JPH1085978A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のガイド軸機構を利用した構成による
と、被加工材の形状や加工条件の変更の度に集光レンズ
の位置調整時間を確保しなければならないため、結果的
に加工時間が長くなる。 【解決手段】 トーチ１内の集光レンズ３の光軸方向一
側に設けられた流体流入部６内の流体圧を変更すること
で、集光レンズ３の位置を移動する構成のレーザ加工装
置を提供する。この構成により、流体圧を変更するだけ
で、集光レンズ３の位置を迅速に変更することができ、
加工時間を短縮することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザによって切
断や溶接等の加工を行うレーザ加工装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】トーチに導いたレーザビームを該トーチ
に内蔵した集光レンズで集光して被加工材に照射して切
断等の加工を行うレーザ加工装置にあっては、従来、モ
ータで駆動されるガイド軸機構によって集光レンズの位
置を移動してレーザの焦点位置を変更するようにしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
なレーザ加工装置の場合、集光レンズの位置調整は、加
工作業中の被加工材の形状や加工条件の変更に伴って迅
速に行う必要があるが、ガイド軸機構を利用した構成に
よると被加工材の形状や加工条件の変更の度に集光レン
ズの位置調整時間を確保しなければならないため、結果
的に加工時間が長くなるといった問題が生じていた。ま
た、ガイド軸機構をトーチを搭載すると、トーチの大型
化や重量増大の原因になって、トーチの旋回角度や移動
速度等に制限を生じる可能性がある。しかも、ガイド軸
機構は、部品点数が多く、構成が複雑であるので、レー
ザ加工装置のコストを上昇するといった問題もある。

【０００４】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、流体圧の変化によって集光レンズを所望の位置に
迅速に移動することができ、しかもトーチの小型化およ
び低コスト化が可能になるレーザ加工装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、以下の構成を採用した。すなわち、請求項
１記載の発明では、トーチに導いたレーザビームを該ト
ーチに内蔵した集光レンズで集光して被加工材に照射し
て加工するレーザ加工装置において、集光レンズが該集
光レンズに入射するレーザビームの光軸との相対角度を
維持しつつ該光軸に沿って移動可能であり、トーチは、
集光レンズを光軸方向一側に付勢する付勢手段と、集光
レンズの光軸方向一側に設けられて流入させた流体の圧
力によって付勢手段の付勢力に抗して集光レンズをレー
ザビームの光軸方向他側に押圧する流体流入部とを具備
してなり、流体流入部内の流体圧を変化させることで集
光レンズの位置が変更されることを特徴とするレーザ加
工装置を前記課題の解決手段とした。

【０００６】本発明によれば、流体流入部内の流体圧を
変更することで、集光レンズを所望の位置に移動する。
したがって、流体の粘性が十分低ければ、集光レンズの
移動時間は微小であり、瞬時に移動がなされる。流体
は、気体、液体のいずれでも良い。本発明は、流体流入
部に集光レンズが露出し、集光レンズに直接接触する流
体によって集光レンズを押圧する構成も含む。この場
合、レーザビームが流体を透過するので、透過したレー
ザビームの性状に影響を与えない流体を選択する必要が
ある。

【０００７】請求項２記載の発明では、レーザビームの
光軸方向に沿って移動可能に設けられたレンズホルダに
よって集光レンズの縁部を支持し、前記レンズホルダの
光軸方向一側に設けられた流体流入部内の流体圧の変化
によって、集光レンズとレンズホルダとが一体的に移動
されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のレー
ザ加工装置を前記課題の解決手段とした。

【０００８】本発明によれば、流体流入部の流体圧によ
ってレンズホルダを押圧することで集光レンズを移動す
る。流体流入部はレンズホルダに対応する部分にのみ形
成すればよく、集光レンズに入出射されるレーザビーム
と干渉する位置に流体を流入させる必要が無いので、流
体として透光性を有していないものを適用することが可
能になる。

【０００９】請求項３記載の発明では、集光レンズの位
置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段の出力す
る検出信号に基づいて制御信号を出力する制御装置と、
前記制御信号に基づいて流体流入部内の流体圧を変更す
る圧力調整器とを具備することを特徴とする請求項１ま
たは２記載のレーザ加工装置を前記課題の解決手段とし
た。

【００１０】本発明によれば、圧力調整器が制御装置の
制御信号に基づいて流体圧を調整することで、集光レン
ズを目的位置に位置させる。位置検出手段が検出した集
光レンズ位置が、制御装置で設定した目的位置からずれ
ている場合、補正した制御信号を制御装置が圧力調整器
に出力して、位置検出手段での集光レンズの検出位置の
位置ずれを解消する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明のレーザ加工装置の第
１実施形態を、図１を参照して説明する。図１におい
て、符号１はトーチ、２はレーザビーム、３は集光レン
ズ、４はレンズホルダ、５は封止窓、６は流体流入部
（ガス流入部）、７は付勢手段（コイルバネ）、８はシ
ール材（Ｏリング）、９および１９は位置検出手段（光
センサ、発光ダイオード）、１０は圧力調整器（制御
弁）、１１は圧力計、１２は制御装置（ＣＰＵ）、１３
は焦点位置である。

【００１２】トーチ１は、円筒状のトーチ本体１４と、
該トーチ本体１４の下端部（図１下側）に取り付けられ
たテーパ筒状の加工端部１５とを備えて構成されてい
る。トーチ本体１４と加工端部１５とは、互いの中心軸
線が一致されている。トーチ本体１４には、集光レンズ
３および該集光レンズ３の縁部に固定して一体化された
リング状のレンズホルダ４とが内装されている。集光レ
ンズ３は概略円板状であって、その集光軸線がトーチ本
体１４の中心軸線とほぼ一致されている。レンズホルダ
４はトーチ本体１４の内面に突設されたシール材８と摺
接する摺接外面１６を有し、シール材８との間の気密性
を保ちつつトーチ本体１４の中心軸線に沿った方向に移
動されるようになっている。なお、レンズホルダ４の移
動範囲は、摺接外面１６がシール材８と接触可能な領域
である。また、トーチ本体１４内面には、レンズホルダ
４のガイド手段（図示せず）が別途設けられており、こ
れによりレンズホルダ４が途中で集光レンズ３の角度に
変動を与えること無く安定に移動されるようになってい
る。

【００１３】トーチ本体１４のレーザビーム２入射側
（図１中上側）に位置する上壁１７とレンズホルダ４と
の間には付勢手段７が介装されている。付勢手段７は、
レンズホルダ４を集光レンズ３の光軸方向一側（図１中
下側。出射側）方向に付勢する。なお、付勢手段７はコ
イルバネに限定されず、板バネ等を適用することも可能
である。

【００１４】封止窓５は、トーチ本体１４の出射側端部
に取り付けられ、トーチ本体１４と集光レンズ３とレン
ズホルダ４とともに、流体（ガス）が流入される流体流
入部６を画成している。また、封止窓５はＺｎＳｅ等の
赤外線透過材料から円板状に形成され、集光レンズ３か
ら出射されたレーザビーム２が中央部を透過するように
なっている。なお、付勢手段７は、この流体流入部６内
に設置することも可能である。

【００１５】流体流入部６には流体流路１８が連通さ
れ、該流体流路１８に接続された圧力調整器１０によっ
て、該流体流入部６に封入した流体に所望の圧力が与え
られるようになっている。圧力調整器１０は制御装置１
２と接続されており、制御装置１２の出力信号に対応す
る圧力に流体圧を調整する。流体としては、圧縮空気等
の適用が考えられるが、レーザビーム２によって励起さ
れない種類のガスがより好ましい。また、ヘリウム等の
熱伝導性の良好なガスを使用すると、集光レンズ３や封
止窓５の冷却効果が得られる。なお、流体として液体を
使用することも可能であるが、その場合には圧力制御装
置１０として液体用の制御弁を適用する必要がある。

【００１６】位置検出手段９、１９は、光センサ９と、
該光センサ９から離間して配置した発光ダイオード１９
であり、発光ダイオード１９から集光レンズ３に照射し
て反射した検出光を光センサ９で受光することで、集光
レンズ３の位置を検出するようになっている。発光ダイ
オード１９が発振する検出光は、集光レンズ３で反射し
やすく、かつ加工用のレーザビーム２と干渉しない波長
であることが好ましい。なお、位置検出手段としては、
光センサ９と発光ダイオード１９の組み合わせ以外の構
成を適用することも可能である。

【００１７】光センサ９は制御装置１２と接続され、集
光レンズ３から反射した検出光を受光することで該受光
した検出光に対応する検出信号を制御装置１２に出力す
る。制御装置１２は、外部から目的の集光レンズ３の位
置を入力するための入力手段（図示せず）と、該入力手
段から入力された集光レンズ３位置に対応する出力信号
を圧力調整器１０に出力する出力手段（図示せず）と、
位置検出手段９の出力信号に対応する集光レンズ３の検
出位置と入力手段から入力された目的位置とを比較し
て、その差を補正した制御信号を発信する補正手段（図
示せず）とを備えて構成されている。

【００１８】以下、本実施形態のレーザ加工装置の作用
および効果を説明する。前記レーザ加工装置では、制御
装置１２の指令によって圧力調整器１０が流体流入部６
内の流体圧を変更することで集光レンズ３の位置を調整
する。流体流入部６内の流体圧は、付勢手段７の付勢力
に抗して、集光レンズ３を光軸方向他側（図１上方）に
押し上げる方向に作用する。したがって、最も使用頻度
の高い集光レンズ３位置（以下、「基準位置」）を該集
光レンズ３の可動範囲の中央部に設定しておけば、流体
圧を変更することで集光レンズ３が基準位置から昇降し
て位置を変更することになる。これにより、レーザビー
ム２の焦点位置１３が変更される。

【００１９】流体圧を変更すると、変更後の流体圧に対
応する位置に集光レンズ３が迅速に移動するので、集光
レンズ３の移動は極めて短時間で行われる。したがっ
て、被加工材の形状や加工条件の変更に対応する目的の
焦点位置１３がいつでも瞬時に得られ、焦点位置１３の
頻繁な変更を伴う加工作業であっても、加工時間を短縮
することができる。

【００２０】位置検出手段９で検出した集光レンズ３位
置と制御装置１２に入力された目的位置との間に差があ
る場合には、制御装置１２の補正手段が作動し、該補正
手段によって補正された制御信号に対応して圧力調整器
１０が流体圧を調整するので、集光レンズ３位置の微調
整が自動的になされる。この微調整も極めて短時間でな
されるので、短時間かつ高精度で集光レンズ３を目的位
置に移動することができる。

【００２１】以下、本発明の第２実施形態を図２を参照
して説明する。なお、図中、図１と同一の構成部分には
同一の符号を付し、その説明を簡略化する。図２におい
て、符号２１はトーチ、２２は集光レンズ、２３はレン
ズホルダ、２４は流体流入部（オイル流入部）、２５は
付勢手段（コイルバネ）、２６はシール材（Ｏリング）
である。

【００２２】トーチ２１は円筒状のトーチ本体２８と、
該トーチ本体２８の出射側（図２下側）端部に取り付け
られるテーパ筒状の加工端部２９とを備えて構成されて
いる。集光レンズ２２は円板状であり、縁部に固定され
た支持材３０を介してリング状のレンズホルダ２３によ
って支持され、集光光軸がレーザビーム２の入射光軸と
一致されている。

【００２３】レンズホルダ２３は、トーチ本体２８の内
面に対して摺接する摺接外面３１を有し、図示しないガ
イド手段によって、トーチ本体２８の中心軸線に沿って
安定に移動されるようになっている。摺接外面３１はト
ーチ本体２８内面との間で水密性を維持しつつ摺動す
る。また、レンズホルダ２３は、トーチ本体２８の出射
側に形成された段部３２との間に水密な流体流入部２４
を画成する。流体流入部２４には流体流路１８が連通さ
れており、該流体流路１８に接続された圧力調整器１０
によって、流体流入部２４に流入させた流体（作動油）
の圧力が変更されるようになっている。レンズホルダ２
３は入射側に配置された付勢手段２５により出射側に付
勢されており、該付勢手段２５の付勢力に抗して流体流
入部２４内の流体圧を変更してレンズホルダ２３と段部
３１との間の離間寸法を変える（流体流入部２４の大き
さを変更する）ことで、集光レンズ２２位置が変更され
るようになっている。

【００２４】トーチ本体２８の入射側には位置検出手段
９、１９が取り付けられている。位置検出手段９、１９
および圧力調整器１０は、図２には示していない制御装
置１２と接続されている。制御装置１２は、第１実施形
態の場合と同様に、位置検出手段９が出力した集光レン
ズ２２検出信号からそれに対応する制御信号を圧力調整
器１０にフィードバックすることで、集光レンズ２２を
目的位置に位置させる。

【００２５】本実施形態のレーザ加工装置によれば、流
体流入部２４がレンズホルダ２３と段部３２との間に存
在し、集光レンズ２２を通るレーザビーム２と干渉しな
いので、流体として透光性を有するものを使用する必要
が無くなり、その選択の自由度が向上する。流体として
は、圧縮性の高い媒質がより好ましく、このような流体
を使用することで制御信号の出力に対する集光レンズ２
２の移動の応答速度が一層向上する。また、安価な流体
を使用することで、低コスト化を図ることも可能にな
る。

【００２６】以下、本発明の第３実施形態を図３を参照
して説明する。なお、図中、図２と同一の構成部分には
同一の符号を付し、その説明を簡略化する。本実施形態
のレーザ加工装置と第２実施形態のレーザ加工装置との
相違点は、図３中符号４１の流体流入部のみである。流
体流入部４１は、円筒状のトーチ本体４２の出射側に設
けられた段部４３とレンズホルダ２３と伸縮体（ベロー
ズ）４４とによって画成され、流体として作動油が流入
されるようになっている。伸縮体４４は筒状であって、
レンズホルダ２３と前記段部４３との間を連結し、トー
チ本体４２の外周部に沿って環状に延在する流体流入部
４１の内壁部を形成しており、段部４３に対するレンズ
ホルダ２３の接近離間に対応して伸縮する。流体流入部
４１の容積変動は段部４３とレンズホルダ２３との離間
距離によってのみ与えられ、単に伸縮体４４が変形した
だけでは容積は変動しない。なお、伸縮体４４は図示し
たベローズに限定されず、他の構成を適用することも可
能である。また、伸縮体４４を、集光レンズ２２一側方
向へ付勢する付勢手段として機能させることも可能であ
り、これにより付勢手段２５が不要になる。

【００２７】本実施形態のレーザ加工装置によれば、伸
縮体４４を使用して流体流入部４１を形成したことで、
シール材２６の設置数が減少して構造が単純になるの
で、組み立てが容易になるとともに、低コスト化するこ
とも可能になる。さらに、伸縮体４４の取り付け位置の
自由度が高いので、流体流入部４１の形状の自由度が向
上し、トーチの小型化が可能になる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載のレ
ーザ加工装置によれば、トーチ内に設けた流体流入部内
の流体圧を変更することで、集光レンズを所望の位置に
移動するようにしたので、流体圧を目的の値に変更する
だけで集光レンズを所望の位置に瞬時に移動することが
でき、これにより、被加工材の形状や加工条件の変化に
敏感に対応して焦点位置を適切位置に短時間で移動する
ことが可能になり、加工時間を短縮することができると
いった優れた効果を奏する。

【００２９】請求項２記載のレーザ加工装置によれば、
レーザビームの光軸方向に沿って移動可能に設けられた
レンズホルダによって集光レンズの縁部を支持し、前記
レンズホルダの光軸方向一側に設けられた流体流入部内
の流体圧の変化によって、集光レンズとレンズホルダと
が一体的に移動されるようにしたことで、流体流入部を
レーザビームと干渉しない位置にのみ形成することが可
能になり、これにより流体として透光性を有していない
ものやコストの低いものも使用可能になる。また、粘性
が低くかつ圧縮性が高い液体を流体として使用すると、
集光レンズの移動の応答速度を一層向上することができ
るといった優れた効果を奏する。

【００３０】請求項３記載のレーザ加工装置によれば、
集光レンズの位置を検出する位置検出手段と、該位置検
出手段の出力する検出信号に基づいて制御信号を出力す
る制御装置と、前記制御信号に基づいて流体流入部内の
流体圧を変更する圧力調整器とを具備し、圧力調整器が
制御装置の制御信号に基づいて流体圧を調整すること
で、集光レンズを目的位置に位置させるようにしたの
で、制御装置に指令を入力するだけで、集光レンズを目
的位置に自動的に位置させることができる。また、位置
検出手段が検出した集光レンズ位置が、制御装置で設定
した目的位置からずれている場合、補正した制御信号を
制御装置が圧力調整器に出力して集光レンズの位置ずれ
を解消するので、移動した集光レンズに常に高い位置精
度が得られ、加工精度が向上するといった優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のレーザ加工装置の第１実施形態を示
す全体図である。

【図２】 本発明のレーザ加工装置の第２実施形態を示
す図であって、トーチの構造を示す正断面図である。

【図３】 本発明のレーザ加工装置の第３実施形態を示
す図であって、トーチの構造を示す正断面図である。

【符号の説明】

１ トーチ ２ レーザビーム ３ 集光レンズ ４ レンズホルダ ６ 流体流入部 ７ 付勢手段（コイルバネ） ９ 位置検出手段（光センサ） １０ 圧力調整器（制御弁） １２ 制御装置（ＣＰＵ） １９ 位置検出手段（発光ダイオード） ２１ トーチ ２２ 集光レンズ ２３ レンズホルダ ２４ 流体流入部（オイル流入部） ２５ 付勢手段（コイルバネ） ４１ 流体流入部 Ｐ 被加工材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/101 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｆ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トーチ（１、２１）に導いたレーザビー
   ム（２）を該トーチに内蔵した集光レンズ（３、２２）
   で集光して被加工材（Ｐ）に照射して加工するレーザ加
   工装置において、 集光レンズが該集光レンズに入射するレーザビームの光
   軸との相対角度を維持しつつ該光軸に沿って移動可能で
   あり、 トーチは、集光レンズを光軸方向一側に付勢する付勢手
   段（７、２５）と、集光レンズの光軸方向一側に設けら
   れて流入させた流体の圧力によって付勢手段の付勢力に
   抗して集光レンズをレーザビームの光軸方向他側に押圧
   する流体流入部（６、２４、４１）とを具備してなり、 流体流入部内の流体圧を変化させることで集光レンズの
   位置が変更されることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 レーザビームの光軸方向に沿って移動可
   能に設けられたレンズホルダ（４、２３）によって集光
   レンズの縁部を支持し、 前記レンズホルダの光軸方向一側に設けられた流体流入
   部（２４、４１）内の流体圧の変化によって、集光レン
   ズとレンズホルダとが一体的に移動されるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 集光レンズの位置を検出する位置検出手
   段（９、１９）と、該位置検出手段の出力する検出信号
   に基づいて制御信号を出力する制御装置（１２）と、前
   記制御信号に基づいて流体流入部内の流体圧を変更する
   圧力調整器（１０）とを具備することを特徴とする請求
   項１または２記載のレーザ加工装置。