JPH0833994A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光を照射するノズル部をレーザ導入経
路に妨げられることなく自在に駆動することのできるレ
ーザ加工装置を提供すること。 【構成】 レーザ照射用のノズル部３０として、レーザ
光導入用の光ファイバケーブル６７との接続を行いかつ
導入されたレーザ光をあらかじめ定められた方向に偏向
させる反射鏡を内蔵した導入部を有すると共に、該ノズ
ル部をあらかじめ定められた軸を中心に回転させるため
の回転駆動機構２０との連結支持部３３を有するものを
用い、前記導入部をベアリング３４により前記連結支持
部に対して回転可能に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工装置に関し、
特にレーザ照射を行うノズル部を三次元的に駆動可能と
したレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のレーザ加工装置の一例として、
支持枠に回転自在に軸支した第１の回転体と、この第１
の回転体を回転駆動する第１のモータと、前記第１の回
転体に回転自在に軸支した第２の回転体と、この第２の
回転体を回転駆動する第２のモータと、前記第２の回転
体よりも先端部側に設けたノズル部と、前記第１の回転
体に設けられ、その軸線上に放射されたレーザ光を前記
第２の回転体に案内する第１の反射手段と、前記第２の
回転体に設けられ、その軸線上に放射されたレーザ光を
前記ノズル部に向けて案内する第２の反射手段とを備
え、該第２の反射手段で反射されたレーザ光を前記ノズ
ル部からワーク（被加工物）へ向けて照射する三次元レ
ーザ加工装置であって、前記支持枠に揺動フレームを揺
動可能に設けると共に、該揺動フレームに前記第１の回
転体を回転自在に軸支して、該揺動フレームで前記第１
の回転体、第２の回転体、ノズル部、第１の反射手段、
第２の反射手段、第１のモータ及び第２のモータを一体
的に支持させ、更に前記揺動フレームを通常は所定の非
作動位置に保持する保持手段を設けるとともに、該揺動
フレームが前記非作動位置から揺動したことを検出する
検出手段を設けたものが知られている（例えば、特公平
３−５５２３４号）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
レーザ加工装置を含め、これまでのものは、レーザの発
振源からノズル部までのレーザ導入経路が固定式であ
る。このため、三次元的に駆動可能であるとは言って
も、レーザ導入経路がノズル部の自在な動きを妨げ、ノ
ズル部の動きに制約が生じていた。

【０００４】また、レーザ導入経路には光ファイバケー
ブルが用いられており、これまでのものはできるだけ自
在な動きを可能にするために、可撓性に富んだケーブル
が用いられている。ケーブルの可撓性は許容曲げ半径と
許容捩じれ量とで規定され、これらの値が大きいほど機
械的強度は低い。したがって、可撓性に富んだケーブル
はそれだけ機械的強度が低いことを意味し、万一、ケー
ブルが切断するようなことがあると、レーザが漏れて人
体を損傷するような事故につながるおそれがある。この
ため、レーザ加工装置の分野における光ファイバケーブ
ルは、安全性向上のために保護被覆を強化する必要があ
るが、保護被覆を強化すると可撓性が低下し、ノズル部
の自在な動きを更に妨げることになる。

【０００５】それ故、本発明の課題はレーザ光を照射す
るノズル部をレーザ導入経路に妨げられることなく自在
に駆動することのできるレーザ加工装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ照射用
のノズル部を有するレーザ照射部を備えたレーザ加工装
置において、前記ノズル部はレーザ光導入用の光ファイ
バとの接続を行いかつ導入されたレーザ光をあらかじめ
定められた方向に偏向させる反射鏡を内蔵した導入部を
有すると共に、該ノズル部をあらかじめ定められた軸を
中心に回転させるための回転駆動機構との連結支持部を
有し、前記導入部を前記連結支持部に対して回転可能に
構成したことを特徴とする。

【０００７】なお、前記レーザ照射部は、装置フレーム
に取り付けられて上下方向に延びる第１の軸を中心とす
る回転駆動を行うための第１の回転駆動機構と、該第１
の回転駆動機構と共に回転可能に連結された連結機構
と、該連結機構に取り付けられ、前記第１の軸に対して
鋭角をもって交差する第２の軸を前記あらかじめ定めら
れた軸としてこれを中心とする回転駆動を行うための前
記回転駆動機構とを有する。

【０００８】本発明によればまた、レーザ照射用のノズ
ル部を備えたレーザ加工装置において、前記ノズル部は
レーザ光導入用の光ファイバとの接続部を有すると共
に、導入されたレーザ光を直角方向に偏向させるための
第１の反射鏡を有する第１の可動部と、該第１の可動部
に連結されて該第１の反射鏡で反射されたレーザ光を直
角方向に偏向させるための第２の反射鏡を有する第２の
可動部とを有し、前記第１の可動部は、前記接続部にお
いて前記光ファイバに対してそこから導入されたレーザ
光を中心に回動可能に構成され、前記第２の可動部は、
前記第１の可動部との連結部において前記第１の可動部
に対して前記第１の反射鏡で反射されたレーザ光を中心
に回動可能に構成されていることを特徴とするレーザ加
工装置が得られる。

【０００９】

【作用】本発明によれば、ノズル部へのレーザ光の導入
を、ノズル部の周辺機構、すなわち回転駆動機構とは分
離状態にある光ファイバケーブルによってじかに行うこ
とにより、ノズル部の動きに対する制約をできるだけ少
なくしている。

【００１０】

【実施例】はじめに、図３を参照して本発明を適用した
レーザ加工装置を概略的に説明する。図３において、第
１の蛇腹機構６１によりワーク載置台６５を一方向（こ
こではｘ軸方向と呼ぶ）に走行可能な門型の可動フレー
ム６０に、第２の蛇腹機構６２、第３の蛇腹機構６３に
よりｙ軸方向、ｚ軸方向に移動可能な可動フレーム６４
を取り付けている。可動フレーム６４の下部には、レー
ザ光照射用のノズル部とこれをｘ、ｙ、ｚの３軸方向に
駆動する駆動機構とから成るレーザ照射部１００が取り
付けられている。レーザ発振源等を内蔵した駆動ユニッ
ト６６から光ファイバケーブル６７が導出され、この光
ファイバケーブル６７は可動フレーム６４、レーザ照射
部１００の動きに通過して変形可能な状態でレーザ照射
部１００に接続されている。６８は装置の起動、停止を
行うためのスイッチやリモコン操作用のボタン等を実装
した操作ボックスであり、可動フレーム６０に取り付け
られている。６９はワークを数値制御等によりレーザ加
工するための設定値等を入力したり、各種データを表示
するための操作パネルである。

【００１１】次に、図１を参照して本発明の要部である
レーザ照射部１００について説明する。本レーザ照射部
１００は、レーザ照射用のノズル部３０をｚ軸（第１の
軸）を中心に回転させるための第１の回転駆動機構１
０、ノズル部３０をｚ軸に対して鋭角（通常、４５°）
をなすθ軸（第２の軸）を中心に回転させるための第２
の回転駆動機構２０、第１の回転駆動機構１０と第２の
回転駆動機構２０とを連結するための連結機構４０とに
大別され、第２の回転駆動機構２０とノズル部３０との
間は回動アーム２７で連結されている。

【００１２】第１の回転駆動機構１０は、図３に示され
た可動フレーム６４に固定された固定ベース１１−１，
１１−２を有し、固定ベース１１−２にはモータ１２を
取り付けている。モータ１２の出力軸はカップリング機
構１３を介して減速機構１４に連結されている。減速機
構１４により減速された回転は回転構造体１５に伝達さ
れる。回転構造体１５は、減速機構１４に連結された回
転板１５−１と、これに固定され、下方には内方に張り
出すように形成された環状の張り出し部１５−３を有す
る支持板１５−２とから成る。張り出し部１５−３の内
周面は上方に向けて広がるようなテーパ状にされてい
る。

【００１３】連結機構４０は、その中心に上方に向かっ
て広がるテーパ部４１−１とこのテーパ部４１−１の上
端に設けられたフランジ４１−２とを有するテーパ構造
体４１を有し、このテーパ構造体４１はフランジ４１−
２が張り出し部１５−３に載置された状態で支持され
る。テーパ構造体４１の下部には、斜め下方に向けて延
びる中空の連結部材４２−１を有する回転伝達部材４２
が固定されている。回転伝達部材４２と支持板１５−２
との間には、ｚ軸を中心とする周方向に９０°の角度間
隔をおいて４つのコイルスプリング４３−１〜４３−４
が斜めに傾斜させた状態で設けられている。コイルスプ
リング４３−１〜４３−４は伸張方向に付勢力を生ずる
ものであり、これらの一端はそれぞれ、回転伝達部材３
２に設けられたシリンダ状の支持筒４４−１〜４４−４
により支持され、他端はそれぞれ支持板１５−２に当接
した状態に置かれている。

【００１４】支持筒４４−１〜４４−４にはそれぞれコ
イルスプリング４３−１〜４３−４の一端に当接させた
ピストン状の移動体を移動させることによりコイルスプ
リング４３−１〜４３−４の付勢力を調整する調整機構
４５−１〜４５−４が組み合わされている。コイルスプ
リング４３−１〜４３−４の付勢力により、テーパ構造
体４１のフランジ４１−２が張り出し部１５−３に圧接
され、その摩擦力により回転構造体１５の回転がテーパ
構造体４１に伝達される。

【００１５】連結部材４２−１には、第２の回転駆動機
構２０が連結され、この第２の回転駆動機構２０は９０
°に折れた中空の筒状体内にモータ２１、カップリング
機構２２が収容されている。そして、カップリング機構
２２の出力軸に第１のベベルギヤ２３を設け、この第１
のベベルギヤ２３には第２のベベルギヤ２４を歯合させ
ることで、モータ２１の回転をθ軸を中心とする回転運
動に変換するように構成している。第２のベベルギヤ２
４の回転軸には、減速機構２５を介して回転体２６が連
結され、この回転体２６の回転が回動アーム２７を介し
てノズル部３０に伝達される。

【００１６】ノズル部３０の上部には図３に示された光
ファイバケーブル６７がコネクタ３１を介して連結さ
れ、コネクタ３１を通して導入されたレーザ光はノズル
部３０の上部に内蔵された反射鏡３２により９０°の角
度で反射されて中心軸（図１の状態ではｚ軸）に沿って
下方に向かう。

【００１７】ノズル部３０は、回動アーム２７と連結さ
れた連結支持部３３より下方の部分と、連結支持部３３
より上方にあってコネクタ３１と反射鏡３２とを含んで
いる導入部とに分けられ、この導入部は連結支持部３３
に対してベアリング３４により回転可能に構成されてい
る。このようにして、コネクタ３１と反射鏡３２とは、
連結支持部３３に対して一体的に回転自在に組み付けら
れており、回動アーム２７がθ軸を中心に回転しても光
ファイバケーブル６７は回転を妨げず、しかも常に光フ
ァイバケーブル６７からのレーザ光を中心軸方向に反射
できるようにされている。

【００１８】この他、ノズル部３０には、反射鏡３２か
らのレーザ光を焦点位置３５に集光させるための手段や
焦点調整機構が組み合わされるが、これらはいずれも周
知であるので固定、説明は省略する。

【００１９】以上のように構成することにより、図１の
状態では、第１の回転駆動機構１０によりノズル部３０
はｚ軸を中心に３６０°より小さい範囲で回転駆動され
る。また、図１の状態で第２の回転駆動機構２０のみを
駆動すると、ノズル部３０はθ軸を中心に３６０°より
小さい範囲で回転駆動される。そして、第１、第２の回
転駆動機構１０，２０を共に駆動することにより、ノズ
ル部３０の先端が様々な方向を向く、いわゆる三次元の
姿勢制御を行うことができる。すなわち、連結支持部３
３がワ−クに対する加工に合わせてｚ軸やθ軸を中心に
回転しても、導入部が連結支持部３３に対して自由に回
転可能であるので、光ファイバケーブル６７の接続部に
は大きな動きは生じない。言い換えれば、光ファイバケ
ーブル６７がノズル部３０の動きを妨げることが無い。

【００２０】このことから、光ファイバケーブル６７と
して保護被覆を強化することにより可撓性の低い、つま
り硬い光ファイバケーブルでも使用することができ、安
全性の向上に寄与せしめることができる。

【００２１】ところで、上記構成に加えて、本実施例で
は、ノズル部３０が万一、ワークと衝突した場合を考慮
して、次のような手段を講じている。第１の手段は、張
り出し部１５−３に上方に向けてピン４６を設け、この
ピン４６をテーパ構造体４１のフランジ４１−２に設け
た貫通孔に挿通させて成る。第２の手段は、テーパ構造
体４１のテーパ部４１−１に隣接した張り出し部１５−
３のテーパ部に、その周方向に１２０°の角度間隔をお
いて３個の近接センサ４７−１（１個のみ図示）を配設
して成る。これらの近接センサ４７−１の検出信号は、
前述した駆動ユニット６６に内蔵された第１〜第３の蛇
腹機構の制御部に送出される。

【００２２】これら第１、第２の手段の機能について説
明する。例えば、ノズル部３０がワークに衝突して図中
上方向に所定値以上の力、すなわちコイルスプリング４
３−１〜４３−４による付勢力を越えるような力が作用
した場合には、テーパ構造体４１は、そのフランジ４１
−２が張り出し部１５−３から離れて上方に浮き上がる
ように変位することでノズル部３０、第２の回転駆動機
構２０、連結機構４０に加わる衝撃力を吸収すると共
に、上記各部を介して可動フレーム６４に衝撃力が加わ
ることを防止する。

【００２３】しかも、テーパ構造体４１は、そのフラン
ジ４１−２に設けられた貫通孔にピン４６が挿通されて
いることにより、上方に変位しても周方向の位置ずれが
規制され、テーパ構造体４１を元の位置に戻す時の復元
作業を容易にする。加えて、上記のような変位の場合、
３個の近接センサ４７−１のすべてがテーパ構造体４１
の変位を検出して検出信号を送出する。これらの検出信
号を受けた制御部ではノズル部３０に対して下方から力
が作用していると判定し、レーザ照射部１００を上方に
移動させるような蛇腹機構の制御動作を行う。

【００２４】次に、ノズル部３０がワークに衝突して図
中横方向に所定値以上の力が作用した場合には、テーパ
構造体４１は、フランジ４１−２が傾いた状態で一部が
張り出し部１５−３から離れるように変位することで、
上記の場合と同様に衝撃力の吸収を行う。そして、この
場合にもピン４６がフランジ４１−２の貫通孔から抜け
ることはないので、テーパ構造体４１の周方向の位置ず
れが規制される。

【００２５】更に、このような変位の場合には、３個の
近接センサ４７−１のすべてが変位を検出することはな
く、１個あるいは２個の近接センサ４７−１から検出信
号が送出される。この場合、制御部では、近接センサ４
７−１からの検出信号が１つである場合には、その近接
センサ４７−１の設置箇所と反対の方向から力が作用し
ていると判定し、この力を回避する方向にレーザ照射部
１００を移動させるように蛇腹機構の駆動制御を行う。
一方、近接センサ４７−１からの検出信号が２つである
場合には、制御部はこれら２つの近接センサ４７−１の
設置箇所の中間部と反対の方向から力が作用していると
判定する。そして、このような力を回避する方向にレー
ザ照射部１００を移動させるように蛇腹機構の駆動制御
を行う。

【００２６】次に、図２を参照して本発明の第２の例を
説明する。この例では、光ファイバケーブル６７として
硬いものを使用する。そして、この光ファイバケーブル
６７によりノズル部５０を吊り下げた状態にて支持する
ようにし、ノズル部５０の先端部５１をｚ軸及びｘ軸を
中心に回転可能にしたものである。ノズル部５０はレー
ザ光導入用の光ファイバケーブル６７との接続部５２を
有すると共に、導入されたレーザ光を直角方向に偏向さ
せるための第１の反射鏡５３を有する第１の可動部５４
と、この第１の可動部５４に連結されて第１の反射鏡５
３で反射されたレーザ光を直角方向に偏向させるための
第２の反射鏡５５を有する第２の可動部５６とを有す
る。

【００２７】そして、第１の可動部５４は、接続部５２
においてベアリング５７により光ファイバケーブル６７
に対してそこから導入されたレーザ光を中心に３６０°
より小さい範囲で回動可能に構成されている。一方、第
２の可動部５６は、第１の可動部５４との連結部に配置
されたベアリング５８により前記第１の可動部５４に対
して第１の反射鏡５３で反射されたレーザ光を中心に３
６０°より小さい範囲で回動可能に構成されている。５
９ａ、５９ｂは集光用のレンズである。第１の可動部５
４、第２の可動部５６を回転させる回転駆動機構につい
ては周知の技術を利用してこれらの内部に組み込むこと
ができるので、図示、説明は省略する。いずれにして
も、ノズル部５０の先端部５１をｚ軸及びｘ軸を中心に
回転可能にしたことにより、先端部５１の自由度を更に
向上させることができる。

【００２８】なお、上記ベアリングを中空モータに変更
すれば、光ファイバケーブル６７の接続方向を任意の方
向に設定できる。また、上記ベアリングは回転可能に支
持できるものであれば、他の手段で代用しても良い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ばノズル部に対するレーザ光の導入をノズル部の駆動機
構とは分離した光ファイバケーブルを通して、ノズル部
の動きを極力妨げることの無いようにして実現したこと
により、ノズル部の姿勢を様々に制御することができ
る。その結果、光ファイバケーブルとして可撓性の低い
ものでも利用できるので、保護被覆の強化を図ることが
でき、安全性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工装置のレーザ照射部の
内部構造を示した断面図である。

【図２】本発明によるレーザ加工装置のノズル部の他の
例を示した断面図である。

【図３】本発明を適用したレーザ加工装置の例を示した
概略斜視図である。

【符号の説明】

１０ 第１の回転駆動機構 ２０ 第２の回転駆動機構 ３０ ノズル部 ４０ 連結機構 １００ レーザ照射部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ照射用のノズル部を有するレーザ
   照射部を備えたレーザ加工装置において、前記ノズル部
   はレーザ光導入用の光ファイバとの接続を行いかつ導入
   されたレーザ光をあらかじめ定められた方向に偏向させ
   る反射鏡を内蔵した導入部を有すると共に、該ノズル部
   をあらかじめ定められた軸を中心に回転させるための回
   転駆動機構との連結支持部を有し、前記導入部を前記連
   結支持部に対して回転可能に構成したことを特徴とする
   レーザ加工装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ加工装置におい
   て、前記レーザ照射部は、装置フレームに取り付けられ
   て上下方向に延びる第１の軸を中心とする回転駆動を行
   うための第１の回転駆動機構と、該第１の回転駆動機構
   と共に回転可能に連結された連結機構と、該連結機構に
   取り付けられ、前記第１の軸に対して鋭角をもって交差
   する第２の軸を前記あらかじめ定められた軸としてこれ
   を中心とする回転駆動を行うための前記回転駆動機構と
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 レーザ照射用のノズル部を備えたレーザ
   加工装置において、前記ノズル部はレーザ光導入用の光
   ファイバとの接続部を有すると共に、導入されたレーザ
   光を直角方向に偏向させるための第１の反射鏡を有する
   第１の可動部と、該第１の可動部に連結されて該第１の
   反射鏡で反射されたレーザ光を直角方向に偏向させるた
   めの第２の反射鏡を有する第２の可動部とを有し、前記
   第１の可動部は、前記接続部において前記光ファイバに
   対してそこから導入されたレーザ光を中心に回動可能に
   構成され、前記第２の可動部は、前記第１の可動部との
   連結部において前記第１の可動部に対して前記第１の反
   射鏡で反射されたレーザ光を中心に回動可能に構成され
   ていることを特徴とするレーザ加工装置。