(57)【要約】  本願発明は装置１００、２００、３００、７００およびレーザービーム１０２により被加工材１０１を加工する方法４００に関する。装置１００、２００、３００、７００は加圧液体噴流１０４を被加工材１０１に当てて、レーザービーム１０２を少なくとも一つの光学素子１０５を通して前記加圧液体噴流１０４の中に入射させ前記加圧液体噴流１０４と結合させて、被加工材１０１に向けて伝播させる加工ユニット１０３を有する。さらに、同装置は、被加工材１０１から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６であって、加圧液体噴流１０４を通り、さらに少なくとも一つの光学素子１０５を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６を受光し、受光したレーザー誘起電磁放射光１０６を信号１０８に変換する感知ユニット１０７を有する。装置１００、２００、３００、７００は被加工材１０１の機械加工の状況を信号１０８に基づいて判定する信号処理ユニット１０９を有する。【選択図】  図１
2020535974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材（１０１）をレーザービーム（１０２）により加工する装置（１００、２００、３００、７００）であって、
加圧液体噴流（１０４）を被加工材（１０１）に当てるとともに、レーザービーム（１０２）を少なくとも一つの光学素子（１０５）を通して前記加圧液体噴流（１０４）の中に入射させ前記加圧液体噴流（１０４）と結合させて、前記被加工材（１０１）に向けて伝播させる加工ユニット（１０３）と、
前記被加工材（１０１）から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光（１０６）であって、前記加圧液体噴流（１０４）を通り、さらに前記少なくとも一つの光学素子（１０５）を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光（１０６）を受光し、受光したレーザー誘起電磁放射光（１０６）を信号（１０８）に変換する感知ユニット（１０７）と、
前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を前記信号（１０８）に基づいて判定する信号処理ユニット（１０９）と、を有する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項２】
前記信号処理ユニット（１０９）は、前記被加工材（１０１）の機械加工の状況として、前記レーザービーム（１０２）が前記被加工材（１０１）を切断したかを判定する請求項１に記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項３】
前記感知ユニット（１０７）は、前記加圧液体噴流（１０４）を通った伝播し、さらにレーザービーム（１０２）を前記加圧液体噴流（１０４）の中に入射させ前記加圧液体噴流（１０４）と結合させる前記少なくとも一つの光学素子（１０５）を通って伝播する前記レーザー誘起電磁放射光（１０６）を受光する請求項１または２に記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項４】
前記加工ユニット（１０３）を含む光ヘッド（７０１）と、
前記感知ユニット（１０７）を含むレーザーユニット（７０３）と、を有する請求項１乃至３のいずれかに記載する装置（７００）。
【請求項５】
前記光ヘッド（７０１）と前記レーザーユニット（７０３）とを光接続する光接続素子（７０２）、具体的に光ファイバをさらに有し、
前記光ヘッド（７０１）内の前記加工ユニット（１０３）は前記光接続素子（７０２）を介してレーザービーム（１０２）を受光し、
前記レーザーユニット（７０３）内の前記感知ユニット（１０７）は前記光接続素子（７０２）を介して前記レーザー誘起電磁放射光（１０６）を受光する請求項４に記載する装置（７００）
【請求項６】
前記少なくとも一つの光学素子（１０５）はレーザービーム（１０２）を前記加圧液体噴流（１０４）の中に入射させ前記加圧液体噴流（１０４）と結合させるレンズ（３０５）を含み、
前記感知ユニット（１０７）は前記レンズ（３０５）を通って戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光（１０６）を受光する請求項１乃至５のいずれかに記載する装置（３００）。
【請求項７】
前記レーザー電磁放射光（１０６）の少なくとも一部を含む感知対象の電磁放射光（２０３）のみを分離して前記感知ユニット（１０７）に入射させる、さらに／または最初のレーザー光（１０２）が前記感知ユニット（１０７）に入射するのを防ぐ、波長分離ユニット（２０２）、好ましくは光学フィルタユニットを含む請求項１乃至６のいずれかに記載する装置（２００、３００、７００）。
【請求項８】
前記レーザー電磁放射光（１０６）は、前記レーザービーム（１０２）により加工される前記被加工材（１０１）から発光する二次放射光（２０６ａ）を含む請求項１乃至７のいずれかに記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項９】
前記レーザー電磁放射光（１０６）は、前記被加工材（１０１）で反射して伝播する一次レーザー放射光（２０６ｂ）を含む請求項１乃至７のいずれかに記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項１０】
前記レーザー電磁放射光（１０６）は、前記加圧液体噴流（１０４）中の前記レーザービーム（１０２）の散乱、好ましくはラマン散乱によって発生する二次放射光（２０６ｃ）を含む請求項１乃至７のいずれかに記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項１１】
前記信号処理ユニット（１０９）は、０．５秒未満。好ましくは０．１秒未満の最小時間分解能で前記信号１０８を処理する請求項１乃至１０のいずれかに記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項１２】
前記レーザービーム（１０２）はパルスレーザービームであり、
前記感知ユニット（１０７）は各レーザーパルスにより受光した放射光を信号（１０８）に変換し、
前記信号処理ユニット（１０９）は複数の前記信号（１０８）を所定時間連続的に積分して積分信号を作り、作った積分信号中のパターン（５００ａ、５００ｂ）または該パターン（５００ａ、５００ｂ）の変化に基づいて、前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を判定する請求項１乃至１１のいずれかに記載する装置（１００、２００、３００、７００）。
【請求項１３】
少なくとも一つの周辺デバイス（２０７、２０５、２２３、２０８）、好ましくはレーザーコントローラ（２０７）、気体供給コントローラ（２２３）および／または移動軸コントローラ（２０８）をさらに含み、
前記少なくとも一つの周辺デバイス（２０７、２０５、２２３、２０８）の動作を開始、中断、停止および／または再開させるために、前記信号処理ユニット（１０９）は判定した前記被加工材（１０１）の機械加工の状況に基づいて前記少なくとも一つの周辺デバイス（２０７、２０５、２２３、２０８）に命令信号（２１７、２１４、２１６、２１３）を与える請求項１乃至１２のいずれかに記載する装置（２００、３００、７００）。
【請求項１４】
レーザービーム（１０２）によって被加工材（１０１）を加工する方法（４００）であって、
加圧液体噴流（１０４）を被加工材（１０１）に当てて、レーザービーム（１０２）を少なくとも一つの光学素子（１０５）を通して前記加圧液体噴流（１０４）の中に入射させ前記加圧液体噴流（１０４）と結合させて、前記被加工材（１０１）に向けて伝播させ（４０１）、
前記被加工材（１０１）から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光（１０６）であって、前記加圧液体噴流（１０４）を通り、さらに前記少なくとも一つの光学素子（１０５）を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光（１０６）を受光し（４０２）、
受光したレーザー誘起電磁放射光（１０６）を信号（１０８）に変換し（４０３）、
前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を前記信号（１０８）に基づいて判定する（４０４）ことを含む方法（４００）。
【請求項１５】
前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を判定する（４０４）ために、
複数の前記信号（１０８）を記録し、
記録した前記複数の信号（１０８）を所定の参照信号と比較し、
同様なまたは一致する参照信号に基づいて前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を判定する、ことをさらに含む請求項１４に記載する方法（４００）。
【請求項１６】
前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を判定する（４０４）ために、
複数の前記信号（１０８）を所定時間連続的に積分して積分信号を作り、
前記積分信号中のパターン（５００ａ、５００ｂ）または該パターン（５００ａ、５００ｂ）の変化を評価し、
前記パターン（５００ａ、５００ｂ）または前記パターン（５００ａ、５００ｂ）の変化に基づいて、前記被加工材（１０１）の機械加工の状況を判定する請求項１４または１５に記載する方法（４００）。
【請求項１７】
前記レーザー電磁放射光（１０６）が、前記レーザービーム（１０２）により加工される前記被加工材（１０１）から発光する二次放射光（２０６ａ）を含む方法（４００）であって、
単独の前記信号（１０８）または前記積分信号の値が前記被加工材（１０１）の加工開始後に増大した後、減少して所定の閾値よりも小さくなると、前記被加工材（１０１）の機械加工の状況として、前記レーザービーム（１０２）が前記被加工材（１０１）を切断したと判定すること（４０４）を含む請求項１６に記載する方法（４００）。
【請求項１８】
前記レーザー電磁放射光（１０６）が、前記被加工材（１０１）で反射して伝播する一次レーザー放射光（２０６ｂ）を含む方法（４００）であって、
単独の前記信号（１０８）または前記積分信号の値が前記被加工材（１０１）の加工開始後に減少した後、増大して所定の閾値よりも大きくなると、前記被加工材（１０１）の機械加工の状況として、前記レーザービーム（１０２）が前記被加工材（１０１）を完全に切断したと判定すること（４０４）を含む請求項１６に記載する方法（４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はレーザービームを用いて被加工材を加工する装置および同装置に対応する機械加工方法に関する。特に、前記装置および方法は液体噴流中に入射させて、同液体噴流と結合させたレーザービームを用いるものである。本願発明は、具体的に加工工程で生じる発光に基づいて前記装置および方法の加工工程を制御するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザービームを用いる被加工材を加工する装置は従来から知られている。また、レーザービームを液体噴流中に入射させて、その液体噴流と結合させ、その液体噴流を被加工材に当てる装置および方法は、従来から一般的に知られている。
【０００３】
従来の装置のレーザービーム加工工程で生じる問題は、被加工材と装置の間に機械的な相互作用がないため、被加工材の加工工程を特徴づける状況を判定することが困難だということである。この困難さのために、加工工程の時間がかなり長くなる場合が多い。例えば、従来の装置を用いてレーザービームにより被加工材を切断する場合、被加工材料がレーザービームによって完全に切断されたか、いつ完全に切断されたかを正確に判定することには問題がある。そのため、切断工程を最適時間で終了させることができない。また、被加工材の加工の他の状況、例えば、加工工程に不安定度を示す状況を正確に判定できれば有利である。
【０００４】
レーザービームは被加工材に反射して制御不能な形で散乱するので、被加工材を目視検査により加工工程の状況を判定するのは、困難であるし、また危険でもある。さらに、従来の装置が液体噴流中で誘導されるレーザービームを用いる場合、被加工材が液体で濡れた環境にあるため別の問題が生じる。例えば、液体噴流が被加工材に当たって制御不能な状態で飛び散るので、その液体が被加工材の表面上に溜まり、そのことによって加工工程の状況を判定することがいっそう難しくなるのである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の解決方法は大概、例えば装置および／または被加工材の隣に配置したカメラによる目視検査に基づくものである。しかし、このような従来の目視検査は、前記した被加工材の環境の問題、液体で濡れた環境のため余り正確でない。また、目視検査の装置、例えばカメラが飛び散った液体によって損傷する恐れが大きい。さらに、従来技術の解決方法による装置は比較的大きく、複数の別体の部品に分かれているので配置するのに不便である。
【０００６】
このような前記した問題および不利な点に鑑み、本願発明は従来の装置および方法を改善するものである。したがって本願発明の目的は、液体噴流中に入射して、同液体噴流と結合するレーザービームを用いて被加工材を加工する装置および方法であって、機械加工工程の時間を短縮することを可能にする装置および方法を提供することである。特に、本願発明は機械加工工程の状況をより正確に判定することを可能にする。被加工材の機械加工の状況の判定が正確になればなるほど、機械加工工程の時間をより最適にすることができる。特に、本願発明は被加工材料が完全に切断されたか否かを確実に判定することを求めるものである。本願発明は、前記したような改善により特に小型の装置にすること、および液体噴流によって被加工材が濡れた状態になっても、それによって妨げられない方法を目標とするものである。したがって、本願発明の装置および設備に対する損傷は避けられるはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の目的は、特許請求の範囲の独立項中に記載された解決方法により達成される。本願発明の有利な実施の態様は独立項の従属項中に定義される。
【０００８】
特に、本願発明は加工工程で生じる発光に基づいて、すなわちレーザービームを用いて被加工材を機械加工することにより生じるレーザー誘起電磁放射光に基づいて、被加工材の機械加工の状況を検知することを提案するものである。
【０００９】
本願発明の第１の特徴は、被加工材をレーザービームにより加工する装置であって、加圧液体噴流を被加工材に当てて、レーザービームを少なくとも一つの光学素子を通して前記加圧液体噴流に入射させ前記加圧液体噴流と結合させて前記被加工材に向けて伝播させる加工ユニットと、前記被加工材から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光であって、前記加圧液体噴流を通り、さらに前記少なくとも一つの光学素子を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光を受光し、受光したレーザー誘起電磁放射光を信号に変換する感知ユニットと、前記被加工材の機械加工の状況を前記信号に基づいて判定する信号処理ユニットと、を有する装置を提供する。
【００１０】
この機械加工ユニットでは、レーザービームを加圧液体噴流中に入射させその加圧液体噴流と結合させる。この加圧液体噴流はレーザービームの導波路として作用し、レーザービームを内部で全反射させることによってレーザービームを導いて被加工材に入射させる。加圧液体噴流は好ましくは液体ノズルによって供給され、レーザービームは少なくとも一つの光学素子によって導かれて、この液体ノズルを通って加圧液体噴流の中に入射して、被加工材に向かって伝播するものでよい。液体ノズルと少なくとも一つの光学素子は、光学素子が液体と接触するのを防ぐために、例えば光窓によって分離されていてよい。
【００１１】
感知ユニットは光検知デバイスまたは光センサでよく、一次レーザービームと逆の方向に加圧液体噴流を通って進む、すなわち被加工材から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光を、検知できる位置に好ましくは配置される。被加工材を加工するレーザービームによって誘起される電磁放射光の一部は加圧液体噴流を通って戻り方向に伝播せず、別の方向に進むのがわかる。
【００１２】
感知ユニットが受講するレーザー誘起電磁放射光は被加工材の加工の複数の異なる状況を区別する極めて正確な特徴を与える。特に、その特徴にしたがって感知ユニットが出力する信号は、被加工材の加工の複数の異なる状況に依存して特徴的な変化をする。そのため、進歩性を有する。信号処理ユニットはこの信号に基づいて被加工材の加工の状況を正確にしかも効率的に判定することができる。その結果、信号処理ユニットは加工工程時間を有意に改善するために、判定結果に基づいて装置に加工の状況に合致する動作をさせることができる。
【００１３】
感知ユニットが加圧液体噴流を介してレーザー誘起電磁放射光を受光できるという事実によって、感知ユニットを加工工程の湿った環境から安全に配置することができる。さらに次の利点がある。加圧液体噴流はまた戻り方向に伝播するレーザー誘起放射光の導波路として作用し、この放射光をより正確に検知することを可能にし、その結果、この放射光を感知する時に感知ユニットが供給する信号を解析し、後処理することが可能になる。感知ユニットは装置中の筐体に収容されるのが好ましく、感知ユニットを液体との接触から守りその寿命を長くするために、感知ユニットがいかなる液体の流れおよび液体ノズルからも隔離されるように収容されればさらに好ましい。第１の特徴にかかる装置はきわめて小型に組み立てることができ、すべての部品を一体化してもよく、そのようにすれば有利である。
【００１４】
第１の特徴の装置の一つの好ましい実施の態様では、信号処理ユニットは被加工材の機械加工の状況として、レーザービームが被加工材を完全に切断したかを判定する。
【００１５】
第１の特徴の装置はレーザービームが被加工材を完全に切断したかを極めて正確にかつ迅速に判定できる。したがって、特にこの装置を用いてレーザービームによって被加工材を切断するときに機械加工時間を有意に短縮できる。このことは、レーザービームによって被加工材が完全に切断されたという加工の状況であるといったん判定されると、すぐに機械加工工程を停止できるという事実のおかげである。信号処理ユニットは自動的にそのような命令を発生することができる。
【００１６】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、感知ユニットは加圧液体噴流を通り、さらにレーザービームを加圧液体噴流に入射させてその加圧液体噴流と結合させる少なくとも一つの光学素子を通り伝播するレーザー誘起放射光を受光する。
【００１７】
このようにすることにより、第１の特徴の装置を特に小型に組み立てることができる。さらに、必要な光部品数が最少になる。
【００１８】
第１の特徴の装置は加工ユニットと感知ユニットを含む光ヘッドを含むものでよい。このようにすれば、光ヘッド内で、加工ユニットがレーザービームを加圧液体噴流中に入射させてその加圧液体噴流と結合させ、感知ユニットが被加工材からの戻ってくる方向に伝播するレーザー誘起放射光を感知することができる。この場合、信号処理ユニットを装置内に配置して、例えば装置の筐体内であるが光ヘッドの外側に配置してもよい。レーザー光源および／またはレーザーコントローラを有するレーザーユニットを装置の一部としてもよいが、または、一部ではないが少なくとも光ヘッドと隔離されたものでよい。
【００１９】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、第１の特徴の装置は加工ユニットを含む光ヘッドと、感知ユニットを含むレーザーユニットと、を有する。
【００２０】
レーザーユニットはレーザー光源および／またはレーザーコントローラを有するものでよい。この実施態様では、レーザービームがレーザーユニットによって光ヘッドに供給されるものでよい。光ヘッドにおいてレーザービームが加圧液体噴流の中に入射しその加圧液体噴流と結合する。被加工材から戻り方向に伝播するレーザー誘起放射光は光ヘッドを通ってレーザーユニットにまで導かれ、レーザーユニットでは感知ユニットがレーザー誘起放射光を受光するものでよい。光ヘッドはレーザーユニットと、例えば、光ファイバによって光学的に接続することができる。
【００２１】
感知ユニットがレーザーユニット内にあっても、すなわち光ヘッドと離れた場所にあっても、感知ユニットが受光したレーザー誘起放射光に基づいて感知ユニットが与える信号に基づいて、信号処理ユニットが正確に被加工材の機械加工の状況を判定できることは驚くべきことであった。レーザーユニット内に感知ユニット並びにオプションになるが、ビームスプリッタ、分光ユニットおよび／または合焦光学系等のような感知ユニットと結合する光学素子を配置することの利点は、これらの光学素子の扱い、および、例えばこれらの光学素子のメンテナンスまたは交換が容易になることである。別の利点は、感知ユニットおよび感知ユニットに結合する光学素子を交換する必要なく、光ヘッドを交換することができることである。また光ヘッドはより小型に組み立てることができ、レーザーユニット内ではスペースがあるので感知ユニットとそれと結合する光学素子はより大型に組み立てることができる。
【００２２】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、光ヘッドとレーザーユニットを光接続する、特に光ファイバである光接続素子を第１の特徴の装置は有し、光ヘッド内にある加工ユニットは光接続素子を介して。レーザービームを受光し、レーザーユニット内にある感知ユニットはレーザー誘起電磁放射光を受光する。
【００２３】
したがって、同じ光接続素子、例えば光ファイバを用いて、レーザービームとなるレーザー光とレーザー誘起放射光をそれぞれ、装置内を、すなわち光ヘッドとレーザーユニットの間を伝播させる。それにもかかわらず、受光した放射光にしたがって感知ユニットが発生する信号に基づいて、信号処理ユニットは被加工材の機械加工の状況を正確に判定することができる。
【００２４】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、少なくとも一つの光学素子はレーザービームを加圧液体噴流の中に入射させてその加圧液体噴流と結合させるレンズを含み、感知ユニットが戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光をこのレンズを通して受光するように配置される。
【００２５】
この特別な実施の態様では、レンズを２枚使うことになり、感知ユニットが液体との接触から保護されるよう位置に配置される。さらに、装置を小型に組み立てることができる。
【００２６】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、同装置はさらに波長分離ユニット、好ましくは光フィルタユニットを有し、この波長分離ユニットはレーザー誘起電磁放射光の少なくとも一部を含む感知対象の電磁放射光のみを分離して、感知ユニットに入射させ、さらに／または最初のレーザー光が感知ユニットに入射するのを防ぐ。
【００２７】
特に、波長分離ユニットは、被加工材から離れる方向に被加工材から伝播してくるレーザー誘起電磁放射光である、または同レーザー誘起電磁放射光を含む、放射光を受光するように配置され、受光した放射光から感知対象の電磁放射光を分離し、少なくともレーザー誘起電磁放射光の一部を含む感知対象の放射光を感知ユニットに入射させることができる。波長分離ユニットは被加工材の機械加工の状況をより正確に、かつより確実に判定することを可能にする効果を有する。波長分離ユニットは不必要な放射光が感知ユニットに入射するのを防ぐ。そのため、感知ユニットは感知対象の放射光をより高い感度で、しかもより正確に検知することができる。感知対象の放射光は不必要な放射光が除かれたレーザー誘起電磁放射光、またはレーザー誘起電磁放射光の一部としてよい。例えば、レーザービームによって、複数の異なるメカニズムによって発生する複数の異なる種類の電磁放射光が誘起される。この場合、感知対象の放射光とするのは一つの所定のメカニズムで発生するレーザー誘起電磁放射光のみとしてもよい。
【００２８】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、レーザー誘起電磁放射光はレーザービームで加工されている被加工材の部分から発光する二次放射光を含む。
【００２９】
この場合の二次放射光はレーザービームよる被加工材の加工によって発生している。これは、例えば被加工材の機械加工されている表面の領域がプラズマに変質されているためである。このプラズマが特徴的な放射光を発光する。被加工材の加工の状況、特にレーザービームによって被加工材が完全に切断されたかを特に正確に判定するために、この特性放射光は容易に分離されて感知ユニットに入射させる、例えば前記した波長分離ユニットによって分離して感知ユニットに入射させることができる。
【００３０】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、レーザー誘起電磁放射光は被加工材で反射して伝播する一次レーザー放射光を含む。
【００３１】
この実施の態様は、本願発明を実施する単純な方法である。被加工材で反射して戻るレーザー光は一次レーザービーム光の少なくとも一部を含み、戻り方向に伝播し加圧液体噴流を通って感知ユニットに向かう。感知ユニットによって変換された対応する信号は、被加工材の機械加工の状況、特にレーザービームによって被加工材が完全に切断されたかについての正確な特徴を与える。
【００３２】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、レーザー誘起電磁放射光は加圧液体噴流中の前記レーザービームの散乱、好ましくはラマン散乱によって発生する二次放射光を含む。
【００３３】
加圧液体噴流中で発生するレーザー誘起散乱光は、環境条件が余り一定に保たれていない被加工材表面で直接生じたものではなく、層状の流れである、しかも／または一定の条件に保たれている加圧液体噴流中で発生するという利点を有する。また、このレーザー誘起散乱光が加圧液体噴流中で発生するにもかかわらず、この散乱誘起放射光も同様に被加工材の機械加工の状況、特にレーザービームによって被加工材が完全に切断されたかについての顕著な特徴を与える。
【００３４】
レーザービームによって加工されている被加工材の部分から発光する二次放射光、被加工材で反射する一次放射光および／または加圧液体噴流中でのレーザービームの散乱によって生じる二次放射光は被加工材から離れる方向に被加工材から、加圧液体噴流を通り、さらに少なくとも一つの光学素子を通って伝播するものと考えてよい。この場合、前記した波長分離ユニットを用いて不必要なレーザー誘起電磁放射光をフィルタに通して除くので、感知ユニットに入射する感知対象のレーザー誘起電磁放射光のみを、例えばレーザービームで機械加工される被加工材の部分から発光する二次放射光のみを処理できる。
【００３５】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、信号処理ユニットは、０．５秒未満。好ましくは０．１秒未満の最小時間分解能で感知ユニットからの信号を処理する。
【００３６】
例えば、信号処理ユニットの最小時間分解能は、０．２〜０．５秒、または０．１〜０．５秒、または０．１〜０．２秒でよく、また０．０１〜０．１秒でもよい。信号処理ユニットが与えるこれらの好ましい最小時間分解能によって、被加工材の加工の状況を正確に検知することができ、そのため機械加工工程を特に安定的に制御することができる。特に、このような加工ユニットを用いれば機械加工時間をさらに短縮することができる。
【００３７】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、レーザービームはパルスレーザービームであり、感知ユニットは各レーザーパルスにより受光した放射光を信号に変換し、信号処理ユニットは複数の変換した信号を所定時間連続的に積分して積分信号を作り、作った積分信号中のパターンまたは該パターンの変化に基づいて、被加工材の機械加工の状況を判定する
【００３８】
感知ユニットからの信号を所定時間連続的に積分することによって、被加工材の機械加工の状況の判定の信頼性を改善できる。特に、単独の信号中に生じる（積分されてない）パターンは積分信号中ではより強く表れる。さらに、積分信号にのみ表れる別のパターンがあり、このようなパターンによっても加工の状況を判定することができ、また加工の状況をより正確に判定できる。また、信号のノイズの影響が小さくなるので、判定の感度が高まる。
【００３９】
第１の特徴の装置の一つの別の好ましい実施の態様では、装置が少なくとも一つの周辺デバイス、好ましくはレーザーコントローラ、気体供給コントローラおよび／または移動軸コントローラをさらに含み、この装置では、前記少なくとも一つの周辺デバイスの動作を開始、中断、停止および／または再開させるために、信号処理ユニットは判定した被加工材の機械加工の状況に基づいて前記少なくとも一つの周辺デバイスに命令信号を与える。
【００４０】
したがって、機械加工工程時間を最適化できる。特に、判定された被加工材の機械加工の状況に基づいて、第１の特徴の装置は迅速に対応し、必要な動作を実行する。例えば、レーザービームが被加工材を完全に切断した場合、第１の特徴の装置は機械加工工程を停止することができる。別の利点として、機械加工工程の品質を改善できる。
【００４１】
本願発明の第２の特徴は、レーザービームによって被加工材を加工する方法であって、加圧液体噴流を被加工材に当てて、レーザービームを少なくとも一つの光学素子を通して加圧液体噴流の中に入射させ、その加圧液体噴流と結合させて、被加工材に向けて伝播させ、被加工材から離れていく方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光であって、加圧液体噴流を通り、さらに少なくとも一つの光学素子を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光を受光し、受光したレーザー誘起電磁放射光を信号に変換し、被加工材の機械加工の状況をこの信号に基づいて判定することを含む方法を提供する。
【００４２】
第２の特徴の方法を用いれば、第１の特徴の方法の装置を用いた場合と同じ利点および効果を得ることができる。
【００４３】
第２の特徴の方法の一つの好ましい実施の態様の方法は、被加工材の機械加工の状況を判定するために、複数の信号を記録し、記録した複数の信号を所定の参照信号と比較し、同様なまたは一致する参照信号に基づいて被加工材の機械加工の状況を判定することを含む。
【００４４】
参照信号を与え、参照信号と比較することによって、極めて正確な結果を生じさせる判定を容易に行うことが可能になる。
【００４５】
第２の特徴の方法の別の好ましい実施の態様方法は、被加工材の機械加工の状況を判定するために、複数の信号を時間積分して積分信号を作り、作った積分信号中のパターンまたは該パターンの変化を評価し、パターンまたは該パターンの変化に基づいて、被加工材の機械加工の状況を判定することを含む。
【００４６】
この方法によれば、対応する前記した第１の特徴の装置の実施の態様を用いた場合と同じ利点および効果が得られる。
【００４７】
第２の特徴の方法の別の好ましい実施の態様の方法は、レーザー電磁放射光がレーザービームにより加工される被加工材から発光する二次放射光である方法であって、単独の信号または積分信号の値が被加工材の加工開始後に増大した後、減少して所定の閾値よりも小さくなると、被加工材の機械加工の状況として、レーザービームが被加工材を完全に切断したと判定することを含む。
【００４８】
第２の特徴の方法の別の好ましい実施の態様の方法は、レーザー電磁放射光が、被加工材で反射して伝播する一次レーザー放射光である方法であって、単独の前記信号または前記積分信号の値が被加工材の加工開始後に減少した後、増大して所定の閾値よりも大きくなると、被加工材の機械加工の状況として、レーザービームが被加工材を完全に切断したと判定することを含む。
【００４９】
前記した単独の信号または積分信号中の正確な特徴、すなわちこの単独の信号または積分信号がしたがうパターンが、極めて正確な判定結果を与えることが分かった。さらに、この判定プロセスの負荷は低いので、この方法は極めて迅速に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
本願発明の前記した特長および好ましい実施の形態について、次の添付した図面にかんれんする具体的な実施形態の説明する中で詳らかにする。
【図１】図１は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図２】図２は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図３】図３は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図４】図４は本願発明の実施形態にかかる方法を示す。
【図５】図５は本願発明の実施形態にかかる方法で用いる特有の信号パターンを概略的に示す。
【図６】図６は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図７】図７は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１は本願発明の一実施形態にかかる装置１００を示す。特に、装置１００は被加工材１０１を、レーザービーム１０２を用いて加工するものである。被加工材１０１は例えば金属、セラミックス、ダイアモンド、半導体、カーバイド、合金、超合金、超硬材料を含む材料でできているものでよい。被加工材１０１は明らかに装置１００の一部ではない。しかし、被加工材１０１は加工表面の上に配置される。この加工表面は装置１００の一部であっても一部でなくてもよいことは注目すべき点である。いずれの場合でも、装置１００はこの加工表面上に配置された被加工材１０１を加工できるように構成される。装置１００はこの加工表面を３次元までの方向の動きを制御するものでよい。
【００５２】
装置１００は、加工ユニット１０３、感知ユニット１０７および信号処理ユニット１０９を含むものでよい。装置１００のこれらのユニット１０３、１０７、１０９は装置１００の中に組み入れられることが好ましい。すなわち、これらのユニットは装置１００の外枠または筐体の内部に配置されるものでよい。装置１００は同じ外枠または筐体の内部に配置された別のユニットを含むものでもよい。
【００５３】
加工ユニット１０３は加圧液体噴流１０４を被加工材１０１に当て、レーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させ加圧液体噴流１０４と結合させる。具体的には、少なくとも一つの光学素子１０５を用いることによって、レーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させて、加圧液体噴流１０４と結合させる。この少なくとも一つの光学素子１０５は、例えば一つ以上のレンズ、複数のレンズモジュール、複数の光ガイド素子、複数のビームスプリッタ、複数のミラー、複数のフィルタまたは複数の偏光板を含むものでよい。レーザービーム１０２は、光ファイバ中でレーザービームがガイドされるのと同じ原理で、細い（すなわち、マイクロメータの範囲の径）液体噴流によってガイドされるのが好ましい。レーザービーム１０２は、例えば、パルスレーザービーム１０２であり、被加工材１０１に向けられ、被加工材１０１に入射するので、被加工材１０１を高精度で加工することができる。一方、加圧液体噴流１０４は連続的に被加工材１０１を冷却して破片を除去することができる。例えば、装置１００は被加工材１０１を高精度で切断し、または所定の形状にするように特に構成されるものでよい。
【００５４】
レーザービーム１０２はレーザー光源によって与えられるものであり、このレーザー光源は装置の一部であってもよいし、装置外のものでもよいがその場合レーザービーム１０２を装置１００のレーザー光供給ポート中に入射させて光供給ポートと結合させるものであればよい。レーザービーム１０２は可視光でよく、緑光の波長範囲であることが好ましい。例えば、レーザービーム１０２は５３２ｎｍの波長を有するものでよい。
【００５５】
感知ユニット１０７は、レーザー誘起電磁放射光１０６、すなわちレーザービーム１０２によって被加工材１０１が加工される時に発生する電磁発光を受光する。そのため、レーザー誘起電磁放射光１０６は、「加工工程で生じる発光」とも言う。感知ユニット１０７は被加工材１０１から被加工材１０１から離れていく方向に進み、加圧液体噴流１０４および少なくとも一つの光学素子を通って伝播してきたレーザー誘起電磁放射光１０６を感知ユニット１０７が受光して、その電磁放射光１０６を感知できるように配置される。したがって、戻り方向に伝播する加工工程で生じる発光１０６は加圧液体噴流１０４の中で加圧液体噴流１０４によってガイドされて感知ユニット１０７に入射する。少なくとも一つの光学素子を通った加工工程で生じる発光１０６を感知ユニット１０７は受光するが、この少なくとも一つの光学素子はレーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させて、加圧液体噴流１０４と結合させるのに用いる少なくとも一つの光学素子１０５でよい。この構成の代表的なものが図１に示されている。
【００５６】
感知ユニット１０７はさらに受光したレーザー誘起電磁放射光１０６を信号１０８に変換する。例えば、感知ユニット１０７は出力信号として光電流を発生する。したがって感知ユニット１０７は、例えば光検知素子でもよいが、他のデバイスや少なくとも感知対象とする電磁放射光を電気信号に変換することができる光センサとしてもよい。信号１０８は、さらに分析および／または処理を行う信号処理ユニット１０９に送られる。
【００５７】
信号処理ユニット１０９は、例えば、マイクロプロセッサまたはコンピュータによって実現され、具体的には感知ユニット１０７から受光する信号１０８に基づいて、被加工材１０１の機械加工の状況を判定する。特に、信号処理ユニット１０９は、被加工材１０１の機械加工の状況としてレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したかを判定する。言い換えれば、信号処理ユニット１０９はレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したこと、およびいつ完全に切断したかを判定する。この目的のために、信号処理ユニット１０９は信号１０８に対して信号処理をするものでよい。
【００５８】
信号処理は、例えばスケーリング、平均化、所定時間連続的に記録する、所定時間連続的に積分する、または信号１０８を変換することを含むものでよく、また信号１０８または積分信号を一つ以上の基準信号と比較することを含むものでよい。例えば、信号処理ユニット１０９が複数の信号１０８を記録し、記録した複数の信号１０８を予め記憶しておいた複数の基準信号と比較するようにしてもよい。
【００５９】
信号処理ユニット１０９は代わりに、または追加的に複数の信号１０８を所定時間連続的に積分して、積分信号を作製し、積分信号のパターンもしくはそのパターンの変化を評価するものでもよい。レーザービーム１０２がパルスレーザービームの場合、このような複数の信号１０８の各々は感知ユニット１０７が感知するレーザーパルス誘起電磁放射光１０６から生じるものである。
【００６０】
信号処理ユニット１０９は、信号処理の結果、同様な基準信号または対比に用いる基準信号に基づいて（第１の場合）または信号パターンまたは信号パターンの変化に基づいて（第２の場合）、被加工材１０１の機械加工の状況を判定するものでよい。感知ユニット１０７は少なくとも１０Ｈｚで動作するのが好ましい、また、少なくとも１５Ｈｚで動作することがさらに好ましいので、好ましくは信号処理ユニット１０９の最小時間分解能は、０．５秒未満であり、０．２秒未満であることがさらに好ましく、０．１秒未満であることさらに好ましい。
【００６１】
図２は本願発明の一実施形態にかかる装置２００を示す。装置２００は図１に示す装置１００をさらに発展させたものである。図２と図１において同一の要素には同じ符号が付けられており、同様な機能を有する。したがって、図２の装置２００は加圧液体噴流１０４を被加工材１０１に当て、レーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させて、加圧液体噴流１０４と結合させる加工ユニット１０３を含む。
【００６２】
装置２００は、さらに加圧液体噴流１０４および加工ユニット１０３を通って、さらに好ましくは少なくとも一つの光学素子１０５を通ってきた戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６を受光し、受光した電磁放射光１０６を信号１０８に変換する感知ユニット１０７を含む。信号処理ユニット１０９（ここでは、「デジタル信号処理ユニット＋ＩＰＣ」、すなわち、信号処理ユニット１０９は工程間信号伝達（ＩＰＣ）を可能にするものでよい）は、同様に信号１０８に基づき被加工材１０１の加工状況を判定する。図２はさらに装置２００の好ましい全体的なレイアウトの詳細を示す。図２の装置２００は、特にいくつかの周辺デバイスも含む。
【００６３】
装置２００はレーザー光源２２１とレーザー光源２２１を制御するレーザーコントローラ２０７を含むものでよい。レーザー光源２２１はレーザービーム１０２となるレーザー光を供給する（２０４）。レーザー光源２２１は装置２００に含まれないが、装置２００のレーザー光供給ポートにレーザー光を供給する外部デバイスであってもよい。装置２００において、レーザービーム１０２は装置２００の光学ユニット２０１によって加工ユニット１０３に向かうように誘導される。ここで光学ユニット２０１はビームスプリッタであることが好ましく、加工ユニット１０３と感知ユニット１０７の間の光路中に配置される。加工ユニット１０３において、レーザービーム１０２は加圧液体噴流１０４の中に入射し、加圧液体噴流１０４と結合する。また、戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６は、この光学ユニット２０１を通って伝播し、感知ユニット１０７に向かうように誘導されることは注目すべき点である。
【００６４】
装置２００はさらに波長分離ユニット２０２を含むことが好ましい。波長分離ユニット２０２はレーザー誘起電磁放射光１０６を含む感知対象となる電磁放射光２０３を分離して感知ユニット１０７に入射させる。波長分離ユニット２０２は加工ユニット１０３と感知ユニット１０７の間の光路の途中に配置されるのが好ましい。そうすることによって、波長分離ユニット２０２は、被加工材１０１から被加工材１０１から離れていく方向に伝播し、加圧液体噴流１０４および少なくとも一つの光学素子１０５を通って伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６を受光でき、さらに感知対象となる放射光２０３を出光して、感知ユニット１０７に入射させることができる。波長分離ユニット２０２が出光する放射光２０３は波長分離ユニット２０２が受光したレーザー誘起電磁放射光１０６の少なくとも一部を含み、感知ユニット１０７に入射させるものである。
【００６５】
波長分離ユニット２０２は一つ以上の光フィルタからなる光フィルタユニットでもよく、必要としない電磁放射光をフィルタによって除去し、すなわち、所定の（必要としない）波長の電磁放射光が感知ユニット１０７に入射するのを防ぐ。感知対象とする電磁放射光２０３は特にレーザー誘起電磁放射光１０６のみでよく、（波長分離ユニット２０２が無ければ感知ユニット１０７に入射する）それ以外の電磁放射光が間違って波長分離ユニット２０２に入射しても、フィルタにより除かれる。また感知対象とする電磁放射光２０３は、波長分離ユニット２０２に入射する（また波長分離ユニット２０２が無ければ感知ユニット１０７に入射する）レーザー誘起電磁放射光１０６の一部でもよく、波長分離ユニット２０２により、感知対象でないレーザー誘起電磁放射光はフィルタにより除かれる。
【００６６】
もしも、レーザー誘起電磁放射光が二次放射光であるか、または二次放射光を含むなら、波長分離ユニット２０２はレーザー光が感知ユニット１０７に入射するのを防ぐものでよい。すなわち、波長分離ユニット２０２はレーザー光源２２１から与えられる波長と同じ波長の光はフィルタにより除くものでよい。本願発明が想定する３つの具体的な原理がある。これらの原理にしたがって、被加工材１０１の機械加工の状況の正確な特徴を与える感知対象とするレーザー誘起電磁放射光１０６が生じる。
【００６７】
第一に、レーザー誘起電磁放射光１０６は、レーザービーム１０２により加工される被加工材１０１の部分から発光する二次放射光２０６ａであるか、または二次放射光２０６ａを含むものである。被加工材１０１の加工される表面部分は、例えばレーザービーム１０２よりプラズマに変質し、このプラズマが二次放射光２０６ａの発生源になる。代表的には、二次放射光２０６ａは黄色および／またはオレンジ色の波長範囲にある。したがって、波長分離ユニット２０２は、この場合この黄色および／またはオレンジ色の波長範囲の光を感知ユニット１０７に入射させ、一方、その他の波長範囲の光を遮断する、特に、例えば緑色の波長のレーザー光を遮断する。感知ユニットはこの場合、特にこの黄および／またはオレンジの色の波長範囲の光を感知できる。
【００６８】
第二に、レーザー誘起電磁放射光１０６は被加工材１０１、特に被加工材表面で反射して伝播する一次レーザー放射光２０６ｂであるか、同一次レーザー放射光２０６ｂを含むものでよい。レーザー光は緑色の波長範囲であることが好ましいので、波長分離ユニット２０２は緑色の波長の光を感知ユニット１０７に入射させ、一方、他の波長範囲の光を遮断するものでよい。そのため、感知対象の放射光２０３は二次放射光２０６ｂのみを含む。感知ユニット１０７はこの場合、特に緑色の波長を感知できる。
【００６９】
第三に、レーザー誘起電磁放射光１０６は加圧液体噴流１０４中でレーザービーム１０２が散乱することによって発生する二次放射光２０６ｃであるか、または同二次放射光２０６ｃを含むものでよい。この二次放射光２０６ｃは、特にレーザー光１０２のラマン散乱によって生じる二次放射光２０６ｃとしてよい。代表的には、二次放射光２０６ｃは赤色の波長の光である。したがって、波長分離ユニット２０２はこの場合、赤色の波長の光を感知ユニット１０７に入射させ、一方、その他の波長範囲の光を遮断する、例えば緑色の波長の光を遮断する。このようにして、感知対象の放射光２０３は二次放射光２０６ｃのみを含む。感知ユニット１０７は特に赤色の波長の光のみを感知できる。
【００７０】
二次放射光２０６ａとレーザー反射光２０６ｂはともに被加工材１０１から、特に加工されている被加工材の表面部分から発生していることは注目すべき点である。一方、二次放射光２０６ｃは加圧液体噴流１０４、特に加圧液体噴流１０４の途中の一つ以上の位置から発生する。
【００７１】
装置２００はさらに複数の周辺デバイスを含むものでよい。信号処理ユニット１０９は、被加工材１０１の加工の判定された状況に基づいて、一つ以上の周辺デバイスに命令信号を与えるのが好ましい。このようなやり方で、信号処理ユニット１０９は被加工材１０１の判定された機械加工の状況にしたがってすべての周辺デバイスを制御することができ、例えば、これらの周辺デバイスの動作を開始、中断、停止および／または再開させることができる。
【００７２】
例えば、図２に示す装置２００は周辺デバイスとして、レーザーコントローラ２０７、液体供給コントローラ（この例では液体ポンプと一体になっている）２０５、気体供給コントローラ２２３（この例では、気体を用いて加圧液体噴流１０４を包囲して保護するのが好ましいので、「保護用気体コントローラ」という）、並びに被加工材１０１が置かれる加工表面、または代わりに被加工材１０１自身を特に互いに直角なＸ，Ｙ、Ｚ軸方向に動かし、および／または回転方向であるａ、ｂ、ｃ方向に回転させる移動軸コントローラ２０８（ここでは、「コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）」）を含むものでよい。
【００７３】
信号処理ユニット１０９は複数の異なる周辺デバイスのそれぞれに命令信号を送る。好ましくは、信号処理ユニット１０９は信号２１７を介してレーザーコントローラ２０７を制御し、信号２１４を介して液体供給コントローラ２０５を制御し、信号２１６を介して気体供給コントローラ２２３を制御し、さらに信号２１３を介して移動軸コントローラ２８を制御することができる。信号処理ユニット１０９はすべての周辺デバイスのそれぞれを他のデバイスと独立して制御し、また、この制御は外部入力なしで、信号１０８と判定された被加工材１０１の機械加工の状況のみに基づいて行われる。しかしながら、信号２１２を介して信号処理ユニット１０９に追加の命令を与えるために、装置２００が人／スクリプト入力２０４を受信できる人−機械インタフェース２１０を含むこともさらに可能である。
【００７４】
判定された被加工材１０１の機械加工の状況に基づいて信号処理デバイス１０９が与える命令にしたがって、すべての周辺デバイスは命令された動作を行うことができる。例えば、レーザーコントローラ２０７はレーザービーム１０２用のレーザー光の供給を開始、休止または停止するものでよい。液体供給コントローラ２０５は、好ましくは水である液体を加工ユニット１０３への供給２２２を開始、中断または停止するために、液体圧力コントロール弁２１５を制御するものでよい。気体供給コントローラ２２３は、好ましくはヘリウムである気体の加工ユニット１０３への供給を開始、中断または停止するために、保護用気体コントロール弁２１１を制御できる。移動軸コントローラ２０８は被加工材１０１に所定の動きをさせることができる。すなわち、移動軸コントローラ２０８は被加工材１０１が戴置される加工表面を制御できる。
【００７５】
図３は本願発明の一実施形態にかかる装置３００を示す。この装置３００は図１に示す装置１００と図２に示す装置２００をさらに発展させたものである。図１および／または図２中の要素と同一の図３中の要素は同じ符号が付けられ、同様な機能を有するものである。特に、図３は装置３００の光学部材の配置と特に加工ユニット１０３中での液体の流路の詳細を表している。加工ユニット１０３は、特にレーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させて、その加圧液体噴流１０４と結合させるレンズ３０５を含むものでよい。また、戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６は加圧液体噴流１０４を通りこのレンズ３０５を通過して、感知ユニット１０７に向かって伝播する。このようにしてレーザー誘起電磁放射光１０６は、レンズ３０５から光学ユニット２０１を通って波長分離ユニット２０２に伝播し、さらに少なくともレーザー誘起電磁放射光１０６の一部を含む感知対象の放射光２０３として感知ユニット１０７に入射する。
【００７６】
液体の流路と加圧液体噴流１０４が作られる加工ユニット１０３の領域から、光学部材の配置、ここではレンズ２０５を隔離するため、加工ユニット１０３は光学的に透明な保護窓３０１をさらに含むものでよい。加圧液体噴流１０４を作り出すために、加工ユニット１０３は液体ノズルを含むのが好ましい。液体ノズル３０２には装置３００の外枠または筐体を貫通する導管として実装された液体供給管２２２から液体が供給される。加圧液体噴流１０４を作り出すために、液体ノズル３０２は加圧液体噴流１０４の幅を画定する液体流通孔を有する。この液体流通孔の直径は好ましくは１０〜２００μｍであり、加圧液体噴流１０４の直径はこの液体流通孔の約０．６〜１倍であるのが好ましい。加圧液体噴流１０４を作る圧力は液体供給管２２２を介して付与される。好ましくは、この圧力は５０〜８００ｂａｒである。
【００７７】
図３からわかるが、保護用気体、好ましくはヘリウムが、気体供給管２１９を通って加工ユニットの中に、特に加工ユニット１０３の内部に設けられた空間の中に供給される。ここで、加圧液体噴流１０４が加工ユニット１０３の下側出口開口を通って加工ユニット１０３から放流され、さらに、さらに被加工材１０１に向かって進み被加工材１０１に当たる前まで、保護用気体は加圧液体噴流１０４を被覆して保護する。
【００７８】
図３に示す装置３００はまた好ましくは波長分離ユニット２０２と感知ユニット１０７の間の光路中に配置される合焦用光学系３００を含み、この合焦用光学系３００は光を感知ユニット１０７に向けて当てるものである。特に、レーザー誘起電磁放射光１０６は加圧液体噴流１０４を通りレンズ３０５を通過して戻り方向に伝播するので、好ましくは光ユニット２０１を通り、そして波長分離ユニット２０２を通り、その後感知対象のフィルタを通った電磁放射光２０３は合焦用光学系３００によって合焦して感知ユニット１０７に入射する、特に感知ユニット１０７の光感知領域に入射する。合焦用光学系３００は好ましくは少なくとも一つのレンズであるか、または少なくとも一つのレンズを有するものであるが、放物面鏡のような別の光学素子を含むものでもよい。感知ユニット１０７は受光したフィルタを通った感知対象の放射光２０３を信号１０８に変換する。信号１０８は信号処理ユニット１０９（図示せず）によって、さらに分析および／または処理される。
【００７９】
図３はまた装置３００の前記した要素がすべて筐体の内部に、特に光ヘッド３０３の内部に入れることができることを示している。すなわち、装置３００は、加工ユニット１０３と感知ユニット１０７を含むものでよい光ヘッド３０３をさらに含むものでよいことを示している。光ヘッド３０３は、また光ユニット２０１、波長分離ユニット２０２および／または合焦用光学系３００を含むものよい。
【００８０】
図４は本願発明の一実施形態にかかる方法４００を示す。方法４００は加圧液体噴流１０４を被加工材１０１に当て、レーザービーム１０２を、少なくとも一つの光学素子１０５を通して加圧液体噴流１０４中に入射させ加圧液体噴流１０４と結合させて、被加工材１０１に向かって伝播させるステップ４０１を含む。さらに、方法４００は被加工材１０１から被加工材１０１から離れる方向に伝播し、加圧液体噴流１０４を通り、さらに少なくとも一つの光学素子を通って伝播するレーザー誘起放射光１０６であって、好ましくは加圧液体噴流１０４中に入射させ加圧液体噴流１０４と結合させるのに用いる少なくとも一つの光学素子１０５を通って伝播するレーザー誘起放射光１０６を受光するステップ４０２を含む。さらに、方法４００は受光した放射光を信号１０８に変換するステップ４０３を含む。最後に、方法４００は信号１０８に基づいて被加工材１０１の機械加工の状況を判定するステップ４０４を含む。
【００８１】
方法４００は図１、２および３のそれぞれに示される装置１００、２００または３００によって実行される。特にステップ４０１は加工ユニット１０３によって実行されるものでよく、ステップ４０２およびステップ４０３は感知ユニット１０７で実行され、さらにステップ４０４は信号処理ユニット１０９によって実行される。
【００８２】
方法４００は複数の信号１０８であって、それらの各々が複数のレーザーパルスの一つによって生じた複数の信号１０８を自動的に時間に対して記録することを含むものでよい。すなわち、レーザービーム１０２はパルスレーザービームである。複数のレーザーパルスは一定の周期で発生し、その周期はナノ秒のオーダーとしてよい。各信号１０８は単独の数値または時間の関数である連続する複数の値で表されるものでよい。得られた複数の信号１０８を所定時間連続的に積分して積分信号にしてもよい。
【００８３】
方法４００はさらに得られた複数の信号１０８を、基準信号記憶部から、例えば信号処理ユニット１０９のメモリから読み出された基準信号と自動的に比較することを含むものでよい。方法４００はさらに得られた複数の信号１０８または積分信号の中のパターン若しくはパターンの変化を評価することを含むものでよく、このパターンまたはパターンの変化に基づいて被加工材１０１の機械加工の状況を判定するものでよい。オプションになるが、方法４００は自動的に複数の命令信号または複数の命令コードを自動的に作成し、その後これらの複数の命令信号または複数の命令コードを一つ以上の周辺デバイスに送り、これらの一つ以上の周辺デバイスがそれぞれの動作を開始、中断、停止または再開するようにすることを含むものでよい。
【００８４】
図５は信号パターン５００ａおよび５００ｂを概略的に示す。これらの信号パターンが被加工材１０１の加工の状況を判定するために、方法４００中で（または装置１００、２００、３００の信号処理ユニット１０９によって）用いられることが好ましい。
【００８５】
特に、レーザー誘起電磁放射光１０６がレーザービーム１０２で加工される被加工材１０１の部分から発光する前記した二次放射光２０６ａであるか、または同二次放射光２０６ａを含む場合、左側の信号パターン５００ａを用いるのが好ましい。信号１０８またはその積分信号が被加工材１０１の加工の「開始」の後、「機械加工中」の時間範囲に向かって初め増大し、「機械加工中」の時間範囲の後で減少した場合、信号パターン５００ａはレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したことを示す。信号１０８またはその積分信号が減少して所定の閾値よりも小さくなると、加工工程の「終了」に到達する、すなわちレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したと判定できる。
【００８６】
同様に、レーザー誘起電磁放射光１０６が被加工材１０１で反射して伝播する一次レーザー放射光２０６ｂであるか、同一次レーザー放射光２０６ｂを含む場合、右側の信号パターン５００ｂを用いるのが好ましい。「機械加工中」の時間範囲に向かって被加工材１０１の加工の「開始」の後、信号１０８またはその積分信号が初め減少し、「機械加工中」の時間範囲から増大した場合、信号パターン５００ｂはレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したことを示す。信号１０８またはその積分信号が減少して所定の閾値よりも大きくなると、加工工程の「終了」に到達する、すなわちレーザービーム１０２が被加工材１０１を完全に切断したと判定できる。
【００８７】
図６は本願発明の一実施形態にかかる装置２００を示す。この装置２００は図２の装置２００を発展させたものである。図２中および図６中の同一の要素は同じ符号が付されており、同様な機能を有する。
【００８８】
図６が特に示すのは、装置２００が特に筐体と、光学ヘッド６００とをさらに有するものでよい。光学ヘッド６００は加工ユニット１０３と感知ユニット１０７を含むものでよいことである。光学ヘッド６００はその結果光ユニット２０１と波長分離ユニット２０２とを有するものでよい。図２に関して既に説明したように、レーザービーム１０２となるレーザー光はレーザーユニット６０１（レーザー光源２２１および／またはレーザーコントローラ２０７を有する）によって供給される（２０４）。レーザー光は、例えば光ファイバを介して、装置２００のレーザー供給ポート（レーザーユニット６０１が装置２００の一部でない場合）に、または光ヘッド６００、例えば光ヘッド６００のレーザー供給ポート（レーザーユニット６０１が装置２００の一部である場合）に供給される。
【００８９】
図７が示すのは、本願発明の一実施形態にかかる装置７００であり、装置７００は図１に示す装置１００を発展させたものであり、図２および図６の装置２００と共通の要素を有する。図１、２中および／または図６中の要素と同一な図７中の要素は同じ符号が付され、同様な機能を有する。
【００９０】
図７の装置７００は図６に示す装置２００とは異なる構成を有するものである。特に、装置７００は加工ユニット１０３を含む光ヘッド７０１を有する。しかし、光ヘッド７０１は感知ユニット１０７を有さない。感知ユニット１０７は（レーザー光源２２１および／またはレーザーコントローラ２０７を含む）レーザーユニット７０３内に配置されている。レーザーユニット７０３は、レーザー光源２２１内に配置されたレーザーコントローラ２０７が構成するものでもよいし、その逆にレーザーコントローラ２０７内に配置されたレーザー光源２２１が構成するものでもよいことは注目すべき点である。
【００９１】
レーザーユニット７０３は装置７００の一部である。光ヘッド７０１内にある加工ユニット１０３はレーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させて、加圧液体噴流１０４と結合させる。レーザーユニット７０３内の感知ユニット１０７はレーザー誘起放射光１０６（例えば、レーザービーム１０２により加工されている被加工材の部分から発光する二次放射光２０６ａ、または被加工材で反射して伝播する一次レーザー放射光２０６ｂ、または加圧液体噴流１０４中でのレーザービーム１０２の散乱により発生する二次放射光２０６ｃ）を受光する。
【００９２】
装置７００はさらに、光接続素子７０２、具体的には光ファイバ７０２を含み、光接続素子７０２は光ヘッド７０１とレーザーユニット７０３を光接続している。レーザーユニット７０３はレーザービーム１０２となるレーザー光を供給するものであり、供給されるレーザー光は光接続素子７０２を通って、光ヘッド７０１にまで、例えば、光ヘッド７０１の供給ポートにまで伝播する。光ヘッド７０１では、レーザー光が加工ユニット１０３に供給され、加工ユニット１０３はレーザー光を加圧液体噴流１０４中に入射させて、加圧液体噴流１０４と結合させる。レーザー誘起電磁放射光１０６は、加圧液体噴流１０４を介して加工ユニット１０３が受光し、さらに光ヘッド７０１および光接続素子７０２を通ってレーザーユニット７０３まで、例えばレーザーユニット７０３の供給ポートまで伝播する。レーザーユニット７０３では、レーザー誘起電磁放射光１０６が感知ユニット１０７に供給され、感知ユニット１０７がレーザー誘起電磁放射光１０６を信号１０８に変換する。
【００９３】
したがって、レーザーユニット７０３はさらに光ユニット２０１を含むものでよい。レーザービームとするレーザー光をレーザー光源２２１から光接続素子７０２に供給するため、光ユニット２０１は好ましくはビームスプリッタであり、レーザー光源２２２と光接続素子７０２の間の光路の途中に配置されるのが好ましい。戻り方向に伝播するレーザー誘起電磁放射光１０６もこの光ユニット２０１を通過するものでよいが、同レーザー誘起電磁放射光１０６はその後感知ユニット１０７に向かうように誘導される。レーザーユニット７０３はさらに波長分離ユニット２０２を含み、波長分離ユニット２０２はレーザー誘起電磁放射光１０６を含む感知対象の電磁放射光２０３を分離して、同電磁放射光２０３のみを感知ユニット１０７に入射させる。波長分離ユニット２０２は光ユニット２０１と感知ユニット１０７の間の光路の途中に配置するのが好ましく、そうすることによって波長分離ユニット２０２は光ユニット２０１からレーザー誘起電磁放射光１０６を受光して、感知対象の電磁放射光を感知ユニット１０７に入射させる。
【００９４】
要約すると、本願発明は液体噴流１０４の中に入射し、液体噴流１０４と結合するレーザービーム１０２を用いて被加工材１０１を加工することを可能にする装置１００、２００、３００および７００、並びに方法４００を提供するものである。これらの装置および方法によれば、加工プロセスの状況を正確に判定できるので、加工工程の時間を明らかに短縮できる。
【００９５】
本願発明は様々な実施の態様だけでなく様々な実施形態と併せて説明した。しかし、当業者が請求項にかかる発明を実施し、本願の図面、明細書および独立請求項を検討すれば他の変更例もあることが理解できる。明細書中だけでなく特許請求の範囲中において、「有する（comprising）」は他の要素またはステップが含まれることを除いているわけではなく、さらに、「複数」と記載していない名詞」は複数を除外しているわけではない。単一の要素または他のユニットが、請求項に記載した複数の物または製品の機能を満たしてもよい。複数の所定の手段が互いに異なる請求項に記載されているという事実は、それだけではこれらの手段の組み合わせを有利な実施態様で用いることができないことを示すものではない。
【図１】
2020535974.tif 000003
【図２】
2020535974.tif 000004
【図３】
2020535974.tif 000005
【図４】
2020535974.tif 000006
【図５】
2020535974.tif 000007
【図６】
2020535974.tif 000008
【図７】
2020535974.tif 000009
【国際調査報告】
2020535974.tif 000010
2020535974.tif 000011
2020535974.tif 000012
2020535974.tif 000013