JP2007185707A - 光溶着用光学ユニットおよび光溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光スポットを所望の位置関係に形成でき、光スポットの変位や、各光スポットへの光エネルギの配分の調整が容易である光用着用光学ユニットを実現する。
【解決手段】光源から放射され、光ファイバにより伝搬され、光ファイバの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させる光学ユニットであって、光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する光束を集光光束に変換する集光光学系Ｌ１、Ｌ２と、この集光光学系から射出する集光光束の光路上に配置される１以上の光路分割部材ＢＤと、これら１以上の光路分割部材の、光軸方向への平行変位、光軸の回りの回転変位、光軸に直交する方向への直交変位の、３変位のうちの１以上を行う変位手段２００とを有し、１以上の光路分割部材の個々は一体構成で、集光光束の光路を１以上の光路に分割するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、光溶着用光学ユニットおよび光溶着装置に関する。

光エネルギを利用して加工を行う光加工装置は従来から種々のものが知られている。これらのうちで、レーザ光源からの光を光ファイバにより導光し、光ファイバの射出端から射出するレーザ光を、集光光学系と２枚のウェッジプリズムとにより２光路に分割して各々を光スポットとして加工部に集光し、２枚のウェッジプリズムを「あおり機構」により光束光軸に対して傾かせ、この傾きである「あおり角」の調整により「２つの光スポットの間隔」を調整するものが特許文献１に記載されている。

特許文献１記載の光加工装置の場合「あおり機構」が複雑になりやすく、また、同文献の図４に示す実施の形態のように、２枚のウェッジプリズムを集光光学系による集光光束の光路上に配置して「あおり」を行わせると、ウェッジプリズムの「あおり角」によっては収差の影響が大きくなり「きれいな光スポット」を形成することが困難であると考えられる。

特許第３３１７２９０号公報

この発明は上述したところに鑑み、複数の光スポットを所望の位置関係に形成でき、光スポットの変位や、各光スポットへの光エネルギの配分の調整が容易である光溶着用光学ユニットの実現及びこれを用いた光溶着装置の実現を課題とする。

この発明はまた、光スポットの変位やエネルギ配分に伴う「光スポットの形状の劣化」の少ない光溶着用光学ユニット及びこれを用いた光溶着装置の実現を課題とする。

この発明の光溶着用光学ユニットは「光源から放射され、光ファイバにより伝搬され、上記光ファイバの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させる光学ユニット」であって、集光光学系と、１以上の光路分割部材と、変位手段とを有する（請求項１）。

「集光光学系」は、光ファイバの射出端から射出する光束を集光光束に変換する光学系であり、１以上のレンズあるいは１以上のミラー、さらには１以上のレンズと１以上のミラーとの組合せにより構成できる。例えば、光ファイバの射出端から射出する発散性の光束を集光光束に変換する「凸レンズ系」として集光光学系を構成することができる。

あるいはまた「光ファイバの射出端からの発散性の光束をコリメートして平行光束とするコリメートレンズと、コリメートされた平行光束を集光光束に変換する集光レンズと」により集光光学系を構成することもできる。集光光学系は、光ファイバからの光束を「良好な光スポット」として集光させるように収差を良好に補正しておく。この目的のために、集光光学系中に非球面を用いることが好ましい。

１以上の「光路分割部材」は集光光学系から射出する集光光束の光路上に配置される。光路分割部材が２以上ある場合には、これら光路分割部材は集光光束の光路上に順次に配置される。
１以上の光路分割部材の個々は一体構成で「集光光束の光路を１以上の光路に分割するもの」である。即ち、個々の光路分割部材は、単独で集光光束の光路上に配置されたとき、集光光束の光路を２以上の光路に分割する。

光路分割部材の個々が「一体構成」であるとは、光路分割部材が「単体構成」である場合と、光路分割部材が「複数のピースを組合せて接着等の固定手段により一体化」された場合とを含む。

「変位手段」は、１以上の光路分割部材の、光軸方向への平行変位、光軸の回りの回転変位、光軸に直交する方向への直交変位の、３変位のうちの１以上を行う手段である。変位手段としては、公知の各種「移動ステージ」を用いることができる。

個々の光路分割部材は一体構成であるので、光路分割部材が複数のピースを一体化した構成である場合にも、変位手段による上記変位は、光路分割部材を一体として行われる。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおける１以上の光路分割部材は「光軸（集光光束の光軸光線）に直交する面に対して傾く２つの平面」を片面に有し、他方の面が平面で、２つの平面の稜角（２つの平面の稜に直交する面内において、２つの平面がなす角）が１２０度〜２４０度の範囲にある透明体であることができる（請求項２）。この場合、上記２つの平面は「集光光学系からの集光光束の光軸」に対して傾く。従って、上記２つの平面は、光軸に直交する平面に対して±３０度の範囲で傾くことになり、「屋根型面」をなす。「透明体」とは、集光光学系からの集光光束を透過させることを意味する。以下においても同様である。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおける１以上の光路分割部材はまた「光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を両面に有し、各面における２つの平面の稜角が１２０度〜２４０度の範囲にあり、各面（集光光束の入射側面および射出側面）における稜が互いに平行もしくは直交する透明体である」構成とすることができる（請求項３）。

上記において「２つの平面の稜」とは、２つの平面が交わる部分において、２つの平面に共有される直線である。

請求項２または３記載の光溶着用光学ユニットにおける光路分割部材は「１個」であることができる（請求項４）。この場合、光路分割部材が請求項３記載のもので「各面における稜が互いに直交するもの」である場合は、集光光束の入射側面における稜角をθ_１１度、射出側面における稜角をθ_１２度とするとき、これらの稜角：θ_１１、θ_１２が条件：
｜１８０−θ_１１｜＜｜１８０−θ_１２｜
を満足する」構成であることが好ましい（請求項５）。

請求項２または３記載の光溶着用光学ユニットにおける光路分割部材は、これを複数個とし、光軸方向から見るとき「各光路分割部材の稜が互いに平行もしくは等角をなす」構成とすることができる（請求項６）。「各光路分割部材の稜が互いに等角をなす」とは、光軸方向から見た各稜が、互いに等しい角をなして放射状になることを意味する。

請求項６記載の光溶着用光学ユニットにおいて「複数個の光路分割部材の稜が、光軸方向から見て等角をなす」場合には、各稜角を集光光束の入射側から順次θ１、θ２、・・・θｎ度とするとき、これら稜角：θ１〜θｎが条件：
｜１８０−θ１｜＜｜１８０−θ２｜＜・・・＜｜１８０−θｎ｜
を満足することが好ましい（請求項７）。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおける１以上の光路分割部材はまた「集光光束の光軸光線に対して６０度〜１２０度の範囲の角をもって傾いた３以上の平面」を角錐面として組合せた面を、入射側および／または射出側に有する透明体であることができる（請求項８）。勿論この場合も、光路分割部材は１個であることも複数個であることもでき、光路分割部材が複数個である場合には「集光光束の光路上に順次」配置される。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットはまた、１以上の光路分割部材が「頂角が１２０度〜２４０度の範囲の円錐面を、入射側および／または射出側に有する透明体」であることができる（請求項９）。この場合、集光光束の光路は「連続無限個」の光路（円錐面の軸に回転対称なリング状の光路）に変換される。この明細書においては「光路分割部材による周光束束の光路の複数分割」にこのような場合をも含める。勿論、この場合も、光路分割部材は１個であることも複数個であることもできる。光路分割部材が複数個である場合には「集光光束の光路上に順次」配置される。

請求項８における角錐面、請求項９における円錐面は凸面として形成されることも凹面として形成されることも可能であるが、これら角錐面、円錐面は光路分割部材の「入射側および／または射出側」に形成されるのであるから、入射側もしくは射出側の何れか、あるいは入射側と射出側の両方に形成することができる。

この発明の光溶着装置は、光エネルギを利用して溶着を行う装置であって、光源と、光ファイバと、光溶着用光学ユニットとを有する（請求項１０）。
「光ファイバ」は、光源からの光を導光する。
「光溶着用光学ユニット」は、光ファイバにより伝搬されて光ファイバの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させる。

「光源」は、複数の半導体レーザと「これら半導体レーザからのレーザ光束を合成して光ファイバにカップリングさせるビーム合成手段」を有する。ビーム合成手段は、複数のレーザビームを合成できるものであればよく、公知の適宜のものを利用できる。
「光溶着用光学ユニット」は請求項１〜９の任意の１に記載のものが用いられる。

複数の半導体レーザからのレーザ光束をビーム合成手段により合成して光ファイバにカップリングすると、光ファイバの射出端から「溶着に適した強い光エネルギを持つレーザ光」を射出させることができ、この強いレーザ光を複数分割して溶着部に集光させることにより、複数の溶着部もしくはリング状の溶着部を同時に溶着させることができる。

以上に説明したように、この発明によれば、複数の溶着部やリング状の溶着部を同時に溶着でき、その際、変位手段により光スポット位置を容易に調整できる。また、光スポット位置の変位の際、光路分割部材における屋根型面・角錐面の平面が光軸に対してなす角や、円錐面の頂角が変化しないので、収差に伴う光スポット形状の劣化が少ない。

図１は、光溶着装置の実施の１形態を説明するための図である。
図中、符号ＬＤ１、ＬＤ２、・・ＬＤＮは複数個（Ｎ個）の半導体レーザを示す。これら複数個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮからのレーザ光は、ビーム合成手段１００に入射し、ビーム合成手段１００により合成されてカップリング光ＣＰとなって、単一の光ファイバＦの入射端ＦＩにカップリングし、光ファイバＦ内を伝搬して光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する。

複数個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮとビーム合成手段１００とは「光源」を構成する。射出端ＦＯから射出する光は「溶着用光」であって発散光束であり、発散しつつレンズＬ１に入射し、レンズＬ１とこれに続くレンズＬ２を透過すると、レンズＬ１、Ｌ２の作用により集光光束となる。レンズＬ１、Ｌ２は「集光光学系」を構成する。

図において符号ＡＸは「集光光学系の光軸」を示し、ファイバＦの射出端ＦＯと集光光学系の位置関係は、射出端ＦＯから射出する発散光束（溶着用光）の「光軸光線」が光軸ＡＸと合致するように設定されている。

集光光学系のレンズＬ２から射出した集光光束は、集光の途上で光路分割部材ＢＤに入射し、これを透過すると複数の光路に分割され、各光路を通る集光光束は保護ガラスＧを透過して溶着面３００の溶着部３０１、３０２に別個に集光して光スポットを形成する。保護ガラスＧは光路分割部材ＢＤを保護するためのものであり省略することもできる。
ファイバＦの射出端ＦＯから、分割された集光光束の集光位置まで、レンズＬ１、Ｌ２による集光光学系で「略収差のない共役関係」を形成する。

なお、レンズＬ１、Ｌ２による集光光学系に替えて、前述したように「光ファイバＦの射出端ＦＯからの発散性の光束をコリメートして平行光束とするコリメートレンズと、コリメートされた平行光束を集光光束に変換する集光レンズと」により集光光学系を構成することもできる。

「光路分割部材ＢＤを集光光束の光路上に挿入することにより発生する収差」を有効に補正して、上記の「略収差のない共役関係」を実現するため、集光光学系のレンズ面を非球面化するのが好ましい。

図１の実施の形態におけるレンズＬ１やＬ２は平凸レンズであるが、これに限らず「両凸の球面または非球面レンズ」としてもよい。レンズＬ１、Ｌ２は「光ファイバＦの射出端ＦＯから射出される波長の光（「溶着用光」）を良好に透過させる材料」で構成される。このような材料としては樹脂などでもよいが、「高出力な光」に耐えられるようにガラス材で構成することが好ましい。また「平凸や両凸もしくはメニスカスの球面もしくは非球面レンズ」１枚により集光光学系を構成することもできる。図１における結像系は「拡大倍率」のように描いてあるが、これに限らず、集光光学系の構成に応じて、等倍系とすることも縮小系とすることもできる。

光路分割部材ＢＤは、変位手段２００により、光軸ＡＸ方向への「平行変位」、光軸ＡＸの回りの「回転変位」、光軸ＡＸに直交する方向への「直交変位」の３変位のうち１以上の変位が可能となっている。変位手段２００は「公知の各種ステージ（所定方向への平行変位や回転変位を可能とするステージ）」を用いることができる。

レンズＬ１、Ｌ２による集光光学系と光路分割部材ＢＤと変位手段２００とは「光溶着用光学ユニット」を構成する。

即ち、この実施の形態に示された光溶着用光学ユニットは、光源ＬＤ１〜ＬＤＮ、１００から放射され、光ファイバＦにより伝搬され、光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する溶着用光を溶着部３０１、３０２に集光させる光学ユニットであって、光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する光束を集光光束に変換する集光光学系Ｌ１、Ｌ２と、この集光光学系から射出する集光光束の光路上に配置される光路分割部材ＢＤと、光路分割部材ＢＤの、光軸ＡＸ方向への平行変位、光軸ＡＸの回りの回転変位、光軸ＡＸに直交する方向への直交変位の、３変位のうちの１以上を行う変位手段２００とを有し、光路分割部材ＢＤは一体構成で、集光光束の光路を１以上の光路に分割するものである（請求項１）。

光路分割部材ＢＤは、図１の実施の形態では１個が用いられているが、複数個の光路分割部材を光軸ＡＸ方向へ順次に配置してもよい。光路分割部材ＢＤの形態は、以下に種々の例を挙げるが、前述の請求項２〜９に記載の各種の形態が可能である。

即ち、図１に実施の形態を示す光溶着装置は、光源と、光源からの光を導光する光ファイバＦと、この光ファイバにより伝搬され、光ファイバの射出端ＦＯから射出する溶着用光を溶着部３０１、３０２に集光させる光溶着用光学ユニットとを有し、光源は、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮと、これら半導体レーザからのレーザ光束を合成して光ファイバＦにカップリングさせるビーム合成手段１００を有し、光溶着用光学ユニットは請求項２等に記載のものである（請求項１０）。

説明の具体性のために、図２に示すように「レンズＬＮを鏡筒４００に光溶着する」場合を例にとって説明する。
レンズＬＮは、図２（ａ）に示すように、鏡筒４００の「受け部」に落とし込まれ、レンズ周辺の平面状部分と鏡筒４００の受け部の底面部とが密接して溶着面（図１に符合３００で示す面）４０１となる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態をレンズＬＮの光軸方向から見た状態であり、最内部の「破線の円」はレンズ面ＬＮ１の輪郭、その外側の円はレンズ面ＬＮ２の輪郭であり、符号４０１は溶着面である。
図２（ｂ）における符号Ｐ１〜Ｐ４は「溶着部（溶着スポット）」を示している。即ち、レンズＬＮは４つの溶着部Ｐ１〜Ｐ４において鏡筒４００に光溶着される。鏡筒４００は樹脂製で「レーザ光を吸収しやすい色」例えば黒色に着色されている。

溶着用光を溶着部に集光すると、集光したレーザ光の光エネルギが鏡筒４００の溶着部に吸収され、鏡筒４００を局部的に発熱させて溶解させる。このように局部的に溶解した鏡筒４００とレンズＬＮとが溶着する。

仮に、図１の実施の形態において「光路分割部材ＢＤを用いない」とすれば、溶着用光は単一の光スポットとして１つの溶着部に集光して溶着を行う。この場合、４点の溶着部Ｐ１〜Ｐ４の溶着を行うには、溶着部を順次にＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のように替えて溶着を繰り返せばよいが、溶着部ごとに「溶着用光の集光スポット位置と溶着部との位置関係を調整」する煩わしさがあり、溶着の効率がよくない。

しかるに、光路分割部材ＢＤを用いて、集光光束を複数光路に分割し、各光路の集光光束を複数の光スポットとして溶着面に集光させれば、一度に複数の溶着部で溶着を行うことができ、溶着の効率を向上させることができる。

以下、光路分割部材ＢＤの具体的な例を順次説明する。
図３に示す光路分割部材ＢＤ１は「平板状の透明体」であって、一方の側（図の上側）は「互いに傾く平面Ｓ１とＳ２とが稜Ａ１において稜角：θ１をなす」ように形成されている。この光路分割部材ＢＤ１を稜Ａ１の方向から見ると、その側面形状は、図１における光路分割部材ＢＤと同じ形状になる。

従って、図３の光路分割部材ＢＤ１を、図１における光路分割部材ＢＤとして用いると、集光光学系からの集光光束は光路分割部材ＢＤ１を透過して２光束に分割され、光軸ＡＸから等距離に位置する２つの溶着部に集光する。従って、例えば、２分割された集光光束を、最初に図２（ｂ）の溶着部Ｐ１とＰ３に集光させてこれら溶着部Ｐ１、Ｐ３での溶着を行い、その後、変位手段２００により光路分割部材ＢＤ１を光軸の回りに９０度回転させれば、２分割された集光光束は溶着部Ｐ２、Ｐ４に集光するので、その状態で溶着部Ｐ２、Ｐ４での溶着を行えば、２回の溶着作業で４箇所の溶着部Ｐ１〜Ｐ４での溶着を行うことができる。

稜角：θ１が１８０度よりも大きいかまたは小さいほど、２分割された集光光束のなす角が大きくなり、これらの光束の「光スポットの間隔」を大きくできる。

稜角：θ１は、
１２０度≦θ１≦２４０度
の範囲が許容されるが、１８０度よりも大きいかまたは小さいほど、集光した光スポットに対するコマ収差の影響を考慮すると「１８０度±３０度」くらいの範囲が好ましい。

即ち、光路分割部材ＢＤ１は、図１の実施の形態における光路分割部材ＢＤとして使用される場合、光軸に直交する面に対して、それぞれが角：｛９０度―（θ１／２）｝傾く２つの平面Ｓ１、Ｓ２を片面に有し、他方の面（図３で下方の面）が平面で、２つの平面Ｓ１、Ｓ２の稜角：θ１が１２０度〜２４０度の範囲にある透明体である（請求項２）。

図３に示す光路分割部材ＢＤ１は「単体構成」であるが、「同一形状の２つの楔状プリズム」を一体化して構成することもできる。この場合の一体化は、接着あるいはオプチカルコンタクト、さらには「周りを固定する」ことなどで行うことができる。図３のように単体構成のものは、金型による成形、研磨あるいは切削による加工により製造でき、光路分割部材としての外形形状は、図３のような四角形でもよいし円形でもよい。

図１の実施の形態における光路分割部材ＢＤとして、図３の光路分割部材ＢＤ１を用い、光路分割部材ＢＤ１を変位手段２００により光軸ＡＸ方向への平行変位を行うと、図４（この図では、集光光学系の結像倍率を等倍として示している。）示すように、光路分割部材ＢＤ３により２分割された集光光束の集光部３０１、３０２の間隔（光スポットの間隔）が、光路分価値部材ＢＤ１の「光軸上の位置」により変化する（光路分割部材ＢＤ１が集光光学系に近いほど間隔が大きくなる）ので、光路分割部材ＢＤ３の光軸上の位置を平行変位により調整することにより、光スポットの間隔、換言すれば「２つの溶着部の間隔」を調整できる。

このように光スポットの間隔を変化させる際、光路分割部材ＢＤ１により２分割される光束相互が成す角は、光路分割部材ＢＤ１の平行変位に影響されないので、２分割された集光光束の収差が「光路分割部材の平行変位」に伴い変化することがなく、従って、平行変位に拘わらず、溶着面上に集光する光スポットの大きさ・形状に変化がない。

図５に示す光路分割部材ＢＤ２は、光軸に直交する面に対して同一角傾く２つの平面を両面に有する透明体である。即ち、片面に形成された平面Ｓ１１、Ｓ１２は稜角：θ_１１をなし、他方の側に形成された平面Ｓ１３、Ｓ１４は稜角：θ_１２をなす。各面における２つの平面の稜角：θ_１１、θ_１２は１２０度〜２４０度の範囲（好ましくは１８０度±３０度程度の範囲）にあり、各面における稜は互いに平行である（請求項３）。

この光路分割部材ＢＤ２を、図１の実施の形態における光路分割部材ＢＤとして用いる場合にも、溶着面に２つの光スポットが形成され、図３の光路分割部材ＢＤ１と同様に、一度に２つの溶着部での溶着を行うことができる。また、光路分割部材ＢＤ１と同様に、平行変位により光路分割部材ＢＤ３の光軸上の位置を調整することにより、光スポットの間隔、即ち２つの溶着部の間隔を調整できる。

このように、光路分割部材ＢＤ１、ＢＤ２を光軸方向に平行変位させることで、２つの光スポットの集光位置間隔を調整でき、様々なサイズを持つレンズ・鏡筒間の溶着が可能になる。また、図１の実施形態の光路分割部材ＢＤとして、上記光路分割部材ＢＤ１あるいはＢＤ２を用い、これら光路分割部材を変位手段２００により「光軸ＡＸと光路分割部材の稜と」に直交する方向へ「直交変位」させると、２分割される各光路へ振り分けられる光束の割合を変化させることができるので、２つの光スポットの強度調節を行うことができ、光スポット間の光強度バラツキの補正や調整（各溶着部への溶着エネルギの配分調整）が可能になる。

勿論、上記「平行変位」と「直交変位」とを組合せて行うことにより、様々なサイズのレンズ・鏡筒間の溶着が可能になり、光スポット間の強度バラツキの補正や調整を行うことができる。

図６に示す光路分割部材ＢＤ３は、光軸に直交する面に対して同一角傾く２つの平面を両面に有する透明体である。即ち、片面に形成された平面Ｓ１１、Ｓ１２は稜角：θ_１１をなし、他方の側に形成された平面Ｓ１５、Ｓ１６は稜角：θ_１２をなす。各面における２つの平面の稜角：θ_１１、θ_１２は１２０度〜２４０度の範囲（好ましくは１８０度±３０度程度の範囲）にあり、各面における稜は「互いに直交」する（請求項３）。

光路分割部材ＢＤ３を集光光束の光路上に配置すると、集光光束は光路分割部材ＢＤ３を透過して４つの集光光束に分離し、溶着面に４つの光スポットとして集光する。従って、この場合には、一度に４つの溶着部での溶着を行うことができる。

この場合、４箇所に集光する光スポットは、両面の稜角：θ_１１、θ_１２が等しいと「対角線的に集光する光スポット対」の間隔が同じにならず、各光スポットの位置が「長方形の頂点」となるため、レンズ等の溶着などで「溶着位置を光軸から等距離」にする場合には不便であるが、集光光学系側の稜角：θ_１１（度）、溶着面側の稜角：θ_１２（度）が、条件：
｜１８０−θ_１１｜＜｜１８０−θ_１２｜
を満足するようにして、これら稜角を調整することにより、光スポットの集光位置を略正方形の頂点にすることができる。

光路分割部材ＢＤ１やＢＤ２、ＢＤ３は、１個のみを用いることができることは上の実施の形態から明らかであるが、これらを光軸方向へ「シリアルに順次配置」して用いることもできる。その場合、光軸方向から見て、各光路分割部材の稜が互いに平行もしくは等角をなすようにすることができ（請求項６）、各光路分割部材の稜が互いに平行もしくは等角をなすようにすることにより、光スポットの光量を略均等にできる。

このとき、対角線的に対応する光スポット間の距離を均一にするには、それぞれの稜角を集光光束の入射側から順次θ１、θ２、・・・θｎ度とするとき、これら稜角：θ１〜θｎが条件：
｜１８０−θ１｜＜｜１８０−θ２｜＜・・・＜｜１８０−θｎ｜
を満足するようにして、各稜角を調整すればよい（請求項７）。

このように、光軸上に順次に２以上の光路分割部材を配置することにより、複数の光スポットを溶着面に集光させることができ、同時に多点の溶着が可能である。また、２以上の光路分割部材のうち少なくとも１つを、光軸方向に移動させることで、光スポットの間隔を変化させることができ、様々なサイズのレンズ・鏡筒間の溶着が可能になる。

また、２以上の光路分割部材のうち少なくとも１つを「光軸方向と稜とに直交する方向へ直交変位」させることで、光スポット間の強度バラツキの補正や強度配分の調整を行うことができる。

図７（ａ）に示す光路分割部材ＢＤ４は、請求項８記載の光溶着用光学ユニットに用いられる光路分割部材の１例である。
光路分割部材ＢＤ４は、４つの平面Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４４を「４角錐面として組合せた面」を片側に有する透明体である。平面Ｓ４１〜Ｓ４４は「光軸に対して同一角をもって傾いているが、その傾き角は、光軸光線に対して６０度〜１２０度（好ましくは７５度〜１０５度程度）の範囲である。

このような光路分割部材ＢＤ４を、図１の実施の形態における光路分割部材ＢＤとして用いれば、集光光束は光路分割部材ＢＤ４を透過して４光路に分割され「光軸から等距離にある４つの光スポット」として集光する。従って、４つの溶着部（例えば、図２の溶着部Ｐ１〜Ｐ４）における溶着を一度に行うことができる。この場合も、光路分割部材ＢＤ４の光軸方向への平行変位により「４つの光スポットの位置関係を相似的に変化させる」ことができ、また、直交変位を行うことにより、光スポット相互への光エネルギ配分を調整でき、光強度の補正を行うこともできる。

角錐面として組合せる平面の数を３として「３角錐状の面を持つ光路分割部材」を用いれば、３つの光スポットを溶着面に集光できる。一般に「ｎ角錐状に平面を組合せた光路分割部材」を用いればｎ個の光スポットを溶着面に集光でき、一度にｎ個の溶着部での溶着を行うことができる。光路分割部材の光軸方向への平行変位により、ｎ個の光スポットの位置関係を相似的に変化させることができ、また、直交変位を行うことにより、光スポット相互への光エネルギの分配を調整でき、光強度の補正を行うこともできる。

角錐面は入射側に形成しても良いし射出側に形成しても良く、入射側と射出側に形成しても良い。また、角錐面を持つ光路分割部材を複数個、光軸方向に順次に配置して用いることができる。

以下には、角錐面を持つ光路分割部材の製造方法を「４角錐面をもつもの」の場合を例にとって説明する。
図７（ａ）に示す光路分割部材ＢＤ４は、図７（ｂ）に示す如きウェッジプリズムＰ１を「組合せのピース」とし、同一形状のピースを４個組合せて構成されている。

図９に示す光路分割部材ＢＤ５は、図８に示すような「外径が円形状で同一形状」のウェッジプリズムＷＰを４個用意し、各ウェッジプリズムを「中心軸を通る面」で４等分し、その１つをピースとし、同一形状の４個のピースＰ４１〜Ｐ４４を、図９の如くに組合せて接合したものである。ウェッジプリズムＷＰを「外形の円周を見込む角が９０度をなすように大きめにカットしたもの」を１ピースとし、同一形状のピースＰ５１〜Ｐ５４を、光軸方向から見て図１０のように組合せて接合して光路分割部材ＢＤ６としてもよい。

上に説明した光路分割部材ＢＤ５は、４角錐面が凹面として形成されているが、これに限らず、図１１（ａ）に示す光路分割部材ＢＤ７のように、４角錐面を凸面として形成してもよい。光路分割部材ＢＤ７も、図７（ｂ）に示すウェッジプリズムＰ１と同様のピースを４個組合せて一体化されている。

光路分割部材ＢＤ７を、光用着用光学ユニット中に図１１（ｂ）のように配置することで４個の光スポットを溶着面３００上に（光軸から等間隔の位置）に形成できる。図１の構成では光スポット位置への光線角度が光軸ＡＸに略平行であるのに対し、図１１（ｂ）の構成では光スポット位置への光線角度が「光軸に対して斜め」になるので、溶着部の位置により使い分けることが可能である。

光スポットの集光性を考えると、図１１（ｂ）の光学構成では「集光位置でコマ収差が発生しやすい」ので、よりきれいな溶着を行うためには角錐面を凹面として形成されたものを用いるのがよい。あるいは、光路分割部材ＢＤ７を用いることにより発生するコマ収差や球面収差を考慮して、レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面形状を設計するとか、別途補正部材を配置することにより、良好な光スポットを溶着面に形成することが可能である。

ここで、図１における光路分割部材ＢＤとして、図７に示す光路分割部材ＢＤ４を用いる場合の具体的な場合の１例を挙げる。

光源から、波長：４０５ｎｍ帯のレーザ光が、ＮＡ：０．２２でコア径：φ＝２００μｍの石英系マルチモードの光ファイバＦを伝搬して射出端ＦＯから「溶着用光」として射出する場合を想定し、図１のような共役な光学系を組む。

レンズＬ１、Ｌ２として共に、焦点距離：ｆ＝３５ｍｍ、有効径：Ｄ＝１８ｍｍのガラスモールドで成形された非球面レンズを近接対向させる。光ファイバの射出端ＦＯを、レンズＬ１からその光軸上で３５ｍｍの所に位置させれば、溶着用光はレンズＬ１でコリメートされ、レンズＬ２の像側焦点位置に集光する。即ち、この場合、レンズＬ１、Ｌ２による集光光学系は「等倍系」であり、射出端ＦＯの位置と溶着面３００の位置とは、集光光学系に関して略対称的になる。

光路分割部材ＢＤ４を構成する４個のウェッジプリズムとして「ウェッジ角：１１．３５度のＢＫ７によるウェッジプリズム」を用いる。光路分割部材を保護するための保護ガラスＧとしては厚さ：０．５ｍｍのＢＫ７の平行平板ガラスを用いるが、前述の如く、この保護ガラスＧを省略することもできる。

このとき、変位手段２００により光路分割部材ＢＤ４を光軸ＡＸ方向に「平行変位」させることにより「光スポットの間隔」を変化させることができるが、レンズＬ２と光路分割部材ＢＤ４の間隔を１ｍｍ〜２２ｍｍの範囲で変化させることにより、光スポット４箇所の対角線上の間隔を略１．９ｍｍ〜６．４ｍｍの範囲で変化させることができ、この範囲での溶着サイズを任意に設定できる。また、前述の如く、光路分割部材ＢＤ４を「直交変位」させることにより、光スポットの強度調整を行うことができる。

図７、図９、図１０、図１１に示した光路分割部材ＢＤ４、ＢＤ５、ＢＤ６、ＢＤ７は、４つのガラス材を接着などにより張り合わせて一体化するが、波長が４０５ｎｍ帯で高いパワー密度の光が透過することを考えると、光エネルギによる「接着剤の劣化」を考慮する必要があり「有機由来の接着剤」の使用は控えるとか、光線が通るエリアが接着剤レスとなるように「接合面の端だけを接着」するとか、ガラス接合面をオプチィカルコンタクトで接合するのが良い。あるいは、４つのウェッジプリズムを接合せずに、枠等の固定手段で固定して一体化してもよい。

光線が通るエリアが接着剤レスとなるように「接合面の端だけを接着」する場合には、図７や図１０の光路分割部材ＢＤ４、ＢＤ６の形態であると「光線が通る円形のエリアの外側」に十分な接着領域を取ることができる。また、光路分割部材ＢＤ４やＢＤ７の場合は、外枠で肯定する場合に、外枠に十分な強度で固着または接着することが出来る。

光路分割部材ＢＤ４〜ＢＤ７のような形態のものは、ガラス研磨や、モールドガラス、あるいは波長：４０５ｎｍ帯の光エネルギに耐えられるような樹脂（例えば日本ゼオン株式会社製、ＺＥＯＮＥＸ−３３０ＲやＺＥＯＮＥＸ−３４０Ｒ）を切削または成形して製造することもできる。このように一体的な光路分割部材では「接合面による光量ロス」がなく効率よく集光光束を分割できる。

図１２には、請求項９記載の光溶着用光学ユニットに用いる光路分割部材の基本的な３形態を示す。請求項９記載の光溶着用光学ユニットに用いる光路分割部材は、頂角が１２０度〜２４０度（好ましくは１８０度±３０度程度）の範囲の円錐面を、入射側および／または射出側に有するものである。ここに「円錐面の頂角」は、図１２（ｄ）に示す断面図に例示するように、円錐面の頂部の角を光路分割部材の内部において計った角：θ３Ｃを言う。

図１２（ａ）に示す光路分割部材ＢＤ８は、平板状の透明体の片面に「凹面」即ち、頂角：θ３Ｃ＞１８０度の円錐面ＣＳ１を有するものである。（ｂ）に示す光路分割部材ＢＤ９は、平板状の透明体の片面に「凸面」、すなわち、頂角：θ３Ｃ＜１８０度の円錐面ＣＳ２を有するものである。（ｃ）に示す光路分割部材ＢＤ１０は、平板状の透明体の片面に「凹面」の円錐面ＣＳ３、他方の面に「凸面」の円錐面ＣＳ４を有するものである。

光路分割部材ＢＤ８は、図１における光路分割部材ＢＤとして用いることができる。
光路分割部材ＢＤ９は、図１１（ｂ）における光路分割部材ＢＤ７と同様に用いることができる。光路分割部材ＢＤ１０は、両面の円錐面ＣＳ３、ＣＳ４の頂角の大小関係に応じて、図１の光路分割部材ＢＤとして、あるいは図１１（ｂ）における光路分割部材ＢＤ７と同様に用いることができる。

これらの光路分割部材ＢＤ８、ＢＤ９、ＢＤ１０を用いると、集光光束は光路分割部材を透過した後「光束断面がリング状の光束」となり、溶着面３００に「リング状に集光」する。従って、例えば、図２のレンズＬＮを鏡筒４００に溶着する場合であれば、レンズＬＮの周辺部を溶着面４０１においてリング状に鏡筒４００と溶着することができる。

なお、光路分割部材ＢＤ１０の光軸を含む断面形状において「円錐面ＣＳ３、ＣＳ４の断面が平行になる」ようにすると、光路分割部材を透過した集光光束は光軸ＡＸを軸とする中空円筒状となり、溶着面３００に直交するように入射してリング状に集光する。
光路分割部材ＢＤ９を用いる場合、発生するコマ収差や球面収差を考慮したレンズ形状にすることや、別途補正部材を配置するのがよい。
光路分割部材ＢＤ８〜ＢＤ１０は単独で用いることもできるし、複数個を光軸方向にシリアルに配置して用いることもできる。

具体的な例として、発光波長：４０５ｎｍ帯のＬＤを複数個用い、これらＬＤからの光をビーム合成手段により合成して、ＮＡ：０．２２でコア径：φ＝２００μｍの石英系マルチモードの光ファイバにカップリングさせ、光ファイバの射出端から溶着用光として射出させ、溶着に供する場合を説明する。図１における光路分割部材ＢＤとして、光路分割部材ＢＤ８を用いる。

レンズＬ１、Ｌ２は焦点距離：ｆ＝３５ｍｍ、有効径：Ｄ＝１８ｍｍのガラスモールドで成形された非球面レンズをコリメートレンズとして近接対向させ、光路分割部材ＢＤ８を図１の光路分割部材ＢＤとして配置する。保護ガラスＧは、厚み：０．５ｍｍのＢＫ７による平行平板ガラスであるが省略することもできる。

光路分割部材ＢＤ８は、頂角：θ３Ｃ＝２０２．７０度の凹円錐面を一方の面（溶着面側に向ける）に形成され、光スポットはリング状に形成される。この場合の光路分割部材ＢＤ８は波長：４０５ｎｍ帯を良好に透過させる透明体であればよく、凹円錐面を形成しやすい「型による成形が可能なガラスモールドや樹脂（たとえば日本ゼオン株式会社製、ＺＥＯＮＥＸ−３３０ＲやＺＥＯＮＥＸ−３４０Ｒ）」が適している。

光路分割部材ＢＤ８を光軸方向に平行変位させることで、リング状の光スポットの径を変化させることができ、レンズＬ２と光路分割部材ＢＤ８の間隔を０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で変化させることにより、光スポットのリング径を約１．９ｍｍ〜６．１ｍｍの範囲で変化させることができ、この範囲で、任意のリングサイズの溶着を実行できる。また「直交変位」を行うことにより、リング状の光スポットのリング上での強度バラツキを調整できる。

ところで、溶着を行う際には「溶着部の観察」が必要である。
これを行うには、図１３（ａ）に示すように、溶着部の様子を、斜めから目視またはカメラＣＭで観察するようにすればよいが、溶着部の状態によっては「斜めから見ることが困難」である場合も考えられる。

溶着位置を確認するには「光溶着用光学ユニットの光軸上から観察する」ことが好ましいので、図１３（ｂ）や（ｃ）のように、集光光学系をなすレンズＬ１、Ｌ２（共にコリメートレンズとして用いられている）の間に空間を設け、この空間部分に反射部材Ｍ０１を配置させ、光溶着用光学ユニットに「観察光学系」を組合せるのがよい。このとき、反射部材Ｍ０１がハーフミラーだと溶着する際にパワーをロスしてしまうので、反射率が数％程度の反射部材や、溶着する波長：４０５ｎｍ付近のみを略透過させるような多層膜を形成した反射部材を用いるか、あるいは溶着の際に「反射部材Ｍ０１を光路上から退避させる機構」を有するようにするのがよい。

観察光学系にも光路分割部材を用い、各溶着位置での像が分割されて観察像を形成するようにする。図１３（ｂ）の例では、溶接部で反射された戻り光は、反射部材Ｍ０１により反射され、集光レンズＬＯ、光路分割部材ＢＤ０、ガラスＧ０を介して溶着部３００の像（観察像）Ｉｍを結像する。図１３（ｃ）の例では、溶接部で反射された戻り光は、反射部材Ｍ０１により反射され、集光レンズＬＯで集光されたのちレンズＬ１Ａ、Ｌ２Ａ、光路分割部材ＢＤ０、ガラスＧ０を介して溶着部３００の像（観察像）Ｉｍを結像する。

観察像Ｉｍの位置に撮像素子を配置し溶着状態を確認出来る。または、観察像Ｉｍを、接眼レンズを介して目視で確認するようにしてもよい。

また、図１３（ｂ）のように、光路分割部材ＢＤで分割される光路の数だけ円形の絞りを有した視野絞りＡ０１を配置することで観察像Ｉｍを鮮明に観察できる。また、図１３（ｃ）のように、集光レンズＬＯで一旦集光させた位置に、観察範囲に応じた大きさを持った視野絞りＡ０２を配置することで、観察する像が重なるのを防ぐことができる。

光溶着装置の実施の１形態を説明する図である。 光溶着の例として、レンズと鏡筒の溶着を説明する図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 光路分割部材の平行変位の作用を説明するための図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 図９、図１０の光路分割部材の材料ピースとなるウェッジプリズムを示す図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 光路分割部材の１例を説明する図である。 光路分割部材の１例とその使用状態を説明する図である。 円錐面を持つ光路分割部材の３例を説明するための図である。 溶着部の観察方法を説明するための図である。

符号の説明

ＬＤ１ 半導体レーザ
１００ ビーム合成手段
Ｆ 光ファイバ
ＦＯ 射出端
Ｌ１、Ｌ２ 集光光学系を構成するレンズ
ＢＤ 光路分割部材
Ｇ 保護ガラス
３００ 溶着面
３０１、３０２ 溶着部

Claims (10)

1. 光源から放射され、光ファイバにより伝搬され、上記光ファイバの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させる光学ユニットであって、
   光ファイバの射出端から射出する光束を集光光束に変換する集光光学系と、
   この集光光学系から射出する集光光束の光路上に配置される１以上の光路分割部材と、
   これら１以上の光路分割部材の、光軸方向への平行変位、光軸の回りの回転変位、光軸に直交する方向への直交変位の、３変位のうちの１以上を行う変位手段とを有し、
   上記１以上の光路分割部材の個々は一体構成で、上記集光光束の光路を１以上の光路に分割するものであることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
2. 請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   １以上の光路分割部材が、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を片面に有し、他方の面が平面で、上記２つの平面の稜角が１２０度〜２４０度の範囲にある透明体であることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
3. 請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   １以上の光路分割部材が、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を両面に有し、各面における２つの平面の稜角が１２０度〜２４０度の範囲にあり、各面における稜が互いに平行もしくは直交する透明体であることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
4. 請求項１または２または３記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   光路分割部材が１個であることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
5. 請求項３記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   光路分割部材が１個であり、
   この１個の光路分割部材の各面における稜が互いに直交するものであり、集光光束の入射側面における稜角をθ_１１度、射出側面における稜角をθ_１２度とするとき、これら稜角：θ_１１、θ_１２が条件：
   ｜１８０−θ_１１｜＜｜１８０−θ_１２｜
   を満足することを特徴とする光溶着用光学ユニット。
6. 請求項２または３記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   光路分割部材が複数個で、光軸方向から見るとき、各光路分割部材の稜が互いに平行もしくは等角をなすことを特徴とする光溶着用光学ユニット。
7. 請求項６記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   複数個の光路分割部材の稜が、光軸方向から見て等角をなし、各稜角を集光光束の入射側から順次θ１、θ２、・・・θｎ度とするとき、これら稜角：θ１〜θｎが条件：
   ｜１８０−θ１｜＜｜１８０−θ２｜＜・・・＜｜１８０−θｎ｜
   を満足することを特徴とする光溶着用光学ユニット。
8. 請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   １以上の光路分割部材が、集光光束の光軸光線に対して６０度〜１２０度の範囲の角をもって傾いた３以上の平面を角錐面として組合せた面を、入射側および／または射出側に有する透明体であることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
9. 請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   １以上の光路分割部材が、頂角が１２０度〜２４０度の範囲の円錐面を、入射側および／または射出側に有する透明体であることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
10. 光源と、光源からの光を導光する光ファイバと、この光ファイバにより伝搬され、上記光ファイバの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させる光溶着用光学ユニットとを有し、
    光源は、複数の半導体レーザと、これら半導体レーザからのレーザ光束を合成して上記光ファイバにカップリングさせるビーム合成手段を有し、
    光溶着用光学ユニットは、請求項１〜９の任意の１に記載のものであることを特徴とする光溶着装置。
    

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