JP2022090645A - 高周波レーザ光学装置、及び高周波レーザ光学装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波レーザ光学装置を提供する。【解決手段】本発明は、レーザ光（１２）を高周波偏向させる装置（１０）に関する。この装置（１０）は、可動結像素子（３４）の上流側に配置されたビーム拡張結像素子（３２）を備えており、それによって、可動結像素子（３４）の僅かな移動においても、レーザ光の焦点の大きな移動が生じる。レーザ光（１２）を走査するスキャナ（２２）の上流側にコリメータ（３０）を配置することができ、それによって、スキャナミラー（２４，２６）は、小型化及び軽量化して形成可能であり、且つ大きなダイナミクスを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光によってワークを加工する装置に関するものであり、この装置は以下の、
ａ）ワーク上においてレーザ光を第１の方向に走査する第１のスキャナミラーを有するスキャナと、
ｂ）スキャナの下流側に配置され、レーザ光を束ねる可動結像素子と、を備える。

本発明はさらに、そのような装置の動作方法に関する。

高速に移動可能なレーザ光によってワークを加工するために形成された装置を提供することが知られている。

特許文献１から、レーザ光を偏向させるためのスキャナを備えた装置が知られている。そのスキャナの上流側には、ビーム形成用のテレスコープユニットが接続されている。

また、特許文献２には、レーザ光を形成するためのテレスコープユニットと、レーザ光を偏向させるスキャナとを備えた装置が開示されている。スキャナの下流側には、集束レンズが接続されている。

特許文献３から、スキャナを備えた汎用的な装置が知られている。レーザ光の集束のために、モータによって可動な少なくとも１つの光学結像素子がスキャナの下流側に配置されている。

従来の装置においては、レーザ光を集束させる光学結像素子の位置調整経路が比較的大きくなるという欠点がある。

米国特許出願公開第２０１１／０１２７６９７号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２４５０８４号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２８５７０号明細書

本発明の課題は、構造的に簡単な方法によって、レーザ光をワークに迅速に集束させることができる汎用的な装置をさらに形成することである。さらに本発明の課題は、そのような装置の動作方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１による装置、及び請求項１０による方法によって解決される。従属請求項は、好ましいさらなる形態を表している。

本発明による課題は、そのため、スキャナと可動結像素子との間にビーム拡張結像素子が配置された、冒頭で述べた装置によって解決される。

そのため、本発明による装置は、レーザ光を偏向させるスキャナを備える。その際、スキャナとは、特に、レーザ光を、制御されて偏向させるように形成されたあらゆる器具一式であると解される。本装置は、スキャナによって偏向されたレーザ光（ビーム）を拡張する結像素子を備える。拡張されたレーザ光は、続いて、可動結像素子によって再コリメートされる。それによって、可動結像素子のわずかな移動によっても、ワーク上においてレーザ光の焦点位置又は直径を大きく変化させることができる。

ビーム拡張結像素子は、好ましくは凹レンズ系の形態に形成されている。レンズ系とは、少なくとも１つのレンズを有する系であると解される。レンズ系は特に構造的に簡単に形成可能であり、同時にレーザ光を効果的に形成することができる。特に、ビーム拡張結像素子は、単一の凹レンズの形態に形成可能である。

可動結像素子は、凸レンズ系の形態に、特に単一の凸レンズの形態に形成可能である。

本発明の特に好ましい実施形態においては、スキャナの上流側にコリメータが設けられている。それによって、スキャナは、小型化して及び効率的に形成可能であり、且つ大きなダイナミクス（変動範囲：Ｄｙｎａｍｉｋ）を有することができる。コリメータは、凸レンズ系の形態に、特に単一の凸レンズの形態に形成可能である。

さらに好ましくは、可動結像素子の下流側に、レーザ光をワークに集束させる対物レンズが配置されている。対物レンズは、凸レンズ系の形態に、特に単一の凸レンズの形態に形成可能である。

対物レンズの下流側に、加工時のワークのスパッタから装置を保護するための保護ガラスを配置することができる。

スキャナは、１つの（第１の）スキャナミラーのみを有してもよい。しかしながら、スキャナは、レーザ光をさらに別の方向に偏向できるように、好ましくは、第２のスキャナミラーを有する。

本装置は、ミラーを介してレーザ光をスキャナに向ける場合、特にコンパクトに形成され得る。

スキャナは、スキャナヘッドの形態においてコンパクトに形成可能である。

本装置は、レーザ光を、光ガイドケーブルを介して装置内にガイドする場合には、例えばロボットアームを使用して、特に柔軟に、且つ迅速に移動可能に形成され得る。

本発明のさらに好ましい実施形態においては、本装置は、センサシステムを結合するビームスプリッタを備える。その際、そのビームスプリッタは、ダイクロイックミラーを有することができる。

ビームスプリッタは、可動結像素子の下流側に配置することができる。特に、ビームスプリッタは、可動結像素子と対物レンズとの間に配置することができる。

特に好ましくは、本装置は、レーザ溶接装置の形態に形成されている。本発明による利点は、その際、フレキシブルな金属板の生産における、レーザ溶接の適用範囲の拡大を可能にする。すなわち、
－ギャップの橋渡し；
－レーザカットされた厚金属板（開先加工なし）のレーザ溶接；
－レーザを用いた溶接がこれまで不可能又は困難だった金属合金（例えば、ＡｌＭｇＳｉ）のレーザ溶接；
－１つのワークにおける様々な溶接方法（厚板／薄板、ギャップあり／なし、熱伝導溶接／深溶込み溶接など）に柔軟に使用可能な、普遍的であり、しかもコンパクトな溶接光学系。

本装置は、溶接ワイヤの供給装置を備えていてもよい。

本発明による課題は、さらに、本明細書に記載された装置の動作方法によって解決される。その際、ワーク上におけるレーザ光移動の周波数は、０．１ｍｍを超える振幅の場合には２４００Ｈｚを超え、１ｍｍを超える振幅の場合には１０００Ｈｚを超え、及び／又は３ｍｍを超える振幅の場合には５００Ｈｚを超える。そのため、特に、本明細書に記載の装置によって溶接する場合には、スキャン動作のダイナミクスが特に大きい。

本発明のさらなる利点は、本明細書及び図面から明らかになる。同様に、上述の特徴及びさらに説明される特徴は、本発明に従って、それぞれ個別に、又はいくつかの任意の組み合わせにおいて、使用することができる。図示され、説明された実施形態は、決定的な列挙として解されるべきではなく、むしろ本発明の説明のための例示的な性質を有する。

本発明による装置の第１の実施例を示す概略図である。 本発明による装置の第２の実施例を示す概略図である。 本発明による装置によって得られる周期運動ダイナミクス（Ｐｅｎｄｅｌｄｙｎａｍｉｋ）を示すグラフである。

図１は、レーザ光１２をガイドする装置１０を示しており、この装置１０は、ワーク１４の加工、特に溶接のために形成されている。本実施形態においては、溶接継ぎ目１８を形成することによって、第１の金属板１６ａが第２の金属板１６ｂに結合される。その際、溶接継ぎ目１８は、金属板１６ａ，ｂの間のギャップ２０を橋渡しする。これは、ワーク１４上におけるレーザ光１２の非常に速い振動移動によって可能になる。

レーザ光１２のこの振動移動は、スキャナ２２によって得られる。スキャナ２２は、本実施形態においては、スキャナヘッドの形態に形成されている。スキャナ２２は、レーザ光１２を第１の方向（ここにおいてはＸ方向）に振動させるための第１のスキャナミラー２４と、任意に、レーザ光１２を第２の方向（ここにおいてはＹ方向）に振動させるための第２のスキャナミラー２６とを有している。その際、この２つの方向は、好ましくは互いに直交している。

本実施形態においては、レーザ光１２は、光ガイドケーブル２８を介して装置１０に入る。スキャナ２２と光ガイドケーブル２８との間には、コリメータ３０が配置されている。コリメータ３０は、好ましくは、凸レンズ系を有する。さらに好ましくは、コリメータ３０は、凸レンズの形態に形成されている。コリメータ３０は、特に好ましくは、レーザ光１２を比較的小さい光径に、好ましくは２０ｍｍ未満、特に１５ｍｍ未満にコリメートする短焦点レンズを有する。それによって、スキャナミラー２４，２６は、特に小型化及び軽量化して形成可能であり、その結果、大きなダイナミクスを有して移動することができる。ミラー３１は、レーザ光１２をスキャナ２２に向ける。

対応してコンパクトに形成され小開口を備えたスキャナ２２に、ビーム拡張結像素子３２が隣接している。そのビーム拡張結像素子３２は、凹レンズ系の形態に形成することができる。本実施形態においては、ビーム拡張結像素子３２は、凹レンズの形態に形成されている。

ビーム拡張結像素子３２の下流側には、特に凹レンズ系の形態の、ここにおいては、凸レンズの形態の可動結像素子３４が配置されている。その可動結像素子３４によって、レーザ光１２はコリメートされる。

可動結像素子３４は、特にモータによって、好ましくは直線的に、レーザ光１２の光軸に沿って移動させることができる。可動結像素子３４を移動させることによって、ワーク１４上においてレーザ光１２の焦点位置の変化が得られる。ビーム拡張結像素子３２のビーム拡張、すなわち拡散に基づいて、小さな移動範囲３６において、ワーク１４上において大きな焦点位置移動、又はレーザ光１２の直径の大きな変化を得ることができる。

レーザ光１２は、センサシステム４０の結合のために、図においては破線によって示されたダイクロイックビームスプリッタ３８を有することができる。そのセンサシステムは、溶接継ぎ目箇所の検出、カメラ、及び／又は光干渉断層撮影（ＯＣＴ）を含むことができる。

装置１０を出る前に、レーザ光１２は、対物レンズ４２、及び／又は保護ガラス４４を通過することができる。対物レンズ４２は、凸レンズ系を有することができる。本実施形態においては、対物レンズ４２は凸レンズの形態に形成されている。

図２は、レーザ光１２をガイドする装置１０のさらなる実施形態を示している。この装置１０は、光ガイドケーブル２８、コリメータ３０、スキャナミラー２４，２６を有するスキャナ２２、ビーム拡張結像素子３２、可動結像素子３４、及び対物レンズ４２を備える。ミラー３１がレーザ光１２をスキャナ２２に向けることによって、装置１０のさらなるコンパクト設計が得られる。

図１の装置１０とは対照的に、ビーム拡張結像素子３２は、２つの凹レンズ又は負レンズ４８ａ，４８ｂを有する凹レンズ系を有している。

図２は、スキャナミラー２４，２６の旋回移動５０ａ，５０ｂが、５°未満、特に３°未満、好ましくは２°未満であることを概略的に示している。

さらに、図２は、可動結像素子３４の移動範囲３６によって、２倍を超える、特に３倍を超える焦点範囲５２が得られることを概略的に示している。これは、ビーム拡張結像素子３２と可動結像素子３４との相互作用によって得られる。

図３は、振幅Ａの増加に伴って実験的に求められた最大周波数ｆを示している。その際、スキャナミラー２４及び／又は２６（図１及び図２参照）のモータ電流を正弦波によって制御した場合の最大周波数ｆを実線によって、スキャナミラー２４及び／又は２６のモータ電流を三角波によって制御した場合の最大周波数ｆを破線によって示している。図３から、得られた最大周波数ｆは、本発明による光学系を使用しない場合に一般的に得られる最大周波数よりも大幅に高いことが認識できる。

図面の全ての図の概観のもとに、本発明は、要約すると、レーザ光１２を高周波偏向させる装置１０に関するものである。この装置１０は、可動結像素子３４の上流側に配置されるビーム拡張結像素子３２を備え、それによって、可動結像素子３４の僅かな移動においてもレーザ光焦点の大きな移動が生じる。レーザ光１２を走査するスキャナ２２の上流側にコリメータ３０を配置することが可能である。それによって、スキャナミラー２４，２６は、小型化及び軽量化して形成可能であり、且つ大きなダイナミクスを有する。

１０ 装置
１２ レーザ光
１４ ワーク
１６ａ，ｂ 金属板
１８ 溶接継ぎ目
２０ ギャップ
２２ スキャナ
２４ 第１のスキャナミラー
２６ 第２のスキャナミラー
２８ 光ガイドケーブル
３０ コリメータ
３１ ミラー
３２ ビーム拡張結像素子
３４ 可動結像素子
３６ 移動範囲
３８ ビームスプリッタ
４０ センサシステム
４２ 対物レンズ
４４ 保護ガラス
４８ａ，ｂ 凹レンズ
５０ａ，ｂ 旋回移動
５２ 焦点範囲
ｆ 最大周波数
Ａ 振幅

Claims (10)

1. レーザ光（１２）を用いてワーク（１４）を加工する装置（１０）であって、
   ａ）前記レーザ光（１２）を前記ワーク（１４）上において第１の方向に走査する第１のスキャナミラー（２４）を有するスキャナ（２２）と、
   ｂ）前記スキャナ（２２）の下流側に配置され、前記レーザ光（１２）を束ねる、可動結像素子（３４）と、を備えた装置（１０）において、
   ｃ）前記スキャナ（２２）の下流側であって、且つ前記可動結像素子（３４）の上流側に配置されたビーム拡張結像素子（３２）を備えることを特徴とする、装置（１０）。
2. 前記ビーム拡張結像素子（３２）は、凹レンズ系、特に凹レンズの形態の凹レンズ系を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記可動結像素子（３４）は、凸レンズ系、特に凸レンズの形態の凸レンズ系を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記装置（１０）のコリメータ（３０）は、特に凸レンズ系の形態において、好ましくは凸レンズの形態において、前記スキャナ（２２）の上流側に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記レーザ光（１２）を前記ワーク（１４）上に集束させる前記装置（１０）の対物レンズ（４２）は、特に凸レンズ系の形態において、好ましくは凸レンズの形態において、前記可動結像素子（３４）の下流側に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記スキャナ（２２）は、前記ワーク（１４）上において前記レーザ光（１２）を第２の方向に、特に前記第１の方向と垂直の方向に走査する第２のスキャナミラー（２６）を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記装置（１０）は、前記レーザ光（１２）を前記装置（１０）内に進入させる光ガイドケーブル（２８）を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置（１０）は、前記レーザ光（１２）に同軸に作用するセンサシステム（４０）を結合するビームスプリッタ（３８）、特にダイクロイックミラーを有するビームスプリッタ（３８）を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記装置（１０）は、レーザ溶接装置の形態に形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の装置（１０）の動作方法であって、
    前記ワーク（１４）上におけるレーザ光移動の周波数（ｆ）は、０．１ｍｍを超える振幅（Ａ）の場合には２４００Ｈｚを超え、１ｍｍを超える振幅（Ａ）の場合には１０００Ｈｚを超え、及び／又は、３ｍｍを超える振幅（Ａ）の場合には５００Ｈｚを超える、装置（１０）の動作方法。

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