JP2017094339A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のレーザ加工ヘッドにおいて、クーラント供給管を流路から取り外す等の動作を行った場合に、流路またはクーラント供給管からクーラントが漏出し、レーザ加工ヘッドの構成要素に付着してしまう場合があった。【解決手段】レーザ光を集光してワークＷに照射するレーザ加工ヘッド１０は、レーザ加工ヘッド１０を伝搬するレーザ光によって該レーザ加工ヘッド１０に発生した熱を除去するためのクーラントを循環させる、閉じられた循環路２０と、循環路２０においてクーラントを流動させて、該循環路２０で該クーラントを循環させるクーラント循環装置とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、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に関する。

レーザ加工ヘッドを冷却するために、該レーザ加工ヘッドに設けられた流路内で冷却水等のクーラントを流動させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平９−２７７０７４号公報

従来、レーザ加工ヘッドの外部に設置されたクーラント供給装置から延びるクーラント供給管を、上記の流路に接続し、該クーラント管を介して、クーラント供給装置から流路内にクーラントを供給する必要があった。

このようなレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工ヘッドのメンテナンス等のためにクーラント供給管を流路から取り外す等の動作を行った場合に、流路またはクーラント供給管からクーラントが漏出し、レーザ加工ヘッドの構成要素に付着して光学部品を汚染してしまう場合があった。

また、従来は、冷却を行うときに結露が発生するのを防止すべく、外気温、湿度、およびクーラント温度を監視し、制御する必要があった。また、レーザ加工ヘッドは可動である場合が多く、外部よりクーラントを導入する場合、クーラント供給管等の部材の折れ、疲労による損傷等が発生することがない敷設方法および材質が必要となっていた。

レーザ光を集光してワークに照射するレーザ加工ヘッドは、レーザ加工ヘッドを伝搬するレーザ光によって該レーザ加工ヘッドに発生した熱を除去するためのクーラントを循環させる、閉じられた循環路と、循環路においてクーラントを流動させて、該循環路で該クーラントを循環させるクーラント循環装置とを備える。

レーザ加工ヘッドは、光を集光する光学部材を保持する本体部をさらに備えてもよい。循環路は、本体部に形成された穴、または本体部に取り付けられた管によって画定されてもよい。

レーザ加工ヘッドは、循環路に隣接して配置された放熱フィンをさらに備えてもよい。レーザ加工ヘッドは、レーザ加工ヘッドから熱を除去する気流を発生させるファンをさらに備えてもよい。

レーザ加工ヘッドは、レーザ加工ヘッドの温度を検出する温度検出部と、温度検出部が検出した温度に基づいて、ファンを制御するファン制御部とをさらに備えてもよい。レーザ加工ヘッドは、レーザ光をレーザ発振器に生成させるためにレーザ発振器制御部が該レーザ発振器へ送信する指令に基づいて、ファンを制御するファン制御部をさらに備えてもよい。

レーザ加工ヘッドは、ファンの動作を監視するファン監視部をさらに備えてもよい。レーザ加工ヘッドは、クーラント循環装置の動作を監視する循環装置監視部をさらに備えてもよい。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッドの図である。 図１に示すレーザ加工ヘッドを図１中のＩＩ−ＩＩで切断して軸方向上方（すなわち、図１の紙面上方）から見た断面図である。 他の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの図である。 図３に示すレーザ加工ヘッドを図３中のＩＶ−ＩＶで切断して軸方向上方（すなわち、図３の紙面上方）から見た断面図である。 さらに他の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの図であって、循環路を断面で示している。 さらに他の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの図である。 図６に示すレーザ加工ヘッドのブロック図である。 図６に示すレーザ加工ヘッドの動作フローの一例を示すフローチャートである。 図８中のステップＳ８のフローの一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工システムの図である。 図１０に示すレーザ加工システムのブロック図である。 図１０に示すレーザ加工システムの動作フローの一例を示すフローチャートである。 図１２中のステップＳ３８のフローの一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１０について説明する。

なお、以下の説明において、軸方向は、レーザ加工ヘッド１０内を伝搬するレーザ光の光軸Ｏに沿う方向を示す。また、周方向は、光軸Ｏを中心とする円の円周方向を示し、径方向は、光軸Ｏを中心とする円の半径方向を示す。

レーザ加工ヘッド１０は、光ファイバＡを介して、レーザ発振器（図示せず）に光学的に接続されており、該レーザ発振器から出射されたレーザ光を受光し、受光した該レーザ光を集光して、ワークＷへ照射する。

レーザ加工ヘッド１０は、接続部１２、本体部１４、光学部材１６、ノズル１８、循環路２０、およびクーラント循環装置２２を備える。接続部１２には、光ファイバＡが接続されている。接続部１２は、光ファイバＡ内を伝搬したレーザ光を受光し、光学部材１６へ向かって導光する。

本体部１４は、中空部材であって、その内部にレーザ光の光路を画定している。本体部１４は、光学部材１６を保持している。光学部材１６は、例えば、フォーカスレンズ等を有し、本体部１４の内部に画定されたレーザ光の光路上に、配置されている。光学部材１６は、接続部１２から伝搬するレーザ光を集光し、ノズル１８へ向かって導光する。

ノズル１８は、光学部材１６によって集光されたレーザ光を、ワークＷへ向かって出射する。このようにワークＷ上へ照射されたレーザ光によって、ワークＷがレーザ加工される。

循環路２０は、液体または気体のクーラントを循環させるための、閉じられた流路である。本実施形態においては、循環路２０は、本体部１４に形成された穴によって画定され、光学部材１６を取り囲むように周方向へ延びている。クーラントは、例えば、水、ロングライフクーラント、または防食材の添加された溶液を含む。

クーラント循環装置２２は、例えば電動ポンプであって、循環路２０に配置された回転体と、該回転体を回転させるモータとを有する。クーラント循環装置２２は、循環路２０内に封入された流体に圧力変動を生じさせ、循環路２０内の流体を流動させる。これにより、クーラントは循環路２０内を循環する。

このように、循環路２０は、レーザ加工ヘッド１０の外部に設置された外部機器（例えばクーラント供給装置）に流体的に接続されることなく、該循環路２０の内部に流体を封入することができ、封入した流体を流動させた場合に該流体を循環させることのできる、閉流路である。

光ファイバＡから接続部１２にてレーザ光を受光すると、レーザ光に含まれる散乱光が、該接続部１２に入射して吸収される。これにより、接続部１２が発熱する。また、光学部材１６に入射したレーザ光が該光学部材１６に吸収され、該光学部材１６が発熱する。

このように、レーザ加工ヘッド１０内の光路を伝搬するレーザ光によって、該レーザ加工ヘッドの構成部材が発熱する。このように発生した熱を除去するために、循環路２０内にクーラントを封入し、クーラント循環装置２２によって、該クーラントを循環路２０内で循環させる。

次に、図３および図４を参照して、本発明の他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド３０について説明する。なお、以下に説明する種々の実施形態において、既述の実施形態と同様の要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

レーザ加工ヘッド３０は、接続部１２、本体部３２、光学部材１６、ノズル１８、循環路３４、およびクーラント循環装置２２を備える。循環路３４は、上述の循環路２０と同様に、クーラントを循環させるための、閉じられた流路である。

本実施形態においては、循環路３４は、本体部３２の周囲に取り付けられた、該本体部３２とは別体の管によって画定されている。循環路３４は、光学部材１６を取り囲むように、周方向に延在している。クーラント循環装置２２は、循環路３４内に封入された流体を循環させる。

次に、図５を参照して、本発明のさらに他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド４０について説明する。レーザ加工ヘッド４０は、接続部１２、本体部３２、光学部材１６、ノズル１８、循環路４２、およびクーラント循環装置２２を備える。

循環路４２は、上述の循環路２０、３４と同様に、クーラントを循環させるための、閉じられた流路である。本実施形態においては、循環路４２は、接続部１２の周囲に取り付けられた、該接続部１２とは別体の管によって画定されている。

循環路４２は、接続部１２の径方向外側の位置で、周方向に延在している。クーラント循環装置２２は、循環路４２内に封入された流体を循環させる。なお、循環路４２は、接続部１２に形成された穴によって画定されてもよい。

上述したレーザ加工ヘッド１０、３０、４０においては、循環路２０、３４、４２が閉じられた流路として構成されている。したがって、クーラント循環装置２２を動作させることによって、クーラントを、レーザ加工ヘッド１０、３０、４０内で循環させ、これにより、レーザ加工ヘッド１０、３０、４０に生じた熱を除去することができる。

この構成によれば、クーラントを循環路２０、３４、４２に外部機器（クーラント供給装置）から供給する必要がないので、循環路２０、３４、４２に、外部機器から延びるクーラント供給管等の部材を接続するジョイント部を設ける必要もない。

したがって、該ジョイント部からクーラント供給管を取り外す作業、または、該ジョイント部とクーラント供給管との取付不良等によって、クーラントが漏出する可能性を排除できる。これにより、クーラントの漏出によって光学部品１６等の部材が汚染されてしまうのを、確実に防止できる。

また、循環路２０、３４、４２に外部機器からクーラントの供給をすることがないので、使用者は、外部機器から供給されるクーラントの品質管理（例えば、温度、ｐＨ値）を行う必要がない。その一方で、使用者は、循環路２０、３４、４２内のクーラントを定期的に交換することで、クーラントの品質を容易に管理できる。

また、循環路２０および３４は、光学部材１６を取り囲むように配置され、循環路４２は、接続部１２を取り囲むように配置されている。この構成によれば、レーザ加工ヘッド１０、３０、４０内を伝搬するレーザ光によって発熱し易い部分を、効果的に冷却することができる。

次に、図６および図７を参照して、さらに他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド５０について説明する。レーザ加工ヘッド５０は、接続部５２、本体部５４、光学部材１６、ノズル１８、循環路５６、クーラント循環装置２２、放熱フィン５７、ファン６０、温度検出部６２、および制御部６４を備える。

制御部６４は、ＣＰＵおよび記憶部（ともに図示せず）等を有し、レーザ加工ヘッド５０の各構成要素を、直接的または間接的に制御する。制御部６４は、本体部５４に取り付けられている。

接続部５２は、光ファイバＡ内を伝搬したレーザ光を受光し、光学部材１６へ向かって導光する。本体部５４は、中空部材であって、その内部にレーザ光の光路を画定している。本体部５４は、光学部材１６を保持している。

循環路５６は、クーラントを循環させるための、閉じられた流路である。本実施形態においては、循環路５６は、接続部５２および本体部５４に形成された穴によって画定されている。

具体的には、循環路５６は、接続部５２に形成された穴によって画定された流路５６ａと、本体部５４に形成された穴によって画定された流路５６ｂとを有する。流路５６ａおよび５６ｂは、互いに連通し、閉じられた循環路５６を形成している。

クーラント循環装置２２は、循環路５６に配置された回転体（図示せず）と、該回転体を回転させるモータ５８（図７）とを有する。モータ５８は、例えばサーボモータであって、制御部６４からの指令に応じて、回転体を回転駆動する。

こうして、クーラント循環装置２２は、循環路５６内に封入された流体に圧力変動を生じさせ、流体を循環路５６内で循環させる。

クーラント循環装置２２には、エンコーダ６８（図７）が取り付けられている。エンコーダ６８は、クーラント循環装置２２の回転体の回転数を検出し、回転数に係るデータを制御部６４へ送信する。

放熱フィン５７は、本体部５４の外面上に取り付けられている。放熱フィン５７は、流路５６ａの部分５６ｃに隣接して配置されており、部分５６ｃ内を流動するクーラントから放熱する。

ファン６０は、放熱フィン５７に隣接して配置されている。具体的には、ファン６０は、複数の羽根を有する回転体（図示せず）と、該回転体を回転させるファンモータ６６（図７）とを有する。ファン６０は、放熱フィン５７を通過する気流を生じさせるように、配置される。

ファン６０には、エンコーダ７０（図７）が取り付けられている。エンコーダ７０は、ファン６０の回転体の回転数を検出し、回転数に係るデータを制御部６４へ送信する。

温度検出部６２は、熱電対または白金測温抵抗体等を有し、本体部５４に取り付けられている。温度検出部６２は、該温度検出部６２が配置されている部位の温度を検出し、温度に係るデータを制御部６４へ送信する。

次に、図８および図９を参照して、レーザ加工ヘッド５０の動作について説明する。図８に示すフローは、制御部６４が、使用者、上位コントローラ、またはレーザ加工プログラム等から動作指令を受け付けたときに、開始する。

ステップＳ１において、制御部６４は、クーラント循環装置２２を始動する。具体的には、制御部６４は、モータ５８に回転指令を送り、クーラント循環装置２２の回転体を、予め定められた回転数Ｐ_０で回転させる。これにより、循環路５６内に封入された流体が流動し、循環路５６内を循環する。

ステップＳ２において、制御部６４は、クーラント循環装置２２の回転数Ｐを取得する。具体的には、制御部６４は、エンコーダ６８に指令を送り、クーラント循環装置２２の回転体の回転数Ｐを検出する。制御部６４は、回転数Ｐに係るデータをエンコーダ６８から取得する。

ステップＳ３において、制御部６４は、ステップＳ２にて取得した回転数Ｐが、予め定められた回転数の閾値Ｐ_１よりも小さい（すなわち、Ｐ＜Ｐ_１）か否かを判定する。

この閾値Ｐ_１は、クーラント循環装置２２が正常に動作していると推定できる回転数Ｐの下限値（０＜Ｐ_１＜Ｐ_０）であって、使用者によって予め定められ、制御部６４の記憶部に記憶される。一例として、閾値Ｐ_１は、ステップＳ１にてモータ５８に送信された回転指令Ｐ_０の５０％に設定される。

制御部６４は、Ｐ＜Ｐ_１である（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ４へ進む。一方、制御部６４は、Ｐ≧Ｐ_１である（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ４において、制御部６４は、警告信号を生成する。例えば、制御部６４は、「クーラント循環装置の動作に異常あり」との画像または音声の形態で、警告信号を生成する。そして、制御部６４は、生成した警告信号を表示部またはスピーカ（図示せず）へ送信し、表示部またはスピーカを介して、使用者に警告を報知する。

このように、本実施形態においては、制御部６４は、ステップＳ２およびＳ３によって、クーラント循環装置２２の回転数Ｐを監視し、回転動作に異常がある場合（ステップＳ３にてＹＥＳ）に、ステップＳ４にて使用者に警告を発信している。したがって、制御部６４は、クーラント循環装置２２の動作を監視する循環装置監視部７２（図７）としての機能を有する。

ステップＳ５において、制御部６４は、レーザ加工ヘッド５０の温度Ｔを取得する。具体的には、制御部６４は、温度検出部６２に指令を送り、レーザ加工ヘッド５０の温度Ｔを検出する。制御部６４は、温度Ｔに係るデータを温度検出部６２から取得する。

ステップＳ６において、制御部６４は、ステップＳ５にて取得した温度Ｔが、予め定められた温度の閾値Ｔ_１よりも低い（すなわち、Ｔ＜Ｔ_１）か否かを判定する。この閾値Ｔ_１は、ファン６０を動作させる必要のない、レーザ加工ヘッド５０の温度の下限値であって、使用者によって予め定められ、制御部６４の記憶部に記憶される。

制御部６４は、Ｔ＜Ｔ_１である（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ７へ進む。一方、制御部６４は、Ｔ≧Ｔ_１ある（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ７において、制御部６４は、ファン６０の回転数Ｒをゼロに制御する。具体的には、制御部６４は、ファンモータ６６へ指令を送り、ファンモータ６６の回転を停止する。

ステップＳ８において、制御部６４は、ファン６０の動作スキームを実行する。このステップＳ８について、図９を参照して説明する。

ステップＳ８の開始後、ステップＳ２１において、制御部６４は、直近に実行したステップＳ５にて取得した温度Ｔが、上記の閾値Ｔ_１以上、且つ、予め定められた温度の閾値Ｔ_２よりも小さい（すなわち、Ｔ_１≦Ｔ＜Ｔ_２）か否かを判定する。この閾値Ｔ_２は、閾値Ｔ_１よりも大きな値として使用者によって予め定められ、制御部６４の記憶部に記憶される。

制御部６４は、Ｔ_１≦Ｔ＜Ｔ_２である（すなわちＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ２２へ進む。一方、制御部６４は、Ｔ_２≦Ｔである（すなわちＮＯ）と判定した場合、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２２において、制御部６４は、ファン６０を第１の回転数Ｒ_１で駆動する。具体的には、制御部６４は、第１の回転数Ｒ_１に相当する第１の回転指令を生成し、ファンモータ６６へ送信する。ファンモータ６６は、第１の回転指令に従って、ファン６０の回転体を第１の回転数Ｒ_１で回転駆動する。

ステップＳ２３において、制御部６４は、直近に実行したステップＳ５にて取得した温度Ｔが、上記の閾値Ｔ_２以上、且つ、予め定められた温度の閾値Ｔ_３よりも小さい（すなわち、Ｔ_２≦Ｔ＜Ｔ_３）か否かを判定する。この閾値Ｔ_３は、閾値Ｔ_２よりも大きな値として使用者によって予め定められ、制御部６４の記憶部に記憶される。

制御部６４は、Ｔ_２≦Ｔ＜Ｔ_３である（すなわちＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ２４へ進む。一方、制御部６４は、Ｔ_３≦Ｔである（すなわちＮＯ）と判定した場合、ステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２４において、制御部６４は、ファン６０を第２の回転数Ｒ_２（＞Ｒ_１）で駆動する。具体的には、制御部６４は、第２の回転数Ｒ_２に相当する第２の回転指令を生成し、ファンモータ６６へ送信する。ファンモータ６６は、第２の回転指令に従って、ファン６０の回転体を第２の回転数Ｒ_２で回転駆動する。

ステップＳ２５において、制御部６４は、ファン６０を第３の回転数Ｒ_３（＞Ｒ_２）で駆動する。具体的には、制御部６４は、第３の回転数Ｒ_３に相当する第３の回転指令を生成し、ファンモータ６６へ送信する。

ファンモータ６６は、第３の回転指令に従って、ファン６０の回転体を第３の回転数Ｒ_３で回転駆動する。一例として、第３の回転数Ｒ_３は、ファン６０の最大許容回転数に設定される。

このように、本実施形態においては、制御部６４は、ステップＳ２１〜Ｓ２５において、温度検出部６２が検出した温度Ｔに応じた回転数で、ファン６０を動作させている。したがって、制御部６４は、温度検出部６２が検出した温度Ｔに基づいてファン６０を制御するファン制御部７４（図７）としての機能を有する。

ステップＳ２６において、制御部６４は、ファン６０の回転数Ｒを取得する。具体的には、制御部６４は、エンコーダ７０に指令を送り、ファン６０の回転体の回転数Ｒを検出し、回転数Ｒに係るデータをエンコーダ７０から取得する。

ステップＳ２７において、制御部６４は、ステップＳ２６にて取得した回転数Ｒが、予め定められた回転数の閾値Ｒ_４よりも小さい（すなわち、Ｒ＜Ｒ_４）か否かを判定する。 この閾値Ｒ_４は、ファン６０が正常に動作していると推定できる回転数Ｒの下限値であって、使用者によって予め定められ、制御部６４の記憶部に記憶される。一例として、閾値Ｒ_４は、ステップＳ２２、Ｓ２４、またはＳ２５にて制御部６４がファンモータ６６に送信した回転指令Ｒ_１、Ｒ_２、またはＲ_３の５０％の値として、設定される。

制御部６４は、Ｒ＜Ｒ_４である（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ２８へ進む。一方、制御部６４は、Ｒ≧Ｒ_４である（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、図８中のステップＳ９へ進む。

ステップＳ２８において、制御部６４は、警告信号を生成する。例えば、制御部６４は、「ファンの動作に異常あり」との画像または音声の形態で、警告信号を生成する。そして、制御部６４は、生成した警告信号を表示部またはスピーカ（図示せず）へ送信し、該表示部または該スピーカを介して、使用者に警告を報知する。

このように、本実施形態においては、制御部６４は、ステップＳ２６およびＳ２７によって、ファン６０の回転数Ｒを監視し、回転動作に異常がある場合（ステップＳ２７にてＹＥＳ）に、ステップＳ２８にて使用者に警告を発信している。したがって、制御部６４は、ファン６０の動作を監視するファン監視部７６（図７）としての機能を有する。

再度、図８を参照して、ステップＳ９において、制御部６４は、使用者、上位コントローラ、またはレーザ加工プログラム等から動作停止指令を受け付けたか否かを判定する。制御部６４は、動作停止指令を受け付けた（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ１０へ進む。一方、制御部６４は、動作停止指令を受け付けていない（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、ステップＳ２へ戻る。

ステップＳ１０において、制御部６４は、上述のステップＳ７と同様に、制御部６４は、回転数Ｒをゼロに制御する。

ステップＳ１１において、制御部６４は、クーラント循環装置２２を停止する。具体的には、制御部６４は、モータ５８に指令を送り、クーラント循環装置２２のモータ５８を停止させる。そして、制御部６４は、図８に示すフローを終了する。

本実施形態においては、循環路５６が閉じられた流路として構成されているので、クーラント循環装置２２を動作させることによって、クーラントを、レーザ加工ヘッド５０内で循環させることができる。

この構成によれば、クーラントを循環路５６に外部機器（クーラント供給装置）から供給する必要がないので、循環路５６に、外部機器から延びるクーラント供給管等の部材を接続するジョイント部を設ける必要もない。

したがって、該ジョイント部からクーラントが漏出する可能性を排除できるので、クーラントの漏出によって光学部品１６等の部材が汚染されてしまうのを、確実に防止できる。

また、循環路５６に外部機器からクーラントの供給をすることがないので、使用者は、外部機器から供給されるクーラントの品質管理（例えば、温度、ｐＨ値）を行う必要がない。その一方で、使用者は、循環路５６内のクーラントを定期的に交換することで、クーラントの品質を容易に管理できる。

また、本実施形態においては、放熱フィン５７とファン６０を用いて、いわゆる空冷式で、循環路５６内を流動するクーラントから抜熱している。この構成によれば、レーザ加工ヘッド５０の構成部材の温度が露点以下まで下がることがないので、レーザ加工ヘッド５０の構成部材に結露が発生してしまうのを防止できる。

また、本実施形態においては、制御部６４は、レーザ加工ヘッド５０の温度Ｔを検出し、ファン６０を、温度Ｔに応じた回転数で動作させている（ステップＳ２１〜Ｓ２５）。この構成によれば、ファン６０の稼働効率を最適化することができるので、消費電力を抑えることができる。

また、本実施形態においては、制御部６４は、ファン６０の動作を監視し、ファン６０の動作に異常があることを検出したとき（ステップＳ２７にてＹＥＳ）に、使用者にその旨を警告している（ステップＳ２８）。

この構成によれば、例えばファン６０の回転体に塵埃等の異物が付着して該回転体の回転が阻害された不具合が発生したときに、使用者は、該不具合を自動的且つ直感的に認識でき、その結果、ファン６０を交換または修理するといった対策を、迅速に講じることができる。

また、本実施形態においては、制御部６４は、クーラント循環装置２２の動作を監視し、該クーラント循環装置２２の動作に異常があることを検出したとき（ステップＳ３にてＹＥＳ）に、使用者にその旨を警告している（ステップＳ４）。

この構成によれば、例えばクーラント循環装置２２の回転体に塵埃等の異物が付着して該回転体の回転が阻害された不具合が発生したときに、使用者は、該不具合を自動的且つ直感的に認識でき、その結果、クーラント循環装置２２を交換または修理するといった対策を、迅速に講じることができる。

次に、図１０および図１１を参照して、本発明の一実施形態に係るレーザ加工システム８０について説明する。レーザ加工システム８０は、レーザ発振器８２、レーザ発振器制御部８４、およびレーザ加工ヘッド１００を備える。

レーザ発振器８２は、例えばＣＯ_２レーザ発振器であって、出力鏡８６、リア鏡８８、および放電管９０を有し、レーザ発振器制御部８４から指令に応じてレーザ光を生成し、生成したレーザ光を出力鏡８６から出射する。

レーザ発振器制御部８４は、レーザ発振器８２のレーザ光生成動作を制御する。具体的には、レーザ発振器制御部８４は、レーザ出力指令、周波数指令、またはデューティー指令等の、レーザ発振器８２から出射させるべきレーザ光のレーザパワーに関する指令を、該レーザ発振器８２へ送信する。

レーザ加工ヘッド１００は、少なくとも１つのミラーＢによって形成された光路Ｃを介して、レーザ発振器８２の出力鏡８６に光学的に接続されており、該出力鏡８６から出射されたレーザ光を受光し、受光した該レーザ光を集光して、ワークＷへ照射する。

レーザ加工ヘッド１００は、接続部１０２、本体部１０４、光学部材１６、ノズル１０６、循環路１０８、クーラント循環装置２２、放熱フィン１１０、ファン６０、および制御部１１２を備える。

制御部１１２は、ＣＰＵおよび記憶部（図示せず）等を有し、本体部１０４に取り付けられている。制御部１１２は、レーザ加工ヘッド１００の各構成要素を、直接的または間接的に制御する。

本実施形態においては、制御部１１２およびレーザ発振器制御部８４は、互いに通信可能に接続されている。制御部１１２およびレーザ発振器制御部８４は、互いに通信しつつ、ワークＷへのレーザ加工プロセスを実行する。

接続部１０２は、光路Ｃ内を伝搬したレーザ光を受光し、光学部材１６へ向かって導光する。本体部１０４は、中空部材であって、その内部にレーザ光の光路を画定している。本体部１０４は、光学部材１６を保持している。ノズル１０６は、光学部材１６によって集光されたレーザ光を、ワークＷへ向かって出射する。

循環路１０８は、クーラントを循環させるための、閉じられた流路である。本実施形態においては、循環路１０８は、流路１０８ａ、流路１０８ｂ、流路１０８ｃ、流路１０８ｄ、流路１０８ｅ、流路１０８ｆ、流路１０８ｇ、および流路１０８ｈと、クーラント溜り部１０８ｉおよび１０８ｊとを含む。

流路１０８ａは、接続部１０２に形成された穴によって画定されている。流路１０８ｂは、接続部１０２とは別体の管によって画定されており、流路１０８ａおよび流路１０８ｃに流体的に接続されている。

流路１０８ｃは、放熱フィン１１０に形成された穴によって画定されている。流路１０８ｄは、本体部１０４とは別体の管によって画定されており、流路１０８ｃおよび流路１０８ｅに流体的に接続されている。流路１０８ｅおよび流路１０８ｇの各々は、本体部１０４に形成された穴によって画定されている。

なお、本実施形態においては、流路１０８ｇに、リリーフバルブ１０９が設けられている。リリーフバルブ１０９は、循環路１０８内のクーラントの圧力に応じて開閉する圧力調整弁である。

リリーフバルブ１０９は、レーザ加工システム８０を長期に亘って停止させた場合等に、クーラントが気化して循環路１０８内の圧力が異常に上昇し、これにより、循環路１０８が破損してしまうのを防止できる。

流路１０８ｆは、ノズル１０６に形成された穴によって画定されており、流路１０８ｅおよび流路１０８ｇに流体的に接続されている。流路１０８ｈは、本体部１０４および接続部１０２とは別体の管によって画定されており、流路１０８ａと流路１０８ｇに流体的に接続されている。これら流路１０８ａ〜１０８ｈは、互いに連通し、閉じられた循環路１０８を形成している。

クーラント溜り部１０８ｉは、流路１０８ｇの途中に形成された、流路１０８ｇよりも大きな相当直径（断面積）を有する領域であって、流路１０８ｇ内を流れるクーラントを一時的に溜めることができる。

一方、クーラント溜り部１０８ｊは、流路１０８ｅの途中に形成された、流路１０８ｅよりも大きな相当直径（断面積）を有する領域であって、流路１０８ｅ内を流れるクーラントを一時的に溜めることができる。

これらクーラント溜り部１０８ｉおよび１０８ｊは、レーザ加工ヘッド１００内を伝搬するレーザ光によって発熱し易い部分に、形成される。本実施形態においては、クーラント溜り部１０８ｉおよび１０８ｊは、光学部材１６の近傍に配置されている。なお、クーラント溜り部は、接続部１０２（例えば、流路１０８ａの途中）に形成されてもよい。

放熱フィン１１０は、本体部１０４の外面上に取り付けられている。上述したように、放熱フィン１１０には、該放熱フィンを貫通する穴が形成されており、該穴によって、流路１０８ｃが画定されている。

次に、図１２および図１３を参照して、レーザ加工システム８０の動作について説明する。図１２に示すフローは、レーザ発振器制御部８４が、使用者、上位コントローラ、またはレーザ加工プログラム等から、レーザ加工指令を受け付けたときに、開始する。

ステップＳ３１において、制御部１１２は、上述のステップＳ１と同様に、クーラント循環装置２２のモータ５８に回転指令を送り、クーラント循環装置２２を回転数Ｐ_０で回転させる。これにより、循環路１０８内に封入された流体が流動し、循環路１０８内を循環する。

ステップＳ３２において、レーザ発振器制御部８４は、レーザ光を生成する。具体的には、レーザ発振器制御部８４は、上記レーザ加工指令に従って、レーザ発振器８２から出射させるべきレーザ光のレーザパワーに関する指令を、レーザ発振器８２へ送信する。

具体的には、レーザ発振器制御部８４は、連続発振（ＣＷ）のレーザ出力指令、パルス発振（ＰＷ）の周波数指令またはデューティー指令を、レーザ発振器８２へ送信する。レーザ発振器８２は、レーザ発振器制御部８４から受信した指令に従って、レーザ光を生成し、出力鏡８６から出射する。

レーザ加工ヘッド１００は、出力鏡８６から出射されたレーザ光を接続部１０２にて受光し、光学部材１６によって集光する。そして、レーザ加工ヘッド１００は、集光されたレーザ光をノズル１０６から出射し、ワークＷへ照射する。これにより、ワークＷは、レーザ加工指令に従って、レーザ加工される。

ステップＳ３３において、制御部１１２は、ステップＳ３２にてレーザ発振器制御部８４がレーザ発振器８２へ送信した指令を、該レーザ発振器制御部８４から取得する。具体的には、制御部１１２は、レーザ発振器８２へ送信されたレーザ出力指令、周波数指令、またはデューティー指令を、レーザ発振器制御部８４から取得する。

ステップＳ３４において、制御部１１２は、ステップＳ３３にて取得した指令に基づいて、レーザ発振器８２から出射されるレーザ光のレーザパワーＷを求める。

一例として、ステップＳ３２にて連続発振（ＣＷ）のレーザ出力指令（例えば５ｋＷ）が発信された場合、レーザ出力指令と、レーザ発振器８２から出射されるレーザ光のレーザパワーとは、略一致することになる。

したがって、この場合、制御部１１２は、ステップＳ３３にて取得したレーザ出力指令（例えば５ｋＷ）を、レーザ発振器８２から出射されるレーザ光のレーザパワーＷとして、記憶部に記憶する。

また、他の例として、制御部１１２は、ステップＳ３３にて周波数指令またはデューティー指令を取得した場合、周波数指令またはデューティー指令から、レーザパワーの平均値を算出する。制御部１１２は、算出した平均値を、レーザ発振器８２から出射されるレーザ光のレーザパワーＷとして、制御部１１２の記憶部に記憶する。

ステップＳ３５において、制御部１１２は、上述のステップＳ２と同様に、エンコーダ６８を介して、クーラント循環装置２２の回転体の回転数Ｐを取得する。

ステップＳ３６において、制御部１１２は、循環装置監視部７２（図１１）として機能して、上述のステップＳ３と同様に、Ｐ＜Ｐ_１であるか否かを判定する。制御部１１２は、Ｐ＜Ｐ_１である（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ３７へ進む。一方、制御部１１２は、Ｐ≧Ｐ_１である（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、ステップＳ３８へ進む。

ステップＳ３７において、制御部１１２は、上述のステップＳ４と同様に、例えば「クーラント循環装置の動作に異常あり」との画像または音声の形態で、警告信号を生成する。そして、制御部１１２は、表示部またはスピーカ（図示せず）を介して、使用者に警告を報知する。

ステップＳ３８において、制御部１１２は、ファン６０の動作スキームを実行する。このステップＳ３８について、図１３を参照して説明する。

ステップＳ３８の開始後、ステップＳ５１において、制御部１１２は、直近に実行したステップＳ３４にて求めたレーザパワーＷが、予め定められたレーザパワーの閾値Ｗ_１よりも小さい（すなわち、Ｗ＜Ｗ_１）か否かを判定する。この閾値Ｗ_１は、使用者によって予め定められ、制御部１１２の記憶部に記憶される。

制御部１１２は、Ｗ＜Ｗ_１である（すなわちＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ５２へ進む。一方、制御部１１２は、Ｗ≧Ｗ_１である（すなわちＮＯ）と判定した場合、ステップＳ５３へ進む。

ステップＳ５２において、上述のステップＳ７と同様に、制御部１１２は、ファン６０の回転数Ｒをゼロに制御する。そして、制御部は、図１２のステップＳ３９へ進む。

ステップＳ５３において、制御部１１２は、直近に実行したステップＳ３４にて求めたレーザパワーＷが、上記の閾値Ｗ_１以上、且つ、予め定められたレーザパワーの閾値Ｗ_２よりも小さい（すなわち、Ｗ_１≦Ｗ＜Ｗ_２）か否かを判定する。この閾値Ｗ_２は、閾値Ｗ_１よりも大きな値として使用者によって予め定められ、制御部１１２の記憶部に記憶される。

制御部１１２は、Ｗ_１≦Ｗ＜Ｗ_２である（すなわちＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ５４へ進む。一方、制御部１１２は、Ｗ_２≦Ｗである（すなわちＮＯ）と判定した場合、ステップＳ５５へ進む。

ステップＳ５４において、制御部１１２は、上述のステップＳ２２と同様に、第１の回転数Ｒ_１に相当する第１の回転指令を生成してファンモータ６６へ送信し、ファン６０を第１の回転数Ｒ_１で回転駆動する。

ステップＳ５５において、制御部１１２は、直近に実行したステップＳ３４にて求めたレーザパワーＷが、上記の閾値Ｗ_２以上、且つ、予め定められたレーザパワーの閾値Ｗ_３よりも小さい（すなわち、Ｗ_２≦Ｗ＜Ｗ_３）か否かを判定する。この閾値Ｗ_３は、閾値Ｗ_２よりも大きな値として使用者によって予め定められ、制御部１１２の記憶部に記憶される。

制御部１１２は、Ｗ_２≦Ｗ＜Ｗ_３である（すなわちＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ５６へ進む。一方、制御部１１２は、Ｗ_３≦Ｗである（すなわちＮＯ）と判定した場合、ステップＳ５７へ進む。

ステップＳ５６において、制御部１１２は、上述のステップＳ２４と同様に、第２の回転数Ｒ_２に相当する第２の回転指令を生成してファンモータ６６へ送信し、ファン６０を第２の回転数Ｒ_２で回転駆動する。

ステップＳ５７において、制御部１１２は、上述のステップＳ２５と同様に、第３の回転数Ｒ_３に相当する第３の回転指令を生成してファンモータ６６へ送信し、ファン６０を第３の回転数Ｒ_３で回転駆動する。

このように、本実施形態においては、制御部１１２は、ステップＳ３４において、レーザ発振器制御部８４からレーザ発振器８２へ送られる指令に基づいてレーザパワーＷを求め、ステップＳ５１〜Ｓ５７において、レーザパワーＷに応じた回転数で、ファン６０を動作させている。

したがって、制御部１１２は、レーザ発振器制御部８４からレーザ発振器８２へ送られる指令に基づいて、ファン６０を制御するファン制御部１１４（図１１）としての機能を有する。

ステップＳ５８において、制御部１１２は、上述のステップＳ２６と同様に、エンコーダ７０を介して、ファン６０の回転数Ｒを取得する。

ステップＳ５９において、制御部１１２は、ファン監視部７６（図１１）として機能し、上述のステップＳ２７と同様に、Ｒ＜Ｒ_１であるか否かを判定する。

制御部１１２は、Ｒ＜Ｒ_１である（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ６０へ進む。一方、制御部１１２は、Ｒ≧Ｒ_１である（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、図１２中のステップＳ３９へ進む。

ステップＳ６０において、制御部１１２は、上述のステップＳ２８と同様に、例えば「ファンの動作に異常あり」との画像または音声の形態で、警告信号を生成する。そして、制御部１１２は、表示部または該スピーカを介して、使用者に警告を報知し、図１２中のステップＳ４０へ進む。

再度、図１２を参照して、ステップＳ３９において、制御部１１２は、上述のステップＳ９と同様に、動作停止指令を受け付けたか否かを判定する。

制御部１１２は、動作停止指令を受け付けた（すなわち、ＹＥＳ）と判定した場合、ステップＳ４０へ進む。一方、制御部１１２は、動作停止指令を受け付けていない（すなわち、ＮＯ）と判定した場合、ステップＳ３２へ戻る。

ステップＳ４０において、制御部１１２は、上述のステップＳ５２と同様に、ファン６０の回転数Ｒをゼロに制御する。

ステップＳ４１において、制御部１１２は、上述のステップＳ１１と同様に、クーラント循環装置２２のモータ５８に指令を送り、クーラント循環装置２２のモータ５８を停止させる。そして、制御部１１２は、図１２に示すフローを終了する。

本実施形態においては、循環路１０８が閉じられた流路として構成されている。したがって、上述の実施形態と同様に、外部機器から延びるクーラント供給管を接続するためのジョイント部を循環路１０８に設ける必要がない。

したがって、該ジョイント部からクーラント供給管を取り外す作業、または、該ジョイント部とクーラント供給管との取付不良等によってクーラントが漏出し、これにより光学部品１６等の部材が汚染されてしまうのを、確実に防止できる。

また、循環路１０８に外部機器からクーラントの供給をすることがないので、使用者は、外部機器から供給されるクーラントの品質管理（例えば、温度、ｐＨ値）を行う必要がない。その一方で、使用者は、循環路１０８内のクーラントを定期的に交換することで、クーラントの品質を容易に管理できる。

また、放熱フィン１１０とファン６０を用いて、いわゆる空冷式で、循環路１０８内を流動するクーラントから抜熱している。したがって、レーザ加工ヘッド１００の構成部材に結露が発生してしまうのを防止できる。

また、本実施形態においては、制御部１１２は、ファン６０を、レーザ発振器８２から出射されるレーザ光のレーザパワーＷに応じた回転数で、動作させている（ステップＳ５１〜Ｓ５７）。この構成によれば、ファン６０の稼働効率を最適化することができるので、消費電力を抑えることができる。

なお、本実施形態においては、制御部１１２は、レーザ発振器制御部８４とは別の要素として設けられている。しかしながら、制御部１１２は、レーザ発振器制御部８４に組み入れられてもよい。この場合、レーザ発振器制御部８４が、制御部１１２としての機能を担う。

また、上述の循環路２０、３４、４２、５６、１０８に、クーラントを交換または注入するためのポートを形成してもよい。この場合、レーザ加工ヘッド１０、３０、４０、５０、１００の稼働時においては、該ポートは、蓋部材によって閉鎖される。

また、循環路２０、３４、４２、５６、１０８内のクーラントの液量を確認できる指示器をさらに設けてもよい。

また、上述のエンコーダ７０、６８の代わりに、モータ５８、６６のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を設けてもよい。ここで、不具合によってモータ５８、６６の回転が阻害された場合、モータ５８、６６のインピーダンスに変動が生じる。したがって、制御部６４、１１２は、インピーダンス検出部が検出したインピーダンスに基づいて、モータ５８、６６の不具合を検出できる。

例えば、制御部６４は、上述のステップＳ２において、インピーダンス検出部からモータ５８のインピーダンスＺを取得する。次いで、ステップＳ３において、取得したインピーダンスＺが、予め定められたインピーダンスの閾値Ｚ_１とは異なる（例えば、差｜Ｚ−Ｚ_１｜が閾値以上である）か否かを判定する。

または、制御部６４は、上述のステップＳ２６において、インピーダンス検出部からファンモータ６６のインピーダンスＺを取得する。次いで、ステップＳ２７において、取得したインピーダンスＺが、予め定められたインピーダンスの閾値Ｚ_２とは異なる（例えば、差｜Ｚ−Ｚ_２｜が閾値以上である）か否かを判定する。このようなスキームによって、モータ５８、６６の動作異常を検知できる。

また、図６の実施形態において、複数の温度検出部を設けてもよい。この場合において、複数の温度検出部の少なくとも１つを、レーザ光によって発熱し易い部分（例えば、光学部材１６の近傍、または接続部）に配置してもよい。

また、図１〜図５に示す循環路２０、３４、４２を、図６または図１０に示す実施形態に適用することができる。また、図１〜図５、図６および図１０の実施形態の特徴を組み合わせることもできる。

例えば、図１に示す循環路２０を、図１０に示すレーザ加工ヘッド１００の本体部１０４に形成することもできる。この場合、レーザ加工ヘッド１００は、循環路２０内のクーラントを循環させる第１のクーラント循環装置と、循環路１０８内のクーラントを循環させる第２のクーラント循環装置とを備え得る。このように、レーザ加工ヘッドは、複数の循環路と、複数のクーラント循環装置とを備え得る。

また、図１０に示すクーラント溜り部１０８ｉ、１０８ｊを、図６に示す循環路５６の途中に形成してもよい。

以上、発明の実施形態を通じて本発明を説明したが、上述の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本発明の実施形態の中で説明されている特徴を組み合わせた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得るが、これら特徴の組み合わせの全てが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。さらに、上述の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることも当業者に明らかである。

また、特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、工程、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」、「次いで」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０，３０，４０，５０，１００ レーザ加工ヘッド
１４，３２，５４，１０４ 本体部
２０，３４，４２，５６，１０８ 循環路
２２ クーラント循環装置
５７，１１０ 放熱フィン
６０ ファン
６２ 温度検出部
６４，１１２ 制御部

Claims (8)

1. レーザ光を集光してワークに照射するレーザ加工ヘッドであって、
   前記レーザ加工ヘッドを伝搬するレーザ光によって該レーザ加工ヘッドに発生した熱を除去するためのクーラントを循環させる、閉じられた循環路と、
   前記循環路において前記クーラントを流動させて、該循環路で該クーラントを循環させるクーラント循環装置と、を備える、レーザ加工ヘッド。
2. レーザ光を集光する光学部材を保持する本体部をさらに備え、
   前記循環路は、前記本体部に形成された穴、または前記本体部に取り付けられた管によって画定される、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記循環路に隣接して配置された放熱フィンをさらに備える、請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記レーザ加工ヘッドから熱を除去する気流を発生させるファンをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記レーザ加工ヘッドの温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記ファンを制御するファン制御部と、をさらに備える、請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 前記レーザ光をレーザ発振器に生成させるためにレーザ発振器制御部が該レーザ発振器へ送信する指令に基づいて、前記ファンを制御するファン制御部をさらに備える、請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
7. 前記ファンの動作を監視するファン監視部をさらに備える、請求項４〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。
8. 前記クーラント循環装置の動作を監視する循環装置監視部をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッド。

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