JP2001047271A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極部の温度上昇を抑制し、損傷が少なく、
長期に渡って安定してレーザ加工可能なレーザ加工ヘッ
ドを提供する。 【解決手段】 電極部３が絶縁部材３６，３７を介して
取り付けられるレーザ加工ヘッドにおいて、電極部３の
少なくとも一部を囲んで配設されるハウジング３３と、
ハウジング３３と電極部３との間に形成され冷却ガスを
通過させる冷却ガス通路３８と、冷却ガス通路３８に冷
却ガスを供給するためのガス供給手段２とを備えるよう
に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】電極部が絶縁部材を介して取
り付けられるレーザ加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機によって被加工物に切断・
溶接などのレーザ加工を行う際に、レーザ加工ヘッドを
被加工物（ワーク）に接触させることなくワークの加工
面に倣って移動させる場合がある。こうした非接触式の
倣い加工に用いられるレーザ加工ヘッドでは、ワークと
の距離を一定に保つために静電容量を利用することが多
い。そして、静電容量を利用するレーザ加工ヘッドは、
一般に、ヘッド本体のワーク側の先端に絶縁部材を介し
て電極部が取り付けられ、この電極部に高周波が印加さ
れるように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来のレーザ加工ヘッドでは、電極部が絶縁部材を介
して取り付けられているので、レーザ加工時にワークか
ら多くの熱が電極部に伝わると、熱の逃げ場がなく電極
部が温度上昇してしまう。そのため、電極部のシール用
のＯリングが熱によって溶損したり、電極部が熱膨張し
て絶縁部材が破損してしまう。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、電極部の温度上昇を抑制し、損傷が少な
く、長期に渡って安定してレーザ加工可能なレーザ加工
ヘッドを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明では、電極部が絶縁体を介して
取り付けられるレーザ加工ヘッドにおいて、電極部の少
なくとも一部を囲んで配設されるハウジングと、ハウジ
ングと電極部との間に形成され冷却ガスを通過させる冷
却ガス通路と、冷却ガス通路に冷却ガスを供給するため
のガス供給手段とを備える技術が採用される。請求項２
に係る発明では、請求項１のレーザ加工ヘッドにおい
て、冷却ガス通路は、冷却ガスを電極部に衝突させる複
数の衝突面を有する技術が採用される。請求項３に係る
発明では、請求項１または２のレーザ加工ヘッドにおい
て、電極部の表面には、多数の凹凸が形成される技術が
採用される。請求項４に係る発明では、請求項１から３
のいずれかのレーザ加工ヘッドにおいて、ハウジング
が、電極部と同位相の高周波が印加されるように配設さ
れる技術が採用される。請求項５に係る発明では、請求
項１から４のいずれかのレーザ加工ヘッドにおいて、冷
却ガスには、レーザ加工用のアシストガスが用いられる
技術が採用される。請求項６に係る発明では、請求項５
のレーザ加工ヘッドにおいて、冷却ガス通路には、被加
工物側へアシストガスを排出するための排出口が設けら
れる技術が採用される。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ加工ヘ
ッドの一実施形態について図１および図２を参照して説
明する。図中、符号１はヘッド本体、２はガス供給手
段、３は電極部を示している。

【０００７】ヘッド本体１は、軸方向に所定内径の貫通
孔１ａが形成されていて、この貫通孔１ａ内にはレンズ
１０がマウントされている。さらに、ヘッド本体１は、
下方に延長して円筒状とされ、その内部に空間１ｂが形
成されている。また、ヘッド本体１の下面側には、略円
盤状の第１の固着部材１１が固設されている。この第１
の固着部材１１の上面には、略円筒状の円筒部材１２が
立てた状態で取り付けられている。

【０００８】円筒部材１２は、下端側外周面に図示しな
いネジ溝が形成されていて、第１の固着部材１１にねじ
込まれて固定されている。また、円筒部材１２は、空間
１ｂ内に挿入されるように配置されていて、これによ
り、円筒部材１２の外周面とヘッド本体１の内周面との
間に、アシストガス通路１３が形成されている。

【０００９】また、ヘッド本体１は、円筒状の外壁にア
シストガス供給口１４が設けられ、アシストガスを供給
するガス供給手段２に接続されている。アシストガス通
路１３は、アシストガスが円筒部材１２の外周面に沿っ
て上向きに流れた後、円筒部材１２上端から円筒部材１
２内に入り、下向きに流れるように形成されている。な
お、供給されるアシストガスは、例えば酸素や窒素であ
り、使用条件に応じて使い分けられる。

【００１０】ヘッド本体１の下方には、前述した第１の
固着部材１１に続いて、第２の固着部材１５および第１
の絶縁部材１６が取り付けられている。このうち、第２
の固着部材１５は、上端面に凹部１５ａを有する略円盤
状に形成されている。一方、第１の絶縁部材１６は、上
端に輪縁を有する略円筒状に形成されていて、さらに、
内径が下方に向かうにしたがって漸次小さくなるように
テーパ状に形成されている。また、第１の絶縁部材１６
の外周面には、電極部３を取り付けるための図示しない
ネジ溝が設けられている。そして、第２の固着部材１５
および第１の絶縁部材１６は、凹部１５ａに第１の絶縁
部材１６の輪縁が支持した状態で第１の固着部材１１に
固定されている。

【００１１】電極部３は、ガード電極３０、電極ノズル
３１、ノズルホルダ３２を主体に構成され、これらは導
電性の金属部材からそれぞれ形成されている。電極ノズ
ル３１にはワークＷとの距離を一定に保持するために静
電容量を利用することを目的として高周波が印加され、
ガード電極３０にも同位相の高周波が印加されるように
なっている。また、電極部３の周囲にはハウジング３３
が配設されている。以下、電極部３およびハウジング３
３について詳しく説明する。

【００１２】ガード電極３０は、外周に複数の段差を有
する略円筒状に形成されていて、外径が下方に向かって
段階的に小さくなり、かつ、内径が前述した第１の絶縁
部材１６と同様に、下方に向かうにしたがって漸次小さ
くなるようにテーパ状に形成されている。また、上端部
付近の内周面に図示しないネジ溝が設けられていて、第
１の絶縁部材１６にねじ込まれることにより固定されて
いる。

【００１３】電極ノズル３１は、略円筒形状の部材と下
向きに尖った略円錐形状の部材とが上下に連なった形状
で、さらに、中心部に軸方向の貫通孔を有し、その内径
が、下方に向かうにしたがって漸次小さくなるようにテ
ーパ状に形成されている。

【００１４】ノズルホルダ３２は、外周に複数の段差を
有しかつその外径が下方へ向かって段階的に小さくなる
ように形成されている。さらに、中央に軸方向の貫通孔
を有し、その内周面には電極ノズル３１を取り付けるた
めのネジ溝３２ａが設けられている。また、ノズルホル
ダ３２は、ネジ溝３２ａの上方にＯリング溝３２ｂが設
けられていて、このＯリング溝３２ｂには、Ｏリング３
４が装填されている。ノズルホルダ３２は、段差面を下
側からハウジング３３に支持されることによって固定さ
れている。

【００１５】ハウジング３３は、導電性の金属部材で、
下端部を絞った略円筒形状に形成されている。そして、
ガード電極３０の下部およびノズルホルダ３２を囲んだ
状態で、上端面をガード電極３０の段差面に固定されて
いる。さらに、ハウジング３３は、円筒状の外壁に冷却
ガス供給口３３ａが設けられ、ガス供給手段２に接続さ
れている。冷却ガス供給口３３ａに供給される冷却ガス
は、アシストガス供給口１４に供給されるアシストガス
（例えば酸素や窒素）と同じものである。また、ハウジ
ング３３には、下端付近に鉛直方向の貫通孔３３ｂが所
定のピッチ円周上に複数設けられている。さらに、ハウ
ジング３３の下方には、ハウジングカバー３５が取り付
けられていて、貫通孔３３ｂの下方が覆われるようにな
っている。

【００１６】また、ノズルホルダ３２とハウジング３３
との間、ノズルホルダ３２とガード電極３０との間に
は、両者をそれぞれ電気的に絶縁させるために、例えば
セラミックなどの絶縁体からなる第２の絶縁部材３６お
よび第３の絶縁部材３７が挟まれている。

【００１７】また一方、ガード電極３０とハウジング３
３、電極ノズル３１とノズルホルダ３２とは導通するよ
うに互いに接していて、それぞれ印加されることで一体
となって電極を形成するようになっている。

【００１８】さらに、ハウジング３３の内周面とガード
電極３０およびノズルホルダ３２の外周面との間には、
冷却ガス通路３８が形成されている。冷却ガス通路３８
は、冷却ガス供給口３３ａから供給された冷却ガス（ア
シストガス）が下方に流れ、ハウジング３３の下端に設
けられた排出口３８ａから電極ノズル３１およびワーク
Ｗへ向けて排出されるように形成されている。また、冷
却ガス通路３８は、冷却ガスの流れとほぼ直行する複数
の衝突面３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを有している。すなわ
ち、冷却ガス通路３８内には、冷却ガスの流れを遮るよ
うにノズルホルダ３２の上端の段差部３２ｃが突出して
おり、下方へ流れる冷却ガスがこの段差部３２ｃの一面
（衝突面３８ｂ）に衝突するようになっている。また、
冷却ガス通路３８は、冷却ガスがノズルホルダ３２の外
側面（衝突面３８ｃ）に衝突するように形成されてい
る。さらに、排出口３８ａの真下には、電極ノズル３１
の段差部３１ａが流れを遮るように設けられていて、排
出口３８ａから排出された冷却ガスがこの段差部３１ａ
の一面（衝突面３８ｄ）に衝突するようになっている。

【００１９】続いて、上述構成のレーザ加工ヘッドの作
用について説明する。ヘッド本体１の貫通孔１ａには励
起されたレーザビームＬが導かれ、レンズ１０によって
集光されて電極ノズル３１の下方位置のビーム集光点０
で焦点を結ばれて、ワークＷを切断加工する。このと
き、ガス供給手段２からアシストガス通路１３内へ供給
されたアシストガスは、円筒部材１２から順次電極部３
内部を通り、電極ノズル３１からワークＷに向けて噴射
される。

【００２０】このとき、電極ノズル３１の先端とワーク
Ｗとの距離は例えば１〜２ｍｍといった短い距離であ
る。そのため、加工が進行するにしたがって、加工時の
ワークＷの熱が電極ノズル３１およびノズルホルダ３２
へ伝わるようになる。しかも、電極ノズル３１およびノ
ズルホルダ３２は、第２の絶縁部材３６および第３の絶
縁部材３７によって絶縁された状態にあるので、熱の逃
げ場がなく温度が上昇しやすい。本実施形態のレーザ加
工ヘッドでは、冷却ガス供給口３３ａから冷却ガス通路
３８内へ冷却ガスが流れ、この冷却ガスが、ノズルホル
ダ３２および電極ノズル３１に当接するなどして電極ノ
ズル３１およびノズルホルダ３２の熱を外表面から奪い
取る。

【００２１】すなわち、冷却ガスは、冷却ガス通路３８
内でまず下方に流れ、通路３８内に突出しているノズル
ホルダ３２の段差部３２ｃ（衝突面３８ｂ）に衝突す
る。このとき、段差部３２ｃには新しい冷却ガスが繰り
返し連続して衝突するために、段差部３２ｃから冷却ガ
スへ連続的に熱が伝達される。また、冷却ガスは、ハウ
ジング３３の貫通孔３３ｂを鉛直方向に流れた後、ハウ
ジングカバー３５に当接して水平方向へ向きを変え、ノ
ズルホルダ３２の外側面（衝突面３８ｃ）に衝突するよ
うになる。ここでもさらに、ノズルホルダ３２から冷却
ガスへ熱が伝達され、熱を奪った冷却ガスは、排出口３
８ａから排出される。さらに、排出口３８ａから排出さ
れた冷却ガスは、電極ノズル３１の段差部３１ａ（衝突
面３８ｄ）に衝突する。

【００２２】このように、冷却ガスが冷却ガス通路３８
内を流れることによって、熱が奪われてノズルホルダ３
２および電極ノズル３１の温度上昇が抑制される。そし
て、冷却ガスが、ノズルホルダ３２および電極ノズル３
１に繰り返し衝突することによって、冷却ガスへの熱の
伝達が促進される。したがって、電極部３の温度上昇に
よって構成部材が損傷するといった可能性が極めて低く
なり、長期に渡って安定してレーザ加工ができるように
なる。

【００２３】そして、排出口３８ａから排出された冷却
ガスは、電極ノズル３１先端の周囲に流れて、レーザに
よる加工部を覆うようになる。本実施形態では、冷却ガ
スにアシストガスを流用しているので、加工部のアシス
トガスの雰囲気濃度が高くなり、効率よくレーザ加工が
行えるようになる。

【００２４】また、電極部３を囲んで配設されているハ
ウジング３３は、ガード電極３０と一体となって高周波
に印加される。そして、静電容量検知電極である電極ノ
ズル３１とノズルホルダ３２とに対する外部からのノイ
ズを抑制するようになる。したがって、ワークＷとの距
離をより精度よく一定に保つことが可能になる。

【００２５】なお、本実施形態で示したノズルホルダ３
２の段差部３２ｃをスリット状に形成したり、あるいは
ノズルホルダ３２および電極ノズル３１の外表面にロー
レット加工などで凹凸を設けるといったことを行っても
よい。電極ノズル３１やノズルホルダ３２の外表面に多
数の凹凸を設けることによって、熱の伝達面積が広くな
り、熱伝達が促進されて電極部３の温度上昇をさらに抑
制することができるようになる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
以下の効果を得ることができる。請求項１に係るレーザ
加工ヘッドは、ハウジングと電極部との間に形成される
冷却ガス通路にガス供給手段から冷却ガスが供給される
ので、電極部の熱が冷却ガスに伝達されて電極部の温度
上昇を抑制することができる。したがって、絶縁部材が
破損したりシール用のＯリングが溶損するといった電極
部の温度上昇による部材の損傷の可能性が低くなり、長
期に渡って安定してレーザ加工を行うことができる。

【００２７】請求項２に係るレーザ加工ヘッドでは、電
極部に冷却ガスが繰り返し衝突するので、電極部から冷
却ガスへの熱伝達が促進され、電極部の温度上昇を効率
よく抑制することができる。

【００２８】請求項３に係るレーザ加工ヘッドでは、電
極部の外表面に多数の凹凸が形成されているので、電極
部における冷却ガスへの熱伝達面が広くなって熱伝達が
促進され、電極部の温度上昇をさらに抑制することがで
きる。

【００２９】請求項４に係るレーザ加工ヘッドでは、電
極部と同位相の高周波が印加されるようにハウジングが
配設されているので、検知電極である電極部への外部か
らのノイズが抑制され、より精度よく被加工物との距離
を一定に保つことができる。

【００３０】請求項５に係るレーザ加工ヘッドでは、レ
ーザ加工用のアシストガスが冷却ガスとして用いられる
ので、冷却ガスの供給用に新たに機器や配管を設けると
いったことが少なくて済み、効率よくコンパクトに構成
することが可能になる。

【００３１】請求項６に係るレーザ加工ヘッドでは、被
加工物側へアシストガスを排出するように排出口が設け
られているので、排出口からのアシストガスでレーザ加
工部を覆い、加工部のアシストガスの雰囲気濃度を高く
することが可能となる。そのため、レーザ加工をより効
率的に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施形態のレーザ加工ヘッド
を示す縦断面図である。

【図２】 図１の先端部分の詳細断面図である。

【符号の説明】

Ｗ ワーク（被加工物） １ ヘッド本体 ２ ガス供給手段 ３ 電極部 １６ 第１の絶縁部材 ３０ ガード電極 ３１ 電極ノズル ３２ ノズルホルダ ３３ ハウジング ３６ 第２の絶縁部材 ３７ 第３の絶縁部材 ３８ 冷却ガス通路 ３８ａ 排出口 ３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ 衝突面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極部が絶縁部材を介して取り付けられ
   るレーザ加工ヘッドにおいて、 前記電極部の少なくとも一部を囲んで配設されるハウジ
   ングと、 該ハウジングと前記電極部との間に形成され冷却ガスを
   通過させる冷却ガス通路と、 該冷却ガス通路に冷却ガスを供給するためのガス供給手
   段とを備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 【請求項２】 前記冷却ガス通路は、前記冷却ガスを前
   記電極部に衝突させる複数の衝突面を有することを特徴
   とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 【請求項３】 前記電極部の表面には、多数の凹凸が形
   成されることを特徴とする請求項１または２記載のレー
   ザ加工ヘッド。
4. 【請求項４】 前記ハウジングは、前記電極部と同位相
   の高周波が印加されるように配設されることを特徴とす
   る請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッ
   ド。
5. 【請求項５】 前記冷却ガスには、レーザ加工用のアシ
   ストガスが用いられることを特徴とする請求項１から４
   のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
6. 【請求項６】 前記冷却ガス通路には、前記被加工物側
   へ前記アシストガスを排出するための排出口が設けられ
   ることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工ヘッド。