JPWO2019050023A1 - レーザ加工ヘッド、光ファイバ検査装置及び光ファイバ検査方法 - Google Patents

Abstract

レーザ加工ヘッド（２０）は、レーザ光（７０）を平行光線に変換するコリメータレンズ（２３）と、平行光線に変換されたレーザ光（７０）を集光する集光レンズ（２４）と、コリメータレンズ（２３）と集光レンズ（２４）とを内部に収容する筐体（２１）と、コリメータレンズ（２３）と集光レンズ（２４）との間に設けられ、レーザ光（７０）を透過する一方、レーザ光（７０）と異なる所定の波長の光を反射する波長選択ミラー（２５）と、所定の波長の光を透過する位置且つ波長選択ミラー（２５）を介して光ファイバ（６０）のレーザ光出射端面（６１）が光学的に観測可能な位置に設けられた透過窓と、を備える。

Description

本開示は、レーザ加工ヘッド、レーザ加工ヘッドに接続された光ファイバを検査する光ファイバ検査装置及び光ファイバ検査方法に関する。

従来、気体レーザや固体レーザ等のレーザ発振器からの出射光を光ファイバで導波して、レーザ加工ヘッドからワークに向けて照射し、ワークの溶接や加工を行うレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−０３００３２号公報

従来のレーザ加工装置において、通常、光ファイバのレーザ光出射端面にゴミや汚れ等がないことを検査してから、光ファイバをレーザ加工ヘッドに接続している。光ファイバのレーザ光出射端面にゴミ等が付着している場合、レーザ光によりこのゴミ等が焼け、光ファイバのレーザ光出射端面が損傷する場合があるからである。

しかし、上記従来の構成において、光ファイバをレーザ加工ヘッドに接続した後は、光ファイバのレーザ光出射端面の確認ができない。そのため、光ファイバをレーザ加工ヘッドに接続する工程で光ファイバのレーザ光出射端面にゴミ等が付着した場合、以降に行われるレーザ加工において、光ファイバのレーザ光出射端面が損傷するおそれがあった。

本開示はかかる点に鑑み、その目的は、光ファイバが接続された状態で、光ファイバのレーザ光出射端面を検査可能なレーザ加工ヘッド、レーザ加工ヘッドに接続された光ファイバを検査する光ファイバ検査装置及び光ファイバ検査方法を提供することにある。

本開示の一態様に係るレーザ加工ヘッドは、光ファイバに接続され、ワークに向けて光ファイバで導波したレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドであって、レーザ光を平行光線に変換するコリメータレンズと、平行光線に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、コリメータレンズと集光レンズとを内部に収容する筐体と、コリメータレンズと集光レンズとの間のレーザ光の光路中に設けられ、レーザ光を透過する一方、レーザ光と異なる所定の波長の光を反射する波長選択ミラーと、所定の波長の光が透過する位置且つ波長選択ミラーを介して光ファイバのレーザ光出射端面が光学的に観測可能な位置に設けられた透過窓と、を備える。

本開示の一態様に係る光ファイバ検査装置は、上記のレーザ加工ヘッドに接続された光ファイバを検査する光ファイバ検査装置であって、透過窓から波長選択ミラーを介してレーザ光と異なる所定の波長の光でレーザ光出射端面を照明する照明光源と、照明光源に照明されたレーザ光出射端面を、波長選択ミラーを介して透過窓から観測する光学観測装置と、を備える。

本開示の一態様に係る光ファイバ検査方法は、上記のレーザ加工ヘッドに接続された光ファイバを検査する光ファイバ検査方法であって、透過窓から波長選択ミラーを介してレーザ光と異なる所定の波長の光でレーザ光出射端面を照明する照明ステップと、レーザ光と異なる所定の波長の光で照明されたレーザ光出射端面を、波長選択ミラーを介して透過窓から光学的に観測する観測ステップと、観測ステップにおける観測結果に基づいて、レーザ光出射端面の状態を検査する検査ステップと、を含む。

以上説明したように、本開示に係るレーザ加工ヘッドによれば、レーザ加工ヘッドに接続した状態で、光ファイバのレーザ光出射端面を検査することができる。また、レーザ加工ヘッドから光ファイバを取り外すことなく、レーザ光出射端面を観測できるため、レーザ加工ヘッドのメンテナンス頻度を適切に定めることができる。

また、本開示に係る光ファイバ検査装置及び光ファイバ検査方法によれば、レーザ加工ヘッドから光ファイバを取り外すことなく、そのレーザ光出射端面に照明光を照射でき、レーザ光出射端面の状態を観測することができる。

実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 実施形態１に係る光ファイバと光ファイバ検査装置とが取り付けられたレーザ加工ヘッドの要部を示す図である。 実施形態２に係る光ファイバと光ファイバ検査装置とが取り付けられたレーザ加工ヘッドの要部を示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示す。レーザ加工装置１０は、レーザ加工ヘッド２０と、マニピュレータ３０と、制御部４０と、レーザ発振器５０と、光ファイバ６０とを備えている。

レーザ加工ヘッド２０は、光ファイバ６０からのレーザ光７０をワークＷに照射する。マニピュレータ３０は、先端にレーザ加工ヘッド２０が取り付けられ、レーザ加工ヘッド２０を移動させる。制御部４０は、レーザ加工ヘッド２０の動作とマニピュレータ３０の動作と、レーザ発振器５０のレーザ発振を制御する。レーザ発振器５０は、レーザ光７０を発振し、光ファイバ６０に出力する。光ファイバ６０は、レーザ発振器５０から出力されたレーザ光７０をレーザ加工ヘッド２０まで伝送する。このような構成により、レーザ加工装置１０は、レーザ加工ヘッド２０及びマニピュレータ３０を動作させて、レーザ発振器５０から出力されたレーザ光７０をワークＷに所望の軌跡で照射し、ワークＷの切断や溶接、穴あけ加工等を行うのに使用される。また、定期点検等の際には、レーザ加工ヘッド２０に光ファイバ検査装置８０が取り付けられる（図２参照）。

［レーザ加工ヘッドの要部構成］
図２は、光ファイバ６０と光ファイバ検査装置８０とが取り付けられたレーザ加工ヘッド２０の要部を示す。なお、説明の便宜上、本開示に直接関係しない構成部品については、図示及びその説明を省略する。また、以降の説明において、レーザ加工ヘッド２０におけるレーザ光７０の入射側を「上」、出射側を「下」と呼ぶことがある。また、図２及び図３における破線の矢印は、光線の方向を模式的に示すものであって、光軸中心や光の広がりを示す意図はない。

レーザ加工ヘッド２０は、筐体２１とコネクタ２２とコリメータレンズ２３と集光レンズ２４と波長選択ミラー２５とを備えている。

筐体２１は上側にコネクタ２２が取り付けられ、内部にコリメータレンズ２３と集光レンズ２４と波長選択ミラー２５とを収容している。また、側壁には保護ガラス２７が嵌め込まれた透過窓２６が設けられている。また、図示しないが、集光レンズ２４の下方側にはワークＷに向けてレーザ光７０を照射するためのノズルが設けられている。筐体２１の内部にコリメータレンズ２３等の光学部品が所定の配置関係を保って保持されることにより、レーザ加工ヘッド２０から出射されるレーザ光７０の光軸が規定される。また、筐体２１は、光学部品にほこりや汚れ等が付着するのを防止するとともに、レーザ光７０が外部に意図せず漏れ出すのを防止する機能を有する。また、コネクタ２２は、光ファイバ６０をレーザ加工ヘッド２０に接続して固定している。

コリメータレンズ２３は、光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１から出射され、広がるなどしたレーザ光７０を平行光線に変換し、集光レンズ２４は、この平行光線に変換されたレーザ光７０を所定の位置に集光し、レーザ光７０は、ノズルを介してワークＷの所定の加工点に向けて照射される。この際、ワークＷの表面または表面近傍に集光レンズ２４の焦点が位置するように、例えば、マニピュレータ３０等を用いてレーザ加工ヘッド２０とワークＷとの距離が調整される。

波長選択ミラー２５は、筐体２１の内部でかつ、コリメータレンズ２３と集光レンズ２４との間のレーザ光７０の光路中に設けられている。波長選択ミラー２５は、レーザ光７０を透過する一方、レーザ光７０と異なる所定の波長の光を反射するように構成されている。具体的には、波長選択ミラー２５の上面に形成された波長選択フィルター（図示せず）の構成を調整して、所望の波長選択性が得られる。

透過窓２６は外部から筐体２１の内部に光を導入するために設けられており、筐体２１内部の気密を保つために保護ガラス２７が嵌め込まれている。また透過窓２６は、波長選択ミラー２５を介して光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１が光学的に観測可能である位置に設けられている。つまり、透過窓２６を透過した光が波長選択ミラー２５により反射されてレーザ光出射端面６１を照明するように、光ファイバ６０と波長選択ミラー２５と透過窓２６との配置関係が規定されている。なお、コリメータレンズ２３によってレーザ光７０が平行光線に変換されているため、平行光となっている区間であるコリメータレンズ２３と集光レンズ２４との距離に大きな制約は加わらず、これらの光学部品（２３，２４）の間の平行光となっている区間に波長選択ミラー２５を配置することが容易となる。

光ファイバ検査装置８０は、レーザ光７０と異なる所定の波長の光を発する照明光源８１と、照明光源８１からの光に照明された光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１を観測するための光学観測装置８２と、導光部材８３と、光分岐部材８４とを有している。

なお、光ファイバ検査装置８０は、通常のレーザ加工時はレーザ加工ヘッド２０から取り外されており、定期点検等の際に、光ファイバ６０、特にレーザ光出射端面６１の状態を検査するために、レーザ加工ヘッド２０に取り付けられる。照明光源８１と光学観測装置８２とは、例えば一つの装置としてまとめられていてもよいし、個別に配置されていてもよい。

照明光源８１と透過窓２６との間は、導光部材８３で接続されている。また、導光部材８３の経路中にハーフミラー等の光分岐部材８４が配置される。

上述のように、波長選択ミラー２５は、レーザ光７０と異なる所定の波長の光を反射するように構成されているため、照明光源８１から発せられたレーザ光７０と異なる所定の波長の光は、導光部材８３及び光分岐部材８４を介して波長選択ミラー２５に向かい、波長選択ミラー２５で反射され、レーザ光出射端面６１を照明する。そして、レーザ光出射端面６１で反射された戻り光が波長選択ミラー２５で反射されて光学観測装置８２に導かれ、光学観測装置８２によって、レーザ光出射端面６１を光学的に観測できる。この観測結果に基づいて、レーザ光出射端面６１の状態、例えば、ホコリ等の付着状態や端面の焼き付きあるいは破損の有無等を検査することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１を光学的に観測するための透過窓２６と波長選択ミラー２５とをレーザ加工ヘッド２０に設けることにより、レーザ加工ヘッド２０の外部から光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１を検査できるようにした。このように、波長選択ミラー２５を介して、透過窓２６から光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１を観測することで、レーザ光出射端面６１の状態をｉｎ−ｓｉｔｕで（実際に透過窓２６と波長選択ミラー２５とをレーザ加工ヘッド２０に設けたときの位置関係で、レーザ加工ヘッドに光ファイバが接続された状態となるようにして）検査できる。このことにより、例えば、光ファイバ６０の適切な交換時期を決めることができる。また、レーザ加工ヘッド２０から光ファイバ６０を取り外すことなく、レーザ光出射端面６１の状態を検査できるため、レーザ加工ヘッド２０のメンテナンス頻度を適切に定めることができ、メンテナンス等にかかるコストを抑制できる。

なお、導光部材８３として光ファイバを用いる場合は、透過窓２６の代わりに光ファイバポート（図示せず）を設け、光ファイバを接続するようにするとよい。また、図示しないが、透過窓２６に嵌め込まれた保護ガラス２７の内面及び表面には、照明光源８１からの照明光及びレーザ光出射端面６１からの戻り光の反射を抑制する反射防止膜が設けられているのが好ましい。また、光ファイバ検査装置８０として光コヒーレンストモグラフィー（Optical Coherence Tomography）装置を用いると、レーザ光出射端面６１の状態を高分解能で観測でき、検査精度が向上する。

また、図示しないが、透過窓２６または光ファイバポートの筐体２１側の面に接して、あるいは近傍に、照明光源８１からの照明光を透過する一方、レーザ光７０をカットする波長選択フィルタが設けられていてもよい。このような構成とすることで、光学観測装置８２に入射するレーザ光７０の成分を大幅に低減でき、観測精度を向上できる。

（実施形態２）
図３は、本実施形態に係る、光ファイバ６０と光ファイバ検査装置８０とが取り付けられたレーザ加工ヘッド２０ａの要部を示す。

本実施形態に示す構成と実施形態１に示す構成（図２参照）とは、筐体２１に対し着脱可能な光学ブロック２８が取り付けられている点で異なる。光学ブロック２８は、筐体２１におけるコリメータレンズ２３と集光レンズ２４との間に、レーザ光７０及び照明光源８１からの光を通過させるように上下に開口または透過窓（図示せず）を有する。この光学ブロック２８の側壁には、透過窓２６が設けられ、内部に波長選択ミラー２５が設けられている。なお、光学ブロック２８を構成する材料は筐体２１と同じ材料であるのが好ましい。

前述したように、波長選択ミラー２５はレーザ光７０を透過するように構成されているが、１００％の透過率を有する波長選択ミラー２５を実現することは難しく、レーザ光７０の一部、例えば０．数％が反射されて筐体２１に吸収される。

一方、レーザ加工において、レーザ光７０の高出力化が求められており、上記の反射によるレーザ光７０のロスも抑制する必要がある。また、筐体２１がレーザ光７０の一部を吸収することにより、筐体２１の温度が上昇し熱膨張する。このことにより、筐体２１の内部に設けられた光学部品の配置関係が所定の関係からずれてしまうおそれがある。また、温度上昇は、筐体２１の劣化を早め、寿命を短くするおそれがある。

そこで、本実施形態のように、筐体２１に対し着脱可能な光学ブロック２８を設け、これに光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１の状態を観測するのに必要な部品である波長選択ミラー２５と透過窓２６とを設ける。このことにより、通常のレーザ加工時には、光学ブロック２８を取り外してレーザ光７０のロスを抑制することができる。また、光ファイバ６０の検査時のみ筐体２１に光学ブロック２８を取り付けて、光ファイバ検査装置８０によりレーザ光出射端面６１の状態を観測することができる。

なお、実施形態１，２において、透過窓２６からレーザ光出射端面６１を観測するために、例えば、導光部材８３として光ファイバを用いてもよい。また、導光部材８３を用いなくてもよい。

また、波長選択ミラー２５の下面に波長選択フィルタが設けられていてもよいし、波長選択ミラー２５自体に上記の波長選択性が付与されていてもよい。

また、透過窓２６は、実施形態１では筐体２１の側壁に、実施形態２では光学ブロック２８の側壁に設けられているものとして説明したが、透過窓２６が設けられる位置は、側壁に限られない。すなわち、透過した、照明光源８１からのレーザ光７０と異なる所定の波長の光が波長選択ミラー２５により反射されて光ファイバ６０のレーザ光出射端面６１を直接的または間接的に照明する位置に設けられていればよい。

［効果等］
以上のように、筐体におけるコリメータレンズと集光レンズとの間に着脱可能な光学ブロックを備え、透過窓は、筐体に替えて光学ブロックに設けられており、波長選択ミラーは、光学ブロックの内部に設けられているのが好ましい。

この構成によれば、レーザ加工ヘッドから光ファイバを取り外すことなく、レーザ光出射端面を観測できるとともに、通常のレーザ加工時には、光学ブロックを取り外してレーザ光のロスを抑制することができる。

本開示の一態様に係るレーザ加工ヘッド、レーザ加工ヘッドに接続された光ファイバを検査する光ファイバ検査装置及び光ファイバ検査方法は、光ファイバを取り外すことなく、レーザ光出射端面の状態を検査できるため、高出力で大量のワークを加工するレーザ加工装置に適用する上で有用である。

１０ レーザ加工装置
２０ レーザ加工ヘッド
２０ａ レーザ加工ヘッド
２１ 筐体
２２ コネクタ
２３ コリメータレンズ
２４ 集光レンズ
２５ 波長選択ミラー
２６ 透過窓
２７ 保護ガラス
２８ 光学ブロック
３０ マニピュレータ
４０ 制御部
５０ レーザ発振器
６０ 光ファイバ
６１ レーザ光出射端面
７０ レーザ光
８０ 光ファイバ検査装置
８１ 照明光源
８２ 光学観測装置
８３ 導光部材
８４ 光分岐部材
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 光ファイバに接続され、ワークに向けて前記光ファイバで導波したレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドであって、
   前記レーザ光を平行光線に変換するコリメータレンズと、
   前記平行光線に変換された前記レーザ光を集光する集光レンズと、
   前記コリメータレンズと前記集光レンズとを内部に収容する筐体と、
   前記コリメータレンズと前記集光レンズとの間の前記レーザ光の光路中に設けられ、前記レーザ光を透過する一方、前記レーザ光と異なる所定の波長の光を反射する波長選択ミラーと、
   前記所定の波長の光が透過する位置且つ前記波長選択ミラーを介して前記光ファイバのレーザ光出射端面が光学的に観測可能な位置に設けられた透過窓と、を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記筐体における前記コリメータレンズと前記集光レンズとの間に着脱可能に設けられ、側壁に前記透過窓を有し、内部に前記波長選択ミラーを有する光学ブロックをさらに備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドに接続された前記光ファイバを検査する光ファイバ検査装置であって、
   前記透過窓から前記波長選択ミラーを介して前記レーザ光と異なる前記所定の波長の光で前記レーザ光出射端面を照明する照明光源と、
   前記照明光源に照明された前記レーザ光出射端面を、前記波長選択ミラーを介して前記透過窓から観測する光学観測装置と、を備えることを特徴とする光ファイバ検査装置。
4. 請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドに接続された前記光ファイバを検査する光ファイバ検査方法であって、
   前記透過窓から前記波長選択ミラーを介して前記レーザ光と異なる前記所定の波長の光で前記レーザ光出射端面を照明する照明ステップと、
   前記レーザ光と異なる前記所定の波長の光で照明された前記レーザ光出射端面を、前記波長選択ミラーを介して前記透過窓から光学的に観測する観測ステップと、
   前記観測ステップにおける観測結果に基づいて、前記レーザ光出射端面の状態を検査する検査ステップと、を含むことを特徴とする光ファイバ検査方法。

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