JP6028140B2 - レーザを用いた材料加工機械の光学素子、光学素子を備えるレーザ加工ヘッド及びレーザを用いた材料加工機械を運転する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いた材料加工機械への組み付け用の光学素子に関する。

さらに本発明は、光学素子を備えるレーザ加工ヘッド及びレーザを用いた材料加工機械を運転する方法に関する。

レーザを用いた材料加工機械は、レーザ加工ヘッドを有している。レーザ加工ヘッドは、光学素子として特に少なくとも１つのレンズを有し、ＹＡＧレーザを用いた材料加工機械の場合にあっては、光学素子としてレンズの他に保護用窓も有していることができる。レーザを用いた材料加工の分野における光学素子は、レーザにより記入された材料番号及び生産日以上の標識を有しない。しかし、高出力範囲のレーザを用いた材料加工の場合、特別な問題が提起される。特に光学素子は、汚損及び／又は損耗あるいは老化し得る。これについての情報を入手すること及びこの情報を適当に使用することが望まれる。

それゆえ本発明の課題は、レーザを用いた材料加工機械により考慮可能な種々異なる情報が割り当てられた、材料加工機械用の光学素子を提供することである。

この課題は、本発明に係る、レーザを用いた材料加工機械への組み付け用の光学素子であって、材料加工機械の運転中に光学的に使用されないかつ／又はレーザビームの当たらない面を有し、この面の領域にトランスポンダが配置されており、トランスポンダが、光学素子に関する読み取り可能な情報を包含する、レーザを用いた材料加工機械への組み付け用の光学素子によって解決される。

このような光学素子により、光学素子の組み付け状態についてのデータだけでなく、光学素子の使用中に変化する特性についてのデータも格納し、レーザを用いた材料加工の際に考慮することが可能である。このことは、特に高出力範囲、すなわち１ｋＷ以上の出力でのレーザ加工の際に有利である。それゆえ、本発明に係る光学素子は、好ましくは１ｋＷ以上の出力のレーザでの使用に好適である。

光学素子は、透過性又は反射性の光学素子であってもよい。特に光学素子は、光学素子そのもの、すなわちホルダ、ソケット、ハウジング等を有しない光学素子であってもよい。つまり、光学素子は、光学的に活性の素子（ｏｐｔｉｓｃｈ ａｋｔｉｖｅｓ Ｅｌｅｍｅｎｔ）という意味での光学素子、例えばレンズ、保護用窓、ビームスプリッタ、リフレクタ、ミラー、フィルタ等であってよい。しかし、本発明の範囲内での光学素子とは、取り付け部品、例えばソケット、ホルダ、ハウジング等を有する光学的に有効な素子（ｏｐｔｉｓｃｈ ｗｉｒｋｓａｍｅｓ Ｅｌｅｍｅｎｔ）と解されてもよい。

透過性の光学素子では、例えば、運転中、中央の領域だけが光学的に使用されるか、あるいは中央の領域だけにレーザビームが当たる一方、周辺領域にはレーザビームが当たらないか、あるいは周辺領域は光学的に使用されない場合がある。この場合、トランスポンダは、光学素子の光学特性を運転中に妨げることなく、周辺領域に配置可能である。

反射性の光学素子では、例えば光学素子の反射面とは反対側の面は、光学的に使用されておらず、レーザビームは当たらない。この場合、トランスポンダは、この面、特に光学素子の背面に配置可能である。

また、トランスポンダが、それ自体としては光学的に使用可能な面領域の一部を覆うようにか、あるいはこの面領域の一部に影を作るように、トランスポンダを光学素子に配置してもよい。これにより、覆われた面区分あるいは影となった面部分は、本発明の意味での、レーザ加工機械の運転中に光学的に使用されないかつ／又はレーザビームの当たらない面に該当する。

トランスポンダは、書き込み可能であると、特に有利である。これにより、光学素子の歴史、特に履歴に関する情報や、汚れ具合に関する情報、つまり、特に光学素子の使用期間中に変化する情報が、トランスポンダのメモリに格納可能である。これにより、レーザ加工ヘッドを交換しても、組み付けられたレンズは、常に明確に判別できるため、レーザを用いた材料加工機械の制御部は、例えば光学素子の切断時間を記録可能である。クリーニング周期や吸収の歴史も記憶して、相応に表示可能である。使用者は、レーザを用いた材料加工機械の重要な損耗部品についての透明性を得る。特に損耗を早める方法（例えば圧縮空気を伴った切断）は、使用時間にわたって吸収の増加が記録されることによって、使用の歴史の中に見出すことが可能である。こうして、例えば光学素子が受けた、損耗を早めるプロセスは、光学素子の残りの寿命を言い当てることができるように、識別可能である。他方、プロセスが光学素子に対し損耗を早めるように働くかも判別可能である。

光学素子の周面の領域にトランスポンダを配置したことは、トランスポンダによって光学素子が隠されてしまう部分が少ないので、光学素子の光学的な特性、例えば光学素子の光学的に使用可能な面の大きさが、トランスポンダによってほとんど損なわれないという利点を有している。さらに、対応する読み取り及び／又は書き込み装置は、特に簡単にレーザ加工ヘッド内の、光学素子の周面の領域に配置可能である。これにより、トランスポンダと、読み取り及び／又は書き込み装置とを、互いに近傍に配置することが可能となる。その結果、トランスポンダから読み取り及び／又は書き込み装置への、又は反対方向への、情報のワイヤレスの伝送のために、低い送信出力しか必要とされない。

トランスポンダは、周面に配置されていると、特に有利である。これにより、情報は、トランスポンダから読み取り及び／又は書き込み装置へ、又は反対方向へ、光学素子の半径方向で伝送可能である。これにより、伝送経路は、特に短くて済む。また、これにより、光学素子の透過方向でトランスポンダによって覆われてしまう光学素子の面は存在しない。

本発明の特に有利な態様において、面、特に周面は、平坦な区分、特に平坦な研磨面又は切断面を有しており、この区分にトランスポンダが配置されている。トランスポンダは、平坦な区分に特に良好にかつ高信頼性に固定可能である。例えばトランスポンダは、このような平坦な区分に、湾曲した区分より良好に接着可能である。さらに、周面の平坦な区分を介して、例えばホルダが、対応する平坦な区分を有しているか、又は別の形態で相応に形成されていることによって、光学素子の正確な位置での組み付けが強制可能である。

既に言及したように、トランスポンダ内に、光学素子の歴史及び／又は状態に関する情報が記憶されていると、高出力範囲のレーザを用いた材料加工の分野において、特に有利である。

トランスポンダは、ＲＦＩＤトランスポンダとして形成されていてもよい。ＲＦＩＤトランスポンダが使用されると、情報は、トランスポンダと読み取り及び／又は書き込み装置との間でワイヤレスに交換可能である。さらにＲＦＩＤトランスポンダは、独自のエネルギ供給なしで済ますことができる。トランスポンダの特に小さな構造は、トランスポンダがポリマーから製造されていると、得られる。読み取り装置との結合は、有効距離の短い交番磁界によってか、又は高周波の電波によって実施可能である。これにより、データを伝送するだけでなく、トランスポンダにエネルギを供給することもできる。

トランスポンダが、書き込み可能なＲＦＩＤトランスポンダである場合、トランスポンダは、ＥＥＰＲＯＭメモリ又はＦＲＡＭメモリを有していることができる。原則的には、ＳＲＡＭメモリであってもよい。しかし、ＳＲＡＭメモリは、独自の電流供給を必要とする。

さらに本発明の範囲内には、光学素子のためのホルダを備えるレーザ加工ヘッド、特にレーザ切断ヘッドであって、本発明に係る光学素子が設けられているレーザ加工ヘッドも含まれる。さらにレーザ加工ヘッドは、光学素子のトランスポンダに対応するように配置された読み取り及び／又は書き込み装置を有している。その際、トランスポンダと読み取り及び／又は書き込み装置とは、光学素子が組み付けられているとき、好ましくは対向するように配置されているので、互いに近傍に配置されている。これにより、情報を簡単かつ障害なしに読み取ることが可能である。光学素子がレンズである場合には特に、光学素子の材料番号を介して、正しい焦点距離について調査することが可能である。しかし、焦点距離は、固有値として格納されていても、別の特性データに結び付けられて間接的に導き出されるようになっていてもよい。これにより、誤った焦点距離での組み付けによる損傷は回避可能である。トランスポンダから読み取ることが可能な一義的なシリアル番号を介して、承認された光学素子であることが確認可能である。この場合も、承認のためのデータが直接格納され、呼び出し可能となっていてよい。

レンズセンサの機能のためには、５００ｎｍの透過性が重要である。トランスポンダ内に光学素子の原材料源についての情報が記憶されていると、精度の改善が可能である。このことは、特にＣＯ_２センサに当てはまる。ＹＡＧレーザの場合は、その代わりに、光学素子の放射率が、引き渡すパラメータとしてトランスポンダ内に記憶されていてもよい。

光学素子のためのホルダに、光学素子の正しい位置での組み付け用の配向補助手段が設けられていてもよい。この場合、特に配向補助手段は、光学素子の周面に設けられた平坦な区分と協働するようになっていてもよい。これにより、ホルダ及び光学素子に付与された形状を介して、正しい位置での組み付けが強制される。

読み取り及び／又は書き込み装置の損傷を回避するために、光学素子は、レーザ加工ヘッドの運転中、高圧下にあるガスが存在する高圧室内に配置されており、読み取り及び／又は書き込み装置は、レーザ加工ヘッドの運転中、高圧室内の圧力より低い圧力のガスが存在する低圧室内に配置されており、高圧室と低圧室とは、少なくとも一部領域に非金属材料を有する壁により仕切られているようになっていてもよい。一部領域に非金属材料、特に誘電体材料が設けられていることによって、情報がトランスポンダと読み取り及び／又は書き込み装置との間で交換可能であることが保証され得る。このことは、現在の知識レベルによれば、壁が完全に金属材料から形成されていたら、不可能である。

この目的のために、壁は、貫通開口を有し、貫通開口は、非金属材料からなる要素により閉鎖されていてもよい。例えば貫通開口は、石英窓により閉鎖されていてもよい。

特に光学素子は、レンズカートリッジ内に配置されており、レンズカートリッジの壁は、貫通開口を有し、貫通開口は、非金属材料からなる要素により閉鎖されていてもよい。この場合、貫通開口は、例えばレンズカートリッジの壁に設けられた孔であってもよい。この場合、貫通開口の直径は、好ましくはトランスポンダのアンテナの直径にほぼ一致していることが望ましい。貫通開口の直径としては６ｍｍが特に有利であることが判っている。

貫通開口は、非金属材料からなる要素によって閉鎖され、この要素が接着されていると、特に簡単に閉鎖可能である。

さらに本発明は、レーザを用いた材料加工機械を運転する方法であって、
ａ．トランスポンダを有する光学素子を材料加工機械のレーザ加工ヘッドに組み付ける方法ステップと、
ｂ．トランスポンダ内に記憶された当該光学素子に関する情報の少なくとも一部を読み取る方法ステップと、
ｃ．読み取った情報を材料加工機械の制御部により分析する方法ステップと、
を有する、レーザを用いた材料加工機械を運転する方法に関する。

これにより、レーザを用いた材料加工機械において、組み付けられた光学素子がレーザを用いた次の材料加工のためにそもそも適したものであるのか、そして、レーザを用いた対応する材料加工機械のためにそもそも容認されたものであるのかを診断することができる。さらに、トランスポンダ内には、最適化された材料加工が実施可能であるように、レーザを用いた材料加工プロセスを設定することを、レーザを用いた材料加工機械において可能にする情報を記憶しておくことができる。

光学素子に関する情報として、材料番号、シリアル番号、製造元、生産日、バッチ番号、原材料、放射率、運転開始日、試験波長の透過性の情報のうちの少なくとも１つの情報を読み取り可能である。これらのパラメータを検出することによって、例えば、製造エラーによる問題を抱えている光学素子のバッチを判別することができる。これにより、レーザを用いた材料加工機械は、適当に、瑕疵ある光学素子を判別し、これらの瑕疵ある光学素子によってレーザを用いた材料加工が実施されることを防止することができる。レーザを用いた材料加工機械には、例えばウェブサービスを介して、例えば材料番号、製造元又は生産日を介して識別可能な光学素子のどれに瑕疵があるかを通知することができる。

光学素子の使用に関する情報をトランスポンダに書き込むと、特に有利である。既に言及したように、光学素子の使用時間が記憶可能である。さらに、クリーニング周期あるいはクリーニング回数、吸収の歴史、運転時間、特にレーザオンタイム、レーザ出力、レーザ出力密度及び／又はレーザの運転モード（つまり連続波発振モード又はパルス発振モード）が記憶され、次に、再び読み取られ、必要に応じて表示されてもよい。

レーザ加工機械を介して、例えば切断ヘッド電子回路を介して直接的にかつ／又はレーザ制御部を介して間接的に検出される相応のデータは、読み取り／書き込み装置への接続を介してトランスポンダに伝達可能である。接続は、線路を介して形成されても、物理的な接続なしにデータを伝送する別の手段を介して形成されてもよい。

方法の一態様において、光学素子の正しい位置への組み付けをトランスポンダに基づいて検査してもよい。例えば光学素子が逆さに組み付けられてしまうと、トランスポンダは、読み取りができない。これにより、光学素子が正しく組み付けられていないと判定可能である。

方法の別の態様において、トランスポンダに基づいて、光学素子が、レーザ加工ヘッド又は実施すべきプロセスのために容認された光学素子であるかを検査してもよい。このことは、トランスポンダから相応の情報を読み取ることによって確認可能である。

本発明のその他の特徴及び効果は、本発明にとって重要な個々の部材を示す図面を参照しながら行う本発明の一実施の形態の以下の説明及び特許請求の範囲から看取可能である。個々の特徴は、それ自体単独でも、又は複数の特徴の任意の組み合わせでも、本発明の変化態様を実現可能である。

本発明の好ましい実施の形態を図面に略示し、以下に図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る光学素子が組み付けられている、レーザを用いた材料加工機械のレーザ加工ヘッドの縦断面図である。 図１に示したレーザ加工ヘッドの部分拡大図である。 光学素子の領域を拡大して示すレーザ加工ヘッドの横断面図である。

図１は、レーザを用いた材料加工機械の、レーザ切断ヘッドとして形成されたレーザ加工ヘッド１の縦断面図である。レーザ加工ヘッド１は、レンズとして形成された光学素子２を有している。光学素子２は、レンズカートリッジ３内に配置されている。レンズカートリッジ３は、交換可能、特にレーザ加工ヘッド１から取り出し可能である。レンズカートリッジ３の上端部には、ねじ山付きリング４が図示されている。このねじ山付きリング４は、レンズカートリッジ３をレーザ加工ヘッド１内に保持する。別のねじ山付きリング５は、スペーサ６を介して光学素子２をレンズカートリッジ３内、ひいてはレーザ加工ヘッド１内に保持する。

光学素子２には、ＲＦＩＤタグとして形成されたトランスポンダ７が配置されている。トランスポンダ７は、読み取り及び／又は書き込み装置８に対向している。読み取り及び／又は書き込み装置８は、トランスポンダ７から情報を読み取ることができ、幾つかの場合には、情報をトランスポンダ７に書き込むこともできる。読み取り及び／又は書き込み装置８は、レーザを用いた材料加工機械の、図１には示さない制御部に接続されている。

レンズカートリッジ３の壁９は、貫通開口１０を有している。貫通開口１０は、非金属材料からなる要素１１により閉鎖されている。非金属材料からなる要素１１によって、光学素子２が配置されている高圧室１２が、読み取り及び／又は書き込み装置８が配置されている低圧室１３から仕切られている。壁９が金属材料から形成されている一方、要素１１は、非金属材料、特に誘電体材料、例えば石英、プラスチック又はセラミック等から形成されている。これにより、壁９が完全に金属材料から形成されてしまっていては不可能であろう、トランスポンダ７と読み取り及び／又は書き込み装置８との間の情報交換が可能となる。

図２の詳細図からは、要素１１の直径が貫通開口１０の直径よりも大きいことが看取可能である。要素１１は、特に約８ｍｍの直径を有しており、貫通開口１０は、好ましくは６ｍｍの直径を有している。その際、貫通開口１０の大きさは、主としてトランスポンダ７のアンテナの大きさにより決定される。

図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。図３からは、光学素子２が、一部区分１５に平坦な周面を有していることが、特に明りょうに看取可能である。トランスポンダ７は、この区分１５における平坦な周面に配置されている。特にトランスポンダ７は、光学素子２のためのホルダ１７の切欠き１６内に設けられている。これにより、切欠き１６は、光学素子２を組み付ける際の配向補助手段をなしている。図３からは、さらに貫通開口１０、要素１１並びに読み取り及び／又は書き込み装置８が看取可能である。

Claims (5)

1. 光学素子（２）のためのホルダ（１７）を備えるレーザ加工ヘッド（１）であって、
   レーザを用いた材料加工機械の運転中に光学的に使用されないかつ／又はレーザビームの当たらない面を有し、該面の領域にトランスポンダ（７）が配置されており、該トランスポンダ（７）は、前記光学素子（２）に関する読み取り可能な情報を包含する、光学素子（２）と、
   前記光学素子（２）のトランスポンダ（７）に対応するように配置された読み取り及び／又は書き込み装置（８）と、
   を備え、
   前記光学素子（２）は、前記レーザ加工ヘッド（１）の運転中、高圧下にあるガスが存在する高圧室（１２）内に配置されており、前記読み取り及び／又は書き込み装置（８）は、前記レーザ加工ヘッド（１）の運転中、前記高圧室（１２）内の圧力より低い圧力のガスが存在する低圧室（１３）内に配置されており、前記高圧室（１２）と前記低圧室（１３）とは、少なくとも一部領域に非金属材料を有する壁（９）により仕切られていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記光学素子（２）のためのホルダ（１７）に、前記光学素子（２）の正しい位置での組み付け用の配向補助手段が設けられている、請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記壁（９）は、貫通開口（１０）を有し、該貫通開口（１０）は、非金属材料からなる要素（１１）により閉鎖されている、請求項１又は２記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記光学素子（２）は、レンズカートリッジ（３）内に配置されており、該レンズカートリッジ（３）の壁（９）は、貫通開口（１０）を有し、該貫通開口（１０）は、非金属材料からなる要素（１１）により閉鎖されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記非金属材料からなる要素（１１）は、前記貫通開口（１０）内に接着されている、請求項４記載のレーザ加工ヘッド。

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