IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 国立大学法人東京工業大学の特許一覧 ▶ ビアメカニクス株式会社の特許一覧

<>
  • 特許-光照射装置 図1
  • 特許-光照射装置 図2
  • 特許-光照射装置 図3
  • 特許-光照射装置 図4
  • 特許-光照射装置 図5
  • 特許-光照射装置 図6
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-10
(45)【発行日】2023-08-21
(54)【発明の名称】光照射装置
(51)【国際特許分類】
   G02B 26/08 20060101AFI20230814BHJP
【FI】
G02B26/08 E
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2019150460
(22)【出願日】2019-08-20
(65)【公開番号】P2021032957
(43)【公開日】2021-03-01
【審査請求日】2022-03-04
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000233332
【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】進士 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】李 黎川
(72)【発明者】
【氏名】鍾 建朋
(72)【発明者】
【氏名】小田 光一
(72)【発明者】
【氏名】大久保 弥市
(72)【発明者】
【氏名】北村 幸之助
【審査官】横井 亜矢子
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第108205193(CN,A)
【文献】特開昭63-298208(JP,A)
【文献】特開2018-185352(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2004/0257686(US,A1)
【文献】特開平04-334982(JP,A)
【文献】特開2016-010819(JP,A)
【文献】特開2000-049408(JP,A)
【文献】西独国特許出願公開第03503586(DE,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B 26/00-26/08
G02B 7/00,7/18-7/24
B23K 26/00-26/70
JSTPlus/JMEDPlus/JST7580(JDreamIII)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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2】
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3】
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4】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2018-185352号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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
【発明の効果】
【0010】
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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】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。
図2】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3図2におけるA-A断面図である。
図4】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。
図5】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。
図6】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。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【符号の説明】
【0051】
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
図1
図2
図3
図4
図5
図6