(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦マルチモードレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、
入光端に入光するレーザ光をその出光端に伝送する光ファイバと、
前記レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を前記光ファイバの入光端に入光させる入射光学ユニットと、
前記光ファイバの出光端から出光したレーザ光を照射箇所に照射する出射光学ユニットを備えており、
前記光ファイバのコア断面は、前記光ファイバの全域またはその出光端から一定の距離の領域において矩形状に形成されており、前記矩形状のコアの断面の一辺が前記レーザ光の波長の２５〜５０倍に形成され、
前記レーザ光発生手段は、波長の幅が１ｎｍ以上のパルスレーザ光を出力するように形成されている
ことを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項２】
前記コア断面が矩形状に形成された領域の長さは、３ｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項３】
前記光ファイバの矩形断面は、長方形に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光照射装置に係り、特に、精密部品のシーム溶接や表面金属層などの成分除去に好適に利用できるレーザ光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ光照射装置は、その一例として、レーザ光発生手段、入射光学ユニット、光ファイバおよび出射光学ユニットを備えている。レーザ光発生手段からパルスＹＡＧレーザ光などのレーザ光が出光すると、そのレーザ光が入射光学ユニットによって絞られ、入射光学ユニットに接続された光ファイバの入光端に入光する。光ファイバには円形断面のコアが形成されており、そのコアの内部においてレーザ光が反射しながら光ファイバの出光端に向かって伝送する。そして、レーザ光が光ファイバの出光端まで伝送すると、その出光端からレーザ光が出光し、出射光学ユニットを介してレーザ光が照射対象における所定の照射箇所に照射される。なお、所定の照射箇所とは、従来のレーザ光照射装置がＹＡＧレーザ溶接機であれば溶接箇所となり、それがレーザ加工装置であれば表面金属層または表面に形成された薄膜の除去箇所となる（特許文献１の段落００１４、００２４、図１、図４、図５を参照）。【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７６１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーザ光照射装置においては、光ファイバのコア断面が円形になっていたため、図２２に示すように、レーザの断面形状（レーザ光のスポットＳの形状）が円形のレーザ光が照射対象Ｗの照射箇所ＬＰに照射されていた。【０００５】
照射箇所ＬＰがレーザ光の円形スポットＳよりも小さな点であればそれは特に問題にはならない。しかし、図２２に示すように、照射箇所ＬＰが線である場合、レーザ光の円形スポットＳを単に並べても幅が周期的に変化する線状（言い換えると、串団子形状）の溶接になってしまい、シーム溶接に必要な均一な幅を有する線状の溶接にならない。また、図２３に示すように、レーザ光の強度分布についてはその中央が最も強かったことから、溶接断面形状が略三角形状（つらら形状）になってしまい、溶接による気密封止不足の原因となるおそれがあった。そのため、従来のレーザ光照射装置によってシーム溶接を行なう場合、図２４および図２５に示すように、レーザ光の円形スポットＳのオーバーラップ率ＯＬを高く、例えば５０〜９０％程度に設定して溶接を行なわなければならず、溶接速度および溶接効率を向上させることが困難であった。【０００６】
また、レーザ光の円形スポットＳを単に並べたり、また、オーバーラップさせたりして照射箇所ＬＰの除去処理を行なったとしても、隣位するレーザ光のスポットＳの間に除去されない部分（均一な幅を有する線状（長方形状）の照射箇所ＬＰからレーザ光の円形スポットＳを除いた部分）が生じてしまうため、照射箇所ＬＰの成分除去を精密に行なうことが困難であるという問題もあった。【０００７】
また、近年においては、電子機器およびその部品等おいて行われている精細加工に対して更なる微細化も要望されており、この要望を満たすようなより一層微細でありかつ加工精度の高いレーザ光を照射できる装置の出現が要望されている。【０００８】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レーザ光のオーバーラップ率を低下させても照射箇所に対して均一幅を有する線状の溶接を精密に行なうことができ、また、照射箇所の成分除去を精密に行なうことができ、より一層微細でありかつ加工精度の高いレーザ光を照射できるレーザ光照射装置を提供することを本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するため、本発明のレーザ光照射装置は、その第１の態様として、縦マルチモードレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、入光端に入光するレーザ光をその出光端に伝送する光ファイバと、前記レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を前記光ファイバの入光端に入光させる入射光学ユニットと、前記光ファイバの出光端から出光したレーザ光を照射箇所に照射する出射光学ユニットを備えており、前記光ファイバのコア断面は、前記光ファイバの全域またはその出光端から一定の距離の領域において矩形状に形成されており、前記矩形状のコアの断面の一辺が前記レーザ光の波長の２５〜５０倍に形成され、前記レーザ光発生手段は、波長の幅が１ｎｍ以上のパルスレーザ光を出力するように形成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明の第１の多様のレーザ光照射装置によれば、レーザ光発生手段として波長の幅が１ｎｍ以上のパルスレーザ光を出力する縦マルチモードレーザ発振機を用いるとともに、矩形状のコアの断面の一辺が前記レーザ光の波長の２５〜５０倍に形成された光ファイバを用いることにより、照射箇所に照射するレーザ光の断面形状を矩形状にすることができるとともに、細径の光ファイバを利用して微細なレーザ光を照射させることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様のレーザ光照射装置は、第１の態様のレーザ光照射装置において、前記コア断面が矩形状に形成された領域の長さは、３ｍ以上に設定されていることを特徴としている。【００１２】
本発明の第２の態様のレーザ光照射装置によれば、レーザ光の断面強度分布を均一にすることができる。【００２７】
本発明の第３の態様のレーザ光照射装置は、第１または第２の態様のレーザ光照射装置において、前記光ファイバの矩形断面は、長方形に形成されていることを特徴している。
【００２８】
本発明の第３の態様のレーザ光照射装置によれば、オーバーラップ率をさらに低下させることができるとともに、細径の光ファイバを利用して微細なレーザ光を出射させることができ、加工速度も向上する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のレーザ光照射装置によれば、レーザ光のオーバーラップ率を低下させても均一幅の線状の溶接を精密に行なうことができるので、シーム溶接による気密封止性を低下させることなく溶接効率を高めることができるという効果を奏する。【００３０】
また、本発明のレーザ光照射装置によれば、表面金属層に対して矩形スポット状のエッチングを行なうことができるので、表面金属層の成分除去を精密に行なうことができ、より一層微細でありかつ加工精度の高いレーザ光を照射できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態のレーザ光照射装置を示す概念図
【図２】本実施形態の光ファイバを示す斜視図
【図３】本実施形態の光ファイバのコア寸法を示す断面図
【図４】本実施形態のレーザ光照射装置により照射対象の照射箇所にレーザ光の矩形スポットが照射した状態を示す平面図
【図５】本実施形態のレーザ光照射装置により照射対象の照射箇所にレーザ光を用いてシーム溶接を行なった状態を示す平面図
【図６】図５の溶接断面図
【図７】光ファイバの長さが１０ｍｍの場合におけるＹ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図８】光ファイバの長さが１０ｍｍの場合におけるＸ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図９】光ファイバの長さが３ｍの場合におけるＹ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１０】光ファイバの長さが３ｍの場合におけるＸ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１１】光ファイバの長さが５ｍの場合におけるＹ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１２】光ファイバの長さが５ｍの場合におけるＸ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１３】光ファイバの長さが１０ｍの場合におけるＹ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１４】光ファイバの長さが１０ｍの場合におけるＸ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１５】矩形断面のコアを全域に有する光ファイバの長さとその出射ＮＡとの関係を示すグラフ
【図１６】本実施形態のレーザ光照射装置により溶接される電池を示す斜視図
【図１７】レーザ光の波長に対して光ファイバのコアの太さを変化させた場合のＹ＝０のレーザ光の断面強度分布を示すグラフ
【図１８】レーザ光の他の波長に対する図１７と同様の図
【図１９】長方形の矩形断面を有するレーザ光を用いてシーム溶接を行なった状態を示す平面図
【図２０】縦マルチモードレーザ発振機、シングルモードレーザ発振機、横マルチモードレーザ発振機を利用した場合の共振器内における両ミラー間の光路を示す概念図、および発振されるレーザ光の出力と波長との関係示すグラフ
【図２１】他の実施形態のレーザ光照射装置を示す概念図
【図２２】従来のレーザ光照射装置により照射対象の照射箇所にレーザ光を用いてオーバーラップ率が０％のシーム溶接を行なった状態を示す平面図
【図２３】図２２の溶接断面図
【図２４】従来のレーザ光照射装置により照射対象の照射箇所にレーザ光を用いてオーバーラップ率が５０％〜９０％のシーム溶接を行なった状態を示す平面図
【図２５】図２４の溶接断面図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明のレーザ光照射装置をその実施形態により説明する。【００３３】
図１は、本発明の一実施形態のレーザ光照射装置２０の概念図を示している。  本実施形態のレーザ光照射装置２０は、フラッシュランプ励起によってレーザ光ＬＺを発生させ、照射対象Ｗの所望の照射箇所ＬＰにそのレーザ光ＬＺを照射する装置である。照射対象Ｗはレーザ光ＬＺにより溶接または加工することができるものであり、例えば微細な金属部品や表面金属層、金属膜などがこれに該当する。また、このレーザ光照射装置２０は、図１に示すように、レーザ光発生手段３０、入射光学ユニット６、光ファイバ１０および出射光学ユニット１１を備えている。【００３４】
本実施形態のレーザ光発生手段３０は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）ロッド１、キセノンランプなどのフラッシュランプ２、電源装置３、制御部４、全反射ミラー５および出力ミラー７を有している。ＹＡＧロッド１は、光学特性に優れたレーザ媒質の一つであり、円柱形状に形成されている。フラッシュランプ２は、ＹＡＧロッド１の側方に配置されている。つまり、本実施形態のレーザ光発生手段３０は、ＹＡＧロッド１の側方に配置されたフラッシュランプ２からＹＡＧロッド１に励起用の光を直接照射することによりＹＡＧロッド１の原子を光励起させるサイドポンピング方式のＹＡＧレーザ光ＬＺ発生器である。【００３５】
電源装置３はフラッシュランプ２および制御部４の間に接続されており、制御部４によりフラッシュランプ２の電力を供給する。制御部４は、電源装置３を介してレーザ光発生手段３０の出力およびレーザ光ＬＺの特性を制御するように形成されている。本実施形態のレーザ光発生手段３０はＹＡＧレーザ光ＬＺ発生器である。本実施形態のレーザ光照射装置２０によって微細領域のレーザ溶接を行ないやすくするため、本実施形態の制御部４は、ＹＡＧレーザの発振波長λが１０６４ｎｍになるように設定されている。また、本実施形態のレーザ光照射装置２０によって小型電子機器に用いる電池や精密部品などのシーム溶接を精密に行ないやすくするため、本実施形態の制御部４は、電源装置３を介してフラッシュランプ２のパルス点灯を制御することにより、パルスＹＡＧレーザを発生するように設定されている。【００３６】
全反射ミラー５は、ＹＡＧロッド１の一端面（図１においてはＹＡＧロッド１の左端面）から所定の間隔をおいて配設されている。この全反射ミラー５は、ＹＡＧロッド１の一端面から出力したレーザ光ＬＺをＹＡＧロッド１の一端側に全反射させている。【００３７】
出力ミラー７は、ＹＡＧロッド１の他端面（図１においてはＹＡＧロッド１の右端面）から所定の間隔をおいて配設されている。この出力ミラー７は、固体レーザ光ＬＺのみ透過させる半透過性を有している。【００３８】
入射光学ユニット６は、レーザ光発生手段３０の出力ミラー７から出力されたレーザ光ＬＺを絞ることにより、そのレーザ光ＬＺを光ファイバ１０の入光端１０ａに入光させるものである。本実施形態の入射光学ユニット６においては、主として集光レンズ９が用いられている。この集光レンズ９の焦点距離ｆ１は４０ｍｍに設定されている。【００３９】
光ファイバ１０は、図１および図２に示すように、その内部に配設されたコア８を利用してレーザ光ＬＺを伝送する光導波路であり、入射光学ユニット６と出射光学ユニット１１との間に配設されている。レーザ光ＬＺは入射光学ユニット６側から入射するため、本実施形態の光ファイバ１０については、入射光学ユニット６側の端面が光ファイバ１０の入光端１０ａとなり、出射光学ユニット１１側の端面が光ファイバ１０の出光端１０ｂとなる。【００４０】
光ファイバ１０の出光端１０ｂにおけるコア８の断面は、図２に示すように、矩形状に形成されている。矩形断面状のコア８については、光ファイバ１０の全域に形成されていてもよい。本実施形態の光ファイバ１０のコア８の断面は、図２に示すように、その出光端１０ｂから一定の距離ＦＬの領域において矩形状に形成されており、その残りの領域のコア８の断面においては円形状に形成されている。前述した一定の距離ＦＬ（矩形断面のコア８を全域に有する光ファイバ１０の場合はその全長）については、レーザ光ＬＺの断面強度分布、出射ＮＡ（Numerical Aperture：開口数）およびレーザ光ＬＺの取扱容易性の観点から、３ｍ〜３０ｍ程度が好ましく、５ｍ〜１０ｍ程度がより好ましい。【００４１】
光ファイバ１０のコア８の寸法については、図３に示すように、矩形断面の一辺Ｌがレーザ光ＬＺの波長λの１５０倍以上（本実施形態においてはＬ＝０．５２ｍｍ＝４８９λ）であり、円形断面の直径ＲはＲ≦Ｌになっている。レーザ光ＬＺの伝送損失を防ぐため、入光端１０ａ側の円形断面の直径Ｒは出光端１０ｂ側の矩形断面の一辺Ｌの値を超えないがそれに近似した値であることが好ましい。【００４２】
出射光学ユニット１１は、光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺを照射対象Ｗの照射箇所ＬＰに照射するものであり、主として、コリメートレンズ１２、ベントミラー１４および出光レンズ１３を用いて形成されている。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ２は１００ｍｍに設定されており、出光レンズ１３の焦点距離ｆ３は５０ｍｍに設定されている。これらの焦点距離ｆ２、ｆ３は、照射対象Ｗの特性および照射条件に応じて適宜変更することが好ましく、微細な加工などを行うためには、前記出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺの矩形の一辺を前記照射箇所ＬＰにおいて一辺が１／２から１／５になるように、出射光学ユニット１１により光学的に縮小するとよい。具体的には、ｆ３／ｆ２を１／２から１／５となるように設定する。【００４３】
次に、本実施形態のレーザ光照射装置２０を用いたレーザ溶接方法を説明する。あわせて、本実施形態のレーザ光照射装置２０およびレーザ溶接方法の作用を説明する。【００４４】
照射対象Ｗの照射箇所ＬＰは、図１に示したレーザ光照射装置２０における４つの工程を経ることにより、レーザ溶接される。【００４５】
第１工程においては、図１に示すように、レーザ光発生手段３０から所望のパルスＹＡＧレーザ光ＬＺが入射光学ユニット６に向けて出力される。第１工程の具体的内容としては、はじめに、制御部４により制御された電源装置３がフラッシュランプ２を点灯することにより、ＹＡＧロッド１の原子を励起する。その際、フラッシュランプ２をパルス点灯することにより、レーザ光ＬＺのパルス幅を所望の値となるように調整する。レーザ光ＬＺはＹＡＧロッド１の一端面および他端面の両端面から出力されるが、ＹＡＧロッド１の一端面から出力したレーザ光ＬＺは全反射ミラー５による全反射によりＹＡＧロッド１の一端側からＹＡＧロッド１に入力される。また、ＹＡＧロッド１の他端面側に配設された出力ミラー７は、固体レーザ光ＬＺのみを透過させる。これにより、レーザ光発生手段３０から所望のパルスＹＡＧレーザ光ＬＺが入射光学ユニット６に向けて出力される。【００４６】
第２工程においては、図１に示すように、レーザ光発生手段３０から出力されたレーザ光ＬＺを入射光学ユニット６を介して光ファイバ１０の入光端１０ａに入光させる。レーザ光ＬＺの入光方法としては、光ファイバ１０の寸法やその入射ＮＡに基づいて入射光学ユニット６の集光レンズ９によりレーザ光ＬＺを絞ることにより行なう。【００４７】
第３工程においては、図１に示すように、断面が矩形状に変換されたレーザ光ＬＺを光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光させる。第３工程の具体的手段としては、図２に示した本実施形態の光ファイバ１０の入光端１０ａにレーザ光ＬＺを入光することにより行なう。本実施形態の光ファイバ１０は、光ファイバ１０の出光端１０ｂから一定の距離ＦＬの領域においてコア８の断面が矩形状に形成されているので、光ファイバ１０に入射したレーザ光ＬＺの断面が円形であったとしても、光ファイバ１０の出光端１０ｂから出射する際にはレーザ光ＬＺの断面が矩形状に変換される。さらに、前述した光ファイバ１０の一定の距離ＦＬ、すなわちコア８の断面が矩形状に形成された領域の光ファイバ１０の長さが３ｍ以上に設定されていれば、レーザ光ＬＺの断面強度分布を均一にすることができる。この光ファイバ１０の一定の距離ＦＬの詳細については後述する。【００４８】
第４工程においては、図１に示すように、光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺを出射光学ユニット１１を介して溶接対象Ｗの溶接箇所ＬＰに照射する。出射光学ユニット１１は、図１に示すように、コリメートレンズ１２、ベントミラー１４および出光レンズ１３により形成されているが、これらを介して光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺを溶接箇所ＬＰに照射しても、レーザ光ＬＺの断面形状は変化しない。そのため、図４に示すように、溶接箇所ＬＰに照射するレーザ光ＬＺの断面形状（レーザ光ＬＺのスポットＳの形状）を矩形状にすることができる。【００４９】
更に、本実施形態においては、コリメートレンズ１２と出光レンズ１３との焦点距離の比が、ｆ３／ｆ２＝１／２であるため、溶接箇所ＬＰにおいては、光ファイバ１０の矩形の一辺の長さＬ＝０．５２ｍｍの１／２の０．２６ｍｍ＝２６０μｍに形成される。これにより一辺の長さが２６０μｍの矩形断面のレーザ光ＬＺを用いて微細な加工を施すことができる。【００５０】
本実施形態のように、レーザ光ＬＺの断面形状が矩形状であれば、図５に示すように、オーバーラップ率ＯＬの値を０％に近づけた値（例えば５〜１０％程度）に設定したとしても、図２１および図２３と比較して、均一な幅を有する線状に溶接を連続して行なうことができる。そのため、本実施形態のレーザ光照射装置２０およびレーザ溶接方法を利用することにより、精密機器に用いられる電池等に対して行なう溶接など、気密封止目的に溶接を行なう溶接箇所ＬＰに対してレーザ光ＬＺによるシーム溶接を確実に行なうことができる。また、図６に示すように、レーザ光の強度分布が均一なることから、レーザ光の平面断面形状だけでなく、溶け込み方向の溶接断面も矩形状に近づく。そのため、オーバーラップ率を低下させ、スポット数を少なくしても、気密性を損なうことなく連続的に溶接ができる。【００５１】
例えば、図１６に示すように、ケース４２および蓋４１にそれぞれ端子４３が形成されており、ケース４２の所定位置に蓋４１をセットして当接した部分をシーム溶接することにより形成される電池４０の場合を考える。このシーム溶接の方法としては、ケース４２および蓋４１を溶接対象Ｗとし、それらケース４２と蓋４１との当接部分を溶接箇所ＬＰとすると、その溶接箇所ＬＰに断面矩形のレーザ光のスポットＳを互いに間隔を空けずに連続して、言い換えると、オーバーラップ率ＯＬ＞０にして連続的に照射することにより、その溶接箇所ＬＰを連続的に溶接（均一な幅を有する線状に溶接）する。これにより、レーザ光ＬＺのスポットＳの数が少なくても電池４０の気密封止を確実に実現できるので、精密なシーム溶接の溶接効率および溶接速度を向上させることができる。【００５２】
なお、図５に示すように、理論的には、オーバーラップ率ＯＬが０％のときが最も効率よくシーム溶接を行なうことができる。しかしながら、隣位するレーザ光ＬＺのスポットＳが離間してしまうと溶接箇所ＬＰの気密封止ができなくなってしまう。そのため、オーバーラップ率ＯＬは０％より大きい値であることが好ましい。【００５３】
次に、図７〜図１４を用いて、矩形断面のコア８を全域に有する光ファイバ１０の長さ（光ファイバ１０の一定の距離ＦＬ）とレーザ光ＬＺの断面強度分布との関係について説明する。使用した光ファイバ１０の長さＦＬは１０ｍｍ、３ｍ、５ｍ、１０ｍの４種類である。また、この光ファイバ１０のコア８の一辺Ｌは０．５３ｍｍ（光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合のみ０．３ｍｍ）である。【００５４】
図７および図８は、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合におけるレーザ光ＬＺの断面強度分布を示している。図４に示すように、光ファイバ１０のスポットＳの中心をＸＹ座標の中心に設定し、Ｙ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布を図７に示し、Ｘ＝０におけるレーザ光ＬＺのＹ座標の断面強度分布を図８に示している。図７および図８に示すように、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合においては、光ファイバ１０のスポットＳの端部（Ｘ，Ｙ＝−０．３ｍｍまたは０．３ｍｍ）からなだらかにレーザ光ＬＺの強度が上昇しており、レーザ光ＬＺの強度波形が０度〜９０度間の正弦波または余弦波に似た形状になっている。また、図７および図８に示すように、断面強度分布の変化の幅も大きい。【００５５】
このことから、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合においては、レーザ光ＬＺの強度波形が理想的な矩形波形とは異なる山形の形状となる。また、レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化も急激であるため、レーザ光ＬＺの断面強度分布が均一でないことが分かる。【００５６】
図９および図１０は、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの断面強度分布を示している。図９はＹ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布を示し、図１０はＸ＝０におけるレーザ光ＬＺのＹ座標の断面強度分布を示している。図９および図１０に示すように、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの強度波形は、そのスポットＳの一端（Ｘ，Ｙ＝約−０．８ｍｍ）から急激に上昇し、２．２Ｗ／ｃｍ２付近において一時的な停滞が生じ、そのスポットＳの他端（Ｘ，Ｙ＝約０．８ｍｍ）になると急激に低下する。また、図９および図１０に示すように、図７および図８に示した光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合の断面強度分布と比較すると、それらの断面強度分布の変化の幅も小さい。【００５７】
このことから、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合、図７および図８に示した光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合と比較して、そのレーザ光ＬＺの強度波形は理想的な矩形波形に近づいた形状となっている。また、レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化も小さくなっている。そのため、レーザ光ＬＺの断面強度分布はある程度均一になることが分かる。【００５８】
図１１および図１２は、光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの断面強度分布を示している。図１１はＹ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布を示し、図１２はＸ＝０におけるレーザ光ＬＺのＹ座標の断面強度分布を示している。図１１および図１２に示すように、光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの強度波形は、そのスポットＳの一端（Ｘ，Ｙ＝約−０．８ｍｍ）から急激に上昇し、２．６Ｗ／ｃｍ２付近において一時的な停滞が生じ、そのスポットＳの他端（Ｘ，Ｙ＝約０．８ｍｍ）になると急激に低下する。また、図１１および図１２に示すように、それらの断面強度分布の変化の幅も小さい。【００５９】
このことから、光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合、図９および図１０に示した光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合と同様、そのレーザ光ＬＺの強度波形は理想的な矩形波形に近づいた形状となっている。一方、レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化は図９および図１０に示した光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合の当該強度変化よりも小さくなっている。そのため、光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合のレーザ光ＬＺの断面強度分布はその長さＦＬが３ｍの場合の強度分布よりも均一になることが分かる。【００６０】
そして、図１３および図１４は、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの断面強度分布を示している。図１３はＹ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布を示し、図１４はＸ＝０におけるレーザ光ＬＺのＹ座標の断面強度分布を示している。図１３および図１４に示すように、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍの場合におけるレーザ光ＬＺの強度波形は、そのスポットＳの一端（Ｘ，Ｙ＝約−０．８ｍｍ）から急激に上昇し、１．１５Ｗ／ｃｍ２付近において一時的な停滞が生じ、そのスポットＳの他端（Ｘ，Ｙ＝約０．８ｍｍ）になると急激に低下する。また、図１３および図１４に示すように、断面強度分布の変化の幅も小さいことが分かる。【００６１】
このことから、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍの場合、図１１および図１２に示した光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合と同様、そのレーザ光ＬＺの強度波形は理想的な矩形波形に近づいた形状となっている。また、図１１および図１２に示した光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍの場合の当該強度変化と比較して、レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化はより小さくなっている。そのため、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍの場合のレーザ光ＬＺの断面強度分布は、その長さＦＬが５ｍの場合の強度分布よりもさらに均一になることが分かる。【００６２】
つまり、前述した通り、光ファイバ１０の長さＦＬが長くなるほど、レーザ光ＬＺの強度波形は理想的な矩形波形に近づき、また、レーザ光ＬＺの断面強度分布が均一に近づくことが分かる。なお、図７〜図１４においては、断面強度分布の波形について説明したが、そのピークの絶対値については時間によって変化する値なので数値自体に意味はない。【００６３】
次に、矩形断面のコア８を全域に有する光ファイバ１０の長さＦＬとその出射ＮＡとの関係について説明する。使用した光ファイバ１０の矩形コア８の一辺Ｌは、前述の強度分布を測定した光ファイバ１０と同様、０．５３ｍｍ（光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍの場合のみ０．３ｍｍ）である。また、その入射ＮＡは０．０３７５、ファイバＮＡは０．４である。【００６４】
【表１】
0005391077.tif 000002
【００６５】
表１は、矩形断面のコア８を全域に有する光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍｍ、３ｍ、５ｍ、１０ｍの場合における出射ＮＡの値を示している。表１に示すように、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍ以下の場合、光ファイバ１０の出射ＮＡはその入射ＮＡとほぼ同様である。光ファイバ１０の長さＦＬが５ｍになると、光ファイバ１０の出射ＮＡは０．０４５となり、その入射ＮＡよりも大きくなる。同様に、光ファイバ１０の長さＦＬが１０ｍになると、光ファイバ１０の出射ＮＡは入射ＮＡの２倍以上の０．０８５となり、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍの場合の出射ＮＡよりも大きくなる。つまり、光ファイバ１０の長さＦＬが長くなるとその出射ＮＡが急激に増加する傾向にある。【００６６】
図１５は、矩形断面のコア８を全域に有する光ファイバ１０の長さＦＬとその出射ＮＡとの関係を示している。前述したとおり、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍ以下の場合、光ファイバ１０の出射ＮＡはその入射ＮＡとほぼ同様である。しかし、光ファイバ１０の長さＦＬが３ｍを超えると、光ファイバ１０の出射ＮＡは徐々に大きくなり、その変化の割合も大きくなる。しかし、出射ＮＡはファイバＮＡの値を超えないため、最終的には、出射ＮＡはＮＡ＝０．４の漸近線に接近するようになだらかに変化する。ただし、光ファイバ１０の長さＦＬが長すぎるとレーザ光ＬＺの最大伝送角が大きくなり、レーザ光ＬＺの取り扱いが困難になる問題もあるため、光ファイバ１０の長さＦＬは３０ｍ程度に抑えておくことが好ましい。【００６７】
すなわち、前述したレーザ光ＬＺの断面強度分布、出射ＮＡおよびレーザ光ＬＺの取扱容易性を考慮すると、光ファイバ１０の長さＦＬは、３ｍ〜３０ｍ程度、特に５ｍ〜１０ｍに設定することが好ましいことが分かる。【００６８】
次に、図１７〜図１９を用いて、溶接対象Ｗの溶接箇所ＬＰに照射するレーザ光ＬＺの矩形断面の微小化およびレーザ光の断面強度分布の均一化について説明する。【００６９】
まず、レーザ光ＬＺの矩形断面の微小化を図るには光ファイバ１０のコア８の矩形断面の一辺Ｌをサイズダウンするとよい。【００７０】
図１に示すＹＡＧレーザの発振波長λ＝１０６４ｎｍ（基本波）に対して、コア８の一辺の長さＬを、
Ｌ１＝５２０μｍ＝４８９λ、
Ｌ２＝３５０μｍ＝３２９λ、
Ｌ３＝２６６μｍ＝２５０λ、
Ｌ４＝１７５μｍ＝１６４λ、
Ｌ５＝５０μｍ＝４６λ
と変化させて、図１３と同様にＹ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布の傾向を求めると図１７に示す通りとなる。【００７１】
また、発振波長λ＝５３２ｎｍ（ＳＨＧ）に対して、コア８の一辺の長さＬを、
Ｌ１＝２６０μｍ＝４８９λ、
Ｌ２＝１７５μｍ＝３２９λ、
Ｌ３＝１３３μｍ＝２５０λ、
Ｌ４＝８７μｍ＝１６４λ、
Ｌ５＝２４μｍ＝４６λ
と変化させて、図１３と同様にＹ＝０におけるレーザ光ＬＺのＸ座標の断面強度分布の傾向を求めると図１８に示す通りとなる。【００７２】
図１７および図１８によれば、コア８の一辺の長さがＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の場合には、レーザ光の強度波形が理想的な矩形波形に近づいた形状となっており、強度変化も小さくなっている。一方、コア８の一辺の長さがＬ５の場合には、レーザ光の強度波形が理想的な矩形波形とは異なる形状となっており、強度変化も大きくなっている。この結果から、レーザ光ＬＺの矩形断面の微小化を図るとともにレーザ光の断面強度分布も均一に保持するためには、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は条件を満たしており、Ｌ５は条件を満たしていないといえる。すなわち、レーザ光ＬＺの矩形断面の微小化を図るとともにレーザ光の断面強度分布も均一に保持するためには、矩形断面の一辺Ｌがレーザ光の波長λの１５０倍以上必要であることがわかる。【００７３】
また、好ましくは矩形断面の一辺Ｌがレーザ光の波長λの２５０倍〜３５０倍であると、レーザ光の断面強度分布がより均一である。【００７４】
また、レーザ光ＬＺの矩形断面の微小化を図るには発振波長λ＝５３２ｎｍ（ＳＨＧ）を発振できる短波長の光源の方がコア８の微小化をより有効に果たすことができるので、発振波長λを６００ｎｍ以下とすることが好ましい。【００７５】
コア８の微小化にはレーザ光の断面強度分布保持の面より下限が存在するので、更なるレーザ光ＬＺの矩形断面の微小化のためには、前述したように光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺの矩形の一辺を照射箇所ＬＰにおいて一辺が１／２から１／５となるように、出射光学ユニット１１により光学的に縮小するとよい。光ファイバ１０からの出射ＮＡは、実用的には０．１以上必要であり、前記縮小倍率が１／５より小さくなると、集光ＮＡが０．５以上と大きくなり、焦点深度が小さくなり実用的でない。【００７６】
また、図１９に示すように、光ファイバ１０のコア８の矩形断面を長方形に形成するとよい。これにより隣位するスポットＳのオーバーラップ率を更に低下させることができる。また、同じ線幅でビーム面積を大きくできるので、レーザ光ＬＺの断面強度分布の均一性も向上させることができる。つまり、太い光ファイバ１０を利用しつつ微細なレーザ光を出力することができ、加工速度も向上する。【００７７】
また、レーザ光発生手段として、Ｍ２が１０〜３０程度の公知の横マルチモードレーザ発振機（図示せず）を用いることにより、レーザ光ＬＺの断面強度分布の均一性を向上させることができる。さらには、縦マルチモードレーザ発振機（図示せず）を用いることもできる。【００７８】
以上のことから、本実施形態のレーザ光照射装置２０によれば、照射するレーザ光ＬＺの断面形状を矩形状に形成してレーザ溶接を行なっているので、レーザ光ＬＺのオーバーラップ率ＯＬを低下させたとしても、均一幅の線状の溶接を精密に行なうことができる。また、レーザ光ＬＺの強度分布が均一なることから、レーザ光ＬＺの平面断面形状だけでなく、溶け込み方向の溶接断面も矩形状になるため、オーバーラップ率を低下させ、スポット数を少なくしても、気密性を損なうことなく連続的に溶接ができる。また、光ファイバ１０のコア８の矩形断面の一辺がレーザ光ＬＺの波長の１５０倍以上に形成されており、出射光学ユニット１１は、光ファイバ１０の出光端から出光したレーザＬＺ光を縮小するように形成されているので、溶接対象Ｗの溶接箇所ＬＰに照射するレーザ光ＬＺの矩形断面の微小化およびレーザ光ＬＺの断面強度分布の均一化を確実に図ることができる。以上のことから、シーム溶接による気密封止性を低下させることなく溶接効率および溶接速度を向上させることができ、より一層微細でありかつ加工精度の高いレーザ光を照射できるという効果を奏する。【００７９】
次に、本発明に係るレーザ光照射装置２０の第２の実施形態について説明する。ここで、第１の実施形態と同様の構成については詳説を省略し、同一の符号を用いて説明する。【００８０】
第２の実施形態においては、レーザ光発生手段３０として、縦マルチモードレーザ発振機（図示せず）を用いている。この縦マルチモードレーザ発振機は、図２０に示すように、共振器内における全反射ミラー５と出力ミラー７の両面間の光路が単一であって、複数の波長λのレーザ光ＬＺが発振され、この発振されるレーザ光ＬＺの波長λの幅は、一般に、１ｎｍ以上である。【００８１】
光ファイバ１０のコア８の寸法は、矩形断面の一辺Ｌがレーザ光ＬＺの波長λの２５倍以上であり、当該矩形断面は、第１の実施形態と同様に、正方形であってもよいが、隣位するスポットＳのオーバーラップ率を低下させるとともに、レーザ光ＬＺの断面強度分布の均一性を向上させるという観点からは、長方形であることが好ましい。本実施形態においては、発振波長λが１０６４ｎｍのレーザ光ＬＺを伝送するにあたり、当該矩形断面が正方形のコア８における各辺の寸法が５０μｍの光ファイバ１０、または矩形断面が長方形状のコア８における対向する二辺の寸法が５０μｍであって他の対向する二辺の寸法が１００μｍの光ファイバ１０が用いられる。【００８２】
また、第２の実施形態におけるレーザ光照射装置２０においても、第１の実施形態と同様に、光ファイバ１０の出光端１０ｂからコア８の断面が矩形状に形成されている領域の一定距離ＦＬは、３ｍ以上であって３０ｍ程度までにすることが好ましく、さらには、５ｍ〜１０ｍ程度がより好ましい。【００８３】
一方、第２の実施形態に係るレーザ光照射装置２０においては、第１の実施形態と異なり、光ファイバ１０の出光端１０ｂから出光したレーザ光ＬＺの矩形の一辺を、照射箇所ＬＰにおいて、出射光学ユニット１１により光学的に縮小する必要はない。光ファイバ１０として、そのコア８における矩形断面の一辺が、レーザ光ＬＺの波長λの２５倍以上であって前述のように５０倍程度の細径の光ファイバ１０を用いれば、光ファイバ１０の出光端１０ｂから出射されたレーザ光ＬＺを、出射光学ユニット１１において光学的に縮小することなく、出射光学ユニット１１から出射して、溶接、加工、表面金属層などの成分除去等を行うことができるからである。【００８４】
次に、第２の実施形態に係るレーザ光照射装置２０の作用について説明する。【００８５】
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、コア断面が出光端１０ｂから一定距離の領域において矩形状に形成された光ファイバ１０を用いることにより、断面形状が矩形状のレーザ光ＬＺを照射することができる。【００８６】
したがって、第２の実施形態に係るレーザ光照射装置２０によれば、第１の実施形態と同様に、例えば、気密封止目的に溶接を行う溶接箇所ＬＰに対してレーザ光ＬＺによるシーム溶接を確実に行うことができ、さらには、オーバーラップ率ＯＬを低下させてスポット数を少なくしても機密性を損なうことなく連続的に溶接することができるので、溶接効率を高めることができる。【００８７】
また、本実施形態において、レーザ光発生手段３０として縦マルチモードレーザ発振機を用い、コア８の矩形断面の一辺が波長λの２５倍以上であって前述のように５０倍程度の細径の光ファイバ１０を用いることにより、細径の光ファイバ１０から出射されたレーザ光ＬＺは、その断面強度分布の変化の幅が小さく、強度波形は理想的な矩形波形に近づいた形状となる。また、当該レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化も小さくなり、そのため、レーザ光ＬＺの断面強度分布はある程度均一になる。さらには、縦マルチモードレーザ発振機により発振されるレーザ光ＬＺの波長λの幅が、１ｎｍ以上であって波長λの幅が広いほど、レーザ光ＬＺの強度波形は理想的な矩形波形に近づき、断面強度分布も均一となる。このように、レーザ光発生手段３０として縦マルチモードレーザ発振機を用いる本実施形態のレーザ光照射装置２０は、細径の光ファイバ１０を利用して溶接や加工等に好適な微細なレーザ光ＬＺを照射させることができる。【００８８】
一方、図２０に示すように、レーザ光照射装置において、レーザ光発生手段として共振器内におけるミラー間の光路が単一であって単一の波長λのレーザ光ＬＺを発振するシングルモードレーザ発振機を用い、前述と同様の細径の光ファイバを用いた場合、レーザ光ＬＺの断面強度分布の変化の幅が大きく、そのレーザ光ＬＺの強度波形が理想的な矩形波形とは異なる山形の形状となる。また、当該レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化も急激であるため、断面強度分布が均一とならない。このように、レーザ光発生手段３０としてシングルモードレーザ発振機を用いたレーザ光照射装置は、細径の光ファイバ１０を利用すると溶接や加工等に適当なレーザ光ＬＺを照射させることができない。【００８９】
また、レーザ光照射装置において、レーザ光発生手段として共振器内におけるミラー間の光路が複数であって複数の波長λのレーザ光ＬＺを発振する横マルチモードレーザ発振機を用い、前述と同様の細径の光ファイバを用いた場合、レーザ光ＬＺの断面強度分布において、レーザ光ＬＺの強度波形が、シングルモードレーザ発振機を用いた場合と比較すると矩形波形に近くなるが、縦マルチモード発振機を用いた場合と比較すると山形の形状となる。また、レーザ光ＬＺの極大値・極小値間における強度変化も、シングルモードレーザ発振機を用いた場合と比較するとなだらかであるが、縦マルチモードレーザ発振機と比較すると急激であり、レーザ光ＬＺの断面強度分布が均一とならない。このように、レーザ光発生手段として横マルチモードレーザ発振機を用いたレーザ光照射装置は、細径の光ファイバ１０を利用すると溶接や加工等に好適な微細なレーザ光ＬＺを照射させることができない。【００９０】
したがって、レーザ光照射装置２０は、このようにレーザ光発生手段３０として前述のような縦マルチモードレーザ発振機を用いることにより、光ファイバ１０におけるコア８の微小化を図ることができ、出射光学ユニット１１においてレーザ光ＬＺを光学的に縮小することなく、微細なレーザ光ＬＺを照射させることが可能となる。【００９１】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。【００９２】
例えば、レーザ光発生手段１にはフラッシュランプ２が用いられているが、他の実施形態においては、図２１に示すように、フラッシュランプ２の代わりに半導体レーザダイオード（ＬＤＡ）２Ｂを用いても良い。その際、レーザ光のスイッチング（パルス点灯）は電源装置３のレーザ共振器内部に設置したＱスイッチのオンオフにより行なえばよい。【００９３】
また、本実施形態のレーザ光照射装置２０は主としてレーザ溶接機を例にとって説明したが、本実施形態のレーザ光照射装置２０をレーザ加工装置として用い、照射対象Ｗを表面金属層などにすれば、本実施形態のレーザ光照射装置２０を表面金属層、表面に形成された薄膜などの除去目的に使用することができる。すなわち、本実施形態のレーザ溶接方法を応用したレーザ加工方法によれば、表面金属層などに対して矩形状のエッチングを行なうことができるので、表面金属層などの除去を精密に行なうことができるという効果を奏する。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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