JP5511806B2 - ガス雰囲気を含むビームガイド内に光音響測定ヘッドを備えるレーザ加工機械 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを加工するためのレーザ加工機械であって、ワーク加工のために役立つレーザビームのための、ガス雰囲気を含むビームガイドと、汚染物質に関して光音響効果を用いて前記ビームガイド内の前記ガス雰囲気を検査するための装置（「検査装置」）とを備え、該検査装置が、前記ビームガイドの前記ガス雰囲気及び出力に関して変調されるレーザビームを含む測定チャンバと、該測定チャンバ内の光音響効果を検出可能な少なくとも１つの測定ヘッドとを備える形式のものに関する。

ＣＯ_２レーザを備えるレーザ加工機械では、レーザ放射が材料加工のために分子振動により発生される。一般に、発生されたレーザ放射は、ガス雰囲気を通して案内される。ガス雰囲気は、適当な手段によって、発生されたレーザビームを吸収可能な物質を含まないように維持される。

ＣＯ_２レーザ放射は、多数の分子により程度の差こそあれ強く吸収される。この吸収の前提は、分子結合の１つが、適当な結合エネルギを有していることにある。ビームガイドから遠ざけておかなければならないこのようなガス状の物質の例は、ＳＦ_６、Ｃ_２Ｈ_４、ハロゲン化炭化水素、アンモニア、アルコール、アセトン、ＣＯ_２である。

表面的には、これらのガスの有害な作用は、吸収自体にあり、この吸収に由来する、レーザ放射の加工のために必要な出力の低下にある。本質的に有害な効果は、吸収の結果生じる、レーザ放射に対する光学的な作用にあって、この光学的な作用は、ビームの発散及び位相面の歪みにある。温度上昇、及び温度上昇に起因する屈折率の変化により、レーザ放射はネガティブな影響を被る。

実験から、３ｋＷのレーザ出力での鋼板の切断を決定的に阻害するには、＜１００ｐｐｂ（０．１ｐｐｍ）ＳＦ_６の汚染で十分であることが判っている。ＳＦ_６は、１０μｍの波長で最高の吸収を示すことで知られる。

光音響効果により、レーザ加工機械のビームガイド内の汚染物質を検出可能である。光音響効果の測定は、Ｌ．Ｂ．Ｋｒｅｕｔｚｅｒの「Ｌａｓｅｒ ｏｐｔｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ‐Ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｇａｓ ａｎａｌｙｓｉｓ（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．４６ ２３９Ａ，１９７４）」において公知である。この測定方法は、変調された電磁波と特定の分子との相互作用が音を発生し、この音が極めて簡単にマイクロホンにより測定可能であることに基づく。

上位概念に相当するレーザ加工機械は、ＥＰ１３８６６９０Ａ１及びＤＥ１０２００３４９Ａ１に開示されている。これらの刊行物では、レーザ加工のために予定されたレーザ放射の一部を出力結合して、別個の測定セル内に案内することが提案されている。測定セル内において、分析したいガスが、光音響効果により汚染物質に関して検査可能である。

上位概念とは異質な従来技術は、ＤＥ１０２００５０３３４０８Ａ１及びＵＳ２００１／００２６３５４Ａ１において公知である。これらの刊行物は、構造を露光により基板上に設ける露光装置に関する。この目的のために、光源、有利にはレーザが設けられている。光源あるいはレーザから、光が基板に向けて照射される。光源と基板との間には、光源側に、設けたい構造を備えるマスクが配置され、基板側に、光学的な結像系が配置されている。光学的な結像系は、ハウジングと、ハウジングの内部に配置される複数の光学的なレンズとを備える。光学的な結像系のハウジングは、汚染物質を導出するためにガスパージされる。汚染物質は、さもなければ、光学的な結像系の機能性を阻害する。パージガス流の組成を検査するための装置が、選択的に、光学的な結像系のハウジングの内部又は外部に配置可能である。光音響効果は、これらの公知の検査装置では利用されない。

ＷＯ２００７／００４１６８Ａ１には、光音響分光計が記載されている。この分光計は、空気試料中の汚染物質を検出するために使用可能である。

ＤＥ１９５３５７２０Ａ１において、ハウジングの密閉性を検査する方法及び装置が公知である。この公知の方法及び装置では、流出するガスが、調整された光源の光線束により、ハウジングの不密性の存在時に光音響効果が測定可能であるように照明される。測定を改善するため、フィードバック回路が提案される。

ビームガイド中のガス雰囲気を調節するために、分子ふるいの使用（例えばＥＰ０７４９８００Ａ１参照）又はビームガイドのためのパージガスとしての窒素の使用（例えばＷＯ９５／３３５９４Ａ１参照）が公知である。

従来技術には、外部からのガス侵入を防止する遮蔽も属する。

本発明の課題は、レーザ加工と相互作用するビームガイドのガス雰囲気及びすべての運転ガスの監視を容易にすることである。

この課題は、冒頭で述べた形式のレーザ加工機械であって、前記ビームガイドが、測定チャンバとして設けられており、前記出力に関して変調されるレーザビームを含み、かつ前記測定ヘッドが、前記ビームガイドに組み込まれていることを特徴とするレーザ加工機械によって解決される。好ましくは、前記少なくとも１つの測定ヘッドが、前記レーザ加工機械のレーザ発生器に接続される制御兼評価ユニットとともに、前記ビームガイド内の前記ガス雰囲気を検査するための手段を形成する。好ましくは、前記制御兼評価ユニットが、レーザ出力を変調するための手段を有する。好ましくは、前記制御兼評価ユニットが、前記レーザ加工機械の機械制御部に接続されている。好ましくは、少なくとも１つの測定ヘッドが、前記ビームガイド内に組み付けられている。好ましくは、少なくとも１つの測定ヘッドが、前記ビームガイドの窓内に配置されている。好ましくは、少なくとも１つの測定ヘッドが、マイクロホンにより形成されている。本発明は、光音響に基づくビームガイド系のためのインサイチュ（ｉｎ ｓｉｔｕ）のガス測定を教示する。本発明の上述の解決手段は、ビームガイド内のガス雰囲気の重要な汚染物質の最も直接的な検出を可能にする。公知の解決手段とは異なり、ビームガイド自体が測定チャンバをなしている。レーザ発生器は、ワーク加工のためのレーザビームを発生するだけでなく、実施したい光音響測定のための測定ビームも発生する。その結果、測定ビームを発生する別個のビーム源は不要である。光音響測定は、主時間（Ｈａｕｐｔｚｅｉｔ）中、すなわち、ワーク加工中に実施されても、副時間（Ｎｅｂｅｎｚｅｉｔ）中に実施されてもよい。主時間中の測定は、ワーク加工が、測定の実施のために必要とされるような出力変調されるレーザビームを用いて実施されている場合に、考慮の対象となる。この種の出力変調されるレーザビームは、例えば金属薄板の切断加工時、加工したい金属薄板のピアシングのために役立つ。光音響効果の測定を実施するための副時間としては、例えば、レーザ加工機械の駆動軸が潤滑される時間及び／又はワーク加工中、レーザ加工ヘッドと加工したいワークとの間の所定の間隔を維持するために役立つ間隔制御が調整される時間が考えられる。副時間中に測定を実施する際、レーザビームを作業室内に出射するレーザ加工ヘッドは、特に数値制御されて、所定の位置に移動可能である。この位置で、レーザ加工ヘッドは、測定ビームを吸収するための装置と協働する。ビーム吸収器として、特に、安全装置として既に慣用されているような、レーザビームを捕捉して、このビームの出力を、ビーム吸収器から導出可能な熱に変換するために役立つ装置が使用可能である。現在、この種のビーム吸収器は、例えばレーザ共振器の出力結合ミラーにおいて使用される。

簡単な技術的な置換で、少なくとも１つの測定ヘッドは、レーザ加工機械のレーザ発生器に接続される制御兼評価ユニットとともに、ビームガイド内のガス雰囲気を検査するための手段を形成する。

制御兼評価ユニットが、レーザ出力を変調するための手段を有すると、種々異なる種類の汚染物質を監視可能である。

有利には、制御兼評価ユニットが、レーザ加工機械の機械制御部に接続されている。強度の汚染が検出されると、機械制御部は適当に、例えばレーザ加工の停止により反応可能である。さらに、ビームガイド内のガス雰囲気の、所定の限界値を超える汚染を確認すると、掃気プロセスがトリガされるようにしてもよい。掃気プロセスの枠内で、ビームガイド室は、所望の組成を有するガスでパージされる。この場合、ビームガイドの、従来慣用の永久掃気に対して軽減された永久掃気で、レーザ加工機械のビームガイド室内に所定の組成を有するガス雰囲気を形成するに十分である。ビームガイドの永久掃気を完全に省略することも可能である。

音の検出のために、少なくとも１つの測定ヘッドが、ビームガイド内に組み付けられていても、すなわち、ビームガイドの内部に設けられていてもよいし、ビームガイドの窓内に配置されていてもよい。択一的な両態様は、測定チャンバとして使用されるビームガイド内の光音響効果の直接的な測定を可能にする。ビームガイドに排気弁あるいは圧力逃がし弁が設けられている場合、測定ヘッドを上述の弁の直接的な近傍に配置することが特に有利であることが判っている。測定ヘッドをこのように配置した場合、測定される光音響効果は、特に高信頼性にビームガイドのガス雰囲気中の実際の状況を反映する。

測定装置の簡単な構造への関心から、簡単なマイクロホンの形態の少なくとも１つの測定ヘッドが使用される。本発明では、複数のマイクロホンを有するマイクロホンアレーが有利である。

以下に、本発明について例示的な概略図を参照しながら詳述する。

レーザ加工機械の三次元図である。 図１に係るレーザ加工機械の第１の構造形態のビームガイドの部分拡大図である。 図１に係るレーザ加工機械の第２の構造形態のビームガイドの部分拡大図である。

図１に示すように、レーザ加工機械１は、レーザ発生器２（ＣＯ_２レーザ）と、レーザ発生器２に対して相対的に双方向矢印３の方向で可動なレーザ加工ヘッド４とを備える。レーザ発生器２により発生されたレーザビーム５は、レーザ発生器２から出発して、ビームガイドとして役立つガスパージされたビームガイド室６を通して、加工ヘッド４に導かれ、加工ヘッド４において、レーザ加工機械１のワーク台８上に載置された金属薄板の形態の加工したいワーク７に向けて変向される。

穴あけあるいはピアシング、及びレーザ切断は、ガスの供給によりアシストされる。切断ガス９として、酸素、窒素、圧縮空気及び／又は用途特有のガスが使用可能である。どのガスが最終的に使用されるかは、どの材料が切断され、どの品質要求がワークに課されるかに依る。切断ガスは、加工ヘッドにおいて加工箇所の近傍に供給される。

ビームガイド室６は、実質的に純粋なガス、例えば窒素で満たされている。ビームガイド室６は、ベローズ又はその他のハーメチックシール（管、テレスコピックパイプ等も可）により画成される。

レーザビーム５は、レーザ加工ヘッド４内で変向され、フォーカシングされる。その結果、フォーカシングされたレーザビームが、ワークに向けて変向される。

図２及び図３に示すように、レーザビーム５は、ビームガイド室６内の特定の分子１０と相互作用して、出力吸収及び一般的にはビームの発散に至らしめる場合がある。他方、フォーカシング条件の変化は、レーザ切断時の加工結果に対して直接的な影響を有している。

この理由から、ビームガイド系は、カプセル化され、清浄化された圧縮空気又はイナートガス（窒素、ＣＯ_２フリーの圧縮空気）でパージされる。このことは、運転コストの無視できない上昇に至る。しかし、気づかないうちに、清浄でないパージガスが供給されたり、漏れ箇所を介して汚染ガスが流入したりしても、このことは、通常、認識されず、エラーの診断には手間がかかる。

それゆえ、汚染物質あるいは不純物に関してビームガイド室６内のガス雰囲気を検査する装置が設けられている。この装置は、光音響効果を利用しており、ビームガイド室６を測定チャンバとして備える。さらに、ビームガイド室６内のガス雰囲気を検査するための装置は、センサ装置を備える。センサ装置は、直接、ビームガイド室６内のガス雰囲気の汚染度を検出する。センサ装置は、主に、音のための測定ヘッド１１、例えばマイクロホンと、制御兼評価ユニット１２とにより形成されている。制御兼評価ユニット１２は、レーザ発生器２及び機械制御部１３に接続されている。

制御兼評価ユニット１２の信号に対する反応としての、あらゆる安全技術的、制御技術的かつ／又は操作技術的な措置が可能である。例えば、機械制御部１３が、レーザ加工機械１のオペレータのための警告を発してもよい。ビームガイド室６の汚染度に応じて、レーザ加工機械１を自動的に停止してもよい。択一的には、補正措置、例えばパージガス量の増加が導入されてもよい。制御兼評価ユニット１２の信号は、ビームガイド室６内のガス雰囲気をコントロールするために、閉ループ制御回路のために使用可能である。

測定装置のセンサ装置は、ビームガイド室６の任意の箇所に配置可能である。図２では、測定ヘッド１１はビームガイド室６の内部に存在する。図３は、ビームガイド室６の窓内にある測定ヘッド１１を示す。

測定は、ワーク加工中に、最終的にはレーザ加工機械１の図示しないレーザ加工ヘッドを通過してワーク加工のために使用されるレーザビームにおいて実施可能である。択一的には、測定を副時間中に実施してもよい。特に後者の場合、レーザ発生器は、発生する光音響効果の測定にとって特に有利な運転モードへ移行可能である。６〜８ｋＨｚのパルス周波数で１：１のオン・オフ比を有する出力変調が有利であることが判っている。最大出力（パルス高さ）が大きければ大きいほど、発生する測定信号は強くなる。

レーザ出力の変調のためには、制御兼評価ユニット１２が役立つ。変調時の十分に大きな出力変動（例えば＞１ｋＷ）時、ビームガイド室６内のガス雰囲気の汚染物質の励起は、音が直接ビームガイド室６で測定可能であるほどに強い。別個の測定チャンバは不要である。ビームガイド室６内のガス雰囲気の汚染物質は、レーザビーム５に沿った線形の音源を生じる。

単数若しくは複数のマイクロホン又は測定ヘッド１１は、線形の音源の音を測定する。測定ヘッド１１の出力信号は、有利には周波数領域で（例えばデジタル化及びフーリエ変換の実施により）考察される。測定効果と周囲ノイズとの間の微分を達成するために、信号がレーザ変調周波数で観察される。この周波数における振幅は、汚染の度合に相当する。

Claims (5)

1. ワーク（７）を加工するためのレーザ加工機械であって、ワーク加工のために役立つレーザビーム（５）のための、ガス雰囲気を含むビームガイド（６）と、前記ワーク加工のために役立つレーザビーム（５）を発生するレーザ発生器（２）と、汚染物質に関して光音響効果を用いて前記ビームガイド（６）内の前記ガス雰囲気を検査するための装置（「検査装置」）とを備え、該検査装置が、前記ビームガイド（６）の前記ガス雰囲気及び出力に関して変調され、光音響効果の測定を実施するために必要とされるレーザビームを含む測定チャンバと、該測定チャンバ内の光音響効果を検出可能な少なくとも１つの測定ヘッド（１１）とを備える形式のものにおいて、前記ビームガイド（６）が、測定チャンバとして設けられており、前記出力に関して変調されるレーザビームを含み、前記測定ヘッド（１１）が、前記ビームガイド（６）に組み込まれており、かつ前記測定ヘッド（１１）は、前記レーザ加工機械の、前記ワーク加工のために役立つレーザビーム（５）を発生するために設けられたレーザ発生器（２）に接続されている制御兼評価ユニット（１２）とともに、前記ビームガイド（６）内の前記ガス雰囲気を検査するための手段を形成しており、前記制御兼評価ユニット（１２）によってレーザ出力は、前記レーザ発生器（２）が前記ガス雰囲気の検査のために出力に関して変調されるレーザビームを発生し、前記ビームガイド（６）に組み込まれた測定ヘッド（１１）により出力変化に基づいて前記ビームガイド（６）内の光音響効果が検出可能であるように変調可能であることを特徴とする、ワークを加工するためのレーザ加工機械。
2. 前記制御兼評価ユニット（１２）が、前記レーザ加工機械の機械制御部（１３）に接続されている、請求項１記載のレーザ加工機械。
3. 前記ビームガイド（６）は、気密な境界を有するビームガイド室として形成されており、少なくとも１つの測定ヘッド（１１）が、前記ビームガイド室の内部に組み付けられている、請求項１又は２記載のレーザ加工機械。
4. 前記ビームガイド（６）は、気密な境界を有するビームガイド室として形成されており、少なくとも１つの測定ヘッド（１１）が、前記ビームガイド室の境界の窓内に配置されている、請求項１又は２記載のレーザ加工機械。
5. 少なくとも１つの測定ヘッド（１１）が、マイクロホンにより形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ加工機械。

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