JPH0533101U - 中空導波路の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大パワーのレーザ加工を行った場合でも、被
加工物からの反射パワーによって中空導波路の出射側端
面が破損されない構造とする。 【構成】 外部金属層１９の内面に誘電体薄膜２を内装
した光エネルギ−伝送用中空導波路において、導波路端
末部１９ａは金、銀、銅のいずれかを用いた厚肉の金属
層とし、導波路端末部１９ａを除く中間部１９ｂはニッ
ケルもしくはその合金を用いた薄肉の金属層とし、出射
端面１ａは光エネルギ−の伝送方向に対して垂直な鏡面
としたことを特徴としている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、金属の切断、穿孔、溶接、熱処理等のレ−ザ加工に有用な高出力の 光エネルギ−を伝送するための中空導波路に係り、特に被加工物からの反射光に よる出射側端面の破損防止を図った中空導波路の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

波長10.6ミクロンのＣＯ₂ レ−ザ光は、工業加工の分野で広く用いられており 、切断や溶接、穿孔等様々な用途が実現している。従来はＣＯ₂ レ−ザ光を伝送 する適当な導波路がなかったため、加工物への照射は複数のミラ−を用いた空間 伝搬方式で行っていた。しかし、この方式はレ−ザ光の光軸制御がきわめて難し く、加工機全体の価格も高価になるため、より安価で、機能性の高い光軸制御方 法の考案が望まれていた。そこで、波長10.6ミクロンのＣＯ₂ レ−ザ光を低損失 で伝送可能な可とう性光導波路の開発が盛んに行われ、臭化タリウムやハロゲン 化銀をコアとする中実型光導波路と、空気をコアとする中空型光導波路とが開発 された。いずれの導波路も、それまで伝送できなかったＣＯ₂ レ−ザ光の低損失 伝送を実現した。しかし中実型光導波路は、本質的に導波路の入出射端でレ−ザ 光の反射を生じるため導波路の端面に損失が集中し、大電力を伝送しようとすれ ば初めに端面が破壊されてしまい、伝送容量が制限されていた。これに対して中 空型光導波路は、その構造の持つ特徴により極めて冷却効率が良く、さらにレ− ザ光の入出射端での反射もほとんど無いため、大電力伝送が可能であり、赤外域 における種々のレ−ザ光を伝送する可とう性光導波路の本命と期待されている。 中空型光導波路は、現在までに誘電体を内装した金属円形中空導波路が開発され 、ＣＯ₂ レ−ザ光に対して、ゲルマニウム内装銀中空導波路で伝送損失0.05dB/m 以下、電力伝送容量2kW を達成している。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

ところで一般に、ＣＯ₂ レ−ザを用いて金属材料の切断や溶接をする場合、被 加工物で反射されて戻ってくるパワ−による影響が問題となる。すなわち、銀や アルミニウムの切断においては材料表面の反射率が高いため、照射したパワ−の 多くが反射され、切断不能となり、反射パワ−によって光学系およびレ−ザ発振 器側にダメ−ジがおよぶ。金属板の溶接においては、1 〜 5kWにおよぶ大パワ− を照射するため、反射パワ−による光学系の損傷が起こりやすい。

【０００４】 中空導波路を用いて金属板の溶接をする場合、例えば、2kW のパワ−を照射す ると、溶融池が形成される前の段階では照射パワ−の 90%以上が反射される。こ の時、導波路の出射端を含む溶接ヘッド側には、4kW 近いパワ−が同時に加えら れることになる。

【０００５】 図４は、従来構造の中空導波路６に冷却ジャケット１１並びに溶接ヘッド８を 取付けた状態を示す。中空導波路６は冷却ジャケット１１に固定用スリ−ブ１０ を介して同軸的に固定されている。冷却ジャケット１１の先端に取付けられた溶 接ヘッド８内には、その先細状に形成されたヘッド先端部８ａ近傍に、中空導波 路６と光軸を一致させて集光レンズ１２が設けられている。中空導波路６からの 出射ビ−ム１３は、集光レンズ１２により集光されて金属板１４に照射されるが 、その照射パワ−の多くは反射される。反射パワ−９の一部は散乱されて溶接ヘ ッド８の内外壁に当たり熱エネルギ−に変わる。そして残りの反射パワ−９が集 光レンズ１２を介して導波路出射端方向に照射される。このうち中空導波路６の 内径以下に絞られた反射ビ−ム９は導波路６に結合し、発振器側に伝送される。 ただし、このときの反射ビ−ムの結合条件は最適にはならないため、伝送損失の 大きな高次モ−ドになるか、あるいは、結合損失となって熱エネルギ−に変わる 。中空導波路６の大部分の領域はその外部から十分に冷却されているため、導波 路６内に入射した反射パワ−９により発生する熱は問題なく除去される。しかし 、導波路６の出射側端面６ａに反射パワ−９が当たると、端面６ａは急激に加熱 されることになる。中空導波路６は、空・水冷機構をもたせこれを機械的に駆動 制御するために、図５に示すように両端部に入射側固定用スリ−ブ１５および出 射側固定用スリ−ブ１０がそれぞれ取付けられて冷却ジャケット１１に挿入され る。中空導波路６の出射側では、導波路６からの出射ビ−ム１３が 20 〜 150mr ad程度の角度で拡がるため、入射端側のようなマスク構造のスリ−ブを用いるこ とはできない。その理由は、スリ−ブ開口による導波路出射ビ−ムの回折が影響 し、このビ−ムをレンズで集光した場合の集光径が太くなり、加工性能が低下す るからである。また、図６に示すように出射ビ−ム１３の拡がり角を考慮したテ −パ状マスク付スリーブ１７を採用すると、中空導波路６の出射側端面６ａは反 射パワ−９から保護されるが、反射パワ−９のほとんどが導波路６に入射するこ とになるため、導波路６内のパワ−密度が極めて高くなり、実用的でない。この ため従来の中空導波路の出射側端面は露出していた。この露出した端面に反射パ ワ−が当たると、導波路を構成している金属は温度が急上昇し熱的破損を受ける 。実際に、2kW 程度の出射パワ−でスポット溶接を行ったところ、10回程度の繰 り返し使用で反射パワ−により出射端面が溶融・破損した。

【０００６】 本考案の目的は、前記した従来技術の問題を解決し、大パワ−のレ−ザ加工を 行った場合でも被加工物からの反射パワ−によって中空導波路の出射側端面が破 損されない中空導波路の構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案は、外部金属層の内面に誘電体薄膜を内装した 光エネルギ−伝送用の中空導波路において、導波路端末部は金、銀、銅のいずれ かを用いた厚肉の金属層とし、導波路端末部を除く中間部はニッケルもしくはそ の合金を用いた薄肉の金属層とし、出射側の導波路端面は光エネルギ−の伝送方 向に対して垂直な鏡面としたものである。

【０００８】

【作用】

中空導波路端末部を金、銀、銅などの熱伝導率の高い金属で厚肉に形成するこ とにより、端末部での熱容量が増大し、発生した熱を速やかに逃がすことができ る。端末部を除く中間部はニッケルなどの弾力に富む金属で薄肉に形成すること により、可とう性に優れた中空導波路となる。

【０００９】 出射側の導波路端面を十分円滑化し、鏡面に仕上げておくことにより、被加工 物からの反射パワ−が露出した導波路端面に直接当たってもそのパワ−の大部分 を反射させることができる。したがって、被加工物からの反射があっても出射端 部が破損されることはなく、大パワ−での繰り返し使用が可能になる。鏡面仕上 した導波路端面にＣＯ₂ レ−ザ光に対する反射率が高い金や銅などの材料による コ−ティング処理を施しておけばより効果的である。

【００１０】

【実施例】

次に、本考案の実施例を図１乃至図３を用いて説明する。

【００１１】 図１に示す中空導波路１は、外部金属層１９の内面に銀の薄膜３を介してゲル マニウム薄膜２を形成した２層膜構造の採用によりＣＯ₂ レ−ザ光の低伝送損失 化を図っている。外部金属層１９の端末部１９ａは銅を用いて厚肉に形成され、 端末部を除く中間部１９ｂはニッケルを用いて薄肉に形成されている。この中空 導波路１の両端面は光エネルギ−の伝送方向に対して垂直に形成され、特に出射 側の端面１ａは、図２に示すように真空蒸着法により厚さ0.1 μｍの金７がコ− ティングされ鏡面となっている。

【００１２】 導波路端末部１９ａの銅は柔らかい材料であり、いったん曲げられると塑性変 形して光学的特性に悪影響を与えるので、十分な厚肉（ 500μｍ以上）にして曲 がらないようにしておくことが必要である。また、中間部１９ｂのニッケル層は 、繰り返し曲げられたときの可とう性と金属疲労とを考慮して、10〜200 μｍ程 度の薄い肉厚にしておくことが望ましい。導波路内壁を構成する誘電体層には、 ゲルマニウムの代わりにセレン化亜鉛など他の誘電体を用いてもよい。また、端 末部１９ａは、銅に代えて熱伝導率の良好な他の金属、例えば、金や銀などで形 成してもよい。中間部１９ｂは、ニッケル以外にその合金など弾性に富む金属で もよい。

【００１３】 図２は、図１及び図２で説明した中空導波路１を水冷するための冷却ジャケッ ト１１に収納し、先端に溶接ヘッド８を取付けた状態を示している。中空導波路 １の端末部１９ａは冷却ジャケット１１を取付け易いように機械加工されている 。冷却水は冷却ジャケット１１の一端近傍に設けられた冷却水導入口２０からジ ャケット１１内に導入され、他端近傍に設けられた冷却水導出口（図示せず）か ら流出される。この冷却水によって中空導波路１はその入射端から出射端まで十 分に冷却される。溶接ヘッド８は側壁部が中空構造になっており、冷却水を冷却 水導入口２１から側壁内に導入し、冷却水導出口２２から流出させることにより 冷却される。

【００１４】 中空導波路１から出射されたレ−ザ光１３は、集光レンズ１２によって集光さ れ、厚さ0.8 ｍｍの金属板１４に照射される。この時、反射パワ−９が発生し、 出射側の導波路端面１ａに集光されながら照射される。しかし、出射側の導波路 端面１ａには金７がコ−ティングしてあるため反射パワ−９のほとんどは反射さ れて溶接ヘッド８の内壁に当って吸収される。溶接ヘッド８は十分な熱容量を持 ち、水冷されているため破壊される心配はない。反射パワ−９の一部は出射側の 導波路端面１ａに吸収されるが、厚肉に形成された端末部１９ａは熱容量が大き く、発生した熱を速やかに逃がすことができるので、端面１ａが破壊されること はない。また、中空導波路１の入射側端末部１９ａも銅で形成されているのでレ −ザ光に対して反射率が良く、誤って入射レ−ザ光が照射されてもすぐに破壊さ れることはない。この中空導波路１を用いて、出射パワ−1 ｋｗで照射時間１秒 のスポット溶接を繰り返し行ったところ、100 回以上の溶接ができた。

【００１５】

【考案の効果】

本考案による中空導波路の構造によれば、ＣＯ₂ レ−ザ光に対する反射率が極 めて高い出射端を持っているので、大パワ−のレ−ザ加工を繰り返し行っても被 加工物からの反射パワ−によって導波路の出射端が破損されることがなく、長寿 命・高信頼性レ−ザ加工が可能となる。また、導波路の端末部を熱伝導率の高い 金属で形成し、端末部を除く中間部を弾性に富む金属で形成することにより、端 末部での冷却効率と耐パワ−性を向上し、伝送容量の大幅な増加が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る中空導波路の構造の一実施例を示
す縦断面図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】中空導波路に冷却ジャケット並びに溶接ヘッド
を取付けた状態を示す縦断面図である。

【図４】従来構造の中空導波路に冷却ジャケット並びに
溶接ヘッドを取付けた状態を示す縦断面図である。

【図５】従来構造の中空導波路の端末部に固定用スリ−
ブを取付けた状態を示す縦断面図である。

【図６】従来構造の中空導波路の出射側端末部にテ−パ
状マスク付スリ−ブを取付けた状態を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 中空導波路 １ａ 出射端面 ２ ゲルマニウム薄膜（誘電体薄膜） １９ 外部金属層 １９ａ 端末部 １９ｂ 中間部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部金属層の内面に誘電体薄膜を内装し
   た光エネルギ−伝送用中空導波路において、導波路端末
   部は金、銀、銅のいずれかを用いた厚肉の金属層とし、
   導波路端末部を除く中間部はニッケルもしくはその合金
   を用いた薄肉の金属層とし、出射端面は光エネルギ−の
   伝送方向に対して垂直な鏡面としたことを特徴とする中
   空導波路の構造。