JP5252673B2 - レーザ装置の不具合診断方法および不具合修理方法 - Google Patents

Description

本願発明は、レーザ装置の不具合診断方法および不具合障修理方法並びにこれらの方法を実現するプログラムに係り、特に光学部品の劣化等に起因するレーザ装置の不具合を自動的に診断および修理する方法に関する。ここで、レーザ装置とは、医療分野で患部の治療や手術等に用いられるレーザ治療装置や工業分野で素材の加工等に用いられるレーザ加工装置等のように、レーザビームを使用して治療、加工等を実施する装置を広く表す用語として用いるものとする。また、不具合とは、レーザ装置内の光学部品等の構成部品に発生する故障や劣化等で、当該構成部品が本来予定されている機能を実行できなくなっている事象全体を表す用語として用いるものとする。

医療分野において、治療や診断等の用途に、レーザ装置が幅広く実用化されている。軟組織の切開や止血には，炭酸ガスレーザやフラッシュランプ励起ネオジムイオン（Ｎｄ）ドープイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）レーザが使用されている。また，目の角膜整形には放電励起フッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザが使用されている。さらに，歯の硬組織の穿孔加工にはエルビウムイオン（Ｅｒ）ドープＹＡＧレーザが使用されている。

医療用レーザ装置を含むレーザ装置では、光出力パワーが安定するまで装置全体を一定温度に保つために、ウォームアップ時間が設定されている。ウォームアップ時間経過後、レーザ装置の動作の異常を検出するために、冷却水の温度並びに流量、励起用ランプの電源における漏電等を各種センサにより検出して、例えば測定値が所定の閾値以下になるとインターロックが起動して、レーザ装置を停止させる機構を有している。このように、レーザ装置に係る各種の特性データを検出して、装置に異常が発生していると判断された場合に、装置を停止させるシステムについては、例えば特開平８−９７７７８号公報に記載されている。

特開平８−９７７７８号公報

上記のような異常検出システムにおいては、動作異常が発生すると、レーザ装置に付設されたディスプレイ上の警告表示や警告音等により、装置が動作異常の状態にあることをユーザに通知する。ユーザは、点検、修理等を行う保守要員に連絡して、保守要員が到着するまで待機していた。

また、多くの機種では、動作異常と判定されない動作範囲において、光学部品の劣化に伴い光出力パワーの低下があった場合に、入力電圧を増加して光出力の低下を補償するので、出力劣化の原因である光学部品に過度の負荷がかかり破壊的な損傷に至ることがあった。ユーザは、故障によって医療、加工等の行為に支障が生じる状態になって、初めて装置の異常を認識して、保守要員に修理を依頼することが多かった。

上記の異常検出方法では、レーザ装置に異常が発生するまで、保守要員に連絡が為されないので、故障の発見が遅れ、レーザ装置に過度の損傷が生じて修理が完了するまでに相当程度の時間を要するという課題があった。例えば、医療用のレーザ装置において重大な故障が発生すると、故障が修理されるまで医療行為ができなくなるという問題がある。また、故障が発生すると、ユーザでは修理できないために、保守要員に連絡して保守要員の修理が完了するまで待機する必要があり、待機中にレーザ装置が使用不能になることに起因して生じるコストを含めて修理コストがかかるという課題があった。

本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、レーザ装置の故障等の不具合を早期に発見して点検、修理等のレーザ装置の保守作業に要する時間を短縮するレーザ装置の不具合診断方法を提供することを目的とする。また、本願発明は、上記の不具合診断方法により発見された故障または部品の劣化を保守要員に連絡することなく修理して、修理コストを低減するレーザ装置の不具合修理方法を提供することを目的とする。

上記の技術的課題を解決するために、本願発明によるレーザ装置の不具合診断方法または不具合診断プログラムによれば、レーザ装置の光学部品から発生する散乱光の強度を測定し、レーザ装置の所定の運転環境下における散乱光の強度と光学部品の不具合の程度との関係を示すデータを参照して、散乱光の強度から不具合の程度を予測し、不具合の程度に基づいて必要とされる保守作業を判定する。

また、本願発明によるレーザ装置の不具合診断方法または不具合診断プログラムによれば、レーザ装置の光学部品から発生する散乱光の強度を測定し、レーザ装置の所定の運転環境下で予測される散乱光強度の経時変化を示すデータを参照することで光学部品の不具合の程度を予測し、不具合の程度に基づいて必要とされる保守作業を判定する。また、散乱光の強度以外にも、光学部品の動作状態を示す他の動作データを測定し、レーザ装置の所定の運転環境下で予測される他の動作データの経時変化を示すデータを参照することで光学部品の不具合の程度を予測し、散乱光の強度から導かれた不具合の程度と他の動作データから導かれた不具合の程度とに基づいて必要とされる保守作業を判定する。

また、本願発明によるレーザ装置の不具合診断方法または不具合診断プログラムによれば、レーザ装置の光学部品から発生する散乱光の強度を測定し、レーザ装置の所定の運転環境下における散乱光の強度と光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行することで光学部品の不具合の程度を予測し、不具合の程度に基づいて必要とされる保守作業を判定する。また、散乱光の強度以外にも、光学部品の動作状態を示す他の動作データを測定し、レーザ装置の所定の運転環境下における他の動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行することで光学部品の不具合の程度を予測し、散乱光の強度から導かれた不具合の程度と他の動作データから導かれた不具合の程度とに基づいて必要とされる保守作業を判定する。

また、本願発明によるレーザ装置の不具合診断方法または不具合診断プログラムによれば、レーザ装置の動作パラメータを設定できるようにする。ユーザにより動作パラメータが設定されれば、当該動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下において予測される散乱光強度等の動作データの経時変化を示すデータを検索または生成する。また、当該動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下における散乱光強度等の動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定する１または複数のメンバーシップ関数を検索または生成する。さらに、予測、判定等の結果として得られた不具合情報をネットワークを介して管理センタに報告する。管理センタでは、取得した不具合情報に基づいて、保守要員に点検または修理を指示する。

本願発明によるレーザ装置の不具合修理方法および不具合修理プログラムによれば、上記の不具合診断方法または不具合診断プログラムを用いて、修理が必要であると判定された場合に、不具合の生じた光学部品においてレーザビームが照射される位置を変更するように光学部品を移動する。また、光学部品から発生する散乱光の強度が所定の閾値以下になるまで当該光学部品を移動する。

本願発明によれば、材質劣化等に起因する表面状態の変化と相関関係を有する散乱光の強度に基づいて不具合の程度を予測するように構成したので、光学部品の劣化の進行を把握することが可能となり、重大な故障が発生する前に光学部品の修理あるいは交換を実行することができるから、レーザ装置の保守を容易にするとともに、全体としてレーザ装置の保守作業に要する時間を短縮することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、所定の運転環境下で予測される散乱光強度の経時変化を示すデータを参照して不具合の程度を予測するように構成したので、散乱光の強度から導かれる光学部品の不具合の程度の確からしさを当該光学部品の使用時間に基づいて検証することができ、光学部品の不具合の程度を精度よく予測することが可能となり、保守作業の判定結果の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、所定の運転環境下における散乱光の強度と光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行することで不具合の程度を予測するように構成したので、種々の経験則をメンバーシップ関数により表現することで、光学部品の不具合の程度を精度よく予測することが可能となり、保守作業の判定結果の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、光学部品の動作状態を示す他の動作データを測定し、当該動作データに係る経時変化を示すデータを参照することにより、あるいは当該動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行することにより、光学部品の不具合の程度を予測するように構成したので、散乱光の強度から導かれる不具合の程度と他の動作データから導かれる不具合の程度とを組み合わせることで不具合を予測するので、光学部品の不具合の程度を精度よく予測することが可能となり、保守作業の判定結果の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、レーザ装置の動作パラメータを設定して、設定された動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下において予測される動作データの経時変化を示すデータを検索または生成するか、あるいは設定された動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下における当該動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を検索または生成するように構成したので、レーザ装置の種々の運転環境毎に不具合の程度を予測することが可能となり、より的確な保守作業を実施することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、不具合情報をネットワークを介して管理センタに報告するように構成したので、不具合について大規模なデータベースを用いての解析が可能となり、より的確な保守作業を実施することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、管理センタにおいて不具合情報に基づき保守要員に点検または修理を指示するように構成したので、不具合が発生してからレーザ装置を修理するまでに要する時間を短縮することができるという効果を奏する。また、管理センタから不具合情報並びに不具合に係る解析情報を保守要員に伝えることで、レーザ装置の保守作業をより効率的に実施することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、不具合の生じた光学部品においてレーザビームが照射される位置を変更するように光学部品を移動するように構成したので、保守要員に連絡することなくレーザ装置を自動的に修理することが可能となり、修理のためにレーザ装置を停止する回数を低減するとともに修理コストを低減することができるという効果を奏する。

本願発明によれば、光学部品から発生する散乱光の強度が所定の閾値以下になるまで光学部品を移動するように構成したので、光学部品が所定の機能を発揮する位置まで光学部品を確実に移動することが可能となり、レーザ装置の修理の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

以下、本願発明によるレーザ装置の不具合診断方法および不具合修理方法の好適な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本願発明で使用されるレーザ装置の構成の一例を示す図である。レーザ装置１は、主に光発生器２と、電源部３と、冷却器４と、データ管理装置とを有して構成されている。データ管理装置は、センサ制御部６と、光源制御部７と、ＭＰＵ（マイクロ制御装置）９と、メモリ１０と、大容量記憶装置１１と、通信制御部１２とを有して構成されている。電源部３は、図示しない電気配線を介して、レーザ装置内の電気駆動部品に対して、電力を供給する。光発生器２は、レーザビーム１５を出力する。冷却器４は、光発生器２において発生する熱を熱交換する。

ＭＰＵ９は、センサ制御部６と光源制御部７との動作制御等を実施する。センサ制御部６は、電源部３、光発生器２、冷却器４に取り付けられた各センサの測定開始時間、測定間隔、測定時間幅等をセンサ毎に制御して、取得された動作データの加工を実施する。すなわち、センサ制御部６は、高速光検知器で測定した光出力の時間波形を積分してパルスエネルギーを算出すること、設定サンプル数分の光出力の平均値を算出すること等を実施する。光源制御部７は、ユーザ入力部１４を用いて設定された動作パラメータに基づいて光発生器２が動作するように、電源部３、冷却器４等の動作を制御する。これら一連の制御については、メモリ１０または大容量記憶装置１１に記録されたプログラムを実行することで、ＭＰＵが当該制御を実施する構成としてもよい。各種センサから得られた動作データはメモリ１０に蓄積されるが、ＭＰＵ９とメモリ１０とは高速データ交換を実現するので，リアルタイムに動作データを取得することが可能である。

各種センサにより検出された動作データは、まずメモリ１０に蓄積される。メモリ１０に蓄積された動作データの一部または全部は大容量記憶装置１１に転送記録され、その後メモリ１０には新しい動作データが蓄積される。さらに、大容量記憶装置１１に記録された動作データの一部または全部は、通信制御部１２を介して、外部の通信ネットワーク１３に接続される管理センタに向けて送信される。大容量記憶装置１１は、例えば磁気記録装置等の取り外し可能な記録媒体であってもよく、この場合保守要員が当該記録媒体を回収して動作データを分析することが可能になる。通信制御部１２は、通信ネットワーク１３に対して、有線により接続する構成としてもよく、また無線により接続する構成としてもよい。

次に、光発生器２について説明する。図２は、本願発明で使用される光発生器の構成の一例を示す図である。光発生器２は、主にＬＤ励起固体レーザ２１と、非線形波長変換手段２４との２つのユニットから構成されている。ＬＤ励起固体レーザ２１は、基本構成として励起手段であるレーザ結晶２６と、ＬＤ３７と、リアミラー３３と、出力ミラー３４とを有して構成されている。ＬＤ励起固体レーザ２１から出力されるレーザビームは基本波出力ビーム２３であり、ビーム整形手段２２を介して非線形波長変換手段２４に結合される。ビーム整形手段２２は、基本波出力ビーム２３の集光レンズと光アイソレータとから構成するようにしてもよい。非線形波長変換手段２４は、オプティカルパラメトリック発振器（ＯＰＯ）であり、非線形光学結晶２７と、ＯＰＯ入力ミラー３５と、ＯＰＯ出力ミラー３６とを有して構成されている。ＯＰＯ共振器は、直線上に配置される共振器構成を採るばかりでなく、例えば４枚のＯＰＯミラーによってリング型共振器として構成することも可能である。

ＯＰＯは、基本波出力ビーム２３を基にしてシグナル光とアイドラ光とを発生する。レーザ結晶としてＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いるとともに非線形光学結晶２７として周期的ドメイン反転ニオブ酸リチウム結晶（ＰＰＬＮ）を用いる場合では、温度調節器３８を用いたＰＰＬＮ温度の制御により、１．０６μｍの基本波から１．６６μｍのシグナル光並びに２．９４μｍのアイドラ光を発生する。光出力２５は、基本波、シグナル光、アイドラ光のなかのいずれか１つまたは２つの光、あるいは全ての光を含んでいる。

ＬＤ励起固体レーザ２１には、基本波出力ビーム２３の時間波形を検知する光検知器、ＬＤ３７の光出力の時間波形を検知する光検知器、並びにレーザ結晶２６およびＬＤ３７に対して熱交換する冷媒の流量と温度との一方または両方を検知するセンサ等が具備されている。これらのセンサは、センサ制御部６によって制御される。また、センサ制御部６は、基本波出力データチャネル２８、ＬＤ出力データチャネル２９、冷却水データチャネル３０等を介して、センサにより取得されたデータを入力する。さらに、非線形波長変換手段２４には、波長変換光であるアイドラ光またはシグナル光を含む光出力２５の時間波形を検知する光検知器、温度調節器３８の温度、電流、電圧のなかの少なくとも一つを検知するセンサ等が具備されている。これらのセンサも、同様にセンサ制御部６により制御される。センサ制御部６は、波長変換出力データチャネル３１、温度データチャネル３２等を介して、センサにより取得されたデータを入力する。

また、光発生器２内の１または複数の光学部品には、レーザビームが照射された際に発生する散乱光の強度を測定するための散乱光センサが取り付けられる。センサ制御部６は、これらの散乱光センサを制御して、データチャネル３９を介してセンサにより取得されたデータを入力する。また、後述するように、不具合を修理する際に光学部品を移動するために出力される制御信号をデータチャネル３９を介して伝送するように構成してもよい。

次に、不具合診断並びに不具合修理を実施するためのネットワークシステムについて説明する。図３は、本願発明で使用されるネットワークシステムの構成の一例を示す図である。レーザ装置１は、それぞれに搭載された通信制御部１２を介して通信ネットワーク１３に接続されている。この通信ネットワークには、管理センタ４１並びに保守要員待機所４２が接続されている。この通信ネットワーク１３は、例えばインターネットにより構築するのが好ましい。

レーザ装置から検出された動作データは、管理センタ４１に伝送された後、動作データベース４３に記録される。動作データベース４３は、レーザ装置１の設置されている地域、レーザ装置の種類等を基にして類別されているために、この図では複数の記録装置として表記が為されている。動作データベース４３には、それぞれのレーザ装置に係る種々の動作データが記録されており、当該データに基づいて新規に伝送されてきた動作データ等を分析することで、レーザ装置の動作状態を予測して、最適な保守作業を判定することが可能となる。

管理センタ４１は、いずれかのレーザ装置１の動作異常を検出すると、異常発生箇所を特定し、当該動作異常に対する対処法を表す異常コードを保守要員待機所４２に送信する。保守要員待機所４２において異常コードを受信した保守要員４４は、点検、修理等に必要な部品を携帯してレーザ装置１の設置場所に赴き、動作不良の部品の修理または交換等を実施する。保守要員４４は、保守修理期間中においても保守要員待機所４２と通信する通信手段を有しており作業中においても動作異常を起こしている他のレーザ装置の情報を得ることが可能であり、現在の保守作業が完了すると即座に次のレーザ装置の設置場所へ移動できるような体制が構築されている。この場合、無線通信手段としては、携帯電話またはＰＨＳを用いるようにしてもよい。さらに、各ネットワーク要素が種々の通信手段により結合されていることで、それぞれの保守作業の状態をスタッフ相互に確認することが可能となる。これにより、例えば保守要員待機所４２の監督者は、保守要員４４の作業状況を確認して最も効率のよい保守作業管理スケジュールをリアルタイムで構築することができる。

また、上記のネットワークシステムにおいては、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によりレーザ装置の機能の一部を代替することが可能である。レーザ装置のセンサ制御部６、ユーザ入力部１４、ＭＰＵ９、メモリ１０、大容量記憶装置１１、通信制御部１２等については、その機能をＰＣにより代替することが可能である。ＰＣを用いれば、例えば医療現場においては、レーザ装置に係るデータのみではなく、ユーザの使用する他の医療器具のなかで電子的な信号を出力可能な種々の医療器具に係るデータを一括管理することができる。また、当該データを管理センタにおいて管理することも可能である。

上述したように、本願発明では、レーザ装置の動作状態を検出するために種々のセンサが用いられる。図４は、不具合修理システムの構成の一例を示す図である。レーザ装置１内に設置される光発生器２の内部には光学部品５１が配置され、外部には光学部品５２が配置されている。レーザビームが光学部品５１に入射すると、光学部品の表面状態に応じて散乱光が発生する。光ファイバセンサ５３は、例えば光ファイバとフォトダイオードとから構成され、検出した散乱光の光量に応じた電気信号を出力する。散乱計測器５４は、光ファイバセンサ５３からの出力信号を入力して散乱光の強度を検出する。また、光センサ５５は、光学部品５２により一部反射されるレーザビームを受光してその光量に応じた電気信号を出力する。出力光強度計測器５６は、光センサ５５からの出力信号を入力して出力光強度を検出する。

推論制御ユニット５７は、散乱光計測器５４から出力される散乱光強度信号や出力光強度計測器５６から出力される出力光強度信号をはじめとして、各種センサから動作データに係る各種信号を入力する。また、推論制御ユニット５７は、これらの動作データに基づいて、光学部品に発生している不具合の程度を予測し、予測される不具合の程度に応じて必要とされる保守作業を判定する。判定の結果、光学部品５１に不具合が発生していて光学部品５１を修理する必要がある場合には、自動修復ユニット５８に制御信号を出力する。自動修復ユニット５８は、制御信号に応じて、光学部品５１を修理するように動作する。

ここで、光学部品において散乱光が増大する幾つかの要因について、以下に説明する。光学部品に使用される光学薄膜は、光の透過または光の反射のみを行って光を吸収しないデバイスとして扱われるが、実際には光エネルギの一部を若干吸収する。レーザビームの波長が短くなるほど光エネルギは大きくなって、吸収された光エネルギにより光学薄膜が溶融して飛散することがある。この飛散した素材がレーザビームを散乱させる。また、製造時に混入された不純物にレーザビームが照射されると熱吸収が生じて、この熱により光学部品の材質が劣化するとレーザビームを散乱させる。また、レーザ照射により電磁場が形成されることで微粒子が引き寄せられ、あるいはレーザ照射により光学的なＣＶＤ作用が生じて微粒子が発生することがあり、この微粒子がレーザビームを散乱させる。さらに、レーザビームの高エネルギにより空気中の酸素が電離して活性化し、例えばレーザ装置内に存在する揮発性低分子ガスと酸素とが結合することで酸化物が生成され、この酸化物が光学部品表面に付着してレーザビームを散乱させる。

散乱光の発生が上述のどの要因に基づいていても、レーザ発振に関与する光学部品の表面状態が変化すると、レーザビームに損失が生じるとともに、最悪の場合にはレーザ発振が停止する。また、上述の要因に基づいて膜特性が変化してレーザビームの吸収率が増大すると、当該劣化部分が発熱源となって光学部品が焼損する可能性がある。このような光学部品の劣化については、その進行に伴って散乱光が増加することが予想されるので、光学部品近傍の散乱光を計測することで、光学部品の劣化の進行程度を予測することが可能となる。

次に、光学部品の不具合の程度に係る予測方法について説明する。第１の予測方法によれば、レーザ装置の所定の運転環境下において予測される散乱光強度等の動作データの経時変化を示すデータを参照することで不具合の程度を予測する。図５は、光学部品から発生する散乱光の経時変化を示す図である。出荷時において強度Ｓ１の散乱光を発生する光学部品に対して同一強度のレーザビームを継続的に照射した場合に、時間が経過するにつれて光学部品の劣化の進行に起因する表面状態の変化により、当該光学部品から発生する散乱光の強度は増大する。散乱光の強度がＳ２までは正常状態にあると判定されるが、散乱光の強度がＳ３を超えると故障が発生していると判定される。なお、このような基準となる強度Ｓ２，Ｓ３等は、例えば実験データに基づいて定められる。

図６は、レーザダイオードに供給される電流の経時変化を示す図である。出力光強度計測器５６において計測されるレーザビームの強度が一定となるように、レーザダイオードには電流が供給される。集荷時において電流値Ｔ１の電流が供給されるＬＤ励起型固体レーザを一定のレーザ出力強度を得られるように継続的に使用すると、時間が経過するにつれて、レーザダイオードに供給される電流の電流値は増大する。所定の時間を経過すると、点線に示されるように、レーザダイオードに供給する電流を増やしても所定の強度のレーザビームを得られなくなり、レーザ装置は本来の機能を発揮できなくなる。図において、電流値がＴ２までは正常状態にあると判定されるが、電流値がＴ３を超えると故障が発生していると判定される。なお、このような基準となる電流値Ｔ２，Ｔ３等は、例えば実験データに基づいて定められる。

図５および図６に示される経時変化はレーザ装置の所定の運転環境に対応するものであり、レーザ装置を動作させる種々の運転環境に応じて、動作データの経時変化の態様は当然に異なってくる。図７は、レーザ装置の運転環境の例を示す図である。レーザ装置の運転環境が離散的である場合、すなわちレーザ装置が予め決められた幾つかの運転環境のなかのいずれかで動作する場合には、それぞれの運転環境毎に予測される経時変化を表すデータを記録しておけばよい。この場合、運転環境を規定する各動作パラメータの値をインデクスとして、対応する経時変化データを検索する。

また、レーザ装置を使用するに際して、その使用用途、使用環境等に応じてレーザ強度等について所望の出力特性を得られるように、ユーザが各動作パラメータを適宜設定できることが望ましい場合がある。このように運転環境が自由に設定できる場合には、幾つかの典型的な運転環境に対応する経時変化のデータを典型的経時変化データとして記録しておく。任意の運転環境が設定された場合には、類似の典型的運転環境を検索して、当該典型的運転環境に対応する典型的経時変化データを、設定された運転環境に対応する経時変化データとして用いることが考えられる。また、類似する複数の典型的運転環境を検索して、それぞれの典型的運転環境に対する設定された運転環境の近似度を基にして、それぞれの典型的経時変化データを線形補間することで、設定された運転環境に対応する経時変化データを求める構成としてもよい。さらに、類似する１または複数の典型的運転環境を検索して、これらに対応する典型的経時変化データに対して、例えば算出式として表される所定の変換規則を適用することで、設定された運転環境に対応する経時変化データを求める構成としてもよい。

本願発明では、レーザ装置の運転環境を規定する動作パラメータをユーザが任意に設定できるシステムを想定しており、設定された動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下において予測される当該動作データの経時変化を示すデータを、上記のように検索または生成するものとする。なお、動作データの経時変化データを用いることで、検出された動作データに基づいて予測される不具合の程度の確からしさを当該光学部品の使用時間に基づいて検証することが可能であり、突発的な要因に基づく誤った予測を防止することができる。

保守作業の必要性に係る判定については、散乱光の強度のみから判定する構成としてもよく、また散乱光の強度と他の動作データとを組み合わせて判定する構成としてもよい。図８は、保守作業の必要性についての判定パターンの例を示す図である。散乱光強度に係る３つの領域とＬＤ電流値に係る３つの領域とを組み合わせることで得られる９つの判定対象領域毎に、保守作業の必要性を示す。「問題なし」は、保守作業が必要でないことを示す。「修理」は、修理が必要であることを示す。また、「注意」および「要注意」は、至急修理する必要はないが、所定の期間内に点検、修理等の保守作業が必要であることを示す。この場合、散乱光強度およびＬＤ電流値に基づいて、レーザ装置に故障が発生するまでの期間を予測して、当該期間内に故障修理を実施するように指示するのが好ましい。

散乱光の強度と組み合わされる動作データはＬＤ電流値に限られるものではなく、例えばＬＤ電流を一定になるように制御した場合のレーザ出力光の強度、レーザ出力光のスペクトル幅、レーザビームの横モードの乱雑さを表すエムスクウェア値等を組み合わせることが考えられ、それぞれの動作データについて、図８に示されるような判定テーブルが構成される。特にレーザ装置で使用されるレーザビームがフェムト秒パルスレーザである場合には、上記の動作データに加えて、パルス幅、２次分散量、３次分散量、ジッタ等の物理量を組み合わせることが考えられる。さらに、組み合わせの対象となる要素を３種類以上としてもよい。この場合、３次元的な判定テーブルあるいは４次元以上の次元数を有する判定テーブルが構成されることになる。

次に、第２の判定方法について説明する。第２の判定方法によれば、レーザ装置の所定の運転環境下における散乱光強度等の動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行することで不具合の程度を予測する。図９は、散乱光強度に係るメンバーシップ関数を示す図である。ファジイ推論の前件部を表すメンバーシップ関数において、Ｓは散乱光の強度を示す。また、ファジイ推論の後件部を表すメンバーシップ関数において、Ｍは故障危険率を示す。

図９に示される前件部のメンバーシップ関数によれば、散乱光の強度がＳ１より小さい区間では正常領域にあり、散乱光の強度がＳ１からＳ２までの区間では正常領域にある程度が減少するとともにグレー領域にある程度が増大し、散乱光の強度がＳ２からＳ３までの区間ではグレー領域にある程度が減少するとともに故障領域にある程度が増大し、散乱光の強度がＳ３より大きい区間では故障領域にある。本願発明では、故障危険率Ｍを算出するために、ＭＩＮ−ＭＡＸ合成重心法を用いる。

図１０は、散乱光強度に基づく故障危険率の算出の例を示す図である。前件部の３つのメンバーシップ関数のそれぞれについて、測定された散乱光強度ＳＡに対する適合度を求め、それぞれの適合度に基づいて対応する後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行う。頭切りの行われたメンバーシップ関数の論理和をとることで、頭切りされたメンバーシップ関数を統合化する。この統合化されたメンバーシップ関数の重心位置を求め、散乱光強度ＳＡに対して予測される故障危険率ＭＡとする。この故障危険率ＭＡに基づいて、必要とされる保守作業を判定する。

また、第２の判定方法においても、散乱光の強度と他の動作データとを組み合わせて判定する構成としてもよい。図１１は、ＬＤ電流に係るメンバーシップ関数を示す図である。ファジイ推論の前件部を表すメンバーシップ関数において、ＴはＬＤ電流の電流値を示す。また、ファジイ推論の後件部を表すメンバーシップ関数において、Ｍは故障危険率を示す。メンバーシップ関数の態様については、ここでは散乱光の強度に係るメンバーシップ関数と同様の態様をとるものとする。

図１２は、ＬＤ電流値に基づく故障危険率の算出の例を示す図である。散乱光強度の場合と同様に、ＬＤ電流値ＴＡに対する適合度を求め、適合度に基づいて頭切りの行われたメンバーシップ関数の論理和をとることで、頭切りされたメンバーシップ関数を統合化する。散乱光強度とＬＤ電流値とを組み合わせて故障危険率を算出する場合には、それぞれの動作データに対応する統合化されたメンバーシップ関数間の論理和をとって、さらなる統合化を実行する。図１３は、複数の動作データに対応するメンバーシップ関数の統合の態様を示す図である。図１３において、（Ａ）は散乱光強度に基づいて得られたメンバーシップ関数であり、（Ｂ）はＬＤ電流値に基づいて得られたメンバーシップ関数である。（Ａ）に示されるメンバーシップ関数と（Ｂ）に示されるメンバーシップ関数との論理和をとることで得られる（Ｃ）に示されるメンバーシップ関数の重心位置を求め、散乱光強度ＳＡおよびＬＤ電流値ＴＡに対して予測される故障危険率ＭＡとする。この故障危険率ＭＡに基づいて、必要とされる保守作業を判定する。

図９および図１１に示されるメンバーシップ関数はレーザ装置の所定の運転環境に対応するものであり、レーザ装置を動作させる種々の運転環境に応じてメンバーシップ関数の態様は当然に異なってくる。上述した動作データの経時変化データと同様に、メンバーシップ関数についても、典型的なメンバーシップ関数を記録しておいて、個々の運転環境に対応するメンバーシップ関数を線形補間により求めるか、あるいは所定の変換規則を適用して求めるように構成するのが好ましい。本願発明では、レーザ装置の運転環境を規定する動作パラメータをユーザが任意に設定できるシステムを想定しており、設定された動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下における動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定するメンバーシップ関数を検索または生成するものとする。

光学部品の劣化が相当程度進行してレーザ装置が動作異常の状態にあり修理が必要であると判定された場合には、動作異常にあることを管理センタに通報し、損傷程度が低い場合には自動的にあるいは遠隔操作により不具合箇所を修理する。本願発明では、例えば光学部品を移動することで、レーザ装置を修理する。図１４は、光学部品の移動によるレーザ装置修理の概略を示す図である。レーザビーム６１が入射する光学部品６２では、上述したような劣化要因により損傷領域６３が発生する。光学部品と比較すると、光学部品表面におけるレーザビームの直径は小さいために、光学部品表面上において損傷領域６３が占める面積は相対的に小さなものとなる。修理を指示する制御信号を入力した自動修復ユニット５８は、レーザビームの照射方向に対して垂直な方向に光学部品６２を移動して、光学部品６２においてレーザビーム６１が入射する部位を損傷領域６３から外れるようにする。これにより、レーザ装置全体を再び稼動状態に復帰させることが可能となる。

上記の光学部品の移動については、予め定められた所定の距離だけ光学部品を移動する構成としてもよい。また、散乱光センサで散乱光強度を測定している状態で光学部品を移動して、散乱光強度が所定の閾値以下になると移動を停止するような構成としてもよい。これにより、光学部品において損傷領域外の部位にレーザビームを確実に照射することが可能となる。なお、上記のような修理方法は、中心部位に対してレーザビームを照射する必要のない光学部品に対して適用するのが好ましい。

次に、不具合診断方法および不具合修理方法について、具体的に説明する。図１５は、本願発明に係る不具合診断方法および不具合修理方法を示すフローチャートである。これらの方法については、例えば当該フローチャートに示された各工程を実行する個々のモジュールプログラムから成るソフトウエアプログラムをメモリ１０に記憶させて、当該プログラムを実行することで実現することが可能となる。レーザ装置が起動されると、ユーザは、メモリ１０に所望の動作パラメータを記憶させる（ステップＳ１）。レーザ装置の運転環境を規定する動作パラメータの種別としては、例えば光出力エネルギ、パルス繰り返し数、パルス幅等が上げられる。動作パラメータが一旦設定されると、次に動作パラメータが変更されるまで、レーザ装置が同一の運転環境下にあるとみなされ、動作異常の判定には共通の基準が適用される。すなわち、ユーザに設定された運転環境に応じて、散乱光強度等の動作データについて経時変化データまたはメンバーシップ関数をデータベースから検索し、必要であれば検索されたデータに基づいて設定された運転環境に対応するデータを生成する。

レーザ装置の運転環境が設定されると、レーザ装置が動作中であるか否かを判定する（ステップＳ２）。レーザ装置が動作中でない場合には、この判定ステップを繰り返す。すなわち、レーザ装置が動作中であると判定されるまで、次の工程に移行するのを待機する。レーザ装置が動作中であると判定されると、レーザ装置内に取り付けられた各種のセンサから取得する動作データをメモリ１０に蓄積する（ステップＳ３）。

レーザ装置に係る動作データが記憶されると、ＭＰＵ９は、メモリ１０に蓄積された散乱光強度等の動作データを基にして、経時変化データを参照すること、あるいはファジイ推論を実行することにより、光学部品の不具合の程度を予測する。ＭＰＵ９は、この予測された不具合の程度に応じて、必要とされる保守作業を判定するとともにレーザ装置が異常状態にあるか否かを判定する（ステップＳ４）。また、ＭＰＵ９は、予測される不具合の程度、不具合の発生した光学部品、必要とされる保守作業の種別等を特定する不具合情報を作成してメモリ１０または大容量記憶装置１１に記憶する。

ステップＳ４において、レーザ装置が動作異常の状態にはないと判定された場合には、メモリ１０に記憶されたサンプル数が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。サンプル数が所定の閾値に達していない場合には、処理をステップＳ２に復帰させる。また、処理が所定の閾値に達している場合には、メモリ１０に記憶された動作パラメータおよび動作データを転送して大容量記憶装置１１に記憶させる（ステップＳ６）。この実施の形態では、メモリ１０に記憶されているサンプル数が所定の閾値以上になるとメモリから大容量記憶装置へデータを転送する構成としているが、例えば記憶されるデータがメモリ１０の制限容量に達すると、データを転送する構成としてもよい。さらに、レーザ装置が動作中でなくなったことを示す信号をトリガとして、データを転送する構成としてもよい。

動作データが大容量記憶装置に転送されると、現在の時刻が所定の伝送時刻を経過しているか否かを判定する（ステップＳ７）。所定の伝送時刻を経過していない場合には、処理をステップＳ２に復帰させる。また、所定の伝送時刻を経過している場合には、ＭＰＵ９は、大容量記憶装置１１に記憶された動作データの一部または全部を通信制御部１２を介して外部の通信ネットワーク１３に接続された管理センタに向けて送信する（ステップＳ８）。なお、動作データの管理センタへの送信については、送信時刻の監視プログラムを別途動作させて、所定の時刻になると図１５に示されたアルゴリズムを実行するプログラムに割り込みを入れて、動作データを送信する構成としてもよい。例えば、医療用レーザ装置であれば、医療行為の行われない時刻に動作データを送信する構成とするのが好ましい。

ステップＳ４において動作異常の状態にあると判定された場合には、必要であれば電源部３を制御してレーザ装置の運転を停止する（ステップＳ９）。また、レーザ装置が動作異常の状態にあることを管理センタに通報するとともに、不具合情報を管理センタに送信する（ステップＳ１０）。

動作異常の発生を管理センタへ通報した後、ＭＰＵ９は、動作異常の態様や異常発生箇所に基づいて、自動的に修理が可能であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。修理が可能である場合には、レーザ装置内の１または複数の構成部品に対して、修理を指示する制御信号を出力する（ステップＳ１２）。この自動的な故障修理については、上述したように、例えば光学部品を移動して、レーザ光線の照射位置から損傷部位を外すことで実現することが可能である。

また、修理が完了した後に、必要である場合には、レーザ装置の緊急停止を解除してレーザ装置を再始動させる。再始動を可能であると判定する場合には、修理が完全に完了した場合や、異常を示す動作データが外部環境のノイズによる突発的なものであって異常を示すデータの前後のデータは正常である場合等があげられる。但し、異常を示す動作データが突発的なものである場合には、保守要員により当該動作データが検出された部品を検査するように指示するのが好ましい。

ステップＳ１１において、修理が可能ではないと判定された場合には、例えばレーザ装置に付設されたディスプレイを用いてメッセージを表示して、ユーザに対して保守要員が到着するのを待機するように指示する（ステップＳ１３）。なお、動作異常の程度が低い場合には、レーザ装置の運転を継続することも可能であり、この場合処理をステップＳ２に復帰して、レーザ装置の監視を継続する。

なお、上記の実施の形態により説明されるレーザ装置の不具合診断方法および不具合修理方法は、本願発明を限定するものではなく、例示することを意図して開示されているものである。本願発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載により定められるものであり、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において種々の設計的変更が可能である。

例えば、レーザ装置に動作異常が発生しているか否かの判定については、上記のようにレーザ装置内で判定する構成としてもよく、また送信された不具合情報に基づいて管理センタにおいて判定する構成としてもよい。また、修理可能であるか否かの判定および再始動を実施するか否かの判定についても同様である。なお、管理センタにおける判定は、コンピュータを用いて自動的に判定してもよく、また専門家がデータを見て判定するようにしてもよい。

本願発明は、医療分野で用いられるレーザ治療装置や工業分野で用いられるレーザ加工装置等のレーザ装置の不具合の診断および修理に広く適用されるものである。

本願発明で使用されるレーザ装置の構成の一例を示す図である。 本願発明で使用される光発生器の構成の一例を示す図である。 本願発明で使用されるネットワークシステムの構成の一例を示す図である。 散乱光センサを用いての光学部品の散乱光計測の概略を示す図である。 散乱光強度の経時変化を示す図である。 レーザダイオードに供給される電流の経時変化を示す図である。 レーザ装置の運転環境を規定する動作パラメータの一例を示す図である。 保守作業の必要性についての判定パターンの例を示す図である。 散乱光強度に係るメンバーシップ関数を示す図である。 散乱光強度に基づく故障危険率の算出の例を示す図である。 ＬＤ電流に係るメンバーシップ関数を示す図である。 ＬＤ電流値に基づく故障危険率の算出の例を示す図である。 複数の動作データに対応するメンバーシップ関数の統合を示す図である。 光学部品の移動によるレーザ装置修理の概略を示す図である。 本願発明に係る不具合診断方法および不具合修理方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ レーザ装置、２ 光発生器、３ 電源部、４ 冷却器、６ センサ制御部、７ 光源制御部、８ 制御用配線、９ ＭＰＵ、１０ メモリ、１１ 大容量記憶装置、１２ 通信制御部、１３ 通信ネットワーク、１４ ユーザ入力部、１５ 光出力

Claims (7)

1. レーザ装置内の光学部品から発生する散乱光の強度を測定する散乱光強度測定工程と、
   レーザ装置の所定の運転環境下において予測される散乱光強度の経時変化を示すデータを参照して、測定した散乱光の強度から光学部品の不具合の程度を予測する予測工程と、
   レーザ装置内の光学部品の散乱光以外の他の動作状態を示す他の動作データを測定する動作データ測定工程と、
   レーザ装置の所定の運転環境下において予測される他の動作データの経時変化を示すデータを参照して、測定した他の動作データから光学部品の不具合の程度を予測する第２予測工程と、
   散乱光の強度から導かれた不具合の程度と他の動作データから導かれた不具合の程度とから、光部品の不具合の程度を統合することによって、必要とされる保守作業の種類を判定する保守作業判定工程と、
   を有し、
   前記予測工程は、レーザ装置の所定の運転環境に基づいて散乱光強度の経時変化を予測し、予測した経時変化を示すデータを測定した散乱光の強度と比較することにより、散乱光強度に関して、光学部品の不具合の程度を予測し、
   前記第２予測工程は、レーザ装置の所定の運転環境に基づいて他の動作データの経時変化を予測し、予測した経時変化を示すデータを測定した他の動作データと比較することにより、他の動作データに関して、光学部品の不具合の程度を予測する、
   ことを特徴とするレーザ装置の不具合診断方法。
2. レーザ装置の動作パラメータを設定する工程をさらに有し、
   少なくとも散乱光の強度を含む１または複数の動作データについて、設定された動作パラメータにより規定されるレーザ装置の運転環境下において予測される当該動作データの経時変化を示すデータを検索または生成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の不具合診断方法。
3. 前記予測工程は、
   レーザ装置の所定の運転環境下における散乱光の強度と光学部品の不具合の程度との関係を規定する１または複数のメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行し、光学部品の不具合の程度を予測する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置の不具合診断方法。
4. 前記第２予測工程は、
   レーザ装置の所定の運転環境下における散乱光以外の他の動作データと光学部品の不具合の程度との関係を規定する１または複数のメンバーシップ関数を基にしてファジイ推論を実行し、光学部品の不具合の程度を予測する、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置の不具合診断方法。
5. 前記ファジイ推論のための１または複数のメンバーシップ関数を検索または生成する、ことを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載のレーザ装置の不具合診断方法。
6. 光学部品の不具合の程度に関する不具合情報をネットワーク経由で管理センタに報告する工程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置の不具合診断方法。
7. 予測工程による不具合の予測結果に応じて、不具合の生じた光学部品においてレーザビームが照射される位置を変更する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ装置の不具合診断方法。

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