(57)【要約】溶接、切断、孔開け、研削等のさまざまなアプリケーションに用いることのできる回転レーザービーム（５）を生成する装置（１）を提供すること。【課題】本発明の装置は、高速で回転し、正確なレーザービームを生成することができる。本発明の装置は、メインの回転可能な光学装置（１００）を有し、これは、光学装置が交差する軸（Ｘ１）を中心に回転する反射面（１０２）を有する。【選択図】図１
2007502712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を環状に溶接および／または機械加工をするために、回転レーザビーム（５）を生成する回転レーザビーム生成装置において、
（Ａ）  レーザビームの入力手段（４）と、
前記レーザビームは、前記回転レーザビーム生成装置の光学システム（１００）を通る光学パスに従い、前記装置から出力点（２９）を介して出力され、被加工物の入射領域に入り、
前記光学システムは、中心軸（Ｘ１）を有し、前記入射領域の前記レーザビームの像焦点（Ｆ０、Ｆ１、Ｆ１’；Ｆ２、Ｆ２’）の位置を調整し、
前記光学システムは、前記中心軸（Ｘ１）を中心に回転可能な第１反射面（１０２）を有し、
前記第１反射面（１０２）は、前記レーザビームを、管形状の第２反射面（２６）の方向に前記レーザビームを方向付け、前記レーザビームを前記中心軸（X1）の方向に反射させ、
（Ｂ）  前記第１反射面（１０２）を、回転させる駆動手段（２０、２１、２２）と
を有し、
前記光学システム（１００）は、少なくとも１個のレンズ（３７）を有し、
前記レンズ（３７）は、前記レーザビームを集光し、前記第１反射面（１０２）に入射させ、
前記第１反射面（１０２）近傍に第１焦点を形成し、
前記第１焦点は、前記入射領域の前記レーザビームの像焦点（Ｆ０、Ｆ１、Ｆ１’；Ｆ２、Ｆ２’）とは異なる
ことを特徴とする回転レーザビーム生成装置。
【請求項２】
前記第１反射面（１０２）は、光学システム（１００）に固定配置され、
前記光学システム（１００）は、前記駆動手段（２０、２１、２２）により、前記中心軸（X１）の周囲で回転可能である
ことを特徴とする請求項１記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項３】
前記第２反射面（２６）は、凹形状である
ことを特徴とする請求項１または２記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項４】
前記光学システム（１００）は、傾斜可能に配列された光学軸（Ｘ２）を有する回転可能レンズ（１０７）をに有し、
前記光学軸（Ｘ２）は、前記中心軸（Ｘ１）に対し傾斜している
ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項５】
前記光学システム（１００）は、
（Ｘ）  前記第１反射面（１０２）と前記回転レンズ（１０７）が配置されるスリーブ（１０３）と、
前記回転レンズ（１０７）は、支持部材（１０８、４０８）により支持され、
前記支持部材（１０８、４０８）は、前記スリーブ（１０３）に直径方向に対向した２本のピン（４０１、４０２）により傾斜可能に機械的に取り付けられ、
（Ｙ）  前記スリーブ（１０３）の内側で前記支持部材（１０８、４０８）に当接して配置される環状要素（１１２）と
これにより、前記光学軸（Ｘ２）と中心軸（Ｘ１）との間の角度を調整する
を有する
ことを特徴とする請求項４記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項６】
前記支持部材（１０８）は、２本のロッド（１０９、１１０）を有し、
前記ロッドは、前記支持部材の上部表面から突出し、前記ピンの方向と直交する方向に沿って、半径方向に対向して配置され、
前記ロッドの内の第１ロッド（１１０）は、前記支持部材（１０８）に固定され、
前記ロッドの内の第２ロッド（１０９）は、孔内に配置され、スプリング（１１１）により支持される
ことを特徴とする請求項５記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項７】
前記光学システム（１００）は、前記支持部材（４０８）の両側にそれぞれ配置された２個の軟質リング（４０３、４０４）を有し、
前記各軟質リングは、ある角度で、前記支持部材の領域に結合され、
前記軟質リングと支持部材とのそれぞれの接続領域は、半径方向に対向し、
前記支持部材（４０８）と前記２個の軟質リング（４０３、４０４）とは、一方で前記環状要素（１１２）に当接し、他方で、前記スリーブ（１０３）に具備されたステップ（４１１）に当接する組立体を形成する
ことを特徴とする請求項５記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項８】
前記光学システム（１００）は、管状要素（３８）をさらに有し、
前記管状要素（３８）は、前記スリーブ（１０３）と部分的に係合し、前記環状要素（１１２）と共働する手段を具備し、
前記環状要素（１１２）は、前記中心軸（Ｘ１）に対し、回転し、
前記中心軸（Ｘ１）の方向に対する前記環状要素（１１２）の位置は、前記スリーブ（１０３）の外側から調整可能である
ことを特徴とする請求項５−７のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項９】
前記第１反射面（１０２）は、光学装置（１０４）内に配置され、
前記光学装置（１０４）は、レーザビーム（５）の伝搬方向に沿って、平面状入力表面（１０５）と半球状出力表面（１０６）とを有し、
前記第１反射面（１０２）は、平面状のギャップで形成される
ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１０】
前記第１反射面（１０２）は、前記中心軸（Ｘ１）と、前記半球状出力表面（１０６）の湾曲の中心点で、交差する
ことを特徴とする請求項９記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１１】
前記光学システム（１００）は、前記装置の出力（２９）の領域で、保護窓（３０）を有する
ことを特徴とする請求項１−１０のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１２】
前記保護窓（３０）は、前記装置の外側に湾曲中心を有する半球状である
ことを特徴とする請求項１１記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１３】
前記光学システム（１００）は、前記中心軸（Ｘ１）の方向にそって、前記第１焦点と前記第１反射面（１０２）の間の距離を調整するレンズ組み立て体（３５，３７）をさらに有し、
前記入射領域の像焦点（Ｆ０，Ｆ１，Ｆ１’；Ｆ２，Ｆ２’）は、前記第１反射面（１０２）と第２反射面（２６）を通る第１焦点の光学像である
ことを特徴とする請求項１−１２のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１４】
前記像焦点（Ｆ０，Ｆ１，Ｆ１’；Ｆ２，Ｆ２’）の品質は、前記中心軸（Ｘ１）と光学軸（Ｘ２）との間の角度で調整される
ことを特徴とする請求項１−１３のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１５】
(Ｃ）  ハウジング（２）と
前記ハウジングは、前記レーザビーム入力手段（４）を有し、
（Ｆ）  可動ユニット（９）と
をさらに有し、
前記可動ユニットは、前記ハウジング内に少なくとも部分的に収納され、少なくとも前記光学システム（１００）と前記第２反射面（２６）とを有し、
前記可動ユニット（９）は、前記中心軸（Ｘ１）の方向に沿って、前記ハウジング（２）に対し、移動可能であり、これにより前記中心軸（Ｘ１）に沿って、その位置を調整する
ことを特徴とする請求項１−１４のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１６】
前記駆動手段は、前記光学システム（１００）の周囲に固定配置されるロータ（２０）と、前記ロータ（２０）の周囲で前記可動ユニット内に配置されるステータ（２１）とを有する
ことを特徴とする請求項１−１５のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１７】
前記入射領域が観測できる観測窓（７）をさらに有する
ことを特徴とする請求項１−１６のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１８】
前記観測窓（７）は、可視装置（２００、２０１、２０２）に接続されている
ことを特徴とする請求項１７記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１９】
前記可視装置は、カメラ（２００）と、像処理回路（２０１）と、モニター（２０２）とを有する
ことを特徴とする請求項１８記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２０】
前記光学システム（１００）は、傾斜可能に配列れた光学軸（Ｘ２）を有する回転可能レンズ（１０７）をに有し、
前記光学軸（Ｘ２）は中心軸（Ｘ１）に対し傾斜し、被加工物上の焦点の質を向上させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２１】
前記装置の出力点（２９）の領域で、保護窓（３０）を有する
ことを特徴とする請求項２０記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２２】
前記保護窓（３０）は、前記装置の外側に湾曲中心を有する半球状である
ことを特徴とする請求項２１に記載の回転レーザビーム生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転レーザビームを生成する装置に関し、特に正確且つ高速に環状に機械加工および／または溶接を行う装置に関する。このような装置は、環状に機械加工したり溶接する加工分野に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
以下の説明は、特に、溶接装置に関するものであるが、レーザビームのパラメータによっては、本発明の装置は、切断、孔開け、材料の切り落とし等の機械加工にも用いられる。
【０００３】
レーザビームで環状に溶接するシステムは従来から公知である。
【０００４】
このようなシステムのあるものは、溶接装置は、溶接すべき被加工物に対し、固定する方式に基づいている。レーザビームは、被加工物の溶接領域に一定の方向で向けられ、そしてこの被加工物を、レーザ手段を有する支持部材で回転させている。
【０００５】
しかし、このようなシステムは欠点がある。例えば、レーザビームに対し、被加工物の位置を正確に調整／配置することが困難であり、特に、被加工物が高速回転している時には致命的である。
【０００６】
さらに、大量の被加工物を連続的に溶接する場合には、溶接作業は長時間に及ぶ。実際に、この溶接作業においては、被加工物は、被非加工物を支持する台を高速で回転させる前に、その支持台上に配置しなければならない。その後、溶接作業は、被加工物が所定の回転速度以上になった時点で行われる。溶接作業後、支持台は回転を停止し、被加工物が支持台から取り外され、次の被加工物がその台上に配置される。
【０００７】
他のシステムも公知である。例えば、被加工物は溶接作業の間静止状態にあり、レーザビームの方向が溶接領域全体を掃引するように変化するシステムである。レーザビームで溶接領域全体をカバーするために、２枚のミラーを、互いに独立に且つ２つの位置の間で傾斜させて、レーザビームの光学パスに配置する。かくして、第１ミラーは、第１方向Ｘ−Ｘ’に沿ってレーザビームの動きを制御し、第２ミラーは、第１方向Ｘ−Ｘ’に直交する第２方向Ｙ−Ｙ’に沿ってレーザビームの動きを制御する。かくして２枚のミラーのそれぞれの傾斜角を組み合わせることにより、被加工物の溶接領域全体をカバーしている。
【０００８】
しかし、このシステムの欠点は、溶接領域の寸法が大きくなるに連れて、各ミラーに対する端部位置の間が広がる。かくして、一方の端部から別の端部へミラーを傾斜させるのにかかる時間が長くなり、溶接作業の全体速度が低下することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の第１目的は、従来技術のシステムを改善することであり、被加工物を環状に機械加工を高速且つ信頼性高く実行する装置を提供することである
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、レーザビームを供給する手段を有する装置に関する。レーザビームは、レーザ装置の光学システムを通る光学パスに沿い、この装置の出力点から出射され、被加工物の衝突（例：溶接）領域即ち入射領域に入る。本発明の光学システムは、中心軸Ｘ１を有し、入射領域におけるレーザビームの像焦点（image focal point）の位置を調整する。
【００１１】
本発明の光学システムは、第１反射面と第２反射面とを有する。第１反射面は、中心軸Ｘ１に対して回転可能であり、且つレーザビームを管形状の第２反射面の方向に向ける。第２反射面は、レーザビームを中心軸Ｘ１の方向に反射させる。本発明の装置は、第１反射面を回転させる手段を含む。本発明の装置は、レーザビームを収束さえる手段を有する。レーザビームは、収束後、第１反射面に入り、第１反射面近傍に第１の焦点を結ぶ。
【００１２】
かくして、例えば環状の機械加工／溶接が、反射面を単に回転動作させるだけで行うことができ、これにより、高速回転が可能となり、この回転速度は溶接の寸法とは無関係に設定できる。
【００１３】
第２反射面の反射に起因して、レーザービームは、被加工物に中心方向に向かって入射可能であり、かくして、「外側溶接」作業が可能となる。この最後の特徴は、上記の公知のシステムと比較して、重要な改良点の追加である。公知のシステムは、「内側溶接」のみが可能であるが、これは、レーザービームが、被加工物に入射した時に、遠心方向となるからである。
【００１４】
本発明の一実施例によれば、第１反射面は光学システム内で固定配置される。この光学システムは、中心軸Ｘ１に対してモータ手段で回転可能である。
【００１５】
より好ましい実施例によれば、本発明の装置は、２つのシステムを有し、溶接される被加工物の像焦点の位置を正確に調整する。
【００１６】
光学軸Ｘ２を有する回転可能レンズ即ち傾斜可能レンズが、光学システム内に配置され、溶接領域の像焦点の質を向上させる。
【００１７】
かくして、回転可能レンズは、軸支するために支持部材に担持され、光学システムの中心軸Ｘ１に対し、光学軸Ｘ２の方向を修正する。
【実施例】
【００１８】
図１に本発明のレーザビーム溶接装置１が示されている。レーザビーム溶接装置１はメインのハウジング２を有し、その中にレーザビーム溶接装置１の構成要素の大部分が収納される。ハウジング２は、被加工物の上方に、作業台３上に配置されるツール（図示せず）を保持する手段、例えば脚を有する。
【００１９】
ハウジング２は側面開口４を有し、この側面開口４をレーザビーム５が水平方向に貫通する。前記レーザビームは、遠隔操作されるレーザソース（図示せず）から生成される。レーザビーム５は、入射レーザビームに対し４５度の角度を向いた半透明ミラー６に向けられ、この半透明ミラー６がレーザビームをほぼ垂直方向に向ける。
【００２０】
上部開口７が、半透明ミラー６の後方に、従来と同様に、配置される。この開口は、光学センサー２００（例えばＣＣＤカメラ）を配置するための観測窓である。光学センサー２００は、プロセッサを有する信号処理装置２０１に接続され、この信号処理装置２０１はディスプレイ２０２に接続される。
【００２１】
半透明ミラー６から下方向に向かうレーザビーム５の光学パスに沿って、メインチェンバ８が具備される。その中に可動ユニット９が中心軸Ｘ１の方向にそって直進（移動）できるよう、一部収納されている。可動ユニット９は、中心軸Ｘ１に平行な方向に延びる側面アーム１０を介して、ハウジング２に接続され、ハウジング２の内側表面に配置された支持用延長部１２の穴１１と共働する。好ましくは、ボールベアリング１３が、支持用延長部１２の端部と穴１１の間に挿入され、可動ユニット９が移動した時に、これら２つの要素の間のスライド動作を改善している。可動ユニット９の垂直方向の動きは、ハウジング２を介して調整される。これは、適宜の手段（例えば微細ネジ）で行われる。
【００２２】
可動ユニットは、中心に配置された光学システム１００を有する。光学システム１００は、スリーブ１０１により半径方向が規定される。スリーブ１０１は、離間した２つの環状ステップ部１６を有し、その上にボールベアリング１７が当接して、スリーブ１０１の位置を可動ユニット９に対して中心軸Ｘ１の方向に、且つ半径方向ではスリーブ１０１をガイドするように保持する。環状ネジ部材であるナット１８が、スリーブ１５のフロントエンド１９のネジ部分と噛み合って、ボールベアリング１７を対応する環状ステップ部１６に対し、固定する。
【００２３】
ロータ２０は、スリーブ１０１の周囲に直接配置される。このロータ２０は２極の永久磁石の形態で形成される。
【００２４】
ステータ２１は、ロータ２０の周囲に同心上に配置される。ステータ２１は、複数のコイル２２を具備し、その内の２つが図に示されている。かくして、ロータ２０とステータ２１の組み合わせにより、モータを構成し、そのパワー供給手段が参照番号２３として示されている。このモータの動作により、光学システム１００が、スリーブ１０１の回転により、回転動作を起こす。
【００２５】
可動ユニット９は、その下部部分に、ブロック２４を有し、その中に中央空洞部２５を具備する。この中央空洞部２５は、環状ミラー２６により包囲されている。図１に示されるように、環状ミラー２６は、断面が凹形状であり、集光機能を有する。
【００２６】
従来手段が、ミラー２６の位置を正確に調整するために具備される。例えば、ミラーの下部表面が当たるネジ部材２７と、ミラーの下部表面に力を加えるスプリング２８である。かくして、中心軸Ｘ１に対しミラー２６の軸の傾斜を調整して、被加工物に入射する前のレーザビームの品質を制御する。
【００２７】
さらに、ブロック２４は、半球状の保護窓３０により閉じられたベース中央開口２９を有する。この保護窓３０の機能は、レーザ装置の光学要素が溶接作業中にゴミあるいはプラズマにより汚染されるのを阻止することである。
【００２８】
中心軸Ｘ１と環状ミラー２６に対する保護窓３０の位置を正確に調整する手段、例えば、ネジ部材３１が具備される。
【００２９】
図２を参照して、回転する（回転可能な）光学システム１００を詳述する。同図において、スリーブ１０１は、光学部分のみを記載するために、省いている。
【００３０】
図２を参照すると、第１管状要素３２は、可動ユニット９に対し静止しており、サポートフレームを規定する複数の半径方向延長部３３を有する。第１管状要素３２の端部３４の領域には、レンズ３５が配置され、このレンズ３５の主な機能は、レーザビーム５の分散を抑えることである。
【００３１】
第１管状要素３２は、合焦レンズ３７を具備する第２管状要素３６により包囲される。合焦レンズ３７の機能は、レーザービームを反射表面１０２の周囲に集めることである。
第２管状要素３６は、２箇所の端部の間で中心軸Ｘ１の方向に可動である。かくして、合焦レンズ３７は、２つの端部位置（図２の３７’、３７’’）の間を移動し、レーザビームの焦点の位置を、中心軸Ｘ１の方向で、修正する。
第２管状要素３６の位置は、従来の手段、例えば第１管状要素３２の内側表面と第２管状要素３６の外側表面の間に形成された「差し込み」あるいはネジ（図示せず）により調整可能である。
第２管状要素３６は、第３管状要素３８により部分的に包囲されている。その機能は、後述する。
【００３２】
光学システム１００は、スリーブ１０３を有する。このスリーブ１０３は、特に、光学装置１０４を有する。この光学装置１０４は、入力平面１０５と出力半球面１０６とを有する。
【００３３】
本発明の一実施例においては、光学装置１０４は、水晶体であり、その中に反射面１０２を形成する平面状のギャップが具備される。このギャップは、空気で満たされ、中心軸Ｘ１に対し、ある角度で方向付けられており、これにより、図１に示す入射レーザビームの方向を変える。光学装置１０４は、スリーブ１０３内で摩擦力により保持されている。
【００３４】
反射面１０２は、本発明の範囲内で当業者は適宜の形状にできる。しかし、ミラーを使用することは、レーザビームの高出力故に、過熱のリスクがあるために、ギャップを使用するほど効率的ではない。かくして、従来のミラーの使用も可能であり、特に、ハイパワーのレーザビームが必要でないようなアプリケーションではそうである。
【００３５】
別の観点からすると、光学装置１０４の開示された形状は、光学システムの回転中に発生する慣性の点で有利である。
【００３６】
さらに、スリーブ１０３は、支持部材１０８により支持されている収束レンズ１０７を収納する。支持部材１０８は、スリーブ１０３に、図２の面に直交する方向に互いに整合している２個のピボットピン（図示せず）により機械的に接続される。支持部材は、第１ピン１０９、第２ピン１１０を有し、これらは互いに且つ中心軸Ｘ１の方向に平行で、支持部材１０８の非貫通孔（blind hole）に入るよう配列される。
【００３７】
第１ピン１０９は、螺旋状のスプリング１１１により、その孔内に支持され、一方第２ピン１１０は、その孔に対し一定の位置に、挿入、ネジ込み（図示せず）により保持される。
【００３８】
管状要素１１２は、スリーブ１０３に通され、第１ピン１０９と第２ピン１１０にその下側表面で当接する。それ故に、図２から明らかなように、管状要素１１２が、支持部材１０８の方向の下側方向に挿入されると、力が第１ピン１０９と第２ピン１１０に掛かる。第２ピン１１０は支持部材１０８に固定されているために、第１ピン１０９にかかる力が増加しながら、支持部材１０８がピンを軸に回転運動（支軸動作）を引き起こす。従って、第１ピン１０９に掛かる力は、スプリング１１１に伝達され、さらに圧縮されて、力を吸収する。
【００３９】
その結果、収束レンズ１０７は傾斜する。言い換えると、光学軸Ｘ２は、中心軸Ｘ１に対して回転（傾斜）する。上記の例では、光学軸Ｘ２は時計方向に回転する（図２）。
【００４０】
第３管状要素３８は、光学システム１００の外部から管状要素１１２を操作するツールの役目をする。図２から分かるように、第３管状要素３８は、複数の短いロッド３９を有する。ロッド３９は、第３管状要素３８の下部表面から突出し、管状要素１１２の上部表面に具備された対応する非貫通孔１１３にはまる。第３管状要素３８は、作業者が支持スプリング４０を圧縮することにより、下方向に移動する。その結果、ロッド３９が孔１１３に入る。その後、支持スプリング４０が圧縮されながら、第３管状要素３８が回転して管状要素１１２の回転運動を引き起こし、その結果、収束レンズ１０７を傾斜させる。第３管状要素３８にかかる力が解かれると、ロッド３９は、孔１１３から解放され、管状要素１１２は一定の角度位置を保持する。
【００４１】
収束レンズ１０７の機能は、レーザビーム５に作用して、溶接領域の像焦点の形状の収差の発生を回避すること、すなわち像焦点の品質を改善することである。
【００４２】
同じ理由で、環状ミラー２６の表面は、その伝搬プロセスの間、非常に注意深く取り扱わなければならない。図１に示すような、凹型の断面は、最初は円の一部である。しかし、その湾曲部は、形状パラメータに従って不規則となる。そのパラメータとは、例えば、回転可能反射表面１０２の傾斜と、回転可能反射表面１０２と環状ミラー２４との間の距離である。ミラー表面の高品質故に、像焦点の品質が向上する。
【００４３】
図１から明らかなように、本発明の装置を通過するレーザビーム５の光学パスは、光学システム１００がモータにより回転駆動した時に、環状の溶接が可能となるようなものである。
【００４４】
図３と図３ａを参照して、本発明による装置で行われる光学原理を説明する。
【００４５】
焦点レンズ３７が中間位置（図１と図３の実線で表される）にあり、可動ユニット９が中間位置にある時には、被加工物の入射（衝突）領域の像焦点は、Ｆ０にある。
【００４６】
この状態からスタートして、ユーザは、可動ユニット９を上下に動かして、操作中にレーザビームにより掃引される円の半径の値を、調整する。像焦点が、レーザビームの光学パスに沿って、可動ユニット９の移動と共に、移動する。可動ユニット９が、ハウジング２に対し最高位置に配置された時には、像焦点はＦ１’にあり、可動ユニット９が最低位置に配置された時には、像焦点はＦ１にある。
【００４７】
作業が行われる被加工物の領域が作業台３の面の上に配置されているとすると、操作中のレーザービームにより掃引される円の半径は、作業台３の面とレーザビームとの交点Ｆ２またはＦ２’により与えられる。
かくして、可動ユニットが最高位置にあるときには、レーザービームにより掃引される円の半径は、Ｆ０とＦ２’の間の距離に対応し、像焦点は依然としてＦ１’にある。かくして、像焦点はＦ１’からＦ２’に移動させなければならない。これは、合焦レンズ３７の移動により行われる。この場合には、ユーザーは合焦レンズ３７を上方に動かして、像焦点をＦ１’からＦ２’に移動させる。
【００４８】
逆に、可動ユニットが最低位置にあるときには、レーザービームにより掃引される円の半径は、Ｆ０とＦ２の間の距離に対応し、像焦点は依然としてＦ１にある。かくして、像焦点はＦ１からＦ２に移動させなければならないが、これは、合焦レンズ３７の移動により行われる。この場合には、ユーザーは合焦レンズ３７を下方に動かして、像焦点をＦ１からＦ２に移動させる。
焦点位置の調整に関して説明した方法は、単なる例示で、限定的に解釈すべきものではない。異なる数のレンズあるいは異なる特性のレンズを選択することにより、さまざまな変形例が可能である。
【００４９】
図３、図３ａから明らかなように、像焦点がＦ２’にあるような構造は、「内側溶接」に特に適したものである。これは、リングの内側に溶接されたディスクの場合、あるいは面の上に溶接されたリングの内側表面の場合である。
従来装置に比較して、本発明の装置は、特に、「外側溶接」が可能な点で利点がある。外側溶接用の装置の構造の一例を図３と図３ａに示し、同図においては、像焦点は、Ｆ２にある。この場合、レーザービームはＸ１とは交差せずに、被加工物に入射し、かくして、中心に向かいながら被加工物上に入射する。これは、例えば歯車の中心に軸を溶接する場合に有効であり、この場合、レーザービームは軸の周囲で円を描く。
【００５０】
図４、４ａを参照すると、本発明のスリーブ１０３の別の実施例が示されており、これは、図２の実施例を用いて以下説明する。
【００５１】
特に、本発明は、収束レンズ１０７を支持する構造体の変形例に関し、光学軸Ｘ２と中心軸Ｘ１の間の方向角の調整手段を具備する。
【００５２】
支持部材４０８は、スリーブ１０３に２個のピボットピン４０１、４０２の手段により機械的に固定される。このピボットピン４０１、４０２は、互いに図４の面に直交する方向、すなわち図４ａの面に沿って整合している。
【００５３】
第１軟質リング４０３、４０４が、それぞれ、支持部材４０８の両側に具備される。これらの各リングは、平坦なリングを複数重ね合わせたものから形成される（図４，４ａ）。好ましくは、平坦なリングは、金属製で、それらの周囲で少なくとも部分的に溶接あるいは接着される。
【００５４】
各軟質リング４０３、４０４は、２個の孔４０５、４０６を有する。この孔４０５，４０６は、その厚み方向に貫通し、直径方向に対向して配置される。第１ネジ部材４０９、４１０が、各孔４０５，４０６内に配置される。
【００５５】
各軟質リングの第１ネジ部材４０９は、軟質リングを接続領域で支持部材４０８に締め付ける。それぞれの接続領域は、直径方向に向かい合っている。
【００５６】
各軟質リングの第２ネジ部材４１０は、平坦なリングが互いに結合した状態に保持するものであり、対応する第１ネジ部材４０９よりも短い。全てのネジの頭は、軟質リングから支持部材４０８に対向する側に突出する。
【００５７】
従って、第１軟質リング４０３からのネジ頭は、管状要素１１２に当接する（図２）。一方、第２軟質リング４０４からのネジ頭は、スリーブ１０３の内側に形成されたステップ４１１に当接する。
【００５８】
支持部材４０８により形成された組立体の機能は、２個の軟質リング４０３、４０４と共に以下説明する。
【００５９】
図２で説明したのと同様に、管状要素１１２は支持部材４０８の方向にねじ込まれ、あるいは挿入され、力が第１軟質リング４０３のネジ頭に掛かる。
【００６０】
力が掛かった状態で、第１軟質リング４０３は曲げられ、第２軟質リング４０４も曲げられる。支持部材４０８は、剛性があり曲げに強い。軟質リング４０３、４０４の両方が、それぞれ曲げられた結果、支持部材４０８と収束レンズ１０７の光学軸Ｘ２は、中心軸Ｘ１の方向に対して傾斜する。特に、管状要素１１２が、図４に示されるようにネジ込まれるあるは挿入されると、収束レンズ１０７は時計方向に回転する。
【００６１】
収束レンズ１０７の機能は、レーザビーム５に作用して、溶接領域の像焦点の形状の収差の発生を回避すること、すなわち像焦点の品質を改善することである。
【００６２】
より一般的には、本発明の装置の重要な特徴は、ビーム合焦光学システムは、光学パスの方向に沿って回転可能反射表面１０２の前方にある点である。かくして、第１焦点は、回転可能反射表面１０２の近傍で生成され、更なる合焦レンズあるいは合焦システムは、光学パスに沿っては必要はない。実際に、後者の合焦システムの使用は、光学システムは、回転可能反射表面１０２と一緒に回転し、装置の製造に対し重量が増えるという欠点があり、特にこれは、１分間に３万回転するような装置では問題がある。
焦点が第１反射面の近傍に生成される事実は、上記の構造がこの反射表面にとって好ましい主な理由である。実際、従来のミラーは、ミラーの極近傍にある焦点内に集中するレーザービームのハイパワーに耐えることができない。
【００６３】
本発明の装置は、さまざまなアプリケーションで用いることができる。例えば、上記したように、光学センサー２００と組み合わせて観測窓を用いることにより検査装置としても用いることができる。この場合、ハウジング２の側面開口４は、装置に入力されるレーザビームがないために必要ない。しかし、この側面開口４をそのまま保持して光源の入力点として用いて、検査すべき被加工物の領域を照らして観測画像のコントラストを向上させてもよい。
【００６４】
本発明の他の態様は、一連の被加工物を処理する際に、光学システムが処理すべき２個の連続する間で回転を維持することである。レーザビーム供給手段は、処理された被加工物を取り除いたり、新たな被加工物を配置するのに必要な時間だけ停止するだけでよく、これによりユーザは加工時間を節約できる。
【００６５】
さらなる従来の特徴は、本発明の範囲を離れることなく、上記の構成に追加出来る。例えば、冷却水供給回路を図１のベアリング１７を冷却するために具備することもできる。光学システムの回転速度を測定する装置も具備することができる。
【００６６】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施例によるレーザ溶接装置の断面図。
【図２】図１の装置の中央に配置された光学システムの拡大断面図。
【図３】図２の光学システムの別の構成におけるレーザービームの光学パスを表す図。
【図３ａ】図３の円Ａに囲まれた要素の拡大図。
【図４】本発明の他の実施例による図２の下側部分にある追加的スリーブの拡大断面図。
【図４ａ】図４とは直交する方向における、図４の追加的スリーブの拡大断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１  レーザビーム溶接装置
２  ハウジング
３  作業台
４  側面開口
５  レーザビーム
６  半透明ミラー
７  上部開口
８  メインチェンバ
９  可動ユニット
１０  側面アーム
１１  孔
１２  支持用延長部
１３  ボールベアリング
１５  スリーブ
１６  環状ステップ部
１７  ボールベアリング
１８  ナット
１９  フロントエンド
２０  ロータ
２１  ステータ
２２  コイル
２３  レーザ
２４  ブロック
２５  中央空洞部
２６  ミラー
２７  ネジ部材
２８  スプリング
２９  中央開口
３０  保護窓
３１  ネジ部材
３２  第１管状要素
３３  半径方向延長部
３４  端部
３５  レンズ
３６  第２管状要素
３８  第３管状要素
３９  ロッド（棒）
Ｘ１  中心軸
Ｘ２  光学軸
１００  光学システム
１０１  スリーブ
１０２  反射面
１０３  スリーブ
１０４  光学装置
１０５  入力平面
１０６  出力半球面
１０７  収束レンズ
１０８  支持部材
１０９  第１ピン
１１０  第２ピン
１１１  スプリング
１１２  管状要素（環状？）
１１３  ブラインドホール
２００  光学センサー
２０１  信号処理装置
２０２  ディスプレイ
４０１，４０２  ピボットピン
４０３  第１軟質リング
４０４  第２軟質リング
４０５，４０６  孔
４０８  支持部材
４０９  第１ネジ部材
４１０  第２ネジ部材
４１１  ステップ
【図１】
2007502712.tif 000003
【図２】
2007502712.tif 000004
【図３】
2007502712.tif 000005
【図３ａ】
2007502712.tif 000006
【図４】
2007502712.tif 000007
【図４ａ】
2007502712.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を環状に溶接および／または機械加工をするために、回転レーザビーム（５）を生成する回転レーザビーム生成装置において、
（Ａ）  レーザビームの入力手段（４）と、
前記レーザビームは、前記回転レーザビーム生成装置の光学システム（１００）を通る光学パスに従い、前記装置から出力点（２９）を介して出力され、被加工物の入射領域に入り、
前記光学システムは、中心軸（Ｘ１）を有し、前記入射領域の前記レーザビームの像焦点（Ｆ０、Ｆ１、Ｆ１’；Ｆ２、Ｆ２’）の位置を調整し、
前記光学システムは、前記中心軸（Ｘ１）を中心に回転可能な第１反射面（１０２）を有し、
前記第１反射面（１０２）は、前記レーザビームを、管形状の第２反射面（２６）の方向に前記レーザビームを方向付け、前記レーザビームを前記中心軸（X1）の方向に反射させ、
（Ｂ）  前記第１反射面（１０２）を、回転させる駆動手段（２０、２１、２２）と
を有し、
前記光学システム（１００）は、少なくとも１個のレンズ（３７）を有し、
前記レンズ（３７）は、前記レーザビームを集光し、前記第１反射面（１０２）に入射させ、
前記第１反射面（１０２）近傍に第１焦点を形成し、
前記第１焦点は、前記入射領域の前記レーザビームの像焦点（Ｆ０、Ｆ１、Ｆ１’；Ｆ２、Ｆ２’）とは異なる
ことを特徴とする回転レーザビーム生成装置。
【請求項２】
前記第１反射面（１０２）は、光学システム（１００）に固定配置され、
前記光学システム（１００）は、前記駆動手段（２０、２１、２２）により、前記中心軸（X１）の周囲で回転可能である
ことを特徴とする請求項１記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項３】
前記第２反射面（２６）は、凹形状である
ことを特徴とする請求項１または２記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項４】
前記光学システム（１００）は、傾斜可能に配列された光学軸（Ｘ２）を有する回転可能レンズ（１０７）をに有し、
前記光学軸（Ｘ２）は、前記中心軸（Ｘ１）に対し傾斜している
ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項５】
前記光学システム（１００）は、
（Ｘ）  前記第１反射面（１０２）と前記回転レンズ（１０７）が配置されるスリーブ（１０３）と、
前記回転レンズ（１０７）は、支持部材（１０８、４０８）により支持され、
前記支持部材（１０８、４０８）は、前記スリーブ（１０３）に直径方向に対向した２本のピン（４０１、４０２）により傾斜可能に機械的に取り付けられ、
（Ｙ）  前記スリーブ（１０３）の内側で前記支持部材（１０８、４０８）に当接して配置される環状要素（１１２）と
これにより、前記光学軸（Ｘ２）と中心軸（Ｘ１）との間の角度を調整する
を有する
ことを特徴とする請求項４記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項６】
前記支持部材（１０８）は、２本のロッド（１０９、１１０）を有し、
前記ロッドは、前記支持部材の上部表面から突出し、前記ピンの方向と直交する方向に沿って、半径方向に対向して配置され、
前記ロッドの内の第１ロッド（１１０）は、前記支持部材（１０８）に固定され、
前記ロッドの内の第２ロッド（１０９）は、孔内に配置され、スプリング（１１１）により支持される
ことを特徴とする請求項５記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項７】
前記光学システム（１００）は、前記支持部材（４０８）の両側にそれぞれ配置された２個の軟質リング（４０３、４０４）を有し、
前記各軟質リングは、ある角度で、前記支持部材の領域に結合され、
前記軟質リングと支持部材とのそれぞれの接続領域は、半径方向に対向し、
前記支持部材（４０８）と前記２個の軟質リング（４０３、４０４）とは、一方で前記環状要素（１１２）に当接し、他方で、前記スリーブ（１０３）に具備されたステップ（４１１）に当接する組立体を形成する
ことを特徴とする請求項５記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項８】
前記光学システム（１００）は、管状要素（３８）をさらに有し、
前記管状要素（３８）は、前記スリーブ（１０３）と部分的に係合し、前記環状要素（１１２）と共働する手段を具備し、
前記環状要素（１１２）は、前記中心軸（Ｘ１）に対し、回転し、
前記中心軸（Ｘ１）の方向に対する前記環状要素（１１２）の位置は、前記スリーブ（１０３）の外側から調整可能である
ことを特徴とする請求項５−７のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項９】
前記第１反射面（１０２）は、光学装置（１０４）内に配置され、
前記光学装置（１０４）は、レーザビーム（５）の伝搬方向に沿って、平面状入力表面（１０５）と半球状出力表面（１０６）とを有し、
前記第１反射面（１０２）は、平面状のギャップで形成される
ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１０】
前記第１反射面（１０２）は、前記中心軸（Ｘ１）と、前記半球状出力表面（１０６）の湾曲の中心点で、交差する
ことを特徴とする請求項９記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１１】
前記光学システム（１００）は、前記装置の出力（２９）の領域で、保護窓（３０）を有する
ことを特徴とする請求項１−１０のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１２】
前記保護窓（３０）は、前記装置の外側に湾曲中心を有する半球状である
ことを特徴とする請求項１１記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１３】
前記光学システム（１００）は、前記中心軸（Ｘ１）の方向にそって、前記第１焦点と前記第１反射面（１０２）の間の距離を調整するレンズ組み立て体（３５，３７）をさらに有し、
前記入射領域の像焦点（Ｆ０，Ｆ１，Ｆ１’；Ｆ２，Ｆ２’）は、前記第１反射面（１０２）と第２反射面（２６）を通る第１焦点の光学像である
ことを特徴とする請求項１−１２のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１４】
前記像焦点（Ｆ０，Ｆ１，Ｆ１’；Ｆ２，Ｆ２’）の品質は、前記中心軸（Ｘ１）と光学軸（Ｘ２）との間の角度で調整される
ことを特徴とする請求項１−１３のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１５】
(Ｃ）  ハウジング（２）と
前記ハウジングは、前記レーザビーム入力手段（４）を有し、
（Ｆ）  可動ユニット（９）と
をさらに有し、
前記可動ユニットは、前記ハウジング内に少なくとも部分的に収納され、少なくとも前記光学システム（１００）と前記第２反射面（２６）とを有し、
前記可動ユニット（９）は、前記中心軸（Ｘ１）の方向に沿って、前記ハウジング（２）に対し、移動可能であり、これにより前記中心軸（Ｘ１）に沿って、その位置を調整する
ことを特徴とする請求項１−１４のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１６】
前記駆動手段は、前記光学システム（１００）の周囲に固定配置されるロータ（２０）と、前記ロータ（２０）の周囲で前記可動ユニット内に配置されるステータ（２１）とを有する
ことを特徴とする請求項１−１５のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１７】
前記入射領域が観測できる観測窓（７）をさらに有する
ことを特徴とする請求項１−１６のいずれかに記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１８】
前記観測窓（７）は、可視装置（２００、２０１、２０２）に接続されている
ことを特徴とする請求項１７記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項１９】
前記可視装置は、カメラ（２００）と、像処理回路（２０１）と、モニター（２０２）とを有する
ことを特徴とする請求項１８記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２０】
前記光学システム（１００）は、傾斜可能に配列れた光学軸（Ｘ２）を有する回転可能レンズ（１０７）をに有し、
前記光学軸（Ｘ２）は中心軸（Ｘ１）に対し傾斜し、被加工物上の焦点の質を向上させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２１】
前記装置の出力点（２９）の領域で、保護窓（３０）を有する
ことを特徴とする請求項２０記載の回転レーザビーム生成装置。
【請求項２２】
前記保護窓（３０）は、前記装置の外側に湾曲中心を有する半球状である
ことを特徴とする請求項２１に記載の回転レーザビーム生成装置。
【国際調査報告】
2007502712.tif 000009
2007502712.tif 000010
2007502712.tif 000011