JP6553688B2 - レーザ加工前に光学系の汚染検出を行うレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザ加工前に光学系の汚染検出を行うレーザ加工装置に関する。

レーザ光を被加工物に照射して被加工物のレーザ加工を行うレーザ加工装置は、レーザ光をレンズで所定の焦点位置に集光し、集光したレーザ光を被加工物に照射する。斯かるレーザ加工装置では、レーザ発振器からレーザ光を導光してワーク表面に集光する外部光学系が汚染してレーザ光を吸収すると、いわゆる熱レンズ効果によって曲率を変えて焦点位置を移動させる。また、汚れ方によっては、外部光学系の透過率も変化させる。焦点位置の変化及び透過率の変化が発生すると、加工不具合が発生するため、外部光学系が汚染されていないかを確認する必要がある。このことが自動運転の妨げになっている。

斯かる課題を解決するため、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付けることで外部光学系の汚染を検出するものが公知である。特許文献１には、外部光学系ではないものの、レーザ発振器の出射ミラーのコーティング層の劣化等を判定可能なレーザ加工装置が開示されている。出射ミラーは、劣化によってレーザビームを吸収し、熱負荷状態になって曲率を変化させ、いわゆる熱レンズ効果によって平行光を集光する傾向になる。レーザ加工装置は、出射ミラーの後方に配置されたアパーチャと、アパーチャの後方に配置されたビームパワー測定センサとを備えることにより、ビームパワーが基準値より大きい場合に出射ミラーの劣化を判定する。

特許文献２には、レーザ加工前ではないものの、加工後に外部光学系の熱レンズ効果による焦点ずれを検出可能なレーザ加工装置が開示されている。熱レンズ効果により焦点ずれが生じると、レーザ照射径が大きくなるため、レーザ加工装置は、小開口を有する測定基準面を備えることにより、小開口の周囲から放射される放射光のレベルに基づいて焦点ずれを検出する。

国際公開第２００９／０６６３７０（Ａ１）号パンフレット 特開２０１６−２５８０号公報

外部光学系は時間と共に劣化する。その結果、集光点でレーザパワーの損失が発生する。軽度の汚染であっても、焦点位置が移動するため、レーザ加工の品質に著しい劣化を招く。この場合、速やかに光学部品を交換するか又はクリーニングする必要がある。しかしながら、加工不具合が発生した後に光学部品のメンテナンスを行うのでは、自動運転時に大量の不良部品が発生するという問題がある。他方、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付ける方式では、後付けができないという問題がある。さらに、全ての外部光学系が汚染を検知できるセンサに対応している訳ではないため、ユーザの選択の自由を狭めている。

そこで、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系の汚染を自動的に検出可能な技術が求められている。

本開示の一態様は、光学系の汚染を検出した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部と、外部光学系の冷却を制御する冷却制御部と、小径穴を有し且つレーザ光を吸収可能な板と、板に吸収されたレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部と、小径穴を通過したレーザ光を除去可能なレーザ光除去部と、レーザ加工前に外部光学系の汚染を判定する汚染判定部と、を備え、汚染判定部は、外部光学系の冷却を停止する指令を冷却制御部に対して行う冷却停止指令部と、板の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部に対して行う駆動指令部と、板を溶融又は変形させない程度に低い出力でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う低出力指令部と、外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内にエネルギ量測定部によって測定された第一測定値と、外部光学系が温められた一定時間経過期間内にエネルギ量測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、外部光学系におけるレンズの汚染を判定するレンズ汚染判定部と、を有する、レーザ加工装置を提供する。
本開示の他の態様は、光学系の汚染を検出した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部と、小径穴を有する板と、小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部と、板とは異なる場所に配置されていてレーザ光を除去可能なレーザ光除去部と、レーザ加工前に外部光学系の汚染を判定する汚染判定部と、を備え、汚染判定部は、外部光学系を温める前に、板の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部に対して行う第一駆動指令部と、板を溶融又は変形させない程度に低い出力でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う第一低出力指令部と、外部光学系を温めるべく、レーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光をレーザ光除去部に向けて出射する指令をレーザ発振器に対して行う高出力指令部と、外部光学系を温めた後、板の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部に対して行う第二駆動指令部と、外部光学系が温められた状態で、板を溶融又は変形させない程度に低い出力のレーザ光を出射する指令をレーザ発振器に対して行う第二低出力指令部と、外部光学系が温められていない状態でエネルギ量測定部によって測定された第一測定値と、外部光学系が温められた状態でエネルギ量測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、外部光学系におけるレンズの汚染を判定するレンズ汚染判定部と、を有する、レーザ加工装置を提供する。

本開示の一態様及び他の態様によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系の汚染を自動的に検出できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく外部光学系のメンテナンスを実施することが可能になる。

外部光学系の汚染レベルを説明するための模式図である。 汚染レベルに応じた焦点移動量と小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量との関係を示すグラフである。 一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。 一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 他の実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 一実施形態に係る小径穴の径を示す板の斜視図である。 一実施形態に係る板の厚さを示す板の斜視図である。 別の実施形態に係るテーパ形状の小径穴を示す板の断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

本明細書における用語の定義について説明する。本明細書における用語「レンズ」とは、曲率を有する表面を備えた光学部品のことをいう。換言すれば、本明細書で使用するレンズは、汚染によってレーザ光を吸収した場合に、いわゆる熱レンズ効果による曲率の変化が大きい光学部品である。また、本明細書における用語「ウインド」とは、概ね平面から成る光学部品のことをいう。換言すれば、本明細書で使用するウインドは、汚染によってレーザ光を吸収した場合であっても、曲率の変化が小さい光学部品である。さらに、本明細書における用語「汚染」とは、単に塵埃が堆積した状態だけではなく、堆積した塵埃がレーザ光によって点々と焼付いた状態、又はミラー等に設けられている薄膜が剥がれ落ちて劣化した状態等も含む。

図１は、外部光学系の汚染の種類を説明するための模式図である。外部光学系は、限定されないが、レーザ光をワーク表面に集光するためのレンズ１と、外部光学系の最も外側に配置されたウインド２と、を備えている。小径穴Ｓを有する板１５の表面に焦点位置を合わせ且つ小径穴Ｓの中心にレーザ光の光軸を合わせた状態で外部光学系からレーザ光を出射した場合、レンズ１もウインド２も汚染されていない正常時には、レーザ光が小径穴Ｓの周囲の板１５に遮られることなく小径穴を通過する。このため、板１５の下方に配置されたエネルギ量測定部１６によって測定されるレーザ光のエネルギ量は最大になる。これに対して、レンズ１のみが汚染しているレンズ汚染時には、レンズ１の熱レンズ効果により焦点位置が上方（又は下方）へ移動してレーザ光が小径穴の周囲の板１５に遮られるため、エネルギ量測定部１６によって測定されるレーザ光のエネルギ量は若干低下する。さらに、ウインド２のみが汚染しているウインド汚染時には、熱レンズ効果が発生せず焦点位置が移動しないため、レーザ光が小径穴の周囲の板１５に遮られることはない。しかし、ウインド２の表面に塵埃が薄く堆積している場合には、ウインド２がレーザ光を吸収するため、エネルギ量測定部１６によって測定されるレーザ光のエネルギ量は低下する。ウインド２の表面に塵埃が点々と焼付いている場合には、ウインド２がレーザ光を散乱するため、エネルギ量測定部１６によって測定されるレーザ光のエネルギ量はやはり低下する。加えて、レンズ１及びウインド２の双方が汚染している場合には、レンズ１の熱レンズ効果によって焦点位置が移動してレーザ光が小径穴Ｓの周囲の板１５に遮られると共に、ウインド２によってレーザ光が吸収又は散乱されるため、エネルギ量測定部１６によって測定されるレーザ光のエネルギ量は最小となる。

図２は、汚染の種類に応じた焦点移動量と小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量との関係を示すグラフである。前述した通り、実線で示す正常時と比べ、破線で示すレンズ汚染時には、焦点位置が移動し且つエネルギ量が若干低下する。また、一点鎖線で示すウインド汚染時には、焦点位置が移動しないもののエネルギ量が低下する。さらに、二点鎖線で示すレンズ及びウインド汚染時には、焦点位置が移動すると共にエネルギ量が最小となる。このようにレーザ加工に使用する程度に高い出力のレーザ光によって外部光学系が温められた状態では、熱レンズ効果が発生して焦点位置が移動するものの、外部光学系が温められていない状態では、レンズが汚染していたとしても熱レンズ効果が発生せず焦点位置が移動しないため、これら二つの状態におけるレーザ光のエネルギ量を比較することにより、レーザ加工前にレンズの汚染を検出できる。本実施形態に係るレーザ加工装置は、斯かる物理現象を利用して外部光学系の汚染を検出する。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系１２と、水冷式又は空冷式で外部光学系１２の冷却を制御する冷却制御部１３と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１４と、を備えている。レーザ加工装置１０は、さらに、加工テーブルの外側に配置されていて、例えば０．５ｍｍの小径穴Ｓを有し且つレーザ光を吸収するようにアルマイト処理されたアルミ製の板１５と、板１５の下面において小径穴Ｓの周囲に配置されていて板１５に吸収されたレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部１６と、小径穴を通過したレーザ光の反射光又は放射熱が板１５に戻らないように小径穴Ｓを通過したレーザ光を除去可能なレーザ光除去部１７と、を備えている。エネルギ量測定部１６は、板１５に吸収されたレーザ光の熱量を測定する円環状の熱電対でもよく、又は、板１５に吸収されたレーザ光のパワーを測定するパワーセンサでもよい。レーザ光除去部１７は、アルマイト処理されたアルミ板でもよく、又は、小径穴を通過したレーザ光が板１５へ戻らないように別の場所へレーザ光を反射するミラー等の光学系でもよい。レーザ加工装置１０は、さらに、板１５とレーザ光除去部１７との間に配設されていてレーザ光除去部１７からの反射光又は放射熱を遮蔽する遮蔽部１８を備えることが好ましい。

図４は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１０は、さらに、外部光学系１２から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部２０と、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の半導体集積回路又はコンピュータによって実行可能なプログラムで構成されていてレーザ加工前に外部光学系１２の汚染を判定する汚染判定部２１と、種々のデータを記憶する記憶部２２と、備えている。汚染判定部２１は、外部光学系１２の冷却を停止する指令を冷却制御部１３に対して行う冷却停止指令部３０と、板１５の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴Ｓの中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う駆動指令部３１と、板１５を溶融又は変形させない程度に低い出力（例えば５０Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う低出力指令部３２と、を備えている。汚染判定部２１は、さらに、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内（例えばレーザ出射開始から５秒後）にエネルギ量測定部１６によって測定された第一測定値と、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内（例えばレーザ出射開始から１２０秒後）にエネルギ量測定部１６によって測定された第二測定値との比較に基づいて、外部光学系１２におけるレンズ１の汚染を判定するレンズ汚染判定部３３を備えている。汚染判定部２１は、さらに、必須の構成ではないが、第一測定値と、第一測定値に関して予め定めた基準値とに基づいて、外部光学系１２におけるウインド２の汚染を判定するウインド汚染判定部３４を備えていてもよい。第一測定値、第二測定値、及び基準値は、記憶部２２に格納される。レーザ加工装置１０は、さらに、レンズ汚染判定部３３又はウインド汚染判定部３４によって外部光学系１２が汚染していると判定された場合に警告を行う警告部３５を有する。警告部３５は、警告ランプでもよく、又は、操作盤上で警告を表示するモニタでもよい。

図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。以下、図４及び図５を参照して外部光学系の汚染判定処理について説明する。レーザ加工前に汚染判定部２１が汚染判定を開始すると、ステップＳ１０では、低出力のレーザ光であっても比較的長時間出射することによって外部光学系１２が温められるように、冷却停止指令部３０が外部光学系１２の冷却を停止する指令を冷却制御部１３に対して行う。ステップＳ１１では、駆動指令部３１が板１５の表面に焦点を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ１２では、低出力指令部３２が低出力でレーザ光を出射する指令（例えば５０Ｗ５秒間）をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ１３では、エネルギ量測定部１６が板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量を第一測定値（例えば５Ｗ）として測定する。ステップＳ１４では、記憶部２２が第一測定値を格納する。ステップＳ１５では、ウインド汚染判定部３４がウインド２の汚染判定を開始する。ステップＳ１６において、ウインド汚染判定部３４が第一測定値と、第一測定値に関して予め定めた基準値（例えば５Ｗ）とを比較する。外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に測定された第一測定値が基準値より大きい場合には（ステップＳ１６のＹＥＳ）、板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量が正常時より大きいため、ウインド汚染判定部３４は、ウインド２の汚染によりレーザ光が散乱して板１５に吸収されていると判定する。このため、ステップＳ１７では、警告部３５がウインドによるレーザ光の散乱を警告し、オペレータに対してウインドの交換を促す。ステップＳ１６において、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に測定された第一測定値が基準値以下である場合には（ステップＳ１６のＮＯ）、レーザ光が板１５で吸収されていないため、ウインド汚染判定部３４は、ウインド２の汚染が無いと判定する。なお、ウインドの汚染を判定するステップＳ１５〜Ｓ１７は必須の処理ではない。

ステップＳ１８では、低出力指令部３２が低出力でレーザ光を出射する指令（例えば５０Ｗ１２０秒間）をレーザ発振器１１に対して行う。但し、ステップＳ１２からステップＳ１８まで（すなわち外部光学系１２が温まるまで）、低出力指令部３２が低出力でレーザ光を出射し続ける指令を行ってもよい。ステップＳ１９では、エネルギ量測定部１６が板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量を第二測定値（例えば７Ｗ）として測定する。ステップＳ２０では、記憶部２２が第二測定値を格納する。ステップＳ２１では、レンズ汚染判定部３３がレンズ１の汚染判定を開始して、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に測定された第一測定値と、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内に測定された第二測定値とを比較する。外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量である第一測定値（例えば５Ｗ）と、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内に板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量である第二測定値（例えば７Ｗ）との比（又は差分）が、予め定めた許容変化率α（又は許容変化量、例えば０．８）より大きい場合には（ステップＳ２１のＹＥＳ）、板１５で吸収されたエネルギ量が正常時より増加しているため、レンズ汚染判定部３３は、レンズ１の汚染により熱レンズ効果が発生して焦点位置が上方又は下方へ変位していると判定する。このため、ステップＳ２２では、警告部３５がレンズ１の汚染を警告し、オペレータに対してレンズ１のメンテナンスを促す。ステップＳ２１において、外部光学系１２が温められていないレーザ出射開始期間内に板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量である第一測定値と、外部光学系１２が温められた一定時間経過期間内に板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量である第二測定値との比（又は差分）が予め定めた許容変化率α（又は許容変化量）以下である場合には（ステップＳ２１のＮＯ）、板１５で吸収されたエネルギ量が正常時と比べて概ね変化していないため、レンズ汚染判定部３３は、レンズ１の汚染が無いと判定する。このため、ステップＳ２３において、レーザ加工装置１０がレーザ加工を開始する。斯かるレーザ加工装置１０によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系１２の汚染を自動的に検出できることとなる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく外部光学系１２のメンテナンスを実施することが可能になる。

図６は、他の実施形態に係るレーザ加工装置４０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置４０は、外部光学系を温める構成と、レーザ光のエネルギ量を測定する場所との点で、レーザ加工装置１０とは異なる。すなわち、レーザ加工装置１０は、外部光学系１２の冷却を停止して低出力のレーザ光を一定時間出射することにより外部光学系を温めるのに対し、レーザ加工装置４０は、板１５とは異なる場所にレーザ光を除去可能なレーザ光除去部４１を備えていて、レーザ光除去部４１に向かって高出力でレーザ光を出射することにより外部光学系を温める。また、レーザ加工装置１０は、小径穴Ｓを有する板１５に吸収されたレーザ光のエネルギ量を測定しているのに対し、レーザ加工装置４０は、板１５で吸収されたレーザ光のエネルギ量を測定するのではなく、小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量を測定する。

レーザ加工装置４０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１４と、を備えている。レーザ加工装置４０は、さらに、加工テーブルの外側に配置されていて、例えば０．５ｍｍの小径穴Ｓを有する板１５と、小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部４２と、板１５とは異なる場所に配置されていてレーザ光を除去可能なレーザ光除去部４１と、を備えている。エネルギ量測定部４２は、小径穴Ｓを通過したレーザ光の熱量を測定する熱電対でもよく、又は、小径穴Ｓを通過したレーザ光のパワーを測定するパワーセンサでもよい。レーザ光除去部４１は、アルマイト処理されたアルミ板でもよく、又は、レーザ光を別の場所へ反射するミラー等の光学系でもよい。

図７は、他の実施形態に係るレーザ加工装置４０の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置４０は、さらに、外部光学系１２から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部２０と、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の半導体集積回路又はコンピュータによって実行可能なプログラムで構成されていてレーザ加工前に外部光学系１２の汚染を判定する汚染判定部４３と、種々のデータを記憶する記憶部２２と、備えている。汚染判定部４３は、外部光学系１２を温める前に、板１５の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴Ｓの中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う第一駆動指令部５０と、外部光学系１２が温められていない状態で且つ板１５を溶融又は変形させない程度に低い出力（例えば５０Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う第一低出力指令部５１と、を備えている。汚染判定部４３は、さらに、外部光学系１２を温めるべく、レーザ加工に使用する程度に高い出力（例えば３５００Ｗ）でレーザ光をレーザ光除去部４１に向けて出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う高出力指令部５２と、外部光学系１２を温めた後、板１５の表面に焦点位置を合わせる指令及び小径穴Ｓの中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う第二駆動指令部５３と、外部光学系１２が温められた状態で、板１５を溶融又は変形させない程度に低い出力のレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う第二低出力指令部５４と、を備えている。汚染判定部４３は、さらに、外部光学系１２が温められていない状態でエネルギ量測定部４２によって測定された第一測定値と、外部光学系１２が温められた状態でエネルギ量測定部４２によって測定された第二測定値との比較に基づいて、外部光学系１２におけるレンズ１の汚染を判定するレンズ汚染判定部５５を備えている。汚染判定部４３は、さらに、必須の構成ではないが、第一測定値と、第一測定値に関して予め定めた基準値とに基づいて、外部光学系１２におけるウインド２の汚染を判定するウインド汚染判定部５６を備えていてもよい。第一測定値、第二測定値、及び基準値は、記憶部２２に格納される。レーザ加工装置４０は、さらに、レンズ汚染判定部５５又はウインド汚染判定部５６によって外部光学系１２が汚染していると判定された場合に警告を行う警告部３５を有する。警告部３５は、警告ランプでよく、又は、操作盤上で警告を表示するモニタでもよい。

図８は、他の実施形態に係るレーザ加工装置４０の動作を示すフローチャートである。以下、図７及び図８を参照して外部光学系の汚染判定処理について説明する。汚染判定部４３がレーザ加工前に汚染判定を開始すると、ステップＳ２０では、外部光学系１２を温める前に、第一駆動指令部５０が、１５の表面に焦点を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ２１では、第一低出力指令部５１が低出力でレーザ光を出射する指令（例えば５０Ｗ）をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ２２では、エネルギ量測定部４２が小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量を第一測定値（例えば４０Ｗ）として測定する。ステップＳ２３では、記憶部２２が第一測定値を格納する。ステップＳ２４では、ウインド汚染判定部５６が、ウインド２の汚染判定を開始する。ステップＳ２５では、ウインド汚染判定部５６が第一測定値と、第一測定値に関して予め定めた基準値（例えば４５Ｗ）とを比較する。外部光学系１２が温められていない状態で測定された第一測定値が基準値より小さい場合には（ステップＳ２５のＹＥＳ）、小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量が正常時より小さいため、ウインド汚染判定部５６は、ウインド２の汚染によりレーザ光が吸収又は散乱されていると判定する。このため、ステップＳ２６では、警告部３５がウインド２の汚染を警告し、オペレータに対してウインド２のクリーニングを促す。オペレータがウインド２のクリーニングを行い、汚れが除去できた場合には、汚染判定部４３が汚染判定を再び開始する。オペレータがウインド２のクリーニングを行っても汚れが除去できない場合には、ウインド２の交換を行う。ステップＳ２５において、外部光学系１２が温められていない状態で測定された第一測定値が基準値以上である場合には（ステップＳ２５のＮＯ）、小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量が減少していないため、ウインド汚染判定部５６は、ウインド２の汚染が無いと判定する。なお、ウインドの汚染を判定するステップＳ２４〜Ｓ２６は必須の処理ではない。

ステップＳ２７では、高出力指令部５２が、外部光学系１２を温めるべく、レーザ光除去部４１に向けて高出力（例えば３５００Ｗ）でレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ２８では、外部光学系１２を温めた後に、第二駆動指令部５３が板１５の表面に焦点を合わせる指令及び小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を駆動制御部２０に対して行う。ステップＳ２９では、第二低出力指令部５４が、外部光学系１２が温められた状態で、板１５を溶融又は変形させない程度に低い出力（例えば５０Ｗ）のレーザ光を出射する指令をレーザ発振器１１に対して行う。ステップＳ３０では、エネルギ量測定部４２が小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量を第二測定値（例えば３０Ｗ）として測定する。ステップＳ３１では、記憶部２２が第二測定値を格納する。ステップＳ３２では、レンズ汚染判定部５５がレンズ１の汚染判定を開始して、外部光学系１２が温められていない状態で測定された第一測定値と、外部光学系１２が温められた状態で測定された第二測定値とを比較する。外部光学系１２が温められていない状態で小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量である第一測定値（例えば４０Ｗ）と、外部光学系１２が温められた状態で小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量である第二測定値（例えば３０Ｗ）との比（又は差分）が、予め定めた許容変化率α（又は許容変化量、例えば１．２）より大きい場合には（ステップＳ３１のＹＥＳ）、小径穴を通過したエネルギ量が正常時より減少しているため、レンズ汚染判定部５５は、レンズ１の汚染により熱レンズ効果が発生して焦点位置が上方又は下方へ変位していると判定する。このため、ステップＳ３３では、警告部３５がレンズ１の汚染を警告し、オペレータに対してレンズ１のメンテナンスを促す。ステップＳ３２において、外部光学系１２が温められていない状態で小径穴Ｓを通過したレーザ光のエネルギ量である第一測定値（例えば４０Ｗ）と、外部光学系１２が温められた状態で小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量である第二測定値（例えば３０Ｗ）との比（又は差分）が、予め定めた許容変化率α（又は許容変化量、例えば１．２）以下である場合には（ステップＳ３２のＮＯ）、小径穴を通過したエネルギ量が正常時と比べて概ね変化していないため、レンズ汚染判定部５５は、レンズ１の汚染が無いと判定する。このため、ステップＳ３３において、レーザ加工装置４０がレーザ加工を開始する。斯かるレーザ加工装置４０によれば、既存のレーザ加工装置に対して後付けできる構成によってレーザ加工前に外部光学系１２の汚染を自動的に検出できることとなる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく外部光学系１２のメンテナンスを実施することが可能である。

図９は、本実施形態に係る小径穴Ｓの径Ｐを示す板の斜視図である。図９に示すように、小径穴Ｓの径Ｐはレーザ光の集光径Ｌの２倍以上３０倍以下であることが好ましい。一般的にレーザ光の集光径Ｌは、ピーク強度から１／ｅ²（１３．５％）の強度まで落ちたときの幅として定義されるため、すそ野は比較的広い。このため、小径穴Ｓの径Ｐがレーザ光の集光径Ｌの２倍以上であることにより、レーザ光が板１５に概ね当たらなくなる。また、本実施形態に係るレーザ発振器１１は、レーザの種類を限定するものではないため、種々の集光角を有するレーザを含む。例えば、ファイバレーザの場合、レーザ光が比較的小さな集光角を有するものの、集光径Ｌが１００μｍ、集光角が２．４°であるとき、熱レンズ効果によって焦点位置が１０ｍｍずれると、集光径Ｌが約８２０μｍになる。このとき、小径穴の径Ｐがレーザ光の集光径Ｌの３０倍の３０００μｍであるとすると、板１５の表面に当たらなくなってしまい、汚染判定部２１が外部光学系１２の汚染を判定できなくなってしまう。しかし、ＣＯ₂レーザの場合、レーザ光がさらに大きな集光角を有するため、経験則上、小径穴の径Ｐがレーザ光の集光径Ｌの３０倍以下であれば、焦点位置が変化した場合であっても、板１５の表面に概ね当たることとなる。従って、小径穴Ｓの径Ｐはレーザ光の集光径Ｌの２倍以上３０倍以下であることが好ましい。なお、小径穴Ｓの径Ｐに関する規定は、図６〜図８で説明した他の実施形態における小径穴Ｓにも適用できる。

図１０は、本実施形態に係る板１５の厚さＱを示す板１５の斜視図である。図１０に示すように、板１５の厚さＱはレーザ光の集光径の１０倍以下であることが好ましい。例えば、集光角が比較的小さいファイバレーザの場合、小径穴の径Ｐが２００μｍ、集光径Ｌが１００μｍ、板１５の厚さＱが集光径Ｌの１０倍の１ｍｍであるとき、板１５の上面に焦点位置を合わせると、１ｍｍ移動した板１５の下面におけるレーザ光の径が１８４μｍになり、レーザ光の裾の部分が板１５の下面で当たらなくなるため、汚染判定部２１が外部光学系１２の汚染を正確に判定できることとなる。逆に、板１５の厚さＱがレーザ光の集光径の１０倍を超えていると、板１５の上面に焦点位置を合わせた場合に、レーザ光が板１５の下面で当たってしまい、汚染判定部２１が外部光学系１２の汚染を正確に判定できなくなってしまう。従って、板１５の厚さＱはレーザ光の集光径の１０倍以下であることが好ましい。なお、板１５の厚さＱに関する規定は、図６〜図８で説明した他の実施形態における板１５の厚さにも適用できる。

図１１は、別の実施形態に係るテーパ形状の小径穴Ｓ’を示す板６０の断面図である。小径穴Ｓ’の径が板６０の上面から下面へ向かって大きくなる（Ｐ→Ｐ’）ように、小径穴Ｓ’はテーパ形状であることが好ましい。これにより、板６０の上面に焦点位置を合わせた場合に、板６０の下面においてレーザ光の裾が板６０に当たらなくなって、汚染判定部２１が外部光学系１２の汚染を正確に判定できることとなる。また、板の下面に焦点位置を合わせる実施形態では、小径穴の径が板の下面から上面へ向かって大きくなるように、小径穴がテーパ形状であることが好ましい。なお、テーパ形状の小径穴に関する規定は、図３〜図８で説明した総ての実施形態における小径穴に適用できる。

前述した実施形態におけるコンピュータによって実行可能なプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ等に記録して提供できる。本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１ レンズ
２ ウインド
５ エネルギ量測定部
１０ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 外部光学系
１３ 冷却制御部
１４ 数値制御装置
１５ 板
１６ エネルギ量測定部
１７ レーザ光除去部
１８ 遮蔽部
２０ 駆動制御部
２１ 汚染判定部
２２ 記憶部
３０ 冷却停止指令部
３１ 駆動指令部
３２ 低出力指令部
３３ レンズ汚染判定部
３４ ウインド汚染判定部
３５ 警告部
４０ レーザ加工装置
４１ レーザ光除去部
４２ エネルギ量測定部
４３ 汚染判定部
５０ 第一駆動指令部
５１ 第一低出力指令部
５２ 高出力指令部
５３ 第二駆動指令部
５４ 第二低出力指令部
５５ レンズ汚染判定部
５６ ウインド汚染判定部
６０ 板

Claims (8)

1. 光学系の汚染を検出した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部と、
   前記外部光学系の冷却を制御する冷却制御部と、
   小径穴を有し且つレーザ光を吸収可能な板と、
   前記板に吸収されたレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部と、
   前記小径穴を通過したレーザ光を除去可能なレーザ光除去部と、
   レーザ加工前に前記外部光学系の汚染を判定する汚染判定部と、
   を備え、
   前記汚染判定部は、
   前記外部光学系の冷却を停止する指令を前記冷却制御部に対して行う冷却停止指令部と、
   前記板の表面に焦点位置を合わせる指令及び前記小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う駆動指令部と、
   前記板を溶融又は変形させない程度に低い出力でレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う低出力指令部と、
   前記外部光学系が温められていないレーザ出射開始期間内に前記エネルギ量測定部によって測定された第一測定値と、前記外部光学系が温められた一定時間経過期間内に前記エネルギ量測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、前記外部光学系におけるレンズの汚染を判定するレンズ汚染判定部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. さらに、前記板と前記レーザ光除去部との間に配設されていて前記レーザ光除去部からの反射光又は放射熱を遮蔽する遮蔽部を備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 光学系の汚染を検出した上で、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からレーザ光を導光してワークの表面に集光するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射するレーザ光の焦点位置及び光軸を移動させるための駆動制御部と、
   小径穴を有する板と、
   前記小径穴を通過したレーザ光のエネルギ量を測定するエネルギ量測定部と、
   前記板とは異なる場所に配置されていてレーザ光を除去可能なレーザ光除去部と、
   レーザ加工前に前記外部光学系の汚染を判定する汚染判定部と、
   を備え、
   前記汚染判定部は、
   前記外部光学系を温める前に、前記板の表面に焦点位置を合わせる指令及び前記小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う第一駆動指令部と、
   前記板を溶融又は変形させない程度に低い出力でレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う第一低出力指令部と、
   前記外部光学系を温めるべく、レーザ加工に使用する程度に高い出力でレーザ光を前記レーザ光除去部に向けて出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う高出力指令部と、
   前記外部光学系を温めた後、前記板の表面に焦点位置を合わせる指令及び前記小径穴の中心にレーザ光の光軸を合わせる指令を前記駆動制御部に対して行う第二駆動指令部と、
   前記外部光学系が温められた状態で、前記板を溶融又は変形させない程度に低い出力のレーザ光を出射する指令を前記レーザ発振器に対して行う第二低出力指令部と、
   前記外部光学系が温められていない状態で前記エネルギ量測定部によって測定された第一測定値と、前記外部光学系が温められた状態で前記エネルギ量測定部によって測定された第二測定値との比較に基づいて、前記外部光学系におけるレンズの汚染を判定するレンズ汚染判定部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. さらに、前記第一測定値に関して予め定めた基準値を記憶する記憶部を備え、
   前記汚染判定部は、さらに、前記第一測定値と前記基準値とに基づいて、前記外部光学系におけるウインドの汚染を判定するウインド汚染判定部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. さらに、前記外部光学系が汚染していると判定した場合に警告を行う警告部を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記小径穴の径がレーザ光の集光径の２倍以上３０倍以下である、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記板の厚さがレーザ光の集光径の１０倍以下である、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記小径穴の径が前記板の上面から下面へ向かって又は下面から上面に向かって大きくなる、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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