(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、レーザを射出するレーザ射出光ファイバと、該レーザ射出光ファイバ終端にレーザ伝搬可能に取り付けられる複数のアダプタと、該アダプタを介して放射されるレーザ光を収束させる集光光学系からなり、前記複数のアダプタはそれぞれ異なるコア径を有する調整用光ファイバを仕込んであり、前記レーザ射出光ファイバに異なるアダプタを取り付けることによりレーザビームのスポット形状を変更することを特徴とするレーザスポット調整装置。
【請求項２】
光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、レーザを射出するレーザ射出光ファイバと、それぞれ異なるコア径を有する複数の調整用光ファイバを回転軸を中心とする円上に配置して前記レーザ射出光ファイバ終端に当接する調整用光ファイバを回転により切り替えることができるタレットと、該タレットの調整用光ファイバから放射されるレーザ光を収束させる集光光学系からなり、前記タレットを回転させてレーザコア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることによりレーザビームのスポット形状を変更することを特徴とするレーザスポット調整装置。
【請求項３】
光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、レーザを射出するレーザ射出光ファイバと、それぞれ異なるコア径を有する複数の調整用光ファイバを直線的に配置して前記レーザ射出光ファイバの終端に当接する調整用光ファイバを切り替えることができるスライダと、該スライダの調整用光ファイバから放射されるレーザ光を収束させる集光光学系からなり、前記スライダを横動させてファイバコア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることによりレーザビームのスポット形状を変更することを特徴とするレーザスポット調整装置。
【請求項４】
前記レーザ射出光ファイバがレーザファイバであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザスポット調整装置。
【請求項５】
前記レーザ加工装置が導光用光ファイバを用いるものであって、レーザ光源を備え、該レーザ射出光ファイバがレーザ光源からレーザを導くことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザスポット調整装置。
【請求項６】
前記アダプタ、タレットまたはスライダの調整用光ファイバ終端と前記集光光学系が所定の距離を保持するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザスポット調整装置。
【請求項７】
前記レーザ射出光ファイバ終端部と前記アダプタ、タレットまたはスライダの先端部とが案内溝に案内されて互いに密接に嵌合するようになっていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザスポット調整装置。
【請求項８】
光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、レーザ射出光ファイバの終端部に別の調整用光ファイバを延長取付けできるようにして、コア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることにより、前記レーザ射出光ファイバから放射されて集光光学系により収束するレーザビームのスポットサイズおよびビーム形状を変更することを特徴とするレーザスポット調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置に用いられるレーザスポット調整装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファイバ導光式レーザ加工は、レーザ発振器からのＹＡＧレーザ、ヨウ素レーザなど、レーザビームを光ファイバを用いて加工点まで導き、レンズや放物面鏡などの光学系によって集光して高いエネルギー密度を生じさせて、そこに設置した加工体と光エネルギーの相互作用により熱加工を行うものである。
また、ファイバレーザを用いたレーザ加工では、ファイバそのものから放出するレーザ光を使用して加工する。
これら、光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工は、レーザ導光路が柔軟性に富んでいるため、加工点を自由に移動させることができる利点がある。
また、加工材料、レーザ光波長、光エネルギー密度、照射時間、雰囲気、レーザビーム形状などの選択により、溶接、切断、穿孔、アニーリングなど各種の加工を行うことができる。
【０００３】
これら加工において良質な結果を得るためには、レーザビームの焦点位置、焦点位置におけるスポット形状、加工点付近におけるレーザビーム形状などの影響を考慮に入れてそれぞれに適した処理を行う必要がある。
たとえばレーザ切断では、板厚２０ｍｍ程度までは窒素ガス雰囲気中で切断するＮ2切断が用いられるが、この時は熱の蓄積がないので小さいレーザスポットを用いてきれいな切断面を形成させることができる。一方板厚が３０ｍｍ程度以上になると酸素雰囲気中で燃焼させながら切断するＯ2切断が用いられる。Ｏ2切断ではレーザは燃焼を継続するためのエネルギーとして供給されるものであるから、ドロスを吹き飛ばしながら大きなスポットで処理することが好ましい。
また溶接ではさらに大きなスポットサイズで処理する方が有利である。
【０００４】
従来は、必要にしたがってレーザビームのスポットサイズを調整するときには、図６（ａ）に示すように、スポットサイズが焦点で最も小さく焦点を挟んで段々大きくなることを利用して、焦点外し量を適当に選ぶことによりスポットサイズを調整していた。あるいは、図６（ｂ）に示すように、焦点距離または横倍率が異なる集束レンズに取り替えることによりスポットサイズを変更していた。
【０００５】
図７は焦点外しとパワー密度の関係およびその時の穿孔断面の様子を例示した図面である。パワー密度は焦点位置で最も高く、焦点からずれる量にしたがって低くなる。また、ある条件下でＹＡＧレーザを用いてルビーに孔開け試験したときの焦点外し量に対応する穿孔後の孔形状をグラフの下に表示したが、焦点から０．１ないし０．２ｍｍ程ずれた位置ｄで加工したときに同じ直径でストレートに貫通した最も好ましい形状が得られた。
このように、焦点外しはパワー密度を調整するために行うだけでなく、作用点付近におけるレーザビームの形状を整えて孔形状を調整するためにも行うことが必要であることが分かる。
【０００６】
また、図８に、焦点距離の違うレンズを使用したときに穴の深さや形状が変化する様子を示した。焦点距離が１５、２０、３０、４０ｍｍの集光レンズを用いて、ビーム径５ｍｍのルビーレーザを収束してサファイアに穴を開けた結果である。図には照射回数が２、５、１５回のときについて孔の断面を示した。図から分かるように、焦点距離が変われば形成される穿孔の形状が変化する。
【０００７】
しかし、加工条件の変化に伴って焦点外しを行うにしても、倍率の異なる集光レンズと入れ替えるにしても、レーザ加工装置と被加工材料の最適距離が変わるため、光学系を含めた位置調整を改めて行う必要がある。このため、レーザ加工装置は精密な位置調整を容易に行えるような高価な精密位置調整機構を付属させなければならなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、加工条件に応じてレーザビーム形状を変えるときにも作業点が変化しないようにしたレーザスポット調整を可能にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置用レーザスポット調整装置は、レーザを射出するレーザ射出光ファイバと、レーザ射出光ファイバの終端にレーザ伝搬可能に取り付けられる複数のアダプタと、このアダプタを介して放射されるレーザ光を収束させる集光光学系からなる。そしてアダプタにはそれぞれ異なるコア径を有する調整用光ファイバを仕込んであり、レーザ射出光ファイバに異なるアダプタを取り付けることによりレーザビームのスポット形状を変更することを特徴とする。
【００１０】
横倍率ｍの集光光学系の焦点におけるレーザスポットの径Ｄは、光ファイバの出力端子部分におけるコア径ｄに比例してＤ＝ｍ・ｄとなるので、本発明のレーザスポット調整装置を用いて適当なコア径を有する光ファイバを仕込んだアダプタに取り替えれば所望のスポットサイズのレーザビームを得ることができる。
【００１１】
このとき、集光光学系を変更するわけではないので、焦点距離や加工点までの距離は変わらない。したがって、一旦正確に位置決めすれば条件変更の度に位置調整を仕直す必要がない。
なお、集光光学系として集光レンズを用いても反射鏡を用いても同じである。また、本発明において使用するレーザは、ＹＡＧレーザ、ヨウ素レーザなど光ファイバ伝送に適した高出力レーザが好ましい。また、ＣＯ2レーザも低出力であれば適用可能である。なお、光ファイバをレーザ媒体とするファイバレーザを使用しても良い。
【００１２】
なお、上記アダプタに代えて、それぞれ異なるコア径を有する複数の調整用光ファイバを回転軸を中心とする円上に配置してレーザ射出光ファイバの終端に当接する調整用光ファイバを回転により切り替えることができるタレットを用いることもできる。このタレットを回転させてファイバコア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることにより、簡単かつ正確にレーザビームのスポット形状を変更することができる。また、装置の自動化も容易である。
【００１３】
さらに、上記アダプタに代えて、それぞれ異なるコア径を有する複数の調整用光ファイバを直線的に配置してレーザ射出光ファイバ終端に当接する調整用光ファイバを切り替えることができるスライダを用いても良い。このスライダを横動させてレーザコア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることによりレーザビームのスポット形状を変更することができる。スライダ方式も、装置の自動化が容易である。
【００１４】
なお、レーザ射出光ファイバは、レーザ活性物質を含むレーザファイバであっても、別に備えたレーザ光源からレーザを導く導光用光ファイバであってもよい。ここで、レーザファイバとは、レーザ活性物質を含み励起光を注入することによりレーザ発光するものをいい、自身の発光レーザを利用するものであっても、また入射光を増幅して利用するものであってもよい。
また、アダプタ、タレットまたはスライダの調整用光ファイバ終端と集光光学系が所定の距離を保持するように構成されることが好ましい。これにより、一旦精密に位置調整した後では加工条件の変化があっても調整作業をしなくても良くなる利点がある。
さらに、レーザ射出光ファイバ終端部とアダプタ、タレットまたはスライダの先端部とが案内溝に案内されて互いに密接に嵌合するようになっていることが好ましい。この構成によりレーザ射出光ファイバとアダプタ等に仕込まれた光ファイバとの光学的接触を確保して光エネルギの伝達ロスを抑制することができる。
【００１５】
また、上記課題を解決するため、本発明のレーザスポット調整方法は、光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、レーザ射出光ファイバ終端部に別の調整用光ファイバを延長取付けできるようにして、コア径の異なる調整用光ファイバと入れ替えることにより、レーザ射出光ファイバから放射されて集光光学系により収束するレーザビームのスポットサイズおよびビーム形状を変更することを特徴とする。
本発明のレーザスポット調整方法により、光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置において、一旦調整した焦点距離や加工点までの距離を変えずに所望のスポットサイズおよびビーム形状のレーザビームを得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の光ファイバを利用したレーザ加工装置用レーザスポット調整装置の１実施例を表す側面図、図２は本実施例に用いる調整用光ファイバ接続用案内部を表す断面図、図３は本発明第２の実施例におけるタレット部分を示す斜視図、図４は本発明第３の実施例におけるスライダ部分を示す斜視図、図５はスライダの別の態様を示す斜視図である。
【００１７】
【実施例１】
図１と図２を参照して本発明の第１実施例について説明する。本実施例の光ファイバから射出されるレーザを利用したレーザ加工装置用レーザスポット調整装置は、光ファイバケーブル１とアダプタ３と集光レンズ２とからなる。
【００１８】
光ファイバケーブル１はコアにレーザ活性物質を含ませたレーザファイバ１１もしくは図外のレーザ光源からレーザ光を導いてくる光ファイバ１１を内蔵していて端面からレーザ光を射出する。アダプタ３は必要とされる種類だけ用意されていて、それぞれ異なるコア径ｄを有する調整用光ファイバが芯に仕込んである。光ファイバケーブル１とアダプタ３の光ファイバのコア同士は光学的に密着するため、光ファイバケーブル１から放射されたレーザ光は極めて小さいエネルギ伝搬ロスでアダプタ３の光ファイバに伝達される。アダプタ３の調整用光ファイバ終端におけるコアから放射されるレーザ光は集光レンズ２により収束して、所定の位置で集光レンズ２の横倍率ｍとアダプタ３のコア径ｄに従って径Ｄ＝ｍ・ｄの大きさのレーザビームスポットを形成する。
【００１９】
アダプタ３はコア径に基づいて加工条件に従って選択され、交換される。図１（ａ）に示すように、アダプタ３内の調整用光ファイバ３１中のコア径ｄ１が、光ファイバケーブル１のレーザ射出光ファイバ１１のコア径ｄ０と同じ径であれば、光ファイバケーブル１の先端に光学系を設置したと同じで、従来のファイバ導光式あるいはレーザファイバ式レーザ加工装置と変わらない。例えば、この状態で光ファイバと光学系の配置や加工材料の据え置き位置などを調整して、適当な加工性能が得られるようにすることができる。焦点外し量なども適当に設定して加工形態を所望通りに決定する。
【００２０】
ここで、加工対象が変わって、レーザビームスポットをより大きくする必要が生じたとすると、アダプタ３を取り替えて図１（ｂ）にあるように大きなコア径ｄ２を有する光ファイバ３２が仕込まれたものにする。集光レンズ２は同じもので、アダプタ３の終端面から集光レンズ２間での距離は変わらないから、図１（ａ）で示したと同じ位置に光ファイバのコア径に比例して大きくなった径Ｄ２＝ｍ・ｄ２を有するビームスポットが形成される。ビーム形状も径が大きくなる以外はほぼ変化しない。
したがって、先に調整により決定した加工位置に被加工材を据えれば、再度位置調整することなく目的とする加工ができる。
【００２１】
また、レーザビームスポットをより小さくしたいときには、図１（ｃ）にあるように先端が小さなコア径ｄ３になった調整用光ファイバ３３が仕込まれたアダプタ３に交換する。すると、図１（ａ）で示したと同じ位置に小さな径Ｄ３＝ｍ・ｄ３を有するビームスポットが形成される。ビーム形状もほぼ変化しないから、先に決定した加工位置に被加工材を据えれば、そのまま目的とする加工ができる。
なお、調整用光ファイバ３３は、光ファイバケーブル１が伝送してくるレーザエネルギを効率よく受光するため光ファイバケーブル１との接続位置では光ファイバケーブル１のコア径ｄ０と同じか、より大きな径ｄ４のコアを持つことが好ましい。
【００２２】
アダプタ３と光ファイバケーブル１の接合は、容易に切り離しができかつ光学的密着ができるものであることが好ましい。
このため、図２に示すように、光ファイバケーブル１の先端にテーパを持った凸部１２を形成し、アダプタ３の受け側にそのテーパに適合するテーパを持った凹部３６を備える。光ファイバケーブル１の凸部１２はレーザ射出光ファイバ１１と同軸に形成され、同様にアダプタ３の凹部３６は光ファイバ３５と同軸に形成されていて、両テーパが係合するとレーザ射出光ファイバと調整用光ファイバのコア表面が密接して間の空気層を排除し、損失の少ない光伝達をするようになる。
【００２３】
なお、アダプタ３と光ファイバケーブル１を密接させた後は、アダプタ３の集光レンズ２に面する側の面３７が当初の調整位置からずれないようにすることが必要である。このため、アダプタ３の取り替えは、アダプタ３の位置を固定し光ファイバケーブル１の方を並進させることにより相互に接続するような機構を用いることが好ましい。
本実施例のレーザスポット調整装置は、手術や解体などに使用するレーザメスなどに適用すると、加工レーザの作用位置を変更せずにスポット形状等が簡単に調整でき格段に使用しやすい道具となる。
【００２４】
【実施例２】
図３を参照して本発明の第２実施例について説明する。本実施例の光ファイバを利用したレーザ加工装置に用いるレーザスポット調整装置は、第１の実施例におけるアダプタの代わりにタレットを用いることに特徴があるもので、以下の説明は特徴部分についてのみ行う。
【００２５】
光ファイバケーブル１は図外のレーザ光源からレーザ光を導いてくる光ファイバあるいはレーザファイバを内蔵する。タレット４は図外の制御装置により回転軸４１の回りを回転する。タレット４にはそれぞれ異なるコア径を有する調整用光ファイバ４２が適当数仕込まれている。調整用光ファイバ４２は、回転軸４１を中心とする円上の適当な位置でタレット４を厚さ方向に貫通している。
【００２６】
光ファイバケーブル１は定位置で並進することによりタレット４の調整用光ファイバ４２に着脱される。タレット４側の調整用光ファイバ４２に対応する位置にノッチ４３が設けられ、光ファイバケーブル１に対応する位置にバネなどの押圧機構を有するウェッジ４５が設けられていて、両者が係合することにより調整用光ファイバ４２の位置を光ファイバケーブル１の位置に正確に合致させるようになっている。
また、調整用光ファイバ４２が埋め込まれた部分に受け部が設けられていて、光ファイバケーブル１先端に光ファイバ軸と同軸に設けられた凸部と係合して位置決めを正確に行えるようになっている。
【００２７】
タレット４には、適当なコア径を持った調整用光ファイバ４２が各種準備されているので、レーザ加工装置にかけた加工材に対応する加工条件に従って最適なコア径を持つ調整用光ファイバを選択し、光ファイバケーブル１の位置にセットして両者を接続し加工すれば、目的にかなったレーザ加工が可能になる。
なお、位置決め機構は上記以外に公知の各種技術が適用できることは言うまでもない。
【００２８】
【実施例３】
図４と図５を参照して本発明の第３実施例について説明する。本実施例の光ファイバを利用したレーザ加工装置に用いるレーザスポット調整装置は、第２の実施例におけるタレットの代わりに横動スライダを用いることに特徴があるもので、以下の説明は特徴部分についてのみ行う。
【００２９】
図４におけるスライダ５は、図外の制御装置により光ファイバケーブル１に対して垂直の方向に動くようになっている。スライダ５にはそれぞれ異なるコア径を有する調整用光ファイバ５１が適当数仕込まれている。調整用光ファイバ５１は、直線上の適当な位置でスライダ５を貫通している。
光ファイバケーブル１が射出するレーザ光を調整用光ファイバ５１を介して照射し、図外の集光レンズが適当な位置に収束して、加工位置に据えられた加工材をレーザ加工する。
【００３０】
スライダ５は光ファイバケーブル１に対して垂直方向に移動して、適当なコア径を有する選ばれた調整用光ファイバ５１を光ファイバケーブル１に当接する位置にセットする。
光ファイバケーブル１は定位置でスライダ５に対して垂直に並進することによりスライダ５の調整用光ファイバ５１に着脱される。
レーザ射出光ファイバと調整用光ファイバのコア同士が光学的精度で係合するための機構が備えられていることは、第２実施例と同様である。
【００３１】
スライダ５に埋め込まれた各種の調整用光ファイバ５１の内適当なものを選択し、光ファイバケーブル１の位置にセットして加工すれば、加工条件が変わっても改めて位置調整をしなくても目的にかなったレーザ加工が可能になる。
【００３２】
図５は、本実施例の別の態様を説明する図面である。
図５におけるスライダ５は、図外の制御装置により光ファイバケーブル１に対して垂直の方向に動く第１のスライダ５２と、第１スライダ５２と連動して集光光学系に対して垂直の方向に動く第２のスライダ５４と、これらに埋設され相互に接続する複数の調整用光ファイバ５３とからなる。調整用光ファイバ５３はそれぞれ異なるコア径を有する。
【００３３】
コア径の異なる光ファイバ５３に切り替えるときは、光ファイバケーブル１を第１スライダ５２から離して、第１スライダ５２と第２スライダ５４を並進させて目的とする調整用光ファイバ５３の位置にずらし、光ファイバケーブル１を第１スライダ５２に当接させて、レーザ射出光ファイバと調整用光ファイバのコアを密接させる。
このような構造では第１スライダ５２と第２スライダ５４の姿勢が自由に選択できるため、レーザ光源の位置や光ファイバケーブルと光学系との関係に制約が少なくなり、レーザ加工装置の設置における自由度が増加する利点がある。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のレーザスポット調整方法あるいはレーザスポット調整装置を用いることにより、光ファイバを用いたレーザ加工装置において加工条件に応じてレーザビーム形状を変えるときに作業点が変化しないようにして、レーザスポット調整を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置用レーザスポット調整装置の１実施例を表す側面図である。
【図２】本実施例に用いる光ファイバ接続用案内部を表す断面図である。
【図３】本発明第２の実施例におけるタレット部分を示す斜視図である。
【図４】本発明第３の実施例におけるスライダ部分を示す斜視図である。
【図５】第３実施例におけるスライダの別の態様を示す斜視図である。
【図６】従来のレーザビームのスポットサイズ調整原理を説明する図面である。
【図７】焦点外しとパワー密度の関係およびその時の穿孔断面の様子を例示した図面である。
【図８】焦点距離の違うレンズを使用したときに穴の深さや形状が変化する様子を示した図面である。
【符号の説明】
１  光ファイバケーブル
１１  光ファイバ
１２  凸部
２  集光レンズ
３  アダプタ
３１、３２、３３、３５  光ファイバ
３６  凹部
３７  アダプタ端面
４  タレット
４１  回転軸
４２  光ファイバ
４３  ノッチ
４５  ウェッジ
５  スライダ
５１、５３  光ファイバ
５２、５４  スライダ
【図１】
0004155640.tif 000002
【図２】
0004155640.tif 000003
【図３】
0004155640.tif 000004
【図４】
0004155640.tif 000005
【図５】
0004155640.tif 000006
【図６】
0004155640.tif 000007
【図７】
0004155640.tif 000008
【図８】
0004155640.tif 000009