特開 2022-95022 レーザヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022095022

(43)【公開日】2022-06-28

(54)【発明の名称】レーザヘッド

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20220621BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020208099

(22)【出願日】2020-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】100135389

【弁理士】

【氏名又は名称】臼井 尚

(72)【発明者】

【氏名】玉城 怜士

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD07

4E168BA00

4E168BA41

4E168EA11

4E168EA17

4E168EA22

4E168EA24

4E168EA25

4E168KB03

4E168KB05

(57)【要約】

【課題】 より容易に光学素子を交換することが可能なレーザヘッドを提供すること。
【解決手段】 入射したレーザ光を屈折させて出射するレンズ２１を備えるレーザヘッドでＡ１あって、レーザ光を透過させる複数の光学素子３１，３２，３３，３４と、複数の光学素子３１，３２，３３，３４の各々を、レーザ光の光路に交差する位置である機能位置と、光路Ｏｐから退避した退避位置と、に移動させる移動機構６と、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射したレーザ光を屈折させて出射するレンズを備えるレーザヘッドであって、
前記レーザ光を透過させる複数の光学素子と、
前記複数の光学素子の各々を、前記レーザ光の光路に交差する位置である機能位置と、前記光路から退避した退避位置と、に移動させる移動機構と、を備える、レーザヘッド。

【請求項2】

前記複数の光学素子の前記機能位置は、前記光路に沿った方向における位置が互いに異なる２つの前記光学素子を含む、請求項１に記載のレーザヘッド。

【請求項3】

前記移動機構は、前記複数の光学素子の各々を、円弧軌道に沿って移動させる、請求項１または２に記載のレーザヘッド。

【請求項4】

前記複数の光学素子は、回折光学素子を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザヘッド。

【請求項5】

前記レンズは、コリメーターレンズであり、
前記複数の光学素子の前記機能位置は、前記光路に沿った方向において前記レンズに対して出射側に位置する、請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光を用いたレーザ加工は、レーザ溶接、レーザ切断等の種々の加工手段として用いられる。特許文献１，２には、従来のレーザ加工に用いられるレーザヘッドの例が開示されている。これらの文献に開示されたレーザヘッドは、コリメーターレンズと回折光学素子とを備える。コリメーターレンズは、入射したレーザ光を所望のスポット径に集光する光学部品である。回折光学素子は、コリメーターレンズから出射された光を透過することにより、たとえばレーザ光の照射形状を任意に設定するためのものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実開昭６４－５７９０号公報

【特許文献2】実開昭６３－１０１１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の特許文献に開示されたレーザヘッドは、回折光学素子が交換可能に構成されている。しかしながら、回折光学素子の交換に際しては、ねじ止め等の固定機構を手作業によって解除し、使用中の回折光学素子を取り除く。そして、新たな回折光学素子をレーザヘッドに装着し、ねじ止め等の固定作業を行う。このため、レーザ加工を行う状態から、レーザヘッドを退避させ、交換作業を行った後に、レーザヘッドを再び加工可能な状態に設定することが強いられていた。

【0005】

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、より容易に光学素子を交換することが可能なレーザヘッドを提供することをその課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によって提供されるレーザヘッドは、入射したレーザ光を屈折させて出射するレンズを備えるレーザヘッドであって、前記レーザ光を透過させる複数の光学素子と、前記複数の光学素子の各々を、前記レーザ光の光路に交差する位置である機能位置と、前記光路から退避した退避位置と、に移動させる移動機構と、を備える。

【0007】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数の光学素子の前記機能位置は、前記光路に沿った方向における位置が互いに異なる２つの前記光学素子を含む。

【0008】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記移動機構は、前記複数の光学素子の各々を、円弧軌道に沿って移動させる。

【0009】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数の光学素子は、回折光学素子を含む。

【0010】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記レンズは、コリメーターレンズであり、
前記複数の光学素子の前記機能位置は、前記光路に沿った方向において前記レンズに対して出射側に位置する。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るレーザヘッドによれば、より容易に光学素子を交換することができる。

【0012】

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

【0013】

本発明によれば、より容易に光学素子を交換することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドが用いられたレーザ加工システムを示す概略斜視図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドを示す要部平面図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドの使用状態の一例を示す、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は要部断面図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドの使用状態の他の例を示す、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は要部断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係るレーザヘッドを示す要部平面図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係るレーザヘッドを示す要部平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

【0016】

＜第１実施形態 レーザヘッドＡ１＞
図１～図５は、本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドが用いられたレーザ加工システムを示している。本実施形態のレーザヘッドＡ１は、レーザ発振器Ｌｏ等のレーザ供給源から光ファイバ等を経由して送られてきたレーザ光が入射され、加工対象物Ｏｂの加工に適した光を出射するものである。レーザヘッドＡ１を用いたレーザ加工は何ら限定されず、レーザ溶接、レーザ切断、レーザ表面処理等が適宜挙げられる。また、レーザ溶接は、レーザ光を単独で用いた溶接に限定されず、たとえばレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うハイブリッド溶接であってもよい。

【0017】

本実施形態のレーザヘッドＡ１は、ケース１、複数のレンズ２１，２２、複数の保護ガラス２５，２６、複数の光学素子３１～３４および移動機構６を備えている。なお、図１、図２、図４（ａ）、図５（ａ）においては、理解の便宜上、光学素子３１～３４のそれぞれに離散点からなるハッチングを付している。また、図２、図４（ａ）、図５（ａ）においては、理解の便宜上、ケース１を省略している。また、レーザヘッドＡ１に入射し、その後出射されるレーザ光の光路Ｏｐは、ｚ方向に沿って延びており、レーザ光は、図１および図３のｚ方向の図中上方から下方に向かって進行する。

【0018】

〔ケース１〕
ケース１は、複数のレンズ２１，２２、複数の保護ガラス２５，２６、複数の光学素子３１～３４および移動機構６を支持したり、収容したりするものである。ケース１の材質は何ら限定されず、レーザヘッドＡ１を用いたレーザ加工に起因する温度等の環境に適したものが適宜選択され、たとえば金属が選択される。また、ケース１は、水冷機構または空冷機構（いずれも図示略）等が適宜設けられていてもよい。また、ケース１内には、不活性ガス等が適宜吹き込まれていてもよい。

【0019】

本実施形態においては、ケース１は、箱状部１１、筒状部１２および筒状部１３を有する。箱状部１１は、全体として箱状の部位である。箱状部１１は、開口１１１および開口１１２を有する。開口１１１および開口１１２は、ｚ方向に貫通する貫通孔からなり、光路Ｏｐが通過する部位である。開口１１１は、光路Ｏｐの入射側に位置しており、開口１１２は、光路Ｏｐの出射側に位置している。

【0020】

筒状部１２は、箱状部１１の入射側に設けられており、図示された例においては、円筒形状である。筒状部１２は、開口１２１および開口１２２を有する。開口１２１は、光路Ｏｐの入射側に位置しており、開口１２２は、光路Ｏｐの出射側に位置している。筒状部１３は、箱状部１１の出射側に設けられており、図示された例においては、円筒形状である。筒状部１３は、開口１３１および開口１３２を有する。開口１３１は、光路Ｏｐの入射側に位置しており、開口１３２は、光路Ｏｐの出射側に位置している。

【0021】

〔レンズ２１，２２〕
複数のレンズ２１，２２は、レーザ発振器Ｌｏからのレーザ光を所望のスポット径に集光等するための光学部品であり、光路Ｏｐと交差している。レンズ２１，２２の具体的構成は何ら限定されず、本実施形態においては、レンズ２１は、コリメーターレンズである。レンズ２１は、筒状部１２の開口１２２に対して若干入射側の位置に配置されている。レンズ２２は、筒状部１３の開口１３１に対して若干出射側の位置に配置されている。

【0022】

〔保護ガラス２５，２６〕
複数の保護ガラス２５，２６は、レンズ２１，２２および光学素子３１～３４等を保護するためのものであり、レーザ発振器Ｌｏからのレーザ光を極力減衰させない透明なガラス等からなる。保護ガラス２５は、筒状部１２の開口１２１に配置されている。保護ガラス２６は、筒状部１３の開口１３２に配置されている。

【0023】

〔光学素子３１～３４〕
複数の光学素子３１～３４は、レーザ光を透過させることにより、レーザヘッドＡ１のレーザ加工に適した性状にレーザ光を変化させる素子である。なお、本発明のレーザヘッドが備える光学素子の個数は何ら限定されず、２個および３個であってもよいし、５個以上であってもよい。光学素子３１～３４の具体例は何ら限定されず、たとえば回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）、各種の光学フィルタ、各種のレンズ等が適宜挙げられる。本実施形態においては、複数の光学素子３１～３４が回折光学素子である場合を例に説明する。複数の光学素子３１～３４が回折光学素子である場合、各々は扁平な板状の部材であり、図示された例においては、円形状とされている。回折光学素子は、光の回折を利用して、レーザ光の照射形状や照射パターンを任意に設定するものである。

【0024】

〔移動機構６〕
移動機構６は、複数の光学素子３１～３４を移動させる機構である。本実施形態においては、移動機構６は、光学素子３１を退避位置Ｐｅ１と機能位置Ｐｗとに移動させ、光学素子３２を退避位置Ｐｅ２と機能位置Ｐｗとに移動させ、光学素子３２を退避位置Ｐｅ３と機能位置Ｐｗとに移動させ、光学素子３４を退避位置Ｐｅ４と機能位置Ｐｗとに移動させる。機能位置Ｐｗは、レーザ光の光路Ｏｐに交差する位置であり、複数の光学素子３１～３４の各々が位置することにより、複数の光学素子３１～３４が回折光学素子として機能する位置である。退避位置Ｐｅ１～Ｐｅ４は、光路Ｏｐから退避した退避位置であり、複数の光学素子３１～３４が光路Ｏｐと交差しないため回折光学素子として機能しない位置である。

【0025】

移動機構６の具体的構成は、何ら限定されず、複数の光学素子３１～３４を上述の機能位置Ｐｗと退避位置Ｐｅ１～Ｐｅ４とにそれぞれ移動させる構成であればよい。本実施形態の移動機構６は、フレーム７１～フレーム７４およびモータ８１～モータ８４を有する。

【0026】

フレーム７１およびモータ８１は、光学素子３１を円弧軌道である軌道Ｒ１に沿って移動させるものである。フレーム７１は、たとえば金属からなり支持部７１１およびロッド７１２を有する。支持部７１１は、円形のリング状の部位であり、光学素子３１を支持している。ロッド７１２は、支持部７１１から延出しており、モータ８１に連結されている。モータ８１は、たとえばサーボモータであり、フレーム７１を旋回させる駆動源である。なお、上述の機能位置Ｐｗおよび退避位置Ｐｅ１に光学素子３１を位置させるために、ロータリーエンコーダ、近接スイッチ等のセンサや、ストッパ部材等を適宜採用してもよい。

【0027】

フレーム７２～フレーム７４は、フレーム７１と類似の構成であり、フレーム７２が支持部７２１およびロッド７２２を有し、フレーム７３が支持部７３１およびロッド７３２を有し、フレーム７４が支持部７４１およびロッド７４２を有する。光学素子３２が支持部７２１に支持されており、光学素子３３が支持部７３１に支持されており、光学素子３４が支持部７４１に支持されている。また、ロッド７２２がモータ８２に連結されており、ロッド７３２がモータ８３に連結されており、ロッド７４２がモータ８４に連結されている。これにより、光学素子３１と同様に、光学素子３２は、軌道Ｒ２に沿って移動させられ、光学素子３３は、軌道Ｒ３に沿って移動させられ、光学素子３４は、軌道Ｒ４に沿って移動させられる。軌道Ｒ２～Ｒ４は、いずれも円弧軌道である。

【0028】

図２および図３に示すように、光学素子３１，３２は、機能位置Ｐｗに対してｘ方向の図中右方に設けられている。光学素子３３，３４は、機能位置Ｐｗに対してｘ方向の図中左方に設けられている。また、図１および図３から理解されるように、光学素子３１と光学素子３２とは、光路Ｏｐに沿った方向であるｚ方向において互いに異なる位置に配置されている。また、光学素子３３と光学素子３４とは、ｚ方向において互いに異なる位置に配置されている。また、図示された例においては、光学素子３１と光学素子３３とのｚ方向における位置が同じであり、光学素子３２と光学素子３４とのｚ方向における位置が同じである。

【0029】

また、光学素子３１～３４は、ｚ方向においてコリメーターレンズであるレンズ２１に対して出射側に位置している。また、光学素子３１～３４は、ｚ方向においてレンズ２１とレンズ２２との間に位置している。

【0030】

図３に示すように、本実施形態においては、モータ８１およびモータ８３が、箱状部１１のｚ方向における入射側の部分に取り付けられており、モータ８２およびモータ８４が、箱状部１１のｚ方向における出射側の部分に取り付けられている。モータ８１とモータ８２との間にフレーム７１およびフレーム７２が配置されており、モータ８３とモータ８４との間にフレーム７３およびフレーム７４が配置されている。

【0031】

図４は、レーザヘッドＡ１の使用状態の一例を示している。図示された状態においては、モータ８１の駆動によってフレーム７１が旋回し、光学素子３１が軌道Ｒ１に沿って退避位置Ｐｅ１から機能位置Ｐｗに位置している。一方、モータ８２～８４は、フレーム７２～７４を旋回させておらず、光学素子３２～光学素子３４は、それぞれ退避位置Ｐｅ２～Ｐｅ４に位置している。この場合、レンズ２１から出射されたレーザ光は、光学素子３１を透過してレンズ２２に入射する。このため、レーザヘッドＡ１から出射されるレーザ光は、光学素子３１の機能によって所望の照射形状や照射パターンに設定される。

【0032】

図５は、レーザヘッドＡ１の使用状態の他の例を示している。図示された状態においては、モータ８１の駆動によってフレーム７１が旋回し、光学素子３１が軌道Ｒ１に沿って退避位置Ｐｅ１から機能位置Ｐｗに位置している。また、モータ８４の駆動によってフレーム７４が旋回し、光学素子３４が軌道Ｒ４に沿って退避位置Ｐｅ４から機能位置Ｐｗに位置している。この場合、同図（ｂ）に示すように、光学素子３１と光学素子３４とは、ｚ方向において異なる位置に配置されており、いずれもが光路Ｏｐと交差している。そして、レンズ２１から出射されたレーザ光は、光学素子３１と光学素子３４とを透過してレンズ２２に入射する。このため、レーザヘッドＡ１から出射されるレーザ光は、光学素子３１と光学素子３４との機能によって所望の照射形状や照射パターンに設定される。

【0033】

なお、レーザヘッドＡ１の構成によれば、機能位置Ｐｗに、光学素子３１～３４のいずれか一つのみが位置する状態と、光学素子３１および光学素子３４が位置する状態と、光学素子３１および光学素子３２が位置する状態と、光学素子３３および光学素子３４が位置する状態と、光学素子３２および光学素子３３が位置する状態と、が選択可能である。

【0034】

次に、レーザヘッドＡ１の作用について説明する。

【0035】

本実施形態によれば、移動機構６によって、複数の光学素子３１～３４のいずれかを機能位置Ｐｗから退避させ、複数の光学素子３１～３４の他のものを機能位置Ｐｗに移動させることが可能である。このため、レーザヘッドＡ１をレーザ加工を行う状態から退避させ、光学素子の交換作業を行った後に、再び加工可能な状態にレーザヘッドＡ１を設定することが不要である。したがって、レーザヘッドＡ１によれば、より容易に光学素子を交換することができる。

【0036】

光学素子３１および光学素子３３と、光学素子３２および光学素子３４とは、ｚ方向における位置が互いに異なる。これにより、図５に示すように、複数の光学素子３１～３４のうちｚ方向における位置が互いに異なる２つを、機能位置Ｐｗに同時に配置することが可能である。したがって、機能位置Ｐｗにおける複数の光学素子３１～３４の配置バリエーションを増加させることが可能であり、レーザヘッドＡ１によるレーザ加工をより多様化させることができる。

【0037】

複数の光学素子３１～３４が移動させられる軌道Ｒ１～Ｒ４が円弧軌道であることにより、それぞれの移動がこじたりすることを低減し、よりスムーズな移動を実現可能である。また、移動機構６の小型化に有利である。

【0038】

複数の光学素子３１～３４が回折光学素子であることにより、機能位置Ｐｗにおける光学素子３１～３４の光路Ｏｐに対する位置に若干の誤差があっても、光学素子３１～３４の機能が即座に乱されにくい。したがって、移動機構６の移動精度を過度に高める必要がなく、機構の簡素化やコスト低減に有利である。

【0039】

複数の光学素子３１～３４は、機能位置Ｐｗにおいてコリメーターレンズであるレンズ２１の出射側に配置されている。これにより、レンズ２１による集光機能を不当に妨げることなく、複数の光学素子３１～３４のそれぞれによる照射形状や照射パターンの設定を適切に機能させることができる。

【0040】

図６および図７は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

【0041】

＜第２実施形態 レーザヘッドＡ２＞
図６は、本発明の第２実施形態に係るレーザヘッドを示している。本実施形態のレーザヘッドＡ２においては、移動機構６の構成が上述した実施形態と異なっている。本実施形態においては、複数の光学素子３１～３４が、直線状の軌道である軌道Ｒ１～Ｒ４に沿って移動させられる。

【0042】

軌道Ｒ１～Ｒ４に沿って移動させるための移動機構６の具体的構成は何ら限定されない。本実施形態においては、移動機構６は、直動アクチュエータ８５～８８を有する。直動アクチュエータ８５～８８は、フレーム７１～７４を、軌道Ｒ１～Ｒ４に沿って機能位置Ｐｗと退避位置Ｐｅ１～Ｐｅ４の間をそれぞれ往復動させる駆動源である。直動アクチュエータ８５～８８は、たとえば電動シリンダやエアシリンダ等を適宜用いればよい。また、複数の光学素子３１～３４のｚ方向における位置は、レーザヘッドＡ１と同様であってもよいし、異なっていてもよい。

【0043】

本実施形態によっても、複数の光学素子３１～３４をより容易に交換することができる。また、本実施形態から理解されるように、複数の光学素子３１～３４を移動させる軌道Ｒ１～Ｒ４の軌道形状は何ら限定されず、円弧形状、直線形状、曲線形状等の種々の形状を適宜採用可能である。また、複数の軌道Ｒ１～Ｒ４は、互いの軌道形状が異なっていてもよい。

【0044】

＜第３実施形態 レーザヘッドＡ３＞
図７は、本発明の第３実施形態に係るレーザヘッドを示している。本実施形態のレーザヘッドＡ３は、移動機構６の構成が上述した実施形態と異なっている。本実施形態においては、複数の光学素子３１～３４が、単一の円形状の軌道Ｒに沿って、一括して移動させられる。

【0045】

本実施形態の移動機構６は、フレーム７５を有する。フレーム７５は、全体として円形状であり、複数の開口７５０～７５４および回転軸７５９を有する。回転軸７５９は、図示しないモータ等の駆動源に連結されており、フレーム７５の回転中心である。複数の開口７５０～７５４は、各々がフレーム７５をｚ方向に貫通する貫通孔であり、回転軸７５９を中心とする同一の円上に等ピッチで配置されている。

【0046】

開口７５１には光学素子３１が配置されており、開口７５２には光学素子３２が配置されており、開口７５３には光学素子３３が配置されており、開口７５４には光学素子３４が配置されている。開口７５０には、光学素子等が配置されていない。また、本実施形態においては、複数の光学素子３１～３４は、ｚ方向において互いに同じ位置に配置されている。レーザヘッドＡ３の使用時には、フレーム７５を回転させることにより、機能位置Ｐｗに開口７５０または光学素子３１～３４のいずれかを択一的に位置させる。

【0047】

本実施形態によっても、複数の光学素子３１～３４をより容易に交換することができる。また、本実施形態においては、移動機構６として、フレーム７５を回転させる１つのみのモータ等の駆動源を備えればよい。また、複数の光学素子３１～３４がｚ方向における位置が同じであることにより、レーザヘッドＡ３のｚ方向の寸法を縮小させることができる。

【0048】

本発明に係るレーザヘッドは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るレーザヘッドの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

【符号の説明】

【0049】

Ａ１ ，Ａ２，Ａ３：レーザヘッド
１ ：ケース
１１ ：箱状部
１２，１３：筒状部
１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２：開口
２１，２２：レンズ
２５，２６：保護ガラス
３１，３２，３３，３４：光学素子
６ ：移動機構
７１，７２，７３，７４，７５：フレーム
８１，８２，８３，８４：モータ
８５，８６，８７，８８：直動アクチュエータ
７１１，７２１，７３１，７４１：支持部
７１２，７２２，７３２，７４２：ロッド
７５０，７５１，７５２，７５３，７５４：開口
７５９ ：回転軸
Ｌｏ ：レーザ発振器
Ｏｂ ：加工対象物
Ｏｐ ：光路
Ｐｅ１，Ｐｅ２，Ｐｅ３，Ｐｅ４，Ｐｗ：機能位置
Ｒ ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４：軌道

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】