JPH0651235A - レーザ加工光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバおよび光学レンズの破損を防止す
る。また、光学系の簡略化、軽量化を図る。 【構成】本体１の入口側に光ファイバ５がカップリング
８を介してＯリング10でシールされて取り付けられる。
光ファイバ５からレーザ光９が入射する側に光学レンズ
３，３’が配置される。光学レンズ３，３’はテーパ孔
15を有するレンズホルダ14で本体１内に保持される。本
体１の入口側には雰囲気ガス入口ノズル２が取り付けら
れている。本体１の出口側には出射レーザ光９ａが導出
する出口ノズル４が取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工装置に使用さ
れ、特にレーザによる加工時にレーザ光を集光して加工
を行う空冷式のレーザ加工光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は加工対象物の切断、溶接等
に用いられるが、この時切断のためのプラズマを発生さ
せるためのプラズマガスの供給、対象物の酸化防止のた
めの不活性ガスの供給など加工の目的に合わせ雰囲気ガ
スを加工面に対して供給する。この時の雰囲気ガスはレ
ーザ加工光学系の熱処理部に対してガスを噴射する下流
側を流れる。この例をレーザ加工光学系の断面図を示す
図11で説明する。

【０００３】すなわち、図11において、本体１には後方
の光学レンズ３ａが設けられる位置から出口側近くに雰
囲気ガスの入口ノズル２が接続され、本体１内には一対
の光学レンズ３，３ａがレンズホルダ７を介して保持さ
れている。本体１の端部には出口ノズル４が接続されて
いる。本体１の入口側には光ファイバ５がカップリング
８を介して取り付けられ、カップリング８はビス６で固
定され、カップリング８と本体１の入口側にはＯリング
10でシールされている。

【０００４】図中、９は入射レーザ光、９ａは出射レー
ザ光である。雰囲気ガスは入口ノズル２から後方の光学
レンズ３ａと出口ノズル４との間に供給され、出口ノズ
ル４からレーザ加工する処理部に対して吹き出される。

【０００５】また、加工装置の大出力化にともない光学
系の冷却が問題となっている。つまり、光ファイバ５ま
たは前方の光学レンズ３に入射レーザ光９が通るときに
エネルギーのロスを生じるが、これが熱エネルギーとな
り、光ファイバ５または光学レンズ３，３ａおよび光学
系全体が熱を持ち、ひいてはそのため光ファイバ５や光
学レンズ３，３ａが破損することが考えられる。

【０００６】これを防止するために水冷式や空冷式のレ
ーザ加工光学系が用いられている。これを図12および図
13を用いて説明する。図12は空冷式レーザ加工光学系の
断面図を、図３は水冷式レーザ加工光学系の断面図をそ
れぞれ示している。図12および図13中、図11と同一部分
ないしは同様な機能を有する部分には同一符号を付して
重複する部分の説明は省略する。

【０００７】すなわち、図12において、入口ノズル２は
本体１の入口側端面に接続され、本体１内には二重管11
が配置された構造になっている。本体１内に入口ノズル
２から吹き込んだ雰囲気ガス２は二重管11内を矢視で示
す通りに流れ、出口ノズル４から流出する。雰囲気ガス
の流通により本体１内は冷却される。

【０００８】図13に示した水冷式レーザ加工光学系は本
体１の外壁に水室13を設けたもので、その他の部分は図
11に準じた構造になっている。この光学系では水室13内
に水を通水し、これによりレーザ加工光学系の冷却を行
っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】雰囲気ガス流路を有す
るレーザ加工光学系においては、レーザ加工光学系本体
に横づけに雰囲気ガスを供給するためのホースおよびノ
ズルが取り付けられており、このガスは加工表面のシー
ルド以外には用いられていない。

【００１０】空冷式レーザ加工光学系では光ファイバ５
の冷却が行われていないことや、光学レンズ３，３ａに
対する冷却効率が低く、しかも本体１内に二重管11を設
けることにより構造的に大型化、複雑化する課題があ
る。

【００１１】水冷式レーザ加工光学系では光学レンズ
３，３ａに対する冷却効率は高いが、しかしながら、水
室13を付属して設けるため、レーザ加工光学系に水冷用
の系統と雰囲気ガスの系統の二系統を持つことになり、
レーザ加工光学系自体が大きくなる課題がある。つま
り、雰囲気ガスの流路を別に設けなければならないの
で、構造的に大きくなる課題がある。

【００１２】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、雰囲気ガスをその本来の機能を損なうことな
く、光ファイバおよび光学レンズの破損を防止し、光学
系の簡略化、軽量化を図ることができるレーザ加工光学
系を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明はレーザ光を入射
しかつ出射する本体と、この本体内に前記レーザ光を入
射する光ファイバを前記本体にＯリングを介して固定す
るカップリングと、前記光ファイバから出射したレーザ
光を集光する光学レンズと、この光学レンズを保持する
レンズホルダと、このレンズホルダおよび前記本体に設
けられた前記光ファイバおよび前記光学レンズを冷却す
る雰囲気ガス流路とを具備したことを特徴とするレーザ
加工光学系。

【００１４】

【作用】本体内に流入した雰囲気ガスは光ファイバおよ
び前方の光学レンズの周囲を流れ、レンズホルダのテー
パ孔を通過し、後方の光学レンズの周囲を流れる。これ
により光ファイバおよび光学レンズの冷却が有効に行わ
れる。

【００１５】また、光学レンズに雰囲気ガスが直接吹き
付けられることにより光学レンズが均一に冷却され、光
学レンズの破損防止につながる。さらに、雰囲気ガスは
冷却ガスと共用でき、同一であるため、レーザ加工光学
系の簡略化、軽量化が図れる。

【００１６】

【実施例】図１から図３を参照しながら本発明に係るレ
ーザ加工光学系の第１の実施例を説明する。図２は図１
の本体１を輪切りにした断面を示し、図３は図１のレン
ズホルダの正面図である。

【００１７】図１において、符号１はよこ長筒状本体
で、この本体１の内面には図２に示したように多数の溝
１ａが形成され、本体１の入口側には雰囲気ガス入口ノ
ズル２が、出口側には出口ノズル４が取り付けられてい
る。本体１内には光学レンズ３，３ａがレンズホルダ14
で保持され、レンズホルダ14にはテーパ孔15が形成され
ている。また、本体１ａの入口側には光ファイバ５がカ
ップリング８を介してＯリング10でシールされて取り付
けられている。カップリング８の外側と本体１の入口側
内面との間には雰囲気ガスの流路が形成されている。

【００１８】上記レーザ加工光学系において、入口ノズ
ル２から雰囲気ガスは本体１内に流入し、本体１の内面
に設けられた複数条の溝１ａを通り、光ファイバ５の端
部位置から前方の光学レンズ３に吹き付けられる。

【００１９】なお、図２は本体１内の溝１ａを示す断面
図で図３はテーパ孔15を有するレンズホルダ14を雰囲気
ガス流路の上流方向より見た正面図である。テーパ孔15
はレンズホルダ14の円の中心方向および円周方向に角度
を設けてある。レンズホルダ14のテーパ孔15を通過した
雰囲気ガスは円の中心方向に渦を巻いて向かう。つまり
前方の光学レンズ３に吹き付けられた雰囲気ガスはレン
ズホルダ14のテーパ孔15を通り後方の光学レンズ３ａに
吹付けられる。加工目的により光学レンズ３，３ａの枚
数は異なるが目的枚数を通過した雰囲気ガスは最後にレ
ーザ加工光学系先端のノズル４から噴射される。次に上
記構成による作用について説明する。

【００２０】本体１内の光学レンズ３，３ａに雰囲気ガ
スは渦巻状に吹き付けられるため、光学レンズ３，３ａ
の温度の最も上昇すると考えられるレーザ透過部分の冷
却が可能である。また、誤って微小なほこりが雰囲気ガ
スに混入し光学レンズ３，３ａの表面に付着した場合、
これが加熱発生源となり光学レンズ３，３ａの破損が生
じることが考えられるが、雰囲気ガス２の吹き付けによ
りほこりは瞬時に吹き飛ばされ光学レンズ３，３ａの破
損を防ぐことができる。さらに、本体１から吹き出す雰
囲気ガスは冷却ガスと共用でき、同一で加工の目的に合
わせて種類、流量が選定できる。つぎに図４および図５
により本発明の第２の実施例を説明する。

【００２１】図４中図１の実施例と異なる部分は本体17
の内面に▽字状溝17ａを設けたこと、および図５に示し
たようにレンズホルダ16の外周面に溝16ａを設けたこと
にある。その他の部分は図１と同様のため、重複する部
分の説明は省略する。

【００２２】図５は溝16ａを有するレンズホルダ16の断
面図を示している。レンズホルダ16の周囲の複数箇所に
溝16ａを切り、この溝16ａを通して雰囲気ガスの流路と
する。雰囲気ガスが溝16ａを通ることにより光学レンズ
３，３ａは冷却されるが、本体１の溝17ａがフィンの代
りとなる構造のため大きな冷却効果がある。

【００２３】また、構造が簡単なため、レーザ加工光学
系の簡略化、軽量化が可能となる。なお、レンズホルダ
16の溝16ａの代りに本体１の内面にそれに準じる溝を形
成して雰囲気ガス流路とすることもできる。

【００２４】図６は図１および図４における光学レンズ
３，３ａの他の例を示している。図６の光学レンズ18は
周囲に複数の溝18ａを設けて雰囲気ガスの流路としてい
る。この光学レンズ18により上記第１および第２の実施
例と同様に雰囲気ガスにより光学レンズの冷却およびレ
ーザ加工光学系本体内の簡略化、軽量化を図ることがで
きる。

【００２５】図７は本発明の第３の実施例を要部のみ示
している。すなわち、第３の実施例では本体１の入口側
にテーパ孔19ａを有する光ファイバ端部保持具19を設け
たことにある。他の部分は上記実施例と同様である。図
７はレーザ加工光学系本体１の光ファイバ５と、この光
ファイバ５を保持するカップリング８近傍の断面を示し
ている。

【００２６】この第３の実施例では雰囲気ガスはカップ
リング８と本体１の間に設けられた溝16の沿って流れる
時にカップリング８を冷却する。またカップリング８の
端部で雰囲気ガス２は内側に曲げられた光ファイバ５の
端部を冷却する。

【００２７】ここで曲げられた雰囲気ガスは、ガスが流
れ易いように形成したテーパ孔19ａを有する光ファイバ
端部保持具19の穴を通って前方の光学レンズ３に吹き付
けられ、これにより光ファイバ５の端部における温度上
昇を抑制でき光ファイバ５の破損を防止する。つぎに本
発明の第４の実施例を図８により説明する。

【００２８】第４の実施例では本体１の入口側端面に吹
き出し孔20ａが折曲した雰囲気ガスノズル20を取り付け
た例を示している。その他の部分は第１の実施例と同様
である。光ファイバ５の端部に向けて曲げられた雰囲気
ガスノズル20の吹き出し孔20ａから雰囲気ガスは光ファ
イバ５の端部に直接吹き付けられる。これにより光ファ
イバ５の端部の冷却が確実に行われる。

【００２９】つぎに本発明の第５の実施例を図９を用い
て説明する。第５の実施例では本体１の入口側端部の内
面に整流器21を取り付けた例を示している。すなわち、
図９に示したように光ファイバ５の端部に位置して円椎
状の整流器21を設け、雰囲気ガスを集中させるとともに
光ファイバ５に戻る加工点および光学レンズ３からの反
射光を減少させる。これにより直接的な雰囲気ガス２の
冷却とともに間接的な冷却が可能となる。つぎに本発明
の第６の実施例を図10により説明する。第６の実施例で
は図10に示したようにレーザ光９を折り曲げて使用する
場合のレーザ加工光学系例を示している。

【００３０】すなわち、図10において、本体１はかぎ型
に折れ曲った形状をしており、この本体１内の垂直部に
光学レンズ３，３ａが配置され、水平部の端部に折り曲
げミラー23が配置されている。雰囲気ガスを本体１内に
流入するノズル22は本体１の入口側端面に取り付けられ
ている。その他の部分は第１の実施例とほぼ同様であ
る。

【００３１】通常は折り曲げミラー23が熱を持つため折
り曲げミラー23に対する水冷装置が必要であるが、レー
ザ光９を折り曲げた場合においても雰囲気ガスにより折
り曲げミラー23の冷却が可能となる。したがって、折り
曲げミラー23に対する冷却装置を必要としないためレー
ザ加工光学系の簡略化、軽量化が図れる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、雰囲気ガスの流れによ
り光ファイバおよび光学レンズの冷却が行われ光ファイ
バおよび加工レンズの破損を防止する。また、雰囲気ガ
スを雰囲気ガスと冷却ガスの双方に使用するため、冷却
水等の付属の設備を必要とせずレーザ加工光学系の簡略
化、軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工光学系の第１の実施例
を示す縦断面図。

【図２】図１におけるレーザ加工光学系本体を示す縦断
面図。

【図３】図１におけるテーパ穴付きレンズホルダを示す
正面図。

【図４】本発明に係るレーザ加工光学系の第２の実施例
を示す縦断面図。

【図５】図４における溝付きレンズホルダを示す正面
図。

【図６】図１および図４における光学レンズの他の例を
示す正面図。

【図７】本発明に係るレーザ加工光学系の第３の実施例
の要部を示す断面図。

【図８】本発明に係るレーザ加工光学系の第４の実施例
の要部を示す断面図。

【図９】本発明に係るレーザ加工光学系の第５の実施例
の要部を示す断面図。

【図１０】本発明に係るレーザ加工光学系の第６の実施
例の要部を示す断面図。

【図１１】従来の加工光学系を示す縦断面図。

【図１２】従来の空冷式レーザ加工光学系を示す縦断面
図。

【図１３】従来の水冷式レーザ加工光学系を示す縦断面
図。

【符号の説明】

１…レーザ加工光学系本体、２…入口ノズル、３，３ａ
…光学レンズ、４…出口ノズル、５…光ファイバ、６…
ビス、７…レンズホルダ、８…カップリング、９…入射
レーザ光、９ａ…出射レーザ光、10…Ｏリング、11…二
重管、12…冷却水、13…水室、14…レンズホルダ、15…
テーパ孔、16…レンズホルダ、17…本体、18…光学レン
ズ、19…光ファイバ端部保持具、20…雰囲気ガスノズ
ル、21…整流器、22…ノズル、23…折り曲げミラー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を入射しかつ出射する本体と、
   この本体内に前記レーザ光を入射する光ファイバを前記
   本体にＯリングを介して固定するカップリングと、前記
   光ファイバから出射したレーザ光を集光する光学レンズ
   と、この光学レンズを保持するレンズホルダと、このレ
   ンズホルダおよび前記本体に設けられた前記光ファイバ
   および前記光学レンズを冷却する雰囲気ガス流路とを具
   備したことを特徴とするレーザ加工光学系。