(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のハウジングを有する加工ヘッドと、
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光のみを受光するように配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
中空のハウジングを有する加工ヘッドと、
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光を受光するように配置されており、
加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において奇数回反射した光および偶数回反射した光のいずれか一方を減衰させるための光減衰機構が設けられることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
光減衰機構は、光吸収部材、光散乱部材、遮光部材、光反射部材または光屈折部材で構成されることを特徴とする請求項２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、被加工物に対するレーザ光の位置が検出可能なレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ加工機を用いて被加工物の加工を行う場合、加工の準備工程として、レーザ光が加工ノズルの中心を通るように加工レンズや加工ノズルの位置を調整するための芯出し工程が必要である。例えば、特許文献１では、加工ヘッドの下にファイバまたは光センサを配置し、光センサの信号強度によって加工ノズルの中心をレーザ光が通過しているかを検出しノズルを移動するようにした、レーザ加工機のノズル芯出し装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８００９４９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９２４６１号公報
【特許文献３】特許第３２２２４３０号公報
【特許文献４】特開昭５８−２１８３９０号公報
【特許文献５】登録実用新案第２５９９４６３号公報
【特許文献６】特開平５−９６３９３号公報
【特許文献７】特開平６−３２８２８１号公報
【特許文献８】特開平１０−１９３１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、スパッタ光を検知するための光ファイバ受光部をレーザ加工ヘッドの下面から露出するように設置している。そのためレーザ加工時に被加工物からの飛散物が発生して、光ファイバ受光部に付着してしまうと、光ファイバの出射側に接続された光センサから正しい信号強度が得られなくなる。
【０００５】
本発明の目的は、被加工物からの飛散物による影響を回避でき、加工ノズルに対するレーザ光の位置を高精度に検出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】
【０００６】
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、
中空のハウジングを有する加工ヘッドと、
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光のみを受光するように配置されていることを特徴とする。
また本発明に係るレーザ加工装置は、
中空のハウジングを有する加工ヘッドと、
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光を受光するように配置されており、
加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において奇数回反射した光および偶数回反射した光のいずれか一方を減衰させるための光減衰機構が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサを加工ヘッドの内部に設けることによって、被加工物からの飛散物による影響を回避できる。また、光センサは、加工ノズル内面や加工ヘッド内面において１回以上反射した光のみを受光するように配置することによって、光強度の高い正反射レーザ光と被加工物からの発光を簡単に分離できる。その結果、加工ノズルに対するレーザ光の位置を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明によるレーザ加工装置の一例を示す構成図である。
【図２】光センサの受光素子の配置例を示す平面図である。
【図３】被加工物からレーザ光が正反射して戻る様子を示す説明図である。
【図４】被加工物から発光した可視光のみを反射するミラーを設置した例を示す説明図である。
【図５】被加工物からの光が加工ノズルの内面および加工ヘッドの内面で反射する様子を示す説明図である。
【図６】被加工物からの光が光センサに直接入射する様子を示す説明図である。
【図７】被加工物からの光が１回反射で光センサに到達する光路を示す説明図である。
【図８】図７の構成におけるセンサ出力特性を示すグラフである。
【図９】被加工物からの光が２回反射で光センサに到達する光路を示す説明図である。
【図１０】図９の構成におけるセンサ出力特性を示すグラフである。
【図１１】図７の構成において、発光点が−Ｘ方向ずれたときの様子を示す説明図である。
【図１２】図９の構成において、発光点が−Ｘ方向ずれたときの様子を示す説明図である。
【図１３】１回〜４回反射のときの一方の受光素子の出力特性を示すグラフである。
【図１４】１回〜４回反射のときの他方の受光素子の出力特性を示すグラフである。
【図１５】加工ノズル等の内面に光吸収領域を設けた例を示す説明図である。
【図１６】被加工物からの光が２回反射で光センサに到達する光路を示す説明図である。
【図１７】奇数回反射または偶数回反射の遮断の有無に応じたセンサ出力特性を示すグラフである。
【図１８】本発明による実施の形態３を示す説明図である。
【図１９】被加工物からの光が光センサに到達しない様子を示す説明図である。
【図２０】加工ノズル等の内面に光散乱面を設けた例を示す説明図である。
【図２１】本発明による実施の形態４を示す説明図である。
【図２２】本発明による実施の形態５を示す説明図である。
【図２３】被加工物からの光の反射回数を増加させた様子を示す説明図である。
【図２４】本発明による実施の形態６を示す説明図である。
【図２５】被加工物からの光の反射回数を増加させた様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明によるレーザ加工装置の一例を示す構成図である。レーザ加工装置は、金属板などの被加工物（ワーク）Ｗに向けてレーザ光２を照射して、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質などの加工を行う装置であり、レーザ発振器１と、反射ミラー３と、加工レンズ４と、アクチュエータ１０と、加工ヘッド５と、光センサ６と、加工ノズル１１と、増幅器７と、数値制御装置８と、信号処理装置９などで構成される。なお、図面に記載した部材、構成部品等の寸法は、理解容易のために縮尺を適宜変えている。
【００１０】
ここで理解容易のため、被加工物（ワーク）Ｗを照射するレーザ光の光軸をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。被加工物Ｗは、一般に、ＸＹ面内の位置およびＺ方向の高さの位置決めが可能な加工テーブル（不図示）の上に搭載される。
【００１１】
レーザ発振器１は、例えば、ＣＯ２，ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ等のレーザ媒質と、レーザ媒質用の励起機構と、光共振器などを備え、レーザ媒質の種類に応じた波長のレーザ光２を出力する。反射ミラー３は、レーザ光２を反射する機能を有し、一般には、レーザ発振器１から水平に出力されたレーザ光２を、被加工物Ｗに向けて鉛直下向きに偏向させる。
【００１２】
加工レンズ４は、レーザ光２を集光して被加工物Ｗに向けて照射する機能を有する。アクチュエータ１０は、加工レンズ４を支持し、レーザ光２の進行方向に対して垂直なＸＹ面内で位置決めを行う機能を有する。
【００１３】
加工ヘッド５は、中空円柱状や中空角柱状のハウジングを有し、その内部には上述した加工レンズ４やアクチュエータ１０、さらに、後述する光センサ６、アクチュエータ１０等を備える。
【００１４】
加工ノズル１１は、加工ヘッド５の下端部に設けられ、加工レンズ４によって集光したレーザ光２の進行方向に沿って、例えば、Ｏ２（酸素）ガスやＮ２（窒素）ガスなどのアシストガスを供給する。なお、アシストガスの供給源、供給源と加工ヘッド５との配管、フローバルブ等は図示を省略している。
【００１５】
光センサ６は、加工ヘッド５の内部に設けられ、被加工物Ｗの加工部で発生した光を加工レンズ４を介して受光する機能を有する。増幅器７は、光センサ６からの検出信号を増幅する機能を有する。
【００１６】
信号処理装置９は、マイクロプロセッサ等で構成され、所定のプログラムに従って、数値制御装置８との信号の送受信を行うとともに、光センサ６の検出信号に基づいて加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の偏差を計算したり、その偏差が小さくなるようにアクチュエータ１０を駆動する。
【００１７】
数値制御装置８は、マイクロプロセッサ等で構成され、加工条件が予め設定されたプログラムに従って、レーザ発振器１の動作条件（例えば、レーザ光のオン時間／オフ時間、レーザ出力など）、アシストガスの流量、加工テーブルの位置などを制御する。
【００１８】
アシストガスは、被加工物Ｗと反応して融解を助ける働きや、融解した被加工物を除去する働きなどがあり、さらに、加工ノズル１１からのガス噴射により、融解した金属の飛散物が加工ノズル１１内に進入するのを防止し、加工レンズ４を保護する働きもある。レーザ光２は、被加工物Ｗの加工を行う前に噴射されるアシストガスの中心、つまり加工ノズル１１の中心を通過することが望ましい。
【００１９】
加工ノズル１１の中心からレーザ光２の位置がずれると、レーザ光２に対してアシストガスの噴射量に偏りが発生し、その結果、被加工物Ｗの融解や融解した被加工物Ｗの飛散が偏り加工不良となる。そのため、レーザ加工前には、アクチュエータ１０の駆動によって加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過するように調整する必要があり、この作業を芯出し工程、軸出し工程などと呼ぶ。
【００２０】
図２は、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄの配置例を示す平面図であり、被加工物Ｗから＋Ｚ方向に観察している。光センサ６は、被加工物Ｗから生じる光のうち可視光の領域に感度があるものを使用しており、受光素子６ａ〜６ｄの入射側には防塵用の板ガラスが設置されている。ここでは、４つの受光素子６ａ〜６ｄを光軸周りに９０度間隔で配置した場合を例示しているが、２つの受光素子を１８０度間隔で配置したり、３つの受光素子を１２０度間隔で配置したり、一般には、Ｎ個の受光素子を光軸周りに（３６０／Ｎ）度間隔で配置することが可能である。
【００２１】
次に、動作について説明する。まず、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により反射し、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光され、被加工物Ｗの加工部を照射する。このとき加工部から発生する光の空間分布が光センサ６によって検出され、各受光素子６ａ〜６ｄの検出信号は、増幅器７を経由して信号処理装置９に入力される。
【００２２】
信号処理装置９は、加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過した場合における各受光素子６ａ〜６ｄの信号強度を基準値として予め記憶しており、各受光素子６ａ〜６ｄの信号強度の変化を解析することによって加工ノズル１１の中心からレーザ光２の中心までの距離を求めることができ、さらに、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の位置を調整することによって、加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過するように設定できる。
【００２３】
本実施形態では、加工レンズ４の位置調整によってレーザ光２の芯出しを行う場合を例示したが、反射ミラー３の位置や角度、加工ノズル１１のＸＹ位置などを調整するためのアクチュエータを設けることによっても同様な芯出しを実施できる。
【００２４】
特許文献１では、スパッタ光を検知するための光ファイバ受光部をレーザ加工ヘッドの下面から露出するように設置している。そのためレーザ加工時に被加工物からの飛散物が発生して、光ファイバ受光部に付着してしまうと、光ファイバの出射側に接続された光センサから正しい信号強度が得られないことがある。
【００２５】
これに対して本実施形態では、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを加工ヘッド５の内部で加工レンズ４の背後に設置している。加工ノズル１１から噴射されるアシストガスにより、加工ヘッド５の内部に被加工物Ｗからの飛散物が侵入できないので、受光素子６ａ〜６ｄは汚れることがなく、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の偏差を検知するために必要な出力を安定して得ることができる。
【００２６】
図３は、被加工物Ｗからレーザ光２が正反射して戻る様子を示す説明図である。加工レーザがＣＯ２レーザである場合、レーザ光２の波長は１０．６μｍとなりガラスに吸収される。そのため、被加工物Ｗからの正反射レーザ光が光センサ６に当たるとセンサ６の窓材に使用しているガラスに吸収され、ガラスが白く変色して、被加工物Ｗからの発光が受光できなくなる可能性がある。また、レーザ光２として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを使用している場合、ガラスの吸収帯域から外れているため、光センサ６のガラスに反射レーザ光が吸収されることはないが、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄに被加工物Ｗからの正反射レーザ光が入射し、光センサ６自体を破壊してしまう可能性がある。
【００２７】
これらの対策として、光センサ６の窓材にレーザ光２の波長の光を反射するフィルタ膜を設置する構成、あるいは、図４に示すように、被加工物Ｗの加工部から発光した可視光のみを反射するミラーを設置して、正反射レーザ光と被加工物Ｗからの発光を分離し、光センサ６に被加工物Ｗからの発光のみを入射させる構成が考えられる。
【００２８】
本実施形態では、図５に示すように、被加工物Ｗの加工部で発生した光のうち、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面の一方または両方において反射した光を受光するように、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを配置している。これにより上記のようなフィルタ膜やミラーを設置することなく、強度の高い正反射レーザ光と被加工物Ｗからの発光を簡単に分離することができる。
【００２９】
例えば、図６に示すように、加工ヘッド内面および加工ノズル内面で光が反射しない場合を考える。被加工物Ｗからの発光点が加工ノズル１１の中心から−Ｘ方向にｒ０だけずれており、＋Ｘ方向に傾斜した光は加工ノズル１１を貫通できるが、傾斜角の大きい光は加工ノズルのエッジ点Ａの部分に衝突してしまう。
【００３０】
このとき加工ノズル１１の中心から点Ａまでの距離をｒ１、被加工物Ｗから点Ａまでの距離をｈ１、点Ａから加工レンズ４までの距離をｈ２、加工レンズ４から光センサ６までの距離をｈ３、被加工物Ｗから光センサ６までの距離をＨ（＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）、加工レンズ４の焦点距離をｆ（＝ｈ１＋ｈ２）とする。
【００３１】
被加工物Ｗの表面における発光点の位置ｒ０および光の進行方向ｒ０’（＝ｄｒ／ｄｚ）は、下記式（１）に示す光線行列を用いて、高さＨにおける加工ノズル１１の中心から距離Ｒおよび光の進行方向Ｒ’（＝ｄＲ／ｄｚ）に変換できる。式（１）を整理すると、距離Ｒは、下記式（１ａ）で表される。
【００３２】
【数１】
0005738051.tif 000002
【００３３】
今、被加工物Ｗからの光は、点Ａで制限されるため、加工ノズル１１に入射する光の最大角度が決まり、ｒ０’をＸＺ平面上のみで考えるとして単位ベクトルで表すと、式（２）で表される。
【００３４】
【数２】
0005738051.tif 000003
【００３５】
一例として、Ｈ＝４００ｍｍ、ｆ＝１９０ｍｍ、ｒ０＝０．５ｍｍ、ｒ１＝１．５ｍｍ、ｈ１＝１０ｍｍとすると、Ｒの値は約３７．２ｍｍと計算される。よって、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを加工ヘッド５の中心から半径方向に３７．２ｍｍ以上離して設置することで、受光素子６ａ〜６ｄに直接入射する光路が存在しなくなる。
【００３６】
一般に、加工ノズル１１や加工ヘッド５は金属で作製されており、その内面は被加工物Ｗから発光した可視光を反射する。そのため、図６のような位置に光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを設置することで、被加工物Ｗからの発光のうち、無反射で受光素子６ａ〜６ｄに入射する光路はなくなり、加工ヘッド５の内面及び加工ノズル１１の内面の少なくとも一方で反射した成分のみが光センサ６に到達するようになる。
【００３７】
また、レーザ光２が被加工物Ｗで反射され、加工ヘッド５内を反射し、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄに到達する光路も存在する。しかし、この光路で光センサ６に入射する反射レーザ光は被加工物Ｗで散乱反射された光であるため、被加工物Ｗから正反射で加工ヘッド５内に帰ってくる正反射レーザ光よりも十分光強度が低く、光センサ６に入射しても、ガラスを変色させことや光センサ６自体を破壊することがない。
【００３８】
さらに、加工ノズル１１および加工ヘッド５の内面を鏡面とすることにより、被加工物Ｗからの光が加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面で反射する際の反射ロスを極力抑え、光センサ６から高い信号強度が得られる。また、被加工物Ｗで散乱された反射レーザ光で光センサ６が壊れることはないが、安全のため、加工ノズル１１の内面や加工ヘッド５の内面にレーザ光２の波長の光を吸収し、被加工物Ｗから発光した可視光を反射する塗料や部材を設置することにより、光センサ６に入射する反射レーザ光の光強度をより低減できる。
【００３９】
実施の形態２．
上述した実施の形態１において、被加工物Ｗからの光が加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面で反射し、光センサ６に到達する光路は複数存在する。例えば、図７のように１回反射で光センサ６に到達する光路や、図９のように２回反射で到達する光路などが存在する。
【００４０】
図７と図９の光路はともに、被加工物Ｗの加工点から＋Ｘ方向の傾きを持って出射された光であるが、光センサ６に到達する位置が相違しており、図７の場合は−Ｘ側に位置する受光素子６ｂに到達し、一方、図９の場合は＋Ｘ側に位置する受光素子６ａに到達する。つまり、加工ノズル１１の内面及び加工ヘッド５の内面での反射回数が奇数回か偶数回かで、光センサ６での受光位置が異なることになる。
【００４１】
本実施形態では、奇数回反射と偶数回反射の場合で、レーザ光２が加工ノズル１１の中心からずれたとき、光センサ６からの出力がどう変化するかを説明する。最初に奇数回反射について検討する。
【００４２】
図１１は、図７と比較して、加工ノズル１１の中心からレーザ光２がずれて、被加工物Ｗの発光点１５が−Ｘ方向にずれた場合を示す。指向特性１６は、発光点１５からの光の発光角度と強度を示したもので、発光点１５から楕円までの距離が光の強度、発光点１５から楕円に引かれた直線が光の出射角度を示している。よって、発光点１５からの光は被加工物Ｗに対して垂直な方向に出射される光の強度が最も高く、水平に近くなるほど強度が低くなる。
【００４３】
ここで、図１１の光路ａは、図７の光線と同じ角度の光であるが、受光素子６ｂには到達せず、一方、光路ａよりも強度が低いが、より傾斜した角度で出射される光路ａ’が受光素子６ｂに到達する。よって、図７のように、加工ノズル１１に対するレーザ光２の位置ずれ（芯ズレ）がない状態では、強度の高い光路ａの角度が入射している。これに対して図１１は、強度の低い光路ａ’の光が受光素子６ｂに入射しているため、奇数回反射で受光素子６ｂに入射する光路は、−Ｘ方向の芯ズレに対してセンサ出力が低くなる。逆に、＋Ｘ方向に発光点１５がずれると、光路ａよりも強度が高い光が１回反射で受光素子６ｂに入射するため、センサ出力は増加する。
【００４４】
また、ここでは＋Ｘ方向に出射して一回反射で受光素子６ｂに入射する光路のみを考えていたが、同時にこれと対称な光路、即ち、−Ｘ方向に出射して一回反射で受光素子６ａに入射する光路も存在する。両者の光路は対称であるため、Ｘ方向の芯ズレ、つまり発光点１５のズレに対してセンサ出力特性（センサ出力の増減）が反転しており、受光素子６ａ，６ｂの出力特性は図８のようになる。
【００４５】
次に、偶数回反射の場合を同様に考える。図９と図１２に示すように、被加工物Ｗの加工点から＋Ｘ方向の傾きを持って出射された光については、−Ｘ方向の芯ズレに対して受光素子６ａの出力は低下し、一方、＋Ｘ方向の芯ズレに対して受光素子６ａの出力は増加する。さらに、加工点から−Ｘ方向に出射され、２回反射で受光素子６ｂに入射する光路も考慮すると、２回反射のセンサ出力特性は図１０のようになる。
【００４６】
従って、図８と図１０に示すように、１回反射と２回反射では、加工ノズル１１に対する芯ズレから発生する受光素子６ａの出力特性と受光素子６ｂの出力特性は互いに逆になることが判る。
【００４７】
また、ここでは１回反射と２回反射だけを議論したが当然３回、４回などの多数反射の光路も存在する。光センサ６に到達するまでの反射回数が多くなる光路は、発光点１５からの出射角度が水平に近くなるため、受光強度が弱くなる。受光素子６ａ，６ｂのセンサ出力を反射回数ごとに示したものが図１３と図１４である。
【００４８】
実施の形態１のように、加工ノズル１１の内面と加工ヘッド５の内面を鏡面とした場合、光センサ６の出力信号は、奇数回反射と偶数回反射の合計となる。しかしながら、図１３と図１４に示すように、奇数回反射と偶数回反射の信号強度はレーザ光２の偏差に関して逆特性となるため、受光素子６ａ，６ｂのセンサ出力は相殺されてしまう。
【００４９】
そこで、図１５のように、加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面の一部に、被加工物Ｗから発光した可視光を吸収する光吸収領域１４を設けて、光センサ６に到達する光路のうち奇数回反射または偶数回反射のいずれか一方を遮断することが好ましい。これにより図１７のように、受光素子６ａ，６ｂから出力される信号強度の差が大きくなり、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の位置をより高精度に計測できる。本実施形態では、光吸収領域１４は、反射率の低い黒色塗料を塗布することで実現しているが、代替として黒い樹脂などを設置することで実現してもよい。
【００５０】
次に、例えば、図１６のような２回反射の光路を遮断する場合を考える。実施の形態１のときと同様に、ＸＺ平面内で考える。Ｚ方向については、被加工物Ｗから１回目の反射が起こる場所までの距離をｚ１、１回目の反射が起こる場所から２回目の反射が起こる場所までの距離をｚ２、２回目の反射が起こる場所から加工レンズ４までの距離をｚ３、加工レンズ４から光センサ６までの距離をｚ４、被加工物Ｗから光センサ６までの距離をＨとする。ｘ方向については、加工ヘッド５の中心から被加工物Ｗの発光点のズレをｘ０、一回目の反射が起こる領域の半径をｘ１、２回目の反射が起こる領域の半径をｘ２、光センサ６の設置半径をｘｉｎ、加工レンズ４の焦点距離をｆとする。
【００５１】
被加工物Ｗからの光は、下記の式（３）で表された単位ベクトルの方向に出射されたものが光センサ６に到達する。
【００５２】
(x0', y0', z0')=((f*xin-(f-z4)x0)/f(H-3*z2)-z4*(H-z2-z4),0,H*f/(H*f-z4*(H-z4)))  …（３）
【００５３】
一例として、Ｈ＝４００ｍｍ、ｆ＝１９０ｍｍ、ｘ０＝０ｍｍ、ｘ１＝１．５ｍｍ、ｘ２＝１５ｍｍ、ｘｉｎ＝３８ｍｍとすると、式（３）の角度で出射された光が到達する１回目と２回目の反射領域までの距離ｚ１とｚ２は、光線行列を用いて、下記式（４）のように計算できる。
【００５４】
【数３】
0005738051.tif 000004
【００５５】
ここで、被加工物Ｗ上の発光点がずれた場合を考えると、ｘ０＝±０．５ｍｍの時、ｚ１とｚ２の範囲は以下の範囲で移動する。
ｚ１＝１５．８±０．０２ｍｍ
ｚ２＝１７３．３±０．２４ｍｍ
【００５６】
よって、２回反射で光センサ６に到達する光路を遮断するためには、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面において、被加工物Ｗから１５．８±０．０２ｍｍまたは１７３．７±０．２４ｍｍの範囲に光吸収領域１４を設けることが好ましい。ただし、ｚ１の領域は一回反射で光センサ６に到達する光路に近接しており、黒塗する幅も０．０４ｍｍと狭いため、ｚ２の領域を光吸収領域１４とすることがより好ましい。
【００５７】
本実施形態では、加工ノズル１１及び加工ヘッド５を中空円柱状に形成した場合、加工ヘッド５の内面において被加工物Ｗから１７３．３ｍｍ±０．２４ｍｍの範囲にリング状の光吸収領域１４を設けることが好ましい。
【００５８】
また、ここでは正反射のみを検討したが、実際には、加工ヘッド５、加工ノズル１１内での反射に散乱反射の成分も含まれる。そのため、光吸収領域１４は高さ方向に２〜３倍程度に拡大してもよい。
【００５９】
また、上記の検討では２回反射について検討したが、同様に光線行列を解くことによって、４回反射、６回反射など、任意の偶数回反射について光路を遮断することもできる。
【００６０】
なお、加工ノズル１１や加工ヘッド５内の奇数回反射と偶数回反射の反射領域が重なっており、奇数回反射と偶数回反射の光路を光吸収領域１４だけでは完全に分離できないことがある。その場合は、１回反射または２回反射のような反射回数が少ない光路を優先的に残すことによって、光センサ６から大きな出力が得られると共に、センサ出力の差（受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差）も大きくなる。
【００６１】
実施の形態３．
図１８は、本発明による実施の形態３を示す説明図である。本実施形態は、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面において、実施の形態２の光吸収領域１４の代わりに光散乱面１３を設けて、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路を散乱反射させている。
【００６２】
被加工物Ｗから光センサ６に到達する光路の途中に光散乱面１３を設置することによって、光の散乱により発光点１５が多少ずれても光センサ６に入射する光量は変化しない。さらに、散乱反射により光が広がって反射されるため、光センサ６から離れた領域に散乱面１３を設置することにより、光センサ６への入射光量を減少させることもできる。そのため、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。なお、光散乱面１３を設ける範囲は、実施の形態２で計算した光吸収領域１４の範囲と同じである。
【００６３】
実施の形態２の光吸収領域１４を設置した場合と比較して、光散乱面１３を設置した場合、散乱反射された光が若干、光センサ６に入射するため、芯ズレ検知精度は低下する傾向がある。光散乱面１３は、光吸収領域１４と同様に塗料（例えば、反射率の高い白色塗料）の塗布によって形成してもよいが、加工ノズル１１の内面や加工ヘッド５の内面にブラスト加工などの粗面化処理を施すことによって光散乱面１３を容易に作製することができる。粗面化処理で得られる表面は、塗料の塗布と比較して、反射率の経年劣化が少なく、長期にわたってセンサ出力が変動しにくいという利点がある。
【００６４】
また、被加工物Ｗ、光センサ６及び加工レンズ４の位置関係上、被加工物Ｗからの発光が加工レンズ４で集光されてしまい、図１９に示すように、光センサ６に光が入射しない場合が存在する。そのような場合でも、図２０のように、加工ノズル１１の内面及び加工ヘッド５の内面の一部を光散乱面１３として形成することにより、光センサ６に被加工物Ｗからの光が入射する光路を作ることができる。こうした散乱光路を利用することにより、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の位置を光センサ６の出力から測定することができる。
【００６５】
実施の形態４．
図２１は、本発明による実施の形態４を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部に遮光物１７を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路を遮断している。
【００６６】
実施の形態２の光吸収領域１４の設置と同様に、奇数回反射または偶数回反射の光路を遮断することによって、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。
【００６７】
また、遮光物１７は、加工ヘッド５及び加工ノズル１１内で複雑に反射を繰り返し光センサ６に入射する迷光の光路を遮断できるため、黒色部材などの光吸収する部材が最も望ましい。しかし、発光点１５からの光センサ６に到達する光路を遮断することができればよいため、透過率が低いものであれば金属や樹脂などで形成してもよい。
【００６８】
図２１では、２回反射の光路を遮断した場合を例示している。実施の形態２で計算したとおり、ｚ１＝１５．８ｍｍ、ｚ２＝１７３．３ｍｍであるから、被加工物Ｗから２回反射する位置までの距離はｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍであり、そこから１ｍｍ下に遮光物１７を設置している。
【００６９】
加工ノズル１１の内部で反射される角度は、９０−ｔａｎ−１（ｘ１／ｚ１）＝８４．６°であるため、遮光物１７のＸ方向の長さは、１ｍｍ×ｔａｎ（ｘ１／ｚ１）＝０．０９ｍｍ以上あればよく、被加工物Ｗの発光点が最大０．５ｍｍずれることを考慮しても、０．０９＋０．５ｍｍ≒０．６ｍｍ以上あればよい。本実施形態では、加工ノズル１１および加工ヘッド５の反射に含まれる散乱反射も考慮して、遮光物１７のＸ方向長さを１ｍｍとしている。また、加工ノズル１１および加工ヘッド５を中空円柱形状に形成した場合、幅１ｍｍのリング状の遮光物１７を配置すればよい。なお、使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。
【００７０】
実施の形態５．
図２２は、本発明による実施の形態５を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部にミラー１８を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路について反射回数を増加させ、受光光量を減衰させている。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。
【００７１】
図２２では、ミラー１８からの反射光を光センサ６に入射させた場合を例示している。ミラー１８を被加工物ＷからＺ方向にｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍ、加工ノズル１１の中心からＸ方向に１０．５ｍｍに設置した場合、加工ノズル１１の反射面に対してミラー１８の角度を３．５度傾けることで、受光素子６ａに入射する光を受光素子６ｂに入射させることができる。また、ミラー１８の角度を別の角度に設定し、光センサ６に入射しない角度に光を反射させてもよい。
【００７２】
代替として、図２３のように、加工ノズル１１や加工ヘッド５の内部形状を変更したり、あるいはミラー１８を加工ノズル１１や加工ヘッド５と一体化して、反射回数を調整してもよい。図２３において、ミラー１８を被加工物ＷからＺ方向にｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍ、加工ノズル１１の中心からＸ方向にｘ２＝１５ｍｍに設置した場合、加工ノズル１１の反射面に対してミラー１８の角度を６度傾けることで、図２３のように反射回数を意図的に増やすことができる。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。なお、使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。
【００７３】
実施の形態６．
図２４は、本発明による実施の形態６を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部に光屈折体１９を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路について反射回数を増加させ、受光光量を減衰させている。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。
【００７４】
図２４は、光屈折体１９により２回反射の光を全反射させ加工ヘッド５の内面に対して垂直入射させた場合を例示している。光屈折体１９は、被加工物Ｗを照射するレーザ光２を妨害しないように、加工レンズ４のすぐ下に設置することが望ましい。図２４の例では、加工ノズル１１の中心からＸ方向に２９ｍｍ、被加工物Ｗからｐ１＝１８９．５ｍｍの位置にガラス製の直角二等辺三角形型の光屈折体１９を設置し、その出射面が加工ヘッド５の内面に対して４．３度だけ図の方向に傾けて配置した場合、光屈折体１９に入射して内部全反射し、出射面から出射した光は、加工ヘッド５の内面によって逆方向に反射して同じ光路を戻るため、光センサ６には入射しなくなる。
【００７５】
図２５は、光屈折体１９により２回反射の光を全反射させ、光が入射する受光素子６ａ，６ｂを変更した場合を例示している。加工ノズル１１の中心からＸ方向に１３ｍｍ、被加工物Ｗからｐ２＝１８５ｍｍの位置に、ガラス製の直角二等辺三角形型の光屈折体１９を設置し、光屈折体１９の全反射面を加工ノズル１１の反射面に対して１．２度傾けて配置している。
【００７６】
光屈折体１９は、発光点１５からの可視光を透過、屈折、全反射させることができる任意の材料、例えば、ガラスや樹脂などで形成できる。また、図２４と図２５の光屈折体１９の全反射面は、金属蒸着や誘電体多層膜を施したミラーとして形成してもよい。なお、図２４と図２５で使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。
【符号の説明】
【００７７】
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  光センサ、  ６ａ〜６ｄ  受光素子、  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、  １３  光散乱面、  １４  光吸収領域、  １５  発光点、
１６  指向特性、  １７  遮光物、  １８  ミラー、  １９  光屈折体、
Ｗ  被加工物。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１５】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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