DE102005059202A1

DE102005059202A1 - Spaltmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102005059202A1
Application number: DE102005059202A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Iwata; Kazuyuki Amagasaki Tsuchiya; Hiroyoshi Omura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: US7335851B2; JP2006343236A; US20060289408A1; JP4536602B2; CN100406840C; CN1877245A; DE102005059202B4

Abstract

Eine Detektionseinheit (8) ist vorgesehen, um eine Komponente mit einer Frequenz f¶1¶ und eine Komponente mit einer Frequenz f¶2¶ von einem zusammengesetzten Signal zu detektieren, das durch ein zentrales Elektrodenkabel (4) hindurchgeleitet wird. Eine Detektionssignal-Erzeugungseinheit (9) erzeugt ein Detektionssignal, das einem Spalt zwischen einer Düse (5) und einem Werkstück (6) entspricht, aus der Komponente mit der Frequenz f¶1¶ sowie der Komponente mit der Frequenz f¶2¶ die von der Detektionseinheit (8) detektiert werden. Selbst wenn ein in dem Spalt austretendes Plasma sich in seinem Zustand verändert, kann somit der Spalt zwischen der Düse (5) und dem Werkstück (5) mit hohem Maß an Genauigkeit detektiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spaltmeßvorrichtung zur Verwendung bei Laserstrahlgeräten, um einen Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück zu messen.

Eine Spaltmeßvorrichtung zur Verwendung bei Laserstrahlgeräten gemäß dem Stand der Technik ist gelegentlich nicht in der Lage, den Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks korrekt zu messen, da ein Plasma zwischen der Düse und dem Werkstück auftritt und als Impedanz aufgrund einer mangelnden Laserleistungsfähigkeit wirkt.

Wenn eine Änderung bei der Kapazität, die gleich oder größer ist als ein Refexenzwert, beim Auftreten des Plasmas während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks festgestellt wird, so wird der Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück für eine feste Zeitdauer aufrechterhalten, um eine Bewegung der Düse und eine Kollision von dieser mit dem Werkstück aufgrund einer falschen Messung des Spalts zwischen der Düse und dem Werkstück zu verhindern; eine Spaltmeßvorrichtung dieser Art findet sich z.B. in der JP 6-7976 (vgl. Absatz 8 und 1).

Weiterhin offenbart z.B. die JP 2000-234903 A (vgl. Absatz 10 und 1) eine einschlägige Spaltmeßvorrichtung, die zum Messen einer Spannung ausgelegt ist, die an einer Sensorelektrode auftritt, um auf diese Weise den realen Anteil und den imaginären Anteil der gemessenen Spannung zu bestimmen und dadurch den Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück zu messen, selbst wenn zwischen Düse und Werkstück ein Plasma auftritt.

Die in dieser Schrift offenbarte Spaltmeßvorrichtung beinhaltet einen einzigen Signalgenerator zum Erzeugen eines Wechselstromsignals, das eine einzige Frequenz aufweist, und sie führt dieses Wechselstromsignal einem mit der Düse verbundenen Kabel zu. Die Spaltmeßvorrichtung des Standes der Technik gibt die Frequenz des Wechselstromsignals derart vor, daß das Plasma als reiner ohmscher Widerstand wirkt.

Mit den vorstehend genannten Spaltmeßvorrichtungen des Standes der Technik, die die geschilderte Konstruktion aufweisen, läßt sich zwar der Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück auch bei Auftreten eines Plasmas zwischen Düse und Werkstück messen, jedoch besteht ein Problem bei diesen Vorrichtungen darin, daß aufgrund der Tatsache, daß das dem Kabel zugeführte Wechselstromsignal nur eine einzige Frequenz hat, die Genauigkeit der Spaltmessung vermindert wird, wenn in dem zu messenden Spalt ein Plasma auftritt.

Mit der vorliegenden Erfindung soll das vorstehend geschilderte Problem überwunden werden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe einer Spaltmeßvorrichtung, die einen Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück mit einem hohen Maß an Genauigkeit messen kann, selbst wenn ein Plasma in dem zu messenden Spalt auftritt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Spaltmeßvorrichtung, wie sie in dem Patentanspruch 1 angegeben ist.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine Spaltmeßvorrichtung, die folgendes aufweist: eine Detektionseinheit zum Detektieren eine Vielzahl von Frequenzkomponenten von einem zusammengesetzten Signal, das durch ein Kabel hindurchgeleitet wird, sowie eine Detektionssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Detektionssignals, das einem Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück entspricht, aus der Vielzahl der von der Detektionseinheit detektierten Frequenzkomponenten. Die erfindungsgemäße Spaltmeßvorrichtung kann somit den Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück selbst dann mit einem hohen Maß an Genauigkeit messen, wenn ein Plasma in dem Spalt auftritt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Bode-Diagramm zur Erläuterung einer Relation zwischen einer Frequenz und einer Systemverstärkung bei Variieren einer Spalt-Kapazität C;
3 ein Bode-Diagramm zur Erläuterung einer Relation zwischen der Frequenz und der Systemverstärkung bei Variieren eines Plasma-Widerstands R;
4 eine graphische Darstellung von Analyseresultaten mit zwei Frequenzen zur Erläuterung einer Relation zwischen der Systemverstärkung bei einer Frequenz f₁ = 1 MHz und der Systemverstärkung bei einer Frequenz f₂ = 20 kHz beim Variieren der Spalt-Kapazität C bzw. des Plasma-Widerstands R;
5 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Bode-Diagramm zur Erläuterung der Größenordnung der Übertragungsfunktion des Systems im Vergleich zwischen einem normalen Zustand, in dem ein zentrales Elektrodenkabel keine Brüche aufweist, und einem ungewöhnlichen Zustand, in dem das zentrale Elektrodenkabel einen Bruch hat;
7 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 eine Darstellung zur Erläuterung einer Entsprechung zwischen einem Detektionssignal, das von einer Detektionssignal-Erzeugungseinheit erzeugt wird, und einem Spalt, bei dem es sich um ein zu messendes Objekt handelt.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einer Signalerzeugungseinheit 2 der dargestellten Spaltmeßvorrichtung 1 handelt es sich um eine Verarbeitungseinheit zum Erzeugen eines für die Messung erforderlichen Signals. Die Signalerzeugungseinheit 2 beinhaltet einen Signalgenerator 2a, einen weiteren Signalgenerator 2b sowie einen Addierer 2c.
Der Signalgenerator 2a der Signalerzeugungseinheit 2 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz nahe einer Resonanzfrequenz (aus Gründen der Einfachheit wird im folgenden davon ausgegangen, daß der Signalgenerator 2a ein Signal erzeugt, das die Resonanzfrequenz f₁ hat), und der Signalgenerator 2b der Signalerzeugungseinheit 2 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz, die niedriger ist als die vorstehend genannte Frequenz nahe der Resonanzfrequenz (aus Gründen der Einfachheit wird im folgenden davon ausgegangen, daß der Signalgenerator 2b ein Signal mit einer Frequenz f₂ erzeugt, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz).
Der Addierer 2c der Signalerzeugungseinheit 2 kombiniert das von dem Signalgenerator 2a erzeugte Signal mit der Frequenz f₁ sowie das von dem Signalgenerator 2b erzeugte Signal mit der Frequenz f₂ zu einem zusammengesetzten Signal und gibt dieses Signal dann ab. Die Signalerzeugungseinheit 2 bildet eine Signalerzeugungseinrichtung.
Ein Referenzwiderstand 3 weist ein mit der Signalerzeugungseinheit 2 verbundenes Ende sowie ein mit einem zentralen Elektrodenkabel 4 verbundenes weiteres Ende auf. Das zentrale Elektrodenkabel 4 ist mit dem vorderen Ende einer Düse 5 zur Verwendung bei einem Laserstrahlgerät verbunden und führt das von der Signalerzeugungseinheit 2 abgegebene zusammengesetzte Signal der Düse 5 zur Verwendung in dem Laserstrahlgerät zu.
Die Düse 5, die an dem Ende eines Bearbeitungskopfes für eine spanende Bearbeitung in dem Laserstrahlgerät angeordnet ist, dient als Sensorelektrode und arbeitet zusammen mit einem Werkstück 6, das einen spanend zu bearbeitenden Gegenstand darstellt (wobei das Werkstück 6 mit Masse der Schaltung verbunden ist), wie ein Kondensator und erzeugt eine Spalt-Kapazität C. Die Spalt-Kapazität C variiert in Abhängigkeit von der Distanz zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6.
Wenn ein Plasma zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 aufgrund einer unzulänglichen Laserleistungsfähigkeit während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks 6 auftritt, beeinträchtigt das Plasma das System in Form einer Plasma-Impedanz, die der Spalt-Kapazität C parallelgeschaltet ist.
Da bei diesem ersten Ausführungsbeispiel die Plasma-Impedanz eine Kapazitätskomponente hat, die von der Spalt-Kapazität C nicht zu unterscheiden ist, wird eine Frequenz gewählt, die dazu führt, daß die Plasma-Impedanz hauptsächlich als ohmscher Widerstand wirkt. Der Einfluß des Plasmas auf das System basiert somit auf dem Plasma-Widerstand R. Im folgenden wird die Eliminierung dieses Einflusses erläutert.
Ein Operationsverstärker 7 dient als Puffer und gibt ein Signal V_out entsprechend dem zusammengesetzten Signal von der Signalerzeugungseinheit 2 ab, das durch das zentrale Elektrodenkabel 4 hindurchgeleitet wird. Eine Detektionseinheit 8 ist zum Erfassen der Größen der Frequenzkomponenten f₁ und f₂ des Ausgangssignals V_out ausgebildet und erzeugt Detektionssignale K₁ und K₂, wobei K₁ die Verstärkung der Frequenzkomponente f₁ des Signals V_out darstellt und K₂ die Verstärkung der Frequenzkomponente f₂ des Signals V_out darstellt.
Die Detektionseinheit 8 bildet eine Signaleinrichtung. Eine Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 führt einen Vorgang aus, in dem ein dem Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 entsprechendes Detektionssignal anhand der von der Detektionseinheit 8 abgegebenen Signale erzeugt wird. Die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 bildet eine Detektionssignal-Erzeugungseinrichtung.
In den Zeichnungen bezeichnet L, eine Kabel-Induktivität des zentralen Elektrodenkabels 4, Z₁ bezeichnet eine kapazitive Impedanz von Kabel zu Kabel, die zwischen einem Schutzelektrodenkabel 10 zum Umschließen des zentralen Elektrodenkabels 4 sowie dem zentralen Elektrodenkabel 4 vorhanden ist, Z₂ bezeichnet eine in der Schaltungsplatte vorhandene Impedanz, Z₃ bezeichnet eine kapazitive Kabelstreuimpedanz des Schutzelektrodenkabels 10, und C_in bezeichnet eine Operationsverstärker-Eingangskapazität des Operationsverstärkers 7.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der Spaltmeßvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Der Signalgenerator 2a der Signalerzeugungseinheit 2 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz f₁, bei der die Systemverstärkung mit gutem Ansprechen auf Änderungen in der Spalt-Kapazität C variiert, d.h. es wird ein Signal mit einer Frequenz erzeugt, die gleich der Resonanzfrequenz ist.
Der andere Signalgenerator 2b der Signalerzeugungseinheit 2 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz f₂, bei der die Systemverstärkung mit gutem Ansprechen auf Änderungen beim Plasma-Widerstand R eines zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 auftretenden Plasmas variiert, d.h. es wird ein Signal mit einer Frequenz erzeugt, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz. Bei Empfang des Signals mit der Frequenz f₁ von dem Signalgenerator 2a sowie des Signals mit der Frequenz f₂ von dem anderen Signalgenerator 2b kombiniert der Addierer 2c der Signalerzeugungseinheit 2 das Signal mit der Frequenz f₁ sowie das Signal mit der Frequenz f₂ zu einem zusammengesetzten Signal V_in, und er gibt das Signal V_in ab.
Das von der Signalerzeugungseinheit 2 abgegebene zusammengesetzte Signal V_in wird dem zentralen Elektrodenkabel 4 über den Referenzwiderstand 3 zugeführt, und das zentrale Elektrodenkabel 4 führt dann das zusammengesetzte Signal V_in der Düse 5 zur Verwendung bei dem Laserstrahlgerät zu. Das zusammengesetzte Signal V_in, das durch das zentrale Elektrodenkabel 4 hindurchgeleitet wird, wird als Meßsignal verzweigt, und das Meßsignal wird in den Operationsverstärker 7 eingespeist.
Der Operationsverstärker 7 hat die Funktion eines Puffers, und er gibt ein dem Meßsignal entsprechendes Ausgangssignal V_out an die Detektionseinheit 8 ab. Das Ausgangssignal V_out des Operationsverstärkers 7 wird vor dem Eintritt in die Detektionseinheit 8 verzweigt und dem Schutzelektrodenkabel 10 über die Schaltungsplatten-Impedanz Z₂ zugeführt.
Der Grund für die Verwendung des Operationsverstärkers 7 beim Zuführen des Ausgangssignals V_out zu dem Schutzelektrodenkabel 10 besteht darin, die Spannung des Schutzelektrodenkabels 10 mit der Spannung des zentralen Elektrodenkabels 4 gleich zu machen, um dadurch eine Beeinträchtigung des Ausgangssignals V_out von anderen Streukapazitäten als der Spalt-Kapazität C weitestgehend zu verhindern.
Bei Empfang des Ausgangssignals V_out von dem Operationsverstärker 7 detektiert die Detektionseinheit 8 die Größe des Ausgangssignals V_out und gibt Detektionssignale K₁ und K₂ an die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 ab, wobei K₁ die Größe der die Frequenz f₁ aufweisenden Komponente des Signals V_out darstellt und K₂ die Größe der die Frequenz f₂ aufweisenden Komponente des Signals V_out darstellt.
Eine mögliche Form der Detektionseinheit 8 besteht in einer Ausbildung der Einheit mit zwei Teilen: (1) einem Bandpaß-Filter zum Trennen des Ausgangssignals V_out in das die Frequenzkomponente f₁ aufweisende Signal und das die Frequenzkomponente f₂ aufweisende Signal; (2) einen Detektor zum Detektieren der Amplitude eines jeden Signals, d.h. des die Frequenzkomponente f₁ aufweisenden Signals und des die Frequenzkomponente f₂ aufweisenden Signals.
Eine weitere mögliche Form besteht in einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, wie z.B. einem DFT (digitaler Fourier-Transformator). Nach dem Empfang der Detektionssignale K₁ und K₂ von der Detektionseinheit 8 erzeugt die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 ein dem Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 entsprechendes Detektionssignal aus den Detektionssignalen K₁ und K₂, wie dies im folgenden ausführlich erläutert wird.
Da die Spalt-Kapazität C nur einige wenige Picofarad (pF) beträgt, muß so weit wie möglich verhindert werden, daß das zentrale Elektrodenkabel 4 durch Streukapazitäten in der Nähe des zentralen Elektrodenkabels 4 beeinträchtigt wird. Wenn das zentrale Elektrodenkabel 4 eine praktikable Größe hat, ist unweigerlich eine kapazitive Impedanz Z₁ von Kabel zu Kabel zwischen dem zentralen Elektrodenkabel 4 und dem Schutzelektrodenkabel 10 vorhanden.
Wenn jedoch das zentrale Elektrodenkabel 4 und das Schutzelektrodenkabel 10 die gleiche Spannung aufweisen, kann der Einfluß des Streukapazitäten auf das zentrale Elektrodenkabel 4 eliminiert werden. Daher ist es wichtig, einen Verstärker mit geeigneten Frequenzeigenschaften für den Operationsverstärker 7 auszuwählen, so daß in dem betreffenden Frequenzbereich (Frequenzen f₁ und f₂) möglichst keine Phasendifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers vorhanden ist.
In Wirklichkeit ist es erforderlich, die Kabel-Induktivität L₁ des zentralen Elektrodenkabels 4, die Eingangskapazität C_in des Operationsverstärkers 7, die kapazitive Kabel-Streuimpedanz Z₃ des Schutzelektrodenkabels 10, usw. zu berücksichtigen. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wird das vorstehend beschriebenen Modell zu demjenigen Modell, das tatsächliche Phänomene in akkuraterer Weise simuliert. Eine Übertragungsfunktion H(s) von dem zusammengesetzten Signal V_in, das von der Signalerzeugungseinheit 2 abgegeben wird, zu dem Ausgangssignal V_out des Operationsverstärkers 7 wird durch die nachfolgende Gleichung dargestellt:
In dieser Gleichung ist A die Übertragungsfunktion des Operationsverstärkers 7, und s ist der Laplace-Operator. Im folgenden wird der Absolutwert der Frequenz-Übertragungsfunktion |H(jω)| (der gelegentlich als "Größe des Frequenzgangs" bezeichnet wird) als Systemverstärkung bezeichnet, wobei s = jω.
2 zeigt ein Bode-Diagramm zur Erläuterung einer Relation zwischen der Frequenz und der Systemverstärkung bei Veränderung der Spalt-Kapazität C, und 3 zeigt ein Bode-Diagramm zur Erläuterung einer Relation zwischen der Frequenz und der Systemverstärkung bei Veränderung des Plasma-Widerstands R.
4 zeigt eine graphische Darstellung von Analyseresultaten bei zwei Frequenzen, zur Erläuterung der Relation zwischen der Systemverstärkung bei der Frequenz f₁ = 1 MHz sowie der Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ = 20 kHz bei Veränderung der Spalt-Kapazität C bzw. des Plasma-Widerstands R.
In 4 sind eine Kurve mit konstantem R und eine Kurve mit konstantem C aufgetragen. Im folgenden wird das der Spaltmessung zugrunde liegende Prinzip unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert.
In den 2 und 3 sind die Bode-Diagramme der Übertragungsfunktionen H(S) dargestellt, die durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden. Eine maximale Änderung in der Systemverstärkung aufgrund von Veränderungen bei der Spalt-Kapazität C tritt in der Nähe der Resonanzfrequenz auf, wie dies in 2 zu sehen ist. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem die Resonanzfrequenz etwa 1 MHz beträgt.
Die Resonanzfrequenz kann stets in eine andere Frequenz verändert werden, und zwar in erster Linie durch entsprechende Auslegung des Referenzwiderstands 3. In dem vorliegenden Beispiel ist die Frequenz f₁ so ausgelegt, daß sie 1 MHz beträgt, und der Referenzwiderstand 3 R_ref = 22 kΩ ist derart gewählt, daß er die Resonanzfrequenz bei 1 MHz hat. In diesem Fall erzeugt der Signalgenerator 2a der Signalerzeugungseinheit 2 ein Signal mit der Frequenz f₁ = 1 MHz.
Andererseits treten Änderungen bei der Systemverstärkung aufgrund von Veränderungen bei dem Plasma-Widerstand R in bemerkenswerter Weise bei Frequenzen auf, die niedriger sind als die Resonanzfrequenz, wie dies in 3 gezeigt ist. Zum Bestimmen des Wertes des Plasma-Widerstands R ist es somit bevorzugt, die Frequenz f₂ zu verwenden, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz.
Mit anderen Worten, es ist zum Bestimmen sowohl der Spalt-Kapazität C, die zwischen der Düse 5 zur Verwendung bei dem Laserstrahlgerät und dem Werkstück 6 auftritt, als auch des Plasma-Widerstands R mit einem hohen Maß an Genauigkeit bevorzugt, die unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂ zu verwenden, bei denen die Systemverstärkung bei Veränderungen in der Spalt-Kapazität C bzw. dem Plasma-Widerstand R variiert.
In dem Beispiel der 1 ist die Frequenz des zum Bestimmen des Plasma-Widerstands R verwendeten Signals so ausgelegt, daß sie 20 kHz beträgt. Mit anderen Worten ist der Signalgenerator 2b der Signalerzeugungseinheit 2 derart ausgebildet, daß er ein Signal mit der Frequenz f₂ = 20 kHz erzeugt.
Unter ausführlicher Bezugnahme auf 3 ist erkennbar, daß selbst bei der Frequenz f₁ = 1 MHz die Systemverstärkung in Abhängigkeit von dem Einfluß des Plasma-Widerstands R variiert. Da die Systemverstärkung bei jeder Frequenz sowohl durch die Spalt-Kapazität C als auch den Plasma-Widerstand R beeinträchtigt wird, können der Einfluß der Spalt-Kapazität C und der Einfluß des Plasma-Widerstands R nicht grundlegend getrennt werden. Aus diesem Grund wird ein Verfahren zum Bestimmen der Spalt-Kapazität C und des Plasma-Widerstands R aus den Systemverstärkungen bei den beiden Frequenzen f₁ und f₂ verwendet.
Wie vorstehend erwähnt, wird das Ausgangssignal V_out von dem Operationsverstärker 7 in die Detektionseinheit 8 eingespeist. Die Detektionseinheit 8 detektiert die Frequenzkomponenten f₁ und f₂ des Ausgangssignals V_out. Die Größe der Frequenzkomponente f₁ von V_out – dividiert durch die Größe der Frequenzkomponente f₁ von V_in – entspricht der Systemverstärkung bei der Frequenz f₁.
Mit anderen Worten, es ist die Größe der Frequenzkomponente f₁ von V_in die Amplitude des von dem Signalgenerator 2a erzeugten Signals. Gleiches gilt für die Frequenz f₂. Die Amplitude jedes von der Signalerzeugungseinheit 2 erzeugten Signals wird im folgenden aus Gründen der Einfachheit mit "1" angenommen.
Die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 hat eine Funktion zum Ausführen einer Analyse bei zwei Frequenzen, wie dies in 4 gezeigt ist, um ein Detektionssignal, das dem Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 entspricht, aus den Detektionssignalen K₁ und K₂ zu erzeugen, die von der Detektionseinheit 8 abgegeben werden.
Zum Eliminieren des Einflusses des Plasmas erzeugt die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 mit anderen Worten ein Detektionssignal, bei dem es sich um eine Komponente mit der Frequenz f₁ handelt, und zwar in einem Zustand, in dem kein Plasma in dem Spalt auftritt (d.h. in einem Fall, in dem angenommen wird, daß der Plasma-Widerstand R = ∞ Ω beträgt).
In der Praxis wird ein ausreichend hoher Wert (z.B. 100 MΩ) für den Plasma-Widerstand R der Übertragungsfunktion H(s) substituiert, anstatt den Wert ∞ ☐ zum Simulieren der Plasmasituation zu verwenden. Genauer gesagt, es wird in dem Fall, in dem kein Plasma in dem Spalt auftritt (in dem Beispiel der 4, wenn die Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ "1,0" beträgt), von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 als dem Spalt entsprechendes Detektionssignal das Detektionssignal K₁ (d.h. ein Signal A, das in einem Systemverstärkungsbereich von etwa 0,42 bis 1,0 bei der Frequenz f₁ in dem Beispiel der 4 fällt), bei dem es sich um die Komponente mit der Frequenz f₁ handelt, so abgegeben, wie es ist.
In einem Fall jedoch, in dem ein Plasma in dem Spalt auftritt (in einem Fall, in dem die Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ kleiner ist als "1,0" in dem Beispiel der 4), korrigiert die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 das Detektionssignal K₁ und gibt das korrigierte Detektionssignal K₁ als dem Spalt entsprechendes Detektionssignal ab, wobei dies folgendermaßen geschieht.
Wenn z.B. die Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ "0,4" ist und die Systemverstärkung bei der Frequenz f₁ ebenfalls "0,4" ist, verlagert die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 aufgrund der Tatsache, daß die Spalt-Kapazität C auf der Kurve mit konstantem C von 7 pF vorhanden ist, den durch die Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ (= 0,4) und den durch die Systemverstärkung bei der Frequenz f₁ (= 0,4) dargestellten Punkt entlang der Kurve mit konstantem C von 7 pF, bis ein entsprechender Zustand zu dem Zustand wird, in dem kein Plasma in dem Spalt auftritt, d.h. bis der Punkt einen Punkt erreicht, an dem die Systemverstärkung bei der Frequenz f₂ "1,0" beträgt, und die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 gibt einen Wert an einem Schnittpunkt der Kurve mit konstantem C von 7 pF und einem Liniensegment ab, das das Signal A als dem Spalt entsprechendes Detektionssignal anzeigt (etwa 0,52 bei dem Beispiel der 4).
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, beinhaltet die Spaltmeßvorrichtung gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel die Detektionseinheit 8 zum Detektieren der Größen von Frequenzkomponenten f₁ und f₂ eines zusammengesetzten Signals, das durch das zentrale Elektrodenkabel 4 hindurchgeleitet wird, sowie die Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 zum Erzeugen eines dem Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 entsprechenden Detektionssignals aus den Größen der f₁- und f₂-Frequenzkomponenten des zusammengesetzten Signals, die von die Detektionseinheit 8 detektiert werden. Die Spaltmeßvorrichtung kann somit den Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 mit einem hohen Maß an Genauigkeit messen, selbst wenn ein Plasma in dem Spalt auftritt.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt die Signalerzeugungseinheit 2 der Spaltmeßvorrichtung ferner ein Signal mit der Resonanzfrequenz sowie ein weiteres Signal mit einer niedrigeren Frequenz als der Resonanzfrequenz, und sie kombiniert diese zu einem zusammengesetzten Signal und führt das zusammengesetzte Signal der Düse 5 zu. Die Spaltmeßvorrichtung kann somit das Ansprechvermögen auf Veränderungen bei dem Spalt sowie Veränderungen bei dem Plasma steigern.
Ausführungsbeispiel 2
5 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 entsprechende oder gleichartige Komponenten, so daß auf eine weitere Erläuterung dieser Komponenten verzichtet wird. Ein Signalgenerator 2d einer Signalerzeugungseinheit 2 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz f₃, wobei f₃ die Frequenz ist, bei der die Frequenz-Übertragungsfunktion H(jω) immer dann signifikant variiert, wenn das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat.
Ein Addierer 2e der Signalerzeugungseinheit 2 kombiniert ein Signal mit einer Frequenz f₂, das von einem weiteren Signalgenerator 2b erzeugt wird, sowie das Signal mit der Frequenz f₃, das von dem Signalgenerator 2d erzeugt wird, zu einem zusammengesetzten Signal und gibt dieses zusammengesetzte Signal ab. Ein weiterer Addierer 2f der Signalerzeugungseinheit 2 kombiniert ein Signal mit einer Frequenz f₁ das von einem weiteren Signalgenerator 2a erzeugt wird, und das Ausgangssignal des Addierers 2e zu einem zusammengesetzten Signal und gibt das zusammengesetzte Signal an einen Referenzwiderstand 3 ab.
Bei einem Widerstand 11 zum Detektieren von Brüchen handelt es sich um einen Widerstand, der zwischen ein Schutzelektrodenkabel 10 und Masse geschaltet ist. Eine Detektionseinheit 12 detektiert die Größen von Komponenten mit den Frequenzen f₁, f₂, f₃ eines Ausgangssignals V_out von einem Operationsverstärker 7 und gibt Detektionssignale K₁, K₂ und K₃ für die Frequenzen f₁, f₂ bzw. f₃ ab. Die Detektionseinheit 12 bildet eine Detektionseinrichtung.
Eine Bruch-Detektionseinheit 13 führt einen Vorgang aus, in dem festgestellt wird, ob das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat, wobei dies anhand des Detektionssignals K₃ erfolgt, das von der Detektionseinheit 12 detektiert wird und bei dem es sich um die Größe der Komponente mit der Frequenz f₃ des Ausgangssignals V_out handelt.
Der Widerstand 11 zum Detektieren von Brüchen und die Bruch-Detektionseinheit 13 bilden eine Bruch-Detektionseinrichtung.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der Spaltmeßvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel erläutert. 6 zeigt ein Bode-Diagramm zur Erläuterung der Systemverstärkung zu normalen Zeiten, wenn das zentrale Elektrodenkabel keine Brüche hat, sowie der Systemverstärkung in einer Situation, in der das zentrale Elektrodenkabel einen Bruch hat. Im folgenden wird das der Erfassung von Brüchen zugrunde liegende Prinzip unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
In einem Fall, in dem das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat, kann aufgrund der Tatsache, daß sie das zentrale Elektrodenkabel 4 und das Schutzelektrodenkabel 10 sich nicht gegenseitig beeinträchtigen, dieser Zustand dadurch simuliert werden, daß man einer zwischen diesen Kabeln vorhandenen kapazitiven Impedanz Z₁ von Kabel zu Kabel einen unendlichen Wert (einen hohen Wert in der Praxis) gibt. In dem Beispiel der 5, bei dem der Widerstand 11 für die Detektion von Brüchen zwischen das Schutzelektrodenkabel 10 und Masse geschaltet ist, entsteht eine Differenz zwischen einer Systemverstärkung zu normalen Zeiten und einer Systemverstärkung in einer Situation, wenn das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat, in einem Bereich niedriger Frequenzen.
Bei dem Beispiel gemäß 5 ist der Widerstand 11 für die Detektion von Brüchen derart ausgebildet, daß er einen Widerstandswert R₃ von 1 kΩ hat. Wie aus dem Bode-Diagramm der 6 ersichtlich ist, beträgt in einem Bereich von Frequenzen, die gleich oder niedriger als 1 kHz sind, die Systemverstärkung zu normalen Zeiten ca. 0,8, während die Systemverstärkung in dem Fall, in dem das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat, etwa 1 beträgt.
Darüber hinaus ist die Signalerzeugungseinheit 2 mit dem Signalgenerator 2d zum Erzeugen des Signals mit der Frequenz f₃ = 200 Hz ausgestattet, wobei f₃ die Frequenz ist, bei der die Systemverstärkung bei jedwedem Auftreten eines Bruchs in dem zentralen Elektrodenkabel 4 stark variiert, und der Signalgenerator 2d gibt ein zusammengesetztes Signal V_in ab, in dem das Signal mit der Frequenz f₁, das Signal mit der Frequenz f₂ und das Signal mit der Frequenz f₃ kombiniert sind.
Wie bei der Detektionseinheit 8 der 1 detektiert auch die Detektionseinheit 12 die Größen der Komponenten mit der Frequenz f₁ und der Frequenz f₂ des Ausgangssignals V_out und gibt die Detektionssignale K₁ und K₂ an eine Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 ab. Die Detektionseinheit 12 detektiert auch die Größe der Komponente mit der Frequenz f₃ des Ausgangssignals V_out und gibt das Detektionssignal K₃, bei dem es sich um das detektierte Resultat der Komponente mit der Frequenz f₃ handelt, an die Bruch-Detektionseinheit 13 ab.
Die von der Detektionseinheit 12 detektierte Größe der Komponente mit der Frequenz f₃ des Ausgangssignals V_out dividiert durch die Größe der Komponente mit der Frequenz f₃ des Eingangssignals V_in entspricht der Systemverstärkung bei der Frequenz f₃. Mit anderen Worten, es ist die Größe der f₃-Frequenzkomponente von V_in die Amplitude des von dem Signalgenerator 2d erzeugten Signals. Aus Gründen der Einfachheit wird die Amplitude des von dem Signalgenerator 2d erzeugten Signals im folgenden wiederum mit "1" angenommen.
Bei Empfang des Detektionssignals K₃, bei dem es sich um das detektierte Resultat der Komponente mit der Frequenz f₃ handelt, von der Detektionseinheit 12, vergleicht die Bruch-Detektionseinheit 13 das Detektionssignal K₃ mit einem vorbestimmten Schwellenwert (z.B. "0,9"), und wenn das Detektionssignal K₃ kleiner ist als der Schwellenwert, wird die Feststellung getroffen, daß das zentrale Elektrodenkabel 4 keine Brüche aufweist, und es wird ein Bruch-Detektionssignal (d.h. ein Signal mit niedrigem Niveau) abgegeben, welches anzeigt, daß das zentrale Elektrodenkabel 4 keine Brüche hat.
Wenn dagegen das Detektionssignal K₃ größer ist als der Schwellenwert, trifft die Bruch-Detektionseinheit 13 die Feststellung, daß das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat, und sie gibt ein Bruch-Detektionssignal (d.h. ein Signal mit hohem Niveau) ab, welches anzeigt, daß das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar ist, weist gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Spaltmeßvorrichtung den Widerstand 11 für die Detektion von Brüchen auf, der zwischen das Schutzelektrodenkabel 10 zum Umschließen des zentralen Elektrodenkabels 4 und Masse geschaltet ist, wobei die Feststellung, ob das zentrale Elektodenkabel 4 einen Bruch hat, auf der Basis des detektierten Resultats der Komponente mit der Frequenz f₃ durch die Detektionseinheit 12 erfolgt. Damit kann die erfindungsgemäße Spaltmeßvorrichtung verhindern, daß die Messung das Spalts zu einem Fehler führt, wenn das zentrale Elektrodenkabel 4 einen Bruch hat.
Ausführungsbeispiel 3
7 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Spaltmeßvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 entsprechende oder gleichartige Komponenten, so daß auf eine weitere Erläuterung dieser Komponenten verzichtet wird.
Eine Spaltmeßeinheit 14 nimmt eine lineare Korrektur bei einem von einer Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 erzeugten Detektionssignal vor und führt einen Vorgang aus, in dem ein Spalt zwischen einer Düse und einem Werkstück gemessen wird. Die Spaltmeßeinheit 14 bildet eine Spaltmeßeinrichtung. 8 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Entsprechung zwischen dem von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 detektierten Detektionssignal und dem Spalt, bei dem es sich um den Gegenstand der Messung handelt.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der Spaltmeßvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Wie in 8 gezeigt ist, kann bei bekannter Relation zwischen dem von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 erzeugten Detektionssignal sowie dem Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück die Spaltmeßvorrichtung den Spalt anhand des Detektionssignals bestimmen.
Wenn das von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 erzeugte Detektionssignal x ist und der Spalt, der Gegenstand der Messung ist, y ist, wird die Relation zwischen dem Signal x und dem Spalt y durch die nachfolgende Exponentialfunktion in gut angenäherter Weise wiedergegeben: y = k1exp(k2x) (3), wobei k₁ und k₂ vorbestimmte Konstanten sind.
Beim Empfang des Detektionssignals x von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 bestimmt die Spaltmeßeinheit 14 den Spalt y zwischen der Düse 5 und dem Werkstück G somit durch Substituieren des Detektionssignals x in der vorstehend genannten Gleichung (3), um dadurch eine lineare Korrektur an dem Detektionssignal x vorzunehmen.
Alternativ hierzu werden Daten, die die Relation zwischen dem von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 erzeugten Detektionssignal und dem Spalt angeben, vorab in der Spaltmeßvorrichtung gespeichert, und die Spaltmeßeinheit 14 ermittelt den Spalt in Abhängigkeit von den vorab gespeicherten Daten.
Da die Spaltmeßvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spaltmeßeinheit 14 beinhaltet, die den Spalt zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 6 durch Substituieren des von der Detektionssignal-Erzeugungseinheit 9 erzeugten Detektionssignals x in die vorstehend genannte Annäherungsgleichung (3) oder in Abhängigkeit von den vorab gespeicherten und die Relation zwischen dem Detektionssignal und dem Spalt angebenden Daten ermittelt, kann die Spaltmeßvorrichtung die Korrekturberechnung zum Feststellen des Spalts, wie diese herkömmlicherweise für Steuerungen von Laserstrahlgeräten erforderlich ist, vereinfachen oder aber die Korrekturberechnung vollständig weglassen.

1: Spaltmeßvorrichtung
2: Signalerzeugungseinheit
2a, 2b; 2d: Signalgenerator
2c; 2e, 2f: Addierer
3: Referenzwiderstand
4: zentrales Elektrodenkabel
5: Düse
6: Werkstück
7: Operationsverstärker
8; 12: Detektionseinheit
9: Detektionssignal-Erzeugungseinheit
10: Schutzelektrodenkabel
11: Widerstand
12: Detektionseinheit
13: Bruch-Detektionseinheit
14: Spaltmeßeinheit

Claims

Spaltmeßvorrichtung, die folgendes aufweist: – eine Signalerzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen einer Vielzahl von Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen, zum Kombinieren der Vielzahl von Signalen zu einem zusammengesetzten Signal sowie zum Zuführen des zusammengesetzten Signals zu einem Kabel (4), das mit einem Ende einer Düse (5) zur Verwendung bei einem Laserstrahlgerät verbunden ist; – eine Detektionseinrichtung (12) zum Detektieren einer Vielzahl von Frequenzkomponenten von dem zusammengesetzten Signal, das durch das Kabel hindurchgeleitet wird; und – eine Detektionssignal-Erzeugungseinrichtung (9) zum Erzeugen eines Detektionssignals, das einem Spalt zwischen der Düse und einem Werkstück (6) entspricht, aus der Vielzahl der von der Detektionseinrichtung detektierten Frequenzkomponenten.
Spaltmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der von der Signalerzeugungseinrichtung (2) erzeugten Signale ein Signal mit einer Resonanzfrequenz sowie ein Signal mit einer niedrigeren Frequenz als der Resonanzfrequenz beinhaltet.
Spaltmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Widerstand (11) für die Detektion von Brüchen aufweist, der zwischen ein Schutzelektrodenkabel (10) zum Umschließen des Kabels und Masse geschaltet ist, sowie eine Bruch-Detektionseinrichtung (11 und 13) aufweist, um auf der Basis einer von der Detektionseinrichtung (12) detektierten, vorbestimmten Frequenzkomponente festzustellen, ob das Kabel einen Bruch hat oder nicht.
Spaltmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine Spaltmeßeinrichtung (14) aufweist zum Ausführen einer linearen Korrektur an dem von der Detektionssignal-Erzeugungseinrichtung (9) erzeugten Detektionssignal, um dadurch den Spalt zwischen der Düse (5) und dem Werkstück (6) zu messen.