JP2010238709A - ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで導入することができる信頼性の高いファイバレーザ装置を提供すること。
【解決手段】ファイバレーザ装置は、レーザ光Ｌを照射するレーザ照射部２０と、レーザ照射部２０から照射されたレーザ光Ｌを導く上流ファイバ３１と、を備えている。上流ファイバ３１には、融着部５を介して下流ファイバ３２が連結されている。ファイバレーザ装置は、上流ファイバ３１と下流ファイバ３２との間に設けられた融着部５から不具合発生時に漏れ出すレーザ光Ｌを検出する撮像手段１０も備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射部と、当該レーザ照射部から照射されたレーザ光を伝送するファイバとを備えたファイバレーザ装置に関する。

近年、ファイバレーザ装置は、数１００Ｗ〜数ｋＷの高出力化が可能になり、工業的な応用分野が飛躍的に拡大している。特に、小型、軽量、高いビーム品質、高信頼性、低ランニングコスト、といった様々なメリットは、ファイバレーザ装置の工業的な応用拡大に拍車をかけている。これらのメリットを活かして、具体的には、半導体やフラットパネルなどへの薄膜加工応用、アルミ溶接や金属薄板の高速切断などを活用した二次電池や電子デバイスへの加工応用などへ適用が進んでいる。さらにファイバレーザ装置の工業的応用を拡大するためには、製造コストの低減と信頼性向上が不可欠である。

また、上述したファイバレーザ装置は、いわゆるモノリシック構造からなっており、レーザ光が空間伝播することがないため、埃や塵といった伝播空間の清浄度の影響をうけにくい。また、ファイバレーザ装置では、従来のレーザ発振器で不可欠だった出力ミラー、リアミラー、ＹＡＧロッド等の光軸を合わせる“アライメント作業”が不要になる。さらに、ファイバレーザ装置では機械的な稼動部がなくなるので、温度変化や振動といった環境外乱に対してレーザ発振器の性能が変化することがない。

なお、このようなファイバレーザ装置は、環境外乱の影響を受けにくく継続的な安定動作を達成させるために、各種光学部品の入カファイバと出力ファイバを融着することによって接続して組み立てられる。

このため、ファイバレーザ装置は多くの利点をもつ“モノリシック構造”からなるものの、組立時に必須になる“融着”の品質確保が難しいという欠点を有している。

ファイバ同士を融着する具体的な流れは、まず、コーティング材料からなるコーティング部を剥離する。次に、専用クリーバを使ってファイバをクリーブする。その後、専用ツールを使ってファイバ同士を融着する。そして、融着の品質を評価するとともに確認する。

このような工程において、専用クリーバを使ってファイバをクリーブする工程と、専用ツールを使ってファイバ同士を融着する工程が難しく、融着部の品質を一定に保つことは困難を極める。このような融着部の品質が悪いと、融着部の光学的損失が大きくなり、場合によっては発熱の原因になる。また、融着部を起点として、本来はファイバのコア部を伝播しなくてはならないレーザ光が、クラッド部を伝播してしまい、曲率や傷の有無によってはコーティング材料からなるコーティング部にレーザ光が漏れる部分が発生するようなことがある。このようにコーティング部にレーザ光が漏れると、融着部から離れた場所でコーティング部が加熱され、コーティング部の変色や変質を発生させてしまう。そして、一度、コーティング部に変色や変質が発生すると、光学的に光の吸収率が変わり、一気に加熱が進んでファイバを焼損させるトラブルにつながる場合がある。

この点、熱電対を用いることで光ファイバに欠陥が無いかを監視する方法も考えられるが、光ファイバは短いもので１０ｍ程度あり、長いものでは数１００ｍに及ぶことがあるので、このように熱電対を用いる方法では限界がある。また、ファイバに沿って断線検知用ファイバを設けることも考えられるが（特許文献１参照）、ファイバの全範囲に断線検知用ファイバを設けることが必要となり、コストが高くなってしまう。

特開２００４−８５３１０号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、低コストで導入することができる信頼性の高いファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明によるファイバレーザ装置は、
レーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記レーザ照射部から照射されたレーザ光を導く上流ファイバと、
前記上流ファイバに融着部を介して連結された下流ファイバと、
前記上流ファイバと前記下流ファイバとの間に設けられた融着部から不具合発生時に漏れ出すレーザ光を検出する撮像手段と、
を備えている。

本発明によるファイバレーザ装置において、
前記撮像手段からの信号を受けて不具合が発生したことを伝える警告部をさらに備えてもよい。

本発明によるファイバレーザ装置は、
前記警告部から不具合が発生した旨の信号を受けた際に、前記レーザ照射部からのレーザ光の照射を停止させる停止部をさらに備えてもよい。

本発明によるファイバレーザ装置において、
前記警告部は、不具合が発生した箇所も伝えてもよい。

本発明によるファイバレーザ装置は、
少なくとも前記融着部を囲む筐体をさらに備え、
前記筐体に前記撮像手段が設けられていてもよい。

本発明によるファイバレーザ装置において、
前記撮像手段は、赤外線領域に感度を持つ撮像素子を有してもよい。

本発明によるファイバレーザ装置において、
前記撮像手段によって検出された正常動作時の画像のデータを記憶する正常画像記憶部と、
前記撮像手段によって検出される画像と、前記正常画像記憶部に記憶された画像のデータとを比較して異常状態を検出する画像比較部と、
をさらに備えてもよい。

本発明によるファイバレーザ装置において、
前記正常画像記憶部は、随時、前記撮像手段によって検出される画像を取得して更新してもよい。

本発明によるファイバレーザ装置は、
前記レーザ照射部を覆うマスキング部をさらに備えてもよい。

本発明によれば、撮像手段によって、故障が発生しやすい融着部を集中的に観察し、当該融着部から不具合発生時に漏れ出すレーザ光を検出するので、低コストで信頼性の高いファイバレーザ装置を導入することができる。また、撮像手段によって融着部およびその近傍も検出することができるので、より確実に異常を回避することができ、ファイバレーザ装置の信頼性をさらに高めることができる。

本発明の第１の実施の形態によるファイバレーザ装置の構成を示す概略図。 本発明の第１の実施の形態によるファイバの構成を示す概略図。 本発明の第２の実施の形態によるファイバレーザ装置の構成を示す概略図。

第１の実施の形態
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１および図２は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

図１に示すように、ファイバレーザ装置は、レーザ光Ｌを照射する複数のレーザダイオード（レーザ照射部）２０と、レーザダイオード２０に連結され当該レーザダイオード２０から照射されたレーザ光Ｌを導く複数の第一ファイバ（上流ファイバ）３１と、第一ファイバ３１の各々に融着部５ａで連結された第二ファイバ（下流ファイバ）３２と、第二ファイバ３２に連結され当該第二ファイバ３２で導かれたレーザ光Ｌを統合して合成するコンバイナ（光学部品）４０と、を備えている。

また、図１に示すように、コンバイナ４０には、合成されたレーザ光Ｌを伝送する第三ファイバ３３が連結され、当該第三ファイバ３３には、融着部５ｂを介して第四ファイバ３４が連結されている。なお、この第四ファイバ３４は、ＦＢＧ（Fiber Bragg grating）４１から延びるファイバである。

また、図１に示すように、ＦＢＧ４１から延びる第四ファイバ３４には、融着部５ｃを介して、希土類元素がドープされたダブルクラッドタイプのアクティブファイバ（第五ファイバ）３５が連結され、当該アクティブファイバ３５には、融着部５ｄを介して第六ファイバ３６が連結されている。なお、この第六ファイバ３６も、ＦＢＧ４２から延びるファイバである。

また、図１に示すように、ＦＢＧ４２から延びる第六ファイバ３６には、融着部５ｅを介して伝送ファイバ（第七ファイバ）３７が連結され、当該伝送ファイバ３７には入射したレーザ光Ｌを平行なレーザ光Ｌとして出射するコリメータが連結されている。そして、このコリメータから照射されるレーザ光Ｌは、集光レンズ５５を経て被加工体（例えば、基板と、当該基板に設けられた薄膜とを有する薄膜太陽電池用基板など）（図示せず）へと照射されるように構成されている。

また、図１に示すように、レーザダイオード２０、コンバイナ４０、ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ファイバ３１−３６および融着部５ａ−５ｅは、筐体１内に配置されている。そして、この筐体１には、融着部５ａ−５ｅから不具合発生時に漏れ出す赤外光（レーザ光Ｌ）を検出する撮像手段１０が設けられている。このような撮像手段１０としては、ＩＲフィルタが付けられておらず赤外線領域の画像を撮影することができるＣＣＤカメラや、赤外線領域に感度を持つＩＲビューアーや、温度分布を検出するサーモビューアーなどの撮像素子を用いることができる。

また、図１に示すように、撮像手段１０には、当該撮像手段１０からの信号を受けて不具合が発生したことを伝えるとともに、不具合が発生した箇所（不具合が発生した融着部５ａ−５ｅや当該融着部５ａ−５ｅの近傍）も伝える警告部６０が連結されている。また、この警告部６０には、警告部６０から不具合が発生した旨の信号を受けた際に、レーザダイオード２０からのレーザ光の照射を停止させる停止部６５が接続されている。

また、レーザダイオード２０は、当該レーザダイオード２０を覆うカバー（マスキング部）２１で覆われており、レーザダイオード２０による発光や発熱を撮像手段１０が検出することを防止することができる。

なお、図２に示すように、本実施の形態のファイバ３１−３７は、コア部３０ａと、当該コア部３０ａの回りを取り囲んで配置されたクラッド部３０ｂと、当該クラッド部３０ｂを被覆するコーティング材料からなるコーティング部３０ｃとを有している。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。

まず、レーザダイオード２０によって第一ファイバ３１内にレーザ光Ｌが照射される。このように第一ファイバ３１内に照射されたレーザ光Ｌは、融着部５ａを経た後、第二ファイバ３２内を伝送されてコンバイナ４０で統合されて合成される（図１参照）。

次に、コンバイナ４０で合成されたレーザ光Ｌは、融着部５ｂを経てＦＢＧ４１を通過し、融着部５ｃを経てアクティブファイバ３５内を伝送される（図１参照）。そして、融着部５ｄを通過した後、ＦＢＧ４２を経た後で融着部５ｅを通過し、その後、伝送ファイバ３７によって伝送されてコリメータに達する。

次に、コリメータに入射したレーザ光Ｌは、当該コリメータで平行なレーザ光Ｌされて照射され、集光レンズ５５で集光されて被加工体（図示せず）に達する。

上述のように、レーザダイオード２０から照射されたレーザ光Ｌは、複数の融着部５ａ−５ｅを通過する。この点、本実施の形態によれば、筐体１に設けられた撮像手段１０によって、筐体１内に位置づけられた各融着部５ａ−５ｅを集中的に観察することができる。このため、故障が発生しやすい融着部５ａ−５ｅ周辺での不具合を、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光に基づいて迅速に検出することができる。

従って、本実施の形態によれば、融着部５ａ−５ｅを起点として、本来はファイバ３１−３７のコア部３０ａを伝播しなくてはならないレーザ光Ｌがクラッド部３０ｂを伝播してしまった場合などには（図２参照）、そのことを即座に検出することができ、ひいては、ファイバ３１−３７が焼損するというようなトラブルが発生することを防止することができる。

また、本実施の形態によれば、故障が発生しやすい融着部５ａ−５ｅを集中的に観察することができるので、熱電対を用いることで光ファイバに欠陥が無いかを監視するというように長さの長い光ファイバに対しては現実味のない方法を用いる必要が無く、また、ファイバの全範囲に断線検知用ファイバを設けるというように（特許文献１参照）導入コストが高くなることも防止することができる。

なお、撮像手段１０として、ＩＲフィルタが付けられておらず赤外線領域の画像を撮影することができるＣＣＤカメラや、赤外線領域に感度を持つＩＲビューアーなどの撮像素子を用いた場合には、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光（レーザ光Ｌ）を直接検出することができる。また、撮像手段１０として、温度分布を可視化するサーモビューアーなどの撮像ユニットを用いた場合には、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光（レーザ光Ｌ）に起因する温度分布の変化によって、漏れだした赤外光を検出することができる。

ところで、一般的なＣＣＤ素子は１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ近傍の近赤外光に対して感度を持っているが、撮影品質を高めるためにＩＲカットフィルタが受光面に設けられているＣＣＤカメラが多い。このため、このようなＩＲカットフィルタを取り除くことによって、ＣＣＤカメラは、本実施の形態のように、赤外線領域の画像を撮影することができるようになる。

また、本実施の形態では、光が遮断されて暗い筐体１内に融着部５ａ−５ｅが設けられているので、撮像手段１０によって、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光を容易に検出することができる。

また、レーザダイオード２０がカバー２１で覆われているので、レーザダイオード２０による発光や発熱が撮像手段１０によって検出されることを防止することができる。このため、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光の強度がレーザダイオード２０から漏れ出す光の強度より弱い場合であっても、当該赤外光を撮像手段１０によって確実に検出することができ、融着部５ａ−５ｅから漏れ出す赤外光をより確実に検出することができる。

また、本実施の形態によれば、撮像手段１０に、当該撮像手段１０からの信号を受けて不具合が発生したことを伝える警告部６０が連結されている。このため、撮像手段１０で検出された情報が予め定めた要件を満たさない場合には、警告部６０によって操作者に不具合の発生を伝えるとともに、不具合が発生した箇所も伝えることができ、操作者は確実に不具合の発生を認識することができる。

また、本実施の形態によれば、警告部６０に、当該警告部６０から不具合が発生した旨の信号を受けた際にレーザダイオード２０からのレーザ光の照射を停止させる停止部６５が接続されている。このため、不具合が発生した際に、レーザダイオード２０の駆動を迅速に停止させることができ、安全性を向上させることができる。

さらに、撮像手段１０によって融着部５ａ−５ｅだけでなく融着部５ａ−５ｅ近傍も検出することができるので、より確実に異常を回避することができ、ファイバレーザ装置の信頼性を高めることができる。なお、本実施の形態では、長さの長い伝送ファイバ３７全体を筐体１で覆って観察することは行わず、レーザダイオード２０から融着点５ｅまでを筐体１で覆って観察するだけなので、従来技術と比較して、低コストでファイバレーザ装置を導入することができる。

ところで、本実施の形態では、レーザダイオード２０に連結され、レーザダイオード２０から照射されたレーザ光Ｌを導く第一ファイバ３１を上流ファイバとし、当該ファイバ３１に融着部５ａで連結された第二ファイバ３２を下流ファイバとして説明した。しかしながら、これはあくまでも一例であり、このような態様に限られることはない。例えば、アクティブファイバ３５を上流ファイバとし、アクティブファイバ３５に融着点５ｄで連結された第六ファイバ３６を下流ファイバとしてもよいし、第六ファイバ３６を上流ファイバとし、第六ファイバ３６に融着点５ｅで連結された伝送ファイバ３７を下流ファイバとしてもよい。

第２の実施の形態
次に、図３により、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３に示す第２の実施の形態は、撮像手段１０に接続され、当該撮像手段１０によって検出された正常動作時の画像のデータを記憶する正常画像記憶部７０と、撮像手段１０および正常画像記憶部７０に接続され、撮像手段１０によって検出される画像と正常画像記憶部７０に記憶された画像のデータとを比較して異常状態を検出する画像比較部７５とをさらに備えたものである。なお、画像比較部７５には警告部６０が接続されている。その他の構成は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。

図３に示す第２の実施の形態において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態によれば、画像比較部７５によって、正常画像記憶部７０に記憶された正常動作時での画像のデータと、実際に撮像手段１０によって検出されている画像とを比較することができる。このため、正常画像記憶部７０に記憶されている画像のデータと実際に撮像手段１０によって検出されている画像との差が予め定められた閾値を超える場合には、異常があったと判断することができ（異常状態を検出することができ）、警告部６０によって操作者に不具合の発生を伝えることができる。

このため、人（操作者）の感度では検出仕切れないような融着部５ａ−５ｅ周辺でのわずかな赤外光（レーザ光）の漏れであっても、画像比較部７５によって検出することができる。この結果、故障が発生しやすい融着部５ａ−５ｅ周辺での不具合をより早期に検出することができる。従って、本実施の形態によれば、ファイバ３１−３７が焼損するというようなトラブルが発生することをより確実に防止することができる。

第３の実施の形態
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、正常画像記憶部７０が、随時（適宜または定期的に）、撮像手段１０によって検出される画像を取得して更新するものである。その他の構成は図３に示す第２の実施の形態と略同一である。

第３の実施の形態において、図３に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態によれば、画像比較部７５によって、正常画像記憶部７０によって随時更新されていく画像のデータと、実際に撮像手段１０によって検出されている画像とを比較することができる。このため、正常画像記憶部７０に記憶されている画像のデータと実際に撮像手段１０によって検出されている画像との差が予め定められた閾値を超える場合には、異常があったと判断することができ（異常状態を検出することができ）、警告部６０によって操作者に不具合の発生を伝えることができる。

このため、第２の実施の形態と同様、人（操作者）の感度では検出仕切れないような融着部５ａ−５ｅ周辺でのわずかな赤外光（レーザ光）の漏れであっても、画像比較部７５によって検出することができる。この結果、故障が発生しやすい融着部５ａ−５ｅ周辺での不具合をより早期に検出することができる。従って、本実施の形態によれば、ファイバ３１−３７が焼損するというようなトラブルが発生することをより確実に防止することができる。

また、本実施の形態では、画像のデータが正常画像記憶部７０によって随時更新されていき、記憶された最新の状態と実際の状態を比較することができる。このため、レーザダイオード２０の出力を変更した場合などに観察対象の画像が揺らいだとしても（赤外線発生状態が不安定な状態になっても）、画像の揺らぎによる影響を最小限にして異常の有無を検出することができる。この結果、ファイバ３１−３７が焼損するというようなトラブルが発生することをさらに確実に防止することができる。

１ 筐体
５ａ−５ｅ 融着部
１０ 撮像手段
２０ レーザダイオード（レーザ照射部）
３１ 第一ファイバ
３２ 第二ファイバ
３３ 第三ファイバ
３４ 第四ファイバ
３５ アクティブファイバ（第五ファイバ）
３６ 第六ファイバ
３７ 伝送ファイバ（第七ファイバ）
４０ コンバイナ（光学部品）
４１，４２ ＦＢＧ
６０ 警告部
７０ 正常画像記憶部
７５ 画像比較部
Ｌ レーザ光

Claims (9)

1. レーザ光を照射するレーザ照射部と、
   前記レーザ照射部から照射されたレーザ光を導く上流ファイバと、
   前記上流ファイバに融着部を介して連結された下流ファイバと、
   前記上流ファイバと前記下流ファイバとの間に設けられた融着部から不具合発生時に漏れ出すレーザ光を検出する撮像手段と、
   を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。
2. 前記撮像手段からの信号を受けて不具合が発生したことを伝える警告部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
3. 前記警告部から不具合が発生した旨の信号を受けた際に、前記レーザ照射部からのレーザ光の照射を停止させる停止部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ装置。
4. 前記警告部は、不具合が発生した箇所も伝えることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
5. 少なくとも前記融着部を囲む筐体をさらに備え、
   前記筐体に前記撮像手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
6. 前記撮像手段は、赤外線領域に感度を持つ撮像素子を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
7. 前記撮像手段によって検出された正常動作時の画像のデータを記憶する正常画像記憶部と、
   前記撮像手段によって検出される画像と、前記正常画像記憶部に記憶された画像のデータとを比較して異常状態を検出する画像比較部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
8. 前記正常画像記憶部は、随時、前記撮像手段によって検出される画像を取得して更新することを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ装置。
9. 前記レーザ照射部を覆うマスキング部をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。

Images