JP6507278B2 - レーザ切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断装置に関するもので、レーザ光を用いて構造物や建造物を切断するレーザ切断装置に関する。

原子炉や橋梁等の構造物や建造物は、鋼材やコンクリート等を取り扱い易い長さや大きさに切断し、解体することが検討されている。切断に際しては取り扱いが容易なレーザ切断装置等が用いられるが、従来のレーザ切断装置はレーザ光を出射するヘッドから遠く離れた鋼材やコンクリート等を切断することができない（例えば、特許文献１参照）。このため、従来のレーザ切断装置を用いて構造物や建造物を解体する場合には、レーザ切断装置をクレーンで吊り下げて構造物や建造物に近づけたり、レーザ切断装置を自走式の走行装置に取り付けて構造物や建造物に近づけたり、することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
一方、従来のレーザ切断装置よりも出力を大きくできれば、ヘッドから焦点位置までの距離を長くしても切断エネルギーが得られるので、ヘッドから数メートル離れた鋼材やコンクリート等を取り扱い易い長さや大きさに切断することができる。

特許第２８４６２９７号公報 特開平８−２６２１９０号公報

しかしながら、従来のレーザ切断装置よりも出力を大きくしただけでは、ヘッドから焦点位置までの距離が変わらないので、鋼材やコンクリート等を切断するたびにヘッドを移動させ、ヘッドから切断する鋼材やコンクリート等までの距離を一定に保つ必要がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ヘッドから出射されるレーザ光の焦点位置を任意に変更できるレーザ切断装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発振されたレーザ光が伝播する光ファイバと、前記光ファイバから入射したレーザ光を切断対象物に出射するヘッドと、を備えたレーザ切断装置であって、前記ヘッドは、出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系を有することを特徴とする。
本発明は、出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系を有するので、ヘッドから出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更できる。これにより、本発明に係るレーザ切断装置を用いて構造物や建造物を解体する場合にも、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置を移動させる必要がない。

本発明の一態様では、前記焦点位置変更光学系は、前記ヘッドの出射側に固定され、前記ヘッドから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、前記ヘッドの入射側に設けられ、前記光ファイバから出射されたレーザ光を受け入れる第１のレンズと、前記集光レンズと前記第１のレンズとの間に移動可能に設けられ、前記第１のレンズととともに前記集光レンズの焦点位置を変更する第２のレンズと、を含むことが好ましい。
このようにすれば、第１のレンズとともに第２のレンズが集光レンズの焦点位置を任意に変更できる。これにより、鋼材や建造物を解体する場合にも、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置を移動させる必要がない。

本発明の一態様では、前記第１のレンズは、前記ヘッドの入射側に固定されることが好ましい。
このようにすれば、第２のレンズを移動させるだけで、集光レンズの焦点位置を任意に変更できる。

本発明の一態様では、前記第１のレンズは、前記ヘッドの入射側において移動可能であって、前記第２のレンズは、前記第１のレンズと所定の関係を有し、移動することがこのましい。
このようにすれば、第１のレンズと第２のレンズとが所定の関係を有して移動し、第１のレンズとともに第２のレンズが集光レンズの焦点位置を任意に変更できる。

また、本発明の一態様では、前記レーザ発振器は、マルチモードのレーザ光を発振することが好ましい。
このようにすれば、レーザ発振器は、マルチモードのレーザ光を発振するので、必要なレーザ光強度を容易に得ることができる。これにより、任意の位置で必要なレーザ光強度を得ることができる。

また、本発明の一態様では、前記第２のレンズを保持するホルダを備え、前記ホルダは、前記第２のレンズのまわりを冷媒が流れる流路を有することが好ましい。
このようにすれば、集光レンズと第１のレンズとの間に設けられた第２のレンズを冷却することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ヘッドから出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更できる。これにより、本発明に係るレーザ切断装置を用いて構造物や建造物を解体する場合には、鋼材やコンクリートを切断するたびにヘッドを移動させる必要がない。

本発明の実施の形態であるレーザ加工装置の概要を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るヘッドの構成を示す模式図である。 図２に示した焦点位置変更光学系を説明するための模式図である。 図３に示したレンズホルダの構造を示す縦断面図である。 図３に示したレンズホルダのＶ−Ｖ横断面図である。 本発明の実施の形態２に係るヘッドの構成を示す図である。 図６に示した焦点位置変更光学系を説明するための模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るレーザ切断装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態であるレーザ切断装置の概要を示す模式図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態であるレーザ切断装置２は、レーザ光を出射するヘッド３から数メートル離れた対象物を切断するためのもので、ヘッド３から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更可能である。

図１に示すように、本発明の実施の形態であるレーザ切断装置２は、自走式の走行装置１１に搭載され、レーザ光Ｌの出射に適した位置に移動可能である。レーザ切断装置２は、レーザ発振器２１、制御装置２２、光ファイバ２３、ヘッド３を備えている。

レーザ発振器２１は、レーザ光Ｌを発振するためのものである。レーザ光Ｌには、強度分布が中心で大きく周辺で確率分布的に小さくなるシングルモードと、これ以外のマルチモードとがある。本実施の形態に係るレーザ発振器２１は、コストに優れたマルチモードのレーザ光Ｌを発振するものを用いるが、マルチモードのレーザ光Ｌを発振するものに限られるものではなく、シングルモードのレーザ光を発振するものであってもよい。また、レーザ発振器２１は、切断対象物、ヘッド３から切断対象物（焦点位置）までの距離により任意のものが選択される。具体的には、切断対象物Ｔ１，Ｔ２の種別、ヘッド３から切断対象物Ｔ１，Ｔ２までの距離により、発振するレーザ光Ｌの波長、最大出力、パルス幅、発振モード（連続波、パルス波の別）等、好適なものが選択される。例えば、近時では、最大出力が１００ｋｗのレーザ発振器も選択可能である。

制御装置２２は、レーザ発振器２１を統括的に制御するためのもので、選択されたレーザ発振器２１において、波長、出力、パルス幅、発振モード等を調整可能な範囲で制御する。
光ファイバ２３は、レーザ発振器２１から発振されたレーザ光Ｌを伝播するためのもので、本実施の形態では、レーザ発振器２１から発振されたレーザ光Ｌをヘッド３に伝播する。
ヘッド３は、光ファイバ２３を通り伝播されたレーザ光Ｌを鋼材やコンクリート等の切断対象物Ｔ１，Ｔ２に集光するためのものである。

［実施の形態１］
図２は、本発明の実施の形態１に係るヘッドの構成を示す模式図であり、図３は、図２に示した焦点位置変更光学系を説明するための模式図である。また、図４及び図５は、図３に示したレンズホルダの構造を示す断面図である。
図２及び図３に示すように、本発明の実施の形態１に係るヘッド３は、円筒状に形成され、その内部に焦点位置変更光学系４を有している。焦点位置変更光学系４は、ヘッド３から出射されたレーザ光の焦点位置を任意に変更するためのもので、図３に示すように、集光レンズ（群）４１、第１のレンズ（群）４２、第２のレンズ（群）４３で構成されている。

図２及び図３に示すように、集光レンズ４１は、ヘッド３の出射側に固定されるレンズであって、ヘッド３から出射されるレーザ光Ｌを集光するためのものである。集光レンズ４１は、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上に位置するように固定されている。図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る集光レンズ４１は、メニスカスレンズ４１１と両凸レンズ４１２とが組み合わせて構成されている。メニスカスレンズ４１１と両凸レンズ４１２とでは、メニスカスレンズ４１１がレーザ光Ｌの入射側に配置され、両凸レンズ４１２がレーザ光Ｌの出射側に配置されている。メニスカスレンズ４１１は、凸側が両凸レンズ４１２に対向し、メニスカスレンズ４１１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。両凸レンズ４１２は、曲率半径が大きい側がメニスカスレンズ４１１に対向し、両凸レンズ４１２には曲率半径が大きい側からレーザ光Ｌが入射する。

図２及び図３に示すように、第１のレンズ４２は、ヘッド３の入射側に固定されるレンズであって、光ファイバ２３から出射されたレーザ光Ｌを受け入れるためのものである。第１のレンズ４２は、集光レンズ４１と同様に、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上に位置するように固定されている。図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る第１のレンズ４２は、収差の低減を目的として、二枚の平凸レンズ４２１，４２２を組み合わせて構成されている。ここで、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ４２１は、凸側が出射側となる平凸レンズ４２２に対向する。これにより、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ４２１には平側からレーザ光Ｌが入射する。また、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ４２２は、凸側が入射側となる平凸レンズ４２１に対向する。これにより、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ４２２には凸側からレーザ光Ｌが入射する。

第２のレンズ４３は、集光レンズ４１と第１のレンズ４２との間を移動可能なレンズであって、上述した第１のレンズ４２とともに、集光レンズ４１の焦点位置を変更するものである。第２のレンズ４３は、後述する移動モジュール５により、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上を移動する。本発明の実施の形態１に係る第２のレンズ４３は、メニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２を組み合わせて構成されている。メニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２とでは、メニスカスレンズ４３１がレーザ光Ｌの入射側に配置され、両凹レンズ４３２がレーザ光Ｌの出射側に配置されている。メニスカスレンズ４３１は、凸側が両凹レンズ４３２に対向し、メニスカスレンズ４３１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。両凹レンズ４３２は、曲率半径が小さい側がメニスカスレンズ４３１に対向し、両凹レンズ４３２には曲率半径が小さい側からレーザ光Ｌが入射する。

第２のレンズ４３は、移動モジュール５に内蔵され、上述したように、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上を移動する。移動モジュール５は、溝付固定内筒５１、レンズホルダ５２、溝付外筒５３により構成される。

溝付固定内筒５１は、ヘッド３に内蔵された円筒状のガイド部材であって、その中心を通る軸線はヘッド３の中心を通る軸線と一致する。溝付固定内筒５１には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対の案内溝５１１が設けられている。そして、案内溝５１１は、溝付固定内筒５１の中心を通る軸線と平行をなす。

レンズホルダ５２は、第２のレンズ４３を保持するためのもので、円筒状に形成されている。レンズホルダ５２は、溝付固定内筒５１に摺動可能に嵌め込まれ、その中心を通る軸線は溝付固定内筒５１の中心を通る軸線と一致する。これにより、レンズホルダ５２の中心を通る軸線はヘッド３の中心を通る軸線とも一致する。また、レンズホルダ５２の外周には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対のガイドピン５２１が設けられている。ガイドピン５２１は、上述した溝付固定内筒５１に設けられた案内溝５１１に挿通され、レンズホルダ５２は溝付固定内筒５１の中心を通る軸線方向に沿ってガイドされる。

図４及び図５に示すように、レンズホルダ５２には第２のレンズ４３が嵌め込まれ、Ｏリング５２２，５２３によりシールされている。そして、第２のレンズ４３の中心を通る光軸はレンズホルダ５２の中心を通る軸線と一致する。これにより、第２のレンズ４３の中心を通る光軸は、溝付固定内筒５１の中心を通る軸線及びヘッド３の中心を通る軸線と一致し、集光レンズ４１の光軸及び第１のレンズ４２の光軸とも一致する。

具体的には、第２のレンズ４３を構成するメニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２とが嵌め込まれ、Ｏリング５２２，５２３によりシールされている。メニスカスレンズ４３１、両凹レンズ４３２のそれぞれの中心を通る光軸はレンズホルダ５２の中心を通る軸線と一致する。これにより、メニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２の中心を通る光軸は、集光レンズ４１の光軸及び第１のレンズ４２の光軸とも一致する。

また、図４及び図５に示すように、第２のレンズ４３を構成するメニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２のまわりには流路５２５が設けられている。流路５２５は、第２のレンズ４３を冷却するためのもので、図５に示すように、一対のガイドピン５２１の一方に流路５２５に連通する供給口５２６が設けられ、他方に流路５２５に連通する排出口５２７が設けられている。これにより、溝付固定内筒５１の外からガイドピン５２１に設けられた供給口５２６を通り、流路５２５に冷媒（例えば、冷却水）が供給され、流路５２５からガイドピン５２１に設けられた排出口５２７を通り、溝付固定内筒５１の外に冷媒が排出される。このようにして、レーザ光Ｌの集光により加熱された第２のレンズ４３は冷却される。

溝付外筒５３は、第２のレンズ４３をレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動させるためのもので、図２に示すように、溝付固定内筒５１が嵌る円筒状に形成されている。溝付外筒５３は、溝付固定内筒５１の外周に対して回転可能、かつ、レーザ光Ｌの光軸方向に移動不能に取り付けられている。

溝付外筒５３には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対の作動溝５３１が設けられている。作動溝５３１は、螺旋状に形成され、それぞれには上述した一対のガイドピン５２１がそれぞれ挿通されている。これにより、レンズホルダ５２に設けられた一対のガイドピン５２１は、溝付固定内筒５１に設けられた案内溝５１１、溝付外筒５３に設けられた作動溝５３１に拘束され、溝付外筒５３を回転させると、一対のガイドピン５２１が拘束されたレンズホルダ５２がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。これにより、第２のレンズ４３がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。

例えば、図２に示す例において、溝付外筒５３を時計まわりに回転させると、第２のレンズ４３が集光レンズ４１に近づき、集光レンズ４１から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置が奥側に遠ざかる。一方、溝付外筒５３を反時計まわりに回転させると、第２のレンズ４３が第１のレンズ４２に近づき、集光レンズ４１から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置が手前側に近づく。

溝付外筒５３は、手動操作することにより、時計まわりあるいは反時計まわりに回転させるものとしてもよいが、溝付外筒を回転させるモータ等の駆動源を設け、上述した制御装置２２からの指令により回転させるものとしてもよい。

上述した本発明の実施の形態１であるレーザ切断装置２は、光ファイバ２３の出射端から出射されたレーザ光Ｌが広がりながら第１のレンズ４２に入射する。そして、第１のレンズ４２を通過したレーザ光Ｌは狭まりながら第２のレンズ４３に入射する。そして、集光レンズ４１を通過したレーザ光Ｌは狭まりながら焦点位置（例えば、図１においてＴ１）で集光される。

この状態からレーザ光Ｌの焦点位置を奥側に遠ざける場合には、図２において、溝付外筒５３を時計まわりに回転させる。このように溝付外筒５３を時計まわりに回転させると、第２のレンズ４３が集光レンズ４１に近づき、集光レンズ４１を通過したレーザ光Ｌは、上述した焦点位置（例えば、図１においてＴ１）よりも奥側（例えば、図１においてＴ２）で集光される。これにより、焦点位置は、奥側に遠ざかる。

一方、この状態からレーザ光Ｌの焦点位置を手前側に近づける場合には、図２において、溝付外筒５３を反時計まわりに回転させる。このように溝付外筒５３を反時計まわりに回転させると、第２のレンズ４３が第１のレンズ４２に近づき、集光レンズ４１を通過したレーザ光Ｌは、上述した焦点位置（例えば、図１においてＴ２）よりも手前側（例えば、図２においてＴ１）で集光される。これにより、焦点位置は、手前側に近づく。

上述した本発明の実施の形態１であるレーザ切断装置２は、出射するレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系４を有するので、ヘッド３から出射するレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更できる。これにより、本発明の実施の形態１であるレーザ切断装置２を用いて構造物や建造物を解体する場合にも、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置２を移動させる必要がない。

また、本発明の実施の形態１に係る焦点位置変更光学系４は、第１のレンズ４２とともに第２のレンズ４３が集光レンズ４１の焦点位置を任意に変更できる。これにより、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置２を移動させる必要がない。

また、本発明の実施の形態１に係るレーザ発振器２１は、マルチモードのレーザ光Ｌを発振するので、必要なレーザ光強度を容易に得ることができる。これにより、任意の位置で必要なレーザ光強度を得ることができる。

また、本発明の実施の形態１に係るレンズホルダ５２は、第２のレンズ４３のまわりに冷媒が流れる流路５２５を有するので、集光レンズ４１と第１のレンズ４２との間に設けられ、レーザ光Ｌの集光により加熱された第２のレンズ４３は効率的に冷却される。

尚、上述した本発明の実施の形態１に係る焦点位置変更光学系４は、集光レンズ４１、第１のレンズ４２、第２のレンズ４３をそれぞれ二枚のレンズで構成したが、これに限られるものはなく、それぞれのレンズをさらに多数枚化し、それぞれの機能を持たせることも可能である。

また、上述した焦点位置変更光学系４において、第２のレンズ４３を保持するレンズホルダ５２に冷媒が流れる流路５２５を設け、第２のレンズ４３を冷却するものとしたが、集光レンズ４１、第１のレンズ４２のまわりにも冷媒が流れる流路を設け、集光レンズ４１、第１のレンズ４２をも冷却するものとしてもよい。

また、上述した移動モジュール５は、溝付固定内筒５１、レンズホルダ５２、溝付外筒５３で構成したが、これに限られるものではなく、例えば、レンズホルダ５２に、リニアガイド、ボールねじを組み合わせたもので構成してもよい。この構成において、レンズホルダ５２は、リニアガイドにガイドされ、レーザ光Ｌの光軸方向に移動可能となり、さらに、ボールねじに送られて、レーザ光Ｌの光軸方向に移動する。また、ボールねじを時計まわりあるいは反時計まわりに回転させるモータ等の駆動源を設け、上述した制御装置２２からの指令により回転させるものとしてもよい。

また、切断対象物Ｔ１，Ｔ２までの距離を計測する距離計等の距離計測手段を設け、切断対象物Ｔ１，Ｔ２までの距離を計測し、計測結果に基づいてレーザ光Ｌの焦点位置を変更するものとしてもよい。

さらに、レーザ光Ｌが集光した切断対象物Ｔ１，Ｔ２にアシストガスを噴射するアシストガス噴射手段を設け、レーザ光Ｌで切断対象物Ｔ１，Ｔ２を切断する際にアシストガスを噴射し、切断をアシストするものとしてもよい。

［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２に係るヘッドの構成を示す図であり、図７は、図６に示した焦点位置変更光学系を説明するための模式図である。
図６及び図７に示すように、本発明の実施の形態２に係るヘッド３は、円筒状に形成され、その内部に焦点位置変更光学系６を有している。焦点位置変更光学系６は、ヘッド３から出射されたレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更するためのもので、図７に示すように、集光レンズ（群）６１、第１のレンズ（群）６２、第２のレンズ６３で構成されている。

図６及び図７に示すように、集光レンズ６１は、ヘッド３の出射側に固定されるレンズであって、ヘッド３から出射されるレーザ光Ｌを集光するためのものである。集光レンズ６１は、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上に位置するように固定されている。図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る集光レンズ６１は、焦点距離の長い二枚の平凸レンズ６１１，６１２を組み合わせて構成されている。ここで、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ６１１は、凸側が出射側となる平凸レンズ６１２に対向する。これにより、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ６１１には平側からレーザ光Ｌが入射する。また、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ６１２は、平側が入射側となる平凸レンズ６１１に対向する。これにより、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ６１１には平側からレーザ光Ｌが入射する。

図６及び図７に示すように、第１のレンズ６２は、ヘッド３の入射側で移動可能なレンズであって、光ファイバ２３から出射されたレーザ光Ｌを受け入れるためのものである。第１のレンズ６２は、後述する移動モジュール７により、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上を移動する。図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る第１のレンズ６２は、収差の低減を目的として、平凸レンズ６２１と両凸レンズ６２２の二つを組み合わせて構成されている。平凸レンズ６２１と両凸レンズ６２２とでは、平凸レンズ６２１がレーザ光Ｌの入射側に配置され、両凸レンズ６２２がレーザ光Ｌの出射側に配置されている。平凸レンズ６２１は、凸側が両凸レンズ６２２に対向し、平凸レンズ６２１には平側からレーザ光Ｌが入射する。一方、両凸レンズ６２２は、入射側と出射側とが略同一形状を有し、入射側から入射された光は出射側で集光される。

第２のレンズ６３は、集光レンズ６１と第１のレンズ６２との間を移動可能なレンズであって、上述した第１のレンズ６２とともに、集光レンズ６１の焦点位置を変更するものである。第２のレンズ６３は、上述した第１のレンズ６２と同様、後述する移動モジュール７により、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上を移動する。本発明の実施の形態２に係る第２のレンズ６３は、平凹レンズ６３１で構成される。平凹レンズ６３１は、凹側がレーザ光Ｌの入射側を向く。これにより、平凹レンズ６３１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。

第１のレンズ６２と第２のレンズ６３は、移動モジュール７に内蔵され、上述したように、その光軸がヘッド３の中心を通る軸線上を移動する。移動モジュール７は、溝付固定内筒７１、第１のレンズホルダ７２、第２のレンズホルダ７３、溝付外筒７４により構成される。

溝付固定内筒７１は、ヘッド３に内蔵された円筒状のガイド部材であって、その中心を通る軸線は、ヘッド３の中心を通る軸線と一致する。溝付固定内筒７１には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対の案内溝７１１が設けられている。そして、案内溝７１１は、溝付固定内筒７１の中心を通る軸線と平行をなす。

第１のレンズホルダ７２は、第１のレンズ６２を保持するためのもので、円筒状に形成されている。第１のレンズホルダ７２は、溝付固定内筒７１に摺動可能に嵌め込まれ、その中心を通る軸線は溝付固定内筒７１の軸線と一致する。これにより、第１のレンズホルダ７２の中心を通る軸線は、ヘッド３の中心を通る軸線とも一致する。また、第１のレンズホルダ７２の外周には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対のガイドピン７２１が設けられている。ガイドピン７２１は、上述した溝付固定内筒に設けられた案内溝７１１に挿通され、第１のレンズホルダ７２は溝付固定内筒７１の中心を通る軸線に沿ってガイドされる。

上述した本発明の実施の形態１に係るレンズホルダ５２と同様、第１のレンズホルダ７２には、第１のレンズ６２が嵌め込まれ、その中心を通る光軸は第１のレンズホルダ７２の中心を通る軸線と一致する。これにより、第１のレンズ６２の中心を通る光軸は、溝付固定内筒７１の中心を通る軸線と位置し、集光レンズ６１の光軸とも一致する。

具体的には、第１のレンズ６２を構成する平凸レンズ６２１と両凸レンズ６２２とが嵌め込まれ、それぞれの中心を通る光軸は第１のレンズホルダ７２の中心を通る軸線と一致する。これにより、平凸レンズ６２１と両凸レンズ６２２の中心を通る光軸は、集光レンズ６１の光軸とも一致する。

第２のレンズホルダ７３は、第１のレンズホルダ７２と同様、第２のレンズ６３を保持するためのもので、円筒状に形成されている。第２のレンズホルダ７３は、溝付固定内筒７１において第１のレンズホルダ７２の反対側に摺動可能に嵌め込まれ、その中心を通る軸線は溝付固定内筒７１の軸線とも一致する。これにより、第２のレンズホルダ７３の中心を通る軸線は、第１のレンズホルダ７２の中心を通る軸線と一致し、ヘッド３の中心を通る軸線とも一致する。また、第２のレンズホルダ７３の外周には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対のガイドピン７３１が設けられている。ガイドピン７３１は、上述した溝付固定内筒７１に設けられた案内溝７１１に挿通され、第２のレンズホルダ７３は、第２のレンズホルダ７３は、第１のレンズホルダ７２と同様、溝付固定内筒７１の中心を通る軸線に沿ってガイドされる。

上述した第１のレンズホルダ７２と同様、第２のレンズホルダ７３には、第２のレンズ６３が嵌め込まれ、その中心を通る光軸は第２のレンズホルダ７３の中心を通る軸線と一致する。これにより、第２のレンズ６３の中心を通る光軸は、溝付固定内筒７１の中心を通る軸線と一致し、集光レンズ６１の光軸、第１のレンズ６２の光軸とも一致する。

具体的には、第２のレンズ６３を構成する平凹レンズ６３１が嵌め込まれ、その中心を通る光軸は第２のレンズホルダ７３の中心を通る軸線と一致する。これにより、平凹レンズ６３１の中心を通る光軸は、集光レンズ６１の光軸、第１のレンズ６２の光軸とも一致する。

特に図示しないが、上述した本発明の実施の形態１に係るレンズホルダ５２と同様に、第２のレンズホルダ７３は、第２のレンズ６３を構成する平凹レンズ６３１のまわりに流路が設けられている。流路は、第２のレンズ６３を冷却するためのもので、一対のガイドピン７３１の一方に流路に連通する供給口が設けられ、他方に流路に連通する排出口が設けられている。これにより、溝付固定内筒７１の外からガイドピン７３１に設けられた供給口を通り、流路に冷媒（例えば、冷却水）が供給され、流路からガイドピン７３１に設けられた排出口を通り、溝付固定内筒７１の外に冷媒が排出される。このようにして、レーザ光Ｌの集光により加熱された第２のレンズ６３は冷却される。

溝付外筒７４は、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有する状態で、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とがレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動させるためのもので、図６に示すように、溝付固定内筒７１が嵌る円筒状に形成されている。溝付外筒７４は、溝付固定内筒７１の外周に対して回転可能、かつ、レーザ光Ｌの光軸方向に移動不能に取り付けられている。

溝付外筒７４には、その中心を通る軸線を対称軸とする一対の作動溝７４１，７４２が二つ設けられている。一方の作動溝７４１（以下、「第１の作動溝７４１」という）は、レーザ光Ｌの入射側に設けられ、他方の作動溝７４２（以下、「第２の作動溝７４２」という）は、レーザ光Ｌの出射側に設けられている。第１の作動溝７４１と第２の作動溝７４２は、所定の関係を有するように形成されている。第１の作動溝７４１は、第１のレンズ６２を移動させるためのもので、勾配が急な螺旋状に形成されている。第１の作動溝７４１の対をなすそれぞれには、上述した第１のレンズホルダ７２に設けられたガイドピン７２１が挿通されている。これにより、第１のレンズホルダ７２に設けられた一対のガイドピン７２１は、溝付固定内筒７１に設けられた案内溝７１１、溝付外筒７４に設けられた第１の作動溝７４１に拘束され、溝付外筒７４を回転させると、一対のガイドピン７２１が拘束された第１のレンズホルダ７２がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。これにより、第１のレンズ６２がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。第２の作動溝７４２は、第２のレンズ６３を移動させるためのもので、第１の作動溝７４１よりも勾配が緩やかな螺旋状に形成されている。第２の作動溝７４２の対をなすそれぞれには、上述した第２のレンズホルダ７３に設けられたガイドピン７３１が嵌め込まれている。これにより、第２のレンズホルダ７３に設けられた一対のガイドピン７３１は、溝付固定内筒７１に設けられた案内溝７１１、溝付外筒７４に設けられた第２の作動溝７４２に拘束され、溝付外筒７４を回転させると、一対のガイドピン７３１が拘束された第２のレンズホルダ７３がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。これにより、第２のレンズ６３がレーザ光Ｌの光軸方向に沿って移動する。

したがって、溝付外筒７４を回転させると、第１のレンズホルダ７２と第２のレンズホルダ７３とが所定の関係を有して移動する。これにより、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有して移動する。

例えば、図６に示す例において、溝付外筒７４を時計まわりに回転させると、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有して集光レンズ６１に近づき、集光レンズ６１から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置が奥側に遠ざかる。一方、溝付外筒７４を反時計まわりに回転させると、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有して集光レンズ６１から遠ざかり、集光レンズ６１から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置が手前側に近づく。

溝付外筒７４は、手動操作することにより、時計まわりあるいは反時計まわりに回転させるものとしてもよいが、溝付外筒７４を回転させるモータ等の駆動源を設け、上述した制御装置２２からの指令により回転させるものとしてもよい。

上述した本発明の実施の形態２であるレーザ切断装置２は、光ファイバ２３の出射端から出射されたレーザ光Ｌが広がりながら第１のレンズ６２に入射する。そして、第１のレンズ６２を通過したレーザ光Ｌは、狭まりながら第２のレンズ６３に入射する。そして、第２のレンズ６３を通過したレーザ光Ｌは略平行なレーザ光Ｌとなり、集光レンズ６１に入射する。そして、集光レンズ６１を通過したレーザ光Ｌは、狭まりながら焦点位置（例えば、図１においてＴ１）で集光される。

この状態からレーザ光Ｌの焦点位置を奥側に遠ざける場合には、図６において、溝付外筒７４を時計まわりに回転させる。このように溝付外筒７４を時計まわりに回転させると、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有したまま、集光レンズ６１に近づく。このように、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有したまま、集光レンズ６１に近づくと、集光レンズ６１を通過したレーザ光Ｌは、上述した焦点位置（例えば、図１においてＴ１）よりも奥側（例えば、図１においてＴ２）で集光される。これにより、レーザ光Ｌの焦点位置は奥側に遠ざかる。

一方、この状態からレーザ光Ｌの焦点位置を手前側に近づける場合には、図６において、溝付外筒７４を反時計まわりに回転させる。このように溝付外筒７４を反時計まわりに回転させると、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とが所定の関係を有したまま、集光レンズ６１から遠ざかる。このように、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とを所定の関係を有したまま、集光レンズ６１から遠ざかると、集光レンズ６１を通過したレーザ光Ｌは、上述した焦点位置（例えば、図１においてＴ２）よりも手前側（例えば、図１においてＴ１）で集光される。これにより、レーザ光Ｌの焦点位置は手前側に近づく。

上述した本発明の実施の形態２であるレーザ切断装置２は、出射するレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系６を有するので、ヘッド３から出射するレーザ光Ｌの焦点位置を任意に変更できる。これにより、本発明の実施の形態２であるレーザ切断装置２を用いて構造物や建造物を解体する場合にも、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置２を移動させる必要がない。

また、本発明の実施の形態２に係る焦点位置変更光学系は、第１のレンズとともに第２のレンズが集光レンズの焦点位置を任意に変更できる。これにより、鋼材やコンクリート等を切断するたびにレーザ切断装置２を移動させる必要がない。

また、本発明の実施の形態２に係るレーザ発振器２１は、マルチモードのレーザ光Ｌを発振するので、必要なレーザ光強度を容易に得ることができる。これにより、任意の位置で必要なレーザ光強度を得ることができる。

また、本発明の実施の形態２に係る第２のレンズホルダ７３は、第２のレンズ６３のまわりに冷媒が流れる流路を有するので、集光レンズ６１と第１のレンズ６２との間に設けられた第２のレンズ６３を効率的に冷却することができる。

尚、上述した本発明の実施の形態２に係る焦点位置変更光学系６は、集光レンズ６１及び第１のレンズ６２をそれぞれ二枚のレンズで構成し、第２のレンズ６３を一枚のレンズで構成したが、これに限られるものはなく、それぞれのレンズをさらに多数枚化し、それぞれの機能を持たせることも可能である。

また、焦点位置変更光学系６において、第２のレンズ６３を保持する第２のレンズホルダ７３に冷媒が流れる流路を設け、第２のレンズ６３を冷却するものとしたが、集光レンズ６１、第１のレンズ６２のまわりにも冷媒が流れる流路を設け、集光レンズ６１、第１のレンズ６２をも冷却するものとしてもよい。

また、上述した移動モジュール７は、溝付固定内筒７１、第１のレンズホルダ７２、第２のレンズホルダ７３、溝付外筒７４で構成したが、これに限られるものではなく、第１のレンズ６２と第２のレンズ６３とを所定の関係を有して移動させるものであれば、任意のものを用いることができる。

また、切断対象物Ｔ１，Ｔ２までの距離を計測する距離計等の距離計測手段を設け、切断対象物Ｔ１，Ｔ２までの距離を計測し、計測結果に基づいてレーザ光Ｌの焦点位置を変更するものとしてもよい。

さらに、レーザ光Ｌが集光した切断対象物Ｔ１，Ｔ２にアシストガスを噴射するアシストガス噴射手段を設け、レーザ光Ｌで切断対象物Ｔ１，Ｔ２を切断する際にアシストガスを噴射し、切断をアシストするものとしてもよい。

以上説明したように、本発明は、レーザ光の焦点位置が変更可能であるから、特に、人間が近づくことが難しい原子炉や橋梁等の建造物や構造物の解体に好適である。

２ レーザ切断装置
２１ レーザ発振器
２２ 制御装置
２３ 光ファイバ
３ ヘッド
４ 焦点位置変更光学系
４１ 集光レンズ
４２ 第１のレンズ
４３ 第２のレンズ
５ 移動モジュール
５１ 溝付固定内筒
５１１ 案内溝
５２ レンズホルダ
５２１ ガイドピン
５２５ 流路
５２６ 供給口
５２７ 排出口
５３ 溝付外筒
５３１ 作動溝
６ 焦点位置変更光学系
６１ 集光レンズ
６２ 第１のレンズ
６３ 第２のレンズ
７ 移動モジュール
７１ 溝付固定内筒
７１１ 案内溝
７２ 第１のレンズホルダ
７２１ ガイドピン
７３ 第２のレンズホルダ
７３１ ガイドピン
７４ 溝付外筒
７４１ 第１の作動溝
７４２ 第２の作動溝
Ｌ レーザ光
Ｔ１，Ｔ２ 切断対象物

Claims (5)

1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から発振されたレーザ光が伝播する光ファイバと、
   前記光ファイバから入射したレーザ光を切断対象物に出射するヘッドと、
   を備えたレーザ切断装置であって、
   前記ヘッドは、出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系を有し、
   前記焦点位置変更光学系は、
   前記ヘッドの出射側に固定され、前記ヘッドから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記ヘッドの入射側に設けられ、前記光ファイバから出射されたレーザ光を受け入れる第１のレンズと、
   前記集光レンズと前記第１のレンズとの間に移動可能に設けられ、前記第１のレンズととともに前記集光レンズの焦点位置を変更する第２のレンズと、
   を含み、
   前記第１のレンズを通過した前記レーザ光は狭まりながら前記第２のレンズに入射するように構成され、
   前記第２のレンズを保持するレンズホルダを備え、
   前記レンズホルダは、前記第２のレンズのまわりを液体からなる冷媒が流れる環状の流路を有することを特徴とするレーザ切断装置。
2. 前記環状の流路は、前記液体からなる冷媒が前記第２のレンズの周面に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. 前記第２のレンズは、前記レーザ光の入射側に配置される入射側レンズと、前記入射側レンズに対して前記レーザ光の出射側に配置される出射側レンズと、を含み、
   前記環状の流路は、前記液体からなる冷媒が前記入射側レンズおよび前記出射側レンズの各々の周面に接触するように構成され、
   前記入射側レンズおよび前記出射側レンズは、前記レンズホルダに嵌め込まれ、
   前記入射側レンズと前記レンズホルダとの間は第１シール部材によりシールされ、
   前記出射側レンズと前記レンズホルダとの間は第２シール部材によりシールされることを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断装置。
4. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から発振されたレーザ光が伝播する光ファイバと、
   前記光ファイバから入射したレーザ光を切断対象物に出射するヘッドと、
   を備えたレーザ切断装置であって、
   前記ヘッドは、出射するレーザ光の焦点位置を任意に変更可能な焦点位置変更光学系を有し、
   前記焦点位置変更光学系は、
   前記ヘッドの出射側に固定され、前記ヘッドから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記ヘッドの入射側に設けられ、前記光ファイバから出射されたレーザ光を受け入れる第１のレンズと、
   前記集光レンズと前記第１のレンズとの間に移動可能に設けられ、前記第１のレンズととともに前記集光レンズの焦点位置を変更する第２のレンズと、
   を含み、
   前記第２のレンズを保持するレンズホルダを備え、
   前記レンズホルダは、前記第２のレンズのまわりを液体からなる冷媒が流れる環状の流路を有し、
   前記第２のレンズは、前記レーザ光の入射側に配置される入射側レンズと、前記入射側レンズに対して前記レーザ光の出射側に配置される出射側レンズと、を含み、
   前記環状の流路は、前記液体からなる冷媒が前記入射側レンズおよび前記出射側レンズの各々の周面に接触するように構成され、
   前記入射側レンズおよび前記出射側レンズは、前記レンズホルダに嵌め込まれる、
   ことを特徴とするレーザ切断装置。
5. 前記入射側レンズと前記レンズホルダとの間は第１シール部材によりシールされ、
   前記出射側レンズと前記レンズホルダとの間は第２シール部材によりシールされることを特徴とする請求項４に記載のレーザ切断装置。

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