特開 2024-164531 レーザ装置

(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】P2024164531

(43)【公開日】2024-11-27

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20241120BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20241120BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20241120BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 A

B23K26/073

B23K26/067

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080079

(22)【出願日】2023-05-15

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】田中 研太

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA37

4E168CB03

4E168CB04

4E168DA36

4E168DA39

4E168EA02

4E168EA07

4E168EA13

4E168EA14

4E168EA15

4E168EA17

(57)【要約】

【課題】レーザビームの作用を受ける部材、例えばフィラワイヤ等を、環状のビーム断面を有するレーザビームの中央部分に、レーザビームの経路を遮ることなく配置することが可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】環状成形光学部品が、レーザビームのビームプロファイルを環状に成形する。環状成形光学部品によって成形された環状のビームプロファイルを有するレーザビームのビーム断面を、分岐光学部品が分割し、相互に空間的に隔てられた２つの分岐レーザビームを生成する。再合成光学部品が、２つの分岐レーザビームを、環状のビームプロファイルを有するレーザビームに再合成する。２つの分岐レーザビームで囲まれた空間の外側から、２つの分岐レーザビームの間の空間を経由して、再合成光学部品により再合成される位置まで、ガイド構造が、レーザビームの作用を受ける部材を案内する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビームのビームプロファイルを環状に成形する環状成形光学部品と、
前記環状成形光学部品によって成形された環状のビームプロファイルを有するレーザビームのビーム断面を分割し、相互に空間的に隔てられた２つの分岐レーザビームを生成する分岐光学部品と、
前記２つの分岐レーザビームを、環状のビームプロファイルを有するレーザビームに再合成する再合成光学部品と、
前記２つの分岐レーザビームで囲まれた空間の外側から、前記２つの分岐レーザビームの間の空間を経由して、前記再合成光学部品により再合成される位置まで、レーザビームの作用を受ける部材を案内するガイド構造と
を備えたレーザ装置。

【請求項2】

さらに、前記再合成光学部品によって再合成されたレーザビームを、対象物に向けて集光させる集光光学部品を備えた請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記ガイド構造は、前記集光光学部品による集光箇所に向って、前記集光箇所の手前まで延びている請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記環状成形光学部品は、２枚のアキシコンレンズを含み、前記再合成光学部品より前のレーザビームの経路でビーム径を大径化している請求項２または３に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記再合成光学部品と前記集光光学部品との間のレーザビームの経路に、ビーム径を大径化する大径化光学部品が配置されている請求項２または３に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記ガイド構造は、先端から前記部材を繰り出す構造を有し、
前記対象物から前記ガイド構造の先端までの距離を変化させる昇降機構を、さらに備えた請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記ガイド構造は、先端から前記部材を繰り出す構造を有し、
前記ガイド構造の先端を、レーザビームの経路と交差する方向に移動させる変位機構を、さらに備えた請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記分岐光学部品及び前記再合成光学部品のそれぞれは、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な屈折部材をルーフ型に組み合わせた光学部材を含む請求項１、２、３、６、及び７のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項9】

前記分岐光学部品は、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な板状の第１屈折部材及び第２屈折部材を含み、
前記第１屈折部材の入射側の表面の１つの縁は直線であり、入射するレーザビームの中心軸を通過し、入射するレーザビームを、分岐前のレーザビームの中心軸から離れる向きに屈折させ、
前記第２屈折部材は、前記第１屈折部材を通過しなかったレーザビームを、分岐前のレーザビームの中心軸から離れる向きに屈折させ、
前記第１屈折部材及び前記第２屈折部材のそれぞれを透過した２本の分岐レーザビームの進行方向が相互に平行である請求項１、２、３、６、及び７のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項10】

前記分岐光学部品と前記再合成光学部品との間のレーザビームの経路に配置され、レーザビームをウォブリングするウォブリング光学部品を、さらに備えた請求項１、２、３、６、及び７のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ溶接において、加工点の横からフィラワイヤや金属粉末を供給し、フィラワイヤや金属粉末を溶かし込みながら溶接を行う肉盛り溶接技術が知られている。肉盛り溶接を行う場合に、一般的にフィラワイヤは、溶接の進行方向の前方から加工点に向けて供給される。フィラワイヤや金属粉末を加工点に供給するガイド機構の存在が、ワークへのアクセスの大きな制限となっていた。この制限を緩和するために、レーザビームと同軸にフィラワイヤや金属粉末を供給する技術が提案されている（特許文献１）。

【0003】

特許文献１に開示されたレーザ溶接装置では、レーザビームの断面を円環状（リング状）にし、円環形状の中央部分に金属粉末のガイド構造（供給管）を配置し、ガイド構造から金属粉末を加工点に向けて供給するとともに、リング状のレーザビームを加工点に集光する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６５２９６１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された溶接装置では、リング状のレーザビームを折返す折返しミラーに設けた貫通孔を通して、ガイド構造をレーザビームの中心部に挿入する。このとき、レーザビームのリング状のビーム断面の一部分がガイド構造と空間的に干渉し、ビーム断面の一部分を通過するレーザビームがガイド構造で遮光されてしまう。これにより、レーザビームのエネルギ損失や、ガイド構造の損傷等が発生する。また、レーザビームの経路の一部分が遮光されることにより、加工点におけるビームプロファイルに方向性が現れる。これにより、溶接品質が低下する場合がある。

【0006】

本発明の目的は、レーザビームの作用を受ける部材、例えばフィラワイヤ等を、環状のビーム断面を有するレーザビームの中央部分に、レーザビームの経路を遮ることなく配置することが可能なレーザ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一観点によると、
レーザビームのビームプロファイルを環状に成形する環状成形光学部品と、
前記環状成形光学部品によって成形された環状のビームプロファイルを有するレーザビームのビーム断面を分割し、相互に空間的に隔てられた２つの分岐レーザビームを生成する分岐光学部品と、
前記２つの分岐レーザビームを、環状のビームプロファイルを有するレーザビームに再合成する再合成光学部品と、
前記２つの分岐レーザビームで囲まれた空間の外側から、前記２つの分岐レーザビームの間の空間を経由して、前記再合成光学部品により再合成される位置まで、レーザビームの作用を受ける部材を案内するガイド構造と
を備えたレーザ装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

ガイド構造を環状のレーザビームの内部に挿入する箇所において、１本のレーザビームが相互に空間的に隔てられた２つの分岐レーザビームに分岐されている。このため、レーザビームに遮られることなく、２つのレーザビームの間の空間にガイド構造を挿入することができる。ガイド構造が挿入された箇所より下流側で、２つの分岐レーザビームを合成して１本のレーザビームに再合成すると、環状のレーザビームの内部にガイド構造が配置された構成が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施例によるレーザ装置の概略図である。

【図2】図２は、集光光学部品の焦点位置からずれた位置におけるビームプロファイルのシミュレーション結果を、再合成光学部品を配置した場合と、配置しない場合について示す図である。

【図3】図３Ａは、集光光学部品、ガイド構造、ワーク、及びレーザビームの位置関係を示す模式図であり、図３Ｂは、ガイド構造とレーザビームとが空間的に干渉しないための条件を示すグラフである。

【図4】図４は、第１実施例の変形例によるレーザ装置の光学系を示す模式図である。

【図5】図５は、第１実施例の他の変形例によるレーザ装置の光学系を示す模式図である。

【図6】図６は、第１実施例のさらに他の変形例によるレーザ装置の光学系を示す模式図である。

【図7】図７は、第２実施例によるレーザ装置の概略図である。

【図8】図８は、第２実施例の変形例によるレーザ装置の概略図である。

【図9】図９は、第２実施例の他の変形例によるレーザ装置の概略図である。

【図10】図１０は、第２実施例のさらに他の変形例によるレーザ装置の概略図である。

【図11】図１１は、第３実施例によるレーザ装置の概略図である。

【図12】図１２Ａは、ガイド構造をｚ方向に昇降させる昇降機構の一例を示す図であり、図１２Ｂは、ガイド構造をｚ方向に昇降させる昇降機構の他の例を示す図であり、図１２Ｃは、ガイド構造をｘｙ面内で移動させる変位機構を示す図である。

【図13】図１３Ａ及び図１３Ｂは、第４実施例によるレーザ装置の概略図である。

【図14】図１４Ａは、第１実施例によるレーザ装置に用いられている分岐光学部品及び再合成光学部品の概略図、及びビーム断面の模式図であり、図１４Ｂは、第５実施例によるレーザ装置に用いられている分岐光学部品及び再合成光学部品の概略図、及びビーム断面の模式図である。

【図15】図１５は、レーザ溶接装置の概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図３Ｂを参照して、第１実施例によるレーザ装置について説明する。
図１は、第１実施例によるレーザ装置の概略図である。レーザ伝送ファイバ１０の出力端から出力されたレーザビーム１５が、コリメートレンズ１１でコリメートされる。コリメートレンズ１１でコリメートされたレーザビーム１５が、環状成形光学部品２０、分岐光学部品３０、折返しミラー３５、再合成光学部品４０、集光光学部品６０、及び保護ウィンドウ６１を経由して、加工対象物であるワーク６５に入射する。

【0011】

レーザビーム１５の進行方向をｚ軸の正の向きとし、折返しミラー３５への入射面をｘｚ面とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図１において、折返しミラー３５で反射される前のレーザビーム１５に対しては、左向きがｚ軸の正の向きに相当し、上向きがｘ軸の正の向きに相当する。反射後のレーザビーム１５に対しては、下向きがｚ軸の正の向きに相当し、右向きがｘ軸の正の向きに相当する。また、紙面の手前から奥行き方向が、ｙ軸の正の向きに相当する。図１において、レーザビーム１５の経路の種々の位置のｘｙ面内におけるビーム断面形状を示している。

【0012】

コリメートレンズ１１を通過した位置におけるレーザビーム１５Ａのビーム断面は円形である。一例として、ビームプロファイルはガウシアン形状である。環状成形光学部品２０は、レーザビームのビーム断面を環状形状に変換する。例えば、環状成形光学部品２０を通過した位置におけるレーザビーム１５Ｂのビーム断面は、円環状（リング状）である。本明細書において、円環部分の内側のパワー密度が十分低い領域を中空部分という場合がある。環状成形光学部品２０は、例えば２枚のアキシコンレンズ２０Ａ、２０Ｂで構成される。

【0013】

分岐光学部品３０は、環状のビームプロファイルを有するレーザビーム１５Ｂのビーム断面を分割し、相互に空間的に隔てられた２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２を生成する。分岐光学部品３０は、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な２つの屈折部材をルーフ型に組み合わせた光学部材で構成される。分岐光学部品３０は、入射側の２つの平面の交線が谷線となり、出射側の２つの平面の交線が尾根線となり、谷線及び尾根線がｘ軸に平行になる姿勢で配置されている。谷線及び尾根線は、入射するレーザビーム１５Ｂのビーム断面の中心を通過する。また、入射側の２つの平面の、レーザビーム１５Ｂの中心軸に対する傾斜角（ｚ軸に対する傾斜角）は同一である。このため、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２は、ｙ方向に空間的に隔てられることになる。

【0014】

分岐光学部品３０で２分岐された分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が、折返しミラー３５に、例えば入射角４５°で入射する。折返しミラー３５で反射した後の分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２も、ｙ方向に隔てられている。折返しミラー３５の反射面のうち、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２のビーム断面の幾何中心に相当する位置に貫通孔３５Ｈが設けられている。

【0015】

筒状のガイド構造５０が、貫通孔３５Ｈを通り、反射前の２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の隙間を通過して、反射後の分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の進行方向（ｚ方向）に延びる。すなわち、ガイド構造５０は、反射後の分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の間の空間に配置される。

【0016】

折返しミラー３５で反射した２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が、再合成光学部品４０によって、元の環状のビーム断面を有する１本のレーザビーム１５Ｄに合成される。再合成光学部品４０は、分岐光学部品３０と同様に、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な２つの屈折部材をルーフ型に組み合わせた光学部材で構成される。入射側の２つの平面の交線が尾根線となり、出射側の２つの平面の交線が谷線となり、尾根線及び谷線がｘ軸に平行になる姿勢で配置されている。

【0017】

再合成光学部品４０の尾根線及び谷線は、入射する２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２のビーム断面の幾何中心を通過する。また、ガイド構造５０が再合成光学部品４０をｚ方向に貫通するように、尾根線及び谷線と交差する貫通孔４０Ｈが設けられている。貫通孔４０Ｈの有無以外の点で、分岐光学部品３０の形状と再合成光学部品４０の形状とは同一である。

【0018】

再合成光学部品４０で合成されたレーザビーム１５Ｄが集光光学部品６０に入射し、ワーク６５の表面に向けて集光される。集光光学部品６０として、凸レンズが用いられる。なお、集光光学部品６０として、複数の平凸レンズを組み合わせた組レンズを用いてもよい。集光光学部品６０とワーク６５との間におけるレーザビーム１５Ｅのビーム断面は、円環状であるが、その内径及び外径は、集光光学部品６０に入射する前のレーザビーム１５Ｄの内径及び外径より小さい。ワーク６５の表面は、集光光学部品６０の焦点位置に配置されている。ワーク６５の表面は、集光されたレーザビーム１５Ｆのビームウエストの位置、またはその近傍に配置される。

【0019】

集光光学部品６０とワーク６５との間に、保護ウィンドウ６１が配置されている。集光光学部品６０及び保護ウィンドウ６１に、それぞれガイド構造５０が貫通する貫通孔６０Ｈ、６１Ｈが設けられている。ガイド構造５０は、再合成光学部品４０で合成された環状のレーザビーム１５Ｄの中空部分を通ってｚ方向に延び、ワーク６５の加工点の手前まで達する。ガイド構造５０は、環状のレーザビーム１５Ｄ、１５Ｅのビーム経路と空間的に干渉しないように配置されている。筒状のガイド構造５０の内側の空間を通って、ワーク６５の加工点（レーザビーム１５の集光箇所）まで、レーザビームによって作用を受ける部材、例えばフィラワイヤ、金属粉体等が供給される。

【0020】

次に、図２を参照してビームプロファイルのシミュレーション結果について説明する。図２は、集光光学部品６０の焦点位置からずれた位置におけるビームプロファイルのシミュレーション結果を、再合成光学部品４０（図１）を配置した場合と、配置しない場合について示す図である。焦点位置からのずれ量が－２．５ｍｍ、－１．５ｍｍ、－０．５ｍｍ、０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、及び２．５ｍｍのそれぞれについてビームプロファイルをシミュレーションした。ここで、負のずれ量は、焦点位置から集光光学部品６０に近づく方向へのずれ量を意味する。再合成光学部品４０が配置されていない構成においては、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が相互にｙ方向に隔てられた状態で集光光学部品６０に入射する。なお、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の間隔を約１０ｍｍとした。

【0021】

再合成光学部品４０を配置しない構成では、焦点からずれた位置でのビーム断面の真円度が低下することがわかる。これに対して再合成光学部品４０を配置した構成では、焦点からずれた位置でもビーム断面の高い真円度が維持される。このように、再合成光学部品４０を配置することにより、焦点からずれた位置においても、真円度の高いビーム断面を実現することができる。これにより、レーザ加工における方向性が現れにくくなる。

【0022】

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、集光光学部品６０の焦点距離と、環状のレーザビーム１５Ｄの外径との関係について説明する。図３Ａは、集光光学部品６０、ガイド構造５０、ワーク６５、及びレーザビーム１５Ｄ、１５Ｅの位置関係を示す模式図である。筒状のガイド構造５０の先端からワーク６５の加工点に向けてフィラワイヤ６７が供給される。フィラワイヤ６７の直径をＤＦと標記し、ワーク６５の表面からガイド構造５０の先端までの距離をＺと標記する。距離Ｚは、フィラワイヤ６７の出代といわれる場合もある。

【0023】

集光光学部品６０の外径をＤＬと標記し、集光前の環状のレーザビーム１５Ｄの外径をＤＢと標記し、その肉厚をＷＢと標記する。図３Ａにおいて、集光前のレーザビーム１５Ｄ及び集光後のレーザビーム１５Ｅの経路にハッチングを付している。ガイド構造５０は、環状のレーザビーム１５Ｄ、１５Ｅの中空部分に配置されている。

【0024】

ガイド構造５０の先端から加工点までは、フィラワイヤ６７の位置及び形状が拘束されない自由な状態となる。フィラワイヤ６７は、通常、リール等に巻かれた状態で提供されるため、フィラワイヤ６７を自由空間に配置すると、リールに巻かれた状態の癖によってフィラワイヤ６７が湾曲する場合がある。この湾曲の程度や湾曲の方向は、フィラワイヤ６７の消費状態やフィラワイヤ６７の回転等によって変化する。

【0025】

フィラワイヤ６７を加工点の中心位置に安定的に供給するためには、フィラワイヤ６７の、自由な状態になる部分の長さ、すなわち距離Ｚを約１０ｍｍ以下にすることが好ましい。また、ガイド構造５０の先端が溶接時の熱によるダメージを受けないようにするために、距離Ｚを約５ｍｍ以上にすることが好ましい。

【0026】

距離Ｚを５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定したとき、集光前のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢが小さくなると、ガイド構造５０の先端と集光されたレーザビーム１５Ｅとが空間的に干渉してしまう。この干渉を避けるために、集光前のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢをある程度大きくしなければならない。

【0027】

図３Ｂは、ガイド構造５０とレーザビーム１５Ｅとが空間的に干渉しないための条件を示すグラフである。横軸は集光光学部品６０の焦点距離Ｆを単位［ｍｍ］で表し、集光前のレーザビーム１５の外径ＤＢを単位［ｍｍ］で表す。ここで、フィラワイヤ６７の直径ＤＦを０．８ｍｍとし、ガイド構造５０の先端の直径を１．８ｍｍとし、環状のレーザビーム１５Ｄの肉厚ＷＢを１０ｍｍとした。図３Ｂに示した直線及び破線は、それぞれ距離Ｚが１０ｍｍの場合及び５ｍｍの場合に、ガイド構造５０とレーザビーム１５Ｅとが空間的に干渉しないためのレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢの下限値を示す。

【0028】

距離Ｚが１０ｍｍのときの外径ＤＢ［ｍｍ］の下限値は、
ＤＢ＝０．１８×Ｆ＋２０
であり、距離Ｚが５ｍｍのときの外径ＤＢ［ｍｍ］の下限値は、
ＤＢ＝０．３６×Ｆ＋２０
である。

【0029】

集光光学部品６０の直径ＤＬは、集光前のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢより大きくしなければならない。例えば、距離Ｚが１０ｍｍのとき、集光光学部品６０の直径ＤＬ［ｍｍ］が、以下の式を満たすようにすることが好ましい。
ＤＬ＞０．１８×Ｆ＋２０

【0030】

また、距離Ｚが５ｍｍのとき、集光光学部品６０の直径ＤＬ［ｍｍ］が、以下の式を満たすようにすることが好ましい。
ＤＬ＞０．３６×Ｆ＋２０

【0031】

次に、第１実施例の優れた効果について説明する。
第１実施例では、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２（図１）で囲まれた空間の外側から、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の間の空間に、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の経路を遮ることなくガイド構造５０が進入している。このため、ガイド構造５０によるレーザビーム１５のエネルギ損失が抑制される。さらに、レーザビーム１５によるガイド構造５０のダメージが回避される。

【0032】

さらに、図２を参照して説明したように、第１実施例では、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２を再合成して１本の環状のレーザビーム１５Ｄにすることにより、焦点近傍の位置におけるビーム断面の真円度の低下が抑制される。

【0033】

次に、図４～図６を参照して、第１実施例の変形例によるレーザ装置について説明する。図４～図６は、第１実施例の変形例によるレーザ装置の光学系を示す模式図である。図４～図６では、ガイド構造５０（図１）の記載が省略されている。

【0034】

また、第１実施例（図１）では、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が相互に隔てられている方向（ｙ方向）が、折返しミラー３５への入射面に対して垂直である。図４～図６においては、ビーム径の変化を視覚的に把握しやすいようにするために、便宜上、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の谷線及び尾根線が、折返しミラー３５への入射面（図４～図６の紙面に相当）に対して垂直であるように示している。これに対応して、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が相互に隔てられている方向が、折返しミラー３５への入射面に対して平行になるように示されている。実際には、図１に示したように、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の谷線及び尾根線は、折返しミラー３５への入射面（図４～図６の紙面に相当）に対して平行であり、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が相互に隔てられている方向は、折返しミラー３５への入射面に対して垂直である。

【0035】

図４に示した変形例では、環状成形光学部品２０が、レーザビーム１５のビーム断面を環状にするとともに、ビーム径を大径化する。例えば、第１実施例（図１）によるレーザ装置の構成と比べて、上流側のアキシコンレンズ２０Ａと下流側のアキシコンレンズ２０Ｂとの間隔が広い。また、環状のレーザビーム１５の大径化に対応して、下流側のアキシコンレンズ２０Ｂも大径化されている。再合成光学部品４０と集光光学部品６０との間のレーザビーム１５Ｄのビーム径ＤＢは一定である。なお、上流側のアキシコンレンズ２０Ａと下流側のアキシコンレンズ２０Ｂとの頂角をやや異ならせることにより、環状成形光学部品２０と集光光学部品６０との間のビーム経路において、ビーム径ＤＢが徐々に大きくなるか、または徐々に小さくなるようにしてもよい。

【0036】

図５に示した変形例では、再合成光学部品４０と集光光学部品６０との間のビーム経路に、大径化光学部品４５が配置されている。大径化光学部品４５は、上流側に配置された平凹レンズ４５Ａと下流側に配置された平凸レンズ４５Ｂを含む。図６に示した変形例では、再合成光学部品４０と集光光学部品６０との間のビーム経路に配置された大径化光学部品４５が、上流側に配置された平凹アキシコンレンズ４５Ｃと下流側に配置された平凸アキシコンレンズ４５Ｄを含む。

【0037】

図４～図６に示した変形例では、集光光学部品６０に入射するレーザビーム１５Ｄを大径化することにより、ガイド構造５０（図３Ａ）の先端とレーザビーム１５Ｅ（図３Ａ）との空間的な干渉が生じにくい構成を採用しやすくなる。

【0038】

図４に示した変形例は、図５及び図６に示した変形例と比べて、光学素子の個数が少ないという点で優れている。図５及び図６に示した変形例は、図４に示した変形例と比べて、環状成形光学部品２０の下流側のアキシコンレンズ２０Ｂ、分岐光学部品３０、再合成光学部品４０が小さいという点で優れている。特に、ルーフ型の分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０は高価である。図５及び図６に示した変形例では、図４に示した変形例と比べて分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の価格を抑制し、レーザ装置を安価に提供できるという優れた効果が得られる。

【0039】

次に、第１実施例のさらに他の変形例について説明する。
第１実施例によるレーザ装置は、レーザ溶接に用いられるが、他の用途に用いることも可能である。例えば、ガイド構造５０から供給される部材で三次元構造物を作成する３Ｄプリンタに適用することも可能である。

【0040】

次に、図７を参照して第２実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３を参照して説明した第１実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

【0041】

図７は、第２実施例によるレーザ装置の概略図である。第２実施例では、図４に示した第１実施例の変形例によるレーザ装置と同様に、環状成形光学部品２０によってレーザビームが大径化される。図７では、レーザビーム１５を、そのビーム断面の中心を連ねた１本の直線で表している。２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２（図４）も、２つのビーム断面の全体の中心を連ねた１本の直線で表している。なお、図７においても図４と同様に、便宜上、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の谷線及び尾根線が、折返しミラー３５への入射面に対して垂直になるように示されているが、実際には、図１に示したように、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の谷線及び尾根線は、折返しミラー３５への入射面に平行である。

【0042】

第１実施例（図１）では、折返しミラー３５が静止されているが、第２実施例では、揺動装置３９が折返しミラー３５を、貫通孔３５Ｈの位置を揺動中心として２方向に揺動（ウォブリング）させる。すなわち、揺動装置３９及び折返しミラー３５が、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２をウォブリングさせるウォブリング光学部品を構成している。ワーク６５の表面においてレーザビーム１５Ｆのビームスポットがウォブリングする。

【0043】

折返しミラー３５をウォブリングさせることによるレーザビーム１５Ｄのビーム経路の位置の変位量は、環状のレーザビーム１５Ｄの中空部分の大きさに比べて十分小さい。このため、レーザビーム１５をウォブリングさせても、レーザビーム１５Ｄの経路とガイド構造５０とが空間的に干渉することはない。

【0044】

次に、第２実施例の優れた効果について説明する。
ワーク６５の表面におけるレーザビーム１５Ｆのビームスポット径が小さ過ぎると、安定したフィラ肉盛り溶接を行うことができない場合がある。このとき、ビームスポットを大きくすると、ビームスポットの中心部分のエネルギ密度が低くなり、安定したフィラ肉盛り溶接を行うことができなくなる。第２実施例では、ビームスポットをウォブリングさせることにより、安定したフィラ肉盛り溶接を行うことが可能になる。

【0045】

次に、図８～図１０を参照して第２実施例の変形例によるレーザ装置について説明する。図８～図１０は、第２実施例の変形例によるレーザ装置の概略図である。図８～図１０においても図７と同様に、レーザビーム１５を１本の直線で表している。

【0046】

図８に示した変形例では、図６に示した第１実施例の変形例によるレーザ装置の折返しミラー３５を、揺動装置３９がウォブリングさせる。図７に示した変型例では、ウォブリングする折返しミラー３５の位置で分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が大径化されているため、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２のビーム断面に対応した大きな折返しミラー３５を用いる必要がある。これに対して図８に示した変型例では、ウォブリングする折返しミラー３５よりも下流側で、大径化光学部品４５が、合成後のレーザビーム１５を大径化する。このため、折返しミラー３５として、図７に示したレーザ装置の場合より小さなミラーを用いることができる。

【0047】

図９に示した変型例では、図８に示した変型例の折返しミラー３５に代えて、２枚の折返しミラー３５Ａ、３５Ｂが用いられる。２枚の折返しミラー３５Ａ、３５Ｂのそれぞれは、１方向に揺動し、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２を１方向に走査する。２枚の折返しミラー３５Ａ、３５Ｂを揺動させることにより、ワーク６５の表面でビームスポットを２方向にする変位させることができる。ガイド構造５０は、下流側の折返しミラー３５Ｂに設けられた貫通孔３５Ｈを通過して、２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の間の空間に挿入される。

【0048】

図９に示した変型例においても、図８に示した変型例と同様に、折返しミラー３５Ａ、３５Ｂとして、図７に示したレーザ装置の場合より小さなミラーを用いることができる。また、折返しミラー３５Ａ、３５Ｂのそれぞれは１方向にのみ揺動するため、図８に示した２方向に揺動する折返しミラー３５と比べて、揺動機構を単純化することができる。

【0049】

図１０に示した変型例では、図６に示した第１実施例の変形例によるレーザ装置の分岐光学部品３０と折返しミラー３５との間の分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の経路に、揺動する２枚の折返しミラー３４Ａ、３４Ｂが配置されている。ガイド構造５０は、静止された折返しミラー３５に設けられた貫通孔３５Ｈを通過して、分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２の間の空間に挿入される。

【0050】

図１０に示した変型例においても、図８に示した変型例と同様に、折返しミラー３４Ａ、３４Ｂとして、図７に示したレーザ装置の場合より小さなミラーを用いることができる。また、折返しミラー３４Ａ、３４Ｂのそれぞれは１方向にのみ揺動するため、図８に示した２方向に揺動する折返しミラー３５と比べて、揺動機構を単純化することができる。

【0051】

次に、図１１～図１２Ｃを参照して第３実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３Ｂを参照して説明した第１実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

【0052】

図１１は、第３実施例によるレーザ装置の概略図である。第１実施例（図１）では、ガイド構造５０の位置が変動しないが、第３実施例では、駆動機構５１がガイド構造５０を、ｘｙ面内方向、及びｚ方向に移動させる。

【0053】

図１２Ａは、ガイド構造５０をｚ方向に昇降させる昇降機構の一例を示す図である。この昇降機構は、ラックアンドピニオン機構５２を含む。モータ５３がピニオンを回転させることにより、ガイド構造５０を昇降させる。

【0054】

図１２Ｂは、ガイド構造５０をｚ方向に昇降させる昇降機構の他の例を示す図である。この昇降機構は、ボールネジ機構５４を含む。モータ５３がボールネジを駆動することにより、ガイド構造５０を昇降させる。

【0055】

図１２Ｃは、ガイド構造５０をｘｙ面内で移動させる変位機構５５を示す図である。この変位機構５５は、ガイドスリーブ５５Ａ、外側偏芯ガイド５５Ｂ、及び内側偏芯ガイド５５Ｃを含む二重偏芯構造を有する。内側偏芯ガイド５５Ｃに対して偏芯した位置にフィラワイヤ６７を通すフィラワイヤガイド孔５８が設けられている。外側偏芯ガイド５５Ｂに対して偏芯した位置に内側偏芯ガイド５５Ｃが支持されている。ガイドスリーブ５５Ａに対して偏芯した位置に外側偏芯ガイド５５Ｂが支持されている。ガイドスリーブ５５Ａは、集光光学部品６０に対して同心状に配置されている。

【0056】

外側偏芯ガイド５５Ｂ及び内側偏芯ガイド５５Ｃを独立して回転させることにより、ガイドスリーブ５５Ａに対するフィラワイヤガイド孔５８の位置を、ｘｙ面内で移動させることができる。

【0057】

次に、第３実施例の優れた効果について説明する。
光軸上における加工に適した位置は、ワーク６５の材料や形状によって様々である。また、レーザ発振器や光学素子の交換で、レーザビーム１５の焦点位置が変化することがある。このため、ワーク６５の種類ごとに、またはレーザ装置のメンテナンス後に、ガイド構造５０の先端からワーク６５までの距離Ｚ（図３Ａ）を調整する必要が生じ得る。

【0058】

さらに、フィラワイヤ６７の湾曲状態が変化すると、ワーク６５の表面におけるフィラワイヤ６７（図３Ａ）の先端の位置が変化する。フィラワイヤ６７の先端の位置を、ビームスポットの位置（加工点の位置）に一致させるために、ガイド構造５０の先端の位置をｘｙ面内で移動させる必要が生じ得る。

【0059】

第３実施例では、これらの要請に柔軟に対応することが可能である。

【0060】

次に、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して、第４実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３Ｂを参照して説明した第１実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

【0061】

図１３Ａ及び図１３Ｂは、第４実施例によるレーザ装置の概略図である。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいても図４と同様に、便宜上、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の谷線及び尾根線が、折返しミラー３５への入射面に対して垂直になるように示されている。

【0062】

第１実施例（図１）では、環状成形光学部品２０を通過した環状のレーザビーム１５Ｂの外径は不変である。これに対して第４実施例では、環状成形光学部品２０を通過した環状のレーザビーム１５Ｂの外径を変化させることができる。光学系の基本構成は、図４に示した第１実施例の変形例によるレーザ装置の光学系の基本構成と同一である。

【0063】

図１３Ａに示すように、レーザ伝送ファイバ１０の出力端、コリメートレンズ１１、及び環状成形光学部品２０の上流側のアキシコンレンズ２０Ａが、ビーム径調整機構１６によって光軸方向（ｚ方向）に移動可能である。ビーム径調整機構１６は、スライダ１８と、スライダ１８をｚ方向に案内する案内レール１７とを含む。レーザ伝送ファイバ１０の出力端、コリメートレンズ１１、及びアキシコンレンズ２０Ａがスライダ１８に支持されており、スライダ１８とともにｚ方向に移動する。上流側のアキシコンレンズ２０Ａがｚ方向に移動すると、上流側のアキシコンレンズ２０Ａと下流側のアキシコンレンズ２０Ｂとの間隔が変化する。

【0064】

図１３Ａに示したように、上流側のアキシコンレンズ２０Ａと下流側のアキシコンレンズ２０Ｂとの間隔がＬ１のとき、集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径をＤＢ１と標記する。

【0065】

図１３Ｂに示すように、上流側のアキシコンレンズ２０Ａと下流側のアキシコンレンズ２０Ｂとの間隔をＬ２まで狭めたとき、集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径をＤＢ２と標記する。Ｌ１＞Ｌ２のとき、ＤＢ１＞ＤＢ２が成り立つ。すなわち、集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径を変化させることができる。

【0066】

次に、第４実施例の優れた効果について説明する。
フィラワイヤ６７の湾曲度が小さい（直進性が高い）場合は、ワーク６５とガイド構造５０の先端との距離Ｚ（図３Ａ）を長くしても、フィラワイヤ６７の先端の十分な位置精度を確保することができる。このため、距離Ｚをできるだけ長くすることが可能である。距離Ｚが長くなると、ガイド構造５０の先端と集光されたレーザビーム１５Ｅ（図３Ａ）とが空間的に干渉しない条件を満たした状態で、集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢ（図３Ａ）を小さくすることが可能である。

【0067】

集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢが小さくなると、焦点深度が長く（深く）なる。焦点深度を長くすると、安定した加工を行うことが可能になる

【0068】

また、フィラワイヤ６７を使用しない溶接を行う場合には、距離Ｚを長くし、かつ集光光学部品６０の入射側のレーザビーム１５Ｄの外径ＤＢを小さくすることにより、焦点深度を長くして安定した溶接を行うことが可能になる。

【0069】

次に、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して、第５実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３Ｂを参照して説明した第１実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

【0070】

図１４Ａは、第１実施例（図１）によるレーザ装置に用いられている分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の概略図、及びビーム断面の模式図である。図１４Ａにおいて、レーザビームの経路にハッチングを付している。第１実施例では、分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０として、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な屈折部材をルーフ型に組み合わせた光学部材が用いられている。ルーフ型の分岐光学部品３０により、相互に隔てられた２つの分岐レーザビーム１５Ｃ１、１５Ｃ２が得られる。

【0071】

図１４Ｂは、第５実施例によるレーザ装置に用いられている分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０の概略図、及びビーム断面の模式図である。図１４Ｂにおいて、レーザビームの経路にハッチングを付している。

【0072】

第５実施例では、分岐光学部品３０が、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な板状の第１屈折部材３０Ａ及び第２屈折部材３０Ｂを含む。第１屈折部材３０Ａの入射側の表面の１つの縁は直線であり、入射するレーザビーム１５の中心軸１５Ｚを通過する。第１屈折部材３０Ａの入射側の表面は、入射するレーザビーム１５を、分岐前のレーザビーム１５Ｂの中心軸１５Ｚから離れる向きに屈折させる。第１屈折部材３０Ａの内部を伝搬するレーザビームは、出射側の表面で屈折することにより、ｚ方向に平行な分岐レーザビーム１５Ｃ１となる。

【0073】

第２屈折部材３０Ｂは、第１屈折部材３０Ａより下流側に配置されている。第２屈折部材３０Ｂの入射側の表面は、レーザビーム１５Ｂのうち第１屈折部材３０Ａを通過しなかったレーザビームを、分岐前のレーザビーム１５Ｂの中心軸１５Ｚから離れる向きに屈折させる。第２屈折部材３０Ｂの内部を伝搬するレーザビームは、出射側の表面で屈折することにより、ｚ方向に平行な分岐レーザビーム１５Ｃ２となる。第２屈折部材３０Ｂが配置された位置において、分岐レーザビーム１５Ｃ１は、入射するレーザビーム１５Ｂの中心軸１５Ｚから離れているため、第２屈折部材３０Ｂの中心軸１５Ｚ側の端面は、厳密に中心軸１５Ｚの位置に合わせる必要はなく、中心軸１５Ｚを越えてもよい。

【0074】

再合成光学部品４０も、入射側の表面及び出射側の表面が相互に平行な板状の第３屈折部材４０Ａ及び第４屈折部材４０Ｂを含む。一方の分岐レーザビーム１５Ｃ１が、第３屈折部材４０Ａに入射する。第３屈折部材４０Ａの入射側の表面は、入射する分岐レーザビーム１５Ｃ１を、分岐前のレーザビーム１５Ｂの中心軸１５Ｚに近づく向きに屈折させる。第３屈折部材４０Ａの内部を伝搬するレーザビームは、出射側の表面で屈折することにより、ｚ方向に平行なレーザビームとなる。分岐レーザビーム１５Ｃ２は、中心軸１５Ｚから離れているため、第３屈折部材４０Ａの中心軸１５Ｚ側の端面は、厳密に中心軸１５Ｚの位置に合わせる必要はなく、中心軸１５Ｚを越えてもよい。

【0075】

第４屈折部材４０Ｂは、第３屈折部材４０Ａより下流側に配置されている。第４屈折部材４０Ｂの入射側の表面は、第３屈折部材４０Ａを通過しない分岐レーザビーム１５Ｃ２を、分岐前のレーザビーム１５の中心軸１５Ｚに近づく向きに屈折させる。第４屈折部材４０Ｂの内部を伝搬するレーザビームは、出射側の表面で屈折することにより、ｚ方向に平行なレーザビームとなる。第４屈折部材４０Ｂの出射側の表面の１つの縁は直線であり、中心軸１５Ｚを通過し、第３屈折部材４０Ａを通過したレーザビームのビーム経路に進入していない。

【0076】

次に、第５実施例の優れた効果について説明する。
第１実施例によるレーザ装置（図１）で用いられているルーフ型の分岐光学部品３０及び再合成光学部品４０は高価である。これに対して第５実施例によるレーザ装置で用いられている第１屈折部材３０Ａ、第２屈折部材３０Ｂ、第３屈折部材４０Ａ、及び第４屈折部材４０Ｂは、相対的に安価である。このため、レーザ装置のコスト低減を図ることが可能である。

【0077】

次に、図１５を参照して、上述の種々の実施例によるレーザ装置が搭載されたレーザ溶接装置について説明する。図１５は、レーザ溶接装置の概略斜視図である。

【0078】

レーザ溶接装置は、多関節ロボット７０、直動機構７１、レーザ加工ヘッド７３、レーザ発振器７２、レーザ伝送ファイバ１０、及び制御装置７４を含む。多関節ロボット７０のアームの先端に、直動機構７１を介してレーザ加工ヘッド７３が支持されている。多関節ロボット７０には、例えば６軸ロボットが用いられる。

【0079】

レーザ発振器７２から出力された加工用のレーザビームが、レーザ伝送ファイバ１０を経由してレーザ加工ヘッド７３まで伝送される。レーザ発振器７２として、例えば波長約１０７０ｎｍのパルスレーザビームを出力するファイバレーザ発振器が用いられる。レーザ加工ヘッド７３として、上記第１実施例～第５実施例のいずれかの実施例、またはその変形例によるレーザ装置が用いられる。

【0080】

レーザ加工ヘッド７３まで伝送された加工用のレーザビームは、レーザ加工ヘッド７３の先端から出力される。直動機構７１は、相互に直交する３軸の並進自由度を持ち、レーザ加工ヘッド７３の位置を微調整する。多関節ロボット７０、直動機構７１、レーザ発振器７２は、制御装置７４によって制御される。

【0081】

多関節ロボット７０の可動範囲内に、ワーク６５が配置される。レーザ加工ヘッド７３から出力されるレーザビーム１５により、ワーク６５に対して溶接加工が行われる。

【0082】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0083】

１０ レーザ伝送ファイバ
１１ コリメートレンズ
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｄ、１５Ｅ、１５Ｆ レーザビーム
１５Ｃ１、１５Ｃ２ 分岐レーザビーム
１５Ｚ レーザビームの中心軸
１６ ビーム径調整機構
１７ 案内レール
１８ スライダ
２０ 環状成形光学部品
２０Ａ、２０Ｂ アキシコンレンズ
３０ 分岐光学部品
３０Ａ 第１屈折部材
３０Ｂ 第２屈折部材
３４Ａ、３４Ｂ、３５、３５Ａ、３５Ｂ 折返しミラー
３５Ｈ 貫通孔
３９ 揺動装置
４０ 再合成光学部品
４０Ａ 第３屈折部材
４０Ｂ 第４屈折部材
４０Ｈ 貫通孔
４５ 大径化光学部品
４５Ａ 平凹レンズ
４５Ｂ 平凸レンズ
４５Ｃ 平凹アキシコンレンズ
４５Ｄ 平凸アキシコンレンズ
４６ ウォブリング機構
５０ ガイド構造
５１ 駆動機構
５２ ラックアンドピニオン機構（昇降機構）
５３ モータ
５４ ボールネジ機構（昇降機構）
５５ 変位機構
５５Ａ ガイドスリーブ
５５Ｂ 外側偏芯ガイド
５５Ｃ 内側偏芯ガイド
５８ フィラワイヤガイド孔
６０ 集光光学部品
６０Ｈ 貫通孔
６１ 保護ウィンドウ
６１Ｈ 貫通孔
６５ ワーク
６７ フィラワイヤ
７０ 多関節ロボット
７１ 直動機構
７２ レーザ発振器
７３ レーザ加工ヘッド
７４ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】