JP2013086110A

JP2013086110A - レーザ加工装置の光学部品診断方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2013086110A
Application number: JP2011226829A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tokunaga; 泰明徳永; Katsunori Shiihara; 克典椎原; Takuya Uehara; 拓也上原; Itaru Senda; 格千田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-05-13

Abstract

【課題】被加工部の状態に依存することなく、光学部品の劣化を精度良く検出することのできるレーザ加工装置の光学部品診断方法及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザビームを、レーザ加工ヘッド内に設けられた光学部品を介して被加工物に照射し、レーザ加工を行うレーザ加工装置の、光学部品の劣化を診断する方法であって、レーザビームを反射する反射機構と、当該反射機構を駆動する駆動機構とを有し、レーザビームの光路を、被加工物のレーザ加工時の光路から診断時の光路に変更するための光路変更手段と、光路変更手段によって変更された診断時の光路上に配置されたレーザビーム計測手段とを設け、レーザビーム計測手段によって計測された前記レーザビームの強度から光学部品の劣化を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ加工装置の光学部品診断方法及びレーザ加工装置に関する。

従来から、レーザ発振器から発振されたレーザビームを用いて、溶接や切断等の加工を行うレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置としては、例えば、レーザ発振器にファイバケーブルを介して、レンズやミラー、フィルタ等の光学部品が組み込まれたレーザ加工ヘッドを接続した構成のものが知られている。

上記のレーザ加工装置において、レーザ加工ヘッド内に配置されたレンズやミラー、フィルタ等の光学部品に、汚れの付着やゆがみ等の劣化があると、レーザ出力低下の原因となり、ひいては溶接や切断等の加工の品質低下を招く。このため、光学部品の劣化を検知することが必要とされている。

しかし、光学部品は埃を嫌うため、密閉容器内に配置されていることが多く、分解点検により劣化の程度を検査すると手間がかかる。また、このようなレーザ加工装置におけるレーザ出力の安定化を図る技術としては、レーザ加工ヘッド内に設けた積分球状の凹面鏡によって集光レンズの反射光を多重反射させ、光検出器で検出してレーザ出力を計測し、このレーザ出力の計測結果をフィードバックさせる技術が知られている。

特開平１１−９７７７６号公報

しかしながら、レーザ加工に用いるレーザビームは非常に出力が高く、予期せぬ方向からレーザビームが反射する。このため、集光レンズの反射光を多重反射させて光検出器で検出する場合、レーザ出力を精度よく計測することが困難である。また、例えばレーザ溶接では、被加工部に山状の溶接ビードを形成するので、反射光の状態が著しく変化する。このため、同様にレーザ出力を精度よく計測することが困難である。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、被加工部の状態に依存することなく、光学部品の劣化を精度良く検出することのできるレーザ加工装置の光学部品診断方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

レーザ加工装置の光学部品診断方法の一態様は、レーザ発振器から発振されたレーザビームを、レーザ加工ヘッド内に設けられた光学部品を介して被加工物に照射し、レーザ加工を行うレーザ加工装置の、前記光学部品の劣化を診断するレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、前記レーザビームを反射する反射機構と、当該反射機構を駆動する駆動機構とを有し、前記レーザビームの光路を、前記被加工物のレーザ加工時の光路から診断時の光路に変更するための光路変更手段と、前記光路変更手段によって変更された診断時の光路上に配置されたレーザビーム計測手段とを設け、前記レーザビーム計測手段によって計測された前記レーザビームの強度から前記光学部品の劣化を診断することを特徴とする。

レーザ加工装置の一態様は、レーザ発振器から発振されたレーザビームを、レーザ加工ヘッド内に設けられた光学部品を介して被加工物に照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、前記レーザビームを反射する反射機構と、当該反射機構を駆動する駆動機構とを有し、前記レーザビームの光路を、前記被加工物のレーザ加工時の光路から診断時の光路に変更するための光路変更手段と、前記光路変更手段によって変更された診断時の光路上に配置されたレーザビーム計測手段とを具備し、前記レーザビーム計測手段によって計測された前記レーザビームの強度から前記光学部品の劣化を診断することを特徴とする。

本発明によれば、被加工部の状態に依存することなく、光学部品の劣化を精度良く検出することができる。

第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図。図１のレーザ加工装置による光学部品診断状態の構成を示す図。第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図。第３実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、ファイバケーブル２と、レーザ加工ヘッド３とを具備しており、レーザ発振器１で発振されたレーザビーム４を、ファイバケーブル２を用いて伝送させてレーザ加工ヘッド３へ入射させる構成となっている。

レーザ加工ヘッド３内には、ミラー５ａやレンズ５ｂ等の光学部品５が配置されており、ファイバケーブル２から照射されたレーザビーム４を、図１に示すように、ミラー５ａで反射させ、レンズ５ｂを透過させて集光する。この集光したレーザビーム４をレーザ出口３ａから出射し、被加工部６に照射して、溶接や切断等の加工を行う。なお、レーザ出口３ａには、このレーザ出口３ａを開閉するシャッター３ｂが配設されている。シャッター３ｂは、シャッター駆動機構３ｃによって開閉駆動されるようになっている。

また、本実施形態では、レーザ加工ヘッド３内に、光路切換手段としての光路切換用反射機構７及びこれを駆動するための駆動機構８と、レーザビーム計測機構９が配設されている。駆動機構８は、図中矢印で示すように、光路切換用反射機構７を駆動してレーザビーム４の光路内と、レーザビーム４の光路外に移動できる構成となっている。また、光路切換用反射機構７がレーザビーム４の光路内に位置する状態では、光路切換用反射機構７で反射されたレーザビーム４がレーザビーム計測機構９に入射し、レーザビーム４の強度を測定できるようになっている。

ここで、レーザ加工をある期間に亘って実施すると、光学部品５の表面に汚れが付着したり、光学部品５が歪んだりして被加工部６におけるレーザビーム４の強度が変化する場合がある。このようにレーザビーム４の強度が変化すると、加工品質に影響を与え、切断できなかったり溶接欠陥が生じたりする。また、光学部品５の汚れ等による透過率の低下や反射率の低下に起因して発生する熱によって、光学部品５が破壊される場合もある。

そこで、本実施形態では、レーザ加工の合間に、光学部品５の劣化を診断できるよう構成されている。光学部品５の劣化を診断する場合、図２に示すように、通常時はレーザビーム４の光路外に位置している光路切換用反射機構７を、駆動機構８によって移動させ、レーザビーム４の光路内に位置させる。これによって、光路切換用反射機構７によって反射されたレーザビーム４がレーザビーム計測機構９へ入射し、その出力を測定することができる。なお、このような診断時には、レーザ加工時に使用するレーザビーム４よりも強度の低いレーザビーム４を使用する。レーザビーム計測機構９が強度の強いレーザビーム４によって損傷を受けることを防止するためである。

レーザビーム計測機構９の計測信号は、信号処理部１０に入力されて処理される。また、信号処理部１０には、記憶部１１が接続されており、計測したレーザビーム４の強度を記憶しておくことができるようになっている。したがって、予め光学部品５が全て健全な状態の時に、レーザビーム計測機構９で測定したレーザビーム４の強度を、記憶部１１へ記憶しておき、その値と、レーザビーム計測機構９で計測した値とを信号処理部１０にて比較し、これらの差によって光学部品５の劣化の程度を判定することができるようになっている。

例えば、レーザ溶接を行う場合、光学部品５が全て健全な状態の時のレーザビーム４の強度に比べて、規定値（例えば５％）以上のレーザビーム４の強度の低下があった場合、光学部品５のメンテナンス（交換あるいは洗浄）が必要と判定することができる。

なお、レーザ発振器１から発振されたレーザビーム４の出力が分かっていれば、その値とレーザビーム計測機構９で測定したレーザビーム４の強度とを比較することでも光学部品５の劣化の程度を判断することができる。すなわち、レーザビーム計測機構９で測定したレーザビーム４の強度が、レーザ発振器１から発振されたレーザビーム４の出力（強度）より規定値以上低下していれば、光学部品５のメンテナンス（交換あるいは洗浄）が必要と判定することができる。これによってレーザ加工の失敗や熱による光学部品５の破損等が生じることを防止することができる。

また、上記の第１実施形態において、レーザビーム計測機構９としてカメラを用いれば、光学部品５を反射あるいは透過したレーザビーム４の詳細な状態が判別できるため、交換が必要か、またどのような劣化状況なのか判別することができる。ここで、レーザビーム計測機構９による計測結果は、全ての光学部品５の劣化の影響をうけるため、単にレーザビーム４の強度を測定するだけでは、光学部品５の内どの部品が劣化しているのかを判別することはできない。

そこで、焦点位置をそれぞれの光学部品５に合わせられるカメラをレーザビーム計測機構９として用いれば、どの光学部品５が劣化しているかを判別することができる。すなわち、焦点位置をそれぞれの光学部品５に合わせた際のコントラストの大小等で、その光学部品５の劣化の状態を検出することができる。

また、上記の第１実施形態において、光路切換用反射機構７として、ミラーを用いれば、高効率にレーザビーム４を反射できるため、光学部品５の僅かな劣化も検出が可能となる。光学部品５が劣化すると、熱の吸収率が増加するため、僅かな劣化であっても高出力な加工用のレーザビーム４によって破損してしまう場合がある。このため、被加工部６の加工状態に大きな影響を与えることのない僅かな光学部品５の劣化であっても、光学部品５のメンテナンスを実施した方が良い場合がある。

次に、図３を参照して、第２実施形態に係るレーザ加工装置２００の構成を説明する。図３は、第２実施形態に係るレーザ加工装置２００の概略構成を模式的に示す図である。前述したとおり、レーザ加工ヘッド３のレーザ出口３ａには一般的にレーザ加工ヘッド３内部への異物混入防止などのために開閉自在のシャッター３ｂが配設されている。レーザ加工装置２００では、シャッター３ｂの内側面に光路切換用反射機構２７が配設されている。したがって、シャッター駆動機構３ｃが、光路切換用反射機構２７を駆動するための駆動機構を兼ねた構成となっている。光路切換用反射機構２７は、ミラーを用いても、反射率がある程度高い金属等（例えば、鏡面仕上げした銅）を用いてもよい。

なお、他の部分については、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

本第２実施形態では、シャッター３ｂを閉じた状態とすると、レーザビーム４の光路内に光路切換用反射機構２７が位置し、光路切換用反射機構２７で反射したレーザビーム４がレーザビーム計測機構９に入射し、レーザビーム４の強度を計測できるようになっている。この本第２実施形態では、前述した第１実施形態と同様な効果を得ることができるとともに、シャッター３ｂを駆動するためのシャッター駆動機構３ｃを、光路切換用反射機構２７を駆動するための駆動機構として併用することができ、駆動機構の数を削減することができる。

次に、図４を参照して、第３実施形態に係るレーザ加工装置３００の構成を説明する。図４は、第３実施形態に係るレーザ加工装置３００の概略構成を模式的に示す図である。この第３実施形態では、レーザ加工時にレーザビーム４を反射してレンズ５ｂに入射させるミラー５ａに駆動機構３８が配設されている。そして、診断時には、駆動機構３８によってミラー５ａの向きを変え、レーザビーム４をレーザビーム計測機構３９に入射させてレーザビーム４の強度を測定できるようになっている。したがって、ミラー５ａが、光路切換用反射機構を兼ねた構成となっている。

本第３実施形態では、前述した第１実施形態と同様な効果を得ることができるとともに、ミラー５ａを光路切換用反射機構として併用することができ、反射機構の数を削減することができる。なお、図４に示した構成では、レンズ５ｂの劣化の状態を診断することができないので、図４に示した構成に加えて、図１に示した光路切換用反射機構７及び駆動機構８とレーザビーム計測機構９、又は図３に示した光路切換用反射機構２７とレーザビーム計測機構９を配設した構成としてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１……レーザ発振器、２……ファイバケーブル、３……レーザ加工ヘッド、４……レーザビーム、５……光学部品、６……被加工部、７……光路切換用反射機構、８……駆動機構、９……レーザビーム計測機構、１０……信号処理部、１１……記憶部。

Claims

レーザ発振器から発振されたレーザビームを、レーザ加工ヘッド内に設けられた光学部品を介して被加工物に照射し、レーザ加工を行うレーザ加工装置の、前記光学部品の劣化を診断するレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記レーザビームを反射する反射機構と、当該反射機構を駆動する駆動機構とを有し、前記レーザビームの光路を、前記被加工物のレーザ加工時の光路から診断時の光路に変更するための光路変更手段と、
前記光路変更手段によって変更された診断時の光路上に配置されたレーザビーム計測手段とを設け、
前記レーザビーム計測手段によって計測された前記レーザビームの強度から前記光学部品の劣化を診断する
ことを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記光学部品の劣化を診断する診断時は、前記レーザビームの強度をレーザ加工時よりも低くすることを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１又は２記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記光学部品が健全な状態のレーザビームの強度を、前記レーザビーム計測手段によって計測し、記憶手段に記憶しておき、
レーザ加工後に前記レーザビーム計測手段で計測したレーザビームの強度と、前記記憶手段に記憶されたレーザビームの強度とを比較して前記光学部品の劣化を診断することを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１又は２記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記レーザ発振器から発振されたレーザビームの強度と、前記レーザビーム計測手段で計測したレーザビームの強度とを比較して、前記光学部品の劣化を診断することを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記レーザビーム計測手段にカメラを使用し、当該カメラの焦点を変更することによって、前記レーザビームの光路上の前記光学部品の状態を検出することを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記反射機構は、前記レーザ加工時には前記レーザビームの光路外に位置し、診断時には前記レーザビームの光路内に位置するよう前記駆動機構によって駆動されることを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項６記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記反射機構が、前記レーザ加工ヘッドの前記レーザビームが射出されるレーザ出口を覆うシャッターに配設されていることを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ加工装置の光学部品診断方法であって、
前記反射機構は、前記レーザ加工時及び診断時のいずれの時にも前記レーザビームの光路内に位置し、前記反射機構の向きを前記駆動機構によって変更するよう駆動されることを特徴とするレーザ加工装置の光学部品診断方法。
レーザ発振器から発振されたレーザビームを、レーザ加工ヘッド内に設けられた光学部品を介して被加工物に照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、
前記レーザビームを反射する反射機構と、当該反射機構を駆動する駆動機構とを有し、前記レーザビームの光路を、前記被加工物のレーザ加工時の光路から診断時の光路に変更するための光路変更手段と、
前記光路変更手段によって変更された診断時の光路上に配置されたレーザビーム計測手段とを具備し、
前記レーザビーム計測手段によって計測された前記レーザビームの強度から前記光学部品の劣化を診断する
ことを特徴とするレーザ加工装置。