(57)【要約】【課題】  空冷で小型なレーザ照射系にてＫＷ級のレーザ光を照射できるようにする。【解決手段】  光ファイバ２からの固体レーザ媒質３によるレーザ光４を、アクリル系ＵＶ接着剤５にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズ６と、アクリル系ＵＶ接着剤５にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズ７とに通して、これらレンズ６、７を空冷しながら照射対象物８に照射し、加工などに供することにより、上記の目的を達成する。【選択図】  図１
2006212689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して、これらレンズを空冷しながら照射対象物に照射し、加工などに供することを特徴とするレーザ光照射方法。
【請求項２】
光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を、このレーザ光に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラーで折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側集光レンズとを通して、これらレンズを空冷しながら照射対象物に照射し、加工などに供するのに併せ、レーザ光の照射対象物からの反射光を前記コリメート側および収束側の各集光レンズを結像レンズに共用して前記ミラーを通し結像させモニタに供することを特徴とするレーザ光照射方法。
【請求項３】
前記結像はアパーチャを介して行う請求項２に記載のレーザ光照射方法。
【請求項４】
ミラーを透過したレーザ光を、このレーザ光に対するＨＲコートおよび可視光カットコートを施したフィルタを介し検出して、検出結果をモニタに供する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ光照射方法。
【請求項５】
レーザ光は、ＹＡＧレーザ光である請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ光照射方法。
【請求項６】
光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を導入する導入部と、導入したレーザ光をアクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して照射口から照射対象物に集光照射する照射光学系とをトーチ本体に備え、このトーチ本体におけるコリメート側の集光レンズおよび収束側の集光レンズの外周を保持した鏡筒部の外まわりにフィンを形成した空冷部としたことを特徴とするレーザトーチ。
【請求項７】
光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を導入する導入部と、導入したレーザ光をこのレーザ光に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラーで折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して照射口から照射対象物に照射する照射光学系とをトーチ本体に備え、このトーチ本体におけるコリメート側および収束側の各集光レンズの外周を保持した鏡筒部の外まわりに冷却フィンを形成した空冷部とし、照射対象物からの反射光を前記コリメート側および収束側の各集光レンズを共用して前記ミラーを通し結像させモニタに供するモニタカメラを設けたことを特徴とするレーザトーチ。
【請求項８】
コリメート側および収束側の各集光レンズの、トーチ本体の冷却フィンを有した周壁に接触保持される保持幅は、１０ｍｍ以上である請求項７に記載のレーザトーチ。
【請求項９】
冷却フィンを持った鏡筒の周壁は円筒であり、フィンの外径は四角形である請求項８に記載のレーザトーチ。
【請求項１０】
接着剤層の厚みは、３０μｍ以下である請求項６〜９のいずれか１項に記載のレーザトーチ。
【請求項１１】
前記コリメート側集光レンズとモニタカメラとの間にアパーチャを設けた請求項７に記載のレーザトーチ。
【請求項１２】
前記導入部およびモニタカメラは、トーチ本体の後端側の側部に前後して並べ設けてトーチ本体をＬ型形状とし、前記ミラーをモニタカメラ側に通過した反射光を補助ミラーでモニタカメラ側に折り曲げるようにした請求項７、１１のいずれか１項に記載のレーザトーチ。
【請求項１３】
補助ミラーは、向き調節部を有して支持した請求項１２に記載のレーザトーチ。
【請求項１４】
向き調節部は、補助ミラーをその支持部材に対する３点の支持高さを個別に調整するねじを有している請求項１３に記載のレーザトーチ。
【請求項１５】
前記ミラーにて照射側に向けるレーザ光の一部透過光を、このレーザ光に対するＨＲコートおよび可視光カットコートを施したフィルタを介し検出してモニタに供するレーザ入力検出部を備えた請求項７、１１〜１４のいずれか１項に記載のレーザトーチ。
【請求項１６】
レーザ入力検出部は、フードによって外まわりが覆われている請求項１５に記載のレーザトーチ。
【請求項１７】
トーチ本体の照射口に設けられ、照射光軸上に位置して照射されるハイブリッドレーザ光を通過させるとともに、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させる先細り形状の中央通路と、この中央通路まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出されるハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりに不活性ガスの膜流を連続噴出させるコーン形状をなした環状通路とを有した同軸の二重ノズルを備えた請求項６〜１６のいずれか１項に記載のレーザトーチ。
【請求項１８】
中央通路および環状通路は不活性ガスの供給を受けるために、それらの外回りに設けられて供給される不活性ガスを導入する環状通路と、この環状通路から中央通路および環状通路内に周方向に並んで開口する小径孔とを有している請求項１７に記載のレーザトーチ。
【請求項１９】
レーザ光はＹＡＧレーザ光である請求項６〜１８のいずれか１項に記載のレーザトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ媒質からのレーザ光を被加工物に照射して溶接や切断といった加工などを行うレーザ光照射方法とそれに用いるレーザトーチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなレーザトーチで手作業での加工に供するものとしてハンディタイプのトーチ本体を持ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のものは、導入したＹＡＧレーザ光を一直線に並んだ照射光学系によって被加工物に向け集光、照射するようになっており、照射光学系の途中で被加工物からの反射光をハーフミラーにより側方へ取り出し、照射光学系に平行な結像光路にてモニタカメラに導き結像させ、加工状態がモニタできるようにしている。一方、レーザトーチをより小型化するのに、コリメート側および収束側の集光レンズｅ、ｆを持ったレーザ光の照射光路を図６に示すようにミラーａにより折り曲げるのに併せ、被加工物ｂからの反射光を前記ミラーａを透過させて結像レンズｃを介しモニタカメラｄに導き結像させてモニタされるようにしたものも提供されている。
【０００３】
また、ランプ励起のＹＡＧレーザ発振器自体ではランプおよびＹＡＧレーザ双方を冷却水中に水没させて水冷することが一般的であるし、ＹＡＧレーザ光を導入して溶接などの加工を行うレーザトーチにおいても、ＹＡＧレーザ光がＫＷレベルになるとこれが通ることによる発熱が著しいことに対応するため水冷方式が採用されている。
【特許文献１】特開平０９−０５７４８４号公報（図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、水冷構造はレーザトーチの大型化、重量化につながる上、冷却水の循環路との接続により手捌きやロボットによる自動作業での取り扱いが不自由となるので、加工などの作業に不便であるし、設備費、ランニングコスト共に高くつく。また、特許文献１に記載のものや図６に示す従来例のようにモニタカメラ専用の結像光学系ないしは結像レンズが必要であると、これによってもレーザトーチが大型化、重量化して手作業、自動作業の別なく取り扱い負荷が大きく作業性が低下するし、コスト上昇の原因にもなる。
【０００５】
本発明者等はレーザトーチにおける発熱の原因につき、レーザ光を吸収すると熱に変化して昇温することに着目して種々に実験をし、検討を重ねた。その結果、光学要素の表面に施す特定波長に対する反射特性を持つＨＲコートやアンチ反射特性を持つＡＲコート、アクロマチック処理を適正な組合せで採用することにより、導入したレーザ光を反射またはおよび透過させる光学要素表面でのエネルギ損をほぼ１００％近く満足する反射特性および透過特性が得られるが、従来から集光レンズに用いられている貼り合わせレンズでは、その接着剤層の透過率が低く発熱原因の主要部をなしていることが判明した。接着剤層の透過率についてはダイクロイックミラーの表面に塗布して実験し測定したが、従来用いられているエポキシ樹脂接着剤に対し、波長８０８ｎｍのＬＤレーザ光の透過率は図７に示すように最大で０．３％、平均で０．５％と低く、レンズの貼り合せ強度上必要な膜厚ではこれ以上改善できないことを確認した。これに対し、特定の接着剤によれば貼り合せ強度を満足して透過率をさらに高められ、ＫＷ級のレーザ光に対し空冷にても十分に対応できることを知見した。
【０００６】
本発明の目的は、このような新たな知見に基づき、ＹＡＧなどの固体レーザ媒質によって実現されるＫＷ級のレーザ光を取り扱って溶接や切断といった加工を行い、また、その加工に供するのに、空冷で小型なレーザ照射系にてＫＷ級のレーザ光を照射することができるレーザ光照射方法とそれに用いるレーザトーチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ光照射方法は、光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して、これらレンズを空冷しながら照射対象物に照射し、加工などに供することを１つの特徴としている。
【０００８】
このような構成では、固体レーザ媒質によって得られる高い出力のレーザ光であっても、２枚組の集光レンズ２組を通すだけであるためレーザ光が通過する接着剤層が２ヶ所と少ない上に、接着剤層がアクリル系ＵＶ接着剤であることによりレーザ光に対する透過性が高いので、収束側の集光レンズが色無しのアクロマチック処理されたものであるのと相まって、レーザ光をよりエネルギ損なく透過させて加工効率を高められるし、集光レンズの発熱、昇温を空冷により十分に抑えられる。
【０００９】
本発明のレーザ光照射方法は、また、光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を、このレーザ光に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラーで折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側集光レンズとを通して、これらレンズを空冷しながら照射対象物に照射し、加工などに供するのに併せ、レーザ光の照射対象物からの反射光を前記コリメート側および収束側の各集光レンズを結像レンズに共用して前記ミラーを通し結像させモニタに供することを別の特徴としている。
【００１０】
このような構成では、ミラーのレーザ光に対する反射特性によって前記レーザ光照射方法の１つの特徴によるレーザ光の透過特性を損なわずに光ファイバからのレーザ光を折り曲げて、照射光軸上に前後に並ぶコリメート側および収束側の２組の集光レンズに通す照射光学系をなし、レーザ光を照射対象物上に集光、照射して加工などに供しながら、照射対象物からの反射光を前記２組の集光レンズを共用して前記ミラーを通し、特別な結像光学系ないしはレンズのない簡単かつ小型な照射光学系のままその外部に結像させ、ミラーの可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画象にて照射状態、加工状態をモニタさせることができる。
【００１１】
前記結像はアパーチャを介して行う、さらなる構成では、
照射対象物からの反射光の受光域を制限して外乱光や内乱光の影響をさらに抑えてモニタ画像をより鮮明にすることができる。
【００１２】
ミラーにて照射側に向けるレーザ光の一部透過光を、このレーザ光に対するＨＲコートおよび可視光カットコートを施したフィルタを介し検出して、検出結果をモニタに供するレーザ入力検出部を備えた、さらなる構成では、
照射対象物とモニタカメラ部との間で生じる内、外乱光がミラーを通じ検出部に及ぶようなことがあっても、前記コートおよびフィルタの組合せによってそれらの影響なく対象レーザ光だけを受光し、適正な検出が行える。
【００１３】
レーザ光は、ＹＡＧレーザ光である、さらなる構成では、
高出力のレーザ光を利用しやすく、高出力によっても空冷による昇温防止機能が損なわれない。
【００１４】
また、本発明のレーザトーチは、光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を導入する導入部と、導入したレーザ光をアクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して照射口から照射対象物に集光照射する照射光学系とをトーチ本体に備え、このトーチ本体におけるコリメート側の集光レンズおよび収束側の集光レンズの外周を保持した鏡筒部の外まわりにフィンを形成した空冷部としたことを１つの特徴としている。
【００１５】
このような構成では、前記１つの特徴のレーザ照射方法を実現するのに、コリメート側および収束側の各集光レンズを共にトーチ本体の鏡筒部で保持して必要な集光作用を発揮させながら、鏡筒部が外まわりにフィンを有していることによる高い空冷作用を前記保持している各集光レンズに及ぼし、それを十分に冷却することができる。
【００１６】
本発明のレーザトーチは、また、光ファイバからの固体レーザ媒質によるレーザ光を導入する導入部と、導入したレーザ光をこのレーザ光に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラーで折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズと、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズとに通して照射口から照射対象物に照射する照射光学系とをトーチ本体に備え、このトーチ本体におけるコリメート側および収束側の各集光レンズの外周を保持した鏡筒部の外まわりに冷却フィンを形成した空冷部とし、照射対象物からの反射光を前記コリメート側および収束側の各集光レンズを共用して前記ミラーを通し結像させモニタに供するモニタカメラを設けたことを別の特徴としている。
【００１７】
このような構成では、ミラーのレーザ光に対する反射特性によって前記レーザトーチの１つの特徴によるレーザ光の透過特性を損なわずに光ファイバからのレーザ光を折り曲げて、照射光軸上に前後に並ぶコリメート側および収束側の２組の集光レンズに通す照射光学系をなし、レーザ光を照射対象物上に集光、照射して加工などに供しながら、照射対象物からの反射光を前記２組の集光レンズを共用して前記ミラーを通し、特別な結像光学系ないしはレンズのない簡単かつ小型な照射光学系のままその外部に結像させ、ミラーの可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画象にて照射状態、加工状態をモニタさせることができる。特に、コリメート側および収束側の２組の集光レンズが前記ミラーの前に集約配置されるので、それを１つの鏡筒により保持して一括に冷却することができる。
【００１８】
コリメート側および収束側の各集光レンズの、トーチ本体の冷却フィンを有した周壁に接触保持される保持幅は、１０ｍｍ以上である、さらなる構成では、
トーチ本体の鏡筒部がそれら２組の集光レンズを保持して冷却するのに、この保持により２組のレンズが鏡筒と接触する保持幅が１０ｍｍ以上であることにより、フィンを持った鏡筒により２組のレンズを空冷するのに十分な熱伝導面積、つまり熱移動面積が確保でき、高出力な長時間照射によっても集光レンズ部での異常な昇温を防止することができる。
【００１９】
冷却フィンを持った鏡筒の周壁は円筒であり、フィンの外径は四角形である、さらなる構成では、
鏡筒の２組の集光レンズを保持する周壁が円筒であると、２組の集光レンズを単純な円形状のまま使用して保持することができるし、この周壁に設けるフィンの外形が四角形であることにより、周壁に対する同心円形状である場合に比しさほどのかさ張りなしに、フィンの周壁からの張り出し面積を大きくして空冷効果を高められる。
【００２０】
接着剤層の厚みは、３０μｍ以下である、さらなる構成では、
集光レンズの接着剤層を含めたレーザ光の反射率を０．０２パーセント以下に抑えられほぼ１００％近い透過率が得られるので、より高い出力のレーザ光の実用に対応することができる。
【００２１】
前記コリメート側集光レンズとモニタカメラとの間にアパーチャを設けた、さらなる構成では、
照射対象物からの反射光の受光域を制限して外乱光や内乱光のモニタカメラ側への影響をさらに抑えてモニタ画像をより鮮明にすることができる。
【００２２】
前記導入部およびモニタカメラは、トーチ本体の後端側の側部に前後して並べ設けてトーチ本体をＬ型形状とし、前記ミラーをモニタカメラ側に通過した反射光を補助ミラーでモニタカメラ側に折り曲げるようにした、さらなる構成では、
補助ミラーを設けるだけで、レーザ光の照射側に対して屈曲したレーザ光の導入部に平行にモニタカメラを設けられるので、トーチ本体がモニタカメラを持ちながらもほぼＬ型をしたさらに小型なものとなる。
【００２３】
補助ミラーは、向き調節部を有して支持した、さらなる構成では、
照射対象物からの反射光のモニタカメラへの結像位置を、補助ミラーの向き調節によって簡単に調節することができ、モニタカメラと照射光学系との間に高い位置精度は要らない。
【００２４】
向き調節部は、補助ミラーをその支持部材に対する３点の支持高さを個別に調整するねじを有している、さらなる構成では、
３点の支持高さをねじ調整するだけで光軸に対しあらゆる方向に煽り調節することができ、照射光学系側とモニタカメラ側とのどのような位置ずれにも対応することができる。
【００２５】
前記ミラーにて照射側に向けるレーザ光の一部透過光を、このレーザ光に対するＨＲコートおよび可視光カットコートを施したフィルタを介し検出してモニタに供するレーザ入力検出部を備えた、さらなる構成では、
導入するレーザ光のミラーに対する少しの透過を図るだけの簡単な構成で、従って、問題になるほどの出力損失を招くようなことなく、レーザ光のレベルをモニタして、その出力状態や光ファイバなどによる伝送状態を判定することができるし、ミラーの前記レーザ光に対する適度な反射特性を持ったＨＲコートによって照射光学系とモニタカメラとの間の内乱光の影響を防止するとともに、前記可視光カットフィルターによって外乱光の影響も防止するので、レーザ光のレベルを精度よく判定されるようにする。
【００２６】
レーザ入力検出部は、フードによって外まわりが覆われている、さらなる構成では、
レーザトーチの外まわりからの外乱光や埃などの影響も防止することができる。
【００２７】
トーチ本体の照射口に設けられ、照射光軸上に位置して照射されるハイブリッドレーザ光を通過させるとともに、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させる先細り形状の中央通路と、この中央通路まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出されるハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりに不活性ガスの膜流を連続噴出させるコーン形状をなした環状通路とを有した同軸の二重ノズルを備えた、さらなる構成では、
レーザ光を照射する中央通路を通じ不活性ガスを先端に向け絞った中央噴流束を形成して連続噴射させるので、レーザ光を照射した照射対象物上の加工位置で万一スパッタ粒子が発生して照射光学系側に及ぼうとしても、それを中央噴流束の流れによって阻止するので光学系側に影響することはない。しかも、中央噴流束はコーン形状をした環状通路から噴出する囲い膜流によってまわりを囲われるので外まわりの空気を巻き込むことなく照射対象物上の照射位置表面に達して照射対象物との間の空気をまわりに排除しながら広がり、しかも、この広がりに伴って生じる前記囲い膜流のまわりへの広がり流によって、中央噴流の広がり域表面をも連続して覆われながら照射対象物側に押し付けられて照射対象物側との間に空気が入り込む余地を無くすので、照射対象物のレーザ光照射による加工部分に酸化や、それによる溶接不良、クラックなどが生じるようなことを確実に防止し、輝き表面も得られる。
【００２８】
この場合、中央通路および環状通路は不活性ガスの供給を受けるために、それらの外回りに設けられて供給される不活性ガスを導入する環状通路と、この環状通路から中央通路および環状通路内に周方向に並んで開口する小径孔とを有した、さらなる構成とすることができる。
【００２９】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のレーザ光照射方法の１つの特徴によれば、固体レーザ媒質によって得られる高い出力のレーザ光であっても、よりエネルギ損なく照射光学系を透過させて加工効率を高められるし、集光レンズの発熱、昇温を空冷により十分に抑えられ、空冷で小型かつ安価なレーザ照射系にてＫＷ級のレーザ光を照射することができ、手作業によるにも、ロボットによる自動作業によるも作業性が向上する。
【００３１】
本発明のレーザ光照射方法別の特徴によれば、前記１つの特徴によるレーザ光の透過特性を損なわずに、特別な結像光学系ないしはレンズのない簡単かつ小型な照射光学系のままで、ミラーの可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画象を得て照射状態、加工状態のモニタに供し、それらの調整や作業停止などの対応ができるようにする。
【００３２】
本発明のレーザトーチの１つの特徴によれば、前記１つの特徴のレーザ照射方法を実現するのに、コリメート側および収束側の各集光レンズを鏡筒部より保持するだけで、必要な集光作用を発揮させながら、フィンを有した高い空冷作用を及ぼして十分に冷却することができる。
【００３３】
本発明のレーザトーチの別の特徴によれば、ミラーのレーザ光に対する反射特性によって前記レーザトーチの１つの特徴によるレーザ光の透過特性を損なわずに、レーザ光を照射対象物上に集光、照射して加工などに供しながら、照射対象物からの反射光を前記２組の集光レンズを共用して特別な結像光学系ないしはレンズのない簡単かつ小型な照射光学系のままその外部に結像させ、ミラーの可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画像にて照射状態、加工状態をモニタさせられるし、コリメート側および収束側の２組の集光レンズの前記ミラー前への集約配置による１つの鏡筒に保持しての一括冷却ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザ光照射方法とそれに用いるレーザトーチにつき、図１〜図５を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００３５】
本実施の形態に係るレーザ照射方法は、図１に示すレーザトーチ１を参照して、光ファイバ２からの固体レーザ媒質３によるレーザ光４を、アクリル系ＵＶ接着剤５にて接着した２枚組のコリメート側集光レンズ６と、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した集光レンズ７とに通して、これらレンズ６、７を空冷しながら照射対象物８に集光、照射し、加工などに供する。これによると、固体レーザ媒質３によって得られる高い出力のレーザ光４であっても、２枚組の集光レンズ６、７の２組を通すだけであるためレーザ光４が通過する接着剤５の層が２ヶ所と少ない上に、接着剤５の層がアクリル系ＵＶ接着剤５であることによりレーザ光４に対する透過性が高くなる。この結果、収束側の集光レンズ７が色無しのアクロマチック処理されたものであるのと相まって、レーザ光４をよりエネルギ損なく透過させて加工効率を高められるし、集光レンズ６、７の発熱、昇温を空冷により十分に抑えられる。もっとも、コリメート側の集光レンズ６もアクロマチック処理したものとすることにより透過率をさらに高められる。
【００３６】
このような方法を達成するのに図１に示すレーザトーチ１は、光ファイバ２からの固体レーザ媒質３によるレーザ光４を導入する導入部１１と、導入したレーザ光４をアクリル系ＵＶ接着剤５にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズ６と、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズ７とに通して照射口１２から照射対象物８に集光、照射する照射光学系１３とをトーチ本体１ａに備え、このトーチ本体１ａにおけるコリメート側の集光レンズ６および収束側の集光レンズ７の外周を保持した鏡筒部１ｂを、外まわりに図１〜図３に示すようなフィン１４ａを形成した空冷部１４としている。これにより、コリメート側および収束側の各集光レンズ６、７を共にトーチ本体１ａの鏡筒部１ｂで保持して必要な集光作用を発揮させながら、鏡筒部１ｂが外まわりにフィン１４ａを有していることによる高い空冷作用を、前記保持している各集光レンズ６、７に及ぼし、それを十分に冷却することができる。鏡筒部１ｂは熱伝導性のよい材料であるのが好ましく、アルミニウムとするのが好適である。
【００３７】
ここで、フィン１４ａを持った鏡筒部１ｂの周壁は図３に示すように円筒であり、フィン１４ａの外径は四角形である。このように、鏡筒部１ｂの２組の集光レンズ６、７を保持する周壁が円筒であると、２組の集光レンズ６、７を単純な円形状のまま使用して保持することができるし、この周壁に設けるフィン１４ａの外形が四角形であると、周壁に対する図３に仮想線で示すような同心円形状である場合に比し、それに外接する四角形としてさほどのかさ張りなしに、フィンの周壁からの張り出し面積が大きくなり、この張り出し面積が大きくなった分だけ空冷効果を高められる。従って、レーザトーチ１まわりの雰囲気との自然な接触による自然な空冷によっても２組の集光レンズ６、７双方の昇温、延いてはレーザトーチ１の全体の昇温を抑えられる。もっとも、加工作業におけるレーザトーチ１の動きは前記レーザトーチ１まわりの雰囲気との間に相対移動を生じさせるので、空冷効果がさらに向上する。
【００３８】
図１に示すレーザ光照射方法の例では、特に、光ファイバ２からの固体レーザ媒質３によるレーザ光４を、このレーザ光４に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラー２１で折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側集光レンズ６と、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側集光レンズ７とを通して、これらレンズ６、７を空冷しながら照射対象物８に集光、照射し、加工などに供するのに併せ、レーザ光４の照射対象物８からの反射光４ａを前記コリメート側および収束側の各集光レンズ６、７を結像レンズに共用して前記ミラー２１を通し結像させモニタに供するようにしている。これにより、ミラー２１のレーザ光４に対する反射特性によって先の例でのレーザ光４の透過特性を損なわずに光ファイバ２からのレーザ光４を折り曲げて、照射光軸２２上に前後に並ぶコリメート側および収束側の２組の集光レンズ６、７に通す照射光学系１３をなし、レーザ光４を照射対象物８上に集光、照射して加工などに供しながら、照射対象物８からの反射光４ａを前記２組の集光レンズ６、７を共用して前記ミラー２１を通し、特別な結像光学系ないしは結像レンズのない簡単かつ小型な照射光学系１３のままその外部に結像させ、ミラー２１の可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画象にて照射状態、加工状態をモニタさせることができる。
【００３９】
このような方法を達成するのに、図１に示すレーザトーチ１は、さらに、光ファイバ２からの固体レーザ媒質によるレーザ光４を導入する導入部１１と、導入したレーザ光４をこのレーザ光４に対するＨＲコートと可視光カットコートを施したミラー２１で折り曲げた後、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組のコリメート側の集光レンズ６と、アクリル系ＵＶ接着剤にて接着した２枚組でアクロマチック処理した収束側の集光レンズ７とに通して照射口１２から照射対象物８に集光、照射する照射光学系１３とをトーチ本体１ａに備え、このトーチ本体１ａにおけるコリメート側および収束側の各集光レンズ６、７の外周を保持した鏡筒部１ｂを、その外まわりに冷却フィン１４ａを形成した空冷部１４とし、照射対象物８からの反射光４ａを前記コリメート側および収束側の各集光レンズ６、７を共用して前記ミラー２１を通し結像させモニタに供するモニタカメラ２３を設けたものとしている。これにより、ミラー２１のレーザ光４に対する反射特性によって先のレーザトーチ１によるレーザ光４の透過特性を損なわずに、光ファイバ２からのレーザ光４を折り曲げて、照射光軸２２上に前後に並ぶコリメート側および収束側の２組の集光レンズ６、７に通す照射光学系１３をなし、レーザ光４を照射対象物８上に集光、照射して加工などに供しながら、照射対象物８からの反射光４ａを前記２組の集光レンズ６、７を共用して前記ミラー２１を通し、特別な結像光学系ないしは結像レンズのない簡単かつ小型な照射光学系１３のままその外部に結像させ、ミラー２１の可視光カット特性上外乱光の影響のないモニタ画象にて照射状態、加工状態をモニタさせることができる。特に、コリメート側および収束側の２組の集光レンズ６、７が図１に示すように前記ミラー２１の前に集約配置されるので、それを１つの鏡筒部１ｂにより保持してレーザトーチ１の限られた１箇所にて一括に冷却することができ、冷却構造が簡略化する。
【００４０】
ここで、コリメート側および収束側の各集光レンズ６、７の、トーチ本体１ａの冷却フィン１４ａを有した周壁に接触保持される保持幅Ｂはいずれも１０ｍｍ以上とする。このようにすると、トーチ本体１ａの鏡筒部１ｂがそれら２組の集光レンズ６、７を保持して冷却するのに、この保持により２組のレンズ６、７が鏡筒部１ｂと接触する保持幅Ｂが１０ｍｍ以上であることにより、フィン１４ａを持った鏡筒部１ｂにより２組のレンズ６、７を空冷するのに十分な熱伝導面積、つまり熱移動面積が確保でき、高出力な長時間照射によっても集光レンズ６、７部での異常な昇温を防止することができる。
【００４１】
また、導入部１１およびモニタカメラ２３は、トーチ本体１ａの後端側の側部に前後して並べ設けてトーチ本体１ａをＬ型形状とし、前記ミラー２１をモニタカメラ２３側に通過した反射光４ａを補助ミラー４１でモニタカメラ２３側に折り曲げるようにしてある。このようにすると、図１に示すように補助ミラー４１を設けるだけで、レーザ光４の照射側に対して屈曲したレーザ光４の導入部に平行にモニタカメラ２３を設けられるので、トーチ本体１ａがモニタカメラ２３を持ちながらもほぼＬ型をしたさらに小型なものとなる。
【００４２】
また、図１に示すように、前記反射光４ａのモニタカメラ２３への結像はアパーチャ３１を介して行うようにしている。これにより、照射対象物８からの反射光４ａの受光域をアパーチャ３１によるアパーチャ径の設定に応じて制限し、外乱光や内乱光がモニタカメラ２３側に影響するのをさらに抑えてモニタ画像をより鮮明にすることができる。
【００４３】
ところで、固体レーザ媒質３は図１に示すようにドライバ２４を介しコントローラ２５によって出力制御するが、前記モニタカメラ２３によるモニタ画像をモニタ２６により外部視認させ、操作パネル２７を通じ出力調整などが行えるようにする。
【００４４】
また、トーチ本体１ａには、ミラー２１にて照射側に向けるレーザ光４の一部透過光４ｂを、このレーザ光４に対するＨＲコートおよび可視光カットコートを施したフィルタ３２、３３を介しフォトダイオード４２ａにより検出して、検出結果をモニタに供するレーザ入力検出部４２を設けてある。これにより、照射対象物８とモニタカメラ２３部との間で生じる内、外乱光がミラー２１を通じレーザ入力検出部４２に及ぶようなことがあっても、前記コートおよびフィルタの組合せによってそれらの影響なく対象レーザ光４だけを受光し、入力レベルの適正な検出が行え、入力状態や光ファイバ２による伝送状態の過不足や良否が判定できる。しかも、導入するレーザ光４のミラー２１に対する１％前後と少しの透過を図るだけの簡単な構成で、従って、問題になるほどの出力損失を招くようなことなく、レベル検出ができ、検出出力Ｓをコントローラ２５に入力して発振器３ａの出力のフィードバック制御や、発振の緊急停止を行ったり、操作パネル２７やモニタ２６などへのメンテ指示などを行うことができる。また、レーザ入力検出部４２は、フード５５によって外まわりを覆っているので、レーザトーチ１の外まわりからの外乱光や埃などの影響も防止することができる。
【００４５】
なお、レーザ光４は、固体レーザ媒質であるＹＡＧ３によるＹＡＧレーザ光としてあり、高出力のレーザ光４を利用しやすく、高出力によっても空冷による昇温防止機能が損なわれない。本出願人は、先に、励起ランプ４３によってＹＡＧ３を励起するのに、励起ランプ４３からの励起光を集光器４４の例えば楕円断面などとした集光反射面により、ＹＡＧ３に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させて励起し、レーザ光４を出射させる技術を開発している。これによりＹＡＧ３はその外径に対する励起域が前記集光径の範囲に制限されて、励起域から外れる外周部層はそこに励起が及ばない分だけ熱歪みが抑えられるし、片側からのアンバランスな励起に起因した反りも緩和でき、１つの励起ランプ４３の片側からの励起によってもＹＡＧ３の寿命は高まり、主として長尺化によるボリュームおよび出力の増大が図れる。
【００４６】
この結果、固体レーザ装置の簡略化、小型化、低コスト化が実現し、併せて、０．６ｍｍ以下の集光を可能とする７ｍｍ以下の外径ｄＹでの実用にも対応できる。しかも、必要な出力が高くなる分だけ励起ランプ４３の駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、スイッチング素子として超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。特に、低電流で大きなパワーが得られるためＩＧＢＴにより電流制御するのにその寿命上従来困難であった１ＫＷでの繰り返し周波数の壁５００ＰＰＳを破り、周波数の上限５００ＰＰＳを超えて７００ＰＰＳ〜１ＫＰＰＳを実現することができる。
【００４７】
本実施の形態のレーザトーチ１は、このような高出力なＹＡＧ３からのレーザ光４を適用しても、接着剤５の層の厚みは３０μｍ以下とすれば、直径５０ｍｍ程度、鏡筒部１ｂへの保持厚が１０ｍｍ程度の集光レンズ６、７における接着剤層を含めたレーザ光の反射率を０．０２パーセント以下に抑えられ、図４に透過実験結果を示しているようにほぼ１００％近い透過率が得られ、冷却は十分であった。例えば、９９％の透過率としても１ＫＷの出力に対してレーザ光４のロスは１Ｗ程度に抑えられ、この分が発熱しても冷却は十分である。しかし、実験レベルでは２０μｍ以下となると集光レンズ６、７の貼り合わせ強度上の問題が生じ始める。また、ＬＤレーザ光に対して透過実験しても図５に示すように１００％近い透過率が得られた。従って、本発明はＬＤレーザ光に対しても対応することができ、各種の固体レーザ媒質によるレーザ光に適用して好適である。なお、前記寸法の集光レンズ６、７は、焦点距離がｆ＝１００ｍｍのレンズ６ａ、７ａとｆ＝６０ｍｍのレンズ６ｂ、７ｂのレンズとの貼り合せにて実現している。また、ミラー２１、補助ミラー４１の照射光軸２２に対する傾斜角度は共に９０°であった。
【００４８】
なお、前記補助ミラー４１は向き調節部５１を有して支持している。これにより、照射対象物８からの反射光４ａのモニタカメラ２３への結像位置を、補助ミラー４１の向き調節によって簡単に調節することができ、モニタカメラ２３と照射光学系１３との間に組み立て上の高い位置精度は要らなくなり、組立てが簡単になる。この向き調節部５１は、特に、補助ミラー４１をその支持部材であるトーチ本体１ａに対する３点の支持高さを個別に調整するねじ５２を有し、調節した支持状体を３本のねじ５３により固定できるようにしている。これにより、３点の支持高さをねじ調整するだけで照射光軸２２に対しあらゆる方向に煽り調節することができ、照射光学系１３側とモニタカメラ２３側とのどのような位置ずれにも対応することができる。ねじ５２は周壁側にねじ合わせて内側へ突出させてあり、ねじ５３によるミラーホルダ５４のトーチ本体１ａの周壁側への引き付けを解除した上で、ねじ５２の内側への突出度をナット５２ａと協働して個々に調節することでミラーホルダ５４に対する３点の支持高さを調節し、調節後にねじ５３によりミラーホルダ５４をねじ５２の各突出位置に対して引き付け固定すれば、補助ミラー４１の向き調節とその調節位置への固定とができる。
【００４９】
さらに、レーザ光４は図１に示すように、供給されるＮ2ガスなどの不活性ガス６１を充満させながら先端に向け絞った中央噴流束６１ａとして連続噴出させている先細り形状の中央通路６２を通じ、照射対象物８に照射するのに併せ、中央通路６２まわりでコーン形状をなした環状通路６３にて供給される不活性ガス６１を、前記照射され、噴出しているレーザ光４および中央噴流束６１ａのまわりを囲う囲い膜流６１ｂを連続噴出させて、加工を行うようにしている。このように、レーザ光４を照射する中央通路６２を通じ不活性ガス６１を先端に向け絞った中央噴流束６１ａを形成して連続噴射させると、レーザ光４を照射した照射対象物８上の加工位置で万一スパッタ粒子が発生して照射光学系１３側に及ぼうとしても、それを中央噴流束６１ａの流れによって阻止するので照射光学系１３側に影響することはない。しかも、中央噴流束６１ａはコーン形状をした環状通路６３から噴出する囲い膜流６１ｂによってまわりを囲われるので外まわりの空気を巻き込むことなく照射対象物８上の照射位置表面に達して照射対象物８との間の空気をまわりに排除しながら広がり、しかも、この広がりに伴って生じる前記囲い膜流６１ｂのまわりへの広がり流によって、中央噴流束６１ａの広がり域表面をも連続して覆われながら照射対象物８側に押し付けられ、照射対象物８である加工物側との間に空気が入り込む余地を無くすので、照射対象物８のレーザ光４の照射による加工部分に酸化や、それによる溶接不良、クラックなどが生じるようなことを確実に防止し、輝き表面が得られる。
【００５０】
このために、図１に示すレーザトーチ１は、トーチ本体１ａの照射口１２に設けられ、照射光軸２２上に位置して照射されるレーザ光４を通過させるとともに、供給される不活性ガス６１を充満させながら先端に向け絞った中央噴流束６１ａとして連続噴出させる先細り形状の中央通路６２と、この中央通路６２まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガス６１を、前記照射され、噴出されるレーザ光４および中央噴流束６１ａの外まわりに不活性ガス６１の前記囲い膜流６１ｂを連続噴出させるコーン形状をなした環状通路６３とを有した同軸の二重ノズル７１を備えたものとしている。
【００５１】
特に、中央通路６２および環状通路６３は不活性ガス６１の供給を受けるために、それらの外まわりに設けられて供給される不活性ガス６１を導入し周方向に充満させる環状通路７２、７３と、この環状通路７２、７３から中央通路６２内へ周方向に並んで開口する小径孔７２ａ、７３ａとを有している。これにより、中央通路６２に供給される不活性ガス６１は、環状通路７２に充満した後、多数の小径孔７２ａを通じて、中央通路６２内にそのまわりから一挙に、むら無く圧入されて充満させながら空気を含まない中央噴流束６１ａとして噴出させる。また、環状通路６３に供給される不活性ガス６１は、環状通路７３に充満した後、多数の小径孔７３ａを通じて環状通路６３内にそのまわりから一挙に、むら無く圧入されて充満させながら空気を含まない囲い膜流６１ｂとしてコーン形状にしたがって収束作用のもと、噴射される中央噴流束６１ａの直ぐ外まわりに噴出させる。これにより、前記照射対象物８上の加工部における溶融金属に対するシールド効果がさらに高められる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は溶接や切断に実用して、空冷で小型なレーザ照射系にてＫＷ級のレーザ光を照射し溶接などの加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザト−チの1つの例を示す断面図。
【図２】図１のトーチの側面図。
【図３】図１のトーチの空冷部の横断面図。
【図４】図１のトーチの集光レンズのＹＡＧレーザ光に対する透過実験結果を示すグラフ。
【図５】図１のトーチの集光レンズのＬＤレーザ光に対する透過実験結果を示すグラフ。
【図６】従来のハンディレーザトーチの例を示す概略図。
【図７】従来のレーザトーチの集光レンズに対するＹＡＧレーザ光に対する透過実験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５４】
１  レーザトーチ
１ａ  トーチ本体
２  光ファイバ
３  固体レーザ媒質（ＹＡＧ）
４  レーザ光
４ａ  反射光
４ｂ  一部透過光
５  接着剤
６、７  コリメート側および収束側の集光レンズ
８  照射対象物
１１  導入部
１２  照射口
１３  照射光学系
１４  空冷部
１４ａ  フィン
２１  ミラー
２２  照射光軸
２３  モニタカメラ
３１  アパーチャ
３２、３３  フィルタ
４１  補助ミラー
４２  レーザ入力検出部
５１  向き調節部
５２  ねじ
５５  フード
６１  不活性ガス
６１ａ  中央噴流束
６１ｂ  囲い膜流
６２  中央通路
６３  環状通路
７２、７３  環状通路
７２ａ、７３ａ  小径孔
【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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