JP2013102019A

JP2013102019A - 光中継器及びレーザ加工装置

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Publication number: JP2013102019A
Application number: JP2011244254A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Sato; 勝彦佐藤; Yuji Sano; 雄二佐野; Takehisa Hino; 武久日野; Yuko Kitajima; 裕子北島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-23

Abstract

【課題】被加工部位からの戻り光を低減することができ、光中継器及びレーザ発振器が損傷する可能性を低減することのできる光中継器及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ発信器からのレーザ光を中継して、被加工部にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッドへ供給するためのヘッド側光ファイバーに入射させる光中継器であって、前記レーザ発振器からのレーザ光を前記ヘッド側光ファイバーの端面に集光させるためのレンズを備え、前記ヘッド側光ファイバーの光軸は、前記レンズによって当該ヘッド側光ファイバーの端面に集光されたレーザ光の光軸とは、傾きを有して配設されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接装置やレーザピーニング装置等のレーザ加工装置に用いられ、光ファイバーの接続、中継に使用される光中継器及びレーザ加工装置に関する。

例えば、小口径配管の配管内部からの溶接が必要な場合、溶接ヘッドや接続ケーブルの小型化が可能であるためレーザ溶接装置が数多く用いられている（例えば、特許文献１参照。）

このようなレーザ溶接装置において、配管内面から突合せ溶接を実現するには、レーザ溶接ヘッドを管軸周りに回転させる機能が必要であるが、小口径配管では、この溶接ヘッドを回転させるための駆動部を曲がり管の通過が可能な寸法で実現する事は技術的に困難である。これを解決するための方法として、曲がり管においても回転動力を伝達可能とする機械要素である中空のフレキシブルシャフトを用いる方法がある。具体的には、中空フレキシブルシャフトの中空内部に光ファイバーを入れて、光ファイバーごとフレキシブルシャフトを回転させることで、管の外からレーザ溶接ヘッドを回転可能とする方法である。

一般的に、レーザ発振器からのレーザ光は光ファイバーを介してレーザ溶接装置に供給するシステムになっている。前述のような小口径曲がり管を有する配管の溶接装置では、レーザ発振器から供給されるレーザ光を、軸周りに回転する光ファイバーに伝達する必要があり、これは光中継器で実現するのが一般的である。

光中継器は、レンズ群によりレーザ発振器側の光ファイバー端面から投射されたレーザ光を平行光にし、この平行光をもう一度レンズを通して、レーザ溶接側の光ファイバー端面に集光させてレーザ光を中継する装置である。従来の光中継器では、レーザ発振器側の光ファイバー、レーザ溶接側の光ファイバーのいずれも、レンズの光軸に対して同軸、かつ平行に光ファイバーを位置決めし、これによって伝送効率良くレーザ光を伝達させ得る構成となっている。

ところで、例えば、配管と配管との突合せ溶接では、レーザ光を溶接端面に対し直角にあてることが必要であることや、被加工部位である溶融点とレーザ照射ヘッドとの距離が極めて短いことなどの理由により、被加工部位（溶接部位）からの戻り光が強く、中継器の各部や、レーザ発振器が損傷を受ける可能性が高いという問題がある。

特開２００９−２２０１７９号公報

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、被加工部位からの戻り光を低減することができ、光中継器及びレーザ発振器が損傷する可能性を低減することのできる光中継器及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の光中継器の一態様は、レーザ発信器からのレーザ光を中継して、被加工部にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッドへ供給するためのヘッド側光ファイバーに入射させる光中継器であって、前記レーザ発振器からのレーザ光を前記ヘッド側光ファイバーの端面に集光させるためのレンズを備え、前記ヘッド側光ファイバーの光軸は、前記レンズによって当該ヘッド側光ファイバーの端面に集光されたレーザ光の光軸とは、傾きを有して配設されていることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置の一態様は、レーザ発信器と、被加工部にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッドと、前記レーザ発信器からのレーザ光を中継して、前記レーザ照射ヘッドへ供給する光中継器と、前記レーザ照射ヘッドと前記光中継器とを接続するヘッド側光ファイバーとを具備し、前記光中継器は、前記レーザ発振器からのレーザ光を、平行光にし、当該平行光を前記ヘッド側光ファイバーの端面に集光させるためのレンズを備え、前記ヘッド側光ファイバーの光軸は、前記レンズによって当該ヘッド側光ファイバーの端面に集光されたレーザ光の光軸とは、傾きを有して配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、被加工部位からの戻り光を低減することができ、光中継器及びレーザ発振器が損傷する可能性を低減することのできる光中継器及びレーザ加工装置を提供することができる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す図。本発明の第１実施形態の光中継器の構成を示す図。本発明の第２実施形態の光中継器の構成を示す図。本発明の第３実施形態の光中継器の構成を示す図。本発明の第４実施形態の光中継器の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すものである。図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光を発生させるレーザ発振器１０１と、レーザ発振器１０１からのレーザ光を被加工部位に照射するためのレーザ照射ヘッド１０２と、レーザ光を中継するための光中継器１０３と、レーザ発振器１０１からのレーザ光を光中継器１０３まで伝達するための発振器側光ファイバー１１１と、光中継器１０３からレーザ照射ヘッド１０２までレーザ光を伝達するためのヘッド側光ファイバー１１２とを具備している。

上記構成のレーザ加工装置１００では、レーザ発振器１０１で発生させたレーザ光を、発振器側光ファイバー１１１で光中継器１０３まで伝達し、光中継器１０３とレーザ照射ヘッド１０２までの間は、ヘッド側光ファイバー１１２で伝達する。そして、レーザ照射ヘッド１０２から被加工部位にレーザ光を照射して、レーザ溶接やレーザピーニング等の加工を行う。

図２は、第１実施形態における光中継器１０３の構成を示している。図２に示すように、光中継器１０３は、中継器ベースプレート１１を具備している。この中継器ベースプレート１１の所定位置（図２中上部）には、発振器側光ファイバー１１１の端部が固定金具１２によって固定され、また、中継器ベースプレート１１の所定位置（図２中右側下部）には、ヘッド側光ファイバー１１２の端部が固定金具１８によって固定されている。

また、中継器ベースプレート１１には、発振器側光ファイバー１１１と、ヘッド側光ファイバー１１２との間に位置するように、発振器側集光レンズ１３、ハーフミラー１４、ヘッド側集光レンズ１５が配設されている。そして、発振器側光ファイバー１１１の先端部から射出されたレーザ光Ｌは、発振器側集光レンズ１３で平行光とされ、ハーフミラー１４で略直角に反射され、ヘッド側集光レンズ１５で集光されてヘッド側光ファイバー１１２のコア内に入射するように構成されている。なお、発振器側集光レンズ１３はレンズホルダー１６によって保持され、ヘッド側集光レンズ１５はレンズホルダー１７によって保持されている。

また、ヘッド側光ファイバー１１２は、その光軸１１２ａが、ヘッド側集光レンズ１５で集光されるレーザ光の光軸１５ａに対して傾きを有する（本実施形態ではヘッド側光ファイバー１１２の端面でクロスする）状態となるように、中継器ベースプレート１１に固定されている。ヘッド側光ファイバー１１２の光軸１１２ａとヘッド側集光レンズ１５で集光されるレーザ光の光軸１５ａとの傾きの角度θは、例えば、３，４度から１０度程度であり、少なくともsinθがヘッド側光ファイバー１１２の開口数未満とされ、ヘッド側集光レンズ１５で集光されたレーザ光Ｌが、ヘッド側光ファイバー１１２に入射し得る角度とされている。

このように、ヘッド側光ファイバー１１２の光軸１１２ａがヘッド側集光レンズ１５で集光されるレーザ光Ｌの光軸１５ａに対して傾きを持つようにヘッド側光ファイバー１１２が固定されているため、被加工部から反射しヘッド側光ファイバー１１２を通じて戻ったレーザ光（戻り光Ｌ_２）が中継器１０３に入射した際に、ヘッド側光ファイバー１１２の端面から射出されて放射状に拡散した戻り光Ｌ_２は、その一部のみがヘッド側集光レンズ１５に入射し、他はヘッド側集光レンズ１５には入射せず、レンズホルダー１７等に当たって吸収される。そして、ヘッド側集光レンズ１５に入射した一部の戻り光のみが、ハーフミラー１４、発振器側集光レンズ１３を通って発振器側光ファイバー１１１に入射し、図１に示したレーザ発振器１０１に戻る。

したがって、ヘッド側光ファイバー１１２の中心軸１１２ａをヘッド側集光レンズ１５で集光されるレーザ光の光軸１５ａに対して同軸、かつ平行となるようにヘッド側光ファイバー１１２を固定した場合に比べて、ヘッド側集光レンズ１５、ハーフミラー１４、発振器側集光レンズ１３、発振器側光ファイバー１１１及び図１に示したレーザ発振器１０１に戻る戻り光Ｌ_２の量を低減することができる。これによって、ハーフミラー１４等の中継器１０３内の光学要素及びレーザ発振器１０１等に損傷が発生する可能性を低減することができる。また、戻り光Ｌ_２による損傷可能性が低いため、より高出力のレーザ光Ｌを用いることができ、効率良くレーザ加工を行うことができる。

なお、図２において、ハーフミラー１４の後部に配設され、レンズホルダー２４によって保持されたＣＣＤカメラ用集光レンズ２０、９０度反射ミラー２１、ＣＣＤカメラ２２及びＣＣＤカメラ用ピント調整スライドテーブル２３は、発振器側光ファイバー１１１のレーザ光の入射位置を撮像してその位置決めを行うためのものである。

また、固定金具１２，１８、レンズホルダー１６，１７について、その端面に戻り光Ｌ_２が各レンズや発振器側光ファイバー１１１に入射しないような形状の穴を設けてもよい。つまり、例えばレンズホルダー１６の穴のサイズをレーザ光Ｌの光路と同じ大きさにすることで、レーザ光Ｌの光路の外からはヘッド側集光レンズ１５に光が入らないようにし、戻り光Ｌ_２の一部を遮断することができる。または、端面の穴形状を前述の通りにすることに代えて、レーザ光Ｌの光路と同じ大きさのカバーを設けることとしてもよい。

次に、図３を参照して、第２実施形態に係る光中継器１０３ａの構成について説明する。

図３に示すように、第２実施形態に係る光中継器１０３ａでは、発振器側光ファイバー１１１及びヘッド側光ファイバー１１２の端部を固定するための固定金具１２、１８の材質を、伝熱性が高い金属（例えば銅や金）とし、かつ、発振器側光ファイバー１１１及びヘッド側光ファイバー１１２の端部の外側を、耐熱性セラミック材、例えばマコール（登録商標）からなる保護用部材３０、３１で覆った構成となっている。

また、発振器側集光レンズ１３とヘッド側集光レンズ１５についても、これらを固定するレンズホルダー１６、１７は固定金具１２、１８と同様にして伝熱性の高い金属とし、端面は耐熱性セラミック材からなるカバー３２、３３で覆う。また、前記のレンズホルダー１６、１７には、冷却液を流すための流路３４、３５、冷却液の流入側配管３６、３７、流出側配管３８、３９を配設した構成となっている。なお、他の部分については、図２に示した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

上記構成の第２実施形態に係る光中継器１０３ａでは、被加工部で反射した戻り光Ｌ_２、及び、発振器側光ファイバー１１１及びヘッド側光ファイバー１１２の端面、発振器側集光レンズ１３及びヘッド側集光レンズ１５の表面等で反射して光中継器１０３ａ内部で散乱した反射光の熱エネルギーを、固定金具１２、１８や保護用部材３０、３１、カバー３２、３３等で防御、吸収することができる。すなわち、耐熱性セラミックスは、レーザ光の強烈な熱エネルギーによる焼け焦げ等の変色、変形がなく、また、光ファイバー１１１、１１２の固定金具１２、１８や発振器側集光レンズ１３やヘッド側集光レンズ１５のレンズホルダー１６、１７は伝熱性に優れる金属を使用しているため効果的に放熱することが可能となる。加えて、レンズホルダー１６、１７に冷却機構を内蔵するために更に高い放熱作用を維持できる。

これらの作用によって発振器側光ファイバー１１１及びヘッド側光ファイバー１１２、発振器側集光レンズ１３及びヘッド側集光レンズ１５等が熱により損傷を受ける（焦げる）ことを抑制することができる。またこれにより、従来の光中継器より高出力のレーザ光Ｌを用いることができ、効率良くレーザ加工を行うことができる。

なお、図３ではレンズホルダー１６、１７のみに冷却構造がある実施形態を示したが、光ファイバー固定金具１２、１８にも同様にして冷却構造を設けることも有効で、被加工部で反射した戻り光や光ファイバー表面からの反射光によるレーザ光による光ファイバー１１１、１１２損傷の低減効果を期待できる。

次に、図４を参照して、第３実施形態に係る光中継器１０３ｂの構成について説明する。

図４に示すように、第３実施形態に係る光中継器１０３ｂでは、溶接ヘッド側光ファイバー１１２の端部を保持するための固定金具１８を軸受け箱４０にて支持し、ヘッド側光ファイバー１１２を、その光軸１１２ａを中心に回転自在としたものである。

なお、本実施形態においては、ヘッド側光ファイバーの固定金具１８、およびカバー３１の端面の穴は、ヘッド側光ファイバーの光軸１１２ａ周りに入射側のレーザ光Ｌを回転させた際にレーザ光Ｌを遮蔽しないように開けられている。かかる構成とすることにより、レーザ光照射中にヘッド側光ファイバー１１２とともに、図１に示したレーザ照射ヘッド１０２を連続的に無限回転に回転させることができる作用が得られる。これによって、例えば配管内部からのレーザ溶接やレーザ検査を行うレーザ照射ヘッド１０２を、ヘッド側光ファイバー１１２ごと配管内部で回転させることが可能となる。これにより、照射ヘッドを狭い空間で回転させるような施工（例えば配管内部からの突合せ溶接など）に適用することが可能となる。

なお、他の部分については、図３に示した第２実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

次に、図５を参照して、第４実施形態に係る光中継器１０３ｃの構成について説明する。

図５に示すように、第４実施形態に係る光中継器１０３ｃでは、発振器側光ファイバー１１１の固定部に十字テーブル４１が配設されており、ヘッド側光ファイバー１１２の固定部に十字テーブル４２が配設されている。これらの十字テーブル４１，４２は、台形スライドテーブル、ダイヤルゲージ、スプリング等で構成され、ダイヤルゲージ操作で微動が可能な精密直動テーブルを、直交２軸に構成した光学機器の位置調整装置である。

十字テーブル４１，４２の中心部には、レーザ光Ｌを通過させるための空隙部が形成されている。十字テーブル４１の一方の面には、発振器側光ファイバー１１１を固定するための固定金具１２が、耐熱性セラミック材からなる保護用部材３０を介して固定されており、十字テーブル４１の他方の面には、発振器側集光レンズ１３のカバー３２が固定されている。

また、同様にして、十字テーブル４２の一方の面には、軸受け箱４０の内筒４０ａが固定され、他方の面には、ヘッド側光ファイバー１１２の端面の固定金具１８（若しくはカバー３１）が固定されている。

また、発振器側集光レンズ１３、ハーフミラー１４、ヘッド側集光レンズ１５、９０度反射ミラー２１、ＣＣＤカメラ２２及びＣＣＤカメラ用ピント調整スライドテーブル２３が固定されているベース４４は、直交２軸の微調整機構４５、４６によりヘッド側光ファイバー１１２の端面に対し、鉛直方向と左右水平方向に移動可能な構成となっている。

このように、第４実施形態の光中継器１０３ｃでは、十字テーブル４１，４２及び直交２軸の微調整機構４５、４６を備えている。これによって、まず、十字テーブル４２の微調整により、軸受け箱４０の回転中心をヘッド側光ファイバー１１２のコア中心と一致させることができる。また、十字テーブル４１の微調整により、発振器側光ファイバー１１１のコア中心を、発振器側集光レンズ１３のレンズ中心に一致させることができる。さらに、直交２軸の微調整機構４５によりレーザ発振側からのレーザ光Ｌの集光点を水平左右方向に微調整することができ、また、微調整機構４６により、レーザ発振側からのレーザ光Ｌの集光点をヘッド側光ファイバー１１２の端面位置に微調整することができる。

このような位置調整作業は、レーザ光Ｌを見ることで行う。しかしながら、溶接用のレーザ光Ｌは出力が高く、直視する事は危険であり、かつ観察視野である光ファイバーのコア直径は一般的に１ｍｍ以下と小さく、裸眼での確認は困難である。そこで、一般的にレーザ発振器側から位置調整用の極めて低出力の参照光（例えばレーザポインタ等に利用される赤色レーザなどが用いられる）を送り、ヘッド側光ファイバー１１２の端面にあたった参照光をＣＣＤカメラ２２により間接的に監視し、そのモニタ画像から、ピントぼけや、光ファイバーの軸ずれ状況を判断し、各調整機構４１，４２，４５，４６の調整を実行する。特に、ヘッド側光ファイバー１１２を回転させる場合は、単純な加工精度のみの保証では、コア中心にレーザ光を入れることは困難であり、十字テーブル４１，４２及び直交２軸の微調整機構４５、４６等の微調整機構による効果は大きい。

なお、他の部分については、図４に示した第３実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、本願各実施形態ではレーザ発振器１０１から光中継器１０３へのレーザ伝送は発信器側光ファイバー１１１で行うものとしたが、特に光ファイバーに限定されず、他の伝送媒体を用いる、あるいはレーザ発振器１０１と光中継器１０３の構成とを結合して用いることも同じ作用、効果を発生する。

１００……レーザ加工装置、１０１……レーザ発振器、１０２……レーザ照射ヘッド、１０３……光中継器、１１１……発振器側光ファイバー、１１２……ヘッド側光ファイバー、１１……中継器ベースプレート、１２，１８……固定金具、１３……発振器側集光レンズ、１４……ハーフミラー、１５……ヘッド側集光レンズ、１６，１７，２４……レンズホルダー、２０……ＣＣＤカメラ用集光レンズ、２１……９０度反射ミラー、２２……ＣＣＤカメラ、２３……ＣＣＤカメラ用ピント調整スライドテーブル、１５ａ……レーザ光の光軸、１１２ａ……光ファイバーの光軸、Ｌ……レーザ光、Ｌ_２……戻り光。

Claims

レーザ発信器からのレーザ光を中継して、被加工部にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッドへ供給するためのヘッド側光ファイバーに入射させる光中継器であって、
前記レーザ発振器からのレーザ光を前記ヘッド側光ファイバーの端面に集光させるためのレンズを備え、
前記ヘッド側光ファイバーの光軸は、前記レンズによって当該ヘッド側光ファイバーの端面に集光されたレーザ光の光軸とは、傾きを有して配設されている
ことを特徴とする光中継器。
請求項１記載の光中継器であって、
前記光ファイバーを固定する固定金具及び前記レンズを固定する固定金具は、金属製であり、かつ、前記光ファイバーおよび前記レンズの入光、出光面側には耐熱性セラミックス材料を用いたカバーが配設されている
ことを特徴とする光中継器。
請求項２記載の光中継器であって、
前記光ファイバーを固定する固定金具及び前記レンズを固定する固定金具のうちの少なくとも１つが冷却機構を具備した
ことを特徴とする光中継器。
請求項１〜３いずれか１項記載の光中継器であって、
前記ヘッド側光ファイバーが、当該ヘッド側光ファイバーの光軸の回りに回転自在とされている
ことを特徴とする光中継器。
請求項１〜４いずれか１項記載の光中継器であって、
前記ヘッド側光ファイバーと、前記レンズとの位置調整を行うための微調整機構を具備した
ことを特徴とする光中継器。
レーザ発信器と、
被加工部にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッドと、
前記レーザ発信器からのレーザ光を中継して、前記レーザ照射ヘッドへ供給する光中継器と、
前記レーザ照射ヘッドと前記光中継器とを接続するヘッド側光ファイバーとを具備し、
前記光中継器は、
前記レーザ発振器からのレーザ光を、平行光にし、当該平行光を前記ヘッド側光ファイバーの端面に集光させるためのレンズを備え、前記ヘッド側光ファイバーの光軸は、前記レンズによって当該ヘッド側光ファイバーの端面に集光されたレーザ光の光軸とは、傾きを有して配設されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。