JPH0511116A - 光エネルギ伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】中空導波路端部の熱容量を増大するとともに、
冷却用冷媒の封止性を高めて、伝送電力を大幅に増加さ
せる。 【構成】金属中空導波路１の端部外周に取付け部材２を
嵌めて導波路１に半田付け８する。取付け部材２は熱伝
導性の良い銅を使い、その形状はスリーブ状をしてい
る。断面形状は中間部にＯリング溝２ｄを有する外径大
径部２ａをもち、一端部には嵌め合せたとき中空導波路
端部に係止されて導波路の金属層を覆うような内径小径
部２ｂをもつ。取付け部材２は中空導波路１の端部から
差し込まれるが、中空導波路１の端部の金属層を覆うよ
うな構造となっている。取付け部材７は冷却ジャケット
１３の端部側を構成する継手５の入射側フランジ５ａの
中央凹部内に配置され、その外径大径部が中央凹部に押
込まれた押さえ具４により押え込まれた形で固定されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業加工および医療に
用いられる高出力レーザ光などの光エネルギを金属中空
導波路で伝送するエネルギ伝送装置に係わり、特に、冷
却のために光導波路の外部に取付けられる冷却ジャケッ
トの端部封止構造を改善したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光は、指向性や集光性が良く、パ
ワー密度が高いといった特長を有するため、産業上の種
々の分野での活用が期待されており、特に炭酸ガスレー
ザは、高い効率で大出力が得られることから、既に工業
界における様々な加工や医療に応用されている。

【０００３】これまでは、レーザ発振器から出力された
レーザ光を被照射物へ導くレーザ光伝送装置としては、
ミラーやレンズなどの光学機器の組み合わせによって、
レーザ発振器から被照射物までのレーザ光の進路を設定
する方式のものが主に使用されてきた。ところが、この
方式の装置では、光学機器相互間で光軸ずれなどの不都
合が発生しないように、使用するそれぞれの光学機器相
互の位置関係を精密に調整する必要があり、そのため
に、光学機器相互の光軸ずれを修正する光軸制御機構が
繁雑化したり、あるいは、レーザ光の出射位置を自在に
移動することが困難なために、レーザ光による加工の自
由度が制限されるという問題があった。そこで、前述の
光軸制御機構を簡素化してレーザ光による加工の自由度
を高めるため、可とう性（フレキシビリティ）を有した
光導波路の開発が進められている。その中でも誘電体を
内装した金属中空導波路は、中空構造であるためにレー
ザ光の入出射端での反射もほとんど無く、かつ金属であ
るため冷却効率も高く、大電力伝送用として最も有望で
あり、現在ゲルマニウムを内装した金属中空導波路が製
品化されている。このゲルマニウム内装銀中空導波路は
現在までに長さ２ｍで２ｋＷのＣＯ₂ レーザ光の伝送を
実現している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低損失
な誘電体内装金属中空導波路を用いても、入射レーザ光
の出力が大きくなるにしたがって損失による発熱が増加
する。特に入射部では、結合損失による発熱で破壊する
場合がある。また、レーザ光を入射する際、光軸ずれが
生じた場合にレーザ光が中空導波路端部の金属層に直接
照射されると瞬時に破壊する。このような破壊を防ぐた
めには中空導波路端部の金属層にレーザ光が直接照射さ
れない構造にすることや中空導波路を端部も含めて十分
に冷却する必要がある。その冷却方法としては、中空導
波路の構造的特長を生かし、内部を空冷、外部を水冷す
るものが実用化されている。中空導波路の外部を水冷す
る場合、中空導波路を冷却ジャケットに納めるが、ジャ
ケット内の冷却水が中空導波路内部に入り込まないよう
に中空導波路端部で封止しなければならない。従来、こ
の封止手段としてＯリングや接着剤が用いられていた。
ところが、Ｏリングや接着剤を中空導波路端部に用いる
と、これらと中空導波路の接触部で局部的に熱伝導性が
劣化して破壊を引き起こすため、これまで中空導波路の
最大伝送電力は２ｋＷ程度が限界となっていた。

【０００５】本発明の目的は、中空導波路の端部の熱容
量を増大するとともに、封止性の高い材料を選択するこ
とによって、前記した従来技術の欠点を解消し、伝送電
力を大幅に増加させることができる光エネルギ伝送装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷媒を流す冷
却ジャケット内に納められて冷却される、レーザ光など
の光エネルギを伝送する金属中空導波路を有する光エネ
ルギ伝送装置に適用される。

【０００７】中空導波路の端部外周に金属製の取付け部
材を半田付けによって取り付け、冷却ジャケットの端部
をこの取付け部材に固定接続して、冷却ジャケットの端
部で冷媒を封止するようにしたものである。ここで、中
空導波路の端部とは、入射端、出射端あるいはその両方
を意味する。

【０００８】なお、レーザ光が中空導波路端部に直接照
射されないように、金属製の取付け部材が中空導波路端
部の金属層を覆うような構造とすることが好ましい。

【０００９】

【作用】中空導波路端部に、熱伝導率の良い金属製の取
付け部材を取り付けることにより、中空導波路端部での
熱容量が増大し、しかもここで冷却ジャケットの端部を
固定して冷媒封止を行うことにより、中空導波路の端部
まで冷媒が十分に行きわたって冷却される。また、熱伝
導性の良好な半田付けで取付け部材を中空導波路端部に
取り付けることにより、熱伝導性の劣化を生じることな
く、冷媒が中空導波路内部に流入しないように封止され
る。これらの改良により、中空導波路の端部が集中的に
発熱しても、その熱を速やかに逃がすことができるの
で、発熱による破壊を引き起こすことがなく、大パワー
伝送が可能になる。

【００１０】特に、取付け部材が中空導波路端部の金属
層を覆うような構造となっていると、光軸ずれなどによ
って入射レーザ光が中空導波路端部に直接照射されるこ
とはないので、さらに大パワー伝送が可能になる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図４を用いて
説明する。

【００１２】まず、本実施例で使用している中空導波路
の構造について述べる。図４が中空導波路の構造であ
る。中空導波路１の内面にはゲルマニウム１７および銀
１８の薄膜がコーティングされている。これは、母材
（パイプ材）にゲルマニウム薄膜１７を均一にコーティ
ングし、さらに、その上銀薄膜１８をコーティングし、
めっきによって外部に保護金属層としてのニッケル層１
９を形成したのち、化学エッチングで母材を除去するこ
とにより作製する。ゲルマニウム層１７により炭酸ガス
レーザ光を伝送する中空領域２０を区画形成している。
機械強度を高めるためのニッケル層１９は、中空光導波
路１が繰り返し曲げられたときの金属疲労を考慮して、
１０〜２００μｍ程度の薄い肉厚にすることが望まし
い。

【００１３】次に、金属製の取付け部材２の固定方法に
ついて述べる。図２は金属中空導波路の端部固定構造の
実施例である。誘電体を内装した金属中空導波路１の端
部外周に取付け部材２を嵌め合せて半田付けすることに
より固定している。３は半田付け部を示す。取付け部材
２は熱伝導性の良い金属が望ましく、加工性やコストを
考慮すると銅が最も適している。取付け部材２の形状
は、同図に示すようにスリーブ状をしており、その断面
形状は中間部にＯリング溝２ｄを有する外径大径部２ａ
をもち、一端部には嵌め合せたとき中空導波路端部に係
止されて導波路の金属層を覆うような内径小径部２ｂを
もっている。なお、他端部２ｃにおいて半田付けがなさ
れる。

【００１４】この取付け部材２は中空導波路１の端部か
ら差し込まれる。取付け部材２の内径は、中空導波路１
端部の外径に合わせて精密に加工され、できるだけ隙間
のないように嵌め合わされる。上述したように取付け部
材２は、中空導波路１の端部の金属層を覆うような構造
となっているため、入射レーザ光が直接金属層に照射さ
れることはない。中空導波路１と取付け部材２の固定
は、熱伝導性や、冷媒の封止、固定部の強度を考慮して
半田付けにより行う。ここで問題になるのは、半田付け
時の熱影響である。高い温度に加熱された部分は脆くな
り、破損の原因になる。また、ゲルマニウムは、３００
°Ｃ付近で金属層から剥離する現象が確認されており、
高温に加熱するのは避けなければならない。そこで、比
較的低温中で作業でき、上記の熱伝導性、冷媒の封止、
固定部の強度の課題に対して良好な固定接続が行える方
法として半田付けを採用する。半田付けは、半田の材料
を選定することによって作業温度を低く設定できること
や、樹脂を用いて接続する方法に比べて熱伝導性が良い
ことから、本実施例のような場合に適している。また、
接続部の強度については、引張試験を行い、導波路の引
張強度（１００ｋｇｆ）と同等の強度を有することが確
認されており、実用に耐える。

【００１５】図１は、中空導波路端部における冷却手段
の取付け構造の実施例である。前述したように、中空導
波路１には、スリーブ状取付け部材７が半田付けにより
取り付けられており、この取付け部材７は、冷却ジャケ
ット１３の端部側を構成する継手５の入射側フランジ５
ａの中央凹部内に配置され、その外径大径部が中央凹部
に押込まれた押さえ具４により押え込まれた形で固定さ
れている。入射側フランジ５ａは、レーザ光入射用光学
系（図示せず）に精度良く組み合わせられる。中空導波
路１は、この入射側フランジ５ａの中心に固定されるた
め、容易にレーザ光が入射できる。取付け部材７と入射
側フランジ５ａの隙間を封止するため、Ｏリング６を用
いている。冷却水は、継手５に設けた冷却水導入口９よ
り流入されるが、水路は半田付け部８を越えて中空導波
路の端部まで延設されているので、中空導波路端部まで
冷却する。図では冷却水導入口９の角度が中空導波路１
に対して垂直に設定されているが、冷却水導入口９を導
波路端部に向かって斜めに設定し、冷却水が勢いよく中
空導波路端部へ流入させるようにすれば、さらに効果的
な冷却ができる。

【００１６】冷却ジャケット１３は、接続具１２によっ
て入射側フランジ５ａを有する継手５と接続され、接続
具１２と継手５の隙間は、Ｏリング１１によって封止さ
れる。さらに、継手５と接続具１２の緩みを防止するた
めに、止めナット１０を用いている。

【００１７】上述した冷却手段の取付け構造により、冷
却水導入口９から流入された冷却水が中空導波路端部ま
で十分に行きわたって冷却するので、大パワー伝送が可
能になる。なお、本実施例では、冷媒に水を用いている
が、冷媒は水以外の液体でもよい。

【００１８】図３は、図１で説明したような冷却手段の
取付け構造を用いて製作した、冷却ジャケット付き中空
導波路を炭酸ガスレーザ発振器に装着した実施例であ
る。本実施例では、炭酸ガスレーザ発振器１４のレーザ
光出力部に、上述した構造の中空導波路の入射部１５を
接続してレーザ光を伝送させ、中空導波路の出射部１６
を例えば、ロボットやＮＣ装置で移動させることによっ
てレーザ光を任意の位置に導くことができる。

【００１９】以上述べたように、本実施例によれば、レ
ーザ光などの光エネルギを伝送する金属中空導波路にお
いて、中空導波路の端部に半田付けによって熱伝導性の
良い金属の取付け部材を設置することにより、冷却の効
果を高め、大電力伝送できる中空導波路を提供できる。
なお、本実施例により製作した冷却ジャケット付き中空
導波路に３．５ｋＷの炭酸ガスレーザ光を入射しても異
常は見られず、本実施例の効果が確認された。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、金属中空導波路の端部
外周に熱伝導率の高い金属製の取付け部材を取り付け、
この取付け部材に冷却ジャケット端部を固定接続して、
冷却ジャケット端部を封止するようにしたので、端部で
の冷却効率と耐パワー性が向上し、中空導波路の伝送容
量を大幅に増加することができる。また、特に取付け部
材を半田付けによって金属中空導波路に取付けるように
したので、熱伝導性、冷媒の封止、固定部の強度を良好
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による金属中空導波路端部にお
ける冷却手段の固定構造の実施例を示す半断面図。

【図２】本実施例による金属中空導波路端部におけるス
リーブ状取付け部材固定構造を示す断面図。

【図３】金属中空導波路を有する光エネルギ伝送装置を
レーザ発振器に取り付けた実施例を示す斜視図。

【図４】金属中空導波路の構造例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 金属中空導波路 ３ 冷却ジャケット ４ 押え部 ５ａ 冷却ジャケットの継手の入射側フランジ ６ Ｏリング ７ スリーブ状取付け部材 ８ 半田付け部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】冷媒の流れる冷却ジャケット内に納めら
   れ、レーザ光などの光エネルギを伝送する金属中空導波
   路を有する光エネルギ伝送装置において、前記金属中空
   導波路の端部外周に、熱伝導性の良い金属製の取付け部
   材を半田付けによって取付け、 この取付け部材に前記冷却ジャケット端部を固定接続し
   て、冷却ジャケット端部を封止したことを特徴とする光
   エネルギ伝送装置。