JPH0255305A - 側射型中空導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は側射型中空導波路に関し、特に加工装置等に適
用する側射型中空導波路に関するものである。

［従来の技術］ 現在、炭酸ガスレーザ光を利用した加工、熱処理は、溶
接、切断、マーキング等を初めとして、多くの工業分野
に背反している。それらし−ザ光の出力は、数ワットか
ら数キロワットにも及んでおり、より高質のさまざまな
応用を可能にするため加工機の高機能化、高精度化が図
られている。ところで、現在の炭酸ガスレーザ加工機で
、その性能を制限している最大の要因は、レーザビムの
伝送方式にある。炭酸ガスレーザ光の伝送には、Ｚｎ　
Ｓｅ等のミラーによる反射を用いた空間伝搬方式が用い
られている。しかし、この伝搬方式では、レーザ光の進
路を変えるためのミラーが必要になるため、レーザ発信
機から被加工部までレーザ光を導き高精度な加工を行う
ため、極めて複雑な光軸制御技術が必要不可欠になる。

そのため、現在はレーザビームと被加工物の両方に独立
した可動Ｒ梢をもなぜ、それらを制御することによって
高精度及び高速加工を可能にしている。

しかし、この方式は複雑な光軸制御部を必要とすること
から、コストがかさんでしまうという問題がある。

そこで、より機能的で、かつ経済性に優れた伝送方式と
して、可どう性伝送方式が研究されている。この可どう
性伝送方式には、例えばＫＲ３−５等に代表される赤外
ファイバと空気をコアとした中空導波路がある。このう
ち赤外ファイバは、ファイバ端面での反射等があり、大
容量光エネルギー伝送には不適当である。また、この赤
外ファイバでは、数ワット程度で使用するレーザメスと
しても使用されているが、経時劣化等の問題が生じてい
る。

一方、中空導波路方式は、可どう性に富んだ大容量光エ
ネルギー伝送路として期待されている。

かかる可とう性中空導波路は、光エネルギーを、空気を
コアとする中空領域内に閉じ込めて任意の方向へ伝送す
る伝送路である。この可どう性中空導波路には、金属中
空導波路、ガラス中空導波路、誘導体内装中空導波路が
ある。このうち誘導体内装中空導波路では、現在までに
伝送損失が０．３５ｄＢ／ｍのものが報告されている。

従って、これら中空導波路を用いることにより、空間伝
搬方式のように複数のミラーおよび複雑な光軸制御を必
要とせずに高機能、高精度加工が安価に実現できるよう
になる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、光エネルギー伝送路として、従来の中空導波路
を用いた場合には、レーザ光は出射端において、伝送路
の光軸と垂直な面にしか照射することができない、すな
わち、パイプ内壁の熱処理のような狭い領域の側面加工
等をすることができなかった。

そこで、本発明の目的は、上記実情に鑑みてなされたも
ので、パイ１等の狭い空間の内壁等に光エネルギーを照
射することができる可とう性に優れた側射型中空導波路
を提供することにある。

［課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するための手段として、本発明は光エネ
ルギーを伝送する中空導波路の出射端における開口面が
、前記中空導波路の中心軸に対して非対称に開口し、さ
らに上記出射端の導波路壁の一部、又は全部が前記中空
導波路の中心軸に対して非平行に形成されるものである
。この好ましい態様としては、前記中空導波路の出射端
は、前記中空導波路の中心軸に対して非平行になるよう
に導波路壁の光エネルギー照射部を凹面状に形成するし
の、前記中空導波路の出射端導波路壁の光エネルギー照
射部を凸面状に形成するもの、前記中空導波路の出射端
導波路壁にある光エネルギー照射部を平板状に形成する
もの、前記中空導波路の出射端導波路壁にある光エネル
ギー、照射部が数多くの不規則な凹凸から形成されるも
の、及び前記中空導波路の出射端導波路壁にある光エネ
ルギー照射部の裏面に冷却媒体を通過させる冷却通路を
設けたものがある。

し作用］ 本発明は、光エネルギーを伝送する中空導波路の出射端
における開口面が、萌記中空導波路の中心軸に対して非
対称になるように加工し、さらにその一部あるいは全部
を中空導波路の中心軸に対して非平行になるように曲げ
、そのことにより中空導波路を伝送してきた光エネルギ
ーを反射面で反射し、中空導波路の側方に照射する。

また、中空導波路の先ｍ（）を加工してレーザ光の反射
部を形成するため、極めて小型で、しかも中空導波路の
外径程度までの内径を持った細いパイプ内壁の熱処理を
可能にする。

また、光エネルギー反射部の反射面を凹面状にして集光
性を持たせると、より高エネルギー密度で、かつ狭い範
囲を加工することを可能にする。

逆に光エネルギー照射部の反射面の形状を凸面状にして
、レーザ光を分散させると、低エネルギー密度で広範囲
に互って加工することを可能にする。

また、光エネルギー照射部の反射面の形状を平板状とし
た形態においては、被照射面に平行に熱処理することを
可能にする。

さらに、反射面に多数の凹凸を形成させながら、レーザ
光を照射すると、低エネルギー密度で処理することを可
能にする。

従って、このように反射面の形状を選択することにより
、被加工物に与える加工効果の選択を可能にする。

また、本発明では、導波路先端部の反射面における損失
による温度上昇が心配されるが、数ワットから数十ワッ
ト程度の光エネルギー伝送の場合は、中空導波路内に窒
素やアルゴンなどのいわゆるアシストガスを流すだけで
十分である。そして伝送パワーが大きくなってくると、
反射面での発熱が大きくなり、反射面の破壊のおそれが
ある。

この場合には、反射面の反対側に冷却媒体を通過させる
冷却通路を持たせることにより、必要に応じて水冷又は
空冷等を行えばよい。

［実施例］ 以下、本発明の側射型中空導波路を図示の実施例に基づ
いて説明する。

第１図は本発明による側射型中空導波路の第１実施例を
示す出射部所面図である９本中空導波路は、例えば、膜
厚０．５μｍのゲルマニウム薄膜１を内装した肉厚１０
０μｍのニッケル中空導波路２の出射部を一部削り取り
、ゲルマニウム薄膜内装ニッケル中空導波路２を平板状
にして、そのニッケル中空導波路２の中心軸りに対して
角度４５°傾けである。かく構成された本中空導波路の
場合は、炭酸ガスレーザ光３はその出射部における反射
板４により、進路を側方に変えられる。

第２図は側射型中空導波路の出射部を背後から。

見た図である。この中空導波路では、冷却水を流すため
の可どう性パイプ５が反射板４の裏面に取付けてあり、
炭酸ガスレーザ光３がその反射板４で反射した時に発生
する熱をこの可どう性パイプ５により、効率よく除去で
きるようになっている。

従って、この中空導波路では、発生した熱を効率よく除
去することにより、光エネルギーによる処理効果を制御
及び選択することが可能になる。

また、第３図は本発明の側射型中空導波路を使った炭酸
ガスレーザ光によるＳＵＳパイプの内壁溶接の概要図で
ある。このＳＵＳパイプの内壁溶接では、ゲルマニウム
薄膜内装ニッケル中空導波路６を軸流型の炭酸ガスレー
ザ発振器９に結合されている。

このＳＵＳバイブの内壁溶接では、曲がりを持ったパイ
プ内にそのニッケル中空導波路６を進入させてから、被
加工部に炭酸ガスレーザ光３を照射させている。

炭酸ガスレーザ発振器９には、アシストガスである窒素
やアルゴンなどを流すガス流入口１０が設けられている
。そして、上記ニッケル中空導波路６を進入させ、被加
工部を溶接する場合には、第２図に示すパイプ５に冷却
水を流すとともに、ゲルマニウム薄膜内装ニッケル中空
導波路６のガス流入口１０から窒素やアルゴンなどのア
シストガスをそのニッケル中空導波路６に流しながら行
う。

従って、本溶接を行う場合には、出射端を曲げて、光エ
ネルギーを四方へ反射する反射面をもつ中空導波路によ
り、Ｚｎ５ｅ等の外部ミラーを必要とせずに、細径内壁
の溶接等が可能になる。

次に、第２の実施例について第４図を参照して説明する
。この中空導波路では、ゲルマニウム薄膜内装ニッケル
中空導波路１６の出射端が、そのニッケル中空導波路１
６の中心軸に対して非平行になるように導波路壁の光エ
ネルギー照射部の反射板１５の形状が凹面状に形成され
ている。このように反射面の形状は凹面状に形成されて
いるので、そのニッケル中空導波路１６から出射された
炭酸ガスレーザ光１１を絞り込むことができる。

被照射部１２では、反射板１で炭酸ガスレーザ光１１が
絞り込まれるために、通常の中空導波路から出射される
ビームよりもビームサイズの小さな光をレンズを使わず
に照射することができる。

さらに、本中空導波路では、出射部を凹面状に形成する
と共に、散乱防止用のおおい部１３が設けられているの
で、ゲルマニウム薄膜内装ニッケル中空導波路１６から
のレーザ光の散乱を防ぐことができる。従って、第４図
の中空導波路では、高エネルギー密度で、かつ狭い範囲
を加工する場合に用いることができる。

また、上記ニッケル中空導波路の出射唱導波路壁の光エ
ネルギー照射部１５は凹面状とする代りに凸面状に形成
することができる。この場合、散乱助長用の解放部（図
示省略）を設けることにより、そのニッケル中空導波路
１６からのレーザ光の散乱が助長される。出射唱導波路
壁の凸面状の光エネルギー照射部１５及び散乱助長用の
解放部で炭酸ガスレーザ光が散乱して、被照射部１２に
炭酸ガスレーザ光が分散する。従って、本中空導波路に
よれば、低エネルギー密度で広範囲に互って加工する場
合に適する。

また、ゲルマニウム薄膜内装ニッケル中空導波路の出射
唱導波路壁にある光エネルギー照射部１５を凸面状や凹
面状にする代りに平板状に形成することができる９本中
空導波路では、光エネルギーの伝送方向と垂直な面へ炭
酸ガスレーザ光を照射することが容易になる。すなわち
、この中空導波路によれば、光エネルギーの伝送方向と
垂直な面を加工する場合に、平板状の光エネルギー照射
部１５の反射面からレーザ光を平行に照射させることが
でき、パイプ面の熱処理が容易に行える。

光エネルギー照射部は上述したように必ずしも連続した
面として形成する必要はなく、例えば数多くの不規則な
凹凸で形成することらでき、これが本発明の第３実施例
である。この中空導波路では、出射端導波路壁にある光
エネルギー照射部に数多くの不規則な凹凸部（図示省略
）を形成することにより、さらに、低エネルギー密度で
熱処理をする場合にも被照射面へ炭酸ガスレーザ光散乱
させることが容易になる。第４図を参照して説明する、
本中空導波路は、光エネルギー照射部１５を凸面状や凹
面状にする代りに凹凸面で形成され、この凹凸面で炭酸
ガスレーザ光が分散するようになる。従って、この中空
導波路によれば、光エネルギー照射部１５の凹凸面から
、被照射面へ炭酸ガスレーザ光を散乱させて、パイプ内
壁の熱処理を行うことにより、ムラのない、しかし均一
な加工面を得ることができる。

［発明の効果］ 上記のように本発明によれば、炭酸ガスレーザ光のエネ
ルギーの伝送方向に平行な面へ出射することが可能にな
る。すなわち、本発明では、中空導波路の出射端を曲げ
て、光エネルギーを側方へ反射する反射面を設けること
により、Ｚｎ５ｅ等の外部ミラーを必要とせずに、細径
パイプ内径の′／８接、熱処理等が可能になる。

また形成する中空導波路出射端部の反射面の形状、表面
状態を選択し、更に裏側に冷却用のパイプを備えること
により、発生した熱を効率よく除去し、光エネルギーに
よる処理効率を制御及び選択することを可能にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第、１図は本発明により作製した曲射型中空導波路の第
１の実施例を示す出射端断面図、第２図は曲射型中空導
波路の出射部を背後から見た図、第３図は本発明の曲射
型中空導波路を使った炭酸ガスレーザ光によるＳＵＳパ
イプの内壁溶接の概要図、第４図は本発明の第２の実施
例を示す図である。 図中、符号２は中空導波路、１５は光エネルギー照射部
、１６は中空導波路、２０は中空導波路である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．光エネルギーを伝送する中空導波路の出射端におけ
   る開口面が、前記中空導波路の中心軸に対して非対称に
   開口し、さらに上記出射端の導波路壁の一部、又は全部
   が前記中空導波路の中心軸に対して非平行に形成するこ
   とを特徴とする側射型中空導波路。
2. ２．前記中空導波路の出射端は、前記中空導波路の中心
   軸に対して非平行になるように導波路壁の光エネルギー
   照射部を凹面状に形成することを特徴とする請求項１記
   載の側射型中空導波路。
3. ３．前記中空導波路の出射端導波路壁の光エネルギー照
   射部を凸面状に形成したことを特徴とする請求項１及び
   ２記載の側射型中空導波路。
4. ４．前記中空導波路の出射端導波路壁にある光エネルギ
   ー照射部を平板状に形成することを特徴とする請求項１
   及び２記載の側射型中空導波路。
5. ５．前記中空導波路の出射端導波路壁にある光エネルギ
   ー照射部が数多くの不規則な凹凸から形成されることを
   特徴とする請求項１及び２記載の側射型中空導波路。
6. ６．前記中空導波路の出射端導波路壁にある光エネルギ
   ー照射部の裏面に冷却媒体を通過させる冷却通路を設け
   たことを特徴とする請求項１乃至５記載の側射型中空導
   波路。