JP2001219288A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、プラズマの発生が静電容量に
与える影響を抑えることで、より高速レーザ加工に対応
できるレーザ加工装置を提供することである。 【解決手段】ノズル中心部材の外周に、ガード電極と、
測定電極を設け、さらにガード電極と測定電極の先端面
を、ノズル中心部材の先端面より上方に設けたことを特
徴とするレーザ加工装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
関し、さらに詳しくは、センサにより加工ヘッドとワー
ク間の距離を測定し、これに基づいて加工ヘッドを制御
するレーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザ加工装置においては、
加工ヘッドとワーク間を測定するセンサに静電容量式の
センサを使用し、加工ヘッドとワーク間を一定に制御し
ている。これにより、レーザ光の適正な焦点位置と、ア
シストガスの適正な圧力分布を保持している。

【０００３】しかし、レーザ加工時に発生するプラズマ
により、静電容量が影響を受けると、適正な距離を検出
することができなくなる。その結果、レーザ光の焦点位
置や、アシストガスの適正な圧力分布を保持できなくな
り、加工ヘッドがワークに接触したり、加工不良を発生
する等の問題が生じていた。

【０００４】なお、プラズマは、加工速度の上昇ととも
に強く発生する。ゆえに、高速加工時においては、前述
の問題が顕著に発生するため、レーザ加工の高速化は難
しかった。

【０００５】これらの問題を解決するためのレーザ加工
装置の加工ヘッドの構造について、特開平０５−２９３
６８６が開示されている。従来レーザ加工装置の加工ヘ
ッドでは、第１のノズルの外周に絶縁ノズルを介して金
属ノズルを設けるとともに、その金属ノズルをプラズマ
に対して十分離して保持させている。また、第１のノズ
ルの先端部と金属ノズル間に生じる静電容量は、金属ノ
ズルとワーク間に生じる静電容量よりも十分小さくして
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来レーザ加
工装置では、第１のノズルの先端部と金属ノズル間に生
じる静電容量を抑制する手段は、明示されていない。ま
た、実施例で開示される加工ヘッドの構造では、第１の
ノズルを電極として使用することは難しい。

【０００７】本発明の目的は、高速レーザ加工を行う場
合においても、プラズマの影響を抑制することで、精度
良く加工ヘッドの制御を行うことにより、高精度で高速
なレーザ加工を実現する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被加
工物との距離に基づいて加工ヘッドの駆動を制御する制
御装置を有するレーザ加工装置において、前記加工ヘッ
ドの中心部に設けられたノズル中心部材と、前記ノズル
中心部材の外周に設けられたガード電極と、前記ガード
電極の外周に設けられ、被加工物との間の静電容量を検
出する測定電極と、前記静電容量を測定し、測定された
前記静電容量から前記ノズル中心部材と被加工物間のギ
ャップ量を検出するギャップ量検出手段と、を有するこ
とを特徴とするレーザ加工装置である。

【０００９】かかる発明によると、ノズル中心部材の外
側に、ガード電極及び測定電極を設けた。このように、
測定電極をプラズマが発生する位置から離すことで、プ
ラズマが静電容量に与える影響を抑制することができ
る。ゆえに、プラズマが強く発生する高速加工において
特に有効である。また、ガード電極によりノズル中心部
材と測定電極間に生じる静電容量を遮蔽することができ
る。これにより、ノズル中心部材と測定電極間に生じる
静電容量を遮蔽し、確実に測定電極とワーク間に生じる
静電容量を測定することができる。

【００１０】また、かかる発明の構造によれば、ノズル
中心部材を電極として機能させることができる。例え
ば、測定電極や，プラズマの影響により発生する電位を
測定する電極，温度測定電極等とすることができる。

【００１１】請求項２の発明は、前記測定電極の先端面
は、前記ノズル中心部材の先端面よりも上方にあること
を特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置である。

【００１２】かかる発明によると、測定電極をノズル中
心部材の先端面よりも上方に設けたことで、レーザ加工
時に発生するプラズマからの影響を効果的に軽減するこ
とができる。つまり、測定電極を半径方向にさらに遠ざ
けた場合と比べて、測定電極の外径を小さくすることが
できる。よって、加工点と測定電極の水平方向の位置を
近くすることができ、より高精度な制御が可能となる。
ゆえに、かかる発明によると、請求項１の発明の効果に
加えて、さらなる高速レーザ加工において、精度良く加
工ヘッドを制御することができる。

【００１３】請求項３の発明は、前記加工ヘッドは、更
にガード電極と測定電極を多層で有するとともに、前記
多層に設けられたガード電極，測定電極を、加工速度に
応じていずれかのガード電極，測定電極に切換えるセン
サ切換手段を有することを特徴とする請求項１又は２記
載のレーザ加工装置である。

【００１４】かかる発明によると、ガード電極と測定電
極を１組として、加工ヘッドに多層に設けた。そして、
加工速度によりどの測定電極を使用して、加工ヘッドを
制御するかを、センサ切換手段により切換える。つま
り、加工速度が増すことでプラズマの発生が増大した場
合、加工点に近い測定電極は、プラズマにより静電容量
が影響される。このとき、プラズマの影響を受けていな
い外側の測定電極に切換えることで、正常に加工ヘッド
を制御することができる。

【００１５】また、プラズマの発生が少ない加工速度の
場合は、加工点に近い測定電極を用いることで、材料の
端面などにおいても、精度良く加工ヘッドを制御するこ
とができる。つまり、加工速度により測定電極を切換え
ることで、請求項１又は２の発明の効果に加えて、当該
加工速度における最適なセンシングを行うことができ
る。

【００１６】請求項４の発明は、前記加工ヘッドは、更
にガード電極と測定電極を多層で有するとともに、前記
多層に設けられたガード電極，測定電極を、夫々の前記
測定電極から検出された隣り合うギャップ量の差が設定
値以上になったときに、いずれかのガード電極，測定電
極に切換えるセンサ切換手段を有することを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置であ
る。

【００１７】かかる発明によると、夫々の測定電極が測
定した隣り合うギャップ量の差が、設定値以上になった
ときに、プラズマの影響を受けていない測定電極に切換
える。つまり、内側の静電容量がプラズマにより影響を
受けた場合は、順次外側の測定電極に切換えていくこと
ができる。よって、請求項１〜３の発明のいずれか一項
の効果に加えて、材料の端面などにおいても、精度良く
加工ヘッドを制御することができる。

【００１８】請求項５の発明は、前記加工ヘッドは、プ
ラズマの影響によって加工ヘッドとワーク間で発生する
電位を測定するプラズマ電位測定電極を有するととも
に、前記プラズマ電位測定電極の測定値に応じて加工状
況を監視するモニタリング装置を有することを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ加工装置で
ある。

【００１９】かかる発明によると、発生したプラズマ電
位をプラズマ電位測定電極により測定し、測定したプラ
ズマ電位から想定される加工状況をプラズマ電位評価手
段により評価することで、加工状況を監視することがで
きる。ゆえに、請求項１〜４の発明の効果に加えて、不
良品の発生を抑制し、生産性の向上を図ることができ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の第一実施例を図１に示
す。図１は本発明によるレーザ加工装置における加工ヘ
ッドの先端部分の構成図である。加工ヘッドを駆動する
駆動機構，レーザ発振器，集光レンズ等は省略してあ
る。

【００２１】加工ヘッドの先端部１の中心部には、金属
製のノズル中心部材２が設けられている。ノズル中心部
材２には、レーザ光３を出射する出射口２ｂが設けられ
ている。一方、ノズル中心部材２の外周には、絶縁部材
４を介して静電遮蔽を行うガード電極５が設けられてい
る。ガード電極５の下部外周には、絶縁部材６を介して
測定電極７が設けられている。

【００２２】一方、ガード電極５と測定電極７の先端面
５ａ，７ａは、ノズル中心部材の先端面２ａからは、シ
フト量Ｓ分上方に設けられている。なお、本実施例にお
いては、先端面５ａと先端面７ａが同一面に設けられて
いるが、同一面でなくても機能に影響はない。

【００２３】また、ガード電極５及び測定電極７には夫
々、信号線８，９が接続され、ギャップ量検出手段であ
る静電容量式ギャップセンサアンプユニット１０と接続
されている。静電容量式ギャップセンサアンプユニット
１０は制御装置１１と接続され、加工ヘッドの駆動は制
御装置１１により制御される。

【００２４】ここで、レーザ加工において、良好な加工
を行うため、ノズル中心部材２とワーク１２間のギャッ
プ量Ｔを一定に維持する必要がある。これは、レーザ光
３の適正な焦点位置と、アシストガスの適正な圧力分布
を保持するためである。

【００２５】このため、静電容量式ギャップセンサアン
プユニット１０は、測定電極７とワーク１２間で発生す
る静電容量Ｃ１の変化量を検出してギャップ量Ｄを測定
し、測定したギャップ量Ｄからシフト量Ｓを減ずること
でギャップ量Ｔを算出する。算出したギャップ量Ｔは制
御装置１１にフィードバックされる。

【００２６】すると、制御装置１１はギャップ量Ｔの変
化量に応じて、加工ヘッドの位置を調整する。よって、
レーザ光３の適正な焦点位置と、アシストガスの適正な
圧力分布を保持することができる。

【００２７】また、ガード電極５は、測定電極７と同電
位が与えられることで、静電遮蔽を行う。ゆえに、ガー
ド電極５は、測定電極７とノズル中心部材２間に発生す
る静電容量Ｃ２が、静電容量Ｃ１に与える影響を防止す
る。

【００２８】しかし、レーザ加工中、レーザ加工点１３
では、プラズマ１４が発生する場合がある。このプラズ
マ１４は、測定電極７とワーク１２間に発生する静電容
量Ｃ１に影響を与える。すると、ギャップ量Ｔの測定に
支障を来たし、加工ヘッドの制御性を悪化させ、加工不
良の原因となる。また、レーザ加工速度が増大すると、
プラズマ１４も増大することが、実験により確認されて
いる。

【００２９】ところが、本発明による加工ヘッドの先端
部１においては、測定電極７がプラズマ１４から十分離
れた位置にあるため、静電容量Ｃ１がプラズマ１４の影
響を受けることはほとんどない。よって、高速加工中に
おいても、正常に測定電極７が機能するので、ギャップ
量Ｔは保持される。

【００３０】また、シフト量Ｓが０の場合においても、
プラズマ１４が静電容量Ｃ１に及ぼす影響を回避する効
果はあるが、より高速なレーザ加工を行い、さらに多く
のプラズマ１４が発生する場合は、シフト量Ｓをプラズ
マ１４の発生に合わせて増加させればよい。

【００３１】また、本発明の第一実施例では、ノズル中
心部材２を、プラズマ電位測定電極として機能させてい
る。そして、ノズル中心部材２には信号線２７が接続さ
れ、モニタリング装置であるプラズマ電位測定回路２６
ａと接続される。プラズマ電位測定回路２６ａはプラズ
マ電位評価手段２６ｂと接続される。プラズマ電位評価
手段２６ｂで出力される評価値は、制御装置１１に入力
される。

【００３２】レーザ加工点１３にプラズマ１４が発生し
た場合、加工ヘッド（プラズマ電位測定電極として機能
するノズル中心部材２）とワーク１２間にプラズマ１４
の影響による電位（プラズマ電位）が生じる。一方、プ
ラズマ電位の値は、加工条件（材質，加工速度，板厚，
アシストガスの種類，ガス圧，焦点位置等）により異な
る。そこで、種々の加工条件に対応するプラズマ電位の
値を予め測定し、プラズマ電位評価手段２６ｂに設定し
ておく。

【００３３】そして、レーザ加工中のプラズマ電位の値
をプラズマ電位測定電極であるノズル中心部材２及びプ
ラズマ電位測定回路２６ａで測定する。測定したプラズ
マ電位の値と、予めプラズマ電位評価手段２６ｂに設定
したプラズマ電位の値と対応する加工条件から、現在加
工状況を評価することができる。これにより、不良品の
発生を抑制することができ、材料の歩留り向上ができ
る。また、レーザ加工装置の自動化においても、貢献す
ることができる。

【００３４】本発明の第二実施例を図２に示す。図２は
本発明によるレーザ加工装置の構成図である。図１と同
様に、加工ヘッドを駆動する駆動機構，レーザ発振器，
集光レンズ等は省略してある。

【００３５】加工ヘッドの先端部１Ａの中心部には、測
定電極として機能する金属製のノズル中心部材３０が設
けられている。ノズル中心部材３０には、レーザ光３を
出射する出射口３０ｂが設けられている。一方、ノズル
中心部材３０の外周には、絶縁部材４を介して、ガード
電極５が設けられている。ガード電極５の外周には、絶
縁部材６を介して、プラズマ電位測定電極１５が設けら
れている。プラズマ電位測定電極１５のさらに外周に
は、外方向順に、絶縁部材１６，ガード電極１７，絶縁
部材１８，測定電極１９が、夫々ノズル中心部材３０の
先端面３０ａからシフト量Ｓ分上方に設けられている。

【００３６】ガード電極５，ノズル中心部材３０及びガ
ード電極１７，測定電極１９には夫々信号線２０，２
１，２２，２３が接続され、ギャップ量検出手段である
静電容量式ギャップセンサアンプユニット１０と接続さ
れている。静電容量式ギャップセンサアンプユニット１
０は夫々、センサ切換手段２４ａ，２４ｂを介して制御
装置１１と接続されている。加工ヘッドの駆動は制御装
置１１により制御される。

【００３７】ここで、本発明の第一実施例と同じ構成要
素については、同一機能であるので、説明を省略する。

【００３８】本発明の第二実施例では、測定電極とガー
ド電極の組み合わせが２組設けられている。一方、セン
サ切換手段２４ａ，２４ｂには、加工速度Ｖｓが設定さ
れている。センサの切換は、現在加工速度と設定した加
工速度Ｖｓにより判断される。つまり、現在加工速度が
Ｖｓより小さい場合は、中心側の測定電極（ノズル中心
部材３０）を使用して静電容量を測定する。現在加工速
度がＶｓ以上である場合は、外側の測定電極１９を使用
する。

【００３９】設定する加工速度Ｖｓの設定値は、各測定
電極使用時における最高加工速度と設定しておくこと
で、さらに効率よくレーザ加工を行うことができる。つ
まり、低速で加工を行う場合は、プラズマ１４が静電容
量に与える影響は少ないので、より精度の高い内側の測
定電極（ノズル中心部材３０）による加工を行う。例え
ば、材料端付近や穴付近などは、内側の測定電極（ノズ
ル中心部材３０）を使用することで、より精度良く加工
することができる。しかし、高速で加工する場合は、プ
ラズマ１４が低速時にくらべて多く発生するため、内側
の測定電極（ノズル中心部材３０）では、対応できな
い。よって、外側の測定電極１９に切換えることで、高
速加工を可能とする。また、本実施例においては、２組
のセンサを用いたが、本発明はこれに制限されるもので
はない。

【００４０】また、本発明の第二実施例では、前述の通
り、プラズマ電位測定電極１５が設けられている。プラ
ズマ電位測定電極１５には、信号線２５が接続され、モ
ニタリング装置であるプラズマ電位測定回路２６ａ，プ
ラズマ電位評価手段２６ｂと接続されている。プラズマ
電位評価手段２６ｂで出力される評価値は、制御装置１
１に入力される。これらの機能についての説明は、本発
明の第一実施例において説明しているので、省略する。

【００４１】また、その他の加工ヘッド１Ａの構成とし
て、ノズル中心部材３０をプラズマ電位測定電極とする
こともできる。この場合、ノズル中心部材３０の外周
に、絶縁部材を介して測定電極とガード電極の組合せを
多層で設けることができる。機能は、本実施例と同様と
なるが、プラズマの発生状況や加工条件などにより、こ
の様に適宜組み替えることができる。

【００４２】次に、図３に本発明の第三実施例を示す。
本実施例は、加工ヘッド１Ｂに、測定電極（中心部は測
定電極として機能する金属製のノズル中心部材３０）と
ガード電極の組み合わせを２組設けてある。ここで、本
発明の第一実施例及び第二実施例と同じ構成要素に関す
る説明は、省略する。また、図１、図２と同様に、図３
は本発明の要部のみ示している。

【００４３】本実施例において、レーザ加工中は、測定
電極として機能するノズル中心部材３０及び測定電極１
９の２組の静電容量を同時に測定し、その測定値からギ
ャップ量検出手段（静電容量式ギャップセンサアンプユ
ニット１０）により現在ギャップ量Ｔ，Ｄを検出する。
一方、センサ切換手段３１には、予め、ノズル中心部材
３０，測定電極１９とワーク１２間のギャップ量の正常
値Ｔｓ，Ｄｓを設定しておく。

【００４４】センサ切換手段３１では、ｃ＝（Ｔ−Ｔ
ｓ）−（Ｄ−Ｄｓ）の演算を行う。ここで、理論上の正
常値は、ｃ＝０である。算出したｃの値を、センサ切換
手段３１ａ，３１ｂにおいて、予め設定した一定値Ｃｓ
と比較する。

【００４５】｜ｃ｜≦Ｃｓの場合は、内側の測定電極
（ノズル中心部材３０）を使用する。｜ｃ｜＞Ｃｓであ
る場合、内側の測定電極（ノズル中心部材３０）の静電
容量が、プラズマの影響を受けていると判断し、外側の
測定電極１９に切換える。

【００４６】その他の実施例としては、図２に示す第二
実施例のセンサ切換手段２４ａ，２４ｂを第三実施例の
センサ切換手段３１ａ，３１ｂとした実施例や、その逆
の場合等がある。これらの場合の構成，作用及び効果
は、前述の実施例によるものの組み合わせとなるので、
説明は省略する。

【００４７】なお、各実施例において、最外周の測定電
極の外周に、当該測定電極の内側のガード電極と接続さ
れるガード電極を、さらに設けることができる。これに
より、測定電極の指向性の向上を図ることができる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１の発明によると、プラズマが静
電容量に与える影響を抑制することができるので、プラ
ズマが強く発生する高速加工において特に有効である。
また、ガード電極によりノズル中心部材と測定電極間に
生じる静電容量を遮蔽することができる。また、ノズル
中心部材を電極として機能させることができる。

【００４９】請求項２の発明によると、レーザ加工時に
発生するプラズマからの影響を効果的に軽減することが
できるとともに、測定電極の外径を小さくすることがで
きる。よって、請求項１の発明の効果に加えて、さらな
る高速レーザ加工において、精度良く加工ヘッドを制御
することができる。

【００５０】請求項３の発明によると、高精度な加工を
必要とする場合は、加工速度を下げ、精度良く加工ヘッ
ドを制御することができ、高速加工が必要なときは、プ
ラズマの影響を抑制した加工を行うことができる。請求
項４の発明においても同様に、プラズマの発生状況によ
り、センサを切換えることで、精度良く加工ヘッドを制
御することができる。

【００５１】請求項５の発明によると、加工状況を監視
することができるので、加工不良の発生を抑制でき、材
料の歩留り向上とともに、生産性の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の構成図

【図２】本発明の第二実施例の構成図

【図３】本発明の第三実施例の構成図

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂは加工ヘッドの先端部、２はノズル中心
部材、２ａは先端面、２ｂは出射口、３はレーザ光、４
は絶縁部材、５はガード電極、５ａは先端面、６は絶縁
部材、７は測定電極、７ａは先端面、８，９は信号線、
１０は静電容量式ギャップセンサアンプユニット、１１
は制御装置、１２はワーク、１３はレーザ加工点、１４
はプラズマ、１５はプラズマ電位測定電極、１６は絶縁
部材、１７はガード電極、１８は絶縁部材、１９は測定
電極、２０，２１，２２，２３は信号線、２４ａ，２４
ｂはセンサ切換手段、２５は信号線、２６ａはプラズマ
電位測定回路、２６ｂはプラズマ電位評価手段、２７は
信号線、３０は測定電極として機能するノズル中心部
材、３０ａは先端面、３０ｂは出射口、３１，３１ａ，
３１ｂはセンサ切換手段である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物との距離に基づいて加工ヘッドの
   駆動を制御する制御装置を有するレーザ加工装置におい
   て、前記加工ヘッドの中心部に設けられたノズル中心部
   材と、前記ノズル中心部材の外周に設けられたガード電
   極と、前記ガード電極の外周に設けられ、被加工物との
   間の静電容量を検出する測定電極と、前記静電容量を測
   定し、測定された前記静電容量から前記ノズル中心部材
   と被加工物間のギャップ量を検出するギャップ量検出手
   段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】前記測定電極の先端面は、前記ノズル中心
   部材の先端面よりも上方にあることを特徴とする請求項
   １記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】前記加工ヘッドは、更にガード電極と測定
   電極を多層で有するとともに、前記多層に設けられたガ
   ード電極，測定電極を、加工速度に応じていずれかのガ
   ード電極，測定電極に切換えるセンサ切換手段を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装
   置。
4. 【請求項４】前記加工ヘッドは、更にガード電極と測定
   電極を多層で有するとともに、前記多層に設けられたガ
   ード電極，測定電極を、夫々の前記測定電極から検出さ
   れた隣り合うギャップ量の差が設定値以上になったとき
   に、いずれかのガード電極，測定電極に切換えるセンサ
   切換手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか一項記載のレーザ加工装置。
5. 【請求項５】前記加工ヘッドは、プラズマの影響によっ
   て加工ヘッドとワーク間で発生する電位を測定するプラ
   ズマ電位測定電極を有するとともに、前記プラズマ電位
   測定電極の測定値に応じて加工状況を監視するモニタリ
   ング装置を有することを特徴とする請求項１〜４のいず
   れか一項記載のレーザ加工装置。