JPH08215867A - レーザー加工ヘッドの温度調節方法および装置 - Google Patents

レーザー加工ヘッドの温度調節方法および装置

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JPH08215867A
JPH08215867A JP7030739A JP3073995A JPH08215867A JP H08215867 A JPH08215867 A JP H08215867A JP 7030739 A JP7030739 A JP 7030739A JP 3073995 A JP3073995 A JP 3073995A JP H08215867 A JPH08215867 A JP H08215867A
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JP
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temperature
laser processing
processing head
housing
flow rate
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JP7030739A
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Shunei Kato
俊英 加藤
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Amada Co Ltd
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Amada Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー加工ヘッドの温度調節方法および装
置の提供。 【構成】 レーザー光の出射以前に、初期熱量と基準熱
量との差の初期熱量変化を除去するための冷却水の初期
流量を記演算装置で計算により求めて、冷却水の流量を
前記初期流量に調節し、レーザー加工ヘッドの熱量を前
記基準熱量とほぼ同一熱量になさしめ、その後レーザー
光出射後の熱量変化と、該熱量変化を除去するのに必要
な冷却水の適正流量を前記演算装置で計算し、冷却水の
流量を適正流量になるように適宜な時間間隔で調節し、
前記レーザー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほぼ同
一の熱量になさしめてレーザー加工ヘッドの温度を基準
温度に調節することを特徴とするレーザー加工ヘッドの
温度調節方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザー加工ヘッドの温
度調節方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザー光が光ファイバーにより伝送さ
れるレーザー加工ヘッドでは、この加工ヘッドのハウジ
ングにコリメートレンズと集光レンズとが設けてある。
そして、このハウジングの一端に設けられた光ファイバ
ーの端面から出射されたレーザー光の大部分は、コリメ
ートレンズを経由して集光レンズに行くが、一部分は光
の特性により回折光、散乱光となりハウジングの内側に
当たって吸収されてハウジングの温度を上昇させる作用
をする。また、コリメートレンズからの反射光も同様に
ハウジングの内側に当たって吸収されてハウジングの温
度を上昇させる作用をしている。
【０００３】さらに、コリメートレンズおよび集光レン
ズ自体もレーザー光を吸収して温度が上昇する。そのた
めレンズの特性が変化すると共にレンズ系を支持してい
るハウジングにも熱影響を与えている。
【０００４】ところで最近は光ファイバーで伝送される
レーザーの出力も大きくなり、レーザー加工ヘッドおよ
びレンズの熱変形の光学系の精度に対する影響が無視出
来なくなってきている。そのためレーザー加工ヘッド周
囲に冷却用のジャケットを設け、レーザー光の有無に関
係無くこの冷却用のジャケットに一定温度、一定流量の
冷却水を流して冷却するという方法が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来の冷却方法
においては、冷却水はレーザー加工ヘッドへの入熱量に
関係なくレーザー加工ヘッドからほぼ一定の熱量を奪う
ので、レーザーの出力が変化してレーザー加工ヘッドへ
の入熱量が変化するとレーザー加工ヘッドの温度も変化
することになる。
【０００６】従ってレーザーの出力を変更した場合に
は、レーザー加工ヘッドおよび光学系の熱変形量が変化
して光学系の特性を変化させることになる。例えば、焦
点距離が変化して加工精度または加工品質が変化したり
することになる。
【０００７】またレーザーの出力を一時停止した場合
に、室温が冷却水の温度より高く、湿度が大きい場合に
は、集光レンズの表面温度がすぐに露点に達して結露を
生じ易い。特に集光レンズの表面に結露を生じると、レ
ーザーの出力を再開した場合に集光レンズが破損するこ
とがある。
【０００８】上述の結露を防止するために、冷却水の温
度を室温に近い温度に設定することが考えられる。しか
し、レーザー加工ヘッドが置かれる環境が恒温室の場合
は別として、季節により環境の温度が変化するような場
所では、環境の温度に合わせて冷却水の温度を変更する
必要がある。
【０００９】これはレーザー加工ヘッドの光学系の緒条
件も冷却水の設定温度に合わせて変化すると言うことで
あり使用者としては非常に不便である。なお上述の恒温
室を設けるには相当な費用がかかるという問題がある。
【００１０】本発明は上述の如き従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、本発明の目的は、レーザーの
出力が変化してレーザー加工ヘッドへの入熱量が変化し
ても、レーザー加工ヘッドの温度が常に一定な光ファイ
バーを用いたレーザー加工ヘッドの温度調節方法および
装置を提供することである。
【００１１】また、レーザー加工ヘッドおよび集光レン
ズの表面などに結露が生じにくい光ファイバーを用いた
レーザー加工ヘッドの温度調節方法および装置を提供す
ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに請求項１に記載のレーザー加工ヘッドの温度調節方
法は、光ファイバーからのレーザー光を集光する光学系
を設けたハウジングと、該ハウジングの外周に設けた温
度調節ジャケットとからなるレーザー加工ヘッドにおい
て、該レーザー加工ヘッドの温度を測定する複数の温度
検出器を前記ハウジングに設け、前記レーザー加工ヘッ
ドへのレーザー光の出射以前に、該レーザー加工ヘッド
の基準熱量を演算装置の記憶装置に設定し、前記レーザ
ー加工ヘッドの初期温度を前記複数の温度検出器で測定
し、初期熱量と前記基準熱量との差の初期熱量変化を除
去するための冷却水の初期流量を前記演算装置で計算に
より求めて、流量制御弁の流量を前記初期流量に調節
し、前記レーザー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほ
ぼ同一熱量になさしめ、その後前記レーザー光出射後の
前記レーザー加工ヘッドの温度を前記複数の温度検出器
により測定し、前記基準熱量に対してのその後の熱量変
化と、該熱量変化を除去するのに必要な冷却水の適正流
量を前記演算装置で計算し、前記流量制御弁の流量を前
記適正流量になるように適宜な時間間隔で調節し、前記
レーザー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほぼ同一の
熱量になさしめて前記レーザー加工ヘッドの温度を基準
温度に調節する方法とした。
【００１３】請求項２に記載のレーザー加工ヘッドの温
度調節方法は、光ファイバーからのレーザー光を集光す
る光学系を設けたハウジングと、該ハウジングの外周に
設けた温度調節ジャケットとからなるレーザー加工ヘッ
ドにおいて、該レーザー加工ヘッドの温度を測定する複
数の温度検出器を前記ハウジングに設け、前記レーザー
加工ヘッドへのレーザー光の出射前に、該レーザー加工
ヘッドの基準熱量を演算装置の記憶装置に設定し、前記
レーザー加工ヘッドの初期温度を前記複数の温度検出器
で測定して求め、前記基準熱量に対する初期熱量変化を
除去するための冷却水の初期流量を、前記演算装置で計
算により求め、流量制御弁の流量を前記初期流量に調節
し、前記レーザー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほ
ぼ同一熱量になさしめ、その後の前記基準熱量に対する
熱量変化と該熱量変化を除去するための冷却水の適正流
量とを、前記温度調節ジャケット出口の冷却水の温度変
化と流量計で測定した流量とから前記演算装置で計算に
より求めて前記流量制御弁の流量を前記適正流量になる
ように適宜な時間間隔で調節し、前記レーザー加工ヘッ
ドの熱量を前記基準熱量とほぼ同一の熱量になさしめて
前記レーザー加工ヘッドの温度を基準温度に調節するよ
うにしている。
【００１４】また、請求項３によるレーザー加工ヘッド
の温度調節方法は、請求項１または請求項２に記載のレ
ーザー加工ヘッドの温度調節方法において、前記複数の
温度検出器は、前記ハウジングのレーザー光出射端部側
の外周に設けられた第１ハウジング温度検出器と、前記
ハウジングのほぼ中央の外周に設けられた第２ハウジン
グ温度検出器と、前記ハウジングの集光用光学系側端部
の外周に設られた光学系温度検出器と、前記温度調節ジ
ャケットの出入り口にそれぞれ設けられた第１冷却水温
度検出器と第２冷却水温度検出器とで構成してある。
【００１５】また、請求項４によるレーザー加工ヘッド
の温度調節方法は、請求項３に記載のレーザー加工ヘッ
ドの温度調節方法において、前記第１ハウジング温度検
出器と第２ハウジング温度検出器と光学系温度検出器と
を前記ハウジングの外周にそれぞれ少なくとも２個ずつ
設けてなることを特徴とするものである。
【００１６】請求項５によるレーザー加工ヘッドの温度
調節方法は、請求項１から請求項４に記載のレーザー加
工ヘッドの温度調節方法において、前記基準熱量と初期
熱量とは、前記光学系温度検出器が検出する温度を
Ｔ1 、前記第２ハウジング温度検出器が検出するた温度
をＴ2 、前記第１ハウジング温度検出器が検出する温度
をＴ3 とし、Ｃ1 をレンズの比熱、Ｃ2 をハウジングの
比熱、Ｍ1 をレンズの質量、Ｍ2 をハウジングの質量、
Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を定数、とするとき次の計算式、Ｑ＝
（Ｔ1 ＊Ｃ1 ＊Ｍ1 ）＋（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ1 ）＋
（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2＊Ｋ2 ）＋（Ｔ3 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ
3 ）で求めることを特徴とするものである。
【００１７】また、請求項６によるレーザー加工ヘッド
の温度調節方法は、請求項５に記載のレーザー加工ヘッ
ドの温度調節方法において、前記基準温度が、Ｔs1＝２
５℃，Ｔs1＜Ｔs2＜Ｔs3、前記定数が、Ｋ1 ＝１／４，
Ｋ2 ＝１／３，Ｋ3 ＝５／１２であることを特徴とする
ものである。
【００１８】さらに、請求項７によるレーザー加工ヘッ
ドは、光ファイバーからのレーザー光を集光する光学系
を設けたハウジングと、該ハウジングの外周に設けた温
度調節ジャケットとからなるレーザー加工ヘッドにおい
て、該レーザー加工ヘッドの温度を測定する複数の温度
検出器を前記ハウジングに設け、前記レーザー加工ヘッ
ドへのレーザー光の出射以前に、該レーザー加工ヘッド
の基準熱量を演算装置の記憶装置に設定し、前記レーザ
ー加工ヘッドの初期温度を前記複数の温度検出器で測定
し、前記基準熱量に対する初期熱量変化を除去するため
の冷却水の初期流量を前記演算装置で計算により求め、
流量制御弁の流量を前記初期流量に調節し、前記レーザ
ー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほぼ同一熱量にな
さしめ、その後、前記レーザー光出射後の前記レーザー
加工ヘッドの温度を前記複数の温度検出器により測定
し、前記基準熱量に対してのその後の熱量変化と、該熱
量変化を除去するのに必要な冷却水の適正流量を前記演
算装置で計算し、前記流量制御弁の流量を前記適正流量
になるように適宜な時間間隔で調節し、前記レーザー加
工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほぼ同一の熱量になさ
しめて前記レーザー加工ヘッドの温度を基準温度に調節
するようにしたものである。
【００１９】また、請求項８によるレーザー加工ヘッド
は、光ファイバーからのレーザー光を集光する光学系を
設けたハウジングと、該ハウジングの外周に設けた温度
調節ジャケットとからなるレーザー加工ヘッドにおい
て、該レーザー加工ヘッドの温度を測定する複数の温度
検出器を前記ハウジングに設け、前記レーザー加工ヘッ
ドへのレーザー光の出射前に、該レーザー加工ヘッドの
基準熱量を演算装置の記憶装置に設定し、前記レーザー
加工ヘッドの初期温度を前記複数の温度検出器で測定し
て求め、前記基準熱量に対する初期熱量変化を除去する
ための冷却水の初期流量を前記演算装置で計算により求
め、流量制御弁の流量を前記初期流量に調節し、前記レ
ーザー加工ヘッドの熱量を前記基準熱量とほぼ同一熱量
になさしめ、その後の前記基準熱量に対する熱量変化と
該熱量変化を除去するための冷却水の適正流量とを、前
記温度調節ジャケット出口の冷却水の温度変化と流量計
で測定した流量とから前記演算装置で計算により求めて
前記流量制御弁の流量を前記適正流量になるように適宜
な時間間隔で調節し、前記レーザー加工ヘッドの熱量を
前記基準熱量とほぼ同一の熱量になさしめて前記レーザ
ー加工ヘッドの温度を基準温度に調節するようにした。
【００２０】そして、請求項９によるレーザー加工ヘッ
ドは、請求項７または請求項８に記載のレーザー加工ヘ
ッドにおいて、前記複数の温度検出器は、前記ハウジン
グのレーザー光出射端部側の外周に設けられた第１ハウ
ジング温度検出器と、前記ハウジングのほぼ中央の外周
に設けられた第２ハウジング温度検出器と、前記ハウジ
ングの集光用光学系側端部の外周に設られた光学系温度
検出器と、前記温度調節ジャケットの出入り口にそれぞ
れ設けられた冷却水温度検出器からなものである。
【００２１】さらに、請求項１０によるレーザー加工ヘ
ッドは、請求項９に記載のレーザー加工ヘッドにおい
て、前記第１ハウジング温度検出器と第２ハウジング温
度検出器と光学系温度検出器は、前記ハウジングの外周
にそれぞれ少なくとも２個ずつ設けてなるものである。
【００２２】そして、請求項１１によるレーザー加工ヘ
ッドは、請求項７から請求項１０に記載のレーザー加工
ヘッドにおいて、前記基準熱量と初期熱量とは、前記光
学系温度検出器が検出した温度をＴ1 、前記第２ハウジ
ング温度検出器が検出した温度をＴ2 、前記第１ハウジ
ング温度検出器が検出した温度をＴ3 とし、Ｃ1 をレン
ズの比熱、Ｃ2 をハウジングの比熱、Ｍ1 をレンズの質
量、Ｍ2 をハウジングの質量、Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を定
数、とするとき次の計算式、Ｑ＝（Ｔ1 ＊Ｃ1 ＊Ｍ1 ）
＋（Ｔ1 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ1 ）＋（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊
Ｋ2 ）＋（Ｔ3 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ3 ）で求めることを特
徴とするものである。
【００２３】また請求項１２によるレーザー加工ヘッド
は、請求項１１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記基準温度（Ｔsn）が、Ｔs1＝２５℃，Ｔs1＜Ｔs2＜
Ｔs3、前記定数が、Ｋ1 ＝１／４，Ｋ2 ＝１／３，Ｋ3
＝５／１２であることを特徴とするものである。
【００２４】
【作用】請求項１または請求項２の如きレーザー加工ヘ
ッドの温度調節方法とすることにより、レーザー光が出
る以前にレーザー加工ヘッドの保有している初期熱量Ｑ
i と設定した基準熱量Ｑs との差の初期熱量変化ΔＱi
に相当する熱量を、適宜な流量の冷却液で冷却除去して
設定した基準熱量Ｑs とほぼ同等になし、そして、レー
ザー光が出射された後のレーザー加工ヘッドの熱量変化
ΔＱx も、適宜な流量の冷却液で冷却除去するので、短
時間で設定した基準熱量Ｑs に等しくすることが出来
る。
【００２５】また、請求項３または請求項５の如きレー
ザー加工ヘッドの温度調節方法とすることにより、レー
ザー加工ヘッドの温度と冷却液の温度とを正確に測定す
ることが出来る。
【００２６】請求項６の如きレーザー加工ヘッドの温度
調節方法とすることにより、レーザー加工ヘッドの温度
分布をより正確に測定することが出来ると共に、集光レ
ンズに結露を生じにくい。
【００２７】請求項７または請求項８の如きレーザー加
工ヘッドとすることにより、レーザー光が出る以前にレ
ーザー加工ヘッドの保有している初期熱量Ｑi と、設定
した基準熱量Ｑs との差の初期熱量変化ΔＱi に相当す
る熱量を除去できる適宜な流量の冷却液で前記レーザー
加工ヘッドを冷却し、初期熱量変化ΔＱi を除去して設
定した基準熱量Ｑs とほぼ同等になし、そして、レーザ
ー光が出射された後のレーザー加工ヘッドの熱量変化Δ
Ｑx も、この熱量変化ΔＱx を除去できる適宜な流量の
冷却液で前記レーザー加工ヘッドを冷却するので、この
レーザー加工ヘッドの保有する熱量を短時間で設定した
基準熱量Ｑs に等しく、すなわち設定した基準温度に等
しくすることが出来る。
【００２８】さらに、請求項９または請求項１０の如き
レーザー加工ヘッドとすることにより、レーザー加工ヘ
ッドの温度と冷却液の温度とを正確に測定することが出
来る。
【００２９】また、請求項１１または請求項１２の如き
レーザー加工ヘッドとすることにより、レーザー加工ヘ
ッドの温度分布をより正確に測定することが出来る。
【００３０】
【実施例】次に本発明に係わる光ファイバーを用いたレ
ーザー加工ヘッドの温度調節方法および装置並びに同方
法に使用するレーザー加工ヘッドの実施例について、図
面を参照しながら説明する。
【００３１】図１は光ファイバー３によってレーザー光
ＬＢが伝送されるレーザー加工ヘッド１を示したもので
ある。このレーザー加工ヘッド１は、レーザー光ＬＢを
集光するための光学系、この光学系を支持するハウジン
グ５、ハウジング５の外周に設けた環状の温度調節ジャ
ケット７、光ファイバー３からのレーザー光を出射する
レーザー光出射端部９および前記レーザー加工ヘッド１
の温度を測定する複数の温度検出器などから構成されて
いる。
【００３２】上記レーザー加工ヘッド１のハウジング５
は円筒状のコップ形をしており、その開放側の一端部に
は集光レンズ１１とコリメートレンズ１３からなる集光
用光学系が設けられている。またこの集光用光学系と対
向する他端の底部１５には、前記光ファイバー３のレー
ザー光出射端部９が円筒空間内部に若干突出した状態で
取付けられている。
【００３３】このレーザー光出射端部９から出たレーザ
ー光の大部分は前記集光用光学系のコリメートレンズ１
３に入射され、平行光線となり前記集光レンズ１３によ
って集光される。しかし、レーザー光出射端部９からの
回折光１７およびコリメートレンズ１３からの反射光１
９は、前記ハウジング５の内面で反射を繰返してハウジ
ング５に吸収されてハウジング５の温度を上昇させる作
用をする。またレンズ自体もレーザー光を吸収して温度
が上昇する。
【００３４】なお光ファイバー３から出射されるレーザ
ー光ＬＢは、図示しないレーザー発振器、例えばＹＡＧ
レーザー発振器などのからのレーザー光ＬＢが光ファイ
バー３によってレーザー光出射部９に導光されたもので
ある。
【００３５】本実施例では、レーザー光出射端部９が設
けられている前記ハウジング５の底部１５からハウジン
グ５のほぼ中央付近にかけてのハウジング５の外周に、
環状の温度調節ジャケット７を密着させて設けてある。
【００３６】上記温度調節ジャケット７には、図示省略
の冷却装置で一定温度に維持された冷却水が循環する環
状の冷却水循環路２１が設けられており、前記冷却装置
からの冷却水は、送水管路２３を経て前記冷却水循環路
２１に送られる。
【００３７】冷却水循環路２１内を循環して、前記ハウ
ジング５と熱交換をした冷却水は管路２５を経て前記冷
却装置に戻される。また前記冷却水循環路２１と冷却装
置との間の管路２５には流量計２７と流量制御弁２９と
が設けてある。この流量制御弁２９には弁の開度を制御
するための、弁開度検出用アブソリュートエンコーダー
付きサーボモーター３１が設けられている。
【００３８】さらに、前記管路２３の前記温度調節ジャ
ケット７への冷却水の入り口付近と、前記管路２５の温
度調節ジャケット７からの冷却水出口と入り口には、そ
れぞれ冷却水の温度を検出する第１冷却水温度検出器Ｓ
h4と第２冷却水温度検出器Ｓh5が設けてある。
【００３９】また、集光用光学系の熱量を算出するため
の光学系温度検出器Ｓh3が集光用光学系を設けた前記ハ
ウジング５の端部外周の複数個所に設けてある。さら
に、ハウジング５の熱量を算出するための第１ハウジン
グ温度検出器Ｓh1をレーザー光出射端部９を設けたハウ
ジング５の他端部の外周の複数個所に設けると共に、第
２ハウジング温度検出器Ｓh2をレーザー光出射端部９か
らの回折光およびコリメートレンズ１３からの反射光１
９が当たるハウジング５のほぼ中央部外周の複数個所に
設けてある。
【００４０】上記の各種温度検出器（Ｓh1，Ｓh2，
Ｓh3）は原理的にはそれぞれ１個設ければいいが、検出
精度を向上するために各温度検出器はハウジング５の外
周に均等な間隔で少なくとも２個を配置しそれらの検出
値の平均値を用いる。なお好ましくはハウジング５の外
周の３箇所に均等な間隔で配置するのが望ましい上記の
光学系温度検出器Ｓh3、第１ハウジング温度検出器
Ｓh1、第２ハウジング温度検出器Ｓh2、および第１冷却
水温度検出器Ｓh4第２冷却水温度検出器Ｓh5などで検出
した温度は電気信号に変換されて温度信号Ｔs として図
示省略のＮＣ装置の演算装置（ＣＰＵ）３３に送られ
る。また前記流量計２７において検出された冷却水の流
量も電気信号に変換されて流量信号Ｆs として演算装置
（ＣＰＵ）３３に送られる。なお上記の各種温度検出器
として熱電対を使用するのが好ましい。
【００４１】また、前記流量制御弁２９のサーボモータ
ー３１に対して、この流量制御弁の弁の開度を制御する
弁開度指令信号Ｖs が上記演算装置（ＣＰＵ）３３から
送ることが出来るようになっている。また上記演算装置
（ＣＰＵ）３３の記憶装置には、ハウジング５および集
光用光学系レンズの比熱と質量に関するデータが登録さ
れている。
【００４２】従って、演算装置（ＣＰＵ）３３は、上記
の温度測定データにより後述の熱量計算式を使用してハ
ウジング５の熱量計算（光学系を含む）を行うことが可
能である。またその熱量計算と流量計からの流量データ
等に基づいて流量制御弁２９弁の開度を制御して流量の
制御を行うことが出来る。
【００４３】さて図２は本発明のレーザー加工ヘッドの
温度調節方法のフローチャートを示したものである。次
にこのフローチャート基づいて本発明のレーザー加工ヘ
ッドの温度調節方法について説明する。
【００４４】まずステップＳ１において、集光レンズ１
１とコリメートレンズ１３からなる集光用光学系の温度
Ｔs1と、ハウジング５の温度が理想の基準温度Ｔsn（n=
1,2,3 ）に在る時、ハウジング５が有する熱量Ｑを基準
熱量Ｑs として設定する。
【００４５】なお基準温度分布は、Ｔs1＜Ｔs2＜Ｔs3で
あり、結露を防止する意味で、Ｔs1をほぼ２５℃程度に
設定するのが望ましい。なおまた、基準熱量（光学系を
含む）Ｑs および後述の初期熱量Ｑi は、次の熱量計算
式（１）によって計算する。
【数３】 Ｑ＝（Ｔ1 ＊Ｃ1 ＊Ｍ1 ）＋（Ｔ1 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ1 ）＋（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ2 ）＋（Ｔ3 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ3 ）……………………………（１） 上記計算式（１）において、Ｔ1 は光学系温度検出器Ｓ
h3が検出する温度、Ｔ2 は第２ハウジング温度検出器Ｓ
h2が検出する温度、Ｔ3 は第１ハウジング温度検出器Ｓ
h1が検出する温度である。また、Ｃ1 は集光レンズ１１
とコリメートレンズ１３の比熱、Ｃ2 はハウジング５の
比熱であり、Ｍ1 は集光レンズ１１とコリメートレンズ
１３の合計の質量、Ｍ2 はハウジング５の質量である。
なおＫ1、Ｋ2 、Ｋ3 は実験から定めた定数である。
【００４６】計算式（１）において、第１項は光学系の
熱量を代表し、第２項以下はハウジング５の熱量を示し
ている。なお本実施例では定数Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 として
質量配分を考慮して実験から定めた、Ｋ1 ＝１／４，Ｋ
2 ＝１／３，Ｋ3 ＝５／１２を用いた。
【００４７】ステップＳ２において、ハウジング５の初
期温度Ｔin（n=1,2,3 ）を測定する。次のステップＳ３
においては、初期温度Ｔin（n=1,2,3 ）におけるハウジ
ング５の初期熱量Ｑi を前記熱量計算式（１）によって
計算すると共に、初期流量Ｆi を計算する。
【００４８】この初期流量Ｆi とは、初期熱量Ｑi と前
記基準熱量Ｑs との差の初期熱量変化ΔＱi を１分間
（任意）で除去または供給するのに必要な冷却水の流量
である。なお、初期流量Ｆi は次の計算式（２）によっ
て計算する。
【００４９】
【数４】 Ｆi ＝ΔＱi ／（Ｔc ＊Ｃw ＊η）…………………………………（２） 上記計算式２において、Ｔc は冷却水の温度、Ｃw は冷
却水の比熱、ηは熱交換効率である。
【００５０】ステップＳ４では上記の初期流量Ｆi を前
記演算装置（ＣＰＵ）３３の記憶装置に設定登録する。
【００５１】ステップＳ５においては、流量制御弁２９
の弁の開度を初期流量Ｆi になるようにする。なお流量
制御弁２９の弁の開度制御は前記流量計２７において検
出された冷却水の流量信号Ｆs により前記演算装置（Ｃ
ＰＵ）３３が流量制御弁２９のサーボモーター３１をフ
ィードバック制御することで行われる。
【００５２】以上ステップＳ５までにおいて、ハウジン
グ５の初期温度Ｔin（n=1,2,3 ）は、約１分程度で冷却
水の温度Ｔc にほぼ等しい温度に到達する。
【００５３】その後次のステップＳ６において、レーザ
ー光が光ファイバー３のレーザー光出射端部９から出射
され、これにより前述のようにハウジング５の温度が上
昇する。
【００５４】ステップＳ７において、上昇したハウジン
グ５の温度Ｔxn（n=1,2,3 ）の測定、または冷却水の流
量Ｆと温度調節ジャケット７の入口と出口との冷却水の
温度変化ΔＴc とを測定する。
【００５５】ステップＳ８では、冷却水の温度変化ΔＴ
c 、前記流量Ｆおよび冷却水の比熱からハウジング５の
熱量変化ΔＱx を計算する。なおこの熱量変化ΔＱ
x は、測定温度Ｔxn（n=1,2,3 ）の時の測定熱量Ｑx と
前記基準熱量Ｑs との差として求めてもよい。
【００５６】そしてステップＳ９で、この熱量変化ΔＱ
x を除去するのに必要な冷却水の適正流量Ｆx を前記計
算式（２）により、Ｆx ＝ΔＱx ／（Ｔc ＊Ｃw ＊η）
として求める。
【００５７】そしてステップＳ１０において、基準熱量
Ｑs と測定熱量Ｑx の大小の比較を行う。すなわち、Ｑ
x −Ｑs ＝ΔＱx が０か否かの条件判断を行う。そして
この条件に該当する場合には、ハウジング５の温度変化
が無かったことになる。
【００５８】従って、ステップＳ１１でレーザー発振器
の電源がＯＮか否かの条件判断を行い、この条件に該当
する場合にはステップＳ７に戻り、また温度測定と流量
測定を実施するループに入る。
【００５９】前記ステップＳ１１の条件に該当しない場
合には、このループから抜けてステップＳ１２において
この温度調節システムを終了させる。
【００６０】また前記ステップＳ１０において、判断条
件に該当しない場合にはステップＳ１３において流量制
御弁２９の弁の開度を調節して、冷却水の流量をステッ
プＳ９で計算した適正流量Ｆx にする。その後前記のス
テップＳ１１にいきレーザー発振器の電源がＯＮか否か
の条件判断を行う。その後は上述と同様に測定と流量調
整のルーチンに入るか、このループから抜けてステップ
Ｓ１２においてこの温度調節システムを終了する。なお
上記ステップＳ１３での流量調節は適宜な間隔でなされ
るものである。
【００６１】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、請求
項１または請求項２の発明によれば、レーザー光が出る
以前にレーザー加工ヘッドの保有している初期熱量Ｑi
と、設定した基準熱量Ｑs との差の初期熱量変化ΔＱi
に相当する熱量を適宜な流量の冷却液で冷却除去して設
定した基準熱量Ｑs とほぼ同等になし、そして、レーザ
ー光が出射された後のレーザー加工ヘッドの熱量変化Δ
Ｑx も、適宜な流量の冷却液で冷却除去するので、冷却
過程にオーバーシュートがなく、短時間で設定した基準
熱量Ｑs に等しく、すなわち基準温度に等しくすること
が出来る。
【００６２】また、請求項３または請求項５の発明によ
れば、レーザー加工ヘッドの温度と冷却液の温度とを正
確に測定することが出来るので、より正確な温度調節が
出来る。
【００６３】さらに、請求項６の発明によれば、レーザ
ー加工ヘッドの温度分布をより正確に測定することが出
来ると共に集光レンズに結露を生じにくいので、集光レ
ンズが急激な熱膨脹により破損するようなことがない。
【００６４】請求項７または請求項８の発明によれば、
レーザー光が出る以前にレーザー加工ヘッドの保有して
いる初期熱量Ｑi と、設定した基準熱量Ｑs との差の初
期熱量変化ΔＱi に相当する熱量を除去できる適宜な流
量の冷却液で前記レーザー加工ヘッドを冷却し、初期熱
量変化ΔＱi を除去して設定した基準熱量Ｑs とほぼ同
等になし、そして、レーザー光が出射された後のレーザ
ー加工ヘッドの熱量変化ΔＱx も、この熱量変化ΔＱx
を除去できる適宜な流量の冷却液で前記レーザー加工ヘ
ッドを冷却するので、このレーザー加工ヘッドの保有す
る熱量を短時間で設定した基準熱量Ｑs に等しく、すな
わち設定した基準温度に等しくすることが出来る。
【００６５】さらに、請求項９または請求項１０の発明
によれば、レーザー加工ヘッドの温度と冷却液の温度と
を正確に測定することが出来る。
【００６６】また、請求項１１または請求項１２の発明
によれば、レーザー加工ヘッドの温度分布をより正確に
測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの実施例。
【図２】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの温度調節
方法のフローチャート。
【符号の説明】
１ レーザー加工ヘッド ３ 光ファイバー ５ ハウジング ７ 温度調節ジャケット ９ レーザー光出射端部９ １１ 集光レンズ １３ コリメートレンズ １７ 回折光 １９ 反射光 ２１ 冷却水循環路 ２７ 流量計 ２９ 流量制御弁 ３３ 演算装置（ＣＰＵ） ＬＢ レーザー光 Ｓh1 第１ハウジング温度検出器 Ｓh2 第２ハウジング温度検出器 Ｓh3 光学系温度検出器 Ｓh4 第１冷却水温度検出器 Ｓh5 第２冷却水温度検出器

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバー（３）からのレーザー光を
    集光する光学系を設けたハウジング（５）と、該ハウジ
    ング（５）の外周に設けた温度調節ジャケット（７）と
    からなるレーザー加工ヘッド（１）において、該レーザ
    ー加工ヘッド（１）の温度を測定する複数の温度検出器
    を前記ハウジング（５）に設け、前記レーザー加工ヘッ
    ド（１）へのレーザー光の出射以前に、該レーザー加工
    ヘッド（１）の基準熱量（Ｑs ）を演算装置（３３）の
    記憶装置に設定し、前記レーザー加工ヘッド（１）の初
    期温度（Ｔin：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出器で測
    定し、初期熱量（Ｑi ）と前記基準熱量（Ｑs ）との差
    の初期熱量変化（ΔＱi）を除去するための冷却水の初
    期流量（Ｆi ）を前記演算装置（３３）で計算により求
    めて、流量制御弁（２９）の流量を前記初期流量
    （Ｆi ）に調節し、前記レーザー加工ヘッド（１）の熱
    量を前記基準熱量（Ｑs ）とほぼ同一熱量になさしめ、
    その後前記レーザー光出射後の前記レーザー加工ヘッド
    （１）の温度（Ｔxn：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出
    器により測定し、前記基準熱量（Ｑs ）に対してのその
    後の熱量変化（ΔＱx ）と、該熱量変化（ΔＱx ）を除
    去するのに必要な冷却水の適正流量（Ｆx ）を前記演算
    装置（３３）で計算し、前記流量制御弁（２９）の流量
    を前記適正流量（Ｆx ）になるように適宜な時間間隔で
    調節し、前記レーザー加工ヘッド（１）の熱量を前記基
    準熱量（Ｑs ）とほぼ同一の熱量になさしめて前記レー
    ザー加工ヘッド（１）の温度を基準温度（Ｔsn：n=1,2,
    3 ）に調節することを特徴とするレーザー加工ヘッドの
    温度調節方法。
  2. 【請求項２】 光ファイバー（３）からのレーザー光を
    集光する光学系を設けたハウジング（５）と、該ハウジ
    ング（５）の外周に設けた温度調節ジャケット（７）と
    からなるレーザー加工ヘッド（１）において、該レーザ
    ー加工ヘッドの温度を測定する複数の温度検出器を前記
    ハウジング（５）に設け、前記レーザー加工ヘッド
    （１）へのレーザー光の出射前に、該レーザー加工ヘッ
    ド（１）の基準熱量（Ｑs ）を演算装置（３３）の記憶
    装置に設定し、前記レーザー加工ヘッド（１）の初期温
    度（Ｔin：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出器で測定し
    て求め、前記基準熱量（Ｑs ）に対する初期熱量変化
    （ΔＱi ）を除去するための冷却水の初期流量（Ｆi ）
    を前記演算装置（３３）で計算により求め、流量制御弁
    （２９）の流量を前記初期流量（Ｆi ）に調節し、前記
    レーザー加工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量
    （Ｑs ）とほぼ同一熱量になさしめ、その後の前記基準
    熱量（Ｑs ）に対する熱量変化（ΔＱx ）と該熱量変化
    （ΔＱx ）を除去するための冷却水の適正流量（Ｆx ）
    とを、前記温度調節ジャケット（７）出口の冷却水の温
    度変化（ΔＴc ）と流量計（２７）で測定した流量
    （Ｆ）とから前記演算装置（３３）で計算により求め
    て、前記流量制御弁（２９）の流量を前記適正流量（Ｆ
    x ）になるように適宜な時間間隔で調節し、前記レーザ
    ー加工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量（Ｑs ）とほ
    ぼ同一の熱量になさしめて前記レーザー加工ヘッド
    （１）の温度を基準温度（Ｔsn：n=1,2,3 ）に調節する
    ことを特徴とするレーザー加工ヘッドの温度調節方法。
  3. 【請求項３】 前記複数の温度検出器は、前記ハウジン
    グ（５）のレーザー光出射端部（９）側の外周に設けら
    れた第１ハウジング温度検出器（Ｓh1）と、前記ハウジ
    ング（５）のほぼ中央の外周に設けられた第２ハウジン
    グ温度検出器（Ｓh2）と、前記ハウジング（５）の集光
    用光学系側端部の外周に設られた光学系温度検出器（Ｓ
    h3）と、前記温度調節ジャケット（７）の出入り口にそ
    れぞれ設けられた冷却水温度検出器（Ｓh4，Ｓh5）とか
    らなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
    のレーザー加工ヘッドの温度調節方法。
  4. 【請求項４】 前記第１ハウジング温度検出器（Ｓh1）
    と第２ハウジング温度検出器（Ｓh2）と光学系温度検出
    器（Ｓh3）は、前記ハウジング（５）の外周にそれぞれ
    少なくとも２個ずつ設けてなることを特徴とする請求項
    ３に記載のレーザー加工ヘッドの温度調節方法。
  5. 【請求項５】 前記基準熱量（Ｑs ）と初期熱量Ｑi と
    は、前記光学系温度検出器（Ｓh3）が検出した温度をＴ
    1 、前記第２ハウジング温度検出器（Ｓh2）が検出した
    温度をＴ2 、前記第１ハウジング温度検出器（Ｓh1）が
    検出した温度をＴ3 とし、Ｃ1 をレンズの比熱、Ｃ2 を
    ハウジングの比熱、Ｍ1 をレンズの質量、Ｍ2 をハウジ
    ングの質量、Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を定数、とするとき次の
    計算式 【数１】Ｑ＝（Ｔ1 ＊Ｃ1 ＊Ｍ1 ）＋（Ｔ1 ＊Ｃ2 ＊Ｍ
    2 ＊Ｋ1 ）＋（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2＊Ｋ2 ）＋（Ｔ3 ＊Ｃ
    2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ3 ） で求めることを特徴とする請求項１から請求項４に記載
    のレーザー加工ヘッドの温度調節方法。
  6. 【請求項６】 前記基準温度（Ｔsn）が、Ｔs1＝２５
    ℃，Ｔs1＜Ｔs2＜Ｔs3、前記定数が、Ｋ1 ＝１／４，Ｋ
    2 ＝１／３，Ｋ3 ＝５／１２であることを特徴とする請
    求項５に記載のレーザー加工ヘッドの温度調節方法。
  7. 【請求項７】 光ファイバー（３）からのレーザー光を
    集光する光学系を設けたハウジング（５）と、該ハウジ
    ング（５）の外周に設けた温度調節ジャケット（７）と
    からなるレーザー加工ヘッド（１）において、該レーザ
    ー加工ヘッド（１）の温度を測定する複数の温度検出器
    を前記ハウジング（５）に設け、前記レーザー加工ヘッ
    ド（１）へのレーザー光の出射以前に、該レーザー加工
    ヘッド（１）の基準熱量（Ｑs ）を演算装置（３３）の
    記憶装置に設定し、前記レーザー加工ヘッド（１）の初
    期温度（Ｔin：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出器で測
    定し、前記基準熱量（Ｑs ）に対する初期熱量変化（Δ
    Ｑi ）を除去するための冷却水の初期流量（Ｆi ）を前
    記演算装置（３３）で計算により求めて、流量制御弁
    （２９）の流量を前記初期流量（Ｆi ）に調節し、前記
    レーザー加工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量
    （Ｑs ）とほぼ同一熱量になさしめ、その後前記レーザ
    ー光出射後の前記レーザー加工ヘッド（１）の温度（Ｔ
    xn：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出器により測定し、
    前記基準熱量（Ｑs ）に対してのその後の熱量変化（Δ
    Ｑx ）と、該熱量変化（ΔＱx ）を除去するのに必要な
    冷却水の適正流量（Ｆx ）を前記演算装置（３３）で計
    算し、前記流量制御弁（２９）の流量を前記適正流量
    （Ｆx ）になるように適宜な時間間隔で調節し、前記レ
    ーザー加工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量（Ｑs ）
    とほぼ同一の熱量になさしめて前記レーザー加工ヘッド
    （１）の温度を基準温度（Ｔsn：n=1,2,3 ）に調節する
    ことを特徴とするレーザー加工ヘッド。
  8. 【請求項８】 光ファイバー（３）からのレーザー光を
    集光する光学系を設けたハウジング（５）と、該ハウジ
    ング（５）の外周に設けた温度調節ジャケット（７）と
    からなるレーザー加工ヘッド（１）において、該レーザ
    ー加工ヘッドの温度を測定する複数の温度検出器を前記
    ハウジング（５）に設け、前記レーザー加工ヘッド
    （１）へのレーザー光の出射前に、該レーザー加工ヘッ
    ド（１）の基準熱量（Ｑs ）を演算装置（３３）の記憶
    装置に設定し、前記レーザー加工ヘッド（１）の初期温
    度（Ｔin：n=1,2,3 ）を前記複数の温度検出器で測定し
    て求め、前記基準熱量（Ｑs ）に対する初期熱量変化
    （ΔＱi ）を除去するための冷却水の初期流量（Ｆi ）
    を前記演算装置（３３）で計算により求め、流量制御弁
    （２９）の流量を前記初期流量（Ｆi ）に調節し、前記
    レーザー加工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量
    （Ｑs ）とほぼ同一熱量になさしめ、その後の前記基準
    熱量（Ｑs ）に対する熱量変化（ΔＱx ）と該熱量変化
    （ΔＱx ）を除去するための冷却水の適正流量（Ｆx ）
    とを、前記温度調節ジャケット（７）の出口の冷却水の
    温度変化（ΔＴc ）と流量計（２７）で測定した流量
    （Ｆ）とから前記演算装置（３３）で計算により求め、
    前記流量制御弁（２９）の流量を前記適正流量（Ｆx ）
    になるように適宜な時間間隔で調節し、前記レーザー加
    工ヘッド（１）の熱量を前記基準熱量（Ｑs ）とほぼ同
    一の熱量になさしめて前記レーザー加工ヘッド（１）の
    温度を基準温度（Ｔsn：n=1,2,3 ）に調節することを特
    徴とするレーザー加工ヘッド。
  9. 【請求項９】 前記複数の温度検出器は、前記ハウジン
    グ（５）のレーザー光出射端部（９）側の外周に設けら
    れた第１ハウジング温度検出器（Ｓh1）と、前記ハウジ
    ング（５）のほぼ中央の外周に設けられた第２ハウジン
    グ温度検出器（Ｓh2）と、前記ハウジング（５）の集光
    用光学系側端部の外周に設られた光学系温度検出器（Ｓ
    h3）と、前記温度調節ジャケット（７）の出入り口にそ
    れぞれ設けられた冷却水温度検出器（Ｓh4，Ｓh5）とか
    らなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載
    のレーザー加工ヘッド。
  10. 【請求項１０】 前記第１ハウジング温度検出器
    （Ｓh1）と第２ハウジング温度検出器（Ｓh2）と光学系
    温度検出器（Ｓh3）は、前記ハウジング（５）の外周に
    それぞれ少なくとも２個ずつ設けてなることを特徴とす
    る請求項９に記載のレーザー加工ヘッド。
  11. 【請求項１１】 前記基準熱量（Ｑs ）と初期熱量Ｑi
    とは、前記光学系温度検出器（Ｓh3）が検出した温度を
    Ｔ1 、前記第２ハウジング温度検出器（Ｓh2）が検出し
    た温度をＴ2 、前記第１ハウジング温度検出器（Ｓh1）
    が検出した温度をＴ3 とし、Ｃ1 をレンズの比熱、Ｃ2
    をハウジングの比熱、Ｍ1 をレンズの質量、Ｍ2 をハウ
    ジングの質量、Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を定数、とするとき次
    の計算式 【数２】Ｑ＝（Ｔ1 ＊Ｃ1 ＊Ｍ1 ）＋（Ｔ1 ＊Ｃ2 ＊Ｍ
    2 ＊Ｋ1 ）＋（Ｔ2 ＊Ｃ2 ＊Ｍ2＊Ｋ2 ）＋（Ｔ3 ＊Ｃ
    2 ＊Ｍ2 ＊Ｋ3 ） で求めることを特徴とする請求項７から請求項１０に記
    載のレーザー加工ヘッド。
  12. 【請求項１２】 前記基準温度（Ｔsn）が、Ｔs1＝２５
    ℃，Ｔs1＜Ｔs2＜Ｔs3、前記定数が、Ｋ1 ＝１／４，Ｋ
    2 ＝１／３，Ｋ3 ＝５／１２であることを特徴とする請
    求項１１に記載のレーザー加工ヘッド。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017094339A (ja) * 2015-11-18 2017-06-01 ファナック株式会社 クーラントを循環させるための循環路を備えるレーザ加工ヘッド
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