JP2829192B2 - レ−ザビ−ムスキャナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は炭酸ガスレ−ザ、ＹＡ
Ｇレ−ザ等の熱を用いて材料を加工する際にビ−ムを左
右に走査するための装置に関する。高出力の炭酸ガスレ
−ザやＹＡＧレ−ザは対象物を強力に加熱できるので金
属の溶接、熱処理、切断等に用いられる。ここでは溶接
を例にして説明する。図９において二つの被溶接物１３
をレ−ザ光によって、溶接することとする。単に継ぎ目
とする部分をレ−ザ光の収束点にそって移動させるよう
にしても良い。これを（ａ）に示す。走査（スキャン）
をしないので、溶接箇所の溶け込み深さはより深い。こ
のために低歪み高速溶接が可能である。レ−ザ装置の光
学系も単純であるという長所がある。しかし微小なスポ
ットに収束したビ−ムであるので次の欠点がある。

【０００２】突き合わせ溶接ではねらいずれが起こり
易い。 重ね溶接では継ぎ手強度不足になりやすい。 この欠点を克服するためにビ−ムを回転（スピニング）
する事や、直線往復状に走査する（スキャン）するとい
うことが提案されている。（ｂ）はスピニングを示す。
これはレ−ザ光学系のミラ−やレンズを回転させれば良
い。この発明ではスキャン法を採用しその改良を提案す
る。

【０００３】

【従来の技術】図１０はビ−ムをスキャンするための炭
酸ガスレ−ザの光学系の概略図である。これは例えば特
開昭６１−２９２１２２号に提案されている。レ−ザ光
学系には元々対向する２つのミラ−が設けられる。ビ−
ムをスキャンしない場合は、これらミラ−も固定されて
いる。この方法は二つのミラ−を同期して回転させるこ
とによって反射光をスキャンしようとするものである。
回転によってビ−ムを左右にのみ動かすことができると
いうのは不思議なようであるが、これは前記特開昭６１
−２９２１２２に述べられている如く可能である。これ
はミラ−の慣性が小さく駆動機構の負荷が少ないという
長所がある。しかし両方のミラ−ともに動かさなければ
ならないという欠点がある。またミラ−が完全に回転し
てしまうので冷却水を内部に循環させてこれを冷却する
というのが難しい。

【０００４】図１１はビ−ムをスキャンするための他の
従来例を示す。勿論滑り軸受けなどがあるがここでは図
示を略している。リンク３８、レンズホルダ４１は、こ
の滑り軸受けによって、左右方向にスライドするように
ガイドされている。モ−タ３５は偏芯カム３６を回す。
これは偏芯しているからクランク３７を介してリンク３
８が左右に運動する。リンク３８はピン３９、４０によ
ってクランク３７とレンズホルダ４１を連結しているの
で、レンズ４２が左右に移動する。レ−ザ光５はＢＣか
らレンズのＲＳまで平行光として進行するがここで収束
レ−ザ光となる。レンズを左右に振動させると、ビ−ム
が左右に振れる。被溶接物１３ではＰＱ点の間をスキャ
ンすることになる。これは例えば、広崎他，「ビ−ムス
キャナのレ−ザ溶接への応用」，高温学会誌ｖｏｌ．１
５，Ｎｏ．６，ｐ２８６（１９８９）に説明されてい
る。これはレンズが重くなるとモータの負荷が大きくな
る。またレンズの汚れ等により赤外光の吸収が増えこの
熱がレンズを膨張させるから焦点の位置が所定の位置か
らずれてくるという欠点がある。またレンズであるから
内部に水を通して冷却するという訳にゆかない。レンズ
の枠に水を通すこととレンズ自体に空気を吹き付けて空
冷する位である。

【０００５】この他にガルバノメ−タを用いてミラ−を
揺動させる方式のものもある。ガルバノメ−タは元来検
流計であり、永久磁石とコイルとを組み合わせ、電流量
に比例して回転子が回転するものである。交番電流を流
せば回転子を正逆回転できる。これによってミラ−を揺
動するスキャナは既にあるが、これは小出力レ−ザ用で
ある。１ｋＷ以下のビ−ム径の小さいレ−ザには使うこ
とができるが、それ以上の出力のレ−ザには使うことが
困難である。ビ−ム径が大きいとミラ−も重く大きくな
りガルバノメ−タの負担も増加する。また大出力である
とミラ−の発熱が無視できない。大量の熱が軸を通して
ガルバノメ−タに伝達し軸、軸受けなどでの膨張により
回転抵抗が増加する。また線輪を巻いた強磁性体は加熱
されると著しく帯磁率が低下するので磁力が弱くなる。
このような訳で熱のために揺動運動が停止する。冷却す
れば良いのであるが運動しているミラ−であるから冷却
水を通すのが難しい。そこで空気を吹き付けて空冷する
ということがなされる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】３ｋＷ以上の大出力の
炭酸ガスレ−ザ、ＹＡＧレ−ザ等を溶接、熱処理等に用
いる場合の光学系においてビ−ムをスキャンする機構を
問題にする。レンズを左右に振る機構は、このような大
出力の場合は、レンズ径が大きくなり、摺動部が重く大
型になる。モ−タの負担も大きくなるし摺動部の摩耗が
大きい。クランク機構を利用するので騒音振動も大きく
なる。光レンズとしてＺｎＳｅを用いたとしても０．４
％以上の光エネルギ−を吸収する。エネルギ−が大きい
のでレンズの膨張も大きく熱レンズ効果も甚だしくな
る。またレンズの場合は構造上、冷却能力が不足する。
ガルバノメ−タによってミラ−を揺動する方式は小出力
のものに利用されている。これを大出力のものに利用し
ようとする時は冷却をより完全にしなければならない。
そうでないとミラ−で発生した熱がガルバノメ−タに伝
導して軸、軸受けを膨張させ運動が停止する。本発明は
３ｋＷ以上の高出力で５０ｍｍφ以上の大きいビ−ム径
の場合でも十分にビ−ムをスキャンできる機構を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のレ−ザビ−ムス
キャナは、レ−ザの平行光を反射して絞るための固定さ
れた放物面鏡と、絞られた光を反射し被加工物に当てる
ための揺動ミラ−と、揺動ミラ−を揺動させるためのガ
ルバノメ−タと、揺動ミラ−を水によって冷却するため
の冷却機構を含む。揺動ミラ−を水冷するのがひとつの
特徴である。このために冷却治具の背面の中央部分に冷
却水の入口と出口を設ける。また冷却水を導入排出する
水管は軽く撓むようコイル状に巻いてあってまた材質は
柔軟かつ温度変化による硬度変化の少ないウレタンを用
いミラ−の揺動の邪魔にならないようにしてある。放物
面鏡の軸線が入射レ−ザビ−ムに平行になるようにし、
しかも放物面の焦点に被加工物が位置するようにする。
揺動ミラ−は好ましくはＳｉのミラ−とする。軽量であ
るからである。

【０００８】

【作用】本発明のビ−ムスキャナは、放物面鏡、揺動ミ
ラ−、ガルバノメ−タ、冷却機構よりなる。レ−ザビ−
ムは放物面鏡、揺動ミラ−で２度反射されて、被加工物
に照射される。揺動ミラ−はガルバノメ−タによって揺
動運動をする。冷却機構は揺動ミラ−を水によって冷却
する。放物面鏡は固定ミラ−である。これによって平行
なレ−ザのビ−ムを集光する。少し集光されているので
ビ−ム径が減少する。このために２番目のミラ−である
揺動ミラ−の径を小さくできる。径が小さいと重量も小
さく慣性モ−メントも少なくなる。これはガルバノメ−
タの負担を軽減できる。冷却水で冷却するので揺動ミラ
−の冷却は十分である。冷却水の入口出口を揺動ミラ−
の背後の中心に位置させたので、揺動によって入口出口
の部分が殆ど動かない。このために冷却水の導入、排出
管が揺動運動の邪魔にならない。冷却を十分に行うこと
ができるので大出力のレ−ザの反射光学系として用いる
ことができる。放物面鏡と揺動ミラーの配置を逆にし
て、揺動ミラーで反射した光を放物面鏡で集光すること
も可能である。しかしこの配置ではミラーの揺動に伴っ
て放物面鏡への光の入射角が変化するため、焦点位置で
のビームの形状が変化する。従って、この配置では溶
接、熱処理のための実用的な性能を得ることが難しい。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るレ−ザビ−ムス
キャナの概略構成図である。筐体１は光学系を収容する
容器である。冷却水を通したり、レーザー加工のための
ガスを通したりする機構を備えるが、詳細は略す。光学
系としては第１のミラ−である放物面鏡２と、第２のミ
ラ−である揺動ミラ−３がある。筐体１の先端には先端
の尖ったト−チノズル４となっている。炭酸ガスレ−ザ
またはＹＡＧレ−ザの発振器から出た光は、レンズ系
（図示せず）によって拡径され口径の大きい平行ビ−ム
となる。あるいはレンズ系によらず初めから口径の大き
い平行ビ−ムであることもある。平行レ−ザ光５を、放
物面鏡２によって反射しこれを一点に収束させようとす
る。単なる球凹面鏡ではこれができない。放物面鏡２の
軸は、レ−ザ光の軸に平行になるようにする。放物面鏡
２で反射されたレ−ザ光６はほぼ９０度光路が異なる
が、次にある揺動ミラ−３に入射する。これは平面鏡で
ある。揺動ミラ−３で反射された収束レ−ザ光７は被溶
接物１３の表面に焦点を結ぶ。照射点１４は継ぎ目１５
の左右に振動するようになっている。これをスキャンと
いうが、突き合わせ溶接の場合は少々狙いが外れていて
も差し支えない。また重ね合わせ溶接の場合は継ぎ手強
度が増加するという利点がある。

【００１０】図１では簡略化してあるが、揺動ミラ−３
を動かすものはその側方に設けられるガルバノメ−タで
ある。揺動ミラ−３は、ミラ−板８と、これが固着され
る冷却治具９よりなる。冷却治具９で囲まれる空間は冷
却水１２が流通している。冷却治具９の背後には冷却水
の入口出口１１が設けられる。このように放物面鏡２と
揺動ミラ−３を組み合わせた光学系であるが、先述のよ
うに、放物面鏡２の軸と平行レ−ザ光５の軸を平行にす
ることが必要である。放物面鏡２の焦点が被溶接物１３
に一致することが望ましいが、必要により焦点をずらし
て使うこともできる。これを図２によって説明する。レ
−ザ光はＢＣであるが、これが放物面鏡２の放物面の一
部ＤＥに当たる。放物面鏡２の軸線をｙ軸とし放物面の
中心をＪとする。放物面の焦点Ｆはｙ軸上にある。レ−
ザ光の軸線ＣＥ、ＢＤは放物面の軸線ｙ軸に平行である
から、Ｅ、Ｄでの反射光は焦点Ｆに収束するはずであ
る。ところがこの途中に揺動ミラ−３がある。焦点Ｆ
と、被溶接物１３の中心とを結ぶ線分の２等分線とこれ
らの反射光の交線上にこの揺動ミラ−を置く。従って揺
動ミラ−３での反射光は、被溶接物１３に当たる筈であ
る。つまり揺動ミラ−３による焦点の像が被溶接物１３
の上にできるような幾何学的配置である。なお焦点をず
らして使う場合には、被溶接物１３を軸線ｙ軸の方向に
平行移動して適切な位置に配置する。

【００１１】揺動ミラ−３はガルバノメ−タによって微
小振幅で揺動する。このために光の入射点が、Ｇ〜
Ｇ′、Ｈ〜Ｈ′の間で変化する。そして焦点Ｆの像も被
溶接物１３の上でＰ〜Ｑの間を変化するのである。

【００１２】図３は揺動ミラ−３の概略の斜視図であ
る。これはミラ−板８が、冷却治具９に取り付けられ、
これがガルバノメ−タ１６の出力ロッド１７の先端に固
着されている。ガルバノメ−タは前述のように、永久磁
石と、コイルとを組み合わせ、コイル電流に応じて軸が
回転するものである。軸受け、軸、磁石、コイル、揺動
角度検出器等よりなり、交番電流によって軸を正逆に回
転させることができる。正逆回転の振幅、周波数は任意
に調整することができる。冷却治具９の背面に並んで冷
却水入口１８、冷却水出口１９が設けられる。これはそ
れぞれコイル状に巻いた冷却水コイルチュ−ブ２０、２
１に接続される。冷却水入口出口のための部品を付ける
ことにより、揺動ミラ−の重量が増加し慣性モ−メント
も増加する。しかし本発明では冷却水の入口出口１８、
１９が揺動軸の上にあるから、揺動ミラ−３の全体の慣
性モ−メントの増加が最小になる。また導入、排水管は
コイル状に巻いてあるので、しなやかに撓み、ミラーの
揺動運動を阻害することが殆どない。これらのためガル
バノメ−タの負担の増加が少ない。回転体の回転に要す
るトルクＴは、２次モーメントをＩ、振幅を±θ、周波
数をｆとすると、Ｔ∝ｆ² ・θ・Ｉである。

【００１３】２次モ−メントＩは、揺動ミラ−だけの２
次モ−メントをＩ₀ として、冷却水出入口部品の質量を
ｍ、これら部品の重心の軸芯からのずれの距離をｋとし
て、Ｉ＝Ｉ₀ ＋ｍｋ² で示される。冷却治具９の背面中
央の位置は最小の距離Ｋｗを与えるので、結局最小の２
次モ−メントを実現できる。つまり揺動運動するとき最
小の駆動トルクで良いということである。このように、
冷却水の出入口が冷却治具９の中央にあるのは、ガルバ
ノメ−タに与える影響が最小ということ、揺動が水の出
入りに影響を及ぼさないという両方から望ましいことで
ある。

【００１４】図４は揺動ミラ−の底面図、図５は背面図
である。冷却治具９の下面にＳｉのミラ−板８が固着さ
れる。Ｓｉを使うのは軽量にするためである。その他Ｂ
ｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ等もある。いずれも赤外光に対す
る反射率が高くてミラ−として使用できる。しかし揺動
ミラ−の場合は特に軽量であることが望ましいので，Ｓ
ｉが最適である。ミラ−板８は単なる平板であるが、こ
れが固着される冷却治具９は、Ａｌ等の軽量金属で作製
する。冷却治具９の下面のＳｉミラ−板８が固着される
面は平滑面である。冷却治具９の内部は渦巻き状の冷却
水路２６となっている。これは図６に示すように、冷却
水入口１８と、冷却水出口１９とを両端とする水路であ
る。隔壁２７が渦巻き状の水路を形成している。ネジ２
５によって、ミラー板８と冷却治具９が固着される。ロ
ッド差し込み穴２４にロッドを挿入して，押さえ板２２
で押さえ、ネジによって固定する。冷却水は直接にミラ
−板８を冷却するのではないが、薄肉の冷却治具９の上
板を介してミラ−板８を極めて効果的に冷却できる。レ
−ザ光がミラ−に当たると大量の熱を発生するが、ミラ
−板８が固着されている冷却治具９の内部に水が通って
いるから、熱が水によって奪われる。従ってロッドを通
じてガルバノメ−タに迄伝達されない。ガルバノメ−タ
の軸受けが加熱されて抵抗が増大したり、磁性体が加熱
されて透磁率が異常に低下し磁力を失うというようなこ
とがない。

【００１５】また冷却水コイルチュ−ブは剛性ができる
だけ低い方が良いのでウレタンチュ−ブが最適である。
これは、柔軟であるし温度によって硬度の変化が少な
い。チュ−ブをコイル状にするのは実効的な剛性を減少
させて，揺動ミラ−の運動を妨げないためである。次に
実施例を示す。 炭酸ガスレ−ザ・・・出力３ｋＷ、ビ−ム径５２ｍｍ 溶接材料・・・・・・冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ、ＳＧＡ
ＣＤ、ＳＧＡＣＥ、ＳＧＭＣＦ、ＳＰＦＣ等） 溶接材料厚さ・・・・０．５〜３ｍｍ 溶接形状 ．．．．．突き合わせ溶接他 スキャン周波数・・・１０〜１５０Ｈｚ スキャン振幅・・・・ ０．５ｍｍ 溶接速度・・・・・・１〜１０ｍ／分 作業雰囲気は特に光学実験室的なものではなく、一般の
工場雰囲気であるが、これで良好な結果を得ている。溶
接強度は十分であるし、溶接の速度も十分である。また
光学系の故障も特に問題とするほどではない。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば炭酸ガスレ−ザを用いて
溶接、熱処理をする際にビ−ムをスキャンできる。ビ−
ムスキャンによって突き合わせ溶接の場合の狙いずれの
問題はなくなる。重ね溶接では継ぎ手強度が高まる。ス
キャンさせるためにミラ−を揺動させているが、ガルバ
ノメ−タによるので騒音、振動等の発生が少ない。桟構
部分が殆どない往復回転だからである。ガルバノメ−タ
に熱が伝わると、機械的磁気的な劣化のためにこれの運
動が停止する惧れがあるが、本発明ではミラ−の内部に
冷却水を流している。このためにガルバノメ−タが高温
から守られる。ガルバノメ−タが連続して良好に機能す
る。冷却治具９の背面の中央部に冷却水の出入口を設け
ているからミラ−の揺動運動の邪魔にならない。第１の
放物面鏡でビ−ムを小さくしてから揺動ミラ−に当てて
いる。逆にすると集光特性を低下させ、溶接等に使用で
きなくなる。このため揺動ミラ−の径を小さくできる。
この比は、放物面鏡と揺動ミラ−の距離Ｗと、揺動ミラ
−と被溶接物１３の距離Ｕの比に比例する。Ｗを大きく
すれば揺動ミラ−での光の径をより小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレ−ザビ−ムスキャナの概略構成図。

【図２】同じものに於いて放物面鏡の軸線、焦点と揺動
ミラ−、被溶接物の間の関係を示す図。

【図３】揺動ミラ−とガルバノメ−タの斜視図。

【図４】揺動ミラ−の底面図。

【図５】揺動ミラ−の背面図。

【図６】図５のＸ−Ｘ断面図。

【図７】図６のＹ−Ｙ断面図。

【図８】図６のＺ−Ｚ断面図。

【図９】レ−ザ溶接のビ−ムの動きを示す説明図。

【図１０】二つのミラ−を回転させることによってビ−
ムをスキャンする構造を示す図。

【図１１】レンズを左右に振ることによってビ−ムをス
キャンするものの構造を示す図。

【符号の説明】

１ 筐体 ２ 放物面鏡 ３ 揺動ミラ− ４ ト−チノズル ５ 平行レ−ザ光 ６ 反射レ−ザ光 ７ 集束レ−ザ光 ８ ミラ−板 ９ 冷却治具 １１ 冷却水出入口 １２ 冷却水 １３ 被溶接物 １４ 照射点 １５ 継目 １６ カルバノメ−タ １７ 出力ロッド １８ 冷却水入口 １９ 冷却水出口 ２０ 冷却水コイルチュ−ブ ２１ 冷却水コイルチュ−ブ ２２ 押え板 ２４ ロッド差込口 ２５ ネジ ２６ 冷却水路 ２７ 隔壁 ２８ 継手 ２９ 継手 ３０ 蓋孔 ３１ 蓋孔 ３２ 回転ミラ− ３３ 回転軸 ３４ 回転軸 ３５ モ−タ ３６ 偏芯カム ３７ クランク ３８ リンク ３９ ピン ４０ ピン ４１ レンズホルダ ４２ レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴨川 英樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岸 正雄 大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電 気工業株式会社大阪製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−27491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−93494（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−41384（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−76318（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−127691（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/06 - 26/08 G02B 26/10 104

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レ−ザの光を被加工物にあて溶接、熱処
   理をおこなう装置に於いて、レ−ザ光を収束させスキャ
   ンしながら被加工物に当てる光学系であって、軸線が入
   射レ−ザ光と平行に設置された放物面鏡と、該放物面鏡
   で反射された光を再び反射し被加工物に当てるために設
   けられた平板のミラー板と冷却水を通過させる水路を設
   けた冷却治具よりなる揺動ミラーと、該揺動ミラーを支
   持してこれを任意の角度範囲で揺動させるガルバノメー
   タと、前記冷却治具の揺動軸上に設けられた冷却水入
   口、冷却水出口と、これらにつながる柔軟なチューブと
   よりなり、前記ミラー板と前記冷却治具とを着脱可能と
   した事を特徴とするレ−ザビームスキャナ。