KR101870730B1 - 레이저 가공 장치, 레이저 가공 방법 및 거리 측정 방법 - Google Patents
레이저 가공 장치, 레이저 가공 방법 및 거리 측정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 수류와 병용한 레이저 피닝에 있어서도, 안정되게 가공점과 기준 위치 간의 거리의 측정을 가능하게 하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시형태에 따르면, 레이저 가공 장치(100)는, 레이저광(11a)을 발하는 레이저광원(11)과, 표면 경화 처리의 대상으로 하는 피가공 부재(1)에 레이저광(11a)을 집광하는 집광부(12)와, 피가공 부재(1)의 가공 표면에 수류(5a)를 공급하는 수류 전송부(5)와, 수류 전송부(5) 및 집광부(12) 중 적어도 어느 하나에 대해서 소정의 상대 위치에 설치되고 가공 표면으로부터의 음향을 수신하는 음향 센서(10)와, 기준으로 되는 타이밍으로부터 음향 센서(10)가 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 시간폭 취득부(31)와, 측정 시간폭에 의거해서, 수류 전송부(5) 및 집광부(12) 중 적어도 어느 하나로부터 가공 표면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부(32)를 갖는다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시형태에 따르면, 레이저 가공 장치(100)는, 레이저광(11a)을 발하는 레이저광원(11)과, 표면 경화 처리의 대상으로 하는 피가공 부재(1)에 레이저광(11a)을 집광하는 집광부(12)와, 피가공 부재(1)의 가공 표면에 수류(5a)를 공급하는 수류 전송부(5)와, 수류 전송부(5) 및 집광부(12) 중 적어도 어느 하나에 대해서 소정의 상대 위치에 설치되고 가공 표면으로부터의 음향을 수신하는 음향 센서(10)와, 기준으로 되는 타이밍으로부터 음향 센서(10)가 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 시간폭 취득부(31)와, 측정 시간폭에 의거해서, 수류 전송부(5) 및 집광부(12) 중 적어도 어느 하나로부터 가공 표면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부(32)를 갖는다.
Description
본 발명의 실시형태는, 레이저 가공 장치, 레이저 가공 방법 및 거리 측정 방법에 관한 것이다.
원자력 발전소 등 높은 안전성이 요구되는 플랜트에 있어서는, 정기 점검 시에, 자동 기기를 이용하여, 노(爐) 내 기기 등 인간이 액세스 곤란한 기기에 액세스하여, 검사나 표면 개질(改質), 보수와 같은 각종 보전 시공이 이루어지고 있다. 그 중에서도, 용접부에 잔류해 있는 인장 응력에 기인한 SCC(Stress Corrosion Cracking)에 대한 대책으로서, 그 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 레이저 피닝 방법 및 장치가 개발되어 있다.
도 48은, 레이저 피닝의 원리를 나타내는 개념도이다. 펄스폭 수 ns 정도의 레이저광(11a)을, 집광부(12)에 의해 직경 1㎜ 정도의 스폿에 집광해서 피가공 부재(1)에 조사하면, 피가공 부재(1)의 표면이 에너지를 흡수해서 플라스마화된다. 플라스마(4)의 주위가 레이저광의 파장에 대해서 투명한 액체(6)에 의해 덮여 있을 경우, 플라스마(4)의 팽창이 방지되어 플라스마(4)의 내부 압력은 수 GPa 정도에 도달하여, 피가공 부재(1)에 충격을 가한다. 그때에 강력한 충격파(7)가 피가공 부재(1) 및 액체(6)에 발생한다. 충격파(7)는, 피가공 부재(1)의 내부에 전파하여, 소성(塑性) 변형을 일으켜, 가공점(2)의 영역에 있어서의 잔류 응력을 압축 상태로 바꾼다.
레이저 피닝은, 쇼트 피닝이나 워터젯 피닝, 초음파 쇼트 피닝 등과 같은 다른 피닝 기술과 비교해서, 가공 경화의 재료 강도 의존성이 작아, 피가공 부재(1)의 표면으로부터 1㎜ 정도의 판 두께 방향의 내부까지 이른다. 또한, 가공 시의 반력(反力)이 없기 때문에 가공 장치의 소형화가 용이하고, 협애부(狹隘部)의 가공성이 우수하다. 예를 들면 관 내경이 작은 대상물에 대해서도 시공 가능한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법이 개발되어 있다.
일반적으로 레이저 피닝은, 플라스마 응력 구속 효과를 얻기 위해, 피가공 부재(1)를 액체(6) 중에 설치하거나, 도장을 실시하거나 할 필요가 있었다. 그 때문에, 시공 환경의 한정이나 수순의 번잡화 등이 문제로 되어 있었지만, 기중(氣中) 환경에서도 레이저 피닝을 가능하게 하는 바와 같은 기술도 개발되어 가고 있다. 이것은, 피가공 부재(1)에 수류를 분사하고, 그 중에 레이저를 전송시킴으로써 광로와 가공점의 국소적 수밀화(水密化)를 실현하는 것으로, 레이저 피닝의 적용 범위를 크게 확대시킬 가능성을 갖고 있다.
레이저 피닝에 의해서 충분한 응력 개선 효과를 얻기 위해서는, 레이저광(11a)을 피가공 부재(1)에 조사했을 때에, 필요한 에너지의 충격파(7)를 발생시키기 위해서는, 조사 표면에서의 에너지의 밀도를 확보하기 위하여, 스폿 직경이 너무 커지지 않도록, 스폿 직경을 어느 크기의 범위로 제어할 필요가 있다. 이것은, 액중(液中)에서 행할 경우, 도장의 경우 및 수류 분사의 경우에 공통의 사항이다.
레이저광(11a)의 스폿 직경은, 레이저 조사 헤드에 설치된 집광부(12)로부터, 피가공 부재(1)까지의 거리에 의존해서 변화한다. 따라서, 이 거리를 소정의 값으로 되도록 제어할 필요가 있다. 이를 위해서는, 레이저광(11a)이 조사된 위치 즉 피가공 부재(1)의 표면과, 기준으로 하는 위치(예를 들면 집광부, 광학 헤드 단부면 또는 노즐 선단 등) 사이의 거리를 정확하게 계측할 필요가 있다.
거리의 계측으로서는, 예를 들면, 가공점에서 발생하는 충격파를 음향 센서에 의해 계측함으로써, 레이저광원으로부터 얻어지는 트리거를 시점, 충격파가 도달하는 시간을 종점으로 했을 때의 시간폭으로부터, 가공점과 음향 센서의 거리를 산출하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 이 기술은, 적어도 가공점으로부터 음향 센서 사이가 연속적인 액체로 채워져 있는 것을 전제로 한 기술이다. 수류와 병용한 레이저 피닝에서는, 액중에 존재하는 가공점을 음원(音源)으로 하고, 충격파는 액중을 전파하고, 기액(氣液) 계면을 통해서 액중으로부터 기중에 투과하고, 기중을 전파하여 음향 센서에 도달한다는 경로를 밟는다.
액중과 기중에서는 음속이 크게 서로 다른 것 외에, 수류에서는 가공점에 발생하는 액막의 두께가 변동되기 때문에, 그 변동이 거리 측정 오차로 된다. 또한, 수류에서 발생하는 액체 비말이 음향 센서에 부착되었을 경우에 그것이 측정 거리 오차로서 나타나는 경우가 있다. 또한, 일반적인 계측 기술로서 레이저 거리계나 카메라의 스테레오스코피 등을 들 수 있지만, 비말에 의해서 광학적인 패스가 차단되거나 또는 변형되기 때문에, 실질적으로 계측은 불가능하다. 이와 같이, 수류와 병용한 레이저 피닝의 경우에는, 단순한 충격파의 시간 계측이나, 광학적 수단에서는, 가공점과 음향 센서의 거리를 측정할 수 없다.
그래서, 본 발명의 실시형태는, 예를 들면 수류와 병용한 레이저 피닝에 있어서도, 안정되게 가공점과 기준 위치 간의 거리의 측정을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 실시형태에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저광을 발하는 레이저광원과, 표면 경화 처리의 대상으로 하는 피가공 부재에 상기 레이저광을 집광하는 집광부와, 상기 피가공 부재의 가공 표면에 수류를 공급하는 수류 전송부와, 상기 수류 전송부 및 상기 집광부 중 적어도 어느 하나에 대해서 소정의 상대 위치에 설치되고, 상기 가공 표면으로부터의 음향을 수신하는 음향 센서와, 기준으로 되는 타이밍으로부터 상기 음향 센서가 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 시간폭 취득부와, 상기 측정 시간폭에 의거해서, 상기 수류 전송부 및 상기 집광부 중 적어도 어느 하나로부터 상기 가공 표면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 레이저 가공 방법은, 기지(旣知)의 기준 거리에 레이저광 조사 장치에 의해 레이저광 조사를 행하고 나서 당해 레이저광 조사에 의해 발생하는 음향을 수신하기까지의 기준 측정 시간폭을 취득하는 기준 측정 스텝과, 시공 대상의 복수의 시공 대상 개소 중 어느 하나를 조사 대상 개소로 설정해서 상기 레이저광 조사 장치에 의해 상기 레이저광 조사를 행함과 함께, 당해 레이저광 조사로부터 당해 레이저광 조사에 의해 발생하는 상기 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 조사 스텝과, 상기 기준 거리, 및 상기 조사 스텝에 있어서 취득한 측정 시간폭과 상기 기준 측정 시간폭의 차이에 의거해서 상기 레이저광 조사 장치와 상기 조사 대상 개소의 거리를 산출하는 거리 산출 스텝을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 거리 측정 방법은, 시간폭 취득부가, 기지의 기준 거리에 대하여 기준 측정 시간폭을 취득하는 기준 측정 스텝과, 레이저광 조사 장치에 의해 레이저광 조사를 행하고 상기 시간폭 취득부가 측정 시간폭을 취득하는 조사 스텝과, 상기 기준 거리, 및 상기 조사 스텝에 있어서 취득한 측정 시간폭과 상기 기준 측정 시간폭의 차이에 의거해서 상기 레이저광 조사 장치와 상기 레이저광 조사의 조사점의 거리를 산출하는 거리 산출 스텝을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 예를 들면 수류와 병용한 레이저 피닝에 있어서도, 안정되게 가공점과 기준 위치 간의 거리의 측정이 가능해진다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 수류 전송부 주위의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 3은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 집광 거리 조정부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 4는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 이동 구동부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 5는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 이동 구동부의 변형예를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 6은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도.
도 7은 시간폭 연산의 기준점의 설정을 설명하는 개념적 그래프이며, (a)는 바람직하지 않은 예, (b)는 바람직한 예를 나타냄.
도 8은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념적 그래프.
도 9는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념도.
도 10은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 방법의 수순을 나타내는 블록도.
도 11은 피가공 부재의 가공점과의 거리가 변화한 경우를 나타내는 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도이며, (a)는 변화 전의 신호, (b)는 변화 후의 신호.
도 12는 제2 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 13은 제3 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 14는 제3 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 의한 시공 거리의 측정을 설명하기 위한 개념적 입단면도.
도 15는 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 16은 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 17은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 젖음성이 낮은 표면 처리가 실시된 음향 감지부를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 18은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 젖음성이 높은 표면 처리가 실시된 음향 감지부를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 19는 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 전체적으로 볼록부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 20은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 복수의 볼록부를 포함하는 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 21은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 전체적으로 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 22는 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 복수의 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 23은 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 24는 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 구성을 나타내는 종단면도.
도 25는 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 효과를 설명하는 그래프.
도 26은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 27은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향 센서의 부착 상태의 제1 변형예를 설명하는 입단면도.
도 28은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향 센서의 부착 상태의 제2 변형예를 설명하는 입단면도.
도 29는 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향의 제1 전달 경로를 설명하는 입단면도.
도 30은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향의 제2 전달 경로를 설명하는 입단면도.
도 31은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도.
도 32는 음향 슈를 수평 방향을 축으로 하는 원기둥 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 33의 ⅩⅩⅩⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 33은 음향 슈를 원통 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 34는 음향 슈를 평판 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 35의 ⅩⅩⅩⅠⅤ-ⅩⅩⅩⅠⅤ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 35는 음향 슈를 평판 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 36은 음향 슈를 테이퍼 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 37의 ⅩⅩⅩⅤⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅤⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 37은 음향 슈를 테이퍼 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 38은 음향 슈를 콘 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 39의 ⅩⅩⅩⅠⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅠⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 39는 음향 슈를 콘 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 40은 음향 슈를 회전 반타원체 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 41의 ⅩL-ⅩL 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 41은 음향 슈를 회전 반타원체 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 42는 기울인 음향 센서를 이용한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 43의 ⅩLⅠⅠ-ⅩLⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 43은 기울인 음향 슈를 이용한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 44는 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 45는 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 46은 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 정류자의 구성을 나타내는 개념적 사시도.
도 47은 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 다른 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 48은 종래의 레이저 피닝의 원리를 나타내는 설명도.
도 2는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 수류 전송부 주위의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 3은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 집광 거리 조정부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 4는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 이동 구동부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 5는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 이동 구동부의 변형예를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 6은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도.
도 7은 시간폭 연산의 기준점의 설정을 설명하는 개념적 그래프이며, (a)는 바람직하지 않은 예, (b)는 바람직한 예를 나타냄.
도 8은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념적 그래프.
도 9는 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념도.
도 10은 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 방법의 수순을 나타내는 블록도.
도 11은 피가공 부재의 가공점과의 거리가 변화한 경우를 나타내는 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도이며, (a)는 변화 전의 신호, (b)는 변화 후의 신호.
도 12는 제2 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 13은 제3 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 14는 제3 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 의한 시공 거리의 측정을 설명하기 위한 개념적 입단면도.
도 15는 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 16은 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 17은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 젖음성이 낮은 표면 처리가 실시된 음향 감지부를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 18은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 젖음성이 높은 표면 처리가 실시된 음향 감지부를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 19는 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 전체적으로 볼록부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 20은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 복수의 볼록부를 포함하는 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 21은 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 전체적으로 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 22는 제5 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서 음향 센서가, 외표면에 복수의 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 23은 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 24는 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 구성을 나타내는 종단면도.
도 25는 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 효과를 설명하는 그래프.
도 26은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 27은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향 센서의 부착 상태의 제1 변형예를 설명하는 입단면도.
도 28은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향 센서의 부착 상태의 제2 변형예를 설명하는 입단면도.
도 29는 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향의 제1 전달 경로를 설명하는 입단면도.
도 30은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서의 음향의 제2 전달 경로를 설명하는 입단면도.
도 31은 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도.
도 32는 음향 슈를 수평 방향을 축으로 하는 원기둥 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 33의 ⅩⅩⅩⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 33은 음향 슈를 원통 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 34는 음향 슈를 평판 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 35의 ⅩⅩⅩⅠⅤ-ⅩⅩⅩⅠⅤ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 35는 음향 슈를 평판 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 36은 음향 슈를 테이퍼 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 37의 ⅩⅩⅩⅤⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅤⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 37은 음향 슈를 테이퍼 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 38은 음향 슈를 콘 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 39의 ⅩⅩⅩⅠⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅠⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 39는 음향 슈를 콘 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 40은 음향 슈를 회전 반타원체 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 41의 ⅩL-ⅩL 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 41은 음향 슈를 회전 반타원체 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 42는 기울인 음향 센서를 이용한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 43의 ⅩLⅠⅠ-ⅩLⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도.
도 43은 기울인 음향 슈를 이용한 경우의 설치 상태를 나타내는 평단면도.
도 44는 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 45는 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 46은 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 정류자의 구성을 나타내는 개념적 사시도.
도 47은 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 다른 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도.
도 48은 종래의 레이저 피닝의 원리를 나타내는 설명도.
이하, 도면을 참조해서, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치, 레이저 가공 방법 및 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 여기에서, 서로 동일 또는 유사한 부분에는, 공통의 부호를 부여해서, 중복 설명은 생략한다.
[제1 실시형태]
도 1은, 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)(100)는, 공기 분위기 등의 기체 분위기 중의 피가공 부재(1)에 레이저를 조사해서 표면 경화 처리를 실시한다. 레이저 조사는, 각각, 시공 대상인 피가공 부재(1)에 정해진 복수의 시공 대상 개소 중 어느 하나를 조사 대상 개소로 선정해서 행한다. 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)(100)는, 레이저광원(11), 수류원(21), 수류 전송부(5), 연산부(30), 제어부(40), 음향 센서(10), 집광 거리 조정부(50)(도 3), 및 이동 구동부(90)(도 4, 도 5)를 갖는다. 수류 전송부(5)에는, 피가공 부재(1)에 조사되는 레이저광(11a)을 수속(收束)시키기 위한 집광부(12)가 부착되어 있다.
레이저광원(11)은, 레이저광을 발한다. 여기에서 레이저광은, 예를 들면 Nd:YAG 레이저, CO2 레이저, Er:YAG 레이저, 티타늄사파이어 레이저, 알렉산드라이트 레이저, 루비 레이저, 파이버 레이저, 색소(다이) 레이저 및 엑시머 레이저 등을 들 수 있고, 이 이외의 레이저광원에서도, 피가공 부재에 필요한 에너지를 부여할 수 있는 것이면 다른 레이저여도 된다. 레이저광원(11)은, 연속파의 발생 또는 펄스파의 발생 중 어느 방식이어도 된다. 또한, 복수 대로부터 피가공 부재(1)의 동일 개소에 공급해도 된다.
집광부(12)는, 레이저광을 피가공 부재(1)의 가공 표면에 있어서의 가공점(2)에 집광시킨다. 집광부(12)는, 예를 들면, 단독의 볼록 렌즈, 또는 2개 이상의 볼록 렌즈 혹은 그 밖의 렌즈와의 조합이어도 된다. 또한, 볼록 렌즈는 평볼록 렌즈, 양볼록 렌즈 또는 비구면 렌즈여도 된다. 또는, 그 밖의 렌즈로서는, 평오목 렌즈, 양오목 렌즈, 실린드리컬 렌즈 등이어도 된다. 혹은, 집광부(12)는, 오목 거울을 이용해도 된다.
집광부(12)까지 레이저광을 전송하는 수단으로서는, 미러나 렌즈에 의한 공간 전송, 파이버에 의한 파이버 전송, 또는 그 조합 등을 생각할 수 있다. 레이저광의 프로파일 균일화를 위하여 호모지나이저나 애퍼츄어 등을 이용해도 된다. 또한, 강도 조정을 위하여, λ/2 파장판이나, 폴라라이저, 빔 스플리터, 하프 미러 등을 이용해도 된다. 또한, 이상에 기술한 각각의 광학계 요소는, 레이저의 파장에 따라서 반사율이나 투과율을 변화시키는 코팅이 되어 있어도 된다.
수류원(21)은, 피가공 부재(1)에 레이저광(11a)이 조사되고 있는 동안, 피가공 부재(1)의 표면에 부분적인 액중 환경을 발생시키기 위한 수류를 형성하기 위하여 물을 공급한다. 수류원(21)은, 예를 들면, 수압원으로부터 온오프 밸브를 개재시키는 방식이어도 된다. 또는, 피스톤에 의한 공급원에서 피스톤을 이동시키는 방식이어도 된다.
수류 전송부(5)는, 통 형상이며, 상류측은, 수류원(21)에 접속되고, 출구측은 개방되어 있다. 수류 전송부(5)는, 기포를 끌어들이지 않고 피가공 부재(1)까지 수류를 유도하여, 피가공 부재(1)에 액체를 분사한다. 또한, 수류 전송부(5)에는 집광부(12)가 부착되어 있지만, 수류 전송부(5)의 출구에서의 수류의 영향을 받지 않도록, 집광부(12)는, 출구로부터 소정의 거리 이상, 상류에 부착되어 있다.
여기에서 이용하는 액체는, 공기 중에서 발화하지 않고, 레이저광의 전파를 저해하지 않는 특성을 갖는 것, 예를 들면, 순수나 수돗물, 붕산수 등의 수용액을 사용할 수 있다. 이때, 모든 파장에 대해서 투명한 액체는 한정되기 때문에, 액체와 레이저광의 파장의 상성 즉 투과율의 크기를 고려해서 각각을 선택할 필요가 있다. 감쇠율이 어느 정도 높아도, 소정의 거리를 전파한 후에 충분한 강도가 얻어지는 조합이면, 그것을 사용할 수 있다. 또한, 수류의 주위를 불활성 가스 분위기로 함으로써, 공기 중에서 발화성이 있는 액체, 예를 들면, 알코올류나 유류 등도 사용 가능하다.
여기에서는 대표예로서, 분위기를 공기, 액체를 일반적인 수돗물로 한 경우를 상정한다. 여기에서는, 레이저광과 수류가 같은 축인 경우를 나타내고 있지만, 피가공 부재(1)의 가공점(2)에서 부분적인 수막이 얻어지는 것이면, 수류와 레이저광은 다른 축이어도 된다. 여기에서, 가공점(2)은, 피가공 부재(1)의 표면에서, 레이저광의 조사마다 가공 대상으로 되는 부분을 말하는 것으로 한다.
음향 센서(10)는, 수류 전송부(5)와의 상대적인 위치 관계가 일정하게 되도록, 예를 들면 수류 전송부(5)에 고정되어 있고, 피가공 부재(1)의 가공점(2)에서 발생한 충격파를 음파(음향)로서 검출 가능하게 구성된다. 음향 센서(10)는, 음파를 받아서 검출하는 부분 즉 음향 감지부(10a)가 피가공 부재(1)측을 향하는 방향으로 부착되어 있다. 음향 센서(10)의 출력은, 연산부(30)에 입력된다.
음향 센서(10)는, 일반적인 압전 소자를 이용한 공중 초음파 계측용의 탐촉자이다. 단, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 방수 스피커, 다이어프램면에 레이저를 조사하는 진동계 등, 측정하고 싶은 충격파의 대역을 수신할 수 있는 센서이면, 음향 센서(10)로서 사용할 수 있다. 또, 수류 전송부(5)에 대한 상대 위치를 미리 정한 소정의 위치로 설정할 수 있는 경우, 음향 센서(10)를 수류 전송부(5) 이외의 부재에 고정하는 것도 가능하다.
연산부(30)는, 시간폭 취득부(31) 및 거리 산출부(32)를 갖는다.
시간폭 취득부(31)는, 어느 기준 시각 Ti로부터 피가공 부재(1)의 가공점(2)에서 발생한 충격파가 음향 센서(10)에 도달하는 시각 Te까지의 시간폭 Tw를 취득한다. 시간폭 취득부(31)는, 음향 센서(10)로부터 얻은 아날로그 신호를 디지털화하는 수단을 갖고 있고, 일반적으로 디지털 오실로스코프라 호칭되는 계측기나, AD 변환기가 포함된 퍼스널컴퓨터, 또는 그것과 유사한 전용 장치와 접속한 퍼스널컴퓨터, 및 그들의 조합이어도 된다. 시간폭 취득부(31)는, 레이저광(11a)을 발진하는 레이저광원(11)이나, 수류 형성에 필요한 수압을 발생시키는 수류원(21)과 접속하여, 서로의 신호를 주고 받을 수도 있다.
거리 산출부(32)는, 시간폭 취득부(31)가 측정한 전파 시간에 의거해서, 가공점(2)과 음향 센서(10) 사이의 거리를 산출한다. 여기에서, 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)(100)의 대표 개소, 예를 들면 수류 전송부(5)의 선단과, 목적으로 하는 가공점(2) 사이의 거리를, 시공 거리라 하고 시공 거리 Do로 표시하는 것으로 한다. 또한, 가공점(2)과 음향 센서(10)의 음향 감지부(10a) 사이의 거리를 전파 거리라 하고 전파 거리 Dp로 표시하는 것으로 한다. 또한, 집광부(12)와 가공점(2) 사이의 거리를 집광 거리라 하고 집광 거리 Df로 표시하는 것으로 한다. 전파 거리 Dp나 집광 거리 Df를 측정 또는 산출함으로써, 레이저광 조사 장치인 레이저 가공 장치(100)와 가공점(2) 사이의 거리(시공 거리 Do)를 얻을 수 있다.
제어부(40)는, 레이저광원(11), 수류원(21), 수류 전송부(5), 연산부(30), 집광 거리 조정부(50)(도 3 참조) 및 이동 구동부(90)(도 4 참조)와 신호의 수수를 행하고 이들 각 부 상호 간의 협조를 취하지만, 레이저광원(11), 수류원(21), 연산부(30), 집광 거리 조정부(50) 및 이동 구동부(90)는, 각각 단독으로 출력 등의 설정값이나 ON/OFF를 조정할 수도 있다.
도 2는, 수류 전송부 주위의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 피가공 부재(1)는, 수류 전송부(5)의 연직 상방에 있고, 수류(5a)는, 연직 상방을 향하고 있다. 또, 실시형태는, 피가공 부재(1)는, 수류 전송부(5)의 연직 상방에 있는 경우를 나타내고 있지만, 이것으로 한정되지는 않는다. 즉, 피가공 부재(1)는, 수류 전송부(5)의 가로 방향에 있어도 되고, 또는, 연직 하방에 있는 경우여도 된다.
수류 전송부(5)로부터 피가공 부재(1)를 향하는 수류(5a) 중에서, 레이저광(11a)도 같은 방향을 향하고 있다. 레이저광(11a)은, 수류 전송부(5) 중에 설치된 집광부(12)에 의해 피가공 부재(1)를 향해서 수속된다. 가공점(2)에 있어서의 레이저광(11a)의 조사 밀도를 소정의 값 이상으로 하는데는, 집광부(12)의 위치와 가공점(2) 사이의 집광 거리 Df를, F-ΔF＜Df＜F+ΔF라는 조건을 충족시키게 할, 즉 소정의 범위 내로 할 필요가 있다. 단, F는 초점 거리, ΔF는 소정의 폭이다. 또, 적절한 위치에 집광부(12)를 배치하기 위하여, 집광 거리 Df는, 후술하는 집광 거리 조정부(50)에 의해 조정 가능하게 구성되어 있다.
이 때문에, 집광 거리 Df 그 자체, 또는, 집광 거리 Df를 산출 가능한 거리를 측정할 필요가 있다. 음향 센서(10)는, 레이저광(11a)이 가공점(2)에 도달했을 때에 발생하는 충격파를 검출한다.
도 3은, 집광 거리 조정부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 집광 거리 조정부(50)는, 집광부(12)의 광축 방향의 위치를 조정한다. 집광부(12)와 피가공 부재(1)의 거리를 적절한 범위로 유지하기 위하여, 집광 거리 조정부(50)를 이용하여 조정 가능하게 구성되어 있다. 이때, 미리 측정한 피가공 부재(1)의 형상과 집광부(12)의 위치 관계로부터 조정 거리를 예측해도 되고, 실측된 전파 거리 Dp나 집광 거리 Df의 결과를 피드백해서 각각이 최적인 거리로 되도록, 순차 조정해도 된다.
도 4는, 이동 구동부를 포함한 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 이동 구동부(90)는, 구속부(91), 암(92), 관절(93), 및 동력부(95)를 갖는다. 동력부(95)는, 외부로부터 고정 지지되어 있다. 관절(93)은, 동력부(95)에 의해 각도가 변화한다. 이 때문에, 암(92)의 방향이 변화하여, 구속부(91)에서 결합되어 있는 수류 전송부(5)에 부착된 집광부(12) 및 음향 센서(10)가 이동한다. 이 결과, 수류 전송부(5), 음향 센서(10) 및 집광부(12)와, 피가공 부재(1)의 간격이 변화한다.
또한, 이동 구동부(90)는, 피가공 부재(1)의 가공 표면에 있어서 순차 이동시켜야 할 가공점(2)의 위치에 맞춰서, 수류 전송부(5) 및 이것에 부착된 집광부(12), 음향 센서(10) 등을 이동시킨다.
도 5는, 이동 구동부의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 이 변형예의 경우는, 이동 구동부(90)의 동력부(95)는, 피가공 부재(1)에 고정되어 있다. 본 변형예의 경우도, 이동 구동부(90)에 의해 수류 전송부(5) 및 음향 센서(10)와, 피가공 부재(1)의 간격, 및 가공점(2)의 이동에 대응한 위치가 변화한다. 또, 동력적으로는, 이동 구동부(90)에 의해 수류 전송부(5) 및 음향 센서(10)와, 피가공 부재(1)의 간격을, 입력에 의해서 조정하는 기구여도 된다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 본 실시형태에 따른 레이저 가공 장치(100)의 작용에 대하여 설명한다.
피가공 부재(1)의 가공점(2)에 조사된 레이저광(11a)은, 애블레이션 현상, 즉, 플라스마의 발생과 함께 피가공 부재(1)의 표면의 구성 물질이 폭발적으로 방출되는 현상을 일으킨다. 이 결과, 가공점(2)을 음원으로 한 충격파가 발생한다. 이 충격파는, 가공점(2)에 작용함에 의해 가공점(2)에 압축 응력을 부여한다.
발생한 충격파는, 우선 액중에서 전파한다. 또한, 액중으로부터 기액 계면을 통해서 기중에 투과하고, 기중을 전파하여, 음향 센서(10)에 도달하면 음향 센서(10)에 의해 수신된다.
도 6은, 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도이다. 가로축은 시간이며, 발진 주기마다 그 개시점을 0으로 하고 있다. 세로축은, 수신 파형으로서 음향 센서가 파악한 전압값이다. 도면 중의 Ti는, 시간폭의 기준으로 되는 타이밍이다.
도 7은, 시간폭 연산의 기준점의 설정을 설명하는 개념적 그래프이며, (a)는 바람직하지 않은 예, (b)는 바람직한 예를 나타낸다. 도 7의 가로축은 시간 전체의 흐름, 세로축은 도 6과 마찬가지로 전압값이다. 복수의 파선은, 각각의 발신의 개시 타이밍을 나타낸다. 또한, 실선으로 나타내는 Ti는, 기준의 타이밍을 나타낸다. 도 7의 (a)에서는, 파선으로 나타내는 타이밍과 실선으로 나타내는 Ti의 타이밍의 관계가 일정하지는 않다. 도 7의 (b)에서는, 파선으로 나타내는 타이밍과 실선으로 나타내는 Ti의 타이밍의 관계가 일정하고, 기준 타이밍 Ti는 이와 같은 조건을 충족시키는 신호로 하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 10Hz의 레이저이면, 1주기인 100ms 중에 적어도 1회는 Ti의 타이밍이 존재하고, 레이저 발진 시각을 0ms로 하면, Ti는 0ms 이상 100ms 미만 사이에서 선택되며, 또한, 정해진 값으로 하는 것이 바람직하다. Ti의 신호를 얻기 위한 신호원으로서는, 레이저광원(11)으로부터의 Q 스위치 타이밍, 레이저광(11a)의 펄스 반복 주파수로부터 추정한 설정 신호 등을 이용할 수 있다.
도 6의 Te는, 충격파의 도달 시각이다. 그 시각의 결정 방법으로서는, 예를 들면 신호 강도가 어느 문턱값을 초과한 시각을 채용하는 문턱값 판정, 어느 파형의 피크 시각을 채용하는 피크 판정, 제로점과 교차하는 시각을 채용하는 제로크로스법, 기준으로 되는 파형과의 상호 상관을 취하는 방법 등을 이용하여 얻을 수 있다. 도 6에서는 피크 판정을 이용한 경우를 나타내고 있다.
시간폭 Tw는, 시각 Te로부터 시각 Ti를 뺀 시간폭이다. 예를 들면, Ti를, 레이저의 발광 타이밍에 맞췄다고 하면, 얻어지는 Tw는, 거의, 레이저광이 가공점 작용하고 나서, 음향 센서(10)에 충격파가 도달하기까지의 시간을 나타낸다. 즉, 충격파의 전파 시간으로 된다. 여기에서, 발광 타이밍은, 예를 들면, 레이저광원(11)에의 지령 신호가 발생되는 타이밍 등을 이용할 수 있다.
도 8은, 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념적 그래프이다. 또한, 도 9는, 충격파의 전파 시간의 산출을 설명하는 개념도이다. 여기에서, Ti는, 레이저의 발광 타이밍인 경우인 것으로 해서 이하에 설명한다.
시간폭 Tw는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 충격파가 액중을 전파하는 시간 TL과, 충격파가 기중에 나와 기중을 전파하는 시간 TG의 합계이다. 경험적으로, 음향 센서(10)가 충격파로서 유의미하게 검지하는 신호는, 가공점(2)으로부터 발생하여, 액중을 최단으로 빠져나간 후에 기중을 전파해 오는 것이 주체라고 생각할 수 있다. 즉, 도 9에 있어서, 가공점(2)으로부터 발생한 충격파 즉 충격에 의해 발생한 음파는, 물기둥의 직경 R의 거리를 전파한 후, 기중의 거리 L을 전파하여, 음향 센서(10)에 도달한다. 이것이, 도 9의 전파 시간으로 되어 나타나 있다고 생각할 수 있다.
따라서, 액중의 전파 시간 TL는, 다음 식(1)에서 주어진다. 단, VL는 음파의 액중에서의 전파 속도이다.
TL=R/VL …(1)
이 결과, TG가 다음 식(2)에 의해 구해지고, 전파 거리 Dp가 식(3)에 의해 산출될 수 있다. 단, VG는, 기중의 음파의 전파 속도이다.
TG=Tw-TL …(2)
Dp=L+R=TG·VG+R …(3)
음향 센서(10)와, 수류 전송부(5) 및 집광부(12) 등의 상대적인 위치 관계는 기지이므로, 이와 같이, 전파 거리 Dp를 알면, 가공점(2)과 집광부(12) 사이의 거리인 집광 거리 Df 또는, 가공점(2)과 레이저 가공 장치(100)의 대표 개소의 거리인 시공 거리 Do의 산출이 가능하다.
도 10은, 제1 실시형태에 따른 레이저 가공 방법의 수순을 나타내는 블록도이다.
가공점(2)과 레이저 가공 장치(100)의 위치 관계가 기지인 경우의, 전파 거리 Dp를 기준 거리로 한다. 또, 기준 거리를 전파 거리 Dp가 아니라, 집광 거리 Df 또는 시공 거리 Do에 대한 거리로 해도 된다. 우선, 이 기준 거리에 대하여 기준 측정 시간폭을 취득한다(스텝S01). 다음으로, 피가공 부재(1)의 조사 대상 개소인 가공점(2)에 레이저광(11a)을 조사한다(스텝S02). 레이저광 조사마다 발생하는 충격파의 전파 시간을 취득하여, 전파 거리 Dp를 산출한다(스텝S03).
다음으로, 전파 거리 Dp로부터, 판정 대상의 집광 거리 Df 및 시공 거리 Do를 산출하여, 집광 거리 Df가 적정한 범위인지의 여부를 판정한다(스텝S04). 집광 거리 Df가 적정한 범위라고 판정하지 않은 경우(스텝S04 NO)에는, 집광 거리 조정부(50)를 이용하여 집광 거리 Df를 수정하고(스텝S05), 또한, 스텝S02 이후를 반복한다. 적정한 범위라고 판정한 경우(스텝S04 YES)에는, 조사 대상 개소인 가공점(2)에 대하여 시공이 완료되었다고(시공 완료) 판정한다. 그리고, 피가공 부재(1)에 설정된 복수의 시공 대상 개소의 모든 개소가 시공 완료인지의 여부를 판정한다(스텝S06). 시공 완료라고 판정한 경우(스텝S06 YES)는, 레이저 가공을 종료한다.
시공 완료되지 않았다고 판정한 경우(스텝S06 NO)에는, 피가공 부재(1)에 설정된 복수의 시공 대상 개소 중 시공 완료라고 판정되어 있지 않은 개소 중 어느 하나를 조사 대상 개소로 설정해서, 즉 가공점(2)을 시공 완료되지 않은 개소에 이동하고(스텝S07), 또한, 스텝S02 이후를 반복한다.
도 11은, 피가공 부재의 가공점과의 거리가 변화한 경우를 나타내는 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도이며, (a)는 변화 전의 신호, (b)는 변화 후의 신호이다. 가공점(2)을 이동함에 의해, 예를 들면, 레이저 가공 장치(100)와 피가공 부재(1)의 가공점(2)의 거리, 즉 시공 거리 Do가 커진 경우를 생각한다.
이 경우, 기준으로 되는 도 11의 (a)의 경우의 기준 시간폭 Twi와 비교해서, 음향 센서(10)에의 충격파의 도달 시간이 dTw만큼 늦어진, 즉 전파 시간이 dTw 증가한 것으로 한다. 시공 거리가 변화해도 물기둥의 직경 R은 거의 변화하지 않기 때문에, 전파 시간의 증가분 dTw는, 거의, 순수한 기중 거리의 변화에 기인하는 시간 변화분이라고 간주할 수 있다. 따라서, dTw에 기중의 음파의 전파 속도 VG를 곱한 값이, 전파 거리의 증가분 dD로 되고, 전파 거리 Dp는, 기준 거리 Dpo에 증가분 dD를 더함(Dpo+dD)에 의해 산출된다.
또, 물기둥의 직경 R의 불균일은, 구하려고 하는 전파 거리 Dp, 집광 거리 Df 및 시공 거리 Do의 측정 분해능보다 작아지도록 제어 가능하게 구성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 수류원(21)에서의 맥동의 억제, 수류 전송부(5)에 이르는 경로에 있어서의 선회류의 발생의 억제 등에 의해 저감된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 있어서의 레이저 가공 장치에 의한 수류와 병용한 레이저 피닝에서는, 안정되게 가공점과 기준 위치 간의 거리의 측정이 가능해진다.
[제2 실시형태]
도 12는, 제2 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 본 실시형태는 제1 실시형태의 변형이다. 본 실시형태에 있어서의 레이저 가공 장치(100)는, 광검출부(13)를 갖는다.
일정 주기의 반복이어도, 레이저의 발진에는 수 μs 정도의 지터, 즉 요동, 흐트러짐이 존재하는 경우가 있다. 광검출기(13)를 이용해서 실제의 발광 타이밍을 검지하고, 그 검지 신호의 타이밍을 Ti로 함에 의해, 전파 거리 Dp 나아가서는 집광 거리 Df의 측정의 정밀도를 향상할 수 있다.
[제3 실시형태]
도 13은, 제3 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 본 실시형태는 제1 실시형태의 변형이다. 본 실시형태에 있어서의 레이저 가공 장치(100)는, 2개의 음향 센서(15a, 15b)를 갖는다. 또, 음향 센서의 수는, 3개 이상이어도 된다.
도 14는, 시공 거리의 측정을 설명하기 위한 개념적 입단면도이다. 지금, 가공점(2)으로부터, 충격파가 발생되어, 2개의 음향 센서(15a, 15b)에 도달한다. 음향 센서(15a)에의 전파 시간으로부터 산출된 가공점(2)과 음향 센서(15a)의 수신 부분의 거리를 D1이라 한다. 이것으로부터 추정할 수 있는 것은, 음향 센서(15a)의 수신 부분으로부터 반경 D1의 구면 상에 가공점(2)이 존재한다는 것이다. 마찬가지로, 음향 센서(15b)에의 전파 시간으로부터 산출된 가공점(2)과 음향 센서(15b)의 수신 부분의 거리를 D2라 한다. 이것으로부터 추정할 수 있는 것은, 음향 센서(15b)의 수신 부분으로부터 반경 D2의 구면 상에 가공점(2)이 존재한다는 것이다.
이 결과, 가공점(2)은, 음향 센서(15a)의 수신 부분으로부터 반경 D1의 구면과, 음향 센서(15b)의 수신 부분으로부터 반경 D2의 구면의 교선 상에 존재하는 것이 추정된다. 이 교선 상의 점은 무수히 존재하지만, 이 교선이 피가공 부재(1)의 표면에 접하는 점을, 가공점(2)이라 추정할 수 있다. 교선과 피가공 부재(1)의 표면이 접하는 상태가 아닌, 떨어져 있는 경우는, 가장 근접해 있는 점을 가공점(2)이라 추정할 수 있다. 또는, 교선과 피가공 부재(1)의 표면이 교차하고 있는 경우는, 교선이 피가공 부재(1)를 관통하는 두 점의 중간점을 가공점(2)이라 추정할 수 있다.
수류(5a)의 각도가 예기치 않게 변화한 경우는, 통상의 산출한 전파 거리 Dp에 의거해서 집광 거리 Df 및 시공 거리 Do를 산출하는 것은, 잘못된 결과를 초래한다. 복수의 음향 센서를 이용하여 측정한 결과로부터 가공점(2)의 위치를 구함에 의해, 3차원 공간 내에서 정확한 집광 거리 Df 및 시공 거리 Do를 산출할 수 있다.
또, 음향 센서(10)가 3개이면, 3차원 공간에 있어서, 교점이 한 점만 정해져, 정밀도 좋게 가공점(2)의 위치를 특정할 수 있다.
[제4 실시형태]
도 15는, 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 본 실시형태는, 제1 실시형태의 변형이다. 본 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치(100)는, 음향 센서(10)에 피가공 부재(1)로부터 튕겨 나온 비말이, 음향 센서(10)의 음향 감지부(10a)에 튀는 것을 방지하는 비말 부착 방지부(60)를 갖는다.
비말 부착 방지부(60)는, 구체적으로는, 도 15에 나타내는 바와 같이 보호 커버(61)를 이용할 수 있다. 보호 커버(61)는, 음향 센서(10)에 비말이 비래(飛來)하는 방향에 대해서 음향 센서(10)의 음향 감지부(10a)를 덮도록 형성된다.
도 16은, 제4 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 본 변형예에 있어서는, 레이저 가공 장치(100)는, 비말 부착 방지부(60)로서, 에어 블로어(62)를 갖는다. 에어 블로어(62)는, 음향 센서(10)에 비말이 비래하는 방향을 향해서, 비래하는 비말을 불어 날려서 음향 센서(10)의 음향 감지부(10a)에의 비말의 부착을 방지한다.
음향 센서(10)의 음향 감지부(10a)에 비말이 부착되어서, 음향 감지부(10a)의 표면에 액막이 발생하면, 시간 지연을 초래하는 요인으로 된다. 또한, 액막의 두께가 변화하면 감도의 변화를 불러온다. 이상과 같은 구성에 의한 본 제4 실시형태 또는 그 변형에 있어서의 레이저 가공 장치(100)에서는, 음향 감지부(10a)에의 비말의 부착이 방지되므로, 비말에 의한 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않는다.
[제5 실시형태]
본 실시형태는, 제1 실시형태의 변형이다. 본 제5 실시형태에 있어서의 음향 센서(10)는, 피수(被水) 영향 완화부(70)를 갖는다. 피수 영향 완화부(70)는, 수류(5a)가 피가공 부재(1)에 충돌해서 발생하는 비말이 음향 센서(10)의 음향 감지부에 튀는 것에 의한 음향 센서(10)의 감도의 변화를 방지하기 위하여 설치되어 있다.
이하에, 피수 영향 완화부(70)의 구체적인 예를 나타내지만, 크게 구별하면, 음향 감지부의 표면 상태의 처리에 의한 경우와, 음향 감지부에 특별한 기하학적을 부가하는 경우가 있다. 또, 음향 감지부의 표면 상태의 처리와 특별한 기하학적의 부가의 양쪽을 조합해도 된다.
도 17은, 음향 센서(10)가, 젖음성이 낮은 표면 처리가 실시된 음향 감지부(10b)를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 젖음성이 낮은 표면 처리로서는, 예를 들면, 표면에 소수성(疏水性)이 높은 재료(기름 등)를 코팅하는 방법, 또는 소수성이 높은 표면 패턴(연잎 표면 등의 미세한 볼록부가 나열된 패턴) 가공을 실시하는 방법 등을 이용할 수 있다. 이 때문에, 음향 감지부(10b)의 표면이 비말에 의한 물(5b)에 덮이지 않아, 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않는다.
도 18은, 음향 센서(10)가, 외표면에 젖음성이 높은 표면 처리가 실시된 음향 감지부(10c)를 갖는 경우의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 젖음성의 향상은, 예를 들면, 표면에 친수성이 높은 재료(산화티타늄 등)를 코팅하는 방법, 또는 소수성이 높은 표면 패턴 가공, 혹은 소수성과 친수성이 높은 패턴 가공을 번갈아 실시하는 것 등과 같은 방법을 이용할 수 있다. 이 때문에, 비말에 의한 물(5b)이 음향 감지부(10c)에 도래해도, 친수성 코팅에 의해 액막의 두께가 변화하지 않기 때문에 음향 감지부(10c)의 표면이 안정되게 물(5b)로 덮여, 액막이 발생함으로써 다소의 시간 지연이 발생했다고 해도 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않도록 하고 있다.
도 19는, 음향 센서(10)가, 외표면에 전체적으로 볼록부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부(10d)를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 음향 감지부(10d)가, 전체적으로 볼록 형상으로 형성되어 있음에 의해서, 음향 감지부(10d)의 표면에 비말이 와도, 물(5b)이 남지 않도록 형성되어 있다. 이 때문에, 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않는다.
도 20은, 음향 센서(10)가, 외표면에 복수의 볼록부를 포함하는 기하학 형상이 형성된 음향 감지부(10e)를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 음향 감지부(10e)가, 복수 개소에서 볼록 형상으로 형성되어 있음에 의해서, 음향 감지부(10e)의 표면에 비말이 와도, 잔류하는 물(5b)이 조금이어서, 감도의 변화 등이 작게 억제된다.
도 21은, 음향 센서(10)가, 외표면에 전체적으로 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부(10f)를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 음향 감지부(10f)가, 전체적으로 오목 형상으로 형성되어 있음에 의해서, 음향 감지부(10f)의 표면에 안정되게 물(5b)이 고이기 때문에, 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않는다.
도 22는, 음향 센서(10)가, 외표면에 복수의 오목부의 기하학 형상이 형성된 음향 감지부(10g)를 갖는 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 음향 감지부(10g)가, 복수 개소에서 오목 형상으로 형성되어 있음에 의해서, 음향 감지부(10g)의 표면에 안정되게 물(5b)이 고이기 때문에, 감도의 변화 등의 문제가 발생하지 않는다.
[제6 실시형태]
도 23은, 제6 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시형태는, 제1 실시형태의 변형이다. 본 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서(10)는, 외부 환경 영향 완화부(80)를 갖는다. 음향 센서(10)의 동작에 영향을 끼치는 외부 영향으로서는, 기계적 진동, 음향적 노이즈, 또는 전기적 노이즈 등이 있다.
외부 환경 영향 완화부(80)는, 기계적 진동 억제부(80a), 음향적 노이즈 저감부(80b)(도 24), 및 전기적 노이즈 저감부(80c)를 갖는다.
기계적 진동 억제부(80a)는, 음향 센서(10)와, 음향 센서(10)가 부착되는 수류 전송부(5) 사이에 설치되어 있다. 기계적 진동 억제부(80a)는, 예를 들면, 고무 등의 댐퍼재, 또는 스프링 등으로 구성된다.
전기적 노이즈 저감부(80c)는, 음향 센서(10)가 수신한 신호를 전송하는 케이블에 실드 처리를 실시하는 부분이다. 또, 전기적 노이즈의 저감, 억제는, 그 외에, 안정화 전원 등을 이용한 장치를 갖는 전원 안정화 조치 등에 의해 행할 수 있다.
도 24는, 음향 센서의 구성을 나타내는 종단면도이다. 음향 센서(10)는, 음향 감지부(10a)인 전면 판(8b)과 압전 진동자(8d)와, 압전 진동자(8d)를 전후로 사이에 두는 전극(8c, 8f)과, 전면 판(8b)을 지지하고 압전 진동자(8d) 및 전극(8c, 8f)을 수납하는 케이싱(8a)을 갖는다. 또한, 음향 센서(10)에는, 압전 진동자(8d) 및 전극(8c, 8f)과, 케이싱(8a) 사이에는, 음향적 노이즈 저감부(80b)가 설치되어 있다. 음향적 노이즈 저감부(80b)는, 기계적 진동 억제부(80a)를 겸해서 음향 센서(10)의 외부에 설치해도 된다.
음향적 노이즈는, 이와 같이, 음향 센서의 내부 또는 외부에 댐퍼를 부착함으로써, 원하는 주파수 이외의 대역을 컷오프하여 음향 센서의 주파수 대역을 협대역화시키는 방법이 있다.
노이즈의 제거로서는, 또한, 음향 신호에, 음향 센서(10)로부터의 신호 회로 또는 연산부(30)에 있어서 필터링을 실시함에 의해, 충격파와 관계되지 않는 노이즈를 저감 가능하다. 이 필터링에는, 밴드패스 필터, 하이패스 필터, 로우패스 필터, 밴드일리미네이션 필터, 가산 평균, 이동 평균 등이 있고, 멀티포인트에서 측정한 신호를 이용한 개구 합성 등의 화상화를 행해도 된다.
특히, 전기 노이즈는 전술한 바와 같이, 전원의 안정화와, 실드 처리라는 하드웨어에서의 대책이 필수이지만, 노이즈 자체는 불규칙하기 때문에, 회로나 프로그램 상에서의 필터링도 유효하다.
도 25는, 본 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 효과를 설명하는 그래프이다. 가로축은 음의 주파수, 세로축은 음의 강도이다. 실선으로 나타내는 충격파는 음향 센서(10)가 신호로서 파악하는 것이지만, 파선으로 나타내는 음의 노이즈(소음 노이즈)를 포함하고 있다.
이 경우, 도 25의 대역 A는, 소음의 중심 주파수 대역이고, 수신한 신호의 대부분이 소음 노이즈이다. 한편, 예를 들면, 주파수가 대역 B일 경우, 충격파의 중심 주파수 대역에 가까우며, 또한, 소음의 강도가 낮아져 있는 대역이다. 이와 같은 경우, 소음의 중심 주파수 대역인 대역 A을 피해, 충격파의 강도가 남아있는 대역 B 근방에, 처리 대상의 대역을 협대역하는 방법을 취할 수 있다. 충격파 자체는 광대역인 특성을 갖기 때문에, 이와 같은 협역(狹域)화는 충분히 가능하다.
이상과 같이, 노이즈를 저감함에 의해, 음향 센서(10)에서 수신하는 신호의 정밀도가 향상하여, 시간폭의 평가의 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
[제7 실시형태]
도 26은, 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 본 실시형태는, 제1 실시형태의 변형이다. 여기에서, 수류 전송부(5)의 선단으로부터 음향 센서면(10a)까지의 거리를 Ds라 한다. 본 실시형태에 따른 레이저 가공 장치에 있어서는, 음향 센서(10)가, 수류 전송부(5)의 내벽면에 설치되어 있다. 또한, 음향 센서(10)의 센서면은, 내벽면을 향하고 있다. 단, 음향 센서(10)의 부착 상태는 이것으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 다음의 도 27, 도 28에 나타내는 바와 같은 상태여도 된다.
도 27은, 음향 센서의 부착 상태의 제1 변형예를 설명하는 입단면도이다. 음향 센서(10)는, 수류가 흐르는 방향으로 센서면을 향하게 해서 설치되어 있다. 또한, 도 28은, 음향 센서의 부착 상태의 제2 변형예를 설명하는 입단면도이다. 음향 센서(10)는, 도파관이 확보되도록, 수류 전송부(5)의 내벽면의 일부를 깎은 부분에 설치되어 있다.
도 29는, 음향의 제1 전달 경로를 설명하는 종단면도이다. 또한, 도 30은, 음향의 제2 전달 경로를 설명하는 종단면도이다. 음향 센서(10)에의 음향 전파 경로는, 도 29에 나타내는 바와 같은 완전 수중과, 도 30에 나타내는 바와 같은 수류 전송부(5)까지는 수중을 전파하고, 수류 전송부 도달 후는 수류 전송부(5)의 내벽을 표면파로서 전파하고, 최종적으로 음향 센서(10)에 도달하는 것을 생각할 수 있다 .
완전 수중 전파의 경우, 가공점으로부터 음향 센서까지의 도달에 요하는 시간 TW는 모두 TL이고, 전파 거리 Dp는 다음 식(4)에서 주어진다.
Dp=TL*VL …(4)
Ds는 기지이기 때문에, 다음 식(5)에서 시공 거리 Do가 계산 가능해진다.
Do=Dp-Ds …(5)
수류 전송부 내벽을 표면파로서 전파할 경우, Tw는 식(6)에서 주어진다.
Tw=TL+Ts …(6)
여기에서, Ts는 표면파의 전파 시간이다. 여기에서, Ts는 식(7)에서 주어진다.
Ts=Ds/Vs …(7)
여기에서, Vs는 표면파의 음속이며 Ds와 함께 기지이다. 그 결과, 식(8)에서 TL이 구해진다.
TL=Tw-Ts …(8)
그 결과, 식(9)에 의해 시공 거리 Do가 얻어진다.
Do=TL/VL …(9)
이들에 의해, 본 실시형태에 있어서도 시공 거리 Do가 산출 가능하다.
도 31은, 제7 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 음향 센서의 수신 파형 이미지를 나타내는 파형도이다. 가로축은 발진 주기마다 그 개시점을 0으로 한 시간, 세로축은, 수신 파형으로서 음향 센서가 파악한 전압값이다. 발신 후, 제1 충격파가 도달하고, 계속해서 제2 충격파가 도달한다.
제1 충격파는, 도중부터 표면파로서 전파하는 경우에 대응하고, 제2 충격파는, 완전 수중 전파의 경우에 대응한다. 일반적으로, 음향의 표면파의 전파 속도 쪽이 수중의 음향의 전파 속도보다 크기 때문에, 제1 충격파가 먼저 도달한다.
시공 거리 Do는, 전술한 바와 같이, 제1 충격파와 제2 충격파 중 어느 하나의 경우를 이용해도, 산출 가능하기 때문에, 제1 충격파와 제2 충격파 중 어느 하나의 경우를 이용해도 된다. 또는, 양쪽을 이용하여, 양쪽의 결과에 의해 얻어진 각각의 시공 거리 Do를 예를 들면 평균하는 것이어도 된다.
음향 센서(10)는, 지향성이 있기 때문에, 수중 또는 수류 전송부(5)의 표면을 전파하는 음향을, 감도 좋게 검출하기 위한 방법으로서는, 음향 센서(10) 자체의 형상을 조정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 음향 센서(10)의 설치 위치나 자세의 변경 때마다, 음향 센서(10)의 형상을 변경하는 것은 현실적이지 않다. 이 때문에, 음향 센서(10)와 수류 전송부(5) 내의 물 사이에 음향 슈를 개재시켜서, 음향 센서(10)에의 음향과 전파성을 조정 가능하게 하고 있다.
음향 슈의 재료로서는, 가공성이 좋고, 음향 전파 상은, 음속이 물에 가깝고, 또한, 밀도가 금속 등에 비해서 낮은 것이 바람직하고, 예를 들면, 아크릴을 이용할 수 있다.
도 32 내지 도 43은, 음향 슈를 이용한 경우의 설치 상태를 나타낸다.
도 32는, 음향 슈를, 수평 방향을 축으로 하는 원기둥 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 33의 ⅩⅩⅩⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 33은, 평단면도이다. 음향 슈(101a)는, 수류 전송부(5)의 유로 단면에 범위는, 제외된 형상으로 되어있다. 음향 슈(101a)를 수류 전송부의 내벽을 따르는 원기둥 형상으로 한 경우, 수류에 대해서의 외란(外亂)으로 되는 것을 억제할 수 있다.
도 34는, 음향 슈를 평판 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 35의 ⅩⅩⅩⅠⅤ-ⅩⅩⅩⅠⅤ 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 35는, 평단면도이다. 음향 슈(101b)를 평판 형상(원판 형상)으로 한 경우, 음향 슈(101)가 Φ축으로 회전해버렸을 때여도 외형은 유지되고, 감도의 안정성이 유지된다.
도 36은, 음향 슈를 테이퍼 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 37의 ⅩⅩⅩⅤⅠ-ⅩⅩⅩⅤⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 37은, 평단면도이다. 음향 슈(101c)를 테이퍼 형상으로 한 경우, 가공점측에 하단면을 향하게 함으로써, 얻어지는 충격파의 강도를 향상시킬 수 있다.
도 38은, 음향 슈를 콘 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 39의 ⅩⅩⅩⅤⅠⅠⅠ-ⅩⅩⅩⅤⅠⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 39는, 평단면도이다. 음향 슈(101d)를 콘 형상으로 한 경우, 평면 형상의 경우의 효과와, 테이퍼 형상의 경우의 효과의 양쪽의 효과가 얻어진다.
도 40은, 음향 슈를 회전 반타원체 형상으로 한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 41의 ⅩL-ⅩL 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 41은, 평단면도이다. 음향 슈(101e)를 회전 반타원체 형상으로 한 경우, 콘 형상의 경우와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.
도 42는, 기울인 음향 센서(10)를 이용한 경우의 설치 상태를 나타내는 도 43의 ⅩLⅠⅠ-ⅩLⅠⅠ 화살표 방향으로부터 본 입단면도이고, 도 43은, 평단면도이다. 음향 센서(10)를, 음향 슈(101f) 중에서 기울이는 것에 의해, 감도 향상을 기대할 수 있다. 또한, 이 배치를, 도 32 내지 도 41의 경우와 각각 조합해서 사용하는 것이어도 된다.
[제8 실시형태]
도 44는, 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 또한, 도 45는, 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다.
본 실시형태 및 변형예는, 제1 실시형태의 변형이다. 이들 실시형태에 있어서는, 수류 전송부(5)에의 급수는, 하나 이상의 방향으로부터 유입되는 관 중의 수류에 의해서 공급된다. 예를 들면, 2개의 방향으로부터 합류시키는 구성으로 하면 도 45에 나타내는 변형예로 된다. 여기에서, 관은, 각각 가요성(可撓性)을 가지며, 예를 들면 호스(124)이다. 이 결과, 도 44 및 도 45에서 표시하고 있는 집광부(12) 및 수류 전송부(5)는 일체로 이동 가능해진다.
수류 전송부(5)의 내부는, 수류를 받는 통 형상의 버퍼층(121)과, 버퍼층(121)보다 구경이 작은 통 형상의 사출층(122)이, 테이퍼부(123)를 개재해서 연속적으로 연결되어 있고, 그 내에서 레이저가 전송된다.
2개 이상의 방향으로부터 급수할 경우, 버퍼층(121)에 있어서는, 각각의 방향으로부터 유입되는 호스(124) 내의 수류가 호스 합류부(124a)에서 합류한다. 각각의 호스(124)는, 예를 들면, 도 44 및 도 45에 나타내는 바와 같이, 수류 전송부(5)에 노즐(5c)을 설치하고, 노즐(5c)에 접속하여, 도시하지 않는 결속 밴드로 조이는 것만으로도 좋다. 또, 도 44 및 도 45에서는, 노즐(5c)의 부착 각도가, 사출층(122)으로부터의 유출 방향에 대해서 약 60도 기울어져 있는 예를 나타내고 있지만, 보다 작은 각도 즉 사출층(122)으로부터의 유출 방향과 노즐(5c)의 유입 방향이 보다 가까운 방향이어도 된다. 또는, 보다 크게 예를 들면, 90도의 경우여도 된다.
전술한 바와 같이, 급수 루트 즉 호스(124)의 개수는, 1개로 한정할 필요는 없으며, 2개 이상이어도 된다. 또한 급수 루트 즉 호스(124)의 직경이나, 그 내부의 유량은 각각의 루트에서 서로 맞춰져 있어도 되며 맞춰져 있지 않아도 된다.
사출층(122)의 선단으로부터 유출되어 피가공 부재(1)를 향하는 수류의 내부에 공기가 도입되어 수류의 직경(물기둥의 직경 R)이 넓어지면 수류 내의 레이저광의 투과성에 영향을 줄 우려가 있다. 이 때문에, 사출층(122)으로부터 유출되는 수류가 넓어지지 않게 함으로써 사출층(122)의 선단으로부터 피가공 부재(1)까지의 거리를 크게 취하는 것이 가능해진다. 이와 같이 사출층(122)의 선단으로부터 유출된 수류의 직경(물기둥의 직경 R)의 넓어짐을 억제하기 위하여, 버퍼층(121) 내에는, 정류자(126)를 설치해도 된다.
정류자(126)는, 호스 합류부(124a)에 있어서의 흐트러진 수류를 정류한다. 정류자(126)는, 물이 피가공 부재(1)에 부딪힌 후에 격렬하게 비산하는 것을 억제하는 작용도 나타낼 수 있다. 정류자(126)의 구성에 대해서는, 도 46에서 설명한다.
수류 전송부(5)의 통 형상의 버퍼층(121)의 상류측의 단부에는, 레이저광을 투과하는 원판 형상의 기수(氣水) 분리창(125)이, 설치되어 있고, 수류 전송부(5) 내의 물과 외기(外氣)의 경계의 일부를 구성한다. 집광부(l2)는, 기수 분리창(125)의 외측 즉 외기측에 설치되고, 레이저광은, 집광부(12)를 통한 후에 기수 분리창(125)을 투과하고, 또한 정류자(126)를 통과해서 가상점(2)에 전송된다.
기수 분리창(125)의 내측 즉 수측에는, O링(125b)이 설치되고, 기수 분리창(125)의 외측 즉 외기측에는, 중앙 부분에 개구가 형성된 누름판(125a)이 설치되어 있고, 누름판(125a)으로 O링(125b)을 압축함에 의해 기수 분리창(125)의 수밀성(水密性)이 확보되어 있다.
음향 센서(10)는, 도 44 및 도 45에 나타내는 바와 같이, 수류 전송부(5)의 외측에 설치되어 있다.
도 46은, 레이저 가공 장치의 정류자의 구성을 나타내는 개념적 사시도이다. 정류자(126)는, 원통 형상의 정류통(126a), 및 판 형상의 4매의 정류판(126b)을 갖는다. 정류판(126b)은, 정류통(126a)의 외표면에 그 한 변이 부착되어 있고, 정류통(126a)의 직경 방향 외측으로 확장되며 축방향으로 연장되어 있다. 정류판(126b)은, 정류통(126a)보다도 상류측으로 뻗어 나와 있다. 정류통(126b)의 내경은, 레이저광이 통과하도록, 레이저광의 외경보다도 큰 내경으로 한다.
도 46의 2점 쇄선으로 나타낸 2개의 원(121a, 121b)은, 각각 버퍼층(121)의 외연(外緣)의 일부이고, 원(121a)이 원(121b)의 상류측에 닿는다. 원(121a)과 원(121b)을 포함하는 원통 형상의 곡면과, 정류통(126a) 및 4매의 정류판(126b)에 의해서, 버퍼층(121) 내는, 정류통(126a) 내의 유로와 그 외측의 환상(環狀) 부분에서 정류판(126b)에 의해 분할된 4개의 유로로 분할된다. 또, 정류판(126b)의 매수는 4매로 한정되지 않으며, 3매, 또는 5매 이상이어도 된다.
이와 같이, 수류 전송부(5)의 축방향을 따라 분할된 유로를 형성함에 의해서, 선회류를 억제하는 등, 유로를 정돈할 수 있다.
또, 정류판(126b)은, 정류통(126a)의 직경 방향 외측으로 확장되며 축방향으로 연장되어 있는 경우를 예로 들어 설명했지만, 정류 효과가 향상하는 것이면, 직경 방향에 대해서 각도를 갖고 부착해도 되며, 또는, 축방향에 대해서 각도를 갖고 부착되어 있어도 되고, 이들 양쪽이어도 된다. 혹은, 수류 전송부(5)의 내면을 따라 정류 블레이드를 설치해도 된다.
이상과 같이, 집광부(12) 및 수류 전송부(5)는 일체로 이동 가능해지고, 또한, 가공점(2)에, 정류된 수류를 공급할 수 있다.
도 47은, 제8 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 다른 변형예의 구성을 나타내는 개념적 입단면도이다. 도 47에 나타내는 바와 같이, 음향 센서(10)는, 수류 전송부(5)의 내측에 설치해도 된다. 이와 같이, 음향 센서(10)를 수류 전송부(5)의 내측에 설치하는 경우는, 도 47과 같이 정류자(126)의 상류에 설치해도 되고, 난류의 영향을 회피하기 위해서, 버퍼층(121)보다도 하류에 설치하는 쪽이 좋은 경우도 있다.
[그 밖의 실시형태]
이상, 본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다.
또한, 각 실시형태의 특징을 조합해도 된다. 또한, 이들 실시형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 특허 청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.
1 : 피가공 부재 2 : 가공점
4 : 플라스마 5 : 수류 전송부
5a : 수류 5b : 물
5c : 노즐 6 : 액체
8a : 케이싱 8b : 전면판
8c : 전극 8d : 압전 진동자
8f : 전극 10 : 음향 센서
10a, 10b, 10c, 10d, l0e, 10f, 10g : 음향 감지부
11 : 레이저광원 11a : 레이저광
12 : 집광부 13 : 광검출부
15a, 15b : 음향 센서 21 : 수류원
26 : 음향 신호 이송부 30 : 연산부
31 : 시간폭 취득부 32 : 거리 산출부
40 : 제어부 50 : 집광 거리 조정부
60 : 비말 부착 방지부 61 : 보호 커버
62 : 에어 블로어 70 : 피수 영향 완화부
80 : 외부 환경 영향 완화부 80a : 기계적 진동 억제부
80b : 음향적 노이즈 저감부 80c : 전기적 노이즈 저감부
90 : 이동 구동부 91 : 구속부
92 : 암 93 : 관절
95 : 동력부
100 : 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)
101a, 101b, 101c, 101d, 101e, 101f : 음향 슈
121 : 버퍼층 122 : 사출층
123 : 테이퍼부 124 : 호스
124a : 호스 합류부 125 : 기수 분리창
125a : 누름판 125b : O링
126 : 정류자 126a : 정류통
126b : 정류판
4 : 플라스마 5 : 수류 전송부
5a : 수류 5b : 물
5c : 노즐 6 : 액체
8a : 케이싱 8b : 전면판
8c : 전극 8d : 압전 진동자
8f : 전극 10 : 음향 센서
10a, 10b, 10c, 10d, l0e, 10f, 10g : 음향 감지부
11 : 레이저광원 11a : 레이저광
12 : 집광부 13 : 광검출부
15a, 15b : 음향 센서 21 : 수류원
26 : 음향 신호 이송부 30 : 연산부
31 : 시간폭 취득부 32 : 거리 산출부
40 : 제어부 50 : 집광 거리 조정부
60 : 비말 부착 방지부 61 : 보호 커버
62 : 에어 블로어 70 : 피수 영향 완화부
80 : 외부 환경 영향 완화부 80a : 기계적 진동 억제부
80b : 음향적 노이즈 저감부 80c : 전기적 노이즈 저감부
90 : 이동 구동부 91 : 구속부
92 : 암 93 : 관절
95 : 동력부
100 : 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)
101a, 101b, 101c, 101d, 101e, 101f : 음향 슈
121 : 버퍼층 122 : 사출층
123 : 테이퍼부 124 : 호스
124a : 호스 합류부 125 : 기수 분리창
125a : 누름판 125b : O링
126 : 정류자 126a : 정류통
126b : 정류판
Claims (9)
- 레이저광을 발하는 레이저광원과,
표면 경화 처리의 대상으로 하는 피가공 부재에 상기 레이저광을 집광(集光)하는 집광부와,
상기 피가공 부재의 가공 표면에 수류(水流)를 공급하는 수류 전송부와,
상기 수류 전송부 및 상기 집광부 중 적어도 어느 하나에 대해서 소정의 상대 위치에 설치되고, 상기 가공 표면으로부터의 음향을 수신하는 음향 센서와,
기준으로 되는 타이밍으로부터 상기 음향 센서가 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 시간폭 취득부와,
상기 측정 시간폭에 의거해서, 상기 수류 전송부 및 상기 집광부 중 적어도 어느 하나로부터 상기 가공 표면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부
를 구비하고,
상기 거리 산출부는, 상기 시간폭 취득부가 취득한 상기 측정 시간폭과, 상기 집광부와 상기 가공 표면의 거리가 소정의 기준 거리일 때의 상기 기준으로 되는 타이밍으로부터 상기 음향 센서가 음향을 수신하는 타이밍까지의 기준 측정 시간폭과의 차이에 의거해서 상기 집광부로부터 상기 가공 표면까지의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저광을 검출하는 광검출부를 더 구비하고,
상기 시간폭 취득부는, 상기 광검출부로부터의 신호를 상기 측정 시간폭의 취득을 위하여 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치. - 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 음향 센서는 음향 감지부를 구비하고, 당해 음향 감지부가 상기 수류 전송부의 내부를 흐르는 상기 수류를 향하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수류 전송부는, 복수의 관으로부터 수류를 수용 가능하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수류 전송부는, 상기 수류를 정류하는 정류자를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치. - 기지(旣知)의 기준 거리에 레이저광 조사(照射) 장치에 의해 레이저광 조사를 행하고 나서 당해 레이저광 조사에 의해 발생하는 음향을 수신하기까지의 기준 측정 시간폭을 취득하는 기준 측정 스텝과,
시공(施工) 대상의 복수의 시공 대상 개소 중 어느 하나를 조사 대상 개소로 설정해서 상기 레이저광 조사 장치에 의해 상기 레이저광 조사를 행함과 함께, 당해 레이저광 조사로부터 당해 레이저광 조사에 의해 발생하는 상기 음향을 수신하기까지의 측정 시간폭을 취득하는 조사 스텝과,
상기 기준 거리, 및 상기 조사 스텝에 있어서 취득한 측정 시간폭과 상기 기준 측정 시간폭의 차이에 의거해서 상기 레이저광 조사 장치와 상기 조사 대상 개소의 거리를 산출하는 거리 산출 스텝
을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법. - 제7항에 있어서,
상기 거리 산출 스텝에 있어서 산출한 상기 거리가 적정한지의 여부를 판정하는 거리 판정 스텝과,
상기 거리 판정 스텝에서 적정하다고 판정되지 않을 경우에, 상기 거리를 수정한 후 상기 조사 스텝으로 되돌아가는 거리 수정 스텝과,
상기 거리 판정 스텝에서 적정하다고 판정되었을 경우에 상기 조사 스텝에서 상기 레이저광 조사가 행해진 상기 조사 대상 개소에 대응하는 상기 시공 대상 개소를 시공 완료라고 판정하며, 또한 상기 시공 대상 개소의 모든 개소가 시공 완료인지의 여부를 판정하는 시공 판정 스텝과,
상기 시공 판정 스텝에서 상기 모든 개소가 시공 완료라고 판정되지 않을 경우에, 상기 시공 대상 개소 중 시공 완료라고 판정되어 있지 않은 개소 중 어느 하나를 상기 조사 대상 개소로 설정해서, 상기 조사 스텝으로 되돌아가는 이동 스텝
을 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법. - 시간폭 취득부가, 기지의 기준 거리에 대하여 기준 측정 시간폭을 취득하는 기준 측정 스텝과,
레이저광 조사 장치에 의해 레이저광 조사를 행하고 상기 시간폭 취득부가 측정 시간폭을 취득하는 조사 스텝과,
상기 기준 거리, 및 상기 조사 스텝에 있어서 취득한 측정 시간폭과 상기 기준 측정 시간폭의 차이에 의거해서 상기 레이저광 조사 장치와 상기 레이저광 조사의 조사점의 거리를 산출하는 거리 산출 스텝
을 갖는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
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