(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出装置であって、
前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、
前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、
前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、
前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、
前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、
前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部と
を備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして以下の式を使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【数１】
0004828316.tif 000014
ただし、
Ｒｐ：前記抵抗成分
Ｃｐ：前記静電容量成分
ｋ：パラメータ
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして、前記抵抗成分と前記静電容量成分との対応関係を示すルックアップテーブルを使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記パラメータｋの値は、１０-9ΩＦ以上１０-8ΩＦ以下に設定される、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記パラメータｋの値を入力する入力部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記加工対象物との間で前記ギャップ静電容量を構成する中心電極に基準抵抗を介して入力される入力信号を生成して出力する信号生成部と、
前記基準抵抗における前記中心電極側の一端での信号を受けて前記静電容量成分取得部に出力するバッファ回路と
をさらに備え、
前記静電容量成分取得部は、以下の式を用いて前記合成アドミタンスを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【数２】
0004828316.tif 000015
ただし、
ｊ：虚数単位
ω：角周波数
Ｒｒｅｆ：前記基準抵抗
Ｆ（ｊω）：前記入力信号から前記バッファ回路の出力信号までの周波数伝達関数
Ｚ（ｊω）-1：前記合成アドミタンス
Ａ（ｊω），Ｘ（ｊω）：パラメータ
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記加工対象物との間で前記ギャップ静電容量を構成する中心電極に基準抵抗を介して入力される入力信号を生成して出力する信号生成部と、
前記基準抵抗における前記中心電極側の一端での信号を受けて前記静電容量成分取得部に出力するバッファ回路と
をさらに備え、
前記静電容量成分取得部は、以下の式を用いて前記合成アドミタンスを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【数３】
0004828316.tif 000016
ただし、
ｊ：虚数単位
ω：角周波数
Ｒｒｅｆ：前記基準抵抗
Ｖｏｕｔ（ｊω）：前記バッファ回路の出力信号
Ｚ（ｊω）-1：前記合成アドミタンス
Ｂ（ｊω），Ｘ（ｊω）：パラメータ
【請求項８】
請求項６及び請求項７のいずれか一つに記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記基準抵抗の両端をショートすることが可能なジャンパーピンをさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項９】
請求項６に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
所定の信号が入力されると前記パラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新するパラメータ更新部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項１０】
請求項７に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
所定の信号が入力されると前記パラメータＢ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新するパラメータ更新部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項１１】
請求項６に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記静電容量成分取得部は、前記入力信号と前記出力信号との関係を示す時系列モデル式を使用して前記周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記静電容量成分取得部は、前記時系列モデル式に代入する時系列データとして、前記入力信号の周波数の整数倍で前記入力信号及び前記出力信号をサンプリングして得られるサンプリングデータを使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項１３】
請求項１に記載のレーザ加工機用のギャップ検出装置であって、
前記ギャップ取得部は、前記ギャップと前記ギャップ静電容量との関係を示す指数関数モデルを用いて、前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
【請求項１４】
レーザ光を出力するノズルを有するレーザ加工機と、
前記レーザ光によって加工される加工対象物と前記ノズルとの間のギャップを検出するギャップ検出装置と
を備え、
前記ギャップ検出装置は、
前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、
前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、
前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、
前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、
前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、
前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部と
を有する、レーザ加工システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工機は、前記静電容量成分を求める際に使用されるパラメータの値を前記ギャップ検出装置に入力し、
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして以下の式を使用する、レーザ加工システム。
【数４】
0004828316.tif 000017
ただし、
Ｒｐ：前記抵抗成分
Ｃｐ：前記静電容量成分
ｋ：前記パラメータ
【請求項１６】
レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出方法であって、
（ａ）前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める工程と、
（ｂ）前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める工程と、
（ｃ）前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める工程と、
（ｄ）前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記工程（ｃ）で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める工程と、
（ｅ）前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求める工程と、
（ｆ）前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める工程と
を備える、レーザ加工機用のギャップ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出装置、ギャップ検出方法及びレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からレーザ加工に関して様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、加工対象物であるワークとの間のギャップを検出する技術が開示されている。また特許文献２には、レーザ加工中に発生するプラズマを抑制し、ノズルとワークとの間の静電容量の安定化を図る技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２３４９０３号公報
【特許文献２】特開平４−３５６３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１の技術では、センサ電極への入力信号の周波数を、レーザ加工中に発生するプラズマによるインピーダンスが純抵抗となるような値に選択し、この純抵抗を、ノズルとワークとの間のギャップによるインピーダンスと、レーザ加工中に発生するプラズマによるインピーダンスとの合成インピーダンスから除去することによって、ギャップ検出に対するプラズマの影響を低減している。しかしながら、センサ電極への入力信号の周波数を注意深く選択したとしても、プラズマによるインピーダンスには抵抗成分の他にも静電容量成分も僅かながらに含まれるため、特許文献１の技術では、ギャップ検出に対するプラズマの影響を完全には排除することはできない。そのため、ノズルとワークとの間のギャップを精度良く検出することが困難である。
【０００５】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、加工対象物との間のギャップを高精度に検出することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のレーザ加工機用のギャップ検出装置は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出装置であって、前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部とを備える。
【０００７】
また、この発明のレーザ加工システムは、レーザ光を出力するノズルを有するレーザ加工機と、前記レーザ光によって加工される加工対象物と前記ノズルとの間のギャップを検出するギャップ検出装置とを備え、前記ギャップ検出装置は、前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部とを有する。
【０００８】
また、この発明のレーザ加工機用のギャップ検出方法は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出方法であって、（ａ）前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める工程と、（ｂ）前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める工程と、（ｃ）前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める工程と、（ｄ）前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記工程（ｃ）で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める工程と、（ｅ）前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求める工程と、（ｆ）前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める工程とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
この発明のレーザ加工機用のギャップ検出装置、レーザ加工システム及びレーザ加工機用のギャップ検出方法によれば、プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分だけではなく、それに含まれる静電容量成分も考慮して、ノズルと加工対象物との間のギャップを求めているため、レーザ加工中に発生するプラズマが当該ギャップの検出に与える影響を抑制することができる。よって、当該ギャップを高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ加工システムの構成を示す図である。図１に示されるように、本実施の形態１に係るレーザ加工システムは、加工対象物である金属板等のワーク５０にレーザ光を照射して、当該ワーク５０を加工するレーザ加工機１と、レーザ加工機１における後述のノズル４とワーク５０との間のギャップｄを測定するギャップ検出装置２０とを備えている。
【００１１】
レーザ加工機１は、ユーザによる各種情報の入力を受け付ける操作パネル２を備えている。ユーザは操作パネル２を操作することによって、ワーク５０の材質や厚みなどの加工条件などをレーザ加工機１に入力することができる。また、レーザ加工機１では、加工ヘッド６の先端にレーザ光を出力するノズル４が取り付けられており、当該ノズル４の周囲には、絶縁材料を介してガード電極５が取り付けられている。そして、レーザ加工機１には、加工ヘッド６を移動させる加工機コントローラ３が設けられている。レーザ加工機１は、加工機コントローラ３によって加工ヘッド６を移動させながらノズル４から出力されるレーザ光でワーク５０を加工する。
【００１２】
図２はギャップ検出装置２０の構成を示す図である。ワーク５０に対してレーザ加工を行う際には、ワーク５０に対してレーザ光が最適な強度で照射されるように、レーザ光の焦点距離が所望の位置にくるようレーザ光を出力するノズル４とワーク５０との間のギャップｄを適切に制御する必要がある。そのためには、ギャップｄを高精度に検出する必要がある。本実施の形態１に係るギャップ検出装置２０ではギャップｄを高精度に検出することが可能である。ギャップ検出装置２０は、検出したギャップｄの値をレーザ加工機１の加工機コントローラ３に出力する。加工機コントローラ３は、ギャップ検出装置２０から受け取ったギャップｄの値に基づいて加工ヘッド６を制御する。これにより、ノズル４とワーク５０との間のギャップｄが適切な値に保持され、レーザ加工に最適な強度でレーザ光がワーク５０に照射される。
【００１３】
図２に示されるように、ギャップ検出装置２０は、中心電極ケーブル２６及びガード電極ケーブル２７が取り付けられたギャップ検出装置本体２１を備えている。ギャップ検出装置本体２１は、入力信号Ｖｉｎを生成して出力する信号生成部２２と、入力信号Ｖｉｎを受けて出力するバッファ回路２３と、バッファ回路２３からの出力信号Ｖｏｕｔに基づいてギャップｄを求める信号処理部２４と、基準抵抗Ｒｒｅｆとを備えている。入力信号Ｖｉｎは正弦波や三角波などの交流信号である。信号生成部２２の出力端子は基準抵抗Ｒｒｅｆの一端と接続されている。バッファ回路２３は例えばオペアンプで構成されている。当該オペアンプのプラス入力端子には基準抵抗Ｒｒｅｆの他端が接続されており、マイナス入力端子には当該オペアンプの出力端子が接続されている。つまり、当該オペアンプは、電圧フォロア回路として機能し、基準抵抗Ｒｒｅｆの他端の信号を受けてそのまま出力信号Ｖｏｕｔとして信号処理部２４に出力する。
【００１４】
また、基準抵抗Ｒｒｅｆの他端は中心電極ケーブル２６によってレーザ加工機１内の中心電極４０と接続されている。本例では、ノズル４が中心電極４０として機能している。中心電極４０とワーク５０とはコンデンサとして機能し、ギャップｄに依存するギャップ静電容量Ｃｇを構成している。したがって、ギャップｄが変化するとギャップ静電容量Ｃｇは変化する。ギャップ検出装置本体２１の信号処理部２４は、ギャップ静電容量Ｃｇを求め、求めたギャップ静電容量Ｃｇからギャップｄを求める。なお本例では、ノズル４が中心電極４０として機能しているが、ギャップｄに応じてワーク５０との距離が変化する中心電極４０を、ノズル４の近傍に当該ノズル４とは別にワーク５０と対向するように設けても良い。
【００１５】
ここで、ノズル４とワーク５０とを相対的に移動させてレーザ加工を行うと、加工条件によってノズル４とワーク５０との間にプラズマが発生する。このプラズマは、中心電極４０とワーク５０との間にインピーダンスＺｐを構成するように作用する。つまり、中心電極４０とワーク５０との間には当該プラズマに依存するインピーダンスＺｐ（以後、「プラズマインピーダンスＺｐ」と呼ぶ）が形成される。したがって、レーザ加工中には、中心電極４０とワーク５０との間には、互いに並列接続されたギャップ静電容量ＣｇとプラズマインピーダンスＺｐとが形成され、基準抵抗Ｒｒｅｆは、電気的には、ギャップ静電容量ＣｇとプラズマインピーダンスＺｐとの合成インピーダンスＺに接続されていると考えることができる。そして、レーザ加工中にはワーク５０は接地されるため、電気的には、信号生成部２２の出力端子と接地電圧との間において、基準抵抗Ｒｒｅｆと合成インピーダンスＺとが直列に接続されていることになる。よって、基準抵抗Ｒｒｅｆの他端に接続されたバッファ回路２３には入力信号Ｖｉｎが分圧されて入力され、バッファ回路２３からは入力信号Ｖｉｎの分圧信号が出力される。
【００１６】
レーザ加工機１内のガード電極５には、ガード電極ケーブル２７が接続されている。そして、ガード電極ケーブル２７にはバッファ回路２３の出力端子が接続されている。したがって、中心電極ケーブル２６の電圧とガード電極ケーブル２７の電圧とはほぼ等しくなる。本例では、中心電極ケーブル２６とガード電極ケーブル２７とが同心ケーブル２５を構成して、同心ケーブル２５の中心導体が中心電極ケーブル２６であって、当該中心導体を取り囲む外側の導体がガード電極ケーブル２７である。したがって、同心ケーブル２５の中心導体と外側の導体との電圧をほぼ等しくすることができる。よって、ギャップ検出装置本体２１とレーザ加工機１とを接続するケーブルでの浮遊容量がギャップｄを検出する際に与える影響を低減することができる。
【００１７】
次に、信号処理部２４でのギャップｄの検出方法について詳細に説明する。図３は本実施の形態１に係るギャップ検出方法を示すフローチャートである。図３に示されるように、まずステップｓ１において、信号処理部２４は、入力信号Ｖｉｎから出力信号Ｖｏｕｔまでの伝達関数Ｆ（ｓ）を求める。伝達関数Ｆ（ｓ）にｓ＝ｊωを代入したＦ（ｊω）は周波数伝達関数とよばれる。ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数をそれぞれ示している。なお本例では、入力信号Ｖｉｎの情報は予め信号処理部２４に記憶されている。信号処理部２４は、バッファ回路２３から出力される出力信号Ｖｏｕｔをサンプリングし、それによって得られたデータと、予め記憶する入力信号Ｖｉｎのデータとに基づいて伝達関数Ｆ（ｓ）を求める。ステップｓ１では、すべての周波数領域について伝達関数Ｆ（ｓ）を求める必要は無く、少なくとも一つの角周波数ωにおける周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求めればよい。ただし、伝達関数Ｆ（ｓ）は、ギャップ静電容量Ｃｇを取得するために求めているため、ギャップｄの変化に対するギャップ静電容量Ｃｇの感度に留意して、ある程度高い周波数領域での値を求める必要がある。本例では、数１０ｋＨｚ以上の周波数領域での周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める。そのために、信号処理部２４での出力信号Ｖｏｕｔに対するサンプリング周波数を十分高い値に設定し、また、信号生成部２２において、当該周波数領域の成分を含むように入力信号Ｖｉｎを生成している。
【００１８】
次にステップｓ２において、信号処理部２４は、求めた伝達関数Ｆ（ｓ）から合成インピーダンスＺの逆数である合成アドミタンスＺ-1を求める。つまり、信号処理部２４は、合成アドミタンスＺ-1を求める合成アドミタンス取得部として機能する。ここでも、すべての周波数領域における合成アドミタンスＺ-1を求める必要はなく、少なくとも一つの周波数における合成アドミタンスＺ-1を求めればよい。
【００１９】
ここで、信号生成部２２の出力からバッファ回路２３の出力までの系を電気回路とみなして、入力信号Ｖｉｎから出力信号Ｖｏｕｔまでの伝達関数Ｆ（ｓ）を以下の式（１）の数式モデルで表現する。
【００２０】
【数５】
0004828316.tif 000002
【００２１】
ただし、式（１）中のＡ（ｓ）及びＸ（ｓ）は、実際に使用するバッファ回路２３及び同心ケーブル２５の種類や、基準抵抗Ｒｒｅｆやバッファ回路２３が形成されている基板の特性によって決定されるパラメータである。また、Ｖｉｎ（ｓ）、Ｖｏｕｔ（ｓ）、Ｚ（ｓ）は、それぞれ入力信号Ｖｉｎ、出力信号Ｖｏｕｔ、合成インピーダンスＺを示している。本例では、パラメータＡ（ｓ），Ｘ（ｓ）の値は信号処理部２４に予め記憶されている。これらのパラメータＡ（ｓ），Ｘ（ｓ）の値は、ステップｓ１で求める伝達関数Ｆ（ｓ）と同じように、使用する周波数における値がわかればよい。
【００２２】
上記式（１）においては、合成インピーダンスＺ（ｓ）及びパラメータＸ（ｓ）は、ともに逆数の形で存在している。後述の説明から明らかになるように、合成インピーダンスＺ（ｓ）及びパラメータＸ（ｓ）は逆数のまま取り扱うほうが色々な利点があり何かと都合が良い。ステップｓ２において、合成インピーダンスＺ（ｓ）の逆数である合成アドミタンスＺ（ｓ）-1を求めるのは、そのためである。
【００２３】
式（１）においてｓにｊωを代入すると、以下の式（２）のようになる。
【００２４】
【数６】
0004828316.tif 000003
【００２５】
そして、周波数伝達関数Ｆ（ｊω）からその周波数における合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求めるために、式（２）を以下のように変形する。
【００２６】
【数７】
0004828316.tif 000004
【００２７】
ステップｓ２では、信号処理部２４は、求めた周波数伝達関数Ｆ（ｊω）の値と、パラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値と、基準抵抗Ｒｒｅｆの値とを式（３）に代入して、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求める。なお、基準抵抗Ｒｒｅｆの値は信号処理部２４に予め記憶されている。
【００２８】
次にステップｓ３では、信号処理部２４は、求めた合成アドミタンスＺ（ｊω）-1からギャップ静電容量Ｃｇを求める。このステップｓ３での処理を説明する前に、まずレーザ加工中に発生するプラズマの特性について説明する。
【００２９】
合成アドミタンスＺ（ｊω）-1は、ギャップ静電容量Ｃｇと、プラズマインピーダンスＺｐ（ｊω）の逆数であるプラズマアドミタンスＺｐ（ｊω）-1とを用いて以下の式（４）で表すことができる。
【００３０】
【数８】
0004828316.tif 000005
【００３１】
そして、プラズマインピーダンスＺｐ（ｊω）は、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとが並列接続された回路の合成インピーダンスと考えることができることから、式（４）は以下の式（５）に変形することができる。
【００３２】
【数９】
0004828316.tif 000006
【００３３】
そして、Ｒｐ＝Ｒ、Ｃｇ＋Ｃｐ＝Ｃとすると、式（５）は以下の式（６）に変形することができる。
【００３４】
【数１０】
0004828316.tif 000007
【００３５】
このように、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1は、抵抗値Ｒの抵抗素子と、容量Ｃのコンデンサとが並列接続された回路の合成インピーダンスの逆数と考えることができる。
【００３６】
上述のステップｓ２で求めた合成アドミタンスＺ（ｊω）-1は複素数であるため、式（６）に示されるように、実部Ｒ-1と虚部ωＣとに分けることができる。そして、横軸が実部Ｒ-1を示し、縦軸が虚部ωＣを角周波数ωで割った値であるＣを示すＲ-1−Ｃ平面に、ステップｓ２で求めた合成アドミタンスＺ（ｊω）-1をプロットすると、レーザ加工中に発生するプラズマの特性を解析することができる。なお、横軸が実軸、縦軸が虚軸とした複素平面に合成アドミタンスＺ（ｊω）-1をプロットしても、レーザ加工中に発生するプラズマの特性を解析することができる。
【００３７】
図４は、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1がプロットされたＲ-1−Ｃ平面を示す図である。図４中の実線１００は、ギャップｄを一定に保ちつつ加工速度を徐々に上げていった際の合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の特性を示している。なお図４では、参考までに、プラズマインピーダンスの代わりに、レーザ光を止めて静止したノズル４とワーク５０との間に実際に抵抗素子を挿入し、ギャップｄが一定の状態で当該抵抗素子の抵抗値を変化させた際の合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の特性を破線１０１で示している。
【００３８】
図４中の実線１００及び破線１０１から、ノズル４とワーク５０との間にプラズマが発生する場合と、ノズル４とワーク５０との間に抵抗素子を挟む場合とでは、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の特性は異なる挙動を示すことが理解できる。したがって、この結果からも、ノズル４とワーク５０との間に発生するプラズマは純抵抗としては作用しておらず、プラズマインピーダンスＺｐ（ｊω）には静電容量成分が含まれていることが理解できる。
【００３９】
実線１００に示されるように、加工速度が大きくなると、つまり発生するプラズマの強度が大きくなると、１／Ｒの値とＣの値とはともに大きくなり、Ｒ-1−Ｃ平面で示される合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の特性は、僅かながらに傾きを持ってほぼ線形に変化する。図４では、理解を容易にするために当該傾きを誇張して示している。図４の結果から以下の関係式（７）が成立する。
【００４０】
【数１１】
0004828316.tif 000008
【００４１】
式（７）の左辺の分母及び分子は１／Ｒの増加量及びＣの増加量をそれぞれ示しており、右辺のｋは図４に示される合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の特性の傾きを示している。したがって、任意の強さのプラズマに対して以下の関係式（８）が成立する。
【００４２】
【数１２】
0004828316.tif 000009
【００４３】
式（８）はプラズマアドミタンスＺｐ（ｊω）-1の特性を示すモデル式、言い換えればプラズマインピーダンスＺｐ（ｊω）に含まれる抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの関係を示すモデル式であって、ステップｓ３では、当該モデル式を用いてギャップ静電容量Ｃｇを求める。なお、パラメータｋの値は信号処理部２４に予め記憶されている。解析の結果、周波数１ＭＨｚのレーザ光を用いてワーク５０を加工した際のｋの値は１０-9ΩＦ〜１０-8ΩＦの範囲にあった。ステップｓ３で使用されるパラメータｋの値は１０-9ΩＦ以上１０-8ΩＦ以下に設定される。
【００４４】
図５はステップｓ３での処理を詳細に示すフローチャートである。図５に示されるように、まずステップｓ３１において、信号処理部２４は、求めた合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の実部から抵抗成分Ｒｐの逆数Ｒｐ-1を求める。そしてステップｓ３２において、信号処理部２４は、求めた逆数Ｒｐ-1に予め記憶しているパラメータｋの値を掛け合わせて静電容量成分Ｃｐを求める。なお、ステップｓ３１では抵抗成分Ｒｐを逆数の形で求めているが、抵抗成分Ｒｐをそのまま求めて、ステップｓ３２においてパラメータｋの値を抵抗成分Ｒｐで除算して静電容量成分Ｃｐを求めても良い。
【００４５】
次にステップｓ３３において、信号処理部２４は、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の虚部から、ギャップ静電容量Ｃｇと静電容量成分Ｃｐとの和である合成静電容量Ｃｃ（＝Ｃｇ＋Ｃｐ）を求める。そして、ステップｓ３４において、信号処理部２４は、合成静電容量Ｃｃから静電容量成分Ｃｐを差し引いてギャップ静電容量Ｃｇを求める。
【００４６】
このように、信号処理部２４は、抵抗成分Ｒｐを求める抵抗成分取得部として機能するとともに、静電容量成分Ｃｐを求める静電容量成分取得部として機能する。また、信号処理部２４は、合成静電容量Ｃｃを求める合成静電容量取得部として機能するとともに、ギャップ静電容量Ｃｇを求めるギャップ静電容量取得部として機能する。
【００４７】
なお本例では、プラズマアドミタンスＺｐ（ｊω）-1の特性を示すモデルとして、式（８）のモデル式を使用したが、事前の実験で取得しておいた、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの対応関係を示すルックアップテーブルを使用しても良い。この場合には、信号処理部２４は当該ルックアップテーブルを予め記憶しており、ステップｓ３１で求めた抵抗成分Ｒｐに対応する静電容量成分Ｃｐを当該ルックアップテーブルから取得することになる。
【００４８】
図３を参照して、ステップｓ３においてギャップ静電容量Ｃｇが求められると、ステップｓ４において、信号処理部２４は、ギャップ静電容量Ｃｇから、ギャップｄの値を示す検出ギャップ信号Ｖｄを生成する。ギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの対応関係は、加工ヘッド６の形状、ノズル４の形状、同心ケーブル２５の長さなどによって変化するため、当該対応関係を事前に実験で取得しておく必要がある。そして、取得した当該対応関係を示すルックアップテーブルを作成し、信号処理部２４に予め記憶させておく。信号処理部２４は、当該ルックアップテーブルを参照して、求めたギャップ静電容量Ｃｇに対応するギャップｄの値を取得し、当該値を示す検出ギャップ信号Ｖｄを出力する。あるいは、当該対応関係を示す近似曲線式を事前に作成し、信号処理部２４は、当該近似曲線式に求めたギャップ静電容量Ｃｇの値を代入することによってギャップｄの値を求めても良い。
【００４９】
信号処理部２４から出力された検出ギャップ信号Ｖｄは、図示しないケーブルを介してレーザ加工機１の加工機コントローラ３に入力される。加工機コントローラ３は、ノズル４とワーク５０との間のギャップｄが適切な値となるように、検出ギャップ信号Ｖｄに基づいて加工ヘッド６を制御する。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１では、プラズマインピーダンスＺｐに含まれる抵抗成分Ｒｐだけではなく、それに含まれる静電容量成分Ｃｐも考慮して、ノズル４とワーク５０との間のギャップｄを求めている。
【００５１】
一方で、上述の特許文献１の技術では、抵抗成分Ｒｐだけしか考慮していないため、求めたギャップ静電容量Ｃｇには静電容量成分Ｃｐが含まれている。そのため、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップｄの検出に与える影響を十分に排除することができず、精度良くギャップｄを検出することができない。
【００５２】
本実施の形態１では、静電容量成分Ｃｐも考慮してギャップｄを求めているため、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップｄの検出に与える影響を抑制することができる。よって、当該ギャップｄを高精度に検出することができる。
【００５３】
また、本実施の形態１では、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの関係を示すモデルとして、式（８）のモデル式を使用している。当該モデル式は、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの関係を単純かつ的確に表現しているため、容易かつ正確に静電容量成分Ｃｐを求めることができる。また、静電容量成分Ｃｐを求める機能をギャップ検出装置２０に容易に実装することができる。
【００５４】
また、上述のように、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの関係を示すモデルとして、抵抗成分Ｒｐと静電容量成分Ｃｐとの対応関係を示すルックアップテーブルを使用することによっても、容易かつ正確に静電容量成分Ｃｐを求めることができ、静電容量成分Ｃｐを求める機能をギャップ検出装置２０に容易に実装することができる。
【００５５】
また、本実施の形態１では、式（２）に示される周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を用いて合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求めている。式（２）の周波数伝達関数Ｆ（ｊω）は、入力信号Ｖｉｎから出力信号Ｖｏｕｔまでの伝達関数を単純かつ的確に表現しているため、容易かつ正確に合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求めることができる。また、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求める機能をギャップ検出装置２０に容易に実装することができる。
【００５６】
実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係るギャップ検出装置２０の構成を示す図である。本実施の形態２に係るギャップ検出装置２０は、上述の実施の形態１に係るギャップ検出装置２０において、パラメータｋの値を入力する入力部３０をさらに備えたものである。
【００５７】
入力部３０は、例えば操作ボタン等を含む操作部を有しており、ユーザは当該操作部を操作することによって、パラメータｋの値をギャップ検出装置本体２１に入力することができる。入力部３０に入力されたパラメータｋの値は信号処理部２４に入力される。信号処理部２４は、予め記憶するパラメータｋの値を入力された値に置き換えて、以後のギャップｄの検出では当該入力された値を使用する。その他の構成については実施の形態１に係るギャップ検出装置２０と同様であるため、その説明は省略する。
【００５８】
一般的に、レーザ加工中に発生するプラズマの特性は、レーザ加工機１が設定するギャップｄの値、ワーク５０の材質・厚さ、使用する加工ガスなどの加工条件によって変化する。したがって、加工条件によって、上述の図４に示されるプラズマアドミタンスＺｐ-1の特性が変化し、当該特性の傾きが変化する。実施の形態１に係るレーザ加工システムを実際に運用した結果、特に設定するギャップｄの値によって当該特性の傾きの値は変化することが確認できた。本実施の形態２に係るギャップ検出装置２０では、外部からパラメータｋの値を入力することができるため、加工条件に応じてパラメータｋの値を容易に変化させることができる。その結果、ギャップｄをさらに精度良く検出することができる。
【００５９】
なお、本実施の形態２では、ギャップ検出装置２０に外部から直接パラメータｋの値を入力しているが、レーザ加工機１からパラメータｋの値をギャップ検出装置２０に入力しても良い。図７はこの場合のレーザ加工システムの構成を示す図である。図７に示されるように、レーザ加工機１の加工機コントローラ３は、パラメータｋの値をギャップ検出装置２０の信号処理部２４に入力する。ユーザは、操作パネル２を操作することによってパラメータｋの値を加工機コントローラ３に入力されることができ、加工機コントローラ３は入力されたパラメータｋの値を信号処理部２４に出力する。
【００６０】
このように、レーザ加工機１側からパラメータｋの値をギャップ検出装置２０に入力することによって、加工条件に応じてパラメータｋの値を入力しやすくなる。
【００６１】
なお上記例では、パラメータｋの値はユーザによって入力されていたが、加工機コントローラ３が、操作パネル２を介して入力された加工条件に基づいて自動的にパラメータｋの値を決定しても良い。加工機コントローラ３が、加工条件とパラメータｋとの対応関係を示すルックアップテーブルを予め記憶していることによって、入力された加工条件からパラメータｋの値を決定することができる。
【００６２】
実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３に係るギャップ検出装置２０の構成を示す図である。本実施の形態３に係るギャップ検出装置２０は、上述の実施の形態１に係るギャップ検出装置２０において、ジャンパーピン３１及びジャンパーブロック３２をさらに備えるものである。
【００６３】
ジャンパーピン３１は、基準抵抗Ｒｒｅｆの両端をショートすることが可能である。ジャンパーピン３１にジャンパーブロック３２が取り付けられると、基準抵抗Ｒｒｅｆの両端はショートする。そうすると、入力信号Ｖｉｎが直接バッファ回路２３に入力される。したがって、バッファ回路２３の出力信号Ｖｏｕｔは入力信号Ｖｉｎと同じとなり、信号処理部２４は入力信号Ｖｉｎを直接観測することができる。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００６４】
本来、入力信号Ｖｉｎは既知ではあるが複数のギャップ検出装置２０の間でばらつきが生じることがある。特に、信号生成部２２がアナログ素子で構成されている場合には、当該アナログ素子の特性の個体差によって入力信号Ｖｉｎにばらつきが生じやすい。
【００６５】
本実施の形態３に係るギャップ検出装置２０では、基準抵抗Ｒｒｅｆの両端をショートすることが可能なジャンパーピン３１が設けられているため、信号処理部２４で入力信号Ｖｉｎを直接観測することができる。したがって、入力信号Ｖｉｎにばらつきが生じる場合であっても、当該入力信号Ｖｉｎの正確な情報を信号処理部２４に記憶させることができる。また、信号処理部２４での入力信号Ｖｉｎの観測結果を用いることによって、本ギャップ検出装置２０に対する工場出荷時の調整を容易に行うことができる。
【００６６】
実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４に係るレーザ加工システムの構成を示す図である。本実施の形態４に係るレーザ加工システムは、上述の実施の形態１に係るレーザ加工システムにおいて、パラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新するキャリブレーション機能を搭載したものである。
【００６７】
本実施の形態４に係る加工機コントローラ３は、所定時間ごと、あるいは操作パネル２を通じてユーザからキャリブレーションを実行する旨の通知を受け取ると、キャリブレーションモードとなる。キャリブレーションモードの加工機コントローラ３は、図９に示されるように、キャリブレーション実行信号ＣＢをギャップ検出装置本体２１に出力する。キャリブレーション実行信号ＣＢは信号処理部２４に入力される。
【００６８】
図１０は本実施の形態４に係る信号処理部２４の動作を示すフローチャートである。図１０に示されるように、信号処理部２４は、上述のステップｓ１〜ｓ４を実行した後に、ステップｓ５においてキャリブレーション実行信号ＣＢが入力されると、ステップｓ６においてパラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新する。つまり、信号処理部２４は、パラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新するパラメータ更新部として機能する。
【００６９】
図１１は本実施の形態４に係るレーザ加工システム全体でのキャリブレーション動作を示すフローチャートである。図１１に示されるように、キャリブレーションモードが開始すると、ステップｓ５１において、加工機コントローラ３は、加工ヘッド６を制御して、ノズル４とワーク５０との間のギャップｄを所定値に設定する。そして、加工機コントローラ３は、キャリブレーション実行信号ＣＢとともに、設定したギャップｄの値を示す信号をギャップ検出装置２０に出力する。
【００７０】
キャリブレーション実行信号ＣＢがギャップ検出装置２０に入力されると、ステップｓ５２において、信号処理部２４は、加工機コントローラ３から通知されたギャップｄの値に応じたギャップ静電容量Ｃｇを取得する。信号処理部２４は、上述のように、ギャップｄとギャップ静電容量Ｃｇとの対応関係を示すルックアップテーブルを記憶しているため、当該ルックアップテーブルを参照することによって、ステップｓ５１で設定されたギャップｄの値でのギャップ静電容量Ｃｇを取得することができる。
【００７１】
次にステップｓ５３において、信号処理部２４は出力信号Ｖｏｕｔを観測して、上述ステップｓ１と同様に、入力信号Ｖｉｎから出力信号Ｖｏｕｔまでの周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める。さらに、信号処理部２４は、上述の式（５）を使用して、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求める。キャリブレーションモードでは、ノズル４からレーザ光は出力されていないため、ノズル４とワーク５０との間にはプラズマは発生しない。したがって、抵抗成分Ｒｐは無限大、静電容量成分Ｃｐは零と考えることができる。よって、キャリブレーションモードでの合成アドミタンスＺ（ｊω）-1はｊωＣｇと等しくなる。信号処理部２４は、式（５）において、Ｒｐ-1及びＣｐに零を代入し、Ｃｇに取得した値を代入し、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求める。そして、信号処理部２４は、求めた周波数伝達関数Ｆ（ｊω）の値と合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の値とをペアで記憶する。
【００７２】
次にステップｓ５４において、信号処理部２４は、Ｆ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値の組みが所定数得られたかどかを判定する。ステップｓ５４において、Ｆ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値の組みが所定数得られたと判定されると、ステップｓ５５が実行される。
【００７３】
一方で、ステップｓ５４において、Ｆ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値の組みが所定数得られていないと判定されると、信号処理部２４はその旨を加工機コントローラ３に通知する。加工機コントローラ３は、その旨が通知されると、ステップｓ５１を再度実行する。このステップｓ５１では、前回のステップｓ５１で設定された値とは異なった値にギャップｄが設定される。そして、加工機コントローラ３は、新たに設定したギャップｄの値をギャップ検出装置２０に通知する。その後、ギャップ検出装置２０の信号処理部２４は、再度ステップｓ５２を実行して、新たに設定されたギャップｄの値に応じたギャップ静電容量Ｃｇを取得する。そして、信号処理部２４は、再度ステップｓ５３を実行して、Ｆ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値の新たな組みを求める。
【００７４】
ステップｓ５５では、信号処理部２４は、ステップｓ５３で求めたＦ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値を各組ごとに上述の式（２）に代入する。これにより、互いに異なった組みのＦ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値が代入され、それぞれが未知のＡ（ｊω）とＸ（ｊω）-1を含む複数の式（２）が得られる。そして、ステップｓ５６において、信号処理部２４は、ステップｓ５５で得られた複数の式（２）を連立方程式として、当該連立方程式から、例えば最小二乗法を使用してＡ（ｊω）とＸ（ｊω）-1の値を求める。ここでは、未知の２つのＡ（ｊω）及びＸ（ｊω）-1の値を求めるため、当該連立方程式は、少なくとも２つの式（２）で構成されていれば良い。したがって、ステップｓ５３では、少なくとも２組のＦ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値を求めれば良い。
【００７５】
信号処理部２４は、Ａ（ｊω）及びＸ（ｊω）-1の値を求めると、その旨を加工機コントローラ３に通知し、これにより、キャリブレーションモードが終了する。信号処理部２４は、ギャップｄを検出する際には、キャリブレーションモードで求めたＡ（ｊω）及びＸ（ｊω）-1の値を上述のステップｓ２で使用する。
【００７６】
以上のように、本実施の形態４に係るギャップ検出装置２０では、キャリブレーション実行信号ＣＢが入力されると、パラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新するため、システムに温度変化や経時変化が生じた場合であっても、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップｄの検出に与える影響を確実に抑制することができ、当該ギャップｄを高精度に検出することができる。
【００７７】
なお、Ｖｉｎ（ｊω）・Ａ（ｊω）を一つのパラメータＢ（ｊω）として捉えても良い。この場合には、上記式（１）を以下のように変形することができる。
【００７８】
【数１３】
0004828316.tif 000010
【００７９】
信号処理部２４は、キャリブレーションモードでは、Ｆ（ｊω）及びＺ（ｊω）-1の値の組みを複数組み取得する替わりに、出力信号Ｖｏｕｔ（ｊω）及び合成アドミタンスＺ（ｊω）-1の値の組みを複数組み取得する。そして、上述の式（９）を使用して、Ｂ（ｊω）及びＸ（ｊω）-1の値を求める。信号処理部２４は、キャリブレーションモードが終了すると、求めたＢ（ｊω）及びＸ（ｊω）-1の値と、式（９）とを使用して、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求める。
【００８０】
このように、式（９）を使用して合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を求めることによって、入力信号Ｖｉｎの情報は不要となる。そして、パラメータＢ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を更新することによって、入力信号Ｖｉｎが変動した場合であっても、合成アドミタンスＺ（ｊω）-1を正確に求めることができ、ギャップｄを高精度に検出することができる。また、システムに温度変化や経時変化が生じた場合であっても、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップｄの検出に与える影響を確実に抑制することができ、当該ギャップｄを高精度に検出することができる。
【００８１】
実施の形態５．
本実施の形態５では、上述のステップｓ１での周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める方法の一例について説明する。本実施の形態５では、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔとの関係を示す時系列モデル式を使用して周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める。以下に詳細に説明する。
【００８２】
本実施の形態５では、三角関数波の入力信号Ｖｉｎを使用し、その周波数をｆ（Ｈｚ）とする。そして、信号処理部２４において、入力信号Ｖｉｎの周波数ｆの４倍、つまり４ｆで出力信号Ｖｏｕｔをサンプリングする。このような４倍オーバーサンプリングの利点の一つは、入力信号Ｖｉｎが三角関数波で定常状態のとき、時系列データから容易に周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求めることができる点である。
【００８３】
入力信号Ｖｉｎのｋ番目のサンプリングデータｕをｕk、同じく出力信号Ｖｏｕｔのｋ番目のサンプリングデータｙをｙkとすると、システムが定常状態にあるときには、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔとの関係を時系列データで表した時系列モデル式は以下の式（１０）で表現できる。
【００８４】
【数１４】
0004828316.tif 000011
【００８５】
そして、式（１０）の係数ａ0，ａ1を使用して、周波数伝達関数Ｆ（ｊω）は以下の式（１１）で表すことができる。
【００８６】
【数１５】
0004828316.tif 000012
【００８７】
ただし、ω＝２πｆである。
【００８８】
信号処理部２４には、入力信号Ｖｉｎを４ｆのサンプリング周波数でサンプリングした際の入力信号Ｖｉｎのサンプリングデータｕが予め記憶されている。入力信号Ｖｉｎのサンプリングデータｕを取得する方法としては、例えば、上述の図８に示されるギャップ検出装置２０を使用して、信号処理部２４が直接入力信号Ｖｉｎを観測できるようにし、信号処理部２４は、出力信号Ｖｏｕｔを４ｆのサンプリング周波数でサンプリングすることによって、結果的に入力信号Ｖｉｎのサンプリングデータｕを得ることができる。
【００８９】
信号処理部２４は、上述のステップｓ１において、出力信号Ｖｏｕｔを４ｆのサンプリング周波数でサンプリングし、出力信号Ｖｏｕｔのサンプリングデータｙを取得する。そして、信号処理部２４は、記憶しているサンプリングデータｕk，ｕk-1と、取得したサンプリングデータｙkとを式（１０）に代入して、係数ａ0，ａ1を未知数とする式（１０）を取得する。信号処理部２４は、少なくとも３つのサンプリングデータｕと、少なくとも２つのサンプリングデータｙとを使用して、係数ａ0，ａ1を未知数とする式（１０）を少なくとも２つ用意し、当該少なくとも２つの式（１０）から成る連立方程式を用いて係数ａ0，ａ1の値を求める。係数ａ0，ａ1の値は例えば最小二乗法を用いて求めることができる。信号処理部２４は、係数ａ0，ａ1の値が求まると、それらを式（１１）に代入して周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める。
【００９０】
なお、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔとの間にオフセットが生じる場合を想定して、式（１０）の替わりに係数ｃを含む以下の式（１２）を使用することもできる。
【００９１】
【数１６】
0004828316.tif 000013
【００９２】
この場合には、少なくとも４つのサンプリングデータｕと、少なくとも３つのサンプリングデータｙとを使用して、係数ａ0，ａ1を未知数とする式（１０）を少なくとも３つ用意し、当該少なくとも３つの式（１０）から成る連立方程式を用いて係数ａ0，ａ1の値を求める。
【００９３】
以上のように、本実施の形態５では、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔとの関係を示す時系列モデル式を使用して周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求めているため、簡単に周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求めることができる。つまり、上述のステップｓ１の処理をギャップ検出装置２０に容易に実装できる。
【００９４】
実施の形態６．
本実施の形態６では、上述のステップｓ４でのギャップｄを求める方法の一例について説明する。本実施の形態６では、ギャップｄとギャップ静電容量Ｃｇとの関係を示す指数関数モデルを用いて、ギャップ静電容量Ｃｇからギャップｄを求める。
【００９５】
図１２は、実施の形態１に係るギャップ検出装置２０を用いて求めたギャップ静電容量Ｃｇと、実際のギャップｄとの関係を示す図である。図１２では、横軸が信号処理部２４で求められたギャップ静電容量Ｃｇの値を示しており、縦軸が実際のギャップｄの値を対数で示している。図１２に示されるように、ギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの関係は指数関数で近似することができる。
【００９６】
信号処理部２４は、ギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの関係を示す指数関数式あるいは、指数関数で近似した際のギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの対応関係を示すルックアップテーブルを記憶している。信号処理部２４は、上述のステップｓ４において、当該指数関数式、あるいは当該ルックアップテーブルを使用して、ギャップ静電容量Ｃｇからギャップｄを求める。
【００９７】
図１２のグラフを参照すると、ギャップ静電容量Ｃｇは、ギャップｄが約０．８ｍｍのときに零となっており、それよりもギャップｄが大きい範囲で負の値となっている。これは、ギャップｄの検出を行う系のシステム同定を行う際に、ノズル４とワーク５０との間に抵抗値が既知の抵抗素子を挟みつつギャップｄを０．８ｍｍに設定した際のギャップ静電容量Ｃｇの値を基準（零）として、上述のパラメータＡ（ｊω），Ｘ（ｊω）の値を決定した結果である。図１２のグラフでは、ギャップ静電容量Ｃｇの値は、ギャップｄが０．８ｍｍに設定された場合の値との差分として示されている。このように、ギャップ検出装置２０においては、必ずしもギャップ静電容量Ｃｇの絶対値を求める必要はなく、あるギャップｄの値を基準とした場合の当該値でのギャップ静電容量Ｃｇの値との差分を求めても良い。
【００９８】
以上のように、本実施の形態６では、ギャップｄとギャップ静電容量Ｃｇとの関係を示す指数関数モデルを用いて、ギャップ静電容量Ｃｇからギャップｄを求めているため、簡単にギャップｄを求めることができる。つまり、上述のステップｓ４の処理をギャップ検出装置２０に容易に実装できる。
【００９９】
なお、実施の形態１でも述べたように、ギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの関係は、加工ヘッド６の形状、ノズル４の形状などによって変化するため、当該関係を指数関数で十分に近似できない場合には、多項式による近似を行っても良い。あるいは、ギャップ静電容量Ｃｇの値の範囲を複数に区分して、当該複数の区分の間で異なった近似を行っても良い。あるいは、実施の形態１でも使用したように、近似を行わずにギャップ静電容量Ｃｇとギャップｄとの対応関係を直接示すルックアップテーブルを使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ加工システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るギャップ検出装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るギャップ検出方法を示すフローチャートである。
【図４】合成アドミタンスの特性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１に係るギャップ検出方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２に係るギャップ検出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るギャップ検出装置の変形例の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係るギャップ検出装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係るギャップ検出装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る信号処理部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態４に係るレーザ加工システムのキャリブレーション動作を示すフローチャートである。
【図１２】ギャップ静電容量とギャップとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  レーザ加工機、４  ノズル、２０  ギャップ検出装置、２２  信号生成部、２３  バッファ回路、２４  信号処理部、３０  入力部、３１  ジャンパーピン、４０  中心電極、５０  ワーク。
【図１】
0004828316.tif 000018
【図２】
0004828316.tif 000019
【図３】
0004828316.tif 000020
【図４】
0004828316.tif 000021
【図５】
0004828316.tif 000022
【図６】
0004828316.tif 000023
【図７】
0004828316.tif 000024
【図８】
0004828316.tif 000025
【図９】
0004828316.tif 000026
【図１０】
0004828316.tif 000027
【図１１】
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【図１２】
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