JP6407936B2 - ビーム分岐装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、レーザ装置から出射され、レーザ光線を供給する光ファイバ（フィードファイバ）内を伝搬してきたレーザ光線を複数の加工用光ファイバ（プロセスファイバ）に分岐して、加工ヘッドに供給するためのビーム分岐装置に関する。

従来、レーザ光線を出射する加工ヘッドを把持したロボットハンドによる溶接等のレーザ加工においては、ビーム分岐装置を用いることにより、レーザ装置からフィードファイバを伝搬してきたレーザ光線を切り換えて複数のプロセスファイバに分岐し、各プロセスファイバの他端にそれぞれ接続された複数の加工ヘッドでレーザ加工を行うことで、１台のレーザ装置を効率的に使用することが行われている。

このようなビーム分岐装置としては、その結合効率（フィードファイバからビーム分岐装置を介してプロセスファイバに伝搬する光エネルギーの比率で、具体的には、プロセスファイバの入射側端面のコア部分に入射した光エネルギーをフィードファイバの出射側端面のコア部分から出射した光エネルギーで除した値）を高めること等を狙って、回転式モータで回転する回転体に対して反射鏡（ミラー）の反射鏡面部を垂直に取り付ける技術（以下、公知技術１という。）が提案されていた（例えば、特許文献１、２、３参照）。

すなわち、この公知技術１では、図１７に示すように、反射鏡５、回転体４および回転式モータ２からなる光路切換光学系３０を複数（図１７では、２個）装備し、各光路切換光学系３０において、それぞれ、回転式モータ２の回転軸に直結された回転体４の回転により反射鏡５の位置を変えて、入射ビーム７が反射鏡５に照射されて反射するか、入射ビーム７が反射鏡５に照射されず直進するかで２方向に分岐することにより、３つ以上（図１７では、２つのプロセスファイバ１２と１つのアブソーバ１７の合計３つ）に分岐することができる。ここで、各光路切換光学系３０は、反射鏡５の反射鏡面部２０が回転体４に対して垂直なので、反射鏡５の回転角度が多少ずれても反射ビーム９の位置や方向が変わらないので、プロセスファイバ１２の端面のコア径が１００μｍ程度と非常に小さいものであっても、高い結合効率を得ることができるのである。

また、こうした公知技術１とは別に、ビーム分岐装置のコストやサイズ・重量の増大を抑制すべく、回転式モータ２の回転軸の半径方向に傾きが異なる複数の反射鏡面部２０を反射鏡５に形成することにより、入射ビーム７の分岐数が多くても回転式モータ２を１つで済まそうとする技術（以下、公知技術２という。）も提案されていた（例えば、特許文献４、５参照）。

すなわち、この公知技術２では、図１８Ｂに示すように、反射鏡５に複数（図１８では、３つ）の反射鏡面部２０が形成されており、これらの反射鏡面部２０は、互いに、回転式モータ２の回転軸の半径方向に傾きが異なっている。そして、反射ビーム９の方向に応じて、この反射鏡５を適宜回転させることにより、図１８Ａに示すように、入射ビーム７を複数に分岐することができる。

特開２００４−２８１８８８号公報 特開２０００−１８０７４１号公報 特開２０１４−６５０４７号公報 特開昭５３−１４３２４７号公報 特開昭６１−１５１６０７号公報

しかしながら、公知技術１では、回転式モータ２の回転精度をあまり高めなくてもビーム分岐装置の結合効率を高められるものの、入射ビーム７の分岐数に応じた個数の回転式モータ２が必要になるため、入射ビーム７の分岐数が多いと、必然的にビーム分岐装置のコストやサイズ・重量が増大してしまう。

また、公知技術２では、公知技術１と異なり、入射ビーム７の分岐数が多くても、回転式モータ２が１つで済むため、ビーム分岐装置のコストやサイズ等の増大を抑制できる反面、回転式モータ２の回転角度が少しでも変わると、反射ビーム９の方向が大きく変わるため、回転式モータ２の回転角度を非常に高精度に制御しない限り、ビーム分岐装置の結合効率が低下する。しかも、回転式モータ２で駆動される反射鏡５が慣性を有するため、この反射鏡５が完全に停止するまでの時間は結合効率が一層低下する。したがって、ビーム分岐装置の実用に際して一定の結合効率を確保しなければならないことを踏まえれば、光路の高速切換はほとんど不可能と言える。

以上のように、従来の技術（公知技術１、２）では、入射ビーム７の分岐数が多くてもビーム分岐装置のコストやサイズ等の増大を抑制することと、回転式モータ２の回転精度をあまり高めなくてもビーム分岐装置の結合効率を高め、かつ光路の高速切換にも対応可能とすることとが両立し得なかった。

そこで、本発明は、この両立を実現すること、すなわち、入射ビームの分岐数が多くてもコストやサイズ等の増大を抑制することができると同時に、回転式モータの回転精度をあまり高めなくても結合効率を高め、かつ光路の高速切換にも対応可能とすることができるビーム分岐装置を提供することを目的とする。

本発明に係るビーム分岐装置（例えば、後述のビーム分岐装置１、２１、３１、４１、５１）は、回転式モータ（例えば、後述の回転式モータ２）と、前記回転式モータの回転軸に連動して回転する回転体（例えば、後述の回転体４）と、前記回転体の中心軸（例えば、後述の中心軸６）に対して略垂直な反射鏡面部（例えば、後述の反射鏡面部２０）を有し、前記回転体にその軸方向に分離して取り付けられた複数の反射鏡（例えば、後述の反射鏡５）と、を備えた光路切換光学系（例えば、後述の光路切換光学系３０）を有し、前記回転式モータの前記回転軸を回転させて前記回転体を前記複数の反射鏡とともに回転させることにより、前記複数の反射鏡の内いずれか１つの反射鏡の反射鏡面部で入射ビームを反射させて、この入射ビームを複数に分岐して反射ビームの光路を切り換えるビーム分岐装置であって、前記光路切換光学系は、前記回転体の中心軸が、前記入射ビームの中心線に対して、ねじれの位置にあるとともに、前記複数の反射鏡が、前記回転体上の位置であって前記入射ビームに最も接近する位置を挟んで当該回転体の軸方向の両側に対向して配置されている。

前記光路切換光学系は、前記回転体の回転によって前記複数の反射鏡が所定の角度位置に位置決めされたときに、これらの反射鏡の内いずれか１つの反射鏡の反射鏡面部で前記入射ビームの略すべてを反射させるように構成されていてもよい。

前記回転体の中心軸と前記入射ビームの中心線とを結ぶ最短の線分に平行な方向に沿って、前記入射ビームの中心線を仮想的に移動して前記回転体の中心軸と交差させたとき、前記回転体の中心軸と前記入射ビームの中心線とのなす仮想交差角度が略４５°になるように構成されていてもよい。

前記各反射鏡の前記反射鏡面部は、それぞれ、当該反射鏡面部で前記入射ビームを反射させるとき、この入射ビームの入射面と反射面との交線に略一致する長軸を有し、かつ楕円率が略√２の楕円形、または、この楕円形を内包する多角形に形成されていてもよい。

前記光路切換光学系は、前記複数の反射鏡の内いずれの反射鏡の反射鏡面部で前記入射ビームを反射させるときにおいても、その入射ビームおよび反射ビームは、当該反射鏡以外の前記反射鏡によって光路を妨げられないように構成されていてもよい。

前記光路切換光学系は、前記回転体を適宜回転させることにより、前記入射ビームが前記複数の反射鏡のいずれの反射鏡面部でも反射せずに直進するように構成されていてもよい。

前記光路切換光学系は、前記複数の反射鏡の内、任意の反射鏡から別の任意の前記反射鏡に切り換える途中で、その他の反射鏡が前記入射ビームを反射しないように構成されていてもよい。

前記複数の反射鏡は、いずれも、前記回転体の回転角度にかかわらず、前記反射鏡面部以外に前記入射ビームが照射されないように構成されていてもよい。

前記光路切換光学系は、前記回転式モータによって回転する構成部材すべての重心が、ほぼ前記回転体の中心軸上にあってもよい。

前記光路切換光学系は、前記入射ビームの光路に沿って複数装備されていてもよい。

前記光路切換光学系は、前記入射ビームを出射するレーザ装置を制御する数値制御装置または前記反射ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドを制御する数値制御装置からの指令に基づき、前記回転体の回転角度が制御されるように構成されていてもよい。

本発明によれば、回転式モータの１個当たり複数の反射鏡を備えているため、入射ビームの分岐数が多くてもコストやサイズ等の増大を抑制することができると同時に、反射鏡の反射鏡面部が回転体の中心軸に対して略垂直であるため、回転式モータの回転精度をあまり高めなくても結合効率を高め、かつ光路の高速切換にも対応可能とすることができる。

しかも、複数の反射鏡を支持する回転体の中心軸と入射ビームの中心線とが、ねじれの位置にあるとともに、これらの反射鏡の配置に工夫を凝らしたので、光路切換光学系、ひいてはビーム分岐装置を小型軽量化することが可能となる。

第１実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置の光路切換光学系を示す斜視図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームがいずれの反射鏡でも反射されないで直進する場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図３ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図３ＡをＹ方向から見た図である。 図３ＡをＸ方向から見た図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第１反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図４ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図４ＡをＹ方向から見た図である。 図４ＡをＸ方向から見た図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第２反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図５ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図５ＡをＹ方向から見た図である。 図５ＡをＸ方向から見た図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第３反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図６ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図６ＡをＹ方向から見た図である。 図６ＡをＸ方向から見た図である。 第１実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第４反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図７ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図７ＡをＹ方向から見た図である。 図７ＡをＸ方向から見た図である。 反射鏡の反射鏡面部の形状を示す図である。 第２実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。 第３実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。 第３実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームがいずれの反射鏡でも反射されないで直進する第１の場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図１１ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図１１ＡをＹ方向から見た図である。 図１１ＡをＸ方向から見た図である。 第３実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第１反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図１２ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図１２ＡをＹ方向から見た図である。 図１２ＡをＸ方向から見た図である。 第３実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームがいずれの反射鏡でも反射されないで直進する第２の場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図１３ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図１３ＡをＹ方向から見た図である。 図１３ＡをＸ方向から見た図である。 第３実施形態に係るビーム分岐装置において、入射ビームが第２反射鏡で反射される場合に、光路切換光学系を入射ビームの入射方向から見た図である。 図１４ＡをＺ方向（回転軸方向）から見た図である。 図１４ＡをＹ方向から見た図である。 図１４ＡをＸ方向から見た図である。 第４実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。 第５実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。 公知技術１を示す構成図である。 公知技術２を示す構成図である。 公知技術２に用いられる反射鏡の斜視図である。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第２実施形態以後の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るビーム分岐装置の光路切換光学系を示す斜視図である。

ビーム分岐装置１は、図１および図２に示すように、レーザ装置２４から出射されたレーザ光線を複数（本実施形態では、５つ）に分岐して複数（本実施形態では、４つ）の加工ヘッド２５（第１加工ヘッド２５−１、第２加工ヘッド２５−２、第３加工ヘッド２５−３、第４加工ヘッド２５−４）に供給するものである。このビーム分岐装置１は、１つの光路切換光学系３０を有しており、この光路切換光学系３０は、回転式モータ２と、円筒状の回転体４と、複数（本実施形態では、４つ）の反射鏡５（第１反射鏡５−１、第２反射鏡５−２、第３反射鏡５−３、第４反射鏡５−４）と、角度センサ３と、を備えている。

ここで、回転体４は、回転式モータ２の回転軸に直結されて、この回転軸に連動して回転する。各反射鏡５は、回転体４にその軸方向に分離して取り付けられており、回転体４の中心軸６に対して略垂直な反射鏡面部２０（２０−１、２０−２、２０−３、２０−４）を有している。これらの反射鏡５は、反射鏡面部２０が回転体４の中心軸６を中心として異なる角度で配置され、かつ反射鏡面部２０が回転体４の中心軸６の軸心方向に同じ間隔を置いて互いに平行になっている。角度センサ３は、回転式モータ２の回転軸の回転角度を検出する。

さらに詳しく説明すると、ビーム分岐装置１は、六面体の筐体１９を有している。筐体１９の前面（図１下面）には、１つの入力ファイバ用のコネクタ１５および４つの出力ファイバ用のコネクタ１６が取り付けられている。コネクタ１５には、レーザ装置２４からビーム分岐装置１へレーザ光線を伝搬させるためのフィードファイバ１１が接続されている。各コネクタ１６には、それぞれ、ビーム分岐装置１から各加工ヘッド２５（第１加工ヘッド２５−１、第２加工ヘッド２５−２、第３加工ヘッド２５−３、第４加工ヘッド２５−４）へレーザ光線を伝搬させるためのプロセスファイバ１２が接続されている。さらに、筐体１９の右側面（図１右側面）には、レーザ光線を吸収するアブソーバ１７が取り付けられている。

また、筐体１９内には、フィードファイバ１１から筐体１９内に供給されたレーザ光線を平行光線にするためのコリメートレンズ系１３が、コネクタ１５の近傍に配置されている。また、筐体１９内には、筐体１９内からプロセスファイバ１２に供給されるレーザ光線を集光するための４つの焦点レンズ系１４が、４つのコネクタ１６の近傍に配置されている。さらに、筐体１９内には、コリメートレンズ系１３で平行光線にされたレーザ光線を反射させてアブソーバ１７側に導く固定反射鏡１８が配置されている。

また、筐体１９には、光路切換光学系３０が装備されている。そして、ビーム分岐装置１は、この光路切換光学系３０を用いて、回転式モータ２の回転軸を回転させて回転体４を複数の反射鏡５とともに回転させることにより、複数の反射鏡５の内いずれか１つの反射鏡５の反射鏡面部２０で入射ビーム７を反射させて、この入射ビーム７を複数に分岐して反射ビーム９の光路を切り換える。

また、光路切換光学系３０は、回転体４の中心軸６が、入射ビーム７の中心線８に対して、ねじれの位置にあるとともに、複数の反射鏡５が、回転体上の位置であって入射ビーム７に最も接近する位置Ｐ１を挟んで回転体の軸方向の両側に対向して配置されている。ここで、「ねじれの位置にある」とは、数学（立体幾何学）で定義されているとおり、２直線（ここでは、回転体の中心軸と入射ビーム７の中心線８）が同一平面上に存在しない（換言すれば、２直線が交差せず、かつ平行でもない）位置関係を意味する。

ビーム分岐装置１は以上のような構成を有するので、このビーム分岐装置１を用いて、レーザ装置２４から任意の加工ヘッド２５にレーザ光線を供給してレーザ加工を行う際には、次の手順により、反射ビーム９の光路を切り換える。

まず、このレーザ加工を行う前は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、入射ビーム７が、反射鏡５の間を斜めに素通りして、いずれの反射鏡５の反射鏡面部２０でも反射されない状態になっている。この状態では、入射ビーム７は、光路切換光学系３０のどの部位とも干渉せず、アブソーバ１７で吸収されている。

そして、第１加工ヘッド２５−１でレーザ加工を行う場合は、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向（この回転軸の先端側から見て反時計方向）に７２°回転させる。すると、回転体４が同方向に同じ角度（７２°）だけ回転し、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、入射ビーム７が第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１に入射した状態になる。その結果、それまでアブソーバ１７で吸収されていた入射ビーム７は、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１で反射して、反射ビーム９として第１加工ヘッド２５−１に供給される。したがって、第１加工ヘッド２５−１でレーザ加工を行うことができる。このとき、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１に入射する入射ビーム７も、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第２反射鏡５−２、第３反射鏡５−３、第４反射鏡５−４）に妨げられないので、第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

また、第２加工ヘッド２５−２でレーザ加工を行う場合は、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに７２°回転させる。すると、回転体４が同方向にさらに同じ角度（７２°）だけ回転し、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、入射ビーム７が第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２に入射した状態になる。その結果、それまで第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１で反射していた入射ビーム７は、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２で反射して、反射ビーム９として第２加工ヘッド２５−２に供給される。したがって、第２加工ヘッド２５−２でレーザ加工を行うことができる。このとき、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２に入射する入射ビーム７も、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第１反射鏡５−１、第３反射鏡５−３、第４反射鏡５−４）に妨げられないので、第２加工ヘッド２５−２でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

また、第３加工ヘッド２５−３でレーザ加工を行う場合は、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに７２°回転させる。すると、回転体４が同方向にさらに同じ角度（７２°）だけ回転し、図６Ａ〜図６Ｄに示すように、入射ビーム７が第３反射鏡５−３の反射鏡面部２０−３に入射した状態になる。その結果、それまで第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２で反射していた入射ビーム７は、第３反射鏡５−３の反射鏡面部２０−３で反射して、反射ビーム９として第３加工ヘッド２５−３に供給される。したがって、第３加工ヘッド２５−３でレーザ加工を行うことができる。このとき、第３反射鏡５−３の反射鏡面部２０−３に入射する入射ビーム７も、第３反射鏡５−３の反射鏡面部２０−３で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第１反射鏡５−１、第２反射鏡５−２、第４反射鏡５−４）に妨げられないので、第３加工ヘッド２５−３でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

さらに、第４加工ヘッド２５−４でレーザ加工を行う場合は、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに７２°回転させる。すると、回転体４が同方向にさらに同じ角度（７２°）だけ回転し、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、入射ビーム７が第４反射鏡５−４の反射鏡面部２０−４に入射した状態になる。その結果、それまで第３反射鏡５−３の反射鏡面部２０−３で反射していた入射ビーム７は、第４反射鏡５−４の反射鏡面部２０−４で反射して、反射ビーム９として第４加工ヘッド２５−４に供給される。したがって、第４加工ヘッド２５−４でレーザ加工を行うことができる。このとき、第４反射鏡５−４の反射鏡面部２０−４に入射する入射ビーム７も、第４反射鏡５−４の反射鏡面部２０−４で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第１反射鏡５−１、第２反射鏡５−２、第３反射鏡５−３）に妨げられないので、第４加工ヘッド２５−４でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

なお、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに７２°回転させると、回転式モータ２の回転軸が一周（３６０°回転）するので、レーザ加工を行う前の状態（図３Ａ〜図３Ｄの状態）に戻る。

このように、ビーム分岐装置１は、回転式モータ２の１個当たり複数の反射鏡５を備えているため、入射ビーム７の分岐数が多くても、ビーム分岐装置１のコストやサイズ等の増大を抑制することができると同時に、反射鏡５の反射鏡面部２０が回転体の中心軸に対して略垂直であるため、回転式モータ２の回転精度をあまり高めなくても結合効率を高め、かつ光路の高速切換にも対応可能とすることができる。

しかも、複数の反射鏡５を支持する回転体の中心軸と入射ビーム７の中心線８とが、ねじれの位置にあるとともに、これらの反射鏡５の配置に工夫を凝らしたので、焦点レンズ系を配置するために必要な切り換えたレーザ光線間の距離を確保するために複数の反射鏡５の反射鏡面部２０間の距離を離しつつも、光路切換光学系３０を小型軽量化することができ、ひいてはビーム分岐装置１全体を小型軽量化することが可能となる。

また、光路切換光学系３０は、回転体の回転によって複数の反射鏡５が所定の角度位置に位置決めされたときに、これらの反射鏡５の内いずれか１つの反射鏡５の反射鏡面部２０で入射ビーム７の略すべてを反射させるように構成されている。したがって、入射ビーム７を有効活用することができ、光路切換光学系３０を小型軽量化することが可能となる。

ビーム分岐装置１は、回転体の中心軸と入射ビーム７の中心線８とを結ぶ最短の線分に平行な方向に沿って、入射ビーム７の中心線８を仮想的に移動して回転体の中心軸と交差させたとき、回転体の中心軸と入射ビーム７の中心線８とのなす仮想交差角度が略４５°になるように構成されている。

そのため、光路切換光学系３０を小型軽量化することができる。これは、焦点レンズ系を配置するのに必要な反射ビーム９間の距離を確保するためには、この仮想交差角度が小さいほど反射鏡５の反射鏡面部２０の距離を大きく離す必要があり、逆に、この仮想交差角度が大きいほど反射鏡５の反射鏡面部２０を回転体の中心軸から離れた位置に設置する必要があり、いずれの場合も、光路切換光学系３０の大型化を招くことから、この仮想交差角度を略４５°にすれば、光路切換光学系３０のサイズを最小化できるとの考えに基づく。

さらに、光路切換光学系３０では、複数の反射鏡５の内、最も外側の２枚の反射鏡５（第１反射鏡５−１と第４反射鏡５−４）の反射鏡面部２０を延長した平面と入射ビーム７の中心線８との２つ交点の距離ができるだけ小さくなるように、入射ビーム７を入射させることが望ましい。最も外側の２枚の反射鏡５の反射鏡面部２０を延長した平面と入射ビーム７の中心線８との２つ交点の距離（ｄ）は、複数の反射鏡５の反射鏡面部２０を延長した各平面の間隔が等間隔の場合、上述した仮想交差角度をθとすると、ｄ＝分岐した反射ビーム９の中心線１０間の間隔×（反射鏡５の数−１）／sin（２θ）で表されるので、分岐した反射ビーム９の中心線１０間の間隔と反射鏡５の数が決まっている場合、θ＝４５°のときに距離（ｄ）が最小になる。したがって、この観点からも、仮想交差角度は略４５°とすることが望ましい。

しかも、各反射鏡５の反射鏡面部２０は、それぞれ、図８に示すように、この反射鏡面部２０で入射ビーム７を反射させるとき、この入射ビーム７の入射面（入射ビームの中心線８と反射ビームの中心線１０とを含む平面）と反射面（反射鏡面部２０の表面）との交線に略一致する長軸を有し、かつ楕円率（短径に対する長径の比率、長径を短径で除した値）が略√２の楕円形、または、この楕円形を内包する多角形（本実施形態では、八角形）に形成されている。

したがって、上記仮想交差角度を略４５°にしたときに、反射鏡面部２０のサイズを必要以上に大きくしないことで、光路切換光学系３０を小型軽量化することができる。これは、上記仮想交差角度を略４５°にすると、反射鏡面部２０にも約４５°の角度で入射するので、入射ビーム７をすべて反射するのに必要な形状は、円柱を円柱の軸に対して略４５°の角度で切り取った断面、すなわち、楕円率が略√２の楕円形になるからである。ただし、通常、楕円状に加工するのは加工コストが高くなるので、楕円形に略相似形であって楕円状を内包する形状、例えば八角形等の多角形にすることで加工コストを下げることができる。

光路切換光学系３０は、反射鏡５の形状と配置を適正に設計することにより、複数の反射鏡５の内いずれの反射鏡５の反射鏡面部２０で入射ビーム７を反射させるときにおいても、その入射ビーム７および反射ビーム９は、この反射鏡５以外の反射鏡５によって光路を妨げられないように構成されている。そのため、レーザ光線の減衰や分岐先以外の光路にレーザ光線が漏れ出すというリスクを回避することができる。

光路切換光学系３０は、回転体を適宜回転させることにより、入射ビーム７が複数の反射鏡５のいずれの反射鏡面部２０でも反射せずに直進するように構成されている。

こうすることで、レーザ装置２４からレーザ光線が出射されている状態でも、入射ビーム７をアブソーバ１７に入射させてレーザ光線を外部に出さないようにして、安全性を確保することができる。また、直進してきた入射ビーム７を次の光路切換光学系３０で分岐する構造が可能になり、これによって分岐数を増やすことができる。

複数の反射鏡５は、いずれも、回転体の回転角度にかかわらず、反射鏡面部２０以外に入射ビーム７が照射されないように構成されている。したがって、照射された部材が損傷したり、予測していない方向に反射した迷光がビーム分岐装置１外に漏れ出したりするリスクを回避することが可能となる。

光路切換光学系３０は、回転式モータ２によって回転する構成部材すべて（具体的には、反射鏡面部２０と、この反射鏡面部２０を支持して回転体に取り付けるためのサポート部材の全体）の重心が、ほぼ回転体の中心軸上にある。その結果、回転体を高速で回転しても、この回転体に振動が発生する事態を防ぎ、結合効率の低下を招くことなく高速切換を行うことができる。また、回転体の振動を防ぐことにより、光路切換光学系３０の信頼性や耐久性を向上させることが可能となる。

光路切換光学系３０は、入射ビーム７を出射するレーザ装置２４を制御する数値制御装置または反射ビーム９を加工対象物に照射する加工ヘッド２５を制御する数値制御装置からの指令に基づき、回転体４の回転角度が制御されるように構成されている。したがって、ビーム分岐装置１によるレーザ光線の切換と、レーザ装置２４からのレーザ光線の出射状態、あるいは、加工ヘッド２５の位置や姿勢との同期性を高め、レーザ加工の加工速度や加工精度を向上させることができる。

さらに、このビーム分岐装置１では、すべてのコネクタ１５、１６が筐体１９の同じ面（図１下面）に取り付けられているので、ビーム分岐装置１の使い勝手が良好である。

［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。

ビーム分岐装置２１は、第１実施形態（図１）と異なっているのは、図９に示すように、入射ビーム７を反射する固定反射鏡１８を省き、その代わりに、分岐された各反射ビーム９を反射する固定反射鏡２８を４つ設置することにより、すべてのコネクタ１５、１６を筐体１９の同じ面（図９左側面）に取り付けた点である。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様である。

したがって、この第２実施形態では、上述した第１実施形態と同じ作用効果を奏する。これに加えて、第２実施形態では、４つの固定反射鏡２８の位置（図９上下方向における光路切換光学系３０との距離）を適宜設定することにより、光路切換光学系３０のサイズを増大させることなく、分岐された反射ビーム９同士の間隔を拡げられるという利点がある。

さらに、このビーム分岐装置２１では、すべてのコネクタ１５、１６が筐体１９の同じ面（図９左側面）に取り付けられているので、ビーム分岐装置２１の使い勝手が良好である。

［第３実施形態］
図１０は、本発明の第３実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。

ビーム分岐装置３１では、第１実施形態（図１）と比べて、図１０に示すように、回転体４に取り付ける反射鏡５の数を４個から２個に減らすことにより、分岐数が５から３に変更されている。これに伴って、２つの反射鏡５は、反射鏡面部２０が回転体４の中心軸６を中心として異なる角度で配置されている。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様である。

ビーム分岐装置３１は以上のような構成を有するので、このビーム分岐装置３１を用いて、レーザ装置２４から任意の加工ヘッド２５にレーザ光線を供給してレーザ加工を行う際には、次の手順により、反射ビーム９の光路を切り換える。

まず、このレーザ加工を行う前は、図１１Ａ〜図１１Ｄに示すように、入射ビーム７が、反射鏡５の間を斜めに素通りして、いずれの反射鏡５の反射鏡面部２０でも反射されない状態になっている。この状態では、入射ビーム７は、光路切換光学系３０のどの部位とも干渉せず、アブソーバ１７で吸収されている。

そして、第１加工ヘッド２５−１でレーザ加工を行う場合は、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向に９０°回転させる。すると、回転体４が同方向に同じ角度（９０°）だけ回転し、図１２Ａ〜図１２Ｄに示すように、入射ビーム７が第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１に入射した状態になる。その結果、それまでアブソーバ１７で吸収されていた入射ビーム７は、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１で反射して、反射ビーム９として第１加工ヘッド２５−１に供給される。したがって、第１加工ヘッド２５−１でレーザ加工を行うことができる。このとき、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１に入射する入射ビーム７も、第１反射鏡５−１の反射鏡面部２０−１で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第２反射鏡５−２）に妨げられないので、第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

また、第２加工ヘッド２５−２でレーザ加工を行う場合は、まず、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに９０°回転させる。すると、回転体４が同方向にさらに同じ角度（９０°）だけ回転し、図１３Ａ〜図１３Ｄに示すように、入射ビーム７が、反射鏡５の間を斜めに素通りして、いずれの反射鏡５の反射鏡面部２０でも反射されない状態になる。

次いで、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに９０°回転させる。すると、回転体４が同方向にさらに同じ角度（９０°）だけ回転し、図１４Ａ〜図１４Ｄに示すように、入射ビーム７が第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２に入射した状態になる。その結果、それまでアブソーバ１７で吸収されていた入射ビーム７は、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２で反射して、反射ビーム９として第２加工ヘッド２５−２に供給される。したがって、第２加工ヘッド２５−２でレーザ加工を行うことができる。このとき、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２に入射する入射ビーム７も、第２反射鏡５−２の反射鏡面部２０−２で反射した反射ビーム９も、その他の反射鏡５（第１反射鏡５−１）に妨げられないので、第２加工ヘッド２５−２でのレーザ加工を支障なく行うことが可能となる。

なお、この状態から、回転式モータ２の回転軸を正方向にさらに９０°回転させると、回転式モータ２の回転軸が一周（３６０°回転）するので、レーザ加工を行う前の状態（図１１Ａ〜図１１Ｄの状態）に戻る。

したがって、この第３実施形態では、上述した第１実施形態と同じ作用効果を奏する。これに加えて、第３実施形態では、光路切換光学系３０は、２つの反射鏡５（第１反射鏡５−１、第２反射鏡５−２）の内、任意の反射鏡５から別の任意の反射鏡５に切り換える途中で、その他の反射鏡５が入射ビーム７を反射しないように構成されている。そのため、光路切換時に切換元と切換先以外の光路に入射ビーム７が分岐されないので、ビーム分岐装置３１の安全性が向上する。その上、入射ビーム７の切換に要する時間も短縮でき、高速切換が可能になる。

すなわち、第１実施形態（図１）や第２実施形態（図９）では、回転体４に４個の反射鏡５が取り付けられているため、例えば、第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工から第２加工ヘッド２５−２でのレーザ加工に移行するときには、入射ビーム７を反射させる反射鏡５を第１反射鏡５−１から第２反射鏡５−２に直接（つまり、第３反射鏡５−３や第４反射鏡５−４を経由せずに）切り換えられるが、第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工から第３加工ヘッド２５−３でのレーザ加工に移行するときには、入射ビーム７を反射させる反射鏡５を第１反射鏡５−１から第３反射鏡５−３に直接切り換えることはできず、必ず第２反射鏡５−２（回転式モータ２の正転時）または第４反射鏡５−４（回転式モータ２の逆転時）を経由しなければならない。

これに対して、第３実施形態では、回転体４に２個の反射鏡５しか取り付けられていないため、第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工から第２加工ヘッド２５−２でのレーザ加工に移行するときには、入射ビーム７を反射させる反射鏡５を第１反射鏡５−１から第２反射鏡５−２に直接切り換えられるとともに、逆に、第２加工ヘッド２５−２でのレーザ加工から第１加工ヘッド２５−１でのレーザ加工に移行するときには、入射ビーム７を反射させる反射鏡５を第２反射鏡５−２から第１反射鏡５−１に直接切り換えられる。したがって、入射ビーム７の供給を一旦停止しなくても、ビーム分岐装置３１の安全性を確保しつつ入射ビーム７の切換作業を高速に実行することができる。

［第４実施形態］
図１５は、本発明の第４実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。

ビーム分岐装置４１は、第１実施形態（図１）と異なっているのは、図１５に示すように、回転体４に取り付ける反射鏡５の数を４個から２個に減らして光路切換光学系３０を構成するとともに、この光路切換光学系３０を入射ビーム７の光路に沿って２つ並べて装備した点である。なお、いずれの光路切換光学系３０においても、２つの反射鏡５は、上述した第３実施形態（図１０）と同様、反射鏡面部２０が回転体４の中心軸６を中心として異なる角度で配置されている。また、２個の回転式モータ２は、それぞれ独立して回転軸を回転させることができる。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様である。

したがって、この第４実施形態では、上述した第１実施形態と同じ作用効果を奏する。また、２個の回転式モータ２の回転軸は、上述したとおり、それぞれ独立して回転可能となっているので、入射ビーム７の切換作業を円滑に実行することができる。

しかも、分岐数が同じ５であっても、第１実施形態のように、１本の回転体４に取り付ける反射鏡５の枚数を増やして分岐数を増やすと、光路切換光学系３０の大型化を招くのに対して、第４実施形態のように、回転体４の本数を増やして、１本の回転体４に取り付ける反射鏡５の枚数を減らせば、分岐数を増やしても、光路切換光学系３０の大型化を抑制することができる。

なお、第４実施形態では、第１実施形態と比べて、回転式モータ２の所要個数は２倍になるが、従来の構造（図１７）に比べれば、同じ分岐数（５）であるにもかかわらず、回転式モータ２の所要個数が半分で済む。

［第５実施形態］
図１６は、本発明の第５実施形態に係るビーム分岐装置の構成を示す図である。

ビーム分岐装置５１は、第４実施形態（図１５）と異なっているのは、図１６に示すように、ギヤ等の伝動装置を使用して、１つの回転式モータ２で複数の回転体４を回転させている点である。その他の構成については、上述した第４実施形態と基本的に同様である。

したがって、この第５実施形態では、上述した第４実施形態と同じ作用効果を奏する。さらに、第４実施形態と比べて、同じ分岐数（５）であるにもかかわらず、回転式モータ２の所要個数が半分で済む。

なお、本発明は上記第１実施形態〜第５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。

第１実施形態〜第５実施形態では、反射ビーム９の光路を切り換える際に、回転式モータ２の回転軸を正方向に回転させる場合について説明したが、必要に応じて回転式モータ２の回転軸を逆方向に反転させてもよいことは言うまでもない。

第１実施形態〜第５実施形態では、回転式モータ２の回転軸に複数の反射鏡５がその取付角度を円周方向にずらして取り付けられている場合について説明したが、複数の反射鏡５の取付角度は必ずしもずらす必要はない。すなわち、回転体４の中心軸６と入射ビーム７の中心線８とが、ねじれの位置にあれば、複数の反射鏡５が円周方向の同じ位置に配置されていても、回転体４を適宜回転させることにより、複数の反射鏡５の内いずれか１つの反射鏡５の反射鏡面部２０で入射ビーム７を反射させるように設計することは可能である。

第１実施形態〜第５実施形態では、回転体４の中心軸６が回転式モータ２の回転軸の中心軸に一致または平行している場合について説明した。しかし、回転体４の中心軸６と回転式モータ２の回転軸の中心軸とは必ずしも一致または平行させる必要はなく、例えば、かさ歯車や自在軸継手（ユニバーサルジョイント）等の結合部材を用いて回転体４に回転式モータ２の回転軸を連結することにより、これら２本の中心軸を交差させるようにしても構わない。

第１実施形態〜第５実施形態では、筐体１９内に固定反射鏡１８、２８を適宜配置することで、ビーム分岐装置１、２１、３１、４１、５１に入射したビームがＵターンしてビーム分岐装置１、２１、３１、４１、５１から出射される構造になっている。しかし、固定反射鏡１８、２８を省いたり、その配置の方向を変更したりすることにより、これ以外の構造を付与したビーム分岐装置にも、本発明を同様に適用することができる。

第１実施形態、第３実施形態〜第５実施形態では、筐体１９内で入射ビーム７の光路を変更すべく、筐体１９内に固定反射鏡１８を配置し、第２実施形態では、筐体１９内で反射ビーム９の光路を変更すべく、筐体１９内に固定反射鏡２８を配置したが、これらの固定反射鏡１８、２８に代えてプリズムなどの光路変換デバイスを用いてもよい。

第４実施形態では、光路切換光学系３０を２つにしたが、無論、光路切換光学系３０を３つ以上にしても構わない。

第１実施形態〜第５実施形態では、レーザ光線を複数に切り換える場合について説明したが、レーザ光線以外のビームを複数に切り換える場合に本発明を同様に適用することも勿論できる。

１、２１、３１、４１、５１……ビーム分岐装置
２……回転式モータ
４……回転体
５、５−１、５−２、５−３、５−４……反射鏡
６……回転体の中心軸
７……入射ビーム
８……入射ビームの中心線
９……反射ビーム
１０……反射ビームの中心線
２０、２０−１、２０−２、２０−３、２０−４……反射鏡面部
２４……レーザ装置
２５、２５−１、２５−２、２５−３、２５−４……加工ヘッド
３０……光路切換光学系

Claims (11)

1. 回転式モータと、
   前記回転式モータの回転軸に連動して回転する回転体と、
   前記回転体の中心軸に対して略垂直な反射鏡面部を有し、前記回転体にその軸方向に分離して取り付けられた複数の反射鏡と、を備えた光路切換光学系を有し、
   前記回転式モータの前記回転軸を回転させて前記回転体を前記複数の反射鏡とともに回転させることにより、前記複数の反射鏡の内いずれか１つの反射鏡の反射鏡面部で入射ビームを反射させて、この入射ビームを複数に分岐して反射ビームの光路を切り換えるビーム分岐装置であって、
   前記光路切換光学系は、前記回転体の中心軸が、前記入射ビームの中心線に対して、ねじれの位置にあるとともに、前記複数の反射鏡が、前記回転体上の位置であって前記入射ビームに最も接近する位置を挟んで当該回転体の軸方向の両側に対向して配置されているビーム分岐装置。
2. 前記光路切換光学系は、前記回転体の回転によって前記複数の反射鏡が所定の角度位置に位置決めされたときに、これらの反射鏡の内いずれか１つの反射鏡の反射鏡面部で前記入射ビームの略すべてを反射させるように構成されている請求項１に記載のビーム分岐装置。
3. 前記回転体の中心軸と前記入射ビームの中心線とを結ぶ最短の線分に平行な方向に沿って、前記入射ビームの中心線を仮想的に移動して前記回転体の中心軸と交差させたとき、前記回転体の中心軸と前記入射ビームの中心線とのなす仮想交差角度が略４５°になるように構成されている請求項１または２に記載のビーム分岐装置。
4. 前記各反射鏡の前記反射鏡面部は、それぞれ、当該反射鏡面部で前記入射ビームを反射させるとき、この入射ビームの入射面と反射面との交線に略一致する長軸を有し、かつ楕円率が略√２の楕円形、または、この楕円形を内包する多角形に形成されている請求項３に記載のビーム分岐装置。
5. 前記光路切換光学系は、前記複数の反射鏡の内いずれの反射鏡の反射鏡面部で前記入射ビームを反射させるときにおいても、その入射ビームおよび反射ビームは、当該反射鏡以外の前記反射鏡によって光路を妨げられないように構成されている請求項１から４までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
6. 前記光路切換光学系は、前記回転体を適宜回転させることにより、前記入射ビームが前記複数の反射鏡のいずれの反射鏡面部でも反射せずに直進するように構成されている請求項１から５までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
7. 前記光路切換光学系は、前記複数の反射鏡の内、任意の反射鏡から別の任意の前記反射鏡に切り換える途中で、その他の反射鏡が前記入射ビームを反射しないように構成されている請求項１から６までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
8. 前記複数の反射鏡は、いずれも、前記回転体の回転角度にかかわらず、前記反射鏡面部以外に前記入射ビームが照射されないように構成されている請求項１から７までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
9. 前記光路切換光学系は、前記回転式モータによって回転する構成部材すべての重心が、ほぼ前記回転体の中心軸上にある請求項１から８までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
10. 前記光路切換光学系は、前記入射ビームの光路に沿って複数装備されている請求項１から９までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
11. 前記光路切換光学系は、前記入射ビームを出射するレーザ装置を制御する数値制御装置または前記反射ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドを制御する数値制御装置からの指令に基づき、前記回転体の回転角度が制御されるように構成されている請求項１から１０までのいずれかに記載のビーム分岐装置。
    

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