JP2012027241A - ファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続方法及びファイバ接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを直接に接続してカップリングユニットを省略することが可能なファイバ接続構造を提供する。
【解決手段】フィーディングファイバケーブル８のレーザ光の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４のレーザ光の入射端４ａとを所定の隙間４３を空けて対向した状態でフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４がガラスからなる筒体４２内に固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバレーザ加工機に用いられるファイバの接続方法及び接続構造に関する。

ファイバレーザ加工機は、被加工材に対してレーザ光を照射することにより被加工材の切断等の加工を行う装置である。図４は、特許文献１に記載されたファイバレーザ加工機１を示す。

ファイバレーザ加工機１は、レーザ光源としてのファイバレーザ発振器２と、ファイバレーザ加工機２からレーザ光の供給を受けて被加工材Ｗに加工を行う加工テーブル３とを備え、これらが伝送ケーブルとしてのプロセスファイバケーブル４によって接続されている。

ファイバレーザ発振器２は、光エンジン６、フィーディングファイバケーブル８、カップリングユニット１０、電源ユニット１２、制御ユニット１４を備え、これらが筐体５内に収容されることにより形成されている。

光エンジン６は、レーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュール１５と、複数のファイバレーザモジュール１５からのレーザ光を受け入れてまとめることによりレーザ光の出力を大きくするコンバイナー１６とによって形成されている。

コンバイナー１６の出力側には、フィーディングファイバケーブル８が接続されており、フィーディングファイバケーブル８によってコンバイナー１６と、カップリングユニット１０とが接続されている。カップリングユニット１０の出力側にはプロセスファイバケーブル４が接続されており、プロセスファイバケーブル４によってカップリングユニット１０と加工テーブル３側の加工ヘッド１８とが接続される。この場合、フィーディングファイバケーブル８の出力端にコネクタを接続すると共に、プロセスファイバケーブル４の入力端にコネクタを接続し、これらのコネクタをカップリングユニット１０に差し込むことによりカップリングユニット１０とこれらのケーブル４、８との接続がなされている。

電源ユニット１２は、交流電源を直流電源に変換してファイバレーザモジュール１５や制御ユニット１４に電力を供給する。制御ユニット１４は、ファイバレーザ発振器２の制御を行う。

カップリングユニット１０は、出力エンジン６側からのフィーディングファイバケーブル８と、加工テーブル３側のプロセスファイバケーブル４とを接続することによりフィーディングファイバケーブル８によって伝送されたレーザ光をプロセスファイバケーブル４に出力するユニットである。

図５は、カップリングユニット１０による接続構造を示している。フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４はレーザ光の光軸上に位置するように配置されており、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａと、プロセスファイバケーブル４の入射端４ａとが光軸上で対向している。

この場合、フィーディングファイバケーブル８のコア径は５０μｍ程度、プロセスファイバケーブル４のコア径はフィーディングファイバケーブル８のコア径よりも太い１００〜２００μｍ程度となっている。

図５に示すように、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４との間の光路上には、コリメータレンズ２０及びフォーカシングレンズ２１が配置されている。コリメータレンズ２０は、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａから出射するレーザ光７を平行光束とし、フォーカシングレンズ２１はこの平行光束をプロセスファイバケーブル４の入射端４ａに集光させるものである。

図４で示すように、加工テーブル３には、被加工材Ｗが載置されている。又、加工テーブル３には、Ｘ軸方向に移動制御されるＸ軸キャリッジ２４が設けられ、このＸ軸キャリッジ２４にＹ軸キャリッジ２５がＹ軸方向に移動制御可能に取り付けられている。

Ｙ軸キャリッジ２５には、加工ヘッド１８が取り付けられている。加工ヘッド１８は、被加工材Ｗに臨むノズル２７を有している。ノズル２７は、プロセスファイバケーブル４に伝送されたレーザ光をＺ軸方向から被加工材Ｗに対して集光照射する。この集光照射により切断等の被加工材Ｗへの加工が行われる。

なお、図示を省略するが、加工ヘッド１８にはプロセスファイバケーブル４から出射したレーザ光を平行光束とするコリメータレンズ及びコリメータレンズからのレーザ光を集光する集光レンズが配置されるものである。

又、図示を省略するが、被加工材Ｗへの加工の際に発生した反射光がファイバレーザ発振器２に戻ることを防止するビームシャッタが設けられる。ビームシャッタは、例えば、カップリングユニット１０とプロセスファイバケーブル４との接続部分や、カップリングユニット１０とフィーディングファイバケーブル８との接続部分等に設けられるものである。

以上のようなファイバレーザ加工機１においては、カップリングユニット１０を用いることから、以下のような問題点を有している。

（１）カップリングユニット１０においては、フィーディングファイバケーブル８からプロセスファイバケーブル４にレーザ光を伝送するためにコリメータレンズ２０、フォーカシングレンズ２１を用いることから（図５参照）、レンズによるレーザ光７の収差があり、出力が低減する。

（２）プロセスファイバケーブル４のコア径がフィーディングファイバケーブル８のコア径よりも大きいため、レーザ光７を伝送する際にレーザ光７の輝度が低減する。

（３）カップリングユニット１０がファイバレーザ発振器２の大きさに影響し、ファイバレーザ発振器２を小型化することが難しい。

（４）コリメータレンズ２０やフォーカシングレンズ２１を介してレーザ光７を伝送するため、その調整が難しい。

以上の問題点を解消するため、カップリングユニット１０を省くことが良好であり、カップリングユニット１０を用いることなくフィーディングファイバケーブル８を直接に加工ヘッド１８に接続する第１の改良案が考えられる。

又、第２の改良案として、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とを融着してこれらを直接に接続することが考えられる。

図６は、第２の改良案の構造を示し、フィーディングファイバケーブル８の出射端とプロセスファイバケーブル４の出射端とを突き合わせ、この突き合わせ状態に対して熱３３を加えるものである。突き合わせは、フィーディングファイバケーブル８のコア２９とプロセスファイバケーブル４のコア３１とが同軸状となるように行われ、これらのケーブル４、８のクラッド３０、３２の外側から熱３３を加えて加熱するものである。この加熱により、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とが融着してフィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とが直接に接続される。

特開２００９−２２６４７３号公報

しかしながら、上述した第１の改良案では、フィーディングファイバケーブル８のコネクタが故障したとき、光エンジン６のコンバイナー１６を交換する必要がある。又、被加工材Ｗの加工の際に光エンジン６に戻る反射光の量が増え、信頼性に影響する。さらに、フィーディングファイバケーブル８のコア径が決まっていることから、被加工材Ｗへの加工条件に合わせた大きな出力のレーザ光を伝送することができない問題がある。これらのことから、フィーディングファイバケーブル８を加工ヘッド１８に直接に接続する第１の改良案は現実的ではない。

図６に示す第２の改良案では、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４との融着時に熱が加わった部分でこれらのケーブル４，８におけるコアの形状の歪みが生じる。図７は、この状態を示し、コアの歪み３４がケーブル４、８の融着部分に生じ、この歪み３４によって集光性等のレーザ光のビーム品質が劣化する。又、図６の構造では、プロセスファイバケーブル４を切り換えるためには、スプライスを切り、スプライスを切った後に再度融着する必要があり、プロセスファイバケーブル４の切り換えが面倒となる問題がある。これらのことから、第２の改良案も現実的ではない。

そこで本発明は、第１の改良案及び第２の改良案の問題点が生じることがなく、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とを直接に接続することができ、これによりカップリングユニット１０を省略することが可能なファイバ接続方法及びファイバ接続構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ファイバレーザ発振器が生成したレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、このフィーディングファイバケーブルによって取り出されるレーザ光を被加工材に対して集光照射する加工ヘッドに伝送するプロセスファイバケーブルとを備えたファイバレーザ加工機に用いられ、前記フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを接続するファイバ接続方法であって、前記フィーディングファイバケーブルのレーザ光の出射端と前記プロセスファイバケーブルのレーザ光の入射端とを所定の隙間を空けて対向するようにフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルをガラスからなる筒体内に固定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続方法であって、前記筒体におけるフィーディングファイバケーブルの出射端とプロセスファイバケーブルの入射端との隙間に対応した部分をフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルの融点より低いガラスの軟化点温度で加熱して、前記隙間を溶融したガラスで満たし、この状態でフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを前記筒体の内部に固定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、ファイバレーザ発振器が生成したレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、このフィーディングファイバケーブルによって取り出されるレーザ光を被加工材に対して集中照射する加工ヘッドに伝送するプロセスファイバケーブルとを備えたファイバレーザ加工機に用いられ、前記フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを接続するファイバ接続構造であって、前記フィーディングファイバケーブルのレーザ光の出射端と前記プロセスファイバケーブルのレーザ光の入射端とを所定の隙間を空けて対向した状態で前記フィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルがガラスからなる筒体内に固定されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載のファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続構造であって、前記筒体におけるフィーディングファイバケーブルの出射端とプロセスファイバケーブルの入射端との隙間に対応した部分が前記ガラスを加熱して溶融することによって形成された溶融体によって満たされていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、フィーディングファイバケーブルのレーザ光の出射端とプロセスファイバケーブルのレーザ光の入射端とを所定の隙間を空けて対向するようにフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルをガラスからなる筒体内に固定することにより、フィーディングファイバケーブルからのレーザ光をプロセスファイバケーブルに直接に伝送することができるため、カップリングユニットを省略することができる。

又、請求項１記載の発明によれば、フィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルを筒体内から取り出して交換することが可能であり、レーザ光の出力に合わせたコア径のフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルへの切り換えが簡単となる。

さらに、フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを融着して接続する構造ではないため、融着の際の熱によってケーブルのコアに歪みが生じることない。

以上により、第１の改良案及び第２の改良案の問題点が生じることなく、しかもカップリングユニットを省略することができる。

請求項２記載の発明によれば、フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルの間の隙間を溶融したガラスで満たしてフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを筒体の内部に固定するため、フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを確実に接続することができる。又、ガラスの溶融は、フィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルの融点よりも低い温度であるガラスの軟化点温度で加熱することにより行うため、フィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルのコアに歪みを生じることなく、これらのケーブルを接続することができ、レーザ光のビーム品質が劣化することがない。

請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様に、カップリングユニットを省略した構造とすることができ、しかもフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルの切り換えが簡単であり、さらには、ケーブルのコアに歪みが生じることがない。

請求項４記載の発明によれば、ガラスの溶融体を満たすことによりフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルを直接に接続するため、請求項２記載の発明と同様に、フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを確実に接続することができ、しかもコアに歪みが生じることがなくレーザ光のビーム品質が劣化することがない。

本発明の第１実施形態のファイバ接続構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のファイバ接続構造を示す断面図である。 レーザ光の伝送を示す断面図である。 ファイバレーザ加工機を示す斜視図である。 カップリングユニット内におけるケーブルの接続構造を示す側面図である。 第２の改良案を示す断面図である。 第２の改良案の問題点を示す断面図である。

以下、本発明を図示した実施形態により具体的に説明する。なお、各実施形態において、図４〜図７に示す部材と同一の部材は同一の符号を付して対応させてある。

[第１実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態のファイバ接続構造４１を示す断面図である。

ファイバ接続構造４１は、図４に示すファイバレーザ加工機１に適用されるものである。すなわち、図４に示すように、ファイバレーザ発振器２は、複数のファイバモジュール１５と、複数のファイバモジュール１５からのレーザ光を受け入れてまとめるコンバイナー１６とを有している。又、加工テーブル３においては、Ｘ軸キャリッジ２４がＸ軸方向に移動制御され、Ｙ軸キャリッジ２５がＹ軸方向に移動制御される。Ｙ軸キャリッジ２５には、被加工材Ｗに臨むノズル２７を有する加工ヘッド１８が取り付けられている。さらに、図示を省略するが、被加工材Ｗへの加工の際に発生した反射光がファイバレーザ発振器２に戻ることを防止するビームシャッタが適宜位置に設けられる。

この実施形態では、コンバイナー１６に接続されるフィーディングファイバケーブル８と、加工ヘッド１８に接続されるプロセスファイバケーブル４とを直接に接続するものであり、図４に示すカップリングユニット１０が省略される。

図１に示すように、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とがガラスからなる筒体４２の両端から筒体４２の空洞部４２ａに挿入されている。筒体４２は、フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４の融点よりも低い軟化点温度のガラスが用いられる。

フィーディングファイバケーブル８は、芯材となるコア２９及びコア２９を被覆するクラッド３０によって形成され、プロセスファイバケーブル４もコア３１及びコア３１を被覆するクラッド３２によって形成されている。なお、フィーディングファイバケーブル８のコア２９の径は、５０μｍ程度であり、プロセスファイバケーブル４のコア３１の径は、これよりも太い１００〜２００μｍ程度となっている。

これらのケーブル４、８の筒体４２への挿入は、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４の入射端４ａとが対向すると共に、入射端４ａと出射端８ａとの間に所定の隙間４３を形成するように行われる。又、これらのケーブル４、８の入射端４ａ及び出射端８ａの対向状態を保持するため、樹脂からなる固定用部材４４、４５が筒体４２内に充填される。固定用部材４４は、フィーディングファイバケーブル８と筒体４２との間に充填されることにより同ケーブル８を保持し、固定用部材４５はプロセスファイバケーブル４と筒体４２との間に充填されることにより同ケーブル４を保持する。

次に、この実施形態の接続方法を説明する。

筒体４２の両端からフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４を挿入し、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４の入射端４ａとを接近させて、これらを対向させる。

この接近状態でアクティブアライメント（ａｃｔｉｖｅ−ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を行う。アクティブアライメントにおいては、フィーディングファイバケーブル８から光をコア２９に導入し、この光がプロセスファイバケーブル４を通過する通過率が最大値となるようにフィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びプロセスファイバケーブル４の入射端４ａの位置を相対的に調整する。

この調整の後、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４の入射端４ａとの間に隙間４３を形成するように固定用部材４４、４５によってこれらのケーブル４、８を筒体４２内に固定する。

このような実施形態によれば、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４の入射端４ａとを隙間４３を空けて対向するようにフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４を筒体４２内に固定するため、フィーディングファイバケーブル８からのレーザ光をプロセスファイバケーブル４に直接に伝送することができる。このため、カップリングユニットを省略することができる。

又、このファイバ接続構造４１によれば、フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４を筒体４２内から取り出して交換することが可能であり、従って、レーザ光の出力に合わせたコア径のフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４への切り換えが簡単となる。さらに、フィーディングファイバケーブル８とプロセスファイバケーブル４とを融着して接続する構造と異なり、融着の際の熱によってケーブルのコアに歪みが生じることない。

[第２実施形態]
図２及び図３は、本発明の第２実施形態のファイバ接続構造４７を示す断面図である。

この実施形態においても、ガラスからなる筒体４２の空洞部４２ａ内にフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４が挿入される。このとき、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａと、プロセスファイバケーブル４の入射端４ａとが隙間４３を有して対向するようにケーブル４、８が筒体４２内に挿入されるものである。この実施形態においては、筒体４２としてフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４の融点よりも低い軟化点温度のガラスが用いられるものである。

又、この実施形態においても、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びプロセスファイバケーブル４の入射端４ａの対向状態を保持するため、樹脂からなる固定用部材４４、４５がそれぞれ筒体４２内に充填されるものである。

この実施形態においては、筒体４２における出射端８ａ及び入射端４ａが対向している隙間４３に対応した部分を加熱することにより、隙間４３に対応した部分を溶融する。これにより、隙間４３がガラス（筒体４２）の溶融体４９によって満たされる。隙間４３を満たした溶融体４９は、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びプロセスファイバケーブル４の入射端４ａを固定状態とするため、出射端８ａ及び入射端４ａが位置ずれすることない。これにより、フィーディングファイバケーブル８からのレーザ光５０をプロセスファイバケーブル４に確実に伝送することができる。図３は、レーザ光５０の伝送状態を示し、フィーディングファイバケーブル８から出射したレーザ光５０が発散した状態でプロセスファイバケーブル４に入射する。

次に、この実施形態の接続方法を説明する。

第１実施形態と同様に、筒体４２の両端からフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４を挿入し、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａとプロセスファイバケーブル４の入射端４ａとを接近させて、これらを対向させる。

その後、フィーディングファイバケーブル８から光をコア２９に導入し、この光がプロセスファイバケーブル４を通過する通過率が最大値となるようにフィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びプロセスファイバケーブル４の入射端４ａの位置を相対的に調整するアクティブアライメントを行う。

その後、筒体４２における隙間４３部分を加熱することにより、隙間４３部分のガラスを溶融する。図２における符号４８は、この加熱領域を示す。加熱は、フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４の融点より低い軟化点温度で行う。このような温度による加熱領域４８への加熱により、筒体４２における隙間４３に対応した部分が溶融し、隙間４３がガラスの溶融体４９によって満たされる。隙間４３を満たした溶融体４９は、フィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びプロセスファイバケーブル４の入射端４ａを固定状態とする。

そして、樹脂からなる固定用部材４４，４５を筒体４２内に充填してフィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４を筒体４２内に固定する。

このような実施形態によれば、隙間４３が溶融体４９によって満たされ、この溶融体４９によってフィーディングファイバケーブル８の出射端８ａ及びこれに対向したプロセスファイバケーブル４の入射端４ａを確実に固定することができる。このため、フィーディングファイバケーブル８からのレーザ光５０を損失することなくプロセスファイバケーブル４に伝送することができる。

又、溶融体４９の形成は、フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４の融点よりも低い温度で行うため、フィーディングファイバケーブル８及びプロセスファイバケーブル４のコア３０，３１に歪みを生じることなくケーブルを接続することができ、レーザ光のビーム品質が劣化することがない。

さらに、この実施形態では、第１実施形態と同様に、フィーディングファイバケーブル８からのレーザ光をプロセスファイバケーブル４に直接に伝送するため、カップリングユニットを省略することが可能となる。

１ ファイバレーザ加工機
２ ファイバレーザ発振器
３ 加工テーブル
４ プロセスファイバケーブル
４ａ 入射端
８ フィーディングファイバケーブル
８ａ 出射端
１８ 加工ヘッド
２９、３１ コア
４１、４７ ファイバ接続構造
４２ 筒体
４３ 隙間
４４、４５ 固定用部材
４８ 加熱領域
４９ 溶融体

Claims (4)

1. ファイバレーザ発振器が生成したレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、このフィーディングファイバケーブルによって取り出されるレーザ光を被加工材に対して集光照射する加工ヘッドに伝送するプロセスファイバケーブルとを備えたファイバレーザ加工機に用いられ、前記フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを接続するファイバ接続方法であって、
   前記フィーディングファイバケーブルのレーザ光の出射端と前記プロセスファイバケーブルのレーザ光の入射端とを所定の隙間を空けて対向するようにフィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルをガラスからなる筒体内に固定することを特徴とするファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続方法。
2. 請求項１記載のファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続方法であって、
   前記筒体におけるフィーディングファイバケーブルの出射端とプロセスファイバケーブルの入射端との隙間に対応した部分をフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルの融点より低いガラスの軟化点温度で加熱して、前記隙間を溶融したガラスで満たし、この状態でフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを前記筒体の内部に固定することを特徴とするファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続方法。
3. ファイバレーザ発振器が生成したレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、このフィーディングファイバケーブルによって取り出されるレーザ光を被加工材に対して集中照射する加工ヘッドに伝送するプロセスファイバケーブルとを備えたファイバレーザ加工機に用いられ、前記フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとを接続するファイバ接続構造であって、
   前記フィーディングファイバケーブルのレーザ光の出射端と前記プロセスファイバケーブルのレーザ光の入射端とを所定の隙間を空けて対向した状態で前記フィーディングファイバケーブル及びプロセスファイバケーブルがガラスからなる筒体内に固定されていることを特徴とするファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続構造。
4. 請求項３記載のファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続構造であって、
   前記筒体におけるフィーディングファイバケーブルの出射端とプロセスファイバケーブルの入射端との隙間に対応した部分が前記ガラスを加熱して溶融することによって形成された溶融体によって満たされていることを特徴とするファイバレーザ加工機に用いられるファイバ接続構造。

Images