JPH06339786A - 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が容易できるよう
にする。 【構成】 分割光学系は、コリメートレンズ１１を通っ
た断面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を有し、かつそのミラー系１
４をコリメートレンズ１１を通ったレーザ光の光軸に対
して垂直な方向に微動させる調整手段の操作部２０ａを
装置の外部に設けてなるとともに、複数のアパーチャ１
３が、円形の断面が前記断面を分割された複数のレーザ
光の断面形状の略重心にくるよう配設されている。

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、切断、穴あけ等を行うレーザ
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。

【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
７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８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。

【０００４】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（ムメリカル・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８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、 ｆ１θ１＝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。

【０００５】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１８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。

【０００６】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損してし
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。

【０００７】本出願人は、上述の課題に対するものとし
て、特願平４−２６２２０５号を提案している。このも
のは図６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トレンズ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に損傷を与えることなく、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１４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、コリメートレンズで平
行にされたレーザ光の径を０．８〜０．９倍にしなけれ
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ともに、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。

【０００８】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。しかし、ビーム
スプリッタ１４の位置は固定されているので、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していた。

【０００９】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、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
レーザ加工用エネルギー分割装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、請求項１記載のものは、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、コリメートレン
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と、を備えたレーザ加
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
し、かつそのミラー系をコリメート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させる調整手段の
操作部を装置の外部に設けてなるとともに、前記複数の
アパーチャは、円形の断面が前記断面を分割された複数
のレーザ光の断面形状の略重心にくるよう配設されてな
る構成としている。

【００１１】また、請求項２記載のものは、前記調整手
段の操作部が、電気信号により駆動する駆動手段に連動
されてなる構成としている。

【００１２】

【作用】請求項１記載のものによれば、略円状のレーザ
光がミラー系により分割された断面形状の略重心位置に
円形のアパーチャが配されているので、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るととも
に、ミラー系に製作上のばらつきがあって所定の分割比
率になっていない場合であっても、コリメートレンズを
通ったレーザ光の光軸に対して垂直な方向にミラー系を
微動させる調整手段の操作部が装置の外部に設けられて
いるから、その操作部を操作することによって容易に容
易に所定の分割比率に調整することができる。

【００１３】請求項２記載のものによれば、電気信号に
より駆動手段を駆動して調整手段の操作部を操作するこ
とによって、自動によりミラー系による分割比率を調整
することができる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１乃至図５に基づいて説
明する。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で分割された二つのレー
ザ光の向きを同じにする全反射ミラー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０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
つのレーザ光をそれぞれ出射用光ファイバ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。

【００１５】さらに詳しくは、ミラー系１４は、図５に
示すように、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面体のミラーであって、図２に
示すように、透明な略コ字状の支持部材１９の中央部１
９ａの内側面に反射面１４ａ，１４ｂの２面と交わる他
の１面を固着し、対向部１９ｂ，１９ｃからさらに外側
へ設けた三角柱状の支持部１９ｄ，１９ｅの傾斜面に全
反射ミラー１５，１５を固着してある。

【００１６】そして、ミラー系１４は、以下のような分
割比率の調整手段を有して構成されている。つまり、支
持部材１９は平板状のスライド部材２０上に固定され、
そのスライド部材２０は、一端部に円板状の操作部２０
ａを有した操作軸２０ｂの他端部を螺合されている。そ
して操作部２０ａは、図１に示すように、中継器１の外
枠１ａから露出して配設されるとともに、図３に示すよ
うに、操作部２０ａの調整目盛りが外枠１ａに設けられ
ており、外枠１ａの外部から操作部２０ａを調整目盛り
に基づいて人が手で回転させると、スライド部材２０は
操作軸２０ｂの軸方向つまりコリメートレンズ１１を通
ったレーザ光の光軸に対して垂直な方向に微動される。
そうすると、ミラー系１４の二つの反射面１４ａ，１４
ｂで反射された二つのレーザ光は、所定の分割比率でも
って透明な支持部材１９の対向部１９ｂ，１９ｃを透過
した後、全反射ミラー１５，１５により反射されてその
向きを同じにしてアパーチャ１３，１３に送られる。

【００１７】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（例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。

【００１８】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、 ｆ１θ１＝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。

【００１９】上記ミラー系１４で二分割されたレーザ光
の断面は、図４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０
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０とは、直径Ｄ１の半
円に、直径Ｄ２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ロスを
低く抑えることができるものである。

【００２０】かかるレーザ加工用エネルギー分割装置に
あっては、略円状のレーザ光がミラー系１４により分割
された断面形状の略重心位置０に円形のアパーチャ１３
が配されているので、アパーチャ１３でカットされるレ
ーザエネルギーが低く抑えられるとともに、ミラー系１
４に製作上のばらつきがあって所定の分割比率になって
いない場合であっても、コリメートレンズ１１を通った
レーザ光の光軸に対して垂直な方向にミラー系１４を微
動させる調整手段の操作部２０ａが装置の外部に設けら
れているから、その操作部２０ａを操作することによっ
て容易に所定の分割比率に調整することができ、ひいて
は安定したレーザ加工を行うことができるようになる。

【００２１】なお、本実施例では、ミラー系１４の分割
比率を調整する調整手段の操作部２０ａは、人が手で操
作するようになっているが、電気信号によりモータ等の
駆動手段を駆動して調整手段の操作部２０ａを操作する
ようにしてもよく、その場合には自動により調整可能と
することもできる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載のものは、略円状のレーザ
光がミラー系により分割された断面形状の略重心位置に
円形のアパーチャが配されているので、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るととも
に、ミラー系に製作上のばらつきがあって所定の分割比
率になっていない場合であっても、コリメートレンズを
通ったレーザ光の光軸に対して垂直な方向にミラー系を
微動させる調整手段の操作部が装置の外部に設けられて
いるから、その操作部を操作することによって容易に容
易に所定の分割比率に調整することができる。

【００２３】請求項２記載のものは、電気信号により駆
動手段を駆動して調整手段の操作部を操作することによ
って、自動によりミラー系による分割比率を調整するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す光学的系統図である。

【図２】同上のミラー系の分割比率を調整する調整手段
の斜視である。

【図３】同上の調整手段の操作部を示す正面図である。

【図４】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５】同上のミラー系の説明図である。

【図６】従来例の概略図である。

【図７】他の従来例の概略図である。

【図８】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 ２０ａ調整手段の操作部

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

Claims (2)

【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、コリメート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
   数の集光レンズと、を備え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
   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し、かつそのミラー系をコリメート
   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
   動させる調整手段の操作部を装置の外部に設けてなると
   ともに、前記複数のアパーチャは、円形の断面が前記断
   面を分割された複数のレーザ光の断面形状の略重心にく
   るよう配設されてな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】 前記調整手段の操作部は、電気信号によ
   り駆動する駆動手段に連動されてな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。