JP2011152546A - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、スパッタが保護部材に埋没するのを確実に防止して、スパッタが保護部材に付着しないようにすることができるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】本発明のレーザ加工ヘッドは、ヘッド本体１と、レーザビームＢを集光する集光レンズ２と、この集光レンズ２と被加工物Ｗとの間に配設され、集光レンズ２によって集光されたレーザビームＢを透過し、レーザビームＢによって被加工物Ｗを加工する際に生じるスパッタＳから集光レンズ２を保護する保護部材３と、集光されたレーザビームＢとともに被加工物Ｗにアシストガスなどの気体を噴射するノズル４とを備えており、保護部材３の内部に空間５が形成されており、この空間５内に冷却媒体Ｃが封入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法に関し、さらに詳しくは、レーザビームを集光する集光レンズと、該集光レンズと被加工物との間に配設され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームを透過し、レーザビームによって被加工物を加工する際に生じるスパッタから集光レンズを保護する保護部材とを備えたレーザ加工ヘッド、および、集光レンズと被加工物との間にレーザビームを透過する保護部材を配設し、レーザビームを集光レンズにより所定の焦点に集光し、保護部材を透過させて被加工物に照射するレーザ加工方法に関するものである。

レーザビームを被加工物に照射して例えば溶接などのレーザ加工が従来より広く行われている。レーザビームを所定の被加工物に照射するレーザ加工ヘッドは、図５に示すように、一般に、鏡筒１０’内にレーザ発振器から出力されたレーザビームＢを被加工物Ｗに対して所定の焦点で集光する集光レンズ２’と、被加工物ＷのレーザビームＢが照射される周囲にアシストガス８’を供給するノズル４’とを備えており、所定の密度でレーザビームＢを被加工物Ｗに照射することにより、レーザビームＢのエネルギによって固相から液相、さらに必要に応じて気相へと変化させて所定の加工を行う。

このようなレーザ加工ヘッドにおいては、レーザ加工時に発生するスパッタやヒュームなど（以下、これらを総じてスパッタＳと称する）が集光レンズ２’に付着し、エネルギロスとなったり、レーザビームＢを吸収して集光レンズ２’が焼損することがある。そこで、このようなことを防止するため、図６に示すように、集光レンズ２’と被加工物Ｗとの間に保護ガラス３’を設けたり、さらには図７に示すようにアシストガス８’を保護ガラス３’の表面に吹き付けて付着したスパッタＳを保護ガラス３’から吹き飛ばすようにアシストガスポート１４’の方向を保護ガラス３’の表面に向けて設けたレーザ加工ヘッドが従来から知られている。またさらに、図８に示すように、発生したスパッタＳが保護ガラス３’に付着しないように焦点距離を長く設定することも従来から知られている。

また、図５〜図８に示した以外のレーザ加工ヘッドに関する従来の技術として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１には、レーザ光をレーザ光学系の末端の集光レンズにて集光した上で被加工物に照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドであって、集光レンズよりも被加工物側に配置された保護ガラスと、保護ガラスよりも被加工物側に配置され、被加工物にほぼ平行な空気の流れを形成する第一のエアノズルと、保護ガラスと第一のエアノズルとの間に配置され、レーザ光路の側方から保護ガラスに向かう空気の流れを形成する第二のエアノズルと、を備えていることなどを特徴とするレーザ加工ヘッドが開示されている。

そして、特許文献１には、「第一のエアノズルにより形成された空気の流れにてレーザ加工中に発生したスパッタが吹き飛ばされるようにして除去されるとともに、第一のエアノズルにて形成された空気の流れにて吹き飛ばされずに保護ガラスに付着した一部のスパッタを第二のエアノズルにて形成された空気の流れをもって吹き飛ばすことが可能となる。」などと記載されている（０００７）。

特開２００７−２１６２８１号公報

しかしながら、上記従来の技術のうち、図６に示したレーザ加工ヘッドにあっては、レーザ加工中に発生したスパッタＳがアシストガス８’の流れをすり抜けて保護ガラス３’に接触することがある。そして、レーザ加工中に発生したスパッタＳは保護ガラス３’の融点よりも高温（例えば１０００゜Ｃ以上）の状態で保護ガラス３’に接触することがある。そのため、スパッタＳが保護ガラス３’に埋没して付着し、この保護ガラス３’からスパッタＳを除去することが困難となる。また、上記従来の技術のうち、図７に示したレーザ加工ヘッドにあっては、ノズル４から噴出されるアシストガス８’の流れをすり抜けた高温のスパッタＳが、保護ガラス３’の表面に向って吹き付けられるアシストガス８’によってむしろ保護ガラス３’の表面に接触して埋没し付着することもある。さらに、上記従来の技術のうち、図８に示したレーザ加工ヘッドにあっては、保護ガラス３’に高温のスパッタＳが接触し埋没して付着する確率は低減するものの、保護ガラス３’に高温のスパッタＳが付着するのを確実に防止することはできない。そして、図５〜図８に示した従来の技術では、アシストガス８’を高速または高圧でノズル４’内に供給することで、スパッタＳをノズル４’内から排出して保護ガラス３’に付着させないようにするパージ効果や、ノズル４’内に進入するのを抑制する効果、さらには、高温のスパッタＳをアシストガス８’によって冷却する効果を期待することが考えられる。しかしながら、これらの効果の度合いは、期待できるほど大きくなく、不安定で確実性に欠けるという問題がある。

また、上記従来の技術のうち、特許文献１にあっても、図５〜図８に示した従来のレーザ加工ヘッドと同様に、レーザ加工時に発生したスパッタが第一エアノズルにより形成された空気の流れをすり抜けて、第二エアノズルにより形成された空気の流れによって保護ガラスに吹き付けられ接触することがある。そして、第一および第二のエアノズルによって形成された空気の流れによりスパッタの熱が冷却されるとしても、その冷却効果は十分でなく、依然としてスパッタが保護ガラスの融点よりも高温で保護ガラスに接触して埋没し付着するのを確実に防ぐことはできない。その結果、保護ガラスに付着したスパッタを確実に除去することが困難となるという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、スパッタが保護部材に埋没するのを確実に防止して、スパッタが保護部材に付着しないようにすることができるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

請求項１のレーザ加工ヘッドに係る発明は、上記目的を達成するため、レーザビームを集光する集光レンズと、該集光レンズと被加工物との間に配設され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームを透過し、レーザビームによって被加工物を加工する際に生じるスパッタから集光レンズを保護する保護部材とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を有していることを特徴とするものである。
請求項２のレーザ加工ヘッドに係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を封入する空間を形成されていることを特徴とするものである。
請求項３のレーザ加工ヘッドに係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を流通させる流路を形成されていることを特徴とするものである。
請求項４のレーザ加工ヘッドに係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動する回転駆動手段をさらに備えていることを特徴とするものである。
請求項５のレーザ加工ヘッドに係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、さらに、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段を備えていることを特徴とするものである。
また、請求項６のレーザ加工方法係る発明は、上記目的を達成するため、集光レンズと被加工物との間にレーザビームを透過する保護部材を配設し、レーザビームを集光レンズにより所定の焦点に集光し、保護部材を透過させて被加工物に照射するレーザ加工方法であって、前記保護部材の内部に冷却媒体を封止または流通させることを特徴とするものである。
請求項７のレーザ加工方法係る発明は、上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動することを特徴とするものである。
請求項８のレーザ加工方法係る発明は、上記目的を達成するため、請求項６または７にに記載の発明において、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止するための空気をエアブロー手段により噴出させることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、保護部材が、その内部に冷却媒体を有していることにより、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を封入する空間を形成されていることにより、かかる内部の空間に封入された冷却媒体が保護部材を確実に冷却するため、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項３の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を流通させる流路を形成されていることにより、かかる内部の流路に流通される冷却媒体が保護部材を確実に冷却するため、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項４の発明によれば、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動する回転駆動手段をさらに備えていることにより、回転駆動手段によって保護部材を回転駆動すると、飛散したスパッタが保護部材の表面に接触しようとしても、保護部材が回転されていることによってスパッタが弾き飛ばされて付着するのを防ぎ、また、スパッタが保護部材の表面に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることととなるので埋没するのを確実に防止することに加えて、保護部材の回転による遠心力によって保護部材の表面からスパッタを引き離すことができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項５の発明によれば、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、さらに、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段を備えていることにより、エアブロー手段から空気やアシストガスなどの気体を噴出すると、飛散したスパッタが保護部材に接触するのを防止することができる。
また、請求項６の発明によれば、保護部材の内部に冷却媒体を封止または流通させることにより、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材を冷却媒体によって冷却しているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項７の発明によれば、請求項６に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動することにより、飛散したスパッタが保護部材の表面に飛散したスパッタが保護部材の表面に接触しようとしても、保護部材が回転されていることによってスパッタが弾き飛ばされて付着するのを防ぎ、また、スパッタが保護部材の表面に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することに加えて、保護部材の回転による遠心力によって保護部材の表面からスパッタを引き離すことができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。
請求項８の発明によれば、請求項６または７に記載の発明において、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止するための空気をエアブロー手段により噴出させることにより、飛散したスパッタが保護部材に接触するのを防止することができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（２）項が請求項２に相当し、（３）項が請求項３に相当し、（６）項が請求項４に相当し、（７）項が請求項５に相当し、（８）項が請求項６に相当し、（９）項が請求項７に相当し、（１０）項が請求項８に相当する。

（１） レーザビームを集光する集光レンズと、該集光レンズと被加工物との間に配設され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームを透過し、レーザビームによって被加工物を加工する際に生じるスパッタから集光レンズを保護する保護部材とを備えたレーザ加工ヘッドであって、
前記保護部材が、その内部に冷却媒体を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

（１）項の発明では、保護部材が、その内部に冷却媒体を有していることにより、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（２） 前記保護部材が、その内部に冷却媒体を封入する空間を形成されていることを特徴とする（１）項に記載のレーザ加工ヘッド。

（２）項の発明では、（１）項に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を封入する空間を形成されていることにより、かかる内部の空間に封入された冷却媒体が保護部材を確実に冷却するため、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（３） 前記保護部材が、その内部に冷却媒体を流通させる流路を形成されていることを特徴とする（１）項に記載のレーザ加工ヘッド。

（３）項の発明では、（１）項に記載の発明において、前記保護部材が、その内部に冷却媒体を流通させる流路を形成されていることにより、かかる内部の流路に流通される冷却媒体が保護部材を確実に冷却するため、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（４） 前記保護部材の内部の流路に冷却媒体を供給する手段が、前記保護部材の被加工物側の表面にも冷却媒体を供給することが可能であることを特徴とする（３）項に記載のレーザ加工ヘッド。

（４）項の発明では、（３）項に記載の発明において、前記保護部材の内部の流路に冷却媒体を供給する手段が、前記保護部材の被加工物側の表面にも冷却媒体を供給することにより、保護部材の被加工物側の表面に供給された冷却媒体が保護部材に接触しようとするスパッタを冷却して流すため、スパッタが保護部材に埋没し付着するのを確実に防止する。

（５） 前記保護部材の内部の空間に封入された冷却媒体を、レーザビームが照射されていない位置で冷却する熱交換手段を備えたことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。

（５）項の発明では、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の発明において、熱交換手段が保護部材の内部の空間に封入された冷却媒体を、レーザビームが照射されていない位置で冷却するため、冷却媒体が保護部材を確実に冷却するので、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（６） 前記保護部材を回転駆動する回転駆動手段をさらに備えていることを特徴とする（１）〜（５）項のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。

（６）項の発明では、（１）〜（５）項のいずれか１項に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動する回転駆動手段をさらに備えていることにより、回転駆動手段によって保護部材を回転駆動すると、飛散したスパッタが保護部材の表面に接触しようとしても、保護部材が回転されていることによってスパッタが弾き飛ばされて付着するのを防ぎ、また、スパッタが保護部材の表面に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることととなるので埋没するのを確実に防止することに加えて、保護部材の回転による遠心力によって保護部材の表面からスパッタを引き離すことができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（７） さらに、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段を備えていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。

（７）項の発明では、（１）〜（６）のいずれか１項に記載の発明において、さらに、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段を備えていることにより、エアブロー手段から空気やアシストガスなどの気体を噴出すると、飛散したスパッタが保護部材に接触するのを防止することができる。

（８） 集光レンズと被加工物との間にレーザビームを透過する保護部材を配設し、
レーザビームを集光レンズにより所定の焦点に集光し、保護部材を透過させて被加工物に照射するレーザ加工方法であって、
前記保護部材の内部に冷却媒体を封止または流通させることを特徴とするレーザ加工方法。

（８）項の発明では、保護部材の内部に冷却媒体を封止または流通させることにより、レーザ加工時に発生したスパッタが高温の状態で飛散し保護部材に接触したとしても、保護部材を冷却媒体によって冷却しているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（９） 前記保護部材を回転駆動することを特徴とする（８）項に記載のレーザ加工方法。

（９）項の発明では、（８）項に記載の発明において、前記保護部材を回転駆動することにより、飛散したスパッタが保護部材の表面に飛散したスパッタが保護部材の表面に接触しようとしても、保護部材が回転されていることによってスパッタが弾き飛ばされて付着するのを防ぎ、また、スパッタが保護部材の表面に接触したとしても、保護部材が冷却媒体によって冷却されているため、保護部材に接触することによってスパッタが急冷されることとなるので埋没するのを確実に防止することに加えて、保護部材の回転による遠心力によって保護部材の表面からスパッタを引き離すことができ、ほとんどのスパッタが保護部材に付着しない。

（１０） 前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止するための空気をエアブロー手段により噴出させることを特徴とする（８）または（９）項に記載のレーザ加工方法。

（１０）項の発明では、（８）または（９）項に記載の発明において、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止するための空気をエアブロー手段により噴出させることにより、飛散したスパッタが保護部材に接触するのを防止することができる。

本発明のレーザ加工ヘッドの、実施の一形態を説明するために概念的に示した要部断面図である。 本発明のレーザ加工ヘッドの、別の実施の形態を説明するために概念的に示した要部断面図である。 図２に示した実施の形態の概略平面図である。 図２に示した実施の形態を説明するために示した保護ガラスの部分断面図である。 従来の一般的なレーザ加工ヘッドを説明するために概念的に示した要部断面図である。 図５に示したレーザ加工ヘッドに保護ガラスを設けたものを説明するために概念的に示した要部断面図である。 図６に示したレーザ加工ヘッドにおいて、アシストガスを保護ガラスの表面に吹き付けるように、アシストガスポートの方向を保護ガラスの表面に向けて設けたものを説明するために概念的に示した要部断面図である。 図７に示したレーザ加工ヘッドにおいて、焦点距離を長く設定したものを説明するために概念的に示した要部断面図である。

最初に、本発明のレーザ加工ヘッドの実施の一形態を、概念的に示した図１に基づいて詳細に説明する。なお、図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明のレーザ加工ヘッドは、概略、ヘッド本体１と、レーザビームＢを集光する集光レンズ２と、この集光レンズ２と被加工物Ｗとの間に配設され、集光レンズ２によって集光されたレーザビームＢを透過し、レーザビームＢによって被加工物Ｗを加工する際に生じるスパッタＳから集光レンズ２を保護する保護部材３と、集光されたレーザビームＢとともに被加工物Ｗにアシストガスなどの気体を噴射するノズル４とを備えており、保護部材３が、その内部に冷却媒体Ｃを有している。
そして、この実施の形態においては、保護部材３の内部に空間５が形成されており、この空間５内に冷却媒体Ｃが封入されている。
また、この実施の形態においては、さらに、保護部材３の内部の空間５に封入された冷却媒体ＣをレーザビームＢが照射されていない位置で冷却する熱交換手段６と、保護部材３を回転駆動する回転駆動手段７と、保護部材３に対するスパッタＳの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段８とを備えている。

図１に示すように、ヘッド本体１の鏡筒１０にはＣＯ_２レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器などから所定の波長、所定の出力で発振されたレーザビームを導入するファイバ１１が接続されている。レーザ加工ヘッドは、ヘッド本体１がロボットのアームなどに接合されて、被加工物Ｗの加工部位に所定の姿勢で移動される。ファイバ１１の先端面と集光レンズ２との間にはコリメーションレンズ１２が配置されている。ヘッド本体１の被加工物Ｗ側には先端に向って漸次縮径するようにノズル４が設けられており、ノズル４の図１における上方の、保護部材３の周縁と対応する位置にはスパッタ回収部１３が設けられており、さらに、保護部材３のノズル４側の位置にはエアブロー手段としてアシストガスや空気などの気体（これらを総じて、アシストガスと称する）が供給されるアシストガスポート１４が設けられている。

保護部材３は、この実施の形態ではガラスからなるもので（以下、保護部材３を保護ガラス３と称することもある）、少なくとも透過するレーザビームＢの径よりも大きい半径を有する円盤状にその全体が形成されている。そしてこの実施の形態における保護ガラス３は、集光レンズ側ガラス３０と被加工物側ガラス３１と両ガラス３０，３１の外周縁を水密に接続する外周壁３２とを含んでおり、これによって冷却媒体Ｃを封入する密閉された空間５が内部に形成されている。両ガラス３０，３１の板厚は、たとえば０．５ｍｍ程度とすることができ、空間の厚さは３ｍｍ程度とすることが望ましい。なお、保護部材３は、レーザビームＢのエネルギ吸収率が低い（すなわち、レーザビームＢによって発熱することがない）材質であれば、ガラスに限定されることはないが、そのレーザビームＢの波長などの特性などに応じて選択することができる。例えばＣＯ_２レーザ発振器を用いる場合には、亜鉛化セレンガラスを用いることができる。

熱交換手段６は、保護ガラス３の、照射されたレーザビームＢを透過させる部分とは中心軸を挟んで反対側であって、保護ガラス３を図１における上下から挟み込むように一対で配設されている。熱交換手段６は、例えば熱交換式、外部冷却式、あるいはペルチェ自己冷却式のものを適宜採用することができる。

保護ガラス３の中心軸３３は、ヘッド本体１のハウジング１５に設けられた軸受によって回転可能に支持されている。そして、保護ガラス３の中心軸３３にはギア７０が設けられており、ギヤ７０には、ギヤ７１を介してモータ７２のギヤ７３と噛合されている。これらのモータ７２と、ギヤ７０，７１，７３は、回転駆動手段７を構成している。

次に、本発明のレーザ加工方法の実施の一形態を、上述したように構成されたレーザ加工ヘッドを用いる場合により、その作動とともに説明する。
本発明のレーザ加工方法は、概略、集光レンズ２と被加工物Ｗとの間にレーザビームＢを透過する保護部材３を配設し、レーザビームＢを集光レンズ２により所定の焦点に集光し、保護部材３を透過させて被加工物Ｗに照射するレーザ加工方法であって、レーザ加工を行う際に、保護部材３の内部に冷却媒体Ｃを封止して、保護部材３を冷却しつつ、保護部材３と冷却媒体Ｃを介して被加工物ＷにレーザビームＢを照射して、レーザ加工を行うものである。そして、この実施の形態においては、さらに、レーザ加工を行う際に、保護部材３を回転駆動手段７によって回転駆動し、また、保護部材３に対するスパッタＳの飛散を防止するための気体をエアブロー手段８により噴出させるものである。

レーザ加工を行うに先立って、この実施の形態では、上述したように、保護ガラス３の内部の空間５に冷却媒体Ｃが封入されており、保護ガラス３の中心軸３３のギア７０にはギヤ７１を介してモータ７２のギヤ７３と噛合されており、モータ７２を駆動することにより所定の速度で保護ガラス３が回転するよう構成されており、アシストガスポート１４には、アシストガスなどの気体が所定の圧力、所定の量で供給されてノズル４の先端から噴出することが可能となっている。

レーザ加工を行うに際して、この実施の形態では、モータ７２の駆動によって保護ガラス３を回転させ、アシストガスポート１４からアシストガスをノズル４内に噴出させた状態として、ロボットの駆動により被加工物Ｗの加工部位に移動させてレーザ発振器から出力されファイバ１１から導出されたレーザビームＢを照射する。レーザビームＢは、コリメーションレンズ１２によって一旦大径の平行なビームとなる。そのため、集光レンズ２によって所定の焦点に集光されて保護ガラス３を透過する時点では、レーザビームＢのエネルギ密度を、コリメーションレンズ１２がない場合と比較して小さくする（疎にする）ことができる。したがって、保護ガラス３を透過するときレーザビームＢ自体のエネルギによって保護ガラス３の温度が上昇するのを抑制することができる。

被加工物Ｗの加工部位にレーザビームＢが照射されることによってスパッタＳが生じることとなる。このスパッタＳは、例えば１０００゜Ｃ以上となるなど、非常に高温である。しかしながら、本発明では、アシストガスポート１４からアシストガスがノズル４の先端から噴出されていることによって、スパッタＳがノズル４内に入るのを抑止し、仮にノズル４内に入ったとしても、アシストガスによってノズル４内から排出され、さらに、仮にノズル４内から排出されることなく保護ガラス３に接触したとしても、冷却媒体Ｃによって保護ガラス３が冷却されているため、スパッタＳが高温であっても保護ガラス３に接触することにより瞬時に冷却されるので、スパッタＳが保護ガラス３に埋没することがない。そして、保護ガラス３が回転駆動されているので、この保護ガラス３に接触したスパッタＳは、保護ガラス３に完全に付着することはなく、遠心力によって振り払われるようにして径方向外側に移動し、保護ガラス３の周囲に設けられたスパッタ回収部１３からヘッド本体１の外に排出される。また、空間５内に封入された冷却媒体Ｃは、保護ガラス３が回転駆動されており、レーザビームＢを透過させる位置とは反対側に設けられた熱交換手段６によって冷却されるので、レーザ出力が例えば２ｋｗよりも小さい場合には、レーザビームＢのエネルギやスパッタＳの保護ガラス３に対する接触などによって温度が上昇することがない。

この実施の形態では特に、保護ガラス３内の空間５に冷却媒体Ｃが封入されているので、ノズル４をどのような姿勢にさせた場合であっても、確実に冷却媒体Ｃが保護ガラス３から漏れ出ることはなく、従って、冷却媒体Ｃをシールするような構造を必要としないことから、レーザ加工ヘッドの構造を簡素化することができ、したがって、レーザ加工ヘッドのコンパクト化を図ることができる。

次に、本発明のレーザ加工ヘッドの別の実施の形態を、図２〜図４に基づいて詳細に説明する。この実施の形態においては、図１に示した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、図１に示した実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。
本発明のレーザ加工ヘッドは、概略、ヘッド本体１と、レーザビームＢを集光する集光レンズ２と、この集光レンズ２と被加工物Ｗとの間に配設され、集光レンズ２によって集光されたレーザビームＢを透過し、レーザビームＢによって被加工物Ｗを加工する際に生じるスパッタＳから集光レンズ２を保護する保護部材３と、集光されたレーザビームＢとともに被加工物Ｗにアシストガスなどの気体を噴射するノズル４とを備えており、保護部材３が、その内部に冷却媒体Ｃを流通させる流路５０を備えている。すなわち、図１に示した実施の形態においては、保護部材３の内部に空間５が形成されており、この空間５内に冷却媒体Ｃが封入されていたのに対し、図２〜図４に示したこの実施の形態では、保護部材３の内部に流路５０が形成されており、この流路５０に冷却媒体Ｃを供給する冷却媒体供給手段９をさらに備えている。
また、この実施の形態においては、さらに、保護部材３の内部の流路５０に冷却媒体Ｃを供給する手段９が、保護部材３の被加工物側ガラス３１の表面（図２における下面）にも冷却媒体Ｃを供給することが可能に構成されており、保護部材３の内部の流路５０に流通される冷却媒体Ｃを、レーザビームＢが照射されていない位置で冷却する熱交換手段６と、保護部材３を回転駆動する回転駆動手段７と、保護部材３に対するスパッタＳの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段８とを備えている。

保護部材３は、この実施の形態ではガラスからなるもので（この実施の形態においても、保護部材３を保護ガラス３と称することもある）、少なくとも透過するレーザビームＢの径よりも大きい半径を有する円盤状にその全体が形成されている。そしてこの実施の形態における保護ガラス３は、集光レンズ側ガラス３０と被加工物側ガラス３１と両ガラス３０，３１の間に配設されて両ガラスを３０，３１の間を所定の間隔に保持するスペーサ３４（図４）とを含んでおり、これによって冷却媒体Ｃを流通させる流路５０が内部に形成されている。集光レンズ側ガラス３０は、円環状に形成されており、保護ガラス３の中心軸３３近傍に冷却媒体Ｃの供給口３５が形成されている。

保護ガラス３の流路５０に冷却媒体Ｃを供給する供給手段９は、ポンプ９０と、ポンプ９０と供給口３５を接続する管路９１と、保護ガラス３の周縁に配置された冷却媒体受け９２と、冷却媒体受け９２とポンプ９０を接続する管路９３とを含んでいる。ポンプ９０は、この実施の形態の場合、その回転軸に設けられたギヤ９５が、ギヤ９４を介して回転駆動手段７のモータ７２のギヤ７３と噛合されている。冷却媒体受け９２は、被加工物側ガラス３１の、照射されたレーザビームＢを透過させる部分とは中心軸を挟んで反対側の近傍に熱交換手段６を配置するための収容部９６を有している。管路９１の集光レンズ側ガラス３０の供給口３５と接する部分にはパッキン９７が設けられている。冷却媒体受け９２の内部には、冷却媒体Ｃが少なくとも被加工物側ガラス３１の図２における下面に接する容量で貯留されている。冷却媒体受け９２の内周面には、パッキン９８が保護ガラス３と接するように設けられている。そして、被加工物側ガラス３１と接するパッキン９８は、例えばフェルトなど、冷却媒体受け９２から冷却媒体Ｃが大量に漏れ出ることなくシールしつつ、被加工物側ガラス３１の図２における下面に冷却媒体Ｃを塗布することができるような、ずなわち、保護部ガラス３の被加工物側の表面にも冷却媒体Ｃを供給することが可能な材質により構成されている。

次に、本発明のレーザ加工方法の実施の一形態を、図２〜図４に示したように構成されたレーザ加工ヘッドを用いる場合により、その作動とともに説明する。
本発明のレーザ加工方法は、概略、集光レンズ２と被加工物Ｗとの間にレーザビームＢを透過する保護部材３を配設し、レーザビームＢを集光レンズ２により所定の焦点に集光し、保護部材３を透過させて被加工物Ｗに照射するレーザ加工方法であって、レーザ加工を行う際に、保護部材３の内部に冷却媒体Ｃを流通させて、保護部材３を冷却しつつ、保護部材３と冷却媒体Ｃを介して被加工物ＷにレーザビームＢを照射して、レーザ加工を行うものである。そして、この実施の形態においては、さらに、レーザ加工を行う際に、保護部材３を回転駆動手段７によって回転駆動し、また、保護部材３に対するスパッタＳの飛散を防止するための気体をエアブロー手段８により噴出させるものである。

レーザ加工を行うに先立って、この実施の形態では、上述したように、保護ガラス３の内部に冷却水Ｃを流通させる流路５０が形成されており、流路５０に冷却水Ｃを流通させることが可能となっており、保護ガラス３の中心軸３３のギア７０にはギヤ７１を介してモータ７２のギヤ７３と噛合されており、モータ７２を駆動することにより所定の速度で保護ガラス３が回転するよう構成されており、アシストガスポート１４には、アシストガスなどの気体が所定の圧力、所定の量で供給されてノズル４の先端から噴出することが可能となっている。

レーザ加工を行うに際して、この実施の形態では、モータ７２の駆動によって保護ガラス３を回転させるとともに、ポンプ９０を作動させて保護ガラス３内の流路５０に冷却媒体Ｃを流通させて、アシストガスポート１４からアシストガスをノズル４内に噴出させた状態として、ロボットの駆動により被加工物Ｗの加工部位に移動させてレーザ発振器から出力されファイバ１１から導出されたレーザビームＢを照射する。コリメーションレンズ１２により保護ガラス３を透過するレーザビームＢのエネルギ密度を小さくして（疎にして）保護ガラス３の温度が上昇するのを抑制することができることは、図１に示した実施の形態と同様である。

被加工物Ｗの加工部位にレーザビームＢが照射されることによってスパッタＳが生じることとなる。このスパッタＳは、例えば１０００゜Ｃ以上となるなど、非常に高温である。しかしながら、本発明では、アシストガスポート１４からアシストガスなどの気体がノズル４の先端から噴出されていることによって、スパッタＳがノズル４内に入るのを抑止され、仮にノズル４内に入ったとしても、アシストガスによってノズル４内から排出され、さらに、仮にノズル４内から排出されることなく保護ガラス３に接触したとしても、図３に鎖線で示すように供給口３５から流路５０に供給された冷却媒体Ｃは、保護ガラス３の回転とその遠心力により、供給口３５の径方向外側で且つ回転方向側のレーザビームＢを透過させる位置を流通されて、しかも、被加工物側ガラス３１の下面に冷却媒体Ｃが塗布されていることによって保護ガラス３が冷却されているため、スパッタが高温であっても保護ガラス３に接触することにより瞬時に確実に冷却されるので、スパッタＳが保護ガラス３に埋没することがない。そして、保護ガラス３が回転駆動されているので、この保護ガラス３に接触したスパッタＳは、保護ガラス３に完全に付着することはなく、遠心力によって振り払われるようにして径方向外側に移動し、保護ガラス３の周囲に設けられたスパッタ回収部１３からヘッド本体１の外に排出される。また、保護ガラス３内の流路５０に流通される冷却媒体Ｃは、レーザビームＢを透過する位置とは反対側に設けられた冷却媒体受け９２内の熱交換手段６によって冷却されるので、レーザビームＢのエネルギやスパッタＳの保護ガラス３に対する接触などによって温度が上昇することがない。また、被加工物側ガラス３１の下面も冷却媒体Ｃが塗布されるので、保護ガラス３０にスパッタＳが接したとしても埋没することがなく、容易に取り除かれる。

本発明のレーザ加工ヘッド、および、レーザ加工方法は、溶接、切断、焼入れなどのレーザ加工に適用することができる。

１：ヘッド本体、 ２：集光レンズ、 ３：保護ガラス、 ４：ノズル、５：空間、 ６：熱交換手段、 ７：回転駆動手段、 ８：エアブロー手段、 １３：スパッタ回収部、 １４：アシストガスポート、 ５０：流路、 Ｂ：レーザビーム、 Ｗ：被加工物、 Ｓ：スパッタ、 ９：冷却媒体供給手段

Claims (8)

1. レーザビームを集光する集光レンズと、該集光レンズと被加工物との間に配設され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームを透過し、レーザビームによって被加工物を加工する際に生じるスパッタから集光レンズを保護する保護部材とを備えたレーザ加工ヘッドであって、
   前記保護部材が、その内部に冷却媒体を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記保護部材が、その内部に冷却媒体を封入する空間を形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記保護部材が、その内部に冷却媒体を流通させる流路を形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記保護部材を回転駆動する回転駆動手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
5. さらに、前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止可能に気体を噴出するエアブロー手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 集光レンズと被加工物との間にレーザビームを透過する保護部材を配設し、
   レーザビームを集光レンズにより所定の焦点に集光し、保護部材を透過させて被加工物に照射するレーザ加工方法であって、
   前記保護部材の内部に冷却媒体を封止または流通させることを特徴とするレーザ加工方法。
7. 前記保護部材を回転駆動することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記保護部材に対するスパッタの飛散を防止するための空気をエアブロー手段により噴出させることを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ加工方法。

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