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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laseroszillator mit einer Schutzfunktion vor reflektiertem Licht.
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Verwandte Technik
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Herkömmlicherweise bearbeitet ein Laseroszillator, für den eine optische Faser verwendet wird und der zum Schweißen oder Abtragen von Metall oder Kunststoffen verwendet wird, ein Zielobjekt mit einer Laserleistung, die 1 kW übersteigt. Ein derartiger Laseroszillator weist eine hohe Laserleistung auf; reflektiertes Licht, das von einem Zielobjekt reflektiert und zu dem Laseroszillator zurückgestrahlt wird, kann den Laseroszillator beschädigen. Daher hat der Laseroszillator die Funktion der Beendigung des Oszillierens von Laserlicht bei der Erfassung von reflektiertem Licht mit einer Intensität, die einen Schwellenwert übersteigt (siehe beispielsweise Patentschrift 1).
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Patentschrift 1: ungeprüfte
japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2013-146752 -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Da jedoch die Intensität und die Wellenlänge von reflektiertem Licht abhängig von dem Typ von Laserbearbeitung unterschiedlich sind, ist es schwierig, einen geeigneten Schwellenwert einzustellen. Es treten die Probleme auf, dass der Schwellenwert dahingehend nicht geeignet ist, dass der Laseroszillator nicht geschützt wird, wenn der Schwellenwert niedrig ist, wogegen der Laseroszillator unnötig angehalten wird und eine Betriebsgeschwindigkeit abnimmt, wenn der Schwellenwert hoch ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laseroszillator bereitzustellen, der geeignet vor reflektiertem Licht geschützt werden kann.
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(1) Ein Laseroszillator (beispielsweise ein später zu beschreibender Laseroszillator 1) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: mehrere Sensoren (beispielsweise später zu beschreibende Lichterfassungssensoren 40), die über Filter (beispielsweise später zu beschreibende Filter 41) mit unterschiedlichen Eigenschaften Intensitäten unterschiedlicher Wellenlängen von austretendem Licht erfassen, das aus einer optischen Faser (beispielsweise einer später zu beschreibenden optischen Faser 30) austritt, die einen Laserstrahl emittiert; und eine Steuereinheit (beispielsweise eine später zu beschreibende Steuereinheit 50), die das Oszillieren des Laserstrahls beendet, wenn die von einem der mehreren Sensoren erfasste Intensität des austretenden Lichts einen für jeden der Sensoren eingestellten Schwellenwert übersteigt.
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(2) Bei dem Laseroszillator gemäß (1) können die mehreren Sensoren unterschiedliche Empfindlichkeiten für jeweilige Wellenlängen aufweisen.
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(3) Der Laseroszillator gemäß (1) oder (2) kann ferner einen Strahlenkombinator (beispielsweise einen später zu beschreibenden Strahlenkombinator 20) umfassen, der mehrere Laserstrahlen vereinigt, und bestimmte Sensoren unter den mehreren Sensoren können in einer einfallseitigen Öffnung des Strahlenkombinators angeordnet sein.
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(4) Bei dem Laseroszillator gemäß einem der Punkte (1) bis (3) kann ein Schwellenwert für den Sensor, der eine Oszillationswellenlänge des Laserstrahls erfasst, so eingestellt sein, dass er niedriger als ein Schwellenwert für den Sensor ist, der eine Wellenlänge erfasst, die sich von der Oszillationswellenlänge unterscheidet.
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(5) Der Laseroszillator gemäß einem der Punkte (1) bis (4) kann ferner eine Speichereinheit (beispielsweise eine später zu beschreibende Speichereinheit 60) umfassen, in der mehrere von den mehreren Sensoren erfasste Zeitreihendatenelemente gespeichert werden, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen, und die Steuereinheit kann eine Ähnlichkeit von Wellenformen der mehreren Zeitreihendatenelemente bestimmen und stellt einen Schwellenwert für den Sensor, der ähnliche Wellenformen erfasst hat, so ein, dass er höher als ein Schwellenwert für die anderen Sensoren ist.
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(6) Bei dem Laseroszillator gemäß (5) kann die Steuereinheit Wellenformen der Zeitreihendaten zu einer vorgegebenen Zeitspanne normalisieren und bestimmen, dass die Wellenformen ähnlich sind, wenn ein durch Integrieren einer Differenz zwischen Intensitäten über die vorgegebene Zeitspanne ermittelter Wert kleiner als ein vorgegebener Wert ist.
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(7) Bei dem Laseroszillator gemäß einem der Punkte (1) bis (6) kann die Steuereinheit den Schwellenwert entsprechend eingegebenen Bearbeitungsbedingungen ändern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Laseroszillator geeignet vor reflektiertem Licht zu schützen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Laseroszillators gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
- 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anordnung von Lichterfassungssensoren bei einer optischen Faser gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
- 3 ist ein Diagramm, das eine Bearbeitungsbedingungstabelle darstellt, in der eine Beziehung zwischen Schwellenwerten und Bearbeitungsbedingungen gemäß der ersten Ausführungsform definiert ist.
- 4 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Laseroszillators gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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[Erste Ausführungsform]
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Nachstehend wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Laseroszillators 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Der Laseroszillator 1 umfasst Laserresonatoren (LRs) 10, einen Strahlenkombinator (SK) 20, eine optische Faser 30, einen Lichterfassungssensor 40, ein Filter 41, eine Steuereinheit 50 und eine Speichereinheit 60. Der Laseroszillator 1 vereinigt unter Verwendung des SK 20 von dem LR 10 erzeugte Laserstrahlen so, dass der kombinierte Laserstrahl durch die optische Faser 30 geleitet wird.
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Obwohl für die Bearbeitung, das Schweißen oder dergleichen ein Laserstrahl verwendet wird, können aufgrund einer Streuung, einer aus einer Erwärmung an einem Bearbeitungspunkt resultierenden Emission von Licht, einer Plasmaemission und der Entstehung von Oberschwingungen zweiter Ordnung Licht sowie das von einem Zielobjekt reflektierte Licht zu der optischen Faser 30 zurückgestrahlt werden. Wenn die Intensität hoch ist, kann das zurückgestrahlte Licht den SK 20 oder den LR 10 beschädigen. Mehrere Lichterfassungssensoren 40 (beispielsweise Lichterfassungssensoren 40a und 40b) sind in einem Abschnitt wie einem Schweißpunkt der optischen Faser 30 angeordnet, an dem ein Austreten von Licht nach außen wahrscheinlich ist. Der Lichterfassungssensor 40 ist beispielsweise eine Photodiode oder dergleichen und misst eine Lichtintensität durch Erfassen eines Stromwerts oder dergleichen, der sich entsprechend einer Lichtintensität ändert.
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2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anordnung der Lichterfassungssensoren 40 in der optischen Faser 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Ein von dem Laseroszillator 1 erzeugter Laserstrahl (direktes Licht) trifft auf einen Kern 31 der optischen Faser 30 auf, und zurückgestrahltes Licht wie von einem Zielobjekt reflektiertes Licht trifft auf den Kern 31 und einen Überzug 32 auf. Es ist wahrscheinlich, dass direktes Licht und zurückgestrahltes Licht von dem Schweißpunkt 33 (insbesondere dem Überzug 32) der optischen Faser 30 nach außen austreten. Daher ist der Lichterfassungssensor 40 zur Erfassung der Intensität von in Wechselbeziehung mit der Lichtintensität in dem hauptsächlich mit dem zurückgestrahlten Licht belegten Überzug 32 stehendem austretendem Licht an dem Schweißpunkt 33 angeordnet.
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Hier erfassen die mehreren Lichterfassungssensoren 40 über Filter mit unterschiedlichen Eigenschaften Lichtintensitäten unterschiedlicher Wellenlängen. Die mehreren Lichterfassungssensoren 40 können unterschiedliche Empfindlichkeiten für jeweilige Wellenlängen aufweisen.
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Da die Empfindlichkeit für eine bestimmte Wellenlänge beispielsweise abhängig vom Typ von Photodiode unterschiedlich ist, wird ein Lichterfassungssensor 40 mit einer zufriedenstellenden Empfindlichkeit für eine zu erfassende Wellenlänge ausgewählt. Darüber hinaus kann der Lichterfassungssensor 40 eine Lichtintensität mit einer bestimmten Wellenlänge unter Verwendung eines geeigneten Filters 41 wie eines Hochpassfilters, eines Tiefpassfilters oder eines Bandpassfilters (beispielsweise von Filtern 41a und 41b) selektiv erfassen.
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Die Steuereinheit 50 beendet das Oszillieren eines Laserstrahls durch den LR 10, wenn die von einem der mehreren Lichterfassungssensoren 40 erfasste Intensität von austretendem Licht einen für jeden Sensor eingestellten Schwellenwert übersteigt. Da hier das von einem Zielobjekt reflektierte Licht in dem zurückgestrahlten Licht die höchste Intensität aufweist und eine Beschädigung des Laseroszillators 1 durch es sehr wahrscheinlich ist, da es keiner Umwandlung unterzogen wird, erfolgt vorzugsweise eine Steuerung entsprechend dem Erfassungswert mit der gleichen Wellenlänge wie der Laserstrahl.
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Genauer ist der Schwellenwert für den Lichterfassungssensor 40, der die Oszillationswellenlänge eines Laserstrahls erfasst, so eingestellt, dass er niedriger als der Schwellenwert für den Lichterfassungssensor 40 ist, der eine Wellenlänge erfasst, die sich von der Oszillationswellenlänge unterscheidet. Wenn die Oszillationswellenlänge beispielsweise 1070 nm beträgt, wird der Schwellenwert für die Wellenlängen von 600 nm, 1150 nm und 1500 nm auf 100 µW eingestellt, wogegen der Schwellenwert für die Wellenlänge von 1070 nm auf 50 µW eingestellt wird.
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Die Steuereinheit 50 ändert den für jeden Lichterfassungssensor 40 eingestellten Schwellenwert entsprechend eingegebenen Bearbeitungsbedingungen wie einem Bearbeitungsinhalt und dem Typ von Laserstrahl.
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In der Speichereinheit 60 sind verschiedene Datenelemente und Software zum Ausführen des Steuerverfahrens der Steuereinheit 50 gespeichert. Die Schwellenwerte für die jeweiligen Lichterfassungssensoren 40 werden ebenfalls in der Speichereinheit 60 gespeichert, und die Steuereinheit 50 nimmt Bezug auf sie.
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3 ist ein Diagramm, das eine Bearbeitungsbedingungstabelle darstellt, in der eine Beziehung zwischen Schwellenwerten und Bearbeitungsbedingungen gemäß der ersten Ausführungsform definiert ist. Bei diesem Beispiel wird für jede der Bearbeitungsbedingungen, die ein Material und eine Stärke eines zu bearbeitenden Zielobjekts, eine Laserleistung, eine Frequenz, eine Betriebsart, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Brennweite einer Fokussierlinse, einen Durchmesser einer Bearbeitungsdüse und den Typ und den Druck eines Prozessgases umfassen, ein Schwellenwert für eine Lichtintensität einer Oszillationswellenlänge eingestellt. Hierbei kann in Verbindung mit jedem Lichterfassungssensor 40 ein Schwellenwert für Lichtintensitäten von Wellenlängen eingestellt werden, die sich von der Oszillationswellenlänge unterscheiden, und mittels einer vorgegebenen Berechnungsformel berechnet werden.
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Ein Schwellenwert für das Beenden des Oszillierens eines Laserstrahls wird durch das Sammeln von bei einer tatsächlichen Bearbeitung erhaltenen Daten ermittelt. Ein Benutzer kann abhängig von einer Situation den Schwellenwert geeignet einstellen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfasst der Laseroszillator 1 die Intensitäten unterschiedlicher Wellenlängen von aus einer optischen Faser austretendem Licht unter Verwendung von Filtern mit unterschiedlichen Eigenschaften und beendet das Oszillieren des Laserstrahls, wenn die von einem der mehreren Lichterfassungssensoren 40 erfasste Intensität des austretenden Lichts einen für jeden Lichterfassungssensor 40 eingestellten Schwellenwert übersteigt. Daher kann der Laseroszillator 1 die Lichtintensitäten mehrerer Wellenlängen erfassen, den Schwellenwert für eine bestimmte Wellenlänge wie eine Oszillationswellenlänge eines Laserstrahl getrennt von den Schwellenwerten für andere Wellenlängen einstellen, und das Oszillieren eines Laserstrahls abhängig von der Gefahr einer Beschädigung geeignet beenden. Dadurch kann der Laseroszillator 1 vor reflektiertem Licht geeignet geschützt werden; und eine aus einem unnötigen Beenden des Oszillierens eines Laserstrahls resultierende Verringerung einer Betriebsgeschwindigkeit kann unterbunden und ein stabiler Betrieb realisiert werden.
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Da die Lichterfassungssensoren 40 unterschiedliche Empfindlichkeiten für jeweilige Wellenlängen aufweisen, können die Lichterfassungssensoren 40 durch eine Kombination mit Filtern, die unterschiedliche Wellenlängen durchlassen, bestimmte unterschiedliche Wellenlängen erfassen. Daher kann der Laseroszillator 1 Lichtintensitäten mehrerer Wellenlängen selektiv erfassen und die Betriebsbereitschaft des Laseroszillators 1 durch die Erstellung unabhängiger Schwellenwerte für die jeweiligen Wellenlängen geeignet bestimmen.
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Da der Schwellenwert für eine Oszillationswellenlänge eines Laserstrahls so eingestellt ist, dass er niedriger als die Schwellenwerte für andere Wellenlängen ist, reagiert der Laseroszillator 1 empfindlich auf reflektiertes Licht mit der höchsten Intensität in dem zurückgestrahlten Licht und kann das Oszillieren eines Laserstrahls geeignet beenden und ohne ein unnötiges Beenden des Oszillierens des Laserstrahls bei zurückgestrahltem Licht mit anderen Wellenlängen stabil betrieben werden.
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Der Laseroszillator 1 kann die Betriebsbereitschaft durch Verändern des Schwellenwerts in Abhängigkeit von den Bearbeitungsbedingungen unter Verwendung der für den Anwendungsstatus eines Laserstrahls geeigneten Schwellenwerte für die jeweiligen Wellenlängen geeignet bestimmen.
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[Zweite Ausführungsform]
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Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich eine Anordnung der Lichterfassungssensoren 40 von der gemäß der ersten Ausführungsform.
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4 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Laseroszillators 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Ein Lichterfassungssensor 40c zur Erfassung zumindest einer Lichtintensität in einer Oszillationswellenlänge unter mehreren Lichterfassungssensoren 40 ist in einer einfallseitigen Öffnung des SK 20 angeordnet.
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Der SK 20 weist einen für die Wellenlängen von zum Kombinieren von von dem LR 10 erzeugten Laserstrahlen erzeugten Laserstrahlen optimierten Aufbau auf. Daher ist die Durchlässigkeit des SK 20 für andere Wellenlängen als die Wellenlänge eines Laserstrahls geringer als die Durchlässigkeit für die Wellenlänge des Laserstrahls. Der Lichterfassungssensor 40c ist an einer der Öffnungen des SK 20 in der Nähe des LR 10 angebracht, wodurch der Lichterfassungssensor 40c zurückgestrahltes Licht erfassen kann, in dem die Komponenten, die sich von dem reflektiertem Licht mit der gleichen Wellenlänge wie der erzeugte Laserstrahl unterscheiden, abgeschwächt sind.
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Wenn der Lichterfassungssensor 40c parallel zu dem LR 10 angeordnet ist, ist es möglich, die Gefahr abzustellen, dass der Eingang in den Lichterfassungssensor 40c übermäßig ist, da das zurückgestrahlte Licht durch Verzweigung abgeschwächt wird. Darüber hinaus kann der Eingang in den Lichterfassungssensor 40c durch Vorsehen eines Neutralfilters (ND-Filters) oder dergleichen abgeschwächt werden.
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Da bei der vorliegenden Ausführungsform der Lichterfassungssensor 40 in der Öffnung des SK 20 in der Nähe des LR 10 angeordnet ist, kann der Laseroszillator 1 ausschließlich die Intensität des reflektierten Lichts mit hoher Genauigkeit erfassen und die Betriebsbereitschaft geeignet bestimmen, da andere Komponenten als die Oszillationswellenlänge des Laserstrahls abgeschwächt werden.
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[Dritte Ausführungsform]
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Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Schwellenwert unter Verwendung von Zeitreihendaten der durch den Lichterfassungssensor 40 ermittelten Erfassungswerte zu einer vorgegebenen Zeitspanne eingestellt.
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In der Speichereinheit 60 werden mehrere durch die mehreren Lichterfassungssensoren 40 erfasste Zeitreihendatenelemente gespeichert, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen.
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Die Steuereinheit 50 bestimmt die Ähnlichkeit von Wellenformen der mehreren gespeicherten Zeitreihendatenelemente und stellt den Schwellenwert für den Lichterfassungssensor 40, von dem ähnliche Wellenformen erfasst werden, so ein, dass er höher als die Schwellenwerte für die anderen Lichterfassungssensoren 40 ist.
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Genauer bestimmt die Steuereinheit 50, dass die Wellenformen ähnlich sind, wenn Wellenformen der Zeitreihendaten zu einer vorgegebenen Zeitspanne normalisiert werden und ein durch Integrieren der Differenz der Intensitäten über eine vorgegebene Zeitspanne ermittelter Wert kleiner als ein vorgegebener Wert ist. So sind beispielsweise zu einer Zeit t normalisierte Werte von zwei Zeitreihendatenelementen a(t) und b(t) jeweils a(t)/∑a(t) und b(t)/∑b(t). Eine Integration des absoluten Werts der Differenz zwischen den beiden Werten ist ∑|a(t)/∑a(t) - b(t)/∑b(t)|.
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Wenn die Wellenformen ähnlich sind, wird zurückgestrahltes Licht in einem breiten Bereich von Wellenlängen erfasst, und es kann bestimmt werden, dass das zurückgestrahlte Licht kein reflektiertes Licht ist, in dem Licht mit der gleichen Wellenlänge wie der Laserstrahl ein Hauptstrahl ist. Da in diesem Fall die Gefahr einer Beschädigung des Laseroszillators 1 gering ist, stellt die Steuereinheit 50 den Schwellenwert für die Bestimmung relativ hoch ein. Wenn andererseits die Wellenformen nicht ähnlich sind, weil zurückgestrahltes Licht mit einer bestimmten Wellenlänge erfasst wird, und die Gefahr einer Beschädigung des Laseroszillators 1 hoch ist, wird der Schwellenwert für die Bestimmung so eingestellt, dass er relativ niedrig ist.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform speichert der Laseroszillator 1 Zeitreihendaten der erfassten Lichtintensität für die jeweiligen Lichterfassungssensoren 40 (d.h. für jeweilige Wellenlängen). Wenn die Wellenformen der Zeitreihendatenelemente verglichen werden und festgestellt wird, dass sie ähnlich sind, stellt der Laseroszillator 1 den Schwellenwert so ein, dass er hoch ist, da bestimmt werden kann, dass das zurückgestrahlte Licht zurückgestrahltes Licht ist, das einen breiten Bereich von Wellenlängen umfasst und kein zurückgestrahltes Licht ist, das aus der bestimmten Wellenlänge aufgebaut ist, durch die der Laseroszillator 1 beschädigt werden kann. Auf diese Weise kann der Laseroszillator 1 ein unnötiges Beenden des Betriebs unterbinden.
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Der Laseroszillator 1 normalisiert die Wellenformen der Zeitreihendatenelemente und bestimmt die Ähnlichkeit der Wellenformen anhand eines durch Integrieren einer Differenz zwischen den normalisierten Werten für eine vorgegebene Zeitspanne ermittelten Werts. Daher kann der Laseroszillator 1 die Gefahr zurückgestrahlten Lichts unter Verwendung von Erfassungsdaten zu einer vorgegebenen Zeitspanne leicht und durchgehend bestimmen und die Ergebnisse der Bestimmung auf die Schwellenwerte anwenden. Dadurch kann der Laseroszillator 1 die Betriebsbereitschaft geeigneter bestimmen.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Ein im Zusammenhang mit den Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschriebenes Ergebnis ist lediglich eine Beschreibung des bevorzugtesten durch die vorliegende Erfindung erzielten Ergebnisses, und ein Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das beschränkt, was im Zusammenhang mit den Ausführungsform beschrieben wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Laseroszillator
- 10:
- Laserresonator
- 20:
- Strahlenkombinator
- 30:
- Optische Faser
- 40:
- Lichterfassungssensor
- 41:
- Filter
- 50:
- Steuereinheit
- 60:
- Speichereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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