JP2007245194A - 光溶着用光学ユニットおよび光溶着装置および光溶着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３以上の光スポットを所望の配列パターンに形成でき、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・光溶着方法を実現する。
【解決手段】光ファイバＦの射出端から射出する光束を集光光学系１１０により集光光束１６０に変換し、光路分割部材２００によりＮ（≧３）個の光路に分割する。光路分割部材２００はＮ個のプリズム部分を有し、光溶着面に形成されるＮ個の溶着用光スポットの配列が所望の配列パターンとなるように、Ｎ個のプリズム部分の形態を設定されている。
【選択図】 図１

Description

光溶着用光学ユニットおよび光溶着装置および光溶着方法に関する。

光エネルギー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。

光加工の１態様として光溶着があるが、光溶着を行う場合に、溶着ポイントは３以上であることが多い。また、溶着ポイントの配列パターンもさまざまである。

特許第３３１７２９０号公報

この発明は、３以上の光スポットを所望の配列パターンに形成でき、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・光溶着方法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、光ファイバの射出端から射出する溶着用光を、光溶着面の溶着部（溶着ポイント）に、溶着用光スポットとして集光させる光学ユニット」であって、集光光学系と、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。

即ち、「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のが好ましく、このために、集光光学系中に非球面を用いることが好ましい。

「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、集光光束をＮ（≧３）個の光路に分割する。
「変位手段」は、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。
光路分割部材は「Ｎ個のプリズム部分」を有し、光溶着面に形成されるＮ個の溶着用光スポットの配列が「所望の配列パターン」となるように、Ｎ個のプリズム部分の形態を設定される。即ち、光溶着面に形成される溶着用光スポットの配列パターンとして「所望の配列パターン」が定まると、この配列パターンが実現するようにＮ個のプリズム部分の形態が設定されるのである。プリズム部分の「形態」は、プリズム部分の形状と集光光束に対する相対的な態位である。

光路分割部材は、Ｎ個のプリズム部分が一体の「単体構造」のものでもよいし、Ｎ個のプリズム部分の個々をピースとし、これらのピースを組合せて構成したものでもよい。Ｎ個のピースを組合せる場合、ピース相互を接着や固定枠等で一体的に固定してもよいが、組合せられた状態で「１以上のピースが集光光束の光軸方向へ変位できる」ようになっていてもよい。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおける光路分割部材は、これを構成するプリズム部分の数：Ｎ＝４個で、プリズム部分の個々が「入射側平面と射出側平面のなす角と集光光束に対する態位と」を、４個の溶着用光スポットが「同一円周上に台形パターンをなして集光する」ように定められていることができる（請求項２）。

請求項１記載の光溶着用光学ユニットにおける光路分割部材はまた、これを構成するＮ（≧３）個のプリズム部分の個々が「入射側平面と射出側平面のなす角と集光光束に対する態位と」を、Ｎ個の溶着用光スポットが「直線状パターンをなして同一直線状に配列集光する」ように定められていることができる（請求項３）。

上記請求項１〜３の任意の１に記載の光溶着用光学ユニットにおける「光路分割部材を構成するＮ個のプリズム部分の個々」は、集光光束の入射側平面および／または射出側平面が、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くことが好ましい（請求項４）。

請求項１〜４の任意の１に記載の光溶着用光学ユニットはまた、光路分割手段により分割された光路を進む「Ｎ個の集光光束の光束断面形状」を円または楕円形状に整形する絞り手段を有することが好ましい（請求項５）。

請求項６〜８に記載の光溶着装置は、光源と、光ファイバと、光溶着用光学ユニットとを有する。

「光ファイバ」は、光源からの光を導光して射出端から溶着用光として射出させる。

「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」を有する構成とすることができる（請求項６）。また、光源とこの光源からの光を導光して射出端から溶接用光として射出させる部分を「ファイバレーザ」として構成してもよく（請求項７）、さらには、複数のファイバレーザと「これらファイバ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」を光源とすることもできる（請求項８）。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。
また、１個の半導体レーザを光源として用いることも可能である。
「光溶着用光学ユニット」は請求項１〜５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や複数のファイバ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、複数の溶着ポイントの溶着部を同時に溶着させることができる。また、ファイバレーザを用いることにより、低電力励起による発振が可能であるので、溶着作業を省エネルギで実施できる。

この発明の光溶着方法は、請求項６〜８の任意の１に記載の光溶着装置を用いて行われる光溶着方法である。（請求項９）

以上に説明したようにこの発明の光溶着用光学ユニットによれば、所望の配列パターンをなして配列する３以上の溶着ポイントに溶着用光スポットを集光させることができる。従って、このような光溶着用光学ユニットを用いる光溶着装置・光溶着方法によれば、３以上の溶着ポイントを溶着させる光溶着作業を極めて効率よく行うことができる。

図１に、この発明の光溶着装置の実施の１形態を示す。
この光溶着装置は、樹脂レンズと樹脂レンズ保持用の筐体を溶着する装置である。

光源１００が放射した光は、光ファイバＦにより伝搬されて光ファイバの射出端ＦＯから射出し、集光光学系１１０にて集光光束１６０に変換され、この集光光束１６０の光路上に配置された光路分割部材２００によってＮ個の光路に分割されてＮ個の溶着用光１７０となり、光溶着対象物１３０に達する。後述するように、この実施の形態では、Ｎ＝４である。

図２は光溶着対象物１３０を拡大した図である。
光溶着対象物１３０は、樹脂レンズ１４０と筐体１５０であり、樹脂レンズ１４０は、図２に示すように、筐体１５０の「受け部」に落とし込まれ、レンズ周辺の平面状部分と筐体１５０の受け部の底面部とが密接して溶着面１８０となる。溶着用光１７０は、光溶着対象物１３０の樹脂レンズ１４０のレンズ面から入射して、溶着面１８０上に集光して溶着用光スポット１３１を形成し、樹脂レンズ１４０と筐体１５０を溶着する。

図３（ａ）に光溶着する樹脂レンズ１４０の形状を示す。樹脂レンズ１４０は、円形でない「異型なコバ形状」をもった樹脂レンズである。組み付けや成形によるゲート部分の都合などで、Ｄカットや円形でない異型なコバ形状部分１４０Ａをもった樹脂レンズを筐体１５０に溶着する場合、光軸方向からみた図３（ｂ）に示すような台形状のパターンに溶着用光スポットＰ１〜Ｐ４を形成し溶着するのがよい。

図４に光路分割部材２００の形状を示す。光路分割部材２００は、４面のプリズム面２１０〜２４０を有している。各プリズム面は光軸に対して６０度〜１２０度の範囲の角をもって傾いており、傾斜方向を変化させて組み合わされている。プリズム面と反対側の面は光軸に直交する平面である。

図４（ｂ）は、光路分割部材２００を光軸方向から見た図である。プリズム面２１０〜２４０は、光軸位置で直交する境界面２７０、２７１により分離しており、矢印は各プリズム面の「傾斜の方向と大きさ」を示す。矢印の長さが「傾斜の大きさ」を表す。

この例では、各プリズム面の傾斜は、傾斜方向が互いに異なるが、傾斜の大きさは同一である。プリズム面２１０〜２４０を、矢印で示した方向にそれぞれ「同一の傾斜の大きさ」で傾斜させた場合、各プリズム面により分割された溶着用光は、光軸方向から見ると、図４（ｂ）の鎖線２５１〜２５４の方向へ分割されるので、これら溶着用光の形成する溶着用光スポットの位置は、鎖線２５１〜２５４で示すような「各プリズム面の傾斜方向に平行でかつ光軸を含む面内」に形成される。

図４（ｃ）は、４個の溶着用光スポットＰ１〜Ｐ４のパターンを示している。
プリズム面２１０〜２４０は、傾斜の方向が異なるが、傾斜の大きさは同一であるので、図４（ｂ）の鎖線２５１〜２５４の方向へ分割された溶着用光は、図４（ｃ）に示すように、同一の円周２６０上に集光することになり、溶着用光スポットＰ１〜Ｐ４は、光軸を中心とする同一の円周２６０上に台形パターンをなす。

従って、図３（ｂ）に示すような所望の位置での溶着が可能となる。図４（ｃ）における円周２６０の径は、光路分割部材２００と集光光学系１１０との間隔により変化する。

図５は、溶着用光スポットを「直線状パターンをなして同一直線上に配列させる」ための光路分割部材２００Ａを示している。光路分割部材２００Ａは、光軸に対して６０度〜１２０度の範囲の角をもって傾いた４面のプリズム面２１０Ａ〜２４０Ａを組合せている。プリズム面と反対側の面は光軸に直交する平面である。

図５（ｂ）は光路分割部材２００Ａを光軸方向からみた図である。傾斜方向を示す矢印から分かるように、４面のプリズム面２１０Ａ〜２４０Ａは、傾斜方向を示す矢印は、光軸方向から見て互いに平行であり、光軸に対して対角的に対向する２つのプリズム面で、傾斜方向を示す矢印の大きさが等しく、向きが互いに逆である。

各プリズム面により分割されて形成される溶着用光スポットは、各プリズム面２１０Ａ〜２４０Ａの傾斜方向（矢印の方向）に平行でかつレンズ光軸を含む面内に形成される。すなわち、図５（ｃ）に示すように、同一の直線２５１上に直線状パターンをなして溶着用光スポットを配列することができる。

直線上のスポット間隔比は各プリズム面２１０Ａ〜２４０Ａの傾斜角度により変わるため、４面の傾斜角度の調整により溶着用光スポットの配置を等間隔にすることもできる。直線状に配列する溶着用光スポットは、図６に示す、プリズム面２１０Ｂ〜２４０Ｂを組合せた光路分割部材２００Ｂでも形成できる。

上記の実施の形態において、適宜の変位手段により、光路分割部材の位置を光軸方向へ変位させることにより、溶着用光スポットの配列状態を、配列パターンを同一にして相似的に変化させることができ、光軸の回りに回転変位させることにより溶着用光スポットの配列状態を光軸の周りに回転させることができる。

また、光軸に直交する方向への直交変位により、光路分割部材を構成するプリズムの各プリズム面へ入射する集光光束部分が変化するので、直交変位を調整することにより、溶着用光スポット相互の光強度を調整することができる。

上に説明した各実施の形態では、光路分割部材の光軸とレンズ光軸を一致させると、分割される各光束（溶着用光）の光束断面形状は、プリズム面の形状に対応する「扇状」になる。このため分割された各溶着用光の光束断面形状は、集光点以外では「扇形」となる。このため、デフォーカスにより溶着面に対して溶着用光スポットのピントが若干ぼけたときには、溶着面上のスポット形状が扇形となって不具合を生じることがある。

これを防ぐには、レンズ光軸上の集光光学系の前または後ろに、図７のようなプリズム面に対応した「円または楕円の開口３１０〜３４０を持つ絞り」を配置し、デフォーカスした際にも溶着面上の溶着用光スポットの形状が円または楕円の光束形状となるようにすればよい。このようにすると、溶着の際に、溶着用光を正確に溶着面上に結像させる必要がなく、溶着用光と溶着面との位置関係に余裕が生じるので、溶着の作業性が向上する。

光源１００としては前述の如く、１以上の半導体レーザを用いることもできる（複数の半導体レーザからの光を周知の光合成手段により合成して用いることもできる。）し、光源と光ファイバとをファイバレーザとしてもよく、さらには、複数のファイバレーザと、これらファイバ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ように光源を構成してもよい。

溶着用光学ユニットを説明する図である。 光溶着対象物を説明する図である。 樹脂レンズと筐体の溶着を説明する図である。 所望の位置に溶着用光スポットを形成するための光路分割部材の１例を説明する図である。 直線上の所望の位置に溶着用光スポットを形成するための光路分割部材の１例を説明する図である。 直線上の所望の位置に溶着用光スポットを形成するための光路分割部材の別の例を説明する図である。 請求項５記載の絞り手段の１例を示す図である。

符号の説明

１００ 光源
１１０ 集光光学系
１３０ 光溶着対象物
１３１ 溶着用光スポット
１４０ 樹脂レンズ
１５０ 筐体
１７０ 溶着用光
２００ 光路分割部材
Ｐ１〜Ｐ４ 溶着用光スポット
２１０〜２４０ プリズム面
２７０ 傾斜の異なるプリズムの境界

Claims (9)

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、光溶着面の溶着部に、溶着用光スポットとして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、上記集光光束をＮ（≧３）個の光路に分割する光路分割部材と、
   この光路分割部材の、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、
   上記光路分割部材はＮ個のプリズム部分を有し、上記光溶着面に形成されるＮ個の溶着用光スポットの配列が所望の配列パターンとなるように、上記Ｎ個のプリズム部分の形態を設定された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、
   光路分割部材を構成するプリズム部分の数：Ｎ＝４個で、プリズム部分の個々が、入射側平面と射出側平面のなす角と集光光束に対する態位とを、４個の溶着用光スポットが、同一円周上に台形パターンをなして集光するように定められてい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、
   光路分割部材を構成するＮ個のプリズム部分の個々が、入射側平面と射出側平面のなす角と集光光束に対する態位とを、Ｎ個の溶着用光スポットが、直線状パターンをなして同一直線状に配列集光するように定められていることを特徴とする光溶着用光学ユニット。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   光路分割部材を構成するＮ個のプリズム部分の個々が、集光光束の入射側平面および／または射出側平面が、上記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くことを特徴とする光溶着用光学ユニット。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の光溶着用光学ユニットにおいて、
   光路分割手段により分割された光路を進むＮ個の集光光束の光束断面形状を円または楕円形状に整形する絞り手段を有することを特徴とする光溶着用光学ユニット。
6. 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１〜５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。
7. 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、
   上記光源と上記光ファイバとをファイバレーザとし、
   光溶着用光学ユニットとして、請求項１〜５の任意の１に記載のものを用い、上記ファイバレーザの射出端から射出する溶着用光を溶着部に集光させることを特徴とする光溶着装置。
8. 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、複数のファイバレーザと、これらファイバ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１〜５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。
9. 請求項６〜８の任意の１に記載の光溶着装置を用いて行われる光溶着方法。
   

Images