JPWO2020031406A1

JPWO2020031406A1 - レーザ加工装置

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Publication number: JPWO2020031406A1
Application number: JP2020535489A
Authority: JP
Inventors: 西尾　正敏; 正敏西尾; 静波王; 仁志西村; 元希森岡
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: EP3834978B1; US20210146481A1; JP7126223B2; US11806812B2; EP3834978A4; EP3834978A1; WO2020031406A1

Abstract

第１の検出部３１は、第１の平行平板２５の出射端面で反射した反射光の出力を検出する。判定部１６は、第１の検出部３１の検出値が所定の判定閾値よりも小さい場合に、第１の平行平板２５に異常が生じていると判定する。

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

従来より、高出力なレーザビームによって、加工ヘッド内の光学素子が加熱して歪むことで熱レンズ効果が生じ、焦点位置の変化（いわゆる焦点シフト）が発生することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、インターフェースと焦点光学ユニットとの間に、レーザビームの発散をパワーに応じて変更する受動光学要素としての偏向組立体を配置することで、焦点シフトの補償を行うようにした構成が開示されている。

特表２０１７−５３４４６３号公報

ところで、熱レンズ効果が生じる要因としては、レーザ出力パワーが高い場合の他に、例えば、レーザ加工時に発生するヒュームや粉塵等が光学素子に付着してしまい、光学素子の光吸収率が変化して熱歪みが生じやすくなることも考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出できるようにすることにある。

本開示の態様は、レーザ光を照射するレーザ加工装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の態様は、コリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過したレーザ光を集光する長焦点レンズと、
前記長焦点レンズよりも出射側に配置され、光軸に対して所定の角度で傾斜した第１の平行平板と、
前記第１の平行平板の出射端面で反射した反射光の出力を検出する第１の検出部とを備えたことを特徴とするものである。

第１の態様では、第１の平行平板の出射端面で反射した反射光の出力を検出することで、第１の平行平板において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

具体的に、第１の平行平板は、レーザ光の出射側に配置されているので、レーザ加工時に発生したヒュームや粉塵等が装置内部に侵入するのを防ぐ一方、第１の平行平板の出射端面に汚れが付着し易くなっている。そして、第１の平行平板に汚れが付着していると、汚れ部分でレーザ光が吸収されて第１の平行平板が発熱し、熱歪みが発生することとなる。

そのため、第１の平行平板の出射端面で反射した反射光の出力を検出して、例えば、汚れが付着していない初期状態の反射光の出力と比較すれば、第１の平行平板において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

第２の態様は、第１の態様において、
前記第１の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出する第２の検出部を備えたことを特徴とするものである。

第２の態様では、第１の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出するようにしている。そして、第１の平行平板の出射端面と入射端面とでそれぞれ反射した反射光の出力を比較すれば、第１の平行平板において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

第３の態様は、第２の態様において、
前記第１の平行平板よりも入射側に配置された第２の平行平板と、
前記第２の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出する第３の検出部とを備えたことを特徴とするものである。

第３の態様では、第１の平行平板よりも入射側に第２の平行平板が配置される。ここで、第２の平行平板は、第１の平行平板よりも入射側に配置されているので、レーザ加工時に発生したヒュームや粉塵等が付着することは無い。しかしながら、第２の平行平板において、例えば、材料由来の歪みが発生している場合や、レーザ出力パワーが高い場合には、熱レンズ効果による焦点シフトが生じてしまう。

そこで、第２の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出して、第１の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力と比較すれば、第２の平行平板において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

第４の態様は、第１乃至第３の態様のうち何れか１つにおいて、
前記第１の検出部の検出値が所定の判定閾値よりも小さい場合に、前記第１の平行平板に異常が生じていると判定する判定部を備えたことを特徴とするものである。

第４の態様では、第１の検出部の検出値が所定の判定閾値よりも小さい場合に、第１の平行平板に汚れが付着する等の異常が生じていると判定するようにしている。これにより、異常判定の結果に基づいて、第１の平行平板での焦点シフトを補正したり、第１の平行平板の交換や清掃を行う等の対策を施すことができる。

第５の態様は、第２の態様において、
前記第１の検出部の検出値と前記第２の検出部の検出値とに基づいて、前記第１の平行平板の焦点シフト量を算出する算出部を備えたことを特徴とするものである。

第５の態様では、第１の検出部の検出値と第２の検出部の検出値とに基づいて、第１の平行平板の焦点シフト量を算出するようにしている。これにより、焦点シフト量の算出結果に基づいて、第１の平行平板での焦点シフトを補正することができる。

第６の態様は、第３の態様において、
前記第２の検出部の検出値と前記第３の検出部の検出値とに基づいて、前記第２の平行平板の焦点シフト量を算出する算出部を備えたことを特徴とするものである。

第６の態様では、第２の検出部の検出値と第３の検出部の検出値とに基づいて、第２の平行平板の焦点シフト量を算出するようにしている。これにより、焦点シフト量の算出結果に基づいて、第２の平行平板での焦点シフトを補正することができる。

第７の態様は、第１乃至第６の態様のうち何れか１つにおいて、
前記第１の検出部の検出値が所定の設定値よりも大きくなるように、前記長焦点レンズを光軸方向に移動させる位置調整部を備えたことを特徴とするものである。

第７の態様では、長焦点レンズを光軸方向に移動させ、第１の検出部の検出値が所定の設定値よりも大きくなるように調整するようにしている。

具体的に、第１の平行平板に汚れが付着している場合には、汚れ部分でレーザ光が吸収されて、例えば、レーザ出力が３０００Ｗ以下に低下する。そこで、レーザ出力が最大（例えば、４０００Ｗ）となるように、長焦点レンズを移動させるようにする。このように、第１の検出部の検出値が最大値を示すように、長焦点レンズを自動的に調整することで、レーザ加工点での焦点シフトを補正することができる。

第８の態様は、第７の態様において、
前記長焦点レンズを位置調整した後の前記第１の検出部の検出値が前記設定値よりも小さい場合に、所定の警報動作を行う警報部を備えたことを特徴とするものである。

第８の態様では、長焦点レンズの位置調整を行っても第１の検出部の検出値が設定値よりも小さい場合に、警報ブザーを鳴らす、警報ランプを点灯させる、警報メッセージを表示する等の警報動作を行うようにしている。これにより、作業者に対して、第１の平行平板の交換や清掃を促すことができる。

第９の態様は、第２の態様において、
前記第１の検出部の検出値と前記第２の検出部の検出値との差分値を算出する算出部と、
前記差分値が所定の差分閾値よりも大きい場合に、前記第１の平行平板に異常が生じていると判定する判定部とを備えたことを特徴とするものである。

第９の態様では、第１の検出部の検出値と第２の検出部の検出値との差分値が、所定の差分閾値よりも大きい場合、つまり、２つの検出値に乖離が発生している場合に、第１の平行平板に汚れが付着する等の異常が生じていると判定するようにしている。これにより、異常判定の結果に基づいて、第１の平行平板の交換や清掃を行う等の対策を施すことができる。

第１０の態様は、第１乃至第９の態様のうち何れか１つにおいて、
前記検出部は、反射光を集光するレンズと、所定のビーム径の反射光を遮断するアパーチャと、該アパーチャを通過した反射光の出力を検出するフォトダイオードとを有することを特徴とするものである。

第１０の態様では、レンズ、アパーチャ、及びフォトダイオードによって検出部を構成している。ここで、平行平板での焦点シフトが発生した場合には、アパーチャを通過する反射光が少なくなり、フォトダイオードで検出される反射光の出力が低下することとなる。このように、フォトダイオードの検出結果に基づいて、焦点シフトの発生を検出することができる。

本開示の態様によれば、平行平板において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す側面図である。図２は、第１の検出部の概略構成を示す側面図である。図３は、焦点シフトが生じたときの図２相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１１と、レーザ光Ｌを加工対象物（図示省略）に向けて照射するレーザ照射ヘッド２０と、レーザ発振器１１やレーザ照射ヘッド２０の動作を制御してレーザ加工を行う制御部１５とを備えている。

レーザ発振器１１は、制御部１５からの指令に基づいて、レーザ光Ｌを出力する。レーザ発振器１１とレーザ照射ヘッド２０とは、光ファイバ１２で接続されている。レーザ光Ｌは、光ファイバ１２を介して、レーザ発振器１１からレーザ照射ヘッド２０に伝送される。

制御部１５は、レーザ発振器１１と接続されており、レーザ照射ヘッド２０の移動速度の他に、レーザ光Ｌの出力開始や停止、レーザ光Ｌの出力強度などを制御する機能も備えている。制御部１５には、所定の警報動作を行う警報部１８が接続されている。

レーザ照射ヘッド２０は、図示しないロボットに取り付けられており、制御部１５からの指令に基づいて、レーザ光Ｌを加工対象物で結像する。レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌの広がり角を変化させるコリメートレンズ２１と、コリメートレンズ２１を通過したレーザ光Ｌを集光する長焦点レンズ２２と、第１の平行平板２５と、第１の平行平板２５よりも入射側に配置された第２の平行平板２６とを有する。

長焦点レンズ２２は、位置調整部２３によって、光軸方向に移動可能となっている。位置調整部２３は、制御部１５からの指令に基づいて、長焦点レンズ２２の位置を調整する。長焦点レンズ２２の位置を光軸方向に移動させることで、レーザ光Ｌの焦点位置を変化させることができる。

第１の平行平板２５及び第２の平行平板２６は、光軸に対して所定の角度で傾斜して、長焦点レンズ２２よりも出射側に配置されている。なお、光軸に対する角度は、特に限定するものではなく、後述する第１の検出部３１、第２の検出部３２、及び第３の検出部３３にレーザ光Ｌが反射し易い角度であればよい。

また、図１に示す例では、レーザ光Ｌの出力端の位置がレーザ照射ヘッド２０の中央付近となるように、第１の平行平板２５と第２の平行平板２６とを逆向きの角度で傾斜させているが、この形態に限定するものではない。例えば、第１の平行平板２５と第２の平行平板２６とを同じ向きの角度で傾斜させてもよい。この場合には、レーザ光Ｌの出力端の位置が、レーザ照射ヘッド２０の中央付近から離れることとなる。

レーザ発振器１１から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１２を通ってレーザ照射ヘッド２０に送られる。レーザ照射ヘッド２０に入ったレーザ光Ｌは、コリメートレンズ２１によって平行化され、長焦点レンズ２２によって集光される。長焦点レンズ２２で集光されたレーザ光Ｌは、制御部１５によって制御された第２の平行平板２６と第１の平行平板２５とを順に通ることによって、レーザ光Ｌの照射位置が決定され、加工対象物にレーザ光Ｌが照射される。

ところで、レーザ光Ｌが高出力（例えば、４０００Ｗ）になると、レーザ照射ヘッド２０内の第１の平行平板２５や第２の平行平板２６が加熱して歪むことで熱レンズ効果が生じ、焦点位置の変化（いわゆる焦点シフト）が発生する。

また、熱レンズ効果が生じる要因としては、レーザ出力パワーが高い場合の他に、例えば、レーザ加工時に発生するヒュームや粉塵等が第１の平行平板２５に付着してしまい、第１の平行平板２５の光吸収率が変化して熱歪みが生じやすくなることも考えられる。

そこで、本実施形態では、第１の検出部３１、第２の検出部３２、及び第３の検出部３３を用いて、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出できるようにしている。

具体的に、第１の検出部３１は、第１の平行平板２５の出射端面で反射した反射光の出力を検出する。第２の検出部３２は、第１の平行平板２５の入射端面で反射した反射光の出力を検出する。第３の検出部３３は、第２の平行平板２６の入射端面で反射した反射光の出力を検出する。

図２に示すように、第１の検出部３１は、反射光を集光するレンズ４１と、アパーチャ４２と、フォトダイオード４３とを有する。なお、第２の検出部３２及び第３の検出部３３についても、第１の検出部３１と同様の構成であるため、説明を省略する。

アパーチャ４２は、レンズ４１とフォトダイオード４３との間に配置され、反射光が通過する開口部４２ａを有する。そして、開口部４２ａの開口径よりも大きなビーム径の反射光は、アパーチャ４２によって遮断されるようになっている。

具体的に、図２に示すように、レンズ４１で集光された反射光の焦点位置が、アパーチャ４２の開口部４２ａ内にある場合には、反射光がアパーチャ４２で遮断されることなく、フォトダイオード４３に入射される。

一方、図３に示すように、レンズ４１で集光された反射光の焦点位置が、アパーチャ４２よりも入射側にシフトしている場合には、焦点位置からアパーチャ４２に向かって反射光のビーム径が大きくなる。そのため、開口部４２ａよりも径方向外方にはみ出した反射光は、アパーチャ４２によって遮断され、残りの反射光がフォトダイオード４３に入射されることとなる。

このように、熱レンズ効果による焦点シフトが生じている場合には、焦点シフトが生じていない場合に比べて、フォトダイオード４３に入射される反射光が少なくなる。その結果、フォトダイオード４３で検出される反射光の出力が低下することとなる。このように、フォトダイオード４３の検出結果に基づいて、焦点シフトの発生を検出することができる。

第１の検出部３１、第２の検出部３２、及び第３の検出部３３で検出された反射光の出力を示す信号は、制御部１５に送信される。制御部１５は、判定部１６と、算出部１７とを有する。

判定部１６は、第１の検出部３１、第２の検出部３２、及び第３の検出部３３の検出値に基づいて、第１の平行平板２５及び第２の平行平板２６に異常が生じているかを判定する。

具体的に、判定部１６は、第１の検出部３１の検出値が所定の判定閾値よりも小さい場合に、第１の平行平板２５に汚れが付着する等の異常が生じていると判定する。これにより、第１の平行平板２５において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができる。

なお、判定閾値としては、例えば、汚れが付着していない初期状態の反射光の出力値を用いれば良い。

また、判定部１６は、第１の検出部３１の検出値と第２の検出部３２の検出値とを比較することで、第１の平行平板２５に異常が生じていると判定するようにしてもよい。具体的に、算出部１７は、第１の検出部３１の検出値と、第２の検出部３２の検出値との差分値を算出する。判定部１６は、差分値が所定の差分閾値よりも大きい場合に、第１の平行平板２５に異常が生じていると判定する。

つまり、第１の平行平板２５では、ヒュームや粉塵などの汚れは、第１の平行平板２５の出射端面に付着することから、第１の検出部３１の検出値と第２の検出部３２の検出値との比率が、汚れが付着していない初期状態での比率と相違していれば、第１の平行平板２５において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じていることが分かる。

また、判定部１６は、第２の検出部３２の検出値と第３の検出部３３の検出値とを比較することで、第２の平行平板２６に異常が生じていると判定する。具体的に、算出部１７は、第２の検出部３２の検出値と、第３の検出部３３の検出値との差分値を算出する。判定部１６は、差分値が所定の差分閾値よりも大きい場合に、第２の平行平板２６に異常が生じていると判定する。

このように、第２の平行平板２６の入射端面で反射した反射光の出力と、第１の平行平板２５の入射端面で反射した反射光の出力とが相違していれば、第２の平行平板２６において、熱レンズ効果による焦点シフトが生じていることが分かる。

また、制御部１５は、判定部１６での異常判定の結果に基づいて、警報部１８に警報動作を行わせる。具体的には、警報ブザーを鳴らす、警報ランプを点灯させる、警報メッセージを表示する等の警報動作を行うようにしている。これにより、作業者に対して、第１の平行平板２５や第２の平行平板２６の交換や清掃を促すことができる。

また、算出部１７は、第１の検出部３１の検出値と第２の検出部３２の検出値とに基づいて、第１の平行平板２５の焦点シフト量を算出する。さらに、算出部１７は、第２の検出部３２の検出値と第３の検出部３３の検出値とに基づいて、第２の平行平板２６の焦点シフト量を算出する。

制御部１５は、位置調整部２３の動作を制御することで、長焦点レンズ２２を光軸方向に移動させ、第１の検出部３１の検出値が所定の設定値よりも大きくなるように調整する。

具体的に、第１の平行平板２５に汚れが付着している場合には、汚れ部分でレーザ光が吸収されて、例えば、レーザ出力が３０００Ｗ以下に低下する。そこで、レーザ出力が最大（例えば、４０００Ｗ）となるように、長焦点レンズ２２を移動させるようにする。このように、第１の検出部３１の検出値が最大値を示すように、長焦点レンズ２２を自動的に調整することで、レーザ加工点での焦点シフトを補正することができる。

そして、長焦点レンズ２２を位置調整した後の第１の検出部３１の検出値が設定値よりも小さい場合には、警報部１８で所定の警報動作を行うことで、作業者に対して、第１の平行平板の交換や清掃を促すようにする。

なお、本実施形態では、長焦点レンズ２２を光軸方向に移動させることで、焦点シフトを補正するようにしているが、例えば、コリメートレンズ２１を光軸方向に移動させることで、焦点シフトを補正するようにしてもよい。このように、コリメートレンズ２１を移動させる場合には、コリメートレンズ２１の移動幅に対して大きな焦点シフトが可能となる。

以上説明したように、本発明は、熱レンズ効果による焦点シフトが生じているかを検出することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１０レーザ加工装置
１６判定部
１７算出部
１８警報部
２１コリメートレンズ
２２長焦点レンズ
２３位置調整部
２５第１の平行平板
２６第２の平行平板
３１第１の検出部
３２第２の検出部
３３第３の検出部
４１レンズ
４２アパーチャ
４３フォトダイオード
Ｌレーザ光

Claims

レーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
コリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過したレーザ光を集光する長焦点レンズと、
前記長焦点レンズよりも出射側に配置され、光軸に対して所定の角度で傾斜した第１の平行平板と、
前記第１の平行平板の出射端面で反射した反射光の出力を検出する第１の検出部とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１において、
前記第１の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出する第２の検出部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２において、
前記第１の平行平板よりも入射側に配置された第２の平行平板と、
前記第２の平行平板の入射端面で反射した反射光の出力を検出する第３の検出部とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
前記第１の検出部の検出値が所定の判定閾値よりも小さい場合に、前記第１の平行平板に異常が生じていると判定する判定部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２において、
前記第１の検出部の検出値と前記第２の検出部の検出値とに基づいて、前記第１の平行平板の焦点シフト量を算出する算出部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項３において、
前記第２の検出部の検出値と前記第３の検出部の検出値とに基づいて、前記第２の平行平板の焦点シフト量を算出する算出部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１乃至６のうち何れか１つにおいて、
前記第１の検出部の検出値が所定の設定値よりも大きくなるように、前記長焦点レンズを光軸方向に移動させる位置調整部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項７において、
前記長焦点レンズを位置調整した後の前記第１の検出部の検出値が前記設定値よりも小さい場合に、所定の警報動作を行う警報部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２において、
前記第１の検出部の検出値と前記第２の検出部の検出値との差分値を算出する算出部と、
前記差分値が所定の差分閾値よりも大きい場合に、前記第１の平行平板に異常が生じていると判定する判定部とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１乃至９のうち何れか１つにおいて、
前記検出部は、反射光を集光するレンズと、所定のビーム径の反射光を遮断するアパーチャと、該アパーチャを通過した反射光の出力を検出するフォトダイオードとを有することを特徴とするレーザ加工装置。