JPH02307692A - レーザー式加工装置におけるビーム案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザー源とワークとの間のビーム経路内に
設けられた反射鏡によってビームを案内するレーザー式
加工装置、特にレーザービーム式表面処理装置における
ビーム案内装置に関する。

〔従来の技術〕

かかる装置は米国特許第３９８６７６７号明細書におい
て、いわゆる自在形光学構造形式として知られている。

特に本発明は、例えばドイツ連邦共和国特許第３５０９
５８２号明細書あるいは米国特許第４４５１２９９号明
細書で公知のようなレーザー式表面加工装置に関する。

ワークを局所的に加熱して表面処理する場合、例えば自
動溶接の場合と同じ技術的問題を生する。即ち、送り方
向において加工正面に材料の熱慣性に基づいて、冶金学
的に必要な温度に急速に加熱するため、多量にエネルギ
ーを供給することが望まれるが、他方では材料が冷却す
る際の（加工送り方向に関して背面における）望ましく
ない反応を避けるために、エネルギーの供給を局所的に
減少して緩やかで所定の限界内に抑えた温度低下にする
ことが望まれる。これに関して、雑誌「オプトエレクト
ロニク　マガジン（ＯＰＴＯＥＬＥＫＴＲＯＮＩＫ　Ｍ
ＡＧＡＺＩＮ）　Ｊ、第４巻、第５号、１９８８年の第
２５頁、（第４８２頁中央も参照）に掲載の特に「レー
サーテクノロジー（ＬａｓｅｒＬｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ
）　ＪにおけるＣ　、　Ｓｃｈｍ　ｉ　ＬＺ−Ｊ　ｕｓ
　ｔｅｎ氏等著の論文［仕上げ技術におけるレーザー利
用（Ｌａｓｅｒ　ａｎｖｅｎｄｕｎｇｅｎ　ｉｎ　ｄｅ
ｒＦｅｒＬｉｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ）Ｊにおける工
程に則したレーザー出力分布について参照されたい。即
ち、レーザー源から供給されるビーム横断面をワークに
直接に作用させることは、特に加工領域の送り運動条件
に関係して上述した意味で望まれる温度プロフィルが生
じないので、理想的なことではない。

更に、効果的にワークを加工するために採用されるよう
な高エネルギー・レーサー源は非安定共振子で作用され
、即ち環状ビーム横断面を発生する。

しかしワーク表面上における環状ビーム横断面の移動は
、加工軌道の側縁における接線方向の重なりに基づいて
高温度か生じ、それらの間では前面側および背面側のリ
ング円弧部の間隔に基ついて、低温度が生ずる。これは
」二連した所望の温度分布とは大きく掛は離されている
。更に高エネルギー・レーサー技術に対して、個々のビ
ーム横断面を隣接する部分ビームに関係して制御するベ
ベル形反射鏡が知られている（例えば口本鉱業株式会社
のＶ　Ａ　−Ｍ　ｏセグメント鏡が挙げられる）が、か
かる固定幾何学形状のビームの６＋４給では、ワーク表
面の実際の反応に、エネルギー照射点を希望通りに自由
に適合させることはできない。

〔発明が解決しようとする課題〕

この認識に基づいて本発明の目的は、冒頭に述べた形式
の装置を、高エネルギー・空洞レーザー源から環状ビー
ムを発生ずるにも拘らず、ワーク表面に集束するビーム
のビーム照射点を、個々に予め指定し得るエネルギー分
布に対する熱的条件に合わせて加工方向に関係して変形
してワーク表面に照射できるように形成することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

この目的は本発明によれば、冒頭に述べた形式の装置に
おいて、少なくとも一つの反射鏡か、その鏡面の局所的
に痩化する凹凸形状に対する調整素子を備えており、こ
の調整素子がビームの横断面形状変形用の制御器により
ワーク表面上におけるビーム照射点の所定の幾何学的形
状に応じて制御されることによって達成される。

□　この方式において、既に有用となっており高エネル
ギー・レーザー技術におけるいわゆる適用光学器（英国
特許出願公開第２１６２７１３号公報におけるいわゆる
Ｍ　Ｄ　Ａ　（Ｍｕ　ｌ　Ｌ　ｉ−Ｄ　ｉ　ｔｈｅｒ−
Ａｃｔｕａｔｏｒ）鏡参照）として実証されている技術
が採用される。

それに応じて、理想的な反射鏡形状の鏡面の個々の部分
区域（平らな面であるか中央が集束するために凹面状を
している）は、位相ずれについてレーザービームの合成
波面および従ってワーク表面上におけるレーザー照射点
におけるエネルギー分布を技術的な条件に応じて制御す
るために、レーザービーム・波長の断片だけ互いにすら
されている。これによりレーサー照射点において環状ビ
ーム横断面が完全面形状になるたけでなく、完全曲形状
を例えばワークの相対移動方向にゆがめることができ、
運動方向において逆向きのレーザー照射点方向に比べて
高いビーム強さを勾えることができる。これは、例えば
米国特許第４３９６２８５号明細書で知られている個別
レーザービームを意図して重畳する方式に比べて、構造
か単純であり容品に制御できる。

鏡面範囲の局所的な変形は「１的に適って、後ろに配置
された圧電調整素子によって行われる。この圧電調整素
子は、英国特許出願公開第２１７８６１９号公報に詳述
されているような方式の制御回路を介して安定して再生
可能に変形する。この圧電調整素子については重複説明
を避けるために上記公報を参照されたい。周辺温度の変
化の作用も含めた機械的および電気的偏り現象を補償す
るために、目的に適って機械・電気補正方式が採用され
る。特定の目標値に応じてワーク表面に所定のビーム照
射点が発生されることを保証するために、密閉制御回路
に対して実際値を検出するために撮像器が採用されると
有利である。変形したレーサービームの個々の横断面区
域に相応した照射点の個々の部分区域は、その場合ＭＤ
Ａ原理に基づいて、高周波の重畳された変調ひずみの調
整量によって個別化される。電気的および機械式擾乱結
合を避け、変調並びに変形調整量に対して大きな振幅を
可能にするために、英国特許出願公開第２１６２７１３
号公報の場合と異なって、変調並びに変形調整量に対し
て唯一の反射鏡を採用せず、そのために変形可能な鏡面
を持った別個の反射鏡を組み込むことが有利である。そ
れらの反射鏡の作用は、レーザービーム経路が互いに変
調反射鏡並びに調整反射鏡を介して転向されることによ
り重畳される。

〔実施例〕

以下図面に示した実施例を参照して本発明の詳細な説明
する。

ワーク１３の表面１２を加工するための概略的に図示し
た照射装置１１は、レーサー源１６とワーク１３との間
のビーム経路１５に複数の反射鏡１４を有している。こ
れらの反射鏡１４の少なくとも一つは、その鏡面］８の
凹凸形状の局所的な変化に対する（好適には圧電式アク
チュエータの構造をした）調整素子］７か備えられてい
る。この調整索子１７は、局所的な位相ずれについて即
ちレーザービーム］９の波面の部分区域のゆがみについ
て、特定の波面およびこれにより所定の集束並びにワー
ク表面］２上におけるビーム照射点２０の幾何学形状と
強さ分布が発生されるようにするために設けられている
。そのために個々の調整素子１７の長さは、制御器２１
を介して目標値発生器２２からの目標値に応じて調整さ
れるか、ないしは時間に関して変化される。ワーク表面
１２上における瞬間的なビーム照射点２０を検出するた
めに赤外線撮像器として形成されている実際値検出器２
３が設けられている。これにより実際値フードバック２
４によって目標値発生器２２からの目標値に関してビー
ム照射点閉ループ制御回路が形成される。目標値発生器
２２は指令量２５を介して制御される。この指令量２５
は、加工用ビームヘッド２７に対してワーク１３を場所
的および時間的に移動調整する調整装置２６が供給する
。

フードバック２４を介して閉ループ制御回路を機能させ
るために、ビーム１９の個々に制御可能な各横断面区域
は、その横断面に限定して変形したビーム１９′を得る
ために、個々の調整素子１７に配列して個別化されねば
ならない。鏡面１８の各部分区域に相応した各ビーム部
分の識別は、個々の非常に高い周波数の振幅変調により
行われ、この振動変調に、これに比べて低い周波数で表
化する調整量（ひずみ）が個々の調整素子１７に重畳さ
れる。もっとも例えば圧電式アクチュエータで実現でき
る調整量は甚だ限られており、鏡面１８を介して行われ
る各調整素子１７間の機械的結合は、制御回路の安定作
用を害するような振幅混合を生じてしまう。従って、存
在する反射鏡１４の一つだけで電気信号重畳方式で唯一
の調整素子１７により各反射鏡における識別・変調およ
び調整量を実現するのではなく、一つの反射鏡１４．１
では鏡面１８．１の調整（ひずみ）変形が行われ、ビー
ム経路］５の同じ経過における他の反射鏡１４，２にお
いて、図面において考慮されているように鏡面１８．２
の互いに隣接する部分面の識別・変調が行われ、これら
が光学的に重畳されることが目的に適っている。変調反
射鏡１４．２における調整素子１７．２は、変調周波数
発生器２８に接続されており、これにより、制御器２１
によって個々に行われる変形・調整素子１７．１の制御
に機械的にも電気的にも連結され＝　１１− ていない。

変調反射鏡１４．２および変形調整反射鏡１４．１は目
的に適って、自由に突出した端部にビームヘッド２７を
保持している横梁３０の両側端面２９に配置されている
ので、この横梁３０に冷却材流（図面では考慮されてお
らず）を簡単に通せる。横梁３０は担持管３］によって
保持されている。この担持管３１は高エネルギー・レー
ザー源１６のように静止して配置され、これにより同心
的に内側をレーザービーム１９が通される。

ビームヘッド２７を加工条件に応じてワーク１３の運動
座標に対して移動調整するために、横梁３０は（図面に
おいて二重矢印で示したように）担持管３１に沿って移
動可能に且つその周りを揺動可能に配置され、更にビー
ムヘット２７を担Ｙｊｊ管３１に対して間隔および照射
方向を変更するために、入れ子式摺動・回転ガイド３２
が装備されている。このビーム経路］５の中心軸線にお
ける反射鏡１４が横梁３０からの出入り口において即ち
担持管３１の軸線の交点および従って反射されたビーム
経路１５の交点に固定されているので、横梁３０の動き
によってビーム経路１５の幾何学的形状は影響されない
。担持管３１に対して平行な面からそれたビームヘッド
２７の揺動も必要とされる場合、横梁３０が追加的に（
紙面に対して直角に）折り曲げられた部分を白゛シてい
るたけでよい。その横梁３０の追加部分は、ビーム経路
１５における転向点の別の反射鏡を有する。

【図面の簡単な説明】

図は半開形構造の表面処理用レーザー装置の機器配置図
である。 １１・・・照射装置、１３・・・ワーク、１４・・・反
射鏡、１５・・ビーム経路、１６・・・レーザー源、１
７・・・調整素子、１８・・・鏡面、１９・・・ビーム
、２０・・・ビーム照射点、２１・・・制御器、２２・
・・目標値発生器、２３・・・実際値検出器、２５・・
・指令量、２６・調整装置、２７・・ビームヘッド、２
８・・・変調周波数発生器、２９・・・横梁の端面、３
０・・・横梁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザー源（１６）とワーク（１３）との間のビー
   ム経路（１５）内に設けられた反射鏡（１４）によって
   ビームを案内するレーザー式加工装置、特にレーザービ
   ーム式表面処理装置におけるビーム案内装置において、 少なくとも一つの反射鏡（１４）がその鏡面（１８）の
   局所的に変化する凹凸形状に対する調整素子（１７）を
   備えており、この調整素子（１７）が、ビーム（１９′
   ）の横断面形状変形用の制御器（２１）によりワーク表
   面（１２）上におけるビーム照射点（２０）の所定の幾
   何学的形状に応じて制御されることを特徴とするレーザ
   ー式加工装置におけるビーム案内装置。 ２、前記制御器（２１）に制御回路フィードバック（２
   ４）用の撮像器・実際値発生器（２３）が付加的に設け
   られ、変形したビーム（１９′）の個々の横断面区域が
   、変調周波数発生器（２８）による高周波の重畳された
   識別変調を有していることを特徴とする請求項１記載の
   装置。 ３、前記制御器（２１）ないし変調周波数発生器（２８
   ）によりその調整素子（１７．１、１７．２）が制御さ
   れる別々の反射鏡（１４．１、１４．２）が、レーザー
   源（１６）とワーク（１３）との間のビーム経路（１５
   ）に前後して位置していることを特徴とする請求項２記
   載の装置。 ４、ビーム経路（１５）に対して中空横梁 （３０）が設けられ、この横梁（３０）がその端面（２
   ９）に反射鏡（１４）を装備しており、静止して配置さ
   れた高エネルギーレーザ源（１６）並びにワーク（１３
   ）を移動調整する静止した調整装置（２６）に対して移
   動可能に配置され、前記反射鏡（１４）が常に反射済み
   のビーム経路（１５）の長手軸心上に存在していること
   を特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の
   装置。 ５、ワーク（１３）をビームヘッド（２７）に対して相
   対的に移動調整する調整装置（２６）が設けられ、この
   調整装置（２６）からビーム変形・制御器（２１）用の
   目標値発生器（２２）に指令量（２５）が供給されるこ
   とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載
   の装置。