JP7297577B2 - レーザ加工装置の接続構造 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工装置の接続構造に関する。

原子力プラントの廃止措置等を行う場合、例えば高出力レーザを出射するレーザ加工装置による切断技術が求められる（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工装置では、レーザ光を出射するヘッドに対して、レーザ光を伝送するコネクタがコネクタマウントを介して接続される。

特開２００３－２００２８５号公報

上記のレーザ加工装置のうち、例えばヘッド、コネクタマウント及びコネクタが接続された接続構造を配管内部等の狭隘部に配置して作業を行う場合がある。この場合、レーザ装置の接続構造としては、狭隘部に配置して作業を行うため小型化が求められる。低出力レーザを出射するレーザ加工装置では、冷却性能をある程度犠牲にしてコンパクト化を図ることが可能である。一方、上記のような高出力レーザを出射するレーザ加工装置では、冷却性能を保持する必要があり、冷却性能とコンパクト化の両立を図ることが求められる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、冷却性能を保持しつつ小型化が可能なレーザ加工装置の接続構造を提供することを目的とする。

本開示に係るレーザ加工装置の接続構造は、レーザ光を導光する光学系を収容し、筒状の被接続部を有するヘッドと、前記ヘッドの前記被接続部の内部に挿入されることで接続される凸状の接続部を有し、前記光学系に前記レーザ光を伝送する光ファイバを収容するコネクタとを備え、前記ヘッド及び前記コネクタは、前記被接続部の内周部と前記接続部の外周部との間で冷却媒体を流通させる一の流路が形成されるように前記接続部が前記被接続部に接続される。

本開示によれば、冷却性能を保持しつつ小型化が可能なレーザ加工装置の接続構造を提供することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の接続構造の一例を示す図である。 図２は、ヘッドの一例を示す図である。 図３は、コネクタの一例を示す図である。 図４は、図１におけるＡ－Ａ断面に沿った構成を示す図である。 図５は、レーザ加工装置の接続構造の他の例を示す図である。 図６は、レーザ加工装置の接続構造の他の例についての使用形態を示す図である。

以下、本開示に係るレーザ加工装置の接続構造実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態により発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の接続構造１００の一例を示す図である。図１に示すように、接続構造１００は、ヘッド１０と、コネクタ２０とを備える。なお、図１において、ヘッド１０については断面構成を示し、コネクタ２０については側面構成を示している。図１に示す接続構造１００は、例えば原子力プラントの廃止措置を行う場合に、プラントに設けられる配管内等の狭隘部に配置される。接続構造１００は、ヘッド１０とコネクタ２０とが直接的に接続される。つまり、ヘッド１０とコネクタ２０とは、互いの間にコネクタマウント等の他の部材が設けられることなく接続される。

図２は、ヘッド１０の一例を示す図である。図１及び図２に示すように、ヘッド１０は、レーザ光Ｌを対象物に向けて出射する。なお、図１及び図２では、レーザ光Ｌの出射部側の構成を省略している。ヘッド１０は、本体部１１を有する。本体部１１は、収容部１２と、被接続部１３とを有する。収容部１２は、レーザ光Ｌを導光する光学系１４を収容する。収容部１２は、例えば円筒状であり、内部にレンズ等の光学系１４を収容する。光学系１４は、コネクタ２０からのレーザ光Ｌを出射部側に導光する。被接続部１３は、コネクタ２０に接続される。被接続部１３は、例えば円筒状であり、中心軸ＡＸ１の軸線方向に沿って内径がほぼ等しくなっている。被接続部１３は、円筒面で構成される内周部１３ａを有する。なお、本体部１１の内部には、冷却媒体を流通させることが可能な不図示の流路が設けられてもよい。

図３は、コネクタ２０の一例を示す図である。図１及び図３に示すように、コネクタ２０は、レーザ光Ｌを伝送する光ファイバＦを収容する。光ファイバＦは、ガラス製のコアの外側にガラス製のクラッドが設けられる素線と、この素線を被覆する樹脂製の被覆部とから構成されている。コネクタ２０は、光ファイバＦの両端部（基端部及び先端部）のうち先端部を収容する。光ファイバＦは、基端側から後述する固定部２３までの部分に被覆部が設けられ、固定部２３よりも先端側では素線が露出される。なお、光ファイバＦの基端部は、不図示の光源（例えば、レーザ発振器）に接続される。図１において、光ファイバＦの基端部側の構成については、省略している。

コネクタ２０は、基部２１と、接続部２２とを有する。基部２１及び接続部２２は、例えば中心軸ＡＸ２を中心とする円筒状であり、内部に光ファイバＦが貫通される。コネクタ２０は、基部２１及び接続部２２の中心軸ＡＸ２が上記被接続部１３の中心軸ＡＸ１に一致するように配置される。以下、中心軸ＡＸ１又は中心軸ＡＸ２について区別しない場合には、中心軸ＡＸと表記する。

基部２１は、フランジ部２１ａを有する。フランジ部２１ａは、ヘッド１０の本体部１１のフランジ部１１ａと当接される。ヘッド１０にコネクタ２０を接続する際、フランジ部２１ａを本体部１１のフランジ部１１ａに当接させることにより、ヘッド１０に対してコネクタ２０が位置決めされる。基部２１は、例えば防水ケースＣ等によって覆われている。

接続部２２は、基部２１からヘッド１０側に中心軸ＡＸの軸線方向に突出した形状（凸状）を有する。接続部２２は、ヘッド１０の被接続部１３の内部に挿入される。接続部２２は、固定部２３と、封止部２４、２５と、先端固定部２６と、出射部２７とを有する。固定部２３は、光ファイバＦを固定する。固定部２３は、例えば円筒状であり、内部に光ファイバＦを貫通させる貫通孔を有する。固定部２３は、円筒面により構成される外周部２３ａを有する。外周部２３ａは、接続部２２が被接続部１３に接続された状態において、被接続部１３の内周部１３ａとの間に間隔を空けて配置される。つまり、固定部２３の外径は、被接続部１３の内径よりも小さくなっている。

封止部２４、２５は、例えば円筒状であり、中心軸ＡＸの軸線方向について固定部２３の両側に配置される。封止部２４、２５は、固定部２３よりも外径が大きい。本実施形態において、封止部２４、２５の外径は、被接続部１３の内径とほぼ等しい。封止部２４、２５は、固定部２３との間に形成される段部２４ａ、２５ａを有する。段部２４ａ、２５ａは、中心軸ＡＸの軸線方向から見てそれぞれ円環状である。

段部２４ａ、２５ａは、ヘッド１０の被接続部１３の内周部１３ａと、固定部２３の外周部２３ａと共に、流路Ｒを形成する。流路Ｒは、冷却水等の冷却媒体Ｑが流通可能な空間である。本体部１１には、流路Ｒに冷却媒体を供給する供給部１５が設けられる。供給部１５は、被接続部１３の内周部１３ａの裏面側、つまり被接続部１３の外周部１３ｂに設けられる。また、本体部１１には、流路Ｒに接続されるヘッド側流路ＲＡが設けられる。ヘッド側流路ＲＡは、接続流路ＲＣを介して流路Ｒに接続される。なお、ヘッド側流路ＲＡが流路Ｒに直接接続された構成であってもよい。ヘッド側流路ＲＡは、被接続部１３と収容部１２とに亘って設けられる。例えば、ヘッド側流路ＲＡは、被接続部１３のうち後述する封止部２５、先端固定部２６、出射部２７を囲う部分と、収容部１２のうち光学系１４を囲う部分とに亘って設けられる。本体部１１には、ヘッド側流路ＲＡの冷却媒体を排出する排出部１６が設けられる。排出部１６は、収容部１２の外周部１２ｂに配置される。なお、流路Ｒは、ヘッド１０の本体部１１に設けられる不図示の流路と接続されてもよい。

流路Ｒは、これら内周部１３ａ、外周部２３ａ及び段部２４ａ、２５ａによって囲まれた空間に形成される。つまり、流路Ｒは、ヘッド１０の被接続部１３とコネクタ２０の接続部２２とによって形成される。したがって、ヘッド１０とコネクタ２０とにより、１つの流路Ｒが共有される。

図４は、図１におけるＡ－Ａ断面に沿った構成を示す図である。図１及び図４に示すように、流路Ｒは、被接続部１３及び接続部２２の周方向の一周に亘って設けられる。また、流路Ｒは、固定部２３の外径側に配置される。流路Ｒを流通する冷却媒体Ｑは、固定部２３の外周部２３ａを冷却可能である。固定部２３の外周部２３ａが冷却されることにより、当該固定部２３に固定される光ファイバＦが間接的に冷却される。

封止部２４、２５は、外周部に周方向の一周に亘る溝部２４ｂ、２５ｂをそれぞれ有する。溝部２４ｂには、Ｏリング（封止部材）２８が設けられる。溝部２５ｂには、Ｏリング（封止部材）２９が設けられる。Ｏリング２８、２９は、ゴム材等の弾性変形移可能な材料を用いて形成される。被接続部１３に接続部２２が挿入された状態において、Ｏリング２８、２９は、内周部１３ａに密着される。このため、Ｏリング２８、２９により、流路Ｒをより確実に封止することができる。

先端固定部２６は、光ファイバＦの素線の先端を固定する。光ファイバＦは、例えば素線の先端部が先端固定部２６に接触して融着接合されている。光ファイバＦを伝送するレーザ光は、光ファイバＦの素線の先端から放出される。

出射部２７は、先端固定部２６に固定される光ファイバＦの素線の先端を覆うように設けられる。出射部２７は、端面２７ａを有する。端面２７ａは、光学系１４側に向けて設けられる。出射部２７は、素線の先端から放出されるレーザ光を端面２７ａから光学系１４側に向けて出射する。

上記のように構成される接続構造１００を形成する場合、まず、ヘッド１０側とコネクタ２０側とをそれぞれ別個に形成する。つまり、ヘッド１０の収容部１２には、光学系１４を収容した状態とする。また、コネクタ２０には、基部２１及び接続部２２の内部に光ファイバＦを貫通させ、先端固定部２６において素線の先端を融着させ、封止部２４、２５の溝部２４ｂ、２５ｂにそれぞれＯリング２８、２９を装着する。

ヘッド１０側及びコネクタ２０側をそれぞれ形成した後、コネクタ２０の接続部２２をヘッド１０の被接続部１３に挿入する。この場合、コネクタ２０の基部２１に設けられるフランジ部２１ａがヘッド１０の本体部１１に設けられるフランジ部１１ａに当接するまで接続部２２を挿入する。接続部２２が挿入されることにより、ヘッド１０とコネクタ２０との間の接続構造１００が形成される。

接続構造１００が形成された後、当該接続構造１００に係るヘッド１０及びコネクタ２０は、例えば廃止措置を行う原子力プラントの配管等、高放射線領域でありかつ狭隘部に配置される。この状態において、不図示の光源から光ファイバＦを介してレーザ光Ｌをヘッド１０に伝送することにより、ヘッド１０にレーザ光Ｌが供給される。そして、ヘッド１０を遠隔操作等することにより、レーザ切断作業等の作業を実施することができる。

本実施形態に係る接続構造１００は、ヘッド１０にコネクタ２０を直接的に接続する構成であり、ヘッド１０とコネクタ２０とで流路Ｒを共有する構成であるため、ヘッド１０及びコネクタ２０を含むヘッド部分がコンパクト化される。このため、狭隘部であっても当該ヘッド部分を配置することができ、かつ円滑な作業を行うことが可能となる。

また、上記のような使用態様では、高放射線領域でレーザ光を伝送することにより、コネクタ２０内の光ファイバＦにおいて素線が発熱し、素線の温度が被覆部の耐熱温度に近づく可能性がある。これに対して、本実施形態に係る接続構造１００では、被接続部１３の内周部１３ａと、接続部２２のうち固定部２３の外周部２３ａと、封止部２４、２５の段部２４ａ、２５ａとに囲まれる流路Ｒが形成される。したがって、この流路Ｒに冷却媒体Ｑを供給することにより、固定部２３を介して光ファイバＦを冷却することができる。

以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置の接続構造１００は、レーザ光Ｌを導光する光学系１４を収容し、筒状の被接続部１３を有するヘッド１０と、ヘッド１０の被接続部１３の内部に挿入されることで接続される凸状の接続部２２を有し、光学系１４にレーザ光Ｌを伝送する光ファイバＦを収容するコネクタ２０とを備え、ヘッド１０及びコネクタ２０は、被接続部１３の内周部１３ａと接続部２２の外周部２３ａとの間で冷却媒体Ｑを流通させる一の流路Ｒが形成されるように接続部２２が被接続部１３に接続される。

この構成によれば、ヘッド１０にコネクタ２０を直接的に接続する構成であり、ヘッド１０とコネクタ２０とで流路Ｒを共有する構成であるため、ヘッド１０及びコネクタ２０のそれぞれに個別に流路Ｒを形成する場合に比べて、流路Ｒを仕切る仕切り壁を一部省略することができる。したがって、ヘッド１０及びコネクタ２０を含む部分の小型化を図ることができる。また、流路Ｒに冷却媒体を流通させることで、冷却性能を確保できる。これにより、冷却性能を保持しつつ小型化が可能な接続構造１００を提供することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、流路Ｒは、被接続部１３及び接続部２２の周方向の一周に亘って設けられる。したがって、被接続部１３及び接続部２２の周方向の一周に亘って均等に冷却媒体を供給することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、コネクタ２０は、光ファイバＦを固定する固定部２３を有し、流路Ｒは、固定部２３の外径側に配置される。したがって、冷却媒体Ｑにより固定部２３を冷却し、これにより固定部２３内の光ファイバＦを間接的に冷却することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、被接続部１３の内周部１３ａと接続部２２の外周部２３ａとの間に配置され、冷却媒体Ｑを封止するＯリング２８、２９を更に備える。したがって、流路Ｒをより確実に封止することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、コネクタ２０は、接続部２２を支持する基部２１を有し、基部２１は、防水ケースＣによって覆われている。したがって、基部２１側を確実に防水することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、被接続部１３は、流路Ｒに冷却媒体を供給する供給部１５を有する。したがって、流路Ｒに冷却媒体を直接的に供給することができる。

本実施形態に係る接続構造１００において、ヘッド１０は、光学系１４を収容する収容部１２を有し、被接続部１３と収容部１２とに亘って冷却媒体を流通させるヘッド側流路ＲＡと、ヘッド側流路ＲＡの冷却媒体を排出する排出部１６とを有し、流路Ｒは、ヘッド側流路ＲＡに接続される。したがって、流路Ｒとヘッド側流路ＲＡとを１つの流路として冷却媒体の給排を効率的に行うことができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。

図５は、レーザ加工装置の接続構造の他の例を示す図である。図５に示す接続構造１００Ａにおいて、ヘッド１０Ａは、被接続部１３において、分離部１７を有する。被接続部１３は、分離部１７が設けられることにより、中心軸ＡＸの軸線方向に第１部分１３Ｐと第２部分１３Ｑとに分離可能となっている。第１部分１３Ｐは、光ファイバＦの先端側を囲う部分である。第２部分１３Ｑは、流路Ｒを含む部分である。分離部１７は、封止部２５に対応する位置に配置される。分離部１７は、Ｏリング２９よりも光ファイバＦの先端部側に配置される。したがって、流路Ｒの封止状態を維持しつつ、第１部分１３Ｐと第２部分１３Ｑとを分離することができる。なお、第１部分１３Ｐの内部には、当該第１部分１３Ｐの周方向に沿って冷却媒体の流路（第１部分側流路）ＲＢが個別に形成される。流路ＲＢは、例えば封止部２５の先端側、先端固定部２６、出射部２７を囲う部分と、収容部１２のうち光学系１４を囲う部分とに亘って設けられる。また、第２部分１３Ｐには、接続流路ＲＤが設けられる。接続流路ＲＤは、流路Ｒに接続され、第２部分１３Ｐの外周面に開口される。更に、接続構造１００Ａは、流路ＲＢと接続流路ＲＤとを接続する接続管Ｔを備える。接続管Ｔは、第１部分１３Ｐ及び第２部分１３Ｑに対して着脱可能である。接続管Ｔは、流路ＲＢと、接続流路ＲＤとを接続する。これにより、流路ＲＢは、接続管Ｔ及び接続流路ＲＤを介して流路Ｒに接続される。また、流路Ｒの断面積は、流路ＲＡの断面積よりも大きくなるように設定してもよい。

図６は、接続構造１００の他の例についての使用形態を示す図であり、第１部分１３Ｐを第２部分１３Ｑに対して分離した状態を示している。図６に示すように、上述の位置で、第１部分１３Ｐと第２部分１３Ｑとを分離する場合、例えば、まず接続管Ｔを取り外し、ヘッド側流路ＲＢ及び接続流路ＲＤを封止する。その後、第１部分１３Ｐに対して第２部分１３Ｑを分離する。これにより、第２部分１３Ｑとコネクタ２０との間で流路Ｒを共有し、かつ流路Ｒを封止した状態が維持された状態で、コネクタ２０の出射部２７及び先端固定部２６が露出した状態となる。このため、作業者は、流路Ｒに冷却媒体Ｑを供給した状態を維持しつつ、出射部２７の端面２７ａ又は先端固定部２６のメンテナンスを行うことができる。このため、メンテナンスに要する手間を軽減することができる。

なお、上記の例では、ヘッド１０Ａにおいて被接続部１３が中心軸ＡＸの軸線方向に分離可能な構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、ヘッド１０、１０Ａにおいて、収容部１２が中心軸ＡＸの軸線方向に分離可能な構成であってもよい。この場合、被接続部１３は、分離される部材ごとに冷却媒体の流路を有する構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、冷却媒体として冷却水を適用したが、冷却媒体は冷却水に限定されるものではなく、例えば、空気でもよい。

１０，１０Ａ ヘッド
１１ 本体部
１１ａ，２１ａ フランジ部
１２ 収容部
１３ 被接続部
１３Ｐ 第１部分
１３Ｑ 第２部分
１３ａ 内周部
１４ 光学系
１５ 供給部
１６ 排出部
１７ 分離部
２０ コネクタ
２１ 基部
２２ 接続部
２３ 固定部
２３ａ 外周部
２４，２５ 封止部
２４ａ，２５ａ 段部
２４ｂ，２５ｂ 溝部
２６ 先端固定部
２７ 出射部
２７ａ 端面
２８，２９ Ｏリング
１００，１００Ａ 接続構造（レーザ加工装置の接続構造）
Ｆ 光ファイバ
Ｌ レーザ光
Ｑ 冷却媒体
Ｒ，ＲＡ，ＲＢ 流路
ＲＣ，ＲＤ 接続流路
Ｔ 接続管
ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２ 中心軸

Claims (10)

1. レーザ光を導光する光学系を収容し、筒状の被接続部を有するヘッドと、
   前記ヘッドの前記被接続部の内部に挿入されることで接続される凸状の接続部を有し、前記光学系に前記レーザ光を伝送する光ファイバを収容するコネクタと
   を備え、
   前記ヘッド及び前記コネクタは、前記被接続部の内周部と前記接続部の外周部との間で冷却媒体を流通させる一の流路が形成されるように前記接続部が前記被接続部に接続され、
   前記コネクタは、前記被接続部の中心軸の軸線方向の両側に配置されて前記ヘッドとの間で前記流路を封止する封止部を有し、
   前記被接続部は、前記接続部の先端側の前記封止部に対応する位置において分離可能である
   レーザ加工装置の接続構造。
2. 前記流路は、前記被接続部及び前記接続部の周方向の一周に亘って設けられる
   請求項１に記載のレーザ加工装置の接続構造。
3. 前記コネクタは、前記光ファイバを固定する固定部を有し、
   前記流路は、前記固定部の外径側に配置される
   請求項１に記載のレーザ加工装置の接続構造。
4. 前記コネクタは、前記接続部を支持する基部を有し、
   前記基部は、防水ケースによって覆われている、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。
5. 前記被接続部は、前記流路に冷却媒体を供給する供給部を有する
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。
6. 前記ヘッドは、前記光学系を収容する収容部と、前記被接続部と前記収容部とに亘って前記冷却媒体を流通させるヘッド側流路と、前記ヘッド側流路の前記冷却媒体を排出する排出部とを有し、
   前記流路は、前記ヘッド側流路に接続される
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。
7. 前記被接続部は、前記中心軸の軸線方向について、前記光ファイバの先端側を囲う第１部分と、前記流路を含む第２部分とに分離可能に設けられる
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。
8. 前記封止部は、前記冷却媒体を封止するリング状の封止部材を有し、
   前記被接続部は、前記封止部材よりも前記光ファイバの先端部側の位置において分離可能である
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。
9. 前記第１部分は、前記冷却媒体を流通させる第１部分側流路を有し、
   前記第２部分は、前記流路に接続される接続流路を有し、
   前記第１部分及び前記第２部分に着脱可能であり、前記第１部分側流路と前記接続流路とを接続する接続管を更に備える
   請求項７に記載のレーザ加工装置の接続構造。
10. 前記被接続部の内周部と前記接続部の外周部との間に配置され、前記冷却媒体を封止する封止部材を更に備える
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の接続構造。

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