(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から発振されたレーザビームを光学系部材により変向又は集光させると共にレーザ加工ヘッド内に備えた集光レンズで集光させてワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
前記レーザ加工ヘッドの先端部にアシストガスのチャンバーとしてのハウジングを設け、
前記ハウジング内に、前記集光レンズを装着したレンズホルダと、前記集光レンズより加工点側に配置される第１フィルタを装着したフィルタホルダとにより、当該集光レンズと当該第１フィルタとの間に気密室を形成し、
前記気密室に当該気密室内の圧力を検出する圧力センサおよび温度を検出する温度センサを設け、
前記圧力センサおよび前記温度センサで検出された気密室内の圧力および温度を一定に保つべくコントロールする圧力・温度調整装置を前記気密室に連結し、
前記ハウジングの前記集光レンズより上流側外壁に、前記チャンバー内にアシストガスを供給するためのアシストガス用供給管を設けて、アシストガスが当該アシストガス用供給管を経て前記ハウジングのチャンバー内に供給され前記レンズホルダの周囲を冷却しながらワークに向けて噴射されるように構成したことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザビームを集光する集光レンズやレーザビームを反射して変向するベンドミラー等の光学系部材に対する周囲の圧力や温度変化、あるいはスパッタ等の粉塵などの悪影響を防止するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工装置においては、レーザ発振器から出力されたレーザビームをベンドミラーで変向し、集光レンズを用いて集束するものであり、この集光されたレーザビームの高密度エネルギーとアシストガスとをワークに照射して切断、穿孔、溶接等のレーザ加工が行われる。
【０００３】
例えば、図５に示されるように、レーザ発振器（図示省略）より出力されたレーザビームＬＢは、レンズホルダ１０１に固定された集光レンズ１０３によってマイクロスポット１０５に絞られ、ワークＷに照射される。レンズホルダ１０１はアシストガス１０７のチャンバーとしてのハウジング１０９に組み付けられる。このハウジング１０９にはノズル１１１が装着され、このノズル１１１との相対的な位置関係を調整するための調整ネジ１１３により、集束されたレーザビームＬＢの光軸と合致するようにノズル本体１１５の位置決めが行われる。
【０００４】
ノズル本体１１５は、レーザビームＬＢ及びワークＷからの溶融物の跳ね返り等の直接的な影響を受けない範囲で、ノズル穴を除くノズル１１１の基部を構成しており、このノズル本体１１５の先端部には耐光性の高い鋼などを素材としたノズルチップ１１７が螺着される。
【０００５】
なお、アシストガス１０７はレーザビームＬＢが集光レンズ１０３を通過するときに生じる集光レンズ１０３の温度上昇を防止し、ワークＷからのスパッタの付着等によるレンズ面の汚染防止、加工能率の向上を図るために用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のレーザ加工機においては、レーザ加工中に飛散したスパッタが直接、集光レンズの表面に着いてしまうので寿命が短いという問題点があった。
【０００７】
また、大出力のレーザビームで連続加工が行われる場合、集光レンズ自体が熱を持ち、膨張し、そのために集光レンズの焦点位置が変化するという問題点があった。
【０００８】
さらに、高圧のアシストガスが使用される場合はこの圧力が集光レンズへ直接的にかかるために歪みが発生し、そのために集光レンズの焦点位置が変化するという問題点があった。
【０００９】
本発明は叙上の課題を解決するためになされたもので、その目的は、レーザ加工を行う際にスパッタ等の粉塵が集光レンズに付着することを防止し、レンズの寿命を長くし、ランニングコストの軽減を図ること、またアシストガス圧や高出力のレーザビームの熱により集光レンズやベンドミラー等の光学系部材の焦点位置やレーザビームの光路の変動を防止するレーザ加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器から発振されたレーザビームを光学系部材により変向又は集光させると共にレーザ加工ヘッド内に備えた集光レンズで集光させてワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ加工ヘッドの先端部にアシストガスのチャンバーとしてのハウジングを設け、前記ハウジング内に、前記集光レンズを装着したレンズホルダと、前記集光レンズより加工点側に配置される第１フィルタを装着したフィルタホルダとにより、当該集光レンズと当該第１フィルタとの間に気密室を形成し、前記気密室に当該気密室内の圧力を検出する圧力センサおよび温度を検出する温度センサを設け、前記圧力センサおよび前記温度センサで検出された気密室内の圧力および温度を一定に保つべくコントロールする圧力・温度調整装置を前記気密室に連結し、前記ハウジングの前記集光レンズより上流側外壁に、前記チャンバー内にアシストガスを供給するためのアシストガス用供給管を設けて、アシストガスが当該アシストガス用供給管を経て前記ハウジングのチャンバー内に供給され前記レンズホルダの周囲を冷却しながらワークに向けて噴射されるように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ加工装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図４を参照するに、本実施の形態の例に係わる例えばレーザ加工装置１はレーザビームＬＢを発振するレーザ発振器３を内蔵し、このレーザ発振器３で発振されたレーザビームＬＢは強度調整装置５を経てレーザビーム案内照射部７の先端部に備えられたレーザ加工ヘッド９の部分においてベンドミラー１１を介して垂直下方向へ反射される。このレーザビームＬＢはレーザ加工ヘッド９の内部に設けられた焦光レンズ１３で集光される。この集光されたレーザビームＬＢの照射光軸軸心１５に対して、例えば数値制御のワーク移送位置決め装置１７（ワーク搬送装置）で移送位置決めされたワークＷ上に、レーザビームＬＢの焦点を結ばせて、所望の形状に切断するなどのレーザ加工がワークＷの所望位置に行なわれる。
【００２０】
図１に示されているように、レーザ加工ヘッド９の先端部にはアシストガス１９のチャンバーとしてのハウジング２１が設けられており、このハウジング２１内には集光レンズ１３を装着しているレンズホルダ２３が螺着されている。このレンズホルダ２３の先端にはレーザビームＬＢを透過可能な材質からなる第１フィルタ２５を装着したフィルタホルダ２７が螺着されている。このフィルタホルダ２７のフィルタ２５とレンズホルダ２３内の集光レンズ１３との間には密閉された気密室２９が形成される。
【００２１】
また、前記レーザ加工ヘッド９のハウジング２１の先端にはノズル本体３１とノズルチップ３３で構成されるノズル３５が螺着され、このノズル３５との相対的な位置関係を調整するための調整ネジ３７が設けられ、この調整ネジ３７により集束されたレーザビームＬＢの光軸と合致するようにノズル本体３１の位置決めが行われる。
【００２２】
前記ノズル３５についてより詳しくは、ノズル本体３１はレーザビームＬＢ及びワークＷからの溶融物の跳ね返り等の直接的な影響を受けない範囲でノズル穴を除くノズル３５の基部を構成しており、このノズル本体３１の先端部には耐光性の高い鋼などを素材としたノズルチップ３３が螺着されている。
【００２３】
また、前記レーザ加工ヘッド９のハウジング２１の外壁にはチャンバー内にアシストガス１９を供給するためのアシストガス用供給管３９が設けられている。
【００２４】
なお、アシストガス１９はレーザビームＬＢが集光レンズ１３を通過するときに生じる集光レンズ１３の温度上昇を防止し、ワークＷからのスパッタの付着等による集光レンズ１３面の汚染防止、加工能率の向上を図るために用いられものである。
【００２５】
また、前記気密室２９には当該気密室２９内の圧力を検出する圧力センサ４１や集光レンズ１３の温度を直接的に検出する温度センサ４３が設けられており、これらの圧力センサ４１及び温度センサ４３は制御装置４５内のＣＰＵを介して比較判断装置４７に電気的に接続されている。
【００２６】
なお、前記温度センサ４３は気密室２９内の温度を検出するものであってもよく、気密室２９内の温度で集光レンズ１３の温度を間接的に検出してもよい。
【００２７】
また、前記気密室２９には気密室２９内の圧力および温度をそれぞれコントロールする圧力・温度調整装置４９が連結されており、この圧力・温度調整装置４９は制御装置４５に電気的に接続されている。
【００２８】
なお、前記比較判断装置４７は前記圧力センサ４１及び温度センサ４３で検出された気密室２９内の圧力及び温度が、制御装置４５内に予め設定されているデータに比較してレーザ加工中に変化したかどうかを判断する装置であり、この比較判断装置４７により前記気密室２９内の圧力及び温度を一定に保つべく圧力・温度調整装置４９を作動するよう指令が発生される。
【００２９】
以上の構成から、レーザ発振器３より出力されたレーザビームＬＢは、レンズホルダ２３に固定された集光レンズ１３によってマイクロスポット５１に絞られ、ワークＷに照射されレーザ加工される。なお、アシストガス１９はアシストガス用供給管３９を経てレーザ加工ヘッド９のハウジング２１のチャンバー内に供給され、レンズホルダ２３の周囲を冷却しながらノズル３５からワークＷに向けて噴射される。
【００３０】
以下、本発明のレーザ加工装置１の動作を図２に基づいて説明すると、レーザ加工中に例えばアシストガス１９の圧力が変化したために、この影響を受けて気密室２９内の圧力が変化した場合は、圧力センサ４１により検出されたデータに基づいて制御装置４５の比較判断装置４７が指令を発生して圧力・温度調整装置４９を作動し、気密室２９内の圧力が補正される。補正後、レーザ加工が続行される。しかし、アシストガス１９の圧力が変化しても気密室２９内の圧力が変化しない場合は、そのままレーザ加工が続行される（ステップＳ１〜ステップＳ３）。
【００３１】
また、レーザ加工中に熱が発生して集光レンズ１３の温度が変化した場合は、温度センサ４３により検出されたデータに基づいて制御装置４５の比較判断装置４７が指令を発生して圧力・温度調整装置４９を作動し、気密室２９内の温度が補正される。集光レンズ１３の温度が補正された後にレーザ加工が続行される。しかし、集光レンズ１３に温度変化がない場合は、そのままレーザ加工が続行される（ステップＳ４〜ステップＳ６）。
【００３２】
また、レーザ加工中にスパッタ等の粉塵がレーザ加工ヘッド９内に進入しても、フィルタ２５が粉塵を阻止して集光レンズ１３を保護するのでレーザ加工は続行される。前記フィルタ２５の表面にスパッタが付着したためにレーザ加工を続行できない場合は、このフィルタ２５をレンズホルダ２３から臨時的に外すことによりレーザ加工が続行される（ステップＳ７〜ステップＳ９）。
【００３３】
また、上記の工程はレーザ加工が終了するまで繰り返し行われ、気密室２９内の圧力及び集光レンズ１３の温度が常時補正され、集光レンズ１３の焦点位置の変動が軽減されるため、安定したレーザ加工が行われる（ステップＳ１０）。
【００３４】
なお、この発明は前述した実施の形態の例に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。本実施の形態の例では、光学系部材として集光レンズ１３を例にとって説明したが、レーザ発振器３から出力されたレーザビームＬＢを反射して変向するベンドミラー１１や、レーザ発振器３から上記のレーザ加工ヘッド９の集光レンズ１３に至る光路の途中にレーザビームＬＢを光軸方向に位置調整するために設けられたレンズなどの光学系部材および光路延長装置（コリメータ）など、その他の光学系部材にも適用される。
【００３５】
例えば、ベンドミラー１１の場合は、図３に示されているようにレーザビームＬＢの光路においてベンドミラー１１の前後両側に第２フィルタ５３ａを設け、この２つの第２フィルタ５３ａ間に気密室５５ａを設けてベンドミラー１１を保護し、前述した実施の形態の例と同様の要領で前記気密室５５ａ内の圧力及び温度を圧力センサ４１ａ、温度センサ４３ａで検出してコントロールすることによって、ベンドミラー１１の表面への粉塵の付着防止や温度変化による鏡面変形の防止を図ることができる。
【００３６】
また、レーザ発振器３から上記のレーザ加工ヘッド９の集光レンズ１３に至るレーザビームＬＢの光路の途中に設けられたレンズ５７の場合は、前述した実施の形態の例の集光レンズ１３と同様であり、図３に示されているようにレンズ５７の集光側に第２フィルタ５３ｂを装着してこの第２フィルタ５３ｂと前記レンズ５７との間で気密室５５ｂを形成せしめ、この気密室５５ｂ内の圧力と温度をそれぞれ検出する圧力センサ４１ｂ、温度センサ４３ｂを設け、この圧力センサ４１ｂ、温度センサ４３ｂをコントロールすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のごとき実施の形態の例から理解されるように、本発明によれば、レーザ加工中にスパッタ等の粉塵が跳ね返ってレーザ加工ヘッド内に進入しても集光レンズは第１フィルタにより保護されるので、粉塵が集光レンズの表面に付着せず、レンズの寿命を長くでき、ランニングコストの軽減を図ることができる。
【００３８】
また、レーザ加工中にアシストガスの圧力が変動するとしても、集光レンズは第１フィルタおよび集光レンズと第１フィルタとの間に形成した気密室で保護されているのでアシストガスの圧力の影響を受けにくくなり、集光レンズの焦点位置の変動が軽減されるため、安定したレーザ加工を行うことができる。
【００３９】
また、ベンドミラーや他のレンズ等の光学系部材においても第２フィルタにより保護されるので、粉塵が光学系部材の表面に付着せず、光学系部材の寿命を長くでき、ランニングコストの軽減を図ることができる。
【００４０】
また、レーザ加工中に熱を持っても気密室内の温度がコントロールされて集光レンズが冷却されるので、集光レンズの焦点位置の変動が軽減されるため、安定したレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例を示すもので、レーザ加工ヘッドの縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の例の工程動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施の形態の例を示すもので、レーザ発振器からレーザ加工ヘッドの集光レンズまでのレーザビーム光路の途中の縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の例に係わるもので、レーザ加工機の全体正面図である。
【図５】従来例を示すもので、レーザ加工ヘッドの縦断面図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工装置
９  レーザ加工ヘッド
１１  ベンドミラー
１３  焦光レンズ
１９  アシストガス
２３  レンズホルダ
２５  フィルタ
２７  フィルタホルダ
２９  気密室
３９  アシストガス用供給管
４１、４１ａ，４１ｂ  圧力センサ
４３、４３ａ，４３ｂ  温度センサ
４５  制御装置
４７  比較判断装置
４９  圧力・温度調整装置
５３ａ，５３ｂ  第２フィルタ
５５ａ，５５ｂ  気密室
５７  レンズ
【図１】
0003789999.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003789999.tif 000006