JPH06179091A - レーザ加工用ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 レーザ加工用ヘッドの冷却能力を高める。 【構成】 レーザビームをワーク上に集光するために、
外筒と、集光レンズ９８を固定した状態で外筒内で回転
する内筒と、外筒とワークＷ間のスペースに伸びるガイ
ド筒とを備え、ガイド筒中にアシストガスを吹込んで用
いるレーザ加工用ヘッドにおいて、ガイド筒へのアシス
トガス吹込口８６とアシストガス供給源２６との間にア
シストガスの冷却装置１６，３６，３８を組付ける。 【効果】 アシストガスが予め冷却されているので、ヘ
ッドの冷却能力を高くできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームをワーク
上に集光し、集光されたレーザビームのエネルギーによ
ってワークに対する加工を行う装置に用いられる集光用
ヘッドに関するものである。特にヘッドの冷却能力を改
善する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集光用レンズを有するレーザ加工用ヘッ
ドの場合、レーザビームのエネルギーのうちの一部が集
光用レンズ加熱するエネルギーとなってしまう。このた
めに、大出力レーザを用いるヘッドの場合にはヘッドに
冷却のための工夫を講じる必要がある。このためにヘッ
ドに冷却フィンを付加して自然空冷能力を改善する工夫
が知られている。あるいは冷却水を利用した強制水冷装
置をヘッドに用いる技術も存在する。さらには大気ない
しはアシストガスを強制的にヘッドに吹付けて冷却する
手法も存在している。

【０００３】レーザビームをワーク上に集光し、その集
光点を移動させながら加工してゆく場合、図４に示すよ
うに、集光点を小さな円周上に振り回しながら移動させ
てゆく手法が知られている。このようにすると、例えば
鉄板どおしの突き合わせ線が、センターラインＣ上にな
くとも、範囲Ｓ内に存在しているかぎり溶接が可能とな
る。

【０００４】このために、ヘッドを外筒と内筒で構成
し、内筒に集光レンズを取付けるとともに内筒が外筒内
で回転する構造のヘッドが知られている。ここで内筒の
回転中心と集光レンズの中心とをオフセットしておく
と、集光点は円周上を振れ回ることになる。このような
ヘッドの一例が特開平３−２４３２９２号に開示されて
いる。

【０００５】外筒と回転する内筒でヘッドが構成されて
いると、冷却のための工夫は難しくなる。回転する内筒
との間で冷却水が漏れ出ないようにすることは著しく困
難であり、水冷することは難しくなる。特開平３−２４
３２９２号公報に開示されているヘッドでは、図３に示
す構成としている。

【０００６】図３において、外筒５２に対してベアリン
グ６４を介して内筒６２が回転可能となっている。内筒
６２には集光レンズ７２が固定されている。集光レンズ
７２の中心と、内筒６２の回転中心とは距離ｅだけオフ
セットされている。外筒５２にモータ５４が固定されて
おり、モータ５４の回転軸５６にギヤ５８が固定されて
いる。内筒６２の外周にギヤ６０が固定されており、ギ
ヤ６０とギヤ５８が噛合っている。このためにモータ５
４によって内筒６２は外筒５２の内部で回転する。

【０００７】外筒５２の下端部にワークＷに向けてガイ
ド筒６８が固定されている。ガイド筒６８の側面にアシ
ストガス吹込用パイプ７０が貫通しており、アシストガ
スがガイド筒６８内に吹込まれる。内筒６２と集光レン
ズ７２の冷却を促進するために、内筒６２の下端に冷却
筒７４が固定されている。冷却筒７４の外周に冷却フィ
ン６６が形成され、冷却能力の改善が図られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記構造は、内筒６２
の冷却を図る優れた技術であるが、レーザビームのエネ
ルギーが大きい場合にはなお冷却能力に不足する。そこ
で本発明では、さらに冷却能力を改善することにした。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザビーム
をワーク上に集光するために、外筒と、集光レンズを固
定した状態で外筒内で回転する内筒と、外筒とワーク間
のスペースに伸びるガイド筒とを備え、ガイド筒中にア
シストガスを吹込んで用いるレーザ加工用ヘッドにおい
て、ガイド筒へのアシストガス吹込み口とアシストガス
供給源との間に、アシストガスの冷却装置を組付けたこ
とを特徴とするレーザ加工用ヘッドを創り出した。

【００１０】

【作用】本発明によると、ガイド筒中に吹込まれるアシ
ストガスが予め冷却されているために、ヘッドが強力に
冷却される。

【００１１】

【発明の効果】本発明によると、ガイド筒中に吹込まれ
て内筒や集光レンズの表面を流れるアシストガスが予め
冷却されているために、内筒や集光レンズさらにはガイ
ド筒を介して外筒も効果的に冷却される。すなわち冷却
されたアシストガスによってヘッド全体が効率的に冷却
される。このため大出力レーザを作業環境の気温が高い
状態で用いても、ヘッドが過熱されることがなく、信頼
性の高いヘッドを提供することができる。

【００１２】

【実施例】次に図２を参照して、本発明を具現化したヘ
ッド自体の構造を先に説明する。図２において、上部外
筒８０、中間外筒８２、下部外筒８８が同軸上に固定さ
れて外筒が構成されている。また上部内筒９６と下部内
筒１００が同軸上に固定されて内筒が構成されている。
上部内筒９６と下部内筒１００の段差部に集光レンズ９
８が固定されることによって集光レンズ９８は内筒に固
定されている。内筒９６，１００はベアリング９２，９
４によって外筒８０，８２，８８内で回転可能となって
いる。なお内筒９６，１００の回転中心と集光レンズ９
８の中心は距離ｅだけオフセットされている。

【００１３】中間外筒８２にフランジを介してモータ１
１４が固定されている。モータ１１４の出力軸１１２に
プーリ１１０が固定され、プーリ１１０と上部内筒９６
との間にベルト１０８が掛渡されている。この構成によ
って、モータ１１４が回転すると、内筒９６，１００が
外筒８０，８２，８８の内で回転する。中間外筒８２に
は冷却されたエアを内筒９６の内側でレンズ９８の上方
の空間に導入する通路８４が形成されている。通路８４
の先端はレンズ９８の中央に向けて屈曲（８４ａ参照）
されている。

【００１４】中間外筒８２と下部外筒８８には冷却され
たアシストガスを下部内筒１００の内側でレンズ９８の
下方の空間ならびにガイド筒１０６の内側空間に導入す
る通路８６が形成されている。通路８６の先端は外筒８
８内に形成された環状の通路８６ｂに連通しており、環
状通路８６ｂには均等間隔でレンズ９８の下方の空間に
連通する複数の通路８６ａが連通している。通路８６ａ
はレンズ９８に向けられている。なおガイド筒１０６は
下部外筒８８に固定され、加工時にワークＷと外筒８８
間のスペースに伸びた状態で使用される。下部外筒８８
と下部内筒１００間にはリング１０２と１０４によって
ラビリンスが形成され、ベアリング９２，９４に異物が
侵入するのを防止している。下部外筒８８の外周には冷
却フィン９０が形成されており、この冷却フィン９０に
向けてチューブ４４，４６から冷却エアが吹付けられる
ようになっている。

【００１５】図１はこのヘッドに対する配管系を示して
いる。大気はコンプレッサ１によって加圧されたのち、
フィルタ２でゴミが取除かれ、除湿機４によって除湿さ
れ、分岐コネクター６で２本のパイプ８，１０に分岐さ
れる。各パイプ８，１０にはそれぞれ流量調整弁１２，
１４が取付けられており、流量調整可能となっている。
パイプ８に送られたエアは空気冷却装置１６に送込まれ
て冷却される。空気冷却装置１６で冷却されたエアはパ
イプ１８，２２に送込まれる。パイプ１８，２２は２重
管パイプへの接続コネクター２８，３０に接続されてお
り、パイプ１８からの冷却エアとパイプ２２からの冷却
エアはそれぞれ２重管パイプの内側のパイプ３２，３６
に送込まれる。

【００１６】一方分岐コネクター６からパイプ１０に送
られたエアは、パイプ２０を介して２重管パイプへの接
続コネクター２８に送込まれ、２重管パイプの外側パイ
プ３４に送込まれる。外側パイプ３４を流れるエアは内
側パイプ３２を流れる冷却エアによって冷却される。外
側パイプ３４を流れるうちに冷却されたエアはコネクタ
ー４０を介してチューブ４８に送込まれ、チューブ４８
に送込まれた冷却エアは前述したエア通路８４に送込ま
れる。これによって冷却されたエアがレンズ９８の上面
にあたってレンズ９８や内外筒の上部を冷却することに
なる。

【００１７】この実施例のレーザ加工機は、レーザビー
ムのエネルギーによってワークＷを溶接するのに用いら
れる。ここでワークＷが溶接時に酸化することを防止す
るために、不活性のアシストガスが溶接部に吹付けられ
る。不活性のアシストガスはその供給源２６から圧送さ
れ、２重管パイプへのコネクター３０に送込まれる。コ
ネクター３０によってアシストガスは２重管パイプのう
ちの外側のパイプ３８に送込まれる。アシストガスは外
側のパイプ３８を流れているうちに、内側のパイプ３６
を流れている冷却エアによって冷却される。すなわちこ
の実施例では２重管パイプ３６，３８によってアシスト
ガスの冷却装置が構成されている。冷却されたアシスト
ガスはコネクター４２を介してチューブ５０に送りこま
れる。チューブ５０は前述したガス通路８６に接続され
ており、２重管パイプを流れている間に冷却されたアシ
ストガスがレンズ９８の下面に吹付けられる。これによ
ってレンズ９８と下部内筒、下部外筒及びガイド筒が効
率的に冷却される。

【００１８】空気冷却装置１６で冷却されたエアは、チ
ューブ４４，４６に送込まれて外筒に形成されている冷
却フィン９０に吹付けられる。これによって外筒は外部
からも強烈に冷却される。なお外筒はレーザビームのエ
ネルギーによる他、ベアリング９２，９４の摩擦による
発熱の影響も受けている。この実施例ではベアリング存
在部位の外周に設けられたフィンに冷却されたエアが吹
付けられているために、外筒が過熱されることはない。

【００１９】この実施例の場合、レンズ上面には除湿さ
れたエアが吹付けられ、レンズ下面には水分を含まない
アシストガスが吹付けられているために、冷却された気
体がレンズに吹付けられてもレンズ表面に結露が生じる
ことはなく、良好な加工が確保される。

【００２０】本実施例では溶接用ヘッドに本発明を応用
している。しかし本発明の対象は溶接に限られるもので
なく、例えば感光性樹脂にレーザを照射してパターンメ
イキングを行なうためのヘッド等にも広く用いることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の配管とヘッドを示す図

【図２】図１のヘッドの詳細図

【図３】従来のヘッドの詳細図

【図４】レーザビームの走査軌跡を示す図

【符号の説明】

外筒 ８０，８２，８８ 内筒 ９６，１００ 集光レンズ ９８ ガイド筒 １０６ アシストガス供給源 ２６ アシストガス吹込口 ８６ａ ２重管パイプ ３６，３８ 空気冷却装置 １６ アシストガス冷却装置（空気冷却装置１６と２重管パイ
プ３６，３８）

フロントページの続き (72)発明者 久米 孝 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 浅井 昭夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鴨川 英樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームをワーク上に集光するため
   に、外筒と、集光レンズを固定した状態で外筒内で回転
   する内筒と、外筒とワーク間のスペースに伸びるガイド
   筒とを備え、ガイド筒中にアシストガスを吹込んで用い
   るレーザ加工用ヘッドにおいて、 ガイド筒へのアシストガス吹込み口とアシストガス供給
   源との間に、アシストガスの冷却装置を組付けたことを
   特徴とするレーザ加工用ヘッド。