[0001]本発明は、光ファイバ及びレーザ加工機に関する。
[0002]レーザ加工機本体のレーザ加工ヘッドからワークへレーザ光を照射してレーザ溶接などのレーザ加工を行うレーザ加工機が知られている。レーザ加工機は、レーザ発振器を備え、レーザ発振器から出力されたレーザ光は、プロセスファイバによってレーザ加工ヘッドへと伝送される。
[0003]特許文献１には、レーザ光伝送用の光ファイバを含む光ファイバデバイスが開示されている。特許文献１には、光ファイバのコアの横断面形状を非円形とすることが開示されている。
[0004]特開２０１５－１４３７５５号公報
[0005]しかしながら、光ファイバにおけるモードミキシングが不十分な場合には、強度分布が不均一となってしまうことがある。
[0006]本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、その目的は、モードミキシングを促進させ、ビームプロファイルの強度分布を均一化することができる光ファイバ及びレーザ加工機を提供する。
[0007]かかる課題を解決するため、本発明は、中心軸に沿って延在するコアと、前記コアの周囲を覆うクラッドと、を有する光ファイバにおいて、前記コアの中心軸に対して前記コアを垂直に切断したコア断面の外縁を構成する外縁部を備えている。外縁部は、複数の辺と、前記複数の辺が一続きとなるように、隣り合う辺同士を繋ぐ複数の角部と、を含み、前記複数の角部のうち少なくとも１つの角部は、前記外縁部に外接する外接円に沿ったＲ形状を備えている。外接円の直径をＯとし、前記外縁部に内接する内接円の直径をＩとし、前記複数の角部 の 数をｎ（ｎ＝奇数）とすると、前記外接円の直径Ｏと前記内接円の直径Ｉとの比である直径比α（α＝Ｏ／Ｉ）は、所定の条件式（数式１１）を満たす。
[0008]本発明によれば、モードミキシングを促進させ、ビームプロファイルの強度分布を均一化することができる。
[0009]図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の全体構成を模式的に示す図である。 図２は、第１の実施形態に係る光ファイバの構成を説明する図である。 図３は、図２に示すコアのＡＡ断面を説明する図である。 図４は、円形コアにおける法線ベクトルを示す図である。 図５は、六角形コアにおける法線ベクトルを示す図である。 図６は、七角形コアにおける法線ベクトルを示す図である。 図７は、角部にＲ形状が付与された七角形コアにおける法線ベクトルを示す図である。 図８は、七角形コアの外縁部と、外縁部に外接する外接円及び外縁部に内接する内接円との関係を示す図である。 図９は、外接円と内接円との比に対するビームプロファイルを示す図である。 図１０は、角部のＲ形状を規定するためのパラメータを説明する図である。 図１１は、七角形コアの変形例を示す図である。 図１２は、第２の実施形態に係る光ファイバの構成を説明する図である。 図１３は、図１２に示す七角形コアのＡＡ断面を説明する図である。 図１４は、図１２に示す七角形コアのＢＢ断面を説明する図である。
[0010]（第１の実施形態） 図面を参照して、本実施形態に係る光ファイバ及びレーザ加工機を説明する。以下、レーザ加工機として、レーザ光によってワークを溶接するレーザ溶接機を例示するが、レーザ加工機は、レーザ光によってワークを切断するレーザ切断機であってもよい。
[0011]図１を用いて、レーザ溶接機１の全体構成について説明する。レーザ溶接機１は、ＮＣ装置１０と、溶接ロボット２０とを主体に構成されている。
[0012]ＮＣ装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えるコンピュータを主体に構成されている。ＮＣ装置１０は、ＣＰＵがＲＯＭから各種プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開し、展開したプログラムを実行することにより、各種の機能を実現する。
[0013]ＮＣ装置１０は、加工プログラムを記憶している。また、ＮＣ装置１０は、必要に応じて、加工プログラムを補正することができる。ＮＣ装置１０は、記憶部に記憶されている加工プログラムを、溶接ロボット２０に転送する。加工プログラムとは、製品を、ある溶接点から他の溶接点まで溶接する１または複数の加工命令を実行させるＮＣデータ（機械制御コード）である。
[0014]溶接ロボット２０は、ロボット本体２１と、レーザ発振器２３と、プロセスファイバ５０と、ロボット制御装置２８とを主体に構成されている。
[0015]ロボット本体２１は、多関節のロボットである。ロボット本体２１は、ガイドレール２６に対して移動可能に支持されており、ガイドレール２６に沿って走行自在に構成されている。ガイドレール２６の近傍には、溶接対象のワークを配置する定盤２７が設置されている。
[0016]ロボット本体２１は、その先端部に溶接ヘッド２２を備えている。溶接ヘッド２２は、プロセスファイバ５０を介してレーザ発振器２３に接続されている。レーザ発振器２３は、ファイバレーザ発振器又はＹＡＧレーザ発振器などであり、レーザ光を発振する。レーザ発振器２３より出力されるレーザ光は、プロセスファイバ５０を経由して溶接ヘッド２２に導入され、溶接ヘッド２２の先端部からワークに向けてレーザ光が照射される。
[0017]ロボット本体２１は、ワークの材質又は板厚に応じて、溶接ヘッド２２から照射されるレーザ光のビームプロファイルを、ガウシアン型、トップハット型又はリング型などに調整することができる。ガウシアン型は、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなるビームプロファイルであり、トップハット型は、中央部が平坦状のビームプロファイルである。また、リング型は、中央部の強度が低く周辺部の強度が強いビームプロファイルである。レーザ溶接において、リング型のビームプロファイルは、ギャップ溶接などに優位性がある。ビームプロファイルを調整する方法としては、例えば、プロセスファイバ５０に入射するレーザ光の角度を連続的に変化させる方法が挙げられる。
[0018]ロボット制御装置２８は、ＮＣ装置１０から転送された加工プログラムに基づいて、レーザ光によってワークを溶接するようにロボット本体２１及びレーザ発振器２３を制御する。
[0019]つぎに、図２及び図３を用いて、プロセスファイバ５０の構成を説明する。プロセスファイバ５０は、レーザ光を伝送する伝送用の光ファイバである。プロセスファイバ５０の一方の端部がレーザ光の入射端５０ａ、その他方の端部がレーザ光の出射端５０ｂとして機能する。
[0020]プロセスファイバ５０は、中心軸に沿って延在するコア５１と、コア５１の周囲を覆うクラッド５５と、を主体に構成されている。コア５１は、クラッド５５と比べて高屈折率の材料より形成されている。入射端５０ａから入射したレーザ光は、コア５１とクラッド５５との境界面を全反射しながら伝搬し、出射端５０ｂから出射する。
[0021]図３に示すように、中心軸に対してコア５１を垂直に切断したコア断面は、七角形である。コア断面の外縁を構成する外縁部５２は、７つの辺５３と、７つの角部５４とで構成されている。辺５３のそれぞれは、直線から構成されており、角部５４のそれぞれは、７つの辺５３が一続きとなるように、隣り合う辺５３同士を繋いでいる。本実施形態に係るコア断面は、それぞれの辺５３の長さが等しく、それぞれの角部５４の角度が等しい正七角形である。
[0022]個々の角部５４には、Ｒ形状が設定されている。角部５４に設定されるＲ形状は、予め定められた条件を満たしている。以下、角部５４に設定されるＲ形状の説明に先立ち、コア断面の形状とビームプロファイルの強度分布との関係について説明する。
[0023]図４には、コア断面が円となる円形コア６０が示されている。円形コア６０の外縁部６１は、円周形状となる。外縁部６１から円形コア６０の内側に向かう法線ベクトルＮＶは、光ファイバ内を伝搬する光線の反射条件を決定する。円形コア６０の場合、外縁部６１における任意の点の法線ベクトルＮＶは、中心軸に対して対称となる点の法線ベクトルＮＶと逆向きとなる。すなわち、両法線ベクトルＮＶのなす角が１８０°となる。互いに正対する法線ベクトルＮＶが存在する場合、プロセスファイバ５０内を伝搬する光線の中には、単純な往復運動となってしまう光線が存在する。そのため、伝搬中のモードミキシングが不十分となり、ビームプロファイルの強度分布が不均一となってしまう。
[0024]図５には、コア断面がｍ角形（ｍ：偶数）となるｍ角形コアの一例として、コア断面が正六角形となる六角形コア７０が示されている。六角形コア７０の外縁部７１は、それぞれが直線からなる６個の辺７２と、隣り合う辺７２同士を繋ぐ６個の角部７３とで構成されている。六角形コア７０においても、対向する辺７２同士の各法線ベクトルＮＶは、互いに正対する。そのため、伝搬中のモードミキシングが不十分となり、ビームプロファイルにおける強度分布が不均一となってしまう。
[0025]なお、図５に示す六角形コア７０以外にも、他のｍ角形コアでも、互いに正対する法線ベクトルＮＶが存在する。そのため、伝搬中のモードミキシングが不十分となり、ビームプロファイルにおける強度分布が不均一となってしまう。
[0026]図６には、コア断面がｎ角形（ｎ：奇数）となるｎ角形コアの一例として、コア断面が正七角形となる七角形コア８０が示されている。七角形コア８０の外縁部８１は、それぞれが直線からなる７個の辺８２と、隣り合う辺８２同士を繋ぐ７個の角部８３とで構成されている。七角形コア８０の場合、ある辺８２の法線ベクトルＮＶに対して、対角には逆向きの関係と な る法線ベクトルＮＶが存在しない。互いに正対する法線ベクトルＮＶが存在しない場合、プロセスファイバ５０内を伝搬する際に、光線が単純な往復運動となることを抑制することができる。そのため、伝搬中のモードミキシングが促進され、ビームプロファイルにおける強度分布の均一化を図ることができる。
[0027]なお、図６に示す七角形コア８０以外にも、他のｎ角形コアであっても、互いに正対する法線ベクトルＮＶが存在しない。そのため、伝搬中のモードミキシングが促進され、ビームプロファイルにおける強度分布の均一化を図ることができると考えられる。
[0028]ところで、角部８３が尖った角形状となる七角形コア８０は理想的な形状である。実際に製造される七角形コア８０にあっては、応力集中による光ファイバ母材及び光ファイバの割れなどを抑制するため、図７に示すように角部８３にＲ形状を設定する必要がある。しかしながら、Ｒ形状が設定された角部８３の法線ベクトルＮＶは、角部８３と対向する辺８２の法線ベクトルＮＶと逆向きの関係となる場合がある。そのため、角部８３に設定するＲ形状の範囲によっては、プロセスファイバ５０内を光線が伝搬する際に、単純な往復運動となる光線の割合が増加し、伝搬中のモードミキシングが不十分となる可能性がある。
[0029]そこで、伝搬中のモードミキシングを促進することができるＲ形状の最適範囲を考える。図８に示すように、七角形コア８０の外縁部８１に外接する外接円Ｃｏを考え、各角部８３のＲ形状を外接円Ｃｏに沿って定義する。外接円Ｃｏの径が大きい程、辺８２の範囲が大きくなり、角部８３（Ｒ形状）の範囲が小さくなる。
[0030]各種の径からなる複数の外接円Ｃｏを相対的に評価するため、外縁部８１に内接する内接円Ｃｉを考える。この内接円Ｃｉは、外縁部８１を構成する各辺８２にそれぞれ内接している。外接円Ｃｏの直径を内接円Ｃｉの直径で除算した値、すなわち、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比により、角部８３のＲ形状の最適解を考える。
[0031]外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比を変化させ、ビームプロファイルを計測した。計測したビームプロファイルはリング型に対応している。図９には、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比が、１．０４２、１．０５５、１．０９及び１．１からなる４種類のビームプロファイルの計測結果がそれぞれ示されている。図９から分かるように、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比を大きくすると、すなわち、Ｒ形状の範囲を小さくすると、ビームプロファイルの強度分布にむらがなくなり、モードミキシングが促進されていく傾向がある。外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比が１．０９以上であれば、ビームプロファイルの強度分布にむらがなく、伝搬中のモードミキシングを促進することができると考えられる。
[0032]つぎに、図１０に示すように、ｘ軸及びｙ軸を含む二次元直交座標系において、七角形コア８０のコア断面を規定する。コア断面の重心は、座標系の原点位置と対応しており、コア断面は、７個の辺８２のうちの１つの辺８２がｙ軸と直交するように規定されている。コア断面（外縁部８１）の各辺８２に内接する内接円Ｃｉの直径を「Ｉ」、角部８３のＲ形状を規定する外接円Ｃｏの直径を「Ｏ」とする。また、ｙ軸と直交する辺８２の端部に位置する角部８３と、ｙ軸との間の距離を「Ｌ」、ｙ軸と直交する辺８２と外接円Ｃｏとの交点と、ｙ軸との間の距離を「Ｌ’」とする。
[0033]ｎ角形コアへの一般化を踏まえ、角部８３の数をｎとした場合、ｙ軸と直交する辺８２の端部に位置する角部８３とｙ軸とのなす角θは、以下の数式１で示される。 TIFF 0007458203000001.tif 17 170
[0034]距離Ｌは、以下の数式２で示される。 TIFF 0007458203000002.tif 17 170
[0035]ｙ軸と直交する辺８２は、以下の数式３で示される。 TIFF 0007458203000003.tif 17 170
[0036]外接円Ｃｏの方程式は、以下の数式４で示される。 TIFF 0007458203000004.tif 20 170
[0037]数式４を用いると、ｙ軸と直交する辺８２と外接円Ｃｏとの交点は、以下の数式５で表される。 TIFF 0007458203000005.tif 20 170
[0038]数式５より、距離Ｌ’は、以下の数式６で示される。 TIFF 0007458203000006.tif 21 170
[0039]ここで、図９に示す計測結果は、七角形コア８０に関するデータであるが、ビームプロファイルの傾向は、他のｎ角形コアにおいても同様である。そこで、ｎ角形コアにおいて、モードミキシングが十分に促進される外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比を１．０９以上とする。例えば、外接円Ｃｏの直径Ｏを１．０９、内接円Ｃｉの直径Ｉを１とする。この場合、式６より、距離Ｌ’は、０．２１６８５となる。この時、距離Ｌは、数式２より、０．２４０７となる。これより、距離Ｌと距離Ｌ’との間には、以下の数式７の関係が成り立つ。 TIFF 0007458203000007.tif 11 170
[0040]つまり、ｎ角形コアにおいては、直線となる辺８２の長さ（距離Ｌ’）が距離Ｌに対して９０％以上であれば、モードミキシングが促進されることとなる。
[0041]数式３、５、７より、以下の数式８の関係が成り立つ。 TIFF 0007458203000008.tif 20 170
[0042]数式８を、数式１を用いて整理すると、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比は、以下の数式９で示される。 TIFF 0007458203000009.tif 17 170
[0043]また、同様に数式を整理すると、距離Ｌと距離Ｌ’とが等しい場合は、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比は、以下の数式１０で示される。 TIFF 0007458203000010.tif 17 170
[0044]数式９、１０より、ｎ角形コアにおいては、モードミキシングが有効に作用するＲ形状の最適範囲を、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比αによって定義すると、以下の数式１１となる。ここで、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比αは、外接円Ｃｏの直径Ｏを内接円Ｃｉの直径Ｉで除算した値（Ｏ／Ｉ）である。 TIFF 0007458203000011.tif 17 170
[0045]図２及び３に示す本実施形態に係るプロセスファイバ５０のコア５１によれば、上述した概念に示すように、個々の角部５４に対して、数式１１で示す範囲の直径比αに従ってＲ形状が設定されている。すなわち、コア断面の外縁部５２は、７つの辺５３と、これらの辺５３が一続きとなるように、隣り合う辺同士を繋ぐ７つの角部５４とを含んでいる。そして、７つの角部５４は、外縁部５２に外接する外接円に沿ったＲ形状を備えている。この場合、外縁部５２に内接する内接円の直径をＩとし、７つの角部５４ の 数をｎとすると、外接円の直径と内接円の直径との比である直径比αは、数式１１の関係を満たしている。
[0046]この構成によれば、コア断面を７角形にすることで、伝搬中の光線が単純な往復運動となることを抑制することができる。加えて、角部５４のＲ形状に数式１１に示す制限を設けることで、角部５４のＲ形状に起因して単純な往復運動となる光線の割合を減少させることができる。これにより、伝搬中のモードミキシングを促進することができ、ビームプロファイルにおける強度分布の均一化を図ることができる。
[0047]なお、上述した実施形態では、プロセスファイバ５０を構成するコア５１として、コア断面が正七角形となる七角形コアを説明した。しかしながら、コア５１のコア断面の形状は、七角形以外のｎ角形であってもよい。
[0048]また、本実施形態では、コア５１のコア断面を正七角形としている。しかしながら、図１１に示すように、コア５１は、正七角形に沿った角部５４に対して角度が異なる角部５４ａを備える七角形コアであってもよい。この場合、角度が異なる角部５４ａの数は一つ以上であってもよい。このようなコア５１にあっては、正七角形の形状と対応する、少なくとも一つの角部５４において、Ｒ形状が数式１１の関係を満たしていればよい。
[0049]（第２の実施形態） 以下、第２の実施形態に係るプロセスファイバ５０について説明する。第１の実施形態と重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明を行う。
[0050]図１２から図１４に示すように、本実施形態に係るプロセスファイバ５０のコア５１は、コア５１の中心軸方向にかけて中心軸周りにねじられたねじり形状を有している。図１２に示すＢＢ断面におけるコア断面の外縁部５２（図１３参照）は、図１２に示すＡＡ断面におけるコア断面の外縁部５２（図１４参照）に対いて、周方向にかけて所定量だけ回転した関係となっている。
[0051]ここで、ＡＡ断面において、ある辺５３の点Ａで、法線ベクトルＮＶに沿って反射する光線ＬＢを考える。ＡＡ断面において、点Ａにおける法線ベクトルＮＶは、対角にある角部５４の法線ベクトルＮＶと対向する関係にある。一方、図１２に示すように、光線ＬＢは、軸方向に沿って伝搬されているので、点Ａで反射した光線ＬＢが、ＢＢ断面における外縁部５２で反射する。このとき、光線ＬＢは、コア５１のねじりの影響により角部５４からずれた位置に入射する。このため、ねじり形状を有するコア５１の場合には、プロセスファイバ５０を光線ＬＢが伝搬する際に、単純な往復運動となる光線の割合を減少させることができる。したがって、ねじり形状を有するコア５１にあっては、角部５４のＲ形状の設定範囲をねじり形状のないコア５１のそれよりも拡大したとしても、ねじり形状のないコア５１と同等のモードミキシングの作用を得ることができる。
[0052]このように、コア５１がねじり形状を有する場合、外接円Ｃｏと内接円Ｃｉとの直径比αは、以下の数式１２を満たす。ここで、定数ｋは、１より小さい正の数である。 TIFF 0007458203000012.tif 18 170
[0053]この構成によれば、コア断面をｎ角形にすることで、伝搬中の光線が単純な往復運動となることを抑制することができる。加えて、ねじり形状に応じて、角部５４のＲ形状に数式１１に示す制限を設けることで、角部５４のＲ形状に起因する単純な往復運動となる光線の割合を減少させることができる。これにより、伝搬中のモードミキシングが促進され、ビームプロファイルにおける強度分布の均一化を図ることができる。
[0054]なお、上述した実施形態では、プロセスファイバ５０を構成するコア５１として、コア断面が正七角形となる七角形コアを説明した。しかしながら、コア断面の形状は、七角形以外のｎ角形であってもよい。
[0055]また、上述した各実施形態では、プロセスファイバ５０として、シングルクラッドファイバを例示した。しかしながら、プロセスファイバ５０は、マルチクラッドファイバであってもよい。
[0056]本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
[0057]１ レーザ溶接機（レーザ加工機） １０ ＮＣ装置 ２０ 溶接ロボット ２１ ロボット本体（レーザ加工機本体） ２２ 溶接ヘッド ２３ レーザ発振器 ５０ プロセスファイバ（光ファイバ） ５１ コア ５２ 外縁部 ５３ 辺 ５４ 角部 ５５ クラッド
