JP2543418B2

JP2543418B2 - 光ビ―ム加熱機

Info

Publication number: JP2543418B2
Application number: JP1337483A
Authority: JP
Inventors: 誠小林; 保池田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1996-10-16
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JPH03198989A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、発光ランプから放射される光エネルギーを
反射鏡を用いて集束し、この集束された光エネルギーに
より半田付け、溶接および樹脂材料等の熱加工を行なう
光ビーム加熱機に関する。

従来の技術従来、この種の光ビーム加熱機は、比較的小物の電気
部品の配線、結線等の半田付け、薄板、小物部品の蝋付
けまたは溶接、ポリウレタン被覆電線のコイル端子の絶
縁被覆除去、熱可塑性樹脂材料の熱加工、接合等用の加
熱熱源として利用されている。

従来の光ビーム加熱機の構成は、楕円反射鏡の第１焦
点にキセノンランプ等の発光ランプを配置し、この発光
ランプから放射される赤外線を含む光エネルギーを楕円
反射鏡の第２焦点に集光し、この集光部に被加工物の加
熱加工点を配置して、それぞれの目的に応じた加熱加工
を行なっていた。

加熱エネルギーの調整は、発光ランプから放射される
光の強度そのものの調整と、被加工物へ光を照射する時
間とにより行なっていた。

発明が解決しようとする課題しかしながら、従来の光ビーム加熱機では、集光部の
位置や傾き等を容易に調整することが困難であるという
問題があった。集光部の位置や傾き等を調整するために
は、発光ランプや反射鏡およびこれらを収納する箱状の
ケースを移動させる必要があり、発光ランプや反射鏡お
よびケースは大きくて重いため、電子部品等の小型精密
部品の熱加工を行なう際にこのような集光部の位置や傾
きを精密に設定することは極めて困難になる。

また、従来の光ビーム加熱機では、加熱加工点である
集光部が発光ランプや反射鏡と寸法的に一定の関係にあ
り、自由に独立して位置決めすることができないため、
大きな発光ランプや反射鏡およびそれらを収納するケー
スを被加工物の生産ライン中に設置することが困難であ
るという問題があった。光ビーム加熱機の利用分野であ
る小型部品または小物部品の半田付け、蝋付け、溶接等
の作業は、被加工物の生産工程における一工程であり、
この加熱加工工程をそれら被加工物の生産ライン中に設
置する必要があるからである。

さらにまた、従来の光ビーム加熱機では、加熱加工点
が近接して複数存在する場合に、これらを連続して加熱
加工することができないという問題があった。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであ
り、加熱加圧する集光部の位置や傾きを任意にかつ容易
に設定することのできる優れた光ビーム加熱機を提供す
ることを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は、上記した目的を達成するために、発光ラン
プと、発光ランプから放射された光を焦点位置に集光す
るための反射鏡と、焦点位置に入射端が配置されるとと
もに、その出射端が集光レンズユニットを介して加熱加
工点に向けて配置される光ファイバーとを備え、前記光
ファイバーを構成する複数のガラスファイバー素線の少
なくとも入射端部分を互いに加熱加圧溶着して前記ガラ
スファイバー素線間の間隙を極小とした光ビーム加熱機
を要旨とする。

この光ビーム加熱機は、前記光ファイバーの改良の他
に、発光ランプから照射された光が加熱加工点に到達す
るまでの光路中に存在する石英を主成分とする光透過部
品とを備え、前記光透過部品の表面に、光を透過し、且
つ、0.6μｍ〜1.8μｍの波長域で反射率を小さくするコ
ーティングを施すようにしてもよい。

作用発光ランプから放射された光は、反射鏡により集光さ
れて光ファイバーの入射端に入射し、出射端から出射し
て集光レンズユニットにより被加工物上に集光されて、
加熱加工が行なわれる。光ファイバーの出射端の位置は
自由に変えることができるので、加熱加工点の位置や傾
きを任意にかつ容易に設定することができる。

実施例第１図は本発明の一実施例の概略構成を示すものであ
る。第１図において、１は発光ランプであり、1KW〜5KW
のキセノン放電灯が使用されている。２は発光ランプ１
の発光点である。３は楕円反射鏡であり、その反射面3a
が金または銅によりコーティングしたガラスで形成さ
れ、反射率を長期にわたって高い値に維持するために曇
り防止コーティングが施されている。楕円反射鏡３の第
１焦点位置には発光点２が位置しており、その第２焦点
位置４には光ファイバー５の入射端６が位置調整手段７
を介して配置されている。位置調整手段７は、簡単な構
造のものから精密な構造のものまで公知の種々の調整手
段が採用されうる。８は楕円反射鏡３を支持する支持板
であり、これに位置調整手段７が固定されている。光フ
ァイバー５の出射端９は、焦点位置を調整するための焦
点位置調整手段10を備えた集光レンズユニット11を介し
て被加工物12の加熱加圧点13に向けて配置されている。
集光レンズユニット11の焦点位置は、加熱加工点13に一
致するように焦点位置調整手段10により調整される。焦
点位置調整手段10は、カメラ等の焦点位置調整手段と同
様なものである。集光レンズユニット11は、複数枚のレ
ンズからなる一組のレンズ14と、入射側と出射側とにそ
れぞれ配置された２枚の保護ガラス15、16とを有する。
17は発光ランプ１に電力を供給するための電源である。
発光ランプ１の光エネルギーのレベル調整は、電源17か
らの供給電力量を調整することにより行なわれる。

次に、この実施例の動作について説明する。発光ラン
プ１が電源17から放電電力を供給されて発光すると、そ
の発光点２が楕円反射鏡３の第１焦点位置に位置してい
るので、反射面3aにより反射されて第２焦点位置４に集
光する。第２焦点位置４には、光ファイバー５の入射端
６が位置しているので、集光された光が光ファイバー５
の中を通って出射端９から出射し、集光レンズユニット
11により再び加熱加工点13上に集光して被加工物12を加
熱加工する。

光ファイバー５は、石英を主成分とするガラスファイ
バー素線を多数本束ねたバンドルファイバーであり、第
２図に示すように、個々のガラスファイバー素線18は、
光を通すコアー部19と、コアー部19の外周を覆っている
クラッド部20とからなり、クラッド部20の径d2は100μ
ｍ〜300μｍものを使用し、クラッド径d2に対するコア
ー径d1の比を0.88以上に設定している。楕円反射鏡３の
第２焦点位置４における集光径は2mm〜4mmであり、光フ
ァイバー５の入射端６の径もこれに相当する大きさに形
成されている。

楕円反射鏡３の第２焦点位置４における光エネルギー
は、ステンレス鋼の薄板を溶かして接合するだけの熱エ
ネルギーを持っているので、汎用の光ファイバーを用い
た場合には、光ファイバーのガラスが溶融してしまう。
そこでこの実施例では、石英を主成分とする耐熱性の高
いガラスファイバー素線18を採用しているが、これを第
７図に示すように通常の方法で束ねてガラスファイバー
素線18間の多くの隙間を接着剤21で埋めると、この接着
剤21の部分に照射された光は、光ファイバーの出射端ま
で導かれることなく、入射端でほとんど損失となり、ま
た光ファイバーを加熱して温度を上昇させることにな
る。したがって、ファイバー素線18間に隙間があり、そ
こに接着剤21が埋められている場合には、ガラスファイ
バー素線18としていくら耐熱性の高い石英を主成分とし
たものを使用しても、入射端が熱で損傷してしまい、ま
た出射端まで導かれる光エネルギーも小さくなり、加熱
加工能力が大幅に低下してしまうことになる。

そこでこの実施例では、光ファイバー５の入射端６お
よび出射端９を、第３図および第４図に示すように、束
ねたガラスファイバー素線18を接着剤とともにリテイナ
ー22内に入れてリテイナー22の端部22aを加熱加圧する
ことにより、ガラスファイバー素線18の端部を互いに溶
着して、ガラスファイバー素線18間の隙間を極小にして
いる。この加熱加圧溶着により、従来において接着剤で
埋められるような隙間が実質的になくなるので、この部
分に照射された光による限度を越えた発熱や温度上昇が
防止できるばかりでなく、不必要な損失も防止すること
ができ、またガラスファイバー素線18のコアー径のクラ
ッド径に対する比率を0.88以上としたことと相俟って、
出射端から出射される有効な光エネルギーを増大させる
ことができる。

また、第４図に示すように、光ファイバー５の入射側
端部5aを保持するリテイナー22は、水冷室23を有する水
冷装置24の中に収容されているので、入射端６に入射し
た光の熱による温度上昇を有効に防止することができ
る。

一方、楕円反射鏡３の反射面3aは、金または銅で構成
されているので、第５図に示すように、光の波長が約0.
6μｍより短い波長域において急激に反射率が小さくな
っており、加熱加工に有効な0.6μｍ以上の波長域での
反射率が大きくなっている。また、石英ガラスファイバ
ーの中を通ることに伴う損失は、第６図に示すように、
約0.6μｍ以下の短波長域で大きくなっているので、金
または銅の反射面3aを有する楕円反射鏡３を使用するこ
とにより、短波長域の光エネルギーの照射量が減少する
ので、光ファイバー５内での損失すなわち発熱となる短
波長域の受光量を減少させることができ、光ファイバー
５の発熱すなわち温度上昇を減少させることができる。

また、集光レンズユニット11においては、数枚一組の
レンズ14とその両側の２枚の保護ガラス15、16とを備
え、ガラスと空気との境界では約４％の反射損失がある
ので、１枚のレンズを光が通ると２回損失が生じ、0.96
×0.96＝0.9216となり、光の透過率は約92％となる。し
たがって、光ファイバー５、数枚のレンズ14、２枚の保
護ガラス15、16の光路中には、10箇所前後の反射損失を
生ずる部位があり、この損失の合計だけで約30％近い値
となってしまう。

そこでこの実施例では、このような損失をできるだけ
少なくするために、発光ランプ１から放射された光が加
熱加工点13に至るまでの光路中に存在する光ファイバー
５、レンズ14、保護ガラス15、16等の全てのガラス製光
透過部品の表面に、加熱加工に利用する波長域0.6μｍ
〜1.8μｍの範囲内で選択的に反射率を１％以下とする
特定波長域反射率減少コーティングを施している。これ
により、従来30％前後あったトータルの反射損失を約８
％弱まで低減することができる。なお、このコーティン
グは、必ずしも全ての光透過部品に施す必要はなく、一
部の光透過部品についてのみ行なってもよい。

このように、上記した実施例では、光ファイバー５の
入射端６を位置調整装置７を介して配置するとともに、
光ファイバー５の出射端９を焦点位置調整可能な集光レ
ンズユニット11を介して配置したので、発光ランプ１か
らの光を効果的に集光することができ、被加工物12の加
熱加工点13上に正確に光エネルギーを集束させることが
できる。

また、光ファイバー５が細いガラスファイバー素線18
を多数本束ねて構成されているので軽くて柔軟性に富ん
でおり、集光レンズユニット11は直径20〜40mm程度で重
さも数百グラム程度なので、手に持ってまたは小型ロボ
ット等の保持手段に保持して、任意の場所に任意の角度
または姿勢で、集光レンズユニット11の焦点位置を定め
ることができ、どのような被加工物12の加熱加工点13に
対しても光エネルギーを集束させることができる。

さらにまた、楕円反射鏡３の反射面3aを金または銅で
構成し、加熱加工に有効な波長域での反射率を約99％と
高め、光ファイバー５の入射側端部を加熱加圧溶着して
ガラスファイバー素線18間の間隙を可能な限り減少する
とともに、ガラスファイバー素線18のクラッド径に対す
るコアー径の比を0.88以上に高めて有効受光面積比率を
可能な限り高め、さらに水冷装置24を設けて光ファイバ
ー５の入射側端部の温度上昇を防ぎ、また光路中の光透
過部品の表面に加熱加工に有効な波長域0.6μｍ〜1.8μ
ｍの範囲内での反射率が約１％以下になるようなコーテ
ィングを施したので、発光ランプ１から放射された光エ
ネルギーのうち加熱加工に有効な0.6μｍ〜1.8μｍの波
長域のものを、極めて少ない損失で極めて高い効率をも
って、被加工物12の加熱加工点13上に到達させることが
できる。

したがって、発光ランプ１からの放射エネルギーのう
ち有効に加熱加工点13上に集束される光エネルギーの比
率が高まることになり、加熱加工に使えるエネルギーの
最大値が大きくなるので、加工対象を広くすることがで
きる。また、光路各部での損失を可能な限り低く抑えた
ので、発光ランプ１の放射エネルギーレベルを高めて
も、光ファイバー５の入射端６が損傷することもなく、
1KW〜1.5KWもの大きな電力を発光ランプ１に供給するこ
とができる。

なお、上記した実施例においては、反射鏡として楕円
反射鏡３が使用されているが、これに代えて放物面反射
鏡を使用し、その焦点位置に光ファイバー５の入射端６
を配置して、発光ランプの光を平行光化して放物面反射
鏡に入射させるようにしてもよい。その他、公知の種々
の手段を付加して本発明を変更することができる。

発明の効果以上のように本発明によれば、発光ランプと、この発
光ランプから放射された光を焦点位置に集光するための
反射鏡と、この焦点位置に入射端が配置されるととも
に、その出射端が集光レンズユニットを介して加熱加工
点に向けて配置される光ファイバーとを備えているの
で、加熱加工点の位置や傾きを任意にかつ容易に設定す
ることができる。したがって、この光ビーム加熱機を被
加工物の生産ライン中に設置することが容易になり、加
熱加工点が近接して複数存在する場合にも、これらを連
続して加工することができる。

また、光ファイバーの入射端を位置調整装置を介して
配置するとともに、その出射端を焦点位置調整可能な集
光レンズユニットを介して配置することにより、発光ラ
ンプからの光を効果的に集光することができ、被加工物
の加熱加工点上に正確に光エネルギーを集束させること
ができる。

さらにまた、反射鏡を楕円反射鏡としてその反射面を
金または銅で構成し、加熱加工に有効な波長域での反射
率を高め、光ファイバーの入射側端部を加熱加圧溶着し
てガラスファイバー素線間の間隙を可能な限り減少する
とともに、ガラスファイバー素線のクラッド径に対する
コアー径の比を0.88以上に高めて有効受光面積比率を可
能な限り高め、さらに水冷装置を設けて光ファイバーの
入射側端部の温度上昇を防ぎ、また光路中の光透過部品
の表面に加熱加工に有効な波長域0.6μｍ〜1.8μｍの範
囲内での反射率が出来る限り小さくなるようなコーティ
ングを施すことにより、発光ランプから放射された光エ
ネルギーのうち加熱加工に有効な0.6μｍ〜1.8μｍの波
長域のものを、極めて少ない損失で極めて高い効率をも
って、被加工物の加熱加工点上に到達させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光ビーム加熱機の概略
構成図、第２図は同装置における光ファイバーを構成す
るガラスファイバー素線の断面図、第３図は同装置にお
ける光ファイバーの受光部をリテイナーとともに示す横
断面図、第４図は同装置における光ファイバーの受光部
を水冷装置とともに示す縦断面図、第５図は金および銅
により構成された反射面の反射率と波長との関係を示す
グラフ、第６図は石英を主成分とする光ファイバーの損
失と波長との関係を示すグラフ、第７図は一般的なバン
ドルファイバーの断面図である。１…発光ランプ、２…発光点、３…楕円反射鏡、４…第
２焦点、５…光ファイバー、６…入射端、７…位置調整
手段、８…支持板、９…出射端、10…焦点位置調整手
段、11…集光レンズユニット、12…被加工物、13…加熱
加工点、14…複数枚のレンズからなる一組のレンズ、1
5、16…保護ガラス、17…電源、18…ガラスファイバー
素線、10…コアー部、20…クラッド部、21…接着剤、22
…リテイナー、23…水冷室、24…水冷装置。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発光ランプと、前記発光ランプから照射さ
れた光を焦点位置に集光するための反射鏡と、前記焦点
位置に入射端が配置されるとともに、その出射端が集光
レンズユニットを介して加熱加工点に向けて配置される
光ファイバーとを備え、前記光ファイバーを構成する複
数のガラスファイバー素線の少なくとも入射端部分を互
いに加熱加圧溶着して前記ガラスファイバー素線間の間
隙を極小とした光ビーム加熱機。
【請求項２】発光ランプと、前記発光ランプから照射さ
れた光を焦点位置に集光するための反射鏡と、前記焦点
位置に入射端が配置されるとともに、その出射端が集光
レンズユニットを介して加熱加工点に向けて配置される
光ファイバーと、前記発光ランプから放射された光が加
熱加工点に到達するまでの光路中に存在する石英を主成
分とする光透過部品とを備え、前記光透過部品の表面
に、光を透過し、且つ、0.6μｍ〜1.8μｍの波長域での
前記光透過部品の表面での反射率を小さくするコーティ
ングを施した光ビーム加熱機。
【請求項３】反射鏡において高い反射率を有する特定の
波長域と、光ファイバーにおいて低い透過損失を有する
特定の波長域と、光路中に存在する光透過部品の表面コ
ーティングにより反射率が低くせしめられた特定の波長
域との３つの波長域をほぼ一致させた請求項（１）また
は（２）記載の光ビーム加熱機。
【請求項４】反射鏡が楕円反射鏡であり、その第１焦点
位置に発光ランプの発光点が配置され、その第２焦点位
置に光ファイバーの入射端が配置された請求項（１）ま
たは（２）記載の光ビーム加熱機。
【請求項５】光ファイバーの入射端が位置調整手段を介
して配置された請求項（１）または（２）記載の光ビー
ム加熱機。
【請求項６】光ファイバーの出射端が焦点位置調整手段
を備えた集光レンズユニットを介して配置された請求項
（１）または（２）記載の光ビーム加熱機。
【請求項７】光ファイバーとして石英を主成分とする複
数のガラスファイバー素線を束ねて構成したバンドルフ
ァイバーを用い、前記ガラスファイバー素線のコアー径
をクラッド径に対して0.88以上とした請求項（１）また
は（２）記載の光ビーム加熱機。
【請求項８】光ファイバーの入射端近傍に冷却手段を備
えた請求項（１）または（２）記載の光ビーム加熱機。
【請求項９】反射鏡の反射面を金または銅により構成し
た請求項（１）または（２）記載の光ビーム加熱機。