レーザ加工ヘッド
【課題】レーザ溶接等に用いるレーザ加工ヘッドとして、極めて簡単な構成により、レーザ加工中における光学部品の熱レンズ現象の程度を正確に判定できるものを提供する。
【解決手段】レーザ加工ヘッド１Ａとして、ヘッドハウジング１０内に装着された保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて保護ガラス５の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属する。
【解決手段】レーザ加工ヘッド１Ａとして、ヘッドハウジング１０内に装着された保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて保護ガラス５の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接等に用いるファイバーレーザやディスクレーザの如き高輝度・高収束のレーザ加工ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、高出力のレーザ光を加工ヘッドの集光レンズで絞ったスポットを被加工物の表面に照射しつつ、溶接部位に沿って照射位置を移動させることにより、照射部位の被加工物素材を連続的に溶融・固化させてゆくものであり、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中できることから、狭い溶接ビード幅で深い溶込みが得られると共に、小さい入熱量で高能率の溶接を行えるという利点がある。しかして、レーザ溶接に多用されるファイバーレーザやディスクレーザ等のレーザ波長１μｍ帯用のレーザ加工ヘッドの光学部品は、通常、石英母材の表面に、適用するレーザ波長に対する反射を防止するための無反射コートが施されている。
【０００３】
しかるに、レーザ溶接においては、一般的に溶接開始位置から離れるにしたがって溶接品位が低下する傾向が認められる。これは、熱レンズ現象として、加工ヘッド内のレーザ光路に介在する集光レンズや保護ガラス等の光学部品がレーザ光を吸収して昇温し、熱膨張及び屈折率変化を生じてレーザ光の焦点距離が変化する（通常は凸レンズ効果で焦点距離が短くなる）ことに起因している。このような熱レンズ現象に繋がるレーザ光の吸収は、光学部品の母材自体でもある程度は生じるが、光学部品表面の上記無反射コート及び表面付着物による吸収が大きい。とりわけ加工ヘッドのレーザ光出射側に配置する保護ガラスは、溶接部に対向する形で外部に露呈しているため、溶接部から発生する溶融物のスパッタ、金属蒸気やプラズマのヒューム等が付着して汚れ易く、その付着汚れが多くなると、レーザ光の吸収率が著しく増大して高温化に伴う大きな熱レンズ作用を生じることになる。従って、レーザ溶接における溶接品位の低下を回避する上で、レーザ加工ヘッドの光学部品の熱レンズ現象を監視することが重要であり、特に保護ガラスについてはその汚れに伴う熱レンズ作用が許容レベルを超える前に新品と交換する必要がある。
【０００４】
従来、レーザ加工ヘッドにおける熱レンズ現象に対処する手段として、集光レンズの上方に２組の温度センサを取り付けた回転自動ステージを設け、両温度センサによって集光レンズのレーザ光入射側である上面全体をスキャニングし、得られる温度データから該集光レンズの焦点距離変化量を算出し、その算出値に基づいて焦点距離自動調整装置によって集光レンズを上下に移動させることにより、焦点が常に被加工物上に結ばれるように制御する方式が提案されている（特許文献１）。一方、レーザ加工ヘッドのレーザ光出射側に配置する保護ガラスについて、その外面側に付着した粒子によるレーザ光の散乱光の強度をヘッド内周部に設けた光検出器によって測定すると共に、追加的に保護ガラス側面及びヘッド周壁部の温度を温度検出器にて測定し、これら散乱光強度及び温度の測定値を設定基準値と比較して汚れを二段階で判定する方法（特許文献２）や、保護ガラス内面側の外周部の温度を熱検出器によって測定し、その温度上昇の時間微分値が設定した閾値以上になった時に破損の懸念有りと判定する方法（特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２６１２３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１４５２号公報
【特許文献３】特開２００６−５５８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように２組の温度センサによって集光レンズの上面全体をスキャニングする方式では、２組の温度センサ、回転自動ステージとその駆動機構、焦点レンズの上下移動機構とその制御機構等を必要とするため、レーザ加工ヘッド及び付帯設備のコストが極めて高くつくと共に、温度測定値→集光レンズ全体の温度分布→熱変形量→焦点距離変化量を順次演算する熱解析手段の構築にも多大な労力を要する上、保護ガラスを装着したレーザ加工ヘッドの場合に該保護ガラスの汚れに伴う熱レンズ現象に対応できないという難点があった。
【０００７】
一方、特許文献２のような保護ガラスの汚れ判定方法では、保護ガラス表面に対して汚れ粒子が均等に付着せず、光検出器で測定される散乱光強度が付着粒子の分布状態によって変動して不正確になる上、汚れに伴う温度上昇も保護ガラス側面やヘッド周壁部では小さく、温度検出器では汚れがかなり酷くなった段階でしか検出できないため、保護ガラスとしての使用極限つまり汚れが表面全体に皮膜化して透過光量の減少による加工性低下をきたすような状態は判定できても、熱レンズ現象に対応する程度の汚れ度合を正確に判定することは困難である。また、特許文献３のような保護ガラスの破損予測判定方法では、やはり汚れによる保護ガラス内面側の外周部の温度上昇は少ないため、熱検出器による測定値に基づいて保護ガラスが破損寸前になる使用極限を判定できても、熱レンズ現象に対応する程度の汚れ度合を正確に判定することは困難である。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて、レーザ溶接等に用いるレーザ加工ヘッドとして、極めて簡単な構成により、レーザ加工中における光学部品の熱レンズ現象の程度を正確に判定できるものを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａは、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるものとしている。
【００１０】
請求項２の発明は、上記請求項１のレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、光学部品のレーザ光透過中心部ｏの温度を、輻射赤外線を受光して電気信号に変換する１基の赤外線センサ７によって計測する構成としている。
【００１１】
請求項３の発明は、上記請求項１のレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、赤外線センサ７が赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものとしている。
【００１２】
請求項４の発明は、上記請求項１〜３の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、赤外線センサ７がヘッドハウジング１０の内部に臨んで取り付けられてなる。
【００１３】
請求項５の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａは、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度と、該光学部品の周辺部ｓ又は支持部１０ａの温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるものとしている。
【００１４】
請求項６の発明は、上記請求項１〜５の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、光学部品がヘッドハウジング１０の先端側に装着された保護ガラス５としている。
【００１５】
請求項７の発明は、上記請求項１〜６の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、熱レンズ現象による焦点変移Δｆの許容限界値を設定し、この許容限界値に対応した基準温度と計測温度とを比較し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知する交換告知機能を備えるものとしている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａによれば、ヘッドハウジング１内に装着された光学部品（保護ガラス５）の熱レンズ現象のモニタリング機構として、レーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の汚れに伴う熱レンズ現象の程度を正確に捉えることができる。すなわち、予め汚れのない新品の光学部品を使用した時の該中心部ｏの温度計測データと焦点変移Δｆの関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時に得られる該中心部ｏの温度計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、光学部品のレーザ光透過中心部ｏの温度計測に１基の赤外線センサ７を用いることから、レーザ加工ヘッド１Ａ全体が簡素でコンパクトな構成になると共に、温度計測を簡易な操作で連続的に行えるという利点がある。
【００１８】
請求項３の発明によれば、上記の温度計測に用いる赤外線センサ７が赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つから、光学部品材料として一般的な石英ガラス及び反射防止膜材から昇温に伴って放射される赤外線を確実に計測できるという利点がある。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記の温度計測に用いる赤外線センサ７がヘッドハウジング１０の内部に臨んで取り付けられることから、その受光部に汚れを生じにくく、もって該赤外線センサ７自体が長寿命化する。
【００２０】
請求項５の発明によれば、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度と、該光学部品の周辺部ｓ又は支持部１０ａの平均温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えることから、予め汚れのない新品の光学部品を使用した時の中心部ｏの温度と周辺部ｓ又は支持部１０ａの温度との関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時の計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００２１】
請求項６の発明は、光学部品が加工ヘッド１Ａの先端側に装着された保護ガラス５であり、その汚れに伴う熱レンズ現象の程度を正確に捉えて新品との交換の必要性を判定できるから、尚早な交換による無駄をなくしつつ高いレーザ加工品位を確保できる。
【００２２】
請求項７の発明は、熱レンズ現象による焦点変位Δｆの許容限界値に対応した基準温度を設定し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知するから、該光学部品の交換時期に気付かずにレーザ加工品位が悪化する事態を未然に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】熱レンズ現象モニタリングの予備試験に用いたレーザ溶接用ファイバーレーザのレーザ加工ヘッドの模式縦断面図である。
【図２】同予備試験による計測データを示し、（ａ）はレーザ出力−焦点変移の相関特性図、（ｂ）はレーザ出力−光学部品の中心部温度の相関特性図である。
【図３】同予備試験における保護ガラスの一径方向に沿う温度分布を示し、（ａ）は汚れのある既存の保護ガラス使用時の特性図、（ｂ）は汚れのない新品の保護ガラス使用時の特性図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッドの模式縦断面図である。
【図５】同実施形態における熱レンズ現象モニタリングの一評価指標の設定に用いる保護ガラス中心部温度−焦点変移の相関特性図である。
【図６】本発明の他の実施形態における熱レンズ現象モニタリングの一評価指標の設定に用いる保護ガラスの中心部と周辺部との温度差−焦点変移の相関特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１で示すレーザ加工ヘッド１Ｂは、レーザ溶接用ファイバーレーザの溶接ヘッドを構成するものであり、上端中央に臨んでファイバー出射端２（コア径０．２ｍｍ）が配置した縦円筒形のハウジング１０内に、上部側から順次、該ファイバー出射端２から出射されるレーザ光Ｌを平行光に変換するコリメータレンズ３（焦点距離１００ｍｍ）、その平行光を収束して被加工物（図示省略）の表面近傍で焦点Ｆを結ばせる集光レンズ４（焦点距離２００ｍｍ）、石英ガラス製で表面に反射防止膜を有する厚さ２ｍｍの平板状の保護ガラス５が保持されると共に、該ハウジング１０の周壁内部には、コリメータレンズ３及び集光レンズ４が各々配置する位置に冷却水通路１１，１２が設けてある。しかして、このレーザ加工ヘッド１Ｂには、予備試験用に、該加工ヘッド１Ｂの直下位置でレーザ光Ｌを受光して出力を計測するパワーメータ６、保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏからの輻射赤外線を受光して電気信号に変換して温度計測する赤外線センサ７、斜め下側から保護ガラス５の前面の温度分布を捉える赤外線ビュア８、赤外線センサ７の計測信号に基づいて温度値及びモニタリング状況を表示するパーソナルコンピュータＰＣ、がそれぞれ付設されている。
【００２５】
上記構成のレーザ加工ヘッド１Ｂにおける熱レンズ現象を、下記の予備試験１〜３によって解析した。なお、これら予備試験では、レーザ加工ヘッド１Ｂとして市販のヘッド（結像倍率２倍）、赤外線ビュア８としてＦＩＬＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のＳＣ６２０、をそれぞれ用いると共に、冷却水通路１１，１２の冷却水温を３０℃に設定した。また、図では省略しているが、レーザ光Ｌの焦点Ｆの位置計測のために、プリムス社製のフォーカスモニターを使用した。
【００２６】
〔予備試験１〕
パワーメータ６及び上記フォーカスモニターを利用し、保護ガラス５がない状態において、出力６ｋＷ，８ｋＷ，１０ｋＷの各レーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後の焦点変移Δｆを調べると共に、汚れのない新品の保護ガラス５と汚れのある既存の保護ガラス５の各々を使用した状態で、出力１０ｋＷのレーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後の焦点変移Δｆを調べた。その結果を図２（ａ）に示す。
【００２７】
〔予備試験２〕
パワーメータ６及び赤外線センサー７を利用し、保護ガラス５がない状態で、出力６ｋＷ，８ｋＷ，１０ｋＷの各レーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後における集光レンズ４のレーザ光透過中心部の温度を計測すると共に、汚れのない新品の保護ガラス５と汚れのある既存の保護ガラス５の各々を使用した状態で、出力１０ｋＷのレーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後における保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測した。その結果を図２（ｂ）に示す。
【００２８】
〔予備試験３〕
赤外線ビュア８を利用し、汚れのある既存の保護ガラス５と汚れのない新品の保護ガラス５の各々を使用した状態で、それぞれ２ｋＷ，４ｋＷ，５ｋＷ，６ｋＷの各レーザ出力における出射開始から 分後の該保護ガラスの径方向に沿う温度分布を調べた。その結果を、既存の保護ガラス５については図３（ａ）に、新品の保護ガラス５については図３（ｂ）に、それぞれ示す。
【００２９】
図２（ａ）で示すように、保護ガラス５がない状態では、レーザ光Ｌの出力が大きいほど、また出射開始からの時間が長くなるほど、焦点変移Δｆが大きくなっている。そして、保護ガラス５を設けることで更に焦点変移Δｆが増すが、例えばレーザ光Ｌの出力１０ｋＷで出射開始から１０分後における焦点変移Δｆは、汚れのない新品の保護ガラス５では約１２％の増加に止まるのに対し、汚れのある既存の保護ガラス５では約５６％と著しく増大している。また、図２（ｂ）で示すように、レーザ光Ｌの出力１０ｋＷで出射開始から３分後及び１０分後における保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度は、汚れのない新品の保護ガラス５では９０〜１００℃程度であるのに対し、汚れのある既存の保護ガラス５では２８０〜３００℃もの高温に達している。一方、図３（ａ）（ｂ）で示すように、レーザ加工ヘッド１Ｂの使用中における保護ガラス５の温度は、レーザ出力の違いと汚れの有無に関わらず中心部（レーザ光透過中心部ｏ）で最も高く、且つ中心部と周辺部とで大きな温度差が現れるが、特に汚れのある既存の保護ガラスでは周辺部同士（図示では径方向の両端部同士）でもかなりの温度差を生じている。
【００３０】
すなわち、レーザ光は光学部品の中心部を光軸中心として半径方向に減衰する強度分布を有し、そのレーザ光が光学部品を通過する際に光吸収に伴う内部発熱を生じるが、その発熱が光学部品の冷却水で冷却されている周辺部へ向かう熱伝導によって排熱されることになる。従って、レーザ加工中の光学部品は、表面の汚れによって光吸収が増大しても、それ自体が損傷するほどの汚れでなければ、常に中心部が最高となる温度分布を示すが、局所的に汚れのある部分と汚れのない部分とでは発熱量に差があるため、図３（ａ）の如く周辺部の温度では有意差を生じる場合が多々ある。
【００３１】
これら予備試験１〜３の結果から、既存の保護ガラス５は、その汚れに起因したレーザ光Ｌの吸収によって中心側ほど大きく昇温し、これに伴う熱膨張によって凸レンズ状に変形する顕著な熱レンズ現象を生じるが、その熱レンズ現象による焦点変移Δｆの大きさと保護ガラス５の温度との間に高い相関があるため、そのレーザ光透過中心部ｏの計測温度を指標として熱レンズ現象を精度よくモニタリングできることが判る。しかるに、保護ガラス５の周辺部では汚れによる温度上昇が少ない上、局所的な汚れ度合の違いで温度のばらつきを生じ易いため、該周辺部の計測温度は上記モニタリングの指標として信頼性に乏しい。従って、予め汚れのない新品の保護ガラス５を使用した時のレーザ光透過中心部ｏの温度計測データと焦点変移Δｆの関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時に得られる該中心部ｏの温度計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００３２】
ここで、保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度計測手段としては、特に制約されないが、上記予備試験で用いているものと同様の赤外線センサ７が好適である。すなわち、赤外線センサ７は、輻射赤外線を受光して電気信号に変換するものであるが、その１基のみを用いて該温度計測を簡易な操作で連続的に行えることに加え、構造的に簡素で且つ小型であるためにヘッドハウジング内への組み付けが容易であり、これによってレーザ加工ヘッド全体を簡素でコンパクトな構成に設定できると共に、それ自体の受光部を汚れにくくして感度低下や寿命短縮を抑制でき、また安価に入手できることから全体の設備コストも抑えられる。
【００３３】
このような赤外線センサ７としては、特に制約されないが、赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものが推奨される。これは、赤外波長８〜１４μｍが光学部品材料として一般的な石英ガラス及び反射防止膜材から昇温に伴って放射される赤外線の波長域になるため、その赤外線放射を確実に計測できることによる。なお、該赤外線センサ７の感度帯は、上記波長域を含んでおればよく、該波長域よりも長波長側及び短波長側の一方又は両方にわたる広い波長域に及んでいてもよいことは言うまでもない。
【００３４】
図４は、上記の温度計測手段として赤外線センサ７を用いた本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ａを示す。このレーザ加工ヘッド１Ａは、基本構造が前記予備試験に用いたレーザ加工ヘッド１Ｂ（図１参照）と略同様であるため、その構成各部については該レーザ加工ヘッド１Ｂと同一符号を附して説明を省略するが、ヘッドハウジング１０の下部側には集光レンズ４と保護ガラス５の両保持部の間に位置してセンサ取付孔１３が設けてあり、このセンサ取付孔１３に赤外線センサ７が検出方向を保護ガラス５の内面側の中心部ｏに向ける形で装填されると共に、該赤外線センサ７の信号ケーブル７ａが外部のパーソナルコンピュータＰＣに接続されている。図中のＷはレーザ溶接を行う被加工物を示す。
【００３５】
このレーザ加工ヘッド１Ａによる加工中の熱レンズ現象のモニタリングを行うには、予め、既述の予備試験として新品の保護ガラス５を用いて該当する加工条件でレーザ加工を行い、その汚れの蓄積によって加工品位が許容限界となるまでの温度計測データと焦点変移Δｆとの関係から、加工品位的に許容限界となる焦点変移量Ｆ２に対応する保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度Ｔ２を求めておく。そして、この温度Ｔ２を参照温度として、レーザ加工ヘッド１Ａによる加工中、パーソナルコンピュータＰＣにおいて、前記温度Ｔ２を参照温度として、赤外線センサ７にて継続的にモニターされる温度Ｔｘが参照温度Ｔ２以下である間は保護ガラス５を継続使用可能とし、該モニター温度Ｔｘが参照温度Ｔ２を超えた時には保護ガラス５の交換を要するとして、その交換時期の到来をディスプレイ画面での表示、警報ランプ、警報ブザー等で告知するように設定すればよい。これにより、加工品位が許容限界を超える前に保護ガラス５の寿命到来を認知できるから、該保護ガラス５を新品と交換することで高い加工品位を安定的に確保できる。
【００３６】
図５は、既述の予備試験において、新品の保護ガラス５を使用してレーザ出力を１０ｋＷに設定してレーザ加工を行った場合の、該保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度と焦点変移Δｆとの関係を示すデータ例である。このデータでは、使用開始時の保護ガラス５の該中心部ｏの温度Ｔ１が１００℃で、その時の焦点変移量Ｆ１が１．２５ｍｍであったが、汚れによる光吸収で昇温するのに伴って焦点変移が大きくなり、加工品位的に限界となった時の焦点変移量Ｆ２は３．７５ｍｍ、該中心部ｏの温度Ｔ２は２００℃であった。つまり、新品の保護ガラス５の使用開始から許容限界に至るまでの焦点変移Δｆは２．５ｍｍ、この焦点変移Δｆに対応するレーザ光透過中心部ｏの温度上昇ΔＴが１００℃である。
【００３７】
そこで、同じ機種のレーザ加工ヘッドにより、設定出力１０ｋＷでレーザ溶接等の所定の加工を行う場合、前記の参照温度Ｔ２を２００℃に設定して熱レンズ現象のモニタリングを行い、赤外線センサ７によるモニター温度Ｔｘが２００℃以下である間は保護ガラス５を継続使用可能とし、該モニター温度Ｔｘが２００℃を超えた際に保護ガラス５を交換するように設定すればよい。
【００３８】
上述した実施形態における熱レンズ現象のモニタリングでは計測対象の光学部品を保護ガラス５としているが、集光レンズ４等のレーザ光路に介在する他の光学部品についても同様に熱レンズ現象のモニタリングを行える。また、例示した実施形態では光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部の温度を計測しているが、そのレーザ光透過中心部ｏの温度と、周辺部ｓ（図１参照）又はヘッドハウジング１０側の支持部１０ａ（図１参照）の温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるように構成してもよい。
【００３９】
図６は、既述同様の予備試験において、保護ガラス５として新品と既存品を各々使用した場合について、赤外線ビュア８を利用して計測した保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏと周辺部ｓの温度差Δｔと、フォーカスモニターを利用して計測した焦点変移Δｆとの相関を示す。この図６から明らかなように、保護ガラス５の汚れの有無によって温度差Δｔ及び焦点変移Δｆに大きな違いがあり、例えばレーザ出力６ｋＷでは両者の温度差Δｔの違いが３２℃、焦点変移Δｆの違いが０．５ｍｍになっており、該温度差Δｔの違いからも熱レンズ現象の度合を判定できることが示唆される。この場合、やはり予備試験において新品の保護ガラス５を使用して得られた該温度差Δｔと焦点変移Δｆとの関係から、該当加工条件での基準となるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆ１と、この焦点位置Ｆ１から更に変移して加工品位的に許容限界となる焦点位置Ｆ２とを設定し、許容限界の焦点位置Ｆ２に対応する温度差Δｔを参照基準として、実際の加工中に計測される保護ガラス５の同温度差Δｔを対比し、参照基準以下にある間は継続使用可能、参照基準を超えた時に要交換と設定すればよい。
【００４０】
なお、このように光学部品のレーザ光透過中心部と周辺部又は支持部との温度差を指標として熱レンズ現象をモニタリングする場合、周辺部及び支持部については、汚れ度合が既述の如く不均質になって温度のばらつきを生じ易いため、全周又は複数箇所の計測値から平均温度を算出することが望ましい。この点、温度計測手段として赤外線ビュア８を用いれば、その１基を使用するだけで、得られる温度分布データから、光学部品の中心部の温度に加え、周辺部又は支持部の平均温度も算出できるが、赤外線センサ７に比べて高価である上に大型で場所を取り、操作的にも複雑になるという難点がある。
【００４１】
本発明のレーザ加工ヘッドは、ヘッドハウジング１０の構造、コリメータレンズ３や集光レンズ４の如きレンズ系の配置構成、赤外線センサ７等のモニタリング機構の付設構造等、細部構成については実施形態以外に種々設計変更可能である。なお、保護ガラス５としては厚さ１〜５ｍｍのものが好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
熱レンズ現象のモニタリングに利用する参照データは既述の予備試験によって得ることになるが、その予備試験はレーザ加工ヘッドのメーカー側で行い、得られた参照データをレーザ加工を行うユーザー側に提供すればよい。従って、ユーザー側では、予備試験に用いる各種の高価な計測機器は不要であり、例えば図４で示すような１基の赤外線センサのみを付設しただけの構造簡単なレーザ加工ヘッドを用い、その加工中に参照データを利用して熱レンズ現象を容易に且つ確実にモニタリングし、もって安定的に高い加工品位を確保することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ，１Ｂ レーザ加工ヘッド
１０ ヘッドハウジング
１０ａ 支持部
２ ファイバー出射端
３ コリメータレンズ
４ 集光レンズ
５ 保護ガラス
７ 赤外線センサ
ｏ レーザ光透過中心部
ｓ 周辺部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接等に用いるファイバーレーザやディスクレーザの如き高輝度・高収束のレーザ加工ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、高出力のレーザ光を加工ヘッドの集光レンズで絞ったスポットを被加工物の表面に照射しつつ、溶接部位に沿って照射位置を移動させることにより、照射部位の被加工物素材を連続的に溶融・固化させてゆくものであり、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中できることから、狭い溶接ビード幅で深い溶込みが得られると共に、小さい入熱量で高能率の溶接を行えるという利点がある。しかして、レーザ溶接に多用されるファイバーレーザやディスクレーザ等のレーザ波長１μｍ帯用のレーザ加工ヘッドの光学部品は、通常、石英母材の表面に、適用するレーザ波長に対する反射を防止するための無反射コートが施されている。
【０００３】
しかるに、レーザ溶接においては、一般的に溶接開始位置から離れるにしたがって溶接品位が低下する傾向が認められる。これは、熱レンズ現象として、加工ヘッド内のレーザ光路に介在する集光レンズや保護ガラス等の光学部品がレーザ光を吸収して昇温し、熱膨張及び屈折率変化を生じてレーザ光の焦点距離が変化する（通常は凸レンズ効果で焦点距離が短くなる）ことに起因している。このような熱レンズ現象に繋がるレーザ光の吸収は、光学部品の母材自体でもある程度は生じるが、光学部品表面の上記無反射コート及び表面付着物による吸収が大きい。とりわけ加工ヘッドのレーザ光出射側に配置する保護ガラスは、溶接部に対向する形で外部に露呈しているため、溶接部から発生する溶融物のスパッタ、金属蒸気やプラズマのヒューム等が付着して汚れ易く、その付着汚れが多くなると、レーザ光の吸収率が著しく増大して高温化に伴う大きな熱レンズ作用を生じることになる。従って、レーザ溶接における溶接品位の低下を回避する上で、レーザ加工ヘッドの光学部品の熱レンズ現象を監視することが重要であり、特に保護ガラスについてはその汚れに伴う熱レンズ作用が許容レベルを超える前に新品と交換する必要がある。
【０００４】
従来、レーザ加工ヘッドにおける熱レンズ現象に対処する手段として、集光レンズの上方に２組の温度センサを取り付けた回転自動ステージを設け、両温度センサによって集光レンズのレーザ光入射側である上面全体をスキャニングし、得られる温度データから該集光レンズの焦点距離変化量を算出し、その算出値に基づいて焦点距離自動調整装置によって集光レンズを上下に移動させることにより、焦点が常に被加工物上に結ばれるように制御する方式が提案されている（特許文献１）。一方、レーザ加工ヘッドのレーザ光出射側に配置する保護ガラスについて、その外面側に付着した粒子によるレーザ光の散乱光の強度をヘッド内周部に設けた光検出器によって測定すると共に、追加的に保護ガラス側面及びヘッド周壁部の温度を温度検出器にて測定し、これら散乱光強度及び温度の測定値を設定基準値と比較して汚れを二段階で判定する方法（特許文献２）や、保護ガラス内面側の外周部の温度を熱検出器によって測定し、その温度上昇の時間微分値が設定した閾値以上になった時に破損の懸念有りと判定する方法（特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２６１２３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１４５２号公報
【特許文献３】特開２００６−５５８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように２組の温度センサによって集光レンズの上面全体をスキャニングする方式では、２組の温度センサ、回転自動ステージとその駆動機構、焦点レンズの上下移動機構とその制御機構等を必要とするため、レーザ加工ヘッド及び付帯設備のコストが極めて高くつくと共に、温度測定値→集光レンズ全体の温度分布→熱変形量→焦点距離変化量を順次演算する熱解析手段の構築にも多大な労力を要する上、保護ガラスを装着したレーザ加工ヘッドの場合に該保護ガラスの汚れに伴う熱レンズ現象に対応できないという難点があった。
【０００７】
一方、特許文献２のような保護ガラスの汚れ判定方法では、保護ガラス表面に対して汚れ粒子が均等に付着せず、光検出器で測定される散乱光強度が付着粒子の分布状態によって変動して不正確になる上、汚れに伴う温度上昇も保護ガラス側面やヘッド周壁部では小さく、温度検出器では汚れがかなり酷くなった段階でしか検出できないため、保護ガラスとしての使用極限つまり汚れが表面全体に皮膜化して透過光量の減少による加工性低下をきたすような状態は判定できても、熱レンズ現象に対応する程度の汚れ度合を正確に判定することは困難である。また、特許文献３のような保護ガラスの破損予測判定方法では、やはり汚れによる保護ガラス内面側の外周部の温度上昇は少ないため、熱検出器による測定値に基づいて保護ガラスが破損寸前になる使用極限を判定できても、熱レンズ現象に対応する程度の汚れ度合を正確に判定することは困難である。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて、レーザ溶接等に用いるレーザ加工ヘッドとして、極めて簡単な構成により、レーザ加工中における光学部品の熱レンズ現象の程度を正確に判定できるものを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａは、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるものとしている。
【００１０】
請求項２の発明は、上記請求項１のレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、光学部品のレーザ光透過中心部ｏの温度を、輻射赤外線を受光して電気信号に変換する１基の赤外線センサ７によって計測する構成としている。
【００１１】
請求項３の発明は、上記請求項１のレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、赤外線センサ７が赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものとしている。
【００１２】
請求項４の発明は、上記請求項１〜３の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、赤外線センサ７がヘッドハウジング１０の内部に臨んで取り付けられてなる。
【００１３】
請求項５の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａは、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度と、該光学部品の周辺部ｓ又は支持部１０ａの温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるものとしている。
【００１４】
請求項６の発明は、上記請求項１〜５の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、光学部品がヘッドハウジング１０の先端側に装着された保護ガラス５としている。
【００１５】
請求項７の発明は、上記請求項１〜６の何れかのレーザ加工ヘッド１Ａにおいて、熱レンズ現象による焦点変移Δｆの許容限界値を設定し、この許容限界値に対応した基準温度と計測温度とを比較し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知する交換告知機能を備えるものとしている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明に係るレーザ加工ヘッド１Ａによれば、ヘッドハウジング１内に装着された光学部品（保護ガラス５）の熱レンズ現象のモニタリング機構として、レーザ光透過中心部ｏの温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の汚れに伴う熱レンズ現象の程度を正確に捉えることができる。すなわち、予め汚れのない新品の光学部品を使用した時の該中心部ｏの温度計測データと焦点変移Δｆの関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時に得られる該中心部ｏの温度計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、光学部品のレーザ光透過中心部ｏの温度計測に１基の赤外線センサ７を用いることから、レーザ加工ヘッド１Ａ全体が簡素でコンパクトな構成になると共に、温度計測を簡易な操作で連続的に行えるという利点がある。
【００１８】
請求項３の発明によれば、上記の温度計測に用いる赤外線センサ７が赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つから、光学部品材料として一般的な石英ガラス及び反射防止膜材から昇温に伴って放射される赤外線を確実に計測できるという利点がある。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記の温度計測に用いる赤外線センサ７がヘッドハウジング１０の内部に臨んで取り付けられることから、その受光部に汚れを生じにくく、もって該赤外線センサ７自体が長寿命化する。
【００２０】
請求項５の発明によれば、ヘッドハウジング１０内に装着された光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部ｏの温度と、該光学部品の周辺部ｓ又は支持部１０ａの平均温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えることから、予め汚れのない新品の光学部品を使用した時の中心部ｏの温度と周辺部ｓ又は支持部１０ａの温度との関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時の計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００２１】
請求項６の発明は、光学部品が加工ヘッド１Ａの先端側に装着された保護ガラス５であり、その汚れに伴う熱レンズ現象の程度を正確に捉えて新品との交換の必要性を判定できるから、尚早な交換による無駄をなくしつつ高いレーザ加工品位を確保できる。
【００２２】
請求項７の発明は、熱レンズ現象による焦点変位Δｆの許容限界値に対応した基準温度を設定し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知するから、該光学部品の交換時期に気付かずにレーザ加工品位が悪化する事態を未然に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】熱レンズ現象モニタリングの予備試験に用いたレーザ溶接用ファイバーレーザのレーザ加工ヘッドの模式縦断面図である。
【図２】同予備試験による計測データを示し、（ａ）はレーザ出力−焦点変移の相関特性図、（ｂ）はレーザ出力−光学部品の中心部温度の相関特性図である。
【図３】同予備試験における保護ガラスの一径方向に沿う温度分布を示し、（ａ）は汚れのある既存の保護ガラス使用時の特性図、（ｂ）は汚れのない新品の保護ガラス使用時の特性図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッドの模式縦断面図である。
【図５】同実施形態における熱レンズ現象モニタリングの一評価指標の設定に用いる保護ガラス中心部温度−焦点変移の相関特性図である。
【図６】本発明の他の実施形態における熱レンズ現象モニタリングの一評価指標の設定に用いる保護ガラスの中心部と周辺部との温度差−焦点変移の相関特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１で示すレーザ加工ヘッド１Ｂは、レーザ溶接用ファイバーレーザの溶接ヘッドを構成するものであり、上端中央に臨んでファイバー出射端２（コア径０．２ｍｍ）が配置した縦円筒形のハウジング１０内に、上部側から順次、該ファイバー出射端２から出射されるレーザ光Ｌを平行光に変換するコリメータレンズ３（焦点距離１００ｍｍ）、その平行光を収束して被加工物（図示省略）の表面近傍で焦点Ｆを結ばせる集光レンズ４（焦点距離２００ｍｍ）、石英ガラス製で表面に反射防止膜を有する厚さ２ｍｍの平板状の保護ガラス５が保持されると共に、該ハウジング１０の周壁内部には、コリメータレンズ３及び集光レンズ４が各々配置する位置に冷却水通路１１，１２が設けてある。しかして、このレーザ加工ヘッド１Ｂには、予備試験用に、該加工ヘッド１Ｂの直下位置でレーザ光Ｌを受光して出力を計測するパワーメータ６、保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏからの輻射赤外線を受光して電気信号に変換して温度計測する赤外線センサ７、斜め下側から保護ガラス５の前面の温度分布を捉える赤外線ビュア８、赤外線センサ７の計測信号に基づいて温度値及びモニタリング状況を表示するパーソナルコンピュータＰＣ、がそれぞれ付設されている。
【００２５】
上記構成のレーザ加工ヘッド１Ｂにおける熱レンズ現象を、下記の予備試験１〜３によって解析した。なお、これら予備試験では、レーザ加工ヘッド１Ｂとして市販のヘッド（結像倍率２倍）、赤外線ビュア８としてＦＩＬＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のＳＣ６２０、をそれぞれ用いると共に、冷却水通路１１，１２の冷却水温を３０℃に設定した。また、図では省略しているが、レーザ光Ｌの焦点Ｆの位置計測のために、プリムス社製のフォーカスモニターを使用した。
【００２６】
〔予備試験１〕
パワーメータ６及び上記フォーカスモニターを利用し、保護ガラス５がない状態において、出力６ｋＷ，８ｋＷ，１０ｋＷの各レーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後の焦点変移Δｆを調べると共に、汚れのない新品の保護ガラス５と汚れのある既存の保護ガラス５の各々を使用した状態で、出力１０ｋＷのレーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後の焦点変移Δｆを調べた。その結果を図２（ａ）に示す。
【００２７】
〔予備試験２〕
パワーメータ６及び赤外線センサー７を利用し、保護ガラス５がない状態で、出力６ｋＷ，８ｋＷ，１０ｋＷの各レーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後における集光レンズ４のレーザ光透過中心部の温度を計測すると共に、汚れのない新品の保護ガラス５と汚れのある既存の保護ガラス５の各々を使用した状態で、出力１０ｋＷのレーザ光Ｌの出射開始から３分後及び１０分後における保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度を計測した。その結果を図２（ｂ）に示す。
【００２８】
〔予備試験３〕
赤外線ビュア８を利用し、汚れのある既存の保護ガラス５と汚れのない新品の保護ガラス５の各々を使用した状態で、それぞれ２ｋＷ，４ｋＷ，５ｋＷ，６ｋＷの各レーザ出力における出射開始から 分後の該保護ガラスの径方向に沿う温度分布を調べた。その結果を、既存の保護ガラス５については図３（ａ）に、新品の保護ガラス５については図３（ｂ）に、それぞれ示す。
【００２９】
図２（ａ）で示すように、保護ガラス５がない状態では、レーザ光Ｌの出力が大きいほど、また出射開始からの時間が長くなるほど、焦点変移Δｆが大きくなっている。そして、保護ガラス５を設けることで更に焦点変移Δｆが増すが、例えばレーザ光Ｌの出力１０ｋＷで出射開始から１０分後における焦点変移Δｆは、汚れのない新品の保護ガラス５では約１２％の増加に止まるのに対し、汚れのある既存の保護ガラス５では約５６％と著しく増大している。また、図２（ｂ）で示すように、レーザ光Ｌの出力１０ｋＷで出射開始から３分後及び１０分後における保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度は、汚れのない新品の保護ガラス５では９０〜１００℃程度であるのに対し、汚れのある既存の保護ガラス５では２８０〜３００℃もの高温に達している。一方、図３（ａ）（ｂ）で示すように、レーザ加工ヘッド１Ｂの使用中における保護ガラス５の温度は、レーザ出力の違いと汚れの有無に関わらず中心部（レーザ光透過中心部ｏ）で最も高く、且つ中心部と周辺部とで大きな温度差が現れるが、特に汚れのある既存の保護ガラスでは周辺部同士（図示では径方向の両端部同士）でもかなりの温度差を生じている。
【００３０】
すなわち、レーザ光は光学部品の中心部を光軸中心として半径方向に減衰する強度分布を有し、そのレーザ光が光学部品を通過する際に光吸収に伴う内部発熱を生じるが、その発熱が光学部品の冷却水で冷却されている周辺部へ向かう熱伝導によって排熱されることになる。従って、レーザ加工中の光学部品は、表面の汚れによって光吸収が増大しても、それ自体が損傷するほどの汚れでなければ、常に中心部が最高となる温度分布を示すが、局所的に汚れのある部分と汚れのない部分とでは発熱量に差があるため、図３（ａ）の如く周辺部の温度では有意差を生じる場合が多々ある。
【００３１】
これら予備試験１〜３の結果から、既存の保護ガラス５は、その汚れに起因したレーザ光Ｌの吸収によって中心側ほど大きく昇温し、これに伴う熱膨張によって凸レンズ状に変形する顕著な熱レンズ現象を生じるが、その熱レンズ現象による焦点変移Δｆの大きさと保護ガラス５の温度との間に高い相関があるため、そのレーザ光透過中心部ｏの計測温度を指標として熱レンズ現象を精度よくモニタリングできることが判る。しかるに、保護ガラス５の周辺部では汚れによる温度上昇が少ない上、局所的な汚れ度合の違いで温度のばらつきを生じ易いため、該周辺部の計測温度は上記モニタリングの指標として信頼性に乏しい。従って、予め汚れのない新品の保護ガラス５を使用した時のレーザ光透過中心部ｏの温度計測データと焦点変移Δｆの関係を求めておき、これを基本の参照データとして実際の加工時に得られる該中心部ｏの温度計測データを比較することにより、熱レンズ現象が許容範囲にあるか否か、ひいては光学部品を継続使用できるか否かを正確に判定することが可能となる。
【００３２】
ここで、保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度計測手段としては、特に制約されないが、上記予備試験で用いているものと同様の赤外線センサ７が好適である。すなわち、赤外線センサ７は、輻射赤外線を受光して電気信号に変換するものであるが、その１基のみを用いて該温度計測を簡易な操作で連続的に行えることに加え、構造的に簡素で且つ小型であるためにヘッドハウジング内への組み付けが容易であり、これによってレーザ加工ヘッド全体を簡素でコンパクトな構成に設定できると共に、それ自体の受光部を汚れにくくして感度低下や寿命短縮を抑制でき、また安価に入手できることから全体の設備コストも抑えられる。
【００３３】
このような赤外線センサ７としては、特に制約されないが、赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものが推奨される。これは、赤外波長８〜１４μｍが光学部品材料として一般的な石英ガラス及び反射防止膜材から昇温に伴って放射される赤外線の波長域になるため、その赤外線放射を確実に計測できることによる。なお、該赤外線センサ７の感度帯は、上記波長域を含んでおればよく、該波長域よりも長波長側及び短波長側の一方又は両方にわたる広い波長域に及んでいてもよいことは言うまでもない。
【００３４】
図４は、上記の温度計測手段として赤外線センサ７を用いた本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ａを示す。このレーザ加工ヘッド１Ａは、基本構造が前記予備試験に用いたレーザ加工ヘッド１Ｂ（図１参照）と略同様であるため、その構成各部については該レーザ加工ヘッド１Ｂと同一符号を附して説明を省略するが、ヘッドハウジング１０の下部側には集光レンズ４と保護ガラス５の両保持部の間に位置してセンサ取付孔１３が設けてあり、このセンサ取付孔１３に赤外線センサ７が検出方向を保護ガラス５の内面側の中心部ｏに向ける形で装填されると共に、該赤外線センサ７の信号ケーブル７ａが外部のパーソナルコンピュータＰＣに接続されている。図中のＷはレーザ溶接を行う被加工物を示す。
【００３５】
このレーザ加工ヘッド１Ａによる加工中の熱レンズ現象のモニタリングを行うには、予め、既述の予備試験として新品の保護ガラス５を用いて該当する加工条件でレーザ加工を行い、その汚れの蓄積によって加工品位が許容限界となるまでの温度計測データと焦点変移Δｆとの関係から、加工品位的に許容限界となる焦点変移量Ｆ２に対応する保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度Ｔ２を求めておく。そして、この温度Ｔ２を参照温度として、レーザ加工ヘッド１Ａによる加工中、パーソナルコンピュータＰＣにおいて、前記温度Ｔ２を参照温度として、赤外線センサ７にて継続的にモニターされる温度Ｔｘが参照温度Ｔ２以下である間は保護ガラス５を継続使用可能とし、該モニター温度Ｔｘが参照温度Ｔ２を超えた時には保護ガラス５の交換を要するとして、その交換時期の到来をディスプレイ画面での表示、警報ランプ、警報ブザー等で告知するように設定すればよい。これにより、加工品位が許容限界を超える前に保護ガラス５の寿命到来を認知できるから、該保護ガラス５を新品と交換することで高い加工品位を安定的に確保できる。
【００３６】
図５は、既述の予備試験において、新品の保護ガラス５を使用してレーザ出力を１０ｋＷに設定してレーザ加工を行った場合の、該保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏの温度と焦点変移Δｆとの関係を示すデータ例である。このデータでは、使用開始時の保護ガラス５の該中心部ｏの温度Ｔ１が１００℃で、その時の焦点変移量Ｆ１が１．２５ｍｍであったが、汚れによる光吸収で昇温するのに伴って焦点変移が大きくなり、加工品位的に限界となった時の焦点変移量Ｆ２は３．７５ｍｍ、該中心部ｏの温度Ｔ２は２００℃であった。つまり、新品の保護ガラス５の使用開始から許容限界に至るまでの焦点変移Δｆは２．５ｍｍ、この焦点変移Δｆに対応するレーザ光透過中心部ｏの温度上昇ΔＴが１００℃である。
【００３７】
そこで、同じ機種のレーザ加工ヘッドにより、設定出力１０ｋＷでレーザ溶接等の所定の加工を行う場合、前記の参照温度Ｔ２を２００℃に設定して熱レンズ現象のモニタリングを行い、赤外線センサ７によるモニター温度Ｔｘが２００℃以下である間は保護ガラス５を継続使用可能とし、該モニター温度Ｔｘが２００℃を超えた際に保護ガラス５を交換するように設定すればよい。
【００３８】
上述した実施形態における熱レンズ現象のモニタリングでは計測対象の光学部品を保護ガラス５としているが、集光レンズ４等のレーザ光路に介在する他の光学部品についても同様に熱レンズ現象のモニタリングを行える。また、例示した実施形態では光学部品（保護ガラス５）のレーザ光透過中心部の温度を計測しているが、そのレーザ光透過中心部ｏの温度と、周辺部ｓ（図１参照）又はヘッドハウジング１０側の支持部１０ａ（図１参照）の温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるように構成してもよい。
【００３９】
図６は、既述同様の予備試験において、保護ガラス５として新品と既存品を各々使用した場合について、赤外線ビュア８を利用して計測した保護ガラス５のレーザ光透過中心部ｏと周辺部ｓの温度差Δｔと、フォーカスモニターを利用して計測した焦点変移Δｆとの相関を示す。この図６から明らかなように、保護ガラス５の汚れの有無によって温度差Δｔ及び焦点変移Δｆに大きな違いがあり、例えばレーザ出力６ｋＷでは両者の温度差Δｔの違いが３２℃、焦点変移Δｆの違いが０．５ｍｍになっており、該温度差Δｔの違いからも熱レンズ現象の度合を判定できることが示唆される。この場合、やはり予備試験において新品の保護ガラス５を使用して得られた該温度差Δｔと焦点変移Δｆとの関係から、該当加工条件での基準となるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆ１と、この焦点位置Ｆ１から更に変移して加工品位的に許容限界となる焦点位置Ｆ２とを設定し、許容限界の焦点位置Ｆ２に対応する温度差Δｔを参照基準として、実際の加工中に計測される保護ガラス５の同温度差Δｔを対比し、参照基準以下にある間は継続使用可能、参照基準を超えた時に要交換と設定すればよい。
【００４０】
なお、このように光学部品のレーザ光透過中心部と周辺部又は支持部との温度差を指標として熱レンズ現象をモニタリングする場合、周辺部及び支持部については、汚れ度合が既述の如く不均質になって温度のばらつきを生じ易いため、全周又は複数箇所の計測値から平均温度を算出することが望ましい。この点、温度計測手段として赤外線ビュア８を用いれば、その１基を使用するだけで、得られる温度分布データから、光学部品の中心部の温度に加え、周辺部又は支持部の平均温度も算出できるが、赤外線センサ７に比べて高価である上に大型で場所を取り、操作的にも複雑になるという難点がある。
【００４１】
本発明のレーザ加工ヘッドは、ヘッドハウジング１０の構造、コリメータレンズ３や集光レンズ４の如きレンズ系の配置構成、赤外線センサ７等のモニタリング機構の付設構造等、細部構成については実施形態以外に種々設計変更可能である。なお、保護ガラス５としては厚さ１〜５ｍｍのものが好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
熱レンズ現象のモニタリングに利用する参照データは既述の予備試験によって得ることになるが、その予備試験はレーザ加工ヘッドのメーカー側で行い、得られた参照データをレーザ加工を行うユーザー側に提供すればよい。従って、ユーザー側では、予備試験に用いる各種の高価な計測機器は不要であり、例えば図４で示すような１基の赤外線センサのみを付設しただけの構造簡単なレーザ加工ヘッドを用い、その加工中に参照データを利用して熱レンズ現象を容易に且つ確実にモニタリングし、もって安定的に高い加工品位を確保することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ，１Ｂ レーザ加工ヘッド
１０ ヘッドハウジング
１０ａ 支持部
２ ファイバー出射端
３ コリメータレンズ
４ 集光レンズ
５ 保護ガラス
７ 赤外線センサ
ｏ レーザ光透過中心部
ｓ 周辺部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドハウジング内に装着された光学部品のレーザ光透過中心部の温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
光学部品のレーザ光透過中心部の温度を、輻射赤外線を受光して電気信号に変換する１基の赤外線センサによって計測する請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記赤外線センサが赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものである請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記赤外線センサがヘッドハウジングの内部に臨んで取り付けられてなる請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
ヘッドハウジング内に装着された光学部品のレーザ光透過中心部の温度と、該光学部品の周辺部又は支持部の温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記光学部品がヘッドハウジングの先端側に装着された保護ガラスである請求項１〜５の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
熱レンズ現象による焦点変位の許容限界値を設定し、この許容限界値に対応した基準温度と計測温度とを比較し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知する交換告知機能を備える請求項１〜６の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１】
ヘッドハウジング内に装着された光学部品のレーザ光透過中心部の温度を計測し、この計測値に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
光学部品のレーザ光透過中心部の温度を、輻射赤外線を受光して電気信号に変換する１基の赤外線センサによって計測する請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記赤外線センサが赤外波長８〜１４μｍの間に感度帯を持つものである請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記赤外線センサがヘッドハウジングの内部に臨んで取り付けられてなる請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
ヘッドハウジング内に装着された光学部品のレーザ光透過中心部の温度と、該光学部品の周辺部又は支持部の温度とを計測し、両計測温度の差に基づいて該光学部品の熱レンズ現象を捉えるモニタリング機構を付属してなるレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記光学部品がヘッドハウジングの先端側に装着された保護ガラスである請求項１〜５の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
熱レンズ現象による焦点変位の許容限界値を設定し、この許容限界値に対応した基準温度と計測温度とを比較し、計測温度が基準温度を上回った際に光学部品の交換を要することを告知する交換告知機能を備える請求項１〜６の何れかに記載のレーザ加工ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８７５９１（Ｐ２０１２−１８７５９１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１１５３（Ｐ２０１１−５１１５３）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【Ｆターム（参考）】
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