JPH0476705B2

JPH0476705B2 -

Info

Publication number: JPH0476705B2
Application number: JP63155672A
Authority: JP
Inventors: Takashi Togo
Original assignee: Mochida Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Mochida Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1992-12-04
Also published as: JPH01320050A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、レーザメス装置のマニピユレータ
に関し、特に、マニピユレータ内でレーザビーム
を伝達する光学装置の改良に関するものである。

［従来の技術］レーザビームの伝達には光学フアイバが広く用
いられている。しかし、炭酸ガスレーザなどは光
学フアイバ内を通すことができない。そこで、そ
の場合にはマニピユレータを用いて、複数の平面
鏡による反射の繰り返しでレーザビームを伝達し
ている。一般に、マニピユレータを用いる場合に
は、一対の平面鏡を内蔵した関節によつて、その
両側に筒状のアームを回動自在に連結し、一方の
アーム内を伝達されてきたレーザビームを、一対
の平面鏡で反射して、他方のアーム内に出射する
ようにしている。

［発明が解決しようとする課題］レーザメス装置のマニピユレータは、操作に追
従して自由に動くことが重要である。そのために
は、アームをできるだけ細く、軽くすることが望
ましい。

しかし、レーザビームそのものにある程度の太
さ（直径で５〜８mm程度）があり、しかもアーム
の内壁にレーザビームが当るとアームが損傷して
しまうので、アームはレーザビームの太さに対し
てある程度余裕を持つた太さにする必要がある。
さらに、反射鏡の取付誤差などによつて生ずるレ
ーザビームの傾きを考慮し、それでもなおレーザ
ビームがアームの内壁に当たらないようにするた
めには、アームはどうしてもかなりの太さ（直径
20〜30mm）になつてしまう。そのため、従来のレ
ーザメス装置のマニピユレータにおいては、アー
ムが太くて重くなり、操作性が良くない欠点があ
つた。

また、レーザビームがアームの内壁に当たらな
いように、反射鏡の取付角度を厳密に調整する必
要があり、取付角度にして、数分以内という、極
めて微細な精度で調整をしなければならなかつ
た。そのため、その調整作業には熟練者でも数時
間を要し、調整のために大きなコストがかかる欠
点があつた。また、調整後に極めて僅かなずれが
発生しても、長時間をかけて再調整をしなければ
ならなかつた。

この発明は、そのような従来の欠点を解消し、
アームを細く形成することができ、しかも反射鏡
の調整に時間をとられないレーザメス装置のマニ
ピユレータを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するために、本発明のレーザ
メス装置のマニピユレータは、一対の反射鏡を内
蔵した関節によつて、アームとアームを回動自在
に連結したレーザメス装置のマニピユレータにお
いて、レーザビームを内面で繰り返し反射して伝
達する中空の導波管を上記の各アームに配置する
と共に、上記一対の反射鏡の少なくとも一方を凹
面鏡で構成し、上記の一方の導波管から出射され
たレーザビームを上記凹面鏡で集束させて上記の
他方の導波管に入射させるようにしたことを特徴
とする。

この場合において、上記一対の反射鏡のうち、
一方だけを凹面鏡としてもよいし、双方を凹面鏡
にしてもよい。

また、上記の導波管の内径をＤとし、凹面鏡に
よつて集束するレーザビームの直径をｄとしたと
き、0.3≦ｄ／Ｄ＝≦0.8となるようにするのが好
ましい。レーザビームが入射する側の導波管の内
径を、レーザビームを出射する側の導波管の内径
よりも太くしてもよい。

また、導波管に沿つて冷却用気体を流す冷却手
段を設けてもよい。

［作用］一方の導波管から出射されたレーザビームは、
関節内に設けられた一対の反射鏡で反射されて他
方の導波管に入射する。その際、レーザビームは
凹面鏡によつて集束されて他方の導波管内に入射
する。このようにして、レーザビームは、関節が
どのように回動していても、導波管内から次の導
波管内へ伝達され、導波管内を通つてマニピユレ
ータの出射端から出射される。

［実施例］図面を参照して実施例を説明する。

第１図は、レーザメス装置のマニピユレータを
展開して略示している。図中、１はレーザ発振装
置であり、本実施例においては炭酸ガスレーザ装
置が用いられている。使用目的に応じて、YAG
レーザその他のレーザを発振するものを用いても
よい。第１図は展開図なので、レーザ発振装置は
横向きに図示されているが、実際には上向き又は
下向き等に配置してもよい。

レーザ発振装置１のレーザ出射端面に接近し
て、一対のミラーボツクス２ａ，２ｂからなる第
１の関節２が、レーザビームの光軸を軸として回
動自在に連結されている（以下、２ａを基側のミ
ラーボツクス、２ｂを先側のミラーボツクスと呼
ぶ）。３は回転部であり、そこに取着されたベア
リング（図示せず）により、第１の関節２が抵抗
なく回転することができる。また、２つのミラー
ボツクス２ａ，２ｂどうしも、その間に形成され
た回転部４により、上記回転部３と直角の方向に
回転自在に連結されている。この回転部４にもベ
アリングが装着されているが、その図示は省略さ
れている。

先側のミラーボツクス２ｂには、レーザ発振装
置１からのレーザビームの発振方向と平行の方向
に、筒状の第１のアーム５が連結されている。そ
して、そのアーム５の中心軸の位置に、レーザビ
ームを内面で繰り返し反射して伝達する中空の第
１の導波管６が通され、両端部付近でアーム５に
固定されている。このように、アーム５は、導波
管６を機械的に支え、保護している。

導波管６は、例えばニツケル製又は銀製等のパ
イプの内面に、ゲルマニウム又はセレン化亜鉛等
の被膜を形成したものであり、例えば内径が1.5
mm、肉厚が0.1mm程度の細くて薄いものを用いる
ことができる。したがつて、アーム５の外径を例
えば３〜４mmにまで細くすることができる。また
導波管６は、ガラス製その他のパイプの内面に、
レーザビームをよく反射する物質の被覆を形成し
たものであつてもよい。

また、第１の関節２内には一対の反射鏡７，８
が内蔵されている。即ち、基側のミラーボツクス
２ａ内には平面鏡７が、先側のミラーボツクス２
ｂ内には凹面鏡８が、共にレーザビームの光軸に
対して45°の角度をなすように固定されている。
したがつて、レーザ発振装置１から出射されたレ
ーザビームは、平面鏡７で直角に反射され、さら
に凹面鏡８で集束しながら直角に反射され、第１
の関節２がどのように回動していても、第１の導
波管６の端部に集束して、その導波管６内に入射
する。そして、レーザビームは、導波管６内で反
射を繰り返しながら、導波管６の他端部側に伝達
される。

第１のアーム５の他端側には、一対のミラーボ
ツクス９ａ，９ｂからなる第２の関節９が連結さ
れている。この基側のミラーボツクス９ａと先側
のミラーボツクス９ｂも、その間に形成された回
転部１０により、第１の導波管６の軸と直角の方
向を軸として、回転自在に連結されている。この
回転部１０にもベアリングが装着されているが、
その図示は省略されている。

先側のミラーボツクス９ｂには、第１のアーム
５と平行の方向に、筒状の第２のアーム１１が連
結されている。そして、この第２のアーム１１の
中心軸の位置に第２の導波管１２が通され、両端
部付近で第２のアーム１１に固定されている。第
２の導波管１２は、この実施例では第１の導波管
６と同じ太さのものが用いられている。

第２の関節９内にも一対の反射鏡１３，１４が
内蔵されている。即ち、基側のミラーボツクス９
ａ内には、曲率半径R₁の凹面鏡１３が、第１の
導波管６の軸方向に対して45°の角度で固定され、
先側のミラーボツクス９ｂ内には、曲率半径R₂
の凹面鏡１４が、第２の導波管１２の軸方向に対
して45°の角度で固定されている。したがつて、
第１の導波管６から出射されたレーザビームは、
２つの凹面鏡１３，１４で反射され、第２の関節
９がどのような向きに回動していても、第２の導
波管１２の端部に集束してその導波管１２内に入
射する。そして、レーザビームは、第２の導波管
１２内で反射を繰り返しながら伝達され、第２の
導波管１２の出射端部（即ち、マニピユレータの
出射端部）から目的部位に照射される。

第２図は、凹面鏡の反射による光源２１の直径
d₁とその像２２の直径d₂との関係を示しており、
凹面鏡２３から光源２１までの距離をａ、凹面鏡
２３から像２２までの距離をｂとするとd₂／d₁＝
ｂ／ａである。

また、第３図は、導波管６，１２に入射したレ
ーザビームが、どの程度その導波管６，１２から
出射されるか、その伝達率を示している。Ｄは導
波管の内径、ｄは、導波管の入射端部に集束する
レーザビームの直径である。この図から、レーザ
ビームの集束率ｄ／Ｄ＝0.5程度にするのが最も
伝達率が良く、0.3≦ｄ／Ｄ≦0.8程度の範囲で伝
達率が良好なことがわかる。

第４図は、第１の導波管６から第２の導波管１
２にレーザビームを入射させる部分の、実施例の
光学系を示している。基側の凹面鏡９ａの焦点位
置から45°回転した位置（凹面鏡９ａからの距離
ａ）に、第１の導波管６の出射端部６ａが配置さ
れている。また先側の凹面鏡９ｂの焦点位置から
45°回転した位置（凹面鏡９ｂからの距離ｂ）に、
第２の導波管１２の入射端部１２ｂが配置されて
いる。したがつてａ／ｂ＝R₁／R₂であり、２つ
の凹面鏡１３，１４の間ではレーザビームは平行
光束である。光学系をこのように配置すると、設
計が単純でわかり易く、第３図の結果から、各凹
面鏡１３，１４の曲率半径をR₁＝2R₂にしておけ
ば、レーザビームの伝達率が最も良いことにな
る。

しかし、本発明は、このように単純化した光学
系に限定されるものではなく、レーザビームを直
径ｄに集束して内径Ｄの導波管に入射させるとし
たとき、0.3≦ｄ／Ｄ≦0.8となる光学系ならば、
どのような反射鏡を用いてもよい。したがつて、
例えば第５図に示されるように、一対の反射鏡３
３，３４の一方を凹面鏡３４にして、他方を平面
鏡３３に構成することも可能である。この場合、
この実施例のように２つの導波管６，１２の内径
が同じ場合には、0.3≦ｂ／（a₁＋a₂）≦0.8である
ことが、伝達率のうえから望ましい。a₁，a₂，ｂ
は、第５図に示されるとおりである。

また、第２の導波管１２の内径を、第１の導波
管６の内径より太くすれば、マニピユレータの操
作性は少し低下するが、レーザビームをそれほど
集束させなくても良好な伝達率を得ることができ
る。伝達率が低下しないようにレーザビームを集
束させれば、第２の導波管１２の内径を第１の導
派管６の内径より細くして、逆に、操作性を向上
させることも可能である。

このようにして、レーザビームは第２の導波管
１２内を通つてマニピユレータから出射され、目
的部位に照射される。なお、第２のアームの先
に、さらに第３、第４のアームを関節を介して連
結してもよい。

第１図にもどつて、１５は、マニピユレータ内
に冷却用の空気を流して、導波管６，１２を冷却
する冷却用空気ポンプである。図中の矢印は空気
の流れを示している。１６は、冷却用空気がレー
ザ発振装置１の側へ流出しないように、レーザ発
振装置１の出射端部に設けられた窓である。この
窓１６は例えばZnSe製であり、炭酸ガスレーザ
ビームはほぼ完全に透過することができる。

本実施例においては、空気ポンプ１５からマニ
ピユレータ内に送り込まれた冷却用空気は、各ア
ーム５，１１と各導波管６，１２との〓間及び各
導波管６，１２内を通つて、途中から外部に漏れ
ることなく、第２の導波管１２の出射端部から外
部に放出される。したがつて、レーザビームを繰
り返し反射することによつて熱を持つ各導波管
６，１２を空冷することができる。尚、冷却用空
気の代りに、窒素、炭酸ガスその他の気体を用い
てもよい。

［発明の効果］本発明のレーザメス装置のマニピユレータによ
れば、中空の導波管に凹面鏡によりレーザビーム
を収束させて、その導波管内でレーザビームを繰
り返し反射させて伝達するので、アームを著しく
細く、軽量に形成することができ、従来に比べて
格段に優れた操作性を得ることができる。しか
も、関節内に設けた凹面鏡でレーザビームを集束
させて導波管に入射させることにより、レーザビ
ームを極めて少ないロスで伝達することが可能で
あり、また、どのような波長のレーザビームを用
いても、全く同じように集束させて、効率よく伝
達することができる。さらに、反射鏡の比較的近
傍に配置される導波管の端部に、レーザビームを
はみ出さないように収束させればよいので、反射
鏡の取付角度の許容誤差が大きく、反射鏡の取付
けに際しては、ほとんど調整作業を必要としない
等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の展開略示図、第２
図は凹面鏡の反射状態を示す略示図、第３図は凹
面鏡によるレーザビームの収束率とマニピユレー
タの伝達率との関係を示す線図、第４図は関節に
内蔵された一対の反射鏡を双方とも凹面鏡にした
光学系を示す略示図、第５図はその部分の反射鏡
を一方を凹面鏡にし、もう一方を平面鏡にした光
学系を示す略示図である。１……レーザ発振装置、２，９……関節、３，
４，１０……回転部、５，１１……アーム、６，
１２……導波管、７……平面鏡、８，１３，１４
……凹面鏡。

Claims

【特許請求の範囲】１一対の反射鏡を内蔵した関節によつて、アー
ムとアームを回動自在に連結したレーザメス装置
のマニピユレータにおいて、レーザビームを内面
で繰り返し反射して伝達する中空の導波管を上記
の各アームに配置すると共に、上記一対の反射鏡
の少なくとも一方を凹面鏡で構成し、上記の一方
の導波管から出射されたレーザビームを上記凹面
鏡で集束させて上記の他方の導波管に入射させる
ようにしたことを特徴とするレーザメス装置のマ
ニピユレータ。２上記一対の反射鏡のうち一方が凹面鏡であ
り、他方が平面鏡である請求項１記載のレーザメ
ス装置のマニピユレータ。３上記の一対の反射鏡が共に凹面鏡である請求
項１記載のレーザメス装置のマニピユレータ。４上記の導波管の内径をＤとし、上記の凹面鏡
によつて集束するレーザビームの直径をｄとした
とき0.3≦ｄ／Ｄ＝≦0.8である請求項１，２又は
３記載のレーザメス装置のマニピユレータ。５上記のレーザビームが入射する側の導波管の
内径が、レーザビームを出射する側の導波管の内
径よりも太い請求項１又は４記載のレーザメス装
置のマニピユレータ。６上記の導波管に沿つて冷却用気体を流す冷却
手段が設けられている請求項１，２，３，４又は
５記載のレーザメス装置のマニピユレータ。