JP6339644B2

JP6339644B2 - ビーム分配器

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Publication number: JP6339644B2
Application number: JP2016205259A
Authority: JP
Inventors: 宗和松田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2036-10-19
Also published as: US20180106971A1; JP2018066852A; DE102017218508B4; CN107966766A; US10067294B2; CN107966766B; DE102017218508A1

Description

本発明は、ビーム分配器に関する。

従来、１つのレーザビームを、複数の光ファイバのうちの１つの光ファイバを選択するように切り替えて伝搬させるビーム分配器が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のビーム分配器は、反射ミラーを回転駆動モータで所定の反射位置に回転させて、レーザビームを反射ミラーの反射面で反射させて、ビーム入射口から入射したレーザビームの向きを、複数の光ファイバのうちの１つの光ファイバに伝搬するように切り替えるように構成されている。

特開平１１−１１３９２５号公報

特許文献１に記載のビーム分配器においては、反射ミラーを回転させると、入射されるレーザビームの光軸に対する反射面の傾斜角度が変化するため、反射ミラーの反射面へのレーザビームの入射角度が異なることになる。反射ミラーの反射面へのレーザビームの入射角度が異なる場合には、反射ミラーの回転角度によっては、レーザビームの反射率が低下する場合があり、この場合には、レーザビームのエネルギー損失が大きくなる。そのため、レーザビームの反射率の低下を抑制できるビーム分配器が望まれる。

本発明は、ビームの反射率の低下を抑制できるビーム分配器を提供することを目的とする。

本発明は、ビームが通過する筐体（例えば、後述のケース体１０）と、１つ以上のビーム入射口（例えば、後述のビーム入射口３）と、２つ以上のビーム出射口（例えば、後述のビーム出射口４）と、モータ（例えば、後述の回転駆動モータ６）と、前記モータの回転軸部材（例えば、後述の回転軸部材６２）の回転位置を検出する位置検出装置（例えば、後述の位置検出器７）と、前記モータの前記回転軸部材の回転位置を制御する制御装置（例えば、後述の制御装置８）と、前記モータの前記回転軸部材の回転位置を記録する記録装置（例えば、後述の記録装置９）と、前記モータの前記回転軸部材に固定され、前記ビーム入射口から前記筐体内に入射したビームを前記ビーム出射口へ導光するように、このビームの向きを変えるビーム変向部（例えば、後述の傾斜反射ミラー２１）と、を備えるビーム分配器（例えば、後述のビーム分配器１）であって、前記モータの回転軸（例えば、後述の回転軸Ｊ）は、前記モータの回転軸の回転角度に依存せずに前記ビーム変向部にビームが入射する角度が一定になるように、前記ビーム入射口から入射されたビームの光軸と平行に配置され、前記ビーム出射口は、前記モータの前記回転軸部材が回転した際に、前記ビーム変向部によりビームの向きが変更された方向に配置され、前記記録装置には、複数の前記ビーム出射口それぞれの位置に対応する前記モータの回転軸の角度情報が予め記録されているビーム分配器に関する。

また、前記ビーム出射口における前記ビーム変向部により向きが変更された反射ビームの散乱光を検出する散乱光センサ（例えば、後述のフォトダイオード５）を有し、前記反射ビームが前記ビーム出射口に出射した状態で前記散乱光センサの検出値が最小になる値に前記記録装置の角度情報を変更することが好ましい。

また、前記ビーム入射口から前記筐体に入射した入射ビームの光軸の延長線上であって前記ビーム変向部の後方に温度スイッチ（例えば、後述の温度スイッチ２３）を設置し、前記温度スイッチのオン／オフにより、前記ビーム変向部が焼損したか否かを判定するように構成されていることが好ましい。

また、可視光線（例えば、後述の可視光線２２ａ）を発振するガイドレーザ（例えば、後述のガイドレーザ光源２２）を備え、前記ビーム変向部は、前記ビーム入射口から前記筐体に入射した入射ビームを反射するとともに可視光線を透過する２色性を有し、前記ガイドレーザは、可視光線を発振するときに、この可視光線が前記ビーム変向部を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されていることが好ましい。

本発明によれば、ビームの反射率の低下を抑制できるビーム分配器を提供することができる。

一実施形態に係るビーム分配器の構成を示す図である。本実施形態に係るビーム分配器の傾斜反射ミラーを回転軸方向に見た図である。本実施形態に係る傾斜反射ミラーを回転させた場合における傾斜反射ミラーに入射されるレーザビームの入射角度を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係るビーム分配器１の構成を示す図である。図２は、本実施形態に係るビーム分配器１の傾斜反射ミラー２１を回転軸Ｊ方向に見た図である。図３は、本実施形態に係る傾斜反射ミラー２１を回転させた場合における傾斜反射ミラー２１に入射されるレーザビームの入射角度を示す図である。

本実施形態に係るビーム分配器１は、レーザ装置（図示せず）から出射されて入射側光ファイバ１０１を介して入射された入射ビーム（レーザビーム、レーザ光）を、複数の出射側光ファイバ１０２のうちのいずれかに選択的に切り替えるための装置である。ビーム分配器１により選択的に切り替えられたレーザビームは、出射側光ファイバ１０２を伝搬されて、レーザ加工における溶接や切断などに利用される。

図１に示すように、ビーム分配器１は、ビーム変向ユニット２と、１つのビーム入射口３と、２つのビーム出射口４と、２つのフォトダイオード５（散乱光センサ）と、回転駆動モータ６（モータ）と、制御装置８と、記録装置９と、ケース体１０（筐体）と、を備える。

ケース体１０は、図１及び図２に示すように、円筒状に形成される。ケース体１０は、円形状の上面板１１０と、円筒状の周面板１２０と、円形状の下面板１３０と、を有する。ケース体１０の内部には、レーザビームが通過する。ケース体１０の内部には、少なくとも、ビーム変向ユニット２が収容されている。ケース体１０には、ビーム分配器１に備えられる各部材（１つのビーム入射口３、２つのビーム出射口４、回転駆動モータ１２）が取り付けられる取付開口（図示せず）が複数設けられている。

１つのビーム入射口３は、ケース体１０の上面板１１０に取り付けられる。ビーム入射口３には、レーザ出射装置（図示せず）から出射されたレーザビームが、入射側光ファイバ１０１を介して入射ビームとして入射される。

２つのビーム出射口４は、ケース体１０の周面板１２０に、周方向に離間して取付けられる。２つのビーム出射口４には、それぞれ、出射側光ファイバ１０２が接続される。２つのビーム出射口４からは、それぞれ、回転駆動モータ６により回転された傾斜反射ミラー２１（後述）の反射面２１ａの向きによって、選択的に、レーザビームが出射ビームとして出射される。２つのビーム出射口４は、それぞれ、回転駆動モータ６の回転軸部材６２が回転した際に、傾斜反射ミラー２１によりレーザビームの向きが変更された方向に配置される。

回転駆動モータ６は、図１及び図２に示すように、ケース体１０の下面板１３０に取り付けられる。回転駆動モータ６は、モータ本体６１と、回転軸部材６２と、を備える。
回転駆動モータ６は、サーボモータで構成され、位置検出器７（位置検出装置）が内蔵されている。位置検出器７は、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転位置を検出する。なお、位置検出器７は、回転駆動モータ６に内蔵されていてもよいし、回転駆動モータ６に内蔵されずに、回転駆動モータ６に接続されていてもよい。

回転駆動モータ６は、位置検出器７により検出された位置情報に基づいて、後述する制御装置８により制御され、回転軸Ｊを中心に回転軸部材６２を回転させることで、傾斜反射ミラー２１を含むビーム変向ユニット２を、回転軸Ｊを中心に回転させる。

回転軸部材６２は、モータ本体６１から上方に向けて直線状に延びる。回転軸部材６２の先端部は、ケース体１０の内部における上下方向の略中央に位置する。回転軸部材６２は、回転軸Ｊを中心に回転可能である。回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転軸Ｊは、回転駆動モータ６の回転軸Ｊの回転角度に依存せずに傾斜反射ミラー２１にレーザビームが入射する角度が一定になるように、ビーム入射口３から入射されたレーザビームの光軸と平行に配置される。なお、回転軸部材６２の回転軸Ｊは、ビーム入射口３から入射されたレーザビームの光軸と平行であればよく、レーザビームの光軸と同軸であってもよいし、レーザビームの光軸と同軸でなくてもよい。

ビーム変向ユニット２は、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の先端部に固定される。ビーム変向ユニット２は、傾斜反射ミラー２１（ビーム変向部）と、ガイドレーザ光源２２（ガイドレーザ）と、温度スイッチ２３と、支持部材２４と、を有する。傾斜反射ミラー２１、ガイドレーザ光源２２及び温度スイッチ２３は、支持部材２４に支持されている。回転駆動モータ６の回転軸部材６２が回転することで、傾斜反射ミラー２１及びガイドレーザ光源２２を含むビーム変向ユニット２は、回転軸Ｊを中心に一体的に回転する。

本実施形態では、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の先端部に傾斜反射ミラー２１（後述）を含むビーム変向ユニット２が固定されているため、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転角度が、そのままレーザビームの反射方向となる。よって、選択したビーム出射口４に向けてレーザビームを反射させるためには、高精度の回転角度の制御が要求される。そのため、本実施形態においては、高精度の回転角度の制御を行うために、サーボモータからなる回転駆動モータ６と位置検出器７とを用いて、後述する制御装置８により、回転角度を目標角度に調整するように、フィードバック制御を行う。

傾斜反射ミラー２１は、ビーム入射口３からケース体１０内に入射した入射ビームを選択したビーム出射口４へ導光するように、このレーザビームを反射させてレーザビームの向きを変える。傾斜反射ミラー２１の反射面２１ａは、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転軸Ｊに沿って平行に入射された入射ビームを、対応するビーム出射口４に向けて反射させる角度に傾いて配置されている。

傾斜反射ミラー２１の反射面２１ａは、回転軸Ｊに対して傾斜しており、回転駆動モータ６の回転軸部材６２が回転軸Ｊを中心に回転することで、反射面２１ａが向く周方向の向きが変更される。本実施形態では、傾斜反射ミラー２１は、図３に示すように、回転軸Ｊに対して傾斜角度αだけ傾いて配置される。本実施形態においては、傾斜反射ミラー２１の傾斜角度αは、例えば４５度に設定される。なお、傾斜反射ミラー２１の傾斜角度αは、４５度に限定されず、ビーム出射口４１が配置される位置や向きなどにより適宜設定される。

本実施形態では、回転駆動モータ６の回転軸部材６２が回転した場合において、傾斜反射ミラー２１に入射される入射ビームの入射角度βは、回転軸部材６２の回転角度にはよらず、一定である。例えば、図３に示すように、傾斜反射ミラー２１が第１回転位置（図３における実線で示した傾斜反射ミラー２１）に位置する場合と、傾斜反射ミラー２１が第２回転位置（図３における破線で示した傾斜反射ミラー２１）に位置する場合と、を比較する。なお、第１回転位置と第２回転位置とは、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転角度において、１８０°ずれた位置に配置されている。

この場合において、図３に示すように、傾斜反射ミラー２１が第１回転位置（図３における実線で示した傾斜反射ミラー２１）に位置する場合に、傾斜反射ミラー２１の反射面２１ａに対する入射ビームの入射角度は、入射角度βである。また、傾斜反射ミラー２１が第２回転位置（図３における破線で示した傾斜反射ミラー２１）に位置する場合に、傾斜反射ミラー２１の反射面２１ａに対する入射ビームの入射角度も、第１回転位置の場合と同様に、入射角度βである。
このように、傾斜反射ミラー２１の反射面２１ａに対する入射ビームの入射角度βは、傾斜反射ミラー２１が第１回転位置及び第２回転位置のいずれでも同じであり、また、傾斜反射ミラー２１がいずれの回転位置にあっても、入射角度βは変化しない。

傾斜反射ミラー２１は、赤外線からなる入射ビームを反射するとともに、可視光線２２ａを透過する２色性を有する。本実施形態においては、傾斜反射ミラー２１の前方からは、赤外光からなるレーザビームが照射され、傾斜反射ミラー２１の後方からは、ガイドレーザ光源２２により発振された可視光線２２ａが照射される。

ガイドレーザ光源２２は、図１に示すように、傾斜反射ミラー２１における出射ビームが出射される進行方向に対して後方に配置される。ガイドレーザ光源２２は、可視光線２２ａを発振するときに、この可視光線２２ａが傾斜反射ミラー２１を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されている。ガイドレーザ光源２２は、傾斜反射ミラー２１の後部から、傾斜反射ミラー２１に可視光線２２ａを入射する。これにより、ガイドレーザ光源２２により傾斜反射ミラー２１の後方から照射された可視光線２２ａは、傾斜反射ミラー２１により向きが変更された反射ビームが進む方向と同じ方向に進むガイド光となる。

傾斜反射ミラー２１にガイド光を入射する理由は、次の通りである。レーザ加工で使用するレーザビームは、例えば出力１００Ｗ以上の光源のものを使用する。ここで、レーザ加工で使用するレーザビームの発振波長は赤外領域であるため、レーザビームを目視では確認できない。本実施形態においては、レーザビームの通過を目視できることが好ましいという安全性の観点から、赤外線の反射ビームの光軸と、可視光線２２ａのガイド光の光軸とを一致させた状態で照射することで、ガイド光により反射ビームの通過を視認できるようにした。

温度スイッチ２３は、ビーム入射口３からケース体１０に入射した入射ビームの光軸の延長線上であって傾斜反射ミラー２１の後方に設置されている。温度スイッチ２３のオン／オフにより、傾斜反射ミラー２１が焼損したか否かを判定するように構成されている。

２つのフォトダイオード５は、それぞれ、図１に示すように、２つのビーム出射口４それぞれに配置される。フォトダイオード５は、ビーム出射口４における傾斜反射ミラー２１により向きが変更された反射ビームの散乱光を検出するセンサである。

反射ビームの散乱光は、回転駆動モータ６の取り付け誤差などによる選択したビーム出射口４に対しての角度ズレによって結合効率（ビーム出射口４におけるレーザビームの出力値／ビーム入射口３におけるレーザビームの入力値）が低下した場合に、レーザビームがビーム出射口４の出射側光ファイバ１０２などに衝突することで発生する。フォトダイオード５は、この反射ビームの散乱光を検知する。

制御装置８は、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転角度を制御する。制御装置８は、記録装置９に記録された回転駆動モータ６の回転軸Ｊの角度情報に基づいて、選択したビーム出射口４に傾斜反射ミラー２１を向かせて傾斜反射ミラー２１を所定の反射位置に回転移動するように、回転駆動モータ６の回転軸部材６２を制御する。具体的には、制御装置８は、サーボモータからなる回転駆動モータ６と位置検出器７とを用いて、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転角度を目標角度に調整するように、フィードバック制御を行う。フィートバック制御における目標角度は、例えば、結合効率（ビーム出射口４におけるレーザビームの出力値／ビーム入射口３におけるレーザビームの入力値）が最大になるように製造時に決定された値を使用する。また、フィートバック制御の目標角度は、出荷後に変更可能である。

制御装置８は、角度情報変更部８１を有する。角度情報変更部８１は、反射ビームがビーム出射口４に出射した状態でフォトダイオード５の検出値が最小になる値に記録装置９の角度情報を変更する。これにより、制御装置８は、フォトダイオード５で検出した散乱光の検出値に基づいて、散乱光の検出値が最小になるようにフィードバック制御の目標値を変更することで、回転駆動モータ６の取り付け誤差などによる選択したビーム出射口４に対しての角度ズレによる結合効率（ビーム出射口４におけるレーザビームの出力値／ビーム入射口３におけるレーザビームの入力値）を最適値に保つことができる。

記録装置９は、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転位置を記録する。記録装置９には、ビーム分配器１の各動作を実行する制御プログラムや、所定のパラメータなどが記録される。記録装置９には、例えば、ビーム出射口４それぞれの位置に対応する回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転軸Ｊの角度情報が予め記録されている。記録装置９に記録された回転駆動モータ６の回転軸Ｊの角度情報は、制御装置８の角度情報変更部８１により変更される。

以上の構成を備える本実施形態のビーム分配器１によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、ビーム分配器１を、レーザビームが通過する筐体１０と、１つ以上のビーム入射口３と、２つ以上のビーム出射口４と、回転駆動モータ６と、回転駆動モータ６の回転軸部材６２に固定され、ビーム入射口３からケース体１０内に入射したレーザビームをビーム出射口４へ導光するように、このレーザビームの向きを変える傾斜反射ミラー２１と、を備えて構成し、回転駆動モータ６の回転軸Ｊを、回転駆動モータ６の回転軸Ｊの回転角度に依存せずに傾斜反射ミラー２１にレーザビームが入射する角度が一定になるように、ビーム入射口３から入射されたレーザビームの光軸と平行に配置し、ビーム出射口４を、回転駆動モータ６の回転軸部材６２が回転した際に、傾斜反射ミラー２１によりレーザビームの向きが変更された方向に配置し、記録装置９には、複数のビーム出射口４それぞれの位置に対応する回転駆動モータ６の回転軸Ｊの角度情報が予め記録されているように構成した。

そのため、回転駆動モータ６の回転軸Ｊをビーム入射口３から入射されたレーザビームの光軸と平行に配置したため、回転駆動モータ６の回転軸部材６２の回転角度によらずに、傾斜反射ミラー２１におけるレーザビームの反射率を一定にすることができる。これにより、レーザビームの反射率の低下を抑制することができ、レーザビームのエネルギー損失を抑制できる。
また、記録装置９には、ビーム出射口４それぞれの位置に対応する回転駆動モータ６の回転軸Ｊの角度情報が予め記録されているため、回転駆動モータの取り付け誤差などにより選択したビーム出射口４の角度ズレが生じていても、結合効率（ビーム出射口４におけるレーザビームの出力値／ビーム入射口３におけるレーザビームの入力値）を最適値に保つことができる。

また、本実施形態では、ビーム出射口４における傾斜反射ミラー２１により向きが変更された反射ビームの散乱光を検出するフォトダイオード５を有し、反射ビームがビーム出射口４に出射した状態でフォトダイオード５の検出値が最小になる値に記録装置９の角度情報を変更するように構成した。これにより、回転駆動モータ６の取り付け誤差などにより選択したビーム出射口４の角度ズレが生じていても、フォトダイオード５により検出された散乱光の検出値に基づいて、結合効率（ビーム出射口４におけるレーザビームの出力値／ビーム入射口３におけるレーザビームの入力値）を最適値に保つことができる。

また、本実施形態では、ビーム入射口３からケース体１０に入射した入射ビームの光軸の延長線上であって傾斜反射ミラー２１の後方に温度スイッチ２３を設置し、温度スイッチ２３のオン／オフにより、傾斜反射ミラー２１が焼損したか否かを判定するように構成した。これにより、傾斜反射ミラー２１が焼損したことを判定できる。

また、本実施形態では、傾斜反射ミラー２１を、入射ビームを反射するとともに可視光線２２ａを透過する２色性を有して構成し、ガイドレーザ光源２２を、可視光線２２ａを発振するときに、この可視光線２２ａが傾斜反射ミラー２１を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されるように構成した。これにより、入射ビームの光軸と、可視光線２２ａのガイド光の光軸とを一致させた状態で照射することで、可視光線２２ａのガイド光によりレーザビームの通過を視認できる状態で、ビーム出射口４を介して、出射ビームを出射側光ファイバ１０２に出射できる。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、ビーム出射口４を、２つとしたが、これに限定されず、ビーム出射口４を、３つ以上としてもよい。
また、前記実施形態において、ビーム入射口３と傾斜反射ミラー２１（ビーム変向部）との間に、入射ビームの向きを変える光学部品を１つ以上設けてもよい。
また、前記実施形態において、散乱光センサを、フォトダイオードで構成したが、これに限定されず、フォトダイオード以外で構成してもよい。

１ビーム分配器
３ビーム入射口
４ビーム出射口
５フォトダイオード（散乱光センサ）
６回転駆動モータ（モータ）
７位置検出器（位置検出装置）
８制御装置
９記録装置
１０ケース体（筐体）
２１傾斜反射ミラー（ビーム変向部）
２２ガイドレーザ光源（ガイドレーザ）
２２ａ可視光線
２３温度スイッチ
６２回転軸部材
Ｊ回転軸

Claims

ビームが通過する筐体と、
１つ以上のビーム入射口と、
２つ以上のビーム出射口と、
モータと、
前記モータの回転軸部材の回転位置を検出する位置検出装置と、
前記モータの前記回転軸部材の回転位置を制御する制御装置と、
前記モータの前記回転軸部材の回転位置を記録する記録装置と、
前記モータの前記回転軸部材に固定され、前記ビーム入射口から前記筐体内に入射したビームを前記ビーム出射口へ導光するように、このビームの向きを変えるビーム変向部と、を備えるビーム分配器であって、
前記モータの回転軸は、前記モータの回転軸の回転角度に依存せずに前記ビーム変向部にビームが入射する角度が一定になるように、前記ビーム入射口から入射されたビームの光軸と平行に配置され、
前記ビーム出射口は、前記モータの前記回転軸部材が回転した際に、前記ビーム変向部によりビームの向きが変更された方向に配置され、
前記記録装置には、複数の前記ビーム出射口それぞれの位置に対応する前記モータの回転軸の角度情報が予め記録されており、
前記ビーム分配器は、
前記ビーム出射口における前記ビーム変向部により向きが変更された反射ビームの散乱光を検出する散乱光センサを有し、前記反射ビームが前記ビーム出射口に出射した状態で前記散乱光センサの検出値が最小になる値に前記記録装置の角度情報を変更するビーム分配器。
ビームが通過する筐体と、
１つ以上のビーム入射口と、
２つ以上のビーム出射口と、
モータと、
前記モータの回転軸部材の回転位置を検出する位置検出装置と、
前記モータの前記回転軸部材の回転位置を制御する制御装置と、
前記モータの前記回転軸部材の回転位置を記録する記録装置と、
前記モータの前記回転軸部材に固定され、前記ビーム入射口から前記筐体内に入射したビームを前記ビーム出射口へ導光するように、このビームの向きを変えるビーム変向部と、
可視光線を発振するガイドレーザと、を備えるビーム分配器であって、
前記モータの回転軸は、前記モータの回転軸の回転角度に依存せずに前記ビーム変向部にビームが入射する角度が一定になるように、前記ビーム入射口から入射されたビームの光軸と平行に配置され、
前記ビーム出射口は、前記モータの前記回転軸部材が回転した際に、前記ビーム変向部によりビームの向きが変更された方向に配置され、
前記記録装置には、複数の前記ビーム出射口それぞれの位置に対応する前記モータの回転軸の角度情報が予め記録されており、
前記ビーム変向部は、前記ビーム入射口から前記筐体に入射した入射ビームを反射するとともに可視光線を透過する２色性を有し、
前記ガイドレーザは、可視光線を発振するときに、この可視光線が前記ビーム変向部を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されているビーム分配器。
前記ビーム入射口から前記筐体に入射した入射ビームの光軸の延長線上であって前記ビーム変向部の後方に温度スイッチを設置し、前記温度スイッチのオン／オフにより、前記ビーム変向部が焼損したか否かを判定するように構成されている請求項１又は２に記載のビーム分配器。