JPH0970680A

JPH0970680A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0970680A
Application number: JP7251849A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamahana; 義博山▲華▼
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】加工ヘッド部本体の精密な位置制御や姿勢制
御が不要であり且つ加工部材を確実に加工できるレーザ
加工装置を提供すること。【解決手段】レーザ加工装置１は、加工部材２１ａの
加工面１９に対向して装備された集光レンズ９と、この
集光レンズ９の中心線上に沿って装備されレーザ光Ｌを
案内し且つ集光レンズ９の中央部に向けて放射出力する
光ファイバ７と、この光ファイバ７及び集光レンズ９を
保持する加工ヘッド部本体３とを備えている。また、集
光レンズ９には、加工部材２１ａ，２１ｂの加工面１９
に油膜２３を介して当接する平坦当接面１１を設けると
共に、加工ヘッド部本体３を保持し且つ当該加工ヘッド
部本体３の集光レンズ９側を加工部材２１ａ，２１ｂに
向けて押圧するヘッド部保持手段５を装備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
係り、特に、加工部材にレーザ光を照射し、そのレーザ
光のエネルギーによって部材を加工するレーザ加工装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザ加工装置としては、図
８に示すものが用いられている。即ち、レーザ加工装置
５１は、レーザ光源（図示略）からレーザ光Ｌを案内す
る光ファイバ５７と、この光ファイバ５７からのレーザ
光Ｌを加工面６９に対して焦点合わせするための凸状レ
ンズ５９と、光ファイバ５７及び凸状レンズ５９を保持
する加工ヘッド部本体５３とを備えている。そして更
に、レーザ加工装置５１の加工ヘッド部本体５３には、
加工部材７１ａの加工面６９との距離を所定の量に維持
するためのガイドローラ機構６１を備えている。

【０００３】これらをより詳細に説明すると、レーザ加
工装置５１の加工ヘッド部本体５３は、円筒形状の中空
管からなり、加工部材７１ａに対向する側が開口されて
いる。そして、この加工ヘッド部本体５３の内部の中央
には、図８に示すように、レーザ光源において発生した
レーザ光Ｌを放射するための光ファイバ５７が導入され
ている。即ち、加工ヘッド部本体５３の中心軸領域に光
ファイバ５７が設置されている。

【０００４】また、加工ヘッド部本体５３の内部で、光
ファイバ５７のレーザ光照射側前方には、図８に示すよ
うな、凸状レンズ５９が配設されている。即ち、光ファ
イバ５７から照射されたレーザ光Ｌを、この凸状レンズ
５９で集光し、そして加工ヘッド部本体５３の開口部を
経て、加工部材７１ａの表面に照射するようになってい
る。この凸状レンズ５９は、焦点距離が約数十［ｍｍ］
程度のものである。

【０００５】また、加工ヘッド部本体５３の側面には、
加工ヘッド部本体５３の先端部と加工面６９との間隔を
一定に保つためのガイドローラ機構６１が装備されてい
る。より詳しくは、ガイドローラ機構６１は、棒状部材
が加工ヘッド部本体５３の側面に配設され、その先端部
は、加工ヘッド部本体５３の先端部の開口部から突出し
ている。そして、この棒状部材の先端部には、回転可能
なローラが装着されている。

【０００６】以上のように構成された従来例のレーザ加
工装置５１の動作を説明すると、図８に示すように、２
枚の加工部材７１ａ，７１ｂが重ねて配設され、両者の
密着を高めるために、各部材どうしが治具５５によって
固定されている。

【０００７】そして、産業用ロボット（図示略）に設置
された加工ヘッド部本体５３が、加工部材７１ａの加工
面６９に接近し、上記したガイドローラが加工面に当接
する。そして、加工ヘッド部本体５３が、加工面６９の
加工位置に正確に位置決めされ、レーザ光Ｌが照射され
る。このとき、レーザ光Ｌは、凸状レンズ５９によって
集光され、加工面６９上で焦点を結ぶ。これにより、加
工部の部材が溶解し、両者が一体として結合される。

【０００８】また、レーザ光Ｌの照射時には、凸状レン
ズ５９及び加工ヘッド部本体５３の開口部を保護すべ
く、加工ヘッド部本体５３の内側からアルゴンや窒素等
の不活性ガスからなるシールドガスが噴射される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、以下のような不都合を生じていた。即
ち、従来例に係るレーザ加工装置によれば、レーザ光が
加工面において適切に焦点を結ぶように、位置制御や姿
勢制御を精密に行う必要がある、という不都合を生じて
いた。具体的には、レンズと加工面が離隔しているの
で、加工ヘッド部本体が傾いたりした場合には、ガイド
ローラが装着されていても、加工面までの距離が微妙に
変化してしまう。

【００１０】また、加工部領域において、加工する部材
どうしが離間すること、いわゆる部材の浮き状態を抑制
するために、特別な治具が必要となる、という不都合を
生じていた。

【００１１】更に、凸状レンズや加工ヘッド部本体の先
端部領域を保護するために、加工部領域に向けて、所定
のシールドガスを噴射する必要がある。しかし、このシ
ールドガスを噴射することは、加工部を急冷してしまう
結果となるので、これにより、いわゆる凝固割れ現象が
発生し易い、という不都合を生じていた。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、加工ヘッド部本体の精密な位置制御や姿
勢制御が不要であり且つ加工部材を確実に加工できるレ
ーザ加工装置を提供することを、その目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の発明では、レーザ加工装置が、
加工部材の加工面に対向して装備された集光レンズと、
この集光レンズの中心線上に沿って装備され、レーザ光
を案内し且つ集光レンズの中央部に向けて放射出力する
光ファイバと、この光ファイバ及び集光レンズを保持す
る加工ヘッド部本体とを備えている。また、集光レンズ
には、加工部材の加工面に油膜を介して当接する平坦当
接面を設けると共に、加工ヘッド部本体を保持し且つ当
該加工ヘッド部本体の集光レンズ側を加工部材に向けて
押圧するヘッド部保持手段を装備する、という構成を採
っている。

【００１４】また、請求項２記載の発明では、ヘッド部
保持手段が、加工ヘッド部本体の集光レンズ側を加工部
材に対して適度に押圧する押圧機構を装備するという構
成を採り、その他の構成は請求項１記載の発明と同様で
ある。

【００１５】また、請求項３記載の発明では、請求項１
記載のレーザ加工装置において、ヘッド部保持手段に、
集光レンズと加工部材との間に向けて油膜形成用の油を
噴射する油噴射機構を装備する、という構成を採ってい
る。

【００１６】更に、請求項４記載の発明では、集光レン
ズとして、半球状のレンズを使用するという構成を採
り、その他の構成は請求項１，２又は３記載の発明と同
様である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面に基
づいて説明すると、先ず、図１において、レーザ加工装
置１は、加工部材２１ａの加工面１９に対向して装備さ
れた集光レンズ９と、この集光レンズ９の中心線上に沿
って装備されレーザ光Ｌを案内し且つ集光レンズ９の中
央部に向けて放射出力する光ファイバ７と、この光ファ
イバ７及び集光レンズ９を保持する加工ヘッド部本体３
とを備えている。また、集光レンズ９には、加工部材２
１ａ，２１ｂの加工面１９に油膜２３を介して当接する
平坦当接面１１を設けると共に、加工ヘッド部本体３を
保持し且つ当該加工ヘッド部本体３の集光レンズ９側を
加工部材２１ａ，２１ｂに向けて押圧するヘッド部保持
手段５を装備している。

【００１８】以上の構成をより詳細に説明すると、加工
ヘッド部本体３は、円筒状の中空部材から構成され、加
工部材２１ａ，２１ｂに対向する側の一端が開口されて
いる。そして、加工ヘッド部本体３の開口部には、図１
及び図２に示すような、半球状の集光レンズ９が配設さ
れている。より具体的には、球面を加工ヘッド部本体３
の内部側に向け、逆に平面当接部１１を加工ヘッド部本
体３の外側、即ち加工部材２１ａ，２１ｂ側に向けて配
設されている。

【００１９】また、加工ヘッド部本体３の中心軸部に
は、図示しないレーザ光出力部からのレーザ光Ｌを、集
光レンズ９に導入するための光ファイバ７が配設されて
いる。この光ファイバ７は、ガラス製材からなり、その
内部でレーザ光Ｌを全反射させて先端部から外部へ照射
する。また、光ファイバ７から照射されたレーザ光Ｌ
は、加工ヘッド部本体３の先端に配設された集光レンズ
９の球面側に入射し、平坦当接面１１側から出射するよ
うになっている。また、光ファイバ７と集光レンズ９と
の間には、所定のタイミングでレーザ光Ｌを遮断しまた
透過させるシャッタ１６が配設されている。このシャッ
タ１６は、後述するシャッタスイッチ１７の動作に従
い、開閉動作を行う。また、このシャッタ１６は、電磁
式シャッタとなっている。但し、シャッタは電磁式に限
定されず、機械式のものであってもよい。

【００２０】加工ヘッド部本体３の外周面には、加工部
材２１ａ，２１ｂの加工面１９に油を噴射するための油
噴射機構１５が配設されている。この油噴射機構１５
は、パイプ状の部材からなり、その先端部が上述した集
光レンズ９に向けて屈曲している。また、油噴射機構１
５は、図示しない油収納部に連結されており、レーザ加
工の際に、適宜集光レンズ９と加工面１９との間に油を
噴射するようになっている。

【００２１】次に、加工ヘッド部本体３を保持するヘッ
ド部保持手段５について説明する。ヘッド部保持手段５
は、加工ヘッド部本体３と同様に、中空の円筒形状から
なっている。但し、その内径は、加工ヘッド部本体３の
外径よりも僅かに大きく形成されている。そして、ヘッ
ド部保持手段５の内部に、加工ヘッド部本体が摺動可能
に嵌合されている。

【００２２】加工ヘッド部本体３とヘッド部保持手段５
との相互間には、図１および図３に示すように、所定の
シャフト部材とバネ部材からなる押圧手段１３及びシャ
ッタスイッチ１７が配設されている。押圧手段１３のシ
ャフト部材の一端は、加工ヘッド部本体３に固定されお
り、一方、他端はヘッド部保持手段５側に設けられたシ
ャフト孔に挿入されている。そして、加工ヘッド部本体
３とヘッド部保持手段５の相互間距離が変化すると、シ
ャフト部材の他端がシャフト孔に進入するようになって
いる。また、シャフト部材には、所定のバネ定数を有す
るバネ部材が装着されている。

【００２３】また、加工ヘッド部本体３とヘッド部保持
手段５との相互間には、シャッタスイッチ１７が配設さ
れている。シャッタスイッチ１７は、ヘッド部保持手段
５側に固定され、加工ヘッド部本体３に対向する側に、
スイッチを入れるためのボタンが設けられており、通常
はシャッタが閉じて、レーザ光を遮っている。特に、ス
イッチが入る位置は、バネ部材のバネ定数との関係で、
集光レンズ９が加工部材２１ａ，２１ｂを適切に押圧す
るのに必要な弾性力が発生する場所に設定されている。
そして、このシャッタスイッチ１７は、上述したシャッ
タ１６を開閉するタイミングを合わせるために用いられ
る。

【００２４】次に、以上のように構成されたレーザ加工
装置１の作用及び機能を、図面に基づいて説明する。

【００２５】先ず、レーザ加工装置１は、図４に示すよ
うな産業用ロボット等の自動機に据え付けられる。そし
て、図５に示すように、加工部材２１ａの加工すべき部
位の近傍に位置決めされる。特に、図５は、自動車用の
ドアを加工している場合を示す。しかし、用途としては
これらに限定されるものではなく、複数の部材を溶接等
する場合に広く使用することができる。

【００２６】次に、適切な位置に設定された加工ヘッド
部本体３は、加工面１９に対して略垂直に接近する（Ｓ
１）。このとき、加工面１９の表面には、油噴射機構１
５により、予め油が塗布されており、集光レンズ９と加
工面１９との間に油膜を形成するようになっている（Ｓ
２）。そして、集光レンズ９の平坦当接面１１は加工面
１９に接触する（Ｓ３）。

【００２７】集光レンズ９の平坦当接面１１が加工面１
９に当接した後も、ヘッド部保持手段５は降下を続け、
これにより、加工ヘッド部本体３がヘッド部保持手段５
の内側に進入する。即ち、加工ヘッド部本体３とヘッド
部保持手段５との相互間距離が短くなる。このとき、加
工ヘッド部本体３とヘッド部保持手段５の相互間には、
図３に示すように、上述した押圧機構１３が装備されて
いるので、相互間距離の減少量に比例した弾性力が生じ
る。そして、この弾性力によって、集光レンズ９が加工
部材２１ａ，２１ｂを押圧する（Ｓ３）。これにより、
加工前に、加工部材２１ａ及び２１ｂの間に隙間が生じ
ていても、互いが適切に密着させられる。このため、両
者を密着させるための特別な治具等を別個に設ける必要
もない。

【００２８】次に、ヘッド部保持手段５が更に降下する
と、加工ヘッド部本体３の上面部が、ヘッド部保持手段
５に配設されたシャッタスイッチ１７を押す（Ｓ４）。
このシャッタスイッチが押されると、ヘッド部保持手段
５の降下は停止し、これと同時に、光ファイバ７と集光
レンズ９の間に配設されたシャッタ１６が開放される。
そして、光ファイバ７から放射されたレーザ光Ｌが、集
光レンズ９を透過して加工面１９に照射される（Ｓ
５）。

【００２９】次に、具体的なレーザ加工の作用を、図２
に基づいて説明すると、レーザ光Ｌは、略平行光として
集光レンズ９に入射する。そして、半球状に形成された
集光レンズ９の球面側の表面部で屈折する。屈折したレ
ーザ光Ｌは、集光レンズ９の平坦当接面１１近傍で、小
さなスポット状に収束する。そして更に、集光レンズ９
から油膜２３に進入する際にも、一定の屈折現象を生
じ、加工面で焦点を結ぶようになっている。即ち、集光
レンズ９の曲率は、レーザ光Ｌの波長，集光レンズの屈
折率，油膜の屈折率および油膜の厚さ等によって決定さ
れる。換言すると、これらの値を予め正確に設定するこ
とにより、加工ヘッド部本体３の精密な位置制御や姿勢
制御をすることなく、確実にレーザ加工をすることがで
きる。

【００３０】加工面１９でレーザ光Ｌが焦点を結ぶと、
レーザ光Ｌのエネルギにより発熱し、加工部材２１ａが
加熱される。そして、この熱により加工部材２１ａが融
解し、融解領域２５が加工部材２１ｂまで拡大する。こ
のとき、集光レンズ９は、油膜２３により保護されてい
るので、融解した部材が付着することは防止される。

【００３１】続いて、加工ヘッド部本体３は、加工面１
９から上昇する。このためシャッタスイッチ１７がオフ
となり（Ｓ６）、シャッタ１６が閉じる。これにより、
融解領域２５の温度は低下し、加工部材２１ａと加工部
材２１ｂとが結合される（Ｓ７）。

【００３２】また、レーザ加工装置は、上述した如く、
精密な位置制御や姿勢制御を必要としないので、図６に
示すように、作業者が直接レーザ加工装置１ａを手に持
ち、油スプレ２７を噴射するように構成してもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成され機能す
るので、請求項１記載の発明によれば、加工ヘッド部本
体の加工部材に対する精密な位置制御や姿勢制御をする
ことなく、確実に加工面にレーザ光が焦点を結ぶように
構成することができる。この結果、簡易な構造及び制御
で、高品質なレーザ加工をすることができる、という優
れた効果を生じる。

【００３４】また、請求項２記載の発明によれば、集光
レンズが油膜を介して直接加工部材を押圧する。このた
め、特別な治具等を使用することなく、加工部材どうし
を確実に密着させることができ、高品質なレーザ加工を
することができる、という優れた効果を生じる。また、
加工部材と集光レンズの間に油膜が介在しているので、
レーザ加工によって融解した加工部材が集光レンズに付
着することが適切に防止される。加えて、集光レンズに
加工部材が付着した場合でも、容易にこれを取り除くこ
とができる、という優れた効果を生じる。

【００３５】また、請求項３記載の発明では、加工ヘッ
ド部本体の先端部近傍に、油噴射機構を装備しているの
で、連続的に広い範囲をレーザ加工する場合でも、常に
適切な油膜が加工部材上に形成される。この結果、自動
機等に搭載してレーザ加工装置を使用する場合に、作業
効率が向上する、という優れた効果を生じる。

【００３６】更に、請求項４記載の発明によれば、半球
状のレンズを集光レンズとして用いているので、焦点距
離が非常に短く、具体的には集光レンズの近傍で焦点を
結ぶ。従って、集光レンズの平坦当接面を加工部材に当
接させても、加工部材表面で焦点を結び、レーザ加工を
することができる、という優れた効果を生じる。

【００３７】また、集光レンズの平坦当接面が油膜を介
して加工部材に当接するので、集光レンズと加工部材と
の間の油膜が均一に保たれる、という優れた効果を生じ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図である。

【図２】図１に開示したレーザ加工装置の集光レンズ及
び加工部を示す断面図である。

【図３】図１に開示したレーザ加工装置の押圧機構を示
す断面図である。

【図４】図１に開示したレーザ加工装置を装備した産業
用ロボットを示す図である。

【図５】加工ヘッド部本体と加工部材を示す図である。

【図６】携帯タイプのレーザ加工装置で加工している状
態を示す図である。

【図７】レーザ加工の各行程を示すフローチャートであ
る。

【図８】従来のレーザ加工装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１レーザ加工装置３加工ヘッド部本体５ヘッド部保持手段７光ファイバ９集光レンズ１１平坦当接面１３押圧機構１５油噴射機構１９加工面２１ａ，２１ｂ加工部材２３油膜Ｌレーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 26/08 Ｂ２３Ｋ 26/08 Ｂ 26/14 26/14 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工部材の加工面に対向して装備された
集光レンズと、この集光レンズの中心線上に沿って装備
されレーザ光を案内し且つ前記集光レンズの中央部に向
けて放射出力する光ファイバと、この光ファイバ及び前
記集光レンズを保持する加工ヘッド部本体とを備えてな
るレーザ加工装置において、前記集光レンズに、前記加工部材の加工面に油膜を介し
て当接する平坦当接面を設けると共に、前記加工ヘッド部本体を保持し且つ当該加工ヘッド部本
体の前記集光レンズ側を前記加工部材に向けて押圧する
ヘッド部保持手段を装備したことを特徴とするレーザ加
工装置。
【請求項２】前記ヘッド部保持手段が、前記加工ヘッ
ド部本体の前記集光レンズ側を前記加工部材に対して適
度に押圧する押圧機構を装備したことを特徴とする請求
項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】前記請求項１記載のレーザ加工装置にお
いて、前記ヘッド部保持手段に、前記集光レンズと前記加工部
材との間に向けて油膜形成用の油を噴射する油噴射機構
を装備したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】前記集光レンズとして、半球状のレンズ
を使用したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の
レーザ加工装置。