JPWO2003076117A1 - レーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
レーザ加工機のヘッド（３）と被加工材（Ｍ）の間において、加工ガスを乱さない状態でレーザ光の照射方向に所定の間隔を存して複数配置した噴射ノズル（９ｃ）の後方から空気を誘引しつつガスを噴射し、レーザ加工時に発生する粉塵の前記ヘッド（３）内の光学部品（３１，３２）への付着を防止する。ヘッド（３）内の光学部品（３１，３２）より上流側に配置した付着汚れによる反射光および散乱光を反射または透過させて受光する受光部（４）と、受光値と予め設定された閾値と比較する判定部（６）を備える。
Description
技術分野
本発明は、レーザ加工機による加工品質の劣化を防止するために、光学部品への付着汚れを防止する方法と装置に関するものである。
背景技術
従来より、レーザ加工機は、鋼材、非鉄材料、セラミックス、ガラス、プラスチック、皮革、布、木材等、多種の材料（以下、「被加工材」と言う。）の切断、穴あけ、表面加工、マーキングや、鋼材、非鉄材料等の溶接（以下、「加工」と言う。）に使用されている。そして、使用されるレーザ光は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザが主流となっている。
例えば、ＹＡＧレーザ加工機は、レーザ発振器で発生させたレーザ光を光ファイバーで伝送し、ヘッド内部に設けた集光レンズで被加工材に焦点を結ばせ、照射する構成である。そして、この様なヘッドを、コンピューター等に登録した作動手順に基づいて三次元的に作動させることで、精密な加工が可能となる。なお、集光レンズと被加工材間には被加工材の加工時に発生するスパッター、ヒューム、粉塵等（以下、単に「粉塵」と言う。）から集光レンズを護る保護ガラスが設けられている。また、加工部にはシールドガスやアシストガス等の加工ガス（以下、単に「加工ガス」と言う。）が供給され、加工品質を劣化させない様にしている。
ところで、上記のレーザ加工において、加工時に発生する粉塵が保護ガラス等に付着すると、レーザ光の集光の妨げになり、加工品質を劣化させる。そこで、例えば、日本特開平１１−２３９８８９号では、集光レンズの集光側に、レーザ光（公報では「レーザビーム」と記す。）と加工ガスが通過可能なように設けたノズルと、前記集光レンズとの間のノズルホルダー内部空間に、レーザ光の光軸にほぼ垂直な平面を有し、被加工材に近づくほど内径が小さくなる複数のリング状の整流板を設け、気体噴射ノズルから前記整流板に沿って噴射された気体を前記ノズルホルダーの内部空間から外部空間へ排出可能に構成したものが提案されている。このように構成することで、加工時の粉塵を完全に遮断して集光レンズの保護、ウインドウの汚染を防止できる。
また、光学的手段による距離測定装置の内部汚れ検知技術として、日本特開平５−２５６９４７号が提案されている。この技術は、距離測定用の光が、レンズ、前ガラス等を通過する際、そこに汚れがある場合に、後方に散乱する前記光の一部を捉えることによりレンズ、前ガラス等の汚れを検知するものである。
しかしながら、日本特開平１１−２３９８８９号で提案された装置は、反気体噴射ノズル側からの空気吸引については考慮されていない。従って、気体噴射ノズルからの気体の噴出量が多くなると気体噴射ノズルの近傍に負圧が生じて付近の粉塵を巻き込み、ホルダー内部も乱流となって粉塵の排出力も下がり、粉塵の付着防止能力が低下する。また、気体噴射ノズルから噴出させる気体の整流化と粉塵遮断のために複数のリング状の整流板を設けているが、気体噴射ノズルからの気体の噴出量が多くなると、加工部の雰囲気ガスも同時に引き込まれる。従って、加工雰囲気を正常に保つことができず、整流板の効果が薄れて加工品質が劣化する。
また、日本特開平５−２５６９４７号で提案された装置は、汚れによる散乱光を捉えるために特殊な光学レンズを使用するので、ヘッド部が大きく加工姿勢に制限が加わる等、自由度が失われる。また、この技術をレーザ加工機に採用する場合、距離計測用とは異なり、加工用レーザは高出力であることから、集光レンズは石英ガラスが用いられるが、この石英ガラスを用いた特殊レンズの製作が困難である。更に、距離の測定は、発せられた光の反射光を捉えて測定するものであるが、そのとき、装置外部からの光量も同時に捉える。従って、レンズや前ガラス等の汚れにかかわらず、季節、天候、時刻等測定時の状況によっても捉えられる光量が変化し、検知データにばらつきが生じ、信頼性に乏しい。
本発明は、上記した問題点を解決せんとしてなされたものであり、発生源からのレーザ光を集光させて被加工材に照射するヘッドと被加工材の間に、前記照射するレーザ光に対して、加工ガスを乱さない状態で、噴射部の後方から空気を誘引しつつレーザ光の照射方向にガスを噴射することで、レーザ加工時に発生する粉塵が前記ヘッドの光学部品へ付着して汚れるのを防止する方法と装置を提供することを目的としている。
発明の開示
本発明は、発生源からのレーザ光を集光させて被加工材に照射するヘッドと被加工材の間において、前記照射するレーザ光に対して、加工ガスを乱さない状態で、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して配置された複数の噴射部の後方から空気を誘引しつつガスを噴射し、レーザ加工時に発生する粉塵の前記ヘッドの光学部品への付着を防止するものである。
この本発明方法は、ヘッドと被加工材との間の側方に、被加工材に向けて照射されるレーザ光に向け、後方から空気を誘引しつつガスを噴射可能な複数のノズルを配置する本発明装置によって実施できる。
そして、このようにすることで、レーザ加工中、加工ガスが乱れるのを防ぐことができる。また、噴射部後方からの空気の流れに乱流が生じず、ノズルからのガスの流れが安定し、粉塵を含有するガスの巻き込みが防止でき、レーザ光通路に向け清浄なガスを吹き込むことができる。仮に、浮遊する粉塵が存在しても、長く滞留することなく直ぐに系外に排出することができ、レーザ加工時に発生する粉塵等の前記ヘッドの光学部品への付着を防止できる。
前記複数のノズルは、後方から誘引する空気の流れを滑らかにし、噴射部近傍で負圧を発生させないような形状、例えば流線形とすることが望ましい。また、被加工材に近接するノズルほどレーザ光の中心軸に近接するように配置したり、被加工材に近接するほどノズルの長さを短くしたりすることが望ましい。また、複数のノズルのうち、被加工材に近接するノズルは、レーザ光の照射方向に対して垂直に、ヘッドに近接するノズルは、レーザ光の照射方向に対して垂直より被加工材方向に傾けて配置することが望ましい。これらのようにすれば、ノズルのみの作用に加え、上記構成による相乗効果も加わり、光学部品に近いほど粉塵雰囲気から遠ざかり、レーザ光の照射光路に粉塵が存在しなくなる。
また、本発明は、上記の本発明装置において、前記複数のノズルと被加工材との間に、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して複数枚の整流板を配置するものである。この整流板によって上記の作用効果はより顕著になる。
また、本発明は、前記整流板の被加工材側に輻射熱遮断部を設置するものである。この加工熱の最も受けやすい位置に設けた輻射熱遮断部によって、ヘッド内の光学部品への熱伝導が効果的に防げ、熱劣化の防止効果が十分に発揮される。
また、本発明は、前記輻射熱遮断部に加工用雰囲気ガスノズルを設けたものである。この加工用雰囲気ガスノズルによって、加工雰囲気を乱すことなく良好に保つことができ、加工品質の劣化を防ぐことができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、ヘッドにおける被加工材寄りの光学部品近傍に、前記複数のノズルから噴射されたガスに向けてガスを噴射する噴射ノズルを配置するものである。この噴射ノズルによって、前記被加工材寄りの光学部品に近い雰囲気ほど、加工部からの粉塵含有ガスの吹き上げを下方に押し下げることができ、被加工材寄りの光学部品への粉塵付着防止が更に効果的に行える。この噴射ノズルから、直接、被加工材寄りの光学部品へガスを噴出するようにすれば、被加工材寄りの光学部品の冷却にも大きな効果を発揮して、当該光学部品への粉塵付着を完全に防止できる。仮に粉塵が付着してもこの付着した粉塵を吹き飛ばす。噴出したガスは降下して前記複数のノズルからのガスと合流し、一層粉塵付着防止に効果を発揮する。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記複数のノズルの、被加工材に向けて照射される前記レーザ光を挟む対向側に吸引ノズルを配置するものである。この吸引ノズルによって、レーザ加工時に発生する粉塵を吸引することができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置するものである。この１対の側板によって、上記ノズルの作用を助長することができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記ヘッド内における光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせるものである。この付着汚れ検知装置によって、光学的なノイズが排除され正確な汚れ検知が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために、添付の第１図〜第９図に従って説明する。
まず、本発明に係る光学部品への付着汚れ防止装置について詳細に説明する。
第１図（ａ）において、１はレーザ光を発生させるレーザ発振器で、発生したレーザ光は光ファイバー２を伝送され、ヘッド３内で集光されて被加工材Ｍに照射される。
前記ヘッド３内には、レーザ光を集光させる集光レンズ３１と、この集光レンズ３１を粉塵から護る保護ガラス３２を、被加工材Ｍ側に向けて順に設けている。なお、３３はヘッド枠体、８はシールドガス供給用ノズルを示す。これらの構成は、従来と同じである。
本発明の付着汚れ防止装置９は、前記ヘッド３と被加工材Ｍの間に配置され、例えば逆截頭円錐形状（円錐の頂部を截ち切ったものを上下逆に配置した形状）となされている。そして、その中央部は、上方から下方にかけて、前記集光レンズ３１により集光され、被加工材Ｍ上に焦点を結ぶレーザ光の照射通路となっている。
第１図（ｂ）は本発明の付着汚れ防止装置９の第一実施例を示し、枠体９ｂの紙面左側には、紙面上下方向に一定の間隔を保って例えば５個のノズル９ｃを取付けている。
前記ノズル９ｃは、紙面上下方向に扁平した楕円状断面となされ、照射されるレーザ光に向けてガスを噴射する例えば円形状のノズル孔９ｄを多数設けた構造である。ノズル９ｃの断面を楕円状とすることで、ガス噴射時、該ノズル９ｃの後方から誘引される空気量を確保し、その空気の流れが一層滑らかになる。この様な形状のノズル９ｃからガスを噴射すると、噴射されるガスに引かれて周辺の空気もガスと同じ流れとなり、ノズル９ｃ近傍で負圧が発生しない。
この際、ノズル９ｃ間に周辺の空気が十分に流動する間隙がなく、また、空気の流れに馴染まない形状の場合は、ノズル９ｃの前方が負圧となり、噴射するガスや流入する空気に渦が発生したり乱流となってレーザ光の照射通路の雰囲気を攪拌し、漂う粉塵の排出効果が低下する。
しかしながら、本発明では、ノズル９ｃ間から該ノズル９ｃ後方の空気を整流状態で誘引できる様に構成しているため、噴出するガスと誘引される空気とが整流状態でレーザ光の照射通路を流れて存在する粉塵を押出し、光学部品への粉塵付着を防止できる。さらに、このノズル９ｃは、第１図（ｂ）の紙面上方より見ると、細長状で、例えば所定の間隔を存して多数のノズル孔９ｄを設けたもので、照射されるレーザ光に向けてガスを帯状に噴出できる様にしている。なお、９ｍは、誘引される空気に粉塵が含有するのを防ぐフィルターである。
９ｊは前記ノズル９ｃより被加工材Ｍ側に、レーザ光の照射方向に略垂直に設けた整流板で、等間隔に３枚配置している。この整流板９ｊを境にして上下の雰囲気が縁切りされ、前記ノズル９ｃからの噴射ガスによりレーザ加工中のシールドガスを乱すことがない。また、加工部で発生する粉塵含有ガスが該整流板９ｊに近づいても、粉塵含有ガスは該整流板９ｊに案内されて水平方向に流れ、粉塵がヘッド３に向かうことがない。この整流板９ｊは、数ｍｍ程度の間隔を存して数枚設けるだけで十分な効果を発揮する。
また本実施例では、前記のノズル９ｃや整流板９ｊは、被加工材Ｍに近づくものほどレーザ光の中心軸に近接するように配置している。レーザ光の照射通路は被加工材Ｍに近づくほど小さくなるので、光学部品を粉塵や加工熱から保護するには、ノズル９ｃや整流板９ｊを前記のように配置し、その影響範囲を狭めることが有効だからである。
９ｋは前記整流板９ｊより更に被加工材Ｍ側にレーザ光の照射通路を確保して配置した輻射熱遮断部である。この輻射熱遮断部９ｋは、例えば水路内の冷却水を一端から他端に向けて流す構成である。水路は冷却性の良い金属、例えば銅製とすることが望ましい。この輻射熱遮断部９ｋを、加工時の熱影響を最も受け易い被加工材Ｍに最も近い位置に配置することで、優れた冷却効果を発揮でき、ヘッド３内の集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品の劣化を大幅に防止できる。
更に、この第一実施例では前記保護ガラス３２の直下に、噴射ノズル９ｎを設けている。この噴射ノズル９ｎは環状に形成し、その中心部をレーザ光の照射通路となしている。噴射ノズル９ｎのノズル孔９ｎａは例えば上方に向け、前記保護ガラス３２の外面にガスを直接吹付けるようにしている。この様にすることで、仮に粉塵含有ガスが舞い上がり、粉塵が前記保護ガラス３２に付着したとしても、十分に除去できると共に、前記保護ガラス３２の冷却効果も有する。また、吹付けたガスは前記保護ガラス３２に当った後下降するので、この際にも粉塵の舞い上がりを防止できる。
この第一実施例では、噴射ノズル９ｎからの噴射ガスを保護ガラス３２の外面に直接吹き付けているが、この噴射ノズル９ｎのノズル孔９ｎａを下方に向け、ノズル９ｃからの噴射ガスに合流する様にしても、粉塵の舞い上がりを防止し、保護ガラス３２への粉塵の付着を十分に防ぐことができる。
第２図は付着汚れ防止装置９の第二実施例を示したものである。この第二実施例は、前記第一実施例で示した付着汚れ防止装置９からフィルター９ｍを除去し、また、前記ノズル９ｃの、レーザ光の照射通路を挟む対向側に吸引ノズル９ｏを配置したものである。
この第二実施例では、この吸引ノズル９ｏによって、レーザ加工時に発生する粉塵を吸引する。この吸引ノズル９ｏの吸引量は、複数のノズル９ｃから噴出するガス量以上であっても、前記複数のノズル９ｃは空気を誘引してくるので問題はない。また、仮に複数のノズル９ｃが故障してもこの吸引ノズル９ｏによってある程度の機能を維持できる。
また、第３図は付着汚れ防止装置９の第三実施例を示したものである。この第三実施例は、前記第二実施例で示した付着汚れ防止装置９から吸引ノズル９ｏを取外し、輻射熱遮断部９ｋに加工用雰囲気ガスノズル９ｐを設けたものである。
この加工用雰囲気ガスノズル９ｐを設けることによって、加工雰囲気を乱すことなく良好に保つことができ、加工品質の劣化を防ぐことができる。この加工用雰囲気ガスノズル９ｐは、例えば溶接に使用する場合は、第４図に示したように、レーザに近い部分は二重で、被加工材Ｍ側の下部は一重のガスジャケット９ｐａが好適である。また、切断に使用する場合は、第５図に示したように、先端が尖った二重や三重のガスジャケット９ｐａが好適である。このガスジャケット９ｐａの内部（第４図に示したガスジャケット９ｐａでは二重のうちの被加工材Ｍ側）に蒸着金属や金属メッシュ９ｐａａ設けた場合には、被加工材Ｍから反射してきたレーザ光によるダメージが防止でき、また、整流効果も有する。
第６図は付着汚れ防止装置９の第四実施例を示したものである。この第四実施例では、付着汚れ防止装置９の上端に、ヘッド３に接続するための天枠９ａを設け、この天枠９ａにレーザ光の照射通路を確保する１対の側板９ｅ（枠体９ｂに相当する）を取付けている。そして、この一対の側板９ｅの側方端部（第６図（ａ）の紙面左方）に、紙面上下方向に一定の間隔を保って断面円形のノズル９ｃを５個取付けている。
同じ大きさ（高さ）の付着汚れ防止装置９の場合、この第四実施例のようにノズル９ｃの断面形状を円形とすると、隣接するノズル９ｃ間の間隙が小さくなり、ノズル９ｃの間隙より誘引される空気量が不足したり、この空気量の不足によりノズル近傍に負圧が発生する。従って、この第四実施例では前記側板９ｅのノズル９ｃ側に切欠き９ｈを設け、ノズル９ｃの間隙からの空気の誘引量を増加させている。これにより誘引する空気に乱流が生じず、レーザ光照射通路での粉塵含有ガスの巻き込み防止、粉塵が存在した状態での粉塵排出に効果を発揮する。更に、１対の側板９ｅによりレーザ光照射通路が周囲の影響から一層縁切りされ、粉塵含有ガスの混入を遮断し、ノズル９ｃ方向からの一方向的なガス流れを形成する。
また、前記ノズル９ｃには、照射されるレーザ光に向けて（前記一対の側板９ｅを貫通する方向：第６図（ｂ）参照）スリット状のノズル孔９ｄを開設している。この第四実施例では、５個のノズル９ｃの内、下段の３個はレーザ光照射方向に略垂直な方向に、また、上段の２個はレーザ光照射方向と垂直な方向に対し１０〜２０°被加工材に向けてガスを噴射するようにしている（第６図（ａ）参照）。このようにすることで、前記保護ガラス３２に近い雰囲気まで粉塵含有ガスが吹き上がるのを防止できる。
更に、第６図（ｂ）に示す通り、この第四実施例では、被加工材Ｍに近接するほど前記細長状のノズル９ｃの長さを短くしている。これは、レーザ光の照射通路に合わせたものであり、無駄な噴射ガスの使用を避け、付着汚れ防止装置９の小型化と軽量化を図ったものである。特に、第四実施例の様に側板９ｅを設けた場合は、この側板９ｅによる作用効果も重なり、被加工材Ｍに近接するノズル９ｃを短くしても粉塵含有ガスの巻き込みを十分に防止することができる。
なお、図示省略したが前記ノズル９ｃの各々には、各々に噴射するガスを分配するための分配管をノズル孔９ｄと反対側に別途接続している。
本発明の付着汚れ防止装置９では、被加工材Ｍに近い程、ノズル９ｃから噴射するガス圧を強くし、被加工材Ｍに近いところで粉塵含有ガスから十分遮断することが望ましい。そのためには、別途供給管から分配管へのガス供給を被加工材Ｍに近い方から行って、被加工材Ｍに近い分配管内ガス圧を高め、ひいては被加工材Ｍに近いノズル９ｃに対する供給圧力を高めることが望ましい。
前記各ノズル９ｃはその内容積を大きくして滞留室９ｇとし、ノズル孔９ｄのどの部分からのガス噴射量（圧力）も等しくすることが望ましい。ノズル孔９ｄの前方は、レーザ光の照射通路であって空洞であるので、ノズル孔９ｄに負荷される噴射ガスの反力は小さい。従って、ノズル９ｃ内の圧力は低下しがちであり、滞留室９ｇを設ける効果は大きい。このような理由によりノズル９ｃを筒状体にするのが好適である。第四実施例ではノズル９ｃを円筒状としている。滞留室９ｇを設けない場合は、ノズル９ｃのガス導入位置での圧力が最も高く、気体導入位置から遠ざかる程圧力が低下し、ノズル孔９ｄの位置によってガス噴出量が異なることになる。
なお、前記の整流板９ｊや輻射熱遮断部９ｋを設けること、及び前記噴射ノズル９ｎを設けることについては、第四実施例も第一〜第三実施例と同じであるため説明は省略する。
本発明のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置は、以上の通りであるが、
▲１▼ 噴射ガスの清浄化のために噴射ガスの供給経路にフィルターを設けること、
▲２▼ 噴射ガスに空気を採用すること、
▲３▼ ノズル９ｃの上流側に流量調節可能なバルブを設けること、
▲４▼ ノズル９ｃや整流板９ｊの取付け間隔を変更調節可能に構成すること、
▲５▼ ノズル孔９ｄの開口幅をノズル９ｃの位置によって変更調節可能に構成すること等いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
なお、第１図（ｂ），第２〜３図、第６図（ａ）における２点鎖線矢印は、ノズル孔９ｄから噴出するガスの流れを表したものである。また、レーザ発振器１からヘッド３までのレーザ光の伝送は、光ファイバー２に限るものではなく、第７図のように、反射ミラー１０により導くものでも良い。また、これらの実施例では、ＹＡＧレーザ加工機のヘッドを一例として説明しているが、本発明は、ＹＡＧレーザ加工機のヘッドに限定するものではなく、全ての形式のレーザ加工機のヘッドに適用されるものである。
次に、本発明に係るレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置の構成要素である検知装置を第１図（ａ）及び第７〜９図に示す実施例に基づいて説明する。
第１図（ａ）のＹＡＧレーザ加工機の一部断面図の構成図において、ヘッド３内に集光レンズ３１と保護ガラス３２が備えられていることは先に説明した通りである。
このヘッド３は、被加工材Ｍの加工の際に発生する粉塵含有ガスに直接曝されやすいため、ヘッド３への粉塵付着防止対策が試みられているが、長時間の使用だけでなく、単に長時間保管するだけでも保管場所によっては集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品に粉塵が付着する場合がある。
集光レンズ３１や保護ガラス３２に粉塵が付着すると、ヘッド３に受光されたレーザ光がこれらを通過する際、この粉塵で乱反射が生じる。また、レーザ光の屈折率も変化し被加工材Ｍの加工精度を劣化させる。従って、光学部品への付着汚れには、十分注意を払うところであり、時には、汚れの有無を検知する必要がある。
付着汚れ検知装置を備えた本発明の光学部品への付着汚れ防止装置９は、前記集光レンズ３１より上流側に受光部４を設け、集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品に付着した汚れに起因する反射光や散乱光を前記受光部４で受光する構成となっている。
例えば第１図（ａ）や第７図の例は、前記集光レンズ３１の上流側にレーザ光透過反射鏡３４を設け、ヘッド枠体３３の天井部を通して照射されるレーザ光を透過させて集光レンズ３１や保護ガラス３２に至らせる。一方、集光レンズ３１や保護ガラス３２からの付着汚れによる散乱光は前記レーザ光透過反射鏡３４で反射させてヘッド枠体３３の側部に設けた受光部４で受光する構成である。
また、第８図の例は、前記集光レンズ３１の上流側にレーザ光反射透過鏡３５を設け、ヘッド枠体３３の側方から照射されるレーザ光をこのレーザ光反射透過鏡３５で集光レンズ３１、保護ガラス３２に向けて反射させる。一方、集光レンズ３１や保護ガラス３２からの付着汚れによる散乱光や反射光は前記レーザ光反射透過鏡３５を透過し、ヘッド枠体３３の天井部に設けた受光部４で受光する構成である。
前記受光部４は、反射光や散乱光を受光し、この受光強度を信号の強度に変換する。粉塵の付着量が多い程信号の強度が増すことになる。受光部４からの信号値は、送信ケーブル５によって判定部６に導かれる。
判定部６では、送信されてきた信号値を受光値としてとらえ、予め設定されている閾値と前記受光値とを比較演算し、汚れか否かを判定する。
第９図は保護ガラス３２に汚れが付着している場合と付着していない場合の受光部４における受光値を示す図であり、横軸にレーザ照射開始から照射終了までの時刻を取り、縦軸にレーザ照射による受光部４における受光値の強度を示す。
この第９図の例では、保護ガラス３２や集光レンズ３１が汚れていない（ａ）図の場合、受光値はＰｍａｘとＰｍｉｎとの間で変動する。一方、保護ガラス３２や集光レンズ３１が汚れると（ｂ）図に示す様に受光値がＰｍａｘより遥かに高いところで変動する。
従って、例えばこのＰｍａｘの値を閾値として設定しておくことで、判定部６では保護ガラス３２や集光レンズ３１に汚れが付着しているか否かを容易に検知できるようになる。なお、加工欠陥が発生した場合も閾値であるＰｍｉｎを超えるが、この場合は、（ｃ）図に示したように、汚れが付着した場合に比べて変動が大きいので、汚れが付着した場合と区別することは容易である。
前記判定部６における判定により付着汚れが検知された場合には、その結果が表示装置に送信されたり、警報装置７に送信されたりして、作業者の注意を喚起する。
この付着汚れ検知装置で汚れを調べる場合は、実際にレーザ加工を行わず、検知用にレーザ光を照射しても問題の起こらない状態で、かつヘッド外からの反射光の少ない場所でレーザ光を照射し、照射レーザ光による集光レンズ３１や保護ガラス３２からの散乱光や反射光を捉えて検知精度を高めることが望しい。レーザ加工を実施しながら検知する場合は、加工部からの反射光も同時に受光部が捉え、加工内容により汚れ有りの誤表示の虞があるので、この場合は加工部からの反射光も考慮に入れた閾値を設定する必要がある。なお、第１図（ａ）や第７図の例と第８図の例では、受光部４の取付け位置が異なるため、この場合も閾値を個別に定めると良い。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、加工時に発生する粉塵が集光レンズや保護ガラスに付着するのを効果的に防止できる。また、汚れ検知装置を備えさせれば、検知時の状況によって、検知データにばらつきが生じることがなく信頼性に優れた検知が行える。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）はＹＡＧレーザ加工機に設置された本発明の光学部品への付着汚れ防止装置と、この付着汚れ防止装置を構成する付着汚れ検知装置の一部断面の構成図、第１図（ｂ）は本発明の光学部品への付着汚れ防止装置の第一実施例を一部断面して示す正面図である。第２図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第二実施例図、第３図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第三実施例図である。第４図は溶接に適した加工用雰囲気ガスノズルの説明図、第５図は切断に適した加工用雰囲気ガスノズルの説明図である。第６図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第四実施例で、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。第７図は付着汚れ検知装置を備えた本発明の付着汚れ防止装置の他の実施例を示す一部断面構成図である。第８図は本発明の光学部品への付着汚れ防止装置を構成する付着汚れ検知装置の他の実施例を示す一部断面構成図である。第９図は付着汚れ検知装置の判定部における処理内容を示した図で、（ａ）は汚れのない場合、（ｂ）は汚れのある場合、（ｃ）は加工欠陥が発生した場合の図である。
本発明は、レーザ加工機による加工品質の劣化を防止するために、光学部品への付着汚れを防止する方法と装置に関するものである。
背景技術
従来より、レーザ加工機は、鋼材、非鉄材料、セラミックス、ガラス、プラスチック、皮革、布、木材等、多種の材料（以下、「被加工材」と言う。）の切断、穴あけ、表面加工、マーキングや、鋼材、非鉄材料等の溶接（以下、「加工」と言う。）に使用されている。そして、使用されるレーザ光は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザが主流となっている。
例えば、ＹＡＧレーザ加工機は、レーザ発振器で発生させたレーザ光を光ファイバーで伝送し、ヘッド内部に設けた集光レンズで被加工材に焦点を結ばせ、照射する構成である。そして、この様なヘッドを、コンピューター等に登録した作動手順に基づいて三次元的に作動させることで、精密な加工が可能となる。なお、集光レンズと被加工材間には被加工材の加工時に発生するスパッター、ヒューム、粉塵等（以下、単に「粉塵」と言う。）から集光レンズを護る保護ガラスが設けられている。また、加工部にはシールドガスやアシストガス等の加工ガス（以下、単に「加工ガス」と言う。）が供給され、加工品質を劣化させない様にしている。
ところで、上記のレーザ加工において、加工時に発生する粉塵が保護ガラス等に付着すると、レーザ光の集光の妨げになり、加工品質を劣化させる。そこで、例えば、日本特開平１１−２３９８８９号では、集光レンズの集光側に、レーザ光（公報では「レーザビーム」と記す。）と加工ガスが通過可能なように設けたノズルと、前記集光レンズとの間のノズルホルダー内部空間に、レーザ光の光軸にほぼ垂直な平面を有し、被加工材に近づくほど内径が小さくなる複数のリング状の整流板を設け、気体噴射ノズルから前記整流板に沿って噴射された気体を前記ノズルホルダーの内部空間から外部空間へ排出可能に構成したものが提案されている。このように構成することで、加工時の粉塵を完全に遮断して集光レンズの保護、ウインドウの汚染を防止できる。
また、光学的手段による距離測定装置の内部汚れ検知技術として、日本特開平５−２５６９４７号が提案されている。この技術は、距離測定用の光が、レンズ、前ガラス等を通過する際、そこに汚れがある場合に、後方に散乱する前記光の一部を捉えることによりレンズ、前ガラス等の汚れを検知するものである。
しかしながら、日本特開平１１−２３９８８９号で提案された装置は、反気体噴射ノズル側からの空気吸引については考慮されていない。従って、気体噴射ノズルからの気体の噴出量が多くなると気体噴射ノズルの近傍に負圧が生じて付近の粉塵を巻き込み、ホルダー内部も乱流となって粉塵の排出力も下がり、粉塵の付着防止能力が低下する。また、気体噴射ノズルから噴出させる気体の整流化と粉塵遮断のために複数のリング状の整流板を設けているが、気体噴射ノズルからの気体の噴出量が多くなると、加工部の雰囲気ガスも同時に引き込まれる。従って、加工雰囲気を正常に保つことができず、整流板の効果が薄れて加工品質が劣化する。
また、日本特開平５−２５６９４７号で提案された装置は、汚れによる散乱光を捉えるために特殊な光学レンズを使用するので、ヘッド部が大きく加工姿勢に制限が加わる等、自由度が失われる。また、この技術をレーザ加工機に採用する場合、距離計測用とは異なり、加工用レーザは高出力であることから、集光レンズは石英ガラスが用いられるが、この石英ガラスを用いた特殊レンズの製作が困難である。更に、距離の測定は、発せられた光の反射光を捉えて測定するものであるが、そのとき、装置外部からの光量も同時に捉える。従って、レンズや前ガラス等の汚れにかかわらず、季節、天候、時刻等測定時の状況によっても捉えられる光量が変化し、検知データにばらつきが生じ、信頼性に乏しい。
本発明は、上記した問題点を解決せんとしてなされたものであり、発生源からのレーザ光を集光させて被加工材に照射するヘッドと被加工材の間に、前記照射するレーザ光に対して、加工ガスを乱さない状態で、噴射部の後方から空気を誘引しつつレーザ光の照射方向にガスを噴射することで、レーザ加工時に発生する粉塵が前記ヘッドの光学部品へ付着して汚れるのを防止する方法と装置を提供することを目的としている。
発明の開示
本発明は、発生源からのレーザ光を集光させて被加工材に照射するヘッドと被加工材の間において、前記照射するレーザ光に対して、加工ガスを乱さない状態で、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して配置された複数の噴射部の後方から空気を誘引しつつガスを噴射し、レーザ加工時に発生する粉塵の前記ヘッドの光学部品への付着を防止するものである。
この本発明方法は、ヘッドと被加工材との間の側方に、被加工材に向けて照射されるレーザ光に向け、後方から空気を誘引しつつガスを噴射可能な複数のノズルを配置する本発明装置によって実施できる。
そして、このようにすることで、レーザ加工中、加工ガスが乱れるのを防ぐことができる。また、噴射部後方からの空気の流れに乱流が生じず、ノズルからのガスの流れが安定し、粉塵を含有するガスの巻き込みが防止でき、レーザ光通路に向け清浄なガスを吹き込むことができる。仮に、浮遊する粉塵が存在しても、長く滞留することなく直ぐに系外に排出することができ、レーザ加工時に発生する粉塵等の前記ヘッドの光学部品への付着を防止できる。
前記複数のノズルは、後方から誘引する空気の流れを滑らかにし、噴射部近傍で負圧を発生させないような形状、例えば流線形とすることが望ましい。また、被加工材に近接するノズルほどレーザ光の中心軸に近接するように配置したり、被加工材に近接するほどノズルの長さを短くしたりすることが望ましい。また、複数のノズルのうち、被加工材に近接するノズルは、レーザ光の照射方向に対して垂直に、ヘッドに近接するノズルは、レーザ光の照射方向に対して垂直より被加工材方向に傾けて配置することが望ましい。これらのようにすれば、ノズルのみの作用に加え、上記構成による相乗効果も加わり、光学部品に近いほど粉塵雰囲気から遠ざかり、レーザ光の照射光路に粉塵が存在しなくなる。
また、本発明は、上記の本発明装置において、前記複数のノズルと被加工材との間に、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して複数枚の整流板を配置するものである。この整流板によって上記の作用効果はより顕著になる。
また、本発明は、前記整流板の被加工材側に輻射熱遮断部を設置するものである。この加工熱の最も受けやすい位置に設けた輻射熱遮断部によって、ヘッド内の光学部品への熱伝導が効果的に防げ、熱劣化の防止効果が十分に発揮される。
また、本発明は、前記輻射熱遮断部に加工用雰囲気ガスノズルを設けたものである。この加工用雰囲気ガスノズルによって、加工雰囲気を乱すことなく良好に保つことができ、加工品質の劣化を防ぐことができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、ヘッドにおける被加工材寄りの光学部品近傍に、前記複数のノズルから噴射されたガスに向けてガスを噴射する噴射ノズルを配置するものである。この噴射ノズルによって、前記被加工材寄りの光学部品に近い雰囲気ほど、加工部からの粉塵含有ガスの吹き上げを下方に押し下げることができ、被加工材寄りの光学部品への粉塵付着防止が更に効果的に行える。この噴射ノズルから、直接、被加工材寄りの光学部品へガスを噴出するようにすれば、被加工材寄りの光学部品の冷却にも大きな効果を発揮して、当該光学部品への粉塵付着を完全に防止できる。仮に粉塵が付着してもこの付着した粉塵を吹き飛ばす。噴出したガスは降下して前記複数のノズルからのガスと合流し、一層粉塵付着防止に効果を発揮する。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記複数のノズルの、被加工材に向けて照射される前記レーザ光を挟む対向側に吸引ノズルを配置するものである。この吸引ノズルによって、レーザ加工時に発生する粉塵を吸引することができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置するものである。この１対の側板によって、上記ノズルの作用を助長することができる。
また、本発明は、上記の何れかの本発明装置において、前記ヘッド内における光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせるものである。この付着汚れ検知装置によって、光学的なノイズが排除され正確な汚れ検知が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために、添付の第１図〜第９図に従って説明する。
まず、本発明に係る光学部品への付着汚れ防止装置について詳細に説明する。
第１図（ａ）において、１はレーザ光を発生させるレーザ発振器で、発生したレーザ光は光ファイバー２を伝送され、ヘッド３内で集光されて被加工材Ｍに照射される。
前記ヘッド３内には、レーザ光を集光させる集光レンズ３１と、この集光レンズ３１を粉塵から護る保護ガラス３２を、被加工材Ｍ側に向けて順に設けている。なお、３３はヘッド枠体、８はシールドガス供給用ノズルを示す。これらの構成は、従来と同じである。
本発明の付着汚れ防止装置９は、前記ヘッド３と被加工材Ｍの間に配置され、例えば逆截頭円錐形状（円錐の頂部を截ち切ったものを上下逆に配置した形状）となされている。そして、その中央部は、上方から下方にかけて、前記集光レンズ３１により集光され、被加工材Ｍ上に焦点を結ぶレーザ光の照射通路となっている。
第１図（ｂ）は本発明の付着汚れ防止装置９の第一実施例を示し、枠体９ｂの紙面左側には、紙面上下方向に一定の間隔を保って例えば５個のノズル９ｃを取付けている。
前記ノズル９ｃは、紙面上下方向に扁平した楕円状断面となされ、照射されるレーザ光に向けてガスを噴射する例えば円形状のノズル孔９ｄを多数設けた構造である。ノズル９ｃの断面を楕円状とすることで、ガス噴射時、該ノズル９ｃの後方から誘引される空気量を確保し、その空気の流れが一層滑らかになる。この様な形状のノズル９ｃからガスを噴射すると、噴射されるガスに引かれて周辺の空気もガスと同じ流れとなり、ノズル９ｃ近傍で負圧が発生しない。
この際、ノズル９ｃ間に周辺の空気が十分に流動する間隙がなく、また、空気の流れに馴染まない形状の場合は、ノズル９ｃの前方が負圧となり、噴射するガスや流入する空気に渦が発生したり乱流となってレーザ光の照射通路の雰囲気を攪拌し、漂う粉塵の排出効果が低下する。
しかしながら、本発明では、ノズル９ｃ間から該ノズル９ｃ後方の空気を整流状態で誘引できる様に構成しているため、噴出するガスと誘引される空気とが整流状態でレーザ光の照射通路を流れて存在する粉塵を押出し、光学部品への粉塵付着を防止できる。さらに、このノズル９ｃは、第１図（ｂ）の紙面上方より見ると、細長状で、例えば所定の間隔を存して多数のノズル孔９ｄを設けたもので、照射されるレーザ光に向けてガスを帯状に噴出できる様にしている。なお、９ｍは、誘引される空気に粉塵が含有するのを防ぐフィルターである。
９ｊは前記ノズル９ｃより被加工材Ｍ側に、レーザ光の照射方向に略垂直に設けた整流板で、等間隔に３枚配置している。この整流板９ｊを境にして上下の雰囲気が縁切りされ、前記ノズル９ｃからの噴射ガスによりレーザ加工中のシールドガスを乱すことがない。また、加工部で発生する粉塵含有ガスが該整流板９ｊに近づいても、粉塵含有ガスは該整流板９ｊに案内されて水平方向に流れ、粉塵がヘッド３に向かうことがない。この整流板９ｊは、数ｍｍ程度の間隔を存して数枚設けるだけで十分な効果を発揮する。
また本実施例では、前記のノズル９ｃや整流板９ｊは、被加工材Ｍに近づくものほどレーザ光の中心軸に近接するように配置している。レーザ光の照射通路は被加工材Ｍに近づくほど小さくなるので、光学部品を粉塵や加工熱から保護するには、ノズル９ｃや整流板９ｊを前記のように配置し、その影響範囲を狭めることが有効だからである。
９ｋは前記整流板９ｊより更に被加工材Ｍ側にレーザ光の照射通路を確保して配置した輻射熱遮断部である。この輻射熱遮断部９ｋは、例えば水路内の冷却水を一端から他端に向けて流す構成である。水路は冷却性の良い金属、例えば銅製とすることが望ましい。この輻射熱遮断部９ｋを、加工時の熱影響を最も受け易い被加工材Ｍに最も近い位置に配置することで、優れた冷却効果を発揮でき、ヘッド３内の集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品の劣化を大幅に防止できる。
更に、この第一実施例では前記保護ガラス３２の直下に、噴射ノズル９ｎを設けている。この噴射ノズル９ｎは環状に形成し、その中心部をレーザ光の照射通路となしている。噴射ノズル９ｎのノズル孔９ｎａは例えば上方に向け、前記保護ガラス３２の外面にガスを直接吹付けるようにしている。この様にすることで、仮に粉塵含有ガスが舞い上がり、粉塵が前記保護ガラス３２に付着したとしても、十分に除去できると共に、前記保護ガラス３２の冷却効果も有する。また、吹付けたガスは前記保護ガラス３２に当った後下降するので、この際にも粉塵の舞い上がりを防止できる。
この第一実施例では、噴射ノズル９ｎからの噴射ガスを保護ガラス３２の外面に直接吹き付けているが、この噴射ノズル９ｎのノズル孔９ｎａを下方に向け、ノズル９ｃからの噴射ガスに合流する様にしても、粉塵の舞い上がりを防止し、保護ガラス３２への粉塵の付着を十分に防ぐことができる。
第２図は付着汚れ防止装置９の第二実施例を示したものである。この第二実施例は、前記第一実施例で示した付着汚れ防止装置９からフィルター９ｍを除去し、また、前記ノズル９ｃの、レーザ光の照射通路を挟む対向側に吸引ノズル９ｏを配置したものである。
この第二実施例では、この吸引ノズル９ｏによって、レーザ加工時に発生する粉塵を吸引する。この吸引ノズル９ｏの吸引量は、複数のノズル９ｃから噴出するガス量以上であっても、前記複数のノズル９ｃは空気を誘引してくるので問題はない。また、仮に複数のノズル９ｃが故障してもこの吸引ノズル９ｏによってある程度の機能を維持できる。
また、第３図は付着汚れ防止装置９の第三実施例を示したものである。この第三実施例は、前記第二実施例で示した付着汚れ防止装置９から吸引ノズル９ｏを取外し、輻射熱遮断部９ｋに加工用雰囲気ガスノズル９ｐを設けたものである。
この加工用雰囲気ガスノズル９ｐを設けることによって、加工雰囲気を乱すことなく良好に保つことができ、加工品質の劣化を防ぐことができる。この加工用雰囲気ガスノズル９ｐは、例えば溶接に使用する場合は、第４図に示したように、レーザに近い部分は二重で、被加工材Ｍ側の下部は一重のガスジャケット９ｐａが好適である。また、切断に使用する場合は、第５図に示したように、先端が尖った二重や三重のガスジャケット９ｐａが好適である。このガスジャケット９ｐａの内部（第４図に示したガスジャケット９ｐａでは二重のうちの被加工材Ｍ側）に蒸着金属や金属メッシュ９ｐａａ設けた場合には、被加工材Ｍから反射してきたレーザ光によるダメージが防止でき、また、整流効果も有する。
第６図は付着汚れ防止装置９の第四実施例を示したものである。この第四実施例では、付着汚れ防止装置９の上端に、ヘッド３に接続するための天枠９ａを設け、この天枠９ａにレーザ光の照射通路を確保する１対の側板９ｅ（枠体９ｂに相当する）を取付けている。そして、この一対の側板９ｅの側方端部（第６図（ａ）の紙面左方）に、紙面上下方向に一定の間隔を保って断面円形のノズル９ｃを５個取付けている。
同じ大きさ（高さ）の付着汚れ防止装置９の場合、この第四実施例のようにノズル９ｃの断面形状を円形とすると、隣接するノズル９ｃ間の間隙が小さくなり、ノズル９ｃの間隙より誘引される空気量が不足したり、この空気量の不足によりノズル近傍に負圧が発生する。従って、この第四実施例では前記側板９ｅのノズル９ｃ側に切欠き９ｈを設け、ノズル９ｃの間隙からの空気の誘引量を増加させている。これにより誘引する空気に乱流が生じず、レーザ光照射通路での粉塵含有ガスの巻き込み防止、粉塵が存在した状態での粉塵排出に効果を発揮する。更に、１対の側板９ｅによりレーザ光照射通路が周囲の影響から一層縁切りされ、粉塵含有ガスの混入を遮断し、ノズル９ｃ方向からの一方向的なガス流れを形成する。
また、前記ノズル９ｃには、照射されるレーザ光に向けて（前記一対の側板９ｅを貫通する方向：第６図（ｂ）参照）スリット状のノズル孔９ｄを開設している。この第四実施例では、５個のノズル９ｃの内、下段の３個はレーザ光照射方向に略垂直な方向に、また、上段の２個はレーザ光照射方向と垂直な方向に対し１０〜２０°被加工材に向けてガスを噴射するようにしている（第６図（ａ）参照）。このようにすることで、前記保護ガラス３２に近い雰囲気まで粉塵含有ガスが吹き上がるのを防止できる。
更に、第６図（ｂ）に示す通り、この第四実施例では、被加工材Ｍに近接するほど前記細長状のノズル９ｃの長さを短くしている。これは、レーザ光の照射通路に合わせたものであり、無駄な噴射ガスの使用を避け、付着汚れ防止装置９の小型化と軽量化を図ったものである。特に、第四実施例の様に側板９ｅを設けた場合は、この側板９ｅによる作用効果も重なり、被加工材Ｍに近接するノズル９ｃを短くしても粉塵含有ガスの巻き込みを十分に防止することができる。
なお、図示省略したが前記ノズル９ｃの各々には、各々に噴射するガスを分配するための分配管をノズル孔９ｄと反対側に別途接続している。
本発明の付着汚れ防止装置９では、被加工材Ｍに近い程、ノズル９ｃから噴射するガス圧を強くし、被加工材Ｍに近いところで粉塵含有ガスから十分遮断することが望ましい。そのためには、別途供給管から分配管へのガス供給を被加工材Ｍに近い方から行って、被加工材Ｍに近い分配管内ガス圧を高め、ひいては被加工材Ｍに近いノズル９ｃに対する供給圧力を高めることが望ましい。
前記各ノズル９ｃはその内容積を大きくして滞留室９ｇとし、ノズル孔９ｄのどの部分からのガス噴射量（圧力）も等しくすることが望ましい。ノズル孔９ｄの前方は、レーザ光の照射通路であって空洞であるので、ノズル孔９ｄに負荷される噴射ガスの反力は小さい。従って、ノズル９ｃ内の圧力は低下しがちであり、滞留室９ｇを設ける効果は大きい。このような理由によりノズル９ｃを筒状体にするのが好適である。第四実施例ではノズル９ｃを円筒状としている。滞留室９ｇを設けない場合は、ノズル９ｃのガス導入位置での圧力が最も高く、気体導入位置から遠ざかる程圧力が低下し、ノズル孔９ｄの位置によってガス噴出量が異なることになる。
なお、前記の整流板９ｊや輻射熱遮断部９ｋを設けること、及び前記噴射ノズル９ｎを設けることについては、第四実施例も第一〜第三実施例と同じであるため説明は省略する。
本発明のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置は、以上の通りであるが、
▲１▼ 噴射ガスの清浄化のために噴射ガスの供給経路にフィルターを設けること、
▲２▼ 噴射ガスに空気を採用すること、
▲３▼ ノズル９ｃの上流側に流量調節可能なバルブを設けること、
▲４▼ ノズル９ｃや整流板９ｊの取付け間隔を変更調節可能に構成すること、
▲５▼ ノズル孔９ｄの開口幅をノズル９ｃの位置によって変更調節可能に構成すること等いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
なお、第１図（ｂ），第２〜３図、第６図（ａ）における２点鎖線矢印は、ノズル孔９ｄから噴出するガスの流れを表したものである。また、レーザ発振器１からヘッド３までのレーザ光の伝送は、光ファイバー２に限るものではなく、第７図のように、反射ミラー１０により導くものでも良い。また、これらの実施例では、ＹＡＧレーザ加工機のヘッドを一例として説明しているが、本発明は、ＹＡＧレーザ加工機のヘッドに限定するものではなく、全ての形式のレーザ加工機のヘッドに適用されるものである。
次に、本発明に係るレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置の構成要素である検知装置を第１図（ａ）及び第７〜９図に示す実施例に基づいて説明する。
第１図（ａ）のＹＡＧレーザ加工機の一部断面図の構成図において、ヘッド３内に集光レンズ３１と保護ガラス３２が備えられていることは先に説明した通りである。
このヘッド３は、被加工材Ｍの加工の際に発生する粉塵含有ガスに直接曝されやすいため、ヘッド３への粉塵付着防止対策が試みられているが、長時間の使用だけでなく、単に長時間保管するだけでも保管場所によっては集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品に粉塵が付着する場合がある。
集光レンズ３１や保護ガラス３２に粉塵が付着すると、ヘッド３に受光されたレーザ光がこれらを通過する際、この粉塵で乱反射が生じる。また、レーザ光の屈折率も変化し被加工材Ｍの加工精度を劣化させる。従って、光学部品への付着汚れには、十分注意を払うところであり、時には、汚れの有無を検知する必要がある。
付着汚れ検知装置を備えた本発明の光学部品への付着汚れ防止装置９は、前記集光レンズ３１より上流側に受光部４を設け、集光レンズ３１や保護ガラス３２等の光学部品に付着した汚れに起因する反射光や散乱光を前記受光部４で受光する構成となっている。
例えば第１図（ａ）や第７図の例は、前記集光レンズ３１の上流側にレーザ光透過反射鏡３４を設け、ヘッド枠体３３の天井部を通して照射されるレーザ光を透過させて集光レンズ３１や保護ガラス３２に至らせる。一方、集光レンズ３１や保護ガラス３２からの付着汚れによる散乱光は前記レーザ光透過反射鏡３４で反射させてヘッド枠体３３の側部に設けた受光部４で受光する構成である。
また、第８図の例は、前記集光レンズ３１の上流側にレーザ光反射透過鏡３５を設け、ヘッド枠体３３の側方から照射されるレーザ光をこのレーザ光反射透過鏡３５で集光レンズ３１、保護ガラス３２に向けて反射させる。一方、集光レンズ３１や保護ガラス３２からの付着汚れによる散乱光や反射光は前記レーザ光反射透過鏡３５を透過し、ヘッド枠体３３の天井部に設けた受光部４で受光する構成である。
前記受光部４は、反射光や散乱光を受光し、この受光強度を信号の強度に変換する。粉塵の付着量が多い程信号の強度が増すことになる。受光部４からの信号値は、送信ケーブル５によって判定部６に導かれる。
判定部６では、送信されてきた信号値を受光値としてとらえ、予め設定されている閾値と前記受光値とを比較演算し、汚れか否かを判定する。
第９図は保護ガラス３２に汚れが付着している場合と付着していない場合の受光部４における受光値を示す図であり、横軸にレーザ照射開始から照射終了までの時刻を取り、縦軸にレーザ照射による受光部４における受光値の強度を示す。
この第９図の例では、保護ガラス３２や集光レンズ３１が汚れていない（ａ）図の場合、受光値はＰｍａｘとＰｍｉｎとの間で変動する。一方、保護ガラス３２や集光レンズ３１が汚れると（ｂ）図に示す様に受光値がＰｍａｘより遥かに高いところで変動する。
従って、例えばこのＰｍａｘの値を閾値として設定しておくことで、判定部６では保護ガラス３２や集光レンズ３１に汚れが付着しているか否かを容易に検知できるようになる。なお、加工欠陥が発生した場合も閾値であるＰｍｉｎを超えるが、この場合は、（ｃ）図に示したように、汚れが付着した場合に比べて変動が大きいので、汚れが付着した場合と区別することは容易である。
前記判定部６における判定により付着汚れが検知された場合には、その結果が表示装置に送信されたり、警報装置７に送信されたりして、作業者の注意を喚起する。
この付着汚れ検知装置で汚れを調べる場合は、実際にレーザ加工を行わず、検知用にレーザ光を照射しても問題の起こらない状態で、かつヘッド外からの反射光の少ない場所でレーザ光を照射し、照射レーザ光による集光レンズ３１や保護ガラス３２からの散乱光や反射光を捉えて検知精度を高めることが望しい。レーザ加工を実施しながら検知する場合は、加工部からの反射光も同時に受光部が捉え、加工内容により汚れ有りの誤表示の虞があるので、この場合は加工部からの反射光も考慮に入れた閾値を設定する必要がある。なお、第１図（ａ）や第７図の例と第８図の例では、受光部４の取付け位置が異なるため、この場合も閾値を個別に定めると良い。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、加工時に発生する粉塵が集光レンズや保護ガラスに付着するのを効果的に防止できる。また、汚れ検知装置を備えさせれば、検知時の状況によって、検知データにばらつきが生じることがなく信頼性に優れた検知が行える。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）はＹＡＧレーザ加工機に設置された本発明の光学部品への付着汚れ防止装置と、この付着汚れ防止装置を構成する付着汚れ検知装置の一部断面の構成図、第１図（ｂ）は本発明の光学部品への付着汚れ防止装置の第一実施例を一部断面して示す正面図である。第２図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第二実施例図、第３図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第三実施例図である。第４図は溶接に適した加工用雰囲気ガスノズルの説明図、第５図は切断に適した加工用雰囲気ガスノズルの説明図である。第６図は一部断面して示した付着汚れ防止装置の第四実施例で、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。第７図は付着汚れ検知装置を備えた本発明の付着汚れ防止装置の他の実施例を示す一部断面構成図である。第８図は本発明の光学部品への付着汚れ防止装置を構成する付着汚れ検知装置の他の実施例を示す一部断面構成図である。第９図は付着汚れ検知装置の判定部における処理内容を示した図で、（ａ）は汚れのない場合、（ｂ）は汚れのある場合、（ｃ）は加工欠陥が発生した場合の図である。
Claims (20)
- 発生源からのレーザ光を集光して被加工材に照射する光学部品と被加工材の間において、前記照射するレーザ光に対して、加工ガスを乱さない状態で、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して配置された複数の噴射部の後方から空気を誘引しつつガスを噴射し、
レーザ加工時に発生するヒューム、スパッター、粉塵の前記光学部品への付着を防止することを特徴とするレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止方法。 - 請求項１記載の付着汚れ防止方法を実施する装置であって、光学部品と被加工材との間の側方に、被加工材に向けて照射されるレーザ光に向け、後方から空気を誘引しつつガスを噴射可能な複数のノズルを配置したことを特徴とするレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルと被加工材との間に、レーザ光の照射方向に所定の間隔を存して複数枚の整流板を配置したことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記整流板の被加工材側に輻射熱遮断部を設置したことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記輻射熱遮断部に加工用雰囲気ガスノズルを設けたことを特徴とする請求項４記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 光学部品のうちの被加工材寄りの光学部品近傍に、前記複数のノズルから噴射されたガスに向けてガスを噴射する噴射ノズルを配置したことを特徴とする請求項２〜５の何れか記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの、被加工材に向けて照射される前記レーザ光を挟む対向側に吸引ノズルを配置したことを特徴とする請求項２〜５の何れか記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの、被加工材に向けて照射される前記レーザ光を挟む対向側に吸引ノズルを配置したことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置したことを特徴とする請求項２〜５の何れか記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置したことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置したことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記複数のノズルの両端側に、これらのノズルから噴射されるガスの流れを一方向に導く１対の側板を配置したことを特徴とする請求項８記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項２〜５の何れか記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項８記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項９記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
- 前記光学部品の上流側に配置され、レーザ光を透過又は反射させつつも光学部品に付着した汚れに起因する反射光および散乱光を反射又は透過させて受光する受光部と、この受光部で受光した前記反射光および散乱光を入力され、この入力された反射光および散乱光の値が閾値を超えるか否かを判定する判定部を備えた光学部品への付着汚れ検知装置を備えさせたことを特徴とする請求項１２記載のレーザ加工機における光学部品への付着汚れ防止装置。
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