JP2012024772A

JP2012024772A - レーザ加工ヘッド

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Publication number: JP2012024772A
Application number: JP2010162643A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Mitsuyoshi; 弘信三吉; Masato Takatsu; 正人高津; Yoshito Kagiwada; 義人鍵和田; Iwao Hayashi; 巌林; Jun Iwasaki; 潤岩崎; Daisuke Kanzaki; 大輔神崎
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP5603690B2

Abstract

【課題】コリメーションレンズ装置、曲率可変ミラーを備えた構成であって、コンパクト化を図ることのできるレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】光ファイバー７の出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置１９と、上記平行光線化されたレーザ光のビーム径を調節するための曲率可変ミラー４５と、この曲率可変ミラー４５によって反射されたレーザ光を集光レンズ方向へ屈曲するための第１ベンドミラー５１Ａとを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記コリメーションレンズ装置１９、このコリメーションレンズ装置１９で平行光線化されたレーザ光を前記曲率可変ミラー４５へ反射する第２ベンドミラー４７Ａ及び前記曲率可変ミラー４５を同一平面内に配置して備え、前記コリメーションレンズ装置１９と前記曲率可変ミラー４５とを近接して備えると共に、前記第２ベンドミラー４７Ａを、前記コリメーションレンズ装置１９、前記屈曲可変ミラー４５よりも前記第１ベンドミラー５１Ａに近接して配置してある。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工を行うレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、光ファイバーを接続したレーザ加工ヘッドに関する。

光ファイバーを接続したレーザ加工ヘッドは、光ファイバーから出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置を備え、このコリメーションレンズ装置によって平行光線化された後のレーザ光を、集光レンズによって集光してワークの加工位置へ照射する構成が一般的である（例えば特許文献１参照）。

特開平９−８５４８１号公報

光ファイバーを接続した従来のレーザ加工ヘッドは、前記特許文献１に記載されているように、光ファイバー、この光ファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置及び集光レンズは上下方向の直線の光軸上に配置してある。したがって、前記コリメーションレンズ装置におけるコリメーションレンズを光軸方向に移動調節することにより、平行光線化したレーザ光の径を調節することができるものの、コリメーションレンズを大きく移動する構成にすると、構造的に大きくなり、かつ重量大となるので、加工ヘッドを高速で移動することが難しくなるという問題がある。また、ビーム径を調節する際の応答速度が比較的遅いという問題がある。

そこで、前記コリメーションレンズ装置と集光レンズとの間の光路中に、曲率可変ミラーを配置して、この曲率可変ミラーにおける反射面の曲率を調節して、前記集光レンズへ入射されるレーザ光のビーム径を調節する構成とすることも考えられる。しかし、前記曲率可変ミラーは、当該曲率可変ミラーに対するレーザ光の入射角及び反射角を小さくしなければならないという制約がある。したがって、前述した特許文献１に記載のごとき構成のレーザ加工ヘッドに曲率可変ミラーを適用しようとすると、レーザ加工ヘッドの上下方向の寸法が大きくなることや、コリメーションレンズ装置から集光レンズに至る光路が立体的になり大型化になり易い等の問題がある。

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、光ファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置と、上記平行光線化されたレーザ光のビーム径を調節するための曲率可変ミラーと、この曲率可変ミラーによって反射されたレーザ光を集光レンズ方向へ屈曲するための第１ベンドミラーとを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記コリメーションレンズ装置、このコリメーションレンズ装置で平行光線化されたレーザ光を前記曲率可変ミラーへ反射する第２ベンドミラー及び前記曲率可変ミラーを同一平面内に配置して備え、前記コリメーションレンズ装置と前記曲率可変ミラーとを近接して備えると共に、前記第２ベンドミラーを、前記コリメーションレンズ装置、前記屈曲可変ミラーよりも前記第１ベンドミラーに近接して配置してあることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記コリメーションレンズ装置においてコリメーションレンズを保持したレンズホルダに、レーザ加工ヘッド内に供給されたパージエアーを流通するための気体通路を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工ヘッド内へ常にパージエアーを供給するパージエアー供給手段を備えると共に、前記レーザ加工ヘッド内の圧力を大気圧以上に保持しつつ常にパージエアーの排出を行うパージエアー排出手段を前記レーザ加工ヘッドに備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記光ファイバーは、当該光ファイバーの断線を電気的に検出するための導線を備えた構成であり、かつ前記レーザ加工ヘッドに、レーザ加工位置からの反射光の有無を検出して光学的に光ファイバーの断線を検出するための光学センサを備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、光ファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置、曲率可変ミラー、この曲率可変ミラーによって反射されたレーザ光を集光レンズ方向へ屈曲するための第１ベンドミラーを同一平面内に配置してあるので、全体的構成のコンパクト化を図ることができる。また、コリメーションレンズ装置と曲率可変ミラーとを近接して備え、コリメーションレンズ装置からのレーザ光を曲率可変ミラーへ反射する第２ベンドミラーも前記同一平面内に配置してあり、かつ第１ベンドミラーに近接して配置してあることにより、さらにコンパクト化を図ることができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド及びその使用形態を概念的、概略的に示した平面説明図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの斜視説明図である。上記レーザ加工ヘッドの平断面説明図である。コリメーションレンズ装置の断面説明図である。コリメーションレンズを保持したレンズホルダの断面説明図である。光ファイバーの構成を概念的、概略的に示した説明図である。光ファイバーの断線を判別する構成を概念的に示した機能ブロック図である。

図１に、平面図として概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、レーザ加工される板状のワーク（図示省略）を支持するワークテーブル３に対して前後方向であるＹ軸方向へ移動位置決め自在な門形のキャリッジベース５に、左右方向であるＸ軸方向へ移動位置決め自在に支持されている。そして、前記レーザ加工ヘッド１には光ファイバー７が接続してある。

前記レーザ加工ヘッド１は、前記キャリッジベース５にＸ軸方向へ移動自在に備えられたスライドベース８（図２参照）上に装着されたレーザ加工ヘッドハウジング９を備えている。上記レーザ加工ヘッドハウジング９は、当該レーザ加工ヘッドのほぼ四角形状の中央部９ＣからＹ軸方向前方向（図３において左方向）へ突出した前方向突出部１１を備えると共にＹ軸方向後方向（図３において右方向）へ突出した後方向突出部１３を備えている。さらに、前記レーザ加工ヘッドハウジング９は、前記後方向突出部１３に近接した状態でもってＸ軸方向の左右方向へ突出した左右方向突出部１５を備えている。

そして、前記左右方向突出部１５のＹ軸方向の後面には、前記光ファイバー７の出射端側に取付けた端部取付部材１７をボルトなどのごとき取付具を介して取り外し可能に接続したコリメーションレンズ装置１９が前記後方向突出部１３に隣接して装着してある。より詳細には、前記コリメーションレンズ装置１９は、前記左右方向突出部１５のＹ軸方向の後面にボルト等の取付具を介して着脱可能に取付けたコリメーションハウジング２１を備えており、このコリメーションハウジング２１には、前記端部取付部材１７を取付けた筒状の出射端側支持部材２３が一体的に備えられている。

そして、前記コリメーションハウジング２１内には、図４に詳細に示すように、移動パイプ部材２５が軸方向へ位置調節可能に備えられている。より詳細には、前記コリメーションハウジング２１は先端側ハウジング２７Ａと基端側ハウジング２７Ｂとの間に、リング状のウォームホイール２９を回転自在に内装したギアハウジング２７Ｃを備えた構成であって、前記移動パイプ部材２５の先端側は、前記先端側ハウジング２７Ａの先端部にボルト等のごとき取付具を介して取付けたリングホルダ３１に摺動自在に支持されている。そして、前記移動パイプ部材２５の先端側外周面と前記リングホルダ３１との間にはシール部材が介在してある。

前記移動パイプ２５の基端部側は前記基端側ハウジング２７Ｂ内に摺動自在に嵌入してあり、この基端側外周面と前記基端側ハウジング２７Ｂの内周面との間にはシール部材が介在してある。前記移動パイプ部材２５を軸方向に移動するために、前記移動パイプ部材２５の外周面に形成した雄ねじ部２５Ｓには、リング状の前記ウォームホイール２９の内周面に形成した雌ねじ部２９Ｓが相対的に移動自在に螺合してある。

そして、前記ウォームホイール２９には、前記ギアハウジング２７Ｃに装着したモータＭ１によって回転されるウォームギア３３（図３参照）が噛合してある。前記ウォームホイール２９の回転時に、前記移動パイプ部材２５の回転を阻止するために、前記移動パイプ部材２５の外周面には長手方向のキー溝２５Ｋが形成してあり、このキー溝２５Ｋには、前記先端側ハウジング２７Ａに取付けたキー３５が相対的に移動可能に係合してある。

したがって、前記モータＭ１を正逆回転駆動すると、前記ウォームギア３３を介して前記ウォームホイール２９が正回転、逆回転されることになる。よって、前記移動パイプ部材２５は、当該移動パイプ部材２５の軸方向（図４において左右方向）へ移動することができ、軸方向への移動位置を調節することができるものである。

前記移動パイプ部材２５の基端部（図４において右端部）には、前記光ファイバー７の出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ３７を備えたレンズホルダ３９が着脱交換可能に備えられている。

より詳細には、前記レンズホルダ３９は、図５に詳細に示すように、前記移動パイプ部材２５の基端部側内周面に形成した雌ねじ部に着脱可能に螺合する雄ねじ部４１Ｓを備えた環状のホルダ本体４１Ａと、前記コリメーションレンズ３７を前記ホルダ本体４１Ａ内に固定保持するための環状のサブホルダ本体４１Ｂとを備えている。このサブホルダ本体４１Ｂは、ボルト等のごとき固定具によって取り外し可能に固定してある。そして、前記ホルダ本体４１Ａには、前記移動パイプ２５内を流れてきたパージエアーを通すための気体通路４１Ｃが周方向の複数箇所に備えられている。

そして、前記気体通路４１Ｃを通過したパージエアー（冷却流体）を外部へ排出するために、図４に示すように、前記出射端側支持部材２３又は前記基端側ハウジング２７Ｂの適宜位置にはパージエアー排出手段４３が備えられている。上記パージエアー排出手段４３は排気孔に形成してあり、この排気孔にはフィルタを内装した排気管４３Ａ（図２参照）が取付けてある。なお、前記レーザ加工ヘッドハウジング９内は、パージエアー供給手段（図示省略）から供給されるパージエアーによって大気圧よりも高圧に保持されており、前記排気管４３Ａからはパージエアーが常に排気されているものである。

前記構成により、パージエアー供給手段（図示省略）から前記移動パイプ部材２５内へ供給されたパージエアーは、レンズホルダ３９における気体通路４１Ｃ内を流れてパージエアー排出手段４３から外部へ常に排気されることになる。したがって、パージエアーによってレンズホルダ３９が冷却されると共にコリメーションレンズ３７の冷却を効果的に行うことができるものである。なお、前記構成においては、気体通路４１Ｃを穴に形成した場合について例示してあるが、気体通路４１Ｃは溝に形成することも可能である。また、気体通路４１Ｃの穴を、コリメーションレンズ３７に近接した位置に開口し、コリメーションレンズ３７に接触してコリメーションレンズ３７を直接的に冷却した後のパージエアーを排気する構成とすることも可能である。

再び図３を参照するに、前記後方向突出部１３には、曲率可変ミラー４５が装着してある。この曲率可変ミラー４５は、凹面状の反射面を備えた反射鏡の背面に備えた圧力室内の圧力を調節することによって、前記反射面の曲率を変更することができる構成である。なお、この種の曲率可変ミラー４５は公知の構成であるから、曲率可変ミラー４５の構成についての詳細な説明は省略する。

前記レーザ加工ヘッドハウジング９内において、前記コリメーションレンズ装置１９の指向方向に対向した位置、すなわち前記左右方向突出部１５の前壁には、当該コリメーションレンズ装置１９によって平行光線化されたレーザ光を反射するベンドミラー４７Ａを備えたミラーユニット４７が傾斜して着脱可能に装着されている。また、前記レーザ加工ヘッドハウジング９の中央部９Ｃには、前記ベンドミラー４７Ａから反射されたレーザ光を、前記曲率可変ミラー４５に対して小さな入射角で入射するためのベンドミラー４９Ａを備えたミラーユニット４９が備えられている。そして、前記レーザ加工ヘッドハウジング９における前記前方向突出部１１の端部には、前記曲率可変ミラー４５において反射されたレーザ光を垂直下方向へ反射するベンドミラー５１Ａを備えたミラーユニット５１が備えられている。

前記コリメーションレンズ装置１９、ベンドミラー４７Ａ，４９Ａ，５１Ａ及び曲率可変ミラー４５は同一平面内に配置して備えられている。そして、前記コリメーションレンズ装置１９と曲率可変ミラー４５は互に近接して配置してあり、前記ベンドミラー４７Ａ，４９Ａは、前記コリメーションレンズ装置１９、曲率可変ミラー４５と前記ベンドミラー５１Ａとの中間位置に配置してある。

すなわち、前記レーザ加工ヘッドハウジング９は、上下方向（Ｚ軸方向）の寸法が抑制されて低重心に構成され、かつ前記コリメーションレンズ装置１９を曲率可変ミラー４５とを近接することによってＸ軸方向の寸法が抑制されている。また、前記コリメーションレンズ装置１９と曲率可変ミラー４５とをＸ軸方向に近接して配置し、かつベンドミラー４７Ａ，４９Ａを、ベンドミラー５１Ａと前記コリメーションレンズ装置１９と曲率可変ミラー４５との間に配置することによってＹ軸方向の寸法が抑制されている。すなわち、前記レーザ加工ヘッド９の全体的構成のコンパクト化が図られている。

また前記構成より明らかなように、光ファイバー７は、レーザ加工ヘッドハウジング９における前方向突出部１１の反対側から（図３において右側から）水平に接続してあるので、前記レーザ加工ヘッドハウジング９内においてのレーザ光の光路を水平な光路に構成することができる。また、前記前方突出部１１の周囲を開放空間とすることができ、この前方向突出部１１の下側に備えられる加工ヘッドユニット５５（図２参照）の保守点検等を容易に行うことができることになる。また、Ｙ軸方向（前後方向）の重量バランスを図ることも可能になるものであり、全体的構成の安定化を図ることができるものである。

前記各ミラーユニット４７，４９，５１には、それぞれに備えたベンドミラー４７Ａ，４９Ａ，５１Ａを冷却するための冷却水を常に供給するための冷却水供給手段（図示省略）を接続したジョイント５３がそれぞれ備えられている。したがって、各ミラーユニット４７，４９，５１にそれぞれ備えられた各ベンドミラー４７Ａ，４９Ａ，５１Ａは、供給される冷却水によって常に冷却されているものである。

そして、前記レーザ加工ヘッドハウジング９内は、常に供給される前記パージエアーによって、大気圧よりも高圧に保持されているものである。なお、前記レーザ加工ヘッドハウジング９には前記排気管４３Ａと同様の排気管９Ａが備えられており、この排気管９Ａからパージエアーを外部へ排気しつつもレーザ加工ヘッドハウジング９内の圧力を大気圧よりも高圧に保持しているものである。

前記レーザ加工ヘッドハウジング９における前記前方向突出部１１の下部には、前記ミラーユニット５１に備えた前記ベンドミラー５１によって垂直下方向へ屈曲されたレーザ光を集光する集光レンズ（図示省略）を備えた前記加工ヘッドユニット５５が上下動手段（図示省略）によって上下動自在に備えられている。この加工ヘッドユニット５５には、当該加工ヘッドユニット５５内に備えた集光レンズを上下動するモータＭ２が備えられている。

前記加工ヘッドユニット５５が上下動されるとき、前記レーザ加工ヘッドハウジング９の容積と加工ヘッドユニット５５内の容積との総和の容積が減少したり増加することになる。前記加工ヘッドユニット５５が上昇することによって前記総和の容積が減少するときには、前記排気管９Ａ，４３Ａからパージエアーの排気が行われる。そして、前記加工ヘッドユニット５５が下降することによって前記総和の容積が増加するときには、前記レーザ加工ヘッドハウジング９内の圧力が大気圧以下となることのないように、前記パージエアー供給手段から充分にパージエアーの供給を行う構成である。

したがって、前記総和の容積変化に対応するための余分なカウンタージャバラや風船などのごときエアー貯留手段の構成が不要であり、全体的構成の簡素化、軽量化を図ることができ、レーザ加工ヘッド１をより高速での移動位置決めが可能となり、生産性の向上を図ることができるものである。

前記レーザ加工ヘッド１において、前記レーザ加工ヘッドハウジング９の前記前方向突出部１１には、図１に概念的に示すように、レーザ加工位置又は集光レンズなどからの反射光の有無を光学的に検出する光学センサ５７が備えられており、前記光ファイバー７には、当該光ファイバー７の断線を電気的に検出するための導線が備えられている。

すなわち、光ファイバー７は、図６に示すように、光ファイバ素線７Ａを被覆したプラスチック被覆７Ｂ内又はその外部に複数の導線５９を備えた構成であって、上記導線５９の端部は、光ファイバー７の両端部にそれぞれ取付けた導電性の光ファイバレシーバ６１に接点６３を介して接続してある。そして、前記導線５９の適宜位置には、電源（図示省略）及び導線５９の断線を電気的に検出する断線センサ６５が備えられている。

したがって、両端部の光ファイバレシーバ６１が導線５９を介して電気的に接続してある場合は、前記断線センサ６５はＯＮ状態にあり、電気的接続が遮断されたときには、断線を生じたものとして、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化するものである。よって、前記断線センサ６５を監視することによって光ファイバー７の断線を検出することができるものである。

また、前記断線センサ６５の断線信号すなわちＯＦＦ信号と、レーザ発振器６７のＯＮ信号と前記光学センサ５７の反射光なしの信号すなわちＯＦＦ信号とに基いて、レーザ発振器６７はＯＮ状態にあるものの、加工位置からの反射光がなく光学センサ５７がＯＦＦ状態にあることによって、光ファイバー７が断線状態にあることを判別し、また前記断線センサ６５がＯＦＦ状態にあることによって光ファイバー７が断線状態にあることを判別する断線判別手段６９が備えられている。

したがって、レーザ発振器６７が停止状態にあるときに、光ファイバー７に断線を生じた場合には、前記断線センサ６５によって断線を検出することができる。そして、前記断線センサ６５が断線を検出していないにも拘わらず、レーザ発振器６７のＯＮ信号と光学センサ５７とのＯＦＦ信号との組合せによって、光ファイバー７の断線を検出することができる。この場合、レーザ発振器６７がＯＮ状態にあるにも拘わらず、レーザ加工位置からの反射光がないこととして断線を検出するものであるから、例えば光ファイバー７に対する入射端でのレーザ光の漏洩量が大きく、この漏洩したレーザ光が発熱して、入射端に損傷を生じたり、光ファイバーの曲げ損失による漏れたエネルギーによって局部的に発熱して断線することなどを検出することができるものである。

すなわち、光ファイバー７の断線を電気的及び光学的に検出する構成であるから、光ファイバー７の断線をより確実に検出することができ、安全性の向上を図ることができるものである。

１レーザ加工ヘッド
７光ファイバー
９レーザ加工ヘッドハウジング
９Ａ排気管
１１前方向突出部
１３後方向突出部
１５左右方向突出部
１７端部取付部材
１９コリメーションレンズ装置
２１コリメーションハウジング
２３出射端側支持部材
２５移動パイプ部材
２７Ａ先端側ハウジング
２７Ｂ基端側ハウジング
２７Ｃギアハウジング
３７コリメーションレンズ
３９レンズホルダ
４１Ａホルダ本体
４１Ｃ気体通路
４３パージエアー排出手段
４３Ａ排出管
４５曲率可変ミラー
４７，４９，５１ミラーユニット
４７Ａ，４９Ａ，５１Ａベンドミラー
５５加工ヘッドユニット
５７光学センサ
５９導線
６５断線センサ
６７レーザ発振器
６９断線判別手段

Claims

光ファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズ装置と、上記平行光線化されたレーザ光のビーム径を調節するための曲率可変ミラーと、この曲率可変ミラーによって反射されたレーザ光を集光レンズ方向へ屈曲するための第１ベンドミラーとを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記コリメーションレンズ装置、このコリメーションレンズ装置で平行光線化されたレーザ光を前記曲率可変ミラーへ反射する第２ベンドミラー及び前記曲率可変ミラーを同一平面内に配置して備え、前記コリメーションレンズ装置と前記曲率可変ミラーとを近接して備えると共に、前記第２ベンドミラーを、前記コリメーションレンズ装置、前記屈曲可変ミラーよりも前記第１ベンドミラーに近接して配置してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記コリメーションレンズ装置においてコリメーションレンズを保持したレンズホルダに、レーザ加工ヘッド内に供給されたパージエアーを流通するための気体通路を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工ヘッド内へ常にパージエアーを供給するパージエアー供給手段を備えると共に、前記レーザ加工ヘッド内の圧力を大気圧以上に保持しつつ常にパージエアーの排出を行うパージエアー排出手段を前記レーザ加工ヘッドに備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１、２又は３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記光ファイバーは、当該光ファイバーの断線を電気的に検出するための導線を備えた構成であり、かつ前記レーザ加工ヘッドに、レーザ加工位置からの反射光の有無を検出して光学的に光ファイバーの断線を検出するための光学センサを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。