JPH06281877A - レーザ加工用エネルギー分割装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エネルギーロスが少なく、温度上昇の影響がな
く、しかも、エネルギー分割の調整を容易にする。 【構成】分割光学系は、コリメートレンズ１１を通り断
面が略円状のレーザ光の断面を分割して、複数のレーザ
光に分割するミラー系１４有する。前記断面を分割され
た複数のレーザ光が絞られるアパーチャ１３の断面が円
形をしており、アパーチャ１３の断面が前記レーザ光の
断面の略重心位置Ｏにくるようにアパーチャ１３を配す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ発振器から出力さ
れたレーザ光を、溶接や切断、孔明けといった加工を行
うレーザ加工機に供給するに際して、複数のレーザ加工
機にレーザ光を送ることができるレーザ加工用エネルギ
ー分割装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機においては、一般にレーザ
発振器から出力されたレーザ光を結合レンズにより光フ
ァイバに入射してこの光ファイバの他端から加工用集光
レンズにレーザ光を導いている。この場合、単一のレー
ザ発振器からは単一の加工点にレーザ光を送ることがで
きるだけであるが、特公平３−９８３４号公報に示され
ているように、光ファイバによる伝送経路中に、中継器
１を設置するとともに、この中継器１中にレーザ光を分
割する半透過のビームスプリッタを配置することで、図
８に示すように、レーザ発振器２から出力されるレーザ
光を複数の加工用光学系３，３に送ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここにおいて、中継器
１は図９に示すように、入射用光ファイバ１０から出る
レーザ光を平行なものとするコリメートレンズ１１と、
平行なレーザ光を出射用光ファイバに入射するための集
光レンズ１２とから構成されている。ところで、光ファ
イバにレーザ光を入射するにあたっては、次の条件を満
足しなくてはならない。すなわち、レーザ光のスポット
径をｄ、光ファイバのコア径をｄｆ、レーザ光の入射角
をθ、光ファイバ固有の開口数（ヌメリカル・アパーチ
ャー）をＮＡとする時、 ｄ≦ｄｆ （１） θ＝２sin^-1ＮＡ （２） また光ファイバから出た光は、図９に示す光学系におい
て、コリメートレンズ１１の焦点距離をｆ１、集光レン
ズ１２の焦点距離をｆ２、光ファイバ１０からの出射角
をθ１、集光レンズ１２の集光角をθ２、コリメートレ
ンズ１１で平行とされたレーザ光のビーム径をＤ、光フ
ァイバ１０のコア径をｄ１、集光径をｄ２とする時、 ｆ１・θ１＝ｆ２θ２＝Ｄ （３） ｄ２／ｄ１＝ｆ２／ｆ１ （４） ∴ ｄ１θ１＝ｄ２θ２ （５） θ１＝２sin^-1ＮＡ （６） という条件を満足している。

【０００４】この時、上記公報にも示されているよう
に、出射用光ファイバ１０の径を小さくしておくことが
レーザ光のエネルギー密度を高める点で好ましいのであ
るが、中継器１において、径の小さい出射用光ファイバ
１８にレーザ光を入射させるのは非常に困難である。な
ぜなら、入射用光ファイバ１０から出たレーザ光は、
（６）式のように、光ファイバ固有の開口数ＮＡで決ま
る角度まで広がってしまうことから、これをコリメート
レンズ１１で平行光とし、集光レンズ１２で集光するに
あたり、集光径ｄ２を小さくして径の小さい出射用光フ
ァイバ１８に入射させるには、上記（３）（４）（５）
式から明らかなように、集光レンズ１２として焦点距離
ｆ２が小さく、従って集光角θ２が大きいものを用いな
くてはならず、この時、集光角θ２が出射用光ファイバ
１８の開口数ＮＡを越えてしまって、（２）式を満足し
なくなることが生ずる。つまり、レーザ光の一部しか利
用できなくなってしまうものであり、これを避けるに
は、開口数ＮＡが大きく、径が大きい光ファイバを用い
なくてはならない。

【０００５】加えるに、光ファイバから出たレーザ光を
レンズ系を用いて再び同じ開口数ＮＡの光ファイバに入
射する場合、（２）式を満足するには入射用光ファイバ
１０として出射用光ファイバ１８と同じ径以上の径をも
つものとしなくてはならないが、レンズには収差がつき
ものであるために、同じ径の光ファイバに完全に再入射
させるのは難しく、またレーザ加工に用いるレーザ光は
非常にエネルギー密度が高いために、きちんと光ファイ
バに入射させないと光ファイバの端面を損傷破壊してし
まう場合があり、実際上、径の小さい光ファイバを出射
側（つまりはレーザ加工側）に用いることができない。

【０００６】本出願人は、上述の課題に対するものとし
て、特願平４ー２６２２０５号を提案している。このも
のは図７に示すように、アパーチャ１３を用いてレーザ
光の一部をカットして、レーザ光の径を小さくして入射
側のレーザ光側のコリメータレンズ１１よりも短い焦点
距離を有する集光レンズ１２で光ファイバにレーザ光を
集光して入射できるものである。これにより、出射用光
ファイバ１８に傷損を与えることなく、レーザ光を分割
して伝送できるものである。しかし、前述のものはビー
ムスプリッタで分割されたレーザ光の径すなわち断面積
は、分割される前と略同じである。つまり、出射用光フ
ァイバ１８の端面で、レーザ光のスポット径を光ファイ
バのコア径の０．８〜０．９倍程度に集光しようとすれ
ば、前記アパーチャ１３で、コリメータレンズで平行に
されたレーザ光の径を０．８〜０．９倍にしなけばなら
ず、面積では０．６４〜０．８１倍となる。すなわち、
１９〜３６％はアパーチャ１３でカットされることにな
る。カットされたレーザ光はロスとなる。エネルギー分
割装置を用いた場合、１箇所の加工には、レーザ発振器
の数分の１のものであるので、ロスはできる限り低いも
のが望ましいと共に、レーザ出力が大きくなると、アパ
ーチャの温度が非常に高くなって、光学レンズやミラー
に悪影響を及ぼすことも生じる。

【０００７】また、前記例では、ビームスプリッタ１４
を用いて分割を行っているが、ビームスプリッタ１４は
実際には設計した分割比通りには製作することは困難
で、ある程度のばらつきを有している。加工上のばらつ
きが問題になる場合、分割された後のエネルギーの最も
小さいものに合わせるように、エネルギーを減少させ
て、略同じ程度になるように後で調整をしていた。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、ロスが少なく、
温度上昇の影響がなく、しかも、エネルギー分割の調整
が容易なレーザ加工機用エネルギー分割装置を提供しよ
うとするにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ発振器
から出力されたレーザ光を導く入射用光ファイバと、こ
の入射用光ファイバから出たレーザ光を平行光とするコ
リメートレンズと、レーザ光を分割する分割光学系と、
分割されたレーザ光を絞る複数のアパーチャと、コリメ
ータレンズより短い焦点距離をもち、前記入射用光ファ
イバと同じコア径を有する複数の出射用光ファイバにレ
ーザ光を集光させるための複数の集光レンズより構成さ
れたレーザ加工用エネルギー分割装置において、前記分
割光学系は、前記コリメートレンズを通り断面が略円状
のレーザ光の断面を分割して、複数のレーザ光に分割す
るミラー系を有すると共に、前記断面を分割された複数
のレーザ光が絞られるアパーチャの断面が円形をしてお
り、アパーチャの断面が前記レーザ光の断面形状の略重
心にくるようにアパーチャが配されて成ることを特徴と
するものである。

【００１０】また、前記ミラー系は、前記コリメートレ
ンズを通った断面が略円状のレーザの断面を複数の扇状
の断面を有したレーザ光に分割する為に、複数のレーザ
光の光軸に斜めの反射面を有する多面体ミラーより成っ
ていることを特徴とするものである。また、前記ミラー
系は、前記コリメータレンズを通った断面が略円状のレ
ーザの断面の一部にレーザ光の光軸に対し、斜めの反射
面を有するミラーが順次配されて、レーザ光をスライス
して分割することを特徴とするものである。

【００１１】また、前記ミラー系には、前記コリメータ
レンズを通ったレーザ光の光軸に対して、垂直な方向に
微動できる機構が配されており、レーザ光のパワーの分
割する比率を調整できるようになっていることを特徴と
するものである。

【００１２】

【作用】請求項１によれば、ミラー系により分割された
複数のレーザ光の各々の断面形状は、分割前の略円状の
レーザ光の断面を分割したものになっており、断面積
は、分割数分の１になっていると共に、円形のアパーチ
ャが、各々に分割されたレーザ光の断面形状の略重心位
置に配されているので、アパーチャでカットされるレー
ザエネルギーが低く抑えられ、すなわち、アパーチャの
温度上昇が低く抑えられるものである。ところで、上記
略重心位置Ｏとは、図２に示すように、直径Ｄ１の半円
に、直径Ｄ１の円を重ねた時に、重なった部分の面積が
最大となる位置のことであり、実際は、透過エネルギー
（パワー）が最大となる位置を示している。これによ
り、アパーチャを透過しないレーザエネルギーすなわち
ロスを低く抑えることができるものである。 レーザ光
の断面を分圧するミラー系の手段として、請求項２で
は、複数のレーザ光の光軸に対して斜めの反射面を有す
る多面体ミラーより成っており、分割前の略円状のレー
ザ光の断面を複数の扇状の断面を有したレーザ光に分割
している。

【００１３】請求項３では、レーザ光の断面を分割する
ミラー系の手段として、レーザ光断面の中の一部にレー
ザ光の光軸に対し斜めの反射面を有する第１段目のミラ
ーを配して、レーザ光をスライス（輪切り）するように
一部を反射させ、残りのレーザ光はそのまま透過させて
いる。透過したレーザ光の断面の中の一部に次段のミラ
ーを配し、さらに一部を反射させ、残りのレーザ光を透
過させることを繰り返して、１つの円形のレーザ光を複
数にスライスされたレーザ光に分割するものである。

【００１４】請求項４では、レーザ光断面の中の一部に
配されたミラー系を、レーザ光の光軸に対して、垂直な
方向に微動させることにより、複数の方向に反射させる
レーザ光の断面積を変化させることができ、エネルギー
（パワー）の分割比率を微調整することができるように
なっている。

【００１５】

【実施例】以下本発明を図示の実施例に基づいて詳述す
ると、図１において、中継器１の一端にはレーザ発振器
からのレーザ光を導く入射用光ファイバ１０用のコネク
タ１６が設けられ、他端側にはレーザ光を加工用光学系
に導くための出射用光ファイバ１８用のコネクタ１７が
二つ設けられている。そして中継器１内には、光ファイ
バ１０から出たレーザ光を平行光とするためのコリメー
トレンズ１１と、コリメートレンズ１１から出た平行な
ビーム径Ｄ１のレーザ光の断面を分割するためのミラー
系１４と、ミラー系１４で分割反射されたレーザ光の向
きを変換して、ミラー系１４で分割された２つのレーザ
光の向きを同じとする全反射ミラー１５，１５と、上記
Ｄ１よりも小さい開口径Ｄ２を持ち、断面を分割された
レーザ光の断面形状の略重心位置Ｏに配されたアパーチ
ャ１３，１３と、アパーチャ１３，１３を通過した二つ
のレーザ光を夫々出射用光ファイバ１８，１８に入射さ
せる二つの集光レンズ１２，１２とが納められている。

【００１６】上記アパーチャ１３は、耐熱性及び放熱性
を有してレーザ光を反射する金属（たとえば黄銅やアル
ミニウム、あるいは金属に金メッキを施したもの）で形
成されている。そして、このものにおける集光レンズ１
２，１２の焦点距離ｆ２は、 ｆ１・θ１＝Ｄ１ （７） ｆ２θ２＝Ｄ２ （８） ｄ２／ｄ１＝ｆ２／ｆ１ （９） ｄ２≦ｄｆ （１０） θ２＝２sin^-1ＮＡ （１１） という条件を満足する範囲で、コリメートレンズ１１の
焦点距離ｆ１より小さく設定してある。集光レンズ１２
に入るレーザ光のビーム径がアパーチャ１３によって絞
られているために、焦点距離ｆ２を長くすることと、集
光角θ２を小さくすることに有利になっているものであ
り、これ故に、出射用光ファイバ１８として、開口数Ｎ
Ａが小さく、径が小さいものを用いることができるよう
になっているものである。

【００１７】上記ミラー系１４で二分割されたレーザ光
の断面は、図２に示すように、直径がＤ１の円の半分の
半円形状をしており、その半円の断面積の略重心位置Ｏ
に円形の開口径Ｄ２の中心がくるようにアパーチャ１３
が配されている。上記略重心位置Ｏとは、直径Ｄ１の半
円に、直径Ｄ１の円を重ねた時に、重なった部分の面積
が最大となる位置のことであり、実際は、透過エネルギ
ー（パワー）が最大となる位置を示している。これによ
り、アパーチャ１３を透過しないレーザエネルギーすな
わちエネルギーロスを低く抑えることができるものであ
る。

【００１８】上記実施例は、ミラー系１４として、図３
に示すようなレーザ光軸に対して二つの斜めの反射面１
４ａ，１４ｂを有する５面体（４角柱）の多面体ミラー
を用いて２分割したものであるが、図４に示すような５
面体（４角錐）を用い、頂点Ｐがレーザ光の光軸の中心
にくるように配することにより、４分割することもで
き、レーザ光に断面内に有する斜めの反射面の数により
種々の分割数を達成することができる。尚、４分割の時
は、分割後のレーザ光の断面ｗ，ｘ，ｙ，ｚは、１／４
円になっている（図４（ｂ）参照）。

【００１９】図５に他の実施例を示す。図１との違い
は、コリメートレンズ１１から出た平行なビーム径Ｄ１
のレーザ光の一部を反射させるようにビームスライスミ
ラー１９が配されていることである。本実施例は、２分
割を示すもので、ビームスライスミラー１９にて反射さ
れたレーザ光の断面及び、ビームスライスミラー１９で
反射されず透過されたレーザ光の断面は、略半円状にな
っており、前述の実施例と同様、半円形の断面の重心位
置Ｏにアパーチャ１３の開口部中心がくるように配され
ている。

【００２０】図６には、４分割した例を示す。図６にお
いてビームスライスミラー１９ａ，１９ｂ，１９ｃを矢
印イ、ロ、ハの方向に動かすことにより、ビームスライ
スミラー１９ａ・・で反射されるレーザエネルギーすな
わちレーザ光の断面積の増減が可能となる。これによ
り、分割された後のレーザ光をファイバで伝送させ加工
点まで導いた時の加工点でのレーザエネルギーを均等に
したり、意図的に差をつけたりすることが可能となる。
これは、前述の図１及び図４，図５の実施例でも同じこ
とが言える。

【００２１】

【発明の効果】本発明は上述のように、ミラー系により
分割された複数のレーザ光の各々の断面形状は、分割前
の略円状のレーザ光の断面を分割したものになってお
り、断面積は、分割数分の１になっていると共に、円形
のアパーチャが、各々に分割されたレーザ光の断面の略
重心位置に配されているので、アパーチャでカットされ
るレーザエネルギーが低く抑えられ、すなわち、アパー
チャの温度上昇が低く抑えられるものである。

【００２２】レーザ光の断面を分圧するミラー系の手段
として、請求項２では、複数のレーザ光の光軸に対して
斜めの反射面を有する多面体ミラーより成っており、分
割前の略円状のレーザ光の断面を複数の扇状の断面を有
したレーザ光に分割している。請求項３では、レーザ光
の断面を分割するミラー系の手段として、レーザ光断面
の中の一部にレーザ光の光軸に対し斜めの反射面を有す
る第１段目のミラーを配して、レーザ光をスライス（輪
切り）するように一部を反射させ、残りのレーザ光はそ
のまま透過させている。透過したレーザ光の断面の中の
一部に次段のミラーを配し、さらに一部を反射させ、残
りのレーザ光を透過させることを繰り返して、１つの円
形のレーザ光を複数にスライスされたレーザ光に分割す
るものである。

【００２３】請求項４では、レーザ光断面の中の一部に
配されたミラー系を、レーザ光の光軸に対して、垂直な
方向に微動させることにより、複数の方向に反射させる
レーザ光の断面積を変化させることができ、エネルギー
（パワー）の分割比率を微調整することができるという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光学的系統図である。

【図２】同上のミラー系にて分割されたレーザ光断面と
アパーチャの開口部との設定関係を示す説明図である。

【図３】同上の請求項２の実施例のミラー系の説明図で
ある。

【図４】同上の他の実施例におけるミラー系の作用を示
し、（ａ）（ｂ）は説明図である。

【図５】同上の請求項３の実施例の光学的系統図であ
る。

【図６】同上の請求項４の実施例を示し、（ａ）は説明
図、（ｂ）は（ａ）のＡーＡ線におけるレーザ光断面形
状を示し、（ｃ）は（ａ）のＢーＢ線におけるレーザ光
断面形状を示し、（ｄ）は（ａ）のＣーＣ線におけるレ
ーザ光断面形状を示し、（ｅ）は（ａ）のＤーＤ線にお
けるレーザ光断面形状を示している。

【図７】従来例の概略図である。

【図８】他の従来例の概略図である。

【図９】同上の光学系の条件を説明するための光路図で
ある。

【符号の説明】

１０ 入射用光ファイバ １１ コリメートレンズ １３ アパーチャ １４ ミラー系 １８ 出射用光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下村 勉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出力されたレーザ光を
   導く入射用光ファイバと、この入射用光ファイバから出
   たレーザ光を平行光とするコリメートレンズと、レーザ
   光を分割する分割光学系と、分割されたレーザ光を絞る
   複数のアパーチャと、コリメータレンズより短い焦点距
   離をもち、前記入射用光ファイバと同じコア径を有する
   複数の出射用光ファイバにレーザ光を集光させるための
   複数の集光レンズより構成されたレーザ加工用エネルギ
   ー分割装置において、前記分割光学系は、前記コリメー
   トレンズを通った断面が略円状のレーザ光の断面を分割
   して、複数のレーザ光に分割するミラー系を有すると共
   に、前記断面を分割された複数のレーザ光が絞られるア
   パーチャの断面が円形をしており、アパーチャの断面が
   前記レーザ光の断面形状の略重心にくるようにアパーチ
   ャが配されて成ることを特徴とするレーザ加工用エネル
   ギー分割装置。
2. 【請求項２】 前記ミラー系は、前記コリメートレンズ
   を通った断面が略円状のレーザの断面を複数の扇状の断
   面を有したレーザ光に分割する為に、複数のレーザ光の
   光軸に斜めの反射面を有する多面体ミラーより成ってい
   ることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工用エネル
   ギー分割装置。
3. 【請求項３】 前記ミラー系は、前記コリメータレンズ
   を通った断面が略円状のレーザの断面の一部に、レーザ
   光の光軸に対して斜めの反射面を有するミラーが順次配
   されて、レーザ光をスライスして分割することを特徴と
   する請求項１記載のレーザ加工用エネルギー分割装置。
4. 【請求項４】 前記ミラー系には、前記コリメータレン
   ズを通ったレーザ光の光軸に対して、垂直な方向に微動
   できる機構が配されており、レーザ光のパワーの分割す
   る比率を調整できるようになっていることを特徴とする
   請求項１記載のレーザ加工用エネルギー分割装置。