高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法
【課題】加工対象物から生ずるスパッタの蓄積をプローブビームを用いて監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッドにおいて、プローブビーム位置のずれの影響を抑え、かつ、低周波ノイズの影響を少なくして、精度及び感度の高い検出を可能とする。
【解決手段】１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光３を加工対象物上に集光させる集光レンズ１と、集光レンズ１と加工対象物４との間の位置に配置された保護ガラス５と、保護ガラス５に向けてプローブビーム６を照射する光源８と、保護ガラス５を透過、または、反射したプローブビーム６の偏向方向を検出する位置センサ７と、位置センサ７からの出力信号より加工用レーザ光３の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、抽出された信号の振幅を保護ガラス５に付着した吸収不純物の量として評価する。
【解決手段】１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光３を加工対象物上に集光させる集光レンズ１と、集光レンズ１と加工対象物４との間の位置に配置された保護ガラス５と、保護ガラス５に向けてプローブビーム６を照射する光源８と、保護ガラス５を透過、または、反射したプローブビーム６の偏向方向を検出する位置センサ７と、位置センサ７からの出力信号より加工用レーザ光３の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、抽出された信号の振幅を保護ガラス５に付着した吸収不純物の量として評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積を監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板等をレーザビームにより加工するためのレーザ加工ヘッドが提案されている。このレーザ加工ヘッドは、図１１に示すように、集光レンズ１０１を有し、この集光レンズ１０１によりレーザビーム１０２を収束させて加工用レーザ１０３とし、この加工用レーザ１０３を加工対象物１０４上に集光させるように構成されている。
【０００３】
このようなレーザ加工ヘッドを用いて金属板などの加工対象物１０４を加工する場合においては、加工対象物１０４からは、スパッタが発生する。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、集光レンズ１０１と加工対象物１０４との間となる位置に、保護ガラス１０５が設けられている。この保護ガラス１０５は、透明材料からなり、加工対象物１０４から生ずるスパッタから集光レンズ１０１を保護する。
【０００４】
加工対象物１０４から生ずるスパッタは、保護ガラス１０５の表面に付着し、蓄積する。蓄積したスパッタは、加工用レーザ１０３を吸収し、また、散乱させる。加工用レーザ１０３が吸収され、散乱されると、熱レンズ現象により加工焦点がずれてしまい、レーザ加工の品質が低下する。また、スパッタの蓄積は、保護ガラス１０５に機能的障害が生じてしまうこともある。したがって、レーザ加工ヘッドにおいては、スパッタに曝される保護ガラス１０５の表面を監視する必要がある。
【０００５】
スパッタの蓄積を監視する方法として、特許文献１及び特許文献２には、蓄積したスパッタによる光の散乱を検出することが記載されている。この監視方法は、保護ガラス１０５を透過した加工用レーザ１０３の散乱状態を光学素子により検出するものである。しかし、この監視方法においては、加工対象物１０４による散乱光や保護ガラス１０５における反射光により、正確な検出ができない虞がある。
【０００６】
加工対象物１０４による散乱光や保護ガラス１０５における反射光に影響を受けない監視方法としては、蓄積したスパッタが加工用レーザ１０３を吸収することにより生ずる熱を監視する方法が提案されている。この監視方法は、熱の影響、主に熱レンズ現象の発生を監視するうえでも有効である。
【０００７】
スパッタの蓄積による保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５の周縁部の近くに、例えば熱電対などの温度センサを配置し、この温度センサにより検出することが考えられる。しかし、この検出方法においては、発熱源と測定点とが離れてしまうため、正確な測定を行うことは困難である。
【０００８】
また、保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５から熱放射を検出する方法が考えられる。この検出方法においては、非接触での測定が可能であるが、常温に近い温度を測定する場合には、周囲からのノイズや放射率の誤差による影響を受け易いため、高精度の検出は困難であり、また、検出感度も低い。
【０００９】
さらに、保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５の温度勾配による光の吸収率及び屈折率の変化を検出する方法が考えられる。すなわち、保護ガラス１０５にプローブビームを透過させ、このプローブビームの偏向方向を測定することにより、保護ガラス１０５の温度勾配を検出する方法である。この検出方法においては、非接触での測定が可能であり、前述した検出方法に比較して、高精度の検出が可能であり、また、検出感度も高い。
【００１０】
すなわち、図１１に示すように、保護ガラス１０５にプローブビーム１０６を照射し、このプローブビーム１０６を保護ガラス１０５内に入射させ、保護ガラス１０５において内面反射させる。そして、この反射光を、位置センサ１０７に入射させる。位置センサ１０７は、複数に分割された受光領域を有する受光素子であり、各受光領域における受光量を比較することによって、プローブビーム１０６の入射位置が検出できるようになっている。プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置を検出することにより、保護ガラス１０５における吸収及び屈折による偏向角度を検出することができ、この偏向角度の変化により、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定することができる。
【００１１】
このように、保護ガラス１０５を透過したプローブビーム１０６の偏向角度を検出することにより、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定する場合には、光学ノイズ及び電子ノイズにより、測定精度及び測定感度が影響を受ける虞がある。
【００１２】
そこで、光学ノイズ及び電子ノイズの影響を回避するためには、プローブビーム１０６の出力を一定周期で変調することが考えられる。プローブビーム１０６の出力を変調することにより、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−３６１４５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、前述のように、保護ガラス１０５を透過したプローブビーム１０６の偏向角度を検出することにより、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定する場合には、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、保護ガラス１０５の温度勾配の変化以外の要因で移動する虞がある。
【００１５】
すなわち、図１２中の（Ａ）に示すように、保護ガラス１０５における光の吸収率は、経時変化により、徐々に増加してゆく。そして、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、図１２中の（Ｂ）に示すように、加工用レーザ１０３がない場合でも、光の吸収率の値以外の種々の要因で変化する。例えば、初期のプローブビーム１０６の調整のばらつきや、アシストガスの流量変化、または、機械的な取付け部の緩みなど、それぞれの影響により、プローブビーム１０６の入射位置の変化が生じる。
【００１６】
したがって、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、図１２中の（Ｃ）に示すように、これらの要因が全て重なった結果であり、誤差が加算され、信頼性の低下をきたす。したがって、スパッタの付着や不純物による加熱以外の現象の影響を受けない方法が必要である。
【００１７】
さらに、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置の変化の確度は、低周波ノイズに影響される。すなわち、図１３中の（Ａ）に示すように、スパッタの付着が生じて保護ガラス１０５の吸収率に変化が生じたとき、位置センサ１０７の出力信号においては、図１３中の（Ｂ）に示すように、保護ガラス１０５の吸収率の変化に対応した変化と低周波ノイズとが重なった変化が生ずる。光の吸収率の変化を正確に測定するためには、低周波ノイズの影響を抑える必要があるので、変化の前後の平均値を求めて比較する。しかし、低周波ノイズの場合には、平均値を求めるための積分可能な範囲が狭く限定されるので、精度が劣化してしまう。
【００１８】
また、前述した従来の測定方法においては、光の吸収率及び屈折率の絶対値よりも、光の吸収率及び屈折率の変化を測定していることになるので、大きな変化が生じないと測定することができない。したがって、レーザ加工のときにスパッタに曝される保護ガラス１０５の光の吸収率及び屈折率が徐々に増大することを監視するためには、より高い精度及び感度を示す測定技術が求められる。
【００１９】
そして、加工品質が悪くなる前に保護ガラス１０５を交換するためには、オンラインで保護ガラス１０５の状態を監視でき、かつ、リアルタイムで判断できることが必要である。
【００２０】
そこで、本発明は、前述の課題を解決するために提案されるものであって、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積をプローブビームを用いて監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッドにおいて、プローブビームの位置のずれの影響が抑えられ、かつ、低周波ノイズの影響が少なくなされ、精度及び感度の高い検出が可能な高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００２２】
〔構成１〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、集光レンズと加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、保護ガラスに向けてプローブビームを照射する光源と、保護ガラスを透過し、または、反射されたプローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、位置センサからの出力信号より加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、信号処理回路が抽出した信号の振幅を保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成２〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、集光レンズと加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射する光源と、プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、位置センサからの出力信号より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係る高出力レーザ加工方法は、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００２５】
〔構成３〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、集光レンズと加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、保護ガラスに向けてプローブビームを照射し、保護ガラスを透過し、または、反射されたプローブビームの偏向方向を検出し、プローブビームの偏向方向の検出結果より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２６】
〔構成４〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、集光レンズと加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射し、プローブビームの偏向方向を検出し、プローブビームの偏向方向の検出結果より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法においては、保護ガラスを透過し、または、反射され、あるいは、保護ガラスの表面近傍に表面に平行に照射されたプローブビームの偏向方向を検出する位置センサからの出力信号より抽出された加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価するので、プローブビーム位置のずれの影響を受けずに、吸収不純物の量を検出することができる。
【００２８】
また、この高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法においては、低周波ノイズの影響を受けずに、吸収不純物の量を、高精度及び高感度に検出することができる。
【００２９】
すなわち、本発明は、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積をプローブビームを用いて監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法において、プローブビームの位置のずれの影響が抑えられ、かつ、低周波ノイズの影響が少なくされ、精度及び感度の高い検出が可能な高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図及びプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【図３】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【図４】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【図５】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるスパッタが付着した保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【図６】プローブビームの位置センサへの入射位置の変動を検出するためのロックイン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がない場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【図８】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がある場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【図９】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第２の実施形態における構成を示す側面図である。
【図１０】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第３の実施形態における構成を示す側面図である。
【図１１】従来のレーザ加工ヘッドの構成を示す側面図である。
【図１２】従来のレーザ加工ヘッドにおけるプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【図１３】従来のレーザ加工ヘッドにおけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図である。
【００３３】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、図１に示すように、集光レンズ１を有し、この集光レンズ１によりレーザビーム２を収束させて加工用レーザ３とし、この加工用レーザ３を加工対象物４上に集光させるように構成されている。
【００３４】
このようなレーザ加工ヘッドを用いて金属板などの加工対象物４を加工する場合においては、加工対象物４からは、スパッタが発生する。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、集光レンズ１と加工対象物４との間となる位置に、保護ガラス５が設けられている。この保護ガラス５は、透明材料からなり、加工対象物４から生ずるスパッタから集光レンズ１を保護する。
【００３５】
加工対象物４から生ずるスパッタは、保護ガラス５の表面に付着し、蓄積する。蓄積したスパッタは、加工用レーザ３を吸収し、また、散乱させる。加工用レーザ３が吸収され、散乱されると、熱レンズ現象により加工焦点がずれてしまい、レーザ加工の品質が低下する。また、スパッタの蓄積は、保護ガラス５に機能的障害が生じてしまうこともある。したがって、レーザ加工ヘッドにおいては、スパッタに曝される保護ガラス５の表面を監視する必要がある。
【００３６】
このレーザ加工ヘッドにおいては、保護ガラス５へのスパッタの付着、蓄積を、保護ガラス５の発熱を測定することによって検出する。保護ガラス５の発熱の測定は、保護ガラス５の温度勾配による光の吸収率及び屈折率の変化を検出することによって行う。すなわち、保護ガラス５にプローブビーム６を透過させ、このプローブビーム６の偏向方向を測定することにより、保護ガラス５の温度勾配を検出する。
【００３７】
すなわち、光源８から発したプローブビーム６を保護ガラス５に照射し、このプローブビーム６を保護ガラス５内に入射させ、保護ガラス５において内面反射させる。そして、この反射光を、位置センサ７に入射させる。位置センサ７は、複数に分割された受光領域（例えば、４象限）を有する受光素子であり、各受光領域における受光量を比較することによって、プローブビーム６の入射位置が検出できるようになっている。プローブビーム６の位置センサ７における入射位置を検出することにより、保護ガラス５における吸収及び屈折による偏向角度を検出することができ、この偏向角度の変化により、保護ガラス５の温度勾配の変化を測定することができる。プローブビーム６は、連続波であり、コリメート光（平行光）である。光源８としては、半導体レーザ、あるいは、ＨｅＮｅレーザなどを使用することができる。
【００３８】
本発明は、プローブビーム６の位置センサ７における入射位置がレーザ光の吸収以外の要因で移動してしまうこと、及び、低周波ノイズの影響により測定精度が低下することを回避することを目的として提案されたものである。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、加工用レーザ３の出力を所定の周波数ｆ（１００Ｈｚ〜１００００Ｈｚ程度）で変調させている。
【００３９】
図２は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図及びプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【００４０】
保護ガラス５表面の不純物は、加工用レーザ３からの出力の一部を吸収し、保護ガラス５の内部の屈折率の変調を引き起こす熱波を発生する。これにより、プローブビーム６も周波数ｆで周期的偏向が生じる。この偏向は、位置センサ７により監視される。
【００４１】
プローブビーム６の位置センサ７における入射位置は、図２中の（Ｂ）に示すように、レーザ光の吸収以外の要因によっても移動する。時刻Ａ、Ｂ、Ｃにおける入射位置の変動に応じて、位置センサ７からの出力信号も変動する。しかし、このレーザ加工ヘッドにおいては、加工用レーザ３の出力が周波数ｆで変調されているため、プローブビーム６の位置センサ７における入射位置も、保護ガラス５の内部の温度勾配の結果として、周波数ｆで振動する。この周波数ｆでの振動は、レーザ光の吸収以外の要因による入射位置の移動には影響されない。また、図２中の（Ｃ）に示すように、位置センサ７に線形性があるため、レーザ光の吸収以外の要因により入射位置が移動しても、位置センサ７の出力信号が吸収された出力だけに比例する。
【００４２】
図３は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【００４３】
このレーザ加工ヘッドにおいて、図３中の（Ａ）に示すように、保護ガラス５にスパッタが付着し、光の吸収率に変化が生じた場合には、図３中の（Ｂ）に示すように、位置センサ７からの出力信号には、変動深さ（変動幅）の変化も起こる。このレーザ加工ヘッドにおいては、従来のレーザ加工ヘッドと違い、吸収の信号はリアルタイムで取れる。なお、ノイズは変調周波数ｆでのノイズレベルで決まる。図３中の（Ｃ）に示すように、典型的なノイズスペクトラムにおいては、周波数ｆでは、低い周波数に比べてノイズが少ない。つまり、電流、電圧スペクトラムが高周波数領域ではノイズレベルが低い。なお、図３中の（Ｃ）は、両軸とも対数目盛で示している。
【００４４】
図４は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【００４５】
このレーザ加工ヘッドにおいて、保護ガラス５におけるプローブビームの入射位置は、図４中の（ａ）（ｂ）に示すように、加工用レーザ３の保護ガラス５への入射位置の中心から、加工用レーザ３のビーム半径ａの半分だけ離れた位置とすることが好ましい。
【００４６】
何故ならば、保護ガラス５の光の吸収率の分布が空間的に均一である場合には、また、加工用レーザ３の変調周波数が高い場合には、保護ガラス５の温度特性は、加工用レーザ３の強度特性と同じになる。ガウシャン特性を想定すると、保護ガラス５の温度勾配は、加工用レーザ３の中心からビーム半径ａの半分だけ離れた位置において最大値をとる。したがって、この位置にプローブビーム６を入射させたときに、最も高い感度が得られる。この場合、プローブビーム６の偏向は、図４中のＸ−Ｚ平面内で起こる。
【００４７】
図５は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるスパッタが付着した保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【００４８】
そして、保護ガラス５の温度上昇が、保護ガラス５に付着したスパッタの影響によって起こる場合には、つまり、光の吸収率の分布が均一でない場合は、保護ガラス５の温度特性は、図５中の（ａ）（ｂ）に示すように、ランダムなものとなる。この場合、プローブビーム６の偏向は、図５中のＸ−Ｚ平面内のみならず、Ｘ−Ｙの平面内でも起こる。
【００４９】
図６は、プローブビームの位置センサへの入射位置の変動を検出するためのロックイン増幅器の構成を示すブロック図である。
【００５０】
このレーザ加工ヘッドにおいて、プローブビーム６の偏向（位置センサ７への入射位置の変動）を検出するには、位置センサ７からの光検出器信号から、周波数ｆを中心とする周波数成分を、図６に示すように、ロックイン増幅器を使用して抽出する。ロックイン増幅器を使用すると、プローブビーム６の偏向の振幅を抽出することができる。信号の振幅は、保護ガラス５の表面上に生じる吸収の量に比例する。
【００５１】
すなわち、位置センサ７として４象限（４セル）検出器を用いて、４つのセル（受光領域）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がそれぞれ、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４を出力するものとすると、これらは、各セルに入射するプローブビーム６の光量に比例している。４象眼光検出器の位置は、最初に、各セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が等しい信号を出力するように、つまり、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４となるように調節する。偏向信号は、２つの隣接するセル対の間の信号差、つまり、
〔ＶＵ＝Ｖ１＋Ｖ２〕−〔ＶＤ＝Ｖ３＋Ｖ４〕（添字Ｕは上部象限、Ｄは下部象限を示す）
または、
〔ＶＬ＝Ｖ１＋Ｖ３〕−〔ＶＲ＝Ｖ２＋Ｖ４〕（添字Ｌは左部象限、Ｒは右部象限を示す）
から得られ、これにより、２つの直交する方向の偏向を測定することができる。これらは、加算器９，１０及びＯＰアンプ１１によって得られ、ロックイン増幅器１２に送られる。ロックイン増幅器１２においては、周波数ｆで変調された信号の成分が抽出される。
【００５２】
ロックイン増幅器１２に入力される基準信号は、トランジスタ−トランジスタ論理回路（transistor-transistor-logic：ＴＴＬ）信号、例えば、０Ｖか５Ｖであり、加工用レーザ３の変調を駆動するためにも使用される。ロックイン増幅器１２の出力の信号は、基準信号により同位相及び直角位相（９０°の位相ずれ）の両方で測定され、保護ガラス５内部に発生する熱に比例した、プローブビーム６の偏向信号のモジュラスを抽出する。
【００５３】
なお、ロックイン増幅器の機能は、以下の部材を使用して実現することができる。すなわち、位置センサ７からの出力信号を電子増幅器により増幅し、アナログ−デジタル・コンパータにより、デジタル信号とする。そして、このデジタル信号について、信号処理装置により、所定の計算アルゴリズムを実行する。この計算アルゴリズムは、以下のものである。
【００５４】
（１）基準信号（０Ｖ〜５ＶのＴＴＬ周期信号）の平均値２．５Ｖを、ＴＴＬ信号から差し引く〔（−２．５Ｖ−２．５Ｖ）：Ｒ（ｔ）〕。
【００５５】
（２）位置センサ７の増幅出力Ｓ（ｔ）を、１秒程度の持続時間で２値化する。
【００５６】
（３）次の式のように、積Ｓ（ｔ）×Ｒ（ｔ）を計算し、１秒程度の時間Ｔにわたって積分する。
ＩＸ＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）×Ｒ（ｔ）ｄｔ
【００５７】
（４）さらに、Ｒ（ｔ）の基準信号を９０°の位相をずらして、Ｒ（ｔ）、積Ｓ（ｔ）×Ｒ（ｔ）を計算し、１秒程度の時間Ｔにわたって積分する。
ＩＹ＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）×Ｒ（ｔ）ｄｔ
【００５８】
（５）モジユラスＩは、Ｉ＝√（ＩＸ２＋ＩＹ２）で計算する。
【００５９】
（６）測定結果は、全信号により次のように正規化することができる。
〈Ｓ〉＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）ｄｔ
【００６０】
このレーザ加工ヘッドにおけるプローブビーム６の偏向の測定感度は、以下の理由から、従来のレーザ加工ヘッドと比較して大幅に高めらている。すなわち、測定は、２つの隣接する検出器セルの間の信号差に基づくので、光熱信号が存在しない場合には、この信号差はゼロである。そのため、電子的に増幅されて得られる信号のノイズは、最小になる。また、変調周波数、例えばｆ＝１ｋＨｚにおける電子及び光学的ノイズは、図３中の（Ｃ）に示すように、低周波数の場合よりもかなり低い。さらに、プローブビーム６の検出出力、または、ビーム方向の変動は、位置センサ７に入射する全光量の出力を測定することにより追跡するので、較正を必要としない。
【００６１】
そして、金属のスパッタが保護ガラス５表面上に蓄積すると、保護ガラス５の発熱量が増えて、信号の振幅が大きくなる。信号の振幅がある所定の闘値を超えた場合には、保護ガラス５を交換しなければならないことを指示するため、アラーム（警報）信号をオペレータに送るなどの処理を行う。
【００６２】
図７は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がない場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【００６３】
図８は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がある場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【００６４】
このレーザ加工ヘッドにおいて得られた測定値は、保護ガラス５を経たプローブビーム６の偏向量に比例しており、結果として、保護ガラス５ヘの不純物の付着による熱吸収の影響が入射光量の変化、すなわち、偏向として確認される。
【００６５】
なお、この場合には、スパッタの付着による発熱が生じていない場合の、プローブビーム６を受光した信号の変調の振幅は、図７に示すように、ゼロではないベースライン（基準）信号となる。なお、図７においては、加工用レーザ３が０．５kw、１．０kw、１．５kw、２．０kwの場合のベースライン信号を示しており、これら各信号は重なって表示されている。そして、保護ガラス５にスパッタが付着し、吸収誘起加熱が生ずると、ベースライン信号は、図８に示すように、変化を生ずる。このようなベースライン信号のレベルの変化量を測定することにより、スパッタの付着による発熱を正確に知ることができる。図８においては、加工用レーザ３が０．５kw、１．０kw、１．５kw、２．０kwの場合のベースライン信号の変化を示している。
【００６６】
前述のように、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドにおいては、高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）により保護ガラス５における吸収を検出することができるので、短時間に大きな変化が生じるときだけでなく、定常状態操作時を含むレーザ加工が実行されるときにはいつでも、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することが可能になる。
【００６７】
本発明は、レーザ出力変調が、１００Ｈｚ〜１００００Ｈｚまでの周波数範囲の加工用レーザに適用される。材料加工条件がＣＷ（連続）レーザ用に最適化されている場合には、レーザ出力の変動深さは、材料加工の切断品質に影響を与えないようにする必要がある。
【００６８】
〔第２の実施の形態〕
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、前述の実施の形態のように、プローブビーム６を保護ガラス５で内面反射させる構成に限定されず、図９に示すように、プローブビーム６を保護ガラス５を透過させて、位置センサ７によって受光するように構成してもよい。
【００６９】
この場合にも、位置センサ７からの出力信号を前述の実施の形態と同様に処理することにより、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することができる。
【００７０】
〔第３の実施の形態〕
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、前述の各実施の形態における構成に限定されず、図１０に示すように、プローブビーム６を保護ガラス５の表面近傍に表面に平行に通過させて位置センサ７によって受光するようにして、保護ガラス５の近傍の空中の温度勾配を調べるように構成してもよい。
【００７１】
この場合にも、位置センサ７からの出力信号を前述の実施の形態と同様に処理することにより、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することができる。しかしながら、プローブビーム６が保護ガラスを透過または反射するわけではないので、監視は間接的にならざるを得ない。また、保護ガラスの温度勾配が、空間を経てプローブビーム６に影響を及ぼすとしても、アシストガス等の外乱で、監視の結果は相殺される危険性がある。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、光学素子の監視装置を有する高出力レーザ加工ヘッドに適用される。
【符号の説明】
【００７３】
１ 集光レンズ
２ レーザビーム
３ 加工用レーザ
４ 加工対象物
５ 保護ガラス
６ プローブビーム
７ 位置センサ
８ 光源
１２ ロックイン増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積を監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板等をレーザビームにより加工するためのレーザ加工ヘッドが提案されている。このレーザ加工ヘッドは、図１１に示すように、集光レンズ１０１を有し、この集光レンズ１０１によりレーザビーム１０２を収束させて加工用レーザ１０３とし、この加工用レーザ１０３を加工対象物１０４上に集光させるように構成されている。
【０００３】
このようなレーザ加工ヘッドを用いて金属板などの加工対象物１０４を加工する場合においては、加工対象物１０４からは、スパッタが発生する。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、集光レンズ１０１と加工対象物１０４との間となる位置に、保護ガラス１０５が設けられている。この保護ガラス１０５は、透明材料からなり、加工対象物１０４から生ずるスパッタから集光レンズ１０１を保護する。
【０００４】
加工対象物１０４から生ずるスパッタは、保護ガラス１０５の表面に付着し、蓄積する。蓄積したスパッタは、加工用レーザ１０３を吸収し、また、散乱させる。加工用レーザ１０３が吸収され、散乱されると、熱レンズ現象により加工焦点がずれてしまい、レーザ加工の品質が低下する。また、スパッタの蓄積は、保護ガラス１０５に機能的障害が生じてしまうこともある。したがって、レーザ加工ヘッドにおいては、スパッタに曝される保護ガラス１０５の表面を監視する必要がある。
【０００５】
スパッタの蓄積を監視する方法として、特許文献１及び特許文献２には、蓄積したスパッタによる光の散乱を検出することが記載されている。この監視方法は、保護ガラス１０５を透過した加工用レーザ１０３の散乱状態を光学素子により検出するものである。しかし、この監視方法においては、加工対象物１０４による散乱光や保護ガラス１０５における反射光により、正確な検出ができない虞がある。
【０００６】
加工対象物１０４による散乱光や保護ガラス１０５における反射光に影響を受けない監視方法としては、蓄積したスパッタが加工用レーザ１０３を吸収することにより生ずる熱を監視する方法が提案されている。この監視方法は、熱の影響、主に熱レンズ現象の発生を監視するうえでも有効である。
【０００７】
スパッタの蓄積による保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５の周縁部の近くに、例えば熱電対などの温度センサを配置し、この温度センサにより検出することが考えられる。しかし、この検出方法においては、発熱源と測定点とが離れてしまうため、正確な測定を行うことは困難である。
【０００８】
また、保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５から熱放射を検出する方法が考えられる。この検出方法においては、非接触での測定が可能であるが、常温に近い温度を測定する場合には、周囲からのノイズや放射率の誤差による影響を受け易いため、高精度の検出は困難であり、また、検出感度も低い。
【０００９】
さらに、保護ガラス１０５の発熱を検出する方法としては、保護ガラス１０５の温度勾配による光の吸収率及び屈折率の変化を検出する方法が考えられる。すなわち、保護ガラス１０５にプローブビームを透過させ、このプローブビームの偏向方向を測定することにより、保護ガラス１０５の温度勾配を検出する方法である。この検出方法においては、非接触での測定が可能であり、前述した検出方法に比較して、高精度の検出が可能であり、また、検出感度も高い。
【００１０】
すなわち、図１１に示すように、保護ガラス１０５にプローブビーム１０６を照射し、このプローブビーム１０６を保護ガラス１０５内に入射させ、保護ガラス１０５において内面反射させる。そして、この反射光を、位置センサ１０７に入射させる。位置センサ１０７は、複数に分割された受光領域を有する受光素子であり、各受光領域における受光量を比較することによって、プローブビーム１０６の入射位置が検出できるようになっている。プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置を検出することにより、保護ガラス１０５における吸収及び屈折による偏向角度を検出することができ、この偏向角度の変化により、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定することができる。
【００１１】
このように、保護ガラス１０５を透過したプローブビーム１０６の偏向角度を検出することにより、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定する場合には、光学ノイズ及び電子ノイズにより、測定精度及び測定感度が影響を受ける虞がある。
【００１２】
そこで、光学ノイズ及び電子ノイズの影響を回避するためには、プローブビーム１０６の出力を一定周期で変調することが考えられる。プローブビーム１０６の出力を変調することにより、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−３６１４５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、前述のように、保護ガラス１０５を透過したプローブビーム１０６の偏向角度を検出することにより、保護ガラス１０５の温度勾配の変化を測定する場合には、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、保護ガラス１０５の温度勾配の変化以外の要因で移動する虞がある。
【００１５】
すなわち、図１２中の（Ａ）に示すように、保護ガラス１０５における光の吸収率は、経時変化により、徐々に増加してゆく。そして、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、図１２中の（Ｂ）に示すように、加工用レーザ１０３がない場合でも、光の吸収率の値以外の種々の要因で変化する。例えば、初期のプローブビーム１０６の調整のばらつきや、アシストガスの流量変化、または、機械的な取付け部の緩みなど、それぞれの影響により、プローブビーム１０６の入射位置の変化が生じる。
【００１６】
したがって、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置は、図１２中の（Ｃ）に示すように、これらの要因が全て重なった結果であり、誤差が加算され、信頼性の低下をきたす。したがって、スパッタの付着や不純物による加熱以外の現象の影響を受けない方法が必要である。
【００１７】
さらに、プローブビーム１０６の位置センサ１０７における入射位置の変化の確度は、低周波ノイズに影響される。すなわち、図１３中の（Ａ）に示すように、スパッタの付着が生じて保護ガラス１０５の吸収率に変化が生じたとき、位置センサ１０７の出力信号においては、図１３中の（Ｂ）に示すように、保護ガラス１０５の吸収率の変化に対応した変化と低周波ノイズとが重なった変化が生ずる。光の吸収率の変化を正確に測定するためには、低周波ノイズの影響を抑える必要があるので、変化の前後の平均値を求めて比較する。しかし、低周波ノイズの場合には、平均値を求めるための積分可能な範囲が狭く限定されるので、精度が劣化してしまう。
【００１８】
また、前述した従来の測定方法においては、光の吸収率及び屈折率の絶対値よりも、光の吸収率及び屈折率の変化を測定していることになるので、大きな変化が生じないと測定することができない。したがって、レーザ加工のときにスパッタに曝される保護ガラス１０５の光の吸収率及び屈折率が徐々に増大することを監視するためには、より高い精度及び感度を示す測定技術が求められる。
【００１９】
そして、加工品質が悪くなる前に保護ガラス１０５を交換するためには、オンラインで保護ガラス１０５の状態を監視でき、かつ、リアルタイムで判断できることが必要である。
【００２０】
そこで、本発明は、前述の課題を解決するために提案されるものであって、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積をプローブビームを用いて監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッドにおいて、プローブビームの位置のずれの影響が抑えられ、かつ、低周波ノイズの影響が少なくなされ、精度及び感度の高い検出が可能な高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００２２】
〔構成１〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、集光レンズと加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、保護ガラスに向けてプローブビームを照射する光源と、保護ガラスを透過し、または、反射されたプローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、位置センサからの出力信号より加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、信号処理回路が抽出した信号の振幅を保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成２〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、集光レンズと加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射する光源と、プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、位置センサからの出力信号より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路とを備え、信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係る高出力レーザ加工方法は、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００２５】
〔構成３〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、集光レンズと加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、保護ガラスに向けてプローブビームを照射し、保護ガラスを透過し、または、反射されたプローブビームの偏向方向を検出し、プローブビームの偏向方向の検出結果より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【００２６】
〔構成４〕
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、集光レンズと加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射し、プローブビームの偏向方向を検出し、プローブビームの偏向方向の検出結果より、加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法においては、保護ガラスを透過し、または、反射され、あるいは、保護ガラスの表面近傍に表面に平行に照射されたプローブビームの偏向方向を検出する位置センサからの出力信号より抽出された加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価するので、プローブビーム位置のずれの影響を受けずに、吸収不純物の量を検出することができる。
【００２８】
また、この高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法においては、低周波ノイズの影響を受けずに、吸収不純物の量を、高精度及び高感度に検出することができる。
【００２９】
すなわち、本発明は、加工対象物から生ずるスパッタの蓄積をプローブビームを用いて監視する機能を有する高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法において、プローブビームの位置のずれの影響が抑えられ、かつ、低周波ノイズの影響が少なくされ、精度及び感度の高い検出が可能な高出力レーザ加工ヘッド及び高出力レーザ加工方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図及びプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【図３】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【図４】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【図５】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるスパッタが付着した保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【図６】プローブビームの位置センサへの入射位置の変動を検出するためのロックイン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がない場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【図８】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がある場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【図９】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第２の実施形態における構成を示す側面図である。
【図１０】本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第３の実施形態における構成を示す側面図である。
【図１１】従来のレーザ加工ヘッドの構成を示す側面図である。
【図１２】従来のレーザ加工ヘッドにおけるプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【図１３】従来のレーザ加工ヘッドにおけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図である。
【００３３】
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、図１に示すように、集光レンズ１を有し、この集光レンズ１によりレーザビーム２を収束させて加工用レーザ３とし、この加工用レーザ３を加工対象物４上に集光させるように構成されている。
【００３４】
このようなレーザ加工ヘッドを用いて金属板などの加工対象物４を加工する場合においては、加工対象物４からは、スパッタが発生する。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、集光レンズ１と加工対象物４との間となる位置に、保護ガラス５が設けられている。この保護ガラス５は、透明材料からなり、加工対象物４から生ずるスパッタから集光レンズ１を保護する。
【００３５】
加工対象物４から生ずるスパッタは、保護ガラス５の表面に付着し、蓄積する。蓄積したスパッタは、加工用レーザ３を吸収し、また、散乱させる。加工用レーザ３が吸収され、散乱されると、熱レンズ現象により加工焦点がずれてしまい、レーザ加工の品質が低下する。また、スパッタの蓄積は、保護ガラス５に機能的障害が生じてしまうこともある。したがって、レーザ加工ヘッドにおいては、スパッタに曝される保護ガラス５の表面を監視する必要がある。
【００３６】
このレーザ加工ヘッドにおいては、保護ガラス５へのスパッタの付着、蓄積を、保護ガラス５の発熱を測定することによって検出する。保護ガラス５の発熱の測定は、保護ガラス５の温度勾配による光の吸収率及び屈折率の変化を検出することによって行う。すなわち、保護ガラス５にプローブビーム６を透過させ、このプローブビーム６の偏向方向を測定することにより、保護ガラス５の温度勾配を検出する。
【００３７】
すなわち、光源８から発したプローブビーム６を保護ガラス５に照射し、このプローブビーム６を保護ガラス５内に入射させ、保護ガラス５において内面反射させる。そして、この反射光を、位置センサ７に入射させる。位置センサ７は、複数に分割された受光領域（例えば、４象限）を有する受光素子であり、各受光領域における受光量を比較することによって、プローブビーム６の入射位置が検出できるようになっている。プローブビーム６の位置センサ７における入射位置を検出することにより、保護ガラス５における吸収及び屈折による偏向角度を検出することができ、この偏向角度の変化により、保護ガラス５の温度勾配の変化を測定することができる。プローブビーム６は、連続波であり、コリメート光（平行光）である。光源８としては、半導体レーザ、あるいは、ＨｅＮｅレーザなどを使用することができる。
【００３８】
本発明は、プローブビーム６の位置センサ７における入射位置がレーザ光の吸収以外の要因で移動してしまうこと、及び、低周波ノイズの影響により測定精度が低下することを回避することを目的として提案されたものである。そのため、このレーザ加工ヘッドにおいては、加工用レーザ３の出力を所定の周波数ｆ（１００Ｈｚ〜１００００Ｈｚ程度）で変調させている。
【００３９】
図２は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における構成を示す側面図及びプローブビームの入射位置を示すグラフである。
【００４０】
保護ガラス５表面の不純物は、加工用レーザ３からの出力の一部を吸収し、保護ガラス５の内部の屈折率の変調を引き起こす熱波を発生する。これにより、プローブビーム６も周波数ｆで周期的偏向が生じる。この偏向は、位置センサ７により監視される。
【００４１】
プローブビーム６の位置センサ７における入射位置は、図２中の（Ｂ）に示すように、レーザ光の吸収以外の要因によっても移動する。時刻Ａ、Ｂ、Ｃにおける入射位置の変動に応じて、位置センサ７からの出力信号も変動する。しかし、このレーザ加工ヘッドにおいては、加工用レーザ３の出力が周波数ｆで変調されているため、プローブビーム６の位置センサ７における入射位置も、保護ガラス５の内部の温度勾配の結果として、周波数ｆで振動する。この周波数ｆでの振動は、レーザ光の吸収以外の要因による入射位置の移動には影響されない。また、図２中の（Ｃ）に示すように、位置センサ７に線形性があるため、レーザ光の吸収以外の要因により入射位置が移動しても、位置センサ７の出力信号が吸収された出力だけに比例する。
【００４２】
図３は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるプローブビームの入射位置の検出方法を示すグラフである。
【００４３】
このレーザ加工ヘッドにおいて、図３中の（Ａ）に示すように、保護ガラス５にスパッタが付着し、光の吸収率に変化が生じた場合には、図３中の（Ｂ）に示すように、位置センサ７からの出力信号には、変動深さ（変動幅）の変化も起こる。このレーザ加工ヘッドにおいては、従来のレーザ加工ヘッドと違い、吸収の信号はリアルタイムで取れる。なお、ノイズは変調周波数ｆでのノイズレベルで決まる。図３中の（Ｃ）に示すように、典型的なノイズスペクトラムにおいては、周波数ｆでは、低い周波数に比べてノイズが少ない。つまり、電流、電圧スペクトラムが高周波数領域ではノイズレベルが低い。なお、図３中の（Ｃ）は、両軸とも対数目盛で示している。
【００４４】
図４は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態における保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【００４５】
このレーザ加工ヘッドにおいて、保護ガラス５におけるプローブビームの入射位置は、図４中の（ａ）（ｂ）に示すように、加工用レーザ３の保護ガラス５への入射位置の中心から、加工用レーザ３のビーム半径ａの半分だけ離れた位置とすることが好ましい。
【００４６】
何故ならば、保護ガラス５の光の吸収率の分布が空間的に均一である場合には、また、加工用レーザ３の変調周波数が高い場合には、保護ガラス５の温度特性は、加工用レーザ３の強度特性と同じになる。ガウシャン特性を想定すると、保護ガラス５の温度勾配は、加工用レーザ３の中心からビーム半径ａの半分だけ離れた位置において最大値をとる。したがって、この位置にプローブビーム６を入射させたときに、最も高い感度が得られる。この場合、プローブビーム６の偏向は、図４中のＸ−Ｚ平面内で起こる。
【００４７】
図５は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態におけるスパッタが付着した保護ガラスへのプローブビームの入射状態を示す側面図及び平面図である。
【００４８】
そして、保護ガラス５の温度上昇が、保護ガラス５に付着したスパッタの影響によって起こる場合には、つまり、光の吸収率の分布が均一でない場合は、保護ガラス５の温度特性は、図５中の（ａ）（ｂ）に示すように、ランダムなものとなる。この場合、プローブビーム６の偏向は、図５中のＸ−Ｚ平面内のみならず、Ｘ−Ｙの平面内でも起こる。
【００４９】
図６は、プローブビームの位置センサへの入射位置の変動を検出するためのロックイン増幅器の構成を示すブロック図である。
【００５０】
このレーザ加工ヘッドにおいて、プローブビーム６の偏向（位置センサ７への入射位置の変動）を検出するには、位置センサ７からの光検出器信号から、周波数ｆを中心とする周波数成分を、図６に示すように、ロックイン増幅器を使用して抽出する。ロックイン増幅器を使用すると、プローブビーム６の偏向の振幅を抽出することができる。信号の振幅は、保護ガラス５の表面上に生じる吸収の量に比例する。
【００５１】
すなわち、位置センサ７として４象限（４セル）検出器を用いて、４つのセル（受光領域）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がそれぞれ、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４を出力するものとすると、これらは、各セルに入射するプローブビーム６の光量に比例している。４象眼光検出器の位置は、最初に、各セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が等しい信号を出力するように、つまり、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４となるように調節する。偏向信号は、２つの隣接するセル対の間の信号差、つまり、
〔ＶＵ＝Ｖ１＋Ｖ２〕−〔ＶＤ＝Ｖ３＋Ｖ４〕（添字Ｕは上部象限、Ｄは下部象限を示す）
または、
〔ＶＬ＝Ｖ１＋Ｖ３〕−〔ＶＲ＝Ｖ２＋Ｖ４〕（添字Ｌは左部象限、Ｒは右部象限を示す）
から得られ、これにより、２つの直交する方向の偏向を測定することができる。これらは、加算器９，１０及びＯＰアンプ１１によって得られ、ロックイン増幅器１２に送られる。ロックイン増幅器１２においては、周波数ｆで変調された信号の成分が抽出される。
【００５２】
ロックイン増幅器１２に入力される基準信号は、トランジスタ−トランジスタ論理回路（transistor-transistor-logic：ＴＴＬ）信号、例えば、０Ｖか５Ｖであり、加工用レーザ３の変調を駆動するためにも使用される。ロックイン増幅器１２の出力の信号は、基準信号により同位相及び直角位相（９０°の位相ずれ）の両方で測定され、保護ガラス５内部に発生する熱に比例した、プローブビーム６の偏向信号のモジュラスを抽出する。
【００５３】
なお、ロックイン増幅器の機能は、以下の部材を使用して実現することができる。すなわち、位置センサ７からの出力信号を電子増幅器により増幅し、アナログ−デジタル・コンパータにより、デジタル信号とする。そして、このデジタル信号について、信号処理装置により、所定の計算アルゴリズムを実行する。この計算アルゴリズムは、以下のものである。
【００５４】
（１）基準信号（０Ｖ〜５ＶのＴＴＬ周期信号）の平均値２．５Ｖを、ＴＴＬ信号から差し引く〔（−２．５Ｖ−２．５Ｖ）：Ｒ（ｔ）〕。
【００５５】
（２）位置センサ７の増幅出力Ｓ（ｔ）を、１秒程度の持続時間で２値化する。
【００５６】
（３）次の式のように、積Ｓ（ｔ）×Ｒ（ｔ）を計算し、１秒程度の時間Ｔにわたって積分する。
ＩＸ＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）×Ｒ（ｔ）ｄｔ
【００５７】
（４）さらに、Ｒ（ｔ）の基準信号を９０°の位相をずらして、Ｒ（ｔ）、積Ｓ（ｔ）×Ｒ（ｔ）を計算し、１秒程度の時間Ｔにわたって積分する。
ＩＹ＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）×Ｒ（ｔ）ｄｔ
【００５８】
（５）モジユラスＩは、Ｉ＝√（ＩＸ２＋ＩＹ２）で計算する。
【００５９】
（６）測定結果は、全信号により次のように正規化することができる。
〈Ｓ〉＝（１／Ｔ）∫ｔ＝０ＴＳ（ｔ）ｄｔ
【００６０】
このレーザ加工ヘッドにおけるプローブビーム６の偏向の測定感度は、以下の理由から、従来のレーザ加工ヘッドと比較して大幅に高めらている。すなわち、測定は、２つの隣接する検出器セルの間の信号差に基づくので、光熱信号が存在しない場合には、この信号差はゼロである。そのため、電子的に増幅されて得られる信号のノイズは、最小になる。また、変調周波数、例えばｆ＝１ｋＨｚにおける電子及び光学的ノイズは、図３中の（Ｃ）に示すように、低周波数の場合よりもかなり低い。さらに、プローブビーム６の検出出力、または、ビーム方向の変動は、位置センサ７に入射する全光量の出力を測定することにより追跡するので、較正を必要としない。
【００６１】
そして、金属のスパッタが保護ガラス５表面上に蓄積すると、保護ガラス５の発熱量が増えて、信号の振幅が大きくなる。信号の振幅がある所定の闘値を超えた場合には、保護ガラス５を交換しなければならないことを指示するため、アラーム（警報）信号をオペレータに送るなどの処理を行う。
【００６２】
図７は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がない場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【００６３】
図８は、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドの第１の実施形態において、保護ガラスへの不純物の付着がある場合に、測定されたプローブビームの偏向の振幅を示すグラフである。
【００６４】
このレーザ加工ヘッドにおいて得られた測定値は、保護ガラス５を経たプローブビーム６の偏向量に比例しており、結果として、保護ガラス５ヘの不純物の付着による熱吸収の影響が入射光量の変化、すなわち、偏向として確認される。
【００６５】
なお、この場合には、スパッタの付着による発熱が生じていない場合の、プローブビーム６を受光した信号の変調の振幅は、図７に示すように、ゼロではないベースライン（基準）信号となる。なお、図７においては、加工用レーザ３が０．５kw、１．０kw、１．５kw、２．０kwの場合のベースライン信号を示しており、これら各信号は重なって表示されている。そして、保護ガラス５にスパッタが付着し、吸収誘起加熱が生ずると、ベースライン信号は、図８に示すように、変化を生ずる。このようなベースライン信号のレベルの変化量を測定することにより、スパッタの付着による発熱を正確に知ることができる。図８においては、加工用レーザ３が０．５kw、１．０kw、１．５kw、２．０kwの場合のベースライン信号の変化を示している。
【００６６】
前述のように、本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドにおいては、高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）により保護ガラス５における吸収を検出することができるので、短時間に大きな変化が生じるときだけでなく、定常状態操作時を含むレーザ加工が実行されるときにはいつでも、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することが可能になる。
【００６７】
本発明は、レーザ出力変調が、１００Ｈｚ〜１００００Ｈｚまでの周波数範囲の加工用レーザに適用される。材料加工条件がＣＷ（連続）レーザ用に最適化されている場合には、レーザ出力の変動深さは、材料加工の切断品質に影響を与えないようにする必要がある。
【００６８】
〔第２の実施の形態〕
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、前述の実施の形態のように、プローブビーム６を保護ガラス５で内面反射させる構成に限定されず、図９に示すように、プローブビーム６を保護ガラス５を透過させて、位置センサ７によって受光するように構成してもよい。
【００６９】
この場合にも、位置センサ７からの出力信号を前述の実施の形態と同様に処理することにより、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することができる。
【００７０】
〔第３の実施の形態〕
本発明に係る高出力レーザ加工ヘッドは、前述の各実施の形態における構成に限定されず、図１０に示すように、プローブビーム６を保護ガラス５の表面近傍に表面に平行に通過させて位置センサ７によって受光するようにして、保護ガラス５の近傍の空中の温度勾配を調べるように構成してもよい。
【００７１】
この場合にも、位置センサ７からの出力信号を前述の実施の形態と同様に処理することにより、保護ガラス５へのスパッタの付着を監視することができる。しかしながら、プローブビーム６が保護ガラスを透過または反射するわけではないので、監視は間接的にならざるを得ない。また、保護ガラスの温度勾配が、空間を経てプローブビーム６に影響を及ぼすとしても、アシストガス等の外乱で、監視の結果は相殺される危険性がある。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、光学素子の監視装置を有する高出力レーザ加工ヘッドに適用される。
【符号の説明】
【００７３】
１ 集光レンズ
２ レーザビーム
３ 加工用レーザ
４ 加工対象物
５ 保護ガラス
６ プローブビーム
７ 位置センサ
８ 光源
１２ ロックイン増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、
前記保護ガラスに向けてプローブビームを照射する光源と、
上記保護ガラスを透過し、または、反射された上記プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、
上記位置センサからの出力信号より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工ヘッド。
【請求項２】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、
前記保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射する光源と、
上記プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、
上記位置センサからの出力信号より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工ヘッド。
【請求項３】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、
前記保護ガラスに向けてプローブビームを照射し、
上記保護ガラスを透過し、または、反射された上記プローブビームの偏向方向を検出し、
上記プローブビームの偏向方向の検出結果より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工方法。
【請求項４】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、
前記保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射し、
上記プローブビームの偏向方向を検出し、
上記プローブビームの偏向方向の検出結果より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工方法。
【請求項１】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、
前記保護ガラスに向けてプローブビームを照射する光源と、
上記保護ガラスを透過し、または、反射された上記プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、
上記位置センサからの出力信号より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工ヘッド。
【請求項２】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させる集光レンズと、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に配置された保護ガラスと、
前記保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射する光源と、
上記プローブビームの偏向方向を検出する位置センサと、
上記位置センサからの出力信号より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路が抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工ヘッド。
【請求項３】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、
前記保護ガラスに向けてプローブビームを照射し、
上記保護ガラスを透過し、または、反射された上記プローブビームの偏向方向を検出し、
上記プローブビームの偏向方向の検出結果より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工方法。
【請求項４】
１００Ｈｚ乃至１００００Ｈｚの一定周波数で出力変調された加工用レーザ光を加工対象物上に集光させ、
上記集光レンズと上記加工対象物との間の位置に保護ガラスを配置し、
前記保護ガラスの表面近傍に表面に平行にプローブビームを照射し、
上記プローブビームの偏向方向を検出し、
上記プローブビームの偏向方向の検出結果より、上記加工用レーザ光の変調周波数を中心とする周波数成分を抽出し、抽出した信号の振幅を、保護ガラスに付着した吸収不純物の量として評価する
ことを特徴とする高出力レーザ加工方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２４０３８９（Ｐ２０１１−２４０３８９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６１３８（Ｐ２０１０−１１６１３８）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（３９００１４６７２）株式会社アマダ (548)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（３９００１４６７２）株式会社アマダ (548)
【Ｆターム（参考）】
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