JP7007576B2

JP7007576B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP7007576B2
Application number: JP2018030018A
Authority: JP
Inventors: 亮平土田; 雅人吉田
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: CN110181164B; JP2019141894A; TWI782188B; TW201936308A; KR102563255B1; KR20190101295A; CN110181164A

Description

本発明はレーザ加工装置に関し、詳しくはレーザ光が通過する第１、第２回転体やノズルを揺動可能に設けた揺動フレームを備えたレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工装置として、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、支持枠と被加工物とを相対移動させる移動手段と、上記支持枠に設けられて回転自在に軸支された中空状の第１回転体と、上記第１回転体を回転駆動する第１モータと、上記第１回転体に回転自在に軸支された中空状の第２回転体と、上記第２回転体を回転駆動する第２モータと、上記第２回転体の先端に設けられたノズルと、上記レーザ光照射手段が照射したレーザ光を上記第１回転体および第２回転体の内部を通過させて上記ノズルまで導光する導光手段とを備えたものが知られている。
このようなレーザ加工装置では、上記第１、第２回転体を回転させることにより上記ノズルを任意の方向に向けるとともに、上記ノズルを被加工物に対して相対移動させることで、被加工物を所要の形状に加工するようになっている。
しかしながら、上記支持枠には上記第１、第２回転体やノズル、並びに第１、第２モータといった複数の部材が設けられていることから、これらを加工の際やティーチングのために移動させると、上記ノズル等が何らかの物体に接触して破損する恐れがある。
そこで、上記第１、第２回転体やノズルなどを上記支持枠に対して揺動可能に設けた揺動フレームに設けて、上記ノズル等が物体に接触した場合には上記揺動フレームを揺動させて損傷を防止するものが知られている（特許文献１）。
このとき、上記揺動フレームが揺動すると当該揺動フレームの上方に突出した突出部分も揺動するため、当該突出部分が揺動する範囲には空間を確保して干渉を防止する必要がある。

特公平３－５５２３４号公報

ここで、近年の技術発展に伴い、レーザ光を照射するレーザ光照射手段としては、レーザ光を発振するレーザ発振器と、当該レーザ発振器に接続された光ファイバと、当該光ファイバの端部に接続されてレーザ光をコリメートするコリメータとを有したものが知られている。
このようなレーザ光照射手段を上記特許文献１のような揺動フレームを備えたレーザ加工装置に適用する場合、上記コリメータを上記揺動フレームによって揺動する第１回転体の先端に連結する構成が考えられる。
しかしながら、第１回転体の先端に上記コリメータを固定すると、上記揺動フレームからの突出部分がコリメータの先端までとなるため、揺動フレームが揺動した際の当該突出部分の振れ幅が大きくなることから、当該突出部分の干渉を防止するための空間を確保するため、装置が大型化するという問題が考えられる。
このような問題に鑑み、本発明は揺動フレームからの突出部分を小さくして、コンパクトに設計することが可能なレーザ加工装置を提供するものである。

すなわち請求項１の発明にかかるレーザ加工装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、支持枠と被加工物とを相対移動させる移動手段と、上記支持枠に対して揺動可能に設けられた揺動フレームと、上記揺動フレームに回転自在に軸支された中空状の第１回転体と、上記揺動フレームに設けられて上記第１回転体を回転駆動する第１モータと、上記第１回転体の先端に回転自在に軸支された中空状の第２回転体と、上記第２回転体を回転駆動する第２モータと、上記第２回転体の先端に設けられたノズルと、上記レーザ光照射手段が照射したレーザ光を上記第１回転体および第２回転体の内部を通過させて上記ノズルまで導光する導光手段と、上記揺動フレームを上記支持枠に保持する保持手段と、上記揺動フレームの揺動を検出する検出手段とを備えたレーザ加工装置において、
上記レーザ光照射手段は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、当該レーザ発振器に接続された光ファイバと、当該光ファイバの端部に接続されてレーザ光をコリメートしてから上記第１回転体に入射させるコリメータとを有し、
上記コリメータを上記支持枠に固定するととともに、上記コリメータと第１回転体との間に隙間を設けたことを特徴としている。

上記発明によれば、上記コリメータを支持枠に固定し、当該コリメータより照射されたレーザ光を揺動フレームに設けた第１回転体に入射するようにしたため、揺動フレームからの突出部分が上記第１回転体の先端までとなり、当該第１回転体にコリメータを直接接続した場合に比べて突出部分を小さくすることができる。
このため、揺動フレームが揺動した際における突出部分の振れ幅を小さくすることができ、干渉を防止するための空間を小さくできることから、装置を小型化することが可能となる。

本実施例にかかるレーザ加工装置の断面図保持手段および検出手段についての拡大図

以下図示実施例について説明すると、図１は被加工物Ｗにレーザ光Ｌを照射するレーザ加工装置１の断面図を示し、当該レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段２と、上記被加工物Ｗを保持する加工テーブル３と、当該加工テーブル３の上方に設けられてレーザ光Ｌを被加工物Ｗに向けて照射する加工ヘッド４と、上記加工ヘッド４と被加工物Ｗとを相対移動させる移動手段５と、これらを制御する図示しない制御手段とを備えている。
上記移動手段５は、上記加工ヘッド４を鉛直方向並びに水平面内において往復動させるヘッド移動部５ａと、上記加工テーブル３を上記加工ヘッド４の往復動方向に対して直交する方向に往復動させるテーブル移動部５ｂとから構成され、加工ヘッド４と被加工物Ｗとを相対移動させるようになっている。
なお、このような移動手段５は従来公知であり、上記加工テーブル３を固定し、加工ヘッド４を水平面内において縦横および鉛直方向に移動可能にすることも可能である。

上記レーザ光照射手段２は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２ａと、当該レーザ発振器２ａに接続された光ファイバ２ｂと、当該光ファイバ２ｂの端部に接続されてレーザ光Ｌをコリメートしてから上記加工ヘッド４へと照射するコリメータ２ｃとから構成されている。
レーザ発振器２ａは移動しないように加工テーブル３の外部に設置することが可能であり、これに対し、コリメータ２ｃは上記加工ヘッド４と共に移動手段５のヘッド移動部５ａによって移動可能となっている。
そして、上記レーザ発振器２ａが発振したレーザ光Ｌは可撓性を有する上記光ファイバ２ｂによって上記コリメータ２ｃまで導光され、上記コリメータ２ｃはレーザ光Ｌをコリメート（平行光化）してから、上記加工ヘッド４に入射させるようになっている。
ただし、上記コリメータ２ｃより照射されたレーザ光Ｌは、依然として拡がろうという性質を有しているため、コリメータ２ｃから照射されたレーザ光Ｌが被加工物Ｗに照射されるまでの光路を極力短くすることが望ましい。

上記加工ヘッド４は、上記移動手段５のヘッド移動部５ａによって移動可能に設けられた支持枠としてのハウジング１１と、当該ハウジング１１の底面１１ａに対して揺動可能に設けられた揺動フレーム１２と、上記揺動フレーム１２に回転自在に軸支された中空状の第１回転体１３と、上記揺動フレーム１２に設けられて上記第１回転体１３を回転駆動する第１モータ１４と、上記第１回転体１３の先端に回転自在に軸支された中空状の第２回転体１５と、上記第２回転体１５を回転駆動する第２モータ１６と、上記第２回転体１５の先端に設けられたノズル１７と、上記レーザ光照射手段２が照射したレーザ光Ｌを上記第１回転体１３および第２回転体１５の内部を通過させて上記ノズル１７まで導光する導光手段１８と、上記揺動フレーム１２を上記底面１１ａに保持する保持手段１９と、上記揺動フレーム１２の揺動を検出する検出手段２０とを備えている。
上記ハウジング１１は、下方に設けられて上記揺動フレーム１２を保持する底面１１ａと、底面１１ａの上方に設けられた天面１１ｂと、これら底面１１ａおよび天面１１ｂとの間に設けられた側面１１ｃとによって構成され、その内部が外部より隔離されて塵等の進入を防止するようになっている。
上記レーザ光照射手段２のコリメータ２ｃは、上記天面１１ｂの上部に固定されており、当該天面１１ｂに穿設された貫通孔を介してレーザ光Ｌをハウジング１１の内部に向けて鉛直方向下方に照射するようになっている。

上記揺動フレーム１２は円盤状に形成されるとともに、上記ハウジング１１の底面１１ａに穿設された円形の貫通穴１１ｄに嵌合するように設けられ、当該揺動フレーム１２を保持する上記保持手段１９は上記揺動フレーム１２の外周の例えば三箇所に等間隔に設けられている。
図２に示すように、各保持手段１９は、上記揺動フレーム１２より上方に向けて突出する位置決めボルト２１と、上記底面１１ａの上面に設けられた略Ｌ字形のブラケット２２と、上記位置決めボルト２１の上端部に装着された位置決めナット２３と、上記揺動フレーム１２とブラケット２２との間に弾装されたばね２４とから構成されている。
上記位置決めボルト２１は上記揺動フレーム１２を上下に貫通するように設けられ、その上端が上記ブラケット２２に穿設されたテーパ穴２２ａを通過して上方に突出するように設けられている。
上記ブラケット２２は上記底面１１ａに固定されており、当該ブラケットに穿設された上記テーパ穴２２ａには、上方に向けて拡径するように形成された略半球状のテーパ面が形成されている。
上記位置決めナット２３は、上記ブラケット２２のテーパ穴２２ａより上方に突出した上記位置決めボルト２１の先端に螺着され、当該位置決めナット２３の下部には半球状のテーパ形状２３ａが形成されている。
さらに、上記ばね２４は上記揺動フレーム１２の上面と上記ブラケット２２の底面１１ａとの間に弾装されるとともに、上記位置決めボルト２１を囲繞するように設けられ、当該ばね２５により揺動フレーム１２を下方へと付勢するようになっている。

このような構成を有する保持手段１９によれば、上記位置決めナット２３のテーパ形状２３ａが上記ブラケット２２のテーパ穴２２ａに嵌合することにより、上記ブラケット２２によってばね２４で付勢された揺動フレーム１２が支持されるようになっている。
この状態では、ばね２４が揺動フレーム１２を下方に向けて付勢しているため、加工ヘッド４が移動手段５によって移動しても、振動による揺動フレーム１２の揺動が防止されるようになっている。
しかしながら、上記加工ヘッド４における上記揺動フレーム１２よりも下方に突出した部分、例えば上記ノズル１７が何らかの物体に接触すると、揺動フレーム１２が所要の部分を支点にして他の部分が浮き上がるように揺動し、上記ばね２４の付勢力に抗して位置決めボルト２１が上記ブラケット２２のテーパ穴２２ａより離脱することとなる。
このようにして上記揺動フレーム１２が揺動することで、上記ノズル１７等が物体に衝突した衝撃を逃がすことができ、加工ヘッド４および物体の損傷を防止することができる。
一方、揺動した揺動フレーム１２は作業者の手作業によって原位置へと復帰されるようになっているが、その際の位置決めは上記位置決めナット２３のテーパ形状２３ａがブラケット２２のテーパ穴２２ａのテーパ面に密着することにより、高精度に行うことが可能となっている。

上記検出手段２０は、各保持手段１９のブラケット２２に設けられたセンサ２０ａと、上記位置決めナット２３の上部に設けられた検出片２０ｂとから構成されている。
上記揺動フレーム１２が揺動していない状態では、上記検出片２０ｂは上記センサ２０ａの下方に位置しており、この状態から揺動フレーム１２が揺動して傾斜し、位置決めナット２３がブラケット２２に対して上方に離脱すると、上記検出片２０ｂがセンサ２０ａの前方に位置してセンサ２０ａがこれを検出するようになっている。
センサ２０ａが検出信号を制御手段に送信すると、制御手段は揺動フレーム１２が揺動したものと判断して、直ちに上記レーザ光照射手段２によるレーザ光Ｌの照射を停止させ、またレーザ加工装置１を緊急停止させるようになっている。
なお、上記センサ２０ａとしては、近接センサの他、光や超音波を用いるセンサであってもよい。

また上記底面１１ａの下面には、上記揺動フレーム１２を囲繞するように断面略Ｌ字のリング状ブラケット２５が設けられており、またリング状ブラケット２５と上記揺動フレーム１２との間にはゴムやスポンジ等からなるシール材２６が設けられている。
上記保持手段１９によって上記揺動フレーム１２が保持されている状態では、当該揺動フレーム１２は上記リング状ブラケット２５に接触せず、その外周縁が上記シール材２６に密着するようになっている。
これにより、上記底面１１ａと揺動フレーム１２との隙間から上記ハウジング１１の内部に形成された空間への塵等の侵入が防止されるようになっている。

上記第１回転体１３は、上記揺動フレーム１２を鉛直方向に貫通するように設けられた筒状体３１と、当該筒状体３１の上端部に設けられたスリップリング３２とから構成され、これらの内部にはこれらの回転軸に沿って鉛直方向にレーザ光Ｌが通過可能な円筒状の空間が形成されている。
上記スリップリング３２の上端は上記ハウジング１１の天面１１ｂに接近するように設けられ、また天面１１ｂに固定されたレーザ光照射手段２のコリメータ２ｃの真下に位置し、第１回転体１３の回転軸がコリメータ２ｃより照射されるレーザ光Ｌの光軸に一致するように設けられている。

上記筒状体３１は上記揺動フレーム１２に固定された筒状の軸受３３に軸支され、筒状体３１の上部は揺動フレーム１２の上方および下方にそれぞれ突出するとともに、当該筒状体３１における揺動フレーム１２の上方に突出した部分には、上記第１モータ１４によって駆動される第１ギヤ３４が設けられている。
上記第１モータ１４は揺動フレーム１２を上下に貫通するように設けられ、揺動フレーム１２の上方側に設けられた駆動軸には第１ギヤ３４と噛合するギヤが設けられている。
一方、上記第１モータ１４のケース１４ａは揺動フレーム１２の下方に突出しており、当該ケース１４ａは上記第１回転体１３の筒状体３１とともに、揺動フレーム１２の下面に固定されたケーシング３５の内部に収容されるようになっている。

上記スリップリング３２は従来公知であり、相互に回転可能に設けられた外筒３２ａと内筒３２ｂとからなる二重管構造を有し、これら外筒３２ａおよび内筒３２ｂにはそれぞれ図示しない電極が設けられ、このうち一方の電極にはブラシが設けられている。
このような構成により、上記外筒３２ａが内筒３２ｂに対して回転するのを許容しつつ、上記電極およびブラシを介して上記内筒３２ｂと外筒３２ａとの間で電気を流通させることが可能となっている。
本実施例において、上記外筒３２ａは上記揺動フレーム１２に固定された保持部材１２ａに固定されており、当該外筒３２ａにはハウジング１１の外部より電力を供給する導線３６が接続されている。
上記内筒３２ｂは上記筒状体３１の上端部に連結固定され、内筒３２ｂと筒状体３１とが一体的に回転するようになっており、また上記内筒３２ｂには図示しない導線を介して第１回転体１３とともに回転する上記第２モータ１６や図示しないセンサが接続されており、第１回転体１３が回転しても電力を供給するようになっている。

上記第２回転体１５は上記第１回転体１３の下端部に固定された軸受３７によって回転可能に軸支され、内部には水平方向に向けてレーザ光Ｌが通過可能な空間が形成されている。
上記第１回転体１３の筒状体３１の下端部には上記第２モータ１６が固定されており、上述したように上記第１回転体１３のスリップリング３２を介して供給された電力によって駆動するようになっている。
そして上記第２回転体１５には上記第２モータ１６によって駆動される第２ギヤ３８が設けられており、これにより第２回転体１５は水平方向を向いた回転軸を中心に回転するようになっている。

上記ノズル１７は上記第２回転体１５の先端部に固定された集光レンズ１７ａを有し、上記第２回転体１５の回転軸に対して直交した方向を向くように設けられている。
そして上記導光手段１８は、上記第１回転体１３の先端および第２回転体１５の先端に装着された反射ミラー１８ａ、１８ｂによって構成され、それぞれレーザ光Ｌを直角に反射させるようになっている。
上述したように上記レーザ光照射手段２のコリメータ２ｃは第１回転体１３のスリップリング３２の上方に固定されており、当該コリメータ２ｃから照射されたレーザ光Ｌは、上記第１回転体１３のスリップリング３２に入射した後、反射ミラー１８ａ、１８ｂによって反射しながら第１、第２回転体１３、１５を通過し、その後上記ノズル１７の集光レンズ１７ａによって集光されて、被加工物Ｗに照射されるようになっている。

上述したように、本実施例のレーザ加工装置１では、上記コリメータ２ｃが加工ヘッド４を構成するハウジング１１に固定されているのに対し、上記レーザ光Ｌが入射される第１、第２回転体１３、１５およびノズル１７は、上記揺動フレーム１２によってハウジング１１に対して揺動可能に保持されている。
このため、コリメータ２ｃと第１回転体１３におけるスリップリング３２との間には隙間ｇが形成され、上記揺動フレーム１２の揺動による第１回転体１３とコリメータ２ｃとの相対移動を許容するようになっている。
一方、上記隙間ｇには塵を含んだ外気が流通し、レーザ光Ｌを減衰させる恐れがあることから、上記ハウジング１１の天面１１ｂの下面と、上記スリップリング３２の内筒３２ｂの上端部との間に、ゴムやシリコン樹脂などの可撓性材料からなる筒状の接続部材４１を設けて、上記隙間ｇを外部より遮断するようになっている。
上記接続部材４１は蛇腹状を有しており、上記第１回転体１３が移動してもこれに伴って変形し、コリメータ２ｃと第１回転体１３との接続状態を維持するようになっている。

次に、上述したように、上記揺動フレーム１２よりも下方に突出したノズル１７等が何らかの物品と接触すると、上記揺動フレーム１２が揺動するようになっているが、その際当該揺動フレーム１２の上方に突出した上記第１回転体１３等の突出部分が上記ハウジング１１の内部で移動することとなる。
このため、ハウジング１１の内部には上記揺動フレーム１２の揺動に伴って上記突出部分が移動すると想定される範囲には、これら突出部分が干渉しないような空間を形成する必要がある。
本実施例において、最大の振れ幅を示すのは当該突出部分の上端部、すなわち第１回転体１３を構成するスリップリング３２の頂部となるため、ハウジング１１の内部には少なくともスリップリング３２の振れ幅に合わせて空間を設ける必要がある。

本実施例では、上記レーザ光照射手段２を構成するコリメータ２ｃを移動手段５に設けた支持枠としてのハウジング１１に固定しているため、上記揺動フレーム１２から突出部分の先端までの距離が、上記スリップリング３２の頂部までの距離Ｄとなっている。
これに対し、上記コリメータ２ｃを上記第１回転体１３のスリップリング３２の外筒３２ａに固定した場合、上記揺動フレーム１２から突出部分の先端までの距離は、上記コリメータ２ｃの頂部ないし当該コリメータ２ｃに接続された光ファイバまでの距離Ｄ’となり（実際には図示Ｄ’よりも上記接続部材４１の長さを除いた距離）、本実施例の構成に対して長くなる。
このように揺動フレーム１２からの突出部分の距離が長くなると、揺動フレーム１２が揺動した場合における振れ幅が大きくなってしまい、干渉を避けるためにハウジング１１の内部に大きな空間を設けなければならず、加工ヘッド４が大型化するという問題が生じる。
つまり、本実施例のレーザ加工装置１は、コリメータ２ｃをハウジング１１に固定することで、コリメータ２ｃを第１回転体１３に接続した場合に比べて加工ヘッド４をコンパクトに設計することが可能となっている。

また本実施例では、揺動フレーム１２が揺動するとコリメータ２ｃと加工ヘッド４とが相対移動して、コリメータ２ｃから照射されるレーザ光Ｌの光軸と第１回転体１３の中心軸とが偏倚してしまうこととなるが、上記検出手段２０が揺動フレーム１２の揺動を検出すると直ちにレーザ光Ｌの照射を停止させるため、安全に使用することが可能となっている。
また、上記コリメータ２ｃと第１回転体１３との間に接続部材４１を設けたことで、通常の加工時にはレーザ光Ｌの光路を上記接続部材４１によって外部から遮蔽することができ、また揺動フレーム１２が揺動してもコリメータ２ｃと第１回転体１３との相対移動を許容することができる。

１レーザ加工装置２レーザ光照射手段
２ｃコリメータ４加工ヘッド
１１ハウジング（支持枠）１２揺動フレーム
１３第１回転体１５第２回転体
１７ノズル１９保持手段
Ｌレーザ光ｇ隙間

Claims

レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、支持枠と被加工物とを相対移動させる移動手段と、上記支持枠に対して揺動可能に設けられた揺動フレームと、上記揺動フレームに回転自在に軸支された中空状の第１回転体と、上記揺動フレームに設けられて上記第１回転体を回転駆動する第１モータと、上記第１回転体の先端に回転自在に軸支された中空状の第２回転体と、上記第２回転体を回転駆動する第２モータと、上記第２回転体の先端に設けられたノズルと、上記レーザ光照射手段が照射したレーザ光を上記第１回転体および第２回転体の内部を通過させて上記ノズルまで導光する導光手段と、上記揺動フレームを上記支持枠に保持する保持手段と、上記揺動フレームの揺動を検出する検出手段とを備えたレーザ加工装置において、
上記レーザ光照射手段は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、当該レーザ発振器に接続された光ファイバと、当該光ファイバの端部に接続されてレーザ光をコリメートしてから上記第１回転体に入射させるコリメータとを有し、
上記コリメータを上記支持枠に固定するととともに、上記コリメータと第１回転体との間に隙間を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
上記コリメータと上記第１回転体との隙間に、可撓性材料からなる筒状の接続部材を設けて、当該接続部材により上記コリメータと第１回転体とを外気を遮断した状態で接続することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。