JP5106939B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆるヘッド分離型のレーザ加工装置に関する。

従来から、いわゆるヘッド分離型のレーザ加工装置がある。これは、レーザ光源を有する本体ユニットとヘッドユニットとが光ファイバケーブルで接続された構成になっている。レーザ光源から出射されたレーザ光は光ファイバケーブルを介してヘッドユニットに導かれ、このヘッドユニットが光ファイバケーブルからのレーザ光を加工対象物に照射して加工を施す。このようなヘッド分離型のレーザ加工装置であれば、例えば加工対象物の近傍においてヘッドユニットのための設置スペースだけを確保すれば済み、また、ヘッドユニットを設置環境に応じた向きに設置することができるというメリットがある。
特許第３０８９３８２号公報（特に第７図）

ところが、上記ヘッド分離型のレーザ加工装置では、光ファイバケーブルがヘッドユニットの固定位置から固定方向に引き出された構成になっていた。従って、ヘッドユニットを設置する際に光ファイバヘッドの引き出し位置及び引き出し方向を考慮しなければならず設置の自由度が制約されるという問題があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、ヘッドユニットの設置の自由度を向上させることが可能なレーザ加工装置を提供するところにある。

上記の目的を達成するための手段として、第１の発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発するレーザ光源を有し、光ファイバケーブルが導出された本体ユニットと、前記光ファイバケーブルの先端部に接続され、当該光ファイバケーブルからのレーザ光を加工対象物に照射して加工を施す照射部を有するヘッドユニットとを備え、前記ヘッドユニットには、前記光ファイバケーブルを、互いに異なる複数の引き出し方向に接続可能な接続手段と、前記接続手段での前記複数の引き出し方向それぞれに接続される光ファイバケーブルからのレーザ光を前記照射部における同一光路上に導く偏向手段と、を備え、前記接続手段は、前記複数の引き出し方向に直交する所定の回転軸を中心に回転可能に設けられる接続部を有して構成されている。本発明によれば、ヘッドユニットに対して光ファイバケーブルを複数の引き出し方向に接続可能とし、且つ、各引き出し方向に接続された光ファイバケーブルからのレーザ光を偏向手段によって同一光路上に導いて照射部から加工対象物に照射する構成とした。従って、ヘッドユニットからの光ファイバケーブルの引き出し方向を設置環境に応じて変更することができるから、ヘッドユニットの設置の自由度を向上させることができる。

また、光ファイバケーブルの先端部が接続される接続部が複数の引き出し方向に直交する所定の回転軸を中心に回転可能とされているから、光ファイバケーブルの引き出し方向を連続的に変更することができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工装置であって、前記接続手段は、前記光ファイバケーブルを、当該光ファイバケーブルの軸方向を中心に回転可能に保持する構成である。
本発明によれば、光ファイバケーブルを、その軸方向を中心に回転させることができるから、当該軸方向に回転しない構成に比べて、更に柔軟に光ファイバケーブルを所望の引き出し方向に引き出すことができる。

第３の発明は、第１または第２のレーザ加工装置であって、前記照射部は、ミラーと、前記ミラーを回転制御して前記加工対象物上における前記レーザ光の照射点を移動させる制御手段とを備え、前記偏向手段は、前記ミラーの向きを変位させることで前記光ファイバケーブルからのレーザ光を前記同一光路上に導く構成とされ、前記制御手段は、前記ミラーの回転制御範囲を前記偏向手段による変位分だけずらして制御する。
偏向手段としては例えば電気光学効果や、音響光学効果等を利用する構成であってもよいが、本発明によれば反射ミラーを利用する構成であるから比較的に簡単な構成とすることができる。しかも、専用の反射ミラーを設けることなく既存のレーザ走査用のミラーを利用して偏向手段の実現を図ることができる。

本発明によれば、ヘッドユニットの設置の自由度を向上させることができる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１について図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態のレーザマーキング装置４（レーザ加工装置の一例）は図１に示すように、いわゆるヘッド分離型のものであって、本体ユニット１とヘッドユニット２とを備えており、本体ユニット１により生成されたレーザ光Ｌを、ヘッドユニット２を介して加工対象物Ｗに照射することで、そこに文字・記号・図形等をマーキング（加工）するものである。

（レーザマーキング装置の全体構成）
本体ユニット１は、信号用半導体レーザ１０と、３つの励起用半導体レーザ１１Ａ〜１１Ｃと、希土類ドープ光ファイバ１２と、制御手段１３と、入出力手段１４とを備えている。図１において一点鎖線で囲まれた部分がレーザ光源５である。信号用半導体レーザ１０はドライバ２０を介して制御手段１３により駆動され、波長１０６０ｎｍ帯の赤外線レーザをパルス発振する。励起用半導体レーザ１１Ａ〜１１Ｃはドライバ２１Ａ〜２１Ｃを介して制御手段１３により駆動されて、波長９６０ｎｍ帯のレーザ光Ｌをそれぞれ所定のレーザ出力で連続発振する。

希土類ドープ光ファイバ１２はシングルモードのもの１２Ａとマルチモードのもの１２Ｂとからなる。両者１２Ａ，１２Ｂはコア部分に希土類元素である例えばイットリビウム（Ｙｂ）を含んでおり、この希土類元素の励起波長は約９６０ｎｍ、発振波長は約１０６０ｎｍとされている。シングルモードの希土類ドープ光ファイバ１２Ａの途中にはレーザ光Ｌを一方向にのみ通過させる光アイソレータ１５が設けられており、両開口端には例えば光結合器からなる結合手段１６Ａ，１６Ｂが取り付けられている。マルチモードの希土類ドープ光ファイバ１２Ｂは図示しないボビンに多数回巻回することで所要長の光路を確保しており、その一方の開口端が結合手段１６Ｂに取り付けられており、レーザ光Ｌを出射する開口端（出射端面に相当）には同じく光結合器からなる結合手段１６Ｃが設けられている。

結合手段１６Ａには２本の光ファイバ１７，１８Ａが接続されており、これらには信号用半導体レーザ１０のレーザ光Ｌ及び励起用半導体レーザ１１Ａのレーザ光Ｌが入射されるようになっている。また、結合手段１６Ｂには光ファイバ１８Ｂが取りつけられており、励起用半導体レーザ１１Ｂのレーザ光Ｌが入射される。また、光結合器１６Ｃには２本の光ファイバ１８Ｃ，１９が取りつけられており、光ファイバ１８Ｃには励起用半導体レーザ１１Ｃのレーザ光Ｌが入射されるようになっているとともに、光ファイバ１９はヘッドユニット２内に連なっている。また、光ファイバ１９は高いレーザ出力に対応可能なガラスファイバであり、これを保護チューブ２２で覆わって光ファイバケーブルＦとされている。

制御手段１３は、各ドライバ２０，２１Ａ〜２１Ｃに制御信号を出力して各半導体レーザ１０，１１Ａ〜１１Ｃを駆動する。具体的には、信号用半導体レーザ１０及び高励起用半導体レーザ１１Ｂ，１１Ｃにはマーキング動作を行なうときに駆動電流を供給し、低励起用半導体レーザ１１Ａには駆動電流を常時供給するようにそれぞれのドライバ１０，２１Ａ〜２１Ｃに制御信号を送信している。

制御手段１３には、例えばコンソールからなる入力手段３が接続されており、この入力手段３において、希土類ドープ光ファイバ１２からのレーザ光Ｌのレーザ出力、加工対象物Ｗにマーキングすべき文字・記号・図形等のマーキング情報やマーキングプログラム等を入力するようになっている。制御手段１３は、入力手段３に入力されたレーザ出力、文字・図形・記号等のマーキング情報、マーキングプログラム等を受けてマーキング情報を構成する各線分の座標データを生成し、このデータをメモリ１３Ａに記憶する。そして、マーキング開始のトリガ信号により、制御手段１３は各種設定値、レーザ出力、座標データに基づいて制御信号をドライバ２０，２１Ａ〜２１Ｃ及びヘッドユニット２に送信して加工対象物Ｗ表面上にマーキング処理を施す。

ヘッドユニット２は、コリメータレンズ３０と、ガルバノミラー装置４０と、ｆθレンズ５０と、入出力手段６０とを備える。コリメータレンズ３０、ガルバノミラー装置４０及びｆθレンズ５０が照射部の一例である。光ファイバ１９からのレーザ光Ｌはコリメータレンズ３０により平行光とされ、ガルバノミラー装置４０に備えられたＸ軸及びＹ軸のガルバノミラー（図１ではそのうちの一方のガルバノミラー４１のみ図示）を反射し、ｆθレンズ５０により加工対象物Ｗに集光される。また、ガルバノミラー装置４０は入出力手段６０を介して制御手段１３からの制御信号を受けると、その制御信号に応じて両ガルバノミラーを回動させ、これによってレーザ光Ｌが加工対象物Ｗ表面上で２次元方向に走査されるようになっている。

（ヘッドユニットからの光ファイバケーブルの引き出し方向を変更するための構成）
ヘッドユニット２には、本体ユニット１から導出された上記光ファイバケーブルＦの先端部が接続される接続部７０が設けられている。この接続部７０は、図１，２に示すように、ヘッドユニット２内において所定の回転軸Ｘ１を中心に回転可能に設けられた、例えば円盤状の回転体７１に取付金具７２を介して固定されている。回転体７１の回転によって接続部７０が回転し、これによりヘッドユニット２からの光ファイバケーブルＦの引き出し方向を変更することができる。従って、接続部７０及び回転体７１が接続手段の一例である。

また、ヘッドユニット２内には、反射ミラー７３が所定の回転軸Ｘ２を中心に回転可能に設けられている。この反射ミラー７３は回転させることで、例えば図３に示すように、光ファイバケーブルＦから出射されるレーザ光Ｌの光路上に介在して、当該レーザ光Ｌの向きを変えることができるようになっている。また、接続部７０の回転に応じて反射ミラー７３を変位させることで、光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌを、常にコリメータレンズ３０の中心軸Ｙ（照射部における同一光路の一例）上に導くことができる。

更に、上記回転体７１と反射ミラー７３とはギア機構７４（連動手段の一例）によって連動回転するようになっている。具体的には、ギア機構７４は回転体７１と一体的に回転する第１ギア７５と、反射ミラー７３と一体的に回転する第２ギア７６と、第１ギア７５と第２ギア７６との間に設けられる、１または複数の中間ギア７７（本実施形態では減速ギア１つ）とを備える。

（本実施形態の作用効果）
上述したように、光ファイバケーブルＦはガラスファイバを保護チューブ２２で覆った構成になっており、屈曲が難しく、曲げ半径が大きい（例えば１００〜１５０ｍｍ）。本実施形態のヘッドユニット２は一辺が約２００ｍｍの直方体であり、これを加工対象物Ｗの近傍に配置する場合には上記曲げ半径によってヘッドユニット２の設置の自由度が制約される。

そこで、本実施形態では、ヘッドユニット２に対して光ファイバケーブルＦを複数の方向（ヘッドユニット２の互いに異なる複数の側面）から接続可能とし、且つ、各接続方向に接続された光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌを反射ミラー７３によって同一光路上に導いてコリメータレンズ３０、ガルバノミラー装置４０及びｆθレンズ５０を介して加工対象物Ｗに照射する構成とした。従って、ヘッドユニット２からの光ファイバケーブルＦの引き出し方向を設置環境に応じて変更することができるから、ヘッドユニット２の設置の自由度を向上させることができる。

具体的には、図１，２に示すように、例えば光ファイバケーブルＦが接続される接続部７０が、その先端をコリメータレンズ３０に向けた位置にある場合、反射ミラー７３は、光ファイバケーブルＦの先端からコリメータレンズ３０に向かうレーザ光Ｌの光路から外れた位置に待避する。一方、ユーザがヘッドユニット２の設置環境を考慮して、光ファイバケーブルＦを図３に示す位置に移動させると、これに連動して反射ミラー７３がギア機構７４によって回転する。このとき、反射ミラー７３は、光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌを反射させてコリメータレンズ３０の中心軸Ｙ上に導く。従って、光ファイバケーブルＦの接続方向が変わっても、その光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌは常にコリメータレンズ３０の中心軸Ｙ上に導かれるため、ガルバノミラー装置４０によるガルバノミラー４１の回動制御範囲を変更することなく、加工対象物Ｗへのマーキングを正常に行うことができる。

また、光ファイバケーブルＦの先端部が接続される接続部７０が所定の回転軸Ｘ１を中心に回転可能とされているから、光ファイバケーブルＦの引き出し方向を連続的に変更することができる。但し、本実施形態では、反射ミラー７３が、光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌを反射できる位置まで変位している必要がある。

光ファイバケーブルＦの引き出し方向を変えると、これに連動してギア機構７４によって自動で反射ミラー７３による偏向方向が変わるから、ギア機構７４を設けずに、回転体７１と反射ミラー７３とを独立に回転させる構成に比べて作業性を高くすることができる。また、光ファイバケーブルＦと反射ミラー７３との位置関係のずれが生じて、反射ミラー７３にて反射したレーザ光Ｌがコリメータレンズ３０の中心軸Ｙから外れてしまうことを抑制できる。

偏向手段としては例えば電気光学効果を利用したＱスイッチや、超音波媒体中に生じた回折格子でのブラッグ回折現象による音響光学効果を利用したレーザ光偏向スイッチであってもよいが、本実施形態によれば反射ミラー７３を利用する構成であるから比較的に簡単な構成とすることができる。

＜実施形態２＞
図４は実施形態２を示す。前記実施形態との相違は、連動手段の構成にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

図４に示すように、本実施形態では上記ギア機構７４の代わりに、エンコーダ８０と制御回路８１とを備える。エンコーダ８０は、回転体７１の回転に伴ってその単位回転角度ごとにパルス信号を制御回路８１に与える。制御回路８１は上記パルス信号に基づき回転体７１、即ち接続部７０の現在位置を認識することができ、この現在位置に対応して反射ミラー７３の回転機構を制御して反射ミラー７３を適切な位置に自動で回転させることができる。なお、制御回路８１はヘッドユニット２内でなく、本体ユニット１内に設けてもよい。

＜実施形態３＞
図５は実施形態３を示す。前記実施形態１との相違は、接続手段の構成にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

図５に示すように、ヘッドユニット２'には、複数箇所（本実施形態では２側面に各１つずつ）に接続部９０，９１が設けられている。各接続部９０，９１は、光ファイバケーブルＦの先端部を接続できる構成となっており、且つ、その先端部の接続の有無を検知する検知センサ９２（例えば接触センサなど）を備える。各検知センサ９２からの検知信号は制御回路９３に与えられる。制御回路９３は検知信号に基づき光ファイバケーブルＦが現在どの位置に接続されているかを認識することができ、その認識した位置に対応して反射ミラー７３の回転機構を制御して反射ミラー７３を適切な位置に自動で回転させる。なお、制御回路９３はヘッドユニット２内でなく、本体ユニット１内に設けてもよい。また、光ファイバケーブルＦが接続されていない接続部９１にはキャップ９４が被せられている。

本実施形態のように、光ファイバケーブルＦの接続方向を連続的に変えることができなくても、必要な方向のみに接続できる構成であってもよい。

＜関連技術＞
図６，７は関連技術を示す。前記実施形態１との相違は、接続手段及び偏向手段の構成にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

図６に示すように、本関連技術のヘッドユニット２"は、所定の回転軸Ｘ３を中心に回転可能に設けられた接続部１００を備える。この接続部１００はヘッドユニット２"から露出した部分が上記回転軸Ｘ３から外れた方向に曲げられ、その先端に、光ファイバケーブルＦの先端部が接続される。また、接続部１００の内部には反射ミラー１０１が設けられ、ここで反射したレーザ光Ｌは、反射ミラー１０２（反射体の一例）によってコリメータレンズ３０の中心軸Ｙ上に導かれる。ここで、この反射ミラー１０１は、光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌを、上記回転軸Ｘ３上で受けて当該回転軸Ｘ３上に反射させる。そして、この回転軸Ｘ３の延長線上に反射ミラー１０２が設けられている。

以上の構成により、図７に示すように接続部１００を回転させると、これと一体的に反射ミラー１０１が回転し、この反射ミラー１０１で反射したレーザ光Ｌは反射ミラー１０２に対して所定の角度で入射し、コリメータレンズ３０の中心軸Ｙ上に導かれる。光ファイバケーブルＦの引き出し方向を代えても、ガルバノミラー装置４０によるガルバノミラー４１の回動制御範囲を変更することなく、加工対象物Ｗへのマーキングを正常に行うことができる。

また、光ファイバケーブルＦが接続される接続部１００と反射ミラー１０１とが一体的に回転する構成であるから、光ファイバケーブルＦを回転させる際に、その光ファイバケーブルＦと反射ミラー１０１との位置関係が変動しにく、光ファイバケーブルＦからのレーザ光Ｌをコリメータレンズ３０の中心軸Ｙ上に安定して導くことができる。

＜実施形態４＞
図８は実施形態４を示す。前記実施形態１との相違は、偏向手段の構成にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

本実施形態では、上記反射ミラー７３の代わりにガルバノミラー４１を利用する構成である。図８に示すように、光ファイバケーブルＦの先端が接続される接続部１１０及びコリメータレンズ３０が、ガルバノミラー４１の回転軸Ｘ４を中心に回転可能とされることで、光ファイバケーブルＦの引き出し方向が変えられるようになっている。そして、例えば制御手段１３は、接続部１１０の角度変位量θ分だけガルバノミラー４１の回動制御範囲を移動させて制御する。

本実施形態によれば、専用の反射ミラーを設けることなく既存のガルバノミラー４１を利用して偏向手段の実現を図ることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）「レーザ光源」には、ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、炭酸ガスレーザ等の気体レーザや、液体レーザであってもよい。

（２）「レーザ加工装置」は、ガルバノミラーを１枚のみ備えるもの、ドットパーキング方式や、ヘッドユニット自体が移動して走査するものであってもよい。

（３）上記各実施形態および関連技術において、各接続部７０，９０，９１，１００は、光ファイバケーブルＦの先端部を、その軸方向に回転可能に保持する構成であってもよい。具体的には、上記実施形態１を例に説明すると、図９に示すように、接続部１２０は、光ファイバケーブルＦの先端部に固定される内部材１２１と、その固定部材１２０を回転可能に収容する外部材１２２とを備えて構成されている。具体的には、内部材１２１の外面と外部材１２２の内面に周方向に沿って延びる凹部１２３及び凸部１２４がそれぞれ設けられている。このような構成であれば、光ファイバケーブルＦを、その軸方向を中心に回転させることができるから、当該軸方向に回転しない構成に比べて、更に柔軟に光ファイバケーブルＦを所望の引き出し方向に引き出すことができる。

本発明の実施形態１に係るレーザマーキング装置のブロック図 接続手段及び偏向手段部分の簡略図（その１） 接続手段及び偏向手段部分の簡略図（その２） 実施形態２の接続手段及び偏向手段部分の簡略図 実施形態３の接続手段及び偏向手段部分の簡略図 関連技術の接続手段及び偏向手段部分の簡略図（その１） 関連技術の接続手段及び偏向手段部分の簡略図（その２） 実施形態４の接続手段及び偏向手段部分の模式図 変形例の接続手段及び偏向手段部分の簡略図

１…本体ユニット
２，２'，２"…ヘッドユニット
４…レーザマーキング装置（レーザ加工装置）
５…レーザ光源
１３…制御手段
３０…コリメータレンズ（照射部）
４０…ガルバノミラー装置（照射部）
４１…ガルバノミラー（ミラー）
５０…ｆθレンズ（照射部）
７０，９０，９１，１００…接続部（接続手段）
７１…回転体（接続手段）
７３…反射ミラー
１０２…反射ミラー（反射体）
Ｆ…光ファイバケーブル
Ｌ…レーザ光
Ｗ…加工対象物
Ｘ１、Ｘ３、Ｘ４…回転軸
Ｙ…中心軸（照射部における同一光路）

Claims (3)

1. レーザ光を発するレーザ光源を有し、光ファイバケーブルが導出された本体ユニットと、前記光ファイバケーブルの先端部に接続され、当該光ファイバケーブルからのレーザ光を加工対象物に照射して加工を施す照射部を有するヘッドユニットとを備え、
   前記ヘッドユニットには、前記光ファイバケーブルを、互いに異なる複数の引き出し方向に接続可能な接続手段と、
   前記接続手段での前記複数の引き出し方向それぞれに接続される光ファイバケーブルからのレーザ光を前記照射部における同一光路上に導く偏向手段と、を備え、
   前記接続手段は、前記複数の引き出し方向に直交する所定の回転軸を中心に回転可能に設けられる接続部を有して構成されている、レーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
   前記接続手段は、前記光ファイバケーブルを、当該光ファイバケーブルの軸方向を中心に回転可能に保持する構成である、レーザ加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
   前記照射部は、ミラーと、前記ミラーを回転制御して前記加工対象物上における前記レーザ光の照射点を移動させる制御手段とを備え、
   前記偏向手段は、前記ミラーの向きを変位させることで前記光ファイバケーブルからのレーザ光を前記同一光路上に導く構成とされ、
   前記制御手段は、前記ミラーの回転制御範囲を前記偏向手段による変位分だけずらして制御する、レーザ加工装置。

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