JP5499403B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Description
特許文献1は、複数の発光点を有するレーザ光源部と、前記レーザ光源部の隣接する複数の発光点から出射された複数のレーザ光を出射部にそれぞれ集光する複数の光回路と、矩形断面を有し、前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を伝達する複数の矩形状光ファイバと、前記複数の矩形状光ファイバの出射端を矩形断面の短辺方向に重ねて固定したバンドル部とを備える。
特許文献2は、複数の発光源を有する半導体レーザ素子又は1つの発光源を有する複数の半導体レーザ素子と、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面に形成され、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を連結して出射する1以上のレーザ光出射部と、が形成された光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ素子及び前記光導波路デバイスが設置された設置基板と、を備えた半導体レーザ素子用集光系である。
また、特許文献3は、レーザ光を発光する複数の発光手段と、前記発光手段から発光したレーザ光を入射して伝達するための光伝達手段と、前記光伝達手段の出射端から出射したレーザ光を被照射部に集光させる集光手段と、前記集光手段によって集光されたレーザ光の光強度分布を任意に設定できる光強度分布設定手段と、前記光強度分布設定手段によって設定された光強度分布となるように前記各発光手段に供給する各電流値を制御する制御手段を備えたーザ装置である。
しかしながら、上記半導体レーザ素子や光ファイバの故障などを考慮した上での上記レーザ光の照射の仕方に対応させるものは従来なかった。すなわち、従来では、いずれも集光器や光ファイバ等をすべて交換する必要がある。
本発明によれば、複数の第1の光ファイバのうちのいくつかを接続して選択的にスイッチングすることで、第1の光ファイバからレーザ光が照射される。その場合の組み立ては、多芯コネクタに連結されている第1の光ファイバと半導体レーザ素子に連結されている第2の光ファイバとを接続手段により接続されて組み立てられる。したがって、集光器側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要がある場合(例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態がある場合)でも、柔軟の対応した接続が可能である。
本発明の前記接続手段としては、第1の光ファイバと第2の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であったり、又、ミラーと該ミラーの位置をX方向とY方向に移動させる移動手段であり、前記第1の光ファイバと第2の光ファイバとがX方向とY方向に対応して配列されて連結される構造であったりすることで対応可能である。
第1の光ファイバと第2の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であれば、組み立てが容易でありこれら光ファイバが故障した場合は、これらの交換が容易である。ミラーの位置をX方向とY方向に移動させる構造であれば、ミラーの反射を利用して、第1の光ファイバと第2の光ファイバとを線や部材(機械的・物理的な物体)等で連結する必要がなく、両者が離れていても連結させることができる。
そして、本発明によれば、前記多芯コネクタは複数の光ファイバの光照射側を揃えることで(ソケットに接着剤を充填するなどして複数の光ファイバの光照射側を揃える)、集光器に取り付けし易くなっているが、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能であることから、例えば、故障した第1の光ファイバがある場合は、その故障した第1の光ファイバからのレーザ光が集光器の集光レンズに入らない位置に移動させることができる。また、例えば、所定形状のレーザ光を生成するために、多芯コネクタの片側のみの第1の光ファイバを使用するような場合は、その片寄った部分を集光レンズに対する中央に移動させたり、また、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成したりすることで、仮に使用する第1の光ファイバの多くが故障したとしても、第1の光ファイバを交換することなく加工することができる。
本発明によれば、前記第1の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングするが、第1の光ファイバの数が第2の光ファイバの数よりも多いので、例えば、第1の光ファイバが故障したとしても、その第1の光ファイバを接続コネクタから外して、他の第1の光ファイバに連結させるか、或いは、そもそも使用しない第1の光ファイバがある選択的スイッチングでは、そのままにして使用しても良い。半導体レーザ素子はすべて使用する状態になることが効率的である。したがって、任意の形状のレーザ光をワークに照射できるとともに、第1と第2の光ファイバが故障しても直ちに交換する必要がないので、レーザ溶接作業に支障が生じることがなく、レーザ加工の効率化が図られる。
本発明によれば、前記多芯コネクタは複数の光ファイバの光照射側を揃えることで(ソケットに接着剤を充填するなどして複数の光ファイバの光照射側を揃える)、集光器に取り付けし易くなっているが、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能であることから、例えば、故障した第1の光ファイバがある場合は、その故障した第1の光ファイバからのレーザ光が集光器の集光レンズに入らない位置に移動させることができる。また、例えば、所定形状のレーザ光を生成するために、多芯コネクタの片側のみの第1の光ファイバを使用するような場合は、その片寄った部分を集光レンズに対する中央に移動させたり、また、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成したりすることで、仮に使用する第1の光ファイバの多くが故障したとしても、第1の光ファイバを交換することなく加工することができる。
例えば、前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側のレーザ光を使用し、その中心側のレーザ光を使用しないレーザ加工方法や、前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とするレーザ加工方法によれば、一様な加熱が行われる。すなわち、ある面積でレーザ工を照射すると、その中心部の温度が高くなるが、中心側にはレーザ光を照射しないことにより、一様な加熱が施される。
また、例えば、前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。また、前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。
本発明によれば、前記多芯コネクタの一側面に揃えられた第1の光ファイバからのレーザ光照射により、直線、円形やリング(ドーナツ型)等の任意形状の溶接ラインや溶接スポットのレーザ光を照射することが可能である。そして、その照射位置を挟む両側をレーザ照射で加熱させながら行うことにより、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上のラインで温度が異なるような場合でも、その箇所にもレーザ光を照射するので、目的とする箇所(上記溶接ラインや溶接スポット)には均一なレーザ光照射が行われる。
また、本発明によれば、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上の内外ラインで温度が異なるような場合でも、目的とする箇所(例えば溶接ラインや溶接スポット)には均一なレーザ光照射すること可能である。
図1は本発明の一実施形態のレーザ加工装置1を模式的に示す図であり、図2は接続コネクタ6を示す図であり、図3と図4はレーザ加工装置1の接続コネクタ6と半導体レーザ素子5等を示す斜視図である。
本実施形態のレーザ加工装置1は、集光レンズ2rが配される集光器2と、集光器2に取り付けられる多芯コネクタ3と、多芯コネクタ3に接続される第1の光ファイバ4と、半導体レーザ素子5と、半導体レーザ素子5と接続される第2の光ファイバ7と、第1の光ファイバ4と第2の光ファイバ7とを接続する接続コネクタ6とを備え、制御部10により制御されて、レーザ光をワークWに照射する。
接続コネクタ6は、図4に示すように、一方部材6aと他方部材6bとが着脱自在に構成され、一方部材6aに第1の光ファイバ4が接続され、他方部材6bに第2の光ファイバ7が取り付けられている。合成樹脂製の円筒状部材の一方部材6aを同じく合成樹脂性の他方部材6bが外周から嵌め込むような構成であり、互いの抜き差しにより着脱する。すなわち、合成樹脂製のフェルール(光コネクタ内で光ファイバを保持するための部品(プラグ6p))と、スリーブ(光ファイバの端面同士を正確に位置決めする部品)6s等から構成されている。
他方、集光器側の第1の光ファイバ4の径の太さを第2の光ファイバ7の径の太さよりも大きくすることができ、この場合は、集光器2側の確実で安定した接続状態を確保することができ、半導体レーザ素子5側を揃えやすくすることができる。
直線の溶接をする場合は、中央のラインL1の第1の光ファイバ4までを使用して溶接する(図5(a))。
また、中央のラインL1の第1の光ファイバ4の上下のラインの第1の光ファイバ4を使用して溶接することも可能である。例えば、図6中の中央のラインL1の第1の光ファイバ4までを使用して溶接するとして、その上下のライン(図中グレーのラインを参照)L2,L3にもレーザ光を照射しながら第1の光ファイバ4を使用して溶接する。すなわち、本実施の形態のレーザ溶接としては、目的とするレーザ照射(L1)を、その照射位置を挟む両側のラインL2,L3をレーザ照射で加熱させながら行う。上記上下ラインL2,L3では光強度分布に差異を設けてもよい。これは、図9中上側のラインL2の温度が高くて、かつ、下側のラインL3の温度が低いとすると、レーザ光溶接する箇所に均一なレーザ光が照射されても、その両側L2,L3で温度が異なると、その中心のレーザ光溶接する箇所L1がその影響を受けて、目的とするレーザ光溶接する箇所L1の均一なレーザ溶接ができなくなることを防止するためである。
また、レーザ光を楕円スポットとしてワークWに照射する場合は、例えば図5(b)の黒色A1の第1の光ファイバ4からレーザ光を照射すれば良い。また、レーザ光をリングスポット(ドーナツ型スポット)としてワークWに照射する場合は、例えば図5(c)の黒色A2の第1の光ファイバ4からレーザ光を照射すれば良い。なお、図5(c)の黒色A2のような内側を使用しない中央の空間Sと呼ぶ。
すなわち、図7(a)に示すように、多芯コネクタ3に対する第1の光ファイバ4の配置の数の2倍以上であり、照射対象ワークWにレーザ光を照射する第1の照射領域D1と第2の照射領域D2とを有することにより、仮に第1の照射領域D1の第1の光ファイバ4のすべてが故障したとしても、第2の照射領域D2の第1の光ファイバ4を使用すれば、支障なくレーザ光照射が行える。
図9(a)に示すように、円形の溶接スポット(黒色)R1にレーザ光を照射する場合において、そのくちの一つ(B1)に故障があるとした場合、これと点対称の位置の第1の光ファイバ4(B2)を敢えて使用しないことにより(故障していないが、使用しない。)、円形の溶接スポットとしてのレーザ光照射が可能である。つまり、円形の溶接スポット(黒色)に第1の光ファイバ4と第2の光ファイバ7を介して半導体レーザ素子5に接続されている限り、上記符号B1とB2の箇所を使用しなくとも円形スポットの溶接が可能である。同様のことは、第2の光ファイバ7や、目的とするレーザ照射ラインの上下や左右のラインのレーザ光照射による加熱ライン(グレー)にも同様に当てはまる。第1の光ファイバ4の数の方が第2の光ファイバ7の数の方よりも少なく、また、第2の光ファイバ7の数が半導体レーザ素子5の数よりも多いので、故障した第1の光ファイバ4や第2の光ファイバ7をそのままにして(交換しないで)、選択的スイッチングによりレーザ光照射が行われる可能性が高くなる。なお、図5〜図9において、白抜きの丸の第1の光ファイバ4は、そもそも選択的スイッチングによりレーザ光照射を行わないものであるから、これらが故障した場合でも、目的とするレーザ光照射に支障はない。また、図9(d)に示すように、X方向とY方向に第1の光ファイバ4を配列するものでも良い。
図14は本発明の第2の実施形態の接続手段を示す斜視図である。
本実施形態の接続手段は、ミラーM1,M2と該ミラー10の位置をX方向とY方向に移動させる移動手段11であり、前記第1の光ファイバ(出力側ファイバ)4と第2の光ファイバ(入力側ファイバ)7とX方向とY方向に対応して縦横に各々対応するように配列されている。複数の第2の光ファイバ(入力側ファイバ)7の端部には、各々ミラーM4が配されている。第1の光ファイバ4と第2の光ファイバ7との間の空間には、L字状の板で構成される移動手段11が複数配されており、この移動手段11には、その板の上に第1から第3のミラーM1〜M3が配されている。移動手段1は、X方向(水平方向)とY方向(垂直方向)に各々移動可能に構成されている。
移動手段11には、第1のミラーM1が第1の光ファイバ(出力側ファイバ)4の一方端面に対応する位置に所定角度で配され、第2のミラーM2がL字状の角に所定角度で配され、第3のミラーM3がL字状の端部に所定角度で配されている。L字状の端部には、開口11aが形成されており、その開口11aから前記第4のミラーM4に第2の光ファイバ7からの光を第1の光ファイバ4に送ることが出来るようになっている。
2 集光器、
3 多芯コネクタ
4 第1の光ファイバ、4a 第1の光ファイバの先端、
5 半導体レーザ素子、
6 集光レンズ、
7 第2の光ファイバ、
8 チルトテーブル、
9 接続コネクタ(接続手段)、
11 移動手段(接続手段)、
M1〜M4 ミラー(接続手段)、
W,Wb ワーク、
L1,R1,R4,y1 溶接ライン(目的とするレーザ光照射ライン)
R1〜R6 加熱処理ライン、
Claims (10)
- 複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光をワークに照射するレーザ加工装置であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続コネクタと、集光レンズが配され前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器と、多芯コネクタに接続され集光器側を揃える第1の光ファイバと、接続コネクタと半導体レーザ素子とを接続する第2の光ファイバであって半導体レーザ素子に着脱自在な第2の光ファイバを備え、
前記接続コネクタは、第1の光ファイバと第2の光ファイバとが連結される着脱可能な構造であり、前記第1の光ファイバの数が前記第2の光ファイバの数よりも多く配され、
前記多芯コネクタは前記集光器に対してその取り付け位置が変更可能であることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記第1の光ファイバと第2の光ファイバの径の大きさが異なることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
- 前記多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ加工装置。
- 多芯コネクタが円錐台形状を呈して、複数の第1の光ファイバの照射先端側がレーザ光を一点に揃えやすくなっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載のレーザ加工装置。
- 複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光をワークに照射するレーザ加工方法であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続コネクタと、多芯コネクタに接続される第1の光ファイバと、接続コネクタと半導体レーザ素子とを接続する第2の光ファイバであって半導体レーザ素子に着脱自在な第2の光ファイバとを備え、
前記接続コネクタは、第1の光ファイバと第2の光ファイバとが連結される着脱可能な構造であり、前記第1の光ファイバの数が前記第2の光ファイバの数よりも多く配され、
集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対してその取り付け位置が変更可能であることを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項5記載のレーザ加工装置。
- 前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とする請求項5又は6記載のレーザ加工方法。
- 前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側のレーザ光を使用し、その中心側にはレーザ光を使用しないことを特徴とする請求項7記載のレーザ加工方法。
- 前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項7記載のレーザ加工方法。
- 前記第1の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項7記載のレーザ加工方法。
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