JP3187147B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノズル先端と被加工物
との距離を一定に維持するハイトセンサー部を利用した
レーザー加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるレーザー加工装置１は、図
２に示すようにレーザー加工装置本体２とレーザー加工
制御部３とから構成され、レーザー加工装置本体２はレ
ーザー発振器４からのレーザー光線４ａをレーザー加工
装置トーチ部５に設けた反射ミラー５ａによって屈折さ
せ、集光レンズ５ｂによって集束されたレーザー光線４
ａの焦点を被加工物８の表面に位置させることによって
レーザー光線による加工を施すものである。

【０００３】そのため、被加工物８とレーザー加工装置
トーチ部５のノズル先端５ｃとの距離を一定に保つため
に、被加工物８とレーザー加工装置１のトーチ部５のノ
ズル先端５ｃとの間に生じる静電容量を測定して、常に
適宜距離を保持するレーザー加工制御部３を備えてい
る。

【０００４】即ち、ハイトセンサーアンプ部３は、ハイ
トセンサー部３１と、このハイトセンサー部３１からの
信号を接続する同軸ケーブルとから構成されている。こ
こでハイトセンサー部３１は、被加工物８と、トーチ部
５のノズル先端５ｃとの距離から生じる静電容量を検出
し、該静電容量に基づいた電圧を発生させる回路群から
構成されている。

【０００５】従ってハイトセンサー部３１から生じる電
圧変化分をレーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモータ
ー６に供給することによって、被加工物８に対するレー
ザー光線４ａの焦点を最適に保つことが出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記説
明した従来技術においては、レーザー加工中に生じるプ
ラズマの発生により、ノズル先端と被加工物との間の静
電容量が急激に増大し、その結果、ハイトセンサー部で
出力される電圧は最大限の出力となり、ノズル先端を被
加工物の方向に急速に動かすことになり、結果としてノ
ズル先端が、被加工物に衝突して損傷したり、被加工物
を不良にしてしまうという問題点がある。

【０００７】従って、ノズル先端と被加工物との間の距
離を静電容量によって検出する場合であって、プラズマ
等が発生してもレーザー光線の焦点位置が被加工物の表
面に適切に維持されることに解決しなければならない課
題を有している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するためのレーザー加工装置の構成として、ノズル
先端部と被加工物との間隔に生じる静電容量値を電圧値
に変化させて出力するハイトセンサー部を設け、前記電
圧値に基づいて、前記ノズル先端部と被加工物との間隔
を一定距離に維持してレーザ加工するレーザー加工装置
であって、該レーザ加工を開始して前記被加工物を加工
している最中に前記静電容量値の変化分が基準範囲値を
越えた場合は、前記ハイトセンサー部からの出力電圧値
を該基準範囲値を越える直前にホールドされたホールド
値或いは接地電位値に予め設定しておいた所定時間のあ
いだ前記電圧値を切り替えて出力するプラズマ検出部を
設けるようにしたものである。

【０００９】

【作用】プラズマが発生した瞬間に生じる急激な静電容
量の変化を周波数の変化分として抽出し、該変化分が基
準範囲値か否かを検出し、もし基準範囲値以上である場
合には、一定時間を現状の状態に維持するようにするこ
とによって、いわゆるノズル先端が被加工物に衝突した
りして、ノズル先端の損傷を防止すると共に、被加工物
の加工状態の不良をなくすことができる。

【００１０】

【実施例】本発明に係るレーザー加工装置について図を
参照にして詳細に説明する。尚、理解を容易にするた
め、従来例と同一部分には同一符号を付して説明する。
図１において、レーザー加工装置１は、レーザー加工装
置本体２とハイトセンサーアンプ部３とから構成されて
いる。

【００１１】前記レーザー加工装置本体２は、レーザー
光線を発生させるレーザー発振器４と、該レーザー発振
器４からのレーザー光線を被加工物８に照射して加工す
るトーチ部５と、該トーチ部５のノズル先端５ｃと被加
工物８との距離間隔の設定を行うＺ軸サーボモーター６
とから構成されている。

【００１２】前記トーチ部５のノズル先端５ｃは、被加
工物８に対してレーザー光線を照射して加工を施す構造
になっており、レーザー発振器４からのレーザー光線を
反射ミラー５ａにて被加工物８の方向に変更させ、変更
されたレーザー光線は集光レンズ５ｂによって集光さ
れ、集光されたレーザー光線が目的とする被加工物８の
ワーク表面に、その焦点が合うようにＺ軸サーボモータ
ー６によって距離（Ａ）を適宜設定して、レーザー加工
を施すものである。

【００１３】このレーザー加工装置１のトーチ部５のノ
ズル先端５ｃ、即ちハイトセンサーノズル部９は、ガー
ド電極９ａと中心電極９ｂとが絶縁材９ｃを介して組み
込まれていて、被加工物８との距離によって生ずる静電
容量を検出する。即ち、ガード電極９ａはトーチ部５の
ノズル先端５ｃの周囲に嵌着されていて、被加工物８と
の静電容量を検出するための基準となる電位電極であ
り、同軸ケーブル７のシールドに接続されている。

【００１４】又、中心電極９ｂはレーザー加工装置１の
トーチ部５からレーザー光線を照射するノズル先端５ｃ
に設けた電極であって、該中心電極９ｂと被加工物８と
の間に生ずる静電容量を検出する。この中心電極９ｂ
は、同軸ケーブル７の心線に接続され、ガード電極９ｃ
から生じた基準となる電位と共にレーザー加工制御部３
に送られる。

【００１５】レーザー加工制御部３は、ハイトセンサー
部１０とプラズマ検出部１１とから構成されている。

【００１６】前記ハイトセンサー部１０は、増幅器１２
と、発振器１３と、検波回路１４と、信号処理回路１５
とから構成されており、該ハイトセンサー部１０は被加
工物８との距離によって得られた静電容量値を電圧値に
変換する回路群で構成されている。

【００１７】増幅器１２は、レーザー加工装置１のトー
チ部５の中心電極９ｂと被加工物８との間で生じた静電
容量を発振器１３の振幅変化に変換する交流増幅器であ
り、該増幅器１２で所定値に増幅された信号は検波回路
１４に入力される。

【００１８】検波回路１４は、増幅器１２で増幅された
信号の振幅検波を行う。即ち、レーザー加工装置１のト
ーチ部５の中心電極９ｂから得られた静電容量値の内、
所定の振幅成分を抽出し、該抽出された信号は信号処理
回路１５に入力される。

【００１９】この信号処理回路１５は、レーザー加工装
置１のトーチ部５の中心電極９ｂと被加工物８との距離
によって生じた静電容量値に基づいて得られた所定の周
波数の振幅成分から所定の電圧値に変換する回路であ
る。

【００２０】即ち、振幅が高ければ接続端子１６を介し
てプラスの電圧を出力し、振幅が低ければマイナスの電
圧を出力する。そして、予め設定された値と近似又は等
しければＯＶの電圧を出力して、該出力された電圧はレ
ーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６に供給さ
れてレーザー加工装置１のトーチ部５のノズルが被加工
物８との適正な距離に制御されることとなる。

【００２１】次に、プラズマ検出部１１の構成について
説明する。このプラズマ検出部１１は、２つのローパス
フィルター（以下ＬＰＦと云う）１７，１８と、減算回
路１９と、ウインドＣＯＭＰ２０と、ディレイタイマ２
１と、切換スイッチ２２、２４と、現在値ホールド回路
２３とから構成されていて、通常のレーザー光線の加工
中には起こり得ない静電容量の変化分、即ち基準範囲値
以上の変化分を検出するものである。

【００２２】先に説明した検波回路１４によってトーチ
部５の中心電極９ｂと被加工物８との間の静電容量を振
幅成分に変換された信号は、現在値ホールド回路２３及
びＬＰＦ１７，１８の夫々に入力される。

【００２３】ＬＰＦ１７及びＬＰＦ１８は、検波回路１
４で生成された振幅成分の内、レーザー光線による加工
中に生じたプラズマ等により、中心電極９ｂと被加工物
８との間で生じた静電容量が異常に大きく発生した場合
に生じる振幅成分（基準範囲値以上の変化分）を抽出す
るフィルターである。

【００２４】減算回路１９は、ＬＰＦ１７，１８によっ
て抽出された各振幅成分を夫々のＬＰＦ１７とＬＰＦ１
８とからの振幅を減算することによって差分を算出する
回路から構成されている。そして、この減算された信号
はウインドＣＯＭＰ２０に送出される。

【００２５】ウインドＣＯＭＰ２０は、所定値からなる
閾値を設け、該閾値よりも前記減算回路１９で算出され
たＬＰＦ１７とＬＰＦ１８との振幅の差をモニターする
回路で構成されている。即ち、閾値以上の値であれば、
基準範囲値以上の変化が発生したものと判断し、即ちプ
ラズマが発生した異常状態であると判断し、ディレイタ
イマ２１を働かせる。

【００２６】このディレイタイマ２１は、前記ウインド
ＣＯＭＰ２０からの信号に基づいて、予め定められてい
る所定時間だけ切換スイッチを作動させるタイマであ
る。

【００２７】切換スイッチ２２は、例えばプラズマが発
生した場合に、上述したデイレイタイマ２１で発生する
時間帯だけ切り換わるスイッチである。即ち、ハイトセ
ンサー部１０の信号処理回路１５から生じている振幅成
分から変換された電圧を供給する供給接続２２ａと、切
り換えスイッチ２４側との切換えを行うスイッチであ
る。

【００２８】この切換スイッチ２２を共通接続２２ｃと
供給接続２２ａ側とに切換えることによって、ハイトセ
ンサー部１０の信号処理回路１５からの電圧をレーザー
加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６に供給してノズ
ル先端５ｃと被加工物８との間隔を、たとえプラズマ等
が発生した場合であっても、適正状態に維持するための
制御をすることができる。

【００２９】即ち、切換スイッチ２２を共通接続２２ｃ
と接地接続２２ｂ側とに接続することによって、プラズ
マの発生した直前に供給されているＺ軸サーボモーター
６への電圧値（現在値ホールド回路２３に基づく電圧
値）、又はＧＮＤの電位を接続端子１６を介してレーザ
ー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６に供給する。

【００３０】現在値ホールド回路２３は、検波回路１４
で検出された信号、即ち中心電極９ｂと被加工物８との
間の静電容量を振幅成分に変換された信号、を入力して
ホールドしておく回路である。そして、この現在値ホー
ルド回路２３でホールドされている信号は切換スイッチ
２４の一端に入力される。

【００３１】切換スイッチ２４は、所謂２連スイッチで
あって、入出力端子の一方側は現在値ホールド回路２３
に接続され、他方側は接地ＧＮＤに接続され、出力端子
の両端子は、共に連結されて切換スイッチ２２の入力端
子２２ｂに接続され、接地ＧＮＤ又は現在ホールド回路
２３からの信号との取捨選択をすることができる。

【００３２】即ち、トーチ部５のノズル先端５ｃと被加
工物８との距離（Ａ）から得られた電圧値によって、レ
ーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６を駆動さ
せ、この電圧値を得るための基準となる適正電圧値は、
例えば０Ｖや５Ｖ等に適宜設定することができ、この設
定された適正電圧値に対応した電圧をＺ軸サーボモータ
６に送ることによって適正距離（Ａ）を維持する。も
し、適正電圧値が０Ｖであれば、接地ＧＮＤ側にし、そ
の他の適正電圧値であれば、現在値ホールド回路２３か
らの信号に基づく電圧をＺ軸サーボモータ６に供給すれ
ばプラズマが発生した時であっても、距離（Ａ）は維持
されることになる。

【００３３】従って、ディレイタイマ２１によって所定
時間（プラズマが終了するであろう時間）に設定してあ
れば、プラズマ等の発生している時間は現状の被加工物
８とノズル先端５ｃとの距離関係を現状の状態で維持す
ることができる。

【００３４】このように静電容量から得られた電圧の変
化をレーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６に
加えて、ノズル先端５ｃと被加工物８との適正位置を制
御し、常にレーザー光線の焦点を被加工物８の表面で結
ぶように最適加工点を保つようにする。

【００３５】この最適加工点のノズル先端５ｃと被加工
物８との距離（Ａ）を維持する電圧値は、予め定められ
た最適電圧値を基準にして決定されて、レーザー加工装
置本体２のＺ軸サーボモーター６に供給される。

【００３６】従って、被加工物８のワーク近接時には、
最適電圧値に対してマイナスの電圧がレーザー加工装置
本体２のＺ軸サーボモーター６に供給されて、レーザー
加工装置トーチ部５のノズル先端５ｃは被加工物８から
遠ざかる方向に動く。

【００３７】また、被加工物８がノズル先端５ｃから離
れ過ぎの場合には、最適電圧値に対してプラスの電圧が
レーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６に供給
され、レーザー加工装置本体２のＺ軸サーボモーター６
によってトーチ部５のノズル先端５ｃは被加工物８に近
接する方向に動く。

【００３８】このようにして、プラズマ等の発生してい
ない通常状態においては、常にトーチ部５のノズル先端
５ｃと被加工物８との距離を一定に保つことができる。

【００３９】また、レーザー光線による加工中にプラズ
マ等が発生した場合には、トーチ部５の中心電極９ｂに
より得られる静電容量は急激に大きな値（基準範囲値以
上の値）になる。従って、この静電容量を振幅に変換さ
れた信号（検波回路１４からの出力信号）を常時監視す
ることによって、プラズマ等の発生を監視することがで
きる。

【００４０】尚、本実施例においては、静電容量を振幅
に変換された単位時間当りの変化成分によってプラズマ
等の発生を検出するようにしているが、ハイトセンサー
部１０の信号処理回路１５から出力される電圧の変化に
基づいた検出方法でもよい。

【００４１】振幅成分の変化に基づいた検出方法は、前
記説明したプラズマ検出部１１のＬＰＦ１７，１８に入
力することによって行われる。

【００４２】即ち、ＬＰＦ１７及びＬＰＦ１８は、夫々
異なったカットオフ周波数を持つローパスフィルターで
ある。

【００４３】従って、この両者のフィルターから得られ
た各振幅成分の差分を算出し（減算回路１９で算出され
た振幅）、該算出された振幅成分が予め設定されている
閾値以上（基準範囲値以上）であれば、プラズマが発生
したと判断する（ハイトセンサー部１０のウインドＣＯ
ＭＰ２０参照）。

【００４４】そして、プラズマが発生したと判断したな
らば、プラズマの発生が終了するのに十分な時間内にお
いて、現状のレーザー加工装置トーチ部５のノズル先端
５ｃと被加工物８との距離（Ａ）を維持することによっ
て被加工物８に対してノズル先端５ｃが衝突するなどの
不都合を回避することができるのである。

【００４５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明に係るレー
ザー加工装置は、ノズル先端と被加工物との距離を静電
容量値の単位時間当りの変化分の差異を検出するハイト
センサー部に、例えばプラズマの発生時に生じる基準範
囲値以上の静電容量の変化分を検出した時に、現状の距
離を一定時間維持させることによってノズル先端が被加
工物に衝突して破損することを防止することができると
共に、部品の取り替え作業が不要となりレーザー加工の
作業能率を大幅に向上させることができる。

【００４６】また、ノズル先端の破損を未然に防止する
ことができると共に、被加工物のレーザー加工処理を均
一に行って、品質向上が図れると云う優れた効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザー加工装置をブロック図で
示したものである。

【図２】従来技術におけるレーザー加工装置をブロック
図で示したものである。

【符号の説明】

１ レーザー加工装置 ２ レーザー加工装置本体 ３ ハイトセンサーアンプ部 ４ レーザー発振器 ４ａ レーザー光線 ５ トーチ部 ５ａ 反射ミラー ５ｂ 集光レンズ ５ｃ ノズル先端 ６ Ｚ軸サーボモーター ７ 同軸ケーブル ８ 加工物 ９ ハイトセンサーノズル部 ９ａ ガード電極 ９ｂ 中心電極 ９ｃ 絶縁材 １０ ハイトセンサー部 １１ プラズマ検出部 １２ 増幅器 １３ 発振器 １４ 検波回路 １５ 信号処理回路 １６ 接続端子 １７、１８ ＬＰＦ １９ 減算回路 ２０ ウインドＣＯＭＰ ２１ ディレイタイマ ２２ 切換スイッチ ２２ａ 供給接続 ２２ｂ 接地接続 ２２ｃ 共通接続 ２３ 現在値ホールド回路 ２４ 切換スイッチ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 B23K 26/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル先端部と被加工物との間隔に生じ
   る静電容量値を電圧値に変化させて出力するハイトセン
   サー部を設け、前記電圧値に基づいて、前記ノズル先端
   部と被加工物との間隔を一定距離に維持してレーザ加工
   するレーザー加工装置であって、該レーザ加工を開始して前記被加工物を加工している最
   中に 前記静電容量値の変化分が基準範囲値を越えた場合
   は、前記ハイトセンサー部からの出力電圧値を該基準範
   囲値を越える直前にホールドされたホールド値或いは接
   地電位値に予め設定しておいた所定時間のあいだ前記電
   圧値を切り替えて出力するプラズマ検出部を設けたこと
   を特徴とするレーザー加工装置。
2. 【請求項２】 プラズマ検出部は、静電容量値の変化分
   を電圧の変化分に変換して前記基準範囲値の検出をする
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。