(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工機の加工ヘッドに設けられたノズル側の中心電極とケーブルを介して接続されることで、前記ノズルとワークとの間のギャップを検出するギャップ検出装置において、
前記中心電極と前記ワークとの間に形成される静電容量を測定する静電容量測定部と、
前記静電容量測定部にて測定された静電容量に基づいて、前記ノズルとワークとの間のギャップを算出するギャップ算出部と、
前記ノズルと前記ワークとの接触状態を判定する接触判定部と、
前記ノズルと前記ワークとの接触状態の判定結果に基づいて、前記中心電極の電位に追従する追従信号を前記ケーブルの外被に印加する追従信号印加部とを備えることを特徴とするギャップ検出装置。
【請求項２】
前記追従信号印加部は、前記ケーブルの外被を介し、前記中心電極の近傍に絶縁配置されたガード電極に前記追従信号を印加することを特徴とする請求項１に記載のギャップ検出装置。
【請求項３】
前記追従信号印加部は、前記ケーブルの芯線の電圧と同相かつ同振幅の電圧を前記ケーブルの外被に印加することを特徴とする請求項１または２に記載のギャップ検出装置。
【請求項４】
前記接触判定部は、前記追従信号を前記ケーブルの外被に断続的に印加させながら、前記ノズルと前記ワークとの接触状態を判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のギャップ検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のギャップ検出装置と、
レーザ光を出射するノズルおよび前記ノズルの近傍に絶縁配置されたガード電極を移動自在に保持する加工ヘッドと、
前記ノズルから出射されるレーザ光を発生させるレーザ発振器と、
前記ギャップ検出装置にて検出されたギャップの検出結果に基づいて、前記ノズルの位置を制御する加工機コントローラとを備えることを特徴とするレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はギャップ検出装置およびレーザ加工機に関し、特に、ノズルとワークとが接触した時のギャップ測定回路の保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機では、ワークに対してレーザが最適な強度で照射されるように、レーザを出射するノズルとワークとの間のギャップが所望の値になるように制御される。このノズルとワークとの間のギャップを測定する方法として、ノズルとワークとの間に形成される静電容量を検出する方法がある。この方法では、測定箇所の未知インピーダンスに既知の参照抵抗が直列接続されるように構成し、その未知インピーダンスに測定信号を印加し、未知インピーダンスと既知の参照抵抗の間にある分岐点から分電圧を取り出して、測定箇所のギャップによる静電容量の値からギャップを求めることができる（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２３４９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術によれば、ノズルとワークとが接触すると、測定信号が発振するようになる。そのため、測定回路に過電流が流れ、測定回路が発熱することから、測定系の特性が変動したり、測定系が破壊されたりするという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノズルとワークとの接触による測定系の発熱を抑制しつつ、ノズルとワークとの間のギャップをその間の静電容量の値から検出することが可能なギャップ検出装置およびレーザ加工機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ加工機の加工ヘッドに設けられたノズル側の中心電極とケーブルを介して接続されることで、前記ノズルとワークとの間のギャップを検出するギャップ検出装置において、前記中心電極と前記ワークとの間に形成される静電容量を測定する静電容量測定部と、前記静電容量測定部にて測定された静電容量に基づいて、前記ノズルとワークとの間のギャップを算出するギャップ算出部と、前記ノズルと前記ワークとの接触状態を判定する接触判定部と、前記ノズルと前記ワークとの接触状態の判定結果に基づいて、前記中心電極の電位に追従する追従信号を前記ケーブルの外被に印加する追従信号印加部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ノズルとワークとの接触による測定系の発熱を抑制しつつ、ノズルとワークとの間のギャップをその間の静電容量の値から検出することが可能という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明に係るギャップ検出装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るギャップ検出装置の実施の形態１が適用されるレーザ加工機の概略構成を示すブロック図である。図１において、ワークＷをレーザ加工するレーザ加工機１０には、レーザ光を発生させるレーザ発振器１１、レーザ光の出射位置を設定する加工ヘッド１３、レーザ発振器１１の動作や加工ヘッド１３の位置などを制御する加工機コントローラ１２が設けられている。ここで、加工ヘッド１３には、レーザ光をワークＷ上に出射するノズル１５およびノズル１５の近傍に絶縁配置されたガード電極１４が設けられている。なお、ノズル１５自体を、ワークＷとの間で静電容量を形成する中心電極として機能させるようにしてもよいし、ワークＷとの間で静電容量を形成する中心電極をノズル１５とは別に設けるようにしてもよい。
【００１０】
そして、レーザ加工機１０には、ケーブルＣｂを介してギャップ検出装置２０が接続されている。ここで、ギャップ検出装置２０は、ノズル１５とワークＷとの間に形成される静電容量を測定することで、ノズル１５とワークＷとの接触状態を判定し、ノズル１５とワークＷとの間のギャップｄを検出することができる。すなわち、ギャップ検出装置２０には、静電容量測定部２１、ギャップ算出部２２、接触判定部２３および追従信号印加部２４が設けられ、静電容量測定部２１は、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１を介してノズル１５側の中心電極と接続され、追従信号印加部２４はケーブルＣｂの外被Ｃｂ２を介してガード電極１４と接続されている。なお、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２としては、同軸ケーブルの外部導体、測定ケーブルの金属シースなどを挙げることができる。
【００１１】
そして、静電容量測定部２１は、ノズル１５側の中心電極とワークＷとの間に形成される静電容量を測定することができる。ギャップ算出部２２は、静電容量測定部２１にて測定された静電容量に基づいて、ノズル１５とワークＷとの間のギャップｄを算出することができる。接触判定部２３は、ノズル１５とワークＷとの接触状態を判定することができる。なお、接触判定部２３は、ギャップ算出部２２にて算出されたノズル１５とワークＷとの間のギャップｄからノズル１５とワークＷとの接触状態を判定するようにしてもよいし、ノズル１５とワークＷとの接触状態を検出する接触センサを別途設け、その接触センサの出力からノズル１５とワークＷとの接触状態を判定するようにしてもよい。追従信号印加部２４は、ノズル１５とワークＷとの接触状態の判定結果に基づいて、ノズル１５側の中心電極の電位に追従する追従信号をケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に印加することができる。なお、この追従信号としては、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１の電圧と同相かつ同振幅の電圧を用いることができる。
【００１２】
そして、接触判定部２３は、ノズル１５とワークＷとの接触状態を判定し、その判定結果を追従信号印加部２４に出力する。そして、追従信号印加部２４は、ノズル１５とワークＷとが接触していると判定された場合、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に追従信号を印加しないようにする。一方、追従信号印加部２４は、ノズル１５とワークＷとが接触していないと判定された場合、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に追従信号を印加する。そして、静電容量測定部２１は、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１を介して電気信号をやり取りすることで、ノズル１５側の中心電極とワークＷとの間に形成される静電容量を測定し、その測定結果をギャップ算出部２２に出力する。ここで、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に追従信号が印加された状態で、ノズル１５側の中心電極とワークＷとの間に形成される静電容量を測定することで、ケーブルＣｂに形成される浮遊容量や、ノズル１５側の中心電極とガード電極１４との間に形成される浮遊容量の影響を除去することができ、ノズル１５側の中心電極とワークＷとの間に形成される静電容量の測定精度を向上させることができる。そして、ギャップ算出部２２は、静電容量測定部２１にて測定された静電容量に基づいて、ノズル１５とワークＷとの間のギャップｄを算出し、接触判定部２３および加工機コントローラ１２に出力する。
【００１３】
そして、加工機コントローラ１２は、ノズル１５とワークＷとの間のギャップｄに基づいて、レーザ光の焦点位置が所定の位置にくるようにノズル１５の位置を制御し、レーザ光を適正な強度でワークＷに照射させながら、ワークＷの加工を行わせる。
【００１４】
ここで、追従信号印加部２４は、ノズル１５とワークＷとが接触していると判定された場合、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に追従信号を印加しないようにすることで、測定信号が発振するのを防止することが可能となる。このため、ノズル１５とワークＷとが接触している場合においても、測定回路に過電流が流れるのを防止することができ、測定回路の発熱を防止することが可能となることから、測定系の特性が変動したり、測定系が破壊されたりするのを防止することができる。また、測定回路に過電流が流れるのを防止することで、ギャップ検出装置２０の消費電力を低減することが可能となるとともに、ギャップ検出装置２０の長寿命化を図ることができる。
【００１５】
（実施の形態２）
図２は、本発明に係るギャップ検出装置の実施の形態２の概略構成を示すブロック図である。図２において、図１のノズル１５とワークＷとの間に形成される静電容量をコンデンサ３１でモデル化すると、コンデンサ３１は、ノズル１５側の電極３１ａとワークＷ側の電極３１ｂにて構成することができる。また、レーザ光がワークＷに照射されると、加工条件によってはノズル１５とワークＷとの間にプラズマＰが発生することがあり、コンデンサ３１には、このプラズマＰによるプラズマインピーダンス３２が並列接続される。
【００１６】
そして、ギャップ検出装置４０には、ノズル１５とワークＷとの間に形成される静電容量を測定する測定信号を発生する測定信号発生部４１、プラズマインピーダンス３２をモデル化する基準インピーダンスを提供するリファレンス素子４２、中心電極の分電圧を検出するバッファ４３、バッファ４３の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４４、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間の開閉を行う切り替え部４５、ギャップ検出装置４０の周囲の環境温度を検出する温度検出部４６、温度検出部４６の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４７、Ａ／Ｄコンバータ４４から出力された中心電極の分電圧に基づいてノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出する信号処理部４８、信号処理部４８にて算出されたギャップ値をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ４９が設けられている。
【００１７】
なお、Ｄ／Ａコンバータ４９は必ずしも設ける必要はなく、信号処理部４８にて算出されたギャップ値をデジタル信号のまま出力してもよい。また、信号処理部４８は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することができる。また、リファレンス素子４２としては、例えば、抵抗素子を用いることができ、バッファ４３としては、例えば、オペアンプを用いることができ、切り替え部４５としては、例えば、スイッチまたはマルチプレクサを用いることができ、温度検出部４６としては、例えば、熱電対またはサーミスタを用いることができる。
【００１８】
そして、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出する場合、信号処理部４８は、切り替え部４５をオンさせることにより、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間を導通状態にするとともに、測定信号発生部４１を動作させる。そして、測定信号発生部４１にて発生された測定信号は、リファレンス素子４２を通った後、分岐点Ｂ１にて分圧され、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１を介してコンデンサ３１およびプラズマインピーダンス３２に印加される。なお、測定信号発生部４１にて発生される測定信号は、ノズル１５とワークＷとの間に形成される静電容量の変化に対してシステムゲインが感度よく変化する周波数に設定することができ、例えば、測定系の共振周波数の近傍に設定することができる。
【００１９】
そして、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１上に発生した中心電極の信号はバッファ４３を経た後、分岐点Ｂ２にて分岐され、Ａ／Ｄコンバータ４４および切り替え部４５に入力される。そして、バッファ４３から出力された中心電極の信号が切り替え部４５に入力されると、切り替え部４５を介してケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に印加され、さらにケーブルＣｂの外被Ｃｂ２を伝わってガード電極１４に印加される。ここで、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１上に発生した中心電極の信号をケーブルＣｂの外被Ｃｂ２に印加することで、ケーブルＣｂの芯線Ｃｂ１の電圧を、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２の電圧やガード電極１４の電圧と同相かつ同振幅に保つことができ、ケーブルＣｂに形成される浮遊容量や、ノズル１５側の中心電極とガード電極１４との間に形成される浮遊容量の影響を除去することが可能となることから、ノズル１５側の中心電極とワークＷとの間に形成されるコンデンサ３１の静電容量の測定精度を向上させることができる。また、バッファ４３から出力された中心電極の信号がＡ／Ｄコンバータ４４に入力されると、その中心電極の信号がデジタル信号に変換され、信号処理部４８に入力される。また、温度検出部４６にて検出された環境温度は、Ａ／Ｄコンバータ４７に入力され、デジタル信号に変換された後、信号処理部４８に入力される。
【００２０】
そして、信号処理部４８は、Ａ／Ｄコンバータ４４を介して中心電極の信号を受け取ると、その中心電極の信号からコンデンサ３１の静電容量を算出する。そして、コンデンサ３１の静電容量に基づいて、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出し、Ｄ／Ａコンバータ４９を介して外部に出力することができる。なお、信号処理部４８は、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出するに当たって、プラズマインピーダンス３２の値を算出し、そのプラズマインピーダンス３２の影響を除去することができる。また、この際に、温度検出部４６にて検出された環境温度に基づいて、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を補正することができる。また、信号処理部４８は、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出すると、そのギャップ値に基づいてノズル１５とワークＷとが接触しているかどうかを判定する。そして、ノズル１５とワークＷとが接触している場合、信号処理部４８は、切り替え部４５をオフさせることにより、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間を遮断状態にする。
【００２１】
なお、信号処理部４８は、ノズル１５とワークＷとが接触していると判定した場合、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間を断続的に導通状態にすることにより、ケーブルＣｂの外被Ｃｂ２およびガード電極１４に中心電極の信号を印加させながら、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を算出することができる。
【００２２】
図３は、図２のギャップ検出装置におけるガード電極へのループの開閉処理を示すフローチャート、図４は、図２のギャップ検出装置におけるガード電極へのループの開閉処理を示すタイミングチャートである。図３において、図２の信号処理部４８は、中心電極の信号を受け取ると、今回サンプリングした中心電極の分電圧からノズル１５とワークＷとの間のギャップ値を計算する（ステップＳ１）。そして、ノズル１５とワークＷとの間のギャップ値に基づいて、ノズル１５とワークＷとが接触しているかどうかを判断し（ステップＳ２）、ノズル１５とワークＷとが接触していない場合は、ステップＳ１に戻り、ギャップ値の計算を繰り返す。
【００２３】
一方、ノズル１５とワークＷとが接触している場合、信号処理部４８は、切り替え部４５をオフさせることにより、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間を遮断状態に移行させる（ガード電極１４へのループオープン）（ステップＳ３）。そして、信号処理部４８は、所定時間だけ待機した後（ステップＳ４）、切り替え部４５をオンさせることにより、バッファ４３の出力とケーブルＣｂの外被Ｃｂ２との間を導通状態に移行させ（ガード電極１４へのループクローズ）（ステップＳ５）、ステップＳ１に戻ることで、今回サンプリングした中心電極の分電圧からギャップ値の計算を行う。
【００２４】
なお、図４に示すように、図３のステップＳ４の待機時間ＴＳは、例えば、数１０ｍｓｅｃに設定することができ、ループオープン中にループクローズを断続的に繰り返すことにより、継続的な信号発振を防止しつつ、ノズル１５とワークＷとの接触が継続しているかどうかを判断することが可能となる。そして、ノズル１５とワークＷとの接触が解除された場合には、ループクローズ状態に移行させることで、ギャップ値の計算を連続して行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のように本発明に係るギャップ検出装置は、レーザ加工機とギャップ検出装置とを接続するケーブルの浮遊容量をキャンセルさせながら、ノズルとワークの間の静電容量に基づいて、レーザ加工機のノズルとワークの間のギャップ値を算出する方法に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るギャップ検出装置の実施の形態１が適用されるレーザ加工機の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るギャップ検出装置の実施の形態２の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２のギャップ検出装置におけるガード電極へのループの開閉処理を示すフローチャートである。
【図４】図２のギャップ検出装置におけるガード電極へのループの開閉処理を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  レーザ加工機
１１  レーザ発振器
１２  加工機コントローラ
１３  加工ヘッド
１４  ガード電極
１５  ノズル
２０、４０  ギャップ検出装置
２１  静電容量測定部
２２  ギャップ算出部
２３  接触判定部
２４  追従信号印加部
３１  コンデンサ
３１ａ、３１ｂ  電極
３２  プラズマインピーダンス
４１  測定信号発生部
４２  リファレンス素子
４３  バッファ
４４、４７  Ａ／Ｄコンバータ
４５  切り替え部
４６  温度検出部
４８  信号処理部
４９  Ｄ／Ａコンバータ
Ｗ  ワーク
Ｃｂ  ケーブル
Ｃｂ１  芯線
Ｃｂ２  外被
【図１】
0004785885.tif 000002
【図２】
0004785885.tif 000003
【図３】
0004785885.tif 000004
【図４】
0004785885.tif 000005