JP2016135492A - レーザ切断部位の観察装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ切断の適切な加工条件の設定を求めるための試し切りの回数を低減する。【解決手段】レーザ発光素子１３からパルスレーザの照明用レーザ光５を出射し、レーザ加工切断による切断加工面２ｃを照明する。切断加工面からの光は、減光フィルタ１６により減光され、バンドパスフィルタ１７により照明用レーザ光に対応する波長帯のみを透過させることにより、照明用レーザ光による反射光６を受光素子１５により受光する。受光素子の各画素１５ａにより受光するまでの時間差を、両パルス波の重なる部分の積分値により算出し、切断加工面の各位置までの距離を求め、切断加工面の形状を映像化する。レーザ切断加工中に切断部位を観察することができ、レーザ切断において適切な加工条件の設定を求めるための試し切りの回数を低減することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、被加工物をレーザ切断する際の切断状況を観察するためのレーザ切断部位の観察装置及びその方法に関するものである。

従来、被加工物の切断加工装置において、例えばガス切断、プラズマ切断、レーザ切断を行うものとして、それぞれ加工ヘッドと、被加工物を保持するワーク台とを所定の切断線に沿って相対的に動かして切断加工するようにしたものがある。特に、レーザ切断は、切断幅が狭く、ビームの発振を電子工学的手段により高速・高精度で制御できるので、数値制御装置との組合せで複雑な形状の切断を容易に行うことができる等、他の切断法に較べて種々の特徴を有する。一方、レーザ切断では、ビームの焦点深度が浅いため厚板材の切断には不向きという問題があるが、それに対しては、加工条件（ビーム出力や加工ヘッドの移動速度等）を変えた試し切りを複数回行い、所望の切断形状となり得る適切な加工条件設定値を求める等していた。

上記複数回の試し切りにより適切な加工条件設定値を求める場合には、被加工物の材料が高価なものであると、適切な設定値が得られるまでに多量の試し切りによる加工物が生じ、高価な材質のものの場合には、製品コストも高騰化してしまうという問題があった。また、切断時に発生する被加工物の裏面から吹き飛ばされるドロスの飛散状況を観察し、コーン状の飛散角度や拡がり等から切断状況を判断することができる。しかしながら、被加工物に対する裏面からのドロスの観察では切断部位の状態を把握することはできない。

加工時に切断部位の状態を可視化するとよく、それにより、切断時に条件を変えることが可能となり、切断後に切断面を確認して加工条件を変えるというような無駄を省くことが可能となる。例えば、被加工物の切断部分の前面側にカメラを設け、切断部分の前面上部から前面下部に至る厚さ方向の全範囲をカメラにより拡大観察し、前面上部の中央から前面下部の中央までの輝度分布の変動により、切断の良／不良を判別するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開平４−１３８８８７号公報

しかしながら、レーザ切断における切断加工面は、加工ヘッドの移動方向側、すなわち切断により形成されるスリットの延在方向奥側に位置し、その切断加工面を撮影するためには切断加工面に対向する位置にカメラを設けることになる。レーザ切断による切断幅は極めて狭く（例えば２００μｍ）、狭いスリットの奥に位置する切断加工面を上記カメラにより撮影することは困難である。

なお、上記特許文献１では、板厚上端・中央・下端にて水平方向の輝度分布を調査し、ピーク値により分離可能状態か分離不可能状態かを判定し、板厚下端における輝度のピーク値と、その板厚下端から一定距離隔てた位置での輝度との比から、板厚下端が切断されているか否かを判別できるとしている。しかしながら、輝度のピーク値を基準にして切断の良／不良を判断するものであり、輝度の観察からだけでは切断品質（例えば切断部位の形状の乱れの無さ）を判断することはできない。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、レーザ切断による幅の狭い切断部位を切断加工中に観察し得るレーザ切断部位の観察装置及びその方法を提供することにある。

本発明のレーザ切断部位の観察装置は、加工用レーザ光（３）を照射して被加工物（２）を切断加工する際の切断部位（２ｃ）を観察するためのレーザ切断部位の観察装置であって、前記切断部位を照明するための照明用レーザ光（５）を出射する照明用レーザ装置（１３・１４）と、受光素子（１５）により前記切断部位からの光を受光して映像化する撮像装置（１１）と、前記受光素子に入力する光を減光する減光フィルタ（１６）と、前記受光素子に入力する光に対して、前記照明用レーザ光の波長及びその近傍となる所定の波長帯の光のみを透過させるバンドパスフィルタ（１７）と、前記撮像装置により映像化された映像を出力するモニタ（１２）とを有し、前記照明用レーザ光は、前記加工用レーザ光とプラズマ光との各波長帯とは異なる波長の光であると構成とする。

本発明によれば、コヒーレント光からなる照明用レーザ光をレーザ切断における幅の狭い切断部位に照射することができ、バンドパスフィルタにより加工用レーザ光の反射光等を排除し、照明用レーザ光の反射光を受光することから、幅の狭い切断部位をレーザ切断加工中に観察することが可能となる。

本発明によるレーザ切断部位の観察装置の概要を示す全体斜視図 図１のII-II線に沿って矢印方向に見た側断面図 光の相対強度の波長分布を示す図 切断加工面の側断面形状を示す要部拡大断面図 本発明に適用される距離画像センサブロックの構成を示すブロック図 距離画像センサブロックによる距離画像の生成を説明するタイミングチャート レーザ切断加工の条件設定の一例を体系的に示した図

前記課題を解決するためになされた第１の発明は、加工用レーザ光（３）を照射して被加工物（２）を切断加工する際の切断部位（２ｃ）を観察するためのレーザ切断部位の観察装置であって、前記切断部位を照明するための照明用レーザ光（５）を出射する照明用レーザ装置（１３・１４）と、受光素子（１５）により前記切断部位からの光を受光して映像化する撮像装置（１１）と、前記受光素子に入力する光を減光する減光フィルタ（１６）と、前記受光素子に入力する光に対して、前記照明用レーザ光の波長及びその近傍となる所定の波長帯の光のみを透過させるバンドパスフィルタ（１７）と、前記撮像装置により映像化された映像を出力するモニタ（１２）とを有し、前記照明用レーザ光は、前記加工用レーザ光とプラズマ光との各波長帯とは異なる波長の光である構成とする。

これによると、コヒーレント光からなる照明用レーザ光をレーザ切断における幅の狭い切断部位に照射することができ、バンドパスフィルタにより加工用レーザ光の反射光等を排除し、照明用レーザ光の反射光を受光することから、幅の狭い切断部位をレーザ切断加工中に観察することが可能となる。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記照明用レーザ光（５）は、近赤外光である構成とする。

加工用レーザ光として用いられる例えばＹＡＧレーザ光は近赤外光（波長：１０６４ｎｍ）であり、熱源から発せられる赤外光の波長帯（約８００〜１５００ｎｍ）に位置することになるが、バンドパスフィルタによりＹＡＧレーザ光を含む赤外光の長波側の透過を阻止することにより赤外光の影響は低減されるため、撮像への影響は小さく、従来の近赤外光であるが実績のあるＹＡＧレーザ光を用いたレーザ加工装置に容易に適用し得る。

また、第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記減光フィルタ（１６）の減光設定値が、前記照明用レーザ光（５）の最大強度より高い値に設定されている構成とする。

これによると、減光フィルタにより光を低減する上限値が照明用レーザ光の最大強度よりも高く設定されていることから、減光フィルタにより減光する場合に照明用レーザ光が減光されることがないため、切断部位を明確に撮像することができる。

また、第４の発明は、前記第１乃至第３のいずれかの発明において、前記照明用レーザ光（５）はパルスレーザであり、前記撮像装置は、前記照明用レーザ光のパルス波と、前記切断部位からの反射光の対応するパルス波とに基づいて前記切断部位の対応する位置までの距離を求める構成とする。

これによると、照明用レーザ光がパルスレーザとして出射されることから、出射されるパルス波に対応する反射光を検出し、例えば出射されてから受光されるまでの経過時間に基づき、撮像装置から切断加工面までの距離を受光素子の画素毎に求めることができる。

また、第５の発明は、前記第４の発明において、前記撮像装置が、前記距離に基づいて前記切断部位の形状を映像化する構成とする。

これによると、切断加工面の３Ｄ映像化が可能となり、モニタの画面で切断加工面の形状を容易に視認することが可能となる。

また、第６の発明は、前記第４の発明または第５の発明において、前記撮像装置（１０）は、前記照明用レーザ光を前記切断部位に対して走査して前記距離を求める構成とする。

これによると、切断部位に対して照明用レーザ光を例えば上縁から下縁に至る向きに走査し、それに応じて受光素子により受光した反射光を処理するという簡単な制御で、画素毎に照明用レーザ光の反射光を受光するまでの経過時間から距離を算出することができる。

また、第７の発明は、加工用レーザ光を照射して被加工物を切断加工する際の切断部位を観察するためのレーザ切断部位の観察方法であって、前記切断部位を照明するための照明用レーザ光を出射する照明用レーザ装置と、受光素子により前記切断部位からの光を受光して映像化する撮像装置と、前記受光素子に入力する光を減光する減光フィルタと、前記受光素子に入力する光に対して、前記照明用レーザ光の波長及びその近傍となる所定の波長帯の光のみを透過させるバンドパスフィルタと、前記撮像装置により映像化された映像を出力するモニタとを有し、前記照明用レーザ装置からパルス波の照明用レーザ光を出射する過程と、前記照明用レーザ光に対応して前記切断部位から反射したパルス波の反射光を前記受光素子により受光する過程と、撮像装置により、前記照明用レーザ光のパルス波と、前記切断部位からの反射光の対応するパルス波とに基づいて前記切断部位までの距離を求め、該距離に基づいて前記切断部位の形状を映像化する過程とを有する構成とする。これにより、第１の発明と同様の効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるレーザ切断部位の観察装置の概要を示す全体斜視図であり、図２は図１のII-II線に沿って矢印方向に見た側断面図である。本実施形態は、全体を省略して示すレーザ切断装置の加工ヘッド１により、例えば板材からなる被加工物２を直線的に切断する例である。切断は、加工ヘッド１及び被加工物２を固定保持するワーク保持台（図示省略）を相対的に図１の矢印方向に移動して行う。

加工ヘッド１を含むレーザ切断装置は、公知のレーザ加工装置の構成であってよく、その構造等の説明は省略する。加工ヘッド１から照射される加工用レーザ光３は、本実施形態ではＹＡＧレーザとして説明するが、レーザ加工に用いられる公知の種々のレーザ（例えば炭酸ガスレーザ）を適用することができる。また、加工ヘッド１からは溶融金属を吹き飛ばすためにアシストガス４が噴射されるが、アシストガスとしては、酸化反応熱を切断に利用する場合には酸素ガスが使用され、切断部位に酸化皮膜を生成させずに切断する場合には窒素やアルゴン等のガスが使用される。

本発明による観察装置１０は、撮像装置１１とモニタ１２とを有する。撮像装置１１は、図２に示されるように、レーザ発光素子１３と、レーザ発光素子１３から出射される照明用レーザ光５を直角に曲げて照射させるためのハーフミラー１４と、照明用レーザ光５の照射光軸と同軸かつハーフミラー１４の透過側に配置された受光素子１５と、照明用レーザ光５の照射方向かつ同軸的にそれぞれ配置された減光フィルタ１６及びバンドパスフィルタ１７とを有する。レーザ発光素子１３は、コヒーレント光の近赤外パルスレーザをコリメートされた光として出射する。また、撮像装置１１には、レーザ発光素子１３及び受光素子１５を駆動制御すると共にモニタ１２に映像信号を出力する制御回路１８が設けられている。なお、レーザ発光素子１３とハーフミラー１４とにより、照明用レーザ装置が構成されている。また、制御回路１８は、別体の制御装置として設けられ、撮像装置１１及びモニタ１２と配線接続されていてもよい。

このようにして構成された観察装置１０により、レーザ切断の際の切断部位の観察を行うことができ、その観察要領を以下に説明する。被加工物２を切断する場合には、加工用レーザ光３を被加工物２に照射しながら加工ヘッド１を被加工物２の縁から切断方向（図２の矢印Ｘ）に任意の速度で移動させる。図では被加工物２の切断が途中まで行われている状態が示されている。被加工物２の切断において、加工用レーザ光３が照射された部分が被加工物２の上面２ａから溶融し、加工用レーザ光３の光軸ＣＬ方向に溶融が進行して下面２ｂに達すると、下面２ｂに溶融金属の付着によるドロスが生じる。

上述したように加工ヘッド１からアシストガス４が噴射されており、そのアシストガス４により下面２ｂ側に進んだ溶融金属を吹き飛ばすことができ、ドロスが生じることが防止される。このようにして被加工物２の上面２ａから下面２ｂに至る孔が開けられ、加工ヘッド１の移動方向に被加工物２が切断される。その切断時に、切断部位の状況を観察するべく、被加工物２の切断部位であって切断方向Ｘに対向する位置の切断加工面２ｃに照明用レーザ光５を照射するように撮像装置１１をセッティングする。なお、本実施形態のように加工ヘッド１を相対移動させて被加工物２を切断する場合には、その切断線に沿ってスリット２１が形成されることから、スリット２１の両側壁面も切断加工により形成される面となるが、本発明の対象とする加工面は、上記切断加工面２ｃをいうものとする。

上述したように、照明用レーザ光５は、レーザ発光素子１３から出射され、ハーフミラー１４で直角に反射されて各フィルタ１６・１７を透過して切断加工面２ｃに照射される。なお、レーザ切断により切断幅（図１のｂ）は例えば２００μｍ程度であることから、照射される照明用レーザ光５は、半導体レーザの出力構造に用いられるコリメートレンズ（図示省略）により平行な光束となるようにされている。この構造は公知であり、その説明は省略する。

照明用レーザ光５による切断加工面２ｃからの反射光６は、ハーフミラー１４を透過し、受光素子１５に至る。なお、受光素子１５は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなるものであってよい。受光素子１５で反射光６を受光し、制御回路１８では、受光素子１５の受光信号に基づいて切断加工面２ｃの形状を映像化処理し、その映像信号をモニタ１２に出力する。これにより、モニタ１２の画面上に切断加工面２ｃが映し出され、ユーザはモニタ１２で切断加工面２ｃの状況を観察することができる。なお、図示例の撮像装置１１は、照明用レーザ光５と反射光６との両光軸が互いに同軸となる同軸光学系方式により構成されているが、両光軸方向が互いに異なる方向となる分離光学系方式により構成されてもよい。

一方、切断加工面２ｃからの反射光６には、加工用レーザ光３の反射光の他に、被加工物２の熱せられた部分及び溶融部分からのプラズマ光や赤外光が含まれる。加工用レーザ光３は上記ＹＡＧレーザの場合には１０６４ｎｍの波長からなることから、その反射光は、１０６４ｎｍを含みかつその近傍の波長帯となる。また、プラズマ光は概ね４００〜６００ｎｍの波長帯であり、赤外光は概ね８００〜１５００ｎｍの波長帯である。また、照明用レーザ光５には、被加工物２がアルミニウムや鉄製の金属の場合には、それらの金属における光の（拡散）反射率が小さくなる８０８ｎｍの波長のレーザを用いるとよい。これにより、金属反射により反射光の干渉等による受光素子１５への迷光の入射が抑制されるため、画像ノイズを低減することができる。

これらの光が受光素子１５で受光されかつその強度が強い場合には、照明用レーザ光５の反射光による受光信号に対してノイズとなり、切断加工面２ｃの形状の映像化に悪影響を及ぼすことになる。それに対して、反射光６の光軸上で切断加工面２ｃ側に配置された減光フィルタ１６にはＮＤフィルタを用い、反射光６の光軸上でハーフミラー１４側に配置されたバンドパスフィルタ１７にはバンドパスフィルタを用いている。バンドパスフィルタ１７の透過波長帯は、プラズマ光と加工用レーザ光３との間であって、照明用レーザ光５による反射光６の中心波長近傍を透過させるように設定される。

図３は、各レーザ光３・５とプラズマ光及び赤外光の相対強度（a.u.）の波長分布を示す図である。図において、照明用レーザ光５は実線で、加工用レーザ光３は破線で、プラズマ光は一点鎖線で、赤外光は二点鎖線でそれぞれ示されている。それぞれの波長帯は上記した通りである。

図において強度ＯＤは、上記減光フィルタ１６の透過上限値であり、強度ＯＤ以上の強度の光に対しては受光素子１５の受光可能な全波長域に対する透過の制限値である。また、バンドパスフィルタ１７による透過幅Δλは、中心波長を８０８ｎｍとして例えば透過率５０〜７０％以上で、その間の波長幅が１０〜１５ｎｍであってよい。この場合には、波長が８０３〜８１３ｎｍの光を略透過させるが、その波長帯以外の光は略カットされることになる。

このように構成されていることから、受光素子１５に対して、バンドパスフィルタ１７により照明用レーザ光５の波長を含む近傍の波長帯からなる光のみが透過するようになる。これにより、照明用レーザ光５の反射光６のみを受光素子１５で受光することができ、バンドパスフィルタ１７でカットされるプラズマ光や加工用レーザ光３の反射光が受光素子１５により受光されなくなるため、それらの光が反射光６にノイズとして含まれることがない。なお、照明用レーザ光５に本実施形態のように近赤外光を使用する場合には、赤外光の短波長側の一部がバンドパスフィルタ１７を透過してしまう。赤外光のピーク波長は８００〜１５００ｎｍの波長帯の中心波長の近傍となるため、照明用レーザ光５に８０８ｎｍの波長のものを用い、それに対応してバンド幅１０ｎｍのバンドパスフィルタからなるバンドパスフィルタ１７を設けたことから、バンドパスフィルタ１７を透過して受光素子１５に至る赤外光の一部は僅かであり、それにより反射光６に含まれるノイズ成分も小さなものとなる。

また、減光フィルタ１６により受光素子１５の受光可能な全波長域に対して透過上限値の強度ＯＤ以上の光がカットされる。これにより、受光素子１５を飽和状態にしてしまう妨害光（ノイズ）が排除されるため、ハレーションが除去され、画像コントラスの向上を図ることができる。

図４は、切断加工面２ｃの側断面形状を示す要部拡大断面図である。図に示されるように、被加工物２の上面２ａ側から照射される加工用レーザ光３により切断加工面２ｃが熱せられ、切断加工面２ｃの上縁側に溶融金属２２が生じる。加工ヘッド１からはアシストガス４が加工用レーザ光３と同軸かつコーン状に噴出している。溶融金属２２は、高温状態で粘度が低いことから、アシストガス４の噴射により切断加工面２ｃを下面２ｂに向けて流れ落ち、切断加工面２ｃの下縁側に流れ落ちてくると、温度が低下して粘度が高くなってアシストガス４により吹き飛ばされ難くなるため、図に示されるように切断加工面２ｃの下縁側が膨出するような湾曲断面形状が形成される。なお、溶融金属２２が下面２ｂに付着するとドロス２３になるが、アシストガス４のガス圧や噴射方向を適切に設定することにより、ドロス２３は図の破線の矢印のように吹き飛ばされる。

このように、加工用レーザ光３の照射による切断加工面２ｃには溶融金属２２の流れを含む形状が形成され、切断加工面２ｃの上記湾曲断面形状が加工ヘッド１の移動に伴って進行していくことにより、切断加工面２ｃには、湾曲形状の筋（図４の符号２４）が切断方向Ｘに複数条形成される。この筋２４の凹凸形状は、加工ヘッド１の移動すなわち切断加工における時間的変化に対応し、筋２４の切断方向Ｘについての連続性や凹凸形状の大きさ等が加工品質の評価となる。

このような切断加工中の状態を視認することが可能となることにより、例えば溶融金属２２の滑らかな流れとなるように切断加工条件の設定を切断加工中に変更することができるため、切断加工中の精確な観察が望まれる。上述したようにして、照明用レーザ光５の反射光６のみを受光して、加工用レーザ光３等によるノイズを排除して切断加工面２ｃの状況を撮像することができるが、そのままでは平面的な映像としてモニタ１２に映し出されることになるため、その場合には切断加工面２ｃの表面の形状を的確に視認することは難しい。

本発明によれば、レーザ発光素子１３と受光素子１５とを用いて距離画像センサを構成し、受光素子１５の画素１５ａ毎に切断加工面２ｃまでの距離を測定して、切断加工面２ｃの形状を映像化することにより、切断加工面２ｃの形状を視認することができる。以下に、その距離測定要領を説明する。

図５は、本発明に適用される距離画像センサブロック３０の構成を示すブロック図である。本実施形態の距離画像センサブロック３０は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式で距離画像を生成するよう構成されており、レーザ発光素子１３と、タイミング生成部３１と、発光受光ドライバ３２と、受光素子１５と、受光シャッタ処理部３３と、Ａ／Ｄ変換部３４とを備えている。

例えば、受光素子１５が縦横複数列に並べられた複数の画素１５ａにより構成されている場合に、図４に示されるように横一列の画素１５ａに対して上端から１列ずつ下端に至るまでスキャンするように照明用レーザ光５を照射し、画素１５ａ毎に、照明用レーザ光５が照射されてからその反射光６を受光するまでの経過時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、......、Ｔｎを検出する。なお、照明用レーザ光５の上記スキャンは、例えば光学レンズにより上記横一列の画素１５ａに対応可能な線光源とし、その線光源を受光素子１５の上端から下端に至るまでスキャンさせるようにハーフミラー１４を駆動制御することにより可能である。これにより、高速なスキャンが可能となる。

タイミング生成部３１は、レーザ発光素子１３からの出射光を所定のタイミング及びパルス幅で制御する駆動信号を生成し、その駆動信号を発光受光ドライバ３２に出力する。発光受光ドライバ３２は、タイミング生成部３１から出力される駆動信号の入力に従ってレーザ発光素子１３を駆動する。受光素子１５は、レーザ発光素子１３から出射されて切断加工面２ｃで反射した反射光６を受光し、その受光した光をＣＣＤで電気信号に変換した受光信号を受光シャッタ処理部３３に出力する。受光シャッタ処理部３３は、タイミング生成部３１が生成する駆動信号のタイミング及びパルス幅に基づく電子シャッタウィンドウ信号によって制御される。なお、電子シャッタウィンドウ信号による電子シャッタ制御は、例えばＣＣＤのグローバルシャッタであるとよいが、ローリングシャッタであってもよい。

図６は、距離画像センサブロック３０による距離画像の生成を説明するタイミングチャートである。上述したように、駆動信号は、矩形状のパルス波であり、一定の周期Ｔ／２で駆動（ＨＩＧＨ）と停止（ＬＯＷ）を繰り返す。なお、レーザ発光素子１３からの実際の発光光量は、駆動信号の波形通りに立ち上がり、かつ立ち下がるものではなく、立ち上がり及び立ち下がりのエッジは図に示されるように角が丸められかつ傾斜した形状となる。電子シャッタウィンドウ信号は、パルス波であり、発光駆動信号と同一の周期で駆動（ＨＩＧＨ）と停止（ＬＯＷ）を繰り返す。駆動信号と電子シャッタウィンドウ信号とは位相が同じであってよく、位相が若干ずれていてもよい（電子シャッタウィンドウ信号が駆動信号に若干遅れていてもよい）。

このような駆動信号及び電子シャッタウィンドウ信号によってレーザ発光素子１３及び受光シャッタ処理部３３がそれぞれ駆動されることにより、図６に示すようなＣＣＤ受光光量が得られる。ここで、受光素子１５の各画素において、照明用レーザ光５のパルス波の立ち上がりに対して、その反射光６のパルス波の立ち上がりに遅れ（位相差）が生じる。反射光６が受光素子１５にて受光されるまでの時間が長い場合、すなわち、その画素が捉えている被写体部分までの距離が撮像装置１１から遠い場合には、電子シャッタウィンドウ信号のパルス幅の期間に受光素子１５で受光できる反射光６の光量は少なくなる。逆に、各画素において、反射光６が受光素子１５にて受光されるまでの時間が短い場合、すなわち、その画素が捉えている被写体部分までの距離が撮像装置１１に近い場合には、電子シャッタウィンドウ信号のパルス幅の期間に受光素子１５で受光できる反射光６の光量は多くなる。

受光素子１５の各画素において受光シャッタウィンドウ信号が立ち上がっている間（パルス幅の期間）に受光した光量となる積分値（図６のハッチング）の大小により、各画素が捉えている被写体部分の距離を計ることができる。受光シャッタ処理部３３では、この光量となる積分値に対応する電気信号に変換され、この電気信号の出力値は、各画素について、それらの画素が捉えている被写体部分の距離に対応する。上記積分値は各画素の輝度値に対応し、各画素の輝度値は距離を示す距離情報になる。受光シャッタ処理部３３は、全画素の各輝度値を距離画像としてＡ／Ｄ変換部３４に出力する。モニタ１２に距離画像が表示される際には、距離が遠い画素ほど濃度が低い濃淡画像として表示されるとよいが、距離が近い画素ほど濃度が低い濃淡画像として表示されるようにしてもよい。

なお、図６に示すように、レーザ発光素子１３による出射光の出力及び受光シャッタ処理部３３による光電変換（受光光量の積分）は、１つの距離画像を生成するために複数回行われてよい。この場合には、複数回のパルス状出射光の出力及び受光によって得られた各輝度値を平均化し、かつ／または中間の値を採用することにより、距離画像を生成するための各画素の輝度値を求めてよい。

このようにして、図５に示されるように、Ａ／Ｄ変換部３４は、受光シャッタ処理部３３から出力される電気信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、デジタル信号としての距離画像を出力する。この距離画像は、全画素について、画素毎に、当該画素が捉えている被写体部分の距離が規定された情報である。これに基づき、上述した濃淡表示により表示されるモニタ１２の画像は、３Ｄ画像のような奥行き感のあるものとなる。

上述したように、受光素子１５による距離測定を画素毎に行い、それを切断加工面２ｃの形状として映像化することにより、ユーザは切断加工面２ｃのレーザ加工切断中の形状をモニタ１２で観察することができる。その観察により、切断加工中に、切断加工条件の設定を変更し、かつ設定変更に伴う切断加工面２ｃの形状変化を確認することができる。すなわち、切断加工面２ｃの形状の時間変化から切断面（スリット２１の切断方向Ｘに平行な両側面）２１ａの凹凸形状を予測して、その予測結果を切断加工条件に反映させて設定を変更することができる。これにより、１回の試し切りのみで適切な切断加工条件の設定を行うことが可能となり、複数回の試し切りによる無駄な加工物が生じることが抑制される。なお、距離情報の取得は画素毎に行うことに限られず、複数の画素を１単位として、その単位毎に平均値を取る等して距離を求めてもよい。

なお、距離の計測をＴＯＦにより行う場合に、ＴＯＦの特徴として出射光（照明用レーザ光５）に対する反射光６の遅れ（位相差、時間差）により距離を決定することができ、例えば反射光６の立ち上がりの時間差に基づいて距離の計測を行ってもよい。その場合には、反射光６の立ち上がり途中（図６の受光素子１５の波形における０から最大値に至る中間に設定された閾値）までの時間差を計測して距離を決定することができるため、強い反射光６の主ピーク（最大値）が受光される前に距離を決定することができる。反射光６の波形の立ち上がり途中で距離を決定して映像化することから、近い所からの強い反射光６の主ピークの受光により飽和するような受光素子１５を用いても距離測定を行うことができ、遠近にかかわらず、すなわち受光素子１５のダイナミックレンジを考慮することなく、切断加工面２ｃの形状を映像化することができるという利点がある。

図７は、レーザ切断加工の条件設定の一例を体系的に示した図である。先ず、過去の経験等により任意の設定によるレーザ切断加工を行い、切断加工面２ｃの状態（溶融金属２２の流れを含む形状等）を上述したようにしてモニタ１２で確認する。その切断加工面２ｃの形状の観察により、被加工物２の溶融物性、アシストガス４の条件、加工ヘッド１及び被加工物２（ワーク保持台）の相対速度に対する各情報を容易に得ることが可能となる。これらは、溶融金属２２の飛散条件に対応する。

被加工物２（ワーク保持台）の溶融物性は、被加工物２の厚み方向の温度分布と、加工用レーザ光３のビーム径方向の温度分布とに対する各情報となり、これらは溶融条件に対応する。これら各温度分布は、加工用レーザ光３のビーム出力と、ビームの焦点位置と、ビーム断面のエネルギ密度と、被加工物２の熱伝導等とに対する各情報となり、これらは加工条件に対応する。また、アシストガス４の条件にはガス圧と噴射方向とがあり、それらは加工条件に対応する設定対象となる。加工ヘッド１及び被加工物２（ワーク保持台）の相対速度には加工ヘッド１の速度と被加工物２（ワーク保持台）の速度とがあり、これらも加工条件に対応する設定対象となる。

なお、被加工物２の切断品質としては、切断による寸法及び形状や角度等が許容範囲であることの他に、切断部位の形状が重要となり、以下にその品質評価対象項目を示す。先ず、切断幅の寸法、切断面２１ａの形状、切断された縁の角度等が要求される許容範囲であることが品質評価対象となる。また、切断による熱変形が許容範囲内であり、切断部位の表面（上面２ａ）や裏面（下面２ｂ）における溶融金属２２の付着が無いことがある。また、切断面２１ａの平滑度、面粗度、ドラグラインの程度も品質評価対象となる。なお、ドラグラインとは、加工ヘッド１の移動に対する加工用レーザ光３による孔開けの進行遅れ（上面２ａ側から下面２ｂ側に向かう筋）であり、遅れが過大であったり不揃いであったりした場合には品質低下となる。また、切断幅（スリット２１の幅）、切断面２１ａの直角度（図示例の上面２ａ及び下面２ｂに対するスリット２１の両側面の角度）が品質評価対象となる。また、切断面２１ａのスケール（酸化物）の有無も品質評価対象となる。

上述したように、モニタ１２に映し出される切断加工面２ｃの切断加工中の形状に基づいて、上記各加工条件の適切な設定値を容易に求めることが可能となる。なお、観察対処の切断加工面２ｃは切断方向Ｘの進行方向側となる面であるが、その切断加工面２ｃにおける溶融金属２２の流れ落ちる際の形状や速さ等の観察により、上記各評価対象項目に対応し得る加工条件の設定を容易に行うことができる。このようにして、被加工物２のレーザ切断加工作業において、例えば１回の試し切りで適切な加工条件設定値を取得することができる。これにより、従来の切断加工後に設定値の見直しを繰り返す場合に対して、速やかに正規のレーザ切断加工を始めることができるため、試し切りを繰り返すことによる無駄な被加工物が大量に生じることが防止され、製品となる被加工物のコストを低廉化し得る。

以上、本発明を、その好適実施形態の実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では板材を直線で切断する例について示したが、被加工物２の形状を板材に限定するものではなく、例えば球体を半割する場合にも適用し得る。また、切断線も直線に限られず曲線であってもよく、その場合には、例えば撮像装置１１をスリット２１の斜め上方から照明及び撮影する位置に設けると共に加工ヘッド１の移動方向に対応させて照明及び撮影方向を追従させることであってよい。この場合には、ＮＣ制御による位置制御信号に基づいて追従させることができる。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

本発明にかかるレーザ切断部位の観察装置及びその方法は、レーザ切断加工中に切断部位を観察することが可能となり、レーザ切断において適切な加工条件の設定を求めるための試し切りの回数を低減することができ、レーザ加工、特に切断加工を行う分野に有用である。

１ 加工ヘッド
２ 被加工物
３ 加工用レーザ光
５ 照明用レーザ光
６ 反射光
１１ 撮像装置
１２ モニタ
１３ レーザ発光素子（照明用レーザ装置）
１４ ハーフミラー（照明用レーザ装置）
１５ 受光素子
１５ａ 画素
１６ 減光フィルタ
１７ バンドパスフィルタ

Claims (7)

1. 加工用レーザ光を照射して被加工物を切断加工する際の切断部位を観察するためのレーザ切断部位の観察装置であって、
   前記切断部位を照明するための照明用レーザ光を出射する照明用レーザ装置と、
   受光素子により前記切断部位からの光を受光して映像化する撮像装置と、
   前記受光素子に入力する光を減光する減光フィルタと、
   前記受光素子に入力する光に対して、前記照明用レーザ光の波長及びその近傍となる所定の波長帯の光のみを透過させるバンドパスフィルタと、
   前記撮像装置により映像化された映像を出力するモニタとを有し、
   前記照明用レーザ光は、前記加工用レーザ光とプラズマ光との各波長帯とは異なる波長の光であることを特徴とするレーザ切断部位の観察装置。
2. 前記照明用レーザ光は、近赤外光であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断部位の観察装置。
3. 前記減光フィルタの減光設定値が、前記照明用レーザ光の最大強度より高い値に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ切断部位の観察装置。
4. 前記照明用レーザ光はパルスレーザであり、
   前記撮像装置は、前記照明用レーザ光のパルス波と、前記切断部位からの反射光の対応するパルス波とに基づいて前記切断部位の対応する位置までの距離を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレーザ切断部位の観察装置。
5. 前記撮像装置が、前記距離に基づいて前記切断部位の形状を映像化することを特徴とする請求項４に記載のレーザ切断部位の観察装置。
6. 前記撮像装置は、前記照明用レーザ光を前記切断部位に対して走査して前記距離を求めることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーザ切断部位の観察装置。
7. 加工用レーザ光を照射して被加工物を切断加工する際の切断部位を観察するためのレーザ切断部位の観察方法であって、
   前記切断部位を照明するための照明用レーザ光を出射する照明用レーザ装置と、
   受光素子により前記切断部位からの光を受光して映像化する撮像装置と、
   前記受光素子に入力する光を減光する減光フィルタと、
   前記受光素子に入力する光に対して、前記照明用レーザ光の波長及びその近傍となる所定の波長帯の光のみを透過させるバンドパスフィルタと、
   前記撮像装置により映像化された映像を出力するモニタとを有し、
   前記照明用レーザ装置からパルス波の照明用レーザ光を出射する過程と、
   前記照明用レーザ光に対応して前記切断部位から反射したパルス波の反射光を前記受光素子により受光する過程と、
   撮像装置により、前記照明用レーザ光のパルス波と、前記切断部位からの反射光の対応するパルス波とに基づいて前記切断部位までの距離を求め、該距離に基づいて前記切断部位の形状を映像化する過程とを有することを特徴とするレーザ切断部位の観察方法。

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