JP2016147293A

JP2016147293A - レーザ加工装置および出射ユニット

Info

Publication number: JP2016147293A
Application number: JP2015026220A
Authority: JP
Inventors: 秀寛島田; Hidehiro Shimada
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-18

Abstract

【課題】光ファイバ伝送方式において２点同時加工を微小な加工ポイント間距離でも自在かつ精確に行えるようにすること。
【解決手段】ケーシング１８の主筒体１８ａの一端に取り付けられるＣＣＤカメラ２２は、ビデオレンズ３２、ベントミラー３０，２８、集光レンズ２６および保護ガラス２４を通して、被加工物Ｗを撮像する。第１の副筒体１８ｂに配置される屋根型プリズム３８の位置は、プリズム位置調整部４０により、コリメートレンズ３４と光ファイバ装着口３６との間でコリメートレンズ３４の光軸と平行な矢印Ｆの方向に可変に調整できるようになっている。光ファイバ１２の出射端面は、光ファイバ位置調整部４４により、屋根型プリズム３８の傾斜面の稜線３８ｃと直交する矢印Ｎの方向で可変に調整できるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバ伝送方式のレーザ加工装置および出射ユニットに関する。

ファイバ伝送方式のレーザ加工装置は、空間的に分離している装置本体と出射ユニットとを光ファイバで結び、装置本体内で生成したレーザビームを光ファイバに通して出射ユニットまで伝送し、出射ユニット側でレーザビームを被加工物に向けて集光照射する仕組みになっている。

ファイバ伝送方式は、多点同時加工にも多く用いられている。従来より、多点同時加工にファイバ伝送方式を用いる場合は、１台のレーザ発振器で生成した原レーザビームをビームスプリッタにより複数の分岐レーザビームに分割して、それら複数の分岐レーザビームを光ファイバに通して遠隔の加工場所に配置された複数の出射ユニットまで伝送し、それら複数の出射ユニットより複数の加工ポイントに向けてそれぞれ複数の分岐レーザビームを同時に照射するシステム構成が採られている。

特開２０１４−６５０４７号公報

多点同時加工の一形態として、被加工物上に数ｍｍ程度の微小な距離を隔てた２つの加工ポイントを設定し、それら２つの加工ポイントに２つの分岐レーザビームを同時に照射してそれぞれにレーザ加工を同時に施すアプリケーションがある。

このようなアプリケーションに対しては、上記のような従来一般のファイバ伝送方式は、システム全体が大掛かりになり、コスト性がよくない。さらに、近接する２つの溶接ポイントに対して、左右に分かれて配置された２台の出射ユニットより分岐レーザビームがそれぞれ斜めの入射角で入射するため、各溶接ポイントにおいて板厚方向の溶け込み深さが減少する。また、被加工物上で２つの加工ポイント間の距離つまりビームスポット間の距離を調整する場合は、出射ユニット全体の配置位置や傾斜姿勢を変えなければならず、精細な調整が非常に難しい。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、２点同時加工を微小な加工ポイント間距離でも自在かつ精確に行えるようにした出射ユニットおよびそれを用いるレーザ加工装置を提供する。

本発明のレーザ加工用の出射ユニットは、レーザ発振部からの原レーザビームが伝播してくる光ファイバの一端部を装着するための光ファイバ装着口と被加工物に向けられるレーザ出射口とを有する単体または複合体のケーシングと、前記光ファイバ装着口に装着された前記光ファイバの端面にその入射面が対向するように前記ケーシング内に配置され、前記光ファイバの出射端面より出た前記原レーザビームを第１および第２の分岐レーザビームに分割する屋根型プリズムと、前記屋根型プリズムの出射面と対向するように前記ケーシング内に配置され、前記屋根型プリズムからの前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれコリメートするコリメートレンズと、前記レーザ出射口に近接して前記ケーシング内に配置され、前記コリメートレンズからの前記第１および第２の分岐レーザビームを前記被加工物上にそれぞれ集光させる集光レンズと、前記屋根型プリズムの位置を前記コリメートレンズの光軸と平行な第１の方向で可変に調整するためのプリズム位置調整部と、前記光ファイバの出射端面の位置を前記屋根型プリズムの傾斜入射面の稜線と直交する第２の方向で可変に調整するための光ファイバ位置調整部とを有する。

上記構成の出射ユニットにおいては、ケーシング内で光ファイバの出射端面より出た原レーザビームを屋根型プリズムに通すことで、原レーザビームが屋根型プリズムの稜線を挟んで２つのレーザビームつまり第１および第２の分岐レーザビームに分割される。屋根型プリズムの出射面から出た第１および第２の分岐レーザビームは、コリメートレンズによりコリメートされてから、集光レンズを通って被加工物上の２つの加工ポイントにそれぞれ集光入射する。各々の加工ポイントにおいては、各対応する分岐レーザビームのレーザエネルギーにより被加工材質に所定のレーザ加工が施される。

上記構成の出射ユニットにおいては、屋根型プリズムを光ファイバの出射端面とコリメートレンズとの間に配置する構成と、屋根型プリズムの位置をコリメートレンズの光軸上で可変に調整できる構成とにより、被加工物上で２つの加工ポイント間の距離またはビームスポット間の距離を広範囲に調整することができる。また、プリズム位置調整部の調整機能を働かせることで屋根型プリズムがその稜線と直交する方向で位置ずれを起こしても、光ファイバ位置調整部の調整機能により光ファイバの中心軸線を屋根型プリズムの稜線に精確に対向させることができるので、両分岐レーザビームのパワー分割比を設定通りに維持することができる。

本発明の好適な一態様において、プリズム位置調整部は、屋根型プリズムに隣接してケーシングの外周面に取り付けられる第１の送りねじ機構と、屋根型プリズムを保持するために屋根型プリズムの周縁部に結合または接触し、屋根型プリズムを上記第１の方向で変位または移動させるために第１の送りねじ機構の可動部に結合されるプリズム支持体と、プリズム支持体を上記第１の方向で案内するためにケーシングの中に設けられる第１のガイド部とを有する。

本発明の別の好適な一態様において、光ファイバ位置調整部は、ファイバ装着口に隣接して前記ケーシングの外側面に取り付けられる第２の送りねじ機構と、ファイバ装着口を形成する開口部を有し、ケーシングに第２の方向で変位または移動可能に取り付けられ、光ファイバの出射端面を第２の方向で変位または移動させるために第２の送りねじ機構の可動部に結合されるスライド部材と、このスライド部材を第２の方向で案内するためにケーシングの外周面に取り付けられる第２のガイド部とを有する。

本発明の別の好適な一態様においては、ケーシング内でコリメートレンズの光軸と集光レンズの光軸とが交差する位置に配置され、コリメートレンズからの第１および第２の分岐レーザビームを集光レンズ側に折り返し、被加工物からの集光レンズを通り抜けてきた可視光を透過させるベントミラーと、被加工物から集光レンズおよびベントミラーを通り抜けてきた可視光を受光して被加工物を撮像する撮像装置とがさらに設けられる。かかる構成においては、屋根型プリズムが、ベントミラーを介して撮像装置と被加工物とを結ぶ可視光の光路から横に逸れて配置されるので、撮像装置の撮像モニタリングに干渉することがない。したがって、撮影画像に被加工物が２重に映るようなことはない。

また、本発明の別の好適な一態様においては、ケーシング内でコリメートレンズと集光レンズとの間に配置される回転可能なスキャニングミラーを有し、被加工物上で第１および第２の分岐レーザビームのビームスポットを２次元方向でジャンプしてまたは連続的に移動させるためにスキャニングミラーの回転角を制御するスキャナがさらに設けられる。かかる構成においては、被加工物上で単一な原レーザビームのビームスポットを移動させる場合に比して、２倍の速度ないし効率で多点レーザ加工を行うことができる。また、スキャナの機能を利用して、被加工物上で分岐レーザビームのビームスポット位置を任意に調整することもできる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ加工用の原レーザビームを発振出力するレーザ発振部と、本発明の上記出射ユニットと、前記レーザ発振部より発振出力された前記原レーザビームを前記出射ユニットへ伝送するための光ファイバとを有し、前記出射ユニットより出射される第１および第２の分岐レーザビームを前記被加工物上の所定の距離を隔てた２つの加工ポイントにそれぞれ集光照射して、前記２つの加工ポイントに所定のレーザ加工を同時に施す。

本発明の出射ユニットまたはレーザ加工装置によれば、上記のような構成と作用により、２点同時加工を微小な加工ポイント間距離でも自在かつ精確に行うことができる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工用の出射ユニットの構成を示す略断面図である。上記出射ユニットにおける主な光学部品の配置構成と要部の作用を示す図である。ファイバ取付口の外から見た副筒体の周辺部の構造を示す略側面図である。上記副筒体の内部の構造および周辺部の構造を示す縦断面図である。上記副筒体の内部の構造および周辺部の構造を示す横断面図である。第２の実施形態におけるレーザ加工装置および出射ユニットの構成を示す概略図である。第２の実施形態の出射ユニットに組み込まれるガルバノスキャナの構成を示す斜視図である。第２の実施形態における一作用を示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。

［実施形態における出射ユニット全体の構成と作用］

図１に、本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工用出射ユニットの構成を示す。この出射ユニット１０は、ファイバ伝送方式のレーザ加工装置たとえばレーザ溶接装置に用いられ、装置本体（図１には図示せず）とは光ファイバ１２，ライトガイド１４および電気コード１６等のケーブル類を介して接続されており、任意の加工場所に任意の姿勢で配置または設置される。

この出射ユニット１０は、単一または複数の筒体で構成される樹脂製または金属製のケーシング１８を有し、ケーシング１８の中に所要の光学部品を配置または収容するとともに、ケーシング１８の外側面に所要の調整部を備えている。より詳細には、ケーシング１８は、長手方向（図１では縦方向）に延びる主筒体１８ａと、短手方向（図１では横方向）に延びる第１および第２の副筒体１８ｂ，１８ｃとを有している。

主筒体１８ａは、その一端（下端）にレーザ出射口２０が形成され、他端（上端）に固体撮像装置たとえばＣＣＤカメラ２２が取り付けられる。レーザ出射口２０には保護ガラス２４が取り付けられ、その内側の近くに集光レンズ２６が配置される。集光レンズ２６の光軸上で、第１および第２の副筒体１８ｂ，１８ｃと交差する箇所には、第１および第２のベントミラー２８，３０が集光レンズ２６の光軸に対して所定角度（一般に４５°）傾いた姿勢で配置される。主筒体１８ａの上部には、ＣＣＤカメラ２２の撮像面に被加工物Ｗを結像させるための集光レンズやビームエクスパンダ等を含むビデオレンズ３２が設けられる。ＣＣＤカメラ２２は、電気コード１６を介して装置本体内の電源や表示部等に電気的に接続されている。

第１の副筒体１８ｂの内部には、主筒体１８ａに近接する位置にコリメートレンズ３４が固定して配置されるとともに、コリメートレンズ３４にその平坦面（出射面）を向けるようにして屋根型プリズム３８がコリメートレンズ３４と副筒体１８ｂの先端に位置する光ファイバ装着口３６との間に配置される。この屋根型プリズム３８の配置位置は、副筒体１８ｂに設けられるプリズム位置調整部４０により、コリメートレンズ３４と光ファイバ装着口３６との間でコリメートレンズ３２の光軸と平行な矢印Ｆの方向に可変に調整できるようになっている。

光ファイバ装着口３６には、光ファイバ１２の一端部が光ファイバ保持部４２を介して着脱可能に装着される。光ファイバ１２の他端（図示せず）は、装置本体内のレーザ発振部（たとえばＹＡＧレーザまたはファイバレーザ）に光学的に結合されている。副筒体１８ｂの内部で光ファイバ１２の出射端面は屋根型プリズム３８の傾斜面（入射面）と真正面に向き合う。光ファイバ１２の出射端面は、副筒体１８ｂの外側面に取り付けられる光ファイバ位置調整部４４により、屋根型プリズム３８の傾斜面の稜線３８ｃと直交する矢印Ｎの方向で可変に調整できるようになっている。

第２の副筒体１８ｃの内部には、主筒体１８ａに近接する位置に照明用のコリメートレンズ４６が固定して配置される。この副筒体１８ｃの先端に位置するライトガイド装着口４８には、ケーブル型のライトガイド１４の一端部がコネクタ（図示せず）を介して着脱可能に装着される。ライトガイド１４の他端（図示せず）は、装置本体内の照明光源（たとえばレーザダイオード）に光学的に結合されている。

上記構成の出射ユニット１０を用いる当該レーザ溶接装置においては、被加工物Ｗ上に所望の距離を隔てて２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂を設定し、それら２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ個別の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を同時に照射してレーザスポット溶接を同時に施すことができる。

この場合、装置本体内のレーザ発振部より発振出力された原レーザビームＬＢ₀は、光ファイバ１２を介して遠隔の出射ユニット１０まで伝送される。そして、第１の副筒体１８ｂの中で、光ファイバ１２の出射端面より一定の拡がり角で出た原レーザビームＬＢ₀は、屋根型プリズム３８の傾斜面に入射し、そこで稜線３８ｃを中心として左右（図１では上下）に２分割される。こうして、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）より、一定の鋭角で二手に分かれる第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂がコリメートレンズ３４に向って放射される。

屋根型プリズム３８で分割生成された分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、コリメートレンズ３４によりコリメートされてから、主筒体１８ａ内で第１のベントミラー２８によりレーザ出射口２０に向けて直角に折り返される。ベントミラー２８は、ダイクロイックミラーであり、赤外線の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂に対して反射性の膜と、照明光および可視光に対して透過性の膜とをコーティングしている。

ベントミラー２８によりレーザ出射口２０側に折り返された第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、集光レンズ２６および保護レンズ２４を通り抜けてレーザ出射口２０より出射ユニット１０の外に出射され、被加工物Ｗ上の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ集光入射する。各々の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂においては、各対応する分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のレーザエネルギーにより被加工材質が溶融し、レーザ照射後に溶融池が凝固して溶接ナゲットが形成される。両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のパワー分割比が１：１で均等の場合は、両溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂で同一の溶接結果が得られる。

一方で、レーザ溶接が行われる時は、装置本体内の照明光源より発せられたビーム状の照明光ＧＢがライトガイド１４を介して出射ユニット１０に送られてくる。ライトガイド１４の出射端面より出た照明光ＧＢは、第２の副筒体１８ｃ内のコリメートレンズ４６ならびに主筒体１８ａ内のベントミラー３０、集光レンズ２６および保護レンズ２４を通り抜けて被加工物Ｗに入射し、溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近を明るく照らす。なお、ベントミラー３０は、ダイクロイックミラーであり、照明光ＧＢを反射し、可視光を透過させる。

ＣＣＤカメラ２２は、ビデオレンズ３２、ベントミラー３０，２８、集光レンズ２６および保護ガラス２４を通して、被加工物Ｗ上の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂およびその周囲を撮像する。すなわち、溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近からの可視光ＶＢが保護ガラス２４、集光レンズ２６、ベントミラー２８，３０およびビデオレンズ３２を通り抜けてＣＣＤカメラ２２の撮像面に入射し、ＣＣＤカメラ２２の受光面に結像した画像が電気信号つまり画像信号に変換される。ＣＣＤカメラ２２により生成される画像信号は、電気コード１６を介して装置本体へ送られる。装置本体側のディスプレイ上には被加工物Ｗの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂付近の画像が映し出される。

このように、このレーザ溶接装置において、被加工物Ｗ上で２点同時溶接を行う場合は、出射ユニット１０のケーシング１８（副筒体１８ｂ）内で原レーザビームＬＢ₀を２分割して第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を生成し、これらの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂をコリメートレンズ３４および集光レンズ２６介して被加工物Ｗ上の２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に同時に集光照射する。装置本体では、原レーザビームＬＢ₀を光ファイバ１２に入力させる入射ユニットを１つ備えればよく、原レーザビームＬＢ₀を２分割するためのビームスプリッタは不要であり、入射ユニットを複数台備える必要もない。もちろん、光ファイバ１２も１本で済む。また、被加工物Ｗに対して１台の出射ユニット１０より正面から２つの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を同時照射するので、各溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂において板厚方向の溶け込み深さを十分大きくして、２点同時溶接の接合強度を向上させることができる。

また、屋根型プリズム３８は、ＣＣＤカメラ２２と被加工物Ｗとを結ぶ主筒体１８ａ内の可視光の光路から横（副筒体１８ｂ内）に逸れて配置されるので、ＣＣＤカメラ２２の撮像に干渉することがない。したがって、ＣＣＤカメラ２２の撮影画像に被加工物Ｗが２重に映るようなことはない。

さらに、この実施形態の出射ユニット１０においては、以下に詳細に説明するように、被加工物Ｗ上で２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂間の距離を広範囲に調整することが可能であり、特に数ｍｍ以下の微小な溶接ポイント間距離でも任意かつ高精度の調整を行えるようになっている。

［実施形態における要部の作用］

図２に、出射ユニット１０において加工用のレーザビーム（ＬＢ₀／ＬＢ₁，ＬＢ₂）に関係する主な光学部品つまり光ファイバ１２、屋根型プリズム３８、コリメートレンズ３４および集光レンズ２６の光学的な配置構成と要部の作用を示す。

この実施形態では、上述したように、光ファイバ１２の出射端面とコリメートレンズ３４との間で屋根型プリズム３８の位置をプリズム位置調整部４０（図１）によりコリメートレンズ３４の光軸と平行な矢印Ｆの方向で可変に調整できるようになっている。屋根型プリズム３８の位置を同方向で調整することにより、被加工物Ｗ上に形成される両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂間の距離つまり溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂間の距離Ｄを一定範囲内で任意に調整することができる。つまり、屋根型プリズム３８の位置を光ファイバ１２の出射端面に近づけるほどビームスポット間距離Ｄを大きくし、屋根型プリズム３８の位置をコリメートレンズ３４に近づけるほどビームスポット間距離Ｄを小さくすることができる。

図２の（ａ）に、屋根型プリズム３８の位置が光ファイバ１２の出射端面の近傍に調整された場合を示す。この場合、光ファイバ１２の出射端面より出た原レーザビームＬＢ₀は、ビーム径が拡がらないうちに屋根型プリズム３８の傾斜面に入射する。ここで、光ファイバ１２の中心軸線が屋根型プリズム３８の稜線３８ｃに対向しているときは、原レーザビームＬＢ₀の半分（図の左半分）が屋根型プリズム３８の一方（図の左側）の傾斜面３８ａに入射し、残りの半分（図の右半分）が屋根型プリズム３８の他方（図の右側）の傾斜面３８ｂに入射する。そうすると、左側の傾斜面３８ａに入射したレーザビームＬＢ₀の左半分は斜め右側に屈折して第１の分岐レーザビームＬＢ₁となり、逆に右側の傾斜面３８ｂに入射したレーザビームＬＢ₀の右半分は斜め左側に屈折して第２の分岐レーザビームＬＢ₂となり、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）から出ると両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は左右方向で入れ替わる。こうして、屋根型プリズム３８の出射面（平坦面）より、一定の鋭角で左右二手に分かれる第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂がコリメートレンズ３４側に放射される。

この場合、屋根型プリズム３８とコリメートレンズ３４との距離間隔が大きいため、これらの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は互いの離間距離が相当大きくなってからコリメートレンズ３４に入射し、そこでそれぞれコリメートされる。そして、コリメートレンズ３４を通り抜けた両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、大きな離間距離を略一定に保ったまま集光レンズ２６にそれぞれ入射し、集光レンズ２６を通り抜けた後は集光レンズ２６の焦点距離に応じた結像位置に向ってそれぞれ集光する。その結果、図２の（ａ）に示すように、被加工物（図２には図示せず）上にはたとえば５〜１０ｍｍ程度の相当大きな距離Ｄ_Mを隔てて両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂が形成される。

図２の（ｂ）に、屋根型プリズム３８の位置がコリメートレンズ３４の近傍に調整された場合を示す。この場合、光ファイバ１２の出射端面より出た原レーザビームＬＢ₀は、ビーム径が相当拡がってから屋根型プリズム３８の入射面に入射する。ここで、光ファイバ１２の中心軸線が屋根型プリズム３８の稜線３８ｃに対向しているときは、原レーザビームＬＢ₀の半分（図の左半分）が屋根型プリズム３８の一方（図の左側）の傾斜面３８ａに入射し、残りの半分（図の右半分）が屋根型プリズム３８の他方（図の右側）の傾斜面３８ｂに入射する。そして、左側の傾斜面３８ａに入射したレーザビームＬＢ₀の左半分は斜め右側に屈折して第１の分岐レーザビームＬＢ₁となり、逆に右側の傾斜面３８ｂに入射したレーザビームＬＢ₀の右半分は斜め左側に屈折して第２の分岐レーザビームＬＢ₂となる。しかし、各々のビーム径が大きくなっていることと、屋根型プリズム３８がコリメートレンズ３４に近接していることから、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は左右方向で入れ替わらないまま屋根型プリズム３８の出射面から出てコリメートレンズ３４に入射し、そこでそれぞれコリメートされる。

コリメートレンズ３４によりコリメートされた両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、互いに接近または一部重なったまま集光レンズ２６にそれぞれ入射し、集光レンズ２６を通り抜けた後は焦点距離に応じた結像位置に向ってそれぞれ集光する。その結果、図２の（ｂ）に示すように、被加工物上にはたとえば１ｍｍ以下〜数ｍｍ程度の微小な距離Ｄ_mを隔てて両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂が形成される。

このように、この実施形態においては、屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の出射端面とコリメートレンズ３４との間に配置する構成と、屋根型プリズム３８の位置をコリメートレンズ３４の光軸上で可変に調整できる構成とにより、被加工物Ｗ上で２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂またはビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂間の距離Ｄを広範囲に調整可能であり、特に数ｍｍ以下の微小なビームスポット間距離でも任意かつ高精度の調整を行うことができる。

因みに、屋根型プリズム３８をコリメートレンズ３４と集光レンズ２６との間に配置する構成によっても、出射ユニット１０内で原レーザビームＬＢ₀から第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を分割生成し、これらの分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂を被加工物Ｗ上の２つの溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に同時に集光照射することは一応可能である。その場合は、屋根型プリズム３８の位置をコリメートレンズ３４に近づけるほどビームスポット間距離Ｄが大きくなり、屋根型プリズム３８の位置を集光レンズ２６に近づけるほどビームスポット間距離Ｄが小さくなる。

しかしながら、コリメートレンズ３４と集光レンズ２６との間にはベントミラー２８が介在するため（図１）、屋根型プリズム３８の位置の調整可能な範囲は大きく制限される。実際の設計・製作において、主筒体１８ａの中に屋根型プリズム３８を配置する構成は、上述したようにＣＣＤカメラ２２の撮像モニタリングに干渉する（被加工物が２重に映る）ので、採用し得ない。したがって、副筒体１８ｂの中でコリメートレンズ３４の後方（内奥）に屋根型プリズム３８を配置し、集光レンズ２６から遠く隔てられたその狭い空間の中で屋根型プリズム３８の位置を可変に調整するほかなく、これではビームスポット間距離Ｄを広範囲に（特に可及的に小さく）調整することはできない。

これに対して、この実施形態のように、第１の副筒体１８ｂ（図１）の中で屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の出射端面とコリメートレンズ３４との間に配置する構成においては、ＣＣＤカメラ２２の撮像モニタリングに干渉せずに、屋根型プリズム３８の位置を広い空間の中で可変に調整して、被加工物Ｗ上のビームスポット間距離Ｄを広範囲に調整することが可能であり、数ｍｍ以下の微小なビームスポット間距離Ｄでも自在かつ高精度に調整することができる。

この実施形態においては、コリメートレンズ３４と集光レンズ２６との光学的な距離間隔Ｋ（図２）を如何様に長く設定しても、屋根型プリズム３８の位置調整によるビームスポット間の距離調整には何の支障も生じない。ケーシング１８の中で主コリメートレンズ３４と集光レンズ２６との間には、ベントミラー２８や他の光学部品（たとえば後述するガルバノスキャナ）を任意に配置することができる。

もっとも、この実施形態においては、屋根型プリズム３８をコリメートレンズ３４の光軸上で移動させる際に、移動機構やガイド機構のガタ等により屋根型プリズム３８の位置がその稜線３８ｃと直交する矢印Ｎの方向でずれることがあり、その場合には両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のパワー分割比に誤差が生じる。特に、屋根型プリズム３８を光ファイバ１２の出射端面の極近くに配置する場合に屋根型プリズム３８が矢印Ｎの方向で位置ずれを起こすと、光ファイバ１２の出射端面より出た原レーザビームＬＢ₀が屋根型プリズム３８の両傾斜面３８ａ，３８ｂのどちらかに偏って入射し、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームサイズないしパワー分割比が設定値（たとえば１：１）から大きくずれる。

そこで、この実施形態では、上述したように、副筒体１８ｂに設けられる光ファイバ位置調整部４４により、光ファイバ１２の出射端面を屋根型プリズム３８の稜線３８ｃと直交する矢印Ｎの方向で可変に調整できるようにしている。プリズム位置調整部４０の調整機能を働かせることで屋根型プリズム３８が矢印Ｎの方向で位置ずれを起こしても、光ファイバ位置調整部４４の調整機能により光ファイバ１２の中心軸線を屋根型プリズム３８の稜線３８ｃに精確に対向させることが可能であり、両分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のパワー分割比を設定通りに維持することができる。

［実施形態における要部の具体的構成例］

図３〜図５に、この実施形態において副筒体１８ｂに設けられるプリズム位置調整部４０および光ファイバ位置調整部４４の具体的構成例を示す。図３は、ファイバ装着口３６の外側から見た副筒体１８ｂの周囲（外側面回り）の構造を示す略側面図である。図４および図５は、副筒体１８ｂの内部の構造および周辺部の構造を示す縦断面図および横断面図である。

図４および図５に示すように、プリズム位置調整部４０は、副筒体１８ｂの中で屋根型プリズム３８の周縁部に結合または接触して屋根型プリズム３８を保持するプリズム支持体５０と、副筒体１８ｂの中でプリズム支持体５０をコリメートレンズ３４の光軸と平行な矢印Ｆの方向に案内するためのガイド部５２と、副筒体１８ｂの外側面に取り付けられる送りねじ機構５４とを有している。

送りねじ機構５４において、軸受５５により支持されているボルト５６の頭部を回すと、このボルト５６のネジ軸に螺合し、かつプリズム支持体５０に結合されているアーム状の可動部材５８がボルト５６の軸方向つまり矢印Ｆの方向に送られる。プリズム支持体５０および屋根型プリズム３８は、矢印Ｆ方向の案内機能を有するガイド部５２に案内されながら可動部材５８と一体的に同方向で移動または変位する。この移動の向き（前進または後退）は、ボルト５６の回転方向によって決まる。プリズム支持体５０の位置つまり屋根型プリズム３８の位置を固定するためのロック機構（図示せず）が送りねじ機構５４またはカイド部５２に備わってもよい。

図３、図４および図５に示すように、光ファイバ位置調整部４４は、ファイバ装着口３６を形成する開口部６０ｃを有し、屋根型プリズム３８の稜線３８ｃと直交する矢印Ｎの方向で変位または移動可能なスライド板６０と、このスライド板６０を矢印Ｎの方向で変位または移動させるための送りねじ機構６２およびガイド部６４とを有している。

スライド板６０の開口部６０ｃには、コネクタ６５を介して光ファイバ１２の一端部が着脱可能に装着される。スライド板６０とコネクタ６５とで光ファイバ保持部４２が構成される。ガイド部６４は、第２の副筒体１８ｃの端面１９に固定される一対の平行ガイド板６６Ａ，６６Ｂで構成される。これらの平行ガイド板６６Ａ，６６Ｂは、スライド板６０の幅サイズに応じた一定の間隔を空けて矢印Ｎの方向に平行に延びる。スライド板６０は、その対向する一対の側辺部６０ａ，６０ｂを平行ガイド板６６Ａ，６６Ｂにそれぞれ係合させるようにして矢印Ｎの方向に摺動可能に取り付けられる。

送りねじ機構６２において、軸受６８に支持されているボルト７０の頭部を回すと、このボルト７０のネジ軸に螺合し、かつスライド板６０に結合されているブロック形状の可動部材７２がボルト７０の軸方向つまり矢印Ｎの方向に送られる。こうして、光ファイバ保持部４２（スライド部材６０およびコネクタ６５）に保持されている光ファイバ１２の出射端面は、平行ガイド板６６Ａ，６６Ｂに案内されながら可動部材７２と一体的に矢印Ｎの方向に変位または移動する。この移動の向き（前進または後退）はボルト７０の回転方向によって決まる。止めネジ７４は、ロック機構であり、片方のガイド板６６Ａに形成された貫通孔のネジ穴７６に螺合しており、その先端にて矢印Ｎの方向におけるスライド板６０の位置ひいては光ファイバ１２の位置を固定することができる。

コネクタ６５は、フェルールまたは他の任意の光コネクタであってよい。光ファイバ１２の出射端面はコネクタ６５を貫通して副筒体１８ｂの中で屋根型プリズム３８と直接対向してもよい。あるいは、コネクタ６５の内部で光ファイバ１２が終端し、光ファイバ１２の出射端面に一端が光学的に結合された光ガイド部材（図示せず）の他端が副筒体１８ｂの中で屋根型プリズム３８と対向してもよい。

［他の実施形態又は変形例］

図６に、第２の実施形態におけるレーザ加工装置および出射ユニットの構成を示す。図中、上記第１の実施形態のものと同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この実施形態は、上記第１の実施形態における出射ユニット１０にガルバノスキャナ８０を組み込む構成を特徴とする。より詳細には、図６に示すように、ケーシング１８の主筒体１８ａにおいてベントミラー２８と集光レンズ２６との間にガルバノスキャナ８０を配置する。集光レンズ２６にはｆθレンズを用いる。

図７に示すように、ガルバノスキャナ８０は、互いに直交する回転軸８２Ｘ，８２Ｙにそれぞれ取り付けられたＸ軸スキャン・ミラー８４ＸおよびＹ軸スキャン・ミラー８４Ｙと、両ミラー８４Ｘ，８４Ｙをそれぞれ回転振動（首振り）させるＸ軸ガルバノメータ８６ＸおよびＹ軸ガルバノメータ８６Ｙとを有している。

屋根型プリズム３８により原レーザビームＬＢ₀を２分割して生成された第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂は、コリメートレンズ３４によりコリメートされてから、ベントミラー２８により集光レンズ２６側へ折り返され、先ずＸ軸スキャン・ミラー８４Ｘに入射して、そこで全反射してからＹ軸スキャン・ミラー８４Ｙに入射し、このミラー８４Ｙで全反射してのち集光レンズ（ｆθレンズ）２６を通って被加工物Ｗ上の一対の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂にそれぞれ集光入射する。被加工物Ｗ上のレーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂の照射位置（ビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂の位置）は、Ｘ方向においてはＸ軸スキャン・ミラー８４Ｘの振れ角によって決まり、Ｙ方向においてはＹ軸スキャン・ミラー８４Ｙの振れ角によって決まる。Ｘ軸スキャン・ミラー８４ＸはＸ軸ガルバノメータ８６Ｘの駆動で回転振動（首振り）し、Ｙ軸スキャン・ミラー７４ＹはＹ軸ガルバノメータ８６Ｙの駆動で回転振動（首振り）するようになっている。両ガルバノメータ８６Ｘ，８６Ｙは、電気ケーブル８８Ｘ，８８Ｙを介して装置本体９０内のスキャナ制御部（図示せず）に電気的に接続されている。

この実施形態においては、出射ユニット１０にガルバノスキャナ８０を搭載することにより、被加工物Ｗ上で第１および第２の分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂を２次元方向でジャンプしてまたは連続的に移動させることができる。被加工物Ｗ上で原レーザビームＬＢ₀のビームスポットを移動させる場合に比して、２倍の速度ないし効率で多点スポット溶接または多重シーム溶接を行うことができる。

図８に示すように、多点スポット溶接を行う場合には、上述したように出射ユニット１０においてプリズム位置調整部４０により屋根型プリズム３８の位置を調整することにより、図８の（ａ），（ｂ）に示すように２点同時溶接における溶接ポイント（Ｐ₁，Ｐ₂）間距離またはビームスポット（ＢＳ₁，ＢＳ₂）間距離Ｄを任意に設定または変更することができる。また、図８の（ｂ）に示すように、分岐レーザビームＬＢ₁，ＬＢ₂のビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂が溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂からずれた場合には、ガルバノスキャナ８０の機能を用いることにより、ビームスポットＢＳ₁，ＢＳ₂を溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に精確に一致させる補正または微調整を行うこともできる。

別の実施形態または変形例として、図示省略するが、出射ユニット１０のケーシング１８（副筒体１８ｂ）において屋根型プリズム３８の入射面／出射面の向きを上記実施形態の向きと反対にする構成、すなわち屋根型プリズム３８の凸面（傾斜面３８ａ，３８ｂおよび稜線３８ｃ）をコリメートレンズ３４に向ける配置構成も可能である。この場合は、屋根型プリズム３８の位置を光ファイバ１２の出射端面に近づけるほどビームスポット間距離Ｄが小さくなり、屋根型プリズム３８の位置をコリメートレンズ３４に近づけるほどビームスポット間距離Ｄが大きくなる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ溶接に限るものではなく、穴あけ、切断等の他のレーザ加工にも使用可能である。

１０出射ユニット
１２光ファイバ
１８ケーシング
２０レーザ出射口
１８ａ主筒体
１８ｂ第１の副筒体
２６ベントミラー
３４コリメートレンズ
３６光ファイバ装着口
３８屋根型プリズム
４０プリズム位置調整部
４２光ファイバ保持部
４４光ファイバ位置調整部
８０ガルバノスキャナ
９０装置本体

Claims

レーザ発振部からの原レーザビームが伝播してくる光ファイバの一端部を装着するための光ファイバ装着口と被加工物に向けられるレーザ出射口とを有する単体または複合体のケーシングと、
前記光ファイバ装着口に装着された前記光ファイバの出射端面にその入射面が対向するように前記ケーシング内に配置され、前記光ファイバの出射端面より出た前記原レーザビームを第１および第２の分岐レーザビームに分割する屋根型プリズムと、
前記屋根型プリズムの出射面と対向するように前記ケーシング内に配置され、前記屋根型プリズムからの前記第１および第２の分岐レーザビームをそれぞれコリメートするコリメートレンズと、
前記レーザ出射口に近接して前記ケーシング内に配置され、前記コリメートレンズからの前記第１および第２の分岐レーザビームを前記被加工物上にそれぞれ集光させる集光レンズと、
前記屋根型プリズムの位置を前記コリメートレンズの光軸と平行な第１の方向で可変に調整するためのプリズム位置調整部と、
前記光ファイバの出射端面の位置を前記屋根型プリズムの傾斜面の稜線と直交する第２の方向で可変に調整するための光ファイバ位置調整部と
を有するレーザ加工用の出射ユニット。
前記プリズム位置調整部は、
前記屋根型プリズムに隣接して前記ケーシングの外周面に取り付けられる第１の送りねじ機構と、
前記屋根型プリズムを保持するために前記屋根型プリズムの周縁部に結合または接触し、前記屋根型プリズムを前記第１の方向で変位または移動させるために前記第１の送りねじ機構の可動部に結合されるプリズム支持体と、
前記プリズム支持体を前記第１の方向で案内するために前記ケーシングの中に設けられる第１のガイド部と
を有する、請求項１に記載の出射ユニット。
前記光ファイバ位置調整部は、
前記ファイバ装着口に隣接して前記ケーシングの外側面に取り付けられる第２の送りねじ機構と、
前記ファイバ装着口を形成する開口部を有し、前記ケーシングに前記第２の方向で変位または移動可能に取り付けられ、前記光ファイバの出射端面を前記第２の方向で変位または移動させるために前記第２の送りねじ機構の可動部に結合されるスライド部材と、
前記スライド部材を前記第２の方向で案内するために前記ケーシングの外周面に取り付けられる第２のガイド部と
を有する、請求項１または請求項２に記載の出射ユニット。
前記ケーシング内で前記コリメートレンズの光軸と前記集光レンズの光軸とが交差する位置に配置され、前記コリメートレンズからの前記第１および第２の分岐レーザビームを前記集光レンズ側に折り返し、前記被加工物からの前記集光レンズを通り抜けてきた可視光を透過させるベントミラーと、
前記被加工物から前記集光レンズおよび前記ベントミラーを通り抜けてきた可視光を受光して前記被加工物を撮像する撮像装置と
を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の出射ユニット。
前記ケーシング内で前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間に配置される回転可能なスキャニングミラーを有し、前記被加工物上で前記第１および第２の分岐レーザビームのビームスポットを２次元方向でジャンプしてまたは連続的に移動させるために前記スキャニングミラーの回転角を制御するスキャナをさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の出射ユニット。
レーザ加工用の原レーザビームを発振出力するレーザ発振部と、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の出射ユニットと、
前記レーザ発振部より発振出力された前記原レーザビームを前記出射ユニットへ伝送するための光ファイバと
を有し、
前記出射ユニットより出射される第１および第２の分岐レーザビームを前記被加工物上の所定の距離を隔てた２つの加工ポイントにそれぞれ集光照射して、前記２つの加工ポイントに所定のレーザ加工を同時に施すレーザ加工装置。