(57)【要約】【課題】一方の光ファイバの出力側端部から出力されるレーザ光を他方の光ファイバの入力側端部のコア部材に集光する光学手段を備えたレーザ伝達装置を提供する。【解決手段】一方の光ファイバ４の出力側端部４ｂとミラー５との間に第１の凸レンズ６ａを、また、ミラー５と他方の光ファイバ４の入力側端部４ｃとの間に第２の凸レンズ６ｂを、それぞれ配置する。該出力側端部４ｂより拡散しつつ出力されるレーザ光Ｌ１は、第１のレンズ６ａにより平行なレーザ光Ｌ２に生成され、ミラー５に反射された該平行なレーザ光Ｌ２は、第２のレンズ６ｂにより集光されたレーザ光Ｌ３となり、入力側端部４ｃのコア部材４ａに入力される。これにより、レーザ光の伝達効率が向上する。【選択図】  図２
2004202555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を伝達し得るコア部材を有する複数本の光ファイバと、該光ファイバ間に設けられ、一方の光ファイバの出力側端部から出力されたレーザ光を異なる角度に反射して他方の光ファイバの入力側端部に導き得る反射手段と、を備え、前記レーザ光を発振自在なレーザ発振装置から、前記レーザ光を照射自在な照射装置に、前記レーザ光を伝達し得るレーザ伝達装置において、前記出力側端部と前記入力側端部との間に、前記出力側端部から出力される前記レーザ光を前記入力側端部のコア部材に集光する光学手段を備えた、
ことを特徴とするレーザ伝達装置。
【請求項２】
前記光学手段は、
前記出力側端部と前記反射手段との間に設けられ、前記出力側端部から出力される前記レーザ光を平行光にして前記反射手段に出力する第１レンズと、
前記反射手段と前記入力側端部との間に設けられ、前記反射手段により反射された前記平行光のレーザ光を前記入力側端部のコア部材に集光する第２レンズと、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ伝達装置。
【請求項３】
前記レーザ発振装置は、レーザ光を発振自在な複数の発振口を有する半導体レーザ基板が複数枚積層された半導体レーザユニットを有する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ伝達装置。
【請求項４】
前記レーザ発振装置と、
前記請求項１ないし３のいずれか記載のレーザ伝達装置と、
前記レーザ伝達装置を介して伝達されたレーザ光を入力し、該レーザ光を被加工体に照射する照射装置と、を備え、
前記被加工体にレーザ加工を行い得る、
ことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を発振するレーザ発振装置から複数本の光ファイバを介してレーザ光を被照射体に照射する照射装置までレーザ光を伝達するレーザ伝達装置に係り、詳しくは、一方の光ファイバの出力側端部から出力されたレーザ光を他方の光ファイバの入力側端部のコア部材に集光することが可能なレーザ伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体レーザ光は、空気中を伝達されると減衰してしまい、伝達効率が悪くなることが知られている。そのため、そのようなレーザ光を効率良く伝達するために、光ファイバを介して伝達することが行われている（例えば、特許文献１参照）。その光ファイバは、中心から外周側へ順にコア部材、クラッド、吸収体により構成されており、レーザ光を伝達する際は、コア部材とクラッドとの境界面に反射される形で該コア部材内を伝達されていく。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１１９１０１号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところでレーザ光は、その性質上、例えば光ファイバを所定角度（例えば８度）以上に湾曲させると、上記光ファイバ内の境界面で反射されない場合が生じ、つまりレーザ光が光ファイバより漏れてしまうことがある。また、例えばレーザ加工を行う工作機械などにおいて、光ファイバを湾曲させずにレーザ光を伝達する伝達経路を設計することは、装置の肥大化などを招いてしまい、実用性に欠けてしまう。
【０００４】
そこで本出願人は、図５に示すように例えば工作機械１０’において、レーザ発振装置２で発振されたレーザ光を照射装置３まで伝達するレーザ伝達装置１’を、複数の光ファイバ４の間にミラー５を配置して構成し、それら光ファイバ４を直線的にするものでありながら、伝達経路の設計をある程度自由にすることを可能とするものを案出した。なお、図５は従来のレーザ伝達装置１’を示す模式図であり、図中符号３ａはレーザトーチ、符号２０は加工されるべきワークである。
【０００５】
しかしながら、上述したように光ファイバにより伝達されるレーザ光は、コア部材とクラッドとの境界面に反射される形で該コア部材内を伝達されるため、該コア部材内において、レーザ光は反射角を有している。このため、光ファイバから出力される際には、図６中破線で示すようにレーザ光が、図中一点鎖線で示すコア部材４ａより拡散する形で出力されてしまい、ミラー５で反射されたレーザ光の全てが次の光ファイバ４のコア部材４ａに入らず、これにより、レーザ光の伝達効率が下がってしまうという問題があった。なお、図６は図５の破線部分Ｂを示す拡大図である。
【０００６】
そこで本発明は、一方の光ファイバの出力側端部から出力されるレーザ光を他方の光ファイバの入力側端部のコア部材に集光する光学手段を備え、もって上記課題を解決するレーザ伝達装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、レーザ光を伝達し得るコア部材（４ａ）を有する複数本の光ファイバ（４）と、該光ファイバ（４）間に設けられ、一方の光ファイバ（４）の出力側端部（４ｂ）から出力されたレーザ光を異なる角度に反射して他方の光ファイバ（４）の入力側端部（４ｃ）に導き得る反射手段（５）と、を備え、前記レーザ光を発振自在なレーザ発振装置（２）から、前記レーザ光を照射自在な照射装置（３）に、前記レーザ光を伝達し得るレーザ伝達装置（１）において、
前記出力側端部（４ｂ）と前記入力側端部（４ｃ）との間に、前記出力側端部（４ｂ）から出力される前記レーザ光を前記入力側端部（４ｃ）のコア部材（４ａ）に集光する光学手段（６ａ，６ｂ）を備えた、
ことを特徴とするレーザ伝達装置（１）にある。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記光学手段は、
前記出力側端部（４ｂ）と前記反射手段（５）との間に設けられ、前記出力側端部（４ｂ）から出力される前記レーザ光を平行光にして前記反射手段（５）に出力する第１レンズ（６ａ）と、
前記反射手段（５）と前記入力側端部（４ｃ）との間に設けられ、前記反射手段（５）により反射された前記平行光のレーザ光を前記入力側端部（４ｃ）のコア部材（４ａ）に集光する第２レンズ（６ｂ）と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ伝達装置（１）にある。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記レーザ発振装置（２）は、レーザ光を発振自在な複数の発振口（２５）を有する半導体レーザ基板（２１）が複数枚積層された半導体レーザユニット（２６）を有する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ伝達装置（１）にある。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記レーザ発振装置（２）と、
前記請求項１ないし３のいずれか記載のレーザ伝達装置（１）と、
前記レーザ伝達装置（１）を介して伝達されたレーザ光を入力し、該レーザ光を被加工体（２０）に照射する照射装置（３）と、を備え、
前記被加工体（２０）にレーザ加工を行い得る、
ことを特徴とする工作機械（１０）にある。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によると、一方の光ファイバ（４）の出力側端部（４ｂ）と他方の光ファイバ（４）の入力側端部（４ｃ）との間に、該出力側端部（４ｂ）から出力されるレーザ光を該入力側端部（４ｃ）のコア部材（４ａ）に集光する光学手段（６ａ，６ｂ）を備えているので、伝達経路の設計に自由度を持たせることを可能とするものでありながら、レーザ光の伝達効率を向上することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によると、光学手段が出力側端部（４ｂ）から出力されるレーザ光を平行光にして反射手段（５）に出力する第１レンズ（６ａ）と、反射手段（５）により反射された平行光のレーザ光を入力側端部（４ｃ）のコア部材（４ａ）に集光する第２レンズ（６ｂ）とを有して構成されているので、簡単な形状のレンズで構成することができ、安価なものにすることができるものでありながら、出力側端部（４ｂ）と反射手段（５）との距離、及び反射手段（５）と入力側端部（４ｃ）との距離を、高精度に配置することなく、それらの配置を比較的自由にすることができ、実用性の高いものにすることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明によると、レーザ発振装置（２）は、レーザ光を発振自在な複数の発振口（２５）を有する半導体レーザ基板（２１）が複数枚積層された半導体レーザユニット（２６）を有して、いわゆる半導体レーザを発振するので、減衰等の問題から特にそのレーザ光を直線的な光ファイバ（４）を介して伝達する必要性が生じるが、上記光学手段（６ａ，６ｂ）を備えているので、伝達経路の設計に自由度を持たせることを可能とするものでありながら、レーザ光の伝達効率を向上することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明によると、伝達経路の設計に自由度を持たせ、かつレーザ光の伝達効率を向上することが可能な工作機械（１０）を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図に沿って説明する。図１は本発明に係るレーザ伝達装置を示す模式図、図２は図１の破線部分Ａを示す拡大図、図３は半導体レーザ基板とレーザ光の波形を示す図で、（ａ）は半導体レーザ基板の斜視図、（ｂ）はｘ方向におけるレーザ光の波形図、（ｃ）はｙ方向におけるレーザ光の波形図、図４はレーザ発振装置を示す斜視模式図である。
【００１６】
まず、半導体レーザ基板についてと半導体レーザの性質について図３に沿って説明する。一般に、例えばレーザ光により鉄鋼などの表面を焼き入れ加工するためには、例えば波長が約０．８μｍであるレーザ光を用いると良いことが知られており、このような波長のレーザ光は、半導体（ＬＥＤ）により発振されるレーザ光（以下、「半導体レーザ」とする）によって得られることも知られている。
【００１７】
図３（ａ）に示すように、半導体レーザ基板２１は、ｐ型層２２とｎ型層２３との間に活性層２４が介在する形でｐｎ接合されており、半導体レーザ基板２１の活性層２４の一側面には、ｐ型層２２とｎ型層２３との電圧に基づきレーザ光を発振自在な例えば４０ヶ所の発振口２５がｘ方向上に並列されて設けられている。なお、ｐ型層２２とｎ型層２３とは逆の位置関係であってもよい。
【００１８】
例えば不図示の電極を介してｐ型層２２とｎ型層２３とに電圧を与えると、図中破線で示すようなレーザ光がそれぞれの発振口２５よりｚ方向に発振される。このレーザ光は、図３（ｃ）に示すように、ｐｎ接合をなす面の方向に対して垂直方向であるｙ方向には比較的幅の狭い波形であるが、図３（ｂ）に示すように、ｐｎ接合をなす面の方向であるｘ方向には比較的幅の広い波形である。即ち、半導体レーザは、波形に基づいて拡散するため、ｙ方向に対しては比較的集束し易く（即ち、第１の方向である集束方向）、ｘ方向には比較的拡散し易い（即ち、第２の方向である拡散方向）という性質を有している。
【００１９】
ついで、レーザ発振装置について図４に沿って説明する。上述した半導体レーザは、個々のレーザ光の出力が小さいため（例えば１ｗ程度）、図４に示すように、レーザ発振装置２には、例えば４０本のレーザ光を発振し得る発振口２５を有する半導体レーザ基板２１を例えば２５段積層してユニット２６（以下、「半導体レーザユニット」とする）を構成し、該半導体レーザユニット２６から多数のレーザ光を同時に発振して、それらを集光することによって、例えば上述したような焼き入れなどに必要な出力（例えば１ｗ×４０本×２５段＝１０００ｗ）を得ている。また、更に大きな出力が必要な場合には、上述のような半導体レーザユニット２６を必要な出力に応じて複数台用いている。なお、１つの半導体レーザ基板２１が有する発振口の数（例えば４０個）や、半導体レーザ基板２１を積層する段数（例えば２５段）などは一例であって、これに限るものではない。
【００２０】
また、上記半導体レーザユニット２６のレーザ光を発振する側には、レンズユニット３０が配置されており、該レンズユニット３０は、平行光生成レンズ３１と、ｙ方向集光レンズ３２と、ｘ方向集光レンズ３３とを有して構成されている。平行光生成レンズ３１は、それぞれが１つの半導体レーザ基板２１の発振口２５に対向する形で、即ち２５段に積層された各半導体レーザ基板２１に対向して配置されている。また、ｙ方向集光レンズ３２は、全ての平行光生成レンズ３１に対向するように配置され、更に、ｘ方向集光レンズ３３は、該ｙ方向集光レンズ３２に対向するように配置されている。なお、このｙ方向集光レンズ３２とｘ方向集光レンズ３３との位置関係は、反対であっても良い。
【００２１】
そして、半導体レーザユニット２６の各発振口２５からレーザ光が発振されると、各平行光生成レンズ３１によりレーザ光をｙ方向に対して平行なレーザ光にし、ｙ方向集光レンズ３２により平行にされたレーザ光をｙ方向に対して集光し、更にｘ方向集光レンズ３３によりレーザ光をｘ方向に対して集光する。これにより、レーザ光はｙ方向、及びｘ方向に集光されて光ファイバ４に入力される。なお、レーザ光は、光ファイバ４のコア部材内において乱反射した形で伝達されるので、上述のようにｘ方向とｙ方向とに異なって拡散するものが均一化されて、光ファイバ４から出力される際には、進行方向に対して略円形に拡散するレーザ光となる。
【００２２】
つづいて、工作機械１０について図１に沿って説明する。図１に示すように、工作機械１０には、半導体レーザユニット２６とレンズユニット３０とを本体ケース２ｂ内に有しているレーザ発振装置３０が備えられており、また、該工作機械４０には、レーザ光をレーザトーチ３ａよりワーク（被加工物）２０に照射するためのレーザ照射装置３が備えられている。そして、レーザ発振装置２と照射装置３との間には、レーザ光をレーザ発振装置２から照射装置３まで伝達するレーザ伝達装置１が備えられている。
【００２３】
レーザ発振装置２よりレーザ光が発振されると、レーザ伝達装置１を介して照射装置３に該レーザ光が伝達され、更にレーザトーチ３ａ内にある不図示のレンズなどによってワーク２０に対するレーザ光の焦点を合わせる形で、該照射装置３のレーザトーチ３ａからワーク２０に対してレーザ光が照射される。そして、該ワーク２０を例えば矢印Ｃ方向に所定速度で回転させると、該ワーク２０の表面に一様にレーザ光が照射され、例えばワーク２０が鉄鋼である場合には、該ワーク２０の表面から１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの部分が焼入れされる。
【００２４】
なお、勿論であるが、ワーク２０を自在に移動することで、所望の部分に対する焼入れが自在に可能である。また、レーザトーチ３ａを移動自在、或いは回動自在に設けることで、ワーク２０の所望の部分に対する焼入れが自在に可能である。また、図１に示す工作機械１０は、レーザ光の伝達経路を説明するためのものであり、説明の便宜上、例えば移動台やその駆動装置など、その他の部分を省略して示したものである。
【００２５】
ついで、本発明の要部となるレーザ伝達装置１について図１及び図２に沿って詳細に説明する。レーザ伝達装置１は、図１に示すように、上記レーザ発振装置３０の本体ケース２ｂの側面に有する孔２ａを貫通して設けられたものも含め、コア部材４ａ（図２参照）を介してレーザ光を伝達するための複数の光ファイバ４を各々が直線的に配置された形で有しており、それら光ファイバ４同士の間には、ミラー（反射手段）５がそれぞれ配置されている。即ち、上述したように光ファイバ４を所定角度（例えば８度）以上湾曲させると、レーザ光が該光ファイバ４より外部に漏れてしまうため、ミラー５により２つの光ファイバ４の角度を変更することで、レーザ光の伝達経路の設計を自由にすることを可能にしている。
【００２６】
そして、図１及び図２に示すように、レーザ光を出力する方の光ファイバ４の端部（以下、「出力側端部」とする）４ｂとミラー５との間には、例えば正面視円形状の第１の凸レンズ（光学手段、第１レンズ）６ａが配置されており、更に、ミラー５とレーザ光を入力する方の光ファイバ４の端部（以下、「入力側端部」とする）４ｃとの間には、例えば同様に正面視円形状の第２の凸レンズ（光学手段、第２レンズ）６ｂが配置されている。
【００２７】
上記レーザ発振装置２よりレーザ光が発振され、光ファイバ４のコア部材４ａを介して伝達されてきたレーザ光は、出力側端部４ｂより出力されると、拡散するレーザ光Ｌ１となって出力される。該拡散するレーザ光Ｌ１は、第１の凸レンズ６ａの屈折により平行なレーザ光Ｌ２に生成され、該平行なレーザ光Ｌ２はミラー５によって所定角度に反射される。なお、このミラー５の反射角度は、伝達経路の設計に応じて自由に決めることができる。なお、本明細書中において、平行とは略々平行なものをいい、厳密に平行なものを指すものではない。
【００２８】
ミラー５により反射された平行なレーザ光Ｌ２は、第２のレンズ６ｂの屈折により、少なくともコア部材４ａの直径よりも小さくなるように集光され、入力側端部４ｃのコア部材４ａに入力される。これにより、一方の光ファイバ４のコア部材４ａから拡散して出力されるレーザ光が、他方の光ファイバ４のコア部材４ｃに集光して入力することが可能となる。また、出力用端部４ｂと第１のレンズ６ａとの距離や位置関係、及び第２の凸レンズ６ｂと入力側端部４ｃとの距離や位置関係は、それら第１及び第２の凸レンズ６ａ，６ｂの形状や屈折率に応じて正確に固定することが好ましいが、第１の凸レンズ６ａとミラー５との距離、及びミラー５と第２の凸レンズ６ｂとの距離は、レーザ光が平行であるため、高精度の位置関係が必要になることはなく、それらの配置を比較的自由にすることが可能である。
【００２９】
以上のように、本発明に係るレーザ伝達装置１によると、一方の光ファイバ４の出力側端部４ｂと他方の光ファイバ４の入力側端部４ｃとの間に、該出力側端部４ｂから出力されるレーザ光を該入力側端部４ｃのコア部材４ａに集光する第１及び第２の凸レンズ６ａ，６ｂを備えているので、伝達経路の設計に自由度を持たせることを可能とするものでありながら、レーザ光の伝達効率を向上することができる。
【００３０】
また、出力側端部４ｂから出力されるレーザ光を平行光にしてミラー５に出力する第１の凸レンズ６ａと、ミラー５により反射された平行光のレーザ光を入力側端部４ｃのコア部材４ａに集光する第２の凸レンズ６ｂとを有して構成されているので、簡単な形状のレンズで構成することができ、安価なものにすることができるものでありながら、出力側端部４ｂとミラー５との距離、及びミラー５と入力側端部４ｃとの距離を、高精度に配置することなく、それらの配置を比較的自由にすることができ、実用性の高いものにすることができる。
【００３１】
更に、レーザ発振装置２は、半導体レーザユニット２６を有して、いわゆる半導体レーザを発振するので、減衰等の問題から特にレーザ光を直線的な光ファイバ４を介して伝達する必要性が生じるが、上記第１及び第２の凸レンズ６ａ，６ｂを備えているので、伝達経路の設計に自由度を持たせることを可能とするものでありながら、レーザ光の伝達効率を向上することができる。
【００３２】
また、以上に説明したレーザ伝達装置１を備えることにより、伝達経路の設計に自由度を持たせ、かつレーザ光の伝達効率を向上することが可能な工作機械１０を提供することができる。
【００３３】
なお、以上の本発明に係る実施の形態において、レーザ伝達装置１を半導体レーザを伝達するものとして説明したが、これに限らず、どのようなレーザ光を伝達するものであってもよい。
【００３４】
また、本実施の形態においては、第１の凸レンズ６ａでレーザ光を平行にし、第１の凸レンズ６ｂでレーザ光を集光するものについて説明したが、これに限らず、出力側端部４ｂとミラー５との間、又はミラー５と入力側端部４ｃとの間に配置された１つのレンズによって、拡散するレーザ光を入力側端部４ｃのコア部材４ａに集光するものであってもよい。
【００３５】
また、本実施の形態において、レーザ発振装置２のレンズユニット３０は、平行光生成レンズ３１とｙ方向集光レンズ３２とｘ方向集光レンズ３３とにより構成されたものを一例として説明したが、これに限らず、半導体レーザユニット２６からのレーザ光を光ファイバ４に集光して入力できるものであれば、どのようなものであってもよい。
【００３６】
また、本実施の形態において、レーザ伝達装置１を介して伝達される半導体レーザを用いてワーク２０の表面に焼入れ加工を行う工作機械１０を一例に説明したが、これに限らず、半導体レーザを用いて、例えばワークに切断加工、溶接加工等を行うような工作機械であってもよく、更に例えばＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ等を用いてワークに焼入れ加工、切断加工、溶接加工等を行うような工作機械であってもよく、つまりレーザ光をレーザ伝達装置１を介して伝達し、ワークにレーザ加工を行い得る工作機械であればどのようなものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ伝達装置を示す模式図である。
【図２】図１の破線部分Ａを示す拡大図である。
【図３】半導体レーザ基板とレーザ光の波形を示す図で、（ａ）は半導体レーザ基板の斜視図、（ｂ）はｘ方向におけるレーザ光の波形図、（ｃ）はｙ方向におけるレーザ光の波形図である。
【図４】レーザ発振装置を示す斜視模式図である。
【図５】従来のレーザ伝達装置を示す模式図である。
【図６】図５の破線部分Ｂを示す拡大図である。
【符号の説明】
１……レーザ伝達装置
２……レーザ発振装置
３……照射装置
４……光ファイバ
４ａ……コア部材
４ｂ……出力側端部
４ｃ……入力側端部
５……反射手段（ミラー）
６ａ……光学手段、第１レンズ（第１の凸レンズ）
６ｂ……光学手段、第２レンズ（第２の凸レンズ）
１０……工作機械
２０……被加工体（ワーク）
２１……半導体レーザ基板
２５……発振口
２６……半導体レーザユニット
【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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