(57)【要約】【課題】集光性がＹＡＧレーザ又は他のレーザと比べて劣ることが無く、かつ、従来技術において必要であった光ファイバへ集光するレーザ発振器用集光レンズ光学系及び光ファイバを除くことができ、エネルギ損失を低減できるレーザ加工機を提供する。【解決手段】加工点の近くに取付けたレーザダイオードと、希土類元素が添加されたコアとこのコアの外周を取囲む第１クラッドとこの第１クラッドの外周を取囲む第２クラッドとから成りレーザダイオードから出力された励起光が入力されて、レーザ光に変換されて増幅しレーザトーチ用集光レンズ光学系に直結したダブルクラッドファイバと、ダブルクラッドファイバから出力されたレーザ光を集光して被加工物に照射するレーザトーチ用集光レンズ光学系とを備えたレーザ加工機。【選択図】図１
2006075889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードと、
希土類元素が添加されたコアとこのコアの外周を取囲む第１クラッドとこの第１クラッドの外周を取囲む第２クラッドとから成り前記レーザダイオードから出力されたレーザ光が入力されて増幅するダブルクラッドファイバと、
前記ダブルクラッドファイバから出力された前記レーザ光を集光して出力するレーザ発振器用集光レンズ光学系と、
前記レーザ発振器用集光レンズ光学系から出力された前記レーザ光を入力して伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出力された前記レーザ光を集光して被加工物に照射するレーザトーチ用集光レンズ光学系とを備えたレーザ加工機において、
前記レーザダイオードを加工点の近くに取付け、
前記レーザ発振器用集光レンズ光学系と前記光ファイバとを設ける代わりに、
前記ダブルクラッドファイバを前記レーザトーチ用集光レンズ光学系に直結することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
前記レーザダイオードと前記加工点との間の距離が長いときに、前記ダブルクラッドファイバの長さを前記レーザダイオードと前記レーザトーチ用集光レンズ光学系との間の長さとした請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記レーザトーチ用集光レンズ光学系をロボットのアームの先端に取付け、
前記ダブルクラッドファイバを前記アームの中を通すことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送損失を低減して発振効率を高めるための改良されたレーザ加工機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
［従来技術１］
金属部材や樹脂材の溶接、切断、穴あけ又はマーキング等の加工用途において、近年、レーザ光を熱源とするレーザ加工機が普及してきている。このレーザ加工機は、発振源（レーザ媒質）によって、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ又はファイバーレーザに分かれる。
レーザ加工機の一般的な構成を図３を参照して説明する。図３は、レーザ加工機の一般的な構成を示す図である。同図において、レーザ加工機は、発振を起こすための励起源１、発振源（レーザ媒質）２、共振器３、伝送機器５にレーザ光を集光する集光機器４、伝送機器５及びレーザトーチ６で構成されている。
【０００３】
次に、発振源がＹＡＧ（イットリウム（Ｙttrium）・アルミニウム（Ａluminium）・ガーネット（Ｇarnet））ロッドに微量のネオジウム（Neodium）を添加した固体ロッド（以下、ＹＡＧロッドという）であるレーザ加工機の構成を図４を参照して説明する。図４は、発振源がＹＡＧロッドであるレーザ加工機の構成を示す図である。同図において、フラッシュランプ７が励起源であり、ＹＡＧロッド８が発振源であり、全反射ミラー９及び部分透過ミラー１０が共振器であり、レーザ発振器用集光レンズ光学系１１が集光機器であり、光ファイバ１２が伝送機器であり、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３がレーザトーチである。
【０００４】
以下、動作を説明する。
フラッシュランプ７に電圧を印加すると、ＹＡＧロッド８にフラッシュランプ７から発する励起光がＹＡＧロッド８に照射されて吸収される。吸収されたエネルギの１〜３％は、レーザ光１４に変換されてレーザ光１４の軸上に配置された全反射ミラー９及び部分透過ミラー１０によって増幅される。増幅されたレーザ光１４は、レーザ発振器用集光レンズ光学系１１によって光ファイバ１２へ入射可能となるように集光される。集光されたレーザ光１４は光ファイバ１２によってレーザトーチ用集光レンズ光学系１３へ伝送され、所望の焦点径に集光されてレーザ光１４が被加工物に照射される。
【０００５】
図４に示した発振源がＹＡＧロッドであるレーザ加工機は、先に示したように増幅されたレーザ光１４を伝送機器である光ファイバ１２へ入射可能となるように集光するためのレーザ発振器用集光レンズ光学系１１を内蔵したレーザ発振器と光ファイバ１２が必要である。
レーザ光１４は、一般的にエネルギ効率が非常に悪く、ＹＡＧレーザで１〜３％程度である。更に、レーザ発振器用集光レンズ光学系１１においても、エネルギ損失が発生し、光ファイバ１２においても、わずかではあるがエネルギ損失が発生する。また、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３においても、エネルギ損失が発生する。
【０００６】
［従来技術２］
上述した課題を改善することを目的として、発振源のエネルギ効率自体を高めたファイバーレーザが普及している。ファイバーレーザは、ファイバーをレーザ増幅媒体として利用するレーザであって、集光性及び波長域が、極めてＹＡＧレーザに近く、エネルギ効率もＹＡＧレーザの数倍である。その動作原理を図５を参照して説明する。
【０００７】
図５は、ファイバーレーザの動作原理を説明するための図である。同図において、レーザダイオード１５は励起源である。ダブルクラッドファイバ１６は発振源であって、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素が添加されたコア１７と、このコア１７の外周を取囲む第１クラッド１８とこの第１クラッド１８の外周を取囲む第２クラッド１９とから成る。第１クラッド１８及び第２クラッド１９は、高純度の２層の石英ガラスで形成されていて、これらの境界面にて、レーザダイオード１５から入力された励起光が全反射して伝播し、伝播の過程でコア１７を横切ることによって、少しずつコア１７に吸収され、希土類元素を励起し、レーザ光１４に変換される。
【０００８】
コア１７の両端面に形成されたファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２０は共振源であって、特定の波長の光だけを反射する。レーザ光１４はこのファイバブラッググレーティング２０で反射を繰り返して増幅される。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
次に、ファイバーレーザ加工機の構成を図６を参照して説明する。図６は、ファイバーレーザ加工機の構成を示す図である。同図においてレーザダイオード１５が励起源であり、ダブルクラッドファイバ１６が発振源であり、図５に示したファイバブラッググレーティング２０が共振源であり、レーザ発振器用集光レンズ光学系２１が集光機器であり、光ファイバ１２が伝送機器であり、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３がレーザトーチである。
レーザ発振器２２の内部にレーザダイオード１５、ダブルクラッドファイバ１６及びレーザ発振器用集光レンズ光学系２１が設けられていて、光ファイバ取付け口２３に光ファイバ１２が取付けられている。
【００１０】
以下、動作を説明する。
図６において、レーザダイオード１５から出力された励起光が、ダブルクラッドファイバ１６に入力されて、レーザ光１４に変換されて増幅される。増幅されたレーザ光１４は、レーザ発振器用集光レンズ光学系２１によって光ファイバ１２へ入射可能となるように集光される。集光されたレーザ光１４は、光ファイバ取付け口２３を通って、光ファイバ１２によってレーザトーチ用集光レンズ光学系１３へ伝送され、所望の焦点径に集光されてレーザ光１４が被加工物に照射される。
【００１１】
図６に示したファイバーレーザ加工機は、図４を参照して上述した発振源がＹＡＧロッドであるＹＡＧレーザ加工機よりもエネルギ効率は高い。しかし、増幅されたレーザ光１４を伝送機器である光ファイバ１２へ入射可能となるように集光するためのレーザ発振器用集光レンズ光学系２１においても、エネルギ損失が発生し、また、光ファイバ１２においても、わずかではあるがエネルギ損失が発生する。
【００１２】
［従来技術３］
上述した課題を改善することを目的として、レーザダイオードアレイと集光機器とを一体化したレーザヘッドを用いたダイレクトダイオードレーザ加工機の構成を、図７を参照して説明する。図７はレーザダイオードアレイと集光機器とを一体化したレーザヘッドを用いたダイレクトダイオードレーザ加工機の構成を示す図である。
同図において、レーザヘッド２４は、発振源と共振器の双方の役割を果たす数個のレーザダイオード１５から成るレーザダイオードアレイ２５と集光機器２６とで構成されている。そして、励起源である大容量の直流電源のケーブル２７を伝送機器に使用している。
【００１３】
このダイレクトダイオードレーザ加工機は、伝送機器である光ファイバの代わりに、直流電源のケーブル２７を使用し、かつ、光ファイバへ集光するための集光機器を除いているので、エネルギ効率が改善されている。
しかし、ダイレクトダイオードレーザ光は、その特性上、集光性がＹＡＧレーザや他のレーザに比べて悪い。また、例えば、ロボットのアームの先端にレーザヘッド２４を取付けた場合、このレーザヘッド２４は大きいために、ロボットの操作性が損なわれる。
【特許文献１】特開２００２−２３７６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した従来技術１の発振源がＹＡＧロッドであるＹＡＧレーザ加工機は、一般的に発振源のエネルギ効率が非常に悪く、レーザ発振器用集光レンズ光学系１１においても、エネルギ損失が発生し、光ファイバ１２においても、わずかではあるがエネルギ損失が発生する。また、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３においても、エネルギ損失が発生する。
【００１５】
また、従来技術２のファイバーレーザを用いたレーザ加工機は、発振源がＹＡＧロッドであるＹＡＧレーザ加工機よりもエネルギ効率は高い。しかし、増幅されたレーザ光１４を伝送機器である光ファイバ１２へ入射可能となるように集光するためのレーザ発振器用集光レンズ光学系２１においても、エネルギ損失が発生し、また、光ファイバ１２においても、わずかではあるがエネルギ損失が発生する。
【００１６】
また、従来技術３のレーザダイオードアレイと集光機器とを一体化したレーザヘッドを用いたダイレクトダイオードレーザ加工機は、ダイレクトダイオードレーザ光の集光性が、ＹＡＧレーザや他レーザに比べて悪く、また、例えば、ロボットのアームの先端にレーザヘッド２４を取付けた場合、このレーザヘッド２４は大きいために、ロボットの操作性が損なわれる。
【００１７】
本発明は、集光性がＹＡＧレーザ又は他のレーザと比べて劣ることが無く、かつ、従来技術において必要であった光ファイバ１２へ集光するレーザ発振器用集光レンズ光学系２１及び光ファイバ１２を除くことができ、エネルギ損失を低減できるレーザ加工機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、第１の発明は、
レーザダイオードと、
希土類元素が添加されたコアとこのコアの外周を取囲む第１クラッドとこの第１クラッドの外周を取囲む第２クラッドとから成り前記レーザダイオードから出力されたレーザ光が入力されて増幅するダブルクラッドファイバと、
前記ダブルクラッドファイバから出力された前記レーザ光を集光して出力するレーザ発振器用集光レンズ光学系と、
前記レーザ発振器用集光レンズ光学系から出力された前記レーザ光を入力して伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出力された前記レーザ光を集光して被加工物に照射するレーザトーチ用集光レンズ光学系とを備えたレーザ加工機において、
前記レーザダイオードを加工点の近くに取付け、
前記レーザ発振器用集光レンズ光学系と前記光ファイバとを設ける代わりに、
前記ダブルクラッドファイバを前記レーザトーチ用集光レンズ光学系に直結することを特徴とするレーザ加工機である。
【００１９】
第２の発明は、
前記レーザダイオードと前記加工点との間の距離が長いときに、前記ダブルクラッドファイバの長さを前記レーザダイオードと前記レーザトーチ用集光レンズ光学系との間の長さとした第１の発明に記載のレーザ加工機である。
【００２０】
第３の発明は、
前記レーザトーチ用集光レンズ光学系をロボットのアームの先端に取付け、
前記ダブルクラッドファイバを前記アームの中を通すことを特徴とする第２の発明に記載のレーザ加工機である。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明及び第２の発明に記載のレーザ加工機は、ダブルクラッドファイバをレーザトーチ用集光レンズ光学系に直結しているので、従来技術において必要であった光ファイバへ集光するレーザ発振器用集光レンズ光学系及び光ファイバを除くことができる。従って、エネルギ損失を低減できると共に、コストダウンも図ることができる。
【００２２】
第３の発明に記載のレーザ加工機は、レーザトーチ用集光レンズ光学系をロボットのアームの先端に取付け、ダブルクラッドファイバを前記アームの中を通しているので、マニピュレータの操作性を妨げることが無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１のレーザ加工機の構成を示す図である。同図において、
レーザ発振器２８内部に設けられたレーザダイオード１５は励起源であり、ダブルクラッドファイバ１６は、可撓性を有する発振源及び伝送機器であり、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３に直結していている。このダブルクラッドファイバ１６の長さは、レーザダイオード１５とレーザトーチ用集光レンズ光学系１３との間の長さである。レーザトーチ用集光レンズ光学系１３は、ダブルクラッドファイバ１６から入力されたレーザ光１４を所望の焦点径に集光する。
【００２４】
以下、動作を説明する。
図１において、レーザ発振器２８内部に設けられたレーザダイオード１５から出力されたレーザ光１４が、ダブルクラッドファイバ１６に入力されて、増幅され、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３に伝送される。そして、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３は、ダブルクラッドファイバ１６から入力されたレーザ光１４を所望の焦点径に集光する。
【００２５】
この結果、図６に示した従来技術において必要であった光ファイバ１２へ集光するレーザ発振器用集光レンズ光学系２１及び光ファイバ１２を除くことができるので、エネルギ損失を低減できると共に、コストダウンも図ることができる。
【００２６】
なお、図１に示した本発明の実施の形態１のレーザ加工機では、ダブルクラッドファイバ１６の長さを長くして、レーザ発振器２８からレーザトーチ用集光レンズ光学系１３までレーザ光１４を伝送している。
この代わりに、レーザダイオード１５が設けられたレーザ発振器２８を加工点の近くに取付けたときは、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３をレーザ発振器２８内のダブルクラッドファイバ１６に直結するように、レーザ発振器２８に取付けても良い。
【００２７】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２のレーザ加工機の構成を示す図である。同図において、レーザトーチ用集光レンズ光学系１３をロボットのマニピュレータ２９のアーム３０の先端部に取付け、ティーチペンダント３１から入力された操作指令信号Ｓｃによってロボット制御装置３２はマニピュレータ２９の動作を制御する動作制御信号Ｍｃをマニピュレータ２９に出力する。また、ロボット制御装置３２は、レーザ照射の開始／停止のタイミングを同期制御するための出力同期信号Ｐｃをレーザ発振器２８に出力する。また、ダブルクラッドファイバ１６を、マニピュレータ２９の外部に取付ける代わりに、マニピュレータ２９のアーム３０の中を通している。
【００２８】
ダブルクラッドファイバ１６をマニピュレータ２９の外部に取付けた場合、マニピュレータ２９の操作性を妨げるが、アーム３０の中を通すことによって、マニピュレータ２９の操作性を妨げることが無い。
【００２９】
図２において、ロボットを使用する場合を示したが、ロボットの代わりに、ＸＹＺスライド加工テーブルなどを使用する場合に、ダブルクラッドファイバ１６をケーブルベア内に通すことによって、操作性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１のレーザ加工機の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２のレーザ加工機の構成を示す図である。
【図３】レーザ加工機の一般的な構成を示す図である。
【図４】発振源がＹＡＧロッドであるＹＡＧレーザ加工機の構成を示す図である。
【図５】ファイバーレーザの動作原理を説明するための図である。
【図６】ファイバーレーザ加工機の構成を示す図である。
【図７】レーザダイオードアレイと集光機器とを一体化したレーザヘッドを用いたダイレクトダイオードレーザ加工機の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１            励起源
２            発振源
３            共振器
４            集光機器
５            伝送機器
６            レーザトーチ
７            フラッシュランプ
８            ＹＡＧロッド
９            全反射ミラー
１０            部分透過ミラー
１１            レーザ発振器用集光レンズ光学系
１２            光ファイバ
１３            レーザトーチ用集光レンズ光学系
１４            レーザ光
１５            レーザダイオード
１６            ダブルクラッドファイバ
１７            コア
１８            第１クラッド
１９            第２クラッド
２０            ファイバブラッググレーティング
２１            レーザ発振器用集光レンズ光学系
２２            レーザ発振器
２３            光ファイバ取付け口
２４            レーザヘッド
２６            集光機器
２７            ケーブル
２８            レーザ発振器
２９            マニピュレータ
３０            アーム
３１            ティーチペンダント
３２            ロボット制御装置
Ｍｃ            動作制御信号
Ｐｃ            出力同期信号
Ｓｃ            操作指令信号
【図１】
2006075889.tif 000003
【図２】
2006075889.tif 000004
【図３】
2006075889.tif 000005
【図４】
2006075889.tif 000006
【図５】
2006075889.tif 000007
【図６】
2006075889.tif 000008
【図７】
2006075889.tif 000009