JPH09271965A

JPH09271965A - パターニング装置

Info

Publication number: JPH09271965A
Application number: JP8106296A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kagawa; 靖夫香川; Shinji Fukui; 慎二福井
Original assignee: NIPPON DENRO Manufacturing; NUMATA KK; Nippon Denro Mfg Co Ltd
Current assignee: NIPPON DENRO Manufacturing; NUMATA KK; Nippon Denro Mfg Co Ltd
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ワークに迅速かつ確実に美しい仕上がりのパ
ターンを施す装置を提供することにある。【解決手段】高速気体Ｇを噴出する噴射ノズル１を、
レーザー光Ｓを出射する出射光学部２の軸心Ｏ廻りに回
転自在として、設け、レーザー加工進行方向35とは逆の
後方位置に噴射ノズル１を回転させて高速気体Ｇを噴出
するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属又は非金属製
ワークに文字・図形・記号・模様等を施すパターニング
（Patterning）装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図７に示すように、レーザー光48
とガス50にて、ワーク49の切断や溶接を行うレーザー加
工装置が用いられていた。切断加工の場合、ノズル47に
内装された光学部46からレーザー光48を出射してワーク
49表面49ａを溶融し、レーザー光48を包囲するように噴
出されるガス50によって溶融部位を吹き飛ばしながらワ
ーク49を切断していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ワーク
49を切断するレーザー加工装置を（レーザー光48及びガ
ス50の出射を弱めて）パターニング（マーキング）に使
用すると、形成された溝の深さが均一とならず内面に凹
凸を生じると共に、溶融したワーク49の溶融部位がガス
50に吹き飛ばされず溝の両側へ盛り上がってバリを生じ
ていた。さらに、表面49ａの加工部分が変色してしまう
こともあり、パターニング（マーキング）の仕上がりは
汚いものであった。

【０００４】そこで、本発明は、迅速かつ確実に美しい
仕上がりの文字・図形・記号・模様等を施すパターニン
グ装置を提供することを目的とする。さらに、従来の加
工時に生じた（熱による）変形や、（機械加工による）
衝撃による破損・傷や、その他、材料の機械的性質の変
化（低下）を防止することを、他の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係るパターニング装置は、高速気体を噴
出する噴射ノズルを、レーザー光を出射する出射光学部
の軸心廻りに回転自在として、設け、レーザー加工進行
方向とは逆の後方位置に上記噴射ノズルを回転させて高
速気体を噴出するように構成したものである。

【０００６】また、第１気体流路を有する中空の固定周
囲壁と、該固定周囲壁の内部に挿入されてレーザー光を
集光して外部へ出射する出射光学部と、上記固定周囲壁
に回転自在に外嵌されると共に上記第１気体流路に連通
する第２気体流路を有する回転周囲壁と、該回転周囲壁
の第２気体流路に連通連結する噴射ノズルと、上記回転
周囲壁を回転させるサーボモーターと、を出射部に備
え、さらに、上記出射部を二次元乃至三次元的に移動さ
せる出射部移動手段と、を具備し、レーザー加工進行方
向とは逆の後方位置に上記噴射ノズルを回転させて高速
気体を噴出するように上記サーボモーターの回転を制御
するサーボモーター制御手段を設けたものである。

【０００７】また、レーザー光の焦点と高速気体の吹付
交点とが一致すると共に、出射光学部の軸心に対して20
°≦θ≦60°の角度をもって上記高速気体を噴出させる
ように噴射ノズルを配設したものである。

【０００８】また、噴射ノズルの回転が出射部の移動と
連動するように、サーボモーター制御手段を出射部移動
手段の制御部に接続したものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を示す図面に基
づき、本発明を詳説する。

【００１０】図１は、本発明に係るパターニング装置の
実施の一形態を示し、同図（イ）は正面図、（ロ）は平
面図である。このパターニング装置は、噴射ノズル１が
設けられた出射部Ａと、出射部Ａを二次元乃至三次元的
に移動させる出射部移動手段Ｅと、サーボモーター制御
手段７と、を備えている。この出射部移動手段Ｅとサー
ボモーター制御手段７について、詳しくは後述する。

【００１１】出射部Ａは、図２の一部破断正面図と図３
の平面図に示すように、第１気体流路８を有する中空の
固定周囲壁４と、固定周囲壁４に挿入されてレーザー光
Ｓを集光して外部へ出射する出射光学部２と、固定周囲
壁４に回転自在に外嵌されると共に第１気体流路に連通
する第２気体流路９を有する回転周囲壁５と、回転周囲
壁５の第２気体流路９に連通連結する噴射ノズル１と、
回転周囲壁５を回転させるサーボモーター３と、を備え
ている。つまり、高速気体Ｇを噴出する噴射ノズル１
を、レーザー光Ｓを出射する出射光学部２の軸心Ｏ廻り
に回転自在として設け、レーザー加工進行方向35とは逆
の後方位置に噴射ノズル１を回転させて高速気体Ｇを噴
出するように構成したものである。

【００１２】具体的に説明すると、正面視Ｌ字型の取付
板18の水平部18ａ下面に、出射光学部２が固着されてい
る。この出射光学部２は、ミラーやレンズ等を備えてお
り、光ファイバーケーブル11又はミラー導光機構と接続
されている。なお、出射光学部２は、光ファイバーを通
じて送られたレーザー光───例えば、ＹＡＧレーザー
やＣＯ₂ レーザー等───を出射光学部２下部で集光
し、焦点Ｐを形成する。

【００１３】また、この出射光学部２の軸心Ｏを同一軸
心とすると共に出射光学部２を外嵌するように、円筒型
の固定周囲壁４が取付板18の下面に固着されている。固
定周囲壁４は、外周面の上下の中間付近に大きな段付部
12を有し、上記第１気体流路８が段付部12から上端面13
まで貫設されている。なお、第１気体流路８上部は、
（図外の）エアー供給部からの配管部14に連通連結され
ている。

【００１４】また、回転周囲壁５は、内面の下部に固着
された軸受10，10を介して固定周囲壁４に外嵌状に連結
されているため、固定周囲壁４に対して回転自在であ
る。また、回転周囲壁５の内面には、固定周囲壁４の段
付部12に対向しかつ所定間隙をもって段付部15が設けら
れている。これによって───即ち、固定周囲壁４の外
周面及び段付部12と回転周囲壁５の内面及び段付部15と
によって───環状空隙部16が形成され、固定周囲壁４
の第１気体流路８に連通している。

【００１５】さらに、回転周囲壁５は、その下端面17か
ら段付部15まで上記第２気体流路９が貫設されており、
これにより、第１気体流路８と第２気体流路９が環状空
隙部16を介して連通されている。なお、回転周囲壁５内
面で環状空隙部16の上下両側には、気体漏れ止め用のＯ
リング19，19が設けられている。

【００１６】くの字型の噴射ノズル１は、その基端37を
回転周囲壁５の第２気体流路９に連通連結されると共
に、先端38は出射光学部２の軸心Ｏに向けられている。
また、サーボモーター３は、取付板18水平部18ａの上面
に固着され、そのシャフト20は取付板18を貫通して下方
突出状とされている。

【００１７】また、サーボモーター３のシャフト20には
小歯車21が固着されていると共に、回転周囲壁５の外周
面上部には上記小歯車21に対応する大歯車22が固着され
ており、サーボモーター３の回転駆動力を回転周囲壁５
に伝達することができる。

【００１８】しかして、サーボモーター３は、サーボモ
ーター制御手段７に接続されており、シャフト20の回転
を制御されている。つまり、回転周囲壁５及び噴射ノズ
ル１の軸心Ｏ廻りの回転は、制御手段７にて制御されて
いる。さらに、制御手段７は、（エアー供給部から高速
気体Ｇを送る）配管部14に設けられた電磁弁34と接続さ
れており、電磁弁34の開閉制御も行う。これによって、
噴射ノズル１が所定の動き（回転）をしながら所定時─
──即ち、レーザー光Ｓが出射光学部２から出射される
レーザー加工時───に高速気体Ｇを噴出することがで
きる。

【００１９】次に図１にもどって、出射部Ａの噴射ノズ
ル１を二次元乃至三次元的に移動させる出射部移動手段
Ｅについて具体的に説明する。出射部移動手段Ｅは、同
図（イ）（ロ）に示す如く、支柱部23と、モーター25ａ
を有すると共に上下往復動する第１移動部25と、モータ
ー26ａを有すると共に前後往復動する第２移動部26と、
モーター27ａを有すると共に左右往復動する第３移動部
27と、を備えている。

【００２０】第１移動部25は、支柱部23上部の外側面24
に長手方向に付設された第１レール部材29（例えば、ラ
ック部材）上を、モーター25ａによって回転移動する図
示省略の車輪部（例えば、ピニオン部材）を備えてお
り、支柱部23に沿って上下往復動することができる。

【００２１】また、第１移動部25の外側面28には棚部30
が固着され、また、この棚部30の上面には第２レール部
材31を有する水平部32が固着されている。そして、モー
ター26ａの回転駆動力によって第２移動部26は、第２レ
ール部材31上を前後往復動可能とされている。

【００２２】また、第２移動部26には、第３移動部27用
の第３レール部材33が設けられており、モーター27ａの
回転駆動力によって第３移動部27が左右往復動可能とさ
れている。そして、上記出射部Ａが、取付板18を介して
第３移動部27と連結されている。

【００２３】上記説明の出射部移動手段Ｅには、第１、
第２、第３移動部25，26，27の移動を制御する制御部６
が備えられており、各モーター25ａ，26ａ，27ａと接続
されている。つまり、この制御部６によって各モーター
25ａ，26ａ，27ａは回転を制御され、第１、第２、第３
移動部25，26，27が夫々同時に移動し、出射部Ａの噴射
ノズル１が二次元乃至三次元的に移動する。

【００２４】さらに、噴射ノズル１の回転が出射部Ａの
移動と連動するように、（上述の）サーボモーター制御
手段７を出射部移動手段Ｅの制御部６に接続している。

【００２５】具体的には、図１と図４に示すように、レ
ーザー加工時に制御部６が出射部Ａをワーク40近傍に移
動させると共に、制御部６からの電気的信号を受信した
サーボモーター制御手段７が、レーザー加工進行方向35
とは逆の後方位置に噴射ノズル１を回転させかつ電磁弁
34の開閉を制御して高速気体Ｇを噴出させる。

【００２６】ここで、パターニング（マーキング）され
るワークを所定位置に保持するものとして、例えば、図
例（図１の仮想線）に示すようなワーク固定用装置Ｂを
用いるのも良い。このワーク固定用装置Ｂを簡単に説明
すると、上下揺動するアーム41と、コンベアー43と、を
備えており、パイプ状のワーク40をコンベアー43のロー
ラー44上に載置し、アーム41を揺動させて（アーム41先
端に設けられた）押え部42で押えてワーク40を挾持状に
固定する。

【００２７】ローラー44の外周面は谷型であるため、ワ
ーク40を横ずれさせずに固定することができ、また、ア
ーム41が上下揺動するので大小のワーク40に対応でき
る。そして、ワーク40をコンベアー43に沿って長手方向
に移動させるには、例えば、押え部42のワーク40への当
接部位に、ワーク送り用の回転輪や回転ベルト等を設け
る。この場合、ワーク40が所定文字数マーキングされる
と所定分ワーク40が送られるように連動させるのが、望
ましい。なお、ワークが帯板状のものであれば、ローラ
ーを（軸心と平行な）棒状とすれば良い。なお本発明に
於て、ワーク40としては金属の他に、石、タイル等の非
金属にも応用できる。

【００２８】しかして、図４に示す如く、出射部Ａは、
出射光学部２から出射するレーザー光Ｓの焦点Ｐと、
（ 360°回転可能な）噴射ノズル１から噴出する高速気
体Ｇの吹付交点とが一致するように設計されている（図
２参照）。また、出射光学部２の軸心Ｏに対して20°≦
θ≦60°の角度をもって高速気体Ｇを噴出させるように
噴射ノズル１を配設している。

【００２９】従って、レーザー加工時に於て、進行方向
35とは逆の後方位置に噴射ノズル１を回転させて高速気
体Ｇを噴出するが、このとき、レーザー光Ｓの焦点Ｐに
よってワーク40表面40ａが溶融すると共に、その溶融部
位を狙うように高速気体Ｇ───気体速度は 100〜 500
ｍ／s ───が噴射され、溶融部位を吹き飛ばすので、
効果的にワーク40表面40ａに溝36を形成することができ
る。なお、気体速度が100ｍ／s よりも小であると、溶
融部位を十分吹き飛ばすことができず、 500ｍ／s より
も大であると、現場環境が悪化する。

【００３０】また、噴射ノズル１は、出射光学部２の軸
心Ｏに対して20°≦θ≦60°の角度をもって設けられて
いることから、θを小（20°〜30°）とすると、ワーク
40表面40ａに対して噴射ノズル１（噴射ノズル１の軸
心）が鋭角となり、深い溝36を形成することができ、θ
を大（50°〜60°）とすると、バリ───ワーク溶融部
位の盛り上がり───が減少すると共に溝36の内面が平
滑で仕上がりの美しいものとなる。しかしながら、θが
20°よりも小であると、溶融部位が飛ばされ難く、その
ためバリの発生が多くなる。また、θが60°よりも大と
なると、溝が浅すぎてしまう。

【００３１】なお、気体Ｇとしては、空気、Ｎ₂ ガス、
Ｏ₂ ガス、Ｈ₂ ガス、その他が使用され、Ｏ₂ ガス（又
はＨ₂ ガス）を使用した場合、深い溝（凹部）加工が可
能であり、Ｎ₂ ガスでは溝（凹部）加工の深さは浅くな
るが、加工面は非常に綺麗な仕上がりとなり、空気で
は、Ｏ₂ ガスとＮ₂ ガスの中間の効果が得られ、実用的
である。

【００３２】しかして、図５は、レーザー加工時の高速
気体Ｇの噴出方向を示し、図例の如く、レーザー加工進
行方向35とは逆の後方位置に回転移動した噴射ノズル１
から高速気体Ｇが噴出する。このとき、図５（イ）
（ロ）は直線状の溝加工を示し、出射部Ａが進行方向35
を直進すると共に、噴射ノズル１が同方向35を維持しな
がら高速気体Ｇを噴射する。同図（ハ）（ニ）は曲線状
の溝加工であり、この場合、出射部Ａの進行方向35が連
続的に変化するが、出射部Ａの移動と連動して噴射ノズ
ル１が回転するので、進行方向35に追随する高速気体Ｇ
を噴出することができる。

【００３３】また、図６は、他の実施の形態を示し、こ
れは、出射部ＡをロボットＲのアーム45先端に取付けた
ものである。このようにすれば、（図１で説明した）ワ
ーク固定用装置Ｂで搬送されるワーク40へのレーザー加
工も行え、さらに、（図例の如く）コンベアーに載置で
きない大型及び形状のワーク40にも対応することができ
る。なお、上述同様に、制御部６とサーボモーター制御
手段７とを設け、出射部Ａの移動と噴射ノズル１の回転
とを連動させる。

【００３４】また、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由で
ある。

【００３５】

【発明の効果】本発明は上述の如く構成されるので、次
に記載する効果を奏する。

【００３６】（請求項１又は２記載のパターニング装置
によれば）レーザー加工進行方向35と、高速気体Ｇの噴
出方向が一致するため、レーザー光Ｓによるワーク40の
溶融部位が溝36の両側に堆積することなく吹き飛ばされ
る（バリの発生を抑制する）。従って、ワーク40表面40
ａに形成された文字・図形・記号・模様等の仕上がり
が、美しいものとなる。さらに、ワークの熱変形及び機
械的性質の変化等を防止して、効率的に、かつ、高品質
のパターンを描きえる。特に、複雑に弯曲する曲線（自
由曲線ともいう）のパターニングを円滑・確実・迅速に
行い得る利点がある。

【００３７】（請求項２又は４記載のパターニング装置
によれば）サーボモーター制御手段７を出射部移動手段
Ｅに接続することによって、噴射ノズル１が出射部Ａに
連動する。即ち、曲線状の溝加工を行う場合、レーザー
加工進行方向35が連続的に変化しても、それに追随しな
がら（無段階に）高速気体Ｇを噴出することができる。
従って、角張らない滑らかな曲線の溝36を形成すること
ができると共に、複雑な文字や図形（自由曲線等）や記
号や、各種模様等のパターニングが美しく緻密な仕上が
りとなる。

【００３８】また、出射部移動手段Ｅの制御部６にＣＡ
Ｄ／ＣＡＭを用いて、マーキングしたい文字や図形等を
プログラムすれば、そのプログラムを出射部Ａ及び噴射
ノズル１の位置制御にそのまま流用できるので、改めて
位置制御のプログラムをする必要がない。従って、プロ
グラム工程が簡略化できる。

【００３９】（請求項２記載のパターニング装置によれ
ば）出射部Ａはコンパクトであるため、ロボットＲのア
ーム41等へ簡単に取付け（取外し）して使用することが
できる。従って、既存の出射部移動手段を用いての使用
も行い得る。

【００４０】（請求項３記載のパターニング装置によれ
ば）レーザー光Ｓの焦点Ｐにてワーク40表面40ａを溶融
すると共に、その溶融部位を狙うように高速気体Ｇが噴
射され、溶融部位を吹き飛ばすので、確実かつ効果的に
ワーク40表面40ａに溝36を形成することができる。しか
も、噴射ノズル１は、出射光学部２の軸心Ｏに対して20
°≦θ≦60°の角度をもって配設されていることから、
θを小（20°〜30°）とすると、深い溝36を形成するこ
とができ、θを大（50°〜60°）とすると、バリ───
ワーク溶融部位の盛り上がり───が減少すると共に溝
36の内面が平滑となり、さらに仕上がりの美しいものと
なる。また、θを45°位に設定すると、この中間的な仕
上がりの溝36を形成することができる。さらに、気体Ｇ
の気体速度を調整することによって、溝深さの微妙な調
整を行い得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパターニング装置の実施の一形態を示
す構成説明図である。

【図２】出射部の一部破断断面図である。

【図３】出射部の平面図である。

【図４】レーザー加工状態を示す要部断面正面図であ
る。

【図５】レーザー加工状態を示す説明平面図である。

【図６】他の実施の形態を示す斜視図である。

【図７】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１噴射ノズル２出射光学部３サーボモーター４固定周囲壁５回転周囲壁６制御部７サーボモーター制御手段８第１気体流路９第２気体流路 35 進行方向Ａ出射部Ｅ出射部移動手段Ｇ高速気体Ｏ軸心Ｐ焦点Ｓレーザー光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速気体Ｇを噴出する噴射ノズル１を、
レーザー光Ｓを出射する出射光学部２の軸心Ｏ廻りに回
転自在として、設け、レーザー加工進行方向35とは逆の
後方位置に上記噴射ノズル１を回転させて高速気体Ｇを
噴出するように構成したことを特徴とするパターニング
装置。
【請求項２】第１気体流路８を有する中空の固定周囲
壁４と、該固定周囲壁４の内部に挿入されてレーザー光
Ｓを集光して外部へ出射する出射光学部２と、上記固定
周囲壁４に回転自在に外嵌されると共に上記第１気体流
路８に連通する第２気体流路９を有する回転周囲壁５
と、該回転周囲壁５の第２気体流路９に連通連結する噴
射ノズル１と、上記回転周囲壁５を回転させるサーボモ
ーター３と、を出射部Ａに備え、さらに、上記出射部Ａ
を二次元乃至三次元的に移動させる出射部移動手段Ｅ
と、を具備し、レーザー加工進行方向35とは逆の後方位
置に上記噴射ノズル１を回転させて高速気体Ｇを噴出す
るように上記サーボモーター３の回転を制御するサーボ
モーター制御手段７を設けたことを特徴とするパターニ
ング装置。
【請求項３】レーザー光Ｓの焦点Ｐと高速気体Ｇの吹
付交点とが一致すると共に、出射光学部２の軸心Ｏに対
して20°≦θ≦60°の角度をもって上記高速気体Ｇを噴
出させるように噴射ノズル１を配設した請求項１又は２
記載のパターニング装置。
【請求項４】噴射ノズル１の回転が出射部Ａの移動と
連動するように、サーボモーター制御手段７を出射部移
動手段Ｅの制御部６に接続した請求項２記載のパターニ
ング装置。