JPS6252010B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザービームのスキヤニング装置
に係わり、詳しくは例えば方向性電磁鋼板にレー
ザービームを照射し磁気特性を向上させるのに適
するレーザービームスキヤニング装置に関する。 方向性電磁鋼板の表面にYAGレーザーあるい
はCO₂レーザー等のハイパワーレーザービームを
照射することによつて、鋼板の磁気的特性を改善
出来ることは特公昭57−2252等により公知の事実
であるが、これを工業的規模で実施する際には
種々の解決すべき問題が有り、この中で効率的な
レーザービームスキヤニング装置の確立が最も重
要な課題であつた。例えば約１ｍ幅程度の一方向
性電磁鋼板（以下鋼板と言う）をレーザー照射す
るためには、鋼板上のビーム径を小さく絞る必要
性から、従来はスキヤン幅の小さいスキヤニング
装置を複数台幅方向に配置し、レーザービームを
ビームスプリツトハーフミラーで分割して各スキ
ヤニング装置に送つたり、各スキヤニング装置毎
に別々のレーザー発生装置を配置して、鋼板全幅
の照射を行なつていた。工業的規模に於ては、必
要なレーザーパワーが数100W〜数KWときわめ
てハイパワーとなること及び鋼板上のビーム径を
小さく絞る必要性より、各スキヤニング装置の回
転ポリゴンに入射するレーザービーム径は10〜30
mmφ程度になり、回転ポリゴンの１辺のミラー長
との関係から、鋼板表面に達するレーザーパワー
はレーザーそのもののパワーの30〜50％程度にな
らざるを得なかつた。これを第１図を参照して述
べる。 この第１図ａはレーザー発生装置（図示しな
い）からのレーザービーム１がスキヤニング装置
の回転ポリゴン２に入射し、該ポリゴン２の回転
によつてレーザービーム１がスキヤニングされる
様子を示す。第１図ｂはスキヤニングされた反射
レーザービームの偏角θ及び入射レーザービーム
に対するパワー比率のポリゴン回転角に対する
変化の様子を示している。この図面において説明
の便宜上、回転ポリゴン２の面に、、、
を付している。また第１図ｂの上方のグラフ３は
ポリゴン回転角の変化による回転ポリゴン２の
面、、、へのレーザービーム１の入射位
置の変化を示しており、下方のグラフ４は面、
、、における反射レーザービーム量の変化
を示している。 ところで入射ビーム径Doに対して回転ポリゴ
ン２の面、、、の長さｌは有限であるた
め、スキヤニングの端部に於てはレーザービーム
１が回転ポリゴン２の２面例えばと、と
にまたがつて入射することとなり、反射レーザー
ビームのパワーは減少する。パワー減少の無い有
効スキヤン幅は次式の様になる。 有効スキヤン幅≒ｌ−Ｄｏ／ｌ×100（％） 一例として、Do＝20mmφ、ｌ＝40mmとすれ
ば、有効スキヤン幅≒50％となる。従つて従来の
方法として、複数台のスキヤニング装置を鋼板幅
方向に配置し、レーザービームをビームスプリツ
トハーフミラーで分割したり、各スキヤニング装
置毎に別々のレーザーを配置した場合には、レー
ザーパワーの利用率は50％となる訳であり、ハイ
パワーレーザーの場合には極めて大きな損失とな
る。またこれはパワーロスの分だけ高い出力のレ
ーザーが必要となることであり、ハイパワーレー
ザーを使用する場合には極めて重要な問題であつ
た。 本発明はこの様な問題点を解決するものであ
り、レーザーパワーの大部分を鋼板照射エネルギ
ーとして利用出来るため、それだけ小さいパワー
のレーザーを使用すること及び損失光の処理が不
要なことから、ハイパワーレーザースキヤニング
システムの効率、信頼性、ランニングコスト等を
大幅に改善するものとなる。 次に本発明を第２図、第３図、第４図で示す一
実施例を参照して詳細に説明する。 第２図は本発明の一実施例における概要図であ
る。１はCO₂レーザーあるいはYAGレーザー等
のハイパワーなレーザービームであり、レーザー
発生器（図示しない）から投射される。レーザー
ビーム１はビーム集束装置例えば軸外し放物面鏡
５で反射してビームが絞られた後、分割された平
面鏡を円周上に間隔をおいて配置したビーム分割
振分装置６によつて直進と反射を時分割的に振分
けられる。ビーム分割振分装置６の具体的な構造
は第３図に示される。 このビーム分割振分装置６について述べる。７
は回転円板で、その円周面には分割された平面鏡
（以下分割平面鏡という）８が間隔をおいて突設
されている。回転円板７は第２図に示されるよう
に回転駆動装置、例えばサーボモータ９により回
転される。ところで軸外し放物面鏡５で反射して
絞られたレーザービーム１が、ビーム分割振分装
置６の回転により分割平面鏡８の例えば８−１に
入射すると、該分割平面鏡８−１により反射さ
れ、反射側に設けられた軸外し放物面鏡１０に入
射される。一方、ビーム分割振分装置６がさらに
回転し、分割平面鏡８−１と８−２の中間部１１
にレーザービーム１が入射されるようになると、
該中間部１１を直進して直進側に設けられた軸外
し放物面鏡１２に入射される。このようにしてビ
ーム分割振分装置６により、レーザービーム１は
時系列的に分割され振分けられる。 ビーム分割振分装置６に入射するレーザービー
ム１を絞るのは、分割平面鏡８の長さｌに対して
レーザービーム１の径Doを小さくして、レーザ
ービーム１の直進と反射の切換を迅速かつ効率的
に行なうためである。しかし余り小さく絞ると分
割平面鏡８でのパワー密度が高くなり分割平面鏡
８を損傷する恐れがあるので適宜に調整される。 ビーム分割振分装置６で直進、反射に振分けら
れたレーザービーム１は、軸外し放物面鏡１２，
１０によりそれぞれ平行ビームに変換された後、
平面鏡１３，１４を経てスキヤニング装置１５，
１６に入射する。スキヤニング装置１５，１６は
スキヤニング部例えば回転ポリゴン１７，１８と
放物面鏡１９，２０で構成され、レーザービーム
１は鋼板２１の表面に小さなスポツトとして集光
すると共に、右から左へと矢印方向に走査され
る。この時、回転ポリゴン１７と他方の回転ポリ
ゴン１８の回転角は回転ポリゴン１７によるレー
ザービーム１の走査位置２１−１が左端に来て該
回転ポリゴン１７による一走査が終つた時に、他
方の回転ポリゴン１８によるレーザービーム１の
走査位置２２−２が右端に来て、該回転ポリゴン
１８での走査が始まる様制御され、かつこの時に
ビーム分割振分装置６の回転角がレーザービーム
１の直進と反射の切換タイミングに制御される。
このようにビーム分割振分装置６で振分けられた
レーザービーム１を、該ビーム分割振分装置６と
回転ポリゴン１７，１８との回転を制御してスキ
ヤニングするので、レーザーパワーの利用率が非
常に高くなる。この点は後で詳述する。 ビーム分割振分装置６および回転ポリゴン１
７，１８の回転角の制御について述べる。ビーム
分割振分装置６はサーボモータ９およびサーボ装
置２３によつて設定回転数24に従つて回転する。
ビーム分割振分装置６の回転角は回転角検出器例
えばパルスジエネレータ２５によつて検出され、
第４図に示すように、回転ポリゴン１７，１８に
それぞれ連結された回転角検出器例えばパルスジ
エネレータ２６，２７の出力信号との間に位相差
が位相検出器２８，２９でそれぞれ検出される。
検出された信号は位相制御回路３０，３１に入力
される。ところで該位相制御回路３０では、ビー
ム分割振分装置６の中間部１１をレーザービーム
１が直進して、軸外し放物面鏡１２、平面鏡１３
を経て回転ポリゴン１７に入射する場合には、該
回転ポリゴン１７の１面のみに入射するように回
転角の位相を制御する。他の位相制御回路３１で
は、ビーム分割振分装置６の分割平面鏡８で反射
され、前記の直進のときと同様にして他方回転ポ
リゴン１８に入射する場合には、該回転ポリゴン
１８の１面のみに入射するように回転角の位相を
制御するのである。 位相制御回路３０，３１からの信号は、回転駆
動回路のサーボモータ駆動回路３２，３３に入力
され、回転ポリゴン１７，１８のサーボモータ３
４，３５の回転数が制御される。これによりビー
ム分割振分装置６と回転ポリゴン１７，１８の回
転角が所定の位相関係に保持されるものである。 次に本発明の作用を従来の場合と比べて第５図
を参照して述べる。 この第５図は動作説明図であり、グラフＡ−１
とグラフＡ−２は従来の場合であつて、前記第１
図ｂのグラフ３、グラフ４とそれぞれ同じであ
る。これではグラフＡ−２から無効スキヤン角が
多く、レーザーパワーの利用率が低い。 グラフＡ−３，Ａ−４は本発明のビーム分割振
分装置６で分割し振分けられたレーザービームを
示しており、グラフＡ−３は直進してスキヤニン
グ装置１５に入射されるものであり、一方グラフ
Ａ−４は反射してスキヤニング装置１６に入射さ
れるものである。 グラフＡ−５は本発明のスキヤニング装置１
５，１６の回転ポリゴン１７，１８へのレーザー
ビームの入射位置であり、該グラフＡ−５におい
て、直線３６は回転ポリゴン１７への入射位置、
直線３７は他方の回転ポリゴン１８への入射位置
である。グラフＡ−６は回転ポリゴン１７，１８
による反射レーザービーム量を示している。 ところで、本発明ではビーム分割振分装置６に
よるレーザービーム１の直進と反射による振分
は、グラフＡ−３、グラフＡ−４のように行なわ
れ、該振分けられたレーザービーム１は前述した
如く、スキヤニング装置１５，１６の有効範囲の
時のみ入射する様になつている。即ち、回転ポリ
ゴン１７，１８の一面でそれぞれ反射されるのを
利用するため、スキヤニングシステム全体のビー
ム位置とパワーはＡ−５，Ａ−６の様に有効スキ
ヤン幅を非常に大きくすることができる。 また、ビーム分割振分装置６の分割平面鏡８の
長さを50mm、入射ビーム経を５mmφとすれば、ビ
ーム切換の効率は90％となり、従つてシステム全
体のパワー利用率も90％となり、極めて効率の良
いスキヤニングシステムとなる。この様に、本発
明によれば、レーザービームにより方向性電磁鋼
板の磁気特性を向上させる装置のレーザービーム
スキヤニング装置におけるハイパワーレーザーの
パワー利用効率を飛躍的に高め、それだけ小パワ
ーのレーザーで済むこと及び損失光の処理が不要
なことから、装置のコストを下げ、信頼性、ラン
ニングコスト等を大幅に改善することができる。 本実施例では、２組のスキヤニング装置１５，
１６にレーザービームを分割し振分ける場合を示
したが、３組以上のスキヤニング装置への分割振
分についても、同様の考えで実施することが可能
である。また、ビーム分割振分装置６の前後に配
置した軸外し放物面鏡は、これに限らずレンズで
も良い。更に、本発明は電磁鋼板表面にレーザー
ビームを照射して鋼板の磁気特性を向上させる装
置における応用を主目的としてはいるが、ハイパ
ワーレーザースキヤニングを必要とするその他の
装置にも応用できることは言うまでもない。 また、スキヤニング装置１５，１６のスキヤニ
ング部として、回転ポリゴン１７，１８に代えて
振動ミラーを用いることができる。この場合は振
動ミラーの振動時の傾き角とビーム分割振分装置
６の回転角とが位相制御される。特に振動ミラー
を使用した場合には、レーザーパワー利用効率の
向上と共に振動ミラーの直線性の良い部分のみを
使用できるという効果も発生する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスキヤニングを示す図、第２図
は本発明の一実施例を示す図、第３図は本発明の
一実施例におけるビーム分割振分装置を示す図、
第４図は本発明の一実施例におけるスキヤニング
制御を示す図、第５図は本発明の一実施例におけ
る動作を従来の場合とともに示す図である。 １……レーザービーム、５，１０，１２……軸
外し放物面鏡、６……ビーム分割振分装置、７…
…回転円板、８……分割平面鏡、９……サーボモ
ータ、１３，１４……平面鏡、１５，１６……ス
キヤニング装置、１７，１８……回転ポリゴン、
１９，２０……放物面鏡、２１……鋼板、２５，
２６，２７……パルスジエネレータ、２８，２９
……位相検出器、３０，３１……位相制御回路、
３２，３３……サーボモータ駆動回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザービームを対象材に照射するスキヤニ
   ング装置において、レーザー発生器からのレーザ
   ービームを集光・反射するビーム集束装置と、回
   転円板の円周に平面鏡を間隔をおいて突設しビー
   ム集束装置からのレーザービームを、平面鏡間の
   中間部を通す直進と平面鏡による反射とに振分け
   るビーム分割振分装置と、ビーム分割振分装置の
   レーザービーム直進光路と反射光路にそれぞれ設
   けられた軸外し放物面鏡又はレンズと、軸外し放
   物面鏡又はレンズからのレーザービームをスキヤ
   ニング装置に入射する平面鏡と、回転ポリゴンま
   たは振動ミラーと放物面で構成されビーム分割振
   分装置のレーザービーム直進側と反射側に設けら
   れたスキヤニング装置と、ビーム分割振分装置の
   回転角、レーザービーム直進側、反射側のスキヤ
   ニング装置の回転角をそれぞれ検出する回転角検
   出器と、ビーム分割振分装置の回転角とレーザー
   ビーム直進側、反射側のスキヤニング装置の回転
   角の位相差を検出する位相検出器と、位相検出器
   からの位相差信号を入力されスキヤニング装置の
   回転数制御信号を出力する位相制御回路と、位相
   制御回路からの信号を入力されスキヤニング装置
   の回転を駆動制御する回転駆動回路と、からなる
   ことを特徴とするレーザービームスキヤニング装
   置。