JPH1158045A - レーザ光線誘導装置 - Google Patents

レーザ光線誘導装置

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JPH1158045A
JPH1158045A JP10167211A JP16721198A JPH1158045A JP H1158045 A JPH1158045 A JP H1158045A JP 10167211 A JP10167211 A JP 10167211A JP 16721198 A JP16721198 A JP 16721198A JP H1158045 A JPH1158045 A JP H1158045A
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mirror
pressure
laser beam
beam guiding
guiding device
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JP10167211A
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Martin Huonker
フォンカー マルチン
Adolf Giesen
ギーセン アドルフ
Martin Bea
ベア マルチン
Helmut Hugel
フューゲル ヘルムート
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Trumpf SE and Co KG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 適応ミラーによりレーザ光線を光線径路に誘
導するための装置を提供する。 【解決手段】 ミラー(12)の裏面に設けられた圧電
調整部材(17)を備える。調整部材(17)とミラー
(12)の裏面(24)との間に圧力伝導装置(19)
を設ける。圧力伝導装置(19)は、ミラー(12)の
変形可能な表面の広い面積に作用する。ミラー(12)
の収差が少なくなり、光線の発散が誘導されやすくな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項1の前段部
分に記載したように、光線径路において適応性のあるミ
ラー(適応ミラー:adaptive mirror)によって光線径路
にレーザ光線を誘導するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】このような装置は、たとえばDE410
8419A1に開示されており、これによると、この装
置は、機械加工される加工物に、レーザ光線の波面や横
断面の幾何学的形態を誘導する。この目的のために、レ
ーザ光源のできるだけ近くにミラーの表面を偏向させて
配設してある。そのミラーは、アクチュエータの最小の
ストロークに関連して、ミラーを盛り上がらせ、大きな
光線の拡大を確実に引き起こすことができ、その結果、
焦点距離を一定に保ち、及び/又は、機械加工処理に柔
軟に加工パラメータを用いることができるようになる。
アクチュエータは、圧電最終制御要素として構成され、
上記要素はミラーハウジングに設けられる。圧電最終調
整要素は、ミラーの裏面に直接作用する結果として、迅
速で正確なミラーの位置調整(alignment) を行うことが
可能である。
【0003】しかし、このような装置には、ミラー表面
の曲率をごく僅かに変化させたり調整したりすることが
特に困難であるという短所がある。その結果、このよう
なシステムの光学的品質は限定される。これは、ミラー
の曲率のための力がミラーの裏面の一点だけに導入され
るという事実に基づいている。このため、ミラーの曲り
又はその表面曲率を一様にすることが難しく、その結果
としてミラーの収差が増加する。さらに、このような装
置は、ミラーの曲率を、微細にあるいは柔軟に調整する
ことが不可能であるという短所を持つ。圧電最終制御要
素が駆動されている時、長さの変化が突然起き、即ち、
力が突然にミラーの裏面に導かれ、この結果、光学シス
テム品質が制限される。
【0004】さらに、適応ミラーによってレーザ光線を
誘導する原理は、DE4137832A1に開示されて
いる。この装置、即ち適応ミラーの場合、表面曲率は、
静圧が加えられる丸い板の原理を使うことにより変化す
る。上記静圧は、冷却液によりミラーの中央に加えられ
る。冷却液は、ミラーの端部に設けられた冷却剤排出ラ
インを介して取り除かれる。冷却液の圧力は電磁バルブ
を介して制御されることが望ましい。
【0005】しかし、このようなシステムは、調整率が
制限された帯域幅しかもたず、たとえば、これは、50
Hzに限定されている。このようなシステムは、多くの
用途に対して反応が非常に遅い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、適応ミラーによって、レーザ光線を光線径路に誘導
するための装置を作ることであり、これにより、光学的
な高品質が、調整率の高い動的帯域幅に関連して提供さ
れる。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明に従
って、請求項1の特徴により達成される。
【0008】2つの原理、即ち、ミラーの液圧的変形及
び圧電的変形という2つの原理の発明的組み合わせによ
り、高品質の光学システムを作ることが可能であり、同
時に、変調可能な周波数の高い動的帯域幅のシステムを
作ることが可能である。圧力伝導装置によって生じる静
圧によるミラーの変形のため、一様に力を導入すること
ができ、ミラーの調波曲げを達成できる。変形圧力が圧
力伝導装置を介して圧電最終制御要素により与えられる
ので、ミラーの曲率を変化させるための高い動的帯域幅
が存在し、圧力伝導装置は、ミラーの裏面に間接的又は
直接的に作用する。
【0009】本発明の好ましい実施例によれば、圧力伝
導装置は、主として非圧縮性で、容易に変形する中間体
を有することが判る。これには、圧電最終制御要素の調
整通路(the adjusting path)の正確且つ迅速な変化
は、ミラーの裏面に直接には作用しないが、直接的又は
間接的に中間体に作用する。この結果、柔軟な液圧変形
を維持することができ、とりわけ、曲げ力を一様に導入
することを可能になる。
【0010】本発明のさらに好ましい実施例によれば、
圧力伝導装置は、中間体に作用する圧力伝導部材を有す
ることが判る。上記圧力伝導部材は、有利には、中間体
の直径、もしくは、実質的には中間体の直径にまで拡が
っている。直接駆動と比べると、圧電最終制御要素を介
する場合には、直接駆動する場合よりも、曲げられた中
間点の振幅(変位幅)を実質的に高くすることが結果と
して可能である。この理由は、特に、中間体の量(volum
e)か、望ましくは端部領域において、実質的に圧力伝導
部材と置き換えられることによる。これにより、より小
さな調整通路を有するより小さな圧電最終制御要素を用
いて、曲率の割にミラーの中間点の振幅をより大きくす
ることが可能になる。これは、圧力部材が大きな構造で
あるため、大量の液体が置き換えられるためであり、こ
の結果、ミラーの中間点で湾曲を拡大することが可能に
なる。
【0011】次に、好ましい実施例や発展的な実施例が
他の請求項において特定されている。
【0012】
【発明の実施の形態】好ましく典型的な実施例は以下の
図面において示される。図1は本発明装置の断面図であ
る。図2は図1の選択的実施例の断面図である。図3は
図1の変形例の断面図である。図4は図1及び図2に関
するもう1つの選択的実施例の断面図である。図5は本
発明のもう1つの選択的実施例の断面図である。
【0013】本発明によるところの、適応ミラー12に
よってレーザ光線を誘導するための装置11が図1に示
されている。単数又は複数の適応ミラー12は、レーザ
光線の径路に規則的に挿入され、例えば、レーザ切断加
工ヘッド31によって加工物を機械加工する時の焦点を
調整する。これは、Z方向での焦点位置と焦点距離との
両方を変化させるために、単数又は複数の適応ミラー1
2を使用することが可能であることを意味する。これに
より、レーザ光源とレーザ切断加工ヘッド31との間の
レーザ光線の異なった長さにより生じる焦点の変化が埋
め合わされる。これらの修正方法は、例えば、加工面積
が6×3mであるレーザフラットベッドマシンの場合に
特に必要である。
【0014】装置11は、ミラー12に接合されるミラ
ーハウジング14を有し、閉塞ハウジングユニットを形
成する。これは、直接的又は間接的に行われる。最終制
御要素17は、望ましくは、圧電アクチュエータとして
構成され、ミラーハウジング14の内部16における基
盤(ベース)18に配設される。ミラー12の方を指す
最終制御要素17の端部とミラー12との間に圧力伝導
装置19が設けられ、その圧力伝導装置19は、例えば
ミラー12へ40から60μmの範囲におくことができ
るように伝導調整通路を取り次ぐ。
【0015】図1に示される典型的な実施例では、圧力
伝導装置19は圧力伝導部材21を備え、これは、ミラ
ー12とミラーハウジング14との間にクランプされる
曲弛性のある隔壁(flexurally slack)22に力を及ぼす
ものである。この構成は、ミラー12と隔壁22との間
に、所謂中間体23を作り、上記中間体23を介して、
最終制御要素17の調整通路がミラー12の裏面24へ
圧力伝導部材21の効果によって伝導され得るため、反
りが、ミラー表面に生じる。利点としては、中間体23
が閉塞空間として構成されることであり、その閉塞空間
は、相対的に薄い液状フィルムとして提供されることが
望ましい。例えば、液状フィルムは、0.2から0.5
mmの肉厚であり、本願によってこれをより大きくも小
さくもできる。
【0016】圧力伝導部材21は、最終制御要素17に
面する傾斜 (bevels) を有する圧力プランジャーとして
構成され、この結果、力を伝導するための曲難性 (flex
urally stiff) の断面が確保される。圧力プランジャー
は、図5に詳細に示されているように、ディスクとして
構成されることが望ましい。
【0017】また、1つの選択としては、圧力伝導部材
21がきのこ形状に構成され、最終制御要素が圧力軸を
押圧するものであってもよい。圧力軸の直径は、最終制
御要素17の直径と一致することが望ましい。
【0018】液状、油性又はジェル状物質は中間体23
に設けられ、圧力チャンバとして構成される。圧力チャ
ンバ内の液体は、水であることが望ましい。また1つの
選択肢としては、容易に変形する主に非圧縮性のディス
クであって、プラスチック製又はゴム状素材からなるも
のを使用してもよい。
【0019】隔壁22は、曲弛性があってエラストマー
素材またはそれと類似の素材で構成されることにより、
圧電伝導部材21は大きな径を有するように構成される
ことが望ましく、実際には隔壁22の表面全体を押圧す
る。
【0020】隔壁22は別の方法で設けられてもよい。
しかし、本実施例では、ミラー12の裏面24を直接押
圧する圧力チャンバが閉塞されるか、又は閉塞された圧
力チャンバが構成されることを念頭に置く。ミラー12
は、冷却剤管27の中に誘導される冷却剤により冷却さ
れる。
【0021】ミラー表面又はミラー12の偏向(deflec
tion)又は曲率は、最終制御要素17の小さな圧力表面
の原理に基づくものであり、上記最終制御要素17は、
圧力伝導装置19によって、実質的に大きな直径を有す
るようになり、ミラー12の裏面から起こされて表面に
作用する。中間体23の量の置換のため、相対的に小さ
い最終制御要素17の調整通路を拡大することができる
一種のレバー(てこ)効果が生じる。この結果、圧電伝
導部材21は、相対的に大きな直径を有するように構成
されており、その圧力表面に一致し、本質的にミラーハ
ウジング14の内径に一致する。同時に、液体フィルム
は、薄く構成されていることが有利になる。最終制御要
素17に電圧が加えられる時、後者は、ミラー12の方
向に偏向されることにより、圧力伝導部材21は、上方
へ移動する。圧力チャンバを封緘する隔壁は、このよう
に、ミラー12の方向に移動することにより、ミラーの
中間点26を偏向することができる。レバー(てこ)効
果は、最終制御要素17の調整通路に対してミラーの中
間点26の振幅を大きくすることができる。しかし、同
時に、非常に高い調整率が、選択され伝導される。
【0022】適応ミラーは、以下の方法で駆動され、相
互に連結される。
【0023】レーザ加工ヘッド31は加工物に当てられ
るものであり、レーザ加工ヘッド31の軸x,yの長さ
(を測定する)ための測定装置32、及びz方向には測
定装置33を備える。測定装置32及び33は、現在の
検出データを制御装置34へ送信する。焦点位置又は焦
点距離を変更するよう要求される上記データは、これに
より決定される。制御装置34は、電気通信線37を介
して圧電最終制御要素17へ接続される電圧源36へ対
応する信号を出力する。さらに、適応ミラー12は制御
装置34に接続可能である。常設ドライブ(permanent
drive)は、適応ミラー12に設けられ、これは、測定さ
れるバリュー(value)装置[sic] 32,33によって測
定されたバリューを継続的に検出することにより行われ
る。たとえば、2kHzまでの周波数をもつ帯域幅であ
れば可能である。
【0024】図1の選択的実施例が図2に示される。図
2と対照してみると、中間体23は、液体などで満たさ
れて隔壁によって封緘されるのではなく、ミラー12の
裏面24と圧力伝導装置19の圧力伝導部材21との間
にクランプされる圧力クッションを有する。圧力クッシ
ョンは、望ましくは弾性薄膜42を有し、その弾性薄膜
42は全面で閉塞され、液状又はジェル状の物質43を
その内部に収容する。このような実施例はアセンブリを
単純化するという利点がある。さらに、圧力クッション
の内部の物質及び量を選択することにより、伝導率又は
周波数及び振幅の大きさに適応できるようにすることを
可能にする。
【0025】図1に関する本発明装置11のさらに有利
に発展した実施例は、図3に示される。ミラー12の裏
面24では、中間体23が階段状に構成されており、第
1のセクション46は大きな径を有し、第2のセクショ
ン47は小さな径を有する。ミラー12の裏面24のこ
の階段状の構成は、てこの割合を増やすことに役立つ。
ミラー12がより大きく湾曲することは、ミラーの中間
点26で壁の肉厚のテーパによって行われる。また同時
に、セクション47は、セクション46における端部領
域に追加的に空間をあけて一定の液量を収容することが
できる。この結果、ミラー12を偏向するために、ある
いはミラー12の曲率を大きくするために振幅を増大す
ることができる。
【0026】ミラー12の裏面24は多段になってお
り、セクション46及び47の直径は、ミラーの中心点
26の方へ行くほど小さくなっている。また、円錐形テ
ーパ又はその組み合わせにすることも可能である。
【0027】図1及び図2に関する装置11のさらなる
選択的実施例は、図4に示される。図1の実施例と対照
して、圧力伝導装置19は、その外端領域において弾性
バネ素材51を有する圧力伝導部材21を備え、上記弾
性バネ素材51は、インタースペース(中間体)23又
は圧力チャンバを封緘するものである。バネ要素51
は、ミラー12とミラーハウジング14との間にクラン
プされる。選択肢として、バネ要素51はミラー12の
環状カラー52を押圧し、中間体23の閉塞空間を形成
する。バネ要素51は、その端部領域においてその(可
動)自在な端部で一点に作動するディスク(円盤)状バ
ネとして有利に構成されている。上記シーリング要素又
はバネ要素51は、圧力伝導部材21と一体にあるいは
挿入部として構成されることが可能である。
【0028】また、ミラー12の裏面24は、選択肢と
して、図3に示される裏面24’と同様に構成されてい
る。
【0029】本発明装置11のさらなる選択的実施例は
図5に示される。この実施例の場合、例えば3つの最終
制御要素17があり、これは電気通信線37を介して共
同して駆動されることが望ましいものであり、上記要素
17は、圧力伝導部材21に作用する。最終制御要素1
7は、特定の直径周辺に互いに一定の間隔を空けて配設
されることが有利である。代わりに、1つだけ、又は2
つ以上の最終制御要素17が設けられることも可能であ
る。これらの最終制御要素17は、同時に圧力伝導要素
21に作用し、曲難性のディスクとして構成されてお
り、ミラーハウジング14において調整通路に沿ってミ
ラーの中間点26に対して直角に可動する。圧力伝導部
材21は、媒体に対して圧力チャンバをしっかりと封緘
する。この目的のために、圧力伝導部材21の周辺端部
とミラーハウジング14との間にシーリング要素56が
配設されており、上記シーリング要素56は、Oリング
として構成されることが望ましい。閉塞された圧力チャ
ンバの実施例のこの形状は、図1及び図3の隔壁22、
又は図4のシーリングバネ要素を使う構成に代わる形状
である。
【0030】また、図5に従った本実施例の場合、隔壁
22、バネ要素51又は圧力クッションがシーリング要
素56の代わりに設けられてもよい。さらに、実施例の
それぞれの特徴を交換できることも、構成要件に適用で
きる。
【0031】すべての実施例は、圧力が最終制御要素1
7の相対的に小さな表面から圧力伝導部材21の大きな
表面へ伝導されることにより、表面は、順次、ミラー1
2の裏面24に大きく影響することになるという点で共
通している。また同時に、大きな置換量は、相対的に狭
く、薄い構成、又は[sic] 液体フィルムからなる圧力チ
ャンバにより達成され、この結果、ミラー中間点26の
振幅、及びミラー12表面の曲率は比較的大きく構成さ
れることができる。また同時に、本発明装置のこの形状
は、良好な光学的品質及びミラー12が適応するための
周波数の高帯域幅を結果的に生じる。
【0032】さらに、本発明に従って、ミラーの裏面に
面する圧力チャンバを有する選択的装置を提供すること
が可能であり、上記選択的装置は、ミラーの中間点を介
して通じる縦軸心において見られるように、たとえば、
圧力チャンバに繋がり、中間ピストンが適用される圧力
柱(column)を設けている。圧電最終制御要素は、中間
ピストンをミラーの中間点の方向に調整移動によって動
かすものであり、これは、中間ピストンの反対側の端部
で働くことができる。この結果、圧力チャンバに収容さ
れる液体又は物質の量が増大することにより、ミラー又
はミラー表面は、湾曲する。
【0033】また、圧電最終制御要素と圧力伝導装置と
の組み合わせを含む選択的実施例もある。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、光学的な高品質を有
し、調整率の高い動的帯域幅を有するレーザ光線誘導装
置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明装置の断面図である。
【図2】図1の選択的実施例の断面図である。
【図3】図1の変形例の断面図である。
【図4】図1及び図2に関するもう1つの選択的実施例
の断面図である。
【図5】本発明のもう1つの選択的実施例の断面図であ
る。
【符号の説明】
12 適応ミラー 14 ミラーハウジング 17 圧電調整部材 19 圧力伝導装置 21 圧力伝導部材 23 中間体(閉塞空間) 24 ミラーの裏面 26 隔壁 31 レーザ切断加工ヘッド 32 測定装置 33 測定装置 34 制御装置 36 電圧発生装置 42 弾性薄膜 43 物質 46,47 圧力チャンバセクション 51 弾力性要素(弾性バネ素材) 56 シーリング要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アドルフ ギーセン ドイツ連邦共和国、デー−71272 レニン ゲン、コーンブルメンウェグ 21 (72)発明者 マルチン ベア ドイツ連邦共和国、デー−70716 シュト ゥットガルト、ベベルシュトラーセ 29 /1 (72)発明者 ヘルムート フューゲル ドイツ連邦共和国、デー−71067 ジンデ ルフィンゲン、エッセンジャー シュトラ ーセ 22

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 適応ミラー(12)によって光線径路に
    レーザ光線を誘導するための装置であり、上記ミラー
    (12)の裏面に設けられた圧電調整部材(17)を有
    するものであって、光線の発散を誘導するため、ミラー
    (12)の小さな収差の変形を達成できるように、調整
    部材(17)とミラー(12)の裏面(24)との間に
    圧力伝導装置(19)を設け、上記圧力伝導装置(1
    9)は、ミラー(12)の変形可能な表面の広い面積に
    作用するものであることを特徴とするレーザ光線誘導装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の装置であって、圧力伝
    導装置(19)は、主に非圧縮性で容易に変形可能な中
    間体(23)を備えるレーザ光線誘導装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の装置であって、中間体
    (23)は、閉塞空間に位置する液状、油性、又はジェ
    ル状の物質であるレーザ光線誘導装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の装置であって、閉塞空
    間に位置する流体は、水であるレーザ光線誘導装置。
  5. 【請求項5】 請求項2から4のいずれか1つに記載の
    装置であって、圧力伝導装置(19)は、中間体(2
    3)に作用する圧力伝導部材(21)を有するレーザ光
    線誘導装置。
  6. 【請求項6】 請求項3に記載の装置であって、閉塞空
    間(23)は、ミラー(12)の裏面(24)に隣接す
    る圧力チャンバであり、望ましくは曲弛性のある隔壁
    (26)によって構成されるレーザ光線誘導装置。
  7. 【請求項7】 請求項3から6のいずれかに1つに記載
    の装置であって、圧力伝導部材(21)の圧力プランジ
    ャーは、その全体表面で本質的に隔壁(26)を押圧す
    る曲難性のディスクとして構成されるレーザ光線誘導装
    置。
  8. 【請求項8】 請求項5に記載の装置であって、圧力伝
    導部材(21)は、大きな径で構成されており、小さな
    径で構成される圧力軸を備え、少なくとも一部分に圧電
    調整部材(17)を含むレーザ光線誘導装置。
  9. 【請求項9】 請求項3から6のいずれか1つに記載の
    装置であって、閉塞空間は、ミラー(12)の裏面(2
    4)に隣接する圧力チャンバであり、望ましくは圧力伝
    導部材(21)に配設され、圧力チャンバの端部を押圧
    するディスク状スプリングである弾力性要素(51)に
    より構成されるレーザ光線誘導装置。
  10. 【請求項10】 請求項5に記載の装置であって、圧力
    伝導部材(21)は、ディスク形状の構成であり、ミラ
    ー(12)の裏面(24)に位置する圧力チャンバを構
    成するレーザ光線誘導装置。
  11. 【請求項11】 請求項10に記載の装置であって、望
    ましくは、Oリングであるシーリング要素(56)は、
    圧力伝導部材(21)の周辺表面と圧力伝導部材(2
    1)を囲むミラーハウジング(14)との間に備えられ
    るレーザ光線誘導装置。
  12. 【請求項12】 請求項10又は11に記載の装置であ
    って、圧電伝導部材(21)は、少なくとも1つの圧電
    調整部材(17)によって影響されるレーザ光線誘導装
    置。
  13. 【請求項13】 請求項12に記載の装置であって、複
    数の圧電調整部材(17)の場合、上記圧電調整部材
    は、影響される圧力伝導部材(21)表面に一様に分配
    されるレーザ光線誘導装置。
  14. 【請求項14】 請求項2から13のいずれか1つに記
    載の装置であって、ミラー(12)の裏面(24)に圧
    力チャンバとして構成される中間体(23)は、圧力チ
    ャンバセクション(46,47)を有し、上記圧力チャ
    ンバセクションは、中央部から半径方向外側に延びてお
    り、径が、望ましくは段階的に大きくなるレーザ光線誘
    導装置。
  15. 【請求項15】 請求項2に記載の装置であって、中間
    体(23)は、圧力クッションとして構成されており、
    全面で閉塞される弾性薄膜(42)から形成され、その
    内側には、液状、油性又はジェル状の物質(43)を満
    たすレーザ光線誘導装置。
  16. 【請求項16】 請求項2に記載の装置であって、中間
    体(23)は、薄い、容易に変形可能な、主として非圧
    縮性のディスクとして構成され、上記ディスクは、望ま
    しくは、プラスチック製又はゴム状素材からなるレーザ
    光線誘導装置。
  17. 【請求項17】 請求項2に記載の装置であって、中間
    体(23)は、10分の数ミリメートルの範囲の厚みがあ
    るレーザ光線誘導装置。
  18. 【請求項18】 請求項6に記載の装置であって、圧力
    伝導部材(21)の表面は、曲げ特性を有するミラー
    (12)の裏面(24)と少なくとも同等であるか、又
    はそれより大きいレーザ光線誘導装置。
  19. 【請求項19】 請求項1から18のいずれかに1つに
    記載の装置であって、1つ又は複数の圧電調整部材(1
    7)は、プログラム可能な制御装置(34)により制御
    可能な電圧発生装置(36)に接続するレーザ光線誘導
    装置。
  20. 【請求項20】 請求項19に記載の装置であって、プ
    ログラム可能な制御装置(34)は、X−Y面で切断さ
    れる加工物に対してレーザ切断加工ヘッド(31)の位
    置を検出する測定装置(32)を使用するものであり、
    さらに、Z方向における位置を検出するための測定装置
    (33)を使用するものであり、レーザ切断加工ヘッド
    (31)の検出された位置の機能として、適応ミラー
    (12)を駆動するレーザ光線誘導装置。
JP10167211A 1997-06-16 1998-06-15 レーザ光線誘導装置 Pending JPH1158045A (ja)

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