JP4646525B2 - プラズマ検出装置、及びプラズマ検出装置付きレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ検出装置、及びプラズマ検出装置付きレーザ加工機に係り、詳しくは、構成を複雑化させることなく、加工に有害な状態のプラズマを容易に検出することの出来る、プラズマ検出装置、及びプラズマ検出装置付きレーザ加工機に関する。

従来、この種のプラズマ検出装置としては、トーチの先端に設けたセンサ電極と、ワークとの間の電気抵抗を測定して、その電気抵抗に基づいてワークから発生するプラズマを検出する装置が知られている。プラズマが発生すると、センサ電極の電圧（以下「倣い電圧」という。）がトーチとワークとの間隙長に関係なく変動するため、倣い制御が正常に機能しなくなるが、センサ電極とワークとの間は、発生したプラズマを構成する荷電粒子で満たされる。そのため、上記電気抵抗は、開放状態（無限大）から所定値を示すので、電気抵抗を監視することで、プラズマを容易に検出することが出来る。従って、このようにプラズマを検出した際に、例えばトーチの送り速度を減速させることで、プラズマの発生を抑制することが出来るので、倣い制御を安定して機能させることが出来る。

しかし、センサ電極とワークとの間の電気抵抗を測定するためには、プラズマ検出装置に電気抵抗の測定回路を設ける必要があるため、上述したプラズマ検出装置では、その構成が複雑化する不都合があった。

一方、センサ電極とワークとの間の電気抵抗を測定することなく、倣い電圧を監視してプラズマを検出することも可能ではあるが、プラズマが発生した際の倣い電圧は、その発生量が少なく、加工に影響が無い場合であっても変動するため、単に倣い電圧を監視するだけでは、加工に有害な状態のプラズマを容易に検出することは困難であった。そのため、このままではトーチの送り速度を頻繁に減速させてしまうことになり、ワークの加工を円滑に行えない不都合があった。

本発明は、上記した事情に鑑み、構成を複雑化させることなく、加工に有害な状態のプラズマを容易に検出することの出来る、プラズマ検出装置、及びプラズマ検出装置付きレーザ加工機を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明は、レーザ光（ＲＺ）をワーク（６０）に照射するレーザ照射手段（２０）を設け、該レーザ照射手段（２０）は前記ワーク（６０）に対向するセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極の電圧（Ｖ）を検出するセンサ電極電圧検出手段（３６）を設け、該センサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）に基づいて、前記レーザ照射手段（２０）と前記ワーク（６０）との間隙長（ＧＡＰ）を制御する間隙長制御手段（３５、４３、４３ａ）を設けた、レーザ加工機（１）であって、前記レーザ加工機（１）のレーザ照射手段（２０）から照射されたレーザ光（ＲＺ）により前記ワーク（６０）から発生するプラズマ（ＰＺ）を検出することの出来る、レーザ加工機のプラズマ検出装置（３１）において、
前記レーザ加工機（１）のセンサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）が変動する電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）を検出する、電圧変動区間検出手段（４１）を設け、
前記電圧変動区間検出手段（４１）は、前記レーザ加工機のセンサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）についての時間に対する電圧勾配（ＶＳ）を演算する、電圧勾配演算手段（４０）を有しており、
前記電圧変動区間検出手段（４１）は、前記電圧勾配演算手段（４０）により演算された電圧勾配（ＶＳ）が所定値（ＶＳｓｈ）を超えている区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）を、前記電圧変動区間として検出し、
前記電圧変動区間検出手段（４１）により検出された電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）に対応する電圧変動時間（Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３）を、電圧変動積算時間（Ｔａｄ）として積算する、電圧変動時間積算手段（３８）を設け、
前記電圧変動時間積算手段（３８）により積算された電圧変動積算時間（Ｔａｄ）に基づいて、前記電圧勾配が最初に前記所定値（ＶＳｓｈ）を超えた時点（ｔ１１）からの一定時間に対する電圧変動発生率（ＲＴ）を演算する、電圧変動発生率演算手段（３９）を設け、
前記電圧変動時間積算手段は、前記電圧変動区間に対応する電圧変動時間を、前記一定時間について積算し、
前記電圧変動発生率演算手段（３９）により演算された電圧変動発生率（ＲＴ）に基づいて、前記プラズマ（ＰＺ）を検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、プラズマ検出判定手段（３９）を設け、
たことを特徴として構成される。

請求項２の発明は、請求項１に記載したレーザ加工機のプラズマ検出装置（３１）を設け、
前記レーザ照射手段（２０）を所定の送り速度で移動駆動させる、移動駆動手段（３５）を設け、
加工プログラム（ＰＲＯ）中で指示された送り速度及び前記レーザ光（ＲＺ）の照射出力で、前記ワーク（６０）に対する加工を実行する、加工実行手段（４３、４３Ｘ、４３Ｙ、４５、４５ａ）を設け、
前記プラズマ検出判定手段（３９）から前記プラズマ（ＰＺ）を検出した旨の判定結果が出力された場合に、前記加工プログラム（ＰＲＯ）中で指示された送り速度又はレーザ光（ＲＺ）の照射出力を低下させる形で変更する、加工条件変更手段（３５）を設け、
前記加工実行手段（４３、４３Ｘ、４３Ｙ、４５、４５ａ）は、前記加工条件変更手段（３５）により変更された送り速度又はレーザ光（ＲＺ）の照射出力で、前記ワーク（６０）に対する加工を実行することを特徴として構成される。

請求項３の発明は、レーザ光（ＲＺ）をワーク（６０）に照射するレーザ照射手段（２０）を設け、該レーザ照射手段（２０）は前記ワーク（６０）に対向するセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極の電圧（Ｖ）を検出するセンサ電極電圧検出手段（３６）を設け、該センサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）に基づいて、前記レーザ照射手段（２０）と前記ワーク（６０）との間隙長（ＧＡＰ）を制御する間隙長制御手段（３５、４３、４３ａ）を設けた、レーザ加工機（１）において、
前記センサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）についての時間に対する電圧勾配（ＶＳ）を演算する、電圧勾配演算手段（４０）を設け、
前記電圧勾配演算手段（４０）により演算された電圧勾配（ＶＳ）に基づいて、前記レーザ照射手段（２０）から照射されたレーザ光（ＲＺ）により前記ワーク（６０）から発生するスパッタを検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、スパッタ検出判定手段（４２）を設け、
前記スパッタ検出判定手段がスパッタを検出したものと判定した場合に、前記間隙長制御手段による倣い制御を一時的に停止する、倣い制御停止手段を設け、
前記電圧勾配演算手段（４０）により演算された電圧勾配（ＶＳ）が所定値（ＶＳｓｈ）を超えている区間を、前記センサ電極電圧検出手段（３６）により検出されたセンサ電極の電圧（Ｖ）が変動する電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）として演算する、電圧変動区間演算手段（４１）を設け、
前記電圧変動区間演算手段（４１）により演算された電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）に対応する電圧変動時間（Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３）を、電圧変動積算時間（Ｔａｄ）として積算する、電圧変動時間積算手段（３８）を設け、
前記電圧変動時間積算手段（３８）により積算された電圧変動積算時間（Ｔａｄ）に基づいて、前記電圧勾配が最初に前記所定値を超えた時点からの一定時間に対する電圧変動発生率（ＲＴ）を演算する、電圧変動発生率演算手段（３９）を設け、
前記電圧変動時間積算手段（３８）は、前記電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）に対応する電圧変動時間（Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３）を、前記一定時間について積算し、
前記電圧変動発生率演算手段（３９）により演算された電圧変動発生率（ＲＴ）に基づいて、前記プラズマ（ＰＺ）を検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、プラズマ検出判定手段（３９）を設け、
前記レーザ照射手段（２０）を所定の送り速度で移動駆動させる、移動駆動手段（３５）を設け、
加工プログラム（ＰＲＯ）中で指示された送り速度及び前記レーザ光（ＲＺ）の照射出力で、前記ワーク（６０）に対する加工を実行する、加工実行手段（４３、４３Ｘ、４３Ｙ、４５、４５ａ）を設け、
前記プラズマ検出判定手段（３９）から前記プラズマ（ＰＺ）を検出した旨の判定結果が出力された場合に、前記加工プログラム（ＰＲＯ）中で指示された送り速度又はレーザ光（ＲＺ）の照射出力を低下させる形で変更する、加工条件変更手段（３５）を設け、
前記加工実行手段（４３、４３Ｘ、４３Ｙ、４５、４５ａ）は、前記加工条件変更手段（３５）により変更された送り速度又はレーザ光（ＲＺ）の照射出力で、前記ワーク（６０）に対する加工を実行し、
前記電圧勾配演算手段による電圧勾配の演算処理を前記スパッタ検出判定手段及びプラズマ検出判定手段で共有させるようにしたことを特徴として構成される。

請求項１の発明によれば、プラズマ（ＰＺ）の発生量を、時間あたりの電圧変動発生率（ＲＴ）により、センサ電極の電圧（Ｖ）が時間あたりに変動する頻度として捉えるので、上記電圧変動発生率（ＲＴ）を監視することで、多量に発生したプラズマ（ＰＺ）を容易に検出することが出来る。これにより、センサ電極の電圧（Ｖ）を利用してプラズマ（ＰＺ）を検出することが出来るので、従来のように、センサ電極（２３）とワーク（６０）の間の電気抵抗を測定する回路を設ける必要がなくなり、プラズマ検出装置（３１）の構成を複雑化させることを防止することが出来る。

また、センサ電極の電圧（Ｖ）が変動する電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）を、電圧勾配（ＶＳ）の緩急に基づいて検出するので、電圧変動区間（Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３）を正確に検出することが出来、多量に発生したプラズマ（ＰＺ）を正確に検出することが出来る。

更に、電圧変動発生率（ＲＴ）を、一定時間について積算された電圧変動積算時間（Ｔａｄ）に基づいて演算するので、発生したプラズマ（ＰＺ）の量を正確に検出することが出来る。

請求項２の発明によれば、プラズマ（ＰＺ）が多量に発生した際に、送り速度やレーザ光（ＲＺ）の照射出力を低下させることにより、発生したプラズマ（ＰＺ）を消滅させるように制御することが出来、ワーク（６０）の加工を中断させることなく円滑に行うことが出来る。

請求項３の発明によれば、電圧勾配（ＶＳ）に基づいてスパッタを検出することが出来るので、レーザ加工機（１）の多くに設けられている既存のスパッタ検出装置で、プラズマ検出の際における電圧勾配（ＶＳ）の演算処理を兼ねることが出来、レーザ加工機（１）の処理全体の効率化を図ることが出来る。

なお、括弧内の番号などは、本発明の理解を助けるために、図面における対応する要素を便宜的に示すものである。従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではなく、また、この符号の記載により本発明を解釈すべきでない。

図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す全体斜視図、図２は、トーチの一例を示す概略側面（一部断面）図、図３は、制御装置の一例を示すブロック図、図４は、倣い制御の説明図で、（ａ）はプラズマが発生していない場合の静電容量、（ｂ）はプラズマが多量に発生した場合の静電容量、図５は、スパッタが発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧、（ｂ）は電圧勾配、（ｃ）は制御信号、図６は、プラズマが多量に発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧、（ｂ）は電圧勾配、（ｃ）は制御信号、（ｄ）は積分信号である。

図１は、本発明の一実施例であるレーザ加工機１を示している。本発明が適用されるレーザ加工機１は、例えば加工用ＣＮＣ装置（ＮＣ切断機）であり、ワーク設置装置１ａ、レーザ照射装置１ｂ、及び制御装置１ｃを備えている。ワーク設置装置１ａの図中上方には、レーザ照射装置１ｂが配設されており、ワーク設置装置１ａ及びレーザ照射装置１ｂには、制御装置１ｃが付設されている。

ワーク設置装置１ａには、レーザ加工機１を床に固定させるベース２が設けられており、ベース２には、その上面にテーブル３が設けられている。テーブル３には、ワーク６０を設置する水平なワーク設置面３ａが設けられており、ワーク設置面３ａは、後述するＸ軸駆動モータ４３Ｘ（図示せず）により、ベース２に対して矢印Ａ、Ｂ方向（Ｘ軸方向）に移動駆動自在に設けられている。また、ワーク設置面３ａには、ワーク６０を接地する接地処理手段（図示せず）が設けられている。

レーザ照射装置１ｂには、コラム５が設けられており、コラム５は、Ｘ軸方向に移動駆動自在な上記テーブル３に干渉することがないように、テーブル３を跨ぐ形でベース２に固定されている。また、コラム５には、Ｘ軸方向に直角かつ水平な矢印Ｃ、Ｄ方向（Ｙ軸方向）に沿って、サドル用レール５ａ、５ａが設けられており、サドル用レール５ａ、５ａには、後述するＹ軸駆動モータ４３Ｙ（図示せず）により、コラム５に対してＹ軸方向に移動駆動自在なサドル６が設けられている。

また、サドル６の内部には、加工ヘッド本体（図示せず）が設けられており、加工ヘッド本体は、後述するＺ軸駆動モータ４３Ｚ（図示せず）により、コラム５に対してＸ及びＹ軸方向に直角な矢印Ｅ、Ｆ方向（Ｚ軸方向）に、移動駆動自在に構成されている。

また、コラム５には、上記サドル６よりも図１中の矢印Ｂ側（紙面奥側）の位置において、後述するレーザ発振器４５ａ（図示せず）が設けられている。レーザ発振器４５ａは、レーザ媒質が、例えば、ＣＯ_２（炭酸ガス）やＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶）などからなり、当該媒質を介してレーザ光を発振・射出自在に構成されている。また、レーザ発振器４５ａは、レーザ光路管７を介して上記加工ヘッド本体に接続されている。

レーザ光路管７は、上記レーザ発振器４５ａに接続された光路管７ａ（破線により一部のみ図示）及び、該光路管７ａと加工ヘッド本体との間を矢印Ａ、Ｂ方向に接続した伸縮管７ｂを有している。伸縮管７ｂは、サドル６と光路管７ａとの間の動きに伴って伸縮するテレスコーピック機構などにより構成されている。従って、レーザ発振器４５ａにより射出されたレーザ光は、光路管７ａの内部を通過し、更に伸縮管７ｂの内部を通過する形で、サドル６内の加工ヘッド本体に到達するようになっている。

加工ヘッド本体には、外スリーブ部材９が設けられており、外スリーブ部材９は、適宜な駆動モータ（図示せず）により、Ｚ軸に平行な軸心ＣＴ１を中心に、加工ヘッド本体に対して回転駆動・位置決め自在に軸支されている。外スリーブ部材９には、回転先端部材１０が設けられており、回転先端部材１０は、適宜な駆動モータ（図示せず）により、軸心ＣＴ１に直角かつ水平な軸心ＣＴ２を中心に、外スリーブ部材９に対して回転駆動・位置決め自在に軸支されている。回転先端部材１０には、ワーク設置面３ａに対して直角に向いたトーチ２０が設けられている。

また、トーチ２０には、後述する倣い制御駆動モータ４３ａ（図示せず）が設けられており、トーチ２０は、該倣い制御駆動モータ４３ａを介して、レーザ光の射出方向であるトーチ軸心ＣＴ３に沿って、所定距離に亙り移動・位置決め自在に構成されている。

外スリーブ部材９及び回転先端部材１０の内部には、適宜な反射鏡（図示せず）が設けられており、これら反射鏡は、加工ヘッド本体に到達したレーザ光を、外スリーブ部材９、回転先端部材１０、及びトーチ２０の内部を通過させて、ワーク６０に対して法線方向（トーチ軸心ＣＴ３）から照射出来るように構成されている。

また、外スリーブ部材９の内部には、適宜な集光レンズ（図示せず）が設けられており、該集光レンズは、レーザ光を、ワーク６０の板厚方向に対して、所定の焦点位置で集光出来るように構成されている。更に、トーチ２０には、窒素などアシストガスのボンベに接続されたアシストガス放出手段（図示せず）が設けられており、アシストガス放出手段は、ワーク６０に対してアシストガスを放出自在に構成されている。

トーチ２０は、図２に示すように、スリーブ部材２１が設けられており、スリーブ部材２１は、図１で説明した回転先端部材１０に、保持部２５を介して係合されている。また、スリーブ部材２１には、係合部材２２が設けられており、更に、係合部材２２には、ノズルを兼ねる中心電極２３が嵌入されている。これらスリーブ部材２１、係合部材２２、及び中心電極２３には、集光されたレーザ光ＲＺ（１点鎖線）を干渉しないように、略円錐形状の中空部２１ａが形成されており、レーザ光ＲＺは、中心電極（ノズル）２３の下端部であるトーチ先端部２３ａから、照射されるようになっている。

上記係合部材２２、及び中心電極２３は、適宜な導電性材料で構成されており、中心電極２３は、係合部材２２を介して、電気配線２６に接続されている。更に、電気配線２６は、後述する倣い電圧検出部３６に接続されている。

次いで、レーザ加工機１の制御装置１ｃは、図３に示すように、主制御部３０を有しており、主制御部３０にはバス線４６を介して、キーボードなどの入力部３３、加工制御部３５、倣い電圧検出部３６、メモリ部３７、積分処理部３８、プラズマ検出判定部３９、微分処理部４０、制御信号生成部４１、スパッタ検出判定部４２、駆動制御部４３、照射出力制御部４５などが接続されている。これらのうち、積分処理部３８、プラズマ検出判定部３９は、プラズマ検出装置３１（１点鎖線）として機能しており、微分処理部４０、制御信号生成部４１、スパッタ検出判定部４２は、スパッタ検出装置３２（破線）として機能している。

また、倣い電圧検出部３６には、センサ電極２３が接続されている。駆動制御部４３には、Ｘ軸駆動モータ４３Ｘ、Ｙ軸駆動モータ４３Ｙ、Ｚ軸駆動モータ４３Ｚ、倣い制御駆動モータ４３ａが接続されている。照射出力制御部４５には、レーザ発振器４５ａが接続されている。

レーザ加工機１は以上のような構成を有するので、レーザ加工機１を用いて、例えば板状のワーク６０を加工するには、まずオペレータは、図１に示すように、ワーク６０をワーク設置面３ａ上に設置して、制御装置１ｃに設けられた起動スイッチ（図示せず）を介して電源投入すると、レーザ加工機１が起動され、接地処理手段（図示せず）は、設置されたワーク６０を接地する。

レーザ加工機１を起動すると、オペレータは、入力部３３を介して、加工プログラムＰＲＯ及びワーク情報ＷＤを入力する（ワーク情報ＷＤは、加工プログラムＰＲＯの一部を構成することもある）。加工プログラムＰＲＯは、ワーク６０の加工形状、トーチ２０の送り速度、レーザ光ＲＺの照射出力などに関する指令からなり、ワーク情報ＷＤは、ワーク６０の材質や板厚に関する情報からなる。オペレータが、加工プログラムＰＲＯ及びワーク情報ＷＤを入力すると、主制御部３０は、入力された加工プログラムＰＲＯ及びワーク情報ＷＤを、メモリ部３７に格納する。

次いで、オペレータが、入力部３３を介して加工指令を入力すると、これを受けて主制御部３０は、加工制御の実行を、加工制御部３５に指令する。加工制御部３５は、まず、メモリ部３７から、加工プログラムＰＲＯを読み出し、駆動制御部４３を介して、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸駆動モータ４３Ｘ、４３Ｙ、４３Ｚを駆動制御して、トーチ２０を、加工プログラムＰＲＯが指示する所定位置（例えばピアシングポイント）に配置させる。

トーチ２０を所定位置に配置すると、加工制御部３５は、照射出力制御部４５を介して、加工プログラムＰＲＯが指示する照射出力で、レーザ発振器４５ａを発振させ、レーザ光ＲＺを射出させる。射出されたレーザ光ＲＺは、レーザ光路管７、加工ヘッド本体（図示せず）、外スリーブ部材９、回転先端部材１０、及びトーチ２０を経由して、ワーク６０に照射される。また、加工制御部３５は、アシストガス放出手段（図示せず）を起動させ、アシストガスをワーク６０に放出させる。

レーザ光ＲＺをワーク６０に照射すると、加工制御部３５は、トーチ２０の移動制御を開始する。即ち、加工制御部３５は、駆動制御部４３を介して、Ｘ、Ｙ軸駆動モータ４３Ｘ、４３Ｙを駆動制御して、加工プログラムＰＲＯが指示する送り速度で、かつ加工プログラムＰＲＯが指示する加工形状に沿って、トーチ２０をワーク６０に対して相対的に移動制御する。

また、主制御部３０は、加工制御部３５に対して、上述したトーチ２０の移動制御と共に、倣い制御を実行するように指令する。倣い制御の実行指令を受けて、加工制御部３５は、倣い電圧検出部３６から、センサ電極２３の電圧（以下「倣い電圧Ｖ」という。）の取り込みを開始する。

図４は、倣い制御の説明図で、トーチ２０とワーク６０との間に発生した静電容量の一例を示している。なお、同図に示す静電容量は、発明の理解を容易にするために単純化したものである。

トーチ先端部２３ａとワーク６０との間には、図４（ａ）に示すように、それぞれを対向電極とする（つまり間隙長ＧＡＰを電極間の距離とする）コンデンサの静電容量Ｃ_ＧＡＰが発生している。ワーク６０は、接地処理手段（図示せず）により接地されているので、倣い電圧Ｖは、上記コンデンサの電圧に相当する。

図４（ａ）に示すように、プラズマが発生していない場合、上記コンデンサの電荷量Ｑ（図示せず）は略一定なので、倣い電圧Ｖは静電容量Ｃ_ＧＡＰと反比例の関係（Ｖ＝Ｑ／Ｃ_ＧＡＰ）にあると共に、静電容量Ｃ_ＧＡＰは間隙長ＧＡＰと反比例の関係（Ｃ_ＧＡＰ＝ε_０Ｓ／ＧＡＰ、ε_０は空気中の誘電率、Ｓは実効断面積）にあるので、倣い電圧Ｖと間隙長ＧＡＰとは、比例関係となる。

メモリ部３７には、この比例関係を示す、間隙長ＧＡＰに対応する倣い電圧Ｖの対応テーブルが準備されており、加工制御部３５は、倣い電圧検出部３６から倣い電圧Ｖの取り込みを開始すると、メモリ部３７から、上述した対応テーブルとワーク情報ＷＤとを呼び出す。

加工制御部３５は、上記対応テーブル及びワーク情報ＷＤを呼び出すと、呼び出したワーク情報ＷＤが示す、ワーク６０の材質や板厚に関する情報に基づいて、板厚方向の焦点位置をワーク表面６０ａに対して一定に維持するように、設定すべき間隙長ＧＡＰを演算する。設定すべき間隙長ＧＡＰを演算すると、更に、呼び出した対応テーブルに基づいて、上記演算した間隙長ＧＡＰに対応する倣い電圧Ｖ（以下「基準電圧Ｖ_ＧＡＰ」という。）を設定する。

基準電圧Ｖ_ＧＡＰを設定すると、加工制御部３５は、取り込んだ倣い電圧Ｖの、基準電圧Ｖ_ＧＡＰに対する差分電圧ΔＶを演算し、該差分電圧ΔＶが０となる方向に、駆動制御部４３を介して、倣い制御駆動モータ４３ａを駆動制御する。これにより、トーチ２０は、間隙長ＧＡＰが所定値に略々維持され、ワーク６０上の起伏に関係なく、板厚方向の焦点位置がワーク表面６０ａに対して略々一定に維持されることになる。また、間隙長ＧＡＰが所定値に維持されるので、倣い電圧Ｖも同様に、基準電圧Ｖ_ＧＡＰに略々維持されることになる。

次いで、主制御部３０は、スパッタ検出装置３２（図３に示す破線）に対して、上述した倣い制御と共に、スパッタ検出制御を実行するように指令する。このスパッタ検出装置３２は、レーザ光ＲＺの照射によりワーク６０から発生したスパッタ（金属粒子の飛散）を検出するように構成されている。スパッタ検出装置３２の微分処理部４０は、スパッタ検出制御の実行指令を受けて、倣い電圧検出部３６から、倣い電圧Ｖの取り込みを開始する。微分処理部４０は、倣い電圧Ｖの取り込みを開始すると、順次取り込まれる倣い電圧Ｖを微分演算し、時間に対する電圧勾配ＶＳとして、スパッタ検出装置３２の制御信号生成部４１に出力する。

制御信号生成部４１は、微分処理部４０から入力される電圧勾配ＶＳを、所定周期でサンプリングして、サンプリングした電圧勾配ＶＳが、所定の閾勾配ＶＳｓｈを超えたか否かを判定する。制御信号生成部４１は、所定電圧のパルス（例えば最小パルス幅が１ｍｓ）を、制御信号ＳＰＣとして出力自在に構成されており、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えたと判定した場合、制御信号ＳＰＣの出力をＯＮにし、一方、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えていないと判定した場合、制御信号ＳＰＣの出力をＯＦＦにする。

具体的に、スパッタが発生した場合における、上記スパッタ検出制御について、図５に沿って説明する。図５は、スパッタが発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧Ｖ、（ｂ）は電圧勾配ＶＳ、（ｃ）は制御信号ＳＰＣを示している。

図５（ａ）に示すように、時点ｔ０で、倣い電圧Ｖが、基準電圧Ｖ_ＧＡＰに略々維持されている場合、電圧勾配ＶＳは、同図（ｂ）に示すように０なので、制御信号生成部４１は、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈ（図５（ｂ）に示す１点鎖線）を超えていないと判定し、同図（ｃ）に示すように、制御信号ＳＰＣの出力をＯＦＦにする。

その後、スパッタが発生すると、倣い電圧Ｖが上昇し始め、それに伴い電圧勾配ＶＳも上昇する。時点ｔ１で、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えると、制御信号生成部４１は、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えたと判定し、出力を制御信号ＳＰＣのＯＮにする。

そして、倣い電圧ＶがピークＰＫ１に近付くにつれ、電圧勾配ＶＳが低下していき、時点ｔ２で、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈより低くなると、制御信号生成部４１は、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えていないと判定し、制御信号ＳＰＣの出力をＯＦＦにする。

従って、制御信号生成部４１は、時点ｔ１からｔ２までの、倣い電圧Ｖが急勾配で変動した区間Ａ１（図５（ａ）参照）を検出することになり、図５（ｃ）に示すように、当該区間Ａ１をＯＮ時間とする制御信号ＳＰＣ１を生成して、スパッタ検出判定部４２に出力する。

スパッタ検出判定部４２は、制御信号生成部４１から制御信号ＳＰＣ１が入力されると、入力された制御信号ＳＰＣ１のＯＮ時間が、閾時間Ｔｓｈ（図５（ｃ）に示す２点鎖線）を超えたか否かを判定する。ＯＮ時間が閾時間Ｔｓｈを超えたと判定した場合、スパッタを検出した旨の信号を、加工制御部３５に出力する。一方、ＯＮ時間が閾時間Ｔｓｈを超えていないと判定した場合、スパッタを検出した旨の信号を出力しない。

ここでは、閾時間Ｔｓｈは、スパッタが発生した際に測定演算される平均的な制御信号ＳＰＣのＯＮ時間よりも、若干短く設定されており、従って、図５（ｃ）に示す制御信号ＳＰＣ１のＯＮ時間Ｔ１は、閾時間Ｔｓｈより長くなるので、スパッタ検出判定部４２は、ＯＮ時間Ｔ１が閾時間Ｔｓｈを超えたと判定し、スパッタを検出した旨の信号を、加工制御部３５に出力する。加工制御部３５は、スパッタを検出した旨の信号を受けると、駆動制御部４３に所定信号を出力して、上述した倣い制御を一時停止する。そして、スパッタによる倣い電圧Ｖの変動が収束するであろう所定時間後に、駆動制御部４３に対して、倣い制御を再開するように所定信号を出力する。

こうして、スパッタ検出制御が実行されると、ワーク６０の加工実行中にスパッタが発生した場合であっても、倣い制御がスパッタによる影響を回避した形で実行されるので、倣い制御は極力正常に機能されることになる。

次いで、主制御部３０は、プラズマ検出装置３１（図３に示す１点鎖線）に対して、上述したスパッタ検出制御と共に、本発明の要旨であるプラズマ検出制御を実行するように指令する。

プラズマ検出制御の実行指令を受けて、プラズマ検出装置３１の積分処理部３８は、スパッタ検出装置３２の制御信号生成部４１から、制御信号ＳＰＣの取り込みを開始する。積分処理部３８は、制御信号ＳＰＣの取り込みを開始すると、順次取り込まれる制御信号ＳＰＣを、それらのＯＮ時間を積算する形に、積分演算する。積分処理部３８は、この積分演算を後述する所定時間Ｔｃｔについて行ない、積分演算した制御信号ＳＰＣを、積分信号ＳＰＣａｄとして、プラズマ検出装置３１のプラズマ検出判定部３９に出力する。

具体的に、プラズマＰＺが多量に発生した場合における、上記プラズマ検出制御について、図４（ｂ）及び図６に沿って説明する。図６は、プラズマＰＺが多量に発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧Ｖ、（ｂ）は電圧勾配ＶＳ、（ｃ）は制御信号ＳＰＣ、（ｄ）は積分信号ＳＰＣａｄを示している。

図６（ａ）に示すように、時点ｔ１０で、倣い電圧Ｖが、基準電圧Ｖ_ＧＡＰに略々維持されている場合、電圧勾配ＶＳは、同図（ｂ）に示すように０なので、上述したスパッタ検出制御で説明したように、スパッタ検出装置３２の制御信号生成部４１は、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈ（図６（ｂ）に示す１点鎖線）を超えていないと判定し、同図（ｃ）に示すように、制御信号ＳＰＣを出力しない。

その後、図４（ｂ）に示すように、ワーク６０からプラズマＰＺが発生すると、トーチ先端部２３ａとプラズマＰＺとの間で、静電容量Ｃ_ＰＺが発生する。プラズマＰＺは、電子やイオンの荷電粒子などから構成されており、その発生量が多くなると、上記静電容量Ｃ_ＰＺは、プラズマＰＺから多量の電子が供給されるため、その電荷量Ｑが上昇して、倣い電圧Ｖが、間隙長ＧＡＰに関係なく上昇することになる。

こうして、倣い電圧Ｖが、図６（ａ）に示すように上昇して、時点ｔ１１からｔ１２の区間Ａ１１で、その電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを超えると、スパッタ検出装置３２の制御信号生成部４１は、図６（ｃ）に示すように、区間Ａ１１に対応する制御信号ＳＰＣ１１を出力する。

ところで、上述した静電容量Ｃ_ＰＺに帯電した電子は、その近傍に存在する、プラズマＰＺを構成するイオンと再結合するため、その電荷量Ｑは安定することなく、プラズマＰＺが発生した場合の倣い電圧Ｖは、スパッタが発生した場合と異なり、図６（ａ）に示すように変動を繰り返す挙動を示す。

従って、制御信号生成部４１は、倣い電圧Ｖが上昇するたびに、上述と同様に、制御信号ＳＰＣを出力することになり、図６（ｃ）に示すように、時点ｔ１３からｔ１４の区間Ａ１２に対応する制御信号ＳＰＣ１２、及び時点ｔ１５からｔ１６の区間Ａ１３に対応する制御信号ＳＰＣ１３を、それぞれ出力する。

積分処理部３８は、これら制御信号ＳＰＣ１１、ＳＰＣ１２、ＳＰＣ１３を取り込み、これらのＯＮ時間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３を積算し、図６（ｄ）に示す積分信号ＳＰＣａｄとして、スパッタ検出装置３２のプラズマ検出判定部３９に出力する。

こうして、積分信号ＳＰＣａｄをプラズマ検出判定部３９に出力すると、プラズマ検出判定部３９は、所定時間Ｔｃｔについて、電圧変動発生率ＲＴを演算する。この所定時間Ｔｃｔとは、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを最初に超えた時点からの一定時間をいい、本実施形態における所定時間Ｔｃｔは、例えば２０ｍｓに設定されているものとする。従って、上記電圧変動発生率ＲＴは、図６（ｄ）に示すように、時点ｔ１１から２０ｍｓを経過した時点ｔ１７までの所定時間Ｔｃｔに対して、積分信号ＳＰＣａｄのＯＮ時間（同図（ｄ）に示す積算時間Ｔａｄ）が占有する割合であり、つまり、倣い時間Ｖが所定時間Ｔｃｔにおいて変動する頻度に相当する。

そして、プラズマ検出判定部３９は、演算した電圧変動発生率ＲＴが、閾発生率ＲＴｓｈを超えたか否かを判定する。プラズマＰＺが発生した場合の倣い電圧Ｖは、上述したように変動を繰り返すが（図６（ａ）参照）、その変動する頻度は、一般的にプラズマＰＺの発生量が多いほど高くなるので、プラズマＰＺの発生量を、電圧変動発生率ＲＴとして捉えることが出来る。従って、プラズマ検出判定部３９は、閾発生率ＲＴｓｈを超えたと判定した場合、プラズマＰＺを検出した旨の信号を、加工制御部３５に出力し、一方、電圧変動発生率ＲＴが閾発生率ＲＴｓｈを超えていないと判定した場合、プラズマＰＺを検出した旨の信号を出力しない。

ここでは、閾発生率ＲＴｓｈは、プラズマＰＺが多量に発生して、倣い制御に障害が生じる時の平均的な電圧変動発生率ＲＴよりも、若干低い値（例えば１０％）に設定されている。仮に、図６（ｄ）に示す積分信号ＳＰＣａｄにより、プラズマ検出判定部３９で演算された電圧変動発生率ＲＴが１８％だとすると、閾発生率ＲＴｓｈである１０％を超えるので、プラズマ検出判定部３９は、電圧変動発生率ＲＴが閾発生率ＲＴｓｈを超えたと判定して、プラズマＰＺを検出した旨の信号を、加工制御部３５に出力する。

加工制御部３５は、プラズマＰＺを検出した旨の信号を受けると、加工プログラムＰＲＯが指示する送り速度に対して所定割合（例えば５０％）、オーバライドをかけて送り速度を減速する指令を、駆動制御部４３に対して出力する。その信号を受けて駆動制御部４３は、Ｘ、Ｙ軸の駆動モータ４３Ｘ、４３Ｙを駆動制御し、送り速度を所定割合、減速させる。

送り速度が減速されると、ワーク６０から発生する金属蒸気の供給量が減少するため、コンデンサに帯電する電荷量Ｑが減少して、倣い電圧Ｖが下降してゆく。同時に、電子の生成速度が、電子とイオンとの再結合速度に追いつかなくなり、プラズマＰＺが消滅するので、トーチ先端部２３ａとワーク６０との間の静電容量は、図４（ａ）に示したＣ_ＧＡＰに戻り、倣い電圧Ｖが基準電圧Ｖ_ＧＡＰに回復することになる。

このように、プラズマＰＺが消滅した場合、送り速度を減速したままにする必要がないので、加工制御部３５は、プラズマ検出判定部３９からのプラズマＰＺを検出した旨の信号の非入力状態が、所定時間継続したところで、上述したオーバライドをキャンセルする。従って、プラズマＰＺが消滅すると、加工制御部３５は、上記所定時間の経過後、減速した送り速度を、加工プログラムＰＲＯが指示する送り速度に回復させるように、駆動制御部４３に対して指令する。その信号を受けて駆動制御部４３は、Ｘ、Ｙ軸の駆動モータ４３Ｘ、４３Ｙを駆動制御し、送り速度を増加させて、加工プログラムＰＲＯが指示する送り速度に回復させる。

なお、図６（ｃ）に示す制御信号ＳＰＣのＯＮ時間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３が、スパッタ検出判定部４２における閾時間Ｔｓｈ（図５（ｃ）参照）を超える場合があるが、これにより、加工制御部３５による倣い制御が一時停止されても、プラズマ検出装置３１によるプラズマ検出判定動作には、何ら影響がない。

こうして、加工中は、プラズマ検出装置３１により、プラズマＰＺを検出したか否かが判定されて、プラズマＰＺが検出される毎に送り速度が減速されるので、プラズマＰＺの影響を回避した形で、倣い制御が実行されていくことになる。

以上のように、本発明に係るプラズマ検出装置３１は、プラズマＰＺの発生量を、時間あたりの電圧変動発生率ＲＴにより、倣い電圧Ｖが時間あたりに変動する頻度として捉えるので、上記電圧変動発生率ＲＴを監視することで、多量に発生したプラズマＰＺを容易に検出することが出来る。これにより、プラズマＰＺの発生量が少なく倣い制御に影響がない場合には、プラズマＰＺを発生していないものと判定することが出来るので、送り速度を頻繁に減速する必要がなくなり、ワーク６０の加工を円滑に行うことが出来る。

また、倣い電圧Ｖを利用してプラズマＰＺを検出することが出来るので、従来のように、センサ電極２３とワーク６０の間の電気抵抗を測定する回路を設ける必要がなくなり、プラズマ検出装置、及びプラズマ検出装置を設けたレーザ加工機の構成を、複雑化させることを防止することが出来る。

更に、本実施形態におけるプラズマ検出装置３１は、スパッタ検出装置３２からの制御信号ＳＰＣを利用してプラズマＰＺを検出するので、プラズマ検出装置３１とスパッタ検出装置３２とで処理の一部を共有することが出来、これにより処理の効率化を図ることが出来る。

なお、プラズマ検出装置３１とスパッタ検出装置３２とで処理の一部を共有する一例として、制御信号ＳＰＣの生成処理を共有した場合について説明したが、電圧勾配ＶＳの演算処理のみを共有させることも可能である。また、スパッタ検出制御とプラズマ検出制御とで、閾勾配ＶＳｓｈが同じ値である場合について説明したが、必ずしも同じ値である必要はなく、上述したように、電圧勾配ＶＳの演算処理のみを共有させることにより、スパッタ検出制御とプラズマ検出制御とで、閾勾配ＶＳｓｈを異なる値に設定することも可能である。

なお、上述した実施形態において、倣い電圧Ｖが変動する区間を検出する一例として、電圧勾配ＶＳに基づいて検出する場合について説明したが、これに限られない。例えば、基準電圧Ｖ_ＧＡＰより若干大きい電圧を、閾電圧として設定して、倣い電圧Ｖがその閾電圧を超えた区間を、倣い電圧Ｖが変動する区間として検出することも可能である。

なお、上述した実施形態において、電圧変動発生率ＲＴの演算例として、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを最初に超えた時点からの所定時間Ｔｃｙについて積分演算された積算時間Ｔａｄに基づいて、電圧変動発生率ＲＴを演算する場合について説明したが、これに限られない。例えば、電圧勾配ＶＳが閾勾配ＶＳｓｈを最初に超えた時点からの経過時間を常に計測し、電圧変動発生率ＲＴを、その経過時間について常時演算することも可能である。

なお、上述した実施形態において、プラズマＰＺの発生を抑制する一例として、送り速度を減速する場合について説明したが、プラズマＰＺの発生を抑制することの出来る加工条件の変更であればこれに限る必要はなく、例えば、レーザ光ＲＺの照射出力を低下させることも可能である。

図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す全体斜視図である。 図２は、トーチの一例を示す概略側面（一部断面）図である。 図３は、制御装置の一例を示すブロック図である。 図４は、倣い制御の説明図で、（ａ）はプラズマが発生していない場合の静電容量、（ｂ）はプラズマが多量に発生した場合の静電容量である。 図５は、スパッタが発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧、（ｂ）は電圧勾配、（ｃ）は制御信号である。 図６は、プラズマが多量に発生した場合におけるタイムチャートの一例で、（ａ）は倣い電圧、（ｂ）は電圧勾配、（ｃ）は制御信号、（ｄ）は積分信号である。

符号の説明

１……レーザ加工機
２０……レーザ照射手段（トーチ）
２３……センサ電極
３１……プラズマ検出装置
３５……間隙長制御手段、移動駆動手段、加工条件変更手段（加工制御部）
３６……センサ電極電圧検出手段（倣い電圧検出部）
３８……電圧変動時間積算手段（積分処理部）
３９……電圧変動発生率演算手段、プラズマ検出判定手段（プラズマ検出判定部）
４０……電圧勾配演算手段（微分処理部）
４１……電圧変動区間検出手段、電圧変動区間演算手段（制御信号生成部）
４２……スパッタ検出判定手段（スパッタ検出判定部）
４３……間隙長制御手段、加工実行手段（駆動制御部）
４３ａ……間隙長制御手段（倣い制御駆動モータ）
４３Ｘ……加工実行手段（Ｘ軸駆動モータ）
４３Ｙ……加工実行手段（Ｙ軸駆動モータ）
４５……加工実行手段（照射出力制御部）
４５ａ……加工実行手段（レーザ発振器）
６０……ワーク
Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３……電圧変動区間（区間）
ＧＡＰ……間隙長
ＰＲＯ……加工プログラム
ＰＺ……プラズマ
ＲＴ……電圧変動発生率
ＲＺ……レーザ光
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３……電圧変動時間（ＯＮ時間）
Ｔａｄ……電圧変動積算時間（積算時間）
Ｔｃｔ……所定時間
Ｖ……センサ電極の電圧（倣い電圧）
ＶＳ……電圧勾配
ＶＳｓｈ……所定値（閾勾配）

Claims (3)

1. レーザ光をワークに照射するレーザ照射手段を設け、該レーザ照射手段は前記ワークに対向するセンサ電極を有し、該センサ電極の電圧を検出するセンサ電極電圧検出手段を設け、該センサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧に基づいて、前記レーザ照射手段と前記ワークとの間隙長を制御する間隙長制御手段を設けた、レーザ加工機であって、前記レーザ加工機のレーザ照射手段から照射されたレーザ光により前記ワークから発生するプラズマを検出することの出来る、レーザ加工機のプラズマ検出装置において、
   前記レーザ加工機のセンサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧が変動する電圧変動区間を検出する、電圧変動区間検出手段を設け、
   前記電圧変動区間検出手段は、前記レーザ加工機のセンサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧についての時間に対する電圧勾配を演算する、電圧勾配演算手段を有しており、
   前記電圧変動区間検出手段は、前記電圧勾配演算手段により演算された電圧勾配が所定値を超えている区間を、前記電圧変動区間として検出し、
   前記電圧変動区間検出手段により検出された電圧変動区間に対応する電圧変動時間を、電圧変動積算時間として積算する、電圧変動時間積算手段を設け、
   前記電圧変動時間積算手段により積算された電圧変動積算時間に基づいて、前記電圧勾配が最初に前記所定値を超えた時点からの一定時間に対する電圧変動発生率を演算する、電圧変動発生率演算手段を設け、
   前記電圧変動時間積算手段は、前記電圧変動区間に対応する電圧変動時間を、前記一定時間について積算し、
   前記電圧変動発生率演算手段により演算された電圧変動発生率に基づいて、前記プラズマを検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、プラズマ検出判定手段を設け、
   たことを特徴とする、レーザ加工機のプラズマ検出装置。
2. 請求項１に記載したレーザ加工機のプラズマ検出装置を設け、
   前記レーザ照射手段を所定の送り速度で移動駆動させる、移動駆動手段を設け、
   加工プログラム中で指示された送り速度及び前記レーザ光の照射出力で、前記ワークに対する加工を実行する、加工実行手段を設け、
   前記プラズマ検出判定手段から前記プラズマを検出した旨の判定結果が出力された場合に、前記加工プログラム中で指示された送り速度又はレーザ光の照射出力を低下させる形で変更する、加工条件変更手段を設け、
   前記加工実行手段は、前記加工条件変更手段により変更された送り速度又はレーザ光の照射出力で、前記ワークに対する加工を実行することを特徴とする、プラズマ検出装置付きレーザ加工機。
3. レーザ光をワークに照射するレーザ照射手段を設け、該レーザ照射手段は前記ワークに対向するセンサ電極を有し、該センサ電極の電圧を検出するセンサ電極電圧検出手段を設け、該センサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧に基づいて、前記レーザ照射手段と前記ワークとの間隙長を制御する間隙長制御手段を設けた、レーザ加工機において、
   前記センサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧についての時間に対する電圧勾配を演算する、電圧勾配演算手段を設け、
   前記電圧勾配演算手段により演算された電圧勾配に基づいて、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光により前記ワークから発生するスパッタを検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、スパッタ検出判定手段を設け、
   前記スパッタ検出判定手段がスパッタを検出したものと判定した場合に、前記間隙長制御手段による倣い制御を一時的に停止する、倣い制御停止手段を設け、
   前記電圧勾配演算手段により演算された電圧勾配が所定値を超えている区間を、前記センサ電極電圧検出手段により検出されたセンサ電極の電圧が変動する電圧変動区間として演算する、電圧変動区間演算手段を設け、
   前記電圧変動区間演算手段により演算された電圧変動区間に対応する電圧変動時間を、電圧変動積算時間として積算する、電圧変動時間積算手段を設け、
   前記電圧変動時間積算手段により積算された電圧変動積算時間に基づいて、前記電圧勾配が最初に前記所定値を超えた時点からの一定時間に対する電圧変動発生率を演算する、電圧変動発生率演算手段を設け、
   前記電圧変動時間積算手段は、前記電圧変動区間に対応する電圧変動時間を、前記一定時間について積算し、
   前記電圧変動発生率演算手段により演算された電圧変動発生率に基づいて、前記プラズマを検出したか否かを判定し、その判定結果を出力する、プラズマ検出判定手段を設け、
   前記レーザ照射手段を所定の送り速度で移動駆動させる、移動駆動手段を設け、
   加工プログラム中で指示された送り速度及び前記レーザ光の照射出力で、前記ワークに対する加工を実行する、加工実行手段を設け、
   前記プラズマ検出判定手段から前記プラズマを検出した旨の判定結果が出力された場合に、前記加工プログラム中で指示された送り速度又はレーザ光の照射出力を低下させる形で変更する、加工条件変更手段を設け、
   前記加工実行手段は、前記加工条件変更手段により変更された送り速度又はレーザ光の照射出力で、前記ワークに対する加工を実行し、
   前記電圧勾配演算手段による電圧勾配の演算処理を前記スパッタ検出判定手段及びプラズマ検出判定手段で共有させるようにしたことを特徴とする、プラズマ検出装置付きレーザ加工機。
   

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