(57)【要約】  可動ミラーを有するレーザー切断ヘッドが、ビームを移動させるため、例えばビーム位置合わせを提供するためかつ／又は異なる切り口幅を有する切断部のための異なるウォブルパターンを提供するために、使用される。レーザー切断ヘッドは、切断のためにガスとともにレーザービームをワークピースに向けるための切断ノズルを含んでいる。可動ミラーは、比較的小さい視野内で、例えば切断ノズルの開口内でビームのウォブル移動を提供する。可動ミラーは、ガルバノ制御装置を含む制御システムによって制御可能なガルバノミラーである。制御システムは、例えばワークピースに対するビームの位置に応じてかつ／又はミラーの一方に近接した熱状態などのレーザー切断ヘッドの感知された状態に応じて、ファイバーレーザーを制御するために使用される。
2019511961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと；
前記コリメータからの平行レーザービームを受けて制限視野内で第１軸及び第２軸において前記平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと；
ワークピースに対して前記平行レーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと；
切断される前記ワークピースに、前記収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルであって、前記制限視野が、前記切断ノズルの開口に対応する、切断ノズルと；
を備えることを特徴とするレーザー切断ヘッド。
【請求項２】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、約１°から２°の走査角度によって規定された制限視野内のみで、成形されたビームを移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項３】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、３０ｍｍ×３０ｍｍよりも小さい寸法を有する制限視野内のみで、成形されたビームを移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項４】
前記焦点レンズが、走査レンズではないことを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項５】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、ガルバノミラーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項６】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、およそ同じサイズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項７】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーから前記焦点レンズへ前記レーザービームを反射するように構成された固定ミラーをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項８】
前記コリメータがコリメータモジュールに含まれ、前記焦点レンズがコアブロックモジュールに含まれ、前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーがウォブラモジュールに含まれ、前記ウォブラモジュールが前記コアブロックモジュールと前記コリメータモジュールとの間に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項９】
ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと；
前記コリメータからの平行レーザービームを受けて第１軸及び第２軸において前記平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと；
走査レンズを使用することなくワークピースに対して前記平行レーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと；
切断される前記ワークピースに、前記収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルと；
を備えることを特徴とするレーザー切断ヘッド。
【請求項１０】
ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータを含むコリメータモジュールと；
前記コリメータモジュールに連結されたウォブラモジュールであって、前記コリメータからの平行レーザービームを受けて第１軸及び第２軸において前記平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーを含む、ウォブラモジュールと；
前記ウォブラモジュールに連結されたコアブロックモジュールであって、ワークピースに対して前記平行レーザービームを収束させるように構成された少なくとも１つの焦点レンズを含む、コアブロックモジュールと；
前記コアブロックモジュールに連結されたノズルホルダ組立体であって、前記ノズルホルダ組立体が、切断される前記ワークピースに、前記収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルを含み、前記収束させられたレーザービームが、前記切断ノズルの開口内で移動させられる、ノズルホルダ組立体と；
を備えることを特徴とするレーザー切断ヘッド。
【請求項１１】
前記ウォブラモジュールが、ガルバノミラーを含む第１ガルバノモジュール及び第２ガルバノモジュールを含み、前記ガルバノミラーが、およそ同じサイズであり、前記第１ガルバノモジュール及び前記第２ガルバノモジュールが、ガルバノ制御装置に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項１２】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、３０ｍｍ×３０ｍｍよりも小さい寸法を有する制限視野内のみで、成形されたビームを移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー切断ヘッド。
【請求項１３】
出力ファイバーを含むファイバーレーザーと；
前記ファイバーレーザーの前記出力ファイバーに連結されたレーザー切断ヘッドであって、
ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと；
前記コリメータからの平行レーザービームを受けて制限視野内のみで第１軸及び第２軸において前記平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと；
ワークピースに対して前記平行レーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと；
切断される前記ワークピースに、前記収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルであって、前記制限視野が、前記切断ノズルの開口に対応する、切断ノズルと；
を備えるレーザー切断ヘッドと；
前記ファイバーレーザーと、前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーの位置と、を少なくとも制御するための制御システムと；
を備えることを特徴とするレーザー切断システム。
【請求項１４】
前記ファイバーレーザーが、イッテルビウムファイバーレーザーを含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項１５】
前記制御システムが、前記収束させられたレーザービームを前記切断ノズルの開口内で位置合わせするために、前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーの位置を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項１６】
前記制御システムが、所定のウォブルパターンで前記レーザービームを移動させるために、前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーを制御するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項１７】
前記所定のウォブルパターンが、円形パターン又は８の字パターンであることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー切断システム。
【請求項１８】
前記所定のウォブルパターンが、波形パターン又はジグザグパターンであることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー切断システム。
【請求項１９】
前記レーザービームが前記ワークピースを切断するように前記レーザー切断ヘッド及びワークピースの少なくとも一方を移動させるための動作ステージをさらに備えていることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項２０】
前記焦点レンズが、走査レンズではないことを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項２１】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、ガルバノミラーであることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項２２】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーが、およそ同じサイズであることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー切断システム。
【請求項２３】
コリメータ、第１可動ミラー、第２可動ミラー、焦点レンズ及びノズルを含むレーザー切断ヘッドを準備するステップと；
ファイバーレーザーから生レーザービームを発生させるステップと；
前記生レーザービームに前記コリメータを通過させることによって、前記生レーザービームを平行にするステップと；
前記レーザービームに前記焦点レンズを通過させることによって、前記レーザービームを収束させるステップと；
前記収束させられたレーザービームを、前記ノズルを通じて向けるステップと；
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーを移動させて、前記収束させられたレーザービームを前記ノズルの開口内で位置合わせするステップと；
前記ノズルを通じて前記ワークピースにガスを向けるステップと；
前記レーザー切断ヘッド及び前記ワークピースを互いに対して移動させて、前記ワークピースを切断するステップと；
を含むことを特徴とするレーザー切断方法。
【請求項２４】
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーを移動させて、前記収束させられたレーザービームを前記ノズルの開口内で所定のウォブルパターンで移動させることを特徴とする請求項２３に記載のレーザー切断方法。
【請求項２５】
コリメータ、第１可動ミラー、第２可動ミラー、焦点レンズ及びノズルを含むレーザー切断ヘッドを準備するステップと；
ファイバーレーザーから生レーザービームを発生させるステップと；
前記生レーザービームに前記コリメータを通過させることに通すことによって、前記生レーザービームを平行にするステップと；
前記レーザービームに前記焦点レンズを通過させることによって、前記レーザービームを収束させるステップと；
前記収束させられたレーザービームを、前記ノズルを通じて向けるステップと；
前記第１可動ミラー及び前記第２可動ミラーを移動させて、前記収束させられたレーザービームを前記ノズルの開口内で所定のウォブルパターンで移動させるステップと；
前記ノズルを通じてガスを前記ワークピースに向けるステップと；
前記レーザー切断ヘッド及び前記ワークピースを互いに対して移動させて、前記ワークピースを切断するステップと；
を含むことを特徴とするレーザー切断方法。
【請求項２６】
前記所定のウォブルパターンを変更して切り口幅を調節するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載のレーザー切断方法。
【請求項２７】
前記所定のウォブルパターンが、円形パターン又は８の字パターンであることを特徴とする請求項２５に記載のレーザー切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年２月１２日付けで出願された米国仮特許出願第６２／２９４，７４４号の利益を主張するものであり、当該出願の全体は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。本出願は、米国特許出願公開第２０１６／０３６８０８９号明細書にも関し、当該文献の全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、レーザー切断に関し、より具体的に、切断中のビーム位置合わせ及び／又はウォブル移動を提供するデュアル可動ミラーを含むレーザー切断ヘッドに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２５７０１号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１６／０３６８０８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファイバーレーザーなどのレーザーは、しばしば、切断などの材料加工用途のために使用される。従来のレーザー切断ヘッドは、レーザー光を平行にするためのコリメータと、切断されるワークピース又はターゲット範囲にレーザー光を収束させるための焦点レンズと、ガスをワークピースに向けるための切断ノズルと、を含んでいる。レーザービームは、ワークピースの材料を溶融させるためにノズルを通じて収束させられ、高圧ガスが、溶融した材料を吹き飛ばすためにノズルを通じて向けられる。このような用途では、ノズルは、一般的に、切断されるワークピースに近く位置決めされ、センサが、ノズル位置をモニター及び維持するために使用される。また、ビームは、ノズルの中心と位置合わせされるべきであり、このような位置合わせは、しばしば、ｘ，ｙ方向に焦点レンズを調節することによってなされる。焦点レンズは、ｚ方向に調節されてもよく、これにより、例えばワークピースに穿孔してワークピースを切断するときにガスが通過することを可能とするようにより大きい切り口を提供する。既存の切断ヘッドは、これら切断用途のためにビーム配置及びスポットサイズを迅速かつ容易に調節することを可能にしない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態に従えば、レーザー切断ヘッドは、ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと、コリメータからの平行レーザービームを受けて制限視野内で第１軸及び第２軸において平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと、を含んでいる。レーザー切断ヘッドは、ワークピースに対してレーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと、切断されるワークピースに、収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルと、をさらに含んでいる。制限視野が、切断ノズルの開口に対応する。
【０００６】
別の実施形態に従えば、レーザー切断ヘッドは、ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと、コリメータからの平行レーザービームを受けて第１軸及び第２軸において平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと、を含んでいる。レーザー切断ヘッドは、走査レンズを使用することなくワークピースに対してレーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと、切断されるワークピースに、収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルと、をさらに含んでいる。
【０００７】
さらなる一実施形態に従えば、レーザー切断ヘッドは、ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータを含むコリメータモジュールと、コリメータモジュールに連結されたウォブラモジュールと、を含んでいる。ウォブラモジュールが、コリメータからの平行レーザービームを受けて第１軸及び第２軸において平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーを含んでいる。コアブロックモジュールが、ウォブラモジュールに連結され、ワークピースに対してレーザービームを収束させるように構成された少なくとも１つの焦点レンズを含んでいる。ノズルホルダ組立体が、コアブロックモジュールに連結され、切断されるワークピースに、収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルを含んでいる。収束させられたレーザービームが、切断ノズルの開口で移動させられる。
【０００８】
さらに別の実施形態に従えば、レーザー切断システムは、出力ファイバーを含むファイバーレーザーと、ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されたレーザー切断ヘッドと、を含んでいる。レーザー切断ヘッドが、ファイバーレーザーの出力ファイバーに連結されるように構成されたコリメータと、コリメータからの平行レーザービームを受けて制限視野内のみで第１軸及び第２軸において平行レーザービームを移動させるように構成された、少なくとも第１可動ミラー及び第２可動ミラーと、を含んでいる。レーザー切断ヘッドが、ワークピースに対してレーザービームを収束させるように構成された焦点レンズと、切断されるワークピースに、収束させられたレーザービーム及びガスを向けるための切断ノズルと、をさらに含んでいる。制限視野が、切断ノズルの開口に対応する。レーザー切断システムが、ファイバーレーザーと、第１可動ミラー及び第２可動ミラーの位置と、を少なくとも制御するための制御システムをさらに含んでいる。
【０００９】
さらに別の実施形態に従えば、レーザー切断方法が、コリメータ、第１可動ミラー、第２可動ミラー、焦点レンズ及びノズルを含むレーザー切断ヘッドを準備するステップと；ファイバーレーザーから生レーザービームを発生させるステップと；生レーザービームにコリメータを通過させることによって、生レーザービームを平行にするステップと；レーザービームに焦点レンズを通過させることによって、レーザービームを収束させるステップと；収束させられたレーザービームを、ノズルを通じて向けるステップと；第１可動ミラー及び第２可動ミラーを移動させて、収束させられたレーザービームをノズルの開口内で位置合わせするステップと；ノズルを通じてワークピースにガスを向けるステップと；レーザー切断ヘッド及びワークピースを互いに対して移動させて、ワークピースを切断するステップと；を含んでいる。
【００１０】
さらに別の実施形態に従えば、レーザー切断方法が、コリメータ、第１可動ミラー、第２可動ミラー、焦点レンズ及びノズルを含むレーザー切断ヘッドを準備するステップと；ファイバーレーザーから生レーザービームを発生させるステップと；生レーザービームにコリメータを通過させることによって、生レーザービームを平行にするステップと；レーザービームに焦点レンズを通過させることによって、レーザービームを収束させるステップと；収束させられたレーザービームを、ノズルを通じて向けるステップと；第１可動ミラー及び第２可動ミラーを移動させて、収束させられたレーザービームをノズルの開口内で所定のウォブルパターンで移動させるステップと；ノズルを通じてガスをワークピースに向けるステップと；レーザー切断ヘッド及びワークピースを互いに対して移動させて、ワークピースを切断するステップと；を含んでいる。
【００１１】
これらの特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、図面と合わせて考慮される以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の一実施形態に従う、デュアル可動ミラーを有するレーザー切断ヘッドを含むシステムの概略ブロック図である。
【図２Ａ】本開示の一実施形態に従う、デュアル可動ミラーを含む切断ヘッドによって作り出されることが可能なウォブルパターンを図示する概略図である。
【図２Ｂ】本開示の一実施形態に従う、デュアル可動ミラーを含む切断ヘッドによって作り出されることが可能なウォブルパターンを図示する概略図である。
【図２Ｃ】本開示の一実施形態に従う、デュアル可動ミラーを含む切断ヘッドによって作り出されることが可能なウォブルパターンを図示する概略図である。
【図２Ｄ】本開示の一実施形態に従う、デュアル可動ミラーを含む切断ヘッドによって作り出されることが可能なウォブルパターンを図示する概略図である。
【図３】本開示の一実施形態に従う、ビーム移動のためのデュアル可動ミラーを有するレーザー切断ヘッドの分解図である。
【図４】図３に示されたレーザー切断ヘッドで使用されるウォブラモジュールの斜視図である。
【図５】図３に示されたレーザー切断ヘッドで使用されるウォブラモジュールの分解図である。
【図６】熱センサを示す、図３に示されたレーザー切断ヘッドで使用されるウォブラジュールの部分断面図である。
【図７】水冷式限界開口を有するウォブラモジュールの分解図である。
【図８】図４に示されたウォブラモジュール内のビーム経路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の実施形態に従う、可動ミラーを有するレーザー切断ヘッドは、ビームを移動させるため、例えばビーム位置合わせを提供するため、かつ／又は異なる切り口幅で切断するために異なるウォブルパターンを提供するために使用される。レーザー切断ヘッドは、切断するためにガスとともにレーザービームをワークピースに向けるための切断ノズルを含んでいる。可動ミラーは、比較的小さい視野内、例えば切断ノズルの開口内でのビームのウォブル移動を提供する。可動ミラーは、ガルバノ制御装置を含む制御システムによって制御可能なガルバノミラーであってもよい。制御システムは、例えばワークピースに対するビームの位置に応じて、かつ／又はミラーの一方に近接した熱状態などの切断ヘッドの感知された状態に応じて、ファイバーレーザーを制御するために使用される。
【００１４】
図１を参照すると、レーザー切断システム１００は、（例えばコネクタ１１１ａにより）ファイバーレーザー１１２の出力ファイバー１１１に連結されたレーザー切断ヘッド１１０を含んでいる。レーザー切断ヘッド１１０は、切断と、ワークピース１０２上での他のレーザー機械加工又は加工作業と、を行うために使用されてもよい。レーザー切断ヘッド１１０及び／又はワークピース１０２は、切断部１０６の方向に沿って（例えば軸４の方向に）互いに対して移動させられる。切断ヘッド１１０は、少なくとも１つの軸に沿って、例えば切断部１０６の長さに沿ってワークピース１０２に対して切断ヘッド１１０を移動させるための動作ステージ１１４上に配置されている。さらに又はあるいは、ワークピース１０２は、レーザー切断ヘッド１１０に対してワークピース１０２を移動させるための動作ステージ１０８上に配置されている。
【００１５】
ファイバーレーザー１１２は、近赤外スペクトル範囲（例えば１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）のレーザーを発生することが可能なイッテルビウムファイバーレーザーを含んでもよい。イッテルビウムファイバーレーザーは、ある実施形態では最大１ｋＷの出力及び他の実施形態では最大２０ｋＷ以上のより高い出力のレーザービームを発生することが可能な、シングルモード又はマルチモード連続波のイッテルビウムファイバーレーザーであってもよい。ファイバーレーザー１１２の例は、IPG Photonics Corporationから入手可能なYLR SMシリーズ又はYLR HPシリーズのレーザーを含んでいる。ファイバーレーザー１１２は、複数のファイバーを通じて１つ以上のレーザービームを選択的に射出することが可能なマルチビームファイバーレーザーシステムと題する、２０１５年８月１３日付けで出願された特許文献１に開示されるタイプなどのマルチビームファイバーレーザーを含んでもよい。
【００１６】
レーザー切断ヘッド１１０は、通常、出力ファイバー１１１からのレーザービームを平行にするためのコリメータ１２２と、平行ビーム１１６を反射して移動させるための少なくとも第１可動ミラー１３２及び第２可動ミラー１３４と、収束させて収束ビーム１１８をワークピース１０２に射出するための焦点レンズ１４２と、を含んでいる。図示された実施形態では、固定ミラー１４４も、第２可動ミラー１３４からの平行レーザービーム１１６を焦点レンズ１４２に向けるために使用される。
【００１７】
レーザー切断ヘッド１１０は、レーザー切断で使用するために公知のタイプなどの、レーザービーム１１８をガスとともにワークピース１０２に向けるための切断ノズル１４６を含む切断ノズル組立体をさらに含んでいる。焦点レンズ１４２は、切断ノズル１４６の開口を通じて平行ビーム１１６を収束させる。切断ノズル１４６は、ガスをノズル１４６に供給するためのガス源１５０に連結されている。従って、レーザー切断ヘッド１１０は、ガス支援型レーザー機械加工プロセスで使用されてもよい。ガス支援型レーザー機械加工プロセスの１つのタイプは、材料を軟化させるためにレーザーを使用し、材料を除去するために高圧ガス（例えば３００ｐｓｉでの窒素）を使用する。ガス支援型レーザー機械加工プロセスの別のタイプは、低圧ガス（例えば１ｐｓｉ〜２ｐｓｉでの酸素）が存在するときに材料を燃焼させるためにレーザーを使用する。
【００１８】
コリメータ１２２、可動ミラー１３２，１３４及び焦点レンズ１４２並びに固定ミラー１４４は、以下でより詳細に説明されるように、ともに連結される独立したモジュール１２０，１３０，１４０で提供される。レーザー切断ヘッド１１０は、例えばミラー１３２，１３４が、光が第２ミラー１３４から焦点レンズ１４２に向かって反射されるように構成される場合には、固定ミラー１４４がなく構成されてもよい。切断ノズル組立体の一例は、レーザー切断ヘッドとともに使用するためにIPG Photonics Corporationから入手可能なタイプである。コリメータモジュールの一例は、レーザー切断ヘッドとともに使用するためにIPG Photonics Corporationから入手可能なタイプである。
【００１９】
可動ミラー１３２，１３４は、異なる軸１３１，１３３周りで回動可能であり、これにより、平行ビーム１１６を移動させ、従って収束ビーム１１８を少なくとも２つの異なる垂直軸２，４内でワークピース１０２に対して移動させる。可動ミラー１３２，１３４は、迅速に方向を逆にすることが可能なガルバノモータによって移動可能なガルバノミラーであってもよい。他の実施形態では、ステッピングモータなどの他の機構が、ミラーを移動させるために使用されてもよい。レーザー切断ヘッド１１０において可動ミラー１３２，１３４を使用することは、焦点レンズ１４２のＸ，Ｙ，Ｚ調節を提供することなくかつ可変コリメータを使用することなく、ノズル１４６の開口との位置合わせ及び／又は切り口幅を変更するビームウォブリングのために、レーザービーム１１８を正確に、制御可能にかつ迅速に移動させることを可能にする。
【００２０】
切断ヘッド１１０の一実施形態では、可動ミラー１３２，１３４は、１０°よりも小さい走査角度α内で、特に具体的には約１°〜２°の走査角度α内でビーム１１８を回動させることによって、比較的小さい視野（例えば３０ｍｍ×３０ｍｍよりも小さい）内のみでビーム１１８を移動させ、それにより、ビームをウォブルすることを可能にする。これに対して、従来のレーザー走査ヘッドは、一般的に、非常により大きい視野（例えば５０ｍｍ×５０ｍｍよりも大きくかつ最大２５０ｍｍ×２５０ｍｍの）内でのレーザービームの移動を提供し、より大きい視野及び走査角度を提供するように構成されている。従って、レーザー溶接ヘッド１１０で比較的小さい視野のみを提供する可動ミラー１３２，１３４の使用は、容易に想起できるものではなく、ガルバノ走査装置を使用するときにより大きい視野を提供する従来の知識に反するものである。視野及び走査角度を制限することは、例えばより高速を可能にすること、より高価でないレンズ及び他の構成要素を使用することを可能にすること、及び他のアクセサリを使用することを可能にすることによって、切断ヘッド１１０においてガルバノミラーを使用するときに利点を提供する。
【００２１】
切断ヘッド１１０の実施例でのより小さい視野及び走査角度に起因して、第２ミラー１３４は、第１ミラー１３２と略同じサイズである。これに対して、従来のガルバノ走査装置は、一般的に、より大きい視野及び走査角度を提供するために、より大きい第２ミラーを使用し、より大きい第２ミラーは、少なくとも１つの軸において移動速度を制限する可能性がある。従って、切断ヘッド１１０内でのより小さいサイズ（例えば第１ミラー１３２とおよそ同じサイズ）の第２ミラー１３４は、大きい走査角度を提供する従来のガルバン走査装置でのより大きいミラーと比較して、ミラー１３４をより高速で移動させることを可能にする。
【００２２】
焦点レンズ１４２は、レーザー切断ヘッドで使用するために公知の焦点レンズであって、例えば１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲のさまざまな焦点距離を有する、焦点レンズを含んでもよい。従来のレーザー走査ヘッドは、非常により大きい直径（例えば３３ｍｍのビーム直径に対して３００ｍｍのレンズ直径）を有する、Ｆシータレンズ、フィールドフラットレンズ又はテレセントリックレンズなどの複数要素の走査レンズを使用し、これにより、より大きい視野内でビームを収束させる。レーザー切断ヘッドでこのような走査レンズを使用することは、困難である。可動ミラー１３２、１３４が、比較的小さい視野内でビームを移動させるので、より大きい複数要素の走査レンズ（例えばＦシータレンズ）が、必要とされず、使用されない。焦点レンズ１４２は、異なる軸において調節可能であってもよい。
【００２３】
レーザービームを分けて切断のために少なくとも２つのビームスポットを提供するビームスプリッタなどの他の光学的構成要素が、レーザー切断ヘッド１１０において使用されてもよい。追加の光学的構成要素は、回折光学素子を含み、コリメータ１２２とミラー１３２，１３４との間に位置決めされてもよい。アキシコンレンズが、リング又はドーナツ状のビームを作り出すために使用されてもよい。レンズ組立体は、切断プロセスによって発生した破片からレンズ及び他の光学素子を保護するために、レンズ１４２の前方に保護ウインドウ（図示せず）を含んでいる。
【００２４】
レーザー切断システム１００の図示された実施形態は、例えば切断ヘッド１１０で感知された状態、切断部１０６の検出された場所並びに／又はレーザービーム１１８の移動及び／もしくは位置に応じて、ファイバーレーザー１１２を制御するため、可動ミラー１３２，１３４及び／又は動作ステージ１０８，１１４を位置決めするために、制御システム１６０をさらに含んでいる。制御システム１６０は、レーザー及びミラー双方をともに制御するためにともに働くレーザー制御部及びミラー制御部双方を含んでもよい。制御システム１６０は、例えばファイバーレーザー及びガルバノミラーを制御することに使用するための公知のハードウェア（例えば汎用コンピュータ）及びソフトウェアを含んでもよい。例えば、既存のガルバノ制御ソフトウェアが、使用されてもよく、ガルバノミラーが本明細書で説明されるように制御されることを可能にするために修正されてもよい。また、レーザー切断システム１００は、例えば特許文献２で説明される他の制御部を含んでもよく、この文献の全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００２５】
一方法によれば、制御システム１６０は、ミラー１３２，１３４の一方又は双方を移動させるために使用され、これにより、ビーム１１８をノズル１４６内の開口と位置合わせさせる。ビームの適切な位置合わせは、当業者には公知の技術を使用して決定されてもよい。
【００２６】
別の方法によれば、制御システム１６０は、レーザー機械加工作業中に、より大きい切り口幅を提供する所定のパターンでビームを移動させるために、ミラー１３２，１３４の一方又は双方を移動させるために使用されてもよい。切り口幅は、例えば約１５０ミクロンから３００ミクロンの範囲内で調節される。切り口幅は、例えば機械加工される材料の異なる種類のため又は機械加工される材料の異なる厚さのために、制御可能に調節されてもよい。
【００２７】
図２Ａから図２Ｄは、切り口幅を増大させるために使用されるウォブルパターンの例を図示している。本明細書で使用される“ウォブル”は、１０°よりも小さい走査角度によって規定される比較的小さい視野内での（例えば２軸での）レーザービームの往復運動を称する。図２Ａ及び図２Ｂは、円形パターン及び８の字パターンをそれぞれ示し、これらパターンは、切断部２０４を形成するために、形成されてワークピースに沿って動かされる。図２Ｃ及び図２Ｄは、ジグザグパターン及び波形パターンをそれぞれ示し、これらパターンは、切断部２０４を形成するために、形成されてワークピースに沿って動かされる。所定のウォブルパターンが図示されているが、他のウォブルパターンが本開示の範囲内にある。レーザー切断ヘッド１１０において可動ミラーを使用する１つの利点は、さまざまな異なるウォブルパターンに従ってビームを移動させる能力である。
【００２８】
図３から図６は、より詳細にレーザー切断ヘッド３１０の一実施形態を図示している。１つの特別な実施形態が示されているが、本明細書で説明されるレーザー切断ヘッド並びにシステム及び方法の他の実施形態が本開示の範囲内にある。図３に示されるように、レーザー切断ヘッド３１０は、コリメータモジュール３２０、ウォブラモジュール３３０及びコアブロックモジュール３４０を含んでいる。ウォブラモジュール３３０は、上述した第１可動ミラー及び第２可動ミラーを含み、コリメータモジュール３２０とコアブロックモジュール３４０との間に連結されている。切断ノズル組立体（図示せず）は、コアブロックモジュール３４０に取り付けられている。
【００２９】
図３に示されるように、コリメータモジュール３２０の入力端部３２１は、出力ファイバーコネクタ（図示せず）に連結されるように構成され、コリメータモジュール３２０の出力端部３２３は、ウォブラモジュール３３０に連結されるように構成されている。コリメータモジュール３２０は、レーザー切断ヘッドで使用するために公知のタイプなどの、固定された一対のコリメータレンズを有するコリメータ（図示せず）を含んでもよい。他の実施形態では、コリメータは、ビームスポットサイズ及び／又は焦点を調節することが可能な可動レンズなどの他のレンズ形態を含んでもよい。
【００３０】
図４から図７は、より詳細にウォブラモジュール３３０を示す。ウォブラモジュール３３０の図示された実施形態は、コリメータモジュール３２０に連結するための入力開口３３１と、コアブロックモジュール３４０（図３参照）に連結するための出力開口３３３と、を含んでいる。入力開口３３１は、水冷式限界開口(water cooled limiting aperture)を含んでもよい。図５に示されるように、ウォブラモジュール３３０は、異なる垂直軸周りにガルバノミラー３３２，３３４を移動させるために第１ガルバノメータ３３６及び第２ガルバノメータ３３８を含んでいる。レーザー走査ヘッドで使用するために公知のガルバノメータが使用されてもよい。ガルバノメータ３３６，３３８は、ガルバノ制御装置（図示せず）に接続するための接続部３３７を含んでいる。ガルバノ制御装置は、ミラーの移動、従ってレーザービームの移動及び／又は位置決めを制御するためにガルバノメータを制御するためのハードウェア及び／又はソフトウェアを含んでもよい。公知のガルバノ制御ソフトウェアが、使用され、本明細書で説明された機能、例えばビーム位置合わせ、ウォブラパターン及びレーザーとの通信を提供するために修正されてもよい。
【００３１】
図４に示されるように、ウォブラモジュール３３０の図示された実施形態は、コリメータモジュール３２０上のコリメータファイバーインターロックコネクタ（図示せず）に接続するためのファイバーインターロックコネクタ３３５を含んでいる。また、ウォブラモジュール３３０は、ガルバノ制御装置に接続するためのガルバノファイバーインターロックコネクタ３３７を含んでいる。従って、安全インターロックが、ウォブラモジュール３３０及びガルバノ制御装置まで拡張される。ガルバノ制御装置は、例えばウォブラモジュール３３０内で感知された状態に応じて、安全インターロック状態を開始するように構成されている。
【００３２】
図６及び図７に示されるように、ウォブラモジュール３３０の図示された実施形態は、それぞれのミラー３３２，３３４の各々に近接した熱プローブ３６２，３６４を含んでいる。熱プローブ３６２，３６４は、ウォブラモジュール３３０内でのそれぞれの場所で熱状態（例えば温度）を感知し、ガルバノ接続部３３７を介してガルバノ制御装置に接続されている。従って、ガルバノ制御装置は、ウォブラモジュール３３０内での危険な可能性のある状態を示す高温などの所定の状態が生じた場合かどうかを決定するために、熱プローブ３６２，３６４をモニターする。可動ミラー３３２，３３４の一方が正常に働かない場合、例えば、ウォブラモジュール３３０内に向けられた高出力レーザーが、適切に反射されず、危険な状態を引き起こす可能性がある。従って、ガルバノ制御装置は、危険な状態に応じてレーザーを停止させるために安全インターロックを開始する。熱プローブは、セラミックの内部のバイメタルストリップなどの公知のセンサを含んでもよい。
【００３３】
図８は、ともに連結されたときのウォブラモジュール及びコアブロックモジュールの内部での平行ビーム３１６の経路を示す。示されるように、ウォブラモジュールへ入力された平行ビーム３１６は、第１ガルバノミラー３３２から第２ガルバノミラー３３４へ反射され、その後、コアブロックモジュールの内部で固定ミラー３４４から反射され、コアブロックモジュールから出力する。固定ミラー３４４は、ビーム３１６をモニターするためのカメラで使用することを可能にするために赤外ミラーであってもよい。
【００３４】
従って、本明細書で説明された実施形態に従う、可動ミラーを有するレーザー切断ヘッドは、ガス支援型切断などのさまざまな切断用途のために使用されるレーザービームの位置合わせ及び移動にわたって向上された制御をもたらす。
【００３５】
本発明の原理が、本明細書で説明されたが、当業者には、この説明が例のためにのみなされ、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではないことが理解されるべきである。他の実施形態は、本明細書で示されかつ説明された例示的な実施形態に加えて、本発明の範囲内で想起される。当業者による修正及び置換は、本発明の範囲内にあるとみなされ、本発明は、以下の特許請求の範囲による以外は限定されない。
【符号の説明】
【００３６】
２  第１軸、４  第２軸、１００  レーザー切断システム、１０２  ワークピース、１０８，１１４  動作ステージ、１１０，３１０  レーザー切断ヘッド、１１１  出力ファイバー、１１２  ファイバーレーザー、１１６  平行レーザービーム、１１８  収束させられたレーザービーム、１２２  コリメータ、１３２  第１可動ミラー、１３４  第２可動ミラー、１４２  焦点レンズ、１４４  固定ミラー、１４６  切断ノズル、１６０  制御システム、３２０  コリメータモジュール、３３０  ウォブラモジュール、３４０  コアブロックモジュール、α  走査角度
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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