JPH0120721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ加工機、レーザメス等のレー
ザ応用機に係り、特にその集光レンズの冷却装置
に関する。

例えばレーザ加工機は、周知のように金属、合
成樹脂、木材、ガラスあるいはセラミツク等の被
加工材に対し、レーザ光により切断、孔あけ、溶
接あるいはスクライビング等の加工を行なうもの
であり、レーザ光を発振するための発振器と、レ
ーザ光を照射点近傍迄導くベンダおよび導光路
と、導光路からのレーザ光を収束して被加工材に
照射する集光レンズを内蔵した集光部とから成つ
ている。このレーザ加工機では収束したレーザ光
のパワー密度が高い程加工効率、加工精度の面で
有利なため、一般に集光レンズに入射するレーザ
光のエネルギは数〜数十キロワツトの高エネルギ
の光束が用いられている。

ところでこのようなレーザ光の高エネルギ化が
進むと、集光レンズは発熱する可能性が高くな
る。すなわちレーザ光が集光レンズを通過する際
には、例えば集光レンズにコーテイングされた反
射防止層や集光レンズ材質内のごくわずかな吸
収、あるいは集光レンズ表面の凹凸等による散乱
によつてエネルギ損失が生じ、この損失エネルギ
は熱に変わる。このため、レーザ光の高エネルギ
化が進む程、また照射時間が長くなる程、集光レ
ンズは熱による影響を受けやすくなるのである。
発熱の結果熱変形を起こすとレーザ光の照射位置
がずれ、また屈折率変化を起して焦点距離の狂い
による加工精度の低下を招き、あるいはレーザ光
の集光効率が低下して加工効率が低下し、さらに
は集光レンズの耐久性を低下させるという種々の
問題が生じる。

このような問題点を解決するため、従来集光部
に、集光レンズ冷却用の冷却液の通路を形成し、
集光レンズをこの冷却液で冷やすようにしたレー
ザ加工機が用いられているが、この従来装置は、
冷却液用の通路や配管のために、構造が複雑で重
くなり、しかも高コストで操作性が悪いという欠
点がある。

また特開昭56−102392号は、第１図、第２図に
示すように、レーザ光１を収束する集光レンズ２
を、冷却フイン３を有するレンズホルダ４に保持
し、この冷却フイン３を、導入管５から入り、ノ
ズル６から噴出する補助ガスで冷却することによ
り、冷却水を用いることなく集光レンズ２を冷却
するようにしている。補助ガスは酸素、窒素等の
ガスを高流速で被加工材に向けて噴射し、吸収率
の極めて高い被加工材溶融物を強制的に排除し、
常に新鮮な被加工面を露出させて加工効率の向上
を図るものである。しかしこの冷却構造では、導
入管５から供給される補助ガスは、その一部分が
冷却フインに接するのみであり、冷却フインの数
を増加させても、あるいは冷却フインの表面に細
かい凹凸を形成しても、確実な冷却効果を得るこ
とはできないため、大口径の集光レンズを用いて
熱容量を大きくする必要があり、大型化、コスト
高となることを依然回避できない。

また従来のレーザ加工機で実際に加工を行なう
と、被加工材はレーザ光により瞬時に溶融するた
め、被加工材溶融物や溶融物からの蒸発原子が補
助ガスによつて周囲に飛散し、これが集光レンズ
下面に付着して汚染を生じさせる。この問題点は
第１図、第２図の冷却フインを有するレーザ加工
機でも同様であり、ノズル６内に進入したこれら
異物が集光レンズ２に付着し、このためレーザ光
のエネルギ損失が大きくなつて、熱による集光レ
ンズの破損等が免れないという実用上大きな欠点
を有していた。

本発明は、このような問題点を解消するべくな
されたもので、集光レンズを保持するレンズホル
ダのうち、集光レンズと接する部分の少なくとも
一部を多孔質体から構成し、かつ補助ガスをこの
多孔質体および集光レンズの下面を通過させた
後、ノズルから噴出させるようにしたことを特徴
としている。多孔質体を通過する補助ガスにより
直接集光レンズを冷却し、かつその後その補助ガ
スを集光レンズの下面を通過させることにより、
集光レンズ下面に補助ガスによるガスカーテンを
形成させ、もつて異物の付着を防止するものであ
る。

以下図示実施例について本発明を説明する。第
３図は本発明の集光レンズ冷却装置の基本構成を
示す縦断面図である。レーザ光１を導く導光管１
１の先端部には、図示しない補助ガス供給源から
の補助ガス１２を導入するための導入管１３と、
レンズホルダ１４とが着脱可能に螺合されてお
り、レンズホルダ１４の先端にはさらにノズルス
ロート１５を有するノズル１６が着脱可能に螺合
されている。

レンズホルダ１４は、導光管１１に螺合される
外筒１７と、集光レンズ１８を直接保持する環状
多孔質環１９と、この環状多孔質環１９を外筒１
１に固定する押え環２０とから構成されており、
外筒１７には導入管１３と連通する環状ガス通路
２１が形成されている。この環状ガス通路２１は
環状多孔質環１９を収納した環状室２２と光軸方
向の複数の連通孔２３により連通しており、補助
ガス１２は環状ガス通路２１、連通孔２３から環
状多孔質環１９に供給される。

環状多孔質環１９は集光レンズ１８の下面（レ
ーザ光出射面）を保持する凸部２４を有する。こ
の凸部２４は環状であつても、周方向に複数に分
割したものであつてもよいが、この凸部２４によ
り集光レンズ１８下面に一定距離ｄの環状多孔質
環１９の層（補助ガス噴射層）ができるようにす
る。集光レンズ１８の上面（レーザ光入射面）
は、外筒１７に一体に設けた位置規制面２５に接
している。この位置規制面２５は集光レンズ１８
の位置を規制すると同時に、補助ガス１２が集光
レンズ１８の上面側には流れないようにする機能
を持つ。

環状多孔質環１９は、耐熱性および通気性に優
れた材料を用いて形成する。例えばアルミニウ
ム、黄銅、ステンレス、タングステン、モリブデ
ン等の金属材料の焼結体から構成することがで
き、この他適当なメツシユを有するものであれ
ば、金属焼結体に限らずガラスビーズやセラミツ
クの焼結体、あるいは合成樹脂フイルタ等を用い
ることができる。なお１０は被加工物を示す。

上記構成の本装置はしたがつて、導入管１３か
らレンズホルダ１４内に導入される補助ガス１２
が環状ガス通路２１から連通孔２３を通つて環状
多孔質環１９に入る。集光レンズ１８の上面は前
述のように位置規制面２５によつて閉塞されてい
るため、補助ガス１２が集光レンズ１８の上面に
流出することはなく、環状多孔質環１９を通過し
た補助ガス１２はすべて凸部２４によつて形成さ
れているガス噴射層ｄから集光レンズ１８の下面
に噴射する。この過程において環状多孔質環１９
内を通過する補助ガス１２の一部は直接集光レン
ズ１８に接触してこれを冷却し、また直接集光レ
ンズ１８に接しない補助ガス１２も環状多孔質環
１９と熱交換して間接的に集光レンズ１８を冷却
する。

さらにこのように集光レンズ１８を冷却した後
ガス噴射層ｄから噴射する補助ガス１２は、断熱
膨張して集光レンズ１８下面にガスカーテンを形
成する。このため集光レンズ１８はこのガスカー
テンによりさらに冷却され、またこのガスカーテ
ンは同時に集光レンズ１８下面に異物が付着する
のを防止するから、集光レンズ１８の発熱による
変形、および集光レンズ１８におけるレーザ光の
エネルギ損失を最少にすることができ、したがつ
て加工精度の維持、集光レンズ１８の破損の防止
が図れ、さらには高価な集光レンズ１８の直径を
レーザ光１の直径と同程度の小径にすることが可
能となる。

第４図、第５図は本発明の他の実施例を示すも
のである。この実施例は補助ガス１２のガス噴射
層ｄからの噴射方向を押え環２０により規制した
もので、押え環２０には上記ガス噴射層ｄを閉塞
する突起部２６と、開放する切欠部２７とがそれ
ぞれ略180゜ずつ形成されている。この他の構成は
第３図の実施例と同一であり同一部分には同一の
符号を付してある。

この実施例によれば、補助ガス１２の噴出方向
は切欠部２７から突起部２６側に向けての一方向
となり、ガスカーテンがより強力になるから集光
レンズ１８下面に異物が付着するのをより完全に
防止して集光レンズ１８の透過率や集光能力をさ
らに一定に保持することができる。突起部２６と
切欠部２７の角度および位置関係は実施例に限ら
ず適宜変形することができるのは勿論である。

さらに第６図は環状多孔質環１９を組合せ体か
ら構成した例を示す。すなわちこの実施例におけ
る環状多孔質環１９は、金属焼結フイルタ１９
ａ，１９ａの間に合成樹脂フイルタ１９ｂを配し
た三層構造としたもので、金属焼結フイルタ１９
ａは例えば５〜50ミクロンのメツシユを有し、合
成樹脂フイルタ１９ｂは0.05〜0.5ミクロンのメ
ツシユを有するようにする。この結合構造によれ
ば、特にメツシユの細かい合成樹脂フイルタによ
り補助ガス１２中の不純物を除去することが可能
であり、ガス噴射層ｄから常に新鮮な補助ガス１
２を断熱膨張させて噴出することができる。環状
多孔質環１９は目詰まりを起したら適時交換する
ものである。

なお上記実施例では集光レンズ１８の全周に環
状多孔質環１９が当接しており、この例によれば
より高い冷却効果を得ることが可能であるが、レ
ンズホルダ１４は集光レンズ１８に接する一部分
のみを多孔質体から構成しても、一定の冷却効果
を得ることが可能であり、等に集光レンズ１８下
面にガスカーテンを形成することについては必ず
しも集光レンズ１８の全周を多孔質体で保持する
必要はない。また上記実施例はレーザ加工機に本
発明を適用したものであるが本発明はレーザメス
その他のレーザ応用機にも適用することができ
る。

以上のように本発明は、レーザ加工機の集光レ
ンズのレンズホルダの少なくとも一部を多孔質体
から構成し、この多孔質体に補助ガスを通過させ
て集光レンズを冷却するとともに、多孔質体を通
過した補助ガスは集光レンズの下面から噴出させ
て集光レンズ下面にガスカーテンを形成するもの
であるから、集光レンズの冷却および集光レンズ
下面への異物の付着防止を同時に図ることができ
る。したがつて集光レンズの発熱による破損や、
被加工材溶融物またはその蒸発原子の付着を未然
に防止し、集光レンズの透過率あるいは集光能力
を常に一定に維持するとともに、集光レンズの直
径をレーザ光の光束径と同程度の小径のものとす
ることができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザ加工機の集光レンズ冷却
装置の例を示す要部の縦断面図、第２図は第１図
の−線に沿う断面図、第３図は本発明の集光
レンズ冷却装置の実施例を示す縦断面図、第４図
は本発明の他の実施例を示す要部の縦断面図、第
５図は第４図の実施例に用いる押え環の例を示す
斜視図、第６図は本発明のさらに別の実施例を示
す要部の縦断面図である。 １……レーザ光、１１……導光管、１２……補
助ガス、１３……導入管、１４……レンズホル
ダ、１７……外筒、１８……集光レンズ、１９…
…環状多孔質環、２０……押え環、２４……凸
部、２６……突起部、２７……切欠部。ｄ……補
助ガス噴射層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光を導く導光管の先端に、該レーザ光
   を被加工物上に収束させる集光レンズと、被加工
   物に向けて補助ガスを噴射するノズルとを設けた
   レーザ応用機において、上記集光レンズを保持す
   るレンズホルダの該集光レンズと接する部分の少
   なくとも一部を、多孔質体から構成し、上記補助
   ガスを、この多孔質体および上記集光レンズの下
   面を通過させた後上記ノズルから噴射するように
   したことを特徴とするレーザ応用機の集光レンズ
   冷却装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、レンズホル
   ダは、導光管に固定される外筒と、集光レンズ下
   面を保持する凸部を有し、この外筒内に挿入され
   る、環状多孔質環と、この環状多孔質環を上記外
   筒に固定する押え環とからなつているレーザ応用
   機の集光レンズ冷却装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、押え環は、
   環状多孔質環の凸部によつて形成された補助ガス
   噴射層の大きさを制御する、切欠部と突起部を有
   するレーザ応用機の集光レンズ冷却装置。 ４ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   か一において、多孔質体は、アルミニウム、黄
   銅、ステンレス、タングステン等の金属焼結体、
   ガラスビーズ、またはセラミツクの焼結体、ある
   いは合成樹脂フイルタのいずれか一、または二以
   上の組み合せからなるレーザ応用機の集光レンズ
   冷却装置。