JP5184775B2

JP5184775B2 - 光加工装置

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Publication number: JP5184775B2
Application number: JP2006320791A
Authority: JP
Inventors: 貴幸石亀
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: JP2008134468A

Description

この発明は、樹脂製の鏡筒と樹脂製のレンズを光溶接する光加工装置に関する。

光エネルギを利用する加工（光加工）を行う光加工装置は従来から種々のものが知られている。これらのうちで、レーザ光源からの光を光ファイバにより導光し、光ファイバの射出端から射出するレーザ光を、集光光学系と２枚のウェッジプリズムとにより２光路に分割して各々を光スポットとして加工部に集光し、２枚のウェッジプリズムを「あおり機構」により光束光軸に対して傾かせ、この傾きである「あおり角」の調整により「２つの光スポットの間隔」を調整するものが特許文献１に記載されている。

このようにすることにより、被加工物の２点で同時に光加工することができ、加工する２点の間隔を調整することが可能であるところから被加工物の種類に対する自由度が大きい。しかしながら、特許文献１記載の光加工装置では「あおり機構」が複雑になり易く、また、同時に光加工できるのは２点に限られてしまう。

特許第３３１７２９０号公報

この発明は、被加工面上にリング状に集光させたレーザ光の、集光部のリングの大きさを調整可能にできる新規な光加工装置の実現を課題とする。

この発明の光加工装置は「微小な光放射部から発散性のレーザ光束を放射し、集光光学系により、所望の被加工面上にリング状に集光させて、樹脂製の鏡筒と樹脂製のレンズを光溶接する光加工装置」であって、以下の特徴を有する。
即ち、集光光学系が、第１及び第２のコリメートレンズと、光束変換光学素子と、透明な平行平板と、押さえ手段とを有する。

「第１のコリメートレンズ」は、微小な光放射部からの発散性のレーザ光束を、実質的な平行光束とし得るように配置される。
「第２のコリメートレンズ」は、第１のコリメートレンズと同軸で、第１のコリメートレンズを透過した光束を集光させる。
「光束変換光学素子」は、第１のコリメートレンズと「微小な光放射部」との間に配置されて、光放射部からの発散性のレーザ光束を「第１、第２のコリメートレンズの光軸を囲繞する光束」とするものである。

「透明な平行平板」は、微小な光放射部と光束変換光学素子との間に配置され、光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能に設けられる。

「押さえ手段」は、光溶着を行なうに際して、樹脂製の鏡筒に対して樹脂製のレンズを押圧して固定するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する。

さらに、光束変換光学素子は「１２０度〜２４０度の範囲の頂角を有する円錐面」もしくは「光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体」である。

また、光束変換光学素子および第２のコリメートレンズのうち少なくとも一方が、第１のコリメートレンズに対して、光軸の方向に変位可能である。
そして、平行平板の態位の揺動調整により「リング状の集光部における光エネルギの不均一が調整可能」である。

付言すると、上記の如く、微小な光放射部と第１のコリメートレンズとの間に、光束変換光学素子が配置される。第１のコリメートレンズが「微小な光放射部からの発散性のレーザ光束を、実質的な平行光束とし得るように配置」されるとは、光放射部と第１のコリメートレンズとの間に光束変換光学素子が無い場合には「光放射部からの発散光束を、光軸に実質的に平行な平行光束となし得る」ことを意味する。
従って、第１のコリメートレンズは、微小な光放射部との位置関係においては「微小な光放射部が、物体側焦点となる光学位置（光束変換光学素子の介在を考慮した焦点位置）に位置する」ように配置される。

微小な光放射部からの発散性のレーザ光束は、光束変換光学素子により「第１、第２のコリメートレンズの光軸を囲繞する光束」に変換される。

「第１、第２のコリメートレンズの光軸を囲繞する光束」は、光軸に直交する断面上の光束断面形状が「円形状あるいは円形のリング状」であり、光束の外周面あるいは内周面が、円錐面をなすようにして、光束変換光学素子の物体側もしくは像側で、光軸に交わるように進行する光束である。このような光束は、第２のコリメートレンズの作用により、結像面上に「円形状のリング状」に集光する。
なお、第１、第２のコリメータレンズは球面レンズでもよいが、一方または両方の面が非球面形状であるレンズであることが好ましい。

上記「結像面」は、光加工が行われるときには、被加工面もしくはその近傍に合致させられる。結像面を被加工面に合致させれば、非加工面上にエネルギ密度の高い「リング状の像」を結像させることができる。また、被加工面と結像面とを意図的にずらして、被加工面を結像面の近傍に設定すれば、上記リング状の像はデフォーカスによりぼやけ、非加工面におけるエネルギの集中の度合いを調整できる。

請求項１記載の光加工装置は、微小な光放射部が導光路の端部で、レーザ光源から上記導光路により導光した加工用光を上記端部から放射するものであることができる（請求項２）。この場合、微小な光放射部はＬＤの発光部であることができる（請求項３）。請求項１〜３の任意の１に記載の光加工装置は「微小な光放射部が、コリメートレンズの光軸方向および／または光軸直交方向に位置調整可能」であることができる（請求項４）。

光束変換光学素子を、光放射部と第１のコリメートレンズ（これらの間隔は固定的である。）との間で光軸の方向へ変位させると、上記結像面上で「リング状の像の大きさ」を変化させることができる。
また、第１、第２のコリメートレンズの間隔を変化させると、結像面に入射する集光光束の「照射角の大きさ」を調整することができる。「照射角」については後述する。

光束変換光学素子は、上記の如く「１２０度〜２４０度の範囲の頂角を有する円錐面を、物体側および／または像側に有する透明体」または「コリメートレンズの光軸に関して軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体」であり、このような光束変換光学素子により変換された光束は、前述した「光軸に直交する断面上の光束断面形状が「円形状」または「円形リング状」であり、レーザ光束の外周面もしくは内周面が、円錐面をなすようにして、光束変換光学素子の物体側もしくは像側で、光軸に交わるように進行する光束」である。

光束変換光学素子は「樹脂又はガラスを材料とする一体構造」である。
光束変換光学素子は「光軸の回わりの回転変位および／または光軸に直交する方向への直交変位」が可能であることが好ましい。

請求項２における「導光路」としては、光ファイバを好適に用いることができるが、それ以外にもインテグレータや導波管、導波路などを用いることができ、これらの導光路の微小な射出端を光放射部とすることができる。

以上に説明したように、この発明による光加工装置は、この発明の集光光学系を用いることにより、光加工するためのリング状の集光部の大きさを調整可能であり、集光光束の「照射角の大きさ」の調整も可能にできる。

以下、発明の実施の形態を説明する。
先ず、図１を参照して、基本的な概念や用語を説明する。

図１（ａ）において、符号ＬＤ１、ＬＤ２、・・ＬＤＮは複数個（Ｎ個）の半導体レーザを示す。これら複数個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮからのレーザ光は、ビーム合成手段１００に入射し、ビーム合成手段１００により合成されてカップリング光ＣＰとなって、単一の光ファイバＦの入射端ＦＩにカップリングし、光ファイバＦ内を伝搬して光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する。

具体的には、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮとしては、波長：９７０ｎｍ帯で高出力の半導体レーザを用いることができ、光ファイバＦとしては、コア径：φ１００μｍでＮＡ：０．２２の石英系マルチモードファイバを用いることができる。
また、独立したＮ個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮに代えて、半導体レーザアレイ（例えば、上記波長：９７０ｎｍ帯の高出力の発光部がアレイ配列したもの）を好適に用いることができる。
この例では、光ファイバＦが「導光路」であり、光ファイバＦの射出端ＦＯが「微小な光放射部」である。

図１において、符号ＣＬ１は第１のコリメートレンズ、符号ＣＬ２は第２のコリメートレンズ、符号ＦＴは光束変換光学素子、符号ＩＰは結像面を示す。結像面ＩＰは光加工時には、被加工面に合致する位置もしくは近傍の位置に設定される。

第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は、図１においてはそれぞれ単レンズとして描かれているが、これに限らず、２枚以上のレンズで構成しても良い。また、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は同一のもの（同一の焦点距離を有するもの。）であっても良いし「焦点距離の異なるもの」であってもよい。また、これらコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２のレンズ面は球面でもよいが、一方または両方の面が非球面形状であるレンズであることが好ましい。

光束変換光学素子ＦＴは後述するような形態が可能であるが、ここでは、説明の簡単のため、この発明で用いるものとは異なるが、図２に示すようなものを想定する。

図２に示す光束変換光学素子ＦＴは、入射側の面（図２において下方の面）が平面であり、射出側の面（図２で上方の面）は、光軸に対して対称的に傾いた２つの平面ＰＬ１、ＰＬ２を「屋根型に組合せた形状」となっている。

図１（ａ）に示すように、光ファイバＦの微小な光放射部（射出端面）ＦＯは、光束変換光学素子ＦＴを介して、第１のコリメートレンズＣＬ１の物体側焦点位置に位置し、光放射部ＦＯから放射される発散性の光束は、まず、光束変換光学素子ＦＴに入射し、同素子の作用により、コリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２の光軸に交わる２光束に変換されて第１のコリメートレンズＣＬ１に入射し、同コリメートレンズＣＬ１の作用により「互いに光軸に近づくような２つの平行光束」となる。

これら２つの平行光束は第２のコリメートレンズＣＬ２により２本の集光光束に変換され、結像面ＩＰ上の２点Ｐ１、Ｐ２に点状に集光する。即ち、集光点Ｐ１、Ｐ２には、光放射部の２つの像が点状に結像する。これら２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の間隔を図の如く、集光点間隔：ＤＰとする。また、図１（ａ）に符号βで示すのは第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する「２光束の照射角」を表している。

変位手段３００は、この例において、光束変換光学素子ＦＴと第２のコリメートレンズＣＬ２とを、第１のコリメートレンズＣＬ１に対して、光軸方向に変位させる機能を有している。変位手段３００としては、ズームレンズ等においてレンズ群を変位させる機構として従来から知られているものを適宜に用いることができる。

変位手段３００は手動によるものでも電動によるものでもよく、図示されないマイクロコンピュータ等の制御手段により「変位をプログラム制御する」ように構成することもできることは言うまでもない。また、変位手段３００による光束変換光学素子ＦＴの変位と、第２のコリメートレンズＣＬ２の変位とは独立に行われる。

なお、変位手段３００のうちの少なくとも駆動機構と、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２、光束変換光学素子ＦＴとは、適宜のケーシング内に収納されることは言うまでもない。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態において、光束変換光学素子ＦＴを光軸方向において光放射部ＦＯに近づくように変位させた状態を示している。このように光束変換光学素子ＦＴを第１のコリメートレンズＣＬ１から遠ざけると、２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の集光点間隔：ＤＰが、図１（ａ）の状態に対して小さくなる。即ち、第１のコリメートレンズＣＬ１と光束変換光学素子ＦＴとの間隔を調整することにより、集光点間隔：ＤＰを調整することができる。

図１（ｃ）は、図１（ａ）の状態において、第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけるように変位させた状態（これに伴い、結像面ＩＰも第１のコリメートレンズ側へ移動している。）を示している。
このように第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけると、図１（ｃ）に示すように、集光点間隔：ＤＰは、図１（ａ）の場合と同じであるが、
第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する「２光束の照射角：β」は、図１（ａ）の場合よりも小さくなっている。図１（ｃ）において、照射角は小さいため、符号：βは図示されていない。照射角：βは第２のコリメートレンズＣＬ２の作用で集光する光束の、光束外周部が光軸に対してなす角である。

即ち、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２の間隔を調整することにより、集光する照射角：βを調整することができる。
従って、光束変換光学素子ＦＴおよび／または第２のコリメートレンズＣＬ２の変位を独立に組合せることにより、集光点間隔：ＤＰおよび／または照射角：βの大きさを任意に調整することができる。

勿論、光束変換光学素子ＦＴのみ、または第２のコリメートレンズＣＬ２のみを変位可能とし、集光点間隔：ＤＰまたは照射角：βのみを調整する事もできる。

図１に示す光加工装置による光加工として「溶着」の場合を想定し、具体例として、図３に示すようなレンズＬＮを鏡筒４００に光溶着する場合を説明する。
レンズＬＮは樹脂レンズであって、図３（ａ）に示すように鏡筒４００の「受け部」に落とし込まれ、レンズ周辺の平面状部分と鏡筒４００の受け部の底面部とが密接して溶着面（図１における結像面ＩＰ）４０１となる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態をレンズＬＮの光軸方向から見た状態であり、最内部の「破線の円」はレンズ面ＬＮ１の輪郭、その外側の円はレンズ面ＬＮ２の輪郭であり、符号４０１は溶着面である。
図３（ｂ）における符号Ｐ１１〜Ｐ１４は「溶着部（溶着スポット）」を示している。即ち、レンズＬＮは４つの溶着部Ｐ１１〜Ｐ１４において鏡筒４００に光溶着される。レンズＬＮは勿論、レーザ光波長の光を透過させるが、鏡筒４００は「レーザ光を吸収する樹脂」で構成されている。このような「加工用のレーザ光を吸収する樹脂」は、黒色等の有色樹脂や「黒色等に着色された樹脂」であることができるが、加工用のレーザ光を吸収しやすい色の塗料を「レーザ光の波長の光を透過させる樹脂の表面に塗布した構成」としてもよい。

溶着用光を溶着部に集光すると、集光したレーザ光の光エネルギが鏡筒４００の溶着部に吸収され、鏡筒４００を局部的に発熱させて溶解させる。発熱した熱はまた、樹脂製のレンズＬＮも溶解させ、溶解した鏡筒部分とレンズ部分とが相融して、相互に強固に溶着する。

図１の光加工装置では、点状の集光点は２個（Ｐ１、Ｐ２）であるから、図１の光加工装置で、上記溶着ポイントＰ１１〜Ｐ１４を溶着するのであれば、２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の集光点間隔：ＤＰが、溶着点Ｐ１１、Ｐ１２の間隔に等しくなるように、光束変換光学素子ＦＴの位置を調整して、図４（ａ）に示すように「図３の２つの溶着点Ｐ１１、Ｐ１２」に光を集光させて溶着を行い、その後、鏡筒４００と光加工装置の位置関係を、光軸の回りに相対的に９０度回転させ、２つの集光点が「図３の溶着点Ｐ１３、Ｐ１４」に合致するようにして溶着を行えば良い。

４つの溶着点Ｐ１１〜Ｐ１４を順次に溶着する場合だと４回の溶着工程を必要とするが、２点ずつの溶着を行うことにより２回の溶着工程ですみ、溶着の作業効率が向上する。

図４（ｂ）は、レンズＬＮを溶着される鏡筒４００Ａの「筒長が大きい場合」の溶着状態を示している。図４（ｂ）のように、レンズＬＮが鏡筒４００Ａの「深い部分」に溶着される場合、図４（ａ）のような溶着状態であると、第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する２光束の照射角が大きいため、集光光束の一部が鏡筒４００Ａに「蹴られ」てしまい、溶着ポイントに有効に光エネルギを集中させることができない。

このような場合、図４（ｂ）に示すように、第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけることにより、図１（ｃ）に即して説明したように、収束点間隔：ＤＰを保ったまま、照射角を小さくして、鏡筒による光束の「蹴られ」をなくすことによりレンズＬＮを鏡筒４００Ａに良好に溶着することができる。

以下、光束変換光学素子を説明する。
図５（ａ）に示す光束変換光学素子ＦＴ７は、光軸方向の片側に円錐面が形成された形状である。容易に理解されるように、このような光束変換光学素子ＦＴ７を用いれば、集光光学系の結像面に集光するパターンは、図５（ｂ）に示すような「円形のリング状」のパターンＰＴである。この場合、図１に即して説明した「集光点間隔：ＤＰ」は、パターンＰＴの直径である。

光束変換光学素子ＦＴ７の円錐面形状は、図５（ｃ）に示すように、光軸からの距離：ｒの位置における光軸方向のサグ量：ｈ、傾斜をαとして、
ｈ＝α×ｒただしｒ＝√（Ｘ^２＋Ｙ^２）（１）
（Ｘ、Ｙは光軸に直交する平面の、光軸を原点とする２次元直交座標）
で表すことができる。傾斜：αは、傾斜角をθとして「α＝ｔａｎθ」である。リング状に形成され集光部における収差を抑えるために、円錐断面の頂角（１８０−２θ）は１２０度〜２４０度の範囲が好ましい。

光束変換光学素子ＦＴ７のように「円錐面を持った光束変換光学素子」材は、樹脂やガラス等による「所定の波長（光加工に用いられる波長領域の光）が透過する透明体」であり、成形、研磨、切削等で作製することができる。

図５（ｃ）のような円錐面は「直線状の円錐断面」を有し上記の式（１）で表されるが、傾斜：αによっては、リング状の集光部で収差が発生して「リングが太く」なる場合がある。集光部でリングを「よりきれいに細く（即ち光エネルギの集中を高めて）形成」するには、図５（ｄ）に断面形状を示す光束変換光学素子ＦＴ８のように、光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体で構成し、その曲面形状の調整により収差を補正することができる。

このような曲面形状は、図５（ｄ）のｒ、ｈを用いて、周知の非球面式：
ｈ＝（ｒ^２／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）^２｝
＋Ａ_１・ｒ＋Ａ_２・ｒ^２＋・・Ａ_ｎ・ｒ^ｎ・・（２）
で現されるような断面形状において、曲率半径：Ｒ、コーニック定数：ｋ、非球面係数：Ａｎを調整することにより実現できる。

上に説明したような光束変換光学素子ＦＴ７、ＦＴ８においては、機械的な誤差等により、光束の変換が均等に行われず、リング状の集光部に光エネルギが均等に割り振られないことがあり得る。

また、図１に即して説明した光加工装置において、上に説明した光束変換光学素子を用いる場合、微小な光放射部である光ファイバの射出端ＦＯから射出する光束の光軸が、光ファイバの取付け誤差や射出端面の傾きのため、光束変換光学素子の光軸と一致しない場合がある。このような光軸の不一致があると、光束変換光学素子により変換された光束に光エネルギが均等に配分されず、リング状の集光部で光エネルギが均一にならないなどの問題が生じる。

この問題は、光軸をＺ方向としたとき、光ファイバの射出端または光束変換光学素子をＸＹ平面上で変位調整することにより有効に軽減させることができる。光ファイバの射出端は光軸方向へ調整可能とすることもでき、この調整により、第１のコリメートレンズとの位置関係を良好に設定できる。
しかしながら、上記変位調整に高い精度を必要とする場合、高精度の変位調整を実現するのに「高分解能のステージ」等が必要になり、光学ユニットが高価になる。

この発明の光加工装置では、上記リング状の集光部の「光量ムラ」を調整するため、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバの射出端ＦＯと光束変換光学素子ＦＴ７やＦＴ８との間に透明な平行平板９００を設け、これを「光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能」とし、平行平板９００の揺動により光束変換光学素子ＦＴ７、ＦＴ８への入射光束の光軸を、光軸に直交する方向へ２次元的に調整する。

図６（ａ）は、平行平板９００を、光軸の周りと「図面に直交する軸の回り」とに揺動可能とする場合であり、同図（ｂ）は、平行平板９００を、図面に直交する軸の回りと、図面内にあってこの軸と光軸とに直交する軸の回りとに揺動可能とする場合である。

上に説明した光束変換光学素子や光ファイバの射出端ＦＯの「光軸直交方向への変位や回転変位」や、平行平板９００の揺動は、変位手段３００により行うように構成できる。

また、集光位置からデフォーカスした際に「集光光束の所望の強度分布」を得るため、光束変換光学素子の光軸上の前または後に「変換された光束に対応する遮光フィルタやＮＤフィルタ、拡散板」などを配置することにより、分割光束の強度分布を調整し、所望の強度分布を持った強度分布を被加工面上に実現できる。

たとえば、図７に示すような「光束変換光学素子の光軸に中心を合致させた同心円状の減光フィルタ」により、透過する光束の中央部分の光束を減光し、結像面からデフォーカスした位置で「光束変換光学素子の中央部を通る光束の光量が抑えられた強度分布」を実現できる。

図８を参照して、光加工装置の実施の１形態を説明する。
図８（ａ）、（ｂ）に示す光加工装置は、集光光学系として、図６に示した構成のものを用いている。また、光束変換光学素子ＦＴ７は、図５に即して説明した円錐面を光入射側に有するものである。符号ＣＬ１およびＣＬ２は第１および第２のコリメートレンズ、符号９００は透明な平行平板を示す。光束変換光学素子ＦＴ７、第１および第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は、第１のケーシングＣ１内に配設されており、第２のコリメートレンズＣＬ２、光束変換光学素子ＦＴ７、平行平板９００は、図示されない変位手段により上記各種の変位を行い得るようになっている。

第１のケーシングＣ１の図における上部には、光ファイバＦがホルダＨＬに保持され、その射出端ＦＯが集光光学系の光軸上で、第１のコリメートレンズＣＬ１の焦点位置（光束変換光学素子ＦＴ７と平行平板９００を介した光学的な焦点位置）に位置するようにしてケーシングＣ１に一体化されている。

図８（ａ）において、ケーシングＣ１の図における下部側には、第２のケーシングＣ２がケーシングＣ１と別体で接続され、ケーシングＣ２の光束射出側端部には、光加工対象物５００に適した押さえ手段６００が設けられている。

この光加工装置が行う光加工は「溶着」であり、光加工対象物５００は、図３に示したタイプのものであり、樹脂製の鏡筒に樹脂製のレンズが保持されており、保持されたレンズＬＮが鏡筒ＨＬに溶着される。溶着の態様は図４に即して説明した如くであり、溶着面が被加工面である。

この実施の形態では、円錐面を有する光束変換光学素子ＦＴ７が用いられるため、集光部形状はリング状であり、図３に即して言えば、溶着面４０１において、レンズＬＮと鏡筒４００がリング状に溶着される。

光による溶着が行われるときには、図８（ａ）の状態から、ケーシングＣ１がケーシングＣ２と一体となって図の下方であるＺ方向へ降下され、同図（ｂ）に示すような溶着態勢になる。

押さえ手段６００は、溶着光に対して透明な材料により、図８（ｃ）に示すような断面形状をしており、下方の部分６０１は中空シリンダ状で内壁はテーパを付けられており、下端部６０２はリング状に形成され、この下端部６０２が図８（ｂ）に示すように、一方の樹脂構成物であるレンズＬＮを他方の樹脂構成物である鏡筒ＨＬに対して押圧する。これによりレンズＬＮは鏡筒ＨＬに対し、溶着態位で固定される。

押さえ手段６００は、図８（ｂ）に示すように、溶着が行われるときには第２のコリメートレンズＣＬ２から射出する溶着用の集光光束（光軸に直交する面内での光束断面形状が円形状である。）を溶着部へ向けて導光する導光手段の機能をも有する。

具体的に説明すると、図８に図示されない光源側は、波長：９７０ｎｍ帯の高出力ＬＤアレイからの光が合成されて、コア径：φ＝１００μｍでＮＡ：０．２２の「石英系でマルチモード」の光ファイバＦへ入射され、この光ファイバＦの射出端ＦＯから溶着用の光として射出する。

第１および第２のコリメートレンズＣＬ１およびＣＬ２は同一種のレンズで、焦点距離：ｆ＝３７．３５ｍｍ、有効径：φ＝１８ｍｍの「ガラスモールドで成形された非球面の単レンズ」である。

光束変換光学素子ＦＴ７は、ＢＳＬ７相当のガラス材質によるもので、中心厚み：６ｍｍ、円錐面は研磨により形成され、円錐面の形状は、コリメートレンズＣＬ１からＣＬ２に向かう方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ方向のサグ：ｈと光軸からの距離：ｒ、傾斜：αにより、前述の式（１）：
ｈ＝α×ｒただしｒ＝√（ｘ^２＋Ｙ^２）
で表され、傾斜：αは「−０．３０≦α≦−０．２９」の範囲にある。

ケーシングＣ１内には、前述の如く、光ファイバＦの射出端ＦＯ、光束変換光学素子ＦＴ７、コリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２を「光軸が一致する」よう配置し、コリメートレンズＣＬ１は「光ファイバＦの射出端ＦＯが焦点の位置になるように固定」される。射出端ＦＯとコリメートレンズＣＬ１の間に配置される光束変換光学素子ＦＴ７は、コリメートレンズＣＬ１との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で変位可能である。

この範囲での光束変換光学素子ＦＴ７を変位させることにより、溶着面上の「リング状の集光部」のリング径（直径）：Φが４．０ｍｍ〜９．７ｍｍの間で調整可能である。また、コリメートレンズＣＬ２は、コリメートレンズＣＬ１との間隔が２５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で変位可能である。この変位により、リング状の光束断面形状を持つ集光光束の光束外周面の光軸に対する傾きである照射角（図１（ａ）の「β」）を「最大５度の範囲」で調整することができ、これにより、光外周面の大きさを変化させることができる。

平行平板９００は、ＢＳＬ７相当のガラス材料で形成され、厚み：５ｍｍ〜１０ｍｍ程度で「リング状の集光部における光エネルギの不均一」を調整可能である。照射エネルギの調整は、光ファイバの射出端ＦＯを保持するホルダＨＬをＸＹ方向に変位させることでも可能である。

ケーシングＣ２は、溶着部へ集光される集光光束に対して、押さえ手段６００が適切な位置になるように、押さえ手段６００をＸＹＺ方向に変位させ得る機構を有する。押さえ手段６００をＸＹ方向に変位させることで、押さえ手段６００の中心軸にケーシングＣ１からのリング状の集光光束の光軸を合わせ、押さえ手段６００をＺ方向に変位させることで、集光光束の集光位置からのデフォーカス位置を定め、溶着物体を考慮した最適な溶着位置を調整することができる。

押さえ手段６００の材料は、溶着用光が透過できるものであれば良く、樹脂製でも良いが、上記の如く「溶着を繰り返す場合にキズが付きにくく、また溶着の際に発生する熱に対して耐熱性を有するＢＳＬ７などのガラス材」が好ましい。

光加工対象物５００は、樹脂製の鏡筒に樹脂製のレンズＬＮが保持された状態のものであるが、押さえ手段６００の外筒部と樹脂製の鏡筒の内筒部がおよそ嵌まり合って位置決めされ、レンズ有効径に干渉しない形状にする。

上記の如き光加工装置により、レンズの溶着を図８（ｂ）のような溶着態勢で行うことができ、押さえ手段６００と光加工対象物５００が嵌合しあうことで、正確に溶着を行うことができる。また、光加工対象物によっては、溶着部を押さえ手段６００により圧着しながら溶着光を抑え手段６００で導光しつつ溶着を行うことができ、溶着用光を遮ることなく上下から力量をかけながら溶着を行うことが出来る。

なお、図８において、光加工対象物の一方である鏡筒の上部が、レンズの上面よりもさらに上方へ突出しているような場合、鏡筒の内周面と、押さえ部材６００の「下方の部分６０１の外周面」とが当接しあうように上記部分６０１の外周径を設定すると、押さえ部材６００でレンズＬＮを押さえるのみで、レンズＬＮと鏡筒との溶着位置を精度良く位置だしすることができる。

また、上に説明した実施の各形態において、光加工における光エネルギの有効な利用のために、光束変換光学素子や第１、第２のコリメート等、光源と被加工面との間にある光学素子の光学面の１以上に「反射防止膜（ＡＲコート）」を形成することが好ましい。

光加工装置を説明するための図である。光束変換光学素子を説明するための図である。樹脂製のレンズを樹脂製の鏡筒に溶着する場合を説明するための図である。図１の場合に即して溶着を説明するための図である。光束変換光学素子を説明するための図である。透明な平行平板の機能を説明するための図である。光束変換光学素子の光軸に中心を合致させた同心円状の減光フィルタを説明するための図である。光加工装置の実施の１形態を説明するための図である。

ＦＯ光ファイバの射出端（微小な光放射部）
ＦＴ７、ＦＴ８光束変換光学素子
ＣＬ１第１のコリメートレンズ
ＣＬ２第２のコリメートレンズ
ＩＰ結像面
ＰＴリング状の集光パターン

Claims

微小な光放射部から発散性のレーザ光束を放射し、集光光学系により、所望の被加工面上にリング状に集光させて、樹脂製の鏡筒と樹脂製のレンズを光溶接する光加工装置であって、
上記集光光学系は、微小な光放射部からの発散性のレーザ光束を、実質的な平行光束とし得るように配置される第１のコリメートレンズと、
この第１のコリメートレンズと同軸で、上記第１のコリメートレンズを透過した光束を集光させる第２のコリメートレンズと、
上記第１のコリメートレンズと上記微小な光放射部との間に配置されて、上記光放射部からの発散性のレーザ光束を上記第１、第２のコリメートレンズの光軸を囲繞する光束とする光束変換光学素子と、
微小な光放射部と光束変換光学素子との間に配置され、光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能に設けられた透明な平行平板と、
樹脂製の鏡筒に対して樹脂製のレンズを押圧して固定するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する押さえ手段を有し、
上記光束変換光学素子は、１２０度〜２４０度の範囲の頂角を有する円錐面、もしくは光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体であり、
上記光束変換光学素子および第２のコリメートレンズのうち少なくとも一方が、上記第１のコリメートレンズに対して、上記光軸の方向に変位可能とされ、
上記平行平板の態位の揺動調整により、リング状の集光部における光エネルギの不均一を調整可能としたことを特徴とする光加工装置。
請求項１記載の光加工装置において、
微小な光放射部が導光路の端部であって、レーザ光源から上記導光路により導光した加工用光を上記端部から放射することを特徴とする光加工装置。
請求項２記載の光加工装置において、
微小な光放射部がＬＤの発光部であることを特徴とする光加工装置。
請求項１〜３の任意の１に記載の光加工装置において、
微小な光放射部が、コリメートレンズの光軸方向および／または光軸直交方向に位置調整可能であることを特徴とする光加工装置。