JP7329792B2

JP7329792B2 - 光照射装置

Info

Publication number: JP7329792B2
Application number: JP2019150460A
Authority: JP
Inventors: 忠彦進士; 黎川李; 建朋鍾; 光一小田; 弥市大久保; 幸之助北村
Original assignee: Via Mechanics Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Via Mechanics Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2023-08-21
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: JP2021032957A

Description

この発明は、例えばレーザ加工装置において、被加工物上の複数の位置にレーザを照射するための光照射装置に関する。

レーザ加工装置においては、被加工物上の複数の位置にレーザを照射するためのレーザ照射装置が設けられ、その内部に設けたレーザ照射ユニットに対して被加工物を相対移動させることによりレーザ照射ユニットによる照射範囲を変え、被加工物の全ての加工位置にレーザ照射を行うようになっている。

従来のレーザ照射ユニットとして、レーザを反射するための一枚のミラーと、このミラーの複数箇所を駆動する駆動部とを設け、各駆動部の駆動量を制御して入射されたレーザを２次元方向の別々の位置へ反射させるものが特許文献１に開示されている。

このレーザ照射ユニットを用いたものにおいては、レーザ反射部が一枚のミラーであるため軽量化できレーザ加工の高速化に適しているが、駆動部となる各圧電素子に与える電圧制御情報をレーザ照射位置毎にテーブル情報として記憶させておく制御方式を採用している。

特開2018-185352号公報

しかしながら、このような制御方式であると、被加工物における加工位置となる全てのレーザ照射位置毎に、各圧電素子に与える電圧制御情報をテーブル情報として記憶させておく必要がある。すなわち、レーザ照射ユニットの一つの照射範囲だけでも数十万以上の照射位置があり、被加工物の全ての加工位置分の電圧制御情報となると膨大なデータ量を予め記憶させておく必要がある。

また、通常のレーザ加工装置においては、被加工物における加工位置がいつも同じ位置とは限らず、被加工物が別のものになった場合には変わる可能性がある。加工位置が変わった被加工物を加工することになった場合には、電圧制御情報の新たなテーブル情報が必要となり、極めて不都合なシステムとなる。

そこで本発明は、駆動部の駆動量を制御する情報をテーブル情報として予め記憶させておく必要がなく、また加工位置が変わった場合にも対応できる光照射装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本願において開示される発明のうち、代表的な光照射装置は、入射された光を反射させる反射面を有する光反射部材と前記反射面に設定される正三角形の頂点位置の各々を駆動する駆動部とを備える光照射ユニットを有し、レーザ加工装置に搭載される光照射装置であって、前記光照射ユニットは、前記頂点位置の一つと前記正三角形の外心とを結ぶ線を第１の回転軸、また当該第１の回転軸と直交し前記正三角形の外心を通る線を第２の回転軸とした場合に前記駆動部の各々を動作させることにより前記光反射部材を前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の方向にそれぞれ回転させ前記光反射部材に入射された光を任意の位置に照射するようにしたものであり、前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転角度位置をそれぞれ検出する角度検出部と、前記レーザ加工装置の加工プログラムから、被加工物の新たなレーザ照射位置が指示された時に、前回の回転位置からさらに回転すべき前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転量を指示する回転信号を発生する回転量信号発生部と、当該回転量信号発生部が発生した前記回転信号に基づいて前記駆動部の各々の駆動量に応じた駆動信号を計算して出力する駆動信号発生部と、を備え、前記回転量信号発生部は、前記被加工物の新たなレーザ照射位置を前記第１の回転軸および前記第２の回転軸のそれぞれの回転角度位置である角度指令に変換し、前記角度指令と、前記角度検出部により検出された前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転角度位置との差分を算出し、算出した前記差分に基づいて前記回転信号を発生する。

本発明によれば、駆動部の駆動量を制御する情報をテーブル情報として予め記憶させておく必要がなく、また加工位置が変わった場合にも対応できる光照射装置を得ることが可能となる。

本発明の一実施例となる光照射装置の概略ブロック図である。本発明の一実施例における光照射ユニットの縦断面図である。図２におけるＡ－Ａ断面図である。本発明の一実施例における光照射ユニット内で形成される磁気回路を説明するための図である。本発明の一実施例における各圧電素子の配置位置を説明するための図である。本発明の一実施例におけるミラーの回転と各圧電素子の駆動量との関係を説明するための図である。

図２は本発明の一実施例において用いる光照射ユニットの縦断面図である。また図３は図２におけるＡ－Ａ断面図であり、ミラーがない状態でミラー収容部を上から見た状態を示すものである。図３におけるＢ－Ｂ断面図がちょうど図２となっている。図４は光照射ユニット内で形成される磁気回路を説明するための図である。

図２～図４において、１は光照射ユニットのベースをなす円形の台座、２は台座１の上に設けられた円形のミラー収容部である。ミラー収容部２には、上部に円形のミラー３、下部の中央に円形の永久磁石４、下部の周囲に扇形の永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃ、さらに圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃがそれぞれ収容される。永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃと圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃは、その円周方向の中心が６０度間隔で交互に並ぶように配置されており、従って永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃ同士、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃ同士は、互いに１２０度間隔に配置されている。永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃの大きさは互いに等しく、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃについても同様である。

ミラー３は、例えば軟磁性材料の一つである高硬度電磁ステンレスからなり、入射されるレーザの受光面を鏡面仕上げして作成される。８は永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃの直下に配置された軟磁性材料から成るヨークであり、永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃから出た磁力線が矢印で示すようにミラー３、永久磁石４、ヨーク８の順に通ってそれぞれに戻るような磁気回路が形成されている。

従って、ミラー３は常時下方に吸引され、またこの吸引力により横方向にも動きを抑える力が働いて、ミラー収容部２に保持された状態になっている。９はヨーク８の直下に配置されたスペーサであり、その厚みを調整することにより、ミラー３に対する吸引力を調整できるようになっている。

１０はミラー３に起こる振動の減衰性を向上させるためのダンパであり、ミラー収容部２を構成するための壁１１とミラー３の間に挿入されている。

圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃは印加電圧を制御することにより、図において垂直方向の長さを変化できるものである。圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃの上部には非弾性のミラー支持部１２が設けられている。ミラー支持部１２は、球体の全体の約１／３程度の下部分を水平に切除した球体部材１３と、厚みを調整することにより球体部材１３の最上部の高さを調整できるようにするためのスペーサ１４とから成り、球体部材１３の切断面がスペーサ１４に接着されている。

なお、図４においては、円周方向の中心が互いに１２０度離れた永久磁石５ａと５ｂを、便宜上１８０度離れたように描いてある。永久磁石５ａ、５ｂのそれぞれのＮ極から出た磁力線は、矢印に示すようにミラー３、永久磁石４、ヨーク８の順に通ってそれぞれのＳ極に戻るようになっている。永久磁石５ｃのＮ極から出た磁力線についても同様である。

以上の構成により、ミラー３はミラー支持部１２の高さで決まる位置まで永久磁石により吸引された状態でミラー収容部２に収容され、裏面の３点にあるミラー支持部１２により点接触で支持されるようになっている。

ミラー支持部１２の各々の位置は、互いに１２０度間隔でミラー３の中心に外心がある正三角形の頂点位置に合致しており、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに与える電圧を変えて３つのミラー支持部１２の高さを変えることができるようにしてある。

これにより、ミラー３の中心を通るＨ軸（第１の回転軸）を中心にした回転角（回転量）α、Ｈ軸と直角方向のミラー３の中心を通るＶ軸（第２の回転軸）を中心にした回転角（回転量）βだけ回転させ、常時下方に吸引された状態のミラー３を任意の方向に任意の角度だけ傾斜させ、入射されてきた光を２次元方向の任意の位置へ反射させることができる。

図１は、以上の光照射ユニットの制御系を含めた光照射装置の概略ブロック図である。

図１において、１０１は光照射ユニット、１０２は加工動作全体の実行を制御するレーザ加工制御部である。レーザ加工制御部１０２は例えばプログラム制御の処理装置を中心にして構成され、その中の各構成要素や接続線は、論理的なものも含むものとする。また各構成要素の一部はこれと別個に設けられていてもよい。また、ここで説明するもの以外の制御機能を有し、図示されていないブロックにも接続されているものとする。

レーザ加工制御部１０２の内部には、図示していない被加工物のレーザ照射位置を指示して加工動作を遂行させるための加工プログラムが記憶されている加工プログラム記憶部１０３、加工プログラム記憶部１０３に記憶された加工プログラムに従って光照射ユニット１０１の動作を制御するためのＨ軸系レーザ照射制御部（回転量信号発生部）１０４Ｈ、Ｖ軸系レーザ照射制御部（回転量信号発生部）１０４Ｖが設けられている。

１０５ＨはＨ軸方向での回転角αを検出するＨ軸系角度検出部、１０５ＶはＶ軸方向での回転角βを検出するＶ軸系角度検出部である。Ｈ軸系角度検出部１０５Ｈ、Ｖ軸系角度検出部１０５Ｖは、ミラー３の上部から加工用のレーザとは別の光をミラー３に照射し、その反射光の位置を検出することによりＨ軸とＶ軸での回転角度位置を検出できるようになっている。

Ｈ軸系レーザ照射制御部１０４Ｈは、新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示された時、それに対応するＨ軸系角度指令に変換し、Ｈ軸系角度検出部１０５Ｈによる回転角度位置の検出値と比較し、回転すべきＨ軸方向での回転角αを指示する回転信号Ｈαを発生する。これにより、新たなレーザ照射位置を照射するために必要なＨ軸方向に対する回転信号Ｈαが得られるようになっている。

また、Ｖ軸系レーザ照射制御部１０４Ｖは、新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示された時、それに対応するＶ軸系角度指令に変換し、Ｖ軸系角度検出部１０５Ｖによる回転角度位置の検出値と比較し、回転すべきＶ軸方向での回転角βを指示する回転信号Ｖβを発生する。これにより、新たなレーザ照射位置を照射するために必要なＶ軸方向に対する回転信号Ｖβが得られるようになっている。

Ｈ軸系レーザ照射制御部１０４Ｈ、Ｖ軸系レーザ照射制御部１０４Ｖは、光照射ユニットが二つのガルバノミラーをそれぞれ直交する二つの回転軸、すなわち一般的にはＸ軸、Ｙ軸の方向に回転させる構造の場合であったとしても、前回の回転位置をスタート時点としてさらに回転すべきＸ軸、Ｙ軸の回転軸のそれぞれの回転角を指示する回転信号を発生できるものである。

１０６は回転信号Ｈα、Ｖβで指示されたＨ軸方向とＶ軸方向の回転角に基づき、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに与える電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を計算する駆動電圧発生部（駆動信号発生部）である。

この駆動電圧発生部１０６の内部には、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃは印加電圧に従って伸び縮みをするので、予め伸縮範囲の中間位置を動作原点とするためのバイアス電圧をそれぞれに印加するためのバイアス回路１０７が設けられている。

また駆動電圧発生部１０６の内部には、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃは電荷蓄積素子であるので、新たなレーザ照射位置に対応するために圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに与える電圧を減らす方向になった場合のため、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに蓄積された電荷をすみやかに放電するための放電回路１０８が設けられている。

図５は、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃのミラー３における配置位置を詳しく説明するための図である。Ｈ軸とＶ軸の交点がミラー３の中心Ｐ０と一致し、この中心Ｐ０に外心がある正三角形の頂点位置となるＰａ、Ｐｂ、Ｐｃに圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃが配置されている。

Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの各々と中心Ｐ０との距離をｒとすると、Ｈ軸からＰｂあるいはＰｃに垂線を結ぶと、その距離はそれぞれ√３・ｒ／２、また中心Ｐ０からＰｂとＰｃを結ぶ線に垂線を結ぶと、その距離はｒ／２である。

図６は、ミラー３をＨ軸方向に回転角αあるいはＶ軸方向に回転角βだけ回転させるために必要なＰａ、Ｐｂ、Ｐｃ各々での変位量を説明するための図である。

ミラー３をＨ軸方向に回転角αだけ回転させるためには、（ａ）に示すようにＰｂをＺｂ、Ｐｃを－Ｚｃだけ変位させればよい。ここで回転角αが小さければ、Ｚｂ＝√３・ｒ／２・α、－Ｚｃ＝√３・ｒ／２・αと近似できる。

また、ミラー３をＶ軸方向に回転角βだけ回転させるためには、（ｂ）に示すようにＰａを－Ｚａ、ＰｂとＰｃを共にＺbcだけ変位させればよい。ここで回転角βが小さければ、－Ｚａ＝－ｒ・β、Ｚｂｃ＝ｒ／２・βと近似できる。

なお、これら計算式でのαとβは、角度をラジアンで表した数値であるものとし、以下の計算式でも同様とする。

従って、図６に示すようにミラー３をＨ軸方向に回転角α、同時にＶ軸方向に回転角βだけ回転させる場合には、ＰａはＺａ、ＰｂはＺｂ＋Ｚbc、Ｐｃは－Ｚｃ＋Ｚbc変位させればよく、ここで回転角α、βが小さければ、それぞれ以下のように近似できる。

Ｐａは－ｒ・β、ＰｂはＺｂ＋Ｚbc＝√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β、Ｐｃは－Ｚｃ＋Ｚbc＝－√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β。

駆動電圧発生部１０６は回転信号Ｈα、Ｖβで指示された回転角α、βに基づき、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの上記変位に比例する電圧を圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに与える電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を計算して算出する。

すなわち、Ｖ１＝Ｖ０－ｒ・β・ｋ、Ｖ２＝Ｖ０＋（Ｚｂ＋Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋ、Ｖ３＝Ｖ０＋（－Ｚｃ＋Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（－√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋとなる。

なお、これら計算式でのＶ０は前述のバイアス電圧、ｋは定数であり、以下の計算式でも同様とする。

駆動電圧発生部１０６は、Ｈ軸系レーザ照射制御部１０４ＨとＶ軸系レーザ照射制御部１０４Ｖから新たな回転信号Ｈα、Ｖβが来るまで、上記で説明した電圧を圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃに与えるようになっている。従って、ミラー３のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃの位置は、新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示されるまでは変位せず、新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示されたら、その位置をスタート位置として変位するようになっている。

以上の実施例においては、光照射ユニットとして、一枚の円形ミラーを反射面に設定される正三角形の頂点位置の各々を駆動して互いに直交する二つの回転軸で回転させるようにしたものを用い、新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示される毎に前回の回転位置をスタート時点としてさらに回転すべき二つの回転軸の回転角に基づき駆動部の駆動量に応じた駆動信号を計算するようにしている。

従って、以上の実施例によれば、レーザ照射位置毎に各駆動部の駆動量を制御する情報を予めテーブル情報として記憶させておく必要がなくなる。また、加工位置が変わった被加工物を加工することになった場合にも、各駆動部の駆動量を制御する情報の新たなテーブル情報は不要であり、極めて利便性のあるシステムとなる。

さらに新たなレーザ照射位置が加工プログラムから指示された時、現在の照射位置をスタート時点としてミラーの回転動作を行えばよいので、照射動作の高速化を実現できる。

なお、以上の実施例において、Ｈ軸方向の回転角αとＶ軸方向の回転角βの回転方向は、上記の場合と逆方向でも光照射装置として構築できる。

すなわち、圧電素子６ａ、６ｂ、６ｃを駆動するための電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、Ｈ軸だけ反対方向にする場合には、Ｖ１＝Ｖ０－ｒ・β・ｋ、Ｖ２＝Ｖ０＋（－Ｚｂ＋Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（－√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋ、Ｖ３＝Ｖ０＋（Ｚｃ＋Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋとすればよい。

またＶ軸だけ反対方向にする場合には、Ｖ１＝Ｖ０＋ｒ・β・ｋ、Ｖ２＝Ｖ０＋（Ｚｂ－Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（√３・ｒ／２・α－ｒ／２・β）・ｋ、Ｖ３＝Ｖ０＋（－Ｚｃ－Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（－√３・ｒ／２・α－ｒ／２・β）・ｋとすればよい。

さらにＨ軸とＶ軸の両方の軸とも反対方向にする場合には、Ｖ１＝Ｖ０＋ｒ・β・ｋ、Ｖ２＝Ｖ０＋（－Ｚｂ－Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（－√３・ｒ／２・α－ｒ／２・β）・ｋ、Ｖ３＝Ｖ０＋（Ｚｃ－Ｚbc）・ｋ＝Ｖ０＋（√３・ｒ／２・α－ｒ／２・β）・ｋとすればよい。

１：台座２：ミラー収容部３：ミラー４、５ａ、５ｂ、５ｃ：永久磁石
６ａ、６ｂ、６ｃ：圧電素子８：ヨーク
９、１４：スペーサ１０：ダンパ１２：ミラー支持部１３：球体部材
１０１：光照射ユニット１０２：レーザ加工制御部
１０３：加工プログラム記憶部１０４Ｈ：Ｈ軸系レーザ照射制御部
１０４Ｖ：Ｖ軸系レーザ照射制御部１０５Ｈ：Ｈ軸系角度検出部
１０５Ｖ：Ｖ軸系角度検出部１０６：駆動電圧発生部１０７：バイアス回路
１０８：放電回路

Claims

入射された光を反射させる反射面を有する光反射部材と前記反射面に設定される正三角形の頂点位置の各々を駆動する駆動部とを備える光照射ユニットを有し、レーザ加工装置に搭載される光照射装置であって、
前記光照射ユニットは、前記頂点位置の一つと前記正三角形の外心とを結ぶ線を第１の回転軸、また当該第１の回転軸と直交し前記正三角形の外心を通る線を第２の回転軸とした場合に前記駆動部の各々を動作させることにより前記光反射部材を前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の方向にそれぞれ回転させ前記光反射部材に入射された光を任意の位置に照射するようにしたものであり、
前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転角度位置をそれぞれ検出する角度検出部と、
前記レーザ加工装置の加工プログラムから、被加工物の新たなレーザ照射位置が指示された時に、前回の回転位置からさらに回転すべき前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転量を指示する回転信号を発生する回転量信号発生部と、
当該回転量信号発生部が発生した前記回転信号に基づいて前記駆動部の各々の駆動量に応じた駆動信号を計算して出力する駆動信号発生部と、を備え、
前記回転量信号発生部は、
前記被加工物の新たなレーザ照射位置を前記第１の回転軸および前記第２の回転軸のそれぞれの回転角度位置である角度指令に変換し、
前記角度指令と、前記角度検出部により検出された前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転角度位置との差分を算出し、
算出した前記差分に基づいて前記回転信号を発生する、
光照射装置。
請求項１に記載の光照射装置において、
前記駆動信号発生部は、
前記駆動部のそれぞれにバイアス電圧Ｖ０を印加するためのバイアス回路を備え、
前記正三角形の外心と前記頂点位置間の距離ｒ及び前記回転量に基づいて前記駆動信号を計算して出力するものであり、
前記回転量が、前記第１回転軸方向への回転角α、第２軸方向への回転角βである場合、
前記駆動信号として、前記第１回転軸上に配置される前記駆動部に与える電圧Ｖ１、前記第１回転軸を挟んで両側に配置される前記駆動部のそれぞれに与える電圧Ｖ２，Ｖ３を、下記式（１）～（３）から算出する、
光照射装置。
Ｖ１＝Ｖ０－ｒ・β・ｋ・・・（１）
Ｖ２＝Ｖ０＋（√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋ・・・（２）
Ｖ３＝Ｖ０＋（－√３・ｒ／２・α＋ｒ／２・β）・ｋ・・・（３）
（各式中、ｋは定数である）
請求項１または２に記載の光照射装置において、
前記角度検出部は、前記光反射部材の上部から、前記光照射ユニットによって任意の位置に照射される光とは別の光を前記光反射板に照射し、その反射光の位置から前記第１の回転軸および前記第２の回転軸の回転量をそれぞれ検出するものであり、
当該角度検出部からの信号により前記回転量信号発生をフィードバック制御する、
光照射装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の光照射装置において、
前記駆動部の各々は圧電素子による駆動を行うものであり、前記駆動信号発生部には前記圧電素子に蓄積された静電容量を前記圧電素子の駆動時において放電させる回路が付加されている、
光照射装置。