JP2008006471A - レーザ光線加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易なレーザ光線加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光Ｌを発生するレーザ発振器と、液体供給手段から供給された噴流液体（Ｆ）を噴射するノズルと、レーザ光Ｌを導光して噴射された液体噴流（Ｆ）内に導く光ファイバと、を備え、液体噴流（Ｆ）内に導かれたレーザ光Ｌを照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、光ファイバ２１の先端部から出射されるレーザ光Ｌが液体噴流（Ｆ）内に導かれるように、光ファイバ２１の先端部とノズルＮとを近接または係合させて構成したことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明はレーザ光線加工装置に関し、特にレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置に関する。

液体噴流（一例として、ウォータージェット）内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置は、エネルギー密度を高めるために微小スポットに集光されたレーザ光をノズルから噴射された液体噴流内に導き、このレーザ光をワークに照射してレーザ切断等の所定の加工を行なう。このようなレーザ光線加工装置は、ウォータージェットでワークを冷却することができるので、切断加工時に熱影響が少ないという特徴を有する。
レーザ光線加工装置の構成について図８を参照しながら説明する。図８は、レーザ光線加工装置の構成を概念的に示す部分断面図である。

ウォータージェット内にレーザ光線を導いてレーザ加工を行なうレーザ光線加工装置１００は、図８に示すように、一般的には、光ファイバ２００から照射されたレーザ光Ｌを集束させるためのコリメータレンズ２１０および集光レンズ２２０と、高圧液体が供給される液体チャンバ４００と、この液体チャンバ４００内にレーザ光Ｌを入射させるためのウィンドウ２３０と、レーザ光Ｌの集光点をノズルＮ（高圧液体の噴射口）に合わせてレーザ光Ｌを液体噴流内に導くための精密位置決め機構５００と、を備えて構成されている（例えば、特許文献１，２）。そして、ノズルＮから噴射された液体にレーザ光Ｌが導かれて図示しないワークに向けて照射される。

なお、精密位置決め機構５００は、光ファイバ２００から照射されたレーザ光ＬをノズルＮに精密に集光させるための位置決め機構であり、集光レンズ群の光軸および焦点距離等の精密な位置合わせを行なう機構であるが、種々の形態があるのでここでは概念的に簡略化して図示している。
特開２００５−３４８８９号公報（図１） 特表平１０−５００９０３号公報（図１）

しかしながら、レーザ光Ｌを液体噴流内に導くためには、集光レンズによって集光されたレーザ光Ｌの焦点をノズルＮに正確に合わせる必要がある。そうしないと、焦点付近には既に十分高いパワー密度があるので、焦点の位置がずれると、液体噴流に入射する前にノズルＮやウィンドウ２３０を損傷するおそれがあるからである。このため、レーザ光Ｌを液体噴流内に導くための精密位置決め機構５００には、厳格な精度が要求され、構成が複雑になり、組立、調整に要する工数が大きくなるという問題があった。
また、折角焦点を合わせても、加工中の機械振動等の影響を受けて、レーザ光Ｌの焦点がずれてしまうという問題もあった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、レーザ光を発生するレーザ発振器と、液体供給手段から供給された噴流液体を噴射するノズル（噴射口）と、前記レーザ光を導光して前記噴射された液体噴流内に導く光ファイバと、を備え、この液体噴流内に導かれた前記レーザ光を照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、前記光ファイバの先端部から出射される前記レーザ光が前記液体噴流内に導かれるように、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを近接または係合させて構成したこと、を特徴とする。

このように、本発明は、光ファイバの先端部とノズルとを近接または係合させて、光ファイバの先端部から出射されるレーザ光を直接液体噴流内に導くように構成したことで、集光レンズや液体チャンバ内に入射させるためのウィンドウ、およびレーザ光の集光点をノズルに合わせる精密位置決め機構を不要にし、構成を簡素化することができる。

前記した本発明において、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを同軸に保持し近接または係合させるガイド部材をさらに備えていることが望ましい。
かかる構成によれば、光ファイバの先端部とノズルとを同軸に保持するガイド部材を備えたことで、光ファイバの先端部とノズルとの位置合わせを容易に行なうことができる。このため、本発明に係るレーザ光線加工装置は、組立調整を容易に行なうことができる。
さらに、ガイド部材により光ファイバの先端部とノズルとが保持されているので、加工中の機械振動等による位置ズレを防止することができる。

前記した本発明において、前記光ファイバの先端部には、この光ファイバの先端部から出射されるレーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えることが望ましい。
かかる構成によれば、光ファイバのコア径がノズルの径と比較して、同等あるいは大きい場合であっても、レーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えたことで、レーザ光の拡散を防止してレーザ光を効率よく液体噴流内に導くことができる。

前記した本発明において、前記光学レンズは、前記光ファイバの先端部をレンズ加工したものとすることができる。かかる構成によれば、光ファイバの先端部をレンズ加工しているため、効率よくレーザ光を集光させることができる。

本発明に係るレーザ光線加工装置によれば、簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図１（ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の全体構成を説明するための概念図であり、（ｂ）は噴流水内をレーザ光が伝搬する様子を示す（ａ）の部分拡大図である。図２は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す分解斜視図であり、図３は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す断面図であり、図４は図３の要部拡大図である。

本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１は、図１（ａ）に示すように、レーザ光Ｌを発生するレーザ発振器２と、液体供給手段３から供給された噴流液体である水を噴射するノズルヘッド４と、レーザ光Ｌを導光して噴射された噴流水Ｆ（図１（ｂ））内に導く光ファイバ２１と、を備えている。
かかる構成により、レーザ光線加工装置１は、噴流水Ｆ内に導かれたレーザ光ＬをテーブルＴに載置されたワークＷに照射しながら、テーブル移動装置ＴａによりテーブルＴを移動させて、レーザ切断等の所定の加工を行なうことができる。

レーザ光Ｌを発生するレーザ発振器２は、一例として、光ファイバ２１での伝送性を考慮してＹＡＧレーザ発振器を採用している。
なお、ＹＡＧレーザは、ある程度水に吸収されるが、レーザ光線加工装置１においては、ノズルからワークまでの距離が比較的短いので、その影響を軽減することができる。また、本実施形態においては、前記観点からＹＡＧレーザ発振器を採用したが、これに限定されるものではなく、最も水に吸収されにくいグリーンレーザ発振器を使用することもできる。

液体供給手段３は、給水タンク３１から水を吸い込んで増圧する高圧ポンプ３２と、増圧された噴流水Ｆをノズルヘッド４まで供給する高圧配管３３と、を備えている。

ノズルヘッド４は、図２に示すように、光ファイバ２１を保持する保持管４１と、噴流水Ｆ（図１（ｂ）参照）を噴射するウォーターノズル４２と、保持管４１とウォーターノズル４２とを対面させた状態で保持するガイド部材４３（図３を併せて参照）と、を備えている。

光ファイバ２１は、図４に示すように、中心部のコア２１ａと、その周囲を覆うクラッド２１ｂの二重構造になっている。そして、コア２１ａは、クラッド２１ｂと比較して屈折率が高く設計されているため、所定の入射角度でコア２１ａ内に導入されたレーザ光Ｌは、全反射によりコア２１ａ内に閉じこめられた状態で伝搬される。このようにして、導入されたレーザ光Ｌは、コア２１ａ内を伝搬されて光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射される。

なお、コア径は、１０〜３００μｍ程度に設定されるが、伝搬されるレーザ光の波長や出力に応じて所定のコア径が選択される。

また、光ファイバ２１は、図３に示すように、保持管４１で保持されている。保持管４１は、円柱形状であり、中心部には光ファイバ２１を挿通して保持できるように貫通孔４１ａが形成されている。一方、保持管４１の外周面４１ｂはガイド部材４３の内周面４３ａで保持されている。

ウォーターノズル４２は、図３に示すように、円柱形状の胴部４２ａにおける一方の端面（本図における下側の端面）にフランジ４２ｂが形成されている。ウォーターノズル４２の中心部には、一方の端面から他方の端面（本図における上側の端面）まで貫通する貫通孔４２ｃが形成されている。そして、胴部４２ａには、高圧チャンバ４３ｄの気密性を確保するシール部材ＳＬが装着されている。
ウォーターノズル４２は、円柱形状の胴部４２ａがガイド部材４３の内周面４３ａに嵌挿され保持されている。そして、ウォーターノズル４２のフランジ４２ｂは、ガイド部材４３の端面（本図における下側の端面）に当接され、ノズルＮが所定の位置に位置決めされている。
貫通孔４２ｃは、図４に示すように、ウォーターノズル４２の他方の端面（本図における上側の端面）側が拡径され、この拡径部にノズルＮを構成するリング形状のノズルチップ４２ｄが埋設されている。そして、ノズルＮは、ノズルチップ４２ｄの中心部に形成され、ノズルＮから噴流水Ｆを本図における下方に噴射する。

なお、ノズル径は、コア径と同等ないし少し大きい径が採用され、具体的には２０〜３００μｍ程度に設定されるが、伝搬されるレーザ光の波長や出力、および光ファイバとの位置関係に応じて所定のノズル径が選択される。

ガイド部材４３は、図３に示すように、内周面４３ａと外周面４３ｂとを有する円筒形状に形成されている。そして、ガイド部材４３は、内周面４３ａと外周面４３ｂとを連通する高圧水路４３ｃと、この高圧水路４３ｃに連通する高圧チャンバ４３ｄと、を備えている。
かかる構成により、高圧水路４３ｃには、高圧配管３３（図１参照）を通って高圧水が供給され、高圧チャンバ４３ｄには高圧水が充填される。そして、充填された高圧水がノズルＮから噴射される。

すなわち、ガイド部材４３は、その内周面４３ａにより、図４に示すように、保持管４１とウォーターノズル４２とを、保持管４１の下側の端面４１ｃとウォーターノズル４２の上側の端面４２ｅとが対面するように保持している。
そして、保持管４１の下側の端面４１ｃとウォーターノズル４２の上側の端面４２ｅとの間には、隙間δが設けられている。このため、高圧チャンバ４３ｄ内に充填された高圧水は、この隙間δにより形成された流路を通りノズルＮから噴流水Ｆとなって噴射される。

続いて、ガイド部材４３により、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌが噴流水Ｆ内に導かれるように、光ファイバ２１の先端部２１ｃとノズルＮとを同軸に保持し、近接させた構成について、図３と図４を参照しながら説明する。
図３に示すように、ガイド部材４３の内周面４３ａには、光ファイバ２１を保持する保持管４１とウォーターノズル４２の胴部４２ａが同軸上に位置決めされて保持されている。

具体的には、図４に示すように、光ファイバ２１のコア２１ａの中心ＣＬ１は、光ファイバ２１を保持する保持管４１の外周面４１ｂに対して所定の同軸度を備えている。そして、ウォーターノズル４２のノズルチップ４２ｄに形成されたノズルＮの中心ＣＬ２は、ウォーターノズル４２の胴部４２ａの外周面に対して所定の同軸度を備えている。
したがって、図３に示すように、光ファイバ２１を保持する保持管４１の外周面４１ｂとウォーターノズル４２の胴部４２ａの外周面とを所定の円筒度を有するガイド部材４３の内周面４３ａで保持することで、光ファイバ２１のコア２１ａの中心ＣＬ１とノズルＮの中心ＣＬ２とを所定の範囲内で同軸上に保持することができる。

なお、所定の同軸度および円筒度とは、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されたレーザ光ＬがノズルＮに射出され、レーザ光Ｌが噴流水Ｆ内に導入されるために必要な所定の同軸度および円筒度を意味する。したがって、この同軸度および円筒度は、レーザ光の波長や出力、光ファイバ２１やノズルＮの径、ないし両者の位置関係等を考慮して適宜設定される。

以上のように構成された本実施形態に係るレーザ光線加工装置１の作用効果について、図３と図４を参照しながら説明する。
本実施形態に係るレーザ光線加工装置１は、図３に示すように、ガイド部材４３により、光ファイバ２１の先端部２１ｃ（図４参照）から出射されるレーザ光Ｌが噴流水Ｆ内に導かれるように、光ファイバ２１の先端部２１ｃとノズルＮとを同軸に保持し近接させて構成されている。
かかる構成により、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌを直接噴流水Ｆ内に導くことで、従来必要とされたレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ２２０や液体チャンバ４００内に入射させるためのウィンドウ２３０、およびレーザ光Ｌの集光点をノズルＮに合わせる精密位置決め機構５００を不要にして（図８参照）、構成を簡素化している。

また、光ファイバ２１を保持する保持管４１の外周面４１ｂとウォーターノズル４２の胴部４２ａの外周面とを所定の円筒度を有するガイド部材４３の内周面４３ａで保持することで、光ファイバ２１のコア２１ａの中心ＣＬ１とノズルＮの中心ＣＬ２（図４参照）とを所定の範囲内で同軸上に保持することができる。
したがって、光ファイバ２１の先端部２１ｃとノズルＮとの位置合わせを容易に行なうことができる。このため、レーザ光線加工装置１は、集光レンズ等の光軸および焦点の調整が不要であるから組立調整が容易である。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例１と実施例２について、図５と図６を参照しながら説明する。図５は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例１の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図であり、図６は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例２の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。

前記した本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１においては、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌが噴流水Ｆ内に導かれるように、光ファイバ２１の先端部２１ｃとノズルＮとを同軸に保持し、「近接」させた構成を採用したのに対し、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例１と実施例２は、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌが噴流水Ｆ内に導かれるように、光ファイバ２１の先端部２１ｃをノズルＮの方向（本図における下方）に突出させて、光ファイバ２１の先端部２１ｃとノズルＮとを「係合」させた構成を採用している点で相違する。

すなわち、実施例１に係るレーザ光線加工装置においては、光ファイバ２１の先端部２１ｃは、ノズルＮの入口の端面と面一になるように係合して配置されている。また、実施例２に係るレーザ光線加工装置においては、光ファイバ２１の先端部２１ｃは、ノズルＮの入口の端面よりもさらにノズルＮの出口側まで突出するように係合して配置されている。

なお、実施例１と実施例２においては、光ファイバ２１の先端部２１ｃの突出量を前記のように設定したが、これに限定されるものではなく、この突出量は、伝搬されるレーザ光の波長や出力、ノズルＮの径や位置関係等に応じて適宜設定されるものである。

かかる構成によれば、光ファイバ２１の先端部２１ｃをノズルＮの方向に突出させたことで、光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌを直接効率よく噴流水Ｆ内に導くことができる。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例３について、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例３の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置１の実施例３においては、図７に示すように、光ファイバ２１の先端部２１ｃに、この光ファイバ２１の先端部２１ｃから出射されるレーザ光Ｌの拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズ５を備えている。

この光学レンズ５は、例えば、光ファイバ２１の先端部２１ｃをレンズ加工する方法や光ファイバ２１の先端部２１ｃに屈折率勾配をもつグリンレンズを融着する方法で備えることができる。ただし、光学レンズの形状やサイズはこれに限定されるものではなく、レーザ光Ｌの拡散を抑えたり、集光させたりするレンズ機能を奏するものであればよい。

かかる構成により、例えば、光ファイバ２１のコア径がノズルＮの径と比較して、同等あるいは大きい場合であっても、レーザ光Ｌの拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズ５を備えたことで、レーザ光Ｌの拡散を防止してレーザ光Ｌを効率よく液体噴流内に導くことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、保持管４１の外径とウォーターノズル４２の胴部４２ａの外径とを同じ外径とし、ガイド部材４３の内径をこの外径に適合させてストレートに貫通された内周面４３ａとして構成したが、これに限定されるものではなく、保持管４１の外径とウォーターノズル４２の胴部４２ａの外径とを異なる外径とし、ガイド部材４３の内周面４３ａをそれぞれ保持管４１の外径およびウォーターノズル４２の胴部４２ａの外径に適合させた段付き形状としてもよい。

（ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の全体構成を説明するための概念図であり、（ｂ）は噴流水内をレーザ光が伝搬する様子を示す（ａ）の部分拡大図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す断面図である。 図３の要部拡大図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例１の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例２の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例３の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。 従来のレーザ光線加工装置の構成を概念的に示す部分断面図である。

符号の説明

１ レーザ光線加工装置
２ レーザ発振器
３ 液体供給手段
４ ノズルヘッド
５ 光学レンズ
２１ 光ファイバ
２１ａ コア
２１ｂ クラッド
２１ｃ 光ファイバの先端部
４１ 保持管
４２ ウォーターノズル
４３ ガイド部材
４３ａ 内周面
４３ｂ 外周面
４３ｃ 高圧水路
４３ｄ 高圧チャンバ
１００ レーザ光線加工装置
２００ 光ファイバ
２１０ コリメータレンズ
２２０ 集光レンズ
２３０ ウィンドウ
４００ 液体チャンバ
５００ 精密位置決め機構
Ｆ 噴流水
Ｌ レーザ光
Ｎ ノズル

Claims (4)

1. レーザ光を発生するレーザ発振器と、
   液体供給手段から供給された噴流液体を噴射するノズルと、
   前記レーザ光を導光して前記噴射された液体噴流内に導く光ファイバと、
   を備え、
   この液体噴流内に導かれた前記レーザ光を照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、
   前記光ファイバの先端部から出射される前記レーザ光が前記液体噴流内に導かれるように、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを近接または係合させて構成したこと、
   を特徴とするレーザ光線加工装置。
2. 前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを同軸に保持し近接または係合させるガイド部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光線加工装置。
3. 前記光ファイバの先端部には、この光ファイバの先端部から出射されるレーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光線加工装置。
4. 前記光学レンズは、前記光ファイバの先端部をレンズ加工したものであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ光線加工装置。

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