JPH0646636Y2

JPH0646636Y2 - レーザ加工機のノズル

Info

Publication number: JPH0646636Y2
Application number: JP1989090637U
Authority: JP
Inventors: 明夫島田; 勇一森田
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1994-11-30
Anticipated expiration: 2004-07-31
Also published as: JPH0331081U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、レーザ発振器から放射されるレーザ光を集光
レンズで集光し、ノズル先端から照射してワークを加工
するレーザ加工機において、ノズル先端とワーク間の距
離を静電容量によって検出するための電極を備えたノズ
ルに関するものである。

［従来技術とその問題点］一般に、この種のレーザ加工機においては、加工精度を
維持するために、ワークとレーザ光の焦点位置を一定に
保つこと、すなわちギャップコントロールが必要とされ
ている。

このため従来では、例えばノズル先端部に電極を設けて
静電容量センサを形成し、非接触にワーク表面との間の
静電容量を検出することにより静電容量センサの出力が
一定となるようノズル高さを制御する方法が種々行われ
てきた。

その中でも、例えば特開平１−22495号で示すように、
上記静電容量センサとしての第１電極の他、この第１電
極と電磁的に絶縁させて第１電極の側面部とワークとの
間を電磁的に遮閉するいわゆるガードリングと称する第
２電極を設けることにより、第１電極の側面部での静電
容量変化がギャップコントロールに影響を与えないよう
にし、例え表面が凹凸の複雑な立体形状のワークでも常
にノズル先端とワーク間の静電容量変化を正確に検出で
きるように改良されたノズルが提案されている。

このノズルの場合、上記第１電極の外周側面に絶縁層を
介して上記第２電極を設けた三層構造となっており、ノ
ズル先端面に上記絶縁層も第２電極もその下端縁が露出
されている。しかし、このような構造では、切断や溶接
等のレーザ加工時、ワークとの間にヒュームやスパッタ
等の浮遊物が発生し、この浮遊物が激しく跳ね上がって
ノズル先端面に付着してしまい、これによって両電極の
センサ機能を低下させたり、さらには第１電極と第２電
極間に金属ブリッジが形成されて両者が一時的にショー
トされることもあり、このため静電容量検出値にばらつ
きが生じ安定した検出が行えなかった。また、ノズル先
端面でレーザの反射光などにより絶縁層の一部が溶け、
絶縁抵抗が変化してしまい、したがって正確なギャップ
量検出が行えなくなるといった問題点を有していた。

そこで、本考案は、上記第１電極と第２電極との間に絶
縁空間を形成しその空間からワークに向けてガスを噴出
させることにより、ワークとの間に発生するヒュームや
スパッタ等の浮遊物をガス圧で吹き飛ばし、ノズルへの
付着を防止して、センサ機能を維持できるレーザ加工機
のノズルを提供することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］本考案は、上記第１電極の外周側面に絶縁空間を介して
上記第２電極を設けたノズルであって、かつこの絶縁空
間よりガスを噴出させることにより、ヒュームやスパッ
タを吹き飛ばしてノズルへの付着を防止し、センサ機能
を維持させるとともに、ノズル中心部から噴出されるア
シストガスの拡散を防止して加工点に集中させることが
でき、よって常に正確でかつ安定したギャップ量検出が
行え、高精度でかつ効率よいレーザ加工を可能としたも
のである。

すなわち本考案は、ノズル先端とワークとの間の静電容
量を検出することによりギャップコントロールを行うよ
うにしたレーザ加工機において、ノズル自体を上記静電
容量を検出するための第１電極とし、このノズル外周側
面を絶縁空間を介して覆い上記第１電極の側面部とワー
ク間を電磁的に遮閉するための第２電極を設け、上記第
１電極と第２電極との間の絶縁空間にガスを供給し、こ
の絶縁空間のノズル先端側からワークに向かってガスを
噴出するように構成したものである。

［作用］レーザ光は、集光レンズに集高されてノズル先端より一
定距離の例えばワーク表面に焦点を結ぶように照射さ
れ、これと同時にノズル先端より酸素ガス等のアシスト
ガスが噴出され、ワークに切断或は溶接等のレーザ加工
が行なわれる。第１電極によりノズル先端とワークとの
間の静電容量が検出され、これに基づいてノズルとワー
ク間のギャップ量が常に一定となるようにギャップコン
トロールが行なわれる。第２電極は、この電極から発生
する電気力線により、第１電極からワークに向けて発生
する電気力線に対し外周側から作用し、ノズル先端面で
の第１電極からの電気力線が全て光線方向と平行となる
ように維持し、例えノズルがワークの突出部に近付いて
もノズル側面からの静電容量を拾うことなく、常に正確
なギャップ検出がなされる。

さらに、レーザ加工時、第１電極と第２電極との間の絶
縁空間からワークに向かって、ガスが噴出され、レーザ
加工によって発生するヒュームやスパッタを吹き飛ばし
てノズルへの付着を防止するとともに、レーザ加工部を
取り囲むようにガスの膜が形成されるので、ノズルの中
心から噴出されるアシストガスの拡散を防止し、効率よ
いレーザ加工が行なわれる。

［実施例］以下、図面に基づいて、本考案の具体的一実施例を説明
する。

まず、第１図において１は、レーザ加工機の図示しない
ヘッド本体に対し、光軸方向に移動調整自在に取付けら
れたレンズホルダで、内部に集光レンズ２を保持し、こ
のレンズ２より下方にて一側部にアシストガス導入口３
が形成されている。

４は、導電材料からなる中空円筒状のノズルホルダで、
その上端フランジ部4aの一側部には継手取付用のねじ孔
4bが形成されている。そして、このねじ孔4bに導電材料
からなる中空状の継手５が螺着され、またこの継手５の
外端面には同軸ケーブル６のレセプタクル７が取り付け
られている。

この同軸ケーブル６の心線である第１電線6aは継手５の
内部を通って、ノズルホルダ４の上端面に固定された絶
縁材料からなる絶縁リング８、８間に、先端が挟み込ま
れている。かつ、同じ位置に上記第１電線6aと電気的に
導通するように導電材料からなる導電板９もその一端を
上記絶縁リング８間に挟み込まれ固定されている。そし
て、このノズルホルダ４は、フランジ部4aの上端面を上
記レンズホルダ１の下端面に当接し、下方より押えリン
グ10にて押え込み、ボルト11により上記レンズホルダ１
に固定されている。押えリング10の一部には、上記継手
５が遊嵌されるＵ字穴10aが形成され、このＵ字穴10aに
上記継手５部分が嵌め込まれている。

また、このノズルホルダ４に下端部内周面にはねじ部4c
が形成され、この内部に、絶縁材料からなる中空状の絶
縁ホルダ12が、その下部外周面に形成したねじ部12aを
上記ねじ部4cにねじ込みかつ締め付けナット13によって
ノズルホルダ４に締着固定されている。

この絶縁ホルダ12の上部外周面にもねじ部12bが形成さ
れ、この絶縁ホルダ12の上方に結合するように内面を逆
円錐面とした導電材料からなる中空状の導電リング部材
14が、その下部内周面に形成したねじ部14aを上部ねじ
部12bに螺着して絶縁ホルダ12に固着されている。

この導電リング部材14の上端外周面には接触面14bが形
成され、この接触面14bで上記導電板９の他端と接触
し、電気的に導通されている。

さらに、上記絶縁ホルダ12の下部内周面にもねじ部12c
が形成され、この絶縁ホルダ12の下方に結合するように
内面を逆円錐面とし下端中心にガス噴出口15を形成した
導電材料からなるノズル16が、その上部外周面に形成し
たねじ部16aを上記ねじ部12cに螺着して絶縁ホルダ12に
固着されている。

このノズル16は、上記絶縁ホルダ12の内周面および上下
端面にコーティングされた金属被膜17を介して上記導電
リング部材14と電気的に導通されている。すなわち、ノ
ズル16は、上記同軸ケーブル６の第１電線6aに導電板
９、導電リング部材14および金属被膜17を介して電気的
に導通され、静電容量センサとしての第１電極Ａを形成
している。また、このノズル16の形状は外形を円筒形状
とし、ノズル先端面での検出面積を広くしている。

また、上記ノズルホルダ４の下端部外周面にもねじ部4d
が形成され、この外側において上記絶縁ホルダ12および
ノズル16の外周側面を覆うように、導電材料からなる中
空状の電極部材18が、その内周面に形成したねじ部18a
を上記ねじ部4dに螺着してノズルホルダ４に固定されて
いる。

この電極部材18と絶縁ホルダ12およびノズル16との間に
はそそ絶縁空間19、20が形成され、ガス通路21を介して
両絶縁空間19、20間が連通されている。上記ノズル16に
形成されたフランジ部16cに対しては電極部材18の中間
水平面部で絶縁カラー22が介在され、またノズル16の下
端外周に対しては電極部材18との間に環状隙間23が形成
され、ノズル16と電極部材18は完全に電気的に絶縁され
ている。

そして、この電極部材18は上記同軸ケーブル６の第１電
線6aと絶縁被膜を介して同心的に設けられている第２電
線6bに、上記レセプタクル７、継手５およびノズルホル
ダ４を介して電気的に導通され、静電容量検出用の第２
電極Ｂを形成している。

さらに、電極部材18の上部一側部にはガス供給口24が形
成されている。このガス供給口24にはエアーまたはアシ
ストガス等の絶縁ガスが供給され、この絶縁ガスは絶縁
空間19、ガス通路21を通って絶縁空間20に充填され、圧
縮状態でノズル先端側の環状隙間24よりリング状に噴出
されるようになっている。また、この電極部材18の外形
は先端へ向かうに従って径を小さくした逆円錐形状とな
っている。

次に、上記第１電極Ａ（ノズル16）と第２電極Ｂ（電極
部材18）とによるギャップ量検出方法およびこの検出値
に基づくギャップコントロールについて説明する。

第２図で示すように、第１電極Ａを上記同軸ケーブル６
の第１電線6aを介して静電容量検出用のブリッジ回路25
に接続するとともに、第２電極Ｂを上記同軸ケーブル６
の第２電線6bを介して上記ブリッジ回路25の電源側すな
わち高周波発振回路26に接続する。

この高周波発振回路26は、上記ブリッジ回路25への電源
および同期整流回路27の同期電源を供給するとともに、
上記第２電極Ｂに対し第１電極Ａと同位相でほぼ同電位
の電圧を印加している。

また、上記同期整流回路27はブリッジ回路25からの不平
衡出力を直流に変換してモータ駆動制御回路28へ送り、
この制御回路28にてギャップコントロール用のサーボモ
ータＭを駆動制御し、ノズル16先端とワークＷとのギャ
ップ量を一定に保持するように、レンズ２およびノズル
16を一体的に保持したレンズホルダ１をヘッド本体に対
し光軸方向に移動調整するようになっている。

このように、第１電極Ａと第２電極Ｂの電位を等しくし
たため、各電極Ａ、Ｂからの対ワークＷ間との電気力線
の分布は電気力線同志が互いに反発し合うことにより第
３図のようになり、第１電極Ａからの電気力線を全て光
軸に平行な向きに集中させることができる。つまり、第
２電極Ｂはいわゆるガードリングとしての働きをなす。

また、第２電極ＢとワークＷ間の静電容量C_Yおよび第１
電極Ａと第２電極Ｂ間の静電容量C_Aも発生するが、C_Yは
このブリッジ回路25の電源部に加えられたものに過ぎず
ブリッジ回路25の出力eoの値には何等影響を与えるもの
ではなく、またC_Aはごく僅かでありかつ固定の値である
ため静電容量変化の検出にほとんど無関係である。

したがって、ブリッジ回路25からの出力eoは第１電極Ａ
と、この第１電極Ａからの上記平行に走る電気力線に垂
直なワーク面W₁との間で検出される静電容量C_Lの変化量
によってのみ出力eoの値が決まる。よって、複雑な立体
形状のワークＷに対してもノズル16側面からの静電容量
変化を拾うことなく、ノズル16先端とワークＷ間の正確
な静電容量変化が検出でき、常に適正なギャップ量検出
を行うことができる。

このようなギャップコントロールを行いながらレーザ加
工がなされるが、このレーザ加工時、ノズル16先端から
はレーザ光とともにアシストガスが噴出される。さら
に、第４図で示すように、このアシストガス噴出部を囲
むようにノズル16と電極部材18との間の環状隙間23から
ワークに向かって、ガスが噴出される。これによって、
加工時ノズル16とワークＷ間に特に発生するヒュームや
スパッタをガス圧により外部へ吹き飛ばして、ノズル16
に付着するのを防止している。

これと同時に、ノズル16の下方のレーザ加工域を取り囲
むようにガスの膜が形成されるので、ノズル16の中心部
から噴出されるアシストガスの拡散を防止し、効率よい
レーザ加工が行なわれる。

［考案の効果］本考案によれば、ノズル先端とワークの間の静電容量を
検出することによりギャップコントロールを行うように
したレーザ加工機において、第１電極としてのノズル
と、この外周側面を覆いノズル側面とワークとの間を電
磁的に遮閉する第２電極との間に、絶縁空間を形成して
その空間からワークに向けてガスを噴出させることによ
り、ワークとの間に発生するヒュームやスパッタ等の浮
遊物をガス圧で吹き飛ばし、ノズルへの付着を防止し
て、センサ機能を維持できるとともに、ノズル下方のレ
ーザ加工域を取り囲むようにガスの膜が形成されるの
で、ノズル中心部から噴出されるアシストガスの拡散を
防止して加工点に集中させることができ、よって常に正
確でかつ安定したギャップ量検出が行え、高精度でかつ
効率よいレーザ加工を可能としたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例としてのノズル部分を示す右
半分を断面とした正面図、第２図はギャップ量検出およ
びギャップコントロールの回路構成を示すブロック図、
第３図はギャップ量検出時の第１電極からの電気力線を
示す模式図、第４図はガスの噴出状態を示すノズル先端
部分の拡大図である。 16…ノズル（第１電極Ａ）、18…電極部分（第２電極
Ｂ）、19、20…絶縁空間、Ｗ…ワーク。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ノズル先端とワークとの間の静電容量を検
出することによりギャップコントロールを行うようにし
たレーザ加工機において、ノズル自体を上記静電容量を
検出するための第１電極とし、このノズル外周側面を絶
縁空間を介して覆い上記第１電極の側面部とワーク間を
電磁的に遮閉するための第２電極を設け、上記第１電極
と第２電極との間の絶縁空間にガスを供給し、この絶縁
空間のノズル先端側からワークに向かってガスを噴出す
ることを特徴とするレーザ加工機のノズル。