JPWO2019059031A1 - プロセスファイバおよびこれを用いたレーザ加工システム - Google Patents

Abstract

プロセスファイバ（２０）は、レーザ加工システム（１）の加工レーザ光源（１２）からの加工レーザ光を伝送する第１の光伝送部を含むプロセスファイバ（２０）であって、計測レーザ光源（１４）と、第１の光伝送部に沿って固定され、計測レーザ光源（１４）からの計測レーザ光を伝送する第２の光伝送部と、を備え、第２の光伝送部から反射した計測レーザ光に基づいて、所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成される。

Description

本開示は、プロセスファイバおよびこれを用いたレーザ加工システムに関する。

ダイレクト・ダイオード・レーザ（ＤＤＬ）光源等からの高出力の加工レーザ光を、プロセスファイバを介して加工ヘッドまで伝送し、集光および照射することにより、被加工材（ワーク）を溶接、溶断、穿孔等するレーザ加工システムが広く用いられている。

レーザ加工の生産性を向上させるためには、被加工材に対する加工ヘッドの位置および角度を高速で移動および回転させる必要がある。したがって、レーザ加工の生産性を向上させるためには、レーザ加工中、プロセスファイバの曲げ半径が、許容値より小さくならないように管理することが重要である。特に高出力の加工レーザ光を伝送する場合、プロセスファイバを過度に折り曲げると、プロセスファイバを構成する光ファイバのコアからクラッドへ高出力レーザ光が漏れ出すため、レーザ光の出力が減少し、ひいてはプロセスファイバが破損する虞がある。

例えば特許文献１には、レーザ発振器と加工ヘッドとを光学的に接続している光ファイバーケーブル（プロセスファイバ）の途中を、少なくとも２つのスプリングバランサで吊り下げて保持することが開示されている。そのため、特許文献１では、加工ヘッドが全方位に作動するレーザ加工装置において、加工ヘッドの動作及び姿勢制御における制約が少なくなる。

また特許文献２には、破断曲率（許容曲げ半径）に至るまでは柔軟に曲がるものの、破断曲率を越えると曲がりにくい剛性を有する光ファイバーケーブルが開示されている。特許文献２の第１図に示す光ファイバーケーブルは、レーザ加工に供するレーザ光を伝送するものである。そして、この光ファイバーケーブルは、光ファイバー素線の周囲に独立した複数の内側パイプが配置され、さらにその周囲に独立した複数の外側パイプが配置された二重管構造を有する。また、各内側パイプは、隣接する外側パイプにそれぞれピンを用いて固定されている。

このように構成された特許文献２の光ファイバーケーブルが曲がると、これに応じて各内側パイプが屈曲しようとするが、ピンで固定された外側パイプが内側パイプの屈曲を阻害するため、光ファイバーケーブル全体は、破断曲率を超えて大きく曲がることはない。

特開２０１０−２１４４３７号公報 実開昭６０−１９００７号公報

特許文献１に記載の光ファイバーケーブルは、スプリングバランサで吊り下げて保持されるので、加工ヘッドの動作や姿勢制御における制約をある程度緩和することができる。しかし、その不測の動作や姿勢により、光ファイバーケーブルが、許容曲げ半径より小さい半径に折れ曲がることを防止するものではない。

また特許文献２の光ファイバーケーブルは、光ファイバーケーブルが破断曲率を超えて大きく曲がることはないが、外側パイプにピンで固定された内側パイプを有するため、これらの構成部品の質量（重量）が増大する。そのため、この光ファイバーケーブルに接続された加工ヘッドを、高速に移動および回転させることができないという課題があった。

本開示は、上記課題に鑑み、加工ヘッドの動作中、許容曲げ半径より小さい曲げ半径に湾曲する（曲がる）ことが生じ難いプロセスファイバを提供することを目的とする。

本開示に係るプロセスファイバは、レーザ加工システムの加工レーザ光源からの加工レーザ光を伝送する第１の光伝送部を含むプロセスファイバであって、計測レーザ光源と、第１の光伝送部に沿って固定され、計測レーザ光源からの計測レーザ光を伝送する第２の光伝送部と、を備え、第２の光伝送部は反射部を有し、反射部で反射した計測レーザ光に基づいて、所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成される。

本開示の実施形態に係るプロセスファイバは、加工ヘッドの動作中、許容曲げ半径より小さい曲げ半径で湾曲することを防止することが容易になる。

本開示に係るレーザ加工システムの概略的構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るプロセスファイバの概略的構成を示す一部破断平面図である。 実施の形態１に係る計測ファイバの概略的構成を示す平面図である。 実施の形態１の変形例に係るプロセスファイバの概略的構成を示す一部破断平面図である。 実施の形態１の変形例に係る計測ファイバの概略的構成を示す平面図である。

まず、本開示の概略的構成を説明する。本開示に係るレーザ加工システムは、加工レーザ光源と、その加工レーザ光を伝送する第１の光伝送部（加工ファイバ）と、計測レーザ光源と、第１の光伝送部に沿って固定され、計測レーザ光源からの計測レーザ光を伝送する第２の光伝送部（計測ファイバ）と、第２の光伝送部が有する反射部で反射した計測レーザ光に基づいて、所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出する制御部と、を備える。

第２の光伝送部の反射部で反射した計測レーザ光の波長の変動に基づいて、第１の光伝送部の曲げ半径を検出し、その許容曲げ半径を検出するとともに、実際に被加工材（ワーク）をレーザ加工する前に、加工ファイバが許容曲げ半径より小さく湾曲しないようにマニピュレータの動作を適切にプログラムすることができる。

レーザ加工システムは、例えば、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を用いて、第１の光伝送部の曲げ半径を検出してもよい。具体的には、第２の光伝送部は、所定位置に配置された少なくとも１つのひずみセンサ（ＦＢＧ）を含み、ひずみセンサは、固有のピーク波長を有する計測レーザ光を反射し、制御部は、ひずみセンサで反射した計測レーザ光に基づいて、所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出するものであってもよい。

このとき第２の光伝送部は、フォトニック・クリスタル・ファイバを含み、ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、固有の波長を有する計測レーザ光を反射するものであってもよい。

また、第２の光伝送部は、複数のひずみセンサを含み、これらのひずみセンサは、それぞれ固有の波長を有する計測レーザ光を反射し、制御部は、複数のひずみセンサで反射した計測レーザ光に基づいて、複数の所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出してもよい。

またレーザ加工システムは、例えば、いわゆるＦＢＩゲージシステムを用いて、第１の光伝送部の曲げ半径を検出してもよい。具体的には、計測レーザ光源は、波長可変光源を有し、制御部は、第２の光伝送部から反射したレイリー散乱光に基づいて、所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出してもよい。

なお、レーザ加工システムは、第１の光伝送部の出射端に配置された加工ヘッドと、加工ヘッドの位置および方向を操作するマニピュレータと、をさらに備え、制御部は、マニピュレータを制御するとともに、加工ヘッドに隣接した所定位置における第１の光伝送部の曲げ半径を検出してもよい。第１の光伝送部は、加工ヘッドに隣接した位置において、曲げ半径が許容曲げ半径より小さく折れ曲がることに起因した不具合が生じやすい。そのため、加工ヘッドに隣接した位置での第１の光伝送部の曲げ半径を検出することにより、不具合を未然防止することができる。

次に、図を参照して本開示に係るプロセスファイバを含むレーザ加工システムの実施形態を以下に説明する。各実施形態の説明において、理解を容易にするために位置を表す用語（たとえば「遠位」および「近位」等）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本開示を限定するものでない。なお各図において、レーザ加工システムの各構成部品の形状または特徴を明確にするため、これらの寸法を相対的なものとして図示し、必ずしも同一の縮尺比で表したものではない。

［実施の形態１］
図１〜図３を参照しながら、本開示に係るレーザ加工システム１の実施の形態１を説明する。図１は、本開示に係るレーザ加工システム１の概略的構成を示すブロック図である。本開示に係るレーザ加工システム１は、概略、レーザ発振装置１０と、プロセスファイバ２０と、プロセスファイバ２０の出射端（遠位端）に配置された加工ヘッド４０と、加工ヘッド４０の位置および角度を調整するマニピュレータ５０と、プロセスファイバ２０を変位自在に保持するファイバ保持機構６０と、を備える。

図１に示すレーザ発振装置１０は、加工レーザ光Ｌｐ（図２）をプロセスファイバ２０の加工ファイバ（第１の光伝送部、図２）３０に出射する加工レーザ光源１２と、計測レーザ光Ｌｄ（図２）をプロセスファイバ２０の計測ファイバ（第２の光伝送部、図２）３６に出射し、その反射光Ｌｆ（図２）を受光する計測レーザ光送受信器１４と、制御部１６とを備える。加工レーザ光源１２は、これに限定するものではないが、例えば高出力の加工レーザ光Ｌｐを出射するダイレクト・ダイオード・レーザ（ＤＤＬ）光源であってもよい。

実施の形態１に係る計測レーザ光送受信器１４は、詳細図示しないが、例えばピーク波長が１５５０ｎｍのシングルモードレーザ光Ｌｄ（計測レーザ光Ｌｄ）を出射する半導体レーザと、プロセスファイバ２０から反射する計測レーザ光Ｌｄの反射光（単に、反射光という）を受光するフォトダイオードとを有する。フォトダイオードは、例えば１５５０ｎｍをピーク中心とする所定の波長帯域を含む反射光Ｌｆを受光するものであってもよい。

制御部１６は、加工レーザ光源１２から出射される加工レーザ光Ｌｐの強度、および計測レーザ光送受信器１４の半導体レーザから出射される計測レーザ光Ｌｄの強度を調整する。また、制御部１６は、計測レーザ光送受信器１４のフォトダイオードが受光する反射光Ｌｆの強度および波長を検出するように構成されている。

また制御部１６は、マニピュレータ５０を制御して、加工ヘッド４０の位置および角度を調整するものである。ファイバ保持機構６０は、例えば図１に示すように、土台６２に回転自在に支持された支柱６４と、支柱６４に支持され、水平方向に延びるアーム６６と、アーム６６に懸垂され水平方向に移動可能なフック６８とを有する。ファイバ保持機構６０は、加工ヘッド４０から近位端付近（例えば加工ヘッド４０から約４ｍ）に位置するプロセスファイバ２０を吊り下げて移動可能に支持するものである。

上述のように、制御部１６は、加工レーザ光源１２から出射される加工レーザ光Ｌｐの強度を調整するとともに、加工ヘッド４０の位置および角度を調整するようにマニピュレータ５０を制御する。そして、制御部１６の制御により加工レーザ光Ｌｐを被加工材Ｗに照射して、被加工材Ｗを溶接、溶断、穿孔等するものである。

図２は、実施の形態１に係るプロセスファイバ２０の概略的構成を示す一部破断平面図である。図２に示すプロセスファイバ２０は、加工レーザ光源（図１）１２に連結される入射コネクタ２２と、計測レーザ光送受信器（図１）１４に連結される計測コネクタ２４と、中継ブロック２５と、加工ヘッド（図１）４０に連結される出射コネクタ２６とを有する。またプロセスファイバ２０は、入射コネクタ２２と中継ブロック２５との間に延びる入射−中継ファイバ２８ａと、中継ブロック２５と出射コネクタ２６との間に延びる中継−出射ファイバ２８ｂと、計測コネクタ２４と出射コネクタ２６との間に延びる計測ファイバ３６とを有する。

入射−中継ファイバ２８ａは、詳細図示しないが、樹脂で被膜された加工ファイバ３０を包囲する蛇腹状のステンレス管３２と、ステンレス管３２をさらに包囲する被覆チューブ３４とを有する。蛇腹状のステンレス管３２は、加工ファイバ３０を外力から保護するとともに、その制限的な屈曲を許容するものである。被覆チューブ３４は、例えば熱収縮性樹脂で形成されるものであってもよい。

中継−出射ファイバ２８ｂは、図２に示すように、加工ファイバ３０を包囲する蛇腹状のステンレス管３２と、ステンレス管３２の長手方向に沿ってこれに固定された計測ファイバ３６と、ステンレス管３２および計測ファイバ３６をさらに包囲する被覆チューブ３４とを有する。中継−出射ファイバ２８ｂの被覆チューブ３４は、同様に、例えば熱収縮性樹脂で形成され、加熱することにより、加工ファイバ３０（およびステンレス管３２）と計測ファイバ３６を一体に固定してもよい。

図３は、計測コネクタ２４および実施の形態１に係る計測ファイバ３６の概略的構成を示す平面図である。計測ファイバ３６は、外力から保護するために樹脂で被膜されている。また計測ファイバ３６は、上述の通り、中継ブロック２５内で中継−出射ファイバ（図２）２８ｂのステンレス管（図２）３２の長手方向に沿ってこれに固定されている。さらに実施の形態１に係る計測ファイバ３６は、詳細後述するが、加工ヘッド（図１）４０に隣接して配置された少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧという。）３８をひずみセンサの一例として有する。なお、計測ファイバ３６の遠位端（加工ヘッド４０に隣接した端部）は、図示のように、出射コネクタ（図２）２６に接続されていない。

上記説明したように、本開示に係るプロセスファイバ２０は、３つのコネクタ（すなわち入射コネクタ２２、計測コネクタ２４、および出射コネクタ２６）と、３つの光ファイバ（すなわち入射−中継ファイバ２８ａ、計測ファイバ３６、および中継−出射ファイバ２８ｂ）と１つの中継ブロック２５を備える。各光ファイバの長さは、例えば入射−中継ファイバ２８ａが約０．５ｍ、中継ブロック２５までの計測ファイバ３６が約２．０ｍ、そして中継−出射ファイバ２８ｂが約１９．５ｍとなるように設計してもよい。したがって、プロセスファイバ２０の加工ファイバ３０（すなわち入射コネクタ２２および出射コネクタ２６の間）は約２０ｍの長さを有し、計測ファイバ３６は約２１．５ｍの長さを有するものであってもよい。

計測ファイバ３６を構成する光ファイバ素線は、例えば合成石英ガラスで形成されたコア（屈折率ｎ_１＝１．４５、直径＝２７．５μｍ）およびクラッド（屈折率ｎ_２＝１．４４９２０５３、直径＝２４８μｍ）を有する。また、この光ファイバ素線は、クラッド最外径が３４２μｍで、コア受光開口ＮＡが０．０４８であるシングルモードのフォトニック・クリスタル・ファイバでであってもよい。このとき計測ファイバ３６を構成する光ファイバ素線が伝送損失を与えない（許容可能な）曲げ半径Ｒは、次式で定義することができる。

［数１］
Ｒ＞（（ｎ_１＋ｎ_２）／（ｎ_１−ｎ_２））・ｄ
ここで、ｄはコア径、ｎ_１はコアの屈折率、ｎ_２はクラッドの屈折率である。なお、上記［数１］については、JOHN A. BUCK氏著の「FUNDAMENTALS OF OPTICAL FIBERS」 2nd Ed. WILEY-INTERSCIENCE、2004. 105頁、式(4.18)を参照されたい。

上記［数１］に、上述のコア径ｄ、コアの屈折率ｎ_１、およびクラッドの屈折率ｎ_２を適用すると、許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸは１００．３ｍｍが得られる。すなわち計測ファイバ３６は、１００．３ｍｍの許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さい曲げ半径で折り曲げると、計測レーザ光Ｌｄの出力が減少し、伝送損失が著しく増大する。

一方、実施の形態１に係る計測ファイバ３６は、上述の通り、少なくとも１つのＦＢＧ３８を有する。ＦＢＧ３８は、計測ファイバ３６のコアの屈折率が周期的に変化するように構成されたファイバ型の回折格子デバイスである。ＦＢＧ３８は、例えば、計測ファイバ３６の被膜された樹脂の一部を剥離させた後、ゲルマニウムを含むコアに強い青色光を照射して、屈折率が高くなる領域を所定の格子間隔Λを隔てて周期的に形成することにより作製することができる。その後、例えば図３に示すように、剥離させた樹脂部分に相当する領域に、計測ファイバ３６を保護するための熱収縮性の樹脂膜を形成することが好ましい。

ＦＢＧ３８は、計測ファイバ３６に入射された計測レーザ光Ｌｄのうちブラッグ波長λ_ｂを有する光のみを反射する。ブラッグ波長λ_ｂは、コアの屈折率ｎ_１および格子間隔Λを用いて、次式で表される。

［数２］
λ_ｂ＝２ｎ_１Λ
フォトダイオードは、計測ファイバ３６のＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆを検出する。それによって、制御部１６は、計測ファイバ３６の長手方向の伸び（格子間隔Λの増大）に伴うブラッグ波長λ_ｂの増大を検出することができる。例えば、半導体レーザから計測ファイバ３６に入射される計測レーザ光Ｌｄが１５５０ｎｍを含む波長帯域を有し、計測ファイバ３６の長手方向の伸びがないとき、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆが１５５０ｎｍ（λ_ｂ）をピーク中心とする光を反射する場合を想定する。計測ファイバ３６が長手方向に伸びると、格子間隔Λが増大し、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのピーク波長が例えば１５５２ｎｍ（λ_ｂ’）に増大する。また計測ファイバ３６が湾曲すると、計測ファイバ３６の曲げ半径Ｒが小さくなることに伴い、同様に格子間隔Λが増大して、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂが大きくなる。換言すると、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂの変動を検出することにより、ＦＢＧ３８が配置された所定位置における計測ファイバ３６の曲げ半径Ｒの変動を検出することができる。

さらに計測ファイバ３６は、上述の通り、加工ファイバ３０に一体に固定されているので、計測ファイバ３６が湾曲する（伸びる）と、加工ファイバ３０も湾曲する（伸びる）。よって、本開示によれば、加工ヘッド４０の位置および角度の調整に伴う加工ファイバ３０の伸びまたは曲げ半径Ｒを、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂを検出することにより正確に検出することができる。

また、本開示に係る制御部１６は、計測ファイバ３６が上述の許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸ（１００．３ｍｍ）で湾曲したときのＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂを、最大値λ_ｂＭＡＸとして記憶する。そして制御部１６は、事前のテスト制御として、加工ファイバ３０に加工レーザ光Ｌｐを入射することなく、計測ファイバ３６に計測レーザ光Ｌｄを入射して、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂをモニタできる。そして制御部１６は、実際の加工時と同様の手順（プログラム）で、加工ヘッド４０の位置および角度を調整するようにマニピュレータ５０を制御する。このとき制御部１６は、モニタしていたＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂがその最大値λ_ｂＭＡＸを超えるか否かを判断する。そして制御部１６は、最大値λ_ｂＭＡＸを超える場合、計測ファイバ３６および加工ファイバ３０が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さい曲げ半径で湾曲したと判断する。

さらに制御部１６は、事前のテスト制御で、計測ファイバ３６および加工ファイバ３０が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さい曲げ半径で湾曲したと判断したとき、マニピュレータ５０が加工ヘッド４０の位置および角度の調整の手順（プログラム）を見直す。そして制御部１６は、再びテスト制御を行い、計測ファイバ３６および加工ファイバ３０が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さい曲げ半径で湾曲することがなくなるまで反復してテスト制御を行ってもよい。

なお、上記説明では、ＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆのブラッグ波長λ_ｂがその最大値λ_ｂＭＡＸを超えたとき、計測ファイバ３６および加工ファイバ３０がともに許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さい曲げ半径で湾曲したと判断するものとした。しかしながら、上記［数１］のパラメータである計測ファイバ３６および加工ファイバ３０のコア径ｄ、およびコアの屈折率ｎ_１、クラッドの屈折率ｎ_２は、両者において互いに異なることがある。この場合、制御部１６は、これらのパラメータに基づいて上記［数１］で得られた計測ファイバ３６および加工ファイバ３０のそれぞれの許容曲げ半径（Ｒ_ＭＡＸ１，Ｒ_ＭＡＸ２）の相関関係または比例関係を求める。そして制御部１６は、加工ファイバ３０が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸ２より小さい曲げ半径で湾曲することがなくなるまで反復してテスト制御を行ってもよい。

またプロセスファイバ２０（特に計測ファイバ３６および加工ファイバ３０）は、加工ヘッド４０に接続される出射コネクタ２６に隣接した部分が最も大きく曲がる傾向がある。したがって計測ファイバ３６内のＦＢＧ３８は、出射コネクタ２６に隣接した位置（例えば出射コネクタ２６から約０．１ｍ以下の距離だけ離れた位置）に配置することが好ましい。このように、計測ファイバ３６内のＦＢＧ３８からの反射光Ｌｆをリアルタイムでモニタすることにより、最も大きく曲がる傾向のあるプロセスファイバ２０の部分が、許容曲げ半径より小さく湾曲する（曲がる）ことを防止することができる。また、テスト制御を反復して行うことにより、実際に被加工材（ワーク）をレーザ加工する前に（加工レーザを照射することなく）、プロセスファイバ２０の曲げ半径をリアルタイムで検出できる。そして、曲げ半径が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸより小さくならないように、マニピュレータ５０の動作（加工ヘッドの位置の移動および角度）を事前に適切にプログラムすることができる。

なお、中継−出射ファイバ２８ｂは、被覆チューブ３４の内部に、加工ファイバ３０を包囲するステンレス管３２と、これに固定された計測ファイバ３６とを有するするものとして説明した（図２）。しかし中継−出射ファイバ２８ｂは、加工ファイバ３０を包囲するステンレス管３２を包囲する被覆チューブ３４を含む従来式のファイバケーブルに沿って計測ファイバ３６を、たとえばスパイラル状のケーブル結束部材を用いて固定してもよい。すなわち、加工ファイバ３０および計測ファイバ３６を長手方向に固定するものであれば、任意の構成を採用することができる。

［実施の形態１の変形例］
図４および図５を参照しながら、本開示に係る実施の形態１の変形例に係るレーザ加工システム１（図示しない）について以下説明する。この変形例に係るレーザ加工システム１（図示しない）は、計測ファイバ３６が複数のＦＢＧ３８を有する点を除き、実施の形態１と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。

図２および図３に示す計測ファイバ３６は、単一のＦＢＧ３８を有するものとして図示したが、図４および図５に示すように、３つのＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３を有するものであってもよい。ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３は、同様に、出射コネクタ２６に隣接した位置（例えば出射コネクタ２６から約０．５ｍ、約１．５ｍ、約２．５ｍの距離だけ離れた位置）に設けてもよい。また、プロセスファイバ２０は、ファイバ保持機構６０で吊り下げられる位置（例えば加工ヘッド４０から約４ｍの距離だけ離れた位置）に隣接した部分も大きく曲がる傾向があることが知られている。したがって、ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３は、ファイバ保持機構６０で吊り下げられる位置から加工ヘッド４０までの間に等間隔または適当な間隔を隔てて設けてもよい。また詳細図示しないが、計測ファイバ３６は２つまたは４つ以上のＦＢＧ３８を有していてもよい。

計測ファイバ３６が３つのＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３を有する場合、フォトダイオードは、例えば１５２０ｎｍ〜１５６０ｎｍを含む波長帯域を有する計測レーザ光Ｌｄを計測ファイバ３６に入射する。そして、ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３はそれぞれ、例えば１５２０ｎｍ（λ_ｂ１）、１５２５ｎｍ（λ_ｂ２）、および１５３０ｎｍ（λ_ｂ３）をピーク中心とする光を反射するように構成する。各ブラッグ波長λ_ｂ１，λ_ｂ２，λ_ｂ３は、上述のとおり、コアに強い青色光を照射して高屈折率を有する領域の格子間隔Λを調整することにより、任意に選択することができる。

計測ファイバ３６を含むプロセスファイバ２０が湾曲すると、ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３からの反射光Ｌｆは、例えば１５２２ｎｍ（λ_ｂ１’）、１５２７ｎｍ（λ_ｂ２’）、および１５３２ｎｍ（λ_ｂ３’）に増大する。ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３からの反射光Ｌｆの各ブラッグ波長λ_ｂの増大分は、実施の形態１と同様、ＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３が配置された各々の位置における加工ファイバ３０の許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸ２に関連付けることができる。

そして、実施の形態１の変形例に係る計測ファイバ３６内のＦＢＧ３８_１、ＦＢＧ３８_２、およびＦＢＧ３８_３からの反射光Ｌｆをリアルタイムでモニタする。したがって、大きく曲がる傾向のあるプロセスファイバ２０の複数の部分が、許容曲げ半径より小さく湾曲する（曲がる）ことを防止することができる。同様に、テスト制御を反復して行うことにより、実際に被加工材（ワーク）をレーザ加工する前に、プロセスファイバ２０の複数の部分が許容曲げ半径より小さく湾曲しないように、マニピュレータ５０の動作を適切にプログラムすることができる。

［実施の形態２］
次に、本開示に係るレーザ加工システム１の実施の形態２を説明する。実施の形態１では、計測ファイバ３６からの反射光Ｌｆを検出するために、ファイバ型の回折格子デバイスであるＦＢＧを用いた。それに対し、実施の形態２に係るレーザ加工システム１では、レイリー散乱光分布型センシングシステム（以下、「ＦＢＩゲージ・システム」という。）を採用した点を除き、同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。

実施の形態２に係る計測レーザ光送受信器１４は、詳細図示しないが、例えば１５１０ｎｍ〜１５７０ｎｍの間で周期的に波長が変化するレーザ光（測定光）を計測ファイバ３６に入射する波長可変レーザを有する。また計測レーザ光送受信器１４は、分光器を介して波長可変レーザからの測定光（参照光）を検出する検出デバイスを有する。この検出デバイスは、別の分光器を介して、測定光を受けて計測ファイバ３６内で生じるレイリー散乱光（反射光Ｌｆ）を検出する。すなわち検出デバイスは、参照光および測定光を検出し、両者間で生じる干渉による強度変化を検出するように構成されている。

また実施の形態２に係る制御部１６は、検出デバイスで検出された参照光と測定光との干渉光をフーリエ変換し、計測ファイバ３６内の長手方向の位置に依存する散乱光周波数を求めるように構成されている。

一般に、光ファイバを構成するガラス分子は、その密度に微小なばらつき（疎密）があり、こうした密度のばらつきは、それぞれの光ファイバに固有のものである。すなわち、光ファイバは、長手方向の各位置における密度のばらつきに起因して、強くレイリー散乱する光の波長が異なる。そのため光ファイバの各位置でのレイリー散乱光の波長の変化は、光ファイバの固有指紋情報と呼ばれている。そして、光ファイバの特定の位置にひずみが生じると、その位置に対応するレイリー散乱光の波長がシフトする（光ファイバの固有指紋情報が変化する）。

実施の形態２に係る制御部１６は、計測ファイバ３６にひずみを与えない状態で事前に測定した計測ファイバ３６の固有指紋情報を記憶しておく。そして制御部１６は、実施の形態１と同様、テスト制御を行ったときに（計測ファイバ３６にひずみを与えたときに）変化した固有指紋情報に基づいて、計測ファイバ３６内の長手方向の位置に依存するひずみ量（伸縮量）を検出するように構成されている。すなわち実施の形態２に係る計測レーザ光送受信器１４（波長可変光源を含む）および制御部１６は、ＦＢＩゲージ・システムを構成するものであって、計測ファイバ３６が湾曲する前後の反射光Ｌｆ（固有指紋情報）を比較することにより、計測ファイバ３６内の任意の位置におけるひずみ量（伸縮量）を検出することができる。

実施の形態２に係る制御部１６は、実施の形態１と同様の構成を有するものであるため詳細説明を省略するが、加工ファイバ３０の任意の位置における部分の許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸ２を検出する。また実施の形態２に係る制御部１６は、加工ファイバ３０の任意の位置における部分が許容曲げ半径Ｒ_ＭＡＸ２より小さく湾曲する（曲がる）ことを防止することができる。さらに、実施の形態１と同様、テスト制御を反復して行うことにより、実際に被加工材（ワーク）Ｗをレーザ加工する前に、プロセスファイバ２０の任意の部分が許容曲げ半径より小さく湾曲しないようにマニピュレータ５０の動作を適切にプログラムすることができる。

本開示は、許容曲げ半径より小さく湾曲することを防止できるプロセスファイバおよびレーザ加工システムに利用することができる。

１ レーザ加工システム
１０ レーザ発振装置
１２ 加工レーザ光源
１４ 計測レーザ光送受信器（計測レーザ光源）
１６ 制御部
２０ プロセスファイバ
２２ 入射コネクタ
２４ 計測コネクタ
２５ 中継ブロック
２６ 出射コネクタ
２８ａ 入射−中継ファイバ
２８ｂ 中継−出射ファイバ
３０ 加工ファイバ（第１の光伝送部）
３２ ステンレス管
３４ 被覆チューブ
３６ 計測ファイバ（第２の光伝送部）
３８、３８_１、３８_２、３８_３ ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）
４０ 加工ヘッド
５０ マニピュレータ
６０ ファイバ保持機構
６２ 土台
６４ 支柱
６６ アーム
６８ フック
Ｗ 被加工材

Claims (14)

1. レーザ加工システムの加工レーザ光源からの加工レーザ光を伝送する第１の光伝送部を含むプロセスファイバであって、
   計測レーザ光源と、
   前記第１の光伝送部に沿って固定され、前記計測レーザ光源からの計測レーザ光を伝送する第２の光伝送部と、を備え、
   前記第２の光伝送部は、反射部を有し、
   前記反射部で反射した前記計測レーザ光に基づいて、所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成された、
   プロセスファイバ。
2. 前記第２の光伝送部は、前記反射部として前記所定位置に配置された少なくとも１つのひずみセンサを含み、
   前記ひずみセンサは、固有のピーク波長を有する前記計測レーザ光を反射し、
   前記ひずみセンサで反射した前記計測レーザ光に基づいて、前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成された、
   請求項１に記載のプロセスファイバ。
3. 前記第２の光伝送部は、フォトニック・クリスタル・ファイバを含む、
   請求項２に記載のプロセスファイバ。
4. 前記ひずみセンサは、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを含み、
   前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、固有の波長を有する前記計測レーザ光を反射する、
   請求項２または３に記載のプロセスファイバ。
5. 前記第２の光伝送部は、複数のひずみセンサを含み、
   複数の前記ひずみセンサは、それぞれ固有の波長を有する前記計測レーザ光を反射し、
   複数の前記ひずみセンサで反射した前記計測レーザ光に基づいて、複数の前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成された、
   請求項２に記載のプロセスファイバ。
6. 前記計測レーザ光源は、波長可変光源であり、
   前記第２の光伝送部から反射したレイリー散乱光に基づいて、前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成された、
   請求項１に記載のプロセスファイバ。
7. 前記第１の光伝送部の出射端に配置された加工ヘッドの位置および方向を制御するとともに、前記加工ヘッドに隣接した前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出するように構成された、請求項１〜６のいずれか１項に記載のプロセスファイバ。
8. 加工レーザ光源と、
   前記加工レーザ光源からの加工レーザ光を伝送する第１の光伝送部と、
   計測レーザ光源と、
   前記第１の光伝送部に沿って固定され、前記計測レーザ光源からの計測レーザ光を伝送する第２の光伝送部と、
   前記第２の光伝送部が有する前記反射部で反射した前記計測レーザ光に基づいて、所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出する制御部と、を備えた、
   レーザ加工システム。
9. 前記第２の光伝送部は、前記反射部として前記所定位置に配置された少なくとも１つのひずみセンサを含み、
   前記ひずみセンサは、固有のピーク波長を有する前記計測レーザ光を反射し、
   前記制御部は、前記ひずみセンサで反射した前記計測レーザ光に基づいて、前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出する、
   請求項８に記載のレーザ加工システム。
10. 前記第２の光伝送部は、フォトニック・クリスタル・ファイバを含む、
    請求項９に記載のレーザ加工システム。
11. 前記ひずみセンサは、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを含み、
    前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、固有の波長を有する前記計測レーザ光を反射する、
    請求項９または１０に記載のレーザ加工システム。
12. 前記第２の光伝送部は、複数のひずみセンサを含み、
    複数の前記ひずみセンサは、それぞれ固有の波長を有する前記計測レーザ光を反射し、
    前記制御部は、複数の前記ひずみセンサで反射した前記計測レーザ光に基づいて、複数の前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出する、
    請求項９に記載のレーザ加工システム。
13. 前記計測レーザ光源は、波長可変光源であり、
    前記制御部は、前記第２の光伝送部から反射したレイリー散乱光に基づいて、前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出する、
    請求項８に記載のレーザ加工システム。
14. 前記レーザ加工システムは、前記第１の光伝送部の出射端に配置された加工ヘッドと、
    前記加工ヘッドの位置および方向を操作するマニピュレータと、をさらに備え、
    前記制御部は、前記マニピュレータを制御するとともに、前記加工ヘッドに隣接した前記所定位置における前記第１の光伝送部の曲げ半径を検出する、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。

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