(57)【要約】【課題】ビード面全体に均一に万遍なく高速でビームスポットを走らせる。【解決手段】ビームスポット２４が、振動モーター３２によってランダムに一定の幅で振動する。レンズフレーム２８の可動領域を一定の範囲に定めて支持体３０で支持する。レンズは、レーザービーム１６の光軸２５に垂直な基準面内で振動し、さらに光軸２５に平行な方向でも振動させられる。振動モーター３２で振動させるので、可動領域でランダムに高速振動する。その結果、ビームスポット２４を溶接部分で万遍なく移動させることができ、高品質の溶接が可能になる。ビームスポット２４の振幅や振動数の最適化が容易で、安価で堅牢な装置を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を溶接面に絞り込むための集光レンズと、
この集光レンズと一体化されたレンズフォルダと、
このレンズフォルダを、上記レーザー光の光軸に垂直な基準面内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域を設定する支持台と、
上記レンズフォルダに固定されて振動し、このレンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる振動体とを備えたことを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
上記支持体は、上記レンズフォルダを、上記基準面内での移動に加えて上記レーザー光の光軸に平行な方向に一定の幅だけ移動できるように可動領域を設定することを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
上記振動体は重心が偏心した回転駆動軸を有する振動モータであって、発生した振動のみを上記レンズフォルダに伝達するように上記レンズフォルダに固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー装置。
【請求項４】
上記レンズフォルダが可動領域内で移動できる幅を変更する調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項５】
上記レンズと上記振動体を固定したレンズフォルダとを冷却するためのガス通路を上記支持体に設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項６】
上記支持体は上記レンズフォルダを弾力により支持する弾性体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を対象物に照射して溶接を行うためのもので、特に加工ヘッドを手で支持して溶接作業をする場合に適する小型化されたレーザー溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーー溶接装置は、レーザー光を対象物の溶接部分に照射して該当部分を溶融し融着させる。レーザーー溶接装置では、集光レンズにより溶接部分にレーザー光を集めてエネルギーを集中させる。例えば、既知の特許文献１には、レーザー光のビームスポットを、溶接部分で所定の半径で回転させることにより、幅の広いビード面を得るという技術が紹介されている。こうした技術により、溶接部分が均一に加熱されて高品質の溶接が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２０５２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
上記の特許文献１では、加工ヘッドに設けられたレーザー光の集光用のレンズを偏心させて回転させる。これにより、ビームスポットは偏心しただけの幅で回転する。ビームスポットを回転させながら溶接部分に沿って加工ヘッドを移動させると、所定の幅のビード面を形成することができる。
なお、高品質な溶接のためには、ビード面全体にできるだけ均一に万遍なくビームスポットを走らせたい。これにはレンズを可能な限り高速回転させることが好ましい。しかし、レンズの光路上に軸受けを設けられないので、機構上高速化に限界がある。また、溶接対象物の構造や物性に応じて、ビード面の幅を増減したい場合がある。これにはレンズの回転中心をシフトさせればよいが、比較的機構が複雑になる。本発明は以上の課題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
【０００６】
＜構成１＞
レーザー光を溶接面に絞り込むための集光レンズと、
この集光レンズと一体化されたレンズフォルダと、
このレンズフォルダを、上記レーザー光の光軸に垂直な基準面内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域を設定する支持台と、
上記レンズフォルダに固定されて振動し、このレンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる振動体とを備えたことを特徴とするレーザー装置。
【０００７】
＜構成２＞
上記支持体は、上記レンズフォルダを、上記基準面内での移動に加えて上記レーザー光の光軸に平行な方向に一定の幅だけ移動できるように可動領域を設定することを特徴とする構成１に記載のレーザー装置。
【０００８】
＜構成３＞
上記振動体は重心が偏心した回転駆動軸を有する振動モータであって、発生した振動のみを上記レンズフォルダに伝達するように上記レンズフォルダに固定されていることを特徴とする構成１または２に記載のレーザー装置。
【０００９】
＜構成４＞
上記レンズフォルダが可動領域内で移動できる幅を変更する調整機構が設けられていることを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【００１０】
＜構成５＞
上記レンズと上記振動体を固定したレンズフォルダとを冷却するためのガス通路を上記支持体に設けたことを特徴とする構成１乃至４のいずれかに記載のレーザー装置。
【００１１】
＜構成６＞
上記支持体は上記レンズフォルダを弾力により支持する弾性体からなることを特徴とする構成１乃至５のいずれかに記載のレーザー装置。
【発明の効果】
【００１２】
＜構成１の効果＞
レンズフォルダに振動体を固定して、レンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる。レーザー光のビームスポットを一定の幅で万遍なく振幅させることができ、振幅や振動周波数の選択も容易である。
＜構成２の効果＞
ビームスポットを３次元的にランダムに振動させて、複雑な形状の溶接部分を万遍なく溶接できる。
＜構成３の効果＞
既知の振動モータをレンズフォルダに固定すると、発生した振動のみをレンズフォルダに伝達できる。レンズフォルダは支持台により設定された可動領域内で、ランダムに高速振動する。
＜構成４の効果＞
レンズフォルダは、可動領域内で自由に移動出来るから、調整機構で移動幅を変更すれば、簡単にレーザースポットの振動幅を増減できる。
＜構成５の効果＞
レンズやレンズフォルダに加わる溶接部分からの輻射熱を、溶接部分に供給される不活性ガスで冷却することができる。レンズフォルダが振動しているので冷却効率がよい。
＜構成６の効果＞
レンズフォルダを弾力により支持するので、加工ヘッドを持つ作業者の手に響く振動や振動音を和らげることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施に適するレーザー溶接装置の加工ヘッドの概略縦断面図である。
【図２】レンズの支持構造のさらに具体的な実施例で、（ａ）は（ｂ）のＭ−Ｍ方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＮ−Ｎ方向断面図である。
【図３】立体物の溶接作業の説明図である。
【図４】レンズフォルダ２８の可動領域を広げた実施例の縦断面図である。
【図５】レンズフォルダ２８を弾性体で支持した例の説明図である。
【図６】レンズフォルダ２８を棒状の支持ばねで支持した例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施に適するレーザー溶接装置の加工ヘッドの概略縦断面図である。
この実施例の加工ヘッド１２は、作業者が手で支持して溶接作業をし易いように、先の折れ曲がった形状をしている。図１（ａ）に示すように、加工ヘッド１２は、レーザーガイド１４から入力するレーザービーム１６を平行光にする受光レンズ１８と、その光路を集光レンズ２２の方向に向けるミラー２０と、レーザービーム１６を溶接対象物２６の溶接面に絞り込む集光レンズ２２とを備える。折れ曲がった部分の無い加工ヘッドの場合には、ミラー２０が無い。集光レンズ２２の直径は例えば１５ｍｍ程度である。レーザービーム１６は、溶接対象物２６の溶接面上で、例えば、直径数百ミクロンのサイズに絞り込まれる。
【００１６】
この発明では、ビームスポット２４が次の機構によりランダムに、例えば、幅１ｍｍの範囲で振動する。図１（ｂ）に示すように、集光レンズ２２は、金属あるいは耐熱プラスチック製のレンズフォルダ２８と一体化されている。レンズフォルダ２８の内部には、振動モーター３２が収容されている。振動モーター３２は既知のものを使用でき、重心が偏心した回転駆動軸を有し、電気で駆動される。レンズフォルダ２８と一体に振動する振動体であれば何でも利用できるが、携帯電話で多用されている振動モーター３２は、小型軽量で堅牢で制御が容易であることから、最も適している。
【００１７】
レンズフォルダ２８に収容された振動モーター３２は、レンズフォルダ２８と一体化されているので、発生した振動のみをレンズフォルダ２８に伝達する。レンズフォルダ２８は、加工ヘッド１２の内部で支持体３０に支持されている。支持体３０は、レンズフォルダ２８を、予め設定した可動領域内で自由に移動できるように支持する。
【００１８】
図１（ｂ）の実施例では、レンズフォルダ２８を支持体３０で支持している。この図では、支持体３０の左右の部分だけを図示し、中間部分は図示を省略した。図１（ｃ）はその縦断面図である。この図に示すように、支持体３０によりＸ−Ｙ−Ｚ方向の可動領域を設定する。図に示した調節機構３５は図１（ｃ）に示すように、例えば、ネジにより実現する。このネジは、Ｘ方向の可動領域の幅を調整するためのものである。Ｙ方向やＺ方向の可動領域の幅も同様にして調整できる機構を設けることができる。加工ヘッド１２の用途が限定されていれば、調整機構３５は無くてもよいし、半固定でもよい。
【００１９】
こうしてレンズフォルダ２８を可動領域内で振動させると、図１（ｂ）に示すように、ビームスポット２４が溶接面上でランダムに振動して、設定した幅のビード３８が形成される。また、レンズフォルダ２８は支持体３０により設定された可動領域内でのみ振動できるので、レンズで絞りこまれたビームスポット２４のサイズや位置が制限以上に変動することがない。したがってどの部分も一定の条件の範囲で溶接をすることができる。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、集光レンズ２２やミラー２０は装置の中で比較的大きな部品である。作業者の手で支持するような加工ヘッド１２では、これらを振動させるための駆動機構の大型化を避けなければならない。この実施例では振動モーター３２を利用することにより十分に小型化ができる。しかも、枚分８０００〜１００００回転といった高い周波数で振動させることができるので、手元に狂いが生じるような強と大きな振動が生じないという効果がある。
【実施例２】
【００２１】
図２はレンズの支持構造のさらに具体的な実施例で、（ａ）は（ｂ）のＭ−Ｍ方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＮ−Ｎ方向断面図である。
図２（ａ）と（ｂ）に示すように、集光レンズ２２と一体化されたレンズフォルダ２８は、支持体３０により可動領域に相当する隙間を空けて支持されている。レンズフォルダ２８には振動モーター３２が埋め込まれている。振動モーターを駆動するための電源は、加工ヘッドの適当な箇所に取り付けられた図示しないスイッチによりオンオフ制御される。
【００２２】
レーザー光の光軸３７に垂直な面を基準面３６と呼ぶとき、この実施例では、レンズフォルダ２８を、その基準面３６内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域が設定されている。具体的には、レンズフォルダ２８の周囲にＷ／２の幅の隙間が設けられており、集光レンズ２２は、ビームスポット２４を基準面３６に平行に最大幅Ｗで振動させることができる。
【００２３】
なお、レーザー溶接をする場合、溶接面に窒素ガス等のシールドガスを供給する。このガスは支持体３０の周囲を通ってビームスポット２４の方向に放出される。このとき、図２に示すように支持体３０にガス流路４０を形成しておくと、シールドガスがレンズフォルダ２８の周囲を通り抜ける。このように通気性の良い構造にしておくと、集光レンズ２２やレンズフォルダ２８を冷却することができるので、熱に強く、堅牢な構造を実現できる。
【実施例３】
【００２４】
図３は、立体物の溶接作業の説明図である。
例えば、図３（ａ）に示すように、２枚の金属板５０、５１を直角に配置して溶接する場合を考える。両方の金属板の接合面は図３（ｂ）に示すように直角に折れ曲がっており、縦Ａで横Ｂの範囲にビームスポット２４を照射することか好ましい。この場合、集光レンズ２２を基準面３６（図２）に平行に振動させただけでは不十分である。そこで、集光レンズ２２を基準面３６内での幅Ｗの移動に加えて、レーザー光の光軸３７に平行な方向に幅Ｈだけ移動できるようにした。
【００２５】
図４はレンズフォルダ２８の可動領域を広げた実施例の縦断面図である。
この実施例では、実施例２と同様に、基準面３６内でビームスポット２４を幅Ｗだけ移動可能にするとともに、光軸３７に平行な方向に幅Ｈだけ移動できるように、可動領域を設定した。振動モーター３２はレンズフォルダ２８に振動を伝えるが、その移動方向も振幅も不定である。従って、レンズフォルダ２８は設定した可動領域内で３次元方向に自由にランダムに振動する。
【００２６】
即ち、溶接すべき対象物の表面は、必ずしも平坦でなく、折れ曲がった面、複雑な凹凸のある面が存在する。溶接対象領域の形状や構造に応じて、加熱するべき最適な範囲を３次元的に決定して、可動範囲を設定する。３次元的に振動をさせると、光軸３７に垂直な基準面の方向にのみレンズを２次元的に振動させる場合に比べて、均一で高品質な溶接が可能になる。
【実施例４】
【００２７】
図５と図６は、上記の支持体の変形例を示す説明図である。
図５はレンズフォルダ２８を弾性体で支持した例である。例えば、（ａ）と（ｂ）に示すように、支持ばね４２をレンズフォルダ２８の支持体にすれば、レンズフォルダ２８を柔らかく支持できる。また、支持ばね４２に代えて、（ｃ）に示すように示すようなゴムやポリテトラフルオロエチレン樹脂等の弾性体４３で支持してもよい。
【００２８】
図６は、レンズフォルダ２８を棒状の支持ばね４４で支持した例を示す。数本の棒状の支持ばね４４で支持すると、その弾力によって、レンズフォルダ２８の可動領域を自由に設定することができる。図５や図６の実施例では、レンズフォルダ２８を弾力により支持するので、振動音や加工ヘッド１２を持つ作業者の手に響く振動を和らげることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１２  加工ヘッド
１４  レーザーガイド
１６  レーザービーム
１８  受光レンズ
２０  ミラー
２２  集光レンズ
２４  ビームスポット
２６  溶接対象物
２８  レンズフォルダ
３０  支持体
３２  振動モーター
３５  調節機構
３６  基準面
３７  光軸
３８  ビード
４０  ガス流路
４２  支持ばね
４３  弾性体
４４  支持ばね
５０  金属板
５１  金属板
【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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