(57)【要約】【課題】レーザ溶接加工機において、溶接物からのヒュームの飛散付着物による汚染からレーザヘッドを守る保護ガラスについて、当該レーザ溶接光の側面方向への散乱光に基づく保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及び保護ガラスの汚れ検知方法を実現することを目的とする。【解決手段】スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接機の保護ガラスに対して略垂直に入射される加工用レーザ光の保護ガラスの側面からの散乱光を検知するフォトセンサと、  フォトセンサの電流出力を、多芯ケーブルを用いた低ノイズ伝送に耐えうる電圧に変換するＩ−Ｖ変換部と、Ｉ−Ｖ変換部の電圧出力を差動変換して差動出力する差動変換回路と、を備える検知部を、保護ガラスのホルダに固定された状態で備える保護ガラスの汚れ検知装置とする。【選択図】図１
2020179405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接機の保護ガラスに対して略垂直に入射される加工用レーザ光の前記保護ガラスの側面からの散乱光を検知するフォトセンサと、
前記フォトセンサの電流出力を、多芯ケーブルを用いた低ノイズ伝送に耐えうる電圧に変換するＩ−Ｖ変換部と、
前記Ｉ−Ｖ変換部の電圧出力を差動変換して差動出力する差動変換回路と、を備える検知部を、前記保護ガラスのホルダに固定された状態で備える
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の保護ガラスの汚れ検知装置において、
前記散乱光は、前記保護ガラスに付着したヒュームにより散乱されるものであり、
前記フォトセンサは、前記保護ガラスの側面において当該側面に向けて配置される赤外用フォトダイオードである
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の保護ガラスの汚れ検知装置において、
前記加工用レーザ光は、赤外光の波長である
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の保護ガラスの汚れ検知装置において、
前記フォトセンサは、前記保護ガラスの側面方向からの散乱光を受光するが、加工対象物からの反射光は受光しない狭指向特性を有する
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の保護ガラスの汚れ検知装置において、
前記フォトセンサは、加工用レーザ光の波長近辺のみを受光し、加工対象物からの熱放射を受光しない
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の保護ガラスの汚れ検知装置と、
前記フォトセンサの出力の経時変化と加工用レーザ光の移動プロファイルとを関連させることにより、前記保護ガラスの汚れ付着箇所を特定する信号処理装置と、を備える
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知システム。
【請求項７】
請求項６に記載の保護ガラスの汚れ検知システムにおいて、
前記フォトセンサの出力の経時変化をグラフ化して表示する表示装置を備える
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知システム。
【請求項８】
請求項６に記載の保護ガラスの汚れ検知システムにおいて、
前記信号処理装置の汚れ付着箇所の出力を、前記保護ガラスの汚れ付着位置と関連付して表示する表示装置を備える
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の保護ガラスの汚れ検知システムにおいて、
前記散乱光を検出する場合に、加工対象物の付近で空中に漂うヒュームを吹き飛ばすエア噴射装置をさらに備える
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の保護ガラスの汚れ検知装置を用いた保護ガラスの汚れ検知方法において、
前記フォトセンサで前記保護ガラスの側面からの散乱光を検出する検出工程と、
前記フォトセンサの出力を前記Ｉ−Ｖ変換部で電流−電圧変換する工程と、
変換された前記電圧を、前記差動変換回路で差動変換して差動出力する工程と、を有する
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の保護ガラスの汚れ検知方法において、
前記検出工程と同時に、加工対象物の付近で空中に漂うヒュームを吹き飛ばすエア噴射工程を遂行する
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法において、
前記保護ガラスのヒューム付着に起因する汚れを検出する工程と、
検出した前記保護ガラスの汚れを、前記フォトセンサの出力の経時変化としてグラフ化して表示する表示工程と、を有する
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法において、
前記保護ガラスのヒューム付着に起因する汚れを検出する工程と、
検出した前記保護ガラスの汚れを、前記保護ガラスの汚れ位置と関連付して表示する表示工程と、を有する
ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接加工機等において、溶接物からのヒュームの飛散付着物による汚染からレーザヘッドを守る保護ガラスについての保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及びその検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工時には、溶接材からのヒューム（金属蒸気等）により、加工ヘッドのレンズの前面に配置された保護ガラス表面が汚染されていく。保護ガラスの汚染が累積すると、レーザ出力の低下、焦点シフト等が起こり、加工状態に影響を与えてしまうため、使用者は都度、保護ガラスの洗浄、もしくは交換を行っている。
【０００３】
しかし、保護ガラスは高出力レーザで一定の透過率を得るために高額な製品を採用していることが多く、一般にはコスト低減のために許容範囲の限度まで使い続けたい要望が強い。現状では、保護ガラス洗浄、交換のタイミングは定期的な目視確認での使用者の判断で行っているが、使用者の主観的判断に頼られていることが多く、保護ガラス交換の前後で加工状態が変化してしまったり、必要以上に早い段階で交換してしまい、生産コストが増大しているケースが見られる。この問題を解決するため、保護ガラスの交換時期を数値的に判断できる製品の開発が求められている。
【０００４】
ここで、下記特許文献１には、”レーザ機械加工工程中にかかる保護ガラスは加工物から除去された粒子によりますます汚くなり、従ってガラスを通過するレーザビームは重大な影響を受け従ってまた機械加工工程も重大な影響を受ける。入射レーザ光線の幾らかはガラス表面に集まった汚れ、ダスト及び煙粒子により吸収されかつ散乱される。散乱した光線の一部は保護ガラス壁により集められ外向きにガラス板の周辺部に向けられる。ガラス表面上の汚れ及びダスト粒子が多ければ多いほど入射レーザビームの散乱は多い。光線の吸収された部分は温度上昇をもたらす。”ことが記載されている。
【０００５】
さらに、特許文献１には、”入射レーザビームはまた作用する機械加工ビームであるので、ビームのかかる吸収及び散乱は焦点の合ったビームの出力密度が減少するので問題である。これは溶接能力が減少するのでレーザ溶接システムでは特に不利益である。またそれは小さな複雑な型彫り模様がレーザビームにより作られるスウェーデン特許９４０３３４９−５に示された形式のレーザ型彫りシステムにおいても不利益である。もしビームが散乱効果のために鮮明でないなら、レーザビームにより作られた模様またはスクリプトの良好な品質は維持されることができない。”ことが記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献１には、”しかし、既述のように、レーザー機械加工はまた小さな煙粒子を発生する。これらの粒子は如何なる散乱光線も起こさず、代わりにそれらはレーザー効果の吸収を起こし、これは保護ガラス及びそれを取り囲む機械的取り付け部分、特に保護ガラスに熱的に連結されている機械的部分にもたらされる温度上昇のために更になお有害でありうる。”ことが記載されている。すなわち、特許文献１には、従来、煙粒子（ヒューム）による保護ガラスの汚染については、レーザ光の散乱による検出は不可能であって、このため温度上昇を検知する温度センサによって汚れを検知する技術思想を採用することが開示されている。特に、特許文献１では、スポット加工用のレーザヘッドを用いた技術思想が開示されているものであるが、スキャナーヘッドを用いる場合には保護ガラスの汚染面積及び汚染箇所による品質バラツキ等がより広範囲に影響するものとなるところ、ヒューム等付着の対策や対処法は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５１５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１には、熱検出器１０と光検出器８とを保護ガラスの端部取付け部に配置されたセンサカード１１にセットして、ガラス温度の上昇や散乱光を検出することが開示されている。しかし、光検出器８により散乱光を検出しようとする場合に、当該散乱光には多くの雑音光が混在していることから、真に保護ガラスのヒューム汚れ検知に有用な散乱光を抽出して検知することは従来困難であることが明記されている。特許文献１に明記されているように、保護ガラスのスパッタ汚れはレーザ散乱光で検知できる反面、保護ガラスのヒューム汚れはレーザ散乱光で検知できず、このため従来、当該保護ガラスの温度上昇をモニターすることによりヒューム汚れを検出する技術思想として実現されている。換言すれば、ヒューム汚れ（曇り）を検出する手段として側面方向へのレーザ散乱光を利用することは不可能であるとの認識が技術常識であった。
【０００９】
従って、本発明は上述の技術常識を打ち破り、レーザ溶接加工機において、溶接物からのヒュームの飛散付着物による汚染からレーザヘッドを守る保護ガラスについて、当該レーザ溶接光の側面方向への散乱光に基づく保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及び保護ガラスの汚れ検知方法を実現することを目的とする。さらに好ましくは、スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接加工機における、保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及び保護ガラスの汚れ検知方法を実現することを目的とする。従来、保護ガラスの側面からの散乱光では検出不可能であった保護ガラスのヒューム付着を検知可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するために、本発明では、スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接機の保護ガラスに対して略垂直に入射される加工用レーザ光の保護ガラスの側面からの散乱光を検知するフォトセンサと、フォトセンサの電流出力を、多芯ケーブルを用いた低ノイズ伝送に耐えうる電圧に変換するＩ−Ｖ変換部と、Ｉ−Ｖ変換部の電圧出力を差動変換して差動出力する差動変換回路と、を備える検知部を、保護ガラスのホルダに固定された状態で備える保護ガラスの汚れ検知装置とする。
【００１１】
また、本発明では、好ましくは上述に記載の保護ガラスの汚れ検知装置と、フォトセンサの出力の経時変化と加工用レーザ光の移動プロファイルとを関連させることにより、保護ガラスの汚れ付着箇所を特定する信号処理装置と、を備える保護ガラスの汚れ検知システムとする。
【００１２】
また、本発明では、好ましくは上述の保護ガラスの汚れ検知装置を用いた保護ガラスの汚れ検知方法において、フォトセンサで保護ガラスの側面からの散乱光を検出する検出工程と、フォトセンサの出力をＩ−Ｖ変換部で電流−電圧変換する工程と、変換された前記電圧を、差動変換回路で差動変換して差動出力する工程と、を有する保護ガラスの汚れ検知方法とする。
【００１３】
また、本発明では、好ましくは保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法において、保護ガラスのヒューム付着に起因する汚れを検出する工程と、検出した保護ガラスの汚れを、フォトセンサの出力の経時変化としてグラフ化して表示する表示工程と、を有する保護ガラスの汚れ検知方法とする。
【００１４】
また、本発明では、好ましくは保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法において、保護ガラスのスパッタ付着に起因する汚れを検出する工程と、検出した保護ガラスの汚れを、保護ガラスの汚れ位置と関連付して表示する表示工程と、を有する保護ガラスの汚れ検知方法とする。
【００１５】
また、本発明の方法ではさらに好ましくは、検出工程と同時に、加工対象物の付近で空中に漂うヒュームを吹き飛ばすエア噴射工程を遂行するものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、レーザ溶接加工機において、溶接物からのヒュームの飛散付着物による汚染からレーザヘッドを守る保護ガラスについて、当該レーザ溶接光の側面方向への散乱光に基づく保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及び保護ガラスの汚れ検知方法を実現できる。さらに好ましくは、スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接加工機における、保護ガラスのヒューム汚れ検知装置及び保護ガラスの汚れ検知方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の保護ガラスの汚れ検知システムの全体構成概要を説明する図である。
【図２】保護ガラスの汚れ検知システムの構成概要を、レーザ加工装置との関係で説明する図である。
【図３】（ａ）は本実施形態のヒューム汚れの検出について説明する図であり、（ｂ）は本実施形態のスパッタ汚れ付着位置の特定について説明する図である。
【図４】（ａ）は本実施形態におけるスパッタ付着時の検出値を説明する図であり、（ｂ）は本実施形態におけるヒューム付着時の検出値を説明する図である。
【図５】保護ガラスの汚れ検知部の仕様及び専用モニタの仕様を説明する図である。
【図６】（ａ）は保護ガラスホルダと保護ガラス汚れ検知部とについて全体形状等を説明する図であり、（ｂ）は専用モニタの外形を説明する図である。
【図７】（ａ）は検知部の構成概要を説明するブロック図であり、（ｂ）は専用モニタの構成概要を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明により、レーザ溶接機のスキャナ式レーザヘッドを、溶接対象物からのスパッタ飛散や蒸散したヒュームの付着による汚染から保護するための保護ガラスのヒューム汚れを信頼性高く・的確に検出・検知することが可能な保護ガラスの汚れ検知装置及び構造とできる。保護ガラスは、スキャナ式レーザヘッドと溶接対象物との間に配置されて、レーザ溶接工程やレーザ加工工程により必然的に発生するスパッタやヒュームがレーザヘッドに直接に付着することを防止する。
【００１９】
スポット加工用のレーザヘッドを用いる場合には、加工用レーザ光が保護ガラスに対して動かないので、保護ガラスにおける加工用レーザ光の透過箇所が常に一定領域であるところのスポット状となる。このため、保護ガラスのうちの当該レーザ光透過に寄与する箇所のみの汚染有無が影響し問題となる。
【００２０】
一方、スキャナーヘッドを用いる場合には、試料ワークステージの移動に加えてまたはそれに代えて、加工用レーザ光それ自体が保護ガラスに対して移動するものとなるので、広くスキャンする場合には保護ガラスのほぼ全面領域に対する汚染有無が問題となる。この場合には、仮に、保護ガラスの殆ど全部の領域にヒューム付着汚染がなかったとしても、ごく一部の領域（例えば保護ガラスのレーザの照射ライン上）にでもスポット的にヒューム汚染が生じた場合には、当該汚染箇所をレーザスキャナして加工用レーザ光が透過する場合に加工品質が均一に維持できないものとなる。このため、スキャナーヘッドを利用する場合には、保護ガラス全体に対してより精細にかつより広範囲にヒューム付着に関する情報を得て汚染有無を判断する必要が生じる。
【００２１】
また、保護ガラスのスパッタ汚れ等の位置が正確に把握できていれば、当該汚れ位置を避けるようなレーザスキャン加工も可能であるし、予定されているレーザスキャンコースが汚れ位置を外れて通過しないのであれば、当該汚れた保護ガラスであってもそのまま問題無く使用することも可能である。この点、目視等による従来の汚れの確認方法では、既に保護ガラスが汚れていることが確認できる場合には、汚れ位置の関係で仮に加工に問題がない場合であっても、やむを得ず交換等のメンテナンス処置が必要になっていた。本発明では、従来は検知が困難であったヒューム汚れの有無や好ましくは汚れの程度（閾値設定による交換時期の報知）や、さらに好ましくはスパッタ汚れの位置を正確に把握することができるので、不要なガラス交換を止めて適切にメンテナンスすることができる。
【００２２】
本発明により、保護ガラスの端面（側面）で加工用レーザ光の散乱光をモニターすることにより、保護ガラスの表面のヒューム汚れ付着程度を把握することが可能である。しかし、保護ガラスの端面に到達する光には、ヒューム等により散乱された加工用レーザ光それ自体の散乱光に加えて、溶接対象物から反射された反射光や溶接対象物から発生したプラズマ光、熱放射光、ラマン散乱光等種々の放射光及び溶接物から発生した霧状のヒュームにより散乱された光を含むものである。しかし、このような溶接対象物等からの戻り反射光等からは、保護ガラスのヒューム汚れ程度を把握する情報は得ることができない。従って、本発明では、保護ガラスに付着したヒュームの情報を含む散乱光のみを効果的に取得・検知するように、狭指向性のフォトダイオードを使用し、かつ検出波長も加工用レーザ光に整合する１０４５ｎｍ乃至１０７５ｎｍの範囲で典型的には１０６０ｎｍの波長を検知する波長感度特性を有する光電変換素子を利用するものとする。
【００２３】
本発明においては、保護ガラスの端面から放出される散乱光をその場で光電変換し、Ｉ−Ｖ変換素子で多芯ケーブルでの伝送が可能な電圧へ変換し、当該電圧を低ノイズで効率良く伝送可能なように差動出力として信号を伝送する。このため、保護ガラスのホルダに対して一体的に固定される検知部の構成とする。検知部は、例えばボルト等の係止具で保護ガラスホルダに対して脱着可能に固定されるものとしても良いし、脱着不可能に固定しても良い。２．５Ｖ基準の電圧信号として検知部から出力伝送されるので伝送中にノイズの影響を受けることが無く、微小なヒューム検知信号を差動電圧として確実にモニタ等表示部や制御装置等に伝送することができる。
【００２４】
また従来は、レーザ加工作業時間を目安として、例えばレーザ加工を５００時間遂行したら保護ガラスの交換等メンテナンスを行うものとしていた。あるいは、保護ガラスの温度上昇をモニターして、ある程度以上温度上昇が検知されれば保護ガラスの交換等メンテナンスを行うものとしていた。しかし、汚れの進行程度はレーザ加工条件や加工対象物等の種々の条件によって大きく異なるものであるから、単純に経過時間や温度のみでは現実の保護ガラスの汚れ程度とは大きく乖離する場合も少なからず生じていた。本発明により、従来の時間や温度によるメンテナンス時期の間接的な検知・報知に代えて、またはそれらと共に、保護ガラスの現実のリアルタイム汚れモニターが可能となるので、より的確かつ正確な保護ガラスの交換等メンテナンス時期の把握及びオペレータへの報知等が可能となる。
【００２５】
スキャナ式レーザヘッドは、レーザヘッドそれ自体が駆動されて加工したり、レーザヘッド位置は固定状態でレーザ照射方向のみが加工内容に応じて変更制御されたりするものであり小型軽量化が求められ、スペース的にはあまり余裕が無く、かなり厳しい環境である。しかし、本発明では、保護ガラスのホルダに固定される検知部とすることにより、保護ガラスの端面でその場検出が可能となり、ヒューム等に基づく従来検知不可能であった微小な散乱光についても、高い精度で検知可能となったものである。そこで、以下図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の保護ガラスの汚れ検知システム１０００の全体構成概要を説明する図である。図１（ａ）において、保護ガラスの汚れ検知システム１０００は、保護ガラスホルダ１１００にネジ固定された検知部１２００と、波形表示機能を有さず数値ディジタル表示機能のみのモニタ１３００または専用モニタ１４００と、を備える。保護ガラスホルダ１１００は不図示のスキャナーヘッドの先端に保護ガラスを装着する為に取り外し可能に固定される。そして、検知部１２００は、その保護ガラスホルダ１１００に、好ましくは取り外し可能に装着固定される。スキャナヘッダ周辺は、スペース的な余地があまり存在せず、新たに大型の検出装置等を配置することは困難であるが、保護ガラスホルダ１１００に装着実装される小型軽量の検知部１２００とすることで、効果的に保護ガラスの端面（側面）からの散乱光を検知することが可能となる。後に詳述するが、検知部１２００にはフォトセンサや、好ましくはＩ−Ｖ変換回路、作動回路等が含まれている。
【００２７】
また、図１（ｂ）において、実施形態の保護ガラスの汚れ検知システム１０００に関する機能・効果の説明をしているものであるが、特徴点の一つとしては、従来、目視等では判断し得ない程度の微小なヒューム汚染の増大や経時変化を数値化したりグラフ化したりして視覚化することが可能となったことが挙げられる。すなわち、図１（ｂ）に示すように、溶接不良が発生した後の目視確認や定期確認によってはじめて把握されていたヒューム汚れが、溶接不良が発生する前に検知し、その汚れ程度を数値化して把握することが可能となる。
【００２８】
そのために、保護ガラスの汚れ検知システム１０００は、保護ガラスの端面から放出される加工用レーザ光の（保護ガラス表面に付着したヒューム粒子に起因する）散乱光を検出する。ヒュームは保護ガラスの試料側に付着するため、保護ガラス表面から出射しようとする加工用レーザ光のうち微小なヒューム粒子に衝突した光は、ガラス内に戻されて端面に到達する。このような散乱光は、スパッタ等では極めて大きく従来検知されていたが、ヒュームに関しては従来あまりに微小な故に検知することができなかった。
【００２９】
また、図１（ｂ）に示すように、保護ガラスが新品の時の散乱光の検出強度を基準値として、その基準値からその程度増大したかを比較して把握することにより、精確なヒューム汚れの程度が認識・判定可能となる。このような判定において、例えばやや汚れが増大してきた程度（例えば、新品時の１０倍）を示す”注意”段階、そして加工品質に影響を及ぼしすぐに保護ガラスの交換やメンテナンスが必要な（例えば、新品時の１５倍）”異常出力”の２段階でオペレータに報知するものとしてもよい。そして、専用モニタ１４００では、外部及び波形トリガでインライン測定してもよく、測定値の経時変化や履歴を専用モニタ１４００にグラフ化や表により視認し易い態様で表示するものとしてもよい。外部のパソコン等からも制御可能としてもよいし、加工用レーザ光と同期するようにタイミング信号等によって制御することもできる。
【００３０】
また、図２は、保護ガラスの汚れ検知システム１０００の構成概要を、レーザ加工装置２５００との関係で説明する図である。図２（ａ）に示すように、レーザ加工装置２５００で生成された加工用レーザ光は、光ファイバ２８００を介してスキャナーヘッド２６００へ伝達される。スキャナーヘッド２６００で加工対象試料への加工パターン等に応じて加工用レーザ光の出射方向や好ましくはその強度等が調整されて、保護ガラスホルダ１１００に周囲を保持された保護ガラスを介してワークステージ２７００上の加工対象物へ加工用レーザ光が照射される。
【００３１】
また、検知部１２００から出力された散乱光の検知信号は、差動電気信号として多芯ケーブル１１１０を経由して専用モニタ１４００に表示させることができる。また、検知データや演算データ等は、例えばパソコン１５００などに保存することも可能である。また、パソコン１５００からデータの表示等に関する各種制御を行うものとしてもよい。パソコン１５００は、データ保存機能と、外部から遠隔制御可能とするように、専用モニタ１４００をレーザ加工室外部から遠隔制御する１／Ｏとして機能するものとしてもよい。
【００３２】
さらに、図２（ｂ）に示すように、加工用レーザ光が保護ガラスを通過する場合にその表面に付着しているヒューム汚れによって散乱された散乱光が保護ガラス内へと戻されて保護ガラスの端面に到達し、その一部が端面から保護ガラス外部へと放射される。このような微小な散乱光をフォトセンサで検知するものであるが、新品当初の初期状態の保護ガラスは、ヒュームの付着が無いので散乱光は極めて少なく測定値は底値といえる小さい状態である。仮に、加工に伴いスパッタが保護ガラス表面に付着した場合において、当該スパッタ上を加工用レーザ光が通過スキャンすれば、散乱光が局所的に増大して検知する測定値がその時点で極大化する。従って、スパッタ汚れの付着箇所を特定可能である。一方、スポット用レーザヘッドの場合には保護ガラスのレーザ光通過位置は、一般に常に一定となるので、このような検出現象は生じない。
【００３３】
逆に考えると、加工用レーザ光が当該スパッタを通過することなくスキャンコースを透過し、その透過コース上に他のスパッタ等の汚れ付着が存在しないのであれば、そのスパッタ汚れはそのスキャンに関する加工においては何ら影響無く問題はない。また、仮にスパッタ上をスキャンするような加工パターン等であっても、スパッタ粒子が十分に小さく加工品質に影響しない程度のものであれば、加工には何ら差し支えないものとなる。このような加工への影響有無の判断は、目視では現実的には不可能である。しかし、本実施例の技術思想によれば、図２（ｂ）に示すように、あらかじめ加工に影響を及ぼさない汚れの検知測定値を判定基準に設定することによって、加工に影響を及ぼすサイズのスパッタが付着した測定結果でＮＧ判定とすることができる。従って、加工不良を最小限に抑えることが可能となる。
【００３４】
また、図３（ａ）は本実施形態のヒューム汚れの検出について説明する図であり、図３（ｂ）は本実施形態のスパッタ汚れ付着位置の特定について従来との比較で説明する図である。図３（ａ）に示すように、本実施形態では加工用レーザ光が保護ガラスを透過しようとする場合に、その表面に付着したヒュームに起因する散乱光を検出する。新品の保護ガラスにおいては散乱光は極めて少なく測定値は極めて小さい値となるが、溶接加工等の進捗経過時間に対応してヒューム付着は増大していき測定検出値も増大していく。この場合に、ヒューム汚れは曇りガラス様であるのでスパッタ等に比較すると目視ではその曇り増大程度の把握が極めて困難である。スパッタは粒子が大きくかつ粒子の光遮蔽作用が大きいので付着しているか否かの目視判断が比較的容易であるが、曇りガラス態様のヒュームによる光透過率の増大程度を精確に目視判断することは極めて困難である。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、あらかじめ加工に影響を及ぼさない汚れの検知測定値を判定基準に設定することによって、加工不良の発生前に最適なタイミングで、加工に影響を及ぼす程度のヒュームが付着した測定結果取得時点でＮＧ判定とすることができるので、保護ガラスのクリーニングタイムを把握することができ、加工不良を最小限に抑えることが可能となる。
【００３６】
また、図３（ｂ）に示すように、従来は、保護ガラスにスパッタ汚れ等が付着した事実を目視確認することまでは可能であったが、はたして現実の加工に影響する程度の汚れ大きさや程度・位置であるか否かについてはオペレータ側に情報が無く判断することが全くできなかった。このため、スパッタ等が発見された時点で、品質不良を回避するために念のためにガラス交換をする等の対処となっていた。しかし、本実施形態によって、現実の加工に影響する程度である場合にＮＧ判定をするものとし、測定した波形でスパッタの影響を確認することが可能となる。具体的には、保護ガラス面のレーザ光が透過した領域のみの散乱光をガラス端面で検出することにより、１）レーザ光透過エリア中心付近のスパッタでは測定値が増加して極大値をとり、２）レーザ光透過エリア外周付近のスパッタでは測定値の増加が小さく、３）レーザ光透過エリア外のスパッタでは測定値の増加が極めて小さいことから、それぞれ判断可能となる。
【００３７】
また、図４（ａ）は本実施形態におけるスパッタ付着時の検出値を説明する図であり、図４（ｂ）は本実施形態におけるヒューム付着時の検出値を説明する図である。図４（ａ）に示すようにスキャナーヘッドが保護ガラス上をＸ軸方向にライン状にレーザ照射した場合には、そのスキャンコース上に位置するスパッタを通過した時に、そのスパッタの大きさ程度に応じた散乱光が検知される。このため、当該スパッタの大きさ程度と、その位置とを特定することが可能となるので、現実の加工スキャンコースとの関係で保護ガラスの交換要否を判断可能である。また、図４（ｂ）に示すように、ヒュームの保護ガラス表面への蓄積度に対応して散乱光の検出値が増大する。例えば、予め加工品質に影響を及ぼす前の汚れ程度を閾値として設定しておくことにより、適切なガラス交換タイミングを把握可能である。既存のパワーメータでは検知できない程度の微小な汚れ状態を検知することが可能である。特に、図４（ｂ）に示すように、ヒューム付着が徐々に進行していく場合において、ヒューム曇りの増大程度を目視等で逐次精確に把握することは現実的には不可能であるが、本実施形態では数値で把握可能である。
【００３８】
また、図５は、保護ガラスの汚れ検知システム１０００の仕様及び専用モニタ１４００の仕様を説明する図である。専用モニタ１４００は、適宜拡大表示したり増幅表示したり、時間軸を用いて経時変化グラフを示したりできることが好ましい。本実施形態では、加工用レーザ光の波長特性とフォトセンサの受光感度特性とを整合させるだけではなく、フォトセンサの受光の指向性についても狭くして保護ガラス端面から出射される散乱光のみを検知できるようにしている。また、初期状態の散乱光の測定値に対して、例えば１０倍の測定値となった場合に警告を発し、１５倍の測定値となった場合にＮＧ（即時メンテナンス又は交換）との報知をオペレータにするものとしてもよい。
【００３９】
また、図６（ａ）は保護ガラスホルダ１１００と保護ガラス汚れ検知部１２００とについて全体形状等を説明する図であり、図６（ｂ）は専用モニタ１４００の外形を説明する図である。図６に示すように、保護ガラスホルダ１１００に検知部１２００をネジ止め固定する構成態様とすることができ、多芯ケーブル１２１０によって検知信号を専用モニタ１４００等へ伝送するものとしてもよい。
【００４０】
また、図７（ａ）は検知部１２００の構成概要を説明するブロック図であり、図７（ｂ）は専用モニタ１４００の構成概要を説明するブロック図である。図７（ａ）に示すように、検知部１２００では保護ガラスの側面から放射される散乱光をフォトセンサで受光検知し、Ｉ−Ｖ変換回路で２．５Ｖ基準電圧信号に変換した後、差動出力が可能なように差動信号へと変換する。差動信号は、多芯ケーブル等により表示部等へ伝送されることができる。また、図７（ｂ）に示すように、専用モニタ１４００は、検知部１２００から伝送された差動信号を受信した後、Ｇａｉｎを切り替え、ＬＰＦで雑音等のフィルタリング処理をし、ＡＤＣ回路で変換してから各種の信号処理がされたり表示されたりすることができる。
【００４１】
一般に、保護ガラス付近にはスペース余地がなく、フォトダイオードだけを配置してフォトダイオードと回路間の伝送配線長が長くなると、フォトダイオードのハイインピーダンスの影響で雑音分が増加し、微小なヒューム等に起因する光量変化を電気信号に変換する事が従来はできなかった。また、従来、３Ｄスキャナレーザーでは一般的に、保護ガラスの汚れ監視装置本体をレーザヘッドの近くに配置する事は以下の観点からもできないものであった。すなわち、レーザ加工中の微小信号を観測する際に、レーザ駆動部やスキャナ可動部のエネルギーの極めて大きな信号からのノイズの影響を受けやすく、センサ部で検出した微小なヒューム汚れ時の微弱信号がセンサからモニタ本体間の配線途中で雑音に埋もれて伝達が困難であった。一方、本願実施例等においては、センサ部とモニタ本体間の信号伝達を差動方式としてノイズの問題を低減した。また、加工点からの反射の影響を受けたランダムな信号重畳分を除去する信号処理（スムージング）を測定値算出前に行う事により加工中の散乱光データを安定して取得できるようにした。また、スムージング方法は、設定したサンプリング回数の取得データを移動平均の様にアベレージを算出するのではなく、最低値を抽出して取得データとする事により、重畳した不要光の影響を受けていないデータだけを繋げて波形データを作成する。汚れ具合の判定基準に、測定値の絶対値ではなく、新品時の測定値を基準とした比較値で判定する事により、微小な測定値差でも閾値設定を容易にした。
【００４２】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知装置は、スキャナーヘッドを用いたレーザ溶接機の保護ガラスに対して略垂直に入射される加工用レーザ光の保護ガラスの側面からの散乱光を検知するフォトセンサと、フォトセンサの電流出力を、多芯ケーブルを用いた低ノイズ伝送に耐えうる電圧（例えば２．５Ｖ基準の電圧信号）に変換するＩ−Ｖ変換部と、Ｉ−Ｖ変換部の電圧出力を差動変換して差動出力する差動変換回路と、を備える検知部を、保護ガラスのホルダに固定された状態で備えることを特徴とする。これにより、ノイズ成分を低減してＳ／Ｎ比が良好なヒュームに起因した散乱光を抽出して、その強度の経時変化を把握することが可能となる。初期状態からの散乱光の増大程度を把握することにより、ヒュームの現在付着程度や付着程度の経時変化を知ることができ、目視では分別認識できないようなヒューム付着の増大についても適切に把握して保護ガラスの交換やメンテナンスを適切に遂行することが可能となる。また、ヒューム付着の検出・検知手段として従来は必須の構成手段であった保護ガラスの温度モニターについても、これに依拠しなくても判断可能となる。
【００４３】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知装置は、好ましくは散乱光が、保護ガラスに付着したヒュームにより散乱されるものであり、フォトセンサは、保護ガラスの側面において当該側面に向けて配置される赤外用フォトダイオードであることを特徴とする。これにより、赤外光として散乱される散乱光を、保護ガラスの側面（端面）において適切に取り込むことが可能となる。また、ヒューム以外の例えばスパッタ等によっても散乱光は発生することが知られているが、スパッタ粒子等はヒューム粒子（金属等蒸気付着等）に比較して十分に大きく、このため極めて明確かつ強大な散乱が発生する。一方、ヒューム付着による散乱は、従来、温度計測による温度上昇から間接的に把握すること以外に把握手段が知られていなかったが、本願実施例等によって、ヒュームについても散乱光の増大を検知して把握することが可能となった。
【００４４】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知装置は、さらに好ましくは加工用レーザ光が、赤外光の波長であることを特徴とする。赤外領域のレーザ加工には一般に１０６０ｎｍ前後の波長が用いられることが多い。このため、保護ガラスへのヒューム付着による散乱光も、１０６０ｎｍ前後の波長となるので、これを検出して強度や散乱量を把握することで保護ガラスのヒューム汚れ程度を検出把握可能となる。
【００４５】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知装置は、さらに好ましくはフォトセンサが、保護ガラスの側面方向からの散乱光を受光するが、加工対象物からの反射光は受光しない狭指向特性を有することを特徴とする。また、本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知装置は、さらに好ましくはフォトセンサが、加工用レーザ光の波長近辺のみを受光し、加工対象物からの熱放射を受光しないことを特徴とする。
【００４６】
これにより、フォトセンサやフォトダイオードの受光するべき光の指向性については種々のものが知られているが、本発明においては狭指向性とすることが好ましい。従来、保護ガラスの端面でより広範な散乱光の収集を企図する観点から広指向性のフォトセンサが選択使用される傾向にあったが、本実施形態ではむしろ狭指向性として保護ガラスの内部から側面（端面）で放出されてくる散乱光以外の光についてはピックアップしないようにすることが好ましい。典型的には、加工箇所からの二次的な反射光や高次高調波や加工試料付近のヒュームからの反射光、熱放射等については検出しないようにする。保護ガラスの表面のヒューム付着に起因する散乱光は、従来、検知ができない程微小なものであることから、それ以外の信号成分が混入されないようにすることが、より精度の高い検知・検出の観点から好ましい。
【００４７】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知システムは、上述のいずれかに記載の保護ガラスの汚れ検知装置と、フォトセンサの出力変化と加工用レーザ光の移動プロファイルとを関連させることにより、保護ガラスの汚れ付着箇所を特定する信号処理装置と、を備えることを特徴とする。例えば、フォトセンサが現在ただいま検出している散乱光の信号が、保護ガラスのどの位置に該当する信号であるのか、についてのアドレス情報を紐づけることにより、保護ガラスの汚れマップを作成することも可能となる。また、例えばフォトセンサの検出値の経時変化とその時間中にスキャン移動した保護ガラス表面における距離間隔とを関連付けしてもよく、その他の公知の方法を適用してもよい。スキャナーヘッドによって、加工用レーザ光が透過する保護ガラスのポイントは変化する。加工用レーザ光が透過（通過）する予定コース上に、ヒューム汚れ等が無いのであれば保護ガラスをそのまま使用し続けても問題はない。すなわち、仮に、目視上は汚れが見いだされて一見すると保護ガラスの交換やメンテナンスが必要に思われる状態であっても、本実施形態により保護ガラス表面の加工用レーザ光通過コース内にその汚れがあるか否か等を正確に把握することも可能となる。
【００４８】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知システムは、好ましくはフォトセンサの出力の経時変化をグラフ化して表示する表示装置を備えることを特徴とする。また、本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知システムは、好ましくは信号処理装置の汚れ付着箇所の出力を、保護ガラスの汚れ付着位置と関連付して表示する表示装置を備えることを特徴とする。これにより、目視視認では明確な変化が把握しづらい微妙なヒュームの増大であってもその時間変化を的確に把握して閾値等を設けることにより、交換等の判断も適切に行える。金属蒸気等によるヒュームの付着は、薄曇りの軽い曇りガラスのような状態であるので、その変化の程度の把握が肉眼視認では極めて困難である。しかし、グラフ化して経時変化を示すことで閾値超えや汚れ増大程度を的確に把握可能となる。また、信号処理装置の汚れ付着箇所の出力を、保護ガラスの汚れ付着位置と関連付して表示する、すなわち保護ガラスの汚れ状態表示マップを作成し表示することにより、汚れの箇所を的確に把握してその位置から加工品質への影響有無を判断することが可能となる。すなわち、本実施形態においては典型的には、ヒューム汚れの程度とその位置とを把握することが可能となるものである。特に、スキャナーヘッドの場合には、保護ガラス表面上の中央付近だけではなく、周辺部も含めてかなり広い表面領域（典型的には全表面領域）に亘って加工用レーザ光が通過するものとなる。従って、保護ガラス表面における、レーザの通過予定コースと汚れの位置との関係性は極めて重要であり、これを事前に把握することでより品質の高いレーザ加工を低コストで実現することも可能となる。例えば、目視では同様に汚れているように見える二枚の保護ガラスの同一汚染状態であったとしても、汚れ付着位置（汚れ付着アドレス）等とレーザ光の通過コース（通過アドレス）との関係により、一方は継続使用可能であり他方は使用不可であるという状況が生じる場合も想定される。
【００４９】
本実施形態で説明する保護ガラスの汚れ検知システムは、さらに好ましくは散乱光を検出する場合に、加工対象物の付近で空中に漂うヒュームを吹き飛ばすエア噴射装置をさらに備えることを特徴とする。エア噴射装置は、例えば、公知のエアパージ手段やエアノズルを利用することができる。加工試料周辺には加工材料の蒸発等に伴うヒュームが漂う場合もあるが、これを適切に除去することによってそれに起因する散乱光や反射光、放射光を低減し好ましくは遮断することができる。従って、フォトセンサやフォトダイオードが保護ガラスのヒューム付着に起因する散乱光以外の雑音ノイズを拾う懸念をさらに低減できるものとなる。
【００５０】
また、本発明の保護ガラスの汚れ検知方法は、上述のいずれかに記載の保護ガラスの汚れ検知装置を用いた保護ガラスの汚れ検知方法であって、フォトセンサで保護ガラスの側面からの散乱光を検出する検出工程と、フォトセンサの出力をＩ−Ｖ変換部で電流−電圧変換する工程と、変換された電圧を、差動変換回路で差動変換して差動出力する工程と、を有することを特徴とする。
【００５１】
これにより、ノイズ成分を低減してＳ／Ｎ比が良好なヒュームに起因した散乱光を抽出して、その強度の経時変化を把握することが可能となる。初期状態からの散乱光の増大程度を把握することにより、ヒュームの現在付着程度や付着程度の経時変化を知ることができ、目視では分別認識できないようなヒューム付着の増大についても適切に把握して保護ガラスの交換やメンテナンスを適切に遂行することが可能となる。また、ヒューム付着の検出・検知手段として従来は必須の構成手段であった保護ガラスの温度モニターについても、これに依拠しなくても判断可能となる。
【００５２】
また、本発明の保護ガラスの汚れ検知方法は、好ましくは検出工程と同時に、加工対象物の付近で空中に漂うヒュームを吹き飛ばすエア噴射工程を遂行することを特徴とする。
【００５３】
エア噴射は、例えば、公知のエアパージ手段やエア噴射ノズルを利用することができる。加工試料周辺には加工材料の蒸発等に伴うヒュームが漂う場合もあるが、これを適切に除去することによってそれに起因する散乱光や反射光、放射光が、フォトセンサの検出値内に含まれる懸念を低減し好ましくは遮断することができる。従って、フォトセンサやフォトダイオードが保護ガラスのヒューム付着に起因する散乱光以外の雑音ノイズを拾う懸念をさらに低減できるものとなる。
【００５４】
また、本発明の保護ガラスの汚れ検知方法は、上述の保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法であって、保護ガラスのヒューム付着に起因する汚れを検出する工程と、検出した保護ガラスの汚れを、フォトセンサの出力の経時変化としてグラフ化して表示する表示工程と、を有することを特徴とする。また、本発明の保護ガラスの汚れ検知方法は、上述の保護ガラスの汚れ検知システムにおける保護ガラスの汚れ検知方法であって、保護ガラスのヒューム付着に起因する汚れを検出する工程と、検出した保護ガラスの汚れを、保護ガラスの汚れ位置と関連付して表示する表示工程と、を有することを特徴とする。
【００５５】
これにより、目視視認では明確な変化が把握しづらい微妙なヒュームの増大であってもその時間変化を的確に把握して閾値等を設けることにより、交換等の判断も適切に行える。金属蒸気等によるヒュームの付着は、薄曇りの軽い曇りガラスのような状態であるので、その変化の程度の把握が肉眼視認では極めて困難である。しかし、グラフ化して経時変化を示すことで閾値超えや汚れ増大程度を的確に把握可能となる。また、信号処理装置の汚れ付着箇所の出力を、保護ガラスの汚れ付着位置と関連付して表示する、すなわち保護ガラスの汚れ状態表示マップを作成し表示することにより、汚れの箇所を的確に把握してその位置から加工品質への影響有無を判断することが可能となる。すなわち、本実施形態においては典型的には、ヒューム汚れの程度とその位置とを把握することが可能となるものである。特に、スキャナーヘッドの場合には、保護ガラス表面上の中央付近だけではなく、周辺部も含めてかなり広い表面領域（典型的には全表面領域）に亘って加工用レーザ光が通過するものとなる。従って、保護ガラス表面における、レーザの通過予定コースと汚れの位置との関係性は極めて重要であり、これを事前に把握することでより品質の高いレーザ加工を低コストで実現することも可能となる。例えば、目視では同様に汚れているように見える二枚の保護ガラスの同一汚染状態であったとしても、汚れ付着位置（汚れ付着アドレス）等とレーザ光の通過コース（通過アドレス）との関係により、一方は継続使用可能であり他方は使用不可であるという状況が生じる場合も想定される。
【００５６】
本発明に係る保護ガラスの汚れ検知装置・システム及びその構造／方法等は、上述の説明及び図面に示す形状・構造／方法等に限定されるものではなく、本発明の射程の範囲内において、当業者の知り得る適宜公知または周知の手法等を用いて変形しアレンジし、モディファイしてもよいものである。
【符号の説明】
【００５７】
１０００・・保護ガラスの汚れ検知システム、１１００・・保護ガラスホルダ、１１１０・・多芯ケーブル、１２００・・検知部、１３００・・波形表示機能を有さず数値ディジタル表示機能のみのモニタ、１４００・・専用モニタ、１５００・・パソコン、２５００・・レーザ加工装置、２６００・・スキャナーヘッド、２７００・・ワークステージ、２８００・・光ファイバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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