JP6306659B1

JP6306659B1 - ビーム分配器

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Publication number: JP6306659B1
Application number: JP2016205260A
Authority: JP
Inventors: 宗和松田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2036-10-19
Also published as: JP2018066853A; DE102017218690A1; CN107966809B; DE102017218690B4; US10279427B2; US20180104769A1; CN107966809A

Abstract

【課題】ガイドレーザから出射された可視光線の視認性を保つことが可能な直動式のビーム分配器を提供すること。【解決手段】ビーム分配器１において、ビーム変向部８は、入射ビームを反射するとともに可視光線２３を透過する２色性を有している。ガイドレーザ９は、可視光線２３を発振するときに、ビーム変向部８の入射ビーム２１の光軸方向への移動に伴って移動することにより、可視光線２３がビーム変向部８を透過してその光軸を反射ビーム２２の光軸に一致させるように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、出力１００Ｗ以上のレーザ光源からレーザ光（赤外線）を発振して切断、溶接などのレーザ加工を行う加工機器に搭載されるビーム分配器に関する。

従来、この種のビーム分配器においては、レーザ光源を有効に活用すべく、全反射ミラーを入射ビームの光軸に沿って平行移動させる方式（以下、「直動式」という。）を採用することにより、１個のレーザ光源から発振されたレーザ光をフィードファイバ（例えば、光ファイバ）から取り込んだ後、全反射ミラーを適宜平行移動させることにより、複数のプロセスファイバ（例えば、光ファイバ）に分岐する技術が提案されていた（例えば、特許文献１〜４参照）。

また、このレーザ光源の発振波長は９００ｎｍ以上の赤外領域であるため、レーザ光がどこを通っているのかを目視で確認することができない。そのため、一般的に、出力１００Ｗ以上のレーザ光源には可視光線のガイドレーザが搭載されており、このガイドレーザからガイド光として可視光線をレーザ光と同じ経路で出射することにより、赤外領域のレーザ光がどこを通っているかを目視で確認できるようにしている。

特開平６−３４４１７０号公報特開２０１０−１３９９９１号公報特開平１１−１４２７８６号公報実開昭６３−８５２１２号公報

しかしながら、ビーム分配器には、フィードファイバから出たレーザ光を平行光にするコリメートレンズ、レーザ光を反射する反射鏡、レーザ光をプロセスファイバに集光するフォーカスレンズなど各種の光学部品が使用されている。これらの光学部品には、レーザ光の波長の光を透過、反射するために、ＡＲコーティング（反射防止膜）やＨＲコーティング（高反射膜）が施されている。こうしたコーティングは、レーザ光の波長（赤外領域）に合わせて最適化されており、可視光線に対しては１面当たり数％の損失が生じるのが一般的である。

このため、ガイドレーザから出射された可視光線は、光学部品を通過するたびに出力が低下して視認性が悪くなるという不都合がある。とりわけ、筐体に組み込まれる光学部品の数が多い場合には、この不都合が顕著になる。

本発明は、このような事情に鑑み、ガイドレーザから出射された可視光線の視認性を保つことが可能な直動式のビーム分配器を提供することを目的とする。

本発明に係るビーム分配器（例えば、後述のビーム分配器１）は、ビームが通過する筐体（例えば、後述の筐体２）と、１つ以上のビーム入射口（例えば、後述のビーム入射口３）と、１つ以上のビーム出射口（例えば、後述のビーム出射口５）と、前記ビーム入射口から前記筐体内に入射したビームを前記ビーム出射口へ導光するように、このビームの向きを変えるビーム変向部（例えば、後述のビーム変向部８）と、前記ビーム変向部を入射ビーム（例えば、後述の入射ビーム２１）の光軸方向に移動させる第１駆動装置（例えば、後述の第１駆動装置１０）と、前記ビーム変向部の位置を検出する位置検出装置（例えば、後述の位置検出装置１３）と、前記第１駆動装置を制御する制御装置（例えば、後述の制御装置１５）と、前記位置検出装置の位置に関する位置情報を記録する記録装置（例えば、後述の記録装置１６）と、可視光線（例えば、後述の可視光線２３）を発振するガイドレーザ（例えば、後述のガイドレーザ９）と、を備え、前記制御装置が、前記位置検出装置からの信号に基づいて前記第１駆動装置を制御して、前記ビーム変向部を入射ビームの光軸方向に前記記録装置に記録された位置情報に対応する位置へ移動させることにより、入射ビームを前記ビーム変向部で反射して、その反射ビーム（例えば、後述の反射ビーム２２）を前記ビーム出射口へ導光するように構成されたビーム分配器であって、前記ビーム変向部は、入射ビームを反射するとともに可視光線を透過する２色性を有し、前記ガイドレーザは、可視光線を発振するときに、前記ビーム変向部の前記入射ビームの光軸方向への移動に伴って移動することにより、この可視光線が前記ビーム変向部を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されている。

前記前記ビーム出射口における前記反射ビームの散乱光を検出する散乱光センサ（例えば、後述のフォトダイオード１７）を有し、前記反射ビームが前記ビーム出射口に出射した状態で前記散乱光センサの検出値が最小になる値に前記記録装置の位置情報を変更してもよい。

前記ビーム変向部を入射ビームの光軸に垂直な方向に駆動する第２駆動装置を有してもよい。

前記入射ビームの向きを変える光学部品が１つ以上、前記ビーム入射口と前記ビーム変向部との間に設置されていてもよい。

前記入射ビームの光軸の延長線上であって前記ビーム変向部の後方に温度スイッチ（例えば、後述の温度スイッチ１４）を設置し、前記温度スイッチのオン／オフにより、前記ビーム変向部が焼損したか否かを判定するように構成されていてもよい。

前記筐体と前記ビーム変向部との間に弾性部材（例えば、後述のコイルばね１８）を介在させるとともに、前記ビーム変向部の移動を制限する停止部材（例えば、後述の停止部材１９）を設置し、前記第１駆動装置を駆動する動力が遮断された場合に、前記ビーム変向部が前記弾性部材の弾性力によって前記停止部材の位置まで移動するように構成されていてもよい。

前記第１駆動装置は、ボールねじ（例えば、後述のボールねじ１１）およびモータ（例えば、後述のモータ１２）から構成されていてもよい。

前記第１駆動装置は、リニアモータから構成されていてもよい。

本発明によれば、直動式のビーム分配器において、ガイドレーザをビーム変向部に追加することで、ガイドレーザから出射された可視光線が通過する光学部品を最小にできることから、この可視光線の出力低下を抑制して視認性を保つことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るビーム分配器の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係るビーム分配器の構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係るビーム分配器の稼働時の状態を示す図である。本発明の第３実施形態に係るビーム分配器の非常時の状態を示す図である。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第２実施形態以後の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るビーム分配器の構成を示す図である。

直動式のビーム分配器１は、図１に示すように、筐体２と、１つのビーム入射口３と、２つのビーム出射口５（第１ビーム出射口５Ａ、第２ビーム出射口５Ｂ）と、コリメートレンズ６と、支持部材７と、ビーム変向部８と、ガイドレーザ９と、第１駆動装置１０と、位置検出装置１３と、制御装置１５と、記録装置１６と、を備えている。さらに、第１駆動装置１０は、ボールねじ１１およびモータ１２から構成されている。

ここで、筐体２は、図１に示すように、レーザ光源（図示せず）から発振されたレーザ加工用のビーム（赤外線）が通過する。コリメートレンズ６は、ビーム入射口３から入射したビームを平行光にする。支持部材７上には、ビーム変向部８およびガイドレーザ９が一体に搭載されている。ビーム変向部８は、ビーム入射口３から筐体２内に入射したビームをビーム出射口５へ導光するように、このビームの向きを変える。

ガイドレーザ９は、可視光線２３を発振する。第１駆動装置１０は、ビーム変向部８およびガイドレーザ９が搭載された支持部材７を入射ビーム２１の光軸方向（Ｘ方向）に移動させる。位置検出装置１３は、ビーム変向部８の位置を検出して、現在位置情報を制御装置１５に出力する。制御装置１５は、モータ１２に通電して第１駆動装置１０を制御する。記録装置１６は、位置検出装置１３の位置に関する位置情報を記録し、目標角度情報を制御装置１５に出力する。

また、このビーム分配器１は、制御装置１５が、位置検出装置１３からの信号に基づいて第１駆動装置１０を制御して、支持部材７を介してビーム変向部８を入射ビーム２１の光軸方向に記録装置１６に記録された位置情報に対応する位置へ移動させることにより、入射ビーム２１をビーム変向部８で反射して、その反射ビーム２２をビーム出射口５へ導光するように構成されている。

さらに、ビーム変向部８は、入射ビーム（赤外線）を反射するとともに可視光線２３を透過する２色性を有している。そして、ガイドレーザ９は、可視光線２３を発振するときに、ビーム変向部８の入射ビーム２１の光軸方向への移動に伴って移動することにより、この可視光線２３がビーム変向部８を透過してその光軸を反射ビーム２２の光軸に一致させるように配置されている。

そして、このビーム分配器１を用いて、第１ビーム出射口５Ａに導光するときには、制御装置１５からの指令に基づき、モータ１２を駆動してボールねじ１１を回転させることにより、図１に実線で示すように、支持部材７を介してビーム変向部８を所定の位置（第１ビーム出射口５Ａに対向する位置）に位置決めする。すると、ビーム入射口３から入射した入射ビーム２１はビーム変向部８で反射し、反射ビーム２２として第１ビーム出射口５Ａに導かれる。

このとき、ビーム変向部８は、上述したとおり、可視光線２３を透過するため、ガイドレーザ９から発振された可視光線２３は、ビーム変向部８を透過した後、その光軸を反射ビーム２２の光軸に一致させた状態で第１ビーム出射口５Ａに導かれる。その結果、この可視光線２３により、反射ビーム２２がどこを通っているのかを目視で確認することができる。

しかも、この可視光線２３は、ガイドレーザ９から第１ビーム出射口５Ａに至る間にビーム変向部８しか通過しない。したがって、可視光線２３が複数の光学部品（コリメートレンズ６など）を通過することに起因する可視光線２３の出力低下を抑制し、もって視認性を保つことが可能となる。

また、第２ビーム出射口５Ｂに導光するときには、制御装置１５からの指令に基づき、モータ１２を駆動してボールねじ１１を回転させることにより、図１に２点鎖線で示すように、支持部材７を介してビーム変向部８を所定の位置（第２ビーム出射口５Ｂに対向する位置）に位置決めする。すると、ビーム入射口３から入射した入射ビーム２１はビーム変向部８で反射し、反射ビーム２２として第２ビーム出射口５Ｂに導かれる。

このとき、ガイドレーザ９から発振された可視光線２３は、ビーム変向部８を透過した後、その光軸を反射ビーム２２の光軸に一致させた状態で第２ビーム出射口５Ｂに導かれる。その結果、この可視光線２３により、反射ビーム２２がどこを通っているのかを目視で確認することができる。

しかも、この可視光線２３は、ガイドレーザ９から第２ビーム出射口５Ｂに至る間にビーム変向部８しか通過しない。したがって、可視光線２３が複数の光学部品を通過することに起因する可視光線２３の出力低下を抑制し、もって視認性を保つことが可能となる。

このように、直動式のビーム分配器１においては、ビーム変向部８の位置とは無関係に、ガイドレーザ９から出射された可視光線２３が通過する光学部品を最小（ビーム変向部８のみ）にできることから、この可視光線２３の出力低下を抑制して視認性を保つことが可能となる。

さらに、ガイドレーザ９をビーム変向部８と一体化することで、ビーム分配器１の構成を簡略化すると同時に、有限寿命部品であるガイドレーザ９の保守性を改善することができる。

また、第１駆動装置１０は、ボールねじ１１およびモータ１２から構成されているため、ビームの分配に際して、ビーム変向部８の位置を高精度に制御することができる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係るビーム分配器の構成を示す図である。

このビーム分配器１は、図２に示すように、各ビーム出射口５にそれぞれ、このビーム出射口５における反射ビーム２２の散乱光を検出する散乱光センサとしてフォトダイオード１７が設置されており、反射ビーム２２がビーム出射口５に出射した状態でフォトダイオード１７の検出値が最小になる値に記録装置１６の位置情報を変更する。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様であるので、同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

したがって、この第２実施形態では、上述した第１実施形態と同じ作用効果を奏する。これに加えて、第２実施形態では、散乱光の検出によってビーム変向部８の位置ずれの有無を判定しているので、たとえ第１駆動装置１０の駆動によってビーム変向部８に位置ずれが生じたとしても、その位置ずれを自動的に修正することができる。その結果、ビーム変向部８の位置ずれによる結合効率（ビーム入射口３でのレーザ光の出力に対するビーム出射口５でのレーザ光の出力の比率）の低下を抑えることが可能となる。

［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係るビーム分配器の稼働時の状態を示す図である。図４は、本発明の第３実施形態に係るビーム分配器の非常時の状態を示す図である。なお、図３および図４においては、制御装置１５および記録装置１６の図示を省略している。

このビーム分配器１は、図３および図４に示すように、筐体２とビーム変向部８との間に弾性部材としてコイルばね１８が介在しているとともに、ビーム変向部８の移動を制限する停止部材（ストッパ）１９が設置されている。この停止部材１９としては、ビーム変向部８の停止時の衝撃を和らげるため、ゴム、ショックアブソーバ等を用いることが望ましい。そして、第１駆動装置１０や制御装置１５の故障その他の理由で第１駆動装置１０を駆動する動力が遮断された場合に、ビーム変向部８がコイルばね１８の弾性力によって停止部材１９の位置まで移動するように構成されている。さらに、筐体２には、図４に示すように、ビーム変向部８が停止部材１９の位置にあるときの反射ビーム２２の進行方向に、ビーム吸収体（アブソーバ）２０が配置されている。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様であるので、同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

したがって、この第３実施形態では、上述した第１実施形態と同じ作用効果を奏する。これに加えて、第３実施形態では、第１駆動装置１０を駆動する動力が遮断された非常時に、コイルばね１８および停止部材１９の働きによってビーム変向部８を移動させて、反射ビーム２２をビーム吸収体２０で吸収することができる。そのため、ビーム分配器１からビームが外部に漏れないようにして、ビーム分配器１の非常時の安全性を高めることが可能となる。

なお、本発明は上記第１実施形態〜第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

第１実施形態〜第３実施形態では、ビーム変向部８およびガイドレーザ９が搭載された支持部材７を入射ビーム２１の光軸方向に移動させる第１駆動装置１０を備えた直動式のビーム分配器１について説明した。しかし、このビーム分配器１に加えて、ビーム変向部８を入射ビーム２１の光軸に垂直な方向に駆動する第２駆動装置（図示せず）を設けてもよい。こうすることにより、ビーム変向部８を２次元平面上で移動させることが可能となるので、複数のビーム入射口３のいずれかから入射したビームを複数のビーム出射口５のいずれかに出射することができる。

この場合、第２駆動装置は必ずしも第１駆動装置１０と別個に設ける必要はない。例えば、第１駆動装置１０と第２駆動装置とを兼ねるＸＹテーブル（図示せず）にビーム変向部８を搭載すれば、ビーム変向部８をＸ、Ｙ両方向に移動させることができる。

第１実施形態〜第３実施形態では、ビーム入射口３とビーム変向部８との間（入射ビーム２１の光軸上）にコリメートレンズ６のみが設置されている場合について説明した。しかし、入射ビーム２１の向きを変える光学部品（例えば、全反射ミラー、プリズムなど）をビーム入射口３とビーム変向部８との間に設置しても構わない。この場合、光学部品で入射ビーム２１の向きを変えられるので、ビーム入射口３に接続されるフィードファイバの接続方向を変えることができ、ビーム分配器１の利便性を高めることが可能となる。

第１実施形態において、図１に２点鎖線で示すように、入射ビーム２１の光軸の延長線上であってビーム変向部８の後方に温度スイッチ１４を設置し、この温度スイッチ１４のオン／オフにより、ビーム変向部８が焼損したか否かを判定するように構成してもよい。こうすることにより、ビーム変向部８の焼損を容易に検知することができる。

第２実施形態、第３実施形態において、温度スイッチ１４を同様に設置して、ビーム変向部８の焼損を容易に検知できるようにしても勿論よい。

第１実施形態〜第３実施形態では、ボールねじ１１およびモータ１２から構成されている第１駆動装置１０について説明したが、その他の構成を有する第１駆動装置１０を採用しても構わない。例えば、リニアモータから構成されている第１駆動装置１０を用いることもできる。この場合、ビームの分配に際して、ビーム変向部８をリニアモータで高速に駆動することができる。

第１実施形態〜第３実施形態において、反射ビーム２２をフォーカスレンズ（図示せず）で集光してからビーム出射口５に導光しても構わない。

第３実施形態では、弾性部材としてコイルばね１８を用いる場合について説明したが、コイルばね１８に代えて定荷重ばね等を採用することもできる。

第３実施形態では、ビーム分配器１の非常時の安全性を高めるため、筐体２にビーム吸収体２０が配置されている場合について説明した。しかし、このビーム吸収体２０に温度スイッチを代用または併用して、第１駆動装置１０への動力遮断や第１駆動装置１０の故障などが発生したことを温度スイッチで検知するようにしてもよい。

１……ビーム分配器
２……筐体
３……ビーム入射口
５……ビーム出射口
８……ビーム変向部
９……ガイドレーザ
１０……第１駆動装置
１１……ボールねじ
１２……モータ
１３……位置検出装置
１４……温度スイッチ
１５……制御装置
１６……記録装置
１７……フォトダイオード（散乱光センサ）
１８……コイルばね（弾性部材）
１９……停止部材
２１……入射ビーム
２２……反射ビーム
２３……可視光線

Claims

ビームが通過する筐体と、
１つ以上のビーム入射口と、
１つ以上のビーム出射口と、
前記ビーム入射口から前記筐体内に入射したビームを前記ビーム出射口へ導光するように、このビームの向きを変えるビーム変向部と、
前記ビーム変向部を入射ビームの光軸方向に移動させる第１駆動装置と、
前記ビーム変向部の位置を検出する位置検出装置と、
前記第１駆動装置を制御する制御装置と、
前記位置検出装置の位置に関する位置情報を記録する記録装置と、
可視光線を発振するガイドレーザと、を備え、
前記制御装置が、前記位置検出装置からの信号に基づいて前記第１駆動装置を制御して、前記ビーム変向部を入射ビームの光軸方向に前記記録装置に記録された位置情報に対応する位置へ移動させることにより、入射ビームを前記ビーム変向部で反射して、その反射ビームを前記ビーム出射口へ導光するように構成されたビーム分配器であって、
前記ビーム変向部は、前記入射ビームを反射するとともに可視光線を透過する２色性を有し、
前記ガイドレーザは、可視光線を発振するときに、前記ビーム変向部の前記入射ビームの光軸方向への移動に伴って移動することにより、この可視光線が前記ビーム変向部を透過してその光軸を反射ビームの光軸に一致させるように配置されているビーム分配器。
前記ビーム出射口における前記反射ビームの散乱光を検出する散乱光センサを有し、前記反射ビームが前記ビーム出射口に出射した状態で前記散乱光センサの検出値が最小になる値に前記記録装置の位置情報を変更する請求項１に記載のビーム分配器。
前記ビーム変向部を入射ビームの光軸に垂直な方向に駆動する第２駆動装置を有する請求項１または２に記載のビーム分配器。
前記入射ビームの向きを変える光学部品が１つ以上、前記ビーム入射口と前記ビーム変向部との間に設置されている請求項１から３までのいずれかに記載のビーム分配器。
前記入射ビームの光軸の延長線上であって前記ビーム変向部の後方に温度スイッチを設置し、前記温度スイッチのオン／オフにより、前記ビーム変向部が焼損したか否かを判定するように構成されている請求項１から４までのいずれかに記載のビーム分配器。
前記筐体と前記ビーム変向部との間に弾性部材を介在させるとともに、前記ビーム変向部の移動を制限する停止部材を設置し、前記第１駆動装置を駆動する動力が遮断された場合に、前記ビーム変向部が前記弾性部材の弾性力によって前記停止部材の位置まで移動するように構成されている請求項１から５までのいずれかに記載のビーム分配器。
前記第１駆動装置は、ボールねじおよびモータから構成されている請求項１から６までのいずれかに記載のビーム分配器。
前記第１駆動装置は、リニアモータから構成されている請求項１から６までのいずれかに記載のビーム分配器。