JP2019095360A - ファイバレーザ加工機、及び光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】コリメータレンズを透過するビームの散乱光による誤検出を防止する光学式エンコーダを提供する。【解決手段】ファイバレーザ加工機において、コリメータレンズをレーザ光の進行方向と平行な方向に沿って移動させる移動制御部を有し、移動制御部が、コリメータレンズの位置検出を行うための位置検出部を有し、位置検出部が、コリメータレンズに備えられたスケール３３と、スケール３３と対向するように備えられた光学式エンコーダ３５を有し、光学式エンコーダ３５が、光源３５ａよりの光を所定のスケール３３へ照射し、スケール３３で反射された光を受光素子３５ｃへ入射して位置検出を行う構造であり、受光素子３５ｃの読み取り面側に、光源３５ａよりの光のみを透過させるバンドパスフィルタ３５ｄを設けた。【選択図】図４

Description

本発明は、ファイバレーザ加工機、及び光学式エンコーダに関するものである。

ファイバレーザ加工機においては、プロセスファイバの出口端面から拡がって出射したレーザ光のビーム径等をコントロールするためにコリメータユニットが設けられている。

そして、コリメータユニットにおいては、コリメータレンズを光軸方向に移動させてワーク上でのビーム径等をコントロールする。そのコリメータレンズの移動制御を行うために、例えば、光学式リニアエンコーダを使用して、コリメータレンズの正確な位置検出を行うようにしていた。

なお、光学式リニアエンコーダは、位置決め精度が高いなどのメリットがあり、コリメータレンズの正確な移動制御を行うために有効となる。

特開２００３―８３７７３号公報 特開２００４―４５３６７号公報

しかしながら、ファイバレーザ加工機においては、スライドテーブル上に設置されたコリメータレンズをビーム（波長1μｍ帯）が透過する際、そのビームの一部がレンズ表面から反射し、迷光として散乱光が発生する。

従って、ファイバレーザ加工機におけるコリメータレンズの移動制御に光学式リニアエンコーダを使用した場合、その散乱光が壁などに当たったりしてリニアスケールに到達し、最終的には、光学式リニアエンコーダのエンコーダヘッドの読み取り面（上面）に当たってしまうことがあった。

例えば、光学式リニアエンコーダのヘッドからリニアスケールに対して、波長860〜890nmの光を出し、反射して帰ってきたものを、読み取り部のフォトダイオードによって読み取るようにしている場合、そのフォトダイオードは波長860〜890nmだけでなく、1μｍ帯の波長帯にも敏感に反応してしまう。

従って、このフォトダイオードが1μｍ帯の散乱光に反応すると、誤検出の原因となり、具体的には、NCの表示座標が実際の座標とずれてしまうなど、トラブルが発生するおそれがあった。

対策としては、エンコーダヘッドやリニアスケールの周囲に遮光用カバーを追加する方法が考えられるが、稼動部があるため隙間を作らざるを得ず、十分な遮光は行えない。

また、蛇腹で覆うことも可能だが、多数回動かすことで粉塵が発生し、レンズなどの光学部品を汚染する原因となる。

更に、実際のレーザ加工機では、加工点からの1μｍ帯の反射光は、その方向や出力レベルを予測・制御できず、コリメータユニット内の迷光として散乱光が発生する可能性があり、常に位置決め誤検出の不安を抱えてしまっていた。

本発明は、上記問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、コリメータユニットを透過するビームの迷光としての散乱光による誤検出を防止することができる光学式エンコーダ、及びその光学式エンコーダを備えたファイバレーザ加工機を提供することである。

本発明は上述の問題を解決するためのものであり、請求項１に係る発明は、光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う光学式エンコーダであって、前記受光素子の読み取り面側に、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする光学式エンコーダである。

請求項２に係る発明は、前記所定の波長が、前記光源よりの光の波長であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダである。

請求項３に係る発明は、前記バンドパスフィルタが、前記所定の波長以外の波長の光の前記受光素子への入射を遮断することを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の光学式エンコーダである。

請求項４に係る発明は、前記光学式エンコーダが、レーザ光をワークに照射して加工を施すファイバレーザ加工機に使用され、前記所定の波長以外の波長の光が、前記ファイバレーザ加工機よりの迷光であることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダである。

請求項５に係る発明は、少なくとも前記所定スケールで反射された光を透過して前記受光素子へ供給する透明基板を有し、前記バンドパスフィルタが、前記透明基板の前記所定スケール側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学式エンコーダである。

請求項６に係る発明は、光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う光学式エンコーダであって、前記受光素子の読み取り面側に、前記光源よりの光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする光学式エンコーダである。

請求項７に係る発明は、レーザ発振器よりのレーザ光を、第１のレンズにより平行光にし、前記平行光にされたレーザ光を第２のレンズで集光し、前記集光されたレーザ光をワークに照射して加工を施すファイバレーザ加工機であって、前記第１のレンズを前記レーザ光の進行方向と平行な方向に沿って移動させる移動制御部を有し、前記移動制御部が、前記第１のレンズの位置検出を行うための位置検出部を有し、前記位置検出部が、前記第１のレンズに備えられたスケールと、前記スケールと対向するように備えられた光学式エンコーダを有し、前記光学式エンコーダが、光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う構造であり、前記受光素子の読み取り面側に、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とするファイバレーザ加工機である。

請求項８に係る発明は、前記所定の波長が、前記光源よりの光の波長であることを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ加工機である。

請求項９に係る発明は、前記バンドパスフィルタが、前記所定の波長以外の波長の光の前記受光素子への入射を遮断することを特徴とする請求項７、８のいずれかに記載のファイバレーザ加工機である。

請求項１０に係る発明は、前記所定の波長以外の波長の光が、前記ファイバレーザ加工機で使用されるレーザ光の迷光であることを特徴とする請求項９に記載のファイバレーザ加工機である。

請求項１１に係る発明は、少なくとも前記所定スケールで反射された光を透過して前記受光素子へ供給する透明基板を有し、前記バンドパスフィルタが、前記透明基板の前記所定スケール側に設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のファイバレーザ加工機である。

本発明によれば、ファイバレーザ加工機におけるコリメータレンズの移動制御に光学式リニアエンコーダを使用した場合に、コリメータレンズを透過するビームの散乱光による誤検出を防止することができる。

本願発明を実施した光学式リニアエンコーダ１の設けられたファイバレーザ加工装置３の概略構成図である。 図１に示したコリメータユニット１１の概略構成図である。 図２に示した位置検出部３１における反射型の光学式リニアエンコーダ３５の概略構成図である。 図３に示した光学式リニアエンコーダ３５において迷光が入り込むようすを示した説明図である。 光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面側に貼り付けたバンドパスフィルタ３５ｄの一例の仕様を示す説明図である。

図１は、本願発明を実施した光学式リニアエンコーダの設けられたファイバレーザ加工装置３の概略構成図である。

図１に示すように、ファイバレーザ加工装置３は、ワークＷに対してレーザ加工を行うファイバレーザ加工機５と、ファイバレーザ加工機５に対しレーザ光を、プロセスファイバＦＢ１を介して供給するファイバレーザ発振器７と、を備えている。

ファイバレーザ加工機５は、プロセスファイバＦＢ１の出口端面から拡がって出射したレーザ光Ｌを、コリメータレンズ９で平行光にするコリメータユニット１１と、コリメータレンズ９により平行光にされたレーザ光を反射するベンドミラー１３と、ベンドミラー１３で反射したレーザ光を集光レンズ１５で高エネルギ密度のレーザ光に集光するレーザ加工ヘッド１７と、集光したレーザ光を照射して加工を施すワークＷを支持する加工テーブル１９とを備えている。なお、ベンドミラーを備えない場合も、逆に複数のベンドミラーを備える場合も、どちらも可能であって、プロセスファイバＦＢ１の出射端と集光レンズまたは焦点位置までの光学的な距離設定によって自在である。

図２は、図１に示したコリメータユニット１１の概略構成図である。

図２に示すように、コリメータユニット１１内においては、コリメートレンズ９の出射側の光の平行具合を調整することが可能であって、更にズーミング機構のようなビームコントロールを行うため、コリメータレンズ９を少なくとも１枚以上のレンズで構成して光軸方向Ｘに沿ってリニア移動させてもよく、それらのレンズ構成を移動させる移動制御部２１が設けられている。なお、コリメータユニットから出射されるレーザ光は、発散気味の平行光、全くの平行光、集束気味の平行光の何れであっても設定可能であって、またそのときのビーム径も自在である。更に、コリメータユニット内のレンズ構成によっては、その中間に集束点を設定することも可能である。

移動制御部２１は、レール２３を上部に備えたベース２５と、そのレール２３上を光軸方向Ｘに沿って移動可能な台車２７と、その台車２７上に備えられたスライドテーブル２９と、スライドテーブル２９を方向Ｘに沿って移動させるリニアアクチュエータ（図示省略）とを有しており、スライドテーブル２９上にコリメータレンズ９が備えられている。

そして、移動制御部２１は、コリメータレンズ９の正確な位置検出を行うための位置検出部３１を有している。

位置検出部３１は、スライドテーブル２９の下側に備えられたリニアスケール３３と、リニアスケール３３と対向するように、ベース２５上に備えられた反射型の光学式リニアエンコーダ３５（図３参照）とを有している。

なお、リニアスケール３３には、その下面３３ａに、例えば、格子のような目盛が備えられている。

また、光学式リニアエンコーダ３５よりの位置検出信号は、増幅されてＮＣ装置等の制御手段に送られ、その制御手段は、その位置検出信号に基づいて、リニアアクチュエータによるコリメータレンズ９のリニア移動を制御して正確なビームコントロールを行うようになっている。

図３は、図２に示した位置検出部３１における反射型の光学式リニアエンコーダ３５の概略構成図である。

図３に示すように、光学式リニアエンコーダ３５は、リニアスケール３３へ所定の波長の光Ｌ１を照射する光源３５ａと、（リニアスケール３３の下方の）透明基板３５ｂと、（透明基板３５ｂの下面３５ｂ１の）受光素子３５ｃとを有する。また、エンコーダ３５は、透明基板３５ｂの上面３５ｂ３のリニアスケール３３側に、その全面に渡って、光源３５ａよりの所定の波長の光Ｌ１のみを透過させるバンドパスフィルタ３５ｄを有する。

なお、光源３５ａは、透明基板３５ｂの下側の受光素子３５ｃの近傍に設けられており、バンドパスフィルタ３５ｄの上端とリニアスケール３３の下端との間は、所定のギャップＧが空けられている。

そして、光学式リニアエンコーダ３５のバンドパスフィルタ３５ｄの上面３５ｄ１が、光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面となる。

次に、光学式リニアエンコーダ３５の動作について説明する。

図３に示すように、光源３５ａよりの所定の波長の光Ｌ１が、透明基板３５ｂを介してリニアスケール３３へ照射されると、リニアスケール３３で反射される。

リニアスケール３３で反射された光Ｌ１は、バンドパスフィルタ３５ｄおよび透明基板３５ｂを透過して受光素子３５ｃの読み取り面側へ入射されて検出される。

光Ｌ１がリニアスケール３３で反射される際には、リニアスケール３３の下面に備えられた格子等の目盛が読み取られて受光素子３５ｃへ入射されて位置検出される（リニアスケールの原理自体は周知であるのでその説明は省略する）。

従って、受光素子３５ｃの読み取り面で検出された光信号に基づいて、コリメータレンズ９の位置が特定される。

なお、前述したように、透明基板３５ｂの上側に設けられたバンドパスフィルタ３５ｄは、光源３５ａよりの所定の波長の光Ｌ１のみを透過させるようになっている。

次に、バンドパスフィルタ３５ｄの作用を詳細に説明する。

このバンドパスフィルタ３５ｄは、受光素子３５ｃの読み取りに必要な所定の波長の光のみを透過させる仕様となっている。

言い換えるならば、このバンドパスフィルタ３５ｄは、光源３５ａよりの所定の波長以外の波長の光は透過しない構成となっている。

この実施形態では、所定の波長は、受光素子３５ｃの読み取りに必要な860〜890nmの波長となっている。

従って、スライドテーブル２９上に設置されたコリメータレンズ９をレーザ光Ｌ（波長1μｍ帯）が透過する際、そのビームの一部がレンズ表面から反射して発生した散乱光が、壁などに当たったりして迷光として光学式リニアエンコーダ３５に到達しても、光学式リニアエンコーダ３５の誤検出が起こる事は無い。

すなわち、図４に示すように、リニアスケール３３と光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面（バンドパスフィルタ３５ｄの上面３５ｄ１）との間のギャップＧに、迷光Ｌ３が入り込み、光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面であるバンドパスフィルタ３５ｄの上面３５ｄ１に当たってしまっても、このバンドパスフィルタ３５ｄは、860〜890nm以外の波長は透過しないで遮断する構成となっているので、この1μｍ帯の迷光が、バンドパスフィルタ３５ｄを透過することがない。

そのため、透明基板３５ｂの下面に設けられた受光素子３５ｃに、1μｍ帯の迷光が到達して入射することが防止され、受光素子３５ｃが迷光に反応することにより発生するNC装置における表示座標が実際の座標とずれてしまうなどのトラブルも防止される。

なお、言い換えれば、光学式リニアエンコーダ３５における光源３５ａは、コリメータレンズ９を通過するレーザ光Ｌの波長と異なる波長の光Ｌ１を照射し、その異なる波長の光Ｌ１を受光素子３５ｃで受光して位置検出を行う構造となっている。

この実施形態では、光源３５ａよりの光Ｌ１の波長は、約875nmであり、コリメータレンズ９を通過する加工用レーザ光Ｌの波長は、約1μｍとなっている。

図４は、図３に示した光学式リニアエンコーダ３５において迷光が入り込む様子を示した説明図である。

図５は、光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面側に貼り付けたバンドパスフィルタ３５ｄの一例の仕様を示す説明図である。

図５に示すような仕様の材料からなるバンドパスフィルタ３５ｄを、光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面側の全面に渡って貼り付けることにより、レーザ光Ｌ（波長1μｍ帯）の一部がコリメータユニットにより発生した迷光として光学式リニアエンコーダ３５に到達してしまっても、そのバンドパスフィルタ３５ｄにより遮断される。

なお、光学式リニアエンコーダ３５の読み取り面側に、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタ３５ｄを貼り付けると、光の波長が制限されるので、透過光の光強度が低下する。

また、バンドパスフィルタ３５ｄの屈折率に起因する受光素子３５ｃでの焦点ずれによっても、受光の光強度が低下する。

これにより、受光素子３５ｃをフォトダイオードで構成した場合には、そのフォトダイオードの出力電流が低下する。

そのため、この実施形態では、受光素子３５ｃのフォトダイオードの出力電流を電流電圧変換回路の出力電圧の増幅度を大きくするようにしている。

なお、受光素子３５ｃの前記出力電圧の増幅度を大きくする以外にも、例えば、光源３５ａの輝度をアップしたり、発光方向の規制を行ったり、光源３５ａから受光素子３５ｃへの経路を短縮するようにしても良い。

なお、光源３５ａよりの光Ｌ１の透明基板３５ｂへの入射角は、透明基板３５ｂでの透過率が下がらないように設定されており、その入射角に合せてバンドパスフィルタ３５ｄが設定される。

この発明は前述の発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。

すなわち、この実施形態では、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタ３５ｄが、透明基板３５ｂの上側に設けられていたが、透明基板３５ｂの下側に設けても良い。

また、この実施形態では、所定の波長の光のみを透過させ、かつ所定の波長以外の波長の光である迷光を透過させない手段として、バンドパスフィルタを用いたが、それに限定されず、所定の波長の光のみを透過させ、かつ所定の波長以外の波長の光である迷光を透過させない回析格子を用いても良い。

３…ファイバレーザ加工装置
５…ファイバレーザ加工機
７…ファイバレーザ発振器
９…コリメータレンズ
１１…コリメータユニット
１３…ベンドミラー
１５…集光レンズ
１７…レーザ加工ヘッド
１９…加工テーブル
２１…移動制御部
２３…レール
２５…ベース
２７…台車
２９…スライドテーブル
３１…位置検出部
３３…リニアスケール
３５…光学式リニアエンコーダ
３５ａ…光源
３５ｂ…透明基板
３５ｃ…受光素子
３５ｄ…バンドパスフィルタ

Claims (11)

1. 光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う光学式エンコーダであって、前記受光素子の読み取り面側に、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記所定の波長が、前記光源よりの光の波長であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記バンドパスフィルタが、前記所定の波長以外の波長の光の前記受光素子への入射を遮断することを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
4. 前記光学式エンコーダが、レーザ光をワークに照射して加工を施すファイバレーザ加工機に使用され、前記所定の波長以外の波長の光が、前記ファイバレーザ加工機よりの迷光であることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 少なくとも前記所定スケールで反射された光を透過して前記受光素子へ供給する透明基板を有し、前記バンドパスフィルタが、前記透明基板の前記所定スケール側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
6. 光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う光学式エンコーダであって、前記受光素子の読み取り面側に、前記光源よりの光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。
7. レーザ発振器よりのレーザ光を、第１のレンズにより平行光にし、前記平行光にされたレーザ光を第２のレンズで集光し、前記集光されたレーザ光をワークに照射して加工を施すファイバレーザ加工機であって、
   前記第１のレンズを前記レーザ光の進行方向と平行な方向に沿って移動させる移動制御部を有し、前記移動制御部が、前記第１のレンズの位置検出を行うための位置検出部を有し、前記位置検出部が、前記第１のレンズに備えられたスケールと、前記スケールと対向するように備えられた光学式エンコーダを有し、
   前記光学式エンコーダが、光源よりの光を所定のスケールへ照射し、前記所定スケールで反射された光を受光素子へ入射して位置検出を行う構造であり、
   前記受光素子の読み取り面側に、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とするファイバレーザ加工機。
8. 前記所定の波長が、前記光源よりの光の波長であることを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ加工機。
9. 前記バンドパスフィルタが、前記所定の波長以外の波長の光の前記受光素子への入射を遮断することを特徴とする請求項７、８のいずれかに記載のファイバレーザ加工機。
10. 前記所定の波長以外の波長の光が、前記ファイバレーザ加工機で使用されるレーザ光の迷光であることを特徴とする請求項９に記載のファイバレーザ加工機。
11. 少なくとも前記所定スケールで反射された光を透過して前記受光素子へ供給する透明基板を有し、前記バンドパスフィルタが、前記透明基板の前記所定スケール側に設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のファイバレーザ加工機。

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