KR19990063379A

KR19990063379A - 레이저 가공장치용 거리검출기

Info

Publication number: KR19990063379A
Application number: KR1019980057677A
Authority: KR
Inventors: 도시유키 호코다테; 켄타로 다나카
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 1999-07-26
Also published as: JPH11188492A; JP3356043B2; TW397730B; US6150826A; CN1132716C; KR100298119B1; CN1220931A

Abstract

레이저가공중에 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받는 일 없이 레이저 초점위치 또는 노즐높이를 측정할 수 있고, 신뢰성이 높은 레이저 가공장치용 거리검출기를 얻는다.

집광위치(6)와 피가공물(2)에 관한 거리를 정전용량 C를 이용해서 검출하는 거리검출기(100)를 제공한다.

거리검출기(100)는 피가공물(2)사이에 정전용량 C를 형성하는 검출전극(1)과 검출전극(1)에 입력하는 교류신호를 발생하는 교류전압원(15) 및 정전류 증폭회로(16)로 된 입력신호 발생부와, 피가공물(2)과 검출전극(1)간에 발생한 교류신호를 검출하는 전압검출회로(8)로된 신호검출부와, 신호검출부에 의해 검출된 교류신호중, 입력신호 발생부에서 발생한 교류신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산하는 연산회로(21)로 되어있다.

Description

레이저 가공장치용 거리검출기

본 발명은 레이저 가공장치에서의 레이저광의 초점위치 또는 가공노즐의 높이를 검출하기위해 사용되는 레이저 가공장치용 거리검출기에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 가공장치를 레이저가공한 때는 피가공물의 재질이나 판두계에 의해 레이저출력, 펄스주파수, 어시스트 가스압력, 초점위치, 노즐높이 등의 가공조건이 설정되고, 가공시에는 적절한 조건을 유지할 필요가 있다.

특히, 초점위치 및 노즐높이는 가공에 민감한 조건이고, 정확성을 확보할 필요가 있다.

또, 레이저가공은 선분가공이고, 레이저광을 피가공물에 대해 상대적으로 주사하면서 가공할 때는 피가공물의 위치를 인식해서 리얼타임에 초점위치와 노즐높이를 조정할 필요가 있다.

이 초점위치와 노즐높이를 검출하는 방법으로 노즐의 선단부에 거리검출기를 장착하는 방법이 일반적으로 채용되고 있다.

또, 집광렌즈와 가공노즐은 레이저 가공장치의 동일가대에 부착되는 것이 보통이므로, 초점위치와 노즐높이를 피가공물에 대해 개별적으로 측정하는 것이 아니고 노즐선단과, 피가공물의 상대거리를 측정하는 거리검출기에 의해 노즐높이를 인식하고, 집광렌즈의 위치와 노즐선단의 상대위치를 인식하는 것이 일반적이다.

근년 레이저가공의 용도 확대에 따라, 의장용 알루미늄이나 스테인레스 등의 금속평판가공재료를 가공하는 니즈도 증가해 가고 있다.

이 때문에, 초점위치나 노즐의 높이를 측정하는 거리검출기로는 비접촉정의 것이 접촉상방지의 면에서 자주 사용되고 있고, 특히 정전용량을 이용한 거리검출기가 많이 사용되고 있다.

레이저가공의 고속성으로부터 응답속도가 빠른 거리검출기가 요구되고 있고, 기계식의 것보다 정전용량을 이용한 거리검출기가 유리하게 되어있는 현상이 있다.

이런 정전용량을 이용한 거리검출기는 통상 노즐선단에 검출전극을 배치해서, 이 검출전극에 전기적으로 교류신호를 인가한다.

그리고, 검출전극과 피가공물사이의 정전용량에 따라 변화하는 교류신호를 검출하는 것으로, 검출전극과 피가공물간의 정전용량을 구해서 검출전극과 피가공물의 거리에 상당하는 직류신호를 상기 교류신호로부터 형성한다.

이 직류신호는 그후, 제어장치에 공급되고 제어장치는 직류신호에 따라 노즐높이위치, 즉 검출전극과 피가공물사이의 거리를 목적의 거리로 유지하도록 제어하고 있다.

구체적으로, 레이저 가공장치는 일반적으로 레이저광을 집광해서 그 빔스파트를 피가공물에 조사해서 재료를 순간적으로 용융 또는 승화해서 비산시킴으로써 제거가공/(주로 절단등)을 하고 있다.

이 때문에, 통상은 레이저광을 집광하기 위한 집광렌즈 또는 집광미러를 구비하고, 또 용융또는 승화한 재료를 비산시키기 위해 어시스트 가스를 불어주기 위한 가공노즐을 구비하고 있다.

또, 검출전극과 피가공물에 정전용량을 구하기 위한 교류신호로서 재현파교류를 사용하는 것이 일반적이다.

이때, 그 정전용량에 대응하는 신호로서, 검출전극의 전압을 검출하는 방법이 채용되고 있다.

상기 검출전극의 전압의 지폭 V는, 주파수 f로 진폭 I의 정현파 교류전류를 검출전극에 가할 때, 미지의 정전용량을 정전용량 C 라고 하면, 다음 식으로 표시된다.

V = 2πfC·i

검출된 검출전극의 전압은, 상기 진폭 V를 갖는 주파수 f의 정현파교류가 되기 때문에 실제로는 이 정현파교류를 정류해서 진폭 V에 비례한 직류신호로 변환하고 있다.

일반적으로, 레이저 가공장치의 노즐의 선단을 조작성의 면에서 작게할 필요가 있고, 거기에 부착되는 검출전극의 사이즈도 적은 것이 되어야 한다.

이 때문에, 검출전극과 피가공물사이의 정전용량은 대단히 미약해지고, 통상 1 p F이하의 정전용량이 되는 것이 알려져 있다.

또, 교류신호의 주파수는 레이저 가공장치의 성능상 규정되는 응답주파수로부터 결정되고, 통상, 10KHz 이상의 주파수가 사용되고 있다.

미약한 정전용량 C에 의해 변환된 검출전압은, 대단히 외관의 영향을 받기 쉬우므로 정류후의 직류신호는 다시 저역필터를 통해서 외란이 맞는 고주파성분을 제거하고 있다.

다음에, 전술한 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 구체적 회로의 사례를 설명한다.

도 14는 제1의 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

도 15는 제1의 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 개략적으로 표시하는 설명도이다.

도 14에서, 교류정전류원 7은 i= I·sin 2 πft의 출력을 발생하는 것으로 여기서, I는 전류의 진폭, t는 시간, f는 주파수이다.

환상의 검출전극 1은 노즐(3)의 선단이고, 또 레이저광(4)의 통과범위의 주위에 배치되어있다.

전류원 7로 부터 검출전극(1)에 정전류(i)를 공급하고, 검출전극(1)과 피가공물(2)와의 사이의 정전용량 C로 변환된 전압(교류신호)를 전압검출회로(8)에서 검출하고, 다시 정류회로(9)에서 이 교류신호를 직류신호 변환한다.

이 직류신호는 고주파성분을 포함하므로, 저역필터(10)에서 필요없는 이 고주파성분을 제거하고, 거리검출출력 Vo를 얻고 있다.

이로써, 검출전극(1)의 검출전압에 의해 피가공물(2)에 대한 집광(초점)위치(6)와, 피가공물(2)로부터의 노즐의 높이를 측정한다.

즉, 노즐(3)의 선단과 피가공물(2)과의 상대거리를 측정하고, 거리검출기에 의해 노즐높이를 인식한다.

그리고, 도시하지 않은 집광렌즈의 위치와 노즐선단의 상대위치를 결정하고 있다.

여기서, 검출전극(1)에 가해지는 교류신호원은 정현파의 교류정전류원 뿐아니라 정현파의 교류정전압원이라도 된다.

도 16은 그 사례이고, 제2의 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

도 16중, 상기 제1의 종래예와 같은 부호 및 기호는, 상기 제1의 종래예의 구성부분과 동일 또는 상당하는 구성부분을 표시하는 것이다.

도 16에서, 교류정전압 7A는, V = V·sin 2 πft의 출력을 발하는 것이다.

제1의 종래기술과 같이, 검출전극(1)은 노즐(3)의 선단에 배치되어있고, 교류정전압원 7A로 부터 검출전극(1)에 전류 io를 공급한다.

또, 검출전극(1)과 피가공물(2)사이의 정전용량 C에 공급되는 전류 io는 변류기(13)로 검출하고, 변류기(13)에서 검출한 전류를 전류검출회로(14)에서 그 전류치에 비례한 전압으로 변환하고, 그 전류검출회로(14)의 출력(교류신호)를 그 정류회로(9)에서 직류신호를 변환한다.

이 직류신호는 고주파성분를 포함하므로 다시 저역필터(10)에서 불필요한 고주파성분을 제거하고 거리검출출력 vo를 얻고 있다.

이로써, 검출전극(1)의 검출전압에 의해, 제1의 종래기술과 같이해서 집광위치(6)과 노즐높이를 피가공물(2)에 대해 측정한다.

그리고, 노즐높이를 인식해서, 집광렌즈의 위치와 노즐선단의 상대위치를 결정하고 있다.

이 실시예의 경우 검출전극(1)에 흘러드는 검출전류 io는

io = V/2πfC

가 된다.

단, 인가하는 전압의 진폭을 V, 주파수를 f, 미지의 정전용량을 C로 한다.

이와같은 종래의 거리검출기에서는 가공중에 발생하는 스패터, 플라즈마에 의한 외란에 대해 저역필터(10)에서는 외란이 갖는 주파수성분의 일부만 제거되고, 완전히 거리검출기의 오차용인을 제거할 수가 없었다.

특히, 알루미늄, 스테인레스 등의 재질의 가공니즈가 높아지는 중에서, 한쪽에서는 이들의 재질은 레이저가공할 때, 레이저광 조사부분에서 플라즈마나 스패터가 발생하기 쉽다.

노즐부분에 부착된 검출전극(1)과 피가공물(2)사이의 정전용량 C를 이용한 거리검출기는 그 플라즈마나 스패터의 영향을 받어 오동작하는 요인을 포함하고 있다.

이같은 거리검출기의 오동작은 레이저가공의 가공불량을 일으킬 뿐 아니라, 최악의 경우에는 피가공물(2)와 노즐(3)의 충돌을 일으켜, 피가공물(2)의 손상이나 레이저 가공장치 자신의 파손을 야기할 가능성이 있다.

한편, 근년의 성력화의 요구에 의해, 레이저가공의 자동운전이 실시되고 있고, 가공의 신뢰성이 중요해지고 있다.

그래서, 본 발명은 레이저가공중의 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받지않고, 레이저초점위치 또는 노즐높이를 측정할 수 있어, 신뢰성이 높은 레이저 가공장치용 거리검출기의 제공을 과제로 하는 것이다.

청구항 1에 관한 레이저 가공장치용 거리검출기는, 레이저광의 집광위치와 피가공물사이의 거리를 정전용량을 이용해서 검출하고, 상기 집광위치와 상기 피가공물사이의 거리를 제어하면서 집광한 광속을 피가공물에 조사해서 레이저가공을 하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 피가공물과의 사이에 정전용량을 형성하는 검출전극과, 상기 검출전극에 입력하는 교류신호를 입력신호로 발생하는 입력신호 발생부와 상기 피가공물과 상기 검출전극사이의 정전용량에 따라 변화하는 교류신호를 검출신호로 검출하는 신호검출부와, 상기 입력신호 발생부에서 상기 입력신호를 입력하는 동시에 상기 신호검출부로 부터 상기 검출신호를 입력하고, 상기 검출신호중, 상기 입력신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산하고, 상기 초점위치와의 거리를 표시하는 거리정보출력을 발생하는 연산부를 구비하는 것이다.

청구항 2에 관한 레이저 가공장치용 거리검출기의 상기 연산부는 상기 입력신호의 위상을 검출하고, 상기 위상에 의해 상기 검출신호를 동기 정류하는 것이다.

청구항 3에 관한 레이저 가공장치용 거리검출기의 상기 연산부는 상기 입력신호와 상기 검출신호를 승산하는 승산회로와, 상기 승산회로의 승산결과를 평활하는 평활회로를 구비하는 것이다.

청구항 4에 관한 레이저 가공장치용 거리검출기의 상기 연산부는 상기 입력신호의 타이밍 또는 위상을 근거로 상기 검출신호를 샘플링해서 상기 연산을 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 2는 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기에서의 교류전압원의 출력파형과 전압검출회로의 출력파형의 한예를 표시하는 설명도

도 3은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기에서의 전압검출회로로부터 출력되는 신호의 주파수 스펙틀의 한예를 표시하는 설명도

도 4는 본 발명의 제2의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 5(a),(b),(c),(d),(e)는 실시의 형태 2의 거리검출기의 동작의 한예를 표시하는 파형도

도 6은 본 발명의 제3의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 7(a),(b),(c),(d)는 실시의 형태 3의 거리검출기의 동작의 한예를 표시하는 파형도

도 8은 본 발명의 제4의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 9(a),(b),(c),(d)는 실시의 형태 4의 거리검출기의 동작의 한예를 표시하는 파형도

도 10은 본 발명의 제5의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 11은 본 발명의 제6의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 12는 본 발명의 제7의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 13은 본 발명의 제7의 실시의 레이저 가공장치용 거리검출기의 정현파발진회로의 구성을 표시하는 설명도

도 14는 제1의 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도 16은 제2의 종래의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 검출전극 2: 피가공물

3: 노즐 4: 레이저광

8: 전압검출회로 10: 저역필터

14: 전류검출회로 15: 교류전압원

15A: 교류정전압원 16: 정전류 증폭회로

17: 이상회로(移異回路) 18: 동기정류회로

19: 승산회로 20: 샘플링회로

21: 연산회로 22: 2계통 출력교류발진회로

C: 정전용량, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 거리검출기

이하, 본 발명의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기에 대해, 도면을 사용하여 설명한다.

또, 도면중 상기 각 종래예와 같은 부호 및 기호는 상기 각 종래예의 구성부분과 동일 또는 상당하는 구성부분을 표시하는 것이고, 도시를 생략한 구조부분에 대해서는 도 14의 종래예의 구조를 채용할 수가 있다.

또, 각 실시예를 통해서 같은 구성부분에는 같은 부호를 부쳐서 그 설명을 생략한다.

실시의 형태 1

도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

본 실시의 형태의 거리검출기(100)는, 레이저 가공장치에 적용된다.

이 레이저 가공장치는 레이저발진기로부터 발사된 레이저광(4)의 광속을 광탁 집광부재로 집광하고, 집광위치(6)로부터 피가공물(2)까지의 거리를 정전용량 C를 이용해서 거리검출기(100)로 검출한다.

또, 집광위치(6)와 피가공물(2)간의 거리를 제어하면서 그 집광된 광속을 피가공물(2)에 조사해서 레이저가공을 한다.

도 1에 표시한 바와 같이, 거리검출기(100)는 검출전극(1)과 교류전압원(15) 및 정전류 증폭회로(16)로된 입력신호 발생부와, 전압검출회로(8)로된 신호검출부와, 연산회로(21)로 된 연산부를 구비한다.

검출전극(1)은 피가공물(2)사이에 정전용량 C를 형성한다.

상기, 입력신호 발생부(15),(16)은 검출전극(1)에 입력하는 교류신호(교류전류)를 입력신호로서 발생한다.

피가공물(2)과 검출전극(1)사이에 입력된 교류전류는 정전용량 C에 의해 변환되고, 전압(전압강하)로서 검출전극(1)에 발생한다.

전압검출회로(8)는 이 교류신호(전압)를 검출신호로서 검출한다.

교류전압원(15)는 정전압원으로 사용되는 것이나, 본발명을 실시하는 경우에는, 교류전압원(15)는 주파수 진폭전압이 안정되어있는 정현파발진기이면 된다.

정전류 증폭회로(16)는 입력전압에 비례한 교류정전류를 출력하는 것이다.

또, 연산회로(21)는 오페앰프 등의 연산증폭기로 되어있다. 연산회로(21)는 입력신호 발생부(15),(16)에서 발생한 교류신호를 참조신호로 입력하고, 상기 검출신호중 상기 참조신호와 주파수가 일치하는 성분(상판성분)을 주출해서 연산하고, 집광위치(6)와 피가공물(2)사이의 거리를 표시하는 거리정보출력을 발생한다.

이렇게 구성된 본 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기(100)에서는 교류전압원(15)에서 발생한 교류정전압 Vsin 2πft는 정전류 증폭회로(16)에 입력되고, 그 정전류 증폭회로(16)는 입력전압에 비례한 교류정전류(i)를 출력하고, 검출전극(1)에 공급한다.

이때, 검출전극(1)의 전압이 전압검출회로(8)에 인가되나 전압검출회로(8)의 입력인피던스는 대단히 크다.

특히, 검출전극(1)의 정전용량 C의 리액턴스와 비교했을 때, 전압검출회로(8)의 입력임피던스는 무한대에 가까움으로 전압검출회로(8)에 유입하는 전류의 값은 무시할 수 있다.

즉, 정전류 증폭회로(16)로 부터 출력되는 교류전류(i)는 실질적으로 모두 검출전극(1)에 주입된다.

검출전극(1)에는 공급된 교류정전류(i)와 피가공물(2)사이의 정전용량 C에 따른 교류전압 vc가 발생한다.

그 관계는 다음식으로 표시된다.

Vc = i/2πfC

이 교류전압 Vc를 전압검출회로(8)가 검출해서 증폭하고, 그 출력교류신호를 검출신호로서 연산하고(21)에 입력한다.

연산회로(21)에는 교류전압원(15)의 출력교류신호로 참조신호로서 입력되어있고, 연산회로(21)는 이 두 개의 교류신호를 연산해서 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻고 있다.

도 2는 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치를 거리검출기에서의 교류전압원의 출력파형과 전압검출회로에 의해 검출되는 출력파형의 한 예를 표시하는 설명도, 도 3은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 레이저 가공장치를 거리검출기에서의 전압검출회로에서 출력되는 신호의 주파수 스펙터의 일예를 표시하는 설명도이다.

연산회로(21)에서는, 전압검출회로(8)에서의 출력교류신호중, 교류전압원(15)의 출력교류신호의 파형과 상관이 있는 성분을 주출하고, 그 크기를 연산하고 있다.

예를들면, 도 2에 표시한 바와 같이, 교류전압원(15)의 출력신호로서 정현파교류를 사용했을 때는 경험상 도시하는 바와 같은 노이즈성분을 포함한 전압검출회로(8)의 출력교류신호가 얻어지는 것이 알려져 있다.

그러나, 이때의 연산회로(21)의 출력으로는 전압검출회로(8)의 출력교류신호중, 교류전압원(15)의 출력교류신호와 같은 주파수를 갖는 정현파파형의 성분만의 크기가 얻어지게 된다.

즉, 도 3에서 표시하는 바와 같은 노이즈의 스펙터(주파수성분)가 전압검출회로(8)의 출력교류신호에 포함되어있는 경우, 연산회로(21)에 의해 그 출력교류신호중 정전용량 C의 검출에 필요한 교류전압원(15)의 발생신호와 같은 주파수 f의 스펙터(주파수성분)만을 주출할 수가 있다.

이것은 검출전극(1)에 발생하는 정전용량 C에 따른 교류전압 Vc중 교류전압원(15)의 출력과 상관이 없는 노이즈성분은 연산출력에서 제거되는 것을 표시하고 있다.

이 때문에, 레이저가공중의 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것으로 인한 영향을 받지않고 거리측정이 되고, 신뢰성이 높은 거리검출기(100)가 얻어진다.

다음에, 상기 연산회로(20)에 상당하는 연산부의 여러 가지 예를 아래의 실시의 형태에서 구체적으로 설명한다.

예를들면 연산부로는 동기검파회로를 사용할 수 가 있고, 동기검파회로로서 동기 정류회로를 사용할 수가 있다.

또, 동기정류회로 대신에 승산회로를 사용해도 된다.

또, 연산부로서, 샘플링회로를 사용할 수도 있다.

어느 것이든 연산부는 검출전극(1)의 출력을 검출하는 검출회로로부터의 출력중, 교류원의 출력주파수와 같은 주파수성분을 주출해서 연산출력하는 것이면 된다.

또, 연산부로서, 상기 동기 정류회로등에 이 상기를 조합해서, 교류원의 출력신호의 위상과 검출회로의 출력신호의 위상을 일치시킨후 동기정류등을 해도 된다.

이때, 연산부에서의 검출출력의 감도를 향상시킬 수가 있고, 검출출력 Vo의 S/N 비를 증대할 수가 있다.

실시의 형태 2

도 4는 본 발명의 제2의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 1의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기(100)에서는 전압검출회로(8)로 부터의 출력신호와 교류전압원(15)으로부터의 출력신호의 위상이 일치하지 않을 때는 검출감도가 저하하고 S/N 비가 저하한다.

그러나, 전압검출회로(8)로부터의 출력신호는 주파수가 높고, 피가공물(2)과 검출전극(1)사이의 정전용량 C를 측정하기 위한 것이다.

또, 전압검출회로(8)의 증폭처리시간이 교류전압원(15)의 신호를 연산회로(21)에 직접 도입하는 타이밍과 반드시 일체하지 않는 경우도 있다.

이 경우에는, 도 4에 표시하는 제2의 실시의 형태와 같이 전압검출회로(8)의 출력신호와 교류전압원(15)의 출력신호의 위상조정을 해서, 양위상을 일치시키면 된다.

본 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기(200)는, 실시의 형태 1과 같이, 레이저 가공장치에 적용된다.

또, 거리검출기(200)는 집광위치(6)와 피가공물(2)에 관한 거리를 정전용량 C를 이용해서 검출한다.

이 거리검출기(200)는, 검출전극(1)과 교류전압원(15)과 정전류 증폭회로(16)와, 전압검출기(8)와 이상회로(移相回路)(17)와 동기 정류회로(18)를 구비한다.

실시의 형태 2는, 실시의 형태 1과 같고 교류전압원(15)을 기준의 파형 발생원으로 사용된다.

이상회로(17)는 입력한 교류전압원(15)으로부터의 교류신호의 위상을 시프트로해서 소정의 위상에 진상 또는 지상처리를해서 출력한다.

동기 정류회로(18)는 이상회로(17)를 통과한 교류전압원(15)의 출력신호를 동기신호(참조신호)로 입력하고, 교류전압원(15)의 출력신호에 동기해서 전압검출회로(8)의 출력신호(검출신호)를 정류한다.

또, 동기정류회로(18)에는 저역필터(10)가 접속되고 동기정류한 검출신호를 평활화한다.

상기 이상회로, (17) 및 동기정류회로(18)는 실시의 형태 2의 연산부를 구성하고, 상기 검출신호와 상기 입력신호(참조신호)의 위상을 일치시킨 상태에서, 검출신호중 참조신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산한다.

즉, 연산부는 전압검출회로(8)의 출력중, 교류전압원(15)의 출력과 상관이 있는 주파수성분만을 주출해서 출력한다.

이때, 불필요한 고주파성분 및 노이즈성분이 제거된다.

또, 저역필터(10)는, 동기 정류회로(18)를 통과한 검출신호에 포함되는 동기정류회로(18)에서 제거되지 않었던 불필요한 고주파성분이나 노이즈성분을 제거한다.

실시의 형태 2에서도, 실시의 형태 1과 같이 검출전극(1)에 교류전압원(15)의 출력전압에 비례한 교류정전류(i)가 공급된다.

그리고, 검출전극(1)의 전압 Vc = i/2πfC 가 전압검출회로(8)에 의해 검출되고, 그 출력 교류신호가 연산부의 동기정류회로(18)에 입력된다.

한편, 교류전압원(15)의 교류전압신호를 이상회로(17)에서 위상시프트하고, 동기정류회로(18)에 입력한다.

동기 정류회로(18)는, 이상회로(17)의 신호의 위상정보를 기초로 전압검출회로(8)의 검출신호를 동기정류한다.

즉, 이때 전압검출회로(8)의 검출신호출력과 이상회로(17)를 통과한 교류전압원(15)의 참조신호출력은, 서로 주파수 및 위상이 일치하고 있다.

따라서, 동기 정류회로(18)는 검출회로중, 그 동상의 참조신호의 주파수와 동일 주파수의 신호만을 정류하고, 다른 주파수성분을 제거한다.

즉, 검출출력중 정전용량 C의 값에 대응하는 성분만이 주출되고, 기타의 고주파성분은 제거된다.

또, 동기 정류한 검출출력은 충분히 커지고 검출감도가 향상한다.

또, 동기정류회로(18)의 출력은 저역필터(10)에 입력되고, 상기 한것에 더해서 불필요한 고주파성분이 제거된다.

상기한 바와 같이, 전압검출회로(8)의 검출출력과 교류전압원(15)의 출력의 주파수 및 위상을 일치시킨 동기전류가 가능하다.

따라서, 검출전극(1)의 검출신호에 혼힙하는 노이즈성분이 전압검출회로(18)의 검출출력에 중첩해 있어도 그 노이즈성분은 검출출력과 주파수가 일치하지 않으므로, 동기정류회로(18)에서 제거할 수가 있고, 다시 최종적으로는 저역필터(10)에서 완전히 제거할 수가 있다.

이 결과, 노이즈성분의 영향을 무시할 수 있는 검출이 가능해진다.

이 결과로 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻을 수가 있다.

다음, 연산부에 대해 상술한다.

동기 정류회로(18)는 예를들면 동기신호로서 교류전압원(15)으로부터의 출력에 동기해서, FET등의 스위칭소자를 온,오프해 전압검출회로(8)의 출력파형중 임의의 위상부분을 구출한다.

즉, 동기정류회로(18)은, 교류전압원(15)의 출력이 +일 때 스위칭소자를 하고 그간의 전압검출회로(8)의 출력만 주출한다.

그리고, 저역필터(10)가 동기 정류회로(18)의 출력을 평활화하고, 직류전압 Vo를 출력한다.

이때, 저역필터(10)는, 전압검출회로(8)의 출력신호와 교류전압원(15)의 출력신호를 적분하고, 그 위상차 Φ에 따른 전압 Vo를 검출출력으로 출력한다.

예를들면, 위상차 Φ가 0일 때 검출출력으로서 전압검출회로(8)의 출력의 진폭에 따른 최대의 출력치가 얻어지고, 위상차 Φ가 π/2일 때 출력치는 0가 된다.

또, 양출력은 상기한 바와 같이 동상이 되므로 저역필터 10은 최대치를 출력한다.

또, 동기 정류회로(18)는 상기한 바와 같이, 양출력신호의 위상차 Φ가 π/2일 때, 출력이 0가 되므로 위상차 Φ의 검출도 할 수가 있다.

따라서, 실시의 형태 2에서는 동기 정류회로(18)에서 검출한 위상차 Φ를 참조해서 이전회로(17)에 의해 교류전압원(15)의 출력신호를 이상이고 전압검출회로(8)의 출력신호와 같은 상으로 할 수 가 있다.

도 5는 실시의 형태 2의 거리검출기(200)의 동작의 한예를 표시하는 파형도이다.

거리검출기(200)은 도 5의 (a) 및 (b)에 표시하는 바와 같이, 전압검출회로(8)의 출력 V8의 위상이 교류전압원(15)의 출력 V15의 위상으로부터 위상차 Φ만큼 지연되는 경우, 도 5의 (c)에 표시하는 바와 같이, 이상회로(17)에 의해 출력 V15를 위상차 Φ만큼 늦추어 준다.

그리고, 이상회로(17)를 통과한 교류전압원(15)의 출력 V17과 전압검출회로(8)의 출력 V8을 동상으로 한 상태에서, 출력 V8을 동기 정류한다.

그러면, 동기정류회로(18)의 출력 V18 및 저역필터(10)의 출력 V10은, 도 5의 (d) 및 (e)에 표시한 바와 같이 되고, 저역필터(10)로부터 정전용량 C에 대응한 값의 직류전압 Vo가 출력된다.

이때, 검출출력 V8에 중첩되는 고주파성분(고조파) 및 노이즈성분은 교류전압원(15)의 출력 V15 또는 V17과 주파수가 일치하지않고, 상관하지 않으므로 우선 동기정류회로(18)에서 제거되고, 다시 저역필터(10)에 의해 제거된다.

실시의 형태 3

도 6은 본 발명의 제3의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 6에 표시하는 거리검출기(300)는, 도 4에 표시한 실시의 형태 2의 거리검출기(200)에서 동기정류회로(18)를 승산회로(19)로 치환한 것이다.

그리고, 거리검출기(300)는 실시의 형태(2)와 같이 전압검출회로(8)의 출력신호(검출신호)와 교류전압원(15)의 출력신호(압력신호 내지 참조신호)의 위상조정을 하고, 양신호의 위상을 일치시킨 상태에서 승산회로(19)에 입력한다.

이상회로(17) 및 승산회로(19)는 실시의 형태 3의 연산부를 구성하고, 검출신호와 참조신호의 위상을 일치시킨 상태에서, 검출신호중 참조신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산한다.

실시의 형태 3에서도 실시의 형태 2와 같이, 전압검출회로(8)의 출력신호가 승산회로(19)에 입력된다.

한편, 승산회로(19)는 이상회로(17)에 의해 동위상이 된 교류전압원(15)의 출력정보를 기초로 전압검출회로(8)의 출력과 교류전압원(15)의 출력을 승산한다.

즉, 승산회로(19)는 진폭이 큰 신호상호를 승산해서 그 출력을 저압필터(10)에 입력하고 있다.

그 결과, 전체로서 잡음의 존재를 낮게 억제할 수 있고, 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 VO를 얻고 있다.

그러므로, 승산회로(19)의 연산에 의해 플라즈마나 스패터에 기인하는 외란에 의한 영향이 외란 전체의 영향에 비교해서 적어져 레이저가공중에 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받는 일 없이 거리측정이 된다.

이 결과, 신뢰성이 높은 거리검출기가 얻어진다.

다음에, 실시의 형태 3의 연산부에 대해 상술한다.

승산회로(19)는, 전압검출회로(8)의 출력신호를 이상한 교류전압원(15)의 출력신호와 승산해서 출력한다.

이때, 교류전압원(15)의 출력과 주파수가 일치하지 않는 고주파성분이나, 노이즈성분은 게된다.

또, 승산회로(19)의 출력은, 다시 저역필터(10)에 의해 불필요한 고주파성분 및 노이즈성분이 제거된다.

그리고, 저역필터(10)가 승산출력을 평활화하고 직류전압 VO를 출력한다.

이때, 저역필터(10)는 검출신호와 참조신호의 위상차 Φ에 따른 전압 Vo를 출력한다.

예를들면, 양자의 위상차 Φ가 0일 때 전압검출회로(8)의 출력의 진폭에 따른 최대의 출력치가 얻어지고, 위상차가 Φ가 π/2일 때 출력치는 0이다.

또, 양출력은 상기한 바와 같이 동상이 되기 때문에 저역필터(10)는 최대치를 출력한다.

또, 이때 상기 실시의 형태 2와 같이 해서, 승산회로(19)로 검출한 위상차 Φ를 참조해서 이상회로(17)에 의해 교류전압원(15)의 출력신호를 이상해서 전압검출회로(8)의 출력신호와 동상으로 할 수가 있다.

도 7은 실시의 형태 3의 거리검출기(300)의 동작의 한예를 표시하는 파형도이다.

거리검출기(300)는, 도 7의 (a) 및 (b)에 표시한 바와 같이, 이상회로(17)를 통과하는 교류전압원(15)의 출력 V17과 전압검출회로(8)의 출력 V8을 동상으로 한 상태에서 출력 V17 및 출력 V8을 승산한다.

그러면, 승산회로(19)의 출력 V19 및 저역필터(10)의 출력 V10은, 도 7의 (c) 및 (d)에 표시한 대로가 되고, 저역필터(10)로부터 정전용량 C에 대응한 값의 직류전압 VO가 출력된다.

이때, 검출출력 V8에 겹쳐지는 고주파상분 및 노이즈성분은, 교류전압원(15)의 출력 V15 또는 V17과 주파수가 일치하지 않고, 상관하지 않으므로 우선 승사회로(19)에서 제거되고, 또 저역필터(10)에 의해 제거된다.

여기 더해서 출력 V8과 출력 V15(출력 V17)를 승산하기 위해 보다 큰 검출출력이 얻어진다.

실시의 형태 4

도 8은 본 발명의 제4의 실시의 레이저 가공장치용 거리검출기외 전체의 구성을 표시하는 도면이다.

도 8에 표시한 거리검출기(400)는, 실시의 형태 2의 거리검출기(200)에서의 동기 정류회로(18)를 아날로그게이트 및 소정의 주기로 게이트를 개폐하는 임계치회로등으로 된 샘플링회로(20)로 치환한 것이다.

그리고, 거리검출기(400)는 제2의 실시의 형태와 같이, 검출신호와 참조신호의 위상조정을 하고, 양신호의 위상을 일치시킨 상태에서 샘플링회로(20)에 입력한다.

즉, 이상회로(17) 및 샘플링회로(20)는, 실시의 형태 4의 연산부를 구성하고, 검출신호와 참조신호의 위상을 일치시킨 상태에서 검출신호중 참조신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산한다.

실시의 형태 4에서도 실시의 형태 2와 같이, 전압검출회로(8)의 출력신호가 샘플링회로(20)에 입력된다.

한편, 샘플링회로(20)는 이상회로(17)에 의해 동상이라고 된 교류전압원(15)의 출력의 정보를 기초로 소정의 주기로 전압검출회로(8)의 검출출력을 샘플링한다.

예를들면 상기한 바와 같이, 샘플링회로(20)는 전압검출회로(8)의 검출출력의 최대 진폭치의 1/5이상의 영역을 주출하는 바와 같은 주기 및 샘플링시간에서 샘플링하고 그 출력을 저감필터(10)에 입력하고, 불필요한 고주파성분을 제거하고, 거리정보출력으로 정확한 검출출력 vo를 얻고 있다.

즉, 전압검출회로(8)에서 검출된 전압을 샘플링회로(20)에 의해 소정의 주기로 소망하는 위상부분만, 예를들면 진폭치가 큰 위상부분에만 샘플링하고 있다.

즉, 샘플링회로(20)에 의해 SN 비가 큰 영역만을 주출하고 있다.

상기한 바와 같이, 실시의 형태 4에서도 교류전압원(15)의 신호는, 이상신호(17)에 통해서 위상을 시프트하고, 샘플링회로(20)에 인도되고 있다.

또, 샘플링회로(20)는 전압검출회로(8)의 검출신호를 교류전압원(15)의 신호의 위상을 참조해서 임의의 범위에서 샘플링하고 있다.

따라서, 샘플링영역을 조정해서 상대적으로 SN 비를 크게 할 수가 있다.

또, 노이즈성분의 주기는 샘플링타이밍 내지 샘플링주기(교류전압원 15의 출력주기)와 맞지 않으므로 후단의 저역필터(10)에서 제거되고, S/N 비가 더욱 향상된다.

즉, 샘플링회로(20)에서는, 샘플링주파수와 그 고주파주파수 근방의 주파수성분만이 검출된다.

또, 이상회로(17)의 위상 시프트량을 적의 조정함으로써, 샘플링하는 영역을 변경할 수 있고, 출력감도의 조정을 할 수도 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 전압검출회로(8)의 출력과 교류전압원(15)의 출력을 동상이라고 하면 출력감도를 최적으로 할 수가 있다.

다음 실시의 형태 4의 연산부에 대해 상술한다.

샘플링회로(20)는 전압검출회로(8)의 출력신호를 이상한 교류전압원(15)의 출력신호와 동기해서 샘플링한다.

이때, 교류전압원(15)의 출력과 주파수가 일치하지 않는 주파수성분이나 노이즈성분은 제거된다.

또, 샘플링회로(20)의 출력은 저역필터(10)에 의해 불필요한 고주파성분이나 노이즈성분이 제거된다.

또, 저역필터(10)가 샘플링출력을 평활화해서 직류전압 Vo를 출력한다.

예를들면, 양자의 위상차 Φ가 0일 때 최대의 출력치가 얻어지고, 위상차 Φ가 π/2일 때 출력치는 0이 된다.

또, 양출력은 상기와 같이 동상이 되기 때문에 저역필터(10)는 최대치를 출력한다.

또, 이때 상기 실시의 형태 2와 같이해서 샘플링회로(20)에서 검출한 위상차Φ를 참조해서, 이상회로(17)에 의해 교류전압원(15)의 출력신호를 이상하고 전압검출회로(8)의 출력신호와 동상으로 할 수가 있다.

도 9는 실시의 형태 4의 거리검출기(400)의 동작의 한예를 표시하는 파형도이다.

거리검출기(400)는, 이상회로(17)를 통과한 교류전압원(15)의 출력 V17과 전압검출회로(8)의 출력 V8을 동상으로 한 상태에서, 출력 V8을 샘플링한다.

이때, 샘플링회로(20)는, 교류전압원(15)의 출력 V17의 위상 또는 소정의 타이밍에 따라 출력 V8을 샘플링한다.

예를들면, 도 9의(a) 및 (b)에 표시하는 바와같이, 샘플링회로(20)는 출력 V17 및 출력 V8과 같은 주기로 소정펄스폭의 샘플링펄스를 발생한다.

또, 샘플링펄스는 출력 V8의 진폭의 최대치를 중심으로 한 범위, 즉 S/N비가 큰 신호부분만을 주출하도록 상승 및 하강의 타이밍을 설정하는 것이 바람직하다.

예를들면, 출력 V8의 최대 진폭치의 5분의 1이상의 값을 임계치로 해서, 임계치회로에 의해 아날로그게이트를 개폐제어해서 샘플링을 한다.

이로써, 샘플링회로(20)의 출력 V20 및 저역필터(10)의 출력 V10을 도 9의 (c) 및 (d)에 표시하는 바와 같이 되고, 저역필터(10)로부터 정전용량 C에 대응한 값의 직류전압 Vo가 출력된다.

이때, 검출출력 V8에 중첩되는 고주파성분 및 노이즈성분은 교류전압원(15)의 출력 V15 또는 V17과 주파수가 일치하지 않으며 상관하지 않으므로, 우선 샘플링회로(20)에서 제거되고 또, 저역필터(10)에 의해 제거된다.

추가해서, 출력 V8중 진폭치가 큰 범위만을 샘플링하므로 S/N비가 큰 범위만 주출한 검출출력이 얻어진다.

실시의 형태 5

도 10은 본 발명의 제5의 실시의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

실시의 형태 5의 거리검출기(500)는 검출전극(1)에 공급하는 입력교류신호를 실시의 형태 2의 거리검출기(200)에서의 정전류(i)로 부터 검출전극(1)에 직접 공급하는 정전압에 치환시킨 것이다.

교류정전압원 15A는 V·sin 2πft의 교류정전압출력을 발생하는 것이고, 이 교류정전압에 따라 검출전극(1)과 피가공물(1)사이의 정전용량 C에는 전류 io가 공급된다.

또, 거리검출기(500)은, 정전용량 C의 값에 따라 값이 변화하는 전류 io를 변류기(CT)(13)로 검출하고, 전류검출회로(14)에 의해, 변류기(13)에서 검출한 전류 io를 그 전류치에 비례한 전압으로 변환하고 검출신호로 출력하는 것이다.

여기서, 본 실시의 형태의 입력신호 발생부는 상기 교류정전압원(15A)에 의해 구성된다.

또, 신호검출부는 변류기(13) 및 전류검출기(14)에 의해 구성된다.

또, 연산부는 실시의 형태 2와 같이 이상회로(17) 및 동기정류회로(18)에 의해 구성된다.

그리고, 연산부는 상기 검출신호와 참조신호의 위상을 일치시킨 상태에서 검출신호중 참조신호와 주파수가 일치되는 성분을 주출해서 연산한다.

실시의 형태 5의 거리검출기(500)는 교류정전압원 15A로부터 교류전압을 검출전극(1)에 인가해서 전류 io를 변류기(13)에서 검출하고, 다시 전류검출회로(14)로부터 그 전류치에 비례한 전압을 출력한다.

그 전류검출회로(14)의 출력을 동기정류회로(18)에 입력하고 동기 정류회로(18)에서는 실시의 형태 2와 같이해서 이상회로(17)의 신호의 위상정보를 기초로 교류정전압원(15A)의 출력(참조신호)과, 주파수 및 위상이 일치하는 범위에서 전류검출회로(14)의 출력(검출신호)를 주출하는 동기정류를 실시한다.

또, 동기정류회로(18)의 출력을 저역필터(10)에 입력한다.

따라서, 전류검출회로(14)의 출력과 이상회로(17)를 통과한 교류정전압원(15A)의 출력은 서로 주파수 및 위상이 일치하였고, 저역필터(10)에 입력되는 신호는 불필요한 고주파성분 및 노이즈성분이 제거되어있다.

또, 저역필터(10)에서도 고주파성분 및 노이즈성분을 제거한다.

이 결과, 거리정보출력으로서 고주파성분 및 노이즈성분을 무시할 수 있는 정확한 검출출력 Vo를 얻고 있다.

즉, 실시의 형태 2와 같이 검출전극(1)에 교류정전압원(15A)의 전압에 비례한 전류가 공급된다.

한편, 동기정류회로(18)의 출력은 이상회로(17)의 출력의 주파수 및 위상으로 특정 및 제한되고, 전류검출회로(14)로부터는 소정의 주파수성분의 진폭만이 즉 필요한 검출출력만이 저역필터(10)에 입력된다.

따라서, 전류검출회로(14)의 검출출력중, 이상회로(17)를 통과한 교류전압원(15A)의 출력과 위상·주파수가 일치하지 않는 고주파성분이나 노이즈성분을 제거할 수 있으므로 레이저가공중의 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받지않고 거리측정이 가능하고 신뢰성이 높은 거리검출기가 얻어진다.

또, 참조신호를 동기정류에 필요한만큼 위상시프트하고 있으므로, 이상회로(17)에서 특정된 주파수 및 위상과 주파수 및 위상이 일치한 전류검출회로(14)의 신호만을 주출할수 있고, 노이즈를 최소한 억제한 검출출력을 얻을수가 있다.

실시의 형태 6

도 11은 본 발명의 제6의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

도 11의 거리검출기(600)는 실시의 형태 2의 거리검출기(200)에서의 이상회로(17)를 교류전압원(15)의 출력측은 아니고, 전압검출회로(8)의 출력측에 접속한 것이다.

실시의 형태 6의 거리검출기(600)에서는, 전압검출회로(8)에서 검출된 전압은, 이상회로(17)에서 위상조정되어 통기정류회로(18)에 입력된다.

즉, 전압검출회로(8)의 검출신호는 교류전압원(15)의 발생신호(참조신호)와 동상이 된다.

동기정류회로(18)는 교류전압원(15)의 교류정전압신호의 위상정보를 기호로, 이상회로(7)로부터의 검출신호를 동기정류한다.

또, 동기정류회로(18)의 출력은 저역필터(10)에 입력되고 불필요한 고주파성분이나 노이즈성분을 제거하고 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻고 있다.

따라서, 이상회로(17)를 통과한 전압검출회로(8)의 검출출력과 교류전압원(15)의 발생출력한 서로 주파수 및 위상이 일치하고 있다.

따라서, 실시의 형태 2와 같이 전압검출회로(8)의 검출출력으로부터 교류전압원(15)의 출력과 동일주파수 및 동일 위상성분만을 주출할 수가 있다.

이 결과, 동기정류회로(18)의 출력으로서 저역필터(10)에 입력되는 신호는 불필요한 고주파성분 및 노이즈성분을 제거한 소정의 주파수성분만의 정류신호가 되고, 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻을수가 있다.

즉, 전압검출회로(8)애서 검출된 전압자체를 이상회로(17)에서 위상시프트해서 동기정류회로(18)에 입력하고, 또 교류전압원(15)의 전압을 직접 동기정류회로(18)에 입력한다.

동기정류회로(18)는 교류전압원(15)의 위상정보를 기초로 이상회로(17)를 통해서 전압검출회로(8)의 검출신호를 동기 정류한다.

따라서, 검출출력으로 부터 교류전압원(15)의 출력과 주파수 위상이 일치하지 않는 고주파성분 및 불필요한 노이즈성분을 제거할 수 있으므로, 레이저가공중에 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받는 일없이 거리측정이 되고, 신뢰성이 높은 거리검출기가 얻어지고 노이즈를 최소한으로 억제한 검출출력을 얻을수가 있다.

실시의 형태 7

도 12는 본 발명의 제7의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 전체의 구성을 표시하는 설명도이다.

또, 도 13은 본 발명의 제7의 실시의 형태의 레이저 가공장치용 거리검출기의 정현파 발진회로의 구성을 표시하는 설명도이다.

도 12의 거리검출기(700)는 실시의 형태 2의 거리검출기(200)와 기본적 구성은 공통되나 상위점은 전원으로서, 교류전압원(15)대신에 위상이 다른 2개의 교류를 출력하는 2계통 출력교류발진회로(22)를 채용한 점에 있다.

2계통 출력교류발진회로(22)의 cos 2πft 단자는 검출전극(1)에 접속되어있고, 또 sin 2πft 단자는 동기정류회로(18)에 접속되어있다.

cos 2πft 단자와 sin 2πft 단자를 갖는 2계통 출력교류발진회로(22)는 구체적으로 표시하면 도 13과 같은 회로구성을 갖고 있다.

도 13의 회로는, 오페앰프 op1과 오페앰프 op2를 갖고, Sin2πft 단자로부터 정현파 및 cos 2πft 단자로 부터 여현파를 출력하는 것으로 오페앰프 op1측은 2차 VCVS(voltage controlled voltage source)저역액티브필터회로(81)를 구성해서 오페앰프 op2측은 실용 적분회로(82)를 구성하고, 양자로 불평형출력의 sin/cos 발진회로를 구성하고 있다.

2계통 출력교류발진회로(22)의 회로동작은 실용적분회로에 의해 270도의 위상지연의 출력을 발생하고, 2차 vcus 저역액티브필터회로(81)에서 90도의 지연출력을 발생하고 죌환에 의해 발진시키는 것이다.

이 발진주파수 f는

f=1/2π(R1·R2·C1·C2)1/2

단, C2=2C1, C1=C3, R1=R²이다.

또, 도 13의 제너다이오드 ZD1 및 ZD2는 발진의 안정화를 위해 사용하고 있다.

여기서, 검출전극(1)에 입력하는 교류신호를 발생하는 2계통 출력교류발진회로(22)의 cos 2πft 출력 및 정전류 증폭회로(16)은 본 실시의 형태의 입력신호 발생부를 구성한다.

또, 동기정류회로(18)는 본 실시의 형태의 연산부를 구성하고 전압검출회로(8)의 검출출력과 2계통 출력교류발진회로(22)의 sin 2πft 출력의 위상을 일치시킨 상태에서, 검출출력중 sin 2πft출력과 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산한다.

실시의 형태 7의 거리검출기(700)에서는 2계통 출력교류발진회로(22)의 cos 2πft단자에서 발생한 교류정전압 Vcos 2πft는 정전류 증폭회로(16)에 입력된다.

이 정전류 증폭회로(16)는 입력전압에 비례한 교류전류를 출력하고, 검출전극(1)에 공급한다.

전압검출회로(8)에서 검출된 전압은 동기정류회로(18)에 입력된다.

동기정류회로(18)에서는, 2계통 출력교류발진회로(22)의 sin 2πft 단자에서 발생한 교류정전압 V·sin 2πft의 위상정보를 기초로 전압검출회로(8)의 검출신호를 동기정류한다.

여기서, 2계통 출력교류발진회로(22)의 sin 2πft 단자에서 발생한 교류정전압의 주파수 및 위상에 의해, 전압검출회로(8)의 검출신호의 주출을 하는 것으로, 검출신호에 포함되는 불필요한 고주파성분이나 노이즈성분을 제거할 수 있다.

그리고, 동기정류회로(18)의 출력은 저역필터(10)에 입력되고, 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻고 있다.

이때, 전압검출회로(8)에 의해 검출된 cos 2πft 단자의 출력과 2계통 출력교발진회로(22)의 sin 2πft 단자의 출력은, 서로 주파수가 일치한다.

또, cos 2πft단자의 출력은 sin 2πft 단자의 출력보다 위상이 90°앞서있다.

한편, 전압검출회로(8)에의 입력계는 정전용량 c를 검출하는 용량성회로인 것으로부터 전압검출회로(8)애서 검출하는 전압은 교류전원전압보다 90도 위상이 지연되고 있다.

따라서, 동기정류회로(18)에서는 전압검출회로(8)의 출력과 sin 2πft 단자의 출력은, 서로 주파수 및 위상이 일치하고 있다.

이 결과, 실시의 형태 2와 같이 동기정류회로(18)의 출력에서 불필요한 고주파성분 및 노이즈성분을 제거할 수가 잇다.

즉, 본 발명의 검출기가 정전용량 C를 검출하는 것으로부터, 전압검출회로(8)에서 검출하는 전압이 교류전원전압보다 90도 위상이 지연되는 것에 착폭해서 실시의 형테 7에서는 교류전압원의 게단에서 미리 검출전극(1)에 위상을 90도 진행시킨 전류를 공급하고 있다.

이로써, 이상회로(17)를 설치하지 않어도 동기정류회로(18)에는 90도 지연된 위상의 검출출력이 입력되고, 결과적으로 검출출력과, 전원출력이 동상이 된다.

이로써, 동기정류회로(18)에서 특정의 주파수성분만을 주출해서 정류한 신호를 저역필터(10)에 입력할 수가 있고, 고주파성분 및 노이즈성분을 제거해서 거리정보출력으로서 정확한 검출출력 Vo를 얻을 수가 있다.

그러므로, 동기정류회로(18)에서 주파수위상이 일치하지 않는 불필요한 성분을 제거할 수 있으므로, 레이저가공중에 플라즈마나 스패터가 발생해도 그것에 의한 영향을 받지않고 거리측정을 할수 있고 신뢰성이 높은 거리검출기가 얻어지고, 노이즈를 최소한 억제한 검출출력을 얻을수가 있다.

또, 상기와 같이 검출전압신호와 동기정류신호(18)의 참조신호와의 위상을 일치시키기위해, 예를들면 도 13에 표시하는 바와 같은 불평형출력의 sin/cos 발진회로이외에도 평형출력의 sin/cos 발진회로등 90도의 위상차의 2계통 출력을 갖는 기타의 교류발진회로를 사용할 수가 있다.

상기 각 실시의 형태는 각 입력신호 발생부로서, 교류전압원(15) 및 교류정전압원(15A)를 사용하는 교류정전류원 등의 교루안정화 전원으로 된 사례로 설명하였으나, 교류전압원(15)는 정전류 증폭회로(16)와 함께 정전류원을 구성하는 것이므로, 본 발명을 실시하는 경우의 입력신호 발생부는 교류정전류 또는 교류정전압원의 어느 것을 사용해도 된다.

상기 실시의 형태의 각 입력신호 발생부의 출력은, 특정의 주파수의 정현파의 교류로 한 것이나, 본 발명을 실시하는 경우에는 반드시 정현파에 한정되는 것은 아니고, 3각파, 구형파 등의 특수파형을 사용할 수가 있다.

그러나, 특정의 주파수의 정현파의 교류를 사용한 경우에는 입력신호 발생부의 출력에서 검출에 사용하는 기본 주파수에 고조파가 중첩해 있지 않으므로 기본주파수 이외의 주파수를 제거할 수가 있다.

따라서, 레이저가공중에 플라즈마나 스패터가 발생했을 때의 고주파성분과의 구별이 쉬워지고 거리측정결과의 신뢰성을 높게할 수가 있다.

또, 입력교류신호로서 정현파의 교류를 사용함으로써 위상의 검출이나 위상시프트를 쉽게할 수가 있다.

상기 실시의 제3의 형태에서는 연산부를 승산회로(19)와 저역필터(10)로된 평활회로로 구성하였다.

그러나, 본 발명을 실시하는 경우에는 실시의 형태 5∼7 등, 다른 실시의 형태에 대해서도 이 구성을 연산부로 사용할 수가 있다.

특히, 저역필터(10)로 된 평활회로에서는 직류성분으로 정확한 거리 검출정보를 얻을 수가 있으므로 레이저 가공장치의 각종 제어가 용이하다.

상기 실시의 제2, 5, 6, 7의 형태는 연산부에서 입력신호 발생부의 전원출력의 위상을 검출하고 그 위상에 의해 검출출력을 동기정류하는 것이다.

그러나, 본 발명을 실시하는 경우에는 실시의 형태 1등, 다른 실시의 형태에서도, 이런 연산부의 구성을 채용할 수가 있다.

특히, 이런 연산부의 구성을 채용한 것에서는 연산부에서 검출출력과 전원출력의 주파수 및 위상을 일치시킴으로써 전원출력에 대응하는 주파수 및 위상의 입력신호만을 주출하고, 레이저가공시의 플라즈마나 스패터로부터 유발되는 검출신호에의 외란을 제거할 수가 있다.

또, 연산부에서 검출전극(1)에 주입하는 입력교류신호와 검출전극(1)으로부터 검출되는 교류신호와의 위상차를 조정할 수 있고, 이 검출감도를 조정할 수가 있다.

검출신호와 입력교류신호의 위상의 어긋남을 보정할 수가 있고, 이 위상조정을 함으로써 동기정류, 승산, 샘플링등의 연산의 감도를 조정할 수 있고, 최량의 상태로 할 수도 있다.

상기 실시의 형태 2 내지 5의 연산부에서는, 이상회로(17)에 의해 상기 입력신호 발생부에서 발생한 교류신호의 위상을 시프트시켜서 위상을 제어하는 한편, 상기 실시의 형태 6의 연산부의 연산에서는 이상회로(17)에 의해 상기 신호검출부에서 검출한 상기 검출신호의 위상을 추가시켜서 위상을 제어한다.

그러나, 본 발명을 실시하는 경우에는 양신호의 어느 것이라도 위상시프트시켜도 된다.

어느 것이 되었던 이상회로(17)에 의해 양신호의 위상을 일치시키는 것이므로 레이저가공시의 플라즈마나 스패터에서 유발되는 고주파 레이저가공시의 플라즈마나 스패터에서 유발되는 고주파의 외란을 효율좋게 제거할 수가 있다.

또, 이상회로에 의해 동상이라고 하는 경우에 상기와 같이 동기정류회로, 승산회로, 샘플링회로등의 신호를 참조해서 이상을 하는 이외에도 공지의 다른 방법을 사용하는 것은 물론 가능하다.

또, 검출출력과 전원출력은 실시의 형태 7에서 설명한 바와 같이 통상 90도의 위상차가 있는 것에서 이상회로(17)에서는 90도의 위상을 실시하는 구성으로 하고, 동기정류회로(18)등으로 부터의 위상정보를 참조하는 일없이 동상으로 해도 된다.

이 경우, 회로구성이 간단해진다.

또, 이 경우도 실제로는 전압검출회로의 주파수 특성이나 동축케이블의 영향등의 요인에 의해 이상회로(17)에서의 위상의 약간의 조정이 필요하게 된다.

따라서, 이들 요인을 고려해서 이상회로(17)에 의한 이상의 정도를 미리 결정하는 것이 바람직하다.

또, 상기 실시의 형태 2∼7에서는 전원출력과 검출출력을 동상으로 하였으나, 이들의 위상이 완전히 일치하지 않는 경우에도, 검출감도는 저하하나 검출출력으로부터 전원출력과 상판이 있는 성분만 주출할 수 있고, 초기의 효과를 얻을 수가 있다.

상기 실시의 제4의 형태의 연산부의 연산은, 입력신호 발생부에서 발생한 교류신호의 타이밍 또는 위상을 기초로 상기 검출신호를 샘플링하는 것이나, 본 발명을 실시하는 경우에는 실시의 형태 5∼7등, 다른 실시의 형태에서도 연산부로서 검출신호를 샘플링하는 회로구성을 채용할 수가 있다.

이 경우, 검출신호의 소정의 위상부분의 진폭을 주출할 수 있고, 레이저가공시의 플라즈마나 스패터에서 유발되는 외란이 상대적으로 작아지는 신호, 즉 SN비가 커지는 신호를 임의로 선택해서 주출할 수가 있다.

상기 실시의 형태 7의 형태의 입력신호 발생부는, 위상이 다른 2계통의 교류신호를 발생하고, 상기 2계통중의 한쪽을 검출전극(1)에 입력하고, 다른쪽을 상기 연산부의 연산입력하는 것이나, 본 발명을 실시하는 경우에는 실시의 형태 1∼6등 다른 실시의 형태에서도 이런 구성을 채용할 수가 있다.

특히, 2계통 출력교류발진회로(22)로서 도 13에 표시하는 바와 같이 불평형출력의 sin/cos 발진회로 또는 평형형출력의 sin/cos 발진회로를 사용한 경우에는 그 출력이 90도의 위상차를 갖고 있고, 용량성의 검출에는 적합한 회로가 되고, 이상회로(17)등이 불필요해지고 이런 입력신호 발생부를 동기 정류회로(18), 승산회로(19)또는 샘플링회로(20)와 조합시킴으로써, 효율좋게 플라즈마나 스패터로 부터 유발되는 고주파의 외란을 제거할 수 있다.

상기 실시의 형태에서는 입력신호 발생부 또는 연산부의 변경예를 설명하였으나, 본 발명을 실시하는 경우에는 전술한 입력신호 발생부의 각 사례와 연산부의 각 사례를 서로 교체해서 사용할 수가 있다.

이상과 같이, 청구항 1의 레이저 가공장치용 거리검출기에서는, 검출전극에 가해지는 입력신호정보를 이용해서, 검출신호중에서 입력신호에 상관이 있는 어떤 성분만을 연산부에서 인출하는 것이 가능해져 레이저가공시의 불필요한 플라즈마, 스패터에서 유발되는 검출신호에의 외란을 제거할 수가 있다.

그러므로, 레이저가공중에 플라즈마, 스패터가 발생해도, 그것으로 인한 영향을 받는 일 없이 거리측정이 가능하고, 거리측정결과의 신뢰성을 높이할 수가 있다.

청구항 2의 레이저 가공장치용 거리검출기에서는, 청구항 1에 기재한 효과에 더해서, 동기정류함으로써 검출신호중 입력신호에 기인해서 발생하는 성분만을 주출할 수가 있고, 기본주파수에 중첩하는 플라즈마 스패터에 의한 외란의 영향을 억제할 수가 있다.

또, 검출신호와 입력신호의 위상조정을 함으로써, 동기정류의 감도를 조정할 수 있고, 당연히 감도를 최량의 상태로 할 수가 있다.

청구항 2의 레이저 가공장치용 거리검출기에서는 청구항 1에 기재한 효과에 더해서, 승산회로에 의해 검출신호와 입력신호를 승산하기 위해, 진폭이 큰 승산결과를 출력해서 검출에 사용할 수가 있고, 전체로서 플라즈마, 스패터의 영향에 의한 잡음의 존재를 낮게 억제할 수가 있고, 거리정보출력으로 정확한 검출출력을 얻을 수가 있다.

청구항 2의 레이저 가공장치용 거리검출기에서는, 청구항 1에 기재한 효과에 더해서 상기 입력신호의 타이밍에 의해 임의의 범위에서 샘플링할 수 있으므로, 샘플링영역을 진폭이 큰 영역으로 하면, 상대적으로 SN비를 크게할 수가 있다.

그리고, 위상시프트에 의해 샘플링하는 영역을 변경할 수 있고, 출력감도의 조정을 할 수도 있다.

Claims

레이저광의 집광위치와, 피가공물사이의 거리를 정전용량을 이용해서 검출하고, 상기 집광위치와 상기 피가공물사이의 거리를 제어하면서, 집광된 광속을 피가공물에 조사해서 레이저가공을 하는 레이저 가공장치에 사용되는 거리검출기에서,

상기 피가공물과의 사이에 정전용량을 형성하는 검출전극과 상기 검출전극에 입력하는 교류신호를 입력신호로서 발생하는 입력신호 발생부와,

상기 피가공물과 상기 검출전극사이의 정전용량에 따라 변화하는 교류신호를 검출신호로서 검출하는 신호검출부와, 상기 입력신호 발생부에서 상기 입력하는 동시에, 상기 신호검출부에서 상기 검출신호를 입력하고, 상기 검출신호중 상기 입력신호와 주파수가 일치하는 성분을 주출해서 연산하고, 상기 초점위치와 피가공물과의 거리를 표시하는 거리정보출력을 발생하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치용 거리검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 연산부는 상기 입력신호의 위상을 검출하고, 상기 위상에 의해 상기 검출신호를 동기정류하는 것을 특징으로하는 레이저 가공장치용 거리검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 연산부는, 상기 입력신호와 상기 검출신호를 승산하는 승산회로와, 상기 승산회로의 승산결과를 평활하는 평활회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치용 거리검출기.
제 1 항에 있어서,

상기 연산부는, 상기 입력신호의 타이밍 또는 위상을 기초로 상기 검출신호를 샘플링해서 상기 연산을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치용 거리검출기.