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再表2019-59031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
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2019年3月28日
【発行日】2020年12月24日
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
   B23K 26/00 20140101AFI20201127BHJP
   G02B 6/02 20060101ALI20201127BHJP
【FI】
   B23K26/00 M
   G02B6/02 B
   G02B6/02 451
   G02B6/02 416
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】18
【出願番号】特願2019-543562(P2019-543562)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2018年9月11日
(31)【優先権主張番号】特願2017-181746(P2017-181746)
(32)【優先日】2017年9月21日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100115554
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 幸一
(72)【発明者】
【氏名】長安 同慶
(72)【発明者】
【氏名】山下 隆之
(72)【発明者】
【氏名】星野 賢二
(72)【発明者】
【氏名】山口 秀明
(72)【発明者】
【氏名】加藤 直也
(72)【発明者】
【氏名】石川 諒
(72)【発明者】
【氏名】堂本 真也
(72)【発明者】
【氏名】江泉 清隆
【テーマコード(参考)】
2H250
4E168
【Fターム(参考)】
2H250AB03
2H250AF00
2H250AG02
2H250AG18
2H250AG27
2H250AG39
2H250AG61
2H250AH38
2H250AH42
2H250BC11
4E168CA00
4E168CA07
4E168DA26
4E168EA17
(57)【要約】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2010−214437号公報
【特許文献2】実開昭60−19007号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】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。
図2】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。
図3】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。
図4】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。
図5】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
[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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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=1.45、直径=27.5μm)およびクラッド(屈折率n=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。
【0034】
[数1]
R>((n+n)/(n−n))・d
ここで、dはコア径、nはコアの屈折率、n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。
【0035】
上記[数1]に、上述のコア径d、コアの屈折率n、およびクラッドの屈折率nを適用すると、許容曲げ半径RMAX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RMAX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。
【0036】
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。
【0037】
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を有する光のみを反射する。ブラッグ波長λは、コアの屈折率nおよび格子間隔Λを用いて、次式で表される。
【0038】
[数2]
λ=2nΛ
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)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’)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。
【0039】
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を検出することにより正確に検出することができる。
【0040】
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RMAX(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を、最大値λbMAX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がその最大値λbMAXを超えるか否かを判断する。そして制御部16は、最大値λbMAX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RMAXより小さい曲げ半径で湾曲したと判断する。
【0041】
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RMAX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RMAX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。
【0042】
なお、上記説明では、FBG38からの反射光Lfのブラッグ波長λがその最大値λbMAX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RMAX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、クラッドの屈折率n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(RMAX1,RMAX2)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RMAX2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。
【0043】
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RMAX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。
【0044】
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。
【0045】
[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。
【0046】
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、FBG38、およびFBG38を有するものであってもよい。FBG38、FBG38、およびFBG38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、FBG38、およびFBG38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。
【0047】
計測ファイバ36が3つのFBG38、FBG38、およびFBG38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、FBG38、およびFBG38はそれぞれ、例えば1520nm(λb1)、1525nm(λb2)、および1530nm(λb3)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λb1,λb2,λb3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。
【0048】
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、FBG38、およびFBG38からの反射光Lfは、例えば1522nm(λb1’)、1527nm(λb2’)、および1532nm(λb3’)に増大する。FBG38、FBG38、およびFBG38からの反射光Lfの各ブラッグ波長λの増大分は、実施の形態1と同様、FBG38、FBG38、およびFBG38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RMAX2に関連付けることができる。
【0049】
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、FBG38、およびFBG38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。
【0050】
[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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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)。
【0054】
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。
【0055】
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RMAX2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RMAX2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。
【産業上の利用可能性】
【0056】
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。
【符号の説明】
【0057】
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、38、38 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
図1
図2
図3
図4
図5
【国際調査報告】