JP6122347B2 - 保護ガラスの汚れ検出方法及びレーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに備えられた保護ガラスの汚れを検出する方法およびレーザ加工ヘッドに関する。さらに詳細には、保護ガラスの外周面から検出光を照射し、周面で反射して外周面から漏出した検出光の光量を検出することによって保護ガラスの汚れを検出する方法及びレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工機におけるレーザ加工ヘッドには、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズが備えられている。レーザ光をワークへ照射してワークのレーザ加工を行うと、レーザ加工時に発生したスパッタやヒュームが周囲に飛散し、前記集光レンズを汚染することがある。集光レンズにスパッタ等が付着して汚染されると、集光レンズの劣化が激しいものである。したがって、スパッタやヒュームなどの汚染物質から集光レンズを保護するために、レーザ加工ヘッド内に保護ガラスを備えている。

上述のように、保護ガラスを備えた構成においては、スパッタ等から集光レンズを保護することができるものの、前記保護ガラスが汚染されることになる。したがって、レーザ加工時に生じたスパッタやヒュームなどの汚染物質から保護ガラスを保護する手段が講じられると共に、保護ガラスの汚れを検出する手段が講じられている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−５２４４０号公報

前記特許文献１に記載のレーザ加工ヘッドの構成は、図４に示すごとき構成である。すなわち、従来のレーザ加工ヘッド１は、例えばロボットアーム等のごとくＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動自在なヘッド支持部材３に、取付アタッチメント５を介して適宜に装着してある。すなわち、レーザ加工ヘッド１は、加工ヘッド本体７を備えており、この加工ヘッド本体７に備えた支持ブラケット９が前記取付アタッチメント５に連結してある。

前記加工ヘッド本体７の上端側には光ファイバーレシーバ１１が備えられており、この光ファイバーレシーバ１１には、レーザ発振器（図示省略）に一端側を接続した光ファイバＦの他端部が接続してある。そして、前記光ファイバＦの他端部と対向する位置には、光ファイバＦから出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するためのコリメートレンズ１３が内装してある。

上記コリメートレンズ１３によって平行光線化されたレーザ光ＬＢは、加工ヘッド本体７内に備えられた第１反射鏡１５によって内装した集光レンズ１７方向へ屈曲されている。そして、集光レンズ１７によって集光されたレーザ光ＬＢは、加工ヘッド本体７に備えた第２反射鏡１９によって、加工ヘッド本体７に備えたレーザノズル２１方向へ屈曲されてワーク（図示省略）へ照射され、ワークのレーザ加工が行われる。

前記レーザノズル２１の上側であって、前記第２反射鏡１９の下側には、レーザ加工時に発生したスパッタ、ヒュームから前記第２反射鏡１９、集光レンズ１７を保護するための保護ガラス２３が備えられている。そして、前記保護ガラス２３の汚染を検出するために、前記第２反射鏡１９の上方には、当該第２反射鏡１９を透過して前記保護ガラス２３を上方から照射すると共に、前記保護ガラス２３を透過してレーザ加工位置を照射する照射手段２５が備えられている。さらに、レーザ加工位置を撮像する撮像手段２７が備えられている。

レーザ加工時に生じたスパッタやヒューム等の汚染物質から前記保護ガラス２３を保護するために、当該保護ガラス２３と前記レーザノズル２１との間には、前記汚染物質を外部へ吹き飛ばすためのエアーカーテン形成手段２９が備えられている。すなわち、前記保護ガラス２３とレーザノズル２１との間には、空洞の箱状のケーシング３１が備えられており、このケーシング３１には、エアー供給路３３を接続したエアー噴出手段３５が備えられている。

前記エアー噴出手段３５は、レーザ光ＬＢに対して直交する方向にエアーカーテンを形成して、レーザ加工位置から保護ガラス２３の方向へ飛散するスパッタ、ヒュームをエアー排出口３７から外部へ吹き飛ばす作用をなすものである。そして、前記保護ガラス２３の外周面の一部には、スパッタやヒュームが付着したことを検出するために、前記スパッタ等から乱反射された反射光を検出するための光ファイバ３９の端部が適宜に接続してある。

前記構成において、レーザ光ＬＢをワークへ照射してワークのレーザ加工を行うと、レーザ加工位置においてスパッタやヒュームの汚染物質が発生する。そして、レーザ加工位置から保護ガラス２３の方向へ飛散した汚染物質の大部分はエアーカーテン形成手段２９におけるエアー噴出手段２５から噴出されたエアーカーテンによってエアー排出口３７から外部へ排出される。しかし、汚染物質の一部は保護ガラス２３の下面に付着する。

上述のように、保護ガラス２３に汚染物質が付着すると、前記照射手段２５によって上方向から照射された光の一部が汚染物質によって乱反射され、保護ガラス２３の外周面から外部へ出射される。この外部へ出射された反射光の一部が光ファイバ３９に入射され、この入射光の光量が予め設定した設定値より大きくなると、保護ガラス２３の交換が行われる。

既に理解されるように、保護ガラス２３にスパッタ等が付着したことを検出するための光（検出光）は、保護ガラス２３の上方から照射されている。したがって、検出光の大部分は保護ガラス２３を透過する。そして、前記保護ガラス２３の下面において内部へ反射され、かつ汚染物質によって乱反射されて保護ガラス２３の外周面へ出射される光を検出しているものである。よって、僅かな光量を検出しているものであり、検出レベルが低いと共に、外部から入射される外乱の影響を受け易いものであり、さらなる改善が望まれていた。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの汚れ検出方法であって、前記保護ガラスの外周面から当該保護ガラス内へ検出光を入射し、前記保護ガラスの周面によって反射されると共に前記保護ガラスに付着した汚染物質によって乱反射されて外周面から漏出した検出光の光量を、前記保護ガラスの周面に備えた光検出手段によって検出することによって保護ガラスの汚れを検出することを特徴とするものである。

また、前記保護ガラスの汚れ検出方法において、前記光検出手段の検出指向方向と前記検出光の入射方向とのなす角度が４５°以下の範囲において前記保護ガラスに対する検出光の入射を行うことを特徴とするものである。

また、集光レンズと当該集光レンズを保護する保護ガラスを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護ガラスの汚れを検出するための検出光を前記保護ガラスの外周面から保護ガラス内へ入射するための検出光入射手段と、前記保護ガラスの周面によって反射されると共に前記保護ガラスに付着した汚染物質によって乱反射されて外周面から漏出した検出光の光量を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記検出光入射手段による入射方向と前記光検出手段の検出指向方向とのなす角度は４５°以下であることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工時に発生したスパッタ、ヒュームを吹き飛ばすためのエアーカーテン形成手段を前記保護ガラスの下側に備え、前記エアーカーテン形成手段によるエアーの流れの下流側に対応した前記保護ガラスの下流端側を照射する上流側の位置に前記検出光入射手段が配置してあることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスは、レーザ加工位置を照射する照射手段の上側に備えられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、保護ガラスの外周面から保護ガラス内へ検出光を入射するものであるから、入射された検出光は、保護ガラスの上下両内面及び内周面によって反射される。したがって、検出光の入射位置が１ヶ所であっても、保護ガラス内部の全体に亘って検出光が透過することになる。そして、スパッタ等が付着すると、スパッタ等によって検出光が乱反射され、保護ガラスの外周面から外部へ出射されると、光検出手段によって検出される。

したがって、光検出手段によって検出される光量は大きなものであり、スパッタ等の付着を確実に検出することができる。また、検出光の光量が大きいので、検出レベルを高くすることができると共に、外乱の影響を抑制することができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要部分の構成を示す断面説明図である。 保護ガラスに対する検出光の入射を行う構成の説明図である。 検出光入射手段と光検出手段との位置的関係を示す説明図である。 従来のレーザ加工ヘッドの構成を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成について説明するに、実施形態に係るレーザ加工ヘッドの大部分の構成は前述した従来のレーザ加工ヘッドと同様の構成である。したがって、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの汚れを検出する構成について説明する。なお、前述したレーザ加工ヘッドにおける構成要素と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ａは、前述した従来のレーザ加工ヘッドと同様に、集光レンズ（図示省略）を備えた加工ヘッド本体７を備えている。この加工ヘッド本体７の下側すなわちレーザノズル（図１には図示省略）側には、保護ガラス２３を着脱可能に備えたガラスホルダユニット４１が備えられている。このガラスホルダユニット４１の下側には、前述した照射手段２５に代わる照射手段４３が備えられている。そして、この照射手段４３の下側には、前述したケーシング３１と同一構成のケーシング３１Ａが備えられている。

前記ガラスホルダユニット４１は、前記加工ヘッド本体７の下側に取付けた環状のユニット本体４５を備えている。このユニット本体４５内には、円板状の前記保護ガラス２３を備えた円筒形状のガラスホルダ４６が備えられている。このガラスホルダ４６において、後述する検出光入射手段、光検出手段に対応した位置には、入射光及び反射光が透過自在な光透過孔が備えられている。

前記ユニット本体４５には、前記保護ガラス２３の外周面から当該保護ガラス２３内へ検出光を入射するための検出光入射手段の１例としてのＬＥＤ４７が備えられている。また、前記ユニット本体４５には、前記保護ガラス２３内において反射して、保護ガラス２３の外周面から出射（漏出）した検出光を検出するための光検出手段の１例としての光ファイバ４９が備えられている。

上記構成により、レーザ光ＬＢをワーク（図示省略）へ照射してのレーザ加工時に生じたスパッタ、ヒューム等の汚染物が保護ガラス２３に付着すると、前記ＬＥＤ４７から入射された検出光が前記汚染物によって乱反射される。そして、この乱反射光が前記光ファイバ４９によって検出されるものである。なお、保護ガラス２３に対するスパッタ等の付着量が多くなると、前記光ファイバ４９に入射される光量が多くなる。

したがって、光ファイバ４９に入射された検出光を受光素子（図示省略）によって電圧に変換する。そして、予め設定した基準電圧と上記変換電圧とを電圧比較手段（図示省略）によって比較することにより、前記保護ガラス２３に対するスパッタ等の付着量（汚染度合）を知ることができるものである。

前記照射手段４３は、前記ユニット本体４５の下面に取付けた筒状の照明ハウジング５１を備えている。この照明ハウジング５１内には、外周面にテーパ状の反射面５３Ｆを備えた筒状の反射部材５３が備えられている。そして、前記反射面５３Ｆの周囲には、レーザ加工位置を照射する照明用の光源としての複数のＬＥＤ５５が備えられている。

したがって、前記ＬＥＤ５５から照射される光は、テーパ状の反射面５３Ｆによって下方向へ反射されて、レーザ加工位置の照明を行うことになる。よって、撮像手段（図示省略）によってレーザ加工位置を容易に撮像することができるものである。既に理解されるように、前記照射手段４３は、保護ガラス２３を備えたガラスホルダユニット４１の下側に備えられており、かつテーパ状の反射面５３Ｆによって照明光を下方向へ反射する構成であるから、前記ＬＥＤ５５からの光が保護ガラス２３に照射されるようなことはないものである。

前記照射手段４３の下側に備えた前記ケーシング３１Ａは、前述した従来のケーシング３１と同一構成であるから、レーザ加工位置から保護ガラス２３方向へ飛散するスパッタやヒュームの大部分を、ケーシング３１Ａに備えたエアー排出口（図１には図示省略）から外部へ吹き飛ばすことができるものである。

ところで、既に理解されるように、保護ガラス２３の汚れを検出するための検出光は、円板状の保護ガラスの外周面から保護ガラス２３内に入射するものであるから、図２に概念的に示すように、入射された検出光ＤＬは、保護ガラス２３における内側の上下両面によって反射されると共に内周面によって反射されることになる。したがって、ＬＥＤ４７から照射された多量の検出光ＤＬが保護ガラス２３の内部を走査することになる。よって、ＬＥＤ４７は１個で充分である。そして、保護ガラス２３の下面にスパッタ等が付着すると、多量の検出光ＤＬがスパッタ等の汚染物質によって乱反射されることとなり、スパッタ等の汚染物質の付着の検出を容易に行うことができるものである。なお、光量が大きいので、外乱に対して左右されることはないものである。

なお、図２（Ｂ）に示すように、保護ガラス２３の上方から保護ガラス２３に対して検出光ＤＬを照射すると、検出光ＤＬの大部分は保護ガラス２３を透過する。そして、保護ガラス２３の内側下面において反射して保護ガラス２３内へ入射される検出光ＤＬの光量は極めて少ないものである。したがって、前記特許文献１に記載のように、保護ガラス２３を全面的に照射する必要があり、多くのＬＥＤを必要とするものである。

ところで、保護ガラス２３の外周面から検出光ＤＬを入射する場合、ＬＥＤ４７は１個で充分であるか否か、及びＬＥＤ４７による検出光の入射方向と光ファイバ４９による検出指向方向との望ましい位置的関係を調べた。すなわち、光ファイバ４９に対向した位置ＡにＬＥＤ４７を配置して検出光の入射を行った場合の光量の検出レベル（受光レベル）を１０００とする。そして、２２．５°毎にＬＥＤ４７の位置を変更して検出光の入射を行った場合の検出レベルは、図３に示すとおりであった。

すなわち、対向した位置Ａを間にして両方向へ４５°の範囲（全体としては９０°の範囲Ｐ１）において検出光の入射を行った場合の検出レベルは１０００であった。したがって、前記光ファイバ４９に対向した位置Ａ付近にＬＥＤ４７を配置して検出光を保護ガラス２３に入射した場合には、検出光が光ファイバ４９に直接入射されるものである。したがって、検出光が光ファイバ４９へ直接入射される範囲Ｐ１にＬＥＤ４９を配置すると、検出レベルが高く、検出光がスパッタ等において乱反射された反射光を検出する構成においては、受光レベルの変化が小さく望ましいものではない。

検出レベル（受光レベル）が１０００の範囲を間にしての両側の９０°の範囲Ｐ２において検出光の入射を行った場合の検出レベルは、図３に示すように３００以下であって低い数値であった。すなわち、上記両側の９０°の範囲Ｐ２においては、ＬＥＤ４７から保護ガラス２３内に入射された検出光の弱い間接光、散乱光が光ファイバ４９に入射されるものである。そして、スパッタ等によって乱反射された反射光を検出する構成においては、検出レベルの変化が小さく、また、例えば外部照明等の外乱の影響を受け易いものである。したがって、光ファイバ４９の配置位置に対して前記範囲Ｐ２内にＬＥＤ４７を配置することは望ましいものではない。

次に、光ファイバ４９を間にして両側へ４５°の範囲すなわち光ファイバ４９を中心にして９０°の範囲Ｐ３の範囲にＬＥＤ４７を配置した場合、光ファイバ４９に入射される検出光の受光レベルは図３に示すとおりであった。すなわち受光レベルは４００〜６００の範囲であった。この範囲Ｐ３にＬＥＤ４７を配置して保護ガラス２３内に入射すると、ＬＥＤ４７に対向した内周面からの一時反射光が光ファイバ４９に入射されるものである。そして、この範囲Ｐ３にＬＥＤ４７を配置した場合、保護ガラス２３に付着したスパッタ等によって検出光が乱反射されて光ファイバ４９に入射されるとき、入射光の変化が大きく望ましいものである。

前記構成において、レーザ加工ヘッド１Ａに備えた集光レンズによってレーザ光ＬＢを集光してワークに照射することにより、ワークのレーザ加工が行われる。そして、レーザ加工位置から保護ガラス２３方向へ飛散するスパッタやヒュームの汚染物質の大部分は、ケーシング３１Ａに備えられているエアーカーテン形成手段において噴出されるエアーカーテンによって外部へ排出される。そして、前記汚染物質の一部は保護ガラス２３の下面に付着することがある。

この場合、前記エアーカーテンによって下流側へ流されつつ保護ガラス２３に付着することが多い。したがって、汚染物質は、前記エアーカーテンの流れ方向に見て、保護ガラス２３の下流端側に付着する傾向にある。よって、前記ＬＥＤ４７は、保護ガラス２３の前記下流端側を照射する上流側の位置に備えることが望ましいものである。

以上のごとき説明より理解されるように、保護ガラス２３に対して外周面からＬＥＤ４７によって検出光を入射する構成であるから、前記ＬＥＤ４７から出射される検出光の大部分を保護ガラス２３内に入射することができる。したがって、検出光用のＬＥＤ４７は１個でもよいこととなり、構成の簡素化を図ることができる。

また、保護ガラス２３の外周面から検出光を入射することにより、入射された検出光は、保護ガラス２３における上下の内面及び内周面によって反射される。したがって、保護ガラス２３内に入射された検出光は反射によって保護ガラス２３の全体に亘って照射されることになる。換言すれば、保護ガラス２３の全体に亘って検出光の光量が大きく保持されるものである。そして、スパッタ等によって乱反射される検出光の光量を大きく保持することができ、検出レベルを高くすることができると共に、外乱の影響を抑制することができるものである。

すなわち、保護ガラス２３の外周面から検出光を入射し、スパッタ等によって乱反射された反射光が保護ガラス２３の外周面から出射されることを検出して、スパッタ等の付着を検出するものである。したがって、保護ガラス２３の上面側又は下面側から検出光を照射して、汚染物質によって乱反射された反射光を外周面から出射させて検出する場合に比較して、スパッタ等の検出をより確実に行うことができるものである。

１Ａ レーザ加工ヘッド
２３ 保護ガラス
４１ ガラスホルダユニット
４３ 照射手段
４５ ユニット本体
４７ ＬＥＤ（検出光入射手段）
４９ 光ファイバ（光検出手段）
５１ 照明ハウジング
５５ ＬＥＤ（光源）

Claims (6)

1. レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの汚れ検出方法であって、前記保護ガラスの外周面から当該保護ガラス内へ検出光を入射し、前記保護ガラスの周面によって反射されると共に前記保護ガラスに付着した汚染物質によって乱反射されて外周面から漏出した検出光の光量を、前記保護ガラスの周面に備えた光検出手段によって検出することによって保護ガラスの汚れを検出することを特徴とする保護ガラスの汚れ検出方法。
2. 請求項１に記載の保護ガラスの汚れ検出方法において、前記光検出手段の検出指向方向と前記検出光の入射方向とのなす角度が４５°以下の範囲において前記保護ガラスに対する検出光の入射を行うことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出方法。
3. 集光レンズと当該集光レンズを保護する保護ガラスを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記保護ガラスの汚れを検出するための検出光を前記保護ガラスの外周面から保護ガラス内へ入射するための検出光入射手段と、前記保護ガラスの周面によって反射されると共に前記保護ガラスに付着した汚染物質によって乱反射されて外周面から漏出した検出光の光量を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記検出光入射手段による入射方向と前記光検出手段の検出指向方向とのなす角度は４５°以下であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 請求項３又は４に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工時に発生したスパッタ、ヒュームを吹き飛ばすためのエアーカーテン形成手段を前記保護ガラスの下側に備え、前記エアーカーテン形成手段によるエアーの流れの下流側に対応した前記保護ガラスの下流端側を照射する上流側の位置に前記検出光入射手段が配置してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 請求項３，４又は５に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスは、レーザ加工位置を照射する照射手段の上側に備えられていることを特徴とするレーザ加工装置。

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