KR19990006351A - 레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기 - Google Patents

레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기 Download PDF

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Abstract

콜리메이숀 미러를 쉽고 정밀도 좋게 이상적인 방물면을 갖도록 변화 시킬 수가 있게된 레이저빔 콜리메이숀 장치 및 피 가공물을 항상 일정한 밀도로 고 정밀도로 가공할 수 있도록된 레이저 가공기를 제공한다.
콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연 부근을 고정하는 일없이 미러홀더(18)의 뒤쪽에서 누름판(20)의 지지부(21)에 의해 지지하는 동시에 누름판(20)의 지지부(21)보다도 중심축의 위치에서 콜리메이숀 미러(11)를 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되고 액츄에이터(17)의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였다. 냉각판(40)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분을 간접적으로 냉각 하도록 하였다.

Description

레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기
본 발명은 레이저 빔 콜리메이숀 장치(콜리미터) 및 이를 사용한 레이저 가공기에 관해 더나가서는 레이저 빔의 광로중에 배치된 반사경의 곡율을 제어 함으로써 레이저 빔의 빔경 및 초점위치를 제어 가능한 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기에 관한 것이다.
종래로부터 예를들어 평판상의 피 가공물을 절단하는 가공장치의 하나에 레이저 가공기가 있다. 이 레이저 가공기에는 일반적으로 레이저 발진기로부터 가공헤드내의 레이저 빔 집광용의 렌즈까지의 광로 길이가 일정한 광축 고정방식과 레이저 발진기로부터 가공헤드내의 레이저 빔 집광용 랜즈까지의 광로 길이가 가공중에 변화하는 광주사 방식이 있다.
광주사 방식의 레이저 가공기에는 레이저 발진기로부터 집광렌즈까지의 광로 길이가 일정하지 않으므로 그 집광용 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 빔경이 변화하고 그로 인해 집광위치에서의 빔경이 일정하게 않되고, 피 가공물의 절단면에 악 영향을 미칠 염려가 있다.
그런데, 가공중의 집광용 렌즈에의 입사 레이저 빔의 빔경을 일정하게 유지하기 위해 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 광축에 대해 발산 및 수렴하는 일 없이 진행하는 콜리메이트 광으로 변환해서 집광용 렌즈에 입사 시키도록 한 광주사 방식의 레이저 가공기가 개발되어 있다.
일본국 특개평 1 - 166894 호 공보에는 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환하는 콜리메이숀 장치를 구비한 레이저 가공기에 관해 개시되어 있다.
도 14에 일본국 특개평 1 - 166894 호 공보에 개시된 레이저 가공기의 구성을 표시한다.
이 종래의 가공기는 레이저의 여기매질(2)을 전 반사경(3)과 부분 반사경(4)으로 끼워잡고 있으므로써 광 공진기를 구성하고, 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(1), 그 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 빔(5a)(도면중 일점쇄선으로 표시함)을 콜리메이트 광(5b)(도면중 일점쇄선으로 표시함)로 변환하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6B), 이 콜리메이숀 장치(6B)에 의해 변환된 콜리메이트 광(5b)을 반사해서 그 광로의 향을 90도 변환 시키는 평면 반사경(7) 및 그 평면 반사경(7)에 의해
반사된 콜리메이트 광(5b)이 입사되는 가공헤드(8), 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6B)의 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15), 가공헤드(8)내의 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔경을 검출하는 빔경 검출기구(13),NC(Numerical Control;수치제어)장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동 제어하는 구동기구(도시생략)를 구비하고 있다.
콜리메이숀 장치(6B)내에는 곡율R을 변환 가능하게 한 콜리메이숀 미러(11), 및 수차를 억제하기 위해 작은 각도로 콜리메이숀 미러(11)에 레이저 빔(5a)을 입사 시키기 위한 평면경(12)이 설치되어 있다.
콜리메이숀 미러(11)의 곡율은 콜리메이숀 제어장치(15)에 의해 생성되고 출력되는 제어신호 S16에 따라 제어된다.
전 반사경(3) 및 부분 반사경(4)로 된 광 공진기 내부에서 레이저 공진이 일어나면 그 일부는 부분 반사경(4)로부터 레이저 빌진기(1)의 외부에 레이저 빔(5a)이 되어 발진된다. 이 레이저 발진기(1)의 외부에 발진된 레이저 빔(5a)은 콜리메이숀 장치(6B)를 통과하고, 평면 반사경(7)에서 반사되어 90도 방향을 변경해 가공헤드(8)의 집광렌즈(9)에 입사하고, 집광렌즈(9)에 의해 집광되어 피 가공물(10)에 조사된다. 피 가공물(10)상에 집광되어 조사된 레이저 빔은 NC장치(14)로 제어되는 구동기구(도시않음)에 의해 피 가공물(10)위를 임의로 이동하고 피 가공물(10)을 소망하는 형상으로 가공한다.
또, 가공중은 빔경 검출기구(13)에 의해 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔경이 검출된다. 그리고 NC장치(14)에서 그 검출된 빔경이 소망하는 직경으로 되어 있는지 판단되고, 검출된 빔경이 소망하는 직경으로 되어있지 않은 경우에는 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 콜리메이숀 장치(6B)에 제어신호 S16이 송출된다. 이로써 짐광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔경이 소망하는 직경이 되도록 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 R 가 변경된다.
도 15에는 종래의 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6B)가 표시되어 있다. 이 콜리메이숀 장치(6B)는 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 이 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 피에조 소자로 된 액츄에이터(17) 이 액츄에이터(17) 및 콜리메이숀 미러(11)를 수납하고, 또, 콜리메이숀 미러(11)의 주연을 고정하는 고정수단을 겸한 미러홀더(18A)에 의해 구성되어 있다.
콜리메이숀 제어장치(15)(도 14 참조)로부터 액츄에이터(17)에 신호선(16)을 통해 구동제어 신호 S16가 송부되어 오면 액츄에이터(17)는 그 구동제어 신호 S16에 따른 힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 뒷면을 누른다. 이로써 미러홀더(18A)에 그 주연이 고정된 콜리메이숀 미러(11)는 변형하고, 그곡율이 변화한다.
여기서 도 15에 표시하는바와 같이 원반상의 콜리메이숀 미러(11)를 그 주연을 고정하고, 중앙부를 하중 P로 눌렀을때의 임의의 반경 r 에서의 휘는량 W는 미러 유효반경을 a, 판의 굴곡합성을 D로 표시하면 다음 (1)식으로 표시된다.
[수 1]
.......... (1)
이 (1)식에서 분명한바와 같이 반경r에서의 휘어지는 량 W는 반경r의 2차함수로 되어있지 않다.
또, 일본국 특개평 1 - 166894 호에는 콜리메이숀 미러(11)의 배면에 가해지는 기체(또는 액체)의 압력을 변화 시킴으로써 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 변화 시키도록 하고 있다.
그러나 상기 종래의 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 변화 시킬 수는 있으나 콜리메이숀 미러(11)의 주연이 미러홀더(18A)에 고정되어 있기 때문에 곡율을 변화 시키는데 큰 힘이 필요 하거나 콜리메이숀 미러(11)의 반사면이 이상적인 방물면이 되지않고(상기식(1)참조), 레이저 빔의 집광성등이 저하하고, 피 가공물(10)을 항상 일정상태로 가공할 수 없다는 문제점이 있다.
또, 액츄에이터(17)에 피에조 소자를 사용했을 때 피에조 소자로는 미는 방향의 힘밖에 얻을 수 없으므로 단순히 콜리메이숀 미러(11)의 배면을 누를수밖에 없고, 콜리메이숀 미러(11)의 반사면을 凸면경으로 변화 시키는것밖에 할 수 없고, 즉,凹면경으로 변화 시킬수 가 없다는 문제점이 있다.
또, 콜리메이트 광(레이저 빔)의 입사에 기인하는 콜리메이숀 미러(11)의 열 비틀림에 의한 빔경의 변화를 가공헤드(8)내의 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔경을 빔경 검출기구(13)에 의해 검출함으로써 제어하는 상기 종래의 레이저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11)의 열 비틀림에 의한 빔 직경의 변화의 빠르기에 빔경 검출기구(13)가 추종할 수 없어 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔경을 상시 고 정밀도로 일정하게 제어 할 수 없다는 문제가 있다. 더나아가서 가공헤드(8)에 고가인 빔경 검출기구(13)를 부착하는 스페이스를 설치해야 하며 빔경 검출기구(13)의 부착은 곤란하다.
본 발명은 이런 사정을 감안하여 된 것으로 콜리메이숀 미러를 쉽고 정밀도 높게 이상적인 방물면을 갖도록 변화 시킬 수 있도록된 레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 피 가공물을 항상 일정한 에너지 밀도로 고 정밀도로 가공할 수 있도록된 레이저 가공기를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 레이저 빔이 입사되고, 그 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서 입사 레이저 빔을 반사해서 출사하는 동시에 그 반사면의 곡율을 변경 하도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하지 않고, 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연부근에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면측으로부터 지지하는 지지수단과, 상기 콜리메이숀 미러의 중심부 또는 상기 지지수단에 의한 지지부위 보다도 중심쪽의 부위를 반사면의 뒤쪽으로부터 가압 가능한 가압수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주연이 고정된 구성의 레이저 빔 콜리메이숀 장치와 비교해서 적은힘으로 콜리메이숀 미러의 중심부분에서의 동일한 휘어짐량을 얻을 수 있으므로 보다 적은 힘으로 콜리메이숀 미러를 소망하는 곡율의 반사면을 갖는 凸면경으로 변형시킬 수가 있다.
다음의 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 레이저 빔이 입사되어 이 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서 입사 레이저 빔을 반사해서 출사하는 동시에 그 반사면의 곡율을 변경할 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연 부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연 부근 보다도 중심쪽이 가까운 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면쪽으로부터 지지하는 제1의 지지수단과 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하지 않고, 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 뒤쪽면의 주연 또는 상기 제1의 지지수단에 의한 지지부위 보다도 주연쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면의 뒤쪽으로부터 지지하는 제2의 지지수단과, 상기 제2의 지지수단을 상기 콜리메이숀 미러측에 가압가능한 가압수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면 콜리메이숀을 소망하는 곡율의 곡면을 갖는 凹면경으로 변경으로 변형 시킬 수가 있다.
다음의 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 레이저 빔이 입사되고, 그 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서 입사 레이저 빔을 반사해서 출사하는 동시에 그 반사면의 곡율을 변화 시킬 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연 부근을 고정하지 않고, 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연부근에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면측으로 부터 지지하는 제1의 지지수단과, 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 뒤쪽면의 상기 제1의 지지수단에 의한 지지부위 보다도 중심쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면의 뒤쪽으로부터 지지하는 제2의 지지수단과 상기 제2의 지지수단을 상기 콜리메이숀 미러측에 가압가능한 가압수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면 콜리메이숀 미러를 소망하는 곡율의 곡면을 갖는 凸면경으로 변경시킬 수가 있다.
본 발명에 관한 레이저 가공기에서는 레이저 매질을 여기 함으로써 레이저 광을 출력하는 레이저 발진기와 상기 레이저 빌진기로 부터의 레이저 광을 광학적으로 집관 시키는 가공헤드와 상기 가공헤드에 의해 집광된 레이저 광의 위치와 피 가공물과의 상대위치 관계를 제어해서 소망하는 위치로 상기 가공헤드를 이동 시키는 NC장치 및 구동기구로 구성되는 레이저 가공기에서 상기 레이저 발진기와 가공헤드 사이에 설치되고, 미러의 곡율을 변화 시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용 함으로써 가공헤드에서 집광된 레이저 빔을 가공에 적합 하도록 빔경과 집광위치를 능동적으로 변화 시키는 것이다.
본 발명에 의하면 가공헤드에서 집광된 레이저 빔을 가공에 적합 하도록 빔경과 집광위치를 능동적으로 변화 시키기 위해 레이저 발진기와 가공헤드 사이에 설치된 미러의 곡율을 변화 시키는 것이 가능한 콜리메이숀 기구를 사용한다.
도 1 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 1을 표시하는 단면도,
도 2 는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시1의 형태를 표시하는 부분확대 단면도,
도 3 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 한 적용예인 레이저 가공기의 개략을 표시하는 블럭도,
도 4 는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태2를 표시하는 단면도,
도 5 는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태2를 표시하는 부분 확대 단면도,
도 6 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태2의 변형예를 표시하는 부분 확대 단면도,
도 7 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태3을 표시하는 단면도,
도 8 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태3을 표시하는 부분 확대 단면도,
도 9 는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태3의 변형예를 표시하는 부분 확대 단면도,
도 10 은 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의실시의 형태4를 표시하는 단면도,
도 11 은 본 발명에 관한 레이저 가공기의한 예의 개략을 표시하는 블록도,
도 12 는 본 발명에 관한 레이저 가공기에서의 광로를 표시하는 개략도,
도 13 은 본 발명에 관한 레이저 가공기의 다른예의 개략을 표시하는 블럭도,
도 14는 종래의 레이저 가공기의 개략을 표시하는 블록도,
도 15는 종래의 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부를 표시하는 단면도,
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 레이저 발진기 5a : 레이저 빔
5b : 콜리메이트 광 6, 6A : 레이저 콜리메이숀 장치
9 : 집광렌즈 11,11a,11b : 콜리메이숀 미러
14a : 표시부(통지수단) 14b : 스피커(통지수단)
15 : 콜리메이숀 제어장치 17 : 액츄에리터(가압수단)
19 : 지지부(지지수단, 제1의 지지수단) 21 : 지지부(제2의지지수단)
30 : 갭 센서(검출수단)
실시의 형태 1.
아래에 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 실시의 형태 1을 설명한다.
도 3에는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 한 적용예인 레이저 가공기의 개략이 표시되어 있다. 이 레이저 가공기는 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기1, 이 레이저 발진기(1)에서 출사된 레이저 빔(5a)(도면중에는 일점쇄선으로 표시)을 콜리메이트 광(5b)(도면중 일점쇄선으로 표시)으로 변환하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6), 이 콜리메이숀 장치(6)에 의해 변환된 콜리메이트 광(5b)을 반사해서 그 광로의 방향을 90도 변환 시키는 평면 반사경7 및 이 평면 반사경(7)에 의해 반사된 콜리메이트 광(5b)이 입사되는 가공헤드(8)을 구비하고 있다.
콜리메이숀 장치(6)내에는 변환 가능한 곡율 R을 갖는 콜리메이숀 미러(11) 및 수차를 억제하기 위해 작은 각도로 콜리메이숀 미러(11)에 레이저 빔(5a)을 입사 시키기 위한 평명경(12)이 설치되어 있다.
그리고, 레이저 가공기는 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15)를 구비하고 있다. 이 콜리메이숀 제어장치(15)에 의해 생성되어 출력되는 제어신호 S16에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 곡율이 변화된다.
가공헤드(8)에 입사한 콜리메이트 광(5b)는 그 헤드내의 집광렌즈(9)에 의해 집광되고 수렴하는 레이저 빔이 되어 피 가공물(10)에 조사된다. 가공헤드(8)을 NC장치(14)에 의해 제어되는 구동기구(도시생략)에 의해 피 가공물(10)상을 임의의 위치로 이동된다.
도 1에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 1을 표시한다 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 이 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 액츄에이터(17)등의 가압수단, 이 가압수단 및 콜리메이숀 미러(11)를 수납하는 케이스인 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 앞쪽(본 명세서에서는 콜리메이숀 미러(11)의 반사면측을 앞쪽으로 한다)에서 지지하는 미러홀더(18) 및 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 액츄에이터(17)등의 가압수단에 전달되는 액츄에이터(17)등의 구동 제어신호(S16)용의 신호선(16)으로 구성되어 있는 콜리메이숀 미러부를 갖고 있다.
그리고, 신호선(16)을 통해서 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 송부된 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)가 구동됨으로써 콜리메이숀 미러(11)의 중앙부가 뒤쪽에서 눌려진다. 이로써 미러홀더(18)에의해 주연 또는 주연부근이 앞쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출한 듯이 만곡되서 곡율이 변화하게 된다.
미러홀더(18)의 콜리메이숀 미러(11)를 앞쪽에서 지지하는 지지부(19)는 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고 콜리메이숀 미러(11)를 단순지지 하도록되어 있다.
즉, 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통과하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 현상이 환상인 경우에는 이 환상현상의 중심위치를 통과한다. 또는 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통과하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19)가 형성되고, 또 배치되어 있다.
그리고 콜리메이숀 미러(11)는 그 중심부가 미러홀더(18)의 뒤쪽에서 액츄에이터(17)에 의해 지지되고 있는 동시에 그 주연 또는 주연부근의 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되어 있는 것으로 미러홀더(18)에 고정되는 일없이 미러홀더(18)내에 보존되어 있다.
미러홀더(18)의 지지부(19)는 콜리메이숀 미러(11)에 예를들면 환상으로 선접촉 하도록 해도 되고 여러곳에서 원호상으로 선접촉 하도록되어 있어도되고 적어도 3점에서 점접촉 하도록 해도 된다.
액츄에이터(17)은 특히 한정하지는 않으나 예를들면 피에조 소자로 되어 있다.피에조 소자는 제어신호(16)에 따라 액츄에이터(17)의 동작량을 미소하게 변화 시키는데 적합하고 콜림이숀 미러(11)의 이면을 정밀도 좋게 가압할 수 있기 때문이다.
도 1에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다. 즉 액츄에이터(17)는 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 송부된 제어신호(S16)를 받으면 구동을 개시해서 수취한 제어신호에 대응한 힘으로써 도 2 화살표로 표시하는 바와 같이 콜리메이손 미러(11)의 중앙부를 뒤쪽에서 누른다. 이로써 콜리메이숀 미러(11)는 도 2에 표시한바와 같이 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출한 듯이 만곡되고, 제어신호에 대응한 곡율을 갖는 凸면경으로 변화한다.
이와 같이 콜리메이숀 미러(11)를 미러홀더(18)에 고정하지않고 단순지지 하도록 구성함으로써 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주변부가 고정된 구성의 것(도15참조)과 비교해서 적은힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 중심부분에서와 같은 휘어지는 량을 얻을 수가 있다.
구체적으로는 도 1에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러(11)를 종래의 구성의 것(도 15참조)과 중심부분을 같은만큼 휘는데 요하는 힘 F는 종래 요한 힘 FO에 대해 다음의(2)식으로 표시된다.
단 V는 포와슨 비(0 V 0.5)이다.
[수 2]
......... (2)
여기서 상기(2)식의 도출과정에 대해 설명한다. 최대 휘어지는 량을 발생하는 중심부분의 휘어지는량이 같을때에 필요한 힘을 비교한다. 중심부분이 휘어지는 량을 비교하면 (2)식은 평판의 구부림에 대한 기지의 사실(일본;세이케마사이치로저; 「공학기초재료역학」교리츠 출판 P136 ~ 138/일본 기계학계편 ;「기계공학편란 기초편 A4 재료역학」제 5장 평판의 구부림)으로부터 쉽게 도출이 가능하다.
원반상의 미러가 주변고정되어 중심에 집중하중을 받았을때에 얻어지는 임의의 반경 R에서의 휘어지는 량 W1은 하중을 Po,미러유효반경 a, 판의 구부림 합성D라고 하면 다음의 (3)식으로 표시된다.
[수 3]
........ (3)
상기 (3)식의 제2항은 r → 0일 때 0가 되므로 최대 휘어지는 량이 얻어지는 중심의 휘어지는 량 W1max는 다음의 (4)식으로 표시된다.
[수 4]
......... (4)
다음에 동 형상의 미러가 단순 지지되어서 중심에 집중 하중을 받았을 때 얻어지는 임의의 반경 r에서의 휘어지는 량은 하중을 P, 포와슨 비 V, 기타의 기호를 상기(1)식과 같다고 하면 다음의(5)식이 성립된다.
[수 5]
...... (5)
또, 상기 (4)식과 같이 최대 휘어지는 량이 얻어지는 중심의 휘어지는 량 W2max는 다음의 (6)식으로 표시된다.
[수 6]
.......... (6)
여기서 W1max=W2max라고 하면 상기(4)식,(6)식으로부터 다음의(7)식이 성립되고, 상기(2)식이 도출된다.
[수 7]
...... (7)
따라서 예를들어 υ가 약 0.3인 동의 경우에는 상기(2)식으로부터 도1에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러(11)를 종래의 구성의 것(도15참조)과 중심부분을 같은만큼 휘게하는데는 종래요하는 힘의 약 2/5의 힘으로 충분하다.
상기 실시의 형태에 의하면 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 콜리메이숀 미러(11)를 그 주연 또는 주연부근을 고정하지 않고,앞쪽에서 단순 지지하는 동시에 액츄에이터(17)의 가압수단에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였으므로 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주연이 고정된 구성의 것(도15참조)와 비교해서 적은힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 중심부분에서의 같은 휘어짐량을 얻을 수 있으므로 보다 적은 힘으로 콜리메이숀 미러(11)를 소망하는 곡율의 반사면을 갖는 凸면경으로 변형 시킬 수가 있다.
또, 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 미러장치는 상술한 바와 같이 레이저 가공기에 한하지 않고, 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환하는 콜리메이숀 장치를 사용하는 다른장치에도 적용 가능하다는 것은 물론이다(다른실시의 형태에서도 같다)
실시의 형태 2
도 4에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의형태 2를 표시한다.
이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 원반상의 평판으로 된 콜리메이숀 미러(11) 이 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하지 않고 뒤쪽에서 단순 지지하는 제 2 의 지지부(21)를 갖는 누름판(20) 그 누름판(20)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 액츄에이터(17)의 가압수단, 이 가압수단과 누름판(20)과 콜리메이숀 미러(11)를 수납하는 케이스인 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 주연 근처 부분을 고정하는 일없이 표면측에서 단순 지지하는 제1의 지지부(19)를 갖는 미러홀더(18) 및 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 액츄에이터(17)의 가압수단에 전달되는 액츄에이터(17)의 구동 제어신호(S16)용의 신호선(16)으로부터 주로 구성된 콜리메이숀 미러부를 갖고 있다.
그리고, 신호선(16)을 통해서 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 송부된 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)가 구동됨으로써 누름판(20)이 뒤쪽에서 눌려서 앞쪽으로 이동하고, 누름판(20)의 제 2의 지지부(21)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분이 뒤쪽에서 눌린다. 이로써 미러홀더(18)의 제 1의 지지부(19)에 의해 주연쪽의 부분이 표면쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는 그 중앙부가 뒤쪽으로 움푹 패이도록 만곡시켜 곡율이 변화하게 된다.
미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제 2의 지지부(21)는 어느 것이나 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고 콜리메이숀 미러(11)를 단순지지 하도록 되어 있다.
즉, 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19) 및 누름판(20)의 지지부(21)의 중심위치(이들 지지부(19),(21)와 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 형상이 환상인 경우)를 통과 하도록 미러홀더(18)의 지지부(19) 및 누름판(20)의 지지부(21)는 형성되고 또, 배치되어 있다.
미러홀더(18)의 지지부(19) 또는 누름판(20)의 지지부(21)과 콜리메이숀 미러(11)와의 접촉부분의 형상이 환상이 아닌 경우에는 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)은 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치 또는 누름판(20)의 지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분이 외접하는 원의 중심위치를 통과하게 되어 있다.
그리고 콜리메이숀 미러(11)는 그 주연 또는 주연부근이 미러홀더(18)의 뒤쪽에서 누름판(20)의 지지부(21)에 의해 지지되어 있는 동시에 누름판(20)의 지지부(21) 보다도 중심쪽 위치에서 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되고 있으므로 해서 미러홀더(18)에 고정되지않고, 미러홀더(18)내에 보존되어 있다.
미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제 2의 지지부(21)는 어느 것이나 콜리메이숀 미러(11)에 예를들어 환상으로 선접촉 하도록 되어도 좋고, 여러개소에서 원호상으로 선 접촉 하도록 되어도 되고 적어도 3점에서 점 접촉 하도록 되어 있어도 된다.
액츄에이터(17)는 특히 한정하지 않으나 상기 실시의 형태 1과 같이 피에조 소자로 되어 있다. 피에조 소자를 사용함으로써 누름판(20)의 이면을 정밀도 좋게 가압할 수 있어 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 정밀도 좋게 제어할 수가 있기 때문이다.
또, 도 4에 표시하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치까지의 거리를 계측하는 갭센서(30)가 지지되고, (30a)로의해 부착되어 있다. 이예에서 사용 가능한 센서로서 와 전류식의 센서나 정전용량식의 센서를 들수가 있다.
이 갭센서(30)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치까지의 거리를 계측해서 이를 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 제어기구에 피드백함으로써 항상 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 적정하게 유지하고, 집광렌즈(9)에 의해 집광된 레이저 빔의 빔경과 집광위치를 극히 정밀도로 일정하게 유지하는 것이 가능해 진다.
여기서 갭센서(30)는 콜리메이숀 미러(11)의 변형량을 검출하는 검출수단으로서의 기능을 갖고 있다. 또, 도 4중 부호(31)로 표시한 것은 갭센서(30)의 검출신호를 전달하는 신호선이다.
도 4에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다.
즉, 액츄에이터(17)는 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3 참조)로부터 송부된 제어신호(S16)를 수신하면 구동을 개시하고, 이 수신된 제어신호에 대응한 힘으로 도 5 화살표로 표시하는바와 같이 누름판(20)의 중앙부를 이면측에서 누른다.
이로써 누름판(20)이 앞쪽을 향해 이동하고, 콜리메이숀 미러(11)의 주연을 뒤쪽에서 누른다. 콜리메이숀 미러(11)의 주연을 뒤쪽에서 누르는 힘은 콜리메이숀 미러(11)에 미러홀더(18)의 지지부(19)를 지지점으로 한 모멘트로서 작용한다.
이 모멘트에 의해 콜리메이숀 미러(11)는 도 5에 표시하는바와 같이 그 중앙부가 뒤쪽으로 움푹해 지도록 만곡하고, 제어신호에 대응한 소망하는 곡율을 갖는 凹면경으로 변화한다.
여기서 누름판(20)의 지지부(21)의 변경을 b(지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 형상이 환상이라고 가정한 경우) 하중을 P, 미러 유효반경을 a, 포와슨비를 v, 및 판의 구부림합성을 D로 표시하면 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치로부터 임의의 반경 r에서의 휘어지는량 W는 다음의 (8)식으로 표시된다.
[수 8]
... (8)
상기 (8)식의 도출과정에 대해서는 평판의 구부림에 대한 기지의 사실(일본 기계학회편 ;「기계공학편란 기초편 A4 재료역학」제 5장 평판의 구부림)으로부터 간단하게 도출 가능하다.
상기(8)식에서 명백한 바와 같이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치로부터 임의의 반경 r에서의 휘어지는 량 W는 반경 r를 변수로 하는 2차식이고, 레이저 빔의 반사면은 방물면을 이루는 凹면이 되는 것을 알 수 있다.
또, 미러 유효반경 a, 누름판(20)의 지지부(21)의 반경 b, 및 누름판(20)을 누르는 힘 P를 변화 시킴으로써 콜리메이숀 미러(11)의 곡율변화의 범위를 변경 시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
이 실시의 형태 2에 의하면 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 콜리메이숀 미러의 뒤쪽에서 누름판(20)의 지지부(21)에 의해 지지하는 동시에 누름판(20)의 지지부(21) 보다도 중심축 위치에서 콜리메이숀 미러(11)를 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)로 지지하고, 액츄에이터(17)의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였으므로 콜리메이숀 미러(11)를 원하는 곡율을 갖는 凹 면경으로변형 시킬수가 있다.
또, 상기 실시의 형태 2에서는 콜리메이숀 미러(11)는 액츄에이터(17)의 가압수단에 의한 하중이 작용하고 있지않은 초기상태에서 원반상의 평판으로 되고, 도 5에 표시하는 바와 같이 액츄에이터(17)의 구동에 의해 凹면경으로 변화 한다고 하였으나 이에 한하지않고, 도 6에 실선으로 표시하는바와 같이 초기상태에서 凸면경으로 되어 있고, 액츄에이터(17)의 구동에 의해 2점쇄선으로 표시한 凹면경으로 변화 하도록 해도된다.
이렇게 하면 콜리메이숀 미러(11)를 凸면경으로부터 凹면경까지의 넓은 곡율범위로 임의로 변화 시킬 수 가 있으므로 이를 사용한 레이저 가공기에서는 보다넓은 범위에서 레이저 빔의 집광성등의 저하를 방지할 수 있으므로 피 가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
실시의 형태 3
도 7에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 3을 표시한다.
이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 원반상의 평판으로 된 콜리메이숀 미러(11), 이 콜리메이숀 미러(11)의 주연 보다도 중심쪽의 위치를 고정하는 일없이 뒤쪽에서 단순 지지하는 제2의 지지부(21)를 갖는 누름판(20), 이 누름판(20)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 피에조 소자로 되는 액츄에이터(17)의 가압수단이 가압수단과 누름판(20)과 콜리메이숀 미러(11)를 수납하는 케이스인 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근(제2의 지지부(21)의 지지부위 보다도 외측의 위치)을 고정하지 않고 앞쪽에서 단순 지지하는 제1의 지지부(19)를 갖는 미러홀더(18) 및 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 액츄에이터(17)의 가압수단에 전달되는 액츄에이터(17)의 구동제어신호(S16)용의 신호선(16)으로 주로 구성되는 콜리메이숀 미러부를 갖고 있다.
그리고, 신호선(16)을 통해서 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)로부터 송부된 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)가 구동됨으로써 누름판(20)이 뒤쪽에서 눌려서 앞쪽으로 이동하고, 누름판(20)의 제2의 지지부(21)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연 보다도 중심쪽 부분이 뒤쪽에서 눌려진다.
이로써 미러홀더(18)의 제 1의 지지부(19)에 의해 주연 또는 주연부근의 부분이 앞쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출 하도록 만곡해서 곡율이 변화하게 된다.
상기 실시의 형태 2와 같이 미러홀더(18)의 제 1의지지부(19) 및 누름판(20)의 제2의 지지부(21)는 어느 것이나 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고, 콜리메이숀 미러(11)를 단수지지 하도록 되어 있다.
즉, 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통과하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19) 및 누름판(20)의 지지부(21)의 중심위치(이들 지지부(19),(20)과 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 형상이 환상인 경우)를 통과 하도록 미러홀더(18)의 지지부(19) 및 누름판(20)의 지지부(21)는 형성되고, 또, 배치되어 있다.
미러홀더(18)의 지지부(19) 또는 누름판(20)의 지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 형상이 환상이 아닌 경우에는 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)은 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치 또는 누름판(20)의 지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치를 통과 하도록되어 있다.
그리고, 콜리메이숀 미러(11)는 그 주연 또는 주연부근이 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되어 있는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19) 보다도 중심쪽의 위치에서 콜리메이숀 미러(11)의 뒤쪽으로부터 누름판(20)의 지지부(21)에 의해 지지되어 있으므로 해서 미러홀더(18)에 고정되는 일없이 미러홀더(18)내에 유지되고 있다.
또, 상기 실시의 형태 2와 같이 미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제2의 지지부(21)는 어느 것이나 콜리메이숀 미러(11)에 예를들면 환상으로 선접촉 하도록 되어 있어도 되고, 여러곳에 원호상으로 선 접촉 하도록 되어 있어도 되고, 적어도 3점에서 점 접촉 하도록 되어 있어도 된다.
또, 도 7에 표시하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 상기 실시의 형태 2와 같이 와 전류식이나 정전용량식의 갭센서(30)가 받침(30a)에 의해 부착되어 있고, 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치 까지의 거리를 계측해서 이를 콜리메이숀 미러(11)의 곡율제어 기구에 피드백 하도록 되어있다. 또 도 7중 부호(31)로 표시한 것은 갭센서(30)의 검출신호를 부여하는 신호선이다.
도 7에 표시한 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다. 즉, 액츄에이터(17)는 콜리메이숀 제어장치(15)(도 3참조)에서 송부된 제어신호(S16)를 수취하면 구동을 개시하고, 이 수취된 제어신호에 대응한 힘을 가지고 도 8 화살표에 표시하는바와 같이 누름판(20)의 중앙부를 뒤쪽에서 누른다.
이로 인해 누름판(20)이 앞쪽을 향해 이동하고 콜리메이숀 미러(11)의 주연보다도 중심쪽인 부분을 뒤쪽에서 누른다. 콜리메이숀 미러(11)의 주연은 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 앞쪽에서 지지되고 있으므로 콜리메이숀 미러(11)는 도 8에 표시하는 바와 같이 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출하게끔 만곡되고 제어신호에 대응한 곡율을 갖는 凸면경으로 변화한다.
이 실시의 형태 3에 의하면 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19) 보다도 중심쪽의 위치에 콜리메이숀 미러(11)를 콜리메이숀 미러(11)의 뒤쪽에서 누름판(20)의 지지부(21)로 지지하고,액츄에이터(17)의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였기 때문에 콜리메이숀 미러(11)를 원하는 곡율의 곡면을 갖는 凸면경으로 변경 시킬 수 가 있다.
또, 상기 실시의 형태 3에서는 콜리메이숀 미러(11)는 액츄에이터(17)의 가압수단에 의한 하중이 작용하고 있지않는 초기상태에서 원반상의 평판으로 되고 도 8에 표시하는바와 같이 액츄에이터(17)의 구동에 의해 凸면경으로 변화 한다고 하였으나 이에 한정되지 않고 도 9에 실선으로 표시하는 바와 같이 초기상태에서 凹면경으로 되어 있고 액츄에이터(17)의 구동에 의해 2점쇄선으로 표시하는 凸면경으로 변화 하도록 해도 된다.
이렇게 하면 콜리메이숀 미러(11)를 凹면경으로 부터 凸면경까지의 넓은 곡율범위에서 임의로 변화 시킬수 가 있으므로 이를 사용한 레이저 가공기에서는 보다 넓은범위에서 레이저 빔의 집광성의 저하를 방지할 수 있으므로 피 가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
실시의 형태 4
도 10에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 4를 표시한다.
이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 도 4에 표시하는 상기 실시의 형태 2와 같은 구성의 콜리메이숀 미러부 즉, 콜리메이숀 미러(11) 제2의 지지부(21)를 갖는 누름판(2), 액츄에이터(17)의 가압수단, 제1의 지지부(19)를 갖는 미러홀더(18), 갭센서(30) 및 신호선(16),(31)을 갖는 구성의 콜리메이숀 미러부와 이 콜리메이숀 미러부의 레이저 빔을 반사하는 쪽의 단면상에 부착된 냉각판(40)으로 구성되어 있다.
또, 콜리메이숀 미러(11), 누름판(20), 액츄에이터(17)의 가압수단, 미러홀더(18), 갭센서(30) 및 신호선(16),(31)으로 된 콜리메이숀 미러부의 구성 및 작용등에 대해서는 상기 실시의 형태 2의 형태와 같으므로 이 상세한 설명은 생략한다.
냉각판(40)에는 냉각수를 통하는 수로(45)가 설치되어 있다. 그리고, 이 수로(45)가 냉각수의 공급수단에 접속되고, 냉각수가 공급됨으로써 콜리메이숀 미러부가 냉각 되도록 되어 있다.
또, 냉각판(40)에는 레이저 빔을 통과하는 창부(41)가 설치되어 있다.
도 10에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다. 예를들면 콜리메이숀 미러(11)가 도 10에 부호(50)에서 표시하는 바와 같은 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 반사함으로써 이 레이저 빔에서 흡수한 열은 미러홀더(18)의 지지부(19)를 통해서 미러홀더(18)에 전도하고, 다시 냉각판(40)에 전도한다.
이와같이 콜리메이숀 미러(11)의 중심에 강도가 높은 열이 입사되는 동시에 콜리메이숀 미러(11)가 미러홀더(18)의 개구부의 단부로부터 간접적으로 냉각되면 열에의해 콜리메이숀 미러(11)가 방물면 형상에 근사한 형태로 부풀어 오르는 것이 알려져 있다.
따라서, 레이저 빔에서 흡수한 열의 원인이 되어 콜리메이숀 미러(11)가 변형한 경우에도 그 변형량을 가산해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡율의 변형량을 제어 할 수가 있고, 이로 인해 레이저 빔으로부터 흡수한 열에 의한 콜리메이숀 미러(11)의 변형을 보정하는 것이 가능해 진다.
이 실시의형태 4에 의하면 미러홀더(18)의 개구부의 단부를 냉각판(40)에 의해 냉각함으로써 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분을 간접적으로 냉각 하도록 하였으므로 레이저 빔으로부터 흡수한 열에 의한 콜리메이숀 미러(11)의 변형을 보정할 수가 있으므로 이 실시의 형태 4의 콜리메이숀 미러(11)를 레이저 가공기에 사용하고,콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 적절히 제어함으로써 레이저 빔의 집광성의 저하 방지효과가 높아지고 피 가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
또, 실시의 형태 4에서는 실시의 형태2(도 4참조)와 같이 구성의 콜리메이숀 미러부에 냉각판(40)을 부착 하였으나 이에 한정하지 말고, 도 1 또는 도 4에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부에 냉각판(40)을 부착해도 된다.
실시의 형태 5
도 11에 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 사용한 레이저 가공기의 1예를 표시한다.
이 레이저 가공기는 레이저의 여기매질(2)를 전 반사경(3)과 부분 반사경(4)으로 끼워 잡음으로써 광 공진기를 구성해서 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(1), 이 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 빔(5a)(도면중 일점쇄선으로 표시)로 변환하는 예를들면 상기 실시 2 ~ 4 의 형태의 어느 것인가와 같은 구성의 콜리메이숀 미러부를 갖는 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6), 이 콜리메이숀 장치(6)에 의해 변환된 콜리메이트 광(5b)을 반사해서 이 광로의 방향을 90도 변환 시키는 평면 반사경(7), 이 평면 반사경(7)에 의해 반사된 콜리메이트 광(5b)이 입사되는 가공헤드(8), 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)의 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15),NC장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동 제어되는 구동기구(도시생략)를 구비하고 있다. 콜리메이숀 장치(6)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이 실시의 형태의 레이저 가공기의 작용은 아래와 같다. 즉,가공 프로그램에의해 가공헤드(8)의 장치를 변화 시킬 필요가 있을 때 NC장치(14)에 의해 가공헤드(8)의 구동기구(도시생략)에 가공헤드(8)의 이동위치의 정보가 전달되는 동시에 NC장치(14)내에서 레이저 발진기(1)로부터 가공헤드(8)에 이르기까지의 거리가 계산된다.
이 계산기에서 얻어진 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8)의 거리에 따라 상세한 것은 후술하나 집광렌즈에 입사하는 레이저 빔의 특성이 일정하게 되는 NC장치(14)에서 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 R이 필요로하는 변화량이 산출되고, 이 산출된 변화량에 따른 제어신호(S16)가 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)에 보내진다. 제어신호(S16)이 액츄에이터(17)에 전달되면 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 애츄레이터(17)가 작동해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡율이 변화한다.
또, 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 상술한 갭센서(30)(도 11에서는 도시생략,도 4,도 7,도 10참조)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부 사이의 갭이 검출된다. 이 검출된 갭의 실측치는 NC장치(14)에 피드백 된다.
한편, NC장치(14)에서 레이저 빔의 빔경과 초점위치를 일정하게 할 수 있는 콜리메이숀 미러(11)의 곡율이 계산되고, 이로써 얻어진 곡율에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 갭의 계산치가 계산된다.
그리고 NC장치(14)에서 갭센서(30)에 의해 얻어진 갭의 실즉치가 NC장치(14)에 의해 산출된 갭의 계산치에 대해 비교된다. 이 비교결과 콜리메이숀 미러(11)의 실제의 곡율 R이 적정하지 못한(즉, 갭의 실측치가 계산치에 대한 허용범위로부터 벗어나 있다) 경우에는 적정한 곡율이 되도록 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 제어신호(S16)이 생성되어 액츄에이터(17)에 전달된다.
이로인해 도 11에 표시하는 레이저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 R을 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8) 사이의 거리에 대응한 적정한 곡율로 할 수가 있다. 도 12에 표시하는바와 같이 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8)내에 있는 집광렌즈(9)간의 광로 길이가 가장 가까운 N점(N점까지의 광로를 실선으로 표시)과, 이 N점으로부터 △L만큼 떨어진 가장 먼 F점(F점까지의 광로를 파선으로 표시)사이의 가공헤드(8)의 가동범위내에서 집광렌즈(9)에 입사되는 레이저 빔의 빔경(d)와 렌즈입사 위치에서의 빔 발산각 θ를 일정하게 유지할 수가 있다.
집광렌즈(9)에 입사되는 레이저 빔의 빔경(d)와 집광위치에서의 집광빔경 df는 반비례의 관계에 있고, 또 렌즈입사 위치에서의 빔 발산각θ는 집광위치를 결정하는 변수이다. 도 11에 표시하는 레이저 가공기에서는 상술한 바와 같이 레이저 발진기(1)로부터 거리가 변화해도 집광렌즈(9)에 입사하는 레이저 빔의 빔경 d의 랜즈 입사위치에서의 빔 발산각θ를 일정하게 유지할 수가 있으므로 가공을 결정지우는 집광위치 f와 집광위치 f에서의 집광빔경 df를 일정하게 유지할 수가 있다.
또, 도 11에 표시하는 레이저 가공기에서는 상술한 구성 및 작용외에 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 R에 따라 레이저 발진기(1)에서의 레이저 발진을 정지 가능한 인터록 기구를 구비하고 있다.
이 인터록 기구는 NC장치(14)에서 갭센서(30)에 의해 얻어진 갭의 실측치와NC장치(14)에 의해 산출된 갭의 계산치와의 비교가 되었을 때 갭의 실측치가 소정의 값을 초과 했을때에 이것을 NC장치(14)에 의해 검출해서 레이저 발진기(1)에 발진 정지신호를 보내 레이저 발진을 정지 하도록 되어 있다. 이로써 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 액츄에이터(17)의 동작불량이나 콜리메이숀 제어장치(15)의 오동작에 의해 가공불량이나 레이저 빔의 과태광역에 의한 광로 주변물의 소손을 방지할 수가 있다.
또, 도 11에 표시하는 레이저 가공기에서는 NC장치(14)에 의해 인터록 기구가 작동한 경우 NC장치(14)의 제어에 의해 신속하게 가공이 중단되는 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 곡율이 부적정한것에 기인해서 레이저 빔에 이상이 발생한 것을 NC장치(14)의 표시부(14a)에 표시하거나 스피커(14b)로부터 경고음의 경보를 하거나 램프를 점등 또는 점멸 시켜줌으로써 레이저 가공기의 오퍼레이터에 이상의 발생 및 가공라인의 정지를 알리도록 되어 있다.
이로써 레이저 가공기의 오퍼레이터는 이상 발생을 신속하게 알 수가 있고 신속한 대응을 할 수가 있다. 이들 표시부(14a),스피커(14b) 및 램프는 통지수단으로서의 기능을 갖고 있다.
이 실시의형태 5에 의하면 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 갭센서(30)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 실제의 갭을 검출하는 동시에 NC장치(14)에서 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 이론적인 갭을 계산하고, 이들 갭의 실측치와 계산치를 NC장치(14)에서 비교하고, 그 비교 결과에 따라 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 액츄에이터(17)를 제어해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡율 R을 제어 하도록 하였으므로 콜리메이숀 미러(11)의 열에 의한 왜곡의 변화속도 및 가공 테이블(60)의 이동속도(즉, 광로길이의 변화의 빠르기)에 대해 갭센서(30)와 액츄에이터(17)의 응답성을 충분히 추종할 수 있으므로 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 즉시 제어 할 수가 있고, 집광렌즈(9)에 의해 집광된 레이저 빔의 빔경 및 집광위치를 극히 고정밀도로 일정하게 유지할 수가 있다.
또, 상기 실시의 형태 5에서는 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 갭센서(30)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 실제의 갭을 검출 한다고 하였으나 갭의 검출을 콜리메이숀 미러(11)의 중앙부만이 아니라 예를들어 여러개의 갭센서를 콜리메이숀 미러(11)의 반경 또는 여러개의 반경의 원주에 대응해서 배치하고, 그 원주에 대응하는 콜리메이숀 미러(11)의 이면의 각점과의 갭을 각갭센서로 검출하고, 얻어진 여러개의 검출치에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 반사면과 이상의 방물면과의 어긋남의 정보를 보다 정확하게 얻도록해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 보다 고정밀도로 제어 하도록 해도 된다.
실시의 형태 6
도 13에 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 사용한 레이저 가공기의 다른 예를 표시한다.
이 레이저 가공기는 레이저의 여기매질(2)을 전 반사경(3)과 부분 반사경(4)으로 끼워 잡음으로써 광 공진기를 구성해 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(1), 이 레이저 발진기(1)에서 출사된 레이저 빔(5a)(도면중 일점쇄선으로 표시)을 콜리메이트 광(5b)(도면중 일점쇄선으로 표시)으로 변환하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6A), 이 콜리메이숀 장치(6A)에 의해 변환된 콜리메이트 광(5b)을 반사해서 이 광로의 향을 90도 변환 시키는 평면 반사경(7), 이 평면 반사경(7)에 의해 반사된 콜리메이트 광(5b)이 입사되는 가공헤드(8), 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6A)의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 곡율을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15), NC장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동제어되는 구동기구(도시생략)을 구비하고 있다.
그리고 이 레이저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11a)(11b)의 곡율을 제어 함으로써 가공조건에 맞추어 집광렌즈(9)에 의해 집광되는 빔의 집광위치에서의 빔경을 능동적으로 변경 할 수 있도록 되어 있다.
콜리메이숀 장치(6A)는 예를들면 상기 실시의형태 2 ~ 4의 어느것과 같은 구성의 콜리메이숀 미러부를 2개 가지고 있다. 그중 한쪽의 콜리메이숀 미러부는 레이저 발진기(1)로부터 발진된 레이저 빔(5a)이 입사되고, 이 입사빔의 빔경을 임의의 빔경으로 변경해서 반사할 수 있는 콜리메이숀 미러(11a)를 갖고 있다.
반사빔의 빔경은 콜리메이숀 미러(11a)의 곡율에 의해 결정된다. 이 콜리메이숀 미러(11a)의 곡율은 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 송부되는 제어신호(S16)에 따라 조정된다.
또, 다른쪽의 콜리메이숀 미러부는 콜리메이숀 미러(11a)에 의해 반사된 반사빔을 콜리메이트 광(5b)으로 변환하는 콜리메이숀 미러(11b)를 갖고 있다. 이 콜리메이숀 미러(11b)의 곡율도 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 송부되는 제어신호(S16)에 따라 조정된다.
또 가공헤드(8)의 선단부에는 짐광렌즈(9)를 분진으로부터 보호하는 동시에 피 가공물(10)을 냉각하기 위한 가공가스(65)를 레이저 빔(콜리메이트 광(5b))과 동축에 흘리는 노즐(80)이 설치되어 있다. 그라고, 가공가스(65)가 피 가공물(10)의 가공면 이외로 발산하는 것을 억제하기 때문에 통상 가공중의 노즐(80)과 피 가공물(10)과의 사이의 거리 L 는 1 ~ 2 mm 정도로 유지된다.
이 실시의 형태의 레이저 가공기의 작용은 아래와 같다. 즉, 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 곡율을 제어함으로써 가공조건에 맞추어 집광렌즈(9)에 의해 집광되는 빔의 집광위치와 이 집광위치에서의 빔경을 조정할 수가 있으므로 피 가공물의 재질 및 판 두께에 따라 집광위치를 최적의 위치로 할 수가 있는 동시에 이 집광위치에서의 빔경도 최적으로 할 수가 있다.
예를들면 일반적으로 탄산가스 레이저를 사용해서 피 가공물(10)의 절단 가공을 하는 경우 피 가공물(10)의 표면에 집광위치를 맞추면 양호한 절단면이 얻어지나 알미늄이나 스테인레스등의 1부의 재료에서는 이 절단가공때에 집광위치를 피 가공물(10)의 이면의 위치에 맞추면 양호한 절단면이 얻어진다는 것이 알려져 있다.
따라서, 통상은 집광위치를 피 가공물(10)의 표면에 맞추어 알미늄이나 스테인레스 등을 절단할때는 집광위치에서의 빔경을 변경하지 않고, 집광위치만을 피 가공물(10)의 이면에 맞추면 된다.
또, 같은 재질의 판을 절단할때도 그 판의 두께가 예를들어 1mm와 19mm와 같이 다르게 되면 각각의 집광위치에서의 최적한 빔경이 다른 경우이다. 이런 경우에는 2매의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 각 곡율을 최적으로 제어해서 집광위치에서의 빔경을 조정하면 된다.
이 실시의 형태 6에 의하면 콜리메이숀 장치(6A)가 그 곡율을 변화 시킬 수 있는 2매의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)를 갖고 있기 때문에 이들 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 각 곡율을 최적하게 제어함으로써 피 가공물(10)의 재질이나 두께에 따라 집광위치의 빔경을 변경 시키지 않고, 집광위치만을 변경 하거나 집광위치에서의 빔경을 최적의 직경으로 할 수 있다.
또, 종래는 가공중의 노즐과 피 가공물과의 사이의 거리 L는 1 ~ 2mm정도이기 때문에 집광위치를 판두께의 이면의 위치에 맞추기 위해 가동축에 의해 가공헤드를 하강 시키면 피 가공물과 노즐이 간섭해 버리므로 집광위치를 판 두께의 이면위치에 맞추는 것은 불가능 하였다.
이상 본 발명자에 의헤 된 발명을 실시예에 따라 구체적으로 설명 하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경 가능한 것은 물론이다.
예를들어 콜리메이숀 미러(11)를 가압하는 가압수단은 피에조 소자로 된 액츄에이터(17)에 한하지 않고, 콜리메이숀 미러(11)의 곡율을 변경할 수 있도록 콜리메이숀 미러(11)를 누를 수가 있으면 다른 소자를 사용한 액츄에이터도 좋고 또 액츄에이터 이외의 것이라도 된다.
이 발명에 의하면 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주연이 고정된 구성의 레이저 빔 콜리메이숀 장치와 비교해서 적은 힘으로 콜리메이숀 미러의 중심부분에서의 같은 휘어짐량을 얻을 수 있기 때문에 보다 적은힘으로 콜리메이숀 미러를 원하는 곡율의 반사면을 갖는 凸면경으로 변형 시킬 수가 있으므로 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용해 콜리메이숀 미러의 곡율을 적게 제어 하도록 하면 레이저 빔의 집광성의 저하를 방지할 수 있으므로 피 가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 콜리메이숀 미러를 원하는 곡율의 곡면을 갖는 凹면경으로 변형 시킬 수가 있기 때문에 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용해 콜리메이숀 미러의 곡율을 적게 제어 하도록 하면 레이저 빔의 집광성의 저하를 방지할 수 있으므로 피 가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 콜리메이숀 미러를 원하는 곡율의 곡면을 갖는 凸면경 으로 변형 시킬 수가 있으므로 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용해 콜리메이숀 미러의 곡율을 적게 제어 하도록 하면 레이저 빔의 집광성의 저하를 막을 수 있으므로 피 가공물을 항상 일정한 상태로 가공 할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 레이저 발진기와 가공헤드 사이에 설치된 미러의 곡율을 변화 시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용해서 집광위치나 집광위치에서의 빔경을 조절할 수 있으므로 피 가공물의 재질이나 두께에 따라 집광위치에서의 빔경을 변경하지 않고, 집광위치만을 변경 하거나 집광위치에서의 빔경을 최적한 직경으로 할 수가 있다.

Claims (4)

  1. 레이저 빔이 입사되고 이 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서,입사 레이저 빔을 반사해서 출사하는 동시에 그 반사면의 곡율을 변경할 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와,상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연부근에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면측에서 지지하는 지지수단과,상기 콜리메이숀 미러의 중심부 또는 상기 지지수단에 의한 지지부위보다도 중심쪽 부위를 반사면의 뒤쪽에서 가압 가능한 가압수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  2. 레이저 빔이 입사되고 이 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서,입사 레이저 빔을 반사해서 출사하는 동시에 이 반사경의 곡율을 변경할 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와,상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연부근 보다도 중심쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리멘이숀 미러를 반사면측에서 지지하는 제1의 지지수단과, 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연 부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 뒤쪽면의 주연 또는 상기 제1의 지지수단에 의한 지지부위 보다도 주연쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면의 뒤쪽에서 지지되는 제2의 지지수단과, 상기 제 2의 지지수단을 상기 콜리메이숀 미러측에 가압 가능한 가압수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  3. 레이저 빔이 입사되고 이 입사된 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환 가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서 입사 레이저 빔을 반사하는 동시에 이 반사면의 곡율을 변경 시킬 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와,상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연 부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러를 반사면 또는 주연부근을 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면 측에서 지지하는 제 1의 지지수단과,상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연 부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 뒤쪽면의 상기 제 1의 지지수단에 의한 지지부위 보다도 중심쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러를 반사면의 뒤쪽에서 지지하는 제 2의지지수단과,상기 제 2의 지지수단을 상기 콜리메이숀 미러측에 가압 가능한 가압수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  4. 레이저 매질을 여기 함으로써 레이저 광을 출력하는레이저 발진기와,
    상기 레이저 발진기로부터의 레이저 광을 광학적으로 집광 시키는 가공헤드와, 상기 가공헤드에 의해 집광된 레이저 광의 위치와 피 가공물의 상대위치 관계를 제어해서 원하는 위치에 상기 가공헤드를 이동 시키는 NC장치 및 구동기구로 구성되는 레이저 가공기에서,
    상기 레이저 발진기와 가공헤드 사이에 설치되고 미러의 곡율을 변화 시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용함으로써 가공헤드에서 집광된 레이저 빔을 가공에 적합 하도록 빔경과 집광위치를 능동적으로 변화 시키는 것을 특징으로하는 레이저 가공기.
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