JPH075385A - レーザービーム位置決め装置及びシステム - Google Patents

レーザービーム位置決め装置及びシステム

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JPH075385A
JPH075385A JP5157417A JP15741793A JPH075385A JP H075385 A JPH075385 A JP H075385A JP 5157417 A JP5157417 A JP 5157417A JP 15741793 A JP15741793 A JP 15741793A JP H075385 A JPH075385 A JP H075385A
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JP
Japan
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reflector
mirror
laser
laser beam
tool
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JP5157417A
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English (en)
Inventor
Stanley L Ream
エル． リーム スタンレイ
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G II FUANATSUKU AUTOM NOOSUAME
G II FUANATSUKU AUTOM NOOSUAMERIKA Inc
Intelligent Platforms LLC
Original Assignee
G II FUANATSUKU AUTOM NOOSUAME
G II FUANATSUKU AUTOM NOOSUAMERIKA Inc
GE Fanuc Automation North America Inc
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】より大きな直径のレーザービーム及びより大き
なミラーを使用してビームスポットをフォーカスさせ且
つ迅速に操作するための高パワーレーザーシステムを提
供する。 【構成】レーザービーム２８が支持ハウジング５５にお
ける開口５４を介して通過し、次いで負（発散性）の球
状レンズ５６を介して通過する。円筒補整された発散性
のビーム３１は第一平坦ミラー３２によって４５°の角
度で反射される。発散性ビーム３１′は第二平坦ミラー
３３によって大型の球状又は放物線上のミラー３４へ反
射される。ミラー３４の曲率、レンズ５６、それらの離
隔距離及びミラー３４の光軸に関しての発散性ビーム３
１″の入射角は、収束性ビーム３５が非点収差が補整さ
れた焦点３６へ到達するように設定されている。作業乃
至は加工物表面３７上の焦点３６の位置は、平坦なスキ
ャニングミラー２６の位置により決定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物体を処理するための
レーザービームの操作技術に関するものであって、更に
詳細には、処理すべき物体に対してレーザービームの三
次元的動作を与えることを可能とする装置及び方法に関
するものである。
【０００２】本発明で実施することが可能なレーザー物
質処理技術としては、ヒーティング（加熱）、ドリリン
グ（ドリル孔開け）、カッティング（切削）、クリーニ
ング、マーキング、エングレービング、溶接、変態焼入
れ、クラッド、硬化、ペイント剥離ステレオリソグラフ
ィ、及び一般的な種類のレーザー表面変形等がある。こ
れらのレーザー処理の各々は、フォーカス又はその他の
方法で所定の形状としたレーザービームを作業（加工
物）表面と相対的に位置決めさせるか及び／又は並進運
動させることを必要とする。
【０００３】
【従来の技術】あるレーザー処理においては、処理期間
中に、作業表面に対してレーザービームを静止状態に維
持することを必要とする。その他のプロセスにおいて
は、作業表面上のプログラムされた経路に沿って滑らか
にレーザービームを移動させることを必要とする。レー
ザーカッティングは、レーザービームと作業表面とを相
互に移動させる最も一般的な例である。
【０００４】レーザービームと作業表面との相対的な運
動は、床面積、重量、精度、仕事負荷の容易性、ビーム
整合の容易性、移動速度、及びプログラムした経路に沿
っての加速等に依存して多様な形態で実施することが可
能である。
【０００５】高速レーザーカッティング処理において
は、レーザーのパワーが高ければ高い程切削速度は一層
高く、その切削速度は加工物物質の厚さに逆比例する。
殆どのレーザーカッティング操作において、切削速度は
所望の経路に沿ってレーザービームを操作する能力によ
るよりも品質及び経済性によって多くの制限を受ける。
例えば布又は紙等の薄い物質をレーザーで切削する場
合、品質を犠牲にすることなしに処理速度を極めて高い
ものとすることが可能である。薄い物質の場合には、レ
ーザー処理速度は、通常、レーザーパワーの程度よりも
機械的な拘束条件により制限を受ける。
【０００６】静止状態にある作業物体（加工物）に対し
てレーザーシステムが移動可能な所謂「飛翔光学系」ア
プローチにおいては、レーザービーム操作は最も早い移
動速度及び加速を与える。このようなシステムの移動質
量は小さい。何故ならば、加工物を保持する要素は静止
状態にあるからである。
【０００７】上述したシステム内の構成要素の質量は設
計を注意深く行ない且つ最新の物質を使用することによ
り最小のものとすることが可能であるが、これらの構成
要素が直線経路ではなくプログラムされた経路に沿って
移動せねばならないという事実はより高い加速とするこ
とを制限し、従って平均処理速度を制限している。
【０００８】関連する機械的質量の制限なしで、レーザ
ービームのみをプログラムした経路に沿って操作するこ
とが可能である場合には、その経路に沿った横方向の加
速を増加させることが可能である。例えば、「共振検流
計により駆動される小型光学スキャナ（Ｃｏｍｐａｃｔ
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｅｒ Ｄｒｉｖｅｎｂｙ
ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｇａｌｖｎｏｍｅｔｅｒ）」
という名称の米国特許第４，７６２，９９４号に記載さ
れる如き「検流計型」ミラーシステムは、制限されたレ
ーザーパワーにおいて効率的な動作を与えることが可能
である。このようなシステムは、典型的に、数インチの
大きさのレーザービーム直径に制限されており、且つス
キャニングミラーにおけるビーム直径は大きなものでは
ない。高いパワーのレーザービームで大きな表面積をス
キャニングするために必要な大きな直径のレーザービー
ムを操作するための検流計は市販されていない。
【０００９】作業乃至は加工表面上に増大したレーザー
パワーを指向させる大直径レーザービームを提供するこ
とが所望されている。前述したような検流計型の光学ス
キャナを使用することは小さな寸法のミラーを必要と
し、それはこのようにビームの直径を増大させたレーザ
ービームを供給することは不可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
とするところは、作業乃至は加工表面に対してレーザー
ビームを移動させるために検流計スキャナを使用するこ
とを必要とすることなしに、より大きな直径のレーザー
ビーム及びより大きなミラーを使用してビームスポット
をフォーカスさせ且つ迅速に操作するための高パワーレ
ーザーシステムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、最大の加速で
非直線的経路に沿って高パワーレーザービームを移動さ
せ、物質を処理するのに適した三次元レーザービーム操
作乃至はスキャニング装置を提供している。高密度レー
ザービームを作業乃至は加工表面上へ指向させるために
コンピュータ制御される可撓性乃至は柔軟性のある駆動
システム上に大きな反射ミラーが配設されている。
【００１２】
【実施例】本発明に基づく高パワーレーザーに付いて説
明する前に、前述した米国特許第４，７６２，９９４号
に記載されているのに類似した工業用のレーザー１１を
有する図１に示したような公知のレーザーシステム１０
について説明する。一対の検流計１３，１４が可撓性乃
至は柔軟性のある接続体１８，１９によって一対のミラ
ー１６，１７と動作接続されている。動作について説明
すると、レーザービーム２０が収束レンズ２２を介して
図１に示した如く垂直な面内に配設したミラー１６へ指
向させ、次いで水平な面内に配設したミラー１７へ指向
させる。次いで、収束ビーム２１は物質１２の表面上の
点２３へフォーカス即ち合焦される。物質１２は繊維物
質の制御された切断を行なうための布繊維とすることが
可能である。精密に制御されたレーザーカッティング装
置の別の例は「レーザーカッティング装置（Ｌａｓｅｒ
Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）」という名称の米
国特許第４，６５９，９００号に記載されている。
【００１３】次に、図２を参照して、本発明に基づく高
速高パワーレーザーシステム３８について説明する。こ
の場合には、類似しているがよりパワーの高い工業用レ
ーザー１１が可撓性乃至は柔軟性の接続体２９によって
コントローラ２４と動作接続されており、コントローラ
２４は、一例としては、フルレンジの制御機能を与える
ためのプログラム可能な論理制御器（ｐｌｃ）か又はコ
ンピュータ化した数値制御器（ｃｎｃ）とすることが可
能である。該制御器は、別の可撓性乃至は柔軟性の接続
体３０によってスキャナ組立体２５及びサーボモータ４
２，４３と接続しており、スキャニングミラー２６とし
て作用する大型の反射ミラーの配向状態を制御する。動
作について説明すると、レーザービーム２８が支持ハウ
ジング５５における開口５４を介して通過し、次いで負
（発散性）の球状レンズ５６を介して通過する。円筒補
整された発散性のビーム３１は第一平坦ミラー３２によ
って４５°の角度で反射される。別の実施例において
は、このミラーは、直線偏光した入射ビームに対して円
偏波を与える相遅延ミラーとすることが可能である。発
散性ビーム３１′は第二平坦ミラー３３によって大型の
球状又は放物線上のミラー３４へ反射される。ミラー３
４の曲率、レンズ５６、それらの離隔距離及びミラー３
４の光軸に関しての発散性ビーム３１″の入射角は、収
束性ビーム３５が非点収差が補整された焦点３６へ到達
するように設定されている。作業乃至は加工物表面３７
上の焦点３６の位置は、平坦なスキャニングミラー２６
の位置により決定される。後に更に詳細に説明する如
く、このレーザー焦点３６は、スキャニングミラー２６
のプログラムした運動によって、想像線で示した如く、
加工物表面上の他の位置３９，４０へ迅速に移動させる
ことが可能である。
【００１４】三次元操作を与えるべく配設されたコンピ
ュータ化数値制御器（ｃｎｃ）により制御されるレーザ
ーの例は米国特許第５，０６７，０８６号及び第５，０
１１，２８２号に記載されている。これらの特許に記載
されているレーザー焦点操作の速度、加速及び区域は、
システムのＸ，Ｙ，Ｚ軸に関連した装置の質量を並進運
動させ且つ回転させるための必要性により著しく制限さ
れている。図１に示した他の従来技術に関して、図２に
おける本発明のスキャニングミラー２６の寸法はこれら
の特許に記載されているものよりも著しく大きなものと
することが可能であることに注意すべきである。
【００１５】スキャニングミラー２６の三次元操作は、
図３において拡大して示したスキャナ組立体２５内の可
撓性乃至は柔軟性駆動系６５によって行なわれる。焦点
の完全なる三次元操作のためには３個のサーボモータが
必要とされるが、説明の便宜上ここにおいては２個のサ
ーボモータ４２，４３のみが示されている。これらのサ
ーボモータは別の支持プレート５８によってカップラ４
６により対応する親ネジ４５へ接続されている。親ネジ
４５は、カップリング４８へ固着されているナット４７
へ接続されている。これらのカップリングは内側スプラ
イン４９の一端へ固着されている。内側スプラインは対
応する外側スプライン５０内に収容されており、外側ス
プラインは内側スプラインの直線運動を許容するが軸周
りの内側スプラインの回転運動を許容するものではな
い。外側スプライン５０は支持管４１内に固着されてお
り、サーボモータ４２，４３は支持管４１へ取付けられ
ている。内側スプライン４９の反対側の端部はミラー位
置決め器着座部５２，５３内に位置する硬化されたツー
ルボール５１に取付けられている。３番目の位置決め器
着座部５７は想像線で示されておりそれは同様の内側ス
プライン（不図示）と接続している。位置決め着座部５
２は円錐状の凹部が設けられており、位置決め着座部５
３は溝の形状の凹部が設けられており、且つ位置決め着
座部５７は平坦な表面を有している。３個のツールボー
ル５１により位置決めされてこれらの３つの着座部が一
体となって、スキャニングミラー２６の回転方向位置及
び横方向の位置を完全に画定する。
【００１６】図２乃至４を参照すると最もよく理解され
る如く、たわみ継手４４によってスキャニングミラー２
６の片側へ取付けられると共にカップリング５９を介し
てスキャナ組立体２５の装着用プレート５８へ取付けら
れている３個の空気圧シリンダ１５によって印加される
保持力によってスキャニングミラー２６はツールボール
５１に対して保持されている。このような空気圧シリン
ダは円形状のパターンで３個配設されており支持管４１
の間に間隔を開けて設けられており、スキャニングミラ
ー２６に対して一定の力の支持スプリングとして作用す
る。従って、スキャニングミラーに作用する反力は効果
的にバランスされ且つ最小とされる。これらのシリンダ
によって与えられる実効的スプリング力は、拘束動作期
間中にスキャニングミラーに作用する重力及び慣性力に
対向すべく該シリンダへの空気圧を変化させることによ
り最適に制御することが可能である。
【００１７】サーボモータ４２，４３は所定の位置情報
に従って制御器２４により個別的に回転される。各サー
ボモータはそれと関連する親ネジ４５に独立的に作用す
る。親ネジが回転すると、それは、ナット４７、カップ
リング４８、内側スプライン４９、ツールボール５１を
固定されている外側スプライン５０により定義される直
線に沿って移動させる。外側スプラインは、更に、関連
する内側スプラインの回転又は傾斜運動を禁止する。空
気圧シリンダ１５の力はミラー２６上に作用しミラー位
置決め器着座部５２，５３，５７が並進運動を行なう際
にツールボールと接触状態を維持させる。ミラー位置決
め器着座部５２，５３，５７の幾何学的形状は、スキャ
ニングミラー２６の位置決めを行なうのに必要な冗長性
のない最小数の拘束条件を与えるべく設定されている。
前述した如く、ミラー位置器決め着座部５２は円錐形状
であり、ミラー位置器決め着座部５３は溝が形成されて
おり、且つミラー位置器決め着座部５７は平坦形状であ
る。従って、加工物表面３７上のレーザーの焦点３６の
各位置に対して、３個のツールボール５１及び３個の関
連したサーボモータの固有の位置が存在している。
【００１８】以上説明した如く、本発明によれば、サー
ボモータと、コンピュータ化数値制御器又はプログラム
可能論理制御器と、ビーム送給光学系と、可撓性乃至は
柔軟性スキャナ組立体とを使用する高速三次元操作乃至
はフォーカスレーザービーム用の精密に制御した高パワ
ー工業用レーザーシステムが提供される。本発明システ
ムは、繊維、自動車及びステレオリソグラフィの夫々の
技術分野において特定の適用を有するものである。
【００１９】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術に基づく高速レーザー焦点スキャニ
ングシステムを示した概略図。
【図２】 本発明に基づく高パワー・高速レーザーシス
テムを示した概略図。
【図３】 図２のレーザーシステムにおけるスキャナ組
立体を示した概略拡大図。
【図４】 図３のスキャナ組立体における可撓性駆動系
を示した概略拡大斜視図。
【符号の説明】
１１ レーザー ２４ 制御器 ２５ スキャナ組立体 ２６ スキャニングミラー ２８ レーザービーム ２９，３０ 可撓性接続体 ３２ 第一平坦ミラー ３３ 第二平坦ミラー ３４ 球状乃至は放物線ミラー ３７ 作業（加工物）表面 ３８ 高速高パワーレーザーシステム ４２，４３ サーボモータ ５４ 開口 ５５ ハウジング ５６ レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スタンレイ エル． リーム アメリカ合衆国， バージニア 22901, シャーロッツビル， トレモント ロー ド 210

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザービームスキャニング装置におい
    て、 レーザー源、 第一リフレクタ上へレーザービームを指向させるべく前
    記レーザー源と動作結合されている制御ユニット、 前記制御ユニット及び前記レーザービームの三次元表示
    を作業物体上へ反射される第二リフレクタと動作結合さ
    れているスキャナ、を有することを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記制御ユニットが
    コンピュータ化した数値制御器又はプログラム可能な論
    理制御器を有することを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 請求項１において、前記第一リフレクタ
    が発散レンズを有することを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】 請求項１において、前記第二リフレクタ
    が平坦なミラーを有することを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】 請求項１において、前記スキャナが可撓
    接続手段により前記第二リフレクタと接続した複数個の
    モータを有することを特徴とする装置。
  6. 【請求項６】 請求項５において、前記可撓接続手段が
    ツールボールと相互接続するたわみ継手を有することを
    特徴とする装置。
  7. 【請求項７】 請求項６において、前記ツールボールが
    前記第二リフレクタの片側に取付けた位置決め器着座部
    内に受納されていることを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 請求項７において、前記位置決め器着座
    部が所定のツールボール受納表面を画定しており、前記
    ツールボール受納表面が前記第二ミラーの対応する変位
    を画定することを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】 請求項７において、前記ツールボール受
    納表面が平坦であることを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 請求項７において、前記ツールボール
    受納表面が円錐状であることを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】 請求項７において、前記ツールボール
    受納表面が溝が形成されていることを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 請求項５において、前記可撓性接続手
    段が親ネジであることを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２において、前記親ネジから
    の回転運動を前記第二リフレクタへ印加される並進運動
    へ変換するために前記ツールボールと前記親ネジとの間
    を接続するカップリング及びナットが設けられているこ
    とを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 請求項５において、前記モータと前記
    第二リフレクタとの間を相互接続する空気圧シリンダが
    設けられており、前記空気圧シリンダが前記第二リフレ
    クタに対し保持力を与えることを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１において、前記第一リフレク
    タと第二リフレクタとの中間に第三リフレクタ及び第四
    リフレクタが設けられており、前記第三リフレクタが前
    記第一リフレクタからの前記レーザービームを受光し且
    つ前記レーザービームを前記第四リフレクタへ反射させ
    ることを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１において、前記第一リフレク
    タ及び第二リフレクタが平坦なミラーを有することを特
    徴とする装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１５において、前記第三リフレ
    クタが平坦なミラーを有しており、且つ前記第四リフレ
    クタが球状乃至は放物線状ミラーを有することを特徴と
    する装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１５において、前記第四ミラー
    が前記レーザーミラーを前記第二ミラーへ反射させるこ
    とを特徴とする装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１において、前記第一リフレク
    タ及び第二リフレクタが平坦なミラーを有することを特
    徴とする装置。
  20. 【請求項２０】 レーザーに対して三次元操作を与える
    方法において、 レーザー源からのレーザー光ビームを与え、 前記ビームを第一リフレクタから第二リフレクタへ反射
    させ、 前記第二リフレクタに対して可撓性駆動系を取付け、 前記第二リフレクタと前記レーザー源との中間にコント
    ローラを動作接続させ、 前記第二リフレクタを選択的に移動させて前記ビームの
    三次元操作を与える、上記各ステップを有することを特
    徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記第二リフレ
    クタと前記可撓性駆動系との間に複数個のツールボール
    を介挿するステップを有することを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２０において、 スキャナ内に複数個のモータを設け、 対応する複数個の剛性カップリングを介して前記モータ
    を対応する複数個の親ネジへ接続させる、上記各ステッ
    プを有することを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２１において、前記ツールボー
    ルの一つと前記第二リフレクタとの中間に円錐表面を介
    挿するステップを有することを特徴とする方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２１において、前記ツールボー
    ルのうちの一つと前記第二リフレクタとの中間に溝を形
    成した表面を介挿するステップを有することを特徴とす
    る方法。
  25. 【請求項２５】 請求項２１において、前記複数個のツ
    ールボールのうちの一つと前記第二リフレクタとの中間
    に平坦な表面を介挿するステップを有することを特徴と
    する方法。
JP5157417A 1992-06-29 1993-06-28 レーザービーム位置決め装置及びシステム Pending JPH075385A (ja)

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US07/906,600 US5268554A (en) 1992-06-29 1992-06-29 Apparatus and system for positioning a laser beam
US906600 1992-06-29

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JPH075385A true JPH075385A (ja) 1995-01-10

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EP (1) EP0577358B1 (ja)
JP (1) JPH075385A (ja)
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