レーザ加工装置
【課題】焦点距離の異なる加工レンズを使用した場合でも、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態の監視を実施できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置は、レーザ光１を被加工材１１に向けて照射するための加工ヘッド４と、被加工材１１を加工ヘッド４に対して相対移動させるための加工ステージ１０と、レーザ加工時に、被加工材１１より発生する放射光４を検出するための複数の光センサ５，６などを備える。加工ヘッド４の内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズ８，９が装着可能であり、光センサ５，６は、使用する加工レンズ８，９の焦点距離に応じて異なる位置に配置されている。
【解決手段】レーザ加工装置は、レーザ光１を被加工材１１に向けて照射するための加工ヘッド４と、被加工材１１を加工ヘッド４に対して相対移動させるための加工ステージ１０と、レーザ加工時に、被加工材１１より発生する放射光４を検出するための複数の光センサ５，６などを備える。加工ヘッド４の内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズ８，９が装着可能であり、光センサ５，６は、使用する加工レンズ８，９の焦点距離に応じて異なる位置に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、加工状態のモニタ機能を有するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法が開示されている。ＹＡＧレーザ発振器で発生したレーザ光は、伝送光学系により加工レンズに伝送され、被加工材に集光照射される。被加工材からのレーザ反射光および加工点からの放射光を観測する２つの光センサが、被加工材表面からの仰角が５０°以上となる第の１位置、および被加工材表面からの仰角が１５°以下となる第２の位置にそれぞれ設置されている。そして、２つの光センサで観測された溶接時の発光、被加工材からのレーザ反射光をそれぞれ高周波、低周波に分解し、計８種類の信号を解析することにより、溶接品質の良否判定および品質不良発生時の不良原因を特定している。
【０００３】
特許文献２には、加工不良判別機構を備えた加工用レーザー出射装置が開示されている。レーザ発振器により発生したレーザ光は、加工ヘッド内部に配置された分離光学系により、加工レンズに伝送され、被加工材に集光照射される。また、加工ヘッドの上部には加工点からの放射光を観測するための複数の光センサが設置されており、加工点より発生した放射光は分離光学系および集光レンズを通過して光センサに集光される。そして、レーザ加工時には、各光センサで観測された発光の時間・空間分布を測定し、加工状態良好時における上記時間・空間分布との比較により、加工状態の良否判定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７１７６８号公報（図１）
【特許文献２】特開平１１−１３８２７８号公報（図２）
【特許文献３】特開２００３−５３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
加工点からの放射光をモニタリングして加工状態を判定する場合、加工点と光センサの距離を一定に保つ必要性や、加工時に発生するガスやミスト等の汚れがセンサに付着することを防ぐため、実用的には光センサを加工ヘッド内部に配置する必要がある。
【０００６】
特許文献１の構成において加工ヘッド内部に光センサを配置する場合、被加工材表面に対する仰角を一定以下に保つ必要があるため、加工ヘッドの大型化を招くことになる。
【０００７】
一方、レーザ加工の際、通常、加工対象の材料や板厚に応じて加工レンズの焦点距離を適切に選択する必要がある。そのため通常の作業者は、２種類以上の焦点距離の加工レンズを使い分けて加工を実施している。
【０００８】
しかしながら、加工レンズの焦点距離が異なると、被加工材より発生した放射光が加工レンズを通過する際、加工ヘッド内壁に到達する位置が異なることになる。即ち、焦点距離Ｆ１の加工レンズについて最適化した位置に光センサを配置した状態で、焦点距離Ｆ２（≠Ｆ１）の加工レンズを使用した場合、光センサに到達する放射光の強度が低下してしまい、加工状態のモニタリングが困難になることがある。
【０００９】
従って、焦点距離の異なる加工レンズに交換する場合、光センサの位置を変更する機構が必要になったり、あるいは加工ヘッド全体を交換することが必要になる。その結果、機構の複雑化、コストの増加をもたらすことになる。
【００１０】
また、焦点距離Ｆ１の加工レンズおよび焦点距離Ｆ２の加工レンズの両方について受光可能な位置に光センサを配置することも考えられる。しかし、個々の加工レンズについて最適化されていないため、受光量が小さくなり、加工状態のモニタリング精度が低下してしまう。
【００１１】
特許文献２の構成では、加工レンズの焦点距離が異なる場合でも光センサに到達する放射光の強度はあまり変化しない。しかしながら、加工ヘッド内部に分離光学系を有するため、振動に弱くなり、加工の不安定化や高コスト化、加工ヘッドの大型化をもたらすことになる。
【００１２】
本発明の目的は、焦点距離の異なる加工レンズを使用した場合でも、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態の監視を実施できるレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光を被加工材に向けて照射するための加工ヘッドと、
被加工材を加工ヘッドに対して相対移動させるための移動機構と、
レーザ加工時に、被加工材より発生する放射光を検出するための複数の光センサとを備え、
加工ヘッドの内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズが装着可能であり、
光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に光センサを配置することによって、個々の加工レンズについて最適な位置にある光センサを用いて被加工材からの放射光を検出することが可能になる。その結果、焦点距離の異なる加工レンズを使用した場合でも、加工ヘッドの大型化を抑制でき、簡潔な機構で加工状態を精度良く監視できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図であり、長焦点の加工レンズを使用した場合を示す。
【図２】本発明の実施の形態１を示す構成図であり、短焦点の加工レンズを使用した場合を示す。
【図３】光センサの他の配置例を示す。
【図４】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図５】光センサの信号強度と、被加工材表面から各光センサまでの距離との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図８】ラインセンサで得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態５を示す構成図である。
【図１０】光検出部で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１１】レーザ光の光軸が加工ヘッドの中心軸に対して傾斜している状態を示す。
【図１２】レーザ光の光軸が傾斜した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態６を示す構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態７を示す構成図である。
【図１５】図１５（ａ）はＹＺ面における光検出部の配置例を示し、図１５（ｂ）はＺＸ面における光検出部の配置例を示す。
【図１６】良好切断時における光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１７】被加工材の下部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１８】被加工材の中間部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１９】被加工材の上部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図２０】本発明の実施の形態８を示す構成図である。
【図２１】本発明の実施の形態８を示す構成図である。
【図２２】本発明の実施の形態９を示す構成図である。
【図２３】本発明の実施の形態１０を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１は長焦点の加工レンズを使用した場合を示し、図２は短焦点の加工レンズを使用した場合を示す。レーザ加工装置は、レーザ発振器（不図示）から伝送光学系を経由して供給されるレーザ光１を被加工材１１に向けて照射するための加工ヘッド７と、被加工材１１を所望の方向に移動したり、所望の位置に位置決めするための加工ステージ１０などで構成される。ここで、理解容易のため、加工ステージ１０の戴置面の法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向の直交方向をＸ方向およびＹ方向とする。
【００１７】
加工ヘッド７は、中空筒状の部材であり、内部にはレーザ光１を集光するための加工レンズ８，９が選択的に装着される。加工レンズ８は焦点距離Ｆ１を有し、加工レンズ９は焦点距離Ｆ２（＜Ｆ１）を有する。加工ヘッド７は、加工レンズ８，９を相互に交換した場合、加工レンズ８，９をレーザ光１の光軸２に沿って移動可能なフォーカス機構（不図示）を備える。レーザ光１が加工レンズ８，９を通過すると、被加工材１の加工点３において所望の光スポットが形成される。
【００１８】
加工ヘッド７の先端は、ノズル状に形成され、加工レンズ８，９によって集光されたレーザ光２が通過するとともに、被加工材１１に向けてアシストガスを供給する機能を有する。アシストガスとして、一般に酸素、空気、窒素、アルゴン等が使用され、蒸発気体の排除、ドロス付着防止、被加工材の酸化防止などの役割を果たす。
【００１９】
レーザ光１は、加工レンズ８，９により被加工材の加工点３に集光照射され、このとき加工点３近傍からは、熱輻射やプラズマ形成に起因した放射光４が発生する。この放射光４は、加工ヘッド７の内部にレーザ光１を妨害することなく配置された光センサ５，６によって検知される。光センサ５，６は、例えば、フォトトランジスタ、フォトダイオード、ＣＣＤなどで構成される。
【００２０】
光センサ５は、図１に示すように、長焦点の加工レンズ８を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。一方、光センサ６は、図２に示すように、短焦点の加工レンズ９を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。従って、焦点位置の異なる加工レンズ８，９のいずれを使用した場合でも、加工点３からの放射光４が光センサ５，６のいずれかに効率よく到達するようになる。その結果、光センサの角度や配置を変更する機構が不要になり、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態を監視することができる。
【００２１】
なお、図１、図２では２つの光センサ５，６を加工ヘッド内壁に配置した場合を例示しているが、光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて、放射光４を効率的に観測できる各位置に配置すればよい。例えば、レーザ光の光軸２に対して垂直な平面（ＸＹ面）内において、光軸２からの距離が相互に異なる位置に光センサを複数配置した構成、あるいは、光軸２を含む面（例えば、ＹＺ面）内において、光軸２と成す角が相互に異なる方向に進行する放射光４を受光するための光ファイバを複数配置し、各光ファイバで伝送される光を個々の光センサで検出する構成も可能である。
【００２２】
また、光センサ５，６を、被加工材１１を照射するレーザ光１の光軸２に対して垂直で、加工点３を含む平面からの距離が異なる位置に配置する構成も可能である。これにより各光センサからレーザ光の光軸２までの距離を短くできるため、加工ヘッドの小型化が図られる。
【００２３】
さらに、図３に示すように、光センサ５，６をレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置した構成も可能である。こうした構成により、加工ヘッドをさらに小型化できる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２を示す構成図であり、長焦点の加工レンズ８を使用した場合と短焦点の加工レンズ９を使用した場合を重ねて表示している。
【００２５】
本実施形態は、図３に示した構成と同様であるが、光検出部３４として、３つの光センサ３１〜３３をレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置している。光センサ３１は、長焦点の加工レンズ８を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。光センサ３２は、短焦点の加工レンズ９を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。光センサ３３は、レーザ光の光軸２に対して垂直で、かつ加工点３を含む平面からの距離が光センサ３１，３２よりも遠い位置となるように配置している。
【００２６】
図５は、光センサ３１〜３３の信号強度と、被加工材表面から各光センサまでの距離との関係を示すグラフである。実線は長焦点の加工レンズ８を使用した場合、点線は短焦点の加工レンズ９を使用した場合、破線は熱レンズ効果が発生した場合をそれぞれ示している。
【００２７】
一般的なレーザ加工装置において、レーザ光路上に配置された光学部品の劣化に伴う熱レンズ効果の影響により、レーザ光の焦点距離が短くなる方向へ変化すると、加工不良が発生することが知られている。そのため、熱レンズ効果による焦点位置の変化量に応じて、最大の信号強度を示す受光位置は被加工材表面から遠くへシフトするようになる。従って、光センサ３１，３２よりも遠い位置に光センサ３３を配置することによって、センサの信号強度の変化量から焦点位置の変化量が判定できる。
【００２８】
光センサ３１〜３３の信号強度をＳ３１〜Ｓ３３とすると、図５に示すように、長焦点の加工レンズ８を使用した場合は、Ｓ３１＞Ｓ３２＞Ｓ３３となる。短焦点の加工レンズ９を使用した場合は、Ｓ３１＜Ｓ３２で、Ｓ３２＞Ｓ３３となる。熱レンズ効果が発生した場合は、Ｓ３１＜Ｓ３２＜Ｓ３３となる。こうした関係をデータベースとして予め記憶しておいて、実際のレーザ加工の際に各光センサの信号強度を取得することによって、長焦点の加工レンズ８を使用中にレーザ光１の焦点距離が変化する場合だけでなく、短焦点の加工レンズ９を使用中にレーザ光１の焦点距離が変化する場合にも、光検出部３４から得られた光強度分布のピーク位置変化量を検出することができ、レーザ光路上に配置された光学部品の熱レンズ効果によるレーザ光１の焦点距離の変化量が判定できる。
【００２９】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２の構成において、信号処理部２１と、記憶部２２と、判定部２３などをさらに備える。ここでは、３つの光センサ３１〜３３を設けた場合を例示する。
【００３０】
信号処理部２１は、各光センサ３１〜３３から被加工材１１までの距離と信号強度の関係に基づいて、実際のレーザ加工時に被加工材１１より発生した放射光４の加工ヘッド内の強度分布を検出する機能を有する。
【００３１】
記憶部２２は、レーザ加工を行う際に各種パラメータ（例えば、ビームモード、ビーム出力、パルス条件、加工ガス種、加工ガス圧、ノズル径、焦点位置、ノズルワーク間距離など）と、実際の加工状態と、放射光４の強度分布との対応関係をデータベース化して記憶する機能を有する。
【００３２】
判定部２３は、記憶部２２に登録した基準となる最大信号強度と、実際のレーザ加工時に取得した最大信号強度とを比較して、加工状態の良否判定を行う機能を有する。また判定部２３は、記憶部２２に登録した基準となる放射光４の強度分布と、実際のレーザ加工時に取得した放射光４の強度分布とを比較して、レーザ光１の光路上にある光学部品の劣化を判定する機能を有する。基準となる最大信号強度、放射光４の強度分布として、一般に良好に切断加工が行われた場合の最大信号強度、放射光４の強度分布が設定される。
【００３３】
なお、信号処理部２１、記憶部２２および判定部２３は、個別のハードウエアで構成してもよく、あるいは単一のハードウエア上で個別のソフトウエアとして実現してもよい。
【００３４】
こうした構成により、レーザ加工を実施する際、加工状態の良否をリアルタイムで判定できる。
【００３５】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２の構成と同様な構成を有するが、多数の光センサをレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置してラインセンサ４１を構成している。こうしたラインセンサ４１を使用することによって、放射光４の強度分布をより高い空間分解能で検出することが可能になる。
【００３６】
図８は、ラインセンサ４１で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。このグラフを見ると、被加工材表面に近い位置で信号強度は低く、そこから徐々に増加して最大値に到達し、そこから徐々に減少して、被加工材表面からより遠くなるほど信号強度は低くなる。最大値を示す位置は、使用する加工レンズの焦点距離に応じて変化するが、長焦点の加工レンズ８または短焦点の加工レンズ９のいずれを使用した場合でも、加工点３からの放射光４を効率よく検出できる。その結果、光センサの角度や配置を変更する機構が不要になり、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態を監視することができる。さらに、ラインセンサ自体が安価でありかつ処理系も簡便なため、低コストで高精度な加工状態判定が可能になる。
【００３７】
実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部５３，５４が、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に複数配置されている。
【００３８】
レーザ光１は、光軸２に沿って加工点３に照射されるが、その一部は被加工材１１の表面により図中の光軸５１に沿って反射される。なお、図９では、レーザ光１の光軸２は被加工材１１に垂直に入射した場合について示したものであり、加工レンズの光軸５５、レーザ光１の光軸２、および反射光の光軸５１は一致している。
【００３９】
図１０は、光検出部５３，５４で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。グラフａは、光検出部５３の信号強度分布を示しており、図８のグラフと同様に、被加工材表面に近い位置で信号強度は低く、そこから徐々に増加して最大値に到達し、そこから徐々に減少して、被加工材表面からより遠くなるほど信号強度は低くなる。グラフｂは、光検出部５４の信号強度分布を示しており、グラフａの形状とほぼ一致する。
【００４０】
図１１は、図９の構成においてレーザ光の光軸２が加工ヘッドの中心軸５２に対して傾斜している状態を示し、図１２は、レーザ光の光軸２が傾斜した場合の光検出部５３，５４の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【００４１】
レーザ加工プロセスの一つである穴あけ加工に際して、被加工材１１より発生した放射光４は、反射光の光軸５１を中心に拡散する。従って、図９に示すように加工ヘッドの中心軸５２がレーザ光の光軸２と一致している場合、反射光の光軸５１と加工ヘッドの中心軸５２が一致するため、図１０に示すように、加工ヘッドの中心軸５２周りに配置された各光検出部より得られる信号強度分布のピーク位置は一致する。
【００４２】
これに対して、図１１に示すように、反射光の光軸５１が加工ヘッドの中心軸５２対して傾斜している場合、反射光の光軸５１は光検出部５４に接近する方向に傾くため、光検出部５４より得られる信号強度分布は全体的に増加する。さらに、光検出部５４の上部は、レーザ光の光軸２に接近するため、信号強度がさらに増加し、光検出部５４より得られる信号強度分布のピーク位置が上方にシフトする。
【００４３】
一方、光検出部５３においては、反射光の光軸５１が離れる方向に傾くため、光検出部５３より得られる信号強度は全体的に減少する。さらに、光検出部５４の下部は、放射光４が到達し難くなるため、光検出部５３より得られる信号強度分布のピーク位置は上方にシフトする。このとき光検出部５３，５４より得られる信号強度の変化の割合が、光検出部５４の上部と光検出部５３の下部において、レーザ光の光軸２と加工ヘッドの中心軸５２とが成す角度に対する信号強度変化の割合が異なるため、結果として、図１２に示すように信号強度のピーク位置に差が生じる。
【００４４】
従って、光検出部５３，５４より得られる信号強度分布のピーク位置の差から、レーザ光の光軸２と加工ヘッドの中心軸５２のズレ量を検出することができる。なお本実施形態では、光検出部５３，５４を加工ヘッドの中心軸５２に対して対称に配置した場合を例示しているが、レーザ光の光軸２を中心とした同一円周上に少なくとも２つ以上設置されていれば、光軸２と中心軸５２のズレ量を検出することが可能である。
【００４５】
実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部６１が、光スポットが相対移動する加工方向（例えば、−Ｙ方向）に対して後方から加工点３を望む方向に配置されている。
【００４６】
切断フロント６４は、被加工材１１の内部に位置しているため、図１３に示すように、後方から加工点３を臨む方向に配置された光検出部６１は、切断フロント６４からの放射光４を精度良く観測することができる。そのため、切断条件による切断フロント６４の変化による放射光４の変化を高感度に検出することができる。
【００４７】
実施の形態７．
図１４は、本発明の実施の形態７を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部６１〜６３が、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に複数配置されており、複数の光検出部６１〜６３の少なくとも１つは、光スポットが相対移動する加工方向に対して後方から加工点３を望む方向に配置されている。
【００４８】
例えば、光軸５５に関して垂直なＸＹ面において、加工方向を−Ｙ方向とすると、光検出部６１は光軸５５から＋Ｙ方向に位置し、２つの光検出部６２は光軸５５から−Ｘ方向および＋Ｘ方向にそれぞれ位置し、光検出部６３は光軸５５から−Ｙ方向に位置している。
【００４９】
図１５（ａ）は、ＹＺ面における光検出部６１，６３の配置例を示し、図１５（ｂ）は、ＺＸ面における光検出部６２の配置例を示す。光検出部６１は、切断フロント６４から後方斜め上方に位置し、光検出部６１は、切断フロント６４から前方斜め上方に位置し、光検出部６２は、切断フロント６４から側方斜め上方に位置している。
【００５０】
被加工材１１の切断面の品質を保つためには、熟練者が加工面の目視によって加工パラメータを調整することが必要である。調整すべき加工パラメータの判断に際しては、被加工材の厚み方向に関して加工不良が発生している位置が重要な基準の一つとなる。例えば、被加工材の上部で加工不良がみられる場合は、入熱過多と判断し、被加工材への入熱量が減少するように加工パラメータを調整する。また、被加工材の下部で加工不良が見られる場合は、入熱量不足と判断し、逆に入熱量を増加させる方向に加工パラメータを調整する。
【００５１】
本実施形態では、図１４に示すように、加工点３を後方から望む方向に配置された光検出部６１は、切断フロント６４の上部から下部に至る領域からの放射光４を観測することができる。
【００５２】
一方、光検出部６２，６３は、方向に応じて放射光４を観測できる切断フロント６４の領域が異なる。例えば、図１５に示すように、加工点３を側方から望む方向に配置された光検出部６２は、切断フロント６４の上部から中間部に至る領域からの放射光４を観測できる。また、加工点３を前方から望む方向に配置された光検出部６３は、切断フロント６４の上部付近の領域からの光放射４を観測できる。従って、良好加工時には、図１５で示すように、信号強度は、光検出部６１、光検出部６２、光検出部６３の順に小さくなる。
【００５３】
図１６は、良好切断時における光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１７は、被加工材の下部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１８は、被加工材の中間部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１９は、被加工材の上部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【００５４】
放射光の強度分布は、良好加工時と比較すると、加工不良が発生した部位に応じて変化する。被加工材の下部で加工不良が発生すると、図１７に示すように、光検出部６１の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトするが、光検出部６２，６３の信号強度分布はあまり変化しない。被加工材の中間部で加工不良が発生すると、図１８に示すように、光検出部６１，６２の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトするが、光検出部６３の信号強度分布はあまり変化しない。被加工材の上部で加工不良が発生すると、図１９に示すように、光検出部６１〜６３の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトする。従って、光検出部６１〜６３の信号強度分布を良好加工時のものと比較することによって、切断フロント６４の加工不良が発生している位置が特定でき、調節すべき加工パラメータを特定することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、光検出部６１〜６３を光軸周りに９０°間隔で４つ配置した場合を例示したが、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に少なくとも２つ以上配置すれば、切断フロント６４の加工不良が発生している位置を特定することができる。
【００５６】
実施の形態８．
図２０と図２１は、本発明の実施の形態８を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部７１，７２が、レーザ光１の光軸２に対して加工点３を望む方向に傾斜して配置されている。
【００５７】
図２０の構成では、光検出部７１が切断フロント６４からの放射光４を受光できる立体角が同じである場合、光検出部７１が加工点３を望む方向に傾斜することによって、光センサの配列方向の寸法を短縮できるため、コスト削減が図られる。
【００５８】
図２１の構成では、光センサの配列方向の寸法が同じである場合、光検出部７２が加工点３を望む方向に傾斜することによって、光検出部７２が切断フロント６４からの放射光４を受光できる立体角が大きくなるため、切断フロント６４のより下部まで観測することができる。
【００５９】
実施の形態９．
図２２は、本発明の実施の形態９を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部７１が、レーザ光１の光軸２に対して加工点３を望む方向に傾斜して配置されているとともに、加工ヘッド７は中空のハウジングを有し、ハウジングの内壁にはレーザ光１の光軸２に対して傾斜した溝７ａが形成され、溝７ａの中に光検出部７１が埋め込まれている。
【００６０】
レーザ光１を被加工材１１に対して垂直に入射する場合、被加工材１１からの反射光は光軸２を中心とする強度分布を示す。そのため光センサ７１を光軸２に接近させ過ぎると、被加工材１１からの反射光によって光検出部７１の受光面が損傷する可能性がある。
【００６１】
この対策として、ハウジングの内壁に傾斜溝７ａを形成し、その中に光検出部７１を設置することが好ましく、これによって光軸２からできるだけ遠くに光検出部７１を配置することが可能になり、被加工材１１からの反射光による受光面の損傷を防止できる。
【００６２】
実施の形態１０．
図２３は、本発明の実施の形態１０を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態９と同様な構成を有するが、光検出部７１の受光面前方に窓部材８１を設けている。窓部材８１は、被加工材からの放射光４の波長に対して高い透過率を有する材料で形成されており、加工ヘッド７のハウジング内壁に沿うように設置される。
【００６３】
こうした窓部材８１を設けることによって、光検出部７１の受光面への汚れ付着を防止し、センサ感度の劣化を防ぐことができる。
【００６４】
また、被加工材１１がアルミニウム等の高反射材である場合、窓部材８１としてガラス、レーザコーティングミラー、回折格子などを使用することが好ましい。特に、窓部材８１は、被加工材１１で反射して光検出部７１に入射する反射光を減衰させる機能を有することが好ましく、これによって高反射材の加工においても被加工材１１からの反射光による受光面の損傷を防止できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ レーザ光、 ２ 光軸、 ３ 加工点、 ４ 放射光、 ５，６ 光センサ、
７ 加工ヘッド、 ７ａ 溝、 ８，９ 加工レンズ、 １０ 加工ステージ、
１１被加工材、 ２１ 信号処理部、 ２２ 記憶部、 ２３ 判定部、
３１，３２，３３ 光センサ、 ３４ 光検出部、 ４１ ラインセンサ、
５１ 反射光の光軸、 ５２ 加工ヘッドの中心軸、 ５３，５４ 光検出部、
５５ 加工レンズの光軸、 ６１，６２，６３ 光検出部、 ６４ 切断フロント、
７１，７２ 光検出部、 ８１ 窓部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、加工状態のモニタ機能を有するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法が開示されている。ＹＡＧレーザ発振器で発生したレーザ光は、伝送光学系により加工レンズに伝送され、被加工材に集光照射される。被加工材からのレーザ反射光および加工点からの放射光を観測する２つの光センサが、被加工材表面からの仰角が５０°以上となる第の１位置、および被加工材表面からの仰角が１５°以下となる第２の位置にそれぞれ設置されている。そして、２つの光センサで観測された溶接時の発光、被加工材からのレーザ反射光をそれぞれ高周波、低周波に分解し、計８種類の信号を解析することにより、溶接品質の良否判定および品質不良発生時の不良原因を特定している。
【０００３】
特許文献２には、加工不良判別機構を備えた加工用レーザー出射装置が開示されている。レーザ発振器により発生したレーザ光は、加工ヘッド内部に配置された分離光学系により、加工レンズに伝送され、被加工材に集光照射される。また、加工ヘッドの上部には加工点からの放射光を観測するための複数の光センサが設置されており、加工点より発生した放射光は分離光学系および集光レンズを通過して光センサに集光される。そして、レーザ加工時には、各光センサで観測された発光の時間・空間分布を測定し、加工状態良好時における上記時間・空間分布との比較により、加工状態の良否判定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７１７６８号公報（図１）
【特許文献２】特開平１１−１３８２７８号公報（図２）
【特許文献３】特開２００３−５３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
加工点からの放射光をモニタリングして加工状態を判定する場合、加工点と光センサの距離を一定に保つ必要性や、加工時に発生するガスやミスト等の汚れがセンサに付着することを防ぐため、実用的には光センサを加工ヘッド内部に配置する必要がある。
【０００６】
特許文献１の構成において加工ヘッド内部に光センサを配置する場合、被加工材表面に対する仰角を一定以下に保つ必要があるため、加工ヘッドの大型化を招くことになる。
【０００７】
一方、レーザ加工の際、通常、加工対象の材料や板厚に応じて加工レンズの焦点距離を適切に選択する必要がある。そのため通常の作業者は、２種類以上の焦点距離の加工レンズを使い分けて加工を実施している。
【０００８】
しかしながら、加工レンズの焦点距離が異なると、被加工材より発生した放射光が加工レンズを通過する際、加工ヘッド内壁に到達する位置が異なることになる。即ち、焦点距離Ｆ１の加工レンズについて最適化した位置に光センサを配置した状態で、焦点距離Ｆ２（≠Ｆ１）の加工レンズを使用した場合、光センサに到達する放射光の強度が低下してしまい、加工状態のモニタリングが困難になることがある。
【０００９】
従って、焦点距離の異なる加工レンズに交換する場合、光センサの位置を変更する機構が必要になったり、あるいは加工ヘッド全体を交換することが必要になる。その結果、機構の複雑化、コストの増加をもたらすことになる。
【００１０】
また、焦点距離Ｆ１の加工レンズおよび焦点距離Ｆ２の加工レンズの両方について受光可能な位置に光センサを配置することも考えられる。しかし、個々の加工レンズについて最適化されていないため、受光量が小さくなり、加工状態のモニタリング精度が低下してしまう。
【００１１】
特許文献２の構成では、加工レンズの焦点距離が異なる場合でも光センサに到達する放射光の強度はあまり変化しない。しかしながら、加工ヘッド内部に分離光学系を有するため、振動に弱くなり、加工の不安定化や高コスト化、加工ヘッドの大型化をもたらすことになる。
【００１２】
本発明の目的は、焦点距離の異なる加工レンズを使用した場合でも、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態の監視を実施できるレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光を被加工材に向けて照射するための加工ヘッドと、
被加工材を加工ヘッドに対して相対移動させるための移動機構と、
レーザ加工時に、被加工材より発生する放射光を検出するための複数の光センサとを備え、
加工ヘッドの内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズが装着可能であり、
光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に光センサを配置することによって、個々の加工レンズについて最適な位置にある光センサを用いて被加工材からの放射光を検出することが可能になる。その結果、焦点距離の異なる加工レンズを使用した場合でも、加工ヘッドの大型化を抑制でき、簡潔な機構で加工状態を精度良く監視できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図であり、長焦点の加工レンズを使用した場合を示す。
【図２】本発明の実施の形態１を示す構成図であり、短焦点の加工レンズを使用した場合を示す。
【図３】光センサの他の配置例を示す。
【図４】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図５】光センサの信号強度と、被加工材表面から各光センサまでの距離との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図８】ラインセンサで得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態５を示す構成図である。
【図１０】光検出部で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１１】レーザ光の光軸が加工ヘッドの中心軸に対して傾斜している状態を示す。
【図１２】レーザ光の光軸が傾斜した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態６を示す構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態７を示す構成図である。
【図１５】図１５（ａ）はＹＺ面における光検出部の配置例を示し、図１５（ｂ）はＺＸ面における光検出部の配置例を示す。
【図１６】良好切断時における光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１７】被加工材の下部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１８】被加工材の中間部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図１９】被加工材の上部で加工不良が発生した場合の光検出部の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【図２０】本発明の実施の形態８を示す構成図である。
【図２１】本発明の実施の形態８を示す構成図である。
【図２２】本発明の実施の形態９を示す構成図である。
【図２３】本発明の実施の形態１０を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１は長焦点の加工レンズを使用した場合を示し、図２は短焦点の加工レンズを使用した場合を示す。レーザ加工装置は、レーザ発振器（不図示）から伝送光学系を経由して供給されるレーザ光１を被加工材１１に向けて照射するための加工ヘッド７と、被加工材１１を所望の方向に移動したり、所望の位置に位置決めするための加工ステージ１０などで構成される。ここで、理解容易のため、加工ステージ１０の戴置面の法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向の直交方向をＸ方向およびＹ方向とする。
【００１７】
加工ヘッド７は、中空筒状の部材であり、内部にはレーザ光１を集光するための加工レンズ８，９が選択的に装着される。加工レンズ８は焦点距離Ｆ１を有し、加工レンズ９は焦点距離Ｆ２（＜Ｆ１）を有する。加工ヘッド７は、加工レンズ８，９を相互に交換した場合、加工レンズ８，９をレーザ光１の光軸２に沿って移動可能なフォーカス機構（不図示）を備える。レーザ光１が加工レンズ８，９を通過すると、被加工材１の加工点３において所望の光スポットが形成される。
【００１８】
加工ヘッド７の先端は、ノズル状に形成され、加工レンズ８，９によって集光されたレーザ光２が通過するとともに、被加工材１１に向けてアシストガスを供給する機能を有する。アシストガスとして、一般に酸素、空気、窒素、アルゴン等が使用され、蒸発気体の排除、ドロス付着防止、被加工材の酸化防止などの役割を果たす。
【００１９】
レーザ光１は、加工レンズ８，９により被加工材の加工点３に集光照射され、このとき加工点３近傍からは、熱輻射やプラズマ形成に起因した放射光４が発生する。この放射光４は、加工ヘッド７の内部にレーザ光１を妨害することなく配置された光センサ５，６によって検知される。光センサ５，６は、例えば、フォトトランジスタ、フォトダイオード、ＣＣＤなどで構成される。
【００２０】
光センサ５は、図１に示すように、長焦点の加工レンズ８を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。一方、光センサ６は、図２に示すように、短焦点の加工レンズ９を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。従って、焦点位置の異なる加工レンズ８，９のいずれを使用した場合でも、加工点３からの放射光４が光センサ５，６のいずれかに効率よく到達するようになる。その結果、光センサの角度や配置を変更する機構が不要になり、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態を監視することができる。
【００２１】
なお、図１、図２では２つの光センサ５，６を加工ヘッド内壁に配置した場合を例示しているが、光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて、放射光４を効率的に観測できる各位置に配置すればよい。例えば、レーザ光の光軸２に対して垂直な平面（ＸＹ面）内において、光軸２からの距離が相互に異なる位置に光センサを複数配置した構成、あるいは、光軸２を含む面（例えば、ＹＺ面）内において、光軸２と成す角が相互に異なる方向に進行する放射光４を受光するための光ファイバを複数配置し、各光ファイバで伝送される光を個々の光センサで検出する構成も可能である。
【００２２】
また、光センサ５，６を、被加工材１１を照射するレーザ光１の光軸２に対して垂直で、加工点３を含む平面からの距離が異なる位置に配置する構成も可能である。これにより各光センサからレーザ光の光軸２までの距離を短くできるため、加工ヘッドの小型化が図られる。
【００２３】
さらに、図３に示すように、光センサ５，６をレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置した構成も可能である。こうした構成により、加工ヘッドをさらに小型化できる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２を示す構成図であり、長焦点の加工レンズ８を使用した場合と短焦点の加工レンズ９を使用した場合を重ねて表示している。
【００２５】
本実施形態は、図３に示した構成と同様であるが、光検出部３４として、３つの光センサ３１〜３３をレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置している。光センサ３１は、長焦点の加工レンズ８を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。光センサ３２は、短焦点の加工レンズ９を使用した際に放射光４を効率的に観測できるように最適化された位置に配置している。光センサ３３は、レーザ光の光軸２に対して垂直で、かつ加工点３を含む平面からの距離が光センサ３１，３２よりも遠い位置となるように配置している。
【００２６】
図５は、光センサ３１〜３３の信号強度と、被加工材表面から各光センサまでの距離との関係を示すグラフである。実線は長焦点の加工レンズ８を使用した場合、点線は短焦点の加工レンズ９を使用した場合、破線は熱レンズ効果が発生した場合をそれぞれ示している。
【００２７】
一般的なレーザ加工装置において、レーザ光路上に配置された光学部品の劣化に伴う熱レンズ効果の影響により、レーザ光の焦点距離が短くなる方向へ変化すると、加工不良が発生することが知られている。そのため、熱レンズ効果による焦点位置の変化量に応じて、最大の信号強度を示す受光位置は被加工材表面から遠くへシフトするようになる。従って、光センサ３１，３２よりも遠い位置に光センサ３３を配置することによって、センサの信号強度の変化量から焦点位置の変化量が判定できる。
【００２８】
光センサ３１〜３３の信号強度をＳ３１〜Ｓ３３とすると、図５に示すように、長焦点の加工レンズ８を使用した場合は、Ｓ３１＞Ｓ３２＞Ｓ３３となる。短焦点の加工レンズ９を使用した場合は、Ｓ３１＜Ｓ３２で、Ｓ３２＞Ｓ３３となる。熱レンズ効果が発生した場合は、Ｓ３１＜Ｓ３２＜Ｓ３３となる。こうした関係をデータベースとして予め記憶しておいて、実際のレーザ加工の際に各光センサの信号強度を取得することによって、長焦点の加工レンズ８を使用中にレーザ光１の焦点距離が変化する場合だけでなく、短焦点の加工レンズ９を使用中にレーザ光１の焦点距離が変化する場合にも、光検出部３４から得られた光強度分布のピーク位置変化量を検出することができ、レーザ光路上に配置された光学部品の熱レンズ効果によるレーザ光１の焦点距離の変化量が判定できる。
【００２９】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２の構成において、信号処理部２１と、記憶部２２と、判定部２３などをさらに備える。ここでは、３つの光センサ３１〜３３を設けた場合を例示する。
【００３０】
信号処理部２１は、各光センサ３１〜３３から被加工材１１までの距離と信号強度の関係に基づいて、実際のレーザ加工時に被加工材１１より発生した放射光４の加工ヘッド内の強度分布を検出する機能を有する。
【００３１】
記憶部２２は、レーザ加工を行う際に各種パラメータ（例えば、ビームモード、ビーム出力、パルス条件、加工ガス種、加工ガス圧、ノズル径、焦点位置、ノズルワーク間距離など）と、実際の加工状態と、放射光４の強度分布との対応関係をデータベース化して記憶する機能を有する。
【００３２】
判定部２３は、記憶部２２に登録した基準となる最大信号強度と、実際のレーザ加工時に取得した最大信号強度とを比較して、加工状態の良否判定を行う機能を有する。また判定部２３は、記憶部２２に登録した基準となる放射光４の強度分布と、実際のレーザ加工時に取得した放射光４の強度分布とを比較して、レーザ光１の光路上にある光学部品の劣化を判定する機能を有する。基準となる最大信号強度、放射光４の強度分布として、一般に良好に切断加工が行われた場合の最大信号強度、放射光４の強度分布が設定される。
【００３３】
なお、信号処理部２１、記憶部２２および判定部２３は、個別のハードウエアで構成してもよく、あるいは単一のハードウエア上で個別のソフトウエアとして実現してもよい。
【００３４】
こうした構成により、レーザ加工を実施する際、加工状態の良否をリアルタイムで判定できる。
【００３５】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２の構成と同様な構成を有するが、多数の光センサをレーザ光の光軸２に対して平行な同一直線上に配置してラインセンサ４１を構成している。こうしたラインセンサ４１を使用することによって、放射光４の強度分布をより高い空間分解能で検出することが可能になる。
【００３６】
図８は、ラインセンサ４１で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。このグラフを見ると、被加工材表面に近い位置で信号強度は低く、そこから徐々に増加して最大値に到達し、そこから徐々に減少して、被加工材表面からより遠くなるほど信号強度は低くなる。最大値を示す位置は、使用する加工レンズの焦点距離に応じて変化するが、長焦点の加工レンズ８または短焦点の加工レンズ９のいずれを使用した場合でも、加工点３からの放射光４を効率よく検出できる。その結果、光センサの角度や配置を変更する機構が不要になり、加工ヘッドの大型化を抑制しつつ、簡潔な機構で加工状態を監視することができる。さらに、ラインセンサ自体が安価でありかつ処理系も簡便なため、低コストで高精度な加工状態判定が可能になる。
【００３７】
実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部５３，５４が、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に複数配置されている。
【００３８】
レーザ光１は、光軸２に沿って加工点３に照射されるが、その一部は被加工材１１の表面により図中の光軸５１に沿って反射される。なお、図９では、レーザ光１の光軸２は被加工材１１に垂直に入射した場合について示したものであり、加工レンズの光軸５５、レーザ光１の光軸２、および反射光の光軸５１は一致している。
【００３９】
図１０は、光検出部５３，５４で得られた信号強度分布の一例を示すグラフである。グラフａは、光検出部５３の信号強度分布を示しており、図８のグラフと同様に、被加工材表面に近い位置で信号強度は低く、そこから徐々に増加して最大値に到達し、そこから徐々に減少して、被加工材表面からより遠くなるほど信号強度は低くなる。グラフｂは、光検出部５４の信号強度分布を示しており、グラフａの形状とほぼ一致する。
【００４０】
図１１は、図９の構成においてレーザ光の光軸２が加工ヘッドの中心軸５２に対して傾斜している状態を示し、図１２は、レーザ光の光軸２が傾斜した場合の光検出部５３，５４の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【００４１】
レーザ加工プロセスの一つである穴あけ加工に際して、被加工材１１より発生した放射光４は、反射光の光軸５１を中心に拡散する。従って、図９に示すように加工ヘッドの中心軸５２がレーザ光の光軸２と一致している場合、反射光の光軸５１と加工ヘッドの中心軸５２が一致するため、図１０に示すように、加工ヘッドの中心軸５２周りに配置された各光検出部より得られる信号強度分布のピーク位置は一致する。
【００４２】
これに対して、図１１に示すように、反射光の光軸５１が加工ヘッドの中心軸５２対して傾斜している場合、反射光の光軸５１は光検出部５４に接近する方向に傾くため、光検出部５４より得られる信号強度分布は全体的に増加する。さらに、光検出部５４の上部は、レーザ光の光軸２に接近するため、信号強度がさらに増加し、光検出部５４より得られる信号強度分布のピーク位置が上方にシフトする。
【００４３】
一方、光検出部５３においては、反射光の光軸５１が離れる方向に傾くため、光検出部５３より得られる信号強度は全体的に減少する。さらに、光検出部５４の下部は、放射光４が到達し難くなるため、光検出部５３より得られる信号強度分布のピーク位置は上方にシフトする。このとき光検出部５３，５４より得られる信号強度の変化の割合が、光検出部５４の上部と光検出部５３の下部において、レーザ光の光軸２と加工ヘッドの中心軸５２とが成す角度に対する信号強度変化の割合が異なるため、結果として、図１２に示すように信号強度のピーク位置に差が生じる。
【００４４】
従って、光検出部５３，５４より得られる信号強度分布のピーク位置の差から、レーザ光の光軸２と加工ヘッドの中心軸５２のズレ量を検出することができる。なお本実施形態では、光検出部５３，５４を加工ヘッドの中心軸５２に対して対称に配置した場合を例示しているが、レーザ光の光軸２を中心とした同一円周上に少なくとも２つ以上設置されていれば、光軸２と中心軸５２のズレ量を検出することが可能である。
【００４５】
実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部６１が、光スポットが相対移動する加工方向（例えば、−Ｙ方向）に対して後方から加工点３を望む方向に配置されている。
【００４６】
切断フロント６４は、被加工材１１の内部に位置しているため、図１３に示すように、後方から加工点３を臨む方向に配置された光検出部６１は、切断フロント６４からの放射光４を精度良く観測することができる。そのため、切断条件による切断フロント６４の変化による放射光４の変化を高感度に検出することができる。
【００４７】
実施の形態７．
図１４は、本発明の実施の形態７を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部６１〜６３が、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に複数配置されており、複数の光検出部６１〜６３の少なくとも１つは、光スポットが相対移動する加工方向に対して後方から加工点３を望む方向に配置されている。
【００４８】
例えば、光軸５５に関して垂直なＸＹ面において、加工方向を−Ｙ方向とすると、光検出部６１は光軸５５から＋Ｙ方向に位置し、２つの光検出部６２は光軸５５から−Ｘ方向および＋Ｘ方向にそれぞれ位置し、光検出部６３は光軸５５から−Ｙ方向に位置している。
【００４９】
図１５（ａ）は、ＹＺ面における光検出部６１，６３の配置例を示し、図１５（ｂ）は、ＺＸ面における光検出部６２の配置例を示す。光検出部６１は、切断フロント６４から後方斜め上方に位置し、光検出部６１は、切断フロント６４から前方斜め上方に位置し、光検出部６２は、切断フロント６４から側方斜め上方に位置している。
【００５０】
被加工材１１の切断面の品質を保つためには、熟練者が加工面の目視によって加工パラメータを調整することが必要である。調整すべき加工パラメータの判断に際しては、被加工材の厚み方向に関して加工不良が発生している位置が重要な基準の一つとなる。例えば、被加工材の上部で加工不良がみられる場合は、入熱過多と判断し、被加工材への入熱量が減少するように加工パラメータを調整する。また、被加工材の下部で加工不良が見られる場合は、入熱量不足と判断し、逆に入熱量を増加させる方向に加工パラメータを調整する。
【００５１】
本実施形態では、図１４に示すように、加工点３を後方から望む方向に配置された光検出部６１は、切断フロント６４の上部から下部に至る領域からの放射光４を観測することができる。
【００５２】
一方、光検出部６２，６３は、方向に応じて放射光４を観測できる切断フロント６４の領域が異なる。例えば、図１５に示すように、加工点３を側方から望む方向に配置された光検出部６２は、切断フロント６４の上部から中間部に至る領域からの放射光４を観測できる。また、加工点３を前方から望む方向に配置された光検出部６３は、切断フロント６４の上部付近の領域からの光放射４を観測できる。従って、良好加工時には、図１５で示すように、信号強度は、光検出部６１、光検出部６２、光検出部６３の順に小さくなる。
【００５３】
図１６は、良好切断時における光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１７は、被加工材の下部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１８は、被加工材の中間部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。図１９は、被加工材の上部で加工不良が発生した場合の光検出部６１〜６３の信号強度分布の一例を示すグラフである。
【００５４】
放射光の強度分布は、良好加工時と比較すると、加工不良が発生した部位に応じて変化する。被加工材の下部で加工不良が発生すると、図１７に示すように、光検出部６１の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトするが、光検出部６２，６３の信号強度分布はあまり変化しない。被加工材の中間部で加工不良が発生すると、図１８に示すように、光検出部６１，６２の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトするが、光検出部６３の信号強度分布はあまり変化しない。被加工材の上部で加工不良が発生すると、図１９に示すように、光検出部６１〜６３の信号強度分布のピーク位置が上方にシフトする。従って、光検出部６１〜６３の信号強度分布を良好加工時のものと比較することによって、切断フロント６４の加工不良が発生している位置が特定でき、調節すべき加工パラメータを特定することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、光検出部６１〜６３を光軸周りに９０°間隔で４つ配置した場合を例示したが、加工レンズの光軸５５を中心とした同一円周上に少なくとも２つ以上配置すれば、切断フロント６４の加工不良が発生している位置を特定することができる。
【００５６】
実施の形態８．
図２０と図２１は、本発明の実施の形態８を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部７１，７２が、レーザ光１の光軸２に対して加工点３を望む方向に傾斜して配置されている。
【００５７】
図２０の構成では、光検出部７１が切断フロント６４からの放射光４を受光できる立体角が同じである場合、光検出部７１が加工点３を望む方向に傾斜することによって、光センサの配列方向の寸法を短縮できるため、コスト削減が図られる。
【００５８】
図２１の構成では、光センサの配列方向の寸法が同じである場合、光検出部７２が加工点３を望む方向に傾斜することによって、光検出部７２が切断フロント６４からの放射光４を受光できる立体角が大きくなるため、切断フロント６４のより下部まで観測することができる。
【００５９】
実施の形態９．
図２２は、本発明の実施の形態９を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態１，２と同様な構成を有するが、同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部７１が、レーザ光１の光軸２に対して加工点３を望む方向に傾斜して配置されているとともに、加工ヘッド７は中空のハウジングを有し、ハウジングの内壁にはレーザ光１の光軸２に対して傾斜した溝７ａが形成され、溝７ａの中に光検出部７１が埋め込まれている。
【００６０】
レーザ光１を被加工材１１に対して垂直に入射する場合、被加工材１１からの反射光は光軸２を中心とする強度分布を示す。そのため光センサ７１を光軸２に接近させ過ぎると、被加工材１１からの反射光によって光検出部７１の受光面が損傷する可能性がある。
【００６１】
この対策として、ハウジングの内壁に傾斜溝７ａを形成し、その中に光検出部７１を設置することが好ましく、これによって光軸２からできるだけ遠くに光検出部７１を配置することが可能になり、被加工材１１からの反射光による受光面の損傷を防止できる。
【００６２】
実施の形態１０．
図２３は、本発明の実施の形態１０を示す構成図である。レーザ加工装置は、実施の形態９と同様な構成を有するが、光検出部７１の受光面前方に窓部材８１を設けている。窓部材８１は、被加工材からの放射光４の波長に対して高い透過率を有する材料で形成されており、加工ヘッド７のハウジング内壁に沿うように設置される。
【００６３】
こうした窓部材８１を設けることによって、光検出部７１の受光面への汚れ付着を防止し、センサ感度の劣化を防ぐことができる。
【００６４】
また、被加工材１１がアルミニウム等の高反射材である場合、窓部材８１としてガラス、レーザコーティングミラー、回折格子などを使用することが好ましい。特に、窓部材８１は、被加工材１１で反射して光検出部７１に入射する反射光を減衰させる機能を有することが好ましく、これによって高反射材の加工においても被加工材１１からの反射光による受光面の損傷を防止できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ レーザ光、 ２ 光軸、 ３ 加工点、 ４ 放射光、 ５，６ 光センサ、
７ 加工ヘッド、 ７ａ 溝、 ８，９ 加工レンズ、 １０ 加工ステージ、
１１被加工材、 ２１ 信号処理部、 ２２ 記憶部、 ２３ 判定部、
３１，３２，３３ 光センサ、 ３４ 光検出部、 ４１ ラインセンサ、
５１ 反射光の光軸、 ５２ 加工ヘッドの中心軸、 ５３，５４ 光検出部、
５５ 加工レンズの光軸、 ６１，６２，６３ 光検出部、 ６４ 切断フロント、
７１，７２ 光検出部、 ８１ 窓部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を被加工材に向けて照射するための加工ヘッドと、
被加工材を加工ヘッドに対して相対移動させるための移動機構と、
レーザ加工時に、被加工材より発生する放射光を検出するための複数の光センサとを備え、
加工ヘッドの内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズが装着可能であり、
光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
光センサは、被加工材を照射するレーザ光の光軸に対して垂直で、加工点を含む平面からの距離が異なる位置に配置されている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】
光センサは、レーザ光の光軸に対して平行な同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
各光センサからの信号を処理して、放射光の強度分布を検出するための信号処理部と、
実際の加工状態と、放射光の強度分布との対応関係を記憶するための記憶部と、
記憶部に予め登録した良好切断時の基準値と、実際のレーザ加工時に取得した放射光の強度分布とを比較して、加工状態の良否判定を行う判定部とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
光センサは、同一直線上に複数配置されてラインセンサを構成していることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、加工レンズの光軸を中心とした同一円周上に複数配置されている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７】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、加工方向に対して後方から加工点を望む方向に配置されている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８】
複数の光検出部の少なくとも１つは、加工方向に対して後方から加工点を望む方向に配置されていることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、レーザ光の光軸に対して加工点を望む方向に傾斜して配置されている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１０】
加工ヘッドは、中空のハウジングを有し、
ハウジングの内壁には、レーザ光の光軸に対して傾斜した溝が形成され、
溝の中に、光検出部が埋め込まれていることを特徴とする請求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
光検出部の前方には、窓部材が設けられることを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
窓部材は、被加工材で反射して光検出部に入射する反射光を減衰させる機能を有する請求項１１記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光を被加工材に向けて照射するための加工ヘッドと、
被加工材を加工ヘッドに対して相対移動させるための移動機構と、
レーザ加工時に、被加工材より発生する放射光を検出するための複数の光センサとを備え、
加工ヘッドの内部には、異なる焦点位置を有する加工レンズが装着可能であり、
光センサは、使用する加工レンズの焦点距離に応じて異なる位置に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
光センサは、被加工材を照射するレーザ光の光軸に対して垂直で、加工点を含む平面からの距離が異なる位置に配置されている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】
光センサは、レーザ光の光軸に対して平行な同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
各光センサからの信号を処理して、放射光の強度分布を検出するための信号処理部と、
実際の加工状態と、放射光の強度分布との対応関係を記憶するための記憶部と、
記憶部に予め登録した良好切断時の基準値と、実際のレーザ加工時に取得した放射光の強度分布とを比較して、加工状態の良否判定を行う判定部とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
光センサは、同一直線上に複数配置されてラインセンサを構成していることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、加工レンズの光軸を中心とした同一円周上に複数配置されている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７】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、加工方向に対して後方から加工点を望む方向に配置されている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８】
複数の光検出部の少なくとも１つは、加工方向に対して後方から加工点を望む方向に配置されていることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
同一直線上に配置された複数の光センサを有する光検出部が、レーザ光の光軸に対して加工点を望む方向に傾斜して配置されている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１０】
加工ヘッドは、中空のハウジングを有し、
ハウジングの内壁には、レーザ光の光軸に対して傾斜した溝が形成され、
溝の中に、光検出部が埋め込まれていることを特徴とする請求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
光検出部の前方には、窓部材が設けられることを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
窓部材は、被加工材で反射して光検出部に入射する反射光を減衰させる機能を有する請求項１１記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−７１３４０（Ｐ２０１２−７１３４０Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１９２９９（Ｐ２０１０−２１９２９９）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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