JP2022158656A - 光学機器保護装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工装置の光学機器を効果的に保護することができる光学機器保護装置およびレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様は、レーザ加工装置の光学機器を保護する光学機器保護装置であって、光学機器と、レーザ加工の対象物との間の空間を囲む筐体と、筐体に設けられ、筐体の内側に気体を導入する導入ポートと、を備え、導入ポートから筐体の内側へ導入された気体を筐体の内側から対象物の方向へ送るように構成される光学機器保護装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置の光学レンズ、保護ガラス部分を粉塵等から保護する光学機器保護装置およびこれを用いたレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置は、加工の対象物に対してレーザ光を照射して切断、溶接、穴あけ、スクライブ、表面改質加工を行う装置である。レーザ加工装置によって加工を行う場合、レーザ光のエネルギーによって対象物が溶融して煙や粉塵が発生するとともに、スパッタやヒュームなどの飛散物も生じる。

特許文献１では、加工機の外周囲に設けたエアー噴出手段より噴出するエアーによって加工機を取り囲むようにエアーによる壁を作り、かつ加工機の上部に設けた集塵部のファンを回転させて、ワークの加工時に発生する粉塵を上方に舞い上がらせて集塵するワーク加工装置の集塵方法が開示される。

特許文献２では、加工ヘッドの直下となるワークテーブルの下部に、熱切断加工時に発生するスパッタ等を処理するため、渦巻状液体噴流を噴出せしめる複数のノズルを備えた集塵パイプを設けるとともに、廃液を処理する集塵処理装置を備えた熱切断加工機の集塵処理装置が開示される。

特許文献３では、レーザ加工を行うに際し、アシストガスの噴出方向に対し交差する方向であって、加工部近傍にエアーを供給し、このエアーで加工時に発生する塵埃を集塵部へと集塵させるレーザ加工装置における集塵方法が開示される。

特許文献４では、加工対象物の加工位置を覆うべく加工対象物の表面と隙間を設けて配置される筐体の、上面にレーザビームの透過孔と加工位置に向けて加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルを設けるとともに、この加工ガス供給ノズルの設置側の側面を開口し、この開口した側面と対向する側面に加工時に発生するヒュームおよび粉塵を吸引する吸引ノズルを設け、筐体内の加工位置より吸引ノズル側に、上面から見て加工ガス供給ノズルによる加工ガス供給方向と直交する方向の両側面間に亘る長さの整流板を設けたレーザ加工機用集塵装置が開示される。

特許文献５では、レーザ発振器と、レーザ発振器から出力されたレーザ光をワーク上の走査領域に照射するガルバノスキャナと、ガルバノスキャナとワークとの間に形成される加工領域空間を覆うブースダクトであって、加工領域空間を開閉させてワークの加工領域空間への出入を可能とする可動領域を備えているブースダクトと、ワークに向けて不活性ガスを吹き付けるアシストガスノズルと、加工領域空間内の気体を排気口に向けて強制的に流動させるエアーブローノズルとを有するレーザ加工用集塵装置が開示される。

特開２０００－２８８７８２号公報 特開平０５－３３７６７６号公報 特開平１１－３１４１９０号公報 実用新案登録第３１４３４５７号公報 特開２０１５－１８２１１６号公報

レーザ加工装置において、レーザ光を対象物に照射して加工を行う際に発生する煙や粉塵、スパッタやヒュームなどの飛散物から光学部分を保護することは重要である。特に、ガルバノミラーでレーザ光をスキャンするリモート型のレーザ加工装置では、レーザ光を集束させるレンズを用いた光学部分と対象物との間に空間が設けられ、この空間に粉塵等や飛散物が漂うとレーザ光の散乱など悪影響を及ぼす。また、光学レンズや保護ガラス部分にスパッタやヒュームなどが付着するため、定期的なメンテナンスが必要となる。

本発明は、レーザ加工装置の光学部分を効果的に保護することができる光学機器保護装置およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、レーザ加工装置のレンズ、保護ガラス等の光学部分を保護する光学機器保護装置であって、光学部分と、レーザ加工の対象物との間の空間を囲む筐体と、筐体に設けられ、筐体の内側に気体を導入する導入ポートと、を備え、導入ポートから筐体の内側へ導入された気体を筐体の内側から対象物の方向へ送るように構成される光学機器保護装置である。

このような構成によれば、レーザ加工装置の光学部分とレーザ加工の対象物との間の空間を囲む筐体の内側の気体が対象物の方向へ送られるため、レーザ加工の際に舞い上がる粉塵やスパッタを光学部分の方向へ向かわせないように送り出すことができる。

上記光学機器保護装置において、導入ポートから筐体の内側へ導入された気体は筐体の内側で旋回しながら光学レンズ、保護ガラス全面を覆いながら対象物の方向へ送られることが好ましい。筐体の内側で気体を旋回させることで、導入された気体が筐体内での気流の乱れを抑え、対象物の方向への送り出しまで圧力のムラを効果的に抑えることができる。

上記光学機器保護装置において、筐体は、導入ポートから導入された気体を筐体の内側で旋回させるガイド流路を有することが好ましい。これにより、ガイド流路に沿って気体を効率良く旋回させることによりガイド流路内の気圧を陽圧に保つことができる。

上記光学機器保護装置において、導入ポートは浄化された気体を筐体の内側へ導入することが好ましい。これにより、筐体の内側へ浄化された気体が導入され、光学レンズや保護ガラス全面を覆いながら筐体の内側をクリーンな状態で陽圧に維持することができる。

上記光学機器保護装置において、筐体と対象物との間に配置される集塵ノズルをさらに備え、筐体の内側から対象物の方向へ送られた気体を集塵ノズルで吸引するように構成されていてもよい。これにより、筐体の内側から対象物の方向へ送り出された気体をレーザ加工で発生するヒュームや飛散物と共に集塵ノズルで吸引して外部へ効果的に排出できるようになる。

本発明の一態様は、レーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を対象物に向けて集束させるレンズを含む光学部分と、光学部分と対象物との間に配置される上記の光学機器保護装置と、を備えたレーザ加工装置である。これにより、レーザ加工の際に舞い上がる粉塵やスパッタと光学部品間をクリーンな空間で遮断することができ、下側の開口から噴き出されるクリーンエアによりレーザ光源の光学機器を粉塵やスパッタから保護することができる。

本発明によれば、レーザ加工装置の光学部分を効果的に保護することができる光学機器保護装置およびレーザ加工装置を提供することが可能になる。

本実施形態に係るレーザ加工装置の構成を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は気体の旋回について例示する模式図である。 ガイド流路を備えた筐体を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、ガイド流路を備えた筐体の気体の流れを例示する模式図である。 集塵ノズルを備えた光学機器保護装置を例示する模式断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（レーザ加工装置）
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成を例示する模式図である。
本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射して溶接や切断などの加工を施す装置である。レーザ加工装置１００は、レーザ光源１１０と、駆動部１２０と、光学機器１３０と、ステージ１４０と、を備える。さらに、レーザ加工装置１００は、後述する本実施形態に係る光学機器保護装置１を備える。

レーザ光源１１０は、レーザ光Ｌを発生させる部分であり、例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザの発振器を有する。駆動部１２０は、レーザ光源１１０で発生したレーザ光Ｌの光路を制御する部分である。駆動部１２０は、例えばガルバノミラーを有し、レーザ光Ｌを対象物Ｗの所定位置に走査する。

光学機器１３０は、レーザ光Ｌを対象物Ｗに向けて集束させるレンズ１３１およびレンズ１３１のカバーとなるウィンドウ１３２を有する。ＣＯ_２レーザを用いる場合、レンズ１３１には例えばＺｎＳｅレンズが用いられる。ウィンドウ１３２には、例えば円盤状の石英ガラスやＺｎＳｅ結晶が用いられ、表面に無反射コーティングが施される。光学機器１３０にはウィンドウ１３２が設けられていない場合もあるが、レンズ１３１の保護のために設けられていることが望ましい。本実施形態ではウィンドウ１３２が設けられている場合を例とする。

ステージ１４０は対象物Ｗを配置する部分である。ステージ１４０は対象物Ｗの位置を移動可能な駆動機構を備えていてもよい。また、加工の対象物Ｗが大きい場合、ステージ１４０を固定し駆動部１２０を自走させながら広範囲で加工を行うようにしてもよい。この際、光学機器保護装置１を駆動部１２０と一体化させ、動きを同一にすることにより、加工領域の全域において光学機器１３０を保護することができる。

（光学機器保護装置）
本実施形態に係る光学機器保護装置１は、レーザ加工装置１００の光学機器１３０を保護する装置である。光学機器保護装置１は、レーザ加工装置１００の光学機器１３０と対象物Ｗ（ステージ１４０）との間に配置される。光学機器保護装置１は、光学機器１３０と対象物Ｗとの間の空間を囲む筐体１０と、筐体１０の内側（内部）に気体Ｇを導入する導入ポート２０とを備える。

筐体１０は例えば筒型になっており、レーザ光Ｌの走査範囲を遮らないように走査範囲よりも外側を囲むように構成される。導入ポート２０は筐体１０の側壁に設けられる。導入ポート２０にはノズル２１が接続されており、ノズル２１から導入ポート２０を介して筐体１０の内側に気体Ｇが送り込まれる。気体Ｇには、空気や窒素などの不活性ガスが含まれる。

光学機器保護装置１では、導入ポート２０から筐体１０の内側へ導入された気体Ｇを筐体１０の内側から対象物Ｗの方向へ送るように構成される。例えば、導入ポート２０から筐体１０の内側へ気体Ｇが導入されることで筐体１０の内側の圧力が筐体１０の外側における対象物Ｗの側の圧力よりも高くなる。

また、筐体１０は光学機器１３０に寄せて配置されているため、筐体１０の光学機器１３０側（説明の便宜上、「上」、「上側」、「上方」ともいう。）よりも対象物Ｗ側（説明の便宜上、「下」、「下側」、「下方」ともいう。）のほうがより広く開放されている。なお、筐体１０の上側は光学機器１３０と密着させておいてもよい。これにより、導入ポート２０から筐体１０の内側へ導入された気体Ｇは対象物Ｗ側、すなわち光学機器１３０とは反対側に送り出される（ダウンフロー）。したがって、レーザ加工の際に舞い上がる粉塵やスパッタと光学機器１３０とを陽圧のクリーンエアで遮断することができる。

また、筐体１０の斜め下方にブロワ５０を設けてもよい。ブロワ５０から横方向に空気Ａを吹き出すことで、対象物Ｗの上に舞い上がった煙や粉塵を横方向に吹き飛ばすことができる。

ここで、レーザ加工では、煙、粉塵、スパッタなどが大量に飛散する。通常は、レーザ加工の際に上部のレンズ付近に設置したブロワ５０などでこれらの飛散物を吹き飛ばしながら処理を行う。また、ブロワ５０で吹き飛ばしても加工室内に拡散することから、室内の空気を換気扇などで排出することになる。しかし、加工中は常に粉塵が発生しておりブロワ５０や換気扇の排出能力では対応しきれないほどの煙や粉塵が舞い上がり、レーザ光Ｌの光路に充満すると、レーザ光Ｌの減衰や散乱による悪影響を及ぼす。また、室内に舞う粉塵を含む空気がウィンドウ１３２に接するとそこを通過するレーザ光により粉塵はウィンドウ１３２やレンズ１３１に焼き付く現象が発生する可能性がある。このため、ウィンドウ１３２を定期的にメンテナンスする必要がある。

本実施形態に係る光学機器保護装置１を用いることで、筐体１０の内側から対象物Ｗの方向へ気体Ｇが送られるため、レーザ加工の際に舞い上がる煙、粉塵、スパッタ等の浮遊物が筐体１０の内側へ入り込むことを阻止することができる。

導入ポート２０から筐体１０の内側へ導入される気体Ｇは、フィルタ３０を通過した浄化された気体Ｇであることが好ましい。これにより、筐体１０の内側へ浄化された気体Ｇが導入され、筐体１０の内側をクリーンな状態に維持することができる。

図２（ａ）および（ｂ）は気体の旋回について例示する模式図である。図２（ａ）には筐体１０の側断面図が示され、図２（ｂ）には筐体１０の平断面図が示される。
導入ポート２０から筐体１０の内側へ導入された気体Ｇは、筒状の筐体１０の内側で旋回しながら対象物Ｗの方向へ送り出される。

気体Ｇの旋回を積極的に行うため、導入ポート２０に接続されるノズル２１を筐体１０の内壁１０ａの接線方向に延在するように設けておく。これにより、ノズル２１から導入ポート２０を介して筐体１０の内側へ導入される気体Ｇは筐体１０の内壁１０ａに沿って一方向に旋回することになる。これにより、筐体１０の内側で気体Ｇが渦を巻き、ウィンドウ１３２の全面を覆いながら筐体１０の開口部側である下方へ送り出される。気体Ｇの旋回によって渦巻きが構成されることで、導入ポート２０から筐体１０の内側への気体Ｇの導入および対象物Ｗの方向への送り出しまで横方向への拡散や乱気流を抑えながら効果的に行うことができる。

図３は、ガイド流路を備えた筐体を例示する斜視図である。
図３に示す筐体１０は、導入ポート２０から導入された気体Ｇを筐体１０の内側で旋回させるガイド流路１５を有する。ガイド流路１５は、筐体１０の内側に設けられた内筒１３と内壁１０ａとの間に構成される。例えば、筐体１０の内側に筐体１０と同心状に内筒１３を設ける。導入ポート２０から導入される気体Ｇは筐体１０の内壁１０ａと内筒１３との隙間であるガイド流路１５に送り込まれる。ガイド流路１５の下方は底板１５１によって塞がれており、上方は開放されている。

図４（ａ）および（ｂ）は、ガイド流路を備えた筐体の気体の流れを例示する模式図である。図４（ａ）には筐体１０の側断面図が示され、図４（ｂ）には筐体１０の平断面図が示される。
導入ポート２０から導入された気体Ｇはガイド流路１５に送り込まれ、ガイド流路１５に沿って旋回する。ガイド流路１５の下方は底板１５１に塞がれているため、気体Ｇは旋回しながら上方の開放部分から内筒１３を乗り越えて内筒１３の内側に送り込まれ、旋回しながら渦巻きを構成し、上部の光学機器１３０の全面を覆いながら筐体１０の下方へ送り出される。このようなガイド流路１５を設けることで、気体Ｇを効率良く旋回させ筐体１０の内部を陽圧に維持することができる。

筐体１０の上側は光学機器１３０の例えばウィンドウ１３２と密着させておくことが好ましい。この際、内筒１３の上側とウィンドウ１３２との間には隙間を設けておく。これにより、ガイド流路１５に導入された気体Ｇは旋回しながら内筒１３の上側とウィンドウ１３２との隙間から内筒１３を乗り越えて内筒１３の内側に入り、渦巻き状になって下方へ送り出される。

導入ポート２０から導入された気体Ｇがガイド流路１５で旋回しながら一旦上方へ送られ、筐体１０の上方から下方に向けて送り出されることで、筐体１０の内側の全体で気体Ｇの旋回を伴う積極的なダウンフローを構成することができる。

図５は、集塵ノズルを備えた光学機器保護装置を例示する模式断面図である。
集塵ノズル８０は、筐体１０と対象物Ｗとの間に配置される。集塵ノズル８０は筐体１０の下側に接続される。集塵ノズル８０は、円錐台状または円柱状の集塵ダクト８１と、集塵ダクト８１に設けられた排気パイプ８２とを有する（例えば、特許第５７２９７３９号公報参照）。排気パイプ８２は図示しない排気ポンプと接続される。

筐体１０の下側に集塵ノズル８０が設けられた光学機器保護装置１では、導入ポート２０から筐体１０の内側に導入された気体Ｇが筐体１０の内側で旋回しながら下方へ送られる。この気体Ｇは集塵ノズル８０の集塵ダクト８１でも旋回しながら排気パイプ８２から外部に排出される。集塵ノズル８０を設けることで、筐体１０の内側に導入された気体Ｇは集塵ノズル８０による負圧によって積極的に下方に送り出され、排気パイプ８２から外部へ排出されることになる。

また、対象物Ｗの上方に集塵ダクト８１が対象物Ｗと接近した状態で配置されると、レーザ加工の際に発生した煙や粉塵を集塵ノズル８０で効果的に吸い込むことができるとともに、筐体１０側から送り出される気体Ｇ（ダウンフロー）によって煙や粉塵、比較的重いヒュームなどの飛散物を光学機器１３０まで到達させないようにすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光学機器保護装置１およびレーザ加工装置１００によれば、レーザ加工装置１００の光学機器１３０を効果的に保護することが可能となる。

なお、上記に本実施形態およびその具体例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態またはその具体例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

本実施形態に係る光学機器保護装置１はガルバノスキャナを使用したレーザ加工装置１００以外にも、固定光学加工ヘッドを使用したレーザ加工装置１に適用可能である。

１…光学機器保護装置
１０…筐体
１０ａ…内壁
１３…内筒
１５…ガイド流路
２０…導入ポート
２１…ノズル
３０…フィルタ
５０…ブロワ
８０…集塵ノズル
８１…集塵ダクト
８２…排気パイプ
１００…レーザ加工装置
１１０…レーザ光源
１２０…駆動部
１３０…光学機器
１３１…レンズ
１３２…ウィンドウ
１４０…ステージ
１５１…底板
Ａ…空気
Ｇ…気体
Ｌ…レーザ光
Ｗ…対象物

Claims (6)

1. レーザ加工装置の光学機器を保護する光学機器保護装置であって、
   前記光学機器と、レーザ加工の対象物との間の空間を囲む筐体と、
   前記筐体に設けられ、前記筐体の内側に気体を導入する導入ポートと、
   を備え、
   前記導入ポートから前記筐体の内側へ導入された前記気体を前記筐体の内側から前記対象物の方向へ送るように構成される光学機器保護装置。
2. 前記導入ポートから前記筐体の内側へ導入された前記気体は前記筐体の内側で旋回しながら前記対象物の方向へ送られる、請求項１記載の光学機器保護装置。
3. 前記筐体は、前記導入ポートから導入された前記気体を前記筐体の内側で旋回させるガイド流路を有する、請求項２記載の光学機器保護装置。
4. 前記導入ポートは浄化された前記気体を前記筐体の内側へ導入する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学機器保護装置。
5. 前記筐体と前記対象物との間に配置される集塵ノズルをさらに備え、
   前記筐体の内側から前記対象物の方向へ送られた前記気体を前記集塵ノズルで吸引する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学機器保護装置。
6. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を対象物に向けて集束させるレンズを含む光学機器と、
   前記光学機器と前記対象物との間に配置される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学機器保護装置と、
   を備えたレーザ加工装置。
   

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