JP2015013292A

JP2015013292A - レーザ加工機の加工ヘッド

Info

Publication number: JP2015013292A
Application number: JP2013139465A
Authority: JP
Inventors: 瀬口　正記; Masaki Seguchi; 正記瀬口; 直幸中村; Naoyuki Nakamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-22

Abstract

【課題】加工点から光センサに到達する光信号の減衰を抑制し、間接光の割合を低減して高いＳ／Ｎ比で加工状態を監視できる、レーザ加工機の加工ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ加工機の加工ヘッド５０は、外部から供給されるレーザビーム１を被加工物５の加工点６に集光する集光レンズ３と、加工点６から放射される光信号７の一部を検出する光センサ１１と、加工点６と集光レンズ３との間に設けられ、加工時に生ずる飛散物から集光レンズ３を保護するための保護透明板９と、集光レンズ３、光センサ１１および保護透明板９を内部に収納するハウジング２とを備え、光センサ１１は、集光レンズ３と保護透明板９との間に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工状態の監視機能を備えた、レーザ加工機の加工ヘッドに関する。

従来のレーザ加工機の加工ヘッド（例えば、特許文献１）では、レーザ加工時の加工点からの光信号を測定、解析することによって、良好な加工状態であることを判定するための光センサを、加工点からのスパッタを避けるために集光レンズの上部に配置している。

特開平１０−２４９５６０号公報特開２０１２−１１８３７５号公報特開２０１１−０７９０３７号公報

このようなレーザ加工機の加工ヘッドにおいては、加工点からの光信号を測定する光センサが加工点からかなり遠くに配置されることから、光信号の強度が低くなるという問題がある。

また、加工点からの光信号は、加工点から集光レンズを通って光センサに直接到達する光の他に、加工ヘッド内部で多重反射した間接光も光センサに到達するため、直接光の割合が少なくなり、Ｓ／Ｎ比が低くなるという問題点もある。

本発明の目的は、加工点から光センサに到達する光信号の減衰を抑制し、間接光の割合を低減して高いＳ／Ｎ比で加工状態を監視できる、レーザ加工機の加工ヘッドを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工機の加工ヘッドは、外部から供給されるレーザ光を被加工物の加工点に集光する集光レンズと、
加工点から放射される光信号を検出する光センサと、
加工点と集光レンズとの間に設けられ、加工時に生ずる飛散物から集光レンズを保護するための保護透明板と、
集光レンズ、光センサおよび保護透明板を内部に収納するハウジングとを備え、
光センサは、集光レンズと保護透明板との間に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、光センサを集光レンズと保護透明板との間に配置することによって、光センサの位置を加工点により接近して配置できる。その結果、加工点から光センサに到達する光信号強度が増加するとともに、間接光の割合も低減するようになり、高いＳ／Ｎ比で加工状態を監視できる。

図１（ａ）は本発明の実施の形態１による構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は光センサの配置を示す底面図である。図２（ａ）は本発明の実施の形態２による構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は光センサの配置を示す底面図である。本発明の実施の形態３による構成を示す断面図である。比較例１の構成を示す断面図である。加工点から放射された光信号のスペクトルの一例を示すグラフである。ＺｎＳｅの分散特性を示すグラフである。合成石英の分散特性を示すグラフである。ＺｎＳｅ平凸レンズにおける焦点距離の波長依存性の一例を示すグラフである。合成石英平凸レンズにおける焦点距離の波長依存性の一例を示すグラフである。比較例２の構成を示す断面図である。比較例３の構成を示す断面図である。比較例４の構成を示す断面図である。

実施の形態１．
図１（ａ）は本発明の実施の形態１による構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は光センサの配置を示す底面図である。レーザ加工機の加工ヘッド５０は、集光レンズ３と、光センサ１１と、保護透明板９と、ハウジング２と、ノズル８などで構成される。

集光レンズ３は、外部に設置されたレーザ発振器（不図示）から伝送光学系を経由して供給されるレーザビーム１を、被加工物５の加工点６に集光する機能を有する。集光レンズ３は、ここでは理解容易のために単レンズで示しているが、２枚以上のレンズで構成してもよい。

光センサ１１は、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタなどで構成され、レーザ加工時に加工点６から放射される光信号を検出する機能を有する。本実施形態において、光センサ１１は、ハウジング２の内部で集光レンズ３と保護透明板９との間に配置され、レーザビーム１と干渉しないようにレーザビーム１の伝搬経路の外側に設置される。

保護透明板９は、レーザビーム１に対して透明な材質、例えば、ＺｎＳｅ、合成石英、ガラス板などで構成され、加工点６と集光レンズ３との間に設けられ、レーザ加工時に生ずる飛散物、例えば、スパッタ、プルームなどから集光レンズ３を保護する機能を有する。

ハウジング２は、例えば、中空円筒状に形成され、集光レンズ３、光センサ１１および保護透明板９などを内部に収納する機能を有する。

ノズル８は、ハウジング２の下端部に中空テーパー状に形成され、集光レンズ３によって集光されたレーザビーム１が通過するとともに、被加工物５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、被加工物５の酸化防止などの役割を果たす。

レーザビーム１と被加工物５との相対移動を行う場合、ＸＹ位置を制御するＸＹアクチュエータを加工ヘッド５０に取り付けて、被加工物５を固定テーブルに戴置してもよく、あるいは、加工ヘッド５０の位置を固定した状態で、ＸＹ位置を制御するＸＹテーブルに被加工物５を戴置してもよく、あるいは、加工ヘッドと被加工物５双方とも移動させてもよい。

次に、動作について説明する。レーザビーム１がハウジング２の上端から入射すると、集光レンズ３によって集光され、光スポットとなって被加工材５の加工点６を照射する。このとき加工ヘッド５０と被加工物５とを相対移動させることにより、被加工物５の溶接、切断、穴あけ等の加工が行われる。加工点６は、集光したレーザビーム１により熱せられるため、スパッタ、プルームなどが発生するとともに、種々の波長成分を含む光信号７を放射する。光センサ１１は、加工点６から放射され、ノズル８および保護透明板９を通過した光信号７の一部を受光する。

次に、図４に示す比較例１について説明する。この比較例１では、光センサ１１を集光レンズ３の上方に配置している。集光レンズ３の上方へ到達した光信号は、集光レンズ３によってレーザビーム１と比べてより強く屈折される。以下、加工点６からの光信号の屈折の挙動について、図５、図６を用いて説明する。

集光レンズ３の焦点距離ｆは、レンズの屈折率をｎ、曲率をＲ１、Ｒ２とすると、下記式（１）のように表される。

１／ｆ＝（ｎ−１）（１／Ｒ１＋１／Ｒ２） …（１）

屈折率ｎは、材料の種類に応じて異なるとともに、一般に光の波長に応じて異なる値を持つという分散特性がある。屈折率と波長の関係は、例えばセルマイヤーの分散式を用いることで、式（２）のような展開式で表される。

ｎ^２＝１＋Ａ_１λ^２／（λ^２−Ｂ_１）＋Ａ_２λ^２／（λ^２−Ｂ_２）＋Ａ_３λ^２／（λ^２−Ｂ_３）＋・・・ …（２）

ここで、λは光の波長、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３・・は材質により異なる定数であり、項の数は材質及び必要とされる近似精度等により選択される。

加工用のレーザビーム１の発振波長は、ＣＯ_２レーザの場合には１０．６μｍの赤外波長であり、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ等は１μｍ〜１．１μｍ、ＬＤ直接レーザは０．８〜１μｍ等の近赤外波長が一般的である。これに対して加工点６から放射される光信号には、加熱された被加工物５および生成プルームからの黒体輻射、輝線スペクトルなど、多種多様な光が存在する。

図５は、加工点６から放射された光信号のスペクトルの一例を示すグラフである。図５に示されるように、加工点６から放射される光の波長領域としては、可視領域から近赤外領域の信号が多く、これを測定するためには、入手が容易で、０．２μｍの紫外領域から１．１μｍの近赤外領域まで感度を持つシリコンフォトダイオード、ＣＣＤなどが一般的に使われる。ただし、０．４μｍ以下の紫外領域の光はもともと加工点からの信号光には少なく、上記ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ等では、シリコンフォトダイオードの感度波長内に、レーザ発振波長が含まれるため、測定に当たってはレーザ発振波長の光をカットするフィルタを用いることが一般的である。つまり、光信号としては０．４μｍから０．９μｍの間の波長を使うことになる。ＬＤ直接レーザを用いる場合には、発振波長は０．８μｍ〜１μｍの領域を使うことが多いので、上記よりも短波長の光までカットするフィルタを使うことになるため、信号としては、０．４μｍから０．８μｍ、あるいは０．４μｍから０．７μｍの波長領域の光を使うことになる。

図５に示したスペクトル分布の例では、０．５μｍから０．７μｍ近辺の可視光領域に信号が強いことが分かる。従って、上記近赤外レーザを用いた場合、レーザ発振波長と比較して、加工点からの情報を得るために用いられる光信号の波長は短くなることが分かる。

図６は、ＣＯ_２レーザのレンズ材料として一般的に用いられているＺｎＳｅにおける、波長と屈折率の関係である分散特性を示すグラフである。また図７は、ＬＤ直接レーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ等のレンズ材料として一般的に用いられる合成石英の分散特性を示すグラフである。

これらのグラフから、上記に示した信号光として使用するスペクトル領域においては、波長が長いほど屈折率が小さくなることが判る。また、レーザ発振波長は、信号光として使用する波長よりも更に長く、屈折率が小さいことになる。従って、式（１）で示される焦点距離ｆは、信号光７よりも波長が長いレーザビーム１について、より長くなる。

図８は、ＺｎＳｅ材料を用いて平凸レンズを作成した場合の焦点距離の波長依存性についての計算結果の一例を示すグラフである。図９は、合成石英材料を用いて平凸レンズを作成した場合の焦点距離の波長依存性についての計算結果の一例を示すグラフである。

集光レンズ３を通過した信号光７は、焦点距離が短いほど、より強く屈折させられることになる。レーザ発振器から伝播されたレーザビーム１は、一般的にはほぼ平行に調整された状態で集光レンズ３に入射し、集光レンズ３の所定の焦点距離の位置に集光される。図１では被加工材５の表面にある加工点６が焦点位置と一致する例を示している。また、加工点６が焦点位置と同じ位置にある場合、加工点６からのレーザビーム１の反射光のうち、集光レンズに到達したものは、入射光１とほぼ平行となるように、集光レンズで屈折されて入射側へと戻っていく。

これに対して信号光７のうち集光レンズ３を通過した光は、集光レンズ３によってレーザビーム１と比べてより強く屈折されるため、図４に示したように、集光レンズ３の上方では収束気味に入射側へと戻っていくことになる。

さらに、信号光７は、図５に示したように、単一波長ではなく、広い波長スペクトルを有するとともに、図８、図９に示すように波長毎に上記屈折の状況が異なるため、収束の程度も異なることになる。そのため同じ点から同じ方向に放出された光であっても種々の波長を有するため、集光レンズの分散性によって、集光レンズの通過後は、拡がりを持った光に変換される。

このように図４に示した比較例１では、集光レンズ３を通過した信号光７は、集光レンズ３によって収束気味に屈折されるため、集光レンズ３から離れるほどレーザビーム１の外周の領域が狭くなる。そのため、集光レンズ３の上部において、レーザビーム１と干渉することを避けながら、加工点６からの光信号７を検出する光センサ１１を配置する場合、加工点６から加工ヘッド内部で反射しない直接光に対して、十分な光信号強度が得られる位置に配置することは困難である。従って、光センサ１１へ到達する光信号７は加工ヘッド内部で多重反射した間接光の割合が多くなる。また、光信号７は集光レンズ通過後に前記分散性により拡がりを持った光に変換されるので、センサには加工点６において異なる位置の異なる方向に放出された光が混合しセンサの同じ位置に同じ角度で到達する光信号７が存在することになる。従って、光センサ１１を集光レンズ３の上方に配置した場合、高いＳ／Ｎ比の信号を得ることが困難であるとともに、加工点６の情報を詳細に得るために、空間分解能、角度分解能を上げることは困難であることが判る。

次に、図１０と図１１に示す比較例２，３について説明する。比較例２では、レーザビーム１を反射し、光信号７を通過する波長分離ミラー２０を集光レンズ３の上方に配置している。比較例３では、レーザビーム１を通過し、光信号７を反射する波長分離ミラー２０を集光レンズ３の上方に配置している。こうした波長分離ミラー２０を用いてレーザビーム１と光信号７を分離することによって、光センサ１１の配置自由度が高くなる。

しかしながら、波長分離ミラー２０が高価であるとともに、ヘッド全体の構成が複雑化、大型化するという問題がある。また加工内容に応じて、集光レンズ３を上下に動かして被加工物５上の加工点６の位置を変更した場合、光センサ１１と加工点６との位置関係が異なることになるため、光センサ１１へ到達する光信号７の強度が変化することになる。そのため安定した光信号分析を行うには、集光レンズ３の位置を配慮した複雑な信号処理が必要になる。

図１２は、比較例４を示す構成図である。比較例４は、比較例１において集光レンズ３から充分離れた場所に光センサ１１を配置した構成であり、集光レンズ３により収束性となった信号光７も再び広がるため、光センサ１１をレーザビーム１と干渉させることなく配置することが可能である。なお、必要に応じて加工ヘッドの上方にミラー３０を設置してもよい。

比較例４の場合も、比較例２，３と同様に、加工内容に応じて、集光レンズ３を上下に動かして被加工物５上の加工点６の位置を変更した場合、光センサ１１へ到達する光信号７の強度が大きく変化することになる。また光センサ１１の位置が集光レンズ３から遠いために、光センサ１１へ到達する光信号７の強度が不安定になり、特にレーザビームおよび光学系のアライメント調整の精度に対して敏感になるため、再現性を保つことが困難である。従って、図１２に示す比較例４の構成では、加工状態の判定を高精度かつ高い再現性で行うことは困難である。

これに対して本実施形態では、光センサ１１を集光レンズ３と保護透明板９との間に配置しているため、上記のような集光レンズ３の分散特性に起因した焦点距離の変化により強く屈折すること無く、拡がりを持った光に変換されることも無く、加工条件に応じた集光レンズ３と加工点６との間の距離変化、あるいはレーザビームおよび伝送光学系のアライメント調整誤差などによる影響を低減できる。また、集光レンズ３を上下に動かした場合でも加工点６と光センサ１１の位置関係は一定に維持され、光センサ１１を加工点６の近くに配置できる。その結果、加工点から光センサに到達する光信号強度が増加するとともに、加工ヘッド内部で多重反射した間接光の割合も低減するようになり、高いＳ／Ｎ比で加工状態を監視することが可能になる。また加工点６の情報を詳細に得るために、空間分解能、角度分解能を上げることが可能となる。

なお、集光レンズ３の材質として、レーザ加工機に一般的に使用されている合成石英またはＺｎＳｅを使用した場合について説明したが、他の光学材料である溶融石英、フッ化カルシウム、ＢＫ７、サファイア、硫化亜鉛、ゲルマニウム等を用いて集光レンズ３を製作した場合でも、上記と同様な分散特性により、レーザ発振波長での屈折率よりも信号光７として使用する波長における屈折率が大きくなる。従って、上記と同様の議論により、光センサ１１を集光レンズ３と保護ガラス９の間に配置することにより、加工状態の判定を高精度に行うことができるようになる。

また本実施形態においては、集光レンズ３は、簡単のために一枚の平凸レンズである場合を示したが、両面とも任意の曲率を持つ集光作用のあるレンズ、あるいは両面または片面が非球面であるレンズについても上記と同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図２（ａ）は本発明の実施の形態２による構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は光センサの配置を示す底面図である。本実施形態は、上述した実施の形態１と同様な構成を有するが、複数の光センサ１１，１２を集光レンズ３の光軸周りに配置している点で相違する。

光センサ１１，１２は、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタなどで構成され、レーザ加工時に加工点６から放射される光信号を検出する機能を有する。光センサ１１，１２は、ハウジング２の内部で集光レンズ３と保護透明板９との間に配置され、レーザビーム１と干渉しないようにレーザビーム１の伝搬経路の外側に設置される。

光センサの配置に関して、図２（ｂ）に示すように、２つの光センサ１１，１２を光軸周りに１８０度の間隔で配置してもよく、一般には、Ｎ個（Ｎは自然数）の光センサを光軸周りに（３６０／Ｎ）度の等間隔で配置してもよく、この場合、光センサ間のピッチは不等間隔でもよい。光センサの使用個数が多いほど、測定の空間分解能が増加するようになる。

このように複数の光センサ１１，１２を配置することによって、加工点６からの光信号の空間分布を取得することが可能となるため、加工状態に関してより詳細な情報が得られる。例えば、加工点６から放射され、相対する光センサ１１，１２へ到達する光信号７の強度を比較することによって、加工点６へ集光されるレーザビーム１がノズル８の中心を通過しているどうかを判定することが可能となる。

さらに、加工点６から放射される信号光７を加工方向に対して異なる方向から測定することによって、加工状態に関してより詳細な情報が得られる。例えば、加工点６から進行方向とは反対方向に進む信号光７と、進行方向に対してある角度を持った方向、例えば進行方向に対して垂直方向に進む信号光７との強度比を算出したり、あるいは、２つの信号光同士の相関等の分析によって、加工状態の判定が可能となる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による構成を示す断面図である。本実施形態は、上述した実施の形態１，２と同様な構成を有するが、光ファイバ１５と、コリメートレンズ１６とをさらに備える点で相違する。

光ファイバ１５は、外部に設置されたレーザ発振器（不図示）から供給されるレーザビーム１を加工ヘッド５０まで伝送する機能を有する。コリメートレンズ１６は、光ファイバ１５から出射したレーザビーム１を集光レンズ３へ伝送する機能を有する。光ファイバ１５から出射したレーザビーム１は、コリメートレンズ１６によってほぼ平行光に変換され、集光レンズ３により被加工物５上の加工点６へ集光される。

光ファイバ１５で伝送可能なレーザ光を発生するレーザ発振器として、ＬＤ直接レーザ、ＬＤ励起固体レーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザなど、０．８μｍから１．１μｍの波長を有するレーザ光を発生するものが使われる。集光レンズ３およびコリメートレンズ１６の材料としては、実施の形態１と同様に、一般的には合成石英が使用される。

従って、レーザビーム１の波長よりも信号光７の波長が短くなるために、レーザビーム１を光ファイバ１５に導光して加工ヘッド５０に導光した場合についても、実施の形態１，２と同様に、レンズ材料の分散特性によって、加工点６から放射される信号光７は、図３に示すように、集光レンズ３を通過する際に強く屈折され、集光レンズ３の上方で収束性となる。よって、実施の形態１で説明したように、集光レンズ３の上方に信号光７を検知する光センサ１１を十分な光信号が得られる位置に配置することは困難であり、光ファイバ１５で伝送する本構成の場合には、図１２で示すような配置は実現できない。

本実施形態では、図３で示すように、光センサ１１，１２を集光レンズ３と保護透明板９との間に配置しているため、光センサ１１，１２を加工点６の近くに配置できる。その結果、加工点から光センサに到達する光信号強度が増加するとともに、加工ヘッド内部で多重反射した間接光の割合も低減するようになり、高いＳ／Ｎ比で加工状態を監視することが可能になる。

本実施形態においては、コリメートレンズ１６および集光レンズ３は、簡単のために単レンズを用いた場合を示したが、組レンズを用いた場合も同様の効果が得られる。また、コリメートレンズ１６および集光レンズ３を含む光学系として、ズーム光学系のための３群レンズ系または、ホログラム等のビーム形状変換光学系など、各種光学系を含んでいてもよく、あるいは、図１０と図１１で示した波長分離ミラー２０を含んでいてもよい。

１レーザビーム、２ハウジング、３集光レンズ、５被加工物、
６加工点、７光信号、８ノズル、９保護透明板、
１１，１２光センサ、１５光ファイバ、１６コリメートレンズ、
２０波長分離ミラー、３０ミラー、５０加工ヘッド。

Claims

外部から供給されるレーザ光を被加工物の加工点に集光する集光レンズと、
加工点から放射される光信号を検出する光センサと、
加工点と集光レンズとの間に設けられ、加工時に生ずる飛散物から集光レンズを保護するための保護透明板と、
集光レンズ、光センサおよび保護透明板を内部に収納するハウジングとを備え、
光センサは、集光レンズと保護透明板との間に配置されることを特徴とする、レーザ加工機の加工ヘッド。
集光レンズの光軸周りに、複数の光センサが配置されることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機の加工ヘッド。
外部から供給されるレーザ光を伝送する光ファイバと、
光ファイバから出射したレーザ光を集光レンズへ伝送するコリメートレンズとをさらに備える請求項１または２記載のレーザ加工機の加工ヘッド。