特許 6972402 高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6972402

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッド

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20211111BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/064 A

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2021-19985(P2021-19985)

(22)【出願日】2021年2月10日

【審査請求日】2021年2月19日

(31)【優先権主張番号】202010484215.0

(32)【優先日】2020年6月1日

(33)【優先権主張国】CN

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】512007144

【氏名又は名称】華中科技大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】馬修泉

(72)【発明者】

【氏名】許天宇

(72)【発明者】

【氏名】米高ヤン

(72)【発明者】

【氏名】周邵巍

(72)【発明者】

【氏名】邵新宇

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２０５２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０１９５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３４９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５２６７７５５（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドであって、
レーザー透過装置、キャビティ、電気機械モジュール及び保護ノズルを含み、
前記レーザー透過装置は、前記キャビティの頂部に配置され、
前記キャビティの頂部に設けられた注入口から、レーザーを前記キャビティ内に注入し、
第１の保護ガラスとコリメートレンズが前記キャビティ内に上から下に順番に配置され、
前記電気機械モジュールは、前記キャビティの底部に配置され、ハウジングを介してキャビティと接続され、前記電気機械モジュールのハウジングの頂部と底部には、それぞれ光透過穴が設けられ、
前記電気機械モジュールのハウジングには、さらに集束レンズが配置され、また、前記集束レンズと前記電気機械モジュールの間に平面ばねが配置されて、前記電気機械モジュールは、前記集束レンズの超高周波の微振動を駆動でき、
前記保護ノズルは、前記電気機械モジュールの底部に配置されており、
前記超高周波は、１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲の振動周波数であり、
前記電気機械モジュールはボイスコイルモータであり、
前記集束レンズのレンズベースは前記ボイスコイルモータの通電コイルと接続され、
前記平面ばねは、前記集束レンズの側面を、前記ボイスコイルモータのハウジングの内側面と接続し、
前記集束レンズは、前記通電コイルが高周波交流電流の作用下にある場合、前記通電コイルによって生成された磁場と永久磁石の磁場との間の相互作用によって生成される高周波で周期的な作用力と、前記平面ばねが前記ハウジングの内側面から受ける反力による作用力と、を受け、２つの作用力の作用下で、前記集束レンズは超高周波で衛星回転運動をすること
を特徴とするレーザーヘッド。

【請求項2】

前記レーザー透過装置と前記キャビティの間にファイバーエンドキャップが配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザーヘッド。

【請求項3】

前記電気機械モジュールのハウジングの内側の下端には、第２の保護ガラスが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーヘッド。

【請求項4】

前記注入口、前記第１の保護ガラス、前記コリメートレンズ、前記光透過穴、前記集束レンズ、前記第２の保護ガラスは同心円状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザーヘッド。

【請求項5】

前記レーザー透過装置から放出されるレーザー光は、波長が１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍのガウスビームであることを特徴とする請求項１に記載のレーザーヘッド。

【請求項6】

前記コリメートレンズの直径は、すべてのビームを屈折範囲内に包むように、前記コリメートレンズが位置するところのガウスビームの断面サイズよりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載のレーザーヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー加工装置の技術分野に関し、特に、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザースポットとは、レーザービームとワークピースの交差面であり、レーザーの作用する位置、サイズ及びエネルギー密度分布を直接決定する。レーザースポットの動的調整を実現することは、レーザー処理のレベルを向上させるための鍵である。スポット制御を実現するために、サブアセンブリ光路、ガルバノメーター、及びその他のデバイスをレーザーヘッドに取り付けるのが一定の効果を得た普通の方式である。ただし、特に高度なスポットエネルギーの均質化が必要な作業条件（大規模なクリーニングなど）や、特に高いスポット移動速度が必要な作業条件（レーザー攪拌溶接など）など、多くの作業条件では、従来のレーザーヘッド内部光スポット調整戦略は、このような高速で応答性の高い調整要件を満たすことは困難である。

【0003】

理論的分析から、光スポットの高応答とインテリジェントな制御を実現するには、２つの重要な問題を突破する必要があり、１つ目は、元の光スポットのサイズを縮小し、同じ電力条件下でできるだけビーム濃度を上げ、光スポットを減らすことであり、２つ目は、元の光スポットの２次元空間における任意の方向での高速移動を実現することで、出力光スポットの制御可能性を総合的に向上させることである。なかでも、１つ目の重要な問題はレーザーと密接に関係しており、レーザー技術の継続的な開発により、この問題は徐々に克服される様子である。２つ目の問題は、出力ビームを調整して初めて解決することが可能となる。

【0004】

既存のレーザースポット制御方式には、スポット直接増幅タイプ、スポットビーム分割タイプ、スポットスイープタイプの３種類がある。

【0005】

スポット直接増幅タイプは、通常、光路内のレンズの相対位置を直接調整することで、スポットサイズの調整が可能であるが、総出力が一定であるため、出力密度の減衰を回避できず、
スポットビーム分割タイプは、レンズを使用してビーム分離を実現し、ｏｎｅ−ｔｏ−ｍａｎｙ方式を実現し、特定の特殊加工の場合に適しているが、スポット数は特定の範囲内でしか変更できないため、変更による効果は非常に限られ、
スポットスイープタイプは、現在５００Ｈｚ以下の振動周波数を達成でき、超高周波数（１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの振動周波数）を達成できず、ほとんどがガルバノメーター構造によって実現され、１０，０００ワットを超えるレーザー出力に耐えることができない。

【0006】

要約すると、現在のレーザー加工分野では、光スポットの形状を動的に調整することは困難であり、特に高応答の動的調整が難しいという問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は上記問題を解決するために、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドを提供することを目的とし、集束レンズは超高周波微振動を受け、コリメートされたレーザーが集束レンズを通過するとき、レーザーは集束レンズの超高周波微振動とともに超高周波微振動を実行する。このとき、集束レンズの振幅の変化に応じて出力スポット径がリアルタイムで変化して、スポット形状の高応答調整が可能になる。レーザー切断、レーザー溶接、レーザー積層成形などの要件を満たすようになる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決策を提供する。
本発明は、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドを提供し、これはレーザー透過装置、ミラーキャビティ、特殊な電気機械モジュール及び保護ノズルを含み、前記レーザー透過装置は、前記ミラーキャビティの頂部に配置され、前記ミラーキャビティの頂部に設けられた注入口から、レーザーを前記ミラーキャビティ内に注入し、第１の保護レンズとコリメートレンズが前記ミラーキャビティ内に上から下に順番に配置され、前記特殊な電気機械モジュールは、前記ミラーキャビティの底部に配置され、ハウジングを介してミラーキャビティと接続され、前記特殊な電気機械モジュールのハウジングの頂部と底部には、それぞれ光透過穴が設けられ、前記特殊な電気機械モジュールのハウジングには、さらに集束レンズが配置され、また、前記集束レンズと前記特殊な電気機械モジュールの間に平面ばねが配置されて、前記特殊な電気機械モジュールは、前記集束レンズの超高周波の微振動を駆動でき、前記保護ノズルは、前記特殊な電気機械モジュールの底部に配置されている。

【0009】

好ましくは、前記レーザー透過装置と前記ミラーキャビティの間にファイバーエンドキャップが配置される

【0010】

好ましくは、前記特殊な電気機械モジュールはボイスコイルモータであり、前記集束レンズのレンズベースは前記ボイスコイルモータの通電コイルと接続され、前記平面ばねは前記ボイスコイルモータのハウジングと接続されて、通電コイルが高周波交流電流の作用下にある場合、通電コイルによって生成された磁場と永久磁石の磁場との相互作用によって生成される高周波で、周期的の作用力は、前記集束レンズに作用し、前記集束レンズは同時に平面ばねの作用力を受け、前記２つの力の作用下で、集束レンズは超高周波で衛星回転運動をする。

【0011】

好ましくは、前記特別な特殊な電気機械モジュールが振動励振器である。

【0012】

好ましくは、前記特殊な電気機械モジュールのハウジングの内側の下端には、第２の保護ガラスが配置されている

【0013】

好ましくは、前記注入口、前記第１の保護ガラス、前記コリメートレンズ、前記光透過穴、前記集束レンズ、前記第２の保護ガラスは同心円状に配置されている。

【0014】

好ましくは、前記レーザー透過装置から放出されるレーザー光は、波長が１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍのガウスビームである。

【0015】

好ましくは、前記コリメートレンズの直径は、すべてのビームを屈折範囲内に包むように、前記コリメートレンズが位置するところでのガウスビームの断面サイズよりも大きくする。

【発明の効果】

【0016】

従来技術と比較して、本発明は、以下の有益な技術的効果を達成した。
１．本発明により提供される高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドは、集束レンズ、コリメートレンズ、およびファイバーエンドキャップのいずれか１つに対して超高周波微振動を行う。コリメートされたレーザー光が集束レンズを通過する場合、レーザー光は、集束された後、集束レンズの超高周波微振動とともに運動し、このとき、等価のスポット径は集束レンズの振幅の変化とともに変化する。多様な材料多様なレーザー処理技術のニーズを満たしたり、また、高出力処理の機会に適用できることを保証したりして、よって、レーザーが様々な場合や加工に適用できることを確かに実現することとなる。

【0017】

２．本発明により提供される高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドは、光スポット直接増幅タイプと比較して、特殊な電気機械モジュールを採用するため、対応する部品を駆動して超高周波微振動を行い、光点サイズの調整を実現し、電力密度の減衰を引き起こさない。スポットビーム分割タイプと比較して、本発明の集束レンズ、コリメートレンズ、またはファイバーエンドキャップは、光スポットを駆動して超高周波微振動を発生させるので、処理中で溶融プールはより制御可能であり、調整の柔軟性が高く、処理効果が改善される。スポットスイープタイプと比較して、本発明は特殊な電気機械モジュールを使用するため、その振動周波数は１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲うちにあり、既存のガルボモーターの周波数よりも高く、処理効果及び処理効率の点でガルバノメータレーザースイングシステムより優れている。

【0018】

本発明の実施形態、又は先行技術における技術的解決策をより明確に説明するために、以下に、実施形態に必要な図面を簡単に紹介する。明らかに、下記図面は単に本発明のいくつかの実施例に過ぎず、実施形態は、当業者にとって、創造的な作業なしで、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明における、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドの構造概略図である。

【図2】本発明における、ボイスコイルモータの構造の概略図である。

【図3】本発明における、集束レンズの振動運動概略図である。

【図4】本発明における、レーザー光が集束された後に集束面に形成された光スポットの分布図である。

【図5】本発明における、平面ばねの構造図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の実施形態における技術的解決策は、本発明の実施形態における図面と併せて以下に明確且つ完全に説明されるが、明らかに、記載された実施形態は、すべての実施形態ではなく、本発明の実施形態の一部にすぎない。本発明の実施形態に基づいて、創造的な作業なしに当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本発明の保護範囲に含まれる。

【0021】

本発明は、上記問題を解決するために、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドを提供することを目的とする。

【0022】

本発明の上記の目的、特徴及び利点をより明白且つ理解可能にするために、本発明を、図面及び特定の実施形態を参照して、以下でさらに詳細に説明する。

【0023】

本実施例における、高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドは、図１に示すように、レーザー透過装置１、ミラーキャビティ８、特殊な電気機械モジュール７及び保護ノズル１２を含み、レーザー透過装置１は、ミラーキャビティ８の頂部に配置され、ミラーキャビティ８の頂部に設けられた注入口から、レーザーをミラーキャビティ８内に注入し、第１の保護ガラス９とコリメートレンズ３がミラーキャビティ８内に上から下に順番に配置され、特殊な電気機械モジュール７は、ミラーキャビティ８の底部に配置され、ハウジングを介してミラーキャビティ８と接続され、特殊な電気機械モジュール７のハウジングの頂部と底部には、それぞれ光透過穴が設けられ、特殊な電気機械モジュール７のハウジング内には、さらに集束レンズ５が配置され、また、集束レンズ５と特殊な電気機械モジュール７の間に平面ばね６が配置されて、特殊な電気機械モジュール７は、集束レンズ５の超高周波の微振動を駆動でき、保護ノズル１２は、特殊な電気機械モジュール７の底部に配置されている。

【0024】

本実施例において、レーザー透過装置１とミラーキャビティ８の間にファイバーエンドキャップ１４が配置され、ファイバーエンドキャップ１４は、高出力ファイバーレーザー及び増幅器の出力端面処理用に設計された高出力装置であり、出力ビームを拡大することによって出力端での光出力密度を低減すると同時に、特殊な端面角度設計を採用して、端面でのエコー反射を大幅に低減した（−３５ｄＢほどよりもの改善）。ファイバーエンドキャップ１４（Ｅｎｄ Ｃａｐｓ）は、高ピークパワー、又は高平均パワーのレーザー（アンプ）の出力端に適用でき、出力ビームの歪みはほとんどない。

【0025】

本実施例において、特殊な電気機械モジュール７はボイスコイルモータ（図２に示す）でもよく、集束レンズ５のレンズベースはボイスコイルモータの通電コイル１６と接続され、平面ばね６はボイスコイルモータのハウジング１５と接続されて、通電コイル１６が高周波交流電流の作用下にある場合、通電コイル１６によって生成された磁場と永久磁石１７の磁場との間の相互作用によって生成される高周波で、周期的の作用力は、集束レンズ５に作用し、集束レンズ５は同時に平面ばね６の作用力をも受け、前記２つの力の作用下で、集束レンズ５は超高周波で衛星回転運動をする。

【0026】

本発明において、特別な特殊な電気機械モジュールは振動励振器、及び物体に高周波周期力を加えることができるその他の電気機械装置でもよく、その役割は、水平面内でファイバーエンドキャップ１４／集束レンズ５／コリメートレンズに高周波周期力を加えて、ファイバーエンドキャップ１４／集束レンズ５／コリメートレンズが水平面内で、それぞれ自体回転せず、中心を回って高周波に円運動を行うように回わせることである。

【0027】

本実施例において、特殊な電気機械モジュールのハウジングの内側の下端には、第２の保護ガラス１１が配置され、第２の保護ガラス１１の特定の厚さは１〜６ｍｍであり、その機能は、粒子などの汚染物質が当該特殊な電気機械モジュールに入るのを防ぎ、電気機械モジュール及び集束レンズ５が清浄な環境で機能し、汚染されないことを保証することである。

【0028】

本発明において、注入口、第１の保護ガラス９、コリメートレンズ３、光透過穴、集束レンズ５、第２の保護ガラスは同心円状に配置され、コリメートされたレーザーは、ちょうど静止した集束レンズ５の中心に向けて注入するようにする。

【0029】

本発明において、レーザー透過装置１は一定の出力の連続レーザー光を放出でき、このレーザー光は、波長が１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍのガウスビームであり、このビームは、レーザーフレキシブル処理のエネルギー源である。

【0030】

コリメートレンズ３は、すべてのビームを屈折範囲内に包むように、コリメートレンズ３の直径は、コリメートレンズが位置するところのガウスビームの断面サイズよりも大きくする。コリメートレンズ３は、入射光ビームを平行光ビームに調整でき、この平行光ビームは、基本的に、透過過程中に発散せず、平行状態で集束レンズ５に透過する。該レンズは通常のハイレンズであり、少なくとも１５，０００ワットのレーザー出力に耐えることができる。

【0031】

コリメートビーム４、その直径は、入射光２を生成するファイバのＮＡ値と、レーザー発光点からコリメータレンズの平面までの距離に依存し、コリメータレンズと集束レンズ５の作業面の最大径を超えない。

【0032】

集束レンズ５は、その振動概略図は図３に示すように、特殊な電気機械モジュール７と環状の平面ばね６との共同作用で、Ｘ方向とＹ方向に沿って、周波数が１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、振幅が０〜Ｄ（例えば、Ｄ＝５００μｍ、ただし５００μｍに限定されない）である超高周波微振動をし、最終的に円運動を合成し、その振動形態はそれ自体が回転することなく、それ自体の軸に平行な軸を回って超高周波に公転をすることである。

【0033】

平面ばね６は、その断面を図５に示すように、弾性係数がＫ＞ ５００Ｎ ／ ｍであり、特殊な電気機械モジュール７の作用下で移動した後、集束レンズ５が迅速に跳ね返り、よって集束レンズ５の振動周波数を１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間にする。

【0034】

保護ガラス９は、特定の厚さは１〜６ｍｍであり、その機能は、粒子等がその下のレンズに接触するのを防ぎ、レンズ及びレンズキャビティ８への汚染を回避することである。

【0035】

レーザー集束ビーム１０は集束レンズ５と同じ周波数で振動し、最終的に焦点面上で最小の直径のスポットに集束される。

【0036】

保護ノズル１２は、特殊な電気機械モジュール７の真下に設置され、その機能は、レーザーがワークピースに作用するときに発生するスプラッシュがその上のミラーキャビティ８及び電気機械モジュール８に入るのを防ぎ、クリーンな環境で動作できるようにすることである。

【0037】

レーザー集束面１３、光スポットの静止時の直径がｄ（ｄは１０〜１００μｍ）である。集束レンズ５が作動する場合、集束後、レーザーは図４に示すように平面に光スポットを形成し、このとき、等価光スポット径Ｓ（Ｓ＝０．５ｄ＋Ｄ）に変更し、この時点で形成される光スポットの出力密度は低下しないが、等価直径が大きくなり、多くの場合のレーザーフレキシブル処理に適合できる。

【0038】

本発明は、等価光スポット径を変更する新しい方法を初めて提案し、この方法では、出力密度が本質的に低下しないことを保証し、また、レーザー加工プロセス中にリアルタイムで光スポット径を変更し、ワークピースのインテリジェント加工を実現し、良好な加工効果を得ることができる。特殊な電気機械モジュール７を使用して、集束レンズ５、コリメータレンズ、及びファイバーエンドキャップ１４のいずれか１つを駆動して、０ないしＤ（例えば、Ｄ＝５００μｍ、ただし５００μｍに限定されない）の超高周波微振動を実行し、振動周波数は１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲うちである。このシステムと方法は、レーザー切断、レーザー溶接、レーザーの積層造形及びサブトラクティブ製造など、ファイバーコアの直径を変更する必要があるレーザー処理の場合に適する。集束レンズ５、コリメートレンズ、出力ファイバのいずれかの振動モードは、それ自体が回転せずに、それ自体の軸に平行な軸を回って超高周波で公転をすることである。

【0039】

本発明は、特定の例を使用して、本発明の原理及び実施を説明する。上記の例の説明は、本発明の方法及びコアアイデアを理解するためのものに過ぎず、同時に、当業者にとって、本発明のアイデアによれば、特定の実施及び適用範囲について変更を行うことができる。要約すると、本明細書の内容は、本発明の限定として解釈されるべきではない。

【符号の説明】

【0040】

１ レーザー透過装置
２ 入射光線
３ コリメートレンズ
４ コリメートビーム
５ 集束レンズ
６ 平面ばね
７ 特殊な電気機械モジュール
８ ミラーキャビティ
９ 第１の保護ガラス
１０ レーザー集束ビーム
１１ 第２の保護ガラス
１２ 保護ノズル
１３ レーザー集束平面
１４ ファイバーエンドキャップ
１５ ボイスコイルモータハウジング
１６ 通電コイル
１７ マグネット

【要約】      （修正有）

【課題】高周波や超高周波微震動を利用してレーザースポットの動的調整を実現するレーザーヘッドを提供する
【解決手段】レーザー透過装置１、ミラーキャビティ８、特殊な電気機械モジュール７及び保護ノズル１２を含み、レーザー透過装置は、ミラーキャビティの頂部に配置され、第１の保護レンズとコリメートレンズがミラーキャビティ内に配置され、電気機械モジュールがミラーキャビティの底部に位置して、ハウジングを介してミラーキャビティに連続し、電気機械モジュールのハウジング内部には、さらに集束レンズが配置され電気機械モジュールの間に平面ばね６が配置されて、前記集束レンズの超高周波の微振動を駆動する。本発明において、集束レンズの振幅の変化に伴い、出力スポット径がリアルタイムで変化する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】