レーザ加工装置及びレーザ加工方法
【課題】直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方が可能であり、そのレーザ光照射に均一なレーザ光照射が可能であり、半導体レーザ素子や光ファイバが故障しても容易に対応できる 。
【解決手段】 複数の半導体レーザ素子５と光ファイバ７を介して連結される接続コネクタ６と、光ファイバ４の照射側先端４ａが連結される多芯コネクタ３と、多芯コネクタ３に接続される第１の光ファイバ４と、接続コネクタ３と半導体レーザ素子５とを接続する第２の光ファイバ７であって半導体レーザ素子５に着脱自在な第２の光ファイバ７を備え、前記接続コネクタ６は、着脱自在な構成であり第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７と連結され構造であり、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングする。
【解決手段】 複数の半導体レーザ素子５と光ファイバ７を介して連結される接続コネクタ６と、光ファイバ４の照射側先端４ａが連結される多芯コネクタ３と、多芯コネクタ３に接続される第１の光ファイバ４と、接続コネクタ３と半導体レーザ素子５とを接続する第２の光ファイバ７であって半導体レーザ素子５に着脱自在な第２の光ファイバ７を備え、前記接続コネクタ６は、着脱自在な構成であり第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７と連結され構造であり、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置としては、レーザはんだ付け機等で実用化されているが、このようなレーザ加工装置には種々様々なものがある。
特許文献１は、複数の発光点を有するレーザ光源部と、前記レーザ光源部の隣接する複数の発光点から出射された複数のレーザ光を出射部にそれぞれ集光する複数の光回路と、矩形断面を有し、前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を伝達する複数の矩形状光ファイバと、前記複数の矩形状光ファイバの出射端を矩形断面の短辺方向に重ねて固定したバンドル部とを備える。
特許文献２は、複数の発光源を有する半導体レーザ素子又は１つの発光源を有する複数の半導体レーザ素子と、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面に形成され、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を連結して出射する１以上のレーザ光出射部と、が形成された光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ素子及び前記光導波路デバイスが設置された設置基板と、を備えた半導体レーザ素子用集光系である。
また、特許文献３は、レーザ光を発光する複数の発光手段と、前記発光手段から発光したレーザ光を入射して伝達するための光伝達手段と、前記光伝達手段の出射端から出射したレーザ光を被照射部に集光させる集光手段と、前記集光手段によって集光されたレーザ光の光強度分布を任意に設定できる光強度分布設定手段と、前記光強度分布設定手段によって設定された光強度分布となるように前記各発光手段に供給する各電流値を制御する制御手段を備えたーザ装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３６１６５５号公報
【特許文献２】特開２００２−３７４０３１号公報
【特許文献３】特開平１１−２５４１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、レーザ加熱加工する場合、半導体レーザ素子と連結される光ファイバが故障した場合には、これを交換する必要があるが、複数本のうちの一つを見つけることが困難になる場合があった。また、半導体レーザ素子側の配置は通常定まっているのに対して、集光機側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要があり、例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態（レーザ光の照射の仕方）があり、それに対応したレーザ光溶接装置が求められる。
しかしながら、上記半導体レーザ素子や光ファイバの故障などを考慮した上での上記レーザ光の照射の仕方に対応させるものは従来なかった。すなわち、従来では、いずれも集光器や光ファイバ等をすべて交換する必要がある。
【０００５】
また、レーザ光溶接する場合を例に説明すると、レーザ光が当たる箇所を一律に光照射することが溶接の均一化のために求められるが、レーザ光照射する対象やレーザ光の照射の仕方によって、レーザ光が当たる箇所を一律にレーザ照射することが困難な場合や、均一な溶接をするとしても、多数の光ファイバのうちのすべてを使用しなくとも、均一な照射ができる場合がある。例えば、図１５は、直線の場合のレーザ溶接の場合の例であるが、溶接対象ワークの目的とするレーザ光溶接箇所Ｌ１の両側Ｌ２，Ｌ３で温度が違う場合がある。ここでは、図１５中上側の温度が高く、かつ、下側の温度が低いとすると、レーザ光溶接する箇所に均一なレーザ光が照射されても、その両側で温度が異なると、その中心のレーザ光溶接する箇所がその影響を受けて、目的とするレーザ光溶接する箇所Ｌ１の均一なレーザ溶接ができなくなる問題を有していた。多数の光ファイバのうちのすべてを使用しなくとも均一な照射ができる場合としては、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方があるが、例えば、リング（ドーナツ型）の溶接の場合は中央に照射のための光ファイバを配置しても、その中央の光ファイバは使用しない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方が可能であり、光ファイバが故障してもそのスイッチングにより影響を少なくし、そして集光器側をユーザに応じてカスタマイズさせること容易なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置又はレーザ加工方法であって、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続手段と、光ファイバの照射側先端が連結される多芯コネクタと、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続手段と半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバを備え、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とする。
本発明によれば、複数の第１の光ファイバのうちのいくつかを接続して選択的にスイッチングすることで、第１の光ファイバからレーザ光が照射される。その場合の組み立ては、多芯コネクタに連結されている第１の光ファイバと半導体レーザ素子に連結されている第２の光ファイバとを接続手段により接続されて組み立てられる。したがって、集光機側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要がある場合（例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態がある場合）でも、柔軟の対応した接続が可能である。
本発明の前記接続手段としては、第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であったり、又、ミラーと該ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段であり、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバとがＸ方向とＹ方向に対応して配列されて連結される構造であったりすることで対応可能である。
第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であれば、組み立てが容易でありこれら光ファイバが故障した場合は、これらの交換が容易である。ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる構造であれば、ミラーの反射を利用して、第１の光ファイバと第２の光ファイバとを線や部材（機械的・物理的な物体）等で連結する必要がなく、両者が離れていても連結させることができる。
【０００８】
本発明としては、前記第１の光ファイバの数が前記第２の光ファイバの数よりも多いことが好ましい。ここで、前記第２の光ファイバと前記半導体レーザ素子との接続状態を着脱可能な構造にして、前記第２の光ファイバの数が前記半導体レーザ素子の数よりも多くしても良い。なお、半導体レーザ素子には、冷却手段が必要なこともあり、その小型化には限界があり、最小限度の数の半導体レーザ素子を配置するものとし、半導体レーザ素子の数を少なくして効率的なレーザ加工を行う。
本発明によれば、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングするが、第１の光ファイバの数が第２の光ファイバの数よりも多いので、例えば、第１の光ファイバが故障したとしても、その第１の光ファイバを接続コネクタから外して、他の第１の光ファイバに連結させるか、或いは、そもそも使用しない第１の光ファイバがある選択的スイッチングでは、そのままにして使用しても良い。半導体レーザ素子はすべて使用する状態になることが効率的である。したがって、任意の形状のレーザ光をワークに照射できるとともに、第１と第２の光ファイバが故障しても直ちに交換する必要がないので、レーザ溶接作業に支障が生じることがなく、レーザ加工の効率化が図られる。
【０００９】
本発明としては、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバの径の大きさが異なることが好ましい。例えば、集光器側の第１の光ファイバの径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、集光器側の集光状態を揃えやすくできるとともに、第２の光ファイバの確実で安定した接続状態を確保することができる。
【００１０】
本発明としては、集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることが好ましい。
本発明によれば、前記多芯コネクタは複数の光ファイバの光照射側を揃えることで（ソケットに接着剤を充填するなどして複数の光ファイバの光照射側を揃える）、集光器に取り付けし易くなっているが、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能であることから、例えば、故障した第１の光ファイバがある場合は、その故障した第１の光ファイバからのレーザ光が集光器の集光レンズに入らない位置に移動させることできる。また、例えば、所定形状のレーザ光を生成するために、多芯コネクタの片側のみの第１の光ファイバを使用するような場合は、その片寄った部分を集光レンズに対する中央に移動させたり、また、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成したりすることで、仮に使用する第１の光ファイバの多くが故障したとしても、第１の光ファイバを交換することなく加工することができる。
【００１１】
本発明のレーザ加工方法としては、前記複数の第１の光ファイバの照射出力を変えてレーザ光照射することを特徴とする。加工対象のワークによって好条件に対応させるためであるが、本発明によれば、その対応が容易で様々な対応が可能である。
例えば、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側のレーザ光を使用し、その中心側のレーザ光を使用しないレーザ加工方法や、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とするレーザ加工方法によれば、一様な加熱が行われる。すなわち、ある面積でレーザ工を照射すると、その中心部の温度が高くなるが、中心側にはレーザ光を照射しないことにより、一様な加熱が施される。
また、例えば、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。また、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。
本発明によれば、前記多芯コネクタの一側面に揃えられた第１の光ファイバからのレーザ光照射により、直線、円形やリング（ドーナツ型）等の任意形状の溶接ラインや溶接スポットのレーザ光を照射することが可能である。そして、その照射位置を挟む両側をレーザ照射で加熱させながら行うことにより、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上のラインで温度が異なるような場合でも、その箇所にもレーザ光を照射するので、目的とする箇所（上記溶接ラインや溶接スポット）には均一なレーザ光照射が行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の光ファイバと第２の光ファイバが着脱自在な接続コネクタにより着脱自在に連結されるので、レーザ加工装置として組み立てが容易であり、第１の光ファイバが故障した場合は、これらの交換が容易である。また、例えば、第１の光ファイバを第２の光ファイバの径よりも小さなものを使用することができ、この場合、小型の光ファイバの集積による大きな出力のレーザ光加工装置として使用可能であるとともに、ユーザがカスタマイズさせる集光機側を小型に製作して使用しやすくすることが出来る。そして、半導体レーザ素子よりも第２の光ファイバの数が多くすることで、これら第１と第２の光ファイバに故障が生じても、交換したりしなくても、その影響を少なくしてレーザ光照射を行うこと可能になるとともに、半導体レーザ素子はすべて使用可能な状態にすることで、最低限度の数の半導体レーザ素子の効率的な使用が可能になる。
また、本発明によれば、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上の内外ラインで温度が異なるような場合でも、目的とする箇所（例えば溶接ラインや溶接スポット）には均一なレーザ光照射すること可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のレーザ加工装置の配置構成を示す図である。
【図２】上記実施形態の多芯コネクタを示す斜視図である。
【図３】上記実施形態のレーザ加工装置の基台に配される半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図４】上記実施形態のレーザ加工装置の接続コネクタと光ファイバを示す斜視図である。
【図５】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図６】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図７】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図８】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図９】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図１０】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する溶接ベローズの溶接部位を示す破断図である。
【図１１】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する斜視図である。
【図１２】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する斜視図である。
【図１３】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は正面側の断面図である。
【図１４】本発明を適用した第２の実施形態のレーザ加工装置の連結手段を示す斜視図である。
【図１５】従来のレーザ溶接装置による溶接の例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態のレーザ加工装置１を模式的に示す図であり、図２は接続コネクタ６を示す図であり、図３と図４はレーザ加工装置１の接続コネクタ６と半導体レーザ素子５等を示す斜視図である。
本実施形態のレーザ加工装置１は、集光レンズ２ｒが配される集光器２と、集光器２に取り付けられる多芯コネクタ３と、多芯コネクタ３に接続される第１の光ファイバ４と、半導体レーザ素子５と、半導体レーザ素子５と接続される第２の光ファイバ７と、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７とを接続する接続コネクタ６とを備え、制御部１０により制御されて、レーザ光をワークＷに照射する。
【００１６】
集光器２は、複数の束としての光ファイバのレーザ光を集光レンズ２ｒが配されるものであり、矩形状の集光器２の内部に複数の集光レンズ２ｒが配されている。矩形状の集光器２には、多芯コネクタ３が取り付けられる。本実施の形態の集光器２は、多芯コネクタ３が集光器２に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられている（図１中の矢印を参照）。図２に示す符号３ｂは、集光器２の多芯コネクタ３の差込口に係止する係止片である。また、図７（ｂ）や図９（ｃ）の矢印で示すように、多芯コネクタ３を集光器２に対して回転可能に構成することで、故障が生じた第１の光ファイバ４の使用位置を変更可能としている。
【００１７】
半導体レーザ素子５は、所定の基台９上に配列されている。基台９には、半導体レーザ素子５を冷却する冷却機構９ｂが備えられている。基台９上の半導体レーザ素子６は、制御部１０に接続されており、制御部１０では、レーザ光を発振させる半導体レーザ素子５の制御（スイッチング）を行う。制御部１０での制御は、複数の半導体レーザ素子５のうちのいくつかを選択してスイッチングする（図１０）。なお、上記基台９としては、各半導体レーザ素子５に対応する一つずつの基台９であって、各々の基台９に冷却機構９ｂを備えるものでも良い。
【００１８】
多芯コネクタ３は、複数の第１の光ファイバ４の光照射側４ａを所定形状に揃えるものであり、内部中空のケース３ｃの一側面３ａに第１の光ファイバ４の先端４ａを揃えて取り付けられている。すなわち、ケース３ｃの一側面３ａには、縦横に穴が所定間隔で形成されており、この穴に複数の第１の光ファイバ４の先端４ａを通過させた状態にして、ケース３ｃに樹脂を充填して接着している。熱可塑性樹脂（PPS）製フェルールであり、ケース３ｃの一側面３ａに第１の光ファイバ４の先端４ａを揃えるために、接着樹脂が硬化した後、ケース３ｃの一側面３ａを研磨することで先端４ａを揃えている。
接続コネクタ６は、図４に示すように、一方部材６ａと他方部材６ｂとが着脱自在に構成され、一方部材６ａに第１の光ファイバ４が接続され、他方部材６ｂに第２の光ファイバ７が取り付けられている。合成樹脂製の円筒状部材の一方部材６ａを同じく合成樹脂性の他方部材６ｂが外周から嵌め込むような構成であり、互いの抜き差しにより着脱する。すなわち、合成樹脂製のフェルール（光コネクタ内で光ファイバを保持するための部品（プラグ６ｐ））と、スリーブ（光ファイバの端面同士を正確に位置決めする部品）６ｓ等から構成されている。
【００１９】
光ファイバ４，７は、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７が使用され、これらが多芯コネクタ３と接続コネクタ９に着脱自在に接続されている。第１の光ファイバ４の後端（一端）は、接続コネクタ６に着脱自在に接続されている。本実施の形態では、縦横にＸ方向に８列、Ｙ方向に３列の２４個の第１の光ファイバ４が取り付けられているが（Ｘ方向とＹ方向に間隔を揃えて配されているが）、これらの個数に限られるものではなく、所定数束ねるように配されるものであれば良い。例えば、後述する中心から放射状に広がるように配されるものでも良く、楕円形状等でも良い。
【００２０】
第２の光ファイバ７は、半導体レーザ素子５と接続コネクタ９との間を連結するものであり、その一方の先端が接続コネクタ６と接続され、他方の後端が半導体レーザ素子５と連結されている。そして、本実施の形態では、第１の光ファイバ４の数の方が第２の光ファイバ７の数の方よりも少なく配されている。また、第２の光ファイバ７の数が半導体レーザ素子５の数よりも多い。本実施の形態では、直線、円形や楕円、リング（ドーナツ型）のレーザ溶接等を可能にするが、そのために余裕のある光ファイバの数が配され、そのうちでも半導体レーザ素子５と接続されるもののみを使用する。第２の光ファイバ７は、半導体レーザ素子５と着脱自在なものを使用しても良い。
【００２１】
ここで、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７の径は同じ大きさでも良いが、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７の径の太さが異なるものを使用可能である。例えば、集光器２側の第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、集光器２側の集光状態を揃え易くすることができるとともに、第２の光ファイバ７の確実で安定した接続状態を確保することができる。例えば、図１１は、多芯コネクタ３が筒状に形成されているものであるが、第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、図１２や図１３（ａ）（ｂ）に示すように、多芯コネクタ３が円錐台形状を呈して、集光器２側の集光状態を揃え易くしている。図１２は、多芯コネクタ３の先端面３ｂが平坦であるが、図１３（ａ）（ｂ）は、多芯コネクタ３の先端面３ｄが内側にくぼむ曲面状を呈するもので、これらにより、第１の光ファイバ４の先端側４ａが一点Ｏに揃えやすい形状になっている。
他方、集光器側の第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバ７の径の太さよりも大きくすることができ、この場合は、集光器２側の確実で安定した接続状態を確保することができ、半導体レーザ素子５側を揃えやすくすることができる。
【００２２】
次に、本実施の形態のレーザ加工装置１を組み立てる場合は、前記集光器２と多芯コネクタ３とを接続する。また、接続コネクタ６の一方部材６ａと他方部材６ｂとを連結する。そして、第２の光ファイバ４と半導体レー５のうちのいくつかを選択してスイッチングすると、第１の光ファイバ４の先端からレーザ光が照射され、それが集光レンズ２ｒに集められてワークＷに照射される。
【００２３】
次に、本実施の形態のレーザ加工装置がレーザ溶接機であるとして、その溶接の仕方を説明する。
直線の溶接をする場合は、中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４までを使用して溶接する（図５（ａ））。
また、中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４の上下のラインの第１の光ファイバ４を使用して溶接することも可能である。例えば、図６中の中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４までを使用して溶接するとして、その上下のライン（図中グレーのラインを参照）Ｌ２，Ｌ３にもレーザ光を照射しながら第１の光ファイバ４を使用して溶接する。すなわち、本実施の形態のレーザ溶接としては、目的とするレーザ照射（Ｌ１）を、その照射位置を挟む両側のラインＬ２，Ｌ３をレーザ照射で加熱させながら行う。上記上下ラインＬ２，Ｌ３では光強度分布に差異を設けてもよい。これは、図９中上側のラインＬ２の温度が高くて、かつ、下側のラインＬ３の温度が低いとすると、レーザ光溶接する箇所に均一なレーザ光が照射されても、その両側Ｌ２，Ｌ３で温度が異なると、その中心のレーザ光溶接する箇所Ｌ１がその影響を受けて、目的とするレーザ光溶接する箇所Ｌ１の均一なレーザ溶接ができなくなることを防止するためである。
また、レーザ光を楕円スポットとしてワークＷに照射する場合は、例えば図５（ｂ）の黒色Ａ１の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。また、レーザ光をリングスポット（ドーナツ型スポット）としてワークＷに照射する場合は、例えば図５（ｃ）の黒色Ａ２の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。なお、図５（ｃ）の黒色Ａ２のような内側を使用しない中央の空間Ｓと呼ぶ。
【００２４】
また、図７（ｃ）に示すように、四角形状の板状の加工面に均一な加熱を施そうとすると、中央が最も温度が高くなるので、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。同じく、図９（ｃ）に示すように、円形状の加工面に均一な加熱を施そうとすると、中央が最も温度が高くなるので、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。なお、楕円形状の場合もこれと同様に、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。このため、前記第１の光ファイバ４の数が前記第２の光ファイバの数７よりも多いが、その多い分を上記中央側Ｒａとすると、効率的な使用が可能である。なお、図９（ｃ）の黒色Ａ２のような内側を使用しない中央の空間Ｓと呼ぶ。
【００２５】
ここで、多芯コネクタ３に対する第１の光ファイバ４の配置に関しては、前記第１の光ファイバ４の数が複数の第２の光ファイバ７の数の２倍以上である構成でも良い（図７（ａ）。すなわち、少なくとも照射対象ワークにレーザ光を照射する第１の照射領域Ｄ１と第２の照射領域Ｄ２とを有する多芯コネクタ３とすれば、仮に第１の照射領域Ｄ１の第１の光ファイバ４のすべてが故障したとしても、第２の照射領域Ｄ２の第１の光ファイバ４を使用すれば、支障なくレーザ光照射が行える。このために、前記多芯コネクタ３が前記集光器２に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられている。
すなわち、図７（ａ）に示すように、多芯コネクタ３に対する第１の光ファイバ４の配置の数の２倍以上であり、照射対象ワークＷにレーザ光を照射する第１の照射領域Ｄ１と第２の照射領域Ｄ２とを有することにより、仮に第１の照射領域Ｄ１の第１の光ファイバ４のすべてが故障したとしても、第２の照射領域Ｄ２の第１の光ファイバ４を使用すれば、支障なくレーザ光照射が行える。
【００２６】
次に、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタ３の一側面３ａに揃えられて中心から放射状に広がるように配される場合の例で説明する（図８（ａ）（ｂ）（ｃ））。まず、レーザ光を円形スポットとしてワークＷに照射する場合は、例えば図８（ｂ）の黒色Ｒ１，Ｒ２の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。また、目的とするレーザ照射を、その照射位置を挟む両側のラインＲ３，Ｒ４をレーザ照射で加熱させながら行うことも可能である（図５（ｂ））。また、図１０に示すベローズＷｂの内周エッジ溶接ｙ１やｙ２を必要とする場合には、また図８（ｃ）に示すように、ワークＷの内周Ｒ５と外周ラインＲ６の同時溶接することも可能である。なお、上記ラインＲ５，Ｒ６では光強度分布に差異を設けてもよい。
【００２７】
次に、第１の光ファイバ４のいくつかが故障した場合を説明する。図９（ａ）（ｂ）を用いて説明すると、ここでは、半導体レーザ素子５の数が中央の円形ラインＲ１の１８個であり、第２の光ファイバ７の数が中央の円形ラインＲ１の他その内外のラインＲ２，Ｒ３を含めた個数（１４個＋２４個＝３８個）であり、第１の光ファイバ４の数が中心部の７個（白抜きの丸）をさらに含めた数（４５個）とする。
図９（ａ）に示すように、円形の溶接スポット（黒色）Ｒ１にレーザ光を照射する場合において、そのくちの一つ（Ｂ１）に故障があるとした場合、これと点対称の位置の第１の光ファイバ４（Ｂ２）を敢えて使用しないことにより（故障していないが、使用しない。）、円形の溶接スポットとしてのレーザ光照射が可能である。つまり、円形の溶接スポット（黒色）に第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７を介して半導体レーザ素子５に接続されている限り、上記符号Ｂ１とＢ２の箇所を使用しなくとも円形スポットの溶接が可能である。同様のことは、第２の光ファイバ７や、目的とするレーザ照射ラインの上下や左右のラインのレーザ光照射による加熱ライン（グレー）にも同様に当てはまる。第１の光ファイバ４の数の方が第２の光ファイバ７の数の方よりも少なく、また、第２の光ファイバ７の数が半導体レーザ素子５の数よりも多いので、故障した第１の光ファイバ４や第２の光ファイバ７をそのままにして（交換しないで）、選択的スイッチングによりレーザ光照射が行われる可能性が高くなる。なお、図５〜図９において、白抜きの丸の第１の光ファイバ４は、そもそも選択的スイッチングによりレーザ光照射を行わないものであるから、これらが故障した場合でも、目的とするレーザ光照射に支障はない。また、図９（ｄ）に示すように、Ｘ方向とＹ方向に第１の光ファイバ４を配列するものでも良い。
【００２８】
（第２の実施形態）
図１４は本発明の第２の実施形態の接続手段を示す斜視図である。
本実施形態の接続手段は、ミラーＭ１，Ｍ２と該ミラー１０の位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段１１であり、前記第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４と第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７とＸ方向とＹ方向に対応して縦横に各々対応するように配列されている。複数の第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７の端部には、各々ミラーＭ４が配されている。第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７との間の空間には、Ｌ字状の板で構成される移動手段１１が複数配されており、この移動手段１１には、その板の上に第１から第３のミラーＭ１〜Ｍ３が配されている。移動手段１は、Ｘ方向（水平方向）とＹ方向（垂直方向）に各々移動可能に構成されている。
移動手段１１には、第１のミラーＭ１が第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４の一方端面に対応する位置に所定角度で配され、第２のミラーＭ２がＬ字状の角に所定角度で配され、第３のミラーＭ３がＬ字状の端部に所定角度で配されている。Ｌ字状の端部には、開口１１ａが形成されており、その開口１１ａから前記第４のミラーＭ４に第２の光ファイバ７からの光を第１の光ファイバ４に送ることが出来るようになっている。
【００２９】
したがって、縦横に配置される複数の前記第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４のいずれも、上記ミラーＭ１〜Ｍ４等により、第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７に接続できる。上記構成の移動手段１１は、上述した縦横に配される第１と第２の光ファイバ４，７を使用しない中央の空間Ｓを利用して、縦横に移動する移動手段１１を配置しても良い。また、本実施の形態のＸ方向とＹ方向に移動させることは、上記縦横（四角形状）の配列に限らず、円形状の配列にも該当するものである。
【００３０】
以上、本実施の形態では、溶接加工の例で説明したが、肉盛加工、焼き入れや、レーザロウ付けや、レーザ表面熱処理等にも適用可能である。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
１ レーザ加工装置、
２ 集光器、
３ 多芯コネクタ
４ 第１の光ファイバ、４ａ 第１の光ファイバの先端、
５ 半導体レーザ素子、
６ 集光レンズ、
７ 第２の光ファイバ、
８ チルトテーブル、
９ 接続コネクタ（接続手段）、
１１ 移動手段（接続手段）、
Ｍ１〜Ｍ４ ミラー（接続手段）、
Ｗ，Ｗｂ ワーク、
Ｌ１，Ｒ１，Ｒ４，ｙ１ 溶接ライン（目的とするレーザ光照射ライン）
Ｒ１〜Ｒ６ 加熱処理ライン、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置としては、レーザはんだ付け機等で実用化されているが、このようなレーザ加工装置には種々様々なものがある。
特許文献１は、複数の発光点を有するレーザ光源部と、前記レーザ光源部の隣接する複数の発光点から出射された複数のレーザ光を出射部にそれぞれ集光する複数の光回路と、矩形断面を有し、前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を伝達する複数の矩形状光ファイバと、前記複数の矩形状光ファイバの出射端を矩形断面の短辺方向に重ねて固定したバンドル部とを備える。
特許文献２は、複数の発光源を有する半導体レーザ素子又は１つの発光源を有する複数の半導体レーザ素子と、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面に形成され、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を連結して出射する１以上のレーザ光出射部と、が形成された光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ素子及び前記光導波路デバイスが設置された設置基板と、を備えた半導体レーザ素子用集光系である。
また、特許文献３は、レーザ光を発光する複数の発光手段と、前記発光手段から発光したレーザ光を入射して伝達するための光伝達手段と、前記光伝達手段の出射端から出射したレーザ光を被照射部に集光させる集光手段と、前記集光手段によって集光されたレーザ光の光強度分布を任意に設定できる光強度分布設定手段と、前記光強度分布設定手段によって設定された光強度分布となるように前記各発光手段に供給する各電流値を制御する制御手段を備えたーザ装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３６１６５５号公報
【特許文献２】特開２００２−３７４０３１号公報
【特許文献３】特開平１１−２５４１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、レーザ加熱加工する場合、半導体レーザ素子と連結される光ファイバが故障した場合には、これを交換する必要があるが、複数本のうちの一つを見つけることが困難になる場合があった。また、半導体レーザ素子側の配置は通常定まっているのに対して、集光機側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要があり、例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態（レーザ光の照射の仕方）があり、それに対応したレーザ光溶接装置が求められる。
しかしながら、上記半導体レーザ素子や光ファイバの故障などを考慮した上での上記レーザ光の照射の仕方に対応させるものは従来なかった。すなわち、従来では、いずれも集光器や光ファイバ等をすべて交換する必要がある。
【０００５】
また、レーザ光溶接する場合を例に説明すると、レーザ光が当たる箇所を一律に光照射することが溶接の均一化のために求められるが、レーザ光照射する対象やレーザ光の照射の仕方によって、レーザ光が当たる箇所を一律にレーザ照射することが困難な場合や、均一な溶接をするとしても、多数の光ファイバのうちのすべてを使用しなくとも、均一な照射ができる場合がある。例えば、図１５は、直線の場合のレーザ溶接の場合の例であるが、溶接対象ワークの目的とするレーザ光溶接箇所Ｌ１の両側Ｌ２，Ｌ３で温度が違う場合がある。ここでは、図１５中上側の温度が高く、かつ、下側の温度が低いとすると、レーザ光溶接する箇所に均一なレーザ光が照射されても、その両側で温度が異なると、その中心のレーザ光溶接する箇所がその影響を受けて、目的とするレーザ光溶接する箇所Ｌ１の均一なレーザ溶接ができなくなる問題を有していた。多数の光ファイバのうちのすべてを使用しなくとも均一な照射ができる場合としては、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方があるが、例えば、リング（ドーナツ型）の溶接の場合は中央に照射のための光ファイバを配置しても、その中央の光ファイバは使用しない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、直線、円形や、リング（ドーナツ型）等のレーザ光溶接等の多様なレーザ光の照射の仕方が可能であり、光ファイバが故障してもそのスイッチングにより影響を少なくし、そして集光器側をユーザに応じてカスタマイズさせること容易なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置又はレーザ加工方法であって、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続手段と、光ファイバの照射側先端が連結される多芯コネクタと、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続手段と半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバを備え、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とする。
本発明によれば、複数の第１の光ファイバのうちのいくつかを接続して選択的にスイッチングすることで、第１の光ファイバからレーザ光が照射される。その場合の組み立ては、多芯コネクタに連結されている第１の光ファイバと半導体レーザ素子に連結されている第２の光ファイバとを接続手段により接続されて組み立てられる。したがって、集光機側はユーザごとに対応してカスタマイズさせる必要がある場合（例えば、加熱する対象や位置によって種々の形態がある場合）でも、柔軟の対応した接続が可能である。
本発明の前記接続手段としては、第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であったり、又、ミラーと該ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段であり、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバとがＸ方向とＹ方向に対応して配列されて連結される構造であったりすることで対応可能である。
第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であれば、組み立てが容易でありこれら光ファイバが故障した場合は、これらの交換が容易である。ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる構造であれば、ミラーの反射を利用して、第１の光ファイバと第２の光ファイバとを線や部材（機械的・物理的な物体）等で連結する必要がなく、両者が離れていても連結させることができる。
【０００８】
本発明としては、前記第１の光ファイバの数が前記第２の光ファイバの数よりも多いことが好ましい。ここで、前記第２の光ファイバと前記半導体レーザ素子との接続状態を着脱可能な構造にして、前記第２の光ファイバの数が前記半導体レーザ素子の数よりも多くしても良い。なお、半導体レーザ素子には、冷却手段が必要なこともあり、その小型化には限界があり、最小限度の数の半導体レーザ素子を配置するものとし、半導体レーザ素子の数を少なくして効率的なレーザ加工を行う。
本発明によれば、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングするが、第１の光ファイバの数が第２の光ファイバの数よりも多いので、例えば、第１の光ファイバが故障したとしても、その第１の光ファイバを接続コネクタから外して、他の第１の光ファイバに連結させるか、或いは、そもそも使用しない第１の光ファイバがある選択的スイッチングでは、そのままにして使用しても良い。半導体レーザ素子はすべて使用する状態になることが効率的である。したがって、任意の形状のレーザ光をワークに照射できるとともに、第１と第２の光ファイバが故障しても直ちに交換する必要がないので、レーザ溶接作業に支障が生じることがなく、レーザ加工の効率化が図られる。
【０００９】
本発明としては、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバの径の大きさが異なることが好ましい。例えば、集光器側の第１の光ファイバの径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、集光器側の集光状態を揃えやすくできるとともに、第２の光ファイバの確実で安定した接続状態を確保することができる。
【００１０】
本発明としては、集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることが好ましい。
本発明によれば、前記多芯コネクタは複数の光ファイバの光照射側を揃えることで（ソケットに接着剤を充填するなどして複数の光ファイバの光照射側を揃える）、集光器に取り付けし易くなっているが、前記多芯コネクタが前記集光器に対して、その取り付け位置を変更可能であることから、例えば、故障した第１の光ファイバがある場合は、その故障した第１の光ファイバからのレーザ光が集光器の集光レンズに入らない位置に移動させることできる。また、例えば、所定形状のレーザ光を生成するために、多芯コネクタの片側のみの第１の光ファイバを使用するような場合は、その片寄った部分を集光レンズに対する中央に移動させたり、また、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成したりすることで、仮に使用する第１の光ファイバの多くが故障したとしても、第１の光ファイバを交換することなく加工することができる。
【００１１】
本発明のレーザ加工方法としては、前記複数の第１の光ファイバの照射出力を変えてレーザ光照射することを特徴とする。加工対象のワークによって好条件に対応させるためであるが、本発明によれば、その対応が容易で様々な対応が可能である。
例えば、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側のレーザ光を使用し、その中心側のレーザ光を使用しないレーザ加工方法や、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とするレーザ加工方法によれば、一様な加熱が行われる。すなわち、ある面積でレーザ工を照射すると、その中心部の温度が高くなるが、中心側にはレーザ光を照射しないことにより、一様な加熱が施される。
また、例えば、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。また、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することが好ましい。
本発明によれば、前記多芯コネクタの一側面に揃えられた第１の光ファイバからのレーザ光照射により、直線、円形やリング（ドーナツ型）等の任意形状の溶接ラインや溶接スポットのレーザ光を照射することが可能である。そして、その照射位置を挟む両側をレーザ照射で加熱させながら行うことにより、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上のラインで温度が異なるような場合でも、その箇所にもレーザ光を照射するので、目的とする箇所（上記溶接ラインや溶接スポット）には均一なレーザ光照射が行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の光ファイバと第２の光ファイバが着脱自在な接続コネクタにより着脱自在に連結されるので、レーザ加工装置として組み立てが容易であり、第１の光ファイバが故障した場合は、これらの交換が容易である。また、例えば、第１の光ファイバを第２の光ファイバの径よりも小さなものを使用することができ、この場合、小型の光ファイバの集積による大きな出力のレーザ光加工装置として使用可能であるとともに、ユーザがカスタマイズさせる集光機側を小型に製作して使用しやすくすることが出来る。そして、半導体レーザ素子よりも第２の光ファイバの数が多くすることで、これら第１と第２の光ファイバに故障が生じても、交換したりしなくても、その影響を少なくしてレーザ光照射を行うこと可能になるとともに、半導体レーザ素子はすべて使用可能な状態にすることで、最低限度の数の半導体レーザ素子の効率的な使用が可能になる。
また、本発明によれば、目的とするレーザ光照射の位置の左右や上下や周上の内外ラインで温度が異なるような場合でも、目的とする箇所（例えば溶接ラインや溶接スポット）には均一なレーザ光照射すること可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のレーザ加工装置の配置構成を示す図である。
【図２】上記実施形態の多芯コネクタを示す斜視図である。
【図３】上記実施形態のレーザ加工装置の基台に配される半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図４】上記実施形態のレーザ加工装置の接続コネクタと光ファイバを示す斜視図である。
【図５】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図６】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図７】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図８】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図９】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する例を説明する図である。
【図１０】上記実施形態のレーザ加工装置により溶接する溶接ベローズの溶接部位を示す破断図である。
【図１１】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する斜視図である。
【図１２】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する斜視図である。
【図１３】上記実施形態の多芯コネクタの他の例を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は正面側の断面図である。
【図１４】本発明を適用した第２の実施形態のレーザ加工装置の連結手段を示す斜視図である。
【図１５】従来のレーザ溶接装置による溶接の例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態のレーザ加工装置１を模式的に示す図であり、図２は接続コネクタ６を示す図であり、図３と図４はレーザ加工装置１の接続コネクタ６と半導体レーザ素子５等を示す斜視図である。
本実施形態のレーザ加工装置１は、集光レンズ２ｒが配される集光器２と、集光器２に取り付けられる多芯コネクタ３と、多芯コネクタ３に接続される第１の光ファイバ４と、半導体レーザ素子５と、半導体レーザ素子５と接続される第２の光ファイバ７と、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７とを接続する接続コネクタ６とを備え、制御部１０により制御されて、レーザ光をワークＷに照射する。
【００１６】
集光器２は、複数の束としての光ファイバのレーザ光を集光レンズ２ｒが配されるものであり、矩形状の集光器２の内部に複数の集光レンズ２ｒが配されている。矩形状の集光器２には、多芯コネクタ３が取り付けられる。本実施の形態の集光器２は、多芯コネクタ３が集光器２に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられている（図１中の矢印を参照）。図２に示す符号３ｂは、集光器２の多芯コネクタ３の差込口に係止する係止片である。また、図７（ｂ）や図９（ｃ）の矢印で示すように、多芯コネクタ３を集光器２に対して回転可能に構成することで、故障が生じた第１の光ファイバ４の使用位置を変更可能としている。
【００１７】
半導体レーザ素子５は、所定の基台９上に配列されている。基台９には、半導体レーザ素子５を冷却する冷却機構９ｂが備えられている。基台９上の半導体レーザ素子６は、制御部１０に接続されており、制御部１０では、レーザ光を発振させる半導体レーザ素子５の制御（スイッチング）を行う。制御部１０での制御は、複数の半導体レーザ素子５のうちのいくつかを選択してスイッチングする（図１０）。なお、上記基台９としては、各半導体レーザ素子５に対応する一つずつの基台９であって、各々の基台９に冷却機構９ｂを備えるものでも良い。
【００１８】
多芯コネクタ３は、複数の第１の光ファイバ４の光照射側４ａを所定形状に揃えるものであり、内部中空のケース３ｃの一側面３ａに第１の光ファイバ４の先端４ａを揃えて取り付けられている。すなわち、ケース３ｃの一側面３ａには、縦横に穴が所定間隔で形成されており、この穴に複数の第１の光ファイバ４の先端４ａを通過させた状態にして、ケース３ｃに樹脂を充填して接着している。熱可塑性樹脂（PPS）製フェルールであり、ケース３ｃの一側面３ａに第１の光ファイバ４の先端４ａを揃えるために、接着樹脂が硬化した後、ケース３ｃの一側面３ａを研磨することで先端４ａを揃えている。
接続コネクタ６は、図４に示すように、一方部材６ａと他方部材６ｂとが着脱自在に構成され、一方部材６ａに第１の光ファイバ４が接続され、他方部材６ｂに第２の光ファイバ７が取り付けられている。合成樹脂製の円筒状部材の一方部材６ａを同じく合成樹脂性の他方部材６ｂが外周から嵌め込むような構成であり、互いの抜き差しにより着脱する。すなわち、合成樹脂製のフェルール（光コネクタ内で光ファイバを保持するための部品（プラグ６ｐ））と、スリーブ（光ファイバの端面同士を正確に位置決めする部品）６ｓ等から構成されている。
【００１９】
光ファイバ４，７は、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７が使用され、これらが多芯コネクタ３と接続コネクタ９に着脱自在に接続されている。第１の光ファイバ４の後端（一端）は、接続コネクタ６に着脱自在に接続されている。本実施の形態では、縦横にＸ方向に８列、Ｙ方向に３列の２４個の第１の光ファイバ４が取り付けられているが（Ｘ方向とＹ方向に間隔を揃えて配されているが）、これらの個数に限られるものではなく、所定数束ねるように配されるものであれば良い。例えば、後述する中心から放射状に広がるように配されるものでも良く、楕円形状等でも良い。
【００２０】
第２の光ファイバ７は、半導体レーザ素子５と接続コネクタ９との間を連結するものであり、その一方の先端が接続コネクタ６と接続され、他方の後端が半導体レーザ素子５と連結されている。そして、本実施の形態では、第１の光ファイバ４の数の方が第２の光ファイバ７の数の方よりも少なく配されている。また、第２の光ファイバ７の数が半導体レーザ素子５の数よりも多い。本実施の形態では、直線、円形や楕円、リング（ドーナツ型）のレーザ溶接等を可能にするが、そのために余裕のある光ファイバの数が配され、そのうちでも半導体レーザ素子５と接続されるもののみを使用する。第２の光ファイバ７は、半導体レーザ素子５と着脱自在なものを使用しても良い。
【００２１】
ここで、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７の径は同じ大きさでも良いが、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７の径の太さが異なるものを使用可能である。例えば、集光器２側の第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、集光器２側の集光状態を揃え易くすることができるとともに、第２の光ファイバ７の確実で安定した接続状態を確保することができる。例えば、図１１は、多芯コネクタ３が筒状に形成されているものであるが、第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバの径の太さをよりも小さくすることにより、図１２や図１３（ａ）（ｂ）に示すように、多芯コネクタ３が円錐台形状を呈して、集光器２側の集光状態を揃え易くしている。図１２は、多芯コネクタ３の先端面３ｂが平坦であるが、図１３（ａ）（ｂ）は、多芯コネクタ３の先端面３ｄが内側にくぼむ曲面状を呈するもので、これらにより、第１の光ファイバ４の先端側４ａが一点Ｏに揃えやすい形状になっている。
他方、集光器側の第１の光ファイバ４の径の太さを第２の光ファイバ７の径の太さよりも大きくすることができ、この場合は、集光器２側の確実で安定した接続状態を確保することができ、半導体レーザ素子５側を揃えやすくすることができる。
【００２２】
次に、本実施の形態のレーザ加工装置１を組み立てる場合は、前記集光器２と多芯コネクタ３とを接続する。また、接続コネクタ６の一方部材６ａと他方部材６ｂとを連結する。そして、第２の光ファイバ４と半導体レー５のうちのいくつかを選択してスイッチングすると、第１の光ファイバ４の先端からレーザ光が照射され、それが集光レンズ２ｒに集められてワークＷに照射される。
【００２３】
次に、本実施の形態のレーザ加工装置がレーザ溶接機であるとして、その溶接の仕方を説明する。
直線の溶接をする場合は、中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４までを使用して溶接する（図５（ａ））。
また、中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４の上下のラインの第１の光ファイバ４を使用して溶接することも可能である。例えば、図６中の中央のラインＬ１の第１の光ファイバ４までを使用して溶接するとして、その上下のライン（図中グレーのラインを参照）Ｌ２，Ｌ３にもレーザ光を照射しながら第１の光ファイバ４を使用して溶接する。すなわち、本実施の形態のレーザ溶接としては、目的とするレーザ照射（Ｌ１）を、その照射位置を挟む両側のラインＬ２，Ｌ３をレーザ照射で加熱させながら行う。上記上下ラインＬ２，Ｌ３では光強度分布に差異を設けてもよい。これは、図９中上側のラインＬ２の温度が高くて、かつ、下側のラインＬ３の温度が低いとすると、レーザ光溶接する箇所に均一なレーザ光が照射されても、その両側Ｌ２，Ｌ３で温度が異なると、その中心のレーザ光溶接する箇所Ｌ１がその影響を受けて、目的とするレーザ光溶接する箇所Ｌ１の均一なレーザ溶接ができなくなることを防止するためである。
また、レーザ光を楕円スポットとしてワークＷに照射する場合は、例えば図５（ｂ）の黒色Ａ１の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。また、レーザ光をリングスポット（ドーナツ型スポット）としてワークＷに照射する場合は、例えば図５（ｃ）の黒色Ａ２の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。なお、図５（ｃ）の黒色Ａ２のような内側を使用しない中央の空間Ｓと呼ぶ。
【００２４】
また、図７（ｃ）に示すように、四角形状の板状の加工面に均一な加熱を施そうとすると、中央が最も温度が高くなるので、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。同じく、図９（ｃ）に示すように、円形状の加工面に均一な加熱を施そうとすると、中央が最も温度が高くなるので、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。なお、楕円形状の場合もこれと同様に、第１の光ファイバ４の外周側Ｒ１のみ照射して中央側Ｒａを照射しないようにすると、均一な温度の加工が出来る。このため、前記第１の光ファイバ４の数が前記第２の光ファイバの数７よりも多いが、その多い分を上記中央側Ｒａとすると、効率的な使用が可能である。なお、図９（ｃ）の黒色Ａ２のような内側を使用しない中央の空間Ｓと呼ぶ。
【００２５】
ここで、多芯コネクタ３に対する第１の光ファイバ４の配置に関しては、前記第１の光ファイバ４の数が複数の第２の光ファイバ７の数の２倍以上である構成でも良い（図７（ａ）。すなわち、少なくとも照射対象ワークにレーザ光を照射する第１の照射領域Ｄ１と第２の照射領域Ｄ２とを有する多芯コネクタ３とすれば、仮に第１の照射領域Ｄ１の第１の光ファイバ４のすべてが故障したとしても、第２の照射領域Ｄ２の第１の光ファイバ４を使用すれば、支障なくレーザ光照射が行える。このために、前記多芯コネクタ３が前記集光器２に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられている。
すなわち、図７（ａ）に示すように、多芯コネクタ３に対する第１の光ファイバ４の配置の数の２倍以上であり、照射対象ワークＷにレーザ光を照射する第１の照射領域Ｄ１と第２の照射領域Ｄ２とを有することにより、仮に第１の照射領域Ｄ１の第１の光ファイバ４のすべてが故障したとしても、第２の照射領域Ｄ２の第１の光ファイバ４を使用すれば、支障なくレーザ光照射が行える。
【００２６】
次に、前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタ３の一側面３ａに揃えられて中心から放射状に広がるように配される場合の例で説明する（図８（ａ）（ｂ）（ｃ））。まず、レーザ光を円形スポットとしてワークＷに照射する場合は、例えば図８（ｂ）の黒色Ｒ１，Ｒ２の第１の光ファイバ４からレーザ光を照射すれば良い。また、目的とするレーザ照射を、その照射位置を挟む両側のラインＲ３，Ｒ４をレーザ照射で加熱させながら行うことも可能である（図５（ｂ））。また、図１０に示すベローズＷｂの内周エッジ溶接ｙ１やｙ２を必要とする場合には、また図８（ｃ）に示すように、ワークＷの内周Ｒ５と外周ラインＲ６の同時溶接することも可能である。なお、上記ラインＲ５，Ｒ６では光強度分布に差異を設けてもよい。
【００２７】
次に、第１の光ファイバ４のいくつかが故障した場合を説明する。図９（ａ）（ｂ）を用いて説明すると、ここでは、半導体レーザ素子５の数が中央の円形ラインＲ１の１８個であり、第２の光ファイバ７の数が中央の円形ラインＲ１の他その内外のラインＲ２，Ｒ３を含めた個数（１４個＋２４個＝３８個）であり、第１の光ファイバ４の数が中心部の７個（白抜きの丸）をさらに含めた数（４５個）とする。
図９（ａ）に示すように、円形の溶接スポット（黒色）Ｒ１にレーザ光を照射する場合において、そのくちの一つ（Ｂ１）に故障があるとした場合、これと点対称の位置の第１の光ファイバ４（Ｂ２）を敢えて使用しないことにより（故障していないが、使用しない。）、円形の溶接スポットとしてのレーザ光照射が可能である。つまり、円形の溶接スポット（黒色）に第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７を介して半導体レーザ素子５に接続されている限り、上記符号Ｂ１とＢ２の箇所を使用しなくとも円形スポットの溶接が可能である。同様のことは、第２の光ファイバ７や、目的とするレーザ照射ラインの上下や左右のラインのレーザ光照射による加熱ライン（グレー）にも同様に当てはまる。第１の光ファイバ４の数の方が第２の光ファイバ７の数の方よりも少なく、また、第２の光ファイバ７の数が半導体レーザ素子５の数よりも多いので、故障した第１の光ファイバ４や第２の光ファイバ７をそのままにして（交換しないで）、選択的スイッチングによりレーザ光照射が行われる可能性が高くなる。なお、図５〜図９において、白抜きの丸の第１の光ファイバ４は、そもそも選択的スイッチングによりレーザ光照射を行わないものであるから、これらが故障した場合でも、目的とするレーザ光照射に支障はない。また、図９（ｄ）に示すように、Ｘ方向とＹ方向に第１の光ファイバ４を配列するものでも良い。
【００２８】
（第２の実施形態）
図１４は本発明の第２の実施形態の接続手段を示す斜視図である。
本実施形態の接続手段は、ミラーＭ１，Ｍ２と該ミラー１０の位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段１１であり、前記第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４と第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７とＸ方向とＹ方向に対応して縦横に各々対応するように配列されている。複数の第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７の端部には、各々ミラーＭ４が配されている。第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ７との間の空間には、Ｌ字状の板で構成される移動手段１１が複数配されており、この移動手段１１には、その板の上に第１から第３のミラーＭ１〜Ｍ３が配されている。移動手段１は、Ｘ方向（水平方向）とＹ方向（垂直方向）に各々移動可能に構成されている。
移動手段１１には、第１のミラーＭ１が第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４の一方端面に対応する位置に所定角度で配され、第２のミラーＭ２がＬ字状の角に所定角度で配され、第３のミラーＭ３がＬ字状の端部に所定角度で配されている。Ｌ字状の端部には、開口１１ａが形成されており、その開口１１ａから前記第４のミラーＭ４に第２の光ファイバ７からの光を第１の光ファイバ４に送ることが出来るようになっている。
【００２９】
したがって、縦横に配置される複数の前記第１の光ファイバ（出力側ファイバ）４のいずれも、上記ミラーＭ１〜Ｍ４等により、第２の光ファイバ（入力側ファイバ）７に接続できる。上記構成の移動手段１１は、上述した縦横に配される第１と第２の光ファイバ４，７を使用しない中央の空間Ｓを利用して、縦横に移動する移動手段１１を配置しても良い。また、本実施の形態のＸ方向とＹ方向に移動させることは、上記縦横（四角形状）の配列に限らず、円形状の配列にも該当するものである。
【００３０】
以上、本実施の形態では、溶接加工の例で説明したが、肉盛加工、焼き入れや、レーザロウ付けや、レーザ表面熱処理等にも適用可能である。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
１ レーザ加工装置、
２ 集光器、
３ 多芯コネクタ
４ 第１の光ファイバ、４ａ 第１の光ファイバの先端、
５ 半導体レーザ素子、
６ 集光レンズ、
７ 第２の光ファイバ、
８ チルトテーブル、
９ 接続コネクタ（接続手段）、
１１ 移動手段（接続手段）、
Ｍ１〜Ｍ４ ミラー（接続手段）、
Ｗ，Ｗｂ ワーク、
Ｌ１，Ｒ１，Ｒ４，ｙ１ 溶接ライン（目的とするレーザ光照射ライン）
Ｒ１〜Ｒ６ 加熱処理ライン、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続手段と、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続手段と半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバを備え、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記接続手段は、第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記接続手段は、ミラーと該ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段であり、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバとがＸ方向とＹ方向に対応して配列されて連結される構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第１の光ファイバの数が前記第２の光ファイバの数よりも多いことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１の光ファイバと第２の光ファイバの径の大きさが異なることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工方法であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続コネクタと、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続コネクタと半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバであって半導体レーザ素子に着脱自在な第２の光ファイバを備え、前記接続コネクタは、第１の光ファイバと第２の光ファイバとが連結される着脱可能な構造であり、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側のレーザ光を使用し、その中心側にはレーザ光を使用しないことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続手段と、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続手段と半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバを備え、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記接続手段は、第１の光ファイバと第２の光ファイバの一端と他端とが連結される着脱可能な接続コネクタとしての構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記接続手段は、ミラーと該ミラーの位置をＸ方向とＹ方向に移動させる移動手段であり、前記第１の光ファイバと第２の光ファイバとがＸ方向とＹ方向に対応して配列されて連結される構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第１の光ファイバの数が前記第２の光ファイバの数よりも多いことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１の光ファイバと第２の光ファイバの径の大きさが異なることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
複数の半導体レーザ素子と複数の光ファイバを連結させて、光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工方法であって、
複数の光ファイバの光照射側を揃える多芯コネクタと、複数の半導体レーザ素子と光ファイバを介して連結される接続コネクタと、多芯コネクタに接続される第１の光ファイバと、接続コネクタと半導体レーザ素子とを接続する第２の光ファイバであって半導体レーザ素子に着脱自在な第２の光ファイバを備え、前記接続コネクタは、第１の光ファイバと第２の光ファイバとが連結される着脱可能な構造であり、前記第１の光ファイバのうちのいくつかを接続してスイッチングすることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
集光レンズが配される集光器であって前記多芯コネクタが着脱自在に取り付けられる集光器を備え、前記多芯コネクタが前記集光器に対してその取り付け位置を変更可能に取り付けられているか、又は、多芯コネクタを集光器に対して回転可能に構成していることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、この縦横の外周側にレーザ光を照射し、その中心側にはレーザ光を照射しないことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、この放射状の外周側のレーザ光を使用し、その中心側にはレーザ光を使用しないことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて縦横に配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記第１の光ファイバの照射先端側が多芯コネクタの一側面に揃えられて中心から放射状に広がるように配され、目的とするレーザ光照射ラインと、そのラインを挟む両側をレーザ光照射することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２２７２６９（Ｐ２０１１−２２７２６９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６５６２（Ｐ２０１０−９６５６２）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５９８０４４８６６）株式会社村谷機械製作所 (6)
【出願人】（５９１０４０２３６）石川県 (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５９８０４４８６６）株式会社村谷機械製作所 (6)
【出願人】（５９１０４０２３６）石川県 (70)
【Ｆターム（参考）】
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