CN1132716C - 激光加工装置用距离检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供不受激光加工产生等离子气体和溅射影响的测定距离的高可靠性的激光加工装置用距离检测器。由与被加工物2之间形成静电电容量C的检测电极，发生输入到检测电极1的交流信号的交流电压源15和恒流源放大电路16组成的输入信号发生部，检测被加工物2与检测电极1之间发生的交流信号的电压检测电路8组成的信号检测部，以及在由信号检测部检测到的交流信号中提取并演算与用输入信号发生部所发生的交流信号频率一致的成分的演算电路组成。

Description

激光加工装置用距离检测器

本发明涉及使用于激光加工装置中检测激光焦点位置或加工喷嘴高度的激光加工装置用距离检测器

一般说，在用激光加工装置进行激光加工时，有必要根据被加工物的材质和板厚设定激光输出、脉冲频率、辅助气体压力、焦点位置、喷嘴高度等加工条件，维持加工中的合适条件。特别是焦点位置和喷嘴高度为加工中的敏感条件，有必要确保其正确度。

激光加工是线段加工，在将激光对被加工物一边作相对扫描一边进行加工时，有必要认识被加工物的位置，实时地调整焦点位置和喷嘴高度。

作为检测该焦点位置和喷嘴高度的方法，一般采用在喷嘴的前端部安装距离检测器的方法。通常聚光透镜与加工喷嘴被装在激光加工装置的同一台架上，因此无需相对于被加工物分开测定焦点位置与喷嘴高度，一般使用测定喷嘴头部与被加工物相对距离的距离检测器，认识喷嘴高度，认识聚光透镜的位置与喷嘴头部的相对位置。

随着近年来激光加工用途的扩大，加工设计图案用的铝和不锈钢等金属平板加工材料的要求也不断增加。因此，作为测定焦点位置和喷嘴高度的距离检测器，从防止接触损伤方面出发，喜欢使用非接触型的距离检测器，特别较多用利用静电电容量的距离检测器。现状是，从激光加工的高速性出发，要求应答速度快的距离检测器，利用静电电容量的距离检测器比机械式的更为有利。

这样的利用静电容量的距离检测器，在喷嘴头部上配设检测电极，将交流电信号加到该检测电极上。然后，通过检测依照检测电极与被加工物之间静电电容量变化的交流信号，求出检测电极与被加工物之间的静电电容量，根据所述交流信号形成与检测电极和被加工物的距离相当的直流信号。接着将该直流信号供给控制装置，控制装置进行控制，使依变于直流信号的喷嘴高度位置即检测电极与被加工物之间的距离保持在目的距离上。

具体地说，激光加工装置通常将激光聚焦并将其束点照到被加工物上，通过瞬时熔融或升华材料并使之飞散，进行切除(主要为切断)加工。因此，一般包括用来聚焦激光的聚光透镜或聚光反射镜，而且包括为使熔融或升华的材料飞散喷射辅助气体用的加工喷嘴。

作为求出检测电极与被加工物之间静电电容量的交流信号，一般采用正弦波交流信号。这种场合，作为该静电电容量对应的信号，采用检测检测电极电压的方法，。用频率为f、振幅i的交流电流加到检测电极时，取未知的静电电容量为C，则所述检测电极的电压V由下式给出：

                            V＝2πfC·i

经检测得到的检测电极的电压为具有所述振幅V、频率f的正弦波交流信号，因此在实际中整流该正弦波交流信号变换为与振幅V成比例的直流信号。

激光加工装置的喷嘴的头部一般根据操作性要求做得小，装于其上的检测电极的尺寸也有必要是小尺寸的。因此，检测电极与被加工物之间的静电电容量非常小，通常为1pF以下。根据由激光加工装置的性能规定的响应频率决定交流信号的频率，通常使用10kHz以上的频率。

根据微弱静电电容量C变换得到的检测电压，极易受到外界干扰的影响，因此，整流后的直流信号进一步通过低频滤波器以除去有干扰的高频成分。

下面说明上述现有激光加工装置用距离检测器的具体电路例。

图14表示第1种现有激光加工装置用距离检测器的整体结构说明图。图15为概略地示出第1种现有激光加工装置用距离检测器的整体结构说明图。

图14中，交流恒流源7产生i＝I·sin2πft的输出，这里，I为电流的振幅，t为时间、f为频率。环形检测电极1是喷嘴3的前端，且配设在激光4通过范围的周围。将恒定电流i从电流源7供给检测电极1，用电压检测电路8检测由检测电极1与被加工物2之间的静电电容C变换的电压(电流信号)，而且用整流电路9将该交流信号变换为直流信号。该直流信号含有高频成分，因此用低频滤波器滤除不需的要高频成分，得到距离检测输出Vo。

借助于此，利用检测电极1的检测电压测定对于被加工物2的聚焦(焦点)位置6和喷嘴离被加工物2的高度。也就是说，利用距离检测器测定喷嘴3的前端与被加工物2之间的相对距离，认识喷嘴高度。然后决定未图示的聚光透镜的位置与喷嘴前端的相对位置。

这里，加在检测电极1上的交流信号源，不但可用正弦波的交流恒流源，也可用正弦波交流恒压源。图16为其一例，表示第2种现有激光加工装置用距离检测器的整体结构说明图。图16中与上述第1种现有例相同符号和记号，表示与上述第1种现有例的结构部分相同或相当的结构部分。

图16中，交流恒压源7A产生v＝V·sin2πft的输出。与第1现有例相同，检测电极1配设在喷嘴3的前端，将电流io从交流恒压源7A供给检测电极1。而且用变流器13检测供给在检测电极1与被加工物2之间的静电电容量C上的电流io，用电流检测电路14将经变流器13检测的电流变换成与其电流值成比例的电压，由整流电路9将该电流检测电路14的输出(交流信号)变换为直流信号。该直流信号由于含有高频成分，故进一步用低频滤波器101滤除不需要的高频成分，得到距离检测输出VO。

借助于此，利用检测电极1的检测电压，与第1现有技术相同地相对被加工物2测定聚光位置6与喷嘴高度。然后，认识喷嘴高度，决定聚光透镜的位置与喷嘴前端的相对位置。

在该实施例场合，流入检测电极1的检测电流io为

                   io＝V/2πfC其中，取所加电压的振幅为V，频率为f，未知的静电电容量为C。

在这样的现有距离检测器中，对于由加工中产生的溅射、等离子气体引起的干扰，低频滤波器只能滤除有干扰频率成分的一部分，不能全部地除去距离检测器的误差主要因素。

特别是在铝、不锈钢等材料加工要求的增长中，一方面，在这些材料的激光加工时，激光照射部分易产生等离子气体和溅射。利用安装在喷嘴部分上的检测电极1与被加工物2之间的静电电容量C的距离检测器受到该等离子气体和溅射的影响，含有产生误动作的主要因素。

这样的距离检测器的误动作，不但引起激光加工的加工不良，而且在最坏情况下引起被加工物2与喷嘴3的冲撞，有可能引起被加工物2的损伤或激光加工装置本身的破坏。

另一方面，由于几年来省力化的要求，激光加工进行自动操作，加工的可靠性变得重要起来。

因此，本发明的课题在于提供，即使在激光加工中产生等离子体气体或溅射也能不受其影响地测定激光焦点位置或喷嘴高度的高可靠性的激光加工装置用距离检测器。

本发明第1方面有关的激光加工装置用距离检测器，用于一边利用静电电容量检测激光的聚光位置与被加工物之间距离，控制所述聚光位置与所述被加工物之间的距离，一边将经聚光的光束照射被加工物进行激光加工的激光加工装置中，其特征在于包括：形成与所述被加工物之间静电电容量的检测电极；发生输入到所述检测电极的交流信号作为输入信号的输入信号发生部；检测按照所述所述被加工物与所述检测电极之间的静电电容量变化的交流信号作为检测信号的信号检测部；以及输入来自所述输入信号发生部的所述输入信号，同时输入来自所述信号检测部的所述检测信号，在所述检测信号中提取并演算与所述输入信号频率一致的成分，发生表示所述焦点位置与被加工物之间距离的距离信息输出的演算部。

本发明第2方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述输入信号发生部具有交流恒流源。

本发明第3方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述输入信号发生部具有交流恒压源。

本发明第4方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述输入信号发生部的输出是特定频率的正弦波交流信号。

本发明第5方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述演算部检测所述输入信号的相位，并用所述相位同步整流所述检测信号。

本发明第6方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述演算部，包括对所述输入信号与所述检测信号进行乘法运算的乘法电路和平滑所述乘法电路的乘法运算结果的平滑电路。

本发明第7方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述演算部根据所述输入信号的定时或相位，取样所述检测信号，进行所述演算。

本发明第8方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述演算部进一步包括移相电路，利用所述移相电路移动并控制所述输入信号的相位，基于经相位控制的输入信号进行对所述检测信号的演算。

本发明第9方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述演算部进一步包括移相电路，利用所述移相电路移动并控制所述检测信号的相位，基于所述输入信号进行对经相位控制的检测信号的演算。

本发明第10方面有关的激光加工装置用距离检测器的所述输入信号发生部产生相位不同的2***的交流信号，所述2***交流信号之一输入到检测电极，另一输入到所述演算部。

图1示出本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图2示出本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器的交流电压源的输出波形与电压检测电路的输出波形的一例说明图。

图3示出由本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器的电压检测电路输出的信号频谱的一例说明图。

图4示出本发明第2实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图5示出实施形态2的距离检测器200的动作一例的波形图。

图6示出本发明第3实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图7示出实施形态3的距离检测器300的动作一例的波形图。

图8示出本发明第4实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图9示出实施形态4的距离检测器400的动作一例的波形图。

图10示出本发明第5实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图11示出本发明第6实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图12示出本发明第7实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图13示出本发明第7实施形态的激光加工装置用距离检测器的正弦波振荡电路构成说明图。

图14示出第1现有激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图15概要地示出第1现有激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图16概要地示出第2现有激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。[符号说明]

1    检测电极           2   被加工物

3    喷嘴                   4     激光

8    电压检测电路           10    低频滤波器

14   电流检测电路           15    交流电压源

15A  交流恒压源             16    恒流放大电路

17   移相电路               18    同步整流电路

19   乘法电路               20    取样电路

21   运算电路               22    2***输出交流振荡电路

C    静电电容量

100、200、300、400、500、600、700  距离检测器

以下用图说明本发明实施形态的激光加工装置用距离检测器。图中，与上述各现有例相同的符号和记号表示与上述各现有例的构成部分相同或相当的构成部分，有关省略图示的构造部分能采用图14的现有例的构造。而且各实施例的同一结构上标注同一符号并省略其说明。[实施形态1]

图1示出本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器的整体结构说明图。

本实施形态的距离检测器100适用于激光加工装置。该激光加工装置用光学聚光部件对激光振荡器出射的激光4的光束进行聚光，用距离检测器100利用静电电容量C检测从聚光位置6到被加工物2的距离。而且，一边控制聚光位置6与被加工物2之间的距离，一边将该经聚光的激光束照射被加工物2进行加工。如图1所示，距离检测器100包括：检测电极1、交流电压源15和恒流放大电路16构成的输入信号发生部、电压检测电路8构成的信号检测部和演算电路21构成的演算部。检测电极1与被加工物2之间形成静电电容量C。所述交流电压源15和恒流源放大电路16发生输入到检测电极1交流信号(交流电流)作为输入信号。输入于被加工物2与检测电极1之间的交流电流由静电电容量C变换，作为电压(压降)发生在检测电极1上。电压检测电路8检测该交流信号(电压)作为检测信号。

虽然使用交流电压源15作为恒压源，但在实施本发明的场合，交流电压源15只要是频率、振幅电压稳定的正弦波振荡器就行。恒流源放大电路16输出与输入电压成比例的交流恒定电流。演算电路21由运放等运算放大器组成。演算电路21输入由输入信号发生部15、16发生的交流信号作为基准信号，在所述检测信号中提取并演算与所述基准信号频率一致的成分(相关成分)，产生表示聚光位置6与被加工物2之间的距离的距离信息输出。

在这样构成的本实施形态的激光加工装置用距离检测器100中，由交流电压源15发生的交流恒定电压Vsin2πft输入恒流源放大电路16，该电路16输出与输入电压成正比的交流恒流电流i，供给检测电极1。这时，检测电极1的电压虽加到电压检测电路8，但电压检测电路8的输入阻抗非常大。特别是与检测电路1的静电电容量C的电抗相比时，电压检测电路8的输入阻抗接近无限大，因此流入电压检测电路8的电流值能够忽略不计。也就是说，从恒流源放大电路16输出的交流电流i实质上全部注入检测电极上。在检测电极上，按照所供给的交流恒流i与被加工物2之间的静电容容量C产生交流电压Vc。其关系表示如下式：

                     Vc＝i/2πfC。

电压检测电路8检测、放大该交流电压Vc，将该输出交流信号作为检测信号输入到演算电路21。在演算电路21中事先也输入交流电压源15的输出交流信号作为基准信号，演算电路21演算这2个交流信号，得到作为距离信息输出的正确的检测输出Vo。

图2示出本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器的交流电压源的输出波形与由电压检测电路检测的输出波形的一例说明图。图3示出从本发明第1实施形态的激光加工装置用距离检测器的电压检测电路输出的信号频谱的一例说明图。

在演算电路21中，在从电压检测电路8的输出交流信号中，提取与交流电压源15的输出交流信号波形相关的某一成分，演算其大小。例如，如图2所示，采用正弦波交流信号作为交流电压源15的输出信号的场合，从经验上可理解得到含有图示那样噪声成分的电压检测电路8的输出交流信号。然而，作为这时的演算电路21的输出，在电压检测电路8的输出交流信号中，仅得到具有与交流电压源15的输出交流信号相同频率的正弦波波形成分的大小。也就是说，在由电压检测电路8的输出交流信号所含的图3所示那样的噪声频谱(频率成分)的场合，用演算电路21能够在其输出交流信号中，仅提取与对静电电容量C的检测必要的交流电压源15的发生信号相同频率f的频谱(频率成分)。这表示，在检测电极1按照静电电容量C产生的交流电压Vc中，与交流电压源15的输出不相关的噪声成分从演算输出中被除去。因此，即使激光加工中发生等离子气体和溅射，也能不受其影响地进行距离测定，得到可靠性高的距离检测器100。

下面，用以下的实施形态具体说明与上述演算电路20相当的演算部的各种例子。例如，作为演算部能使用同步检测电路，作为同步检测电路能使用同步整流电路。也可使用乘法电路代替同步整流电路。而且作为演算部还可使用取样电路。无论如何，只要从检测检测电极1输出的检测电路的输出中，提取并演算输出交流源的输出频率相同的频率成分就可。作为演算部也可在所述同步整流电路等中组合移相器，使检测电路的输出信号相位与交流源的输出信号相位一致之后，进行同步整流。这种场合，能提高演算部的检测输出的灵敏度，能增大检测输出Vo的S/N比。[实施形态2]

图4示出本发明第2实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

在图1的实施形态的激光加工装置用距离检测器100中，从电压检测电路8的输出信号与从交流电压源15的输出信号的相位不一致时，检测灵敏度下降，S/N比降低。但是从电压检测电路8的输出信号是频率高的、用于测定被加工物2与检测电极1之间的静电电容量C的信号。而且，电压检测电路8的放大处理时间有与交流电压源15的信号直接导入演算电路21的定时未必一致的场合。在这种场合，如图4所示的第2实施形态，只要将电压检测电路8的输出信号与交流电压源15的输出信号的相位进行调整，使两者相位一致就可。

本实施形态的激光加工装置用距离检测器200，与实施形态1一样适用于激光加工装置。而且，距离检测器200利用静电电容量C检测聚光位置6与被加工物2有关的距离。该距离检测器200包括检测电极1、交流电压源15、恒流放大电路16、电压检测电路8、移相电路17和同步整流电路18。

实施形态2与实施形态1相同，使用交流电压源15作为基准波发生源。移相电路17移动来自输入的交流电压源15的交流信号的相位，进行规定的相位超前或迟后处理并输出。同步整流电路18输入通过移相电路17的交流电压源15的输出信号作为同步信号(基准信号)，同步于交流电压源15的输出信号整流电压检测电路8的输出信号(检测信号)。低通滤波器10连接到同步整流电路18上以平滑经同步整流的检测信号。

上述移相电路17和同步整流电路18组成实施形态2的演算部，在使所述检测信号与所述输入信号(基准信号)的相位一致的状态下，从检测信号中提取与基准信号频率一致的成分加以演算。也就是说，演算部从电压检测电路8的输出中只提取并输出与交流电压源15的输出相关的某一频率成分。这里，除去不要的高频成分和噪声成分。进而，低通滤波器10滤除在通过同步整流电路18的检测信号中含有的、用同步整流电路18没有除去的不需要的高频成分和噪声成分。

实施形态2中也与实施形态1中一样，将与交流电压源15的输出电压成比例的交流恒定电流i供给检测电极1。然后由电压检测电路8检测检测电极1的电压Vc＝i/2πfC，该输出交流信号输入演算部的同步整流电路18。另一方面，用移相电路17移相交流电压源15的交流电压信号，输入同步整流电路18。同步整流电路18根据移相电路17的信号相位信息同步整流电压检测电路8的检测信号。也就是说，这时电压检测电路8的检测信号输出与通过移相电路17的交流电压源15的基准信号输出，其频率与相位互相一致。由此，同步整流电路18从检测信号中整流与其同相的基准信号的频率相同的信号，除去其他频率成分。即在检测输出中仅提取与静电电容量C的值对应的成分，而除去其他高频成分。而且，经同步整流的检测输出变得足够大，提高了检测灵敏度。进而，同步整流电路18的输出被输入低通滤波器10，在上述的基础上，滤除不需要的高频成分。

如上所述，能够进行使电压检测电路8的检测输出与交流电压源15的输出的频率和相位相一致的同步整流。由此，混入检测电极1的检测信号的噪声成分即使重叠在电压检测电路8的检测输出中，由于其噪声成分与检测输出的频率不一致，因此能用同步整流电路18除去，最终能用低通滤波器10完全除去。结果，能忽略噪声成分的影响进行检测。结果能获得正确的检测输出Vo作为距离信息输出。

以下详细说明演算部，同步整流电路18例如作为同步信号同步于交流电压源15的输出，开关控制FET等的开关元件，从电压检测电路8的输出波形中提取任意相位部分。即是，同步整流电路18在交流电压源15的输出为正时，接通开关元件，提取其间的电压检测电路8的输出。然后，低通滤波器10平滑同步整流电路18的输出，输出直流电压Vo。这时，低通滤波器10积分电压检测电路8的输出信号与交流电压源15的输出信号，输出对应其相位差φ的电压Vo作为检测输出。例如，相位差φ为零时，作为检测输出得到与电压检测电路8的输出振幅对应的最大输出值；相位差φ为π/2时，输出值为零。由于两输出如上述那样为同相，因此低通滤波器10输出最大值。

而且，同步整流电路18如上述那样在两输出信号的相位差φ为π/2时，其输出为零。因此也能进行相位φ的检测。由此，在实施形态2中，参照用同步整流电路18检得的相位φ，用移相电路17移相交流电压源15的输出信号，能使与电压检测电路8的输出信号达到同相。

图5示出实施形态2的距离检测器200的动作一例的波形图。

距离检测器的200如图5(a)及(b)所示那样电压检测电路8的输出V8的相位只比交流电压源15的输出V15相位滞后φ的场合，用移相电路17将输出V15只延迟相位差延迟φ，如图5(c)所示。在通过移相电路17的交流电压源15的输出V17与检测电路8的输出V8取同相的状态下，同步整流输出V18。于是，同步整流电路18的输出V18和低通滤波器10的输出V10成为如图5(d)和(e)所示，低通滤波器10输出对应静电电容量C的值的直流电压Vo。这时，重叠在检测输出V8的高频成分(高次谐波)和噪声成分由于与交流电压源15的输出V15或V17的频率不一致，并不相关，所以先用同步整流电路18除去，进而由低通滤波器10除去。[实施形态3]

图6示出本发明第3实施形态的激光加工装置用距离检测器的整体结构说明图。

图6所示的距离检测器300将图4所示的实施形态2的距离检测器200的同步整流电路18置换成乘法电路19。但是，距离检测器300与实施形态2相同，对电压检测电路8的输出信号(检测信号)与交流电压源15的输出信号(输入信号至基淮信号)的相位进行调整，以使两信号在相位一致状态下输入乘法电路19。

移相电路17和乘法电路19组成实施形态3的演算部，在检测信号与基准信号的相位一致状态下，从检测信号提取并演算与基准信号频率一致的成分。

实施形态3也与实施形态2一样，电压检测电路8的输出信号输出乘法电路19。另一方面，基于用移相电路17取得同相位的交流电压源15的输出信息，乘法电路19将交流电压源15的输出与电压检测电路8的输出相乘。也就是说，乘法电路19将大振幅信号互相相乘，并将其输出输入低通滤波器10。结果能将作为整体存在的噪声抑制到较低的程度，获得正确的检测输出Vo作为距离信息输出。

因此，通过乘法电路19的运算，由起因于等离子气体和溅射引起的影响与整体干扰的影响相比变得较小，即使激光加工中发生等离子气体和溅射也能不受其影响地进行距离测定。结果得到高可靠性的距离检测器。

下面详细说明实施形态3的演算部。乘法电路19将电压检测电路8的输出信号乘以经移相的交流电压源15的输出信号。这时，与交流电压源15的输出中频率不一致的高频成分和噪声成分被除去。进而用低通滤波器10除去乘法电路19输出中不需要的高频成分及噪声成分。然后，低通滤波器10平滑乘法运算的输出，输出直流电压V0。这时，低通滤波器10输出对应于检测信号与基准信号的相位差φ的电压V0。例如，两者的相位差φ为零时得到对应电压检测电路8输出振幅的最大值的输出值，相位差φ为π/2时输出值为零。又，由于两输出如上所述那样取为同相，因此低通滤波器10输出最大值。

这时，与上述实施形态2一样，乘法电路19中参照经检测的相位差φ，用移相电路17移相交流电压源15的输出信号，能使与电压检测电路8的输出信号同相。

图7示出实施形态3的距离检测器300动作一例的波形图。

距离检测器300，如图7(a)和(b)所示，在使经过移相电路17的交流电压源15的输出V17与电压检测电路8的输出V8同相的状态下，使输出V17和输出V8相乘。这样一来，乘法电路19的输出V19和低通滤波器10的输出V10成为如图7(c)和(d)所示那样，由低通滤波器10输出与静电电容量C对应的值的直流电压V0。这时，重叠在检测输出V8的高频成分和噪声成分因与交流电压源15的输出V15或V17中的频率不一致而并不相关，故先是用乘法电路19去除，继而由低通滤波器10去除。加之，输出V8与输出V15(输出V17)相乘，因此得到更大的检测输出。[实施形态4]

图8示出本发明第4实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构的说明图。

示于图8的距离检测器400，将实施形态2的距离检测器200的同步整流电路18置换成由模拟门和在规定周期开闭该门的阈值电路等组成的取样电路20。然后，距离检测器400与第2实施形态一样地进行检测信号与基准信号的相位调整，在两信号的相位一致状态下输入到取样电路20。

也就是说，移相电路17和取样电路20组成实施形态4的演算部，在使检测信号与基准信号的相位一致的状态下从检测信号中提取并演算与基准信号频率一致的成分。

实施形态4也与实施形态2同样，电压检测电路8的输出信号被输入取样电路20。另一方面，取样电路20基于用移相电路17取得同相位的交流电压源15的输出信息，以规定的周期对电压检测电路8的检测输出取样。例如，如上所述，取样电路20以提取电压检测电路8的检测输出最大振幅值的1/5以上区域那样的周期和取样时间进行取样，并将其输出输入于低通滤波器10，去除不需要的高频成分，得到正确的检测输出VO作为距离信息输出。

也就是说，用取样电路20在规定的周期对由电压检测电路8检测的电压仅取样所需的相位部分，例如仅取样振幅值大的相位部分。也即用取样电路20仅提取信号噪声比(S/N)大的区域。

如上所述，实施形态4中交流电压源15的信号也通过移相电路17移相，导入取样电路20。而且，取样电路20参照交流电压源15的信号相位并在任意区域上对电压检测电路8的检测信号进行取样。因而，能够调整取样区域，取得相对大的S/N。而且，由于噪声成分的周期与取样时刻乃至取样周期(交流电压源15的输出周期)并不一致，因此在后级的低通滤波器中加以去除，进一步提高了S/N。即是说，取样电路20中仅检测取样频率及其高次谐波频率附近的频率成分。

又，通过适当调整移相电路17的相移量，能改变取样的区域，也能进行输出灵敏度的调整。然而，如上述那样如取电压检测电路8的输出与交流电压源15的输出为同相，则能达到最佳的输出灵敏度。

下面详细说明实施形态4的演算部。取样电路20与经移相的交流电压源15的输出信号同步地对电压检测电路8的输出信号进行取样。这时与交流电压源15输出中其频率不一致的高频成分和噪声成分被除去。而且取样电路20的输出由低通滤波器10除去不需要的高频成分和噪声成分。此外，低通滤波器10平滑取样输出，输出直流电压V0。这时，低通滤波器输出与检测信号和基准信号的相位差φ对应的电压V0。例如两者的相位差φ为零时得到最大输出值，相位差φ为π/2时，输出值为零。又，由于如上那样取两输出为同相，因此通滤波器10输出最大值。

这时，与上述实施形态2同样，参照取样电路20中检测到的相位差φ，用移相电路17对交流电压源15的输出信号移相，能使与电压检测电路8的输出信号同相。

图9示出实施形态4的距离检测器400的动作一例波形图。

距离检测器400在使经过移相电路17的交流电压源15的输出V17与电压检测电路8的输出V8同相的状态下，取样输出V8。这时，取样电路20根据交流电压源15的输出V17的相位或规定的时刻取样输出V8。例如，如图9(a)和(b)所示，取样电路20在与输出V17和输出V8同一周期上发生规定脉冲宽度的取样脉冲。而且，取样脉冲取输出V8的振幅最大值为中心值的范围设定上升沿与下降沿的时刻为好，以便只提取S/N大的信号部分。例如，以输出V8最大振幅值的1/5以上的值作为阈值，通过阈值电路开关控制模拟门进行取样。

这样，取样电路20的输出V20和低通滤波器10的输出V10成为如图9(c)和9(d)所示那样，由低通滤波器10输出与静电电容量C对应的值的直流电压V0。这时，重叠在检测输出V8上的高频成分及噪声成分，由于与交流电压源15的输出V15或V17中频率不一致而并不相关，故先是由取样电路20除去，继而由低通滤波器10除去。加之，由于只取样输出V8中振幅值大的范围，因此得到只在S/N大的范围提取的检测输出。[实施形态5]

图10示出本发明第5实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构的说明图。

实施形态5的距离检测器500，将由实施形态2的距离检测器200的恒定电流i供给检测电极1的输入交流信号置换为直接供给检测电极1的恒定电压。交流恒定电压源15A产生V·sin2πft的交流恒定电压输出，依照该交流恒定电压，电流io被供给检测电极1与被加工物之间的静电电容量C。而且，距离检测器500用变流器(CT)13检测其值随静电电容量C的值变化的电流io，用电流检测电路14将由变流器13检测的电流io变换成与该电流值成比例的电压，作为检测信号输出之。

这里，本实施形态的输入信号发生部由上述交流恒压源15A构成。信号检测部由变流器13和电流检测电路14构成。演算部与实施形态2相同，由移相电路17和同步整流电路18构成。而且，演算部在使所述检测信号与基准信号的相位一致的状态下，从检测信号中提取并演算与基准信号中频率一致的成分。

实施形态5的距离检测器500将交流恒定电压源15A的交流恒定电压加到检测电极1，由变流器13检测电流io，进而由电流检测电路14输出与电流值成比例的电压。将该电流检测电路14的输出输入到同步整流电路18，在同步整流电路18中与实施形态2同样，基于移相电路17的信号相位信息，在频率和相位与交流恒定电压源15A的输出(基准信号)一致的范围内对提取的电流检测电路14的输出(检测信号)进行同步整流。将同步整流电路18的输出输入到低通滤波器10。

从而，电流检测电路14的输出与通过移相电路17的交流恒定电源15A的输出，其频率与相位均互相一致，被输入到低频滤波器10的信号其不需要的高频成分及噪声成分被除去。而且在低通滤波器10中也除去高频成分和噪声成分。结果，得到能忽略高频成分和噪声成分的正确的检测输出Vo作为距离信息输出。

也就是说，与实施形态2一样，与交流恒定电压源15A成比例的电流供给检测电极1。另一方面，同步整流电路18的输出由移相电路17的输出中频率和相位所规定与限制，由电流检测电路14输入到低通滤波器10的只是规定频率成分的振幅，即只是必要的检测输出。

从而，因为从电流检测电路14的检测输出中能够除去与通过移相电路17的交流恒定电压源15A的输出中相位、频率不一致的高频成分和噪声成分，因此即使激光加工中发生等离子气体和溅射，也能不受其影响地测定距离，得到可靠性高的距离检测器。

而且，因为只对基准信号作同步整流必要的移相，因此只能够提取其频率和相位与由移相电路17特定的频率和相位一致的电流检测电路14的信号，能够得到将噪声抑制到最低限度的检测输出。[实施形态6]

图11示出本发明第6实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。

图11的距离检测器600将实施形态2的距离检测器200中的移相电路17接到电压检测电路8的输出侧而不接到交流电压源15的输出侧。

在实施形态6的距离检测器600中，由电压检测电路8检测的电压由移相电路17进行相位调整输入到同步整流电流18。也就是说，电压检测电路8的检测信号与交流电压源15的发生信号(基准信号)同相位。同步整流电路18根据交流电压源15的交流恒定电压信号的相位信息对来自移相电路17的检测信号进行同步整流。同步整流电路18的输出被输入到低通滤波器10，除去不需要的高频成分和噪声成分，得到正确的检测输出Vo作为距离信息输出。

从而，交流电压源15发生的输出与通过移相电路1 7的电压检测电路8的检测输出，频率和相位互相一致。由此，与实施形态2一样，从电压检测电路8的检测输出中能够只提取与交流电压源15的输出相同频率和相同相位成分。结果，作为同步整流电路18的输出被输入低通滤波器10的信号仅为除去不需要的高频成分和噪声成分的规定的频率成分的整流信号，能得到正确的检测输出Vo作为距离信息输出。

也就是说，由电压检测电路8检测的电压本身用移相电路17进行移相，输入同步整流电路18，而且将交流电压源15的电压直接输入同步整流电路18。同步整流电路18根据交流电压源15的相位信息对通过移相电路17的电压检测电路8的检测信号进行同步整流。

从而，从检测输出中能除去与交流电压源15输出中频率、相位不一致的高频成分和不需要的噪声成分，因此即使激光加工中发生等离子气体和溅射，也能不受其影响地进行距离测定，得到可靠性高的距离检测器，能得到将噪声抑制到最低限度的检测输出。[实施形态7]

图12示出本发明第7实施形态的激光加工装置用距离检测器整体结构说明图。图13示出本发明第7实施形态的激光加工装置用距离检测器的正弦波振荡电路结构的说明图。

图12的距离检测器700与实施形态2的距离检测器200的基本结构相同，其不同点在于采用输出相位不同的2个交流信号的2***输出交流振荡电路22代替交流电压源15。2***输出交流振荡电路22的cos2πft端子接到检测电极1，sin2πft端子接到同步整流电路18。

具有cos2πft端子和sin2πft端子的2***输出交流振荡电路22具体地说有如图13那样的结构。

图13的电路有运放OP1和运放OP2，从sin2πft端子输出正弦波，从cos2πft端子输出余弦波，运放OP1侧构成2级VCVS(压控电压源)低通有源滤波器电路81，运放OP2侧构成实用积分电路82，用两者构成不平衡型输出的sin/cos振荡电路。

2***输出交流振荡电器22电路工作原理是，由实用积分电路82发生270度相位延迟的输出，由二极VCVS低通有源滤波器电路81发生延迟90度的输出，通过正反馈产生振荡。其振荡频率f为

    f＝1/2π(R1·R2·C1·C2)^1/2其中C2＝2C1，C1＝C3，R1＝R2。

又，图1 3的齐纳二极管ZD1在和ZD2用来使振荡稳定。

这里，发生输入于检测电极1的交流信号的2***输出交流振荡电路22的cos2πft输出和恒定电流放大电路16构成本实施例的输入信号发生部。同步整流电路18构成本实施形态的演算部，在使电压输出电路8的检测输出与2***输出交流振荡电路22的sin2πft输出的相位一致的状态下，从检测输出中提取并演算与sin2πft输出中频率一致的成分。

实施形态7的距离检测器700中，在2***输出交流振荡电路22的cos2πft端子发生的交流恒定电压V·cos2πft输入到恒电流放大电路16。放大电路16输出与输入电压成正比的交流电流，供给检测电极1。由电压检测电路8检测的电压输入同步整流电路18。在同步整流电路18中根据在2***输出交流振荡电路22的sin2πft端子发生的交流恒定电压V·sin2πft的相位信息，对电压检测电路8的检测信号进行同步整流。这里，由于根据在2***输出交流振荡电路22的sin2πft端子发生的交流恒定电压的频率和相位进行电压检测电路8的检测信号的提取，因此能够除去检测信号中所含的不需要的高频成分和噪声成分。然后，同步整流电路18的输出被输入低通滤波器10，得到正确的检测输出VO作为距离信息输出。

这里，由电压检测电路8检测的cos2πft端子的输出与2***输出交流振荡电路22的sin2πft端子的输出，频率互相一致。而且，cos2πft端子的输出的相位比sin2πft端子输出的相位超前90度。另一方面，向电压检测电路8的输入***由于是检测静电电容量C的容性电路，因此用电压检测电路8检测的电压，相位比交流电源电压迟后90度。从而在同步整流电路18中，电压检测电路8的输出与sin2πft端子的输出，频率和相位互相一致。结果与实施形态2一样能够从同步整流电路18的输出中除去不需要的高频成分和噪声成分。

也就是说，由于本发明的检测器检测静电电容量C这一事实，因此着眼于用电压检测电路8检测的电压比交流电源电压相位滞后90度这一点，在实施形态7中，在交流电压源阶段中，对检测电极1预先供给相位超前90度的电流。这样一来，即使不设移相电路17，在同步整流电路18中输入相位滞后90度的检测输出，结果检测输出与电源输出也同相位。

由此，能够用同步整流电路18提取特定频率成分并将整流后的信号输入低通滤波器10，能够除去高频成分和噪声成分，得到正确的检测输出VO作为距离信息输出。

因此，由于用同步整流电路18能除去频率、相位不一致的不需要成分，所以即使在激光加工中发生等离子气体和溅射，也能不受其影响地进行距离测定，能够得到可靠性高的距离检测器，得到将噪声抑制在最低限度的检测输出。

又，如上所述，为了使检测电压信号与同步整流电路18的基准信号的相位一致，例如除了图13所示的不平衡输出的sin/cos振荡电路之外，也能使用平衡型输出的sin/cos振荡电路等、具有90度相差的2***的其他交流振荡电路。

上述各实施形态，作为各输入信号发生部，以使用交流电压源15或交流恒压源15A的交流恒定电流源等交流稳定电源组成的事例进行说明，但由于交流电压源15与恒定电流放大电路16一起构成恒定电流源，所以实施本发明的场合的输入信号发生部使用交流恒定电流源或交流恒定电压源的哪一种都可以。

上述实施形态的各输入信号发生部的输出虽然取用特定频率的正弦波交流信号，但在实施本发明的场合中，不一定限定正弦波，可以用三角波、矩形波等特殊波形。然而在使用特定频率的正弦波交流信号的场合，输入信号发生部的输出中使用于检测中的基本频率上没有叠加高次谐波，所以可以除去基频率以外的频率。这样，容易与激光加工中发生等离子气体、溅射时的高频成分相区别，能提高距离测定结果的可靠性。此外，通过用正弦波交流信号作为输入交流信号，能容易进行相位检测和相移。

上述实施的第3形态中，由乘法电路和低通滤波器10组成的平滑电路构成演算部。在实施本发明的场合中，对实施形态5～7等其他实施形态也能使用这一结构作为演算部。特别是在由低通滤波器10组成的平滑电路中，由于能够得到正确的距离检测信息作为直流成分，所以激光加工装置的各利控制是容易的。

上述实施的第2、5、6、7形态是在演算部中检测输入信号发生部的电源输出的相位，根据该相位同步整流检测输出的。然而在实施本发明的场合中，对于实施形态1、其他实施形态也能采用有关的演算部结构。特别是，在采用有关演算部结构中，通过用演算部使检测输出与电源输出的频率和相位一致，仅提取与电源输出对应的频率和相位的输入信号，能够除去由激光加工时的等离子气体和溅射引起的对检测信号的干扰。而且，对演算部能调整注入检测电极1的输入交流信号与从检测电极1检测得到的交流信号之间的相位差，可调整其检测灵敏度。然后，能校正检测信号与输入交流信号的相位偏差，通过这一相位调整，能调整同步整流、乘法运算、取样等演算的灵敏度，也能达到最佳状态。

在上述实施形态2至5的演算部的演算中，用移相电路17使移动所述输入信号发生部发生的交流信号的相位，并控制相位，另一方面，在上述实施形态6中演算部的演算中，用移相电路17使移动所述信号检测部检测的所述检测信号的相位并加以控制。然而在实施本发明的场合中，移相两信号中哪一个都可以。总之，由于是用移相电路17使两信号的相位一致，因此能够有效地除去由激光加工时等离子气体和溅射引起的高频干扰。

在用移相电路来达到同相的场合，除上述参照同步整流电路、乘法电路、取样电路等信号进行移相以外，当然也可使用已知的其他方法。此外，如实施形态7中所述，检测输出与电源输出通常有90度相差，所以移相电路17中也可设为进行90度相移的结构，则不必参照同步整流电路18等的相位信息，作为同相。这种场合，电路结构变得简单。还有，实际中在这种场合还由于电压检测电路的频率特性和同轴电缆影响等因素，有必要对移相电路17的相位作某些调整。因此，考虑到这些因素，最好预先决定用移相电路17移相的程度。

在上述实施形态2～7中，虽然假设电源输出与检测输出是同相，但是即使在这些相位不完全一致的场合，尽管灵敏度下降，但也能从检测输出中只提取与电源输出相关的某种成分，能得到初期的效果。

上述实施形态4的演算部，是根据输入信号发生部发生的交流信号的定时或相位取样所述检测信号演算的，但在实施本发明的场合中，对实施形态5～7、其他实施形态，也可采用取样检测信号的电路结构作为演算部。这种场合，能提取检测信号的规定相位部分的振幅，能任意选择和提取激光加工时的等离子气体和溅射引起的干扰相对小的信号，即信号噪声比(S/N)大的信号。

上述实施的第7形态的输入信号发生部，发生相位不同的2***的交流信号，所述2***中一方输入检测电极1，另一方输入演算部，但在实施本发明的场合，对于实施形态1～6等、其他实施形态也能采用有关的结构。特别是，作为2***输出交流振荡电路22，在使用图13所示的不平衡型输出的sin/cos振荡电路或平衡型输出的sin/cos振荡电路的场合，2输出具有90度的相位差，成为容性检测中十分适宜的电路，移相电路17不再需要，通过将有关输入信号发生部与同步整流电路18、乘法电路19或取样电路20相结合，能高效地除去由等离子气体和溅射引起的高频干扰。

在上述实施形态中，虽然对输入信号发生中或演算部的各种变形例作了说明，但在实施本发明的场合，能够互相组合替换使用所述输入信号发生部的各种示例和演算部的各种示例。[发明的效果]

如上所述，对于本发明第1方面的激光加工装置用距离检测器，利用加于检测电极的输入信号的信息，用演算部从检测信号中仅提取与输入信号相关的某种成分成为可能，能除去由激光加工时的不需要的等离体气体、溅射引起的对检测信号的干扰。因此，即使激光加工中发生等离子体、溅射，也能不受其影响地进行距离测定，能提高距离测定结果的可靠性。

对于本发明第2方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第1方面1的效果的基础上，还由于检测的交流电压的振幅跟检测电极与被加工物之间的静电电容量成比例，因此能简单求出由静电电容发生的检测电极的压降，借此能正确、简单地求得检测电极与被加工物之间的距离。

对于本发明第3方面所述的激光加工装置用距离检测器，在本发明第1、2方面的任一个效果的基础上，还由于所供给的交流电流的振幅跟检测电极与被加工物之间的静电电容量成比例，因此通过供给检测电极与被加工物之间的静电电容量的电流，能简单地求出所述静电电容量的变化，即检测电极与被加工物之间的距离。

对于本发明第4方面的激光加工装置用距离检测器，由于输入发生部输出的用于检测中的基本频率上没有重叠高次谐波，因此与激光加工中等离子气体、溅射发生时的高频成分的区别变得容易，能提高距离测定结果的可靠性。此外，由于输入信号采用正弦波交流信号，能容易地进行相位检测和移相。

对于本发明第5方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第1方面所述的效果的基础上，通过同步整流能只提取起因于检测信号中输入信号发生的成分，能抑制重叠在基频上的等离子气体、溅射引起的干扰影响。通过进行检测信号与输入信号的相位调整，能调整同步整流的灵敏度，当然能最佳状态地决定灵敏度。

对本发明第6方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第1方面所述效果的基础上，还由于用乘法电路对检测信号与输入信号相乘，因此能输出振幅大的相乘结果用于检测，能将作为整体存在的等离子气体、溅射影响引起的噪声抑制得较低，能得到正确的检测输出作为距离信息输出。

对于本发明第7方面的激光加工装置，在本发明第1方面所述效果的基础上，还由于能够通过所述输入信号的定时在任意范围内取样，因此如果把取样区域取作振幅大的区域，则能使相对的信噪比较大。而且通过移相能变更进行取样的区域，能调整输出灵敏度。

对于本发明第8方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第5～7方面中任一方面所述效果的基础上，还能通过移相电路使输入信号的相位与检测信号的相位相一致，能有效地除去激光加工时的等离子气体、溅射引起的高频干扰。而且在演算部能调整注入检测电极的输入交流信号与从检测电极检测的交流信号之间的相差。即能校正检测信号与输入信号的相位偏差，因此，通过该相位调整能调整检测灵敏度即同步整流、相乘、取样等演算的灵敏度，能决定最佳状态。

对于本发明第9方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第5～7方面中任一方面所述效果的基础上，还能通过移相电路使输出信号的相位与检测信号的相位相一致，能有效地除去激光加工时的等离子气体、溅射引起的高频干扰。而且在演算部能调整注入检测电极的输入交流信号与从检测电极检测的交流信号之间的相差。即能校正检测信号与输入交流信号的相位偏差，因此，通过该相位调整能调整检测灵敏度即同步整流、相乘、取样等演算的灵敏度，能决定最佳状态。

对于本发明第10方面的激光加工装置用距离检测器，在本发明第5～7方面中任一方面所述效果的基础上，还由于即使不设移相电路，也能使检测信号的相位与从输入信号发生部输入演算部的信号的相位相一致，因此，电路结构简单，且能最佳地调整同步整流、相乘、或取样的演算输出。

Claims (10)

1.一种激光加工装置用距离检测器，用于一边利用静电电容量检测激光的聚光位置与被加工物之间距离，控制所述聚光位置与所述被加工物之间的距离，一边将经聚光的光束照射被加工物进行激光加工的激光加工装置中，其特征在于包括：

与所述被加工物之间形成静电电容量的检测电极；

发生输入到所述检测电极的交流信号的输入信号发生部；

检测按照所述被加工物与所述检测电极之间的静电电容量变化的交流信号作为检测信号的信号检测部；以及

演算部，输入所述输入信号发生部产生的所述输入信号作为基准信号，从所述信号检测部所检测的所述检测信号中，提取并演算与所述输入信号发生部输入的所述基准信号频率一致的成分，产生表示聚光位置与被加工物之间的距离的距离信息而输出。

2.如权利要求1所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述输入信号发生部具有交流恒流源。

3.如权利要求1所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述输入信号发生部具有交流恒压源。

4.如权利要求1～3中任一项所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述输入信号发生部的输出是特定频率的正弦波交流信号。

5.如权利要求1所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述演算部检测所述输入信号的相位，并用所述相位同步整流所述检测信号。

6.如权利要求1所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述演算部包括对所述输入信号与所述检测信号进行乘法运算的乘法电路和平滑所述乘法电路的乘法运算结果的平滑电路。

7.如权利要求1所述激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述演算部根据所述输入信号的定时或相位，取样所述检测信号，进行所述演算。

8.如权利要求5～7中任一项所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述演算部进一步包括移相电路，利用所述移相电路移动并控制所述输入信号的相位，基于经相位控制的输入信号进行对所述检测信号的演算。

9.如权利要求5～7中任一项所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述演算部进一步包括移相电路，利用所述移相电路移动并控制所述检测信号的相位，基于所述输入信号进行对经相位控制的检测信号的演算。

10.如权利要求5～7中任一项所述的激光加工装置用距离检测器，其特征在于所述输入信号发生部产生相位不同的2***的交流信号，所述2***交流信号之一输入到所述检测电极，另一输入到所述演算部。

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