(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工用レーザ光伝送用の大口径ファイバの周囲に多数の画像伝送用ファイバが集束され一体化されている複合型光ファイバと、
加工用レーザ光を前記複合型光ファイバに入射する入射部と、
複合型光ファイバにより伝送された加工用レーザ光を被加工物に向けて出射する出射部と、
被加工物から発光する可視光を前記入射部で分岐し、この可視光を観察する観察部と、
該観察部で得られる画像情報に基づいて、出射部と被加工物との距離を微調整して合焦操作を行う焦点調整部を備えてなり、
前記画像伝送用ファイバは、多数の島状のコアと、これらの周囲に連続して形成された海状のクラッドからなる海島構造をなしていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記大口径ファイバおよび画像伝送用ファイバのコアが純粋シリカで形成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１記載の複合型光ファイバにマスクパターンを有する可視ガイド光を入射させ、これを被加工物に照射した状態で前記焦点調整部による合焦操作を行った後、前記複合型光ファイバに加工用レーザ光を入射させ、これを被加工物に照射して被加工物を加工することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法。
【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を用いたレーザ加工装置に係り、配管内など直接目視できない部位に対しても、加工状態を観察しながらレーザ加工を行なうことができるようにしたレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザ光を非接触の工具として各種材料の加工に利用することが行なわれている。そして、レーザ光エネルギーを被加工物へ伝送する光学系として光ファイバを用いたレーザ加工装置が開発されたことにより、レーザ加工の適用可能な範囲が一段と広がり、比較的小径の配管内でのレーザ加工も可能となった。
例えば光ファイバを用いたレーザ加工装置により溶接や切断加工を行なう場合には、レーザから発振された加工用レーザ光を光ファイバで導光し、集光光学系を用いて被加工物上にレーザ光を集光することによって各種のレーザ加工を行なうことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加工位置の把握や加工後の加工状態の確認、検査等は、通常、目視により行なわれる。
しかしながら加工位置が配管内である場合等、加工位置を目視することが不可能な場合には、レーザ加工装置とは別にファイバスコープ等の加工位置を観察するための装置が必要であった。そしてレーザ加工装置とファイバスコープとを同時に配管内等に挿入することによって、加工位置、すなわちレーザ光を照射する位置を正確に把握したり、加工状態を観察しながら加工することができるが、配管等の内径が小さいと、レーザ加工装置とファイバスコープとを同時に挿入できないという不都合があった。
【０００４】
配管内等にレーザ加工装置とファイバスコープとを同時に挿入できなければ、加工状態を観察しながら加工することは不可能であり、加工位置を正確に把握するのも困難であった。さらに加工後の検査においては、加工終了後にレーザ加工装置を一端配管内から取り出した後、これに代えてファイバスコープを挿入しなければならないので、加工位置を確認するのが困難であり、作業効率が非常に悪くなるという不都合があった。
【０００５】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、加工位置が配管内など目視できない部位にあっても、レーザ加工と同時に加工位置を観察できるようにしたレーザ加工装置およびレーザ加工方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の請求項１記載のレーザ加工装置は、加工用レーザ光伝送用の大口径ファイバの周囲に多数の画像伝送用ファイバが集束されて一体化されている複合型光ファイバと、加工用レーザ光を前記複合型光ファイバに入射する入射部と、複合型光ファイバにより伝送された加工用レーザ光を被加工物に向けて出射する出射部と、被加工物から発光する可視光を前記入射部で分岐し、この可視光を観察する観察部と、該観察部で得られる画像情報に基づいて、出射部と被加工物との距離を微調整して合焦操作を行う焦点調整部を備えてなり、前記画像伝送用ファイバは、多数の島状のコアと、これらの周囲に連続して形成された海状のクラッドからなる海島構造をなしていることを特徴とするものである。
好ましくは、前記大口径ファイバおよび画像伝送用ファイバのコアが純粋シリカで形成される。
【０００７】
また本発明のレーザ加工方法は、請求項１記載の複合型光ファイバにマスクパターンを有する可視ガイド光を入射させ、これを被加工物に照射した状態で前記焦点調整部による合焦操作を行なった後、前記複合型光ファイバに加工用レーザ光を入射させ、これを被加工物に照射して被加工物を加工することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。図１は本発明のレーザ加工装置の一実施例を示した概略構成図である。図中符号１は被加工物である。
本実施例のレーザ加工装置は、複合型光ファイバ１０、図示しないレーザ光発振装置と入射レンズ部３を備えた入射部、出射レンズ部（出射部）５、観察部２０、焦点調整部３０、およびガイド光入射部４０から概略構成されている。
本実施例においてレーザ光発振装置は、被加工物１に対して切断や溶接等の加工を行なうことができる高エネルギーのレーザ光（加工用レーザ光）を出力するもので、ＹＡＧレーザが好適に用いられる。
【０００９】
図２は複合型光ファイバ１０の一例を示す断面図である。図中符号１３は大口径ファイバである。
本発明における大口径ファイバとは、クラッドの影響をほとんど受けることなく光パワーを伝送できるコア径を有する光ファイバをいう。
本実施例の大口径ファイバ１３は、純粋シリカからなるコア１１と、フッ素および／またはボロンを添加したシリカからなるクラッド１２とからなっている。コア１１の径は６００〜８００μｍ、クラッド１２の径は８００〜１０００μｍ程度で、開口数（ＮＡ）は０．２程度に好ましく形成される。
【００１０】
大口径ファイバ１３の周囲には、多数の画像伝送用ファイバ１４が集束されている。また、これら多数の画像伝送用ファイバ１４は一体化されており、多数の島状のコア１５と、これらの周囲に連続して形成された海状のクラッドからなる海島構造をなしている。コア１５は純粋シリカからなり、クラッドはフッ素および／またはボロンを添加したシリカからなり、コア１５の径（画素径）は９〜１０μｍ程度に好ましく形成される。また集束される画像伝送用ファイバ１４の数（画素数）は少ないと解像度が悪くなり、多いと複合型光ファイバ１０が太径になってしまうので、３０００〜１００００本程度とするのが好ましい。
【００１１】
本実施例における複合型光ファイバ１０は、石英ジャケット管１６の中心に大口径ファイバ１３のロッドを配し、その周囲に画像伝送用ファイバ１４となる光ファイバをつめてプリフォームを形成し、このプリフォームを紡糸することによって製造されたものである。
石英ジャケット管１６は純粋シリカからなり、その大きさは画素数に応じて適宜設定される。
また石英ジャケット管１６の周上には、樹脂被覆層１７が形成されている。樹脂被覆層１７はＵＶ樹脂を好適に用いて形成され、厚さは１００〜２００μｍ程度に好ましく形成される。樹脂被覆層１７は上記プリフォームの紡糸に引続いて形成される。
このような構成の複合型光ファイバ１０の太さや長さは用途等に応じて適宜設定することができるが、例えば外径が１．６〜１．８ｍｍ、長さが６〜２０ｍ程度に好ましく形成することができる。
【００１２】
入射レンズ部３は、ＹＡＧレーザ光発振装置（図示せず）から発振される加工用レーザ光（赤外線）を、複合型光ファイバ１０の一端側１０ａの端面に集光して入射させるように構成されている。
また出射レンズ部５は、複合型光ファイバ１０の他端側１０ｂの端面から出射された加工用レーザ光を、被加工物１上に集光して照射するように構成されている。また出射レンズ部５は、これを加工用レーザ光の光軸方向に前進後退させる駆動機構３２を備えている。これにより複合型光ファイバ１０と被加工物１との距離を一定に保った状態で出射レンズ部５と被加工物１との距離を微調整できるようになっている。
【００１３】
観察部２０は、波長フィルタ２１、赤外線カットフィルタ２２、撮像レンズ２３、撮像装置２４、およびテレビモニタ２５から概略構成されている。
波長フィルタ２１は赤外線を透過し、かつ可視光を一部透過し一部反射するように構成されたものである。波長フィルタ２１は、レーザ光発振装置と入射レンズ部３との間に配され、加工用レーザ光および後述の可視ガイド光を透過させるとともに、加工用レーザ光と同一光軸上を加工用レーザ光と逆向きに伝送されてきた可視光を反射して、加工用レーザ光の光路とは別の光路に分岐するようになっている。この波長フィルタ２１は、例えば誘電体多層膜フィルタを好適に用いて構成することができる。
【００１４】
赤外線カットフィルタ２２は、波長フィルタ２１で分岐された可視光を透過させ、かつ赤外線をカットするように構成されており、誘電体多層膜フィルタを好適に用いて構成することができる。
撮像レンズ２３は赤外線カットフィルタ２２を透過した可視光を撮像装置２４の受光面に集光し結像するように構成されている。
撮像装置２４は、受光面に結像された光パターンの輝度分布を電気信号（画像信号）として出力するもので、例えばＣＣＤカメラが好適に用いられる。このようにして撮像装置２４によって撮像された画像情報はテレビモニタ２５に送られて、画像として表示されるようになっている。
【００１５】
焦点調整部３０は、画像処理装置３１と前記出射レンズ部５に設けられた駆動機構３２とから構成されている。
画像処理装置３１は、撮像装置２４によって撮像された画像情報を、撮像装置２４あるいはテレビモニタ２５から受取り、画像の輝度分布を測定する手段と、この輝度分布のコントラストを検出する手段と、このコントラストが最大となるように駆動機構３２を駆動させる信号を出力する手段を有するものであり、適宜の構成とすることができる。
【００１６】
ガイド光入射部４０は、複合型光ファイバ１０にマスクパターンを有する可視ガイド光を入射させるもので、図示しないガイド光光源と、マスク４１と、ミラー４２とから構成されている。
ここで用いられるガイド光光源は、可視領域の波長の光であって、被加工物１に照射してもその表面状態を変化させない光（可視ガイド光）を発振し得るものであれば、適宜のものを用いることができる。
【００１７】
マスク４１は、可視ガイド光が透過する部分と可視ガイド光が透過しない部分とを有するもので、ガイド光光源とミラー４２との間に配される。可視ガイド光はマスク４１を通過することによってマスクパターンを有するものとなる。例えば可視ガイド光が透過する部分が十字状に形成されたマスク４１を用いた場合には、図３に示すような、十字状のマスクパターンを有する可視ガイド光が得られる。尚、マスクの形状は適宜設定することができる。
ミラー４２は赤外線を透過し、かつ可視光を反射するように構成されている。ミラー４２は波長フィルタ２１とレーザ光発振装置との間に配され、レーザ光発振装置とは別に設けられたガイド光光源からの光を、レーザ光と同一光軸上に導くように構成されている。
【００１８】
このように構成されたレーザ加工装置にあっては、ＹＡＧレーザ光発振装置から発振された加工用レーザ光が、ミラー４２および波長フィルタ２１を透過した後、入射レンズ部３によって、複合型光ファイバ１０の一端側１０ａの端面に集光され、入射される。そして複合型光ファイバ１０の大口径ファイバ１３によって伝送され、複合型光ファイバ１０の他端側１０ｂから出射された後、出射レンズ部５によって被加工物１上に集光される。このようにして高エネルギーの加工用レーザ光が被加工物１に照射されると被加工物１は溶融したり蒸発したりするので、これにより被加工物１に所望の加工を施すことができ、それと同時に被加工物１が加熱されて可視光が発光する。
【００１９】
この可視光は、出射レンズ部５によって複合型光ファイバ１０の他端側１０ｂの端面に集光され、複合型光ファイバ１０の画像伝送用ファイバ１４によって伝送された後、複合型光ファイバ１０の一端側１０ａから出射される。そして、入射レンズ部３によって平行光とされた後、波長フィルタ２１によって反射されてレーザ光の光路とは別の光路へ分岐される。分岐された可視光は赤外線カットフィルタ２２を透過した後、撮像レンズ２３によって撮像装置２４の受光面に結像される。ここで結像される画像は、被加工物１の加工位置付近の画像であり、撮像装置によって撮像され、テレビモニタ２５に表示される。
【００２０】
また加工用レーザ光を発振させずに、ガイド光光源から可視ガイド光を発振させることにより、合焦操作を行なうことができる。
すなわちガイド光光源から可視ガイド光を発振させ、マスク４１、ミラー４２、波長フィルタ２１、および入射レンズ３を介して複合型光ファイバ１０に入射させると、マスクパターンを有する可視ガイド光が複合型光ファイバ１０の画像伝送用ファイバ１４によって伝送され被加工物１に照射される。そして被加工物１からの反射光は、上述の被加工物１から発光された可視光と同様にして波長フィルタ２１によって分岐され、撮像装置２４の受光面に結像され、撮像される。そして撮像装置２４によって撮像された画像情報はテレビモニタ２５へ送られて画像として表示されるとともに、画像処理装置３１へも送られる。
【００２１】
画像処理装置３１では、画像情報が送られてくると、その画像の輝度分布を測定し、この輝度分布のコントラストを検出する。
例えば、図４は図３に示したマスクパターンを有する可視ガイド光を被加工物１に照射したときにテレビモニタ２５で得られる画像およびその輝度分布の例を示したものである。図４（ａ）〜（ｃ）は出射レンズ部５を移動させたときにそれぞれ得られる画像を示したもので、（ａ）は被加工物１に対して出射レンズ部５が焦点位置より近い状態、（ｂ）は焦点位置にある状態、（ｃ）は焦点位置より遠い状態をそれぞれ示している。
【００２２】
図４に示すように、焦点が合った状態（ｂ）では輝度分布のコントラストが最大となるので、画像処置装置３１では、輝度分布のコントラストを検出した結果に基づいて出射レンズ部５の駆動機構３２を駆動させる信号を出力し、輝度分布のコントラストが最大となるように出射レンズ５を移動させる。すなわち得られている画像が焦点が合った状態となるように出射レンズ部５と被加工物１との距離が微調整される。
尚、このようにして出射レンズ部２と被加工物１との距離を微調整するのは、可視ガイド光を複合型光ファイバ１０に入射させて合焦操作を行なうときだけで、その他の場合には、例えば画像処理装置３１に画像情報が送られないようにするなどして、出射レンズ部２と被加工物１との距離が変化しないようになっている。
【００２３】
次に、本実施例のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の実施例について説明する。
まず、レーザ加工装置の出射レンズ部５を被加工物１の加工位置近傍に配し、加工用レーザ光が加工位置に向けて出射されるようにレーザ加工装置をセットする。
次いで、ガイド光光源から可視ガイド光を発振させて合焦操作を行なう。すなわち、可視ガイド光を、マスク４１を通過させてマスクパターンを有するものとし、これをミラ−４２、波長フィルタ２１および入射レンズ部３を介して複合型光ファイバ１０に入射させる。この可視ガイド光は複合型光ファイバ１０の画像伝送用ファイバ１４によって伝送され被加工物１に照射される。そして被加工物１からの反射光によって加工位置付近の画像が得られるので、この画像情報に基づいて、焦点調整部３０では自動的に合焦操作が行なわれる。
【００２４】
このようにして焦点を合わせたら、加工位置を確認し、可視ガイド光の発振を止め、これに代って加工用レーザ光を発振させ、波長フィルタ２１を介して複合型光ファイバ１０に入射させる。
加工用レーザ光は、上述したように複合型光ファイバ１０の大口径ファイバ１３によって伝送され、出射レンズ部５から被加工物１に向けて出射されるので、これによって被加工物１に対して所望の加工を施すことができる。このとき上述したように、テレビモニタ２５には被加工物１から発光する可視光によって得られる加工位置付近の画像が表示されるので、これを観察しながら加工を行なうことができる。
そして被加工物１の表面状態が所望の加工状態に達したらレーザ光の発振を止め、加工を終了する。
この後、さらに加工状態の確認が必要な場合には、上記の合焦操作と同様に可視ガイド光を複合型光ファイバ１０に入射させて加工位置の画像を得、これを観察することにより、加工状態を確認することができる。
【００２５】
このように本実施例のレーザ加工装置によれば、加工用レーザ光を伝送する大口径ファイバ１３と、加工位置の画像情報を伝送する画像伝送用ファイバ１４とが一体化されて細径のファイバ状となっているので、加工位置が配管内など目視できない部位であっても、配管等の内径が、複合型光ファイバ１０および出射レンズ部５が挿入可能な大きさであれば、加工用レーザ光照射と同時に加工位置の画像を得ることができる。したがって、この画像により加工状態を観察しながらレーザ加工を行なうことができる。
【００２６】
また本実施例のレーザ加工装置は、観察部２０で得られる画像情報に基づいて合焦操作を行なう焦点調整部３０を備えており、これによって合焦操作が自動的に行なわれるので操作が簡単で、また作業効率を向上させることができる。
本実施例において出射レンズ部５には、複合型光ファイバ１０と被加工物１との距離を一定に保った状態で出射レンズ部５と被加工物１との距離を微調整できる駆動機構３２を備えている。したがって、複合型光ファイバ１０を移動させずに合焦操作を行なうことができる。この構成は、手元から被加工物１までの距離が長い場合や、複合型光ファイバ１０が曲がりを有する配管内等に挿入されている場合など、複合型光ファイバ１０をその長さ方向に移動させるのが困難な場合には、特に好適である。
【００２７】
さらに、マスクパターンを有する可視ガイド光を複合型光ファイバ１０に入射させるガイド光入射部４０を備えているので、合焦操作とレーザ加工操作の切換えを簡単に行なうことができる。また可視ガイド光がマスクパターンを有しているので、焦点調整部３０による自動合焦操作が的確に行なわれる。
また、本実施例のレーザ加工装置は複合型光ファイバ１０を構成している大口径ファイバ１３および画像伝送用ファイバ１４のコアが、いずれも純粋シリカで形成されているので耐放射線性に優れており、放射線雰囲気下でのレーザ加工にも好適に使用することができる。
【００２８】
本実施例のレーザ加工方法によれば、レーザ光による加工に先立って、複合型光ファイバ１０にマスクパターンを有するガイド光を入射させることにより、被加工物からの反射光により加工位置の画像を得、この画像の輝度分布のコントラスト比の変化に基づいて、焦点調整部３０により出射レンズ部５と被加工物１との距離が微調整されて合焦操作が行なわれるので、自動的に、しかも確実に、焦点が合った状態の画像を得ることができる。よって、加工位置を観察しながらのレーザ加工を、容易にかつ効率よく行なうことができる。
尚、焦点調整部３０の機構は本実施例のものに限らず、観察部２０で得られる画像情報に基づいて自動的に合焦操作を行う機構であれば適宜変更可能である。例えば、出射レンズ部５を複合型光ファイバ１０の他端側１０ｂの端面に固定するとともに、遠隔操作により配管内を移動できるロボットに複合型光ファイバ１０の他端側１０ｂの端部を取り付けて、観察部２０で得られる画像情報に基づいてロボットが移動するように構成することもでき、この場合には複合型光ファイバ１０全体を進退させて合焦操作を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１記載のレーザ加工装置は、加工用レーザ光伝送用の大口径ファイバの周囲に多数の画像伝送用ファイバが集束され一体化されている複合型光ファイバと、加工用レーザ光を前記複合型光ファイバに入射する入射部と、複合型光ファイバにより伝送された加工用レーザ光を被加工物に向けて出射する出射部と、被加工物から発光する可視光を前記入射部で分岐し、この可視光を観察する観察部と、該観察部で得られる画像情報に基づいて、出射部と被加工物との距離を微調整して合焦操作を行う焦点調整部を備えてなることを特徴とするものである。
したがって、加工位置が配管内など目視できない部位であっても、配管等に複合型光ファイバおよび出射部を挿入して、レーザ照射と同時に加工位置の画像を得ることができるので、加工状態を観察しながらレーザ加工を行なうことができる。
【００３０】
また観察部で得られる画像情報に基づいて、合焦操作を行なう焦点調整部を備えており、これによって合焦操作が自動的に行なわれるので操作が簡単で、また作業効率を向上させることができる。
さらに大口径ファイバおよび画像伝送用ファイバのコアが純粋シリカで形成されているレーザ加工装置は耐放射線性に優れるので、放射線雰囲気下でのレーザ加工にも好適に使用することができる。
【００３１】
本発明のレーザ加工方法は、請求項１記載の複合型光ファイバにマスクパターンを有する可視ガイド光を入射させ、これを被加工物に照射した状態で前記焦点調整部による合焦操作を行なった後、前記複合型光ファイバに加工用レーザ光を入射させ、これを被加工物に照射して被加工物を加工することを特徴とするものである。
したがって自動的に、しかも確実に、焦点が合った状態の画像を得ることができる。よって、加工位置を観察しながらのレーザ加工を、容易にかつ効率よく行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のレーザ加工装置の一実施例を示した概略構成図である。
【図２】  本発明のレーザ加工装置に好適に用いられる複合型光ファイバの例を示した断面図である。
【図３】  本発明に係るマスクパターンを有する可視ガイド光の例を示した説明図である。
【図４】  図３の可視ガイド光を被加工物に照射して得られる画像およびその輝度分布の例を示した説明図である。
【符号の説明】
１…被加工物、３…入射レンズ部、５…出射レンズ部（出射部）、
１０…複合型光ファイバ、１３…大口径ファイバ、
１４…画像伝送用ファイバ、２０…観察部、３０…焦点調整部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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