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発明の名称 レーザ加工機
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−79679(P2001−79679A)
公開日 平成13年3月27日(2001.3.27)
出願番号 特願平11−257255
出願日 平成11年9月10日(1999.9.10)
代理人 【識別番号】100071272
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 洋介 (外1名)
【テーマコード(参考)】
4E068
【Fターム(参考)】
4E068 CB05 CC02 CD04 CD09 CD13 CD15 CE08 
発明者 谷 誠
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 2つのレーザスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えたレーザ加工機において、前記ツインスポット光学系は、レーザ光を2つに分割するためのプリズムと、分割されたレーザ光を2つのスポット光として異なる位置に照射する集光レンズと、ワークに照射された2つのスポット光の照射域を観察するための撮像手段とを含み、前記プリズムは、前記集光レンズの光軸と同軸となる位置から外れた位置に配置され、前記撮像手段は、前記集光レンズの光軸と同軸となるように配置されていることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項2】 2つのレーザスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えたレーザ加工機において、前記ツインスポット光学系は、レーザ発振器からのレーザ光を受光する受入れ部と、受光したレーザ光を平行光にするための第1のコリメートレンズと、該平行光を2つに分割するための屋根型プリズムと、分割されたレーザ光を2つのスポット光として異なる位置に照射する集光レンズと、ワークに照射された2つのスポット光の照射域を観察するための撮像手段とを含み、前記集光レンズは、筒状のノズルケースの下部に収容されており、前記受入れ部、前記第1のコリメートレンズ、前記屋根型プリズムは前記ノズルケースの側方に連結された第1のガイドケースに収容されて前記屋根型プリズムにより分割されたビームを前記ノズルケースに収容されたレーザ光全反射ミラーを介して前記集光レンズに導くようにしており、前記ノズルケースの上部には前記集光レンズの光軸と同軸になるように前記撮像手段が配置され、前記レーザ光全反射ミラーは可視光を透過するミラーであることにより、前記撮像手段は、前記レーザ全反射ミラー、前記集光レンズを通して前記照射域を撮像することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項3】 請求項2記載のレーザ加工機において、前記ノズルケースの側方には更に、前記ワークにおける2つのスポット光の照射域を照らすための照明光導入用の第2のガイドケースが連結され、該第2のガイドケースからの照明光を前記ノズルケースに収容されたハーフミラーを介して前記照射域に照射するようにし、前記撮像手段は、前記ハーフミラー、前記レーザ光全反射ミラー、前記集光レンズを通して前記照射域を撮像することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項4】 請求項2あるいは3記載のレーザ加工機において、前記屋根型プリズムは、前記第1のガイドケースに装着されたプリズムセルによりレーザ光の光軸を中心に回動可動な状態で保持されていることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項5】 請求項4記載のレーザ加工機において、前記第1のガイドケースは前記ノズルケースの中心軸に直角な方向に延びており、前記受入れ部は前記レーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバの先端部を受け入れ可能に構成されており、該受入れ部は前記光ファイバをその中心軸方向に位置調整可能にするための位置調整機構と、前記光ファイバをその中心軸回りに回転可能にすると共に、中心軸に垂直な面方向に位置調整可能にするための回転位置調整機構とを有することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項6】 請求項5記載のレーザ加工機において、前記第1のガイドケースには前記第1のコリメートレンズをレーザ光の光軸方向に位置調整可能にするためのコリメートレンズ位置調整機構を設けていることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項7】 請求項4記載のレーザ加工機において、前記第2のガイドケースは前記第1のガイドケースよりも上方において前記ノズルケースに連結されて前記ノズルケースの中心軸に直角な方向に延びており、該第2のガイドケース内には第2のコリメートレンズを収容していることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項8】 請求項3記載のレーザ加工機において、前記撮像手段はCCDカメラであり、前記ノズルケース内には、前記ハーフミラーと前記CCDカメラとの間にCCDカメラ用結像レンズが収容されており、前記ノズルケースには前記CCDカメラ用結像レンズをその光軸方向に位置調整可能にするためのピント調整機構を設けていることを特徴とするレーザ加工機。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、2つのレーザスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えたレーザ加工機の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザビームを小スポットに集光し、金属等の加工対象物に照射することにより、溶接や切断等の加工を行なうことができる。例えば、溶接加工について言えば、熱容量や融点等の異なる異種材料の突き合わせ溶接においては、それぞれの材料に適したエネルギーが異なり、高品位の溶接を行なうためには異種材料にそれぞれ適合したレーザビームエネルギーを与えることが望まれる。
【0003】単一のレーザビームでこのような異種材料の突き合わせ溶接を実施する場合には、突き合わせ位置に対してレーザビームの中心位置を偏心させる技術が知られている。この場合は高精度の照射位置制御が必要となり、対処が難しい。また、同一材料の突き合わせ溶接においても板厚に差がある場合は同様である。
【0004】これに対し、本出願人は、単一のレーザビームを用いて2つのレーザスポット光を形成することのできるレーザ加工機を提案(特許第2902550号)した。これを、図4を参照して簡単に説明する。図4において、レーザ発振器で発生されたレーザビームは光ファイバにより伝送され、光ファイバの先端部101から図中下方に出射される。光ファイバの先端部101から発散したレーザ光は、コリメートレンズ102によってコリメートされ、平行光束となる。この平行光束は、直進して屋根形プリズム103に入射する。屋根形プリズム103は、図中上側に左右に傾いた対称的入射面を有する。
【0005】屋根形プリズム103は、図中左半分に入射したレーザビームは右下方に偏向し、右半分に入射したレーザビームは左下方に偏向する。このように、屋根形プリズム103は、入射するレーザビームを2つのビームに分割する役割を果たす。そして、屋根形プリズム103はレーザビームの光軸に直角な方向に可動とされている。その結果、屋根形プリズム103の2つの傾斜面に入射するレーザビームの入射面積比により分割比が可変となる。分割比が可変であるということは、出力比率が可変であることを意味する。
【0006】屋根形プリズム103で分割された2本のレーザビームは、集光レンズ(加工レンズ)104によって集光され、異なる点にスポット状に集光される。集光点の位置は、屋根形プリズム103の与える偏向(屈折)角度、屋根形プリズム103と集光レンズ104との間の距離、集光レンズ104の焦点距離等によって定まる。
【0007】なお、図示していないが、上記の各要素は筒状のノズルケースに収容されている。特に、屋根形プリズム103はプリズムセルに保持され、集光レンズ104は集光レンズセルに保持されている。プリズムセルの下端と集光レンズセルの上端には相係合するねじが切られており、集光レンズセルをプリズムセルにねじ込むことにより、両者は一体化される。更に、回転駆動機構により、プリズムセルと集光レンズセルとを一体的に回転させることができるように構成されている。その結果、屋根形プリズム103と集光レンズ104とを、入射レーザビームの光軸を中心として一体的に回転させることにより2つのスポット光の配列角度を任意に設定することができる。ここで言う、2つのスポット光の配列角度とは、2つのスポット光の中心を結ぶ線分と溶接方向との間の角度を意味する。溶接の場合、通常、この角度は90度である。
【0008】一方、コリメートレンズ102はコリメートレンズケースに保持されている。光ファイバの先端部101を保持するファイバケースは、その下端に形成されたねじ部がコリメートレンズケースの上端に形成されたねじ部にねじ込まれて固定される。
【0009】上記のような単一のレーザビームから2つのスポット光を得るための光学系は、ツインスポット光学系と呼ばれているが、細部構造は、上述の特許公報に開示されているので、詳しい説明は省略する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このようなレーザ加工機においては、2つのスポット光の照射域を観察するための観察光学系が必要となる。このような観察光学系は通常、CCDカメラで構成され、集光レンズ104の光軸と同軸になるように、ノズルケースの上部に設置されるのが好ましい。しかし、その場合、屋根型プリズム103を通して2つのスポット光の照射域を撮像すると、スポット光を含む照射域の像が2重になってしまうという問題点がある。
【0011】そこで、本発明の課題は、2つのスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えたレーザ加工機において、2つのスポット光を含む照射域の鮮明な画像を得ることのできるレーザ加工機を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によるレーザ加工機は、2つのレーザスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えており、前記ツインスポット光学系は、レーザ光を2つに分割するためのプリズムと、分割されたレーザ光を2つのスポット光として異なる位置に照射する集光レンズと、ワークに照射された2つのスポット光の照射域を観察するための撮像手段とを含み、前記プリズムは、前記集光レンズの光軸と同軸となる位置から外れた位置に配置され、前記撮像手段は、前記集光レンズの光軸と同軸となるように配置されていることを特徴とする。
【0013】本発明によればまた、ツインスポット光学系が、レーザ発振器からのレーザ光を受光する受入れ部と、受光したレーザ光を平行光にするための第1のコリメートレンズと、該平行光を2つに分割するための屋根型プリズムと、分割されたレーザ光を2つのスポット光として異なる位置に照射する集光レンズと、ワークに照射された2つのスポット光の照射域を観察するための撮像手段とを含み、前記集光レンズは、筒状のノズルケースの下部に収容されており、前記受入れ部、前記第1のコリメートレンズ、前記屋根型プリズムは前記ノズルケースの側方に連結された第1のガイドケースに収容されて前記屋根型プリズムにより分割されたビームを前記ノズルケースに収容されたレーザ光全反射ミラーを介して前記集光レンズに導くようにしており、前記ノズルケースの上部には前記集光レンズの光軸と同軸になるように前記撮像手段が配置され、前記レーザ光全反射ミラーは可視光を透過するミラーであることにより、前記撮像手段は、前記レーザ全反射ミラー、前記集光レンズを通して前記照射域を撮像することを特徴とするるレーザ加工機が提供される。
【0014】前記ノズルケースの側方に更に、前記ワークにおける2つのスポット光の照射域を照らすための照明光導入用の第2のガイドケースを連結し、該第2のガイドケースからの照明光を前記ノズルケースに収容されたハーフミラーを介して前記照射域に照射するようにすることが望ましく、この場合、前記撮像手段は、前記ハーフミラー、前記レーザ光全反射ミラー、前記集光レンズを通して前記照射域を撮像する。
【0015】前記屋根型プリズムは、前記第1のガイドケースに装着されたプリズムセルによりレーザ光の光軸を中心に回動可動な状態で保持される。
【0016】前記第1のガイドケースは前記ノズルケースの中心軸に直角な方向に延びており、前記受入れ部は前記レーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバの先端部を受入れ可能に構成されており、該受入れ部は前記光ファイバをその中心軸に直角な方向に位置調整可能にするための位置調整機構と、前記光ファイバをその中心軸回りに回転可能にすると共に、中心軸に垂直な面方向に位置調整可能にするための回転位置調整機構とを有する。
【0017】前記第1のガイドケースには前記第1のコリメートレンズをレーザ光の光軸方向に位置調整可能にするためのコリメートレンズ位置調整機構を設けている。
【0018】前記第2のガイドケースは前記第1のガイドケースよりも上方において前記ノズルケースに連結されて前記ノズルケースの中心軸に直角な方向に延びており、該第2のガイドケース内には第2のコリメートレンズを収容している。
【0019】前記撮像手段がCCDカメラである場合、前記ノズルケース内には、前記ハーフミラーと前記CCDカメラとの間にCCDカメラ用結像レンズが収容され、前記ノズルケースには前記CCDカメラ用結像レンズをその光軸方向に位置調整可能にするためのピント調整機構を設けている。
【0020】
【発明の実施の形態】図1〜図3を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明によるレーザ加工機は、図4で説明したレーザ加工機と原理的に同じであり、2つのレーザスポット光を照射可能なツインスポット光学系を備えている。すなわち、ツインスポット光学系は、図示しないレーザ発振器からのレーザ光を受光する受入れ部11と、受光したレーザ光を平行光にするためのコリメートレンズ12と、平行光を2つに分割するための屋根型プリズム13と、分割されたレーザ光を2つのスポット光として異なる位置に照射する集光レンズ14とを含む。本形態においては更に、ワークに照射された2つのスポット光をを含む照射域を撮像して観察するための撮像手段としてCCDカメラ15を備えている。なお、レーザ発振器としては通常、YAGレーザ発振器が使用されるが、これに限定されるものではない。
【0021】本形態によるレーザ加工機の特徴は以下の点にある。集光レンズ14は、筒状のノズルケース20の下部に設けられている。ノズルケース20の下端部には開口20aが設けられ、この開口20aには保護ガラス21が設けられている。受入れ部11はノズルケース20の側方に連結された第1のガイドケース30の先端部に構成され、コリメートレンズ12及び屋根型プリズム13は、第1のガイドケース30に収容されている。第1のガイドケース30はノズルケース20の中心軸に直角な方向に延びており、受入れ部11はレーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバ31の先端部を受入れ可能に構成されている。そして、屋根型プリズム13により分割されたレーザ光をノズルケース20に収容された全反射ミラー22を介して90度角度を変えることにより集光レンズ14に導くようにしている。全反射ミラー22はレーザ光を全反射させ、可視光を透過するミラーである。ノズルケース20の上部には集光レンズ14の光軸と同軸になるようにCCDカメラ15が配置されている。
【0022】第1のガイドケース30より上方のノズルケース20の側方には更に、ワークにおける2つのスポット光の照射域を照らすための照明光導入用の第2のガイドケース40が連結されている。第2のガイドケース40の先端には、図示しない照明用の光源からの光が光ファイバ41を通して導入される。第2のガイドケース40もノズルケース20の中心軸に直角な方向に延びており、該第2のガイドケース40内には第2のコリメートレンズ42を収容している。そして、第2のガイドケース40からの照明光をノズルケース20に収容されたハーフミラー23を介して照射域に照射するようにしている。
【0023】一方、ノズルケース20内には、ハーフミラー23とCCDカメラ15との間にCCDカメラ用結像レンズ24が収容されている。その結果、CCDカメラ15は、CCDカメラ用結像レンズ24、ハーフミラー23、全反射ミラー22、集光レンズ14を通して照射域を撮像する。
【0024】屋根型プリズム13は、第1のガイドケース30に装着されたプリズムセル32によりレーザ光の光軸を中心に回動可動な状態で保持されている。プリズムセル32を使用することで、2つのスポット光の配列角度を調整することができる。すなわち、プリズムセル32をレーザ光の光軸回りに回転させることにより、2つのスポット光の配列角度を希望する向きにあわせることができる。このようなプリズムセルの構造は周知であるので、詳しい説明は省略する。
【0025】受入れ部11は、光ファイバ31をその中心軸方向に位置調整可能にするためのファイバ位置調整機構と、光ファイバ31をその中心軸回りに回転可能にすると共に、中心軸に垂直な面方向に位置調整可能にするためのファイバ回転位置調整機構とを有する。厳密に言えば、第1のガイドケース30は、コリメートレンズ12、屋根型プリズム13を収容している筒状体30−1と、この筒状体30−1の先端に組み付けられるスリーブ体30−2と、このスリーブ体30−2の外周側にスライド可能に組み付けられる筒状体30−3とから成る。受入れ部11は、スリーブ体30−2と筒状体30−3とで構成される。
【0026】受入れ部11においては、筒状体30−3に光ファイバ31の先端部を挿入してロックするようにしている。筒状体30−3に対する光ファイバ31のロックは、ファイバロックネジ33により行われる。ファイバ位置調整機構は、筒状体30−3をスリーブ体30−2に対してロックするためのファイバ位置調整用ロックネジ34を有する。ファイバ位置調整用ロックネジ34は、筒状体30−3に設けられた長穴30−3aを通してスリーブ体30−2に設けられたネジ穴に螺入される。すなわち、第1のコリメートレンズ12の焦点位置に光ファイバ31の先端位置を粗調整した後、ファイバ位置調整用ロックネジ34をロックする。このような調整は通常、製品出荷検査時に行われている。
【0027】一方、ファイバ回転位置調整機構は、3個のファイバ回転位置調整用ロックネジ35を有する。ファイバ回転位置調整用ロックネジ35は、スリーブ体30−2を筒状体30−1に固定するためのものであり、筒状体30−1に設けられたネジ穴に螺入される。すなわち、スリーブ体30−2の筒状体30−1側にはフランジ部を有し、このフランジ部には周方向に等角度間隔をおいてファイバ回転位置調整用ロックネジ35の遊嵌可能な穴が設けられている。ファイバ回転位置調整用ロックネジ35は、2つのスポット光のエネル分割バランスを微調整する場合に用いられる。本ツインスポット光学系では、2つのスポット光を形成するために、第1のコリメートレンズ12で平行にされたレーザ光を、2分岐型の屋根型プリズム13で分割して集光している。2つのスポット光のエネルギ分割比は、屋根型プリズム13に照射される、レーザ光面積比に依存する。従って、エネルギ分割比を微調整するには、3個のファイバ回転位置調整用ロックネジ35を緩め、スリーブ体30−2の位置を微調整して光ファイバ31をレーザ光の光軸回り方向または光軸に垂直な平面方向に調整すれば良い。
【0028】第1のガイドケース30の筒状体30−1には、第1のコリメートレンズ12をレーザ光の光軸方向に位置調整可能にするためのコリメートレンズ位置調整機構を設けている。第1のコリメートレンズ12も筒状体30−1に対して軸方向にスライド可能なレンズセルに保持されている。このレンズセルに、筒状体30−1に設けられた長穴30−1aを通してコリメートレンズ位置調整用ネジ36が螺入されている。コリメートレンズ位置調整用ネジ36は、2つのスポット光のジャストフォーカスを調整するためのロックネジである。第1のコリメートレンズ12の位置は、筒状体30−1に付された10等分された目盛り30−1bのほぼ中央に調整されており、ワークディスタンスを変化させることなくスポット光をディフォーカスする場合に用いる。なお、2つのスポット光の間隔も第1のコリメートレンズ12の位置を変化させることにより微小量変化する。10等分の目盛りに対して、光ファイバ31側を0とし、屋根型プリズム13側を10とすると、目盛りを0に近づけた場合、スポット光の間隔は短くなる。
【0029】CCDカメラ用結像レンズ24はノイズ光除去用のフィルタ25と共に、ノズルケース20内を中心軸方向にスライド可能なレンズセル26に保持されている。レンズセル26はCCDカメラピント調整用ロックネジ27と共にCCDカメラ用結像レンズ24をその光軸方向に位置調整可能にするためのピント調整機構を構成する。すなわち、CCDカメラピント調整用ロックネジ27は、所定の位置に位置合せされたレンズセル26をノズルケース20に固定するためのものである。CCDカメラピント調整用ロックネジ27は、所定のワークディスタンスの地点にワークを置いた時、CCDカメラ15のピントが最適になるよう設定した上で締め付けを行う。このようなピント調整も通常、出荷検査時に行われている。
【0030】CCDカメラ位置調整用ロックネジ28は、CCDカメラ15に接続されるTVモニタ画面の中央にレーザ加工点が位置するようにCCDカメラ15の位置を調整するためのものである。すなわち、4箇所のCCDカメラ位置調整用ロックネジ28を動かし、CCDカメラ15の位置を調整する。また、ワークの天地とTVモニタ画面の天地を一致させる場合、CCDカメラ15の回転位置を調整することで実現できる。
【0031】以上のような構成において、光学系の諸元を以下のようにするものとする。光ファイバ31のコア径φD(μm)、第1のコリメートレンズ12の焦点距離f1 (mm)、集光レンズ14の焦点距離f2 (mm)、屋根型プリズム13の偏光角度θ(図4参照)、2つのスポット光の中心の間隔d(mm)、屋根型プリズム13の屈折率nとすると、スポット光の径φD′(μm)=φD×f2 /f12つのスポット光の中心の間隔d=2・f2 ・tanδ(但し、δは(n−1)・θにほぼ等しいものとする)
により決定される。
【0032】2つのスポット光の配列角度を調整する場合、屋根型プリズム13を保持しているプリズムセル32を回転させ、希望する配列角度に合せることができる。また、2つのスポット光のエネルギ分割バランスを微調整する場合、屋根型プリズム13に照射されるレーザ光面積比に依存するため、光ファイバ31をファイバ回転位置調整機構により光軸回り方向又は光軸に垂直な面方向に微少量だけ調整する。
【0033】同軸照明光学系は、第2のガイドケース40における第2のコリメートレンズ42と、集光レンズ14により決まる。
【0034】CCDカメラ15の同軸観察光学系は、集光レンズ14、CCDカメラ用結像レンズ24、CCDカメラ15の構成により決定される。この場合、ピント調整機構によりレーザ加工点の位置に結像点が一致するようにCCDカメラ用結像レンズ24の位置を調整する。
【0035】以上のようにして、光ファイバ31から出射されたレーザ光は、第1のコリメートレンズ12、屋根型プリズム13、集光レンズ14を通過することにより、2つのスポット光として同時にワークに照射される。ワークには集光レンズ14を通して同軸照明光が照射される。また、集光レンズ14を通してワークを、同軸上に設置されたCCDカメラ15による観察光学系で観察して、位置決めを行う。その際、同軸観察光学系の光路上に屋根型プリズム13が存在しない構造であることから、CCDカメラ15への像が2重に結像することはない。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、次のような効果が得られる。
【0037】(1)2つのスポット光の照射域を、CCDカメラにより同時観察でき、2つのスポット光を、TVモニタ上のクロスラインにて確認することができる。
【0038】(2)同軸照明光学系により2つのスポット光との同軸落射照明を実現することができ、ワーク付近に照明光学系を配置しなくても良いので、ワーク付近の空間を有効活用できる。
【0039】(3)2つのスポット光を、一定間隔で、等分にエネルギ分割されたツインスポット光として照射できる。
【0040】(4)コリメートレンズ位置調整機構を備えていることにより、TVモニタ画面の焦点を変えることなく、スポット光のディフォーカス調整を行うことができる。
【0041】(5)2つのスポット光を、CCDカメラによる同軸観察光学系により、2重にぼけることなくTVモニタ上にて観察しながら、レーザ加工を実現することができる。




 

 


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