JP2010531236A - 対象物の縁部におけるレーザ光線の接触点を検出するための方法及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

本発明は、対象物（１２）の開口（１４）に形成された、対象物（１２）の縁部（２０）における、集束されたパルスレーザ光線（３）の接触点を検出するための方法において、ａ）レーザ光線（３）が前記縁部（２０，２２）に接触するまで、レーザ光線（３）を前記縁部（２０，２２）に対して相対的に、少なくとも１つの空間方向（Ｘ，Ｙ）で、有利にはレーザ光線の光軸（１５）に対して直角に移動させ、ｂ）前記レーザ光線（３）の運動時にレーザ光線（３）によって光音響的に生ぜしめられる音響振動を測定し、ｃ）前記縁部（２０，２２）におけるレーザ光線（３）の接触点（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６）を、測定された音響振動を評価することによって検出する、という段階を有していることを特徴としている。レーザ光線（３）が第１の空間方向（Ｘ）において開口（１４）に完全に達すると、開口（１４）の縁部（２０）におけるレーザ光線（３）の、互いに向き合う２つの接触点が検出され、その結果から開口（１４）内におけるレーザ光線（３）の目標位置が決定される。本発明は、上記方法を実施する、レーザ加工ヘッドにレーザ加工ノズル（１２）を有するレーザ加工機にも関する。

Description

本発明は、対象物の開口に形成された、対象物の縁部における、集束されたパルスレーザ光線の接触点を検出するための方法、並びにレーザ加工ヘッドにレーザ加工ノズルを備えたレーザ加工機に関する。

レーザ加工機においては、ワーク表面に対して相対的な、レーザ光線の焦点位置（Ｚ位置）及びレーザ光線の実際値（Ｘ−Ｙ位置）を、できるだけ精確に認識するか若しくはレーザ光線を調整する必要がある。つまりレーザ光線を、ノズル開口に対して相対的な目標位置に及び／又はワーク表面に対して相対的な目標位置に位置決めする必要がある。このために、ノズル開口の縁部又は別の適当に位置決めされた対象物の縁部におけるレーザ光線の接触点が検出される。

レーザ加工ノズルに対して相対的なレーザ光線の目標位置は、一般的に、ノズル開口の中央に位置している。従来技術においては、レーザ光線の調整は一般的に手動で行われる。このために、ノズル開口に接着テープが接着され、レーザ出力を小さくする小さい孔が接着テープに形成される。ノズル中央からのレーザ光線位置のずれは、肉眼及び拡大鏡によって決定される。レーザ光線位置を修正するために、調整ねじを備えた相応の位置決めユニットが用いられ、この調整ねじによって、ノズル軸線に対して直角に延在する、ノズル開口のＸ−Ｙ平面におけるレーザ光線の位置が、Ｘ方向及びＹ方向に変えられる。このようなプロセスは、不正確で時間がかかり、手動操作を必要とすることから自動式のプロセス実施には適していない。

アメリカ合衆国特許第５５７４２２５号明細書及び特開平０４−２９５７１１号公報によれば、２つ又はそれ以上の音響センサを用いて、パルスレーザ光線の位置を決定する方法及び装置が公知であり、これらの音響センサは、光路内に配置されたプレート状の光学素子に対する相対的に正確な位置を有している。パルスレーザ光線は、光音響効果によって光学素子内で音響波を発し、この音響波が音響センサによって検出されるようになっている。時間的に遅れて音響センサ内に侵入する信号の位相差が、光学素子の中央を通る光軸を基準としたレーザ光線のずれの値として利用される。アメリカ合衆国特許第５５７４２２５号明細書及び特開平０４−２９５７１１号公報に記載された装置は、光線を正確に整列させるために、音響センサを非常に正確に位置決めする必要がある。

レーザ光線の焦点位置、つまりワーク表面に対して相対的な光線焦点の位置を決定するために、種々異なる方法が公知である。特開昭６３−１０８９８５号公報には、光音響効果を用いた方法について記載されている。レーザ加工機のレーザ加工ヘッドを光線の出射方向に沿って移動させる際に、ワークにぶつかるレーザ光線の直径が変化する。ワークにぶつかるレーザ光線の直径が小さいと、発生する音響信号は弱くなり、またそれとは逆にワークにぶつかるレーザ光線の直径が大きいと、発生する音響信号は弱くなる。焦点がワークに平面上に位置すると、材料表面におけるレーザスポットの直径は最小となり、光音響信号の強さは最大となる。音響信号を評価する際に、最大の強さが検出されると、焦点はワークの平面に位置し、それによって焦点位置が決定される。

発明の課題
本発明の課題は、冒頭の述べたレーザ加工機及び方法を改良して、有利な形式でレーザ加工ノズル又はワークの開口に形成された縁部おけるレーザ光線の接触点を検出し、ひいてはレーザ光線を簡単に自動的に調整できるようにすることである。

発明の開示
前記課題を解決した本発明の方法の手段によれば、
ａ）レーザ光線が前記縁部に達するまで、レーザ光線を縁部に対して相対的に、レーザ光線の光軸に対して直角に少なくとも１つの空間方向で移動させ、
ｂ）前記レーザ光線の運動時にレーザ光線によって光音響的に生ぜしめられる音響振動を測定し、
ｃ）前記縁部におけるレーザ光線の接触点を、測定された音響的な振動を評価することによって検出する、
段階を有している。次いで、接触点の位置座標は、例えば制御ユニットに形成されたメモリーに記憶される。

レーザ光線の接触点を検出するために、本発明によれば光音響効果が利用される。ほぼノズル軸線方向に相当する伝播方向（Ｚ方向）に沿って出射するパルスレーザ光線は、原則的に金属製のノズル体に又はワークにぶつかって、ここで音響波（この音響波は音響センサ有利にはマイクロフォンによって受信される）を生ぜしめるまで、レーザ光線に対して直角に位置する、ノズル体に形成された開口内の平面（Ｘ−Ｙ平面）で、又は（検査）ワークの開口内で若しくはこの開口の縁部にシフトせしめられる。従って本発明の方法によれば、１つのセンサを必要とするだけであって、その正確な位置は重要ではない。本発明の方法によって、縁部におけるレーザ光線の接触点の位置座標が決定される。レーザ光線の前の、開始点の位置座標を知ることによって、縁部に接触するまでのレーザ光線の距離及びひいてはＸ−Ｙ平面における光線の拡がりも決定される。

レーザ光線の軸線方向（Ｚ方向）でレーザ光線の焦点位置を調節した後で、本発明に方法が新たに実施されると、複数回の繰り返しによって、最小の光線直径の位置及び縁部に関連したＺ方向のレーザ光線の形状を決定することができる。このような形式で、レーザ加工ヘッドの開口又はワークに対して相対的なレーザ光線の焦点位置が検出される。

本発明による方法の有利な変化実施例によれば、縁部との接触点を検出するために、縁部の端において位置に応じて高くなる傾斜線として表される振動出力が測定され、接触点が、最大振動出力の所定の一部例えば５０％に割り当てられる。理想的なケースでは、レーザ光線が開口又は縁部を無接触で通過する限りは、マイクロフォンが信号を受信しないようになっている。レーザ光線が開口の端及びひいては縁部に接触し始めると、この接触部分が大きくなるにつれて、信号の強さの増大が観察される。この信号の強さは、位置に応じた音響出力を表す特性曲線における傾斜線として認識される。

レーザ光線は、本発明の方法によれば有利には、レーザ光線が第１の空間方向例えばＸ方向で前記開口全体に亘って行き渡るように、つまりレーザ光線が、前記開口ノズル体又はワークにおける互いに向き合う２つの接触点にぶつかるように、移動せしめられる。これは、音響信号（信号傾斜線）の上昇によって確認される。この場合、レーザ光線は、有利には第１の空間方向のラインに沿って移動せしめられる。その代わりに、レーザ光線がノズル体又はワークにおける互いに向き合う２つの接触点にぶつかるまで、レーザ光線を円軌道又はその他の曲線に沿って開口に対して相対的に移動させてもよい。この場合、実際位置又は目標位置が決定される第１の空間方向は、２つの接触点を互いに結んだラインとして確認される。

上述のように、レーザ光線を開口に対して相対的に移動させる際の、測定された音響信号を用いて２つの接触点及び運動軌道を認識することによって、開口に対して相対的なレーザ光線の実際位置を決定することができる。選択的に又は付加的に、接触点を認識することによって、普通は２つの接触点間の中央に位置するレーザ光線の目標位置を決定することもできる。何故ならば、一般的に、レーザ光線を開口内の中央に整列させることが望まれているからである。上記形式で、実際位置若しくは目標位置はＸ方向だけではなく、Ｙ方向でも決定される。２つの方向における実際位置を知ることによって、レーザ光線は開口の中央、つまり有利にはノズル中央に整列される。

有利な変化実施例によれば、２つの接触点間の中央に位置する目標位置を決定した後、レーザ光線を目標位置に移動させるようにした。これによって、２つの方向で目標位置を決定する際に、レーザ光線はノズル中央に位置決めされる。ノズル中央に移動させる前に、まずそれぞれの目標位置を、前記方法に従ってＸ−Ｙ平面の２つの空間方向で決定することができる。しかしながら有利な形式で、まず目標位置をＸ方向で決定し、次いでレーザ光線をＸ方向で開口内の中央に位置決め（センタリング）する。次いでその後、目標位置をＹ方向で決定し、この方向でレーザ光線のセンタリングを実施する。これによって、例えば円形の開口において、Ｙ方向で目標値を規定するために開口の全直径を提供することができ、またこれによって、接触点を検出する際の及びひいてはＹ方向で目標値を決定する際の精度を高めることができる。

特にレーザ光線がＸ方向で目標値を決定する前に開口の縁部近傍に位置決めされていて、Ｘ方向で互いに僅かな間隔を有する２つの接触点しか検出されない場合、精度を高めるために、レーザ光線をＹ方向で目標位置に移動させた後で、Ｘ方向での目標位置の決定が繰り返される。Ｘ方向における目標位置を再決定する際に、例えば円形の開口において、２つの接触点間の大きい間隔が提供され、これによって、目標位置を決定する際の精度が高められる。２つの方向は、必ずしも第２の方向が第１の方向に対して直角である必要はない。むしろ、２つの方向は、例えば互いに１２０°又は６０°の角度を有していて、レーザ加工機の運動軸線（Ｘ若しくはＹ）と合致していてもよい。

２つの接触点を知ることによって、開口（有利にはノズル開口）の直径、又は（公知の開口直径において）第１の空間方向におけるレーザ光線の直径は、運動の開始点から互いに向き合う接触点までのレーザ光線のそれぞれの運動経路から決定される。

有利な変化実施例によれば、第１の空間方向における２つの接触点間の間隔と、第２の空間方向における２つの別の接触点間の間隔とから、前記開口の横断面寸法が決定される。特に円形のノズル孔においては、このような形式で孔直径が決定される。本発明による方法は、ノズル交換後の妥当性制御として用いられ、この場合、測定された直径を実際の直径と対比するために校正測定（Kalibriermessung）が行われる。

別の有利な実施例によれば、レーザ光線を定置の縁部に対して相対的に移動させ、この際に、レーザ加工ヘッドを移動させるか、又は有利には光路内に配置された焦点レンズを特に自動的に傾斜させ、かつ／またはレーザ光線に対して横方向にシフトさせ、かつ／または光路内で前記縁部の前に配置された少なくとも１つの偏光ミラーを特に自動的に傾斜させるか又は該偏光ミラーの曲率半径を変えるようにした。レーザ光線に対して横方向にシフトさせると、焦点レンズは一平面内で焦点レンズの光軸に対して垂直に移動せしめられる。選択的に又は付加的に、レーザ光線の運動を、焦点レンズの前で例えば最後の又は最後から二番目の偏光ミラーを傾けることによって行うか、又は定置に保持されたレーザ光線においてノズル体をシフト（ずらす）ことによって行ってもよい。レーザ光線の光軸（Ｚ方向での）に沿ってレーザ光線トラップを移動させるために、有利には、焦点レンズの前に配置された偏光ミラーの曲率半径が変えられる。

特に有利な別の変化実施例によれば、有利にはマイクロフォンの少なくとも１つの音響センサによって振動が測定される。マイクロフォンは、できるだけ、光音響的に発生された音響信号だけを受信するように、調整されている。マイクロフォンは、ノズル体又はワークからの固体伝播音自体を受信するか、又は空気から音響信号を受信する。測定装置は、マイクロフォンから発信された電圧信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号から周波数スペクトルが算出され（フーリエ解析）、周波数に関する出力（ＦＦＴ出力）として表される。単数又は複数の音響センサが、確認測定のために又は精度を改善するために設けられる。

有利な変化実施例によれば、測定された前記振動を評価する際に、該振動の特性が、パルスレーザ光線の特性パラメータと比較される。この場合、測定の誤差（例えば駆動部からの妨害音）を避けるために、測定された振動の特性特に周波数及び位相が、パルスレーザ光線のパルス幅（パルス継続時間）、パルス周波数及び位相と比較される。

別の有利な実施例によれば、前記運動及び測定が不活性ガス内で行われる。この場合、焦点レンズ及びノズル体を保護するために、不活性ガス流が生ぜしめられ、不活性ガスとして例えば窒素が使用される。不活性ガスは、高いレーザ出力特に高い作業性能においても、測定を実施することができるので、ノズルの前の光路内における光学素子の熱的な変化の影響を検出することができ、特に光軸に対する光線位置のずれを検出することができる。

特に有利な変化実施例によれば、測定された振動は、光路内でノズル体の後ろに配置された、有利にはプレート状の対象物（ワーク）によって生ぜしめられる。レーザ光線がノズル開口のＸ−Ｙ平面でシフトされ、ノズル開口の縁部にぶつかると、プレート状の対象物に提供されるレーザ出力は小さくなる。これによって、対象物内に生ぜしめられた音響信号の強さが小さくなる。この場合、プレート状の対象物から発生した信号だけを音響センサによって測定することができるようにするために、ノズル体内に生ぜしめられた光音響信号を遮蔽する必要がある。

この変化実施例の有利な実施態様によれば、レーザ光線の焦点位置を決定するために、つまり焦点とワーク平面との間の間隔を決定するために、レーザ光線の焦点と前記プレート状の対象物との間の間隔を、レーザ光線の光軸に沿って変化させるようにした（特開昭６３−６３１０８９８５号公報により基本的に公知である）。対象物を出射方向に沿って移動させると、プレート状の対象物における焦点直径が変化する。原則的に、対象物における焦点直径が小さいと、発生された音響信号の強さが大きくなるので、材料表面におけるレーザスポットの直径は最小となり、光音響信号の強さは最大になる。音響信号を評価する際に最大強さが検出されると、焦点はプレート状の対象物の平面にあり、それによって焦点位置が決定される。このような形式で決定された焦点位置は、前もって与えられた目標焦点位置と比較される。この目標焦点位置は、原則として、焦点位置が作業平面若しくはワーク平面にあるように設定される。前もって与えられた目標焦点位置と、測定によって検出された焦点位置とが互いにずれていれば、焦点位置は測定兼によって修正される。

焦点位置及びひいては対象物上の焦点直径を変えるために、次のような可能性がある。レーザ光線のための焦点レンズ及び／又はプレート状の対象物が、レーザ光線の出射方向に移動せしめられる。選択的に又は付加的に、すべてのレーザ加工ヘッドをＺ方向で走行させ、これに対してプレート状の対象物は静止している。しかしながら、適応型の偏光ミラーを光路内においてノズル体の前で調節するようにすれば、有利である。このような適応型の偏光ミラーは、例えばその裏側が水で洗浄される。種々異なる水圧によって、ミラーの曲率半径及びひいては焦点は変化せしめられる。

別の有利な実施態様によれば、プレート状の対象物の材料として、ノズル体の材料よりも多くのレーザ出力を吸収する材料が用いられている。プレート状の対象物のための材料として、一般的にノズル体の金属製の材料よりも多くのエネルギーを吸収する材料、例えばセラミックが使用されると、音響信号が強められ、小さいレーザ出力で測定を実施することができるので、ノズル体に照射される出力は小さくて済み、従ってノズル体が損傷を被ることはない。

本発明の方法によれば、レーザ加工ノズル内にレーザ光線をセンタリング（中央位置決め）することも、レーザ加工ノズル又は（検査）ワークに関連してレーザ光線の焦点位置を検出及び調節することも可能である。この方法によれば、音響信号がノズル開口の縁部において直接生ぜしめられるようになっていれば、測定対象物としてレーザ加工ノズルだけを用いて、センタリングも焦点位置調節も実施することができる。このような形式で、測定のために、特別な部材を光路内に導入する必要はない。

本発明は、レーザ加工ヘッドにレーザ加工ノズル（その開口を通って集束されたパルスレーザ光線が照射される）を備えたレーザ加工機においても実現することができ、この場合、レーザ光線と開口とは、レーザ光線が対象物の縁部（有利には対象物の開口に形成されている）に接触するまで、互いに相対的に少なくとも１つの第１の空間方向でレーザ光線の光軸に対して直角に移動せしめられる。このレーザ加工機は、レーザ光線の運動時に光音響的に生ぜしめられた音響振動を測定するための少なくとも１つの音響センサ有利にはマイクロフォンを有しており、前記縁部におけるレーザ光線の接触点を、測定された振動を評価することによって算出するように設計された評価装置を有している。

有利な実施例によれば、レーザ加工機はさらに、光路内でノズル体の前に配置された焦点レンズをレーザ光線に対して横方向に傾け、かつ／またはシフトさせるための自動式の運動装置を有している。このシフト運動は、例えばステップモータによって行われ、これによって同時に、運動経路に関する情報を準備することができる。

本発明の別の有利な実施例によれば、前記運動装置は、レーザ加工ヘッドに又はレーザ加工機の調整ステーションに取り付けられており、前記レーザ加工ヘッドが、前記開口内におけるレーザ光線の実際位置又は目標位置を決定し、かつレーザ光線を前記目標位置及び／又は目標焦点位置に移動させるために、前記調整ステーション内に移動されるようになっている。運動装置として用いられるステップモータは、レーザ加工ヘッドに取り付けられている場合、一般的な調整ねじの代わりに、レーザ加工ヘッドに直接取り付けられているので、ノズル縁部に対して相対的にレーザ光線を自動的に整列させることができる。運動装置として用いられるステップモータがレーザ加工機の調整ステーションに取り付けられている場合、ステップモータは、調節スピンドルに連結されていて、調整ステーション内の調整位置に配置されている。この調整位置で、レーザ加工ヘッドは、光線位置を調節するために走行せしめられる。

本発明の別の有利な実施例によれば、レーザ加工機はさらに、有利にはプレート状の対象物を有しており、該プレート状の対象物は、光路内で前記ノズル体の後ろに配置されていて、有利には特に前記プレート状の対象物の開口に縁部を有している。前述のように、対象物の材料として、ノズル体の材料よりも多くのレーザ光線を吸収する材料が選定されているので、小さい光線出力で測定を実施することができ、これによって、ノズル体を保護することができる。しかも、対象物は開口又は縁部を有しているので、レーザ光線の焦点位置は開口又は縁部を基準にして調節することができる。

有利な実施例によれば、レーザ加工機はさらに、散光から音響センサを保護するための光線トラップを有している。光線トラップは、ノズル体の下で開口の縁部に対して適当な間隔を保って光路内に配置されていて、レーザ光線を吸収し、これによって音響センサを、レーザ光線による破壊から保護する。

特に有利な実施例によれば、音響センサは、空間方向でレーザ光線の光軸に対してずらされて、光路の外に位置決めされていて、レーザ光線の光軸又はプレート状の対象物に対して所定の角度を成して整列されている。このような形式で、光音響的な効果によっては発生しない妨害騒音を減少させることができる。音響センサを位置決めすることは、ノズルに対して又はプレート状の対象物に対して整列させることによって、妨害騒音を減少させるために用いられるだけではなく、測定された強さに対して決定的な影響を有している。光学センサの位置／角度を決定することによって、一定のレーザ出力で、別の位置／角度よりも著しく大きい最大値（Maxima）が測定される。特性曲線における集中的な最大値は、接触点を決定する際の高い精度を可能にする。何故ならばこの場合、特性曲線の傾斜はより急勾配だからである。円形の開口においても、角度だけでなく、音響センサがノズル軸線に対してずらして位置決めされている空間方向も、強さの最大値に決定的な影響を及ぼす。何故ならば、レーザ加工機内で開口に対して非回転対称的に配置された構成素子は、測定に影響を及ぼすことがないからである。

本発明のその他の利点は、明細書及び図面に記載されている。同様に、前記特徴及びその他の特徴は、単独でも、任意の組み合わせでも使用することができる。図面に示され、かつ記載された実施例は、これに限定されるものではない。

本発明によるレーザ加工機の１実施例の概略図である。 図２ａ及び図２ｂは、図１に示したレーザ加工機のレーザ加工ヘッドを断面した概略図である。 図３ａ，図３ｂ及び図３ｃは、初期位置から開口の縁部の一方側へのレーザ光線の運動を示す概略図である。 図４ａ，図４ｂ及び図４ｃは、図３ａ乃至図３ｃに示した位置から開口の縁部の他方側へのレーザ光線の運動を示す概略図である。 図３ａ乃至図３ｃ及び図４ａ乃至図４ｃに示したレーザ光線の運動において発生する、音響学的な出力の測定曲線を示す概略図である。 図６ａ，図６ｂ及び図６ｃは、開口の接触点間のレーザ光線の目標位置を有する、レーザ加工ノズルの開口の概略図である。

図１は、（図示していない）ワークを加工するためのレーザ加工ヘッド４に、レーザ光線３を導くための、複数の光学素子２．１，２．２，２．３，２．４，２．５を有する光学系を備えたレーザ加工機１を示す。作業平面５を決定する加工テーブルに沿って、ＸＹＺ座標系の第１の空間方向でレーザ加工ヘッド４を移動させるために、レーザ加工ヘッド４が、二重矢印で示されているように、第１の空間方向Ｘで走行可能なキャリッジ６に固定されている。さらに、レーザ加工ヘッド４は、同様に二重矢印で示されているようにキャリッジ６に沿ってスライドせしめられることによって、作業平面５において第２の空間方向Ｙで走行せしめられる。このような形式で、レーザ加工ヘッド４は、２つの空間方向Ｘ，Ｙで加工テーブルの全作業平面５に亘ってスライドせしめられ、この加工テーブル上で位置決めされるワークを加工することができる。さらにまた、レーザ加工ヘッド４は、加工テーブル５の縁部における調整位置にもたらされる。この調整位置に調整ステーション７が設けられており、この調整ステーション７において、以下に詳しく説明されているように、レーザ加工ヘッド４が調整されるようになっている。

パルスレーザ光線３は、図示していないレーザ源から第１のミラー２．１を介して調整エレメント８に導かれる。調整エレメント８は、２つの別のミラー２．２及び２．３を有していて、２重矢印で示されているように、第１の空間方向Ｘでシフト可能である。調整エレメント８をシフトさせることによって、レーザ光線３の光路は、レーザ加工機１内で一定に維持される。レーザ光線３は、キャリッジ６内に配置された別の２つの偏光ミラー２．４及び２．５によって第１の空間方向Ｘから第２の空間方向Ｙへ偏光されてから、レーザ加工機４内に侵入し、ここで、レーザ光線３は、第１及び第２の偏光ミラー９．１，９．２によって第２の空間方向Ｙから第３の空間方向Ｚへ偏光される。この場合、第２の偏光ミラー９．２は、適応ミラーとして構成されている。つまり第２の偏光ミラー９．２は、レーザ光線３を最終的に形成するためにその形状を変えることができるように構成されている。第２の偏光ミラー９．２の後ろで、レーザ光線３は、図２ａ，図２ｂのレーザ加工ヘッド４の断面図で詳細が示されているように、レーザ光線３を集束させるための焦点レンズ１０を通って、レーザ加工ノズル１１の作業平面５内の焦点Ｆに照射される。レーザ加工ノズル１１は、金属製のノズル体１２を有しており、該ノズル体１２内に、円形の開口４を備えたノズル孔１３が設けられていて、このノズル孔１３の中央を通って、図２ａ，図２ｂに示したようにレーザ光線の光軸１５が延在する。

開口１５に対する相対的なレーザ光線３の位置を決定するために、レーザ加工ヘッド４が調整ステーション７に設けられる。図３ａに示されているように、この調整ステーション７において、音響センサとしてのマイクロフォン１６が次のように配置されている。つまり、このマイクロフォン１６は、レーザ加工ヘッド４が第１の空間方向Ｘで調整位置に移動すると、ノズル体１２の後ろの光路外でレーザ光線の光軸１５に対してずらされ、光軸１５に対して３０°の角度αを成して整列される。レーザ光線３によって生ぜしめられた散光からマクロフォン１６を保護するために、レーザ光線３は光線トラップ１７によって吸収される。さらに、ノズル体１２を損傷に対して保護するために、ノズル体１２は、窒素より成る（図示していない）不活性ガス流によって保護される。

レーザ光線３をノズル中央の目標位置（円形の開口１４においてノズル中央内のレーザ光線の光軸１５の位置と合致する）に位置決めするために、まず、第１の空間方向Ｘ（以下では短縮して、Ｘ方向と称呼する）における目標位置を決定する必要がある。このために、レーザ光線３は、図２に示した焦点レンズ１０がＸ方向にずらされることによって、図３ａに示した初期位置から正のＸ方向に移動せしめられる。この移動時に、レーザ光線３は、まず開口１４の縁部（図３ｂ参照）に接触し、次いで、図３ｃに示されているようにノズル体１２に完全に当たるまで、さらにＸ方向にずらされる。次いで、レーザ光線３は、負のＸ方向でまず初期位置（図４ｂに示されている）に戻り移動せしめられ、次いで、レーザ光線３が完全にノズル体１２に当たる前に（図４ｃ）、ノズル開口１４の縁部に接触する（図４ｂ）。これによって、図３ａ〜図３ｃ及び図４ａ〜図４ｃに示したレーザ光線３の運動において、レーザ光線はノズル開口１２をＸ方向で完全に横断して、開口１４の互いに向き合う両側にぶつかるようになっている。

パルスレーザ光線３が前記のように運動して、金属製のノズル体１２にぶつかると（図３ｂ、図３ｃ及び図４ｂ、図４ｃ参照）直ちに、ノズル体１２は、光音響波を発信する。これによってパルスレーザ光線３は、パルス周波数に相当する周波数を有する音響信号を発信する。相応に選択されたパルス周波数において、音響信号は可聴範囲内にあり、マイクロフォン１６によって検出され、この際に、質量慣性に基づいてレーザ周波数が高くなると、本発明に従って信号の強さが減少される。空気のガス圧は、レーザ光線に基づく加熱によって直接に変化もする。しかしながらこのような圧力変動は、一般的に弱すぎるか、若しくは従来のマイクロフォンで測定するためには周囲の騒音が大きすぎる。

図３ａ〜図３ｃ及び図４ａ〜図４ｃに示した、Ｘ方向でのレーザ光線の運動から、開口１４の接点（これらの接点から目標位置を決定することができる）を検出するために、レーザ光線の運動時にマイクロフォン１６によって測定され、かつマイクロフォン１６によって、アナログの電圧信号に変換された音響振動が、レーザ加工機１の評価装置１８（図１参照）によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号によって、周波数スペクトルが算出され（フーリエ解析）、周波数に基づく出力（高速フーリエ変換、ＦＦＴ出力）が示される。この場合、欠陥測定（例えば駆動装置からの妨害騒音）を無くすために、デジタル信号の周波数及び位相が、レーザ光線３のレーザパルスの位相及びパルス周波数と比較される。

評価時に生ぜしめられた測定曲線１９（周半数つまりパルス周波数に関連して測定された出力ＰがＸ方向に沿った箇所に亘って記載されている）は、図５に示されている。この測定曲線１９を評価することによって、複数の測定点において音響信号の最大の音の強さが測定され、周波数に基づく出力として表される。図５に示されているように、レーザ光線３が無接触で開口１２を通っている限りは、マイクロフォン１６が信号を受信することはない。レーザ光線３が、開口１４の縁部２０に接触してから始めて、レーザ光線３と開口１４の縁部２０との接触部分が大きくなるにつれて、信号の強さの上昇が見られる。これは、測定曲線１９の傾斜１９ａ，１９ｂとして示されている。傾斜１９ａ，１９ｂの勾配は、特に開口１４に対するマイクロフォン１６の位置（角度、距離）に基づいている。ノズル体１２に全光線直径が当たると、さらに偏光させることによって、測定曲線１９の信号の強さは低下する。これによって、各傾斜１９ａ，１９ｂに所定の最大値Ｍ１，Ｍ２が形成される。

図示の実施例では、焦点レンズ１０が±２ｍｍの可能な調節範囲全体に亘ってＸ方向でシフトせしめられ、それによってレーザ光線３はこのＸ方向で移動せしめられる。この場合、図５には、重なり合った光線横断面によって示されている。図５に示した測定曲線１９において、レーザ出力は１．５ｋＷであり、レーザ光線３のパルス周波数は５００Ｈｚである。それぞれ９０μｍの間隔で、音響信号の測定が実施される。この場合、測定曲線１９の曲線形状は、レーザ光線３が、同様に図５に示した開口１４の縁部２０に接触すると直ちに上昇に転じる。

接触点を決定するために両方の測定傾斜１９ａ，１９ｂに、それぞれ最大値Ｍ１，Ｍ３に関連して相対的な強さ（Intensitaet）が同じである部分（図示の実施例では５０％である）を有する箇所が決定される。このようにして決定された箇所は、開口１４の、Ｘ方向で互いに向き合う第１及び第２の接触点Ｂ１，Ｂ２と同じである（図６ａ参照）。ノズル中央にレーザ光線３を位置決めさせるための目標位置Ｓ１は、Ｘ方向でこの接触点Ｂ１，Ｂ２の中心点として決定される。選択的に又は付加的に、接触点Ｂ１，Ｂ２及びレーザ光線３の運動軌道が認識されれば、開口１４に対して相対的にレーザ光線３の実際位置も決定される。

目標位置Ｓ１の決定後に、レーザ光線３は目標位置Ｓ１に移動せしめられ、上記測定プロセスが第２の空間方向Ｙ（以下では短縮して、Ｙ方向と称呼する）で繰り返される。この場合、開口１４の第３及び第４の接触点Ｂ３，Ｂ４が検出され、第３の接触点Ｂ３と第４の接触点Ｂ４との間の中心点における第２の目標位置Ｓ２が決定される（図６ｂ参照）。レーザ光線３が第２の目標位置Ｓ２に移動せしめられると、レーザ光線３は理想的には、開口１４の中央に位置決めされる。図示のケースでは、第１の目標値Ｓ１を決定するために提供された、第１の接触点Ｂ１と第２の接触点Ｂ２との間の間隔は非常に短いので、第１の目標値は、場合によっては十分な精度で得ることができない。従って、図６ｃに示されているように、上記測定がＸ方向で再度実施され、この場合、第５及び第６の接触点Ｂ５，Ｂ６が検出される。第５の接触点Ｂ５と第６の接触点Ｂ６との間の最大間隔によって、Ｘ方向における第１の目標値Ｓ１よりも精確な第３の目標位置Ｓ３が決定される。

レーザ光線３が第３の目標値Ｓ３に移動せしめられると、レーザ光線３は、歳出駅に開口１２の中央にセンタリングされる。付加的に、このようにして検出された接触点Ｂ１〜Ｂ６から、円形の開口１２の直径も決定される。このために追加的な較正も必要となる。つまり、周波数に関連した最大出力のうちの何によって、円形の開口１２の直径を最も精確に決定することができるか決定する追加的な較正も必要となる。ノズル直径のこのよう決定は、レーザ加工ノズル１１の交換時の妥当性をコントロールするために使用される。

レーザ加工ノズル１１の中央にレーザ光線３を位置決めさせるのに続いて、レーザ加工ノズルに対して相対的なレーザ光線焦点の位置が決定され、かつ調節される。このために、Ｘ−Ｙ平面（該Ｘ−Ｙ平面の座標は制御ユニットにメモリーされている）における開始点ＳＰから出発して、上述のようにノズル開口におけるレーザ光線３の接触点（Ｂ１〜Ｂ６）が検出される。またこのために、図２ａ、図２ｂに示した焦点レンズ１０がＸ方向に又はＹ方向にシフトせしめられることによって、図３ａに示されているようにレーザ光線３が開始点ＳＰから出発して正のＸ方向又はＹ方向に移動せしめられる。この運動時に、図３ｂに示されているように、レーザ光線３はまず開口１４の縁部２０に接触し、次いでさらに、ノズル体１２に完全にぶつかるまで、Ｘ方向にシフトせしめられる（図３ｃ参照）。検出された接触点の座標は、同様に制御ユニットにメモリーされる。記憶された座標から、開始点ＳＰを基点としてレーザ光線がノズル開口にぶつかるまでの行程距離が算出され、この行程距離からさらにＸ−Ｙ平面におけるレーザ光線の広がりが算出される。開始点から負のＸ方向又はＹ方向への測定が繰り返されると、このような形式で、ノズル開口の直径が分かっている場合に、レーザ光線の直径が決定される。次いで、偏光ミラー９．２の曲率半径を変えることによって、レーザ光線の焦点がＺ方向にずらされ、測定が新たに実施される。この動作を繰り返し行うことによって、ノズル開口に関連したレーザ光線の形状つまりレーザ火線が決定される。この場合、光線の最小の直径若しくは最小の広がりが測定されるＺ調節は、レーザ光線の焦点が精確にノズル開口のＸ−Ｙ平面にあることを示している。次いで、焦点は、ノズル開口の下の平面（大抵の場合、精確に作業平面５）に限定的にシフトされる。焦点位置の決定は、ノズル体を用いて実施されるのではなく、同様の形式で（検査）ワークにおいても行うことができる。この（検査）ワークは、作業平面５にあって、レーザ光線によって「接触される」正方形又は円形の開口又は所定の縁部を有している。しかしながら、レーザ加工ノズを測定対象物として使用することによって、付加的なワークを光路内に導入する必要がない、という利点が得られる。

Ｘ−Ｙ平面内でレーザ光線３を移動させるために、図２に示した焦点レンズ１０がＸ−Ｙ方向でシフトせしめられる。この運動は、（図示していないが、二重矢印Ｂで示されている）ステップモータによって行うことができ、これによって同時に運動経路に関する情報が提供される。ステップモータは、調節スピンドルに連結されていて、図１に示した調節位置７にあり、この調節位置７において、レーザ加工ヘッド４は光線位置を調節するために走行させられる。選択的に又は追加的に、レーザ光線の偏光は、焦点レンズ１０の前で最後の又は最後から二番目の偏光ミラー９．１，９．２を傾倒させることによって行うこともできる。

音響センサをノズル体１２の後ろの光路内に配置する代わりに、ノズル体１２の固体伝送音を吸収するために、音響センサをノズル体１２自体に直接取り付けてもよい。この場合、一般的な調節ねじの代わりに、焦点レンズ１０を運動させるためのステップモータをレーザ加工ヘッド４に直接取り付ければよい。この場合、調整ステーションを設ける必要はない。つまり調整は、作業平面５のどの箇所でも行うことができる。何故ならば、評価装置１８を除いて、このために必要なすべての構成部材がレーザ加工ヘッド４内に取り付けられているからである。

さらに、ノズル体１２によって生ぜしめられた音響振動の代わりに、図２ａに示した、プレート状の対象物２１（この対象物２１にレーザ光線３がノズル体１２の下側で当たる）から発せられた音響振動を測定することによって、上記手段に対して選択的に測定を行うこともできる。この場合、対象物２１の、ノズル体１２とは反対側に配置された圧電センサ１６′が設けられているので、対象物２１は、ノズル体１２から発せられた音響振動を遮る。レーザ光線３が開口１４の縁部２０に当たって直ぐに、レーザ光線３がノズル開口１４のＸ−Ｙ平面において移動すると、プレート状の対象物２１に供給されるレーザ出力が低下し、これによって、プレート状の対象物２１内においてレーザ光線３によって生ぜしめられた音響信号の強さが低下する。ノズル中央を決定するために、レーザ光線３は、例えば半分がノズル体１２によって遮蔽され、それによってプレート状の対象物２１から発せられた信号の強さが同様に、最大値の５０％に低下せしめられるまで、レーザ光線３は外方に移動せしめられる。この方法において、プレート状の対象物２１のために、一般的なノズル体１２の金属材料よりも多くのエネルギーが吸収される材料例えばセラミックが使用される。このような形式で、ノズル体１２を保護するために、少ないレーザ出力で測定することができる。

プレート状の対象物２１を使用する際に、同様に付加的に、レーザ光線３の焦点位置ＦＬが検査される。一般的に、レーザ光線３の焦点Ｆは、焦点レンズ１０及び適応型の偏光ミラーによって、目標焦点位置ＦＬにくるように調節される。勿論、レーザ加工機１の運転中に、レーザ光線３の光路内に配置された光学素子を有しており、これによって、焦点Ｆは目標焦点位置ＦＬから遠ざけられる。焦点位置が正しいかどうかを検査するために、適応型の偏光ミラー９．２が調節されることによって、焦点Ｆは第３の空間方向Ｚに沿ってシフトされる。原則的に、プレート状の対象物２１の焦点直径が小さくなると、発生する音響信号の強さが大きくなり、またそれとは逆に、プレート状の対象物２１の焦点直径が大きくなると、発生する音響信号の強さは小さくなる。焦点Ｆが変化すると、プレート状の対象物２１上の焦点直径は変化する。焦点Ｆがプレート状の対象物２１の平面に位置すると、対象物２１上のレーザスポットの直径は最小となり、光音響信号の強さは最大となる。目標焦点位置ＦＬとは異なる箇所における最大値がＺ方向に沿って検出されると、焦点ＦをＺ方向に沿ってシフトさせる必要があるが、これは、たとえば適応型の偏光ミラーを適当に調節することによって行われる。

選択的に、図２ｂに示されているように、ノズル中央及び焦点位置を決定する際に、プレート状の対象物２１は、ノズル開口１３よりも大きい、連続する材料より成る領域と、均一な縁部２２とを有していてもよい。前記縁部２２は、プレート状の対象物２１に方形又は円形の開口２３に形成されている。この場合、レーザ光線３の焦点位置ＦＬは、上述のように、種々異なる焦点位置において、プレート状の対象物２１の開口２３の縁部２２に「接触する」ことによって決定される。この方法によれば、焦点位置だけでなく、焦点の領域（レーザ火線）内におけるレーザ光線の形状も決定することができる。

以上のような形式で、開口１４，２３内におけるレーザ光線３の光線位置が決定され、またレーザ光線３がこの開口１４，２３内の中央に位置決めされ、いずれの動作も自動的に行われる。付加的に、焦点位置が検査され、場合によっては修正される。上記方法は、レーザ加工機だけに限定されるのではなく、レーザ光線の位置を任意の開口内で決定し、調節（特にセンタリング）しようとするその他の機器においても、有利に使用することができる。

Claims (21)

1. 対象物（１２，２１）の開口（１４，２３）に形成された、対象物（１２，２１）の縁部（２０，２２）における、集束されたパルスレーザ光線（３）の接触点（Ｂ１、Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６）を検出するための方法において、
   ａ）レーザ光線（３）が前記縁部（２０，２２）に接触するまで、レーザ光線（３）を前記縁部（２０，２２）に対して相対的に、少なくとも１つの空間方向（Ｘ，Ｙ）で、有利にはレーザ光線の光軸（１５）に対して直角に移動させ、
   ｂ）前記レーザ光線（３）の運動時にレーザ光線（３）によって光音響的に生ぜしめられる音響振動を測定し、
   ｃ）前記縁部（２０，２２）におけるレーザ光線（３）の接触点（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６）を、測定された音響振動を評価することによって検出する、
   という段階を有していることを特徴とする、対象物の縁部におけるレーザ光線の接触点を検出するための方法。
2. レーザ光線（３）の焦点（Ｆ）位置をレーザ光線の光軸（１５）の方向で調節し、前記段階ａ），ｂ），ｃ）を繰り返す、請求項１記載の方法。
3. 前記縁部（２０，２２）における接触点（Ｂ１，Ｂ２）を検出するために、測定曲線の傾斜（１９ａ，１９ｂ）に従って上昇する前記縁部（２０，２２）における振動出力を、位置に関連して測定し、前記接触点（Ｂ１，Ｂ２）を、最大振動出力（Ｍ１，Ｍ２）の一部、例えば最大振動出力の５０％に割り当てる、請求項１又は２記載の方法。
4. レーザ光線（３）を、第１の空間方向（Ｘ）で前記開口（１４，２３）全体に達するようにし、この際に、前記開口（１４，２３）の前記縁部（２０，２２）における互いに向き合う２つの接触点（Ｂ１，Ｂ２；Ｂ５，Ｂ６）を検出し、前記開口（１４，２３）における前記レーザ光線（３）の実際位置又は目標位置（Ｓ１，Ｓ３）を、検出された２つの接触点（Ｂ１，Ｂ２；Ｂ５，Ｂ６）を用いて決定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ２つの接触点（Ｂ１，Ｂ２；Ｂ５，Ｂ６）間の中央に位置する目標位置を決定した後、レーザ光線（３）を前記目標位置（Ｓ１；Ｓ３）に移動させる、請求項４記載の方法。
6. 第１の空間方向（Ｘ）における２つの接触点（Ｂ１，Ｂ２；Ｂ５，Ｂ６）間の間隔と、第２の空間方向（Ｙ）における別の２つの接触点（Ｂ３，Ｂ４）間の間隔とから、前記開口（１４，２３）の横断面寸法を決定する、請求項４又は５記載の方法。
7. 運動の開始点（ＳＰ）から互いに向き合う２つの接触点（Ｂ１，Ｂ２）までの、レーザ光線（３）のそれぞれの運動経路から、レーザ光線（３）の直径を決定する、請求項４から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記縁部（２０，２２）を、レーザ加工ノズル（１１）のノズル体（１２）の開口（１４，２３）に形成する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 光路内で前記縁部（２０，２２）の前に配置された焦点レンズ（１０）を特に自動的に傾斜させ、かつ／またはレーザ光線の光軸（１５）に対して横方向にシフトさせ、かつ／または光路内で前記縁部（２０，２２）の前に配置された少なくとも１つの偏光ミラー（９．１，９．２）を特に自動的に傾斜させるか又は該偏光ミラー（９．１，９．２）の曲率半径を変えることによって、レーザ光線（３）を定置の前記縁部（２０，２２）に対して相対的に移動させる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 有利にはマイクロフォン（１６）の少なくとも１つの音響センサ（１６，１６′）によって振動を測定する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 測定された前記振動を評価する際に、該振動の特性を、パルスレーザ光線（３）の特性パラメータと比較する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記運動及び測定を不活性ガス内で行う、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 測定しようとする前記振動を、光路内でノズル体（１２）の後ろに配置された、プレート状の対象物（２１）によって生ぜしめる、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. レーザ光線（３）の焦点位置（ＦＬ）を決定するために、レーザ光線（３）の焦点（Ｆ）と前記プレート状の対象物（２１）との間の間隔を、レーザ光線（３）の光軸（１５）に沿って変化させる、請求項１３記載の方法。
15. 前記プレート状の対象物（２１）の材料として、前記ノズル体（１２）の材料よりも多くのレーザ出力を吸収する材料を用いる、請求項１３又は１４記載の方法。
16. レーザ加工機（１）において、
    レーザ加工ヘッド（４）にレーザ加工ノズル（１１）を有しており、該レーザ加工ノズル（１１）の開口（１４）を通って、集束されたパルスレーザ光線（３）が出射され、この際に、レーザ光線（３）が対象物（１２，２１）の縁部（２０，２２）に達するまで、レーザ光線（３）と開口（１４）とが互いに相対的に、レーザ光線の光軸（１５）に対して直角に少なくとも１つの第１の空間方向（Ｘ，Ｙ）で移動せしめられ、前記縁部（２０，２２）が有利には前記対象物（１２，２１）の開口（１４，２３）に形成されており、
    レーザ光線（３）の運動時に光音響的に生ぜしめられた音響振動を測定するための少なくとも１つの音響センサ（１６，１６′）有利にはマイクロフォン（１６）を有しており、
    前記縁部（２０，２２）におけるレーザ光線（３）の接触点（Ｂ１，Ｂ２；Ｂ５，Ｂ６）を、測定された振動を評価することによって算出するように設計された評価装置（１８）を有している、
    ことを特徴とする、レーザ加工機（１）。
17. 光路内でノズル体（１２）の前に配置された焦点レンズ（１０）をレーザ光線（３）に対して横方向に傾け、かつ／またはシフトさせるための自動式の運動装置（Ｂ）を有している、請求項１６記載のレーザ加工機。
18. 前記運動装置（Ｂ）が、レーザ加工ヘッド（４）に又はレーザ加工機（１）の調整ステーション（７）に取り付けられており、前記レーザ加工ヘッド（４）が、前記開口（１４，２３）内におけるレーザ光線（３）の実際位置又は目標位置（Ｓ１〜Ｓ３）を決定し、かつレーザ光線（３）を前記目標位置（Ｓ１〜Ｓ３）及び／又は目標焦点位置（ＦＬ）に移動させるために、前記調整ステーション（７）内に移動されるようになっている、請求項１７記載のレーザ加工機。
19. プレート状の対象物（２１）が設けられており、該対象物（２１）が光路内で前記ノズル体（１２）の後ろに配置されており、前記プレート状の対象物（２１）の開口（２３）に縁部（２２）が形成されている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載のレーザ加工機。
20. 散光から音響センサ（１６）を保護するための光線トラップ（１７）を有している、請求項１６から１９までのいずれか１項記載のレーザ加工機。
21. 音響センサ（１６）が前記ノズル体（１２）に取り付けられているか、又は空間方向（Ｘ）でレーザ光線の光軸（１５）に対してずらされて光路の外に位置決めされていて、レーザ光線の光軸（１５）に対して所定の角度（α）を成して整列されている、請求項１６から２０までのいずれか１項記載のレーザ加工機。

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