JP2011240403A

JP2011240403A - 自走式ガルバノスキャナを搭載したレーザ加工機

Info

Publication number: JP2011240403A
Application number: JP2010130472A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Hasegawa; 明伸長谷川; Shyr Cherng Kuo; 時誠郭
Original assignee: AFLAIR Inc
Current assignee: AFLAIR Inc
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】ガルバノスキャナによるレーザ加工を行う際、レーザの集光径を小さく保ったまま加工範囲の拡大を可能とする。
【解決手段】従来の固定されたガルバノスキャナを用いた加工範囲は限定的であったが、レーザ装置に搭載されたガルバノスキャナを装置内で自走させることにより、従来の加工範囲を広げ、より応用力のある加工技術開発を可能とする。
ガルバノスキャナ２０が稼動範囲２Ｌ内を高速移動し、指定位置での静止加工、および自走しながら加工を行うことにより、ガルバノスキャナの持つ加工能力を拡大する。
【選択図】図５

Description

ガルバノスキャナが装置内で自走することが可能な機構を持つレーザ加工機に関する。

ガルバノスキャナを用いたレーザ加工機は印字、穴あけ用途等で数多く採用されているが、通常、ガルバノスキャナはレーザ装置に固定されておりレーザの加工は、スキャナの走査範囲の中でのみ行われている。スキャナの走査範囲はレンズの集光距離により決定されるが、加工エリアを拡大するためには、長焦点レンズを使用し、スキャナの走査範囲を拡大する必要がある。または、加工対象物をＸＹステージ等により前後、左右に移動させる方法が考えられる。

図１に示すガルバノスキャナを用いた加工はレーザ光を高速に走査させることにより、付加価値の高い加工をおこなうことが可能となるが、ガルバノスキャナによる加工には１１ａおよび１１ｂに示すスキャンミラーの稼動範囲に起因して捜査範囲に制限が出てくる。走査範囲を超えた加工を行うことは出来ず、加工範囲は１２の枠内のみとなり、加工対象物がこの範囲を超えた場合、スキャナでレーザ走査を行うことは出来ない。

ガルバノスキャナを用いたレーザ加工は、レーザ光が反射される２枚のミラー１１ａ、１１ｂの角度を変化させることによりレーザ光の走査制御を行うが、走査可能な範囲は、使用する集光レンズ１１ｃの焦点距離に依存する。
加工範囲を拡大する手段として焦点距離の長い集光レンズを使用する方法が考えられるが、レーザ光の集光は焦点距離が長くなる程、集光点における集光径が大きくなる特性があり、集光径が大きくなると集光点におけるレーザのエネルギー密度が低下する。高密度エネルギーでの加工は、レーザ加工の最大の特徴であるが、そのエネルギー密度が低下することは、レーザ加工の優位性を失うこととなる。

また、集光レンズの焦点距離が長くなると、ミラー角度制御により１点から走査されるレーザ光は、位置決め割り出し分解能力の最小値が拡大し、位置決め精度及び繰返し精度が低下する。

ＸＹステージ等で加工対象物を移動させ加工範囲を分割することにより、長焦点レンズを使用することなく広範囲でのレーザ加工が可能となるが、レーザ走査及びＸＹステージの制御は別々となるため、プログラムが複雑になり、加工範囲の分割部はレーザ光の走査も分割されるため高精度の加工を行うことは困難となる。加えて、加工対象物全域の加工範囲を確保するためには加工対象物の２倍の大きさの加工ステージが必要となる。

本発明はガルバノスキャナを使用した高速加工を、現状での加工範囲を超える対象物に対して利用可能とするため、ガルバノスキャナ本体２０をレーザ装置内で移動させ、位置決めを可能とすることを主要な特徴とする。

ガルバノスキャナ本体は、レーザ装置内のボールネジ、モータ、ＬＭガイド等の移動、位置決め装置、およびレーザ導光機器により構成されるマウント上に搭載され、前後または左右に高速移動、位置決めを行う機構を備えることを特徴とするレーザ加工装置である。

スキャナ本体がレーザ装置内を移動する際、導光機器によりレーザ光は常にスキャナ本体に追随し、いかなる位置においても同品質のレーザ光の出力を可能とすることを特徴としている。

ガルバノミラーによるレーザ光の走査制御及びガルバノスキャナユニット本体の移動、位置決めは単一のソフトウエアにて同時に制御を行なうことを特徴としている。

ガルバノスキャナ本体は自走可能な加工範囲内において、加工形状を自由に設定することを可能とする。設定した加工形状は、ソフトウエアにより自動分割され実現されることを特徴としている。

ガルバノスキャナが自走し指定位置にて加工を行う際、それぞれの対象物ごとに加工範囲の中心点を任意に設定可能であるため、図形を分割することなく形状毎の加工が可能であることを特徴としている。

ガルバノスキャナの自走を停止させることなく加工を行うことにより加工範囲を分割することなく拡大できることを特徴としている。

レーザ加工の特徴である高エネルギー密度を維持したままで、広い加工範囲を確保することが可能となる。

レーザを走査するスキャナとガルバノスキャナ本体の移動、位置決め制御を単一のソフトウエアで行うことにより、対象物ごとに加工中心点を設定することが可能となり、加工エリアを分割する際に発生する図形の分割に起因する品質低下を回避することが可能となる。

単一ソフトウエアで制御されるスキャナミラー及びガルバノスキャナ本体は相互の動作を同期させることにより、ガルバノスキャナ本体の自走を停止させずに指定された加工を行うことが可能となり、加工範囲を分割することなく加工範囲を拡大することが可能となる。

ガルバノスキャナを自走させながら加工を行う際、自走速度は搭載されたエンコーダーにより検出され、ソフトウエアはその速度に応じてスキャナミラーの制御を行う。自走速度に応じて走査軌跡を制御することにより、静止状態に於ける走査軌跡と同様のレーザ走査が可能となる。

ガルバノスキャナの原理自走式ガルバノスキャナを搭載したレーザ加工機外観図ガルバノスキャナ自走の際の光路長の変化ガルバノスキャナ自走及びレーザ光路長制御機構ガルバノスキャナの自走を伴う流れ加工ガルバノスキャナ単体の走査範囲とＸ軸、Ｙ軸を加えた走査範囲ガルバノスキャナ捜査範囲分割による、加工対象物の分割ガルバノスキャナ中心点を任意の位置に設定することにより可能となる無分割加工

以下、本実施形態によるレーザ加工機は、図２に示すようにレーザ本体２に搭載されたガルバノスキャナ２０が、装置内の移動可能範囲２ａ及び２ｂを自走することにより、ガルバノスキャナ２０単体が可能な加工範囲の拡大を可能とする。

ガルバノスキャナ２０が装置内で自走する際に発生するレーザ光の光路長の変化を図３に示す。レーザ光は、ミラー３２に入力され９０度折り返されたのちミラー３１、３０を介してガルバノスキャナ２０に到達する。
ミラー３２に入力されるまでのレーザ光路Ｌが固定される場合、ガルバノスキャナ２０が可動範囲２Ｌ内を移動する際、ミラー３１、３０間の距離が変化し、結果、光路長２４はガルバノスキャナ２０の位置により変化することとなる。
ガルバノスキャナ２０の移動に伴う光路長の変化によって、レーザ光が持つ光の拡散角に起因したビーム径変化が生じる。

図４に示す機構は、装置内のレーザ光路長をガルバノスキャナ本体２０がいかなる位置においても一定に保つことが可能となる機構である。
ミラー３１、３２から構成されるレーザ光折り返しユニット３３は、Ｌの範囲内で可動可能となっておりガルバノスキャナ２０本体の移動、位置決めに使用される第１ボールネジ２２０および駆動装置２１０とは別系統の第２ボールネジ２１１、及び第２駆動装置２２１により駆動、位置決め制御される。
レーザ光路Ｌをガルバノスキャナ移動範囲２Ｌ内の位置に基づき、変化させることによりレーザ光路長を一定に保つことが可能となる。
ガルバノスキャナ２０が左方向に移動した場合、図４に示すｂの値が減少するが、それに対応して折り返しユニット３３の位置を示すａの値はｂの移動量の１／２増加しＬの光路長値はＬ−ａとなる。折り返しユニット３３は２枚のミラーの位置制御を行う事によりガルバノスキャナ２０の移動量の半分の移動量で光路長の維持が可能となるため、ガルバノスキャナ２０の高速移動にも容易に追随することが可能である。この機構により、ガルバノスキャナ２０がいかなる状況においても同一の径でレーザ光を出力することが可能となる。

図５に示すのはガルバノスキャナ２０がレーザ装置内で移動する際、その動作を停止させることなく自走しながらの加工を可能とする特徴を示す。
ガルバノスキャナ２０がＣ位置からＤ位置まで移動する際、走査されるレーザ光２４は停止することなくガルバノスキャナ２０の動きに同期して制御される。

ガルバノスキャナ２０がボールネジ２１０で移動、位置決めされるＸ軸、またはボールネジ２１２で移動、位置決めされるＹ軸を静止せずに移動しながら加工を行うことで２３に示すような固定されたガルバノスキャナの加工範囲を超え分割のない広範囲な領域の加工を可能にする。

Ｘ軸及びＹ軸上で移動可能な範囲が装置の加工範囲となり、その範囲内でガルバノスキャナ本体を停止させ加工を行う場合、加工範囲全域はガルバノスキャナ本体が持つ加工範囲で自動分割される。図６にガルバノスキャナ単体の走査範囲とＸ軸、Ｙ軸を加えた走査範囲を示す。

加工範囲の分割部分に加工対象物が存在する場合、図７で示すようにＢおよびＣの文字は加工範囲の中に収まるが、ＡとＤは２つの加工範囲を跨いでしまい２つの加工に分割されてしまう。加工を行う場所により、切れ目のない加工を行うことは困難となる場合がある。各加工範囲の中心点を任意の位置に設定することにより常に加工範囲の中心で加工を行うことが可能となり分割のない加工が可能となる。

また、図５で示すガルバノスキャナ本体を自走させながら加工を行う事により同様に分割のない加工を行うことが可能となる。

上記の機構を持つガルバノスキャナを搭載したレーザ加工機は、切断、穴あけ、溶接、印字、刻印、熱処理等の加工を行うことが可能であると思われる。

加工範囲の制限がないことにより、ガルバノスキャナによる加工が困難であった大型対象物の加工が可能になると思われる。

ガルバノスキャナ本体が移動する方向に対し直交方向に流れるロール状の加工対象物をロールの送りを停止させることなく連続でレーザ加工が可能となる。

１レーザ発振器
１１ａガルバノミラー１
１１ｂガルバノミラー２
１１ｃ集光レンズ
１２レーザ操作範囲（加工範囲）
２レーザ装置
２０ガルバノスキャナ
２ａガルバノスキャナ移動範囲
２ｂガルバノスキャナ移動範囲
２３ガルバノスキャナの自走を伴う加工
２４レーザ光
２５ガルバノスキャナ自走により拡大した加工範囲
２６加工範囲の中心点
２１０第１ボールねじ
２１１第２ボールねじ
２２０第１駆動装置
２２１第２駆動装置
３０折り返しミラー
３１折り返しミラー
３２折り返しミラー
ａ折り返しユニット座標
ｂガルバノスキャナ座標
Ｃガルバノスキャナ位置Ｃ
Ｄガルバノスキャナ位置Ｄ
Ｌレーザ光路長１
２Ｌレーザ光路長２
Ｌ−ａレーザ光路長調整座標

Claims

レーザ装置に装着されたガルバノスキャナ本体をレーザ装置内で自走させることにより、ガルバノスキャナ単体で可能なレーザ光の走査範囲を大きく拡大し、同時にレーザ加工範囲を大幅に拡大することを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ装置内に装備された移動、位置決め装置上にガルバノスキャナ及びレーザ導光装置を備え、高速に前後または左右方向に水平移動可能な機構を備えたレーザ加工装置。
ガルバノスキャナ単体の走査範囲をガルバノスキャナ本体が自走することで、より広範囲においてレーザ加工を行うことができ、単一のソフトウエアにより同時にすべての制御を可能とする特徴を備えたレーザ加工装置。
前後または左右方向にガルバノスキャナが水平移動する際、ガルバノスキャナ本体を指定の位置に静止させた状態において、スキャナミラーのみでレーザ光を走査させ加工を行う方法に加え、ガルバノスキャナ本体を移動させながらスキャナミラーを制御することにより、移動範囲全体を分割することなくレーザ加工を行なう事が可能な特徴を備えたレーザ加工装置。