JP2003094189A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒状保持部材内に照射されるレーザ光による
筒状保持部材の過熱を防いで、レーザ加工ヘッドが過熱
状態となることを防止することのできるレーザ加工ヘッ
ドを提供する。 【解決手段】 レーザ加工ヘッド１は、筒状保持部材２
と、筒状保持部材２により保持された集光レンズ３とを
備えている。筒状保持部材２の両端の開口は、それぞれ
レーザ光入部４ａと、レーザ光出部４ｂとを形成してお
り、レーザ光入部４ａには光ファイバ７が接続されてい
る。筒状保持部材２の内側表面は金（Ａｕ）によるメッ
キが施されて反射膜６が形成されている。集光レンズ３
により反射されたレーザ光は、そのほとんどが反射膜６
に反射されて、集光レンズ３を通って被加工物５０に集
光照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光により被
加工物を加工する際に、レーザ光を被加工物に集光照射
させるために用いられるレーザ加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ光により被加工物を加工
する際には、効率良く被加工物を加工するために、レー
ザ光を被加工物に集光照射させるレーザ加工ヘッドが用
いられる。

【０００３】レーザ加工ヘッドは、レーザ光が通過する
筒状保持部材を有し、筒状保持部材は、少なくとも１枚
の集光レンズを保持している。

【０００４】例えば、固体レーザ発振器により得られた
レーザ光は、光ファイバ等のレーザ光伝送手段によりレ
ーザ加工ヘッドに送られ、集光レンズにより被加工物に
集光照射される。被加工物は、集光照射されたレーザ光
により、効率良く加工される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、被加工
物をレーザ光により加工する際には、集光レンズにより
レーザ光を被加工物に集光照射するレーザ加工ヘッドが
用いられる。

【０００６】従って、レーザ加工ヘッドを用いて被加工
物をレーザ加工する際には、レーザ光のうち大部分は、
レーザ加工ヘッドの集光レンズを通過して、被加工物に
集光照射される。

【０００７】しかしながら、レーザ光のうち一部分は、
集光レンズにより反射されて筒状保持部材の内側に、反
射光や散乱光として照射される。

【０００８】また、例えば、レーザ加工ヘッドを金属溶
融加工に用いる場合等には、加工の際に被加工物から溶
融した金属飛沫が飛散する事が考えられる。このような
場合には、集光レンズと被加工物との間に保護ガラスを
設けて、飛散物から集光レンズを保護している。しかし
ながら、レーザ光が保護レンズを通過する際に、レーザ
光の一部分は、保護レンズにより反射されて筒状保持部
材の内側に、反射光や散乱光として照射されることがあ
る。

【０００９】この場合、集光レンズや保護レンズに無反
射コーティングが施されないと、全レーザ光のうち数％
が反射して筒状保持部材の内側に照射されることとな
る。また、無反射コーティングが施された集光レンズや
保護レンズのレーザ光透過率は、通常は９９．５％程度
となっている。このため、たとえ集光レンズや保護レン
ズに無反射コーティングを施した場合であっても、０．
５％程度のレーザ光は、集光レンズおよび保護レンズに
反射されて筒状保持部材の内側に照射されることとな
る。

【００１０】ところで、筒状保持部材は、加工性や耐久
性等に優れたアルミニウムにより切削加工にて製造され
ることが多く、筒状保持部材の内側は切削加工された状
態のままであり、メッキ等の加工が施されないのが一般
的である。また、アルミニウムは、レーザ光に対する反
射率が約９７％である。従って、集光レンズや保護レン
ズにより反射されたレーザ光は、筒状保持部材の内面に
照射された後、何度も乱反射を繰り返すことになって筒
状保持部材内にこもる状態とされ、さらには乱反射の繰
り返しにより、筒状保持部材に吸収される機会も増え、
結果的に筒状保持部材の加熱に費やされることとなる。

【００１１】このように、集光レンズや保護レンズによ
り反射されたレーザ光が筒状保持部材の内側に照射され
ると、筒状保持部材は反射されたレーザ光により加熱さ
れて、レーザ加工ヘッドは過熱状態となってしまう。

【００１２】特に、最近の固体レーザ発振器の高出力化
に伴い、反射されたレーザ光による筒状保持部材の加熱
は著しいものとなっており、集光レンズや保護レンズに
無反射コーティングを施した場合であっても、レーザ加
工ヘッドは、集光レンズや保護レンズに反射されたレー
ザ光により過熱状態となることがある。

【００１３】また、集光レンズや保護レンズに完全な無
反射コーティングを施して、レーザ光の透過率を限りな
く１００％にすることにより、筒状保持部材内へのレー
ザ光の反射を防いでレーザ加工ヘッドの過熱を防止する
ことも考えられる。しかしながら、完全な無反射コーテ
ィングを集光レンズや保護レンズに施すことは、極めて
困難であり、また、このようなコーティング加工に要す
るコストは極めて高価なものとなる。

【００１４】また、冷却装置を設けて、この冷却装置に
より加熱されている筒状保持部材を冷却することで、レ
ーザ光による筒状保持部材の過熱を防いでレーザ加工ヘ
ッドの過熱を防止することが考えられる。しかしなが
ら、冷却空気を筒状保持部材に吹き付ける空冷方式や、
冷却水を筒状保持部材の周りで循環させる水冷方式を採
用する冷却装置を設けることは、レーザ加工ヘッド全体
の大型化を招くとともに、レーザ加工ヘッドの製作コス
トや運転コストの高騰化を招くこととなる。また、レー
ザ加工ヘッドの構成を複雑化して、レーザ加工ヘッドの
使い勝手を悪くするということが考えられる。

【００１５】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、筒状保持部材内に照射されるレーザ光によ
る筒状保持部材の過熱を防いで、レーザ加工ヘッドが過
熱状態となることを防止することのできるレーザ加工ヘ
ッドを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、筒状保持部材
と、筒状保持部材により保持され、筒状保持部材の内側
を通るレーザ光を被加工物に集光する集光レンズと、を
備え、レーザ光が通る筒状保持部材の内側表面は滑面処
理されてなることを特徴とするレーザ加工ヘッドであ
る。

【００１７】本発明によれば、集光レンズにより反射さ
れ、筒状保持部材の内側に照射されるレーザ光は、その
ほとんどが筒状保持部材の内表面にて正反射されて最終
的に集光レンズを通って外部に放出されるので、筒状保
持部材に吸収されるレーザ光を低減させることができ
る。

【００１８】本発明は、筒状保持部材と、筒状保持部材
により保持され、筒状保持部材の内側を通るレーザ光を
被加工物に集光照射する集光レンズと、を備え、レーザ
光が通る筒状保持部材の内側表面には、表面が滑面処理
された反射体が配置されていることを特徴とするレーザ
加工ヘッドである。

【００１９】本発明によれば、集光レンズにより反射さ
れ、筒状保持部材の内側に照射されるレーザ光は、その
ほとんどが反射体により正反射されて最終的に集光レン
ズを通って外部に放出されるので、筒状保持部材に吸収
されるレーザ光を低減させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態 以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明
する。

【００２１】図１は本発明の第１の実施の形態を示す図
である。ここで図１は、被加工物をレーザ加工するレー
ザ加工ヘッドを示す構成図である。

【００２２】図１に示すように、レーザ加工ヘッド１
は、アルミニウム製の筒状保持部材２と、筒状保持部材
２により保持され筒状保持部材２の長さ方向に順次設置
された２枚の集光レンズ３とを備えている。筒状保持部
材２の長さ方向の両端の開口は、それぞれレーザ光入部
４ａと、レーザ光出部４ｂとを形成している。

【００２３】筒状保持部材２の内側表面は、レーザ光に
対する反射率が約９８％の反射性物質である金（Ａｕ）
によりメッキが施され、この金メッキによる滑面処理が
施された反射膜６が形成されている。

【００２４】レーザ光入部４ａには、レーザ光伝送手段
である光ファイバ７が接続されており、光ファイバ７を
介して送られてきたレーザ光が、レーザ光入部４ａから
筒状保持部材２の内側に入射するようになっている。

【００２５】なお、２枚の集光レンズ３は、レーザ加工
ヘッド１のレーザ光入部４ａから入射したレーザ光が、
レーザ加工ヘッド１のレーザ光出部４ｂの外側に配置さ
れた被加工物５０に適切に集光照射されるように、位置
調整が行われている。

【００２６】次にこのような構成からなる本実施の形態
の作用について説明する。

【００２７】図１に示すように、図示しない固体レーザ
発振器により得られたレーザ光は、光ファイバ７を介し
て、レーザ加工ヘッド１のレーザ光入部４ａから筒状保
持部材２の内側に入射する。筒状保持部材２の内側に入
射したレーザ光は、筒状保持部材２内を経て、レーザ光
出部４ｂより出射する。このようにしてレーザ光出部４
ｂより出射するレーザ光は、レーザ加工ヘッド１のレー
ザ光出部４ｂの外側に配置された被加工物５０に集光照
射される。この間、筒状保持部材２内を通るレーザ光
は、集光レンズ３により集光されて、被加工物５０に適
切に集光照射される。

【００２８】この場合、筒状保持部材２内に入射したレ
ーザ光のうち大部分は、集光レンズ３を通過して、被加
工物５０に集光照射される。しかしながら、筒状保持部
材２内に入射したレーザ光のうち一部分は、集光レンズ
３により反射されて、筒状保持部材２の内側に照射され
る。

【００２９】集光レンズ３により反射され筒状保持部材
２の内側に照射されたレーザ光は、筒状保持部材２の内
側表面に形成された金からなる反射膜６により正反射さ
れる。その後、筒状保持部材２の内側に照射されたレー
ザ光は、そのほとんどが反射膜６による正反射を繰り返
した後に、集光レンズ３を通過して、筒状保持部材２の
外部に放出されることとなる。

【００３０】特に、反射膜６を形成する金は、レーザ光
に対する反射率が約９８％と高い反射率を有するので、
筒状保持部材２の内側の反射膜６に照射されたレーザ光
は、そのほとんどが反射膜６に正反射され、結局、集光
レンズ３を通過して外部に放出される。このように、集
光レンズ３により反射されたレーザ光は、筒状保持部材
２の内側での数少ない正反射の後、外部に放出されるこ
ととなる。従って、そのほとんどが筒状保持部材２に吸
収されることなく外部に放出されるので、筒状保持部材
２の加熱に費やされるレーザ光は著しく低減して、レー
ザ加工ヘッド１が過熱状態となることを防止することが
できる。

【００３１】次に、本実施の形態の変形例について説明
する。

【００３２】筒状保持部材２の内側表面に形成される反
射膜６は、アルミニウム（Ａｌ）を蒸着処理することで
得てもよい。

【００３３】アルミニウムは、レーザ光に対する反射率
が約９７％と高い反射率を有するので、集光レンズ３に
より反射されてアルミニウム蒸着面からなる反射膜６に
照射されたレーザ光は、そのほとんどが反射膜６により
正反射されることとなる。

【００３４】このように、本変形例の場合にも、筒状保
持部材２の内側に照射されたレーザ光は、そのほとんど
が反射膜６による正反射を繰り返した後に、集光レンズ
３を通過して、外部に放出されることとなる。これによ
り、集光レンズ３により反射されたレーザ光のうち筒状
保持部材２の加熱に費やされるレーザ光は著しく低減す
るので、レーザ加工ヘッド１が過熱状態となることを防
止することができる。

【００３５】なお、反射膜６の材質は、金、アルミニウ
ムに限定されるものではないが、レーザ光に対する反射
率が９５％以上の材質が好ましい。このような材質から
なる反射膜６を使用した場合にも、上述の本実施の形態
の作用効果を奏することができる。

【００３６】また、反射膜６は、筒状保持部材２の内側
表面の全域に渡って形成されることが望ましいが、これ
に限定されるものではない。集光レンズ３により反射さ
れたレーザ光によるレーザ加工ヘッド１の過熱状態を防
ぐことができるものであれば、反射膜６の形成範囲はど
のようなものであってもよい。ただし、本実施の形態の
ように、レーザ光伝送手段に光ファイバ７を用いた場合
等のようにレーザ光入部４ａが小さい場合には、可能な
限り広範囲に反射膜６を形成することが望ましい。

【００３７】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、集光レンズ３により反射され筒状保持部材２内に照
射されるレーザ光は、そのほとんどが筒状保持部材２の
内側表面に形成された反射膜６による数少ない正反射を
繰り返して、最終的には、筒状保持部材２の外部に放出
される。これにより、筒状保持部材２に吸収されるレー
ザ光を低減させて、筒状保持部材２の過熱を防ぎ、レー
ザ加工ヘッド１が過熱状態となることを防止することが
できる。このため、レーザ加工ヘッド１の過熱を防止す
る冷却装置を設ける必要がなくなるので、冷却装置の設
置に伴う電線やチューブ等の接続物の設置も不要とな
る。また、レーザ加工ヘッド１の小型化、製作コストや
運転コストの低減化、およびレーザ加工ヘッド１の構成
の簡素化を図ることができ、レーザ加工ヘッド１の使い
勝手を向上させることができる。また、例え、冷却装置
を設ける必要が生じたとしても、従来と比較して、冷却
装置の構造を小型化、簡素化することができる。

【００３８】第２の実施の形態 図２は本発明の第２の実施の形態を示す図である。ここ
で図２は、被加工物をレーザ加工するレーザ加工ヘッド
を示す構成図である。

【００３９】図２に示す第２の実施の形態は、レーザ光
が通る筒状保持部材２の内側表面に反射膜６を設ける代
わりに、筒状形状でアルミニウム製の反射体８を筒状保
持部材２の内側にフィットするように配置したものであ
る。反射体８の内側表面は、金によりメッキされて表面
層８ａを形成している。従って、レーザ光入部４ａから
入射したレーザ光は、反射体８の内側を通って、集光レ
ンズ３を経て、レーザ光出部４ｂから出射して、被加工
物５０に集光照射されることとなる。

【００４０】他の構成は図１に示す第１の実施の形態と
略同一である。

【００４１】図２において、図１に示す第１の実施の形
態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略す
る。

【００４２】図２に示すように、図示しない固体レーザ
発振器により得られたレーザ光は、光ファイバ７を介し
て、レーザ加工ヘッド１のレーザ光入部４ａから、筒状
保持部材２の内側表面に配設された反射体８の内側に入
射する。反射体８の内側に入射したレーザ光は、反射体
８内を経て、レーザ光出部４ｂより出射する。このよう
にしてレーザ光出部４ｂより出射したレーザ光は、レー
ザ加工ヘッド１のレーザ光出部４ｂの外側に配置された
被加工物５０に適切に集光照射される。この間、反射体
８内を通るレーザ光は、集光レンズ３により集光され
て、被加工物５０に適切に集光照射される。

【００４３】この場合、反射体８内に入射したレーザ光
のうち大部分は、集光レンズ３を通過して、被加工物５
０に集光照射される。しかしながら、反射体８内に入射
したレーザ光のうち一部分は、集光レンズ３により反射
されて、反射体８の内側に照射される。

【００４４】集光レンズ３により反射され反射体８の内
側に照射されたレーザ光は、反射体８の内側表面の表面
層８ａにより正反射される。このように、反射体８の内
側に照射されたレーザ光は、そのほとんどが反射体８に
よる正反射を繰り返した後に、集光レンズ３を通過し
て、筒状保持部材２の外部に放出されることとなる。

【００４５】特に、表面層８ａを形成する金は、レーザ
光に対する反射率が約９８％と高い反射率を有するの
で、反射体８の内側に照射されたレーザ光は、そのほと
んどが反射体８の表面層８ａにより正反射され、結局、
集光レンズ３を通過した後に外部に放出される。このた
め、集光レンズ３により反射されたレーザ光は、そのほ
とんどが反射体８および筒状保持部材２に吸収されるこ
となく、従って、筒状保持部材２の加熱に費やされるレ
ーザ光は著しく低減して、レーザ加工ヘッド１が過熱状
態となることを防止することができる。

【００４６】なお、反射体８の内側表面をアルミニウム
（Ａｌ）蒸着処理して、表面層８ａをアルミニウムによ
り形成してもよい。アルミニウムはレーザ光に対する反
射率が約９７％と高い反射率を有するので、金の場合と
同様に、集光レンズ３により反射されて反射体８の内側
に照射されたレーザ光は、そのほとんどが反射体８の表
面層８ａによる正反射を繰り返した後に、集光レンズ３
を通過して、外部に放出されることとなる。従って、集
光レンズ３により反射されたレーザ光は、そのほとんど
が反射体８および筒状保持部材２に吸収されることな
く、従って、筒状保持部材２の加熱に費やされるレーザ
光は著しく低減して、レーザ加工ヘッド１が過熱状態と
なることを防止することができる。

【００４７】また、反射体８の形状は、筒状保持部材２
と同様の筒状形状に限定されるものではない。集光レン
ズ３により反射されたレーザ光によるレーザ加工ヘッド
１の過熱状態を防ぐことができるものであれば、反射体
８の形状はどのような形状であっても構わず、例えば、
分割された部材にて反射体８を構成してもよい。ただ
し、本実施の形態のように、レーザ光伝送手段に光ファ
イバ７を用いた場合等のようにレーザ光入部４ａが小さ
い場合には、可能な限り広範囲に反射体８を設置するこ
とが望ましい。

【００４８】また、反射体８の内側表面を金メッキまた
はアルミニウム蒸着処理により表面層８ａを形成する代
わりに、反射体８自体をアルミニウムにより形成し、切
削加工後、内面を研磨することで滑面処理を施してもよ
い。この場合、反射体８の内側表面もアルミニウムによ
り形成されることとなるので、集光レンズ３により反射
されたレーザ光は、そのほとんどが反射体８による正反
射を繰り返した後に、集光レンズ３を通過して、被加工
物５０に集光照射されることとなる。

【００４９】なお、上述の反射体８の表面層８ａの材質
あるいは反射体８自体の材質は、アルミニウムに限定さ
れるものではなく、金でもよく、レーザ光に対する反射
率が９５％以上の材質であることが好ましい。

【００５０】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、集光レンズ３により反射され筒状保持部材２内に照
射されるレーザ光は、そのほとんどが反射体８による数
少ない正反射を繰り返して、最終的には、筒状保持部材
２の外部に放出される。これにより、反射体８および筒
状保持部材２に吸収されるレーザ光を低減させて、筒状
保持部材２の過熱を防ぎ、レーザ加工ヘッド１が過熱状
態となることを防止することができる。また、筒状保持
部材２に、直接、金メッキやアルミニウム蒸着処理等を
施して反射膜６を形成する必要がないので、筒状保持部
材２の材質はアルミニウム等の金属製に限定されない。
このため、筒状保持部材２を様々な材質により形成する
ことができる。

【００５１】第３の実施の形態 図３は本発明の第３の実施の形態を示す図である。ここ
で図３は、被加工物をレーザ加工するレーザ加工ヘッド
を示す構成図である。

【００５２】図３に示す第３の実施の形態は、レーザ光
が通る筒状保持部材２の内側表面のうちレーザ光入部４
ａ側がテーパ状となっており、テーパ角θが形成されて
いる。

【００５３】他の構成は図１に示す第１の実施の形態と
略同一である。

【００５４】図３において、図１に示す第１の実施の形
態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略す
る。

【００５５】図３に示すように、光ファイバ７を介して
レーザ光入部４ａから筒状保持部材２の内側に入射した
レーザ光のうち一部分は、集光レンズ３により反射され
て筒状保持部材２の内側に照射される。このように、集
光レンズ３により反射され筒状保持部材２の内側に照射
されたレーザ光は、そのほとんどが筒状保持部材２の内
側表面に形成された反射膜６による正反射を繰り返した
後に、集光レンズ３を通過して、外部に放出されること
となる。

【００５６】このとき、レーザ光が通る筒状保持部材２
の内側表面のうちレーザ光入部４ａ側が、テーパ角θの
テーパ状となっているので、筒状保持部材２の内側に照
射されたレーザ光は、効率良く反射膜６による正反射を
繰り返した後に、集光レンズ３を通過して、外部に放出
される。特に、テーパ角θが９０度以上の場合には効率
的である。

【００５７】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、レーザ光が通る筒状保持部材２の内側表面のうちレ
ーザ光入部４ａ側をテーパ状にすることにより、筒状保
持部材２の内側に照射されたレーザ光を、効率良く、反
射膜６により正反射させて外部に放出することができ
る。これにより、筒状保持部材２に吸収されるレーザ光
を低減させて筒状保持部材２の過熱を抑えることがで
き、効率良く、レーザ加工ヘッド１の過熱状態を防止す
ることができる。また、筒状保持部材２の内側を筒状に
形成した場合に比べて、筒状保持部材２の内側の表面積
を小さくして、反射膜６の形成面積を抑えることができ
る。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集光レンズにより反射され筒状保持部材の内側に照射さ
れるレーザ光は、そのほとんどが反射膜または反射体に
より正反射されて外部に放出される。このため、筒状保
持部材に吸収されるレーザ光を低減させることができ、
筒状保持部材内に照射されるレーザ光による筒状保持部
材の過熱を防いで、レーザ加工ヘッドが過熱状態となる
ことを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工ヘッドの第１の実施の
形態を示す構成図である。

【図２】本発明によるレーザ加工ヘッドの第２の実施の
形態を示す構成図である。

【図３】本発明によるレーザ加工ヘッドの第３の実施の
形態を示す構成図である。

【符号の説明】

１ レーザ加工ヘッド ２ 筒状保持部材 ３ 集光レンズ ４ａ レーザ光入部 ４ｂ レーザ光出部 ６ 反射膜 ７ 光ファイバ ８ 反射体 ８ａ 表面層 ５０ 被加工物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状保持部材と、 筒状保持部材により保持され、筒状保持部材の内側を通
   るレーザ光を被加工物に集光する集光レンズと、を備
   え、 レーザ光が通る筒状保持部材の内側表面は滑面処理され
   てなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 【請求項２】筒状保持部材と、 筒状保持部材により保持され、筒状保持部材の内側を通
   るレーザ光を被加工物に集光照射する集光レンズと、を
   備え、 レーザ光が通る筒状保持部材の内側表面には、表面が滑
   面処理された反射体が配置されていることを特徴とする
   レーザ加工ヘッド。
3. 【請求項３】滑面処理は、メッキ処理、蒸着処理、研磨
   処理のいずれかであることを特徴とする請求項１または
   ２のうちいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 【請求項４】滑面処理は、金メッキ処理またはアルミニ
   ウム蒸着処理であることを特徴とする請求項１または２
   のうちいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 【請求項５】レーザ光が通る筒状保持部材の内側表面の
   うちレーザ光の入り側は、テーパ状となっていることを
   特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の
   レーザ加工ヘッド。