JP6091419B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、導電性材料から形成されたセンサ部のための取付部と、絶縁材料から作製された、好ましくはプラスチックから作製された電気遮蔽用の外方絶縁部と、放射線シールドとして外方絶縁部内に挿入される内方絶縁部とを備える、レーザ加工マシン用のレーザ加工ヘッドに関する。

本出願は、２０１０年１０月２０日に出願された先行の米国特許仮出願第６１／４０５，１１２号に基づく優先権の利益を主張するものである。また、本出願は、本出願の非仮出願として２０１０年１０月２０日に出願された先行の欧州特許出願第１０１８８１９８号に基づく優先権の利益を主張するものである。欧州特許出願第１０１８８１９８号および米国特許仮出願第６１／４０５，１１２号の全体を、本明細書に全く同様に明記されたものとして、あらゆる意味および目的において、参照により完全に本明細書に明示的に組み込む。

レーザ加工マシンにおける高出力密度により、複数の要件が、レーザ加工ヘッドに対して同時に課せられる。

第１に、レーザ加工ヘッドの内側は、レーザ切断の際に高い放射線負荷に継続的にさらされるため、これに応じて保護することが必要となる。さらに、レーザ加工ノズルと機械加工すべき工作物との間の距離の測定を行うために、過酷な条件下においてもやはり高い信頼性で作動するセンサ機構を設けることが必要となる。通常は、この距離測定は、静電容量に基づき行われる。すなわち、レーザ加工ヘッドまたはセンサ部によりおよび工作物により形成される静電容量が、測定される。通常は、これは、結果的に得られる共振回路の周波数測定を介して行われる。誤った結果を受け取ることがないように、レーザ加工ヘッドは、外方において電気的に絶縁されなければならない。

現行では、一般的には、セラミックの部品が、切断ヘッドおよびマシンの残りの部分から切断ノズルを電気的に絶縁するために使用される。セラミックは、容易に破損するため、プラスチックが、代替品として有用である。

先行文献の特許文献１は、レーザ加工マシン用のセンサ装置を開示している。上述の電気絶縁に関して、この公開済みの文献は、プラスチック、換言すれば非導電性材料から、レーザ加工ヘッドの外部ケースを作製することを示唆している。

さらなる措置を伴わないことにより、このケースの内側またはレーザチャネルの壁部は、強烈なレーザ放射線に継続的にさらされることとなる。プラスチックは、放射線に関して十分な抵抗性を有さないため、放射線による損傷により、プラスチックの経年劣化が早まり、レーザ加工ヘッドの定期的な交換が必要となるため、非常にコストがかかると同時にメンテナンスコストも大きくなる。

この問題を回避するために、特許文献１は、レーザ放射線および／または熱から保護するための非導電性の耐熱材料から作製された、内方シールドまたは追加的な内方絶縁部の使用を示唆している。この内方絶縁部は、プラスチックから作製された外方絶縁部内に、管状セクションの形態で挿入される。石英ガラスおよびセラミックが、適切な材料として挙げられる。

プラスチックから作製された外方絶縁部は、電気遮蔽用に使用され、非導電性耐熱材料から作製された内方遮蔽部は、レーザ放射線および／または熱から遮蔽するために使用される。

しかし、使用されるこれらの材料は、それらの耐放射線性特徴および機械的特徴の両方の点で最適ではない。スイッチオン状態とスイッチオフ状態との間の温度差が常に高いことにより、これらの材料は、疲労する、クラックを生じる、または完全に破損する。その結果、早めの交換が避けられない。

特許文献２は、中央通路を有する絶縁材料のレセプタクルを有するレーザ切断ヘッド用のノズルアセンブリを開示している。このレセプタクルは、ノズルを取り付けるための導電性材料のインサートを保持する。ノズルは、電極としての役割を果たし、これは、インサートおよびレセプタクル内に延在する導体を介して、測定装置および制御装置に接続される。絶縁材料のレセプタクルは、追加の内方シールドを収容しない。レセプタクルは、切断ヘッドに螺合し得る結合部により、切断ヘッドのネックに対して保持される。レセプタクルとネックとの間に直接的な機械的連結は存在しない。ネックからレセプタクルを着脱自在にする結合部により、間接的な連結が得られるに過ぎない。かかるレーザ切断ヘッドの欠点は、レセプタクルの内方表面を覆う何らかの追加的なシールドを欠く点であると理解することができる。ネックの下方部は、レセプタクルの内方表面の上方部分のみを覆い、レーザ切断ヘッドに対してレセプタクルを中心に位置決めするための凹部としての役割を果たすに過ぎない。ネック部分が放射線により破壊された場合には、交換することが必要となる。しかし、ネックは、レセプタクルが取り外された場合にのみアクセス可能となるため、およびネックは、レーザ切断ヘッドから着脱自在ではないため、交換のための時間およびコストが、極めて高い。

特許文献３は、レーザ切断デバイスまたはレーザ溶接デバイスを開示しており、このデバイスは、レーザヘッドおよびロボットを有する。レーザは、ロボットに装着される。レーザ光線用のダクトは、ノズル内にて終端するまで追加の内方放射線シールドを有さない。かかるヘッドの寿命は、短くなり、放射線による損傷を被る部品の交換は、非常に費用がかかる。

特許文献４は、加工デバイス用の金属製レーザノズルに関する。レーザヘッドを外部に対して電気的に絶縁するために、電気絶縁材料の外方本体が用意される。しかし、かかるシステムの欠点は、レーザヘッドの他の部分に対するノズル電極の絶縁が施されていない点に存在する。したがって、測定エラーおよび測定アーチファクトが生じる場合がある。

特許文献５は、特許文献２と同様のアセンブリを開示している。

国際公開第２００７／０７３７４５号公報 米国特許第５，１２８，５０８号明細書 米国特許第６，８２２，１８７号明細書 独国特許発明第４０３５４０４号明細書 独国特許発明第４２０１６４０号明細書

本発明は、一方においては耐放射線性を有し、他方においては工作物とレーザ加工ノズルとの間の正確かつ高い信頼性の距離測定を可能にする、レーザ加工ヘッドを提供することにより、これらの欠点を解消することを目的とする。したがって、レーザ加工ヘッドは、以下の特徴、すなわち、放射線に対する効果的な遮蔽による耐久性、ならびに工作物距離測定における高い信頼性および無過失性を併せ持つべきである。さらに、レーザ加工ヘッドは、メンテナンスフリーであり、安価であり、組立が単純なものであるべきである。

これらの目的は、金属から形成されセンサ部から電気的に絶縁された内方絶縁部を有する、冒頭に述べたタイプのレーザ加工ヘッドにより達成される。

レーザ放射線に対する内方シールドとして金属を使用することにより、放射線の損傷作用に対する外方絶縁部の高い信頼性での保護が確保される。それと同時に、レーザ加工ヘッドにおいて転換される熱が、金属の優れた熱伝導性により、効率的におよび均一に分散され、それにより、温度変化により引き起こされるレーザ加工ヘッドの熱応力が、優れて最小限に抑えられ得る。

センサ部から金属製内方絶縁部を電気的に分離することにより、静電容量の判定による工作物距離の測定は、悪影響を被らない。全体部分の絶縁が維持されるが、その理由は、センサホルダとの電気的接触が生じないように、金属製遮蔽部が位置決めされるからである。したがって、外方プラスチック部の絶縁作用は、悪化しない。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドは、大幅により安価に製造され得る。さらに具体的には、例えば真鍮などから作製された金属製スリーブは、セラミックまたは石英ガラスよりも大幅に安価である。この後者の材料と比較した場合に、金属は、機械的に頑丈であり、そのため、製造プロセスの際にも、特定の安全措置を満たす必要はない。

一態様においては、レーザ加工ヘッドは、レーザ加工ヘッド上方部を有し、外方絶縁部、内方絶縁部、および取付部は、このレーザ加工ヘッド上方部に着脱自在に連結されるモジュール体の一部として形成される。レーザ加工ヘッド上方部に対するモジュール体の連結は、リンクとして形成される連結部により達成され得る。外方絶縁部、内方絶縁部、および取付部は、モジュール体を形成するが、このモジュール体は、それ自体またはその一部に何らかの損傷がある場合に、容易におよび時間節約的な態様で交換し得るものである。この目的は、応力を受ける内方シールドを外方絶縁部と共に交換可能にすることである。

一態様においては、内方絶縁部は、外方絶縁部により少なくとも実質的に包囲される。これにより、コンパクトかつ空間節約的なアセンブリがもたらされる。

一態様においては、取付部は、外方絶縁部により少なくとも部分的に包囲される。内方シールドは、上方内方絶縁部および下方取付部により実現され、それにより、少なくとも実質的に、外方絶縁部の内方表面全体が、これらの金属部により覆われる。

一態様においては、少なくとも内方絶縁部を包囲する外方絶縁部の部分が、円筒状外方表面を有する。かかる形状により、空間節約性が向上し、この取付けにより、レーザ加工ヘッド上方部に対する取付け機構が簡素化される。

一態様においては、外方絶縁部は、少なくとも実質的に円筒状の外方表面を有し、これにより、コンパクト性および空間節約性がさらに向上する。

一態様においては、レーザ加工ヘッドは、内方絶縁部と外方絶縁部との間の固定的機械連結を特徴とし、好ましくは、内方絶縁部は、外方絶縁部内に圧入される、接着剤により接合される、または注型される。このようにすることで、内方絶縁部および外方絶縁部は、コンパクトな本体を形成する。内方絶縁部と外方絶縁部との間のかような直接的な連結により、これらの部分を連結するために他の結合手段が不要となる。

本発明の他の構成は、図面および添付の特許請求の範囲において明示される。

参照リストは、本開示の一部である。本発明は、添付の図面に基づき象徴的におよび例としてより詳細に説明される。これらの図面は、結合的かつ包括的な態様で説明される。同一の参照符号は、同一の構成要素を表し、異なる添え字を有する参照符号は、機能的に同一または同様の構成要素を示唆する。

本発明によるレーザ加工ヘッドの絶縁セクションを示す図である。 レーザ加工ヘッド上方部および切断ノズルを有する固定された絶縁セクションを有するレーザ加工ヘッドを示す図である。 レーザ加工マシンを示す図である。

図１は、レーザ加工マシン（図３に図示する）において使用するためのレーザ加工ヘッド１の本発明による絶縁セクションを示す。外方絶縁部４および内方絶縁部５からなるレーザ加工ヘッド１の絶縁セクションは、センサ部３のための取付部２を保持する。好ましくは、センサ部３は、レーザ加工ノズル１３（図２に図示する）と共に単一の共通構成要素を形成する。この場合に、レーザ加工ノズル１３は、同様に金属から構成され、取付部２は、接触ピン６とセンサ部３との間にあるタイプの金属接合面を形成する。取付部２は、円筒状または円錐状の内方孔を有する外方絶縁部４内に配置され、この外方絶縁部４により保持される。

センサ部３およびレーザ加工ノズル１３を組み合わせた構成要素は、導電性中間片１０が挿入された状態で示される例示的な実施形態において、取付部２により保持される。したがって、また、取付部２は、「ホルダ」の意味でも理解される。すなわち、また、取付部２上へのレーザ加工ノズル１３またはセンサ部３の固定は、１つまたは複数の中間片１０の挿入により行うことが可能である。

作動状態においては、センサ部３は、静電容量の１つの極を形成し、静電容量の第２の極は、機械加工すべき工作物１１となる（図３に示すように）。静電容量の判定は、先行技術において本質的に公知であり、例えば米国特許公開第２００８０２６４９１４Ａ１号に対応する特許文献１において説明されている。米国特許公開第２００８０２６４９１４Ａ１号および特許文献１の開示は、本説明において本願に引用して援用する。

接触ピン６は、側部から斜めに外方絶縁部４を貫通し、取付部２と電気接触状態にある。さらに、この取付部２は、ノズル／センサ部構成要素３、１３と電気接触状態にある。したがって、接触ピン６は、静電容量を形成するためにセンサ部３の接触のために使用され、静電容量のサイズは、工作物距離によって決まる。

レーザ加工ヘッド１の絶縁セクションの上方領域においては、金属材料から作製されたスリーブの形態の内方絶縁部５が、外方絶縁部４内に挿入される。内方絶縁部５により包囲される空間は、レーザチャネルとなる。内方絶縁部５は、センサ部３に対して有効に電気的に絶縁される。図示する例示的な実施形態においては、これを目的として、空気ギャップ７が、内方絶縁部５とレーザ加工ノズル用の取付部２またはセンサ部３との間の有効な電気絶縁として設けられる。

また、代替的には、外方絶縁部４から内方に突出する環状ウェブにより、導電性取付部２から内方絶縁部５を離間させることが可能であり、または、追加的な非導電性リングを、挿入することが可能である。

レーザ加工ヘッド１、特に外方絶縁部４および内方絶縁部５ならびにレーザチャネルは、少なくともいくつかのセクションにおいて、円筒状または円錐状に構成される。したがって、内方絶縁部５は、単純な金属製スリーブとして構成することが可能である。また、代替的な設計においては、スリーブは、円錐状、テーパ状、等々の態様で構成することが可能である。

金属製内方絶縁部５は、固定的機械連結が実現するように、外方絶縁部４内に圧入される、接着剤により接合される、または注型されることが可能である。内方絶縁部５について特に好ましい金属は、真鍮、アルミニウム、銅、および高質鋼である。

図２は、押し込まれたまたはねじ込まれたレーザ加工ノズル１３を備えるレーザ加工ヘッド１を示す。絶縁部４および５から形成された絶縁セクションは、レーザ加工ヘッド上方部８に対して着脱自在に連結される。これを目的として、連結部８ａが、リンクとして設けられる。レーザ加工ヘッド上方部８および連結部８ａは、例えば金属から作製することが可能である。図２からわかるように、取付部２に対する、中間片１０に対する、またはセンサ部３に対する連結部８ａの電気絶縁は、外方絶縁部４により得られる。

図１に図示する絶縁セクションは、レーザ加工ヘッド上方部８と取付部２（図２）との間に配置され、これら２つの構成要素を連結する。絶縁セクションの機能は、レーザ加工ヘッド１の残りの部分からセンサ部３を電気的に絶縁することであり、図示する例においてはレーザ加工ヘッド上方部８から電気的に絶縁することである。この機能は、外方絶縁部４により達成される。放射線絶縁として、内方絶縁部５は、放射線および熱から外方絶縁部４を保護する。

レーザ加工ヘッド上方部８の内部のレーザ光線成形光学素子９により、工作物要件に対するレーザ光線の対応した適合化が確保される。

図３は、工作物支持部１２を有するレーザ加工マシンと、工作物支持部１２の上に配置された機械加工すべき工作物１１とを示す。工作物１１は、レーザ加工ヘッド１の頂部にてセンサ部３と共に静電容量を形成する。この静電容量は、制御／評価デバイス１４により測定される。

１ レーザ加工ヘッド、２ センサ部用の取付部、３ センサ部、４ 外方絶縁部、５ 内方絶縁部、６ 接触ピン、７ 空気ギャップ、８ レーザ加工ヘッド上方部、８ａ 連結部、９ レーザ光線成形光学素子、１０ 中間片、１１ 工作物、１２ 工作物支持部、１３ レーザ加工ノズル、１４ 制御／評価デバイス。

Claims (14)

1. レーザ加工マシン用のレーザ加工ヘッド（１）であって、
   導電性材料から形成されたセンサ部（３）のための取付部（２）と、
   電気絶縁材料から作製された、好ましくはプラスチックから作製された電気遮断用の外方絶縁部（４）と、
   前記外方絶縁部内に挿入された放射線シールド（５）と、
   を備え、
   前記放射線シールド（５）は、レーザ放射に対する内方シールドとして導電性金属からなり、前記センサ部（３）および前記レーザ加工ヘッド（１）の全ての残りの導電性部分から電気的に絶縁される、
   ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記放射線シールド（５）は、好ましくは円筒状または円錐状に構成されたスリーブの形態で構成されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記センサ部（３）のための前記取付部（２）は、導電性であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記放射線シールド（５）と前記センサ部（３）との間の電気絶縁のために、環状空気ギャップ（７）が、前記放射線シールド（５）と前記センサ部（３）のための前記取付部（２）との間に設けられることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記放射線シールド（５）と前記センサ部（３）との間の電気絶縁のために、前記外方絶縁部（４）から内方に突出する環状ウェブが、前記放射線シールド（５）と前記センサ部（３）のための前記取付部（２）との間に設けられるか、または、追加の非導電性リングが、前記放射線シールド（５）と前記センサ部（３）のための前記取付部（２）との間に挿入されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ノズル（１３）および前記センサ部（３）は、１つの構成要素へと一体化されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
7. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記センサ部（３）は、少なくとも１つの中間片（１０）により前記取付部（２）に連結されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
8. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッド上方部（８）を有し、前記外方絶縁部（４）および前記放射線シールド（５）は、前記レーザ加工ヘッド上方部（８）と前記取付部（２）との間に絶縁セクションとして配置され、好ましくは、前記絶縁セクションは、前記レーザ加工ヘッド上方部（８）に着脱自在に連結されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
9. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッド上方部（８）を有し、前記外方絶縁部（４）、前記放射線シールド（５）、および前記取付部（２）は、前記レーザ加工ヘッド上方部（８）に着脱自在に連結されるモジュール体の一部として形成されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
10. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記放射線シールド（５）は、前記外方絶縁部（４）により少なくとも実質的に包囲されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
11. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記取付部（２）は、前記外方絶縁部（４）により少なくとも部分的に包囲されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
12. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、少なくとも前記放射線シールド（５）を包囲する前記外方絶縁部（４）の部分が、円筒状外方表面を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
13. 前記請求項のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記放射線シールド（５）と前記外方絶縁部（４）との間の固定的機械連結を特徴とし、好ましくは、前記放射線シールド（５）は、前記外方絶縁部（４）内に圧入されるか、または接着剤により接合されるか、または注型されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
14. レーザ加工ヘッドを備えるレーザ加工マシンであって、前記レーザ加工ヘッドは、前記請求項のいずれか一項にしたがって構成されることを特徴とするレーザ加工マシン。
    

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