KR20150059627A - 형상 가변 거울 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

반사경에 대한 접착의 제약을 받지 않고, 비점수차를 보정 가능한 형상 가변 거울 및 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 한다. 반사경(1)의 반사면(1sf)의 외주부의 대향하는 2개소(Pxf)를 가압하는 제 1 가압 부재와, 반사경(1)의 이면(1sb)의 외주부의 대향하는 2개소(Pyb)를 가압하는 제 2 가압 부재와, 제 1 가압 부재가 반사면(1sf)를 가압하는 위치와 제 2 가압 부재가 이면(1sb)을 가압하는 위치가, 반사면(1sf)의 중심을 통과하는 축 주위에서 상이한 위치가 되도록, 제 1 가압 부재에 대한 제 2 가압 부재의 축 주위의 위치를 위치결정하는 동시에, 축방향에서의 제 1 가압 부재와 제 2 가압 부재의 간격을 변화시켜서, 가압에 의한 반사경(1)의 변형량을 조정하는 변형량 조정부(4)를 구비한다.

Description

형상 가변 거울 및 레이저 가공 장치{SHAPE VARIABLE MIRROR AND LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 레이저 빔 등의 광파의 파면 왜곡, 특히 비점수차(非點收差)를 보정하는 형상 가변 거울, 및 형상 가변 거울을 이용하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
형상 가변 거울은, 광파의 파면 왜곡을 보정하는 것으로서, 다양한 광학 제품에 사용되고 있다. 예를 들면, 천체 망원경에서는 대기의 요동 등에 의한 파면의 왜곡(수차)을 보정하여 상질(像質)을 개선하기 위해 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1 후반부 참조). 또한, CD나 DVD 등의 광 픽업(light pickup)에서는, 광디스크면의 경사나 굴곡 등에 의해서 발생하는 수차를 보정하기 위해 이용된다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 게다가, 레이저 가공기에서는 진원도(眞圓度)가 높고 스팟(spot) 직경이 작은 레이저 빔을 얻을 수 있도록, 렌즈나 반사경 등의 왜곡에 의한 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하기 위해 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1 후반부 참조).
상기와 같은 형상 가변 거울은, 모두 다수의 구동 소자를 구동시키는 것에 의해서 경면(鏡面)을 소망의 형상으로 변화시키고 있다. 그러나, 다수의 구동 소자를 이용하는 것은 구조가 복잡하게 되는 동시에, 제어도 복잡하게 된다. 그래서, 예를 들면 레이저 가공기와 같이, 광파의 비점수차만을 보정하면 좋은 용도도 있으며, 그러한 용도에 대해서 1개의 구동 소자에 의해, 경면을 안장형(鞍型)으로 변형시키는 형상 가변 거울이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
일본 공개 특허 제 1995-66463 호 공보 일본 공개 특허 제 2005-122878 호 공보 일본 공개 특허 제 2007-171703 호 공보
이러한 형상 가변 거울은, 특허문헌 3과 같이 단순한 안장형으로 변형시키는 경우에서도, 반사경을 변형시키기 위한 부재의 적어도 일부가 경면의 이면측에 접착되어, 경면을 이면측으로부터 인장하도록 구성되어 있다. 그렇지만, 이러한 구성에서는, 예를 들면, 반사경에 유리 원판 기판을 이용하여 접착재 등이 사용될 수 없는 환경에서는, 경면의 이면측으로부터 가압하는 방향으로만 힘을 가할 수 있어서, 소망의 형상으로 반사경을 변형시키는 것이 곤란하게 된다.
본 발명은 반사경에 대한 접착의 제약을 받지 않고, 비점수차를 보정 가능한 형상 가변 거울 및 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 형상 가변 거울은, 반사경과, 상기 반사경의 반사면의 외주부의 대향하는 2개소에 접촉하고, 상기 반사경을 상기 반사면측으로부터 가압하는 제 1 가압 부재와, 상기 반사경의 이면(裏面)의 외주부의 대향하는 2개소에 접촉하고, 상기 반사경을 상기 이면측으로부터 가압하는 제 2 가압 부재와, 상기 제 1 가압 부재가 상기 반사면을 가압하는 위치와 상기 제 2 가압 부재가 상기 이면을 가압하는 위치가, 상기 반사면의 중심을 통과하는 축 주위에서 상이한 위치가 되도록, 상기 제 1 가압 부재에 대한 상기 제 2 가압 부재의 상기 축 주위의 위치를 위치결정하는 동시에, 상기 축방향에서의 상기 제 1 가압 부재와 상기 제 2 가압 부재의 간격을 변화시켜서, 상기 가압에 의한 상기 반사경의 변형량을 조정하는 변형량 조정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반사경에 대해 접착한 부재를 이용하는 일 없이 변형력이 주어지므로, 반사경에 대한 접착의 제약을 받지 않고, 비점수차를 보정 가능한 형상 가변 거울 및 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울에 있어서 반사경의 형상 변화의 개념을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 조립도,
도 4는 본 발명의 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 조립도,
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울의 단면도,
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 따른 레이저 가공 장치의 구성도,
도 8은 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 입사하는 빔이 제 1 예의 형상을 갖는 것을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 제 1 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 입사하는 빔이 제 2 예의 형상을 갖는 것을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 제 2 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 입사하는 빔이 제 3 예의 형상을 갖는 것을 도시하는 도면,
도 13은 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 제 3 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면,
도 14는 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 입사하는 빔이 진원인 것을 도시하는 도면,
도 15는 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경에 진원의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면,
도 16은 본 발명의 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 있어서, 반사경으로 입사하는 빔의 형상을 고려한 제 1 보지 부재의 형상을 도시하는 도면,
도 17은 본 발명의 실시형태 6에 따른 형상 가변 거울의 단면도,
도 18은 본 발명의 실시형태 6에 따른 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 조립도.
(실시형태 1)
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울의 구성에 대해서 설명하기 위한 것으로, 도 1은 형상 가변 거울에 있어서 반사경에 하중을 가하여 형상 변화를 시키는 개념을 도시하는 도면, 도 2는 형상 가변 거울의 반사면에 수직인 면(XZ면)에 의한 단면도, 도 3은 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 각 부품을 분해한 상태를 도시하는 조립도이다.
본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울의 구체적인 구성을 설명하기 전에, 반사경에 형상 변화를 발생시키는 개념에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
반사경(1)은, 광을 반사하는 반사면인 미러면(1sf)과 이면(1sb)이 원형의 서로 평행한 평면을 갖는 박판 형상의 원반이다. 미러면(1sf) 상에서, 외주원의 중심을 통과하는 제 1 축인 X축과 외주원의 중심에서 X축에 대해 직교하는 제 2 축인 Y축을 정의한다. 또한, 이면(1sb) 상에서, Y축과 평행하게 외주원의 중심에서 교차하는 제 2 축인 Yb축을 정의한다.
그리고, 이면(1sb)의 외주원과 Yb축의 2개소의 교점(Pyb) 부근에서, 이면(1sb)에 대해서 수직으로 가압하는 방향인 ＋Z 방향으로 하중(Fb)을 가한다. 한편, 미러면(1sf)의 외주원과 X축의 2개소의 교점(Pxf) 부근에서는, 하중(Fb)에 대항하여 하중(Ff)이 -Z 방향으로 걸리도록 지지하여, ＋Z 방향으로 이동하지 않게 한다. 이렇게 하면, 반사경(1)의 미러면(1sf)이 X축에 평행한 직선상에서는 중앙이 돌출한 볼록 형상이 되고, Y축에 평행한 직선상에서는 중앙이 패인 오목 형상이 되어, 미러면(1sf)이 전체적으로 안장형으로 변형한다. 이 때, X축상에서의 볼록 형태의 곡선 형상과 Y축상에서의 오목 형태의 곡선 형상은 방향이 반대이고 동일한 형상이 된다.
반사경(1)에서 반사하는 광의 초점거리가 짧은, 즉 파워가 강한 방향을 X축으로 맞추면, X축에서는 볼록면이므로 반사하는 광의 초점거리가 길어지고, Y축에서는 오목면이므로 반사하는 광의 초점거리가 짧아진다. 이것은, X축과 Y축의 파워의 차이를 감소시키는 것을 의미한다. 즉, 안장형의 변형의 정도를 적절히 조정하면, X축과 Y축의 파워를 동일하게 하여 비점수차를 보정할 수 있게 된다. 반사경(1)의 변형의 정도는 수 10㎜의 직경의 반사경(1)에 대해서 0.1㎛ 내지 수 ㎛ 정도를 상정하고 있다. 또한, 변형의 정도가 이 상정보다 큰 경우도 작은 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
다음에, 상술한 반사경(1)에 변형을 발생시키는 형상 가변 거울(10)의 구성에 대해서, 도 2와 도 3을 이용하여 설명한다. 본 실시형태 1에서의 형상 가변 거울(10)에서는, 반사경(1)의 이면(1sb)에는, 가압 부재(5)에 형성된 2개소의 돌기부(5p)에 의해서, 도 1에 도시되는 2개소의 Yb축의 교점(Pyb) 부근에서 반사경(1)을 가압하는 방향인 ＋Z축 방향의 하중(Fb)을 가할 수 있다. 그리고, 미러면(1sf)측에는, 제 1 보지 부재(3)에 형성된 2개소의 돌기부(3p)에 의해서, 원주와 X축의 2개소의 교점(Pxf) 부근에서 반사경(1)을 ＋Z축 방향에 대해서 이동하지 않도록 되어 있다. 또한, 반사경(1)의 이면(1sb)측에는, 가압 부재(5)를 포함하고, 반사경(1)의 미러면(1sf)을 안장형으로 변형시키기 위한 힘(Fb)을 발생시키는 동시에, 변형량을 조정하는 변형량 조정부(4)가 형성되어 있다. 이하, 상세하게 설명한다.
제 1 보지 부재(3)는, 축방향의 일단[천장면(3t)]측에 반사경(1)을 설치하도록, 반사경(1)의 외경보다 큰 내경을 갖는 통 형상을 이룬다. 또한, 미러면(1sf)이 노출되는 천장면(3t)측의 개구(3a)는 제 1 보지 부재(3)의 외형과 동심으로, 반사경(1)의 외경보다 작은 원형이 되도록 형성되어 있다. 즉, 제 1 보지 부재(3)의 내경 부분에는, 예를 들면, 개구(3a)에 상당하는 관통 구멍을 갖는 중공의 원주에, 천장면(3t)의 반대측[저면(3b)]의 단부로부터 반사경(1)의 외경보다 큰 직경으로, 천장면(3t)으로부터 소정 두께를 남기고 카운터 싱킹(counter sinking) 가공을 했을 때와 같은 면[카운터 싱킹면(3z)이라고 칭한다]이 형성되어 있다.
그리고, 카운터 싱킹면(3z)에는, 미러면(1sf)의 외주원과 X축의 2개소의 교점(Pxf)의 각각에 대응하는 개소에서, 미러면(1sf)에 접촉하여 지지하는(가압하는) 돌기부(3p)가 형성되어 있다.
2개의 돌기부(3p)는 각각 카운터 싱킹면(3z)으로부터 동일한 길이의 각주 형상의 다리를 세운 것과 같은 것이며, 카운터 싱킹면, 천장면(3t), 저면(3b)은 각각 평행이다. 그 때문에, 반사경(1)이 돌기부(3p)에 접촉만 하고 하중이 가해지지 않은 상태에서는, 미러면(1sf), 카운터 싱킹면(3z), 저면(3b) 및 천장면(3t)은 모두 평행한 관계에 있다. 또한, 돌기부(3p)의 축방향에 수직인 단면 형상은 거의 정방형으로 하고, 돌기부(3p)의 미러면(1sf)에 접하는 면을 지지면(3ps)이라고 칭한다. 2개의 돌기부(3p)는, 축에 대해 점대칭이 되도록 카운터 싱킹면(3z)의 양단에 있고, 2개의 지지면(3ps)의 중심을 연결하는 선분은 제 1 보지 부재(3)의 축(중심)을 통과한다. 여기서, 2개의 지지면(3ps)의 중심을 연결하는 직선이 상술한 X축이 된다.
또한, 돌기부(3p)와 제 1 보지 부재(3)는 일체로 형성해도 좋고, 개별 부품으로 형성한 것을 합한 것이어도 좋다. 한편, 저면(3b)측의 내벽에는, 변형량 조정부(4)를 제 1 보지 부재(3)에 고정하기 위해서, 저면(3b)으로부터 소정의 길이로 제 1 보지 부재(3)의 외형과 동심의 암나사가 형성되어 있는 나사부(3s)가 형성되어 있다.
변형량 조정부(4)는, 이면(1sb)의 외주원과 Yb축의 2개소의 교점(Pyb)에 대응하는 2개소에서, 반사경(1)의 이면(1sb)에 접촉하는 돌기부(5p)를 갖는 가압 부재(5)와, 가압 부재(5)의 반사경(1)에 대향하는 면의 반대측에서, 제 1 보지 부재(3)의 나사부(3s)에 의해서 고정되는 제 2 보지 부재(6)와, 제 2 보지 부재(6)와 가압 부재(5)의 간격을 변화시키는 나사 부품(2)과, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재의 회전을 구속하는 2개의 회전 정지 부재(7)로 구성된다.
나사 부품(2)은 축방향의 양단측에, 각각 다른 피치의 수나사가 형성된 나사(2st, 2sb)가 마련되고, 나사(2sb)측의 단부에, 회전력을 주기 위한 예를 들면, 육각 구멍과 같은 렌치용의 구멍(2b)이 형성되어 있다.
가압 부재(5)는, 반사경(1)과 거의 동일한 직경의 원형으로 소정의 두께를 갖는 원반부(5d)와, 원반부(5d)의 반사경(1)측의 면의 축 중심을 개재하는 양단 부분으로부터, 수직으로 반사경(1)으로 향해 기립하도록 형성된 각주 형상의 2개의 돌기부(5p)를 갖고, 나사 부품(2)의 수나사(2st)에 대응하도록 원반부(5d)의 중심에 나사 구멍(5s)이 마련되어 있다. 2개의 돌기부(5p)의 길이는 동일하므로, 반사경(1)의 이면(1sb)에 접촉만 하고 하중이 걸리지 않은 상태에서는, 원반부(5d)는 반사경(1)과 평행이 된다. 돌기부(5p)의 축방향에 수직인 단면에서의 형상은, 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)와 마찬가지로, 거의 정방형으로 이면(1sb)에 접하는 지지면(5ps)이 형성되어 있다. 2개의 돌기부(5p)는, 축에 대해 점대칭의 위치에 있어, 2개의 지지면(5ps)의 중심을 연결하는 선분은 원반부(5d)의 축(중심)을 통과한다. 여기서, 2개의 지지면(5ps)의 중심을 연결하는 직선이 상술한 Yb축이 된다.
또한, 원반부(5d)에는, 나사 구멍(5s)보다 반경방향의 외측으로, 돌기부(5p)보다 내측의 위치에 2개의 위치결정 구멍(5h)이 형성되어 있다. 원반부(5d)와 돌기부(5p)는 일체로 형성해도 좋고, 개별 부품으로 형성한 것을 접촉시킨 것이어도 좋다. 나사 구멍(5s)은 관통 구멍으로 되어 있지만, 소정의 길이를 가지고 있으면 블라인드 구멍(blind hole)이어도 좋다. 여기서, 위치결정 구멍(5h)은 2개소 배치되어 있지만, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(3개소 이상)이어도 그 이하(1개소)이어도 좋고, 반경방향에 있어서 돌기부(5p)보다 내측에 배치할 필요도 없다. 또한, 가압 부재(5)는 원형일 필요도 없고, 예를 들면, 판 스프링의 양단에 2개의 돌기부(5p)를 마련한 것과 같은 것이어도 좋다.
제 2 보지 부재(6)는, 반사경(1)보다 조금 큰 원형으로 소정의 두께의 원반부(6d)의 중심에, 나사 부품(2)의 한쪽의 수나사(2sb)에 대응하는 암나사가 되는 나사 구멍(6si)이 형성되어 있다. 또한, 원반부(6d)의 외경면에는, 제 1 보지 부재(3)의 나사부(3s)에 대응하는 수나사가 되는 나사부(6se)가 형성되어 있다. 또한, 원반부(6d)에는, 나사 구멍(6si)보다 반경방향의 외측으로, 가압 부재(5)의 위치결정 구멍(5h)에 대응하도록, 위치와 직경[엄밀하게는, 후술하는 회전 정지 부재(7)가 삽입될 수 있는 직경]을 조절한 2개의 위치결정 구멍(6h)이 마련되어 있다. 여기서, 위치결정 구멍(6h)은 2개소 배치되어 있지만, 가압 부재(5)의 위치결정 구멍(5h)과 마찬가지로, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상의 수여도 그 이하의 수(1개)여도 좋다.
회전 정지 부재(7)는, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)에 자유롭게 빼고 꽂기 위한 원주부(7c)의 일단측에 머리부(7d)를 마련하여 구성하고 있다. 원주부(7c)는, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)에 자유롭게 빼고 꽂을 수 있도록, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)의 직경보다 외경이 작고, 제 2 보지 부재(6)의 위치결정 구멍(6h)을 통해, 가압 부재(5)의 위치결정 구멍(5h)에 삽입할 수 있는 만큼의 길이로 조정되어 있다. 머리부(7d)는, 원반부(6d)에 접하여 멈추도록, 제 2 보지 부재(6)의 위치결정 구멍(6h)의 직경보다 외경을 크게 하고 있다. 여기서, 회전 정지 부재(7)는 2개 사용되고 있지만, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(3개소 이상)이어도 그 이하(1개소)이어도 좋다.
여기서, 형상 가변 거울(10)의 동작에 대해서 설명한다.
상술한 각 부재를 구성할 때, 제 2 보지 부재(6)를 제 1 보지 부재(3)에 나사 결합시킨 시점에서, 제 2 보지 부재(6)와 제 1 보지 부재(3)의 위치 관계가 고정된다. 그리고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재의 나사 구멍(5s, 6si)에, 나사 부품(2)의 수나사(2st와 2sb)를 삽입하고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격의 초기값을 조정하여, 가압 부재(5)에 대한 제 2 보지 부재의 회전을 회전 정지 부재(7)에 의해 구속한다. 이 상태에서, 가압 부재(5)에 대해서 나사 부품(2)을 압입방향으로 회전시키면, 나사 부품(2)이 다른 피치에 의해 피치 차이에 수반하여, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격이 초기값으로부터 변화한다. 이 때, 가압 부재(5)측의 수나사(2st)의 피치보다 제 2 보지 부재(6)측의 수나사(2sb)의 피치 쪽이 큰 경우, 압입방향으로 회전시키면, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격은, 피치 차이에 수반한 거리만큼 넓어지게 된다.
그러면, 가압 부재(5)가 카운터 싱킹면(3z)에 접근하는 방향으로 이동하므로, 돌기부(5p)가 이면(1sb)의 2개소의 교점(Pyb) 근방을, 돌기부(3p)가 미러면(1sf)의 2개소의 교점(Pxf) 근방을 수직으로 가압하게 된다. 이것에 의해, 반사경(1)의 면의 외주단측의, 중심축 주위의 각도가 90도 어긋나는 위치마다, 면에 수직인 역방향의 힘을 가하여 미러면(1sf)을 안장형으로 변형시킬 수 있다. 즉, 반사경(1)에 대해서 면(1sf, 1sb)을 가압하는 힘만으로 안장형으로 변형시킬 수 있다. 그 결과, 반사경(1)에 대해서 접착제를 이용한 접합을 이용하지 않아도, 안장형으로 변형할 수 있는 형상 가변 거울(10)을 얻을 수 있다.
또한 반사경(1), 가압 부재(5) 및 제 1 보지 부재(3), 제 2 보지 부재(6)의 강성은, 적당한 변형이 발생할 수 있도록 재료나 구조를 조정한다. 예를 들면, 가압 부재(5)의 강성을 반사경(1)의 강성보다 작게 하면, 변형량 조정부(4)에 의한 간격의 변화에 대한 반사경(1)의 변형의 비가 작아져서, 반사경(1)의 미세한 변형의 제어가 쉬워지게 된다.
다음에, 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 비점수차를 형상 가변 거울(10)로 보정하는 경우를 예로 하여 동작을 설명한다. 레이저 가공 장치의 구성의 상세에 대해서는, 이후의 실시형태에서 설명하는 것으로 하고, 여기에서는 도시하지는 않지만, 레이저 발진기로부터 가공점까지의 전송 광로의 도중에, 형상 가변 거울(10)이 설치되어 있는 것으로 한다. 또한, 레이저 가공 장치 이외에 적용하는 경우에도, 동일한 동작에 의해 비점수차를 보정할 수 있다. 비점수차가 있는 경우에는, 레이저 빔 형상이 타원이 된다. 원주 형상의 형상 가변 거울(10)을 경통 홀더 안에서 회전시켜서, 레이저 빔 형상의 직경이 긴 방향 또는 짧은 방향과 형상 가변 거울의 X축 또는 Y축을 일치시킨다.
간격이 초기값인 경우, 처음에 나사 부품(2)을 가압 부재(5)에 대해서, 압입방향으로 소정량 회전시킨다. 그 때, 레이저 빔 형상이 타원으로부터 진원에 가까워지면, 그대로 나사 부품(2)을 동일한 방향으로 회전시켜 나가서, 레이저 빔 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다. 반대로 압입방향으로 소정량만큼 회전시켰을 때에, 편평의 정도가 커지는 경우는, 경통 홀더 안의 형상 가변 거울(10) 자체를 축 중심으로 90도 회전시킨 후, 나사 부품(2)을 다시 압입방향으로 회전시켜 나간다. 이와 같이, 레이저 빔 형상을 감시하면서 나사 부품(2)의 회전량을 변화시켜서, 레이저 빔 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다.
여기에서는, 형상 가변 거울(10)의 축방향 단면 형상을 원형으로 했지만, 원형이 아니어도 좋다. 다만, 원형으로 하는 것이 상술한 바와 같이, 편평의 정도가 커지는지 작아지는지에 따라, 형상 가변 거울(10) 자체를 축 중심으로 회전시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 전 단락의 첫머리에서 「초기값의 경우」라고 기재한 것은, 운전중과 같이, 압입방향으로 회전하고 있고, 반사경(1)에 이미 일정한 하중이 가해진 경우에는, 느슨해지는 방향으로 회전시키는 것부터 시작하는 것이 바람직하기 때문이다. 또한, 반사경에 대해서도 등방성을 고려하면 원형이 바람직하지만, 반드시 원형에 한정하지 않고, 타원이나 다각형이어도 좋다.
또한, 상기 설명에서는, 반사경(1)을 변형시키기 위해서 하중을 가하는 위치를 결정하기 위한 2개의 축(X, Y)을 직교시킨다고 했지만, 반드시 직교하지 않아도 좋다. 하중을 가하는 위치를 결정하는 2개의 축이 직교하지 않는 경우에도, 축 주위의 위치(각도)가 차이가 나면, 변형이 최대로 오목이 되는 개소와 최대로 볼록이 되는 개소의 각도는 거의 90도가 된다. 그 때문에, 변형이 최대로 오목이 되는 개소를 통과하는 직선을 Y축으로 생각하고, 변형이 최대로 볼록이 되는 개소를 통과하는 직선을 X축으로 생각하고, X축 또는 Y축 중 어느 쪽을 광 형상의 길이가 긴 쪽 또는 짧은 쪽의 방향과 맞추어, 반사경(1)을 변형시킴으로써 비점수차를 보정할 수 있다.
또한, 변형량 조정부(4)에서는, 응력(변형량)을 조정하기 위해서 나사 부품(2)을 이용했지만, 그것에 한정하지 않고, 예를 들면 각 특허문헌에 기재된 액추에이터를 이용하도록 해도 좋다. 그러나, 기계적으로 위치(간격)가 정해지는 나사 부품(2)을 이용하면, 반사경(1)에 따른 하중을 용이하게 유지할 수 있으므로, 비점수차가 시간에 따라 거의 변화하지 않는 대상에는, 나사 부품(2)이 적합하다. 한편, 나사 부품(2)의 양측의 나사(2st, 2sb)는, 소정의 피치 차이가 있으면 좋고, 우나사와 좌나사라는 것과 같이 나사의 방향을 반대로 함으로써, 피치 차이를 내도록 해도 좋다. 다만, 나사(2st, 2sb)간의 피치의 차이를 작게 하는 편이 반사경(1)의 안장형 변형을 미묘하게 조정하는 것이 용이하게 된다. 또한, 나사(2st, 2sb)는 수나사에 한정하지 않고, 양측에 피치가 다른 나사 구멍을 마련한 나사 부품을 사용하고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)에는, 수나사를 마련한 봉 형상의 부분을 마련하여 나사 부품의 나사 구멍에 삽입하도록 해도 좋다.
또한, 이후의 각 실시형태에 있어서도, 상세한 기재를 생략하는 것은 있지만, 본 실시형태 1과 동일한 구성을 갖는 부분에 대해서는, 상기 효과나 형태의 변형예(특히 바람직한 예)가 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이, 본 발명의 실시형태 1에 따른 형상 가변 거울(10)에 의하면, 반사경(1)과, 반사경(1)의 반사면[미러면(1sf)]의 외주부의 대향하는 2개소(Pxf)에 접촉하고, 반사경(1)을 반사면[미러면(1sf)]측으로부터 가압하는 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3) 및 제 2 보지 부재(6), 이후 간략화하여 제 1 보지 부재(3)만 나타냄]와, 반사경(1)의 이면(1sb)의 외주부의 대향하는 2개소(Pyb)에 접촉하고, 반사경(1)을 이면(1sb)측으로부터 가압하는 제 2 가압 부재[가압 부재(5)]와, 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)]가 반사면[미러면(1sf)]을 가압하는 위치와 제 2 가압 부재[가압 부재(5)]가 이면(1sb)을 가압하는 위치가, 반사면[미러면(1sf)]의 중심을 통과하는 축(을 가상하면, 가상한 축) 주위에서 상이한 위치(Pxf, Pyb)가 되도록, 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)]에 대한 제 2 가압 부재[가압 부재(5)]의 상기 축 주위의 위치를 위치결정하는 동시에, 축방향으로의 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)]와 제 2 가압 부재[가압 부재(5)]의 간격을 변화시켜서, 상기 가압에 의한 반사경(1)의 변형량을 조정하는 변형량 조정부(4)를 구비하도록 구성했으므로, 반사경(1)과 지지면(3ps, 5ps)의 접착의 제약을 받지 않고, 비점수차를 보정 가능한 형상 가변 거울(10)을 얻을 수 있다.
또한, 변형량 조정부(4)는, 서로 피치가 다른 나사(2st, 2sb)를 축방향의 양측의 각각에 별도로 마련한 나사 부품(2)을 이용하여, 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)의 천장면(3t)]와 제 2 가압 부재[가압 부재(5)의 원반부(5d)]의 간격을 변화시키도록 구성했으므로, 진동 등이 전해져도 변형량을 안정하게 유지할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울은, 실시형태 1의 형상 가변 거울에 대해서, 변형량 조정부에 로크 기구를 추가한 것과, 가압 부재를 2개의 부재로 구성하도록 한 것이다. 도 4와 도 5는, 본 발명의 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울의 구성에 대해 설명하기 위한 것으로, 도 4는 형상 가변 거울의 반사면에 수직인 면(XZ면)에 의한 단면도, 도 5는 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 각 부품을 분해한 상태를 도시하는 조립도이다. 도면 중, 상기 실시형태 1에서 설명한 것과 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 또한, 실시형태 1에서 이용한 도 1을 본 실시형태 2에 대해서도 원용한다.
본 실시형태 2의 형상 가변 거울(10)에서도, 반사경(1)의 이면(1sb)에는, 가압 부재(5)에 형성된 2개소의 돌기부(5p)에 의해서, 도 1에 도시되는 2개소의 Yb축과의 교점(Pyb) 부근에서 반사경(1)을 가압하는 방향인 ＋Z축 방향의 하중(Fb)을 가할 수 있다. 그리고, 미러면(1sf)측에는, 제 1 보지 부재(3)에 형성된 2개소의 돌기부(3p)에 의해서, 원주와 X축의 2개소의 교점(Pxf) 부근에서 반사경(1)을 ＋Z축 방향에 대해서 이동하지 않도록 지지되어 있다. 또한, 반사경(1)의 이면(1sb)측에는, 가압 부재(5)를 포함하여, 반사경(1)의 미러면(1sf)을 안장형으로 변형시키기 위한 힘(Fb)을 발생시키는 변형량 조정부(4)가 형성되어 있다. 한편, 본 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울(10)에서는, 변형량 조정부(4)에 나사 부품(2)의 제 2 보지 부재(6)에 대한 필요없는 회전을 멈추기(로킹하기) 위한 로크 부재가 구비되어 있다. 그리고, 가압 부재(5)가 반사경(1)을 가압하는 가압부(5A)와, 변형력을 발생시키기 위해서 변위하는 변위부(5B)로 나누어져 있는 것을 특징으로 한다. 이하, 상세하게 설명한다.
제 1 보지 부재(3)는, 축방향의 일단[천장면(3t)]측에 반사경(1)을 설치하도록, 반사경(1)의 외경보다 큰 내경을 갖는 통 형상을 이룬다. 또한, 미러면(1sf)이 노출되는 천장면(3t)측의 개구(3a)는, 제 1 보지 부재(3)의 외형과 동심으로 반사경(1)의 외경보다 작은 원형이 되도록 형성되어 있다. 즉, 제 1 보지 부재(3)의 내경 부분에는, 예를 들면, 개구(3a)에 상당하는 관통 구멍을 갖는 중공의 원주에, 천장면(3t)의 반대측[저면(3b)]의 단부로부터 반사경(1)의 외경보다 큰 직경으로, 천장면(3t)으로부터 소정 두께를 남겨서 카운터 싱킹 가공을 했을 때와 같은 카운터 싱킹면(3z)이 형성되어 있다.
그리고, 카운터 싱킹면(3z)에는, 미러면(1sf)의 외주원과 X축의 2개소의 교점(Pxf)의 각각에 대응하는 개소에서, 미러면(1sf)에 접촉하여 지지하는 돌기부(3p)가 형성되어 있다.
2개의 돌기부(3p)는 각각 카운터 싱킹면(3z)으로부터 동일한 길이의 각주 형상의 다리를 세운 것 같은 것이며, 카운터 싱킹면, 천장면(3t), 저면(3b)은 각각 평행이다. 그 때문에, 반사경(1)이 돌기부(3p)에 접촉만 하고 하중이 걸리지 않은 상태에서는, 미러면(1sf), 카운터 싱킹면(3z), 저면(3b) 및 천장면(3t)은 모두 평행관계에 있다. 또한, 돌기부(3p)의 축방향에 수직인 단면 형상은, 거의 정방형으로 하고, 돌기부(3p)의 미러면(1sf)에 접하는 면을 지지면(3ps)이라고 칭한다. 2개의 돌기부(3p)는, 축에 대해 점대칭이 되도록 카운터 싱킹면(3z)의 양단에 있고, 2개의 지지면(3ps)의 중심을 연결하는 선분은 제 1 보지 부재(3)의 축(중심)을 통과한다. 여기서, 2개의 지지면(3ps)의 중심을 연결하는 직선이 상술한 X축이 된다.
또한, 돌기부(3p)와 제 1 보지 부재(3)는, 일체로 형성해도 좋고, 개별 부품으로서 형성한 것을 합한 것이어도 좋다. 한편, 저면(3b)측의 내벽에는, 변형량 조정부(4)를 제 1 보지 부재(3)에 고정하기 위해서, 저면(3b)으로부터 소정의 길이로, 제 1 보지 부재(3)의 외형과 동심의 암나사가 형성되어 있는 나사부(3s)가 형성되어 있다.
변형량 조정부(4)는, 이면(1sb)의 외주원과 Yb축의 2개소의 교점(Pyb)에 대응하는 2개소에서, 반사경(1)의 이면(1sb)에 접촉하는 돌기부(5p)를 갖는 가압 부재(5)와, 가압 부재(5)의 반사경(1)에 대향하는 면의 반대측에서, 제 1 보지 부재(3)의 나사부(3s)에 의해서 고정되는 제 2 보지 부재(6)와, 제 2 보지 부재(6)와 가압 부재(5)의 간격을 변화시키는 나사 부품(2)과, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재의 회전을 구속하는 2개의 회전 정지 부재(7)와, 제 2 보지 부재(6)의 가압 부재(5)에 대향하는 면의 반대측의 면에 위치하고, 나사 부품(2)의 필요없는 회전을 방지하는 로크 부재(9)로 구성된다.
나사 부품(2)은, 축방향의 양단측에 각각 다른 피치의 수나사가 형성된 나사(2st, 2sb)가 마련되고, 나사(2sb)측의 단부에 회전력을 주기 위한 예를 들면, 육각구멍과 같은 렌치용의 구멍(2b)이 형성되어 있다. 그리고, 본 실시형태 2에서는, 나사(2sb)는, 상정되는 회전 범위에 있어서, 제 2 보지 부재(6)의 가압 부재(5)에 대향하는 면의 반대측의 면으로부터 돌출하고, 로크 부재(9)와 체결할 수 있도록 실시형태 1에서 이용한 것보다 축길이를 길게 하고 있다.
가압 부재(5)는 가압부(5A)와 변위부(5B)로 나누어져 있다. 가압부(5A)는, 반사경(1)과 거의 동일한 직경의 원형으로 소정의 두께를 갖는 원반부(5Ad)와, 원반부(5Ad)의 반사경(1)측의 면의 축 중심을 개재하는 양단 부분으로부터, 수직으로 반사경(1)을 향해 기립하도록 형성된 각주 형상의 2개의 돌기부(5p)를 갖는다. 변위부(5B)는, 원반부(5d)보다 직경이 작고, 소정의 두께의 원반 형상을 이루고, 나사 부품(2)의 수나사(2st)에 대응하도록 중심에 나사 구멍(5s)이 마련되는 동시에, 나사 구멍(5s)보다 반경방향의 외측으로, 가압부(5A)의 돌기부(5p)보다 내측의 위치에 2개의 위치결정 구멍(5h)이 형성되어 있다.
이 경우도, 2개의 돌기부(5p)의 길이는 동일하므로, 반사경(1)의 이면(1sb)에 접촉만 하고 하중이 걸리지 않은 상태에서는, 원반부(5Ad)는 반사경(1)과 평행이 된다. 돌기부(5p)의 축방향에 수직인 단면으로의 형상은, 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)와 마찬가지로, 거의 정방형으로 이면(1sb)에 접하는 지지면(5ps)이 형성되어 있다. 2개의 돌기부(5p)는, 축에 대해 점대칭의 위치에 있고, 2개의 지지면(5ps)의 중심을 연결하는 선분은 원반부(5Ad)의 축(중심)을 통과한다. 여기서, 2개의 지지면(5ps)의 중심을 연결하는 직선이 상술한 Yb축이 된다.
또한, 변위부(5B)와 분리된 가압부(5A)에 대해서도, 원반부(5Ad)와 돌기부(5p)는 일체로 형성해도 좋고, 개별 부품으로서 형성한 것을 접촉시킨 것이어도 좋다. 나사 구멍(5s)은 관통 구멍으로 되어 있지만, 소정의 길이를 갖고 있으면 블라인드 구멍이어도 좋다. 여기서, 위치결정 구멍(5h)은 2개소 배치하고 있지만, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(3개소 이상)이어도 그 이하(1개소)이어도 좋고, 반경방향에 있어서 돌기부(5p)보다 내측에 배치할 필요도 없다.
제 2 보지 부재(6)는, 반사경(1)보다 조금 큰 원형으로 소정의 두께의 원반부(6d)의 중심에, 나사 부품(2)의 한쪽의 수나사(2sb)에 대응하는 암나사가 되는 나사 구멍(6si)이 형성되어 있다. 또한, 원반부(6d)의 외경면에는, 제 1 보지 부재(3)의 나사부(3s)에 대응하는 수나사가 되는 나사부(6se)가 형성되어 있다. 또한, 원반부(6d)에는, 나사 구멍(6si)보다 반경방향의 외측으로, 변위부(5B)의 위치결정 구멍(5h)에 대응하도록 위치와 직경[엄밀하게는, 후술하는 회전 정지 부재(7)가 삽입될 수 있는 직경]을 조절한 2개의 위치결정 구멍(6h)이 마련되어 있다. 여기서, 위치결정 구멍(6h)은, 2개소 배치하고 있지만, 변위부(5B)의 위치결정 구멍(5h)과 같이, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상의 수여도 그 이하의 수(1개)여도 좋다. 또한, 가압부(5A)에도 관통 구멍을 마련하여 가압부(5A)의 회전도 동시에 구속하도록 해도 좋다.
회전 정지 부재(7)는, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)에 자유롭게 빼고 꽂기하기 위한 원주부(7c)의 일단측에 머리부(7d)를 마련하여 구성하고 있다. 원주부(7c)는, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)에 자유롭게 빼고 꽂을 수 있도록, 위치결정 구멍(5h) 및 위치결정 구멍(6h)의 직경보다 외경이 작고, 제 2 보지 부재(6)의 위치결정 구멍(6h)을 통해, 변위부(5B)의 위치결정 구멍(5h)에 삽입할 수 있는 만큼의 길이로 조정되어 있다. 머리부(7d)는, 원반부(6d)에 접하여 멈추도록, 제 2 보지 부재(6)의 위치결정 구멍(6h)의 직경보다 외경을 크게 하고 있다. 여기서, 회전 정지 부재(7)는 2개 사용하고 있지만, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재(6)의 회전 방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(3개소 이상)이어도 그 이하(1개소)이어도 좋다.
로크 부재(9)는, 원반부(6d)보다 작은 육각형으로 소정의 두께를 갖고, 육각형의 중심에는, 나사 부품(2)의 나사(2sb)에 대응하는 암나사를 갖는 로크 너트이다. 또한, 로크 부재(9)에는, 육각형의 너트를 이용하는 예를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고 원형이어도 좋다.
여기서, 형상 가변 거울(10)의 동작에 대해서 설명한다.
상술한 각 부재를 구성할 때, 제 2 보지 부재(6)를 제 1 보지 부재(3)에 나사 결합한 시점에서, 제 2 보지 부재(6)와 제 1 보지 부재(3)의 위치 관계가 고정된다. 그리고, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재의 나사 구멍(5s, 6si)에, 나사 부품(2)의 수나사(2st와 2sb)를 삽입하고, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재(6)의 간격의 초기값을 조정하여, 변위부(5B)에 대한 제 2 보지 부재의 회전을 회전 정지 부재(7)에 의해 구속한다. 이 상태에서, 변위부(5B)에 대해서 나사 부품(2)을 압입방향으로 회전시키면, 나사 부품(2)이 다른 피치에 의해 피치 차이에 수반하고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격이 초기값으로부터 변화한다. 이 때, 변위부(5B)측의 수나사(2st)의 피치보다 제 2 보지 부재(6)측의 수나사(2sb)의 피치쪽이 큰 경우, 압입방향으로 회전시키면, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격은, 피치 차이에 수반한 거리만큼 넓어지게 된다.
그러면, 변위부(5B)에 가압된 가압부(5A)가 카운터 싱킹면(3z)에 접근하는 방향으로 이동하므로, 돌기부(5p)가 이면(1sb)의 2개소의 교점(Pyb) 근방을, 돌기부(3p)가 미러면(1sf)의 2개소의 교점(Pxf) 근방을 수직으로 가압하게 된다. 이것에 의해, 반사경(1)의 면의 외주단측의, 각도가 90도 어긋나는 위치마다, 면에 수직인 역방향의 힘을 가하여 미러면(1sf)을 안장형으로 변형시킬 수 있다. 즉, 반사경(1)에 대해서, 면(1sf, 1sb)을 가압하는 힘만으로 안장형으로 변형시킬 수 있다. 그 결과, 반사경(1)에 대해서 접착제를 이용한 접합을 이용하지 않아도, 안장형으로 변형할 수 있는 형상 가변 거울(10)을 얻을 수 있다.
또한, 반사경(1), 가압 부재(5)[변위부(5B), 가압부(5A)] 및 제 1 보지 부재(3), 제 2 보지 부재(6)의 강성은, 적당한 변형이 발생할 수 있도록 재료나 구조를 조정한다. 예를 들면, 가압부(5A)의 강성을 반사경(1)의 강성보다 작게 하면, 변형량 조정부(4)에 의한 간격의 변화에 대한 반사경(1)의 변형의 비가 작아져서, 반사경(1)의 미세한 변형의 제어가 쉬워지게 된다. 예를 들면, 가압부(5A)의 강성을 반사경(1)보다 작게, 구체적으로는 가압부(5A)의 두께를 얇게 함으로써, 변형량 조정부(4)에 의한 간격의 변화에 대한 반사경(1)의 변형의 비가 작아져서, 반사경(1)의 미세한 변형의 제어가 쉬워지게 된다.
그러나, 가압부(5A)의 두께를 얇게 하면, 실시형태 1과 같은 구성에서는, 나사 부품(2)과 가압 부재(5)의 접촉 면적이 작아져서, 변형량을 주어서 보지했을 경우, 가공기가 갖는 진동에 의해 느슨해질 가능성이 있었다. 그 때문에, 본 실시형태 2에서는, 가압 부재(5)를 가압부(5A)와, 나사 부품을 서로 맞물리게 하는 변위부(5B)의 2개의 부재로 나누고, 강성을 낮추기 위해서 가압부(5A)의 두께를 얇게 해도, 나사 부품(2)과 맞물리는 변위부(5B)의 두께를 보지할 수 있도록 하였다. 즉, 가공기가 갖는 진동이 전해져도, 나사 부품(2)과 변위부(5B)의 맞물림이 느슨해지지 않을 만큼의 접촉 면적을 가질 만한 두께를 확보하는 것과, 변형의 미세한 제어가 가능하도록, 가압부(5A)를 얇게 하는 것을 양립할 수 있게 된다. 이것에 의해, 반사경(1)의 미세한 제어를 실시할 수 있고, 게다가, 접착 등을 이용하지 않고, 진동 등 느슨해짐 방지를 구비한 형상 가변 거울을 제공할 수 있다.
다음에, 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 비점수차를 형상 가변 거울(10)로 보정하는 경우를 예로 하여 동작을 설명한다. 레이저 가공 장치의 구성에 대해서는, 이후의 실시형태에서 설명하는 것으로 하고, 여기에서는 도시하지 않지만, 레이저 발진기로부터 가공점까지의 전송 광로의 도중에, 형상 가변 거울(10)이 설치되어 있는 것으로 한다. 또한, 레이저 가공 장치 이외에 적용하는 경우에도, 동일한 동작에 의해 비점수차를 보정할 수 있다. 비점수차가 있는 경우에는, 레이저 빔 형상이 타원이 된다. 원주 형상의 형상 가변 거울(10)을 경통 홀더 안에서 회전시키고, 레이저 빔 형상의 직경이 긴 방향 또는 짧은 방향과 형상 가변 거울의 X축 또는 Y축을 일치시킨다.
간격이 초기값인 경우, 로크 부재(9)를 느슨하게 하고, 처음에 나사 부품(2)을 변위부(5B)에 대해서, 압입방향으로 소정량 회전시킨다. 그 때, 레이저 빔 형상이 타원으로부터 진원에 가까워지면, 그대로 나사 부품(2)을 동일한 방향으로 회전시켜 나가서, 레이저 빔 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다. 반대로 압입방향으로 소정량만큼 회전시켰을 때에, 편평의 정도가 커지는 경우는, 경통 홀더 안의 형상 가변 거울(10) 자체를 축 중심으로 90도 회전시킨 후, 나사 부품(2)을 다시 압입방향으로 회전시켜 나간다. 이와 같이, 레이저 빔 형상을 감시하면서 나사 부품(2)의 회전량을 변화시키고, 레이저 빔 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정하고, 로크 부재(9)에 의해 나사 부품(2)의 회전을 로킹한다.
여기에서는, 형상 가변 거울(10)의 축방향 단면 형상을 원형으로 했지만, 원형이 아니어도 좋다. 다만, 원형으로 하는 것이 상술한 바와 같이, 편평의 정도가 커지는지 작아지는지에 따라, 형상 가변 거울(10) 자체를 축 중심으로 회전시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 개시시에 느슨하게 할지 가압할지에 대해서는, 실시형태 1에서 설명한 것과 같이, 적절하게 변경해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
또한, 상기 설명에서는, 반사경(1)을 변형시키기 위해서 하중을 가하는 위치를 결정하기 위한 2개의 축(X, Y)을 직교시킨다고 했지만, 반드시 직교하지 않아도 좋다. 하중을 가하는 위치를 결정하는 2개의 축이 직교하지 않는 경우에서도, 변형이 최대로 오목이 되는 개소와 최대로 볼록이 되는 개소의 각도는 거의 90도가 된다. 그 때문에, 변형이 최대로 오목이 되는 개소를 통과하는 직선을 Y축으로 생각하고, 변형이 최대로 볼록이 되는 개소를 통과하는 직선을 X축으로 생각하여, X축 또는 Y축 중 어느 쪽을 광 형상의 길이가 긴 쪽 또는 짧은 쪽의 방향과 맞추어, 반사경(1)을 변형시킴으로써, 비점수차를 보정할 수 있다.
또한, 변형량 조정부(4)에서는, 응력(변형량)을 조정하기 위해서 나사 부품(2)을 이용했지만, 그것에 한정하지 않고, 예를 들면 각 특허문헌에 기재된 액추에이터를 이용하도록 해도 좋다. 그러나, 기계적으로 위치(간격)가 정해지는 나사 부품(2)을 이용하면, 반사경(1)에 따른 하중을 용이하게 유지할 수 있으므로, 비점수차가 시간에 따라 거의 변화하지 않는 대상에는, 나사 부품(2)이 적합하다. 또한, 비점수차를 보정한 채로 변형을 고정하는 경우, 로크 기구로서 로크 너트[로크 부재(9)]를 나사 부품(2)에 고정함으로써, 더블 로크 기구가 되어, 보다 더욱 느슨해짐 방지가 된다.
한편, 나사 부품(2)의 양측의 나사(2st, 2sb)는, 소정의 피치 차이가 있으면 좋고, 우나사와 좌나사라는 것과 같이 나사의 방향을 반대로 함으로써, 피치 차이를 내도록 해도 좋다. 다만, 나사(2st, 2sb)간의 피치의 차이를 작게 하는 편이, 반사경(1)의 안장형 변형을 미묘하게 조정하는 것이 용이하게 된다. 또한, 나사(2st, 2sb)는 수나사에 한정되지 않고, 양측으로 피치가 다른 나사 구멍을 마련한 나사 부품을 사용하고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)에는, 수나사를 마련한 봉 형상의 부분을 마련하여 나사 부품의 나사 구멍에 삽입하도록 해도 좋다.
또한, 가압부(5A)와 변위부(5B)는 개별일 필요는 없고, 하나로 합쳐진 부품으로서 이용해도 좋다. 그 때, 가압부(5A)에 변위부(5B)의 나사 구멍(5s)에 대응하는 나사 구멍을 배치하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시형태 2에 있어서의 실시형태 1과의 차이만큼을 다른 각 실시형태에 적용했을 때, 그 효과를 일으키게 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 본 실시형태에 있어서 설명한 변형예(특히 바람직한 예)가 다른 실시형태나 조합예에 대해서 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이, 본 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울(10)에 의하면, 제 2 가압 부재[가압 부재(5)]는, 판재[원반부(5Ad)]의 주연부의 2개소에 이면(1sb)에 접촉하는 돌기[돌기부(5p)]를 형성한 것이며, 판재[원반부(5Ad)]의 강성이 반사경(1)의 강성보다 낮도록 구성했으므로, 변형량 조정부(4)에 의한 간격의 변화에 대한 반사경(1)의 변형의 비가 작아져서, 반사경(1)의 미세한 변형의 제어가 쉬워지게 된다. 그 효과는, 실시형태 1에서도 생기게 할 수 있지만, 본 실시형태 2에서는, 가압 부재(5)를 변위부(5B)와 가압부(5A)로 분리하고, 분리한 변위부(5B)의 두께를 두껍게 하여, 나사 부품(2)과의 맞물림도 확보할 수 있다.
또한, 변형량 조정부(4)에는, 나사 부품(2)의 회전을 로크시키는 로크 기구[로크 부재(9)]가 형성되어 있으므로, 반사경(1)의 변형량을 보다 더욱 안정하게 유지할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울은, 실시형태 2의 형상 가변 거울에 대해서, 나사 부품에 회전 제한 기구를 마련하여, 설정값 이상으로 나사가 회전하지 않도록 한 것이다. 도 6은, 본 발명의 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울의 구성에 대해서 설명하기 위한 것으로, 형상 가변 거울의 반사면에 수직인 면(XZ면)에 의한 단면도이다. 도면 중, 상기 실시형태 1 또는 2에서 설명한 것과 동일한 것에는, 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명은 생략한다. 또한, 실시형태 1에서 이용한 도 1 및 실시형태 2에서 이용한 도 5를 본 실시형태 3에 대해서도 원용한다.
본 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울(10)에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 나사 부품(2)의 구성이 상기 실시형태 1 또는 2와 상이하게 되어 있다. 본 실시형태 3에서도, 나사 부품(2)은 축방향의 양단측에, 각각 다른 피치의 수나사가 형성된 나사(2st, 2sb)가 마련되고, 나사(2sb)측의 단부에, 회전력을 주기 위한 예를 들면, 육각구멍과 같은 렌치용의 구멍(2b)이 형성되어 있다. 그리고, 나사(2sb)는 상정되는 회전 범위에 있어서, 제 2 보지 부재(6)의 가압 부재(5)에 대향하는 면의 반대측의 면으로부터 돌출하고, 로크 부재(9)와 체결할 수 있도록 되어 있다. 한편, 다른 실시형태와 상이한 부분은, 축방향에 있어서의 양단의 중간의 임의의 위치에 위치결정할 수 있는 나사 고정 원판(2W)을 설치하도록 한 것이다. 나사 고정 원판(2W)을 예를 들면, 중앙에 나사(2st)에 대응하는 암나사가 형성되어 있는 원반 형상을 이루도록 형성하면, 나사(2st)의 임의의 위치에 위치결정할 수 있다.
이와 같이 위치결정할 수 있는 나사 고정 원판(2W)을 설치한 나사 부품(2)을 이용했을 경우에서도, 제 2 보지 부재(6)를 제 1 보지 부재(3)에 나사 결합한 시점에서, 제 2 보지 부재(6)와 제 1 보지 부재(3)의 위치 관계가 고정된다. 그리고, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재의 나사 구멍(5s, 6si)에 나사 부품(2)의 수나사(2st와 2sb)를 삽입하고, 변위부(5B)와 제 2 보지 부재(6)의 간격의 초기값을 조정하여, 변위부(5B)에 대한 제 2 보지 부재의 회전을 회전 정지 부재(7)에 의해 구속한다. 이 상태에서, 변위부(5B)에 대해서 나사 부품(2)을 압입방향으로 회전시키면, 나사 부품(2)이 다른 피치에 의해 피치 차이에 수반하고, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격이 초기값으로부터 변화한다. 이 때, 변위부(5B)측의 수나사(2st)의 피치보다 제 2 보지 부재(6)측의 수나사(2sb)의 피치 쪽이 큰 경우, 압입방향으로 회전시키면, 가압 부재(5)와 제 2 보지 부재(6)의 간격은 피치 차이에 수반한 거리만큼 넓어지게 된다.
그러면, 변위부(5B)로 가압된 가압부(5A)가 카운터 싱킹면(3z)에 접근하는 방향으로 이동하므로, 돌기부(5p)가 이면(1sb)의 2개소의 교점(Pyb) 근방을, 돌기부(3p)가 미러면(1sf)의 2개소의 교점(Pxf) 근방을 수직으로 가압하게 된다. 이것에 의해, 반사경(1)의 면의 외주단측의, 각도가 90도 어긋나는 위치마다, 면에 수직인 역방향의 힘을 가하여 미러면(1sf)을 안장형으로 변형시킬 수 있다.
한편, 나사 부품(2)의 변위부(5B)에 대해서 압입방향으로의 회전을 계속해 나가면, 변위부(5B)에 나사 고정 원판(2W)이 접촉하여, 그 이상 나사 부품(2)을 압입하는 것이 불가능해진다. 즉, 소망의 변형량을 발생시키기 위해서, 필요한 나사 고정 원판(2W)과 변위부(5B)의 거리(Ds)를 미리 측정해 두고, 그 필요한 측정값이 되도록 미러 변형전의 초기 위치로서 나사 부품(2)과 변위부(5B)의 거리(10)를 결정한다. 이와 같이 조립시에 거리설정 함으로써, 소망의 변형량 이상의 변형을 물리적으로 발생시키지 않는 기능을 갖는 것이 가능해진다. 또한, 나사 부품(2)과 나사 고정 원판(2W)은 개별 부품이어도 일체 부품이어도 상관없다. 이상의 것은 다른 실시형태에도 들어맞는다. 다만, 본 실시형태 3과 같이, 나사 고정 원판(2W)에 의해서 변형의 한계에 대해 제한을 마련하는 경우, 나사(2st, 2sb)는, 피치는 다르지만 동일한 방향의 나사일 필요가 있고, 피치가 작은 쪽의 나사측에 장착될 필요가 있다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울(10)은, 실시형태 2에 따른 형상 가변 거울(10)의 구성에 대해서 변경했을 경우를 나타냈지만, 그 차이만큼을 예를 들면, 실시형태 1이나 그 외의 형태에 적용했을 때, 그 효과를 일으키게 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이, 본 실시형태 3에 따른 형상 가변 거울(10)에 의하면, [카운터 싱킹면(3z)과 원반부(5Ad)의] 간격이 소정 이하가 되면, 나사 부품(2)의 회전을 멈추는 회전 정지 기구[나사 고정 원판(2W)]가 마련되어 있으므로, 반사경(1)의 변형량의 상한을 임의로 설정할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태 4는, 상술한 실시형태 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 형상 가변 거울을 레이저 가공 장치에 적용했을 경우를 나타내는 것이다. 도 7에 본 실시형태 4에 따른 레이저 가공 장치의 구성도를 도시한다.
레이저 가공 장치(100)는 도 7에 도시하는 바와 같이, 레이저 빔(LB)의 광원인 레이저 발진기(50)와, 형상 가변 거울(10)을 포함한 도시하지 않는 복수의 반사경으로 구성되어, 레이저 발진기(50)로부터 출사된 레이저 빔(LB)의 전송 광로를 형성하는 미러 군과, 전송 광로로부터 전해진 레이저 빔(LB)을 광축에 수직인 2차원 방향으로 스캔하기 위한 2개의 갈바노 스캐너 미러(galvano scanner mirror)(20)와, 갈바노 스캐너 미러(20)에 의해서 스캔된 레이저 빔(LB)을 피가공물(200)을 향해서 집광하는 집광 렌즈(60)와, 피가공물(200)을 설치하는 테이블(70)과, 테이블(70)을 2차원 방향으로 구동하는 구동 기구(80)를 구비하고 있다.
또한, 2개의 갈바노 스캐너 미러(20)에 대해서는, 각각을 독립하여 회전 구동하는 갈바노미터(galvanometer)(21)가 접속되어 있다. 또한, 형상 가변 거울(10)에는, 레이저 발진기(50)로부터 발진된 레이저 빔(LB)의 상태에 따라서, 반사경(1)의 변형량이나 형상 가변 거울(10) 자체의 방향을 조절하는 비점수차 조정 장치(11)가 접속되어 있다. 또한, 비점수차 조정 장치(11) 등의 회전수나 각도 조정은 예를 들면, 스텝 모터와 같은 일반적으로 이용되는 것으로 실현할 수 있다. 또한, 수동으로의 조정으로 충분하다면, 비점수차 조정 장치(11) 등의 제어 장치는 반드시 필요한 것은 아니다.
다음에, 동작에 대해서 설명한다.
레이저 발진기(50)로부터 출사된 레이저 빔(LB)은 형상 가변 거울(10)을 포함한 도시하지 않는 복수의 반사경에 의해서 전송되어, 2개의 갈바노 스캐너 미러(20)에서 2차원 스캔되고, 집광 렌즈(60)에 의해서 피가공물(200)상에 위치결정, 조사된다. 피가공물(200)상의 점선으로 둘러싼 사각의 범위는 빔 스캔에 의한 가공 범위(Rw)이다. 피가공물(200)은 테이블(70)에 탑재되고, 테이블(70)은 서로 직교하는 방향으로 구동하는 2개의 구동 부위(81, 82)를 갖는 구동 기구(80)에 의해서, 빔 축에 수직인 2차원 방향의 소정의 범위에서 이동 가능하다.
본 가공 광학계에 대해, 실시형태 1 내지 3중 어느 하나의 형상 가변 거울(10)을 반사경 중 하나로서 사용하여 비점수차를 보정한다. 비점수차를 보정함으로써, 레이저 가공시의 가공 구멍의 진원도를 향상시킬 수 있고, 또한 비점수차의 감소에 의해 초점 심도가 확대된다. 이 때, 실시형태 1 내지 3에서 설명한 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)의 진동에 대해서 형상 가변 거울(10)의 미러 변형량은 변화하지 않고, 또한 반사경(1)과 지지면(5ps, 3ps)을 고정하기 위해서 접착제를 사용하고 있지 않기 때문에, 광로 중에 접착제 등의 유기 용제가 발생하지 않는다. 또한, 형상 가변 거울(10)은, 도면에서 도시한 위치에 배치할 필요는 없고, 광로 도중의 도시하지 않는 별도의 위치의 반사경으로 형상 가변 거울(10)을 이용해도 좋다.
본 실시형태 4에서는 도 7에 도시하는 바와 같이, 레이저 빔(LB)도, 피가공물(200)을 보지하는 테이블(70)도 2차원 스캔(이동) 가능한 레이저 가공 장치(100)를 나타냈지만 이것에 한정하지 않는다. 형상 가변 거울(10)을 사용하는 효과는 가공 광학계의 비점수차에 대해서 작용하는 것이고, 스캔의 방법에 의존하는 것은 아니기 때문이다. 즉, 레이저 빔(LB), 집광 렌즈(60), 테이블(70) 중 한쪽이 1차원, 2차원 또는 3차원의 스캔을 하는 경우, 또는 전혀 스캔을 하지 않는 레이저 가공 장치에 있어서도, 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 레이저 빔(LB)은 단일 펄스, 복수 펄스 또는 연속 발진 중 어느 쪽이어도 좋다. 가공 내용은 펀칭에 한정되지 않고, 절단, 변형, 용접, 열처리, 또는 마킹 등의 레이저에 의해 가공 가능한 것이면 어떠한 것이어도 좋다. 또한, 피가공물(200)에는 연소, 용해, 승화 또는 변색 등의 레이저에 의해 변화를 발생시키는 가공이면, 어떠한 변화를 발생시키는 가공이라도 좋다.
상술한 것처럼, 어떠한 발진 형태의 레이저 빔(LB)을 이용하여 피가공물(200)면에 어떠한 변화를 발생시키는 가공을 실시하는 레이저 가공 장치에서도, 각 실시형태 1 내지 3에서 설명한 형상 가변 거울(10)을 이용하면, 접착 등을 이용하지 않고서도 미러면(1sf)을 안장형 또는 반원형이 되도록 변형시킬 수 있어서, 가공 장치의 진동 등이 있어도 변형량이 변화하지 않도록 고정 가능하다. 즉, 레이저 빔의 비점수차를 보정할 수 있어서 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태 4에 따른 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 레이저 빔(LB)을 발진하는 레이저 발진기(50)와, 피가공물(200)을 설치하는 설치대[테이블(70)]와, 복수의 반사경을 갖고, 레이저 발진기(50)로부터 발진된 레이저 빔(LB)을 설치대[테이블(70)]에 설치된 피가공물(200)로 전송하는 전송 광로를 구비하고, 전송 광로를 구성하는 복수의 반사경 중 어느 것에, 상술한 각 실시형태에 따른 형상 가변 거울(10)을 이용했으므로, 반사경(1)에 대한 접착의 제약을 받지 않고, 비점수차를 보정 가능한 레이저 가공 장치(100)를 얻을 수 있다.
(실시형태 5)
상술한 각 실시형태에 있어서는, 반사경을 변형시키기 위한 구성이나 그 구성에 의한 작용 효과에 대해서 설명하였다. 본 실시형태 5에서는 특히, 형상 가변 거울을 레이저 가공 장치에 적용했을 때의, 반사면 자체의 구성, 및 반사면측의 돌기부의 구성에 대해서 검토하였다.
도 8 내지 도 16은 본 실시형태 5에 따른 형상 가변 거울에 대해 설명하기 위한 것으로, 도 8은 형상 가변 거울에 입사하는 빔의 제 1 예로서, 수직 방향으로 장축이 나타나는 경우를 도시하는 도면이고, 도 9는 반사경에 제 1 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면이다. 도 10은 형상 가변 거울에 입사하는 빔의 제 2 예로서, 수평 방향으로 장축이 나타나는 경우를 도시하는 도면이고, 도 11은 반사경에 제 2 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면이다. 도 12는 형상 가변 거울에 입사하는 빔의 제 3 예로서, 45도의 위치로 장축이 나타나는 경우를 도시하는 도면이며, 도 13은 반사경에 제 3 예의 형상의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면이다. 도 14는 형상 가변 거울에 진원의 빔이 입사하는 예를 도시하는 도면이며, 도 15는 반사경에 진원의 빔이 입사했을 때의 반사면에 있어서의 입사광의 분포를 도시하는 도면이다. 또한, 도 16은 반사경에 입사하는 빔 형상을 고려한 제 1 보지 부재의 형상을 도시하는 도면이다.
통상 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 비점수차가 있는 경우에는, 레이저 빔(LB)의 형상은 타원이 된다. 일반적으로, 레이저 가공 장치(100)에 사용하는 레이저 발진기(50)로부터 출사되는 레이저 빔(LB)의 타원율(단축÷장축)은 최대 80% 정도이다. 또한, 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 레이저 발진기(50)로부터 가공점까지 3차원적인 광로가 적용되는 경우가 많고, 사용되는 반사경에는, 90도 반사 미러를 사용하는 것이 일반적이다. 그 때문에, 반사경의 유효 직경은 레이저 빔(LB)의 장축 방향의 직경의 √2배의 직경이 요구된다.
상기 레이저 빔(LB)의 성질을 기초로, 형상 가변 거울(10)의 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)의 형상에 대해서 상세하게 설명한다.
＜제 1 빔 형상 예＞
예를 들면, 도 8과 같이 수직 방향으로 빔 형상의 타원의 장축 방향(a)[단축 방향(b)에 대해서 최대로 b=0.8a]이 있고, 형상 가변 거울을 도 8의 수평 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재했을 경우, 형상 가변 거울(10)에 입사되는 광은 도 9의 (a)의 영역(Rp)과 같이 된다. 그 때문에, 미러면(1sf)이 Cm을 중심으로 하는 반경√2a의 원형 영역(Rm)의 경우, 수직 방향으로의 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)[√2a-a=(√2－1)a]이 발생한다. 그 때문에, 빔 형상의 타원의 장축 방향에 대해서 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)를 도 9의 (a)의 영역(Rs)의 위치에 배치하고, 지지면(3ps)의 형상을 [(√2-1)a×(√2-1)a] 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
이 상태에 있어서 나사 부품(2)을 가압 부재(5)[또는 변위부(5B)]에 대해서 압입방향으로 회전시킨다. 소정량만큼 회전시키면 레이저 빔(LB)의 형상이 타원으로부터 진원에 가깝게 되면, 그대로 나사 부품(2)을 동일한 방향으로 회전시켜 나가서, 레이저 빔(LB)의 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다. 나사 부품(2)을 소정량만큼 회전시키면, 레이저 빔(LB)의 형상의 편평의 정도가 커지는 경우는, 도시하지 않은 수직 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재한다.
그 경우, 미러면(1sf)에 입사되는 광은 도 9의 (b)와 같이 된다. 미러면(1sf)이 Cm을 중심으로 하는 반경√2a의 원형 영역(Rm)의 경우, 조금 전과는 90도 회전한 방향으로 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)[√2a-b=(√2-0.8)a]이 발생한다. 그 때문에, 조금 전과는 90도 회전한 방향으로, 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)를 도 9의 (b)의 영역(Rs)의 위치에 배치하고, 지지면(3ps)의 형상을 [(√2-0.8)a×(√2-0.8)a] 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
그 때문에, 수직 방향, 수평 방향 중 어느 하나의 방향으로 반사하는 경우에도, 입사광을 차단하지 않는 돌기부(3p)의 지지면(3ps)의 형상은, (√2-1)a×(√2-1)a 이하가 된다. 또한, 지지면(3ps)이 정방형인 경우를 설명했지만, 상기의 입사광을 차단하지 않으면 정방형이 아니어도 좋다.
＜제 2 빔 형상 예＞
다음에, 도 10과 같이 수평 방향으로 빔 형상의 타원의 장축 방향(a)이 있고, 형상 가변 거울(10)을 도 10의 수평 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재했을 경우, 형상 가변 거울(10)에 입사되는 광은 도 11의 (a)와 같이 된다. 그 때문에, 미러면(1sf)이 Cm을 중심으로 하는 반경√2a의 원형 영역(Rm)의 경우, 수직 방향으로의 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)[√2a-b=(√2-0.8)a]이 발생한다. 그 때문에, 빔 형상의 타원의 장축 방향에 대해서 제 1 보지 부재의 돌기부(3p)를 도 11의 (a)의 영역(Rs)의 위치에 배치하고, 지지면(3ps)의 형상을 [(√2-0.8)a×(√2-0.8)a] 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
이 상태에 있어서 나사 부품(2)을 가압 부재(5)[또는 변위부(5B)]에 대해서 압입방향으로 회전시킨다. 소정량만큼 회전시키면 레이저 빔(LB)의 형상이 타원으로부터 진원에 가깝게 되면, 그대로 나사 부품(2)을 동일한 방향으로 회전시켜 나가서, 레이저 빔(LB)의 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다. 나사 부품(2)을 소정량만큼 회전시키면, 레이저 빔(LB)의 형상의 편평의 정도가 커지는 경우는, 도시하지 않은 수직 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재한다.
그 경우, 미러면(1sf)에 입사되는 광은 도 11의 (b)과 같이 된다. 반사경이 반사경(1)과 같이 원형[영역(Rm)]인 경우, 조금 전과는 90도 회전한 방향으로 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)[√2a-a=(√2-1)a]이 발생한다. 그 때문에, 조금 전과는 90도 회전한 방향으로, 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)를 영역(Rs)의 위치에 배치하고, 지지면(3ps) 형상을 (√2-1)a×(√2-1)a 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
그 때문에, 수직 방향, 수평 방향 중 어느 방향으로 반사하는 경우에서도, 입사광을 차단하지 않는 돌기부(3p)의 지지면(3ps)의 형상은, (√2-1)a×(√2-1)a 이하가 된다. 또한, 지지면(3ps)이 정방형인 경우를 설명했지만, 상기의 입사광을 차단하지 않으면 정방형이 아니어도 좋다.
＜제 3 빔 형상 예＞
다음에, 도 12와 같이, 수평 방향 ＋45도 방향으로, 빔 형상의 타원의 장축 방향이 있고, 형상 가변 거울(10)을 수평 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재했을 경우, 형상 가변 거울(10)에 입사되는 광은 도 13의 (a)와 같이 된다. 그 때문에, 미러면(1sf)이 Cm을 중심으로 하는 반경√2a의 원형 영역(Rm)의 경우, 45도 방향으로의 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)이 발생한다. 그 때문에, 빔 형상의 타원의 장축 방향에 대해서 제 1 보지 부재의 돌기부(3p)를 도 13의 (a)의 영역(Rs)의 위치에 배치하면, 입사광을 차단하지 않는다.
이 상태에 있어서 나사 부품(2)을 가압 부재(5)[또는 변위부(5B)]에 대해서 압입방향으로 회전시킨다. 소정량만큼 회전시키면 레이저 빔(LB)의 형상이 타원으로부터 진원에 가깝게 되면, 그대로 나사 부품(2)을 동일한 방향으로 회전시켜 나가서, 레이저 빔(LB)의 형상이 가장 진원에 가깝게 되는 회전 위치에 설정한다. 나사 부품(2)을 소정량만큼 회전시키면, 레이저 빔 형상의 편평의 정도가 커지는 경우는, 도 13의 (b)의 영역(Rs)의 위치(조금 전과는 90도 회전한 방향)에, 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)를 배치하고, 이 상태에 있어서 나사 부품(2)을 가압 부재(5)에 압입방향으로 회전시킨다.
도 13의 (a)와 도 13의 (b)에서는, 도 13의 (a)쪽이 영역(Rs)의 크기가 작기 때문에, 도 13의 (a)에 대해 입사 빔을 차단하지 않는 형상으로 하면, 도 13의 (b)에 대해서도 영역(Rs)의 범위 내에 들어가게 된다. 그래서, 지지면(3ps)의 형상을 정방향으로 했을 경우에, 실제로 입사광을 차단하지 않는 지지면(3ps)의 최대 형상을 요구한다. 도 13의 (a)의 형상 가변 거울(10)에 입사되는 빔 직경의 계산식은 수평 방향을 X, 수직 방향을 Y로 했을 경우, 수평 방향 ＋45도 방향의 타원 빔 형상의 식(X, Y)은, 이하의 같이 된다.
X=cos45×a×cosθ-sin45×b×sinθ
Y=sin45×a×cosθ+cos45×b×sinθ
(θ는 0 내지 360)
이 타원 빔 형상이 반경√2a의 원형 영역(Rm)의 미러면(1sf)에 투사되었을 경우, 이하의 같이 된다.
XT=√2X=√2(cos45×a×cosθ-sin45×b×sinθ)
YT= sin45×a×cosθ+cos45×b×sinθ
또한, 타원의 장축 방향(수평 방향 ＋45도)의 직선과, 미러 유효 직경의 교점을 Pα로 했을 경우, Pα의 좌표(X1, Y1)는, 이하의 같이 된다.
X1=√2×a×cos45
Y1=√2×a×sin45
또한, 돌기부(3p)의 단면 형상, 즉 지지면(3ps)이 정방형인 경우는, 교점(Pα)로부터 지지면(3ps)의 내경측의 각점(角點)(Pβ)으로 향하는 선(Lγ)이 존재한다. 선(Lγ)은 지지면(3ps)의 형상을 정방형으로 유지한 채로, 크기를 변화시켰을 경우의 각점(Pβ)의 궤적이며, 이하의 같이 하여 나타낼 수 있다.
YT=3(XT-a)+a
즉, 선(Lγ)의 식과 미러면(1sf)에 투사된 (XT, YT)의 교점이 지지면(3ps)을 갖는 돌기부(3p)가 레이저 빔(LB)을 차단하지 않는 최대 형상이 된다. 이 해로부터 최대 형상의 정방형의 1변의 길이(δ)는 이하의 같이 도출된다.
δ=0.225279a
또한, 만일 레이저 빔 형상이 도 14와 같이 진원인 경우(반경 a의 원)에서, 형상 가변 거울(10)을 수평 방향으로 반사하는 반사경으로서 탑재했을 경우, 형상 가변 거울(10)에 입사되는 광은 도 15와 같이 된다. 그 때문에, 미러면(1sf)이 Cm을 중심으로 하는 경우, 수직 방향으로의 입사광이 닿지 않는 영역(Rs)[√2a-a=(√2-1)a]이 발생한다. 그 때문에, 빔 형상의 타원의 장축 방향에 대해서 제 1 보지 부재(3)의 돌기부(3p)를 도 13의 (a)의 영역(Rs)의 위치에 배치하고, 지지면(3ps)의 형상을 [(√2-1)a)×(√2-1)a)] 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
상기 각 빔 형상으로의 결과를 모두 만족하기 위해서는, 돌기부(3p)의 단면 형상, 즉 지지면(3ps)의 형상을 (0.225279a)×(0.225279a) 이하로 하면, 입사광을 차단하지 않는다.
또한, 제 1 보지 부재(3)의 미러면(1sf)측의 형상을, 개구(3a)의 직경을 √2×a로 하여, 지지면(3ps)을 (0.225279a)×(0.225279a) 이하의 크기로 한다. 그리고, 도 16에 도시하는 바와 같이, 돌기부(3p)를 천장면(3t)을 향해 좁아지도록 두께 방향에 대해서 45도의 모따기(테이퍼)를 취하면, 미러면(1sf)의 면적을 통상보다 크게 하지 않고, 입사광의 빔을 차단하지 않는 형상 가변 거울(10)을 제공할 수 있다.
또한, 반사경의 반사면측에 광로 장해가 되는 것을 배치하는 것은, 일반적인 광학 설계에서는, 완전히 상정되지 않고, 본 발명의 각 실시형태에 따른 형상 가변 거울(10)과 같이, 미러면(1sf)을 가압하는 부재를 설치하는 것 등은 있을 수 없는 것이다. 그러나, 예를 들면, 레이저 가공 장치(100)를 대상으로 하는 것에서는, 사용하는 레이저 빔(LB)의 성질이나 장치의 배치에 따라서 지지면(3ps)의 배치를 고려하면, 지장 없이 사용할 수 있다는 것을 알았다. 또한, 레이저 가공 장치(100)는, CD나 DVD와 같은 AV 기기에 비해 장치 내의 스페이스에 여유가 있기 때문에, 형상 가변 거울(10) 부분이 커지는 허용도가 크고, 적용성이 증가한다.
이상과 같이, 본 실시형태 5에 따른 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 반사면[미러면(1sf)]은 레이저 발진기(50)로부터 발진된 레이저 빔(LB)의 장축 방향의 직경(a)에 대해서 √2배의 직경을 갖는 원을 포함하고, 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)]가 반사면[미러면(1sf)]에 접촉하는 접촉면[지지면(3ps)]이, 장축 방향의 직경(a)에 대해서 0.23배의 길이의 변을 갖는 정방형 내에 들어가도록 구성했으므로, 반사면[미러면(1sf)]에 입사하는 레이저 빔(LB)을 손상시키는 일 없이, 피가공물(200)로 전송하여 확실한 가공을 할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태 6에 따른 형상 가변 거울은, 실시형태 1 내지 3의 형상 가변 거울에 대해서, 제 1 보지 부재(3)에 반사경(1)의 반경방향의 로크 기구를 마련하여 반사경(1)이 반경방향에 대해서 이동하지 않도록 한 것이다. 또한, 제 1 보지 부재(3)의 나사부(3s)에 대해서 로크 기구를 마련하여 제 2 보지 부재(6)가 제 1 보지 부재(3)에 대해서 나사가 회전하지 않도록 한 것이다.
도 17과 도 18은 본 발명의 실시형태 6에 따른 형상 가변 거울의 구성에 대해서 설명하기 위한 것으로서, 도 17은 형상 가변 거울의 반사면에 수직인 면(XZ면)에 의한 단면도, 도 18은 형상 가변 거울의 구조를 설명하기 위한 각 부품을 분해한 상태를 도시하는 조립도이다. 도면 중, 상기 실시형태 1 또는 2, 3에서 설명한 바와 같은 것에는, 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태 6에 따른 형상 가변 거울(10)에서는, 도 17 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 제 1 보지 부재의 구성이 상기 실시형태 1 내지 3과 상이하게 되어 있다. 본 실시형태 6에 있어서의 제 1 보지 부재(3)는, 반사경(1)을 반경방향으로 유지하는 부분에 있어서, 반경방향에 대해서 120° 분할한 위치의 3개소에 반경방향 암나사부(3c)를 형성하고, 반경방향 정지 나사(11)를 각각의 반경방향 암나사부(3c)에 2개(11a, 11b) 비틀어넣을 수 있도록 한 것이다. 이것에 의해, 반사경(1)의 반경방향의 고정을 실시할 수 있고, 게다가, 접착 등을 이용하지 않고, 진동 등 반경방향의 이동 방지를 구비한 형상 가변 거울을 제공할 수 있다. 또한, 반사경(1)에 접촉하는 반경방향 고정 나사(11a)를 델린(delrin)(등록상표) 등의 수지 부재로 함으로써, 변형 방향에 대해서 반사경(1)의 측면이 미끄러지기 쉬워져서, 반사경(1)의 반사면(1sf)의 변형을 방해하지 않는다. 또한, 여기서, 반경방향 암나사부(3c)는 3개소 배치되어 있지만, 반사경(1)의 반경방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(4개소 이상)이어도 그 이하(2개소, 1개소)이어도 좋다. 또한, 반경방향 정지 나사(11)를 각각의 반경방향 암나사부(3c)에 2개(11a, 11b) 설치하도록 하고 있지만, 1개의 설치여도 상관없다.
게다가 제 1 보지 부재(3)는, 제 2 보지 부재를 나사 고정하는 암나사부(3s)에 대응하는 부분에 있어서, 암나사부(3s)의 반경방향에 대해서 120° 분할한 위치에 3개소의 반경방향 암나사부(3d)를 형성하여, 반경방향 정지 나사(11)를 각각의 반경방향 암나사부(3d)에 2개(11c, 11d) 비틀어넣을 수 있도록 한 것이다. 이것에 의해, 제 2 보지 부재의 반경방향의 고정을 실시할 수 있고, 게다가, 접착 등을 이용하지 않고, 진동 등 제 2 보지 부재와 제 1 보지 부재의 나사의 느슨해짐 방지를 구비한 형상 가변 거울을 제공할 수 있다. 또한 여기서, 반경방향 암나사부(3d)는 3개소 배치되어 있지만, 반사경(1)의 반경방향을 구속할 수 있으면, 그 이상(4개소 이상)이어도 그 이하(2개소, 1개소)이어도 좋다. 또한, 반경방향 정지 나사(11)를 각각의 반경방향 암나사부(3d)에 2개(11c, 11d) 설치하도록 하고 있지만, 1개의 설치여도 상관없다.
이상과 같이, 본 실시형태 6에 따른 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 제 1 가압 부재[제 1 보지 부재(3)]는, 반사경(1)을 반경방향으로 유지하는 부분에 있어서는 반경방향 암나사부(3c)를 형성하고, 제 2 보지 부재를 나사 고정하는 암나사부(3s)에 대응하는 부분에 있어서는 반경방향 암나사부(3d)를 형성하여, 각각 반경방향 정지 나사(11)를 비틀어넣을 수 있도록 구성했으므로, 반사경(1)의 반경방향의 고정 및 제 2 보지 부재의 반경방향의 고정을 실시할 수 있고, 또한, 접착 등을 이용하지 않고, 진동 등에 의한 반경방향의 이동이나 제 1 보지 부재의 나사의 느슨해짐을 방지할 수 있어, 반사경(1)의 변형량을 보다 더욱 안정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 발명의 범위 내에 있고, 각 실시형태를 자유롭게 조합하거나 각 실시형태를 적절하게 변형, 생략하는 것이 가능하다.
1 : 반사경 1sf : 미러면(반사면)
1sb : 이면 Pxf : 미러면의 원주원과 X축의 교점
Pyb : 이면의 외주원과 Yb축의 교점 2 : 나사 부품
2st, 2sb : 나사부 2W : 나사 고정 원판(회전 정지 기구)
3 : 제 1 보지 부재(제 1 가압 부재) 3a : 개구
3c : 반경방향 암나사부 3d : 반경방향 암나사부
3p : 돌기부 3ps : 지지면
3s : 나사부 3t : 천장면
3z : 카운터 싱킹면 4 : 변형량 조정부
5 : 가압 부재(제 2 가압 부재) 5A : 가압부
5B : 변위부 5d : 원반부
5h : 위치결정 구멍 5p : 돌기부
5ps : 지지면 5s : 나사 구멍
6 : 제 2 보지 부재(제 1 가압 부재) 6h : 위치결정 구멍
6se : 외측 나사부 6si : 나사 구멍
7 : 회전 정지 부재 7d : 머리부
7c : 원주부 9 : 로크 부재
10 : 형상 가변 거울 11 : 반경방향 정지 나사
20 : 갈바노 스캐너 미러 21 : 갈바노미터
50 : 레이저 발진기 60 : 집광 렌즈
70 : 테이블(설치대) 80 : 구동 기구
200 : 피가공물 Ds : 나사 부품과 가압 부재의 거리
LB : 레이저 빔 Rs : 입사광이 맞지 않은 영역
Rw : 가공 범위

Claims (9)

  1. 반사경과,
    상기 반사경의 반사면의 외주부의 대향하는 2개소에 접촉하고, 상기 반사경을 상기 반사면측으로부터 가압하는 제 1 가압 부재와,
    상기 반사경의 이면의 외주부의 대향하는 2개소에 접촉하고, 상기 반사경을 상기 이면측으로부터 가압하는 제 2 가압 부재와,
    상기 제 1 가압 부재가 상기 반사면을 가압하는 위치와 상기 제 2 가압 부재가 상기 이면을 가압하는 위치가, 상기 반사면의 중심을 통과하는 축 주위에서 상이한 위치가 되도록, 상기 제 1 가압 부재에 대한 상기 제 2 가압 부재의 상기 축 주위의 위치를 위치결정하는 동시에, 상기 축방향에서의 상기 제 1 가압 부재와 상기 제 2 가압 부재의 간격을 변화시켜서, 상기 가압에 의한 상기 반사경의 변형량을 조정하는 변형량 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 가압 부재는 판재의 주연부의 2개소에 상기 이면에 접촉하는 돌기를 형성한 것이며, 상기 판재의 강성이 상기 반사경의 강성보다 낮은 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변형량 조정부는 서로 피치가 다른 나사를 상기 축방향의 양측의 각각에 별도로 마련한 나사 부품을 이용하여, 상기 간격을 변화시키는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변형량 조정부에는, 상기 나사 부품의 회전을 로크시키는 로크 기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 변형량 조정부에는, 상기 간격이 소정 이하가 되면, 상기 나사 부품의 회전을 멈추는 회전 정지 기구가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 변형량 조정부에는, 상기 간격이 소정 이하가 되면, 상기 나사 부품의 회전을 멈추는 회전 정지 기구가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 가압 부재에는, 상기 반사경의 외주부에 대응하는 위치로부터 상기 반사경을 반경방향으로 고정하는 로크 기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    형상 가변 거울.
  8. 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기와,
    피가공물을 설치하는 설치대와,
    복수의 반사경을 갖고, 상기 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 상기 설치대에 설치된 피가공물까지 전송하는 전송 광로를 구비하며,
    상기 복수의 반사경 중 어느 하나에, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 형상 가변 거울을 이용한 것을 특징으로 하는
    레이저 가공 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔의 장축 방향의 직경에 대해서 √2배의 직경을 갖는 원을 포함하고,
    상기 제 1 가압 부재가 상기 반사면에 접촉하는 접촉면이, 상기 장축 방향의 직경에 대해서 0.23배의 길이의 변을 갖는 정방형 내에 들어가는 것을 특징으로 하는
    레이저 가공 장치.
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