(57)【要約】  本発明は、レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を加工するように設計されたレーザ加工システム（１００）のための加工ヘッド（１０１）に関する。加工ヘッド（１０１）は、レーザビーム（１０）が加工ヘッド（１０１）を通過して出ることを可能にするための開口部（２１２）を有するハウジング（２１０）と、ハウジング（２１０）における少なくとも１つの反射性参照エリア（２１４）と、光測定ビーム（１３）を、開口部（２１２）上および少なくとも１つの反射性参照エリア（２１４）上に方向付けるように設計された測定デバイス（１２０）とを備え、測定デバイス（１２０）はまた、少なくとも１つの反射性参照エリア（２１４）からの光測定ビーム（１３）の第１の反射（Ａ）、およびワーク（１）からの光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）に基づいて、端部セクション（２１６）とワーク（１）との間の距離（ｄ１）を決定するように設計される。
2021533999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を加工するためのレーザ加工システム（１００）であって、
前記レーザビーム（１０）を加工ヘッド（１０１）から放出するための開口部（２１２）を有するハウジング（２１０）と、測定ビームを反射するための少なくとも１つの反射性参照体（２１４）とを備えた加工ヘッド（１０１）と、
光測定ビーム（１３）を、前記開口部（２１２）を通じて前記ワーク（１）上および前記反射性参照体（２１４）上に方向付けるように構成された測定デバイス（１２０）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記レーザビーム（１０）と実質的に平行に前記開口部（２１２）を通過する、測定デバイス（１２０）と、
を備え、
前記測定デバイス（１２０）は、前記反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の第１の反射（Ａ）、および前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）に基づいて、前記加工ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離（ｄ１）を決定し、前記第１の反射（Ａ）と前記レーザビームの（１０）の加工点からの第３の反射（Ｃ）とに基づいて、加工深度および／または加工グラウンドに対する距離を決定するように更に構成されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記測定デバイス（１２０）は、前記反射性参照体（２１４）と、前記開口部（２１２）を含む前記加工ヘッド（１０１）の端部（２１６）との間の既知のオフセット（ｚ）を考慮に入れながら、前記端部（２１６）と前記ワーク（１）との間の前記距離（ｄ１）を決定するように構成されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記反射性参照体（２１４）は、前記ハウジング内にかつ／または前記開口部（２１２）に隣接して配設されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記開口部（２１２）を通じて前記レーザビーム（１０）と同軸に方向付けられることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記ハウジング（２１０）は、前記開口部（２１２）および前記反射性参照体（２１４）を含むノズルを備えることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記測定デバイス（１２０）は光干渉断層計を備えることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記第１の反射（Ａ）、前記第２の反射（Ｂ）および前記第３の反射（Ｃ）を同時に取得するために、前記ハウジング（２１０）の前記開口部（２１２）の直径よりも大きな円径を有する連続測定ビームであることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記光測定ビーム（１３）は２つ以上の部分ビームを含み、少なくとも第１の部分ビームは、前記反射性参照体（２１４）に対し方向付けることができ、少なくとも第２の部分ビームは、前記開口部（２１２）に対し方向付けることができることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項９】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を加工するための方法（４００）であって、
前記レーザビーム（１０）を加工ヘッド（１０１）から放出するための開口部（２１２）を有するハウジング（２１０）と、測定ビームを反射するための少なくとも１つの反射性参照体（２１４）とを備えた加工ヘッド（１０１）を提供することと、
光測定ビーム（１３）を、前記開口部（２１２）を通じて前記ワーク（１）上および前記反射性参照体（２１４）上に方向付けること（４２０）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記レーザビーム（１０）と少なくとも部分的に平行であることと、
前記少なくとも１つの反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の第１の反射（Ａ）、および前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）に基づいて、前記加工ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離（ｄ１）を決定し、前記第１の反射（Ａ）と前記レーザビームの（１０）の加工点からの第３の反射（Ｃ）とに基づいて、加工グラウンドに対する距離および／または加工深度を決定すること（４３０）と、
を含むことを特徴とする、方法（４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザビームを用いてワークを加工するように構成されたレーザ加工システム、およびレーザビームを用いてワークを加工するための方法に関する。特に、本開示は、ワークに対する距離の測定のための光干渉断層計を備えた、例えば、レーザ溶接またはレーザ切断のためのレーザ加工ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザを用いて材料を加工するためのデバイス、例えば、レーザ溶接またはレーザ切断のためのレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光源またはレーザファイバーの端部から放射されるレーザビームは、ビームガイドおよび集束光学素子によって、加工されるワーク上に集束またはコリメートされる。
【０００３】
材料のレーザ加工のために、特に、レーザ切断またはレーザ溶接のために、加工ヘッドとワーク表面との間の距離、または加工ヘッドの端部に配置されたノズルとワーク表面との間の距離は一定に保たれなくてはならない。加工中に距離を一定に保つことができるほど、加工プロセスの実行が安定する。通例、距離測定のために、容量型の測定方法が用いられる。ここで、ワーク表面および切断ノズルの表面が、共振回路の一部であるキャパシタを形成する。しかしながら、ワーク、および輪郭切削マシンの３爪チャック等の切削マシンの他の部分がグラウンド電位にあるため、力線は、切断ノズルとワークとの間に形成されるのみでなく、切断ノズルと、切断ノズルに隣接して配置された３爪チャックとの間にも形成される。ノズルが３爪チャックに近づくほど、測定距離信号に対する影響が大きくなる。金属シートからの切断部、多くの場合、レーザビームによって切り取られた部分が、金属シートから落ちることなく詰まり、したがって金属シートから突出する場合があるときに同様の状況が生じる。このため、３爪チャックがない平台切断においても、容量型の距離測定が影響を受ける場合がある。そうでない場合、切断部分は金属シートから落ちることができる。切断が切り取られた輪郭に非常に近接して行われる場合、キャパシタ表面が孔を含むため、容量型の距離測定は影響を受ける場合がある。
【０００４】
したがって、容量型の測定方法において、切断ノズルの下のワーク表面に対する距離の測定において大きな横感度が存在する。このため、容量型の測定方法を用いたワークに対する距離の測定は不正確となる場合がある。
【０００５】
ＤＥ  １０  ２０１４  ０１１５６９  Ｂ４は、光干渉断層撮影によって、ワークと、レーザ加工デバイスの加工ヘッドとの間の距離を測定するための方法を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ワークに対する距離の厳密で誤りのない測定を可能にする、レーザビームを用いてワークを加工するように構成されたレーザ加工システムのための加工ヘッド、およびレーザビームを用いてワークを加工するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明の有利な実施形態が従属請求項において指定される。
【０００８】
本開示の態様によれば、レーザビームを用いてワークを加工するための、好ましくはレーザビームを用いてワークを切断するためのレーザ加工システムが開示される。レーザ加工システムは、レーザビームを加工ヘッドから放出するための開口部を有するハウジングと、測定ビームを反射するための少なくとも１つの反射性参照体（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）とを備えた加工ヘッドを備える。換言すれば、開口部は、レーザ加工システムの動作中、レーザビームが開口部を出てワークに当たるように形成することができる。少なくとも１つの反射性参照体をハウジング内に配置することができる。レーザ加工システムは、測定ビームを開口部および少なくとも１つの反射性参照体に方向付けるように構成された測定デバイスを更に備える。測定デバイスは、（ｉ）少なくとも１つの反射性参照体からの光測定ビームの第１の反射、および（ｉｉ）ワークからの光測定ビームの少なくとも１つの第２の反射に基づいて、加工ヘッド（または加工ヘッドの端部）とワークとの間の距離を決定するように更に構成される。端部は、開口部を含み、かつ／または加工中にワークの（正）反対にある、加工ヘッドの一部とすることができる。反射性参照体は、端部にまたは端部に隣接して位置することができる。加工ヘッドにおいて、少なくとも開口部の領域において、光測定ビームおよびレーザビームは互いに実質的に平行に、特に同軸に進むことができる。換言すれば、光測定ビームおよびレーザビームのビーム軸は、好ましくは、実質的に平行にまたは同軸に開口部を通って延びる。このため、光測定ビームおよびレーザビームは、ワーク表面に同軸にかつ／または直交して当たることができる。光測定ビームは、角度を成して反射性参照体に当たることができる。したがって、反射ビームまたは第１の反射は、光測定ビームおよび／またはレーザビームと平行でも同軸でもない場合もある。
【０００９】
好ましくは、測定デバイスは、ワークの表面と加工グラウンド（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｇｒｏｕｎｄ）との間の距離、および／または加工ヘッドと加工グラウンドとの間の距離を、レーザビームの加工グラウンドまたは加工点からの第３の反射に基づいて決定するように更に構成される。加工は、例えば、止まり孔を形成するために材料が除去される、溶接プロセス、切断プロセス、穿孔プロセス、またはアブレーションプロセスとすることができる。したがって、加工点は、溶接点、切断点、穿孔点またはアブレーション点とすることができる。換言すれば、端部、例えばノズルとワーク表面との間の距離を決定することができるのみでなく、例えば、ワークの表面と加工グラウンドとの間の距離を決定することによって、加工深度、すなわち、切断深度、穿孔深度、アブレーション深度または溶接深度を決定することができる。このため、ワークに対する距離と、加工深度または加工グラウンドに対する距離とを同時に決定することができる。この目的で、好ましくは、円形断面および開口部の直径よりも大きな直径を有する連続測定ビームが用いられ、それによって、第１の反射および第２の反射と、第３の反射との双方が生成される。
【００１０】
本開示の別の態様によれば、レーザビームを用いてワークを加工するための方法が提供される。方法は、加工ヘッドからレーザビームを放出するための開口部を有するハウジングを備えた加工ヘッドを提供することと；レーザビームを開口部に方向付けることと；光測定ビームを、ハウジングにおける開口部および少なくとも１つの反射性参照体に方向付けること；（ｉ）少なくとも１つの反射性参照体からの光測定ビームの第１の反射、および（ｉｉ）ワークからの光測定ビームの少なくとも１つの第２の反射に基づいて、加工ヘッドまたは加工ヘッドの端部とワークとの間の距離を決定することとを含む。加工ヘッドにおいて、少なくとも開口部の領域において、光測定ビームおよびレーザビームは互いに実質的に平行に進むことができる。加えて、距離を決定するとき、少なくとも１つの反射性参照体と端部との間のオフセットを考慮に入れることができる。方法は、本開示の加工ヘッドによって実施することができる。加えて、加工ヘッドは、本開示による方法を実行するように構成することができる。
【００１１】
本発明によれば、少なくとも２つの光測定信号を用いて、および任意選択で、少なくとも１つの反射性参照体と加工ヘッドの端部との間のオフセットを用いて、切断ノズル等の加工ヘッドの端部と、ワークとの間の距離が決定される。これによって、ワークに対する距離の厳密で誤りのない測定が可能になる。加えて、レーザ放射を用いて切断するとき、ワークの表面に対する加工ヘッド、特にノズルまたは切断ノズルの距離は一定に保つことができる。切断中の一定の距離に起因して、加工プロセスはより安定している。
【００１２】
光測定ビームおよびレーザビームの平行なまたは同軸の進行に起因して、特に長距離において、距離決定の精度も上げることができる。より長い距離では、開口部を通って斜めに放射される測定ビームが、金属シートにおける隣接した切り取られた輪郭内に当たり、このため、加工ヘッドとワーク表面との間の距離に関する情報を提供しない場合がある。同様に、開口部を通って斜めに放射された測定ビームが、詰まった切り取られた部分に当たり、このため、距離に関する誤った情報を提供する場合がある。
【００１３】
これらの態様による方法およびレーザ加工システムは、以下の好ましい特徴を単独でまたは組み合わせで有することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、光測定ビームおよびレーザビームは、加工ヘッドにおいて、少なくとも開口部の領域において、互いに同軸である。この開口部の領域において、光測定ビームまたはそのビーム軸は、レーザ加工ヘッドの光軸と同軸または平行とすることができる。光測定ビームおよびレーザビームは異なる波長を有することができる。このようにして、レーザビームの反射部分は、光測定ビームの反射と区別または分離することができる。
【００１５】
好ましくは、測定デバイスは、オフセットを考慮に入れて、少なくとも１つの第２の反射からの距離と、第１の反射からの距離との差に基づいて、端部とワークとの間の距離を計算するように構成される。端部は、ワークの反対にある加工ヘッドの極端部とすることができる。加工ヘッドの端部と、ワークの表面との間の距離は、いくつかの実施形態では、端部とワークの表面との間の距離が概ねゼロであるとき、加工ヘッド、例えば切断ノズルが、ワークの表面に接触し、距離がゼロよりも大きいとき、ワークの表面と接触しない（すなわち、ギャップが存在する）ように定義することができる。これにより、加工プロセス中に切断ノズルとワークとの間にギャップが存在することを確実にすることが可能になる。加えて、ノズルとワークとの間の衝突検出が可能である。
【００１６】
好ましくは、少なくとも１つの反射性参照体は、反射面および／または反射縁部および／または反射半径を含む。特に、少なくとも１つの反射性参照体は、少なくとも１つの反射性参照体に入射する光測定ビームが反射して自身に戻ってくるように向きを付けることができる。少なくとも１つの反射性参照体は、好ましくは開口部に非常に近接して位置し、特に、開口部の円周エリア内に位置する。少なくとも１つの反射性参照体は、開口部を少なくとも部分的に、好ましくは完全に包含することができる。少なくとも１つの反射性参照体は、少なくとも１つの反射性参照体に入射する光測定ビームの定義された反射を提供し、それによって厳密な距離測定を可能にすることができる。
【００１７】
好ましくは、少なくとも１つの反射性参照体が、ハウジングの内面に配置されるか、またはハウジングの内面によって提供される。例えば、ハウジングの内面は、光測定ビームを反射するように構成することができる。このため、少なくとも１つの反射性参照体を、容易に、加工ヘッドに追加の構成要素を設ける必要なく、設けることができる。
【００１８】
好ましくは、加工ヘッドは、少なくともハウジングの一部分を形成し、少なくとも１つの反射性参照体および／または開口部を備える、ノズル、特に切断ノズルを更に備える。例えば、少なくとも１つの反射性参照体が、開口部を含むノズルの内面に形成される。特に、少なくとも１つの反射性参照体を、開口部の円周または円周エリア上に配置することができ、開口部を少なくとも部分的に、好ましくは完全に包含することができる。少なくとも１つの反射性参照体を加工ヘッドの端部の近くに配置することによって、距離測定の精度を更に改善することができる。例えば、加工ヘッドにおける光路長変化の影響を最小限にすることができる。
【００１９】
好ましくは、測定デバイスは、光干渉断層計を含む。光測定ビームは、光干渉断層撮影装置の光源によって生成することができる。光干渉断層撮影装置は、光測定ビームの第１および第２の反射の重畳を検出し、少なくとも１つの反射性参照体への距離または少なくとも１つの反射性参照体からワークへの距離を決定するように構成された検出器を備えることができる。加えて、光干渉断層撮影装置は参照アームを有することができ、検出器は、参照アームにおいて反射されたビームを用いて光測定ビームの第１および／または第２の反射の重畳を検出するように構成される。距離は、少なくとも１つの反射性参照体またはワークと、参照アームの参照点との間の反射経路長に対応することができる。
【００２０】
好ましくは、光測定ビームは単一の光測定ビームであるため、いわゆる連続ビームとすることができる。光測定ビームは、好ましくは、円形ビーム断面を有する。このため、複雑なビーム形成技法等がなくても、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）による単純なプロファイルを用いて、ワークへの距離、および任意選択で更に、加工グラウンドへの距離を決定することができる。
【００２１】
光測定ビームの直径は、少なくとも、加工幅、例えば、溶接幅または切り口幅よりも大きくすることができる。結果として、光測定ビームの少なくとも一部が、切り口または加工点の外側でワーク表面に当たることを確実にすることができる。例えば、単一の（連続）光測定ビームは、直径が非常に大きいため、少なくとも１つの反射性参照体およびワーク表面（および、任意選択で加工点または切り口）に当たることができる。結果として、反射性参照体およびワークの広範囲の照射を達成することができ、それによって、距離測定を容易にかつ高い信頼性で行うことができる。
【００２２】
光測定ビームは、ハウジングの開口部の直径よりも大きい直径を有する連続ビームとすることができる。この場合、単純な光学設計は、反射性参照体における第１の反射、ワーク表面における第２の反射、および加工点における、例えば、加工グラウンドまたは穿刺止まり孔からの第３の反射の双方を達成することができる。換言すれば、これを用いて、加工点の環境のトポグラフィを決定することができる。代替的に、光測定ビームのビーム軸を、反射性参照体および開口部の双方に当たるように、レーザビームのビーム軸に対しオフセットすることができる。特に、光測定ビームのビーム軸は、この場合、開口部に対し偏心して配置することができるが、それにもかかわらず、レーザビームのビーム軸に平行に延びることができる。
【００２３】
代替的に、光測定ビームは２つ以上の部分ビームを有することができ、少なくとも、２つ以上の部分ビームの第１の部分ビームを、少なくとも１つの反射性参照体に方向付けることができ、２つ以上の部分ビームのうちの少なくとも１つの第２の部分ビームを開口部に方向付けることができる。光測定ビームの部分ビームは、好ましくは互いに平行である。２つ以上の部分ビームは、互いに空間的に分離することができ、かつ／または別個の光源によって生成することができる。例えば、２つ以上の部分ビームを、ワーク上の異なる領域に互いに独立して方向付けることができる。これによって、例えばレーザ切断中に、少なくとも１つの測定点が、切り口の外側に、すなわちワークの表面に位置することを確実にすることが可能になる。加えて、３つ以上の測定点を用いて、ワークの傾きを検出することができる。
【００２４】
距離は、２つの要素間の最短接続経路を指すことができる。
【００２５】
本開示の実施形態が図面に示され、以下でより詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本開示の実施形態による、加工ヘッドを有するレーザ加工システムを示す。
【図２】本開示の実施形態による、加工ヘッドの一部を示す。
【図３】本開示の更なる実施形態による、加工ヘッドの一部を示す。
【図４】レーザビームを用いたワークの加工方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下では、別段の記載がない限り、同様の参照番号は同様で等価な要素に対して使用される。
【００２８】
図１は、本開示の実施形態によるレーザ加工システム１００の概略図を示す。このレーザ加工システム１００は、加工ヘッド１０１、例えばレーザ切断ヘッドを備える。
【００２９】
レーザ加工システム１００は、レーザビーム１０（「加工ビーム」または「加工レーザビーム」とも称される）を提供するためのレーザ装置１１０と、ワーク１とノズル等の加工ヘッド１０１の端部との間の距離を測定するための測定デバイスとを備える。端部またはノズルは、レーザビーム１０が加工ヘッド１０１から放射される際に通る開口部を有する。
【００３０】
実施形態によれば、レーザ加工システム１００、または加工ヘッド１０１等のその一部は、加工方向２０に沿って移動可能とすることができる。加工方向２０は、ワーク１に対する、加工ヘッド１０１等のレーザ加工システムの切断もしくは溶接方向および／または移動方向とすることができる。特に、加工方向２０は水平方向とすることができる。加工方向２０は、「送り方向」と呼ばれる場合もある。
【００３１】
レーザ装置１１０は、レーザビーム１０をコリメートするためのコリメータ光学系１１２を有することができる。加工ヘッド１０１内で、レーザビーム１０は、適切な光学系１０３によってワーク１に向けて約９０°偏向または反射される。光学系１０３、例えば半透鏡は、例えば、ワーク１から反射して戻る光が測定デバイスを通過することを可能にするように構成することができる。光測定ビームおよびレーザビームは、反射して戻る測定光のみが測定デバイスに到達するように、異なる波長を有することができる。
【００３２】
測定デバイスは、光干渉断層撮影装置１２０を含むことができるか、または光干渉断層撮影装置１２０とすることができる。光干渉断層撮影装置１２０は、測定光を光導波路１３２に結合するブロードバンド光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ））を有する評価ユニット１３０を含むことができる。ファイバカプラを含むことが好ましいビームスプリッター１３４において、測定光は、通常、参照アーム１３６と測定アームとに分割され、測定アームは、光導波路１３８を介して加工ヘッド１０１内につながっている。光干渉断層撮影装置１２０は、光測定ビーム１３をコリメートするように構成されたコリメータ光学系１２２を更に備えることができる。コリメータ光学系１２２は加工ヘッド１０１と一体化することができる。例えば、加工ヘッド１０１は、加工ヘッド１０１と一体化されるかまたは加工ヘッド１０１に装着されたコリメータモジュール１０２を備えることができる。
【００３３】
更に、レーザビーム１０および／または光測定ビーム１３をワーク１上に集束するように構成された集束光学系１２４が加工ヘッド１０１に設けられる。集束光学系１２４は、レーザビーム１０および測定ビーム１３のための焦点レンズ等の一般的な集束光学系とすることができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、レーザビーム１０および光測定ビーム１３は、少なくともセクションにおいて平行または更には同軸とすることができ、特に、少なくともセクションにおいて同軸に重畳することができる。例えば、光干渉断層撮影装置１２０は、光測定ビーム１３を、レーザ装置１１０のビーム経路に結合するように構成することができる。光測定ビーム１３およびレーザビーム１０の合流は、コリメータ光学系１２２の下流かつ集束光学系１２４の上流で生じることができる。代替的に、測定ビーム１３およびレーザビーム１０のビーム経路は、大部分が別個にガイドされ、レーザ加工ヘッド１０１の開口部の上流の集束光学系１２４の下流でのみ合流する。レーザビーム１０および測定ビーム１３のビーム軸は、開口部２１２および端部２１６の付近で平行であるかまたは更には同軸であり、好ましくはワーク表面に対し直交する。
【００３５】
本明細書に記載の距離測定の原理は、干渉計を用いた光のコヒーレンス特性を利用した光干渉断層撮影の原理に基づく。距離測定のために、光測定ビーム１３は、ワーク１の表面上に方向付けられる。表面から反射して戻った測定光（すなわち、図２および図３に関して説明した反射）は、集束光学系１２４によって光導波路１３８の出口／入口面に撮像され、ファイバカプラ１３４において参照アーム１３６から反射して戻った光と重畳され、次に評価ユニット１３０に戻るように方向付けられる。重畳光は、参照アーム１３６と測定アームとの間の経路長差に関する情報を含む。この情報は評価ユニット１３０において評価され、それによって、ユーザは、ワークの表面と加工ヘッド１０１との間の距離に関する情報を得る。しかしながら、好ましくは、本開示の実施形態によれば、参照アーム１３６は測定デバイスにおいて提供されず、参照アーム１３６から反射して戻る光の代わりに、加工ヘッド１０１における反射性参照体において反射して戻る測定ビームの部分ビームまたは一部が、ワークから反射して戻る測定ビームの部分ビームまたは一部のための参照として用いられる。
【００３６】
図２は、本開示の実施形態によるレーザ加工システムの加工ヘッドの一部を示す。
【００３７】
加工ヘッドは、加工ヘッドからレーザビーム１０を放射するための開口部２１２を有するハウジング２１０を備える。開口部２１２は、例えば、切断ノズルの開口部とすることができる。レーザ加工システムの動作中、レーザビーム１０は、開口部２１２を通って開口部２１２を出て、ワーク１に当たる。ハウジング２１０の内側に少なくとも１つの反射性参照体２１４が形成される。この反射性参照体２１４は、例えば、測定ビーム１３の一部を反射するように構成された縁部、半径、表面、切り欠き、溝等とすることができる。加工ヘッド１０１は、光測定ビーム１３を開口部２１２に方向付けるように構成された測定デバイス（例えば、図１に示す光干渉断層撮影装置１２０）と、少なくとも１つの反射性参照体２１４とを更に備える。光測定ビーム１３の一部Ａは、結果として、反射性参照体２１４において反射され、光測定ビーム１３の別の部分Ｂが開口部２１２を通って加工ヘッド１０１から放射され、ワーク表面２において反射する。反射ビームは、参照アーム１３６からの光と重畳され、測定ユニットまたは評価ユニット１３０に戻るようにガイドされ、それによって、反射性参照体２１４への距離、およびワーク表面２への距離が決定され、そこから、反射性参照体２１４とワーク表面２との間の距離（ｄ１＋ｚ）が決定される。しかしながら、参照アーム１３６は任意選択である。反射性参照体２１４とワーク表面２との間の距離（ｄ１＋ｚ）を決定するために、反射ビームまたは部分ビームＡおよびＢのみを重畳することも可能である。
【００３８】
したがって、オフセット、すなわち、レーザ加工ヘッド１０１の端部２１６またはノズルの下縁部に対する反射性参照体２１４の距離を考慮に入れて、ワーク表面２とレーザ加工ヘッド１０１との間の距離ｄ１を決定することができる。オフセットｚ（「所定の距離」とも呼ばれる）は、第１の反射Ａの原点を形成する反射性参照体２１４の点または領域と、開口部２１２を含むかまたはワーク１の反対側にある加工ヘッドの端部等の端部２１６との間で定義することができる。オフセットｚは、例えば、一体形成することができるノズルの構造的設計によって決定または予め決定される実質的に固定の距離とすることができる。しかしながら、オフセットが非常に小さく、このため無視できるように、開口部２１２において端部２１６のすぐ上に反射性参照体２１４が配置されてもよい。
【００３９】
したがって、測定デバイスまたは評価ユニット１３０は、少なくとも、（ｉ）反射性参照体２１４からの光測定ビーム１３の第１の反射Ａ、および（ｉｉ）ワーク１からの光測定ビーム１３の第２の反射Ｂに基づいて、端部２１６とワーク１との間の距離ｄ１を決定するように構成される。加えて（必要な場合）、反射性参照体２１４と、加工ヘッドの端部２１６との間のオフセットｚを考慮に入れることができる。これによって、ワーク１に対する距離の厳密で誤りのない測定が行われることが可能になる。加えて、加工プロセス中、加工ヘッドとワーク１との間の距離ｄ１を一定に保つことができ、加工ヘッドとワーク１との間の衝突を防ぐことができる。
【００４０】
測定ビームの光学経路は、中でも、測定ビームが通過する媒体の屈折率に依拠する。例えば、加工ヘッドは、例えば、加工ヘッドの保護ガラスとノズルとの間の切断ガスを充填された領域を含むことができる。切断ガスの圧力および温度は、プロセス制御に依拠して大幅に変動する場合があるため、測定ビームの光路長は、プロセスに依拠して変化する。したがって、結果として得られる光路長変化は、測定ビームおよび反射もしくは参照ビームを、同じガス充填量を通して方向付けることによって補うことができる。
【００４１】
測定ビーム１３は、異なるエリア、すなわち、加工ヘッド内の反射性参照体２１４およびワーク表面２に当たる複数の別個の部分ビームを含むことができるか、または直径が大きいため、１つの部分が反射性参照体２１４に当たり、別の部分がワーク表面２に当たる単一のビームを含むことができる。加えて、測定ビーム１３は、加工点または切り口に当たる部分ビームまたは一部を含むことができる。測定デバイスまたは評価ユニット１３０は、加工深度ｄ３、すなわち、ワーク表面２に対する反射性加工グラウンドの距離、および／または加工グラウンドと加工ヘッド１０１または加工ヘッド１０１の端部２１６との間の距離ｄ２を決定することができる。ここでもまた、少なくとも１つの反射性参照体２１４と、加工ヘッドの端部セクション２１６との間のオフセットｚを任意選択で考慮に入れることができる。
【００４２】
図２に示す例において、異なる測定ビームが、少なくとも反射性参照体２１４およびワーク表面を含む異なる表面に入射する。特に、ここで光測定ビーム１３は、２つ以上の部分ビームを含み、少なくとも、２つ以上の部分ビームの第１の部分ビームが、少なくとも１つの反射性参照体２１４に方向付けられ、少なくとも、２つ以上の部分ビームの第２の部分ビームが、開口部２１２に方向付けられる。測定ビーム１３を異なる部分ビームに分割するために、光学素子、例えば、コリメートビームにおける光学くさび、ビームスプリッター、電気光学変調器（ＥＯＭ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）、偏向ユニットまたはスキャナーを用いることができる。
【００４３】
例えば、少なくとも１つの第１の部分ビームは第１の反射Ａを生成することができ、少なくとも１つの第２の部分ビームは第２の反射Ｂを生成することができる。いくつかの第２の部分ビームは、互いに独立してワーク１の異なる領域に方向付けられる。第２の反射は、例えば、ワーク表面２からの反射Ｂを含むことができる。
【００４４】
図３は、本開示の更なる実施形態によるレーザ加工システムの加工ヘッドの一部を示す。図２を参照して説明される態様は、図３に示される実施形態と類似して用いることができる。したがって、差異のみが以下で説明される。
【００４５】
図３に示す例において、単一の測定ビームは、直径が大きいため、反射性参照体２１４、ワーク表面２および切り口３に当たる。例えば、光測定ビーム１３は、ハウジング２１０またはノズルの開口部２１２の直径よりも大きな直径を有する単一の測定ビームである。
【００４６】
通常、測定デバイスは、オフセットｚを考慮に入れながら、第２の反射Ｂから決定された距離と、第１の反射Ａから決定された距離との間の差に基づいて端部２１６とワーク１との間の距離ｄ１を計算するように構成される。第１の反射Ａおよび第２の反射Ｂからの距離は、測定デバイスの参照体に対して決定することができる。例えば、第１の反射Ａおよび第２の反射Ｂからの距離は、測定デバイスの参照体に対する反射のそれぞれの経路長または経路長差を示すことができる。しかしながら、上記で説明されたように、参照アーム１３６における反射光等の測定デバイスの参照体は、必ずしも必要とされず、第１の反射Ａおよび第２の反射Ｂのみから経路長差およびこのため距離（ｄ１＋ｚ）を決定することも可能である。例示的な実施形態において、端部２１６とワーク表面２との間の距離ｄ１は、第１の反射Ａからの距離（および任意選択でオフセットｚ）を反射Ｂからの距離から減算することによって計算することができる。同様に、端部２１６と加工グラウンドとの間の距離ｄ２は、第１の反射Ａからの距離（任意選択で、オフセットｚによって補正される）を、反射Ｃからの距離から減算することによって計算することができる。ワーク１の表面２と加工グラウンドとの間の距離ｄ３は、例えば、反射Ｂからの距離を、反射Ｃからの距離から減算することによって計算することができる。
【００４７】
端部２１６は、ワーク１の正反対にある加工ヘッドの極端部とすることができる。加工ヘッドの端部２１６とワーク１の表面２との間の距離ｄ１は、端部２１６とワーク１の表面２との間の距離ｄ１が概ねゼロであるとき、加工ヘッド、例えば切断ノズルが、ワーク１の表面と接触し、距離ｄ１がゼロよりも大きいとき、ワーク１の表面２と接触しない（すなわち、幅ｄ１とのギャップが存在する）ように定義することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反射性参照体２１４は、反射面および／または反射縁部および／または反射半径を含む（またはこれらである）。特に、反射性参照体２１４は、少なくとも１つの反射性参照体２１４に入射する測定ビーム１３が反射して自身に戻ってくるように向きを付けることができる。好ましくは、反射性参照体２１４は、オフセットｚを無視できるように、開口部２１２の近傍に配置される。
【００４９】
通常、少なくとも１つの反射性参照体２１４は、加工ヘッド１０１もしくはハウジング２１０の内面に配置されるか、または加工ヘッド１０１もしくはハウジング２１０の内面によって提供される。例えば、ハウジング２１０の内面は、測定ビーム１３を反射するように構成することができる。いくつかの実施形態では、加工ヘッドは、ハウジング２１０および少なくとも１つの反射性参照体２１４を備えるノズル、特に切断ノズルを更に備える。例えば、反射性参照体２１４は、開口部２１２を含むノズルの内面上に形成される。ノズルは、加工ヘッド１０１上に取り外し可能に装着することができる。
【００５０】
図４は、レーザビームを用いてワークを加工するための方法４００のフローチャートを示す。方法４００は、本開示の加工ヘッドまたはレーザ加工システムによって実施することができる。加えて、加工ヘッドは、本開示による方法４００を実行するように構成することができる。
【００５１】
方法４００は、ブロック４１０において、加工ヘッド１０１からレーザビームを放射するための開口部２１２を有するハウジング２１０を備えた加工ヘッド１０１を提供することを含む。ブロック４２０において、レーザビーム１０は、開口部２１２を通じてワーク表面２上に方向付けられる。加えて、測定ビーム１３は、開口部２１２を通じてワーク表面２上およびハウジング２１０における少なくとも１つの反射性参照体２１４上に方向付けられる。好ましくは、レーザビーム１０および測定ビーム１３は、それぞれの表面に同時に方向付けられる。方法は、ブロック４３０において、（ｉ）反射性参照体２１４からの光測定ビーム１３の第１の反射Ａ、および（ｉｉ）ワーク表面２からの光測定ビームの少なくとも１つの第２の反射Ｂに基づいて、加工ヘッド１０１の端部２１６とワーク表面２との間の距離を決定することを更に含む。任意選択で、反射性参照体２１４と端部２１６との間のオフセットｚを考慮に入れることができる。
【００５２】
本発明によれば、加工ヘッドにおいて、例えば切断ヘッドのノズルにおいて、複数の光測定ビームのうちの１つまたは光測定ビームの一部が反射して信号評価ユニット内に戻る参照面、縁部または半径が存在する。複数の光測定ビームのうちの別のものまたは光測定ビームの別の部分がワーク表面に当たり、そこから同様に反射して信号評価ユニットに戻る。結果として少なくとも２つの測定信号が得られ、その差から、ノズルとワーク表面との間の距離、ワーク表面と加工面との間の距離（すなわち、加工深度）、および／またはノズルと加工グラウンドとの間の距離を計算することができる。
【００５３】
これは、ワークに対する距離の厳密で誤りのない測定を可能にする。ワーク表面から反射されたビーム、および加工ヘッドの出口開口部付近の参照から反射されたビームを考慮に入れることによって、例えば、加工ヘッド内の圧力変動または光学素子の加熱に起因した屈折率変化による光路長の変化を補うことができる。レーザビームおよび測定ビームの平行な向きおよび／またはワーク表面に直交する測定ビームの向きにより、特に、ワーク表面と加工ヘッドとの間の距離が大きい場合に、距離測定の精度を更に増大させることができる。加えて、レーザ放射を用いて切断するとき、ワークの表面に対する、加工ヘッド、特にノズルまたは切断ノズルの距離を、一定に保つことができる。切断中の一定の距離に起因して、加工プロセスはより安定したものとなる。
【図１】
2021533999.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年8月5日(2020.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を加工するためのレーザ加工システム（１００）であって、
前記レーザビーム（１０）を加工ヘッド（１０１）から放出するための開口部（２１２）を有するハウジング（２１０）と、測定ビームを反射するための少なくとも１つの反射性参照体（２１４）とを備えた加工ヘッド（１０１）と、
評価ユニット（１３０）を備え、光測定ビーム（１３）を、前記開口部（２１２）を通じて前記ワーク（１）上および前記反射性参照体（２１４）上に方向付けるように構成された測定デバイス（１２０）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記レーザビーム（１０）に実質的に平行に前記開口部（２１２）を通過し、前記光測定ビーム（１３）は、円形の断面を有する連続測定ビームであり、前記光測定ビーム（１３）の直径は、前記反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の第１の反射（Ａ）、前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）、および前記レーザビーム（１０）の加工点からの前記光測定ビーム（１３）の第３の反射（Ｃ）を同時に取得するために、前記ハウジング（２１０）の前記開口部（２１２）の直径よりも大きい、測定デバイス（１２０）と、
を備え、
前記評価ユニット（１３０）は、前記第１の反射（Ａ）および前記第２の反射（Ｂ）に基づいて前記加工ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離（ｄ１）を決定し、前記第１の反射（Ａ）および前記第３の反射（Ｃ）に基づいて加工グラウンドに対する距離を決定するように構成されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記測定デバイス（１２０）は、前記反射性参照体（２１４）と、前記開口部（２１２）を含む前記加工ヘッド（１０１）の端部（２１６）との間の既知のオフセット（ｚ）を考慮に入れながら、前記端部（２１６）と前記ワーク（１）との間の前記距離（ｄ１）を決定するように構成されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記反射性参照体（２１４）は、前記ハウジング内にかつ／または前記開口部（２１２）に隣接して配設されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記開口部（２１２）を通じて前記レーザビーム（１０）と同軸に方向付けられることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記ハウジング（２１０）は、前記開口部（２１２）および前記反射性参照体（２１４）を含むノズルを備えることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記測定デバイス（１２０）は光干渉断層計を備えることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記測定デバイス（１２０）は、前記反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の前記第１の反射（Ａ）と、前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）とを重畳するように更に構成されることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
【請求項８】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を加工するための方法（４００）であって、
前記レーザビーム（１０）を加工ヘッド（１０１）から放出するための開口部（２１２）を有するハウジング（２１０）と、測定ビームを反射するための少なくとも１つの反射性参照体（２１４）とを備えた加工ヘッド（１０１）を設けること（４１０）と、
光測定ビーム（１３）を、前記開口部（２１２）を通じて前記ワーク（１）上および前記反射性参照体（２１４）上に方向付けること（４２０）であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記レーザビーム（１０）に少なくとも部分的に平行であり、円形の断面を有する連続測定ビームであり、前記光測定ビーム（１３）の直径は、前記少なくとも１つの反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の第１の反射（Ａ）、前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の第２の反射（Ｂ）、および前記レーザビーム（１０）の加工点からの前記光測定ビーム（１３）の第３の反射（Ｃ）を同時に取得するために、前記ハウジング（２１０）の前記開口部（２１２）の直径よりも大きいことと、
前記第１の反射（Ａ）および前記第２の反射（Ｂ）に基づいて前記加工ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離（ｄ１）を決定し、前記第１の反射（Ａ）および前記第３の反射（Ｃ）に基づいて加工グラウンドに対する距離を決定すること（４３０）と、
を含むことを特徴とする、方法（４００）。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記反射性参照体（２１４）からの前記光測定ビーム（１３）の前記第１の反射（Ａ）と、前記ワーク（１）からの前記光測定ビーム（１３）の前記第２の反射（Ｂ）とを重畳するステップを更に含むことを特徴とする、方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の方法であって、前記光測定ビーム（１３）は、前記開口部（２１２）を通じて前記レーザビーム（１０）に対し同軸に方向付けられることを特徴とする、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
ＤＥ  １０  ２０１４  ０１１５６９  Ｂ４は、光干渉断層撮影によって、ワークと、レーザ加工デバイスの加工ヘッドとの間の距離を測定するための方法を開示している。ＷＯ２０１８／１３６６２２Ａ１は、干渉計距離測定が、例えば溶接等のレーザ材料処理に関連して使用されるシステムおよび方法を開示している。ＤＥ  １０  ２０１４  ０１１５６９  Ｂ４は、レーザ加工装置に関連するＯＣＴ距離測定を開示している。ＤＥ  １０  ２０１３  ０１５  ６５６  Ａ１およびＵＳ２０１６／００３９０４５Ａ１は、レーザ材料の処理中にワークピースのレーザビームの侵入深さを測定するための方法とデバイスを開示している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
測定デバイスの評価ユニットは、加工ヘッドと加工グラウンドとの間の距離を、レーザビームの加工グラウンドまたは加工点からの第３の反射に基づいて決定するように更に構成される。加工は、例えば、止まり孔を形成するために材料が除去される、溶接プロセス、切断プロセス、穿孔プロセス、またはアブレーションプロセスとすることができる。したがって、加工点は、溶接点、切断点、穿孔点またはアブレーション点とすることができる。換言すれば、端部、例えばノズルとワーク表面との間の距離を決定することができるのみでなく、例えば、ワークの表面と加工グラウンドとの間の距離を決定することによって、加工深度、すなわち、切断深度、穿孔深度、アブレーション深度または溶接深度を決定することができる。このため、ワークに対する距離と、加工深度または加工グラウンドに対する距離とを同時に決定することができる。この目的で、好ましくは、円形断面および開口部の直径よりも大きな直径を有する連続測定ビームが用いられ、それによって、第１の反射および第２の反射と、第３の反射との双方が生成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
光測定ビームは、ハウジングの開口部の直径よりも大きい直径を有する連続ビームである。この場合、単純な光学設計は、反射性参照体における第１の反射、ワーク表面における第２の反射、および加工点における、例えば、加工グラウンドまたは穿刺止まり孔からの第３の反射の双方を達成することができる。換言すれば、これを用いて、加工点の環境のトポグラフィを決定することができる。代替的に、光測定ビームのビーム軸を、反射性参照体および開口部の双方に当たるように、レーザビームのビーム軸に対しオフセットすることができる。特に、光測定ビームのビーム軸は、この場合、開口部に対し偏心して配置することができるが、それにもかかわらず、レーザビームのビーム軸に平行に延びることができる。
【国際調査報告】
2021533999.tif 000007
2021533999.tif 000008
2021533999.tif 000009
2021533999.tif 000010
2021533999.tif 000011