JP5302998B2 - ウォータービーム加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォータービーム加工装置に係り、特に、コリメート径調整機構を備えたウォータービーム加工装置に関する。

ウォータービーム加工装置は、ノズルから水等の噴流液体を噴射して噴流液柱（ウォータジェット）を形成し、この噴流液柱内に導かれたレーザー（ウォータービーム）によってワークを加工する。このため、ウォータービーム加工装置は、噴流液柱内に的確にレーザーを導くために、レーザー照射源から照射されたレーザーをコリメートレンズにより一度平行光まで絞った後、さらに集光レンズによりノズル孔にレーザーを集光させている。

このようなウォータービーム加工装置では、噴流液柱内に的確にレーザーが導光されないと、ノズルを損傷し、レーザー出力が減衰してワークの加工精度に影響を及ぼすため、レーザーの光軸を調整するミラーやノズルまたは集光レンズの軸方向位置を移動させて集光点を調整する機構が設けられている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００９−９５８８４号公報（段落０１１５〜０１１９、図２３） 特開２００７−６１９１４号公報（請求項１、段落０００７，０００８、図１）

しかしながら、従来の装置において、レーザー照射源から照射されるレーザーの受光部（アパチャ）とコリメートレンズは、ユニット化された一体の筒形状部材となっており、レーザーの光量を調整して集光点を合わせるために、ミラーで調整したり、ノズルや一体の筒形状部材からなる光学系を移動して調整したりすると、調整機構が複雑になり、調整作業が煩雑になるといった課題があった。

さらに、アパチャやコリメートレンズ等の光学系がユニット化された従来の一体の筒形状部材では、アパチャがカットしたレーザーによって発生する熱により筐体が熱変形することによって光学系の精度に影響を及ぼしレーザーの集光点がずれてしまうといった課題があった。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべく、高精度な集光調整が可能なウォータービーム加工装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、レーザーを照射するレーザー照射源と、このレーザー照射源を移動させて照射されたレーザーの焦光点を調整する移動テーブルと、開口部を通過する前記レーザーの光量を調整するアパチャと、このアパチャを通過したレーザーを集光させるコリメートレンズおよび集光レンズからなるレンズユニットと、噴流液体を噴射して噴流液柱を形成するノズルと、を備え、前記レンズユニットにより集光されたレーザーを前記噴流液柱内に導いて加工するウォータービーム加工装置であって、前記移動テーブルは、前記レーザーの光軸に直交するＸＹ平面内、および前記光軸方向に沿うＺ軸方向に移動可能なＸＹＺ軸移動テーブルであり、前記アパチャと前記レンズユニットとの前記光軸方向における距離を調整して前記コリメートレンズに到達するレーザー径を調整するコリメート径調整機構を備え、前記コリメート径調整機構は、前記レンズユニットおよび前記ノズルをベース部材に固定して配設し、前記アパチャを前記レンズユニットに対して前記光軸方向に移動自在に前記ベース部材に配設し、前記レンズユニットに対して前記アパチャを移動させて、当該アパチャと前記コリメートレンズとの前記光軸方向における距離を調整し、前記アパチャは、前記レンズユニットから分離した別体として構成し、前記レーザー照射源の照射口から前記コリメートレンズまでの距離は、前記集光レンズから前記ノズルまでの距離よりも長いこと、を特徴とする。

本発明に係るウォータービーム加工装置によれば、前記コリメート径調整機構を備えたことで、前記レンズユニットによるコリメート径を自在に調整することができるため、要求されるコリメート径ごとにアパチャを交換することなく、ワークの加工条件に合わせて容易に最適なコリメート径を採択することができる。
そして、最適なコリメート径を採択することで、ノズルに導光されるレーザーのビーム品質を好適に調整して、高精度な集光調整を実現しワークの加工品質を向上させることができる。

また、レーザーの焦光点を調整するＸＹＺ軸移動テーブルを備えたことで、集光調整のためにノズルやレンズユニットを移動させる必要がないので、ノズルおよびレンズユニットを固定して配設することができるため、集光点のずれを防止して精度管理が容易で高精度な集光調整が可能となる。さらに、調整された集光点を安定して維持することができる。

本発明によれば、前記アパチャをレンズユニットから分離した別体としたことで、アパチャをレンズユニットから離隔させることができるため、アパチャで遮蔽されたレーザーによるアパチャの発熱がレンズユニットに伝達されるのを効果的に抑制することができる。
このため、本発明に係るウォータービーム加工装置は、レンズユニットに及ぼす熱影響を低減することで、レンズユニットの熱歪みを抑制して、より精度管理が容易で高精度な集光調整が可能となる。

また、前記レンズユニットおよび前記ノズルをベース部材に固定したことで、レンズユニットとノズルとの位置関係を高精度に確保することができる。
このため、本発明に係るウォータービーム加工装置は、集光点の位置ずれの範囲を狭くすることができるため、コリメート径調整機構によりコリメート径を調整し、ＸＹＺ軸移動テーブルにより集光点を調整することで、精度管理が容易で高精度な集光調整が可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のウォータービーム加工装置であって、前記アパチャを冷却する冷却装置を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、前記アパチャを冷却する冷却装置を備えたことで、レンズユニットに伝達される熱の影響をより効果的に低減することができるため、レンズユニットの熱歪みを抑制して、より精度管理が容易で高精度な集光調整が可能となる。

本発明に係るウォータービーム加工装置は、レンズユニットを強固に固定した状態でコリメート径および集光点を調整することができるため、集光点のずれを防止して精度管理が容易で、高精度な集光調整が可能となる。さらに、調整された集光点を安定して維持することができる。

本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置における主要な構成を説明するための正面断面図であり、集光点が調整された状態を示す。 図１の状態からアパチャを上昇させた状態を示す正面断面図である。 図１の状態からアパチャを下降させた状態を示す正面断面図である。 本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置における集光調整方法を説明するための要部を示した正面断面図であり、アパチャを移動させるコリメート径調整工程を示す。 本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置における集光調整方法を説明するための要部を示した正面断面図であり、ＸＹＺ軸移動テーブルを移動させる集光点調整工程を示す。

本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置１について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明の便宜上、図１における左右方向をＸ軸方向、紙面奥行き方向をＹ軸方向、および上下方向をＺ軸方向として表記する。

本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置１は、図１に示すように、ノズル６から噴流液体ＷＲを噴射して噴流液柱ＷＪ（ウォータジェット）を形成し、集光されたレーザーＬを噴流液柱ＷＪ内に導いて、この噴流液柱ＷＪ内に導かれたレーザーＬ（ウォータービームＷＢ）によってワーク（不図示）を加工する装置である。
ウォータービーム加工装置１は、ファイバ１２から照射されたレーザーＬをコリメートレンズ４１および集光レンズ４２によりノズル６の入口開口部６ａに集光して、レーザーＬを噴流液柱ＷＪ内に導いている。

ウォータービーム加工装置１は、図１に示すように、レーザー発振器１１と、レーザーＬを照射するレーザー照射源であるファイバ１２と、ファイバ１２を移動させるＸＹＺ軸移動テーブル２と、フレームとして機能するベース部材１３と、開口部３１が形成されたアパチャ３と、アパチャ３を冷却する冷却装置３２と、レーザーＬを集光させるコリメートレンズ４１および集光レンズ４２からなるレンズユニット４と、アパチャ３を移動させるコリメート径調整機構５と、噴流液体ＷＲを噴射するノズル６と、噴流液体ＷＲを増圧して高圧室１３ａに供給する高圧ポンプＰと、集光点を確認するための集光検出装置であるレーザー出力計測装置８と、ＸＹＺ軸移動テーブル２、コリメート径調整機構５、およびレーザー出力計測装置８、その他の関連装置の動作を制御する制御装置９と、を備えている。

レーザー発振器１１は、グリーンレーザー発振器を採用している。グリーンレーザーは、水を通過しやすく、水に吸収されにくい特性を有するため、噴流液体ＷＲとして水を使用する場合には、ウォータービーム加工装置１のレーザーＬとして好適に使用することができる。
ファイバ１２は、光ファイバケーブルであり、レーザー発振器１１から発振されたレーザーＬを導光して照射口１２ａから照射する。

ＸＹＺ軸移動テーブル２は、レーザーＬの光軸Ｌ０に直交する水平方向のＸＹ平面内で移動自在なＸＹ軸移動テーブル２１と、光軸Ｌ０に沿うＺ軸方向に移動可能なＺ軸移動テーブル２２と、を備えている。
ＸＹＺ軸移動テーブル２は、ＸＹ軸移動テーブル２１にＺ軸移動テーブル２２を載置し、Ｚ軸移動テーブル２２にファイバ１２を固定して、制御装置９によりファイバ１２をＸＹＺ軸方向に移動させるようになっている。

ベース部材１３は、アパチャ３やレンズユニット４を固定する部材であり、内部には高圧の噴流液体ＷＲが貯留される高圧室１３ａが形成され、高圧室１３ａの上部にはレーザーＬ２が導入される導入窓１４が配設されている。
導入窓１４は、レーザーＬ２を透過させて高圧室１３ａ内まで導くための部材であり、一般にサファイヤやガラス部材等を採用することができる。

アパチャ３は、所定の開口径を有する開口部３１においてレーザーＬの一部を遮蔽し（Ｌ１参照）、必要量のレーザーＬを通過させて（Ｌ２参照）、通過するレーザーＬの光量およびビーム品質を調整する光学機器であり、開口部３１を通過したレーザーＬ２がコリメートレンズ４１に到達する。
アパチャ３は、上下方向に移動自在にコリメート径調整機構５に支持され、レンズユニット４から分離した別体として構成されている。

冷却装置３２は、アパチャ３の周囲に冷媒の流通路３２ａを設けて、アパチャ３を冷却する装置であり、冷媒として空気を用いる空冷式やクーラントを用いる水冷式等の種々の形式を適宜採用することができる。
ウォータービーム加工装置１では、アパチャ３がレンズユニット４から分離した別体として構成されているため、アパチャ３を効率よく冷却してレンズユニット４に対する熱影響を効果的に抑制することができる。具体的には、ＸＹＺ軸方向におけるレンズユニット４における熱歪みをそれぞれ２μｍ以下に低減することが可能である。このため、精度管理が容易で、高精度な集光調整が可能となる。

レンズユニット４は、コリメートレンズ４１および集光レンズ４２を円筒状の筐体４ａに収容し一体としてユニット化した光学機器であり、ベース部材１３に形成された位置決め部１３ｂ（突き当てや印籠）を利用して位置決め固定されている。かかる構成により、レンズユニット４を安定して強固にベース部材１３に固定することができるため、位置ずれを効果的に防止して精度管理が容易で、高精度な集光調整が可能となり、しかも調整された集光点を安定して維持することができる。

コリメートレンズ４１は、アパチャ３を通過したレーザーＬ２を平行光Ｌ３にするレンズであり、本実施形態においては１枚構成としたが複数枚で構成することもできる。コリメートレンズ４１により形成された平行光Ｌ３の径をコリメート径ｄという。
集光レンズ４２は、平行光Ｌ３をノズル６に集光してレーザーＬ３を噴流液柱ＷＪ内に導くレンズであり、本実施形態においては１枚構成としたが複数枚で構成することもできる。平行光Ｌ３は、集光レンズ４２により、導入窓１４から高圧室１３ａを通ってノズル６の入口開口部６ａに集光される。

なお、本実施形態においては、レンズユニット４を直胴型の円筒状をなした筐体４ａに収容したが、これに限定されるものではなく、Ｌ形やクランク形状をなした筐体に収容し、ミラーによりレーザーＬの照射方向を変える構成を採用することもできる。

コリメート径調整機構５は、アパチャ３を光軸Ｌ０の方向に移動して、アパチャ３とレンズユニット４との光軸Ｌ０方向における距離を調整することで、コリメートレンズ４１に到達するレーザー径（コリメート径ｄ）を調整する機構である。
コリメート径調整機構５は、アパチャ３を支持する支持部材５１と、支持部材５１を光軸Ｌ０の方向に移動自在にガイドするガイド部材５２と、を備え、制御装置９により支持部材５１を光軸Ｌ０の方向に移動させることができるようになっている。

かかる構成により、図２と図３に示すように、アパチャ３を上方へ移動させるとコリメート径ｄを拡大してレーザーＬ２の出力を増大させることができ（図２参照）、集光点における集光角度θ１も拡大する。一方、アパチャ３を下方へ移動させるとコリメート径ｄを縮小してレーザーＬ２の出力を減少させることができ、集光点における集光角度θ２は減少する（図３参照）。

ノズル６は、ベース部材１３の下部に装着され、高圧ポンプＰから高圧室１３ａに供給された高圧の噴流液体ＷＲを入口開口部６ａから導入して噴射し、噴流液柱ＷＪ（ウォータジェット）を形成する部材である。
入口開口部６ａのノズル径は、例えば１００〜２００μｍ程度であり、入口開口部６ａの上面の中心に合わせてレーザーＬ２を集光させた場合にウォータービームＷＢのレーザー出力が最大（ジャストフォーカス）となる。

集光検出装置は、ノズル６の入口開口部６ａにレーザーＬ２が集光されているかどうかを確認するための装置であり、例えば、噴流液柱ＷＪ内に導かれたレーザーＬ（ウォータービームＷＢ）の光量およびビーム品質を検出するレーザー出力計測装置８を採用し、ウォータービームＷＢの出力が最大となるように集光調整することができる。

なお、本実施形態においては、集光検出装置としてレーザー出力計測装置８を採用したが、これに限定されるものではなく、集光点（ノズル６の入口開口部６ａ）をカメラで撮像する装置を採用し、ノズル６の入口開口部６ａとレーザーＬの集光点のずれを観察して集光調整することもできる。このように、集光検出装置は、適宜仕様に合わせて公知の手段を採用することができるため、詳細な説明は省略する。

続いて、本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置１における噴流液柱ＷＪにレーザーを導くための集光調整方法について、主として図１と図４および図５を参照しながら説明する。
参照する図１は、コリメート径調整工程および焦光点調整工程が終了して集光調整が完了した状態を示す。図４は、コリメート径調整工程を示し、（ａ）は調整前の状態を示し、（ｂ）は調整後の状態を示す。図５は、焦光点調整工程を示し、（ａ）はファイバ１２の上下方向を調整した状態を示し、（ｂ）はファイバ１２の水平方向を調整してすべての調整が完了した状態を示す。なお、図４と図５において、説明の便宜上、レーザーＬの照射方向等におけるずれ量を強調して表示しているが、基本的に極めて微調整の範囲である。

図４（ａ）に示す調整前の状態では、ファイバ１２の照射口１２ａの位置が図１に示す調整後の位置から上下方向にδ１、水平方向にδ２だけ光軸Ｌ０からずれている。また、アパチャ３の上下方向の位置も図１に示す調整後の状態よりも上方にずれている。
このため、コリメートレンズ４１に到達するレーザー径ｄ１が図４（ｂ）に示す調整後のコリメート径ｄよりも大きくなりすぎている。最初に、コリメート径調整工程によりコリメート径ｄを調整する。

コリメート径調整工程は、図４に示すように、コリメート径調整機構５により、アパチャ３を光軸Ｌ０の方向に移動して、アパチャ３とレンズユニット４との光軸Ｌ０方向における距離を調整して、コリメートレンズ４１に適合するようにコリメート径ｄ（図１）を調整する工程である。
具体的には、図４（ｂ）に示すように、レーザー出力計測装置８（図１）によりウォータービームＷＢ（図１）の出力を検出しながら、コリメート径調整機構５によりアパチャ３を下方に移動させて予め設定したコリメート径ｄおよびウォータービームＷＢの設定出力が得られるように調整する。

図４（ｂ）に示すコリメート径ｄの調整が完了した状態では、焦光点調整工程が完了していないので、ファイバ１２の照射口１２ａの位置が図１に示す調整後の位置から上下方向にδ１、水平方向にδ２だけ光軸Ｌ０からずれているため、ノズル６の入口開口部６ａに対して集光点が、上下方向にδ１′、水平方向にδ２′だけずれている。

ここで、ノズル６の入口開口部６ａにおける上下方向のずれδ１′、および水平方向のずれδ２′は、それぞれ、ファイバ１２の照射口１２ａにおける上下方向のずれδ１、および水平方向のずれδ２よりも小さくなるように、それぞれの位置関係が設定されている。つまり、ファイバ１２の照射口１２ａの位置は、レンズユニット４とノズル６の距離よりもレンズユニット４から遠くなるように設定されている。かかる構成により、高精度な集光調整が可能となる。

集光点調整工程は、図５に示すように、ＸＹＺ軸移動テーブル２により、ファイバ１２の照射口１２ａの位置ずれを調整して、レーザーＬ２の集光点を調整してノズル６の入口開口部６ａに合わせる工程である。
具体的には、集光点調整工程では、レーザー出力計測装置８により、噴流液柱ＷＪ内に導かれたレーザーＬ２（ウォータービームＷＢ）の出力を検出しながら、ウォータービームＷＢの出力が最大となるように集光調整して、レーザーＬ２の集光点をノズル６の入口開口部６ａに合わせている。

図５（ａ）は、図４（ｂ）の状態からＺ軸移動テーブル２２により、ファイバ１２を下方に移動させて、ファイバ１２の照射口１２ａの位置を調整し、ノズル６の入口開口部６ａにおける上下方向の位置の調整が完了した状態である。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態からＸＹ軸移動テーブル２１により、ファイバ１２を図の左方向に移動させて、ファイバ１２の照射口１２ａの水平方向の位置を調整し、ノズル６の入口開口部６ａにおける集光調整が完了した状態である。

なお、本実施形態においては、集光点調整工程において、上下方向の調整（図５（ａ）参照）をしてから水平方向の調整（図５（ｂ）参照）を行い両方向の調整を別々に実行したが、水平方向の調整をしてから上下方向の調整を行ってもよいし、両方向の調整を同時に実行してもよい。

本発明の実施形態に係るウォータービーム加工装置１は、以下のような作用効果を奏する。すなわち、ウォータービーム加工装置１は、コリメート径調整機構５を備えたことで、レンズユニット４によるコリメート径ｄを自在に調整することができるため、要求されるコリメート径ｄごとにアパチャ３を交換することなく、ワーク（不図示）の加工条件に合わせて容易に最適なコリメート径ｄを採択することができる。

そして、最適なコリメート径ｄを設定することで、ノズル６に導光されるレーザーＬのビーム品質を好適に調整して、ワーク（不図示）の加工品質を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、コリメート径調整工程（図４参照）の後で集光点調整工程（図５参照）を実行することとしたが、これに限定されるものではなく、工程順を変えて集光点調整工程の後でコリメート径調整工程を実行してもよいし、予め集光点調整工程により仮調整をした後に本実施形態のようなコリメート径調整工程と集光点調整工程を実行してもよいし、コリメート径調整工程の後で集光点調整工程を実行し、さらにコリメート径調整工程を実行してもよいし、これらの工程を繰り返し実行してもよい。

本実施形態においては、アパチャ３の開口部３１の開口径を固定して、コリメート径調整機構５によりアパチャ３を上下方向に移動させてコリメート径ｄを調整したが（図４参照）、これに限定されるものではなく、アパチャ３を上下方向に移動させずに複数枚の絞り羽根を重ね合わせた絞り機構（不図示）により、開口部３１の開口径を可変してコリメート径ｄを調整するものであってもよいし、アパチャ３を上下方向に移動させる機構と絞り機構を両方とも備えてコリメート径調整機構を構成することもできる。

１ ウォータービーム加工装置
２ ＸＹＺ軸移動テーブル（移動テーブル）
３ アパチャ
４ レンズユニット
５ コリメート径調整機構
６ ノズル
６ａ 入口開口部
８ レーザー出力計測装置（集光検出装置）
９ 制御装置
１１ レーザー発振器
１２ ファイバ（レーザー照射源）
１３ ベース部材
３１ 開口部
３２ 冷却装置
４１ コリメートレンズ
４２ 集光レンズ
Ｌ０ 光軸
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザー
Ｌ３ 平行光（レーザー）
ＷＪ 噴流液柱（ウォータジェット）
ＷＢ ウォータービーム
ＷＲ 噴流液体
ｄ コリメート径

Claims (2)

1. レーザーを照射するレーザー照射源と、
   このレーザー照射源を移動させて照射されたレーザーの焦光点を調整する移動テーブルと、
   開口部を通過する前記レーザーの光量を調整するアパチャと、
   このアパチャを通過したレーザーを集光させるコリメートレンズおよび集光レンズからなるレンズユニットと、
   噴流液体を噴射して噴流液柱を形成するノズルと、を備え、前記レンズユニットにより集光されたレーザーを前記噴流液柱内に導いて加工するウォータービーム加工装置であって、
   前記移動テーブルは、前記レーザーの光軸に直交するＸＹ平面内、および前記光軸方向に沿うＺ軸方向に移動可能なＸＹＺ軸移動テーブルであり、
   前記アパチャと前記レンズユニットとの前記光軸方向における距離を調整して前記コリメートレンズに到達するレーザー径を調整するコリメート径調整機構を備え、
   前記コリメート径調整機構は、
   前記レンズユニットおよび前記ノズルをベース部材に固定して配設し、
   前記アパチャを前記レンズユニットに対して前記光軸方向に移動自在に前記ベース部材に配設し、
   前記レンズユニットに対して前記アパチャを移動させて、当該アパチャと前記コリメートレンズとの前記光軸方向における距離を調整し、
   前記アパチャは、前記レンズユニットから分離した別体として構成し、
   前記レーザー照射源の照射口から前記コリメートレンズまでの距離は、前記集光レンズから前記ノズルまでの距離よりも長いこと、
   を特徴とするウォータービーム加工装置。
2. 前記アパチャを冷却する冷却装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のウォータービーム加工装置。

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