JP6097796B2 - 高出力ファイバ型レーザシステムの出力を監視する方法およびシステム - Google Patents

Description

本開示は、ファイバ型レーザシステムの出力を監視する方法ならびに装置に関する。より具体的には、本開示は保護構成要素に沿って延在し、そこからの光を遠位センサに結合し、被結合戻り光を検出して最適特性を基準に状態を監視するファイバを提供するものである。
発明の分野

従来、レーザ溶着／レーザ切断プロセスには大出力レーザ放射とレーザ処理対象である被加工物の表面上の融解バスの形成とが付随していた。表面が融解すると、液体金属の液滴あるいは「飛散」が、レーザビームを光路に沿って表面に向け案内する構成の合焦光学系の下流側構成要素に飛び込み、損傷の原因となるきらいがある。特に影響を受けるのが、保護要素あるいはガラス、すなわち（レーザ光源に対し）光路の下流端に沿って位置する「最後の」光学要素である。

保護ガラスの変形は、被加工物の表面に入射するレーザビームの有効光出力を含めレーザシステムの幾つかの要素に悪影響を及ぼす。一つの例が、その内容全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第６，１１８，５２７号（Ｊｕｒｃａ）にある。第５２７号特許は、離間するＬＥＤからなるアレイを含む複合光検出システムを教示しており、ＬＥＤは保護ガラスの周辺から離間しており、保護ガラスを介して対応センサアレイに対し追加の光をパルス放出する。保護ガラスの亀裂や破損は、ＬＥＤから放射されてセンサが受光する光により検出され、センサは短い有効寿命を有することがある。保護要素の劣化した状態は、レーザ出力照射の出力を低下させ、プロセスの効果を低下させることがある。

従って、ファイバ型レーザシステム内の光学的保護構成要素の状態を監視する改善された方法ならびにシステムに対する必要性が存在する。

開示方法ならびにシステムは、この必要性を満たすものである。特に、レーザヘッド内の光学要素とレーザ光生成光源内のさらに上流とを保護する構成の光学的構成要素の一体性は、要素の周縁に沿ってファイバを配設することで実現される。保護構成要素が危険にさらされた場合、ファイバは光を受光し、それをセンサに配給して読み取らせる。この読み取り値に応じ、レーザ照射源を停止させたり、停止させなかったりできる。

本開示の上記ならびに他の態様や特徴ならびに利点は、添付図面と併せ読む下記の説明から明らかとなるものであり、図面中の同様の符号は同一の要素を指す。

本開示のシステムのブロック線図である。 本開示の方法のフローチャートである。 本開示の態様の例示図面である。 関連する印刷回路カードに装着した光学的封止窓（ＯＳＷ）の概略図であり、ＯＳＷの周囲に巻回された光ファイバを示す。 ＯＳＷと関連する印刷回路カードとを支持するブラケット保持装置の側方斜視図であり、ＯＳＷは例示目的にのみ合わせ非封止係合解除位置に下向き傾斜させてある。 図５における如くＯＳＷを支持する小組立体の側方斜視図である。 図６の７−７線断面に沿うＯＳＷ支持小組立体の断面斜視図である。

ここで、添付図面に図示した本開示の幾つかの実施形態について、詳しく参照を行なうことにする。可能な限り、図面と詳細な説明において同一あるいは同様の符号を用い、同一あるいは同様の部分あるいは工程を指すものとする。図面は簡略化した形態をなし、厳密な縮尺ではない。

先ず図１を参照するに、本開示のレーザシステム１０のブロック線図が図示してある。システム１０は、コリメータとレンズシステムを通り光学的封止窓（ＯＳＷ）１８に向かって伝搬するビーム１４を受光するレーザ加工ヘッド１２を含んでおり、ＯＳＷは反射戻り光と塵埃から前者への損傷を防止する光学的構成要素として機能する。ＯＳＷ１８は、切断や溶着等のために被加工物３８に向かって下流へ案内する前に、実質的に歪を伴うことなくビーム１４を操作可能に通過させる材料で出来ている。

かくして、レーザ光源からの直接ビーム光はＯＳＷ１８を介して被加工物３８に案内され、（随意選択的に）融解バスや溶融領域や溶着部（いずれも図示せず）を生み出す。やがて、被加工物からエネルギーを持った（高温の）金属飛沫あるいは塵埃が到達し、ＯＳＷ１８を危険にさらし、亀裂や塵埃堆積等の原因となる。劣化したＯＳＷ１８上に光が入射すると、その一部が散乱させられ、下記に説明する如く、センサ２２内に結合される。従って、センサ２２に到達する光はさらに、２個の光源、すなわち（ａ）被加工物３８から反射されて戻る光４０と（ｂ）直接入射するレーザビームとを有する戻り光３６と呼ばれる。

要するに、ＯＳＷ１８には物理的な劣化（屈折率変化）が存在することがある。この劣化は、戻り光３６を散乱させて複数方向に伝搬させるＯＳＷ１８上の破壊領域に帰結する。散乱光の一部は、ＯＳＷ１８の外縁あるいは周縁に向かって伝搬する。さらに別の部分が、ＯＳＷ１８から上流へ伝搬する。

ＯＳＷ１８の外縁あるいは周縁は、任意の都合の良い形状とすることができる。光ファイバ１６は、ＯＳＷ１８の少なくとも一部に巻き付けてある。光ファイバ１６は被結合戻り光３６を受光し、この被結合光をそこに沿って端部２０ａ，２０ｂに向け、続けて光出力を計測するよう操作可能な端部センサ（後述）に案内する。随意選択的には、端子端部２０ａ，２０ｂがセンサ内へ操作可能に振り分けられる前に、光ファイバ１６はＯＳＷ１８のエッジのあらゆる部分を覆うことができる。光ファイバ１６の断面輪郭とＯＳＷ１８のエッジ断面輪郭は共に、ＯＳＷ１８からの戻り光３６をファイバ１６内に結合させるのに有効な任意の操作可能な形状あるいは面接触構造とすることができる。導光被覆（図示せず）をＯＳＷ１８／ファイバ１６接続部に適用し、結合を支援することができる。

筺体２２には、幾つかの周辺機器に対する電子システムリンクを封入することができる。周辺機器は、非限定システム要件あるいはデータ転送能力に応じ、（光センサ２６ａ，２６ｂやアライメントブロック３０やデータプロセッサ２８等の如く）必要とされるか、あるいは（モニター２４や通信インタフェース３２やデータ記憶装置３４の如く）随意選択的とされるかのいずれかとなりうる。

アライメントブロック制御部３０は、端子端部２０ａ，２０ｂからセンサ２６ａ，２６ｂに向け放射される光を操作可能に案内する。センサ２６ａ，２６ｂからのデータはデータプロセッサ（図示はしていないが、一例として電子的にリンクされた遠隔コンピュータ型データプロセッサ）にて局所的あるいは遠隔的に処理することができる。レポートフォーマット化ルーチンを用い、この種のデータをプリンタやモニタ２４や通信リンク３２やデータ記憶装置３４に導くことで、読み取り値について電子レポートを生成することができる。

ファイバ１６を介して光センサ２６ａ，２６ｂに結合される光は、一定の持続時間に亙り読み取られ、測定単位を生成する。データプロセッサ２８は、測定単位に対し一つの値を割り当てて読み取り値を生成し、この読み取り値が所定の可調整の所望特性範囲と比較される。この読み取り値が特性範囲外である場合、警報信号が生成される。警報信号は、可聴信号や電子信号や可視信号等の従来の任意の態様にてもたらすことができる。加えて、警報は一つの行為の形をとることができ、ここではレーザーシステム１０が読み取り値が容認可能な特性範囲外にあると判定した場合、そのときは停止動作がとられ、ＯＳＷ１８の保守点検や交換が懸案となる。しかしながら、読み取り値が所定の特性範囲内にある場合、そのときは対応措置は一切とられず、データを更新し、続く読み取り値を待機する。

読み取り値が容認可能な特性範囲を外れる幾つかの原因が、存在する。戻り要素４０からの光出力や汚れ、あるいは損傷や塵埃、もしくは不毛な環境以下であることや、たとえ原子レベルであるにせよＯＳＷ１８内の物理的変化が、高出力光ビーム１４の保全性に大きく影響を及ぼすことがある。詰まるところ、ＯＳＷ１８の劣化（局部的腐食や化学的損傷）は危険な状態やレーザヘッド１２と作動環境に対する相当の損害に通ずる。

ここで図２を参照するに、本開示の例示的な方法のフローチャートが図示してある。本方法のフローは工程１００にて開始され、そこでレーザシステム１０が機械加工ルーチンに合わせ起動される。初期化後、フローは工程１０２へ進み、ここで光ビームはレーザシステムの加工ヘッドからレンズを通り、続いて光学的封止窓（ＯＳＷ）を通って案内される。

被加工物の機械加工時に、工程１０４において戻り光をＯＳＷに導くことができる。この戻り光は、本願明細書に説明する反射手段や飛散手段あるいは他の手段を介してＯＳＷ１８内に被結合戻り光３６を生成する。

ＯＳＷ１８内の欠陥に遭遇すると、戻り光３６の一部が工程１０６においてＯＳＷの材料を通過し、そのエッジに到達する。工程１０６に続き、工程１０８において、光はＯＳＷを全部あるいは一部囲繞する光ファイバにより結合される。被結合光は、工程１１０において光ファイバの長さに沿って案内され、ファイバの端子端部の一つに達するに至る。

端子端部への到着時に、アライメントブロック要素によりセンサを照光するよう光が通過する。工程１１２において、センサは所定の設定時間に亙り到達光を読み取り、測定単位を特定する。工程１１２に続き、フローは工程１１４へ前進し、ここで被計測時間期間に亙り収集されたデータに対し一つの値を割り当てる。フローはそこで工程１１６へ進み、ここでシステムデータプロセッサが測定値を所定の特性範囲と比較する。この値は、工程１１８において記録される。工程１１６に続き、工程１２０において、システムデータプロセッサは比較した値が容認可能な特性範囲内にあるか否か照会する。この照会に対する応答が「ＹＥＳ」である場合、そのときはフローは工程１２２において単純に次の読み取り値を待機し、工程１１６の前でフローに再進入する。しかしながら、工程１２０での照会に対する応答が「ＮＯ」である場合、そのときはシステムは工程１２６において警報を生成する。

警報指示メッセージを受け取った際に、システムは工程１２６においてシステムを停止させるべきか否か照会する。システムからのこの応答は、特性範囲についての所定の閾値に基づき定まることになる。照会に対する応答が「ＹＥＳ」である場合、そのときはフローは工程１３２へ進み、ここでシステムは操作可能な保守に向け停止させられる。しかしながら、工程１２６での照会に対する応答が「ＮＯ」である場合、そのときはフローは工程１２８へ進み、ここで警報種別が選択される。

警報種別は、下記を含めることのできる多数の選択肢から選択することができる。すなわち可聴警報や可視警報や無事警報（何事も起こっていないことを意味）、あるいは一つの報告を生成することができる。これらの選択肢は、システムの必要性に応じて個別にあるいはグループにて選択することができる。この選択が、工程１３０において、プロセスを継続させるのかあるいは停止させるのかを決めることになる。

斜視図３〜７は、その中にＯＳＷが常駐する環境を示すものである。図３は、本開示のレーザシステム２００の概略図である。システム２００は加工ヘッド２０６を有しており、これが光学的保護構成要素としての光学的封止窓（ＯＳＷ）組立体２０２を通過する前にレンズ２０４を介して光ビームを下流に案内する。ビームは、様々な平面内に横たわることのある被加工物２１０に向け導かれる。被加工物２１０に対し施す加工あるいは機械加工プロセス期間中、塵埃からの戻り飛沫や光２１２がＯＳＷ組立体２０２の方向に送られることがある。

図４は、関連する印刷回路カード２１８に装着された光学的封止窓（ＯＳＷ）２２６の概略図であり、ＯＳＷ２２６の少なくとも一部に巻き付けられ、光センサ２１４，２１６の箇所で小組立体筺体２１２内の端部２３０ａ，２３０ｂにおいて可撓的に終端された光ファイバ２２８を示すものである。別の選択肢として、ファイバ２２８はＯＳＷ２２６と共面をなすか、あるいはＯＳＷ２２６の平面に一致しない平面内のいずれかに配置された任意の架台により支持することができ、何故なら散乱光は当業者には周知の如く必ずしも一方向とは限らないからである。

図５は、ＯＳＷ２２６と可撓性の関連印刷回路カード（図示せず）と光ファイバ２２８とを支持するブラケット組立体２２０の概略図である。ばねクリップ２３４ａ，２３４ｂが、ＯＳＷ２２６をそのフレーム２３２内に固定している。ＯＳＷ２２６は、そのアクセス可能性を示すべく下向きに傾斜させてある。フレーム２３２付きＯＳＷ２２６は、タブ２２４付きラッチ２２２を嵌合させることでブラケット保持装置２２０にラッチさせることができる。小組立体筺体（ここには図示せず）から発するデータリード線２４２は、下流データ組立体（図示せず）と嵌合する起立位置に図示してある。

図６は、ＯＳＷ２２６を支持し、レーザヘッドの一体化部分あるいは着脱可能部分のいずれかであるブラケット組立体２２０の概略斜視図である。ＯＳＷ２２６は保守に向けたそのアクセス可能性を示すべく下向きに傾斜させてあり、光ファイバ２２８とセンサ２１４，２１６との間に可能な可撓性結線を示している。フレーム２３２は、タブ２２４付き嵌合ラッチ２２２によりブラケット組立体２２０に蝶番式にラッチされる。ばねクリップ端２３４ａ，２３４ｂが、ＯＳＷ２２６を固定している。データリード線２４２は小組立体筺体２１２（図示せず）から発し、データ組立体（図示せず）に嵌合する起立位置に図示してある。センサに光を導く光ファイバ２２８は、ＯＳＷ２２６の周縁に位置する。

同様に図６（後程図７）に示すのは、レーザヘッドを介してＯＳＷ２２６上にレーザ光の光路に沿って配置した１以上の反射光センサ２２１である。センサ２２１は任意の従来のレーザセンサ構成とすることができ、ＯＳＷ２２６に対し任意の操作可能位置に配置し、処理期間中に封止ブラケット組立体２２０内のＯＳＷ２２６から戻る反射光および／または散乱光を取得する。複数のセンサ２２１を、異なる位置に用いることができる。図示の如く、センサ２２１にとっての最適位置はＯＳＷ２２６に対するアクセス領域を境界付ける支持リム上にある。

理解されるように、１以上のセンサ２２１が図１に示したプロセス同様に、リード線（図示せず）を介してシステム１０内のデータプロセッサ２８と関連する構成要素に伝送される被反射光および／または被散乱光の量に対し信号を生成する。こうして、システム１０はセンサ２２１からの散乱光の値を前記した戻り光の値と随意選択的かつ操作可能に比較し、その差分を所定の特性範囲と比較し、図１に示したプロセスと同様の仕方で記録と随意選択的に警報を生成することができる。かくして、システム１０に随意選択的な第２のセンサ構成要素２２１を含め、有用な比較計測を招来してシステム１０を効率的に管理することができる。

図７は、図６の７−７線に沿う断面斜視図であり、ＯＳＷ２２６は下方傾斜位置に配設してある。フレーム２３２付きのＯＳＷ２２６は、タブ２２４付きの嵌合ラッチ２２２によりブラケット保持装置２２０にラッチすることができる。ばねクリップ２３４は端部２３４ａと２３４ｂを有しており、ＯＳＷ２２６をフレーム２３２内に固定している。ＯＳＷ２２６は、ＯＳＷ２２６の外縁下側に着座するエラストマー性「Ｏ」リング２３０によりフレーム内に緩衝支持される。

本開示は、レーザ製造システム内の遠隔センサ用にＯＳＷすなわち光学的保護構成要素として使用するよう即適合させ、例えば被加工物近傍の光学的な温度センサシステムを保護することができる。

特許請求の範囲中、手段あるいは工程に機能を付加した句は、具陳された機能を遂行するものとして本願明細書に記載し示唆した構造と、加えて異なる構成を有する機能的均等構造もまた包含することを意図するものである。図面を参照して本開示の実施形態の少なくとも一つを説明してきたが、本開示がこれらの厳密な実施形態に限定はされず、添付特許請求の範囲に規定された開示の範囲あるいは趣旨から逸脱することなく様々な変形例と適用例が当業者により実施できることは理解されたい。

Claims (6)

1. ファイバ型レーザシステムの出力を監視するシステムであって、
   光路に沿って直接レーザビームを案内する加工レーザヘッドと、
   前記加工ヘッドの下流端に装着され、遠隔加工場所との間でレーザビームを送受光し、前記加工場所との間で反射戻り光を送受光する光学的保護構成要素と、
   前記光学的保護構成要素の周縁に接触して巻回され、直接光と反射戻り光とそれらの組み合わせからなる光部分から選択される戻り光を受光して案内する光ファイバと、
   前記光ファイバに結合され、前記受光した戻り光の一部を受け、その光出力の測定値を特定する、レーザヘッドに設置されたセンサとを備える、システム。
2. 前記センサとの操作可能な通信状態にあり、システムの使用中に光出力の測定値を受け取るデータプロセッサと、
   前記データプロセッサと操作可能な通信状態にあるデータ記憶装置と、
   とをさらに含み、
   前記データプロセッサ内のデータ処理手段は、前記測定値に対し一つの値を割り当てて読み取り値を生成し、該読み取り値を前記データ記憶装置が記憶する基準値と比較し、
   前記読み取り値が前記基準値を上回った場合に、そこでシステムを停止し、前記保護要素を交換するよう前記データ処理ユニットを操作可能とした、請求項１に記載のシステム。
3. 前記センサは、前記光学保護構成要素の周縁から離れ、光学的保護構成要素とセンサの相対的な変位を可能にする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光ファイバと前記光学的保護構成要素の周縁とに連続的に接触するように適用した被覆であって、前記周縁からの戻り光を前記光ファイバ内に結合するのを支援するのに有効な前記被覆をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記戻り光は、前方伝搬時に生成される散乱光と、前記光学的保護構成要素をこれが破損した場合に通過する戻り反射光とを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記加工ヘッド内の光学的保護構成要素の上流に固定した少なくとも第２のセンサであって、戻り光の別の部分を受光する構成とされ、光出力の測定値を特定するよう操作可能とした前記第２のセンサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
   

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