JP6145719B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光によって加工を行うレーザ加工装置に関し、特に、レーザ加工装置に用いられる光特性検出器の信頼性向上に関するものである。

高出力のレーザ加工装置を使用して金属などをレーザ加工する場合、被加工物からスパッタやヒュームが発生して飛散する。被加工物の加工品質を保つ為、照射するレーザ光のパワーやビーム径などの光特性を計測する光特性検出器を設置する場合、光特性検出器の設置位置はレーザ加工装置の照射領域内に限られる。

通常、レーザ加工装置は安全を考慮して外部に光を漏らさないよう遮光され仕切られた空間の中で加工を行っている。この為、光特性検出器はレーザ加工装置と同じくスパッタやヒュームが飛散する仕切りの中に設置される。

図１２は従来技術に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。溶接用レーザと光軸合わせ用レーザとを同一の光路８０２を介してワーク８０４に照射するようにしたレーザ溶接機において、光路８０２からワーク８０４への照射側に、光軸合わせ用レーザの出力を測定する出力測定器８０６を設けて、この出力測定器８０６で測定する光軸合わせ用レーザの出力を基に、溶接用レーザの良否を判別している（特許文献１参照）。

また、図１３は従来技術に係るレーザ装置の電気的構成を示すブロック図である。レーザ光を出射する前に、レーザ装置９０１に設置したシャッタ９０５を解放位置に移動すると共に保持して、出射窓を開放する。そして、この状態でレーザ発振器９０２を駆動することによりレーザ光が出射窓から出射される。しかし、この時、保持電流が低下してシャッタ９０５が開放位置から退出したときは、フォトインタラプタ９０７がそのことを検出して、制御回路９０９は起動信号Ｄを出力する。この結果、シャッタ９０５は開放位置に直ちに移動復帰される（特許文献２参照）。

特開平７−６０４６５号公報 特開２０００−２５２５５１号公報

しかしながら、従来技術に係るレーザ加工装置では、レーザ光の光特性を計測する検出器は、レーザ加工を実施する時に飛散するスパッタやヒュームによって計測に不具合が引き起こされる恐れがあった。なぜなら、光特性検出器は筐体内部ある受光部にレーザ光を当てて光特性を計測するので、筐体にはレーザ光を筐体内部に通過させる為の開口部が存在し、この開口部からスパッタやヒュームが侵入してしまい、内部にある部品を汚してしまうという問題があった。

そこで本発明は、以上の問題を解決し、レーザ光の光特性計測の信頼性を向上することができるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、出力指令信号に従ってレーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ照射位置を機械的に制御するアクチュエータと、所定位置に開口部を有し、前記開口部に入射したレーザ光の光特性を計測する受光部と、前記開口部に開閉可能に取り付けられたフタを備えた光特性検出器とを備えたレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、前記光特性検出器の前記フタを開くフタ開工程と、前記フタ開工程の後に、前記光特性検出器に向かって前記ガイド光を照射するフタ開閉確認工程と、前記フタ開閉確認工程の後に、前記フタを開いた状態で前記光特性検出器の前記開口部にレーザ光を入射しレーザ光の特性を計測するレーザ光計測工程と、前記フタを閉じた状態で被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工工程とを備え、前記フタ開閉確認工程では、前記受光部が前記ガイド光を検知した場合は前記フタが開いていると判定し、前記ガイド光が検知できない場合は前記フタが閉じていると判定するものである。

更に好ましくは、前記光特性検出器が、前記開口部と前記受光部の間の光路に波長選択性を有した光減衰部を備えたものである。

上記の構成により、本発明に係るレーザ加工装置では、光特性検出器の開口部に開閉可能なフタを備えているので、レーザ加工工程では、フタを閉じて飛散するスパッタやヒュームから光特性検出器を保護することができる。そして、レーザ光の光特性検査工程でのみフタを開いてレーザ光の光特性の計測を行う。よって、スパッタやヒュームの影響を防止でき、光特性検出器の信頼性を向上することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図 本発明の実施形態に係る光特性検出器の一例を示す断面図 本発明の実施形態に係る光減衰部での減衰の様子を示す諸例の概略図であり、（ａ）は高反射ミラーを使用する場合を示す図、（ｂ）は低反射ミラーを使用する場合を示す図、（ｃ）は減光フィルタを使用する場合を示す図 本発明の実施形態に係るフタ（閉状態）の一例の断面図 本発明の実施形態に係るフタ（開状態）の一例の断面図 本発明の実施形態に係る光特性検出器のフタ開状態の検知を示す一例の断面図 本発明の実施形態に係る光特性検出器のフタ閉状態の検知を示す一例の断面図 フタを備えない光特性検出器の一例の断面図 本発明の実施形態に係るレーザ加工工程の一例のフローチャート 本発明の実施形態に係る光特性検査工程の一例のフローチャート 本発明の実施形態に係る光特性検査工程の一例の詳細フローチャート 従来技術に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図 従来技術に係るレーザ装置の電気的構成を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。

（実施の形態１）
＜レーザ加工装置の主要構成＞
図１は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０１と、アクチュエータ１０２と、照射ヘッド１０３と、制御器１０４と、光特性検出器１０５とを備える。光特性検出器１０５には開閉可能なフタ１０６を備える。

尚、レーザ発振器１０１の発振波長が可視領域から近赤外領域ならば、レーザ伝送に光ファイバ１０７を使用することができる。照射ヘッド１０３の先端からはレーザ光１０８、及びガイド光１０９が照射される。そして、照射ヘッド１０３はアクチュエータ１０２に取り付けられ、被加工物１１０と光特性検出器１０５の間を往来する。

レーザ発振器１０１は、回折格子を介してダイオードレーザを外部共振させて、複数のレーザ発振源を少しずつ異なる波長ごとにレーザ発振させることで、生成される各々の波長のレーザ光１０８を回折格子で同一の光軸上に加算させるダイレクトダイオードレーザを用いる。

このレーザ発振器１０１の特徴は、ダイレクトダイオードレーザであるにも関わらず、ファイバーレーザやディスクレーザと同等のＢＰＰが得られることと、高い電気−光変換効率が得られることである。また、パワーもレーザ光１０８を加算することによって２〜６ｋＷの大出力化が可能である。

尚、レーザ発振器１０１は、前記ダイレクトダイオードレーザだけでなく、ファイバーレーザやディスクレーザなどの固体レーザでも構わないし、ＣＯ２レーザなどの気体レーザでも構わない。

アクチュエータ１０２は、産業用ロボットを使用する。繰り返し同じ作業ができ、移動スピードが速いので、高効率の作業ができる。アクチュエータ先端にレーザ光１０８を空間に出射する照射ヘッド１０３を設置すると、照射ヘッド１０３の位置をアクチュエータ１０２の可動範囲内で機械的に移動させることができ、レーザ加工位置や計測位置を狙ってレーザ光１０８、及びガイド光１０９を照射できるようになる。

照射ヘッド１０３は、溶接用レーザ加工ヘッド、または切断用レーザ加工ヘッドを使用する。内部には集光レンズが備えられており、空間に出射されたレーザ光１０８は集光レンズにあった焦点位置で集光される。集光位置をアクチュエータ１０２で被加工物１１０に合わせることで、高密度化されたレーザ光１０８が被加工物１１０に照射されて加工を行うことができる。

例えば、溶接用途であれば、溶接用レーザ加工ヘッドを使用し、集光径５００μｍφ、焦点位置４００ｍｍになるような集光レンズを選択することで、レーザ溶接可能な照射ヘッド１０３を構成できる。集光径、焦点位置、ＢＰＰ、発振波長などレーザ加工の用途に適合する照射ヘッド１０３を選択する。

制御器１０４は、レーザ光１０８の照射、ガイド光１０９の照射、照射ヘッド１０３の移動、フタ１０６の開閉、光特性の計測などを実施する為の制御を行う。手動で操作を行ったり、プログラムを組んで自動制御で操作を行うことができる。

光特性検出器１０５は、レーザ光１０８の光特性を計測して、レーザ加工の品質低下を防ぐ目的で使用する。光特性は種々あるが、例えば、パワー、ビーム径、焦点位置などがあり、品質管理に必要な特性を計測できるものを選択する。この計測で異常が発見された場合、警告を表示したり、レーザ加工を停止してレーザ加工装置の点検を行ったりする。

光ファイバ１０７は、一端をレーザ発振器１０１に接続し、逆端を照射ヘッド１０３に接続して、レーザ光１０８をレーザ発振器１０１から照射ヘッド１０３へ伝送する。光ファイバ１０７を使用する利点は、光ファイバ１０７はフレキシブルに曲げることができるので、照射ヘッド１０３の出射位置と出射方向を無理なく自由に決定できることである。市販されている光ファイバ１０７のコア径は１００μｍφ、２００μｍφ、３００μｍφなどがあり、レーザ加工装置１００の仕様によって適切なコア径を選択する。

ただし、発振波長が可視領域から近赤外領域のレーザ発振器１０１を使用する場合には、通常は光ファイバ１０７を使用するのだが、ＣＯ２レーザを使用する場合には、発振波長が１０μｍ付近であるので光ファイバ１０７では高出力レーザは伝送できない。よって、光ファイバ１０７の代わりに複数のミラーを使用してレーザ光１０８を反射させながらレーザ発振器１０１から照射ヘッド１０３へ伝送する。

ガイド光１０９は、可視光を発するダイオードレーザやＬＥＤなどの光源を使用する。この光源は通常、レーザ発振器１０１、または、照射ヘッド１０３の内部に備えられている。ガイド光１０９は前記光源から出射され、ミラーなどの光学部品を介してレーザ光１０８と同じ光経路を通るように調整されて照射ヘッド１０３の先端から空間に出射される。そして、このガイド光１０９を被加工物１１０に照射することで、レーザ光１０８が照射される位置を確認する。

＜光特性検出器の詳細な構成＞
さらに、本発明の光特性検出器１０５について、その構成を詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る光特性検出器１０５の一例の断面図である。便宜上図面では、照射ヘッド１０３から出射されるレーザ光１０８とガイド光１０９をずらして記載しているが、実際は、ガイド光１０９はレーザ光１０８の光軸と同一軸上を進行する。

図２に示されるように、光特性検出器１０５は照射ヘッド１０３から照射されたレーザ光１０８を受光して光特性を計測する受光部１２１と、受光部１２１に入射するレーザ光１０８を計測可能範囲まで減衰させる光減衰部１２２と、光減衰部１２２で分離された計測に使用しない余剰のレーザ光１０８を受光して吸収するビームダンパ１２３と、レーザ光１０８を筐体内に通過させる為の開口部１２４と、フタ１０６で構成される。

受光部１２１は、計測する光特性の種類に応じたセンサが選択される。計測する光特性はパワー、ＮＡ、ビーム径、焦点位置、立ち上がり時間、時間安定性などが挙げられる。また、使用するセンサは、フォトダイオードセンサ、サーマルセンサ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなどが挙げられる。

尚、受光部１２１に使用するセンサは、レーザ光１０８、及びガイド光１０９の両方の波長に反応するものを使用する。

フォトダイオードセンサは受光素子に光が当たると起電力が発生し、その起電力を測定することで光量を計測する。応答速度が速く、微弱な光の測定が可能という特徴がある。パワーや立ち上がり時間の計測などに使用される。

サーマルセンサはレーザ光１０８を金属などの吸収体で吸収し光を熱に変換し、吸収体の裏面に取り付けられている熱電対などの温度測定器から発生する起電力を計測する。応答時間が長いが、測定パワーの範囲が広いという特徴がある。パワー、及びパワーの時間安定性の計測などに使用される。

ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサは二次元に配列された受光素子を入射したレーザ光１０８を電荷に変換して強度分布を計測できる。応答速度が速く、微弱な光の測定が可能という特徴がある。強度分布を計測することによって、ビーム径、焦点位置を算出することが可能になる。また、レーザ照射位置を光軸上に移動させながら強度分布を逐次計測することによって、ＮＡの計測も可能である。

フォトダイオードセンサ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサにおいては、受光可能なレーザ光１０８のパワーが低く、最大でも数十ｍＷ程度である。この為、高出力のレーザ光１０８を使用する場合は、受光部１２１の手前に光減衰部１２２を設けてレーザ光１０８を減衰させて受光部１２１に入射する必要がある。

光減衰部１２２は、ビームスプリッタ、光学フィルタなどの光学部品で構成され、受光部１２１の前に設置する。そして、減衰する割合によって単体、または複数個使用する。通常、ガラス等の透明体に反射膜や透過膜のコーティングをして必要な特性を得ている。

ビームスプリッタは、高反射ミラーと低反射ミラーとに種類分けができる。光学フィルタは、光のパワーを減衰させる減光フィルタを使用する。これらの形状は平行平板を使用するのが一般的であるが、凸レンズ形状、凹レンズ形状、非平行の平板、プリズム形状、キューブ形状のどれを使用しても構わない。

高反射ミラーのビームスプリッタを使用する場合、反射する光をビームダンパ１２３に向かって進行させ、透過する光を受光部１２１に向かって進行させれば、透過して減衰された光を受光部１２１に入射させることができる。例えば、高反射ミラーの反射率を９９．５％とすると、１ｋＷのレーザ光１０８を照射した場合、反射光は９９５Ｗとなり、透過光は５Ｗと算出される。

低反射ミラーのビームスプリッタを使用する場合、反射する光を受光部１２１に向かって進行させ、透過する光をビームダンパ１２３に向かって進行させれば、反射して減衰された光を受光部１２１に入射させることができる。例えば、低反射ミラーの反射率を０．３％とすると、２ｋＷのレーザ光１０８を照射した場合、反射光は６Ｗとなり、透過光は１９９４Ｗと算出される。

減光フィルタを使用する場合、例えば、透過率が０．１％の減光フィルタを使用すれば、１Ｗの光を照射した場合、１ｍＷの光が透過して受光部１２１に進行する。一般に減光フィルタは、光を吸収して減衰させるので、高出力のレーザ光１０８を使用すると、吸収した光が熱に変換され、減光フィルタが高温になり破損する恐れがある。この為、高出力のレーザ光１０８を減衰させる場合には使用できないので、ビームスプリッタを減光フィルタの手前に設置すると良い。

ところで、ビームスプリッタや光学フィルタ等の光学部品は波長帯によって反射率や透過率を変えることが可能である。レーザ光１０８の計測用途で使用していた光減衰部１２２をガイド光１０９の波長帯の減衰率も考慮した光減衰部１２２に変更すれば、レーザ光１０８とガイド光１０９のそれぞれのパワーを受光部１２１で計測することができるようになる。

ガイド光１０９は、照射ヘッド１０３からレーザ光１０８と同軸上の軌跡で空間に出射される。ガイド光１０９は可視光であるので、被加工物１１０に照射すればレーザ光１０８の照射される位置が事前に目視確認できる。ガイド光１０９はレーザ照射位置を視認するだけの目的で使用する為、通常、パワーは数ｍＷ程度までと小さい。

例えば、金属の加工等に用いられる高出力のファイバーレーザやＹＡＧレーザは発振波長が近赤外領域の１μｍ近辺で、ｋＷ級のパワーがある。一方、ガイド光１０９は可視領域の０．４〜０．７６μｍである。故に、近赤外領域の波長帯で光減衰部１２２の減衰率を大きくして、可視領域の波長帯で減衰率を小さくすれば、レーザ光１０８とガイド光１０９のパワーが大きく異なっていても、受光部１２１では、両者それぞれの計測が可能となる。

図３に、レーザ光１０８とガイド光１０９のそれぞれの波長の減衰を考慮した本発明の実施形態に係る光減衰部１２２での減衰の様子を示す諸例の概略図を示す。受光部１２１は光減衰部１２２で減衰された後のレーザ光１０８の進行方向に設置されるので、ガイド光１０９も同じ進行方向になるように反射率、透過率を調整する。

図３（ａ）は、高反射ミラー１３１の減衰の様子である。レーザ光１０８を入射した時、計測に使用するレーザ光１０８は必要量だけ減衰されて透過し、計測に使用しないレーザ光１０８は反射する。同様に、ガイド光１０９が入射した時、計測されるガイド光１０９は必要量だけ減衰されて透過して、計測に使用しないガイド光１０９は反射する。

図３（ｂ）は、低反射ミラー１３２の減衰の様子である。レーザ光１０８を入射した時、計測に使用するレーザ光１０８は必要量だけ減衰されて反射し、計測に使用しないレーザ光１０８は透過する。同様に、ガイド光１０９が入射した時、計測されるガイド光１０９は必要量だけ減衰されて反射して、計測に使用しないガイド光１０９は透過する。

図３（ｃ）は、減光フィルタ１３３の減衰の様子である。レーザ光１０８を入射した時、計測に使用するレーザ光１０８は必要量だけ減衰されて透過し、計測に使用しないレーザ光１０８は熱に変換される。同様に、ガイド光１０９が入射した時、計測されるガイド光１０９は必要量だけ透過して、計測に使用しないガイド光１０９は熱に変換される。

ビームダンパ１２３は、光減衰部１２２で分離した計測に使用しない余剰のレーザ光１０８を吸収するためのもので、熱伝導率の高いアルミ合金や銅などの金属に黒色系の表面処理を施してレーザ光１０８を受光し吸収する。高出力のレーザ光１０８を受光する場合は、受光面が高温になるので、強制空冷機構や水冷機構を設けてビームダンパ１２３の温度上昇を抑制する。

ただし、ビームダンパ１２３の温度上昇が発生しないような低出力のレーザ光１０８を使用する場合は、ビームダンパ１２３を設置する必要はなく、筐体の側壁をビームダンパ１２３の代用としても良い。

フタ１０６は、レーザ加工を実施している間に発生するスパッタやヒュームを光特性検出器１０５の開口部１２４から筐体内に侵入させない目的で設置する。通常、フタ１０６は閉じているが、光特性の計測の為にレーザ光１０８を光特性検出器１０５に照射する時はフタ１０６を開ける。

フタ１０６を開閉駆動する機器はソレノイドやモータが挙げられる。直線往復運動で開閉駆動しても良いし、回転往復運動で開閉駆動しても良い。電気駆動する機器、または、エア駆動する機器があるので、それらに応じた電気配線、または、エア配管が必要になる。

フタ１０６は、閉じた状態でレーザ光１０８を誤射したとしても焼損しないように、レーザ光１０８が照射される領域は金属材で構成されることが望ましい。さらには、レーザ光１０８の光の吸収率が低い材料が望ましい。例えば、１．０６μｍ付近のレーザ光１０８を使用するならば、アルミ合金や銅を使用すると、レーザ光１０８の光の吸収率が低く反射率が高いので、フタ１０６が破損しにくくなる。

そして、図４のように、フタ１０６の表面がレーザ光１０８の光軸に垂直になるようにせず、表面は光軸と傾けることが望ましい。フタ１０６を閉じた状態でレーザ光１０８を誤射した場合、表面が光軸に垂直になっていると、表面で反射したレーザ光１０８がそのまま光軸上を逆行して照射ヘッド１０３に入射するので、レーザ発振器１０１に障害が出る恐れがある。傾けておけば、反射したレーザ光１０８が照射ヘッド１０３に入射しない。

フタ１０６が閉じている時、フタ１０６と開口部１２４との間に隙間がある場合は、その隙間を埋めて密閉性が向上するよう、開口部１２４の周囲、またはフタ１０６の裏面にゴム板などのシール材１３４を取り付けても良い。シール材１３４は有機材が一般的であるので、万一の誤射で直接レーザ光１０８が当たらないように工夫する必要がある。

例えば、図５のように、フタ１０６の裏面に窪みの加工を施して、窪みにシール材１３４を固定する。そして、フタ１０６が最大に開く角度を調整してフタ１０６の裏面にレーザ光１０８が直接当たらないようにすると、シール材１３４をフタ１０６で遮光してシール材１３４が焼損しないようにすることができる。

また、レーザ加工エリアの仕切り内の排気が不完全で、残存したヒュームが仕切り内を舞っている場合、筐体内、または、開口部１２４にエア配管１３５を設置して、そこから空気や窒素などを送り出して筐体内部にヒュームが入らないようにしても良い。

図６は、本発明の実施形態に係る光特性検出器１０５のフタ１０６の開状態の検知を示す断面図である。光減衰部１２２は高反射ミラー１３１を使用しており、照射ヘッド１０３からガイド光１０９を光特性検出器１０５に照射する。

フタ１０６が開状態では、ガイド光１０９がフタ１０６に遮られないので、ガイド光１０９は開口部１２４を通過して光減衰部１２２に入射する。ガイド光１０９の波長帯で適切な減衰率に設定していると、ガイド光１０９は受光部１２１まで届く。受光部１２１がガイド光１０９に反応するので、フタ１０６が開いているものと判断できる。尚、光減衰部１２２で分離した計測に使用しないガイド光１０９はビームダンパ１２３に入射して吸収される。

図７は、本発明の実施形態に係る光特性検出器１０５のフタ１０６の閉状態の検知を示す断面図である。照射ヘッド１０３からガイド光１０９を光特性検出器１０５に照射する。フタ１０６が閉状態では、ガイド光１０９がフタ１０６に当たって開口部１２４には光が届かないので、受光部１２１は反応しない。よって、フタ１０６が閉じているものと判断する。

図６、図７は、光減衰部１２２に高反射ミラー１３１を使用しているが、低反射ミラー１３２を使用しても光特性検出器１０５を構成できる。この場合、受光部１２１とビームダンパ１２３の設置位置は入れ替わる。

一方、図８に示されるように、フタ１０６を使用せず、筐体内にスパッタやヒュームが侵入しないように開口部１２４に保護ウィンドウ１３６を取り付ける構成も考えられる。フタ１０６とは異なり、保護ウィンドウ１３６は固定されて駆動しない。保護ウィンドウ１３６はレーザ光１０８やガイド光１０９を透過させるが、スパッタやヒュームを筐体内に侵入させない目的で取り付ける。

しかしながら、フタ１０６を設置せずに保護ウィンドウ１３６だけを設置した場合、レーザ加工を続けていくうちに、しだいに保護ウィンドウ１３６の外側表面にスパッタやヒュームが付着してくる。そして、保護ウィンドウ１３６の表面でレーザ光１０８の散乱量や吸収量が増大していき、正確な計測ができなくなってくる。

この場合、レーザ加工を中断して保護ウィンドウ１３６を清掃、または交換する作業を頻繁に実施しなければならなくなる。清掃作業や交換作業の頻度を抑制するには、保護ウィンドウ１３６を設置した状態であっても、そのうえに、フタ１０６を設置するか、もしくは、保護ウィンドウ１３６の付着物を自動で清掃するワイパを設置することになる。ワイパもフタ１０６と同様に駆動と制御が必要になる。

＜レーザ加工装置の動作＞
以上のように構成された本発明のレーザ加工装置１００の動作について図面を用いて説明する。

図９は本発明の実施形態に係るレーザ加工工程の一例のフローチャートである。

先ず、加工プロセス開始後、レーザ光１０８の光特性検査を行う（Ｓ０１）。尚、この光特性検査前にフタ１０６が閉じていることを確認する処理を入れても良い。この確認工程は、後述のフタ開閉確認工程（Ｓ１６）に記載している。

次に、検査工程で問題がないことを確認した後、レーザ加工を実施する（Ｓ０２）。

次に、設定加工回数に到達しているかどうかの判断を行う。所望の設定回数のレーザ加工が実施されていたら、光特性検査を行う。逆に、所望の設定回数のレーザ加工が実施されていなかったら、光特性検査は行わない（Ｓ０３、Ｓ０４）。この処理は、レーザ加工の途中のあるタイミングで検査を実施する場合のもので、必ずしも光特性検査は実施する必要はない。

次に、プロセスが設定された回数に到達しているかどうかの判断を行う。設定した全てのレーザ加工が終了していなければ、レーザ加工を繰り返す（Ｓ０５）。

最後に、予定された全てのレーザ加工が終了していれば、光特性検査を実施してプロセスを終了する（Ｓ０６）。尚、最初の光特性検査（Ｓ０１）と最後の光特性検査（Ｓ０６）は、両方とも実施する必要はなく、どちらか一方だけの検査でも構わない。

ところで、レーザ加工を繰返し実施する場合、これらの反復動作はプログラムを組んで制御器１０４で自動制御を行うことが可能である。自動制御を行えば、手動で装置の操作をするよりも誤操作が減少する。

次いで、光特性検査工程について説明を行う。図１０は本発明の実施形態に係る光特性検査工程の一例のフローチャートである。

先ず、光特性検査工程に移行すると、照射ヘッド１０３をレーザ加工位置から計測位置に移動する（Ｓ１１）。次に、筐体内にスパッタやヒュームの進入を防止する為に閉じていたフタ１０６を開く（Ｓ１２）。次に、フタ１０６の開閉を確認する（Ｓ１３）。

次に、レーザ光１０８の光特性を計測する（Ｓ１４）。

次に、計測の為に開いたフタ１０６を閉じる（Ｓ１５）。次に、フタ１０６の開閉を確認する（Ｓ１６）。最後に、照射ヘッド１０３を計測位置からレーザ加工位置に移動して、光特性検査工程を終了する（Ｓ１７）。

引き続き、光特性検査工程について詳細に説明を行う。図１１は本発明の実施形態に係る光特性検査工程の一例の詳細フローチャートである。

先ず、光特性検査工程に移行すると、照射ヘッド１０３をレーザ加工位置から計測位置に移動する（Ｓ１１）。この時、照射ヘッド１０３は光特性検出器１０５の受光部１２１にレーザ光１０８が入射できる方向に位置している。ガイド光１０９はレーザ光１０８の光軸と同軸上の軌跡で照射されるので、ガイド光１０９の照射方向もおのずと受光部１２１に向けられる。

次に、フタ１０６を開く指令を出してフタを開く（Ｓ２１，Ｓ２２）。

次に、ガイド光１０９を光特性検出器１０５に照射する（Ｓ２３）。そして、ガイド光１０９が受光部１２１に入射して受光部１２１が反応したかどうかを判断する（Ｓ２４）。

仮に、フタ１０６に不具合が発生していて開指令が出ていてもフタ１０６を開くことができない状態に陥っていると、ガイド光１０９はフタ１０６に当たって光特性検出器１０５の筐体内には進行しない。受光部１２１が反応しないので、フタ１０６が閉状態であるという判断ができる（Ｓ２４−Ｓ２６）。

フタ１０６の動作に不具合がなく、フタ１０６が開いた状態では、ガイド光１０９はフタ１０６に当たらず、開口部１２４を通過して筐体内に入る。ガイド光１０９は光減衰部１２２に入射するが、ガイド光１０９は光減衰部１２２での減衰率が低いので、ガイド光１０９が受光部１２１に入射する。そして、受光部１２１が反応してフタ１０６が開状態であると判定ができる（Ｓ２４ーＳ２５）。

この時、レーザ光１０８はガイド光１０９と同じ光軸上を進行するので、次にレーザ光１０８を照射すると受光部１２１に入射することが予想できる。万一、照射位置がずれていて光特性検出器１０５の筐体に照射方向が向けられていると、ガイド光１０９は開口部１２４に入射しないので、フタ１０６が開いているにも関わらず受光部１２１は反応しない。

この状態でレーザ光１０８を照射すれば光特性検出器１０５が破損する恐れがあるが、本発明の開閉検知はレ−ザ光１０８の照射前にガイド光１０９で照射位置を確認するので、事前にレーザ光１０８が受光部１２１に入射することが判る。

フタ１０６が閉じている場合、ガイド光１０９の照射を停止する（Ｓ２８）。そして、異常の表示を出す（Ｓ２９）。フタ１０６が閉じていて計測を行うことができないので、検査工程を終了する（Ｓ３０）。異常の表示が出力されるので、レーザ加工装置１００を停止して点検をする。

フタ１０６が開いている場合、ガイド光１０９の照射を停止する（Ｓ２７）。

次に、レーザ光１０８を照射する（Ｓ３１）。フタ１０６が開いていることを確認しているので、レーザ光１０８は開口部１２４を通過して光減衰部１２２に入射する。そして、光減衰部１２２で必要な量まで減衰されて受光部１２１に入射する。

次に、レーザ光１０８の計測を行い、所望のデータを取得する（Ｓ３２）。尚、光減衰部１２２で分離された余剰のレーザ光１０８はビームダンパ１２３で吸収する。

次に、レーザ光１０８の照射を停止し（Ｓ３３）、計測結果を表示する（Ｓ３４）。

次に、フタ１０６を閉じる指令を出して閉じる（Ｓ４１，Ｓ４２）。

次に、ガイド光１０９を光特性検出器１０５に照射する（Ｓ４３）。そして、ガイド光１０９が受光部１２１に入射して受光部１２１が反応したかどうかを判断する（Ｓ４４）。

仮に、フタ１０６に不具合が発生していて閉指令が出ていてもフタ１０６を閉じることができない状態に陥っていると、ガイド光１０９はフタ１０６に当たらず、開口部１２４を通過して筐体内に入る。ガイド光１０９は受光部１２１まで届いて受光部１２１が反応してフタ１０６が開状態であると判断できる（Ｓ４４−Ｓ４６）。

フタ１０６の動作に不具合がなく、フタ１０６が閉じた状態では、ガイド光１０９はフタ１０６に当たって検出器１０５の筐体内には進行しないので、受光部１２１が反応せず、フタ１０６が閉状態であるという判断ができる（Ｓ４４−Ｓ４５）。

フタ１０６が開いている場合、ガイド光１０９の照射を停止する（Ｓ４８）。そして、異常の表示を出す（Ｓ４９）。フタ１０６が開いていてレーザ加工時に光特性検出器１０５に支障が出る恐れがあるので、検査工程を終了する（Ｓ５０）。異常の表示が出力されるので、レーザ加工装置１００を停止して点検をする。

フタ１０６が閉じている場合、ガイド光１０９の照射を停止する。（Ｓ４７）。

最後に、照射ヘッド１０３を計測位置からレーザ加工位置に移動する（Ｓ１７）。この時、フタ１０６は閉状態であるので、レーザ加工を実施する間はスパッタやヒュームが飛散してもフタ１０６がその機能を果たす。尚、レーザ光計測（Ｓ３２）で光特性に異常が発見された場合、フタ開閉確認工程（Ｓ１６）の終了後にレーザ加工装置１００を停止しても良い。

このようにして、本発明のレーザ加工装置１００は動作する。受光部１２１は、光特性の計測、フタ１０６の開閉検知、レーザ照射位置に問題がないかどうかの事前確認、の３つの機能を兼用する。また、通常使用される光電センサや近接スイッチなどの開閉検知用センサを別途新たに設置する必要がないことから、開閉機構部分の容積、重量、配線を減少することができる。

以上に述べたように、本発明に係るレーザ加工装置１００によれば、光特性検出器１０５の開口部１２４に開閉可能なフタ１０６を備えているので、レーザ加工工程では、フタを１０６閉じて飛散するスパッタやヒュームから光特性検出器１０５を保護することができる。そして、レーザ光１０８の光特性検査工程でのみフタ１０６を開くので、スパッタやヒュームの影響を防止でき、光特性検出器１０５の信頼性を向上することができる。

また、照射ヘッド１０３が障害物に接触するなどして、意図せずレーザ照射位置が光特性検出器１０５の開口部１２４からずれている場合、レーザ光１０８が光特性検出器１０５の筐体などに照射して光特性検出器１０５が破損する恐れがある。しかし、本発明の実施形態の場合は、レーザ光１０８の照射前にガイド光１０９を光特性検出器１０５の受光部１２１に入射するので、事前にレーザ光１０８を照射しても問題ないことを確認でき、レーザ光１０８の誤射による光特性検出器１０５の破損を回避できる。

本発明の主要部分の構成する諸元の具体数値を、以下に実施の一例として記す。なお、例示する具体数値に本発明は限定されるものではない。

例えば、以下のような光特性検出器１０５が構成できる。レーザ発振器１０１の発振波長は０．９８μｍ、溶接用レーザ加工ヘッド１０３から２ｋＷのレーザ光１０８が照射される。また、ガイド光１０９は波長０．６４μｍの赤色光で、溶接用レーザ加工ヘッド１０３から３００μＷが照射される。６軸ロボットのアームの先端に溶接用レーザ加工ヘッド１０３を設置しており、アームを動かして被加工物１１０や光特性検出器１０５を狙ってレーザ光１０８とガイド光１０９を照射することができる。

この光特性検出器１０５はレーザ光１０８のパワーを計測するもので、受光部１２１はフォトダイオードセンサを使用しており、最大受光量が約２００μＷである。波長０．９８μｍと波長０．６４μｍのいずれの波長にも反応する。

開口部１２４にはフタ１０６を設置する。レーザ光１０８が照射される領域はアルミ合金で作製しており、ロータリーソレノイドで回転往復運動をして開閉する。レーザ加工している間はフタ１０６を閉じ、レーザ光１０８の計測時のみフタ１０６を開く。

光減衰部１２２は３枚の高反射ミラー１３１で構成されており、光特性検出器１０５に２ｋＷのレーザ光１０８を照射すると、受光部１２１に入射するまでに１００μＷまで減衰される。波長によって減衰率が異なっており、３００μＷのガイド光１０９を照射すると、受光部１２１に入射するまでに１８０μＷまで減衰される。

そして、ガイド光１０９を照射して受光部１２１が５０μＷ以上になるとフタ１０６が開状態だと判定して、ガイド光１０９を照射して受光部１２１が５０μＷ未満であるとフタ１０６が閉状態だと判定する制御を行う。また、ガイド光１０９を照射して受光部１２１が５０μＷ以上であった場合のみ、レーザ光１０８が照射できるように制御器１０４でインタロックをかけて安全にレーザ光１０８を照射できるようにする。

本発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、光特性検出器の開口部に開閉可能なフタを備えているので、レーザ加工工程では、フタを閉じて飛散するスパッタやヒュームから光特性検出器を保護することができるものであり、レーザ加工装置に用いられる光特性検出器の信頼性向上等において有用である。

１００ レーザ加工装置
１０１ レーザ発振器
１０２ アクチュエータ
１０３ 照射ヘッド
１０４ 制御器
１０５ 光特性検出器
１０６ フタ
１０７ 光ファイバ
１０８ レーザ光
１０９ ガイド光
１１０ 被加工物
１２１ 受光部
１２２ 光減衰部
１２３ ビームダンパ
１２４ 開口部
１３１ 高反射ミラー
１３２ 低反射ミラー
１３３ 減光フィルタ
１３４ シール材
１３５ エア配管
１３６ 保護ウィンドウ
８０２ 光路
８０４ ワーク
８０６ 出力測定器
９０１ レーザ装置
９０２ レーザ発振器
９０５ シャッタ
９０７ フォトインタラプタ
９０９ 制御回路

Claims (6)

1. 出力指令信号に従ってレーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ照射位置を機械的に制御するアクチュエータと、所定位置に開口部を有し、前記開口部に入射したレーザ光の光特性を計測する受光部と、前記開口部に開閉可能に取り付けられたフタを備えた光特性検出器と、ガイド光照射部と、を備えたレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
   前記光特性検出器の前記フタを開くフタ開工程と、
   前記フタ開工程の後に、前記光特性検出器に向かって前記ガイド光を照射するフタ開閉確認工程と、
   前記フタ開閉確認工程の後に、前記フタを開いた状態で前記光特性検出器の前記開口部にレーザ光を入射しレーザ光の特性を計測するレーザ光計測工程と、
   前記フタを閉じた状態で被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工工程とを備え、
   前記フタ開閉確認工程では、前記受光部が前記ガイド光を検知した場合は前記フタが開いていると判定し、前記ガイド光が検知できない場合は前記フタが閉じていると判定するレーザ加工方法。
2. 前記光特性検出器が、前記開口部と前記受光部の間の光路に波長選択性を有した光減衰部を備えた請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 波長によって反射率又は透過率が異なるビームスプリッタを前記光減衰部に設けた請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記フタ開閉確認工程で、前記フタが閉じていると判定された場合は異常が生じたと判断し、異常警告する請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記レーザ光計測工程に先立ち、前記光特性検出器に向かって前記ガイド光を照射してフタは閉じていることを確認し、前記光特性検出器の前記フタを開き、前記光特性検出器に向かって前記ガイド光を照射してフタが開いていることを確認する工程を設け、
   前記レーザ光計測工程実施後に、前記光特性検出器の前記フタを閉じ、前記光特性検出
   器に向かって前記ガイド光を照射してフタが閉じていることを確認する工程を設けた請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 前記フタが閉じていることを確認する工程で前記フタが開いていると判定された場合は異常が生じたと判断し、異常警告する請求項５に記載のレーザ加工方法。

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