JP3479876B2 - レーザ出射光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
使用されるレーザ出射光学系に関し、特に、照射軌跡が
円環となるようにレーザ光を走査させるためのレーザ出
射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ出射光学系は、レーザ光をワーク
に照射して、切断、穴あけ、あるいは溶接などの加工を
行うレーザ加工装置に用いられる光学系である。詳述す
ると、レーザ加工装置は、レーザ光を発生するレーザ発
振器と、レーザ発振器からのレーザ光を加工位置にまで
導く光ファイバと、光ファイバから出射したレーザ光を
加工対象物であるワークに照射するためのレーザ出射光
学系とを有している。レーザ出射光学系は、ワーク表面
へ照射するレーザ光の照射角、ワーク表面における集光
スポットの形状や径等を変換、調整、あるいは走査する
ために使用される。

【０００３】この種のレーザ加工装置を用いて、互いに
突き合わせた２つの部材（ワーク）を溶接する場合、通
常は、レーザ光をその突き合わせ面に対して平行、かつ
ワークの表面に対して垂直となるようにして、その突き
合わせ線（ワークの表面に現れる２つの部材の境界線）
上に照射する。

【０００４】しかしながら、この方法は、２つ部材間の
隙間の幅が所定値以下の場合には有効であるが、所定値
よりも隙間の幅が広い場合には、穴あき、溶け落ちなど
の溶接欠陥が発生する。

【０００５】従来、このような溶接欠陥の発生を防止す
る方法として、レーザ光の照射方向を、ワークの表面に
対して傾かせる方法が知られている。この方法では、照
射するレーザ光を、ワークの表面に対して傾かせるとと
もに、その照射位置を突き合わせ線からわずかに側方
（照射元側）へずらして（シフトさせて）レーザ光を照
射することにより、欠陥の無い溶接を実現することがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図３に示すように、平
板３１に形成された開口３２にパイプ３３を挿入し、平
板３１とパイプ３３とを互いに溶接する場合、これらの
間に生じる隙間の幅が、所定値以下であれば、平板３１
の表面に垂直な（パイプ３３の外周面に平行な）方向に
レーザ光を照射すれ欠陥の無い溶接が可能である。従っ
て、２軸ステージ等を用いて、レーザ出射光学系又はワ
ークのいずれかを円運動させることにより、欠陥の無い
溶接を容易に実現できる。

【０００７】これに対し、平板３１とパイプ３３との間
の隙間の幅が所定値より広い場合は、レーザ光を斜めに
傾けた状態で、平板３１とパイプ３３の突き合わせ線に
沿ってその軌跡が円環状となるようにレーザ光を走査し
なければならない。

【０００８】このようなレーザ光の走査は、例えば、位
置固定されたレーザ出射光学系と、このレーザ出射光学
系からのレーザ光の照射方向に対して傾きを有する表面
を持ったロータリーテーブルとを用いることにより実現
できる。

【０００９】しかしながら、この方法では、ロータリー
テーブルの回転軸を中心とする円環を描くようにしかレ
ーザ光を走査することができない。このため、一の平板
に複数のパイプを溶接するような場合には、各パイプの
溶接を行う毎に、ロータリーテーブルにおける平板の保
持位置を修正しなければならない。つまり、この方法に
は、一の平板に多数のパイプを溶接する場合に、その作
業工程が非常に煩雑であるという問題点がある。

【００１０】また、軌跡が円環状となるようにレーザ光
を走査する別の方法として、レーザ出射光学系を移動さ
せる方法もある。この方法では、任意の位置に、任意の
角度でレーザ光を照査できるので、単一の平板に複数の
パイプを溶接するような場合であっても、その平板を保
持位置をパイプ毎に変更する必要が無い。

【００１１】しかしながら、このような方法では、５軸
以上の自由度を持つ加工機を用いてレーザ出射光学系を
移動させなければならない。そのため、操作が複雑で、
また非常に高価であるという問題点がある。

【００１２】そこで、本発明は、ワークに対して傾きを
有するレーザ光を容易に円環状に走査させることができ
る、安価なレーザ出射光学系を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明 によれば、ワーク
上に照射されたレーザ光の軌跡が半径Ｒの円環を描くよ
うに前記レーザ光を走査させるためのレーザ出射光学系
において、前記ワークの表面に垂直な仮想軸上を前記ワ
ークに向かって進行する入射レーザ光を、一旦、前記仮
想軸から距離Ｒよりも遠い位置まで導き、その後、前記
ワーク上の前記仮想軸から距離Ｒだけ離れた位置に向け
て出射させることにより、前記ワークに対する前記レー
ザ光の照射角度を傾かせる光学ユニットと、該光学ユニ
ットを、前記仮想軸を回転の中心として回転させ、前記
レーザ光のワーク上における軌跡が前記円環を描くよう
に走査させる回転駆動機構とを備え、前記光学ユニット
が、前記入射レーザ光を反射してその進行方向を変える
第１の折り返しミラーと、該第１の折り返しミラーで反
射されたレーザ光を前記ワークに向けて反射する第２の
折り返しミラーとを備えており、前記第２の折り返しミ
ラーで反射されたレーザ光が前記仮想軸と平行になるよ
うに当該第２の折り返しミラーを設置するとともに、当
該第２の折り返しミラーで反射されたレーザ光を前記仮
想軸に向けて屈折させるプリズムを設けたことを特徴と
するレーザ出射光学系が得られる。

【００１５】

【００１６】また、本発明のレーザ出射光学系は、前記
光学ユニットに、前記円環の半径を変更するための半径
変更手段を設けたことを特徴とする。

【００１７】具体的には、前記光学ユニットが前記レー
ザ光を集光して前記ワーク上に集光スポットを形成する
ための加工レンズを含む場合、前記半径変更手段は、前
記加工レンズをその光軸に直交する方向へ移動させる移
動機構である。

【００１８】また、本発明のレーザ出射光学系は、光フ
ァイバから出射したレーザ光を平行光に変換するリコリ
メートレンズを備え、前記光学ユニットが、該リコリメ
ートレンズの後方に配置されていることを特徴とする。

【００１９】さらにまた、本発明のレーザ出射光学系
は、前記仮想軸に一致する中心軸を持つ位置決めピンを
前記光学ユニットのレーザ光出射側端部に設けたことを
特徴とする。

【００２０】また、本発明によれば、レーザ光を発生さ
せるためのＹＡＧレーザと、該ＹＡＧレーザで発生させ
たレーザ光を伝搬させるための光ファイバと、該光ファ
イバから出射するレーザ光をワークに照射するための上
記レーザ出射光学系のいずれかとを備えたことを特徴と
するレーザ加工装置が得られる。

【００２１】

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００２３】図１に本発明の一実施の形態によるレーザ
出射光学系１００を示す。なお、このレーザ出射光学系
１００は、図示しないレーザ発振器、例えばＹＡＧレー
ザ発振器、からのレーザ光を伝搬させるための光ファイ
バ２００の先端に取り付けられて、レーザ加工装置を構
成する。

【００２４】図１のレーザ出射光学系１００は、光ファ
イバ２００の先端部が固定される取付ブロック１１０
と、この取付ブロック１１０に固定される主ブロック１
２０と、主ブロック１２０内に回転可能に部分的に挿入
された回転ブロック（光学ユニット）１３０と、主ブロ
ック１２０の外周面に固定された駆動モーター１４０と
を有している。

【００２５】取付ブロック１１０には、そこに固定され
た光ファイバ２００の先端から出射するレーザ光を通過
させるための光路１１１が形成されている。光路１１１
内には、光ファイバ２００から所定の広がり角をもって
出射したレーザ光を平行光に変換するためのリコリメー
トレンズ１１２が配設されている。

【００２６】主ブロック１２０は、略円筒形状を有して
いる。取付ブロック１１０は、主ブロック１２０の一端
を塞ぐようなかたちで、この主ブロック１２０に取り付
けられる。

【００２７】回転ブロック１３０は、主ブロック１２０
内に部分的に挿入され、玉軸受１３１ａ，１３１ｂによ
り回転自在に支持されている。回転ブロック１３０の主
ブロック１２０より突出した部分の外周面には、この回
転ブロック１３０の回転軸と同心状の歯車１３２が設け
られている。なお、この回転ブロック１３０の回転軸
は、取付ブロック１１０における光軸に一致する。

【００２８】また、回転ブロック１３０は、レーザ光を
通過させるための光路１３３を有している。この光路１
３３は、入射側から出射側へと一直線に繋がるものでは
なく、途中で折れ曲がっている。そして、折れ曲がった
光路１３３に沿ってレーザ光を進行させるために、光路
１３３内には、第１及び第２の折り返しミラー１３４
ａ，１３４ｂと、プリズム１３５とが設けられている。
また、光路１３３の出射端側には、レーザ光を集光する
ための加工レンズ１３６が、レンズホルダ１３７に保持
された状態で取り付けられている。レンズホルダ１３７
は、加工レンズ１３６をその光軸と直交する方向に移動
させるためのものである。さらに、この回転ブロック１
３０の出射端側には、この回転ブロック１３０の回転軸
に一致する中心軸を持つ位置決めピン１３８が固定され
ている。位置決めピン１３８は、例えば、滑りブッシュ
である。

【００２９】駆動用モータ１４は、駆動軸１４１を有し
ている。そして、駆動軸１４１には、主ブロック１２０
の歯車１３２と螺合する歯車１４２が固定されている。

【００３０】次に、このレーザ出射光学系１００の動作
について説明する。ここでは、平板１５０に形成された
開口にパイプ１５１を挿入し、これらを互いに溶接する
場合について説明する。

【００３１】まず、準備段階として、平板１５０及びパ
イプ１５１（ワーク）を、３軸ステージ等のワーク保持
台１６０に保持させる。それから、ワーク保持台を移動
させて、パイプ１５１の先端に位置決めピン１３８が押
し当てられるようにする。これは、パイプ１５１の中心
軸と主ブロック１２０の回転軸とを一致させるために行
なわれる。

【００３２】また、レンズホルダ１３７を用いて加工レ
ンズ１３６の位置を調整する。レンズホルダ１３６は、
図２に示すように、加工レンズを１３６を周方向から支
持固定するための複数のボルト１３９を備えており、な
お、図２に示すように、加工レンズ１３６をその光軸に
垂直な方向に移動させることにより、ワーク上の集光ス
ポット位置（パイプ１５１の中心軸からの距離）を変更
することができる。これらのボルトを用いて加工レンズ
の位置を調整する。ここでは、加工レンズ１３６でレー
ザ光を集光した場合の、ワーク表面における集光スポッ
トの位置が、パイプ１５１の中心から距離ｒ（ｒ≦Ｒma
x）だけ離れるように調整する。なお、距離ｒは、平板
１５０とパイプ１５１とによって形成される突き合わせ
線よりも外周側となるように決定される。即ち、距離ｒ
は、パイプ１５１の半径よりも長い。また、Ｒmaxは、
このレーザ出射光学系で描くことができるレーザ光の走
査軌跡の最大半径である。

【００３３】次に、図示しないレーザ発振器からレーザ
光を出射させるとともに、駆動モータ１４０を回転させ
る。すると、レーザ出射光学系１００は以下のように動
作する。

【００３４】レーザ発振器から出射したレーザ光は、光
ファイバ２００によって、レーザ出射光学系１００へと
導かれる。そして、光ファイバ２００から出射したレー
ザ光は、リコリメートレンズ１１２に入射する。リコリ
メートレンズ１１２は、入射するレーザ光を平行光に変
換して出射させる。

【００３５】リコリメートレンズ１１２によって平行光
に変換されたレーザ光は、主ブロック１２０の回転軸に
沿って進行し、第１の折り返しミラー１３４ａに入射す
る。第１の折り返しミラー１３４ａは、入射するレーザ
光を全反射して、その進行方向を９０度折り曲げ、第２
の折り返しミラー１３４ｂに入射させる。この結果、主
ブロック１２０に入射したレーザ光は、主ブロック１２
０の回転軸から遠ざかる方向へ進行する。

【００３６】第２の折り返しミラー１３４ｂは、第１の
折り返しミラー１３４ａとの間の光路長がＲmax以上と
なるように設けられている。そして、第２の折り返しミ
ラー１３４ｂは、入射したレーザ光を全反射し、その進
行方向を９０度変更する。この結果、第２の折り返しミ
ラー１３４ｂで反射されたレーザ光の進行方向は、主ブ
ロック１２０に入射したレーザ光と平行になる。

【００３７】第２の折り返しミラー１３４ｂで反射され
たレーザ光は、プリズム１３５に入射する。プリズム１
３５は、入射したレーザ光を屈折させて、主ブロック１
２０の回転軸と交差する向きにレーザ光の進行方向を変
える。この結果、主ブロック１２０を出射した光は、ワ
ークの表面に対して傾きを持つ。

【００３８】プリズム１３５を通過したレーザ光は、加
工レンズ１３６に入射する。加工レンズ１３６は、入射
したレーザ光を集光して、パイプ１５１の中心軸から距
離ｒだけ離れた位置にレーザ光を照射する。

【００３９】一方、駆動モータ１４０は、その駆動軸１
４１を回転駆動し、歯車１４２を回転させる。すると歯
車１４２に螺合する歯車１３２が回転する。即ち、回転
ブロック１３０が、その回転軸を回転の中心として回転
する。

【００４０】以上の結果、このレーザ出射光学系から出
射されたレーザ光は、ワーク表面に傾きを持って照射さ
れ、半径ｒの円環を描くようにワーク上で走査される。

【００４１】このように、本実施の形態によれば、光学
ユニット（回転ブロック１３０）回転させるという簡易
な構造及び操作で、ワークに対して傾きを有するレーザ
光を円環状に走査させることができる。

【００４２】なお、上記実施の形態では、回転ブロック
１３０から出射するレーザ光の出射角をプリズム１３５
を用いて傾けるようにしているが、第２の折り返しミラ
ー１３４ｂの反射角を変更すれば、プリズム１３５は不
要になる。但し、高い精度の加工を行う場合には、プリ
ズムを用いることが望ましい。

【００４３】また、上記実施の形態では、回転ブロック
１３０の出射側端部に位置決めピン１３８を設けている
が、これは必ずしも必要ではない。位置決めピン１３８
は、パイプ１５１の中心軸が正確に割り出せ無い場合に
有効である。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、入射する仮想軸上を進
行するレーザ光を仮想軸から外れた位置へ導いた後、仮
想軸と交差する方向に向けて出射する光学ユニットを、
仮想軸を回転軸として回転させるようにしたことで、簡
易で安価な構成でありながら、仮想軸に直交する表面を
持つワークに対して傾きを有するレーザ光を、その軌跡
が円環を描くように走査させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるレーザ出射光学系
の断面図である。

【図２】図１のレーザ出射光学系の部分拡大図である。

【図３】本発明のレーザ出射光学系の加工対象の断面図
である。

【符号の説明】

１００ レーザ出射光学系 ２００ 光ファイバ １１０ 取付ブロック １１１ 光路 １１２ リコリメートレンズ １２０ 主ブロック １３０ 回転ブロック（光学ユニット） １３１ａ，１３１ｂ 玉軸受 １３２ 歯車 １３３ 光路 １３４ａ 第１の折り返しミラー １３４ｂ 第２の折り返しミラー １３５ プリズム １３６ 加工レンズ １３７ レンズホルダ １３８ 位置決めピン １４０ 駆動モーター １４１ 駆動軸 １４２ 歯車 １５０ 平板 １５１ パイプ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワーク上に照射されたレーザ光の軌跡が
   半径ｒ（最大半径Ｒｍａｘ）の円環を描くように前記レ
   ーザ光を走査させるためのレーザ出射光学系において、 前記ワークの表面に垂直な仮想軸上を前記ワークに向か
   って進行する入射レーザ光を、一旦、前記仮想軸から距
   離Ｒｍａｘよりも遠い位置まで導き、その後、前記ワー
   ク上の前記仮想軸から距離ｒだけ離れた位置に向けて出
   射させることにより、前記ワークに対する前記レーザ光
   の照射角度を傾かせる光学ユニットと、 該光学ユニットを、前記仮想軸を回転の中心として回転
   させ、前記レーザ光のワーク上における軌跡が前記円環
   を描くように走査させる回転駆動機構とを備え、 前記
   光学ユニットが、前記入射レーザ光を反射してその進行
   方向を変える第１の折り返しミラーと、該第１の折り返
   しミラーで反射されたレーザ光を前記ワークに向けて反
   射する第２の折り返しミラーとを備えており、 前記第２の折り返しミラーで反射されたレーザ光が前記
   仮想軸と平行になるように当該第２の折り返しミラーを
   設置するとともに、当該第２の折り返しミラーで反射さ
   れたレーザ光を前記仮想軸に向けて屈折させるプリズム
   を設けたことを特徴とするレーザ出射光学系。
2. 【請求項２】 前記光学ユニットに、前記円環の半径を
   変更するための半径変更手段を設けたことを特徴とする
   請求項１に記載のレーザ出射光学系。
3. 【請求項３】 前記光学ユニットが前記レーザ光を集光
   して前記ワーク上に集光スポットを形成するための加工
   レンズを含み、前記半径変更手段が前記加工レンズをそ
   の光軸に直交する方向へ移動させる移動機構からなるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のレーザ出射光学系。
4. 【請求項４】 光ファイバから出射したレーザ光を平行
   光に変換するリコリメートレンズを備え、前記光学ユニ
   ットが、該リコリメートレンズの後方に配置されている
   ことを特徴とする請求項１，２又は３に記載のレーザ出
   射光学系。
5. 【請求項５】 前記仮想軸に一致する中心軸を持つ位置
   決めピンを前記光学ユニットのレーザ光出射側端部に設
   けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の
   レーザ出射光学系。
6. 【請求項６】 レーザ光を発生させるためのＹＡＧレー
   ザと、該ＹＡＧレーザで発生させたレーザ光を伝搬させ
   るための光ファイバと、該光ファイバから出射するレー
   ザ光をワークに照射するための請求項１乃至５に記載の
   いずれかのレーザ出射光学系と、を備えたことを特徴と
   するレーザ加工装置。