JP4333342B2

JP4333342B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP4333342B2
Application number: JP2003397067A
Authority: JP
Inventors: 康成松本; 聡西田; 和郎杉原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005152972A

Description

本発明はレーザ加工装置におけるミラーの冷却構造に関するものである。

図７は従来のレーザ加工装置の全体構成を示す該略図である。レーザ加工装置はレーザ発振器、加工ヘッド、および該レーザ発振器から該加工ヘッドまでレーザビームを導く光学系からなっている。図７において、２は励起媒質、３は全反射ミラー、４は部分反射ミラーで、１は励起媒質２を全反射ミラー３と部分反射ミラー４とで挟むことにより光共振器を構成しレーザビームを出射するレーザ発振器である。５ａは発振器内のレーザビーム、５ｂはレーザ発振器から出射されたレーザビームである。１１はコリメーションミラー、７ａは収差を抑えるために小さな角度でコリメーションミラー１１にレーザビーム５ｂを入射させるための平面反射ミラー、６はレーザ発振器１から出射されたレーザビーム５ｂをコリメート光（平行光）に変換するためのコリメーションミラー１１および平面反射ミラー７ａからなるコリメーション装置である。５ｃはコリメーション装置６により変換されてなるコリメート光、７ｂはコリメート光５ｃを反射してその光路の向きを９０度変換させる平面反射ミラーである。コリメーション装置６および平面反射ミラー７ｂが前記光学系にあたる。８は平面反射ミラー７ｂにより反射されたコリメート光５ｃが入射される加工ヘッドである。９は加工ヘッド内に設けられた集光レンズ、１０は被加工物、１４はＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ：数値制御）装置である。また、ＮＣ装置１４により駆動制御される駆動機構（図示省略）も備えている。

次に動作について説明する。全反射ミラー３および部分反射ミラー４からなる光共振器の内部でレーザ共振が起こると、その一部は部分反射ミラー４からレーザ発振器１の外部にレーザビーム５ｂとなって射出される。このレーザ発振器１の外部に射出されたレーザビーム５ｂは、コリメーション装置６を通過し、平面反射ミラー７ｂで反射されて９０度方向を変え、加工ヘッド８の集光レンズ９に入射し、集光レンズ９により集光されて被加工物１０に照射される。被加工物１０上に集光され照射されたレーザビームは、ＮＣ装置１４により制御される駆動機構（図示せず）によって被加工物１０上を任意に移動され、被加工物１０を所望の形状に加工する。

図８はレーザ加工装置で使用される反射型ミラーの一般的な冷却構造を示す構造図である。ここで、反射型ミラーはレーザ光を透過しないで使用するミラーとする。図８において、５はレーザビーム、２２は支持台、２３は支持台２２に取り付けられたミラー取り付けブロック、２４はミラーを周辺で支持するミラーホルダー、２５は反射型ミラー、２６は冷却水を通水する経路を内部に設けミラー２５をレーザ光入射面とは反対の面である裏面から冷却するミラー押さえ、２７はミラー押さえ２６の取り付けネジ、２８は複数設けられた調整用引ネジ、２９は複数設けられた調整用押ネジ、３１は調整用引ネジ２８の部分でミラーホルダー２４とミラー取り付けブロック２３の間に設けられたバネ、３０ａはミラー押さえ２６に設けられた冷却水入口、３０ｂは冷却水出口である。

冷却水を冷却水入り口３０ａから注入しミラー押さえ２６中に冷却水を通水し冷却水出口３０ｂから排出することで、まずミラー押さえ２６を直接冷却し、ミラー押さえ２６と裏面にて密着したミラー２５を裏面から間接的に冷却する構造である。（例えば、特許文献１参照）図７の従来のレーザ加工装置においては、反射型ミラーである全反射ミラー３、平面反射ミラー７ａ・７ｂ、コリメーションミラー１１がこの冷却構造を用いている。

特開平８−２５７７８２号公報（段落０００２〜０００３、図１７）

図９はレーザ加工装置で使用される透過型ミラーもしくはレンズの一般的な冷却構造を示す構造図である。ここで、透過型ミラーはレーザ光を透過して使用するミラーとする。図９において５はレーザビーム、４２は透過型ミラー、４４はミラー４２を周辺部で支持するミラー押さえ、４６は水冷（図示せず）されミラーを周辺部で冷却するミラー冷却板、４５は透過型ミラー４２をミラー冷却板４６に圧着させるためのＯリングである。ミラー冷却板４６にミラー４２を接触させることによって間接的にミラー４２を冷却する構造である。（例えば、特許文献２参照）図７の従来のレーザ加工装置においては、透過型ミラーもしくはレンズである部分反射ミラー４、集光レンズ９がこの冷却構造を用いている。

特開平３−２５７９７９号公報（３頁左段、図３）

図８で示された従来の反射型ミラーの冷却構造では、ビームが照射されるミラーの表面が熱を持つ一方、ミラーの裏面は冷却される。そのためミラーの表裏に温度勾配が生じ、ミラーに反りが発生し、ミラーの曲率が変化する。これにより、ミラーを用いてレーザビームを増幅したり（例えば全反射ミラー３）、伝送したり（例えば平面反射ミラー７ａ、７ｂ）、偏向したり、コリメートしたり（例えばコリメーションミラー１１）、集光したりする場合において、レーザビームの発散角に意図しない変化を生じさせることになる。
その結果、ワーク上に集光されたレーザビームのビーム径が所望の値から外れ、レーザビームを用いた切断、穴あけ、溶接等の加工ができないといった不具合が発生することがある。そしてこのミラーの熱変形よる曲率変化は、ミラーに照射されるレーザビームのパワーの変化や、ミラーの素材の違いから生ずるレーザビーム吸収率の差異による、ミラーの温度変化に依存し制御することが困難であった。

図９で示された従来の透過型ミラーもしくはレンズの冷却構造では、ミラーを間接的に冷却する構造であるため、透過型ミラー４２とミラー冷却板４６の間の接触熱抵抗によって冷却効果が減少する上、透過型ミラーではミラー４２と冷却板４６の接触面積を大きくとることが困難なためさらに冷却が不十分となり、ミラーの熱変形が生じ、ミラーの曲率が変化する。

これにより反射型ミラーと同様に、ミラーを用いてレーザビームを増幅したり（例えば部分反射ミラー４）、伝送したり、偏向したり、コリメートしたり、集光したり（例えば集光レンズ９）する場合において、レーザビームの発散角に意図しない変化を生じさせることになり、ワーク上に集光されたレーザビームのビーム径が所望の値から外れ、レーザビームを用いた切断、穴あけ、溶接等の加工ができないといった不具合が発生する。また、冷却が不十分なため、高出力のレーザ光の場合にはミラーそのものが熱暴走し破壊する危険がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーもしくはレンズの熱変形による曲率変化を抑え、安定した加工を実現できるレーザ加工装置を得るものである。また、ミラーもしくはレンズの冷却能力を高め、ミラーもしくはレンズの熱破壊を防止するレーザ加工装置を得るものでもある。

本発明に係るレーザ加工装置においては、レーザ加工装置に配置されたミラーと、前記ミラーを冷却する冷却手段を備え、前記冷却手段は、前記ミラーのレーザビーム入射面と、前記入射面と反対側の裏面と、前記入射面と前記裏面との間の側面との３面において、前記側面を冷却するものである。

本発明は、レーザ加工装置に配置されたミラーの冷却手段が該ミラーの側面を冷却することで、ミラーの表面と裏面の温度勾配を低減し、それによりミラーの熱変形による曲率変化を低減できる。このため、ワーク上に集光されたレーザビームのビーム径の変化を抑制でき、安定したレーザ加工ができる。

実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ加工装置のミラー冷却手段の横断面を示すものである。本形態のレーザ加工装置の基本的な構成は図７と同様であるが、反射型ミラーであるレーザ発振器１内の全反射ミラー３、レーザ発振器１から加工ヘッド８までレーザビームを導く光学系内の平面反射ミラー７、コリメーションミラー１１の冷却手段のいずれかもしくは全てに、図１に示した冷却手段を適用したものである。もちろん本発明に係るミラー冷却手段の適用は、全反射ミラー３、平面反射ミラー７、コリメーションミラー１に限定されるものではなく、レーザ加工装置に配置された反射型ミラー全てに適用可能である。図１（ａ）はレーザがミラーに照射される前の状態で、図１（ｂ）はレーザが照射されている状態で、ミラー断面中の温度分布およびそれに伴うミラーの熱変形による曲率変化を示している。

図１において、７１は反射型ミラー、７２は反射型ミラー７１の側面のみと接して反射型ミラー７１を保持し冷却水が通水できるミラーの冷却手段であるミラー冷却ホルダー、７３はミラー冷却ホルダーに冷却水を通水する冷却水入口、７４はミラー冷却ホルダーに通水した冷却水を排水する冷却水出口である。７７はミラー押さえであり、反射型ミラー７１の裏面の周辺部以外を空気中に暴露させるように大きな穴が開きミラー７１の裏面周辺部のみと接して全反射ミラー７１を保持している。７５はレーザ光、７６はミラー断面中の温度分布を表す等温曲線を模式的に示したものである。図１（ｂ）において、レーザ光７５の反射型ミラー７１による反射後の点線は理想的なビーム発散角で、実線はミラー７１の曲率変化によるビーム発散角が変化したときの例である。本発明は上記のような構成を採用することにより、ミラーの側面を冷却し裏面を冷却しない構造とすることができる。

これに対し、図２に従来の冷却構造でのミラー表面、裏面の温度分布およびそれに伴うミラーの熱変形による曲率変化を示した。図２（ａ）はレーザがミラーに照射される前の状態で、図２（ｂ）はレーザが照射されている状態を示している。図１と同一部分は同一符号を付して説明は省略する。図２において、７２はミラー冷却ホルダーでミラー７１の側面および裏面に接してミラー７１を保持している。レーザ光７５がミラー７１に照射すると、ミラー表面がビームによって熱せられる一方、ミラー裏面は冷却媒体によって冷却される。これにより、表裏の温度差が大きくなり等温曲線７６は表から裏にわたって図２（ｂ）に示すように密な状態となり温度勾配がきつくなる。従って、温度勾配が大きいためミラーの体積膨張の表裏差も大きくなり、図２（ｂ）に示したとおりミラーの熱変形による曲率変化も大きくレーザビームの発散角の変化も大きくなる。

一方、本発明に係る冷却手段では、ミラーの側面を冷却し、ミラーの裏面（反射面とは逆の面）は冷却しない構造としたため、従来の冷却構造と比較してミラーの表裏の温度差が小さく、図１（ｂ）に示したとおり等温曲線７６の間隔は表から裏にわたって疎な状態となり温度勾配が緩やかとなる。従って、温度勾配が緩やかなためミラーの体積膨張の表裏差が少なくなり、図１（ｂ）に示したとおり図２（ｂ）に比較してミラーの熱変形による曲率変化を低減でき、レーザビームの発散角の変化も小さくなる。これにより、ワーク上に集光されたレーザビームのビーム径の変化を抑制でき、安定したレーザ加工ができる。

本実施の形態では、ミラーの裏面は外気中に曝した状態にて冷却しない構成としたが、図３のようにミラーの裏面を断熱性の良い材料７８（例えば、セラミックやグラスウール等）にて覆っても良い。外気中に曝した状態では空気の対流により僅かながらもミラー裏面の温度は低下するので、ミラー裏面を断熱材にて覆うことで更にミラー裏面の温度低下を防止でき、図１の構成よりも更にミラーの熱変形を低減することができる。もちろん、他の実施の形態においても反射型ミラーの冷却を実施する場合は、断熱材でミラー裏面を覆うことにより同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態２．
図４は、本発明を実施するための実施の形態２におけるレーザ加工装置のミラー冷却手段を示すものである。図４（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は正面図である。本形態のレーザ加工装置の基本的な構成は図７と同様であるが、反射型ミラーまたは透過型ミラーもしくはレンズであるレーザ発振器１内の全反射ミラー３、部分反射ミラー４、前記光学系内の平面反射ミラー７、コリメーションミラー１１、加工ヘッド８内の集光レンズ９のいずれかもしくは全ての冷却手段に、図４に示した冷却手段を適用したものである。もちろん本発明に係るミラー冷却手段の適用は、全反射ミラー３、平面反射ミラー７、コリメーションミラー１に限定されるものではなく、レーザ加工装置に配置された反射型ミラーまたは透過型ミラーもしくはレンズ全てに適用可能である。本実施の形態は実施の形態１と同様にミラーの側面を冷却し、裏面は冷却しない構造であるが、冷却能力の向上も可能としたものである。

図４において、５１は透過型ミラー、５２は透過型ミラー５１の側面に冷却水を通水する経路の一部を構成しかつ冷却水の入水および出水の経路を備えＯリングを介して透過型ミラー５１を保持する水冷フランジ、５３は透過型ミラー５１の側面に冷却水を通水する経路の一部を構成しＯリングを介して透過型ミラー５１を保持するミラーホルダー、５４は水冷フランジ５２に設けられた冷却水入口、５５は水冷フランジ５２に設けられた冷却水出口、５６は透過型ミラー５１とミラーホルダー５３の隙間から冷却水が洩れ出すことを防ぐＯリング、５７は透過型ミラー５１と水冷フランジ５２の隙間から冷却水が漏れ出すことを防ぐＯリング、５８はミラーホルダー５３と水冷フランジ５２の隙間から冷却水が漏れ出すことを防ぐＯリング、５９は透過型ミラー５１と水冷フランジ５２とミラーホルダー５３とＯリング５６，５７，５８にて囲まれた冷却水経路である。水冷フランジ５２およびミラーホルダー５３とも透過型ミラー５１のレーザビーム５の入射面と出射面または裏面を露出させる必要があるので、開口した形状となっている。また、冷却媒体は水を代表として記述したが、水以外の熱伝達に優れる媒体(オイル、エチレングリコール、またはこれらの混合物等)でも良い。上記図４の説明では５１を透過型ミラーとしたが、反射型ミラーもしくはレンズに置き換えても同様の作用効果が得られる。

次に動作について図４（ｂ）を参照し説明する。水冷フランジ５２に設けられた冷却水入口５４から冷却水が入水され、透過型ミラー５１の側面に接した冷却水経路５９のＡ点に達し、そこから２つの経路に分かれ、透過型ミラー５１の側面に接し透過型ミラー５１の側面を直接冷却しながら透過型ミラー５１の円周上を、一方はＢ点を通過しＤ点に到達し、もう一方はＣ点を通過しＤ点に到達する。Ｄ点に到達した冷却水は水冷フランジ５２に設けられた冷却水出口５５から排水される。このような冷却手段を用いることにより、透過型ミラー５１の側面のみを冷却水により直接冷却することができる。

本実施の形態においては、もともと裏面の冷却を行っていた全反射ミラー３、平面反射ミラー７、コリメーションミラー１１等の反射型ミラーに適用することにより側面のみの冷却を行うことができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態１では、図８に示したような従来の冷却手段に比べミラー冷却ホルダー７２（図８ではミラー押さえ２６にあたる）とミラーとの接触面積が小さくなり冷却能力が低減する可能性があったが、実施の形態１では冷却水による間接冷却であったものを、本実施の形態では冷却水による直接冷却を実施することにより実施の形態１より更に冷却効果が向上しミラーの熱変形を更に低減できる。これにより、ワーク上に集光されたレーザビームのビーム径の変化を更に抑制でき、更に安定したレーザ加工ができる。

また、部分反射ミラー４、集光レンズ９等の透過型ミラーもしくはレンズにおいては、図９に示したような従来の冷却構造はミラーを間接的に冷却する構造であるため、ミラーと冷却板の間の接触熱抵抗によって冷却効果が減少する上、ミラーと冷却板の接触面積を大きくとることが困難なためさらに冷却が不十分であったが、本実施の形態においてはミラーを直接冷却することにより接触熱抵抗の問題も解消され冷却効果の向上ができる。これにより、ミラーもしくはレンズの熱変形による曲率変化を抑え、安定した加工を実現でき、また高出力レーザ光の使用によってもミラーもしくはレンズの熱破壊を防止することができる。

本実施の形態を示す図４では、ミラーの側面は平面にて形成されているが、例えば図５（ａ）のようにＵの字の溝を形成したり図５（ｂ）のように複数のスリットを設けたりしても良い。このようにミラー側面に凹凸形状を施すことにより、側面の表面積が大きくなり冷却水との接触面積が増えることにより冷却効果を向上させることができる。

実施の形態３
図６は、本発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ加工装置のミラー冷却手段を示すものである。図６（ａ）は横断面図、図６（ｂ）は正面図である。本実施の形態は実施の形態２の変形例である。図６において、６１は透過型ミラー、６５は透過型ミラー６１の内部の周辺部に円状に設けた冷却水経路、６２は透過型ミラー５１の側面と接し透過型ミラー５１を保持しかつ透過型ミラー５１に設けられた冷却水経路６５に冷却水を入水および排水する経路を備えたミラーホルダー、６３は透過型ミラー５１の周辺部と接し透過型ミラー５１を保持するミラー押さえ、６４は透過型ミラー６１をミラー押さえ６３に密着・固定するためのＯリングである。動作については実施の形態２とほぼ同様であり、図６（ｂ）において、冷却水入口→Ａ点→Ｂ点→Ｄ点→冷却水出口、という経路と、冷却水入口→Ａ点→Ｃ点→Ｄ点→冷却水出口、という経路の２つの経路を冷却水が通ることにより、ミラー周辺部をミラー内部からミラーに直接接して冷却するものである。上記図６の説明では６１を透過型ミラーとしたが、実施の形態２と同様に反射型ミラーもしくはレンズに置き換えても同様の作用効果が得られる。

本実施の形態では、ミラー内部に形成された冷却水経路を設ける構造であるため、ミラーの周辺を直接冷却することにより実施の形態２と同等の効果が得られると共に、実施の形態２に比べて水洩れの心配が少なく、またＯリングの数の低減といったミラーホルダー等の周辺構造が簡素化できる。

本発明の実施の形態１に基づくミラー冷却構造の横断面図とミラー熱変形図。従来のミラー冷却構造の横断面図とミラー熱変形図。ミラー裏面を断熱材で覆ったミラー冷却構造の横断面図。本発明の実施の形態２に基づくミラー冷却構造を示す構成図。ミラー側面を凹凸形状としたミラー冷却構造の横断面図。本発明の実施の形態３に基づくミラー冷却構造を示す構成図。従来のレーザ加工装置を示す構成図。従来の反射型ミラーの冷却構造図。従来の透過型ミラーの冷却構造図。

符号の説明

１レーザ発振器、６コリメーション装置、７平面反射ミラー、８加工ヘッド、５１透過型ミラー、５２水冷フランジ、５３ミラーホルダー、５９冷却水経路、６１透過型ミラー、６２ミラーホルダー、６３ミラー押さえ、６５冷却水路、７１反射型ミラー、７２ミラー冷却ホルダー、７７ミラー押さえ

Claims

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたレーザビームを被加工物へ照射する加工ヘッドと、
前記レーザ発振器から前記加工ヘッドへとレーザビームを導く光学系と、
前記レーザ発振器と前記加工ヘッドと前記光学系の少なくともいずれか１つに配置された反射型ミラーと、
前記反射型ミラーのレーザビーム入射面の周辺部を第１のＯリングを介して前記反射型ミラーを保持する第１の保持手段と、
前記入射面と反対側の裏面の周辺部を第２のＯリングを介して前記反射型ミラーを保持する第２の保持手段とを備え、
前記反射型ミラーの側面と前記第１および第２のＯリングと前記第１および第２の保持手段にて囲まれた冷却水路に冷却媒体を流し、前記反射型ミラーの側面を冷却するレーザ加工装置。
前記反射型ミラー側面に凹凸形状を形成したことを特徴とする、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたレーザビームを被加工物へ照射する加工ヘッドと、
前記レーザ発振器から前記加工ヘッドへとレーザビームを導く光学系と、
前記レーザ発振器と前記加工ヘッドと前記光学系の少なくともいずれか１つに配置された反射型ミラーと、
前記反射型ミラーのレーザビーム入射面の周辺部を第１のＯリングを介して前記反射型ミラーを保持する第１の保持手段と、
前記入社面と反対側の裏面の周辺部を第２のＯリングを介して前記反射型ミラーを保持する第２の保持手段とを備え、
前記反射型ミラーの周辺部に円状の冷却媒体経路を設け、該冷却媒体経路に冷却媒体を流し前記反射型ミラーを冷却するレーザ加工装置。
前記反射型ミラーの裏面を空気中に暴露したことを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記反射型ミラーの裏面を断熱材にて覆ったことを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記反射型ミラーを透過型ミラーもしくはレンズに置き換えたことを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。