JP2017196629A - 保護ガラスの汚れ検出装置とそれを備えるレーザ加工機及び保護ガラスの汚れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な汚れ検知を遂行する保護ガラスの汚れ検出方法及び装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ加工機のレーザ加工ヘッドに実装される保護ガラスの汚れを検出する保護ガラスの汚れ検出装置であって、保護ガラスに、ＬＥＤ光が保護ガラス内で全反射するように、ＬＥＤ光を入射させるＬＥＤ光入射部と、保護ガラスのＬＥＤ光入射部に対向する端面に配置されたＬＥＤ光検出部と、を備える、保護ガラスの汚れ検出装置とする。【選択図】図１

Description

本発明は、保護ガラスの汚れ検出装置とそれを備えるレーザ加工機及び保護ガラスの汚れ検出方法に関する。

レーザ加工機においてレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドは、レーザ光を集光して試料（ワーク）へ照射する、高価な集光レンズ等の光学系を備える。一方、レーザ光を試料（ワーク）へ照射して試料（ワーク）のレーザ加工を行う場合に、発生したスパッタやヒュームが周囲に拡散・飛散し、集光レンズ等の光学系を汚染させる。集光レンズ等にスパッタやヒュームが付着してこれが汚染されると、集光レンズ等が本来の集光機能等の光学機能を発揮できず、レーザ光が散乱されたり集光レンズに過剰な熱が発生したりする。

したがって、このような不具合を回避して、スパッタやヒュームなどの汚染物質から集光レンズ等の光学系を保護するために、通常は、レーザ加工ヘッド内に集光レンズ等をスパッタ等から保護する、保護ガラスを備えている。

レーザ加工ヘッドが保護ガラスを備えることで、スパッタ等から集光レンズ等の光学系を保護することができるが、その替わりに保護ガラスがスパッタ等で汚染されることになる。保護ガラスが汚染されると、レーザ光が所望の出力で所望の加工箇所に届かなくなるなどレーザ加工の品質の低下を招来する。

このため、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種々の方法や、保護ガラスの交換タイミングを把握するためにその汚れを検出する種々の方法が提案されている。また、保護ガラスの汚れ検知をあきらめて、所定のレーザ加工時間毎あるいは定期的に保護ガラスを交換する対応も為されている。

例えば、下記特許文献１においては、従来僅かな光量を検出していることにより、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ことから、さらなる改善が望まれていたことに鑑み、これらの課題を解決することを目的とする保護ガラスの汚れ検知の発明が開示されている。

これによれば、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発明が記載されている。

特許文献１の発明により、”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。”との作用効果を奏することが特許文献１に記載されている。

また、下記特許文献２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と、当該集光レンズを保護するために、当該集光レンズのワーク側に備えられた保護ガラスと、当該保護ガラスの汚れを検出するための汚れ検出手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記レーザ光の光軸に対して傾斜した方向から前記保護ガラスに検出光を照射するための検出光照射手段を備えていることを特徴とする発明が記載されている。

特許文献２によれば、検出光照射手段からの検出光はレーザ光の光軸に対して傾斜してあって、保護ガラスに照射することができるので、保護ガラスの周縁付近に汚れが生じている場合であっても容易に検出することができ、従って、保護ガラスの全体的な汚れ状態を検出することができ、保護ガラスの交換を適正に行うことができることが記載されている。

特開２０１４−２３７１５０号公報 特開２０１３−０５２４４０号公報

また、保護ガラスは、相当の高精度の平坦性を有し透過ロスが小さいなど必要とされる機能面のレベルが高い比較的高額な部品であるため、定期的な保護ガラスの交換においては、まだ使用できるにも拘わらず交換される等コストの増大を招き好ましいものとはいえない。一方、目視により保護ガラスの汚れ具合を点検する場合には、レーザ光を確実に遮断するためレーザ加工機を停止させなければならないので、製造上のスループットが低下するなど生産性が悪くなる。また、万一、レーザ光を確実に遮断することなく漏れたレーザ光やその散乱光が点検しているオペレータ等に照射されると、重大な健康被害が懸念される等、安全上においても深刻な懸念が生じることとなる。

また、従来知られている特許文献１に記載の汚れ検知方法では、保護ガラスに入射させた入射光を上下両内面及び内周面によって乱反射させているため、一次反射や二次反射等複数の高次反射光がまとめて同時に検知され、精確な測定が困難である。さらに、検出光が保護ガラスの上下両内面及び内周面の汚れ付着箇所から外部へ出射漏洩することで、かつ乱反射させることで、検出光が極めて脆弱となる懸念があった。脆弱な検出光には、保護ガラスに付着した汚れ以外の比較的大きなノイズが多量に含まれていることから、保護ガラスの汚れを精度高く検出することが困難である。また、保護ガラスの外部から入射される環境光による外乱の影響に極めて弱いとの特徴を有していた。

本発明は、上述の問題点に鑑み為されたものであり、保護ガラスの外周面からＬＥＤによる検出光を保護ガラス内で全反射するように入射させ対向端面からの出射光を検出する事で、高精度な汚れ検知を安全に遂行する保護ガラスの汚れ検出装置とそれを備えるレーザ加工機及び保護ガラスの汚れ検出方法を提供することを目的とする。

本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドに実装される保護ガラスの汚れを検出する保護ガラスの汚れ検出装置であって、保護ガラスに、ＬＥＤ光が保護ガラス内で全反射するように、ＬＥＤ光を入射させるＬＥＤ光入射部と、保護ガラスのＬＥＤ光入射部に対向する端面に配置されたＬＥＤ光検出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、好ましくはＬＥＤ光の保護ガラスへの入射前の光量に対する、ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量、の比率を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤはパルス光であり、その保護ガラス内部における反射平面への入射角は臨界角を超えて９０°未満であることを特徴とする。空気中から媒質（保護ガラス）への入射角は、保護ガラス内部での反射平面への光入射角が臨界角を超えるように適宜設定する。すなわち、保護ガラス内部での反射平面（典型的には保護ガラスの円形上面と円形下面）への入射角は臨界角を超える角度として、ガラス内において全反射を生じさせるようにする。また、この場合の入射角は臨界角に近い程、内部反射の回数が多くなるので、汚れ検出に有利となる（図６（ａ）を参照）。図６に示すように、本発明ではガラス内部で全反射する条件下でＬＥＤ光を上下面で反射させながら直径方向に透過させて、対向端でその透過光強度を検出するので、反射箇所に存在する付着汚れの程度に対応して、検出光強度が低減されるものとなる。これにより、ＬＥＤ光の減衰程度を検出することで、汚れ付着程度を把握できるものとなる。但し、ＬＥＤ光の出力は環境温度依存性があるのでモニター用フォトダイオードで温度補償の校正をするものとする。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤは可視光であり、臨界角は４１°であることを特徴とする。臨界角は、媒質の屈折率やＬＥＤ光の波長等により異なってくるものであるが、典型的には、屈折率１．５２の光学ガラス（保護ガラス）内において５８８ｎｍ（黄色）の波長の光を反射させようとする場合の臨界角は４１°と算出できる（図６（ｂ）を参照）。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤの主波長が、５８０ｎｍ〜６００ｎｍの間であり、ＬＥＤからのＬＥＤ光の出射角は３０°以下であることを特徴とする。また、可視光の範囲（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の任意の波長を用いることも可能である。ＬＥＤからのＬＥＤ光の出射角は３０°以下であることにより、ＬＥＤ光が種々の方向に散逸することなく、保護ガラス内部へ取り込まれた光が効率的に反射平面において全反射することが期待できる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤのパルスは２０００回／秒以上であることを特徴とする。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤ光の保護ガラスへの入射前の光量と、ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量と、の比較に基づいて、保護ガラスの汚れ度合いを判断する判断部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工機は、上述の保護ガラスの汚れ検出装置を備えるレーザ加工機であって、判断部が、保護ガラスの汚れ度合いが所定の閾値以上であると判断した場合に、レーザ加工機によるレーザ加工作業を停止させるかまたはオペレータに通知する通知手段を備えることを特徴とする。

本発明の保護ガラスの汚れ検出方法は、上述のいずれか一項に記載の汚れ検出装置を用いた保護ガラスの汚れ検出方法であって、ＬＥＤ光入射部において、保護ガラス内にＬＥＤ光を入射させる工程と、ＬＥＤ光検出部において、保護ガラスの対向する端面から出射される光を、検出する工程と、入射させたＬＥＤ光と出射されたＬＥＤ光との光強度比較に基づいて保護ガラスの汚れ度合いを判断する工程と、を有することを特徴とする。

本発明により、保護ガラスの外周面からＬＥＤによる検出光を保護ガラス内で全反射するように入射させて対向端面からの出射光を検出する事で、高精度な汚れ検知を安全に遂行する保護ガラスの汚れ検出装置とそれを備えるレーザ加工機及び保護ガラスの汚れ検出方法を提供できる。

（ａ）は本発明の実施形態に関するレーザ加工システムの構成概要について説明する図であり、（ｂ）は保護ガラスの汚れ検出装置の構成概要を説明するブロック図である。 レーザ加工機における汚染物質の飛散と保護ガラスの装着について説明する概念図である。 （ａ），（ｂ）は、保護ガラスに対してＬＥＤ光を入射させる臨界角と全反射の状態を説明する概念図であり、（ｃ）は、周囲環境温度が変化した場合に検知される出射ＬＥＤ光の校正前変動を説明する図であり、（ｄ）は、補正用光電素子（すなわちキャリブレーション用または／およびリファレンス用）を測定用光源に近接配置し測定用光電素子を対向端に配置する状態を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は汚れ検知領域が測定用光源と光電素子との間の直径を通る帯状となることを説明する概念図であり、図４（ｃ）はφ１００ｍｍの保護ガラスの感度分布を説明する図であり、図４（ｄ）は測定用光源と補正用光電素子と検知用光電素子とからなる発光受光ユニットを１〜３まで３ペア備える構成を説明する概念図である。 本発明の実施形態によるところのφ１００ｍｍの保護ガラスに汚れが付着した度合いに対する検知される光強度の相対出力を説明する図である。 （ａ）が入射角と反射角及び屈折角と臨界角について説明する概念図であり、（ｂ）がガラスの屈折率の波長依存性を説明する図である。

レーザ加工機においては、対物レンズ等の光学部品の汚損を防止するため、光学部品の前面に保護ガラスが装着される。これにより光学部品の汚損は回避されるが、保護ガラスが汚染されると、レーザ光を減衰させたり発熱による保護ガラスの破損等につながる場合があるので、汚染状況の点検は日常保守の重要な項目となっている。

本発明では、汚れ検知を自動化することで生産設備や、レーザ加工自動機（以下、単に自動機と称する）との連動を可能とする。レーザ加工機は、レーザ加工ヘッドまたは出射ユニット等と呼ばれるレーザ光出射部を備え、この部分に比較的高価な対物レンズ等の光学系を有している。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に関するレーザ加工システム１０００の構成概要について説明する図である。図１（ａ）においてレーザ加工システム１０００は、レーザ制御部１６００と光ファイバ１１００で連結されたレーザ加工ヘッド１２００等を具備するレーザ加工機を備える。

また、図１（ａ）に示すように、レーザ加工システム１０００は、自動機１５００により、レーザ加工対象の試料であるワーク１４００が、自動的にかつ連続的に供給される構成を有する。また、レーザ加工ヘッド１２００は、ワーク１４００との間に、保護ガラス１２１０を備える。

また、保護ガラス１２１０は、ワーク１４００の切断・溶接等の加工に伴うヒュームなどの汚染から、レーザ加工ヘッド１２００内の光学系を保護する。また、レーザ加工システム１０００は、保護ガラス１２１０の汚染度を検知する、保護ガラスの汚れ検出装置１３００を備える。

また、図１（ｂ）は、保護ガラスの汚れ検出装置１３００の構成概要を説明するブロック図である。図１（ｂ）において、汚れ検知用光源ＬＥＤ１３１５は、測定信号調整部１３３０により１分毎や３０秒毎等の測定頻度が調整され、パルス変調部１３２０により１回の測定期間０．５秒等の間に１０００パルス等、と指示されたＬＥＤドライバ１３１０により所定の頻度で所定のパルス変調で発光される。

汚れ検知用光源ＬＥＤ１３１５の発光強度は、リファレンス測定用光電素子１３９０（１）によりモニターされる。また、これに基づいて、コントローラ１３６０において、保護ガラス１２１０の対向端に配置された検知用光電素子１３９０（２）の検知光強度が温度校正される。リファレンス測定用光電素子１３９０（１）と検知用光電素子１３９０（２）の出力値は、プリアンプ１３７０（１），１３７０（２）とパルス変調を復調するために復調回路１３８０（１），１３８０（２）を介して、コントローラ１３６０に入力され演算・処理される。

また、表示部１３４０には、コントローラ１３６０で校正・演算された保護ガラス１２１０の汚損度合いや、汚損度合いに基づく警告や注意等が表示されることができる。また、保護ガラス１２１０の汚損度合いが所定の条件となった場合には、外部ＩＦ１３５０を介して自動機１５００等を停止させる信号を送出するように構成してもよい。これにより、汚損されたままの状態におけるレーザ加工を確実に回避することが可能となるので、歩留まりが向上してコストダウンに繋がるものとなる。

ここで、レーザ加工を遂行する場合、加工中に加工対象の素材（加工対象試料またはワーク等）からスパッタ、ヒューム等と呼ばれる汚染物質が飛散するため、当該飛散物質によりこれら光学部品が汚損される懸念がある。

上述のように、レーザ加工機に関する設備機材（特に光学部品）を損なうことを防止するため、一般的に光学部品の前面に保護ガラスが装着されており、当該保護ガラスの汚染状況に応じて当該保護ガラスを適宜交換する保守作業が行われる。図２は、レーザ加工機における汚染物質の飛散と保護ガラスの装着について説明する概念図である。

保護ガラスの装着により、対物レンズ等の光学系をひとまず保護することができるものの、保護ガラスの汚染が進むと、レーザ光の出射の妨げとなって加工エネルギーを減衰させたり、汚損が著しい場合には汚損物がレーザ光を吸収することによる発熱のため保護ガラスの破損につながる場合がある。

従って、レーザ加工機の運用に当たっては、保護ガラスの汚染度合いを点検することが日常の重要な保守・点検・メンテナンス項目となっているが、依然として保護ガラスの汚れの検知は作業者が目視で行うのが一般的であり、汚れ検知の自動化システムは普及していない。

本発明では、汚れ検知を自動化することで生産設備、自動機との連動を可能として、レーザ加工生産ラインの効率をより一層向上させることを目的とする。具体的には、本発明では、保護ガラスを光導波路とみなし、光導波路に入射する汚れ測定用光源としてＬＥＤを用い、保護ガラスの端面から所望の角度で入射したＬＥＤ光が、保護ガラスの内部で全反射するように構成する。

一方、ＬＥＤ光を入射させた端面の反対側に位置する対向端面には、フォトダイオード等の光電素子を配置し、保護ガラス中を厚さ方向に反射しながら直径方向に進んできたＬＥＤ光からの出射光を取得するように構成する。

図３（ａ），（ｂ）は、保護ガラスに対して端面からＬＥＤ光を７０°で入射させて内部で全反射する状態を説明する概念図であり、図３（ｃ）は、周囲環境温度が変化した場合に検知される出射ＬＥＤ光の校正前変動を説明する図であり、図３（ｄ）は、補正用光電素子（すなわちキャリブレーション用または／およびリファレンス用）を測定用光源に近接配置し測定用光電素子を対向端に配置する状態を説明する図である。

図３において、導波路として機能している保護ガラスの表面が清浄な状態であれば、上述のように保護ガラスの上下面への入射角が、臨界角を超えて９０度未満の場合には、保護ガラス内に光が閉じ込められて（光がガラス上下面から放出されることなく）全反射しながら直径方向に進み、光入射部位に対向する出射端面から高光強度にて検出することができる。

図３（ｂ）に示すように、もし、保護ガラス表面に汚染物質が付着した場合、当該汚染箇所から保護ガラス表面に滲み出たエバネッセント光が乱され外部に伝播光として散逸するので、光電素子で検出される光強度が減少することになる。この光強度の変化の度合い（減少程度）を保護ガラスの汚れ具合として捉えることができる。

ここで測定用光源としてのＬＥＤは、パルス変調（例えば、１回の測定で１０００回／０．５秒）された光を発生するものとし、さらに受光後の光電素子からの信号を検波して測定することにより、レーザ加工機が設置されている環境光（典型的には５０乃至６０Ｈｚの照明灯等）による外乱の影響を避けるものとする。

また、図３（ｃ）において一般的にＬＥＤの発光効率は、温度依存性が高いため、検出された測定光の変化が保護ガラスの汚損に起因するものであるのか、周囲環境温度の変化によるものであるのか、が判然としなくなる場合が懸念される。

このため、図３（ｄ）に示すように、光源であるＬＥＤの光を保護ガラスに入射する手前でも光電素子により測定し、これをリファレンスとして、光源と被測定光との比率を計算し、当該比率の低下減少具合により保護ガラスの汚損度合いを判断するものとする。また、当該リファレンスに基づいて、検出された出射光強度を適宜温度補正し、温度補正された出射光強度の経時変化により、保護ガラスの汚損度合いを判断してもよい。

本発明では、モールド樹脂等のレンズ効果などにより比較的集束されたＬＥＤ光源（好ましくは出射角が２０〜３０°以下）を用い、散乱光ではなくガラス内全反射による反射光を利用するため、保護ガラスが大型化した場合でも対向する端面まで測定光が容易にかつ強い光強度で到達するものとなる。

このような特性の結果として、本発明は、従来では難しかったガルバノスキャナ式溶接ヘッドの対物レンズ（ｆθレンズ）に装着されるような、大口径の保護ガラスの汚れ検知にも適応できる。なお集束ＬＥＤ光の全反射による検知方法のため、汚れ検知可能な検知領域が、保護ガラスの直径を通る比較的細い帯状の分布となるが、ＬＥＤ光源と光電素子の組合せを複数ペア用いることにより、検知領域を広げることができる。

図４（ａ），（ｂ）は汚れ検知領域が測定用光源と光電素子との間の直径を通る帯状となることを説明する概念図であり、図４（ｃ）はφ１００ｍｍの保護ガラスの感度分布を説明する図であり、図４（ｄ）は測定用光源と補正用光電素子と検知用光電素子とからなる発光受光ユニットを１〜３まで３ペア備える構成を説明する概念図である。

また、保護ガラスを導波路をする光導波路方法により、測定光の検出光強度レベルが高いことに加え、パルス変調光による測定を行うことにより、外乱の影響を受け難く、極めて信頼性の高い汚れ検知が可能となる。

同様に、汚損測定のダイナミックレンジが広いため、汚れの有無の判定のみに限らず、汚れ具合を段階的に表示することも可能であり、保護ガラスの交換時期を予測することにも役立つものとなる。

図５は、本発明の実施形態によるところのφ１００ｍｍの保護ガラスに汚れが付着した度合いに対する検知される光強度の相対出力を説明する図である。図５においては、保護ガラス上に墨汁を１滴ずつ滴下したときの光電素子の出力変化を示しており、横軸が墨汁の滴下数を示し縦軸が相対検知光強度を示している。なお、墨汁は、光路上（帯状の汚れ検知領域上）を直線的に１０ｍｍ間隔で滴下して測定した。

図５から理解できるように、滴下数の増大すなわち保護ガラスの汚染の増大に伴い、検知される光強度が低下しており、その相関関係から保護ガラスの汚損度合いを適確に把握することが可能である。従って、例えば、清浄な状態から８０％の検出光強度にまで低下した時点で、オペレータに警告したり通知したり、自動機によるワークの搬送供給を停止させたり、さらにはレーザ発振そのものを停止させたりすることも可能である。

本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドに実装される保護ガラスの汚れを検出する保護ガラスの汚れ検出装置であって、保護ガラスに、ＬＥＤ光が保護ガラス内で全反射するように、ＬＥＤ光を入射させるＬＥＤ光入射部と、保護ガラスのＬＥＤ光入射部に対向する端面に配置されたＬＥＤ光検出部と、を備えることを特徴とする。

また、ワークを除去したりすることなく、レーザ加工の空き時間（例えばワークの交換時間中や加工対象試料ごとの加工開始前）を利用して、極めて短時間（例えば、０．５秒等）で、安全に保護ガラスの汚れ検知を行える。また、保護ガラスの上面または下面の汚れ度合いの情報を含む出射光を、強い光強度で検出することが可能となるので、高精度な汚れ検出が可能となる。例えば、保護ガラスが所定の厚さを有する円板形状の場合には、ＬＥＤ光入射部とＬＥＤ光検出部とは、当該円板形状の直径を通る対向位置に配置されるものとする。これにより、エバネッセント光や散乱光や外部への伝播光ではなく、保護ガラス内を直径に沿って上下面で全反射条件下で反射しながら透過してきた強い光を検出することができる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、好ましくはＬＥＤ光の保護ガラスへの入射前の光量に対する、ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量、の比率を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする。

このため、入射前のＬＥＤ光の光量を測定するための入射光量モニター用フォトダイオードをＬＥＤ周囲に設けることができる。現実には、入射光は保護ガラスに入射されるためその全光量をリアルタイムで直接測定することは不可能である。しかし、入射光量モニター用フォトダイオードを設けて測定することにより、入射光量を見積もってこれに換算することが可能である。

保護ガラスが全く汚れていない場合（新品へ交換直後等）の入射光量モニター用フォトダイオードの測定値と、それに対するＬＥＤ光検出部で検出された検出光の測定値と、の比率を記録・記憶しておけば、保護ガラスの汚れ進行とともに当該比率は低下していくので汚れ度合いを把握することができる。

また、ＬＥＤは、環境温度により発光効率や発光強度が大きく異なることが知られているが、上述のように入射光と出射光の相対的な比率で汚れ具合を把握するので、ＬＥＤの温度特性変動に影響を受けることなく比較的精確かつ客観的な汚れ度合い把握が可能となる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤ光の保護ガラス内における反射平面への入射角は、臨界角を超えて９０°未満であることを特徴とする。

これにより、保護ガラス円周部の例えば端面から入射されるＬＥＤ光が、直線的に保護ガラスを貫通して一度も上下面に反射することなく対向端から出射されて検出されることを回避し、少なくとも１回以上、上下面における反射をした反射光を検出できる。ＬＥＤ光が保護ガラス内をあたかも光導波路のように反射しながら通過してくるため、対向端における当該出射光には少なくとも反射した箇所の汚れ具合に関する情報を含むものとなる。入射するＬＥＤ光の角度を、保護ガラス内部の上下面で全反射するように調整することにより、対向端での検出光が強すぎることなく検出に適切な情報を含む適切な強度の光として検出できるものとなる。保護ガラス内でＬＥＤ光が反射する回数がなるべく多くなるようにすることで、汚れ具合に関する情報をより多く含むことができる。ＬＥＤ光のガラス内部反射回数を最大化するためには、ガラス内部における反射上下面への光入射角が臨界角に近い角度となるようにすることが好ましい。仮に、臨界角より小さければ、ガラスの上下面からＬＥＤ光が放出されて散逸することとなってしまい、光検出部で測定される光強度が極めて弱くなる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤ光は、可視光のパルス光であり、保護ガラス内における反射平面への入射角は臨界角を超える角度であることを特徴とする。図６に説明するように、媒質（保護ガラス）内部における反射平面への入射角が臨界角（例えば４１°）を超える可能な限り小さな角度となるように、保護ガラス外部からのＬＥＤ光入射角を調整し、設定することができる。ここで、ＬＥＤ光の保護ガラスへの入射角（すなわちＬＥＤのガラスに対する向き）について説明すると、例えば端面から入射させる場合には端面の形状やコーティング有無等層構成、また利用する光の波長、ガラスの屈折率等に依存して、ガラス入射時の屈折特性が大きく異なることが一般に知られている。本発明においては、ガラス内を進行する測定用ＬＥＤ光を、ガラス内部の上下面で、好ましくは多数回全反射させるものであるが、上記屈折特性に鑑み、ＬＥＤ光の保護ガラスへの入射角（すなわちＬＥＤのガラスに対する向き）で特定することなく、ガラス内部における全反射特性を有するように、ＬＥＤ光をガラスに入射させるものとする。例えば、全反射している場合には、検出される光強度が一定範囲内で最大化（または極大化）されるため、ＬＥＤの向きを微調整しながら、検出される光強度が弱くならない程度に、ガラス内を多数回反射させるように、ＬＥＤの向きを調整することができる。

すなわち、上述した所定の条件を充足するようにＬＥＤ光を保護ガラス端面等から入射させることで、対向端において上面または下面で一回以上反射したＬＥＤ光が良好なＳ／Ｎ比のもとで検出できるものとなる。例えば、保護ガラスへの入射角０°でＬＥＤ光をガラスへ入射させれば、保護ガラスの上面または下面で一度も反射されることなく、保護ガラス内を直線的に透過したＬＥＤ光が強い強度で対向端から出射されることとなるので、汚れ検出には適切ではないものとなる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤの主波長が、５８０ｎｍ〜６００ｎｍの間であり、ＬＥＤの光出射角は３０°以下であることを特徴とする。

ＬＥＤはそれ自体にレンズ機能を有する樹脂モールド等がされており、ＬＥＤの特性の一つとして光の出射角が定められている。本発明においては、内部での全反射条件を充足するような所定の入射角で保護ガラス内に効率的にＬＥＤを入射させるために、好ましくはＬＥＤの光出射角は２０°以上３０°以下であるものとする。あまりにブロードに広角に光を出射させるＬＥＤではガラス内部での反射効率が悪くなり、検出される検出光も弱いものとなってしまう。

また、ＬＥＤの波長は黄色乃至橙色程度が好ましく、５８０ｎｍから６００ｎｍ程度の波長範囲の発光波長をメインとするＬＥＤであることが好ましい。本発明者の確認実験において、当該波長領域による測定が、他の波長領域に比較して良好な光測定強度を得ることができる結果となった。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤのパルスは２０００回／秒以上であることを特徴とする。

ＬＥＤの発光パルスは、周囲環境に多量に存在する５０〜６０Ｈｚ程度の周期から可能な限り離間させることが好ましい。好ましくは、１回の測定時間が例えば０．５秒である場合に、この０．５秒の間に１０００回程度以上点滅させるパルス光とすることが好ましい。これにより、周囲環境の雑音信号（例えば各種照明など）等の影響を低減し、高精度な汚れ度合いの測定や判断等が可能となる。

また、本発明の保護ガラスの汚れ検出装置は、さらに好ましくはＬＥＤ光の保護ガラスへの入射前の光量と、ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量と、の比較に基づいて、保護ガラスの汚れ度合いを判断する判断部をさらに備えることを特徴とする。

これにより、オペレータが測定データに基づいて直接判断することなく、判断部が自動的に汚れ度合いを判断することが可能となるので、オペレータの変動による個人差等に依存せず、常に安定した客観的な判断が可能となる。このため、入射前のＬＥＤ光量を推し量る発光強度モニター用の光電素子と、及び検出光の光量を測定する光電素子と、を備えることができる。

また、本発明のレーザ加工機は、上述の保護ガラスの汚れ検出装置を備えるレーザ加工機であって、判断部が、保護ガラスの汚れ度合いが所定の閾値以上であると判断した場合に、レーザ加工機によるレーザ加工作業を停止させるかまたはオペレータに通知する通知手段を備えることを特徴とする。通知は、警報音の発報によるものでもよく、表示部にアラート表示するものでもよく、それらの組み合わせ等でもよく任意の通知方法を用いることができる。

これにより、オペレータの判断過誤等により保護ガラスが汚れたままの状態で、レーザ加工が遂行される等の品質低下要因を排除できるものとなるので、常に、安定した高品質のレーザ加工を遂行することが可能となる。例えば、通知を受けたオペレータは、保護ガラスを交換するか掃除するか等により、汚れが無い状態の保護ガラスとすることが可能となる。

本発明の保護ガラスの汚れ検出方法は、上述のいずれか一項に記載の汚れ検出装置を用いた保護ガラスの汚れ検出方法であって、ＬＥＤ光入射部において、保護ガラス内にＬＥＤ光を入射させる工程と、ＬＥＤ光検出部において、保護ガラスの対向する端面から出射される光を、検出する工程と、入射させたＬＥＤ光と出射されたＬＥＤ光との光強度比較に基づいて保護ガラスの汚れ度合いを判断する工程と、を有することを特徴とする。

これにより、ワークを除去したりすることなく、レーザ加工の空き時間（例えばワークの交換時間中や加工対象試料ごとの加工開始前）を利用して、極めて短時間（例えば、０．５秒等）で、安全に保護ガラスの汚れ検知を行える、保護ガラスの汚れ検出方法とできる。また、保護ガラスの上面または下面の汚れ度合いの情報を含む出射光を、強い光強度で検出することが可能となるので、高精度な汚れ検出が可能な、保護ガラスの汚れ検出方法とできる。

本発明は、保護ガラスの汚れの点検が自動化でき、自動機との連動も可能であるため、保守点検作業によるレーザ加工機の停止時間が最小となり稼働率が向上するとともに、汚損によるトラブルの未然防止にも役立つ。

また、本発明は、ＣＣＤカメラや画像処理等のシステムを要さず、比較的簡便かつ安価な構成で実現可能なため小型化でき、レーザ加工ヘッドや出射ユニット等への組込により既存設備への導入にも適している。

また、本発明は、保護ガラスの汚損検知のために加工用レーザ光の光路上に干渉する要素を新たに設けるものではないので、現実のレーザ加工中に、これと平行して保護ガラスの汚れ検知を行うことも可能である。

本発明のレーザ加工機の保護ガラスの汚れ検出方法等は、上述した本実施形態の説明における構成や方法に限定されるものではなく、本発明の範囲内かつ当業者に自明な範囲で適宜自由に変更し、修正し、アレンジすることが可能である。また、従来公知の装置構成や方法と適宜組み合わせて、また適宜順序を入れ替えて利用することが可能である。

本発明は、レーザ加工機やシステム等に幅広く適用することが可能である。

１０００・・レーザ加工システム、１１００・・光ファイバ、１２００・・レーザ加工ヘッド、１２１０・・保護ガラス、１３００・・保護ガラスの汚れ検出装置、１４００・・ワーク、１５００・・自動機、１６００・・レーザ制御部。

Claims (9)

1. レーザ加工機のレーザ加工ヘッドに実装される保護ガラスの汚れを検出する保護ガラスの汚れ検出装置において、
   前記保護ガラスに、ＬＥＤ光が前記保護ガラス内で全反射するように、前記ＬＥＤ光を入射させるＬＥＤ光入射部と、
   前記保護ガラスの前記ＬＥＤ光入射部に対向する端面に配置されたＬＥＤ光検出部と、を備える
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
2. 請求項１に記載の保護ガラスの汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光の前記保護ガラスへの入射前の光量に対する、前記ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量、の比率を表示する表示部をさらに備える
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光の前記保護ガラス内における反射平面への入射角は、臨界角を超えて９０°未満である
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
4. 請求項３に記載の汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光は、可視光のパルス光である
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
5. 請求項４に記載の汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光の主波長は５８０ｎｍ〜６００ｎｍの間であり、ＬＥＤからの前記ＬＥＤ光の光出射角は３０°以下である
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光のパルスは２０００回／秒以上である
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の汚れ検出装置において、
   前記ＬＥＤ光の前記保護ガラスへの入射前の光量と、前記ＬＥＤ光検出部で検出された検出光の光量と、の比較に基づいて、前記保護ガラスの汚れ度合いを判断する判断部をさらに備える
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出装置。
8. 請求項７に記載の保護ガラスの汚れ検出装置を備えるレーザ加工機において、
   前記判断部が、前記保護ガラスの汚れ度合いが所定の閾値以上であると判断した場合に、前記レーザ加工機によるレーザ加工作業を停止させるかまたはオペレータに通知する通知手段を備える
   ことを特徴とするレーザ加工機。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の汚れ検出装置を用いた保護ガラスの汚れ検出方法において、
   前記ＬＥＤ光入射部において、前記保護ガラス内に前記ＬＥＤ光を入射させる工程と、
   前記ＬＥＤ光検出部において、前記保護ガラスの対向する端面から出射される光を、検出する工程と、
   入射させた前記ＬＥＤ光と前記出射された前記ＬＥＤ光との光強度比較に基づいて前記保護ガラスの汚れ度合いを判断する工程と、を有する
   ことを特徴とする保護ガラスの汚れ検出方法。