JP2001038484A - レーザ加工装置用出射光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成で、小型軽量のオシレーション機
構を備えた出射光学系を提供する。 【解決手段】 リコリメートレンズ１２と加工レンズ１
４との間に、全反射ミラー１５及び回転ミラー１６を設
ける。回転ミラーはミラーホルダー１７によって保持さ
れ、ミラーホルダーは、回転軸１８により回転可能に支
持されている。また、ミラーホルダーには、回転軸に関
して対称な位置に振動子１９とばね２０とが設けられて
いる。振動子とばねにより回転ミラーを微小揺動回転さ
せると、加工レンズに入射するレーザ光の入射角が周期
的に変化し、加工対象物１３上のレーザ光スポットが一
軸方向に往復運動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置用
出射光学系に関し、特に、溶接に使用されるレーザ加工
装置の出射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置は、レーザ光を出射する
レーザ発振器と、レーザ光を伝搬させる光ファイバと、
光ファイバの先端から出射するレーザ光を集光して被加
工物に照射するための出射光学系とを備え、レーザ光を
被加工物に照射して、切断、穴あけ、あるいは溶接など
の加工を行う装置である。

【０００３】この種のレーザ加工装置を用いて、互いに
突き合わせた２つの部材（加工対象物）を溶接する場合
には、突き合わせた２つの部材間に生じるギャップの幅
が、所定値より小さくなるようにしなければならない。
これは、２つの部材間に生じるギャップ幅が所定値以上
だと、突き合わせ線（突き合わせた２つの部材間の境界
線）に沿ってレーザ光を走査した場合に、穴あき、溶け
落ちなどの溶接不良が発生してしまうからである。

【０００４】しかしながら、各部材の突き合わせ面は、
通常、切断面である。このため、各突き合わせ面の状況
により、２つの部材間のギャップ幅を所定値よりも小さ
くすることができない場合がある。ジグ等の機具を用い
て、ギャップ幅を縮小することが可能な場合もあるが、
それでも、ギャップ幅を所定値より小さくできない場合
が少なくない。

【０００５】このように、突き合わせた２つの部材間の
ギャップ幅が所定値以上の場合に、上記の様な溶接不良
を生じることなく適正な溶接を行うため、レーザ光の集
光スポットを、図２に矢印で示すように、突き合わせ線
と直交する方向（図の左右方向）に往復運動（オシレー
ションまたはウィービング）させることが行なわれる。
即ち、従来のレーザ加工装置用出射光学系は、オシレー
ションを行うために、オシレーション機構を備えてい
る。

【０００６】従来の出射光学系に備えられたオシレーシ
ョン機構としては、加工レンズをレーザ光の進行方向と
直交する一軸方向に沿って往復運動（揺動あるいは振
動）させるものがある。また、他のオシレーション機構
としては、図３に示すように、光ファイバ３１からのレ
ーザ光をコリメートするリコリメートレンズ３２と、コ
リメートされたレーザ光を集光し、加工対象物３３に照
射する加工レンズ３４との間に、全反射ミラー３５とガ
ルバノミラー３６を設け、ガルバノミラー３６を図示し
ないガルバノモータで微小振動（揺動）させるようにし
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の加工レンズを移
動させるオシレーション機構は、一軸方向に移動可能な
加工レンズを搭載するためのテーブルと、このテーブル
を往復運動させる駆動源とが必要になる。このため、こ
のオシレーション機構は、加工レンズのサイズに比べか
なり大きな駆動系を必要とするという問題点がある。

【０００８】また、従来のリコリメートレンズと加工レ
ンズとの間にミラーを設けるオシレーション機構では、
ガルバノモータを用いてミラーを揺動させるため、出射
光学系が大きくならざるを得ないという問題点がある。

【０００９】以上のように、いずれの場合も、従来のオ
シレーション機構は大型で、出射光学系全体のサイズを
大きくするという問題点がある。

【００１０】本願発明は、簡易な構成で小型のオシレー
ション機構を備えたレーザ加工装置用出射光学系を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
発振器からのレーザ光を集光して加工対象物に照射する
レーザ加工装置用出射光学系において、前記レーザ光を
平行光に変換するリコリメートレンズと、前記平行光の
光軸に対して垂直な回転軸により回転可能に支持され、
前記平行光を反射する回転ミラーと、前記回転軸を回転
の中心として前記回転ミラーを揺動回転させるために、
当該回転ミラーの前記回転軸から離れた位置に回転力を
与える駆動源と、前記回転ミラーで反射された前記平行
光を集光して前記加工対象物に照射する加工レンズと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置用出射光学系
が得られる。

【００１２】ここで、前記回転軸は、その中心線が前記
光軸と直交していることが望ましい。

【００１３】また、前記振動子による前記回転ミラーの
揺動回転を支援するためのばねを設けてもよい。

【００１４】さらに、前記回転ミラーを保持するミラー
ホルダーを設け、前記振動子と前記ばねとを、前記ミラ
ーホルダーの、前記回転軸の中心線を対称軸とする対称
な位置に設けるようにしてもよい。

【００１５】前記駆動源としては、振動子が利用でき
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００１７】図１に本発明の一実施の形態によるレーザ
加工装置用出射光学系を示す。この出射光学系は、図示
しないＹＡＧレーザ等のレーザ発振器と、そのレーザ発
振器から出射するレーザ光を伝搬させる光ファイバー１
１とともに利用される。即ち、この出射光学系は、光フ
ァイバー１１の先端に取り付けられる。

【００１８】図１の出射光学系は、光ファイバ１１から
出射したレーザ光を平行光に変換（コリメート）するリ
コリメートレンズ１２と、レーザー光を加工対象物１３
の表面上に集光する加工レンズ１４と、リコリメートレ
ンズ１２と加工レンズ１４との間に設けられ、リコリメ
ートレンズ１２でコリメートされたレーザ光を加工レン
ズ１４に入射させるための全反射ミラー１５及び回転ミ
ラー１６とを有している。

【００１９】回転ミラー１６には、その外縁部にミラー
ホルダー１７が取り付けられている。そして、ミラーホ
ルダー１７には、回転ミラー１６に入射するレーザ光の
光軸に直交する回転軸１８が取り付けられている。回転
軸１８は、リコリメートレンズ１２、加工レンズ１４、
及び全反射ミラー１５が固定されるケース（図示しな
い）に回転可能に取り付けられている。この結果、回転
ミラー１６は、回転軸１８を回転の中心として回動可能
に支持される。

【００２０】また、ミラーホルダー１７には、回転軸１
８から離れた位置に、回転ミラー１６を揺動回転させる
ための振動子１９が取り付けられている。さらに、ミラ
ーホルダー１７には、回転軸１８の中心線を対称軸とし
た場合に、振動子１９が取り付けられた位置と対象とな
る位置にばね２０が取り付けられている。これら振動子
１９とばね２０とは、他の部材と同様に図示しないケー
スに固定されている。

【００２１】次に、この出射光学系の動作について説明
する。

【００２２】まず、光ファイバ１１から出射したレーザ
光は、そのビーム径を拡げながら進行し、リコリメート
レンズ１２に入射する。リコリメートレンズ１２は、入
射したレーザ光を平行光に変換（コリメート）し、全反
射ミラー１５に入射させる。全反射ミラー１５は、入射
するレーザ光を全反射し、反射したレーザ光を回転ミラ
ー１６に入射させる。

【００２３】回転ミラー１６は、入射したレーザ光を全
反射し、反射したレーザ光を加工レンズ１４に入射させ
るが、このとき、オシレーションを行うか否かによっ
て、次にように動作する。

【００２４】オシレーションを行わない場合、振動子１
９は動作しないので、回転ミラー１６は、揺動すること
なく固定された全反射ミラーとして働く。なお、回転ミ
ラー１６と加工レンズ１４とは、この状態で、回転ミラ
ー１６で反射されたレーザ光の光軸が、加工レンズ１４
の光軸に一致するように配置されている。

【００２５】一方、オシレーションを行う場合は、振動
子１９が振動して、回転ミラー１６を揺動回転させる
（駆動する）。また、ばね２０が、振動子１９による回
転ミラー１６の揺動回転を支援する。その結果、回転ミ
ラー１６は、この回転ミラー１６で反射されたレーザ光
の進行方向が、図の上下方向に振動（往復振動）するよ
う、入射レーザ光を反射する。これにより、加工レンズ
１４へのレーザ光の入射角が周期的に変化する。

【００２６】加工レンズ１４は、入射したレーザ光を集
光し、加工対象物１３の表面に照射する。ここで、オシ
レーションを行わない場合は、回転ミラー１６からのレ
ーザ光が一定角度で加工レンズ１４に入射するので、こ
の加工レンズ１４で集光されたレーザ光のビームスポッ
トは一点に止まる。一方、オシレーションを行う場合
は、加工レンズ１４に入射するレーザ光の入射角度が周
期的に変化するので、加工レンズ１４で集光されたレー
ザビームの集光点は一軸方向（図の上下方向）に沿って
往復運動する。

【００２７】上述の動作を行いながら、この出射光学系
を２つの加工対象物１３の突き合わせ線に沿って移動さ
せれば（図の表裏方向に移動させれば）、これらの２つ
の加工対象物を互いに溶接することができる。

【００２８】なお、上記実施の形態では、全反射ミラー
１５を備える出射光学系について説明したが、この全反
射ミラー１５は、光ファイバ１１からのレーザ光の出射
方向と、回転ミラー１６からのレーザ光の出射方向とを
略一致させるためのものであるため、必ずしも必要なも
のではない。即ち、リコリメートレンズ１２から出射し
たレーザ光を直接回転ミラー１６に入射させるように構
成することも可能である。

【００２９】また、上記実施の形態では、回転ミラー１
６の回転軸１８の中心線が入射レーザ光の光軸と直交す
るよう構成した例について説明したが、回転軸１８が光
軸に対して垂直であれば、必ずしも直交する（交わる）
必要はない。

【００３０】さらに、上記実施の形態では、振動子１９
とばね２０とを用いて回転ミラー１６を揺動回転させる
例について説明したが、振動子１９のみを用いて回転ミ
ラー１６を揺動回転させるようにしてもよい。また、上
記実施の形態では、振動子１９とばね２０とが、回転軸
に関して対称な位置に取り付けられる場合について説明
したが、ばね２０の取付位置は、その特性応じて変更さ
れるべきものである。さらにまた、上記実施の形態で
は、振動子を回転ミラーの駆動源とする場合について説
明したが、他の駆動源を用いて駆動するようにしてもよ
い。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、オシレーション機構と
して回転ミラーを備えた出射光学系において、回転ミラ
ーの、回転軸から離れた位置に回転力を加える駆動源を
設けるようにしたことで、その構成の簡略化、小型化及
び軽量化を実現できる。これにより、出射光学系の操作
性が向上し、レーザ光による加工が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す構成図である。

【図２】２つの部材間に広いギャップが存在する場合に
おける、突き合わせ溶接のレーザ光スポットの照射軌跡
を示す図である。

【図３】従来のオシレーション機構を備えた出射光学系
の構成図である。

【符号の説明】

１１ 光ファイバー １２ リコリメートレンズ １３ 加工対象物 １４ 加工レンズ １５ 全反射ミラー １６ 回転ミラー １７ ミラーホルダー １８ 回転軸 １９ 振動子 ２０ ばね ３１ 光ファイバ ３２ リコリメートレンズ ３３ 加工対象物 ３４ 加工レンズ ３５ 全反射ミラー ３６ ガルバノミラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器からのレーザ光を集光して
   加工対象物に照射するレーザ加工装置用出射光学系にお
   いて、 前記レーザ光を平行光に変換するリコリメートレンズ
   と、 前記平行光の光軸に対して垂直な回転軸によって回転可
   能に支持され、前記平行光を反射する回転ミラーと、 前記回転軸を回転の中心として前記回転ミラーを揺動回
   転させるために、当該回転ミラーの前記回転軸から離れ
   た位置に回転力を与える駆動源と、 前記回転ミラーで反射された前記平行光を集光して前記
   加工対象物に照射する加工レンズと、を備えたことを特
   徴とするレーザ加工装置用出射光学系。
2. 【請求項２】 前記回転軸の中心線が、前記光軸と直交
   していることを特徴とする請求項１のレーザ加工装置用
   出射光学系。
3. 【請求項３】 前記駆動源が振動子であることを特徴と
   する請求項１または２のレーザ加工装置用出射光学系。
4. 【請求項４】 前記振動子による前記回転ミラーの揺動
   回転を支援するためのばねを備えたことを特徴とする請
   求項３のレーザ加工装置用出射光学系。
5. 【請求項５】 前記回転ミラーがミラーホルダーに保持
   されており、前記振動子と前記ばねとが、前記ミラーホ
   ルダーの、前記回転軸の中心線を対称軸とする対称な位
   置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項４
   のレーザ加工装置用出射光学系。