JP2016531004A - レーザビームを用いた材料加工装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザビームが、ミラー装置と集束光学装置とを介して、前記ミラー装置の適切な配向により、予め選択可能なワークピース上の加工点へ偏向される、ワークピースの加工のためのレーザビームガイド装置に関する。本発明によれば、上記ミラー装置は、集束光学装置の光学的主平面から、単焦点距離よりもさらに離隔して配置される。この装置は、隆起部を有しているワークピースを、レーザスキャン装置を用いて自己陰影の発生無しで加工することができる。

Description

本発明は、レーザビームが、ミラー装置と集束光学装置とを介して、当該ミラー装置の適切な配向により、予め選択可能なワークピース上の加工点に偏向される、ワークピースの加工のためのレーザビームガイド装置に関する。

材料加工のためのレーザビームは、マーキングやプリント基板の穿孔、プラスチック部品の溶接又は焼結のために使用されている。レーザビームを用いて材料を加工する場合には、このビームは、相互に実質的に直交するように配置された回転可能な２つの走査ミラーを有する、いわゆるスキャナを用いて、ワークピース上の選択可能な位置へ偏向される。このガイドは、選択可能な走査フィールドが、二次元又は三次元のワークピース上で達成できるように行われている。ここでの操作フィールドは、大抵は二次元であるが、三次元に拡張される可能性もある。レーザビームの集束は、フラットフィールドレンズを用いて行うことが可能であり、このレンズは、レーザビームを物体上の１つの平面内に集束させている。その際の焦点の位置は、特にレーザビームのフラットフィールドレンズ内への入射角に依存している。物体上のレーザビームの偏向は、典型的には、レンズ内へのビームの入射角にほぼ比例しているので、スキャナミラーは、大抵は、レンズによるビームのフェードに対して可能な限り広い加工範囲を得るために、可能な限りレンズの近傍に配置される。レーザビームの入射角は、平坦なワークピースの場合にはさほど重要ではないが、しかしながら、三次元形状乃至立体形状のワークピースの場合には、完全な加工のために重要である。焦点面上のレーザビームの入射角は、平坦なワークピースの場合、装置の光軸上で垂直となり、光軸外では光軸から離隔するように傾斜し、加工フィールドの縁部に向けて増加する。

代替的に、ワークピース上のレーザビームの集束は、テレセントリック系レンズを用いて行われてもよい。その際には、入射するビームが全加工領域においてワークピース上に実質的に垂直に入射する。しかしながら、このテレセントリック系レンズは、高い調達コストに結び付き、また、ある程度の口径食も相変わらず引き起こす。そのためこのレンズは、本発明の課題を十分に解決するものではない。機械視覚のための特別なレンズは、物体側で光軸に対して内側に傾斜したビームを伴うビーム経路を有している。これらのレンズは、電力密度の高いレーザビームを用いる適用には向いていない。その理由は、これらのレンズはそのような高出力ビームに対して必要とされるレンズのコーティングを備えていないからである。

現在のビームガイドのために用いられる装置の欠点は、三次元形状の物体の場合に、例えば光軸側方の領域だけでなく光軸上でも、レーザビームの一部が物体によって遮られてしまうことにある。このことは、加工品質の低下を招き、ワークピースの隆起した部分にレーザビームが当たった場合には損傷に繋がる虞もある。それ故、従来技術によれば、レーザビームは、側方に設けられた付加的なミラーを介してワークピース上に偏向される。しかしながら、これは非常に精密な調整を必要とし、カートリッジミラーの汚染の問題を引き起こす可能性もある。

そのような三次元形状のワークピースが、スキャン機能なしで加工されると、処理速度の低下が発生し、不所望なケースでは、加工が不可能になる。代替的に、ビームガイドのために、ウォブル走査システム又はトレパン光学系が用いられてもよい。そこでは、３つの楔プレートを介して、ワークピース上に垂直に入射するレーザビームから側方への変位を達成することができる。しかしながら、これらの光学機械システムは複雑で、そのために高コストに結びつく。

本発明の課題は、三次元形状の物体でも、レーザビームを用いて特に自己陰影による悪影響無しに高品質に加工することができる装置を提供することである。

発明の開示
本発明の上記課題は、ミラー装置を、光学装置の光学的主平面から、単焦点距離よりもさらに離隔して配置することによって解決される。

集束光学装置として、多くの場合、いわゆるＦ−θレンズが用いられており、このレンズでは、焦点に入射するビームは、その入射角にほぼ比例して光軸に対して間隔をおいてワークピース上に集束される。ミラーは、大きな入射角とそれに伴う広い加工面積を実現できるようにするために、可能な限り集束光学装置の近傍に配置される。レーザビームは、光軸の裏側に光軸から離隔する角度で入射し、それ故、ワークピース上の突起に遮られてしまう。それに対して本発明によれば、レーザビームは、光軸裏側に光軸に近付くような角度で入射する。このことは、スキャナミラーを、これらが従来技術に従って設けられている場合よりも集束光学装置から離隔して配置することによって達成される。現在のところ、これらのミラーは、集束光学装置の単焦点距離内に設けられており、それによって所望の広い加工ゾーンを得ることが可能である。これにより光路は、光軸から離隔するように傾斜し、その場合の角度は、光軸からの離間距離の増加と共に増加する。光学装置の焦点内にミラーが位置決めされるなら、出射光は実質的に光軸に平行に配向されるであろう。焦点距離を超える本発明の装置構成によれば、出射ビームが光軸方向に所望のように傾斜し、ワークピース上の位置付けが隆起による自己陰影無しでワークピース中心に処理される。この場合は、簡単なレンズを用いて要求を満たすことが可能である。例えばプラスチック部品の溶接の際には、多くの場合、１ｍｍ以上の焦点直径で十分である。この配置構成を用いれば、互いに入れ子になった２つのパイプを溶接することも可能である。これは、従来の装置では、迂回の実施のもとでしかできなかったことである。

ミラー装置がそれぞれ１つの回転軸を有する２つの可動ミラーを備えているならば、ミラーは検流計方式の駆動によって非常に迅速に動作させることができ、レーザビームをワークピース上の加工点に誘導して位置決めすることができる。これにより短い加工時間と、速い加工速度乃至処理速度（例えば準同時溶接用）と、比較的高いスループットとをワークピース上において達成することができる。

好ましい実施形態によれば、集束光学装置はフラットフィールドレンズとして構成される。フラットフィールドレンズ（これはＦ−θレンズであってもよい）が使用される場合には、ワークピース上で平坦な加工面上のレーザビームもより小さい焦点直径又はより良好な結像品質で達成することができる。単一の集束光学系を使用した場合には、これはレーザ光を例えば球殻状に集束し、それによって光軸から離隔した領域により大きな焦点が形成されるので、ワークピース又は光学系を対応して追従調整しなければならない。

さらに好ましい実施形態によれば、前記ミラー装置は、相互に近似的に直交している２つの偏向ミラーとして又はカルダン連結方式単一ミラーとして構成されている。これにより、市販の走査ヘッドを速い加工速度で使用することができ、それにもかかわらず、ワークピース上の隆起による自己陰影は回避される。

以下では、本発明について、図面に示した実施形態に基づいて詳細に説明する。

従来技術によるビームパスを示した図。 本発明に係る装置でのビームパスを示した図。 ２つのパイプの加工時のビームパスを示した図。

図１には、レーザビームを用いてワークピース上部１９とワークピース下部１６とを加工するための従来技術による第１のスキャナ装置１０が示されている。ワークピース上部１９は、この例ではワークピース下部１６に向いた側にベースプレートを有しており、このベースプレートがワークピース下部１６に溶接されている。レーザ光源からの光は、当該スキャナ装置１０においては、少なくとも１つの偏向ミラー１１を用いて、入射ビーム１２として集束レンズ１３に供給され、集束レンズ１３は、このレーザ光を、第１の出射ビーム１４としてワークピース上部１９のベースプレート上に集束する。偏向のためには、一般に、相互に近似的に（完全にではなく）直交する２つの偏向ミラーが使用されるが、ここではそのうちの１つの偏向ミラー１１が示されている。また代替的に、例えば唯一のカルダン連結方式単一ミラー１１又は２つの非平行な回転軸周囲で可動な圧電装置が使用されてもよい。偏向ミラー１１は、集束レンズ１３から第１のミラー間隔１７で配置されている。それにより、この偏向ミラー１１は、集束レンズ１３の単焦点距離内に配置される。第１の出射ビーム１４は、光軸１８から離隔するように傾斜している。この場合の傾斜角度は、光軸１８からワークピース上部１９上の入射点までの距離の増加と共に増加する。ここに示されている実施形態では、ワークピース上部１９は、中央領域においてワークピース隆起部を有している。この配置構成により、第１の出射ビーム１４は、自己陰影領域１５においてワークピース隆起部に衝突する。これにより、ワークピース上部１９は、自己陰影領域１５において損傷を生じる、及び／又は、ワークピース上部１９の加工点においてビーム品質若しくはビーム強度が不十分になり得る。

図２は、本発明により改善された配置構成を有する第２のスキャナ装置２０を示している。ここでは、図１と同じ構成要素には同じ符号が付されている。偏向ミラー１１は、上記第１のミラー間隔１７よりも拡大された第２のミラー間隔２１で配置されている。入射ビーム１２は、第１のスキャナ装置１０においてよりも、光軸１８からさらに離隔して集束レンズ１３に入射している。集束レンズ１３の焦点距離が図１の構成と同一であるならば、また、一次近似において集束レンズ１３がＦ−θレンズのような特性であるならば、レーザビームは、第２の出射ビーム２２として、内方へ光軸１８に対して傾斜して図１と同じワークピースの箇所へ入射する。この第２の出射ビーム２２は、ワークピース上部１９のワークピース隆起部を越えて露出ビーム領域２３内を通過し、加工のために必要なビーム品質と共にワークピース上部１９に集束される。集束レンズ１３とワークピース上部１９との間に得られる間隔に応じて、光軸に対して可及的に大きな傾斜の入射角度を達成するために、集束レンズ１３の可及的に小さな焦点距離が利用される。また、ビーム直径の縮小も最適化の枠内では有用であり得る。集束レンズ１３として市販のフラットフィールドレンズ、例えばいわゆるＦ−θレンズが使用されてもよい。

図３には、レーザビームを用いた材料加工のための本発明に係る装置の使用例が示されている。第１のパイプ部材３１は、第２のパイプ部材３３内へ挿入され、両パイプ部材３１，３３は、周面に渡る溶接継ぎ目３２において相互に接合されている。この目的のために、レーザビーム３０が、光軸１８方向に傾斜する所定の角度のもとで溶接継ぎ目３２に入射させられる。レーザビーム３０の光軸１８方向への傾斜により、第１のパイプ部材３１によるレーザビーム３０の遮りは回避される。

Claims (4)

1. ワークピースの加工のためのレーザビームガイド装置であって、
   レーザビームが、ミラー装置と集束光学装置とを介して、前記ミラー装置の適切な配向により、予め選択可能なワークピース上の加工点へ偏向される、装置において、
   前記ミラー装置を、前記光学装置の光学的主平面から、単焦点距離よりもさらに離隔して配置することを特徴とする装置。
2. 前記ミラー装置は、それぞれ１つの回転軸を有する２つの可動ミラーを備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記集束光学装置は、フラットフィールドレンズとして構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ミラー装置は、相互に近似的に直交している２つの偏向ミラーとして又はカルダン連結方式単一ミラーとして構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。

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