(57)【要約】  本発明は、レーザービーム処理装置（１）に関する。これは、少なくとも１つのレーザービーム源（２）を有しており、レーザービーム源は少なくとも１つの未加工品（１２）にリング状のレーザ焦点（２６）を加える。本発明では、未加工品（１２、２５）によって反射されたレーザービーム（２０）を、センサユニット（２４）上に結像するための手段（２９）が設けられている。さらに本発明は、少なくとも１つの未加工品（１２、２５）に対してリング状のレーザ焦点（２６）の焦点位置をアライメントするための方法に関する。
2010514568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービーム処理装置であって、
少なくとも１つのレーザービーム源（２）を有しており、当該レーザービーム源は少なくとも１つの未加工品（１２）にリング状のレーザ焦点（２６）を加える形式のものにおいて、
未加工品（１２、２５）によって反射されたレーザービームを、センサユニット（２４）上に結像するための手段（２９）が設けられている、
ことを特徴とするレーザービーム処理装置。
【請求項２】
前記結像手段（２９）は、レーザービーム路（２７）内に、前記レーザービーム源（２）と未加工品（１２、２５）の間に配置されたビーム分割器（１９）を含んでおり、
当該ビーム分割器は、前記未加工品（１２、２５）によって反射されたレーザービームを観察ビーム路（２０）として、レーザービーム路（２７）から取り出すように構成および配置されている、請求項１記載のレーザービーム処理装置。
【請求項３】
前記観察ビーム路（２０）内に、アキシコン（９、２１）が配置されている、請求項２記載のレーザービーム処理装置。
【請求項４】
前記観察ビーム路（２０）内に、少なくとも１つの光学フィルタが配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザービーム処理装置。
【請求項５】
パイロットレーザービームを生成するための手段が設けられており、当該パイロットレーザービームは、前記未加工品（１２、２５）によって反射されるが、未加工品を溶解せず、
前記パイロットレーザービームは、当該パイロットレーザービームの焦点位置が、処理用レーザービームの焦点位置に相応するように配向されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザービーム処理装置。
【請求項６】
前記レーザービーム源（２）は前記パイロットレーザービームおよび前記処理用レーザービームを生成するように構成されている、請求項５記載のレーザービーム処理装置。
【請求項７】
前記センサユニット（２４）は少なくとも１つの、有利には複数のフォトダイオードを含んでおり、有利には４象限フォトダイオードとしてまたはデジタルカメラとして構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザービーム処理装置。
【請求項８】
アライメント装置（２８）が、前記焦点位置を未加工品（１２、２５）に対して相対的に、前記センサユニット（２４）によって検出された測定データに依存してアライメントするために設けられており、
当該アライメント装置（２８）は、有利には、前記レーザ焦点（２６）の少なくとも近似的に均一の強度分布が、前記未加工品（１２、２５）上に調整されるように構成されている、調整請求項７記載のレーザービーム処理装置。
【請求項９】
少なくとも１つの未加工品（１２、２５）に対してリング状のレーザ焦点（２６）の焦点位置をアライメントするための方法であって、
前記未加工品（１２、２５）によって反射されたレーザービームをセンサユニット（２４）上に結像し、
前記センサユニット（２４）の測定データに依存して、前記焦点位置をアライメントする、
ことを特徴とする、焦点位置をアライメントするための方法。
【請求項１０】
前記焦点位置のアライメントを自動的に、閉ループ制御方法として行う、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
いわゆる軸方向でのリング状溶接またはリング状硬化のためのレーザービーム処理装置がＤＥ１０２５４８４７Ａ１号並びにＥＰ１５０８３９７Ａ１号から公知である。この公知のレーザービーム処理装置は、特別な光学系によってリング状の、１つの面内に位置するレーザ焦点が生成可能であることを特徴とする。
【０００２】
その他に、いわゆる、広範囲なリング状溶接またはリング状硬化のためのレーザービーム処理装置がある。ここでこのレーザービーム処理装置によって、少なくとも１つの未加工品の周囲に沿って延在するレーザ焦点が生成される。殊に、広範なレーザ焦点を生成するレーザービーム処理装置では、焦点位置を調整するのは問題である。なぜならレーザ焦点は、レーザービーム処理装置の構造によっては、少なくとも１つの未加工品上、殊に２つの未加工品の当接領域内の継ぎ目領域上で、外から見えないからである。しかしレーザービーム処理プロセスに悪影響を与えないようにするために、処理されるべき未加工品がレーザ焦点に正確に位置付けられ、角度エラーを有していないことが保証されなければならない。位置付けが正確でない場合には、レーザ焦点の不均一な強度分布が生じてしまう。これは、レーザービーム処理プロセスおよびプロセス結果に悪影響を与える。
【０００３】
発明の開示
技術的な課題
従って本発明の課題は、上位概念に記載された形成のレーザービーム処理装置を次のように改善することである。すなわち、少なくとも１つの未加工品上での焦点位置のアライメントが容易になるように改善することである。さらに、本発明の課題は、リング状のレーザ焦点に対する焦点位置をアライメントするための、相応する最適な方法を提案することである。
【０００４】
技術的な解決方法
上述の課題は、レーザービーム処理装置に関しては請求項１の特徴部分に記載された構成によって解決され、方法に関しては請求項９の特徴部分に記載された構成によって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。明細書、特許請求の範囲および／または図面に開示された特徴のうちの少なくとも２つの特徴の全ての組み合わせも本発明の範囲内である。繰り返しを避けるために、単に装置に関して開示された特徴は、方法に関して開示されたものとみなされ、特許請求が可能である。同じように、単位に方法に関して開示された特徴が装置的に開示されたものとみなされ、特許請求が可能である。
【０００５】
本発明のアイディアは、少なくとも１つの未加工品によって反射されたレーザービーム、すなわち殊にリング状のレーザ光斑点を、センサユニット上の未加工品上に形成し、これによって、少なくとも１つの未加工品に対するリング状レーザ焦点の位置に関する情報を得て、その結果、手動で、または後で説明するように自動的に、少なくとも１つの未加工品に対して相対的にレーザ焦点をアライメントすることである。これは殊に、レーザービーム路にアクティブに影響を与えること、および／または少なくとも１つの未加工品をアクティブにアライメントすることによって行われる。レーザ焦点の位置が、有利には均一な強度分布が生じている最適な位置と異なる場合には、これは、結像の評価によって識別され、例えば殊に、リング状のレーザ光斑点の結像が鮮明でないこと、レーザ光斑点の結像の絶対位置がずれていること、および／または幅、すなわちリング状レーザ光斑点の半径方向の延在が、最適な焦点位置におけるよりも長いことによって識別される。レーザービームおよび／または未加工品の位置は、結像の鮮明さおよび／または結像の絶対位置および／または結像の幅および／または結像の強度ひいては未加工品上の元来のレーザ焦点が最適になるまで、追従制御される。少なくとも１つのセンサユニットを設けることによって、未加工品上でのレーザ焦点の直接的な観察を省くことができる。
【０００６】
本発明のレーザービーム処理装置および本発明のアライメント方法は殊に、次のようなレーザービーム処理装置に適している。すなわち、それによって、リング状の、例えば環状（kreisringfoermiger）のレーザ焦点が、少なくとも１つの未加工品の周囲に生成可能であるレーザービーム処理装置に適している。これによって、例えば、２つの未加工品を相互に溶接する、または少なくとも１つの未加工品を熱的に硬化することができる。その他に、次のようなレーザービーム処理装置でもレーザ焦点の結像を検出するセンサユニットを使用することができる。すなわち、１つの面に位置するリング状のレーザービーム焦点を生成するために形成されているレーザービーム処理装置である。有利には、レーザ焦点は次のように、未加工品に対してアライメントされる。すなわち、強度分布が未加工品上のリング状レーザ焦点内で（ひいてはセンサユニット上の結像においても）少なくとも近似的に一定であるようにアライメントされる。これによって、リング状の、すなわち周囲が閉成されている焦点の領域において、少なくとも１つの未加工品の均一な加熱が保証される。本発明のコンセプトでは、構成されるレーザービーム処理装置は、未加工品の溶接、硬化、焼き戻し等のために構成される。
【０００７】
本発明の発展形態では、有利には、反射されたレーザービームをセンサユニット上に結像するための手段は、ビーム分割器を含んでおり、このビーム分割器は、少なくとも１つの未加工品によって反射されたレーザービームを観察ビーム路として、センサユニットの方向へ偏向する。有利には、ここでは、未加工品のリング状のレーザ光斑点の全面が、センサユニット上に結像される。
【０００８】
観察ビーム路内にアキシコンが設けられている実施形態が特に有利である。このアキシコンを介して、リング状のレーザ焦点がセンサユニット面上に投影される。有利には、同時に、元来のレーザービーム路内に、少なくとも１つのレーザービーム源と少なくとも１つの未加工品との間に、同じようにアキシコンが、リング状の観察レーザービームを生成するために設けられている。ここで有利にはこのリング状のレーザービームは殊に円錐ミラーの焦点レンズを通った後に、半径方向内部へまたは半径方向外部へ、少なくとも１つの未加工品の外周ないし内周上へ偏向される。
【０００９】
外部からの光の影響を最小化するために、次のような実施形態が有利である。すなわち、観察ビーム路内にこのレーザ波長に対する少なくとも１つの光学フィルタ、例えばバンドパスフィルタ、中性フィルタ等が設けられている実施形態が有利である。
【００１０】
殊に、過度に高い強度を有するリング状レーザ焦点を結像することによって、センサユニットが損傷を受けるのを回避するために、本発明の発展形態では、レーザ焦点の位置ないしはレーザ焦点の位置のアライメントが、少なくとも１つの未加工品に対して相対的に、パイロットレーザービームによって行われる。パイロットレーザービームの強度は有利には元来の処理用レーザービームの強度よりも低い。パイロットレーザービームは次のようにパラメータ化されるべきである。すなわち、パイロットレーザービームが未加工品によって反射され、センサユニット上に結像されるが、未加工品を熔解しないようにパラメータ化されるべきである。重要なのは、パイロットレーザービームの焦点位置が処理レーザービームの焦点位置に相応していることである。従ってパイロットレーザービームは有利には、元来の処理用レーザービームと少なくとも部分的に同じ光路を進む。
【００１１】
パイロットレーザービームが、処理レーザービームを生成するために設けられているレーザービーム源と同じレーザービーム源から生成されるのは有利である。択一的に、処理用レーザービーム源の他にパイロットレーザービーム源を設けることが可能である。ここではこのパイロットレーザービームは適切に、処理用レーザービームの光学系内に入れられなければならない。
【００１２】
センサユニットが少なくとも１つの、有利には複数のフォトダイオードを含んでいるのは特に有利である。ここで少なくとも１つのフォトダイオードは、有利にはＩＲビームスペクトル用に設計されている。ここでレーザービーム焦点のアライメントはここで有利には、リング状の、反射されたレーザービームが均一の強度を有するように行われる。有利にはセンサユニットは、複数のフォトダイオードから構成される。従って未加工品ないしはレーザービーム焦点の位置偏差は、フォトダイオードの個別信号（フォト電流）から求められる。有利には、４象限フォトダイオード（Vier-Quadranten-Photodiode）が設けられる。ここでは簡単な評価を介して、誤った位置付けが推測される。レーザ焦点ないしは未加工品が誤って位置付けされた場合には、実際の強度分布は、最適な均一の強度分布とは異なる。これによって種々異なるフォトダイオードが種々異なる大きさのフォト電流を出力する。同時に、伸張も拡大する。すなわち、未加工品によって反射されたレーザービームの結像の半径方向の延在が焦点ぼけによって拡大する。同じように、センサユニットとしてデジタルカメラ（例えばＣＣＤ、ＣＭＯｓ等）を設けることが可能である。ここでは、デジタルカメラのフォトダイオードはＩＲビーム領域または可視ビーム領域において作動するように構成される。有利には結像の評価は適切な画像処理ソフトウェアによって、結像の輝度分布に基づいておよび／または結像の鮮明さまたはレーザービームリングの半径方向の延在に基づいて行われる。
【００１３】
殊にセンサユニットとしてデジタルカメラが使用される場合には、結像結果は適切な付加的な照明によって最適化され、例えば同軸状にレンズを通って、またはレンズ外に配置された照明によって最適化される。
【００１４】
焦点位置のアライメントが手動ではなく、アライメント装置を用いて行われる実施形態は特に有利である。これはレーザ焦点と未加工品との間の相対的な位置を、センサユニットによって検出された測定データに依存して調整する。この場合にはアライメント装置は有利には閉ループ制御装置として構成され、有利には、レーザービームの少なくとも近似的に均一な強度分布を、少なくとも１つの未加工品上で、センサユニットによって求められた実状態に依存して調整する。有利にはアライメント装置はこれに加えて、未加工品位置、例えば角度位置および／または未加工品の位置を軸方向および／または半径方向において変える。有利には回転対称未加工品は次のように位置付けされる。すなわち、回転軸が、レーザービーム処理装置の光軸と一致するように位置付けされる。同じように、処理用ビーム路をアライメントすることができる焦点位置のアライメントを複数のステップで行うことができる。これは例えば、焦点位置が第１のレーザープレパルスによって測定され、その後にこの焦点位置がアライメント装置によって、この測定値に依存して変えられることによって行われる。次に新たな測定が殊に別のレーザープレパルスによって行われ、その後に焦点位置が必要に応じて再度変えられる。
【００１５】
本発明は、少なくとも１つの未加工品に対して相対的に、リング状レーザ焦点の焦点位置をアライメントするための方法にも関する。ここで本発明では、未加工品によって反射されたレーザービームがセンサユニット上に結像され、焦点位置が、センサユニットの測定データに依存して、殊にセンサユニットのフォトダイオードのフォト電流に依存して、例えばレーザービーム路を変えることによっておよび／または未加工品の位置を変えることによって行われる。有利には、焦点位置のアライメントは自動的に閉ループ制御方法として行われる。
【００１６】
本発明の別の利点、特徴および詳細を、有利な実施例の以下の説明において図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】未加工品によって反射されたレーザービームがその上に結像されるセンサユニットを備えたレーザービーム処理装置の構造の概略図
【図２ａ】最適な焦点位置を有する未加工品の断面図
【図２ｂ】最適な焦点位置を有する未加工品の平面図
【図３】誤って位置付けされた焦点位置を有する未加工品
【００１８】
発明の実施形態
図では、同じ構成部分および同じ機能を有する構成部分には同じ参照番号が付与されている。
【００１９】
図１は、未加工品１２、２５を硬化させるまたは溶接するためのレーザービーム処理装置１を示している。このレーザービーム処理装置はレーザービーム源２を有している。このレーザービーム源は、環形の断面を有するパルス状のレーザービーム３を生成する。このレーザービーム３は、光導波路４を介して、レンズ装置５内に、光軸６（Ｚ軸）に沿って入射する。光導波路４の流出口領域７は、光軸６に対して垂直に並びに水平に（Ｙ軸およびＸ軸に沿って）延在可能である（矢印方向Ａ）。これによって、レーザービーム３ないしはレーザービーム路２７のセンタリングが行われる。
【００２０】
拡張されたレーザービーム３は、レンズ装置５のコリメータ８に入射する。ここでこのコリメータは、光導波路４の流出口領域７に対して間隔をあけて、レーザービーム路２７内に配置されている。コリメータは、レーザービームを平行にする。コリメータ８はＹ軸およびＸ軸（矢印方向Ｂ）に沿って垂直並びに水平に、光軸６（Ｚ軸）に対して調整される。これによって、平行化されたレーザービーム３’の強度が均一に分けられる。平行に配向されたレーザービーム３’は、軸方向においてコリメータ８から間隔があけて配置されており、レーザービーム路２７内に配置されているアキシコン９に入射する。このアキシコンには、円錐形の入射面１０と、平らな、レーザービーム路２７に交差して配置されている放射面１１とが備えられている。
【００２１】
アキシコン９は、軸方向において、光軸６に沿って（矢印方向Ｃ）位置が調整される。これによって、後でさらに説明される入射角度ｃｃが、軸方向で相互に接している２つの未加工品１２、２５（基体およびカバー）上で変えられる。これらの未加工品は、後でさらに説明されるアライメント装置２８によって全ての空間方向で位置調整可能であり、かつ角度的に配向可能である。
【００２２】
環状の横断面を有する平行に配向されたレーザービーム３’はアキシコン９によって、環形の横断面を有するレーザービーム３’’に変えられる。これは、焦点合わせレンズ１３を含んでいる焦点合わせ装置１４を通り、軸方向で間隔が空けられ、矢印方向Ｄにおいて位置調整が可能な円錐ミラー１５に、レーザービーム路２７において軸方向で入射する。これは内部ミラー面１６を有する。円錐ミラー１５は、リング状のレーザービーム３’’’を半径方向で内側に、光軸６に対して角度ｃｃで、未加工品１２、２５の套面１８の領域内の側方継ぎ目ゾーン１７上へ偏光する。円筒状の未加工品１２、２５と焦点合わせ装置１４とは次のように相互に間隔を空けて配置されている。すなわち、リング状のレーザービーム３’’’が、未加工品１２、２５の側方継ぎ目ゾーン１７に焦点合わせされるように配置されている。円錐ミラー１５を光軸６に沿ってずらすことによって、形成されるレーザービーム焦点２６の直径が変わる。円錐角を選択することによって、未加工品１２，２５へレーザービーム３’’’の入射角ｃｃが、光軸６ないしは未加工品１２、２５の対称軸に対して調整される。共通の継ぎ目ゾーン１７に同時に作用するレーザービームないしレーザ焦点によって、均一の、対称な周囲溶接箇所が得られる。
【００２３】
内部ミラー領域１６を有する円錐ミラー１５の代わりに、外側円錐面を備えた図示されていない円錐ミラーを使用することもできる。これは有利には未加工品１２、２５内に達する。従って、レーザービーム３’’’の偏向は図示のように半径方向で内側へ行われるのではなく、半径方向で外側へ、未加工品１２、２５の内周で行われる。
【００２４】
レーザービーム処理装置１は、未加工品１２、２５によって反射されたレーザービームをセンサユニット２４上に結像するための手段２９を有している。このセンサユニット２４は、データケーブル３０を介して信号が伝えられるように、アライメント装置２８と接続されている。アライメント装置２８は、未加工品１２、２５を、レーザ焦点２６に相対的に配向するために使用され、ひいては、相互に接している未加工品１２、２５のコンタクト領域における継ぎ目ゾーン１７内でレーザービーム３’の強度を均一化するために使用される。
【００２５】
未加工品１２、２５によって反射されたレーザービームを、センサユニット２４上に結像するための手段２９は、レーザービーム路２７内に配置されたビーム分割器１９を含んでいる。このビーム分割器１９によって、未加工品１２、２５によって反射されたレーザービームが、レーザービーム路２７から取り出される。ここでこのビームは、円錐ミラー１５上で反射して戻され、そこで、焦点合わせ装置１４およびアキシコン９を観察ビーム路２０として通って戻る。観察ビーム路２０内にはアキシコン２１が配置されている。これによってリング状のレーザービームが生成される。これはミラー２２で９０°だけ偏向されて、焦点合わせレンズ２３によって、センサユニット２４上に焦点合わせされる。すなわち図示の実施例では、４象限フォトダイオードとして構成されているセンサユニット２４上には、継ぎ目ゾーン１７におけるレーザ光斑点の結像が投影される。例えば、回転対称の未加工品１２，２５の対称軸が光軸６と一致しない場合には、結果として均一ではない強度分布が継ぎ目ゾーン１７において生じ、これによって、ＩＲフォトダイオードとして構成されている、センサユニット２４のフォトダイオードは種々異なる強度を測定し、これによって種々異なる大きさのフォト電流を生成する。相応する信号のフォト電流はデータケーブル３０を介して、アライメント装置２８へ伝達される。アライメント装置はこの測定データに基づいて、未加工品１２、２５を次のように位置付ける（矢印方向Ｇ）。すなわち、強度分布が、未加工品１２、２５の周囲で少なくとも近似的に均一であるように位置付ける。すなわちこの場合には、未加工品１２、２５の対称軸は光軸６と一致する。付加的にまたは択一的に、アライメント装置２８は、レーザービーム路２７内の光学的構成部材に位置調整作用する。殊に、センサユニット２４としてデジタルカメラが使用される場合には、アライメント装置２８ないし図示されていない、アライメント装置２８の評価ユニットは、画像データを、結像の鮮明さ、半径方向における結像の延在、輝度分布等に関して評価する。このアライメントは有利にはアライメント装置２８によって常に次のように行われる。すなわち、均一な、および／または所望の強度分布が未加工品１２、２５上で得られるように行われる。
【００２６】
図２ａおよび２ｂでは、レーザ焦点２６が回転対称の未加工品１２上に最適に配置されている場合が示されている。未加工品１２の対称軸Ｓが、光軸６と一致していることが見て取れる。レーザ焦点２６の強度分布は、未加工品１２の周囲にわたって少なくとも近似的に一定である。
【００２７】
図３には、ずれている焦点位置が示されている。未加工品１２の対称軸Ｓが光軸６に対して間隔を空けて延在していることが見て取れる。これによって、未加工品１２の周囲にわたった不均一な強度分布が生じてしまい、未加工品１２によって反射されたレーザービームの強度ないし、センサユニット２４上での結像の強度が不均一になってしまう。
【図１】
2010514568.tif 000003
【図２ａ】
2010514568.tif 000004
【図２ｂ】
2010514568.tif 000005
【図３】
2010514568.tif 000006
【国際調査報告】
2010514568.tif 000007
2010514568.tif 000008
2010514568.tif 000009
2010514568.tif 000010
2010514568.tif 000011
2010514568.tif 000012