JP5671098B2 - 光造形装置 - Google Patents
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Description
照射スポット径の調整は、加工対象物とレーザ光の焦点位置とのZ軸方向の距離を調整することで行われる。
このような焦点位置調整装置としては、例えば特許文献2に示されているように、レーザ光のビーム径を拡大して(デフォーカスして)、外部に設けられた集光レンズたる対物レンズに入射する、焦点位置及びビーム径調整用のレンズを円筒状のボビンに収納し、このボビンの両端にボイルコイルモータを配設し、これらのボイスコイルモータによって円筒状のボビンと共にレンズを直動することで、加工対象物に対してレーザ光の焦点位置を調整可能に構成したものが知られている。
また本発明は、上記光造形装置において、前記レンズホルダを、前記可動片の重心位置に配置したことを特徴とする。
また本発明は、上記光造形装置において、前記可動片の縁部に側壁を設け、当該側壁の外側面にリニアスケールを設け、当該リニアスケールと対向配置され前記リニアスケールの移動を検出する検出ユニットを前記ベース体に設けたことを特徴とする。
また本発明は、上記光造形装置において、前記リニアスケールと前記検出ユニットの対向箇所を覆う覆い板を備えることを特徴とする。
また本発明は、上記光造形装置において、前記可動片には、所定の重さを有し前記直動方向に延び、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を交換自在に設けたことを特徴とする。
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置1の構成を示す図である。また、図2は、図1に示すモータ41Aにスキャナミラー40Aを取り付けた状態を拡大して示す図である。
レーザ発振器2は、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光45を発振するものであり、図示せぬレーザ共振器を内蔵する直方体形状の発振器本体20を備え、この発振器本体20の先端部20Aにはレーザ出射口21が形成されている。
なお、レーザ発振器2としては、固体レーザ発振器、液体レーザ発振器、気体レーザ発振器、ファイバレーザ、半導体レーザ発振器、或いは、自由電子レーザ発振器などが用いられる。
この高さ調整用のステージ33には、焦点位置調整装置31及びスキャナヘッド32の間に固定配置され、焦点位置調整装置31から出力された光を集光する集光レンズ34と、AOM30に入射するレーザ光45を整形する光学素子としての2組のレンズ35A、35Bとが取り付けられている。
モータ41Aの回転軸47(駆動軸)は、図1における左右方向に延在しており、その先端には、レーザ光45を偏向するスキャナミラー40Aが取り付けられている。このスキャナミラー40Aは、モータ41Aの回転軸47をR方向(図2参照)へ適宜回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
一方、モータ41Bの駆動軸は、図1における上下方向に延在しており、その先端には、スキャナミラー40Aの偏向方向に対して所定の角度となる方向にレーザ光45を偏向するスキャナミラー40Bが取り付けられている。このスキャナミラー40Bは、モータ41Bの駆動軸を回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
これらのスキャナミラー40A、40Bは、筐体42の内部に配置されており、筐体42の側面には、その内部にレーザ光45を導くための図示せぬ導入口が形成されている。
AOM30は、上記の通り、レーザ発振器2から出力された連続発振レーザ光、或いは、パルスレーザ光の強度変調を行うものである。
コントロールユニット6は、加工対象物の走査面におけるレーザ加工深度等の加工度合いを一定に維持すべく、スキャナヘッド32のモータ41A、41Bの駆動量によって規定されるレーザ光45の走査速度に応じて、走査面でのレーザ光45の強度又は密度を調整するための制御を行う。
上記コントロールユニット6は、各デジタルパルス信号SA、SBをカウントし、このカウント値に基づいて、スキャナミラー40A、40Bの回転量を特定し、現在のレーザ光照射位置のXY座標値を特定する。
このときコントロールユニット6は、レーザ光照射位置の目標値と現在のXY座標値との偏差を打ち消すように、モータ41A、41Bのそれぞれに出力してネガティブフィードバック制御を実行する。すなわち、コントロールユニット6においては、デジタルパルス信号SA、SBを出力するエンコーダ44A、44B、及び、コントロールユニット6により、フルデジタルのクローズドループ制御系が構成されており、各モータ41A、41Bの駆動が高精度に補償される。これにより、高精度なモータ制御、すなわち、加工対象物の加工面における高精度な照射位置制御が実現される。
図3は焦点位置調整装置31の構成を示す図であり、図3(A)は焦点位置調整装置31の平面図、図3(B)は図3(A)のA−A矢視断面図である。また、図4は焦点位置調整装置31の構成を模式的に示す斜視図であり、図5は図3(A)のB−B矢視断面図である。なお、焦点位置調整装置31の構成の把握を容易とするために、図4及び図5では一部の構成の図示を省略している。
ベース体50は、厚みのあるアルミニウム製部材に、直線状に延びる断面略矩形の凹溝部60を設けて構成され、この凹溝部60に、上記直動機構51が収められている。
直動機構51は、可動片62と、この可動片62を直線的に往復移動する駆動部63とを有し、さらに、レーザ光45をデフォーカスしてビーム径を拡径し、光軸一致に設けられた上記集光レンズ34(図1参照)に入射する凹レンズ64を保持するレンズホルダ65が可動片62に取り付け固定されている。
ボイスコイル体72は、図6に示すように、複数のボイスコイル73が直動方向Xに沿って並設されて構成されており、前掲図3(B)に示すように、一対の板状永久磁石67、68を挟んだ両側に延在するように可動片62に設けられた一対の支持脚74に一体的に取り付けられている。
すなわち、駆動部63は、ボイスコイル型のリニアモータとして構成されており、上記コントロールユニット6から送出された駆動信号によってボイスコイル体72に電流が流れることで、ボイスコイル体72には、一対の板状永久磁石67、68間を直動方向に沿ってスライド移動させる力が加わることとなる。
また、ベース体50には、可動片62の直動範囲の両端部に位置する箇所に、緩衝材86有した規制凸部85が配設され、これら規制凸部85によって直動範囲の両端部で可動片62が速やかに停止される。
可動プレート80には、直動方向Xに平行な一方の縁部に、L字状に立ち上がった側壁87が形成されている。この側壁87の外側面には、直動方向Xに直線状に延び、可動片62と一体的に移動するリニアスケール89(図4には図示せず)が設けられ、また、ベース体50には、リニアスケール89と対向して、当該リニアスケール89の移動を検出する例えば光学式又は磁気式の検出ユニット90が配置されており、これらリニアスケール89及び検出ユニット90によって上記検出部52が構成されている。検出ユニット90及びリニアスケール89の対向箇所は、覆い板91によって覆われており、検出ノイズの低減が図られている。
このとき、可動プレート80及び支持脚74を含む上記可動片62は、レンズホルダ65を通り直動方向Xに対して垂直な軸線(図3(A)中、A−A線に相当)を対称軸として軸対称形状に形成されている。
これにより、可動片62においては、レンズホルダ65を中心として直動方向Xの重量バランスが維持され、高精度、かつ、高速な駆動を実現可能にし、さらに、直動に伴うレンズホルダ65の光軸のずれが抑制されるため、高速、かつ、高精度なレーザ加工が実現可能になる。
これに加え、レンズホルダ65の凹レンズ64を保持する部分の厚みWが、当該凹レンズ64の厚みと同程度(若干厚い又は薄いものも当然含む)に形成され、凹レンズ64を通過した光線を遮蔽しない厚みに形成されているため、レーザ光45のビーム径を従来よりも大きく拡径することができるから、当該焦点位置調整装置31の次段に、開口数のより大きな集光レンズ34を配置し、分解能が高く高精細なレーザ加工が実現できる。
図7は、本実施形態に係る焦点位置調整装置131の構成を示す図であり、図7(A)は焦点位置調整装置131の平面図、図7(B)は図7(A)のC−C矢視断面図である。また、図8は焦点位置調整装置131の構成を模式的に示す斜視図であり、図9は図7(B)のD−D矢視断面図である。
なお、これらの図において、第1実施形態で説明した焦点位置調整装置31と同様な部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、これらの図では、直動機構51の可動プレート80の位置を検出するための検出部52の記載を省略している。
このような高エネルギーのレーザ光45がレンズ164を通した場合、レンズ164が発熱し、何ら対策を施さなければ熱損傷が生じることがある。
そこで、レンズホルダ165を、例えばアルミニウム(アルミニウム合金を含む)等の高熱伝導性の素材から形成すると共に、このレンズホルダ165に、図7(B)に示すように、レンズ164を冷却する冷却機構1100を設けている。
レーザ加工時には、冷却機構1100を冷却水が循環することで、レンズホルダ165を介してレンズ164が冷却される。
上記のようにレンズ164の縁部164Aの幅Tを大きくすることで、レンズホルダ165との間の接触面積が増え、レンズ164の冷却効率が高められている。また、レンズホルダ165には、レンズ164の裏面167に係合する段付部166が形成されており、この段付部166とレンズ164との接触箇所からも熱伝導可能にすることで、冷却効率がさらに高められる。
そこで、本実施形態では、可動片62に、共振防止部材1110、1112を設けている。
共振防止部材1110、1112は、それぞれ所定の重さを有した円柱状の部材であり、直動ガイドレール82の長手方向と略平行な姿勢で可動片62に取付けられており、可動片62の駆動時の共振発生が抑制されている。
これら共振防止部材1110、1112は、可動片62(可動プレート80)の角部に設ける事が良く、どの角部に設ける構成とするかは、共振が防止できる構成であれば、本実施形態のように、直動ガイドレール82側の2つの角部だけに設ける構成であっても、直動ガイドレール81側の角部も合わせて4つ角全部に設ける構成であっても、また、4つ角のうちのいずれか数個の角部だけに設ける構成であっても良い。
これにより、直動ガイドレール81と可動プレート80との摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
また本実施形態によれば、可動片62と直動ガイドレール81の摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔1120を設けているため、この摺動箇所への潤滑油の導入を容易とし、メンテナンス性を高めることができる。
例えば、上述した実施形態において、レンズホルダ65を可動片62の可動プレート80に対してネジ止め固定する構成とし、レンズホルダ65ごと凹レンズ64を交換自在に構成しても良い。
3 スキャナ光学装置
6 コントロールユニット
30 AOM
31、131 焦点位置調整装置
32 スキャナヘッド
34 集光レンズ
45 レーザ光
46 ワーキングエリア
50 ベース体
51 直動機構
62 可動片
63 駆動部
64、164 レンズ
65、165 レンズホルダ
80 可動プレート
92 開口部
1100 冷却機構
1101 冷却水路
1103 注水口
1105 排水口
1110 共振防止部材
1120 導入孔
X 直動方向
Claims (7)
- レーザ光を偏向するスキャナ装置と、前記レーザ光のビーム経を調整する焦点位置調整装置とを備え、前記スキャナ装置、及び前記焦点位置調整装置によりレーザ光を走査し、ビーム径を調整し、当該レーザ光の照射により三次元形状の物体を造形する光造形装置において、
前記焦点位置調整装置は、
直動機構を収めたベース体と、
前記直動機構によって前記ベース体の上面を往復動する板状の可動片と、
前記可動片の重心部分から突出するように一体に設けられ、前記レーザ光が入射するレンズを保持し、前記レンズを通過したレーザ光を遮蔽しない厚みに形成されたレンズホルダと、を備え、
前記直動機構が直動して前記可動片とともにレンズホルダを移動させ、
前記直動機構は、
直動方向に延び上下に対面配置された一対の板状のヨークと、直動方向に沿って磁極が交互に並ぶ一対の板状永久磁石と、直動方向に延びる板状のボイスコイル体と、を上下に積層させて、前記ベース体の凹溝部に、当該凹溝部の内側面との間に隙間を空けて収められ、前記永久磁石と前記ボイスコイル体が相対的に直動方向に移動するリニアモータを構成し、
前記可動片は、
前記直動機構の前記板状のヨークの上面に配置される板状に形成されており、
前記ヨークと前記ベース体の凹溝部の間の隙間から当該凹溝部の内側面に沿って、少なくとも前記ボイスコイル体の下側に延び、当該ボイスコイル体を支持する一対の支持脚を備え、
前記ベース体の上面に設けられた直動方向に延びる直動ガイドレールに係合して案内され、
前記レンズホルダを挟んで直動方向に沿った両側に、それぞれ同形に開口した開口部が形成されている
ことを特徴とする光造形装置。 - 前記レンズホルダを、前記可動片の重心位置に配置したことを特徴とする請求項1に記載の光造形装置。
- 前記可動片の縁部に側壁を設け、当該側壁の外側面にリニアスケールを設け、当該リニアスケールと対向配置され前記リニアスケールの移動を検出する検出ユニットを前記ベース体に設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
- 前記リニアスケールと前記検出ユニットの対向箇所を覆う覆い板を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光造形装置。
- 前記可動片には、所定の重さを有し前記直動方向に延び、前記往復動に伴う共振を防止する共振防止部材を交換自在に設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光造形装置。
- 前記レンズホルダに、前記レンズを冷却する冷却機構を設けたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光造形装置。
- 前記直動機構に、前記可動片と前記直動ガイドレールの摺動箇所に潤滑油を導入する導入孔を設けたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光造形装置。
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