JP2015202511A - 保護ガラス汚染防止方法及びレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスがヒュームによって汚染されることを防止する方法及び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内の集光レンズ５の下側に、当該集光レンズ５を保護する保護ガラス１５を備え、かつ上記保護ガラス１５の下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段を備えたレーザ加工ヘッドにおいて前記保護ガラス１５にヒュームが付着することを防止する保護ガラス汚染防止方法であって、前記保護ガラス１５の下側に、中央孔４３を備えたヒュームアパーチャ４１を配置して、前記保護ガスの流出路に絞りを付与し、前記保護ガスを前記中央孔４３からより高速に流出して前記保護ガラス１５に対してヒュームが付着することを防止する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに備えられた保護ガラスに、レーザ加工時に生じたヒュームにが付着することを防止する保護ガラス汚染防止方法及びレーザ加工ヘッドに関する。さらに詳細には、保護ガラスの一側面に沿って保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成して、レーザ加工によって生じたヒュームが保護ガラスに接触することを防止するに際し、前記保護ガスの流出路に絞りを付与してより高速な流れにして保護ガラスに対してヒュームが付着することを防止する汚染防止方法及びレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工機におけるレーザ加工ヘッド内には集光レンズが備えられており、ワークのレーザ加工時に生じたヒューム、スパッタによって集光レンズが汚染されることがある。そこで、前記集光レンズを保護して汚染を防止するために、レーザ加工ヘッド内には保護ガラスが備えられている。上記構成においては、保護ガラスによって集光レンズの保護を図ることができるものの、保護ガラスが汚染されることになる。したがって、レーザ加工時に発生したヒュームやスパッタが保護ガラスに付着することを防止するために、ヒュームやスパッタを高速エアによって吹き飛ばす構成などが採用されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２０００−２６３２７６号公報 特開２００７−２１５０５号公報

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの下面に沿って高速エアーをエアー吹き出しノズルから噴射し、レーザ加工時に生じたヒュームやスパッタを前記高速エアーによって吹き飛ばそうとするものである。前記エアー吹き出しノズルから噴射された高速エアーは乱流であるため、ヒュームを巻き込んで吹き飛ばすことになる。しかし、乱流であるために、巻き込まれたヒュームの一部が保護ガラスに接触することがある。したがって、高速エアーに対する保護ガラスの下流側が汚染されることがある。

なお、高速エアーの流れを、ヒュームを巻き込むことのない整流の流れにした場合、レーザ加工位置から高速で飛散するスパッタを吹き飛ばす流速が得られず、スパッタから保護ガラスを保護することが難しくなる、という問題がある。

引用文献２に記載の構成は、保護ガラスの下方外周から第１のエアーブローを噴射すると共に、保護ガラスの下方に備えたノズル内周面に沿って第２のエアーブローを噴射し、第１，第２のエアーブローを、ノズルの開口部を通過した後に収束しようとするものである。

前記構成においては、第１，第２のエアーブローが乱流となることなく流れるとすると、高速で飛散するスパッタの除去は難しいものである。また、前記構成においては、第１のエアーブローは、保護ガラスに対して斜め下方から噴射され、その後に下方向への流れに変換されるものであるから、ノズル内部に第１のエアーブローの吹き出し部へ戻る傾向の流れを生じたり、乱流が生じる傾向にある。

したがって、レーザ加工時に生じたヒュームの一部が乱流に巻き込まれ、保護ガラスの下面に付着することがある、という問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッド内の集光レンズの下側に、当該集光レンズを保護する保護ガラスを備え、かつ上記保護ガラスの下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段を備えたレーザ加工ヘッドにおいて前記保護ガラスにヒュームが付着することを防止する保護ガラス汚染防止方法であって、前記保護ガラスの下側に、中央孔を備えたヒュームアパーチャを配置して、前記保護ガスの流出路に絞りを付与し、前記保護ガスを前記中央孔からより高速に流出して前記保護ガラスに対してヒュームが付着することを防止することを特徴とするものである。

また、レーザ加工ヘッド内の集光レンズの下側に、当該集光レンズを保護する保護ガラスを備え、かつ上記保護ガラスの下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段を備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護ガラスの下側に、前記保護ガスの流出路に絞りを付与する中央孔を備えたヒュームアパーチャを備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ヒュームアパーチャにおける上面又は下面の少なくとも一方の面に、上向き又は下向きの筒状部を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ヒュームアパーチャは、前記保護ガラスを支持する保護ガラス支持部材に一体に備えられていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス流形成手段は、周囲から中心方向へ流れる保護ガスを整流にするために、円筒形状の多孔質部材を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、保護ガラスの下側に、中央孔を備えたヒュームアパーチャを配置して、保護ガスが流出する流路に絞りを付与し、保護ガスを前記中央孔からより高速に流出するものである。したがって、保護ガラスに対してヒュームが接触し付着することを防止できるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した断面説明図である。 ヒュームアパーチャの種々の形態を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成について説明するに、図１に概念的、概略的に示すように、レーザ加工ヘッド１は、例えば産業用ロボットにおけるロボットハンドなどのキャリッジ（図示省略）に装着されてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動自在のヘッドハウジング３を備えている。上記ヘッドハウジング３内には、レーザ発振器において発振されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ５が備えられている。

前記ヘッドハウジング３の先端側（図１において下側）には、レーザ光ＬＢが透過自在な貫通穴７Ｈを中央部に備えた加工ヘッド本体７がボルト等の取付具（図示省略）を介して着脱可能に装着してある。この加工ヘッド本体７の先端側には、エアー供給ブロック９が適宜の取付具を介して着脱可能に取付けてある。そして、このエアー供給ブロック９の先端側にはレーザノズル１１が着脱可能に取付けてある。

前記加工ヘッド本体７の先端面、すなわち前記エアー供給ブロック９を取付けた取付面（装着面）には、前記エアー供給ブロック９側及び一側面側を開放した係合凹部１３が備えられている。この係合凹部１３には、保護ガラス１５を備えた保護ガラスホルダ１７が着脱可能に備えられている。前記保護ガラスホルダ１７は厚板のブロック状に形成してあって、平面視したときの外形形状は四角形状に形成してある。この保護ガラスホルダ１７の一側面には、前記係合凹部１３に対して保護ガラス１７を着脱する際の把持部１９が備えられている。

既に理解されるように、保護ガラスホルダ１７は、係合凹部１３内に配置したときには、前記エアー供給ブロック９に支持されているものである。したがって、前記エアー供給ブロック９は保護ガラス１５を支持する機能を奏するものであって、一種の保護ガラス支持部材と称することもできるものである。

前記保護ガラスホルダ１７の上面には前記保護ガラス１５を着脱可能に備えた環状の保護ガラス保持部２１が形成してある。そして、前記保護ガラス１５を固定するために、前記保護ガラス保持部２１内には、例えばＯリングやスナップリング等のごとき適宜の部材から構成された環状のガラス押え２３が備えられている。前記保護ガラス１５の下側には、保護ガラス１５の下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段が備えられている。すなわち、前記保護ガラスホルダ１７の下側であって前記保護ガラス１５の下面に対応した位置には、保護ガスが旋回可能な環状の旋回流路２５が形成してある。

前記保護ガスは、レーザ加工時に生じたヒュームによって前記保護ガラス１５が汚染されることを防止する作用をなすものである。すなわち、保護ガスは、ヒュームから保護ガラス１５を保護する作用をなすものである。前記旋回流路２５の内周縁には、前記保護ガラス１５側へ突出した環状の突出部が備えられており、この環状の突出部の外周部には、前記旋回流路２５から中心方向へ流れる保護ガスを整流にするための保護ガス整流手段２９が備えられている。

前記保護ガス整流手段２９は、例えば網目の小さな金網を複重の円筒形状に構成したものであって、当該保護ガス整流手段２９の上端縁は、前記保護ガラス１５の一側面である下面に当接接触してある。なお、前記保護ガス整流手段２９の構成としては、金網に限ることなく、例えばスポンジ、焼結金属、焼結樹脂、グラスウールなどの多孔質部材（金網も含まれる）を環状に形成した構成であってもよいものである。

上記構成により、前記旋回流路２５から前記保護ガス整流手段２９を通過して中心方向に向かう保護ガスの流れは線状の流れに整流されるものである。この際、線状の保護ガスの流れは、前記保護ガス整流手段２９の上下方向の幅寸法に対応して複重（複層）の流れに形成されるものである。

前記エアー供給ブロック９の中央部にはレーザ光ＬＢが透過自在な貫通穴９Ｈが形成してある。そして、上面であって前記保護ガラスホルダ１７に備えた前記旋回流路２５に対応した位置には、当該旋回流路２５の径とほぼ同径の環状（円形状）の旋回流生起流路３１が形成してある。上記旋回流生起流路３１内に保護ガスの旋回流を生起させるために、保護ガス供給源としてのエアー供給源（図示省略）に接続したエアー供給路３３が接線方向に接続してある。したがって、前記エアー供給路３３から旋回流生起流路３１内へ供給されたエアーは旋回流となるものである。

前記旋回流生起流路３１内において生起されたエアーの旋回流を前記旋回流路２５に導くために、前記旋回流路２５の底部の複数箇所には、前記旋回流生起流路３１に連通した円弧状の長孔３４が旋回流路２５に沿って形成してある。したがって、前記旋回流生起流路３１内へエアーを供給して旋回流が生じると、前記長孔３４から旋回流路２５内にエアーの旋回流が移動されるものである。

前記エアー供給ブロック９の先端側、すなわち前記保護ガラス１５から離反した位置には、レーザ加工ヘッド１の軸心すなわちレーザ光ＬＢの軸心に対して直交する方向へ保護ガス（エアー）を高速で噴出する高速噴出口３５が備えられている。この高速噴出口３５の開口はレーザ光ＬＢの軸心に対して直交する方向に偏平状の開口に形成してある。したがって、前記高速噴出口３５から噴出されたエアーは、レーザ光ＬＢの軸心に対して直交する偏平状の高速流のエアーカーテンを形成することになる。

前記高速噴出口３５に近接した位置であって下側には、当該高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流に誘引されて大量の外気を吸引するための外気吸引口３７が形成してある。そして、前記高速噴出口３５に対向して前記エアー供給ブロック９には、大きなエアー排出口３９が備えられている。したがって、前記高速噴出口３５からエアーを高速で噴出すると、この高速のエアーの流れに誘引されて、外気吸引口３７から多量の外気が吸引され、対向した位置のエアー排出口３９から外部へ排出されることになる。

よって、レーザ加工位置から飛散してレーザ加工ヘッド１内に進入したスパッタやヒュームは、前記高速噴出口３５から噴出されるエアーの高速流及び外気吸引口３７から吸引された多量の外気によって外部へ排出されることになる。なお、前記高速噴出口３５は、当該高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流が前記保護ガラス１５の下面に沿って流れている保護ガスの整流を乱すことのないように、適宜に離反した位置に備えられるものである。

さらに、レーザ加工位置から飛散するスパッタやヒュームが前記保護ガラス１５に接触付着することを防止するために、ヒュームアパーチャ４１が備えられている。上記ヒュームアパーチャ４１は、前記エアー供給ブロック（保護ガラス支持部材）９における前記貫通穴９内の上部側であって、前記係合凹部１３内の保護ガラス１５と前記エアー供給ブロック９に備えた前記エアー排出口３９との間に備えられている。前記ヒュームアパーチャ４１は中央部に中央孔４３を備えた円盤状に形成してある。

上述のように、エアー供給ブロック９における貫通穴９内の上部側に前記ヒュームアパーチャ４１を配置した構成により、前記保護ガラス１５とヒュームアパーチャ４１との間にはチャンバ４５が形成されることになる。そして、上記チャンバ４５の出口は前記中央孔４３であって小径に絞られた形態である。

以上のごとき構成において、集光レンズ５によって集光されたレーザ光ＬＢをワークＷへ照射してレーザ加工を行うと、レーザ加工位置からヒュームが発生すると共にスパッタが飛散される。レーザ加工時に発生したヒューム及びスパッタの大部分は、前記高速噴出口３５から噴出されるエアーの高速流及び外気吸引口３７から吸引された多量の外気によってエアー排出口３９から外部へ排出されることになる。しかし、ヒューム等の極く一部は、レーザ加工ヘッド１内に進入して保護ガラス１５を汚染する傾向にある。

すなわち、前記高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流は乱流であるので、ヒュームの一部は保護ガラス１５方向へ流れることがある。しかし、保護ガラス１５の下側には中央孔４３を備えたヒュームアパーチャ４１が配置してあって、保護ガラス１５とヒュームアパーチャ４１との間にはチャンバ４５が形成してある。したがって、前記保護ガラス１５方向へ流れる傾向にあるヒュームは、ヒュームアパーチャ４１の中央孔４３によって絞られた通路内に進入する形態となり、保護ガラス１５方向へのヒュームの流れが抑制されるものである。

しかも、前記保護ガラス１５とヒュームアパーチャ４１との間にはチャンバ４５が形成してあり、前記保護ガラス１５の下面に沿って流れた保護ガスは、当該チャンバ４５から前記中央孔４３から下方向へ流出されることになる。したがって、チャンバ４５内の保護ガスは中央孔４３によって絞られる形態となり、より高速に流出されるものである。換言すれば、前記中央孔４３は、チャンバ４５内から流出する保護ガスの流出路を絞る作用をなすものであって、外部から前記チャンバ４５内にヒュームや外気等が入り込むことを抑制するものである。

また、前記保護ガラス１５の下側には、保護ガスとしてのエアーが回転して流れる旋回流路２５が備えられており、この旋回流路２５から保護ガス整流手段２９によって整流されたエアーが複数層の線状の流れを形成して中心方向へ流れている。したがって、前記ヒュームアパーチャ４１の中央孔４３からチャンバ４５内に極く僅かなヒュームが入り込んだような場合に、前記保護ガラス１５の下面に近接したヒュームは、保護ガスによって中心方向へ流され、中央部において下方向へ流され、前記中央孔４３から外部へ流出されることになる。よって、ヒュームが保護ガラス１５の下面に接触することが防止されるものである。

ところで、前記旋回流路２５内においてはエアーが回転（旋回）しているものであるから、旋回流路２５内においては円周方向のどの位置においても流速、圧力の分布が均一に維持される。したがって、保護ガス整流手段２９を通過して中心方向への流れとして整流されるエアーの流れの流速分布が均一になるものである。換言すれば、保護ガス整流手段２９によって整流されての中心方向への流れにおける流速、流量とも均一であり、流速差等に起因する乱流の発生を防止でき、外気を巻き込むようなことがないものである。よって、保護ガラス１５の下面に近接したヒュームを巻き込むようなことがなく、ヒュームの一部が保護ガラス１５の下面に付着することを防止することができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態によれば、保護ガラス１５の下側に絞り機能を有する中央孔４３を備えたヒュームアパーチャ４１を配置して、保護ガラス１５とヒュームアパーチャ４１との間にチャンバ４５を備えた構成であるから、前記チャンバ４５内へのヒュームの入り込みを効果的に防止でき、前記保護ガラス１５にヒュームが付着することを防止することができるものである。

ところで、本発明は、前述したごとき実施形態に限ることなく適宜の変更を行うことにより、その他の形態で実施可能なものである。例えば、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、前記ヒュームアパーチャ４１における上面又は下面の少なくとも一方の面に、上向き又は下向きの筒状部４７を備えた構成とすることも可能である。上記構成によれば、例えばレーザ光ＬＢの光軸に対して交差する方向に飛散してスパッタが前記チャンバ４５内に入り込む傾向にある場合や、ヒュームアパーチャ４１の下面に沿って、例えば中央孔４３方向に流れてチャンバ４５内にヒュームが入り込む傾向にある場合に、スパッタやヒュームがチャンバ４５内へ入り込むことを効果的に抑制することができるものである。

また、前記説明においては、エアー供給ブロック（保護ガラス支持部材）９とヒュームアパーチャ４１とを別個に設ける旨、説明した。しかし、前記エアー供給ブロック９とヒュームアパーチャ４１とを一体に設けることも可能である。

さらに、前記ヒュームアパーチ４１における中央孔４３を、レーザ光ＬＢの光軸に対して、前記高速噴出口３５から噴出されるエアーの上流側に偏在した構成とすることも可能である。この構成によれば、エアーによって吹き飛ばされたスパッタ等がチャンバ４５内に入り込むことを効果的に防止することができるものである。

１ レーザ加工ヘッド
５ 集光レンズ
９ エアー供給ブロック
１１ レーザノズル
１３ 係合凹部
１５ 保護ガラス
１７ 保護ガラスホルダ
２９ 保護ガス整流手段
３１ 旋回流生起流路
３５ 高速噴出口
３７ 外気吸引口
３９ エアー排出口
４１ ヒュームアパーチャ
４３ 中央孔
４５ チャンバ
４７ 筒状部

Claims (5)

1. レーザ加工ヘッド内の集光レンズの下側に、当該集光レンズを保護する保護ガラスを備え、かつ上記保護ガラスの下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段を備えたレーザ加工ヘッドにおいて前記保護ガラスにヒュームが付着することを防止する保護ガラス汚染防止方法であって、前記保護ガラスの下側に、中央孔を備えたヒュームアパーチャを配置して、前記保護ガスの流出路に絞りを付与し、前記保護ガスを前記中央孔からより高速に流出して前記保護ガラスに対してヒュームが付着することを防止することを特徴とする保護ガラス汚染防止方法。
2. レーザ加工ヘッド内の集光レンズの下側に、当該集光レンズを保護する保護ガラスを備え、かつ上記保護ガラスの下面に沿って保護ガスを流すガス流形成手段を備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護ガラスの下側に、前記保護ガスの流出路に絞りを付与する中央孔を備えたヒュームアパーチャを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ヒュームアパーチャにおける上面又は下面の少なくとも一方の面に、上向き又は下向きの筒状部を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項２又は３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ヒュームアパーチャは、前記保護ガラスを支持する保護ガラス支持部材に一体に備えられていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス流形成手段は、周囲から中心方向へ流れる保護ガスを整流にするために、円筒形状の多孔質部材を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

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