JP2009519132A

JP2009519132A - 光学要素の状態識別又は状態変化識別方法及びレーザ装置

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Publication number: JP2009519132A
Application number: JP2008544765A
Authority: JP
Inventors: ハンマンゲアハルト; ハラッシュディーター; ホーエナーデルユルゲン
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2009-05-14
Also published as: DE502005008461D1; ATE447459T1; EP1963045A1; WO2007073744A1; EP1963045B1; US20090007675A1; CN101341000A; CN101341000B; US7705292B2

Abstract

本発明は、例えば、レーザ加工機器のような、レーザ装置（１）の光学要素（６，７，８）の状態識別又は状態変化識別方法及び装置に関しており、光学要素（６．７．８）の温度変化時に変化する量が検出される。

Description

本発明は、光学要素の状態識別方法であり、例えば、レーザ加工機器のような、レーザ装置の光学要素の状態識別又は状態変化識別方法であって、光学要素の温度変化時に変化する量が検出される方法に関する。

レーザ切断過程は、特に、フォーカシングレーザビームの質及び時間特性に依存している。レーザビームの案内及び成形のために、レンズ又はミラーが用いられており、従って、当該レンズ又はミラーは、切断結果に重要な影響を及ぼす。レンズ（又は、ビーム案内での他の光学要素の）摩耗により、レーザビームの吸収度が高まる。レーザビームの吸収度が高まることによって強く加熱され、それにより、光学特性が変わってしまい、例えば、比較的大きなフォーカスシフトが生じてしまう。

光学要素の温度変化は、光学要素の状態変化をもたらすことが屡々であるので、光学要素の温度又は光学要素の温度を示す量を検出するために、種々異なる方法が提案されている。

EP 1 310 782 A1l には、抵抗測定が開示されている。吸収ビームによる、物理量、例えば、抵抗の変化が検出されて、光学要素の状態用の情報源として利用される。その際、電気抵抗の測定によって、温度が検出される。

DE 203 14 918 U1 には、レーザ光学系の、破損及び／又は汚濁からの保護ガラスの監視用の装置が開示されており、その際、保護ガラスの端面の周囲に設けられた少なくとも1つのフォトデテクタが設けられており、このフォトデテクタは、評価装置と接続されている。フォトデテクタには、少なくとも1つの電磁ビーム源が対応して設けられており、この電磁ビーム源の電磁ビームは、保護ガラスの端面を介して入力される。

DE 10 2004 006 565 A1 には、光学要素の長さの変化を測定し、それに続いて、この長さの変化から、光学特性の変化に起因する温度変化を求めることが提案されている。長さの変化は、光学要素の周囲に沿って測定することができ、場合によっては、光学コンポーネントの容積の変化を測定するための別の長さ測定と一緒に用いてもよく、それから、この長さ測定から、温度変化が求められる。

DE 197 094 73 A1 には、レーザビームを用いて被加工物を加工する際に、レンズ装置の損耗の度合いを求めるために、先ず、被加工物が、レーザビームを用いて照射加工され、その際、被加工物の照射加工のために必要な照射加工時間が測定されて、所定の基準照射加工時間と比較され、両方の照射加工時間が所定の許容偏差時間よりも多く相互に偏移している場合に、例えば、警報信号を形成するようにすることが提案されている。更に、レーザビームを用いて、軌跡を被加工物上に形成して、各ビーム測定値を比較することによって、レンズ装置の損耗状態を推定するために、種々異なった時点で被加工物から来るビームを測定することが提案されている。

WO 98/33059 A1には、フォトデテクタを用いて、汚濁によって形成された散乱光を検出することが提案されている。レンズ縁部に接触してレンズ縁部の温度を測定すると、レンズの中心部の適切な負荷がもはや形成されず、時定数が高すぎるようになる。レンズ体を光学的に温度測定するのは、不正確であり、従って、用いることができない。レーザ装置、殊に、レーザ切断機器内の光学要素の温度依存の長さ乃至容積変化の測定は、同様に実用的でない。

本発明の課題は、簡単なやり方で、状態、乃至、レーザ装置の光学要素の状態変化を高い信頼度で測定することができる方法及び装置を提供することにある。

この課題は、冒頭に記載した、例えば、レーザ加工機器のような、レーザ装置の光学要素の状態識別又は状態変化識別方法であって、光学要素の温度変化時に変化する量が検出される方法において、光学要素内に超音波信号を入力し、該超音波信号の経過時間及び／又は経過時間変化を、予め設定された、又は、予め設定可能な区間に沿って光学要素によって検出することによって解決される。求めた経過時間乃至求めた経過時間変化を基準量と比較することができ、その際、基準量は、基準測定で求めることができるか、又は、設定することができる。経過時間の測定は、標準コンポーネントを用いて行うことができる。更に、残りのレーザ装置を考慮せずに経過時間の測定を行うことができる。温度の変化は、経過時間の変化に僅かしか作用せず、その結果、光学要素の温度は、高い分解能で測定乃至求めることができる。区間を適切に選択することによって、実際の温度だけ、乃至、実際の温度と関連して光学要素の温度変化によって生じる経過時間又は経過時間の変化を検出し、測定が温度乃至光学要素の検出によって誤りが生じないようにすることができる。経過時間の分解能は、有利には、ナノ秒領域内にするとよい。この方法は、レーザ装置の全ての光学要素（例えば、ミラー、レンズ、アウトプットカップラ乃至出力結合器(Auskoppler)）用に、殊に、レーザ内の光学要素用にも用いることができる。

特に有利な方法の変形実施例では、経過時間及び／又は経過時間変化を、光学要素の電磁波ビームの吸収度で、又は、当該吸収度の変化で推定することが提案されている。従って、経過時間及び／又は経過時間変化を求めることによって、光学要素の汚濁又は損耗乃至光学要素の経年変化現象の結果としての汚濁又は損耗であるのかを推定することができる。その際、有利には、作動中の光学要素の通常の温度変化（加熱）に起因する経過時間の変化と、吸収によって生じた温度上昇のための経過時間の変化とを区別することができる。

有利には、経過時間及び／又は経過時間の変化から、光学要素の温度又は温度変化を推定することができる。損耗の尺度は、光学要素の定常的な温度でもあり、温度の時間グラジエント乃至勾配でもある。経過時間測定を介して、光学要素の温度を、超音波信号が通過した区間に亘って平均化して求めることができる。

有利には、所定の又は予め設定可能な区間は、光学要素の中心、殊に、中心点を通るように選定するとよい。そうすることによって、温度を中心で求めるか、又は、中心内の温度が、少なくとも、区間に亘って平均化された温度を含むようになる。従って、光学要素の、レーザビームの通過時に最も強く加熱される部分内の温度を検出することができる。丸形の光学要素では、そのために、有利には、超音波信号が半径方向に光学要素内に入力される。

区間が、専ら光学要素の縁領域、殊に、中心を避けて通過する場合、損耗及び汚濁についての情報は、光学要素の縁領域内で求めることができる。

特に有利には、超音波信号は、反射を用いて何回も光学要素を通って案内されるようにするとよい。反射を利用することによって、（送信及び受信用のコンバータを１つしか使わないで済む。更に、経過時間、従って、システムの分解能は、１回又は複数回の反射によって向上することができる。光学要素の所定の領域を、光学要素の縁での超音波の反射特性によって利用することができ、従って、温度測定用に利用することができる。超音波信号は、例えば、星形、三角形又は矩形状に光学要素を通って案内するとよい。方法の変形実施例では、経過時間グラジエント乃至勾配を求めることが提案されている。それから、温度グラジエント乃至勾配を求めることができる。温度変化の際、光学要素は、時定数によって決められる所定の遅延を以て応動する。光学要素の時定数は、一般的に、５−１０秒の範囲内である。絶対温度を測定する場合には、定常温度が調整される迄待機する必要がある。それに対して、温度グラジエント乃至勾配が求められる場合には、短時間の時間間隔で測定するとよい。光学要素の吸収の相違は、経過時間の変化の種々異なるグラジエント乃至勾配によって検出可能である。これは、光学要素の経年変化乃至損耗の指示を提供することができる。

特に有利な方法の変形実施例では、光学要素に電磁波ビーム、殊に、レーザを照射し、該照射の間、及び、予め設定された、又は、照射の終了後、予め設定可能な時間期間の間、経過時間及び／又は経過時間の変化を検出するようにされている。こうすることによって、光学要素の温度依存の経過時間の変化を求めることができる。レーザのスイッチオン時間中、光学要素は加熱し、レーザがスイッチオフされると直ぐに再び冷却される。

光学要素に間隔を置いて連続して何回も電磁ビームが照射されると、測定に及ぼされる障害の影響が分かることがある。

有利には、経過時間又は経過時間の変化が所定の又は予め設定可能な時間間隔で検出される。時間間隔の選択によって、温度検出の分解能を調整することができる。光学要素の状態は、作動中、ほぼ「オンライン」で検査される。それにより、状態の変化に特に迅速に応動することができる。択一的又は付加的に、光学要素の状態の新規の切断処理の開始時に検査を行うようにしてもよい。殊に、レーザ出力が小さいレーザ装置内で作動され、且つ、この小さなレーザ出力で温度変化が検出可能でない場合には、２つの切断過程間で出力が高いレーザを駆動することができ、その結果、経過時間の変化及び光学要素の状態を検出することができる。

特に有利には、光学要素の環境を記述する各量を検出し、及び／又は、設定し、経過時間及び／又は経過時間の変化を評価する際に考慮するとよい。光学要素の加熱は、複数の量に依存している。各作用量は、例えば、レーザ出力、ビーム期間及び構成部品の冷却（例えば、切断ガスによる）である。高い信頼度で吸収を検出するために、この各作用量を検出して考慮する必要がある。光学要素の実際の温度変化も同様に検出することができる。これらの各情報は、場合によっては、レーザ出力の制御のために使用することができる。周囲環境を記述する各量に依存して、特性フィールドが形成され、実際の経過時間又は経過時間の変化を特性フィールドを用いて解析する。

本発明の範囲内には、更に、レーザビームのビーム路内に設けられている少なくとも１つの光学要素と、温度変化の際に変化する量を検出するための検出装置を有するレーザ装置、殊にレーザ加工機器が含まれており、その際、超音波を光学要素内に入力するための超音波送信器が設けられており、検出装置は、超音波受信器を有している。そのような装置を用いて、光学要素の実際の状態が検出され、状態の変化、例えば、汚濁又は損耗の起因する吸収のための加熱が検出される。光学要素は、例えば、ミラー、レンズ、アウトプットカップラ乃至出力結合器(Auskoppler)等である。超音波送信器及び超音波受信器は、光学要素の領域内の種々異なった個所に設けることができる。超音波受信器は、超音波信号が進む区間の端に設けられるようにする必要がある。例えば、超音波信号の区間は、光学要素の直径に相応するようにするとよい。超音波受信器及び超音波送信器は、従って、対向し合うように設ける必要がある。検出装置は、超音波受信器として構成してもよい。検出装置が超音波送信器と超音波受信器を有するようにすると、特にコスト上有利な装置が得られる。そうする殊によって、送信も受信も行う超音波変換器を１つしか設けなくて済む。１つしか変換器を使用しないようにするために、超音波信号は、１回又は複数回反射して、再び変換器のところに戻って来るようにする必要がある。

少なくとも１つの反射器が超音波信号の反射のために設けられている場合、超音波信号が進む区間を人為的に延長することができる。この手段によって、分解能を高めることができる。

超音波変換器、殊に超音波受信器と、光学要素との間の反射を避けるために、超音波送信器又は超音波受信器と光学要素との間に設けられた、少なくとも１つの結合要素が設けられる。１０ＭＨｚの領域内の超音波信号が、空気中又は基体中に転送されずに反射される。一方の、超音波送信器及び超音波受信器と、他方の、光学要素との間に結合要素を用いることによって、超音波信号が実際に光学要素内に入力され、この光学要素から出力されるようにすることができる。その際、結合要素は、変換器を用いて光学要素の縁にクランプすることができ、その結果、音波束は、光学要素の真ん中を通って、光学要素の対向縁に入射し、光学要素の対向縁から変換器の方に戻される。

良好に入力するために、結合要素を光学要素に適合可能であるようにすると有利である。そのために、結合要素は、有利には、変形可能な結合クッション(Koppelkissen)として構成されている。有利には、結合クッションは、プラスチック製であり、殊に、ポリウレタン製であり、充分な耐温度強度を有している。

有利な実施例では、検出装置と結合された評価装置が設けられている。評価装置内で、経過時間及び経過時間の変化を解析することができる。評価装置は、信号化装置と協働し、その結果、光学要素は、高い吸収度で指示することができる。択一的に、又は付加的に、評価装置にレーザ装置の制御部を結合してもよく、その結果、光学要素の状態又は状態の変化についての情報は、レーザ装置の作動時に、殊に、レーザ出力の調整時に考慮することができる。

本発明の別の特徴及び利点について、以下、本発明にとって重要な詳細点について示した、本発明の図示の実施例及び各請求項を用いて説明する。個別の各特徴は、各々個別にそれ自体で、又は、任意に複数個組み合わせて、本発明を変形して実施してもよい。

本発明の有利な実施例は図面に概略的に示されており、これらの実施例を以下では図面を参照しながら詳細に説明する。

図面：
図１は、レーザ装置の略図、
図２は、レーザ加工ヘッドの部分断面図、
図３ａ−３ｄは、超音波信号の種々異なる信号経路の例を説明するための略図、
図４は、検出された経過時間変化を時間に亘って示した例の図である。

図１によると、レーザ加工乃至レーザ切断機１の形式のレーザ装置は、レーザ発生器２、加工ヘッド３並びに装置乃至機器制御部４を有している。レーザビーム５は、レーザ形成器２内で形成される。レーザビームのビーム路内には、各光学要素が、レーザ発生器２の出射レンズ６、偏向ミラー７並びに加工ヘッド３内に設けられたフォーカシングレンズ８の形式で挿入されている。フォーカシングレンズ８を用いて、レーザビーム５は、被加工部材９に集束される。

出射レンズ６、偏向ミラー７及びフォーカシングレンズ８の温度が監視される。このために、超音波変換器として構成された検出装置１０，１１，１２として、これら各検出装置１０−１２は、超音波送信器と超音波受信器を有している。各検出装置１０−１２は、各々評価装置１３−１５と接続されており、各評価装置１３−１５は、機器制御部４と接続されている。超音波の経過時間乃至経過時間の変化が検出且つ評価される。これらの各情報から、各光学要素の吸収度、並びに、各光学要素の温度グラジエント乃至勾配についての情報が導出される。

図２によると、検出装置１２は、フォーカシングレンズ８として構成された光学要素の横に並んで設けられている。超音波送信器と超音波受信器を有している検出装置１２と、フォーカシングレンズ８との間に、結合クッションとして構成された結合要素２０が設けられている。これらは、検出装置１２の輪郭にもフォーカシングレンズ８の輪郭にも適合されている。送信された超音波信号２１は、フォーカシングレンズ８の直径に沿って、レフレクタとして作用する、フォーカシングレンズ８の対向縁２２に至る迄伝搬する。そこでは、超音波信号２１が反射され、エコー信号２３として、検出装置１２に戻る。超音波信号２１，２３の、基準経過時間又は基準経過時間変化に比較した経過時間乃至経過時間の変化が推定される。

図３ａには、フォーカシングレンズ８の平面図が示されている。検出装置１２から送信された超音波信号２１は、フォーカシングレンズ８を２回横断して、検出装置１２に戻る。超音波信号が経過する区間は、フォーカシングレンズ８の真ん中の点を通る。図３ｂによると、フォーカシングレンズ８の真ん中の点は、超音波信号２１が経過する区間上にはない。超音波信号２１は、検出装置１２に戻る前に、フォーカシングレンズ８の縁の点２５，２６で反射される。超音波信号２１が戻る区間は、この場合、三角形であり、従って、超音波信号２１が戻る区間は、フォーカシングレンズ８の縁領域しか有していない。フォーカシングレンズ８の中心は、この場合、経過時間を求めるために乃至温度を求めるために無視し得る影響しか有していない。

図３ｃによると、検出装置１２によって送信された超音波信号２１は、検出装置１２に戻る前に、レフレクタとして作用するフォーカシングレンズ８の縁で反射される。点２７−３０のところで超音波信号が反射することによって、超音波信号２１が経過する区間が延長される。この場合、区間は、ほぼ星状の形を有している。

図３ｄには、超音波信号２１は、超音波送信器３１によって送信され、フォーカシングレンズ８の縁の点３２，３３で反射され、それから、この場合、検出装置を示す超音波受信器３４内に達する。

図４には、超音波信号の、時間ｔに対する経過時間変化Δｔが示されている。第１の曲線４０は、吸収度が僅かな新しいレンズの経過時間変化Δｔ_lを示す。曲線41は、吸収度が少し高い少し汚れたレンズの経過時間変化Δｔ_lを示す。レーザは、繰り返しスイッチオンオフされる。スイッチオン期間中、経過時間変化Δｔ_lは長くなり、それは、レンズが加熱することが原因である。従って、経過時間変化Δｔ_lから、レンズの温度を推定することができる。レーザのスイッチオン期間中、レンズは再び冷却され、その結果、経過時間変化Δｔ_lは低減する。経過時間変化Δｔ_lの最大値は、連続時間ｔと共に上昇することが分かる。これは、レンズがレーザのスイッチオフ時間中完全には冷却されないことが原因である。この現象は、経過時間変化Δｔ_lの評価の際に考慮することができる。吸収度が高いレンズの経過時間Δｔ_lの最大値は、吸収度が低いレンズの最大値よりも高いことが明らかに分かる。これは、吸収度が高いレンズでは、レーザ出力が一層多く吸収され、それにより、レンズが強く加熱されることが原因である。従って、曲線４０，４１の比較から、レンズの温度及びレンズの吸収度について推定することができる。

レーザ装置の略図レーザ加工ヘッドの部分断面図超音波信号の種々異なる信号経路の例を説明するための略図検出された経過時間変化を時間に亘って示した例の図

Claims

例えば、レーザ加工機器のような、レーザ装置（１）の光学要素（６，７，８）の状態識別又は状態変化識別方法であって、前記光学要素（６．７．８）の温度変化時に変化する量が検出される方法において、光学要素（６，７，８）内に超音波信号（２１）を入力し、該超音波信号（２１）の経過時間及び／又は経過時間変化（Δｔ_１）を、予め設定された、又は、予め設定可能な区間に沿って前記光学要素（６，７，８）によって検出することを特徴とする方法。
経過時間及び／又は経過時間変化（Δｔ_１）を、光学要素（６，７，８）の電磁波ビームの吸収度で、又は、当該吸収度の変化で推定する請求項１記載の方法。
経過時間及び／又は経過時間変化（Δｔ_１）を、光学要素（６，７，８）の温度で、又は、当該温度の変化で推定する請求項１又は２記載の方法。
予め設定された、又は、予め設定可能な区間を、光学要素（６，７，８）の中心、殊に、中間点を通るようにする請求項１から３迄の何れか１記載の方法。
超音波信号（２１）を光学要素（６，７，８）内に入力する請求項１から４迄の何れか１記載の方法。
区間を、光学要素（６，７，８）の縁領域だけを通るようにし、殊に、中間点を通らないようにする請求項１から３迄の何れか１又は請求項５記載の方法。
超音波信号（２１）を、反射を用いて、複数回、光学要素（６，７，８）に案内する請求項１から６迄の何れか１記載の方法。
経過時間のグラジエント乃至勾配を求める請求項１から７迄の何れか１記載の方法。
光学要素（６，７，８）に電磁波ビーム、殊に、レーザを照射し、該照射の間、及び、予め設定された、又は、前記照射の終了後、予め設定可能な時間期間の間、経過時間及び／又は経過時間の変化（Δｔ_１）を検出する請求項１から８迄の何れか１記載の方法。
光学要素（６，７，８）に、複数回、順次連続してインターバル状に電磁波ビームを照射する請求項９記載の方法。
経過時間及び／又は経過時間の変化（Δｔ_１）を予め設定された又は予め設定可能な時間間隔で検出する請求項１から１０迄の何れか１記載の方法。
光学要素（６，７，８）の周囲環境を記述する量を検出し、及び／又は、設定し、経過時間及び／又は経過時間の変化（Δｔ_１）の評価の際に考慮する請求項１から１１迄の何れか１記載の方法。
前記周囲環境を記述する量に依存して、特性フィールドが形成され、実際の経過時間又は経過時間の変化（Δｔ_１）を前記特性フィールドを用いて解析する請求項１から１２迄の何れか１記載の方法。
レーザビーム（５）のビーム路内に設けられた、少なくとも１つの光学要素（６，７，８）と、温度変化時に変化する量の検出用の検出装置（１０−１２）を有するレーザ装置（１）、例えば、レーザ加工機器において、光学要素（６，７，８）内に超音波を入力するための超音波送信器（３１）が設けられており、検出装置（１０−１２）は、超音波受信器（３４）を有していることを特徴とするレーザ装置。
検出装置（１０−１２）は、超音波送信器と超音波受信器を有している請求項１４記載のレーザ装置。
少なくとも１つのレフレクタが、超音波信号（２１）の反射のために設けられている請求項１４又は１５記載のレーザ装置。
少なくとも１つの結合要素（２０）が設けられており、該結合要素（２０）は、超音波送信器（３１）又は超音波受信器（３４）と、光学要素（６，７，８）との間に設けられている請求項１４から１６迄の何れか１記載のレーザ装置。
結合要素（２０）は、光学要素（６，７，８）に適合可能である請求項１４から１７迄の何れか１記載のレーザ装置。
検出装置（１０−１２）と結合された評価装置（１３−１５）が設けられている請求項１４から１８迄の何れか１記載のレーザ装置。