JP2011167704A

JP2011167704A - ビームローテータ

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Publication number: JP2011167704A
Application number: JP2010031550A
Authority: JP
Inventors: Jiro Yamamoto; 次郎山本; Norifumi Kubo; 則文久保
Original assignee: CORP GES; GES CORP; HRD KK
Current assignee: CORP GES; GES CORP; HRD KK
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: JP5466528B2

Abstract

【課題】ウェッジプリズムの往復移動を伴うことなく、レーザビームのワークに対する照射角度を可変とするビームローテータの実現。
【解決手段】角度ローテータ14の第３のウェッジプリズム30及び第４のウェッジプリズム38を透過したレーザビームL13は、第２の反射ミラー52a〜第４の反射ミラー52cを経由し、反転された状態で第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム30に再入射するため、両ウェッジプリズムの少なくとも一方を所定方向に回転させ、両者間の位相差を調整することにより、半径ローテータ12に出射されるレーザビームL14の光軸を所定幅で平行移動可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明はビームローテータに係り、特に、内蔵された複数のウェッジプリズムの回転により、レーザビームをワークに円形に照射する機能を備えたビームローテータに関する。

ワークに対してレーザビームを照射し、高精度の穴開け加工を行うに際し、ビームローテータが用いられる場合がある（非特許文献１参照）。
図４に示すように、この従来のビームローテータ80は、一対のウェッジプリズムを備えた半径ローテータ12と、一対のウェッジプリズムを備えた角度ローテータ81を備えている。

半径ローテータ12に含まれる第１のウェッジプリズム16は、第１の円筒状支持部材17の左端開口部に嵌合されている。この第１の円筒状支持部材17は、第１のベアリング18内に挿通されている。また、この第１の円筒状支持部材17には、第１のプーリ19が嵌装されている。

この第１の円筒状支持部材17の近傍には第１のサーボモータ20が配置されており、そのシャフトに接続されたギア21と第１のプーリ19との間には、ベルト22が装着されている。この結果、第１のサーボモータ20の回転により、第１の円筒状支持部材17内に配置された第１のウェッジプリズム16も回転する。

半径ローテータ12に含まれる第２のウェッジプリズム22は、第２の円筒状支持部材23の右端開口部に嵌合されている。この第２の円筒状支持部材23は、第２のベアリング24内に挿通されている。また、この第２の円筒状支持部材23には、第２のプーリ25が嵌装されている。

この第２の円筒状支持部材23の近傍には第２のサーボモータ26が配置されており、そのシャフトに接続されたギア27と第２のプーリ25との間には、ベルト28が装着されている。この結果、第２のサーボモータ26の回転により、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22も回転する。

角度ローテータ81に含まれる第３のウェッジプリズム82は、第３の円筒状支持部材83の左端開口部に嵌合されている。この第３の円筒状支持部材83は、第３のベアリング32内に挿通されている。また、この第３の円筒状支持部材83には、第３のプーリ33が嵌装されている。

この第３の円筒状支持部材83の近傍には第３のサーボモータ34が配置されており、そのシャフトに接続されたギア35と第３のプーリ33との間には、ベルト36が装着されている。この結果、第３のサーボモータ34の回転により、第３の円筒状支持部材83内に配置された第３のウェッジプリズム82も回転する。
第３の円筒状支持部材83の左端開口部端面には、複数本のガイドシャフト84が突設されている。

角度ローテータ81に含まれる第４のウェッジプリズム85は、第４の円筒状支持部材86の右端開口部に嵌合されている。この第４の円筒状支持部材86は、第４のベアリング40内に挿通されている。
この第４の円筒状支持部材86の右端開口部端面には複数のガイド孔87が形成されており、このガイド孔87には、第３の円筒状支持部材83のガイドシャフト84が挿通されている。

第４のベアリング40の下端部には、ナット支持部材88が固定されており、このナット支持部材88内のナットにボールネジ89が螺合されている。
このボールネジ89の端部には第４のサーボモータ90が接続されており、このサーボモータ90の正転または逆転により、第４の円筒状支持部材86はガイドレール91に沿って第４のウェッジプリズム85ごと左右に往復移動する。
第４の円筒状支持部材86のガイド孔87には、上記のように第３の円筒状支持部材83のガイドシャフト84が挿通されているため、第３の円筒状支持部材83の回転に呼応して第４の円筒状支持部材86も回転する。

第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ90には、ケーブル46を介して制御手段としてのパソコン48が接続されており、このパソコン48から出力される制御信号に基づいて、各サーボモータの回転方向及び回転速度がコントロールされる。

ここで、パソコン48からの制御信号に基づいて図示しないレーザ発振器からレーザビームが出射されると、このレーザビームL41は第４の円筒状支持部材86内に配置された第４のウェッジプリズム85に入射し、所定の方向に偏向される。
この偏向レーザビームは、第３の円筒状支持部材83内に配置された第３のウェッジプリズム82に入射し、ここでも所定の方向に偏向される。

第４のウェッジプリズム85及び第３のウェッジプリズム82は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えており、お互いの頂角が180度反対方向に向くように固定配置されているため、第４のウェッジプリズム85及び第３のウェッジプリズム82を透過したレーザビームL42は、第４のウェッジプリズム85に入射したレーザビームL41に対して所定の幅で平行移動することとなる。

この第３のウェッジプリズム82を透過したレーザビームL42は、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22及び第１の円筒状支持部材17内に配置された第１のウェッジプリズム16に入射する。
ここで、第２のウェッジプリズム22及び第１のウェッジプリズム16は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えているが、回転方向の位置ズレ（位相差）があれば、第１のウェッジプリズム16から出射されたレーザビームL43は第２のウェッジプリズム22への入射ビームL42に対して平行移動とはならず、所定の角度で偏向されることになる。

第１のウェッジプリズム16から出射されたレーザビームL43は、ミラー54で反射されてレンズ55に入射し、そこで集光されたレーザビームL45がワーク56に照射される。
レーザ加工に際しては、第１のサーボモータ20〜第３のサーボモータ34が同一方向に高速回転しており、これを受けて第１のウェッジプリズム16〜第４のウェッジプリズム85も同一方向に高速回転する。この結果、ワークにおける照射スポットは円周上を移動することとなる。

この際に、第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との位相差を調整することにより、第１のウェッジプリズム16から出射されるレーザビームL43の角度を変えることができ、この結果、ワーク56における照射スポットの半径を加減することが可能となる。
この第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との位相差は、第１のサーボモータ20及び第２のサーボモータ26の回転速度を制御し、両ウェッジプリズム間の位置関係を調整することにより実現される。

また、第３のウェッジプリズム82と第４のウェッジプリズム85との間の距離を調整することにより、第３のウェッジプリズム82から出射されるレーザビームの平行移動量を加減することができ、この結果、レンズ55におけるレーザビームL44の入射位置が移動するため、ワーク56に対するレーザビームの照射角度を変えることが可能となる。
この第３のウェッジプリズム82と第４のウェッジプリズム85間の距離の変更は、第４のサーボモータ90の駆動により実現される。

図５は、第３のウェッジプリズム82及び第４のウェッジプリズム85間の距離と、レーザビームの平行移動量との関係を説明するものである。
すなわち、図５(a)に示すように、第３のウェッジプリズム82と第４ウェッジプリズム85の傾斜面同士を密着させ、両者間の距離を限りなく０に近づけると、入射レーザビームL41と出射レーザビームL42は同じ光軸を通ることとなり、両者間に平行移動は生じない。

これに対し、図５(b)に示すように、第３のウェッジプリズム82と第４ウェッジプリズム85の傾斜面間の距離を大きくとると、第４のウェッジプリズム85から出射されたレーザビームは屈折して第３のウェッジプリズム82の中心から大きく下に外れた位置に入射し、そのまま平行化される。この結果、入射レーザビームL41と出射レーザビームL42間の平行移動量は大となる。

図６は、ワークに対する加工例を示すものである。
すなわち、図６(a)は、第１のウェッジプリズム16及び第２のウェッジプリズム22による偏向量が比較的大きくなるように両ウェッジプリズム間の位相差（位置関係）を制御すると共に、第３のウェッジプリズム82及び第４のウェッジプリズム85間の距離が最小となるように制御した場合の加工例を示しており、形成される孔91の半径が比較的大きくなると共に、レーザビームL45の照射角度が垂直に近いため、孔91の内面が垂直に近い形となっている。

これに対し図６(b)は、第１のウェッジプリズム16及び第２のウェッジプリズム22による偏向量が最小となるように両ウェッジプリズム間の位相差を制御すると共に、第３のウェッジプリズム82及び第４のウェッジプリズム85間の距離が比較的大きくなるように制御した場合の加工例を示しており、形成される孔91の半径が極めて小さくなると共に、レーザビームL45の照射角度が傾斜しているため、孔91の形状が円錐状となっている。

また図６(c)は、第１のウェッジプリズム16及び第２のウェッジプリズム22による偏向量が比較的大きくなるように両ウェッジプリズム間の位相差を制御すると共に、第３のウェッジプリズム82及び第４のウェッジプリズム85間の距離がさらに大きくなるように制御した場合の加工例を示しており、形成される孔91の半径が広がると共に、レーザビームL45の照射角度がさらに傾斜しているため、孔91の形状が逆テーパ状となっている。

TGSW／Helical Drilling Optic インターネットURL:http://www.tgsw-photonics.de/homepage/leistungen/produkte/mikrobearbeitung/wendelbohroptik/HDO-Flyer_TGSW_2007.pdf 検索日：平成２２年１月１２日

このように、上記のビームローテータ80を用いることにより、ワーク56に形成する孔91の半径や断面形状を柔軟に変更することが可能となる。
しかしながら、従来のビームローテータ80の場合には、ワーク56に対するレーザビームL45の角度調整が、ボールネジ89の駆動による第４のウェッジプリズム85の往復移動によって実現されるため、その際に第４のウェッジプリズム85の位置が僅かに捻れ、第３のウェッジプリズム82との間に位相差が生じるという問題があった。
ワーク56において超微細加工を行うことを前提とすると、第４のウェッジプリズム85と第３のウェッジプリズム82間において極僅かな位相差が生じても、照射スポットの半径に大きな狂いを生じさせる結果となる。

この発明は、このような従来の問題を解決するために案出されたものであり、ウェッジプリズムの往復移動を行うことなく、レーザビームのワークに対する照射角度を調整可能とするビームローテータを実現することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載のビームローテータは、回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、回転可能に配置された第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、上記の各ウェッジプリズムの回転速度及び回転方向を制御する制御手段と、上記角度ローテータの第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを透過したレーザビームを反転させて、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムに再入射させる反射光学系とを備え、上記第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して外部に出射されるレーザビームの光軸を所定幅で平行移動させることを特徴としている。
上記「反射光学系」は、例えば複数枚の反射ミラーの組合せ、ダブプリズムと複数枚の反射ミラーとの組合せ、複数のプリズムの組合せによって構成される。

請求項２に記載のビームローテータは、回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、回転可能に配置された第１のユニット及び第２のユニットを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、上記の各ウェッジプリズム及びユニットの回転速度及び回転方向を制御する制御手段とを備えたビームローテータであって、上記角度ローテータの第１のユニット及び第２のユニットは、相互の頂角が反対方向を向くように固定配置された一対のウェッジプリズムをそれぞれ備え、第１のユニット及び第２のユニットの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ユニットのウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第２のユニットの各ウェッジプリズム及び第１のユニットの各ウェッジプリズムを透過して外部に出射されるレーザビームの光軸を所定幅で平行移動させることを特徴としている。

請求項３に記載のビームローテータは、回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、回転可能に配置された第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、上記の各ウェッジプリズムの回転速度及び回転方向を制御する制御手段と、直線偏光の第１の偏光（例えば「Ｐ偏光」）を透過すると共に第２の偏光（例えば「Ｓ偏光」）を反射する第１の偏光ビームスプリッタ及び第２の偏光ビームスプリッタと、第１の偏光を第２の偏光に変換すると共に、第２の偏光を第１の偏光に変換する波長板と、反射光学系及び反転光学系（例えばダブプリズム）とを備え、上記第１の偏光ビームスプリッタに導かれたレーザビームの第１の偏光が、これを透過して第４のウェッジプリズムに入射し、この第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して所定の角度に偏向された後、上記波長板によって第２の偏光に変換され、この第２の偏光が上記第２の偏光ビームスプリッタで反射された後、上記反射光学系及び反転光学系を介して反転された状態で上記第１の偏光ビームスプリッタに入射し、この第１の偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光が、上記第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して所定の角度に偏向された上で、上記波長板に入射して第１の偏光に変換され、この第１の偏光が、上記第２の偏光ビームスプリッタを透過して外部に出射されるように、上記の各部材が配置されており、上記第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して上記波長板に入射する第２の偏光の光軸を所定幅で平行移動させ、もって当該波長板で変換され、第２の偏光ビームスプリッタを透過して外部に出射される第１の偏光の光軸を所定幅で平行移動させることを特徴としている。
上記「反転光学系」は、例えば１または複数のダブプリズムによって構成される。

請求項１〜３に記載したビームローテータの場合、何れもウェッジプリズムの往復移動によって角度ローテータから外部に出射されるレーザビームの平行移動を実現する代わりに、角度ローテータ側のウェッジプリズムを意図的に回転させることによってこれを実現する方式を採用しているため、ウェッジプリズムの不用意な回転により、ワークにおける照射スポットの半径に予期せぬ狂いが生じることを防止できる。

図１は、この発明に係る第１のビームローテータ10の基本構成を示す模式図であり、一対のウェッジプリズムを備えた半径ローテータ12と、同じく一対のウェッジプリズムを備えた角度ローテータ14を備えている。

この第１の円筒状支持部材17の近傍には、第１のサーボモータ20が配置されており、そのシャフトに接続されたギア21と第１のプーリ19との間には、ベルト22が装着されている。この結果、第１のサーボモータ20の回転により、第１の円筒状支持部材17内に配置された第１のウェッジプリズム16も回転する。

この第２の円筒状支持部材23の近傍には、第２のサーボモータ26が配置されており、そのシャフトに接続されたギア27と第２のプーリ25との間には、ベルト28が装着されている。この結果、第２のサーボモータ26の回転により、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22も回転する。

第１のウェッジプリズム16及び第２のウェッジプリズム22は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えている。

角度ローテータ14に含まれる第３のウェッジプリズム30は、第３の円筒状支持部材31の左端開口部に嵌合されている。この第３の円筒状支持部材31は、第３のベアリング32内に挿通されている。また、この第３の円筒状支持部材31には、第３のプーリ33が嵌装されている。

この第３の円筒状支持部材31の近傍には、第３のサーボモータ34が配置されており、そのシャフトに接続されたギア35と第３のプーリ33との間には、ベルト36が装着されている。この結果、第３のサーボモータ34の回転により、第３の円筒状支持部材31内に配置された第３のウェッジプリズム30も回転する。

角度ローテータ14に含まれる第４のウェッジプリズム38は、第４の円筒状支持部材39の右端開口部に嵌合されている。この第４の円筒状支持部材39は、第４のベアリング40内に挿通されている。また、この第４の円筒状支持部材39には、第４のプーリ41が嵌装されている。

この第４の円筒状支持部材39の近傍には、第４のサーボモータ42が配置されており、そのシャフトに接続されたギア43と第４のプーリ41との間には、ベルト44が装着されている。この結果、第４のサーボモータ42の回転により、第４の円筒状支持部材39内に配置された第４のウェッジプリズム38も回転する。

第３のウェッジプリズム30及び第４のウェッジプリズム38は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えている。

第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42には、ケーブル46を介して制御手段としてのパソコン48が接続されている。
各サーボモータはエンコーダを内蔵しており、パソコンに対してそれぞれの位置情報がリアルタイムに送出される。
このパソコン48には、OSの他にレーザ加工装置及びビームローテータの制御用プログラムが搭載されている。
そして、パソコン48の拡張スロットに装着された制御ボードから各サーボモータに対して制御用の信号が送出され、それぞれの回転方向及び回転速度がコントロールされる。
汎用的なパソコン48を用いる代わりに、専用の制御装置（同期サーボ制御装置等）を制御手段として用いることも当然に可能である。

図示の通り、半径ローテータ12を構成する第１の円筒状支持部材17及び第２の円筒状支持部材23は、角度ローテータ14を構成する第３の円筒状支持部材31及び第４の円筒状支持部材39と同一の平面上に設置されておらず、所定の傾斜面50に設置されている。

半径ローテータ12の下方には、第１の反射ミラー51が配置されている。また、第４の円筒状支持部材39の左端開口部の外側には、所定角度に傾斜した反射面を備えた第２の反射ミラー52a、第３の反射ミラー52b、及び第４の反射ミラー52cが配置されている。

ここで、パソコン48からの制御信号に基づいて図示しないレーザ発振器からレーザビームが出射されると、このレーザビームL11は第１の反射ミラー51の反射面に入射し、そこで反射されたレーザビームL12は、第３の円筒状支持部材31内に導かれる。
そして、第３のウェッジプリズム30及び第４の円筒状支持部材39内の第４のウェッジプリズム38を透過し、所定の方向に偏向されたレーザビームL13は、第２の反射ミラー52a〜第４の反射ミラー52cを経由して反転され、再び第４の円筒状支持部材39内に導かれる。

つぎに、第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム30を透過し、所定の方向に偏向されたレーザビームL14は、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22に入射する。
そして、第２のウェッジプリズム22及び第１の円筒状支持部材17内の第１のウェッジプリズム16を透過し、所定の角度に偏向されたレーザビームL15は、ミラー54で反射されてレンズ55に入射し、そこで集光されたレーザビームL17は、ワーク56に照射される。

レーザ加工に際しては、第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42が同一方向に高速回転しており、これを受けて第１のウェッジプリズム16〜第４のウェッジプリズム38も同一方向に高速回転する。この結果、ワーク56におけるレーザビームの照射スポットは円周上を移動することとなる。

この際に、第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との間の位相差を調整することにより、第１のウェッジプリズム16から出射されるレーザビームL15の偏向角度を変えることができ、この結果、ワーク56における照射スポットの半径を可変とすることができる。
この第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との位相差は、第１のサーボモータ20の回転速度と第２のサーボモータ26の回転速度との間にズレが生じるように両サーボモータを制御し、一方のウェッジプリズムを他方のウェッジプリズムに対して相対的に回転させることにより実現される。

また、第３のウェッジプリズム30及び第４のウェッジプリズム38を通過することによって所定角度で偏向されたレーザビームL13は、第２の反射ミラー52a〜第４の反射ミラー52cによって反転された状態で再び第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム38を通過し、同様の角度に偏向される構造を備えているため、第３のウェッジプリズム30と第４のウェッジプリズム38との位相差を調整することにより、第３のウェッジプリズム30から第２のウェッジプリズム22に対して出射されるレーザビームL14を、L14'あるいはL14"のように任意の幅で平行移動させることができる。この結果、レンズ55におけるレーザビームL16の入射位置が移動するため、ワーク56に照射するレーザビームL17の角度を可変とすることができる。
この第３のウェッジプリズム30と第４のウェッジプリズム38との位相差は、第３のサーボモータ34の回転速度と第４のサーボモータ42の回転速度との間にズレが生じるように両サーボモータを制御し、一方のウェッジプリズムを他方のウェッジプリズムに対して相対的に回転させることにより実現される。

なお、第３のウェッジプリズム30から出射されるレーザビームL14は、第４の円筒状支持部材39及び第３の円筒状支持部材31の開口軸と交差する傾斜角度を有しているが、第２の円筒状支持部材23及び第１の円筒状支持部材17が上記のように傾斜配置されているため、両円筒状支持部材の内面に入射することなく、ミラー54に到達できる。

上記のように複数枚の反射ミラーを組み合わせてレーザービームL13を反転させる代わりに、他の反転光学系（例えばダブプリズム）を用いて反転させることもできる。

図２は、この発明に係る第２のビームローテータ60の基本構成を示す模式図であり、一対の円筒状支持部材を備えた半径ローテータ12と、一対の円筒状支持部材を備えた角度ローテータ14を備えている。

図より明らかなように、半径ローテータ12の構成自体は、図４に示した従来のビームローテータにおける半径ローテータ12と実質的に等しいため、同一部材に対して同一の符号を付することにより、重複説明を省略する。

また、角度ローテータ14についても、基本構成は図１に示した第１のビームローテータ10における角度ローテータ14と等しいため、以下において両者の相違点を中心に説明する。

まず、角度ローテータ14の第３の円筒状支持部材31の右端開口部には、第５のウェッジプリズム62が嵌装されている。
この第５のウェッジプリズム62と、第３の円筒状支持部材31の左端開口部に嵌装された第３のウェッジプリズム30は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えており、、頂角が反対方向に向くように固定配置されている。この第３の円筒状支持部材31が、第１のユニットに相当する。

角度ローテータ14の第４の円筒状支持部材39の左端開口部には、第６のウェッジプリズム63が嵌装されている。
この第６のウェッジプリズム63と、第４の円筒状支持部材39の右端開口部に嵌装された第４のウェッジプリズム38は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えており、両ウェッジプリズムの、頂角が反対方向に向くように固定配置されている。この第４の円筒状支持部材39が、第２のユニットに相当する。

図示の通り、半径ローテータ12を構成する第１の円筒状支持部材17及び第２の円筒状支持部材23と、角度ローテータ14を構成する第３の円筒状支持部材31及び第４の円筒状支持部材39は、同一平面上に設置されている。

第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42には、上記と同様、ケーブル46を介して制御手段としてのパソコン48が接続されている。
そして、パソコン48からの制御信号に基づいて図示しないレーザ発振器からレーザビームが出射されると、このレーザビームL21は第４の円筒状支持部材39の第６のウェッジプリズム63に入射し、所定の方向に偏向される。この偏向レーザビームL22は、そのまま第４のウェッジプリズム38に入射し、ここでも所定の方向に偏向される。

上記の通り、第６のウェッジプリズム63及び第４のウェッジプリズム38は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えており、両ウェッジプリズムの頂角が反対方向に向くように配置されており、相互の位置関係は固定されているため、第６のウェッジプリズム63及び第４のウェッジプリズム38を透過したレーザビームL23は、第６のウェッジプリズム63に入射したレーザビームL21に対して所定の幅で平行移動することとなる。

第４のウェッジプリズム38から出射したレーザビームL23は、第３の円筒状支持部材31の第３のウェッジプリズム30に入射し、所定の方向に偏向される。この偏向レーザビームL24は、そのまま第５のウェッジプリズム62に入射し、ここでも所定の方向に偏向される。

上記の通り、第３のウェッジプリズム30及び第５のウェッジプリズム62は、それぞれ同一の形状、寸法、材質を備えており、両ウェッジプリズムの頂角が反対方向に向くように配置されており、相互の位置関係は固定されているため、第３のウェッジプリズム30及び第５のウェッジプリズム62を透過したレーザビームL25は、第３のウェッジプリズム30に入射したレーザビームL23に対して所定の幅で平行移動することとなる。

この第５のウェッジプリズム62を透過したレーザビームL25は、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22に入射する。
そして、第２のウェッジプリズム22及び第１の円筒状支持部材17内の第１のウェッジプリズム16を透過し、所定の角度に偏向されたレーザビームL26は、ミラー54で反射されてレンズ55に入射し、そこで集光されたレーザビームL28は、ワーク56に照射される。

レーザ加工に際しては、第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42が同一方向に高速回転しており、これを受けて第１のウェッジプリズム16〜第４のウェッジプリズム38も同一方向に高速回転する。この結果、ワーク56における照射スポットは円周上を移動することとなる。

この際に、第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との間の位相差を調整することにより、第１のウェッジプリズム16から出射されるレーザビームL26の偏向角度を変えることができ、この結果、ワーク56における照射スポットの半径を可変とすることができる。
この第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との位相差は、上記と同様、第１のサーボモータ20及び第２のサーボモータ26の回転速度を制御することにより実現される。

また、第３の円筒状支持部材31内に配置された第３のウェッジプリズム30と、第４の円筒状支持部材39内に配置された第４のウェッジプリズム38との間の位相差を調整することにより、第５のウェッジプリズム62から第２のウェッジプリズム22に対して出射されるレーザビームL25の平行移動量を調整することができ、この結果、レンズ55におけるレーザビームL27の入射位置が移動するため、ワーク56に照射するレーザビームの角度を可変とすることができる。
この第３のウェッジプリズム30と第４のウェッジプリズム38との位相差は、上記と同様、第３のサーボモータ34及び第４のサーボモータ42の回転速度を制御することにより実現される。

図３は、この発明に係る第３のビームローテータ70の基本構成を示す模式図であり、一対の円筒状支持部材を備えた半径ローテータ12と、一対の円筒状支持部材を備えた角度ローテータ14を備えている。

図より明らかなように、半径ローテータ12の構成自体は、図４に示した従来のビームローテータにおける半径ローテータ12と実質的に等しいため、同一部材に対して同一の符号を付することにより、重複説明を省略する。
また、角度ローテータ14についても、基本構成は図１に示した第１のビームローテータ10における角度ローテータ14と実質的に等しいため、同一部材に対して同一の符号を付することにより、重複説明を省略する。

この第３のビームローテータ70の特徴は、以下の点にある。
まず、第４の円筒状支持部材39の左端開口部の直前に、第１の偏光ビームスプリッタ71が配置されている。
また第２の円筒状支持部材23の左端開口部の直前には、第２の偏光ビームスプリッタ72が配置されている。
第１の偏光ビームスプリッタ71の接合面及び第２の偏光ビームスプリッタ72の接合面は、それぞれ直線偏光のＰ偏光を透過すると共に、Ｓ偏光を反射する特性を備えている。

第２の偏光ビームスプリッタ72と第３の円筒状支持部材31の右端開口部との間には、波長板（λ／２板）73が設置されている。
この波長板73は、入射した直線偏光の偏光方向を、「Ｐ偏光→Ｓ偏光」及び「Ｓ偏光→Ｐ偏光」のように変換する機能を備えている。

第１の偏光ビームスプリッタ71の下方及び第２の偏光ビームスプリッタ72の下方には、所定角度に傾斜した反射面を備えた第１の反射ミラー74及び第２の反射ミラー75が、それぞれの反射面が対向するように配置されている。
また、第１の反射ミラー74と第２の反射ミラー75との間には、第１のダブプリズム100が介装されている。
さらに、第１の偏光ビームスプリッタ71と第１の反射ミラー74との間には、第２のダブプリズム102が介装されている。

第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42には、上記と同様、ケーブル46を介して制御手段としてのパソコン48が接続されている。
そして、パソコン48からの制御信号に基づいて図示しないレーザ発振器からレーザビームが出射されると、このレーザビームは図示しない偏光子を介してＰ偏光に偏光され、第１の偏光ビームスプリッタ71に到達する。
このＰ偏光P01は、そのまま第１の偏光ビームスプリッタ71を透過し、第４の円筒状支持部材39内に導かれる。
そして、第４のウェッジプリズム38及び第３の円筒状支持部材31内の第３のウェッジプリズム30を透過し、所定の方向に偏向されたＰ偏光P02は、波長板73を介してＳ偏光S01に変換された後、第２の偏光ビームスプリッタ72に到達する。

このＳ偏光S01は、第２の偏光ビームスプリッタ72の接合面で反射され、第２の反射ミラー75、第１のダブプリズム100、第１の反射ミラー74及び第２のダブプリズム102を経由して反転された上で、第１の偏光ビームスプリッタ71に到達する。
そして、この反転状態となされたＳ偏光S01は、第１の偏光ビームスプリッタ71の接合面で反射され、第４の円筒状支持部材39内に導かれる。

つぎに、第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム30を透過し、所定の方向に偏向されたＳ偏光S02は、波長板73を介してＰ偏光P03に変換される。
このＰ偏光P03は、第２の偏光ビームスプリッタ72を透過して、第２の円筒状支持部材23内に配置された第２のウェッジプリズム22に入射する。
そして、第２のウェッジプリズム22及び第１の円筒状支持部材17内の第１のウェッジプリズム16を透過し、所定の角度に偏向されたＰ偏光P04は、ミラー54で反射されてレンズ55に入射し、そこで集光されたＰ偏光P06がワーク56に照射される。

レーザ加工に際しては、第１のサーボモータ20〜第４のサーボモータ42が同一方向に高速回転しており、これを受けて第１のウェッジプリズム16〜第４のウェッジプリズム38も同一方向に高速回転する。この結果、ワーク56におけるＰ偏光P06の照射スポットは円周上を移動することとなる。

この際に、第１のウェッジプリズム16と第２のウェッジプリズム22との間の位相差を調整することにより、第１のウェッジプリズム16から出射されるＰ偏光P04の偏向角度を変えることができ、この結果、ワーク56における照射スポットの半径を可変とすることができる。

また、第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム30を通過することによって所定角度で偏向されたＰ偏光P02は、波長板73によってＳ偏光S01に変換された後に、第２の反射ミラー75、第１のダブプリズム100、第１の反射ミラー74及び第２のダブプリズム102によって反転された状態で再び第４のウェッジプリズム38及び第３のウェッジプリズム30を通過し、同様の角度に偏向される構造を備えているため、第３のウェッジプリズム30と第４のウェッジプリズム38との位相差を調整することにより、第３のウェッジプリズム30から出射されるＳ偏光S02を所定の幅で平行移動させることができる。この結果、レンズ55におけるＰ偏光P05の入射位置が移動するため、ワーク56に照射するＰ偏光P06の角度を可変とすることができる。
この第３のウェッジプリズム30と第４のウェッジプリズム38との位相差は、上記と同様、第３のサーボモータ34及び第４のサーボモータ42の回転速度を制御することにより実現される。

上記のようにビーム反転手段としてダブプリズムを用いる代わりに、複数枚の反射ミラーを組み合わせてビーム反転手段となすこともできる。

なお、上記においてはＰ偏光を第１の偏光ビームスプリッタ71に導く例を示したが、Ｓ偏光を第１の偏光ビームスプリッタ71に導くように構成することもできる。この場合、第１の偏光ビームスプリッタ71及び第２の偏光ビームスプリッタ72として、Ｓ偏光を透過すると共にＰ偏光を反射する特性を備えたものを用いるべきことは言うまでもない。

上記においては、角度ローテータの次段に半径ローテータが設けられた例を示したが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、半径ローテータから出力されたレーザビームを角度ローテータにおいて平行移動させ、ミラー54に出射するように構成することも可能である。

この発明に係る第１のビームローテータの基本構造を示す模式図である。この発明に係る第２のビームローテータの基本構造を示す模式図である。この発明に係る第３のビームローテータの基本構造を示す模式図である。従来のビームローテータの基本構造を示す模式図である。従来のビームローテータにおけるレーザビームの平行移動の原理を示す説明図である。ビームローテータによる加工例を示す説明図である。

10 第１のビームローテータ
12 半径ローテータ
14 角度ローテータ
16 第１のウェッジプリズム
17 第１の円筒状支持部材
18 第１のベアリング
19 第１のプーリ
20 第１のサーボモータ
21 ギア
22 ベルト
22 第２のウェッジプリズム
23 第２の円筒状支持部材
24 第２のベアリング
25 第２のプーリ
26 第２のサーボモータ
27 ギア
28 ベルト
30 第３のウェッジプリズム
31 第３の円筒状支持部材
32 第３のベアリング
33 第３のプーリ
34 第３のサーボモータ
35 ギア
36 ベルト
38 第４のウェッジプリズム
39 第４の円筒状支持部材
40 第４のベアリング
41 第４のプーリ
42 第４のサーボモータ
43 ギア
44 ベルト
46 ケーブル
48 パソコン
50 傾斜面
51 第１の反射ミラー
52a 第２の反射ミラー
52b 第３の反射ミラー
52c 第４の反射ミラー
54 ミラー
55 レンズ
56 ワーク
60 第２のビームローテータ
62 第５のウェッジプリズム
63 第６のウェッジプリズム
70 第３のビームローテータ
71 第１の偏光ビームスプリッタ
72 第２の偏光ビームスプリッタ
73 波長板
74 第１の反射ミラー
75 第２の反射ミラー
100 第１のダブプリズム
102 第２のダブプリズム

Claims

回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、
回転可能に配置された第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、
上記の各ウェッジプリズムの回転速度及び回転方向を制御する制御手段と、
上記角度ローテータの第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを透過したレーザビームを反転させて、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムに再入射させる反転光学系とを備え、
上記第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して外部に出射されるレーザビームの光軸を所定幅で平行移動させることを特徴とするビームローテータ。
回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、
回転可能に配置された第１のユニット及び第２のユニットを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、
上記の各ウェッジプリズム及びユニットの回転速度及び回転方向を制御する制御手段とを備えたビームローテータであって、
上記角度ローテータの第１のユニット及び第２のユニットは、相互の頂角が反対方向を向くように固定配置された一対のウェッジプリズムをそれぞれ備え、
第１のユニット及び第２のユニットの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ユニットのウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第２のユニットの各ウェッジプリズム及び第１のユニットの各ウェッジプリズムを透過して外部に出射されるレーザビームの光軸を所定幅で平行移動させることを特徴とするビームローテータ。
回転可能に配置された第１のウェッジプリズム及び第２のウェッジプリズムを備え、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、もってレンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、
回転可能に配置された第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムを備え、外部に出射するレーザビームの光軸を平行移動させることにより、レンズを介してワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータと、
上記の各ウェッジプリズムの回転速度及び回転方向を制御する制御手段と、
直線偏光の第１の偏光を透過すると共に第２の偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッタ及び第２の偏光ビームスプリッタと、
第１の偏光を第２の偏光に変換すると共に、第２の偏光を第１の偏光に変換する波長板と、
反射光学系及び反転光学系とを備え、
上記第１の偏光ビームスプリッタに導かれたレーザビームの第１の偏光が、これを透過して第４のウェッジプリズムに入射し、この第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して所定の角度に偏向された後、上記波長板によって第２の偏光に変換され、
この第２の偏光が上記第２の偏光ビームスプリッタで反射された後、上記反射光学系及び反転光学系を介して反転された状態で上記第１の偏光ビームスプリッタに入射し、
この第１の偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光が、上記第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して所定の角度に偏向された上で、上記波長板に入射して第１の偏光に変換され、
この第１の偏光が、上記第２の偏光ビームスプリッタを透過して外部に出射されるように、上記の各部材が配置されており、
上記第３のウェッジプリズム及び第４のウェッジプリズムの少なくとも一方を所定方向に回転させて、両ウェッジプリズム間の位相差を調整することにより、第４のウェッジプリズム及び第３のウェッジプリズムを透過して上記波長板に入射する第２の偏光の光軸を所定幅で平行移動させることを特徴とするビームローテータ。