(57)【要約】【課題】本発明は、被加工体に対してレーザビームを照射して加工を行う場合のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムに関し、レーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止することを目的とする。【解決手段】レーザ加工システムで使用されるレーザ加工ヘッド１１において、ガス導入口２２が形成されたヘッド基体１２に対して当該ガス導入口２２と連通して接合されるノズル体１３に設けられたガス搬送部３２に形成された搬送路３５で当該ガス流入口２２より導入されるガスを分散させて集光レンズ１４に周縁より直接吹き付けさせ、当該集光レンズ１４に吹き付けたガスを被加工体側に排出させる構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生成されるレーザ光を被加工体に照射して所定の加工を施すためのレーザ加工ヘッドであって、
筒状部材で形成され、所定のガスが供給されるガス導入口が形成されるヘッド基体と、
前記ヘッド基体内に保持され、前記生成されたレーザ光を集光し、前記被加工体の加工部分に収束させて照射させるためのレーザ集光部と、
前記レーザ集光部からのレーザ光を前記被加工体に照射させるための内部空間が形成されて前記ヘッド基体に対して前記ガス導入口と連通して接合されるものであり、当該ガス導入口より導入される前記ガスを分散させて前記レーザ集光部に周縁より直接吹き付けるための搬送路を形成させるガス搬送部を備え、当該レーザ集光部に吹き付けられたガスを前記被加工体側に排出させるノズル体と、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ加工ヘッドであって、前記レーザ集光部は、集光レンズ、または、当該集光レンズと前記被加工体側に設けられる保護部材であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドより前記被加工体に照射させるレーザ光を生成するレーザ生成手段と、
前記ヘッド基体と前記ノズル体とが接合された前記レーザ加工ヘッドのガス導入口に所定ガスを供給するガス供給手段と、
を有することを特徴とするレーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工体に対してレーザビームを照射して加工を行う場合のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザビームを利用して加工することが行われてきており、その対象が金属、プラスチック、紙などのように適用範囲が広がってきている。レーザ加工は熱による加工が主流であり、加工時にスパッタや煙が発生する。そして、このスパッタや煙がレーザ加工ヘッド内に侵入するとレンズや保護ガラスを汚すこととなり、レーザ出力の低下を招く。また、レーザ光による熱加工は加工部分が拡がるバーニング現象を生じる。そのため、冷却ガスをレーザ加工ヘッド内に注入して、上記バーニングを軽減すると共に、当該ガスをヘッド先端より流出させてスパッタや煙の流入を防ぐ技術が、以下の特許文献等に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１９８４８５号公報
【特許文献２】
特開平９−１３７４号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２６７７０号公報
【０００４】
そこで、図６に、従来のレーザ加工ヘッドの説明図を示す。図６（Ａ）に示すレーザ加工ヘッド１０１は、上記特許文献２の基本発明の概念図であり、特許文献１，３のベースとなったものである。すなわち、円筒形のノズル１０２の側部（後述のレンズより被加工体側）にガス供給部１０３が設けられ、内部における上記ガス供給部１０３の上方にレンズ１０４が保持される構造のものである。そして、レーザ加工に際しては、被加工体１０５に対し、レーザ光１０６をレンズ１０４で集光させると共に、ガス供給部１０３よりシールドガス１０７が当該ノズル１０２内部に注入される。このとき、注入されたシールドガス１０７がヘッド先端部より被加工体１０５の加工部分に吹き付けられることにより当該シールドガス１０７がノズル１０２内部でシールド状態とさせてスパッタや煙の流入を防止させようとしているものである。
【０００５】
そして、上記レーザ加工ヘッド１０１に対し、特許文献１，３では、ノズル１０２を内筒（内壁）と外筒（外壁）とで構成して内筒（内壁）にシールドガス（アシストガス）を注入させて先端より吹き出させると共に、外筒（外壁）に冷却ガスを注入させて先端より吹き出させるもので、シールドガス（アシストガス）１０７によりスパッタや煙の流入を防止させようとすると共に、冷却ガスによりバーニングを軽減させようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノズル１０２内部に注入されるシールドガス（アシストガス）１０７の排出では、実際上スパッタや煙がノズル１０２先端部より流入するという事態が生じる。これは、シールドガス（アシストガス）１０７をノズル１０２内部に水平状態で注入させることから内部での流速が不均一となり、図６（Ｂ）に示すように、竜巻状態１０７Ａが生じ、その中心部分よりスパッタや煙などの飛散物１０５Ａを吸い込むことによるものと推測される。上記特許文献３は、一見アシストガスがノズル１０２内部（内壁）に均一に注入されて内部の流速が均一であるように見えるが、当該アシストガスが水平状態でノズル１０２内部に注入されることにより、内部流速が不均一となって上記竜巻状態１０７Ａを生じさせるものと考えられ、飛散物１０４Ａを吸い込むという事態を生じる。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明では、生成されるレーザ光を被加工体に照射して所定の加工を施すためのレーザ加工ヘッドであって、筒状部材で形成され、所定のガスが供給されるガス導入口が形成されるヘッド基体と、前記ヘッド基体内に保持され、前記生成されたレーザ光を集光し、前記被加工体の加工部分に収束させて照射させるためのレーザ集光部と、前記レーザ集光部からのレーザ光を前記被加工体に照射させるための内部空間が形成されて前記ヘッド基体に対して前記ガス導入口と連通して接合されるものであり、当該ガス導入口より導入される前記ガスを分散させて前記レーザ集光部に周縁より直接吹き付けるための搬送路を形成させるガス搬送部を備え、当該レーザ集光部に吹き付けられたガスを前記被加工体側に排出させるノズル体と、を有する構成とする。
【０００９】
請求項２の発明では、「前記レーザ集光部は、集光レンズ、または、当該集光レンズと前記被加工体側に設けられる保護部材である」構成である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドより前記被加工体に照射させるレーザ光を生成するレーザ生成手段と、前記ヘッド基体と前記ノズル体とが接合された前記レーザ加工ヘッドのガス導入口に所定ガスを供給するガス供給手段と、を有する構成とする。
【００１１】
このように、レーザ加工システムで使用されるレーザ加工ヘッドにおいて、ガス導入口が形成されたヘッド基体に対して当該ガス導入口と連通して接合されるノズル体が、設けられたガス搬送部に形成された搬送路で当該ガス導入口より導入されるガスを分散させてレーザ集光部に周縁より直接吹き付けさせ、当該レーザ集光部に吹き付けたガスを被加工体側に排出させる。すなわち、導入されたガスを分散させてレーザ集光部に直接吹き付けさせることでノズル体内部における分散ガスの流速の均一化が図られて被加工体側の排出時に飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止させることが可能となり、レーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止することが可能となるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図により説明する。本実施形態では、レーザ加工する対象を用紙として説明するが、金属、プラスチック、フィルム等についても適用することができるものである。また、本実施形態では、ヘッド内に導入するガスをエアとして説明するが、酸素ガスや窒素ガス等のような通常レーザ加工で用いられるガスであっても適用することができるものである。
【００１３】
図１に、本発明に係るレーザ加工ヘッドの構成図を示す。図１（Ａ）はレーザ加工ヘッドの要部断面図、図１（Ｂ）はヘッドを構成するヘッド基体の説明図、図１（Ｃ）はヘッドを構成するノズル体の説明図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）において、レーザ加工ヘッド１１は、生成されるレーザ光を被加工体（用紙）に照射して所定の加工を施すためのものであって、ヘッド基体１２、ノズル体１３および当該ヘッド基体１２の内部に保持されるレーザ集光部である集光レンズ１４を含んで構成される。当該集光レンズ１４は、生成されたレーザ光を集光し、被加工体（用紙）の加工部分に収束させて照射させるためのものである。
【００１４】
上記ヘッド基体１２は、図１（Ｂ）に示すように、筒状部材で形成され、所定位置に集光レンズ１４を保持する段差状のホールド部２１（固定部材は図示を省略する）が形成されると共に、下方（ノズル体と接合する部分）に所定のガス（ここではエアとする）が供給されるガス導入口２２が形成される。
【００１５】
上記ノズル体１３は、図１（Ｃ）に示すように、逆円錐形状のノズル先端部３１と、ガス搬送部３２とで構成され、当該ガス搬送部３２からノズル先端部３１にかけて、集光レンズ１４からのレーザ光を被加工体（用紙）に照射させるための内部空間を形成するノズル内壁部３３を備える。当該ガス搬送部３２は、例えば円筒状のもので、レンズ側に所定数の突出部３４が所定間隔（好ましくは等間隔）で一体的に形成される。これら突出部３４の外周部分が上記ノズル基体１２におけるガス導入口２２側の内壁に当接される。また、上記ノズル基体１２が接合されたときにガス搬送部３２との間で形成される空間領域がガス搬送路３５となり、ノズル先端部３１との接合部分が基体接合面３６となる。
【００１６】
上記図１（Ｃ）に示すノズル体１３に対して、ガス搬送部３２を内包する状態で図１（Ｂ）に示すノズル基体１２で嵌合されて接合されることにより、ガス搬送部３２において、当該ノズル基体１２のガス導入口２２と上記ガス搬送路３５とが連通され、当該ガス搬送部３２の上方でノズル基体１２のホールド部２１に集光レンズ１４が保持される。すなわち、ガス搬送路３５は、ガス導入口２２より導入されるエアをガス搬送部３２の下方の導入領域より突出部３４間の空間領域で分散させて上方に位置された集光レンズ１４側に導き、当該集光レンズ１４に周縁より直接吹き付けさせるものである。そして、集光レンズ１４に吹き付けられたエアはノズル内壁部３３を通って被加工体側に排出されるものである。
【００１７】
そこで、図２に図１のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図を示すと共に、図３に図２のレーザ加工システムにおける供給エアの説明図を示す。図２において、レーザ加工システム４１は、図１に示すレーザ加工ヘッド１１、レーザ生成部４２およびガス供給手段であるコンプレッサ４３を少なくとも備え、被加工体である用紙４５に対して所定の加工を行う。このような用紙４５に対する加工としては、貫通孔の形成、ハーフカット等があり、例えば貫通加工によるミシン目線の形成、断裁、情報形成等があり、ハーフカットによる目視困難な情報形成等がある。
【００１８】
上記レーザ生成部４２は、レーザ加工ヘッド１１に対して、用紙４５に照射させるレーザ光を生成するもので、一般的なレーザとしてＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ等がある。このレーザ生成部４２で生成されたレーザ光５１は、集光レンズ１４により集光されて用紙４５の加工部分に収束されてノズル先端部３１より照射される。上記コンプレッサ４３は圧縮したエア５２を生成するもので、当該エア５２はレーザ加工ヘッド１１のガス導入口２２に取り付けられた供給ノズル４４より当該レーザ加工ヘッド１１内に供給する。
【００１９】
すなわち、図３（Ａ）に示すように、コンプレッサ４３より供給ノズル４４を介してガス導入口２２より導入されたエア５２は、ノズル基体１２とガス搬送部３２で形成されるガス搬送路３５における下方の空間領域で周状に導かれ、ここより突出部３４間で形成される空間領域（搬送路）に沿って上方に分散されて導かれる。このエア５２は、ノズル基体１２内に形成されたホールド部２１に保持されている集光レンズ１４（図３（Ａ）では図示せず）に対して周縁より直接吹き付けられる。
【００２０】
上記集光レンズ１４に吹き付けられたエア５２は、図３（Ｂ）に示すように、当該集光レンズ１４の表面上にエアカーテン５２Ａを形成させ、ノズル内壁部３３を通って先端より用紙４５の加工部分に吹き付けられる。このとき、ノズル内壁部３３では、エア５２が集光レンズ１４の表面に略均一に均一化された流速で吹き付けられてエアカーテン５２Ａを形成させ、その後にノズル先端まで吹き下ろされる状態となることから、流速の不均一性が殆どなく、従前のように加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態が発生されないものである。
【００２１】
このように、ガス導入口２２より導入されたエア５２を分散させて集光レンズ１４に直接吹き付けてノズル内壁部３３における分散エアの流速を均一化させて当該集光レンズ１４の表面上にエアカーテン５２Ａを形成させ、用紙４５側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙４５から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ１４への付着を防止することができるものである。
【００２２】
次に、図４に、本発明に係る他のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図を示す。図４に示すレーザ加工システム４１は、集光レンズ１４と保護部材としての保護ガラス６１とによりレーザ集光部を構成させたものである。すなわち、ノズル基体１２の内部に形成されたホールド部２１に上記保護ガラス６１を保持させ、その上方に形成したホールド部６２に集光レンズ１４を保持させたものである。したがって、集光レンズ１４は、保護ガラス６１によりノズル体１３とは隔離された状態となって保護されるものである。
【００２３】
上記のようなレーザ加工ヘッド１１においても、従前のようなシールドガス（アシストガス）の供給形式では、スパッタや煙等の飛散物を吸い込んで保護ガラスを汚染させてレーザ出力の低下を招いていたが、本発明のようにエア５２を保護ガラス６１に直接吹き付けることによって、上記同様に、当該保護ガラス６１の表面上にエアカーテン５２Ａを形成させ、用紙４５側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙４５から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ１４への付着を防止することができるものである。
【００２４】
次に、図５に、本発明に係る他のレーザ加工ヘッドの構成図を示す。図５に示すレーザ加工ヘッド１１は、図１に示すノズル体１３におけるガス搬送部３２に形成された突出部３４に代えて、上記ノズル基体１２内のホールド部２１の内円と略同径の突出部７１を一体的に形成し、図面上垂直方向に貫通されたエア孔７２を周縁状に所定数（好ましくは等間隔）形成したものである。このエア孔７２が集光レンズ１４（または保護ガラス６１）にエアを直接吹き付けるガス搬送路３５となる。
【００２５】
すなわち、ガス導入口２２より導入されるエアをガス搬送部３２の下方の導入領域より各エア孔７２（搬送路３５）で分散させて上方に位置された集光レンズ１４（または保護ガラス６１）側に導き、当該集光レンズ１４（または保護ガラス６１）に周縁より直接吹き付けさせるものである。そして、集光レンズ１４（または保護ガラス６１）に吹き付けられたエアがノズル内壁部３３を通って用紙４５側に排出されるものである。
【００２６】
レーザ加工ヘッド１１におけるノズル体１３を上記のように構成することによっても、上記同様にガス導入口２２より導入されたエア５２を分散させて集光レンズ１４（または保護ガラス６１）に直接吹き付けてノズル内壁部３３における分散エアの流速を均一化させて当該集光レンズ１４（または保護ガラス６１）の表面上にエアカーテン５２Ａを形成させことができ、これによって用紙４５側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙４５から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ１４への付着を防止することができるものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、レーザ加工システムで使用されるレーザ加工ヘッドにおいて、ガス導入口が形成されたヘッド基体に対して当該ガス導入口と連通して接合されるノズル体が、設けられたガス搬送部に形成された搬送路で当該ガス導入口より導入されるガスを分散させてレーザ集光部に周縁より直接吹き付けさせ、当該レーザ集光部に吹き付けたガスを被加工体側に排出させることにより、ノズル体内部の分散ガスの流速の均一化が図られてレーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図２】図１のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図である。
【図３】図２のレーザ加工システムにおける供給エアの説明図である。
【図４】本発明に係る他のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図である。
【図５】本発明に係る他のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図６】従来のレーザ加工ヘッドの説明図である。
【符号の説明】
１１            レーザ加工ヘッド
１２            ヘッド基体
１３            ノズル体
１４            集光レンズ
２２            ガス導入口
３１            ノズル先端部
３２            ガス搬送部
３３            ノズル内壁部
３４，７１      突出部
３５            ガス搬送路
４１            レーザ加工システム
４２            レーザ照射部
４３            コンプレッサ
４５            用紙
５１            レーザ光
５２            エア
６１            保護ガラス
７２            エア孔
【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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