JP2004243408A

JP2004243408A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2004243408A
Application number: JP2003038857A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Muto; 善博武藤; Masaki Ito; 正樹伊藤; Tetsukazu Kitamoto; 哲一北本; Yoshihiro Nagata; 善啓永田
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02
Also published as: EP1447168A2; US20040159643A1

Abstract

【課題】レーザ光の照射によりプラズマが多く発生する場合であっても、倣い制御を正常に機能させることの出来る、レーザ加工機の提供。
【解決手段】レーザ照射手段２０は、環状電極２８の内周に、中心電極２３を有しており、中心電極電位制御手段３９は、中心電極２３の電位を、０または正の定電圧に制御するので、該定電圧に制御された中心電極２３上に存在する、レーザ光ＲＺの照射により生じたプラズマＰＺ中の荷電粒子を、当該中心電極２３を介して吸収することが可能となり、レーザ照射手段２０とワーク６０との間の空間における、プラズマＰＺの拡散を抑制することが出来る。これにより、プラズマＰＺが多量に発生する場合であっても、環状電極２８からの電気力線がプラズマＰＺにより乱されることがなくなり、環状電極２８とワーク６０との間に生じる静電容量Ｃ_ＧＡＰの変動を防止することが出来る。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークの切断加工などを行なうことが出来る、レーザ加工機に係り、詳しくは、トーチに設けた環状電極とワークとの間の静電容量に基づいて、トーチ先端とワークとの間の間隙長を制御することの出来る、レーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のレーザ加工機は、レーザ光を照射するトーチに環状電極を設け、該環状電極とワークとの間に生じる静電容量に基づいて、トーチ先端とワークとの間の間隙長を一定に制御することにより、トーチをワークに対して相対的に移動駆動させながら、レーザ光の焦点位置を、ワークの集光すべき所定位置に制御することの出来る、倣い制御機能を有していた。
【０００３】
しかし、レーザ光をワークに照射すると、イオンや電子の荷電粒子などからなるプラズマが、加工点から発生するため、上記静電容量が間隙長とは無関係に変動して、上述した倣い制御機能が正常に機能しない場合があった。これに対して、環状電極を加工点から遠ざけるよう構成した、レーザ加工機が提案されているが（例えば、特許文献１）、プラズマが多く発生した場合、プラズマが環状電極に接近して、上述と同様に静電容量を変動させる不都合があった。
【０００４】
そこで、例えば図７（ａ）に示すように、トーチ５０に設けた環状電極５１の内周に、絶縁層５３を介してガード電極５２を設け、該ガード電極５２に高周波電圧を供給することによって、該高周波電圧による電気力線ＦＬを発生させ、静電容量Ｃ_ＧＡＰをプラズマＰＺから電気的に遮断し、上述したプラズマＰＺによる静電容量Ｃ_ＧＡＰの変動を防止することの出来る、レーザ加工機が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−２２４９０号公報（第６−８頁、第１図）
【特許文献２】
特開平３−１６５９８９号公報（第７−９頁、第１図）
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したようなレーザ加工機であっても、図７（ｂ）に示すように、プラズマＰＺが多く発生する場合、高周波電圧による電気力線ＦＬがプラズマＰＺに引き込まれるため、静電容量Ｃ_ＧＡＰをプラズマＰＺから完全に遮断することが出来なくなり、環状電極５１とプラズマＰＺの間に、静電容量Ｃ_ＧＡＰを変動させる静電容量Ｃ_ＰＺが生じることにより、倣い制御機能が、上述と同様に正常に機能しない不都合があった。
【０００６】
本発明は、上記した事情に鑑み、レーザ光の照射によりプラズマが多く発生する場合であっても、倣い制御を正常に機能させることの出来る、レーザ加工機を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、レーザ光（ＲＺ）をワーク（６０）に照射することの出来る、レーザ照射手段（２０）を設け、該レーザ照射手段（２０）は、前記レーザ光の射出口（２３ａ）と、該射出口（２３ａ）の外周に、前記ワーク（６０）に対向する環状電極（２８）とを有し、該環状電極（２８）と前記ワーク（６０）との間に生じる静電容量（Ｃ_ＧＡＰ）に基づいて、前記レーザ照射手段（２０）と前記ワーク（６０）との間隙長（ＧＡＰ）を制御することの出来る、間隙長制御手段（３３、３５、３７、３７ａ、４０）を設けたレーザ加工機（１）において、
前記レーザ照射手段（２０）は、前記環状電極（２８）の内周に、中心電極（２３）を有し、
前記中心電極（２３）の電位を、０または正の定電圧に制御することの出来る、中心電極電位制御手段（３９）を設けたことを特徴として構成される。
【０００８】
請求項２の発明は、前記中心電極（２３）は、前記レーザ光の射出口（２３ａ）を中心として同心円状に形成された、ワーク対向面（２３ｂ）を有することを特徴として構成される。
【０００９】
請求項３の発明は、前記レーザ照射手段（２０）は、前記中心電極（２３）と前記環状電極（２８）との間に介在する、第１のガード環状電極（２７ａ）を有し、
前記環状電極（２８）を接続する、入力インピーダンスが∞の入力部（３８ａ）と、前記第１のガード環状電極（２７ａ）を接続する、出力インピーダンスが０の出力部（３８ｂ）とを有する、インピーダンス変換手段（３８）を設け、前記環状電極（２８）に高周波電圧（Ｖ_ＨＦ）を供給することの出来る、高周波電圧供給手段（３６）を設けたことを特徴として構成される。
【００１０】
請求項４は、前記レーザ照射手段（２０）は、前記インピーダンス変換手段の出力部（３８ｂ）に接続された、第２のガード環状電極（２７ｂ）を、前記環状電極（２８）の外周に有することを特徴として構成される。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、レーザ照射手段（２０）は、環状電極（２８）の内周に、中心電極（２３）を有しており、中心電極電位制御手段（３９）は、中心電極（２３）の電位を、０または正の定電圧に制御するので、該定電圧に制御された中心電極（２３）上に存在する、レーザ光（ＲＺ）の照射により生じたプラズマ（ＰＺ）中の荷電粒子（例えば電子やイオン）を、当該中心電極（２３）を介して吸収することが可能となり、レーザ照射手段（２０）とワーク（６０）との間の空間における、プラズマ（ＰＺ）の拡散を抑制することが出来る。これにより、プラズマ（ＰＺ）が多量に発生する場合であっても、環状電極（２８）からの電気力線（例えば、図５及び図６に示すＦＬ_ＧＡＰ）がプラズマ（ＰＺ）により乱されることがなくなり、環状電極（２８）とワーク（６０）との間に生じる静電容量（Ｃ_ＧＡＰ）の変動を防止することが出来、間隙長制御手段（３３、３５、３７、３７ａ、４０）は、誤動作することなく、レーザ照射手段（２０）とワーク（６０）との間隙長（ＧＡＰ）を制御することが出来る。
【００１２】
また、中心電極（２３）の電位を、正の定電圧に制御した場合、中心電極（２３）上に存在する荷電粒子だけでなく、レーザ照射手段（２０）とワーク（６０）との間の空間に拡散している、電子やマイナスイオンなどの荷電粒子を、正の定電圧に制御された当該中心電極（２３）を介して吸収することが出来るので、レーザ照射手段（２０）とワーク（６０）との間の空間における、プラズマ（ＰＺ）の拡散を更に抑制することが出来る。
【００１３】
請求項２の発明によれば、中心電極（２３）は、レーザ光の射出口（２３ａ）を中心として同心円状に形成された、ワーク対向面（２３ｂ）を有するので、射出口（２３ａ）に対向する加工点（例えば図５及び図６に示すＰ）から略同心円状に拡散する、プラズマ（ＰＺ）の荷電粒子を、上記ワーク対向面（２３ｂ）を介して吸収し、プラズマ（ＰＺ）の拡散を効率的に抑制することが出来る。
【００１４】
請求項３の発明によれば、レーザ照射手段（２０）は、中心電極（２３）と環状電極（２８）との間に介在する、第１のガード環状電極（２７ａ）を有しており、インピーダンス変換手段（３８）は、環状電極（２８）を接続する、入力インピーダンスが∞の入力部（３８ａ）と、第１のガード環状電極（２７ａ）を接続する、出力インピーダンスが０の出力部（３８ｂ）とを有している。そして、高周波電圧供給手段（３６）は、上記環状電極（２８）に高周波電圧（Ｖ_ＨＦ）を供給し、該供給された高周波電圧（Ｖ_ＨＦ）による所定電圧（例えばＶ_ＧＡＰ）は、環状電極（２８）と、入力部（３８ａ）から出力部（３８ｂ）を介して、第１のガード環状電極（２７ａ）とに印加されるので、第１のガード環状電極（２７ａ）とワーク（６０）との間に生じる静電容量（例えば図５及び図６に示すＣａ）が変動する場合であっても、上記所定電圧（例えばＶ_ＧＡＰ）の変動を防止することが出来る。これにより、第１のガード環状電極（２７ａ）からの電気力線（例えば、図５及び図６に示すＦＬａ）を、プラズマ（ＰＺ）と、環状電極（２８）とワーク（６０）の間に生じる静電容量（Ｃ_ＧＡＰ）との間に介在させることが可能となり、環状電極（２８）からの電気力線（例えば図５及び図６のＦＬ_ＧＡＰ）をプラズマ（ＰＺ）に終端させることを防止でき、環状電極（２８）とワーク（６０）との間に生じる静電容量（Ｃ_ＧＡＰ）の変動を、更に防止することが出来る。
【００１５】
また、第１のガード環状電極（２７ａ）からの電気力線（例えば図５及び図６に示すＦＬａ）は、高周波電圧（Ｖ_ＨＦ）により発生するので、プラズマ（ＰＺ）中の荷電粒子に一定のクーロン力を与えることなく、これら荷電粒子を、レーザ照射手段（２０）とワーク（６０）との間の空間に拘束することが出来、プラズマ（ＰＺ）の拡散を抑制することが出来る。
【００１６】
請求項４の発明によれば、レーザ照射手段（２０）は、インピーダンス変換手段の出力部（３８ｂ）に接続された、第２のガード環状電極（２７ｂ）を、環状電極（２８）の外周に有しており、高周波電圧供給手段（３６）により供給された高周波電圧（Ｖ_ＨＦ）による所定電圧（例えばＶ_ＧＡＰ）が、環状電極（２８）及び第１のガード環状電極（２７ａ）と共に、第２のガード環状電極（２７ｂ）に印加されるので、環状電極（２８）からの電気力線（例えば、図５及び図６に示すＦＬ_ＧＡＰ）を、法線方向からワーク（６０）に終端させることが出来る。これにより、環状電極（２８）とワーク（６０）との間に生じる静電容量（Ｃ_ＧＡＰ）を、間隙長（ＧＡＰ）のみに応じて変化させることが出来、間隙長制御手段（３３、３５、３７、３７ａ、４０）は、精度の高い、間隙長（ＧＡＰ）の制御を行うことが出来る。
【００１７】
なお、括弧内の番号などは、本発明の理解を助けるために、図面における対応する要素を便宜的に示すものである。従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではなく、また、この符号の記載により本発明を解釈すべきでない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す全体斜視図、図２は、トーチの一例を示す図で、（ａ）は概略側面（一部断面）図、（ｂ）は概略底面図、図３は、制御装置の一例を示すブロック図、図４は、インピーダンス変換部及び中心電極電位制御部の周辺における概略回路図、図５は、本発明による倣い制御であって、中心電極を接地した場合の説明図、図６は、本発明による倣い制御であって、中心電極を正の電位に制御した場合の説明図、図７は、従来のレーザ加工機による倣い制御の説明図で、（ａ）はプラズマの発生量が少ない場合、（ｂ）はプラズマの発生量が多い場合である。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例であるレーザ加工機１を示している。本発明が適用されるレーザ加工機１は、例えば加工用ＣＮＣ装置（ＮＣ切断機）であり、ワーク設置装置１ａ、レーザ照射装置１ｂ、及び制御装置１ｃを備えている。ワーク設置装置１ａの上方には、レーザ照射装置１ｂが配設されており、ワーク設置装置１ａ及びレーザ照射装置１ｂには、制御装置１ｃが付設されている。
【００２０】
ワーク設置装置１ａには、当該レーザ加工機１を床に固定させる、ベース２が設けられており、ベース２には、その上面にテーブル３が設けられている。テーブル３には、ワーク６０を載置する水平なワーク搭載面３ａが設けられており、ワーク搭載面３ａは、適宜な駆動モータ（図示せず）により、ベース２に対して矢印Ａ、Ｂ方向（Ｘ軸方向）に移動駆動自在に設けられている。また、ワーク搭載面３ａには、載置されたワーク６０を接地することの出来る、接地処理手段（図示せず）が設けられている。
【００２１】
レーザ照射装置１ｂには、コラム５が設けられており、コラム５は、Ｘ軸方向に移動駆動自在な上記テーブル３に干渉することがないように、テーブル３を跨ぐ形でベース２に固定されている。また、コラム５には、Ｘ軸方向に直角かつ水平な矢印Ｃ、Ｄ方向（Ｙ軸方向）に沿って、サドル用レール５ａ、５ａが設けられており、サドル用レール５ａ、５ａには、適宜な駆動モータ（図示せず）により、コラム５に対してＹ軸方向に移動駆動自在な、サドル６が設けられている。
【００２２】
また、サドル６の内部には、加工ヘッド本体（図示せず）が設けられており、加工ヘッド本体は、適宜な駆動モータ（図示せず）により、コラム５に対してＸ及びＹ軸方向に直角な矢印Ｅ、Ｆ方向（Ｚ軸方向）に、移動駆動自在に構成されている。
【００２３】
また、コラム５には、上記サドル６よりも図１中の矢印Ｂ側（紙面奥側）の位置において、レーザ発振器（図示せず）が設けられている。レーザ発振器は、レーザ媒質が、例えば、ＣＯ_２（炭酸ガス）やＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶）などからなり、当該媒質を介してレーザ光を発振・射出自在に構成されている。また、レーザ発振器は、レーザ光路管７を介して上記加工ヘッド本体に接続されている。
【００２４】
レーザ光路管７は、上記レーザ発振器に接続された光路管７ａ（破線により一部のみ図示）及び、該光路管７ａと加工ヘッド本体との間を矢印Ａ、Ｂ方向に接続した伸縮管７ｂを有している。伸縮管７ｂは、サドル６と光路管７ａとの間の動きに伴って伸縮するテレスコーピック機構などにより構成されている。従って、前記レーザ発振器により発振・射出されたレーザ光は、レーザ光路管７の光路管７ａの内部を通過し、更に伸縮管７ｂの内部を通過する形で、サドル６内の加工ヘッド本体に到達するようになっている。
【００２５】
加工ヘッド本体には、外スリーブ部材９が設けられており、外スリーブ部材９は、適宜な駆動モータ（図示せず）により、Ｚ軸に平行な軸心ＣＴ１を中心に、加工ヘッド本体に対して回転駆動・位置決め自在に軸支されている。外スリーブ部材９には、回転先端部材１０が設けられており、回転先端部材１０は、適宜な駆動モータ（図示せず）により、軸心ＣＴ１に直角かつ水平な軸心ＣＴ２を中心に、外スリーブ部材９に対して回転駆動・位置決め自在に軸支されている。回転先端部材１０には、ワーク搭載面３ａに対して直角に向いたトーチ２０が設けられている。また、トーチ２０には、サーボモータ３７ａ（図示せず）が設けられており、トーチ２０は、該サーボモータ３７ａを介して図中上下方向に移動・位置決め自在に構成されている。
【００２６】
外スリーブ部材９及び回転先端部材１０の内部には、適宜な反射鏡（図示せず）が設けられており、これら反射鏡は、加工ヘッド本体に到達して該加工ヘッド本体の内部を通過したレーザ光を、外スリーブ部材９、回転先端部材１０、及びトーチ２０の内部を通過させて、ワーク６０に対して法線方向から照射できるように構成されている。
【００２７】
また、外スリーブ部材９の内部には、適宜な集光レンズ（図示せず）が設けられており、該集光レンズは、レーザ光を、ワーク６０における集光すべき所定位置に集光できるように構成されている。更に、トーチ６０には、窒素などアシストガスのボンベに接続されたアシストガス放出手段（図示せず）が設けられており、アシストガス放出手段は、ワーク６０に対してアシストガスを放出自在に構成されている。
【００２８】
図２は、トーチの一例を示す図で、（ａ）は概略側面（一部断面）図、（ｂ）は概略底面図である。トーチ２０には、図２（ａ）に示すように、集光されたレーザ光ＲＺ（２点鎖線）に干渉しないように、略円錐形状の中空部２１ａが形成された、内スリーブ部材２１が設けられている。内スリーブ部材２１は、上述した図１に示す回転先端部材１０に、保持部２５を介して係合されている。また、内スリーブ部材２１の図中下方には開口部２１ｂが設けられており、該開口部２１ｂには、中心電極２３が嵌入されている。
【００２９】
中心電極２３は、適宜な導電性材料からなり、略円筒形状に形成されている。また、該円筒形状は、上記内スリーブ部材２１と同様に、レーザ光ＲＺ（２点鎖線）に干渉しないように、図中上方側が開口している。一方、円筒形状の図中下方側には、図２（ｂ）に示すように、略円形状に形成された、プラズマ対向面２３ｂが設けられており、プラズマ対向面２３ｂの中心には、レーザ光ＲＺの射出口２３ａが設けられている。
【００３０】
中心電極２３の外周には、適宜な材料からなる絶縁層２６ａを介して、第１ガード電極２７ａが設けられている。第１ガード電極２７ａは、適宜な導電性材料からなり、図２（ａ）に示すように略円筒形状に形成されている。また、第１ガード電極２７ａの外周には、絶縁層２６ｂを介して、センサ電極２８が設けられている。センサ電極２８も、第１ガード電極２７ａと同様に、適宜な導電性材料からなり、同図（ａ）に示すように略円筒形状に形成されている。更に、センサ電極２８の外周には、絶縁層２６ｃを介して、第２ガード電極２７ｂが設けられている。第２ガード電極２７ｂも、第１ガード電極２７ａ及びセンサ電極２８と同様に、適宜な導電性材料からなり、同図（ａ）に示すように略円筒形状に形成されている。なお、第１ガード電極２７ａは、接触部ＣＴを介して第２ガード電極２７ｂと電気的に接続されている。
【００３１】
即ち、第１ガード電極２７ａ、センサ電極２８、及び第２ガード電極２７ｂは、図２（ｂ）に示すように、それぞれ環状に形成されている。従って、トーチ２０は、中心電極２３の射出口２３ａを中心として、中心電極２３のプラズマ対向面２３ｂ、絶縁層２６ａ、第１ガード電極２７ａ、絶縁層２６ｂ、センサ電極２８、絶縁層２６ｃ、及び第２ガード電極２７ｂの順に同心円状に構成されている。なお、以下の説明では、第１ガード電極２７ａと第２ガード電極２７ｂを区別する必要がない場合は、単に、ガード電極２７ａ、２７ｂと表現する。
【００３２】
次いで、図３は、制御装置１ｃの一例を示すブロック図を示している。レーザ加工機１の制御装置１ｃは、図３に示すように、主制御部３０を有しており、主制御部３０にはバス線４１を介して、キーボードなどの入力部３１、加工制御部３２、変位量演算部３３、基準電圧メモリ３５、高周波電圧供給部３６、サーボモータ駆動制御部３７、中心電極電位制御部３９、電圧検出部４０などが接続されている。
【００３３】
また、サーボモータ駆動制御部３７には、サーボモータ３７ａが接続されている。高周波電圧供給部３６には、センサ電極２８が接続されており、インピーダンス変換部３８を介して、第１ガード電極２７ａ、及び第２ガード電極２７ｂが接続されている。中心電極電位制御部３９には、中心電極２３が接続されている。
【００３４】
図４は、インピーダンス変換部３８及び中心電極電位制御部３９の周辺における概略回路図を示している。なお、図４は、発明の理解を容易にするために必要な要素のみを示しており、実際の回路は、更に複雑なもので各種の能動素子や受動素子などを含むものである。
【００３５】
高周波電圧供給部３６には、高周波電源（図示せず）が設けられており、高周波電圧供給部３６は、該高周波電源により、ｋＨｚないしＭＨｚオーダの周波数からなる、高周波電圧Ｖ_ＨＦが出力自在に構成されている。
【００３６】
インピーダンス変換部（破線枠内）３８には、オペアンプＯＰが設けられており、オペアンプＯＰの出力端子は、抵抗などを介すことなく、当該オペアンプＯＰの反転入力端子（マイナス端子）に接続されることにより、該インピーダンス変換部３８は、ボルテージホロワとして機能している。即ち、インピーダンス変換部３８は、増幅率が略１であって、入力インピーダンスが∞の入力部３８ａと、出力インピーダンスが０の出力部３８ｂとを有している。なお、入力インピーダンスが∞、出力インピーダンスが０とは、入力インピーダンスと出力インピーダンスが近似的に∞、０の関係にあることを意味する。
【００３７】
高周波電圧供給部３６は、適宜な抵抗Ｒに接続され、分岐点ＩＮを介して、それぞれセンサ電極２８と、インピーダンス変換部３８の入力部３８ａに接続されている。また、インピーダンス変換部３８の出力部３８ｂは、分岐点ＯＵＴを介して、それぞれ第１ガード電極２７ａと、電圧検出部４０に接続されている。また、上述したように、第１ガード電極２７ａは、接触部ＣＴを介して第２ガード電極２７ｂに電気的に接続されているので、上記出力部３８ｂは、第１ガード電極２７ａを介して、第２ガード電極２７ｂに接続されている。
【００３８】
また、中心電極電位制御部３９は、定電圧電源ＶＳが設けられており、該定電圧電源ＶＳは接地されている。即ち、中心電極電位制御部３９は、正の定電圧を中心電極２３に出力自在であり、また０Ｖの場合は（電圧を出力しない場合は）中心電極２３に接地自在となるように構成されている。
【００３９】
レーザ加工機１は以上のような構成を有するので、レーザ加工機１を用いてワーク６０を加工する際には、まずオペレータは、図１に示すように、加工すべきワーク６０をワーク搭載面３ａ上に載置する。次いでオペレータは、制御装置１ｃが備える起動スイッチ（図示せず）を介して、レーザ加工機１を起動すると、接地処理手段が起動され、載置されたワーク６０が接地される。そして、キーボードなどの入力部３１を介して、材質や板厚などの加工条件と所定の加工形状に基づいた、加工指令を入力したとする。すると、これを受けて主制御部３０は、当該加工指令に応じた制御の実行を、加工制御部３２に指令する。
【００４０】
加工制御部３２は、まず、各軸の駆動モータ（図示せず）を駆動制御し、トーチ２０を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の所定軸方向に移動駆動させて、所定位置（例えばピアシングポイント）に配置させる。そして、レーザ発振器（図示せず）を発振させて、レーザ光ＲＺを射出させる。射出されたレーザ光ＲＺは、レーザ光路管７、加工ヘッド本体（図示せず）、外スリーブ部材９、回転先端部材１０、及びトーチ２０を介して、ワーク６０に照射される。また、レーザ光ＲＺの照射と共に、アシストガス放出手段（図示せず）が起動され、アシストガスがワーク６０に放出される。
【００４１】
こうして、レーザ光ＲＺがワーク６０に照射されると、加工制御部３２は、ベース３、サドル６、加工ヘッド本体、外スリーブ部材９、及び回転先端部材１０を、適宜、移動駆動または回転駆動・位置決めすることにより、加工指令に応じた加工形状に沿って、トーチ２０をワーク６０に対して相対的に移動させる。
この際、トーチ２０の当該移動に伴って、トーチ２０先端とワーク６０との間隙長ＧＡＰを略一定に制御する、倣い制御を実行する。
【００４２】
図５は、本発明による倣い制御であって、中心電極２３を接地した場合の説明図である。センサ電極２８は、図５に示すように、ワーク６０と対向しており、センサ電極２８とワーク６０との間には、図２（ｂ）に示す環状のセンサ電極２８と、これに対向するワーク６０とが、コンデンサの対向電極として機能し、静電容量Ｃ_ＧＡＰが生じている。従って、抵抗Ｒと静電容量Ｃ_ＧＡＰは、ワーク６０が接地処理手段により接地されていることから、高周波電圧供給部３６に対して、直列回路を構成している。
【００４３】
一方、第１ガード電極２７ａとワーク６０との間には、上述した静電容量Ｃ_ＧＡＰと同様に、静電容量Ｃａが生じており、第２ガード電極２７ｂとワーク６０との間には、同様に、静電容量Ｃｂが生じている。従って、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂは、インピーダンス変換部３８の出力部３８ｂに対して並列回路を構成している。
【００４４】
この状態で、高周波電圧供給部３６が、高周波電圧Ｖ_ＨＦを出力すると、該高周波電圧Ｖ_ＨＦは、抵抗Ｒを介して、センサ電極２８に入力される。抵抗Ｒと静電容量Ｃ_ＧＡＰは、上述したように直列回路を構成しているので、分岐点ＩＮの電位Ｖ_ＩＮは、静電容量Ｃ_ＧＡＰ間の電圧降下分に相当し、高周波電圧Ｖ_ＨＦに対して、所定電圧値だけ低くかつ所定位相のずれた電圧（以下、「電圧Ｖ_ＧＡＰ」とする）になる。
【００４５】
電圧Ｖ_ＧＡＰは、インピーダンス変換部３８の入力部３８ａに入力され、当該インピーダンス変換部３８の増幅率は略１なので、当該電圧Ｖ_ＧＡＰが、分岐点ＯＵＴの電位Ｖ_ＯＵＴとしてそのまま出力される。静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂは、上述したように並列回路を構成しているので、出力された電圧Ｖ_ＧＡＰは、第１ガード電極２７ａと第２ガード電極２７ｂに、それぞれ入力される。
【００４６】
即ち、第１ガード電極２７ａ、第２ガード電極２７ｂ、及びセンサ電極２８に入力される電圧Ｖ_ＧＡＰは、同位相なので、センサ電極２８からの電気力線Ｆ_ＧＡＰは、隣り合うガード電極２７ａ、２７ｂなどで終端することなく（つまり、静電容量Ｃ_ＧＡＰと異なる静電容量が新たに生じることなく）、対向するワーク６０に終端する。しかも、入力される電圧Ｖ_ＧＡＰは、同じ電圧値なので、上記電気力線Ｆ_ＧＡＰは、センサ電極２８から広がりながらワーク６０に終端することなく、該電気力線Ｆ_ＧＡＰに隣り合う、第１ガード電極２７ａからの電気力線ＦＬａと、第２ガード電極２７ｂからの電気力線ＦＬｂに対して、それぞれ略平行となる。
【００４７】
従って、図２（ｂ）に示すセンサ電極２８に対して法線方向のワーク６０表面が、つまり当該環状電極をワーク６０に投射した部分が、静電容量Ｃ_ＧＡＰのワーク６０側における対向電極として機能する。これにより、静電容量Ｃ_ＧＡＰにおける対向電極の断面積（上記環状電極の面積）は、略一定となるので、静電容量Ｃ_ＧＡＰは、図５に示す間隙長ＧＡＰ（つまりセンサ電極２８とワーク６０の最短距離）のみに応じて変化することになる。
【００４８】
例えば、間隙長ＧＡＰが大きくなると、静電容量Ｃ_ＧＡＰが小さくなり（電圧Ｖ_ＧＡＰが大きくなり）、逆に、間隙長ＧＡＰが小さくなると、静電容量Ｃ_ＧＡＰが大きくなる（電圧Ｖ_ＧＡＰが小さくなる）関係になる。即ち、倣い制御を実行するには、予め、所定の間隙長ＧＡＰに応じた所定の電圧Ｖ_ＧＡＰ（以下、「基準電圧値」とする）を設定して、トーチ２０の移動制御中に、電圧Ｖ_ＧＡＰを検出して基準電圧値に対するずれを補正すればよい。
【００４９】
従って、電圧検出部４０は、トーチ２０の移動制御中に、電位Ｖ_ＯＵＴを常に検出しており、インピーダンス変換部３８の出力部３８ｂから出力された電圧Ｖ_ＧＡＰが、電圧検出部４０に入力されると、これを検出して該検出結果を変位量演算部３３に出力する。
【００５０】
なお、センサ電極２８として、環状に形成された電極を示したが、必ずしも、図２（ｂ）に示すような連続した「環」である必要はなく、不連続な「環」であってもよい。例えば、図２（ｂ）に示すセンサ電極２８上に、所定数（例えば１個ないし３個）の切り欠きを形成してもよく、また、分割されたセンサ電極を、環状に配置してもよい。
【００５１】
一方、基準電圧メモリ３５には、設定すべき間隙長ＧＡＰに対応する基準電圧値のテーブルが準備されており、変位量演算部３３は、倣い制御の起動の際に、基準電圧メモリ３５から該テーブルを呼び出して、オペレータにより入力された加工条件（例えば材質や板厚）に基づいて、設定すべき間隙長ＧＡＰに対応する基準電圧値を設定している。
【００５２】
また、変位量演算部３３は、電圧検出部４０から受けた検出結果に基づいて、基準電圧値に対するずれに相当する電圧値Ｖを演算する。そして、該演算した電圧値Ｖに基づいて、電圧値Ｖと、間隙長ＧＡＰに対するトーチ２０の変位量（つまりサーボモータ３７ａの変位角度）との関係式から、間隙長ＧＡＰに対するトーチ２０の変位量を演算して、演算したトーチ２０の変位量を、サーボモータ駆動制御部３７に出力する。すると、サーボモータ駆動制御部３７は、トーチ２０の変位量に応じて、サーボモータ３７ａを所定変位角度だけ駆動制御する。そして、トーチ２０が、図５中、上方向あるいは下方向に移動・位置決めされ、間隙長ＧＡＰが、略一定に維持される。
【００５３】
このように、倣い制御が実行されると、ワーク６０表面の起伏に応じて、トーチ２０の変位量が、変位量演算部３３により直ちに演算され、間隙長ＧＡＰを略一定となるように、サーボモータ３７ａにより、トーチ２０が移動・位置決めされる。従って、レーザ光ＲＺの焦点位置は、ワーク６０において集光すべき所定位置（例えば図５に示す加工点Ｐ）に維持されることになる。
【００５４】
なお、上述した倣い制御を実行するにあたり、必ずしもガード電極２７ａ、２７ｂは必要なく、倣い制御の精度が低下するが、例えば、センサ電極２８の内外周にガード電極２７ａ、２７ｂを設けることなく、絶縁性の部材で構成するようにしてもよい。
【００５５】
こうして、レーザ光ＲＺをワーク６０に照射していくと、図５に示すように、加工点Ｐにおいてワーク６０が溶融するため、トーチ２０とワーク６０との間で、イオンや電子ｅなどの荷電粒子などからなる、プラズマＰＺが生じる。
【００５６】
プラズマＰＺと静電容量Ｃ_ＧＡＰとの間には、既に述べたように、電気力線ＦＬａが介在しており、センサ電極２８からの電気力線ＦＬ_ＧＡＰをプラズマＰＺに終端させることなく（つまり静電容量Ｃ_ＧＡＰを変動させることなく）、電気力線ＦＬｂがプラズマＰＺに終端する。これにより、静電容量Ｃａが変動するが、静電容量Ｃａと静電容量Ｃ_ＧＡＰとの間には、ボルテージホロワとして機能する、インピーダンス変換部３８が介在しているので、電圧Ｖ_ＧＡＰは、静電容量Ｃａの変動による影響を受けることなく、電圧検出部４０は、間隙長ＧＡＰに応じた電圧Ｖ_ＧＡＰを検出することが出来る。これにより、プラズマＰＺが発生する場合であっても、間隙長ＧＡＰを略一定となるように制御することが出来る。なお、インピーダンス変換部３８の一例として、ボルテージホロワを示したが、入力インピーダンスが∞かつ出力インピーダンスが０であれば、必ずしも増幅率が１である必要はない。
【００５７】
また、電気力線ＦＬａは、電圧Ｖ_ＧＡＰによる高周波電圧より発生しているものであるから、プラズマＰＺ中のイオンや電子ｅなどの荷電粒子に、一定方向のクーロン力を与えることなく、該荷電粒子が第１ガード電極２７ａ側に接近することを防止することが出来る。これにより、これら荷電粒子をトーチ２０とワーク６０との間の空間に拘束する形で、静電容量Ｃ_ＧＡＰを、プラズマＰＺから遮断することが出来る。
【００５８】
一方、静電容量Ｃ_ＧＡＰの外周には、既に述べたように、第２ガード電極２７ｂから電気力線ＦＬｂが生じており、例えば、トーチ２０が、図５に示すワーク６０の斜面部６０ａ（２点鎖線）に接近した場合に、センサ電極２８からの電気力線ＦＬ_ＧＡＰを斜面部６０ａに終端させることなく（つまり静電容量Ｃ_ＧＡＰを変動させることなく）、電気力線ＦＬｂが斜面部６０ａに終端する。これにより、静電容量Ｃｂが変動するが、電圧Ｖ_ＧＡＰは、上述と同様にインピーダンス変換部３８により、静電容量Ｃｂの変動による影響を受けることなく、電圧検出部４０は、ワーク６０上に斜面部６０ａなどの起伏があっても、間隙長ＧＡＰに応じた電圧Ｖ_ＧＡＰを検出することが出来る。
【００５９】
こうして、静電容量Ｃ_ＧＡＰがプラズマＰＺから遮断された形で、上述した倣い制御が、正常に機能して実行されていく。ここで、上記プラズマＰＺが、トーチ２０とワーク６０との間に多量に発生したとする。すると、上述した高周波電圧による電気力線ＦＬａでは、プラズマＰＺをトーチ２０とワーク６０との間の空間に拘束できなくなり、プラズマＰＺが当該空間中を拡散していく。そして、プラズマＰＺが、電気力線ＦＬａに接近して、多くの電気力線ＦＬａを引き込むと、センサ電極２８からの電気力線ＦＬ_ＧＡＰがプラズマＰＺに終端することにより、静電容量Ｃ_ＧＡＰが変動するため、倣い制御が正常に機能しなくなる。
【００６０】
そこで、本発明に係るレーザ加工機１は、このようにプラズマＰＺが多量に発生する場合であっても、プラズマＰＺが電気力線ＦＬａに接近することのないように、プラズマＰＺの荷電粒子を吸収することにより、プラズマＰＺの拡散を抑制して、倣い制御を正常に機能させるものである。
【００６１】
即ち、中心電極２３は、図５に示すように、中心電極電位制御部３９に接続されており、上述した倣い制御の起動と共に、中心電極電位制御部３９が起動される。中心電極電位制御部３９は、例えば、電圧を出力することなく、中心電極２３を接地するように制御する。すると、中心電極２３のプラズマ対向面２３ｂ全体は、電位が０の状態となるので、中心電極電位制御部３９は、プラズマ対向面２３ｂ上に存在する電子ｅなどの荷電粒子を、該プラズマ対向面２３ｂを介して吸収する（接地する）。例えば、プラズマＰＺがプラズマ対向面２３ｂに接している場合や、プラズマ対向面２３ｂがプラズマＰＺにより帯電している場合に、これら荷電粒子が吸収されることになる。
【００６２】
このように、電子ｅなどの荷電粒子が、上述した倣い制御の実行中、プラズマ対向面２３ｂを介して順次吸収されるので、トーチ２０とワーク６０との間の空間におけるプラズマＰＺの拡散を抑制することが出来る。これにより、プラズマＰＺが多量に発生する場合であっても、電気力線ＦａのプラズマＰＺへの引き込みが抑制され、上述した倣い制御を、正常に機能させることが出来る。
【００６３】
中心電極２３のプラズマ対向面２３ｂは、図２（ｂ）に示すように、レーザＲＺの射出口２３ａを中心として、同心円状に形成されているので、加工点Ｐから略同心円状に拡散するプラズマＰＺの荷電粒子を吸収することより、プラズマＰＺの拡散を効率的に抑制することが出来る。
【００６４】
なお、上述した中心電極電位制御部３９により荷電粒子を吸収する手法として、中心電極２３を接地する一例を示したが、中心電極２３の電位を、正の電圧に制御するようにしてもよい。図６は、本発明による倣い制御であって、中心電極２３を正の電位に制御した場合の説明図を示している。
【００６５】
ところで、プラズマＰＺ中の荷電粒子は、既に述べたように、電子ｅとプラスあるいはマイナスのイオンである。電子ｅは、イオンと比較してその質量が小さいため、イオンよりも拡散し易く、トーチ２０とワーク６０との間の空間内を広く拡散する。従って、荷電粒子のうち電子ｅを吸収することが、プラズマＰＺの拡散を抑制するために効果的である。
【００６６】
即ち、中心電極電位制御部３９は、図６に示すように、例えば、５Ｖの電圧を出力する。すると、中心電極２３のプラズマ対向面２３ｂ全体は、電圧が５Ｖである正の電位の状態となるので、中心電極電位制御部３９は、プラズマ対向面２３ｂ上に存在する電子ｅ（及びマイナスイオン）だけでなく、トーチ２０とワーク６０との間の空間に拡散している、プラズマＰＺ中の電子ｅ（及びマイナスイオン）に、プラズマ対向面２３ｂ側に向いたクーロン力を生じさせて、プラズマ対向面２３ｂを介して、吸収する（接地する）。
【００６７】
このように、中心電極２３の電位が正の電圧に制御されると、トーチ２０とワーク６０との間の空間内において拡散している、荷電粒子を吸収することが出来、プラズマＰＺの拡散を、更に抑制することが出来る。
【００６８】
こうして、中心電極電位制御部３９は、倣い制御の実行中、中心電極２３の電位を０ないし正の定電圧に制御することにより、プラズマＰＺの拡散が抑制され、倣い制御が正常に機能して、レーザ光ＲＺの焦点位置は、常に、ワーク６０において集光すべき所定位置に維持されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す全体斜視図である。
【図２】図２は、トーチの一例を示す図で、（ａ）は概略側面（一部断面）図、（ｂ）は概略底面図である。
【図３】図３は、制御装置の一例を示すブロック図である。
【図４】図４は、インピーダンス変換部及び中心電極電位制御部の周辺における概略回路図である。
【図５】図５は、本発明による倣い制御であって、中心電極を接地した場合の説明図である。
【図６】図６は、本発明による倣い制御であって、中心電極を正の電位に制御した場合の説明図である。
【図７】図７は、従来のレーザ加工機による倣い制御の説明図で、（ａ）はプラズマの発生量が少ない場合、（ｂ）はプラズマの発生量が多い場合である。
【符号の説明】
１……レーザ加工機
２０……レーザ照射手段（トーチ）
２３……中心電極
２３ａ……レーザの射出口
２３ｂ……ワーク対向面
２７ａ……第１のガード環状電極（第１ガード電極）
２７ｂ……第２のガード環状電極（第２ガード電極）
２８……環状電極（センサ電極）
３３……間隙長制御手段（変位量演算部）
３５……間隙長制御手段（基準電圧メモリ）
３６……高周波電圧供給手段（高周波電圧供給部）
３７……間隙長制御手段（サーボモータ駆動制御部）
３７ａ……間隙長制御手段（サーボモータ）
３８……インピーダンス変換手段（インピーダンス変換部）
３８ａ……入力部
３８ｂ……出力部
３９……中心電極電位制御手段（中心電極電位制御部）
４０……間隙長制御手段（電圧検出部）
６０……ワーク
Ｃ_ＧＡＰ……静電容量
ＧＡＰ……間隙長
ＲＺ……レーザ光
Ｖ_ＨＦ……高周波電圧

Claims

レーザ光をワークに照射することの出来る、レーザ照射手段を設け、該レーザ照射手段は、前記レーザ光の射出口と、該射出口の外周に、前記ワークに対向する環状電極とを有し、該環状電極と前記ワークとの間に生じる静電容量に基づいて、前記レーザ照射手段と前記ワークとの間隙長を制御することの出来る、間隙長制御手段を設けたレーザ加工機において、
前記レーザ照射手段は、前記環状電極の内周に、中心電極を有し、
前記中心電極の電位を、０または正の定電圧に制御することの出来る、中心電極電位制御手段を設けたことを特徴とするレーザ加工機。
前記中心電極は、前記レーザ光の射出口を中心として同心円状に形成された、ワーク対向面を有することを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工機。
前記レーザ照射手段は、前記中心電極と前記環状電極との間に介在する、第１のガード環状電極を有し、
前記環状電極を接続する、入力インピーダンスが∞の入力部と、前記第１のガード環状電極を接続する、出力インピーダンスが０の出力部とを有する、インピーダンス変換手段を設け、
前記環状電極に高周波電圧を供給することの出来る、高周波電圧供給手段を設けたことを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工機。
前記レーザ照射手段は、前記インピーダンス変換手段の出力部に接続された、第２のガード環状電極を、前記環状電極の外周に有することを特徴とする、請求項３記載のレーザ加工機。