JP5025538B2

JP5025538B2 - 形状可変ミラーおよびその形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置

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Publication number: JP5025538B2
Application number: JP2008073554A
Authority: JP
Inventors: 智彦石塚; 正彦長谷川; 航史宇野; 公彦赤澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009229686A

Description

この発明は、レーザビームなどを用いた加工装置において、焦点距離やビーム径、あるいはビームモードを調整する形状可変ミラーおよびその形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置に関するものである。

レーザビームなどを用いたレーザ加工装置において、形状可変ミラーはその反射面の曲率を変化させることにより、光学系全体の焦点距離や光路途中あるいは加工点でのビーム径やビームモードを調整することができる。そして、形状可変ミラーではその反射面形状を、平面形状から凹面形状または凸面形状（回転対称な単純形状、特に球面状）へと連続的に変化させることができる（例えば、特許文献１参照）。

この形状可変ミラーは、実際のレーザ加工装置では、球面形状など回転対称な単純形状での凹凸変形であるため、変形時の非点収差などの発生を抑えるために、曲率可変ミラーへのレーザビームの入射角を１０°以下にするなど、垂直入射、垂直反射に近い状態で使用される（例えば、特許文献２参照）。

反射鏡はレーザ加工装置の設計、製造、あるいは光路調整を容易にするため、通常、入射角４５°、反射による折り返し角度９０°で最も用いられる。入射角４５°で回転対称の曲率可変ミラーを使用するためには、曲率可変鏡を複数枚、例えば２枚用いて図８に示すように、互いの反射方向が９０°ねじれるように配置し、互いの非点収差を相殺させるなどの工夫が必要となる。なお、図８において符号８０は回転対称の曲率可変ミラーを示し、符号８１はレーザビームを示している（例えば、特許文献３参照）。

また、回転対称でない形状可変ミラーとして、反射ミラー部とミラー保持部を設け、反射ミラー部の裏面に圧力負荷が可能なほぼ楕円形、またはほぼ方形、あるいは卵形の面を区画し、その区画に圧力を負荷することにより反射ミラーの反射面を非球面変形させている（例えば、特許文献４参照）。

特開平９−２９３９１５号公報特許第３００９１０７号公報ＷＯ２００４／１０１２１１号公報特開２００４−１８１５３２号公報

前記特許文献１に開示された技術においては、回転対象の形状可変ミラーの駆動素子は１つで制御もシンプルであるが、入射角を１０°以下にしなければならないなど、その使用条件は限定される。一方、特許文献４に開示されているような非球面変形させる形状可変ミラーは、例えば入射角４５°、反射による折り返し角度９０°の最も使用される条件においても変形時の収差を抑制できるが、ミラー周辺部を固定しており、ミラーの中心位置がミラー保持部に対して変位するため、反射後のビームの光軸がずれるという問題があった。

この発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、ミラーの中心位置がミラー保持部に対して変位しない形状可変ミラーおよびその形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置を提供するものである。

この発明に係る形状可変ミラーは、反射面を有する反射ミラーの裏面に圧力負荷を与え、前記反射ミラーの形状を変化させる形状可変ミラーにおいて、前記反射面の中心部に対向する前記裏面に一端が固定される軸部材と、前記反射ミラーの外径部をＯリングで保持すると共に、前記軸部材の他の一端を固定するミラー保持部材とを備え、前記反射ミラーの中心部が圧力負荷により動かないようにし、前記軸部材の反射面に平行な断面形状が、楕円形、方形、及び卵形の何れかの形状を有しているものである。

この発明に係る形状可変ミラーによれば、ミラーの中心位置がミラー保持部に対して変位しないため、ミラーにより反射したビームの光軸がミラーの変形前と変形後では移動しない形状可変ミラーを提供できる。また、収差の少ないミラーとなるため、ビーム品質が劣化しない効果がある。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係る形状可変ミラーおよびその形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置について好適な実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーの概念を説明する図である。図１において、形状可変ミラー１００を構成する反射ミラー１の反射面１Ａと裏面１Ｂは円形で、互いに平行な面に構成されている。また、反射ミラー１の反射面１Ａの中心１Ｃに対向する裏面１Ｂ側の中心には、例えば反射面１Ａに平行した断面が楕円形の軸部材２が一体に構成されるか、もしくはネジ止め、ロウ付け、あるいは接着などにより接合されている。

反射ミラー１の反射面１Ａの中心１Ｃを通るある一軸をＸ軸、同じく中心１Ｃを通り、Ｘ軸と直行する軸をＹ軸と定義する。このＸ軸とＹ軸の交点に軸部材２を固定し、反射ミラー１の裏面１Ｂに圧力を負荷すると、反射ミラー１の反射面１Ａは中央が固定されているため、周辺部が押し出され、反射面上で中心１Ｃがへこんだ凹形となる。しかし、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで反射ミラー１の曲げに対する強度の差が軸部材２の反射面に平行した断面形状により存在するため、反射面１Ａは中心１Ｃが移動することなくＸ軸方向とＹ軸方向で異なる凹形状を有することになる。

また、後述するように、軸部材２を冷却構造とすることにより、ビーム入射時に発生する反射面１Ａの温度上昇を反射面１Ａの中心１Ｃから冷却することが出来る。

前記のような概念の形状可変ミラー１００によれば、反射ミラー１を比較的大きな角度、例えば入射角４５°、折り返し角度９０°で配置し、反射ミラー１の凸面形または凹面形の変形度合いを適切に調整すれば、より収差を抑えた状態で光学系全体の焦点距離や光路途中あるいは加工点でのビーム径やビームモードを調整することが出来る。ここで、反射ミラー１の変形度合いは、数１０ｍｍの直径の反射ミラー１に対して、０．１μｍ〜数１００μｍ程度が想定される。なお、反射ミラー１の変形度合いがこの想定よりも大きい場合、あるいは小さい場合のいずれにおいてもこの発明を適用することができる。

次に、実施の形態１に係る形状可変ミラー１００の具体的構成について説明する。図２は実施の形態１に係る形状可変ミラー１００の具体的構成を説明する斜視図で、図３はその断面図を示している。図２および図３において、反射ミラー１の裏面１Ｂ側に軸部材２を設ける。例えば、反射面１Ａに対して平行な断面が楕円形に形成された軸部材２の一端の中心を、反射面１Ａの中心１Ｃと対向した裏面１Ｂと一体に構成するか、もしくはネジ止め、ロウ付け、あるいは接着などにより接合する。また、軸部材２の他の一端は、反射ミラー１を保持するミラー保持部材３とネジ止め、ロウ付け、あるいは接着により接合する。

軸部材２は側面２Ａを貫通する冷却孔２Ｂを具備すると共に、軸部材２の内部を中空状とし、その中空状部に冷却媒体、例えば冷却水を循環させることにより、ビーム入射時に発生する反射面１Ａの温度上昇を反射面１Ａの中心１Ｃから冷却する構成となっている。

また、ミラー保持部材３の内径切り欠き部３Ａ内にＯリング４を配置し、反射ミラー１の外径部１ＤとＯリング４が接触することにより、気密保持部５（図３参照）が形成されている。そして、ミラー保持部材３には気密保持部５に圧力負荷媒体、例えば冷却水または流体を提供するための1つ以上の圧力負荷媒体孔６が具備されている。なお、図２および図３では圧力負荷媒体孔６が１つの場合を示しており、圧力負荷媒体としては、前述の冷却媒体として機能する冷却水または流体が用いられる。

実施の形態１に係る形状可変ミラー１００は前記のように構成されており、次にその動作について説明する。
圧力負荷媒体孔６から圧力負荷媒体、例えば冷却水または流体により反射ミラー１の裏面１Ｂ側に圧力を負荷する。反射ミラー１は、軸部材２により中心部を固定されているため、裏面１Ｂに圧力が負荷されることにより反射面１Ａは凹面形状になる。反射ミラー１の圧力負荷前の反射面形状が例えば平面であれば、圧力負荷することにより平面形状から凹面形状となり、反射光は平行光から収束光へと変化する。また、圧力負荷前の反射面形状が凸面形状であれば、圧力負荷することにより凸面形状から平面形状そして凹面形状へと変形することになり、反射光は発散光から平行光を経て収束光へと変化する。

このように、実施の形態１に係る形状可変ミラー１００によれば、反射ミラー１の裏面１Ｂ側に圧力を負荷した場合でも、ミラー保持部材３に軸部材２を通して反射面１Ａの中心が固定されて移動しないため、反射面１Ａの変形により反射ミラー１の中心部が移動しないので、反射後のビームの光軸がずれなくなる。

また、反射面１Ａの中心が固定されて移動しないため、圧力負荷媒体である例えば冷却水または流体を実時間により調整することで、実時間の下での焦点距離やビーム径、ビームモードの調整を行うことが光軸調整をすることなく出来る。

また、軸部材２を反射面に平行した断面を楕円形に構成することにより、反射ミラー１の裏面１Ｂに圧力を負荷した場合、軸部材２の断面形状の曲げ強度の差により、反射面１Ａの変形が軸対称でなく、入射角４５°、反射による折り返し角度９０°の最も使用される条件の場合においても、反射ミラー１における収差の少ない形状となるため、レーザのビーム品質が劣化しない。

更に、軸部材２は側面２Ａを貫通する冷却孔２Ｂを具備すると共に、軸部材２の内部を中空状とし、その中空状部に冷却媒体、例えば冷却水を循環させることにより、レーザ照射時に発生する反射ミラー１の中心からの熱上昇を、反射ミラー１の周辺部からでなく軸部材２を通して中心部から直接抑制することになる。これにより形状可変ミラー１００の熱上昇を抑制することが出来る。

また、反射ミラー１の軸部材２の固定部を除く裏面に対し、圧力負荷媒体、例えば冷却水または流体によって圧力負荷を与える構成にしたので、圧力負荷方法が圧力負荷媒体、例えば冷却水や流体の圧力を用いることにより、反射鏡の変形を実時間で制御することが出来る。

また、ミラー保持部材３に圧力負荷媒体孔６を具備すると共に、ミラー保持部材３と反射ミラー１との間に気密保持部５を構成し、この気密保持部５に圧力負荷する圧力負荷媒体、例えば冷却水もしくは流体を供給することにより、複雑な構造を用いなくても反射ミラー１の反射面を変形させることが出来る。

また、圧力負荷前の反射面１Ａの形状を凸面形状にすることにより、平行光であるレーザビームを形状可変ミラー１００により比較的大きな角度に偏向させた反射光が発散光となり、反射ミラー１の変形により、レーザビームの反射光が発散光から平行光、そして収束光へと変化させることが出来る。

また、図4に示すように、形状可変ミラー１００の裏面１Ｂに変位センサ７、例えば渦電流式変位センサを接続することにより、実時間における形状可変ミラー１００の反射面１Ａの変位を測定することが出来る。

次に、前記形状可変ミラー１００を用いたレーザ加工装置の一例について説明する。図５は形状可変ミラー１００を用いたレーザ加工装置の基本概念図である。図５において、レーザ発振器５０から発振されたレーザビーム５１は、形状可変ミラー１００により偏向され、集光レンズ５２により集光されて被加工物５３に照射される。ＮＣ装置５４の記憶装置には複数の加工条件、すなわちレーザ出力等の条件が記憶されており、被加工物５３の材質、穴径や穴の深さおよび穴加工か切断加工などの加工内容に応じた最適な条件が選択される。また、ＮＣ装置５４は予め設定された条件に従って被加工物５３を載置した加工テーブル５５の駆動装置（図示せず）を駆動する。このように動作するレーザ加工装置に形状可変ミラー１００が用いられる。また、ＮＣ装置５４は、形状可変ミラー１００の変位センサ７が所望の値となるように圧力負荷媒体の圧力調整機構５６を駆動させる。そして、被加工物５３の加工目的に合致するように、形状可変ミラー１００を構成する反射ミラー１（図２参照）の形状を前述のように変化させることにより、簡便に焦点距離やビーム径、ビームモードの調整が実時間で行うことが可能なレーザ加工装置を提供することができる。

前記加工目的としては、穴加工や切断加工のみでなく、被加工物を燃焼、溶融、昇華あるいは変色させる加工、あるいは溶接、熱処理、マーキング加工などを含むものであり、レーザ発振器５０は、単パルス、複数パルスあるいは連続発振のレーザビームを被加工物５３に照射するものである。

なお、実施の形態１では、形状可変ミラー１００を円形として図示説明したが、円形でなくても良く、楕円形、または方形、あるいは卵形などの形状であってもよい。

更に、圧力負荷前の反射面の形状を平面形状、あるいは凸面形状として説明したが、球面形状でも非球面形状でも任意の形状面であってもよい。

また、軸部材２の反射面１Ａに平行な断面を楕円形として説明したが、軸部材２の反射面１Ａに平行な断面は、方形、あるいは卵形でもよい。

また、軸部材２の側面２Ａに冷却孔２Ｂを具備すると共に、軸部材２の内部を中空状とし、その中空状部に冷却媒体を循環させる形状について図示説明したが、この軸部材２の側面２Ａに更に冷却フィンを形成した軸部材としてもよく、また、これらに代えて単に側面２Ａに冷却フィンを形成したのみの軸部材としてもよい。

また、気密保持部５を構成するためにＯリング４を構成しているが、気密が得られるのであればＯリング４に限定されるものではない。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る形状可変ミラーの構造を説明する。実施の形態２は実施の形態１と異なる気密保持部を構成するものである。
図６および図７は実施の形態２に係る形状可変ミラー２００の構造を示し、図６は斜視図であり、図７はその断面図を示している。

図６および図７から明らかなように、実施の形態２に係る形状可変ミラー２００は、ミラー保持部材６０の外径切り欠き部６０Ａ内にＯリング４を配置し、反射ミラー６１の内径部６１ＤとＯリング４が接触することにより、気密保持部６２（図７参照）が構成されている。なお、その他の構成については実施の形態１と同様もしくは相当しており、同一符号を付すことによりその説明を省略する。

実施の形態２に係る形状可変ミラー２００の動作は、実施の形態１に係る形状可変ミラー１００と同様に、圧力負荷媒体孔６から圧力負荷媒体、例えば冷却水または流体により反射ミラー６１の裏面１Ｂ側に圧力を負荷する。反射ミラー６１は、軸部材２により中心部を固定されているため、裏面１Ｂに圧力が負荷されることによって、反射面１Ａは凹面形状になる。反射ミラー６１の圧力負荷前の反射面形状が例えば平面であれば、圧力負荷することにより平面形状から凹面形状となり、反射光は平行光から収束光へと変化する。また、圧力負荷前の反射面形状が凸面形状であれば、圧力負荷することにより凸面形状から平面形状そして凹面形状と変形することになり、反射光は発散光から平行光を経て収束光へと変化する。

前記のように、実施の形態２に係る形状可変ミラー２００においても、実施の形態１に係る形状可変ミラー１００と同様の作用効果を得ることができる。

また、単パルス、複数パルスあるいは連続発振のレーザビームを被加工物面上で位置決め照射して、被加工物を燃焼、溶融、昇華あるいは変色させ、切断、穴あけ、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどの加工を行うレーザ加工装置に実施の形態２に係る形状可変ミラー２００を具備することにより、実施の形態１で説明したように、簡便に焦点距離やビーム径、ビームモードの調整が実時間で行うことが可能なレーザ加工装置を提供することができる。

この発明に係る形状可変ミラーおよびその形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置は、切断、穴あけ、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどの加工を行うレーザ加工装置に利用できる。

この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーの概念を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーの構成を説明する斜視図である。この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーの断面図である。この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーの断面図である。この発明の実施の形態１に係る形状可変ミラーを用いたレーザ加工装置の基本概念図である。この発明の実施の形態２に係る形状可変ミラーの構成を説明する斜視図である。この発明の実施の形態２に係る形状可変ミラーの断面図である。従来装置による収差を押えるために回転対称の曲率可変ミラーを２枚用いた図である。

符号の説明

１反射ミラー
１Ａ反射面
１Ｂ裏面
１Ｃ反射面の中心
１Ｄ外径部
２軸部材
２Ａ軸部材側面
２Ｂ冷却孔
３ミラー保持部材
３Ａ内径切り欠き部
５０Ａ外径切り欠き部
４Ｏリング
５気密保持部
６圧力負荷媒体孔
７変位センサ
５０レーザ発振器
５１レーザビーム
５２集光レンズ
５３被加工物
５４ＮＣ装置
５５加工テーブル
５６圧力調整機構
６０ミラー保持部材
６１反射ミラー
６１Ｄ内径部
６２気密保持部
８０曲率可変ミラー
８１レーザビーム
１００形状可変ミラー
２００形状可変ミラー

Claims

反射面を有する反射ミラーの裏面に圧力負荷を与え、前記反射ミラーの形状を変化させる形状可変ミラーにおいて、前記反射面の中心部に対向する前記裏面に一端が固定される軸部材と、前記反射ミラーの外径部をＯリングで保持すると共に、前記軸部材の他の一端を固定するミラー保持部材とを備え、前記反射ミラーの中心部が圧力負荷により動かないようにし、前記軸部材の反射面に平行な断面形状が、楕円形、方形、及び卵形の何れかの形状を有していることを特徴とする形状可変ミラー。
反射面を有する反射ミラーの裏面に圧力負荷を与え、前記反射ミラーの形状を変化させる形状可変ミラーにおいて、前記反射面の中心部に対向する前記裏面に一端が固定される軸部材と、前記反射ミラーの外径部を保持すると共に、前記軸部材の他の一端を固定するミラー保持部材とを備え、前記軸部材の内部を中空状とし、その中空状部に冷却媒体を循環させることを特徴とする形状可変ミラー。
反射面を有する反射ミラーの裏面に圧力負荷を与え、前記反射ミラーの形状を変化させる形状可変ミラーにおいて、前記反射面の中心部に対向する前記裏面に一端が固定される軸部材と、前記反射ミラーの外径部を保持すると共に、前記軸部材の他の一端を固定するミラー保持部材とを備え、前記軸部材の側面に冷却フィンを形成したことを特徴とする形状可変ミラー。
前記軸部材の反射面に平行な断面形状は、楕円形、方形、及び卵形の何れかの形状を有していることを特徴とする請求項２または３に記載の形状可変ミラー。
前記反射ミラーの裏面の軸部材固定部を除く圧力負荷面に対し、圧力負荷媒体によって圧力負荷を与えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の形状可変ミラー。
前記ミラー保持部材は、前記ミラー保持部材と前記反射ミラーとの間に気密保持部を構成すると共に、前記気密保持部に圧力負荷媒体を供給する圧力負荷孔を具備することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の形状可変ミラー。
前記反射ミラーの圧力負荷前の反射面が凸面形状を有していることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の形状可変ミラー。
単パルス、複数パルス、及び連続発振のうち少なくともいずれか１つを含むレーザビームを被加工物面上で位置決め照射して、前記被加工物に対して燃焼、溶融、昇華、及び変色のうち少なくともいずれか１つを実施し、切断、穴あけ、溶接、熱処理、及びマーキングのうち少なくともいずれか１つの加工を行うレーザ加工装置に請求項１〜７の何れか１項に記載の形状可変ミラーを用いたことを特徴とするレーザ加工装置。