JP2000271775A - Laser beam emission optical system - Google Patents
Laser beam emission optical systemInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光により溶接
を行うためのレーザ加工装置に適用され、被加工部材に
２つの集光スポットを照射する機能を持つレーザ出射光
学系に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser emission optical system which is applied to a laser processing apparatus for performing welding by laser light and has a function of irradiating a workpiece with two focused spots.
【０００２】[0002]
【従来の技術】レーザ光により金属部材を溶接するレー
ザ加工装置が各種提供されている。この種のレーザ加工
装置は、レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバを通
して出射光学系と呼ばれる光学系に導入し、この光学系
を通して被加工部材に照射する。出射光学系は、通常、
光ファイバ端面から拡大するレーザ光を平行光にするリ
コリメートレンズと、このリコリメートレンズからの平
行光を集光させて被加工部材上に集光スポットを形成す
るための加工レンズとを内蔵している。2. Description of the Related Art Various types of laser processing apparatuses for welding metal members with laser light have been provided. This type of laser processing apparatus introduces laser light from a laser oscillator through an optical fiber into an optical system called an emission optical system, and irradiates a workpiece through the optical system. The exit optics is usually
A built-in recollimator lens that converts the laser light expanding from the end face of the optical fiber into parallel light, and a processing lens that collects the parallel light from the recollimating lens to form a condensed spot on the workpiece ing.
【０００３】溶接に際しては、通常、２つの部材の合せ
目を境にして２つの部材にわたるような大きさを持つ集
光スポットを照射したり、合せ目を間にして集光スポッ
トを蛇行させながら溶接することが行われる。[0003] In welding, usually, a condensed spot having a size such that the condensed spot spans the two members is radiated at the joint of the two members, or the condensed spot is meandered between the joints. Welding is performed.
【０００４】ところで、溶接においては、熱容量の異な
る２つの部材を、例えば突き合わせ溶接する場合があ
る。このような場合、上記のような溶接では、所望の溶
接品質が得られない場合がある。これは、２つの部材に
同じエネルギーを持つレーザビームが照射される結果、
２つの部材における溶融状態が異なるからである。In welding, two members having different heat capacities may be butt-welded, for example. In such a case, desired welding quality may not be obtained by the above-described welding. This is because two members are irradiated with a laser beam with the same energy,
This is because the two members have different melting states.
【０００５】そこで、出射光学系においてレーザ光を２
つに分割して被加工部材に２つの集光スポット、いわゆ
るツインスポットを照射することが行われており、この
ような出射光学系はツインスポット出射光学系と呼ばれ
ている。[0005] Therefore, the laser beam is emitted from the exit optical system by two.
Irradiating the workpiece with two converging spots, so-called twin spots, is performed, and such an exit optical system is called a twin spot exit optical system.
【０００６】従来、ツインスポットを構成する方法とし
て下記の方法が提案されている。Conventionally, the following method has been proposed as a method of forming a twin spot.
【０００７】（１）加工レンズとして２焦点レンズを使
用する方法。(1) A method using a bifocal lens as a processing lens.
【０００８】（２）リコリメートレンズと加工レンズと
の間に、中央部を境に両側に傾斜面を持つ、いわゆる屋
根型プリズムを配置する方法。(2) A method of arranging a so-called roof-type prism between the recollimating lens and the processed lens, which has inclined surfaces on both sides of the center part.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
２つの方法には、下記の点を実施する場合に問題があ
る。However, the above two methods have problems when the following points are implemented.
【００１０】１）上記（１）の方法では、２つの集光ス
ポットのエネルギーの分割割合を変更する場合に、２焦
点レンズを交換するか、別のツインスポット出射光学系
を新規に製作する必要がある。一方、上記（２）の方法
においては中央部の稜線の位置をレーザビーム中心から
ずらすことで可能であるが、ずらすための機構が大きく
なる。1) In the above method (1), when changing the division ratio of the energy of the two condensed spots, it is necessary to replace the bifocal lens or newly manufacture another twin spot emission optical system. There is. On the other hand, in the above method (2), it is possible to shift the position of the ridge line at the center from the center of the laser beam, but the mechanism for shifting is increased.
【００１１】２）スポット間隔を変更する場合、上記
（１）、（２）の方法共に、２焦点レンズ、屋根型プリ
ズムを交換するか、ツインスポット出射光学系を新規に
製作する必要がある。2) In the case of changing the spot interval, it is necessary to replace the bifocal lens and the roof type prism or to newly manufacture a twin spot emission optical system in both of the above methods (1) and (2).
【００１２】そこで、本発明の課題は、ツインスポット
を構成するためのプリズムを交換せずに、エネルギー割
合を調整することができるレーザ出射光学系を提供する
ことにある。An object of the present invention is to provide a laser emission optical system capable of adjusting the energy ratio without replacing a prism for forming a twin spot.
【００１３】本発明の他の課題は、ツインスポットを構
成するためのプリズムを交換せずに、ツインスポット間
隔を調整することができるレーザ出射光学系を提供する
ことにある。Another object of the present invention is to provide a laser emission optical system capable of adjusting the interval between twin spots without replacing a prism for forming a twin spot.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、リコリ
メートレンズと加工レンズとを内蔵し、レーザ光の集光
スポットを被加工部材に照射させるレーザ出射光学系に
おいて、該出射光学系の入射部と前記リコリメートレン
ズとの間に、前記レーザ光を２つに分割して前記被加工
部材に２つの集光スポットを形成するプリズムを配置し
たことを特徴とするレーザ出射光学系が提供される。According to the present invention, there is provided a laser emitting optical system which includes a collimating lens and a processing lens and irradiates a converged spot of a laser beam to a member to be processed. A laser emission optical system is provided, wherein a prism that divides the laser beam into two and forms two focused spots on the workpiece is disposed between an incident part and the recollimating lens. Is done.
【００１５】なお、前記プリズムとしては、中央部を境
に両側に傾斜面を持つ屋根型プリズムを使用することが
好ましい。As the prism, it is preferable to use a roof type prism having inclined surfaces on both sides of the center.
【００１６】また、前記屋根型プリズムを、その中央部
の稜線が前記レーザ光を横切るように光軸に直角な方向
に移動させる移動機構が備えられる。Further, there is provided a moving mechanism for moving the roof type prism in a direction perpendicular to the optical axis so that a ridgeline at the center thereof crosses the laser beam.
【００１７】更に、前記屋根型プリズムを、光軸に平行
な方向に移動させて前記２つのスポットの間隔を可変と
する調整機構が備えられる。Further, there is provided an adjustment mechanism for moving the roof type prism in a direction parallel to the optical axis so as to change the interval between the two spots.
【００１８】[0018]
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の好まし
い実施の形態を説明する前に、動作原理を説明する。レ
ーザ出射光学系には光ファイバ１０を通してレーザ発振
器からのレーザ光が導入される。レーザ出射光学系は、
光ファイバ１０の出射端面から拡大するレーザ光を平行
光にするリコリメートレンズ１１と、このリコリメート
レンズ１１からの平行光を集光させて被加工部材１３上
に集光スポットを形成するための加工レンズ１２とを内
蔵している。これらのレンズに加えて、光ファイバ１０
の出射端面とリコリメートレンズ１１との間に、中央部
を境に両側に傾斜面を持つ屋根型プリズム１４が配置さ
れる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing a preferred embodiment of the present invention with reference to FIG. 1, the principle of operation will be described. Laser light from a laser oscillator is introduced into the laser emission optical system through an optical fiber 10. The laser emission optical system is
A collimating lens 11 for collimating the laser light expanded from the emission end face of the optical fiber 10 into parallel light; and a collimating lens 11 for converging the parallel light from the collimating lens 11 to form a converged spot on the workpiece 13. A processing lens 12 is incorporated. In addition to these lenses, an optical fiber 10
A roof-type prism 14 having inclined surfaces on both sides with respect to the central portion is disposed between the exit end face of the lens and the collimating lens 11.
【００１９】このような構成によれば、光ファイバ１０
からのレーザ光は、屋根型プリズム１４にその稜線をま
たぐように入射する結果、２つに分割される。そして、
２つに分割されたレーザ光は、加工レンズ１２により集
光されて被加工部材１３に２つの集光スポットを形成す
ることになる。According to such a configuration, the optical fiber 10
Is incident on the roof type prism 14 so as to straddle the ridge line, and is split into two. And
The laser light split into two is condensed by the processing lens 12 to form two condensed spots on the workpiece 13.
【００２０】集光点でのスポット径ｄは、光ファイバ１
０の直径ｄ0 及びリコリメートレンズ１１の焦点距離ｆ
２、加工レンズ１２の焦点距離ｆ１によって次式（１）
により決定される。The spot diameter d at the focal point is determined by the optical fiber 1
0 of the focal length f of the diameter d 0 and Li collimator lens 11
2. The following equation (1) is obtained according to the focal length f1 of the processing lens 12.
Is determined by
【００２１】 ｄ＝（ｆ１／ｆ２）・ｄ0 （１） また、ツインスポットの間隔を２ａとすると、距離ａ
は、屋根型プリズム１４の斜面の角度α、屈折率ｎ、焦
点距離ｆ１、ｆ２、及び光ファイバ１０出射端面から屋
根型プリズム１４の稜線までの距離ｘによって次式
（２）により決定される。D = (f1 / f2) · d 0 (1) Further, assuming that the interval between the twin spots is 2a, the distance a
Is determined by the following equation (2) based on the angle α of the inclined surface of the roof type prism 14, the refractive index n, the focal lengths f1 and f2, and the distance x from the end face of the optical fiber 10 to the ridge line of the roof type prism 14.
【００２２】 ａ＝ｓｉｎ｛（ｎ−１）・α｝・ｘ・（ｆ１／ｆ２） （２） 上記式（２）より、距離ｘを変えることにより、ツイン
スポット間隔２ａを変えることができることが理解でき
よう。A = sin ｛(n−1) · α｝ · x · (f1 / f2) (2) From the above equation (2), it is possible to change the twin spot interval 2a by changing the distance x. I can understand.
【００２３】一方、２つの集光スポットのエネルギー割
合は、屋根型プリズム１４を、その中央部の稜線がレー
ザビームを横切るように光軸に直角な方向に移動させる
ことにより、任意の割合に変化させることができる。な
お、後述する図２（ａ）に示されるように、中央部の稜
線がビーム径から外れると、０：１００の割合になった
単一集光スポットとなり、本発明によるレーザ出射光学
系はこのような単一集光スポットでの使用も可能であ
る。On the other hand, the energy ratio of the two condensed spots is changed to an arbitrary ratio by moving the roof prism 14 in a direction perpendicular to the optical axis so that the ridgeline at the center thereof crosses the laser beam. Can be done. As shown in FIG. 2A described later, when the ridgeline at the center deviates from the beam diameter, a single condensed spot having a ratio of 0: 100 is obtained. It is also possible to use such a single focusing spot.
【００２４】上記のように、光ファイバ１０の出射端面
とリコリメートレンズ１１との間に屋根型プリズム１４
を設置することで、屋根型プリズム１４の大きさを加工
レンズ１２の大きさより小さくすることができる。ま
た、ツインスポットの間隔２ａ及びエネルギー割合の調
整が可能になる。As described above, the roof type prism 14 is located between the exit end face of the optical fiber 10 and the collimating lens 11.
Is installed, the size of the roof-type prism 14 can be made smaller than the size of the processing lens 12. In addition, the twin spot interval 2a and the energy ratio can be adjusted.
【００２５】図２を参照して、本発明の実施の形態につ
いて説明する。図２において、図１と同じ部分には同じ
番号を付している。図１で説明したように、本レーザ出
射光学系は、上から順に、屋根型プリズム１４、リコリ
メートレンズ１１、加工レンズ１２の順序でケース２０
内に配置されている。光ファイバ１０（図１）の出射端
面は、ケース２０の上部２０ａに固定される。なお、こ
こでは、リコリメートレンズ１１は、２枚のレンズ１１
Ａ、１１Ｂで構成され、加工レンズ１２も２枚のレンズ
１２Ａ、１２Ｂで構成されている。An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2, the same parts as those in FIG. 1 are given the same numbers. As described with reference to FIG. 1, the present laser emission optical system includes a roof prism 14, a recollimating lens 11, and a processing lens 12 in the order from the top.
Is located within. The emission end face of the optical fiber 10 (FIG. 1) is fixed to the upper part 20a of the case 20. Here, the recollimating lens 11 is composed of two lenses 11
A and 11B, and the processed lens 12 is also composed of two lenses 12A and 12B.
【００２６】屋根型プリズム１４を光軸に直角な方向に
移動させる移動機構について説明する。屋根型プリズム
１４はリング状のプリズムホルダ２１に収納されてい
る。また、プリズムホルダ２１はリング状のホルダ支持
部２２に光軸に直角な方向にスライド可能に支持されて
いる。これにより、プリズムホルダ２１を図２中、左右
に動かすと、屋根型プリズム１４の稜線の位置が変わる
ことにより、屋根型プリズム１４で２つに分割されるレ
ーザ光の割合が変化する結果、エネルギー分割比率を調
整することができる。A moving mechanism for moving the roof prism 14 in a direction perpendicular to the optical axis will be described. The roof type prism 14 is housed in a ring-shaped prism holder 21. The prism holder 21 is slidably supported by a ring-shaped holder support 22 in a direction perpendicular to the optical axis. As a result, when the prism holder 21 is moved right and left in FIG. 2, the position of the ridge line of the roof type prism 14 is changed, and the ratio of the laser beam split into two by the roof type prism 14 is changed. The division ratio can be adjusted.
【００２７】次に、屋根型プリズム１４を光軸に平行な
方向、すなわち図２中、上下方向に移動させる調整機構
について説明する。ケース２０には、プリズムホルダ２
１の上下移動を可能にするための開口２０ｂが設けられ
ている。ケース２０にはまた、開口２０ｂに対して９０
度の角度間隔をおいた位置にそれぞれ、スリット２０ｃ
が形成されている。ホルダ支持部２２には、一方のスリ
ット２０ｃに挿通されてその上下動作を案内するガイド
棒２３が設けられ、他方のスリット２０ｃに対応する位
置にはねじ式の調整つまみ２４が設けられている。この
調整つまみ２４は、一方向に回すことでケース２０に対
する締め付けが緩められてホルダ支持部２２を上下動さ
せることができ、反対方向に回すことでケース２０に対
する締め付けが行われてホルダ支持部２２をケース２０
に固定することができる。これにより、ケース２０のス
リット２０ｃに沿って、プリズムホルダ２１とホルダ支
持部２２とを上下させることができ、図１の距離ｘを任
意に変えてツインスポット間隔２ａを変えることができ
る。Next, an adjustment mechanism for moving the roof type prism 14 in a direction parallel to the optical axis, that is, in the vertical direction in FIG. 2, will be described. The case 20 includes the prism holder 2
An opening 20b is provided to allow the vertical movement of the first member. The case 20 also has 90
Slits 20c at positions spaced at an angular interval of degrees
Are formed. The holder support portion 22 is provided with a guide rod 23 which is inserted into one slit 20c and guides the vertical movement thereof, and a screw type adjustment knob 24 is provided at a position corresponding to the other slit 20c. By turning the adjustment knob 24 in one direction, the fastening to the case 20 is loosened and the holder support 22 can be moved up and down. By turning the adjustment knob 24 in the opposite direction, the holder 20 is tightened and the holder support 22 is rotated. To case 20
Can be fixed. Thus, the prism holder 21 and the holder supporting portion 22 can be moved up and down along the slit 20c of the case 20, and the distance x in FIG. 1 can be arbitrarily changed to change the twin spot interval 2a.
【００２８】なお、屋根型プリズム１４を光軸に直角な
方向に移動させるための機構及び光軸に平行な方向に移
動させるための機構は、図２で説明したものに限らず、
他の周知の機構を用いても良い。また、本発明によるレ
ーザ出射光学系は、光ファイバを介してレーザ光が導入
されるものに限られるものではない。The mechanism for moving the roof prism 14 in a direction perpendicular to the optical axis and the mechanism for moving the roof prism 14 in a direction parallel to the optical axis are not limited to those described with reference to FIG.
Other well-known mechanisms may be used. Further, the laser emission optical system according to the present invention is not limited to the one in which laser light is introduced via an optical fiber.
【００２９】[0029]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、小型で設置スペースが少なくて済み、ツインスポッ
トを構成するためのプリズムを交換せずに、簡単な操作
でエネルギー割合及びツインスポット間隔を任意に調整
することができる。As described above, according to the present invention, the size and the installation space are small, and the energy ratio and the twin spot can be easily operated without replacing the prism for forming the twin spot. The interval can be adjusted arbitrarily.
【図１】本発明の原理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
【図２】図（ａ）は本発明の実施の形態を示した断面図
であり、図（ｂ）は図（ａ）の角度を９０度変えて示し
た図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a view showing the angle of FIG.
１０ 光ファイバ １１ リコリメートレンズ １２ 加工レンズ １３ 被加工部材 １４ 屋根型プリズム ２０ ケース ２０ｂ 開口 ２０ｃ スリット ２１ プリズムホルダ ２２ ホルダ支持部 ２３ ガイド棒 ２４ 調整つまみ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical fiber 11 Recollimating lens 12 Processing lens 13 Workpiece 14 Roof prism 20 Case 20b Opening 20c Slit 21 Prism holder 22 Holder support part 23 Guide rod 24 Adjustment knob
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 27/09 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｅ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02B 27/09 G02B 27/00 E
Claims (4)
蔵し、レーザ光の集光スポットを被加工部材に照射させ
るレーザ出射光学系において、該出射光学系の入射部と
前記リコリメートレンズとの間に、前記レーザ光を２つ
に分割して前記被加工部材に２つの集光スポットを形成
するプリズムを配置したことを特徴とするレーザ出射光
学系。1. A laser emitting optical system that includes a recollimating lens and a processing lens and irradiates a converged spot of laser light to a workpiece, between a light incident portion of the emitting optical system and the recollimating lens. And a prism for dividing the laser beam into two and forming two converging spots on the workpiece to be processed.
て、前記プリズムとして、中央部を境に両側に傾斜面を
持つ屋根型プリズムを使用することを特徴とするレーザ
出射光学系。2. A laser emission optical system according to claim 1, wherein a roof-type prism having inclined surfaces on both sides of a center is used as said prism.
て、前記屋根型プリズムを、その中央部の稜線が前記レ
ーザ光を横切るように光軸に直角な方向に移動させる移
動機構を備えたことを特徴とするレーザ出射光学系。3. The laser emission optical system according to claim 2, further comprising a moving mechanism for moving the roof-type prism in a direction perpendicular to the optical axis so that a ridgeline at the center thereof crosses the laser light. A laser emission optical system characterized by the above-mentioned.
学系において、前記屋根型プリズムを、光軸に平行な方
向に移動させて前記２つのスポットの間隔を可変とする
調整機構を備えたことを特徴とするレーザ出射光学系。4. The laser emitting optical system according to claim 2, further comprising an adjusting mechanism that moves the roof-type prism in a direction parallel to an optical axis to change a distance between the two spots. A laser emission optical system characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11086062A JP2000271775A (en) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | Laser beam emission optical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11086062A JP2000271775A (en) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | Laser beam emission optical system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000271775A true JP2000271775A (en) | 2000-10-03 |
Family
ID=13876221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11086062A Withdrawn JP2000271775A (en) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | Laser beam emission optical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000271775A (en) |
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-
1999
- 1999-03-29 JP JP11086062A patent/JP2000271775A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060317 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20061205 |