JP3970501B2

JP3970501B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP3970501B2
Application number: JP2000182838A
Authority: JP
Inventors: 勇一森田
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2002001565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を照射することによって溶接や切断などの加工を行うレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ切断などのレーザ光を用いたレーザ加工装置においては、材料の種類に応じてより最適に加工するため、レーザ光の径を異ならせることがある。例えば加工材料が鉄の場合には、焦点におけるレーザ光のスポット径が小さすぎると、切断幅が狭くなり酸素であるアシストガスの切断面への供給が安定せず、爆発を引き起こす恐れが高くなる。そのため、この場合には、ステンレス材やアルミニウム材などの場合よりも１割増し程度の大きさのスポット径でレーザ加工される。
【０００３】
そのため、従来、鉄材をレーザ加工する場合には、焦点でのスポット径を大きくするために、広がり角が小さくなるレンズ、すなわち長い焦点距離で結像するレンズに交換していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、従来では、加工する材料に応じてレンズを交換しなければならず、手間がかかった。また、レーザ光のレンズへの入射径に対するビームウエストの広がり角はそれぞれのレンズに対して決まっているため、焦点におけるレーザ光のスポット径を微調節することは難しく、より最適な条件でレーザ加工を行うことができなかった。
【０００５】
本発明は、上述する課題に鑑みてなされ、レンズ交換が不要であり、レンズに入射するレーザ光の径を微調節可能にして、所望のレーザ光のスポット径を得ることのできるレーザ加工装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を加工ヘッドに設けられたレンズで集光させて、レーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザ発振器と加工ヘッドとの間におけるレーザ発振器からのレーザ光の経路に、レーザ発振器側に位置する凸面鏡と、その凸面鏡で反射されたレーザ光を反射する凹面鏡とを備えたコリメーション装置を設け、このコリメーション装置に、前記凹面鏡から反射されるレーザ光の径を可変にする可変機構を設け、前記可変機構は、前記凸面鏡と前記凹面鏡との距離を可変にするように前記凹面鏡を移動させる駆動手段であり、前記凹面鏡で反射されるレーザ光をさらに反射するようにした反射鏡を設け、この反射鏡を前記凹面鏡の移動にともなって移動させる別の駆動手段が設けられていることを特徴とするレーザ加工装置としたものである。
【０００７】
従って、コリメーション装置の凹面鏡から反射されるレーザ光の径を可変にすることにより、被加工物上に焦点を結ぶためのレンズに対するレーザ光の径が変わるため、焦点でのスポット径を所望の大きさにすることができる。従って、レンズ交換せずとも、焦点でのスポット径を所望の大きさにすることができるとともに、その径の大きさを容易に微調節することができる。また、凸面鏡及び凹面鏡でレーザ光を反射させる構成のコリメーション装置としたので、レーザ光の出力が大きい場合であっても、透過してレーザ光の径を可変にする場合に比べて、コリメーション装置の損傷がすくなく、レーザ加工装置の寿命を長くすることができる。
【０００８】
また、請求項１に記載の発明においては、前記可変機構は、前記凸面鏡と前記凹面鏡との距離を可変にするように前記凹面鏡を移動させる駆動手段であるものである。従って、凹面鏡で反射されるレーザ光の径を簡単な機構で可変にすることができる。
【０００９】
さらに、請求項１に記載の発明においては、前記凹面鏡で反射されるレーザ光をさらに反射するようにした反射鏡を設け、この反射鏡を前記凹面鏡の移動にともなって移動させる別の駆動手段が設けられているものである。従って、凹面鏡で反射されるレーザ光の中心軸方向に凹面鏡を移動させ、別の駆動手段によって移動させられる反射鏡を、この凹面鏡で反射されるレーザ光の中心軸方向に移動させても、凹面鏡や反射鏡の傾きを変えずに、これらに対するレーザ光の入射角が常に同じにできる。そのため、凹面鏡や反射鏡の角度を調節せずとも、被加工物に焦点を結ぶためのレンズにレーザ光を確実に導くことができるので、装置全体を複雑化することがない。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の中心軸と同軸となるように、前記反射鏡で反射されたレーザ光をさらに反射させる第２の反射鏡を設けたものである。
【００１１】
従って、レーザ発振器から出射したレーザ光を被加工物に焦点を結ぶためのレンズに導く経路に、レーザ光の径を可変にするコリメーション装置を設けたとしても、その経路を簡単に設定することができるので、レーザ加工装置全体の構成を簡単にすることができる。また、従来装置において、レーザ発振器から出射したレーザ光の光軸上に、コリメーション装置を配置するだけで、請求項１の効果を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したレーザ加工装置の一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
【００１３】
レーザ加工装置は、レーザ光を出射する公知のレーザ発振器１０を備えている。また、被加工物２０の近傍に、レンズ１９が設けられた加工ヘッド１８が配設されている。レーザ発振器１０とレンズ１９との間には、コリメーション装置１１及び反射鏡１５，１７が配設されている。
【００１４】
コリメーション装置１１は、凸面鏡１２と凹面鏡１３とを備えている。凸面鏡１２は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光Ｌ１を発散するように反射する。凹面鏡１３は、凸面鏡１２からのレーザ光Ｌ２を反射する。駆動手段としての凹面鏡駆動部１４は、図２に示すように収容部２４を有しており、この内部に凹面鏡１３が収容されている。収容部２４の側方には、モータ２８が設けられているとともに、蓋部材２６が、収容部２４内を密閉状態に保ったままで摺動可能となるように設けられている。蓋部材２６には、凹面鏡１３が取付部２３を介して取り付けられているとともに、係合部２７が取り付けられている。この係合部２７は、このモータ２８に取り付けられたねじ軸２９に係合している。そのため、モータ２８が回転することによって、蓋部材２６が摺動されて、凹面鏡１３がレーザ光Ｌ２の中心軸の軸線方向に摺動される。
【００１５】
反射鏡１５は、コリメーション装置１１から出射したレーザ光Ｌ３を反射する平面鏡である。反射鏡１５には、レーザ光Ｌ３の中心軸の軸線上で、反射鏡１５を移動可能にする別の駆動手段としての反射鏡駆動部１６が備えられている。なお、この反射鏡駆動部１６は、上述した凹面鏡駆動部１４と同様の構成を有するので、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
また、凹面鏡１３及び反射鏡１５は、レーザ発振器１０から出射されるレーザ光Ｌ１の中心軸と、凹面鏡１３から出射されるレーザ光Ｌ３の中心軸とが平行になるように、配置されている。
【００１７】
複数の反射鏡１７は、反射鏡１５と加工ヘッド１８に設けられたレンズ１９の間に設けられ、このレンズ１９にレーザ光を導くように、反射鏡１５から出射されるレーザ光Ｌ４を反射させる平面鏡である。また、図１及び図３に示すように、レーザ光Ｌ４が反射されたレーザ光Ｌ５の中心軸が、レーザ光Ｌ１の中心軸と同軸となるように、反射鏡１７は配設されている。
【００１８】
制御装置２２は、加工ヘッド１８が所望の方向に移動されるように制御する。更に、この制御装置２２は、凹面鏡駆動部１４及び反射鏡駆動部１６のモータに信号を与えて、凹面鏡１３及び反射鏡１５を、それぞれレーザ光Ｌ２の中心軸の軸線方向及びレーザ光Ｌ４の中心軸の軸線方向に、同期させて移動させる。
【００１９】
次に、レーザ加工装置の作用について図３を参照して説明する。
まず、アルミニウム材を加工する場合には、制御装置２２からの指令により凹面鏡駆動部１４のモータ２８を駆動させて、例えば図３の実線で示される位置に、凹面鏡１３を配置させる。なお、これにより凹面鏡１３から出射するレーザ光Ｌ３は所定の径となる。次に、反射鏡駆動部１６のモータによって反射鏡１５を移動させて、レーザ光Ｌ３を所定の反射鏡１７へと向かう（実線で示される）レーザ光Ｌ４として反射させる。このレーザ光Ｌ４は、反射鏡１７を介してレンズ１９に導かれて、ここで集光され、焦点でのスポット径がアルミニウム材をレーザ加工するのに適した大きさのレーザ光となる。そして、制御装置２２の指令により加工ヘッド１８を所定の方向に可動させて、レーザ加工を行う。
【００２０】
次に、鉄材を加工する場合には、制御装置２２からの指令により凹面鏡駆動部１４のモータ２８を駆動させて、凸面鏡１２と凹面鏡１３との距離がアルミニウム材をレーザ加工した場合よりも長くなる位置（図３の仮想線で示される位置）に、凹面鏡１３を配置させる。これにより、凹面鏡１３から出射するレーザ光Ｌ３が、図３に二点鎖線で示すように、アルミニウム材の場合のレーザ光よりも太いレーザ光となる。このとき、反射鏡駆動部１６のモータを凹面鏡１３の移動と同期させて駆動させ、反射鏡１５を、移動した凹面鏡１３からのレーザ光Ｌ３を反射できる位置に移動させる。そのため、レーザ光Ｌ３は、その径の大きさは異なるが、上述したアルミニウム材との場合と同様に、所定の反射鏡１７へと向かう（二点鎖線で示される）レーザ光Ｌ４として反射される。そして、レーザ光Ｌ４は、反射鏡１７を介してレンズ１９に導かれるとともに集光されて、アルミニウム材の場合よりも大きなスポット径で、被加工物上に焦点を結ぶ。そして、上述したアルミニウム材の場合と同様に、制御装置２２の指令により加工ヘッド１８を所定の方向に可動させて、レーザ加工を行う。
【００２１】
上記実施形態のレーザ加工装置によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（ａ）上記実施の形態では、コリメーション装置１１の凹面鏡１３から反射されるレーザ光Ｌ３の径を可変にすることにより、被加工物２０上に焦点を結ぶためのレンズ１９に対するレーザ光へ入射されるビーム径が変わるため、焦点でのスポット径を所望の大きさにすることができる。従って、レンズ交換せずとも、焦点でのスポット径を所望の大きさにすることができるとともに、その径の大きさを容易に微調節することができる。また、コリメーション装置１１の凸面鏡１２及び凹面鏡１３を用いたので、レンズの組み合わせによりレーザビーム径の大きさを変える装置と比較して、レーザ光の出力が大きい場合であっても、コリメーション装置１１の損傷がすくなく、レーザ加工装置の寿命を長くすることができる。
【００２２】
（ｂ）上記実施の形態では、凹面鏡駆動部１４によって凹面鏡１３を移動させることにより、凸面鏡１２と凹面鏡１３との距離を変え、凹面鏡１３から出射されるレーザ光Ｌ３の径の大きさを変えるようにした。従って、簡単な機構で、凹面鏡から出射されるレーザ光の径を可変にすることができる。
【００２３】
（ｃ）上記実施の形態では、反射鏡駆動部１６により、凹面鏡１３から出射されるレーザ光Ｌ３が反射される反射鏡１５を、凹面鏡１３と同期させて移動するようにした。従って、凹面鏡１３に入射されるレーザ光Ｌ２の中心軸方向に凹面鏡を移動させ、かつこの反射鏡１５をレーザ光Ｌ３の中心軸方向に移動させても、凹面鏡１３や反射鏡１５の傾きを変えずに、反射鏡１７を介してレーザ光をレンズ１９へと確実に導くことができる。そのため、凹面鏡１３や反射鏡１５の角度調節が不要となるだけでなく、反射鏡１７の角度調節も不要とすることができるので、装置全体を複雑化することがない。
【００２４】
（ｄ）上記実施の形態では、凹面鏡１３から出射されたレーザ光Ｌ３の中心軸が、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光Ｌ１の中心軸と平行となるように、凸面鏡１２及び凹面鏡１３を配置した。従って、レーザ発振器１０から出射したレーザ光Ｌ３をレンズ１９に導く経路に、コリメーション装置１１を設けたとしても、コリメーション装置１１から出射するレーザ光Ｌ３を簡単な経路でレンズ１９へと導くことができる。そのため、レーザ加工装置全体の構成を簡単にすることができる。また、図３のように、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ５とを同軸にすることにより、従来装置にレーザ光Ｌ１の軸上にコリメーション装置１１を配置することができる。
【００２５】
（ｆ）上記実施の形態では、鉄材を加工する場合には、被加工物２０でのレーザ光の焦点でのスポット径を、アルミニウム材を加工する場合に比べて大きくするように、凹面鏡１３から出射するレーザ光Ｌ３の径を大きくした。そのため、被加工物２０の材料に応じた最適な条件でレーザ加工を行うことができる。
【００２６】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光Ｌ１をすぐにコリメーション装置１１に導くように、レーザ発振器１０の近傍にコリメーション装置１１を配置するようにした。しかしながら、レンズ１９の近傍にコリメーション装置１１を配置してもよい。
【００２７】
・上記実施の形態では、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ５とを同軸としたが、必要に応じて、これらを同軸にせずともよい。
・上記実施の形態では、凹面鏡１３及び反射鏡１５を移動させる手段として図２に示すような構造としたが、勿論、これ以外の構造で凹面鏡１３や反射鏡１５を移動させるようにしてもよい。
【００２８】
・上記実施の形態では、図１に示したように、コリメーション装置１１から出射されたレーザ光Ｌ３は、反射鏡１５、１７によってほぼ９０度の角度で反射されるような経路を通過して、加工ヘッド１８のレンズ１９に導くようにした。レーザ発振器１０からコリメーション装置１１にいたる経路及びコリメーション装置１１からレンズ１９にいたる経路は、それぞれのレーザ加工装置に適したような経路に形成すればよい。
【００２９】
次に上記実施形態及び別例から把握できる請求項に記載した以外の技術的思想について、それらの効果とともに以下に記載する。
（１）レーザ発振器から出射したレーザ光を、加工ヘッドに設けられたレンズで集光させ、被加工物上に照射させて、レーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レンズに入射されるレーザ光の径の大きさを可変とする可変機構を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【００３０】
従って、この（１）に記載の発明によれば、被加工物に焦点を結ぶためのレンズに導かれるレーザ光の径を可変にし、このレンズに対するレーザ光の大きさを変えることにより、焦点でのスポット径を所望の大きさに調節することができる。また、焦点でのスポット径を変えるためには、被加工物に焦点を結ぶためのレンズに導かれるレーザ光の径を可変とすればよいので、被加工物に応じてレンズを交換する必要がないとともに、焦点でのスポット径を所望の大きさに微調節することができる。
【００３１】
（２）前記可変機構が設けられたコリメーション装置は、光発散要素及び集光要素をレーザ発振器側から順に並べ、レーザ発振器からのレーザ光を拡径する光発散要素と、この光発散要素からの光を縮径する集光要素との距離を可変可能としたものである前記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００３２】
従って、この（２）に記載の発明によれば、簡単な機構で、凹面鏡で反射されるレーザ光の径を可変にすることができる。
（３）前記被加工物の材料データを記憶する記憶手段と、該被加工物の材料に基づいて前記可変機構を制御する制御手段を有した請求項１〜４、前記（１）項、前記（２）項の何れかに記載のレーザ加工装置。
【００３３】
従って、材料に応じた最適なレーザ光の径で、レーザ加工することができるので、効率よくレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるレーザ加工装置の配置図。
【図２】駆動手段としての凹面鏡駆動部の構造を示す断面図。
【図３】レーザ加工装置の作用を説明する要部の拡大配置図。
【符号の説明】
Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…レーザ光、１０…レーザ発振器、１１…コリメーション装置、１２…凸面鏡、１３…凹面鏡、１４…駆動手段である凹面鏡駆動部、１５…反射鏡、１６…別の駆動手段である反射鏡駆動部、１９…レンズ。

Claims

レーザ発振器から出射されるレーザ光を加工ヘッドに設けられたレンズで集光させて、レーザ加工を行うレーザ加工装置において、
レーザ発振器と加工ヘッドとの間におけるレーザ発振器からのレーザ光の経路に、レーザ発振器側に位置する凸面鏡と、その凸面鏡で反射されたレーザ光を反射する凹面鏡とを備えたコリメーション装置を設け、
このコリメーション装置に、前記凹面鏡から反射されるレーザ光の径を可変にする可変機構を設け、
前記可変機構は、前記凸面鏡と前記凹面鏡との距離を可変にするように前記凹面鏡を移動させる駆動手段であり、
前記凹面鏡で反射されるレーザ光をさらに反射するようにした反射鏡を設け、この反射鏡を前記凹面鏡の移動にともなって移動させる別の駆動手段が設けられている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の中心軸と同軸となるように、前記反射鏡で反射されたレーザ光をさらに反射させる第２の反射鏡を設けた請求項１に記載のレーザ加工装置。