JP4426516B2 - レーザビームを焦点調節するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを焦点調節するための装置であって、望遠鏡装置が設けられており、該望遠鏡装置が、レーザビームを視準するための視準光学素子と、レーザビームを焦点に焦点調節するための後置された焦点調節光学素子とを有している形式のものに関する。

さらに、本発明は、レーザビームを焦点調節するための上述した装置によって三次元的にワーク加工するためのスキャナ加工ヘッドに関する。

ワークをレーザビームによって迅速に空間的に加工するための慣用のスキャナ加工ヘッドは、一般的に２つのミラーを備えたスキャナ光学系を有している。両ミラーは、視準されたかまたはほぼ視準されたビームを第１および第２の空間方向で屈折させ、ｆθレンズもしくはスキャンレンズを介してワークに伝送する。択一的なシステムは、焦点調節レンズの後方の焦点調節されたビームを少なくとも１つのスキャナミラーを介してワークに伝送することを提案している。このようなスキャナ光学系によって三次元の対象物を加工したい場合には、付加的にレーザ放射線の焦点の位置がビーム方向で調整可能でなければならない。このためには、レーザビームを焦点調節するための装置が必要となる。この装置によって、ビーム方向での焦点位置の移動が可能となる。

スキャナ光学系に接続されたレーザが固体レーザである場合には、レーザの出発ビームが、有利にはガラス繊維（レーザ光ケーブル）を介してスキャナ光学系に伝送される。このスキャナ光学系では、レーザビームが発散してレーザ光ケーブルから出射し、視準レンズによって視準され、次いで、スキャナ光学系によって屈折させられ、ｆθレンズによってワークに焦点調節される。焦点をビーム軸に沿って調節するためには、焦点調節対物レンズに入射したビームの発散度を変えることが必要となる。このことは、たとえばレーザ光ケーブルから出射した発散ビームを視準するために使用される視準レンズがビーム軸に沿って運動させられることによって行うことができる。

この解決手段の欠点は、視準レンズが比較的大きくひいては重く、作業ビームの重要な焦点ストロークを達成するために、レンズの比較的大きなストロークが必要となることにある。ストローク運動の、一般的に要求される高い動特性は、この手段では、極めて高い駆動出力を招く。この駆動出力によって、（さらに増加させられた運動させられる質量体による）大きなかつ重い構造と、アクチュエータの手間のかかる制御および冷却とが生ぜしめられる。さらに、著しく加速させられた大きな質量体が著しい反力を構造体の静的な部分に加える。この反力は、場合により、（たとえばロボットアームに固定された）ビームガイドシステムの望ましくない運動もしくは振動を生ぜしめ、著しく多大な手間をかけてしか補償することができないかもしくは最小限に抑えることができない。

さらに、特開平０５００２１４６号公報、特開２０００１９７９８４号公報、特開平０７１１６８６９号公報および特開２００３０１２３４６号公報から、ビームの発散度に影響を与えるために、場合により異なるサイズの２つのレンズから成る望遠鏡システムを使用することがすでに公知である。両レンズの一方、有利には小さい方のレンズが移動させられる。このレンズは、両レンズの間の間隔を変えるために、より僅かな力使用で移動可能である。この場合、レンズは、視準されたビーム内に位置していて、発散ビーム内には位置していない。
特開平０５００２１４６号公報 特開２０００１９７９８４号公報 特開平０７１１６８６９号公報 特開２００３０１２３４６号公報

これに対して、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置を改良して、ビーム方向での焦点の位置決めを高い速度で達成することができ、この場合、特に装置の望ましくない振動が回避されるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の装置では、発散ビーム路で一方の第１の望遠鏡装置の前方に、第１のレンズと、後置された第２のレンズとを備えた別の第２の望遠鏡装置が配置されており、該第２の望遠鏡装置の第１のレンズおよび／または第２のレンズが、互いに相対的にビーム方向に移動可能であるようにした。

さらに、前記課題を解決するために本発明のスキャナ加工ヘッドでは、焦点の位置が、第１および第２の空間方向で２つのスキャナミラーによって調整可能であり、第３の空間方向で、焦点位置を装置を用いて変えることによって調整可能であるようにした。

本発明によれば、第２の望遠鏡装置に対して、この第２の望遠鏡装置を第１の望遠鏡装置の前方の発散ビーム路に位置決めすることに基づき、第１の望遠鏡装置よりも僅かな焦点距離を備えたレンズを使用することができる。したがって、焦点をビーム軸に沿って調節するために必要となるレンズストロークが焦点距離に比べて減少させられる。

有利な構成では、第２の望遠鏡装置のレンズ直径が、第１の望遠鏡装置の光学素子の直径よりも小さく寸法設定されている。この光学素子はレンズであってもよいし、ミラーであってもよい。第２の望遠鏡装置のレンズを発散レーザビーム内に位置決めすることによって、レンズが僅かな直径ひいては僅かな質量さえ有していればよく、したがって、高動的に運動することができることが達成される。望遠鏡レンズは、基本的に、その動的な特性を最適化するために、可能な限り小さいことが望ましい。

別の有利な構成では、第２の望遠鏡装置の第１のレンズと第２のレンズとが、それぞれ量に関してほぼ同じ大きさの焦点距離を有している。この事例では、両レンズの、（外的な力によって生ぜしめられた）同義の運動が、焦点位置に極めて僅かな影響しか与えない。

有利な構成では、第２の望遠鏡装置が、レーザ光ケーブルの出射平面の近くに配置されている。この場合、第２の望遠鏡装置には、特に僅かな直径を備えたレンズが使用されてよい。

特に有利な構成では、第２の望遠鏡装置の第１のレンズと第２のレンズとの間の間隔が、レンズの焦点距離の量の総和とほぼ同じである。レンズ間隔は、有利には、ワークに対する繊維出射面の結像縮尺がレンズの移動時にほぼコンスタントに保たれるように選択される。この設定を達成するための最適なレンズ間隔は、ほぼレンズ焦点距離の総和である。

別の有利な構成では、第２の望遠鏡装置の第１のレンズと第２のレンズとが、収束レンズとして形成されている。望遠鏡装置は、この事例では、ケプラー望遠鏡として設計されている。このような装置によって、ビーム経過と、レンズを移動させるためのコンパクトな同軸的な駆動装置との衝突を回避することができる。ケプラー望遠鏡では、第２のレンズの後方に中間焦点が生ぜしめられ、これによって、第２のレンズの後方でビーム直径が、約２つの焦点距離の軸方向の距離を越えてレンズ直径を上回らない。この領域には、相応に小さな孔直径を備えた第２の駆動装置が配置されてよい。さらに、最適なレンズ間隔は、ほぼ焦点距離の総和である。この焦点距離の、ケプラー望遠鏡の場合に比較的大きな総和によって、付加的に駆動装置のための構成スペースが得られる。

択一的な構成では、第２の望遠鏡装置において、第１のレンズが、収束レンズとして形成されており、第２のレンズが、散乱レンズとして形成されている。望遠鏡装置は、この事例では、ガリレオ望遠鏡として形成されている。ここでは、第１のレンズと第２のレンズとの間の間隔を極めて小さく選択することができる。

特に有利な別の構成では、第２の望遠鏡装置の第１のレンズと第２のレンズとが、ビーム方向で逆方向にほぼ同じストローク長さで運動可能である。これによって、特に有利には、ビームの発散度変化を達成することができる。焦点をビーム軸に沿って調節するために必要となるレンズストロークは２つのレンズに分配される。これによって、各レンズに対して、所要のレンズストロークを二等分することが達成される。このことは、レンズ運動の動特性を著しく高める。さらに、レンズの運動は対称的に逆方向で行われるので、僅かな反力しか焦点調節装置の保持部に生ぜしめられないことが確保されている。

有利な構成では、第２の望遠鏡装置において、第１のレンズおよび／または第２のレンズが、支承装置に支承されており、該支承装置が、少なくとも１つの環状のダイヤフラムばねを有しており、該ダイヤフラムばねの内径が、レンズ直径にほぼ相当しており、ダイヤフラムばねが、特に方位の複数のスリットを有している。

この構成の有利な改良形では、支承装置が、ビーム方向で互いに間隔を置いて配置された２つのダイヤフラムばねを有しており、両ダイヤフラムばねが、ビーム方向に対して平行に延びる管によって内径の領域で互いに結合されている。この場合、個別ダイヤフラムの半径方向の高い剛性は複合体の傾倒剛性のために働く（平行四辺形支承の原理）。

前述したスキャナでは、ワークのレーザ加工を３つの全ての空間方向でほぼ同じ速度で達成することができる。

しかし、レーザビームを焦点調節するための本発明による装置の使用は、スキャナ加工ヘッドでの使用に限定されていない。たとえば深溶込み溶接のために、スキャナ光学系なしの加工ヘッドに本発明による望遠鏡装置をビーム軸内で迅速に焦点位置調節するために組み込むことも有利であり得る。

本発明の別の利点は、明細書および図面の簡単な説明から得られる。前述した特徴と、さらに詳しく記載する特徴とは、それぞれ単独で使用することもできるし、任意に組み合わせて使用することもできる。図示しかつ説明した構成は、最終的な列挙として解釈するのではなく、むしろ、本発明を説明するための例示的な特徴を有している。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１に示した、レーザビーム２を焦点調節するための装置１は焦点位置を変えるために働く。この装置１は、視準レンズ４と、レーザビーム２を焦点６に焦点調節するための焦点調節レンズ５（直径Ｄ）とを備えた第１の望遠鏡装置３を有している。この第１の望遠鏡装置３の前方のビーム路には、第１のレンズ８と、後置された第２のレンズ９（直径ｄ＜Ｄ）とを備えた第２の望遠鏡装置７が配置されている。この場合、この第２の望遠鏡装置７の第１のレンズ８と第２のレンズ９とは互いに相対的にビーム方向１０に移動可能である。第２の望遠鏡装置７はレーザ光ケーブル１２の出射面１１の近くに配置されている。第２の望遠鏡装置はケプラー望遠鏡として形成されている。なぜならば、第２の望遠鏡装置７の第１のレンズ８と第２のレンズ９とが収束レンズであるからである。両レンズ８，９は同一の構造ひいては同一の焦点距離を有している。全体的には、レンズ８，９に対するレーザ高出力範囲のために、ケプラー望遠鏡に対する約２０〜６０ｍｍの最適な焦点距離範囲が得られる。第２の望遠鏡装置としてのガリレオ望遠鏡の使用時には、焦点距離範囲が傾向的に幾分より高く位置している。

装置１の作用形式は、たとえば図１の部分図（ａ）〜（ｃ）に例示してある。図（ａ）には、装置１が静止状態で示してある。第２の望遠鏡装置７の第１のレンズ８と第２のレンズ９とは、ここでは、互いに間隔Ｌを置いて配置されている。この間隔Ｌはレンズ８，９の焦点距離の量の総和とほぼ同じである。この場合、レーザビーム２の焦点６はレベルＢに位置している。

図（ｂ）には、第１のレンズ８と第２のレンズ９とをほぼ同じストローク長さで逆方向に引き離すことよって、焦点６がどのようにレベルＢからビーム路でレベルＢの後方に移動するのかが示してある。図（ｃ）には、第１のレンズ８と第２のレンズ９とをほぼ同じ移動ストローク長さで押し寄せる場合に、焦点６がどのようにレベルＢからビーム路でレベルＢの前方に移動するのかが示してある。

静止位置における間隔Ｌは、ワークに対する繊維出射面の結像縮尺がほぼコンスタントに保たれるように選択されている。獲得可能な最小の縮尺変化は、選択された光学的な配置形式（たとえば望遠鏡装置の種類およびサイズ、視準されたビームの長さ等）と、第１の望遠鏡装置の焦点調節光学素子の焦点距離に比べて、要求された焦点位置移動とに関連している。加工使用事例に応じて、最大数パーセントの結像の変化が補償（たとえば加工速度またはレーザ出力の適合）なしに許容可能である。

第２の望遠鏡装置７の第１のレンズ８と第２のレンズ９との直径ｄは、基本的に、装置１の動的な特性を最適化するために、可能な限り小さいことが望ましい。短い焦点距離から生ぜしめられる小さなレンズ開口の場合には、ホルダおよびビームガイドエレメント（カバー、絞り等）の過熱の危険が高められている。この事例では、アクティブな冷却が必要となり得る。光導波路コネクタもしくはコネクタ収容部の構成に応じて、レーザ光ケーブル１２の出射面１１からの第１のレンズ８に対する最小作業間隔（ひいては最小焦点距離）が得られる。

図２には、第２の望遠鏡装置７の支承部が示してある。第１のレンズ８は環状のダイヤフラムばね１３に支承されている。このダイヤフラムばね１３の内径はレンズ８の直径ｄに適合されている。ダイヤフラムばね１３は管１４を介して別のダイヤフラムばね１５に結合されている。管１４は、第１のレンズ８をビーム方向１０に移動させる（二重矢印１６参照）ためのリニア駆動装置（図示せず）に結合されている。このリニア駆動装置は可動コイル駆動装置として形成されていて、ビーム拡幅方向で第２のダイヤフラムばね１５の後方にレーザビームに対して同軸的に配置されている。第１のレンズ８を支承するための装置全体は第１の支承ユニット１７を形成している。第２のレンズ９の同一の構造に基づき、この第２のレンズ９の支承のためには、第１の支承ユニット１７に対して同一の構造を備えた第２の支承ユニット１８が使用され得る。リニア駆動装置の全構造長さは、ケプラー望遠鏡の場合には、最大で焦点距離の約４倍であることが望ましい。

図３には、第２の望遠鏡装置７のダイヤフラムばね１３が平面図で示してある。このダイヤフラムばね１３は、有利には特殊鋼、硬化させられたばね鋼またはばね青銅から成っていて、極めて僅かな剛性を軸方向に有している。このことは、有利には、運動の動特性および必要となる駆動出力に影響を与える。半径方向および方位方向でのダイヤフラムばね１３の剛性は極めて高く、これによって、ねじれまたは側方の移動なしに、レンズの軸方向の運動しか生ぜしめられ得ない。ダイヤフラムばね１３は、方位の幾つかのスリット１９を有している（これらのスリット１９は、たとえばレーザ切断によって製作することができる）。これらのスリット１９はダイヤフラムばね１３の軸方向の剛性を著しく減少させるものの、まだ半径方向の高い剛性を維持している。

レーザビーム２を焦点調節するための装置１は、特に有利には、図４に示したように、三次元的なワーク加工のためのスキャナ加工ヘッド２０に使用することができる。この場合、焦点６の位置は、第１および第２の空間方向では、２つのスキャナミラー２１，２２によって調整可能であり、第３の空間方向では、焦点位置を装置１を用いて変えることによって調整可能である。これによって、ワークの三次元的な加工を行うことができる。この場合、装置１のレンズ８，９の短いレンズストロークおよび僅かな質量によって、加工を第３の空間方向でも十分に大きな速度で行うことができることが確保されている。なぜならば、焦点６を迅速に調節することができるからである。さらに、ダイヤフラムばね１３，１５による支承は、第３の空間方向での焦点位置の正確な調整を確保している。この場合、焦点位置調節は、レンズの変位が測定される場合に調整されて行われ得る。

第１および第２の望遠鏡装置を備えた、レーザビームを焦点調節するための本発明による装置の構成を示す図であり、この場合、部分図（ａ）には、焦点が第１の位置で示してあり、部分図（ｂ）には、焦点が第２の位置で示してあり、部分図（ｃ）には、焦点が第３の位置で示してある。 それぞれ２つの環状のダイヤフラムばねを有する２つの支承装置を備えた、図１に示した第２の望遠鏡装置の著しく概略的な縦断面図である。 方位のスリットを備えた、図２の環状のダイヤフラムばねの一方の正面図である。 図２に示した焦点調節するための本発明による装置によって三次元的に材料加工するためのスキャナ加工ヘッドを示す図である。

符号の説明

１ 装置、 ２ レーザビーム、 ３ 望遠鏡装置、 ４ 視準レンズ、 ５ 焦点調節レンズ、 ６ 焦点、 ７ 望遠鏡装置、 ８ レンズ、 ９ レンズ、 １０ ビーム方向、 １１ 出射面、 １２ レーザ光ケーブル、 １３ ダイヤフラムばね、 １４ 管、 １５ ダイヤフラムばね、 １６ 二重矢印、 １７ 支承ユニット、 １８ 支承ユニット、 １９ スリット、 ２０ スキャナ加工ヘッド、 ２１ スキャナミラー、 ２２ スキャナミラー、 Ｂ レベル、 ｄ 直径、 Ｄ 直径、 Ｌ 間隔

Claims (12)

1. レーザビーム（２）を焦点調節するための装置（１）であって、望遠鏡装置（３）が設けられており、該望遠鏡装置（３）が、レーザビーム（２）を視準するための視準光学素子（４）と、レーザビーム（２）を焦点（６）に焦点調節するための後置された焦点調節光学素子（５）とを有している形式のものにおいて、
   発散ビーム路で一方の第１の望遠鏡装置（３）の前方に、第１のレンズ（８）と、後置された第２のレンズ（９）とを備えた別の第２の望遠鏡装置（７）が配置されており、該第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）および第２のレンズ（９）が、互いに相対的にビーム方向（１０）に移動可能であることを特徴とする、レーザビームを焦点調節するための装置。
2. レーザビーム（２）を焦点調節するための装置（１）であって、望遠鏡装置（３）が設けられており、該望遠鏡装置（３）が、レーザビーム（２）を視準するための視準光学素子（４）と、レーザビーム（２）を焦点（６）に焦点調節するための後置された焦点調節光学素子（５）とを有している形式のものにおいて、
   発散ビーム路で一方の第１の望遠鏡装置（３）の前方に、第１のレンズ（８）と、後置された第２のレンズ（９）とを備えた別の第２の望遠鏡装置（７）が配置されており、該第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）または第２のレンズ（９）が、ビーム方向（１０）に移動可能であることを特徴とする、レーザビームを焦点調節するための装置。
3. 第２の望遠鏡装置（７）のレンズ直径（ｄ）が、第１の望遠鏡装置（３）の光学素子の直径（Ｄ）よりも小さく寸法設定されている、請求項１または２記載の装置。
4. 第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）と第２のレンズ（９）とが、それぞれ量に関してほぼ同じ大きさの焦点距離を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 第２の望遠鏡装置（７）が、レーザ光ケーブル（１２）の出射平面（１１）の近くに配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）と第２のレンズ（９）との間の間隔（Ｌ）が、レンズ（８，９）の焦点距離の量の総和とほぼ同じである、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）と第２のレンズ（９）とが、収束レンズとして形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 第２の望遠鏡装置（７）において、第１のレンズ（８）が、収束レンズとして形成されており、第２のレンズ（９）が、散乱レンズとして形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
9. 第２の望遠鏡装置（７）の第１のレンズ（８）と第２のレンズ（９）とが、ビーム方向（１０）で逆方向にほぼ同じストローク長さで運動可能である、請求項１、３、４、５、６、７または８記載の装置。
10. 第２の望遠鏡装置（７）において、第１のレンズ（８）および／または第２のレンズ（９）が、それぞれ支承装置（１７；１８）に支承されており、該支承装置（１７；１８）が、少なくとも１つの環状のダイヤフラムばね（１３，１５）を有しており、該ダイヤフラムばね（１３，１５）の内径（ｄ）が、レンズ直径（ｄ）にほぼ相当しており、ダイヤフラムばね（１３，１５）が、複数のスリット（１９）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 支承装置（１７；１８）が、ビーム方向（１０）で互いに間隔を置いて配置された２つのダイヤフラムばね（１３，１５）を有しており、両ダイヤフラムばね（１３，１５）が、ビーム方向（１０）に対して平行に延びる管（１４）によって内径（ｄ）の領域で互いに結合されている、請求項１０記載の装置。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の、レーザビーム（２）を焦点調節するための装置（１）によって三次元的にワーク加工するためのスキャナ加工ヘッド（２０）において、焦点（６）の位置が、第１および第２の空間方向で２つのスキャナミラー（２１，２２）によって調整可能であり、第３の空間方向で、焦点位置を装置（１）を用いて変えることによって調整可能であることを特徴とする、レーザビームを焦点調節するための装置によって三次元的にワーク加工するためのスキャナ加工ヘッド。

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