JP7377933B1 - ビーム結合装置及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない光学部品で、２つの波長のレーザビームを結合し、ガイド光を結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上に射出することができるビーム結合装置を提供する。【解決手段】ウェッジプリズム２３の第１の面２３ａには第１のコーティングが施され、第２の面２３ｂには第２のコーティングが施されている。ウェッジプリズム２３は、第１の面２３ａで反射した第１のレーザビームと、第２の面２３ｂ及び第１の面２３ａをこの順で透過した第２のレーザビームとを互いに重畳させた結合レーザビームを射出する。第２のコーティングは、ガイド光を反射する特性を有する。ウェッジプリズム２３は、第２の面２３ｂで反射して第１の面２３ａを透過したガイド光を結合レーザビームの光軸と同じ光軸上に射出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ビーム結合装置及びレーザ加工機に関する。

近年、レーザ加工機が被加工材である板金を加工する際に使用するレーザビームの高出力化（高輝度化）が進んでいる。レーザ加工機は、２つのレーザ発振器より射出された波長が異なる２つのレーザビームを、波長選択性コーティングを施したダイクロイックミラー等の光学部品で互いに重畳してレーザビームの高出力化することがある。また、レーザ加工機は、加工開始位置を決めたり、加工の軌跡を確認したりするために、可視光よりなるガイド光を板金に照射する機能を備えている（特許文献１参照）。

特開２０２１－１５４３３６号公報

ビーム結合装置であるビームカプラ内に設けたダイクロイックミラーを用いて、２つの波長のレーザビームを結合し、ガイド光を結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上に射出させようとすると、少なくとも２枚のミラーが必要となる。光学部品が増えると各光学部品の位置調整機構が必要となり、調整作業の煩雑さを招き、ビームカプラが大型化してしまう。レーザビームが高出力になればなるほど熱レンズの影響を受けやすくなるため、レンズまたはミラー等の光学部品をできるだけ少なくすることが望まれる。

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様は、第１のレーザ発振器より射出される第１の波長を有する発散光の第１のレーザビームをコリメート光に変換する第１のコリメートレンズと、第２のレーザ発振器より射出される第２の波長を有する発散光の第２のレーザビームをコリメート光に変換する第２のコリメートレンズと、前記第１のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第１のレーザビームを反射し、かつ可視光よりなるガイド光を透過させる特性を有する第１のコーティングが施された第１の面と、前記第２のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第２のレーザビームを透過させ、かつ前記ガイド光を反射する特性を有する第２のコーティングが施された第２の面とを含み、前記第１のコーティングは、前記第２の面を透過した前記第２のレーザビームを透過させる特性を有し、前記第１の面で反射した前記第１のレーザビームと、前記第２の面及び前記第１の面をこの順で透過した前記第２のレーザビームとを結合させた結合レーザビームを射出し、前記第２の面で反射して前記第１の面を透過した前記ガイド光を前記結合レーザビームの光軸と同じ光軸上に射出するウェッジプリズムと、前記ウェッジプリズムより射出された前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を集束させて、前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を伝送する光ファイバに入射させる集束レンズとを備えるビーム結合装置を提供する。

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、ウェッジプリズムによって２つの波長のレーザビームを結合し、ガイド光を結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上に射出するので、少ない光学部品で結合レーザビームとガイド光とを同じ光軸上に射出する構成が実現される。

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様は、前記第１のレーザ発振器と、前記第２のレーザ発振器と、第１の態様のビーム結合装置と、前記ガイド光を前記ウェッジプリズムに向けて射出するガイド光射出部と、前記光ファイバによって伝送される前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を加工対象の被加工材に照射する加工ヘッドとを備えるレーザ加工機を提供する。

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、ウェッジプリズムによって２つの波長のレーザビームを結合し、ガイド光を結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上に射出するので、少ない光学部品で結合レーザビームとガイド光とを同じ光軸上に射出する構成が実現される。１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、ガイド光によって加工開始位置を決めたり、加工の軌跡を確認したりした上で、被加工材を加工することができる。

１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置及びレーザ加工機によれば、少ない光学部品で、２つの波長のレーザビームを結合し、ガイド光を結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上に射出することができる。

図１は、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置及びレーザ加工機を示す図である。 図２Ａは、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置が備える第１のコリメートレンズの位置調整機構をＺ軸と直交する面で切断した断面図である。 図２Ｂは、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置が備える第１のコリメートレンズの位置調整機構をＸ軸と直交する面で切断した断面図である。 図３は、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置が備えるウェッジプリズムの第１の面及び第２の面に施されている第１及び第２のコーティングに施されている反射・透過特性を示す特性図である。

１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置は、第１のコリメートレンズ、第２のコリメートレンズ、ウェッジプリズム、集束レンズを備える。前記第１のコリメートレンズは、第１のレーザ発振器より射出される第１の波長を有する発散光の第１のレーザビームをコリメート光に変換する。前記第２のコリメートレンズは、第２のレーザ発振器より射出される第２の波長を有する発散光の第２のレーザビームをコリメート光に変換する。

前記ウェッジプリズムは、前記第１のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第１のレーザビームを反射し、かつ可視光よりなるガイド光を透過させる特性を有する第１のコーティングが施された第１の面と、前記第２のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第２のレーザビームを透過させ、かつ前記ガイド光を反射する特性を有する第２のコーティングが施された第２の面とを含む。前記第１のコーティングは、前記第２の面を透過した前記第２のレーザビームを透過させる特性を有する。

前記ウェッジプリズムは、前記第１の面で反射した前記第１のレーザビームと、前記第２の面及び前記第１の面をこの順で透過した前記第２のレーザビームとを結合させた結合レーザビームを射出し、前記第２の面で反射して前記第１の面を透過した前記ガイド光を前記結合レーザビームの光軸と同じ光軸上に射出する。

前記集束レンズは、前記ウェッジプリズムより射出された前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を集束させて、前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を伝送する光ファイバに入射させる。

１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機は、前記第１のレーザ発振器と、前記第２のレーザ発振器と、第１の態様のビーム結合装置と、前記ガイド光を前記ウェッジプリズムに向けて射出するガイド光射出部と、前記光ファイバによって伝送される前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を加工対象の被加工材に照射する加工ヘッドとを備える。

以下、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置及びレーザ加工機について、添付図面を参照して具体的に説明する。図１は、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置及びレーザ加工機を示す。図１に示す１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機１００は、第１のレーザ発振器１１、第２のレーザ発振器１２、１またはそれ以上の実施形態に係るビーム結合装置であるビームカプラ２０、加工ヘッド４０を備える。第１のレーザ発振器１１及び第２のレーザ発振器１２は、例えば、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、またはダイレクトダイオードレーザ発振器である。

第１のレーザ発振器１１より射出される第１のレーザビームを伝送するフィーディングファイバ１３のコネクタ１３ｃは、ビームカプラ２０の筐体２０１における突出部２０１ｐの端部に接続されている。第２のレーザ発振器１２より射出される第２のレーザビームを伝送するフィーディングファイバ１４のコネクタ１４ｃは、筐体２０１における本体部２０１ｍの一方の端部に接続されている。プロセスファイバ３０の第１のコネクタ３０ｃ１は本体部２０１ｍの他方の端部に接続され、第２のコネクタ３０ｃ２は加工ヘッド４０の筐体４０１に接続されている。

ビームカプラ２０は、筐体２０１内に、第１のコリメートレンズ２１、第２のコリメートレンズ２２、ウェッジプリズム２３、集束レンズ２４を備える。ビームカプラ２０の外部には、加工開始位置を決めたり、加工の軌跡を確認したりするための可視光よりなるガイド光を射出するガイド光射出部２６が設けられている。図１においては、ガイド光射出部２６は筐体２０１の外面に取り付けられており、筐体２０１に設けた開口を介して破線で示すガイド光をウェッジプリズム２３に照射する。ガイド光射出部２６が筐体２０１内に設けられていてもよい。

ウェッジプリズム２３の第１の面２３ａには、後述する第１のコーティングが施されている。ウェッジプリズム２３の第１の面２３ａと対向する第２の面２３ｂには、後述する第２のコーティングが施されている。

第１のレーザ発振器１１より射出される第１のレーザビームは波長λ１を有し、第２のレーザ発振器１２より射出される第２のレーザビームは波長λ１より短波長である波長λ２を有する。第１のレーザビーム、第２のレーザビーム、及び後述する結合レーザビームを一点鎖線で示す。ガイド光は波長λ３を有し、λ１＞λ２＞λ３の関係を有する。例えば、波長λ１及び波長λ２は１０３０ｎｍ~１０９０ｎｍの波長であり、波長λ３は６００ｎｍ～７００ｎｍである。

第１のレーザ発振器１１より射出された第１のレーザビームは、フィーディングファイバ１３によってビームカプラ２０へと伝送される。第２のレーザ発振器１２より射出された第２のレーザビームは、フィーディングファイバ１４によってビームカプラ２０へと伝送される。

第１のコリメートレンズ２１は、フィーディングファイバ１３の端部より射出される発散光の第１のレーザビームをコリメート光に変換する。コリメート光に変換された第１のレーザビームは、ウェッジプリズム２３の第１の面２３ａに入射する。第２のコリメートレンズ２２は、フィーディングファイバ１４の端部より射出される発散光の第２のレーザビームをコリメート光に変換する。コリメート光に変換された第２のレーザビームは、ウェッジプリズム２３の第２の面２３ｂに入射する。

図１においては、第１のコリメートレンズ２１及び第２のコリメートレンズ２２をレーザビームの入射面及び射出面の双方が凸面である両凸レンズとしているが、入射面が平面で射出面が凸面である平凸レンズであってもよい。第１のコリメートレンズ２１及び第２のコリメートレンズ２２のレンズの形状は限定されない。同様に、集束レンズ２４及び加工ヘッド４０内の後述するコリメートレンズ４１または集束レンズ４３も、両凸レンズであってもよいし、平凸レンズであってもよく、レンズの形状は限定されない。

図２Ａは、ビームカプラ２０が備える第１のコリメートレンズ２１の位置調整機構５０をＺ軸と直交する面で切断した断面図である。図２Ｂは、ビームカプラ２０が備える第１のコリメートレンズ２１の位置調整機構５０をＸ軸と直交する面で切断した断面図である。第１のコリメートレンズ２１は、図２Ａ及び図２Ｂに示すような位置調整機構５０によって位置が調整されている。第２のコリメートレンズ２２も、図２Ａ及び図２Ｂに示す位置調整機構５０と同様の位置調整機構によって位置が調整されている。第１のコリメートレンズ２１より射出される第１のレーザビームの光軸方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する２つの直交する方向をＸ軸及びＹ軸とする。図２Ｂに示すように、ここでは第１のコリメートレンズ２１を平凸レンズとしている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１のコリメートレンズ２１はレンズホルダ５１によって位置調整機構５０に保持されている。図２Ａに示すように、Ｘ軸方向に伸びる２つのコイルスプリング５３ｘはレンズホルダ５１にＸ軸方向の力を与えており、Ｙ軸に伸びる２つのコイルスプリング５３ｙはレンズホルダ５１にＹ軸方向の力を与えている。Ｘ軸調整用ねじ部材５２ｘを回すことによってレンズホルダ５１のＸ軸方向の位置を調整することができ、Ｙ軸調整用ねじ部材５２ｙを回すことによってレンズホルダ５１のＹ軸方向の位置を調整することができる。

図２Ｂに示すように、コネクタ１３ｃは、突出部２０１ｐの端部に設けられている図１では図示が省略されているレシーバ２０Ｒに装着されている。Ｚ軸方向に伸びる２つのコイルスプリング５３ｚはレンズホルダ５１にＺ軸方向の力を与えている。突出部２０１ｐ内には、レンズホルダ５１に隣接して可動内筒５４が設けられている。可動内筒５４の端部にはねじ５４ｓｗが形成されており、突出部２０１ｐの対向する内周面にはねじ２０ｓｗが形成されている。可動内筒５４の位置をＺ軸方向に調整することにより、レンズホルダ５１のＺ軸方向の位置を調整することができる。

図１に戻り、ウェッジプリズム２３の第１の面２３ａに施されている第１のコーティングは、コリメート光に変換された第１のレーザビームを反射する特性を有する。従って、第１のレーザビームは、第１の面２３ａで反射して集束レンズ２４へと向かう。ウェッジプリズム２３の第２の面２３ｂに施されている第２のコーティングは、コリメート光に変換された第２のレーザビームを透過させる特性を有する。第１のコーティングは、第２の面２３ｂを透過した第２のレーザビームを透過させる特性を有する。従って、第２のレーザビームは、第２の面２３ｂ及び第１の面２３ａをこの順で透過して集束レンズ２４へと向かう。

第１のコーティングは、さらに、ガイド光射出部２６より射出されるガイド光を透過させる特性を有する。第２のコーティングは、さらに、ガイド光を反射する特性を有する。従って、ガイド光は、第１の面２３ａを透過して第２の面２３ｂで反射し、第１の面２３ａを再び透過して集束レンズ２４へと向かう。

第１のコリメートレンズ２１及び第２のコリメートレンズ２２は、第１の面２３ａで反射した第１のレーザビームと、第２の面２３ｂ及び第１の面２３ａを透過した第２のレーザビームとが互いに重畳するように位置が調整されている。ガイド光射出部２６は、第２の面２３ｂで反射したガイド光が、結合したレーザビームの光軸と同じ光軸上を進行して集束レンズ２４へと向かうように、筐体２０１に対する取り付け位置及びガイド光を照射する向きが調整されている。

上記のように、第１のコリメートレンズ２１は位置調整機構５０によって第１のコリメートレンズ２１におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向の位置が調整されている。第２のコリメートレンズ２２は、位置調整機構５０と同様の位置調整機構によって第２のコリメートレンズ２２におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向の位置が調整されている。

従って、ウェッジプリズム２３は、第１のレーザビームと第２のレーザビームとを互いに重畳させることにより結合させた結合レーザビームを生成して射出する。集束レンズ２４は、結合レーザビームを集束させてプロセスファイバ３０のコアに入射させる。プロセスファイバ３０は、結合レーザビームを加工ヘッド４０へと伝送する光ファイバである。ウェッジプリズム２３にガイド光が入射されるときには、集束レンズ２４はガイド光を集束させてプロセスファイバ３０のコアに入射させる。

加工ヘッド４０は、筐体４０１内に、コリメートレンズ４１、ベンドミラー４２、集束レンズ４３を備える。コリメートレンズ４１は、プロセスファイバ３０の端部より射出される発散光の結合レーザビームをコリメート光に変換する。コリメートレンズ４１は、コリメート光に変換された結合レーザビームの進行方向を９０度曲げる。集束レンズ４３は、入射された結合レーザビームを集束させて、加工対象の板金Ｗに照射する。レーザ加工機１００は、板金Ｗを切断する加工機であってもよいし、板金Ｗを溶接する加工機であってもよい。板金Ｗは被加工材の一例であり、被加工材は板金に限定されない。

加工ヘッド４０にガイド光が入射されるときには、集束レンズ４３は、入射されたガイド光を集束させて板金Ｗに照射する。ガイド光を板金Ｗに照射することにより、オペレータは、加工開始位置を決めたり、加工の軌跡を確認したりすることができる。なお、図１においては、破線で示すガイド光が加工ヘッド４０に入射されて板金Ｗに照射される様子を図示していないが、一点鎖線で示す結合レーザビームと同様に板金Ｗに照射される。

図３は、ビームカプラ２０が備えるウェッジプリズム２３の第１の面２３ａ及び第２の面２３ｂに施されている第１及び第２のコーティングに施されている反射・透過特性を示す特性図である。図３には、第１のコーティングの反射・透過特性Ｃａと第２のコーティングの反射・透過特性Ｃｂを示している。図３に示すように、第１のコーティングの反射・透過特性Ｃａは、波長λ１を有する第１のレーザビームを反射し、波長λ２を有する第２のレーザビーム及び波長λ３を有するガイド光を透過させる特性である。第２のコーティングの反射・透過特性Ｃｂは、波長λ３を反射し、波長λ２を有する第２のレーザビームを透過させる特性である。

従って、ウェッジプリズム２３を備えるビームカプラ２０は、上記のように、第１及び第２のレーザビームが入射されるときには、結合レーザビームを加工ヘッド４０へと供給し、ガイド光が入射されるときには、ガイド光を加工ヘッド４０へと供給することができる。

以上のように、ビームカプラ２０は、ウェッジプリズム２３が第１のレーザビームと第２のレーザビームとを互いに重畳させることにより結合させた結合レーザビームを射出するように構成されているので、レーザビームを高出力化することができる。ビームカプラ２０は、ウェッジプリズム２３がガイド光を結合レーザビームの光軸と同じ光軸上に射出するように構成されているので、少ない光学部品で結合レーザビームとガイド光とを同じ光軸上に射出する構成を実現している。

レーザ加工機１００は、第１のレーザ発振器１１、第２のレーザ発振器１２、ビームカプラ２０、プロセスファイバ３０によって伝送される結合レーザビームを加工対象の板金Ｗに照射する加工ヘッド４０を備える。レーザ加工機１００によれば、少ない光学部品で結合レーザビームとガイド光とを同じ光軸上に射出することができ、オペレータは、加工開始位置を決めたり、加工の軌跡を確認したりした上で、板金Ｗを加工することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１ 第１のレーザ発振器
１２ 第２のレーザ発振器
１３，１４ フィーディングファイバ
１３ｃ，１４ｃ コネクタ
２０ ビームカプラ（ビーム結合装置）
２１ 第１のコリメートレンズ
２２ 第２のコリメートレンズ
２３ ウェッジプリズム
２４，４３ 集束レンズ
２６ ガイド光射出部
３０ プロセスファイバ
４０ 加工ヘッド
４１ コリメートレンズ
４２ ベンドミラー
１００ レーザ加工機
Ｗ 板金（被加工材）

Claims (2)

1. 第１のレーザ発振器より射出される第１の波長を有する発散光の第１のレーザビームをコリメート光に変換する第１のコリメートレンズと、
   第２のレーザ発振器より射出される第２の波長を有する発散光の第２のレーザビームをコリメート光に変換する第２のコリメートレンズと、
   前記第１のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第１のレーザビームを反射し、かつ可視光よりなるガイド光を透過させる特性を有する第１のコーティングが施された第１の面と、前記第２のコリメートレンズによってコリメート光に変換された前記第２のレーザビームを透過させ、かつ前記ガイド光を反射する特性を有する第２のコーティングが施された第２の面とを含み、前記第１のコーティングは、前記第２の面を透過した前記第２のレーザビームを透過させる特性を有し、前記第１の面で反射した前記第１のレーザビームと、前記第２の面及び前記第１の面をこの順で透過した前記第２のレーザビームとを結合させた結合レーザビームを射出し、前記第２の面で反射して前記第１の面を透過した前記ガイド光を前記結合レーザビームの光軸と同じ光軸上に射出するウェッジプリズムと、
   前記ウェッジプリズムより射出された前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を集束させて、前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を伝送する光ファイバに入射させる集束レンズと、
   を備えるビーム結合装置。
2. 前記第１のレーザ発振器と、
   前記第２のレーザ発振器と、
   請求項１に記載のビーム結合装置と、
   前記ガイド光を前記ウェッジプリズムに向けて射出するガイド光射出部と、
   前記光ファイバによって伝送される前記結合レーザビームまたは前記ガイド光を被加工材に照射する加工ヘッドと、
   を備えるレーザ加工機。

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