JP2018141786A - 高出力光ファイバーケーブルを用いるレーザーシステムの処理性能をモニターするための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２０ｋＷ以上の高出力光ファイバーケーブルの性能をモニターすること。
【解決手段】光ファイバーケーブル３は入射ビームの入口端部１と、出口端部２を有しており、端部の少なくとも１つには光ファイバーケーブル状態をモニターするためのセンサー手段１４を有するコネクタ装置４、５が設けられ、センサー手段はコネクタ装置内部に位置し、散乱光、温度などのコネクタ装置内の特定の状態を検出するだけでなく、動作中のレーザー適用処理をモニターおよび制御する。センサー手段は測定信号が閾値よりも高い場合にインターロック遮断を作動させるため、ファイバーインターロック回路３０に接続され、閾値との信号の比較はコネクタ装置の内部で統合される。センサー手段はコネクタ装置の後部にあるダイオード１５、１６、１７を含んでいる。ファイバーコネクタの内部で一体化される信号制御を有する高速インターロック遮断システムが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力光ファイバーケーブル、とりわけ、２０ｋＷ以上の電力レベルを送信するために作られた光ファイバーケーブルの性能をモニターするための装置に関する。一般に、光ファイバーケーブルは、入射ビーム光のための入口端部と、入射ビーム光が光ファイバーを出る出口端部を有しており、端部の少なくとも１つには、光ファイバーケーブル状態をモニターするためのセンサー手段を有するコネクタ装置が設けられる。

高光出力を送信するための光ファイバーは、産業用途で頻繁に使用されている。とりわけ、これらは、高出力レーザー照射による切断や溶接の作業で用いられているが、高温環境での加熱、検知、または動作の操作などといった他の産業用途でも、この種の光ファイバーは使用することができる。光ファイバーによって、高出力レーザー源からワークピースにレーザー光線を送信するための柔軟な生産システムを設計することが可能である。光ファイバーは一般的に、内部ガラスコアと、内部ガラスコアよりも屈折率の低い透明な周囲の層、いわゆるクラッディングとを有している。クラッディングの機能は光学ビームをコアで閉じ込めたままにしておくことである。

長い間、ＣＯ_２レーザーは、高出力の産業用レーザーの市場では主要なプレーヤーだった。しかしながら、９０年代の初頭、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは高出力用途のツールとして台頭し、このタイプのレーザーの光ファイバー技術の開発が話題になった。

高出力レーザー照射のための光ファイバーシステムを設計するとき、「リークしている（ｌｅａｋｉｎｇ）」または損傷を受けたファイバーからの放射線は重大な身体障害を起こしかねないこともあるため、ファイバーはいかなる方法でも損傷を受けていないことが重要である。したがって、特定のモニタリングシステムによってファイバーの状態をチェックすることは従来から知られている。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および、特許文献５を参照する。

しかしながら、安全性の理由だけでなく、ファイバー前記損傷または欠陥によりシステムの他の部分の二次的な損傷を防ぐためにも、光ファイバーの損傷を検出することが重要である。

上で引用された検出システムの弱点は損傷の検出が遅すぎるという事実にある。損傷を受けたファイバーからの放射線が検出されるときには、光学系への二次的な損傷は既に生じているかもしれない。

特許文献６には、入射する光の放射からの実質的に放射状に広がる放射線を検知するための検出器がファイバーの入口および／または出口部分に接続して配されている、デバイスが記載されている。この放射状に広がる放射線が特定のレベルを超過する場合、このデバイスが、ファイバーの入口および／または出口領域の損傷の指標として使用される。検出器は、ファイバーの入口または出口の端部に接続して、または、端部から距離を置いて配され、放射状に広がる放射線は光学装置によって検出器に送信されるように配される。

しかしながら、２０ｋＷの出力レベルの高輝度レーザーや同様に１０ｋＷを超えるダイオードレーザーを用いる産業用途では、光ファイバーケーブルなどの受動部品でも部品の状態を絶えずモニターする需要が増えている。欧州自動車産業（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）のファイバー標準インタフェースに従って設計された光ファイバーケーブルを用いて、膨大なレベルの電力損失をモニターして処理することに対する需要がある。特許文献６で記載されているように、ファイバーの入口または出口の端部から距離を置いて配された検出器と光学を備えていない、より堅固でより柔軟なコネクタを提供することに対する需要もある。

米国４，８１２，６４１号 ＤＥ４０３２９６７号 ＤＥ３２４６２９０号 ＤＥ３０３１５８９号 米国５，４９７，４４２号 ＷＯ０３／０１６８５４号

本発明は、レーザー性能をモニターするための非常に速くて信頼できるセンサーシステムを提供することを目的とする。

本発明によれば、センサー手段は、コネクタ装置の内部に位置し、散乱光、温度などのコネクタ装置内の特定の状態を検出するためだけでなく、動作中のレーザー適用処理をモニターおよび制御するために配される。

本発明の好ましい実施形態によれば、センサーは、測定された信号が閾値よりも高い場合に、インターロックの遮断を作動させるために、ファイバーインターロック回路（ｆｉｂｅｒ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ）に接続され、閾値との信号の比較は、コネクタ装置の内部で統合される。閾値は絶対値または差分値（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖａｌｕｅ）に設定されてもよい。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、センサーは閉ループ回路のファイバーインターロック回路に接続される。

以下において、本発明は、添付の図面を参照して詳細に記載されている。

本発明にかかるセンサーを含む入出力光ファイバーコネクタのモデルを概略的に示している。 ガラスキャピラリーおよびモードストリッパーを備えた光ファイバー設計を示す。 ガラスキャピラリー、モードストリッパー、および、ガラスシリンダー、好ましくは石英で作られたガラスシリンダーを備えた光ファイバー設計を示す。 コネクタ内部に冷却水を備えた光ファイバー設計を示す。 ガラスシリンダーが異なる波長に光を分離している光ファイバー設計を示す。 本発明にかかるファイバーインターロック回路を示す。

図１は、光ファイバー（３）の入力端部（１）と出力端部（２）のモデルを概略的に示す。光ファイバー（３）には、入力端部（１）に入力側コネクタ（４）が、出力端部（２）に出力側コネクタ（５）が設けられている。光ファイバー（３）それ自体は、例えば、石英ガラス製のコアと、例えば、ガラスまたは適切な屈折率を有するポリマーでできた、ガラスのコアよりも屈折率の低い周囲のクラッディングとを有する従来の設計を有している。クラッディングの機能は、放射線が出力端部（２）でファイバーを出るまで長手方向にファイバーを通って送信されるように、コア内部で放射線を保つことである。

コアとクラッディングはファイバーの光学的に活性な部分である。クラッディングの外部には、ファイバーの機械的強度を高めるために、バッファ層とジャケット（６）の形態で配されたさらなる層がある。もっとも一般的なバッファ材料はシリコーンゴムのような材料である。機械的強度については、バッファ層がクラッディング表面に十分にくっつくことが重要である。ジャケットの材料は、例えば、アクリル酸塩、ナイロン、またはテフロンのような材料であるテフゼルでありうる。コア、クラッディング、バッファ、およびジャケットの層の配置は、それ自体知られており、ここでは詳細は記載しない。

欧州自動車産業によって定義されている、一般的なファイバーインタフェースの要求を満たすために、入力側コネクタ（４）はレーザー源にファイバーを接続するのに適した外部設計を有しており、出力側コネクタ（５）は製造インタフェースに適した外部設計を有している。この型のファイバーコネクタの内部デザインに関しては、それは、最小の電力損失と、ワークピースからの後方に反射した光を効率的に吸収する内部水冷のための、両方のファイバー端部での石英製のガラスシリンダーを例証しているＥＰ０６１９５０８号、ＥＰ１９８２２２１号、ＥＰ２１６２７７４号、および、ＥＰ２１９１３１１号で言及されている。

順方向での入射レーザー光（７）は、レンズ（８）またはミラーの形をした光学装置によってファイバー入力端部（１）の端面に焦点を合わされる。ファイバーの出口端部での出射光束（９）は、工業用レーザー用途のために、ワークピース（１１）上の適切な光学用レンズおよびミラー系（１０）によって焦点を合わされる。この種の工業用レーザー処理に使用されるレーザー源は一般的に、光ファイバーを使用することができる、ファイバーレーザー、ディスクレーザー、またはＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザーである。これらのタイプのレーザーに共通しているのは、放射線がファイバーを通して正しく伝送されなかった場合に人に怪我させたり光学系に損傷を与えたりするかもしれない高い光出力である。ファイバーのわずかな欠陥でさえ致命的になりかねず、人体への障害と材料損傷を引き起こしかねない。

放射線に最もさらされるファイバーのその部分は入口または出口であり、結果として、損傷が生じるのは多くの場合、この入口または出口である。この部分の損傷は、多かれ少なかれ、ファイバーから半径方向に放射線を拡散させることにもなる。図１には、ファイバー出口端部でレーザー加工によって後方に反射した光（処理光（ｐｒｏｃｅｓｓ ｌｉｇｈｔ））（１２）が示されている。同様に、以下に詳細に記載されるセンサー手段（１４）によって放射線が検出されるクラッディング層とジャケットを通ってファイバーから出るビーム光または処理光（１３）の形をした、散乱して広がった放射線が示されている。

既に述べたように、ファイバーコネクタ（４）、（５）は、最小の電力損失のために設計可能であり、ワークピース（１１）から後方に反射した光を効率的に吸収する内部水冷が設けられうる。導入部分で既に言及したように、損傷を防ぐために、広がった放射線を検知する光検出器を提供することも以前から知られている。特許文献６を参照。前記ＷＯ公報では、透明な拡散体によって直接的または間接的に放射線を検知するように検出器を配することができる。さらに、この公報には、光検出器は、好ましくは、ファイバーの入口部分に接続して配されるか、あるいは、この端部から特定の距離を置いて配されることも述べられている。

しかしながら、極端なレベルの電力損失が生じかねないときに、光ファイバーケーブルの部品の状態をより早く、正確に、かつ、確実にモニターすることへの需要がある。特許文献６に記載されているように、ファイバーの入口または出口の端部から距離を置いて配された検出器と光学装置を備えていない、より堅固でより柔軟なコネクタを提供することに対する需要がある。

本発明によれば、センサー手段（１４）は、コネクタ装置の内部、好ましくは後部にあり、動作中のレーザー適用用途をモニターおよび制御するため、および、散乱光、温度などのコネクタ装置の特定の条件を検出するために配される。センサーは、測定された信号が閾値よりも高いときにインターロックの遮断を作動させるために、ファイバーインターロック回路に接続される。具体的には、一体化したセンサー手段（１４）は、実質的に半径方向にファイバーから出る散乱光を検知するために配される。センサー手段は、レーザー源からレーザー適用処理に向かっていくレーザービームであるビーム光と、レーザー適用処理から送り返される光線である処理光とを検知するために配される。ビーム光は、レーザー源によって送信された波長のみからなり、適用処理からの処理光は、適用処理で用いられる材料と、処理がどのように行なわれるかに依存して、処理中の一部に対するレーザー光線からの反射だけでなく、それ以外の波長すべてからなる。

光ファイバーのまわりの機械的インタフェースに依存して、安全なモニタリングと処理の制御のために、光ファイバーを出る少量の光を使用することが可能である。材料の処理に使用されるレーザー光線は順方向に進む。処理そのものからの光は逆方向に進み、クラッディングとバッファの層を通って、および、ジャケットを通って、センサー手段（１４）によって検出され得る。センサー手段は、センサーを置くにはうってつけの場所である光コネクタの後部に位置付けられる。ここにセンサーを置くことによって、センサーは、ほこりや処理への他の効果から良好に保護される。精度と信頼度は持続するであろうし、ファイバーを変更すると、同じ信号はいくつかのオフセットに容易にアクセス可能となるであろう。

すでに述べられたように、センサー手段に対する信号は順方向にビームから生じ得るか、あるいは、適用処理から後方に反射したビーム光または処理光から生じうる。順方向からのビーム光と、後方反射した方向からのビーム光を区別するために、２つのコネクタを一緒に使用することができる。後部に反射したビーム光は両方のコネクタで目に見えるが、出力側コネクタ（５）の内部のほうがより強くなる。

順方向の光であるビーム光は、ファイバーに入るビームをモニターするために、および、ファイバーを正確に位置合わせするべくセンサー手段（１４）からの信号を用いるために、使用され得る。処理光は処理と適用をモニターするために使用することができる。センサー手段を用いて処理光を見ることによって、処理を適切にしたり、調節を行ったりすることができる。

センサー手段は、この場合、散乱光を検知するのにふさわしいタイプのダイオードである、３つの別々の光ダイオード光センサー、つまり、ＩＲ光センサー（１５）、ＲＧＢ光センサー（１６）、および、ＵＶ光センサー（１７）を含んでいる。この種の光センサーは散乱光に反応する。散乱光はその光センサーをセンサーの中で最も早いセンサーとする。センサーによって検知されるコネクタの内部の光の値のいかなる増加もファイバー欠損の指標である。センサーは、光ファイバーの露出したコアを直接観測している。光を使用することによって、光センサーの高速反応は、レーザーシステムの任意のさらなる損傷を回避する貴重なツールである。ファイバーをＦＣＵ（ファイバー結合ユニット）に位置合わせする際に、センサーまたはセンサー値を役に立つものとして使用することができる。

好ましくは、ファイバーコネクタ内に絶対温度（１８）および湿度（１９）のセンサーが配される。コネクタ装置内の絶対温度センサーは、ファイバーコネクタ内部の絶対温度を測定する。意図された用途は絶対温度を監督することである。それは、ファイバーの長期間の安定性の良好な指標である。一体的なデルタＴセンサーは、入る冷却水と出る冷却水の温度の違いを測定する。以下の図４−５を参照。これはファイバーコネクタの電力損失を監督する一つの方法である。ファイバーの誤った位置合わせと石英シリンダの不十分な洗浄は、ファイバーコネクタの電力損失として直接反映される状態のいくつかの例である。同様に、不十分な水の流れも高いデルタＴ値として目に見える。ファイバーコネクタ内部の湿度を測定するための湿度センサー（１９）もコネクタ内にある。意図される用途はコネクタ中のどんな水の漏れも検出することである。

図２では、ガラスキャピラリー（２０）とモードストリッパー（２１）を備えた光ファイバー設計用のセンサー手段（１４）が示されている。光センサーへの信号を増減させるように後方に反射した光を操作するために、モードストリッパーおよびガラスキャピラリーのような構造を使用することが従来から知られている。モードストリッパー（２１）は、光学室（２２）に対するクラッディングの内部の光を取り除く。光学室（２２）から、光は、ガラスキャピラリーチューブ（２０）を通ってコネクタの後部の光センサー（１４）に伝送され得る。ガラスキャピラリーチューブを通って光検出器へと後方反射した光は、図２の２３によって示されている。ビーム光または処理光は、バッファとジャケットを通って光ファイバーを出て、ガラスキャピラリー（２０）を通った光と同じ方法で検出される。

図３では、ガラスキャピラリー（２０）、モードストリッパー（２１）、および、ガラスシリンダー（２４）を備えた光ファイバー設計と組み合わせたセンサー手段（１４）が示されている。光学室を密閉すること、および、コネクタの入口を終端させる、ＡＲコーティングを含むまたは含まないガラスシリンダー（２４）によって、コネクタ設計に優れた性能を加えることは、従来から知られている。図２のように、ガラスキャピラリーチューブを通って光検出器に至る後方反射した光も図３に示されている。

図４では、ガラスシリンダー（２４）の後ろのコネクタ内部の冷却水（２６）とガラス（石英）キャピラリーとを備えた光ファイバー設計と組み合わせたセンサー手段（１４）が示されている。この場合、光学室は、コネクタを冷やし、および、レーザー適用によっては使用されない後方反射した光を吸収するために、水で満たされる。冷却水はガラスシリンダー（２４）の真後ろで浮かんでおり、光ファイバーとモードストリッパーを囲んでいる。水はさらに、光学室と、光センサー（１４）が位置付けられるコネクタの後部部分との間の光送信機であるガラスキャピラリー（２０）を囲んでいる。ガラスキャピラリーチューブを通って光検出器に至る後方反射した光は、図４で２５によって示されている。

入ってくる水の温度Ｔｉｎと出ていく水の温度Ｔｏｕｔを測定することによって、示差温度ｄＴを計算することができる。光センサーからの信号と一緒に、これは、レーザー光線が使用される適用からの強力なフィードバック指標である。これらの２つの信号（光センサー信号と示差温度信号）は、モニターすることができ、閉ループ回路において適用処理の調節を手助けすることができる。これは結局、レーザー処理における質と効率を改善する。

図５では、ガラスシリンダー（２４）の後ろのコネクタ内部の冷却水（２６）とガラス（石英）キャピラリーとを備えた光ファイバー設計と組み合わせたセンサー手段（１４）が示されており、ガラスシリンダー（２７）は異なる波長に光を分離している。光ファイバーの終端としてガラスシリンダー（２７）を使用することによって、処理光はガラスシリンダーの内部のスペクトル（２８）に分かれる。焦点は、異なる屈折率を備えた材料を交差する異なる波長によって変わる。これが最終的に、ガラスキャピラリー（２０）を介する光センサー（１４）に対する信号を増加させる。ガラスキャピラリーチューブ（２０）を通って光検出器に至る後方反射した光は、図５では２８によって示されている。

これまでに記載されたセンサーはすべて、ファイバーインターロック回路に接続されており、図６に例証されるように、測定された信号が閾値（３１）よりも高いときに、インターロックの遮断が可能な機能が作動する。３２での比較について、閾値は絶対値または差分（値が異なる）値に設定されてもよい。

信号の制御がファイバーコネクタの内部の電子機器と一体的であるので、それは非常に高速なインターロック遮断システムである。同様に、すべての信号を記録することができるので、インターロックの遮断の瞬間の前に、コネクタの内部で何が起こったかを評価することが可能である。光ファイバーコネクタとの通信は、好ましくは、ＣＡＮインタフェース経由で提供される。したがって、光センサー（１４）からのＣＡＮメッセージを制御するために、既存のレーザーホスト制御を開発することが簡単である。

センサーは、閉ループ回路の設定において、ファイバーインターロック回路に接続されており、ファイバコネクタセンサー電子機器のメインループは、例えば１０ミリ秒ごとにパラメーターを測定する。設定された閾値との比較は反復するたびに行う。中継ユニットの中断時間は約３ミリ秒である。その後、センサーがインターロック回路を遮断する時間は２０ミリ秒未満である。応答時間は、センサーが反応し、インターロック回路を遮断する時間を意味する。材料をウォームアップするための時間が常に存在し、この時間は応答時間に含まれない。この理由のため、前記センサーは光に反応するので、最も速い。センサーは、インターロック回路の中継ユニットを制御することができ、および、設定値でインターロックを遮断することができる、異なる閾値に設定可能である。閾値は、レーザー適用処理をモニターするためにも使用されるコンピューターによって設定することができる。

本発明は上に記載された実施例に限定されないが、以下の請求項の範囲内で変えることができる。

Claims (16)

1. 高出力光ファイバーケーブル（３）、具体的には、入射ビーム光のための入口端部（１）と、入射ビーム光が光ファイバーを出る出口端部（２）とを有する、２０ｋＷ以上の電力レベルを送信するために作られた光ファイバーケーブルを用いて、レーザーシステムの処理性能をモニターするための装置であって、
   前記の端部の少なくとも１つには、光ファイバーケーブルの状態をモニターするためのセンサー手段（１４）を有するコネクタ装置（４、５）が設けられており、
   センサー手段（１４）は、コネクタ装置（４、５）の内部に位置し、コネクタ装置（４、５）内の特定の状態を検出するためだけでなく、動作中のレーザー適用処理をモニターおよび制御するために配される、ことを特徴とする装置。
2. センサー（１４）は、測定された信号が閾値（３１）よりも高い場合に、インターロックの遮断を作動させるために、ファイバーインターロック回路（３０）に接続され、閾値との信号の比較は、コネクタ装置（４、５）の内部で統合される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記閾値（３１）は絶対値に設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記閾値（３１）は差分値に設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. センサー手段（１４）は、コネクタ装置（４、５）の後部にある、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. センサー手段（１４）は、レーザー源からレーザー適用処理に向かっていくレーザービームであるビーム光と、レーザー適用処理から送り返される光である処理光の形態の散乱光を検知するために配される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. センサー手段（１４）は、閉ループ回路でファイバーインターロック回路（３０）に接続される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
8. センサー手段（１４）は、実質的に半径方向に光ファイバーから出る散乱光を検知するために配される、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. センサー手段（１４）は、ファイバーケーブルを囲むガラスキャピラリーチューブ（２０）を出る後方に反射した光を検知するために配される、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. センサー手段（１４）は、少なくとも１つの光ダイオード光センサー、例えば、ＩＲ光センサー（１５）、ＲＧＢ光センサー（１６）、または、ＵＶ光センサー（１７）を含んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. センサー手段（１４）は、３つの光ダイオード光センサー、例えば、ＩＲ光センサー（１５）、ＲＧＢ光センサー（１６）、および、ＵＶ光センサー（１７）を含んでいる、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. センサー手段（１４）は、ファイバーコネクタ内部の絶対温度を測定するために、コネクタ装置（４、５）内部に絶対温度センサー（１８）を含んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. センサー手段（１４）は、ファイバーコネクタ内部を出入りする冷却水間の温度差を測定するために、コネクタ装置（４、５）内部にデルタＴセンサーを含んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. センサー手段（１４）は、コネクタ内部での水の漏れを検出するために、光ファイバー内部の湿度を測定するための、コネクタ装置（４、５）内部の湿度センサー（１９）を含んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. センサー手段（１４）からの情報は、処理の質の制御のために、レーザー適用処理へのフィードバック用に用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. センサー手段（１４）からの情報は、望ましい処理結果のためにレーザー適用処理を調整するために、閉ループ回路で実施される、ことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。