JPH0740072A - レーザ加工用エネルギー分割装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱効果に優れ、高パワーのレーザ光を入力
しても温度上昇を抑える。 【構成】 中継器１のハウジングが金属ケース２から成
る。金属ケース２の外面に放熱用ヒートシンク１６を設
ける。アパーチャ１３で反射した散乱光は金属ケース２
内に吸収される。さらに放熱用ヒートシンク１６を介し
て金属ケース２外部へ放熱される。高パワーのレーザ光
が入力されても、アパーチャ１３やコネクタ５，６の温
度上昇が抑えられる。

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、穴明けといった加工を行
な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
９に示すように、レーザ発振器３から出力されるレーザ
光を光ファイバ６０から中継器１、光ファイバ６１，６
１を介して複数の加工用光学系７０，７０に送ることが
できる。

【０００３】ここにおいて、中継器１は図１０に示すよ
うに、入射用光ファイバ６０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１０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１５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）をＮＡとする
時、 ｄ≦ｄｆ （１） θ＝２ sin^-1ＮＡ （２） また光ファイバから出た光は、図１０に示す光学系にお
いて、コリメートレンズ１０の焦点距離をｆ１、集光レ
ンズ１５の焦点距離をｆ２、光ファイバ６０からの出射
角をθ１、集光レンズ１５の集光角をθ２、コリメート
レンズ１０で平行とされたレーザ光のビーム径をＤ、光
ファイバ６１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＝２ sin^-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４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１
０で平行光とし、集光レンズ１５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に
出射させるには、上記（３）（４）（５）式から明らか
なように、集光レンズ１５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の開口数Ｎ
Ａを越えてしまって、（２）式を満足しなくなることが
生じる。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】加うるに、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
４として出射用光ファイバ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４−２６２２０５号を提案している。このも
のは、アパーチャ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１０よりも短い焦点距離を有する前述の
集光レンズ１５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
で、コリメートレンズ１０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、前記実施例では、ビームスプリッタ
を用いて分割を行なっているが、ビームスプリッタは実
際には設計した分割比例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】その結果、従来では、カットされたレーザ
光のロスが大きくなり、また、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
やミラー等に温度上昇の悪影響が生じ、そのうえ、エネ
ルギー分割の調整が困難になるという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本出願人は、
既に出願した特願平５−６７７７号において、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を、
分割前の略円状のレーザ光の断面を分割したものとし、
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、各々分割されたレーザ光の断面形状の略重心
位置に配することにより、アパーチャでカットされるレ
ーザエネルギーを低く抑えてロスを少なくし、つまりア
パーチャの温度上昇を低く抑えるようにし、さらにはエ
ネルギー分割の調整が容易となるレーザ加工用エネルギ
ー分割装置を提案している。しかしながら、かかるレー
ザ加工用エネルギー分割装置に対して、レーザ発振器か
ら高パワーのレーザ光を入力した場合は、アパーチャに
より反射される散乱光がケース内で多く発生して温度が
上昇し、これがアパーチャ部やコネクタ部、ミラー等に
悪影響を及ぼすという不具合がある。

【００１０】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、放熱効果に優れ、
高パワーのレーザ光を入力してもアパーチャやコネクタ
等の温度上昇を抑えることができるようにしたレーザ加
工用エネルギー分割装置を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
るために本発明は、レーザ発振器３から出力されたレー
ザ光を導く入射用光ファイバ４と、この入射用光ファイ
バ４から出たレーザ光を平行光とするコリメートレンズ
１０と、レーザ光を分割する分割光学系１１，１２と、
分割されたレーザ光を絞る複数のアパーチャ１３と、コ
リメートレンズ１０より短い焦点距離をもち、前記入射
用光ファイバ４と同じコア径を有する複数の出射用光フ
ァイバ１４にレーザ光を集光させるための複数の集光レ
ンズ１５と、これらを収納する中継器１のハウジングと
により構成されると共に、上記中継器１のハウジングが
金属ケース２から成り、金属ケース２の外面には放熱用
ヒートシンク１６が設けられていることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明によれば、中継器１のハウジングを金属
ケース２で構成したものであり、尚且つ金属ケース２の
外面に放熱用ヒートシンク１６を設けたことにより、ア
パーチャ１３で反射した散乱光は金属ケース２内に十分
に吸収され、さらに放熱用ヒートシンク１６を介して金
属ケース２外部へ放熱されることにより、高パワーのレ
ーザ光が入力されても、アパーチャ１３やコネクタ５，
６等の温度上昇が抑えられる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。図１において、中継器１のハウジングは、防塵性
の高い金属ケース２で構成され、この金属ケース２の一
端側には、図２に示すように、レーザ発振器３（図５参
照）からのレーザ光を導くための入射用光ファイバ４の
入射側コネクタ５が一つ設けられ、他端側にはレーザ光
を加工光学系に導くための出射側コネクタ６が二つ設け
られている。入射側コネクタ５は、図１に示す放熱フィ
ン７を備えた入射側の鏡筒８の先端部に取付けられ、こ
の鏡筒８の内部には入射用光ファイバ４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１０が配設さ
れている。さらに金属ケース２内には、図２に示すコリ
メートレンズ１０から出た平行なビーム径Ｄのレーザ光
の断面を分割するためのミラー系１１と、ミラー系１１
で分割反射されたレーザ光の向きを変換して、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１２
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に配されたア
パーチャ１３と、アパーチャ１３を通過した二つのレー
ザ光を夫々出射用光ファイバ１４に入射させる集光レン
ズ１５とが夫々二組納められている。

【００１４】また、分割されたレーザ光を絞るアパーチ
ャ１３は、上記ミラー系１１で２分割されたレーザ光の
断面積の略重心位置に円形の開口径の中心がくるように
配されており、アパーチャ１３を透過しないレーザエネ
ルギーのロスが極力低く抑えられるようになっている。
一方、上記アパーチャ１３から出たレーザ光が夫々入射
される二つの集光レンズ１５は、放熱フィン７を備えた
出射側の鏡筒９内に配置されている。尚、アパーチャ１
３の位置は、図１に示すミラー系１１と全反射ミラー１
２との間、又は図２に示す全反射ミラー１２と集光レン
ズ１５との間のいずれであってもよい。

【００１５】ここで、上記金属ケース２の一端側の外面
には、図１に示すように、上記鏡筒８，９の放熱フィン
７とは別に、放熱用ヒートシンク１６が設けられてお
り、金属ケース２内の熱を金属ケース２外部に逃がせる
構造となっている。また、上記アパーチャ１３の表面
は、耐熱性及び放熱性を有し、ＹＡＧレーザに対して反
射率の高い金属材料がメッキされると共に、図４に示す
ように、アパーチャ１３の開口部には反射方向に向けて
拡開するテーパ面１７が形成されている。さらに上記ア
パーチャ１３により反射された散乱光を吸収し易くする
ために、金属ケース２の内面にはＹＡＧレーザの波長を
吸収し易い表面処理が施されている。

【００１６】このように、中継器１のハウジングを防塵
性を有する金属ケース２で構成し、尚且つ金属ケース２
の外面に放熱用ヒートシンク１６を設けたことにより、
アパーチャ１３で反射した散乱光は金属ケース２内に吸
収され、さらに放熱用ヒートシンク１６を介して金属ケ
ース２外部へ放熱されることとなり、仮りに高パワーの
レーザ光が入力されても、アパーチャ１３やコネクタ
５，６、分割光学系１１，１２の温度上昇が抑えられ
る。その結果、放熱効果に優れたレーザ加工用エネルギ
ー分割装置が得られるという利点がある。

【００１７】また、本実施例では、金属ケース２の内面
に、ＹＡＧレーザの波長を吸収し易い表面処理を施すこ
とにより、アパーチャ１３により反射された散乱光は金
属ケース２内により吸収し易くなり、そのうえ鏡筒８，
９には放熱フィン７が夫々設けてあるので、温度上昇が
より効果的に抑えられるものである。また、アパーチャ
１３の表面は、耐熱性及び放熱性を有し、ＹＡＧレーザ
に対して反射率の高い金メッキが施されているから、高
パワーのレーザ光を伝送した場合であってもアパーチャ
１３そのものの温度上昇を抑えることができ、しかも、
アパーチャ１３の開口部に反射方向に向けて拡開するテ
ーパ面１７を形成した、分割されたレーザ光を開口部に
て拡散して入射用光ファイバ４に戻らないようにするこ
とができ、入射用光ファイバ４の損傷を防止できると共
に、入射用光ファイバ４の温度上昇をも同時に抑えるこ
とができるという利点がある。

【００１８】本発明の他の実施例を図５〜図８に示す。
本実施例では、ＹＡＧレーザ加工機２７の内蔵に適した
光ファイバ駆動リレー３０を例示する。最近は、ＹＡＧ
レーザ加工機、特に光ファイバを用いた加工機におい
て、レーザ光の有効利用のために、１つのレーザ発振器
から複数の光ファイバにレーザ光を切り替えて伝送する
ことができる、いわゆる時分割ユニットが装着される場
合が多くなってきている。

【００１９】ここで、従来の時分割ユニットにおいて
は、図１１に示すように、レーザ発振器３から出たレー
ザ光を任意のポートへ反射させるための複数の全反射型
の可動ミラー２０と、この可動ミラー２０を動かすため
のソレノイド等の駆動装置２１と、可動ミラー２０で反
射されたレーザ光を複数のうちの１つの光ファイバ端面
に集光するための複数の入射レンズ２２とで構成され、
夫々の構成要素はレーザ発振器３のベースに取付けられ
ている。また、各光ファイバ２５，２６の端面は、コネ
クタ２３で脱着可能になっていると共に、入射レンズ２
２の焦点の位置にきっちり位置合わせできるように微動
調整機構２４′が配置されている。

【００２０】しかしながら、従来の時分割ユニットで
は、夫々の光ファイバ２５，２６に対して入射レンズ２
２と微動調整機構２４′とを夫々有しているため、高価
なものとなる。また夫々の光ファイバ２５，２６に対し
て端面の位置を調整する必要があるため、光ファイバ２
５，２６を交換した時などにおいては、いちいち光ファ
イバ端面の夫々の位置を調整、確認する必要があった。
しかも、その調整具合によっては各光ファイバ２５，２
６間でレーザエネルギー（パワー）の差が出て、加工品
質が変わってしまうおそれもあった。

【００２１】これに対し、本実施例では、図５に示すレ
ーザ加工機２７に内蔵できる時分割ユニットにおいて、
入射レンズ（集光レンズ）３５、微動調整機構２４が１
つで済むと共に、レーザエネルギーの差が出難いように
した光ファイバ駆動リレー３０を提供するものである。
以下、光ファイバ駆動リレー３０の構造と、レーザ加工
機２７への内蔵方法とを順に説明する。

【００２２】先ず、光ファイバ駆動リレー３０は、図７
及び図８に示すように、一対の固定側光ファイバ３１，
３２の両端部を平行に固定する固定ブロックＡと、可動
側光ファイバ３３が平行移動するように駆動されること
により、その可動体５に固定された可動側光ファイバ３
３の一端部から出たレーザ光を一対の固定側光ファイバ
３１，３２の両端部のうちの一方の端部で受けるように
切り換える可動ブロックＢと、可動体３６を駆動する電
磁石装置Ｃと、固定ブロックＡ及び可動ブロックＢを収
容したチャンバＤと、有極電磁石３７の両側にアーマチ
ュア４０により駆動される動作位置検出装置４１，４２
と、電磁石装置Ｃ及びチャンバＤを位置決め固定してい
るケースＥ等で構成されている。上記動作位置検出装置
４１，４２は可動側光ファイバ３３のずれ量の増加を検
出して異常時にはレーザ伝送をストップさせるものであ
る。また、光ファイバ駆動リレー３０の可動側光ファイ
バ３３の他端部には、入射レンズからのレーザ光を正確
に入射するための微動調整機構２４が設けられている。
尚図７中、４３は固定側光ファイバ３１，３２を固定す
る固定台、４６は接続器、８０は駆動片、８１は蓋体、
８２，８３はストッパ台、１００は連結部材であり、連
結部材１００の両端がストッパ台８２，８３の調整部に
当接することにより、可動側光ファイバ３３がその一端
部の側面と固定側光ファイバ３１，３２の一端部の側面
とが極めて僅かな間隙をもって対向可能なように位置決
めされるものである。

【００２３】次に、上記光ファイバ駆動リレー３０をレ
ーザ加工機２７に内蔵するに当たり、図５に示すよう
に、可動側光ファイバ３３の他端が集光光学系、すなわ
ち入射レンズ３５の焦点位置にくるように光ファイバ駆
動リレー３０はレーザ発振器３のベースに位置決め固定
されている。そして、図６（ａ）（ｂ）に示すように、
光ファイバ駆動リレー３０の微動調整機構２４は、例え
ばレーザ光軸に垂直な方向に調整できる２つのスクリュ
ーネジ５０と、夫々のスクリューネジ５０にバネ圧縮力
を与えているスプリング５１により構成されており、こ
のスクリューネジ５０とスプリング５１により光ファイ
バ端面位置Ｐをレーザ光軸に垂直な方向（図６（ａ）の
矢印方向）に微動させることができ、これにより、レー
ザ加工機２７の入射光学系の焦点位置に可動側光ファイ
バ９０の端面の中心を正確に位置合わせできるものであ
る。

【００２４】上記のように、光ファイバ駆動リレー３０
をレーザ加工機２７に内蔵することによって、図９に示
入射用光ファイバ６０（図９）６０を１本省略でき、こ
れに伴って伝送ロスが減少され、低価格になるという利
点がある。一方、図１１に示す従来例では、最初の光フ
ァイバ２５，２６へのレーザ光の入射状態の調整がユー
ザーまかせとなり、入射ミスが発生する可能性があった
のに対し、本発明ではレーザ加工機２７内の入射レンズ
３５の焦点位置に微動調整機構２４を配しているため、
メーカーが一度レーザ加工機２７を設置する際に調整す
れば、後でユーザーが調整する必要がなくなり、入射ミ
スの発生を減らすことができると共に、入射レンズ３５
及び微動調整機構２４が１つで済み、高精度のレーザ加
工機を低コストで作製できるという利点がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明は上述のように、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、これらを
収納する中継器のハウジングとにより構成されると共
に、上記中継器のハウジングが金属ケースから成り、金
属ケースの外面には放熱用ヒートシンクが設けられたも
のであるから、高パワー（エネルギー）のレーザ光を入
力しても、金属ケースの吸熱作用とヒートシンクによる
放熱作用とによってアパーチャや光エネルギ等の温度上
昇が確実に抑えられ、放熱効果に優れたレーザ加工用エ
ネルギー分割装置が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図である。

【図２】同上の光学的系統図である。

【図３】図１の一部破断した側面図である。

【図４】同上のアパーチャの拡大断面図である。

【図５】本発明の他の実施例の光学的系統図である。

【図６】図５の微動調整機構を示し、（ａ）は側面図、
（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。

【図７】図５の光ファイバ駆動リレーの分解斜視図であ
る。

【図８】図７の組立後の平面図である。

【図９】従来例の概略図である。

【図１０】従来例の光学系の条件を説明するための光路
図である。

【図１１】他の従来例の光学的系統図である。

【符号の説明】

２ 金属ケース ３ レーザ発振器 ４ 入射用光ファイバ １０ コリメートレンズ １１，１２ 分割光学系 １３ アパーチャ １５ 集光レンズ １６ 放熱用ヒートシンク

───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

【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、これらを収納する中継器のハウジ
   ングとにより構成されると共に、上記中継器のハウジン
   グが金属ケースから成り、金属ケースの外面には放熱用
   ヒートシンクが設けられていることを特徴とするレーザ
   加工用エネルギー分割装置。