KR100985744B1

KR100985744B1 - 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염방지방법 및 장치

Info

Publication number: KR100985744B1
Application number: KR1020047013766A
Authority: KR
Inventors: 후쿠다나오아키; 키타가와아키카즈; 카와하라타카시
Original assignee: 히다치 조센 가부시키가이샤
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2010-10-06
Also published as: US20050206894A1; KR20040086475A; US7605345B2; JP4287285B2; JPWO2003076117A1; WO2003076117A1

Abstract

레이저 가공기의 헤드(3)와 피가공재(M) 사이에 있어서, 가공가스를 교란시키지 않는 상태에서 레이저광의 조사방향으로 소정의 간격을 두고 복수개 배치한 분사 노즐(9c)의 후방으로부터 공기를 유인하면서 가스를 분사하고, 레이저 가공시에 발생하는 분진의 상기 헤드(3) 내의 광학부품(31, 32)으로의 부착을 방지한다. 헤드(3) 내의 광학부품(31, 32)보다 상류측에 배치된 부착오염에 의한 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부(4)와, 수광값과 미리 설정된 임계값과 비교하는 판정부(6)를 구비한다.

Description

레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PREVENTION OF ADHESION OF DIRT AND CONTAMINATION ON OPTICAL PARTS IN LASER BEAM MACHINE}

본 발명은 레이저 가공기에 의한 가공품질의 저하를 방지하기 위해 광학부품으로의 부착오염을 방지하는 방법과 장치에 관한 것이다.

종래부터, 레이저 가공기는, 강재, 비철재료, 세라믹스, 유리, 플라스틱, 피혁, 천, 목재 등, 다양한 재료(이하, "피가공재"라 함)의 절단, 드릴링, 표면 가공, 마킹이나, 강재, 비철재료 등의 용접(이하, "가공"이라 함)에 사용되고 있다. 그리고, 사용되는 레이저광은 YAG 레이저, CO₂ 레이저, 엑시머 레이저가 주류로 되어 있다.

예를 들면, YAG 레이저 가공기는 레이저 발진기에서 발생된 레이저광을 광섬유로 전송하고 헤드 내부에 설치된 집광렌즈로 피가공재에 초점을 맞춰 조사하는 구성이다. 그리고, 이 다양한 헤드를 컴퓨터 등에 등록한 작동순서에 기초하여 3차원적으로 작동시킴으로써 정밀한 가공이 가능해진다. 또한, 집광렌즈와 피가공재 사이에는 피가공재의 가공시에 발생하는 스퍼터(sputter), 퓸(fume), 분진 등(이 하, 간단히 "분진"이라 함)으로부터 집광렌즈를 보호하는 보호유리가 설치되어 있다. 또한, 가공부에는 실드 가스(shield gas) 또는 어시스트 가스(assist gas) 등의 가공가스(이하, 간단히, "가공가스"라 함)가 공급되어, 가공품질을 저하시키지 않도록 하고 있다.

그런데, 상기 레이저 가공에 있어서, 가공시에 발생하는 분진이 보호유리 등에 부착되면 레이저광의 집광에 방해가 되고 가공품질을 저하시킨다. 그래서, 예를 들면, 일본특허공개 평11-239889호에서는 집광렌즈의 집광측에 레이저광(공보에서는 "레이저빔"으로 기재함)과 가공가스가 통과가능하도록 설치된 노즐과, 상기 집광렌즈 사이의 노즐 홀더 내부공간에 레이저광의 광축에 거의 수직인 평면을 가지고 피가공재에 가까워질수록 내경이 작아지는 복수의 링형상의 정류(整流)판을 설치하고, 기체 분사노즐로부터 상기 정류판을 따라 분사된 기체를 상기 노즐 홀더의 내부 공간으로부터 외부 공간으로 배출가능하게 구성한 것이 제안되어 있다. 이렇게 구성함으로써, 가공시의 분진을 완전히 차단하여 집광렌즈의 보호 및 윈도우의 오염을 방지할 수 있다.

또한, 광학적 수단에 의한 거리측정장치의 내부오염 감지기술로서, 일본특허공개 평5-256947호가 제안되어 있다. 이 기술은, 거리측정용 광이 렌즈, 앞 유리 등을 통과할 때, 그곳에 오염이 있는 경우에, 후방으로 산란하는 상기 광의 일부를 포착함으로써 렌즈, 앞 유리 등의 오염을 감지하는 것이다.

그러나, 일본특허공개 평11-239889호에서 제안된 장치는 반기체 분사노즐측으로부터의 공기 흡입에 대해서는 고려되어 있지 않다. 따라서, 기체 분사노즐로부 터의 기체의 분출량이 많아지면 기체 분사노즐의 근방에 부압(負壓)이 발생하여 부근의 분진을 휩쓸리게 하고, 홀더 내부도 난류가 되어 분진의 배출력도 낮아지고, 분진의 부착방지력이 저하한다. 또한, 기체 분사노즐로부터 분출되는 기체의 정류화(整流化)와 분진차단을 위해 복수의 링형상의 정류판을 설치하고 있지만, 기체 분사노즐로부터의 기체의 분출량이 많아지면, 가공부의 분위기 가스도 동시에 흡입된다. 따라서, 가공 분위기를 정상으로 유지할 수 없고, 정류판의 효과가 낮아져 가공품질이 저하된다.

또한, 일본특허공개 평5-256947호에서 제안된 장치는 오염에 의한 산란광을 포착하기 위해 특수한 광학렌즈를 사용하기 때문에, 헤드부가 큰 가공자세에 제한이 가해지는 등, 자유도가 상실된다. 또한, 이 기술을 레이저 가공기에 채용하는 경우, 거리계측용과는 다르고, 가공용 레이저는 고출력이기 때문에, 집광렌즈는 석영유리가 이용되지만, 이 석영유리를 사용한 특수렌즈의 제작이 곤란하다. 또한, 거리의 측정은, 조사된 광의 반사광을 포착하여 측정하는 것이지만, 그 때, 장치 외부로부터의 광량도 동시에 포착한다. 따라서, 렌즈 또는 앞유리 등의 오염에 상관없이 계절, 기후, 시각 등 측정시의 상황에 따라서도 포착되는 광량이 변화하고, 감지 데이터에 편차가 발생하여, 신뢰성이 떨어진다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 발생원으로부터의 레이저광을 집광하여 피가공재에 조사하는 헤드와 피가공재 사이에, 상기 조사하는 레이저광에 대해 가공가스를 교란시키지 않은 상태에서, 분사부의 후방으로부 터 공기를 유인하면서 레이저광의 조사방향으로 가스를 분사함으로써, 레이저 가공시에 발생하는 분진이 상기 헤드의 광학부품에 부착하여 오염되는 것을 방지하는 방법과 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 발생원으로부터의 레이저광을 집광하여 피가공재에 조사하는 헤드와 피가공재의 사이에 있어서, 상기 조사하는 레이저광에 대해, 가공가스를 교란시키지 않은 상태에서, 레이저광의 조사방향에 소정의 간극을 두고 배치된 복수의 분사부의 후방으로부터 공기를 유인하면서 가스를 분사하여, 레이저 가공시에 발생하는 분진의 상기 헤드의 광학부품으로의 부착을 방지하는 것이다.

본 발명의 방법은, 헤드와 피가공재와의 사이의 측방으로 피가공재를 향해 분사되는 레이저광을 향해, 후방측으로부터 공기를 유인하면서 가스를 분사할 수 있는 복수의 노즐을 배치하는 본 발명장치에 의해 실현될 수 있다.

그리고, 이렇게 함으로써, 레이저 가공 중, 가공가스가 교란되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분사부 후방으로부터의 공기의 유동에 난류가 발생하지 않고, 노즐로부터의 가스의 유동이 안정되고, 분진을 함유하는 가스의 휩쓸림이 방지될 수 있고, 레이저광 통로를 향해 청정(淸淨)한 가스를 불어넣을 수 있다. 가령, 부유하는 분진이 존재해도, 오래 체류하지 않고 바로 시스템 외부로 배출될 수 있고, 레이저 가공시에 발생하는 분진 등의 상기 헤드의 광학부품으로의 부착을 방지할 수 있다. 상기 복수의 노즐은 후방으로부터 유인하는 공기의 유동을 원활하게 하고, 분사부 근방에서 부압을 발생시키지 않도록 하는 형상, 예를 들면, 유선형으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 피가공재에 근접하는 노즐일 수록 레이저광의 중심축 에 근접하도록 배치하거나, 피가공재에 근접할 수록 노즐의 길이를 짧게하는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 노즐 중, 피가공재에 근접하는 노즐은 레이저광의 조사방향에 대해서 수직으로, 헤드에 근접하는 노즐은 레이저광의 조사방향에 대해 수직보다 피가공재 방향으로 기울여 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 노즐만의 작용에 더해, 상기 구성에 의한 상승(相乘)효과도 더해져, 광학부품에 가까울수록 분진 분위기로부터 멀어지고, 레이저광의 조사광로에 분진이 존재하지 않게 된다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명장치에 있어서, 상기 복수의 노즐과 피가공재 사이에 레이저광의 조사방향으로 소정의 간극을 두어 복수개의 정류판을 배치하는 것이다. 이 정류판에 의해 상기 작용효과는 보다 현저해진다.

또한, 본 발명은 상기 정류판의 피가공재측에 복사열 차단부를 설치하는 것이다. 이 가공열을 가장 받기 쉬운 위치에 설치된 복사열 차단부에 의해, 헤드내의 광학부품으로의 열전도가 효과적으로 방지되고, 열적 열화의 방지효과가 충분히 발휘된다.

또한, 본 발명은 상기 복사열 차단부에 가공용 분위기 가스 노즐을 설치한 것이다. 이 가공용 분위기 가스 노즐에 의해 가공 분위기를 교란시키지 않고 양호하게 유지할 수 있고 가공품질의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 어느 하나의 본 발명장치에 있어서, 헤드에 대한 피가공재쪽의 광학부품 근방에 상기 복수의 노즐로부터 분사된 가스를 향해 가스를 분사하는 분사노즐을 배치하는 것이다. 이 분사노즐에 의해, 상기 피가공재쪽의 광학 부품에 가까운 분위기일수록 가공부로부터 분진 함유 가스가 불어 올라오는 것을 하방으로 내리누를 수 있고, 피가공재쪽의 광학부품으로의 분진부착방지가 더욱 효과적으로 행해진다. 이 분사노즐로부터 직접 피가공재쪽의 광학부품으로 가스를 분출하도록 하면, 피가공재쪽의 광학부품의 냉각에도 큰 효과를 발휘하여, 해당 광학부품으로의 분진부착을 완전히 방지할 수 있다. 가령, 분진이 부착해도 이 부착된 분진을 불어날린다. 분출된 가스는 강하하여 상기 복수의 노즐로부터의 가스와 합류하여 분진부착방지의 효과를 한층 더 발휘한다.

또한, 본 발명은 상기 어느 하나의 본 발명장치에 있어서, 상기 복수의 노즐의 피가공재를 향해 조사되는 상기 레이저광을 사이에 두고 대향측에 흡입노즐을 배치하는 것이다. 이 흡입노즐에 의해 레이저 가공시에 발생하는 분진을 흡입할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 어느 하나의 본 발명장치에 있어서, 상기 복수의 노즐의 양단측에 이들 노즐로부터 분사되는 가스의 유동을 한 방향으로 유도하는 1쌍의 측판을 배치하는 것이다. 이 1쌍의 측판에 의해 상기 노즐의 작용을 조장할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 어느 하나의 본 발명장치에 있어서, 상기 헤드내에 대한 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사시키면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광이 입력되고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으 로의 부착오염 감지장치를 구비한 것이다. 이 부착오염 방지장치에 의해 광학적인 노이즈가 배제되어 정확한 오염감지가 가능해진다.

도 1의 (a)는 YAG 레이저 가공기에 설치된 본 발명의 광학부품으로의 부착오염 방지장치와, 이 부착오염 방지장치를 구성하는 부착오염 감지장치의 일부 단면의 구성도, 도 1의 (b)는 본 발명의 광학부품으로의 부착오염 방지장치의 제1실시예를 일부 단면으로 나타내는 정면도;

도 2는 일부 단면으로 나타낸 부착오염 방지장치의 제2실시예를 나타내는 도면;

도 3은 일부 단면으로 나타낸 부착오염 방지장치의 제3실시예를 나타내는 도면;

도 4는 용접에 적합한 가공용 분위기 가스 노즐의 설명도;

도 5는 절단에 적합한 가공용 분위기 가스 노즐의 설명도;

도 6은 일부 단면으로 나타낸 부착오염 방지장치의 제4실시예로서, (a)는 그 정면도, (b)는 그 측면도;

도 7은 부착오염 감지장치를 구비한 본 발명의 부착오염 방지장치의 다른 실시예를 나타내는 일부 단면 구성도;

도 8은 본 발명의 광학부품으로의 부착오염 방지장치를 구성하는 부착오염 감지장치의 다른 실시예를 나타내는 일부 단면 구성도;

도 9는 부착오염 감지장치의 판정부에 대한 처리내용을 나타낸 도면으로서, (a)는 오염이 없는 경우, (b)는 오염이 있는 경우, 및 (c)는 가공결함이 발생한 경우의 도면이다.

도 1 내지 도 9의 첨부도면에 따라 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에 관한 광학부품으로의 부착오염 방지장치에 대해 상세하게 설명한다. 도 1의 (a)에 있어서, 참조부호 1은 레이저광을 발생시키는 레이저 발진기이고, 발생된 레이저광은 광섬유(2)로 전송되어, 헤드(3) 내에서 집광되어 피가공재(M)에 조사된다.

상기 헤드(3) 내에는, 레이저광을 집광시키는 집광렌즈(31)와 이 집광렌즈(31)를 분진으로부터 보호하는 보호유리(32)를 피가공재(M)측을 향해 순서대로 설치하고 있다. 또한, 참조부호 33은 헤드 프레임, 참조부호 8은 실드 가스 공급용 노즐을 나타낸다. 이들 구성은 종래와 동일하다.

본 발명의 부착오염 방지장치(9)는 상기 헤드(3)와 피가공재(M) 사이에 배치되고, 예를 들면, 역절두원추(逆截頭圓錐)형상(원추의 머리부분을 잘라낸 것을 상하 역으로 배치한 형상)으로 되어 있다. 그리고, 그 중앙부는 상방으로부터 하방에 걸쳐 상기 집광렌즈(31)에 의해 집광되고 피가공재(M) 상에 초점을 맺는 레이저광의 조사통로로 되어 있다.

도 1의 (b)는 본 발명의 부착오염 방지장치(9)의 제1실시예를 나타내고, 프레임(9b)의 지면 좌측에는 지면 상하방향으로 일정한 간격을 두어, 예를 들면, 5개의 노즐(9c)을 구비하고 있다.

상기 노즐(9c)은 지면 상하방향으로 편평한 타원형상 단면으로 되고, 조사되는 레이저광을 향해 가스를 분사하는, 예를 들면 원형형상의 노즐 구멍(9d)을 다수 형성한 구조이다. 노즐(9c)의 단면을 타원형상으로 함으로써, 가스분사시 그 노즐(9c)의 후방으로부터 유인되는 공기량을 확보하고, 그 공기의 유동이 한층 원활해지게 된다. 이러한 형상의 노즐(9c)로부터 가스를 분사하면 분사되는 가스에 이끌려 주변의 공기도 가스와 함께 흐르게 되고, 노즐(9c) 근방에서 부압이 발생하지 않는다.

이 때, 노즐(9c) 사이에 주변의 공기가 충분히 유동하는 간극이 없고, 또한, 공기의 유동에 조화되지 않는 형상의 경우는, 노즐(9c)의 전방이 부압으로 되고 분사되는 가스 또는 유입되는 공기가 과다해지거나 난류로 되어 레이저광의 조사통로의 분위기를 교반하고, 떠다니는 분진의 배출효과가 저하된다.

그러나, 본 발명에서는 노즐(9c) 사이로부터 그 노즐(9c) 후방의 공기를 정류상태로 유인할 수 있도록 구성하고 있기 때문에, 분출하는 가스와 유인되는 공기가 정류상태로 레이저광의 조사통로를 흘러 존재하는 분진을 밀어내고, 광학부품으로의 분진부착을 방지할 수 있다. 또한, 이 노즐(9c)은 도 1의 (b)의 지면상방으로부터 보면, 가늘고 긴 형상으로, 예를 들면, 소정의 간극을 두고 다수의 노즐구멍(9d)을 형성한 것이기 때문에, 조사되는 레이저광을 향해 가스를 띠형상으로 분출할 수 있도록 하고 있다. 또한, 참조부호 9m은 유인되는 공기에 분진이 함유되는 것을 방지하는 필터이다.

참조부호 9j는 상기 노즐(9c)보다 피가공재(M)측에, 레이저광의 조사방향으 로 거의 수직하게 설치된 정류판이고, 등간격으로 3개 배치되어 있다. 이 정류판(9j)을 경계로 하여 상하의 분위기가 단절되고, 상기 노즐(9c)로부터의 분사가스에 의해 레이저 가공중의 실드 가스를 교란시키지 않는다. 또한, 가공부에서 발생되는 분진 함유 가스가 그 정류판(9j)에 근접해도, 분진 함유 가스는 그 정류판(9j)에 안내되어 수평방향으로 흘러, 분진이 헤드(3)를 향하지 않는다. 이 정류판(9j)은 수㎜ 정도의 간극을 두고 수 개 설치되는 것만으로 충분한 효과를 발휘한다.

또한, 본 실시예에서는, 상기 노즐(9c) 또는 정류판(9j)은 피가공재(M)에 근접할수록 레이저광의 중심축에 근접하도록 배치되어 있다. 레이저광의 조사통로는 피가공재(M)에 가까울수록 작아지기 때문에, 광학부품을 분진 또는 가공열로부터 보호하기 위해서는 노즐(9c) 또는 정류판(9j)을 상기와 같이 배치하여 그 영향 범위를 사이에 두는 것이 효율적이기 때문이다.

참조부호 9k는 상기 정류판(9j)보다 더 피가공재(M)측에 레이저광의 조사통로를 확보하여 배치한 복사열 차단부이다. 이 복사열 차단부(9k)는, 예를 들면, 수로 내의 냉각수가 일단으로부터 타단을 향해 흐르는 구성이다. 수로는 냉각성이 양호한 금속, 예를 들면, 동제로 하는 것이 바람직하다. 이 복사열 차단부(9k)를 가공시의 열영향을 가장 받기 쉬운 피가공재(M)에 가장 가까운 위치에 배치함으로써, 우수한 냉각효과를 발휘할 수 있고, 헤드(3) 내의 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32) 등의 광학부품의 열화를 대폭 방지할 수 있다.

또한, 본 제1실시예에서는 상기 보호유리(32)의 바로 아래에 분사노즐(9n)을 설치하고 있다. 이 분사노즐(9n)은 고리형상으로 형성되고 그 중심부가 레이저광의 조사통로로 되어 있다. 분사노즐(9n)의 노즐구멍(9na)은, 예를 들면, 상방을 향해 상기 보호유리(32)의 외면에 가스를 직접 불어넣도록 되어 있다. 이렇게 함으로써, 가령, 분진 함유 가스가 날려 올라가, 분진이 상기 보호유리(38)에 부착하더라도, 이를 충분히 제거할 수 있음과 아울러, 상기 보호유리(32)의 냉각효과도 가진다. 또한, 내뿜어진 가스는 상기 보호유리(32)에 닿은 후 하강하기 때문에, 이 때에도 분진이 날려 올라가는 것이 방지될 수 있다.

본 제1실시예에서는, 분사노즐(9n)로부터의 분사가스를 보호유리(32)의 외면에 직접 불어넣고 있지만, 이 분사노즐(9n)의 노즐구멍(9na)을 하방을 향해, 노즐(9c)로부터의 분사가스에 합류하도록 해도, 분진이 날려 올라가는 것을 방지하고, 보호유리(32)로의 분진의 부착을 충분히 방지할 수 있다.

도 2는 부착오염 방지장치(9)의 제2실시예를 나타낸 것이다. 본 제2실시예는 상기 제1실시예에서 나타낸 부착오염 방지장치(9)로부터 필터(9m)를 제거하고, 또한, 상기 노즐(9c)의, 레이저광의 조사통로를 사이에 두는 대향측에 흡입노즐(9o)을 배치한 것이다.

본 제2실시예에서는, 이 흡입노즐(9o)에 의해, 레이저 가공시에 발생하는 분진을 흡입한다. 이 흡입노즐(9o)의 흡입량은 복수의 노즐(9c)로부터 분출하는 가스량이상이어도 상기 복수의 노즐(9c)은 공기를 유인하기 때문에 문제없다. 또한, 가령, 복수의 노즐(9c)이 고장나더라도 이 흡입노즐(9o)에 의해 어느 정도의 기능을 유지할 수 있다.

또한, 도 3은 부착오염 방지장치(9)의 제3실시예를 나타낸 것이다. 본 제3실 시예는 상기 제2실시예에서 나타낸 부착오염 방지장치(9)로부터 흡입노즐(9o)을 떼어내고, 복사열 차단부(9k)에 가공용 분위기 가스 노즐(9p)을 설치한 것이다.

이 가공용 분위기 가스 노즐(9p)을 설치함으로써, 가공 분위기를 교란시키지 않고 양호하게 유지할 수 있어, 가공품질의 저하를 방지할 수 있다. 이 가공용 분위기 가스 노즐(9p)은, 예를 들면, 용접에 사용하는 경우는, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저에 가까운 부분은 2중으로, 피가공재(M)측의 하부는 1중의 가스 재킷(gas jacket)(9pa)이 바람직하다. 또한, 절단에 사용하는 경우는, 도 5에 도시된 바와 같이, 선단이 뾰족한 2중 또는 3중의 가스 재킷(9pa)이 바람직하다. 이 가스 재킷(9pa)의 내부(도 4에 도시된 가스 재킷(9pa)에서는 2중 중의 피가공재(M)측)에 증착금속 또는 금속망(9paa)을 설치한 경우에는, 피가공재(M)로부터 반사해온 레이저광에 의한 손상이 방지될 수 있고, 또한, 정류효과도 가진다.

도 6은 부착오염 방지장치(9)의 제4실시예를 나타낸 것이다. 본 제4실시예에서는, 부착오염 방지장치(9)의 상단에 헤드(3)에 접속하기 위한 프레임(9a)을 설치하고, 이 프레임(9a)에 레이저광의 조사통로를 확보하는 1쌍의 측판(9e)(프레임(9b)에 상당함)을 구비하고 있다. 그리고, 이 한 쌍의 측판(9e)의 측방단부(도 6의 (a)의 지면 좌측)에 지면 상하방향으로 일정한 간격을 두어 단면이 원형인 노즐(9c)을 5개 구비하고 있다.

동일한 크기(높이)의 부착오염 방지장치(9)의 경우, 본 제4실시예와 같이 노즐(9c)의 단면형상을 원형으로 하면, 인접하는 노즐(9c) 사이의 간격이 작아지고, 노즐(9c)의 간격보다 유인되는 공기량이 부족하기도 하고, 이 공기량의 부족에 의 해 노즐 근방에 부압이 발생한다. 따라서, 본 제4실시예에서는 상기 측판(9e)의 노즐(9c)측에 노치(notch)(9h)를 형성하고, 노즐(9c)의 간극으로부터의 공기의 유입량을 증가시키고 있다. 이로 인해 유입되는 공기에 난류가 발생하지 않고, 레이저광 조사 통로에서의 분진 함유 가스의 휩쓸림 방지, 분진이 존재한 상태에서의 분진 배출에 효과를 발휘한다. 또한, 1쌍의 측판(9e)에 의해 레이저광 조사 통로가 주위의 영향으로부터 한층 더 차단되고, 분진 함유 가스의 혼입을 차단하여, 노즐(9c) 방향으로부터의 일방향적인 가스 유동을 형성한다.

또한, 상기 노즐(9c)에는, 조사되는 레이저광을 향해(상기 1쌍의 측판(9e)을 통과하는 방향: 도 6의 (b)참조) 슬릿(slit)형상의 노즐구멍(9d)을 형성한다. 본 제4실시예에서는, 5개의 노즐(9c)의 내부, 하단의 3개는 레이저광 조사방향으로 거의 수직인 방향으로, 또한, 상단의 2개는 레이저광 조사방향과 수직한 방향에 대해 10∼20° 피가공재를 향해 가스를 분사하도록 하고 있다(도 6의 (a)참조). 이렇게 함으로써, 상기 보호유리(32)에 가까운 분위기까지 분진 함유 가스가 불어 올라오는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 제4실시예에서는, 피가공재(M)에 근접할수록 상기 가늘고 긴 형상의 노즐(9c)의 길이를 짧게 하고 있다. 이는, 레이저광의 조사통로에 맞춘 것이고, 불필요한 분사 가스의 사용을 막고, 부착오염 방지장치(9)의 소형화와 경량화를 도모한 것이다. 특히, 제4실시예와 같이 측판(9e)을 설치한 경우는, 이 측판(9e)에 의한 작용효과도 더해져, 피가공재(M)에 근접하는 노즐(9c)을 짧게 해도 분진 함유 가스가 휩쓸리는 것을 충분히 방지할 수 있다.

또한, 도시되지 않았지만 상기 노즐(9c) 각각에는, 각각에 분사되는 가스를 분배하기 위한 분배관을 노즐구멍(9d)과 반대측에 별도로 접속하고 있다.

본 발명의 부착오염 방지장치(9)에서는, 피가공재(M)에 가까울수록 노즐(9c)로부터 분사되는 가스압을 강하게 하고, 피가공재(M)에 가까운 곳에서 분진 함유 가스로부터 충분히 차단하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 별도의 공급관으로부터 분배관으로의 가스 공급을 피가공재(M)에 가까운 쪽으로부터 행하여, 피가공재(M)에 가까운 분배관내 가스압을 높이고, 또한, 피가공재(M)에 가까운 노즐(9c)에 대한 공급압력을 높이는 것이 바람직하다.

상기 각 노즐(9c)은 그 내부 용적을 크게 하여 체류실(9g)로 하고, 노즐구멍(9d)의 어느 부분으로부터의 가스 분사량(압력)도 같게 하는 것이 바람직하다. 노즐구멍(9d)의 전방은 레이저광의 조사통로로서 공동(空洞)이기 때문에, 노즐구멍(9d)에 가해지는 분사가스의 반력은 작다. 따라서, 노즐(9c)의 내부 압력은 저하되는 경향이 있어 체류실(9g)을 설치하는 효과는 크다. 이러한 이유로 인해 노즐(9c)을 통형상체로 하는 것이 바람직하다. 제4실시예에서는 노즐(9c)을 원통형상으로 하고 있다. 체류실(9g)을 설치하지 않는 경우는, 노즐(9c)의 가스 도입 위치에서의 압력이 가장 높고, 기체도입위치로부터 멀어질 수록 압력이 저하되고, 노즐구멍(9d)의 위치에 의해 가스분출량이 달라지게 된다.

또한, 상기 정류판(9j) 또는 복사열 차단부(9k)를 설치하는 것, 및 상기 분사노즐(9n)을 설치하는 것에 대해서는, 제4실시예도 제1∼제3실시예와 동일하기 때문에 설명은 생략한다.

본 발명의 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치는 상술한 바와 같지만,

① 분사가스의 청정화를 위해 분사가스의 공급경로에 필터를 설치하는 것,

② 분사가스에 공기를 사용하는 것,

③ 노즐(9c)의 상류측에 유량 조절가능한 밸브를 설치하는 것,

④ 노즐(9c) 또는 정류판(9j)의 장착 간격을 변경 및 조절가능하게 구성하는 것,

⑤ 노즐구멍(9d)의 개구폭을 노즐(9c)의 위치에 의해 변경 및 조절가능하게 구성하는 것 등 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

또한, 도 1의 (b), 도 2∼도 3, 및 도 6의 (a)에 있어서의 2점쇄선 화살표는 노즐구멍(9d)으로부터 분출하는 가스의 유동을 나타낸 것이다. 또한, 레이저 발진기(1)로부터 헤드(3)까지의 레이저광의 전송은 광섬유(2)에 한정되는 것은 아니고, 도 7에 도시된 바와 같이, 반사거울(10)에 의해 유도할 수도 있다. 또한, 이들 실시예에서는, YAG 레이저 가공기의 헤드를 일례로서 설명하고 있지만, 본 발명은 YAG 레이저 가공기의 헤드에 한정되는 것은 아니고, 모든 형식의 레이저 가공기의 헤드에 적용되는 것이다.

다음으로, 본 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치의 구성요소인 감지장치를 도 1의 (a) 및 도 7∼도 9에 나타낸 실시예에 기초하여 설명한다.

도 1의 (a)의 YAG 레이저 가공기의 일부 단면도의 구성도에 있어서, 헤드(3) 내에 집광렌즈(31)와 보호유리(32)가 구비되어 있는 것은 앞서 설명한 바와 같다.

이 헤드(3)는 피가공재(M)의 가공시에 발생하는 분진 함유 가스에 직접 노출되기 쉽기 때문에, 헤드(3)로의 분진부착 방지대책이 시험되지만, 장시간의 사용뿐만 아니라, 단순히 장시간 보관하기 위해서도 보관장소에 따라서는 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32) 등의 광학부품에 분진이 부착하는 경우가 있다.

집광렌즈(31) 또는 보호유리(32)에 분진이 부착하는 것, 헤드(3)에 수광된 레이저광이 이들을 통과시킬 때, 이 분진으로 난반사가 발생한다. 또한, 레이저광의 굴절률도 변화하여 피가공재(M)의 가공정밀도를 저하시킨다. 따라서, 광학부품으로의 부착오염에는 충분한 주의를 기울이고 오염의 유무를 감지할 필요가 있다.

부착오염 감지장치를 구비한 본 발명의 광학부품으로의 부착오염 방지장치(9)는 상기 집광렌즈(31)보다 상류측에 수광부(4)를 설치하고, 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32) 등의 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 또는 산란광을 상기 수광부(4)에서 수광하는 구성으로 되어있다.

예를 들면, 도 1의 (a) 또는 도 7의 예는, 상기 집광렌즈(31)의 상류측에 레이저광 투과반사경(34)을 설치하고, 헤드 프레임(33)의 천정부를 통해 조사되는 레이저광을 투과시켜 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32)에 이르게 한다. 한편, 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32)로부터의 부착오염에 의한 산란광은 상기 레이저광 투과반사경(34)에서 반사되어 헤드 프레임(33)의 측부에 설치된 수광부(4)에서 수광되는 구성이다.

또한, 도 8의 예는, 상기 집광렌즈(31)의 상류측에 레이저광 반사투과경(35) 을 설치하고, 헤드프레임(33)의 측방으로부터 조사되는 레이저광을 이 레이저광 반사투과경(35)에서 집광렌즈(31), 보호유리(32)를 향해 반사시킨다. 한편, 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32)로부터의 부착오염에 의한 산란광 또는 반사광은 상기 레이저광 반사투과경(35)을 투과하여 헤드프레임(33)의 천정부에 설치된 수광부(4)에서 수광되는 구성이다.

상기 수광부(4)는 반사광 또는 산란광을 수광하고, 이 수광강도를 신호의 강도로 변환한다. 분진의 부착량이 많을수록 신호의 강도가 증가하게 된다. 수광부(4)로부터의 신호값은 송신케이블(5)에 의해 판정부(6)에 도달하게 된다.

판정부(6)에서는 송신되어온 신호값을 수광값으로서 포착하고, 미리 설정되어 있는 임계값과 상기 수광값을 비교연산하여, 오염 여부를 판정한다.

도 9는 보호유리(32)에 오염이 부착되어 있는 경우와 부착되어 있지 않은 경우의 수광부(4)에 대한 수광값을 나타내는 도면이고, 횡축에 레이저 조사 개시로부터 조사 종료까지의 시각을 나타내고, 종축에 레이저 조사에 의한 수광부(4)에 대한 수광값의 강도를 나타낸다.

도 9에 예에서는, 보호유리(32) 또는 집광렌즈(31)가 오염되어 있지 않은 도 9의 (a)의 경우, 수광값은 Pmax와 Pmin의 값에서 변동한다. 한편, 보호유리(32) 또는 집광렌즈(31)가 오염되면 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 수광값이 Pmax보다 훨씬 높은 곳에서 변동한다.

따라서, 예를 들면, Pmax의 값을 임계값으로서 설정해 둠으로써, 판정부(6)에서는 보호유리(32) 또는 집광렌즈(31)에 오염이 부착되어 있는지 아닌지를 용이 하게 감지할 수 있도록 된다. 또한, 가공결함이 발생된 경우에도 임계값인 Pmin을 넘지만, 그 경우에는, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 오염이 부착된 경우에 비해 변동이 크기 때문에, 오염이 부착된 경우와 구별하는 것은 용이하다.

상기 판정부(6)에 대한 판정에 의해 부착오염이 감지된 경우에는, 그 결과가 표시장치에 송신되거나 경보장치(7)에 송신되어 작업자의 주의를 환기시킨다.

이 부착오염 감지장치에서 오염을 조사하는 경우에는, 실제로 레이저 가공을 행하지 않고, 감지용에 레이저광을 조사해도 문제가 발생하지 않는 상태에서, 또한, 헤드 외부로부터의 반사광이 적은 장소에서 레이저광을 조사하고, 조사레이저광에 의한 집광렌즈(31) 또는 보호유리(32)로부터의 산란광 또는 반사광을 포착하여 감지정밀도를 높이는 것이 바람직하다. 레이저가공을 실시하면서 감지하는 경우는, 가공부로부터의 반사광도 동시에 수광부가 포착하고, 가공 내용에 의해 오염을 가진 표시 오류의 우려가 있기 때문에, 이 경우에는 가공부로부터의 반사광도 고려하여 입력된 임계값을 설정할 필요가 있다. 또한, 도 1의 (a) 또는 도 7의 예와 도 8의 예에서는 수광부(4)의 부착위치가 다르기 때문에, 이 경우도 임계값을 개별적으로 정하면 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 가공시에 발생하는 분진이 집광렌즈 또는 보호유리에 부착하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 오염감지장치를 구비하면, 감지시의 상황에 따라, 감지데이터에 편차가 발생하지 않고 신뢰성이 우수한 감지가 행해진다.

Claims

발생원으로부터의 레이저광을 집광하여 피가공재에 조사하는 광학부품과 피가공재 사이에 있어서, 상기 조사하는 레이저광에 대해, 가공 가스를 교란시키지 않은 상태에서 레이저광의 조사방향에 소정의 간격을 두어 배치된 복수의 분사부의 후방으로부터 공기를 유인하면서 가스를 분사함과 아울러, 이 가스를 향해 광학부품 중 피가공재쪽의 광학부품 근방에 배치한 분사노즐로부터 가스를 분사하여,

레이저 가공시에 발생하는 흄, 스퍼터 및 분진이 상기 광학부품에 부착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지방법.
제1항에 기재된 부착오염 방지방법을 실시하는 장치로서, 광학부품과 피가공재 사이의 측방에 피가공재를 향해 조사되는 레이저광을 향하여 후방으로부터 공기를 유인하면서 가스를 분사할 수 있는 복수의 노즐을 배치함과 아울러,

광학부품 중 피가공재쪽의 광학부품 근방에 상기 복수의 노즐로부터 분사된 가스를 향해 가스를 분사하는 분사노즐을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제2항에 있어서, 상기 복수의 노즐과 피가공재 사이에 레이저광의 조사방향으로 소정의 간격을 두어 복수개의 정류판을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제3항에 있어서, 상기 정류판의 피가공재측에 복사열 차단부를 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제4항에 있어서, 상기 복사열 차단부에 가공용 분위기 가스 노즐을 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
삭제
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 노즐의, 피가공재를 향해 조사되는 상기 레이저광을 사이에 두는 대향측에 흡입 노즐을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제2항에 있어서, 상기 복수의 노즐의, 피가공재를 향해 조사되는 상기 레이저광을 사이에 두는 대향측에 흡입 노즐을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 노즐의 양단측에 이들 노즐로부터 분사되는 가스의 유동을 일방향으로 유도하는 1쌍의 측판을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제2항에 있어서, 상기 복수의 노즐의 양단측에 이들 노즐로부터 분사되는 가스의 유동을 일방향으로 유도하는 1쌍의 측판을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제7항에 있어서, 상기 복수의 노즐의 양단측에 이들 노즐로부터 분사되는 가스의 유동을 일방향으로 유도하는 1쌍의 측판을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제8항에 있어서, 상기 복수의 노즐의 양단측에 이들 노즐로부터 분사되는 가스의 유동을 일방향으로 유도하는 1쌍의 측판을 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오 염 방지장치.
제2항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제7항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제8항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제9항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제10항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제11항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.
제12항에 있어서, 상기 광학부품의 상류측에 배치되고, 레이저광을 투과 또는 반사하면서도 광학부품에 부착된 오염에 기인하는 반사광 및 산란광을 반사 또는 투과시켜 수광하는 수광부와, 이 수광부에서 수광한 상기 반사광 및 산란광을 입력시키고, 이 입력된 반사광 및 산란광의 값이 임계값을 넘는지 아닌지를 판정하는 판정부를 구비한 광학부품으로의 부착오염 감지장치를 구비시킨 것을 특징으로 하는 레이저 가공기에 있어서의 광학부품으로의 부착오염 방지장치.