JP6079739B2 - レーザー走査速度の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー走査速度の測定方法の技術に関する。

近年、ホットスタンプ材の適用範囲が拡大しているが、ホットスタンプ材では、加熱成形をすることによって、鋼板表面に酸化被膜が形成される。酸化被膜は、塗料の密着性を悪化させる要因となるため、表面の酸化被膜を除去することが必要になる。
ホットスタンプ材の表面に形成された酸化被膜を除去する方法としては、パルスレーザーを用いた表面処理技術が知られている。
パルスレーザーを用いた表面処理技術では、加工条件を決める因子として、１パルスあたりのレーザーのエネルギー量、レーザーの発振周波数、レーザーの走査速度、がある。

レーザーを用いた加工技術に用いる検査装置としては、例えば、以下の特許文献１に示すものがあり、公知となっている。
特許文献１に示された検査装置では、加工中の音を検出し、加工状態を検査する。このような装置では、ヘッド走査速度とヘッド移動速度が同じであるため、レーザー走査速度は、ヘッド移動速度を検出することで、容易に検出することができる。

一方、レーザー加工装置としては、以下の特許文献２に示すような、レーザーの照射ヘッドが変位しない構成のものも存在している。

特開昭６２−１１４７８６号公報 特開２０１２−２５６０６２号公報

特許文献２に開示されたレーザー加工装置では、照射ヘッドの内部でミラーが動作することで、照射ヘッド自体を変位させることなく、レーザーを走査する構成としている。
そして、特許文献２に開示されたタイプのレーザー加工装置を用いる場合、照射ヘッドが変位しないため、レーザーの走査速度を測定することが困難である。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、ミラーの動作によってレーザーを走査する構成のレーザー加工装置を用いる場合において、レーザーの走査速度の測定を可能にする測定方法を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、レーザーを走査するミラーを有したレーザー加工装置でレーザーを照射してワークを加工する場合における、レーザー走査速度の測定方法であって、レーザーによる前記ワークの加工音を測定し、測定した前記加工音を周波数解析することによって、前記レーザーの走査速度を算出するものである。

請求項２においては、前記レーザーの走査速度は、前記加工音のドップラー効果による周波数シフト量に基づいて算出するものである。

請求項３においては、前記レーザーの走査速度の算出において、周波数解析した前記加工音を平均化処理するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ミラーの動作によってレーザーを走査する構成のレーザー加工装置を用いる場合において、レーザーの走査速度を測定することができる。

請求項２および請求項３においては、ミラーの動作によってレーザーを走査する構成のレーザー加工装置を用いる場合において、レーザーの走査速度を精度良く測定することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法を実現するレーザー加工機の全体構成を示す模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法における加工音の測定状況を示す模式図、（ａ）斜視模式図、（ｂ）側面視模式図。 パルスレーザーの照射状況（１パルスごとのレーザーの重なり具合）を示す図。 本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法における加工音の測定結果を示す図、（ａ）加工音の周波数分析結果を示す図、（ｂ）平均化処理をした結果を示す図。 レーザー加工機（照射ヘッドが変位するタイプ）を示す模式図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法の適用対象たるレーザー加工装置の全体構成について、図１および図５を用いて説明をする。
図１に示す如く、レーザー加工装置１は、パルスレーザーＰＬを照射して、ワーク１０に対する加工を行う装置であり、スキャナ２、光ファイバー３、受光素子（パワーメータ）４、およびマイク５を備える構成としている。
スキャナ２（所謂ガルバノスキャナ）は、複数のミラー６・７・８を備えており、そのうちのミラー７・８（所謂ガルバノミラー）は、互いに同一でない軸回りに回転可能に構成されている。
そして、スキャナ２は、ミラー７・８の動作によって、パルスレーザーＰＬを走査する構成としている。即ち、レーザー加工装置１は、スキャナ２自体を変位させることなく、スキャナ２から照射するパルスレーザーＰＬを走査する構成としている。

一方、図５には、本発明の適用対象でないレーザー加工装置の全体構成を示している。
図５に示す如く、レーザー加工装置２１は、パルスレーザーＰＬを照射する装置であり、照射ヘッド２２、光ファイバー２３、受光素子（パワーメータ）２４、ミラー２５等を備える構成としている。
そして、レーザー加工装置２１では、照射ヘッド２２自体を前後左右に変位させることによって、パルスレーザーＰＬを走査する構成としている。
このため、このような構成のレーザー加工装置２１では、照射ヘッド２２の変位を監視することによって、容易にパルスレーザーＰＬの走査速度を測定することが可能である。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法は、照射ヘッド２２が変位するタイプのレーザー加工装置２１を用いるような場合ではなく、ミラー７・８の動作によってパルスレーザーＰＬを走査するタイプのレーザー加工装置１を用いる場合において、パルスレーザーＰＬの走査速度の測定を可能にするものである。

ここで、レーザー加工装置１の動作について、図１〜図４を用いて説明をする。
図１に示す如く、スキャナ２を構成するミラー６は、ハーフミラーであり、図示しないレーザー源から発せられ光ファイバー３を介して入射されたパルスレーザーＰＬは、ミラー６を透過して、ミラー７・８で反射されて、ワーク１０に対して照射される。
ワーク１０に対するパルスレーザーＰＬの照射位置は、ミラー７・８の動作によって変更され、パルスレーザーＰＬは、図２に示すようにジグザグ状の走査線に沿って走査される。

ワーク１０に照射されたパルスレーザーＰＬの反射光ＲＬは、図１に示すように、ミラー８・７・６によって反射され、受光素子４に入射される。

ワーク１０は、パルスレーザーＰＬが照射されることによって、図２（ａ）（ｂ）に示すように、表面層（例えば、酸化被膜）が除去される。
パルスレーザーＰＬは、表面層の加工方向Ｘに対して直交する方向Ｙに向けて振幅するジグザグ状の走査線を描くように照射される。

そして、マイク５は、その軸線方向Ｍが、パルスレーザーＰＬの走査線の振幅方向である方向Ｙに対して平行となるように配置しており、パルスレーザーＰＬの照射位置（加工位置）の往復によって、ドップラー効果の影響を最も顕著に受けるように構成している。

図３に示す如く、パルスレーザーＰＬは、１パルスの照射における照射範囲Ａに対して、設定した強度でレーザーを照射することで、照射範囲Ａに対して所定のエネルギーを与えて、加工を施す構成としている。そして、その次の１パルスの照射においては、照射位置をずらして、次の照射範囲Ａに所定のエネルギーを与えられる構成としている。

次に、レーザー加工装置１により加工音を測定した実験結果について、図４を用いて説明をする。
本実験では、レーザー源にナノ秒パルスレーザーを用いて、室温２０℃の状態で、ホットスタンプ材たるワーク１０の表面における酸化被膜を除去し、その際の加工音を、マイク５によって測定した。また、ナノ秒パルスレーザーの発振周波数（加工周波数）を１５．０ｋＨｚとし、パルスレーザーＰＬの走査速度を９ｍ／ｓとして、マイク５を固定した状態（速度０）で測定をした。

そして、本実験では、周波数分析結果に基づき算出する走査速度が、実際の走査速度に精度良く一致することを確認することによって、加工音測定に基づく走査速度の算出が有効であることを確認した。

測定した加工音のドップラー効果における周波数シフト量Δｆは、音速をＶ、発振周波数をｆ、観測者の移動速度をＶ０、音源の移動速度をＶ１とするとき、Δｆ＝ｆ（Ｖ−Ｖ０）／（Ｖ−Ｖ１）で算出することができる。尚、本実験においては、音速Ｖを、Ｖ＝３３１．５＋０．６ｔ（ｔ：室温）で（オイラー級数）補正した。
尚、音速Ｖの補正式は、測定条件の雰囲気に合わせて、それに適した補正式を適宜採用することが好ましい。

上記実験条件によれば、上記数式による計算上の周波数シフト量Δｆは、０．４ｋＨｚとなるため、測定された加工音の周波数シフト後の周波数（以下、シフト周波数と呼ぶ）は、１４．６ｋＨｚおよび１５．４ｋＨｚとなることが予測される。

図４（ａ）には、パルスレーザーＰＬによりワーク１０を加工した際の加工音Ｓをマイク５で測定し、その加工音Ｓを周波数分析した結果を示している。
図４（ａ）によると、加工音Ｓの音圧が所定の値Ｚ以上となる周波数をシフト周波数と判断すると、シフト周波数は、１４．６ｋＨｚおよび１５．４ｋＨｚであると読み取ることができる。またこの場合、各シフト周波数の平均値は、１５．０ｋＨｚとなり、この値は、ナノ秒パルスレーザーの発振周波数ｆと一致している。

このように、図４（ａ）に示す実験結果からは、実験結果が計算結果および実験条件に精度良く一致することが確認できた。
即ち、この加工音Ｓの測定結果を用いれば、周波数シフト量Δｆの算出式に基づいて、パルスレーザーＰＬの走査速度を精度良く算出することができることが確認できた。

尚、上記態様では、加工音Ｓの音圧が所定の値Ｚを超えた周波数をシフト周波数と判断する構成としているが、加工音Ｓの周波数分析結果を平均化して、音圧のピークが現れる周波数を用いる構成としてもよい。
図４（ｂ）には、パルスレーザーＰＬによりワーク１０を加工した際の加工音Ｓをマイク５で測定し、その加工音Ｓを周波数分析するとともに、平均化処理した結果を示している。

図４（ｂ）によると、加工音Ｓの音圧のピークは、計算上のシフト周波数である１４．６ｋＨｚおよび１５．４ｋＨｚと、概ね一致している。
即ち、マイク５で測定した加工音Ｓを周波数分析するとともに、平均化処理した結果に基づいても、周波数シフト量Δｆの算出式から、パルスレーザーＰＬの走査速度を精度良く算出することが可能である。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法は、レーザーを走査するミラー７・８を有したレーザー加工装置１でパルスレーザーＰＬを照射してワーク１０を加工する場合における、レーザー走査速度の測定方法であって、パルスレーザーＰＬによるワーク１０の加工音Ｓを測定し、測定した加工音Ｓを周波数解析することによって、パルスレーザーＰＬの走査速度Ｖ１を算出するものである。

このような構成により、照射ヘッドが変位せず、ミラー７・８の動作によってパルスレーザーＰＬを走査する構成のレーザー加工装置１を用いる場合において、パルスレーザーＰＬの走査速度Ｖ１を測定することができる。

また、本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法においては、パルスレーザーの走査速度Ｖ１は、加工音Ｓのドップラー効果による周波数シフト量Δｆに基づいて算出するものであり、さらに、パルスレーザーの走査速度Ｖ１の算出において、周波数解析した加工音Ｓを平均化処理するものである。
このような構成により、パルスレーザーＰＬの走査速度Ｖ１を精度良く測定することができる。

尚、本発明の一実施形態に係るレーザー走査速度の測定方法においては、加工音Ｓを測定して走査速度Ｖ１を算出する構成としているが、加工音Ｓの代わりに、ワークに発生する振動を検出したり、あるいは、加工中に生じる反射光を検出したりすることによって、ドップラー効果の利用により走査速度Ｖ１を算出することも可能である。
尚、振動を利用する場合には、物質中の振動伝達に係る計算式を用いるとともに、光を利用する場合には、光のドップラー効果に係る計算式を用いる。

また本実施形態では、パルスレーザーＰＬの走査速度を測定する方法について例示したが、パルスレーザーでないレーザーを使用する場合であっても、本発明に係る測定方法により、走査速度を測定することができる。

１ レーザー加工装置
７ ミラー
８ ミラー
１０ ワーク
ＰＬ パルスレーザー
Ｓ 加工音
Ｖ１ 走査速度

Claims (3)

1. レーザーを走査するミラーを有したレーザー加工装置でレーザーを照射してワークを加工する場合における、レーザー走査速度の測定方法であって、
   レーザーによる前記ワークの加工音を測定し、
   測定した前記加工音を周波数解析することによって、前記レーザーの走査速度を算出する、
   ことを特徴とするレーザー走査速度の測定方法。
2. 前記レーザーの走査速度は、
   前記加工音のドップラー効果による周波数シフト量に基づいて算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー走査速度の測定方法。
3. 前記レーザーの走査速度の算出において、
   周波数解析した前記加工音を平均化処理する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー走査速度の測定方法。

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