特許 7550102 レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-04

(45)【発行日】2024-09-12

(54)【発明の名称】レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/70 20140101AFI20240905BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

B23K26/70

B23K26/064 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021069778

(22)【出願日】2021-04-16

(65)【公開番号】P2022164347

(43)【公開日】2022-10-27

【審査請求日】2024-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダ

(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】高津 正人

(72)【発明者】

【氏名】瀬戸口 隼

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開平８－１９８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－６６５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１５２９８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１５１１７７（ＷＯ，Ａ１）

(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】

外部から供給されノズルから射出するレーザビームのビームプロファイルを変換する変換素子と、
前記変換素子を保持するホルダと、
前記ホルダが先端に連結されたシャフトと、
前記シャフトを前記変換素子が前記レーザビームの光束に対して進入及び退避するよう移動させるアクチュエータと、
前記シャフトの内部に形成され、冷媒となる流体を前記シャフトの根元側から前記ホルダの側に向けて流動可能な第１の流路、及び前記第１の流路を流動した前記流体を前記シャフトの前記ホルダの側から前記根元側へと戻すように流動可能な第２の流路と、
を備えるレーザ加工ヘッド。

【請求項2】

前記シャフトは、前記ホルダの側が底部となる止まり穴と、前記止まり穴の内部に配置されたパイプとを有し、
前記パイプの内部の第１の空間が前記第１の流路と前記第２の流路とのうちの一方の流路であり、前記止まり穴の内面と前記パイプの外面との間の第２の空間が他方の流路である
請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。

【請求項3】

レーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から供給された前記レーザビームのビームプロファイルを変換する変換素子を有するレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに冷媒を供給する冷媒供給装置と、
を備え、
前記レーザ加工ヘッドは、
前記変換素子を保持するホルダと、
前記ホルダが先端に連結されたシャフトと、
前記シャフトを前記変換素子が前記レーザビームの光束に対して進入及び退避するよう移動させるアクチュエータと、
前記シャフトの内部に形成され、前記冷媒供給装置から供給された前記冷媒を前記シャフトの根元側から前記ホルダの側に向けて流動可能な第１の流路、及び前記第１の流路を流動した前記冷媒を前記シャフトの前記ホルダの側から前記根元側へと戻すように流動可能な第２の流路と、
を備えるレーザ加工装置。

【請求項4】

前記シャフトは、前記ホルダの側が底部となる止まり穴と、前記止まり穴の内部に配置されたパイプとを有し、
前記パイプの内部の第１の空間が前記第１の流路と前記第２の流路とのうちの一方の流路であり、前記止まり穴の内面と前記パイプの外面との間の第２の空間が他方の流路である
請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記第１の空間が前記第１の流路であり、前記第２の空間が前記第２の流路である請求項４に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記冷媒は水である請求項３～５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、レーザビームのビームプロファイルを所定のビームプロファイルに変換する光学素子と、その光学素子を保持してレーザビームの光束に対し出入りさせる駆動部とを備えるレーザ加工ヘッドが記載されている。特許文献１に記載されたレーザ加工ヘッドは、ビームプロファイルを変換する光学素子をレーザビームの光束に挿入することで、射出するレーザビームのビームプロファイルを、その光束に挿入された光学素子に応じたビームプロファイルに変換できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１１６６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱レンズ効果は、レーザビームが物質に吸収されてそのエネルギが熱に変換されると、物質の温度が上昇して密度または屈折率が変化する現象である。レーザビームの光束に挿入された光学素子は、全てのレーザビームが透過することはないので、レーザビームの一部を吸収して変換された熱エネルギにより昇温する。昇温した光学素子から光学素子を保持する駆動部の保持部材に熱が伝達し、その保持部材は昇温して熱膨張する。

【0005】

光学素子が過度に昇温すると、熱レンズ効果によりレーザビームの焦点位置が無視できない程度に変動する。また、保持部材が過度に熱膨張することで、光学素子の光軸中心が大きくずれるなど無視できない不具合が生じ得る。これらの現象は、レーザ加工における加工精度及び加工の安定性の低下、という不具合につながる。

【0006】

そのため、レーザビームのビームプロファイルを変換可能でありながら熱レンズ効果または熱伝導から生じる加工の不具合が生じにくいレーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、外部から供給されノズルから射出するレーザビームのビームプロファイルを変換する変換素子と、前記変換素子を保持するホルダと、前記ホルダが先端に連結されたシャフトと、前記シャフトを前記変換素子が前記レーザビームの光束に対して進入及び退避するよう移動させるアクチュエータと、前記シャフトの内部に形成され、冷媒となる流体を前記シャフトの根元側から前記ホルダの側に向けて流動可能な第１の流路、及び前記第１の流路を流動した前記流体を前記シャフトの前記ホルダの側から前記根元側へと戻すように流動可能な第２の流路とを備えるレーザ加工ヘッドを提供する。

【0008】

本発明によれば、変換素子を保持するホルダに連結したシャフトの内部に冷媒をホルダに向け流動させる第１の流路とホルダ側から戻す第２の流路とを有するので、第１の流路及び第２の流路に冷媒を流すことでシャフト、ホルダ、及び変換素子を良好に冷却することができる。

【0009】

本発明は、レーザビームを出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から供給された前記レーザビームのビームプロファイルを変換する変換素子を有するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドに冷媒を供給する冷媒供給装置とを備え、前記レーザ加工ヘッドは、前記変換素子を保持するホルダと、前記ホルダが先端に連結されたシャフトと、前記シャフトを前記変換素子が前記レーザビームの光束に対して進入及び退避するよう移動させるアクチュエータと、前記シャフトの内部に形成され、前記冷媒供給装置から供給された前記冷媒を前記シャフトの根元側から前記ホルダの側に向けて流動可能な第１の流路、及び前記第１の流路を流動した前記冷媒を前記シャフトの前記ホルダの側から前記根元側へと戻すように流動可能な第２の流路とを備えるレーザ加工装置を提供する。

【0010】

本発明によれば、変換素子を保持するホルダに連結したシャフトの内部に冷媒をホルダに向け流動させる第１の流路とホルダ側から戻す第２の流路と、第１の流路に冷媒を供給する冷媒供給装置とを有するので、第１の流路及び第２の流路に冷媒を流すことでシャフト、ホルダ、及び変換素子を良好に冷却することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るレーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置によれば、レーザビームのビームプロファイルを変換可能でありながら熱レンズ効果または熱伝導から生じる加工の不具合を生じにくくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例であるレーザ加工装置９１の全体構成を示す図である。

【図2】図２は、レーザ加工装置９１が備えるレーザ加工ヘッド２の縦断面図である。

【図3】図３は、図２におけるＳ３－Ｓ３位置を前側から見た平面図であり、レーザ加工ヘッド２が備えるプロファイル変換装置５の第１の態様を示す図である。

【図4】図４は、プロファイル変換装置５の第２の態様を示す平面図である。

【図5】図５は、レーザ加工ヘッド２が備える冷却部ＲＫを示す図であり、図５（ａ）は図３におけるＳ５ａ－Ｓ５ａ位置での断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＳ５ｂ－Ｓ５ｂ位置での断面図である。

【図6】図６は、プロファイル変換装置５が備える変換素子移動部６の熱伝達態様を示す第１の断面図である。

【図7】図７は、変換素子移動部６の熱伝達態様を示す第２の断面図である。

【図8】図８は、温度の時間変化を示すグラフであり、図８（ａ）は実施例のプロファイル変換装置５の場合の温度変化を、図８（ｂ）は比較例における温度変化を示している。

【図9】図９は、冷却部ＲＫの変形例１である冷却部ＲＫＡを示す図であり、図９（ａ）は部分断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＳ９ｂ－Ｓ９ｂ位置での断面図である。

【図10】図１０は、冷却部ＲＫの変形例２である冷却部ＲＫＢを示す図であり、図１０（ａ）は部分断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＳ１０ｂ－Ｓ１０ｂ位置での断面図である。

【図11】図１１は、冷却部ＲＫの変形例３である冷却部ＲＫＣを示す図であり、図１１（ａ）は部分断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＳ１１ｂ－Ｓ１１ｂ位置での断面図である。

【図12】図１２は、冷却部ＲＫの変形例４である冷却部ＲＫＤを示す図であり、図１２（ａ）は部分断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＳ１２ｂ－Ｓ１２ｂ位置での断面図である。

【図13】図１３は、図１２（ａ）におけるＳ１３－Ｓ１３位置での断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施例）
本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置を、実施例のレーザ加工ヘッド２及びそれを備えたレーザ加工装置９１によって説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例であるレーザ加工装置９１の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置９１は、レーザ発振器１、レーザ加工ヘッド２、ＮＣ（Numerical Control）装置３、ヘッド駆動部４、操作部３１、及び冷媒供給装置８を含んで構成されている。ＮＣ装置３は制御装置の一例である。

【0014】

レーザ発振器１は、例えばファイバレーザによって所定の波長帯のレーザビームＬｓを生成する。生成されたレーザビームＬｓは、ファイバケーブル１ａ及びカプラ１ｂを介してレーザ加工ヘッド２に供給される。レーザ発振器１は、ファイバレーザ発振器に限定されず、固体レーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器などであってもよい。

【0015】

図２は、レーザ加工装置９１が備えるレーザ加工ヘッド２の縦断面図である。上下前後の各方向を図２に矢印で規定する。左方は紙面手前側で右方は紙面奥側となる。

【0016】

図１及び図２に示すように、レーザ加工ヘッド２は、カプラ接続部２３、プロファイル変換装置５、ハウジング２１、コリメートレンズ駆動部２２、集束レンズ駆動部２４、及び光学素子群７を有する。光学素子群７は、ビームプロファイル変換素子７１、コリメートレンズ７２、ベンドミラー７３、及び集束レンズ７４を含んで構成される。以下、ビームプロファイル変換素子７１を変換素子７１と称する。

【0017】

図２に示すように、カプラ接続部２３は、一端側にカプラ１ｂが接続され他端側がプロファイル変換装置５に連結されている。プロファイル変換装置５は、変換素子移動部６を備えている。変換素子移動部６は、ベース部５１、アパーチャ５２、変換素子７１を有する。変換素子７１は、変換素子移動部６の動作によってレーザビームＬｓの光束に対して進入及び退避する。プロファイル変換装置５の詳細は後述する。

【0018】

ハウジング２１は、管状の第１のハウジング２１２及び第２のハウジング２１３を有し、Ｌ字状に形成されている。第１のハウジング２１２は、一端側がプロファイル変換装置５のベース部５１に連結している。第１のハウジング２１２は、コリメートレンズ７２及びコリメートレンズ７２を移動させるコリメートレンズ駆動部２２を有する。第１のハウジング２１２の他端側の内部には４５°の傾斜面２１２ａが形成され、傾斜面２１２ａにはベンドミラー７３が取り付けられている。第２のハウジング２１３は、一端側が第１のハウジング２１２の他端部に直交するように連結されている。第２のハウジング２１３の他端となる先端にはノズルホルダ２１４が取り付けられ、ノズルホルダ２１４には、ノズル２１５が着脱自在に取り付けられている。

【0019】

レーザ加工ヘッド２の内部には、カプラ１ｂの側から、アパーチャ５２、変換素子７１、コリメートレンズ７２、ベンドミラー７３、及び集束レンズ７４がこの順で配置されている。

【0020】

レーザ発振器１から供給されたレーザビームＬｓは、カプラ１ｂからプロファイル変換装置５のベース部５１の内部に発散光として射出される。発散光として射出されたレーザビームＬｓは、アパーチャ５２の開口部５２ａを通りコリメートレンズ７２の調整位置によって平行光または発散角もしくは収束角を有する光とされる。角度調整されたレーザビームＬｓは、ベンドミラー７３で反射して第２のハウジング２１３内に入り、集束レンズ７４によって所定の焦点位置で集束するように、ノズル２１５から被加工部材であるワークＷに向けて射出される。

【0021】

変換素子７１は、アパーチャ５２とコリメートレンズ７２との間において、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１に対してビームプロファイルを変換する場合に挿入される。

【0022】

コリメートレンズ駆動部２２は、モータ２１ｇを含む駆動部２２Ｋを有する。駆動部２２Ｋは、モータ２１ｇの回転動を直線移動に変換し、コリメートレンズ７２を光束Ｌｓ１の光軸ＣＬ１方向に移動させる（矢印ＤＲ１参照）。

【0023】

集束レンズ７４は、集束レンズ駆動部２４の動作によって光軸ＣＬ１の方向に直線移動する（矢印ＤＲ２参照）。集束レンズ７４の光軸ＣＬ１の方向の移動によって、ノズル２１５から外部に射出したレーザビームＬｓの焦点位置が調整される。

【0024】

変換素子移動部６は、レーザ発振器１から供給されたレーザビームＬｓのビームプロファイルを変換する光学素子である変換素子７１を、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１に対して進入させた進入位置と待避した退避位置との間で進退させる。

【0025】

次に、変換素子移動部６を有するプロファイル変換装置５について、図２に加え図３～図７も参照して詳述する。図３は、図２におけるＳ３－Ｓ３位置を前側から見た平面図であり、レーザ加工ヘッド２が備えるプロファイル変換装置５の第１の態様を示す図である。図４は、プロファイル変換装置５の第２の態様を示す平面図である。図５は、レーザ加工ヘッド２が備える冷却部ＲＫを示す図であり図３におけるＳ５－Ｓ５位置での断面図である。図６は、プロファイル変換装置５が備える変換素子移動部６の熱伝達態様を示す第１の断面図である。図７は、変換素子移動部６の熱伝達態様を示す第２の断面図である。

【0026】

図３に示すように、プロファイル変換装置５は、ベース部５１と変換素子移動部６とを有する。ベース部５１は、アルミニウムなどの金属で形成され、左右に細長い形状で板状に形成された細板部５１１と、細板部５１１の長手方向先端部に連結された桝状のベース５１２とを有する。ここでベース部５１の金属材質は熱伝導率の高い元素から構成されればよく、その点だけを考慮すれば、アルミニウム以外に、銀、銅、金、マグネシウム、亜鉛などを選択できる。ここでは、ベース部５１の金属材質として、コスト、安全性、及び熱伝導率の効率からアルミニウムを選択している。ベース部５１の体積が比較的小さい場合は、銅を選択してもよい。

【0027】

図２において、図２では図示されていない細板部５１１は、光軸ＣＬ１に対し紙面手前側である左方に延びるように配置されている。

【0028】

ベース５１２は、矩形の底部５１２ａと、底部５１２ａの各辺から矩形枠状に前方に向けて立設した枠壁部５１２ｂとを有する。ベース５１２は、底部５１２ａにおいて、レーザビームＬｓの光軸ＣＬ１となる位置を中心とする概ね円形の貫通孔５１ａ（図２参照）を有する。アパーチャ５２は、貫通孔５１ａを前方側から覆うように取り付けられており、中央に所定面積の円形の絞り孔である開口部５２ａを有する。

【0029】

ベース５１２の貫通孔５１ａの内面におけるアパーチャ５２よりもカプラ１ｂ側には、エア噴出部５３が形成されている。この例において、エア噴出部５３は、左右方向に並んで設けられた３個の通気孔５３ａ～５３ｃと、先端が３分岐してそれぞれ通気孔５３ａ～５３ｃに並列にエアを供給するエア供給部５３ｄとを含んで構成されている。エアは不図示の圧縮機などの供給源から供給される除塵された乾燥空気である。通気孔５３ａ～５３ｃから噴出されたエアは、レーザ加工ヘッド２内を外気よりも高圧の状態で流れて光学素子群７などへの塵埃の付着を防止する。

【0030】

変換素子移動部６は、変換素子７１、ホルダ６１、及びシャフト６２と、スライダ６３を有するリニアアクチュエータであるアクチュエータ６４とを含んで構成されている。変換素子７１は石英からなる円形薄板状の部材であって、レーザビームＬｓのビームプロファイルを変換する。ホルダ６１は変換素子７１を、変換素子７１の光軸ＣＬ７１がレーザビームＬｓの光軸ＣＬ１と平行になるように保持する。ホルダ６１は、平面視で概ね矩形となる金属部材である。

【0031】

図５に示すように、ホルダ６１は変換素子７１を収容する段付き孔６１ａを有する。段付き孔６１ａに変換素子７１を挿入し、ばね部材６１１を介して押さえフランジ６１２をボルト６１３によってホルダ６１にねじ固定することで、変換素子７１はホルダ６１に収容保持される。

【0032】

図３に示すように、シャフト６２はステンレスなどの金属により左右に延びる棒状に形成され、右端にホルダ６１が連結されている。ベース５１２の枠壁部５１２ｂにおける左壁には貫通孔５１２ｃが形成されており、シャフト６２は貫通孔５１２ｃを挿通し、ホルダ６１は枠壁部５１２ｂで囲まれた内部空間に位置している。

【0033】

シャフト６２の左端部はアクチュエータ６４のスライダ６３に連結されている。アクチュエータ６４は、第１のエア供給口６４１及び第２のエア供給口６４２からのエアの供給状況に応じてスライダ６３を左右に所定のストロークで移動させる（矢印ＤＲ３参照）。アクチュエータ６４の動作はＮＣ装置３によって制御される。スライダ６３の移動によってスライダ６３に連結されたホルダ６１も左右に移動する。

【0034】

図３は、スライダ６３の移動によってホルダ６１が所定のストロークの最も右端に移動した進入位置にある状態を示し、図４は、ホルダ６１が所定のストロークの最も左端に移動した退避位置にある状態を示している。すなわち、変換素子７１は、アクチュエータ６４の動作によって、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１に対し進入した進入位置と退避した退避位置との間を移動する。

【0035】

スライダ６３には、外観上、流体を流入する流入口６３１と流体が流出する流出口６３２とが設けられている。流入口６３１には冷媒供給装置８からの冷媒供給路８ａが接続されている。

【0036】

図３に示すように、ホルダ６１が進入位置にあるとき、変換素子７１の光軸ＣＬ７１とレーザビームＬｓの光軸ＣＬ１とは一致する。ホルダ６１が進入位置にあるとき、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１は、その断面の全体が変換素子７１の有効領域内に含まれ、光束Ｌｓ１のビームプロファイルは変換素子７１固有の変換特性に応じたビームプロファイルに変換される。図４に示すように、ホルダ６１が退避位置にあるとき、変換素子７１だけでなくホルダ６１も、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１にかからない位置にある。

【0037】

図５に示すように、スライダ６３の右端部には、ジョイント６３３が取り付けられ、ジョイント６３３にシャフト６２の左端部が連結されている。ジョイント６３３は、連結通路６３３１及び連結通路６３３２を有する。

【0038】

変換素子移動部６は、ホルダ６１及びシャフト６２を冷却するための冷却部ＲＫを有する。冷却部ＲＫは、止まり穴６２ａ、パイプ６２１、連結通路６３３１、連結通路６３３２、連結路６３１ａ、連結路６３２ａ、流入口６３１、及び流出口６３２を含んで構成されている。流入口６３１と冷媒供給装置８との間は冷媒供給路８ａによって接続されている。

【0039】

止まり穴６２ａは、シャフト６２の左端面に開口し軸心に沿って直状に形成された非貫通の凹部である。止まり穴６２ａは、出口となる左端がジョイント６３３に形成されたＬ字状の連結通路６３３２に接続されている。止まり穴６２ａは、底部６２ａ１がシャフト６２の長手中央を超え、ホルダ６１に近接した位置にある。連結通路６３３２は、流出口６３２に接続している。

【0040】

パイプ６２１は、左端がジョイント６３３に支持され、止まり穴６２ａの内部に止まり穴６２ａと平行に挿入された管状部材である。パイプ６２１は、止まり穴６２ａの内面に接触しないように配置されている。例えば、パイプ６２１の軸線ＣＬ２１は、止まり穴６２ａの軸線ＣＬ２と一致している。パイプ６２１の貫通孔である孔６２１ａの内部空間（第１の空間）は、冷媒ＦＬ１が流動可能な第１の流路ＦＲ１である。パイプ６２１の外面と止まり穴６２ａの内面との間の空間（第２の空間）である空間Ｖは、冷媒ＦＬ１が流動可能な第２の流路ＦＲ２である。

【0041】

パイプ６２１の外径及び孔６２１ａの内径と、止まり穴６２ａの内径とは、例えば、軸線ＣＬ２に直交する断面において、第１の流路ＦＲ１の断面積が、第２の流路ＦＲ２の断面積と概ね一致するように設定されるとよい。パイプ６２１の先端部６２１ｂは、止まり穴６２ａの底部６２ａ１に達してなく、底部６２ａ１とパイプ６２１との隙間として、第１の流路ＦＲ１と第２の流路ＦＲ２が接続する接続流路ＦＲ３が形成されている。すなわち、パイプ６２１の孔６２１ａの右端となる第２の開口部６２１ｄは、止まり穴６２ａの内部に開口している。

【0042】

パイプ６２１の先端部６２１ｂと、止まり穴６２ａにおける均一の内径を有する部位の先端位置（すなわち、止まり穴６２ａにおける径が順に小さくなっていく先端部を除く部位の先端位置）との軸線ＣＬ２方向の距離を隙間距離Ｄａとする。隙間距離Ｄａは、第１の流路ＦＲ１から流出した流体などの冷媒ＦＬ１が接続流路ＦＲ３を通り第２の流路ＦＲ２へとできるだけ淀みなく流れるように設定される。

【0043】

パイプ６２１の孔６２１ａの左端となる第１の開口部６２１ｃは、連結通路６３３１に接続している。連結通路６３３１は、流入口６３１に接続している。

【0044】

冷却部ＲＫには、冷媒供給装置８から供給された冷媒ＦＬ１が流される。冷媒ＦＬ１は、レーザビームＬｓの通過に起因して昇温した変換素子７１、ホルダ６１、及びシャフト６２の熱を吸収し外部に排出する。レーザビームＬｓに起因して昇温する少なくとも変換素子７１、ホルダ６１、及びシャフト６２を含む部材群をまとめて昇温部材ＳＢと称する。

【0045】

冷却部ＲＫ及び冷媒供給装置８による冷却作用によって昇温部材ＳＢの温度上昇が抑制される。この冷却部ＲＫなどの作用などについて具体的に説明する。

【0046】

冷媒供給装置８は、冷媒供給路８ａを通して冷媒ＦＬ１を外部に供給する。冷媒ＦＬ１は例えば流体であり、具体的には水である。以下、冷媒ＦＬ１を水ＦＬ１として説明する。水ＦＬ１は例えば常温である。常温は、２０℃以上３５℃以下の温度である。すなわち、図５（ａ）に示すように、冷媒供給装置８は、水ＦＬ１を、冷媒供給路８ａを介して流入口６３１に連続的に供給する。冷媒供給装置８による水ＦＬ１の供給動作は、ＮＣ装置３によって制御される。

【0047】

流入口６３１に供給された水ＦＬ１は、連結通路６３３１を経てパイプ６２１の第１の開口部６２１ｃから孔６２１ａに流入する。水ＦＬ１は、第１の流路ＦＲ１内を流れて（矢印ＤＲ４参照）先端の第２の開口部６２１ｄに向かう。水ＦＬ１は第２の開口部６２１ｄから流出して止まり穴６２ａ内の接続流路ＦＲ３に流入した後、流れ方向を反転し（矢印ＤＲ５参照）、パイプ６２１の外面と止まり穴６２ａの内面との間の環状の第２の流路ＦＲ２を流れる（矢印ＤＲ６参照）。水ＦＬ１は、連結通路６３３２を経て流出口６３２から外部へ排出冷媒である排出水ＦＬ２として排出される。

【0048】

図６に示すように、変換素子７１が進入位置にあるとき、レーザビームＬｓの光束Ｌｓ１は変換素子７１を通過する。このとき、変換素子７１は、レーザビームＬｓの一部を熱エネルギとして吸収して昇温する。変換素子７１の温度上昇に伴い、その熱は変換素子７１を保持しているホルダ６１に熱伝導で放射状に移動し(矢印ｔｍ１１参照)、ホルダ６１の温度も上昇する。ホルダ６１に移動した熱は、ホルダ６１に連結されているシャフト６２に熱伝達で移動する（矢印ｔｍ１２参照）。

【0049】

シャフト６２の内部には止まり穴６２ａが形成され、止まり穴６２ａの内部に水ＦＬ１が流れている。そのため、シャフト６２の熱は、止まり穴６２ａの内面から水ＦＬ１に熱伝達で移動する（矢印ｔｍ１３参照）。これにより水ＦＬ１の温度は上昇しシャフト６２の温度上昇は抑制される。

【0050】

ホルダ６１及びシャフト６２の温度上昇は、レーザビームＬｓが変換素子７１を通過することで生じる以外に、次の事象でも生じる。例えば、レーザ加工ヘッド２における変換素子７１よりも下流側の内面での拡散反射による迷光ｔｍ２（図７参照）がホルダ６１及びシャフト６２に当たることで温度が上昇することがある。また、変換素子７１の入射面７１ａと、その入射面７１ａに対向するアパーチャ５２との間で繰り返し反射した迷光ｔｍ３（図７参照）がホルダ６１及びシャフト６２に当たることで温度が上昇することがある。

【0051】

迷光ｔｍ２及び迷光ｔｍ３によって温度上昇したホルダ６１及びシャフト６２の熱は第２の流路ＦＲ２を流れる水ＦＬ１に伝達する。そのため、水ＦＬ１の温度が上昇してホルダ６１及びシャフト６２の温度上昇は抑制される。ただし、これらの事象で昇温部材ＳＢに供給される熱量は比較的小さく、昇温部材ＳＢの温度上昇の主要因は、変換素子７１におけるレーザビームＬｓの通過による。従って、レーザビームＬｓのワークＷへの通常の照射状態で、昇温部材ＳＢの温度上昇は、変換素子７１が最も大きく、次いでホルダ６１、シャフト６２の順となる。

【0052】

このように、冷却部ＲＫを有するレーザ加工ヘッド２は、昇温部材ＳＢの温度上昇が良好に抑制される。

【0053】

図８は、温度の時間変化を示すグラフであり、図８（ａ）は実施例のプロファイル変換装置５を用いた場合の温度変化を、図８（ｂ）は比較例における温度変化を示している。すなわち、図８（ａ）は、冷却部ＲＫを有するプロファイル変換装置５において、変換素子７１を進入位置とし、レーザ発振器１からレーザビームＬｓを出力してからのホルダ６１及び外気の温度上昇の時間変化を示したグラフである。図８（ｂ）は、冷却部ＲＫを有していないこと以外同じ構成のプロファイル変換装置において、変換素子７１を進入位置とし、レーザ発振器１からレーザビームＬｓを出力してからのホルダ６１及び外気の温度上昇の時間変化を示したグラフである。各グラフにおいて経過時間は２０分までである。

【0054】

図８（ａ）に示すように、冷却部ＲＫを備えている場合、経過時間０分で約２３℃の外気及びホルダ６１は、ホルダ６１が経過時間１０分頃まで昇温し、経過時間１０分以降は、飽和温度約３３℃で維持されている。図８（ｂ）に示すように、冷却部ＲＫを備えていない場合、経過時間０分で２３℃の外気及びホルダ６１は、ホルダ６１が時間経過に伴い昇温し、経過時間２０分で約４５℃に達するも飽和に至らず上昇が継続している。

【0055】

図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すれば明らかなように、冷却部ＲＫを備えることで、変換素子７１及びホルダ６１などの昇温部材ＳＢの温度上昇は良好に抑制される。これにより、レーザ加工ヘッド２は変換素子７１の熱レンズ効果がわずかとなり、レーザビームＬｓの焦点位置の変動などは実用上支障のない程度に抑制でき、不具合は生じない。また、ホルダ６１及びシャフト６２の熱膨張もわずかとなり、変換素子７１の光軸中心のずれは、実用上支障のない程度に抑制でき、不具合は生じない。そのため、冷却部ＲＫを備えるレーザ加工ヘッド２及びレーザ加工装置９１は、レーザビームＬｓのビームプロファイルを変換可能でありながら加工の不具合が生じにくい。

【0056】

冷却部ＲＫは、流入口６３１から流入する昇温部材ＳＢからの熱が伝達される前の低い温度の水ＦＬ１を、パイプ６２１の第１の流路ＦＲ１を通して、最も温度上昇の大きい変換素子７１に近いシャフト６２の先端近傍で止まり穴６２ａ内に流入させるようになっている。従って、水ＦＬ１と最初に接触する昇温部材ＳＢであるシャフト６２との温度差は大きい。そのため、シャフト６２から水ＦＬ１へ伝達する熱量は多く、高効率で昇温部材ＳＢの温度上昇を抑制できる。

【0057】

水ＦＬ１の流れる向きは逆であってもよい。すなわち、水ＦＬ１を、流出口６３２から第２の流路ＦＲ２に注入して第２の流路ＦＲ２をホルダ６１に向け流動させる。第２の流路ＦＲ２を流れた水ＦＬ１は、接続流路ＦＲ３を通ってパイプ６２１の内部空間である第１の流路ＦＲ１をシャフト６２の根元側に向け流れ、流入口６３１から排出する。この流動方向の場合、水ＦＬ１は、第２の流路ＦＲ２をホルダ６１に向け流れるに従って、シャフト６２から熱が移動して昇温し、ホルダ６１近傍に達したときには、温度は注入時点よりも上昇している。そのため、ホルダ６１よりもシャフト６２の熱をより効率よく吸収する場合に有効である。

【0058】

このように、水ＦＬ１の流動方向に応じて熱伝導の態様が変わるので、流動方向を適宜反転させることにより、昇温部材ＳＢの冷却態様の偏りを是正することができる。

【0059】

上述のように、パイプ６２１の内径及び外径と、止まり穴６２ａの内径とを軸線ＣＬ２に直交する断面において、第１の流路ＦＲ１の断面積と第２の流路ＦＲ２の断面積とを概ね一致させるとよい。これにより、第１の流路ＦＲ１と第２の流路ＦＲ２とを流れる水ＦＬ１の流量及び流速を概ね一定にでき淀みが生じにくくなる。そのため、シャフト６２から水ＦＬ１への熱伝達が高効率で行われ、昇温部材ＳＢの温度上昇をより良好に抑制できる。

【0060】

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。

【0061】

（変形例１）
図９に示すように、変換素子移動部６は、冷却部ＲＫの替わりに冷却部ＲＫＡを備える変形例１の変換素子移動部６Ａであってもよい。図９は、冷却部ＲＫの変形例１である冷却部ＲＫＡを示す図であり、図９（ａ）は部分断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＳ９ｂ－Ｓ９ｂ位置での断面図である。

【0062】

変換素子移動部６Ａはシャフト６２の替わりとなるシャフト６２Ａを有し、シャフト６２Ａは、止まり穴６２Ａａ及び仕切り壁６Ａ１を有する。仕切り壁６Ａ１は、止まり穴６２Ａａ内の底部近傍を除く空間を二分するように直径方向に配置された薄板状部材である。止まり穴６２Ａａの内部空間は、仕切り壁６Ａ１によって第１の流路ＦＲ１と第２の流路ＦＲ２とに分割され、仕切り壁６Ａ１が達していない底部近傍の空間は、第１の流路ＦＲ１と第２の流路ＦＲ２とを接続する接続流路ＦＲ３となる。

【0063】

この構成において、第１の流路ＦＲ１に常温の水ＦＬ１を注入すると、水ＦＬ１は接続流路ＦＲ３で方向転換し、第２の流路ＦＲ２を通って排出水ＦＬ２として流出口６３２（図９では不図示）から外部に流出する。これにより、水ＦＬ１は、第１の流路ＦＲ１、接続流路ＦＲ３、及び第２の流路ＦＲ２を流れる間に、止まり穴６２Ａａの内面から熱が伝達して昇温し、替わりに昇温部材ＳＢである変換素子７１、ホルダ６１、及びシャフト６２Ａは温度上昇が抑制される。

【0064】

変形例１の冷却部ＲＫＡは、シャフト６２Ａが比較的細く、止まり穴６２Ａａの内部にパイプを挿入できない場合にも、容易に第１の流路ＦＲ１、第２の流路ＦＲ２、及び接続流路ＦＲ３を形成できる。

【0065】

（変形例２）
図１０に示すように、変換素子移動部６は、冷却部ＲＫの替わりに冷却部ＲＫＢを備える変形例２の変換素子移動部６Ｂであってもよい。図１０は、冷却部ＲＫの変形例２である冷却部ＲＫＢを示す図であり、図１０（ａ）は部分断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＳ１０ｂ－Ｓ１０ｂ位置での断面図である。

【0066】

変換素子移動部６Ｂは、ホルダ６１及びシャフト６２それぞれの替わりとなるホルダ６１Ｂ及びシャフト６２Ｂと、パイプ状の管路６Ｂ２とを有する。シャフト６２Ｂは止まり穴ではない貫通孔６２Ｂａを有する。管路６Ｂ２は、貫通孔６２Ｂａ内を通り、ホルダ６１Ｂの変換素子７１を径方向外側で円弧状に囲み、再び貫通孔６２Ｂａ内を通るように配設されている。ホルダ６１Ｂ内に通された管路６Ｂ２は、押さえカバー６Ｂ１によって所定位置に押さえられて収容される。

【0067】

この構成において、貫通孔６２Ｂａ内の一方の管路６Ｂ２に常温の水ＦＬ１を注入する。水ＦＬ１は、管路６Ｂ２内をホルダ６１Ｂに向け流れ（破線矢印ＤＲ７参照）、ホルダ６１Ｂにおける変換素子７１の径方向外側を円弧状に流れ（破線矢印ＤＲ８参照）、再び貫通孔６２Ｂａ内を逆方向に流れ（破線矢印ＤＲ９参照）、排出水ＦＬ２として流出口６３２（図１０では不図示）から外部に流出する。この構成において、水ＦＬ１は、シャフト６２Ｂのみならず、ホルダ６１Ｂからも熱が伝達して昇温する。これにより、昇温部材ＳＢである変換素子７１、ホルダ６１Ｂ、及びシャフト６２Ｂの温度上昇が抑制される。

【0068】

変形例２の冷却部ＲＫＢは、水ＦＬ１に対し、温度上昇量が大きい変換素子７１の近傍で熱が伝達されるので、昇温部材ＳＢの温度上昇をより良好に抑制できる。

【0069】

（変形例３）
図１１に示すように、変換素子移動部６は、冷却部ＲＫの替わりに冷却部ＲＫＣを備える変形例３の変換素子移動部６Ｃであってもよい。図１１は、冷却部ＲＫの変形例３である冷却部ＲＫＣを示す図であり、図１１（ａ）は部分断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＳ１１ｂ－Ｓ１１ｂ位置での断面図である。

【0070】

変換素子移動部６Ｃは、シャフト６２の替わりとなるシャフト６２Ｃを有する。シャフト６２Ｃは、半円柱状の半シャフト部６２Ｃ１及び半シャフト部６２Ｃ２が合わされて円柱状に形成されている。半シャフト部６２Ｃ１及び６２Ｃ２は、図１１（ａ）または図１１（ｂ）に示すように、それぞれ横断面が半円形状で長手方向にＵ字状となるよう抉られた凹部６Ｃ１及び６Ｃ２を有する。半シャフト部６２Ｃ１と半シャフト部６２Ｃ２とが組み合わされたシャフト６２Ｃには、凹部６Ｃ１と凹部６Ｃ２とが対向しホルダ６１側で折り返す、横断面形状が円形かつ長手方向にＵ字状である流路ＦＲＣが形成される。

【0071】

この構成において、流路ＦＲＣに常温の水ＦＬ１を注入すると、水ＦＬ１はホルダ６１の近くで折り返し、排出水ＦＬ２として流出口６３２（図１１では不図示）から外部に流出する。これにより、水ＦＬ１は、流路ＦＲＣを流れる間に、流路ＦＲＣの内面である凹部６Ｃ１及び凹部６Ｃ２の内面から熱が伝達して昇温し、替わりに昇温部材ＳＢである変換素子７１、ホルダ６１、及びシャフト６２Ｃの温度上昇が抑制される。

【0072】

変形例３の変換素子移動部６Ｃは、冷却部ＲＫＣをパイプ状部材を用いることなく形成でき、比較的安価となる。

【0073】

（変形例４）
図１２に示すように、変換素子移動部６は、冷却部ＲＫの替わりに冷却部ＲＫＤを備える変形例４の変換素子移動部６Ｄであってもよい。図１２は、冷却部ＲＫの変形例４である冷却部ＲＫＤを示す図であって、図１２（ａ）は部分断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＳ１２ｂ－Ｓ１２ｂ位置での断面図である。図１３は、図１２（ａ）におけるＳ１３－Ｓ１３位置での断面図である。

【0074】

変換素子移動部６Ｄは、ホルダ６１及びシャフト６２それぞれの替わりとなるホルダ６１Ｄ、押さえプレート６１Ｄ１、及びシャフト６２Ｄを有する。ホルダ６１Ｄは、変換素子７１を収容する円形の凹部である収容部６１Ｄａを有する。押さえプレート６１Ｄ１は、変換素子７１の周縁部を除く範囲を露出する円形の開口部６１Ｄｂを有する薄板である。押さえプレート６１Ｄ１は、ホルダ６１Ｄよりも熱伝導率の高い金属の薄板で形成される。例えば、ホルダ６１Ｄをアルミニウムで形成し、押さえプレート６１Ｄ１を銅板から形成する。

【0075】

図１２及び図１３に示すように、シャフト６２Ｄの先端から鍔部６２Ｄｄが延出している。押さえプレート６１Ｄ１は、ホルダ６１Ｄに対し、ボルトＮ１によって鍔部６２Ｄｄを共締めして固定される。この構成によって、変換素子移動部６Ｄの昇温した変換素子７１の熱の多くは、押さえプレート６１Ｄ１を経由してシャフト６２Ｄに伝達される。これにより、変換素子７１及びホルダ６１Ｄの温度上昇は、良好に抑制される。

【0076】

一方、シャフト６２Ｄは、ホルダ６１Ｄの側が底となる止まり穴６２Ｄｃと、止まり穴６２Ｄｃの内部に挿入された第１のパイプ６Ｄ２及び第２のパイプ６Ｄ３を有する。第２のパイプ６Ｄ３は、第１のパイプ６Ｄ２よりも長く、第１のパイプ６Ｄ２の孔内に挿通され、先端が第１のパイプ６Ｄ２からホルダ６１Ｄ側に突出している。

【0077】

止まり穴６２Ｄｃは出口側が第１の内径を有する第１の穴部６２Ｄａとされ、奥側が第１の内径よりも小さい（細い）第２の内径を有する第２の穴部６２Ｄｂとされている。第１のパイプ６Ｄ２は、第１の穴部６２Ｄａよりも短い長さで第１の穴部６２Ｄａ内に配置されている。第２のパイプ６Ｄ３は、第１のパイプ６Ｄ２の先端からホルダ６１Ｄ側に延出し、延出した部分は止まり穴６２Ｄｃの底部よりも出口側の位置を先端として第２の穴部６２Ｄｂ内に配置されている。第２のパイプ６Ｄ３は、出口側において第１のパイプ６Ｄ２に連結片６Ｄ４で連結支持されている。

【0078】

この構成において、水ＦＬ１を、第１のパイプ６Ｄ２及び第２のパイプ６Ｄ３の内部にホルダ６１Ｄとは反対側の端部から注入する。第２のパイプ６Ｄ３に注入された水ＦＬ１は、第２のパイプ６Ｄ３内を流れ（矢印ＤＲ１０参照）、止まり穴６２Ｄｃの底部に近い位置で止まり穴６２Ｄｃ内に流出し（矢印ＤＲ１１参照）、流れ方向が反転して戻り流となる。第１のパイプ６Ｄ２に注入された水ＦＬ１は、第１のパイプ６Ｄ２内を流れ、止まり穴６２Ｄｃの第１の穴部６２Ｄａと第２の穴部６２Ｄｂとの境界近くで止まり穴６２Ｄｃ内に流出する（矢印ＤＲ１２参照）。第１のパイプ６Ｄ２及び第２のパイプ６Ｄ３から止まり穴６２Ｄｃ内に流出した水ＦＬ１は、合流した戻り流となり、排出水ＦＬ２として流出口６３２（図１２ｄは不図示）から外部に流出する。

【0079】

冷却部ＲＫＤは、水ＦＬ１を止まり穴６２Ｄｃ内へ供給する流路を、上述のように複数（この例で二つ）とし、水ＦＬ１が各流路から止まり穴６２Ｄｃ内に流出する位置を軸線方向で異なる位置としている。そのため、シャフト６２Ｄから水ＦＬ１へと、熱を、長手方向における偏りを少なくしてできるだけ均一に伝達させることができる。これにより、シャフト６２Ｄ全体が同じ温度減少勾配で良好に冷却されるので、ホルダ６１Ｄ及びホルダ６１Ｄが保持する変換素子７１の温度上昇を良好に抑制することができる。

【0080】

上述の変形例１～４は、それぞれ冷却部ＲＫＡ～ＲＫＤを有することによって、レーザビームＬｓのビームプロファイルを変換素子７１で変換可能でありながら、昇温部材ＳＢの温度上昇を良好に抑制できる。そのため、変換素子７１の昇温による熱レンズ効果はわずかとなり、レーザビームＬｓの焦点位置の変動などは実用上支障のない程度に抑制でき不具合は生じない。また、ホルダ６１Ａ～６１Ｄ及びシャフト６２Ａ～６２Ｄの熱膨張もわずかとなり、変換素子７１の光軸の位置ずれは、実用上支障のない程度に抑制でき、不具合は生じない。

【0081】

上述のように、実施例及び変形例１～４の冷却部ＲＫまたはＲＫＡ～ＲＫＤを備えたレーザ加工ヘッド２及びレーザ加工装置９１は、レーザビームＬｓのビームプロファイルを変更可能でありながら加工の不具合が生じにくい。

【0082】

上述において、冷媒ＦＬ１を水とした例を説明したが、冷媒ＦＬ１は水に限定されるものではない。また、冷媒ＦＬ１は流体でなく気体であってもよい。冷媒ＦＬ１に水を用いると、安価に適用でき扱いが容易である。上述の実施例及び変形例１～４は、可能な範囲で自由に組み合わせてよい。

【符号の説明】

【0083】

１ レーザ発振器
２ レーザ加工ヘッド
３ ＮＣ装置
４ ヘッド駆動部
５ プロファイル変換装置
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ 変換素子移動部
７ 光学素子群
８ 冷媒供給装置
６１，６１Ｂ，６１Ｄ ホルダ
６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ シャフト
６２ａ，６２Ａａ，６２Ｄｃ 止まり穴
６４ アクチュエータ
７１ ビームプロファイル変換素子（変換素子）
９１ レーザ加工装置
２１５ ノズル
６２１ パイプ
ＦＬ１ 冷媒（水）
ＦＬ２ 排出水
ＦＲ１ 第１の流路
ＦＲ２ 第２の流路
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】