DE102020214094A1

DE102020214094A1 - Strahlverschluss, Laseranordnung und Betriebsverfahren für eine Laseranordnung

Info

Publication number: DE102020214094A1
Application number: DE102020214094.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Flaig; Andreas Enzmann; Florian Jansen
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-05-12
Also published as: US20220149578A1; US11955761B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlverschluss für einen Laserstrahl aufweisend eine reflektierende Optik (20) zum Ablenken des Laserstrahls, einen in eine Freigabestellung und eine Verschlussstellung verbringbaren Haltearm (18), an dem die reflektierende Optik (20) gehalten ist, eine Sensorschaltung (38) mit wenigstens einer zwischen der reflektierenden Optik (20) und dem Haltearm (18) angeordneten Sensorkomponente (50) und eine Auswerteeinrichtung, welche zumindest in der Verschlussstellung des Haltearms (18) mit der Sensorschaltung (38) zusammenwirkt. Die Erfindung betrifft ferner eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit einem solchen Strahlverschluss, wobei der Laserstrahl in der Verschlussstellung des Haltearms (18) auf die reflektierende Optik (20) trifft. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Laseranordnung mit den Schrittena) Verbringen des Haltearms (18) in die Verschlussstellung,b) Betreiben der Laserlichtquelle (14) und Ermitteln wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung (38) mit der Auswerteeinrichtung,c) Abschalten der Laserlichtquelle (14), wenn die charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung (38) außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Strahlverschluss für einen Laserstrahl aufweisend eine reflektierende Optik zum Ablenken des Laserstrahls und einen in eine Freigabestellung und eine Verschlussstellung verbringbaren Haltearm, an dem die reflektierende Optik gehalten ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit einem solchen Strahlverschluss. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für eine solche Laseranordnung.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Laseranordnungen mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls ist oft vorgesehen, dass beim Öffnen eines Sicherheitskreises (beispielsweise Unterbrechen einer Lichtschranke oder Öffnen einer Einhausung) eine reflektierende Optik in den Strahlengang des Laserstrahls eingeklappt wird. Die reflektierende Optik unterbricht dann den Weg des Laserstrahls zu einer Austrittsöffnung. Der Laserstrahl wird von der reflektierenden Optik abgelenkt und trifft typischerweise auf einen Absorber.
Es kann bei solchen Vorrichtungen mitunter vorkommen, dass sich die reflektierende Optik von einem Haltearm löst oder ihre reflektierenden Eigenschaften verliert. Der Laserstrahl kann dann den Haltearm für die reflektierende Optik durchbohren. Dies kann zu Personen- und/oder Sachschäden führen.
Um ein Versagen der reflektierenden Optik zu detektieren, ist es bekannt, ein temperatursensitives Bimetall-Bauteil hinter der reflektierenden Optik anzuordnen. Wenn der Laserstrahl auf das Bimetall-Bauteil trifft, kann dies zu einer Erwärmung des Bimetall-Bauteils führen, insbesondere wenn die Laserlichtquelle lange Laserpulse abgibt oder im Dauerstrichbetrieb arbeitet. Die Erwärmung ruft eine Formänderung des Bimetall-Bauteils hervor. Die Formänderung kann über einen Näherungsschalter detektiert werden, welcher dann ein Abschalten der Laserlichtquelle auslöst.
Insbesondere bei der Verwendung von Ultrakurzpulslasern als Laserlichtquelle kann im Falle eines Defekts der reflektierenden Optik der Haltearm jedoch ohne nennenswerte Erwärmung („kalt“) von dem Laserstrahl durchbohrt werden. Dies ist mit temperatursensitiven Bimetall-Bauteilen nicht zuverlässig detektierbar.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Betriebssicherheit von Laserlichtquellen zu verbessern, insbesondere in Fehlerfällen Gefahren zu vermeiden.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Strahlverschluss nach Anspruch 1, eine Laseranordnung gemäß Anspruch 13 sowie ein Verfahren mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Varianten an.
Erfindungsgemäßer Strahlverschluss
Erfindungsgemäß ist ein Strahlverschluss für einen Laserstrahl vorgesehen. Der Strahlverschluss kann auch als ein Shutter bezeichnet werden. Der Strahlverschluss weist eine reflektierende Optik zum Ablenken des Laserstrahls auf. Die reflektierende Optik weist typischerweise eine Spiegelschicht auf. Insbesondere kann die reflektierende Optik ein Spiegel sein.
Weiterhin weist der Strahlverschluss einen Haltearm auf. Die reflektierende Optik ist an dem Haltearm gehalten. Der Haltearm ist in eine Freigabestellung und eine Verschlussstellung verbringbar. In der Verschlussstellung trifft der Laserstrahl einer Laseranordnung mit dem Strahlverschluss auf die reflektierende Optik und wird von dieser abgelenkt. In der Freigabestellung kann der Laserstrahl den Strahlverschluss passieren, ohne von der reflektierenden Optik abgelenkt zu werden.
Erfindungsgemäß weist der Strahlverschluss eine Sensorschaltung mit wenigstens einer zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm angeordneten Sensorkomponente auf. Die Sensorschaltung ist eine elektrische Schaltung. Die Sensorkomponente ist entsprechend ein Bauteil dieser elektrischen Schaltung. In Sonderfällen kann die Sensorschaltung aus der Sensorkomponente bestehen.
Weiter erfindungsgemäß weist der Strahlverschluss eine Auswerteeinrichtung auf. Die Auswerteeinrichtung wirkt zumindest in der Verschlussstellung des Haltearms mit der Sensorschaltung zusammen. Hierdurch kann eine Veränderung der Sensorschaltung von der Auswerteeinrichtung erkannt werden. Vorzugsweise kann die Auswerteeinrichtung wenigstens eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung detektieren.
Da die Sensorkomponente der Sensorschaltung zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm angeordnet ist, trifft der Laserstrahl im Falle eines Defekts der reflektierenden Optik auf die Sensorkomponente. Dadurch wird die Sensorkomponente verändert. Insbesondere kann die Sensorkomponente durch den Laserstrahl zerstört werden, beispielsweise indem der Laserstrahl die Sensorkomponente durchbohrt. Die durch den Laserstrahl verursachte Veränderung der Sensorkomponente führt zu einer Veränderung der Sensorschaltung, insbesondere wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung. Diese Veränderung der Sensorschaltung kann wiederum mittels der Auswerteeinrichtung erfasst werden. Wenn die Auswerteeinrichtung eine solche Veränderung der Sensorschaltung erkennt, kann eine Laserlichtquelle abgeschaltet werden. Ein gefährlicher Austritt von Laserstrahlung kann dadurch vermieden werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung die Sensorschaltung berührt, wenn sich der Haltearm in der Verschlussstellung befindet. Hierzu können beispielsweise Schleifkontakte an der Auswerteeinrichtung und/oder an der Sensorschaltung vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt wirkt die Auswerteeinrichtung berührungslos mit der Sensorschaltung zusammen. Dies vereinfacht den Aufbau des Strahlverschlusses. Zudem tritt dann kein Verschleiß zwischen der Auswerteeinrichtung und der Sensorschaltung auf. Ferner sind keine mitbewegten Drähte oder Leiter zum Verbinden der Auswerteeinrichtung und der Sensorschaltung erforderlich, sodass nicht die Gefahr besteht, dass diese aufgrund von Materialermüdung brechen.
Die Sensorkomponente bzw. eine der Sensorkomponenten kann ein Kondensator, eine Spule, eine Leiterbahn, ein RFID-Chip, ein Thermistor, eine Diode, vorzugsweise eine Photodiode, ein Transistor oder eine Sicherung sein. Wenn mehrere Sensorkomponenten vorgesehen sind, können mehrere der Sensorkomponenten oder alle Sensorkomponenten je eines der vorgenannten Elemente sein; beispielsweise kann eine erste Sensorkomponente ein Kondensator und eine zweite Sensorkomponente eine Leiterbahn sein. Insbesondere können mehrere gleichartige Sensorkomponenten, z. B. zwei Spulen, vorgesehen sein.
Der Kondensator ist vorzugsweise ein Folienkondensator. Bei Versuchen der Erfinder hat sich gezeigt, dass Folienkondensatoren besonders sensitiv auf einen Beschluss mit Laserstrahlung reagieren.
Wenn die Sensorkomponente ein RFID-Chip ist, kann dieser einen integrierten Temperatursensor aufweisen. Dies ermöglicht eine zusätzliche Überwachung der Temperatur. Insbesondere kann bei steigender Temperatur eine Laserlichtquelle bereits abgeschaltet werden, bevor der Laserstrahl den RFID-Chip zerstört. Wenn - beispielsweise bei der Verwendung eines Ultrakurpulslasers als der Laserlichtquelle - keine Erwärmung stattfindet, wird die Laserlichtquelle jedenfalls bei Zerstörung des RFID-Chips abgeschaltet.
Die Auswerteeinrichtung kann unmittelbar mit der Sensorkomponente zusammenwirken. In diesem Fall kann die Sensorschaltung durch die Sensorkomponente gebildet sein. Die Sensorkomponente bzw. Sensorschaltung kann hierfür ein RFID-Chip sein.
Bevorzugt weist die Sensorschaltung eine Kopplungskomponente für die Auswerteeinrichtung auf. Die Auswerteeinrichtung wirkt dann über die Kopplungskomponente mit der Sensorschaltung zusammen. Die Kopplungskomponente und die Sensorkomponente sind grundsätzlich voneinander separate Teile der Sensorschaltung. Die Kopplungskomponente kann eine Spule sein. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, eine Spannung in der Spule zu induzieren und/oder ein von der Spule induziertes Magnetfeld zu detektieren.
Besonders bevorzugt ist die Kopplungskomponente neben der reflektierenden Optik angeordnet. Dies erleichtert den Zugriff der Auswerteeinrichtung auf die Kopplungskomponente. Während die Sensorkomponente von der reflektierenden Optik und dem Haltearm verdeckt ist, kann die Kopplungskomponente aus zumindest einer Richtung frei zugänglich sein. Die Kopplungskomponente und die Auswerteeinrichtung können somit nahe aneinander positioniert werden, wenn sich der Haltearm in der Verschlussstellung befindet. Insbesondere kann beim Verbringen des Haltearms aus der Freigabestellung in die Verschlussstellung die Kopplungskomponente über die Auswerteeinrichtung geschwenkt werden.
Besonders bevorzugt weist die Sensorschaltung als Sensorkomponente einen Kondensator und als Kopplungskomponente eine Spule auf. Der Kondensator und die Spule bilden einen Schwingkreis. Abschnitte von Leiterbahnen, welche den Kondensator und die Spule miteinander verbinden, können sich als weitere Sensorkomponenten zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm erstrecken. Wenn der Laserstrahl im Falle eines Defekts der reflektierenden Optik den Kondensator und/oder die Abschnitte der Leiterbahnenterbahnen trifft, verändert dies eine Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Mit anderen Worten entspricht nach dem Auftreffen des Laserstrahls auf die Sensorschaltung die aktuelle Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz nicht mehr der ursprünglichen Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Kondensator kann insbesondere dessen Kapazität verringert werden. Beim Auftreffen des Laserstrahls auf die Abschnitte der Leiterbahnen können diese verkohlt oder durchtrennt werden, was deren elektrischen Widerstand erhöht.
Vorzugsweise ist die Sensorschaltung auf einer Leiterplatte ausgebildet. Dies vereinfacht das Bereitstellen der Sensorschaltung. Die Leiterplatte erstreckt sich zumindest abschnittsweise zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm. Dadurch kann die Sensorschaltung zumindest teilweise zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm angeordnet werden. Insbesondere befindet sich derjenige Teilbereich der Leiterplatte, welcher die Sensorkomponente trägt, zwischen der reflektierenden Optik und dem Haltearm. Wenn die Sensorschaltung eine Kopplungskomponente aufweist, ist diese typischerweise in einem Teilbereich der Leiterplatte angeordnet, welcher von der reflektierenden Optik und/oder dem Haltearm nicht verdeckt ist. Insbesondere kann die Leiterplatte seitlich über die reflektierende Optik herausragen.
Die Auswerteeinrichtung kann eine Induktivität, insbesondere eine Auswerte-Spule, aufweisen. Insbesondere wenn die Sensorschaltung eine Kopplungskomponente in Form einer Spule (Sensor-Spule) aufweist, kann mittels wechselseitiger Induktion ein Zustand der Sensorschaltung überwacht werden.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung ein Näherungsschalter. Der Näherungsschalter kann die Induktivität der Auswerteeinrichtung aufweisen. Insbesondere kann mittels des Näherungsschalters eine Veränderung einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises der Sensorschaltung detektiert werden. Der induktive Näherungsschalter kann auf die Resonanzfrequenz des intakten Schwingkreises abgestimmt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung reversibel veränderbar ist. Dies ermöglicht es, das Zusammenwirken der Sensorschaltung mit der Auswerteeinrichtung zu überprüfen. Zur Funktionsprüfung wird die charakteristische Eigenschaft gezielt verändert. Sodann wird die charakteristische Eigenschaft mittels der Auswerteeinrichtung ermittelt und es wird überprüft, ob die Auswerteeinrichtung die Veränderung der charakteristischen Eigenschaft erkannt hat. Nach Abschluss der Funktionsprüfung wird die Veränderung der charakteristischen Eigenschaft zurückgenommen.
Zum Verändern der charakteristischen Eigenschaft kann ein Schalter vorgesehen sein. Der Schalter ist vorzugsweise ein Reed-Schalter. Mit dem Schalter kann eine Leiterbahn der Sensorschaltung unterbrochen werden oder es kann die Sensorschaltung kurzgeschlossen werden. Dies verändert jeweils eine von der Auswerteeinrichtung detektierbare Eigenschaft der Sensorschaltung.
Der Haltearm kann drehbar an einem Grundkörper des Strahlverschlusses gelagert sein. Eine Drehlagerung kann besonders einfach eingerichtet werden. Der Haltearm kann mithin zwischen der Verschlussstellung und der Freigabestellung verschwenkt werden. Zum Drehen bzw. Verschwenken des Haltearms kann ein Drehstellglied, insbesondere ein Schrittmotor, vorgesehen sein. Insbesondere kann der Haltearm auf einer Welle des Drehstellglieds befestigt sein. Auf diese Weise wird ein besonders einfach aufgebauter Strahlverschluss erhalten.
Vorzugsweise ist der Haltearm in die Verschlussstellung vorgespannt. Dadurch kann erreicht werden, dass der Haltearm automatisch in die Verschlussstellung übergeht bzw. in der Verschlussstellung verbleibt, wenn er nicht durch einen Antrieb aktiv in die Freigabestellung verbracht wird. Dies erhöht die Sicherheit für den Fall eines Defekts oder Ausfalls des Antriebs. Zum Vorspannen des Haltearms kann ein Federelement vorgesehen sein. Das Federelement kann an dem Haltearm und einem Grundkörper des Stahlverschlusses angelenkt bzw. angebracht sein.
Es kann ein Anschlag für den Haltearm vorgesehen sein. Der Anschlag kann insbesondere die Verschlussstellung definieren bzw. ein Verbringen des Haltearms über die Verschlussstellung hinaus unterbinden. Zusammen mit einer Vorspannung kann durch den Anschlag das Übergehen des Haltearms in die Verschlussstellung noch sicherer gestaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Anschlag die Freigabestellung definieren bzw. ein Verbringen des Haltearms über die Freigabestellung hinaus unterbinden.
Erfindungsgemäße Laseranordnung
In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Strahlverschluss. Die Laserlichtquelle kann ein Ultrakurzpulslaser, insbesondere ein Pikosekundenlaser (Pulsdauer von weniger als einer Nanosekunde) oder ein Femtosekundenlaser (Pulsdauer von weniger als einer Pikosekunde), sein. Ultrakurzpulslaser ermöglichen schon bei moderaten bis mittleren Leistungen (von beispielsweise 10 bis 150 Watt) eine kalte Materialbearbeitung, bei der praktisch kein Wärmeeintrag am Werkstück stattfindet.
Der Laserstrahl trifft in der Verschlussstellung des Haltearms auf die reflektierende Optik. Der Strahlverschluss ist insofern im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Strahlverschlusses können bei einer solchen Laseranordnung nutzbar gemacht werden. Insbesondere ist es bei Ultrakurzpulslasern besonders wichtig, ein Versagen des reflektierenden Elements detektieren zu können, ohne auf die Messung eines Temperaturanstiegs angewiesen zu sein, da bei Ultrakurzpulslasern eine kalte Materialbearbeitung erfolgt. Der erfindungsgemäße Strahlverschluss vermag dies zu leisten.
Die Laseranordnung umfasst typischerweise auch einen Absorber, auf welchen der Laserstrahl von der reflektierenden Optik gelenkt wird, wenn sich der Haltearm in der Verschlussstellung befindet.
Erfindungsgemäßes Betriebsverfahren
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Laseranordnung. Das Verfahren umfasst die Schritte

a) Verbringen des Haltearms in die Verschlussstellung,
b) Betreiben der Laserlichtquelle und Ermitteln wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung mit der Auswerteeinrichtung,
c) Abschalten der Laserlichtquelle, wenn die charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.

Im Betrieb sendet die Laserlichtquelle einen Laserstrahl aus. Der Betrieb der Laserlichtquelle kann vor der Durchführung von Schritt a) begonnen haben. Durch Schritt a) wird sichergestellt, dass der Laserstrahl den Strahlverschluss nicht passieren kann.
Während sich der Haltearm in der Verschlussstellung befindet und die Laserlichtquelle den Laserstrahl aussendet, wird mit der Auswerteeinrichtung wenigstens eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung ermittelt. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises der Sensorschaltung bestimmen.
Wenn die charakteristische Eigenschaft außerhalb eines vordefinierten zulässigen Bereichs liegt, ist davon auszugehen, dass die reflektierende Optik defekt ist. Die Laserlichtquelle wird daher abgeschaltet. Für die charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung ist ein Sollwert bekannt. Der Sollwert der charakteristischen Eigenschaft kann rechnerisch oder experimentell anhand einer intakten Sensorschaltung bestimmt werden. Der zulässige Bereich kann tolerierbare Abweichungen von dem Sollwert angeben. Solche Abweichungen können sich beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Umwelteinflüssen ergeben sich. So kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle abgeschaltet wird, wenn eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises der Sensorschaltung um wenigstens 10 % von ihrem Sollwert abweicht. Der Sollwert der Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann beispielsweise von der Kapazität eines die Sensorkomponente bildenden Kondensators, der Induktivität einer die Kopplungskomponente bildenden Spule und dem elektrischen Widerstand von den Kondensator und die Spule verbindenden Leiterbahnen abhängen.
Im Schritt b) kann die Sensorkomponente der Sensorschaltung durch den von der Laserlichtquelle abgegebenen Laserstrahl zerstört werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die reflektierende Optik den Laserstrahl nicht mehr abzulenken vermag, sodass dieser auf die Sensorkomponente trifft. Die Zerstörung der Sensorkomponente verändert wenigstens eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung. Die Veränderung der charakteristischen Eigenschaft wird von der Auswerteeinrichtung erkannt. Daraufhin wird die Laserlichtquelle abgeschaltet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Laseranordnung mit einem erfindungsgemäßen Strahlverschluss, wobei sich ein Haltearm mit einer reflektierenden Optik in einer Verschlussstellung befindet, sodass ein von einer Laserlichtquelle ausgesandter Laserstrahl auf einen Absorber abgelenkt wird, in einer schematischen Perspektivansicht;
2 den Strahlverschluss der Sensoranordnung von 1 in einer schematischen Schnittansicht, wobei eine Auswerteeinrichtung berührungslos mit einer Sensorschaltung zusammenwirkt, um die Funktionstüchtigkeit der reflektierenden Optik zu überwachen;
3 den Haltearm des Stahlverschlusses der Laseranordnung von 1 in einer schematischen Aufsicht, wobei zu erkennen ist, dass sich eine Leiterplatte mit der Sensorschaltung zwischen die reflektierende Optik und den Haltearm erstreckt;
4 eine abstrahierte Querschnittsansicht durch den Haltearm, die reflektierende Optik und die Leiterplatte mit der Sensorschaltung gemäß der Anordnung von 3;
5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für eine Laseranordnung.

1 zeigt eine Laseranordnung 10. Die Laseranordnung 10 weist einen Strahlverschluss 12 und eine Laserlichtquelle 14 auf. Die Laserlichtquelle 14 kann ein Ultrakurzpulslaser sein. Die Laserlichtquelle 14 sendet einen Laserstrahl 16 aus. Der Strahlverschluss 12 weist einen Haltearm 18 auf. Der Haltearm 18 trägt eine reflektierende Optik 20. Die reflektierende Optik 20 ist hier ein Spiegel. Der Haltearm 18 mit der reflektierenden Optik 20 ist in eine Freigabestellung und in eine Verschlussstellung verbringbar. In 1 befindet sich der Haltearm 18 mit der reflektierenden Optik 20 in der Verschlussstellung. In der Verschlussstellung kann der Haltearm 18 an einem Anschlag 22 anliegen. In der Verschlussstellung ist die reflektierende Optik 20 im Strahlengang des Laserstrahls 16 angeordnet. Die reflektierende Optik 20 lenkt dann den Laserstrahl 16 ab. Der abgelenkt Laserstrahls 16 trifft auf einen Absorber 24 der Sensoranordnung 10. In der Freigabestellung kann der Laserstrahl 16 den Strahlverschluss 12 passieren, ohne von der reflektierenden Optik 20 abgelenkt zu werden (nicht dargestellt).
2 zeigt den Strahlverschluss 12 in einer Schnittansicht. Der Haltearm 18 ist drehbar an einem Grundkörper 26 des Strahlverschluss 12 gelagert. Vorliegend ist der Haltearm 18 auf einer Welle 28 eines Drehstellgliedes 30 befestigt. Das Drehstellglied 30 dient dazu, den Haltearm 18 mit der reflektierenden Optik 20 zwischen der Freigabestellung und der Verschlussstellung zu verbringen. Der Haltearm 18 ist vorliegend in die Verschlussstellung vorgespannt. Hierzu kann ein Federelement 32 vorgesehen sein. Das Federelement 32 ist hier an dem Grundkörper 26 und dem Haltearm 18 befestigt.
Der Strahlverschluss 12 weist eine Auswerteeinrichtung 34 auf. Die Auswerteeinrichtung 34 dient dazu, die Funktionstüchtigkeit der reflektierenden Optik 20 zu überprüfen. Die Auswerteeinrichtung 34 kann ein, vorzugsweise induktiver, Näherungsschalter sein. An einem dem Haltearm zugewandten Ende der Auswerteeinrichtung 34 kann eine Induktivität (Auswerte-Spule) 36 angeordnet sein. Die Auswerteeinrichtung 34 kann eine Auswertelogik aufweisen, welche beispielsweise als Software in einem nicht näher dargestellten Steuergerät hinterlegt sein kann.
Um die Funktionstüchtigkeit der reflektierenden Optik 20 zu überwachen, wirkt die Auswerteeinrichtung 34 mit einer Sensorschaltung 38 zusammen, vergleiche 3, welche den Haltearm 18, die reflektierende Optik 20 sowie die Sensorschaltung 38 mit Blick auf die reflektierende Optik 20 zeigt. Die Sensorschaltung 38 kann auf einer Leiterplatte 40 angeordnet sein.
Von der reflektierenden Optik 20 aus gesehen hinter dem Haltearm 18 kann ein Kupferblech 41 (vergleiche 1) angeordnet sein. Das Kupferblech 41 ist gegenüber Laserstrahlung widerstandsfähiger als der Haltearm 18. Insbesondere kann das Kupferblech eine höhere Abtragsschwelle bzw. einen höheren Abtragswiderstand aufweisen. Dadurch wird eine Zeitspanne, bis der Laserstrahl 16 im Falle eines Defekts der reflektierenden Optik 20 den Haltearm 18 und das Kupferblech 41 durchschossen hat, verlängert. In der Zeitspanne, die der Laserstrahl 16 benötigt, um den Haltearm 18 und das Kupferblech 41 zu durchbohren, kann die Sensorschaltung 38 ausgewertet und die Laserlichtquelle 14 abgeschaltet werden.
Die Sensorschaltung 38 ist hier als ein elektrischer Schwingkreis ausgebildet. Die Auswerteeinrichtung 34 kann feststellen, ob sich eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises in einem vordefinierten zulässigen Bereich befindet. Die Sensorschaltung 38 weist einen Kondensator 42 und eine Spule 44 auf. Der Kondensator 42 kann ein Folienkondensator sein. Der Kondensator 40 und die Spule 44 sind über Leiterbahnen 46 miteinander verbunden. Die Sensorschaltung 38 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel weiterhin einen Schalter 47 auf. Der Schalter 47 kann ein Reed-Schalter sein. Der Schalter 47 ermöglicht es, die Leiterbahnen 46 vorübergehend kurzzuschließen, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern. Hierdurch kann überprüft werden, ob die Auswerteeinrichtung 34 korrekt mit der Sensorschaltung 38 zusammenwirkt.
Der Kondensator 42 und mäanderförmige Abschnitte 48 der Leiterbahnen 46 bilden hier Sensorkomponenten 50 der Sensorschaltung 38. Die Sensorkomponenten 50 sind zwischen der reflektierenden Optik 20 und dem Haltearm 18 angeordnet, vergleiche auch 4. Die Leiterplatte 40 erstreckt sich mit ihrem den Kondensator 42 und die mäanderförmigen Abschnitte 48 der Leiterbahnen 46 tragenden Teilbereich zwischen die reflektierende Optik 20 und den Haltearm 18. Der Haltearm 18 und/oder die reflektierende Optik 20 können zur Aufnahme der Sensorkomponenten 50 bzw. der Leiterplatte 40 Rücknehmungen 52 aufweisen. Vorzugsweise sind der Kondensator 42 und die mäanderförmigen Abschnitte 48 zu der reflektierenden Optik 20 weisend an der Leiterplatte 40 angeordnet. Wenn die reflektierende Optik 20 versagen sollte und sich der Haltearm 18 in der Verschlussstellung befindet, trifft der Laserstrahl 16 beim Betrieb der Laserlichtquelle 14 auf die Sensorkomponenten 50. Die Sensorkomponenten 50 werden dadurch beschädigt und schließlich zerstört. Dies verändert wenigstens eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung 38, beispielsweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
Diese Veränderung der Sensorschaltung 38 wird von der Auswerteeinrichtung 34 detektiert. Die Auswerteeinrichtung 34 kann hierzu berührungslos mit der Sensorschaltung 38 zusammenwirken, vergleiche insbesondere 2. In der Verschlussstellung befindet sich das dem Haltearm 18 zugewandte Ende der Auswerteeinrichtung 34 nahe an der Spule 44 der Sensorschaltung 38. Die Spule 38 dient hier als eine Kopplungskomponente 54 der Sensorschaltung 38. Durch wechselseitige Induktion zwischen der Induktivität 36 der Auswerteeinrichtung 34 und der Spule 44 der Sensorschaltung 38 kann die Auswerteeinrichtung 34 charakteristische Eigenschaften der Sensorschaltung 38 ermitteln. Die Spule 44 bzw. die Kopplungskomponente 54 der Sensorschaltung 38 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel neben der reflektierenden Optik 20 angeordnet, vergleiche insbesondere 3. Auch der Haltearm 18 überdeckt vorliegend die Kopplungskomponente 54 nicht. Dies vereinfacht es, die Auswerteeinrichtung 34, insbesondere deren Inaktivität 36, dicht an die Sensorschaltung 38, insbesondere deren Kupplungskomponente 54, anzunähern, vergleiche 2. Dadurch kann erreicht werden, dass die Auswerteeinrichtung 24 und Sensorschaltung 38 zuverlässig zusammenwirken.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Betriebsverfahrens für eine Laseranordnung. Das Betriebsverfahren wird hier beispielhaft anhand der Laseranordnung 10 von 1 erläutert.
In einem Schritt 102 wird der Haltearm 18 mit der reflektierenden Optik 20 in die Verschlussstellung verbracht. Hierzu kann das Drehstellglied 30 den Haltearm 18 gegenüber dem Grundkörper 26 verschwenken.
Während sich der Haltearm 18 mit der reflektierenden Optik 20 in der Verschlussstellung befindet, wird in einem Schritt 104 die Laserlichtquelle 14 betrieben. Ein von der Laserlichtquelle 14 ausgesandter Laserstrahl 16 trifft auf die reflektierende Optik 20. Der Betrieb der Laserlichtquelle 14 kann bereits vor der Durchführung des Schritts 102 begonnen haben.
Während die Laserlichtquelle 14 betrieben wird und sich der Haltearm 18 in der Verschlussstellung befindet, wird in einem Schritt 106 eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung 38 ermittelt. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 34 in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises der Sensorschaltung 38 bestimmen.
Wenn die reflektierende Optik 20 den Laserstrahl 16 nicht zu reflektieren vermag, d. h. wenn die reflektierende Optik 20 defekt ist, trifft der Laserstrahl 16 auf die Sensorkomponenten 50 der Sensorschaltung 38. Die Sensorkomponenten 50 können dadurch zerstört werden. Dies verändert charakteristische Eigenschaften der Sensorschaltung 38, beispielsweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Sobald die Auswerteeinrichtung 34 feststellt, dass eine von ihr erfasste charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung 38 außerhalb eines vordefinierten zulässigen Bereichs liegt, wird die Laserlichtquelle 14 in einem Schritt 108 abgeschaltet.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen überwachten Strahlverschluss 12. Wenn sich ein Haltearm 18 mit einer reflektierenden Optik 20 in einer Verschlussstellung befindet, ermittelt eine Auswerteeinrichtung 34 wenigstens eine charakteristische Eigenschaft einer Sensorschaltung 38. Wenigstens ein als Sensorkomponente 50 dienendes Element der Sensorschaltung 38 ist zwischen der reflektierenden Optik 20 und dem Haltearm 18 angeordnet. Im Falle eines Defekts der reflektierenden Optik 20 trifft ein Laserstrahl 16 daher auf die Sensorkomponenten 50. Dies verändert Eigenschaften der Sensorschaltung 38. Eine Auswerteeinrichtung 34 wirkt vorzugsweise berührungslos mit der Sensorschaltung 38 zusammen. Die Auswerteeinrichtung 34 überprüft, ob eine oder mehrere Eigenschaften der Sensorschaltung 38 innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen. Wenn dies nicht der Fall ist, deutet dies auf einen Defekt der reflektierenden Optik 20 hin. Die Laserlichtquelle 14 wird daher abgeschaltet.
Bezugszeichenliste

10: Laseranordnung
12: Strahlverschluss
14: Laserlichtquelle
16: Laserstrahl
18: Haltearm
20: reflektierende Optik
22: Anschlag
24: Absorber
26: Grundkörper
28: Welle
30: Drehstellglied
32: Federelement
34: Auswerteeinrichtung
36: Induktivität
38: Sensorschaltung
40: Leiterplatte
41: Kupferblech
42: Kondensator
44: Spule
46: Leiterbahnen
47: Schalter
48: Abschnitte der Leiterbahnen 46
50: Sensorkomponenten
52: Rücknehmungen
54: Kopplungskomponente
102: Verbringen des Haltearm 18 in die Verschlussstellung
104: Betreiben der Laserlichtquelle 14
106: Ermitteln einer charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung 38
108: Abschalten der Laserlichtquelle 14

Claims

Strahlverschluss (12) für einen Laserstrahl (16) aufweisend - eine reflektierende Optik (20) zum Ablenken des Laserstrahls (16), - einen in eine Freigabestellung und eine Verschlussstellung verbringbaren Haltearm (18), an dem die reflektierende Optik (20) gehalten ist, - eine Sensorschaltung (38) mit wenigstens einer zwischen der reflektierenden Optik (20) und dem Haltearm (18) angeordneten Sensorkomponente (50), - eine Auswerteeinrichtung (34), welche zumindest in der Verschlussstellung des Haltearms (18) mit der Sensorschaltung (38) zusammenwirkt.
Strahlverschluss (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (34) berührungslos mit der Sensorschaltung (38) zusammenwirkt.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkomponente (50) bzw. wenigstens eine der Sensorkomponenten (50) ein Kondensator (42), vorzugsweise ein Folienkondensator, eine Spule, eine Leiterbahn (46), ein RFID-Chip, ein Thermistor, eine Diode, vorzugsweise eine Photodiode, ein Transistor oder eine Sicherung ist.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (38) eine Kopplungskomponente (54) für die Auswerteeinrichtung (34) aufweist.
Strahlverschluss (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungskomponente (54) neben der reflektierenden Optik (20) angeordnet ist.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (38) auf einer Leiterplatte (40) ausgebildet ist, welche sich zwischen die reflektierende Optik (20) und den Haltearm (18) erstreckt.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (34) eine Induktivität (36) aufweist.
Strahlverschluss (12) nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (34) ein Näherungsschalter ist.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung (38) reversibel veränderbar ist.
Strahlverschluss (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern der charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung (38) ein Schalter (47), vorzugsweise ein Reed-Schalter, vorgesehen ist.
Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltearm (18) drehbar an einem Grundkörper (26) gelagert ist, vorzugsweise mittels einer Welle (28) eines Drehstellglieds (30).
Strahlverschluss (12) einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltearm (18) in die Verschlussstellung vorgespannt ist.
Laseranordnung (10) mit einer Laserlichtquelle (14) zum Erzeugen eines Laserstrahls (16) und mit einem Strahlverschluss (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (16) in der Verschlussstellung des Haltearms (18) auf die reflektierende Optik (20) trifft.
Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung (10) nach Anspruch 13 mit den Schritten a) Verbringen (102) des Haltearms (18) in die Verschlussstellung, b) Betreiben (104) der Laserlichtquelle (14) und Ermitteln (106) wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft der Sensorschaltung (38) mit der Auswerteeinrichtung (34), c) Abschalten (108) der Laserlichtquelle (14), wenn die charakteristische Eigenschaft der Sensorschaltung (38) außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) die Sensorkomponente (50) der Sensorschaltung (38) durch einen von der Laserlichtquelle (14) abgegebenen Laserstrahl (16) zerstört wird.