JP3037404B2 - 貫通孔の大きさを測定するための方法と装置 - Google Patents

貫通孔の大きさを測定するための方法と装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工作物にエネルギビーム、特にレーザビー
ムによって形成された高精度の貫通孔の大きさを穿孔中
に測定するための方法であって、各貫通孔が連続する複
数のエネルギパルスによって形成される形式のもの、及
び工作物にエネルギビーム、特にレーザビームによって
形成された高精度の貫通孔の大きさを穿孔中に測定する
ための装置に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願第1790128号公報により工
作物、特に時計石にレーザビームを用いて貫通孔を形成
する方法及び装置は公知であり、この場合に各貫通孔は
連続する複数のパルスを用いて拡大され、パルスの焦点
が孔軸に対して横方向にずらされる。所望の孔直径は、
個別のエネルギパルスの焦点の偏心距離を形成しようと
す貫通孔の孔軸に関連して相応に調節することによっ
て、形成する貫通孔の孔軸に対してリング状に作用する
個別のエネルギパルスによってあらかじめ正確に規定さ
れる。このために有利には焦点を光学的な軸に対して横
方向へずらすための運動可能な光学的な手段を備えた光
学系が用いられる。この公知の方法においては、パルス
の数及び強さが孔直径、工作物厚さ、材料特性、及びほ
かのパラメータに関連して経験的に求められねばならな
い。
前記公知技術に対し、特許請求の範囲第１項に記載の
本発明に基づく方法においては利点として、貫通孔のそ
のつどの大きさが加工過程中に連続的に適当な測定値に
変換され、この測定値がパルス時間若しくはパルス強さ
を制御若しくは調整するため並びにエネルギビームを中
断する若しくはエネルギ源を遮断するために用いられ
る。これによって、所定の大きさの貫通孔を、所定の時
間内で厚さ及び特性の異なる材料に形成することがで
き、この場合エネルギ供給が貫通孔の目標大きさの達成
された際に自動的に中断される。測定値は本発明に基づ
き所定のコスタントな圧力で工作物の穿孔箇所に供給さ
れて貫通孔を流過する流体から求められる。これによっ
てわずかな費用で、溶接、ろう付け、切断若しくはパー
フォレーションにおいて公知であって工作物の反射され
たビームに関連したレーザの出力制御とは逆に、エネル
ギビーム及びエネルギビームの作用に影響されない著し
く正確な結果が得られる。公知の制御出力においてはビ
ームの所定の強さの達成された後にレーザが遮断され若
しくはレーザビームがカバーによって中断される。
特許請求の範囲第２項から第８項に本発明の有利な方
法が記載してある。貫通孔を流過する流体から適当な測
定値を導き出すために、単位時間当たりの流量が貫通孔
の下流側に接続された流量測定器によって検出されかつ
評価される。別の有利な方法では、測定値が流体の穿孔
中に生じる圧力降下に基づいて高感度の圧力センサを用
いて貫通孔のそのつどの大きさの関数として求められ
る。流体は有利にはガス若しくは混合気、若しくは特に
ビーム誘導されたプラズマへ影響を及ぼす保護ガスであ
る。レーザビームを用いて材料を加工する際にビーム出
力が高い場合にはプラズマが形成され、このプラズマは
レーザ光の吸収に基づき工作物へのエネルギ伝達を阻止
する。吸収に重要な役割を果たす電子を無害にするため
に、加工箇所がヘリウム若しくは別の適当な保護ガスで
負荷される。
本発明の方法を実施するために本発明に基づく装置に
おいては、工作物を受容するための圧密に閉鎖可能な圧
力室を設けてあり、圧力室に穿孔箇所を負荷する流体の
ための流入通路及び流出通路が接続されており、圧力室
がビーム源に向いた端部をエネルギビームのための透過
可能な材料から成るカバーによって圧密に閉じられてい
る。本発明の有利な構成では圧力室内に感圧式のセンサ
を配置してあり、センサの出力信号が目標値発信器によ
って生ぜしめられた信号と比較されるようになっている 次ぎに図面を用いて本発明の実施例を具体的に説明す
る。
図面には公知形式のレーザ１を示してあり、レーザは
唯一の波長の平行ビーム束２を生ぜしめる。平行ビーム
束２は垂直な管３を通過している。管はモータで調節可
能な光学的な個別の部材（図示せず）を備えており、こ
の光学的な部材はレーザビームを所定の焦点Ｐに集中さ
せるようになっており、焦点は加工しようとする工作物
４の端部に位置している。実施例では工作物４は面板で
あり、この面板に、集中されたレーザビームを用いて所
定の大きさの貫通孔が形成される。面板状の工作物４は
燃料噴射ノズルの構成部分であって、この場合には高強
度の金属材料若しくはセラミック材料から成っている。
管３は調節可能な光学系を有しており、この光学系を
用いてレーザビームの焦点Ｐが貫通孔の孔軸と合致する
光学的な軸５に対して横に移動させられる。各貫通孔は
密接に束ねられたレーザビームの複数のパルスによって
形成され、レーザビームパルスの直径は加工終了の後の
貫通孔の目標直径よりも小さくなっている。有利には１
つのレーザビームパルス若しくは連続の複数のビームパ
ルスを用いて工作物４の孔面の範囲のに目標直径よりも
小さな直径の中心貫通孔が形成される。次いでこの中心
貫通孔が該中心貫通孔の周囲に沿って目標直径に合わせ
て別のレーザビームパルスをかけることによって拡大さ
れる。個々のビームパルスの焦点は孔軸に対して同心的
に１つの円に若しくは１つの螺旋に沿って順次にずらさ
れる。特に中心貫通孔を形成した後のパルスの焦点は一
様に若しくは孔軸に対して点対称に分配される。必要な
ビームパルスの数及びビームパルスのエネルギは、形成
しようとする孔の直径に応じて種々に選ばれ、この場合
少なくとも加工の開始時にはエネルギの増大したビーム
パルスで加工が行われる。
図面から明らかなように、工作物４のために運動可能
な閉鎖ブロック６内に工作物受容部を設けてあり、工作
物受容部が工作物を垂直方向及び水平方向にレーザビー
ムの軸５に対してセンタリングして固定する。工作物受
容部は閉鎖ブロック６内に形成された垂直貫通孔７及び
この垂直貫通孔７内に固定されたスリーブ８の端面によ
って構成されており、この場合垂直貫通孔の直径は工作
物４の外径に合わせられている。
閉鎖ブロック６は装入装置と閉鎖位置との間で垂直方
向に運動可能に配置されている。閉鎖ブロックの装入位
置では、貫通孔の形成されていない工作物４が上側から
工作物受容部7,8内に装入される。閉鎖位置では閉鎖ブ
ロック６が定置のブロック９の下面に接触していて、ブ
ロック内に形成された圧力室10を圧密に閉鎖している。
圧力室10は実施例では垂直貫通孔７及び光学的な軸５
に対して同心的に延びる垂直孔から成っており、この垂
直孔は管３に向いた端部をレーザビームの通過可能な材
料から成る窓11によって圧密に閉じられている。このた
めにブロックにねじ結合可能な圧力リング12を設けてあ
り、この圧力リングが窓11を部分的にブロック９内に埋
め込まれたシールリング13に圧着している。
圧力室10は逆の側からそのつど工作物受容部7,8内に
存在する工作物４によって閉じられており、工作物は閉
鎖ブロック６の閉鎖位置では、中央に開口15を備えかつ
定置のブロック９にねじ固定されたシールプレート14に
圧着されている。
ブロック９は、圧力室10内に開口する２つの横孔16,1
7を有している。上側の横孔16には圧力発生機（図示せ
ず）、例えばポンプを接続してあり、この圧力発生機は
流体、特に保護ガスを圧力室10内に供給する。圧力室と
圧力発生機との間に配置された減少弁18が圧力室内へ流
入する流体の圧力を所定のコンスタントな値に維持す
る。
横孔17内には圧力センサ19を配置してあり、この圧力
センサがそのつどの圧力室・充填圧力を検出する。圧力
センサ19の出力信号の実際値がコンパレータ20に供給さ
れるようになっており、コンパレータが目標値発信器21
に接続されている。実際値と目標値との差信号が導線22
を介してレーザ１に配属された制御切換回路23に記憶さ
れる。
前述の装置の作業形式は次の通りである： 圧力室10が閉じられかつ未加工の工作物４が装着され
ている場合に、圧力発生機を接続した後に減少弁18及び
横孔16を介して流体、特に保護ガスが圧力室10内に流入
する。減少弁18が圧力室10内へ流入する流体の単位時間
当たりの流量をコンスタントに保ち、かつ圧力室内の所
定の充填圧力に達すると流体の流入を遮断する。
次いでレーザ１が接続され、工作物４内に連続的に複
数のエネルギーパルスをかけることによって正確に規定
された大きさの貫通孔が形成される。このために最初の
ビームパルス若しくは連続的なビームパルスを用いて目
標直径よりも直径の小さい中心貫通孔を形成して、次い
でこの中心貫通孔が焦点を管３の適当な調節によって孔
軸に対して横方向へずらされる別のレーザパルスを用い
て目標大きさに拡大されるようになっている。このよう
な処置形式及びこれに必要な手段はドイツ連邦共和国特
許出願公開第197128号公報に記載されている。
工作物４が穿孔されると、圧力室10内の圧力降下が生
じる。それというのは減少弁18を介して供給される流体
量が工作物に形成された貫通孔及びスリーブ８を介して
逃がされる流体量よりも小さいからである。圧力降下
は、貫通孔の大きさの増大に伴って著しくなる。圧力降
下は圧力センサ19によって検出され、電気信号としてコ
ンパレータ20に伝えられる。貫通孔の拡大に伴って圧力
センサからの電気信号の値が目標値発信器21によってコ
ンパレータ20内に記憶されている信号の値に近付く。両
方の信号の差が所定の値０になると、レーザ１が制御切
換回路23を介して遮断される。
圧力センサ19によって圧力室内の圧力降下の関数とし
て生ぜしめられる信号を連続的に若しくは時間的な間隔
を置いて目標値発信器21の目標値信号と比較し、穿孔過
程中にパルスエネルギを強める若しくは弱めてレーザ出
力を調整することも可能である。このことは例えば、厚
さ若しくは材料特性の異なる工作物を順次に加工したい
場合に行なわれる。
正圧を用いて加工する代わりに、横孔16に接続された
適当なポンプによって圧力室10内に所定の大きさの負圧
が生ぜしめられてもよい。圧力室内の負圧はスリーブ18
の周囲の圧力に対して降下する。圧力降下はセンサによ
って検出され、出力制御若しくはレーザビーム中断のた
めの回路装置を介して評価される。
貫通孔のそのつどの大きさの評価可能な測定値は選択
的に流体の単位時間当たりの流量によって得られる。こ
のために圧力室10内に流量測定器24を配置してあり、流
量測定器は出力側でレーザ１の調整回路23に接続されて
いる。流量測定器は流体の正圧に基づく圧力室からの流
体の流出量を検出するように若しくは流体の負圧に基づ
く圧力室内への周囲空気の流入量を検出するように構成
されている。重要なことは。所定のコンスタントな圧力
で工作物の穿孔箇所に供給され貫通孔を通過する流体の
流量を検出することである。
流体としては有利には保護ガス、例えばヘリウムが用
いられ、イオンと電子との再結合が高められて、プラズ
マ内の電子密度が減少せしめられる。このようなプラズ
マは周知のように放射エネルギの一部を吸収してかつ工
作物を発生するレーザビームに対して遮蔽する、遮蔽は
プラズマが工作物表面から分離することによって行われ
る。プラズマの遮蔽作用は、貫流する残留ビームが工作
物において熔融若しくは蒸発過程を維持しておくために
は十分でない程度に大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例の概略的な断面図である。 １……レーザ、２……平行ビーム束、３……管、４……
工作物、５……軸、６……閉鎖ブロック、７……垂直貫
通孔、８……スリーブ、９……ブロック、10……圧力
室、13……シールリング、14……シールプレート、15…
…開口、16及び17……横孔、18……減少弁、19……圧力
センサ、20……コンパレータ、21……目標値発信器、22
……導線、23……制御切換装置、24……流量測定器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 13/10 B23K 26/00

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】工作物にエネルギビームによって形成され
    た高精度の貫通孔の大きさを穿孔中に測定する方法であ
    って、各貫通孔が連続する複数のエネルギパルスによっ
    て形成される形式のものにおいて、流体を工作物（４）
    の穿孔箇所に供給して、貫通孔の穿孔中に生じる圧力降
    下を、貫通孔のそのつどの直径の関数として測定して評
    価し、穿孔中の前記圧力降下を目標値と比較して、これ
    によって生ぜしめられた所定の大きさの差信号をエネル
    ギビームの中断のために用いることを特徴とする、貫通
    孔の大きさを測定するための方法。
  2. 【請求項２】所定のコンスタントな圧力で工作物（４）
    の穿孔箇所に供給される流体の単位時間当たりの流量か
    ら測定値を、そのつどの大きさの関数として取り出す請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】貫通孔の穿孔中に生じる圧力降下に基づき
    測定値を貫通孔のそのつどの大きさの関数として取り出
    す請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】流体としてガス若しくは混合気を用いる請
    求項１から３のいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】ガスとしてビーム誘導されたプラズマへ影
    響を及ぼすための保護ガスを用いる請求項４記載の方
    法。
  6. 【請求項６】工作物（４）の穿孔箇所の範囲に所定のコ
    ンスタントな正圧を生ぜしめる請求項１から５のいずれ
    か１項記載の方法。
  7. 【請求項７】工作物（４）の穿孔箇所の範囲に所定のコ
    ンスタントな負圧を生ぜしめる請求項１から４のいずれ
    か１項記載の方法。
  8. 【請求項８】穿孔中の圧力降下を所定の時間間隔で複数
    回、大きさの異なる目標値と比較し、これによって生ぜ
    しめられた差信号をエネルギビームの出力制御のために
    評価する請求項６又は７記載の方法。
  9. 【請求項９】工作物にエネルギビームによって形成され
    た高精度の貫通孔の大きさを穿孔中に測定するための装
    置において、工作物（４）のための圧密に閉鎖可能な圧
    力室（10）を設けてあり、圧力室に穿孔箇所を負荷する
    流体のための流入通路（16）及び流出通路（17）が接続
    されており、圧力室がビーム源に向いた端部をエネルギ
    ビームのための透過可能な材料から成る窓（11）によっ
    て圧密に閉じられていることを特徴とする、貫通孔の大
    きさを測定するための装置。
  10. 【請求項１０】圧力室（10）が窓（11）と逆の側を、加
    工しようとする工作物（４）によって圧密に閉鎖可能で
    ある請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】工作物受容部（7,8）が運動可能な閉鎖
    ブロック（６）内に設けられており、閉鎖ブロックが工
    作物（４）の装着の後に圧力室（10）の窓（11）と逆の
    側に接触されて圧力室を圧密に閉鎖するようになってい
    る請求項９又は10記載の装置。
  12. 【請求項１２】圧力室（10）が内実の材料から成るブロ
    ック（９）の孔として形成されており、該ブロックが流
    体を供給するための別の少なくとも１つの孔（16）を有
    している請求項９から11のいずれか１項記載の装置。
  13. 【請求項１３】圧力室（10）内に感圧式のセンサ（19）
    を配置してあり、センサの出力信号が目標値発信器（2
    1）によって生ぜしめられた信号と比較されるようにな
    っている請求項９から12のいずれか１項記載の装置。
  14. 【請求項１４】閉鎖ブロック（６）の孔（７）内に工作
    物（４）の貫通孔を流過する流体の量を検出する流量測
    定器（24）を配置してあり、流量測定器の出力信号がレ
    ーザ（１）を制御若しくは遮断するために評価されるよ
    うになっている請求項11又は12記載の装置。
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