JP2012024810A - ファイバレーザ加工機の加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】光制御部の光学要素をコンタミから保護することのできるファイバレーザ加工機の加工ヘッドを提供することを目的とする。
【解決手段】ファイバレーザ加工機の加工ヘッド１０であって、ヘッド本体１１と、ヘッド本体内に収容され、伝送用光ファイバ１から出射されたレーザ光を集光制御するレンズ鏡筒ユニット２０と、このレンズ鏡筒ユニットで集光されたレーザ光を被加工材に向けて出射するノズル５０と、ヘッド本体内に設けられ、レーザ光と共にノズルから噴射されるアシストガスが流通するアシストガス流路３０と、を備え、アシストガス流路の途中のレンズ鏡筒ユニットの保護ウインドウ２６とノズル５０との間に、ノズルよりヘッド本体内に侵入したダストの保護ウインドウ側への進行を阻止するトラップ機構４５が設けられている。トラップ機構は、局部的に流速を速める絞り部４５ｂ、４５ｅと、ダストを捕捉可能な滞留捕捉部４５ｆとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ファイバレーザ加工機の加工ヘッドに関するものである。

従来のレーザ加工機では、レーザ光源として炭酸ガスレーザ発振器（発振波長１０．６μｍ）を使用し、発振器で発生させたレーザ光を伝送用ミラーで集光レンズまで伝送し、集光レンズで高エネルギ密度に集光したレーザ光を加工点に照射すると共に、同時に加工点にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら加工するのが一般的であった。

この炭酸ガスレーザ発振器を用いたレーザ加工機は、伝送するレーザ光の光軸径が大きいため、ミラーの使用に加えて、使用するレンズ径が大きくなり、その結果、加工ヘッドも大きなものとならざるを得なかった。従って、レーザ加工機の生産性を上げるために加工ヘッドの移動速度を高速化しようとすると、駆動に大きなエネルギーが必要であった。

一方、レーザ光源として、炭酸ガスレーザ発振器の代わりに、固体レーザ発振器の代表であるＹＡＧレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）を用いたレーザ加工機も知られている。

また、最近では、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れると共に発振効率も高いファイバレーザ発振器（発振波長１μｍ帯）をレーザ光源として用いたレーザ加工機が、産業用、特に板金加工用（切断または溶接等）に使用されてきている。この種のファイバレーザ加工機の例は、特許文献１などにおいて知られている。

この１μｍ帯のレーザ光を使用したファイバレーザ加工機は、レーザ光の光軸径が小さいため、光伝送に光ファイバを使用することができると共に、加工ヘッドの小型化が実現できる利点がある。

図１０は、ファイバレーザ発振器をレーザ光源としたレーザ加工機の一例を示している。

レーザ加工機に隣接して設置されたファイバレーザ発振器で形成されたレーザ光は、伝送用光ファイバ（プロセスファイバ）５０１を介して加工ヘッド５００のコリメータレンズ５１１に伝送される。加工ヘッド５００のヘッド本体５１０の上部には、伝送用光ファイバ５０１の端部を接続するファイバコネクタ５０２が設けられ、コリメータレンズ５１１の焦点に伝送用光ファイバ５０１の出射端が位置している。

ヘッド本体５１０の内部には、レーザ光の入側（上側）から出側（下側）に向かって順に、伝送用光ファイバ５０１からの発散光をコリメート（平行光にする）するコリメータレンズ５１１、および、その平行光を１点に集光する集光レンズ５１２が配置されており、集光レンズ５１２の下側に、集光レンズ５１２で集光されたレーザ光を被加工材Ｗ（ワーク）に向けて出射するノズル５５０が設けられている。

また、ノズル５５０の内側には、アシストガス供給管５６１から導入されたアシストガスをノズル５５０の先端から噴射するアシストガス流路５６２が設けられている。また、集光レンズ５１２は光軸方向に移動可能に設けられており、焦点軸送り機構５２０により集光レンズ５１２の位置を制御することにより、ノズル５５０から出射するレーザ光の焦点の位置を変え、集光直径を変えることができるようになっている。例えば、図１１に示すように、集光レンズ５１２の位置を寸法Ｂだけ動かすことにより、焦点Ｐの位置も寸法Ｂだけ動かすことができる。

この種のレーザ加工機の加工ヘッド５００においては、伝送用光ファイバ５０１の出射端から広がるレーザ光をできるだけ短焦点のコリメートレンズ５１１で平行光に変換することにより、集光レンズ５１２に向かう平行ビーム径（光軸径）を小さくすることができ、平行ビーム径とレンズ径を小さくすることにより、全体としての熱容量を小さくできて、熱レンズ効果を小さくすることができる。また、小型のレンズを使用することにより、加工ヘッド５００の小型化が可能になり、加工ヘッド５００を高速で動かすためのエネルギー消費が小さく済むようになる等の利点が得られる。

特開２００９−２２６４７３号公報

ところが、レンズを小型化すると、今度はレンズの単位面積あたりのパワー密度が大幅に上がり、レンズの耐熱衝撃性や耐久性の点で問題が出てくる。また、レーザ加工機の加工ヘッドは、その加工原理が金属を溶融してアシストガスにて吹き飛ばすというものである関係上、金属粉やヒュームが飛び交う大変に耐コンタミ性の問われる光学環境である。つまり、高いパワー密度のレーザ光をコンタミ性の高い環境で制御しなればならないという課題がある。

そのため、最悪の場合はレンズの焼損等の不具合を発生する可能性がある。特にファイバレーザ加工機は焦点距離が短いので、加工ヘッドと被加工材の距離が近く、加工によって生じるコンタミ（主にダスト）がノズル内に侵入しやすい。例えば、ピアッシング時（材料の切断スタート孔を開ける時）などに、吹き返し等によってノズルから侵入したダストが集光レンズに付着すると、高いパワー密度であるがゆえに、レンズの焼損等の問題を引き起こすおそれが大きい。

本発明は、上記事情を考慮し、光制御部の光学要素をコンタミから保護することのできるファイバレーザ加工機の加工ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、伝送用光ファイバから出射されたレーザ光を被加工材に対して集光照射するファイバレーザ加工機の加工ヘッドであって、ヘッド本体と、このヘッド本体内に収容されて、前記伝送用光ファイバから出射されたレーザ光を集光制御する光制御部と、この光制御部で集光されたレーザ光を被加工材に向けて出射するノズルと、前記ヘッド本体内に設けられ、前記レーザ光と共に前記ノズルから噴射されるアシストガスが流通するアシストガス流路と、を備え、前記光制御部が、ハウジングの光軸方向の両端に保護ウインドウを有し、該保護ウインドウによって密閉されたハウジング内の空間に光学要素であるレンズを配置した密封構造式レンズ鏡筒ユニットとして構成されていることを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載のファイバレーザ加工機の加工ヘッドであって、前記密封構造式レンズ鏡筒ユニットのハウジングが光軸方向に移動可能に設けられており、前記ハウジングの位置をアクチュエータによって制御することにより、前記ノズルから出射されるレーザ光の焦点位置を調整することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１に記載のファイバレーザ加工機の加工ヘッドであって、前記密封構造式レンズ鏡筒ユニットのハウジングの外周またはハウジングの周壁内部に前記アシストガス流路の一部が形成されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、光学要素であるレンズを、保護ウインドウによって密閉されたハウジング内の空間に配置していることにより、コンタミ（主にダスト）からレンズを保護することができる。従って、高いパワー密度に伴うコンタミ付着によるレンズの焼損のおそれを解消することができる。

請求項２の発明によれば、ハウジングごと密封構造式レンズ鏡筒ユニットを動かすことにより、コンタミからレンズを保護するための高い密閉性能を維持しながら、ノズルから出射されるレーザ光の焦点位置を調整することができる。

請求項３の発明によれば、密封構造式レンズ鏡筒ユニットのハウジングをアシストガスで冷却することができるので、レンズからハウジングに伝達された熱を冷却して、熱レンズ効果を抑えることができる。

本発明の第１実施形態の加工ヘッドの全体構成を示す断面図である。 同加工ヘッドの主要部の構成を示す断面図である。 同加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを矢印で示す斜視断面図である。 同加工ヘッドに装備されている密封構造式レンズ鏡筒ユニットの斜視断面図である。 同レンズ鏡筒ユニットの外観斜視図である。 前記加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを示す拡大断面図である。 前記レンズ鏡筒ユニットのコリメートレンズの焦点位置を伝送用ファイバの出射端に位置させているときの集光レンズによる集光点の位置（ａ）と、前記レンズ鏡筒ユニットのコリメートレンズの焦点位置を伝送用ファイバの出射端に近づけるように動かしたときの集光レンズによる集光点の位置（ｂ）の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態の加工ヘッドの主要部の構成を示す断面図である。 同加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを矢印で示す拡大断面図である。 従来のファイバレーザ加工機の加工ヘッドの概略構成を示す断面図である。 同加工ヘッドにおいて、集光レンズを光軸方向に動かしたときの集光点の位置の変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態の加工ヘッドの全体構成を示す断面図、図２は同加工ヘッドの主要部の構成を示す断面図、図３は同加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを矢印で示す斜視断面図、図４は同加工ヘッドに装備されている密封構造式レンズ鏡筒ユニットの斜視断面図、図５は同レンズ鏡筒ユニットの外観斜視図、図６は前記加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを示す拡大断面図である。

この実施形態の加工ヘッド１０は、小型化を図りながらレーザ加工機全体の省エネ化を図ることのできる波長１μｍ帯のファイバレーザ加工機の加工ヘッドであって、特にレンズの耐コンタミ性を高めたものである。

図１〜図３に示すように、この加工ヘッド１０は、伝送用光ファイバ１から出射されたレーザ光を被加工材に対して集光照射して加工を進めるもので、ヘッド本体１１と、ヘッド本体１１の中央貫通孔１２内に収容され、伝送用光ファイバ１から出射されたレーザ光を集光制御する光制御部としての密封構造式レンズ鏡筒ユニット（以下、簡略化して「レンズ鏡筒ユニット」と言う）２０と、このレンズ鏡筒ユニット２０で集光されたレーザ光を被加工材に向けて出射するノズル５０と、ヘッド本体１１内に設けられ、レーザ光と共にノズル５０から噴射されるアシストガスが流通するアシストガス流路３０と、を備えている。なお、伝送用光ファイバ１は、ファイバコネクタ２を介してヘッド本体１１の中央貫通孔１２の上部に接続されている。

レンズ鏡筒ユニット２０は、図２、図４および図５に示すように、略円筒形状の鏡筒ハウジング２１と、この鏡筒ハウジング２１の貫通孔２２の光軸方向の両端に嵌め込まれた透明ガラス製の上部保護ウインドウ２５および下部保護ウインドウ２６と、上部保護ウインドウ２５および下部保護ウインドウ２６によって密閉された鏡筒ハウジング２１内の空間の上下両端に配置された光学要素としてのコリメートレンズ２３および集光レンズ２４と、を有するものである。

上部保護ウインドウ２５および下部保護ウインドウ２６は、コリメートレンズ２３および集光レンズ２４を鏡筒ハウジング２１の貫通孔２２の上部と下部に嵌め込んだ上で、スペーサ２７、２８を介して同貫通孔２２内に嵌め込まれており、コリメートレンズ２３および集光レンズ２４が収容された空間は、スペーサ２７、２８に装着したＯリング２９によって完全密封され、外部からのコンタミ（主にダスト）の進入が阻止されている。また、保護ウインドウ２５、２６は、鏡筒ハウジング２１の両端に嵌合された固定リング３８によって、スペーサ２７、２８に押し付けられている。

また、このレンズ鏡筒ユニット２０のハウジング２１の外周またはハウジング２１の周壁内部にはアシストガス流路３０の一部が形成されている。即ち、ハウジング２１には、アシストガス流路３０の一部を構成する空間３１、３５や孔３２、３４、あるいは、外周の縦溝３３ａや凹部３３ｂ（外周流路）などが設けられており、これらの要素は、図１および図２に示すように、ヘッド本体１１の上部のガス流通空間１４を介してアシストガス供給管１５に連通している。そして、アシストガス供給管１５から導入されたアシストガスが、レンズ鏡筒ユニット２０のハウジング２１の主に外周部を通り、ノズル５０のノズル孔５１から加工点に向けて噴射されるようになっている。このため、アシストガスは、ハウジング２１を冷却する作用を果たす。

レンズ鏡筒ユニット２０は、上下方向に光軸を向けて取り付けられており、そのレンズ鏡筒ユニット２０の下部保護ウインドウ２６とノズル５０との間のアシストガス流路３０の途中には、ノズル孔５１よりヘッド本体１１内に侵入したダストのレンズ鏡筒ユニット２０への進行、特に下部保護ウインドウ２６への進行を阻止するトラップ機構４５が設けられている。

このトラップ機構４５は、光軸について回転対称形状に形成されたトラップ部材４７を、ヘッド本体１１の貫通孔１２の下端に嵌合させた口金４０に装着することにより構成されており、図６に拡大して示すように、アシストガスの流速を局部的に速める絞り部４５ｂ、４５ｅと、アシストガスが滞留することでダストを捕捉可能な滞留捕捉部４５ｆとを有している。なお、口金４０は、第１〜第３の口金４１〜４３を外周側から順番に嵌合させることで構成されており、最内周側の口金４３の下端にノズル５０が装着され、中間の口金４２にトラップ部材４７が装着されている。

トラップ機構４５を構成するトラップ部材４７は、中央円筒部４５ａと、その上端の外鍔状に形成されたフランジ部４５ｃとを有し、中央円筒部４５ａには、ノズル５０に向かって径小となるテーパ貫通孔が形成され、そのテーパ貫通孔の最下端が１つの絞り部４５ａとなっている。また、テーパ貫通孔の内周には複数段の環状凹部が形成され、これら環状凹部により滞留捕捉部４５ｆが構成されている。また、フランジ部４５ｃには、光軸方向に貫通する多数の小孔４５ｄが円周方向に沿って配列されており、これら小孔４５ｄを流通するアシストガスが、中央円筒部４５ａの外周と口金４０（４３）の内周との間に確保された絞り部４５ｅを通ることにより、その通過部分で流速が大幅にアップするように構成されている。

また、この加工ヘッド１０においては、レンズ鏡筒ユニット２０のハウジング２１が光軸方向（図２中矢印Ｙ方向）に移動可能に設けられており、ハウジング２１の位置をアクチュエータ８０によって制御することにより、ノズル５０から出射されるレーザ光の焦点位置を調整することができるようになっている。この場合、レンズ鏡筒ユニット２０全体を動かすので、コリメートレンズ２３と集光レンズ２４の両方を一緒に移動させることになる。

その移動のために、アクチュエータ８０とレンズ鏡筒ユニット２０のハウジング２１との間には、アクチュエータ８０により回転させられるネジ軸８１と、ネジ軸８１の回転により上下方向（光軸方向）に移動するナット部材８２と、ナット部材８２の動きをハウジング２１に突設したブラケット８６に伝達する連結竿８５と、が設けられている。

また、ヘッド本体１１には、連結竿８５のスライドするＯリング８９付きのスライド孔１８と、ブラケット８６が移動する空間１６とが確保されている。

初期の状態においては、図１に示すように、伝送用光ファイバ１の出射端がコリメートレンズ２３の焦点距離ｆ１の位置にあり、ノズル５０の先端の加工点が集光レンズ２４の焦点距離ｆ２の位置にある。また、コリメートレンズ２３から集光レンズ２４までの間が平行光が伝送される区間Ｈとなる。

図７に示すように、コリメートレンズ２３が集光レンズ２４と共に移動するため、（ａ）の初期位置から（ｂ）のようにレンズ鏡筒ユニット２０を伝送用光ファイバ１の出射端に近づけると、平行光であったものが広がることになり、集光レンズ２４の集光位置が焦点ｆ２の位置より遠くになる。反対にレンズ鏡筒ユニット２０を伝送用光ファイバ１の出射端から遠ざけると、集光位置が焦点ｆ２の位置より近くになる。

次に作用を説明する。

この加工ヘッド１０の場合、光学要素であるレンズ２３、２４を、保護ウインドウ２５、２６によって密閉されたハウジング２１内の空間に配置していることにより、コンタミ（主にダスト）からレンズ２３、２４を保護することができる。従って、高いパワー密度に伴うコンタミ付着によるレンズ２３、２４の焼損のおそれを解消することができる。

また、ハウジング２１ごとレンズ鏡筒ユニット２０を動かすことにより、コンタミからレンズ２３、２４を保護するための高い密閉性能を維持しながら、ノズル５０から出射されるレーザ光の焦点位置を調整することができる。

また、レンズ鏡筒ユニット２０のハウジング２１をアシストガスで冷却することができるので、レンズ２３、２４からハウジング２１に伝達された熱を冷却して、熱レンズ効果を抑えることができる。

また、ヘッド本体１１内のアシストガス流路３０の途中にトラップ機構４５を設けているので、ノズル５０よりヘッド本体１１内に侵入したダストのレンズ鏡筒ユニット２０への進行を阻止することができる。従って、レンズ鏡筒ユニット２０の特に集光レンズ２４へのダストの付着を回避することができて、レンズ２３、２４の焼損を防止することができる。因みに、ファイバレーザ加工機の加工ヘッドは、小型で焦点距離が短く、被加工材との距離が近くなるため、ピアッシング（孔開け）時のアシストガスの吹き返し等により発生するダストが、ノズル５０からヘッド本体１１内に侵入して、ヘッド本体１１内で浮遊しやすいという問題があるが、そのダストの浮遊による悪影響を防ぐことができる。

また、絞り部４５ｂ、４５ｅによって、アシストガスの流れ（図６中矢印Ｆ）の速度が速められた部分が「高速流の壁（マッハ数の高い部分）」を作るので、その高速流の壁によってダストのレンズ鏡筒ユニット２０への進行を阻止することができ、ヘッド本体１１内でのダストの浮遊を防ぐことができる。なお、中心にはレンズ２４により集光されたレーザが通過するが、ガスの流れに影響は与えない。

また、アシストガス流路３０の途中にアシストガスの滞留する部分（流れの淀み点である滞留捕捉部４５ｆ）を作ることにより、たとえダストが侵入して来ても、その部分でダストを確実に捕捉することができ、それ以上の上部（レンズ鏡筒ユニット２０）へのダストの侵入を有効に阻止することができる。なお、ポケット形状の滞留捕捉部４５ｆにより捕捉したダストは、加工の合間のガス空吹きなどにより外部へ放出させることができる。

図８は本発明の第２実施形態の加工ヘッドの主要部の構成を示す断面図、図９は同加工ヘッド内におけるアシストガスの流れを矢印で示す拡大断面図である。

上記第１実施形態の加工ヘッド１０では、レンズ鏡筒ユニット２０内のコリメートレンズ２３と集光レンズ２４が別の光学部品として設けられている場合を示したが、この第２実施形態の加工ヘッド１１０では、レンズ鏡筒ユニット１２０内のコリメートレンズと集光レンズが一体の単一レンズ１２３として設けられている。

レンズ鏡筒ユニット１２０のハウジング１２１の貫通孔１２２には単一レンズ１２３が嵌め込まれ、その単一レンズ１２３の上下両側に透明ガラス製の保護ウインドウ１２５、１２６が配置されている。そして、両保護ウインドウ１２５、１２６によって画成された密閉空間内に単一レンズ１２３が収容されている。単一レンズ１２３や保護ウインドウ１２５、１２６は、固定リング１３１、１３２やスペーサ１２４によって固定されており、保護ウインドウ１２５、１２６と貫通孔１２２の受面との間には、単一レンズ１２３の収容空間を密封するＯリング１２９が介装されている。その他の構成は、第１実施形態の加工ヘッドと同様である。

この第２実施形態の加工ヘッド１１０においても、第１実施形態の加工ヘッド１０と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態のように単一レンズ１２３に置き換えた場合は、レンズ鏡筒ユニット１２０の軸方向長さをより小さくできるようになり、加工ヘッド１１０の長さを抑制できる利点が得られる。

なお、上記実施形態では、回転対称のトラップ部材４７を用いた場合の例を示したが、孔開き円板状のもので代替することもできる。

１ 伝送用ファイバ
１０ 加工ヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 貫通孔
２０ 密封構造式レンズ鏡筒ユニット
２１ 鏡筒ハウジング
２２ 貫通孔
２３ コリメートレンズ
２４ 集光レンズ
２５ 保護ウインドウ
２６ 保護ウインドウ
２９ Ｏリング
３０ アシストガス流路
３３ 外周流路
４５ トラップ機構
４５ｂ 絞り部
４５ｃ フランジ部
４５ｅ 絞り部
４５ｆ 滞留捕捉部
５０ ノズル
８０ アクチュエータ
１２０ レンズ鏡筒ユニット
１２１ 鏡筒ハウジング
１２２ 貫通孔
１２３ 単一レンズ
１２４ スペーサ
１２５ 保護ウインドウ
１２６ 保護ウインドウ

Claims (3)

1. 伝送用光ファイバから出射されたレーザ光を被加工材に対して集光照射するファイバレーザ加工機の加工ヘッドであって、
   ヘッド本体と、このヘッド本体内に収容されて、前記伝送用光ファイバから出射されたレーザ光を集光制御する光制御部と、この光制御部で集光されたレーザ光を被加工材に向けて出射するノズルと、前記ヘッド本体内に設けられ、前記レーザ光と共に前記ノズルから噴射されるアシストガスが流通するアシストガス流路と、を備え、
   前記光制御部が、ハウジングの光軸方向の両端に保護ウインドウを有し、該保護ウインドウによって密閉されたハウジング内の空間に光学要素であるレンズを配置した密封構造式レンズ鏡筒ユニットとして構成されていることを特徴とするファイバレーザ加工機の加工ヘッド。
2. 前記密封構造式レンズ鏡筒ユニットのハウジングが光軸方向に移動可能に設けられており、前記ハウジングの位置をアクチュエータによって制御することにより、前記ノズルから出射されるレーザ光の焦点位置を調整することを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ加工機の加工ヘッド。
3. 前記密封構造式レンズ鏡筒ユニットのハウジングの外周またはハウジングの周壁内部に前記アシストガス流路の一部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ加工機の加工ヘッド。

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