JPH07124778A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易迅速にそして安定して加工物上の加工ラ
インを横切ってのレーザビーム焦点の揺動を実現するこ
と。 【構成】 レーザ発振器１からのレーザビームは導光ヘ
ッド５内に平行な入射光として入る。平行入射帯域２２
において、凸レンズ、プリズム等から構成される光学的
偏向手段２０及びレーザビームを中立位置の両側に交互
に揺動せしめるため光学的偏向手段２０を平行レーザビ
ームの方向に揺動する揺動手段２１が設けられる。平面
ミラー２３及び平面ミラー８が、偏向されたレーザビー
ムを導光ヘッドから出射して加工物面で焦点を形成せし
める導光ヘッド内の光学系を形成する。平面ミラーや集
光レンズ自体の揺動による出射光の直接的な揺動によら
ずに上流の平行入射帯域においてレーザビームの揺動を
あらかじめもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工装置に関す
るものであり、特にはレーザビームを加工ラインに沿っ
て加工を行うに際してレーザビームを加工ラインを横切
ってジグザグ模様をなして揺動せしめることのできるレ
ーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は、レーザ発振器からのレー
ザビームを導光路系統により加工点まで導き、集光レン
ズや反射鏡により集光した高エネルギー密度のレーザー
ビームにより溶接、切断等の加工を行うものである。特
に、レーザ溶接装置と関連して、加工部材の突き合わせ
のギャップが大きくとも溶接を実施できるようにするた
めに、加工ラインを横切ってジグザグ模様をなして加工
を行う揺動ビーム式レーザ加工装置が開発されている。

【０００３】例えば特開平２−１４２６９３号は、ヘッ
ド部における集光レンズを水平面で左右に揺動して集光
レンズを通してヘッド部から出射するレーザビームの加
工物上での焦点を同じく加工ラインを挟んで左右に揺動
する構成並びにヘッド部における反射ミラーによって加
工物上に焦点を形成するようにヘッド部からレーザビー
ムを出射するに際して反射ミラーを揺動することにより
レーザビームの加工物上での焦点を同じく加工ラインを
挟んで左右に揺動する構成をその従来技術として記載し
ている。更に、ここでは、加工ラインが例えば９０度方
向を変化した場合でもレーザビームの加工ラインを挟ん
での揺動を行いうるように、ヘッド部を同じ角度回動す
る機構が開示されている。

【０００４】図６を参照して従来のレーザ加工装置の構
成を説明すると、図６（ａ）は、反射ミラー揺動型の揺
動ビームレーザ加工装置を示す。レーザ発振器１から発
振されたレーザビームは、平面ミラー３により垂直方向
下方に反射され、導光ヘッド５の窓６を通して導光ヘッ
ド５内に入り、放物面ミラー７に衝突する。放物面ミラ
ーで反射されたレーザビームは収束しながら平面ミラー
８に衝突する。平面ミラー８で反射されたレーザビーム
は更に収束しながら出口部１０を通して導光ヘッドから
出射しそして加工物Ｗ上の突き合わせ部に焦点を形成す
る。焦点を加工物Ｗの突き合わせ部を挟んで左右に揺動
させるために、平面ミラー８はスキャナ９により矢印の
ように揺動される。装置設計に依存するが、平面ミラー
を例えば±０．３度揺動することにより焦点を±１ｍｍ
揺動することができる。

【０００５】図６（ｂ）は、導光ヘッドの出口部１０に
おいて水平面で左右に揺動する集光レンズ１１を設けて
レーザビームを収束させる集光レンズ揺動型の揺動ビー
ムレーザ加工装置例を示す。集光レンズ１１は適宜のレ
ンズホルダー１２に取付けられており、レンズホルダー
１２は連結軸１３を介して揺動機構１４に連結されてい
る。揺動機構は例えば偏心軸を備える電動モータとそれ
に関連するカム機構から構成される。集光レンズは揺動
機構により水平に左右に揺動される。この場合には、焦
点を±１ｍｍ揺動するためには、集光レンズを揺動機構
により同じ移動量、即ち±１ｍｍ揺動する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６（ａ）の反射ミラ
ー揺動型のレーザ加工装置では、平面ミラー８において
レーザビームの高密度収束が起こるので平面ミラー８を
広範囲において冷却する必要がある。そうした冷却手段
を装備する平面ミラーのスキャナ９による揺動を実現す
るには、機構が複雑となってコスト負担を増加させる。
スキャナ９の揺動機構自体も複雑である。図６（ｂ）の
集光レンズ平行揺動型の揺動ビームスキャニング装置で
は、実際の揺動距離と同じだけ集光レンズを移動する必
要があるので、集光レンズの移動量が大きくなり、応答
性が悪く、また装置の設計負担を増大させる。導光ヘッ
ドの最終出射手段としての反射ミラーや集光レンズを可
動とすることは装置の設計の安定性を損ない易い。

【０００７】本発明の課題は、従来装置よりもっと簡易
迅速にそして安定して加工物上の加工ラインを横切って
のレーザビーム焦点の揺動を実現する手段を備えたレー
ザ加工装置を開発することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、平面ミラー
や集光レンズによる出射光の直接的な揺動によるより
も、そのもっと上流の、レーザビームが導光ヘッドに平
行入射する平行入射帯域においてレーザビームをビーム
方向に揺動可能なプリズム、凸レンズ等の光学的偏向手
段によりあらかじめ左右或いは前後に偏向せしめ、その
偏向されたレーザービームを平面ミラーや集光レンズ等
の光学系を通して導光ヘッドから出射して加工物上に焦
点を形成せしめることにより、光学的偏向手段の揺動に
応じて一層簡易迅速に加工物上のレーザビーム焦点の揺
動を実現しうることを見出した。

【０００９】この知見に基づいて、本発明は、入射した
レーザビームを加工物面で焦点を形成するように出射す
る導光ヘッドを備え、加工ラインに沿って加工を行うレ
ーザ加工装置において、前記導光ヘッドの平行入射帯域
においてレーザビームを加工ラインに焦点を形成する中
立位置から偏向する光学的偏向手段と、レーザビームを
前記中立位置の両側に交互に揺動せしめるため、前記光
学的偏向手段を平行レーザビームの方向に揺動する揺動
手段と、偏向されたレーザビームを導光ヘッドから出射
して加工物面で焦点を形成せしめる導光ヘッド内の光学
系とを備えることを特徴とするレーザ加工装置を提供す
る。光学的偏向手段は好ましくは凸レンズ或いはプリズ
ムである。揺動手段として圧電アクチュエータの使用が
好ましい。揺動手段は中立位置の左右或いは前後にレー
ザビームを揺動するように構成することができる。

【００１０】

【作用】導光ヘッドからの出射光を加工物上で焦点を形
成せしめる最終手段としての平面ミラーや集光レンズ自
体の揺動による出射光の直接的な揺動によらずに、その
もっと上流の、レーザビームが導光ヘッドに平行入射す
る平行入射帯域においてレーザビームをビーム方向に揺
動可能なプリズム、凸レンズ等の光学的偏向手段により
あらかじめ左右或いは前後に偏向させる。光学的偏向手
段の揺動方向及び揺動量に応じて偏向されたレーザービ
ームを通常の固定された平面ミラーや集光レンズ等の光
学系を通して導光ヘッドから出射して加工物上に焦点を
形成させることにより光学的偏向手段の揺動に応じての
加工物上で加工ラインを横切ってのレーザビーム焦点の
揺動を実現する。

【００１１】

【実施例】図１は、図６（ａ）を改良した形での本発明
の一実施例を示す。図６（ａ）と同じ要素には同じ参照
番号を付してある。本発明に従えば、レーザビームが導
光ヘッドに平行入射する平行入射帯域においてレーザビ
ームをビーム方向、ここでは垂直方向に揺動可能な光学
的偏向手段が設置される。レーザビームを加工ラインに
焦点を形成する中立位置の両側に交互に揺動せしめるた
め、光学的偏向手段を平行レーザビームの方向に揺動す
る揺動手段も設けられる。図６（ａ）において設けられ
た平面ミラー８を揺動するスキャナ９は排除される。先
と同じく、レーザ発振器１から発振されたレーザビーム
は、平面ミラー３により垂直方向下方に反射され、導光
ヘッド５の窓６を通して導光ヘッド５内に平行な入射光
として平行入射帯域２２に入る。平行入射帯域２２にお
いて、好ましくは窓６のすぐ下流の帯域において、凸レ
ンズ、プリズム、その組合せ等から構成される光学的偏
向手段２０が設置される。レーザビームを中立位置の両
側に交互に揺動せしめるため光学的偏向手段２０を平行
レーザビームの方向に揺動する揺動手段２１も設けられ
る（矢印として示す）。光学的偏向手段２０は入射レー
ザビーム方向に、ここでは垂直方向上下に揺動される。
光学的偏向手段２０は、平行入射ビームを揺動手段２１
により図１において左右或いは前後に振らせることので
きるものならいずれをも使用することができる。光学的
偏向手段２０により偏向された部分的に収束した光は平
面ミラー２３で反射されそして更に収束しながら平面ミ
ラー８に衝突する。平面ミラー８で反射されたレーザビ
ームは更に収束しながら出口部１０を通して導光ヘッド
から出射しそして加工物Ｗ上に焦点を形成する。ここで
は、平面ミラー２３及び平面ミラー８が、偏向されたレ
ーザビームを導光ヘッドから出射して加工物面で焦点を
形成せしめる導光ヘッド内の光学系を形成する。

【００１２】光学的偏向手段２０を左右或いは前後に振
らせることにより加工物Ｗ上に形成される焦点位置は加
工物の突き合わせ部を挟んで左右或いは前後に揺動す
る。その状況を説明するため、図２（ａ）に光学的偏向
手段２０としての凸レンズ、平面ミラー２３、平面ミラ
ー８及び加工物Ｗとレーザビームの揺動状態を示す。光
学的偏向手段２０の中立位置において、レーザビームは
加工物Ｗの突き合わせ部に丁度焦点を形成するように平
面ミラー２３と平面ミラー８はその傾斜を光学的に設計
されている。ここで、図２（ａ）において、図面に向か
って凸レンズの右側を上方にそしてその左側を下方に変
位せしめて凸レンズを右上左下に傾斜させると、レーザ
ビームの光路は図示のように変化して加工物上で焦点位
置Ａに焦点を形成する。次いで、今とは逆に凸レンズを
左上右下に傾斜させると、レーザビームの光路は図示の
ように変化して加工物上で焦点位置Ｂに焦点を形成す
る。なお、図には説明目的のために誇張して示してある
が、実際の変位量は非常に小さい。こうして、加工物上
のレーザビーム焦点は、図２（ｂ）に示すように、加工
ラインを横切ってＡ→Ｂ→Ａ→Ｂと揺動しながら加工ラ
インに沿って進行する。

【００１３】図３は凸レンズの代わりにプリズムを光学
的偏向手段２０としての使用した場合の同様の説明図で
ある。動作状態はプリズムの揺動による屈折状態の差異
を利用する点を除いて凸レンズの場合と同様であるの
で、説明は省略する。簡略化のため、レーザビームの中
心線のみを示してある。

【００１４】光学的偏向手段を揺動する手段としては、
電動式アクチュエーター、空圧式アクチュエーター、電
磁式アクチュエーター、圧電式アクチュエーター等レン
ズ或いはプリズムの周縁を保持するホルダーの、加工ラ
インに直交する直径方向対向部の少なくとも一方を微少
量移動することのできるアクチュエーター、好ましくは
両方を上下反対方向に微少量移動することのできるアク
チュエーターならいずれも使用することができるが、迅
速応答性の観点から圧電式アクチュエーターの使用が特
に好ましい。

【００１５】図４は圧電式アクチュエーターを使用する
具体例を示す。圧電式アクチュエーターは、圧電性物質
が印加する電圧により伸縮する現象を利用したアクチュ
エーターである。圧電性物質としては、ＰＺＴなどが使
用されうる。レンズ或いはプリズムの外周部を保持する
ホルダー２４に圧電式アクチュエーター２５及び２６が
加工ライン、即ち装置の進行方向に直交する直径方向対
向部に連結棒を介して取付けられる。圧電式アクチュエ
ーター２５及び２６はそれぞれ、圧電性物質２７とその
両端面に形成される電極２８とから構成され、両端の電
極には電圧が印加される。上方の電極は導光ヘッドの壁
に固定される。加工ラインに平行な直径方向対向部には
枢動軸２９が設けられやはり導光ヘッドの壁と枢着され
る。中立位置電圧から一方のアクチュエーターへの印加
電圧を増大しそして他方のアクチュエーターへの印加電
圧を減少することにより、圧電性物質が微量伸長及び短
縮するので枢動軸を中心としてホルダーの一端が持ち上
げられそして他端が押し下げられる。一方のアクチュエ
ーター、例えばアクチュエーター２６を点線で示すよう
に反対側に配置しても良い。一つの圧電式アクチュエー
ターのみでレンズの揺動をもたらすことも可能である。
光学的偏向手段より下流での光路が長いので、微小量の
圧電式アクチュエーターの移動で、所望の加工物上での
焦点の揺動を実現することができる。例えば、±１ｍｍ
の加工物上での焦点揺動を得るのに、光学的偏向手段よ
り下流の光路距離が２００ｍｍとすると、０．１〜０．
３ｍｍの圧電性物質の移動量で充分である。

【００１６】加工ラインが途中で装置の進行方向に対し
て例えば９０度変更される場合がある。そのような場合
にでも、加工ラインに対して揺動を行うためには、光学
的偏向手段を加工ラインに対して左右に揺動するだけで
なく前後にも揺動しうるようにしておくことが好まし
い。これは、例えば図４を例にとると、圧電式アクチュ
エーター２５及び２６に加えて、それらの直径方向と直
交する位置に圧電式アクチュエーター（図示なし）を追
加することにより達成される。加工ラインが９０度偏向
されるときには、圧電式アクチュエーター２５及び２６
を停止しそしてその追加圧電式アクチュエーターを使用
して前後揺動が行われる。

【００１７】本発明は、図５に示したような４つの平面
ミラーを使用する具体例にも応用することができる。こ
の場合にも、平行入射帯域において、凸レンズの形での
光学的偏向手段が設置される。４つの平面ミラーが偏向
されたレーザビームを導光ヘッドから出射して加工物面
で焦点を形成せしめる導光ヘッド内の光学系を構成す
る。更には、レーザビームが導光ヘッドに垂直に入射す
る具体例を示したが、レーザビームが導光ヘッドに水平
に入射する装置にも本発明が応用しうることは云うまで
もない。

【００１８】

【発明の効果】平面ミラーや集光レンズによる出射光の
直接的な揺動に依存することなく、平行入射光の段階で
光を変更するので、光学的偏向手段より下流での光路が
長く、僅かの偏向量で所望の加工物上での焦点の揺動を
迅速に実現することができる。圧電式アクチュエーター
を使用することにより、大きなトルクと短い応答時間と
いう利点が得られる。こうして、従来装置よりもっと簡
易に加工物上のレーザビーム焦点の揺動を実現すること
ができる。導光ヘッドの最終出射手段としての反射ミラ
ーや集光レンズが固定されるので、装置の設計が安定す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略正面図である。

【図２】光学的偏向手段として凸レンズを使用する場合
の本発明の動作原理を示す説明図であり、（ａ）は加工
物上での焦点の揺動をもたらすためのレーザビームの偏
向状況を示し、（ｂ）は加工物上での加工ラインに沿っ
ての焦点のジグザグ揺動状態を示す。

【図３】光学的偏向手段としてプリズムを使用する場合
の図２と同様の説明図であり、ビーム中心線のみを示
す。

【図４】光学的偏向手段を揺動する手段として圧電式ア
クチュエーターを使用する具体例の説明図である。

【図５】本発明のまた別の具体例の簡略説明図である。

【図６】従来装置を示し、（ａ）は反射ミラー揺動型の
揺動ビームスキャニング装置を示しそして（ｂ）は集光
レンズ揺動型の揺動ビームスキャニング装置を示す。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ３ 平面ミラー ５ 導光ヘッド ６ 窓 ７ 放物面ミラー ８ 平面ミラー １０ 出口部 Ｗ 加工物 ２０ 光学的偏向手段 ２１ 揺動手段 ２２ 平行入射帯域 ２３ 平面ミラー ２４ ホルダー ２５、２６ 圧電式アクチュエーター ２７ 圧電性物質 ２８ 電極 ２９ 枢動軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射したレーザビームを加工物面で焦点
   を形成するように出射する導光ヘッドを備え、加工ライ
   ンに沿って加工を行うレーザ加工装置において、前記導
   光ヘッドの平行入射帯域においてレーザビームを加工ラ
   インに焦点を形成する中立位置から偏向する光学的偏向
   手段と、レーザビームを前記中立位置の両側に交互に揺
   動せしめるため、前記光学的偏向手段を平行レーザビー
   ムの方向に揺動する揺動手段と、偏向されたレーザビー
   ムを導光ヘッドから出射して加工物面で焦点を形成せし
   める導光ヘッド内の光学系とを備えることを特徴とする
   レーザ加工装置。
2. 【請求項２】 光学的偏向手段が凸レンズ或いはプリズ
   ムであることを特徴とする請求項１のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 揺動手段が圧電アクチュエータである請
   求項１乃至２のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 揺動手段が中立位置の左右或いは前後に
   レーザビームを揺動する請求項１のレーザ加工装置。