(57)【要約】  レーザ切断ヘッドは、ビーム直径および／または焦点位置を制御するための可動コリメータレンズを備えた制御可能なコリメータを含む。レーザ切断ヘッドは、可動コリメータレンズの位置を制御するための制御システムを備えたレーザ切断システムに使用することができる。例えば、異なるタイプの材料または異なる厚さの材料を切断するために、ビームスポットサイズを調整するために、レンズを移動させることができる。レンズはまた、ワークピースに対するレーザ切断ヘッドの距離を変更した後で、焦点をワークピースに戻すように移動させることもできる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ切断ヘッドであって、
ファイバレーザの出力ファイバに結合されるよう構成された制御可能なコリメータであって、少なくとも第１および第２可動コリメータレンズ、および各前記レンズが独立して移動できるように前記レンズに結合されたレンズ移動機構を含む、制御可能なコリメータと、
ワークピースに対してレーザビームを集束させるよう構成されたフォーカスレンズと、
を備える、レーザ切断ヘッド。
【請求項２】
前記レンズ移動機構が、前記第１および第２可動レンズにそれぞれ結合された第１および第２空気式機構を含む、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項３】
各前記空気式機構が、シリンダと、前記シリンダの内部に摺動可能に収容されるとともに、前記シリンダ内で空気圧で移動するよう構成されたピストンと、前記ピストンに磁気的に結合されるとともに、前記シリンダの外部に摺動可能に受容されているキャリッジと、を含み、各前記コリメータレンズが前記キャリッジの１つに固定されている、請求項２に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項４】
各前記シリンダが各端部に空気圧入力部を含む、請求項３に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項５】
前記レンズ移動機構が、少なくとも第１および第２シリンダと、前記シリンダの内部に摺動可能に収容された第１および第２ピストンと、前記第１および第２ピストンにそれぞれ磁気的に結合された第１および第２キャリッジと、を含み、各前記コリメータレンズが前記キャリッジの１つに固定されている、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項６】
前記レーザおよびガスを切断すべきワークピースに向けるための切断ノズルをさらに備える、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項７】
前記コリメータレンズを互いに対して移動させることにより、前記ワークピース上のビーム直径、したがってビームスポットが変化する、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項８】
前記コリメータレンズを共に移動させることにより、焦点位置が変化する、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項９】
前記コリメータがコリメータモジュールに含まれ、前記レンズがレンズモジュールに含まれ、かつ前記レンズモジュールが前記コリメータモジュールに結合されている、請求項１に記載のレーザ切断ヘッド。
【請求項１０】
制御可能なコリメータモジュールであって、
ファイバレーザに結合されたファイバに結合されるよう構成された入力端と、
フォーカスレンズアセンブリに結合されるよう構成された出力端と、
少なくとも第１および第２可動コリメータレンズと、
各前記レンズが独立して移動できるように、前記レンズに結合された空気式レンズ移動機構と、
を備える、制御可能なコリメータモジュール。
【請求項１１】
前記空気式レンズ移動機構が、少なくとも第１および第２シリンダと、前記第１および第２シリンダそれぞれの内部に摺動可能に収容された第１および第２ピストンと、前記第１および第２ピストンそれぞれと磁気的に結合された第１および第２キャリッジと、を含み、各前記コリメータレンズが前記キャリッジの１つに固定されている、請求項１０に記載の制御可能なコリメータモジュール。
【請求項１２】
レーザ切断システムであって、
出力ファイバを含むファイバレーザと、
前記ファイバレーザの前記出力ファイバに結合されたレーザ切断ヘッドであって、
少なくとも第１および第２可動コリメータレンズ、および各前記レンズが独立して移動できるように前記レンズに結合されたレンズ移動機構を含む制御可能なコリメータと、
ワークピースに対してレーザビームを集束させるように構成されたフォーカスレンズと、
を備えるレーザ切断ヘッドと、
少なくとも前記ファイバレーザおよび前記コリメータレンズの位置を制御するための制御システムと、
備える、レーザ切断システム。
【請求項１３】
前記ファイバレーザが、イッテルビウムファイバレーザを含む、請求項１２に記載のレーザ切断システム。
【請求項１４】
前記レンズ移動機構が、前記第１および第２可動レンズにそれぞれ結合された第１および第２空気式機構を含む、請求項１２に記載のレーザ切断システム。
【請求項１５】
各前記空気式機構が、シリンダと、前記シリンダの内部に摺動可能に収容されたピストンと、前記ピストンに磁気的に結合されるとともに、前記シリンダの外部に摺動可能に受容されているキャリッジと、を含み、各前記コリメータレンズが前記キャリッジの１つに固定されている、請求項１４に記載のレーザ切断システム。
【請求項１６】
前記レーザ切断ヘッドが、切断すべきワークピースに前記レーザおよびガスを向けるための切断ノズルをさらに含む、請求項１２に記載のレーザ切断システム。
【請求項１７】
前記制御システムが、前記ワークピース上のビーム直径、したがってビームスポットを変化させるために前記コリメータレンズを互いに対して移動させるよう構成されている、請求項１２に記載のレーザ切断システム。
【請求項１８】
前記制御システムが、焦点位置を変えるために前記コリメータレンズを共に移動させるよう構成されている、請求項１２に記載のレーザ切断システム。
【請求項１９】
レーザ切断方法であって、
少なくとも第１および第２可動コリメータレンズ、前記コリレータレンズを移動させるためのレンズ移動機構、およびフォーカスレンズを含むレーザ切断ヘッドを設けるステップと、
ファイバレーザから生のレーザビームを生成するステップと、
前記ビームを前記第１および第２可動コリレータレンズを通過させることによって前記生のレーザビームをコリメートするステップと、
前記ビームを前記ワークピースに向けて前記フォーカスレンズを通過させることによって、前記ビームを集束させるステップと、
ビームスポットサイズおよび焦点位置の少なくとも一方を変化させるために前記レンズ移動機構によって前記コリレータレンズを移動させるステップと、
を備える、レーザ切断方法。
【請求項２０】
前記レンズ移動機構によって前記コリレータレンズを移動させるステップが、前記レーザ切断ヘッドを前記ワークピースから離すように移動させた後で、および前記ワークピースから異なる距離で前記レーザ切断ヘッドによって異なるレーザ加工作業を行うために、前記レーザ切断ヘッドを前記ワークピースの近くに移動させた後で、前記ワークピースに焦点面を戻すよう調整するために前記レンズを移動させるステップを含む、請求項９に記載のレーザ切断方法。
【請求項２１】
前記ワークピースから離れるように移動した前記レーザ切断ヘッドによって前記ワークピースを穿孔するレーザ穿孔作業を行うステップをさらに備える、請求項２０に記載のレーザ切断方法。
【請求項２２】
前記ワークピースに近づくように移動した前記レーザ切断ヘッドによって前記ワークピースを切断するレーザ切断作業を行うステップをさらに備える、請求項２１に記載のレーザ切断方法。
【請求項２３】
前記レンズ移動機構によって前記コリレータレンズを移動させるステップが、切断される異なる厚さの材料および／または切断される異なる材料のためにスポットサイズを調整するために、前記レンズを移動させるステップを含む、請求項１９に記載のレーザ切断方法。
【請求項２４】
前記スポットサイズが約１５０μｍ〜３００μｍの範囲で調整可能である、請求項２３に記載のレーザ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれる２０１５年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２  ／１８２，２１７号の利益を主張するものである。
【０００２】
技術分野
本発明は、レーザ切断に関し、より詳細には、ビーム直径および／または焦点位置を制御するための移動可能なレンズを有する制御可能なコリメータを含むレーザ切断ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００３】
ファイバレーザのようなレーザは、切断のような材料加工用途にしばしば使用される。従来のレーザ切断ヘッドは、レーザ光をコリメートするためのコリメータと、切断すべきワークピースにレーザ光を集束させるためのフォーカスレンズとを含む。一部の切断用途では、ワークピースに対して異なるビームスポットサイズや異なる焦点が必要となる。既存の切断ヘッドでは、これらの切断用途のために、ビームスポットサイズおよび焦点をすばやく調整することができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態によれば、レーザ切断ヘッドは、ファイバレーザの出力ファイバに結合されるように構成された制御可能なコリメータと、ワークピースに対してレーザビームを集束させるように構成されたフォーカスレンズとを含む。制御可能なコリメータは、少なくとも第１および第２可動コリメータレンズと、各レンズが独立して移動できるようにレンズに結合されたレンズ移動機構とを含む。
【０００５】
別の実施形態によれば、制御可能なコリメータモジュールは、ファイバレーザに結合されたファイバに結合されるように構成された入力端、フォーカスレンズアセンブリに結合されるように構成された出力端、少なくとも第１および第２可動コリメータレンズ、および各レンズが独立して移動できるようにレンズに結合された空気式レンズ移動機構を含む。
【０００６】
さらなる実施形態によれば、レーザ切断システムは、出力ファイバを含むファイバレーザと、ファイバレーザの出力ファイバに結合されたレーザ切断ヘッドとを含む。レーザ切断ヘッドは、制御可能なコリメータ、およびワークピースに対してレーザビームを集束させるように構成されたフォーカスレンズを含む。制御可能なコリメータは、少なくとも第１および第２可動コリメータレンズと、各レンズが独立して移動できるようにレンズに結合されたレンズ移動機構とを含む。レーザ切断システムはまた、少なくともファイバレーザおよびコリメータレンズの位置を制御するための制御システムを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態によれば、レーザ切断方法は、少なくとも第１および第２可動コリメータレンズと、コリメータレンズを移動させるレンズ移動機構と、フォーカスレンズとを含むレーザ切断ヘッドを提供するステップと、ファイバレーザから生のレーザビームを生成するステップと、ビームを第１および第２の可動コリメータレンズを通過させることによって生のレーザビームをコリメートするステップと、ビームをワークピースに向けてフォーカスレンズを通過させることによってビームを集束させるステップと、ビームスポットサイズおよび焦点位置の少なくとも一方を変化させるために、レンズ移動機構によってコリメータレンズを移動させるステップと、を含む。
【０００８】
これらのおよび他の特徴および利点は、図面と併せて以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態による可動レンズを有するコリメータを備えたレーザ切断ヘッドを含むシステムの概略ブロック図である。
【図２】本開示による、レーザ切断ヘッドに使用される制御可能なコリメータモジュールの実施形態の斜視図である。
【図３】本開示による、レーザ切断ヘッドに使用される制御可能なコリメータモジュールの実施形態の斜視図である。
【図４】図３の線４−４に沿った制御可能なコリメータモジュールの断面図である。
【図５】図２および図３に示す制御可能なコリメータモジュールの内部の正面図である。
【図６】図２および図３に示す制御可能なコリメータモジュールの内部の背面図である。
【図７】図５および図６に示す制御可能なコリメータモジュールにおけるレンズおよび空気式レンズ移動機構の断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態によるレーザ切断ヘッドは、ビーム直径および／または焦点位置を制御するための可動コリメータレンズを有する制御可能なコリメータを含む。レーザ切断ヘッドは、可動コリメータレンズの位置を制御する制御システムを有するレーザ切断システムで使用することができる。例えば、異なるタイプの材料や異なる厚さの材料を切断するのにビームスポットサイズを調整するために、レンズを動かすことができる。ワークピースに対するレーザ切断ヘッドの距離を変更した後、焦点をワークピースに戻すよう調整するためにレンズを動かすことができる。
【００１１】
図１を参照すると、レーザ切断システム１００は、ファイバレーザ１１２の出力ファイバ１１１に結合されたレーザ切断ヘッド１１０を含む。レーザ切断ヘッド１１０は、ワークピース１０２の切断、および他のレーザ加工、または加工作業を行うために使用することができる。レーザ切断ヘッド１１０および／またはワークピース１０２は、切断部１０６の方向に沿って互いに対して移動させることができる。レーザ切断ヘッド１１０は、少なくとも１つの軸、例えば切断部１０６の長さに沿って切断ヘッド１１０をワークピース１０２に対して移動させるために、移動ステージ１１４に配置することができる。追加的または代替的に、ワークピース１０２は、レーザ切断ヘッド１１０に対してワークピース１０２を移動させるために、移動ステージ１０８に配置されてもよい。
【００１２】
ファイバレーザ１１２は、近赤外スペクトル範囲（例えば、１０６０−１０８０ｎｍ）のレーザを生成することができるイッテルビウムファイバレーザを含むことができる。イッテルビウムファイバレーザは、いくつかの実施形態では最大１ｋＷの出力、他の実施形態では最大２０ｋＷの出力でレーザビームを生成することができるシングルモードまたはマルチモード連続波イッテルビウムファイバレーザであってもよい。ファイバレーザ１１２の例には、IPG Photonics Corporationから入手可能なＹＬＲ  ＳＭシリーズまたはＹＬＲ  ＨＰシリーズレーザが含まれる。
【００１３】
レーザ切断ヘッド１１０は、一般に、出力ファイバ１１１からのレーザビーム１１６をコリメートするための制御可能なコリメータ１２０と、集束されたビーム１１８をワークピース１０２に集束させ、送達する少なくとも１つのフォーカスレンズ１３２を含むフォーカスレンズアセンブリ１３０とを含む。制御可能なコリメータ１２０およびフォーカスレンズアセンブリ１３０は、互いに結合され得る別個のモジュールとして提供されてもよい。制御可能なコリメータ１２０は、他端部で出力ファイバ１１１の出力ファイバコネクタに結合される。
【００１４】
制御可能なコリメータ１２０は、少なくとも第１および第２可動レンズ１２２，１２４を含み、それらは、一定の間隔で共に移動することができ、またレンズ間の間隔が変化するように、別々に移動することができる。コリメータレンズ１２２，１２４は、レーザ切断ヘッドに使用される既存のコリメータに使用される既知のコリメータレンズを含むことができる。コリメータ１２０は、さらに詳細に後述するように、両方のレンズ１２２，１２２に結合されてレンズ移動を提供するレンズ移動機構１４０を含む。これにより、レンズ移動機構１４０は、レーザ加工中にビーム径やビームスポットの大きさを変更し、焦点位置を変更する目的で、正確、制御可能かつ迅速にレンズ１２２，１２４を移動させることができ、より速いレーザ加工が可能となる。
【００１５】
フォーカスレンズ１３２は、例えば、１２５ｍｍから２５０ｍｍの範囲の様々な焦点距離を有する、レーザ切断ヘッドでの使用が知られているフォーカスレンズを含むことができる。フォーカスレンズ１３２はまた、異なる軸で調整可能であり、いくつかの実施形態では、フォーカスレンズアセンブリ１３０は、フォーカスレンズ１３２の動きを制御するために、コリメータレンズに使用されるものと同様のレンズ移動機構を含むことができる。他の光学部品もレーザ切断ヘッド１１０に使用することができる。レンズアセンブリはまた、レンズ１３２の前に保護窓（図示せず）を含み、切断プロセスによって生成された破片からレンズおよび他の光学系を保護することができる。
【００１６】
フォーカスレンズアセンブリ１３０は、ガスとともにレーザビーム１１８をワークピース１０２に向けるための切断ノズル１３６をさらに含むことができる。切断ノズル１３６は、ガスをノズル１３６に供給するためのガス源１５０に連結されている。レーザ切断ヘッド１１０は、ガスアシストレーザ加工プロセスで使用することができる。１つのタイプのガスアシストレーザ加工プロセスでは、材料を軟化させるためにレーザを使用し、材料を除去するために高圧ガス（例えば、３００ｐｓｉの窒素）を使用する。別の種類のガスアシストレーザ加工プロセスでは、より低圧のガス（例えば、１〜２ｐｓｉの酸素）の存在下で材料を燃焼させるためにレーザを使用する。
【００１７】
レーザ切断システム１００の図示された実施形態は、ファイバレーザ１１２、コリメータレンズ１２２，１２４、および／または移動ステージ１０８，１１４の位置決めを制御する制御システム１６０をさらに含む。制御システム１６０は、レーザとレンズの両方を一緒に制御するために共に機能するレーザ制御部とレンズ制御部の両方を含むことができる。制御システム１６０は、例えば、レーザをオンおよびオフし、レーザのパワーを制御し、および／またはレーザの任意の他の制御可能なパラメータを制御することによって、レーザを制御することができる。制御システム１６０は、例えば、ファイバレーザおよび可動コリメータレンズを制御するために使用するハードウェア（例えば、汎用コンピュータ）およびソフトウェアを含むことができる。
【００１８】
１つの方法によれば、制御可能なコリメータ１２０を使用して、レーザ加工作業中に焦点の位置を変更することができる。特定の材料を切断する場合、例えば、レーザ切断作業を行う前に切断線に沿ったいくつかの位置でワークピース１０２を穿孔するために、最初にレーザ穿孔作業を行うためにレーザ切断ヘッド１１０が使用される。レーザ切断ヘッド１１０は、（例えば、移動ステージ１１４または移動ステージ１０８を使用して）穿孔作業のためにワークピース１０２から離れるように移動され、切断作業のためにワークピース１０２の近くに配置される（例えば、約１ｍｍ）。レーザ切断ヘッド１１０が移動してワークピース１０２に対する間隔を変更すると、制御システム１６０は、レンズ移動機構１４０にレンズ１２２，１２４を共に移動させてワークピース１０２に戻すように焦点を変更させる。
【００１９】
別の方法によれば、制御可能なコリメータ１２０を使用して、レーザ加工プロセス中にワークピース１０２上のビームスポットサイズを変更することができる。ビームスポットサイズは、例えば約１５０〜３００ミクロンの範囲内で調整することができる。ビームスポットサイズは、例えば異なる種類の材料や加工する材料の厚さによって調整することができる。
【００２０】
制御可能なコリメータ１２０を有するレーザ切断ヘッド１１０は、他のレーザ加工または加工方法においてビームスポットサイズおよび／または焦点位置を容易かつ迅速に変更するために使用することもできる。
【００２１】
また、図２〜図７は、制御可能なコリメータモジュール２２０の実施形態をより詳細に示す。制御可能なコリメータモジュール２２０は、ファイバレーザ（図示せず）に結合された出力ファイバまたはプロセスファイバに接続するための入力端２２１と、フォーカスレンズアセンブリ（図示せず）に接続するための出力端２２９とを含む。制御可能なコリメータモジュールの１つの特定の実施形態が示されているが、本明細書に記載の制御可能なコリメータモジュール、レーザ切断ヘッド、およびシステムおよび方法の他の実施形態も本開示の範囲内である。
【００２２】
図４〜図７にさらに詳細に示すように、制御可能なコリメータ２２０は、第１および第２の空気式レンズ移動機構２４２，２４４に結合された少なくとも第１および第２のコリメータレンズ２２２，２２４を含む。コリメータレンズ２２２，２２４は、レーザ切断のためのコリメータに使用されることが知られているレンズを含むことができる。
【００２３】
空気式レンズ移動機構２４２，２４４は、空気圧シリンダ２４１，２４３と、空気圧シリンダ内に摺動可能に収容され、シリンダ２４１，２４３の各端部に供給される加圧ガスによって駆動されるピストン２４６，２４８を含む。空気圧シリンダ２４１，２４３は、加圧ガスを供給してピストン２４６，２４８の動きを制御するために空気圧制御システム（図示せず）に連結する空気圧入力部２４５ａ、２４５ｂ、２４７ａ、２４７ｂを含む。ピストン２４６，２４８は、シリンダ２４１，２４３の外側に沿って動くキャリッジ２２６，２２８に磁気的に結合されている。コリメータレンズ２２２，２２４は、例えばブラケット２２５，２２７を用いて各キャリッジ２２６，２２８に固定されている。
【００２４】
コリメータレンズ２２２を下方に移動させるために、例えば、空気圧制御システムは、空気圧入力部２４７ａに圧力を加えて、ピストン２４８および磁気的に結合されたキャリッジ２２７を下方に移動させる。例えば、コリメータレンズ２２２を上方に移動させるために、空気圧制御システムは、空気圧入力部２４７ｂに圧力を加えて、ピストン２４８および磁気的に結合されたキャリッジ２２７を上方に移動させる。他の空気式レンズ移動機構２４２を同様に操作して、レンズ２２４を下方及び上方に移動させることができる。
【００２５】
空気式レンズ移動機構が図示され説明されているが、レンズ移動機構は、空気式の代わりに電動式とすることができる。例えば、シリンダ２４１，２４３は、ピストン２４６，２４８を動かすためのリードスクリューを駆動するモータを含むことができる。他の例では、レンズ移動機構は、キャリッジ２２６，２２８を直接動かすリードスクリューを駆動するモータを含むことができる。制御可能な直線運動を提供することができる他の機構およびアクチュエータを使用して、上述のようにコリメータレンズを移動させることもできる。
【００２６】
したがって、本明細書で説明するように、制御可能なコリメータを有するレーザ切断ヘッドは、異なる切断動作のためにビーム直径および／または焦点位置を変更するために、コリメータレンズを迅速に移動させることができる。
【００２７】
本発明の原理を本明細書に記載してきたが、当業者であれば、この説明は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。本明細書に示し説明した例示的な実施形態に加えて、他の実施形態も本発明の範囲内であると考えられる。当業者による改変および代替は、本発明の範囲内にあると考えられ、以下の請求項を除いて限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２８】
１００  レーザ切断システム
１０２  ワークピース
１０６  切断部
１０８  移動ステージ
１１０  レーザ切断ヘッド
１１１  出力ファイバ
１１２  ファイバレーザ
１１４  移動ステージ
１１６，１１８  レーザビーム
１２０  コリメータ
１２２  第１可動レンズ
１２４  第２可動レンズ
１３０  フォーカスレンズアセンブリ
１３２  フォーカスレンズ
１３６  切断ノズル
１４０  レンズ移動機構
１５０  ガス源
１６０  制御システム
２２０  コリメータモジュール
２２２  第１のコリメータレンズ
２２４  第２のコリメータレンズ
２２５，２２７  ブラケット
２２６，２２７，２２８  キャリッジ
２２９  出力端
２４１，２４３  空気圧シリンダ
２４２，２４４  第１の空気式レンズ移動機構
２４５，２４７  空気圧入力部
２４６，２４８  ピストン
【図１】
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【図２】
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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】
2018524181.tif 000009
【国際調査報告】
2018524181.tif 000010
2018524181.tif 000011
2018524181.tif 000012