JP2001030199A - レーザープローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光学レンズや光ファイバーの温度上昇が効果的
に抑えられた、従って、それらの温度上昇による破損が
防止されたレーザープローブを提供する。 【解決手段】レーザープローブは、光ファイバー６の端
部を保持するコネクター５と、レーザー光を集光するレ
ンズ２ａ，２ｂと、これらを保持する円筒状のレンズ枠
１ａ，１ｂと、レンズ枠を収容する円筒状の外套４と、
外套の端部に連結されたノズル３を有している。外套４
の端部には、冷却ガスを供給するためのチューブ７が連
結されており、その中を光ファイバー６が延びている。
レンズ枠１ａ，１ｂは、それぞれ、両端部に複数のスリ
ット９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有している。レンズ２ａ
は複数のスリット９ａに囲まれ、レンズ２ｂは複数のス
リット９ｃに囲まれ、コネクター５は複数のスリット９
ｄに囲まれている。ノズル３は、先端の開口の他に、側
方に向かって貫通した開口１０を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を光フ
ァイバーにより伝送して、目的部位の溶接や切断加工を
行うレーザー加工装置や医療用レーザー装置に使用され
るレーザープローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー加工においては、目的部位にレ
ーザー光を照射する手段の１つとして、光ファイバーに
よりレーザー光を伝送し、その先端部に設けた集光光学
系によりレーザー光を集光し照射する方法が、一般に取
られている。近年、より目的部位に容易に照射するた
め、また、従来では照射が不可能であった狭所への照射
を可能とするため、集光光学系本体の細径化および加工
能力を向上するための大出力化が望まれている。

【０００３】光ファイバー端面では反射や漏れ光等によ
るエネルギーの損失が生じる。また、光ファイバーから
射出されたレーザー光が集光光学系の光学レンズを透過
する際には、レンズ面のコーティングでの吸収や散乱等
によるエネルギーの損失が生じる。損失したエネルギー
は、光ファイバー接続部やレンズ面や光学系本体内面に
吸収され熱となり、光学系全体の温度を上昇させる。

【０００４】光学系の温度上昇は、集光光学系本体の細
径化とレーザー光の大出力化に伴って顕著となり、レン
ズや光ファイバーを破損させる場合がある。

【０００５】特開平６−５１２３５号は、このような問
題を解決するための、冷却手段を備えたレーザー加工光
学系を提案している。このレーザー加工光学系は、図６
に示されるように、本体１０１は、雰囲気ガスを導入す
るための入口ノズル１０２と、レーザー光１０９ａを射
出すると共に雰囲気ガスを排出するための出口ノズル１
０４を有している。光ファイバー１０５はカップリング
１０８を介して本体１０１に取り付けられ、Ｏリング１
１０によってシールされている。光学レンズ１０３ａ，
１０３ｂは、テーパー孔１１５を有するレンズホルダー
１１４により本体１０１内に保持されている。

【０００６】雰囲気ガスは入口ノズル１０２から本体１
０１内に流入し、カップリング１０８の周囲を流れて光
学レンズ１０３ａに向かう。雰囲気ガスは、さらに、光
学レンズ１０３ａを支持するレンズホルダー１１４のテ
ーパー孔１１５を通って光学レンズ１０３ｂに向かう。
その後、雰囲気ガスは、光学レンズ１０３ｂを支持する
レンズホルダー１１４のテーパー孔１１５を通り、出口
ノズル１０４から本体１０１の外へ出る。

【０００７】雰囲気ガスは、本体１０１内を流れる間
に、カップリング１０８や光学レンズ１０３ａ，１０３
ｂの熱を奪う。これにより、光ファイバー１０５および
光学レンズ１０３ａ，１０３ｂが冷却される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このレーザー加工光学
系では、冷却手段は、光学レンズ１０３ａ，１０３ｂの
冷却を主目的としている。従って、雰囲気ガスあるいは
冷却ガスは、レンズホルダー１１４によりも、光学レン
ズ１０３ａ，１０３ｂに向けて噴出されている。このた
め、本体１０１に沿って通過する雰囲気ガスの流量は少
ない。

【０００９】通常、光学レンズ１０３ａ，１０３ｂは、
レーザー光の波長に対して透過率の十分高い光学ガラス
で作られるため、光学レンズ１０３ａ，１０３ｂで直に
吸収される光量は微量である。

【００１０】光学レンズ１０３ａ，１０３ｂの温度を上
昇させる実際の要因は、光学レンズ１０３ａ，１０３ｂ
に入射する光ではなく、光ファイバー１０５が挿入され
ているカップリング１０８や本体１０１の内面で吸収さ
れる光である。光学レンズ１０３ａ，１０３ｂの温度上
昇は、カップリング１０８や本体１０１で吸収された光
が熱となって光学レンズ１０３ａ，１０３ｂに伝達した
結果である。

【００１１】従って、光学レンズ１０３ａ，１０３ｂの
温度上昇を抑える効果的な策は、カップリング１０８と
本体１０１を効率良く冷却することである。

【００１２】本発明は、光学レンズや光ファイバーの温
度上昇が効果的に抑えられた、従って、それらの温度上
昇による破損が防止されたレーザープローブを提供する
ことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によるレーザープ
ローブは、レーザー光を伝送する光ファイバーの端部を
保持するコネクターと、光ファイバーからのレーザー光
を集光する少なくとも一枚のレンズと、コネクターと少
なくとも一枚のレンズを含む光学素子を保持する少なく
とも一つの円筒状の保持部材であって、コネクターとレ
ンズが保持される部分の周辺に複数のスリットを有して
いる保持部材と、保持部材を収容する円筒状の外套であ
って、その一方の端部には、光ファイバーを囲んで延び
る、冷却ガスを供給するためのチューブが連結される外
套と、外套の他方の端部に連結された、テーパーを有す
る円筒状のノズルであって、その先端に開口を有してお
り、その開口からレーザー光が射出されると共に冷却ガ
スが加工部位に対する雰囲気ガスとして噴射されるノズ
ルとを有しており、保持部材のスリットと外套は、コネ
クターとレンズの周りに、冷却ガスが流れる流路を形成
し、従って、冷却ガスは、少なくともコネクターとレン
ズの周りにおいて、保持部材のスリットと外套に沿っ
て、それらに触れながら流れる。

【００１４】ノズルは、好ましくは、先端の開口の他に
第二の開口を更に有しており、これにより先端の開口か
ら噴射される冷却ガスの流量が、加工部位において雰囲
気ガスとして適量となるように調整されている。

【００１５】レーザープローブは、一実施形態において
は、保持部材の内部に収容されるスペーサーを更に有し
ており、スペーサーは、コネクターと少なくとも一枚の
レンズを含む光学素子の間に配置され、それらの相互間
の間隔を定める働きをし、さらに、スペーサーは、保持
部材との間に隙間を形成する外側突出部を備えるほぼ円
筒形状をしており、その両端部に複数のスリットを有し
ており、これにより、冷却ガスに接触する保持部材とス
ペーサーの面積の総和が増大されている。

【００１６】レーザープローブは、別の一実施形態にお
いては、外套がレーザー光に対し透過性を有しており、
レーザー光の一部が外套を通って外部に放射される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１８】［第一の実施の形態］図１に示されるよう
に、レーザープローブは、レーザー光を伝送する光ファ
イバー６の端部を保持するコネクター５と、光ファイバ
ー６からのレーザー光を集光するための二枚のレンズ２
ａ，２ｂと、コネクター５と二枚のレンズ２ａ，２ｂを
保持するための二つの円筒状のレンズ枠１ａ，１ｂとを
有している。

【００１９】レーザープローブは、更に、レンズ枠１
ａ，１ｂを収容する円筒状の外套４と、外套４の端部に
連結されたノズル３とを有している。ノズル３は、テー
パーを有する円筒状のノズルであって、その先端に開口
を有している。ノズル３と外套４は、本実施形態では一
体的に形成されているが、これらは、別個の部材で形成
されていても一向に構わない。

【００２０】ノズル３は、先端の開口の他に、側方に向
かって貫通する少なくとも一つの開口１０を有してい
る。図１には、二つの開口１０が描かれているが、開口
１０の数はこれに限らない。開口１０の数は、一つであ
っても、あるいは、三つ以上であってもよい。

【００２１】ノズル３の反対側に位置する外套４の後端
部には、冷却ガスを供給するためのチューブ７が連結さ
れており、その中を光ファイバー６が延びている。冷却
ガスは、加工目的に応じて使い分けられ、例えば、切断
加工に対してはプラズマ発生を促進するプラズマガス
が、溶接加工に対しては酸化防止をする不活性ガスが用
いられる。また、冷却ガスは、光学系を冷却する機能だ
けでなく、加工部位に対しては雰囲気ガスとして作用す
る機能も有している。

【００２２】レンズ枠１ａは、その両端部に複数のスリ
ット９ａ，９ｂを有している。同様に、レンズ枠１ｂ
は、その両端部に複数のスリット９ｃ，９ｄを有してい
る。レンズ２ａは、レンズ枠１ａの前側の端部に収容保
持されており、従って、図２に示されるように、複数の
スリット９ａによって囲まれている。

【００２３】同様に、レンズ２ｂは、レンズ枠１ｂの前
側の端部に収容保持されており、従って、複数のスリッ
ト９ｃによって囲まれており、一方、コネクター５は、
レンズ枠１ｂの後ろ側の端部に収容保持されており、従
って、複数のスリット９ｄによって囲まれている。

【００２４】光ファイバー６から射出されたレーザー光
は、レンズ２ａ，２ｂによって収束性の光束に変えら
れ、ノズル３の先端の開口から射出される。

【００２５】また、チューブ７から供給された冷却ガス
は、スリット９ｄと外套４によって形成される流路を通
ってコネクター５の周りを流れ、続いて、スリット９
ｃ，９ｂと外套４によって形成される流路を通ってレン
ズ２ｂの周りを流れ、スリット９ａと外套４によって形
成される流路を通ってレンズ２ａの周りを流れ、ノズル
３内に流出する。

【００２６】このように、冷却ガスは、温度が上昇し易
いコネクター５や外套４やレンズ枠１ａ，１ｂに触れな
がら流れるので、これらの部材が好適に冷却される。従
って、光学系全体が好適に冷却され、光ファイバー６や
レンズ２ａ，２ｂの温度上昇が抑えられる。

【００２７】その後、冷却ガスの一部は、ノズル３に形
成された開口１０から側方に向かって噴射され、残りの
冷却ガスは、ノズル３の先端の開口から前方に噴射され
る。ノズル３の先端の開口から前方に噴射される冷却ガ
スは、加工部位に対して、雰囲気ガスとして作用する。

【００２８】冷却ガスは、その流量が多いほど、大きな
冷却効果を与える。一方、加工部位に供給する雰囲気ガ
スは、それぞれのアプリケーションに応じて、適量が存
在する。例えば、雰囲気ガスとして酸化防止効果のある
Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂などの不活性ガスを使用する場合、加
工部位に対して、比較的広範囲を不活性ガスで覆い、酸
素を含んだ周辺の空気の流入を防ぐ必要がある。

【００２９】過剰な流量と流速での雰囲気ガスの供給
は、周辺の空気を巻き込み、酸化を発生させ、逆に加工
品質を低下させてしまう。例えば、溶接加工において
は、加工部位にとどめておきたい溶融金属を周囲に飛散
させてしまう。また、切断加工や穴あけ加工において
も、切断幅や穴の大きさや周辺の酸化の状態など、加工
品質に悪影響を与えてしまう。

【００３０】このように、雰囲気ガスの流量の適量は、
それぞれの加工条件に応じて決まる。

【００３１】ノズル３の先端の開口から前方に噴射され
る冷却ガスの流量は、加工部位において雰囲気ガスとし
て適量となるように、ノズル３に形成された開口１０の
数と大きさとによって調整されている。言い換えれば、
開口１０の数と大きさは、ノズル３の先端の開口から噴
射される冷却ガスの流量が、雰囲気ガスとして適量とな
るように、用途に応じて決められる。

【００３２】開口１Ｏは側方に向かって貫通しているの
で、ノズル３の先端の前方に位置する加工部位に悪影響
を与えることなく、外部に流出される。従って、雰囲気
ガスとして適量の冷却ガスが、ノズル３の先端の開口か
ら、加工部位に供給される。

【００３３】これまでの説明から分かるように、本実施
の形態によるレーザープローブでは、光学系全体が好適
に冷却されると共に、雰囲気ガスとして適量の冷却ガス
が加工部位に供給されるため、良好な加工品質が得られ
る。

【００３４】［第二の実施の形態］この実施の形態は、
第一の実施の形態と比較して、レンズ枠１ａ，１ｂのス
リットの形状が異なっている点でのみ相違しており、以
下では、相違点に関してのみ説明する。

【００３５】図３に示されるように、レンズ枠１ａ，１
ｂは、軸方向に対して斜めに延びる複数の涙滴型のスリ
ット９を有している。本明細書において、涙滴型のスリ
ット９は、一方の端部の幅が広く、他方の端部の幅が狭
い形状のスリット全般を指している。涙滴型のスリット
９は、幅の狭い方の端部が前方に、幅の広い方の端部が
後方に位置している。

【００３６】第一の実施の形態と同様、冷却ガスは、ス
リット９を通って、コネクター５とレンズ２ｂとレンズ
２ａの周囲を流れる。スリット９は涙滴型をしているた
め、スリット９から流出する冷却ガスは、流入時よりも
大きい流速を持ち、また、スリット９が軸方向に対して
傾斜しているため、レンズ枠１ａ，１ｂに螺旋状の流れ
を作り出す。これにより、冷却ガスは光学レンズ中心部
まで滞ることなく流れる。その結果、高い冷却効率が得
られる。

【００３７】［第三の実施の形態］図４に示されるよう
に、レーザープローブは、レーザー光を伝送する光ファ
イバー６の端部を保持するコネクター５と、光ファイバ
ー６からのレーザー光を集光するための二枚のレンズ２
ａ，２ｂと、コネクター５と二枚のレンズ２ａ，２ｂを
収容する円筒状のレンズ枠１と、レンズ枠１の内部に収
容されるスペーサー１１ａ，１１ｂとを有している。

【００３８】スペーサー１１ａは、レンズ２ａとレンズ
２ｂの間に配置され、それらの間隔を定め、また、スペ
ーサー１１ｂは、レンズ２ｂとコネクター５の間に配置
され、それらの間隔を定める。つまり、レンズ２ａとレ
ンズ２ｂとコネクター５は、スペーサー１１ａ，１１ｂ
に当てつけられることで、位置決めされている。

【００３９】レーザープローブは、更に、レンズ枠１を
収容する円筒状の外套４と、外套４の端部に連結された
ノズル３とを有している。ノズル３は、テーパーを有す
る円筒状のノズルであって、その先端に開口を有してい
る。ノズル３と外套４は、本実施形態では一体的に形成
されているが、別個の部材で形成されてもよい。

【００４０】ノズル３は、先端の開口の他に、斜め前方
に向かって貫通する複数の開口１０を有している。開口
１０は、レーザー光照射部位すなわち加工部位の外周に
向いている。開口１０は、軸の周りに対称的に設けられ
ていると好ましい。

【００４１】外套４の後端部には、冷却ガスを供給する
ためのチューブ７が連結されており、チューブ７は光フ
ァイバー６を取り囲んで延びている。

【００４２】レンズ枠１は、前方端部と中央部と後方端
部に、それぞれ、複数のスリット９ａ，９ｂ，９ｃを有
している。レンズ２ａは、レンズ枠１の前方端部に収容
保持されており、従って、複数のスリット９ａによって
囲まれている。レンズ２ｂは、レンズ枠１の中央部に収
容保持されており、従って、複数のスリット９ｂによっ
て囲まれている。コネクター５は、レンズ枠１の後方端
部に収容保持されており、従って、複数のスリット９ｃ
によって囲まれている。

【００４３】スペーサー１１ａ，１１ｂは共に、両端に
外側突出部を備えるほぼ円筒形状をしており、レンズ枠
１との間に隙間を形成している。また、スペーサー１１
ａは、その両端部に複数のスリット９ｆ，９ｄを有して
おり、スペーサー１１ｂは、その両端部に複数のスリッ
ト９ｅ，９ｇを有している。

【００４４】光ファイバー６から射出されたレーザー光
は、レンズ２ａ，２ｂによって収束性の光束に変えら
れ、ノズル３の先端の開口から射出される。

【００４５】チューブ７から供給された冷却ガスは、ス
リット９ｃと外套４によって形成される流路を通ってコ
ネクター５の周りを流れ、一部はレンズ枠１とスペーサ
ー１１ｂの間の隙間を流れ、一部はスリット９ｇを通っ
てスペーサー１１ｂの内側に流出する。続いて、冷却ガ
スは、一部はレンズ枠１とスペーサー１１ｂの間の隙間
から、一部はスリット９ｅを通って、スリット９ｂと外
套４によって形成される流路に流れ込み、レンズ２ｂの
周りを流れる。

【００４６】その後、一部はレンズ枠１とスペーサー１
１ａの間の隙間を流れ、一部はスリット９ｄを通ってス
ペーサー１１ａの内側に流出する。続いて、冷却ガス
は、一部はレンズ枠１とスペーサー１１ａの間の隙間か
ら、一部はスリット９ｆを通って、スリット９ａと外套
４によって形成される流路に流れ込み、レンズ２ａの周
りを流れ、ノズル３内に流出する。

【００４７】このように、冷却ガスは、温度が上昇し易
いコネクター５や外套４やレンズ枠１やスペーサー１１
ａ，１１ｂに触れながら流れるので、これらの部材が好
適に冷却される。さらに、冷却ガスに接触するレンズ１
とスペーサー１１ａ，１１ｂの面積の総和が大きいた
め、高い冷却効率が得られる。従って、光学系全体が好
適に冷却され、光ファイバー６やレンズ２ａ，２ｂの温
度上昇が抑えられる。

【００４８】その後、冷却ガスの一部は、ノズル３に形
成された開口１０からレーザー光照射部位の周囲に向け
て噴射され、残りの冷却ガスは、ノズル３の先端の開口
から前方に噴射される。ノズル３の先端の開口から前方
に噴射される冷却ガスは、レーザー光照射部位すなわち
加工部位に対して、雰囲気ガスとして作用する。

【００４９】ノズル３の先端の開口から前方に噴射され
る冷却ガスの流量は、加工部位において雰囲気ガスとし
て適量となるように、ノズル３に形成された開口１０の
数と大きさとによって調整されている。

【００５０】また、開口１０から噴射される冷却ガス
は、加工部位の周りを覆い、周囲の空気の加工部位への
流入を抑える。これにより、加工部位の不所望な酸化が
防止される。

【００５１】これまでの説明から分かるように、本実施
の形態によるレーザープローブでは、光学系全体が好適
に冷却されると共に、雰囲気ガスとして適量の冷却ガス
が加工部位に供給され、さらに、周囲の空気の加工部位
への流入が抑えられるため、良好な加工品質が得られ
る。

【００５２】［第四の実施の形態］この実施の形態は、
第三の実施の形態と比較して、基本的に外套４の材質が
異なっている点でのみ相違しており、以下では、相違点
に関してのみ説明する。

【００５３】図５に示されるように、ノズル３と外套４
は別個の部品として構成されており、外套４はレーザー
光に対し透過性を有する材質で作られている。

【００５４】このため、レンズ面からの反射光や光ファ
イバー先端からの漏れ光などの一部は、外套４を透過し
て、レーザープローブの外部に放射される。これによ
り、温度上昇の要因である光の一部が、レーザープロー
ブの構成部材に吸収されずに、外部に放射されるため、
そのぶん温度上昇が更に低く抑えられる。

【００５５】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００５６】

【発明の効果】本発明のレーザープローブによれば、冷
却ガスが温度上昇し易い部材に触れながら流れるので、
光学系全体が好適に冷却され、温度上昇による光学部材
の破損が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態によるレーザープローブの部
分側断面図である。

【図２】図１のII-II線によるレーザープローブの断面
図である。

【図３】第二の実施の形態によるレーザープローブの部
分側断面図である。

【図４】第三の実施の形態によるレーザープローブの部
分側断面図である。

【図５】第四の実施の形態によるレーザープローブの部
分側断面図である。

【図６】従来例によるレーザープローブの部分側断面図
である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ レンズ枠 ２ａ，２ｂ レンズ ３ ノズル ４ 外套 ５ コネクター ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ スリット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を伝送する光ファイバーの端
   部を保持するコネクターと、 光ファイバーからのレーザー光を集光する少なくとも一
   枚のレンズと、 コネクターと少なくとも一枚のレンズを含む光学素子を
   保持する少なくとも一つの円筒状の保持部材であって、
   コネクターとレンズが保持される部分の周辺に複数のス
   リットを有している保持部材と、 保持部材を収容する円筒状の外套であって、その一方の
   端部には、光ファイバーを囲んで延びる、冷却ガスを供
   給するためのチューブが連結される外套と、 外套の他方の端部に連結された、テーパーを有する円筒
   状のノズルであって、その先端に開口を有しており、そ
   の開口からレーザー光が射出されると共に冷却ガスが加
   工部位に対する雰囲気ガスとして噴射されるノズルとを
   有しており、 保持部材のスリットと外套は、コネクターとレンズの周
   りに、冷却ガスが流れる流路を形成し、従って、冷却ガ
   スは、少なくともコネクターとレンズの周りにおいて、
   保持部材のスリットと外套に沿って、それらに触れなが
   ら流れる、レーザープローブ。
2. 【請求項２】 ノズルは、先端の開口の他に第二の開口
   を更に有しており、これにより先端の開口から噴射され
   る冷却ガスの流量が、加工部位において雰囲気ガスとし
   て適量となるように調整されている、請求項１に記載の
   レーザープローブ。
3. 【請求項３】保持部材の内部に収容されるスペーサーで
   あって、コネクターと少なくとも一枚のレンズを含む光
   学素子の間に配置され、それらの相互間の間隔を定める
   スペーサーを更に有しており、スペーサーは、保持部材
   との間に隙間を形成する外側突出部を備えるほぼ円筒形
   状をしており、その両端部に複数のスリットを有してお
   り、冷却ガスに接触する保持部材とスペーサーの面積の
   総和が増大されている、請求項１または請求項２に記載
   のレーザープローブ。
4. 【請求項４】外套はレーザー光に対し透過性を有してお
   り、レーザー光の一部は外套を通って外部に放射され
   る、請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載の
   レーザープローブ。