JP2011056522A - Laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザ光増幅手段を有する本体部からレーザ光を走査させるヘッド部まで光ファイバーケーブルによってレーザ光を伝送させるレーザ加工装置の改良に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to an improvement of a laser processing apparatus that transmits laser light by an optical fiber cable from a main body having laser light amplification means to a head part that scans the laser light.
近年、レーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工装置として、XYスキャナによってレーザ光を光軸と交差する方向に走査させるだけでなく、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させるZスキャナを備えた装置が提案されている(例えば、特許文献1)。XYスキャナが、直交する回転軸を中心として2つのミラーをそれぞれ回転させることによってレーザ光を走査させるのに対して、Zスキャナは、光路上に配置されたレンズを移動させてビームの拡がり角を調整することによってレーザ光の焦点位置を移動させている。この様なXYスキャナやZスキャナを有するヘッド部は、ワークの製造ラインなどへ設置する際の作業性やスペース効率を良くするという点で小型である方が望ましい。しかし、特許文献1に記載のレーザ加工装置では、ヘッド部の筐体内にレーザ光を増幅するための固体レーザを内蔵するレーザ発振部が設けられているため、ヘッド部の長さをレーザ発振部の全長よりも短くすることができない。しかも、そのレーザ発振部は、レーザ媒体の両側に配置されたミラー間をレーザ光が往復することによって光増幅を行っており、レーザ加工に必要なエネルギーを蓄積させるためには一定の全長を確保しなければならない。このため、レーザ発振部の全長は、一定の長さよりも短くすることもできない。 In recent years, as a laser processing apparatus that processes a workpiece by irradiating a laser beam, a Z scanner that not only scans the laser beam in a direction intersecting the optical axis by an XY scanner but also moves the focal position of the laser beam in the optical axis direction Has been proposed (for example, Patent Document 1). The XY scanner scans the laser beam by rotating the two mirrors around the orthogonal rotation axes, whereas the Z scanner moves the lens arranged on the optical path to increase the beam divergence angle. By adjusting, the focal position of the laser beam is moved. Such a head portion having an XY scanner or a Z scanner is desirably small in view of improving workability and space efficiency when installed on a workpiece production line or the like. However, in the laser processing apparatus described in Patent Document 1, a laser oscillation unit that incorporates a solid-state laser for amplifying laser light is provided in the casing of the head unit. Cannot be shorter than the total length. In addition, the laser oscillation unit amplifies the light by reciprocating the laser beam between the mirrors arranged on both sides of the laser medium, ensuring a certain total length to accumulate the energy required for laser processing. Must. For this reason, the total length of the laser oscillation part cannot be made shorter than a certain length.
この点、レーザ発振部がヘッド部内になければヘッド部を小型化することができる。すなわち、レーザ発振部をヘッド部とは異なる本体部に配設し、レーザ発振部によって増幅されたレーザ光を本体部からヘッド部まで光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に伝送させれば、ヘッド部を小型化できると考えられる。しかし、この場合、本体部内のレーザ発振部から一度出射されたレーザ光を光ファイバーケーブルなどの伝送媒体に入射させることは極めて困難である。そこで、コアにレーザ媒質として希土類元素がドープされた希土類ドープ光ファイバーを使用するファイバーレーザをレーザ光増幅器として本体部内に配設し、レーザ光増幅器と光ファイバーケーブルを直接連結することにより、増幅後のレーザ光を光ファイバー外に出射させることなく、当該レーザ光を本体部からヘッド部まで伝送させることが考えられる(例えば、特許文献2)。特許文献2に記載のレーザ加工装置によれば、レーザ光増幅器が本体部内に配設されるので、ヘッド部の長さを短くすることができる。 In this regard, if the laser oscillation unit is not in the head unit, the head unit can be reduced in size. That is, if the laser oscillation unit is arranged in a main body unit different from the head unit, and the laser light amplified by the laser oscillation unit is transmitted from the main body unit to the head unit to a transmission medium such as an optical fiber cable, the head unit is reduced in size. It is considered that However, in this case, it is extremely difficult to make the laser beam once emitted from the laser oscillation unit in the main body unit enter a transmission medium such as an optical fiber cable. Therefore, a fiber laser that uses a rare earth-doped optical fiber doped with a rare earth element as a laser medium in the core is disposed as a laser optical amplifier in the main body, and the laser optical amplifier and the optical fiber cable are directly connected to each other to thereby amplify the laser. It is conceivable to transmit the laser light from the main body to the head without emitting light outside the optical fiber (for example, Patent Document 2). According to the laser processing apparatus described in Patent Document 2, since the laser optical amplifier is disposed in the main body portion, the length of the head portion can be shortened.
最近では、ヘッド部の更なる小型化が求められている。そこで、XYスキャナやZスキャナを制御するための制御回路が設けられたスキャナ制御基板をヘッド部内に設けるのに代えて、本体部内に配設し、スキャナ制御用の駆動信号を本体部からヘッド部に伝送させることが考えられる。しかしながら、駆動信号の伝送途中で付加されたノイズの影響によってレーザ光の走査にブレが生じ、加工精度が低下してしまうという問題があった。 Recently, further downsizing of the head portion has been demanded. Therefore, a scanner control board provided with a control circuit for controlling the XY scanner and the Z scanner is provided in the main body instead of being provided in the main body, and a drive signal for scanner control is transmitted from the main body to the head. It is conceivable that the data is transmitted. However, there is a problem that the scanning accuracy of the laser beam is blurred due to the influence of noise added during the transmission of the drive signal, and the processing accuracy is lowered.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、加工精度の低下を抑制しつつ、レーザ光増幅手段を有する本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部を小型化することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。特に、XYスキャナやZスキャナを有するヘッド部を小型化することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a head unit that scans a laser beam transmitted from a main body unit having a laser beam amplifying unit via an optical fiber cable is suppressed while suppressing a decrease in processing accuracy. An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus that can be realized. In particular, it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus capable of reducing the size of a head unit having an XY scanner or a Z scanner.
第1の本発明によるレーザ加工装置は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するレーザ光増幅手段を有する本体部と、上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるヘッド部とを備え、上記ヘッド部が、上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なZスキャナと、上記レーザ光を光軸に交差する方向に走査させるXYスキャナと、上記XYスキャナを制御するXYスキャナ制御手段とを有し、上記本体部が、上記Zスキャナを制御するZスキャナ制御手段を有するように構成される。 A laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a main body having laser light amplification means for amplifying laser light using an optical fiber having a laser medium added to a core, and transmitted from the main body via an optical fiber cable. A Z scanner capable of adjusting a focal position of the laser beam in the optical axis direction, and an XY scanner that scans the laser beam in a direction intersecting the optical axis. And an XY scanner control means for controlling the XY scanner, and the main body is configured to have a Z scanner control means for controlling the Z scanner.
この様な構成によれば、ヘッド部のZスキャナを制御するZスキャナ制御手段が本体部内に設けられるので、Zスキャナ制御手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。また、XYスキャナを制御するXYスキャナ制御手段はヘッド部内に設けられるので、XYスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。ここで、Zスキャナを用いた焦点位置の調整では、駆動信号に付加されるノイズの影響によって焦点位置の誤差が生じた場合であっても、レーザ光の焦点深度により誤差の影響が軽微であるのに対して、XYスキャナを用いたX方向及びY方向の走査では、ノイズの影響による走査位置の誤差の影響が大きくなってしまう。本発明によるレーザ加工装置では、この様なスキャナの特性に注目して、スキャナの制御手段をヘッド部と本体部とに割り振ることにより、加工精度の低下を抑制しつつ、ヘッド部を小型化することができる。 According to such a configuration, since the Z scanner control means for controlling the Z scanner of the head section is provided in the main body section, the head section can be reduced in size compared to the case where the Z scanner control means is provided in the head section. Can do. Further, since the XY scanner control means for controlling the XY scanner is provided in the head unit, it is possible to suppress the addition of noise to the drive signal for controlling the XY scanner. Here, in the focus position adjustment using the Z scanner, even if a focus position error occurs due to the influence of noise added to the drive signal, the influence of the error is slight due to the focal depth of the laser beam. On the other hand, in the X-direction and Y-direction scanning using the XY scanner, the influence of the scanning position error due to the influence of noise becomes large. In the laser processing apparatus according to the present invention, focusing on such characteristics of the scanner, the control unit of the scanner is allocated to the head portion and the main body portion, thereby reducing the head portion size while suppressing a decrease in processing accuracy. be able to.
第2の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ヘッド部が、光軸がフレーム面と交差するように上記光ファイバーケーブルが取り付けられる第1フレームと、上記光ファイバーケーブルの端面から出射された上記レーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段と、上記戻り光抑制手段を介在させて、フレーム面が第1フレームのフレーム面と対向配置される第2フレームと、第1フレーム及び第2フレームを連結し、フレーム面が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に配置される第3フレームとを有し、上記XYスキャナ制御手段が、X方向走査用の制御回路が設けられたXスキャナ制御基板と、Y方向走査用の制御回路が設けられたYスキャナ制御基板とからなり、上記Xスキャナ制御基板及び上記Yスキャナ制御基板が第3フレームの上記フレーム面と略平行に配置されるように構成される。 In the laser processing apparatus according to the second aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the head portion is emitted from the first frame to which the optical fiber cable is attached so that the optical axis intersects the frame surface, and from the end surface of the optical fiber cable. A return light suppression means that transmits the laser light and suppresses return light; a second frame in which the frame surface is disposed opposite to the frame surface of the first frame with the return light suppression means interposed; The frame and the second frame are connected to each other, and the frame surface has a third frame arranged substantially parallel to the longitudinal direction of the return light suppression means. The XY scanner control means has an X-direction scanning control circuit. An X scanner control board provided and a Y scanner control board provided with a control circuit for Y-direction scanning, the X scanner control board and the Y scanner Configured control board is disposed substantially parallel to the said frame surface of the third frame.
この様な構成によれば、X方向走査用の制御回路が設けられたXスキャナ制御基板と、Y方向走査用の制御回路が設けられたYスキャナ制御基板とが第3フレームのフレーム面と略平行に配置されるので、第3フレームのフレーム面と交差する方向に関して、ヘッド部を薄型化することができる。また、XYスキャナ制御手段をXスキャナ制御基板とYスキャナ制御基板とに割り振ることにより、X方向走査用の制御回路及びY方向走査用の制御回路が1つの基板上に設けられる場合に比べて、基板のサイズを小さくすることができる。 According to such a configuration, the X scanner control board provided with the control circuit for X direction scanning and the Y scanner control board provided with the control circuit for Y direction scanning are substantially the frame surface of the third frame. Since they are arranged in parallel, the head portion can be thinned in the direction intersecting the frame surface of the third frame. Further, by allocating the XY scanner control means to the X scanner control board and the Y scanner control board, compared with the case where the control circuit for X direction scanning and the control circuit for Y direction scanning are provided on one board, The size of the substrate can be reduced.
第3の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記Zスキャナが、第2フレームに関して上記戻り光抑制手段とは反対側で光軸を第2フレームのフレーム面と略平行にして配置され、上記XYスキャナが、第1フレーム及び第2フレーム間に配置され、上記Zスキャナを通過した上記レーザ光が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に入射されるように構成される。この様な構成によれば、Zスキャナを第1フレーム及び第2フレーム間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部の長さを短くすることができる。 In the laser processing apparatus according to a third aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the Z scanner is disposed on the side opposite to the return light suppression means with respect to the second frame so that the optical axis is substantially parallel to the frame surface of the second frame. The XY scanner is arranged between the first frame and the second frame, and the laser beam that has passed through the Z scanner is configured to be incident substantially parallel to the longitudinal direction of the return light suppression unit. According to such a configuration, since the distance between these frames is shorter than when the Z scanner is disposed between the first frame and the second frame, the length of the head portion can be shortened.
第4の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記Xスキャナ制御基板が、第3フレームに関して、上記Yスキャナ制御基板とは反対側に配置されるように構成される。この様な構成によれば、Xスキャナ制御基板とYスキャナ制御基板とが、第3フレームに関して互いに反対側に配置されるので、XYスキャナに駆動電流を供給する増幅器などの発熱源をこれらのスキャナ制御基板間で離間させることができる。その結果、Xスキャナ制御基板及びYスキャナ制御基板の放熱効果を高めることができる。 In addition to the above configuration, the laser processing apparatus according to the fourth aspect of the present invention is configured such that the X scanner control board is disposed on the opposite side of the Y scanner control board with respect to the third frame. According to such a configuration, since the X scanner control board and the Y scanner control board are arranged on the opposite sides with respect to the third frame, a heat source such as an amplifier that supplies a drive current to the XY scanner is used as the scanner. The control boards can be spaced apart. As a result, the heat radiation effect of the X scanner control board and the Y scanner control board can be enhanced.
第5の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記戻り光抑制手段を通過した上記レーザ光を受光し、レーザパワーを検出するパワーモニタが、第2フレームに関して上記戻り光抑制手段とは反対側に配置されるように構成される。この様な構成によれば、パワーモニタを第1フレーム及び第2フレーム間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部の長さを短くすることができる。特に、戻り光抑制手段を通過したレーザ光をそのままパワーモニタに受光させるので、戻り光抑制手段の通過後のレーザ光をミラーで反射させてからパワーモニタに受光させる場合に比べて、パワーモニタの受光面の大きさに相当する分だけ、ヘッド部の長さを短くすることができる。 A laser processing apparatus according to a fifth aspect of the present invention, in addition to the above-described configuration, receives the laser light that has passed through the return light suppression unit, and a power monitor that detects laser power includes the return light suppression unit with respect to the second frame. Are configured to be disposed on opposite sides. According to such a configuration, since the distance between these frames is shorter than when the power monitor is disposed between the first frame and the second frame, the length of the head portion can be shortened. In particular, since the laser light that has passed through the return light suppression means is received as it is by the power monitor, the laser power after passing through the return light suppression means is reflected by the mirror and then received by the power monitor. The length of the head portion can be shortened by an amount corresponding to the size of the light receiving surface.
本発明によるレーザ加工装置によれば、ヘッド部のZスキャナを制御するZスキャナ制御手段が本体部内に設けられるので、Zスキャナ制御手段がヘッド部内に設けられる場合に比べて、ヘッド部を小型化することができる。また、XYスキャナを制御するXYスキャナ制御手段はヘッド部内に設けられるので、XYスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。従って、加工精度の低下を抑制しつつ、レーザ光増幅手段を有する本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を走査させるヘッド部を小型化することができる。 According to the laser processing apparatus of the present invention, since the Z scanner control means for controlling the Z scanner of the head portion is provided in the main body portion, the head portion can be reduced in size compared to the case where the Z scanner control means is provided in the head portion. can do. Further, since the XY scanner control means for controlling the XY scanner is provided in the head unit, it is possible to suppress the addition of noise to the drive signal for controlling the XY scanner. Therefore, it is possible to reduce the size of the head unit that scans the laser beam transmitted from the main body unit having the laser beam amplification means via the optical fiber cable, while suppressing a decrease in processing accuracy.
<レーザ加工装置>
図1は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置100の概略構成の一例を示したブロック図である。このレーザ加工装置100は、レーザ光を走査させてワークWを加工する加工装置であり、コンソール1、本体部2、光ファイバーケーブル3及びヘッド部4からなる。コンソール1は、ワークWの加工条件などを入力するための入力装置である。
<Laser processing equipment>
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a
本体部2は、メイン制御回路11、ワーク加工情報記憶部12、電源回路13、励起光源14及びレーザ光増幅器15により構成されるレーザ発振器ユニットであり、レーザ発振の制御やレーザ光の走査制御を行っている。励起光源14は、レーザ媒質を励起するための励起光を生成し、レーザ光増幅器15へ出射する光源装置であり、LD(レーザダイオード)などの発光素子と、集光レンズによって構成される。
The main body 2 is a laser oscillator unit including a
レーザ光増幅器15は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを用いてレーザ光を増幅するファイバーレーザであり、エネルギー密度の高い高出力のレーザ光が生成される。このレーザ光増幅器15は、低出力の種光を発生させるマスターオシレータ部、種光を増幅するパワーアンプ部、ポンピング用光源装置、アイソレータなどによって構成され、光ファイバーケーブル3と直接連結している。マスターオシレータ部及びパワーアンプ部は、レーザ媒質としてイッテルビウム(Yb)などの希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイバーによって構成される。
The
レーザ光増幅器15では、励起光によって励起されたレーザ媒質の誘導放射によりレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を光ファイバーの外へ出射させることなく、そのまま光ファイバーケーブル3に伝送する。
The
レーザ光増幅器15には、例えば、レーザ発振を制御するためのQスイッチが設けられており、Qスイッチの切り替えにより、連続発振をパルス発振に変換することができ、ピークパワーの大きなパルス波を生成することができる。なお、レーザ光増幅器15としては、種光を生成するLDを直接にオン又はオフすることによって、パルス発振可能な発振器のように、Qスイッチを備えないものであっても良い。
The laser
光ファイバーケーブル3は、レーザ光増幅器15によって増幅されたレーザ光をヘッド部4に伝送するデリバリファイバーである。ヘッド部4は、本体部2のレーザ光増幅器15から光ファイバーケーブル3を介して伝送されたレーザ光を走査させるスキャナユニットであり、レーザ光をワークWに向けて出射する。
The
このヘッド部4は、光アイソレータ21、ビームエキスパンダ22、ビームサンプラー23、シャッタ24、フォトインタラプタ25、ダイクロイックミラー26、Zスキャナ27、XYスキャナ28、パワーモニタ29、ガイド光源30及びXYスキャナ制御回路31からなる。
The head unit 4 includes an
光アイソレータ21は、光ファイバーケーブル3の端面から出射されたレーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段であり、光ファイバーケーブル3を介して伝送されたレーザ光をビームエキスパンダ22へ出射する。この光アイソレータ21により、光アイソレータ21の光ファイバーケーブル3側の端面からビームエキスパンダ22側の端面に向う方向を順方向として、レーザ光は、順方向にのみ伝送され、逆方向への伝送は制限される。
The
この様な光アイソレータ21は、例えば、アパーチャ、偏光子、ファラデー回転子によって構成され、光軸方向に長いデバイスとなっている。アパーチャは、通過光を制限するための遮断板である。偏光子は、複屈折結晶からなるロッド状の光学素子である。ファラデー回転子は、磁界の印加によって偏光面を回転させる磁気光学素子である。
Such an
ビームエキスパンダ22は、レーザ光のビーム径を拡大させるビーム径拡大機構であり、光アイソレータ21と光軸を一致させて配置される。このビームエキスパンダ22は、光路上に配置された複数のレンズによって構成され、レンズ間の距離を調整することにより、ビーム径を所望の値に変換している。ビームサンプラー23は、ビームエキスパンダ22を通過したレーザ光の一部をダイクロイックミラー26に向けて反射させ、他の一部をパワーモニタ29側へ透過させる光学素子である。
The
パワーモニタ29は、ビームサンプラー23を透過したレーザ光を受光し、レーザパワーを検出するレーザパワー検出用センサであり、レーザパワーの検出結果をパワーレベル検出信号として本体部2内のメイン制御回路11へ出力する。この様なパワーモニタ29としては、例えば、サーモパイル(熱電堆)、或いは、フォトダイオードが用いられる。
The power monitor 29 is a laser power detection sensor that receives the laser beam transmitted through the
シャッタ24は、レーザ光を必要に応じて遮断するための遮断装置であり、遮断板や遮断板を移動させる駆動機構によって構成される。このシャッタ24は、ビームサンプラー23及びダイクロイックミラー26間に配置されている。
The
フォトインタラプタ25は、シャッタ24が閉じているか否かを光学的に検出する光学センサである。ダイクロイックミラー26は、特定波長の光のみを反射し、他の波長の光を透過させる光学素子であり、シャッタ24を通過したレーザ光をZスキャナ27に向けて反射し、ガイド光源30からのガイド光をそのまま透過させる。
The
Zスキャナ27は、光路上に配置された1又は2以上のレンズと、レンズを移動させるレンズ駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、レンズを移動させることによって、ヘッド部4から出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させている。また、Zスキャナ27は、レーザ光の集光機能を有している。なお、このZスキャナ27は、ワークWの高さに追随してレーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させることが可能な走査機構である。
The
Zスキャナ27のレンズ駆動用モーターとしては、例えば、メイン制御回路11からのパルス信号に基づいて動作するステッピングモーターやボイスコイルモーターが用いられる。
As the lens driving motor of the
XYスキャナ28は、交差する回転軸にそれぞれ配置された2つのミラーと、これらのミラーを回転させるミラー駆動用モーターによって構成されるレーザ光の走査機構であり、回転軸を中心としてミラーを回転させることによって、レーザ光を光軸と交差する方向に走査させる。ここでは、XYスキャナ28が、X方向走査用のガルバノミラー28b及びその駆動用モーター28aからなるXスキャナと、Y方向走査用のガルバノミラー28d及びその駆動用モーター28cからなるYスキャナによって構成されるものとする。
The
XYスキャナ28のミラー駆動用モーターとしては、例えば、ロータリエンコーダなどの位置センサを有し、XYスキャナ制御回路31からの高周波信号に基づいて動作するサーボモーターが用いられる。
As the mirror driving motor of the
Zスキャナ27を通過したレーザ光は、XYスキャナ28のガルバノミラーによって反射され、ワークWに照射される。ガイド光源30は、レーザ光の照射位置をワークW上で可視化するためのガイド光を生成する光源装置である。ガイド光源30から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー26を透過し、レーザ光の光路に入る。レーザ光の光路に入ったガイド光は、Zスキャナ27及びXYスキャナ28を経てワークWに照射される。
The laser beam that has passed through the
ワーク加工情報記憶部12は、ワークWのレーザ加工に関する情報をワーク加工情報として保持するメモリであり、ワーク加工情報として、レーザ光の照射目標を示す3次元位置情報、レーザ発振を制御するためのレーザ出力制御情報などが保持される。3次元位置情報としては、例えば、座標データが保持される。また、レーザ出力制御情報としては、例えば、レーザ光のピークパワー、パルス幅、繰返し周波数などが保持される。
The workpiece machining
ピークパワーは、パルスエネルギーをパルス幅で除算することによって得られる物理量である。パルス幅は、ピークパワーの半分程度のパワーレベルにおけるパルス波の時間長であり、繰返し周波数は、パルス発振の周波数である。また、中心波長は、レーザ光増幅器15により生成されるレーザ光の波長である。
The peak power is a physical quantity obtained by dividing the pulse energy by the pulse width. The pulse width is the time length of the pulse wave at a power level that is about half of the peak power, and the repetition frequency is the frequency of pulse oscillation. The center wavelength is the wavelength of the laser beam generated by the
メイン制御回路11は、ワーク加工情報記憶部12内に保持されているワーク加工情報に基づいて、励起光源14、レーザ光増幅器15及びZスキャナ27を制御する制御部である。具体的には、レーザ出力制御情報に基づいて、ヘッド部4から出射されるレーザ光のピークパワーやパルス幅を調整するための発振器制御信号を生成し、励起光源14及びレーザ光増幅器15へ出力する動作が行われる。
The
また、レーザ出力制御情報や3次元位置情報に基づいて、Zスキャナ27のレンズ駆動用モーターを制御するための駆動信号としてパルス信号を生成し、Zスキャナ27へ出力する動作が行われる。電源回路13は、励起光源14やレーザ光増幅器15、ヘッド部4内の駆動用モーターなどに電力を供給する電源装置である。
Also, based on the laser output control information and the three-dimensional position information, an operation of generating a pulse signal as a drive signal for controlling the lens driving motor of the
XYスキャナ制御回路31は、XYスキャナ28を制御する制御部であり、本体部2のワーク加工情報記憶部12からメイン制御回路11を介して転送されたワーク加工情報やXYスキャナ28からの位置情報に基づいてXYスキャナ28を駆動制御する。具体的には、3次元位置情報とサーボモーターの位置情報とに基づいて、XYスキャナ28のミラー駆動用モーターを制御するための駆動信号として高周波信号を生成し、XYスキャナ28へ出力する動作が行われる。つまり、XYスキャナ制御回路31では、XYスキャナ28のサーボモーターの位置センサによって検出された位置情報に基づいて、当該サーボモーターが入力指示位置に正しく追従するように、フィードバック制御が行われる。
The XY
Zスキャナ27は、レンズ駆動用モーターを駆動してレンズを光軸方向に移動させるという走査特性により、レンズ駆動モーターの応答性がXYスキャナ28に比べて遅いので、ノイズの影響を受けにくい。
The
この様なレーザ加工装置100としては、例えば、レーザ光を照射することによってワークWの表面に文字や図形をマーキングするレーザマーカが考えられる。また、ワーク加工情報としての3次元位置情報やレーザ出力制御情報は、コンソール1からの入力情報に基づいて手動で設定され、或いは、自動的に設定される。或いは、PC(パーソナルコンピュータ)をレーザ加工装置100に接続し、PCのモニター画面を見ながらマウスを使ってワーク加工情報を設定することもできる。
As such a
<Z方向スキャン>
図2及び図3は、図1のレーザ加工装置100におけるZ方向のスキャン動作の一例を模式的に示した説明図であり、ヘッド部4内のZスキャナ27及びXYスキャナ28が示されている。図2には、入射レンズ27a及び出射レンズ27b間の距離Rd1を短くすることによってレーザ光の焦点位置がヘッド部4から遠ざかる様子が示されている。また、図3には、入射レンズ27a及び出射レンズ27b間の距離Rd2を長くすることによって焦点位置がヘッド部4に近づく様子が示されている。
<Z-direction scan>
2 and 3 are explanatory views schematically showing an example of the scanning operation in the Z direction in the
このZスキャナ27は、ダイクロイックミラー26側に配置される入射レンズ27aと、ミラー32側に配置される出射レンズ27bと、入射レンズ27aを光軸方向に移動させるレンズ駆動用モーター(図示せず)により構成される。入射レンズ27aと出射レンズ27bとの間の距離Rd1を短くすれば、ビームの拡がり角が大きくなるので、ヘッド部4から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置は、レーザ光の出射面、すなわち、ヘッド部4のアンダーフレーム33に設けられた開口面から遠ざかり、ワーキングディスタンスLd1が長くなる。
The
一方、入射レンズ27aと出射レンズ27bとの間の距離Rd2(Rd2>Rd1)を長くすれば、ビームの拡がり角が小さくなるので、ヘッド部4から出射されるレーザ光の光軸方向の焦点位置は、出射面に近づき、ワーキングディスタンスLd2(Ld2<Ld1)が短くなる。
On the other hand, if the distance Rd2 (Rd2> Rd1) between the
つまり、入射レンズ27aを出射レンズ27bに近づくように移動させることによって、焦点位置を遠ざけることができ、また、入射レンズ27aを出射レンズ27bから遠ざかるように移動させることによって、焦点位置を近づけることができる。
In other words, the focal position can be moved away by moving the
<ヘッド部>
図4は、図1のレーザ加工装置100のヘッド部4の構成例を模式的に示した展開図であり、フロントカバー及びリアカバーが取り外されたヘッド部4内の様子が示されている。ヘッド部4は、アンダーフレーム33、リアフレーム34、フロントフレーム35及びセンターフレーム36によって3つの領域に区分され、これらの領域内に各デバイスが収容される。
<Head>
FIG. 4 is a developed view schematically showing a configuration example of the head unit 4 of the
アンダーフレーム33、リアフレーム34、フロントフレーム35及びセンターフレーム36は、いずれも矩形形状の金属板、例えば、アルミ板からなる部材であり、リアフレーム34、フロントフレーム35及びセンターフレーム36は、いずれもアンダーフレーム33上に立てた状態で配置されている。
The under
リアフレーム34の後面には、光ファイバーケーブル3が、カバー部3aを介して取り付けられる。光ファイバーケーブル3は、その光軸がリアフレーム34のフレーム面と交差するように取り付けられる。フロントフレーム35は、そのフレーム面をリアフレーム34のフレーム面と対向させて配置されている。センターフレーム36は、これらのフレーム34及び35を連結し、互いに対向する端面がそれぞれフレーム34,35に固着されている。リアフレーム34及びフロントフレーム35は、いずれもアンダーフレーム33上に固着されている。
The
フロントフレーム35及びリアフレーム34間の領域のうち、センターフレーム36の右側の領域には、光アイソレータ21、ビームエキスパンダ22及びXスキャナ制御基板31aが収容される。光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22は、その光軸を光ファイバーケーブル3と一致させて配置される。Xスキャナ制御基板31aは、Xスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、センターフレーム36のフレーム面と略平行に配置される。なお、図4では、説明の便宜上、光アイソレータ21と光ファイバーケーブル3とを分離させて記載しているが、光アイソレータ21及び光ファイバーケーブル3は、一体的に構成されていても良い。
Of the region between the
フロントフレーム35及びリアフレーム34間の領域のうち、センターフレーム36の左側の領域には、Yスキャナ制御基板31c及びヘッド制御基板37が収容される。XYスキャナ28は、X方向走査用のガルバノミラー28b及びその駆動用モーター28aからなるXスキャナと、Y方向走査用のガルバノミラー28d及びその駆動用モーター28cからなるYスキャナによって構成される。Yスキャナ制御基板31cは、Yスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、センターフレーム36のフレーム面と略平行に配置される。なお、本実施の形態では、センターフレーム36の左側の領域にYスキャナ制御基板31c、右側の領域にXスキャナ制御基板31aが収容されているが、センターフレーム36の左側の領域にXスキャナ制御基板31a、右側の領域にYスキャナ制御基板31cを収容するものであっても良い。
Of the area between the
フロントフレーム35の前側の領域には、Zスキャナ27、ミラー32などが収容される。Zスキャナ27は、光軸方向に移動可能に配置される可動レンズと、可動レンズの位置を調整するための駆動用モーターによって構成され、その光軸がフロントフレーム35のフレーム面と略平行になるように配置される。ミラー32は、Zスキャナ27を通過したレーザ光の光軸を垂直面内で略90度曲げるように配置される。
In the area on the front side of the
X方向走査用のガルバノミラー28bには、Zスキャナ27を透過し、ミラー32によって反射されたレーザ光が、光アイソレータ21の長手方向及びビームエキスパンダ22の光軸方向と略平行に入射される。
Laser light that has passed through the
この様に、XYスキャナ28は、センターフレーム36に取り付けられた光アイソレータ21の下方であって、かつ、Xスキャナ制御基板31a及びYスキャナ制御基板31cの前方の領域(空間)に配置されている。つまり、XYスキャナ28は、Zスキャナ27とXスキャナ制御基板31a及びYスキャナ制御基板31cとの間に介在するように配置されている。
As described above, the
図5〜図7は、図1のレーザ加工装置100のヘッド部4の構成例を示した斜視図であり、リアカバーが取り外されたヘッド部4内の様子が示されている。図5には、ヘッド部4を右前方から見た様子が示され、図6には、ヘッド部4を左前方から見た様子が示されている。また、図7には、ヘッド部4を下側から見た様子が示されている。
5 to 7 are perspective views showing a configuration example of the head unit 4 of the
このヘッド部4は、図示しないリアカバー、フロントカバー4a、アンダーフレーム33及びリアフレーム34からなる直方体形状の箱体内部が、フロントフレーム35及びセンターフレーム36によって3つの領域に区分され、これらの領域内に各デバイスが収容されている。
The head portion 4 has a rectangular parallelepiped box made up of a rear cover (not shown), a
リアフレーム34は、光ファイバーケーブル3が後面に取り付けられ、前面に光アイソレータ21などが取り付けられるフレームである。光ファイバーケーブル3は、カバー部3aを介して光軸がリアフレーム34のフレーム面と交差するように取り付けられている。光アイソレータ21は、光ファイバーケーブル3と光軸を一致させて配置されている。
The
フロントフレーム35は、光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22を介在させて、リアフレーム34と対向配置されるフレームである。センターフレーム36は、リアフレーム34とフロントフレーム35とを連結するフレームであり、リアフレーム34及びフロントフレーム35と交差させて配置されている。
The
このセンターフレーム36は、光アイソレータ21やビームエキスパンダ22と略平行に配置され、フレーム34〜36は、上から見てH形状に配置されている。フロントフレーム35よりも前側の領域は、フロントカバー4aで覆われており、ビームサンプラー23、シャッタ24、フォトインタラプタ25、ダイクロイックミラー26、Zスキャナ27、ミラー32、パワーモニタ29及びガイド光源30が収容されている。
The
フロントフレーム35とリアフレーム34との間でセンターフレーム36の右側の領域には、光アイソレータ21、ビームエキスパンダ22及びXスキャナ制御基板31aが収容されている。光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22は、光軸がセンターフレーム36と平行になるように配置されている。
An
一方、フロントフレーム35とリアフレーム34との間でセンターフレーム36の左側の領域には、Yスキャナ制御基板31c及びヘッド制御基板37が収容されている。つまり、Xスキャナ制御基板31aとYスキャナ制御基板31cとは、センターフレーム36に関して、互いに反対側に配置されている。
On the other hand, a Y
X方向走査用のガルバノミラー28b及びその駆動用モーター28aからなるXスキャナと、Y方向走査用のガルバノミラー28d及びその駆動用モーター28cからなるYスキャナは、上記右側の領域と上記左側の領域とに跨って収容されている。そのため、センターフレーム36には、XYスキャナ28を収容するための欠け部36a(図4参照)が形成されている。欠け部36aにXYスキャナ28の一部が入り込むことにより、ヘッド部4の高さを低くすることができる。
An X scanner composed of a
Xスキャナ制御基板31aは、Xスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板であり、Yスキャナ制御基板31cは、Yスキャナを制御するための制御回路が形成された配線基板である。Xスキャナ制御基板31aには、Xスキャナの駆動用モーターに駆動電流を供給する増幅器として、オペアンプ31bが設けられている。このオペアンプ31bは、平板形状の部品であり、Xスキャナ制御基板31a上に立設され、放熱面をリアフレーム34に密着させて固定されている。
The X
一方、Yスキャナ制御基板31cには、Yスキャナの駆動用モーターに駆動電流を供給する増幅器としてのオペアンプ31dが設けられている。このオペアンプ31dも、平板形状の部品であり、Yスキャナ制御基板31c上に立設され、放熱面をリアフレーム34に密着させて固定されている。スキャナ制御基板31a,31c上に配設されたオペアンプ31b、31dをリアフレーム34に密着させることにより、放熱性を向上させている。
On the other hand, the Y
ヘッド制御基板37は、シャッタ24、フォトインタラプタ25、パワーモニタ29、ガイド光源30、図示しない各種のインジケータを制御するための制御回路が形成された配線基板である。
The
ここで、Xスキャナ制御基板31a、Yスキャナ制御基板31c及びヘッド制御基板37は、センターフレーム36と交差する方向に関してヘッド部4の厚さを薄くするために、いずれも当該センターフレーム36と略平行に配置されている。また、Xスキャナ制御基板31aは、センターフレーム36の右面に取り付けられ、Yスキャナ制御基板31c及びヘッド制御基板37は、センターフレーム36の左面に取り付けられている。この例では、Xスキャナ制御基板31a、Yスキャナ制御基板31c及びヘッド制御基板37が、いずれも互いに対向させて配置された複数の基板上に制御回路を分散させた多段式の基板となっている。
Here, the X
ヘッド部4の底面を構成するアンダーフレーム33には、XYスキャナ28によって走査されたレーザ光を出射するための開口33aが形成されており、カバーレンズが配置される。ダイクロイックミラー26により反射されたレーザ光は、Zスキャナ27を通過後、X方向走査用のガルバノミラー28bによって反射される。そして、Y走査用のガルバノミラー28dによって反射され、開口33aを介してワークWに照射される。
An
図8及び図9は、図1のレーザ加工装置100のヘッド部4の構成例を示した斜視図であり、リアカバー及びフロントカバー4aが取り外されたヘッド部4を左前方から見た様子が示されている。図8には、フロントフレーム35よりも前側の領域内の各デバイスが示され、図9には、シャッタ24の駆動機構24b周辺の切断面が示されている。
8 and 9 are perspective views showing a configuration example of the head unit 4 of the
フロントフレーム35の前側の領域には、パワーモニタ29、パワーモニタ用アンプ29a、シャッタ24の遮断板24a、その駆動機構24b、粉塵落下防止カバー24c、フォトインタラプタ25、Zスキャナ27などが配置されている。
In the front region of the
光ファイバーケーブル3を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22を通過した後、ビームサンプラー23によって、その一部がダイクロイックミラー26に向けて反射され、他の一部が透過してパワーモニタ29に入射される。
The laser light transmitted through the
光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22は、互いに光軸を一致させて配置されており、ビームエキスパンダ22の通過後のレーザ光は、その一部がそのまま直進してパワーモニタ29に入射する。一方、ビームエキスパンダ22の通過後のレーザ光の他の一部は、ビームサンプラー23で反射され、遮断板24aを介してダイクロイックミラー26に入射する。
The
パワーモニタ29は、フロントフレーム35に関して光アイソレータ21やビームエキスパンダ22とは反対側に配置されている。パワーモニタ29の受光面は、フロントフレーム35を介しビームエキスパンダ22の出射側端面と対向させて配置されている。
The power monitor 29 is disposed on the opposite side of the
Zスキャナ27は、フロントフレーム35に関して光アイソレータ21やビームエキスパンダ22とは反対側で光軸を当該フロントフレーム35と略平行にして配置されている。一方、XYスキャナ28は、リアフレーム34及びフロントフレーム35間に配置され、Zスキャナ27を通過したレーザ光が光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22と略平行に入射される。
The
シャッタ24は、レーザ光を遮断するための遮断板24aと、遮断板24aを回転させる駆動機構24bと、粉塵が周囲に散逸するのを防ぐための粉塵落下防止カバー24cにより構成される。駆動機構24bとしては、例えば、回転軸方向の磁気力を回転トルクに変換するロータリーソレノイドが用いられる。粉塵落下防止カバー24cは、駆動機構24bのロータリーソレノイドや遮断板24aの摺動部分を覆うカバーである。
The
図10及び図11は、図1のレーザ加工装置100のヘッド部4の構成例を示した斜視図であり、ダイクロイックミラー26周辺のレーザ光の光路が示されている。図10には、ヘッド部4を左前方から見た様子が示され、図11には、ヘッド部4を上から見た様子が示されている。
10 and 11 are perspective views showing a configuration example of the head unit 4 of the
フロントフレーム35の前側の領域には、ビームサンプラー23、パワーモニタ29、遮断板24a、駆動機構24b、粉塵落下防止カバー24c、ダイクロイックミラー26、ガイド光源30及びZスキャナ27などが配置されている。
A
光ファイバーケーブル3を介して伝送されたレーザ光は、光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22を通過した後、ビームサンプラー23によって反射され、水平面内で光軸が直角に曲げられる。そして、レーザ光は、遮断板24aを介してダイクロイックミラー26に入射し、垂直面内で下方向に反射される。
The laser light transmitted via the
ダイクロイックミラー26によって反射されたレーザ光は、Zスキャナ27を通過後、ミラー32によって反射され、垂直面内で光軸が直角に曲げられてXYスキャナ28に水平方向から入射する。一方、ガイド光源30から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー26をそのまま下方向に透過して、レーザ光の光路に入る。
The laser light reflected by the
ガイド光源30は、レーザ光の遮断時であってもガイド光を照射可能とするために、シャッタ24の遮断板24aよりも下流側に配置しなければならない。このため、ビームサンプラー23及びダイクロイックミラー26を水平面内に配置して、ビームサンプラー23及びダイクロイックミラー26間にシャッタ24を配設するとともに、ダイクロイックミラー26の真上にガイド光源30を配置している。Zスキャナ27は、光軸を下方向に向けてダイクロイックミラー26の真下に配置されている。
The guide
パワーモニタ29が、フロントフレーム35に関して光アイソレータ21やビームエキスパンダ22とは反対側に配置されるので、パワーモニタ29をリアフレーム34及びフロントフレーム35間に配置させる場合に比べて、これらのフレーム間の距離が短いので、ヘッド部4の長さを短くすることができる。特に、光アイソレータ21及びビームエキスパンダ22を通過したレーザ光をそのままパワーモニタ29に受光させるので、ビームエキスパンダ22の通過後のレーザ光をミラーで反射させてからパワーモニタ29に受光させる場合、すなわち、受光面がセンターフレーム36のフレーム面と平行になるようにパワーモニタ29が配置される場合に比べて、パワーモニタ29の受光面の大きさに相当する分だけ、ヘッド部4の長さを短くすることができる。
Since the
また、Zスキャナ27が、光軸を下方向に向けて配置されるので、ヘッド部4の左右方向の厚さを薄くすることができる。また、粉塵落下防止カバー24cを設けているので、シャッタ24内部で発生した金属粉が落下して、Zスキャナ27などの光学系に付着するのを防止することができる。
Further, since the
本実施の形態によれば、Zスキャナ27を制御するメイン制御回路11が本体部2内に設けられるので、ヘッド部4内に設けられる場合に比べて、ヘッド部4を小型化することができる。また、XYスキャナ28を制御するXYスキャナ制御回路31はヘッド部4内に設けられるので、XYスキャナ制御用の駆動信号にノイズが付加されるのを抑制することができる。さらに、Zスキャナ27用の制御回路が本体部2内に設けられるので、ヘッド部4内の発熱を抑制することができる。
According to the present embodiment, since the
また、Xスキャナ制御基板31aとYスキャナ制御基板31cとがセンターフレーム36と略平行に配置されるので、センターフレーム36と交差する方向に関して、ヘッド部4を薄型化することができる。また、XYスキャナ制御回路31をXスキャナ制御基板31aとYスキャナ制御基板31cとに割り振ることにより、X方向走査用の制御回路及びY方向走査用の制御回路が1つの基板上に設けられる場合に比べて、基板のサイズを小さくすることができる。さらに、Xスキャナ制御基板31aとYスキャナ制御基板31cとが、センターフレーム36に関して互いに反対側に配置されるので、オペアンプ31b,31dをこれらのスキャナ制御基板間で離間させることができる。
In addition, since the X
1 コンソール
2 本体部
3 光ファイバーケーブル
3a カバー部
4 ヘッド部
4a フロントカバー
11 メイン制御回路
12 ワーク加工情報記憶部
13 電源回路
14 励起光源
15 レーザ光増幅器
21 光アイソレータ
22 ビームエキスパンダ
23 ビームサンプラー
24 シャッタ
24a 遮断板
24b 駆動機構
24c 粉塵落下防止カバー
25 フォトインタラプタ
26 ダイクロイックミラー
27 Zスキャナ
28 XYスキャナ
28a,28c 駆動用モーター
28b,28d ガルバノミラー
29 パワーモニタ
29a パワーモニタ用アンプ
30 ガイド光源
31 XYスキャナ制御回路
31a Xスキャナ用制御基板
31b Xスキャナ用オペアンプ
31c Yスキャナ用制御基板
31d Yスキャナ用オペアンプ
32 ミラー
33 アンダーフレーム
33a 開口
34 リアフレーム
35 フロントフレーム
36 センターフレーム
36a 欠け部
37 ヘッド制御基板
100 レーザ加工装置
W ワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Console 2
Claims (5)
上記本体部から光ファイバーケーブルを介して伝送された上記レーザ光を走査させるヘッド部とを備え、
上記ヘッド部は、上記レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なZスキャナと、
上記レーザ光を光軸に交差する方向に走査させるXYスキャナと、
上記XYスキャナを制御するXYスキャナ制御手段とを有し、
上記本体部が、上記Zスキャナを制御するZスキャナ制御手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。 A main body having laser light amplification means for amplifying laser light using an optical fiber having a laser medium added to the core;
A head unit that scans the laser beam transmitted from the main body unit via an optical fiber cable,
The head unit includes a Z scanner capable of adjusting a focal position of the laser beam in the optical axis direction;
An XY scanner that scans the laser beam in a direction crossing the optical axis;
XY scanner control means for controlling the XY scanner,
The laser processing apparatus, wherein the main body has Z scanner control means for controlling the Z scanner.
上記光ファイバーケーブルの端面から出射された上記レーザ光を通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段と、
上記戻り光抑制手段を介在させて、フレーム面が第1フレームの上記フレーム面と対向配置される第2フレームと、
第1フレーム及び第2フレームを連結し、フレーム面が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に配置される第3フレームとを有し、
上記XYスキャナ制御手段は、X方向走査用の制御回路が設けられたXスキャナ制御基板と、Y方向走査用の制御回路が設けられたYスキャナ制御基板とからなり、上記Xスキャナ制御基板及び上記Yスキャナ制御基板が第3フレームの上記フレーム面と略平行に配置されることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 The head portion includes a first frame to which the optical fiber cable is attached such that the optical axis intersects the frame surface;
A return light suppression means for passing the laser light emitted from the end face of the optical fiber cable and suppressing the return light;
A second frame having a frame surface opposed to the frame surface of the first frame with the return light suppressing means interposed therebetween;
A third frame connecting the first frame and the second frame, the frame surface being arranged substantially parallel to the longitudinal direction of the return light suppression means,
The XY scanner control means includes an X scanner control board provided with a control circuit for X-direction scanning, and a Y scanner control board provided with a control circuit for Y-direction scanning. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the Y scanner control board is disposed substantially parallel to the frame surface of the third frame.
上記XYスキャナが、第1フレーム及び第2フレーム間に配置され、上記Zスキャナを通過した上記レーザ光が上記戻り光抑制手段の長手方向と略平行に入射されることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。 The Z scanner is disposed on the side opposite to the return light suppression means with respect to the second frame so that the optical axis is substantially parallel to the frame surface of the second frame;
3. The XY scanner is disposed between a first frame and a second frame, and the laser light that has passed through the Z scanner is incident substantially in parallel with a longitudinal direction of the return light suppressing means. The laser processing apparatus as described in.
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