JP2020112620A - 光軸調整装置および光軸調整装置を備えたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光学部品を用いる場合に、集積化、小型化が可能で、光軸調整が容易な光軸調整装置および光軸調整装置を備えたレーザ装置を提供する。【解決手段】光軸調整装置は、回転軸で取り付けられヒンジ構造を構成する下板および上板と、上板に設けられ、レーザ光を反射して反射光とするミラーと、上板を移動させて上板と下板の間隔を調整する調整ねじと、下板に対して上板を固定する固定ねじとを含み、調整ねじで間隔を変えることにより、反射光の光軸を調整した状態で、固定ねじで上板が固定される。レーザ装置は、光軸調整装置を複数備え、複数の光学素子から出射されたレーザ光の光軸が、それぞれの光軸調整装置で調整された後に、合波されて出力レーザとして出射される。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、光軸調整装置および光軸調整装置を備えたレーザ装置に関し、特に、レーザダイオードから出射されたレーザ光の光軸を調整するための光軸調整装置およびレーザ装置に関する。

レーザ装置では、従来の固体レーザに代えて、狭い占有領域でレーザ発振が可能な半導体レーザが用いられ、レーザ装置が小型化されている。レーザ装置の高出力化のためには、複数の半導体レーザから出射されるレーザ光の合波が必要となり、複数の半導体レーザを高密度に配置するとともに、各半導体レーザの光軸調整が必要となる。

これに対して、例えば光学部品を取り付ける板と筐体側に固定する板とを一体として形成した弾性ヒンジ構造を用いて、押しねじおよび引きねじを用いて光学部品のあおり角度を調整、固定する光軸調整装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平５−４１１３号公報

しかしながら、弾性ヒンジ構造では、光学部品を取り付けた板が無荷重の位置から、伸び方向と縮み方向で弾性ヒンジに作用する力の方向が逆転するため、引きねじ、押しねじの両方を用いて光学部品のあおり角度を調整することとなる。このため、引きねじと押しねじが互いの動きの妨げとならないように配置し操作する必要があり、配置および角度の調整が複雑になる。また、角度調整の全範囲を引きねじまたは押しねじのどちらか一方のみで行うには、弾性ヒンジにより常に伸び方向か縮み方向の力を持続する必要があるが、それには弾性ヒンジの可動範囲を従来の２倍確保する必要があり、弾性ヒンジが大型化する。更に、あおり角度の調整による光軸のずれを低減するには、光学部品に対する調整回転中心の位置を最適化する必要があるが、ヒンジを大型化した場合に、最適化が困難となる。

そこで、本発明は、複数の光学部品を用いる場合に、集積化、小型化が可能で、光軸調整が容易な光軸調整装置および光軸調整装置を備えたレーザ装置の提供を目的とする。

本発明は、
回転軸で取り付けられヒンジ構造を構成する下板および上板と、
上板に設けられ、レーザ光を反射して反射光とするミラーと、
上板を移動させて上板と下板の間隔を調整する調整ねじと、
下板に対して上板を固定する固定ねじと、を含み、
調整ねじで間隔を変えることにより、反射光の光軸を調整した状態で、固定ねじで上板が固定される光軸調整装置である。

また、本発明は、
上述の光軸調整装置を複数備え、
複数の光学素子から出射されたレーザ光の光軸が、それぞれの光軸調整装置で調整された後に、合波されて出力レーザとして出射されるレーザ装置でもある。

本発明にかかる光軸調整装置では、回転ヒンジ機構が小型化でき、さらに部品の配置の自由度が高くなり、光学部品の集積化が可能となる。また、各々１動作のみでの調整工程と固定工程の２工程で光軸調整が可能となり、光軸調整作業の簡略化が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる光軸調整装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる光軸調整装置の断面斜視図である。 本発明の実施の形態２にかかる光軸調整装置の斜視図である。 本発明の実施の形態２にかかる光軸調整装置の断面斜視図である。 本発明の実施の形態３にかかる光軸調整装置の斜視図である。 本発明の実施の形態３にかかる光軸調整装置の断面斜視図である。 本発明の実施の形態４にかかる光軸調整装置の斜視図である。 本発明の実施の形態４にかかる光軸調整装置の動作を示す概略図である。 本発明の実施の形態４にかかる光軸調整装置の動作を示す概略図である。 本発明の実施の形態５にかかる光軸調整装置の斜視図である。 本発明の実施の形態５にかかる光軸調整装置の他の斜視図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置の斜視図である。レーザ装置１０００は、第１ユニット５０、第２ユニット６０、および第３ユニット７０の３層構造を有する。第１ユニット５０は、ボード５１を含み、ボード５１の上には、レーザダイオード５２、レンズ５３、光軸調整装置５５が設けられている。レーザダイオード５２から出射されたレーザ光５８は、レンズ５３を通って光軸調整装置５５に入射する。

光軸調整装置５５では、後述するようにレーザ光５８の光軸方向（あおり角度θ）を調整して、レーザ光５８を反射する。光軸調整装置５５から出たレーザ光５８は、ミラー５４に入射し、第３ユニット７０に向かう。ここでは、レーザダイオード５２を７組配置し、それぞれに対応して、レンズ５３および光軸調整装置５５も７組配置している。

第２ユニット６０は、ボード６１を含み、ボード６１の上には、例えばレーザダイオード５２の駆動装置６２が配置される。

第３ユニット７０は、ボード７１を含み、ボード７１の上には、合波器７２やミラー７４が設けられている。第１ユニット５０から入射してミラー７４で反射されたレーザ光５８は、合波器７２で合波され、出力レーザ光８８としてレーザ装置１０００から出射する。

ここでは、７つのレーザダイオード５２から出射されたレーザ光５８が、合波されて１つの出力レーザ光８８となるが、必要な出力レーザ光８８の強度に応じて、レーザダイオード５２の数は増減しても構わない。また、第１ユニット５０および第２ユニット６０と同様のユニットの数は、増減しても構わない。

次に、レーザ装置１０００に設けられた光軸調整装置５５について、図２Ａ、図２Ｂを参照しながら説明する。図２Ａは、全体が５５で表される、本発明の実施の形態１にかかる光軸調整装置の斜視図であり、図２Ｂは、図２ＡをＩＩ−ＩＩ方向に見た場合の断面斜視図である。

光軸調整装置５５は、下板１０と上板１１とを有する。下板１０と上板１１とは、水平方向（Ｙ軸方向）の回転軸１３によりＹ軸を中心に回転可能に接続され、回転ヒンジ構造となっている。下板１０と上板１１は、例えば所定の厚みで略矩形形状の金属からなる。上板１１の上には、レーザ光５８を反射するためのミラー１２が設けられている。ここでは、ミラー１２の法線方向が、上板１１の長手方向（Ｘ軸方向）となっている。

上板１１には、Ｚ軸方向に、孔部１７、１８が設けられている。孔部１７は断面にねじが設けられたねじ孔で、調整ねじ１４が噛み合うようになっている。孔部１８は、上方の開口面積が下方より大きくなった、段差のある貫通孔であり、内部にねじは設けられていない。開口面積の大きな上部部分の、固定ねじ１５の周囲にバネ１６が配置され、上方部分と下方部分との間の段差の上に載置される。固定ねじ１５の上端は傘状に拡がり、バネ１６を上方から覆う。さらに下板１０にも孔部１９が設けられている。孔部１９は、固定ねじ１５と噛み合うねじが設けられたねじ孔である。

レーザ装置１０００の第１ユニット５０のボード５１の上に、光軸調整装置５５の下板１０が固定される。固定は、ねじによる固定、接着等で行われる。この固定状態で、レーザダイオード５２から出射されたレーザ光５８は、光軸調整装置５５のミラー１２に入射し、反射されるが、回転軸１３を中心に上板１１を回転させることにより、反射されたレーザ光５８の光軸（あおり角度θ）を調整できる。

調整ねじ１４は、孔部１７のねじと噛み合い、下端は下板１０の上に載置されている。このため、調整ねじ１４を回転させることにより、回転軸１３を中心として上板１１が上下方向に移動する。上板１１の移動に伴い、ミラー１２で反射されるレーザ光５８のあおり角度θが変わり、光軸方向を調整できる。このとき、固定ねじ１５は孔部１９のねじと噛み合って固定され、固定ねじ１５の拡がった上部は上板１１の上面から離れているが、拡がった上部でバネ１６が圧縮されているため、上板１１には下向きの力が加えられる。

調整ねじ１４でレーザ光５８の光軸調整を行った後、固定ねじ１５を下板１０の孔部１９に締め込み、固定ねじ１５の拡がった上部を上板１１に接触させる。これにより、調整ねじ１４の下端が下板１０に当たった状態で、上板１１がロックされる。

このように、本発明の実施の形態１にかかる光軸調整装置５５では、（１）調整ねじ１４を用いた光軸（あおり角度）の調整、（２）固定ねじ１５を用いた上板１１のロック、の２つの工程で、レーザ光の光軸調整（あおり角度θの調整）が可能となり、光軸調整工程の簡素化が可能となる。

また、上板１１と下板１０とはヒンジ機構で接続されており、回転軸１３を中心とした回転運動のみで光軸調整が可能であり、上板１１が移動した場合に光路への影響が少ないような配置が容易に選択できる。

なお、光軸調整装置５５では、回転軸１３に近い方に固定ねじ１５、遠い方に調整ねじ１４を配置したが、逆の配置であっても構わない。なお、調整ねじ１４、固定ねじ１５は、Ｘ軸方向に並んで配置されることが好ましい。

実施の形態２．
図３Ａは、全体が１５５で表される、本発明の実施の形態２にかかる光軸調整装置の斜視図であり、図３Ｂは、図３ＡをＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面斜視図である。図３Ａ、３Ｂ中、図２Ａ、２Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。

光軸調整装置１５５では、上板１１に設けられた孔部１７のねじと噛み合うように、固定ねじ１５が設けられ、固定ねじ１５の下端は下板１０に突き当たる。上板１１と下板１０との間の固定ねじ１５の周囲には、バネ１６が設けられる。バネ１６は回転軸１３を中心に、上板１１と下板１０との間隔が開くように作用する。

一方、上板１１の貫通した孔部１８を通って、下板１０の孔部１９に設けられたねじと噛み合うように、調整ねじ１４が設けられる。調整ねじ１４の上端は、上板１１の表面の上に拡がっている。

光軸調整装置１５５では、バネ１６により上板１１が持ち上げられた状態で、調整ねじ１４を孔部１９のねじに締め込むことで、上板１１が下方に移動し、ミラー１２で反射されるレーザ光の光軸（あおり角度θ）の調整が可能となる。当然、調整ねじ１４を緩めることにより、バネ１６により上板１１は上方に押し戻される。なお、光軸調整中は、固定ねじ１５の下端が下板１０に当たらない程度に、固定ねじ１５は緩められている。

調整ねじ１４を用いて光軸調整を行った後に、固定ねじ１５を締めて、固定ねじ１５の下端を下板１０に押し当てる。これにより、上板１１がロックされる。

ここでは、バネ１６を固定ねじの周囲に配置したが、調整ねじ１４の周囲に配置してもかまわない。また、下板１０に対して上板１１を上方に押すのであれば、バネ１６は他の位置に配置しても構わない。また、調整ねじ１４、固定ねじ１５、バネ１６が配置される順番は、図３Ａの順番には限らないが、Ｘ軸方向に並んで配置されることが好ましい。

このように、本発明の実施の形態２にかかる光軸調整装置１５５では、（１）調整ねじ１４を用いた光軸（あおり角度θ）の調整、（２）固定ねじ１５を用いた上板１１のロック、の２つの工程で、レーザ光の光軸調整（あおり角度θの調整）が可能となり、光軸調整工程の簡素化が可能となる。

また、光軸調整装置１５５では、調整ねじ１４、固定ねじ１５、バネ１６の配置の自由度が上がり、限られた制約の中で各部品の配置やバネの強さなどの調整が可能となり、光軸調整装置１５５の小型化が可能となる。

実施の形態３．
図４Ａは、全体が２５５で表される、本発明の実施の形態３にかかる光軸調整装置の斜視図であり、図４Ｂは、図４ＡをＩＶ−ＩＶ方向に見た場合の断面斜視図である。図４Ａ、４Ｂ中、図３Ａ、３Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。

光軸調整装置２５５は、実施の形態２にかかる光軸調整装置１５５が、さらに振れ止めピン２０を有する構造であり、他の構造は光軸調整装置１５５と同様である。

振れ止めピン２０は、例えば円柱形状で、中心軸がＺ軸方向となるように、上部が上板１１に固定されている。図４Ｂでは、上板１１に形成した孔部に振れ止めピン２０の上端が差し込まれて、固定されている。

下板１０には、振れ止めピン２０と同心円で、振れ止めピン２０より口径のやや大きい孔部２１が設けられている。振れ止めピン２０の下端を孔部２１に挿入しておくことで、調整ねじ１４や固定ねじ１５を回す場合の、下板１０に対する上板１１の横揺れを防止できる。これにより、上板１１が横方向にずれることによる光軸調整のやり直しを防止できるとともに、より高精度な光軸調整が可能となる。

なお、振れ止めピン２０は、実施の形態１にかかる光軸調整装置５５に設けても構わない。また、振れ止めピン２０は、下板１０に固定されて上板１１に挿入する構造でも構わない。

実施の形態４．
図５は、全体が３５５で表される、本発明の実施の形態４にかかる光軸調整装置の斜視図であり、図６Ａ、図６Ｂはその操作を説明する概略図である。図５、６Ａ、６Ｂ中、図３Ａ、３Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。

光軸調整装置３５５では、矩形の下板１０の裏面に、円柱形状の下板回転軸２４を備える。下板回転軸２４は、回転軸１３の近傍の、下板１０の裏面に設けられる。一方、下板１０の、回転軸１３から遠い、Ｙ軸に平行な辺に、切り込み部２５を有する。Ｚ軸方向に
見た場合の切り込み部２５の形状は、例えばＵ字型形状や矩形形状である。

レーザ装置１０００の第１ユニット５０のボード５１には、下板回転軸２４に対応する孔部（図示せず）が設けられ、この孔部に下板回転軸２４が入るように、ボード５１の上に光軸調整装置３５５が載せられる。

この状態で、切り込み部２５の内部のボード５１にも孔部（図示せず）が設けられている。この孔部には、カム治具３０のシャフト３２が挿入される。図５に示すように、カム治具３０は、シャフト３２を有し、その先端がこの孔部に挿入される。シャフト３２の途中には偏心カム３３が設けられ、下板１０の孔部にシャフト３２を挿入した状態で、偏心カム３３は下板１０の切り込み部２５の中に位置される。シャフト３２の他端には、グリップ３１が設けられている。

図６Ａ、６Ｂに示すように、カム治具３０の偏心カム３３を切り込み部２５の中に配置した状態で、グリップ３１を用いてカム治具３０をＺ軸の回りでＡ方向に回転させる。この結果、下板１０は、下板回転軸２４を中心に、下板１０はＢ方向に回転し、水平方向の光軸調整（角度ωの調整）が可能となる。

なお、本発明の実施の形態５にかかるレーザ装置１０００では、第１ユニット５０のボード５１の上に、光軸調整装置３５５の下板１０が、２つの固定ねじ２３で固定される。それぞれの固定ねじ２３と下板１０の上面との間には、バネ座金２２が挟まれている。固定ねじ２３を緩めても、バネ座金２２の作用で緩締め状態とすることができるため、下板１０をボード５１上で摺動させて、光軸調整（角度ωの調整）が可能となる。光軸調整（角度ωの調整）後に固定ねじ２３をボード５１のねじ孔（図示せず）に締めて、下板１０をボード５１に固定する。

光軸調整装置３５５では、簡単な工程で、光軸調整装置を狭い領域に配置することができる。特に、下板１０が、下板回転軸２４と切り込み部２５を有することにより、水平方向の光軸調整（角度ωの調整）も可能となる。

実施の形態５．
図７Ａ、図７Ｂは、全体が４５５で表される、本発明の実施の形態５にかかる光軸調整装置の斜視図であり、図６Ａ、６Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。

光軸調整装置４５５は、下板１０が、Ｚ軸方向に設けられ、互いに対向配置された２つの壁部４１、４２を含む。また、上板１１の端部はＹ軸方向の幅が狭くなり、２つの壁部４１、４２の間に挟まれる。

上板１１を貫通する孔部（図３Ｂの１８参照）を通って、下板１０の孔部（図３Ｂの１９参照）のねじと噛み合うように調整ねじ１４が設けられている。調整ねじ１４の上部には、上板１１に取り付けられた調整ねじ押さえ２６が延びている。上板１１の重さにより、調整ねじ押さえ２６は調整ねじ１４の上に載置されている。調整ねじ１４を締めると、上板１１と下板１０との間隔がせまくなり、調整ねじ１４を緩めると、調整ねじ１４が調整ねじ押さえ２６を持ち上げて、上板１１と下板１０の間隔は広がる。これにより、光軸調整（あおり角度θの調整）が可能となる。

また２つの壁部４１、４２に挟まれた上板１１には、カム部２８を備えた固定カム２７が設けられている。固定カム２７を回転することにより、カム部２８が壁部４１を押して、上板１１をＹ軸方向に移動させ、上板１１を壁部４２に緩やかに当てることができる。この状態で、調整ねじ１４を用いて光軸調整を行うことで、調整ねじ機構の遊びによる上板１１のガタを抑えて、高精度で光軸（あおり角度θ）を調整できる。同時に、上板１１のＹ軸方向の振れを抑えることができる。

また、固定カム２７を所定の位置に回転させることで、壁部４２に上板１１を強く押しつけた状態で固定し、ロックすることができる。

このように、光軸調整装置４５５では、調整機構とロック機構が独立するため、調整工程とロック工程とを行っても、２つの工程の相互干渉による位置ズレを防止できる。

１０ 下板、１１ 上板、１２ ミラー、１３ 回転軸、１４ 調整ねじ、１５ 固定ねじ、１６ バネ、１７、１８、１９ 孔部、２０ 振れ止めピン、２１ 孔部、２２ バネ座金、２３ 固定ねじ、２４ 下板回転軸、２５ 切り込み部、２６ 調整ねじ押さえ、２７ 固定カム、２８ カム部、３０ カム治具、３１ グリップ、３２ シャフト、３３ 偏心カム、４１、４２ 壁部、５０ 第１ユニット、５１ ボード、５２ レーザダイオード、５３ レンズ、５４ ミラー、５８ レーザ光、６０ 第２ユニット、６１ ボード、６２ 駆動装置、７０ 第３ユニット、７１ ボード、７２ 合波器、７４ ミラー、８８ 出力レーザ光、５５、１５５、２５５、３５５、４５５ 光軸調整装置、１０００ レーザ装置。

Claims (10)

1. 回転軸で取り付けられヒンジ構造を構成する下板および上板と、
   前記上板に設けられ、レーザ光を反射して反射光とするミラーと、
   前記上板を移動させて前記上板と前記下板の間隔を調整する調整ねじと、
   前記下板に対して前記上板を固定する固定ねじと、を含み、
   前記調整ねじで前記間隔を変えることにより、前記反射光の光軸を調整した状態で、固定ねじで前記上板が固定される光軸調整装置。
2. 前記調整ねじは、前記上板に設けられたねじ孔と噛み合うねじであり、
   前記固定ねじは、前記上板に設けられた貫通孔を通って、前記下板に設けられたねじ孔と噛み合い、かつ、その拡がった上部と前記上板との間にバネを備えたねじであり、
   前記バネが縮んだ状態で、前記調整ねじを回転して、前記反射光の光軸が調整され、
   前記調整ねじの下端が前記下板に当接した状態で、前記固定ねじの上部が前記上板を前記下板方向に押して前記上板が固定される請求項１に記載の光軸調整装置。
3. さらに、前記下板と前記上板との間にバネを備え、
   前記調整ねじは、前記上板に設けられた貫通孔を通って、前記下板に設けられたねじ孔と噛み合い、かつ、その上端が前記上板の上に拡がったねじであり、
   前記固定ねじは、前記上板に設けられたねじ孔と噛み合うねじであり、
   前記バネが縮んだ状態で、前記調整ねじを回転して、前記反射光の光軸が調整され、
   前記固定ねじが前記下板に当接して、前記上板が固定される請求項１に記載の光軸調整装置。
4. 上記バネは、前記調整ねじ、または上記固定ねじの周囲を旋回して配置されることを特徴とする請求項３に記載の光軸調整装置。
5. さらに、前記上板に固定され、前記上板から前記下板に向かって延びる第１振れ止めピンを有し、前記第１振れ止めピンの下端は、前記下板に設けられた開口部の中に配置され、あるいは、前記下板に固定され、前記下板から前記上板に向かって延びる第２振れ止めピンを有し、前記第２振れ止めピンの上端は、前記上板に設けられた開口部の中に配置される請求項１〜４のいずれかに記載の光軸調整装置。
6. 前記回転軸近傍の、前記下板の裏面に下板回転軸を有し、
   前記回転軸から離れた、前記回転軸に平行な前記下板の端部に切り込み部を有し、
   前記切り込み部の中で、偏心カムを回転させることで、前記下板回転軸の回りで前記下板を移動させる請求項１に記載の光軸調整装置。
7. 前記下板回転軸は、前記下板が載置されるボードに設けられた孔部に挿入され、
   前記偏心カムはシャフトの周囲に設けられ、シャフトの一端が前記ボードに設けられた他の孔部に挿入した状態で、前記切り込み部の内部で前記偏心カムを回転させて、前記下板を移動させる請求項６に記載の光軸調整方法。
8. 回転軸で取り付けられヒンジ構造を構成する下板および上板と、
   前記上板に設けられ、レーザ光を反射して反射光とするミラーと、
   前記上板に設けられた貫通孔を通って、前記下板に設けられたねじ孔と噛み合い、その上部には前記上板に固定された調整ねじ押さえが載置された調整ねじと、を含み、
   前記下板は、前記下板に設けられ、前記回転軸方向に前記上板を挟む一対の壁部を備え、
   前記壁部に挟まれた前記上板は、カム部を備えた固定カムを備え、
   前記調整ねじで前記間隔を変えることにより、前記反射光の光軸を調整した状態で、前記固定カムにより前記上板を前記壁部に押しつけて前記上板を固定する光軸調整装置。
9. 前記光軸の調整は、前記カムで前記上板を前記壁部に接触させた状態で、前記調整ねじで上記上板を移動させて行われる請求項８に記載の光軸調整装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光軸調整装置を複数備え、
    複数の光学素子から出射されたレーザ光の光軸が、それぞれの光軸調整装置で調整された後に、合波されて出力レーザとして出射されるレーザ装置。

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