(57)【要約】【課題】作業者の習熟度に依存することなくレーザ光の芯出し作業を短時間で実施できるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置は、レーザ光２を発生するレーザ発振器１と、レーザ光２をワークＷに集光するための加工レンズ４と、集光されたレーザ光２が通過するとともに、ワークＷに向けてアシストガスを供給するための加工ノズル１１と、加工レンズ４および加工ノズル１１を支持するための加工ヘッド５と、レーザ光２の照射時にワークＷの照射部分から放射される光の空間分布を検出するための光センサ６と、光センサ６からの信号に基づいて、ノズル中心に対するレーザ光２の位置を測定するための信号処理装置９などで構成される。【選択図】図１
2011115806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生するレーザ発振器と、
該レーザ光を被加工物に集光するための集光光学系と、
集光されたレーザ光が通過するとともに、被加工物に向けてガスを供給するためのノズルと、
集光光学系およびノズルを支持するための加工ヘッドと、
レーザ光の照射時に被加工物の照射部分から放射される光の空間分布を検出するための光検出部と、
光検出部からの信号に基づいて、ノズル中心に対するレーザ光の位置を測定するための信号処理部とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
光検出部は、レーザ光の光軸周りに等間隔で配置された複数の光センサを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
加工ヘッドに対する集光光学系の位置を調整するためのアクチュエータをさらに備え、
信号処理部は、測定結果に基づいて、レーザ光がノズル中心を通過するようにアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
加工ヘッドに対するノズルの位置を調整するためのアクチュエータをさらに備え、
信号処理部は、測定結果に基づいて、レーザ光がノズル中心を通過するようにアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザ発振器からのレーザ光を集光光学系に導入するための反射ミラーと、
反射ミラーの向きを調整するためのアクチュエータをさらに備え、
信号処理部は、測定結果に基づいて、レーザ光がノズル中心を通過するようにアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
アクチュエータは、レーザ光の光軸に対して垂直な面内で互いに直交する第１方向および第２方向に調整可能な２つの駆動軸を有し、
光検出部は、レーザ光の光軸を中心として所定半径を有する円周が第１方向と交差する位置および第２方向と交差する位置にそれぞれ配置された４つの光センサを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
光検出部は、レーザ光の光軸周りに移動可能な光センサを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、レーザ光の芯出し機能を有するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置（例えば、特許文献１）は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に向けて照射しアシストガスを供給するための加工ヘッドと、上記レーザ光線の照射による被加工物の加工部分から生じた光を検出する光センサとを備え、上記レーザ発振器を制御するとともに、上記光センサによって検出した光センサ信号強度によって被加工物の加工状況をモニタリングできるように構成している。
【０００３】
また、他のレーザ加工装置（例えば、特許文献２）では、切断加工時の信号の切断方向による異方性をフォトダイオードにより測定し、切断方向が変わっても異方性が出ないようにノズルを移動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５４３１４号公報（８頁、図１）
【特許文献２】特開平１０−２４９５６６号公報（８頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ加工装置で加工を行う場合、一般に、芯出しと呼ばれる準備工程が行われる。これは、レーザ光が加工ノズルの中心を通るように、加工レンズの位置や加工ノズルの位置を調整する工程である。その際、薄いアクリル板やテープにレーザ光で穴をあけて、加工穴の形状やガスの流れを作業者の目視により判断しながら、レンズやノズルの位置を調整している。
【０００６】
しかし、目視による判断は熟練者でなければ難しく、またどの程度ノズルの中心に調整に持っていけば良いかなど、作業者の経験に大きく依存しており、一般には多くの時間を要する作業になる。
【０００７】
本発明の目的は、作業者の習熟度に依存することなくレーザ光の芯出し作業を短時間で実施できるレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生するレーザ発振器と、
該レーザ光を被加工物に集光するための集光光学系と、
集光されたレーザ光が通過するとともに、被加工物に向けてガスを供給するためのノズルと、
集光光学系およびノズルを支持するための加工ヘッドと、
レーザ光の照射時に被加工物の照射部分から放射される光の空間分布を検出するための光検出部と、
光検出部からの信号に基づいて、ノズル中心に対するレーザ光の位置を測定するための信号処理部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、作業者の習熟度に依存することなくレーザ光の芯出し作業を短時間で実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】光センサの配置例を示す平面図である。
【図３】図３（ａ）は、ＸＹ面における光センサの配置を示す平面図であり、図３（ｂ）〜（ｄ）は、レーザ光２がノズル中心を通過している状態の信号例を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は、ＸＹ面における光センサの配置を示す平面図であり、図４（ｂ）〜（ｄ）は、レーザ光２がノズル中心から外れている状態の信号例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１と、反射ミラー３と、加工レンズ４と、加工ヘッド５と、加工ノズル１１などで構成される。
【００１２】
レーザ発振器１は、炭酸ガスレーザやエキシマレーザ等で構成され、被加工物であるワークＷの切断、穿孔、溶接等に適した波長、パワーを有するレーザ光２を発生する。
【００１３】
反射ミラー３は、レーザ発振器１からのレーザ光２を反射して、加工ヘッド５に導入する機能を有し、必要に応じて２個以上のミラーを使用してもよく、あるいは省略することも可能である。
【００１４】
加工レンズ４は、加工ヘッド５に導入されたレーザ光２を集光する集光光学系であって、ワークＷの加工部分において所望の光スポットを形成する。
【００１５】
加工ノズル１１は、中空筒状の部材であって、加工レンズ４によって集光されたレーザ光が通過するとともに、ワークＷに向けてアシストガスを供給する機能を有する。アシストガスとして、一般に酸素、空気、窒素、アルゴン等が使用され、蒸発気体の排除、ドロス付着防止などの役割を果たす。
【００１６】
加工ヘッド５は、中空筒状の部材であって、加工レンズ４、加工ノズル１１等を支持するためのものであり、アシストガスの供給回路（不図示）も接続されている。
【００１７】
本実施形態では、レーザ加工装置はさらに、光センサ６と、増幅器７と、数値制御装置８と、信号処理装置９と、アクチュエータ１０とを備える。
【００１８】
光センサ６は、レーザ光２の照射時にワークＷの照射部分から放射される光の空間分布を検出するためのものである。光センサ６の受光部は、加工ヘッド５の内部に位置しており、ワークＷの照射部分から放射された光が加工ノズル１１および加工レンズ４を通過して、光センサ６の受光部に直接または間接的に到達するように構成されている。例えば、図２に示すように、レーザ光２の光軸に対して垂直なＸＹ面内で、所定半径を有する円周上でレーザ光２の光軸周りに１２０°の等間隔で３つの光センサ６が配置される。
【００１９】
増幅器７は、光センサ６からの信号を増幅する。信号処理装置９は、光センサ６からの信号に基づいて、加工ノズル１１のノズル中心に対するレーザ光２の位置を測定する機能を有する。
【００２０】
数値制御装置８は、レーザ発振器１や信号処理装置９との信号伝達により、あるいは外部コンピュータ等からの指令により、照射パワー、照射タイミング等の加工条件等を設定する機能を有する。
【００２１】
アクチュエータ１０は、加工ヘッド５に設けられ、加工ヘッド５を基準として加工レンズ４のＸＹ位置を調整する機能を有する。信号処理装置９は、レーザ光２の測定結果に基づいて、レーザ光２がノズル中心を通過するようにアクチュエータ１０を制御する。
【００２２】
次に、動作について説明する。レーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射ミラー３で反射し、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光され、ワークＷの加工部分に照射される。このとき光センサ６は、加工部分から発生する光の強度を検出する。光センサ６からの信号は、増幅器で増幅され、信号処理装置９に入力される。
【００２３】
信号処理装置９は、レーザ光２がノズル中心を通過した状態、即ち、芯出し状態における各光センサ６の信号強度の比を基準値として予め記憶している。従って、測定時の信号強度の比と基準値との比較により、ノズル中心を基準としたレーザ光２の変位量および変位方向を計算できる。そして、信号処理装置９は、その計算結果を用いてアクチュエータ１０により加工レンズ４のＸＹ位置を調整することによって、レーザ光２が加工ノズル１１の中心を通過するように設定できる。
【００２４】
図３（ａ）は、ＸＹ面における光センサの配置を示す平面図であり、図３（ｂ）〜（ｄ）は、レーザ光２がノズル中心を通過している状態、即ち、芯出し状態の信号例を示すグラフである。ここでは、３つの光センサ６ａ〜６ｃがレーザ光２の光軸周りに１２０°の等間隔で配置されている例を説明する。
【００２５】
芯出し状態において、レーザ光２の照射時にワークＷの照射部分から放射される光の空間分布は、レーザ光２の光軸に関して対称になる。そのため、各光センサ６ａ〜６ｃで受光される光強度は互いにほぼ等しくなり、理想的な基準値として、信号強度比Ｉａ：Ｉｂ：Ｉｃ＝１：１：１となる。実際には、ノイズの影響やセンサの感度ばらつき等の誤差を考慮して基準値を決定する。こうした基準値は、加工ノズル１１や加工レンズ４の交換、ワークＷの変更などを行った場合、その都度設定することが好ましい。
【００２６】
図４（ａ）は、ＸＹ面における光センサの配置を示す平面図であり、図４（ｂ）〜（ｄ）は、レーザ光２がノズル中心から外れている状態の信号例を示すグラフである。芯出しが不完全である場合、レーザ光２の照射時にワークＷの照射部分から放射される光の空間分布は、レーザ光２の光軸に関して非対称になる。そのため、各光センサ６ａ〜６ｃで受光される光強度も上記基準値から外れることになる。例えば、図４（ａ）に示すように、レーザ光２が光センサ６ｂに最も接近し、光センサ６ｃから最も遠くなった場合、信号強度はＩａ＜Ｉｃ＜Ｉｂの関係を示すことが判る。
【００２７】
従って、信号強度比Ｉａ：Ｉｂ：Ｉｃとレーザ光２の中心ずれとの関係を予め算出しておくことによって、実際の信号強度比からレーザ光２の変位量および変位方向を決定することができる。
【００２８】
ここで、上記特許文献２では、１個のフォトダイオードをヘッド内に設置した状態で、板状のワークを四角形状の経路に沿って切断しながら受光輝度を検出する。このときフォトダイオードの出力信号において切断方向による異方性があるかを分析して、異方性が無くなる方向へノズル若しくはベンドミラーを駆動している。しかしながら、芯出しを行わずに切断加工を行うために、加工不良の確率が高くなり、正確な調整ができない可能性がある。
【００２９】
一方、本発明によれば、芯出し作業を行う際の加工は、レーザ光の１パルス照射でも行うことができる。また、異方性ではなく強度比を用いて計算を行うことにより、仮に切断時に加工ヘッドの衝突などによりレーザ光の位置が加工ノズルの中心からズレが起こったときでも、その都度自動的に芯出し調整を行うことが可能である。
【００３０】
芯出し状態における信号強度比の基準値の初期設定は、出荷段階の調整で行って、光センサの感度バラツキや取り付けによる受光量のバラツキの影響が無いようにすることが好ましい。
【００３１】
また、アクチュエータ１０を省略して、信号処理装置９で計算したレーザ光２の変位量および変位方向をディスプレイ等に表示し、作業者が加工レンズ４のＸＹ位置を手動で調整するようにした場合であっても、従来のように作業者の目視による芯出し工程と比べて作業時間を大幅に短縮できる。このときレーザ光２の焦点位置を調整することにより、精度良く測定を行うことができる。
【００３２】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。本実施形態に係るレーザ加工装置は、実施の形態１と同様な構成を有するが、加工レンズ４のＸＹ位置を調整するアクチュエータの代わりに、加工ヘッド５に対する加工ノズル１１のＸＹ位置を調整するためのアクチュエータ１０を設けている。
【００３３】
この動作について説明する。レーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射ミラー３で反射し、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光され、ワークＷの加工部分に照射される。このとき光センサ６は、加工部分から発生する光の強度を検出する。光センサ６からの信号は、増幅器で増幅され、信号処理装置９に入力される。
【００３４】
信号処理装置９は、レーザ光２がノズル中心を通過した状態、即ち、芯出し状態における各光センサ６の信号強度の比を基準値として予め記憶している。従って、測定時の信号強度の比と基準値との比較により、ノズル中心を基準としたレーザ光２の変位量および変位方向を計算できる。そして、信号処理装置９は、その計算結果を用いてアクチュエータ１０により加工ノズル１１のＸＹ位置を調整することによって、レーザ光２が加工ノズル１１の中心を通過するように設定できる。
【００３５】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。本実施形態に係るレーザ加工装置は、実施の形態１と同様な構成を有するが、加工レンズ４のＸＹ位置を調整するアクチュエータの代わりに、反射ミラー３の向きを調整するためのアクチュエータ１０を設けて、加工ノズル１１を通過する際のレーザ光２の光路がＸＹ方向に調整可能なように構成している。
【００３６】
この動作について説明する。レーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射ミラー３で反射し、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光され、ワークＷの加工部分に照射される。このとき光センサ６は、加工部分から発生する光の強度を検出する。光センサ６からの信号は、増幅器で増幅され、信号処理装置９に入力される。
【００３７】
信号処理装置９は、レーザ光２がノズル中心を通過した状態、即ち、芯出し状態における各光センサ６の信号強度の比を基準値として予め記憶している。従って、測定時の信号強度の比と基準値との比較により、ノズル中心を基準としたレーザ光２の変位量および変位方向を計算できる。そして、信号処理装置９は、その計算結果を用いてアクチュエータ１０により反射ミラー３の向きを調整することによって、レーザ光２が加工ノズル１１の中心を通過するように設定できる。
【００３８】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。本実施形態は、実施の形態１のように加工レンズ４のＸＹ位置を調整するアクチュエータ１０を設けた場合、実施の形態２のように加工ヘッド５に対する加工ノズル１１のＸＹ位置を調整するためのアクチュエータ１０を設けた場合、実施の形態３のように反射ミラー３の向きを調整するためのアクチュエータ１０を設けて、加工ノズル１１を通過する際のレーザ光２の光路がＸＹ方向に調整可能な場合のいずれにも適用できる。
【００３９】
本実施形態では、４つの光センサ６が、レーザ光２の光軸に対して垂直なＸＹ面内で、所定半径を有する円周上でレーザ光２の光軸周りに９０°の等間隔で配置される。即ち、レーザ光２の光軸をＸＹ座標の原点（０，０）とし、円周の半径をｒとして、座標（ｒ，０），（−ｒ，０），（０，ｒ），（０，−ｒ）の位置に光センサ６ａ〜６ｄをそれぞれ配置する。
【００４０】
こうした配置により、アクチュエータ１０の調整方向（Ｘ方向とＹ方向）と、光センサ６の配列方向（Ｘ方向とＹ方向）とが一致することになり、高精度の芯出し調整が可能になる。即ち、光センサ６ａ，６ｂの検出信号からレーザ光２のＸ方向変位量が算出でき、その結果、アクチュエータ１０のＸ方向調整によってレーザ光２の芯出しが可能になる。また、光センサ６ｃ，６ｄの検出信号からレーザ光２のＹ方向変位量が算出でき、その結果、アクチュエータ１０のＹ方向調整によってレーザ光２の芯出しが可能になる。
【００４１】
実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。本実施形態では、１つの光センサ６が、レーザ光２の光軸に対して垂直なＸＹ面内で、所定半径を有する円周上でレーザ光２の光軸周りに移動可能なように配置される。即ち、レーザ光２の光軸をＸＹ座標の原点（０，０）とし、円周の半径をｒとして、極座標（ｒ，θ）の位置に光センサ６が移動する。
【００４２】
こうした光センサ６の移動により、実施の形態１〜４と同様に、ワークＷの照射部分から放射される光の空間分布を検出することが可能になり、光強度分布の偏差から、ノズル中心を基準としたレーザ光２の変位量および変位方向を計算できる。
【符号の説明】
【００４３】
１  レーザ発振器、  ２  レーザ光、３  反射ミラー、  ４  加工レンズ、
５  加工ヘッド、  ６，６ａ〜６ｄ  光センサ、７  増幅器、８  数値制御装置、
９  信号処理装置、  １０  アクチュエータ、  １１  加工ノズル、Ｗ  ワーク。
【図１】
2011115806.tif 000003
【図２】
2011115806.tif 000004
【図３】
2011115806.tif 000005
【図４】
2011115806.tif 000006
【図５】
2011115806.tif 000007
【図６】
2011115806.tif 000008
【図７】
2011115806.tif 000009
【図８】
2011115806.tif 000010