特許 7182598 光学ヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-24

(45)【発行日】2022-12-02

(54)【発明の名称】光学ヘッド

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/16 20060101AFI20221125BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20221125BHJP

   G02B 1/00 20060101ALI20221125BHJP

   B23K 26/57 20140101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

B29C65/16

G02B3/00 Z

G02B1/00

B23K26/57

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020501824

(86)(22)【出願日】2018-07-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-09-03

(86)【国際出願番号】 EP2018069330

(87)【国際公開番号】W WO2019016172

(87)【国際公開日】2019-01-24

【審査請求日】2021-07-09

(31)【優先権主張番号】102017116110.4

(32)【優先日】2017-07-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】519414686

【氏名又は名称】コンサルトエンジニアイーペー アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】グブラー、ウルリッヒ

【審査官】田代 吉成

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１３６６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－８１３９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６５／１６

Ｇ０２Ｂ ３／００

Ｇ０２Ｂ １／００

Ｂ２３Ｋ ２６／５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビーム（５）に対する放出側の端部を有するハウジング（２）と、前記ハウジング（２）内に設置されたボール（３）とを備える、レーザ透過溶着装置の光学ヘッド（１）であって、
前記ボール（３）は、屈折率が１．４５よりも高い材料から形成されており、
前記ボール（３）を設置するための空気軸受（１０）が前記ハウジング（２）と連携し、前記空気軸受（１０）は、前記レーザビーム（５）の通路に供される開口部（１１）を備え、
前記光学ヘッド（１）は、さらに、前記レーザビーム（５）が届く前に前記レーザビーム（５）が前記ボール（３）上にフォーカスされるように前記ハウジング内に設計及び／又は配置された集束レンズ（８）を備え、
前記開口部（１１）は、径が最大４ｍｍの寸法であることを特徴とする光学ヘッド（１）。

【請求項2】

前記ボール（３）は、屈折率が少なくとも１．７である材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項3】

前記ボール（３）の径は、１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項4】

前記ボール（３）を保持する、前記ハウジング（２）上に配置された拘束部（９）によって特徴付けられる、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項5】

前記ボール（３）は前記ハウジング（２）の円筒状シャフト部分（４）内に摺動可能に設置されており、前記レーザビーム（５）が前記ボール（３）を照射する前に前記レーザビーム（５）を実質的にコリメートするように配置されたコリメートレンズ（７）によって特徴付けられる、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項6】

前記コリメートレンズ（７）の設置高さ及び／又は特性及び条件によってスポットサイズ（１８）が決定されることを特徴とする、請求項５に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項7】

前記開口部は、径が最大２ｍｍの寸法であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項8】

前記空気軸受（１０）は、前記開口部（１１）に加えて、圧縮空気の通路に供される少なくとも１つの凹部（１９）を備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の光学ヘッド（１）。

【請求項9】

ボール（３）を備える光学ヘッド（１）によるレーザ透過溶着によって２つの接合相手（１３，１４）を溶着する方法であって、請求項１～８のいずれか１項に記載の光学ヘッド（１）を使用することを特徴とする方法。

【請求項10】

前記コリメートレンズ（７）の設置高さ及び／又は特性及び条件によって前記レーザビーム（５）のスポットサイズ（１８）を選択する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記レーザビームを、前記レーザビームが前記ボールを照射する前にフォーカスすることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ透過溶着装置の光学ヘッド、及びレーザ透過溶着によって２つの接合相手を溶着する方法を対象とする。

【背景技術】

【0002】

従来技術から、レーザを使用して樹脂を溶着する方法が知られている。レーザ透過溶着加工において、接合又は溶着させる接合相手のうちの一方は、レーザビームに対して高透過性である一方、他方の接合相手はレーザビームに対して高い吸収度を有する。したがって、接合相手を通過するレーザビームは、両方の構成要素間に位置する接合部において、局部的な加熱を生じる。知られている態様では、両方の接合相手を一体加圧することによって、溶着に必要な圧力が確立される。

【0003】

多様なレーザ透過溶着装置及び加工が知られている。

【0004】

例えば、光学ヘッドを備えたレーザ透過溶着装置が知られている。特に、レーザ透過性のボールを内部に有するハウジングを備えた光学ヘッド又は加工ヘッドが知られている。このような光学ヘッドは、例えば、ボールを対応する接合点上に加圧し、かつ、同時に、ボールを通して接合点上に向けられた、溶着に使用されるレーザビームのレンズとして機能することによって、２つの樹脂接合相手を互いに溶着することに適している。好ましくは、生成させる溶着シームに沿って、又は溶着シームを沿わせて生じさせる経路に沿って光学ヘッドが容易に誘導されるように、ボールはハウジングの内側に可動に設置される。ボールは、接合相手のうちの一方の表面上で転がり、溶着に必要な接触圧を継続的に及ぼす。

【0005】

光学ヘッドを備えたこのような装置は、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されている。上記の文献による光学ヘットの利点のうちの１つは、溶着させる部品を、溶着させるすべての位置において、又は溶着シーム全体に沿って、同時に一体加圧する必要がないことである。代わりに、ボールは、レーザビームがそれら部品に当射する点及び瞬間において、それら部品を加圧して互いに溶着させるだけである。

【0006】

特許文献１は、ボールを支持する機械的マウントを開示しているが、ボールは特許文献３による光学ヘッド内で変位可能に誘導又は支持される、すなわち、ボールは転がり運動に加えて光学ヘッド内で変位することが可能である。この場合に、それは、溶着面に垂直な、光学ヘッド内の垂直変位である。ボールは、溶接加工中に圧縮空気で接合相手上に加圧される。特許文献２による光学ヘッドも、圧縮空気で作動する。

【0007】

ボールに対する空気軸受などの機械的マウントを有する、知られている光学ヘットの欠点は、光学ヘッドからマウントを介してボールに、したがって溶着させる接合相手に伝導される最大の接触圧が、機械的マウントの設計によって制限されることである。同じ理由で、機械的マウントを有する光学ヘッドにおいて３０ｍｍ未満の径を有するボールを使用することが現在のところ可能ではない。

【0008】

摺動するボールを有する、知られている光学ヘッドの欠点は、光学ヘッド内のボールの位置に応じてフォーカス距離が変化することである。接合相手に必要な圧力を伝達するためにこのような光学ヘッドのボールが圧縮空気で加圧される場合に、大きい力を伝達することは通常可能でない。ボールから接合相手に伝達される力と、結果として得られる圧力とは、ボールの径を含む多数の要因に依存する。この局面において、大きい力は、少なくとも約５０Ｎの力であると解釈できる。

【0009】

フォーカス距離は、入射放射がコリメートされていない場合でも、レンズとフォーカス点又は焦点との間の距離である。対照的に、焦点長さは、入射ビーム又は入射放射が、コリメートされた放射又はコリメートされたビームである場合に限られる、レンズの特性値である。

【0010】

ボールに対する機械的マウントを有する、知られている光学ヘッドのさらなる欠点は、それら光学ヘッドにより、接合相手に予め規定された小さい力を信頼性高く加えることができないことが多いということである。ここでの制限要因は、例えば、接合相手に作用する光学ヘッドの加重と、さらには光学ヘッドを加圧する通常利用可能な装置、例えば、通常、少なくとも１バールで動作させる必要がある空圧スライドである。機械的マウントを備えた光学ヘッドを有する装置は、通常、大きい力に対して設計されている。しかしながら、光学ヘッドから接合相手に大きい力が伝達される場合に、ボールが気泡を生じてボールの正面でその気泡を押圧する可能性があり、そのことが歪み及びしわ寄りをもたらす可能性がある。上述した摺動するボールを有する、知られている光学ヘッドの場合に、例えば、接合させる接合相手に光学ヘッド全体の荷重が作用するのではなく、ボールの荷重のみが作用する。しかしながら、摺動するボールを有する、知られている光学ヘッドは、シャフトにおけるボール位置の変化がフォーカス距離を著しく変化させる可能性があるため、この問題に対する解決策を提供せず、このことは信頼できる溶着が保証されなくなることを意味する。

【0011】

しわ寄り及びひずみを抑制するために、ボールと接合相手との間に配置される厚いレーザ透過性のフォイル、又はガラスプレートも考えられ得る。しかしながら、これによって、溶着加工がより複雑で柔軟性に欠けるものとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】欧州特許第１ ４０５ ７１３号（Ｂ１）明細書

【文献】独国特許出願公開第４３ １９ ７４２号（Ａ１）明細書

【文献】国際特許出願公開第２０１４ ０７２ ３２６号（Ａ１）明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明の目的は、先行技術の欠点を解消することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

独立請求項の主題は、課題の解決手段をもたらす。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。

【0015】

本発明によるレーザ透過溶着装置の光学ヘッドは、レーザビームに対する放出側の端部を有するハウジングと、ハウジング内に設置されたボールとを備える。ボールは、屈折率が石英ガラスの屈折率よりも高い材料から形成されている。知られている石英ガラスの屈折率は、約１．４５である。

【0016】

本発明の局面において、レーザビームを、好ましくは、レーザ源によって放出される放射であると解釈する。

【0017】

ボールは、レーザ透過性のボールである。本発明がボールに言及するときは、常に、このようなレーザ透過性のボールのことを意味する。

【0018】

レーザビームをハウジング内に導入するために、放出端と反対側に、光ファイバ、例えばガラスファイバなどが設けられ得る。これは、ハウジングと、レンズとして作用するボールとを、通過する。

【0019】

このような光学ヘッドは、例えば、輪郭溶着装置に使用できる。輪郭溶着は別種のレーザ透過溶着であって、生成させる溶着シームに沿って光学ヘッドが誘導され、これにより、レーザビームが溶着シーム上の各点を１回だけ通過する。ただし、本発明は、他の別種のレーザ透過溶着にも適用できる。

【0020】

ボールは、屈折率が少なくとも１．６である材料から形成され得る。ボールは、好ましくは、屈折率が少なくとも１．７である材料から形成され得る。さらには、少なくとも１．７５の屈折率を有する材料も考えられ得る。例えば、屈折率が１．７６～２．１５である材料が考えられ得る。

【0021】

ボールの材料として、サファイア、ルビー、スピネル、キュービックジルコニア、ＬＡＨ７９、Ｎ－ＳＦ８、Ｎ－ＬＡＳＦ４４、Ｓ－ＬＡＨ５３、ＬＡＳＦ３５、Ｎ－ＬａＳＦ９、ＬａＳＦＮ９、ＳＬＡＨ５８、ＳＬＡＨ６５、ＳＬＡＨ７１、ＳＬＡＨ７９、ＳＴｉＨ５３、Ｌ－ＢＢＨ１、Ｋ－ＶＣ８９、又はＫ－ＰｓＦｎ２０３が挙げられる。

【0022】

ボールは、好ましくは、任意の幾何学形状の溶着シームを生成することが可能であるように、ハウジング内に回転可能に設置されている。

【0023】

ボールの径は、１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下であり得る。

【0024】

ボールを保持する拘束部をハウジング上に取り付けることが考えられ得る。好ましくは、この拘束部は、ハウジングの放出端に位置する。

【0025】

一方では、拘束部は、ボールが放出端から落下することがないように、ボールを保持するように機能する。

【0026】

他方では、保持具は、ハウジングの放出端又は光学ヘッドをシールするように機能する。より詳細に後述するように、好ましくは、光学ヘッド内に圧縮空気が導入される。この目的で、適切な空気流入口を設けることが可能である。これは、接合させる部品上にボールを加圧する必要な接触圧を生じることが可能である。圧縮空気を用いて、ボールに対する空気軸受を設けることができる。接合相手は、通常、樹脂部品、例えば、フィルムなどである。

【0027】

上述の拘束部は、好ましくは、ボールがハウジング内又はシャフト部内に摺動可能に設置される光学ヘッドの実施形態でのみ設けられ、それはこれらの実施形態のみが封止を必要とするからである。当然ながら、空気軸受を備えた、より詳細に後述される光学ヘッドの実施形態は、また、ボールが放出側で空気軸受から落下することがないように、ボールを保持する少なくとも１つの手段を有する。このような器具は、上述の拘束部と設計が同様であり得る。

【0028】

ハウジングは、円筒状シャフト部を含み得る。このシャフト部内に、ボールを摺動可能に設置することが可能である。例えば、ボールを、円筒状シャフト部内で長手方向に摺動可能に設置することが可能である。光学ヘッドは、レーザビームがボールを照射する前にレーザビームを実質的にコリメートするように設計された、コリメートレンズ又はコリメータを含み得る。

【0029】

コリメートレンズは、通常、集束レンズである。ただし、本発明の局面では、レーザビームの入口点からボールへ向かう光学ヘッド内のビーム経路を、レーザビームがボールへ向けてフォーカスされる場合にのみ、集束レンズと称する。これに対して、例えば、ハウジング内への点状の入口点から発散するレーザビームが、ボールに向かう放射がコリメートされるように、集束レンズによってコリメートされるならば、この場合にコリメートレンズとの用語が常に使用される。

【0030】

本発明のすべての実施形態において、好ましくは、圧縮空気流入口が設けられている。

【0031】

ボールがシャフト部内に摺動可能に設置されている場合に、圧縮空気流入口を介して光学ヘッドの内部に供給される圧縮空気は、ボールに放出端の方向に力を加えるように機能する。溶着加工の間、好ましくは、ボールを、圧縮空気単独で、溶着させる部品上に加圧する。

【0032】

好ましくは、コリメートレンズは、レーザビームが、ボールに当射する直前にコリメートされる、又は少なくとも実質的にコリメートされるように、光学ヘッド内に配置されている。コリメートされたビームがボールに当射するときに、フォーカス距離は、シャフト内のボールの位置に応じて変化しない。これに対して、ビームが、ボールに当射する直前に発散又は集束するとすれば、フォーカス距離は、シャフト内のボールの位置に応じて変化する。

【0033】

ボールへの当射直前に行われるコリメーションは、レーザビームが、コリメーション後かつボールへの当射前に、発散又は集束ビームに変換されなくなることを意味する。したがって、このような実施形態におけるコリメートレンズとボールとの間に、好ましくは、ビームに影響を与える他の光学素子、特に、集束又は発散ビームを生成するレンズが存在しない。

【0034】

摺動する態様でボールが誘導される、知られている光学ヘッドと比較して、ボールを照射する直前にコリメートされたビームと高屈折率を有するボールとの組み合わせは、シャフト内のボールの位置の変化が焦点距離にあまり影響を与えないことと、焦点がボールに可能な限り近いことを意味する。高屈折率は、好ましくは、ここでは石英ガラスの屈折率よりも高い、例えば、１．４５よりも高い、又はさらには１．７よりも高い屈折率であると解釈する。このような実施形態は、ボールが、圧縮空気を介して、１５０Ｎ未満、例えば、１２０Ｎ未満、又は１００Ｎ未満、又は８０Ｎ未満、又はさらには５０Ｎ未満の力を受けるときに、特に適している。

【0035】

コリメートレンズの設置高さ及び／又は特性及び条件によってスポットサイズが決定されるように、光学ヘッドをセットアップすることが可能である。このことは、本発明による光学ヘッドのすべての実施形態に当てはまる。

【0036】

スポットサイズは、接合部におけるレーザビームの径として定義される。接合部がボールのフォーカス点又は焦点から離れるほど、スポットサイズが大きくなる。

【0037】

代替実施形態によれば、レーザビームが通過する開口部を含む、ボールを支持する空気軸受を、ハウジングに追加することが可能である。レーザビームが届く前にレーザビームがボール上にフォーカスされるように、ハウジング内に設計された、及び／又は位置する集束レンズを、光学ヘッド内に配置することも考えられ得る。このフォーカシングは、好ましくは、開口部を極力小さく維持することが可能であるように、開口部の領域で、すなわち開口部内又は開口部の直前若しくは直後で行われる。

【0038】

開口部は、４ｍｍの最大径を有し得る。好ましくは、開口部の径は、２ｍｍの最大値の寸法である。

【0039】

好ましくは、空気軸受は、開口部に加えて、圧縮空気の通路に供される少なくとも１つの凹部を有する。

【0040】

本発明は、また、上述のボールを備えた光学ヘッドによるレーザ透過溶着によって２つの接合相手を溶着する加工を含む。

【0041】

コリメートレンズの設置高さ及び／又は特性及び条件によって、本発明のすべてのバージョンについて、レーザビームのスポットサイズを選択することができる。

【0042】

レーザビームを、ボールに当射する直前にコリメートすることが可能である。このことは、放出側でボールを出るレーザビームのフォーカス距離が、シャフト内のボールの位置に依存しないことを意味する。換言すると、ボールに当射する前にコリメートされるレーザビームの場合に、レーザビームの入射角は、ボールの位置にかかわらず常に同じであり、同じことがレーザビームの出射角に当てはまる。

【0043】

これに代えて、レーザビームが届く前にレーザビームをボール上にフォーカスさせることができる。このことは、特に、レーザビームが通過する開口部を有する空気軸受にボールが設置される場合に有用である。空気軸受がボールに大きな力を伝達することが可能であるように、開口部を極力小さくすることが有利である。ここでは、レーザビームは、好ましくは、開口部の領域でフォーカスされる。

【0044】

本発明のさらなる利点、特徴、及び詳細は、以下の好ましい実施形態の説明と、図１～図９に示される図面とに見出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】ボール３が摺動可能に誘導される、知られている光学ヘッド１。

【図2】本発明の第１の実施形態による光学ヘッド１。

【図3】異なる屈折率を有するボール３に対する図２による光学ヘッドにおけるレーザビーム５の異なる進路。

【図4】非動作位置にある図２による光学ヘッド１。

【図5】ボールが空気軸受１０で支持された、知られている光学ヘッド１を示す。

【図6】本発明の第２の実施形態による光学ヘッド１。

【図7】異なる屈折率を有するボール３に対する図６による光学ヘッドにおけるレーザビーム５の異なる進路。

【図8】異なるコリメートレンズ７に対する図６による光学ヘッドにおけるレーザビーム５の異なる進路。

【図9】拡大された図６の部分。

【発明を実施するための形態】

【0046】

図１は、従来技術による光学ヘッド１を示す。ボール３は、レーザビーム５又はビーム経路５に対して放出側のハウジング２の端部に位置する。円筒状シャフト部４、出口側にある拘束部９、圧縮空気流入口６、光ファイバ１２、コリメートレンズ７、及び集束レンズ８も示されている。加えて、溶着させる接合相手１３，１４が示されている。

【0047】

図２は、本発明の第１の実施形態による光学ヘッド１を示す。これは、一方では封止板１５によって置き換えられた集束レンズ８に関して、他方ではボール３を形成している材料の屈折率に関して、図１による知られている光学ヘッド１と異なっている。

【0048】

図３は、異なる屈折率を有するボール３に対する、図２よる光学ヘッド１内のレーザビーム５の異なる進路を示す。

【0049】

図４は、非動作位置にある、図２及図３による光学ヘッド１を示す。

【0050】

図５は、従来技術による別の光学ヘッド１を示す。図１に関して既に記載したいくつかの特徴に加えて、光学ヘッド１は空気軸受１０を含む。

【0051】

図６は、本発明の第２の例による光学ヘッド１を示す。これは、一方では集束レンズ８の成分に関して、他方ではボール３を形成している材料の屈折率に関して、図５による知られている光学ヘッド１と異なっている。加えて、図６は、空気軸受１０が、中央の開口部１１に加えて、圧縮空気の通路に対するさらなる凹部１９を有することを示す。開口部１１及び凹部１９について、図６～図８にはさらに記載しないが、図９に明確に示す。

【0052】

図７は、異なる屈折率を有するボール３に対する、図６による光学ヘッド１内のレーザビーム５の異なる進路を示す。

【0053】

図８は、異なるコリメートレンズ７．１，７．２に対する、図６による光学ヘッド１内のレーザビーム５の異なる進路を示す。

【0054】

図９は、中央の開口部１１周辺における、図６の拡大された部分を示す。

【0055】

図１～図９を参照して、本発明による光学ヘッド１の機能を以下に説明する。

【0056】

図１に示す知られている光学ヘッド１は、接合相手１３，１４が溶着によって互いに接合される溶着点又は接合点の上方に位置する。光学ヘッド１は、レーザ透過接合相手１３よりも僅かな距離だけ上方に誘導される。ボール３は、圧縮空気流入口６を介してハウジング２の内部に供給された圧縮空気で加圧される。それゆえ、矢印１６の方向に作用する力がボール３に加わり、接合相手１３，１４を一体加圧する。圧縮空気の供給量によって、ボール３から接合相手１３，１４に伝達される接触圧を調整することができる。ハウジング内に供給された圧縮空気の一部は放出端において抜け出し、そのことが未指定の矢印によってそこに示されている。光ファイバ１２から現れたレーザビーム５は、まずコリメートレンズ７によってコリメートされ、次いで集束レンズ８と、集束レンズとしても作用するボール３とによって、フォーカスされる。その場合に、レーザビーム５のフォーカスは２つの接合相手１３，１４の間に位置する接合部に位置し、そこで両方の接合部１３，１４が溶着される。

【0057】

ボール３はシャフト４内で摺動可能に誘導される、すなわち、ボール３はシャフト部４内で矢印１６の方向に、又はその反対方向に、移動することが可能である。図１において明確に分かるように、レーザビーム５が集束レンズ８とボール３との間で集束する際に、レーザビーム５のボール３内への入射角はシャフト部４内のボール３の位置に応じて変化する。

【0058】

図９における圧縮空気流入口６の内側の未指定矢印を参照すると、集束レンズ８は、流入する圧縮空気がボール３へと向かうように、最上部において円筒状シャフト部４を封止する。

【0059】

光学ヘッド１又はハウジング２が溶接させる部品１３，１４の上の一定の高さに移動し、溶接させる部品１３，１４のうちの少なくとも一方が特に厚い又は薄い部分を通過する場合に、ボール３は矢印１６の方向に又は矢印１６の方向と反対に僅かに移動する。ボール３が矢印１６の方向に沿って又はその反対に移動する距離はボール３の径にも満たないことが多いが、その距離は、従前では後述する理由でフォーカスの大幅な変化をもたらす可能性がある。

【0060】

図１による知られている光学ヘッド１において、接合相手１３，１４及びハウジング２の位置が不変のままである場合には、矢印１６の方向に沿って又はその反対に入射角を変化させることによって、焦点が一方側に変位する。このことは、知られている光学の法則から明らかであり、この法則に従って、レーザビーム５がボール３内を、すなわち、光学的により密な媒体内を通過するときに、レーザビーム５が垂直方向側に屈折する。

【0061】

接合相手１３，１４及びハウジング２の位置が維持される場合に、レーザビーム５がボール３を出る出口点が矢印１６の方向に沿って又はその反対に変位しているため、焦点の位置は、シャフト部４内のボール３の変化した位置に起因して他方側に変化する。光学ヘッド１の設計に応じて、両方の効果が同じ影響を与えることが多い、すなわちボール３が矢印１６の方向に移動するときに、上述した２つの効果が加わり合って焦点の位置に影響を与えることが多い。したがって、図１による知られている光学ヘッド１については、ハウジング２内又はシャフト部４内のボール３の位置の僅かな変化であっても、矢印１６の方向の又はその反対の焦点の大幅な変化を結果として生じる。

【0062】

図２に表された本発明の第１の実施形態による光学ヘッド１において、コリメートレンズ７の後のコリメートされたレーザビーム５は、レンズとして作用するボール３の光軸１７に平行に進行する。したがって、矢印１６の方向に沿ったボール３の位置に応じた異なる入射角に関して上述した第１の効果は、生じない。

【0063】

図３は、高屈折率ｎを有する材料を選択することによってフォーカシング能力を著しく向上させることができることを示す。ボール３を形成している材料の屈折率ｎが高いほど、焦点又はフォーカスの位置が高い、すなわちボール３に近い。

【0064】

図１～図３はそれぞれ動作位置にある光学ヘッド１を示すが、図３では、概観をより良くするために、接合相手１３，１４が示されていない。これに対して、図４は、非動作位置にある、図２及び図３による光学ヘッド１を示す。

【0065】

図４は、ボール３が非動作位置において矢印１６の方向に移動し、拘束部９とともにハウジング２の放出端を封止することを示す。このことは、図１～図４における圧縮空気流入口６付近の未指定の矢印及び放出端を比較することによっても分かる。図１～図４による非動作位置では、放出端において抜け出す空気はない。対照的に、図２及び図３に示す動作位置では、一定量の圧縮空気が、シャフト部４の内面とボール３の表面との間の圧縮空気の通り道を常に押し進み、放出端においてハウジング２を出る。拘束部９により、好ましいことに、一方では、ボール３がハウジング２から落下することがないことが確保される。他方では、非動作位置において、拘束部９は、ボール３とともに放出端を封止する。

【0066】

封止板１５により、図１による知られている光学ヘッドの集束レンズ８とちょうど同じように、圧縮空気がボール３の方に向かうことが確保される。

【0067】

図６～図８は、図５に示す従来技術と比較して改善された光学ヘッド１を有する、本発明の第２の実施形態を示す。

【0068】

図５による光学ヘッド１の機能は、図１～図４による上述の光学ヘッド１の機能と大きく類似しており、ボール３はシャフト部４に沿って変位可能に誘導されないが、空気軸受１０で支持される点が異なる。したがって、接合相手１３，１４に及ぼされる圧力は、矢印１６に沿ってボール３に作用する、圧縮空気によって生じる力の結果ではなく、このことは図１～図４による光学ヘッドに当てはまる。その代わりに、図５～図８による光学ヘッド１に対する圧力は、光学ヘッド１全体を接合相手１３，１４上に加圧する力から結果として生じる。実際、図５～図８に示す光学ヘッド１において、圧縮空気は、また、対応する圧縮空気流入口６を介してハウジング２の内部に導入される。ただし、この圧縮空気は、機能的な空気軸受１０を設けるためにのみ使用され、これにより、ボール３が自由に回転し得ることが確保される。

【0069】

図５による知られている光学ヘッド１は、例えば大きい力がボール３を介して接合相手１３，１４に伝達される場合に、図１による光学ヘッド１に対して好ましい。図１による実施形態の場合に、ハウジング２内で圧縮空気流入口６を介して確立されなければならない必要な空気圧が高すぎる場合が多い。加えて、空気流量が多すぎる、すなわち、ボール３が必要な圧力で加圧できないほど多量の空気が放出側で抜け出すことが多い。

【0070】

図６に示す、本発明の第２の実施形態による光学ヘッド１において、集束レンズ８は、レーザビーム５が届く前にレーザビーム５がボール３上にフォーカスされるように、設計され、及び／又はハウジング２内に配置されている。これは、中間フォーカシング又は中間フォーカシングと称され得るものであり、中間フォーカシングは、接合相手１３，１４間の接合部において、レーザビーム５がボール３から出た後に、溶着に必要であるレーザビーム５のフォーカシングの前に行われる。

【0071】

図５と図６との比較から明確に分かるように、集束レンズ８とボール３との間に位置する集束レンズ８の焦点により、空気軸受１０の開口部１１の径の最小化が可能になる。なお、明確化のために、参照番号１１を図５及び図９にのみ示し、図６～図８には示していない。

【0072】

図７は、例えば、１．７５又は２．０の高屈折率ｎを有する材料を使用することによって、１．４５などの低屈折率ｎを有する材料を使用するときよりも、ボール３を出て行くレーザビームの焦点がボール３にずっと近いことを明確に示す。

【0073】

図６～図８に示す空気軸受１０は、図５に示す空気軸受１０と比較して、ボール３の格段に大きい部分を覆う。特に、開口部１１（図６～図８には参照番号が設けられていない）は、光軸１７の周りの部分に本質的に制限されている。図６～図８に示す空気軸受１０は、空気軸受１０が、また、溶着点と本質的に反対であるボール３の領域を包含することから、ハウジング２に作用する力を接合相手１３，１４に大幅に良好に伝達することを可能にする。矢印１６の方向の力の伝達は、伝達させる力の作用点が、溶着点と本質的に反対側である領域に近付くほど、いっそう効率的である。

【0074】

図５～図７の比較は、本発明が、とりわけ、図５によるレーザビーム５よりも集束する度合いが大きいレーザビーム５であれば、集束レンズ８がボール３の手前で中間フォーカスを生じさせる場合に、ボール３を通過した後に、ボール３から非常に遠く離れた焦点を有するため、石英ガラスからなるボール３を有する、知られている光学ヘッド１の開口部１１がこのような大きい径を有することを見出したことに基づいていることを示す。これに対する理由は、知られている光学ヘッド１のボール３が、通常、屈折率ｎが１．７５未満である、さらには通常１．７を大幅に下回る材料から形成されていることである。これに対して、高屈折率ｎ、例えば１，８又はさらには２．０を有する材料が使用される場合には、図６～図８に示すように、開口部１１を縮小することが可能であり、レーザビーム５をアパーチャ１１の領域にフォーカスすることが可能である。

【0075】

図５に示すような知られている光学ヘッド１について、空気軸受１０は、伝達させる最大の力を制限する。一方では、図５に示すような知られている空気軸受では、１５０Ｎを超える力を接合相手に伝達させることが可能とならない。他方では、３０ｍｍ未満の小さい径を有するボール３を使用することは、例えば、このような小さいボール３とともに使用される空気軸受１０が、１５０Ｎ未満の力を伝達するときに既にそれら空気軸受１０の限界に達しているため、未だに可能でない。図６～図８に示す実施形態では、１５０Ｎを超える力を伝達させることと、大幅に小型化されたボール３、例えば、１５ｍｍ未満の径を有するボール３を使用することとが可能になる。

【0076】

図８は、異なる設置高さを有する、異なるように設計されたコリメートレンズ７．１，７．２の配置がどのように焦点に影響を与えるかを示す。コリメートレンズ７．１の焦点長さは、コリメートレンズ７．２の焦点長さよりも長い。したがって、図８におけるようにコリメートレンズ７．１がハウジング２内に設置されているときに、コリメートレンズ７．１は、より太い径を有するビーム５．１を生成する。これは、次いで、焦点における小さいスポットサイズ１８．１をもたらす。

【0077】

ビーム経路５．１，５．２に対するスポットサイズ１８．１，１８．２が、接合相手１３，１４が図６に示すように配置された場合の図８に示されている。

【0078】

コリメートレンズ７．１と比較させて、別のコリメートレンズ７．２を、図８に破線で示す。これは、より小さい径を有する、破線でも示されるレーザビーム５．２をもたらす。焦点におけるこのレーザビーム５．２のスポットサイズ１８．２は、レーザビーム５．１のスポットサイズ１８．１よりも大きい。

【0079】

本発明の１つ又は少数の好ましい実施形態のみが記載及び提示されているが、当業者が本発明の本質及び範囲を逸脱することなく多数の変更を加えることができることは明らかである。

【0080】

例えば、図６～図８による実施形態におけるシャフト部４は、図２～図４による実施形態とは対照的に、ボール３がシャフト部４内に変位可能に設置されないため、円筒状である必要がない。

【0081】

図８に示す異なるビーム径も、異なる設置高さを有する異なるコリメートレンズ７．１，７．２を使用することによる以外の他の方法で、実現され得る。当然ながら、異なる特性を有しながら同じ設置高さを有するコリメートレンズ７を設けてビーム径を変化させることでも十分であり得る。

【0082】

これに代えて、コリメートレンズ７の設置高さのみを変化させることが考えられ得る。ただし、コリメートレンズ７の一定の焦点長さに起因して、コリメートレンズ７をボール３の方向に出る放射が完全にはコリメートされなくなることに留意しなければならない。このことは、図１～図３及び図５～図８に示すようにコリメートレンズ７の焦点が光ファイバ１２からの放射の２０と一致する場合にのみ当てはまる。

【0083】

光学ヘッド１の動作中、又は動作の休止中に、コリメートレンズ７の高さを変化させることも考えられ得る。この目的の場合には、ハウジング２及びコリメートレンズ７は、高さを変化させることに対する適切な装置に装備される必要がある。上述したように、ボール３上（図２及び図３）、又は集束レンズ８上（図６～図８）に届くレーザビーム５は、もはや完全にはコリメートされずに、ある程度発散又は集束する。ただし、このような実施形態は、レーザビーム５の発散又は集束が管理可能な限界内にとどまる限り、いくらかの微調整を可能にし得る。

【0084】

図６～図８に関して、コリメートレンズ７と集束レンズ８との組み合わせを、アパーチャ１１の領域に中間フォーカシングをも生じる、単体の十分な強度のフォーカシングレンズで置き換えることも考えられ得る。ただし、レーザビームの当該コリメートされた部分は、例えば、ハウジング２の長さを調整することと、必要であれば、さらに、コリメーションを変化させない光学素子を、追加のレンズなどを必要とせずにビーム経路に挿入することとを可能にすることに留意されたい。

【0085】

図２～図４に示す拘束部９は、面取りされた面であってもよい。

【0086】

図６～図９に示す空気軸受１０の凹部１９は、有利であるが、必須ではない。簡単な実施形態によれば、これらの凹部１９を省略することも可能である。

【0087】

当然ながら、空気軸受１０を、異なるように設計することが可能である。例えば、空気軸受１０を、ボール３に対して相補的又は少なくとも部分的に相補的である、異なるように成形された凹面、又は部分的に凹面状のアンダーカットとし得る。

【符号の説明】

【0088】

１ 光学ヘッド
２ ハウジング
３ ボール
４ 円筒状シャフト部
５ レーザビーム
６ 圧縮空気流入口
７ コリメートレンズ
８ 集束レンズ
９ 拘束部
１０ 空気軸受
１１ 開口部
１２ 光ファイバ
１３ レーザ透過接合相手
１４ レーザ吸収接合相手
１５ 封止板
１６ 矢印／矢印方向
１７ 光軸
１８ スポットサイズ
１９ 凹部
２０ 入口点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】