机中，在由NC装置14使连锁机构动作时，由NC装置14的控制迅速中断加工，同时通过将因准直镜11的曲率为不适当而导致激光束产生的异常显示在NC装置14的显示部14a上，或从扬声器14b发生警告音等的警报、或使灯点亮或者闪烁，以使异常的发生及加工线的停止通知给激光加工机的操作者。

因此，激光加工机的操作者可迅速发现异常的发生，从而可迅速采取措施。所述显示部14a、扬声器14b及灯具有通知装置的功能。

采用第5实施例，由于由激光束准直装置6内的间隙传感器30来检测与准直镜11背面中央部之间的实际间隙，同时在NC装置14中计算与准直镜11背面中央部之间的理论间隙，由NC装置14对所述间隙的实测值与计算值进行比较，根据其比较结果控制激光束准直装置6内的作动器17等，从而控制准直镜11的曲率R，且由于间隙传感器30与作动器17等的灵敏度能充分跟上准直镜11的热变形的变化速度及加工台60的移动速度(即，光路长度的变化速度)，故可即时控制准直镜11的曲率，可以极高的精度将由聚光透镜9聚光的激光束的束径及聚光位置保持一定。

在上述第5实施例中，由激光束准直装置6内的间隙传感器30对与准直镜11背面中央部之间的实际间隙进行检测，但也可不仅在准直镜11的中央部检测间隙，而且例如可在准直镜11的一个半径或多个半径的圆周上对应地配置多个间隙传感器，用各间隙传感器检测对应于其圆周的与准直镜11背面的各点的间隙，根据所获得的多个检测值而更正确地获得准直镜11的反射面与理想的抛物面差异的信息，从而更高精度地控制准直镜11的曲率。

第6实施例

图13表示使用本发明激光束准直装置的激光加工机的另一例子。

该激光加工机具有：通过由全反射镜3与部分反射镜4夹住激光的激发介质2而构成光谐振器以射出激光束的激光振荡器1；将从该激光振荡器1射出的激光束5a(图中用点划线表示)变换成准直光5b(图中用点划线表示)的激光束准直装置6A；将由该准直装置6A变换成的准直光5b反射而使其光路的方向变换90度的平面反射镜7；被射入由平面反射镜7反射后的准直光5b的加工头8；对激光束准直装置6A的准直镜11a、11b的曲率进行控制的准直控制装置15；NC(Numerical Control：数值控制)装置14及由NC装置14驱动控制的驱动机构(图示省略)。

在该激光加工机中，通过对准直镜11a、11b的曲率进行控制，可配合加工条件而主动地改变由聚光透镜9聚光的激光束的聚光位置与聚光位置的束径。

准直装置6A具有2个例如与上述第2～4实施例中任一实施例相同结构的准直镜部。其中一个准直镜部具有被射入由激光振荡器1振荡的激光束5a、将其射入的光束束径变更为任意束径并可反射的准直镜11a。

反射光束的束径由准直镜11a的曲率决定。该准直镜11a的曲率根据从准直控制装置15送来的控制信号S16来调整。

另一个准直镜部具有将准直镜11a反射的反射光束变换成准直光5b的准直镜11b。该准直镜11b的曲率也根据从准直控制装置15送来的控制信号S16来调整。

另外，在加工头8的顶端部，设有保护聚光透镜9免遭粉尘污染并使冷却被加工物10用的加工气体65与激光束(准直光5b)同轴流动的喷嘴80。并且，为抑制加工气体65向被加工物10的加工面以外发散，加工中的喷嘴80与被加工物10之间的距离L一般保持成1～2mm左右。

本实施例的激光加工机的作用如下。即，由于通过控制准直镜11a、11b的曲率，而可配合加工条件地对由聚光透镜9聚光的激光束的聚光位置与处于其聚光位置的束径进行调整，故可根据被加工物的材质及板的厚度而将聚光位置调整为最佳位置，且也可最佳地调整处于其聚光位置的束径。

例如我们知道，在一般用二氧化碳激光对被加工物10进行切割加工的情况下，当使聚光位置与被加工物10的表面一致时可获得良好的切割面，而对于铝或不锈钢等的部分的材料，在其切割加工时，使聚光位置与被加工物10背面的位置一致，可获得良好的切割面。

因此，通常使聚光位置与被加工物10的表面一致对铝或不锈钢等进行切割时，则不改变在聚光位置的束径，仅使聚光位置与被加工物10的背面一致即可。

另外，即使切割相同材质的板，然而当其板的厚度例如1mm至19mm不同时，则各自的聚光位置的最佳的束径存在着不同的情况。在这种情况下，只要将2块准直镜11a、11b的各曲率控制成最佳状态地调整聚光位置的束径即可。

采用第6实施例，由于准直装置6A具有可使其曲率变化的2块准直镜11a、11b，故通过将所述准直镜11a、11b的各曲率控制成最佳状态，并根据被加工物10的材质或厚度，可不改变在聚光位置的束径地仅改变聚光位置，或将聚光位置的束径变换成最佳的束径。

另外，由于现有的加工中的喷嘴与被加工物之间的距离L是1～2mm左右，故当为使聚光位置与板厚背面的位置一致而由可动轴等使加工头下降时，因被加工物与喷嘴干扰，故不能使聚光位置与板厚背面的位置一致。

以上根据实施例具体说明了本发明，但不言而喻，本发明不限定于上述实施例，也可在不脱离其宗旨的范围内作各种变更。

例如，对准直镜11施加压力的加压装置，不限于由压电元件构成的作动器17，只要能按压准直镜11以可改变准直镜11的曲率，既可使用其它元件的作动器，也可使用作动器以外的装置。

采用本发明，与现有的固定准直镜周缘结构的激光束准直装置比较，由于用较小的力就可获得在准直镜的中心部分相同的弯曲量，且由于用较小的力就可使准直镜变形成具有所需曲率的反射面的凸面镜，故将该激光束准直装置用于激光加工机，只要适当控制准直镜的曲率，就可防止激光束的聚光性等的降低，从而可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于可使准直镜变形成具有所需曲率的曲面的凹面镜，故将该激光束准直装置用于激光加工机，只要适当控制准直镜的曲率，就可防止激光束的聚光性等的降低，从而可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于可使准直镜变形成具有所需曲率的曲面的凸面镜，故将该激光束准直装置用于激光加工机，只要适当控制准直镜的曲率，就可防止激光束的聚光性等的降低，从而可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于可使准直镜在从凹面镜到凸面镜的宽大的曲率范围内任意变化，故对于使用其的激光加工机，可在更宽大的范围内防止激光束的聚光性等的降低，从而可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于可使准直镜在从凸面镜到凹面镜的宽大的曲率范围内任意变化，故对于使用其的激光加工机，可在更宽大的范围内防止激光束的聚光性等的降低，从而可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于作用于准直镜的力起到以第1或第2支承装置为支点的力矩的作用，且通过该力矩而使准直镜弯曲，故可获得所期望形状的反射面。

本发明由于可对因吸收激光束后的热量所带来的准直镜的变形进行修正，故将该激光束准直装置用于激光加工机，只要适当控制准直镜的曲率，则防止降低激光束的聚光性等的效果就高，可始终以一定的状态对被加工物进行加工。

本发明由于用检测装置可检测准直镜的变形量，且可根据其检测结果来控制准直镜的曲率，因此，可始终适当地保持准直镜的曲率，可以极高精度将聚光后的激光束的束径与聚光位置保持一定。

本发明由于准直镜的曲率控制的灵敏度可充分跟上准直镜的热变形的变化速度及光路长度的变化速度，故可即时控制准直镜的曲率，可以极高精度将由聚光透镜聚光后的激光束的束径与聚光位置保持一定。

本发明由于当激光束准直装置产生不良动作或准直控制装置产生误动作时，可使激光振荡器停止驱动，因此，可防止加工不良或因激光束过于扩散而导致光路周边物的烧伤。

本发明由于可将激光束准直装置产生的不良动作或准直控制装置产生的误动作及加工线的停止迅速通知给激光加工机的操作者，故激光加工机的操作者可迅速发现异常情况，从而可迅速采取措施。

本发明由于应用可使设在激光振荡器与加工头之间的准直镜的曲率变化的准直机构，来调整聚光位置和处于聚光位置的束径，故可根据被加工物的材质和厚度，不改变在聚光位置的束径地仅改变聚光位置，或将聚光位置的束径变换成最佳的束径。

Claims (12)

1.一种激光束准直装置，可将该射入后的激光束变换成准直光，其特征在于，具有：

在射入的激光束反射而射出的同时，能使其反射面变形以改变曲率的准直镜；

对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜的反射面周缘或周缘附近接触的、从反射面一侧支承所述准直镜的支承装置；

从反射面的背侧对所述准直镜的中心部或对比所述支承装置的支承部位还偏向中心的部位可施加压力的加压装置。

2.如权利要求1所述的激光束准直装置，其特征在于，

所述支承装置是第1支承装置，且其与所述准直镜的反射面周缘或与比周缘附近还偏向中心的部位接触、从反射面一侧支承所述准直镜，

还具有对所述准直镜的周缘或周缘附近不进行固定而与所述准直镜反射面的背侧面的周缘或与比所述第1支承装置的支承部位还偏向周缘的部位接触的、从反射面的背侧支承所述准直镜的第2支承装置，

所述加压装置仅在所述准直镜一侧可对所述第2支承装置施加压力。

3.如权利要求2所述的激光束准直装置，其特征在于，

所述第1支承装置与所述准直镜的反射面周缘或周缘附近接触、从反射面一侧支承所述准直镜，

所述第2支承装置与所述准直镜反射面的背侧面的比所述第1支承装置的支承部位还偏向中心的部位接触、从反射面的背侧支承所述准直镜。

4.如权利要求1~3中任一项所述的激光束准直装置，其特征在于，在所述加压装置未加压的状态下，所述准直镜的反射面呈凹状的曲面。

5.如权利要求2所述的激光束准直装置，其特征在于，在所述加压装置未加压的状态下，所述准直镜的反射面呈凸状的曲面。

6.如权利要求2、3、5中任一项所述的激光束准直装置，其特征在于，所述第1支承装置及所述第2支承装置同心圆状地与所述准直镜接触。

7.如权利要求1、2、3、5中任一项所述的激光束准直装置，其特征在于，具有对所述准直镜周缘附近的部分进行间接冷却的冷却装置。

8.如权利要求2、3、5中任一项所述的激光束准直装置，其特征在于，具有对所述准直镜的变形量进行检测的检测装置。

9.一种激光加工机，其特征在于，具有：

射出激光束的激光振荡器；

射入从所述激光振荡器射出的激光束且将所述激光束变换成准直光的如权利要求8所述的激光束准直装置；

准直控制装置，其根据所述激光束准直装置的由对同一激光束准直装置内的准直镜的变形量进行检测的检测装置所检测出的所述准直镜变形量的结果而对同一激光束准直装置内的加压装置进行控制。

10.如权利要求9所述的激光加工机，其特征在于，具有根据所述检测装置所检测出的准直镜变形量的结果而使所述激光振荡器停止驱动的连锁机构。

11.如权利要求10所述的激光加工机，其特征在于，具有对由所述连锁机构使所述激光振荡器停止驱动予以通知的通知装置。

12.一种激光加工机，包括：

通过激发激光介质而输出激光的激光振荡器；

使来自所述激光振荡器的激光光学性聚光的加工头；

对由所述加工头聚光的激光束的聚光位置与被加工物的相对位置关系进行控制并使所述加工头移动到所需位置上的NC装置及驱动机构；其特征在于，

具有如权利要求1～3中任一项所述的激光束准直装置，其设在所述激光振荡器与加工头之间而使束径与聚光位置主动地变化，以便聚光在加工头中的激光束适合于加工。

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