JPH07178581A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 幅広な被加工物でも高速に熱加工を施すこと
ができると共に、大出力のレーザ光にも対応できるよう
にする。 【構成】 ポリゴンミラー１３は、レーザ発振器１１か
らのレーザ光を所定角度範囲に反射する。反射鏡１５
は、ポリゴンミラー１３で反射されたレーザ光を受けて
反射する。この反射鏡１５の反射面１５ａはシリンドリ
カル形状を成しており、反射面１５ａに平行した集光軸
１５ｂを有している。ポリゴンミラー１３は、レーザ光
の反射位置が反射鏡１５の集光軸１５ｂ上に位置するよ
うに配置されている。ここで、反射鏡１５は、集光軸１
５ｂを通過して入射すると共にその径方向に沿って移動
する平行光線を集光軸１５ｂと直交する所定線上に集光
する特性を有する。従って、被加工物１６を斯様な所定
面上に配置することによりレーザ光を集光状態で照射し
て熱加工することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を集光状態で
スキャニングすることにより被加工物を熱加工するレー
ザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザ加工装置として、被加
工物の表面にレーザ光を集光状態でスキャニングするこ
とにより熱加工するものが供されている。

【０００３】図１３は、この種のレーザ加工装置の一例
を示している。この図１３において、レーザ発振器１か
ら出力されたレーザ光をポリゴンミラー２で反射させる
と共に、その反射したレーザ光をｆ・θレンズ３により
集光して被加工物４に照射するようにしている。この
ｆ．θレンズ３は、所定角度以内で入光したレーザ光
（平行光線）に対して集光性を維持する特性を有する。

【０００４】また、図１４に示すようにレーザ発振器１
から出力されたレーザ光をミラー５を直線往復移動する
ことにより反射しながらレンズ６により集光して被加工
物４に照射する構成のものも供されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来で示した図１３に示したものでは、ｆ・θレンズ３に
より集光できるレーザ光の入射角度は限度があるので、
ポリゴンミラー２とｆ・θレンズ３との組合わせにより
集光状態でスキャニングできる範囲が限定されてしま
い、横幅の大きな被加工物４に対してレーザ加工できな
いという欠点がある。また、ｆ・θレンズ３は特殊な光
学部品であるので、高価であると共にＣＯ2レーザ発振
器のような大出力用レーザ発振器には熱破損という点で
対応できなかった。

【０００６】一方、図１４に示したものでは、ミラー５
及びレンズ６を高速でスキャニングすることが困難であ
った。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、幅広な被加工物でも高速に熱加工を施
すことができると共に、大出力のレーザ光にも対応する
ことができるレーザ加工装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工装置
は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を光反射部材
のスキャニング動作に応じて所定角度範囲で反射するス
キャニング手段と、反射面が湾曲形状に形成されて当該
反射面と平行した焦点軸を有するように構成された反射
鏡とを備え、前記スキャニング手段が有する光反射部材
を、前記レーザ光を前記反射鏡の焦点軸上で反射し、且
つその反射光が当該光反射部材のスキャニング動作に応
じて上記反射鏡上をその径方向に沿って移動するように
配置し、前記反射鏡を、前記スキャニング手段からのレ
ーザ光をその焦点軸と直交する面に対して所定角度傾斜
した方向に反射するように配置し、さらに前記反射鏡の
焦点軸と直交する所定方向に沿って被加工物を配置した
ものである。

【０００９】また、レーザ発振器から出力されたレーザ
光を光反射部材のスキャニング動作に応じて所定角度範
囲で反射するスキャニング手段と、反射面が湾曲形状に
形成されて当該反射面と平行した焦点軸を有するように
構成された反射鏡及び副反射鏡とを備え、前記スキャニ
ング手段が有する光反射部材を、前記レーザ光を前記反
射鏡の焦点軸上で反射し、且つその反射光が当該光反射
部材のスキャニング動作に応じて上記反射鏡上をその径
方向に沿って移動するように配置し、前記反射鏡を、前
記スキャニング手段からのレーザ光をその焦点軸と直交
する面に対して所定角度傾斜した方向に反射するように
配置し、前記副反射鏡を、その焦点軸が前記反射鏡の焦
点軸と直交するように設けられ前記反射鏡で反射された
レーザ光を入射方向と直交する方向に反射するように配
置し、さらに前記副反射鏡の焦点軸に沿って被加工物を
配置するようにしてもよい。

【００１０】この場合、スキャニング手段が有する光反
射部材を、ポリゴンミラー若しくはガルバノ形スキャニ
ングミラーにより構成してもよい。

【００１１】また、スキャニング手段が有する光反射部
材の端部がレーザ発振器からのレーザ光を反射する位置
となったことを検出する異常反射検出手段を設けると共
に、前記レーザ発振器を、前記異常反射検出手段が検出
状態となったときは駆動停止するように構成するのが好
ましい。

【００１２】

【作用】請求項１記載のレーザ加工装置の場合、スキャ
ニング手段の光反射部材がスキャニング動作を実行する
と、そのスキャニング動作に応じて所定角度範囲でレー
ザ発振器からのレーザ光を反射する。このとき、スキャ
ニング手段が有する光反射部材は、レーザ光を反射鏡の
焦点軸上で反射すると共に、光反射部材のスキャニング
動作に応じて反射光を反射鏡上の径方向に沿って移動す
る。そして、反射鏡は、スキャニング手段からのレーザ
光を焦点軸と直交する面に対して所定角度傾斜した方向
に反射する。この結果、反射鏡で反射されたレーザ光は
焦点軸と直交する所定線上を集光状態で移動するので、
被加工物を斯様な所定線上に沿って配置することにより
被加工物を確実に熱加工することができる。

【００１３】請求項２記載のレーザ加工装置の場合、請
求項１記載のレーザ加工装置と同様にして反射鏡はスキ
ャニング手段からのレーザ光を反射する。そして、副反
射鏡は、反射鏡で反射されたレーザ光を直交した方向に
反射する。このとき、副反射鏡は、その焦点軸が反射鏡
の焦点軸と直交するように設けられているので、副反射
鏡で反射されたレーザ光は副反射鏡の焦点軸上を集光状
態で移動する。従って、被加工物を副反射鏡の焦点軸に
沿って配置することにより被加工物を確実に熱加工する
ことができる。

【００１４】請求項３記載のレーザ発振器の場合、スキ
ャニング手段が有する光反射部材をポリゴンミラー及び
ガルバノ形スキャニングミラーにより構成したので、ス
キャニング手段を簡単に構成することができる。

【００１５】請求項４記載のレーザ加工装置の場合、ス
キャニング手段が有する光反射部材がポリゴンミラー或
いはガルバノ形スキャニングミラーの場合、光反射部材
の端部がレーザ発振器からのレーザ光を反射する位置と
なったときは光が異常な方向に反射されることがある。
このような場合、異常反射検出手段がそのことを検出す
ることによりレーザ発振器は駆動停止されるので、光反
射部材の反射により異常な方向にレーザ光が反射されて
しまうことはない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１乃至図６を
参照して説明する。図１及び図２はレーザ加工装置を概
略的に示している。これらの図１及び図２において、Ｃ
Ｏ2 レーザ発振器１１から出力されたレーザ光は、ミラ
ー１２により反射されてスキャニング手段の光反射部材
を成すポリゴンミラー１３に到達する。ポリゴンミラー
１３は外周面に複数のミラー１３ａを配置して成り、こ
のポリゴンミラー１３と共にスキャニング手段を構成す
るモータ１４による回転に応じてレーザ光を所定角度範
囲に反射する。

【００１７】上記ポリゴンミラー１３により所定角度で
反射されたレーザ光を受けるように反射鏡１５が配置さ
れている。この反射鏡１５はシリンドリカル形状に形成
された反射面１５ａを有しており、この反射面１５ａに
入射した平行光線を焦点軸１５ｂに集光するように反射
するもので、その焦点軸１５ｂの位置は反射面１５ａの
曲率半径の１／２の距離となっている。ここで、ポリゴ
ンミラー１３は、ミラー１３ａの回転軌跡上に反射鏡１
５の焦点軸１５ｂが位置すると共に、レーザ発振器１１
からのレーザ光を入射角度に対して所定角度傾斜して反
射するように配置されている。

【００１８】図３及び図４は、上記構成の反射鏡１５に
よるレーザ光の集光原理を示している。つまり、図３に
示すように反射面がシリンドリカル形状の反射鏡Ａにお
いては、入射した平行光線を焦点軸Ｂ上に集光するよう
に反射する。ここで、斯様な反射鏡Ａは、図４に示すよ
うに焦点軸Ｂを通過して反射鏡Ａの反射面の径方向に移
動するように入射する平行光を焦点軸Ｂと直交する所定
線Ｃ上に集光状態で反射する特性を有する。

【００１９】さて、レーザ発振器１１から出力されたレ
ーザ光は所定径を有するので、ポリゴンミラー１３で反
射されたレーザ光が反射鏡１５の焦点軸１５ｂを通過し
て反射面１５ａの径方向に沿って移動するときは、僅か
ながら収差の影響を受けるものの上記集光原理により反
射鏡１５の焦点軸１５ｂと直交する所定線上を集光状態
で移動する。従って、斯様な所定線上に被加工物１６を
配置することにより被加工物１６に対してレーザ光を集
光状態でスキャニングして熱加工を施すことができる。

【００２０】図５は上記ポリゴンミラー１３の詳細を示
している。この図５において、ポリゴンミラー１３の上
面にはスリット板１７が一体に設けられていると共に、
そのスリット板１７に対応して当該スリット板１７と共
に異常反射検出手段を構成するフォトインタラプタ１８
が設けられており、フォトインタラプタ１８によりスリ
ット板１７ひいてはポリゴンミラー１３の回転位置を検
出するようになっている。この場合、フォトインタラプ
タ１８によるスリット板１７の検出タイミングは、ポリ
ゴンミラー１３によるレーザ光の反射位置がミラー１３
ａの境界位置となったタイミングに設定されている。そ
して、フォトインタラプタ１８の検出タイミングに応じ
てレーザ発振器１１が駆動停止されるようなっている。
このレーザ発振器１１の駆動停止状態は、ポリゴンミラ
ー１３のミラー１３ａの境界位置からレーザ光が脱出し
たところで解除されるようになっている。

【００２１】上記構成のものによれば、反射面１５ａが
シリンドリカル形状の反射鏡１５を利用してポリゴンミ
ラー１３で反射されたレーザ光を被加工物１６に集光状
態で照射するようにしたので、被加工物１６に対して集
光されたレーザ光をスキャニングすることができる。従
って、ポリゴンミラーで反射したレーザ光をｆ・θレン
ズにより集光させている従来例のものと違って、ｆ・θ
レンズよりも大形のものが製作容易な反射鏡１５を用い
ることにより横幅の大きな被加工物１６に対しても熱加
工することができると共に、熱吸収がなくて大出力のＣ
Ｏ2 レーザ発振器にも対応することができる。

【００２２】また、ポリゴンミラー１３がミラー１３ａ
の境界部にレーザ光が反射される位置に回転したとき
は、レーザ発振器１１は停止されるので、図６に示すよ
うにレーザ光がミラー１３ａの境界部で２方向に分割さ
れてしまうことがなくなり、安全性を高めることができ
る。

【００２３】尚、ポリゴンミラー１３のミラー１３ａの
境界部にレーザ光が照射されたタイミングでレーザ発振
器１１を停止するのに代えて、レーザ発振器１１を任意
に駆動可能に構成し、ポリゴンミラー１３によりレーザ
光が適正に反射されるタイミングでのみレーザ発振器１
１を駆動するようにしてもよい。この場合、レーザ発振
器１１の駆動タイミングを調整することにより、被加工
物１６に対するレーザ光の照射範囲を任意に設定するこ
とが可能となる。

【００２４】図７乃至図１０は本発明の第２実施例を示
しており、第１実施例と同一部分には同一符号を付して
説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。全体
構成を概略的に示す図７において、反射鏡１５で反射さ
れたレーザ光を受けて直交する方向に反射する副反射鏡
１９が設けられている。この副反射鏡１９は、反射面１
９ａが放物面形状に形成されていると共に、その反射面
１９ａの曲率半径は反射鏡１５の反射面１５ａの曲率半
径よりも小となるように設定されている。

【００２５】図８は、反射鏡１５及び副反射鏡１９並び
に被加工物１６の位置関係を示している。この図８にお
いて、反射鏡１５の曲率半径をＲ1 とすれば、その焦点
距離ｆ1 はｆ1 ＝Ｒ1 ／２となる。また、副反射鏡１９
の焦点距離をｆ2 、各反射鏡１５，１９の間隔をａとす
れば、ａ＝ｆ1 −ｆ2 となるように設定されている。こ
の場合、反射鏡１５及び副反射鏡１９は、各焦点軸１５
ｂ，１９ｂが直交するように設定されており、各反射鏡
１５，１９でレーザ光が反射されるときは、レーザ光は
反射鏡１５，１９の曲率方向のみに集光されると共に曲
率方向と直交する方向には集光されないので、結局、副
反射鏡１９で反射されたレーザ光はこれの焦点軸１９ｂ
上で集光される。

【００２６】ここで、副反射鏡１９の曲率半径は反射鏡
１５の曲率半径よりも小に設定されているので、被加工
物１６に集光状態で照射されるレーザ光の形状は図９に
示すように楕円形状となる。つまり、被加工物１６に対
するレーザ光の照射形状は副反射鏡１９の焦点軸１９ｂ
に沿った方向に長軸を有するようになる。このとき、ポ
リゴンミラー１３の回転に応じて被加工物１６に対する
レーザ光の照射位置が移動するときは、レーザ光は楕円
形状の長軸方向に移動するので、レーザ光はオーバーラ
ップした状態で移動することになる。つまり、副反射鏡
１９は、反射鏡１５で反射されたレーザ光の照射領域を
絞って加工性能を向上させる有利な配置に設定されてい
る。

【００２７】図１０は上記構成のレーザ加工装置を利用
した被加工物たる珪素鋼板の連続加工システムを示して
いる。この図１０では、１．５ＫＷのＣＯ2 レーザ発振
器を用いて１ｍ幅の珪素鋼板の表面を５mmピッチで溝切
り加工する例を示している。即ち、レーザ発振器１１か
らのレーザ光は折返しミラー１２による伝送光学系によ
りポリゴンミラー１３に照射される。ポリゴンミラー１
３に照射されたレーザ光は、ポリゴンミラー１３により
スキャニングされて曲率２ｍのシリンドリカル形状の反
射面１５ａを有する反射鏡１５に照射される。この場
合、反射鏡１５の曲率は２ｍであるので、その焦点距離
は１ｍである。そして、反射鏡１５で反射されたレーザ
光は、反射鏡１５から８００mm離れた位置に設けられ焦
点距離が２００mmの放物面状に形成された反射面１９ａ
を有する副反射鏡１９に照射される。従って、副反射鏡
１９で反射されたレーザ光は、副反射鏡１９の下方に向
かって２００mmの位置で集光される。

【００２８】尚、このときのレーザ光の集光形状は０．
５mm×０．０１mmとなっており、その集光状態でポリゴ
ンミラー１３の回転に応じてレーザ光がスキャニングさ
れて被加工物たる珪素鋼板１６に対する熱加工が行われ
る。ここで、珪素鋼板１６は９ｍ／分で移動していると
共に、ポリゴンミラーは３００ｒｐｍで回転しており、
斯様な加工条件により珪素鋼板１６は毎秒６０ｍの加工
速度で１ｍ幅にわたって溝加工が５mmピッチで行われ
る。

【００２９】図１１及び図１２は本発明の第３実施例を
示しており、第１実施例と異なる部分は、レーザ光を所
定角度範囲でスキャニングする装置として、ポリゴンミ
ラー１３に代えて、ガルバノ形スキャニングミラー２０
を設けた点である。この場合、スキャニングミラー２０
に設けられたスリット板１７及びフォトインタラプタ１
８は、スキャニングミラー２０のエッジ部にレーザ光が
反射されるタイミングとなったことを検出するように設
定されており、そのタイミングでレーザ発振器１１は駆
動停止するように設定されている。

【００３０】この第３実施例の場合でも、ポリゴンミラ
ー１３と同様にレーザ光を所定角度範囲でスキャニング
することができるので、上記各実施例と同様な作用効果
を奏する。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のレーザ加工装置によれば、レーザ光を集光する手段と
して反射面が湾曲形状に形成された反射鏡を利用すると
共に、その反射鏡に対する被加工物の配置位置を工夫す
ることにより、反射鏡を利用してレーザ発振器からのレ
ーザ光を集光状態でスキャニングするようにしたので、
幅広な被加工物でも高速に熱加工を施すことができると
共に、大出力のレーザ光にも対応することができるとい
う優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す全体を概略的に示す
斜視図

【図２】概略的に示す側面図

【図３】反射鏡の集光特性を示す原理図

【図４】反射鏡によるレーザ光の集光特性を示す原理図

【図５】ポリゴンミラーに設けられたスリット板とフォ
トインタラプタとの配置状態をを示す斜視図

【図６】ポリゴンミラーによる異常反射を示す平面図

【図７】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【図８】反射鏡と副反射鏡との関係を示す配置図

【図９】集光されたレーザ光のスポット光を示す図

【図１０】具体的な加工例を示す斜視図

【図１１】本発明の第３実施例を示す図１相当図

【図１２】図５相当図

【図１３】従来例を示す図１相当図

【図１４】異なる従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１１はレーザ発振器、１３ポリゴンミラー（スキャン手
段、光反射部材）、１４はモータ（スキャン手段）、１
５は反射鏡、１５ａは反射面、１５ｂは焦点軸、１７は
スリット板（異常反射検出手段）、１８はフォトインタ
ラプタ（異常反射検出手段）である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出力されたレーザ光を
   光反射部材のスキャニング動作に応じて所定角度範囲で
   反射するスキャニング手段と、 反射面が湾曲形状に形成されて当該反射面と平行した焦
   点軸を有するように構成された反射鏡とを備え、 前記スキャニング手段が有する光反射部材は、前記レー
   ザ光を前記反射鏡の焦点軸上で反射し、且つその反射光
   が当該光反射部材のスキャニング動作に応じて上記反射
   鏡上をその径方向に沿って移動するように配置され、 前記反射鏡は、前記スキャニング手段からのレーザ光を
   その焦点軸の直交する面に対して所定角度傾斜した方向
   に反射するように配置されていると共に、 前記反射鏡の集光軸と直交する所定方向に沿って被加工
   物を配置したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 レーザ発振器から出力されたレーザ光を
   光反射部材のスキャニング動作に応じて所定角度範囲で
   反射するスキャニング手段と、 反射面が湾曲形状に形成されて当該反射面と平行した焦
   点軸を有するように構成された反射鏡及び副反射鏡とを
   備え、 前記スキャニング手段が有する光反射部材は、前記レー
   ザ光を前記反射鏡の焦点軸上で反射し、且つその反射光
   が当該光反射部材のスキャニング動作に応じて上記反射
   鏡上をその径方向に沿って移動するように配置され、 前記反射鏡は、前記スキャニング手段からのレーザ光を
   その焦点軸と直交する面に対して所定角度傾斜した方向
   に反射すように配置され、 前記副反射鏡は、その焦点軸が前記反射鏡の焦点軸と直
   交するように設けられ前記反射鏡で反射されたレーザ光
   を入射方向と直交する方向に反射するように配置されて
   いると共に、 前記副反射鏡の焦点軸に沿って被加工物を配置したこと
   を特徴とするレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 スキャニング手段が有する光反射部材
   は、ポリゴンミラー若しくはガルバノ形スキャニングミ
   ラーにより構成されていることを特徴とする請求項１又
   は２記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 スキャニング手段が有する光反射部材の
   端部がレーザ発振器からのレーザ光を反射する位置とな
   ったことを検出する異常反射検出手段を備えると共に、 前記レーザ発振器は、前記異常反射検出手段が検出状態
   となったときは駆動停止するように構成されていること
   を特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。