JP6254985B2 - レーザ光路内の不純ガスを監視するレーザ加工システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を被加工物に導くレーザ光路を備えたレーザ加工システムに関する。

レーザ光を拡散または吸収するような不純ガスがレーザ加工システムの周辺に存在していると、レーザ光の伝播性に大きな影響が生じる。そのため、レーザ発振器を搭載した従来のレーザ加工システムにおいては、レーザ発振器の光出射口から加工点までレーザ光を導く光学系を有するレーザ光路が設けられている。そして、そのようなレーザ光路内に、レーザ光の伝播性に影響を与えない清浄なパージガスを充満させることにより、レーザ加工を安定させている。

さらに、特許文献１は、上述した従来のレーザ加工システムにおいて、レーザ光路内に不純ガスを検知するガスセンサを設置して、レーザ光路内に不純ガスが混入したか否かを判定する発明を開示している。

特許第４３３５１５４号公報

ところで、上述した従来のレーザ加工システムにおいては、レーザ加工の高精度化および高出力化に伴い、レーザ光路内に充満させるべきパージガスは多様化している。例えば、パージガスとしては、乾燥空気、または、レーザの散乱原因である二酸化炭素を低減した空気、または、富窒素ガス（すなわち窒素を主成分とするガス）、窒素ガスなどが使用されている。

とりわけ、乾燥空気や、二酸化炭素を低減した空気を生成するには、中空糸フィルタ、オイルミストフィルタ、活性炭フィルタなどの特殊なフィルタが用いられている。しかし、このような特殊なフィルタにガスを透過させると、パージガス中の酸素濃度が増減する。そして、レーザ光路内において酸素濃度が時間の経過とともに大きく変化する。このとき、不純ガスがレーザ光路内に混入していなくても、ガスセンサが酸素濃度の変化に反応してガスセンサの出力値も経時変化してしまう。そのため、酸素濃度が変化したガスをパージガスとして使用する場合には、レーザ光路内に不純ガスが混入した否かを正確に判定するのは困難となる。

また、レーザ光路内に不純ガスが混入したか否かを判定する際には、ガスセンサの出力値を所定の判定閾値と比較している。この判定閾値に関しては、環境に起因するガスセンサの出力値の誤差を考慮して一定の許容範囲を設定するのが一般的である。レーザ加工システムが設置される環境、例えば気温、湿度、標高などが変わると、同一のガス種に対するガスセンサの出力値も僅かに変わるからである。しかし、このように一定の許容範囲の判定閾値を設定した場合に、レーザ光路内の酸素濃度の変化に応じてガスセンサの出力値が変化してしまうと、不純ガスの混入の判定に誤りが生じることがある。これにより、レーザ加工システムが誤作動を引起こすおそれがある。

そこで本発明は、上述したような実情に鑑み、レーザ光路内の酸素濃度が変化しても、レーザ光路内の不純ガスの混入を高精度に検出することができるレーザ加工システムを提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
レーザ発振器からレーザ光を被加工物まで導くレーザ光路と、
レーザ光路内に設置された、酸素を検出する酸素センサ、および、レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検出する不純ガスセンサと、
酸素センサの出力値に基づいて不純ガスセンサの出力値を補正する不純ガスセンサ出力値補正部と、を備える、レーザ加工システムが提供される。
この第一態様により上述の課題が解決される。しかし、本発明は、第一態様に限られず、以下の第二態様ないし第十態様のいずれかのレーザ加工システムを提供することもできる。

本発明の第二態様によれば、第一態様のレーザ加工システムであって、
検知濃度の異なる少なくとも２つの前記不純ガスセンサを備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第三態様によれば、第一態様または第二態様のレーザ加工システムであって、
検知するガス種の異なる少なくとも２つの前記不純ガスセンサを備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第四態様によれば、第一態様から第三態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
不純ガスセンサ出力値補正部により補正された不純ガスセンサの出力値と、予め記憶されている判定閾値との比較に基づいて、不純ガスがレーザ光路内に混入したか否かを判定する不純ガス混入判定部をさらに備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第五態様によれば、第四態様のレーザ加工システムであって、
不純ガス混入判定部によって不純ガスがレーザ光路内に混入したと判定された場合、不純ガスが混入したことを報知する報知装置をさらに備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第六態様によれば、第四態様または第五態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
不純ガスを吸着する不純ガス吸着剤と、
不純ガス混入判定部によって不純ガスがレーザ光路内に混入したと判定された場合に、不純ガス吸着剤をレーザ光路内に曝露する曝露機能部とをさらに備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第七態様によれば、第四態様から第六態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
不純ガスセンサおよび酸素センサの各々の出力値を当該出力値が出力された日時とともに記憶する記憶部をさらに備える、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第八態様によれば、第一態様から第七態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
レーザ光路内には着脱自在なセンサユニットが設置されており、
センサユニットは、酸素センサと一つ以上の不純ガスセンサとを有する、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第九態様によれば、第一態様から第八態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
レーザ光路内にパージガスを供給するパージガス供給ラインを備えており、当該パージガスは、高分子フィルタ、活性炭フィルタ、中空糸フィルタ、またはオイルミストフィルタを通してレーザ光路内に供給される空気である、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第十態様によれば、第一態様から第九態様のいずれかのレーザ加工システムであって、
酸素センサまたは不純ガスセンサは、定電位電解式ガスセンサ、ガルバニ電池式ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサ、気体熱電動式ガスセンサ、ジルコニア式ガスセンサ、ポーラロ式ガスセンサ、または半導体式ガスセンサのいずれかである、レーザ加工システムが提供される。

本発明の第一態様、第九態様、および第十態様によれば、レーザ光路内の酸素濃度に応じて変化する不純ガスセンサの出力値を補正することができる。これにより、レーザ光路内の酸素濃度を変化させてしまうようなパージガス（例えば二酸化炭素を低減した空気、富窒素ガス、窒素ガス）が使用されても、レーザ光路内の不純ガスの混入を高精度に検出することができる。

本発明の第二態様によれば、検知濃度の低い方、すなわち感度の高い方の不純ガスセンサの出力値が最大値を超えてしまって飽和するような場合であっても、検知濃度の高い方、すなわち感度の低い方の不純ガスセンサを使って不純ガスを検知することができる。

本発明の第三態様によれば、検知するガス種の異なる少なくとも二つの不純ガスセンサを備えることにより、レーザ光の伝播に影響を及ぼす様々な種類の不純ガスを監視することができる。

本発明の第四態様によれば、予め記憶されている判定閾値を使用することにより、不純ガスの種類や濃度を正確に検出することなく、不純ガスがレーザ光路内に混入したか否かを判定することができる。それにより、不純ガス混入判定部が安価でかつ簡単な構成となる。

本発明の第五態様によれば、レーザ光路内への不純ガスの混入を報知装置によって報知するため、レーザ加工システムのオペレータは、レーザ光路内への不純ガスの混入を迅速に認識することができる。それにより、レーザ加工時の不具合を未然に防止する、早期にレーザ加工を停止させる、又は警報を発しレーザ加工システムを停止することができるので、加工不良による損害が最小限に抑えられる。また、レーザ加工の不具合の原因を迅速に特定および除去できるので、生産性も向上する。

本発明の第六態様によれば、不純ガスがレーザ光路内に混入したことが判ったら、曝露機能部により不純ガス吸着剤をレーザ光路内に曝露させるので、レーザ光路内の不純ガスの濃度を短時間に低下させることができる。

本発明の第七態様によれば、レーザ加工を実施した時に不純ガスセンサや酸素センサの各出力値と当該出力値が出力された日時とが記憶部に記憶されている。そのため、レーザ加工の不具合が発生した場合、レーザ加工システムのオペレータは、そのような記憶情報を利用して不具合の原因を容易に特定することができる。

本発明の第八態様によれば、酸素センサと一つ以上の不純ガスセンサを有する着脱自在なセンサユニットがレーザ光路内に設けられている。それにより、不純ガスセンサを備えていない別のレーザ加工システムにセンサユニットを取付けて、別のレーザ加工システムにおけるレーザ光路内の不純ガスの混入を監視することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

第一実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。 図１に示されたレーザ光路内に設置された不純ガスセンサと酸素センサとアンモニアセンサの各々の出力値を時間の経過とともに示したグラフである。 ２種類のエタノールセンサの各々について事前に調べた、酸素濃度に対するセンサ出力値の変化およびその近似式を示したグラフである。 第一実施形態の数値演算器の構成を示したブロック図である。 第一実施形態のレーザ加工システムの動作の一例を示すフローチャートである。 第二実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。 第三実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。 第三実施形態における、不純ガス吸着剤をレーザ光路内に曝露する機能の効果を示したグラフである。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面において、同じ部材には同じ参照符号が付けられている。そして、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。

（第一実施形態）
図１は第一実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。
図１に示されるように、第一実施形態のレーザ加工システム１０は、レーザ光１１を発振するレーザ発振器１２と、レーザ光１１を被加工物であるワーク１３に照射する加工ヘッド部１４と、レーザ発振器１２のレーザ光出射口１２ａからレーザ光１１をその光軸を保ちながらワーク１３まで導くレーザ光路１５と、を備えている。さらに、レーザ加工システム１０は、レーザ発振器１２の動作や加工ヘッド部１４の移動を制御する制御装置として数値演算器３７を備えている。なお、本実施形態のレーザ発振器１２は、工場において金属または非金属をレーザによって加工する炭酸ガスレーザである。しかし、本発明に適用されるレーザ発振器はそれに限定されず、他のガスレーザ、あるいは固体レーザ、半導体レーザなどであってもよい。

加工ヘッド部１４には、レーザ光１１をワーク１３に集光する集光レンズ１６が設置されている。さらに、図１に示されるように、レーザ発振器１２から出射されたレーザ光１１をレーザ光路１５の屈曲方向に曲げつつ加工ヘッド部１４の集光レンズ１６に導くミラー１７などの光学系がレーザ光路１５内に備えられている。また、加工ヘッド部１４は、図示しないガイド部材と駆動機構によって、ワーク１３に対して相対的に移動できるようになっている。このため、レーザ光路１５は、例えばゴム製もしくは金属製の伸縮可能なベローズによって構成されている。勿論、レーザ光路１５はそのようなベローズから成るものに限られない。レーザ光路１５は、例えばレーザ光路１５の屈曲部のみがベローズから成っていて、他の部分は金属製パイプから成るものでもよい。

さらに、図１に示されるように、レーザ光路１５には、レーザ光１１の伝播に影響を及ぼさないパージガスをレーザ光路１５内に供給するパージガス供給チューブ１８が接続されている。パージガス供給チューブ１８には開閉バルブ１９が設置されている。そして、開閉バルブ１９を閉操作することにより、パージガスのレーザ光路１５への供給が停止されるようになっている。

また、本実施形態のレーザ加工システムにおいては、乾燥空気、窒素ガス、および二酸化炭素を低減した空気といった３種類のパージガスのうちのいずれかを選択してレーザ光路１５内に供給できるようになっている。そのため、図１に示されるように、パージガス供給チューブ１８の、開閉バルブ１９よりも上流側の部分には、乾燥空気の供給ライン２０、窒素ガスの供給ライン２１、および、二酸化炭素を低減した空気の供給ライン２２がそれぞれ接続されている。各々の供給ライン２０、２１、２２には開閉バルブ２３が設置されている。そして、３つの開閉バルブ２３のうちの一つを開くことにより、レーザ光路１５内に供給するパージガスが選択されることとなる。なお、「二酸化炭素を低減した空気」とは、空気中に含まれる二酸化炭素の濃度を所定値以下、例えば１５０ｐｐｍ以下にした空気をいう。

乾燥空気の供給ライン２０には、ドライポンプ２４、活性炭フィルタ２５、および高分子フィルタ２６が空気の流れ方向に沿って順番に直列接続されている。乾燥空気をレーザ光路１５内に供給するには、供給ライン２０の開閉バルブ２３のみを開き、その他の供給ライン２１、２２の開閉バルブ２３を閉じる。それから、ドライポンプ２４によって空気を取込んで活性炭フィルタ２５および高分子フィルタ２６に順次通過させる。それにより、空気中の不純物や有機成分などが取除かれつつ、空気が除湿される。つまり、乾燥空気が、パージガス供給チューブ１８を経由してレーザ光路１５内に供給される。

また、窒素ガスの供給ライン２１には、窒素ガスボンベ２７および流量制御バルブ２８が窒素ガスの流れ方向に沿って順番に直列接続されている。流量制御バルブ２８は開閉バルブであってもよい。窒素ガスをレーザ光路１５内に供給するには、供給ライン２１の開閉バルブ２３のみを開き、その他の供給ライン２０、２２の開閉バルブ２３を閉じ、流量制御バルブ２８を開く。それにより、窒素ガスボンベ２７に充填されている窒素ガスが、パージガス供給チューブ１８を経由してレーザ光路１５内に供給される。

そして、二酸化炭素を低減した空気の供給ライン２２には、オイルミストフィルタ２９、活性炭フィルタ３０、および中空糸フィルタ３１が空気の流れ方向に沿って順番に直列接続されている。さらに、オイルミストフィルタ２９には、開閉バルブ３２を介して、工場の圧縮空気ライン３３が接続されている。二酸化炭素を低減した空気をレーザ光路１５内に供給するには、供給ライン２２の開閉バルブ２３のみを開き、その他の供給ライン２０、２１の開閉バルブ２３を閉じ、開閉バルブ３２を開く。それにより、工場の圧縮空気をオイルミストフィルタ２９、活性炭フィルタ３０および中空糸フィルタ３１に順次通過させる。その結果、工場の圧縮空気中の油分、不純物、有機成分などが取除かれつつ、圧縮空気中の二酸化炭素が除去される。つまり、二酸化炭素を低減した空気、例えば二酸化炭素の濃度が１５０ｐｐｍ以下の空気が、パージガス供給チューブ１８を経由してレーザ光路１５内に供給される。

また、本実施形態のレーザ加工システム１０の近傍においてシンナやペンキなどを使用した場合に、有機化合物を含む不純ガスがレーザ光路１５内に混入するおそれがある。これらの不純ガスは、レーザ光の吸収や散乱を引き起こし、その結果、レーザ光の伝播を妨害し、レーザ加工機の加工能力を落としてしまう。そこで、図１に示されるように、レーザ光路１５内には、レーザ光１１の伝播に影響を及ぼす複数種の不純ガスをそれぞれ検出する複数種の不純ガスセンサ３４、３５と、酸素を検出する酸素センサ３６とが設置されている。

本実施形態においては、酸素センサ３６はガルバニ電池式ガスセンサである。不純ガスセンサ３４、３５は接触燃焼式エタノールセンサである。
勿論、不純ガスセンサ３４、３５には、接触燃焼式ガスセンサ以外のガスセンサを使用し、酸素センサ３６においても、ガルバニ電池式ガスセンサ以外のガスセンサを使用してもよい。つまり、不純ガスセンサ３４、３５、および酸素センサ３６に使用されるガスセンサとしては、定電位電解式ガスセンサ、ガルバニ電池式ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサ、気体熱電動式ガスセンサ、ジルコニア式ガスセンサ、ポーラロ式ガスセンサ、半導体式ガスセンサ、および電気化学式ガスセンサのうちのいずれかであっても良い。

さらに、レーザ光１１の伝播に影響を及ぼす不純ガスとしては六フッ化硫黄、エチレン、ハロゲン化炭化水素、アンモニア、アセトン、アルコール、炭酸ガスなどがあるため、検出すべき不純ガスはエタノールに限定されない。したがって、本実施形態においては、濃度の異なるエタノールを検知する２つの不純ガスセンサ３４、３５の他に、エタノールとは異なるガス類の不純ガスを検知する一つ以上のガスセンサがレーザ光路１５内に設置されていてもよい。また、２つの不純ガスセンサ３４、３５のうちの一方が、エタノールとは異なるガス種の不純ガスを検知するガスセンサであってもよい。
但し、これ以降においては、不純ガスセンサ３４、３５をエタノールセンサと記載して説明することとする。

本実施形態においては、エタノールセンサ３４、３５の検知可能なエタノールの濃度は互いに異なっていることが好ましい。例えば、一方のエタノールセンサ３４は１０ｐｐｍから３００ｐｐｍ（０．００１％から０．０３％）のエタノール濃度を検知し、他方のエタノールセンサ３５は２００ｐｐｍから１０００ｐｐｍ（０．０２％から０．１％）のエタノール濃度を検知するものとする。

さらに、エタノールセンサ３４、３５、および酸素センサ３６はそれぞれ、数値演算器３７に電気的に接続されている。

数値演算器３７は、酸素センサ３６の出力値に基づいて、取得したエタノールセンサ３４、３５の出力値を補正している。さらに、数値演算器３７は、補正後の各エタノールセンサ３４、３５の出力値を表示装置３８に送信している。

そして、表示装置３８は、数値演算器３７から送信されたエタノールセンサ３４、３５、および酸素センサ３６の各々の値をリアルタイムに表示するようになっている。なお、表示装置３８は、例えばＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）や液晶ディスプレイなどによって構成されることが好ましい。

ここで、エタノールセンサ３４、３５などの不純ガスセンサの出力値を補正している点について詳述する。

図２は、図１に示されたレーザ光路１５内に設置されたエタノールセンサ３５と酸素センサ３６とアンモニアセンサ（図示せず）の各々の出力値を時間の経過とともに示したグラフである。このグラフを取得する際、図１に示されたレーザ光路１５内のエタノールセンサ３４の替わりにアンモニアセンサを設置した。なお、図２のグラフにおいて、一点鎖線Ａは酸素センサ３６の出力値を、実線Ｂはエタノールセンサ３５の出力値を、実線Ｃはアンモニアセンサの出力値を表している。

図２のグラフの横軸に沿って示されているように、図１に示されたレーザ光路１５内のガス環境を、空気（すなわち、レーザ光路１５内にパージガスを供給していない初期状態）から二酸化炭素除去空気（すなわち二酸化炭素濃度を所定値以下、例えば１５０ｐｐｍ以下にした空気）、窒素ガスの順に切替える。このとき、レーザ光路１５内には不純ガスは混入しないものとする。また、二酸化炭素除去空気を導入している間は、空気を特殊な中空糸フィルタに通し、その中空糸フィルタを通るときの二酸化炭素と窒素ガスの透過率の違いを利用して二酸化炭素を低減させている。このとき、前述の中空糸フィルタを通る酸素と窒素ガスの透過率の違いから酸素濃度は高くなる。すなわち、図２に示されるように酸素センサ３６の出力値が時間の経過とともに上昇する。このような酸素濃度の上昇は、中空糸フィルタ以外の特殊なフィルタ、例えば高分子フィルタ、活性炭フィルタ、オイルミストフィルタなどに空気を通したときも同様に起りうる。そして、図２から分かるように、レーザ光路１５内の酸素濃度が増えると、エタノールセンサ３５とアンモニアセンサの各々の出力値が変化する。図２においては、エタノールセンサ３５の出力値は酸素濃度の上昇に伴って低下しているものの、アンモニアセンサの出力値は酸素濃度の上昇に伴って上昇している。なお、一般的にガスセンサ出力値は、酸素濃度により変化するが、出力値が増加するもの、出力値が減少するもの、出力曲線が変化するものなどセンサにより異なる反応をする。また、同じエタノールセンサであっても、検出方法の違いや、構造の違いによって、低酸素状態になった場合に出力値が上昇するものと減少するものがある。

上述のように、レーザ光路１５内に不純ガスが混入していなくてもレーザ光路１５内の酸素濃度が変化している間は、エタノールセンサ３５とアンモニアセンサの各出力値は変化してしまうので、レーザ光路１５内に不純ガスが侵入したか否かを判定することはできない。このため、本実施形態においては、酸素センサ３６の出力値に基づいてエタノールセンサ３４、３５などの不純ガスセンサの出力値を補正して、レーザ光路１５内への不純ガスの混入を検出できるようにしている。なお、エタノールがレーザ光路１５内に混入した場合、エタノールセンサだけでなくアンモニアセンサも反応する。アンモニアがレーザ光路１５内に混入した場合でも、エタノールセンサは反応する。つまり、エタノールセンサはエタノールに敏感に反応するが、エタノール以外の不純ガスにも反応する。

また、上述の補正を実施するために、酸素濃度に対して各々のエタノールセンサ３４、３５の出力値がどのように変化するのかを事前に実験して、センサ出力値の変化の近似式を求めている。

図３は、２種類のエタノールセンサＡ、Ｂの各々について事前に調べた、１００ｐｐｍのエタノールを含むガスの酸素濃度を変化させた際のセンサ出力値およびその近似式を示したグラフである。上述の近似式を求める際、エタノールセンサＡ、Ｂとして検出方法が互いに異なるものを用意し、図１に示されたレーザ加工システムのレーザ光路１５と同じ構成からなる室内にエタノールセンサＡ、Ｂを設置した。そして、図３に示されるように、エタノールセンサＡ、Ｂが収容された室内のエタノール濃度を保ちながら酸素濃度を増やし、酸素濃度が５％増加する度に、エタノールセンサＡ、Ｂの各々のセンサ出力値（濃度）を順次測定した。このとき、前述のエタノールセンサＡ、Ｂが収容された室内にはエタノール以外の不純ガスは混入しないものとする。そして、測定結果から、エタノールセンサＡ、Ｂの各々についてセンサ出力値の近似式（図３に記載される多項式Ａ、Ｂを参照）を求めた。なお、図３から分かるように、同じエタノールを検知するエタノールセンサであっても、センサの検出方法が異なるとセンサ出力値も大きく異なることがある。したがって、センサ出力値の近似式をセンサごとに求めることが必要である。

このような近似式を事前に求めておくことにより、酸素濃度に反応して変化する各々のエタノールセンサＡ、Ｂの出力値を推定できるようになる。さらに、後述するが、酸素センサ３６にガルバニ電池式酸素センサを採用した場合、酸素濃度とガルバニ電池式酸素センサの出力値（電圧値）との間に比例関係がある。よって、酸素濃度はガルバニ電池式酸素センサの出力値（電圧値）によって取得しうる。

そこで、図１に示されたレーザ加工システムにおいては、エタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を、次のような方法によって補正している。以下では、代表してエタノールセンサ３４の出力値を補正する方法について述べる。まず、エタノールセンサ３４に対し、センサ出力値の近似式を事前に求める。例えば、図３に示される多項式Ａのような、センサ出力値の近似式（すなわちｙ＝ｆ（ｘ））を事前に求めておく。また、酸素濃度２１％時、つまり一般空気中のセンサの出力値（すなわちｙ＝ｆ（ｘ＝２１％））を記憶しておく。そして、レーザ光路１５内の酸素濃度の変化を酸素センサ３６の出力値ｘ（濃度）によって監視するとともに、エタノール濃度の変化もエタノールセンサ３４の出力値Ｙ（濃度）によって監視する。

さらに、酸素センサ３６の出力値ｘとエタノールセンサ３４の出力値Ｙをそれぞれ所定の微少時間ごとに実際に取得しつつ、エタノールセンサ３４の、酸素濃度変化のみに反応して出力されるセンサ出力値を推定する。このため、例えば、まず、或る時刻ｔ１に実際に取得された酸素センサ３６の実出力値ｘ１と、事前に求めたエタノールセンサ３４のセンサ出力値の近似式（すなわちｙ＝ｆ（ｘ））とから、時刻ｔ１の酸素センサ３６の実出力値ｘ１に対する、エタノールセンサ３４の推定出力値ｙ１（＝ｆ（ｘ１））を算出する。また、酸素濃度２１％、エタノール濃度１００ｐｐｍ時のエタノールセンサ３４の出力値をｙ_２１とする。
そして、算出された推定出力値ｙ１を、時刻ｔ１に実際に取得されたエタノールセンサ３４の実出力値Ｙから減算し、さらに酸素濃度２１％、エタノール濃度１００ｐｐｍ時の出力値ｙ_２１を加えることによって、エタノールセンサ３４の実出力値Ｙ（←Ｙ−ｙ１＋ｙ_２１）を補正する。なお、もう一つのエタノールセンサ３５の実出力値についても、上述したエタノールセンサ３４と同じ方法により補正する。

本実施形態においては、以上のような補正方法によって、レーザ光路１５内の酸素濃度に応じて変化するエタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を補正している。そして、補正された各エタノールセンサ３４、３５の出力値を監視することにより、レーザ光路１５内の酸素濃度の変化に影響されることなく、レーザ光路１５内へのエタノールの混入を正確に検出できるようになる。言い換えれば、本実施形態のレーザ加工システムは、レーザ光路内の酸素濃度を変化させてしまうようなパージガス（例えば、二酸化炭素を低減した空気、富窒素ガス、窒素ガスなど）が使用されても、レーザ光路内の不純ガスの混入を高精度に検出することができる。

なお、本実施形態のエタノールセンサ３４、３５には、次のような構成からなる接触燃焼式エタノールセンサを採用することが好ましい。例えば、接触燃焼式エタノールセンサは、可燃性ガスであるエタノールに対して反応するセンサ素子と、該エタノールに対して反応しないリファレンス素子とから構成されている。センサ素子は、白金などの貴金属からなるヒータコイルと、ヒータコイルの外周に形成された燃焼触媒層とを備えている。燃焼触媒層は、例えばアルミナに白金、パラジウムなどの燃焼触媒を分散させてなる。一方、リファレンス素子は、センサ素子の構成部分のうちの燃焼触媒層を、燃焼触媒を添加していないアルミナだけによって構成したものである。

上記エタノールセンサのセンサ素子の表面に可燃性ガスであるエタノールが接触すると、燃焼触媒層の貴金属の触媒作用により燃焼が起こり、ヒータコイルの温度が上昇し電気抵抗が増大する。一方、リファレンス素子においては、エタノールが接触されても燃焼が起こらないため、電気抵抗は変化しない。このようなセンサ素子とリファレンス素子とから構成されたエタノールセンサがエタノールに曝されると、センサ素子の電気抵抗だけが上昇する。このとき、センサ素子とリファレンス素子との間の電気抵抗の差をホイーストンブリッジ回路によって電圧値として測定することにより、エタノール濃度が算出される。つまり、当該電圧値とエタノール濃度との間に比例関係が在るので、測定された電圧値を基にエタノール濃度を算出することができる。このため、本実施形態のレーザ加工システムは、不純ガスセンサ（エタノールセンサ３４、３５の各々）の出力値を基にエタノール濃度を算出することもできる。しかし、本願発明においては、図１に示されるレーザ光路１５内に不純ガスが混入したか否かを判定できればよいので、エタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を監視するだけでよく、エタノール濃度を算出しなくてもよい。なお、本実施形態の不純ガスセンサ３４、３５のように、測定できるエタノール濃度の濃度範囲を変更するには、上記センサ素子の燃焼触媒層の組成や表面積などを変更して、エタノールが燃焼触媒層に接触した時の電気抵抗や燃焼熱の上昇率を変えればよい。

また、本実施形態の酸素センサ３６には、次のような構成からなるガルバニ電池式酸素センサを採用することが好ましい。例えば、ガルバニ電池式酸素センサは、金や白金などの貴金属からなる陰極と、鉛からなる陽極と、これら陰極および陽極を収容した凹状のケースとを備えていて、陰極と陽極は互いにリード線によって接続されている。そして、凹状のケース内に電解液が満たされ、該ケースの開口部が気体透過性の薄膜により塞がれ、その薄膜は貴金属の陰極に密着されている。ケース外の大気中の酸素が薄膜を透過してくると、ケース内の貴金属の陰極において酸素の還元反応が起こり、ケース内の鉛の陽極においては酸化反応が起こる。この反応に伴ってリード線に流れる電流を負荷抵抗、例えばサーミスタを介して電圧に変換しつつ当該電圧の値を計測することにより、酸素濃度が算出される。つまり、酸素濃度が低下すると、陰極において酸素の還元反応が減少するので、サーミスタの両端の電圧も低下する。このように当該電圧の値と酸素濃度との間に比例関係が在るので、検出した電圧の値を基に酸素濃度を算出することができる。このため、本実施形態のレーザ加工システムは、酸素センサ３６の出力値を基に酸素濃度を算出することもできる。但し、本実施形態においては、エタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を補正する際、酸素センサ３６の出力値を取得するだけでよい。つまり、酸素センサ３６の出力値と、エタノールセンサ３４、３５の各々の出力値との対応関係を事前に調べて、その対応関係の近似式やテーブルなどを作成し、数値演算器３７に記憶させておけば、酸素濃度を算出しなくてもよい。

次に、数値演算器３７の構成について説明する。
図４は数値演算器３７の構成例を示すブロック図である。
数値演算器３７は、図４に示されるように、不純ガスセンサ出力値補正部４０と、記憶部４１と、不純ガス混入判定部４２とを備えている。

不純ガスセンサ出力値補正部４０は、酸素センサ３６の出力値を監視し、レーザ光路１５内の酸素濃度に応じて変化するエタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を補正する。この補正の方法は、上述したとおりである。また、記憶部４１には、エタノールセンサ３４、３５ごとに、予め設定された判定閾値が記憶されている。不純ガス混入判定部４２は、不純ガスセンサ出力値補正部４０により補正されたエタノールセンサ３４の出力値と、エタノールセンサ３４に対して設定された判定閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、エタノールがレーザ光路１５内に混入したか否かを判定する。同様に、不純ガス混入判定部４２は、不純ガスセンサ出力値補正部４０により補正されたエタノールセンサ３５の出力値と、エタノールセンサ３５に対して設定された判定閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、エタノールがレーザ光路１５内に混入したか否かを判定する。このように判定閾値を使用することにより、不純ガスの種類や濃度を正確に検出することなく、不純ガスがレーザ光路１５内に混入したか否かを判定することができる。そのため、不純ガス混入判定部４２が安価でかつ簡単な構成となる。

なお、上述したように、エタノールセンサ３４、３５には互いに検知濃度の異なるガスセンサが使用されている。さらに、一方のエタノールセンサ３４は、他方のエタノールセンサ３５よりも低い濃度のエタノールを検知するガスセンサ、言い換えれば、他方のエタノールセンサ３５よりも感度の高いガスセンサである。このため、酸素濃度の変化に応じてエタノールセンサ３４の出力値が変化した際、その出力値が最大値を超えて飽和してしまい、エタノールを検知できなくなる場合がある。これに対し、他方のエタノールセンサ３５は一方のエタノールセンサ３４よりも感度の低いガスセンサである。そのため、酸素濃度の変化に応じてエタノールセンサ３５の出力値が変化したとしても、その出力値は最大値まで十分に余裕があるため、エタノールを検知できる。つまり、検知濃度の低い方、すなわち感度の高い方の不純ガスセンサの出力値が最大値を超えてしまって飽和するような場合であっても、検知濃度の高い方、すなわち感度の低い方の不純ガスセンサを使って不純ガスを検知することができる。以上のことより、本発明においては、検知濃度の異なる少なくとも２つの不純ガスセンサ（エタノールセンサ３４、３５）をレーザ光路１５内に設置することが望ましい。

さらに、数値演算器３７には、不純ガス混入判定部４２の判定結果を表示する表示装置３８が接続されていることが好ましい。また、この表示装置３８は、不純ガス混入判定部４２の判定結果とともに、エタノールセンサ３４、３５および酸素センサ３６の各々の出力値の経時変化、ならびに、不純ガスセンサ出力値補正部４０により補正された各エタノールセンサ３５、３５の出力値の経時変化をそれぞれ色分けして表示するとよい。これにより、不純ガスの混入時期が明確となって、不純ガスの混入の原因を特定するのが容易となる。

さらに、数値演算器３７は、図４に示されるように、不純ガス混入判定部４２の判定結果をレーザ加工システム外に報知する報知装置４３を備えていることが好ましい。報知装置４３は、例えば音、光、またはこれらの組合せによって、レーザ光１１の伝播に影響を及ぼす不純ガスがレーザ光路１５内に混入したことを報知することが好ましい。これにより、レーザ加工システム１０のオペレータは、レーザ光路１５内への不純ガスの混入を迅速に認識することができる。さらに、レーザ加工時の不具合を未然に防止する、または、早期にレーザ加工を停止させることができるため、加工不良による損害が最小限に抑えられる。また、レーザ加工時の不具合の原因を迅速に特定および除去できるので、生産性も向上する。

さらに、数値演算器３７の記憶部４１は、一定時間ごとにエタノールセンサ３４、３５および酸素センサ３６の各々の出力値を当該出力値が出力された日時とともに記憶することが好ましい。つまり、不純ガスがレーザ光路１５内に混入する原因は、レーザ光路１５の密閉度といったレーザ加工システム１０自体の不具合であることが多い。記憶部４１に一定時間ごとに不純ガスセンサの出力値を当該出力値が出力された日時とともに記憶させておくと、異常が発生した時、その記憶された情報を利用して異常原因を容易に特定することができる。

次に、図１、図４、および図５を参照しながら、上述のレーザ加工システム１０の動作の一例を説明する。図５は第一実施形態のレーザ加工システム１０の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、レーザ加工システム１０を起動させ（図５のステップＳ１１)、レーザ光路１５のパージを開始する（図５のステップＳ１２）。このとき、図１に示される３つの開閉バルブ２３のうちの一つを開くことにより、レーザ光路１５内に供給されるパージガスが選択される。

数値演算器３７は、エタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を監視するとともに、酸素センサ３６の出力値も監視する（図５のステップＳ１３）。

続いて、数値演算器３７の不純ガスセンサ出力値補正部４０は、酸素センサ３６の出力値を監視し、レーザ光路１５内の酸素濃度に応じて変化するエタノールセンサ３４、３５の各々の出力値を補正する（図５のステップＳ１４）。また、数値演算器３７は、エタノールセンサ３４、３５や酸素センサ３６の出力値を当該出力値が出力された日時とともに記憶部４１に記憶させる（図５のステップＳ１５）。

それから、数値演算器３７の不純ガス混入判定部４２は、不純ガスセンサ出力値補正部４０により補正されたエタノールセンサ３４、３５の出力値と、エタノールセンサ３４、３５に対して設定された判定閾値とをそれぞれ比較する。つまり、補正されたエタノールセンサ３４、３５の出力値がそれぞれの判定閾値を超えていないかどうかが判定される（図５のステップＳ１６）。

上記のステップＳ１６において、補正されたエタノールセンサ３４、３５の出力値がそれぞれの判定閾値を超えている場合は、ステップＳ１７に移行する。このステップＳ１７においては、レーザ加工システム１０が起動してから５分以上経過しているかどうかが判定される。この結果、レーザ加工システム１０が起動してから５分以内であった場合、エタノールセンサ３４、３５、および酸素センサ３６が未だ安定していない可能性があるため、再度、ステップＳ１３〜Ｓ１５を実施する。一方、レーザ加工システム１０が起動してから５分以上経過している場合、不純ガス混入判定部４２は、レーザ光路１５内の雰囲気に異常が在ると判定して、報知装置４３により警告、例えばアラーム音を発生させる（図５のステップＳ１８）。

さらに、上記のステップＳ１６の後、レーザ加工システム１０が稼働している間は、上記ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理を繰返して、レーザ光路１５内のガス環境を常に確認する。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。但し、以下では、上述した第一実施形態とは異なる点を主に説明することとし、上述した第一実施形態と同じ構成要素には同一の符号を用いることによってその説明を割愛する。

図６は、第二実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。この図に示されるように、工場において２台のレーザ加工システム１０Ａ、１０Ｂが設置されている場合がある。一方のレーザ加工システム１０Ａは、炭酸ガスレーザを用いた板金切断用の装置である。他方のレーザ加工システム１０Ｂは、レーザ光路１５内に不純ガスセンサが設置されていないシステムである。

一方のレーザ加工システム１０Ａのレーザ光路１５内には、２種類以上の不純ガスを検知する着脱自在なセンサユニット４５が設置されている。センサユニット４５内には、エタノールセンサ、アンモニアセンサ、フロンセンサ、ジルコニア式酸素センサ、および、赤外式二酸化炭素濃度センサが固定されている。さらに、センサユニット４５内の各種のガスセンサは数値演算器３７に接続されている。このようなセンサユニット４５を備えている点において、第二実施形態のレーザ加工システム１０Ａは第一実施形態のレーザ加工システム１０と異なっている。

そして、第二実施形態においては、図６に示されるように、他方のレーザ加工システム１０Ｂに上述の着脱自在なセンサユニット４５が取付可能となっている。つまり、他方のレーザ加工システム１０Ｂにおいて加工不良が発生したとき、センサユニット４５を一方のレーザ加工システム１０Ａから取外して、他方のレーザ加工システム１０Ｂに取付けることができる。それにより、他方のレーザ加工システム１０Ｂに対し、レーザ光路１５内のパージガスの成分を監視する機能を追加することができる。また、複数のレーザ加工システム１０Ａ、１０Ｂのそれぞれに、レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検知する不純ガスセンサを設置しないで済むため、工場全体にかかる設備コストを低減することができる。

なお、図６においては、２台のレーザ加工システム１０Ａ、１０Ｂを図示しているが、レーザ加工システムの台数は２台に限定されない。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。但し、以下では、上述した第一実施形態および第二実施形態とは異なる点を主に説明することとし、上述した第一実施形態および第二実施形態と同じ構成要素には同一の符号を用いることによってその説明を割愛する。

図７は、第三実施形態のレーザ加工システムの構成を模式的に示したブロック図である。
第三実施形態のレーザ加工システム１０Ｃは、第一実施形態のレーザ加工システム１０に対し、不純ガスを吸着する不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に曝露する曝露機能部を備えている。具体的には、図７に示されるように、レーザ光路１５の一部の壁部に曝露機能部としてのシャッタ４６が構成されている。さらに、シャッタ４６はレーザ光路１５と不純ガス吸着剤４７の間に設置されている。そして、シャッタ４６によりレーザ光路内１５を開放させると、不純ガス吸着剤４７がレーザ光路１５内に曝露されるようになっている。また、本実施形態においては、シャッタ４６の開閉を駆動する駆動装置（図示せず）を備えていることが好ましい。
なお、その他の構成は第一実施形態のレーザ加工システム１０と同じである。

次に、不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に曝露する機能を備える点の効果を説明する。
例えば、炭酸ガスレーザの散乱の要因となるアンモニアを含むガスがレーザ光路１５内に混入した場合、窒素ガスなどのパージガスをレーザ光路１５内に供給しても、レーザ光路１５内のアンモニア濃度を、レーザ加工が可能になる濃度まで下げるには時間がかかる。この場合、窒素ガスなどのパージガスをレーザ光路１５内に供給するとともに、不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に曝露すると、レーザ光路１５内のアンモニア濃度を短時間に低下させることができる。この事は、図８により更に理解することができる。

図８は、不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に曝露する機能の効果を示したグラフである。特に、図８に示されるグラフは、次のような手順により取得されている。まず、図７に示されたレーザ加工システム１０Ｃにおいて、アンモニアセンサ（図示せず）をレーザ光路１５内に設置し、窒素ガスをレーザ光路１５内に約３０分間供給する。それから、２０ｐｐｍのアンモニアガスを含む空気をレーザ光路１５内に約４５分間供給する。その後、再び窒素ガスをレーザ光路１５内に供給する。つまり、このようにレーザ光路１５内に供給するガスを順次切替えた際のアンモニア濃度の経時変化をアンモニアセンサによって測定したグラフが図８である。

図８中の実線Ｐから分かるように、２０ｐｐｍのアンモニアガスを含む空気に替えて窒素ガスをレーザ光路１５内に供給している間、アンモニア濃度は時間とともに低下するものの、アンモニア濃度の低下速度は比較的遅い。これは、レーザ光路１５内の壁面とアンモニアとの疑似的な化学結合が発生しているためと考えられる。このような疑似的な化学結合が発生した場合には、窒素ガスをレーザ光路１５内に長時間供給し続けて、レーザ光路１５内のアンモニア濃度を、安定したレーザ加工を実施できる濃度まで低下させる必要がある。ところが、アンモニアガスを含む空気に替えて窒素ガスをレーザ光路１５内に供給し、さらに不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に暴露すると、図８中の破線Ｑに示されるように、アンモニア濃度の低下速度が大幅に上がる。

そこで、第三実施形態においては、図４に示されているような不純ガス混入判定部４２によってレーザ光路１５内に不純ガスが混入されていると判定された場合、まず、不純ガスの混入の原因を取除く。それから、窒素ガスなどのパージガスをレーザ光路１５内に供給しつつシャッタ４６を開き、不純ガス吸着剤４７をレーザ光路１５内に曝露するようにしている。これにより、図８に示されるように、レーザ光路１５内の不純ガスの濃度を短時間に低下させることができる。

なお、以上では典型的な実施形態を示したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で上述の実施形態を様々な形、構造や材料などに変更可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ レーザ加工システム
１１ レーザ光
１２ レーザ発振器
１２ａ レーザ光出射口
１３ ワーク
１４ 加工ヘッド部
１５ レーザ光路
１６ 集光レンズ
１７ ミラー
１８ パージガス供給チューブ
１９、２３、３２ 開閉バルブ
２０ 乾燥空気の供給ライン
２１ 窒素ガスの供給ライン
２２ 二酸化炭素を低減した空気の供給ライン
２４ ドライポンプ
２５、３０ 活性炭フィルタ
２６ 高分子フィルタ
２７ 窒素ガスボンベ
２８ 流量制御バルブ
２９ オイルミストフィルタ
３１ 中空糸フィルタ
３３ 工場の圧縮空気ライン
３４、３５ エタノールセンサ
３６ 酸素センサ
３７ 数値演算器
３８ 表示装置
４０ 不純ガスセンサ出力値補正部
４１ 記憶部
４２ 不純ガス混入判定部
４３ 報知装置
４５ センサユニット
４６ シャッタ
４７ 不純ガス吸着剤

Claims (12)

1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から前記レーザ光を被加工物まで導くレーザ光路と、
   前記レーザ光路内に設置された、酸素を検出する酸素センサ、および、前記レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検出する不純ガスセンサと、
   前記酸素センサの出力値に基づいて前記不純ガスセンサの出力値を補正する不純ガスセンサ出力値補正部と、
   前記不純ガスセンサ出力値補正部により補正された前記不純ガスセンサの出力値と、予め記憶されている判定閾値との比較に基づいて、前記不純ガスが前記レーザ光路内に混入したか否かを判定する不純ガス混入判定部と、を備える、レーザ加工システム。
2. 検知濃度の異なる少なくとも２つの前記不純ガスセンサを備える、請求項１に記載のレーザ加工システム。
3. 検知するガス種の異なる少なくとも２つの前記不純ガスセンサを備える、請求項１または２に記載のレーザ加工システム。
4. 前記不純ガス混入判定部によって前記不純ガスが前記レーザ光路内に混入したと判定された場合、前記不純ガスが混入したことを報知する報知装置をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
5. 前記不純ガスを吸着する不純ガス吸着剤と、
   前記不純ガス混入判定部によって前記不純ガスが前記レーザ光路内に混入したと判定された場合に、前記不純ガス吸着剤を前記レーザ光路内に曝露する曝露機能部とをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
6. 前記不純ガスセンサおよび前記酸素センサの各々の出力値を当該出力値が出力された日時とともに記憶する記憶部をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
7. 前記レーザ光路には着脱自在なセンサユニットが設置されており、
   前記センサユニットは、前記酸素センサと一つ以上の前記不純ガスセンサとを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
8. 前記レーザ光路内にパージガスを供給するパージガス供給ラインを備えており、前記パージガスは、高分子フィルタ、活性炭フィルタ、中空糸フィルタ、またはオイルミストフィルタを通して前記レーザ光路内に供給される空気である、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
9. 前記酸素センサまたは前記不純ガスセンサは、定電位電解式ガスセンサ、ガルバニ電池式ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサ、気体熱電動式ガスセンサ、ジルコニア式ガスセンサ、ポーラロ式ガスセンサ、または半導体式ガスセンサである、請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
10. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から前記レーザ光を被加工物まで導くレーザ光路と、
    前記レーザ光路内に設置された、酸素を検出する酸素センサ、および、前記レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検出するように形成され、検知するガス種の異なる少なくとも２つの不純ガスセンサと、
    前記酸素センサの出力値に基づいて前記不純ガスセンサの出力値を補正する不純ガスセンサ出力値補正部と、を備える、レーザ加工システム。
11. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から前記レーザ光を被加工物まで導くレーザ光路と、
    前記レーザ光路内に設置された、酸素を検出する酸素センサ、および、前記レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検出する不純ガスセンサと、
    前記酸素センサの出力値に基づいて前記不純ガスセンサの出力値を補正する不純ガスセンサ出力値補正部と、を備え、
    前記レーザ光路には着脱自在なセンサユニットが設置されており、
    前記センサユニットは、前記酸素センサと一つ以上の前記不純ガスセンサとを有する、レーザ加工システム。
12. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から前記レーザ光を被加工物まで導くレーザ光路と、
    前記レーザ光路内に設置された、酸素を検出する酸素センサ、および、前記レーザ光の伝播に影響を及ぼす不純ガスを検出する不純ガスセンサと、
    前記酸素センサの出力値に基づいて前記不純ガスセンサの出力値を補正する不純ガスセンサ出力値補正部と、
    前記レーザ光路内にパージガスを供給するパージガス供給ラインと、を備え、
    前記パージガスは、高分子フィルタ、活性炭フィルタ、中空糸フィルタ、またはオイルミストフィルタを通して前記レーザ光路内に供給される空気である、レーザ加工システム。

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