(57)【要約】【課題】切断部に生じたドロスなどの残留物によってワークに傷が付かないようにしたレーザ切断装置を提供すること。【解決手段】金属板などのワークＷを挟むように上方の加工ヘッド２と下方の加工台３とを備え、集光レンズ１１を備えた加工ヘッド２のノズル１２からレーザ光Ｌを照射し、ワークＷを加工ヘッド２及び加工台３に対して相対的に平面移動させ、ワークＷに切断加工を施すものであって、加工台２は、ワークＷの直下に位置する上端部に下部ホルダ２６を有し、その下部ホルダ２６が、上方に超音波を発振する超音波発振手段２７，２８，２９，３０を備えたレーザ切断装置１。【選択図】図１
2008137036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板などのワークを挟むように上方の加工ヘッドと下方の加工台とを備え、集光レンズを備えた加工ヘッドのノズルからレーザ光を照射し、ワークを加工ヘッド及び加工台に対して相対的に平面移動させ、ワークに切断加工を施すレーザ切断装置において、
前記加工台は、前記ワークの直下に位置する上端部に下部ホルダを有し、その下部ホルダが、上方に超音波を発振する超音波発振手段を備えたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項２】
請求項１に記載するレーザ切断装置において、
前記加工ヘッドは、前記ワークの直上に位置する下端部に上部ホルダを有し、その上部ホルダが、下方に超音波を発振する超音波発振手段を備えたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するレーザ切断装置において、
前記加工ヘッドや加工台は円筒状に形成され、前記上部ホルダや下部ホルダに備えられた超音波発振手段は、リング状の圧電素子と電極とを交互に積層した積層体によって構成されたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載するレーザ切断装置において、
前記超音波発振手段は、円筒形状の絶縁体を内周面側に配置して前記上部ホルダや下部ホルダに嵌め合わされ、
その上部ホルダや下部ホルダは、各圧電素子の位置に合わせて複数の環状溝が形成され、その間にできた凸部が上下に隣り合う圧電素子にまたがるようにして支持するようにしたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載するレーザ切断装置において、
前記下部ホルダは、上下方向への移動が可能な状態で取り付けられ、スプリングによって下方から支持されたものであることを特徴とするレーザ切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極薄金属板などのワークをレーザ光によって切断加工するレーザ切断装置に関し、特に切断部に生じたドロスなどの残留物によってワークに傷が付かないようにしたレーザ切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光による切断加工は、入熱による溶融を利用したものであるため、加工に伴って生じた溶融物が飛散してスパッタとして極薄金属板などのワーク表面に付着したり、溶融物が凝集して再凝固し、ドロスとして切断された部分の端面等に残留する。そうしたドロスやスパッタは、ワークにレーザ光が照射された面とは反対面（以下裏面側という）の切断部端面付近に多く付着する。そこで、特開平１１−２５４１６９号公報などには、レーザ光と同軸に噴出するアシストガスによってドロスやスパッタを吹き飛ばすなどして、加工部付近に付着するドロスやスパッタを低減させるレーザ切断装置が提案されている。図６は、そうした従来のレーザ切断装置を示した断面図である。
【０００３】
このレーザ切断装置では、不図示のレーザ発振器から加工ヘッド１０１内の集光レンズ１０２にレーザ光Ｌが入射し、その集光レンズ１０２によって集光されたレーザ光Ｌは極薄金属板のワークＷに焦点を結ぶように照射される。ワークＷは、その端部が外側に向けて引っ張られるようにして把持され、支持ブロック１２０の上に載せられている。切断時には、レーザ光Ｌが照射された箇所が溶融し、ワークＷが加工ヘッド１０１や支持ブロック１２０に対して相対的に移動することにより切断が行われる。レーザ光Ｌと同軸に噴出されるアシストガスは、ワークＷを押さえ付けるチップシール部材１１０内を通ってワークＷへ吹き付けられ、その切断部Ａを通ってワークＷの裏面へ流出する。これにより、切断部Ａの溶融によって生じた溶融物を吹き飛ばして除去し、ワークＷへドロスやスパッタが付着することが抑制されている。そして、吸引口１２５が真空ポンプに接続され、空気吸引の流れによって中央孔１２４内が負圧状態になっているため、その除去されたドロスなどは中央孔１２４から排出される。
【０００４】
レーザ加工時の溶融物のほとんどは、レーザ光と同軸に噴出されるアシストガスによって吹き飛ばされるが、完全に吹き飛ばすのは困難であり、一部がワークの切り口の裏面に付着して残ってしまうことがある。すると、切断に際してワークを下側から支えている支持ブロックとワークとの間にドロスが入り込み、その間に噛み込まれた残留物が擦れてワークに傷が付けられてしまう。そこで、レーザ加工時に発生する溶融物をワークに付着させないレーザ切断装置として、特開平６−４７５７３号公報などに振動を利用したものが提案されている。図７は、同公報に開示されたレーザ切断装置を構成する加振装置及びＸＹテーブルの構造を示す図である。
【０００５】
レーザ切断装置は、ワークを支持しこれに振動を加える加振装置２０１が、防振材２０２を介して水平面内に移動自在なＸＹテーブル２１０に搭載されている。そして、加振装置２０１を構成する支持具２０３上にワークＷが設置され、そのワークＷに対してレーザ光Ｌが照射される。そして支持具２０３には、ワークＷの加速度の振動波形を検出する振動検出器２０４が設けられている。加振装置２０１は、位相が１８０°異なる逆回転の２台の偏心モータ２２０が駆動すると、発生する遠心力の図中横向ベクトルは互いに相殺され、図中縦方向成分だけが残ってワーク支持具２０３に上下方向の振動が与えられる。そして、ワーク支持具２０３上のワークＷが振動し、慣性力によって凝固する前に溶融物がワークＷから飛散して除去される。
【特許文献１】特開平１１−２５４１６９号公報
【特許文献２】特開平６−４７５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のレーザ切断装置では、アシストガスの勢いで吹き飛ばしたり、加振装置２０１の振動によって除去することが行われていたが、いずれにしても完全にドロスやスパッタを除去することは難しかった。そして、ドロスなどの残留物が切断部に残ってしまうと、ワークＷから外れた残留物が、そのワークＷと支持部材（支持ブロック１２０や支持具２０３）との間に噛み込み、ワークＷを擦って傷つけてしまう。
図７に示した従来例では、ワークＷがＸＹテーブル２１０によって移動し、支持具２０３とのずれは生じない。しかし、より面積の大きなワークＷに切断加工を施す場合を考えると、図６に示す場合と同様に、ワークＷの端部が外側に向けて引っ張られるようにして把持され、固定の支持具２０３に対してワークＷがＸＹ平面上を移動することになる。そのため、ワークＷが支持部材に摺接していると、その間に入り込んだ残留物が噛み込んでワークＷに傷を付けることになる。そこで、例えば特開２００２−７９３９０号公報には、ワークＷが当接する支持ブロックの上面に対し、フェルトや滑り板を設けて摺動し易くワークＷに傷が付かないような提案がされている。しかし、こうしたものであっても摺動面に挟み込まれた残留物によってワークＷに傷が付けられることを防止することができるものではなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、切断部に生じたドロスなどの残留物によってワークに傷が付かないようにしたレーザ切断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ切断装置は、金属板などのワークを挟むように上方の加工ヘッドと下方の加工台とを備え、集光レンズを備えた加工ヘッドのノズルからレーザ光を照射し、ワークを加工ヘッド及び加工台に対して相対的に平面移動させ、ワークに切断加工を施すものであって、前記加工台は、前記ワークの直下に位置する上端部に下部ホルダを有し、その下部ホルダが、上方に超音波を発振する超音波発振手段を備えたものであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のレーザ切断装置は、前記加工ヘッドが、前記ワークの直上に位置する下端部に上部ホルダを有し、その上部ホルダが、下方に超音波を発振する超音波発振手段を備えたものであることが好ましい。
また、本発明のレーザ切断装置は、前記加工ヘッドや加工台は円筒状に形成され、前記上部ホルダや下部ホルダに備えられた超音波発振手段は、リング状の圧電素子と電極とを交互に積層した積層体によって構成されたものであることが好ましい。
また、本発明のレーザ切断装置は、前記超音波発振手段が円筒形状の絶縁体を内周面側に配置して前記上部ホルダや下部ホルダに嵌め合わされ、その上部ホルダや下部ホルダは、各圧電素子の位置に合わせて複数の環状溝が形成され、その間にできた凸部が上下に隣り合う圧電素子にまたがるようにして支持するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明のレーザ切断装置は、前記下部ホルダが、上下方向への移動が可能な状態で取り付けられ、スプリングによって下方から支持されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明によれば、下部ホルダから発振する超音波によってワークが浮揚状態となり、その下部ホルダとの間に隙間をつくった非接触状態でワークが支えられるため、レーザ切断の際にできる残留物がワークと下部ホルダとの間に噛み込まれ、ワークが傷付けられることを回避できる。
また、上部ホルダからも超音波を発振するように構成することで、ワークが上部ホルダとも非接触で支持されれば摺動抵抗が働くことがないため、微細な切断部の加工精度を上げることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係るレーザ切断装置について一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態のレーザ切断装置を示した一部断面図である。
レーザ切断装置１は、極薄金属板のワークＷを切断する加工ヘッド２に対し、不図示のレーザ発振器から反射ミラーを介してレーザ光Ｌが送られるようになっており、その加工ヘッド２はワークＷの上方にあって、ワークＷを挟んで下方には加工台３が設けられている。
【００１２】
加工ヘッド２は筒状に形成され、その中心孔の途中にはレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１１が内装され、下端にはノズル１２が設けられている。また、加工ヘッド２には、集光レンズ１１の下部にアシストガスを内部に噴射するため、側部を貫通したポート１３に継手１８が固定され、不図示のガス供給装置に接続されている。ノズル１２は、加工ヘッド２内のアシストガスがワークＷの切断部位に集中的に流れ込むように、例えば１．０ｍｍ以下の径で形成されている。
【００１３】
ノズル１２は、加工ヘッド２を構成する円筒形の下部ブロック１４に固定して形成されている。また、その下部ブロック１４の下端フランジ部には、ノズル１２を囲むように環状の上部ホルダ１５が取り付けられ、更にその下端内側には、ワークＷが摺動し易く且つワークＷに傷が付かないようにするための滑り材１６が取り付けられている。その滑り材１６は、ワークＷに接する先端面の高さが集光レンズ１１によって集光されたレーザ光Ｌの集光点と一致するように形成されている。
【００１４】
一方、ワークＷの下に位置する加工台３は、加工ヘッド２側から送られたアシストガスを吸引するため、中心孔を有するように筒状に形成されている。その加工台３は、ベース２１に対して円筒形状の調節ナット部材２２が回転可能に設けられている。調節ナット部材２２は、内周面側に雌ネジが切られたものであり、外周面の下側には環状の案内溝２２ａが形成されている。その調節ナット部材２２は、ベース２１上面に形成された円形の凹部に嵌め込まれ、案内溝２２ａにガイド板２８が差し込まれており、上下方向の移動が規制された状態で回転可能に取り付けられている。そして、その調節ナット部材２２には、図２に示すように円筒形状の目盛り管２２ｂが固定されている。
【００１５】
調節ナット部材２２の内部には上下調節管２３が配置され、その外周部に形成された雄ネジが調節ナット部材２２の雌ネジと螺合している。また、上下調節管２３の中には円筒状の可動体２４が挿入されている。上下調節管２３と可動体２４は、上端に拡径部分が形成され、そこに配置されたスプリング２５を保持するように互いが上下方向に噛み合っている。ただし、上下調節管２３に対して可動体２４が上下に移動できるように、上下方向に隙間が設けられている。上下調節管２３には、図３に示すように下端部に軸方向の溝２３ａが形成され、それに対してベース２１に固定された回転防止ピン２５の先端が挿入されている。従って、調節ナット部材２２の回転によって、上下調節管２３は共回りすることなく上下方向（軸方向）にのみ移動できるようになっている。
【００１６】
加工台３には更に、可動体２４に下部ホルダ２６が設けられている。その下部ホルダ２６は、円筒形状の取付部２６ｂが可動体２４内に挿入され、ネジによる螺設によって一体になっている。そして、下部ホルダ２６には、リング状の圧電素子（圧電セラミックス）２７，２８と電極２９，３０とを交互に積層したものが嵌め合わされ、ヘッド部２６ａと可動体２４との間に挟み込まれている。その圧電素子２７，２８や電極２９，３０はリング形状をしたものであり、電極２９，３０は、一部が図１に示すように突き出して端子になっている。
【００１７】
圧電素子２７，２８及び電極２９，３０は、ＳＵＳやアルミなどからなる下部ホルダ２６と非接触であるように、その間に絶縁体からなる円筒状のカラー３１が挿入されて互いが絶縁状態になっている。また、下部ホルダ２６は、圧電素子２７，２８の伸縮運動による疲労破壊が起きないように形成されている。すなわち、カラー３１内側の下部ホルダ２６には、圧電素子２７，２８の位置に合わせて上下２つの応力拡散用のＵ溝３５が環状に形成され、その間にできた凸部３６が圧電素子２７，２８にまたがるようにして一部を支持している。
本実施形態の下部ホルダ２６は、こうして超音波発振手段を構成するものであり、電極２９，３０の端子に交流電圧を印加して駆動・励振することで圧電素子２７，２８が伸縮を生じ、ヘッド部２６ａを介して上方に超音波を発振するようにしたものである。
【００１８】
次に、本実施形態のレーザ切断装置を使用したレーザ切断加工について説明する。先ず、ワークＷは、その周縁部が不図示のＸＹテーブルに保持され、これにより予め設定された切断データに基づいてＸＹ平面上の移動が行われる。加工ヘッド２は上下動が可能であり、ＸＹテーブルへワークＷが取り付けられた後に下降し、上部ホルダ１５の位置決めが行われる。一方、下方の加工台３でも目盛り管２２ｂを介して調節ナット部材２２に回転が与えられ、螺着した上下調節管２３が上下方向に移動して下部ホルダ２６の位置決めが行われる。こうしたセッティングによってワークＷが滑り材１６と下部ホルダ２６との間に挟み込まれる。
【００１９】
加工ヘッド２側からはレーザ光Ｌが照射され、所定の形状にレーザ切断が行われる。ワークＷはレーザ光の入熱により局部的かつ瞬間的に溶融し、設定された移動によって所定の切断が行われる。その際、継手１８から加工ヘッド２内にアシストガスが高圧力で噴射され、ワークＷの切断部位に集中的に流れる。また、加工台３の吸引孔３３には、不図示の吸引装置との間に図３に示すような吸引管４が接続され、加工時にはその吸引孔３３や吸引管４内が負圧になっている。従って、アシストガスはワークＷの切断部を通って加工台３の吸引孔３３内に流れ込み、負圧になっている吸引管４へと引き込まれる。ワークＷの切断に伴って生じるドロスなどの溶融物は、こうしたアシストガスの流れによって吸引管４へと引かれて排出される。
【００２０】
更に、本実施施形態のレーザ切断装置１では、下部ホルダ２６に構成された圧電素子２７，２８などからなる超音波発振手段の駆動が行われる。すなわち、電極２９，３０の端子に交流電圧が印加されると圧電素子２７，２８が作動し、ヘッド部２６ａを介して上方に超音波を発振する。すなわち、圧電セラミックスの圧電素子２７，２８に対して順方向に電圧が印加されると電圧方向に伸張し、電圧方向と直交する方向に収縮する。一方、逆方向に電圧が印加されると電圧方向に収縮し、電圧方向と直交する方向に伸長する。こうした超音波発振手段の駆動により、下部ホルダ２６のヘッド部２６ａからワークＷに向けて下方から超音波が発振される。
【００２１】
ここで、図４は、切断部を示したレーザ切断装置の部分拡大断面図であるが、本実施施形態では、作業時に超音波を発振させることによってヘッド部２６ａの上面とワークＷとが接触することなくワークＷが浮揚した状態にする。なお、ワークＷは図１に示すように上面が上部ホルダ１５の滑り材１６に押し当てられていてそれ以上上昇しないため、実際にはスプリング２５が収縮して相対的に下部ホルダ２６が下降する。
【００２２】
従って、本実施形態のレーザ切断装置１によれば、下部ホルダ２６に対するワークＷの浮上距離は数１０μｍ〜数１００μｍ程度であるが、下部ホルダ２６とワークＷとの間に隙間ができることで、残留物Ｄが噛み込まれて転がったり擦れたりするようなことがなくなった。そのため、レーザ光Ｌによって切断加工が行われた後のワークＷには、従来のような傷が付かないようにした寸法精度の高い加工を行うことが可能になった。
また、本実施形態のレーザ切断装置１では、ワークＷの撓みなどによってワークＷと下部ホルダ２６上面との距離が変動しても、下部ホルダ２６を支持するスプリング２５が収縮して両者の間に図４に示すような隙間を生じさせるため、残留物Ｄによるワークへの傷付けを確実に回避できる。
【００２３】
次に、本発明に係るレーザ切断装置の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態のレーザ切断装置を示した一部断面図であるが、第１実施形態と同様の構成について同じ符号を付して説明する。前記第１実施形態との相違点は、加工ヘッド６側にも超音波発振手段を設けた点であって、ワークＷを挟んだ下方の加工台３側の構成は共通している。加工ヘッド６は、集光レンズ１１が内装され下端にはノズル１２が設けられている。そして、アシストガスを内部に噴射するためポート１３に継手１８が固定され、不図示のガス供給装置に接続されている。
【００２４】
本実施形態では、加工ヘッド６を構成する円筒形の中間ブロック４１に上部ホルダ４２が互いに螺設され、ノズル１２は、この上部ホルダ４２に固定されている。そして、中間ブロック４１と上部ホルダ４２との間にはリング状の圧電素子（圧電セラミックス）４５，４６と電極４７，４８とが交互に積層され、加工台３と同様に超音波発振手段が構成されている。電極４７，４８はリング形状をしたものであって一部が突き出して端子になっている。圧電素子４５，４６と電極４７，４８は、ＳＵＳやアルミなどからなる上部ホルダ４２と非接触であるように、その間に絶縁体からなる円筒状のカラー４３が挿入されて互いが絶縁状態になっている。そして、上部ホルダ４２は、圧電素子４５，４６の伸縮運動による疲労破壊が起きないように、２つの応力拡散用のＵ溝を設け、その間にできた凸部４４が圧電素子４５，４６にまたがるようにして一部を支持している。
【００２５】
次に、本実施形態のレーザ切断装置５を使用したレーザ切断加工について説明する。先ず、ワークＷは、その周縁部が不図示のＸＹテーブルに保持され、これにより予め設定された切断データに基づいてＸＹ平面上の移動が行われる。レーザ切断装置５は、ワークＷの取り付け後に加工ヘッド６の上部ホルダ４２が中間ブロック４１とともに下げられ、下方の加工台３でも下部ホルダ２６の位置決めが行われて、ワークＷが上部ホルダ４２と下部ホルダ２６との間に挟み込まれる。そこで、加工ヘッド６側からのレーザ光Ｌの照射によってワークＷにレーザ切断が行われ、その際、加工ヘッド６内へ噴射されたアシストガスがワークＷの切断部位に集中的に流れ、加工台３側の吸引管４（図３参照）へ引き込まれる。ワークＷの切断に伴って生じるドロスなどの溶融物は、こうしたアシストガスの流れによって吸引管４へと引かれて排出される。
【００２６】
そして、本実施施形態のレーザ切断装置５では、このとき加工ヘッド６と加工台３の超音波発振手段の駆動が行われる。すなわち、加工ヘッド６の電極４７，４８や加工台３の電極２９，３０の端子に交流電圧が印加されると、圧電素子４５，４６や圧電素子２７，２８が作動し、上部ホルダ４２や下部ホルダ２６からそれぞれ上下方向に超音波が発振される。これにより、前記第１実施形態では下方からのみの超音波発振であったため、ワークＷの下方のみが浮揚した状態になったが、本実施形態では上部ホルダ４２や下部ホルダ２６から離れてワークＷが浮揚した状態になる。なお、上部ホルダ４２は不動であるため、実際にはスプリング２５が収縮してワークＷや下部ホルダ２６がそれぞれ下降する。
【００２７】
従って、本実施形態でも下部ホルダ２６とワークＷとの間に隙間ができるので、残留物Ｄを噛み込まないため切断加工後のワークＷに傷を付けることがなくなる。
更に、本実施形態のレーザ切断装置５によれば、ワークＷは上下のホルダ４２，２６と非接触状態でＸＹ平面上を移動するため、加工時のワークＷに摺動抵抗が生じることなくスムーズな移動を可能にした。そこで、仮に高速加工用に加工ヘッド６側にヘッド用テーブルを備え、ワークＷと加工ヘッド６とが逆方向に移動するような場合でも、両者の摺接面に摺動抵抗が働くことがないため、微細な切断部の加工精度を上げることができるようになる。
【００２８】
以上、本発明に係るレーザ切断装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態のレーザ切断装置を示した一部断面図である。
【図２】レーザ切断装置の加工台を示した側面図である。
【図３】レーザ切断装置の加工台下部を示した断面図である。
【図４】切断部を示したレーザ切断装置の部分拡大断面図である。
【図５】第２実施形態のレーザ切断装置を示した一部断面図である。
【図６】従来のレーザ切断装置を示した断面図である。
【図７】加振装置を備える従来のレーザ切断装置を示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    レーザ切断装置
２    加工ヘッド
３    加工台
１１  集光レンズ
１２  ノズル
１５  上部ホルダ
２１  ベース
２２  調節ナット部材
２３  上下調節管
２５  スプリング
２６  下部ホルダ
２７，２８  圧電素子
２９，３０  電極
Ｌ    レーザ光
Ｗ    ワーク
【図１】
2008137036.tif 000003
【図２】
2008137036.tif 000004
【図３】
2008137036.tif 000005
【図４】
2008137036.tif 000006
【図５】
2008137036.tif 000007
【図６】
2008137036.tif 000008
【図７】
2008137036.tif 000009