(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を反射するミラーの反射面の曲率を変化させることのできる曲率可変ミラーであって、周囲を固定された前記ミラーの背面に接触してこのミラーを押圧する中央部が厚く外周部が薄い底面を接触面とする円筒形状のプッシュプレートと、このプッシュプレートの中央部を押圧するアクチュエータとを備え、このアクチュエータが磁場の変化により伸縮する磁歪素子と、この磁歪素子に磁場を与える電磁コイルとを備え、前記磁歪素子の伸縮を前記プッシュプレートに伝達するプッシュロッドと、このプッシュロッドを介して前記磁歪素子に磁歪素子の軸方向に予め適正な圧縮荷重を付加する付勢手段と、さらに前記磁歪素子を軸方向に位置移動可能な位置調整機構とを備え、前記ミラーが前記アクチユエータによる曲率の変化がない状態で反射面が凹面形状をしていることを特徴とする曲率可変ミラー。
【請求項２】
請求項１に記載の曲率可変ミラーにおいて、前記電磁コイルおよび前記プッシュプレートを冷却する水路を設けてなることを特徴とする曲率可変ミラー。
【請求項３】
請求項１、２に記載の曲率可変ミラーにおいて、前記アクチュエータと前記プッシュプレートの間に前記磁歪素子の歪量によるミラー反射面の曲率変化量を捉えるための圧電素子を設けてなることを特徴とする曲率可変ミラー。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の曲率可変ミラーにおいて、前記ミラー、前記プッシュプレートが個々にもしくは共に絶縁部材を介して本体に組みつけられており、これにより前記磁歪素子とミラーの間に位置する前記プッシュロッドの先端との間が、電気的に絶縁状態となりうることが可能な構造であることを特徴とする曲率可変ミラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光を反射するミラーの反射面の曲率を変化させることのできる曲率可変ミラーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばレーザー加工機に用いられる曲率可変ミラーとして、その反射面の曲率を変えて、凹面、平面、凸面という任意の形状に変化させる手段として、外周部を固定されたミラーの背面側からＰＺＴ（ピエゾ素子）をアクチュエータとして押す、または引き込む方式と、外周部を固定されたミラーの背面に空間を設けて、風船の原理でその空間を液圧または空圧により正圧または負圧領域と変化させることでミラーの曲率を変化制御する方式等が一般的である。
【０００３】
このことより、従来の曲率可変ミラーには高い周波数での反射面変化は必要がなく又実際にミラー反射面の曲率変化は緩やかなものであり１０Ｈｚ程度の追従性で充分に機能するのが現状である。
【０００４】
従来、上記方式により構成された曲率可変ミラーは、レーザ発振器より出力されたレーザ光を集光レンズにより集光した集光点の位置が、レーザ発振器からの距離に応じて変化してしまい、結果、被加工材料との位置関係が安定しないという現象を補正する目的で主に用いられている。
【０００５】
具体的には、第１にレーザ発振器からの距離に応じて曲率可変ミラーの曲率を変化させ、集光レンズに入射するレーザ光の伝播特性を変化させることで、変化する焦点長さ（集光レンズ−集光点間距離）を加工領域全域に渡り、安定的なものとすることである。第２に、集光レンズに入射するレーザ光の径を変化させることによる集光直径（スポット径）を被加工材に合わせて変化制御するものである。
【０００６】
しかしながら、これら従来の技術はあくまでもレーザ発振器より出力されたレーザー光の伝播特性、回折現象の範囲内での光学的変化を利用するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反射面曲率変化の応答速度については、前述のＰＺＴをアクチュエータを用いた方式はピエゾ素子自身の特性に依存し、２０〜５０Ｈｚが限界である。液圧もしくは空圧によりミラーの曲率を変化させる方式においては、液体もしくは気体を媒体に利用している事からその原理、制御機器に依存し、１０Ｈｚ以上は望めないのが現状である。
【０００８】
さらには、ＰＺＴをアクチュエータに用いた方式は、
▲１▼、制御するために高い電圧（５００〜６００Ｖ）が必要であるが、曲率可変ミラーには冷却水回路が含まれていることから安全性が要求され、絶縁方法やメンテナンス時に問題がある。
【０００９】
▲２▼ 、ＰＺＴ素子にヒステリシスがあるため、ストローク変位量を別個にストレンゲージ等により測定して制御的にクローズドループにする必要がある。
【００１０】
▲３▼ 、ＰＺＴ素子を用いた曲率可変ミラーは、その構造の複雑さから高価（１００万円以上）である。
【００１１】
▲４▼ 、消耗品であるミラーが劣化した場合等でも構造の複雑さから、フィールドでのミラー交換ができないため、メーカーに送り返さねばならず、面倒であるし、時間を要する。
【００１２】
等の問題、改善点がある。
【００１３】
本発明の目的は、反射面曲率の変化に追従可能な追従機能を備え、集光レンズに入射するレーザ光の伝播特性を高速・応答で変化させることが可能となり、集光後のレーザ光の状態に光軸方向、すなわち縦方向の変化を生じさせることが可能となり、従来の場合と比較して疑似的に焦点深度の長い状態を作り出し、これにより切断能力の向上を図ることを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１による発明の曲率可変ミラーは、レーザ光を反射するミラーの反射面の曲率を変化させることのできる曲率可変ミラーであって、周囲を固定された前記ミラーの背面に接触してこのミラーを押圧する中央部が厚く外周部が薄い底面を接触面とする円筒形状のプッシュプレートと、このプッシュプレートの中央部を押圧するアクチュエータとを備え、このアクチュエータが磁場の変化により伸縮する磁歪素子と、この磁歪素子に磁場を与える電磁コイルとを備え、前記磁歪素子の伸縮を前記プッシュプレートに伝達するプッシュロッドと、このプッシュロッドを介して前記磁歪素子に磁歪素子の軸方向に予め適正な圧縮荷重を付加する付勢手段と、さらに前記磁歪素子を軸方向に位置移動可能な位置調整機構とを備え、前記ミラーが前記アクチユエータによる曲率の変化がない状態で反射面が凹面形状をしていることを特徴とするものである。
【００１５】
従って、アクチユエータが押圧部材であるプッシュプレートを介して間接的にミラー背面を押すことによりミラーの反射面の曲率を変化させる。この際に、アクチユエータとして磁歪素子を用い、その外周部に電磁コイルを配することで、低電圧電流を電磁コイルに印加制御することにより磁歪素子の伸縮を制御する。磁歪素子の歪み応答速度は２ＫＨｚ程度であり、従来の曲率変化ミラーと比較して充分高速応答が可能となる。また、ミラーは押圧部材であるプッシュプレートを介してアクチュエータである磁歪素子の歪力を伝達する構成となっているため、必要に応じてミラー自体を交換することなくプッシュプレートの形状を変更することで、ミラー反射面の変化量、曲率、形状を変えることが可能となる。また、中心部に加わるアクチュエータからの荷重をプッシュプレートを介することで、ミラー背面に適正な分布荷重に変換し、反射面の変化する曲率の有効径を大きくすることが可能である。さらには、レーザ発振器の高出力化に伴い、ますます効果的な冷却が必要となった場合でも、磁歪素子の力密度（質量あたりの出力）の高さから、プッシュプレートの強度を上げることで、必要に応じて冷却水を押圧部材であるプッシュプレートに供給することが可能となり、冷却水の水圧による影響を防止することが可能である。また、磁歪素子の伸縮は伝達部材によりプッシュプレートに伝達され、予め圧縮荷重を磁歪素子に加えることで電磁コイルに発生する磁束から生じる歪量の直線性を確保することが可能となる。また、位置調整機能でプッシュプレートへの当接を検知する初期調整が容易となる。さらに、アクチユエータが作動していない状態ではミラーの反射面は凹面形状であるが、アクチュエータが作動すると、反射面を凹面→平面→凸面と曲率を変化させることができる。
【００１６】
請求項２による発明の曲率可変ミラーは、請求項１に記載の曲率可変ミラーにおいて、前記電磁コイルおよび前記プッシュプレートを冷却する水路を設けてなることを特徴とするものである。
【００１７】
従って、磁歪素子を用いているため低電圧により駆動することができると共に、水路に冷却水を供給することにより電磁コイルおよび押圧部材であるプッシュプレートが冷却され、電磁コイルの発熱による各部の熱膨張によるミラー曲率変化をなくすることができ、ミラーに対して間接的であるが、従来の可変ミラーと同等の冷却効果を期待することができる。
【００１８】
請求項３による発明の曲率可変ミラーは、請求項１、２に記載の曲率可変ミラーにおいて、前記アクチュエータと前記プッシュプレートの間に前記磁歪素子の歪量によるミラー反射面の曲率変化量を捉えるための圧電素子を設けてなることを特徴とするものである。
【００１９】
従って、アクチュエータと押圧部材であるプッシュプレートの間の圧電素子によって、ミラー反射面の曲率変化を制御するため、いい換えれば、磁歪素子の歪量を制御するために、コントロールにフィードパックすることが可能となる。さらに、磁歪素子自体の温度をほぼ一定に保持することができるので、磁歪素子自体の熱膨張による影響を極小におさえることから、低電圧（２０〜３０Ｖ）電流制御（０〜５Ａ）により電磁コイルの発生する磁場による歪量でミラーの曲率を制御することが可能となる。
【００２１】
請求項４による発明の曲率可変ミラーは、請求項１、２または３記載の曲率可変ミラーにおいて、前記ミラー、前記プッシュプレートが個々にもしくは共に絶縁部材を介して本体に組みつけられており、これにより前記磁歪素子とミラーの間に位置する前記プッシュロッドの先端との間が、電気的に絶縁状態となりうることが可能な構造であることを特徴とするものである。
【００２２】
従って、本体にミラ一、押圧部材であるプッシュプレートを絶縁部材を介して組み付けることで、本体を含む他部品を電気的に絶縁された状態となる。このことにより、ミラーと本体の１部分間の電気抵抗値が確認されて、プッシュプレートとプッシュロッドの先端が接触する位置を確認することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
図２には、この発明に係る曲率可変ミラー１を用いたレーザ加工機３の構成が示されている。このレーザ加工機３においては、レーザ発振器５により発せられたレーザ光ＬＢは、ミラー７により反射されて曲率可変ミラー１に入射し、この曲率可変ミラー１により反射されて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸等のモータ９によりワークＷに対して相対的に移動されるレーザ加工ヘッド１１の集光レンズ１３を経てワークＷに照射される。
【００３３】
前記レーザ発振器５およびモータ９はＮＣ装置１５の制御を受ける。また、曲率可変ミラー１は、ＮＣ装置１５から機械座標信号を送られたコントローラ１７からのアクチュエータストローク信号により、反射面１９Ａ（図１参照）の曲率を変化させる。この時、曲率可変ミラー１からの加圧信号がコントローラ１７にフィードバック伝達される。
【００３４】
図１には、前述のこの発明に係る曲率可変ミラー１が示されている。この曲率可変ミラー１では、円形のミラー１９の周縁が絶縁部材としての一例のミラー絶縁リング２１Ａ，２１Ｂの間に挟まれている。このミラー絶縁リング２１Ａ、２１Ｂは、ボルト２３によりアタッチメントプレート２５とミラー押えプレート２７とで押さえつけて固定されている。従って、ミラー１９は、電気的に絶縁された状態でアタッチメントプレート２５に取り付けられることになる。
【００３５】
前記アタッチメントプレート２５は、ミラーブロック２９の複数箇所にねじ込まれているストリッパーボルト３１との間に弾装した複数のアタッチメント引込みバネ３３により、ミラーブロック２９側に付勢されている。アタッチメントプレート２５の複数箇所にはアジャストボルト３５、固定ボルト３７が設けられており、ミラーブロック２９との間隔調整を可能にしている。
【００３６】
アタッチメントプレート２５の中央部には空間３９が設けられており、この空間３９には前記ミラー１９の背部１９Ｂに接するフランジ４１付きの円筒形状をした押圧部材としての一例のプッシュプレート４３が設けられている。ここで、ミラー１９の背部１９Ｂに接するプッシュプレート４３側面（接触面）は平面となっていて、中央部１９Ｃの厚さが外周部１９Ｄの厚さよりも小さくなっているので、反射面１９Ａは凹面形状となっている。
【００３７】
また、プッシュプレート４３は、ミラー１９の中心部へ応力が集中するのを防止するために、ミラー１９の背面１９Ｂに接している面の中央部４３Ｃが厚くなっており、外周部４３Ｂが薄くなっている。なお、プッシュプレート４３の中央部４３Ｃのミラー１９と反対の側面は平面状になっている。
【００３８】
プッシュプレート４３のフランジ４１は、絶縁部材としてのプッシュプレート絶縁リング４５、４７を介して複数のボルト４９によりアタッチメントプレート２５に取り付けられている。従って、プッシュプレート４３は、電気的に絶縁された状態でアタッチメントプレート２５に取り付けられることになる。
【００３９】
前述のプッシュプレート４３の後面には、プッシュプレート４３を図１中下方へ押すアクチュエータ５１が設けられている。このアクチュエータ５１では、アクチュエータハウジング５３とアクチュエータ固定プレート５５により構成されるアクチュエータケース５７の内部に、プッシュプレート４３の中央部４３Ｃを押すための断面Ｔ字状をした伝達部材としての一例のプッシュロッド５９が図１中上下動可能に設けられている。
【００４０】
プッシュロッド５９の先端はプッシュプレート４３の中央部４３Ｃの後面に接触して設けられており、このプッシュロッド５９のフランジ６１の上面とアクチュエータ固定プレート５５の下面の間には、中央に、例えばテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、鉄（Ｆｅ）の合金を粉末冶金法により作成した磁歪素子６３が接触して設けられている。この磁歪素子６３は厚さ２mm以下にスライスした後張り合わせて棒状にしたものである。このようにして電気抵抗値を高くして渦電流損失を低減することにより発熱を防止している。
【００４１】
磁歪素子６３の周囲には、円筒形状の電磁コイル６５が設けられている。なお、電磁コイル６５にはリード線６７が接続されており、外部から電気信号が送られる。
【００４２】
また、プッシュロッド５９のフランジ６１の下面とアクチュエータハウジング５３の底部６９との間には、付勢手段としての磁歪素子プリロードバネ７１が設けられており、プッシュロッド５９を図1中上方へ付勢することにより磁歪素子 ６３に予め圧縮荷重を与えている。
【００４３】
前述のアクチュエータケース５７の外側には、冷却水用の水路７３を有する冷却水ジャケット７５が設けられており、冷却水ジャケット７５を貫通して設けられている冷却水用チューブ７７により水路７３に冷却水を供給する。冷却水ジャケット７５は前述のボルト４９により、プッシュプレート絶縁リング４５、４７およびプッシュプレート４３と共にアタッチメントプレート２５に取り付けられている。
【００４４】
また、アクチュエータケース５７はアクチュエータアジャストボルト７９により冷却水ジャケット７５に取り付けられると共に、アクチュエータアジャストボルト８１によりアクチュエータケース５７の位置を調整自在に支持して、初期調整時におけるプッシュロッド５９がプッシュプレート４３を押圧する圧力を調整可能としている。
【００４５】
あるいは、プッシュプレート４３とプッシュロッド５９との間に圧電素子８３を挟んで接触圧力を検出しフィードバックすることにより、磁歪素子６３のストロークを補正してミラー１９の曲率を制御するようにしてもよい。
【００４６】
なお、水路７３は冷却水ジャケット７５とアクチュエータケース５７との間を流れて磁歪素子６３および電磁コイル６５の冷却を行うと共に、プッシュプレート４３の後側にある空間８５にも冷却水を供給して、プッシュプレート４３を介してミラー１９の冷却を行うようになっている。ここで、プッシュプレート４３の空間８５に冷却水が供給されてもプッシュプレート４３は変形しない程度の剛性を有しており、冷却水によるミラー１９の変形はない。
【００４７】
上記構成により、ＮＣ装置１５からの信号をコントローラ１７によりアクチュエータ動作信号に変換して、電気信号がリード線６７から電磁コイル６５に送られる。これにより磁場が発生し、磁歪素子６３が軸方向に伸びるが、磁歪素子６３の上側端面はアクチュエータ固定プレート５５により押さえられているので下方に向かって伸び、プッシュプレート４３を下方へ押し出す。これにより、予め中央部の厚さが外周部の厚さよりも小さな凹面形状をしているミラー１９の反射面１９Ａは、曲面が変化し、凹面→平面→凸面と形状が変化する。
【００４８】
この時、磁歪素子６３には予め磁歪素子圧縮荷重バネ７１により軸方向に負荷が加えられているため、その特性により磁場の変化に対するストロークのヒステリシスは極小となっている。
【００４９】
一方、電磁コイル６５が発生する熱を冷却水により冷却するが、冷却水は冷却水用チューブ７７から冷却水ジャケット７５とアクチュエータハウジング５３およびアクチュエータ固定プレート５５との間の水路７３を流れ、さらにプッシュプレート４３と冷却水ジャケット７５の間にも供給される。これにより、電磁コイル６５やプッシュプレート４３やミラー１９の冷却を行う。
【００５０】
磁歪素子６３とプッシュロッド５９、プッシュロッド５９とプッシュプレート４３、プッシュプレート４３とミラー１９の物理的接触は、電気的導通性により確認し、アクチュエータアジャストボルト７９、８１により調整する。あるいは、電磁コイル６５に指令する初期値をコントローラ１７により調整して設定することも可能である。あるいは、前述したようにプッシュプレート４３とプッシュロッド５９との間に圧電素子８３を挟むことにより接触圧力を検出してフィードバックし、磁歪素子６３のストロークを補正してミラー１９の曲率を制御するようにしてもよい。
【００５１】
以上の結果から、磁歪素子６３をアクチュエータ部として使用することにより、安価でミラー１９の反射面曲率変化の高応答性を実現することができる。また、磁歪素子６３はその長さに対するストロークが大きいため、曲率可変ミラー１をコンパクトにすることができ、利用性を増すことができる。
【００５２】
また、ミラー１９自身の背面を直接押すのではなく、磁歪素子６３によりプッシュプレート４３を介して背面を押す構造としたのでミラー１９の交換を容易に行うことができる。
【００５３】
また、磁歪素子６３に予めバネにより予め圧縮荷重を加えるので、磁歪素子６３のストローク変位に対するヒステリシスを極小にすることができ、高精度で曲率変化を制御することができる。
【００５４】
なお、この発明は前述の発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。すなわち、前述の発明の実施の形態においては、この発明に係る曲率可変ミラー１をレーザ加工機３に適用した場合について説明したが、これに限らず種々のものに適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明による曲率可変ミラーでは、アクチユエータ部が中央部が厚く外周部が薄い底面を接触面とする円筒形状のプッシュプレートを介してミラーを押すことによりミラーの反射面の曲率を変化させる。この際に、アクチユエータ部として磁歪素子と電磁コイルを用いているので、低電圧で電磁コイルで制御することにより磁歪素子の伸縮を高速且つ高精度で制御することができる。また、磁歪素子の長さに対するストロークが大きいのでアクチュエータ部をコンパクト化できると共にコストダウンを図ることができる。また、ミラーは押圧部材であるプッシュプレートを介してアクチュエータ部と接触しているので、予め、初期調整を行った後であればミラーの交換の際には、ミラーのみを取り外すことにより容易に交換することができる。また、押圧部材であるプッシュプレートは、中央部が厚く、外周部が薄いので、冷却水をプッシュプレートに供給した際に、冷却水の水圧により変形しない程度の剛性を保持することができる。また、アクチユエータ部により中央部を押した際に、中央部のみが変化して外周部が変化しないという状態を回避することができる。また、磁歪素子の伸縮は伝達部材であるプッシュロッドによりプッシュプレートに伝達され、予め圧縮荷重を磁歪素子に加えることで電磁コイルに発生する磁束から生じる歪量の直線性を確保することを可能にすることができる。また、位置調整機能でプッシュプレートへの当接を検知する初期調整を容易にすることができる。また、アクチユエータが作動していない状態ではミラーの反射面は凹面形状であるが、アクチユエータが作動することにより、反射面を、凹面→平面→凸面と曲面を変化させることができる。
【００５６】
請求項２の発明による曲率可変ミラーでは、水路に冷却水を供給することにより、電磁コイルおよび押圧部材であるプッシュプレートを冷却することができ、ミラーも間接的ではあるが全面を冷却することができる。これにより、ミラーの経時変化に伴う劣化による熱吸収率の上昇を防止することができる。この時、ミラーには直接的に冷却水の圧力がかからないので、冷却水による曲率変化の誤差を防止することができる。また、磁歪素子の温度をほぼ一定に保持することができるので、磁歪素子自身の熱膨張によるストローク変化の影響を極小にすることができる。
【００５７】
請求項３の発明による曲率可変ミラーでは、アクチュエータと押圧部材であるプッシュプレートの間の圧電素子によって、ミラー反射面の曲率変化を制御するため、いい換えれば、磁歪素子の歪量をより高精度で制御するために、コントロールにフィードパックすることができる。
【００５８】
請求項４の発明による曲率可変ミラーでは、本体にミラ一、押圧部材であるプッシュプレートを絶縁部材を介して組み付けることで、本体を含む他部品を電気的に絶縁された状態となる。このことにより、ミラーと本体の１部分間の電気抵抗値が確認されて、押圧部材であるプッシュプレートと伝達部材であるプッシュロッドの先端が接触する位置を確認することを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る曲率可変ミラーを示す断面図である。
【図２】この発明に係る曲率可変ミラーをレーザ加工機に適用した場合を示す構成図である。
【符号の説明】
１  曲率可変ミラー
１７  コントローラ
１９  ミラー
１９Ａ  反射面
２１Ａ，２１Ｂ  ミラー絶縁リング（絶縁部材）
２５  アタッテメントプレート（プレート）
２７  ミラー押えプレート（プレート）
２９  ミラーブロック
４３  プッシュプレート（押圧部材）
４３Ｂ  外周部
４３Ｃ  中央部
４５，４７  プッシュプレート絶縁リング（絶縁部材）
５９  プッシュロッド（伝達部材）
６３  磁歪素子（アクチュエータ部）
６５  電磁コイル（アクチュエータ部）
７１  磁歪素子圧縮荷重バネ（付勢手段）
７３  水路
８３  圧電素子
ＬＢ  光線
【図１】
0004327318.tif 000002
【図２】
0004327318.tif 000003