JP3815552B2 - レーザ加工機の集光レンズ位置調整機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工機に設けられ、レーザビームをワークへ集光する集光レンズの位置を調整するための集光レンズ位置調整機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光によって被加工材料としてのワークを加工（熱切断）するレーザ加工機は、従来から様々な形態のものが知られている。例えば、設置型のレーザ加工機においては、その加工ヘッドの下部に、レーザビームをワークへ照射するノズルが設けられている。また、このノズルには、ノズルの軸心とレーザビームの光軸とを一致させる（レーザ光を加工点と一致させる）ための芯出し調整機構が設けられている。
【０００３】
そのような芯出し調整機構の一例が図６に示されている。図示のように、ノズル１００の外周に位置するハウジング１０２には、例えば周方向に９０度の角度間隔をもって配置された４本の調整ネジ（突っ張りボルト）１０５が設けられている。これらの調整ネジ１０５は、ハウジング１０２を螺合状態で貫通するとともに、ハウジング１０２内で集光レンズ１０４を保持するノズル１００に対して４方向から当接している。
【０００４】
したがって、このような構成では、４本の調整ネジ１０５を押し引きすることにより、具体的には、動かしたい方向（ノズル１００の移動方向）の調整ネジ１０５を緩めて引き出すとともに、その方向と反対側の調整ネジ１０５を締めて押し込むことにより、ノズル１００の芯出し調整、すなわち、レーザビームをワークへ集光する集光レンズ１０４の位置調整が行なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の芯出し調整機構の構成では、４方向から加工ヘッドに手や工具を近づける必要があるため、加工ヘッドの周囲に構造物があると、調整することができなくなる場合がある。
【０００６】
また、前述した従来の芯出し調整機構の構成において、例えば４５度方向（Ｘ軸またはＹ軸に対して４５度を成す方向）へノズル１００を動かして芯出し調整を行なうためには、４本の調整ネジ１０５をいちいち回さなければならない。そのため、調整が非常にやりづらい。また、動かしたい方向（ノズル１００の移動方向）に対向して位置する調整ネジ１０５がノズル１００（集光レンズ１０４）を固定していて動かない場合もあり、その場合には、対向している調整ネジ１０５を緩めなければならない。しかしながら、この時、ノズル１００（集光レンズ１０４）は、フリーになってしまうため、１本の調整ネジ１０５で押した際に、どのような動きをするか分からない。すなわち、所望の位置調整が行なえない可能性がある。
【０００７】
そのため、一方向のみから位置調整を行なえるように、集光レンズをバネによって付勢するとともに、２本のボルトによって集光レンズを突っ張り支持する構造も知られているが、この場合、バネが介在するため、位置調整が不安定であり、また、集光レンズを上下方向から押さえ付けているため、位置の復帰をバネのみによって行なうことができない。
【０００８】
本発明は、前記事情に着目してなされたものであり、集光レンズの位置調整を一方向から安定して簡単且つ確実に行なえるレーザ加工機の集光レンズ位置調整機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、レーザ加工機に設けられ、レーザビームをワークへ集光する集光レンズの位置を調整するための集光レンズ位置調整機構において、前記集光レンズを保持するレンズ保持体と、前記レンズ保持体を水平移動可能に収容保持するとともに、レーザビームの光軸と同軸に位置されるヘッド本体と、前記レンズ保持体の一方側でレンズ保持体に連結され、レンズ保持体を所定の揺動軸を中心に揺動可能に支持するとともに、レンズ保持体を前記ヘッド本体内で水平に移動させる第１のレンズ移動手段と、前記第１のレンズ移動手段とともに前記レンズ保持体の一方側に設けられ、前記レンズ保持体を前記揺動軸を中心に２方向から個別に揺動させる第２のレンズ移動手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
この請求項１に記載された発明においては、少ない調整数で（調整するボルトの数が少ない）、集光レンズの位置調整を集光レンズの一方側でのみ行なうことができる。このように位置調整を集光レンズの一方側でのみ行なうことができれば、４方向から加工ヘッドに手や工具を近づける必要がないため、加工ヘッドの周囲に構造物があっても、位置調整を確実に行なうことができる。また、例えば４５度方向（Ｘ軸またはＹ軸に対して４５度を成す方向）へ集光レンズを動かして芯出し調整を行なう場合でも、従来のように４本の調整ネジをいちいち回す必要もない。また、位置調整する際に緩めるボルトが１つだけであり、バネも使用していないため、位置調整を簡単且つ安定して行なうことができる。
【００１１】
また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記レンズ保持体を前記ヘッド本体に対して取り外し可能に収容するための手段を具備することを特徴とする。
【００１２】
この請求項２に記載された発明においては、集光レンズの交換が非常に簡単である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る集光レンズ位置調整機構を備えたレーザ加工機１を示している。図示のように、レーザ加工機１は、水平に敷設された固定のＸＹテーブル３上に被加工材料としてのワークＷを案内し、このワークＷをレーザビームＬＢで熱切断するものである。
【００１４】
レーザビームＬＢは、レーザ加工機１の機械本体に設けられたレーザ発振装置５で発振され、強度調整装置７および反射鏡９を介して加工ヘッド１１に案内される。加工ヘッド１１の内部には集光レンズ１３が設けられており、レーザビームＬＢは、この集光レンズ１３で集光されて、焦点位置でワークＷを熱切断する。
【００１５】
また、ワークＷは、クランプ１５で把持され、切断されるべき部位が加工ヘッド１１の直下に来るように、ＸＹテーブル３上で水平移動されるようになっている。この場合、クランプ１５は、ワークＷを把持した状態で、ＸＹ軸用サーボモータで平面Ｘ，Ｙ方向に駆動されるようになっている。また、加工ヘッド１１は、Ｚ軸用サーボモータで上下方向に駆動されるようになっている。
【００１６】
図２には、加工ヘッド１１の詳細な構成が示されている。ここで、図２の（ａ）は、加工ヘッド１１を水平なＸＹ平面で切断した断面図（図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図）であり、図２の（ｂ）は加工ヘッド１１をＸＹ平面に対して垂直な面（Ｚ軸と平行な面）で切断した断面図である。
【００１７】
図示のように、加工ヘッド１１は、先端（下端）にノズル部２８ｂを有する略円筒状のヘッド本体２８と、このヘッド本体２８に対して着脱自在にセットされる円筒状のレンズユニット（レンズ保持体）４０とを備えている。この場合、ヘッド本体２８は、レーザビームＬＢの光軸と同軸に位置されている。また、レンズユニット４０は、ヘッド本体２８の側面開口２８ａを通じてヘッド本体２８内にセットされ、側面開口２８ａは蓋体２７によって閉塞されるようになっている。また、ヘッド本体２８は、レンズユニット４０との間に所定の環状空間を形成するように、レンズユニット４０を収容できる。具体的には、ヘッド本体２８は、レンズユニット４０の水平方向の移動を許容するユニット収容空間Ｓを有している。
【００１８】
なお、蓋体２７は、蓋固定機構２９によってヘッド本体２８に着脱自在に取り付けられている。この場合、蓋固定機構２９は、工具なしでレンズユニット４０のメンテナンスが行なえるように、手で緩められる機構であることが望ましく、例えば、蝶番、プッシュボルト、蝶ボルト等から成る。
【００１９】
レンズユニット４０は、略円筒状の内側ホルダ２２と、略円筒状の外側ホルダ２３と、集光レンズ１３を保持するレンズホルダ３０とを備えている。レンズホルダ３０は、集光レンズ１３の中心軸が内側ホルダ２２の中心軸と一致するように、内側ホルダ２２に対して嵌め込み装着または捩じ込み装着されている。また、内側ホルダ２２は、ヘッド本体２８のユニット収容空間Ｓ内にセットされた際、水平方向の移動（スライド）および回転が許容されるとともに、Ｚ軸方向（上下方向）の移動がヘッド本体２８によって規制されるようになっている。また、外側ホルダ２３は、内側ホルダ２２の外周面に形成された環状の溝２２ａに回転可能且つ同心的に嵌め込まれている（すなわち、外側ホルダ２３と内側ホルダ２２は互いに対して回転できる）。なお、集光レンズ１３は、内側ホルダ２２に直接保持されていても良い。その場合には、レンズホルダ３０は不要となる。
【００２０】
また、レンズユニット４０を水平方向に移動させるべく、外側ホルダ２３には第１のレンズ移動手段としての引き込みボルト２５が連結されている。具体的には、この引き込みボルト２５は、蓋体２７に形成されたネジ穴２７ａに螺合してこのネジ穴２７ａを貫通しており（図では、Ｘ軸方向に方向付けられており）、外側ホルダ２３を水平方向で自由に動作（水平方向でのスライドおよび水平面内での回動）させることができるようにピン２６を介して外側ホルダ２３に連結されている。なお、引き込みボルト２５は、ヘッド本体２８に捩じ込まれていても良い。
【００２１】
図３に詳しく示されるように、引き込みボルト２５は、蓋体２７に螺合されるボルト本体２５ａと、結合部材２５ｃを介してボルト本体２５ａに結合されるとともに外側ホルダ２３に連結される連結体２５ｂとを備えている。ボルト本体２５ａは、蓋体２７のネジ穴２７ａに螺合される雄ネジ７０を外周面に有する管状の軸部７４と、結合体２５ｃが嵌入される開口溝５６を有する頭部７２とから成る。連結体２５ｂは、ボルト本体２５ａの軸部７４の内孔５４に挿入される挿入部７６と、外側ホルダ２３の貫通孔２３ａに嵌入され且つその円弧状の周面で外側ホルダ２３と当接する円筒状の連結部７８とから成る。
【００２２】
このような構成の引き込みボルト２５においては、連結体２５ｂの挿入部７６をボルト本体２５ａの軸部７４の内孔５４に挿入して、挿入部７６の端部をボルト本体２５ａの頭部７２の開口溝５６に位置させるとともに、開口溝５６に結合部材２５ｃを嵌入して、結合部材２５ｃの孔８０内で、挿入部７６の端部に形成された環状溝６２に係止ピン２５ｄを係止させれば、ボルト本体２５ａと連結体２５ｂとを結合することができる。この場合、係止ピン２５ｄは、ボルト本体２５ａの頭部７２の穴５８と結合部材２５ｃの穴６０とを通じて環状溝６２に係止される。
【００２３】
また、外側ホルダ２３と連結体２５ｂとの連結は、連結部７８を外側ホルダ２３の貫通孔２３ａに嵌入するとともに、連結部７８の貫通孔５２に挿入したピン２６を貫通孔２３ａの段状溝２３ｄ内に位置させることによって成される。このような連結状態では、外側ホルダ２３の貫通孔２３ａに嵌入される円筒状の連結部７８がその円弧状の周面で外側ホルダ２３と当接するため、外側ホルダ２３（したがって、レンズユニット４０）は、連結部７８の円弧状の周面に摺接しながらこの連結部７８を中心にＸＹ平面（水平面）内で揺動できる。
【００２４】
また、このような連結状態において、ボルト本体２５ａとネジ穴２７との螺合状態が解除される方向に引き込みボルト２５を回すと、外側ホルダ２３の段状溝２３ｄの壁面に突き当たるピン２６を介して、外側ホルダ２３がネジ穴２７ａの方へと引き込まれ、外側ホルダ２３と一体を成す内側ホルダ２２およびレンズホルダ３０もネジ穴２７ａの方へと引き込まれる。すなわち、レンズユニット４０全体がネジ穴２７ａの方に向かって水平に移動される。
【００２５】
また、逆に、ボルト本体２５ａをネジ穴２７に捩じ込んでいくと、連結部７８が内側ホルダ２２に当接してこれを押し出し、内側ホルダ２２がネジ穴２７ａから離間する方向へ移動するとともに、内側ホルダ２２と一体を成す外側ホルダ２３およびレンズホルダ３０もネジ穴２７ａから離間する方向へ押し出される。すなわち、レンズユニット４０全体がネジ穴２７ａから離間する方向へ水平に移動される。つまり、ボルト本体２５ａをネジ穴２７に捩じ込んでいくと、ピン２６と外側ホルダ２３との係合が成されないため、引き込みボルト２５は、外側ホルダ２３と直接に連結してこれを移動させるのではなく、内側ホルダ２２を介して外側ホルダ２３を移動させる。
【００２６】
レンズユニット４０を連結部７８を中心にＸＹ平面（水平面）内で揺動させるために、レンズユニット４０には第２のレンズ移動手段としての一対の突っ張りボルト２４ａ，２４ｂが２方向から当接している。具体的には、各突っ張りボルト２４ａ，２４ｂは、連結部７８を中心とする外側ホルダ２３の揺動を阻止しないように、外側ホルダ２３ではなく内側ホルダ２２に当接している。また、各突っ張りボルト２４ａ，２４ｂは、蓋体２７のネジ穴２７ｂ、２７ｃに螺合するとともに、外側ホルダ２３の貫通穴２３ｂ，２３ｃを貫通して延びている。この場合も、各突っ張りボルト２４ａ，２４ｂは、連結部７８を中心とする外側ホルダ２３の揺動を阻止しないように、外側ホルダ２３の貫通穴２３ｂ，２３ｃとの間に十分な隙間を確保している。
【００２７】
また、各突っ張りボルト２４ａ，２４ｂは、引き込みボルト２５に対して互いに反対側に位置されるとともに、引き込みボルト２５と周方向に例えば４５度の角度間隔をもって離間して位置されている。すなわち、各突っ張りボルト２４ａ，２４ｂは、内側ホルダ２２を２方向から押圧することができるように、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度の角度を成す軸Ｏ１，Ｏ２に沿って方向付けられており、引き込みボルト２５とともにＹ軸に対して同じ側（レンズユニット４０の一方側）に一括して配置されている。
【００２８】
次に、図４を参照しながら、上記構成により集光レンズ１３の位置を調整する方法について説明する。
まず、集光レンズ１３をＹ軸に沿って移動（図４において上下方向に移動）させるためには、引き込みボルト２５を動かさないで、２本の突っ張りボルト２４ａ，２４ｂを押し引きすれば良い。例えば、引き込みボルト２５を動かさないで、一方（図４中下側）の第２の突っ張りボルト２４ｂを捩じ込む（押し込む）とともに、他方（図４中上側）の第１の突っ張りボルト２４ａを引き出す（ネジを緩める）と、図４の（ａ）に示されるように、レンズユニット４０は、Ｙ軸に沿って正の方向（図中上側）に移動する。すなわち、レンズユニット４０の軸心Ｏは、Ｘ軸に対してＹ軸正方向に偏芯（偏心）する。無論、図示しないが、引き込みボルト２５を動かさないで、第１の突っ張りボルト２４ａを捩じ込む（押し込む）とともに、第２の突っ張りボルト２４ｂを引き出す（ネジを緩める）と、レンズユニット４０は、Ｙ軸に沿って負の方向（図中下側）に移動する。
【００２９】
また、第１の突っ張りボルト２４ａの延在方向すなわちＹ軸およびＸ軸と４５度の角度を成す軸Ｏ２に沿って集光レンズ１３を移動（図４において右下または左上に移動）させるためには、第２の突っ張りボルト２４ｂを動かさないで、第１の突っ張りボルト２４ａおよび引き込みボルト２５を押し引きすれば良い。例えば、第２の突っ張りボルト２４ｂを動かさないで、第１の突っ張りボルト２４ａおよび引き込みボルト２５を押し込む（捩じ込む）と、図４の（ｂ）に示されるように、レンズユニット４０は、Ｏ２軸に沿って図中右下に移動する。すなわち、レンズユニット４０の軸心Ｏは、Ｏ１軸に対してＯ２軸下方向に偏芯する。また、第２の突っ張りボルト２４ｂを動かさないで、第１の突っ張りボルト２４ａおよび引き込みボルト２５を引き込む（ネジを緩める）と、図４の（ｃ）に示されるように、レンズユニット４０は、Ｏ２軸に沿って図中左上に移動する。すなわち、レンズユニット４０の軸心Ｏは、Ｏ１軸に対してＯ２軸上方向に偏芯する。
【００３０】
同様に、図示しないが、第２の突っ張りボルト２４ｂの延在方向すなわちＹ軸およびＸ軸と４５度の角度を成す軸Ｏ１に沿って集光レンズ１３を移動（図４において右上または左下に移動）させるためには、第１の突っ張りボルト２４ａを動かさないで、第２の突っ張りボルト２４ｂおよび引き込みボルト２５を押し引きすれば良い。例えば、第１の突っ張りボルト２４ａを動かさないで、第２の突っ張りボルト２４ａおよび引き込みボルト２５を押し込む（捩じ込む）と、レンズユニット４０は、Ｏ１軸に沿って図中右上に移動する。また、第１の突っ張りボルト２４ａを動かさないで、第２の突っ張りボルト２４ｂおよび引き込みボルト２５を引き込む（ネジを緩める）と、レンズユニット４０は、Ｏ１軸に沿って図中左下に移動する。
【００３１】
また、レンズユニット４０のメンテナンスまたは集光レンズ１３の交換を行なう場合には、蓋固定機構２９を緩め、蓋体２７をヘッド本体２８から取り外せば良い。この場合、側面開口２８ａを通じてレンズユニット４０をヘッド本体２８から取り出すことができる。そして、集光レンズ１３を取り替える場合には、取り外したレンズユニット４０から集光レンズ１３およびレンズホルダ３０を外す。この時、図５に示されるようにレンズユニット４０の上下を逆にしてヘッド本体２８にセットすると、焦点距離が異なる別の集光レンズ１３Ａを取り付けることができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態の集光レンズ位置調整機構は、集光レンズ１３を保持するレンズ保持体としてのレンズユニット４０と、レンズユニット４０を水平移動可能に収容保持するとともに、レーザビームの光軸と同軸に位置されるヘッド本体２８と、レンズユニット４０の一方側でレンズユニット４０に連結され、レンズユニット４０を揺動軸７８を中心に揺動可能に支持するとともに、レンズユニット４０をヘッド本体２８内で水平に移動させる第１のレンズ移動手段としての引き込みボルト２５と、引き込みボルト２５とともにレンズユニット４０の一方側に設けられ、レンズユニット４０を揺動軸７８を中心に２方向から個別に揺動させる第２のレンズ移動手段としての突っ張りボルト２２ａ，２４ｂとを具備している。
【００３３】
したがって、少ない調整数で（調整するボルトの数が少ない）、集光レンズ１３の位置調整を集光レンズ１３の一方側でのみ行なうことができる。このように位置調整を集光レンズ１３の一方側でのみ行なうことができれば、４方向から加工ヘッドに手や工具を近づける必要がないため、加工ヘッドの周囲に構造物があっても、位置調整を確実に行なうことができる。また、例えば４５度方向（Ｘ軸またはＹ軸に対して４５度を成す方向）へ集光レンズ１３を動かして芯出し調整を行なう場合でも、従来のように４本の調整ネジをいちいち回す必要もない。また、位置調整する際に緩めるボルトが１つだけであり、バネも使用していないため、位置調整を簡単且つ安定して行なうことができる。
【００３４】
特に、本実施形態では、レンズユニット４０を互いに同軸の２つの部材２２，２３に分割し、一方の部材である外側ホルダ２３を揺動且つ水平移動可能に支持するとともに、他方の部材である内側ホルダ２２を２方向から押し引きして、外側ホルダ２３の規制なき揺動を可能にしているため、レンズユニット４０を水平面内で任意の方向に簡単且つ正確に安定して移動させることができる。
【００３５】
また、本実施形態の集光レンズ位置調整機構は、レンズユニット４０をヘッド本体２８に対して取り外し可能に収容するための手段、具体的には、蓋体２７と蓋固定機構２９とを備えているため、集光レンズ１３の交換が非常に簡単である。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、少ない調整数で（調整するボルトの数が少ない）、集光レンズの位置調整を集光レンズの一方側でのみ行なうことができる。このように位置調整を集光レンズの一方側でのみ行なうことができれば、４方向から加工ヘッドに手や工具を近づける必要がないため、加工ヘッドの周囲に構造物があっても、位置調整を確実に行なうことができる。また、例えば４５度方向（Ｘ軸またはＹ軸に対して４５度を成す方向）へ集光レンズを動かして芯出し調整を行なう場合でも、従来のように４本の調整ネジをいちいち回す必要もない。また、位置調整する際に緩めるボルトが１つだけであり、バネも使用していないため、位置調整を簡単且つ安定して行なうことができる。
また、請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載された発明と同様の効果を奏するとともに、集光レンズの交換を非常に簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る集光レンズ位置調整機構を備えたレーザ加工機の概略構成図である。
【図２】（ａ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は加工ヘッドをＸＹ平面に対して垂直な面で切断した断面図である。
【図３】引き込みボルトの分解断面図である。
【図４】集光レンズ位置調整機構の作用を示す模式図である。
【図５】レンズユニットの断面図である。
【図６】従来の集光レンズ位置調整機構の断面図である。
【符号の説明】
１３ 集光レンズ
２４ａ，２４ｂ 突っ張りボルト（第２のレンズ移動手段）
２５ 引き込みボルト（第１のレンズ移動手段）
２８ ヘッド本体
４０ レンズユニット（レンズ保持体）
７８ 連結部（揺動軸）

Claims (2)

1. レーザ加工機に設けられ、レーザビームをワークへ集光する集光レンズの位置を調整するための集光レンズ位置調整機構において、
   前記集光レンズを保持するレンズ保持体と、
   前記レンズ保持体を水平移動可能に収容保持するとともに、レーザビームの光軸と同軸に位置されるヘッド本体と、
   前記レンズ保持体の一方側でレンズ保持体に連結され、レンズ保持体を所定の揺動軸を中心に揺動可能に支持するとともに、レンズ保持体を前記ヘッド本体内で水平に移動させる第１のレンズ移動手段と、
   前記第１のレンズ移動手段とともに前記レンズ保持体の一方側に設けられ、前記レンズ保持体を前記揺動軸を中心に２方向から個別に揺動させる第２のレンズ移動手段と、
   を具備することを特徴とするレーザ加工機の集光レンズ位置調整機構。
2. 前記レンズ保持体を前記ヘッド本体に対して取り外し可能に収容するための手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の集光レンズ位置調整機構。

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