(57)【要約】  本開示のレーザ加工ヘッド（５０）は、コリメーションレンズ（４）と、フォーカスレンズ（５）と、ノズルユニット（４３）とを有し、ノズルユニット（４３）は、保護部材（２５、２６）と、内側ノズル（１１）と、外側ノズル（２７）と、ノズル保持部（１０）と、オリフィス（３０）とを有すし、外側ノズル（２７）は内側ノズル（１１）の外側に設けられ、ノズル保持部（１０）は内側ノズル（１１）と外側ノズル（２７）とを保持し、オリフィス（３０）は、内側ノズル（１１）に接し、ノズル保持部（１０）と外側ノズル（２７）との間に挟まれ、ノズル保持部（１０）には、ノズル保持部（１０）に設けられたエアー供給口（２９）とオリフィス（３０）とをつなぐ第１のガス経路を設け、オリフィス（３０）には、内側ノズル（１１）と外側ノズル（２７）との間に第２のガス経路を設け、第１のガス経路とをつなぐ第３のガス経路を設け、ノズルユニット（４３）の先端付近には、第２のガス経路と接続された開口部を設けることで、フォーカスレンズ（５）へのスパッタや粉塵の付着を十分に防止する。
2015136907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を平行化するコリメーションレンズと、
平行化された前記レーザ光を集光するフォーカスレンズと、
集光された前記レーザ光が透過するノズルユニットと、を備え、
前記ノズルユニットは、
前記レーザ光を透過させる保護部材と、
前記保護部材を透過した前記レーザ光が通過する内側ノズルと、
前記内側ノズルの外側に設けられた外側ノズルと、
前記内側ノズルと前記外側ノズルとを保持するノズル保持部と、
前記内側ノズルに接し、前記ノズル保持部と前記外側ノズルとの間に挟まれたオリフィスと、を有し、
前記ノズル保持部には、前記ノズル保持部に設けられたエアー供給口と前記オリフィスとをつなぐ第１のガス経路が設けられ、
前記オリフィスには、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に設けられた第２のガス経路と前記第１のガス経路とをつなぐ第３のガス経路が設けられ、
前記ノズルユニットの先端付近には、前記第２のガス経路と接続された開口部が設けられているレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記第１のガス経路は、前記ノズル保持部の内部に設けられた環状の空洞である請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記オリフィスはリング状であり、
前記第３のガス経路は、前記オリフィスに等間隔に複数設けられ、
前記第３のガス経路は、前記オリフィスの側面と下面とをつなぐ貫通孔である請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記第２のガス経路は、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に設けられた環状の空洞である請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記開口部は、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの境界に等間隔に複数設けられ、
前記開口部は、前記内側ノズルに設けられた切り欠きである請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記保護部材は、前記ノズルユニットに対して着脱可能である請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
集光された前記レーザ光の第１の光軸を第２の光軸にシフトする第１の平行板と、
前記第１の平行板を第１の回転軸を中心に回転させる第１の駆動部と、
前記第２の光軸にシフトされた前記レーザ光の光軸を第３の光軸にシフトする第２の平行板と、
前記第２の平行板を第２の回転軸を中心に回転させる第２の駆動部と、をさらに備え、
前記第１の回転軸の方向と前記第２の回転軸の方向とは同一である請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
前記第１の平行板を保持する第１のホルダと、
前記第１のホルダの外周面に設けられており前記第１のホルダを回転させる第１の回転部材と、
前記第１の駆動部の駆動力を前記第１の回転部材に伝達する第１の伝達部材と、
前記第２の平行板を保持する第２のホルダと、
前記第２のホルダの外周面に設けられており前記第２のホルダを回転させる第２の回転部材と、
前記第２の駆動部の駆動力を前記第２の回転部材に伝達する第２の伝達部材と、をさらに備え、
前記第１の駆動部と、前記第１の平行板と、前記第１のホルダと、前記第１の回転部材と、前記第１の伝達部材とから第１の光学ユニットが構成され、
前記第２の駆動部と、前記第２の平行板と、前記第２のホルダと、前記第２の回転部材と、前記第２の伝達部材とから第２の光学ユニットが構成され、
前記第１の光学ユニットの形状と前記第２の光学ユニットの形状とは同じである請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うレーザ加工ヘッドの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、焦点距離が長いレーザ光を用いて、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うリモートレーザ加工と呼ばれる加工法が注目されている。一般に、リモートレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッドは、上部に集光レンズが設けられ、下部である先端部にノズルユニットが取り付けられている。レーザ加工ヘッドに導かれたレーザ光は、集光レンズによって集光され、レーザ加工ヘッド内を通過して、最終的にノズルユニットから加工物に照射される。レーザ光の照射に合わせて、レーザ加工ヘッドは、ノズルユニットからアシストガスを噴出し、加工物の溶融物を吹き飛ばして加工物の切断を行う。【０００３】
このようなレーザ加工ヘッドでは、レーザ加工において、レーザ光が集光レンズを通過するため、集光レンズの温度が上昇する。そのため、温度上昇による集光レンズの変形、いわゆる、熱レンズ現象を防止するため、アシストガスによって、集光レンズを冷却する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、レンズおよびレンズ受けの周辺のホルダにガス通路を設け、ガス通路を通過するアシストガスによってレンズを冷却するレーザ加工ヘッドについて記載されている。【０００４】
また、このようなレーザ加工ヘッドでは、レーザ加工において発生したスパッタや粉塵が集光レンズに付着することがある。そのため、アシストガスによって、スパッタや粉塵の集光レンズへの付着を防止する方法が提案されている。例えば、特許文献２には、集光レンズの表面にアシストガスを吹き付けるように流すことによって、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を防止するレーザ加工ヘッドについて記載されている。【０００５】
図６を用いて、さらに具体的に説明する。図６は、従来のレーザ加工機のレーザ加工ヘッド９００を示す図である。図６に示すように、従来のレーザ加工ヘッド９００は、レンズホルダ９０１と、集光レンズ９０２と、レンズ受け９０３と、レンズ押え９０４と、ガイドリング９０５と、スリーブ９０６と、ノズルホルダ９０７と、ノズル９０８とを有する。集光レンズ９０２は、レンズ受け９０３とレンズ押え９０４とを介して、レンズホルダ９０１に保持されている。また、レンズホルダ９０１は、ガス導入口９０９を側面に有し、レンズホルダ９０１の下には、ガイドリング９０５が固定されている。さらにガイドリング９０５の下には、スリーブ９０６とノズルホルダ９０７とノズル９０８とが設けられている。【０００６】
そして、レーザ加工ヘッド９００のガイドリング９０５の上端外周縁には傾斜ガイド面９１０が設けられ、また、レーザ加工ヘッド９００のレンズ押さえ９０４の先端内周縁には傾斜ガイド面９１１が設けられている。これらの傾斜ガイド面９１０、９１１により、ガス導入口９０９から導入されたアシストガスは、集光レンズ９０２に吹き付けられ、最終的には、ノズル９０８から加工物Ｗに向けて噴射されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６３−３４５９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２１６９７７号公報
【発明の概要】
【０００８】
特許文献１に記載された、従来のレーザ加工ヘッドでは、アシストガスの噴出口は、集光レンズの下面と平行な方向に向いているため、アシストガスは互いに衝突しながらレーザ加工ヘッドの先端から噴出される。また、特許文献２に記載されたレーザ加工ヘッドでは、アシストガスは集光レンズに向けて噴出される。そのため、従来のレーザ加工ヘッドの先端に向かうアシストガスの流れが弱く、レーザ加工ヘッドの先端から入り込むスパッタや粉塵を押し返す作用が弱くなる。また、レーザ光の光路を確保するためにレーザ加工ヘッドの先端（ノズルの先端）の開口を大きくすると、アシストガスによるスパッタや粉塵の排出力がさらに弱くなる。これにより、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止できない。
【０００９】
本開示の技術は、上記問題点を解決するレーザ加工ヘッドを提供する。
【００１０】
上記課題を解決するために、本開示のレーザ加工ヘッドは、コリメーションレンズと、フォーカスレンズと、ノズルユニットとを有する。コリメーションレンズは、レーザ光を平行化し、フォーカスレンズは、平行化されたレーザ光を集光し、集光されたレーザ光はノズルユニットを通過する。さらにノズルユニットは、保護部材と、内側ノズルと、外側ノズルと、ノズル保持部と、オリフィスとを有する。保護部材はレーザ光を透過させ、保護部材を透過したレーザ光が内側ノズルを通過する。外側ノズルは内側ノズルの外側に設けられ、ノズル保持部は内側ノズルと外側ノズルとを保持する。オリフィスは、内側ノズルに接し、ノズル保持部と外側ノズルとの間に挟まれている。ノズル保持部には、ノズル保持部に設けられたエアー供給口とオリフィスとをつなぐ第１のガス経路が設けられている。オリフィスには、内側ノズルと外側ノズルとの間に設けられた第２のガス経路と、第１のガス経路とをつなぐ第３のガス経路が設けられている。ノズルユニットの先端付近には、第２のガス経路と接続された開口部が設けられている。
【００１１】
本開示のレーザ加工ヘッドによれば、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態のレーザ加工ヘッドを示す斜視図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッドからシールドホルダを取り出した状態、（ｂ）はレーザ加工ヘッドにシールドホルダが収納された状態である。
【図３】図３は、実施の形態のシールドホルダを示す斜視図であり、（ａ）はシールドホルダを分解した状態、（ｂ）はシールドホルダを組み立てた状態である。
【図４】図４は、実施の形態のノズルユニットの断面図である。
【図５】図５は、実施の形態のオリフィスの図である。
【図６】図６は、従来のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるレーザ加工ヘッド５０を示す断面図である。図２は、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０を示す斜視図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッド５０からシールドホルダ８を取り出した状態の斜視図であり、（ｂ）はレーザ加工ヘッド５０にシールドホルダ８が収納された状態の斜視図である。図３は、本実施の形態のシールドホルダ８を示す斜視図であり、（ａ）はシールドホルダ８を分解した斜視図であり、（ｂ）はシールドホルダ８を組み立てた斜視図である。図４は、本実施の形態におけるノズルユニット４３の断面図である。図５は、実施の形態におけるオリフィス３０の図であり、（ａ）はオリフィス３０の上面斜視図であり、（ｂ）はオリフィス３０の側面図であり、（ｃ）はオリフィス３０の下面斜視図である。
【００１４】
まず、図１を用いて、レーザ加工ヘッド５０について具体的に説明する。レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２と、レンズボディ１と、ボディケース６と、シールドホルダ８と、ノズルユニット４３と、サーボモータ１４，２１とを有する。なお、シールドホルダ８は、ノズルユニット４３（図４に詳細構造を示す）に対して着脱可能であるが、コネクタ１２、レンズボディ１、ボディケース６、ノズルユニット４３、サーボモータ１４，２１の構成については、複数が一体化されていても構わない。
【００１５】
（コネクタ１２について）
レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２を有し、コネクタ１２を介して光ファイバと接続されている。レーザ光ＬＢは、一定の角度で広がりながら、光ファイバの端部からレーザ加工ヘッド５０内に出射される。
【００１６】
（レンズボディ１について）
レンズボディ１は、コリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５とが固定されたレンズホルダ３を保持している。コリメーションレンズ４は、光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。そして、コリメーションレンズ４によって平行化されたレーザ光は、フォーカスレンズ５によって加工物における加工点で焦点を結ぶように集光される。なお、本実施の形態において、コリメーションレンズ４は、直径φ＝３０ｍｍであり、レンズの明るさを表すＦ値は８０である。フォーカスレンズ５は、直径φ＝３０ｍｍであり、Ｆ値は５００である。また、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は、合成石英製の平凸レンズにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート処理を行ったものである。なお、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は平凸レンズに限られず、非球面レンズのように球面収差を補正したレンズであっても構わない。
【００１７】
また、レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２、１３が設けられている。レンズホルダ３の外周部、すなわちレンズホルダ３とレンズボディ１との間には流水路が設けられている。レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２から冷却水を導入し、流水路を経由して、冷却水ホース接続部１３から冷却水を排出することができる。これにより、流水路に冷却水を循環させ、レンズホルダ３を介して、間接的にコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５を冷却できる。これにより、コリメーションレンズ４やフォーカスレンズ５の、レーザ光ＬＢによる熱レンズ効果を抑制できる。熱レンズ効果とは、熱変形によりレンズの焦点位置が変化する現象である。また、レンズボディ１やレンズホルダ３は、光ファイバの出射端面とコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５との光学的な位置関係を決定している。冷却水は、さらに、レンズホルダ３やレンズボディ１の熱膨張を抑えることができ、これらの光学的な位置関係が変化することによる焦点位置の変化も防止している。なお、冷却水は、レンズボディ１内に限らず、レーザ加工ヘッド５０の内部全体を循環し、他の光学部材の熱による悪影響を防止しても良い。
【００１８】
（ボディケース６について）
ボディケース６には、サーボモータ１４（第１の駆動部）と、タイミングベルト１５（第１の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー１６（第１の回転部材）と、平行板１７（第１の平行板）と、ホルダ１８（第１のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４１（第１の光学ユニット）が構成される。平行板１７は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ１８内に固定されている。ホルダ１８の外周面にはタイミングベルトプーリー（図示せず）が設けられ、ホルダ１８はタイミングベルト１５を介してサーボモータ１４によって回転される。具体的には、ホルダ１８は、第１の回転軸を中心に回転され、第１の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ１４は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。
【００１９】
本実施の形態において、タイミングベルトプーリー１６の回転と平行板１７の回転との減速比は３２：６０であり、サーボモータ１４の位置制御分解能は２０４８ｐｐｒである。従って、第１の光学ユニット４１の位置分解能は、４．２μｍであり、レーザ光の照射位置の精度に対して十分な分解能である。また、レーザ光の照射位置の移動の最大速度は１２３ｍ／分以上であり、レーザ溶接等のレーザ加工の実用上、十分な速度である。本実施の形態の運転条件設定は、最高出力回転速度１４４００°／秒、最大加速度３０００００°／秒２としている。
【００２０】
さらに、ボディケース６には、サーボモータ２１（第２の駆動部）と、タイミングベルト２２（第２の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー２０（第２の回転部材）と、平行板１９（第２の平行板）と、ホルダ７（第２のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４２（第２の光学ユニット）が構成される。平行板１９は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ７内に固定されている。ホルダ７の外周面にはタイミングベルトプーリー（図示せず）が設けられ、ホルダ７はタイミングベルト２２を介してサーボモータ２１によって回転される。具体的には、ホルダ７は、第２の回転軸を中心に回転され、第２の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ２１は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。
【００２１】
すなわち、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、同一の構成であり、個々の部品はすべて同一である。このようにすることで、２つの光学ユニット４１，４２の応答バランスが同じになり、制御を行いやすい。そして、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とが同じであり、かつ、ボディケース６内において、対称に配置されている。すなわち、第１の回転軸（および第２の回転軸）に鉛直な面に対して対称に配置されている。図１では、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、上下に対称に配置されている。このように配置すると、サーボモータ１４とサーボモータ２１とが同じ方向に回転した場合、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とは逆になる。また、平行板１７を駆動するサーボモータ１４の回転方向を逆転させることにより、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とを同じ方向に回転させることも可能である。
【００２２】
なお、レーザ加工ヘッド５０の小型化と、レーザ加工ヘッド５０のレーザ照射範囲を広くする点から、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが一致するように配置することが望ましい。また、第１の回転軸および第２の回転軸の方向は、光ファイバから入射された時のレーザ光ＬＢの光軸の方向と同じであることが好ましい。さらには、第１の回転軸および第２の回転軸は、光ファイバから入射された時のレーザ光ＬＢの光軸と一致することがさらに好ましい。
【００２３】
次に、光学ユニット４１、４２によるレーザ光の挙動について説明する。
【００２４】
フォーカスレンズ５を通過したレーザ光は、平行板１７を通過する際に２度（平行板１７への入射時と平行板１７からの出射時）屈折する。これにより、平行板１７の板厚と、第１の回転軸に対する平行板１７の取り付け角度である平行板１７の傾斜角度と、平行板１７の屈折率によって定まる量だけ、レーザ光は平行にシフトする。すなわち、平行板１７に入射するレーザ光の光軸（第１の光軸）と、平行板１７を出射したレーザ光の光軸（第２の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。これは、同様の構成である平行板１９においても同様である。すなわち、平行板１９に入射するレーザ光の光軸（第２の光軸）と、平行板１９を出射したレーザ光の光軸（第３の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。本実施の形態の平行板１７と平行板１９は、合成石英製であって、板厚ｔ＝１３ｍｍ、第１の回転軸（第２の回転軸）に対する傾斜角４５°、屈折率は１．４４９６３である。この場合、平行板１７を通過したレーザ光（レーザ光の光軸）は、４．１ｍｍシフトする。その後、レーザ光（レーザ光の光軸）は、平行板１９を通過する際にも同様に、４．１ｍｍシフトする。従って、本実施の形態におけるレーザ光の動作範囲は、半径が８．２ｍｍ、すなわち直径が１６．４ｍｍの円内である。
【００２５】
（ノズルユニット４３について）
次に、レーザ加工ヘッド５０の先端の構造について説明する。
【００２６】
図１に示すように、ボディケース６の先端付近にはノズルユニット４３が接続され、ノズルユニット４３の上部には保護ガラス２５が固定されている。なお、ノズルユニット４３は、ノズル保持部１０に内側ノズル１１と外側ノズル２７とを設けたものである。ボディケース６の先端とは、レーザ光が出射される側の端部のことである。また、ノズルユニット４３における、保護ガラス２５よりも先端方向側では、保護ガラス２６（保護部材）が設けられたシールドホルダ８が収納できる構造になっている。すなわち、シールドホルダ８はノズルユニット４３に対して着脱可能であり、保護ガラス２６がノズルユニット４３に対して着脱可能であることでもある。
【００２７】
本実施の形態においては、保護ガラス２５は直径φ＝４０ｍｍであり、保護ガラス２６は直径φ＝３０ｍｍであり、共に合成石英製である厚さｔ＝２ｍｍのウインドウ材にＡＲコートを施している。保護ガラス２５は、図示しないネジリングによりレーザ加工ヘッド５０（具体的にはノズルユニット４３）に固定されている。
【００２８】
次に、図２を用いて、保護ガラス２６とシールドホルダ８について具体的に説明する。保護ガラス２６は、メンテナンス性を考慮し、レーザ光の光軸方向に対して直交する方向にスライドし、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能なシールドホルダ８に設けられている。保護ガラス２６は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外すことでレーザ加工ヘッド５０外へ取り出され、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けることでレーザ加工ヘッド５０内に配置される。図２の（ａ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外した状態を示す図である。図２の（ｂ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けた状態を示す図である。
【００２９】
さらに、図３を用いて、シールドホルダ８について説明する。図３の（ａ）は、保護ガラス２６が設けられたシールドホルダ８の分解図であり、図３の（ｂ）は、保護ガラス２６が設けられたシールドホルダ８の組み立て図である。シールドホルダ８は、保護ガラス２６を挟み込むように２つに分割された第１の部材２３と第２の部材２４とＯリング２８とで構成され、第１の部材２３と第２の部材２４とは、固定用のレバー９の操作により、容易に結合や分離ができる。保護ガラス２６は、Ｏリング２８の弾性変形力によって円周方向がシールドホルダ８に保持され、第１の部材２３と第２の部材２４とで挟み込むことにより軸方向に保持されている。レバー９を操作することで第１の部材２３と第２の部材２４とを容易に分離することができ、保護ガラス２６の交換は、工具を使うことなく容易に行うことができる。
【００３０】
なお、保護ガラス２５を設けず、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能な保護ガラス２６のみを設けても構わない。しかし、この場合、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換すると、保護ガラス２６を取り外した際、レーザ加工ヘッド５０内に異物が入り平行板１９等に付着する可能性がある。従って、本実施の形態のように、２つの保護ガラス２５，２６を設けることで、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換しても問題は生じず、また、利便性を高めることができ、好ましい。
【００３１】
次に、レーザ加工中の保護ガラス２６へのスパッタや粉塵の付着の防止について図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態のノズルユニット４３の断面図である。図５は、本実施の形態のオリフィス３０の図である。
【００３２】
図１に示すレーザ加工ヘッド５０において、保護ガラス２６に対してレーザ光の出力端側には、内側ノズル１１と外側ノズル２７から構成された中空円錐台状のノズル３２が設けられている。図４に示すように、ノズルユニット４３は、シールドホルダ８と、ノズル保持部１０と、内側ノズル１１と、外側ノズル２７とを有する。内側ノズル１１と外側ノズル２７とは、ノズル３２の先端部付近で接している。内側ノズル１１の先端部には、放射状に設けられた溝（切り欠き）により、開口部が形成されている。ノズル保持部１０には、エアー供給口２９が設けられており、ノズル保持部１０の内部には、エアー供給口２９と接続された環状の空間３１（第１のガス経路）が設けられている。オリフィス３０は、内側ノズル１１に接するように、ノズル保持部１０と外側ノズル２７との間に挟まれて設けられている。また、オリフィス３０は、空間３１とつながっている。また、内側ノズル１１と外側ノズル２７とは、間に環状の空間３３（第２のガス経路）が設けられるように組み合わされている。
【００３３】
ここで、オリフィス３０について、図５を用いて具体的に説明する。図５の（ａ）に示すように、オリフィス３０の内周の下方には、等間隔に溝が形成されている。また、図５の（ｂ）に示すように、オリフィス３０の側面は、全周において、中央が、上方および下方よりも内側に窪んでおり、内周の溝とつながっている。すなわち、図５の（ａ）、（ｂ）さらには（ｃ）に示すように、オリフィス３０は、外周面３５とオリフィス３０の下方とをつなぐ穴３４（第３のガス経路）を有している。穴３４は、オリフィス３０において等間隔に設けられており、図４に示す、空間３１と空間３３とをつなぐ、断面方向でＬ字形状の貫通孔である。具体的には、空間３１とオリフィス３０の外周の開口が接続されており、空間３３とオリフィス３０の下面の開口が接続されている。これにより、エアー供給口２９から導入されたアシストガスはオリフィス３０の穴３４によって、空間３１からほぼ均一に空間３３に供給される。
【００３４】
そして、図４に示すように、内側ノズル１１は、先端に切り欠きが設けられているため、外側ノズル２７との接触部において、等間隔に開口部を有し、空間３３からのアシストガスを環状に、かつ、ほぼ均一に噴出することができる。これにより、ノズルユニット４３からは、レーザ加工ヘッド５０の下方向に向かって、高速のエアージェットを噴出でき、レーザ加工におけるスパッタや粉塵がレーザ加工ヘッド５０に侵入することを防ぐことができる。また、このエアージェットは、加工物に対して吹きつけられるため、加工物Ｗ加工点近傍に粉塵が停滞することを防止できる。粉塵は、レーザ光の反射や屈折や吸収を引き起こし、加工点でのレーザ出力を低下させる。なお、内側ノズル１１と外側ノズル２７は、ノズル保持部１０により保持されている。
【００３５】
また、外側ノズル２７の先端部はノズル保持部１０に対して、着脱可能であり、消耗や損傷した場合には先端部だけを交換することが可能である。この構造により、ノズルのメンテナンスコストが低減される。
【００３６】
なお、先端部に溝を設けた内側ノズル１１の最小径は、交換可能な外側ノズル２７の最小径よりも大きく、外側ノズル２７が内側ノズル１１をカバーする構造である。この構造により、内側ノズル１１の先端の溝部の損傷やスパッタの詰まりを防止することができる。
【００３７】
また、ノズル３２の先端の開口は、平行板１７、１９が回転することによって変化するレーザ光の照射範囲よりも大きい。しかし、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０のノズルユニット４３であれば、アシストガスを高速に、下向きに、均一な環状で噴出するため、保護ガラス２６へのスパッタや粉塵の付着を防止することができる。
【００３８】
また、オリフィス３０と外側ノズル２７とを一体に構成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示のレーザ加工ヘッドによれば、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止でき、例えば、リモートレーザ加工等に用いるレーザ加工ヘッドとして産業上有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  レンズボディ
２，１３  冷却水ホース接続部
３  レンズホルダ
４  コリメーションレンズ
５  フォーカスレンズ
６  ボディケース
７，１８  ホルダ
８  シールドホルダ
９  レバー
１０  ノズル保持部
１１  内側ノズル
１２  コネクタ
１４，２１  サーボモータ
１５，２２  タイミングベルト
１６，２０  タイミングベルトプーリー
１７，１９  平行板
２３  第１の部材
２４  第２の部材
２５，２６  保護ガラス
２７  外側ノズル
２８  Ｏリング
２９  エアー供給口
３０  オリフィス
３１  空間
３２  ノズル
３３  空間
３４  穴（第３のガス経路）
３５  外周面
４１，４２  光学ユニット
４３  ノズルユニット
５０  レーザ加工ヘッド
Ｗ  加工物
【図１】
2015136907.tif 000003
【図２】
2015136907.tif 000004
【図３】
2015136907.tif 000005
【図４】
2015136907.tif 000006
【図５】
2015136907.tif 000007
【図６】
2015136907.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月26日(2016.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うレーザ加工ヘッドの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、焦点距離が長いレーザ光を用いて、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うリモートレーザ加工と呼ばれる加工法が注目されている。一般に、リモートレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッドは、上部に集光レンズが設けられ、下部である先端部にノズルユニットが取り付けられている。レーザ加工ヘッドに導かれたレーザ光は、集光レンズによって集光され、レーザ加工ヘッド内を通過して、最終的にノズルユニットから加工物に照射される。レーザ光の照射に合わせて、レーザ加工ヘッドは、ノズルユニットからアシストガスを噴出し、加工物の溶融物を吹き飛ばして加工物の切断を行う。
【０００３】
このようなレーザ加工ヘッドでは、レーザ加工において、レーザ光が集光レンズを通過するため、集光レンズの温度が上昇する。そのため、温度上昇による集光レンズの変形、いわゆる、熱レンズ現象を防止するため、アシストガスによって、集光レンズを冷却する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、レンズおよびレンズ受けの周辺のホルダにガス通路を設け、ガス通路を通過するアシストガスによってレンズを冷却するレーザ加工ヘッドについて記載されている。
【０００４】
また、このようなレーザ加工ヘッドでは、レーザ加工において発生したスパッタや粉塵が集光レンズに付着することがある。そのため、アシストガスによって、スパッタや粉塵の集光レンズへの付着を防止する方法が提案されている。例えば、特許文献２には、集光レンズの表面にアシストガスを吹き付けるように流すことによって、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を防止するレーザ加工ヘッドについて記載されている。
【０００５】
図６を用いて、さらに具体的に説明する。図６は、従来のレーザ加工機のレーザ加工ヘッド９００を示す図である。図６に示すように、従来のレーザ加工ヘッド９００は、レンズホルダ９０１と、集光レンズ９０２と、レンズ受け９０３と、レンズ押え９０４と、ガイドリング９０５と、スリーブ９０６と、ノズルホルダ９０７と、ノズル９０８とを有する。集光レンズ９０２は、レンズ受け９０３とレンズ押え９０４とを介して、レンズホルダ９０１に保持されている。また、レンズホルダ９０１は、ガス導入口９０９を側面に有し、レンズホルダ９０１の下には、ガイドリング９０５が固定されている。さらにガイドリング９０５の下には、スリーブ９０６とノズルホルダ９０７とノズル９０８とが設けられている。
【０００６】
そして、レーザ加工ヘッド９００のガイドリング９０５の上端外周縁には傾斜ガイド面９１０が設けられ、また、レーザ加工ヘッド９００のレンズ押さえ９０４の先端内周縁には傾斜ガイド面９１１が設けられている。これらの傾斜ガイド面９１０、９１１により、ガス導入口９０９から導入されたアシストガスは、集光レンズ９０２に吹き付けられ、最終的には、ノズル９０８から加工物Ｗに向けて噴射されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６３−３４５９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２１６９７７号公報
【発明の概要】
【０００８】
特許文献１に記載された、従来のレーザ加工ヘッドでは、アシストガスの噴出口は、集光レンズの下面と平行な方向に向いているため、アシストガスは互いに衝突しながらレーザ加工ヘッドの先端から噴出される。また、特許文献２に記載されたレーザ加工ヘッドでは、アシストガスは集光レンズに向けて噴出される。そのため、従来のレーザ加工ヘッドの先端に向かうアシストガスの流れが弱く、レーザ加工ヘッドの先端から入り込むスパッタや粉塵を押し返す作用が弱くなる。また、レーザ光の光路を確保するためにレーザ加工ヘッドの先端（ノズルの先端）の開口を大きくすると、アシストガスによるスパッタや粉塵の排出力がさらに弱くなる。これにより、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止できない。
【０００９】
本開示の技術は、上記問題点を解決するレーザ加工ヘッドを提供する。
【００１０】
上記課題を解決するために、本開示のレーザ加工ヘッドは、コリメーションレンズと、フォーカスレンズと、ノズルユニットとを有する。コリメーションレンズは、レーザ光を平行化し、フォーカスレンズは、平行化されたレーザ光を集光し、集光されたレーザ光はノズルユニットを通過する。さらにノズルユニットは、保護部材と、内側ノズルと、外側ノズルと、ノズル保持部と、リング状のオリフィスとを有する。保護部材はレーザ光を透過させ、保護部材を透過したレーザ光が内側ノズルを通過する。外側ノズルは内側ノズルの外側に設けられ、ノズル保持部は内側ノズルと外側ノズルとを保持する。オリフィスは、内側ノズルに接し、ノズル保持部と外側ノズルとの間に挟まれている。ノズル保持部には、ノズル保持部に設けられたエアー供給口とオリフィスとをつなぐ第１のガス経路が設けられている。オリフィスには、内側ノズルと外側ノズルとの間に設けられた第２のガス経路と、第１のガス経路とをつなぐ第３のガス経路が設けられている。第３のガス経路は、オリフィスに等間隔に複数設けられ、オリフィスの側面と下面とをつなぐ貫通孔である。ノズルユニットの先端付近には、第２のガス経路と接続された開口部が設けられている。
【００１１】
本開示のレーザ加工ヘッドによれば、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態のレーザ加工ヘッドを示す斜視図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッドからシールドホルダを取り出した状態、（ｂ）はレーザ加工ヘッドにシールドホルダが収納された状態である。
【図３】図３は、実施の形態のシールドホルダを示す斜視図であり、（ａ）はシールドホルダを分解した状態、（ｂ）はシールドホルダを組み立てた状態である。
【図４】図４は、実施の形態のノズルユニットの断面図である。
【図５】図５は、実施の形態のオリフィスの図である。
【図６】図６は、従来のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるレーザ加工ヘッド５０を示す断面図である。図２は、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０を示す斜視図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッド５０からシールドホルダ８を取り出した状態の斜視図であり、（ｂ）はレーザ加工ヘッド５０にシールドホルダ８が収納された状態の斜視図である。図３は、本実施の形態のシールドホルダ８を示す斜視図であり、（ａ）はシールドホルダ８を分解した斜視図であり、（ｂ）はシールドホルダ８を組み立てた斜視図である。図４は、本実施の形態におけるノズルユニット４３の断面図である。図５は、実施の形態におけるオリフィス３０の図であり、（ａ）はオリフィス３０の上面斜視図であり、（ｂ）はオリフィス３０の側面図であり、（ｃ）はオリフィス３０の下面斜視図である。
【００１４】
まず、図１を用いて、レーザ加工ヘッド５０について具体的に説明する。レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２と、レンズボディ１と、ボディケース６と、シールドホルダ８と、ノズルユニット４３と、サーボモータ１４，２１とを有する。なお、シールドホルダ８は、ノズルユニット４３（図４に詳細構造を示す）に対して着脱可能であるが、コネクタ１２、レンズボディ１、ボディケース６、ノズルユニット４３、サーボモータ１４，２１の構成については、複数が一体化されていても構わない。
【００１５】
（コネクタ１２について）
レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２を有し、コネクタ１２を介して光ファイバと接続されている。レーザ光ＬＢは、一定の角度で広がりながら、光ファイバの端部からレーザ加工ヘッド５０内に出射される。
【００１６】
（レンズボディ１について）
レンズボディ１は、コリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５とが固定されたレンズホルダ３を保持している。コリメーションレンズ４は、光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。そして、コリメーションレンズ４によって平行化されたレーザ光は、フォーカスレンズ５によって加工物における加工点で焦点を結ぶように集光される。なお、本実施の形態において、コリメーションレンズ４は、直径φ＝３０ｍｍであり、レンズの明るさを表すＦ値は８０である。フォーカスレンズ５は、直径φ＝３０ｍｍであり、Ｆ値は５００である。また、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は、合成石英製の平凸レンズにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート処理を行ったものである。なお、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は平凸レンズに限られず、非球面レンズのように球面収差を補正したレンズであっても構わない。
【００１７】
また、レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２、１３が設けられている。レンズホルダ３の外周部、すなわちレンズホルダ３とレンズボディ１との間には流水路が設けられている。レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２から冷却水を導入し、流水路を経由して、冷却水ホース接続部１３から冷却水を排出することができる。これにより、流水路に冷却水を循環させ、レンズホルダ３を介して、間接的にコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５を冷却できる。これにより、コリメーションレンズ４やフォーカスレンズ５の、レーザ光ＬＢによる熱レンズ効果を抑制できる。熱レンズ効果とは、熱変形によりレンズの焦点位置が変化する現象である。また、レンズボディ１やレンズホルダ３は、光ファイバの出射端面とコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５との光学的な位置関係を決定している。冷却水は、さらに、レンズホルダ３やレンズボディ１の熱膨張を抑えることができ、これらの光学的な位置関係が変化することによる焦点位置の変化も防止している。なお、冷却水は、レンズボディ１内に限らず、レーザ加工ヘッド５０の内部全体を循環し、他の光学部材の熱による悪影響を防止しても良い。
【００１８】
（ボディケース６について）
ボディケース６には、サーボモータ１４（第１の駆動部）と、タイミングベルト１５（第１の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー１６（第１の回転部材）と、平行板１７（第１の平行板）と、ホルダ１８（第１のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４１（第１の光学ユニット）が構成される。平行板１７は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ１８内に固定されている。ホルダ１８の外周面にはタイミングベルトプーリー（図示せず）が設けられ、ホルダ１８はタイミングベルト１５を介してサーボモータ１４によって回転される。具体的には、ホルダ１８は、第１の回転軸を中心に回転され、第１の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ１４は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。
【００１９】
本実施の形態において、タイミングベルトプーリー１６の回転と平行板１７の回転との減速比は３２：６０であり、サーボモータ１４の位置制御分解能は２０４８ｐｐｒである。従って、第１の光学ユニット４１の位置分解能は、４．２μｍであり、レーザ光の照射位置の精度に対して十分な分解能である。また、レーザ光の照射位置の移動の最大速度は１２３ｍ／分以上であり、レーザ溶接等のレーザ加工の実用上、十分な速度である。本実施の形態の運転条件設定は、最高出力回転速度１４４００°／秒、最大加速度３０００００°／秒２としている。
【００２０】
さらに、ボディケース６には、サーボモータ２１（第２の駆動部）と、タイミングベルト２２（第２の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー２０（第２の回転部材）と、平行板１９（第２の平行板）と、ホルダ７（第２のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４２（第２の光学ユニット）が構成される。平行板１９は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ７内に固定されている。ホルダ７の外周面にはタイミングベルトプーリー（図示せず）が設けられ、ホルダ７はタイミングベルト２２を介してサーボモータ２１によって回転される。具体的には、ホルダ７は、第２の回転軸を中心に回転され、第２の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ２１は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。
【００２１】
すなわち、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、同一の構成であり、個々の部品はすべて同一である。このようにすることで、２つの光学ユニット４１，４２の応答バランスが同じになり、制御を行いやすい。そして、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とが同じであり、かつ、ボディケース６内において、対称に配置されている。すなわち、第１の回転軸（および第２の回転軸）に鉛直な面に対して対称に配置されている。図１では、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、上下に対称に配置されている。このように配置すると、サーボモータ１４とサーボモータ２１とが同じ方向に回転した場合、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とは逆になる。また、平行板１７を駆動するサーボモータ１４の回転方向を逆転させることにより、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とを同じ方向に回転させることも可能である。
【００２２】
なお、レーザ加工ヘッド５０の小型化と、レーザ加工ヘッド５０のレーザ照射範囲を広くする点から、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが一致するように配置することが望ましい。また、第１の回転軸および第２の回転軸の方向は、光ファイバから入射された時のレーザ光ＬＢの光軸の方向と同じであることが好ましい。さらには、第１の回転軸および第２の回転軸は、光ファイバから入射された時のレーザ光ＬＢの光軸と一致することがさらに好ましい。
【００２３】
次に、光学ユニット４１、４２によるレーザ光の挙動について説明する。
【００２４】
フォーカスレンズ５を通過したレーザ光は、平行板１７を通過する際に２度（平行板１７への入射時と平行板１７からの出射時）屈折する。これにより、平行板１７の板厚と、第１の回転軸に対する平行板１７の取り付け角度である平行板１７の傾斜角度と、平行板１７の屈折率によって定まる量だけ、レーザ光は平行にシフトする。すなわち、平行板１７に入射するレーザ光の光軸（第１の光軸）と、平行板１７を出射したレーザ光の光軸（第２の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。これは、同様の構成である平行板１９においても同様である。すなわち、平行板１９に入射するレーザ光の光軸（第２の光軸）と、平行板１９を出射したレーザ光の光軸（第３の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。本実施の形態の平行板１７と平行板１９は、合成石英製であって、板厚ｔ＝１３ｍｍ、第１の回転軸（第２の回転軸）に対する傾斜角４５°、屈折率は１．４４９６３である。この場合、平行板１７を通過したレーザ光（レーザ光の光軸）は、４．１ｍｍシフトする。その後、レーザ光（レーザ光の光軸）は、平行板１９を通過する際にも同様に、４．１ｍｍシフトする。従って、本実施の形態におけるレーザ光の動作範囲は、半径が８．２ｍｍ、すなわち直径が１６．４ｍｍの円内である。
【００２５】
（ノズルユニット４３について）
次に、レーザ加工ヘッド５０の先端の構造について説明する。
【００２６】
図１に示すように、ボディケース６の先端付近にはノズルユニット４３が接続され、ノズルユニット４３の上部には保護ガラス２５が固定されている。なお、ノズルユニット４３は、ノズル保持部１０に内側ノズル１１と外側ノズル２７とを設けたものである。ボディケース６の先端とは、レーザ光が出射される側の端部のことである。また、ノズルユニット４３における、保護ガラス２５よりも先端方向側では、保護ガラス２６（保護部材）が設けられたシールドホルダ８が収納できる構造になっている。すなわち、シールドホルダ８はノズルユニット４３に対して着脱可能であり、保護ガラス２６がノズルユニット４３に対して着脱可能であることでもある。
【００２７】
本実施の形態においては、保護ガラス２５は直径φ＝４０ｍｍであり、保護ガラス２６は直径φ＝３０ｍｍであり、共に合成石英製である厚さｔ＝２ｍｍのウインドウ材にＡＲコートを施している。保護ガラス２５は、図示しないネジリングによりレーザ加工ヘッド５０（具体的にはノズルユニット４３）に固定されている。
【００２８】
次に、図２を用いて、保護ガラス２６とシールドホルダ８について具体的に説明する。保護ガラス２６は、メンテナンス性を考慮し、レーザ光の光軸方向に対して直交する方向にスライドし、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能なシールドホルダ８に設けられている。保護ガラス２６は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外すことでレーザ加工ヘッド５０外へ取り出され、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けることでレーザ加工ヘッド５０内に配置される。図２の（ａ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外した状態を示す図である。図２の（ｂ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けた状態を示す図である。
【００２９】
さらに、図３を用いて、シールドホルダ８について説明する。図３の（ａ）は、保護ガラス２６が設けられたシールドホルダ８の分解図であり、図３の（ｂ）は、保護ガラス２６が設けられたシールドホルダ８の組み立て図である。シールドホルダ８は、保護ガラス２６を挟み込むように２つに分割された第１の部材２３と第２の部材２４とＯリング２８とで構成され、第１の部材２３と第２の部材２４とは、固定用のレバー９の操作により、容易に結合や分離ができる。保護ガラス２６は、Ｏリング２８の弾性変形力によって円周方向がシールドホルダ８に保持され、第１の部材２３と第２の部材２４とで挟み込むことにより軸方向に保持されている。レバー９を操作することで第１の部材２３と第２の部材２４とを容易に分離することができ、保護ガラス２６の交換は、工具を使うことなく容易に行うことができる。
【００３０】
なお、保護ガラス２５を設けず、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能な保護ガラス２６のみを設けても構わない。しかし、この場合、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換すると、保護ガラス２６を取り外した際、レーザ加工ヘッド５０内に異物が入り平行板１９等に付着する可能性がある。従って、本実施の形態のように、２つの保護ガラス２５，２６を設けることで、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換しても問題は生じず、また、利便性を高めることができ、好ましい。
【００３１】
次に、レーザ加工中の保護ガラス２６へのスパッタや粉塵の付着の防止について図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態のノズルユニット４３の断面図である。図５は、本実施の形態のオリフィス３０の図である。
【００３２】
図１に示すレーザ加工ヘッド５０において、保護ガラス２６に対してレーザ光の出力端側には、内側ノズル１１と外側ノズル２７から構成された中空円錐台状のノズル３２が設けられている。図４に示すように、ノズルユニット４３は、シールドホルダ８と、ノズル保持部１０と、内側ノズル１１と、外側ノズル２７とを有する。内側ノズル１１と外側ノズル２７とは、ノズル３２の先端部付近で接している。内側ノズル１１の先端部には、放射状に設けられた溝（切り欠き）により、開口部が形成されている。ノズル保持部１０には、エアー供給口２９が設けられており、ノズル保持部１０の内部には、エアー供給口２９と接続された環状の空間３１（第１のガス経路）が設けられている。オリフィス３０は、内側ノズル１１に接するように、ノズル保持部１０と外側ノズル２７との間に挟まれて設けられている。また、オリフィス３０は、空間３１とつながっている。また、内側ノズル１１と外側ノズル２７とは、間に環状の空間３３（第２のガス経路）が設けられるように組み合わされている。
【００３３】
ここで、オリフィス３０について、図５を用いて具体的に説明する。図５の（ａ）に示すように、オリフィス３０の内周の下方には、等間隔に溝が形成されている。また、図５の（ｂ）に示すように、オリフィス３０の側面は、全周において、中央が、上方および下方よりも内側に窪んでおり、内周の溝とつながっている。すなわち、図５の（ａ）、（ｂ）さらには（ｃ）に示すように、オリフィス３０は、外周面３５とオリフィス３０の下方とをつなぐ穴３４（第３のガス経路）を有している。穴３４は、オリフィス３０において等間隔に設けられており、図４に示す、空間３１と空間３３とをつなぐ、断面方向でＬ字形状の貫通孔である。具体的には、空間３１とオリフィス３０の外周の開口が接続されており、空間３３とオリフィス３０の下面の開口が接続されている。これにより、エアー供給口２９から導入されたアシストガスはオリフィス３０の穴３４によって、空間３１からほぼ均一に空間３３に供給される。
【００３４】
そして、図４に示すように、内側ノズル１１は、先端に切り欠きが設けられているため、外側ノズル２７との接触部において、等間隔に開口部を有し、空間３３からのアシストガスを環状に、かつ、ほぼ均一に噴出することができる。これにより、ノズルユニット４３からは、レーザ加工ヘッド５０の下方向に向かって、高速のエアージェットを噴出でき、レーザ加工におけるスパッタや粉塵がレーザ加工ヘッド５０に侵入することを防ぐことができる。また、このエアージェットは、加工物に対して吹きつけられるため、加工物Ｗ加工点近傍に粉塵が停滞することを防止できる。粉塵は、レーザ光の反射や屈折や吸収を引き起こし、加工点でのレーザ出力を低下させる。なお、内側ノズル１１と外側ノズル２７は、ノズル保持部１０により保持されている。
【００３５】
また、外側ノズル２７の先端部はノズル保持部１０に対して、着脱可能であり、消耗や損傷した場合には先端部だけを交換することが可能である。この構造により、ノズルのメンテナンスコストが低減される。
【００３６】
なお、先端部に溝を設けた内側ノズル１１の最小径は、交換可能な外側ノズル２７の最小径よりも大きく、外側ノズル２７が内側ノズル１１をカバーする構造である。この構造により、内側ノズル１１の先端の溝部の損傷やスパッタの詰まりを防止することができる。
【００３７】
また、ノズル３２の先端の開口は、平行板１７、１９が回転することによって変化するレーザ光の照射範囲よりも大きい。しかし、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０のノズルユニット４３であれば、アシストガスを高速に、下向きに、均一な環状で噴出するため、保護ガラス２６へのスパッタや粉塵の付着を防止することができる。
【００３８】
また、オリフィス３０と外側ノズル２７とを一体に構成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示のレーザ加工ヘッドによれば、集光レンズへのスパッタや粉塵の付着を十分に防止でき、例えば、リモートレーザ加工等に用いるレーザ加工ヘッドとして産業上有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１    レンズボディ
２，１３    冷却水ホース接続部
３    レンズホルダ
４    コリメーションレンズ
５    フォーカスレンズ
６    ボディケース
７，１８    ホルダ
８    シールドホルダ
９    レバー
１０    ノズル保持部
１１    内側ノズル
１２    コネクタ
１４，２１    サーボモータ
１５，２２    タイミングベルト
１６，２０    タイミングベルトプーリー
１７，１９    平行板
２３    第１の部材
２４    第２の部材
２５，２６    保護ガラス
２７    外側ノズル
２８    Ｏリング
２９    エアー供給口
３０    オリフィス
３１    空間
３２    ノズル
３３    空間
３４    穴（第３のガス経路）
３５    外周面
４１，４２    光学ユニット
４３    ノズルユニット
５０    レーザ加工ヘッド
Ｗ    加工物
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を平行化するコリメーションレンズと、
平行化された前記レーザ光を集光するフォーカスレンズと、
集光された前記レーザ光が透過するノズルユニットと、を備え、
前記ノズルユニットは、
前記レーザ光を透過させる保護部材と、
前記保護部材を透過した前記レーザ光が通過する内側ノズルと、
前記内側ノズルの外側に設けられた外側ノズルと、
前記内側ノズルと前記外側ノズルとを保持するノズル保持部と、
前記内側ノズルに接し、前記ノズル保持部と前記外側ノズルとの間に挟まれたリング状のオリフィスと、を有し、
前記ノズル保持部には、前記ノズル保持部に設けられたエアー供給口と前記オリフィスとをつなぐ第１のガス経路が設けられ、
前記オリフィスには、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に設けられた第２のガス経路と前記第１のガス経路とをつなぐ第３のガス経路が設けられ、
前記第３のガス経路は、前記オリフィスに等間隔に複数設けられ、前記オリフィスの側面と下面とをつなぐ貫通孔であり、
前記ノズルユニットの先端付近には、前記第２のガス経路と接続された開口部が設けられているレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記第１のガス経路は、前記ノズル保持部の内部に設けられた環状の空洞である請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記第２のガス経路は、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に設けられた環状の空洞である請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記開口部は、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの境界に等間隔に複数設けられ、
前記開口部は、前記内側ノズルに設けられた切り欠きである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記保護部材は、前記ノズルユニットに対して着脱可能である請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
集光された前記レーザ光の第１の光軸を第２の光軸にシフトする第１の平行板と、
前記第１の平行板を第１の回転軸を中心に回転させる第１の駆動部と、
前記第２の光軸にシフトされた前記レーザ光の光軸を第３の光軸にシフトする第２の平行板と、
前記第２の平行板を第２の回転軸を中心に回転させる第２の駆動部と、をさらに備え、
前記第１の回転軸の方向と前記第２の回転軸の方向とは同一である請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記第１の平行板を保持する第１のホルダと、
前記第１のホルダの外周面に設けられており前記第１のホルダを回転させる第１の回転部材と、
前記第１の駆動部の駆動力を前記第１の回転部材に伝達する第１の伝達部材と、
前記第２の平行板を保持する第２のホルダと、
前記第２のホルダの外周面に設けられており前記第２のホルダを回転させる第２の回転部材と、
前記第２の駆動部の駆動力を前記第２の回転部材に伝達する第２の伝達部材と、をさらに備え、
前記第１の駆動部と、前記第１の平行板と、前記第１のホルダと、前記第１の回転部材と、前記第１の伝達部材とから第１の光学ユニットが構成され、
前記第２の駆動部と、前記第２の平行板と、前記第２のホルダと、前記第２の回転部材と、前記第２の伝達部材とから第２の光学ユニットが構成され、
前記第１の光学ユニットの形状と前記第２の光学ユニットの形状とは同じである請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2015136907.tif 000016
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