JP6018835B2 - Laser processing head - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ加工位置から集光レンズ方向へ飛散するスパッタ等の汚染物質から前記集光レンズを保護する保護ガラスと、レーザ加工位置を撮像する撮像手段と、当該撮像手段による撮像位置を照明する照明手段とを備えたレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、ハレーションを生じることなく撮像位置を鮮明に撮像することのできるレーザ加工ヘッドに関する。 The present invention relates to a condensing lens that condenses laser light emitted from a laser oscillator, a protective glass that protects the condensing lens from contaminants such as spatter scattered from the laser processing position toward the condensing lens, and a laser. The present invention relates to a laser processing head including an imaging unit that images a processing position and an illuminating unit that illuminates the imaging position by the imaging unit. More specifically, the imaging position can be clearly captured without causing halation. The present invention relates to a laser processing head.
レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによってレーザ光を集光してワークに対して照射し、ワークのレーザ切断加工やレーザ溶接などを行うとき、レーザ加工位置をCCDカメラなどの撮像手段によって撮像してモニタリングを行うことがある(例えば特許文献1参照)。 When condensing laser light with a condensing lens provided in the laser processing head and irradiating the workpiece, and performing laser cutting or laser welding of the workpiece, the laser processing position is imaged by an imaging means such as a CCD camera. Monitoring may be performed (see, for example, Patent Document 1).
レーザ加工ヘッドに備えた撮像手段としてのCCDカメラによって、レーザ加工最中の加工位置を撮像してモニタリングを行うこともある。この場合、レーザ加工位置からの反射光が強烈で、ハレーションを生じて鮮明に撮像することができない場合がある。また、レーザ加工後に、レーザ加工位置を撮像する際に、レーザ加工ヘッドの外部(側方)から照明光を照射すると、影を生じ加工位置を鮮明に撮像することが難しいものである。 A CCD camera as an imaging means provided in the laser processing head may be used for imaging and monitoring the processing position during laser processing. In this case, the reflected light from the laser processing position is intense, and halation may occur, and clear imaging may not be possible. In addition, when imaging the laser processing position after laser processing, if illumination light is irradiated from the outside (side) of the laser processing head, it is difficult to capture a clear image of the processing position by generating a shadow.
本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ加工位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズを保護する保護ガラスと、レーザ加工位置を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像位置を照明する照明手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間に、リング状の照明手段を備え、前記保護ガラスの上方に備えた前記撮像手段に対する、前記照明手段からの照明光の直接入射及び前記保護ガラスからの反射光の入射を防止するために、リング状の照明手段の内側に遮光部材を備え、前記遮光部材は筒状であって、リング状の前記照明手段からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側へ反射するための光反射面を、前記遮光部材の外周面に備えていることを特徴とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a condensing lens that condenses laser light oscillated from a laser oscillator, and protection that protects the condensing lens from sputtering that scatters from a laser processing position. A laser processing head comprising glass, an imaging means for imaging a laser processing position, and an illuminating means for illuminating the imaging position by the imaging means, wherein a ring shape is provided between the condensing lens and the protective glass. In order to prevent direct incidence of illumination light from the illumination means and reflected light from the protection glass to the imaging means provided above the protection glass, a ring-shaped illumination means an inner light-shielding member, said shielding member is a cylindrical, a light reflecting surface for reflecting the illumination light from the ring-shaped said illuminating means to the distal end side of the laser processing head, before That it comprises an outer peripheral surface of the light shielding member is characterized in.
また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間の高さ位置であってレーザ光の光路から離反した位置に前記撮像手段を備え、レーザ加工位置からの光を前記撮像手段方向へ反射する反射鏡を、レーザ光の光路に対して出入自在に備えていることを特徴とするものである。 In the laser processing head, the imaging unit is provided at a height position between the condenser lens and the protective glass and away from the optical path of the laser beam, and the image from the laser processing position is captured. A reflecting mirror that reflects in the direction of the means is provided so as to freely enter and exit the optical path of the laser light.
また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスの汚れを検出する汚れ検出手段を備えていることを特徴とするものである。 Further, the laser processing head is provided with a dirt detecting means for detecting dirt on the protective glass.
本発明によれば、リング状の照明手段の内側に遮光部材を備えているので、前記照明手段からの照明光が撮像手段へ直接的に入射されるようなことがなく、ハレーションを生じるようなことはないものである。 According to the present invention, since the light shielding member is provided inside the ring-shaped illuminating means, the illumination light from the illuminating means is not directly incident on the imaging means, causing halation. There is nothing to do.
図1を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド1は、産業用ロボット(図示省略)におけるロボットアームの先端部に備えられているものである。なお、前記ロボットアームに対するレーザ加工ヘッド1の取付け構造は一般的な構成であってよいものであるから、ロボットアームに対するレーザ加工ヘッド1の取付け構造についての説明は省略する。 Referring to FIG. 1, a laser processing head 1 according to an embodiment of the present invention is provided at the tip of a robot arm in an industrial robot (not shown). In addition, since the attachment structure of the laser processing head 1 with respect to the said robot arm may be a general structure, description about the attachment structure of the laser processing head 1 with respect to a robot arm is abbreviate | omitted.
前記レーザ加工ヘッド1には、ボックス本体29が備えられており、このボックス本体29の上側にはボルト等の固定具によって蓋部材31が取付けてある。そして、この蓋部材31の上部には筒状のレンズホルダ33が一体的に立設してあり、このレンズホルダ33の上端部には、光ファイバ35の端部を保持した光ファイバホルダ37が着脱可能に備えられている。そして、前記レンズホルダ33内には、前記光ファイバ35の出射端から出射されたレーザ光LBを平行光線化するコリメーションレンズ39が備えられている。
The laser processing head 1 is provided with a box
前記ボックス本体29における底部29Bの下面には、ボルト等のごとき固定具によって軸受ボックス41が一体的に取付けてあり、この軸受ボックス41内には、筒状の回転体43がレーザ光LBの光軸回りに回転自在に備えられている。この回転体43は、後述するように、モータによって回転駆動されるものである。
A
前記軸受ボックス41の下部にはボルト等のごとき固定具によってハウジングボックス45が一体的に備えられている。そして、このハウジングボックス45内には、前記コリメーションレンズ39によって平行光線化されたレーザ光LBを集光してワークWへ照射する集光レンズ47がレンズホルダ49を介して内装されている。
A
前記集光レンズ47によってレーザ光LBを集光してワークWに照射するとき、レーザ光LBの光軸を屈折偏心させると共に回転するために、ウエッジ付ガラスが前記ボックス本体29内に備えられている。より詳細には、前記ボックス本体29は、図3に示すように、環状の周壁部51を備えた箱状に形成してある。そして、このボックス本体29の前記底部29Bであって、前記レーザ光LBの光軸に一致する部分に上下方向の貫通穴53が形成してあり、この貫通穴53の部分に、筒状の前記回転体43が回転自在に備えられている。
When condensing the laser beam LB by the
そして、前記回転体43の上端部には、前記ボックス本体29内において回転自在なリング板等のごとき回転部材55がボルト等のごとき固定具によって一体的に固定してある。したがって、前記回転部材55は回転体43の一部と見なすことができるものである。前記回転部材55には、図3に示すように、放射外方向へ突出した複数の突出部57が備えられており、上記各突出部57の間には凹部59が備えられている。そして、前記回転体43を回転駆動するために、レーザ加工ヘッド1の適宜位置に備えたモータ61の駆動プーリ63に掛回したエンドレスベルト65が前記回転体43に掛回してある。したがって、前記モータ61を駆動することにより、前記回転体43を回転駆動することができるものである。
A rotating
前記ボックス本体29における前記蓋部材31には、モータなどのごとき回転用アクチュエータ67(図1参照)が装着してあり、この回転用アクチュエータ67における回動軸69(図3参照)には支持アーム71の基端部側が一体的に固定してある。前記支持アーム71の先端側は、前記回動軸69を回動することにより、前記回転部材55に対応した位置へ位置決め自在、かつ回転部材55に対応した位置から退避自在な構成である。
A rotation actuator 67 (see FIG. 1) such as a motor is mounted on the
換言すれば、前記支持アーム71の先端側は、レーザ光LBの光路に対して出入自在な構成である。そして、前記支持アーム71の先端側に形成した貫通穴の部分に回転自在に支持されたリング状のガラスホルダ73には、前記レーザ光LBの光軸を屈折偏心させるためのウエッジ付ガラス75が備えられている。このウエッジ付ガラス75は、上面又は下面の一方の面は光軸に対して傾斜した面(ウエッジを付けた面)に形成してあり、他方の面は、光軸に垂直な平面に形成してある。
In other words, the distal end side of the
したがって、前記ウエッジ付ガラス75にレーザ光LBが入射されると、レーザ光LBの光軸は屈折偏心されるものである。よって、前記ウエッジ付ガラス75を回転すると、レーザ光LBの光軸は偏心回転されることになる。
Accordingly, when the laser beam LB is incident on the
図3に示すように、レーザ光LBの光路から前記ウエッジ付ガラス75が退避した位置、すなわち前記支持アーム71がストッパ77に当接し、前記ウエッジ付ガラス75が前記回転部材55から離反した位置にあるときは、前記コリメーションレンズ39によって平行光線化されたレーザ光LBは、前記回転部材55を通過して、前記集光レンズ47に直接入射される。したがって、光ファイバ35の出射端から出射されたレーザ光LBは、コリメーションレンズ39によって平行光線化されて直進し、前記集光レンズ47によって集光されてワークWへ照射される。よって、ワークWのレーザ切断加工が行われることになる。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すごとき状態から、支持アーム71を時計回り方向に回動して、支持アーム71の先端側をレーザ光LBの光路内に進入すると、支持アーム71の先端側に備えられたガラスホルダ73は前記回転部材55に重なるように位置決めされる(図4参照)。上述のように、前記回転部材55とガラスホルダ73とが重なるように位置決めしたとき、当該回転部材55とガラスホルダ73とを一体的に回転するために、前記ガラスホルダ73には、前記回転部材55に備えた前記凹部59に対して係合離脱自在な係合部材79が備えられている。(図3,5参照)
したがって、前記凹部59に前記係合部材79が係合した状態にあるときに、前記回転部材55を回転すると、係合部材79を介してガラスホルダ73が回転されることになる。よって、前記ガラスホルダ73に備えたウエッジ付ガラス75を透過することによって光軸が屈折偏心されたレーザ光LBは偏心回動されることになる。このように、レーザ光LBの光軸を屈折偏心させて、偏心回動することにより、ワークのレーザ溶接が容易に行われ得るものである。
When the
Therefore, when the rotating
ところで、前記回転部材55と前記係合部材79との位置的関係は相対的なものであるから、前記ガラスホルダ73に回転部材55を備えて、回転体43に係合部材79を備えた構成とすることも可能なものである。なお、前記説明においては、回転部材55に複数の突出部57を備えることによって凹部59を備えた場合について説明した。しかし、前記突出部57は1個であってもよいものである。この場合、前記係合部材79が突出部57に当接することによって一体的に押圧回転されることになるので、前記係合部材79は一種の当接部材又は被押圧部材と称することもできるものである。
By the way, since the positional relationship between the rotating
前述のごとき説明より理解されるように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド1に備えられた支持アーム71の先端側は、レーザ光LBの光路に対して出入自在である。そして、この支持アーム71の先端側に、ウエッジ付ガラス75を回転自在に備えた構成であるから、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド1は、レーザ切断加工とレーザ溶接の両方に使用することができるものである。そして、前記ウエッジ付ガラス75をレーザ光LBの光路に位置決めしたときには、コリメーションレンズ39と集光レンズ47との間であって、前記コリメーションレンズ39によってレーザ光LBが平行光線化された領域内であるから、レーザ光LBの径は大径である。
As can be understood from the above description, the distal end side of the
したがって、レーザ光LBがファイバーレーザであって高出力のレーザ光LBであっても、前記ウエッジ付ガラス75に入射されるレーザ光LBは大径であってエネルギー密度は小さなものであり、ウエッジ付ガラス75を損傷するようなことがないものである。また、コリメーションレンズ39によって平行光線化されたレーザ光LB内の領域であっても、ウエッジ付ガラス75は両面が非平行なガラスであるから、レーザ光LBの光軸を効果的に屈折偏心させることができるものである。
Therefore, even if the laser beam LB is a fiber laser and is a high-power laser beam LB, the laser beam LB incident on the wedged
前記レーザ加工ヘッド1において、前記ハウジングボックス45の側面にはレーザ加工位置の撮像を行うCCDカメラ等のごとき撮像手段81が備えられている。そして、前記ハウジングボックス内において前記集光レンズ47より下方位置であって、前記CCDカメラ81に対応した位置には、ワークWのレーザ加工位置からの光を前記CCDカメラ81方向へ反射する反射鏡83が備えられている。上記反射鏡83は、レーザ光LBの光路に対して出入自在に備えられている。
In the laser processing head 1, an image pickup means 81 such as a CCD camera for picking up an image of the laser processing position is provided on the side surface of the
すなわち、前記ハウジングボックス45には、レーザ光LBの光軸に対して直交する方向(図1,2において紙面に対して垂直な方向)であって、前記ハウジングボックス45に対して出入自在なミラー出入用スライダ85が備えられており、このミラー出入用スライダ85に前記反射鏡83が傾斜して備えられている。なお、前記ミラー出入用スライダ85は、例えばリニアモータ、流体圧シリンダなどのごとき適宜のリニアアクチュエータ(図示省略)の作動によって往復動されるものである。
That is, the
上記構成より理解されるように、前記反射鏡83は、ワークWへレーザ光LBを照射してレーザ加工を行うときには、レーザ光LBの光路から退避されている。そして、前記CCDカメラ81によって加工位置を撮像するときに、前記CCDカメラ81に対応するように、レーザ光LBの光路内に移動位置決めされるものである。したがって、レーザ光LBを照射してレーザ加工を行った部分を、CCDカメラ81によって撮像することができ、レーザ加工を行った後のレーザ加工状態を観察することができるものである。
As understood from the above configuration, the reflecting
前記ハウジングボックス45の下側には、前記CCDカメラ81による撮像位置を照明する照明手段87が備えられている。そして、この照明手段87の下側には、レーザ光LBの照射位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズ47を保護する保護ガラス89が備えられている。より詳細には、前記ハウジングボックス45の下面には、環状の照明ハウジング91がボルト等のごとき固定具によって一体的に取付けられている。
Below the
前記照明ハウジング91内には、例えばLEDなどのごとき複数の点光源93を同一円上に備えたリング状光源95が備えられている。そして、前記各点光源93から中心に向かって照射される照明光が前記反射鏡83へ直接入射することを防止するために、前記照明ハウジング91には遮光部材97が備えられている。上記遮光部材97は、下側が小径となるテーパ状の筒体に形成してあって前記リング状光源95の内側に備えられている。
In the
筒状の前記遮光部材97の下端部は前記各点光源93よりも下側に位置してある。そして、前記遮光部材97の外周面には、前記点光源93からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側(図1,2において下方向)へ反射する環状の光反射面99が備えられている。したがって、各点光源93からの照明光は、遮光部材97の光反射面99によって下方向(レーザ加工ヘッドの先端側)のみへ反射されるものである。
The lower end portion of the cylindrical
前記保護ガラス89は、前記照明ハウジング91の下面に着脱可能に備えられたリング状のガラスホルダ101に保持され、かつ前記遮光部材97の下端部に近接して配置されている。そして、前記ガラスホルダ101には、前記保護ガラス89の汚れを検出するための汚れ検出手段としての光ファイバ103が備えられている。
The
したがって、前記各点光源93からの照明光が保護ガラス89へ照射され、保護ガラス89に付着している汚れ物質の部分において反射されると、保護ガラス89内を伝搬して前記光ファイバ103の端部に入射されることになる。よって、保護ガラス89に対する汚れ物質の付着量が多くなり、前記光ファイバ103に接続した光センサの検出値が予め設定した基準値より大きくなると、保護ガラス89の交換が行われるものである。
Therefore, when the illumination light from each point
既に理解されるように、前記CCDカメラ81によって加工位置を撮像すべく、各点光源93によって加工位置を照明すると、加工位置からの反射光は、光路中に位置決めされている反射鏡83によってCCDカメラ81方向へ反射され、加工位置の撮像が行われることになる。この際、各点光源93からの照射光は遮光部材97の外周面に備えた環状の光反射面99によって下方向へ反射され、前記保護ガラス89を透過してワークWの加工位置へ照射されることになる。
As already understood, when the processing position is illuminated by each point
上述のように、ワークWの加工位置を照明するとき、照明光の一部は前記保護ガラス89の上面でもって反射される。しかし、前記遮光部材97の下端部(先端部)と前記保護ガラス89は近接してあるので、前記保護ガラス89の上面での反射光が前記反射鏡83へ入射されることが抑制される。したがって、CCDカメラ81による撮像時に、保護ガラス89の上面での反射光が入射されて、画面が白くぼやける現象、すなわちハレーションを防止でき、ワークWの加工位置を鮮明に撮像することができるものである。
As described above, when illuminating the processing position of the workpiece W, part of the illumination light is reflected by the upper surface of the
前述のごとく、ワークWの加工位置を照明する際、各点光源93の照明光が保護ガラス89を透過するとき、保護ガラス89にスパッタ等の汚れ物質が付着していると、この汚れ物質部分で乱反射された反射光の一部が保護ガラス89内を伝搬し、光ファイバ103の端部に入射されることにより、保護ガラス89の汚れを検出することができるものである。
As described above, when illuminating the processing position of the workpiece W, when the illuminating light of each point
レーザ加工位置から飛散するスパッタ等の汚れ物質が前記保護ガラス89に付着することを防止するために、前記保護ガラス89の下側には、保護ガラス89に付着する傾向にある汚染物質を吹き飛ばすためのエアー噴出ハウジング105(図1参照)が備えられており、エアー噴出ハウジング105の下部に、レーザノズル107が着脱交換可能に備えられている。
In order to prevent contaminants such as spatter scattered from the laser processing position from adhering to the
より詳細には、前記エアー噴出ハウジング105は、例えばボルト等のごとき取付具を介してレーザ加工ヘッド1に備えられているものであり、このエアー噴出ハウジング105は、レーザ光LBの光軸に対して直交する方向(図1において右側方向)に開口した開口部109を備えた構成である。そして、前記エアー噴出ハウジング105の下部には、ワークWの加工部から前記集光レンズ47方向へ飛散する汚染物質を、前記開口部109に沿って外部へ吹き飛ばすためのエアー噴出部111が備えられている。
More specifically, the
したがって、レーザ光LBをワークWへ照射してレーザ加工を行うとき、レーザ加工位置から集光レンズ47方向へ飛散したスパッタ等の汚染物質は、エアー噴出部111から吹出されるエアーによって外部へ吹き飛ばされる。よって、保護ガラス89に付着する汚染物質を抑制することができるものである。
Therefore, when performing laser processing by irradiating the workpiece W with the laser beam LB, contaminants such as spatter scattered from the laser processing position toward the
前記説明より理解されるように、前記構成によれば、レーザ加工ヘッド1に備えたCCDカメラ81によってレーザ加工位置を撮像する際、各点光源93によって前記レーザ加工位置を照明するとき、保護ガラス89からの反射光によってハレーションを生じることが防止され、レーザ加工位置を鮮明に撮像することができるものである。また、前記構成によれば、保護ガラス89の汚れを検出することができると共に、保護ガラス89に対する汚れ物質の付着を抑制することができるものである。
As understood from the above description, according to the above configuration, when the laser processing position is illuminated by each point
1 レーザ加工ヘッド
35 光ファイバ
39 コリメーションレンズ
43 回転体
47 集光レンズ
55 回転部材
57 突出部
59 凹部
71 支持アーム
73 ガラスホルダ
75 ウエッジ付ガラス
79 係合部材(当接部材、被押圧部材)
81 撮像手段(CCDカメラ)
83 反射鏡
85 ミラー出入用スライダ
87 照明手段
89 保護ガラス
91 照明ハウジング
93 点光源(LED)
95 リング状光源
97 遮光部材
99 光反射面
101 ガラスホルダ
103 汚れ検出手段(光ファイバ)
105 エアー噴出ハウジング
109 開口部
111 エアー噴出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
81 Imaging means (CCD camera)
83 Reflecting mirror 85 Mirror entry /
95 Ring-shaped
105
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