特許 7561676 レーザ加工装置、溶接方法、給湯器の製造方法、圧縮機の製造方法、及びレーザ加工方法

(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】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】レーザ加工装置、溶接方法、給湯器の製造方法、圧縮機の製造方法、及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20240927BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240927BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 P

B23K26/00 M

B23K26/064 K

B23K26/064 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021069625

(22)【出願日】2021-04-16

(65)【公開番号】P2022164248

(43)【公開日】2022-10-27

【審査請求日】2024-01-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】神谷 宏文

(72)【発明者】

【氏名】石井 智洋

(72)【発明者】

【氏名】物種 武士

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特許第６５９２５４７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１９／１８０９６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０２８４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９８３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１０１２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１０１２９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器から出射されるレーザ光を伝送する伝送ケーブルと、
前記伝送ケーブルが接続される接続口と前記レーザ発振器から出射される前記レーザ光を被加工物へ向けて照射するための射出口とが形成されている光学ヘッドとを備え、
前記光学ヘッドは、
前記伝送ケーブルから出射されたレーザ光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズによって得られた前記コリメート光を断面の形状が円環であるレーザ光に変換するアキシコンレンズと、
前記アキシコンレンズによって断面の形状が円環に変換されたレーザ光を断面の形状を維持したまま平行光に変換する光学レンズと、
前記伝送ケーブルから出射されたレーザ光が前記コリメートレンズ、前記アキシコンレンズ及び前記光学レンズを通る光路と、
前記コリメートレンズと前記アキシコンレンズとの間に位置し、前記コリメートレンズによって得られた前記コリメート光の光軸の位置を前記光軸に直交する平面において調整する機能と前記アキシコンレンズの中心軸の位置を前記中心軸に直交する平面において調整する機能とを有するスライド機構とを有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記光学ヘッドは、前記アキシコンレンズ、前記光学レンズ及び前記射出口の位置の関係を保持したまま、前記コリメートレンズによってコリメート光に変換されたレーザ光の光軸を任意の角度に変更する機能を有する回転機構を更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

演算回路を更に備え、
前記光学ヘッドは、
前記アキシコンレンズによって断面の形状が円環に変換されたレーザ光の一部を分岐させる分光レンズと、
前記分光レンズによって分岐されたレーザ光を受光するフォトセンサとを更に有し、
前記演算回路は、前記フォトセンサの出力信号をもとに前記被加工物に照射されるレーザ光のエネルギ密度を推定する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

円筒又は開口円の開口部が形成された部材の前記開口部に前記開口部の内径よりも小さな外径を持つ円筒部材を挿入する工程と、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置によってレーザを照射する工程とを
含むことを特徴とする溶接方法。

【請求項5】

円筒部材の開口部に椀状の部材を嵌め合わせる工程と、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置によってレーザを照射する工程とを
含むことを特徴とする溶接方法。

【請求項6】

貯湯タンクと、配管と前記貯湯タンクとを接続するための配管接手部品とを準備する工程と、
請求項４に記載の溶接方法により前記配管接手部品を前記貯湯タンクに接合する工程とを
含むことを特徴とする給湯器の製造方法。

【請求項7】

形状が円筒形状である圧力容器の側面部材と、前記側面部材の両端の開口部を覆うための形状が椀形状である上下部材とを準備する工程と、
請求項５に記載の溶接方法により前記側面部材と前記上下部材とを接合する工程とを
含むことを特徴とする圧縮機の製造方法。

【請求項8】

請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ加工装置、溶接方法、給湯器の製造方法、圧縮機の製造方法、及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば溶接、切断、又は穴あけという加工に用いられる従来のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ光を伝送するケーブルと、光学ヘッドとを有する。一般的に、レーザ発振器から射出されて光学ヘッドを介して被加工物へ照射されるレーザ光は、シングルモード又はマルチモードといったエネルギ密度の分布の違いがあるものの、マクロ的には点状の光である。レーザ加工装置を用いて加工を行う場合、光学ヘッドを固定して被加工物を動かす方法、被加工物を固定して光学ヘッドを走査する方法、光学ヘッドにガルバノスキャナを搭載してレーザ光を走査する方法、及び、光学ヘッドの走査とガルバノスキャナによるレーザ光の走査とを併用する方法が考えられる。

【0003】

特許文献１は、ガルバノスキャナが搭載された光学ヘッドを多軸ロボットの先端に固定し、多軸ロボット及びガルバノスキャナを用いてレーザ光を走査する方法を開示している。

【0004】

レーザ発振器の一つであって、レーザ光の高出力化を見込むことができるファイバレーザ装置は、複数の励起レーザダイオードを有し、各励起レーザダイオードで生成された励起光を集めて増幅してレーザ光として射出する。ファイバレーザ装置は複数の励起光を集約するため、ファイバレーザ装置から射出されるレーザ光はマルチモードのレーザ光であり、ファイバレーザ装置から射出されるレーザ光のエネルギ密度の分布はミクロ的には不均一である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第６４３４５５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のレーザ加工装置は、円環状の軌跡を加工する場合、軌跡に沿ってレーザ光を走査する必要がある。そのため、従来のレーザ加工装置には、軌跡に沿ってレーザ光を走査するために時間を要するという問題がある。加えて、ガルバノスキャナ又は多軸ロボットのようなレーザ光を走査するための駆動部品を要するという問題もある。さらに、マルチモードのレーザ光はエネルギ密度の分布が不均一であるという問題もある。

【0007】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、断面の形状が円環であるレーザ光を生成し、被加工物の円環状の軌跡の全域を同時に一括して加工し、かつ、レーザ発振器から射出されるレーザ光のエネルギ密度の分布が不均一であっても、被加工物の円環状の加工対象範囲の全域に渡ってエネルギ密度の不均一化が抑制されたレーザ光を照射するレーザ加工装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を伝送する伝送ケーブルと、伝送ケーブルが接続される接続口とレーザ発振器から出射されるレーザ光を被加工物へ向けて照射するための射出口とが形成されている光学ヘッドとを有する。光学ヘッドは、伝送ケーブルから出射されたレーザ光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、コリメートレンズによって得られたコリメート光を断面の形状が円環であるレーザ光に変換するアキシコンレンズと、アキシコンレンズによって断面の形状が円環に変換されたレーザ光を断面の形状を維持したまま平行光に変換する光学レンズと、伝送ケーブルから出射されたレーザ光がコリメートレンズ、アキシコンレンズ及び光学レンズを通る光路と、コリメートレンズとアキシコンレンズとの間に位置し、コリメートレンズによって得られたコリメート光の光軸の位置を光軸に直交する平面において調整する機能とアキシコンレンズの中心軸の位置を中心軸に直交する平面において調整する機能とを有するスライド機構とを有する。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係るレーザ加工装置は、断面の形状が円環であるレーザ光を生成し、被加工物の円環状の軌跡の全域を同時に一括して加工し、かつ、レーザ発振器から射出されるレーザ光のエネルギ密度の分布が不均一であっても、被加工物の円環状の加工対象範囲の全域に渡ってエネルギ密度の不均一化が抑制されたレーザ光を照射することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図

【図2】実施の形態１に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドの構成を示す概略図

【図3】実施の形態１に係るレーザ加工装置の光学ヘッドが有するスライド機構の外観を示す三面図

【図4】実施の形態１に係るレーザ加工装置の光学ヘッドが多軸ロボットに固定された様子を示す図

【図5】実施の形態１に係るヘリ継手を示す図

【図6】実施の形態１に係る溶接形状を示す図

【図7】実施の形態２に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドの構成の断面を示す概略図

【図8】実施の形態２に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドを射出口から見た場合の平面図

【図9】実施の形態３に係るレーザ加工装置の一部の構成を示す概略図

【図10】実施の形態４における第１の継手を示す図

【図11】実施の形態４における第２の継手を示す図

【図12】実施の形態４における第３の継手を示す図

【図13】実施の形態４における第４の継手を示す図

【図14】実施の形態４における第５の継手を示す図

【図15】実施の形態４における第６の継手を示す図

【図16】実施の形態４における第７の継手を示す図

【図17】実施の形態４における第８の継手を示す図

【図18】圧力容器の外観の例を示す図

【図19】実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する演算回路がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図

【図20】実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する演算回路が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、実施の形態に係るレーザ加工装置、溶接方法、給湯器の製造方法、圧縮機の製造方法、及びレーザ加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。

【0012】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１の構成を示す概略図である。レーザ加工装置１は、レーザ加工に用いられる装置であって、レーザ光３を生成して出射するレーザ発振器２と、レーザ発振器２から出射されるレーザ光３を伝送する伝送ケーブル４と、光学ヘッド５と、光学ヘッド５を保持する固定治具６とを有する。図１には、レーザ光３及び被加工物９も示されている。

【0013】

図２は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１が有する光学ヘッド５の構成を示す概略図である。光学ヘッド５には、伝送ケーブル４が接続される接続口７と、レーザ発振器２から出射されるレーザ光３を被加工物９へ向けて照射するための射出口８とが形成されている。図２には、レーザ光３及び伝送ケーブル４も示されている。

【0014】

光学ヘッド５は、光学ヘッド５の構成部品を保持すると共に固定する筐体１０と、伝送ケーブル４から射出されたレーザ光３を任意の外径に拡張し、外径が拡張されたレーザ光３を平行状態に調整されたコリメート光１１に変換するコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２によって得られたコリメート光１１を断面の形状が円環であるレーザ光３に変換するアキシコンレンズ１３とを有する。図２には、コリメート光１１も示されている。

【0015】

光学ヘッド５は、アキシコンレンズ１３によって断面の形状が円環に変換されたレーザ光３を断面の形状を維持したまま平行光に変換する光学レンズ１４と、コリメートレンズ１２とアキシコンレンズ１３との間に位置するスライド機構４８とを更に有する。スライド機構４８は、コリメートレンズ１２によって得られたコリメート光１１の光軸の位置を当該光軸に直交する平面において調整する機能と、アキシコンレンズ１３の中心軸の位置を当該中心軸に直交する平面において調整する機能とを有する。スライド機構４８は、円環状のレーザ光３のエネルギ密度を均一にする機能を有する。光学ヘッド５は、伝送ケーブル４から出射されたレーザ光３がコリメートレンズ１２、アキシコンレンズ１３、光学レンズ１４及びスライド機構４８を通って被加工物９へ照射される光路１５を更に有する。

【0016】

実施の形態１では、コリメートレンズ１２は、１枚の平凹レンズ１６と、１枚の平凸レンズ１７とで構成されている。例えば光学ヘッド５の筐体１０において、伝送ケーブル４の接続口７の側の筐体１０の内側に設けられた平凹レンズ１６の中心軸の方向と直交する端面を基準面として、平凹レンズ１６の凹側を当該基準面に押し当て、レーザ光３の光路１５になる光学ヘッド５の内側の側面にねじ山を設け、円筒の外側の側面にねじ山を設けたねじリング１８を平凹レンズ１６の中心軸と直交する平面側から、光学ヘッド５の内側の側面に回し入れ、平凹レンズ１６の平面側へねじリング１８を押し当てることで、平凹レンズ１６の光軸の方向の位置を固定することができる。

【0017】

平凹レンズ１６の外径の寸法が任意の精度内に収まるよう成形し、かつ、光学ヘッド５の内側の側面を、平凹レンズ１６の外径の寸法の成形と同様に、任意の外径の寸法に収まるよう加工することで、光学ヘッド５の筐体１０の内側の側面と、平凹レンズ１６の外径の側面とで嵌め合いの関係を構築し、機械的に規制することによって、平凹レンズ１６の側面の位置決めが行われている。

【0018】

平凹レンズ１６を固定しているねじリング１８をあらかじめ決められた高さの寸法及び公差で加工し、平凸レンズ１７を光学ヘッド５の内側に配置し、平凹レンズ１６の平面側をねじリング１８に押し当て、さらに平凸レンズ１７の凸面側から別のねじリング１８を光学ヘッド５の内側に回し入れ、凸面に対して当該ねじリング１８を押し当てることで平凸レンズ１７の光軸の方向の位置を固定することができる。

【0019】

平凹レンズ１６の外径の側面を位置決めする方法と同様に、光学ヘッド５の内側の側面と、平凸レンズ１７の外径の側面とで嵌め合いの関係を構築することによって、平凸レンズ１７の外径の側面の位置決めは機械的に規制されている。平凸レンズ１７の光軸の方向の位置決めは、光学ヘッド５の内側の側面に平凸レンズ１７の平面側の当てとなる凸部を設けることによって行われてもよい。この場合、平凸レンズ１７を光学ヘッド５に配置することができるように、光学ヘッド５は、例えば平凸レンズ１７の基準面又は凸部を分割する構造を有していてもよい。

【0020】

コリメートレンズ１２は、２枚の平凸レンズ１７を用い、２枚の平凸レンズ１７の各々の平面側を向かい合わせて２枚の平凸レンズ１７を配置することによって構成されてもよい。さらに言えば、コリメートレンズ１２は、伝送ケーブル４から射出されたレーザ光３を、任意の外径に拡張し、平行状態に調整することが目的であり、この目的を達することができれば、コリメートレンズ１２の製造方法は、上述の二つの例の限りではない。

【0021】

アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４の位置決め及び固定方法については、上述のコリメートレンズ１２の位置決め及び固定方法を利用すればよい。図２では、アキシコンレンズ１３によって断面が円環に変換されたレーザ光３を平行光に変換する光学レンズ１４は１個の凸レンズであるが、光学レンズ１４は、被加工物９への照射距離に依存して、焦点距離が異なる複数個の光学レンズで構成されてもよい。

【0022】

コリメートレンズ１２、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４の各々は、例えば合成石英ガラスによって形成される。光学ヘッド５の筐体１０及びねじリング１８の各々は、例えば表面処理及び熱処理が施されたアルミ材、鉄材又はステンレス材によって形成される。筐体１０には、レーザ光３による蓄熱を除去する目的で、筐体１０を水冷するための流路、又は放熱用のフィンが設けられてもよい。

【0023】

図２に示されている通り、平行光に変換された円環状のレーザ光３を光学ヘッド５の筐体１０の内部から被加工物９へ照射させる際、光学レンズ１４を保護することと、異物が光学ヘッド５の内部に流入することを防止することとを目的に、筐体１０の射出口８に保護レンズ１９が設けられている。保護レンズ１９は、設けられなくてもよい。図示されていないが、スライド機構４８とコリメートレンズ１２との間と、スライド機構４８とアキシコンレンズ１３との間とに、レンズを保護することと、異物が光学ヘッド５の内部に流入することを防止することとを目的に、保護レンズが設けられてもよい。

【0024】

コリメートレンズ１２とアキシコンレンズ１３との間の光路１５には、スライド機構４８が配置されている。スライド機構４８は、コリメートレンズ１２及びアキシコンレンズ１３の各々の中心軸に直交する仮想平面において、仮想平面の内部で直交する２軸の各方向に移動可能である。当該２軸は、Ｘ軸及びＹ軸である。

【0025】

図３は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１の光学ヘッド５が有するスライド機構４８の外観を示す三面図である。スライド機構４８は、主に４枚の平板から構成されている。いずれの平板にも、レーザ光３の光軸と同じ方向に中心軸を持つ円形の開口が形成されている。説明の都合上、便宜的に４枚の平板はＹ軸上板２０、Ｙ軸下板２１、Ｘ軸上板２２及びＸ軸下板２３である。図３には、Ｘ軸及びＹ軸も示されている。図３に示したＸ軸及びＹ軸は図３右上の平面図に対応している。

【0026】

Ｙ軸下板２１及びＸ軸下板２３には、各軸の方向に延びるレール２４が設けられており、Ｙ軸上板２０及びＸ軸上板２２には、レール２４と嵌め合いの関係となる溝が設けられている。レール２４と溝とが嵌り合うことで、Ｙ軸上板２０及びＹ軸下板２１がＹ軸の方向に移動可能となり、Ｘ軸上板２２及びＸ軸下板２３がＸ軸の方向に移動可能となる。

【0027】

Ｙ軸下板２１及びＸ軸上板２２は、複数のボルトで固定されている。Ｙ軸下板２１及びＸ軸下板２３の側面には、ボルトを保持するためのリブ板２５が固定されている。リブ板２５は、Ｘ軸下板２３及びＹ軸下板２１と接しているリブ板２５のベース面に座繰りを設け、リブ板２５がＸ軸下板２３及びＹ軸下板２１にねじで止められることによって固定されている。リブ板２５には、ボルトのねじ径に対応するねじ穴が加工されており、ねじ穴にボルトを回し入れることで、一つのボルトの軸の方向がＸ軸の方向に向き、別の一つのボルトの方向がＹ軸の方向に向く。

【0028】

Ｘ軸上板２２及びＹ軸上板２０の側面には、当て板５０がねじで固定されている。当て板５０には、ボルトのねじ径よりも大きな貫通孔が設けられており、リブ板２５によって保持されたＸ軸の方向及びＹ軸の方向のボルトのねじ端部が当て板５０の貫通孔を通っている。さらに、上述のボルトに溝を加工して、当て板５０を挟むように止め輪２６がボルトに取り付けられている。

【0029】

このような構成により、Ｘ軸の方向及びＹ軸の方向の各々で、上板と、上板に取り付けられた当て板５０と、ボルトとの相対位置が固定されるため、例えばＸ軸の方向に配置されたボルトを回すことで、Ｘ軸上板２２、Ｙ軸下板２１及びＹ軸上板２０がＸ軸下板２３に対して、Ｘ軸の方向に相対的に移動することができる。同様に、Ｙ軸の方向に配置されたボルトを回すことで、Ｙ軸下板２１、Ｘ軸上板２２及びＸ軸下板２３が、Ｙ軸上板２０に対して、Ｙ軸の方向に相対的に移動することができる。

【0030】

スライド機構４８を構成する４枚の平板の各々には円形の開口２７が形成されている。開口２７の直径は、コリメートレンズ１２によって平行光に変換されたレーザ光３がスライド機構４８を構成する４枚の平板の各々に接触しないほど十分に大きい。スライド機構４８を境に、筐体１０の接続口７が位置する側を筐体上２８とし、筐体１０の射出口８が位置する側を筐体下２９とする場合、筐体上２８は、スライド機構４８のＹ軸上板２０にねじで固定されている。筐体下２９は、スライド機構４８のＸ軸下板２３にねじで固定されている。

【0031】

光学ヘッド５を保持する固定治具６は、リニアガイドレールと、ボールねじと、ピニオンギヤと、ハンドルと、光学ヘッド５を含む構成部品を保持するベース材とを有する。被加工物９の表面に対するレーザ光３の集光位置は、被加工物９の表面から光学ヘッド５までの距離に対応して変化する。そこで、任意の加工条件に対応して被加工物９に対するレーザ光３の集光位置を変更することができるよう、固定治具６は、被加工物９の表面に対する光学ヘッド５の距離を変えることができる機能を有する。反対に、光学ヘッド５と被加工物９との距離が固定されるよう、固定治具６は簡素化されてもよい。

【0032】

図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１の光学ヘッド５が多軸ロボット３０に固定された様子を示す図である。例えば、光学ヘッド５は、図４に示される通り、多軸ロボット３０に固定される。光学ヘッド５を多軸ロボット３０に固定し、多軸ロボット３０を制御して動作させることで、レーザ加工装置１は、一つの被加工物９に対して複数個所の加工を行うことができる。複数の被加工物９が固定された場合、レーザ加工装置１は、複数の被加工物９の各々に対して加工を行うことができる。光学ヘッド５を移動することができれば、多軸ロボット以外の駆動方式および機構を用いてもよい。

【0033】

光学ヘッド５を固定治具６で保持し、被加工物９を固定させる固定部品である定盤又は架台に駆動モータを設けると共に、被加工物９を可動して搬送できる仕掛けを設け、被加工物９を動かしてもよい。光学ヘッド５の被加工物９へ照射するレーザ光３の出口の側には、被加工物９を加工する際に発生する火花、金属蒸気又は粉塵が光学レンズ１４を含む光学ヘッド５の構成要素に付着することを回避する目的で、例えば工場エアーといった圧縮空気を用いたエアナイフの吐出部品が設けられてもよい。

【0034】

レーザ加工装置１は、図１に示す構成品の他に、被加工物９を水平に配置して固定することが可能な定盤と、光学ヘッド５を保持する固定治具６の設置面となる架台と、レーザ発振器２を冷却するためのチラーと、作業者の安全を確保するために光学ヘッド５から照射されたレーザ光３を外周から遮蔽する安全柵と、レーザ光３で被加工物９を加工する際に発生する火花、金属蒸気及び粉塵の一部若しくは全部を吸気して排気する排気装置とのうちの一部又は全部を有してもよい。上述の定盤と架台とは、一つの構成部品によって実現されてもよい。

【0035】

実施の形態１に係るレーザ加工装置１により、レーザ発振器２から射出されたレーザ光３は光学ヘッド５を通ることでコリメート光１１になり、レーザ光３の断面の形状はアキシコンレンズ１３によって円環状になり、最後に光学レンズ１４によって形状が円環状でかつ平行なレーザ光３に変換される。そのため、レーザ加工装置１は、被加工物９の円環形状部に対して同時に一括して溶接又は除去といった加工を行うことができる。加えて、スライド機構４８に設けられたボルトが回されることで、レーザ加工装置１は、レーザ光３の光軸に対して直交する仮想平面内で筐体上２８と筐体下２９との相対位置を変えることができる。

【0036】

つまり、レーザ加工装置１は、コリメートレンズ１２と、アキシコンレンズ１３と、円環状に変換されたレーザ光３を平行光に変換する光学レンズ１４との相対位置を、筐体上２８及び筐体下２９と同様に、レーザ光３の光軸に対して直交する仮想平面内で変えることができる。すなわち、レーザ加工装置１は、コリメート光１１がアキシコンレンズ１３に入射する位置を変えることができるため、マルチモードのようなエネルギ密度の分布が不均一なレーザ光３であっても、アキシコンレンズ１３を通過して光学レンズ１４によって平行光に変換された、被加工物９に照射される円環状のレーザ光３について、円環の全周に渡ってエネルギ密度の不均一化を抑制するよう分布を均一に調整することができる。

【0037】

したがって、実施の形態１に係るレーザ加工装置１は、断面の形状が円環であるレーザ光３を生成し、被加工物９の円環状の軌跡の全域を同時に一括して加工し、かつ、レーザ発振器２から射出されるレーザ光３のエネルギ密度の分布が不均一であっても、被加工物９の円環状の加工対象範囲の全域に渡ってエネルギ密度の不均一化が抑制されたレーザ光３を照射することができる。

【0038】

図５は、実施の形態１に係るヘリ継手３３を示す図である。図５に示されている形状のヘリ継手３３を溶接する場合を考える。図５は、円形状の開口部と開口部の周囲に立ち上がりが形成された、いわゆるバーリング加工３１が施された平板と、円筒管３２とで構成されているヘリ継手３３を示している。バーリング加工３１が施された端面と円筒管３２の端面とが面一に配置されて、バーリング加工３１が施された平板と円筒管３２とが固定されている。図６は、実施の形態１に係る溶接形状３４を示す図である。図６には、レーザ光３も示されている。

【0039】

レーザ加工装置１を用いてヘリ継手３３を溶接する際、光学ヘッド５のスライド機構４８がコリメート光１１の位置とアキシコンレンズ１３の位置とを調整しない場合、言い換えると、光学ヘッド５から射出される円環状のレーザ光３の全周に渡ってエネルギ密度の分布が不均一なままヘリ継手３３を溶接しようとする場合、ヘリ継手３３の円周において、ヘリ継手３３の溶融に偏りが生じ、接手を同時に一括して加工することができたとしても、ヘリ継手３３の溶接部の形状は円周に渡って不均一な形状となる。

【0040】

反対に、コリメート光１１の位置とアキシコンレンズ１３の位置とを調整し、光学ヘッド５から射出される円環状のレーザ光３の全周に渡ってエネルギ密度の分布の不均一化を抑制するよう調整して図５のヘリ継手３３を溶接すると、ヘリ継手３３を同時に一括して、かつ、溶融の偏りを抑制して、図６に示されるような円周に渡って形状の偏りが抑制された溶接形状３４を得ることができる。

【0041】

スライド機構４８は、スライド動作を実現するため、ボルトに代わってマイクロメータが取り付けられたものであってもよい。スライド機構４８を構成するＹ軸上板２０及びＸ軸上板２２の内部にばねを設け、当て板５０の穴と止め輪２６とを廃し、ボルト又はマイクロメータが当て板５０から離れる方向に動作する場合、ばねの復元力を用いてボルト又はマイクロメータの端部に対して当て板５０が追随する構造が採用されてもよい。ボルト又はマイクロメータにモータを接続し、ボルト又はマイクロメータを電気的に駆動する手段が用いられてもよい。

【0042】

被加工物９、および、ヘリ継手３３に対しては、溶融部から大気を遮断するためのシールドガスを吹き付けてもよい。シールドガスは例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素、これらの混合ガスなどが考えられる。シールドガスの吹き付け機構は、レーザ発振器２と同期してレーザ光３の照射に応じて任意のタイミングでシールドガスを吹き付ける機構であってもよい。

【0043】

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドの構成の断面を示す概略図である。図７における一点鎖線は、実施の形態２の光学ヘッドの中心線である。図７には、射出口８も示されている。図８は、実施の形態２に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドを射出口８から見た場合の平面図である。実施の形態２に係るレーザ加工装置は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１の光学ヘッド５が実施の形態２の光学ヘッドに置き換えられた装置である。実施の形態２の光学ヘッドは、アキシコンレンズ１３と光学レンズ１４との位置関係を保持しつつ、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４をコリメート光１１の軸に対して傾斜させることができる。

【0044】

実施の形態２の光学ヘッドは、図２の筐体下２９の範囲の構造を変更し、筐体下２９のうち、レーザ光３を被加工物９へ射出する射出口８の近傍を押し引きして、筐体下２９の範囲をアキシコンレンズ１３と光学レンズ１４との位置関係を保持しつつ、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４をコリメート光１１の軸に対して傾斜させることができる構造を有する。

【0045】

実施の形態２の光学ヘッドの構造を説明する。図７に示されるように、実施の形態２の光学ヘッドは、レンズ鏡筒３５、アタッチメント３６、ロッド３７、第１ホルダ３８、第２ホルダ３９、段付きボルト４０、ワッシャ４１、ばね４２、パッキン４３、フランジ４４、ボルト、押しねじ４５、保護レンズ１９及びねじリング１８を有する。

【0046】

レンズ鏡筒３５の形状は円筒形状であって、図示されていないが、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４がレンズ鏡筒３５の内部に固定されている。アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４の固定方法は、例えば図２を用いて説明した方法である。レンズ鏡筒３５は、アタッチメント３６にあらかじめ決められた隙間及び深さで嵌め合わされている。第１ホルダ３８は、ロッド３７を介してアタッチメント３６に固定されている。ロッド３７は、アタッチメント３６の側の端部におねじが加工されている構成要素であって、第１ホルダ３８の側の端部にはめねじが加工されている。第１ホルダ３８は、レンズ鏡筒３５の中心軸と同軸に、レンズ鏡筒３５の外径よりも大きな内径を有する穴が加工されており、レンズ鏡筒３５は第１ホルダ３８の穴を通っている。

【0047】

アタッチメント３６にはめねじが加工されており、ロッド３７のおねじがアタッチメント３６に回し入れられる。第１ホルダ３８の側には穴が加工されており、ボルトとロッド３７のめねじとが第１ホルダ３８を挟み込むように、第１ホルダ３８は固定されている。３本又は４本のロッド３７が、レンズ鏡筒３５の周囲に配置されている。第２ホルダ３９の形状は円筒の形状であって、第２ホルダ３９の外周には座繰り穴が設けられている。座繰り穴は第２ホルダ３９の円周を等分した４か所に設けられている。２枚のワッシャ４１で挟み込まれたばね４２が段付きボルト４０に挿入され、おねじが加工された段付きボルト４０が座繰り穴に挿入され、おねじが第１ホルダ３８のめねじに回し入れられる。

【0048】

第２ホルダ３９の円筒の内部には段差が設けられており、段付きボルト４０が締め込まれると、第２ホルダ３９の円筒の内部の段差がレンズ鏡筒３５の端面に接触し、さらに段付きボルト４０が締め込まれると、段付きボルト４０に挿入されたばね４２が圧縮され、ばね４２への圧縮荷重によってアタッチメント３６の嵌め合い部でレンズ鏡筒３５が挟まれて、レンズ鏡筒３５の中心軸の方向でレンズ鏡筒３５が固定される。

【0049】

第１ホルダ３８の外周の側面の四方９０°に等分された箇所にねじ穴が設けられており、ボルトが挿入され、ボルトによって第２ホルダ３９の側面が押し引きされると、段付きボルト４０に取り付けられたワッシャ４１と第２ホルダ３９の座繰り穴との隙間の分だけ第２ホルダ３９が動く。これによって、アタッチメント３６とレンズ鏡筒３５との嵌め合い部を起点にしてレンズ鏡筒３５の光学レンズ１４側が傾斜するため、実施の形態２の光学ヘッドは、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４をコリメート光１１の軸に対して傾斜させることができる。すなわち、実施の形態２の光学ヘッドは、アキシコンレンズ１３、光学レンズ１４及び射出口８の位置の関係を保持したまま、コリメートレンズ１２によってコリメート光１１に変換されたレーザ光３の光軸を任意の角度に変更する機能を有する回転機構を更に有する。

【0050】

実施の形態２の光学ヘッドには、光学レンズ１４を保護する目的で、第２ホルダ３９の円筒の内側にねじ山が設けられており、レンズ鏡筒３５のレーザ光３が射出される側に保護レンズ１９が配置されており、ねじリング１８で保護ガラスが固定されている。さらに、レンズ鏡筒３５と第２ホルダ３９との嵌め合い部にパッキン４３が配置されており、フランジ４４がパッキン４３を固定している。上述の構造により、実施の形態２の光学ヘッドは、例えば粉塵といった異物が光学レンズ１４に付着し、光学レンズ１４が損傷することを防止することができる。アタッチメント３６は、例えば固定用の平板が別途用意されてスライド機構４８にねじで止められる。図７にはスライド機構４８は示されていないが、実施の形態２の光学ヘッドはスライド機構４８を有する。

【0051】

一般的に、伝送ケーブル４は、筐体上２８に対して、機械的な精度で軸合わせされているが、実際は伝送ケーブル４の軸と筐体上２８の軸とについては微小な傾きがある。このため、コリメート光１１がアキシコンレンズ１３の中心軸に対して傾いて入射すると、実施の形態１に係るレーザ加工装置１の構成では、円環状に変換されたレーザ光３のエネルギ密度の偏りを調整することができない場合がある。

【0052】

レーザ光３のエネルギ密度の偏りを解決するため、実施の形態２では、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４をコリメート光１１の光軸に対して傾斜できる構造と、実施の形態１において説明されたスライド機構４８とが組み合わせられている。これにより、実施の形態２に係るレーザ加工装置は、筐体上２８に対する伝送ケーブル４の傾きが存在しても円環状に変換されたレーザ光３のエネルギ密度の不均一化を抑制することができる。

【0053】

アキシコンレンズ１３と光学レンズ１４との位置関係を保持しつつ、アキシコンレンズ１３及び光学レンズ１４をコリメート光１１の光軸に対して傾斜することを可能にするために、筐体下２９のアキシコンレンズ１３の側を起点に筐体下２９の全体を傾斜させることができる構造が採用されてもよい。例えば、スライド機構４８と筐体下２９との間に２個のゴニオステージが配置されて２個のゴニオステージの各々が直交する方向に配置された構造が採用されてもよい。ゴニオステージは、角度調整機構である。

【0054】

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の一部の構成を示す概略図である。実施の形態３に係るレーザ加工装置は、実施の形態１に係るレーザ加工装置１又は実施の形態２に係るレーザ加工装置が有する構成要素を有する。実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する光学ヘッドは、実施の形態１の光学ヘッド５又は実施の形態２の光学ヘッドである。以下では、実施の形態３の光学ヘッドは、「光学ヘッド５Ａ」と記載される。

【0055】

光学ヘッド５Ａは、アキシコンレンズ１３によって断面の形状が円環に変換されたレーザ光の一部を分岐させる分光レンズ４９と、分光レンズ４９によって分岐されたレーザ光を受光するフォトセンサ４６とを更に有する。実施の形態３に係るレーザ加工装置は、フォトセンサ４６の出力信号をもとに被加工物に照射されるレーザ光のエネルギ密度を推定する演算回路４７を更に有する。

【0056】

図９に示される通り、アキシコンレンズ１３によって円環形状に変換されたレーザ光は分光レンズ４９によって分岐され、分岐された一方のレーザ光は光学レンズ１４へ進行し、分岐された他方のレーザ光はフォトセンサ４６に進行する。演算回路４７は、フォトセンサ４６の出力信号を受け取り、被加工物に照射されるレーザ光のエネルギ密度を推定する。演算回路４７によるレーザ光のエネルギ密度の推定結果は、モニタに出力されてもよいし、パーソナルコンピュータに出力されてもよい。

【0057】

円環状のレーザ光のエネルギ密度の分布を確認するためには、一般的には、例えば金属板にレーザ光を照射して溶け込み形状を製作し、金属板の表面の溶け込みの幅を測定すること、又は、円環状の溶け込みの複数の断面を観察し、溶け込みの深さを確認することが必要になる。

【0058】

しかし、実施の形態３に係るレーザ加工装置はフォトセンサ４６及び演算回路４７を介してレーザ光のエネルギ密度を推定することができるため、作業者は、レーザ光による溶け込み状態を確認してから光学ヘッド５Ａを調整し、さらに調整後のレーザ光による溶け込みの状態を確認し、調整が不足していたら光学ヘッド５Ａを再度調整するといった手間を省くことができる。

【0059】

実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いることにより、レーザ加工を行うことができる。

【0060】

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いた溶接方法を説明する。実施の形態１でも図５及び図６を用いて説明した通り、鋼板に穴を開けるとともに、穴の周囲に立ち上がりを設けるバーリング加工３１を行い、当該穴の内径よりも小さな外径を有する円筒管３２又は中実軸部材５１を穴に挿入し、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置によって、鋼板の開口部と、円筒管３２又は中実軸部材５１とにレーザ光３を照射し、２つの部材を接合することができる。

【0061】

上述の溶接方法によれば、被加工物９の接合軌跡に対応してレーザ光３を走査するための多軸ロボット若しくは駆動機構又は被加工物９を動かすための多軸ロボット若しくは駆動機構が不要になるか、１か所の接合部に対して多軸ロボット又は駆動機構を動作させる必要が無くなるため、当該溶接方法に対する設備投資額を安価にすることができる、又は当該溶接方法による加工時間を短くすることができる。

【0062】

接合部材の形状は、鋼板にはバーリング加工３１が施されておらず、単純な開口円の形状でもよい。接合する２つの部材の配置については、バーリング加工３１が施された開口円の立ち上がり又は単純な開口円の端部と、円筒管３２又は中実軸部材５１の端面とを面一に配置してもよいし、任意の段差を設けてもよい。接合する二つの部材の内径及び外径は、接合部の円周に渡って、溶融の偏りを抑制することを補助する目的で、あらかじめ決められた形状に加工されていてもよい。具体的には、図１０から図１６までに示される継手が考えられる。

【0063】

図１０は、実施の形態４における第１の継手を示す図である。図１１は、実施の形態４における第２の継手を示す図である。図１２は、実施の形態４における第３の継手を示す図である。図１３は、実施の形態４における第４の継手を示す図である。図１４は、実施の形態４における第５の継手を示す図である。図１５は、実施の形態４における第６の継手を示す図である。図１６は、実施の形態４における第７の継手を示す図である。図１０から図１４に示されるように、第１から第５までの各継手は、バーリング加工３１が施された部材と円筒管３２とによって形成されている。図１５及び図１６に示されるように、第６及び第７の各継手は、バーリング加工３１が施された部材と中実軸部材５１とによって形成されている。

【0064】

すなわち、実施の形態４に係る第１の溶接方法は、円筒又は開口円の開口部が形成された部材の開口部に開口部の内径よりも小さな外径を持つ円筒部材を挿入する工程と、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置によってレーザを照射する工程とを含む。

【0065】

図１７は、実施の形態４における第８の継手を示す図である。図１７に示されている継手の通り、円筒部材５２に対して椀形状５３の部材を組付けて二つの部材を接合することもできる。すなわち、実施の形態４に係る第２の溶接方法は、円筒部材の開口部に椀状の部材を嵌め合わせる工程と、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置によってレーザを照射する工程とを含む。

【0066】

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態１から３に係るレーザ加工装置を用いて給湯器を製造する方法を説明する。給湯器の貯湯タンクの形状は円筒形状であって、貯湯タンクの上下部は椀形状の薄板で構成されている。貯湯タンクには配管が接続されており、配管を通じて貯湯タンクの内部から湯が取り出され、又は貯湯タンクの内部に湯及び水が供給される。一般的に、貯湯タンクに配管を接続するため、貯湯タンクに配管接続用のニップルが組付けられている。

【0067】

貯湯タンク及びニップルは例えばステンレスといった鋼板で形成されており、例えばニップルは図５（又は図１４）に示されるヘリ継手３３が用いられる。接合軌跡に対応して、貯湯タンク及びニップル、又は接合用の熱源側が、多軸ロボット又は駆動装置によって動作し、貯湯タンクとニップルとが接合される。

【0068】

すなわち、実施の形態５に係る給湯器の製造方法は、貯湯タンクと、配管と貯湯タンクとを接続するための配管接手部品とを準備する工程と、実施の形態４の第１の溶接方法により配管接手部品を貯湯タンクに接合する工程とを含む。

【0069】

実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いることで、貯湯タンクとニップルとを接合するための駆動装置又は駆動動作を削減することができ、給湯器の製造コスト又は、給湯器の製造時間を低減することができる。

【0070】

実施の形態６．
実施の形態６では、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いて圧縮機を製造する方法を説明する。家庭用エアーコンディショナ又は業務用エアーコンディショナに用いられる圧縮機の筐体である圧力容器は、一般的に、上述の給湯器の貯湯タンクと同様に円筒形状の側面部材と、椀形状の上下部材とで構成される。圧力容器は、貯湯タンクよりも厚い板で構成されている。図１８は、圧力容器５４の外観の例を示す図である。圧力容器５４は、図１７に示される継手を用いて、側面部材と上下部材とを実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いて接合することによって形成される。

【0071】

すなわち、実施の形態６に係る給湯器の製造方法は、形状が円筒形状である圧力容器５４の側面部材と、側面部材の両端の開口部を覆うための形状が椀形状である上下部材とを準備する工程と、実施の形態４の第２の溶接方法により側面部材と上下部材とを接合する工程とを含む。

【0072】

実施の形態６に係る圧縮機の製造方法によれば、実施の形態１から３のいずれか一つに係るレーザ加工装置を用いることで、圧力容器５４の製造過程において、実施の形態５の貯湯タンクと同様に、製造設備の駆動装置又は駆動動作を削減することができ、圧力容器５４の製造コスト又は圧力容器５４の製造時間を低減することができる。

【0073】

図１９は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する演算回路４７がプロセッサ９１によって実現される場合のプロセッサ９１を示す図である。つまり、演算回路４７の機能は、メモリ９２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ９１によって実現されてもよい。プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図１９には、メモリ９２も示されている。

【0074】

演算回路４７の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、当該機能は、プロセッサ９１と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、演算回路４７の機能を実現する。

【0075】

演算回路４７の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、実施の形態３に係るレーザ加工装置は、演算回路４７によって実行されるステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を有する。メモリ９２に格納されるプログラムは、演算回路４７をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

【0076】

メモリ９２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等である。

【0077】

図２０は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が有する演算回路４７が処理回路９３によって実現される場合の処理回路９３を示す図である。つまり、演算回路４７は、処理回路９３によって実現されてもよい。処理回路９３は、専用のハードウェアである。処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものである。

【0078】

演算回路４７の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、演算回路４７の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

【0079】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

【符号の説明】

【0080】

１ レーザ加工装置、２ レーザ発振器、３ レーザ光、４ 伝送ケーブル、５，５Ａ 光学ヘッド、６ 固定治具、７ 接続口、８ 射出口、９ 被加工物、１０ 筐体、１１ コリメート光、１２ コリメートレンズ、１３ アキシコンレンズ、１４ 光学レンズ、１５ 光路、１６ 平凹レンズ、１７ 平凸レンズ、１８ ねじリング、１９ 保護レンズ、２０ Ｙ軸上板、２１ Ｙ軸下板、２２ Ｘ軸上板、２３ Ｘ軸下板、２４ レール、２５ リブ板、２６ 止め輪、２７ 開口、２８ 筐体上、２９ 筐体下、３０ 多軸ロボット、３１ バーリング加工、３２ 円筒管、３３ ヘリ継手、３４ 溶接形状、３５ レンズ鏡筒、３６ アタッチメント、３７ ロッド、３８ 第１ホルダ、３９ 第２ホルダ、４０ 段付きボルト、４１ ワッシャ、４２ ばね、４３ パッキン、４４ フランジ、４５ 押しねじ、４６ フォトセンサ、４７ 演算回路、４８ スライド機構、４９ 分光レンズ、５０ 当て板、５１ 中実軸部材、５２ 円筒部材、５３ 椀形状、５４ 圧力容器、９１ プロセッサ、９２ メモリ、９３ 処理回路。

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】