JPS62264008A - 光束集束装置とこの装置を使つた光フアイバ溶接機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明に光束集束装置に関する。本発明に特に光ファイ
バ溶接機−に適用できる。

口、従来の技Ｏ々 元ファイバの溶接に利用される元来集束装［は、例えば
、［応用光学３誌の第１８巻第１９号（１９７９年１０
月）、第６２５６頁から第６２６０貞及び第２１巻第１
９号（１９８２年１０月）、第６４１９負から第６４２
２頁に記載のに、キノシタ等の論文、そして「エレクト
ロニクス通信」誌の第１９巻第２号（１９８３年１月）
、第５４員から第５５頁に記載のり、ｌＪボアラン等の
論文によって既に知られている。

それら既知の装置に、軸周り回転対称形の光学安素（収
束レンズまたにパラボラ説）を使用する。

それら吠素は円形横断面の光束’ｋ　１１￥ｌじ形の光
束へ変換し、そしてこの光束から横断面が同じく円形の
集束スポット全作る。

ハ０発明が解決しようとする問題点 第１図に示されるように、軸ｚ２もった光フアイバ２ｔ
１軸２と直角な軸ｘ２もった光束４内に置いた場合、七
の光束ケ当てられるファイバ２０部分に、光束の′＠断
面にファイバが１なる所の矩形ＡＢＣＤの総面積と光束
の出力密度に比例して光束出力ｒ吸収する。

所で、光ファイバの溶接は一般的にレーデ−によって行
われるが、そのレーデ−が作る光束の軸Ｘからのすれに
対するレーザー出力密度この偏差曲線はガウヌ曲縁にな
る。

そこで、元ファイバが、これの軸２と光束軸Ｘとに直角
に交わる軸ｙに沿って軸Ｘから遠さかろと、矩形ＡＢＣ
Ｄの面積と出力密度ｄに急速に小さくなるから、光ファ
イバが受取るレーず一出力は急速に減少する。

従って元ファイバの溶接のための加熱温度は軸ｙＫＩ′
９つたそのファイバの位置決め確度によって大きく左右
される。既知の集束装置を備えた光フアイバ溶接機械の
中に欺かれた元ファイバは一般的に、ファイバケ保護す
るためのプラスチックのさＪＰｋ把持することによって
保持されろが、その採掘さ−ＬＰ円のファイバのノし出
しに必すしも、上記＠ｙに沿ったファイバの位置決め會
ｆｆ谷誤差範囲内に納めろだけ十分正確には行われてい
ない。

そのような位置決め誤差の影竹ケ少なくするためにはレ
ーザー光束の直径ケ大ぎくしてもよいが、しかしこのよ
うにした場合、ファイバの所要の溶接温度を得るための
レーず一出力を非常に太きくしなければならす、またフ
ァイバの加熱部分が長くされる。これは溶接部の機械的
品質全落丁。

二０問題点′＋ｃ購決するための手段 本発明の目的は、溶接しようとする２本の光ファイバの
端部で摘取されろ組立体のような物体に光束ケ当てて加
熱する場合、七の光束の出力七人ぎくする必快なしに、
光束に直角な軸に分った該物体の位置決め範囲ケ十分太
ぎ〈採れるようにする九束集束装＆’に提供することに
よって、上述のような従来技前の短ＰＦｒｋ改良するご
とにある。

更に詳細には本発明の目的は、光束集束装置において、
該光束から、１つの軸に沿って伸長された形状の集束ス
ポットケ形成するように該光束を集束するための第１光
学装置、及び、該第１光学装置に対向して設９：される
、該集束スポットから該集束スポットに災質的に平行で
且つ対向した像スポット’２形成するための第２光学装
置を備え、七れによって、両該スポット５ｆ３’″Ｃ該
光束ケ当てられる物体の該軸に沿った位置決めの許容誤
差範囲を広くすることができることな特徴とする光束集
束装置ｉＩ−提供することである。

上記のようにこの集束装置によれは、集束スポットが円
形でになく、該軸に沿って長く伸ばされた形状にされる
ため、即ち光出力密度が従来技術の装置のように「尖端
」形でなく、該軸に沿って細長い「プレート」形にされ
ろために、該軸に面った物体の位置決め誤差ｔよシ緩く
することができる。

本発明の目的の集束装＆は、「光線炉」と称することが
できるが、元ファイバの溶接に極めて適したものである
。

この集束装置の１つの好適な実施例によれば、該像スポ
ットが実質的に該軸に沿って該集束スポットに対し変位
できるようにするため該第２元字装置ｋＬが七の向きｔ
調節（不文中で「向き決め」という）できるようにされ
る。

そのような変位はｌた、該第２光学装置が作る該物体の
鉢の変位を行わせることになり、これによって光束を該
物体にこれの両側から均等に当てることができるように
なる。

この好適な実施例は、光フアイバ溶接に適用した場合、
相互に溶接しようとする２本の元ファイバの端部の両１
！１１からの均等な加熱１ｈヒにし、従ってそれらファ
イバに熱応力が掛かつてファイバを脆弱化するのｔ防ぐ
ことかでさる。

本発明の集束装置の特定の実施例において、該第１元字
装置が円筒−パラボラ形収束説とされる。

「円筒−パラボラ説」というのに、円筒の母線がパラボ
ラ弧に沿って並ぶような形状のｆｆ１ｋいう。

従って七のような鏡は、し母線に対し直角な方向の面が
「パラボラ税（収束型である場合光束を集束する）」と
して動き、該母蔵に対し平行な方向の面が［平面’＊＊
＜光束孕単に反射する）」として働く。

他の特定の実施例において、該第２元字装置が球面収束
説とされる。

本発明をよまた、１つの元ファイバの端ｍｔｔ他の元フ
ァイバの端部に溶接するための礪はであって、両該ファ
イバの端部を加熱するための光源、一方の該端部を他方
の端部に対して位置決めし且つそれら端部上保持するた
めの装置、及び両該端部の近傍に光ｒ集束するための装
置を備える瘉接憬械において、該集束装置が本発明の上
記光束集束装置とされ、該物体が両該ファイバの端部で
＆＆される組立体であることｒ特徴とする俗接愼械を提
供する。

本発明に、除付図面全参照にして以下に続ける本発明の
制約的でない実施例の説明から央、によく理鱗されよう
。

ホ、実施例 第２図に、本発明による元ファイバ俗接憬陳の実施例を
概略的に示す。この機械は下記のものｔ備えろ。即ち、 一相互に溶接しようとする元ファイバ８と１０のそれぞ
れの端Ｓｔ−加熱するための光源６゜この光源は例えば
、給電及び変Ｆ、１４ユニット１２に接続される横モノ
七−ドＣＯ２レーザーとされよう。

−円筒−パラボラ形凹面鏡１４で構成されろ第１光学装
置。このパラボラ鏡１４に光ファイバの方へ向けられ且
つ「軸外れ」（英語で「ｏｆｆａｘｉｓＪ）、即ち境の
パラボラの軸に交わらないようなものとされる。

一光ファイバの方へ向けられる球面凹面鏡１６で構成さ
れる第２光学装置。

一元ファイバ８と１０ｔ（−れそれに保持及び位ｔ１央
めするための装置１８と２００これら装置１８と２０ｒ
Ｃそれぞれ、例えば硬いステンレス鋼の磁気Ｖブロック
ｋ　Ｍｕえ、それぞれの元ファイバｋａ気ゴムによって
保持する。

■ブロック１Ｂと２０は、こハらの上に保持されるファ
イバ８と１０のＩＬ−の軸が報２に沿って整合するよう
に、相互に対向して設置されろ。球面鏡１６の＠に、２
つのＶブロックのｔｌｊｊの１点で軸Ｚ［ｉ角に交わる
則Ｘと一致し、そして誂１６の球面の中心が該点と一致
するようにされる。

■ブロック１８に固定され、そしてＶブロック２Ｕｉｑ
ａｘＳ　ｔｔｂＺｓ及びごｆｌ、ら２ｉＮの交Ａにおい
てそれらに直父する１１１１　Ｙ　Ｋ沿って変位できろ
ようにされよう。

鏡１４と１６は軸２の各側に設値され、そしてそれぞれ
に座標ＸＹＺ内での鏡の向きと位ｔＭｆ−決めろための
装置１ｆ２２と２４？Ｌ−備える。

円筒−パラボラ説１４は、先に述べたようなパラボラの
焦点が、軸ＸとＹを＠Ｃ平面内で幀Ｙの近くでごの軸に
平行になるような向きにされる。

レーザ゛−６は、軸、Ｘとｚｙ含υ平面内に軸をもつよ
うな光束ｋ・ｌＪｚと平行に発するように数置さする。

その光束は説１４で反射されて軸ＸＶＣｅって進む。

円筒−パラボラ境１４はレー＋ｒ−６からの光束に集束
して、＠Ｙに平行な、ソシテｌｌｌ１ｌＩｘとＺｋ２む
平面を実質的に対称面とするような県東セグメントまた
は県東スポット２６’ａ：形成する。この集束スポット
２６から球面鏡１６は、スポット２６とほぼ同じ寸法で
あり、−ＹＫ災負的に平行であり、そして１ａＩＩＸと
ｚｙ宮Ｃ平面を実澗的に対称面とするような像２８【作
る。

何等制約的なものではないが１つの具悴例として、円筒
−パラボラ鏡１４はその焦点距離上２５＃ＩＩＫとされ
、そして球面鏡１６はその曲率半径ｔ２５躇とされる。

また円筒−パラボラ疏１４は、泉東スポット２６が元フ
ァイバから数ミリメートル（例えは１から２」）の所に
在り、そして像スポット２８が軸Ｙとｚｔ言右平面に関
して実質的に対１？ｊ−的になるように設置されろ。史
に、レーず−６から発ゼらｎるブｅ束のい径が２朋オー
ダーであると丁ｎば、集束スポット２６の高さがそのレ
ーず一元束の面径と実質的に同じ約’ｌ　ｊＩｍである
のに対し、七の集束スポット２６の１鴫が６０μｍオー
ダーになるようにされる。

誂１４と１６ｔさＣ元銖炉を備えた第２図の元ファイバ
溶接（炊械の１４節は下記のように行われろ。

ｈｌ初に、「試験側光ファイバ」と称せられる１本の光
ファイバｔ１０扛の保護さ’ｆｋ剥取って炉らＶブロッ
ク１８と２０の上に同時に魚く。鏡１４に軸Ｘに沿って
変位させて、その鏡が作る集束スポット２６が試＊Ｐ４
ｉ党ファイバの近傍にくるようにする。そこでそのファ
イバにオレンジ色になる。

この境１４の位置決めｖｔ４ｔｘは例えは双眼顕微鏡音
便って行われよう。こうして円筒−パラボラ鏡１４の位
置決めが行わｎたらそこに固定し、それから球面鏡１６
會調節してその像スポット２８が試験用光ファイバに関
して集束スポット２６の実質的に対称８つな位置になる
ようにする。これによって加熱が増加されるので試験側
光ファイバは白色光を発するようになる。

七こで、溶接しようとする元ファイバ８と１０の端部の
防、漣さ’Ｐ’ｆ−取云った後、七ｎら端部會失合わセ
て設置？ｆ’　Ｌ、スポット２６と２８に７１Ｌ′ａ倣
鏡によって正確に位置決めする。

史に、例えは逆拡散法を使って一元ファイバの心の祭＠
ケ良好なものにする。このために元ファイバ８の他端部
に逆拡敬装滅３４か取付けられる。

この方法に周知のように、１ｔｈ３４からファイバ８内
へ光束を送込み、この光束を他方のファイバ１０内へ入
射すせ、このファイバ１Ｕの他端部で説のよう−に反射
さゼ、この反射光を装置３４で恢出するものである。整
合が正確に行わすしているとぎ元ファイバ１０への入射
が最良になる。

溶接しようとする２本の光ファイバが第２図に示される
ような配飯になっているとき、それらファイバの影によ
って球面鏡１６の作る１家スポツト２８が欠け、このた
めファイバの両側からのＰ：Ｊ等な加熱が不完全なもの
になる。

この欠点を無く丁ため、例えは、球面！！ｊＦ！１ｔＨ
ｆ−。

軸２に平行で且つその境の頂点を通る軸の周°りで少し
く回転させろか、あるいにまた輔Ｙに平行に少しく移動
さセろことによって、両党ファイバの端部の１故を軸Ｙ
に実質的に平行に変位させる。こうしてそれらファイバ
の一方の側から集束スポットの部分が、そして他方の１
１１１から湯スポットの部分が当てられるので、七ｎら
ファイバは両１ｔｌｌｌから均等に加熱される。

外！１２５ミクロンの光ファイバの場合、溶接されるそ
れらの端部の変位は１４ＩｉｆＩＹに平行に約１５０ミ
クロン行えば十分である。

七のような元ファイバの場合、軸ＹＫ沿った位置決め計
容誤差範囲は２００ミクロン以上にできろことが知られ
ている。そしてこの許容範囲は、モノモードレーザーの
小さい出力、即ち、市販の通常のＣＯ２レーレーザ一部
分のものと同じ６Ｗオーダーの出力で得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の集束装置において円形断面の光束上当て
られている元ファイバを示し、第２図と第６図は本発明
による光フアイバ溶接機械の截置を示す０ ６・・・レーず−、８，１０・・・元ファイバ、１２・
・・給電及び変調ユニット、１４・・・円筒−パラボラ
税、１６・・・球面鏡、１８．２０・・・Ｖブロック、
２２゜２４・・・鏡位ｔ１ｉ火め装置、２６・・・集束
スポット、２８・・・像スポット、３４・・・逆拡散装
楓。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）光束集束装置において、該光束から、１つの軸（
   Ｙ）に沿って伸長された形状の集束スポット（２６）を
   形成するように該光束を集束するための第１光学装置（
   １４）、及び、該第１光学装置に対向して設置される、
   該集束スポットから該集束スポットに実質的に平行で且
   つ対向した像スポット（２８）を形成するための第２光
   学装置（１６）を備え、それによって、両該スポット間
   で該光束を当てられる物体の該軸に沿った位置決めの許
   容誤差範囲を広くすることができることを特徴とする光
   束集束装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項の光束集束装置において、
   該像スポット（２８）が実質的に該軸（Ｙ）に沿って該
   集束スポット（２６）に対し変位できるようにするため
   該第２光学装置（１６）が向き決めと位置決めの両方ま
   たは一方を行う装置を備えることを特徴とする光束集束
   装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項の光束集束装置において、
   該第１光学装置が、軸外れの円筒−パラボラ形収束鏡（
   １４）で構成されることを特徴とする光束集束装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項の光束集束装置において、
   該第２光学装置が球面収束鏡（１６）で構成されること
   を特徴とする光束集束装置。
5. （５）１つの光ファイバ（８）の端部を他の光ファイバ
   （１０）の端部に溶接するための機械であって、両該フ
   ァイバの端部を加熱するための光源（６）、一方の該端
   部を他方の端部に対して位置決めし且つそれら端部を保
   持するための装置（１８、２０）、及び両該端部の近傍
   に光を集束するための装置（１４、１６）を備える溶接
   機械において、該集束装置が特許請求の範囲第１項に記
   載のものであり、該物体が両該ファイバの端部で構成さ
   れる組立体であり、そして該集束スポットが両該ファイ
   バの軸に直角にされることを特徴とする溶接機械。
6. （６）特許請求の範囲第５項の溶接機械において、該像
   スポット（２８）が実質的に該軸（Ｙ）に沿って該集束
   スポット（２６）に対し変位できるようにするため該第
   ２光学装置（１６）が向き決めと位置決めの両方または
   一方を行う装置を備えることを特徴とする溶接機械。
7. （７）特許請求の範囲第５項の溶接機械において、該第
   １光学装置が、軸外れの円筒−パラボラ形収束鏡（１４
   ）で構成されることを特徴とする溶接機械。
8. （８）特許請求の範囲第５項の溶接機械において、該第
   ２光学装置が球面収束鏡（１６）で構成されることを特
   徴とする溶接機械。