JP2648401B2 - レーザによる材料処理を監視する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はレ―ザによる材料処
理、更に具体的に云えば、レ―ザによる材料処理作業を
略実時間で検出し、監視し及び制御する、光センサを利
用した方法と装置に関する。

【０００２】

【関連出願との関係】この出願は、１９８９年８月１１
日に出願され、この出願の出願人に譲渡された発明の名
称「音響式突破検出方法及び装置」と云う係属中の米国
特許出願通し番号０７／３９２，４９４号、及びこの出
願と同日に出願され、この出願の出願人に譲渡された発
明の名称「レ―ザによる材料処理を光学的／音響的に監
視する方法と装置」と云う米国特許出願番号 と関
連を有する。

【０００３】

【発明の背景】従来公知であって、この明細書でも使う
レ―ザによる材料処理は、連続波又はパルス形のレ―ザ
・ビ―ムを使って、切断、溶接、ドリル加工及びはんだ
付けの様な材料処理を行なうことを云う。この様なレ―
ザ・ビ―ムの平均エネルギは、約１ワットと云う少ない
ものから何百ワットまでの範囲に及ぶことがあり、その
具体的なエネルギは、行なわれる特定の処理に基づいて
選ばれる。一般的に材料処理に必要なレ―ザ・ビ―ム・
エネルギは、通信装置の様なこの他のレ―ザを利用する
装置に要求されるレ―ザ・ビ―ム・エネルギよりもずっ
と大きい。

【０００４】レ―ザ技術の進歩の初期には、レ―ザ源か
ら直接的に放出されたレ―ザ・ビ―ムがレ―ザによる材
料処理に利用されていた。この様なレ―ザ装置は移動能
力が限られており、この様な装置を製造設備に有効に取
入れることが困難であった。レ―ザ源と光学部品とは、
工作物上の処理する個所に接近して配置しなければなら
なかった。

【０００５】材料処理を行なうのに適したエネルギ・レ
ベルのレ―ザ・ビ―ムを光ファイバを介して伝達するこ
とにより、レ―ザに基づく材料処理装置の融通性が著し
く高まった。然し、大エネルギのビ―ムを光ファイバを
介して伝達することは、低エネルギのビ―ムを光ファイ
バに伝達させる場合には出会わなかった様な問題が生じ
た。例えば、通信装置に使われるビ―ムの様な、低エネ
ルギのビ―ムを光ファイバに注入する為に用いられるビ
―ム注入方式は、一般的に大エネルギのビ―ムの注入に
は不適当である。実際、大エネルギのビ―ムを注入する
のに低エネルギのビ―ムの注入方式を利用すると、光フ
ァイバを傷めることがある。大エネルギのレ―ザ・ビ―
ムをそれを介して伝達する為に光ファイバに効率よく注
入する種々の方法が、出願人の有する米国特許第４，５
６４，７３６号、同第４，６７６，５８６号及び同第
４，６８１，３９６号（夫々の発明の名称は「工業用の
手持ちレ―ザ工具及びレ―ザ装置」、「光ファイバを介
してレ―ザによる材料処理を行なう装置と方法」、及び
「大エネルギのレ―ザ・エネルギ送出し装置」）に記載
されている。

【０００６】光ファイバを介して大エネルギのビ―ムを
伝達することにより、源から放出されたレ―ザ・ビ―ム
を工作物上の加工の個所に差向ける為に本来要求される
様に、レ―ザ源と光学部品とを工作物に接近して位置ぎ
めする必要がなくなる。光ファイバによる大エネルギの
レ―ザ・ビ―ムの伝達を用いる時、各々の光ファイバの
出力端が出力結合装置の中に配置される。この出力結合
装置は、ファイバの出力端から放出されたビ―ムをコリ
メ―トして集束する手段を含む。出力結合装置は、例え
ば計算機によって制御されたロボット・ア―ムにより、
工作物に対して容易に移動することが出来る。ファイバ
の本数並びに工作物上の加工個所に接近した夫々の出力
端の数は変わり得る。

【０００７】光ファイバを基本とした装置を利用する時
の材料処理を監視することは、レ―ザ源から放出された
ビ―ムを処理の為に直接利用する時の処理の監視より
も、ずっと困難である。具体的に云うと、光ファイバに
よる伝達を用いる時、装置のユ―ザは、処理の間、レ―
ザ源の他に、ビ―ム注入装置、出力カップラ及び光ファ
イバを監視しなければならない。どれか１つの部品が故
障すれば、装置全体が故障することがある。

【０００８】材料処理用のレ―ザ・ビ―ムを複数個の光
ファイバの間で時分割にする装置も、レ―ザによる材料
処理を高める為に利用し得る。この様な装置が、出願人
に譲渡された米国特許第４，７３９，１６２号及び同第
４，８３８，６３１号（発明の名称「レ―ザ・ビ―ム注
入装置」及び「レ―ザ・ビ―ム方向ぎめ装置」）に記載
されている。ビ―ム時分割装置の製造業者としては、カ
リフォルニア州コスタ・メサのロボレ―ズ・システムズ
・インコ―ポレ―テット社と、ミシガン州リボニアのリ
ュモニックス・コ―ポレ―ションとがある。この様なビ
―ム時分割装置を使うことにより、１つのレ―ザ源によ
って発生されたビ―ムを多数の光ファイバに分けること
が出来る。各々の光ファイバの夫々の出力端は、１つ又
は更に多くの工作物上の夫々の加工個所の近くに配置す
ることが出来る。

【０００９】レ―ザ・ビ―ム時分割装置は、多重化装置
と呼ばれることもあるが、レ―ザによる材料処理の融通
性及び効率を更に高めた。この様な多重化式装置の制御
及び監視は、その重要度を増しただけでなく、難しさを
も高めた。装置のユ―ザは、レ―ザ源、多重化装置、多
重ビ―ム注入装置、多重カップラ及び多数の光ファイバ
を監視しなければならない。

【００１０】レ―ザによる材料処理が、源から放出され
たビ―ムを直接的に使うものから、多数のファイバから
放出された多数のビ―ムを使うものへと進むにつれて、
その方法は更に手の込んだ制御及び監視が必要になっ
た。この制御及び監視装置は、所望の処理結果を得られ
易くすると共に、処理装置の損傷を防ぐ助けとなること
が好ましい。然し、制御及び監視装置は、レ―ザによる
材料処理作業を減速するものであってはならない。そう
でなければ、処理時間の短縮と云う様に、光ファイバ／
レ―ザ技術を利用する利点がなくなることがある。

【００１１】更に、制御及び監視装置が略実時間で動作
することが好ましい。この明細書で云う「実時間」と云
う言葉は、各々の別々の処理作業が行なわれる実際の時
間を意味する。例えば、ある１つの加工は１つの孔をド
リル加工することであることがある。制御及び監視装置
が各々の別個の作業の間、それと同時にデ―タを入手す
ることが出来る様にして、処理装置の調節を必要とする
場合、次の孔をドリル加工する前に、即ち、次の加工作
業の前に、この調節が出来る様にすることが最も望まし
い。別々の加工作業を行なうのに要する時間は、数マイ
クロ秒と云う様に短いことがあることを承知されたい。
従って、制御及び監視装置はその機能を非常に敏速に行
なうものでなければならない。

【００１２】勿論、加工作業全体は、多数の別々の加工
作業を含むのが一般的である。例えば、航空機用機関の
燃焼器及びアフタ―バ―ナの部品のレ―ザによるドリル
加工を考える。こう云う部品は高温鋼合金で作られ、面
に対して２０°の角度でドリル加工された何万個もの
０．０２０吋（０．０５０８cm) の孔を必要とし、肉厚
は０．０２０吋（０．０５０８cm）から０．０８０吋
（０．２０３２cm）まで変わり得る。この加工作業全体
を適時に完了する為には、各々の孔の形成の監視及び制
御は敏速に行なわなければならない。

【００１３】レ―ザによるドリル加工を監視する既知の
方法が空気流試験と呼ばれている。空気流試験では、航
空機用機関の燃焼器の部品の様な工作物をドリル加工装
置から取外し、工作物の前後に既知の差圧を加える。そ
の結果生ずる空気流を測定して、流れの抵抗の目安とす
る。流れの抵抗は、ドリル加工された区域の目安、即
ち、ドリル加工された孔の直径と形の目安に関係する。
然し、空気流試験は、空気流試験の間、工作物に対して
レ―ザによる処理を行なうことが出来ないと云う意味
で、実時間作業ではない。空気流試験の制約は、それが
孔のその他の幾何学的な性質、例えば、鋳直し層の厚
さ、孔のテ―パ等を表示するものではないことである。

【００１４】レ―ザによるドリル加工の結果を検査する
別の既知の方法は「ピン検査」である。ピン検査作業で
は、ドリル加工を停止し、選ばれた面に、次第に直径が
大きくなるピンを相次いで挿入する。レ―ザによってド
リル加工された孔は完全に真直ぐであることが滅多にな
く、その為にピンを挿入するのを妨げるので、ピン検査
により、孔の直径は近似的に表示される。ピン検査は、
孔のその他の幾何学的な性質を確実に表示するものでも
ないし、更にこれは実時間のプロセスでもない。その
上、ピン検査手順では、選ばれた孔だけが分析され、各
々の孔の間の違いは検出されないことがある。

【００１５】従って、この発明の目的は、レ―ザによる
材料処理を略実時間で検出及び監視する方法と装置を提
供することである。

【００１６】この発明の別の目的は、処理作業を減速し
ない様な、レ―ザによる材料処理を検出及び監視する方
法と装置を提供することである。

【００１７】この発明の別の目的は、処理作業の連続的
な監視が出来て、再形成した層の厚さ及び孔のテーパを
含めて幾何学的な性質を表示する様な、レーザによる材
料処理を検出及び監視する装置を提供することである。

【００１８】この発明の別の目的は、処理作業と同時に
作用する様な、レ―ザによる材料処理を検出及び監視す
る方法と装置を提供することである。

【００１９】この発明の別の目的は、光センサを利用し
て、レ―ザによる材料処理作業の間に発生されるプラズ
マを監視し、センサから得られたデ―タから、処理作業
を制御する方法と装置を提供することである。

【００２０】この発明の別の目的は、レ―ザによる材料
処理の仕上げの一貫性が得られ易くなる様な制御装置を
提供することである。

【００２１】この発明の別の目的は、材料処理用のレ―
ザ部品の性能を監視及び制御する方法と装置を提供する
ことである。

【００２２】

【発明の要約】レ―ザによる材料処理を監視及び制御す
るこの発明の装置は、処理作業の間、光信号を検出する
手段と、レ―ザ・ビ―ムの突破時間を決定する手段とを
含む。レ―ザによって工作物を処理するこの発明の方法
は、工作物を光学的に監視し、レ―ザ・ビ―ムの突破時
間を決定する工程を含む。突破時間を略実時間で決定す
ることにより、この発明は材料処理作業を制御する情報
を適時に供給する。

【００２３】この明細書で云うレーザ・ビームの突破時
間は、レーザ・パルスの持続時間全体に対する、突破が
検出された時間の比を云う。突破時間を計算する為に、
レーザ・パルスの持続時間ではなく、レーザ・パルス長
を利用してもよい。レーザ・パルスの持続時間は、ビー
ム・パルスが工作物に加えられる期間全体に等しいが、
業界でもこの明細書でも使うレーザ・パルス長は、ビー
ム・パルスの最大ビーム強度の半分の値の間にある期間
を意味する。その使い方が一貫していれば、パルスの持
続時間を使ってもよいしパルス長を使ってもよい。

【００２４】レ―ザに基づく材料処理作業を連続的に光
学的に監視することにより、この光信号から、ビ―ムが
材料を突破する正確な時間を検出することが出来る。材
料を突破するのに要する期間をレ―ザ・パルスの持続時
間と比較することにより、この作業の結果としてドリル
加工された孔に関する情報を決定することが出来る。

【００２５】例えば、ビ―ム・パルスの時間のちょうど
終りに突破が検出されゝば、突破時間は略１に等しいと
云える。つまり、レ―ザ・ビ―ムは、工作物を突破した
後余り長い間加えられていなかった。これは、直径が一
層小さい孔が形成されたことを意味する。逆に、ビ―ム
・パルスの持続時間の初めに突破が検出されゝば、突破
時間は、例えば０．２に等しいことがあり、これはビ―
ムの持続時間の終り頃に突破が検出された場合よりも小
さい。つまり、レ―ザ・ビ―ムは、突破の後、比較的長
い時間の間、例えば０．８の間加えられたことを意味す
る。これは、直径が一層大きい孔が形成されたことを意
味する。勿論、上に述べた例はあくまで例に過ぎない。

【００２６】この発明は、レーザによる材料処理を連続
的に監視並びに制御し、略実時間で作用する。重要なこ
とは、この発明はレーザによる材料処理速度に影響せ
ず、処理作業と同時に作用することである。この発明を
利用して、再形成した層の厚さ及び孔のテーパを含めた
孔のその他の幾何学的な性質の表示を発生することが出
来る。更に、この発明はレーザによる材料処理により、
一貫性があって品質の高い結果を達成し易くする。

【００２７】この発明の上記並びにその他の目的、及び
その他の特徴及び利点は、以下図面について詳しく説明
する所から明らかになろう。

【００２８】

【図面の詳しい説明】図１はこの発明の光学式監視装置
の第１の実施例を示す。図１について具体的に説明する
と、光学式監視装置がレーザ源１００を含み、これはフ
ァイバ注入入力カップラ１０２及びフォトダイオードの
様な空洞モニタ１０４を含む。レーザ源駆動用電源１０
６がレーザ源に結合されており、閃光灯（図面に示して
ない）に電力を供給する。図１は、Ｎｄ：ＹＡＧ形の面
ポンプ形レーザ源（ＦＰＬ）の様なレーザ源１００を示
す。他の種類のレーザ源を使ってもよいが、エネルギ・
密度が高く、パルスの合間で集束のやり直しを必要とし
ない様な大きな焦点深度を持ち、ビームの品質が高い点
で、ＦＰＬが好ましい。更に、Ｎｄ：ＹＡＧは１．０６
マイクロメータの出力を発生するが、これは多数の材料
を処理するのによい波長である。

【００２９】更に装置が、レ―ザ源１００と、米国特許
第４，７９９，７５５号に記載されるカップラの様な出
力カップラ１１０の間に結合された光ファイバ１０８を
含む。ファイバ１０８の両端は、レ―ザ光の注入又は放
出によってファイバが損傷することがない様に、米国特
許第４，６７６，５８６号及び同第４，６８１，３９６
号に記載される様に調製することが好ましい。希望によ
っては、米国特許第４，７３９，１６２号に記載される
様な光多重化装置を使って、工作物の複数個の場所に同
時に処理を施すことが出来る。カップラ１１０は、サウ
ス・コネクチカット州のクロ―バ所在のＳ．Ｅ．ハフマ
ン・コ―ポレ―ションによって製造されるＨＰ−１０５
形工作機械の様なマニピュレ―ション装置によって支持
する。上側光センサ１１２及び下側光センサ１１４（例
えばフォトダイオ―ド）を枠（図に示してない）に取付
け、工作物１１６の近くに配置することが出来る。この
光学的な感知の為、フォトダイオ―ド、フォトトランジ
スタ、フォトマルチプライヤ又は光学的な特性を表わす
信号を発生するのに適した任意の手段を利用することが
出来る。デ―タ収集装置１１８が光検出器からの入力を
受取る。デ―タ収集装置１１８が制御コンピュ―タ１２
０に結合されている。

【００３０】コンピュ―タ１２０は、１１１kHz の周波
数で動作するアナログ・ディジタル変換器を持ち、これ
が光センサ１０４からの信号を変換する。他の周波数を
使ってもよい。この後、変換された信号が閾値作用の様
な判定アルゴリズムに加えられ、これがレ―ザ・パルス
の開始及び終了の検出又は判断が出来る様にする。この
アルゴリズムからのデ―タが光パルスの持続時間を表わ
す。コンピュ―タ１２０の中では、光センサからのデ―
タがディジタル化され、その後ディジタル・アルゴリズ
ムの作用を受ける。特定の実施例では、このアルゴリズ
ムが信号のパルス長を決定する。一般的に、光信号の内
容は、工作物の材料と厚さ、レ―ザ光の波長、孔の形状
及びレ―ザ・パルスのエネルギと持続時間の関数であ
る。

【００３１】光信号がパルス長決定アルゴリズムの作用
を受ける。パルス長決定アルゴリズムから得られた光信
号デ―タに閾値判定アルゴリズムが適用されて、突破を
決定する。上に説明したのはドリル加工の場合である
が、この発明が例えば面の被覆、熱処理、切断等の様な
レ―ザによるその他の材料処理にも使えることを承知さ
れたい。

【００３２】光センサ１１２，１１４は、例えばミネソ
タ州サレムのＥＧ＆Ｇによって製造するＹＡＧ−１００
Ａ形、又はカナダオンタリオ州バ―リントンのアンテル
・オプトロニクス・インコ―ポレ―テット社から入手し
得るＡＦＭシリ―ズ・ファイバオプティック・モニタの
様な市場で入手し得る光センサであってよい。デ―タ収
集装置１１８は、サンプル当り３マイクロ秒の速度でデ
―タを収集し得る高速デ―タ収集装置であることが好ま
しい。このデ―タ収集装置は、例えば、モ―タロ―ラ・
シリ―ズ６８０２０コンピュ―タに結合されたバ―・ブ
ラウンのＭＰＶ９０形Ａ／Ｄ変換器の様な市場で入手し
得る装置であってよい。

【００３３】動作について説明すると、上側光センサ１
１２を利用して、レ―ザ相互作用プラズマ領域を光学的
に検出し、下側光センサを利用して材料突破プラズマを
検出する。具体的に云うと、光センサは、材料処理作業
の間に発生される光の強度に関係する信号を発生する。

【００３４】図２は、図１に示した装置を利用したレ―
ザ・ドリル加工の間に発生された信号を示す。具体的に
云うと、図２の縦軸は強度（単位は任意）を表わし、横
軸は時間を表わす。信号１２２は光ダイオ―ド１０４に
よって発生される信号であり、レ―ザ・パルス全体の持
続時間を表わす。信号１２４は光センサ１１２によって
発生される信号であり、レ―ザ相互作用プラズマの挙動
に関するデ―タとなる。信号１２６は光センサ１１４に
よって発生された信号であり、実際の突破開始時刻に関
するデ―タを表わす。図２から明らかな様に、約０．０
０２秒の時に突破が検出される。

【００３５】図３Ａは、種々の厚さの材料に対して、上
側センサによって発生された信号を示す。具体的に云う
と、図３Ａで、信号２００，２０２，２０４，２０６，
２０８は、夫々厚さが６０ミル、５０ミル、４０ミル、
３０ミル、２０ミル（１ミル＝０．００１吋）の材料の
ドリル加工を行なう時、光センサ１１２によって発生さ
れた信号に対応する。図面を見易くする為、データは垂
直方向にずらして示してある。図３Ｂの信号２１０，２
１２，２１４，２１６，２１８は、夫々厚さが６０ミ
ル、５０ミル、４０ミル、３０ミル、２０ミルである材
料のドリル加工の時、光センサ１１４によって発生され
た信号に対応する。この場合も、見易くする為に信号は
垂直方向にずらして示してある。

【００３６】図２及び図３Ａ及び図３Ｂに示す信号は、
実際の処理作業の間に発生された。図３Ａで、デ―タ
は、上側センサによって発生された信号のパルス幅が、
突破時間が減少すると共に減少することを示している。
更に、突破が起こらなかった厚さ６０ミルの材料の場合
に対応する信号２００に注目されたい。この状態が突破
が起こらなかった基準である。更に、図３Ｂに示す様
に、突破時間が短くなるにつれて、下側センサによって
発生される信号のパルス幅が増加する。厚さ６０ミルの
材料では、信号２１０で示す様に、突破が検出されなか
った。この状態が突破なしの基準である。

【００３７】ある作業では、加工環境の制約の為に、下
側センサを使わないことがある。従って、作業の監視及
び制御の為に、上側センサからのデ―タだけを利用しな
ければならなくなる。具体的に云うと、上側センサだけ
を利用する場合、最初に工作物の厚さ、例えば４０ミル
を確認する。その後、同じ厚さを持つ試験片を利用し
て、上側及び下側の両方のセンサを用いた較正デ―タを
収集する。センサを使って、所望の直径の孔に対する突
破時間を決定することが出来、好ましい上側センサの信
号も決定することができる。好ましい上側センサの信号
は、好ましい孔の直径及び突破時間が得られた時に発生
される上側センサの信号である。その後、好ましい上側
センサの信号をディジタル形式に変換し、コンピュ―タ
のメモリに記憶する。

【００３８】作業の間、上側センサだけから得られた信
号を記憶されている上側センサの信号と比較する。この
比較を行なう時、相関方法の様な多くの方法を利用する
ことが出来る。ある予定の閾値を越えた偏差が起これ
ば、処理部品の調節が必要になることがある。

【００３９】更に、収集されたデ―タから、図２に一番
よく示されている様に、突破時間を計算することが出来
る。具体的に云うと、パルスの合計の持続時間並びに突
破が起った時刻を決定することが出来る。このデ―タ
は、光検出器１０４及び光センサ１１２及び／又は１１
４によって発生された信号から得られる。こうして収集
された情報を使い、一旦突破時間が決定されゝば、制御
コンピュ―タ１２０は、所望の結果が達成される様に、
材料処理作業の調節を行なうことが出来る。

【００４０】図４は光学式監視装置の第２の実施例を示
す。具体的に云うと、図４はレ―ザ源３００と、レ―ザ
源３００及び出力カップラ３０４の間に結合された第１
の光ファイバ３０２とを示している。第２の光ファイバ
３０６が出力カップラ３０４をフィルタ３０８に結合す
る。レ―ザ源３００及びフィルタ３０８がパルス長比較
器３１０に結合される。パルス長比較器は全部ハ―ドウ
エア、ソフトウエア或いはハ―ドウエアとソフトウエア
の組合せで構成することが出来る。パルス長比較器３１
０に対するもう１つの入力が、工作物３１４の下方でそ
れに隣接して配置された光センサ３１２から入る。レ―
ザ源３００の内部又はそれに取付けられた光検出器３１
５が、パルス長比較器３１０に対してもう１つの入力を
供給する。パルス長比較器３１０は第１の出力０１、第
２の出力０２及び第３の出力０３を発生するが、これら
はレ―ザ制御装置、工作物マニピュレ―タ及び表示装置
に夫々結合することが出来る。

【００４１】図５は出力カップラ３０４の更に詳しい図
である。具体的に云うと、動作中、ファイバ３０２がレ
―ザ源３００からの第１の発散ビ―ム３１６を伝達して
放出する。第１のコリメ―ション・レンズ３１８がビ―
ム３１６を遮り、第１の コリメ―ト・ビ―ム３２０を
発生する。ビ―ム３２０がビ―ム拡大レンズ３２２によ
って遮られ、このレンズが第２の発散ビ―ム３２４を放
出する。第２のコリメ―ション・レンズ３２６が発散ビ
―ム３２４を遮る。第２のコリメ―ション・レンズが第
２のコリメ―ト・ビ―ム３２８を放出し、それが殆んど
乱れることがなく、鏡３３０を通過する。鏡３３０は、
４５°で１．０６マイクロメ―タの波長を全部透過する
様に被覆されている。こう云う被覆は周知である。第２
のコリメ―ト・ビ―ムが、この後第１の集束レンズ３３
２によって遮られ、このレンズがビ―ム３３４を工作物
３１４に集束する。集束ビ―ムが工作物３１４と相互作
用する時、プラズマが発生され、発生されたプラズマの
像３３６が鏡３３０に反射される。プラズマの反射像が
第２の鏡３３８に向けられる。鏡３３８がこの像を第２
の集束レンズ３４０へ向ける。レンズ３４０が、フィル
タ３０８へ伝達する為に、光像信号３４２を光ファイバ
３０６に集束する。１本のファイバ３０６の代りにファ
イバ束を利用することが考えられる。更に、レンズ３４
０はいろいろある種類のレンズの内の１つであってよ
く、プラズマの光像信号がファイバに注入される限り、
省略することさえ出来る。

【００４２】図６はフィルタ３０８を更に詳しく示す。
具体的に云うと、フィルタ３０８は、光ファイバ３０６
の出力端から放出され、コリメ―ション・レンズ３４４
が遮った光像信号３４２を入力として受取る。コリメ―
ト・ビ―ム３４６が鏡３４８によって遮られ、この鏡が
ビ―ム３４６を第１の部分３５０と第２の部分３５１に
分割する。鏡３４８は、４５°に配置された時、１．０
６マイクロメ―タの信号だけを反射する様に被覆するこ
とが好ましい。この配置を使うのは、処理ビ―ムの一部
分が工作物から反射されて、出力カップラに向うことが
あるからである。その為、ファイバ３０６によって伝達
された信号の若干が、実際には、ビ―ムによって形成さ
れたプラズマを表わす信号だけではなく、処理信号の若
干の信号をも実際に含むことがある。一般的に、プラズ
マを表わす信号は広帯域信号であり、従って鏡の中を実
質的に乱れがなく、第２の部分３５１として透過する。
第１のビ―ム部分３５０がスパイク形フィルタ３５２に
よって遮られ、このフィルタが１．０６マイクロメ―タ
の波長を持つ光信号だけを透過する。フィルタにかけら
れたビ―ム３５４が集束レンズ３５６へ透過し、このレ
ンズがフィルタにかけたビ―ム３５８を光検出器３６０
に集束する。光検出器３６０が発生する信号がパルスの
持続時間を表わす。

【００４３】第２のビ―ム部分３５１が第２のフィルタ
３６２によって遮られるが、このフィルタはある波長、
例えば１．０６マイクロメ―タ未満の波長の信号だけを
透過する。処理ビ―ムの信号、即ち１．０６マイクロメ
―タの信号を透過しなければ、いろいろな異なるフィル
タ装置を利用することが出来る。フィルタを通ったビ―
ム３６４が集束レンズ３６６によって遮られ、このレン
ズがビ―ム３６８を第２の光検出器３７０に集束する。
光検出器３７０によって発生される信号は、材料処理の
間に発生されるプラズマを表わす。夫々光検出器３６
０，３７０から得られる出力Ｆ１及びＦ２が、更に処理
を行なう為、パルス長比較器３１０に供給される。具体
的に云うと、信号を増幅し、その後ディジタル形式に変
換することが出来る。

【００４４】図４に戻って動作を説明すると、源３００
からのビ―ム出力が光ファイバ３０２を通って出力カッ
プラ３０４へ送られる。図８について説明する様に、こ
の後ビ―ムが工作物３１４に集束される。ビ―ムが工作
物３１４に入射することによって発生されるプラズマが
像信号を作り、これが出力カップラ及び光ファイバ３０
６を介してフィルタ３０８へ送り返される。像信号はプ
ラズマの強度に関する情報を持っている。このプラズマ
の強度は、レ―ザ・ビ―ムの強度の様な処理作業に直接
的な関係を持つ。従って、像信号によって得られるデ―
タを利用して処理を制御することが出来る。

【００４５】突破が起った時、光センサ３１２も信号を
発生し、これがパルス長比較器３１０へ送られる。光検
出器３１５が、全体的なパルス長の持続時間を表わす信
号を発生する。この情報から、突破時間を決定すること
が出来る。突破時間が予想より長いか又は短ければ、更
に望ましい処理結果が達成される様に調節を行なうこと
が出来る。例えば、レ―ザ・ビ―ムのエネルギ又は工作
物に対する出力カップラの相対的な位置を調節すること
が出来る。

【００４６】図４に示す実施例の動作は図１に示す実施
例と同様である。然し、図１に示す光センサ１１２が図
４に示す実施例では、出力カップラ３０４自体の中にあ
るレンズ装置に置換えられている。ある形式では、出力
カップラ３０４内にあるレンズ装置の方が、ドリル加工
の跳ね飛びの汚染に伴う問題をなくし、センサを破片か
ら綺麗に守る為に、好ましいことがある。

【００４７】光学式モニタ装置の第３の実施例が図７に
示されている。この実施例は、コンピュ―タ４０２に結
合されたレ―ザ源４００を含む。鏡４０４及び集束レン
ズ４０６を利用して、レ―ザ源４００からのビ―ム４０
８を光ファイバ４１０に注入する。鏡４０４は１．０６
マイクロメ―タの信号を完全に透過し、従って、ビ―ム
４０８は実質的に乱れがなく、鏡４０４を透過する。光
ファイバ４１０が出力カップラ４１２に結合され、これ
が工作物４１６に対して処理ビ―ム４１４を放出する。
鏡４０４は１．０６マイクロメ―タのフィルタ４１８、
集束レンズ４２０及び光検出器４２２とも整合してい
る。

【００４８】図８に示す様に、出力カップラ４１２が第
１のコリメ―ション・レンズ４２４とビ―ム拡大レンズ
４２６とを含む。第２のコリメ―ション・レンズ４２８
がレンズ４２６と整合しており、集束レンズ４３０がレ
ンズ４２８と整合している。

【００４９】動作について説明すると、源４００から放
出されたビ―ム４０８が、レンズ４０６によってファイ
バ４１０に注入される。ビ―ムが光ファイバによって出
力カップラ４１２まで伝達され、第１の発散ビ―ム４３
２として放出される。ビ―ム４３２がレンズ４２４によ
って遮られ、このレンズが第１のコリメ―ト・ビ―ム４
３４を形成する。第１のコリメ―ト・ビ―ムがビ―ム拡
大レンズ４２６によって遮られる。このレンズは第２の
発散ビ―ム４３６を形成する。レンズ４２８が第２の発
散ビ―ムを遮り、第２のコリメ―ト・ビ―ム４３８を形
成するが、このビ―ムが集束レンズ４３０によって遮ら
れる。集束レンズ４３０がビ―ム４１４を形成し、この
ビ―ムを工作物に集束することが出来る。

【００５０】処理の間、前に説明した様に、プラズマが
発生され、このプラズマの像がカップラ４１２内にある
レンズ装置及び光ファイバを介して送り返される。この
像信号は実質的に広帯域であるが、工作物からのビ―ム
４１４の反射による若干の１．０６マイクロメ―タの信
号を含むことがある。像信号が光ファイバから放出さ
れ、鏡４０４によってフィルタ４１８に反射される。フ
ィルタ４１８を利用して１．０６マイクロメ―タの信号
をことごとく阻止し、プラズマ像による実際の信号だけ
がレンズ４２０によって光検出器４２２に集束される様
にする。従って、検出器４２２からの信号は、処理中に
形成されたプラズマを表わし、この信号を利用して作業
を制御することが出来る。図７には示してないが、上側
及び下側センサ並びにレ―ザ源４００内のセンサも、前
に説明した他の実施例の場合の様に利用することが出来
る。

【００５１】以上の説明から、この発明がレーザによる
材料処理の連続的な監視を行ない、略実時間で作用する
ことは明らからであろう。重要なことは、この発明の何
れの実施例も、レーザによる材料処理の速度を遅くせ
ず、処理作業と略同時に作用することである。更に、こ
の発明の装置によって発生されるデータは、再形成した
層の厚さ及び孔のテーパを含む孔のその他の幾何学的な
性質の表示としても利用することが出来る。例えば、試
験片に対して行なった較正作業の間にデータを収集し、
所望の結果が得られたこう云うデータから、処理中の比
較を行なうことが出来る。所望の信号からの偏差が検出
された場合、処理用の部品に調節を加えることが出来
る。この発明のモニタ装置は、光ファイバの破損又はレ
ーザ・ビーム／レーザ閃光灯の劣化の様に、工作物を突
破したことによらない、プラズマ強度の突然の変化によ
って表わされる装置の他の部品の故障を表示する為にも
利用することが出来る。

【００５２】この発明を特定の実施例について説明した
が、当業者には種々の変更が考えられよう。従って、こ
の発明が特許請求の範囲の記載のみに限定されることを
承知されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学式モニタ装置の第１の実施例の一部分を斜
視図で示したブロック図。

【図２】図１に示す装置によってドリル加工中並びに突
破の時に発生される信号を示すグラフ。

【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、種々の厚さの材料のドリ
ル加工の間並びに突破の時に発生される信号を示すグラ
フ。

【図４】光学式モニタ装置の第２の実施例の一部分を斜
視図で示したブロック図。

【図５】図４に示した出力カップラの詳細図。

【図６】図４に示したフィルタの詳細図。

【図７】光学式モニタ装置の第３の実施例を示す図。

【図８】図７に示した出力カップラの詳細図。

【符号の説明】

１００ レーザ源 １０６ レーザ源駆動用電源 １１２，１１４ 光センサ １１６ 工作物 １１８ データ収集装置 １２０ 制御コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭63−202491（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作物のレーザによるドリル加工処理を
   監視し制御する装置に於て、 該ドリル加工処理を光学的に監視して、該処理を表わす
   処理信号を発生する、工作物の上側監視装置と工作物の
   下側監視装置の少なくとも一方を含む手段（１１２、１
   １４）、 レーザ・パルス持続信号を発生する手段（１０４）、及
   び、 前記処理信号を解釈して、レーザの突破時間を表す出力
   信号を発生し、レーザによるドリル加工処理を制御する
   為に、上記出力信号と上記レーザ・パルス持続信号によ
   りドリル加工された孔に関する孔の寸法を含む幾何学的
   情報を決定するする手段（１２０）を含む装置。