(57)【要約】【課題】大型・大重量のミラーを高い精度でかつ高速で揺動制御することができるレーザスキャン装置を提供する。【解決手段】レーザスキャン装置２は、回転自在に配置されると共にレーザビームを反射させるミラー１１と、正逆転駆動可能なサーボモータ１２と、サーボモータ１２の駆動軸１２ａに取り付けられるボールスクリュ１３と、このボールスクリュ１３の正逆転に従ってボールスクリュ１３に沿って往復動する可動部１４と、基端側がミラー１１の回転軸１１ａに固定されると共に、先端側が可動部に接続され、可動部１４の往復動を利用してミラー１１を揺動させる伝達アーム１５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に配置されると共にレーザビーム（Ｌ）を反射させるミラー（１１）と、正逆転駆動可能なモータ（１２）と、このモータ（１２）の駆動軸（１２ａ）に取り付けられると共に、駆動軸（１２ａ）の正逆転に従って可動部（１４）を駆動軸（１２ａ）方向に往復動させる変換手段（１３）と、上記可動部（１４）の往復動を利用して上記ミラー（１１）を揺動させる揺動手段（１５）とを備えることを特徴とするレーザスキャン装置。
【請求項２】
回転自在に配置されると共にレーザビーム（Ｌ）を反射させるミラー（１１）にモータ（１２）の駆動軸（１２ａ）を直結し、上記駆動軸（１２ａ）を揺動させて上記ミラー（１１）を揺動させるよう構成したことを特徴とするレーザスキャン装置。
【請求項３】
上記モータ（１２）は、サーボモータであることを特徴とする請求項１又は請求項２のレーザスキャン装置。
【請求項４】
上記モータ（１２）の駆動軸（１２ａ）と上記ミラー（１１）とを切離し可能に構成したことを特徴とする請求項２のレーザスキャン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばレーザ溶接装置に使用され、レーザビームをスキャン（揺動）させる際に好適に用いられるレーザスキャン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザスキャン装置は、回転自在に配置されると共にレーザビームを反射させるミラーを備え、このミラーを所定の角度範囲内で揺動させてレーザビームをスキャンさせる装置である。従来のレーザスキャン装置では、ミラーを駆動させる駆動源としてガルバノメータを使用し、このガルバノメータの駆動軸とミラーの回転軸とを直結してミラーを揺動させている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１９２２８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のレーザスキャン装置においては、ミラーの回転軸と駆動源であるガルバノメータの駆動軸とが直結されているので、ミラーの慣性力が直接駆動源に伝わる。そのため、慣性力に抗してミラーを適正に揺動させるためには、大きなトルクを発生させることができる駆動源が必要となる。特に、スキャン周波数が５０Ｈｚ以上となるような高速スキャンの場合は、より大きなトルクを発生させることができる駆動源が必要となる。
【０００５】
また、大出力のレーザビームを使用する場合は、レーザビームによって加熱されたミラーを冷却する必要があるため、ミラーの材質をアルミニウムに代えて無酸素銅にする必要があり、またビーム径の拡大に伴ってミラーの反射面の表面積を大きくする必要がある。そのため、必然的にミラーは大型かつ大重量になり、このような大型かつ大重量のミラーを揺動させるためには、やはり大きなトルクを発生させることができる駆動源が必要となる。
【０００６】
したがって、駆動源としてガルバノメータを使用した場合は、トルク不足により高速スキャン動作や大型・大重量のミラー制御に対応できない場合があるという問題がある。
【０００７】
また、通常のモータを駆動源として使用する場合は、モータと制御対象であるミラーとの間に減速機を入れることによってトルク及び分解能の増大を図ることが可能である。しかし、ミラーの揺動制御で要求される精度は例えば５×１０−３度と微小であるため、減速機を介在させるとそのロストモーションによって要求される角度を制御できないという問題がある。
【０００８】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、大型・大重量のミラーを高い精度でかつ高速で揺動制御することができるレーザスキャン装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１のレーザスキャン装置は、回転自在に配置されると共にレーザビームＬを反射させるミラー１１と、正逆転駆動可能なモータ１２と、このモータ１２の駆動軸１２ａに取り付けられると共に、駆動軸１２ａの正逆転に従って可動部１４を駆動軸１２ａ方向に往復動させる変換手段１３と、上記可動部１４の往復動を利用して上記ミラー１１を揺動させる揺動手段１５とを備えることを特徴としている。
【００１０】
上記請求項１のレーザスキャン装置では、モータ１２の駆動軸１２ａを正逆転させると可動部１４が駆動軸１２ａ方向に往復動し、そしてこの往復動に連動してミラー１１が揺動する。このとき、ミラー１１の慣性力は、揺動手段１５、可動部１４及び変換手段１３を介して駆動軸１２ａに作用するが、その方向は主として駆動軸１２ａの軸心方向である。また、慣性力は揺動手段１５、可動部１４及び変換手段１３によって吸収されるので、駆動軸１２ａに作用する力は小さくなる。したがって、駆動軸１２ａの回転方向に作用する力は、駆動軸１２ａをミラー１１に直結した場合に比べて小さくなる。これによって、トルクの小さいモータ１２であっても、慣性力に抗して高い精度でミラー１１を揺動させることができ、また高速でミラー１１を揺動させることが可能となる。
【００１１】
また、可動部１４の往復動を利用してミラー１１を揺動させるようにしたので、ミラー１１の揺動角度よりも大きな回転角で駆動軸１２ａを正逆転させてミラー１１を所定の揺動角度で揺動させることが可能となり、モータ１２の分解能よりも小さい角度での揺動が可能となる。これによって、低分解能のモータ１２であっても、微小な角度での揺動を実現することができる。
【００１２】
このように請求項１のレーザスキャン装置によれば、低トルク・低分解能のモータ１２を使用しても、大型・大重量のミラー１１を高い精度でかつ高速で揺動制御することができる。これによって、大きなビーム径であって、ミラー１１の直接冷却を必要とするような高出力（２０ｋＷ以上）の炭酸ガスレーザ等を制御することができる。
【００１３】
また請求項２のレーザスキャン装置は、回転自在に配置されると共にレーザビームＬを反射させるミラー１１にモータ１２の駆動軸１２ａを直結し、上記駆動軸１２ａを揺動させて上記ミラー１１を揺動させるよう構成したことを特徴としている。
【００１４】
上記請求項２のレーザスキャン装置では、モータ１２の駆動軸１２ａをミラー１１に直結したので、従来の技術のような減速機によるロストモーションの影響を受けることはなく、ミラー１１を高い精度で揺動させることができる。
【００１５】
さらに請求項３のレーザスキャン装置は、上記モータ１２は、サーボモータであることを特徴としている。
【００１６】
上記請求項３のレーザスキャン装置では、高いトルクを発生させることができ、かつ高い位置決め精度が可能なサーボモータ１２を使用したので、大型・大重量のミラー１１を微小な揺動角度でかつ高速で揺動させることができる。
【００１７】
また請求項４のレーザスキャン装置は、上記モータ１２の駆動軸１２ａと上記ミラー１１とを切離し可能に構成したことを特徴としている。
【００１８】
上記請求項４のレーザスキャン装置では、モータ１２の駆動軸１２ａをミラー１１から切り離すことができるので、切り離した状態でモータ１２の駆動軸１２ａを３６０度以上回転させることができる。これによって、モータ１２内の潤滑油をベアリング全体に行き渡るようにすることができ、モータ１２を良好な状態で駆動することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のレーザスキャン装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この発明のレーザスキャン装置の第１の実施形態の構成を示す構成図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。また、図２は、レーザスキャン装置を使用するレーザ溶接装置の溶接ヘッド付近の拡大図であり、図３はレーザスキャン装置の取付状態を示す側面図である。
【００２０】
レーザ溶接装置は、図２に示すように、図示しないレーザ発振器からのレーザビームＬを、固定ミラー１、レーザスキャン装置２のミラー、レーザスキャン装置３のミラーによって順番に反射させながら集光して、ヘッド先端部４を通して所定の溶接位置に照射する。レーザスキャン装置２のミラーは図２の紙面に平行な回転軸回りに揺動可能であり、またレーザスキャン装置３のミラーは図２の紙面に垂直な回転軸回りに揺動可能である。したがって、レーザスキャン装置２、３の各ミラーを揺動させることによって、レーザビームＬを溶接位置においてウィービングさせることができる。
【００２１】
レーザ溶接装置は、図２に示す構成例では、溶接線Ａに沿って紙面右方向に相対移動しながら溶接を行う。また、ヘッド先端部４の溶接方向前方側にはトラッキングセンサ５が配置されており、溶接方向後方側にはフィラ送給装置６が配置されている。そして、レーザスキャン装置２、３は、図３に示すように、ヘッド先端部４が取り付けられるフレーム７に取り付けられている。尚、レーザスキャン装置２、３は同じ構成であるので、レーザスキャン装置２について説明する。
【００２２】
レーザスキャン装置２は、図１に示すように、一対のベアリング１０、１０によって回転自在に配置されると共にレーザビームＬを反射させるミラー１１と、正逆転駆動可能なモータ１２と、モータ１２の駆動軸１２ａに取り付けられる変換手段であるボールスクリュ１３と、ボールスクリュ１３の正逆転に従ってボールスクリュ１３に沿って往復動する可動部１４と、この可動部１４の往復動を利用してミラー１１を揺動させる揺動手段である伝達アーム１５とを備えて構成されている。この場合、モータ１２としては、大きなミラー１１でも微少かつ高速に制御できるようにＤＣ又はＡＣサーボモータを使用する。
【００２３】
サーボモータ１２は、駆動軸１２ａがミラー１１の回転軸１１ａと伝達アーム１５とに共に直交するよう配置されている。また、伝達アーム１５は、ミラー１１の回転軸１１ａに直交する方向に延びて配置され、基端側が回転軸１１ａに固定されると共に、先端側が可動部１４に接続されている。さらに、伝達アーム１５の中間部には、ミラー１１の回転軸１１ａと平行に延びる固定軸１６が設けられており、固定部１６の先端側はミラー１１の側部に固定されている。尚、ミラー１１は、図１（ａ）の紙面上では左側の表面が反射面であり、図２（ｂ）の紙面上では奥側の表面が反射面である。
【００２４】
また、可動部１４は、ボールスクリュ１３に螺合されて配置されるが、伝達アーム１５が接続されることで回転が規制されるので、ボールスクリュ１３が正逆転すると、それに伴ってボールスクリュ１３に沿って往復動する。このとき、可動部１４に接続された伝達アーム１５も可動部１４と共に動くことになるが、伝達アーム１５の基端側はミラー１１の回転軸１１ａに固定されているため、伝達アーム１５は回転軸１１ａ回りに回動し、先端側は円弧状に動くことになる。したがって、伝達アーム１５の先端側と可動部１４との接続状態は、直線的な可動部１４の移動に追従して伝達アーム１５の先端側が円弧上に動けるような状態である。この接続状態は、例えば伝達アーム１５の先端側に取付孔を形成し、接続ピンを上記取付孔を通して可動部１４に固定して接続する場合は、上記取付孔をボールスクリュ１３の軸心方向に直交する方向に延びる長孔とすることによって実現される。
【００２５】
上記レーザスキャン装置２では、サーボモータ１２の駆動軸１２ａを正逆転させるとボールスクリュ１３が正逆転し、これに伴って可動部１４がボールスクリュ１３に沿って往復動し、そしてこの往復動に連動して伝達アーム１５が揺動することによってミラー１１が揺動する。このとき、ミラー１１の慣性力は、伝達アーム１５、可動部１４及びボールスクリュ１３を介して駆動軸１２ａに作用するが、その方向は主として可動部１４をボールスクリュ１３に沿って移動させる方向、即ち駆動軸１２ａの軸心方向である。また、慣性力は伝達アーム１５、可動部１４及びボールスクリュ１３によって吸収されるので、駆動軸１２ａに作用する力は小さくなる。したがって、駆動軸１２ａの回転方向に作用する力は、駆動軸１２ａをミラー１１に直結した場合に比べて小さくなる。これによって、トルクの小さいサーボモータ１２であっても、慣性力に抗して高い精度でミラー１１を揺動させることができ、また高速でミラー１１を揺動させることが可能となる。
【００２６】
また、伝達アーム１５に設けられた固定軸１６をミラー１１の側部に固定しているので、伝達アーム１５を回転軸１１ａのみに固定した場合に比べてミラー１１に作用するトルクが大きくなり、低トルクのサーボモータ１２であっても、大型・大重量のミラー１１を高速で揺動制御することができる。
【００２７】
さらに、ボールスクリュ１３の正逆転に伴う可動部１４の往復動を伝達アーム１５を利用して揺動に変換してミラー１１を揺動させるようにしたので、ミラー１１の揺動角度よりも大きな回転角で駆動軸１２ａを正逆転させてミラー１１を所定の揺動角度で揺動させることが可能となる。これは、同じ揺動角度であっても伝達アーム１５の長さ即ち回転軸１１ａから可動部１４までの距離に比例して可動部１４の移動長さは長くなり、可動部１４を移動させるための回転角が大きくなるからであり、また可動部１４の移動長さが同じであってもボールスクリュ１３のねじのピッチを小さくすれば、可動部１４を移動させるための回転角が大きくなるからである。したがって、サーボモータ１２の分解能よりも小さい角度でのミラー１１の揺動が可能となる。これによって、低分解能のサーボモータ１２であっても、微小な角度での揺動を実現することができる。
【００２８】
また、ボールスクリュ１３と可動部１４との間のバックラッシュによって可動部１４の位置ずれが生じた場合でも、伝達アーム１５の長さを長くして可動部１４の移動長さを大きく設定することによって、可動部１４の移動長さに対するバックラッシュによるずれ量の割合が小さくなるので、バックラッシュの影響を無視することができる。
【００２９】
以上のように第１の実施形態によれば、大型・大重量のミラー１１を高い精度でかつ高速で揺動制御することができる。これによって、大きなビーム径で、ミラー１１の直接冷却を必要とするような高出力（２０ｋＷ以上）の炭酸ガスレーザ等を制御することができる。また、低トルク・低分解能のサーボモータ１２を使用することができるので、レーザスキャン装置２を安価に製造することが可能となる。
【００３０】
図４は、この発明のレーザスキャン装置の第２の実施形態の構成を示す構成図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。レーザスキャン装置２０は、回転自在に配置されると共にレーザビームＬを反射させるミラー１１にサーボモータ１２の駆動軸１２ａを直結し、駆動軸１２ａを揺動させてミラー１１を揺動させるよう構成されている。このレーザスキャン装置２０は、上記レーザスキャン装置２、３に代えて溶接ヘッドのフレーム７（図３参照）に取り付けられるものである。以下に、構成を具体的に説明する。
【００３１】
ミラー１１は、ベース板２１の表面に取り付けられた一対のベアリング１０、１０によって回転自在に配置されている。ミラー１１は図４（ａ）の紙面上では下側の表面が反射面であり、図４（ｂ）の紙面上では奥側の表面が反射面である。また、ベース板２１には、ミラー１１の裏面に対面する位置に、ミラー１１の裏面全体を露出させる透孔２２が形成されている。
【００３２】
一方、モータ１２としてここではダイレクトドライブモータ等のサーボモータを用いるが、このサーボモータ１２は、モータ固定ブロック２３に固定されており、このモータ固定ブロック２３はベース板２１の裏面（ベアリング１０が取り付けられた面とは反対側の表面）に取り付けられた一対のスライド２４、２４に摺動可能に取り付けられている。ここで、サーボモータ１２は、駆動軸１２ａがミラー１１側に向いて配置されると共に、駆動軸１２ａがミラー１１の回転軸１１ａとが同じ軸線上に位置するように配置されている。また、スライド２４、２４によるサーボモータ１２の移動方向は、駆動軸１２ａと平行となるように設定されている。そして、ベース板２１には図示しない固定ブロックによってシリンダ２５が固定されており、シリンダ２５のロッド２５ａは、駆動軸１２ａと平行に配置されると共に、モータ固定ブロック２３に接続されている。したがって、シリンダ２５の動作によってサーボモータ１２は駆動軸１２ａ方向に移動可能となる。尚、一対のスライド２４、２４間には透孔２６が形成されており、サーボモータ１２は、一部分が透孔２６を貫通してベース板２１の反対側に突出した状態で取り付けられている。
【００３３】
サーボモータ１２の駆動軸１２ａは、駆動軸１２ａの回転中心から偏心した位置にミラー１１側に突出した接続部１７を有している。接続部１７が、ミラー１１の裏面に取付けられた伝達板２７に対して接続されている。伝達板２７に接続部１７が接続されることによって、ミラー１１と駆動軸１２ａとが直結され、駆動軸１２ａを揺動させることによってミラー１１を揺動させることができる。
【００３４】
駆動軸１２ａは、図５に示すように、伝達板２７に対して切離し可能に接続されている。このような構造にしたのは、以下の理由による。一定期間ごとに駆動軸１２ａをミラー１１から切り離して、駆動軸１２ａを数回転させてサーボモータ１２内の潤滑油がベアリング全体に行き渡るようにして、サーボモータ１２の機能を維持できるようにするためである。なぜならば、サーボモータ１２は、本来３６０度以上駆動軸１２ａを回転させて使用することを前提として構成されたものであるが、レーザスキャン装置２０におけるミラー１１の揺動角度は、例えば０．１４度と微小であるため、サーボモータ１２内の潤滑油がベアリング全体に行き渡らず、その結果駆動軸１２ａを適正に回転させることができなくなり、機能が劣化してしまうからである。ミラー１１と共に駆動軸１２ａを３６０度以上回転できるように構成することも可能であるが、この構成ではミラー１１の重量が大きいとサーボモータ１２の負担が大きくなり、またミラー１１を１回転させるためのスペースを確保する必要があり、レーザスキャン装置２０が大型化するからである。
【００３５】
伝達板２７と接続部１７との接続構造を具体的に説明する。伝達板２７と接続部１７とは、伝達板２７の先端に形成した凹部２８と、接続部１７の先端に形成した凸部２９とを嵌合させて接続されている。したがって、上記のようにサーボモータ１２をミラー１１から離反する方向に移動させれば、凸部２９が凹部２８から脱離し、伝達板２７から接続部１７が退避し、ミラー１１と駆動軸１２ａとを切り離すことができる。尚、伝達板２７に凸部２９を形成し、接続部１７に凹部２８を形成してもよい。
【００３６】
また、凹部２８と凸部２９とを共にテーパ状に形成することによって、伝達板２７と接続部１７との接続及び切離しが容易になる。さらに、凸部２９のテーパ形状を凹部２８よりもやや大きく形成することによって、図６に示すように、嵌合した際に凸部２９の先端部と凹部２８の底部との間に隙間が生じる。そして、この隙間が生じた状態で、さらに伝達板２７と接続部１７とが相互に近接する方向に接続部１７を押し付けることによって、接続部分でのいわゆる遊びをなくして、強固に接続することができる。
【００３７】
このようにレーザスキャン装置２０では、シリンダ２５を動作させることによって、図７（ａ）に示すように伝達板２７とサーボモータ１２の駆動軸１２ａとを接続した状態と、図７（ｂ）に示すように伝達板２７と駆動軸１２ａとを切り離した状態とを切り換えることができる。したがって、ミラー１１を揺動させてレーザビームＬをスキャンするときは、接続した状態に設定する。一方、サーボモータ１２の機能を維持するために駆動軸１２ａを３６０度以上回転させるときは、切り離した状態に設定する。
【００３８】
以上のように第２の実施形態によれば、サーボモータ１２の駆動軸１２ａをミラー１１に直結したので、従来の技術のような減速機によるロストモーションの影響を受けることはなく、ミラー１１を高い精度で揺動させることができる。
【００３９】
また、高いトルクを発生させることができ、かつ高い位置決め精度が可能なサーボモータ１２を使用したので、大型・大重量のミラー１１を微小な揺動角度でかつ高速で揺動させることができる。
【００４０】
さらに、サーボモータ１２の駆動軸１２ａをミラー１１から分離することができるので、分離した状態でサーボモータ１２の駆動軸１２ａを３６０度以上回転させることができる。これによって、サーボモータ１２内の潤滑油をベアリング全体に行き渡るようにすることができ、サーボモータ１２を良好な状態で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のレーザスキャン装置の第１の実施形態の構成を示す構成図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図２】上記レーザスキャン装置を使用するレーザ溶接装置の溶接ヘッド付近の拡大図である。
【図３】上記レーザスキャン装置の取付状態を示す側面図である。
【図４】この発明のレーザスキャン装置の第２の実施形態の構成を示す構成図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図５】サーボモータとミラーとの接続構造を示す平面図である。
【図６】上記接続構造の接続部分を拡大して示す平面図である。
【図７】第２の実施形態における動作を示す側面図であり、（ａ）は接続状態を示し、（ｂ）は切り離した状態を示す。
【符号の説明】
２    レーザスキャン装置
３    レーザスキャン装置
１１    ミラー
１１ａ  回転軸
１２    サーボモータ
１２ａ  駆動軸
１３    ボールスクリュ
１４    可動部
１５    伝達アーム
１７    接続部
２０    レーザスキャン装置
２１    ベース板
２３    モータ固定ブロック
２４    スライド
２５    シリンダ
２７    伝達板
２８    凹部
２９    凸部
Ｌ    レーザビーム
【図１】
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【図２】
2004219653.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004219653.tif 000006
【図５】
2004219653.tif 000007
【図６】
2004219653.tif 000008
【図７】
2004219653.tif 000009