JP4376221B2 - スキャン光学ユニット及びその制御方法並びにレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータを光走査用ミラーの回転駆動に使用したスキャン光学ユニット及びその制御方法並びにこのスキャン光学ユニット使用したレーザ加工装置に関する。

近時、生産現場の技術革新が加速され、生産の高品質・高速化の技術開発も精力的に進められている。レーザ加工の高品質・高速化は、レーザ装置及びワーク駆動系等の全システムの性能に依存する。

近年の技術開発により、レーザ装置は、ビーム品質の向上とともに高出力化が進み、高速加工を可能とするようになってきたが、加工の高速性を十分に引き出す高速且つ高精度なワーク駆動系が存在しなかった。

従来のＸＹテーブル又はロボットは、駆動系自身の慣性力により高速での急激な方向転換に限界があった。また、ＸＹテーブル又はロボットの制御系が有する演算能力の限界から、高速での小図形描画が困難であり、正確な円及び四角を描くにはせいぜい３０−６０ｍｍ／ｓが限界であった。これらの問題を解決するために、高速での小図形も描画可能な高速スキャン光学ユニットを開発することが要望されている。

レーザ加工光学系としては、一般的に、レーザ光を導く光ファイバーと、光ファイバー出射光をコリメートするコリメートレンズと、反射偏向によってコリメート光を２次元に偏向するスキャン光学ユニットと、２次元に偏向された光束を加工対象上に集光する集光レンズとを備えている。

この場合に、集光レンズに加工対象物からの溶けた粒が飛散することによって集光レンズを傷めないようにするためには、集光レンズの作動距離を長くすることが望ましい。しかしながら、作動距離の長い集光レンズは自ずと焦点距離が長くなる。このため、加工対象上の集光スポット径を十分に小さくするために、コリメートビーム径は太くならざるを得ないが、太い径を有するコリメート光を２次元に反射偏向するスキャン光学ユニットの反射鏡のサイズは大きくなる。大きな反射鏡は必然的に重量が増す。この反射鏡を高速に揺動及び回動させるためには、駆動手段に大きなトルク及びパワーを発生するものが求められる。

光を反射偏向するスキャン光学ユニットとして、ガルバノミラーの代わりにサーボモータ駆動の回転ミラーを用いたレーザ走査装置が特許文献１に開示されている。このレーザ走査装置は、対象物の形状測定としての利用を目的にしたものであって、１つのレーザ偏向ミラーを第１のサーボモータで回動させ、この第１のサーボモータが設置された回動架台を第２のサーボモータによって第１のサーボモータの回動軸とは直交する軸の回りに回転させて、レーザ光を形状測定対象物上に２次元にラスタースキャンさせるものである。

特開平１１−１９０６１５号公報（第３−４頁、図１）

レーザ走査によって任意の形状の小図形を一筆書きで高速に描画する用途の場合、ミラーを配設したサーボモータの回転軸を３６０°の回転駆動ではなく、小さい角度範囲で往復揺動させるか又はランダム偏向させて用いることが多い。このような場合、ミラーが狭い範囲でしか回転されないため、回転軸に塗布された潤滑剤が偏り、これによって回転軸がすぐに磨耗してしまうという問題点がある。

しかしながら、特許文献１に開示されているレーザ走査装置は、２つのサーボモータの回転範囲が９０°を限度としており、回転軸に塗布された潤滑剤が偏り、これによって回転軸がすぐに磨耗してしまう。また、第２のサーボモータが第１のサーボモータが載置された架台を回動するように構成されている。このため、第１のサーボモータとこれが載置された架台の重量によって第２のサーボモータへ印加される負荷が大きく、高速の走査には不向きである。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高出力レーザによる高品質・高速加工を可能とするスキャン光学ユニット及びその制御方法ならびにこのスキャン光学ユニットを使用したレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るスキャン光学ユニットは、レーザ光を反射によって第１の面内で角度偏向させる第１の偏向ミラーと、第１の偏向ミラーによって偏向されたレーザ光を反射によって第１の面と交わる第２の面内で角度偏向する第２の偏向ミラーと、第１及び第２の偏向ミラーを夫々回転駆動する第１及び第２のサーボモータと、第１及び第２のサーボモータを制御する制御部とを有し、この制御部は、描画動作の際、第１及び第２のサーボモータを第１及び第２の偏向ミラーが９０°以下の角度で回転するように独立に制御し、第１及び第２の偏向ミラーはこの回転域で相互に接触しないよう近接して配設されており、更に前記制御部は、メインテナンス動作の際、前記偏向ミラーの一方をメインテナンスに必要な角度で回転させ、前記偏向ミラーの他方を前記一方の偏向ミラーに接触しない回転位置に退避させるように、前記第１及び第２のサーボモータを制御することを特徴とする。

第１及び第２の偏向ミラーを夫々異なる第１及び第２のサーボモータによって回転駆動させるので、特許文献１に開示されている技術において課題であったサーボモータへの負荷が軽減される。また、描画動作の際、第１及び第２のサーボモータを第１及び第２の偏向ミラーが９０°以下の角度で回転するように独立に制御され、第１及び第２の偏向ミラーはこの回転域で相互に接触しないよう近接して配設されるため、レーザ光は走査対象面を可能な限り垂直に照射することができるようになり、また、ミラーと集光レンズとの間の距離を確保することができる。

本発明に係るスキャン光学ユニットは、第１及び第２のサーボモータを制御する制御部を備え、この制御部は、描画動作の際、第１及び第２のサーボモータを第１及び第２の偏向ミラーが９０°以下の角度で回転するように独立に制御し、第１及び第２の偏向ミラーはこの回転域で相互に接触しないよう近接して配設されているので、レーザ光は走査対象面を可能な限り垂直に照射することができるようになり、また、ミラーと集光レンズとの間の距離を確保することができる。

メインテナンス動作の際、前記偏向ミラーの一方をメインテナンスに必要な角度で回転させ、前記偏向ミラーの他方を前記一方の偏向ミラーに接触しない回転位置に退避させるように、第１及び第２のサーボモータを制御するので、このメインテナンス動作により、回転軸の潤滑剤の偏りによる摩耗が軽減される。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記複数のスキャン光学ユニットを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の偏向ミラー及び第２の偏向ミラーは夫々サーボモータの回転軸に配設されるため、サーボモータへの負荷が小さい。また、各ミラー面はこの軸を回転軸として回転駆動されるため、反射偏向によってコリメート光を機械的に２次元に偏向し、作動距離の長いスキャン光学ユニットを得ることができる。更に、スキャン光学ユニットのサーボモータ制御部は、描画を行わない休止時に回転軸とこの回転軸を保持する軸受け部との間に介挿されている潤滑剤を回転軸全周に塗り広げるメインテナンス動作を実行するよう制御することができるため、回転軸の摩耗を軽減させることができる。

次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るスキャン光学ユニット１００の構成の一例を示す概略図である。光ファイバー１から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ２によってコリメートされた後、Ｙ軸スキャン用ミラー４に入射し、このＹ軸スキャン用ミラー４に反射されることによって角度偏向され、次にＸ軸スキャン用ミラー３に向かう。そして、レーザ光はこのＸ軸スキャン用ミラー３にて反射されることによって更に角度偏向され、集光レンズ５に入射する。

Ｘ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４は夫々Ｘ軸サーボモータ６及びＹ軸サーボモータ７の回転軸に配設され、各ミラー面はこれらのサーボモータ６及び７の回転軸を回転中心として回転駆動される。サーボモータ６及び７は、サーボモータ制御部８によって回転角が制御される。Ｘ軸スキャン用ミラー３は、走査対象面９の上方に配置されており、このＸ軸スキャン用ミラー３と走査対象面９との間には、Ｘ軸スキャン用ミラー３からの光を集束して走査対象面９を照射する集光レンズ５が設置されている。サーボモータ制御部８は、ＸＹ２軸のサーボモータ６及び７の回転角を制御して、集光レンズ５の光軸上後側の焦点面に位置する走査対象面９にレーザ光による連続線状又は破線状の任意の図形１０を一筆書き様に描く。サーボモータ制御部８は、描画時においては、ＸＹ２軸のサーボモータ６及び７の回転角が例えば９０°以下の角度で回転するように独立に制御する。

Ｘ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４は、描画動作の際、Ｘ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４が夫々例えば９０°以下の角度で独立に回転駆動されるが、このとき、この回転域においては相互に接触しない距離を限度に近接して配設されている。このように、Ｘ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４を可及的に近接して配置することによって、レーザ光は走査対象面９に可能な限り垂直に入射することができ、また、各ミラー３及び４と集光レンズ５との間の距離を確保することができ、加工対象物からの溶けた粒が集光レンズ５に付着することを防止できる。

集光レンズ５は、走査対象面９上での偏向位置をＸ軸スキャン用ミラー３又はＹ軸スキャン用ミラー４の偏向角θに比例させる場合にはｆ−θレンズを使用するが、通常のｆ−ｔａｎθレンズを用いてもよい。

また、スキャン光学ユニット１００に入力するレーザ光がガウスビーム又は開口像である場合には、光ファイバー１の代わりに、コリメートレンズ２と望遠鏡から構成される別のレンズを使用してもよい。

また、光ファイバーを使用した場合であっても、走査対象面９にガウス状ではなく任意の光強度プロファイルの像を形成するために、光路上に開口及びホモジナイザ等を含む空間的なフィルタリング手段を採用してもよい。

次に、本実施形態のスキャン光学ユニット１００の描画時の動作について説明する。本実施形態のスキャン光学ユニット１００は、スキャン用ミラー３及び４の駆動手段に大きなトルク及びパワーを発生するサーボモータ６及び７を使用しているため、サイズが大きいスキャン用ミラー３及び４を使用することができる。このため、集光レンズ５の作動距離を長くすることができる。このようなスキャン光学ユニット１００は、レーザ加工装置の光学系に用いるのに好適である。

また、２つのスキャン用ミラー３及び４の各駆動に夫々別のサーボモータ６及び７を使用し、各ミラー３及び４は、例えば９０°以下の角度で回転するように独立に制御されているため、任意の図形を一筆書き様に高速に描画することができる。

次に、本実施形態のスキャン光学ユニット１００のメインテナンス時の動作について、サーボモータの制御方法と共に説明する。上述の描画動作の際の制御方法において、スキャン光学ユニット１００のサーボモータ制御部８がサーボモータの回転軸を例えば９０°以下の角度でＸ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４を往復揺動させるか、又はランダム偏向させて、任意の形状の図形を一筆書きで描画する場合には、２つのスキャン用ミラー３及び４が狭い角度範囲、例えば９０°以下でしか回転されないため、このままでは各サーボモータ６及び７の軸に塗布された潤滑剤が偏り、軸が偏って磨耗してしまう。そこで、適当な時期に、潤滑剤の偏りを解消するために、サーボモータ制御部８はメインテナンス動作を行う。以下、サーボモータ制御部８のメインテナンス時の制御方法について説明する。

スキャン光学ユニット１００のサーボモータ制御部８は、描画動作を行わない際には、各サーボモータ６及び７の回転軸を左右にメインテナンスに必要な角度、例えば３６０°で回転させ、夫々の回転軸とこの回転軸を保持する軸受け部との間に介在する潤滑剤を回転軸全周に塗り広げるメインテナンス動作を実行する。Ｘ軸スキャン用ミラー３及びＹ軸スキャン用ミラー４は、レーザ光が走査対象面９を可能な限り垂直に照射するように、また、各ミラー３及び４と集光レンズ５との間の距離を確保するために、集光レンズ５の光軸上前側の焦点位置近傍に、描画動作の際の狭い回転域、例えば９０°以下においては各ミラー３及び４が相互に接触しない距離を限度に近接して配設されている。従って、夫々のサーボモータ６及び７の回転軸を同時に大きな角度で回転させると、各回転軸に取り付けられたミラー同士が接触し破損してしまう。このような事故を回避するために、サーボモータ制御部８は、夫々のサーボモータ６及び７に対して一方のサーボモータにより駆動されるミラーを退避させた状態で、他方を大きな角度、例えば３６０°で回転させ、この間に潤滑油を均一にするメインテナンスを行う。

図２にスキャン光学ユニット１００を構成するサーボモータ６及び７のメインテナンス動作時におけるサーボモータ制御部８の制御フローを示す。サーボモータ６及び７が描画動作を行わない休止の時間になった時（ステップＳ１０）、先ずＸ軸サーボモータ６及びＹ軸サーボモータ７の夫々の回転軸を初期角度で停止する（ステップＳ１１）。

次に、Ｘ軸サーボモータ６の回転軸を、Ｙ軸スキャン用ミラー４が大きな角度で回転しても接触しない角度θまで回転（ステップＳ１２）した後に静止して退避させる（ステップＳ１３）。この状態で、Ｙ軸サーボモータ７の回転軸を左右にメインテナンスに必要な角度、例えば３６０°回転させ、潤滑剤の軸周における偏りをなくす（ステップＳ１４）。その後、再びＹ軸サーボモータ７及びＸ軸サーボモータ６の回転軸を順に初期角度に戻す（ステップＳ１５）。

次にＸ軸に対しても同様に、上述のプロセスを実行する。先ず、Ｙ軸サーボモータ７の回転軸を、Ｘ軸スキャン用ミラー３が大きな角度で回転しても接触しない角度Φまで回転（ステップＳ１６）した後に静止して退避させる（ステップＳ１７）。この状態で、Ｘ軸サーボモータ６の回転軸を左右にメインテナンスに必要な角度、例えば３６０°回転させ、潤滑剤の軸周における偏りをなくす（ステップＳ１８）。その後、再びＸ軸サーボモータ６及びＹ軸サーボモータ６の回転軸を順に初期角度に戻す（ステップＳ１９）。

この結果、描画動作の際の狭い回転域、例えば９０°以下においては相互に接触しない距離を限度に近接して配設されている各ミラーを接触させることなく、各スキャン用ミラー３及び４を大きな角度で回転させることができ、これによって潤滑剤の軸周における偏りをなくし、軸が偏って摩耗してしまうという問題点を解決することができる。なお、Ｘ軸及びＹ軸に対する上述のプロセスの順序はいずれの軸が先でも構わない。このメインテナンス動作が終了すれば、描画動作を再開することができる（ステップＳ２０）。

本発明の第１実施形態に係るスキャン光学ユニットの構成の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るスキャン光学ユニットを構成する２つのサーボモータのメインテナンス動作時におけるサーボモータ制御部の制御フローを示す図である。

符号の説明

１； 光ファイバー
２； コリメートレンズ
３； Ｘ軸スキャン用ミラー
４； Ｙ軸スキャン用ミラー
５； 集光レンズ
６； Ｘ軸サーボモータ
７； Ｙ軸サーボモータ
８； サーボモータ制御部
９； 走査対象面
１０； 図形
１００； スキャン光学ユニット

Claims (3)

1. レーザ光を反射によって第１の面内で角度偏向させる第１の偏向ミラーと、前記第１の偏向ミラーによって偏向されたレーザ光を反射によって前記第１の面と交わる第２の面内で角度偏向する第２の偏向ミラーと、前記第１及び第２の偏向ミラーを夫々回転駆動する第１及び第２のサーボモータと、前記第１及び第２のサーボモータを制御する制御部とを有し、この制御部は、描画動作の際、前記第１及び第２のサーボモータを前記第１及び第２の偏向ミラーが９０°以下の角度で回転するように独立に制御し、前記第１及び第２の偏向ミラーはこの回転域で相互に接触しないよう近接して配設されており、更に前記制御部は、メインテナンス動作の際、前記偏向ミラーの一方をメインテナンスに必要な角度で回転させ、前記偏向ミラーの他方を前記一方の偏向ミラーに接触しない回転位置に退避させるように、前記第１及び第２のサーボモータを制御することを特徴とするスキャン光学ユニット。
2. レーザ光を反射によって第１の面内で角度偏向させる第１の偏向ミラーと、前記第１の偏向ミラーによって偏向されたレーザ光を反射によって前記第１の面と交わる第２の面内で角度偏向する第２の偏向ミラーと、前記第１及び第２の偏向ミラーを夫々回転駆動する第１及び第２のサーボモータと、前記第１及び第２のサーボモータを制御する制御部とを備えたスキャン光学ユニットの制御方法において、前記第１及び第２の偏向ミラーが、描画動作の際、９０°以下の角度で回転するように独立に制御し、前記第１及び第２の偏向ミラーはこの回転域で相互に接触しないよう近接して配設されているスキャン光学ユニットの制御方法において、メインテナンス動作の際、前記偏向ミラーの一方をメインテナンスに必要な角度で回転させ、前記偏向ミラーの他方を前記一方の偏向ミラーに接触しない回転位置に退避させるように、前記第１及び第２のサーボモータを制御することを特徴とするスキャン光学ユニットの制御方法。
3. 請求項１に記載のスキャン光学ユニットを備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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