WO2013022031A1 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズ（５）と、当該集光レンズ（５）のワーク側に備えられた保護ガラス（３１）とを備えたレーザ加工ヘッドにおいて、保護ガラス（３１）を全面的に照射する手段と、汚れ検出手段（３３）とを備えることにより、保護ガラス（３１）に付着した汚れ物質を検出することができるようにしたものである。 汚れ検出手段（３３）として、レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から保護ガラス（３１）の全面に検出光を照射するための検出光照射手段（４９）を備え、当該検出光照射手段（４９）はリング状部材（５７）を備え、このリング状部材（５７）の内周面に形成したテーパ面（５７Ｔ）に複数の点光源（５９）を備える。また、保護ガラス（３１）のワーク側に、エアー噴出手段（３５）を備える。

Description

レーザ加工ヘッド

　本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズを備えると共に、当該集光レンズを保護するための保護ガラスを備え、さらに前記保護ガラスの汚れを検出するための汚れ検出手段を備えたレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、前記保護ガラスの全面に亘って汚れを検出することのできるレーザ加工ヘッドに関する。

　レーザ加工機に備えたレーザ加工ヘッドからワークへレーザ光を照射してレーザ切断やレーザ溶接などのレーザ加工を行うと、レーザ加工時に発生した例えばスパッタなどの汚れ物質（部材）等が付着することがある。そこで、前記汚れ部材（物質）等から集光レンズを保護するために保護ガラスを備えること、及び保護レンズに付着した汚れ部材等の付着量を検出することが行われている。関連する先行技術文献はたとえば日本国特許公開公報特表２００１－５０９８８９号（特許文献１）がある。

　前記特許文献１に記載の構成は、保護ガラスに汚れ部材（物質）として塵埃等の粒子が付着すると、保護ガラスを透過する加工用のレーザ光又は測定用レーザ光の一部が乱反射されるので、この乱反射された散乱光を、保護ガラスの周縁に備えた光検出器により検出する構成である。しかし、加工用のレーザ光は勿論のこと測定用レーザ光は、レーザ加工を行うレーザ光と同軸であって、保護ガラスの直径の８０％の領域内に前記粒子が存在する場合に、汚れ部材としての前記粒子を検出することができるものである（当該第６頁下１行目参照）。換言すれば、保護ガラスの周縁付近に汚れ部材が付着している場合には、当該汚れ部材を検出することができない、という問題がある。

　本発明は、前述のごとき従来の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してワークへ照射する集光レンズと、当該集光レンズを保護するために、当該集光レンズのワーク側に備えられた保護ガラスと、当該保護ガラスの汚れを検出するための汚れ検出手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から前記保護ガラスに検出光を照射するための検出光照射手段を備えていることを特徴とする。

　また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記検出光照射手段は、リング状部材を備え、このリング状部材の内周面に形成したテーパ面に複数の点光源を備えていることを特徴とするものである。

　また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記リング状の前記支持部材の内側に、前記各光源から照射された検出光を前記保護ガラス方向へ反射する反射面を外周面に備えた筒状の反射部材を備えていることを特徴とするものである。

　また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスのワーク側に、汚れ物質を一方向へ吹き飛ばすエアーカーテンを形成するためのエアー噴出手段を備えていることを特徴とするものである。

　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に、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記保護ガラス方向へ反射するレーザ光反射手段を備え、当該レーザ光反射手段によって反射されたレーザ光の進行方向の反対側にワークのレーザ加工位置を撮像する撮像手段を備えていることを特徴とするものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要部を示す断面説明図である。 エアー噴出手段の構成を示す斜視説明図である。 リング状の照明手段の斜視説明図である。 第２の実施形態に係る検出光照射手段の構成を示す平面説明図である。 上記検出光照射手段と保護ガラスとの関係を示す断面説明図である。

　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、例えばロボットアーム等のごとく、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動自在なヘッド支持部材３に支持されている。なお、産業ロボットなどのロボットアームの先端部にレーザ加工ヘッド１を備えた構成は、例えば溶接ロボット等において周知であるから、前記ヘッド支持部材３に前記レーザ加工ヘッド１を支持する構成についての詳細な説明は省略する。

　前記レーザ加工ヘッド１は、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズ５を内装したレンズハウジング７を備えており、このレンズハウジング７に一体的に取付けた支持ブラケット９が、前記ヘッド支持部材３に適宜に取付けた取付アタッチメント１１に適宜に連結してある。換言すれば、前記レンズハウジング７は支持ブラケット９を介して前記ヘッド支持部材３に取付けられている。

　前記レンズハウジング７の一端側には、コリメートレンズ１３を内装した第２のレンズハウジング１５が一体的に立設固定してある。そして、この第２のレンズハウジング１５の上部には、レーザ発振器に一端側を接続した光ファイバーＦの他端側を支持する光ファイバーレシーバ１７が備えられている。すなわち、前記光ファイバーの他端側から出射されて広がる傾向にあるレーザ光を、前記コリメートレンズ１３によって平行光線化するように構成される。

　前記レンズハウジング７の一端側には、前記コリメートレンズ１３によって平行光線化されたレーザ光を前記集光レンズ５方向へ反射するレーザ光反射手段としての反射ミラー１８が備えられている。そして、前記レンズハウジング７の他端側には、前記集光レンズ５によって集光されたレーザ光をレーザノズル２１方向へ反射する第２の反射ミラー１９が備えられている。より詳細には、前記レンズハウジング７の他端側には、前記第２の反射ミラー１９を傾斜して備えたミラーホルダ２３が装着してあり、このミラーホルダ２３には前記第２の反射ミラー１９の裏面を冷却するための冷却水などの冷媒を流通する冷媒通路２５が備えられている。

　前記レーザノズル２１は、前記第２の反射ミラー１９によって反射されるレーザ光の光路に対応して備えられている。より詳細には、前記レンズハウジング７の他端側の外側下面には、エアーカーテンユニット２７が装着してある。このエアーカーテンユニット２７は、空洞の箱状のケーシング２９を備えた構成であって、このケーシング２９の下面に前記レーザノズル２１が装着してある。そして、このケーシング２９の上面には前記第２の反射ミラー１９及び集光レンズ５を保護する保護ガラス３１が着脱交換可能に装着してあり、この保護ガラス３１の周縁には、当該保護ガラス３１に例えばスパッタなどの汚れ部材（図示省略）の付着を検出するための汚れ検出手段としての光ファイバ３３の一端側が配置してある。この光ファイバ３３の他端側は光センサ（図示省略）に接続してある。

　前記ケーシング２９の一端側には、前記保護ガラス３１の下側にエアーカーテンを形成するためのエアー噴出手段３５が備えられており、このエアー噴出手段３５にはパイプなどのエアー供給路３７が接続してある。そして、前記ケーシング２９の他端側にはエアー排出口３９が形成されている。

　前記エアー噴出手段３５は、図２に示すごとき構成である。すなわちエアー噴出手段３５は、両端側にエアー噴出口４１Ａ、４１Ｂを備えた筒状のノズル本体４３から構成され、このノズル本体４３の長手方向の中央部には、前記エアー供給路３７を接続したエアー供給口４５が備えらる。そして、前記ノズル本体４３の上部壁４３Ｕ及び下部壁４３Ｌは閉じた状態にあり、前記上部壁４３Ｕの前端縁には、前記下部壁４３Ｌの前端縁上面に近接して垂設した前部壁４３Ｆが備えられている。そして、前記前部壁４３Ｆの下端縁と前記下部壁４３Ｌの前端縁上面との間には、前方に開口したスリット４７が形成してある。

　したがって、前記エアー供給口４５からノズル本体４３内へエアーを吐出供給すると、エアーは前部壁４３Ｆに衝突し、両端側のエアー噴出口４１Ａ、４１Ｂから左右方向へ分散して吹き出されると共に、エアーの一部はスリット４７から前方向へカーテン状に吹き出されるものである。よって、前記保護ガラス３１を上部に備えた前記エアーカーテンユニット２７の箱状のケーシング２９内には前記保護ガラス３１に沿う方向のエアーカーテンが形成されることになる。そして、上記エアーカーテンを形成したエアーはケーシング２９のエアー排出口３９から外部へ排出される。

　既に理解されるように、ワークのレーザ加工位置から飛散したスパッタ等の汚れ物質がレーザノズル２１内を通過して、前記保護ガラス３１の方向へ向かうとき、前記汚れ物質の大部分は、エアー噴出手段３５から噴出されるエアーによって吹き飛ばされ、エアー排出口３９から外部へ排出されることになる。したがって、保護ガラス３１に汚れ物質が付着することが抑制される。しかし、汚れ物質の一部は保護ガラス３１に到着して付着することがある。この場合、汚れ物質は、エアーカーテンによって下流側へ吹き飛ばされるので、保護ガラス３１の下流側の周縁に付着することになる。

　ところで、保護ガラス３１の中央部付近などに汚れ物質が付着した場合、ワークのレーザ加工を行うときに、レーザ光が前記汚れ物質に照射されると、汚れ物質の部分においてレーザ光が乱反射される。そして、乱反射されたレーザ光が保護ガラス３１内を伝搬されて、光ファイバ３３の一端部に入射されると、光センサによって、保護ガラス３１に汚れ物質が付着したこととして検出される。前記保護ガラス３１に対する汚れ物質の付着量が多くなり、前記光センサの検出値が予め設定してある基準値より大きくなったときには、前記保護ガラス３１の交換が行われるものである。

　前述した特許文献１に記載の構成においては、保護ガラスの直径の８０％の領域内に汚れ物質が付着した場合には、汚れ物質及びその付着量が検出可能である。しかし、前記８０％の領域外において保護ガラスの周縁部に汚れ物質が付着した場合には検出不可能であった。ところが、保護ガラスの周縁部に汚れ物質が付着すると、保護ガラスの劣化が進行するので、保護ガラスの周縁部に汚れ物質が付着した場合においても、汚れ物質の付着を検出することが望まれている。

　そこで、本実施形態においては、前記保護ガラス３１の全面に、汚れ物質検出用の検出光を照射するための検出光照射手段４９が備えられている。より詳細には、前記ミラーホルダ２３の上面には、前記検出光照射手段４９を備えた照明ハウジング５１が備えられている。そして、前記照明ハウジング５１内にはリング状の照明手段５３が備えられている。この照明手段５３は、図３に示すように、中央部に貫通穴５５を形成したリング状部材５７を備えており、このリング状部材５７の内周面にはテーパ面５７Ｔが形成してある。そして、このテーパ面５７Ｔには、例えばＬＥＤなどのごとき複数の点光源５９が備えられている。

　前記各点光源５９はテーパ面５７Ｔに備えられているものであるから、それぞれの指向方向が異なっており、かつ前記貫通穴５５の軸心に対して傾斜してある。なお、前記貫通穴５５の軸心は、前記第２の反射ミラー１９によって反射されてワーク方向へ指向したレーザ加工用のレーザ光の軸心と一致してある。したがって、前記各点光源５９は、レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から、前記第２の反射ミラー１９を透過して前記保護ガラス３１を照明（照射）することになる。よって、保護ガラス３１は複数の点光源５９によって全面的に照射されることになる。保護ガラス３１に付着した汚れ物質に検出光が照射されると、汚れ物質の部分において検出光が乱反射され検出光が保護ガラス内を伝搬されて、光ファイバ３３の一端部に入射される。そして、乱反射した検出光が光センサによって検出されることにより、保護ガラス３１に汚れ物質が付着したこととして検出される。

　保護ガラス３１に対する汚れ物質の付着量が多くなり、光センサの検出値が予め設定してある基準値より大きくなったときには、保護ガラス３１の交換が行われる。上記構成により、保護ガラス３１の全面に亘って汚れ物質の付着を検出することができるものである。

　前記照明ハウジング５１の上部には、ワークのレーザ加工位置を撮像するＣＣＤカメラなどのごとき２次元撮像手段６１が備えられている。この場合、前記照明手段５３がリング状であって中央部に貫通穴５５を備えた構成であるから、前記撮像手段６１は前記貫通穴５５を透過してレーザ加工位置を撮像することができる。したがって、レーザ加工位置の状態を、レーザ光と同軸の関係において撮像することができ、レーザ加工状態をより正確に観察することができるものである。

　以上のごとき説明より理解されるように、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラス３１に対する検出光の照射は、レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から全面的に行われるので、保護ガラス３１の例えば周縁部の片寄った位置に汚れ物質が付着したような場合であっても容易に検出することができるものである。よって、保護ガラスの全体的な汚れ状態を検出することができ、保護ガラスの交換を適正に行うことができるものである。

　また、前記保護ガラス３１に対して検出光を照射する照明手段５３は中央部に貫通穴５５を備えたリング状に構成してあるので、ＣＣＤカメラなどのごとき撮像手段６１を、当該照明手段５３と同軸上に配置することができ、全体的構成のコンパクト化を図ることができるものである。

　さらに、エアーカーテンを形成するためのエアー噴出手段３５を備えていることにより、飛散して保護ガラス３１に付着する汚れ物質を吹き飛ばすことができ、汚れ物質の付着による保護ガラス３１の劣化を抑制して長寿命化を図ることができるものである。

　図４は、第２の実施形態に係る検出光照射手段の構成を示すものである。この第２の実施形態に係る検出光照射手段６３は、リング状の支持部材６５を備えており、この支持部材６５には、例えばLEDなどのごとき複数の光源６７が周方向にほぼ等間隔に備えられている。前記各光源６７は、放射内方向へ検出光を照射するように、放射内方向を指向して備えられているものである。なお、前記各光源６７の指向方向は、必ずしも水平方向でなく、斜め下方向を指向していてもよいものである。

　そして、図５に示すように、前記検出光照射手段６３の下側に、前記保護ガラス３１が備えられるものである。より詳細には、前記レンズハウジング７の下部には、ボルト等のごとき取付具によって環状の照明ハウジング６９が一体的に取付けてあり、この照明ハウジング６９内に前記検出光照射手段６３が備えられている。

　前記各光源６７から放射内方向へ照射された検出光を前記保護ガラス３１方向へ反射するために、前記支持部材６５の内側には、前記照明ハウジング６９に一体的に備えられた筒状の反射部材７１が備えられている。そして、この反射部材７１の外周面には、下側が小径になるテーパ状の反射面７３が形成されている。筒状の前記反射部材７１における前記反射面７３よりも下側の部分は前記保護ガラス３１に近接するように、下方向に長く形成してある。

　前記構成により、前記各光源６７から放射内方向へ照射される検出光は、反射部材７１における反射面７３によって保護ガラス３１の方向、すなわち下方向に反射されることになる。したがって、前記保護ガラス３１に汚れ物質が付着しているような場合、汚れ物質の付着を検出することができるものである。

　なお、前記保護ガラス３１は、前記照明ハウジング６９の下側に着脱可能に備えられたリング状のガラスホルダ７５に着脱交換可能に備えられているものである。したがって、保護ガラス３１の汚れが進行したときには、別個の新しい保護ガラスと交換することができるものである。

　本発明によれば、検出光照射手段からの検出光はレーザ光の光軸に対して傾斜してあって、保護ガラスに照射することができる。したがって、保護ガラスの周縁付近に汚れが生じている場合であっても容易に検出することができる。よって、保護ガラスの全体的な汚れ状態を検出することができ、保護ガラスの交換を適正に行うことができる。

　（米国指定）
　本国際特許出願は米国指定に関し、２０１１年８月９日に出願された日本国特許出願第２０１１－１７３７１３号および２０１２年８月３日に出願された日本国特許出願第２０１２－１７２８５５号について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (6)

1. 　レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズと、
   　当該集光レンズを保護するために当該集光レンズのワーク側に備えられた保護ガラスと、
   　当該保護ガラスの汚れを検出するための汚れ検出手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、
   　前記レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から前記保護ガラスに検出光を照射するための検出光照射手段を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 　前記検出光照射手段はリング状部材を備え、このリング状部材の内周面に形成したテーパ面に複数の点光源を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 　前記検出光照射手段は、リング状の支持部材に、放射内方向に検出光を照射する複数の光源を周方向にほぼ等間隔に備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
4. 　前記リング状の前記支持部材の内側に、前記各光源から照射された検出光を前記保護ガラス方向へ反射する反射面を外周面に備えた筒状の反射部材を備えていることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工ヘッド。
5. 　前記保護ガラスのワーク側に、汚れ物質を一方向へ吹き飛ばすエアーカーテンを形成するためのエアー噴出手段を備えていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。
6. 　前記集光レンズと前記保護ガラスとの間に、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記保護ガラス方向へ反射するレーザ光反射手段を備え、当該レーザ光反射手段によって反射されたレーザ光の進行方向の反対側に、ワークのレーザ加工位置を撮像する撮像手段を備えていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。

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