Warning: copy(htaccessbak): failed to open stream: No such file or directory in /home/jtokkyo/public_html/header.php on line 10
レーザ光線加工装置 - 特開2008−6471 | j-tokkyo
トップ :: B 処理操作 運輸 :: B23 工作機械;他に分類されない金属加工

【発明の名称】 レーザ光線加工装置
【発明者】 【氏名】永田 幸明

【氏名】伊東 光一

【要約】 【課題】簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易なレーザ光線加工装置を提供する。

【構成】レーザ光Lを発生するレーザ発振器と、液体供給手段から供給された噴流液体(F)を噴射するノズルと、レーザ光Lを導光して噴射された液体噴流(F)内に導く光ファイバと、を備え、液体噴流(F)内に導かれたレーザ光Lを照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、光ファイバ21の先端部から出射されるレーザ光Lが液体噴流(F)内に導かれるように、光ファイバ21の先端部とノズルNとを近接または係合させて構成したことを特徴とする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を発生するレーザ発振器と、
液体供給手段から供給された噴流液体を噴射するノズルと、
前記レーザ光を導光して前記噴射された液体噴流内に導く光ファイバと、
を備え、
この液体噴流内に導かれた前記レーザ光を照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、
前記光ファイバの先端部から出射される前記レーザ光が前記液体噴流内に導かれるように、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを近接または係合させて構成したこと、
を特徴とするレーザ光線加工装置。
【請求項2】
前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを同軸に保持し近接または係合させるガイド部材をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ光線加工装置。
【請求項3】
前記光ファイバの先端部には、この光ファイバの先端部から出射されるレーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ光線加工装置。
【請求項4】
前記光学レンズは、前記光ファイバの先端部をレンズ加工したものであることを特徴とする請求項3に記載のレーザ光線加工装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明はレーザ光線加工装置に関し、特にレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
液体噴流(一例として、ウォータージェット)内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置は、エネルギー密度を高めるために微小スポットに集光されたレーザ光をノズルから噴射された液体噴流内に導き、このレーザ光をワークに照射してレーザ切断等の所定の加工を行なう。このようなレーザ光線加工装置は、ウォータージェットでワークを冷却することができるので、切断加工時に熱影響が少ないという特徴を有する。
レーザ光線加工装置の構成について図8を参照しながら説明する。図8は、レーザ光線加工装置の構成を概念的に示す部分断面図である。
【0003】
ウォータージェット内にレーザ光線を導いてレーザ加工を行なうレーザ光線加工装置100は、図8に示すように、一般的には、光ファイバ200から照射されたレーザ光Lを集束させるためのコリメータレンズ210および集光レンズ220と、高圧液体が供給される液体チャンバ400と、この液体チャンバ400内にレーザ光Lを入射させるためのウィンドウ230と、レーザ光Lの集光点をノズルN(高圧液体の噴射口)に合わせてレーザ光Lを液体噴流内に導くための精密位置決め機構500と、を備えて構成されている(例えば、特許文献1,2)。そして、ノズルNから噴射された液体にレーザ光Lが導かれて図示しないワークに向けて照射される。
【0004】
なお、精密位置決め機構500は、光ファイバ200から照射されたレーザ光LをノズルNに精密に集光させるための位置決め機構であり、集光レンズ群の光軸および焦点距離等の精密な位置合わせを行なう機構であるが、種々の形態があるのでここでは概念的に簡略化して図示している。
【特許文献1】特開2005−34889号公報(図1)
【特許文献2】特表平10−500903号公報(図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、レーザ光Lを液体噴流内に導くためには、集光レンズによって集光されたレーザ光Lの焦点をノズルNに正確に合わせる必要がある。そうしないと、焦点付近には既に十分高いパワー密度があるので、焦点の位置がずれると、液体噴流に入射する前にノズルNやウィンドウ230を損傷するおそれがあるからである。このため、レーザ光Lを液体噴流内に導くための精密位置決め機構500には、厳格な精度が要求され、構成が複雑になり、組立、調整に要する工数が大きくなるという問題があった。
また、折角焦点を合わせても、加工中の機械振動等の影響を受けて、レーザ光Lの焦点がずれてしまうという問題もあった。
【0006】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するため、本発明は、レーザ光を発生するレーザ発振器と、液体供給手段から供給された噴流液体を噴射するノズル(噴射口)と、前記レーザ光を導光して前記噴射された液体噴流内に導く光ファイバと、を備え、この液体噴流内に導かれた前記レーザ光を照射してワークを加工するレーザ光線加工装置であって、前記光ファイバの先端部から出射される前記レーザ光が前記液体噴流内に導かれるように、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを近接または係合させて構成したこと、を特徴とする。
【0008】
このように、本発明は、光ファイバの先端部とノズルとを近接または係合させて、光ファイバの先端部から出射されるレーザ光を直接液体噴流内に導くように構成したことで、集光レンズや液体チャンバ内に入射させるためのウィンドウ、およびレーザ光の集光点をノズルに合わせる精密位置決め機構を不要にし、構成を簡素化することができる。
【0009】
前記した本発明において、前記光ファイバの先端部と前記ノズルとを同軸に保持し近接または係合させるガイド部材をさらに備えていることが望ましい。
かかる構成によれば、光ファイバの先端部とノズルとを同軸に保持するガイド部材を備えたことで、光ファイバの先端部とノズルとの位置合わせを容易に行なうことができる。このため、本発明に係るレーザ光線加工装置は、組立調整を容易に行なうことができる。
さらに、ガイド部材により光ファイバの先端部とノズルとが保持されているので、加工中の機械振動等による位置ズレを防止することができる。
【0010】
前記した本発明において、前記光ファイバの先端部には、この光ファイバの先端部から出射されるレーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えることが望ましい。
かかる構成によれば、光ファイバのコア径がノズルの径と比較して、同等あるいは大きい場合であっても、レーザ光の拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズを備えたことで、レーザ光の拡散を防止してレーザ光を効率よく液体噴流内に導くことができる。
【0011】
前記した本発明において、前記光学レンズは、前記光ファイバの先端部をレンズ加工したものとすることができる。かかる構成によれば、光ファイバの先端部をレンズ加工しているため、効率よくレーザ光を集光させることができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係るレーザ光線加工装置によれば、簡易な機構によりレーザ光の光軸調整が容易な液体噴流内にレーザ光を導き入れたレーザ光線加工装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図1(a)は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の全体構成を説明するための概念図であり、(b)は噴流水内をレーザ光が伝搬する様子を示す(a)の部分拡大図である。図2は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す分解斜視図であり、図3は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す断面図であり、図4は図3の要部拡大図である。
【0014】
本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1は、図1(a)に示すように、レーザ光Lを発生するレーザ発振器2と、液体供給手段3から供給された噴流液体である水を噴射するノズルヘッド4と、レーザ光Lを導光して噴射された噴流水F(図1(b))内に導く光ファイバ21と、を備えている。
かかる構成により、レーザ光線加工装置1は、噴流水F内に導かれたレーザ光LをテーブルTに載置されたワークWに照射しながら、テーブル移動装置TaによりテーブルTを移動させて、レーザ切断等の所定の加工を行なうことができる。
【0015】
レーザ光Lを発生するレーザ発振器2は、一例として、光ファイバ21での伝送性を考慮してYAGレーザ発振器を採用している。
なお、YAGレーザは、ある程度水に吸収されるが、レーザ光線加工装置1においては、ノズルからワークまでの距離が比較的短いので、その影響を軽減することができる。また、本実施形態においては、前記観点からYAGレーザ発振器を採用したが、これに限定されるものではなく、最も水に吸収されにくいグリーンレーザ発振器を使用することもできる。
【0016】
液体供給手段3は、給水タンク31から水を吸い込んで増圧する高圧ポンプ32と、増圧された噴流水Fをノズルヘッド4まで供給する高圧配管33と、を備えている。
【0017】
ノズルヘッド4は、図2に示すように、光ファイバ21を保持する保持管41と、噴流水F(図1(b)参照)を噴射するウォーターノズル42と、保持管41とウォーターノズル42とを対面させた状態で保持するガイド部材43(図3を併せて参照)と、を備えている。
【0018】
光ファイバ21は、図4に示すように、中心部のコア21aと、その周囲を覆うクラッド21bの二重構造になっている。そして、コア21aは、クラッド21bと比較して屈折率が高く設計されているため、所定の入射角度でコア21a内に導入されたレーザ光Lは、全反射によりコア21a内に閉じこめられた状態で伝搬される。このようにして、導入されたレーザ光Lは、コア21a内を伝搬されて光ファイバ21の先端部21cから出射される。
【0019】
なお、コア径は、10〜300μm程度に設定されるが、伝搬されるレーザ光の波長や出力に応じて所定のコア径が選択される。
【0020】
また、光ファイバ21は、図3に示すように、保持管41で保持されている。保持管41は、円柱形状であり、中心部には光ファイバ21を挿通して保持できるように貫通孔41aが形成されている。一方、保持管41の外周面41bはガイド部材43の内周面43aで保持されている。
【0021】
ウォーターノズル42は、図3に示すように、円柱形状の胴部42aにおける一方の端面(本図における下側の端面)にフランジ42bが形成されている。ウォーターノズル42の中心部には、一方の端面から他方の端面(本図における上側の端面)まで貫通する貫通孔42cが形成されている。そして、胴部42aには、高圧チャンバ43dの気密性を確保するシール部材SLが装着されている。
ウォーターノズル42は、円柱形状の胴部42aがガイド部材43の内周面43aに嵌挿され保持されている。そして、ウォーターノズル42のフランジ42bは、ガイド部材43の端面(本図における下側の端面)に当接され、ノズルNが所定の位置に位置決めされている。
貫通孔42cは、図4に示すように、ウォーターノズル42の他方の端面(本図における上側の端面)側が拡径され、この拡径部にノズルNを構成するリング形状のノズルチップ42dが埋設されている。そして、ノズルNは、ノズルチップ42dの中心部に形成され、ノズルNから噴流水Fを本図における下方に噴射する。
【0022】
なお、ノズル径は、コア径と同等ないし少し大きい径が採用され、具体的には20〜300μm程度に設定されるが、伝搬されるレーザ光の波長や出力、および光ファイバとの位置関係に応じて所定のノズル径が選択される。
【0023】
ガイド部材43は、図3に示すように、内周面43aと外周面43bとを有する円筒形状に形成されている。そして、ガイド部材43は、内周面43aと外周面43bとを連通する高圧水路43cと、この高圧水路43cに連通する高圧チャンバ43dと、を備えている。
かかる構成により、高圧水路43cには、高圧配管33(図1参照)を通って高圧水が供給され、高圧チャンバ43dには高圧水が充填される。そして、充填された高圧水がノズルNから噴射される。
【0024】
すなわち、ガイド部材43は、その内周面43aにより、図4に示すように、保持管41とウォーターノズル42とを、保持管41の下側の端面41cとウォーターノズル42の上側の端面42eとが対面するように保持している。
そして、保持管41の下側の端面41cとウォーターノズル42の上側の端面42eとの間には、隙間δが設けられている。このため、高圧チャンバ43d内に充填された高圧水は、この隙間δにより形成された流路を通りノズルNから噴流水Fとなって噴射される。
【0025】
続いて、ガイド部材43により、光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lが噴流水F内に導かれるように、光ファイバ21の先端部21cとノズルNとを同軸に保持し、近接させた構成について、図3と図4を参照しながら説明する。
図3に示すように、ガイド部材43の内周面43aには、光ファイバ21を保持する保持管41とウォーターノズル42の胴部42aが同軸上に位置決めされて保持されている。
【0026】
具体的には、図4に示すように、光ファイバ21のコア21aの中心CL1は、光ファイバ21を保持する保持管41の外周面41bに対して所定の同軸度を備えている。そして、ウォーターノズル42のノズルチップ42dに形成されたノズルNの中心CL2は、ウォーターノズル42の胴部42aの外周面に対して所定の同軸度を備えている。
したがって、図3に示すように、光ファイバ21を保持する保持管41の外周面41bとウォーターノズル42の胴部42aの外周面とを所定の円筒度を有するガイド部材43の内周面43aで保持することで、光ファイバ21のコア21aの中心CL1とノズルNの中心CL2とを所定の範囲内で同軸上に保持することができる。
【0027】
なお、所定の同軸度および円筒度とは、光ファイバ21の先端部21cから出射されたレーザ光LがノズルNに射出され、レーザ光Lが噴流水F内に導入されるために必要な所定の同軸度および円筒度を意味する。したがって、この同軸度および円筒度は、レーザ光の波長や出力、光ファイバ21やノズルNの径、ないし両者の位置関係等を考慮して適宜設定される。
【0028】
以上のように構成された本実施形態に係るレーザ光線加工装置1の作用効果について、図3と図4を参照しながら説明する。
本実施形態に係るレーザ光線加工装置1は、図3に示すように、ガイド部材43により、光ファイバ21の先端部21c(図4参照)から出射されるレーザ光Lが噴流水F内に導かれるように、光ファイバ21の先端部21cとノズルNとを同軸に保持し近接させて構成されている。
かかる構成により、光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lを直接噴流水F内に導くことで、従来必要とされたレーザ光Lを集光させる集光レンズ220や液体チャンバ400内に入射させるためのウィンドウ230、およびレーザ光Lの集光点をノズルNに合わせる精密位置決め機構500を不要にして(図8参照)、構成を簡素化している。
【0029】
また、光ファイバ21を保持する保持管41の外周面41bとウォーターノズル42の胴部42aの外周面とを所定の円筒度を有するガイド部材43の内周面43aで保持することで、光ファイバ21のコア21aの中心CL1とノズルNの中心CL2(図4参照)とを所定の範囲内で同軸上に保持することができる。
したがって、光ファイバ21の先端部21cとノズルNとの位置合わせを容易に行なうことができる。このため、レーザ光線加工装置1は、集光レンズ等の光軸および焦点の調整が不要であるから組立調整が容易である。
【0030】
続いて、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例1と実施例2について、図5と図6を参照しながら説明する。図5は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例1の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図であり、図6は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例2の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
【0031】
前記した本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1においては、光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lが噴流水F内に導かれるように、光ファイバ21の先端部21cとノズルNとを同軸に保持し、「近接」させた構成を採用したのに対し、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例1と実施例2は、光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lが噴流水F内に導かれるように、光ファイバ21の先端部21cをノズルNの方向(本図における下方)に突出させて、光ファイバ21の先端部21cとノズルNとを「係合」させた構成を採用している点で相違する。
【0032】
すなわち、実施例1に係るレーザ光線加工装置においては、光ファイバ21の先端部21cは、ノズルNの入口の端面と面一になるように係合して配置されている。また、実施例2に係るレーザ光線加工装置においては、光ファイバ21の先端部21cは、ノズルNの入口の端面よりもさらにノズルNの出口側まで突出するように係合して配置されている。
【0033】
なお、実施例1と実施例2においては、光ファイバ21の先端部21cの突出量を前記のように設定したが、これに限定されるものではなく、この突出量は、伝搬されるレーザ光の波長や出力、ノズルNの径や位置関係等に応じて適宜設定されるものである。
【0034】
かかる構成によれば、光ファイバ21の先端部21cをノズルNの方向に突出させたことで、光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lを直接効率よく噴流水F内に導くことができる。
【0035】
続いて、本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例3について、図7を参照しながら説明する。図7は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例3の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置1の実施例3においては、図7に示すように、光ファイバ21の先端部21cに、この光ファイバ21の先端部21cから出射されるレーザ光Lの拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズ5を備えている。
【0036】
この光学レンズ5は、例えば、光ファイバ21の先端部21cをレンズ加工する方法や光ファイバ21の先端部21cに屈折率勾配をもつグリンレンズを融着する方法で備えることができる。ただし、光学レンズの形状やサイズはこれに限定されるものではなく、レーザ光Lの拡散を抑えたり、集光させたりするレンズ機能を奏するものであればよい。
【0037】
かかる構成により、例えば、光ファイバ21のコア径がノズルNの径と比較して、同等あるいは大きい場合であっても、レーザ光Lの拡散を抑えるまたは集光させる光学レンズ5を備えたことで、レーザ光Lの拡散を防止してレーザ光Lを効率よく液体噴流内に導くことができる。
【0038】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、保持管41の外径とウォーターノズル42の胴部42aの外径とを同じ外径とし、ガイド部材43の内径をこの外径に適合させてストレートに貫通された内周面43aとして構成したが、これに限定されるものではなく、保持管41の外径とウォーターノズル42の胴部42aの外径とを異なる外径とし、ガイド部材43の内周面43aをそれぞれ保持管41の外径およびウォーターノズル42の胴部42aの外径に適合させた段付き形状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】(a)は本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の全体構成を説明するための概念図であり、(b)は噴流水内をレーザ光が伝搬する様子を示す(a)の部分拡大図である。
【図2】本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図3】本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置のノズルヘッドの構成を示す断面図である。
【図4】図3の要部拡大図である。
【図5】本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例1の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
【図6】本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例2の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
【図7】本発明の実施形態に係るレーザ光線加工装置の実施例3の構成を説明するためのノズル周りの要部拡大断面図である。
【図8】従来のレーザ光線加工装置の構成を概念的に示す部分断面図である。
【符号の説明】
【0040】
1 レーザ光線加工装置
2 レーザ発振器
3 液体供給手段
4 ノズルヘッド
5 光学レンズ
21 光ファイバ
21a コア
21b クラッド
21c 光ファイバの先端部
41 保持管
42 ウォーターノズル
43 ガイド部材
43a 内周面
43b 外周面
43c 高圧水路
43d 高圧チャンバ
100 レーザ光線加工装置
200 光ファイバ
210 コリメータレンズ
220 集光レンズ
230 ウィンドウ
400 液体チャンバ
500 精密位置決め機構
F 噴流水
L レーザ光
N ノズル
【出願人】 【識別番号】000132161
【氏名又は名称】株式会社スギノマシン
【出願日】 平成18年6月29日(2006.6.29)
【代理人】 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造

【識別番号】100111545
【弁理士】
【氏名又は名称】多田 悦夫

【識別番号】100133868
【弁理士】
【氏名又は名称】岡林 義弘


【公開番号】 特開2008−6471(P2008−6471A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−179733(P2006−179733)