KR100270789B1 - 레이저빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기 - Google Patents

레이저빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기 Download PDF

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Abstract

콜리메이숀 미러를 쉽고 정밀도 좋게 이상적인 포물면(parabolic surface)을 갖도록 변화시킬 수가 있게 된 레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 피가공물을 항상 일정한 에너지 밀도에서 고정밀도로 가공할 수 있도록 된 레이저 가공기를 제공한다.
콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 미러 홀더(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 미러 홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지하고 액츄에이터(17)의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였다.
냉각판(40)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분을 간접적으로 냉각하도록 하였다.

Description

레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기
본 발명은 레이저 빔 콜리메이숀 장치(콜리메이터) 및 이를 사용한 레이저 가공기에 관한 것으로, 특히 레이저 림의 광로중에 배치된 반사경의 곡률을 제어함으로써 레이저 빔의 빔직경 및 초점위치를 제어 가능한 콜리메이숀 장치 및 이를 사용하는 레이저 가공기에 관한 것이다.
종래로부터 예를 들어 평판상의 피가공물을 절단하는 가공장치의 하나에 레이저 가공기가 있다.
이 레이저 가공기에는 일반적으로 레이저 발진기로부터 가공헤드내의 레이저 빔 집광용의 렌즈까지의 광로 길이가 일정한 광축 고정방식과, 레이저 발진기로 부터 가공헤드내의 레이저 빔 집광용 렌즈까지의 광로 길이가 가공중에 변화하는 광주사방식이 있다.
광주사방식의 레이저 가공기에서는, 레이저 발진기로부터 집광렌즈까지의 광로길이가 일정하지 않으므로, 그 집광용 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 빔직경이 변화하고, 그로 인해 집광위치에서의 빔직경이 일정하게 되지 않고, 피가공물의 철단면에 악영향을 미칠 염려가 있다.
그런데, 가공중의 집광용 렌즈로의 입사 레이저 빔의 빔직경을 일정하게 유지하기 위해 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 광축에 대해 발산 및 수렴하는 일없이 진행하는 콜리메이트 광으로 변환해서 집광용 렌즈에 입사시키도록 한 광주사방식의 레이저 가공기가 개발되어 있다.
일본국 특개평 1-166894호 공보에는 레이저 빔을 콜리메이트 광으로 변환하는 콜리메이숀 장치를 구비한 레이저 가공기에 관해 개시되어 있다.
제14도에 일본국 특개평 1-166894호 공보에 개시된 레이저 가공기의 구성을 표시한다.
이 종래의 레이저 가공기는 레이저의 여기매질(2)을 전 반사경(3)과 부분 반사경(4)으로 끼움으로써 광공진기를 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 방향을 90도 변환시키는 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 곡률을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15), 가공헤드(8)내의 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔직경을 검출하는 빔직경 검출기구(13), NC(Numerical Control:수치제어)장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동제어되는 구동기구(도시생략)를 구비하고 있다.
콜리메이숀 장치(6B)내에는 곡률(R)을 변환 가능하게 한 콜리메이숀 미러(11) 및 수차를 억제하기 위해 작은 각도로 콜리메이숀 미러(11)에 레이저 빔(5a)을 입사시키기 위한 평면경(12)이 설치되어 있다.
콜리메이숀 미러(11)의 곡률은 콜리메이숀 제어장치(15)에 의해 생성되고 출력되는 제어신호(S16)에 따라 제어된다.
전 반사경(3) 및 부분 반사경(4)으로 된 광공진기 내부에서 레이저 공진이 일어나면 그 일부는 부분반사경(4)으로부터 레이저 발진기(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 피가공물(10)에 조사된다.
피가공물(10)상에 집광되어 조사된 레이저 빔은 NC장치(14)로 제어되는 구동기구(도시않음)에 의해 피가공물(10)위를 임의로 이동하고 피가공물(10)을 소망하는 형상으로 가공한다.
또, 가공중에는 빔직경 검출기구(13)에 의해 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔직경이 검출된다.
그리고 NC장치(14)에서 그 검출된 빔직경이 소망하는 직경으로 되어 있는지를 판단하고, 검출된 빔직경이 소망하는 직경으로 되어 있지 않은 경우에는 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 콜리메이숀 장치(6B)에 제어신호(S16)가 송출된다.
이로써 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔직경이 소망하는 직경으로 되도록 콜리메이숀 미러(11)의 곡률(R)이 변경된다.
제15도에는 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 미러 홀더(18A)에 의해 구성되어 있다.
콜리메이숀 제어장치(15)(제14도 참조)로부터 액츄에이터(17)에 신호선(16)을 통해 구동제어신호(S16)가 보내져 오면 액츄에이터(17)는 그 구동제어신호(S16)에 따른 힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 뒷면을 누른다.
이로써 미러 홀더(18A)에 그 주연이 고정된 콜리메이숀 미러(11)는 변형되고, 그 곡률이 변화된다.
여기서, 제15도에 표시하는 바와 같이 원반상의 콜리메이숀 미러(11)를 그 주연을 고정하고, 중앙부를 하중 P로 눌렀을 때의 임의의 반경 r에서의 휘어지는 량 W는 미러 유효반경을 a, 판의 굴곡합성을 D로 표시하면 다음 (1)식으로 표시된다.
[수학식 1]
이 (1)식에서 분명한 바와 같이 반경 r에서의 휘어지는 량 W는 반경 r의 2차 함수로 되어 있지 않다.
또, 일본국 특개평 1-166894호에는 콜리메이숀 미러(11)의 배면에 가해지는 기체(또는 액체)의 압력을 변화시킴으로써 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 변화시키도록 하고 있다.
그러나 상기 종래의 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 변화시킬 수는 있으나 콜리메이숀 미러(11)의 주연이 미러 홀더(18A)에 고정되어 있기 때문에 곡률을 변화시키는데 큰 힘이 필요하거나 콜리메이숀 미러(11)의 반사면이 이상적인 포물면으로 되지 않고(상기식(1) 참조), 레이저 빔의 집광성등이 저하되고, 피가공물(10)을 항상 일정상태로 가공할 수 없다는 문제점이 있다.
또, 액츄에이터(17)에 피에조 소자를 사용했을 때 피에조 소자로는 누르는 방향의 힘밖에 얻을 수 없으므로, 단순히 콜리메이숀 미러(11)의 배면을 누를 수 밖에 없고, 콜리멩숀 미러(11)의 반사면을 볼록(凸)면경으로 변화시키는 것 밖에 할 수 없으며, 즉, 오목(요凹)면경으로 변화시킬 수가 없다는 문제점이 있다.
또, 콜리메이트 광(레이저 빔)의 입사에 기인하는 콜리메이숀 미러(11)의 열비틀림에(thermal distortion) 의한 빔직경의 변화를 가공헤드(8)내의 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔직경을 빔직경 검출기구(13)에 의해 검출함으로써 제어하는 상기 종래의 레이저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11)의 열비틀림에 의한 빔직경의 변화의 속도에 빔직경 검출기구(13)가 추종할 수 없이 집광렌즈(9)에 입사하는 콜리메이트 광(5b)의 빔직경을 상시 고정밀도로 일정하게 제어할 수 업다는 문제가 있다.
더 나아가서 가공헤드(8)에 고가인 빔직경 검출기구(13)를 부착하는 스페이스를 설치해야 하며 빔직경 검출기구(13)의 부착은 곤란하다.
본 발명은 이런 사정을 감안하여 된 것으로 콜리메이숀 미러를 쉽고 정밀도 높게 이상적인 포물면을 갖게 변화시킬 수 있도록 구성된 레이저 빔 콜리메이숀 장치 및 피가공물을 항상 일정한 에너지 밀도에서 고정밀도로 가공할 수 있도록 된 레이저 가공기를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
제1도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 1을 표시하는 단면도.
제2도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 1을 표시하는 부분확대 단면도.
제3도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 한 적용예인 레이저 가공기의 개략의 표시하는 블록도.
제4도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 2를 표시하는 단면도.
제5도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 2를 표시하는 부분 확대 단면도.
제6도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 2의 변형예를 표시하는 부분 확대 단면도.
제7도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 3을 표시하는 단면도.
제8도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 3을 표시하는 부분 확대 단면도.
제9도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 3의 변형예를 표시하는 부분 확대 단면도.
제10도는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 4를 표시하는 단면도.
제11도는 본 발명에 관한 레이저 가공기의 한 예의 개략을 표시하는 블록도.
제12도는 본 발명에 관한 레이저 가공기에서의 광로를 표시하는 개략도.
제13도는 본 발명에 관한 레이저 가공기의 다른 예의 개략을 표시하는 블록도.
제14도는 종래의 레이저 가공기의 개략을 표시하는 블록도.
제15도는 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 : 집광레즈 11, 11a, 11b : 콜리메이숀 미러
14a : 표시부(통지수단) 14b : 스피커(통지수단)
15 : 콜리메이숀 제어장치 17 : 액츄에이터(가압수단)
19 : 지지부(지지수단, 제1의 지지수단) 21 : 지지부(제2의 지지수단)
30 : 갭 센서(검출수단)
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 변경할 수 있도록 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 적은 힘으로 콜리메이숀 미러의 중심부분에서의 동일한 휘어지는 량을 얻을 수 있으므로 보다 적은 힘으로 콜리메이숀 미러를 소망하는 곡률의 반사면을 갖는 볼록(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 곡률을 변경할 수 있도록 변형 가능한 콜리메이숀 미러와 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 주연 또는 주연부근보다도 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 지지부위보다도 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 곡률의 곡면을 갖는 오목(凹)면경으로 변형시킬 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 곡률을 변화시킬 수 있도록 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 제1의 지지수단과, 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러의 반사면의 뒤쪽면의 상기 제1의 지지수단에 의한 지지부위보다도 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 곡률의 곡면을 갖는 볼록(凸)면경으로 변경시킬 수가 있다.
다음의 발명에 관한 레이저 가공기에서는 레이저 매질을 여기 함으로써 레이저 광을 출력하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 광을 광학적으로 집광시키는 가공헤드와, 상기 가공헤드에 의해 집광된 레이저 광의 위치와 피가공물과의 상대위치관계를 제어해서 소망하는 위치로 상기 가공헤드를 이동시키는 NC장치 및 구동기구로 구성되는 레이저 가공기에서 상기 레이저 발진기와 가공헤드 사이에 설치되고, 미러의 곡률을 변화시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용함으로써 가공헤드에서 집광된 레이저 빔을 가공에 적합하도록 빔직경과 집광위치를 능동적으로 변화시키는 것이다.
본 발명에 의하면 가공헤드에서 집광된 레이저 빔을 가공에 적합하도록 빔직경과 집광위치를 능동적으로 변화시키기 위해 레이저 발진기와 가공헤드사이에 설치된 미러의 곡률을 변화시키는 것이 가능한 콜리메이숀 기구를 사용한다.
[실시의 형태 1]
아래에 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 실시의 형태 1을 설명한다.
제3도에는 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 한 적용예인 레이저 가공기의 개략이 표시되어 있다.
이 레이저 가공기는 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(1), 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 변환시키는 평면 반사경(7) 및 이 평면 반사경(7)에 의해 반사된 콜리메이트 광(5b)이 입사되는 가공헤드(8)을 구비하고 있다.
콜리메이숀 장치(6)내에는 변환 가능한 곡률(R)을 갖는 콜리메이숀 미러(11) 및 수차를 억제하기 위해 작은 각도로 콜리메이숀 미러(11)에 레이저 빔(5a)을 입사시키기 위한 평명경(12)이 설치되어 있다.
그리고, 레이저 가공기는 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15)를 구비하고 있다.
이 콜리메이숀 제어장치(15)에 의해 생성되어 출력되는 제어신호(S16)에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 곡률이 변화된다.
가공헤드(8)에 입사한 콜리메이트 광(5b)는 그 헤드내의 집광렌즈(9)에 의해 집광되고 수렴하는 레이저 빔이 되어 피가공물(10)에 조사된다.
가공헤드(8)는 NC장치(14)에 의해 제어되는 구동기구(도시생략)에 의해 피가공물(10)상을 임의의 위치로 이동된다.
제1도에 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)을 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)(제3도 참조)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)(제3도 참조)로부터 송출되어온 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)가 구동됨으로써 콜리메이숀 미러(11)의 중앙부가 뒤쪽에서 눌려진다.
이로써 미러홀더(18)에 의해 주연 또는 주연부근이 앞쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는, 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출한 듯이 만곡되어서 곡률이 변화하게 된다.
미러홀더(18)의 콜리메이숀 미러(11)을 앞쪽에서 지지하는 지지부(19)는 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)등의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고 콜리메이숀 미러(11)를 단순지지하도록 되어 있다.
즉, 액츄에이터(17)등의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통과하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)와의 접촉부분의 형상이 환상인 경우에는 이 환상형상의 중심위치를 통과한다.
또는 액츄에이터(17)의 중심축(도시않음)이 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치를 통과하는 동시에 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)와의 접촉부분의 형상이 환상이 아닌 경우는, 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치를 통과하도록 미러홀더(18)의 지지부는 형성되고, 또 배치되어 있다.
그리고 콜리메이숀 미러(11)는 그 중심부가 미러홀더(18)의 뒤쪽에서 액츄에이터(17)등에 의해 지지되어 있는 동시에 그 주연 또는 주연부근의 앞쪽에서 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되어 있음으로써 미러홀더(18)에 고정되는 일없이 미러홀더(18)내에 보존되어 있다.
미러홀더(18)의 지지부(19)는 콜리메이숀 미러(11)에 예를 들면 환상으로 선접촉하도록 해도 되고 여러 곳에서 원호상으로 선접촉하도록 되어 있어도 되며, 적어도 3점에서 점접촉하도록 해도 된다.
액츄에이터(17)등은 특히 한정하지는 않으나 예를 들면 피에조 소자로 되어 있다.
피에조 소자는 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)등의 동작량을 미소하게 변화시키는데 적합하고 콜리메이숀 미러(11)의 이면을 정밀도 좋게 가압할 수 있기 때문이다.
제1도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다.
즉 액츄에이터(17)등은 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 송출된 제어신호(S16)를 받으면 구동을 개시해서 수신한 제어신호에 대응한 힘으로 제2도의 화살표로 표시하는 바와 같이 콜리메이숀 미러(11)의 중앙부를 뒤쪽에서 누른다.
이로써 콜리메이숀 미러(11)는 제2도에 표시한 바와 같이 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출하도록 만곡되고, 제어신호에 대응한 곡률을 갖는 볼록(凸)면경으로 변화한다.
이와 같이 콜리메이숀 미러(11)를 미러홀더(18)에 고정하지 않고 단순지지하는 구성으로 함으로써 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주변부가 고정된 구성의 것(제15도 참조)과 비교해서 적은 힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 중심부분에서의 같은 휘어지는 량을 얻을 수가 있다.
구체적으로는 제1도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러(11)를 종래의 구성의 것(제15도 참조)과 중심부분을 같은 만큼 휘게 하는데 필요로 하는 힘 F는 종래에 필요로 한 힘 F0에 대해 다음의 (2)식으로 표시된다.
단, υ는 포와슨 비(0＜υ＜0.5)이다.
[수학식 2]
여기서 상기 (2)식의 도출과정에 대해 설명한다.
최대로 휘어지는 량을 발생하는 중심부분의 휘어지는 량이 같을 때에 필요한 힘을 비교한다.
중심부분의 휘어지는 량을 비교하면 (2)식은 평판의 구부림에 대한 기지의 사실(일본;세이케마사이치로 저; 「공학기초재료역학」교리츠 출판 P.136~138/일본기계학계편; 「기계공학편란 기초편 A4 재료역학」 제5장 “평판의 구부림”)으로 부터 쉽게 도출이 가능하다.
원반상의 미러가 주변고정되어, 중심에 집중하중을 받았을 때에 얻어지는 임의의 반경 T에서의 휘어지는 량 W1은 하중을 Po, 미러유효반경 a, 판의 구부림 합성 D라고 하면 다음의 (3)식으로 표시된다.
[수학식 3]
상기 (3)식의 제2항은 r→0일 때 0으로 되므로 최대로 휘어지는 량이 얻어지는 중심의 휘어지는 량 W1max는 다음의 (4)식으로 표시된다.
[수학식 4]
다음에 동형상의 미러가 단순 지지되어서 중심에 집중 하중을 받았을 때 얻어지는 임의의 반경 r에서의 휘어지는 량은 하중을 P, 포와슨 비 υ, 기타의 기호를 상기 (1)식과 같다고 하면 다음의 (5)식이 성립된다.
[수학식 5]
또, 상기 (4)식과 같이 최대로 휘어지는 량이 얻어지는 중심의 휘어지는 량 W2max는 다음의 (6)식으로 표시된다.
[수학식 6]
여기서 W1max=W2max라고 하면 상기 (4)식, (6)식으로부터 다음의 (7)식이 성립되고, 상기 (2)식이 도출된다.
[수학식 7]
따라서 예를 들어 υ가 약 0.3인 동의 경우에는, 상기 (2)식으로부터 제1도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러(11)를 종래의 구성의 것(제15도 참조)과 중심부분을 같은 만큼 휘게 하는데는 종래 필요로 하는 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)등의 가압수단에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였으므로 종래와 같이 콜리메이숀 미러의 주연이 고정된 구성의 것(제15도 참조)과 비교해서 적은 힘으로 콜리메이숀 미러(11)의 중심부분에서의 같은 휘어짐량을 얻을 수 있으므로 보다 적은 힘으로 콜리메이숀 미러(11)를 소망하는 곡률의 반사면을 갖는 볼록(凸)면경으로 변형시킬 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 다른 장치에도 적용 가능하다는 것은 물론이다 (다른 실시의 형태에서도 같다).
[실시의 형태 2]
제4도에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 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 제2의 지지부(21)를 갖는 누름판(20), 그 누름판(20)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 액츄에이터(17)등의 가압수단, 이 가압수단과 누름판(20)과 콜리메이숀 미러(11)를 수납하는 케이스인 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 주연 근처 부분을 고정하는 일없이 앞쪽에서 단순 지지하는 제1의 지지부(19)를 갖는 미러홀더(18) 및 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 액츄에이터(17)등의 가압수단에 전달되는 액츄에이터(17)등의 구동 제어신호(S16)용의 신호선(16)으로 주로 구성된 콜리메이숀 미러부를 갖고 있다.
그리고, 신호선(16)을 통해서 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 송출된 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)등이 구동됨으로써 누름판(20)이 뒤쪽에서 눌려져서 앞쪽으로 이동하고, 누름판(20)의 제2의 지지부(21)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분이 뒤쪽에서 눌려진다.
이로써 미러홀더(18)의 제1의 지지부(19)에 의해 주연근처의 부분이 앞쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는 그 중앙부가 뒤쪽으로 움푹 패이도록 만곡되어 곡률이 변화하게 된다.
미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제2의 지지부(21)는 어느 것이나 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)등의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고 콜리메이숀 미러(11)를 단순지지 하도록 되어 있다.
즉, 액츄에이터(17)등의 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 통과하도록 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)와의 접촉부분의 형상이 환상이 아닌 경우에는 액츄에이터(17)등의 중심축(도시않음)은 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치 또는 누름판(20)의 지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 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 앞쪽으로부터 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 지지되어 있음으로써 미러홀더(18)에 고정되지 않고, 미러홀더(18)내에 보존되어 있다.
미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제2의 지지부(21)는 어느 것이나 콜리메이숀 미러(11)에 예를 들어 환상으로 선접촉하도록 되어도 좋고, 여러 개소에서 원호상으로 선접촉하도록 되어도 되며 적어도 3점에서 점접촉하도록 되어 있어도 된다.
액츄에이터(17)등은 특히 한정하지 않으나 상기 실시의 형태 1과 같이 피에조소자로 되어 있다.
피에조소자를 사용함으로써 누름판(20)의 이면을 정밀도 좋게 가압할 수 있고 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 정밀도 좋게 제어할 수가 있기 때문이다.
또, 제4도에 표시하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치까지의 거리를 계측하는 갭센서(30)가 받침(30a)에 의해 부착되어 있다.
이 예에서 사용 가능한 센서로서 와전류식의 센서나 정전용량식의 센서를 들 수가 있다.
이 갭센서(30)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치까지의 거리를 계측해서 이를 콜리메이숀 미러(11)의 곡률 제어기구에 피드백함으로써 항상 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 적정하게 유지하고, 집광렌즈(9)에 의해 집광된 레이저 빔의 빔직경과 집광위치를 극히 고정밀도로 일정하게 유지하는 것이 가능해진다.
여기서 갭센서(30)는 콜리메이숀 미러(11)의 변형량을 검출하는 검출수단으로서의 기능을 갖고 있다.
또, 제4도 중 부호(31)로 표시한 것은 갭센서(30)의 검출신호를 전달하는 신호선이다.
제4도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다.
즉, 액츄에이터(17)등은 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 송출된 제어신호(S16)를 수신하면 구동을 개시하고, 이 수신된 제어신호에 대응한 힘으로 제5도 화살표로 표시하는 바와 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 제5도에 표시하는 바와 같이 그 중앙부가 뒤쪽으로 움푹해지도록 만곡되고, 제어신호에 대응한 소망하는 곡률을 갖는 오목(凹)면경으로 변화한다.
여기서 누름판(20)의 지지부(21)의 반경을 b(지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)의 접촉부분의 형상이 환상이라고 가정한 경우) 하중을 P, 미러 유효반경을 a, 포와슨비를 υ 및 판의 구부림합성을 D로 표시하면 콜리메이숀 미러(11)의 중심위치로부터 임의의 반경 r에서의 휘어지는 량 W는 다음의 (8)식으로 표시된다.
[수학식 8]
상기 (8)식의 도출과정에 대해서는 평판의 구부림에 대한 기지의 사실(일본기계학회편; 「기계공학편람 기초편 A4 재료역학」 제5장 “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 포물면을 이루는 오목(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 변화시킴으로써 콜리메이숀 미러(11)의 곡률변화의 범위를 변경시킬 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)등의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였으므로 콜리메이숀 미러(11)를 원하는 곡률을 갖는 오목(凹)면경으로 변경시킬 수가 있다.
또, 상기 실시의 형태 2에서는 콜리메이숀 미러(11)는 액츄에이터(17)등의 가압수단에 의한 하중이 작용하고 있지 않은 초기상태에서 원반상의 평판으로 되고, 제5도에 표시하는 바와 같이 액츄에이터(17)등의 구동에 의해 오목(凹)면경으로 변화한다고 하였으나 이에 한하지 않고, 제6도에 실선으로 표시하는 바와 같이 초기상태에서 볼록(凸)면경으로 되어 있고, 액츄에이터(17)의 구동에 의해 2점쇄선으로 표시한 오목(凹)면경으로 변화하도록 해도 된다.
이렇게 하면 콜리메이숀 미러(11)를 볼록(凸)면경으로부터 오목(凹)면경까지의 넓은 곡률범위로 임의로 변화시킬 수가 있기 때문에 이를 사용한 레이저 가공기에서는 보다 넓은 범위에서 레이저 빔의 집광성등의 저하를 방지할 수 있으므로 피가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
[실시의 형태 3]
제7도에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 3을 표시한다.
이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 원반상의 평판으로 되는 콜리메이숀 미러(11), 이 콜리메이숀 미러(11)의 주연보다도 중심쪽의 위치를 고정하는 일없이 뒤쪽에서 단순 지지하는 제2의 지지부(21)를 갖는 누름판(20), 이 누름판(20)의 이면 중앙부를 뒤쪽에서 가압하는 피에조 소자등으로 되는 액츄에이터(17)등의 가압수단, 이 가압수단과 누름판(20)과 콜리메이숀 미러(11)를 수납하는 케이스인 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근(제2의 지지부(21)의 지지부위보다도 외측의 위치)을 고정하지 않고 앞쪽에서 단순 지지하는 제1의 지지부(19)를 갖는 미러홀더(18) 및 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 액츄에이터(17)등의 가압수단에 전달되는 액츄에이터(17)등의 구동제어신호(S16)용의 신호선(16)으로 주로 구성되는 콜리메이숀 미러부를 갖고 있다.
그리고, 신호선(16)을 통해서 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)로부터 송출된 제어신호(S16)에 따라 액츄에이터(17)등이 구동됨으로써 누름판(20)이 뒤쪽에서 눌려져서 앞쪽으로 이동하고, 누름판(20)의 제2의 지지부(21)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 주연보다도 중심쪽 부분이 뒤쪽에서 눌려진다.
이로써 미러홀더(18)의 제1의 지지부(19)에 의해 주연 또는 주연부근의 부분이 앞쪽에서 지지된 콜리메이숀 미러(11)는 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출하도록 만곡해서 곡률이 변화하게 된다.
상기 실시의 형태 2와 같이 미러홀더(18)의 제1의 지지부(19) 및 누름판(20)의 제2의 지지부(21)는 어느 것이나 원반상의 콜리메이숀 미러(11) 및 액츄에이터(17)등의 다른 구성요소와 동심원을 이루도록 형성되어 있고, 콜리메이숀 미러(11)를 단순지지하도록 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)와 콜리메이숀 미러(11)와의 접촉부분의 형상이 환상인 경우)를 통과하도록 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)와의 접촉부분의 형상이 환상이 아닌 경우에는 액츄에이터(17)등의 중심축(도시않음)은 미러홀더(18)의 지지부(19)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치 또는 누름판(20)의 지지부(21)와 콜리메이숀 미러(11)와의 전 접촉부분에 외접하는 원의 중심위치를 통과하도록 되어 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 있으므로써 미러홀더(18)에 고정되는 일없이 미러홀더(18)내에 보존되어 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 예를 들면 환상으로 선접촉하도록 되어 있고, 여러 곳에 원호상으로 선접촉하도록 되어 있어도 되며, 적어도 3점에서 점접촉하도록 되어 있어도 된다.
또, 제7도에 표시하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치에서는 상기 실시의 형태 2와 같이 와전류식이나 정전용량식의 갭센서(30)가 받침(30a)에 의해 부착되어 있고, 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중심위치까지의 거리를 계측해서 이를 콜리메이숀 미러(11)의 곡률제어기구에 피드백하도록 되어 있다.
또 제7도 중 부호(31)로 표시한 것은 갭센서(30)의 검출신호를 부여하는 신호선이다.
제7도에 표시한 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다.
즉, 액츄에이터(17)등은 콜리메이숀 제어장치(15)(제3도 참조)에서 송출된 제어신호(S16)를 수신하면 구동을 개시하고, 이 수신된 제어신호에 대응한 힘을 가지고 제8도 화살표에 표시하는 바와 같이 누름판(20)의 중앙부를 뒤쪽에서 누른다.
이로 인해 누름판(20)이 앞쪽을 향해 이동하고 콜리메이숀 미러(11)의 주연보다도 중심쪽부분을 뒤쪽에서 누른다.
콜리메이숀 미러(11)의 주연은 미러홀더(18)의 지지부(19)에 의해 앞쪽에서 지지되고 있으므로 콜리메이숀 미러(11)는 제8도에 표시하는 바와 같이 그 중앙부가 앞쪽으로 팽출하도록 만곡되고 제어신호에 대응한 곡률을 갖는 볼록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 위치에서 콜리메이숀 미러(11)를 콜리메이숀 미러(11)의 뒤쪽으로부터 누름판(20)의 지지부(21)로 지지하고, 액츄에이터(17)등의 가압수단에 의해 누름판(20)을 뒤쪽에서 가압할 수 있도록 하였기 때문에 콜리메이숀 미러(11)를 원하는 곡률의 곡면을 갖는 볼록(凸)면경으로 변형시킬 수가 있다.
또, 상기 실시의 형태 3에서는 콜리메이숀 미러(11)는 액츄에이터(17)등의 가압수단에 의한 하중이 작용하고 있지 않는 초기상태에서 원반상의 평판으로 되고 제8도에 표시하는 바와 같이 액츄에이터(17)등의 구동에 의해 볼록(凸)면경으로 변화한다고 하였으나 이에 한정되지 않고 제9도에 실선으로 표시하는 바와 같이 초기상태에서 오목(凹)면경으로 되어 있고 액츄에이터(17)의 구동에 의해 2점쇄선으로 표시하는 볼록(凸)면경으로 변화하도록 해도 된다.
이렇게 하면 콜리메이숀 미러(11)를 오목(凹)면경으로부터 볼록(凸)면경까지의 넓은 곡률범위에서 임의로 변화시킬 수가 있기 때문에 이를 사용한 레이저 가공기에서는 보다 넓은 범위에서 레이저 빔의 집광성의 저하를 방지할 수 있으므로 피가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
[실시의 형태 4]
제10도에 레이저 빔 콜리메이숀 장치의 콜리메이숀 미러부의 실시의 형태 4를 표시한다.
이 레이저 빔 콜리메이숀 장치는 제4도에 표시하는 상기 실시의 형태 2와 같은 구성의 콜리메이숀 미러부 즉, 콜리메이숀 미러(11) 제2의 지지부(21)를 갖는 누름판(20), 액츄에이터(17)등의 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)등의 가압수단, 미러홀더(18), 갭센서(30) 및 신호선(16),(31)으로 된 콜리메이숀 미러부의 구성 및 작용등에 대해서는 상기 실시의 형태 2와 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 냉각되도록 되어 있다.
또, 냉각판(40)에는 레이저 빔을 통과하는 창부(41)가 설치되어 있다.
제10도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부의 작용은 아래와 같다.
예를 들면 콜리메이숀 미러(11)가 제10도에 부호 50으로 표시하는 바와 같은 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 반사함으로써 이 레이저 빔에서 흡수한 열은 미러홀더(18)의 지지부(19)를 통해서 미러홀더(18)에 전도되고, 다시 냉각판(40)으로 전도된다.
이와 같이 콜리메이숀 미러(11)의 중심에 강도가 높은 열이 입사되는 동시에 콜리메이숀 미러(11)가 미러홀더(18)의 개구부의 단부로부터 간접적으로 냉각되면 열에 의해 콜리메이숀 미러(11)가 포물면 형상에 근사한 형상으로 부풀어 오르는 것이 알려져 있다.
따라서, 레이저 빔에서 흡수한 열이 원인으로 되어 콜리메이숀 미러(11)가 변형한 경우에도 그 변형량을 가산해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡률의 변형량을 제어할 수가 있고, 이로 인해 레이저 빔으로부터 흡수한 열에 의한 콜리메이숀 미러(11)의 변형을 보정하는 것이 가능해진다.
이 실시의 형태 4에 의하면 미러홀더(18)의 개구부의 단부를 냉각판(40)에 의해 냉각함으로써 콜리메이숀 미러(11)의 주연부분을 간접적으로 냉각하도록 하였기 때문에 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 곡률을 적절히 제어함으로써 레이저 빔의 집광성의 저하방지효과가 높아지고 피가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
또, 실시의 형태 4에서는 실시의 형태 2(제4도 참조)와 같은 구성의 콜리메이숀 미러부에 냉각판(40)을 부착하였으나 이에 한정되지 않고, 제1도 또는 제4도에 표시하는 구성의 콜리메이숀 미러부에 냉각판(40)을 부착해도 된다.
[실시의 형태 5]
제11도에서 본 발명에 관한 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 사용한 레이저 가공기의 1 예를 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)을 콜리메이트 광(5b)(도면중 1점쇄선으로 표시)으로 변환하는 예를 들면 상기 실시 2~4의 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 변환시키는 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 곡률을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15), NC장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동제어되는 구동기구(도시생략)를 구비하고 있다.
콜리메이숀 장치(6)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이 실시의 형태의 레이저 가공기의 작용은 아래와 같다.
즉, 가공프로그램에 의해 가공헤드(8)의 장치를 변화시킬 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 계산에 의해 얻어진 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8)의 거리에 따라 상세한 것은 후술하나 집광렌즈에 입사하는 레이저 빔의 특성이 일정하게 되도록 NC장치(14)에서 콜리메이숀 미러(11)의 곡률(R)의 필요로 하는 변화량이 산출되고, 이 산출된 변화량에 따른 제어신호(S16)가 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)에 보내진다.
제어신호(S16)가 액츄에이터(17)에 전달되면 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 액츄에이터(17)등이 작동해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡률이 변화한다.
또, 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 상술한 갭센서(30)(제11도에서는 도시생략, 제4도, 제7도, 제10도 참조)에 의해 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 갭이 검출된다.
이 검출된 갭의 실측치는 NC장치(14)에 피드백된다.
한편, NC장치(14)에서 레이저 빔의 빔직경과 초점위치를 일정하게 할 수 있는 콜리메이숀 미러(11)의 곡률이 계산되고, 이로써 얻어진 곡률에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 이면 중앙부와의 사이의 갭의 계산치가 계산된다.
그리고 NC장치(14)에서 갭센서(30)에 의해 얻어진 갭의 실측치가 NC장치(14)에 의해 산출된 갭의 계산치에 대해 비교된다.
이 비교결과 콜리메이숀 미러(11)의 실제의 곡률(R)이 적정하지 못한(즉, 갭의 실측치가 계산치에 대한 허용범위로부터 벗어나 있다) 경우에는 적정한 곡률이 되도록 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 제어신호(S16)가 생성되어 액츄에이터(17)등에 전달된다.
이로 인해 제11도에 표시하는 레이저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11)의 곡률(R)을 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8)와의 사이의 거리에 대응한 적정한 곡률로 할 수가 있다.
제12도에 표시하는 바와 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)과의 사이의 가공헤드(8)의 가동범위내에서 집광렌즈(9)에 입사되는 레이저 빔의 빔직경(d)과 렌즈입사위치에서의 빔 발산각(θ)를 일정하게 유지할 수가 있다.
집광렌즈(9)에 입사되는 레이저 빔의 빔직경(d)과 집광위치에서의 집광빔직경(df)은 반비례의 관계에 있고, 또 렌즈입사위치에서의 빔 발산각(θ)은 집광위치를 결정하는 변수이나, 제11도에 표시하는 레이저 가공기에서는 상술한 바와 같이 레이저 발진기(1)로부터의 거리가 변화해도 집광렌즈(9)에 입사하는 레이저 빔의 빔직경(d)과 렌즈입사위치에서의 빔 발산각(θ)을 일정하게 유지할 수가 있으므로 가공을 결정지우는 집광위치(f)와 집광위치(f)에서의 집광빔직경(df)을 일정하게 유지할 수가 있다.
또, 제11도에 표시하는 레이저 가공기에서는 상술한 구성 및 작용외에 콜리메이숀 미러(11)의 곡률(R)에 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 실측치와 NC장치(14)에 의해 산출된 갭의 계산치와의 비교가 되었을 때 갭의 실측치가 소정의 값을 초과했을 때에 이것을 NC장치(14)에 의해 검출해서 레이저 발진기(1)에 발진정지신호를 보내고 레이저 발진을 정지하도록 되어 있다.
이로써 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 액츄에이터(17)등의 동작불량이나 콜리메이숀 제어장치(15)의 오동작에 의해 가공불량이나 레이저 빔의 과대하게 넓어짐으로 인한 광로 주변물의 소손을 방지할 수가 있다.
또, 제11도에 표시하는 레이저 가공기에서는 NC장치(14)에 의해 인터록 기구가 작동한 경우 NC장치(14)의 제어에 의해 신속하게 가공이 중단되는 동시에 콜리메이숀 미러(11)의 곡률이 부적정한 것에 기인해서 레이저 빔에 이상이 발생한 것을 NC장치(14)의 표시부(14a)에 표시하거나 스피커(14b)로부터 경고음등의 경보를 발하거나 램프를 점등 또는 점멸시켜줌으로써 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 실시의 형태 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 비교하며, 그 비교결과에 따라 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)내의 액츄에이터(17)등을 제어해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡률(R)을 제어하도록 하였기 때문에 콜리메이숀 미러(11)의 열에 의한 왜곡의 변화속도 및 가공테이블(60)의 이동속도(즉, 광로길이의 변화의 빠르기)에 대해 갭센서(30)와 액츄에이터(17)등의 응답성을 충분히 추종할 수 있으므로 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 즉시 제어할 수가 있고, 집광렌즈(9)에 의해 집광된 레이저 빔의 빔직경 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 검출한다고 하였으나 갭의 검출을 콜리메이숀 미러(11)의 중앙부뿐만이 아니라 예를 들어 여러 개의 갭센서를 콜리메이숀 미러(11)의 하나의 반경 또는 여러 개의 반경의 원주에 대응해서 배치하고, 그 원주에 대응하는 콜리메이숀 미러(11)의 이면의 각점과의 갭을 각 갭센서로 검출하고, 얻어진 여러 개의 검출치에 따라 콜리메이숀 미러(11)의 반사면과 이상적인 포물면과의 어긋남의 정보를 보다 정확하게 얻도록 해서 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 보다 고정밀도로 제어하도록 해도 된다.
[실시의 형태 6]
제13도에 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 구성하고 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 방향을 90도 변환시키는 평면 반사경(7), 이 평면 반사경(7)에 의해 반사된 콜리메이트 광(5b)이 압사되는 가공헤드(8), 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6A)의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 곡률을 제어하는 콜리메이숀 제어장치(15), NC장치(14) 및 NC장치(14)에 의해 구동제어되는 구동기구(도시생략)을 구비하고 있다.
그리고 이 레어저 가공기에서는 콜리메이숀 미러(11a)(11b)의 곡률을 제어함으로써 가공조건에 맞추어 집광렌즈(9)에 의해 집광되는 빔의 집광위치와 집광위치에서의 빔직경을 능동적으로 변경할 수 있도록 되어 있다.
콜리메이숀 장치(6A)는 예를 들면 상기 실시의 형태 2~4의 어느 것과 같은 구성의 콜리메이숀 미러부를 2개 가지고 있다.
그중 한쪽의 콜리메이숀 미러부는 레이저 발진기(1)로부터 발진된 레이저 빔(5a)이 입사되고, 이 입사빔의 빔직경을 임의의 빔직경으로 변경해서 반사할 수 있는 콜리메이숀 미러(11a)를 갖고 있다.
반사빔의 빔직경은 콜리메이숀 미러(11a)의 곡률에 의해 결정된다.
이 콜리메이숀 미러(11a)의 곡률은 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 송출되는 제어신호(S16)에 따라 조정된다.
또, 다른 쪽의 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 곡률도 콜리메이숀 제어장치(15)로부터 송출되는 제어신호(S16)에 따라 조정된다.
또 가공헤드(8)의 선단부에는 집광렌즈(9)를 분진으로부터 보호하는 동시에 피가공물(10)을 냉각하기 위한 가공가스(65)를 레이저 빔(콜리메이트 광(5b))과 동축으로 흘리는 노즐(80)이 설치되어 있다.
그리고, 가공가스(65)가 피가공물(10)의 가공면 이외로 발산하는 것을 억제하기 위해 통상 가공중의 노즐(80)과 피가공물(10)과의 사이의 거리 L는 1~2㎜정도로 유지된다.
이 실시의 형태의 레이저 가공기의 작용은 아래와 같다.
즉, 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 곡률을 제어함으로써 가공조건에 맞추어 집광렌즈(9)에 의해 집광되는 빔의 집광위치와 이 집광위치에서의 빔직경을 조정할 수가 있으므로 피가공물의 재질 및 판두께에 따라 집광위치를 최적의 위치로 할 수가 있는 동시에 이 집광위치에서의 빔직경도 최적으로 할 수가 있다.
예를 들면 일반적으로 탄산가스 레이저를 사용해서 피가공물(10)의 절단 가공을 하는 경우 피가공물(10)의 표면에 집광위치를 맞추면 양호한 절단면이 얻어지나 알루미늄이나 스테인레스 등의 1부의 재료에서는 이 절단가공때에 집광위치를 피가공물(10)의 이면의 위치에 맞추면 양호한 절단면이 얻어진다는 것이 알려져 있다.
따라서, 통상은 집광위치를 피가공물(10)의 표면에 맞추고 알루미늄이나 스테인레스 등을 절단할 때에는 집광위치에서의 빔직경을 변경하지 않고, 집광위치만을 피가공물(10)의 이면에 맞추면 된다.
또, 같은 재질의 판을 절단할 때도 그 판의 두께가 예를 들어 1㎜와 19㎜와 같이 다르게 되면 각각의 집광위치에서의 최적한 빔직경이 다른 경우가 있다.
이런 경우에는 2매의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 각 곡률을 최적으로 제어해서 집광위치에서의 빔직경을 조정하면 된다.
이 실시의 형태 6에 의하면 콜리메이숀 장치(6A)가 그 곡률을 변화시킬 수 있는 2매의 콜리메이숀 미러(11a),(11b)를 갖고 있기 때문에 이들 콜리메이숀 미러(11a),(11b)의 각 곡률을 최적으로 제어함으로써 피가공물(10)의재질이나 두께에 따라 집광위치의 빔직경을 변경시키지 않고, 집광위치만을 변경하거나 집광위치에서의 빔직경을 최적의 직경으로 할 수 있다.
또, 종래는 가공중의 노즐과 피가공물과의 사이의 거리 L는 1~2㎜정도이기 때문에 집광위치를 판두께의 이면의 위치에 맞추기 위해 가동축에 의해 가공헤드를 하강시키면 피가공물의 노즐이 간섭해 버리므로 집광위치를 판두께의 이면위치에 맞추는 것은 불가능하였다.
이상 본 발명자에 의해 된 발명을 실시예에 따라 구체적으로 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경가능한 것은 물론이다.
예를 들어 콜리메이숀 미러(11)를 가압하는 가압수단은 피에조 소자로 된 액츄에이터(17)에 한하지 않고, 콜리메이숀 미러(11)의 곡률을 변경할 수 있도록 콜리메이숀 미러(11)를 누를 수가 있으면 다른 소자를 사용한 액츄에이터도 좋고 또 액츄에이터이외의 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 적은 힘으로 콜리메이숀 미러를 원하는 곡률의 반사면을 갖는 볼록(凸)면경으로 변형시킬 수가 있으므로 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용하고, 콜리메이숀 미러의 곡률을 적의 제어하도록 하면 레이저 빔의 집광성의 저하를 방지할 수 있으므로 피가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 콜리메이숀 미러를 원하는 곡률의 곡면을 갖는 오목(凹)면경으로 변형시킬 수가 있기 때문에 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용하고 콜리메이숀 미러의 곡률을 적의 제어하도록 하면 레이저 빔의 집광성등의 저하를 방지할 수 있으므로 피가공물을 항상 일정한 상태에서 가공할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 콜리메이숀 미러를 원하는 곡률의 곡면을 갖는 볼록(凸)면경으로 변형시킬 수가 있기 때문에 이 레이저 빔 콜리메이숀 장치를 레이저 가공기에 사용하고 콜리메이숀 미러의 곡률을 적의 제어하도록 하면 레이저 빔의 집광성의 저하를 막을 수 있으므로 피가공물을 항상 일정한 상태로 가공할 수가 있다.
다음의 발명에 의하면 레이저 발진기와 가공헤드사이에 설치된 미러의 곡률을 변화시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용해서 집광위치나 집광위치에서의 빔직경을 조절할 수 있기 때문에 피가공물의 재질이나 두께에 따라 집광위치에서의 빔직경을 변경하지 않고, 집광위치만을 변경하거나 집광위치에서의 빔직경을 최적인 직경으로 할 수가 있다.

Claims (4)

  1. 레이저 빔(5a)이 입사되고 이 입사된 레이저 빔(5a)을 콜리메이트 광(5b)으로 변환가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)에서, 입사 레이저 빔(5a)을 반사해서 출사하는 동시에 그 반사면의 곡률을 변경할 수 있도록 변형가능한 콜리메이숀 미러(11)와, 상기 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러(11)의 반사면의 주연 또는 주연부근에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면측에서 지지하는 지지수단(19)과, 상기 콜리메이숀 미러(11)의 중심부 또는 상기 지지수단(19)에 의한 지지부위보다도 중심쪽 부위를 반사면의 뒤쪽에서 가압가능한 가압수단(17)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  2. 레이저 빔(5a)이 입사되고 이 입사된 레이저 빔(5a)을 콜리메이트 광(5b)으로 변환가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)에서, 입사 레이저 빔(5a)을 반사해서 출사하는 동시에 이 반사경의 곡률을 변경할 수 있도록 변형가능한 콜리메이숀 미러(11)와, 상기 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러(11)의 반사면의 주연 또는 주연부근보다도 중심쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면측에서 지지하는 제1의 지지수단(19)과, 상기 콜리메이숀 미러의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러(11)의 반사면의 뒤쪽면의 주연 또는 상기 제1의 지지수단(19)에 의한 지지부위보다도 주연쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면의 뒤쪽에서 지지되는 제2의 지지수단(21)과, 상기 제2의 지지수단(21)을 상기 콜리메이숀 미러(11)측에 가압가능한 가압수단(17)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  3. 레이저 빔(5a)이 입사되고 이 입사된 레이저 빔(5a)을 콜리메이트 광(5b)으로 변환가능한 레이저 빔 콜리메이숀 장치(6)에서 입사 레이저 빔(5a)을 반사하는 동시에 이 반사면의 곡률을 변경시킬 수 있도록 변형가능한 콜리메이숀 미러(11)와, 상기 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면 또는 주연부근을 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면 측에서 지지하는 제1의 지지수단(19)과, 상기 콜리메이숀 미러(11)의 주연 또는 주연부근을 고정하는 일없이 상기 콜리메이숀 미러(11)의 반사면의 뒤쪽면의 상기 제1의 지지수단(19)에 의한 지지부위보다도 중심쪽 부위에 접촉해서 상기 콜리메이숀 미러(11)를 반사면의 뒤쪽에서 지지하는 제2의 지지수단(21)과, 상기 제2의 지지수단(21)을 상기 콜리메이숀 미러(11)측에 가압가능한 가압수단(17)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 빔 콜리메이숀 장치.
  4. 레이저 매질(2)을 여기함으로써 레이저 광을 출력하는 레이저 발진기(1)와, 상기 레이저 발진기(1)로부터의 레이저 광을 광학적으로 집광시키는 가공헤드(8)와, 상기 가공헤드(8)에 의해 집광된 레이저 광의 위치와 피가공물의 상대위치관계를 제어해서 원하는 위치에 상기 가공헤드(8)를 이동시키는 NC장치(14) 및 구동기구로 구성되는 레이저 가공기에서, 상기 레이저 발진기(1)와 가공헤드(8)사이에 설치되고 미러의 곡률을 변화시킬 수 있는 콜리메이숀 기구를 사용함으로써 가공헤드(8)에서 집광된 콜리메이트 광(5b)을 가공에 적합하돌고 빔직경과 집광위치를 능동적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
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