(57)【要約】【課題】  本来別の目的で使用されるパージガス又はアシストガスを、より積極的に加工レンズの冷却に利用することとし、ガス流路を通過するパージガス又はアシストガスが受ける外界の影響を除去する手段を設けた新規なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズ32で絞り込んでノズル31の先端からワークに照射するレーザ加工装置において、加工レンズ32に対して吹き付けるパージガスＰ又はアシストガスのガス流路21,22に、前記パージガスＰ又はアシストガスの冷却装置１を設けたレーザ加工装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置において、加工レンズに対して吹き付けるパージガス又はアシストガスのガス流路に、前記パージガス又はアシストガスの冷却手段を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
冷却手段は、ガス流路の一部を包み込む熱交換部と、該熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な熱交換媒体を流入及び流出させる媒体循環手段とからなり、パージガス又はアシストガスと前記熱交換媒体との熱交換により冷却する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
冷却手段は、蛇行ガス流路を一体に包み込む熱交換部と、該熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な熱交換媒体を流入及び流出させる媒体循環手段とからなり、パージガス又はアシストガスと前記熱交換媒体との熱交換により冷却する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
冷却手段は、ガス流路の一部を包み込む熱交換部と、該熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な冷却水を流入及び流出させる媒体循環手段とからなり、パージガス又はアシストガスと前記冷却水との熱交換により冷却する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置に付設する冷却装置であって、レーザ加工装置の加工レンズに対して吹き付けるパージガス又はアシストガスのガス流路の一部を包み込む熱交換部と、該熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な熱交換媒体を流入及び流出させる媒体循環手段とからなるレーザ加工装置に用いる冷却装置。
【請求項６】
熱交換部は、蛇行ガス流路を一体に包み込む請求項５記載のレーザ加工装置に用いる冷却装置。
【請求項７】
媒体循環手段は、ガス流路を流れるパージガス又はアシストガスより低温な冷却水を熱交換部に流入及び流出させる請求項５記載のレーザ加工装置に用いる冷却装置。
【請求項８】
レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置の前記加工レンズにパージガス又はアシストガスを吹き付けて該加工レンズを冷却するに際し、パージガス又はアシストガスのガス流路に設けた冷却手段により該パージガス又はアシストガスを15℃〜35℃に冷却するレーザ加工装置の加工レンズ冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工装置に用いる冷却装置、レーザ加工装置の加工レンズ冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は、レーザ光源から送られてくるレーザを、最終段に備える加工レンズ(又は集光レンズ)で絞り込んでワークに照射する。この加工レンズは、通過するレーザによって少なからず加熱され、熱膨張により焦点距離が変化してしまうことがある(熱レンズ作用又は熱レンズ効果)。そこで、前記熱レンズ作用を低減又は抑制し、加工レンズの焦点距離を一定に保つには、加工レンズの加熱を抑制又は防止する、裏返せば加工レンズを冷却できればよい。これから、従来より、レーザ加工装置で用いられるパージガス又はアシストガスを利用して加工レンズを冷却する技術(空冷)が提案されている。空冷技術をもちいる理由は、水漏れの危険性を防ぐほか、水冷も間接的な冷却のためにそれほど空冷と冷却効果が異ならないため、パージガス又はアシストガスを空冷に利用することが最も簡便かつ合理的なことによる(特許文献２参照)。
【０００３】
特許文献１は、加工レンズ受けを囲繞するホルダにアシストガス通路を設けて、アシストガスが加工レンズに当てた後ノズルへ導く構成を開示している。特許文献２は、加工レンズの縁部から気体を吹き出す吹出口を設ける構成を開示している。特許文献３は、加工レンズの外周にアシストガスの吹き出し口を設ける構成を開示している。特許文献４は、レーザ光取り出し窓の発熱部のほぼ中心に向けてレーザ光取り出し窓表面に斜めの角度でガスを吹き付けるガス噴出口を設ける構成を開示している。このほか、アシストガスによる空冷と併用して、例えば冷却水及び冷却ガスを併用して加工レンズを冷却する構成(特許文献５)や、加工レンズに直接吹き付ける冷却エア吹出し手段と集光レンズ上部にエアスクリーンを形成するエア吹出し手段とを設ける構成(特許文献６)も見られる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭63-034590号公報(１頁、図１〜図３)
【特許文献２】特開平05-077081号公報(３頁〜４頁、図３〜図４)
【特許文献３】特開平05-185265号公報(２頁〜４頁、図１〜図５)
【特許文献４】特開平09-174274号公報(２頁〜10頁、図１)
【特許文献５】特開昭62-224489号公報(２頁〜３頁、図１)
【特許文献６】特開平09-271974号公報(２頁〜３頁、図１〜図４)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水冷に適さないレーザ加工装置の加工レンズは、本来加工レンズに付着する塵等を取り除くためのパージガスや、ワークの加工部位に吹き付けるアシストガスを迂回させて加工レンズに吹き付けることにより、空冷することが最も容易かつ適切と思われる。この加工レンズの冷却手段となるパージガス又はアシストガスは、レーザ加工装置と別に設けた供給設備(例えばガスボンベ等)からガス流路を通じて加工レンズまで導いてくる。
【０００６】
このガス流路は、金属製パイプが一般的であり、外界の影響、主として気温の上昇によるパージガス又はアシストガスの熱交換、すなわち温度上昇をもたらしやすい。そのため、通常ガス流路となる金属製パイプは、断熱材で被覆しているが、それでもパージガス又はアシストガスの温度上昇が生じていた。とりわけ、近年普及し始めている高出力レーザを用いたレーザ加工装置では、加工レンズの冷却に十分な低温を保つパージガス又はアシストガスの供給が難しく、例えば気温の高い夏場では、もはやパージガス又はアシストガスによる空冷で加工レンズを冷却できず、結果として熱レンズ作用の発生を抑制又は防止することができなかった。
【０００７】
そこで、本来別の目的で使用されるパージガス又はアシストガスを、より積極的に加工レンズの冷却に利用することとし、ガス流路を通過するパージガス又はアシストガスが受ける外界の影響を除去する手段を設けた新規なレーザ加工装置、又は既設のレーザ加工装置に取り付ける冷却装置と、前記両者に適用可能な冷却方法を開発するため、検討した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
検討の結果開発したものが、レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置において、加工レンズに対して吹き付けるパージガス又はアシストガスのガス流路に、前記パージガス又はアシストガスの冷却手段を設けたレーザ加工装置である。本発明のレーザ加工装置は、冷却手段により、外界の影響(気温の上昇)を補正して、加工レンズの冷却に適当な温度のパージガス又はアシストガスを供給できるようにする。冷却するパージガス又はアシストガスの目標温度は、15℃〜35℃、好ましくは20℃〜30℃である。
【０００９】
ここで、冷却手段は、(1)単純にパージガス又はアシストガスを冷却する構成 (相対的冷却)と、(2)目標温度を目指してパージガス又はアシストガスを冷却する構成(絶対的冷却)とがある。相対的冷却の構成は、気温の上昇幅が変動する場合、冷却したパージガス又はアシストガスの温度も変動するが、パージガス又はアシストガスの温度制御を要しないため、簡易な冷却手段となる。これに対し、絶対的冷却は、外界の影響によるパージガス又はアシストガスの温度上昇だけではく、場合によっては温度降下をも防止し、常に一定の目標温度であるパージガス又はアシストガスを供給できるようにする。このため、絶対的冷却の構成では、冷却手段で冷却したパージガス又はアシストガスの温度をフィードバックして冷却手段の冷却作用を加減する制御部が必要になる。
【００１０】
具体的な冷却手段は、ガス流路の一部を包み込む熱交換部と、この熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な熱交換媒体を流入及び流出させる媒体循環手段とからなり、パージガス又はアシストガスと前記熱交換媒体との熱交換により冷却する。熱交換部は、内部を中空にした金属製ブロックや、金属製版で構成した箱体等からなり、前記中空部分又はガス流路と金属製版との隙間が媒体流路となる。熱交換部を金属製ブロックで構成した場合、ガス流路及び媒体流路をそれぞれ別に貫設して構成でき、既存のガス流路に前記金属製ブロックからなる熱交換部を介在させるだけで、冷却手段を取り付けたガス流路を構成できる利点がある。
【００１１】
上記熱交換部は、蛇行ガス流路を一体に包み込むと、パージガス又はアシストガスとの熱交換の時間が増え、冷却作用が高まる。また、上述したように、冷却するパージガス又はアシストガスの目標温度は、15℃〜35℃とそれほど低くないため、冷却媒体は入手が容易で、取り扱いも簡単であり、なにより漏れた場合でも危険のない冷却水を用いるとよい。この冷却水は、パージガス又はアシストガスより低温であればよく、例えば上記絶対的冷却の構成の場合でも、熱交換する時間を増やせば十分に目標温度までパージガス又はアシストガスを冷却できる。
【００１２】
本発明を既設のレーザ加工装置に利用する場合は、レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置に付設する冷却装置であって、レーザ加工装置の加工レンズに対して吹き付けるパージガス又はアシストガスのガス流路の一部を包み込む熱交換部と、この熱交換部にパージガス又はアシストガスより低温な熱交換媒体を流入及び流出させる媒体循環手段とからなるレーザ加工装置に用いる冷却装置を用いる。金属製ブロックからなる熱交換部は、上述したように、既設のレーザ加工装置におけるガス流路に対しても容易に覆設できる。
【００１３】
この冷却装置においても、熱交換部は、蛇行ガス流路を一体に包み込む構成が好ましい。この場合、既設のレーザ加工装置におけるガス流路の一部を切除し、蛇行ガス流路を構成する別体のガス流路を介在させて、この蛇行部を熱交換部である箱体で包み込むとよい。金属製ブロックからなる熱交換部を用いた場合、金属製ブロック内に蛇行するガス流路を一体に設けることもできるため、別途蛇行ガス流路を用意しなくてもよい利点がある。また、媒体循環手段は、ガス流路を流れるパージガス又はアシストガスより低温な冷却水を熱交換部に流入及び流出させるとよい。
【００１４】
本発明は、上記レーザ加工装置又はレーザ装置に設ける冷却装置によらない場合でも、レーザ光源から送られてくるレーザを加工レンズで絞り込んでノズルの先端からワークに照射するレーザ加工装置の前記加工レンズにパージガス又はアシストガスを吹き付けてこの加工レンズを冷却するに際し、パージガス又はアシストガスのガス流路に設けた冷却手段によりこのパージガス又はアシストガスを15℃〜35℃に冷却できればよい。例えば、ガス流路を構成する金属製管を直接冷却する冷却素子等を装着しても、本発明にあたる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、本来別の目的で使用されるパージガス又はアシストガスを、より積極的に加工レンズの冷却に利用する技術を提供し、夏場の暑い時期でも加工レンズの熱レンズ作用の発生を抑制又は防止できる効果がある。本発明を適用したレーザ加工装置では、加工レンズにできるだけ近い位置のガス流路に冷却手段を設け、冷却したパージガス又はアシストガスが再び温度上昇する前に、加工レンズの冷却を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の冷却装置は、既設のレーザ加工装置にも本発明を利用できるようになる。この場合、新設のレーザ加工装置に本発明を適用する場合に比べ、ガス流路の自由な位置に冷却装置を取り付けることは難しいが、従来に比べて確実に冷却作用をもたらすパージガス又はアシストガスを加工レンズに向けて供給できる効果は、新設のレーザ加工装置と同様に享受することができる。
【００１７】
そして、前記冷却装置を用いることができない場合でも、別途パージガス又はアシストガスを目標温度15℃〜35℃、好ましくは20〜30℃に冷却することができれば、熱レンズ作用の発生を抑制又は防止することができる。このほか、いずれの場合においても、絶対的冷却の構成であれば、冷却するパージガス又はアシストガスの温度制御のために装置構成が複雑になるが、気温上昇の影響に対する冷却を図る相対的冷却の構成の場合は、前記温度制御が必要なく、比較的安価に装置構成をすることができる。これから、得られる熱レンズ作用の発生の抑制又は防止の効果を鑑みると、本発明は費用対効果に優れた技術と言える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。図１は本発明に基づく冷却装置１を既存のガス流路21、22途中に介在させたレーザ加工装置の一部抜粋構成図、図２は同冷却装置１の分解斜視図、図３は同冷却装置１の正面図、図４は同冷却装置１の平面図、図５は図３中Ａ−Ａ断面図、図６は図３中Ｂ−Ｂ断面図、図７は図３中Ｃ−Ｃ断面図、図８は図４中Ｄ−Ｄ相当断面を表す斜視図であり、図９は図４中Ｅ−Ｅ相当断面を表す斜視図である。本例は、熱交換媒体として冷却水Ｗを用い、レーザ加工装置のノズル31内に設置された加工レンズ32の上面に吹き付けるパージガスＰを冷却する例についてである。アシストガスＡについても同様に構成でき、またパージガスＰの構成と併用できるが、この度はパージガスＰの例で代表することとし、図示及び説明を省略する。
【００１９】
本発明の冷却装置１は、図１に見られるように、例えば既存のレーザ加工装置のガス流路を構成する配管を上流側既設ガス流路及21び下流側既設ガス流路22に切り離して介在させる熱交換部11と、この熱交換部11に熱交換媒体である冷水Ｗを流入及び流出させる上流側媒体外部流路23及び下流側媒体外部流路24からなる。本例では、熱交換部内の蛇行ガス流路12に対し、切り離した上流側既設ガス流路21及び下流側既設ガス流路22を直接接続しているが、レーザ加工装置に対する熱交換部11の設置位置の関係により、前記上流側既設ガス流路21及び下流側既設ガス流路22と熱交換部11とを接続する中間ガス流路を用いてもよい。
【００２０】
本例の熱交換部11は、図２〜図９に見られるように、内部に蛇行ガス流路12と媒体流路13とを別に貫設した金属製ブロックからなる本体111と、前記本体111の両側面に開口する前記蛇行ガス流路12及び媒体流路13を塞ぐ金属製側板112,113とからなる。金属製側板112,113は、ガス流入口121及びガス流出口122、そして媒体流入口131及び媒体流出口132を除いて、蛇行ガス流路12及び媒体流路13を密閉する部材であるため、本体111に緊密に固着できることが望ましい。このため、本例の金属製側板112,113は、四隅をボルト114で本体111に締着している。このほか、本体111の側面に開口するガス流路12及び媒体流路13の開口形状を切り抜いたシール用シートを介装して、金属製側板112,113を本体に固着するとよい。
【００２１】
蛇行ガス流路12は、本体111の両側面に渡って貫通する多段の直線流路123と、左右互い違いに上下段の各直線流路端123に渡って設ける折り返し凹部124とからなる。金属製側板112,113は、前記折り返し凹部124を塞ぐことによって、多段の各直線通路123が折り返し凹部124を介してつづら折りに繋がり、蛇行ガス流路12を構成する。この蛇行ガス流路12のガス流入口121は、最上段の直線通路123を連通する位置で左側面の金属製側板112の上段に開口しており、上流側既存ガス流路21を連結する。また、蛇行ガス流路12のガス流出口122は、最下段の直線通路123が連通する位置で右側面の金属製側板113の下段に開口しており、下流側既存ガス流路22を連結する。
【００２２】
このように、パージガスＰは上段の直線流路123から下段の直線流路123へと流れていく。これは、重力に逆らわず、円滑なパージガスＰの流れを確保する意味があり、例えば十分なパージガスＰの圧力があれば、下段の直線流路123から上段の直線流路123へ流れていくようにしてもよい。このほか、蛇行ガス流路を水平面内で構成し、各直線流路が等しく重力の影響を受けるようにしてもよい。この蛇行ガス流路12は、熱交換部11の大きさに比べて流路長を長くして、後述する本体111又は冷却水Ｗと熱交換する範囲を増やし、効率的なパージガスＰの冷却を促す効果を有している。
【００２３】
媒体流路13は、本体111のガス流路12を挟んで並ぶ一対の主熱交換空間133,133と、蛇行ガス流路12の各直線流路123の間を貫通して前記両主熱交換空間133,133を連結する接続流路134とからなる。この媒体流路13の媒体流入口131は、一方の主熱交換空間133の上部に連通する位置で右側面の金属製側板113の上段に開口しており、上流側媒体外部流路23を連結する。また、媒体流路13の媒体流出口132は、残る他方の主熱交換空間133の下部に連通する位置で左側面の金属製側板112の下段に開口しており、下流側媒体外部流路24を連結する。
【００２４】
本例の熱交換部11によるパージガスＰの冷却は、次の通りである。媒体流入口131から一方の主熱交換空間133へ流入された冷却水Ｗは、接続流路134を通して残る他方の主熱交換空間133に流れ込み、媒体流出口132から流出していく。各主熱交換空間133は、本体111の正面形状又は背面形状より少し小さな正面視略長方形の空間であり、この主熱交換空間133に充満する冷却水Ｗによって、まず本体111全体の温度上昇を抑制し、本体111とパージガスＰとの間で熱交換を図っている。そして、直接的には、各主熱交換空間133と直線流路123とが最も近接する部分、そして各直線通路123の間を貫通する接続流路134と直線流路123とが最も近接する部分で、冷却水ＷとパージガスＰとの間で熱交換を図っている。
【００２５】
ここで、上記本体111とパージガスＰとの間の熱交換や、冷却水ＷとパージガスＰとの間の熱交換は、相対的に温度の高い側から低い側への熱エネルギーの移動である。本発明は、加工レンズに向けて供給されるパージガス又はアシストガスを冷却することを目的としており、パージガス又はアシストガスが温度上昇していることを前提としている。これから、本例の場合、前記熱交換はパージガスＰから本体111又は冷却水Ｗへの熱エネルギーの移動として現れ、パージガスＰが冷却される。例えば、夏場等では、パージガスＰはボンベから上流側既存ガス流路21を流れてくる過程で、高い外気温によって暖められ、30℃以上となる。ここで、冷却水Ｗの温度を20℃とし、熱交換部11内の蛇行ガス流路12の容積より媒体流路13の容積が大きければ、パージガスＰの温度は冷却水の温度に近づき、30℃以下となる。
【００２６】
冷却水Ｗは、媒体流入口131から連続的に供給されるため、常にパージガスＰから熱エネルギーを受け取り続けることができる。また、パージガスＰより熱エネルギーを受けた冷却水Ｗは、媒体流出口132から連続的に排出されるため、熱エネルギーも熱交換部11から逐次排出されることになる。これに対し、本体111に渡された熱エネルギーや、冷却水Ｗから本体111に渡される熱エネルギーは、本体111の外面から放出される。このため、例えば本体の外面に放熱フィンを設けて表面積を増やしておくと、効率的に熱エネルギーを放出できる。
【００２７】
逆に、本体111又は冷却水Ｗの温度よりパージガスＰの温度が低い場合、パージガスＰが本体111又は冷却水Ｗから熱エネルギーを受け、暖められることになる(この場合、前記「冷却水Ｗ」の表現は適当ではないが、用語の統一性から敢て使用している)。すなわち、熱交換部11は、本体111又は冷却水ＷとパージガスＰとの間で熱平衡を図るように、熱エネルギーを移動させる。これから、本発明の応用として、パージガスＰの目標温度(15℃〜35℃、好ましくは20℃〜30℃)を設定し、この熱交換部11を前記目標温度になるように熱交換媒体を流し込むことで、熱交換部11を通過するパージガスＰの温度を前記目標温度で一定に保つこともできる。このように、本発明は、主としてパージガス又はアシストガスの冷却を図ることを目的とするが、更にパージガス又はアシストガスの温度管理を実現する手段を提供する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に基づく冷却装置を既存のガス流路途中に介在させたレーザ加工装置の一部抜粋構成図である。
【図２】同冷却装置の分解斜視図である。
【図３】同冷却装置の正面図である。
【図４】同冷却装置の平面図である。
【図５】図３中Ａ−Ａ断面図である。
【図６】図３中Ｂ−Ｂ断面図である。
【図７】図３中Ｃ−Ｃ断面図である。
【図８】図４中Ｄ−Ｄ相当断面を表す斜視図である。
【図９】図４中Ｅ−Ｅ相当断面を表す斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  冷却装置
11  熱交換部
12  蛇行ガス流路
13  媒体流路
21  上流側既存ガス流路
22  下流側既存ガス流路
23  上流側媒体外部流路
24  下流側媒体外部流路
32  加工レンズ
【図１】
2005169405.tif 000003
【図２】
2005169405.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005169405.tif 000009
【図８】
2005169405.tif 000010
【図９】
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