JP2017213577A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】保護ガラスを薄くできるレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】レーザ光を集光する集光レンズ７と、ワークのレーザ加工部へアシストガスを噴出するノズル１３と、上記集光レンズ７とノズル１３との間に保護ガラス１１を備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ７と前記保護ガラス１１との間の圧力調整室１９の内圧と、前記保護ガラス１１と前記ノズル１３との間のアシストガス室１５の内圧とを常にほぼ等圧に保持している。そして、前記圧力調整室１９に流入するガスの圧力又は前記圧力調整室１９から流出するガスの圧力を、前記アシストガス室１５内の圧力に対応して制御するガス圧制御手段２１を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、レーザ光を集光する集光レンズを備えると共に、ワークのレーザ加工位置から飛散するスパッタ等から集光レンズを保護する保護ガラスを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護ガラスを薄くすることができるレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工装置において、例えば板状のワークのレーザ加工を行う場合、ワークのレーザ加工位置からヒュームやスパッタ等が飛散して、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズに付着することがある。そこで、集光レンズに対するスパッタ等の付着を防止するために、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルと前記集光レンズとの間に保護ガラスを備えている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平９−１２２９６２号公報 特開２００１−２５９８７２号公報

前記特許文献１に記載の構成としては、集光レンズと保護ガラスとの間の空間内へ、エア又はアシストガスを供給し、上記空間内の圧力を常に一定に保持する構成である。そして、圧力センサによって前記空間内の圧力変化を検出して、前記保護ガラスの損傷を検出しようとするものである。前記特許文献２に記載の構成は、第１の保護ガラスと第２の保護ガラスとを備え、第１，第２の保護ガラス間の空間の圧力変化を圧力センサによって検出する構成である。

すなわち、特許文献１，２の構成は、圧力センサによって空間内の圧力変化を検出して、保護ガラスの損傷を検出するものである。

ところで、レーザ加工ヘッド内に集光レンズと保護ガラスとを備えた構成においては、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルと保護ガラスとの間の空間であるアシストガス室を備えている。そして、このアシストガス室内へアシストガスを供給し、ノズルからワークのレーザ加工部へアシストガスを噴出し、加工中にレーザ光により融解した金属を除去すると共に、加工部を冷却している。またアシストガスは加工中にスパッタが保護ガラス方向へ飛散することを抑制している。したがって、アシストガス室内の圧力が上昇すると、保護ガラスが上方に凸状に湾曲することがある。

よって、集光レンズの焦点位置が変化したり、場合によっては保護ガラスが損傷することがある。この場合、前記アシストガス室内の圧力上昇によっても保護ガラスに湾曲を生じないように、保護ガラスを厚く構成することも可能である。しかし、保護ガラスは高価であり、しかも、スパッタが付着し易いものであって汚染具合によっては度度交換して使用されるものである。ために、保護ガラスを薄くすることが行われている。

保護ガラスを薄くすると、前記アシストガス室内のガス圧によって保護ガラスが湾曲し易いものである。したがって、保護ガラスを薄く構成した場合には、集光レンズと保護ガラスとの間の圧力調整室内にアシストガスを供給し、前記保護ガラスの周囲に形成した連通路を経て前記アシストガス室内へアシストガスを流入している。そして、アシストガス室内のアシストガスを、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルからワークのレーザ加工部へ噴出している。

上記の場合、保護ガラスを薄く形成することができるものの、前記保護ガラスの周囲の連通路をアシストガスが通過するものであるから、アシストガスの圧力損失を生じ易いと共に、アシストガス室内に乱流を生じ易いという問題がある。また集光レンズと保護ガラスとの間の圧力調整室内に供給するアシストガスの流れは集光レンズに当たり、保護ガラスの上面に向かって下向きの流れに変わるので、アシストガスに塵埃が含まれていた場合には保護ガラスの上面にその塵埃が堆積（付着）しやすくなってしまう問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ光を集光する集光レンズと、ワークのレーザ加工部へアシストガスを噴出するノズルと、上記集光レンズを保護する保護ガラスとを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間の圧力調整室の内圧と、前記保護ガラスと前記ノズルとの間のアシストガス室の内圧とを常にほぼ等圧に保持している。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記圧力調整室に流入するガスの圧力又は前記圧力調整室から流出するガスの圧力を、前記アシストガス室内の圧力に対応して制御するガス圧制御手段を備えている。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室内の圧力を検出する圧力センサの検出値と前記アシストガス室内の圧力を検出する圧力センサとの検出値とに基づいて、前記圧力調整室内に流入するガスの圧力、又は前記圧力調整室内から流出するガスの圧力を調整する圧力調整弁を備えている。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室に連通した第１圧力室と前記アシストガス室に連通した第２圧力室との間にピストンを備えた流体圧調整装置を備え、前記ピストンの変位に追従するピストンロッドによって、前記圧力調整室に流入するガスの圧力又は前記圧力調整室内から流出するガスの圧力を調整する絞り弁を備えている。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室と前記アシストガス室と連通する連通路を、前記保護ガラスの周辺に備えている。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスは、レーザ加工ヘッドに内装した環状のガラスケース内に備えたガラスホルダに保持されており、前記ガラスケースの内周面と前記ガラスホルダの外周面との間に、前記連通路を形成するために、前記ガラスホルダの外周面に切欠部を備えている。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ガラスケースの下部に、前記ガラスホルダを支持するホルダ支持部を内方向へ突出して備え、このホルダ支持部に、前記連通路が備えられている。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズと保護ガラスとの間の圧力調整室内の圧力と、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルと保護ガラスとの間のアシストガス室内の圧力とを常にほぼ一定保持することができる。したがって、保護ガラスを薄く形成することができるものである。またアシストガスの乱流の発生を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した説明図である。 集光レンズ、保護ガラスの部分の構成を示す断面説明図である。 保護ガラスの部分の構成を示す断面説明図である。 保護ガラスを支持する構成の斜視説明図である。

以下、図面を用いて本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工ヘッドについて説明するに、レーザ加工ヘッド１は、図１に概念的、概略的に示すように、筒状のヘッド本体３を備えている。このヘッド本体３内にはレンズホルダ５を介して集光レンズ７が備えられている。また、前記ヘッド本体３内面にはガラスホルダ９を介して保護ガラス１１が密着して備えられている。そして、前記ヘッド本体３の先端部にはアシストガスをワーク（図示省略）のレーザ加工位置へ噴出するノズル１３が備えられている。

前記保護ガラス１１と前記ノズル１３との間にはアシストガス室１５が形成してあり、このアシストガス室１５には、アシストガスを供給するポンプＰ１が接続路ＣＬ１を介して接続してある。前記アシストガス室１５内へアシストガスを噴出する噴出口１７は、ヘッド本体３の周方向の複数箇所に備えられている。そして、複数の噴出口１７は、前記保護ガラス１１の下面中央付近を指向してアシストガスを噴出するように傾斜してある。

したがって、前記噴出口１７からアシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスは、保護ガラス１１の下面に対してヒュームやスパッタが付着することを抑制すると共に、保護ガラス１１を冷却する作用をなすものである。そして、アシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスは、ノズル１３方向へ指向されて、ノズル１３からワークのレーザ加工位置へ噴出されるものである。よってアシストガス室１５内のアシストガスの乱流の発生を低減することができる。

前記ヘッド本体３内であって、前記集光レンズ７と前記保護ガラス１１との間には圧力調整室１９が備えられている。この圧力調整室１９の入口１９Ａには、清浄なエアを常に供給するポンプＰ２が接続路ＣＬ２を介して接続してある。そして、前記圧力調整室１９に流入したエアは、外気に開放された出口１９Ｂから常に流出してある。したがって、前記圧力調整室１９内で、前記入口１９Ａから前記出口１９Ｂへ清浄なエアの流れが生じ、前記集光レンズ７と前記保護ガラス１１を冷却する作用をなすものである。そして、前記アシストガス室１５内の圧力と前記圧力調整室１９内の圧力は、ガス圧制御手段としての圧力制御手段２１によって常にほぼ等圧に保持されている。換言すれば、アシストガス室１５内の圧力と、圧力調整室１９内の圧力は、前記保護ガラス１１の湾曲変形を許容値内に保持すべく、常にほぼ等圧に保持されているものである。

前記圧力制御手段２１は、次のように構成してある。すなわち、圧力制御手段２１は、前記ポンプＰ２と前記入口１９Ａとの間に流体圧調整装置２３を配置した構成である。この流体圧調整装置２３は、筒状のシリンダ本体２５内にピストン２７を摺動自在に備えた構成である。したがって、前記シリンダ本体２５内は、ピストン２７によって第１圧力室２９Ａと第２圧力室２９Ｂとに区画してある。そして、第１圧力室２９Ａは、接続路ＣＬ３を介して圧力調整室１９と接続してあり、第２圧力室２９Ｂは、接続路ＣＬ４を介してアシストガス室１５と接続してある。

前記ピストン２７の両面の受圧面積を等しくするためにピストン２７にはピストンロッド２７Ｌが備えられている。このピストンロッド２７Ｌは、前記ポンプＰ２と入口１９Ａとを接続した前記接続路ＣＬ２の一部を構成する絞り調整室３１内に突出してある。そして、前記ピストンロッド２７Ｌの先端部には、前記絞り調整室３１に開口した接続路ＣＬ２の開口部３３を開閉自在かつ絞り自在な絞り弁３５が備えられている。

上記構成において、レーザ光ＬＢをワークＷへ照射すると共に、ポンプＰ１によってアシストガスをアシストガス室１５内へ供給すると、アシストガスは保護ガラス１１の下面に指向して噴出され、かつノズル１３からワークＷのレーザ加工位置へ噴出される。すなわち、ワークのレーザ加工が行われる。上述のように、アシストガス室１５内へアシストガスを供給噴出するとき、アシストガス室１５内の圧力によって、保護ガラス１１が上方向に湾曲変形することを抑制するために、前記ポンプＰ２からエアを圧力調整室１９内へ供給する。この際、圧力調整室１９内へ供給されるエアの圧力は、圧力制御手段２１によって、アシストガス室１５内の圧力に対応した圧力に制御されているものである。

すなわち、アシストガス室１５内の圧力は、接続路ＣＬ４を介して流体圧調整装置２３の第２圧力室２９Ｂに導入されており、圧力調整室１９内の圧力は、接続路ＣＬ３を介して第１圧力室２９Ａに導入されている。したがって、第１圧力室２９Ａ内の圧力と第２圧力室２９Ｂ内の圧力とがほぼ等しい場合には、ピストン２７は現状の位置を保持する。よって、絞り弁３５による開口部３３の絞り度合はほぼ一定に保持される。すなわち、アシストガス室１５内の圧力と、圧力調整室１９内の圧力はほぼ等圧に保持されるものである。

前記構成において、例えばアシストガス室１５内の圧力が上昇すると、流体圧調整装置２３における第２圧力室２９Ｂ内の圧力が上昇し、ピストン２７が、図１において下方向に移動される。したがって、絞り弁３５による開口部３３の絞り度合は広げられることとなり、圧力調整室１９内の圧力は上昇されることになる。そして、アシストガス室１５内の圧力と圧力調整室１９内の圧力とがほぼ等しく保持されるものである。

また、前記アシストガス室１５内の圧力が低下すると、流体圧調整装置２３における第２圧力室２９Ｂ内の圧力が低下する。したがって、図１においてピストン２７が上昇し、絞り弁３５により開口部３３の絞り度合が狭くなり、圧力調整室１９内の圧力は低下される。すなわち、アシストガス室１５内の圧力と圧力調整室１９内の圧力は常にほぼ均等に保持されるものである。よって、保護ガラス１１が大きく湾曲することを防止でき、保護ガラス１１を薄く形成することができるものである。

ところで、前記説明においては、アシストガス室１５に対してアシストガスを供給し、圧力調整室１９に対して清浄なエアを供給する旨説明した。しかし、圧力調整室１９に対してもアシストガスを供給することも可能である。この場合、ポンプＰ２を省略し、接続路ＣＬ１から分岐接続した分岐路を前記接続路ＣＬ２に接続することによって可能なものである。

また、前記説明においては、前記圧力調整室１９に流入するエアの圧力を流体圧調整装置２３によって調整する旨説明した。しかし、出口１９Ｂから流出するエアの圧力を調整して、圧力調整室１９内の圧力を、アシストガス室１５内の圧力に対応して整正することも可能なものである。この場合、アシストガスに万一塵埃が含まれていたとしても、前記圧力調整室１９内で、前記入口１９Ａから前記出口１９Ｂへのアシストガスの流れによって、塵埃が保護ガラス１１の上面に滞留（付着）することを防止することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ａの構成を概念的、概略的に示すものである。この第２の実施形態において、前述した第１の実施形態におけるレーザ加工ヘッド１の構成と同一機能を奏する構成要素には、同一符号を付することとして、重複した説明は省略する。

この第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ａにおいては、前記圧力調整室１９内の圧力を検出する第２圧力センサＳ２と前記アシストガス室１５内の圧力を検出する第１圧力センサＳ１とを備えている。また、前記ポンプＰ１と前記アシストガス室１５とを接続した前記接続路ＣＬ１には、アシストガス室１５へ供給するアシストガスの圧力を制御自在な第１比例制御弁３７Ａが備えられている。そして、前記ポンプＰ２と前記圧力調整室１９とを接続した接続路ＣＬ２には、第２比例制御弁３７Ｂが備えられている。

前記第１，第２の比例制御弁３７Ａ，３７Ｂを制御して、前記アシストガス室１５内の圧力又は圧力調整室１９内の圧力を制御するガス圧制御手段を構成する圧力制御装置３９が備えられている。この圧力制御手段３９は、例えばマイクロコンピュータから構成してある。上記圧力制御装置３９は、前記第１，第２の圧力センサＳ１，Ｓ２の検出値が入力されると、上記両検出値の比較演算を行う。そして、前記第１，第２の圧力センサＳ１，Ｓ２の検出値が等しくなるように、前記第１比例制御弁３７Ａ又は第２比例制御弁３７Ｂの適宜一方又は両方を制御するものである。

したがって、アシストガス室１５内の圧力と、圧力調整室１９内の圧力とがほぼ均等圧に保持されるものである。よって、保護ガラス１１が大きく湾曲することが抑制され、保護ガラス１１を薄く形成することができるものである。また、第１の実施の形態と同様に前記噴出口１７からアシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスは、保護ガラス１１の下面に対してヒュームやスパッタが付着することを抑制すると共に、保護ガラス１１を冷却する作用をなすものであり、またアシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスは、ノズル１３方向へ指向されて、ノズル１３からワークのレーザ加工位置へ噴出されるものでアシストガス室１５内のアシストガスの乱流の発生を低減することができる。

図３，図４は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ｂにおいて集光レンズ７及び保護ガラス１１を支持する構成を示す断面説明図である。図３に示すように、集光レンズ７は前記レンズホルダ５に相当するレンズホルダユニット４１によってヘッド本体３内に保持されている。より詳細には、レンズホルダユニット４１は、集光レンズ７における上面の周縁部付近を保持する環状の上部ホルダ４３Ｕと、下面の周縁部付近を保持する下部ホルダ４３Ｌとを備えている。

前記保護ガラス１１は、図５に示すように、環状のガラスホルダ４５に保持されている。図５において、図５（Ａ）は各構成要素を分解した斜視説明図である。そして、図５（Ｂ）は各構成要素を組合せた全体構成の斜視図である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の状態からガラス押え部材４９を取り外した状態の斜視図である。そして、図５（Ｄ）は、図５（Ｃ）に示す状態からガラスホルダ４５を取り外した状態を示す斜視図である。

前記ガラスホルダ４５は、前記ヘッド本体３内に適宜に保持される環状のガラスケース４７内に保持されるものである。すなわち、保護ガラス１１を内側に備えた前記ガラスホルダ４５は、前記ガラスケース４７内に嵌入した環状のガラス押え部材４９によって、ガラスケース４７内に保持されている。

そして、前記アシストガス室１５内の圧力と圧力調整室１９内の圧力とを常にほぼ均等圧に保持するために、前記アシストガス室１５と圧力調整室１９は連通路５１を介して連通してある。すなわち、前記アシストガス室１５内の圧力と、圧力調整室１９内の圧力は、連通路５１を介して常にほぼ均等圧に保持されるものである。したがって、連通路５１は、一種のガス圧制御手段を構成するものである。より詳細には、前記ガラスホルダ４５の外周面の複数箇所には適宜形状の切欠部４５Ｃが形成してあって、この切欠部４５Ｃとガラスケース４７の内周面との間に形成された間隙が前記連通路５１を構成するものである。そして、前記ガラス押え部材４９に形成したスリット４９Ｓが前記連通路５１と連通してある。

そして、前記ガラスケース４７の下部には、前記ガラスホルダ４５を支持するホルダ支持部５３が内方向へ突出して備えられている。そして、このホルダ支持部５３には、例えば貫通穴や切欠部などのごとき連通路５５が形成してある。この連通路５５は、前記連通路５１と連通してある。したがって、アシストガス室１５と圧力調整室１９は、連通路５１，５５を介して常に連通した状態にあって、アシストガス室１５内の圧力と、圧力調整室１９内の圧力は、常にほぼ等圧に保持されるものである。よって、保護ガラス１１を許容値以上に湾曲変形させるようなことがなく、保護ガラス１１を薄く形成することができるものである。前記圧力調整室１９内のアシストガスは流出することなく、圧力調整室１９内を静圧に保持するものである。

なお、前記ガラスケース４７のホルダ支持部５３上にはスペーサ５７が配置してある。したがって、保護ガラス１１はガラス押え部材４９によって上方向から押えられ、スペーサ５７によって下側から支持されるものである。よって、保護ガラス１１は、ガラスケース４７内に密に保持されるものである。そして、前記ガラスケース４７の外周面にはＯリング５９が備えられている。

以上のごとき実施形態の説明から理解されるように、連通路５１等を介して保護ガラス１１の下側のアシストガス室１５内の圧力と、保護ガラス１１の上側の圧力調整室１９内の圧力とを、常にほぼ均等圧に保持できるので、保護ガラス１１の湾曲を抑制でき、かつ保護ガラス１１を薄くできるものである。また、第１の実施の形態と同様に前記噴出口１７からアシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスは、保護ガラス１１の下面に対してヒュームやスパッタが付着することを抑制すると共に、保護ガラス１１を冷却する作用をなすものであり、またアシストガス室１５内へ噴出されたアシストガスの大部分は、ノズル１３方向へ指向されて、ノズル１３からワークのレーザ加工位置へ噴出されるものでアシストガス室１５内のアシストガスの乱流の発生を低減することができる。
また、連通路５１を介して、前記圧力調整室１９に流入するエアの流れはごく少量であり、さらにその流れる方向は上方から保護ガラスに向かって下向きでなく横方向からであり、保護ガラス１１の上面に塵埃が滞留（付着）しずらい構成となっている。
なお、図１、図２においては、前記ヘッド本体３の先端部にはノズル１３が一体的に備えられているように記載されているが、ヘッド本体３に対してノズル１３が別体で着脱可能に備えられていても良い。

１ レーザ加工ヘッド
１Ａ 第２のレーザ加工ヘッド
１Ｂ 第３のレーザ加工ヘッド
３ ヘッド本体
５ レンズホルダ
７ 集光レンズ
９ ガラスホルダ
１１ 保護ガラス
１３ ノズル
１５ アシストガス室
１９ 圧力調整室
２１ 圧力制御手段
２３ 流体圧調整装置
３７Ａ 第１比例制御弁
３７Ｂ 第２比例制御弁
３９ 圧力制御装置
４１ レンズホルダユニット
４５ ガラスホルダ
４７ ガラスケース
４９ ガラス押え部材
５１ 連通路
５５ 連通路

Claims (7)

1. レーザ光を集光する集光レンズと、ワークのレーザ加工部へアシストガスを噴出するノズルと、上記集光レンズを保護する保護ガラスとを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間の圧力調整室の内圧と、前記保護ガラスと前記ノズルとの間のアシストガス室の内圧とを常にほぼ等圧に保持してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記圧力調整室に流入するガスの圧力又は前記圧力調整室から流出するガスの圧力を、前記アシストガス室内の圧力に対応して制御するガス圧制御手段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、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室内の圧力を検出する圧力センサの検出値と前記アシストガス室内の圧力を検出する圧力センサとの検出値とに基づいて、前記圧力調整室内に流入するガスの圧力、又は前記圧力調整室内から流出するガスの圧力を調整する圧力調整弁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に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室に連通した第１圧力室と前記アシストガス室に連通した第２圧力室との間にピストンを備えた流体圧調整装置を備え、前記ピストンの変位に追従するピストンロッドによって、前記圧力調整室に流入するガスの圧力又は前記圧力調整室内から流出するガスの圧力を調整する絞り弁を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 請求項２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ガス圧制御手段は、前記圧力調整室と前記アシストガス室と連通する連通路を、前記保護ガラスの周辺に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 請求項５に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスは、レーザ加工ヘッドに内装した環状のガラスケース内に備えたガラスホルダに保持されており、前記ガラスケースの内周面と前記ガラスホルダの外周面との間に、前記連通路を形成するために、前記ガラスホルダの外周面に切欠部を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
7. 請求項６に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ガラスケースの下部に、前記ガラスホルダを支持するホルダ支持部を内方向へ突出して備え、このホルダ支持部に、前記連通路が備えられていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
   

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