JP4012221B2

JP4012221B2 - レーザ加工ヘッド

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Publication number: JP4012221B2
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Inventors: 敦森; 竜馬岡崎
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Filing date: 2005-07-15
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Description

本発明は、集光光学系によりレーザ光を集光して加工ノズルを通じて照射すると共に加工ノズルからアシストガスを噴射しつつ被加工ワークのレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工機の加工ヘッドにおいては、レーザ光を集光する集光光学系が保持されており、また、アシストガスを加工ヘッドに供給するアシストガス供給口が形成されている。集光光学系、例えば集光レンズにより集光されたレーザ光とアシストガス供給口から供給されたアシストガスとが加工ヘッドの加工ノズルから被加工ワークに向けられ、それにより、被加工ワークが加工される。また、加工ヘッドにおいて集光光学系と加工ノズルとの間の空間は加工ヘッドチャンバと呼ばれている。

また、近年では高出力のレーザとして炭酸ガスレーザが使用されている。このような炭酸ガスレーザにおいては、波長の関係により透過光学系、例えば集光レンズの数を可能な限り少なくする必要があるので、加工ヘッドに保持される透過光学系は単一になっている。また、集光レンズに対して加工ヘッドチャンバ側とは反対側の空間は大気圧である。加工ヘッドおよび集光レンズは調節機構部によって相対的に移動可能であり、加工ノズルと集光レンズとの間の位置関係が自在に調整される。

レーザ加工時にはアシストガスがアシストガス供給口から加工ヘッド内に供給され、加工ヘッドチャンバ内は所定の高圧力、例えば１ＭＰａになる。集光レンズは該集光レンズよりも一回り大きい集光レンズ保持部により保持されている。例えば集光レンズ保持部の外径が６０ｍｍである場合には、集光レンズと集光レンズ保持部とで構成される受圧面に掛かる力は約２．８ｋＮに達する。調節機構部はこの力に抗して加工ノズルおよび／または集光レンズを相対的に移動させる必要があるので、調節機構部を動作させるための大型の駆動部が必要とされ、加工ヘッド自体が大型化または複雑化する傾向にあった。

このような問題を解決するために、特許文献１においては副ガス室およびピストンシリンダを備えた加工ヘッドが開示されている。図８は、特許文献１に開示されるような従来技術のレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。図８に示されるレーザ加工ヘッド１１４は、ノズル孔１１１が形成されたノズル部１０５と、集光レンズ１０２を保持する集光レンズ保持部１０３とにより主に構成されている。集光レンズ１０２とノズル孔１１１との間には加工ヘッドチャンバ１０８が形成されている。

図示されるように、ノズル部１０５の内周面には上方環状突出部１１７と下方環状突出部１０９とが設けられている。集光レンズ保持部１０３の外周面は上方環状突出部１１７および下方環状突出部１０９に係合している。さらに、集光レンズ保持部１０３は連結部１０７によってアクチュエータ１０６のピストン１０６ａに連結されている。調節機構部としてのアクチュエータ１０６によって集光レンズ保持部１０３はノズル部１０５内を摺動することができる。

また、ノズル部１０５には加工ヘッドチャンバ１０８に通ずるアシストガス供給口１１３が形成されている。レーザ加工ヘッド１１４外部に配置されたアシストガス源からのアシストガスが供給通路１１９を通ってアシストガス供給口１１３から加工ヘッドチャンバ１０８内に供給される。レーザ加工時にはアシストガスが常に供給されるので、加工ヘッドチャンバ１０８は所定の高圧に維持される。

図示されるように、集光レンズ保持部１０３の上方環状突出部１１７と下方環状突出部１０９との間に配置されたフランジ１１６が集光レンズ保持部１０３に設けられている。フランジ１１６の先端はノズル部１０５の内周面に係合するよう寸法決めされている。集光レンズ保持部１０３とノズル部１０５との間はシール部材によりシールされているので、フランジ１１６の上端面と上方環状突出部１１７の下端面との間には環状の副ガス室１１５が形成される。

また、上方環状突出部１１７の下端面には開口部１５３が形成されている。一方、供給通路１１９の分岐部１４１から分岐する分岐通路１４２が開口部１５３まで延びている。従って、供給通路１１９のアシストガスは分岐通路１４２を通じて副ガス室１１５まで同様に供給される。

図示されるように、下方環状突出部１０９の内径をＤ１、ノズル部１０５の内径をＤ２、上方環状突出部１１７の内径をＤ３とすると、集光レンズ保持部１０３の受圧面積はＤ１^２／４×πで表され、環状副ガス室１１５の受圧面積は（Ｄ３^２−Ｄ２^２）／４×πで表される。図８においては、これら集光レンズ保持部１０３の受圧面積と環状副ガス室１１５の受圧面積とが互いに等しくなるように形成されているので、集光レンズ保持部１０３および環状副ガス室１１５が受ける各力は互いに相殺される。これにより、アクチュエータ１０６が集光レンズ保持部１０３を現在位置に維持したり、アシストガス加圧下で移動させるのに要する力は少なくて済むようになる。

レーザ加工が終了すると、アシストガス源からのアシストガスの供給は停止される。加工ヘッドチャンバ１０８内のアシストガスはノズル孔１１１から放出されて、加工ヘッドチャンバ１０８の圧力は次第に低下する。同様に、環状副ガス室１１５内のアシストガスも分岐通路１４２および供給通路１１９を通じて加工ヘッドチャンバ１０８に流入し、次いでノズル孔１１１から同様に放出される。
特許第２８０４２０６号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されるような従来技術のレーザ加工ヘッド１１４においては、環状副ガス室１１５を設けていると共に、環状副ガス室１１５にアシストガスまたは圧縮空気を供給する分岐通路１４２等が必要となるので、レーザ加工ヘッド１１４全体の構造が複雑となる。また、環状副ガス室１１５を設ける場合には、加工ヘッドチャンバ１０８と環状副ガス室１１５との間において圧力バランスを維持するのが困難になる。

さらに、レーザ加工が終了して加工ヘッドチャンバ１０８を減圧するときには、環状副ガス室１１５のアシストガス等を分岐通路１４２および供給通路１１９に通して加工ヘッドチャンバ１０８に流入させる必要がある。従って、環状副ガス室１１５の圧力を低下させるのにかなりの時間が必要とされる。

また、レーザ加工機の加工内容を変更するときには、アシストガスの種類を変更、例えばアシストガスを酸素から窒素に切り換える場合がある。このようなアシストガスの切換作業においても、環状副ガス室１１５内に残留するガスを一旦放出する必要があり、同様な理由から、アシストガスの切換えに相当の時間がかかることになる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、副ガス室および／または副ガス室用分岐通路を設けることなしに、集光光学系保持手段またはノズル保持手段を軽微な力で移動させられるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ノズル孔が形成されたノズルを保持するノズル保持手段と、集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、該集光光学系保持手段は前記ノズル保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、さらに、前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記加工ヘッドチャンバと前記ノズル保持手段の外部とを連通していて前記ノズル保持手段に形成された通路と、前記通路を封止可能に摺動する摺動部材と、該摺動部材と前記集光光学系保持手段とを連結する連結手段とを具備するレーザ加工ヘッドが提供される。

すなわち１番目の発明においては、加工ヘッドチャンバがアシストガスにより高圧になると、集光光学系保持手段および摺動部材には互いに反対方向に向かう力が作用する。摺動部材と集光光学系保持手段とが一体的に連結されているので、これら集光光学系保持手段および摺動部材に作用する力は互いに減殺される。その結果、副ガス室および／または副ガス室用分岐通路を設けることなしに、移動手段により集光光学系保持手段またはノズル保持手段を移動させる力を少なくすることができる。さらに、１番目の発明においては副ガス室および／または副ガス室用分岐通路を排除できるので、レーザ加工ヘッドの構造が単純になり、またアシストガスの切換も短時間で行うことが可能となる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記摺動部材の摺動方向に対して垂直な平面における前記摺動部材の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸に対して垂直な平面における前記集光光学系保持手段の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積に等しいようにした。
すなわち２番目の発明においては、アシストガスにより集光光学系保持手段および摺動部材に作用する力は完全に等しい大きさとなるので、これら力を完全に相殺でき、移動手段が要する力を極めて軽微にできる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記連結手段は、少なくとも一つのロッドである。
４番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記連結手段は、少なくとも一つの貫通孔が形成された前記集光光学系保持手段の一部分である。
すなわち３番目および４番目の発明においては、比較的簡単な構成により、レーザ加工ヘッドを形成することができる。

５番目の発明によれば、ノズル孔が形成されたノズル保持手段と、集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、前記ノズル保持手段は前記集光光学系保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、さらに、前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記加工ヘッドチャンバと前記ノズル保持手段の外部とを連通していて前記ノズル保持手段に形成された通路と、前記通路を封止可能に摺動する摺動部材と、該摺動部材と前記ノズル保持手段とを連結する連結手段とを具備するレーザ加工ヘッドが提供される。

すなわち５番目の発明においては、加工ヘッドチャンバがアシストガスにより高圧になると、集光光学系保持手段および摺動部材には互いに反対方向に向かう力が作用する。摺動部材と集光光学系保持手段とが一体的に連結されているので、これら集光光学系保持手段および摺動部材に作用する力は互いに減殺される。その結果、副ガス室および／または副ガス室用分岐通路を設けることなしに、移動手段により集光光学系保持手段またはノズル保持手段を移動させる力を少なくすることができる。さらに、５番目の発明においては副ガス室および／または副ガス室用分岐通路を排除できるので、レーザ加工ヘッドの構造が単純になり、またアシストガスの切換も短時間で行うことが可能となる。

６番目の発明によれば、５番目の発明において、前記摺動部材の摺動方向に対して垂直な平面における前記摺動部材の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸に対して垂直な平面における前記ノズル保持手段の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積に等しいようにした。
すなわち６番目の発明においては、アシストガスにより集光光学系保持手段および摺動部材に作用する力は完全に等しい大きさとなるので、これら力を完全に相殺でき、移動手段が要する力を極めて軽微にできる。

７番目の発明によれば、１番目から６番目のいずれかの発明において、前記アシストガス供給手段によりアシストガスが供給される加工ヘッドチャンバのアシストガス供給口は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸からみて前記連結手段よりも遠方に形成されている。
すなわち７番目の発明においては、アシストガスの種類を変更するときに、アシストガスを加工ヘッドチャンバの外周部分から供給することにより、迅速に置換することができる。

８番目の発明によれば、５番目から７番目のいずれかの発明において、前記連結手段は、前記集光光学系保持手段に設けられたプーリに掛けられたワイヤである。
すなわち８番目の発明においては、比較的簡単な構成により、レーザ加工ヘッドを形成することができる。

９番目の発明によれば、ノズル孔が形成されたノズル保持手段と、集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、該集光光学系保持手段は前記ノズル保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、さらに、前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記集光光学系保持手段と前記ノズル保持手段との間に形成された流体チャンバと、前記流体チャンバと前記加工ヘッドチャンバとを連通する通路と、前記通路を封止可能に摺動する摺動部材とを具備し、前記集光光学系保持手段が前記加工ヘッドチャンバの体積を減ずる方向に移動したときには前記流体チャンバの体積が増加するようになっており、前記流体チャンバと前記通路の前記摺動部材との間には非圧縮性流体が充填されている、レーザ加工ヘッドが提供される。

すなわち９番目の発明においては、アシストガスにより高くなった加工ヘッドチャンバの圧力が摺動部材を通じて通路内の流体に伝えられ、流体チャンバの圧力も同様に上昇する。これにより、加工ヘッドチャンバの体積が減少する方向の力が集光光学系保持手段に作用する。そして、この力の向きは、加工ヘッドチャンバによって集光光学系保持手段に作用する力の向きとは反対方向であるので、これら力は互いに減殺される。その結果、副ガス室用分岐通路を設けることなしに、移動手段により集光光学系保持手段またはノズル保持手段を移動させる力を少なくすることができる。さらに、９番目の発明においては副ガス室用分岐通路を排除できるので、レーザ加工ヘッドの構造が単純になり、またアシストガスの切換も短時間で行うことが可能となる。

１０番目の発明によれば、９番目の発明において、前記通路が前記ノズル保持手段に形成されている。
１１番目の発明によれば、９番目の発明において、前記通路が前記集光光学系保持手段に形成されている。
すなわち１０番目または１１番目の発明においては、比較的簡単な構成により、レーザ加工ヘッドを形成することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。図１に示されるレーザ加工ヘッド１４は、ノズル孔１１が形成されたノズル４を保持する筒型のノズル保持部５と、集光光学系、例えば集光レンズ２を保持する筒型の集光レンズ保持部３とにより主に構成されている。ノズル保持部５は本体５３に固定されている。集光レンズ２は集光レンズ保持部３の上縁付近で保持されており、集光レンズ２の直径は例えば２５ｍｍから６３ｍｍ程度である。ノズル保持部５におけるノズル孔１１の直径は０．５ｍｍから６ｍｍ程度である。また、集光レンズ２とノズル孔１１との間には加工ヘッドチャンバ８と呼ばれる密閉空間が形成されている。

図示されるように、ノズル保持部５の内周面には環状突出部９が設けられている。集光レンズ保持部３の外周面は環状突出部９に係合しており、集光レンズ保持部３はノズル保持部５内を摺動可能に配置されている。

また、ノズル保持部５の外周面には比較的大きな開口部７ａが形成されている。集光レンズ保持部３に設けられた連結部７は開口部７ａを通って延びていて、ノズル保持部５の外部に配置されたアクチュエータ６のピストン６ａに連結されている。アクチュエータ６は図示しないレーザ加工機の制御装置に接続されているものとする。アクチュエータ６のピストン６ａが昇降することによって、集光レンズ保持部３はノズル保持部５内を上下方向に摺動し、それにより、被加工ワーク１０上での集光点が調整される。アクチュエータ６による集光レンズ保持部３（後述する第二の実施形態の場合にはノズル保持部５）の摺動距離は最大で２０ｍｍ程度である。なお、詳細には説明しないものの、本願明細書において摺動作用を伴う部材にはシール材が設けられており、これら部材は封止可能に摺動する。

また、ノズル保持部５の内周面には加工ヘッドチャンバ８に通ずるアシストガス供給口１３が形成されている。レーザ加工ヘッド１４外部に配置されたアシストガス源２０ａ、２０ｂからのアシストガスが通路１２および供給通路１９を通ってアシストガス供給口１３から加工ヘッドチャンバ８内に供給される。レーザ加工時にはアシストガスが常に供給されるので、加工ヘッドチャンバ８は所定の高圧に維持される。

なお、図１においてはアシストガス源２０ａは酸素源であり、アシストガス源２０ｂは窒素源である。ただし、被加工ワーク１０に対するレーザ加工の内容に応じて、他のアシストガス源、例えば、アルゴン、空気、ヘリウム、窒素または酸素の純度をあげた調質空気、もしくは複数のガスからなる混合気体の源を採用できる。

図１に示される実施形態においては、ノズル４周りにおけるノズル保持部５の厚さが他の部分よりも厚くなっている。そして、加工ヘッドチャンバ８とノズル保持部５の外部とを連通する複数、図１においては二つの通路３１がノズル４周りに形成されている。さらに、通路３１を摺動する摺動部材３３がこれら通路３１にそれぞれ配置されている。また、図示されるように、加工ヘッドチャンバ８内に配置されたロッド３５によって摺動部材３３は集光レンズ保持部３の下方端に連結されている。つまり、図示されるように、加工ヘッドチャンバ８は集光レンズ保持部３と摺動部材３３とにより挟まれた構成となっている。また、摺動部材３３の一面は加工ヘッドチャンバ８にさらされており、摺動部材３３の他面はレーザ加工ヘッド１４外部の周囲空気にさらされている。なお、ロッド３５の直径は集光レンズ保持部３の厚さ部分に配置される程度に小さく、ロッド３５と環状突出部９との間には所定の隙間が形成されている。

図１に示されるようにノズル保持部５および集光レンズ保持部３を通過するレーザ１の光軸５１に対して垂直な方向においては通路３１の少なくとも一部が集光レンズ保持部３の領域に位置している。このため、図１においては直線状のロッド３５を採用することができる。

図１に示される実施形態においては、ロッド３５によって、集光レンズ保持部３と摺動部材３３とは一体的に摺動する構成になっている。このため、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように集光レンズ保持部３が下方に摺動するときには、摺動部材３３は加工ヘッドチャンバ８の体積が増加するように下方に摺動する。

レーザ加工ヘッド１４の使用時には、被加工ワーク１０を所定の位置に配置した後で、図示しないＺ軸アクチュエータによってレーザ加工ヘッド１４を被加工ワーク１０上に位置決めし、次いでアクチュエータ６によって集光レンズ保持部３の位置を調節する。その後、開閉弁２３を開放し、一方のアシストガス源２０ａからのアシストガス、例えば酸素を圧力調整器２１に通して通路１２に流す。アシストガスは供給通路１９を流れ、アシストガス供給口１３を通じて加工ヘッドチャンバ８内に供給される。これにより、加工ヘッドチャンバ８内の圧力は例えば１ＭＰａにまで上昇する。なお、集光レンズ２に対して加工ヘッドチャンバ８側とは反対側の空間は大気圧である。

加工ヘッドチャンバ８が高圧になると集光レンズ保持部３には上方に向かう力が作用する。また、加工ヘッドチャンバ８は集光レンズ保持部３と摺動部材３３とにより挟まれた構成になっているので、加工ヘッドチャンバ８が高圧になると摺動部材３３には下方に向かう力が作用する。つまり、集光レンズ保持部３および摺動部材３３のそれぞれには互いに反対方向に向かう力が作用する。ところが、図示される実施形態においては、ロッド３５によって集光レンズ保持部３と摺動部材３３とが一体的に連結されているので、これら集光光学系保持手段および摺動部材に作用する力は互いに減殺される。

次いで、レーザ加工時には、図示しないレーザ発振器からのレーザ１がレーザ加工ヘッド１４に入力され、次いでレーザ１は集光レンズ２によって被加工ワーク１０上の集光点５２に集光される。これにより、集光点５２において被加工ワーク１０が適切にレーザ加工またはレーザ溶接される。集光点５２を適切に調節するために、アクチュエータ６によって集光レンズ保持部３が上下に微調整する必要がある。本発明においては、集光レンズ保持部３およびノズル保持部５に作用する力は減殺されているので、アクチュエータ６によって集光レンズ保持部３を上下動させるのに要する力は比較的小さくて済む。

また、図１に示されるように、環状突出部９の内径をＤａとすると共に、摺動部材３３が円形でその直径がＤｂとすると、集光レンズ保持部３の受圧面積はＤａ^２／４×πであり、二つの摺動部材３３の受圧面積の和は２×Ｄｂ^２／４×πとなる。第一の実施形態においては、これら集光レンズ保持部３の受圧面積と二つの摺動部材３３の受圧面積の和とは互いに等しいのが好ましい。言い換えれば、二つの摺動部材３３のそれぞれの摺動方向に対して垂直な平面における摺動部材３３の加工ヘッドチャンバ８側の射影面積の和は、集光レンズ２とノズル孔１１との間のレーザ１の光軸５１に対して垂直な平面における集光レンズ保持部３の加工ヘッドチャンバ８側の射影面積に等しくするのが好ましい。

これら受圧面積には、加工ヘッドチャンバ８の圧力と大気圧との間の差圧に基づく力が掛かる。従って、これら受圧面積が等しい場合には、集光レンズ保持部３および摺動部材３３に作用する力を完全に相殺でき、従って、アクチュエータ６により集光レンズ保持部３を上下動させるのに要する力は極めて少なくなる。

ところで、レーザ加工の途中において、加工条件の変更などによりアシストガスを例えば酸素から窒素に切り換える場合がある。このようなときには、開閉弁２３を閉鎖して、アシストガス源２０ａからの酸素の供給を停止する。これにより、加工ヘッドチャンバ８内のアシストガスはノズル孔１１から放出され、加工ヘッドチャンバ８の圧力は減少する。次いで、開閉弁２４を開放して、アシストガス源２０ｂの窒素を加工ヘッドチャンバ８に供給するようにする。図１に示される実施形態においては副ガス室および／または副ガス室用分岐通路（図８参照）が設けられていないので、レーザ加工ヘッドの構造が単純になり、また切換前のアシストガスが副ガス室および／または副ガス室用分岐通路に残留することもない。このため、アシストガスの切換を迅速に行うことができ、その結果、レーザ加工機の生産性を向上させられる。

また、レーザ加工が終了すると、開閉弁２４は閉鎖され、アシストガス源２０ｂからのアシストガスの供給が停止される。そして、加工ヘッドチャンバ８内のアシストガスはノズル孔１１から放出され、加工ヘッドチャンバ８の圧力は次第に減少する。この場合にも副ガス室および／または副ガス室用分岐通路（図８）が設けられていないので、同様にアシストガスの放出を迅速に行うことが可能となる。

図２は第一の実施形態の変更例を示す図１と同様の図である。以下においては、主に図１に対する相違点について説明することにする。図２においてはロッド３５が排除されている代わりに、集光レンズ保持部３が環状突出部９よりも下方まで延長されている。そして、集光レンズ保持部３の延長された部分の周面には複数の貫通孔３６が周方向に等間隔で形成されている。貫通孔３６の寸法は、アシストガス放出時にアシストガスが集光レンズ保持部３とノズル保持部５との間に残留しない程度に十分に大きいのが好ましい。

図３は図２の線Ｉ−Ｉに沿ってみた断面図である。図２および図３から分かるように、本変更例においてはノズル４周りに環状の貫通孔３１’が形成されている。そして、貫通孔３１’の下端付近には、半径方向に延びる複数の支持棒４１が配置されている。これら支持棒４１はノズル保持部５のノズル４を支持する役目を果たす。

再び図２を参照すると、加工ヘッドチャンバ８におけるノズル４の外径は集光レンズ保持部３の内径に概ね対応している。そして、貫通孔３１’の形状に対応した環状の摺動部材３３が集光レンズ保持部３の下端に直接的に連結されている。

図２に示される変更例においては、集光レンズ保持部３および摺動部材３３は一体的に摺動する構成になっている。このため、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように集光レンズ保持部３が下方に摺動するときには、摺動部材３３は加工ヘッドチャンバ８の体積が増加するように下方に摺動する。従って、図２に示される変更例においても、前述したのと同様な効果が得られる。

図２において環状突出部９の内径をＤａとし、ノズル４の外径をＤｃとし、ノズル保持部５の内径をＤｄとすると、集光レンズ保持部３の受圧面積はＤａ^２／４×πであり、摺動部材３３の受圧面積は（Ｄｄ^２／４×π−Ｄｃ^２／４×π）と表される。そして、これら集光レンズ保持部３の受圧面積と摺動部材３３の受圧面積とが互いに等しい場合には、前述したのと同様に集光レンズ保持部３および摺動部材３３に作用する力を完全に相殺でき、従って、アクチュエータ６が要する力を極めて少なくすることができる。

図４は第一の実施形態の他の変更例を示す図１と同様の図である。図４においては、上方環状突出部１７が環状突出部９の上方に形成されており、集光レンズ保持部３は上方環状突出部１７を摺動するようになっている。

図４においては摺動部材３３が集光レンズ保持部３と同軸に配置されており、摺動部材３３はフランジ３３ａと、フランジ３３ａから延びるスリーブ３３ｂとより構成されている。フランジ３３ａの先端はノズル保持部５の内周面に係合するよう寸法決めされている。摺動部材３３のフランジ３３ａは上方環状突出部１７と下方の環状突出部９との間において摺動する構成になっている。また、スリーブ３３ｂは環状突出部９の内周面を摺動するように寸法決めされている。

さらに、アクチュエータ６のピストン６ａに取付られた連結部７は摺動部材３３のスリーブ３３ｂに連結している。図示されるように、複数のロッド３５が集光レンズ保持部３と摺動部材３３とを連結しているので、集光レンズ保持部３、ロッド３５および摺動部材３３は一体的に摺動する構成になっている。

このような場合には、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように集光レンズ保持部３が下方に摺動するときには、摺動部材３３が上方環状突出部１７と下方の環状突出部９との間において環状突出部９に向かって摺動する。上方環状突出部１７と摺動部材３３との間の空間８’はこの摺動作用により増大する。従って、図４の場合においても加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように集光レンズ保持部３が下方に摺動するときには、摺動部材３３は加工ヘッドチャンバ８の体積が増大するように下方に摺動するといえる。それゆえ、図４に示される変更例においても前述したのと同様の効果が得られる。

図４において環状突出部９の内径をＤａとし、上方環状突出部１７の内径をＤｆとし、フランジ３３ａの外径をＤｅとすると、集光レンズ保持部３の受圧面積はＤｆ^２／４×πであり、摺動部材３３の受圧面積は（Ｄｅ^２／４×π−Ｄａ^２／４×π）と表される。そして、これら集光レンズ保持部３の受圧面積と摺動部材３３の受圧面積とが互いに等しい場合には、前述したのと同様に集光レンズ保持部３および摺動部材３３に作用する力を完全に相殺でき、従って、アクチュエータ６が要する力を極めて少なくすることができる。

図５は本発明の第二の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。図５に示されるように、集光レンズ保持部３は本体５３に固定されている。そして、集光レンズ保持部３の先端側は、集光レンズ２を保持する幅広部分３ｂよりも幅狭な幅狭部分３ａとして形成されている。さらに、幅狭部分３ａの内径はノズル保持部５の外径に概ね対応しており、アクチュエータ６のピストン６ａに取付られた連結部７はノズル保持部５に連結している。このような構成であるので、第二の実施形態においては、ノズル保持部５が集光レンズ保持部３の内周面に摺動するようになる。また、アシストガスを供給するための供給通路１９およびアシストガス供給口１３は集光レンズ保持部３の幅広部分３ｂに形成されている。

図示されるように、光軸５１に対して斜方向に延びる複数、例えば二つの通路３９が幅広部分３ｂの厚さ部分に形成されている。図５から分かるように、これら通路３９はノズル孔１１から集光レンズ２に向かう方向に対して互いに離間するように形成されている。

摺動部材３３はこれら通路３９のそれぞれに摺動可能に配置されている。幅広部分３ｂと幅狭部分３ａとの間の内方肩部には、プーリ３８が設けられている。そして、加工ヘッドチャンバ８内においてワイヤ３７がプーリ３８を介して摺動部材３３とノズル保持部５とを連結している。従って、摺動部材３３、ワイヤ３７およびノズル保持部５は一体的に摺動する構成になっている。

このような場合には、加工ヘッドチャンバ８の体積が増大するようにノズル保持部５が下方に摺動するときには、摺動部材３３が通路３９において加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように斜め下方に摺動する。また、レーザ加工時には加工ヘッドチャンバ８はアシストガスにより加圧されているので、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するようにノズル保持部５が上方に摺動するときには、摺動部材３３が通路３９において加工ヘッドチャンバ８の体積が増加するように斜め上方に摺動する。それゆえ、図５に示される変更例においても前述したのと同様の効果が得られる。

図５において集光レンズ保持部３の幅狭部分３ａの内径をＤｇとし、円形の摺動部材３３の直径をＤｈとすると、ノズル保持部５の受圧面積はＤｇ^２／４×πであり、摺動部材３３の受圧面積は２×Ｄｈ^２／４×πと表される。加工ヘッドチャンバ８がアシストガスにより加圧されると、アシストガス圧（ゲージ圧）と前述した受圧面積とに基づく力がノズル保持部５および摺動部材３３にそれぞれ作用する。

そして、これらノズル保持部５の受圧面積と摺動部材３３の受圧面積とは互いに等しいのが好ましい。つまり、二つの摺動部材３３のそれぞれの摺動方向に対して垂直な平面における摺動部材３３の加工ヘッドチャンバ８側の射影面積の和は、集光レンズ２とノズル孔１１との間の光軸５１に対して垂直な平面におけるノズル保持部５の加工ヘッドチャンバ８側の射影面積に等しいようにするのが好ましい。このような場合には、前述したのと同様にノズル保持部５および摺動部材３３に作用する力を完全に相殺でき、従って、アクチュエータ６が要する力を極めて少なくすることができる。

図５に示される第二の実施形態から分かるように、摺動部材３３の摺動方向は光軸５１の方向に限定されず、光軸５１に対して斜めの方向であってもよい。また、図示しないリンク機構および／または歯車機構によって摺動部材３３の力を増幅する場合には、受圧面積のより小さい摺動部材３３を採用できることが分かるであろう。

また、図１から図５を参照して説明した実施形態においては、ロッド３５またはワイヤ３７およびプーリ３８を加工ヘッドチャンバ８内に設ける構成としているが、これらが加工ヘッドチャンバ８の外方に設けられるようにしてもよい。

ところで、図１から図５を参照して説明した実施形態においては、アシストガス供給口１３は光軸５１から見てロッド３５、貫通孔３６、またはワイヤ３７とプーリ３８の組合わせよりも半径方向外側に位置している。アシストガスを例えば酸素から窒素に切換えるときには、切換後のアシストガスがアシストガス供給口１３から加工ヘッドチャンバ８に流入すると共に、切換前の残留アシストガスはノズル保持部５の中心のノズル孔１１から速やかに放出される。このため、これら実施形態においては、アシストガスの種類を変更するときに、アシストガスを加工ヘッドチャンバの外周部分から供給することにより、迅速に置換することができる。

図６は本発明の第三の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。図６においては、ノズル保持部５の内周面に上方環状突出部１７と下方環状突出部９とが設けられている。集光レンズ保持部３の外周面は上方環状突出部１７および下方環状突出部９の両方に係合している。集光レンズ保持部３は連結部７によってアクチュエータ６のピストン６ａに連結されており、アクチュエータ６によって集光レンズ保持部３はノズル保持部５内を摺動する。

図示されるように、集光レンズ保持部３にはフランジ１６が設けられている。フランジ１６の先端はノズル保持部５の内周面に係合するよう寸法決めされている。また、このフランジ１６は集光レンズ保持部３の上方環状突出部１７と下方環状突出部９との間に配置されている。また、集光レンズ保持部３とノズル保持部５との間はシール部材によりシールされているので、フランジ１６の上端面と上方環状突出部１７の下端面との間には環状の流体チャンバ１５が形成される。

さらに、流体通路３２の開口５４が上方環状突出部１７の下端面に形成されている。この流体通路３２は上方環状突出部１７からノズル保持部５の厚さ部分を通って下方環状突出部９まで延びていて、下方環状突出部９の突出方向に向かって折曲がり、下方環状突出部９の内周面に形成された開口５５において終端している。そして、下方環状突出部９内の流体通路３２には摺動部材３３が摺動可能に配置されている。図６に示される実施形態においては、流体チャンバ１５および流体チャンバ１５と摺動部材３３との間の流体通路３２には非圧縮性流体Ａ、例えば液体が充填されている。図示されるように、開口５５は流体通路３２の断面よりいくぶん小さく形成されており、それにより、摺動部材３３が流体通路３２から脱落するのが防止されている。

流体チャンバ１５は光軸５１の方向に伸縮するように構成されており、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するように集光レンズ保持部３が下方に摺動するときには流体チャンバ１５の体積は増加する。言い換えれば、流体チャンバ１５が加圧される場合には、フランジ１６によって集光レンズ保持部３はノズル孔１１に向かう方向の力を受ける。また、流体チャンバ１５自体は大気圧のみを受ける構造になっており、流体チャンバ１５および流体通路３２が非圧縮性流体Ａにより充填されているので、流体チャンバ１５は加工ヘッドチャンバ８内の圧力の影響も受けない。

図６に示される第三の実施形態においてアシストガス供給口１３からアシストガスを供給することにより加工ヘッドチャンバ８が加圧されると、集光レンズ保持部３には上方に向かう力が作用する。一方、開口５５を通じて摺動部材３３に作用する力は、流体通路３２および流体チャンバ１５内の流体を介して流体チャンバ１５に作用し、それにより、流体チャンバ１５内の圧力は加工ヘッドチャンバ８内の圧力に概ね等しくなる。このため、流体チャンバ１５内の圧力は集光レンズ保持部３のフランジ１６に作用して、集光レンズ保持部３は下方に向かう力を受ける。すなわち、加工ヘッドチャンバ８の体積が増加するように集光レンズ保持部３が上方に摺動するときには、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するするように集光レンズ保持部３を下方に摺動させる力が作用する。

従って、第三の実施形態においては、集光レンズ保持部３のフランジ１６の受圧面積（Ｄｉ^２−Ｄｊ^２）／４×πに作用する下向きの力は、集光レンズ保持部３の受圧面積Ｄａ^２／４×πに上向きに作用する力と減殺される。そして、これら受圧面積の差分のみが集光レンズ保持部３に作用するようになる。このため、アクチュエータ６によって集光レンズ保持部３を摺動させるのに要する力は少なくて足りる。この場合にもフランジ１６の受圧面積と集光レンズ保持部３の受圧面積が互いに等しい場合には、アクチュエータ６が要する力を極めて少なくできるのは明らかであろう。

さらに、流体チャンバ１５および流体通路３２には非圧縮性流体Ａが充填されているので、アシストガスの切換時においても非圧縮性流体Ａを放出する必要はなく、アシストガスの切換作業を短時間で行うことが可能となる。また、第三の実施形態においては、加工ヘッド外部に備えられた従来技術の副ガス室用分岐通路を排除できるので、レーザ加工ヘッドの構造が単純になる。

なお、摺動部材を分岐通路１４２に配置した場合には図８に示される従来技術のレーザ加工ヘッドは図６に示される第三の実施形態のレーザ加工ヘッドに類似する。しかしながら、従来技術のレーザ加工ヘッドにおいてはアシストガスを環状副ガス室１１５に供給しているので、アシストガス供給口１１３と分岐部１４１との間の圧力降下が大きくなるという欠点がある。さらに、アシストガスを使用しているので、摺動部材３３の移動範囲が大きくなり、レーザ加工ヘッドが大型化するという欠点も包含される。この点に関し、第三の実施形態においては非圧縮性流体Ａを流体通路３２および流体チャンバ１５に充填する構成であるので、摺動部材３３の受圧面積は比較的小さくて足りる。

図７は第三の実施形態の変更例を示す図６と同様の図である。図７においては流体通路３２はフランジ１６内において半径方向に形成されている。流体通路３２の一端は集光レンズ保持部３の内周面において開口５５しており、他端はフランジ１６の上端に形成された開口５４において終端している。図６の場合と同様に、流体通路３２には摺動部材３３が摺動可能に配置されており、流体通路３２および流体チャンバ１５には非圧縮性流体Ａが充填されている。

図７に示される場合においても、加工ヘッドチャンバ８の体積が増加するように集光レンズ保持部３が上方に摺動する力が作用するときには、加工ヘッドチャンバ８の体積が減少するするように集光レンズ保持部３を下方に摺動させる力が作用し、これら力は互いに減殺される。このため、図７に示される場合においても、図６を参照して説明したのと同様な効果が得られるのは明らかであろう。なお、当然のことながら、前述した実施形態を適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれるものとする。

本発明の第一の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。第一の実施形態の変更例を示す図１と同様の図である。図２の線Ｉ−Ｉに沿ってみた断面図である。第一の実施形態の他の変更例を示す図１と同様の図である。本発明の第二の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。本発明の第三の実施形態に基づくレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。第三の実施形態の変更例を示す図６と同様の図である。従来技術のレーザ加工ヘッドの長手方向断面図である。

符号の説明

１レーザ
２集光レンズ（集光光学系）
３集光レンズ保持部（集光光学系保持手段）
３ａ幅狭部分
３ｂ幅広部分
４ノズル
５ノズル保持部（ノズル保持手段）
６アクチュエータ
６ａピストン
７連結部
７ａ開口部
８加工ヘッドチャンバ
８’ 空間
９下方環状突出部
１１ノズル孔
１２通路
１３アシストガス供給口（アシストガス供給手段）
１４レーザ加工ヘッド
１５流体チャンバ
１６フランジ
１７上方環状突出部
１９供給通路（アシストガス供給手段）
２０ａ、２０ｂアシストガス源
３１通路
３１’ 貫通孔
３２流体通路
３３摺動部材
３３ａフランジ
３３ｂスリーブ
３５ロッド（連結手段）
３６貫通孔
３７ワイヤ
３８プーリ
３９通路
４１支持棒
５１光軸
５２集光点
５４、５５開口

Claims

ノズル孔が形成されたノズルを保持するノズル保持手段と、
集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、該集光光学系保持手段は前記ノズル保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、
さらに、
前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、
前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記加工ヘッドチャンバと前記ノズル保持手段の外部とを連通していて前記ノズル保持手段に形成された通路と、
前記通路を封止可能に摺動する摺動部材と、
該摺動部材と前記集光光学系保持手段とを連結する連結手段とを具備するレーザ加工ヘッド。
前記摺動部材の摺動方向に対して垂直な平面における前記摺動部材の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸に対して垂直な平面における前記集光光学系保持手段の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積に等しいようにした請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
前記連結手段は、少なくとも一つのロッドである請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
前記連結手段は、少なくとも一つの貫通孔が形成された前記集光光学系保持手段の一部分である請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
ノズル孔が形成されたノズル保持手段と、
集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、前記ノズル保持手段は前記集光光学系保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、
さらに、
前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、
前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記加工ヘッドチャンバと前記ノズル保持手段の外部とを連通していて前記ノズル保持手段に形成された通路と、
前記通路を封止可能に摺動する摺動部材と、
該摺動部材と前記ノズル保持手段とを連結する連結手段とを具備するレーザ加工ヘッド。
前記摺動部材の摺動方向に対して垂直な平面における前記摺動部材の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸に対して垂直な平面における前記ノズル保持手段の前記加工ヘッドチャンバ側の射影面積に等しいようにした請求項５に記載のレーザ加工ヘッド。
前記アシストガス供給手段によりアシストガスが供給される加工ヘッドチャンバのアシストガス供給口は、前記集光光学系と前記ノズル孔との間の光路の光軸からみて前記連結手段よりも遠方に形成されている請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記連結手段は、前記集光光学系保持手段に設けられたプーリに掛けられたワイヤである請求項５から７のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
ノズル孔が形成されたノズル保持手段と、
集光光学系を保持する集光光学系保持手段とを具備し、該集光光学系保持手段は前記ノズル保持手段内に封止可能に摺動するよう配置されており、
さらに、
前記ノズル保持手段および前記集光光学系保持手段を相対的に摺動移動させる移動手段と、
前記集光光学系保持手段の前記集光光学系と前記ノズル保持手段の前記ノズル孔との間に形成された加工ヘッドチャンバにアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記集光光学系保持手段と前記ノズル保持手段との間に形成された流体チャンバと、
前記流体チャンバと前記加工ヘッドチャンバとを連通する通路と、
前記通路を封止可能に摺動する摺動部材とを具備し、
前記集光光学系保持手段が前記加工ヘッドチャンバの体積を減ずる方向に移動したときには前記流体チャンバの体積が増加するようになっており、
前記流体チャンバと前記通路の前記摺動部材との間には非圧縮性流体が充填されている、レーザ加工ヘッド。
前記通路が前記ノズル保持手段に形成されている請求項９に記載のレーザ加工ヘッド。
前記通路が前記集光光学系保持手段に形成されている請求項９に記載のレーザ加工ヘッド。