JP2008179904A - レーザ加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理容器内部の閉空間にある特定の領域を、レーザビームを用いて可能な限り均一かつ安定に加熱処理でき、かつ小型なレーザ加熱処理装置を提供する。
【解決手段】レーザ光１８を導入するための光導入口１６を有する閉空間１４を形成した処理容器１２と、光導入口１６から導入したレーザ光１８を分割して複数の方向に反射する第１反射体２０と、この第１反射体２０で反射された複数本のレーザビーム２４を閉空間１４内で多重反射させて、当該閉空間１４内部の所定位置に配置した対象物の異なる面に照射する、第２反射体２２とを備える。レーザ光１８を複数のレーザビーム２４に分割し多重反射させ、それぞれ異なる方向から対象物に衝突させので、対象物の全周を均一に加熱できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて物体の特定部分を加熱処理するための用途に使用されるレーザ加熱装置に関する。

例えば、プラスチックや光ファイバ等の細繊維を加熱して溶融延伸させるには、プラスチックや光ファイバ等の通路に加熱装置を配置する。これには、電気炉やガスバーナ等が用いられていたが、精密な温度制御がし易くエネルギ効率の良いレーザ光を用いた装置が開発された（特許文献１参照）。
特開２００６−５７２２８号公報

既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
レーザ光により繊維状体を加熱するには、繊維状体の特定部位にレーザ光を集中させる。これには、プリズムやレンズ等の光学装置を使用する。繊維状体の全周をむら無く加熱するには、多数のプリズムを使用するので、装置が大型化するという問題があった。プリズムの代わりにミラーを使用すればよいが、ミラーが発熱するのでその熱保護が問題になる。繊維状体に限らず、所定の長さあるいは面積を有する領域をレーザ光を用いて加熱するには、同様の問題が発生する。

上記の課題を解決するために、本発明は、レーザ光により立体の特定の領域を可能な限り均一かつ安定に加熱処理することができ、全体として十分に小型化することができるレーザ加熱装置を提供することを目的とする。

以下の構成は上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
レーザ光を導入するための光導入口を有する閉空間を形成した処理容器と、上記光導入口から導入したレーザ光を上記閉空間内で分割して複数の方向にレーザビームを反射する第１反射体と、上記複数本のレーザビームを上記閉空間内で多重反射させて、当該閉空間内部の所定位置に配置した加熱対象物の異なる面に照射する第２反射体とを備えたことを特徴とするレーザ加熱装置。

閉空間を形成した処理容器の内部にレーザ光を導入して対象物を加熱するので、処理容器の内部を熱的に安定化できる。また、レーザ光を複数の細径レーザビームに分割し多重反射させ、それぞれ異なる方向から対象物に衝突させるので、対象物の全周を均一に加熱できる。

〈構成２〉
構成１に記載のレーザ加熱装置において、上記第２反射体は上記処理容器の内壁の一部であることを特徴とするレーザ加熱装置。

処理容器の内部に別個に第２反射体を配置すると、第２反射体の反射面の精密な調整が必要になる。第２反射体が処理容器の内壁一部を使用していれば、組立調整が不要である。

〈構成３〉
構成２に記載のレーザ加熱装置において、上記第２反射体は上記処理容器の内壁全体であることを特徴とするレーザ加熱装置。

レーザビームが処理容器の内壁のどこに衝突しても反射されて、対象物の加熱に有効に利用される。

〈構成４〉
構成２又は３に記載のレーザ加熱装置において、上記第１反射体は、光導入口から導入されたレーザ光が上記処理容器の内壁の、直接入射する位置に配置され、上記複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に反射させる複数の微小ミラーを有することを特徴とするレーザ加熱装置。

第１反射体でレーザ光を分割し、そのレーザビームを第２反射体でそれぞれ異なる方向に多重反射させて、閉空間内部の所定位置を多方向から照射し加熱することができる。

〈構成５〉
構成２乃至４のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、上記閉空間内部の所定位置は所定長の線状領域であって、上記レーザビームは上記第２反射体にそれぞれ固有の角度で入射し、上記第２反射体で反射された上記レーザビームには、上記線状領域に対して異なる方向から入射するものと、上記線状領域に対して異なる高さに入射するものとが含まれることを特徴とするレーザ加熱装置。

多重反射を利用して、レーザビームをそれぞれ異なる方向から異なる高さに入射させて、所定長の線状領域を均一に加熱することができる。

〈構成６〉
構成２乃至５のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、上記処理容器の内壁は、上記線状領域と平行に軸を向けて当該線状領域を包囲する多面体柱状に形成されていることを特徴とするレーザ加熱装置。

線状領域を包囲する多面体柱状の内壁でレーザビームが反射されると、内壁間を多重反射されて線状領域に達する。線状領域に垂直な面内のみならず線状領域の長手方向に分散するようにレーザビームを反射させることができる。

〈構成７〉
構成６に記載のレーザ加熱装置において、上記レーザ光は上記多面体柱の軸方向に外部から入射し、上記第１の反射体により反射された複数本のレーザビームは、上記第１の反射体を起点としてそれぞれ上記第２反射体方向に放射方向に反射されることを特徴とするレーザ加熱装置。

レーザ光が多面体柱の軸方向に入射し、複数本のレーザビームが第１の反射体を起点としてそれぞれ放射方向に反射されると、各レーザビームが多面体柱状の内壁を多重反射して多方向から線状領域を照射できる。

〈構成８〉
構成７に記載のレーザ加熱装置において、上記レーザ光は上記多面体柱の軸心を通って上記第１の反射体に入射することを特徴とするレーザ加熱装置。

レーザ光が多面体柱の軸心を通って第１の反射体に入射すると、各レーザビームは多面体柱の軸を中心に軸対称に分布するから、対象物を配置する線状領域を選定し易い。

〈構成９〉
構成１乃至８のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、上記処理容器は熱伝導率の良好な金属からなり、上記第２反射体は上記処理容器の内壁に形成された鏡膜であることを特徴とするレーザ加熱装置。

熱伝導率の良好な金属を使用すると、処理容器全体が均一な温度になり、鏡膜により多重反射したレーザビームが対象物に到達する。

〈構成１０〉
構成１乃至９のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、上記第１反射体は、１台の光源から発射された１本のレーザ光をそのレーザ光よりも細い複数のレーザビームに分割して反射することを特徴とするレーザ加熱装置。

１本の太いレーザ光を対象物にそのまま照射すると、レーザビームのエネルギ分布により対象物の各部で加熱斑が生じるおそれがある。細い複数のレーザビームに分割して、多重反射させると、全体として均一に対象物の広い面積を加熱できる。

〈構成１１〉
構成１乃至１０のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、上記処理容器は外筒と内筒とを有し、上記レーザビームは上記外筒の内面と上記内筒の外面で多重反射することを特徴とするレーザ加熱装置。

外筒と内筒の間の狭い空間にレーザビームを閉じこめるので、多重反射されたレーザビームはより対象物の周辺に集中し易くなる。なお、外筒と内筒の間の環状空間には、例えば、複数の繊維状対象物を同時に走行させることができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は実施例１のレーザ加熱装置１０を示す斜視図である。
レーザ加熱装置１０は、レーザ光源１と処理容器１２により構成される。処理容器１２は、例えば、耐熱性の良い銅合金等により構成される。処理容器１２の内部には、例えば、六角柱状の閉空間１４が設けられている。また、上面には光導入口１６と対象物導入孔２５とが設けられている。光導入口１６からは、レーザ光源１から発射されたレーザ光１８が導入される。

対象物導入孔２５は処理容器１２の上下壁に設けられており、図示のような例えば、繊維状の加熱対象物２６が、矢印１３方向に連続的に走行するように挿通されている。このレーザ加熱装置１０により、長尺の加熱対象物２６を全長にわたって熱処理することができる。加熱対象物２６は、例えば、プラスチックフィラメントやガラスファイバである。処理容器１２の内部底面には、第１反射体２０が設けられている。また、閉空間１４の内壁は、金メッキ等により全面的に鏡面化され、第２反射体２２が形成されている。

処理容器１２は、上記のように、レーザ光１８を導入するための光導入口１６を有する閉空間１４を形成している。レーザ光１８を導入する場所はどこでもよいし、複数設けてもよい。導入するレーザ光１８も複数本あって構わない。閉空間１４を設けたのは、内部でレーザビーム２４を多重反射させるためである。従って、閉空間１４の形状も、必ずしも正多角柱状の空間でなくても構わない。例えば、円柱状の空間でもよい。

第１反射体２０は、光導入口１６から導入したレーザ光１８を分割して複数の方向にレーザビーム２４を反射するためのものである。第１反射体２０の構成は後で図６を用いて説明する。１本の太いレーザ光を多数本の細いレーザビームに分割する機能を持てばよい。処理容器１２は熱伝導率の良好な金属からなり、第２反射体は処理容器１２の内壁に形成された鏡膜であることが好ましい。熱伝導率の良好な金属を使用すると、処理容器１２全体が均一な温度になり均一な加熱ができる。また、高熱を発するので閉空間１４の内部温度を一定に保持する調整も容易である。

第２反射体２２は、第１反射体２０で反射された複数本のレーザビーム２４を閉空間１４内で多重反射させて、当該閉空間１４内部の所定位置に配置した対象物の異なる面に照射する機能を持つ。閉空間１４を形成した処理容器１２の内部にレーザ光１８を導入して対象物を加熱するので、処理容器１２の内部を熱的に安定化できる。また、レーザ光１８を複数のレーザビーム２４に分割し多重反射させ、それぞれ異なる方向から対象物に衝突させるので、対象物の全周を均一に加熱できる。

なお、ここではレーザ発信器等から出力されて処理容器１２に導入されるものをレーザ光１８と呼び、処理容器１２内部で多重反射されるものをレーザビーム２４と呼んで区別している。符号２８は線状領域、すなわち加熱対象物２６のビーム照射の対象となる領域を示す。

図２は、第１反射体２０の作用を説明する説明図である。
図２の（ａ）に示すように、矢印１１の方向からレーザ光１８が導入されたとき、上記の第１反射体２０は、これを多数の細いレーザビーム２４に分割して反射する。レーザ光１８は一般に図の破線１８Ｐに示すような強度分布を示す。すなわち、レーザ光源から発射されたレーザ光は、中心ほど強度の高いガウシアン分布を持つビームである。

このビームをミラーやレンズを用いて拡大をして加熱対象物２６に照射すると、強度分布がそのまま部分的な加熱斑を招く。上記の第１反射体２０が多数の細いレーザビーム２４に分割してこれらを第２反射体２２が多重反射させて加熱対象物２６を照射すると、図２の（ｂ）に示すように、全体として平均化された強度のレーザビーム２４による、線状領域２８の加熱ができる。従って、非常に高精度の均一な加熱温度制御が可能になる。

図３は、処理容器１２を示す平面図である。
図に示すように、この実施例では閉空間１４を正六角柱状の空間により構成した。多重反射の反射経路を設計し易くするには、正多角柱状の空間の各面でレーザビーム２４を反射させることが好ましい。また、レーザ光１８をこの閉空間１４の正多角形の対称中心に配置された光導入口１６から導入して、この対称中心に配置した第１反射体２０で全方向に反射させる。

すなわち、レーザ光１８が多面体柱の軸心を通って第１の反射体に入射する。これにより、各レーザビーム２４は多面体柱の軸を中心に軸対称に分布するから、対象物導入孔２５から挿通される加熱対象物を配置する線状領域を選定し易いという効果がある。

図４は処理容器１２を示す側面図である。
図に示すように、この実施例では、処理容器１２と閉空間１４を横断面形状の均一な筒状体により構成している。処理容器１２は上面開口した本体１２Ａとその開口面を塞ぐ蓋体１２Ｂとにより構成されている。これらの接合面は互いに嵌り合う凹凸面とされている。閉空間１４の内部でレーザビーム２４を多重反射させると、線状領域２８の全体を均一な熱量で加熱することができる。なお、この実施例では、第２反射体２２を処理容器１２の内壁全体とした。

従って、ミラーやプリズムを多数配置する場合に比べて、レーザビーム２４が処理容器１２の内壁のどこに衝突しても反射されて、対象物の加熱に有効に利用される。また、処理容器１２の内壁を、線状領域２８と平行に軸を向けて当該線状領域を包囲する多面体柱状に形成すると、線状領域２８に垂直な面内のみならず線状領域の長手方向に分散するようにレーザビーム２４を反射させることができる。

図５は、実施例２の処理容器１２を示す縦断面図である。図１に示した部分と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図に示すように、上記の実施例では、閉空間１４の内部に、所定長の線状領域２８を形成した。ここに、レーザビーム２４は第２反射体２２によって、それぞれ固有の角度で入射する。

第２反射体２２で反射されたレーザビーム２４には、線状領域２８に対して異なる方向から入射するものと、線状領域２８に対して異なる高さに入射するものとが含まれる。多重反射を利用して、レーザビーム２４をそれぞれ異なる方向から異なる高さに入射させて、所定長の線状領域２８を均一に加熱することができる。

図６は、実施例２のレーザビームの反射経路説明図である。
図５に示したように、レーザ光１８は、多角柱状の閉空間１４に軸方向に外部から入射した。その後、図６に示すように、第１の反射体２０により反射された複数本のレーザビーム２４は、第１の反射体２０を起点としてそれぞれ第２反射体２２に放射される。これらのレーザビーム２４は第２反射体２２に放射されることにより、多面体柱状の第２反射体２２に多重反射して多方向から線状領域２８を照射できる。

図７は、閉空間１４の変形例の説明図である。
この実施例では、処理容器１２に複数の対象物導入孔２５を設けて、複数の加熱対象物２６を同時に加熱できるように構成している。閉空間１４の内部で、いずれかの加熱対象物２６に衝突したレーザビーム２４はそこで光エネルギを吸収されるから、あまり多数の加熱対象物２６を配置すると全体として十分な熱量で加熱ができなくなる。従って、十分に熱量計算をして、適切な数量の加熱対象物２６をそれぞれ十分離間させて配置することが好ましい。

図８は実施例３の第１反射体２０を示す横断面図である。図１に示した部分と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第１反射体２０は、上記のように、光導入口１６から導入されたレーザ光１８が直接入射する位置に配置されることが好ましい。反射を繰り返すほど反射損失が増えるからである。また、このように、例えば、多数の三角錐状の凹凸により、複数のレーザビーム２４をそれぞれ異なる方向に反射させる複数の微小ミラー２１を設けておく。

これにより、第１反射体２０でレーザ光１８を分割し、そのレーザビーム２４を第２反射体２２でそれぞれ異なる方向に多重反射させて、閉空間１４内部の所定位置を多方向から照射し加熱することができる。すなわち、１台の光源から発射された１本のレーザ光１８をそのレーザ光よりも細い複数のレーザビーム２４に分割して反射する。なお、複数の微小ミラー２１は平面ミラーが好ましい。多重反射をしても少ない減衰で加熱対象物２６に達するようにできるからである。

１本の太いレーザ光を対象物にそのまま照射すると、レーザビームのエネルギ分布により対象物の各部で加熱斑が生じるおそれがある。細い複数のレーザビームに分割して、多重反射させると、レーザ光１８が破線１８Ｐに示すような強度分布となり、全体として均一に対象物の広い面積を加熱できるという効果がある。

図９は、実施例４のレーザ加熱装置を示す平面図、図１０は、そのＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。図１に示した部分と共通する部分には同一符号を付している。
これらの図に示すように、この実施例の処理容器１２は、内面に第２反射体２２Ａを有する外筒２９と、外面に第２反射体２２Ｂを有する内筒３０とを備えている。外筒２９の形状は、上記した実施例と同一構成である。対象物導入孔２５は、図８の実施例と同様に６個設けた。内筒３０は処理容器１２のちょうど軸部に同軸的に配置されている。

外筒２９及び内筒３０は同一の材料により形成され、溶接あるいは図示しないボルト等により適宜結合され一体化されている。レーザ光１８はこれまでの実施例と同様に処理容器１２内に軸方向に導入され、第１反射体２０に入射する。第１反射体２０で反射されたレーザビーム２４は、線状領域２８内で外筒２９の第２反射体２２Ａと内筒３０の第２反射体２２Ｂで多重反射される。

これにより、複数本の加熱対象物２６にそれぞれ均一に全方向からレーザビーム２４を照射できる。なお、外筒２９と内筒３０の間の狭い空間にレーザビーム２４を閉じこめるので、多重反射されたレーザビームは対象物の周辺により集中し易くなる。しかも、外筒２９と内筒３０の間の環状空間に、複数の繊維状対象物を同時に走行させることができるという効果がある。また、レーザビーム２４が閉空間の内部を多重反射すると、この閉空間の内部温度を上昇させる。これは加熱温度の安定化に寄与する。外筒２９と内筒３０の間の環状空間は十分に狭くできるので、閉空間の体積が小さくでき、内部温度をより高温に保持して、加熱温度を安定化できる。

実施例１のレーザ加熱装置１０を示す斜視図である。 第１反射体２０の作用を説明する説明図である。 処理容器１２を示す平面図である。 処理容器１２を示す側面図である。 実施例２の処理容器１２を示す縦断面図である。 実施例２のレーザビームの反射経路説明図である。 閉空間１４の変形例の説明図である。 実施例３の第１反射体２０を示す横断面図である。 実施例４のレーザ加熱装置を示す平面図である。 図９Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。

符号の説明

１０ レーザ加熱装置
１２ 処理容器
１４ 閉空間
１６ 光導入口
１８ レーザ光
２０ 第１反射体
２１ 微小ミラー
２２ 第２反射体
２４ レーザビーム
２５ 対象物導入孔
２６ 加熱対象物
２８ 線状領域
２９ 外筒
３０ 内筒

Claims (11)

1. レーザ光を導入するための光導入口を有する閉空間を形成した処理容器と、
   前記光導入口から導入したレーザ光を前記閉空間内で分割して複数の方向にレーザビームを反射する第１反射体と、
   前記複数本のレーザビームを前記閉空間内で多重反射させて、当該閉空間内部の所定位置に配置した加熱対象物の異なる面に照射する第２反射体とを備えたことを特徴とするレーザ加熱装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加熱装置において、
   前記第２反射体は前記処理容器の内壁の一部であることを特徴とするレーザ加熱装置。
3. 請求項２に記載のレーザ加熱装置において、
   前記第２反射体は前記処理容器の内壁全体であることを特徴とするレーザ加熱装置。
4. 請求項２又は３に記載のレーザ加熱装置において、
   前記第１反射体は、光導入口から導入されたレーザ光が前記処理容器の内壁の、直接入射する位置に配置され、前記複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に反射させる複数の微小ミラーを有することを特徴とするレーザ加熱装置。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、
   前記閉空間内部の所定位置は所定長の線状領域であって、前記レーザビームは前記第２反射体にそれぞれ固有の角度で入射し、前記第２反射体で反射された前記レーザビームには、前記線状領域に対して異なる方向から入射するものと、前記線状領域に対して異なる高さに入射するものとが含まれることを特徴とするレーザ加熱装置。
6. 請求項２乃至５のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、
   前記処理容器の内壁は、前記線状領域と平行に軸を向けて当該線状領域を包囲する多面体柱状に形成されていることを特徴とするレーザ加熱装置。
7. 請求項６に記載のレーザ加熱装置において、
   前記レーザ光は前記多面体柱の軸方向に外部から入射し、前記第１の反射体により反射された複数本のレーザビームは、前記第１の反射体を起点としてそれぞれ前記第２反射体方向に放射方向に反射されることを特徴とするレーザ加熱装置。
8. 請求項７に記載のレーザ加熱装置において、
   前記レーザ光は前記多面体柱の軸心を通って前記第１の反射体に入射することを特徴とするレーザ加熱装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、
   前記処理容器は熱伝導率の良好な金属からなり、前記第２反射体は前記処理容器の内壁に形成された鏡膜であることを特徴とするレーザ加熱装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、
    前記第１反射体は、１台の光源から発射された１本のレーザ光をそのレーザ光よりも細い複数のレーザビームに分割して反射することを特徴とするレーザ加熱装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のレーザ加熱装置において、
    前記処理容器は外筒と内筒とを有し、前記レーザビームは前記外筒の内面と前記内筒の外面で多重反射することを特徴とするレーザ加熱装置。

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