JP2018075610A - 光学素子の汚れ検出方法及び装置並びにレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの外周面に沿って備えた光検出センサの検出値が、設定値以上の高レベルの場合に、保護ガラスの交換が必要か否かを判別する機能を備えた保護ガラスの汚れ検出方法及び装置並びにレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの汚れ検出方法であって、保護ガラス５の外周面に沿って適数の光検出センサ７Ａ，７Ｂを備え、光検出センサ７Ａ，７Ｂにおける検出値が設定値以下の低レベルの状態にあるときに、位相差が１６０°〜２００°の範囲において前記光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値が設定値以上になった場合には、保護ガラス５の交換が不要であることとして検出する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに備えた光学素子の１例としての保護ガラスの汚れ検出方法及び装置並びにレーザ加工ヘッドに関する。さらに詳細には、光検出センサの検出値が、保護ガラスの交換が不要である程度の汚れであっても、上記検出値のレベルが設定値より大きくなった場合に、保護ガラスの交換が必要か否かを容易に判別することができる保護ガラスの汚れ検出方法及び装置並びにレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工装置によって金属材料のワークのレーザ加工を行うと、レーザ加工時に発生したスパッタやヒュームが、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスに付着する。したがって、保護ガラスの外周面に沿って光検出センサを配置し、この光検出センサによって、保護ガラスに対するスパッタ等の付着を検出している（例えば、特許文献１，２参照）。

特表２００１−５０９８８９号公報 特開２０１４−２３７１５０号公報

従来、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの外周面に沿って配置した光検出センサによって、前記保護ガラスにスパッタ等の汚れが付着したことの検出が行われている。前記汚れの検出は、付着したスパッタ等によって乱反射され、保護ガラス内において乱反射されたレーザ光を前記光検出センサによって検出することによって行われている。また、ＬＥＤによって検出光を保護ガラスに入射し、この検出光が付着したスパッタによって乱反射されたことを検出することによって行われている。

ところで、従来は、スパッタ等の汚れによって乱反射された反射光を前記光検出センサによって検出した際の検出値が、予め設定した設定値よりも大きい場合には、保護ガラスの交換が行われている。すなわち、従来は、光検出センサによる検出値は、保護ガラスに付着したスパッタの付着量が多くなると、光検出センサによる検出値が大きくなるものと考えられていた。したがって、光検出センサによる検出値が設定値より大きい場合には、保護ガラスの交換が行われている。

しかし、光検出センサによる検出値が設定値より大きい場合であっても、付着したスパッタが微小であって、保護ガラスが継続して使用可能な場合もある。したがって、光検出センサによる検出値が設定値よりも大きいことにより、保護ガラスの交換を行う場合、無駄な交換を行う場合もある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出方法であって、光学素子の外周面に沿って適数の光検出センサを備え、光検出センサにおける検出値が設定値以下の低レベルの状態にあるときに、位相差が１６０°〜２００°の範囲以外において前記光検出センサの検出値が設定値以上になった場合には、光学素子の交換が不要であることとして検出するものである。

また、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出方法であって、光学素子の外周面に沿って複数の光検出センサを備え、適数の光検出センサの検出値が設定値以下の低レベルの状態にあるときに、位相差が１６０°〜２００°の範囲以外の複数の光検出センサにおける検出値が設定値以上の場合には、光学素子の交換が不要であることとして検出するものである。

また、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出装置であって、光学素子の外周面に沿って第１，第２の光検出センサを備え、前記第１，第２の光検出センサは１６０°〜２００°の位相差以外に配置してあり、前記第１，第２の光検出センサの検出値と予め設定した設定値とを比較する比較手段を備え、上記比較手段の比較の結果、一方の光検出センサの検出値が前記設定値以下であり、他方の光検出センサの検出値が前記設定値以上の場合には、前記光学素子の交換が不要であると判別する判別手段を備えているものである。

また、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出装置であって、光学素子の外周面に沿って光検出センサを備え、前記光学素子の外周面に沿って前記光検出センサを相対的に移動自在に備えているものである。

また、レーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の外周面に沿って第１，第２の光検出センサを備えているものである。

また、レーザ加工ヘッドにおいて、前記第１，第２の光検出センサは、望ましくは、１６０°〜２００°の位相差以外に配置してある。

本発明によれば、光検出センサの検出値が、設定値よりも大きくなった場合でも、光検出センサによる検出値が低レベル状態にある微小なスパッタが保護ガラスに付着したものとして検出できる。そして、この場合には、保護ガラスを継続して使用可能と判別できる。したがって、誤検出を防止し、使用可能な保護ガラスを交換することの無駄を無くすことができるものである。

保護ガラスにスパッタが付着したことを検出する原理の説明図である。 光検出センサによってスパッタを検出した際に表れるピーク値と、ピーク値の位相差の説明図である。 保護ガラスにスパッタが付着した際のスパッタの形状の説明図である。 本発明の実施形態に係る保護ガラスの汚れ検出装置の構成を概念的、概略的に示した機能ブロック図である。 変更形態の構成を示す説明図である。 変更形態の構成を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、理解を容易にするために、先ず、実施形態において、レーザ加工ヘッドの保護ガラスに、汚れとしてのスパッタが付着したことを検出する原理について説明する。

図１に概念的に示すように、レーザ加工ヘッド（図示省略）に備えた集光レンズ１の下側には、レーザ加工位置から飛散するスパッタ３から前記集光レンズ１を保護する光学素子としての保護ガラス５が配置してある。そして、前記保護ガラス５の外周面に沿って、フォトダイオードなどのごとき光検出センサ７が備えられている。

上記構成において、ワーク（図示省略）のレーザ加工を行うべく、レーザ光ＬＢを集光レンズ１によって集光してワークへ照射すると、ワークのレーザ加工が行われる。ワークのレーザ加工を行うときには、ワークのレーザ加工位置からスパッタ３が飛散して保護ガラス５に付着することがある。

汚れとしてのスパッタ３が保護ガラスに付着すると、スパッタ３に照射されたレーザ光ＬＢが乱反射される。そして、乱反射されたレーザ光ＬＢの一部は、保護ガラス５内において乱反射して、保護ガラス５の外周面から外部へ漏出することになる。したがって、光検出センサ７によって、汚れとしてのスパッタ３が付着したことを検出することができるものである。

ところで、前記スパッタ３の大きさが例えば２００μｍ程度に微小（微細）な場合であって、かつ小数（例えば１個）の場合であっても、前記光検出センサ７による検出値が、保護ガラス５の交換を行うために予め設定した設定値よりも大きくなることがある。しかし、保護ガラス５に対するスパッタ３が、微小な場合には、保護ガラス５は継続して使用可能である。したがって、光検出センサ７の検出値が設定値よりも大きくなったことをもって、直ちに保護ガラス５の交換を行うには無駄が多いことになる。

そこで、保護ガラス５に対して微細なスパッタ３を実験的に付着して、保護ガラス５の周囲に配置した光検出センサ７に対して保護ガラスを３６０°回転させ、３３箇所の回転位置で光強度を測定した。この保護ガラスの回転位置と、その回転位置での前記光検出センサ７の検出値との関係を調べたところ、図２に示すように、位相（角度）の異なる２箇所において保護ガラスの交換が必要な設定値を上回る検出値のピークが表れ、このピーク以外の検出値は保護ガラスの交換が必要な設定値をはるかに下回る低レベルの検出値であることを見出した。

前記検出値のピークの間隔は、１６０°〜２００°の範囲に分布している。しかし、約１８０°の範囲の分布が多かった。そこで、保護ガラス５にスパッタ３が付着すると、何故約１８０°の間隔でもって検出値のピーク値が表れるのかを考察すると、次のように考えられる。

すなわち、ワークの加工位置から飛散したスパッタ３は、高温であることにより、図３（Ａ）に示すように球状を呈しているものと考えられる。そして、保護ガラス５の下面に対して斜めに衝突すると、スパッタ３は、図３（Ｂ）に示すように、ほぼ楕円形状に変形し、固化し付着するものと考えられる。そして、前述したように、レーザ光ＬＢが変形したスパッタ３に照射されると、スパッタ３の全外周面からレーザ光ＬＢが乱反射される。しかし、スパッタ３はほぼ楕円形に変形されるので、楕円の長径方向に対して直交する方向への反射光量が多くなり、約１８０°の位相差（角度差）をもってピーク値が表れるものと考えられる。

ところで、保護ガラス５の下面に衝突して固化したスパッタ３は、保護ガラス５の下面に衝突する傾斜角度、直前の形状、温度及び衝突速度等によって、必ずしも一定の形状に変化するとは限らないものである。したがって、前記光検出センサ７によって検出したときのピーク値は、約１６０°〜２００°の範囲に分布するものと考えられる。

上述に鑑みて、保護ガラス５の汚れを検出する検出装置９は、図４に示す構成である。すなわち、レーザ加工装置（図示省略）におけるレーザ加工ヘッド１１（全体的構成は図示省略）にはガラスホルダ１３が備えられている。そして、このガラスホルダ１３には前記保護ガラス５が備えられている。この保護ガラス５の外周面に沿って第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂが備えられている。上記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂは、保護ガラス５の周方向の配置が約１６０°〜２００°の位相差の配置とならないように、１６０°〜２００°の位相差以外に配置してある。

したがって、例えば新品の保護ガラス５に微細（微小）なスパッタ３が付着した場合、上記スパッタ３において乱反射されたレーザ光ＬＢの一部を第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂによって検出することができる。この場合、例えば一方の第１光検出センサ７Ａの検出値が予め設定した設定値以上になった場合であっても、他方の第２光検出センサ７Ｂの検出値は、例えば、新品な保護ガラス５に対応した低レベルの検出値（保護ガラス５の交換が不用な検出値）となるものである。すなわち、スパッタ３が付着した場合、図２（Ａ），（Ｂ）に示したように、設定値以上のピーク値は約１８０°の位相差をもって表れるものである。したがって、一方の光検出センサ７Ａが前記ピーク値に相当する検出値の場合には、他方の光検出センサ７Ｂは、例えばピーク値間の低レベルの検出値となるものである。

既に理解されるように、保護ガラス５にスパッタ３が付着することによって、一方の光検出センサ７Ａの検出値が設定値よりも大きくなった場合であっても、他方の光検出センサ７Ｂの検出値が設定値よりも低レベルの場合には、保護ガラス５は使用可能な状態であると判別することができるものである。

前記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値に基づいて保護ガラス５の交換を指示するために、前記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂは、検出センサインターフェース回路および信号変換器（Ａ／Ｄ変換器）を介して交換指示装置１５に接続してある。この交換指示装置１５は、例えばマイコンなどのコンピュータから構成してあって、ＣＰＵ１７，ＲＡＭ１９，ＲＯＭ２１を備えている。また、前記交換指示装置１５は、前記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値を個別に格納する第１，第２のメモリ２３，２５を備えている。

さらに、前記交換指示装置１５は、予め設定した設定値としてワーニングレベルの設定値を格納した第１設定値メモリ２７と、アラームレベルとしてワーニングレベルの設定値よりも大きな設定値を格納した第２設定値メモリ２９を備えている。また、前記交換指示装置１５は、前記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値と、予め設定した第１，第２の設定値メモリ２７，２９の設定値とを比較する比較手段３１を備えている。そして、前記比較手段３１の比較結果に基づいて保護ガラス５の交換が必要か、不要かを判別手段３３を備えている。この判別手段３３の判別結果を表示するモニタ等のごとき表示手段３５が前記交換指示装置１５に接続してある。

上記構成において、第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの受光素子で、散乱光は電流値に変換され、検出センサインターフェース回路で、さらにアナログ処理される。その後、信号変換器でアナログ信号からデジタル信号に変換され、それぞれの光検出センサの検出値であるのデジタル信号データが第１，第２のメモリ２３，２５に格納される。そして、第１，第２メモリ２３，２５に格納された検出値と第１，第２の設定値メモリ２７，２９に格納された設定値とが比較手段３１によって比較される。この比較の結果、第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値が何れも第１設定値メモリ２７に格納された設定値よりも小さな低レベルの場合には、判別手段３３において、保護ガラス５の交換は不要であると判別される。すなわち保護ガラス５は正常である旨の判別が行われる。

そして、第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値の何れか一方、又は両方が、第１，第２の設定値メモリ２７，２９に格納された設定値の間のレベルである場合には、保護ガラス５は使用可能である。しかし交換時期が近づいていることを、表示手段３５に表示することになる。

前記第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂの検出値レベルが何れも第２の設定値メモリ２９よりも大きくなった場合には、保護ガラス５の交換を行う旨の表示を表示装置に行うことになる。

ところで、第１，第２の光検出センサ７Ａ，７Ｂにおいて、一方の光検出センサ７Ａの検出値が前記第２の設定値メモリ２９に格納された設定値よりも大きなレベルであり、他方の光検出センサ７Ｂの検出値が前記第１設定値メモリ２７に格納した設定値よりも低レベルの場合には、前述したように、保護ガラス５に少量のスパッタ３が付着した場合であると、前記判別手段３３によって判別される。したがって、この場合には、一方の光検出センサ７Ａの検出レベルが設定値よりも大きな場合であっても、保護ガラス５は継続して使用可能であるものと判別されることになり、表示手段３５にその旨の表示が行われることになる。

以上のごとき説明より理解されるように、一方の光センサ７Ａの検出値レベルが予め設定した設定値より大であっても、他方の光センサ７Ｂの検出レベルが設定値より小の場合には、保護ガラス５は使用可能であるものと判別される。したがって、光検出センサ７Ａの検出値が設定値以上のレベルであっても、保護ガラス５を直ちに交換する必要はないものである。よって、継続して使用可能な保護ガラス５を交換するような無駄をなくすことができるものである。

ところで、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。すなわち、例えば図５に概略的に示すように、ガラスホルダ１３に保護ガラス５を、例えば適宜のアクチュエータによって回転自在に備えると共に保護ガラス５の回転角を検出するロータリエンコーダ等のごとき角度検出手段（図示省略）を備える。そして、前記保護ガラス５の外周面に沿った適宜位置に光検出センサ７を備えた構成とすることも可能である。この場合、図２で説明した方法と同様に、保護ガラスを３６０°回転させ、適宜複数の回転位置で光強度を測定し、それぞれ、保護ガラスの回転位置と、その回転位置での前記光検出センサ７の検出値とを関連付けて交換装置15内に別途メモリを設けそこに保存し、光検出センサ７のピーク値が約１８０°位相差（角度差）もって存在するか否かによって、保護ガラス５に微小のスパッタ３が付着した汚れか否かを判別できるものである。なおこの場合、保護ガラスを３６０°回転させる方法を示したが、例えば保護ガラスを約９０度回転させて複数の回転位置での光検出センサの検出値の中に仮にピーク値があったとしても、低レベルの信号も検出されれば保護ガラス５に微小のスパッタ３が付着した汚れと判別することもできるものである。

また、図６に概略的に示すように、保護ガラス５の周囲に備えた光検出センサ７を、保護ガラス５の外周面に沿って移動自在（回転自在）に備えると共に、光検出センサ７の回転角を検出する適宜の角度検出手段を備えた構成とすることも可能である。

すなわち、保護ガラス５の外周面に沿って、光検出センサ７を相対的に移動自在に備えた構成とするものである。

また、集光レンズ１とワークとの間に配置する保護ガラス５のスパッタ３検出の光検出センサについて記述したが、保護ガラス５を実装しない形態の場合は集光レンズ１の外周面に沿って光検出センサを備えた構成とすることも可能である。

本件発明においては保護ガラス５および集光レンズ１を光学素子と言う。

また、保護ガラスの外周面に光検出センサを配置した構成に代えて、保護ガラスの外周面に漏出したレーザ光ＬＢの波長を伝搬可能な光ファイバを介して光センサを配置して、光ファイバを介して伝搬した散乱光を光検出センサを交換指示装置１５に接続する事でも可能である。

上述のごとき変更態様においても、前述したごとき効果を奏し得るものである。

３ スパッタ
５ 保護ガラス
７ 光検出センサ
７Ａ，７Ｂ 第１，第２の光検出センサ
９ 汚れ検出装置
１１ レーザ加工ヘッド
１３ ガラスホルダ
１５ 交換指示装置
２７ 第１設定値メモリ
２９ 第２設定値メモリ
３１ 比較手段
３３ 判別手段
３５ 表示手段

Claims (6)

1. レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出方法であって、光学素子の外周面に沿って適数の光検出センサを備え、光検出センサにおける検出値が設定値以下の低レベルの状態にあるときに、位相差が１６０°〜２００°の範囲以外において前記光検出センサの検出値が設定値以上になった場合には、光学素子の交換が不要であることとして検出することを特徴とする光学素子の汚れ検出方法。
2. レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出方法であって、光学素子の外周面に沿って複数の光検出センサを備え、適数の光検出センサの検出値が設定値以下の低レベルの状態にあるときに、位相差が１６０°〜２００°の範囲以外の複数の光検出センサにおける検出値が設定値以上の場合には、光学素子の交換が不要であることとして検出することを特徴とする光学素子の汚れ検出方法。
3. レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出装置であって、光学素子の外周面に沿って第１，第２の光検出センサを備え、前記第１，第２の光検出センサは１６０°〜２００°の位相差以外に配置してあり、前記第１，第２の光検出センサの検出値と予め設定した設定値とを比較する比較手段を備え、上記比較手段の比較の結果、一方の光検出センサの検出値が前記設定値以下であり、他方の光検出センサの検出値が前記設定値以上の場合には、前記光学素子の交換が不要であると判別する判別手段を備えていることを特徴とする光学素子の汚れ検出装置。
4. レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の汚れ検出装置であって、光学素子の外周面に沿って光検出センサを備え、前記光学素子の外周面に沿って前記光検出センサを相対的に移動自在に備えていることを特徴とする光学素子の汚れ検出装置。
5. レーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッドに備えた光学素子の外周面に沿って第１，第２の光検出センサを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 請求項５に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記第１，第２の光検出センサは、１６０°〜２００°の位相差以外に配置してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
   

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