(57)【要約】静電容量式ハイトセンサ（１０）は、レーザ加工ノズル（１）の先端に取り付けられたセンサ電極（１１）と、センサ電極（１１）に電圧信号を供給するとともに、センサ電極（１１）からの信号を検出してセンサ電極（１１）の先端とアースに電気的に接続された被加工物（５）との距離を計測する信号処理部（１３）と、センサ電極（１１）と信号処理部（１３）とを電気的に接続するケーブル（１２）とを備えている。信号処理部（１３）は、センサ電極（１１）からの信号が所定の値以上であるとき、ケーブル（１２）が断線していると判定する断線判定部を有している。
2018216275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工ノズルの先端に取り付けられたセンサ電極と、前記センサ電極に電圧信号を供給するとともに、前記センサ電極からの信号を検出して前記センサ電極の先端とアースに電気的に接続された被加工物との距離を計測する信号処理部と、前記センサ電極と前記信号処理部とを電気的に接続するケーブルとを有する静電容量式ハイトセンサであって、
前記信号処理部は、前記センサ電極からの信号が所定の値以上であるとき、前記ケーブルが断線していると判定する断線判定部を有していることを特徴とする静電容量式ハイトセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量式ハイトセンサにおいて、
前記所定の値は、前記センサ電極の先端と前記被加工物との距離がレーザ加工時の最大距離よりも大きい所定の距離であるときの前記センサ電極からの信号の値以上、前記信号処理部に前記ケーブルが接続されていないときの前記センサ電極からの信号の値以下の範囲にあることを特徴とする静電容量式ハイトセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の静電容量式ハイトセンサの前記センサ電極に電気的に接続され、レーザ光の出射経路及びレーザ加工時に供給されるアシストガスの流路を画定する第１のノズルと、
前記第１のノズルの外周を間隔をあけて囲むように設けられ、絶縁部材によって前記第１のノズル及び前記センサ電極と電気的に絶縁された第２のノズルとを備えることを特徴とするレーザ加工ノズル。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工ノズルにおいて、
前記第１のノズルと前記第２のノズルとが同電位になるように構成されていることを特徴とするレーザ加工ノズル。
【請求項５】
請求項３または４に記載のレーザ加工ノズルにおいて、
前記センサ電極に対して一定の静電容量を付加する構造をさらに備えることを特徴とするレーザ加工ノズル。
【請求項６】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を導波する光ファイバと、
前記光ファイバで導波されたレーザ被加工物に向けて照射する請求項３から５のいずれか１項に記載のレーザ加工ノズルと、
先端に前記レーザ加工ノズルが取り付けられ、前記レーザ加工ノズルを移動させるロボットアームと、
前記レーザ光源及び前記ロボットアームの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記レーザ加工ノズルの先端が所定の軌跡を描くように、前記ロボットアームの関節軸を駆動または停止させる信号を供給するロボット制御部と、
前記断線判定部で前記ケーブルが断線していると判定されたとき、前記レーザ光源のレーザ発振を停止させるレーザ制御部とを有し、
前記ロボット制御部は、
前記静電容量式ハイトセンサで計測された距離に基づき、前記センサ電極の先端と前記被加工物との距離が目標値になるよう前記レーザ加工ノズルの位置を制御する位置制御部を有していることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工装置に用いられる静電容量式ハイトセンサ及びそれを用いたレーザ加工ノズル、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置を用いて被加工物の切断加工等を行う場合、レーザ光の焦点を被加工物の表面あるいはその近傍に合わせることが加工品質を維持する上で重要である。このため、ロボットアーム等に設けられたレーザ加工ノズルの先端と被加工物との距離を所望の値に保つ必要がある。この距離計測のために静電容量式ハイトセンサが一般に用いられる。【０００３】
特許文献１には、レーザ加工ノズルの先端部に取り付けられたセンサ電極とアースに電気的に接続された被加工物との間に交流電圧を印加し、センサ電極と被加工物との間の静電容量に基づいて振幅が変調された電圧を変換回路で検出して、当該電圧を距離に換算して計測を行う静電容量式ハイトセンサが開示されている。また、この静電容量式ハイトセンサは、センサ電極に接続されたケーブルの浮遊容量の影響を除去して距離計測を行うように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−３３１０８９号公報
【発明の概要】
【０００５】
特許文献１に開示された従来の構成によれば、センサ電極に接続されたケーブルの浮遊容量の影響を除去して距離計測を行うため、ケーブルの取り替え時にハイトセンサを調整し直す必要が無い。
【０００６】
ところで、レーザ加工ノズルはロボットアーム等とともに移動するため、センサ電極に接続されたケーブルに張力が加わることが多く、ケーブルがセンサ電極から外れたり、あるいはケーブルが断線したりする場合がある。ケーブルが断線すると、レーザ加工ノズルの先端部と被加工物との距離が計測できず、加工不良を起こすおそれがある。一方、上記従来の構成では、ケーブルの断線をうまく検出できないおそれがある。実際のハイトセンサにおいては、ケーブル以外の要素による静電容量が変換回路に電気的に結合しており、この静電容量によって断線時にも一定の電圧が検出されるためである。
【０００７】
本開示の技術はかかる点に鑑みなされたもので、その目的はケーブルの断線を簡便かつ確実に検知できる静電容量式ハイトセンサを提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するために、本開示の技術では、静電容量式ハイトセンサで検出された信号が所定の値以上であるときケーブルが断線したと判定するようにした。
【０００９】
具体的には、本開示に係る静電容量式ハイトセンサは、レーザ加工ノズルの先端に取り付けられたセンサ電極と、センサ電極に電圧信号を供給するとともに、センサ電極からの信号を検出してセンサ電極の先端とアースに電気的に接続された被加工物との距離を計測する信号処理部と、センサ電極と信号処理部とを電気的に接続するケーブルとを有する静電容量式ハイトセンサであって、信号処理部は、センサ電極からの信号が所定の値以上であるとき、ケーブルが断線していると判定する断線判定部を有していることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、センサ電極から受け取る信号の値に基づいてケーブルの断線の有無を簡便に判定することができる。
【００１１】
所定の値は、センサ電極の先端と被加工物との距離がレーザ加工時の最大距離よりも大きい所定の距離であるときのセンサ電極からの信号の値以上、信号処理部にケーブルが接続されていないときのセンサ電極からの信号の値以下の範囲にあることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、ケーブルの断線の誤判定を防止し、断線の有無を確実に検知することができる。
【００１３】
また、本開示に係るレーザ加工ノズルは上記の静電容量式ハイトセンサのセンサ電極に電気的に接続され、レーザ光の出射経路及びレーザ加工時に供給されるアシストガスの流路を画定する第１のノズルと、第１のノズルの外周を間隔をあけて囲むように設けられ、絶縁部材によって第１のノズル及びセンサ電極と電気的に絶縁された第２のノズルとを備えることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、ケーブルの断線を簡便に判定できるとともに、第２のノズルにより、センサ電極に飛来する外来の電磁ノイズを遮蔽することができる。
【００１５】
第１のノズルと第２のノズルとが同電位になるように構成されていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、センサ電極に飛来する外来の電磁ノイズを確実に遮蔽することができる。
【００１７】
センサ電極に対して一定の静電容量を付加する構造をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、ケーブルの断線検知精度が向上する。
【００１９】
また、本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を導波する光ファイバと、光ファイバで導波されたレーザ光を被加工物に向けて照射する上記のレーザ加工ノズルと、先端にレーザ加工ノズルが取り付けられ、レーザ加工ノズルを移動させるロボットアームと、レーザ光源及びロボットアームの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、レーザ加工ノズルの先端が所定の軌跡を描くように、ロボットアームの関節軸を駆動または停止させる信号を供給するロボット制御部と、レーザ光源を制御するとともに、断線判定部でケーブルが断線していると判定されたとき、レーザ光源のレーザ発振を停止させるレーザ制御部とを少なくとも有し、ロボット制御部は、静電容量式ハイトセンサで計測された距離に基づき、センサ電極の先端と被加工物との距離が目標値になるようレーザ加工ノズルの位置を制御する位置制御部を少なくとも有していることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、ケーブルの断線を検知してレーザ発振を停止させるため、被加工物の加工不良が拡大するのを防止できる。
【００２１】
以上説明したように、本開示によれば、静電容量式ハイトセンサのセンサ電極と信号処理部とを接続するケーブルの断線を簡便かつ確実に判定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施形態１に係るレーザ加工ノズルの構成を示す図である。
【図２】図２は、静電容量式ハイトセンサの信号処理部の機能ブロック構成を示す図である。
【図３】図３は、静電容量式ハイトセンサの信号処理部の回路構成の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態２に係るレーザ加工ノズルの構成を示す図である。
【図５】図５は、実施形態３に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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、本開示の技術、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全くない。
【００２４】
（実施形態１）
［レーザ加工ノズルの構成］
図１は本実施形態に係るレーザ加工ノズル１の構成を示す。このレーザ加工ノズル１は図示しないロボットアーム３３（図５参照）の先端に取り付けられている。また、レーザ加工ノズル１はセンサノズル２（第１のノズル）とシールドノズル３（第２のノズル）と絶縁部材４（第１の絶縁部材）と静電容量式ハイトセンサ１０（以下、単にハイトセンサ１０という）とを備えている。
【００２５】
なお、以降の説明において、レーザ加工ノズル１におけるレーザ光の入射側を「上」または「上方」と呼び、レーザ光の出射側、つまり、被加工物５が配置された側を「下」または「下方」と呼ぶことがある。
【００２６】
センサノズル２は、円錐部とその上下にそれぞれ円筒部を有する金属製部材である。円錐部は下方に向かって径が小さくなるように設けられている。また、下方に位置する円筒部はハイトセンサ１０のセンサ電極１１に電気的に接続されている。センサノズル２の内空間は、図中に二点鎖線で示されるレーザ光の出射経路であるとともに、レーザ加工時に被加工物５に吹き付けられるアシストガスの流路である。すなわち、センサノズル２は、レーザ光の出射経路及びアシストガスの流路を画定している。
【００２７】
シールドノズル３は、センサノズル２と同様に、円錐部とその上下にそれぞれ円筒部を有する金属製部材である。円錐部は下方に向かって径が小さくなるように設けられている。シールドノズル３は、センサノズル２と間隔をあけてその外周を囲むように配置されている。シールドノズル３は、センサノズル２及びセンサ電極１１と同電位になるように構成されている。これらにより、シールドノズル３は、センサノズル２及びセンサ電極１１に対する外来の電磁ノイズを遮蔽するとともにセンサノズル２を機械的衝撃から保護する。
【００２８】
絶縁部材４（第１の絶縁部材）は、鍔部を有する円環形状の耐熱樹脂等からなるフランジである。絶縁部材４の内周面とセンサノズル２の下方の円筒部の外周面とが当接する。鍔部の上面にシールドノズル３の下面が当接している。また、絶縁部材４の下面はセンサ電極１１に当接している。絶縁部材４によってセンサノズル２及びセンサ電極１１とシールドノズル３とが電気的に絶縁されている。また、絶縁部材４は、センサノズル２とシールドノズル３との間の空間を封止する役割を果たしている。
【００２９】
ハイトセンサ１０はセンサ電極１１と同軸ケーブル１２と信号処理部１３とを備えている。
【００３０】
センサ電極１１は、下方に向かって内径、外径とも小さくなるように設けられた略円錐形の金属製部材である。センサ電極１１は、レーザ加工ノズル１の先端に取り付けられて、レーザ加工ノズル１の一部を構成している。センサ電極１１の先端の開口部はレーザ光の出射口及びアシストガスの噴射口にあたる。また、被加工物５を所定の位置に配置することで、センサ電極１１には、被加工物５との距離に応じた静電容量が電気的に結合される。
【００３１】
同軸ケーブル１２は、内部配線１２ａ（内部導体）と、内部配線１２ａを被覆する誘電体と、誘電体を被覆するシールド線１２ｂ（外部導体）と、シールド線１２ｂを被覆する絶縁被膜とを有する一般的な構成のケーブルである。同軸ケーブル１２は、その先端に同軸コネクタ１２ｃを有する。内部配線１２ａが同軸コネクタ１２ｃを介してセンサノズル２に電気的に接続されている。シールド線１２ｂが同軸コネクタ１２ｃを介してシールドノズル３に電気的に接続されている。よって、同軸ケーブル１２の内部配線１２ａとシールド線１２ｂとは同電位になるように構成されている。シールド線１２ｂにより外来の電磁ノイズが遮蔽される。
【００３２】
信号処理部１３は、内部で発生した電圧信号をセンサ電極１１に供給する信号供給端子とセンサ電極１１から戻ってきた信号を受け取る信号検出端子とを兼ねる外部端子Ｔを有する。外部端子Ｔは、同軸ケーブル１２の一端に接続されている。後述するように、信号処理部１３は、センサ電極１１からの信号に基づいて、レーザ加工ノズル１の先端、つまり、センサ電極１１の先端とアースに電気的に接続された被加工物５との距離を計測する機能を有している。なお、信号供給端子と信号検出端子とは別々に設けられていてもよい。
【００３３】
［ハイトセンサの信号処理部の機能ブロック構成］
図２は、ハイトセンサ１０の信号処理部１３の機能ブロック構成を示す。
【００３４】
ハイトセンサ１０の信号処理部１３は、信号発生部１４と信号検出部１５と距離算出部１６と断線判定部１７とを有している。
【００３５】
信号発生部１４は、所定の周波数ｆと振幅とを有する電圧信号Ｖｏを発生し、外部端子Ｔ及び同軸ケーブル１２を介してセンサ電極１１に当該信号Ｖｏを供給する。
【００３６】
信号検出部１５は外部端子Ｔを有し、センサ電極１１から戻ってきた電圧信号Ｖｉｎを検出する。また、信号検出部１５は外部端子Ｔに接続されたインピーダンス調整用抵抗１８（図３参照）を有している。インピーダンス調整用抵抗１８は信号発生部１４と外部端子Ｔとの間の経路に直接に接続されていればよい。
【００３７】
距離算出部１６は信号検出部１５で検出された電圧信号Ｖｉｎに基づきセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離を算出し、図示しない外部の制御部あるいは記憶部にその値を送る。後述するように、レーザ加工装置３０（図５参照）では、距離算出部１６で算出された距離と目標値との差異に基づき、レーザ加工ノズル１の位置を制御している。
【００３８】
断線判定部１７は、信号検出部１５で検出された電圧信号Ｖｉｎをモニターしており、信号Ｖｉｎが所定の閾値Ｖｔｈ以上となった場合に、同軸ケーブル１２が断線していると判定する。同軸ケーブル１２が断線していると判定された場合、断線判定部１７は断線検知信号を図示しない外部の制御部あるいは記憶部に直接的に送るか、あるいは距離算出部１６を介して上記の制御部あるいは記憶部に間接的に送る。
【００３９】
電圧信号Ｖｉｎは、センサ電極１１に供給された電圧信号Ｖｏが外部端子Ｔ（信号検出端子）に電気的に結合された静電容量等によって振幅変調された変調信号である。電圧信号の振幅｜Ｖｏ｜と変調信号の振幅｜Ｖｉｎ｜との関係は式（１）で表わされる。
【００４０】
【数１】
2018216275.tif 000003
【００４１】
ここで、
Ｒはインピーダンス調整用抵抗１８の抵抗値
Ｃは外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量値の総和
ωは電圧信号Ｖｏの角周波数であり、ω＝２πｆである。
【００４２】
式（１）から明らかなように、外部端子Ｔ（信号検出端子）から出力された電圧信号Ｖｏは、抵抗値Ｒと静電容量値Ｃ及び電圧信号Ｖｏの周波数ｆによって定まる、一般的なローパスフィルタによって振幅変調を受ける。振幅変調された電圧信号Ｖｏは、変調信号Ｖｉｎとして外部端子Ｔで検出される。
【００４３】
また、静電容量値Ｃは図２に示すＣ０、Ｃ１、ＣＷを用いて式（２）で表わされる。
【００４４】
Ｃ＝Ｃ０＋Ｃ１＋ＣＷ・・・（２）
ここで、
Ｃ０は信号処理部１３内で外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量値
Ｃ１は同軸ケーブル１２の浮遊容量値
ＣＷはセンサ電極１１の先端と被加工物５との間の静電容量値
である。
【００４５】
静電容量値Ｃ０は、信号処理部１３内の素子の配置や配線レイアウト等によって定まる値であり、ほぼ一定である。同様に、レーザ加工ノズル１や同軸ケーブル１２の配置が定まると静電容量値Ｃ０もほぼ一定となる。一方、静電容量値ＣＷは、センサ電極１１の先端と被加工物５との距離に応じて変化する。よって、信号Ｖｉｎの値から静電容量値ＣＷを算出することができ、この値からセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離を算出することができる。
【００４６】
なお、本実施形態において、静電容量値Ｃ０、Ｃ１は５ｐＦ程度であり、静電容量値ＣＷは、センサ電極１１の先端と被加工物５との距離に応じて０ｐＦ〜数ｐＦに変化するが、これらの値は信号処理部１３の大きさや内部レイアウト、同軸ケーブル１２のケーブル長、またはレーザ加工条件等によって適宜変更されうる。
【００４７】
さらに、信号Ｖｉｎの値から同軸ケーブル１２の断線を判定することができる。本実施形態において、断線の有無を判定する閾値Ｖｔｈの設定範囲は式（３）で表わされる。信号Ｖｉｎの値が閾値Ｖｔｈ以上であるとき、同軸ケーブル１２が断線していると判定される。
【００４８】
【数２】
2018216275.tif 000004
【００４９】
ここで、
ＣＷ１はセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離をレーザ加工時の当該距離より所定の長さ分大きくしたときの静電容量値である。
【００５０】
レーザ加工時の当該距離が通常、数ｍｍ程度であるのに対し、本実施形態では、ＣＷ１に対応するセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離を数十ｃｍ〜１ｍ程度に設定している。すなわち、式（３）において、ＣＷ１は、センサ電極１１の先端と被加工物５との距離をレーザ加工時に設定される最大距離よりも大きい所定の距離としたときの外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量値である。センサ電極１１の先端と被加工物５との距離が大きくなるにつれて、静電容量値ＣＷは小さくなるため、式（１）、（２）から明らかなように、対応するＶｉｎの値は大きくなる。
【００５１】
本実施形態によれば、信号検出端子である外部端子Ｔがセンサ電極１１から受け取る信号Ｖｉｎの値によって同軸ケーブル１２の断線の有無を簡便に判定することができる。また、閾値Ｖｔｈの下限値を選択するにあたって、通常のレーザ加工時よりもセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離を十分に大きく取ったときの静電容量値ＣＷ１を用いることで、通常のレーザ加工時に外部端子Ｔ（信号検出端子）で検出される電圧信号よりもＶｔｈの下限値が十分に大きくなるため、断線の誤判定を確実に防止することができる。
【００５２】
また、式（１）、（２）から明らかなように、式（３）におけるＶｔｈの上限値は、外部端子Ｔ（信号検出端子）に同軸ケーブル１２が接続されていないときに外部端子Ｔで検出される電圧信号の値である。式（３）で表わされる範囲で閾値Ｖｔｈを設定することにより、同軸ケーブル１２の断線の有無を確実に判定することができる。また、閾値Ｖｔｈの上限、下限は、予めデータを取得して継続的に使用できる。そのため、専用のハードウェア等を追加することなく、断線の判定を変調信号の値のみで簡便に行うことができる。
【００５３】
なお、式（３）で表わされる範囲において、レーザ加工条件、特にセンサ電極１１の先端と被加工物５との間の設定距離等により閾値Ｖｔｈは任意に変更しうる。また、レーザ加工ノズル１における各部材の配置や内部構成等を変更した場合は、外部端子Ｔ（信号検出端子）に電気的に結合される静電容量値の変化等に応じて、閾値Ｖｔｈの設定範囲が変更されることは言うまでもない。
【００５４】
図３は、ハイトセンサ１０の信号処理部１３の具体的な回路構成の一例を示す。図３に示す構成においては、信号処理部１３はＣＰＵ２０とデジタル−アナログ信号変換器２１（以下、ＤＡＣ２１という）とアナログ−デジタル信号変換器２２（以下、ＡＤＣ２２という）とインピーダンス調整用抵抗１８と外部端子Ｔとを有している。
【００５５】
ＣＰＵ２０は、図示しない記憶部から制御プログラム等を読み出し、所定の周期を有するパルス列信号を出力する。また、ＣＰＵ２０はＡＤＣ２２からの信号を受けてセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離を算出する。ＣＰＵ２０は、さらに、単位時間当りにＡＤＣ２２から受け取るパルス列信号が所定のカウント数以上であれば同軸ケーブル１２が断線したと判定して断線検知信号を図示しない外部の制御部または記憶部に送る。つまり、ＣＰＵ２０は、図２に示す距離算出部１６と断線判定部１７に相当する。
【００５６】
ＤＡＣ２１はＣＰＵ２０から供給されたパルス列信号を所定の周波数を有するアナログ電圧信号に変換するとともに、このアナログ電圧信号を所定の範囲で増幅して電圧信号Ｖｏとして出力する。つまり、ＤＡＣ２１は、図２に示す信号発生部１４に相当する。
【００５７】
ＡＤＣ２２は、同軸ケーブル１２を介してセンサ電極１１から送られてきた変調信号Ｖｉｎを検出し、信号Ｖｉｎの振幅に応じたカウント数のパルス列信号に変換し、ＣＰＵ２０に供給する。ＡＤＣ２２は図２に示す信号検出部１５の一部に相当する。
【００５８】
また、ハイトセンサ１０の信号処理部１３を図３に示す構成とすることで、信号のオフセットの影響を小さくすることができる。また、センサ電極１１と被加工物５との接触検知を行うことも可能である。
【００５９】
なお、図３に示す信号処理部１３の構成はあくまでも一例であり、これ以外の構成であっても構わない。例えば、ＤＡＣ２１の代わりに交流電源を使用し、ＡＤＣ２２の代わりにアナログフィルターを使用する構成であってもよい。
【００６０】
（実施形態２）
図４は、本実施形態に係るレーザ加工ノズル１の構成を示す。本実施形態に示す構成と実施形態１に示す構成との違いは、レーザ加工ノズル１が、導電部７をさらに備えている点にある。導電部７は、円環形状の絶縁部材６（第２の絶縁部材）によってセンサノズル２及びシールドノズル３と電気的に絶縁され、かつ導電部７がアース電位を有するようにアースに電気的に接続されている。なお、絶縁部材６はレーザ加工ノズル１からアシストガスが外部に漏れ出すのを防止するパッキンの役割も果たしている。
【００６１】
絶縁部材６及び導電部７を設けることにより、外部端子Ｔ（信号検出端子）に電気的に結合された静電容量値の総和Ｃは式（４）で表わされる。
【００６２】
Ｃ＝Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋ＣＷ・・・（４）
ここで、
Ｃ２は導電部７とセンサ電極１１との間の静電容量値である。
【００６３】
また、閾値Ｖｔｈの設定範囲は式（５）で表わされる。
【００６４】
【数３】
2018216275.tif 000005
【００６５】
このように、本実施形態によれば、センサ電極１１に対して一定の値の静電容量を付加することにより、静電容量値の総和Ｃを実施形態１に示した構成よりも大きくすることができる。このことにより、式（１），（４）及び式（５）から明らかなように、同軸ケーブル１２の断線の有無による変調信号Ｖｉｎの変化の度合いは、実施形態１に示す構成よりも大きくなる。すなわち、断線の有無の判定が容易となり、断線検知精度が向上する。
【００６６】
なお、本実施形態において、センサ電極１１に対して一定の静電容量を付加させるために絶縁部材６（第２の絶縁部材）及び導電部７を設けたが、特にこれに限定されず、センサ電極１１に対して一定の静電容量を付加する構造を別途設け、静電容量値の総和Ｃを大きくするようにしてもよい。例えば、センサ電極１１とアースとの間に別置のキャパシタを接続してもよい。また、センサ電極１１の先端と被加工物５との距離の計測感度を維持するために、静電容量値Ｃ２は容量値Ｃ０，Ｃ１，ＣＷよりも小さくすることが好ましい。
【００６７】
（実施形態３）
図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置３０は、レーザ光源３１と、光ファイバ３２と、ロボットアーム３３と、レーザ加工ノズル１と、制御部３４とを備えている。なお、説明の便宜上、上記の構成部品以外の種々の部品等については図示及びその説明を省略する。また、図示しないが、レーザ加工装置３０は、レーザ加工ノズル１に供給されるアシストガスの供給経路も備えている。
【００６８】
レーザ光源３１は、電源（図示せず）と、電源からの電力供給を受けてレーザ光を発生するレーザ共振器（図示せず）と、当該レーザ光を集光し、光ファイバ３２に結合させるための光学系（図示せず）とを有している。
【００６９】
光ファイバ３２は、レーザ共振器で発生し光学系で集光されたレーザ光を受け取り、レーザ加工ノズル１に導波する。レーザ加工の種類やレーザ光強度等によってシングルクラッドタイプやダブルクラッドタイプ等の光ファイバ３２が適宜選択される。同様に光ファイバ３２のコア径やクラッド径も適宜変更しうる。
【００７０】
ロボットアーム３３は、先端にレーザ加工ノズル１が取り付けられており、加工プログラム等に基づく制御部３４からの信号を受けて、所定の軌跡を描くようにレーザ加工ノズル１を移動させる。また、レーザ加工の際には、ロボットアーム３３は、レーザ加工ノズル１の先端であるセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離が所定の距離となるように、レーザ加工ノズル１の位置を制御する。
【００７１】
制御部３４は、レーザ光源３１の光量等を制御するレーザ制御部３５と、ロボットアーム３３の動作を制御するロボット制御部３６とを有している。
【００７２】
レーザ制御部３５は、所望の強度のレーザ光が出射されるように、電源から供給される電力やレーザ共振器の温度等を制御している。
【００７３】
ロボット制御部３６は、加工プログラム等に基づいて、ロボットアーム３３の先端、つまりレーザ加工ノズル１の先端が所定の軌跡を描くように、ロボットアーム３３の関節軸を駆動または停止させる信号を供給する。また、ロボット制御部３６は位置制御部３７を有する。位置制御部３７は、ハイトセンサ１０で計測された距離に基づいてセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離が目標値になるようレーザ加工ノズル１の位置、具体的にはロボットアーム３３の位置を制御する信号をロボットアーム３３に供給する。
【００７４】
次に、レーザ加工装置３０の動作について説明する。
【００７５】
まず、レーザ加工装置３０全体の電源を立ち上げ、レーザ加工装置３０に電力を投入する。自動で、あるいは操作者の操作により所定のレーザ加工用プログラムが起動し、ロボットアーム３３は所定の初期位置に移動するとともに、ハイトセンサ１０にも電力が投入されて計測可能状態となる。さらに、レーザ光源３１の電源もＯＮになる。
【００７６】
次に、被加工物５がセットされる。レーザ加工装置３０は、ロボットアーム３３を動かしてレーザ加工ノズル１を被加工物５の近くへ移動させる。ハイトセンサ１０は、レーザ加工ノズル１と被加工物５との実際の距離を計測する。位置制御部３７は、プログラムで規定されたセンサ電極１１の先端と被加工物５との間の目標距離と実際の距離とを比較する。位置制御部３７は、さらに、これらの差異に応じて、レーザ加工ノズル１が目標位置に来るようにロボットアーム３３を駆動する。
【００７７】
レーザ加工装置３０は、レーザ加工ノズル１内にアシストガスを供給し、レーザ光源３１でレーザ光を発生させる。光ファイバ３２によりレーザ加工ノズル１内に導波されたレーザ光が被加工物５に照射される。これによりレーザ加工が開始される。レーザ加工中は、常時、ハイトセンサ１０によってセンサ電極１１の先端と被加工物５との距離が計測される。位置制御部３７は計測された実際の距離に基づいてレーザ加工ノズル１の位置、つまり、ロボットアーム３３の位置を制御する。
【００７８】
所要の加工が終了すると、レーザ光源３１でのレーザ発振が停止し、続けてアシストガスの供給も停止する。ロボットアーム３３は所定の初期位置に移動し、次の加工開始までその位置で待機する。
【００７９】
上記のレーザ加工中にハイトセンサ１０に接続された同軸ケーブル１２が断線した場合は、信号処理部１３の断線判定部１７が直ちに断線を検知し、断線検知信号を制御部３４に送る。
【００８０】
制御部３４のレーザ制御部３５はこの信号を受けて、レーザ光源３１でのレーザ発振を直ちに停止させる。それとともに、制御部３４のロボット制御部３６がロボットアーム３３を所定の初期位置に移動させる。
【００８１】
本実施形態によれば、レーザ加工中は、ハイトセンサ１０は、センサ電極１１の先端と被加工物５との距離を計測するとともに、同軸ケーブル１２の断線の有無の判定も常時行っている。従来は、加工装置の定期点検等で同軸ケーブル１２の断線の有無を検査しており、同軸ケーブル１２の断線をリアルタイムで検知することはできなかった。
【００８２】
本実施形態のレーザ加工装置３０は、同軸ケーブル１２の断線の有無をリアルタイムで判定して、断線を検知すると直ちにレーザ加工装置３０の動作を停止させる。そのため、被加工物５の加工不良が拡大するのを防止することができる。また、ハイトセンサ１０による距離の計測が行えないことによるレーザ加工ノズル１の被加工物５への衝突を防止できる。これによりレーザ加工ノズル１の破損等を防止できる。
【００８３】
なお、断線検知信号を受けて、レーザ制御部３５がレーザ発振を急に停止することで、レーザ光源３１が故障するおそれもある。そのような場合は、徐々にレーザ発振を停止させるようレーザ制御部３５がレーザ光源３１を制御するようにすることもできる。同様に、ロボットアーム３３を初期位置に急に移動させて、ロボットアーム３３が故障するおそれがある場合は、ロボットアーム３３の移動速度を制御して故障を回避することも可能である。
【００８４】
また、ロボットアーム３３を初期位置に移動させるとかえってロボットアーム３３が故障するおそれがある場合は、断線検知信号を受けた時点のロボットアーム３３の位置から動かさないようにすることもできる。
【００８５】
なお、実施形態１〜３において、ハイトセンサ１０のセンサ電極１１と信号処理部１３との間を同軸ケーブル１２で接続しているが、特にこれに限定されず、他の種類のケーブルでもよい。
【００８６】
また、実施形態３において、ハイトセンサ１０の信号処理部１３はレーザ加工装置３０の制御部３４に組み込まれていてもよい。ただし、同軸ケーブル１２のケーブル長が必要以上に長くならないように留意する必要がある。
【００８７】
また、電気抵抗を低くし、熱伝導率を高めるという点から、センサノズル２やシールドノズル３、また導電部７は銅ないし銅系材料であることが好ましいが、他の材料、例えば、アルミ系材料であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本開示の静電容量式ハイトセンサは、センサ電極に接続されたケーブルの断線の有無を簡便かつ確実に判定でき、レーザ加工装置等に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１    レーザ加工ノズル
２    センサノズル（第１のノズル）
３    シールドノズル（第２のノズル）
４    絶縁部材（第１の絶縁部材）
５    被加工物
６    絶縁部材（第２の絶縁部材）
７    導電部
１０  静電容量式ハイトセンサ
１１  センサ電極
１２  同軸ケーブル（ケーブル）
１３  信号処理部
１４  信号発生部
１５  信号検出部
１６  距離算出部
１７  断線判定部
３０  レーザ加工装置
３１  レーザ光源
３２  光ファイバ
３３  ロボットアーム
３４  制御部
３５  レーザ制御部
３６  ロボット制御部
３７  位置制御部
Ｔ    外部端子（信号検出端子）
【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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【国際調査報告】
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