特許 6091652 光加工ヘッド、光加工装置、その制御方法及び制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6091652

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】光加工ヘッド、光加工装置、その制御方法及び制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B29C 67/00 20170101AFI20170227BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20170227BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20170227BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20170227BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20170227BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20170227BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20170227BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20170227BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   B29C67/00

   B23K26/00 P

   B23K26/00 M

   B33Y30/00

   B33Y50/02

   B33Y50/00

   B23K26/21 Z

   B22F3/105

   B22F3/16

   B23K26/34

【請求項の数】20

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-549115(P2015-549115)

(86)(22)【出願日】2015年3月20日

(86)【国際出願番号】JP2015058624

(87)【国際公開番号】WO2016151712

(87)【国際公開日】20160929

【審査請求日】2015年10月2日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度 経済産業省「三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用３Ｄプリンタ技術開発及び超精密三次元造形システム技術開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】小原 隆

(72)【発明者】

【氏名】笹木 裕司

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 光夫

(72)【発明者】

【氏名】益川 和之

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２４５０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６０６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０５２７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１６００８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４０５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 カナダ国特許出願公開第０２８２４０４２（ＣＡ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００６４０４７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ６７／００

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／３４

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた光加工ヘッド。

【請求項2】

前記加工面の状態とは、前記加工面の傾きおよび／または前記加工面上の加工材料の濃度であることを特徴とする請求項１に記載の光加工ヘッド。

【請求項3】

前記検査用光線の波長λと輝度Ｉとの関係は、前記加工面で想定される最高温度Ｔに対して、光速をｃ、プランク定数をｈ、ボルツマン定数をκとすると、
Ｉ（λ）＞(2ｈc2／λ5）／[exp^hc/λκＴ−１]
であることを特徴とする請求項１または２に記載の光加工ヘッド。

【請求項4】

前記検査用光線の波長は１μｍ以下である請求項１、２または３に記載の光加工ヘッド。

【請求項5】

前記検査用光線は、５００ｎｍ以下の波長を有する紫外光または青色光であることを特徴とする請求項４に記載の光加工ヘッド。

【請求項6】

前記基準スポット画像は、前記加工用光線の光軸に直交する基準加工面で反射された前記検査用光線を撮像した画像である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。

【請求項7】

前記比較手段は、前記検査用光線のスポット画像に含まれるスポット中心と、前記基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて前記加工面の前記基準加工面に対する傾き角を算出する請求項６に記載の光加工ヘッド。

【請求項8】

前記加工用光線によって前記加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させるノズルをさらに含み、
前記基準スポット画像は、前記加工材料が射出されていない前記加工面上で反射された前記検査用光線を撮像した画像である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。

【請求項9】

前記比較手段は、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、前記加工面上の気体中における加工材料の濃度を算出する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。

【請求項10】

前記加工材料の濃度に基づいて、前記加工材料の射出量を調整する調整手段をさらに備えた請求項９に記載の光加工ヘッド。

【請求項11】

前記撮像手段は、前記加工用光線から外れて配置され、前記検査部は、前記加工用光線を透過させ、前記加工面から反射された前記検査用光線を前記撮像手段に導く第１ハーフミラーをさらに備えた請求項１に記載の光加工ヘッド。

【請求項12】

前記検査用光線の射出部が、前記加工用光線から外れて配置され、前記検査部は、前記加工用光線を透過させ、前記射出部から射出された前記検査用光線を前記加工面に導く第２ハーフミラーをさらに備えた請求項１１に記載の光加工ヘッド。

【請求項13】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段を備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備え、
前記撮像手段と前記検査用光線の射出部は、前記加工用光線から外れて配置され、
前記検査部は、
前記加工用光線を透過させ、前記加工面から反射された前記検査用光線を前記撮像手段に導く第１ハーフミラーと、
前記加工用光線を透過させ、前記射出部から射出された前記検査用光線を前記加工面に導く第２ハーフミラーと、をさらに備え、
前記第１ハーフミラーの反射面および前記第２ハーフミラーの反射面は、前記加工用光線の光軸に直交する面に関して、面対称であることを特徴とする光加工ヘッド。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光加工ヘッドと、
前記加工用光線を射出する加工用光源と、
前記検査用光線を射出する検査用光源と、
を備えた光加工装置。

【請求項15】

請求項７に記載の光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置。

【請求項16】

請求項９または１０に記載の光加工ヘッドと、
前記加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置。

【請求項17】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と前記加工用光線の光軸に直交する基準加工面で反射された前記検査用光線を撮像した基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像に含まれるスポット中心と、前記基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて前記加工面の前記基準加工面に対する傾き角を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置、の制御方法であって、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面と前記光加工ヘッドとが所定の相対位置となるように、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する光加工装置の制御方法。

【請求項18】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、前記加工面上の気体中における加工材料の濃度を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を有する光加工ヘッドと
加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置、の制御方法であって、
前記加工材料の濃度が所定の範囲となるように、前記加工材料の射出量を制御する光加工装置の制御方法。

【請求項19】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と前記加工用光線の光軸に直交する基準加工面で反射された前記検査用光線を撮像した基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像に含まれるスポット中心と、前記基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて前記加工面の前記基準加工面に対する傾き角を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置、の制御プログラムであって、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面と前記光加工ヘッドとが所定の相対位置となるように、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御ステップをコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラム。

【請求項20】

加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、前記加工面上の気体中における加工材料の濃度を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を有する光加工ヘッドと
加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置の制御プログラムであって、
前記加工材料の濃度が所定の範囲となるように、前記加工材料の射出量を制御する制御ステップをコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光加工ヘッド、光加工装置、その制御方法及び制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、光加工ヘッドの外部に設けられた測定装置を用いて加工面の傾きを検出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】カナダ特許公開公報CA2251082A1

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、測定装置が、加工用の光線を加工面に導く光学系と全く独立した別の検査用光学系を有するため、測定装置について独立した調整を行なう必要があった。

【0005】

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明にかかる光加工ヘッドは、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた。
上記目的を達成するため、本発明にかかる他の光加工ヘッドは、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段を備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備え、
前記撮像手段と前記検査用光線の射出部は、前記加工用光線から外れて配置され、
前記検査部は、
前記加工用光線を透過させ、前記加工面から反射された前記検査用光線を前記撮像手段に導く第１ハーフミラーと、
前記加工用光線を透過させ、前記射出部から射出された前記検査用光線を前記加工面に導く第２ハーフミラーと、をさらに備え、
前記第１ハーフミラーの反射面および前記第２ハーフミラーの反射面は、前記加工用光線の光軸に直交する面に関して、面対称である。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明にかかる光加工装置は、
上述の光加工ヘッドと、
前記加工用光線を射出する加工用光源と、
前記検査用光線を射出する検査用光源と、
を備えた光加工装置である。
上記目的を達成するため、本発明にかかる他の光加工装置は、
上述の光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置である。
上記目的を達成するため、本発明にかかるさらに他の光加工装置は、
上述の光加工ヘッドと、
加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置である。

【0008】

上記目的を達成するため、本発明にかかる光加工装置の制御方法は、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と前記加工用光線の光軸に直交する基準加工面で反射された前記検査用光線を撮像した基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像に含まれるスポット中心と、前記基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて前記加工面の前記基準加工面に対する傾き角を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置、の制御方法であって、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面と前記光加工ヘッドとが所定の相対位置となるように、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する。
上記目的を達成するため、本発明にかかる光加工装置の他の制御方法は、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、前記加工面上の気体中における加工材料の濃度を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を有する光加工ヘッドと
前記加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置の制御方法であって、
前記加工材料の濃度が所定の範囲となるように、前記加工材料の射出量を制御する。

【0009】

上記目的を達成するため、本発明にかかる制御プログラムは、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と前記加工用光線の光軸に直交する基準加工面で反射された前記検査用光線を撮像した基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像に含まれるスポット中心と、前記基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて前記加工面の前記基準加工面に対する傾き角を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を備えた光加工ヘッドと、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御手段と、
を備えた光加工装置、の制御プログラムであって、
算出された前記傾き角に応じて、前記加工面と前記光加工ヘッドとが所定の相対位置となるように、前記加工面または前記光加工ヘッドの傾きを制御する制御ステップをコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラムである。
上記目的を達成するため、本発明にかかる他の制御プログラムは、
加工用光線および前記加工用光線とは異なる波長をもつ検査用光線を加工面へ導く導光部と、
前記検査用光線のスポット画像を撮像する撮像手段と、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像とを比較し、前記検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、前記加工面上の気体中における加工材料の濃度を算出する比較手段とを備え、前記加工面で反射された前記検査用光線の反射光から、前記加工面の状態を検査する検査部と、
を有する光加工ヘッドと
前記加工材料の濃度に応じて、前記加工材料の射出量を制御する制御手段と、
を備えた光加工装置の制御プログラムであって、
前記加工材料の濃度が所定の範囲となるように、前記加工材料の射出量を制御する制御ステップをコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラムである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、光加工において簡便に加工面の状態を検査できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す斜視図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの撮像画像を示す図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの加工用光線の光路を説明する図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの制御の流れを示すフローチャートである。

【図6】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの波長分離効果を示す図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す断面図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す断面図である。

【図9】本発明の第５実施形態に係る光加工装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、以下の実施形態において、「光」は、紫外光からマイクロ波までを含む様々な電磁波を含み、加工対象等に応じて適宜選択することができるものとする。

【0013】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての光加工ヘッド１００について、図１を用いて説明する。光加工ヘッド１００は、導光部１０１と検査部１０２とを含む。

【0014】

導光部１０１は、加工用光線１１１および検査用光線１１２を加工面１２０へ導く。ここで、検査用光線１１２は、加工用光線１１１とは異なる波長をもつ光線である。

【0015】

検査部１０２は、加工面１２０で反射された検査用光線１１２の反射光１１３から、加工面１２０の状態を検査する。

【0016】

以上の構成によれば、光加工において簡便に加工面の状態、例えば加工面の傾きや、加工面上の加工材料の濃度などを検査できる。また、加工用光線１１１と検査用光線１１２の波長が異なるため、導光部１０１内でそれらの光線は干渉しない。そのため、それらの光線を重ねることができ、導光部１０１をコンパクトにできるという利点もある。さらに、検査用光線１１２の反射光１１３は、加工用光線１１１の反射光と分離することが可能である。つまり、検査部１０２において、反射光１１３のみを分離して受光することができ、加工光線１１１によるノイズを低減できる。

【0017】

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態としての光加工ヘッド２００について、図２を用いて説明する。図２は、レーザ光を適用した光加工ヘッド２００の内部構成を示す図であり、図２に示すとおり、光加工ヘッド２００は、導光部として機能する集光光学系装置２０１と検査部として機能する検査ユニット２０２とノズル２０３とを含む。

【0018】

（ヘッド全体構成）
集光光学系装置２０１は、コリメータレンズ２１１、集光レンズ２１２および集光レンズ２１２を保護する保護ガラス２１３、ならびにそれらのレンズを保持する筐体２１４を備えている。コリメータレンズ２１１は、入射端２１５より射出された加工用光線２０５を平行光に変換する。集光レンズ２１２は、その平行光を下流側の加工面２６０に向けて集光させる。

【0019】

これらの光学系により、集光光学系装置２０１は、不図示の光源から光伝送部２１０を経て入射端２１５から導かれた加工用光線２０５を加工面２６０に導くことができる。光伝送部２１０は、例えばコア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源で発生した光（例えばレーザ光）を光加工ヘッド２００に導く。

【0020】

光加工ヘッド２００は、入射端２１５から入射した加工用光線２０５を加工面２６０に対して集光させ、加工面２６０を加熱し、加工面２６０に溶融プール２６１を形成させる。

【0021】

ノズル２０３は、加工用光線２０５を遮らないように光線経路を備え、不図示の材料供給装置から、材料供給部を介して、粉体材料およびガスの供給を受け、ガスに混合された加工材料２５０を、加工面２６０の溶融プール２６１に対して射出する。その後、溶融プール２６１が冷却されることで加工面２６０に材料が堆積される。加工面２６０上で溶融プール２６１を移動させ、溶融と材料供給と冷却とを繰り返すことにより３次元造形が実現する。

【0022】

（検査ユニットの構成）
検査ユニット２０２は、加工面２６０およびその付近の状況を加工用光線２０５の光軸に沿った視点から観測するためのユニットであり、集光レンズ２１２よりも上流側で、コリメータレンズ２１１よりも下流側に配置される。

【0023】

検査ユニット２０２は、検査用光線２０６の反射光２０７のスポット画像を撮像する撮像デバイス２２１を備え、さらに、検査用光線２０６のスポット画像と基準スポット画像とを比較する比較部２２５を備える。検査ユニット２０２は、さらに、筐体２１４の内部に設けられたハーフミラー（one-way mirror）２２２、２２３と検査用光線射出部２２４とを含む。

【0024】

撮像デバイス２２１は、加工用光線２０５から外れて配置され、検査ユニット２０２は、加工用光線２０５を透過させ、加工面２６０から反射された検査用光線２０６の反射光２０７を撮像デバイス２２１に導くハーフミラー２２２をさらに備える。

【0025】

検査用光線射出部２２４は、加工用光線２０５から外れて配置される。検査用光線射出部２２４は、検査用光源であってもよいが、それに限定されず、光ファイバなど光伝達手段の射出口でもよい。

【0026】

ハーフミラー２２２は、加工用光線２０５（波長１０００ｎｍ以上）を透過し、ハーフミラー２２２の下流側の表面は検査用光線２０６（波長４００〜８００ｎｍ）の一部を反射するように、コーティングされている。加工面２６０で反射された反射光２０７は、ハーフミラー２２２によって反射され、撮像デバイス２２１に導かれる。このように観測した加工状況に応じて、加工パラメータをフィードバック制御し、加工精度を向上させることができる。ハーフミラー２２３は、加工用光線２０５を透過させ、検査用光線射出部２２４から射出された検査用光線２０６を加工面２６０に導く。

【0027】

検査用光線射出部２２４および撮像デバイス２２１は、加工用光線２０５から外れて配置されている。検査用光線射出部２２４は例えばＬＥＤであり、検査用光線２０６の波長は４００〜４５０ｎｍである。ただしこの限りではなく、加工用光線２０５（例えば波長１０６０ｎｍ）と異なる波長（例えば波長４００〜８００ｎｍ）を有する検査用光線２０６を射出できれば、ハロゲンランプ、白熱ランプ、クリプトンランプ、などでもよい。撮像デバイス２２１は、レンズ２２１ａとＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子２２１ｂとを有している。レンズ２２１ａに到達した光線は、撮像素子２２１ｂの各画素へと集光される。

【0028】

加工面２６０は加工中に昇温され、高温になる。このとき、加工面２６０より熱輻射が生じる。この熱輻射の波長スペクトルは、図３に示すプランク分布に従う。ここでは、例として、加工点の温度が２０００度または１５００度の場合の波長と強度の関係を示すスペクトル３０１、３０２を表わしている。

【0029】

加工面２６０からの熱輻射と検査用光線２０６は、撮像素子に同時に入射する。そのため、熱輻射の波長が検査用光線２０６の波長と同じかあるいは近いと、撮像素子において熱輻射がノイズとなる。そこで、検査用光線２０６の波長は熱輻射の波長から外れるようにするとよい。これにより、ノイズを低減できるという効果がある。

【0030】

そこで、検査用光線２０６の波長λと輝度Ｉとの関係は、加工面２６０で想定される最高温度Ｔに対して、光速をｃ、プランク定数をｈ、ボルツマン定数をκとすると、
Ｉ（λ）＞(2ｈc²／λ⁵）／[exp(hc／λκＴ)−１]
とする。具体的に検査用光線２０６の波長は１μｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以下の波長を有する紫外光または青色光である。

【0031】

金属粉体として鉄やＳＵＳ(Steel Use Stainless)が代表的であるが、これらの融点は約１５００℃である。図３において、加工点が１５００℃の場合の熱輻射スペクトルのピーク波長は約１．２μｍであり、このピーク波長よりも小さい１μｍ以下にすると急激に輻射強度は減少する。一方、ピーク波長よりも大きい波長では輻射強度は緩やかに減少する。それゆえ、検査用光線２０６の波長を１μｍ以下にすることにより、熱輻射によるノイズを効率的に低減できる。

【0032】

また、５００ｎｍ以上の波長を持つ検査用光線２０６を採用すると、数μｍ程度の小さい加工材料においてはレイリー散乱が主となり、散乱が波長の４乗に反比例して弱くなるため、加工材料の濃度を精度よく検査できない場合がある。そこで、本実施形態では、加工材料が数μｍ程度の小さい粉末であっても、ミー散乱によって強く散乱されるように、検査用光線２０６の波長を５００ｎｍ以下にし、加工材料の濃度の高精度な検査を実現する。

【0033】

比較部２２５は、基準スポット画像と、検査用光線２０６のスポット画像とを比較する。加工用光線２０５の光軸に直交する加工面を基準加工面とし、加工材料２５０が射出されていないときに、その基準加工面で反射された検査用光線２０６の反射光２０７のスポット画像を基準スポット画像とする。
比較部２２５は、検査用光線２０６のスポット画像に含まれるスポット中心と、基準スポット画像に含まれる基準スポット中心と、の距離に基づいて加工面２６０の基準加工面に対する傾き角を算出する。また、比較部２２５は、検査用光線のスポット画像と基準スポット画像の大きさの差異から、加工面２６０上における加工材料２５０の濃度を算出する。光加工ヘッド２００は、加工面２６０上における加工材料２５０の濃度に基づいて、加工材料２５０の射出量を調整する調整部２０８をさらに有する。

【0034】

図４は、撮像デバイス２２１で撮像された画像を、光線追跡シミュレーションで算出した結果を示す図である。

【0035】

撮像デバイス２２１によって反射光２０７を撮像した結果としての画像を検査用光線スポット画像と呼ぶ。検査用光線スポット画像のスポット径は、例えばスポットのピーク位置を基準とする半値全幅とする。

【0036】

粉体材料が加工面２６０へ射出されておらず、加工面が加工用光線の光軸に対して直交する場合、基準スポット画像４０１が出力される。一方、粉体材料が加工面２６０に対して射出され、加工面２６０付近に粉体が密になると検査用光線スポット画像４０２のように、検査用光線スポットは基準スポットより大きくなる。

【0037】

粉体収束性が高いと、粉体収束領域に存在する粉体の濃度が高くなり、検査用光線２０６の反射光２０７は粉体によって散乱される。つまり、粉体収束性が高いほど、粉体によって検査用光線は散乱される回数が多くなる。散乱回数が多いほど、撮像素子で受光される検査用光線スポットは広がりを持つことになる。検査用光線スポット径の基準スポット径に対する差分が大きいほど、粉体収束性が高いと言える。そこで、検査用光線スポットの直径を測定し、基準スポットの直径と比較することにより、粉体収束性を算出する。ここで、粉体収束性は加工面２６０における粉体濃度で定量化される。

【0038】

粉体材料が加工面２６０へ射出されず、加工面２６０が傾いた場合、検査用光線スポット画像４０３のように、基準スポットから検査用光線スポットの位置がずれる。このずれの距離を画面上でｄとすると、加工面２６０の傾きθは、レンズ２２１ａと撮像素子２２１ｂとの距離ｆを用いて、下の式で表わされる。
θ＝tan^-1(d/f)

【0039】

粉体材料が射出され、かつ加工面２６０が傾いた場合、検査用光線スポット画像４０４のように、基準スポットから検査用光線スポットの位置がずれ、さらに検査用光線スポットは基準スポットより大きくなる。

【0040】

加工面２６０の傾きの基準を光軸に対して直交する平面とする。加工面２６０の傾きが大きいほど、検査用光線スポットのピーク位置と基準スポットのピーク位置の距離ｄが大きくなる。以上より、粉体収束性と加工面傾き角θを算出できる。

【0041】

粉体収束性の情報により、加工面上の粉体濃度が適正であるか否かの判断が可能となる。また、粉体濃度が所望の値になっていない場合、粉体供給量を増減することにより調整することが可能となる。

【0042】

傾き角θは、一般的に０度であることが望ましく、このとき、加工用光線２０５の光軸と加工面２６０が垂直をなす。加工用光線２０５の光軸と加工面２６０が垂直をなすと、加工面２６０による加工用光線２０５のフレネル反射が最も小さくなり、光利用効率が最も高くなる。そこで、傾き角を常に０なるように、加工用光線２０５の光軸または加工面２６０を調整すれば、光利用効率を常に最大にできる。例えば、加工面２６０を支えるステージを制御したり、光加工ヘッド２００の傾きを制御したりすることで、加工状況にかかわらず傾き角θを０度に維持できる。

【0043】

一方、加工面２６０における加工用光線の反射率が高い場合（例えば銅板など）、加工用光線の反射光が加工用光源に戻り、加工用光源を損傷する場合がある。この場合、傾き角θを０度以外の値にして、加工用光線が加工用光源に直接戻らないようにすることも重要である。つまり、傾き角θを０以外の値にすることで、加工用光源の損傷を抑えることができる。

【0044】

図５は、ハーフミラー２２２、２２３による加工用光線２０５の光軸ずれについて説明するための図である。図５に示すとおり、ハーフミラー２２２の反射面およびハーフミラー２２３の反射面は、加工用光線２０５の光軸５０１に直交する面５０２に関して、面対称である。つまり、ハーフミラー２２２、２２３の反射面の、加工用光線２０５の軸に対する傾き角αはそれぞれ等しい。加工用光線２０５のハーフミラー２２２、２２３による光軸からのずれが打ち消される。これにより、加工用光線２０５の光軸５０１のずれ補正をする必要がなくなるという効果がある。

【0045】

図６は、検査ユニット２０２によって行なわれる処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳ６０１において、撮像デバイス２２１が検査用光線スポットを撮像する。次にステップＳ６０２において、基準スポット画像を不図示のデータベースから読出す。ここでは、基準スポット画像として、基準最小スポット画像および基準最大スポット画像を読出す。基準最小スポット画像とはスポット径が最小となる基準スポット画像であり、基準最大スポット画像とはスポット径が最大となる基準スポット画像である。たとえば、基準最小スポット画像は、加工材料２５０を射出しないときに、加工用光線２０５の光軸に直交する基準加工面で反射された基準スポット画像である。一方、基準最大スポット画像は加工材料２５０を最大量射出したときに基準加工面で反射された基準スポット画像である。

【0046】

ステップＳ６０３では、比較部２２５が検査用光線スポット径と、基準最小スポット径とを比較し、検査用光線スポット径の方が小さい場合には、ステップＳ６０４に進み、調整部２０８がノズル２０３による材料の供給量を上げる。

【0047】

次に、ステップＳ６０５では、比較部２２５が検査用光線スポット径と、基準最大スポット径とを比較し、検査用光線スポット径の方が大きい場合にはステップＳ６０６に進み、調整部２０８がノズル２０３による材料の供給量を下げる。

【0048】

さらに、ステップＳ６０７に進むと、比較部２２５が、検査用光線スポットの中心と、基準スポットの中心とのずれｄが、基準値Ｄ以下か否かを判定する。ずれｄが基準値Ｄを超えていれば、ステップＳ６０８に進み、不図示のステージ（または光加工ヘッド）の傾きを調整する。

【0049】

以上説明したとおり、本実施形態によれば、簡易な構成で、加工面の状態、例えば加工面の傾きや、加工面上の気体中における加工材料の濃度などを検査でき、その加工面の状態に応じて、光加工ヘッドを制御できる。

【0050】

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態としての光加工ヘッドについて、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る光加工ヘッド７００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る光加工ヘッド７００は、上記第２実施形態と比べると、検査ユニット７０２がハーフミラー７２３と検査用光線射出部７２４とを有する点で異なる。ハーフミラー７２３は、ハーフミラー２２３とは異なり、ハーフミラー２２２と同じ傾きで取り付けられている。また、これに応じて、検査用光線射出部７２４は、撮像デバイス２２１側に設けられる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

【0051】

本実施形態によれば、検査用光線射出部７２４と撮像デバイス２２１を光加工ヘッド７００の同じサイドに設けることができるので、よりコンパクトな構成で、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。しかしながら図５を用いて説明したような光軸のずれに対応するための工夫（例えば集光レンズ２１２をずらして配置するなど）が必要となる。

【0052】

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態としての光加工ヘッドについて、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光加工ヘッド８００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る光加工ヘッド８００は、上記第２実施形態と比べると、検査ユニット８０２がハーフミラー２２３の代わりに、平板の透過板８２３を備え、撮像デバイス２２１のそばに検査用光線射出部８２４を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

【0053】

ハーフミラー２２２および透過板８２３は、加工用光線２０５の光軸に直交する面に関して、面対称である。つまり、ハーフミラー２２２と透過板８２３との、加工用光線２０５の軸に対する傾き角はそれぞれ等しい。ハーフミラー２２２による加工用光線２０５の光軸のずれを、透過板８２３による屈折により打ち消すことができる。

【0054】

本実施形態によれば、よりコンパクトな構成で、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、加工用光線２０５の光軸のずれ補正をする必要がなくなるという効果がある。

【0055】

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態としての光加工装置(Optical Processing Apparatus)９００について、図９を用いて説明する。光加工装置９００は、上述の実施形態で説明した光加工ヘッド１００、２００、７００、８００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、光加工ヘッド２００を備えた光加工装置９００について説明する。

【0056】

《装置構成》
光加工装置９００は、光加工ヘッド２００以外に、光源９０１、光伝送部２１０、冷媒供給装置９０３、冷媒供給部９０４、ステージ９０５、ガス供給装置９０６、ガス供給部９０７、材料供給装置９０８、材料供給部９０９、および制御部９３０を備えている。

【0057】

光源９０１は、レーザ、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白熱球などでよい。光線の波長は例えば１０６０ｎｍであるが、これに限るものではない。

【0058】

冷媒供給装置９０３は、冷媒として例えば水を貯蔵し、冷媒供給部９０４を介して、ポンプで冷媒を光加工ヘッド２００に供給する。冷媒供給部９０４は内径φ２〜６の樹脂あるいは金属のホースである。冷媒を光加工ヘッド２００内に供給し、その内部で循環させ、冷媒供給装置９０３に戻すことにより、光加工ヘッド２００の昇温を抑えることができる。冷媒の供給量は例えば１〜１０L／minである。

【0059】

ステージ９０５は、例えばＸステージ、あるいはＸＹステージ、あるいはＸＹＺステージであり、各軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を稼動させることが可能である。

【0060】

ガス供給装置９０６は、ガス供給部９０７を介して光加工ヘッド２００にパージガスを供給する。パージガスは例えば窒素、またはアルゴン、またはヘリウム、である。しかし、パージガスはこれに限定されるものではなく、不活性ガスならば他のガスでもよい。光加工ヘッド２００に供給されたパージガスは、上記で述べた光線に沿ってノズル２０３から射出される。

【0061】

材料供給装置９０８は、材料供給部９０９を介してノズル２０３に材料を供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子、金属線材、樹脂線材、である。材料供給装置９０８は、キャリアガスも同時に供給できる。材料供給部９０９は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズル２０３へと導く。ただし、材料が線材の場合、キャリアガスは不要となる。

【0062】

また図示はしていないが、光加工装置９００は、光加工ヘッド２００の姿勢および位置を制御する、姿勢制御機構および位置制御機構を備えている。

【0063】

《装置動作》
次に、光加工装置９００の動作について説明する。造形物９１０は、ステージ９０５の上で作成される。パージガスはノズル２０３から加工面２６０へと射出される。そのため、溶融プールの周辺環境はパージガスによってパージされる。パージガスとして酸素を含まない不活性ガスを選ぶことにより、加工面２６０の酸化を防ぐことができる。

【0064】

光加工ヘッド２００は、冷媒供給装置９０３から冷媒供給部９０４を介して供給された冷媒によって冷却され、加工中の昇温が抑えられる。

【0065】

以上の一連の動作と同時に、光加工ヘッド２００を加工面２６０に沿って走査させることにより、材料を堆積させながら所望の造形を行うことができる。つまり、本装置によって肉盛溶接あるいは三次元造形を作成できる。

【0066】

制御部９３０は、検査ユニット２０２から加工面２６０の状況を取得し、その状況に応じて材料供給装置９０８を制御して、加工面２６０に対して射出する加工材料の量を変更する。また、制御部９３０は、検査ユニット２０２から加工面２６０の状況を取得し、その状況に応じてステージ９０５を制御して、加工面２６０と光加工ヘッド２００とが所定の相対位置となるように、加工面２６０の傾きを変更する。

【0067】

以上、本実施形態によれば、加工面の状況を簡易に検査し、その状況に合わせた加工条件とすることにより、より精度の高い光加工を実現できる。

【0068】

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

【0069】

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する制御プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、その制御プログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】