特許 6205022 レーザ加工ヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6205022

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】レーザ加工ヘッド

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/142 20140101AFI20170914BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/142

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-127626(P2016-127626)

(22)【出願日】2016年6月28日

【審査請求日】2017年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和隆

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 準一

(72)【発明者】

【氏名】松本 了

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−５２６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２０２５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２４１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０６１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(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光を集光する集光レンズを内部に備えると共に先端部にノズルを備え、かつ前記集光レンズを保護する保護ガラスを内部に備えたレーザ加工ヘッドであって、ワークのレーザ加工位置から前記ノズル内へ侵入したスパッタを外部へ排出するために、前記保護ガラスと前記ノズルとの間において、前記レーザ光の光軸に対して交差する方向へのクロスジェットを形成するためのクロスジェット形成手段を備え、前記クロスジェット形成手段に備えた下側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法よりも上側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法が小さいことを特徴とするレーザ加工ヘッド。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、上下のクロスジェット流入開口部の幅は等しく、かつ上側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法は、下側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法の１／９〜８／９であり、望ましくは３／９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又は２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記クロスジェット形成手段において、偏平状の高速エアの流れを形成するためのノズルプレートの上面は三方向を立上り面によって規制された平面流路に形成してあり、かつ前記高速エアの流れに沿う方向の立上り面は高速エアの流れ方向に平行に形成してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

【請求項4】

請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの前記平面流路に対する高速エアの吹出し口の断面形状は長穴状であって、この吹出し口の長手方向の寸法は、前記平行な立上り面の間隔にほぼ等しく、長手方向に対して直交する方向の幅寸法は、前記ノズルプレートの前記平面流路の約１／２であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記クロスジェット形成手段を下部に備えた開口ブロックの上部に、リング状のアパーチャを備え、前記開口ブロックに備えた半円形状の内面に対して、前記アパーチャの内周面は内側に突出した状態に備えられていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズを内部に備えると共に先端部にノズルを備え、かつ前記集光レンズを保護する保護ガラスを内部に備えたレーザ加工ヘッドに関する。さらに詳細には、ワークのレーザ加工位置から前記ノズル内に侵入したスパッタを、レーザ光と交差する方向へ吹き飛ばすクロスジェットを形成するクロスジェット形成手段を備えたレーザ加工ヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッド内に備えた集光レンズによって集光してワークへ照射する。このように、ワークへレーザ光を照射してワークのレーザ加工を行うとき、レーザ加工位置からスパッタが飛散してレーザ加工ヘッド内へ侵入することがある。そして、レーザ加工ヘッド内に備えた保護ガラスにスパッタが付着し汚染されると、保護ガラスが加熱され損傷することがある。そこで、レーザ加工ヘッド内にエアの高速流であるクロスジェットを生起させ、このクロスジェットによって、侵入したスパッタを外部へ排出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−２００８２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスとノズルとの間に、ノズルから内部に侵入したスパッタを、外部へ吹き飛ばすクロスジェットを形成するクロスジェット形成手段を備えた構成である。前記クロスジェット形成手段は、上下二段のクロスジェット通路の天井壁にクロスジェットノズルを備えた構成である。

【0005】

そして、前記クロスジェットノズルからクロスジェットガスを噴射することにより、前記クロスジェット通路の入口側から外気を吸い込む二次流れを発生させるものである。この二次流れによってエアーカーテンを形成し、このエアーカーテンによって、ノズルからレーザ加工ヘッド内へ飛散侵入したスパッタを外部へ吹き飛ばす構成である。

【0006】

上記構成によれば、レーザ加工位置から飛散侵入したスパッタを外部へ吹き飛ばすことができるものの、ときとして、スパッタが保護ガラスに付着することがあり、さらなる改良が望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズを内部に備えると共に先端部にノズルを備え、かつ前記集光レンズを保護する保護ガラスを内部に備えたレーザ加工ヘッドであって、ワークのレーザ加工位置から前記ノズル内へ侵入したスパッタを外部へ排出するために、前記保護ガラスと前記ノズルとの間において、前記レーザ光の光軸に対して交差する方向へのクロスジェットを形成するためのクロスジェット形成手段を備え、前記クロスジェット形成手段に備えた下側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法よりも上側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法が小さいものである。

【0008】

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、上下のクロスジェット流入開口部の幅は等しく、かつ上側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法は、下側のクロスジェット流入開口部の上下間隔寸法の１／９〜８／９であり、望ましくは３／９である。

【0009】

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記クロスジェット形成手段において、偏平状の高速エアの流れを形成するためのノズルプレートの上面は三方向を立上り面によって規制された平面流路に形成してあり、かつ前記高速エアの流れに沿う方向の立上り面は高速エアの流れ方向に平行に形成してある。

【0010】

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの前記平面流路に対する高速エアの吹出し口の断面形状は長穴状であって、この吹出し口の長手方向の寸法は、前記平行な立上り面の間隔にほぼ等しく、長手方向に対して直交する方向の幅寸法は、前記ノズルプレートの前記平面流路の約１／２である。

【0011】

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記クロスジェット形成手段を下部に備えた開口ブロックの上部に、リング状のアパーチャを備え、前記開口ブロックに備えた半円形状の内面に対して、前記アパーチャの内周面は内側に突出した状態に備えられている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、クロスジェットの風速を大きくすることができ、レーザ加工ヘッド内に侵入したスパッタを効果的に外部へ排出することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの断面説明図である。

【図2】本発明の実施形態に係る主要部分の断面説明図である。

【図3】開口ブロック、バッファプレート及びノズルプレートを示す斜視説明図である。

【図4】バッファプレートの平面図である。

【図5】ノズルプレートの平面図である。

【図6】第１流路と第２流路における流入開口部の隙間の関係と風速の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１について説明するに、図１にはレーザ加工ヘッド１が断面した状態でもって図示されている。レーザ加工ヘッド１は加工ヘッド本体３を備えており、この加工ヘッド本体３内には、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光を集光する集光レンズ（図示省略）が備えられている。そして、上記加工ヘッド本体３の先端部にはノズル５が着脱交換自在に備えられている。

【0015】

そして、前記加工ヘッド本体３内であって、前記集光レンズと前記ノズル５との間には、レーザ加工位置からノズル５を経てレーザ加工ヘッド１内へ飛散侵入したスパッタから前記集光レンズを保護する保護ガラス７が備えられている。より詳細には、前記加工ヘッド本体３には、上下方向は勿論のこと、一側方向（例えばレーザ加工の進行方向の反対側の方向）に大きく開口した開口部９Ａを備えた開口ブロック９（図３参照）を備えている。

【0016】

すなわち、前記開口ブロック９は、図３に示すように、上下方向及び一側方向の三方向に開口した形態である。そして、レーザ光が下方向へ透過する部分は半円形状の穴部９Ｂに形成してあり、この穴部９Ｂに前記開口部９Ａの対向した側壁面９Ｃが接続してある。そして、前記開口ブロック９の上面には、アパーチャホルダ１１が取付けてある。このアパーチャホルダ１１には、ガラスホルダ１３を介して前記保護ガラス７が着脱交換可能に備えられている。

【0017】

前記アパーチャホルダ１１の中央部には、レーザ光が透過自在な貫通穴１５が上下方向に形成してあり、この貫通穴１５内にはリング状のアパーチャ１７が備えられている。このアパーチャ１７の中心位置は、半円形状の前記穴部９Ｂの軸心と一致して備えられている。そして、前記アパーチャ１７の半径は、前記穴部９Ｂの半径より小さく形成してある。

【0018】

したがって、アパーチャ１７の内周面１７Ａは、図２に示すように、前記穴部９Ｂの半円形状の内面９Ｆに対して内側に突出した状態に備えられている。よって、前記穴部９Ｂの内面９Ｆに沿ってヒュームやスパッタの一部が上昇する傾向にある場合、保護ガラス７に対するヒュームやスパッタの付着を効果的に抑制し得るものである。また、前記アパーチャ１７は、ワークのレーザ加工位置から前記保護ガラス７へ直接飛散するスパッタを絞る作用をなすものである。したがって、保護ガラス７に対するスパッタの付着を効果的に抑制し得るものである。

【0019】

前記開口ブロック９の下側であって、前記開口部９Ａの反対向には、レーザ光の光軸、換言すれば、前記穴部９Ｂの軸心に対して交差する方向（直交する方向）へのクロスジェット（高速エアの流れ）を形成するためのクロスジェット形成手段１９が備えられている。このクロスジェット形成手段１９の全体的構成は、前記特許文献１に記載のクロスジェット形成手段と類似した構成である。しかし、主要部の構成は相違するものである。

【0020】

より詳細には、前記開口ブロック９における前壁部９Ｄには、前記特許文献１に記載の構成と同様の流体通路２１が形成してある。そして、この流体通路２１には、前壁部９Ｄの端面に連通したノズル孔２３が形成してある。上記ノズル孔２３の断面形状は、加工上の問題から円形状に形成してある。そして、前記開口ブロック９における前壁部９Ｄの端面には、バッファプレート２５が取付ねじ等を介して備えられている。

【0021】

前記バッファプレート２５は、前記ノズル孔２３から噴出される断面円形状のエアの流れを、全体的に均等な流れに形成する作用をなすものであって、図４に示すように、前記ノズル孔２３に連通したチャンバー２５Ａは、断面矩形状（長穴状）の空間に形成してある。ところで、前記開口ブロック９における前壁部９Ｄの下面に、前記チャンバー２５Ａに相当する空間を備える場合には、前記バッファプレート２５を省略することができるものである。

【0022】

前記バッファプレート２５の下面には、前記ノズル孔２３から噴出され、前記チャンバー２５Ａを経て噴出されるエアを、偏平状のクロスジェットとして、図２において右方向へ噴出するノズルプレート２７が密着して備えられている。このノズルプレート２７の大きさは、前記バッファプレート２５の大きさとほぼ同一である。そして、このノズルプレート２７の上面には、偏平状の高速エアの流れを形成するために、三方向を立上り面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃによって規制された平面流路２９が備えられている。

【0023】

より詳細には、クロスジェットの流れ方向（図２，５に示す矢印Ａの方向）の両側に位置する立上り面３１Ａ，３１Ｃは、クロスジェットの流れ方向に平行に形成してある。そして、上記両立上り面３１Ａ，３１Ｃの間隔寸法ＬＡは、前記チャンバー２５Ａの長手方向の寸法ＬＢとほぼ等しく形成してある。そして、前記ノズルプレート２７における前記端部側の立上り面３１Ｂは、前記バッファプレート２５におけるチャンバー２５Ａの長手方向の一方の内側縁２５Ｂとほぼ一致してある。

【0024】

前記ノズルプレート２７における前記立上り面３１Ｂから開口端縁３１Ｄまでの幅寸法は、前記チャンバー２５Ａにおいて、長手方向に対して直交する方向の幅寸法Ｗの約２倍に形成してある。換言すれば、前記平面流路２９における出口側（図５において上側）の約１／２は、前記バッファプレート２５によって開口部の上下間隔が狭くなった状態にある。したがって、ノズルプレート２７における開口端縁３１Ｄのクロスジェット噴出口３３は、前記平面流路２９の底面、両側の立上り面３１Ａ，３１Ｃ及びバッファプレート２５によって規制された矩形状を呈するものである。このクロスジェット噴出口３３の上下方向の開口寸法は、前記立上り面３１Ａ，３１Ｃの高さ寸法に等しく、１ｍｍ以下に形成してある。

【0025】

前記クロスジェット形成手段１９の下側には、レーザ光が下方向へ透過自在な貫通穴３５を備えた第１流路板３７が、前記ノズルプレート２７と適宜の間隔を保持して備えられている。そして、前記第１流路板３７の下側には、適宜間隔を保持して第２流路板３９が備えられている。前記ノズルプレート２７と前記第１流路板３７との間には第１流路４１が形成してある。そして、第１流路板３７と第２流路板３９との間には第２流路４３が形成してある。

【0026】

前記第１，第２の流路４１，４３は、前記第１流路板３７を間にして上下に離隔してある。そして、第１，第２の流路４１，４３は、クロスジェットの流れ方向（前記矢印Ａ方向）の反対側に入口開口部を有している。この第１，第２の流路４１，４３の開口部に対応した位置には、外気を吸引する際のガイド板４５が上方向に指向して配置してある。そして、反対側の排出口には排風板４５が配置してある。前記構成において、上側の流路４１におけるクロスジェット流入開口部の上下方向の間隔寸法は、図２に示すように、下側の流路４３におけるクロスジェット流入開口部の上下方向の間隔寸法よりも小さく構成してある。

【0027】

そして、前記第２流路板３９の下側には、前記ノズル５を備えたノズルホルダ４７が備えられている。

【0028】

以上のごとき構成において、ワークにレーザ光を照射してレーザ加工を行うと、レーザ加工位置において発生したヒュームやスパッタの一部がレーザ加工ヘッド３内に侵入し、保護ガラス７に付着することがある。そこで、ノズル孔２３から高圧エアを噴出し、クロスジェット形成手段１９において高速エアを偏平状に噴出して、スパッタ等を吹き飛ばすものである。上述のように、クロスジェット形成手段１９において高速エアを噴出すると、負圧が生成されて、第１，第２の流路４１，４３に大量の外気が吸引され、この外気によってスパッタ等が吹き飛ばされるものである。

【0029】

ところで、前記特許文献１に記載のごとき構成においては、丸穴であるノズル孔２３からノズルプレート２７へ高圧エアを噴出する構成であり、しかも上下の第１，第２の流路４１，４３における開口部の間隔寸法はほぼ等しいものであったから、外気の吸引効果が小さく、スパッタ等を吹き飛ばす効果は小さなものであった。

【0030】

そこで、外気の吸引が効果的に行われ、スパッタ等を効果的に吹き飛ばすために、種々の実験を行い、上側の第１流路４１における開口部の上下間隔を、下側の第２流路４３における開口部の上下間隔よりも小さくすると、前記クロスジェット形成手段１９から噴出されるクロスジェットの流速が大きくなることを見出した。

【0031】

すなわち、上側の第１流路４１における開口部の上下間隔と下側の第２流路４３における開口部の上下間隔とを種々変更して、クロスジェット形成手段１９の下流側の所定位置に配置した風速形によって風速を計測したところ、図６に示す結果が得られた。

【0032】

図６から明らかなように、下側の第２流路４３における開口部の隙間を０にすると、上側の第１流路４１の隙間が変化しても、風速は２５ｍ／ｓ以下であった。この結果からも、下側の第２流路４３と上側の流路４１を備えることは必要である。そして、下側の第２流路４３における開口部の隙間を３ｍｍ，６ｍｍ，９ｍｍに変えると共に、上側の第１流路４１における開口部の隙間を０ｍｍ〜８ｍｍに調節すると、下側の開口部の隙間９ｍｍで、上側の開口部の隙間３ｍｍの場合には、風速は２９ｍ／ｓ以上となり望ましいものであった。なお、図６より明らかなように、上下の流路４１，４３における開口部の隙間の関係は、１／９〜８／９が望ましく、より望ましくは３／９である。

【0033】

ところで、前記構成においては、クロスジェット形成手段１９にはバッファプレート２５が備えられており、このバッファプレート２５には、チャンバー２５Ａが備えられている。したがって、ノズル孔２３から噴出された高圧エアは、前記チャンバー２５Ａ内において、平面流路２９に対して均等な圧力分布として供給されることになる。したがって、クロスジェット形成手段１９から偏平状に噴出されるクロスジェットの速度分布は全体的にほぼ等しくなり、保護ガラス７方向へ飛散するスパッタやヒュームを効果的に吹き飛ばすことができるものである。

【0034】

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態によれば、クロスジェット形成手段１９にはチャンバー２５Ａを形成したバッファプレート２５が備えられている。そして、外気を吸引する上側の第１流路４１における開口部の隙間を、下側の第２流路４３における開口部の隙間より小さくしてある。したがって、クロスジェット形成手段１９から噴出されるクロスジェットを高速で保持でき、レーザ加工ヘッド内の保護ガラス７方向へ飛散するスパッタ等を効果的に吹き飛ばすことができるものである。

【符号の説明】

【0035】

１ レーザ加工ヘッド
３ 加工ヘッド本体
５ ノズル
７ 保護ガラス
９ 開口ブロック
１１ アパーチャホルダ
１７ アパーチャ
１９ クロスジェット形成手段
２３ ノズル孔
２５ バッファプレート
２５Ａ チャンバー
２７ ノズルプレート
２９ 平面流路
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 立上り面
３１Ｄ 開口端縁
３３ クロスジェット噴出口
３７ 第１流路板
３９ 第２流路板
４１ 第１流路
４３ 第２流路

【要約】

【課題】保護ガラス方向へ飛散するスパッタ等を吹き飛ばすクロスジェット形成手段を備えたレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズを内部に備えると共に先端部にノズル５を備え、かつ前記集光レンズを保護する保護ガラス７を内部に備えたレーザ加工ヘッドであって、ワークのレーザ加工位置から前記ノズル５内へ侵入したスパッタを外部へ排出するために、前記保護ガラス７と前記ノズル５との間において、前記レーザ光の光軸に対して交差する方向へのクロスジェットを形成するためのクロスジェット形成手段１９を備え、前記クロスジェット形成手段１９に備えた下側のクロスジェット流入開口部４３の上下間隔寸法よりも上側のクロスジェット流入開口部４１の上下間隔寸法が小さい。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】