JP2014509263A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザビーム（５０）を形成するレーザ（１４）と、光導体ケーブル（１６）を用いてレーザビーム（５０）が供給される少なくとも二つのレーザツール（１８，１８’）とを備えた、レーザ加工物を加工するためのレーザ加工装置（１０）が提案される。本発明によれば、光導体ケーブル（１６）は、少なくとも二つの光ファイバコア（２２，２２’）を備えている入力側の端部（２０）と、それぞれが光ファイバコア（２２，２２’）の内の一方を備えている、複数の出力側の端部（２６，２６’）とを有しており、光ファイバコア（２２，２２’）は複数あるレーザツール（１８，１８’）の内の一つにそれぞれ接続されている。レーザビーム（５０）を光導体ケーブル（１６）の一つ又は複数の光ファイバコア（２２，２２’）に選択的に入力するために有利にはスイッチング装置（２８）が設けられている。

Description

本発明は、レーザビームを形成するレーザと、光導体ケーブルを用いてレーザビームが供給される少なくとも二つのレーザツールとを備えた、レーザ加工物処理のためのレーザ加工装置に関する。

その種のレーザ加工装置は例えば特許文献１から既に公知であり、このレーザ加工装置においては、レーザによって形成されたレーザビームを、個々のレーザツールに接続されている複数の光導体ケーブルを介して、それら個々のレーザツールに供給することができる。光導体ケーブルはレーザ側において別個の端子をそれぞれ必要とし、それらの端子は、光導体ケーブル、若しくは光導体ケーブルの端子コネクタの各断面に応じて、所定の最小間隔を相互に空けて配置されている。そのような配置は密度の高い構造の妨げとなる。更には、特に光導体ケーブルの交換の際に取り扱いの著しい手間が生じ、また実際のところは軽視できない程の汚染の危険、例えば個々の光導体ケーブルの光ファイバコアの光学的な結合面の汚染の危険が生じ、それによってレーザツールの性能が損なわれる虞がある。

EP 1 591 189 A1

従って本発明の課題は、従来技術の欠点を解消する、冒頭で述べたようなレーザ加工装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成を備えているレーザ加工装置によって解決される。

本発明によるレーザ加工装置によって得られる利点は、実質的に、光導体ケーブルの単一の入力側の端部に起因して、レーザ側において単一の端子しか必要とされないということである。これによって、非常に小型で構造的に簡略化された構造が実現される。またこれによって、レーザ加工装置の取り扱いが総じて容易になり、ファイバコア若しくは、レーザ側において光導体ケーブルに対応付けられている端子の入力側の光学的な結合面の汚染の危険も低減される。更には、端子側の機能障害を予防することができる。光導体ケーブルのファイバコアは共通の被覆部（クラッド）によって包囲されており、それによって、光導体ケーブルの安全な配線、例えばレーザ加工装置の可動の機械部の危険領域における配線が簡略化される。光導体ケーブルは、レーザツールの数に対応する数のファイバコアを有することができるが、しかしながらまた、レーザツールの数を上回る数のファイバコアを有することもできる。後者の場合には、レーザビームのレーザツールへの伝送を、光導体ケーブルのファイバコアが損傷している場合であっても保証することができる。この場合、レーザ加工装置の不所望な休止時間は最小になり、また光導体ケーブル全体のコストの掛かる交換も回避される。

本発明の一つの有利な実施の形態によれば、レーザビームを光導体ケーブルの一つ又は複数のファイバコアに選択的に入力するためのレーザスイッチング装置が設けられている。これによって、レーザビームを適切な時点において、要求に応じてその都度レーザツールの内の一方に供給することができ、またレーザビームが分割される場合には、複数のレーザツールに同時に供給することができる。このことは、加工品の加工時間並びにレーザ加工装置の取り扱いに関して有利である。更には、光導体ケーブルの光ファイバコアが入力側において密に並んで配置されていることにより、レーザビームをファイバコアに相応に入力させるために、例えば光学的な偏向手段の非常に僅かな調整範囲しか必要とされない。また、使用される光学的な偏向手段を非常に小型に実施することができる。これによって、スイッチング装置の非常に短いスイッチング時間、即ち、光導体ケーブルのそれぞれのファイバコアの制御に必要とされる時間、並びにスイッチング装置の全体として小型の構造を実現することができる。

本発明の一つの有利な実施の形態によれば、光導体ケーブルの入力側の端部を所定の位置及び所定の回転姿勢でスイッチング装置に対して位置決めすることができる接続手段が設けられている。これによって、それらの光ファイバコアをその入力側の光学的な結合面を用いて、レーザビームの入力動作にとって最適なやり方で、スイッチング装置に対して、例えば集束レンズの焦平面に一緒に配置することができる。またこれによって、レーザスイッチング装置の位置調整も全体として容易にすることができる。

接続手段は、有利には、スイッチング装置に配置されている端子ソケットと、光導体ケーブルに配置されており、且つ、端子ソケット内に位置決めすることができる端子プラグとを有している。これによって、光導体ケーブルの入力側の端部を再現可能且つ正確に所定の位置若しくは所定の回転姿勢でスイッチング装置に対して位置決めすることができる。

レーザビームがレーザ加工装置の動作中に、光導体ケーブルの入力側の端部の回転姿勢の不所望な変化に基づいて、光導体ケーブルの被覆部へと入射されないようにするために、有利にはロック装置が設けられている。このロック装置は、特に、スイッチング装置に対する光導体ケーブルの最大捻れ角度、従って光ファイバコアの最大捻れ角度が０．３°、特に０．２°を超えないように設計されている。

光ファイバコアは有利には、光導体ケーブルの長手方向軸と交差する光導体ケーブルの横方向軸上に配置されている、入力側の光学的な結合面を有している。ここで、光学的な結合面とは、実際のところは十分に正確に研磨された、光ファイバコア自体の入力側の端面と解されるが、光導体ケーブルのそれぞれのファイバコアを収容し（いわゆるフェルール）、必要に応じて端子プラグに対して固定することができるガイド細管の端面と解することもできる。

光ファイバコアの入力側の光学的な結合面を特に、横方向軸について対称的に配置することができる。これによって、光導体ケーブルはそれぞれ必要とされる最小断面を有することができ、また、ファイバコアはそれと同時に、光導体ケーブル内において被覆部外面までそれぞれ最大間隔を空けて保護されている。更には、個々のファイバコアのそれぞれの光学的な結合面相互の公知の配置構成、並びにそれらのそれぞれの既知の大きさは、レーザスイッチング装置の簡略化された位置調整を実現する。何故ならば、ファイバコアの端面の位置を別のファイバコアの制御、即ちファイバコアへのレーザビームの入力のための基準量として使用することができるからである。

光導体ケーブルが複数の偶数個の光ファイバコアを有している場合には、それら光ファイバの光学的な結合面を特に対になってそれぞれの横方向軸上に配置することができる。また、ファイバコアの光学的な結合面を、光導体ケーブルの長手方向軸の周りに円形に配置することができる。

光導体ケーブルのファイバコアにレーザビームを可能な限り効率的に入力させるために、光導体ケーブルの光ファイバコアの少なくとも一部が異なる断面を有していることは有利であることが分かった。特に、光導体ケーブル内でその長手軸に対して半径方向においてより外側に配置されている光ファイバコアが、半径方向においてより内側に配置されているファイアコアの断面よりも大きい断面を有することができる。これによって、個々のファイバコアの直径の公差、並びに光導体ケーブル若しくは端子プラグ内のファイバコアの姿勢偏差を簡単なやり方で補償調整することができる。

スイッチング装置は有利には、レーザビームを光導体ケーブルの複数の光ファイバコアへと入力させるための光学的な偏向手段を有している。光学的な偏向手段には、有利には、楔状の光学プリズム、集束レンズ、ホログラフィック光学素子、回折光学素子、傾斜ミラー、ルーフミラー及び／又はファセットミラーが含まれる。

有利には、光学的な偏向手段の少なくとも一部を、少なくとも一つ、有利には少なくとも二つの位置調整軸について変位させることができる。これによって、光導体ケーブルの入力側の光学的な結合面のスイッチング装置に対する幾何学的な配置構成に依存せずに、レーザビームを個々のファイバコアへ確実に入力させることができる。また、光ファイバコア若しくは、その入力側の光学的な結合面の姿勢公差も簡単且つ正確に補償調整することができる。

プリズムを使用することによって、レーザビームを非常に簡単且つ正確に変位させることができ、その際に、特に非常に小さい変位角度も実現することができる。これによって、光導体ケーブルのファイバコアが密に並んで配置されている場合であっても、レーザビームを損失無く入力させることができるか、若しくは比較的大きい損失無く入力させることができる。一つの実施の形態によれば、プリズムをレーザビームのビーム路内に（永続的に）配置させることができる。この場合、プリズムをその位置調整軸について変位させるだけで、レーザビームを光導体ケーブルのファイバコアに入力させることができる。この構造様式は例えば、ファイバコアが光導体ケーブルの入力側の端部において光導体ケーブルの長手方向軸の周りに円形に配置されている光導体ケーブルにおいては有利である。

構造的に最も簡単な場合には、プリズムをレーザビームのビーム路内に移動させることができ、特にレーザビーム路内へ旋回させることができる。これによって、例えばファイバコアを二つだけ備えている光導体ケーブルでは、レーザビームを簡単なやり方で偏向させ、その都度異なるファイバコアに入力させることができる。

一つの実施の形態によれば、プリズムはレーザビームのビーム路内に部分的にしか配置されていないか、若しくは部分的にのみビーム路内に移動可能である。これによって、プリズムをビーム分配器として機能させることができるので、それによりレーザビームを時間的に同時に、光導体ケーブルの少なくとも二つのファイバコアへと入力させることができる。即ち、レーザビームを時間的に同時に、二つのレーザツールに供給することができる。

スイッチング装置は有利には制御ユニットを有しており、これにより有利には、レーザ加工装置の動作制御に統合された、スイッチング装置の制御を実現することができる。

本発明の対象の更なる利点及び有利な実施の形態は、以下の説明、特許請求の範囲及び図面より明らかになる。同様に、上記において述べた特徴及び下記において更に説明する特徴は、それ自体単独で使用することができるか、又は複数の任意の組み合わせで使用することができる。図示及び説明する実施の形態は排他的な列挙を意図したものではなく、むしろ本発明を説明するための例示的な特徴を有しているものである。図面には本発明による対象が非常に概略的に示されているのであって、従って縮尺通りではないと解するべきである。

二つの光ファイバコアを備えている光導体ケーブルを介して二つのレーザツールに供給することができるレーザビームを形成するためのレーザを備えている本発明によるレーザ加工装置の透視図を示す。 光導体ケーブルの入力側の端部の端面側の平面図を示す。 光導体ケーブルの出力側の端部の端面側の平面図を示す。 第１のスイッチング状態における、図１に示したレーザ加工装置のスイッチング装置を示す。 図３に示したスイッチング装置の側面図を示す。 第２のスイッチング状態における、図３に示したスイッチング装置の図４と同様の側面図を示す。

図１には、加工物１２をレーザ加工するためのレーザ加工装置１０が示されている。レーザ加工装置１０は、実質的にＹ字型の光導体ケーブル１６を介して二つのレーザツール１８，１８’に供給することができるレーザビームを形成するためのレーザ１４を有している。

光導体ケーブル１６は、それぞれが点線で表されている二つの光ファイバコア２２，２２’を備えている入力側の一つの端部２０を有している。光導体ケーブル１６は、その経過において二つの光導体ケーブル脚部２４，２４’に分岐されており、従って、それぞれが光ファイバコア２２，２２’の内の一方を備えている二つの別個の出力側の端部２６，２６’を有している。出力側の端部２６，２６’若しくは光ファイバコア２２，２２’はそれぞれレーザツール１８，１８’の内の一方と接続されている。

レーザ１４の後段に接続されているスイッチング装置２８は、レーザ１４によって形成されたレーザビームをその都度、光ファイバコア２２，２２’の内のいずれかに選択的に入力するために使用される。スイッチング装置２８は、端子ソケット３２を備えているケーシング３０を有しており、この端子ソケット３２に、光導体ケーブル１６の入力側の端部２０に配置されている端子プラグ３４が挿入されている。光導体ケーブル１６をその入力側の端部２０によって、スイッチング装置２８に関して所定の位置及び所定の回転姿勢で位置決めできるように、端子プラグ３４及び端子ソケット３２は相互作用する。

ロック装置３６は、所定の回転姿勢においてスイッチング装置２８に対向して配置されている光導体ケーブル１６の入力側の端部２０の捻れを、光導体ケーブル１６の長手方向軸３８についての±０．０３°の最大捻れ角度に制限するために使用される。

図２ａに示されている、（接続プラグが取り外された状態における）光導体ケーブル１６の入力側の端部２０の平面図から見て取れるように、光導体ケーブル１６の光ファイバコア２２，２２’はそれぞれ円形の入力側の端面４０を有しており、それらの端面４０はレーザビームを入力するための光学的な結合面をそれぞれ形成している。ここでは、ファイバコア２２，２２’の端面４０が同一の断面を有している。図面には詳細には図示していない一つの実施例によれば、ファイバコア２２，２２’が異なる断面を有していることも考えられる。ファイバコア２２，２２’は、光導体ケーブル１６の共通の被覆部（クラッド）４２によって包囲されており、且つ、光導体ケーブル１６の長手方向軸３８と交差する横方向軸４４上に配置されている。

図２ｂには、光導体ケーブル脚部２４の出力側の端部２６の端面側の平面図が示されている。出力側の端面４０を備えているファイバコア２２はその出力側の端面によって中心に配置されており、且つ、同軸の被覆部４２’によって包囲されている。

図３には、ケーシングを備えていないスイッチング装置２８が示されている。スイッチング装置２８は実質的にプレート状の基体４６を有しており、この基体４６にはレーザビーム５０のための開口部４８が設けられている。開口部４８と光導体ケーブル１６との間には収束レンズ５２が配置されている。集束レンズ５２の光学軸５４は開口部４８から出射するレーザビーム５０の中心ビーム軸５６と一致する。光導体ケーブル１６はその入力側の端部２０でもって、所定の位置で集束レンズ５２の後方の焦平面５８に配置されている。基体４６には楔状のプリズム６０が配置されており、このプリズム６０の一方の端部は保持エレメントに６２に固定されている。回転軸６４を中心にして、参照番号６６でもって表されている矢印の方向で、プリズム６０をレーザビーム５０のビーム路へと変位させることができる。このために保持エレメント６２は、見易くするために図示していない回転軸上に配置されている。回転軸を電気的なサーボモータ６８によって動かすことができ、このサーボモータ６８の制御のために制御装置７０が設けられている。保持エレメント６２、従ってこの保持エレメント６２に固定されているプリズム６０は付加的に、詳細には図示していない精密位置調整手段を介して、第２の回転軸７２を中心に変位可能である。

図４には、スイッチング装置２８の第１のスイッチング状態における、レーザビーム５０のビーム路が側面図で示唆されている。集束レンズ５２の焦平面５８に配置されている、光導体ケーブル１６の二つの光ファイバコア２２，２２’の端面４０がいずれも明示されている。図４における上側の光ファイバコア２２の入力側の端面４０は、ここに図示されているスイッチング装置２８の第１のスイッチング状態では、集束レンズ５２の光学軸５４上に配置されている。光ファイバコア２２，２２’の端面４０は、スイッチング装置２８に対する光導体ケーブル１６の入力側の端面２０の所定の取り付け位置において、縦方向において上下に配置されている。即ち、光導体ケーブルの横方向軸４４（図２ａを参照されたい）は、図５と関連させて後述する、プリズム６０を通過するレーザビーム５０の変位方向に対して実質的に平行に延びている。

図５にはスイッチング装置２８の第２のスイッチング状態が示されており、この第２のスイッチング状態においてはプリズム６０が第１の回転軸６４を中心にしてレーザビーム５０のビーム路内に変位されている。プリズム６０から出射したレーザビーム５０は、集束レンズ５２の光学軸５４に対して偏向方向７４へと偏向されており、且つ、集束レンズ５２を用いて焦平面５８において光導体ケーブル１６の光ファイバコア２２’の端面４０へと視準されている。

以下では、レーザ加工装置１０の位置調整及び動作を詳細に説明する。

光導体ケーブル１６の端子プラグ３４が、スイッチング装置２８の端子ソケット３２に挿入される。光導体ケーブル１６の二つの光ファイバコア２２，２２’は、端子プラグ３４及び端子ソケット３２の相互作用によって、それらの入力側の端面４０でもってスイッチング装置２８の集束レンズ５２の焦平面５８に配置されており、更には、端面４０が横方向軸４４（図２を参照されたい）に沿って、且つ、プリズム６０によって設定される偏向方向７４に沿って相互に上下に配置されるような回転姿勢でもってスイッチング装置２８に対して配向されている。

スイッチング装置２８は制御装置７０を用いて、図３及び図４と関連させて説明した第１のスイッチング状態に切り替えられ、この第１のスイッチング状態においてはプリズム６０がレーザビーム５０のビーム路外に配置されている。

光ファイバコア２２の入力側の端面４０が、例えば光導体ケーブル１６若しくは端子プラグ３４内での光ファイバコア２２の姿勢公差に起因して、集束レンズ５２の光学軸５４上に正確に配置されていない場合、レーザビームはスイッチング装置２８の位置調整によって光ファイバコア２２の入力側の端面４０に視準される。このことは、ここでは詳細に図示していないやり方で、例えば、光ファイバコア２２の入力側の端面４０が集束レンズ５２の光学軸５４上に位置するようになるまで、端子コネクタ３２、集束レンズ５２及び／又はレーザビーム５０の中心軸５６を制御しながら相対的にずらすことによって行なわれる。択一的に、集束レンズ５２もレーザビーム５０に対して相応に再位置調整する（捻る）ことができる。

後続のステップにおいては、光導体ケーブル１６の二つの光導体ケーブル脚部２４，２４’の出力側の端部２６，２６’が対応するレーザツール１８，１８’にそれぞれ接続される。

続けて、スイッチング装置２８は制御装置７０を用いて、図５と関連させて説明した第２のスイッチング状態に移行される。この移行は、プリズム６０が回転軸６４についてのサーボモータ６８の操作によって、レーザビーム５０のビーム路へ変位されることによって行なわれる。

別の光ファイバコア２２’が十分正確に配置されていれば、レーザビーム５０は集束レンズ５２を用いて、その集束レンズ５２の焦平面５８に配置されている、光導体ケーブル１６の別のファイバコア４０の入力側の端面４０に正確に視準され、従って、この別のファイバコア４０に入力される。

プリズム６０の偏向方向７４に対してファイバコア２２’が方位角的に位置偏差している場合には、位置調整軸７２についてプリズムを捻ることによって、レーザビーム５０が第２の光ファイバコア２２’の端面４０に正確に視準されるまでプリズムが精密に位置調整される。

スイッチング装置２８のその種の位置調整後には、レーザビーム５０がスイッチング装置２８のそれぞれのスイッチング状態の切り替えによって、要求に応じて、光導体ケーブル１６の一方の光ファイバコア２２又は他方の光ファイバコア２２’に入力され、従って、レーザ加工装置１０の一方のレーザツール１８又は他方のレーザツール１８に供給される。

Claims (11)

1. レーザビーム（５０）を形成するレーザ（１４）と、光導体ケーブル（１６）を用いて前記レーザビーム（５０）が供給される少なくとも二つのレーザツール（１８，１８’）とを備えた、レーザ加工物を加工するためのレーザ加工装置（１０）において、
   前記光導体ケーブル（１６）は、少なくとも二つの光ファイバコア（２２，２２’）を備えている入力側の一つの端部（２０）と、それぞれが前記光ファイバコア（２２，２２’）の内の一方を備えている、複数の出力側の端部（２６，２６’）とを有しており、
   前記各光ファイバコア（２２，２２’）は前記レーザツール（１８，１８’）の内の一つにそれぞれ接続されていることを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 前記レーザビーム（５０）を前記光導体ケーブル（１６）の一つ又は複数の光ファイバコア（２２，２２’）に選択的に入力するためのスイッチング装置（２８）が設けられている、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 接続手段が設けられており、該接続手段により前記光導体ケーブル（１６）の前記入力側の端部（２０）は、所定の位置及び所定の回転姿勢で前記スイッチング装置（２８）に対して位置決めされている、請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記接続手段は、前記スイッチング装置（２８）に配置されている端子ソケット（３２）と、前記光導体ケーブル（１６）に配置されており、且つ、前記端子ソケット（３２）内に位置決め可能な端子プラグ（３４）とを有している、請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記接続手段は、前記光導体ケーブル（１６）の前記入力側の端部（２０）の、前記スイッチング装置（２８）に対する捻れを制限するロック装置（３６）を有している、請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記各光ファイバコア（２２，２２’）は、有利には該光ファイバコア（２２，２２’）の端面（４０）によって形成された、入力側の光学的な結合面を有しており、該各結合面は、前記光導体ケーブル（１６）の長手方向軸（３８）と交差する前記光導体ケーブル（１６）の横方向軸（４４）上に配置されており、有利には前記横方向軸（４４）について対称的に配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記少なくとも二つの光ファイバコア（２２，２２’）が同一の断面又は異なる断面を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記スイッチング装置（２８）は、光学的な偏向手段、特に、プリズム（６０）、集束レンズ（５２）、ホログラフィック光学素子、回折光学素子、傾斜ミラー、ルーフミラー及び／又はファセットミラーを含んでいる、請求項２乃至７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
9. 前記プリズム（６０）を、前記レーザビーム（５０）のビーム路内に移動可能である、特に前記ビーム路内へ旋回可能である、請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記プリズム（６０）は少なくとも一つの位置調整軸（７２，７２’）について変位可能である、請求項８又は９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
11. 前記スイッチング装置（２８）には制御装置（７０）が対応付けられている、請求項２乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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