JP6673026B2 - レーザー照射設備の異常検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー照射設備の異常検出装置に関する。
従来、製鉄プロセスでは、電磁鋼板の磁区制御等にレーザー照射設備が使用されているが、ラインを流れる鋼板等に連続的にレーザーを照射するので、基本的には２４時間連続運転である。また、ライン速度を向上するには、エネルギー密度を確保する必要があるため、かなりの高出力で連続運転することとなる。
したがって、レーザーが被加工物等に反射し、レーザー照射設備に戻ってきた光である「戻り光」が、レーザー照射設備に戻ると、たとえわずかなでレベルであってもその累積効果を無視することはできない。
また、電磁鋼板の磁区制御においては、ファイバー伝送レーザーが用いられることが多いが、ファイバー伝送レーザー照射設備の場合、光ファイバーのレーザー光の出射端面には、石英ブロックが融着され、この周囲を冷却水によって冷却する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
したがって、レーザーが被加工物等に反射し、レーザー照射設備に戻ってきた光である「戻り光」が、レーザー照射設備に戻ると、たとえわずかなでレベルであってもその累積効果を無視することはできない。
また、電磁鋼板の磁区制御においては、ファイバー伝送レーザーが用いられることが多いが、ファイバー伝送レーザー照射設備の場合、光ファイバーのレーザー光の出射端面には、石英ブロックが融着され、この周囲を冷却水によって冷却する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、このようなファイバー伝送レーザー照射設備において、レーザー照射設備に戻り光が入り込んだ場合、光ファイバーのコアに戻れば、レーザー照射装置内のセンサにより検出可能だが、コアを外れた場合、石英ブロックを通過して、内部の冷却水を加熱することとなる。
レーザー照射装置の冷却水は、循環させて使用しており、長期間の使用によって不純物を含有する場合がある。このような場合、戻り光により冷却水が局所加熱されると、石英ブロックの内側端面に不純物が析出することがある。このような不純物が冷却水の循環とともに成長すると、光ファイバーと石英ブロックの融着部が破損し、レーザー照射設備が壊れてしまう可能性があるという課題がある。
レーザー照射装置の冷却水は、循環させて使用しており、長期間の使用によって不純物を含有する場合がある。このような場合、戻り光により冷却水が局所加熱されると、石英ブロックの内側端面に不純物が析出することがある。このような不純物が冷却水の循環とともに成長すると、光ファイバーと石英ブロックの融着部が破損し、レーザー照射設備が壊れてしまう可能性があるという課題がある。
本発明の目的は、冷却水中の不純物の析出を早期に検出することができ、レーザー照射設備の破壊を防止することのできるレーザー照射設備の異常検出装置を提供することにある。
本発明は、以下を要旨とするものである。
（１）レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、前記石英ブロックの外周端面に設けられ、前記伝送ファイバーから出射されるレーザー光の戻り光を検出する戻り光検出センサと、前記戻り光検出センサで検出される戻り光が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。
（１）レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、前記石英ブロックの外周端面に設けられ、前記伝送ファイバーから出射されるレーザー光の戻り光を検出する戻り光検出センサと、前記戻り光検出センサで検出される戻り光が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。
（２）レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、前記冷却装置の冷却水中のパーティクルを計測するパーティクルカウンタと、前記パーティクルカウンタで計測されたパーティクル数が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。
（３）レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、前記冷却装置は、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する入側流路と、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックの冷却後の冷却水を回収する出側流路とを備え、前記入側流路の冷却水の温度を検出する入側温度センサと、前記出側流路の冷却水の温度を検出する出側温度センサと、前記入側温度センサおよび前記出側温度センサで検出された冷却水の温度差が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。
本発明によれば、戻り光検出センサを備えていることにより、レーザー設備の石英ブロックの端面に不純物が析出した場合、析出した不純物により散乱した戻り光を検出することができるため、不純物が大きく成長する前に、早期に警報装置により警報を発呼させることができる。したがって、レーザー照射設備に重大な損傷が生じることを防止することができる。
図１には、本発明の実施形態に係るレーザー照射設備１が示されている。レーザー照射設備１は、方向性電磁鋼板の製造ラインにおいて、鋼板面にレーザーを照射して、磁区細分化処理を行うために使用される。レーザー照射設備１は、方向性電磁鋼板の製造中２４時間連続で運転され、磁区細分化処理を行うために、高出力のレーザーを連続して照射しなければならない。
レーザー照射設備１は、レーザー発振器２と、伝送ファイバー３と、石英ブロック４と、筐体５と、冷却装置を構成する入側流路６および出側流路７とを備える。
レーザー照射設備１は、レーザー発振器２と、伝送ファイバー３と、石英ブロック４と、筐体５と、冷却装置を構成する入側流路６および出側流路７とを備える。
レーザー発振器２は、ガウシアンビームレーザー発振器であり、約１０ｋＷの高出力レーザー発振器である。なお、本実施形態では、ガウシアンビームレーザー発振器を用いているが、これに限らず、出力の小さいシングルモードレーザー発振器に本発明を適用してもよい。
伝送ファイバー３は、レーザー発振器２から出力されたレーザー光を伝送する光ファイバーであり、レーザー光が伝搬するコア３Ａと、コア３Ａ内を伝搬するレーザー光を全反射させるクラッド３Ｂとを備え、基端がレーザー発振器２のレーザー出力口に接続される。
伝送ファイバー３は、レーザー発振器２から出力されたレーザー光を伝送する光ファイバーであり、レーザー光が伝搬するコア３Ａと、コア３Ａ内を伝搬するレーザー光を全反射させるクラッド３Ｂとを備え、基端がレーザー発振器２のレーザー出力口に接続される。
石英ブロック４は、伝送ファイバー３の先端側のレーザー光の出射側端面を塞ぐように設けられている。石英ブロック４は、伝送ファイバー３のレーザー出射側端面において、外部空気との界面での光のエネルギー密度を低下させ、ゴミ等の不純物が付着して焼き付きにより損傷が生じることを防止する。
石英ブロック４は、内側端面４Ａが伝送ファイバー３のレーザー出射側端面に融着により接合され、光学接触した構造となっている。伝送ファイバー３から出射したレーザー光は、石英ブロック４中で拡がり、拡散光となって石英ブロック４の外側端面４Ｂから出射する。石英ブロックの外側端面４Ｂには、戻り光の侵入を防止するＡＲ（Anti Reflection）コート等が施されている。
石英ブロック４は、内側端面４Ａが伝送ファイバー３のレーザー出射側端面に融着により接合され、光学接触した構造となっている。伝送ファイバー３から出射したレーザー光は、石英ブロック４中で拡がり、拡散光となって石英ブロック４の外側端面４Ｂから出射する。石英ブロックの外側端面４Ｂには、戻り光の侵入を防止するＡＲ（Anti Reflection）コート等が施されている。
筐体５は、筒状体から構成され、伝送ファイバー３を内部に収容し、内外を区画して、伝送ファイバー３に塵埃等が付着することを防止するとともに、先端側で石英ブロック４を保持する。
冷却装置を構成する入側流路６および出側流路７は、筐体５の外周から内側を貫通する配管部材から構成されている。入側流路６および出側流路７は、冷却装置を構成するチラーユニットに接続されている。
冷却装置は、チラーユニットで冷却水を冷却した後、冷却水を入側流路６から筐体５内に供給し、伝送ファイバー３および石英ブロック４の融着面を冷却した後、冷却後の冷却水を出側流路７から回収し、チラーユニットで再び冷却する循環冷却構造をとっている。
冷却装置を構成する入側流路６および出側流路７は、筐体５の外周から内側を貫通する配管部材から構成されている。入側流路６および出側流路７は、冷却装置を構成するチラーユニットに接続されている。
冷却装置は、チラーユニットで冷却水を冷却した後、冷却水を入側流路６から筐体５内に供給し、伝送ファイバー３および石英ブロック４の融着面を冷却した後、冷却後の冷却水を出側流路７から回収し、チラーユニットで再び冷却する循環冷却構造をとっている。
異常検出装置１０は、戻り光検出センサ１１と、パーティクルカウンタ１２と、出側温度センサ１３と、入側温度センサ１４と、警報器１５とを備える。
戻り光検出センサ１１は、筐体５の外周面から内周面に貫通し、石英ブロック４の外周端面に、光学接触される石英製のライトガイド１１Ａを介して、レーザー光の戻り光を検出する。戻り光検出センサ１１としては、たとえばフォトディテクタを採用することができる。
パーティクルカウンタ１２は、筐体５内を循環する冷却水中のパーティクルを、光の散乱の強度を測定することにより、冷却水中の微粒子、不純物などのパーティクル数を計測する。
戻り光検出センサ１１は、筐体５の外周面から内周面に貫通し、石英ブロック４の外周端面に、光学接触される石英製のライトガイド１１Ａを介して、レーザー光の戻り光を検出する。戻り光検出センサ１１としては、たとえばフォトディテクタを採用することができる。
パーティクルカウンタ１２は、筐体５内を循環する冷却水中のパーティクルを、光の散乱の強度を測定することにより、冷却水中の微粒子、不純物などのパーティクル数を計測する。
出側温度センサ１３および入側温度センサ１４は、熱電対から構成され、温度検知部分が入側流路６および出側流路７中に露出している。
警報器１５は、戻り光検出センサ１１の検出値、パーティクルカウンタ１２の検出値、または、出側温度センサ１３と入側温度センサ１４とで検出される温度の温度差が、所定の閾値を超える値であった場合、警報を発呼する。警報は、ブザー等の音声出力でもよいし、ランプ等を点灯させてもよく、異常検出装置１０に接続され、レーザー照射設備１の操作等に用いる表示装置（図視せず）に警報を表示させてもよく、レーザー光の出射を停止するものであってもよい。
なお、異常検出装置１０は、前述した戻り光検出センサ１１、パーティクルカウンタ１２、並びに、出側温度センサ１３および入側温度センサ１４のいずれかを備えていればよく、また、冗長性を持たせるために、これらのうちの複数を備えるようにしてもよい。
警報器１５は、戻り光検出センサ１１の検出値、パーティクルカウンタ１２の検出値、または、出側温度センサ１３と入側温度センサ１４とで検出される温度の温度差が、所定の閾値を超える値であった場合、警報を発呼する。警報は、ブザー等の音声出力でもよいし、ランプ等を点灯させてもよく、異常検出装置１０に接続され、レーザー照射設備１の操作等に用いる表示装置（図視せず）に警報を表示させてもよく、レーザー光の出射を停止するものであってもよい。
なお、異常検出装置１０は、前述した戻り光検出センサ１１、パーティクルカウンタ１２、並びに、出側温度センサ１３および入側温度センサ１４のいずれかを備えていればよく、また、冗長性を持たせるために、これらのうちの複数を備えるようにしてもよい。
次に、図２を参照して、戻り光により不純物が析出する原理について説明する。
伝送ファイバー３から出射されたレーザー光は、光路Ｌ１のように、石英ブロック４中で拡散し、コリメートレンズ２１によって平行化され、集光レンズ２２によって集光されて、照射対象となる鋼板２３の表面にレーザー光が照射される。鋼板２３に照射された光の一部は、戻り光となって石英ブロック４側に戻るが、基本的には光路Ｌ１に沿って戻り、石英ブロック４の外側端面４ＢのＡＲコートを介して、伝送ファイバー３のレーザー光の出射側端面に入り込む。戻り光が不自然に多い場合は、レーザー発振器２のセンサにより、レーザー光の出射を停止させる。
伝送ファイバー３から出射されたレーザー光は、光路Ｌ１のように、石英ブロック４中で拡散し、コリメートレンズ２１によって平行化され、集光レンズ２２によって集光されて、照射対象となる鋼板２３の表面にレーザー光が照射される。鋼板２３に照射された光の一部は、戻り光となって石英ブロック４側に戻るが、基本的には光路Ｌ１に沿って戻り、石英ブロック４の外側端面４ＢのＡＲコートを介して、伝送ファイバー３のレーザー光の出射側端面に入り込む。戻り光が不自然に多い場合は、レーザー発振器２のセンサにより、レーザー光の出射を停止させる。
一方、コリメートレンズ２１および集光レンズ２２の間に、アパーチャー２４等の光学部材が配置され、それが光路Ｌ１に対して傾斜して配置されている場合、アパーチャー２４に照射されたレーザー光は、光路Ｌ２を通る戻り光となって、石英ブロック４に入り込む。
戻り光は、光路Ｌ２に沿って入り込み、石英ブロック４の内側端面４Ａの近傍で集光する。すると、冷却水が加熱され、冷却水中の不純物Ｓが石英ブロック４の内側端面４Ａで固化する。レーザー照射設備１が連続運転されることで、冷却水が連続して供給されてはいるが、冷却水の加熱と不純物Ｓの固化が繰り返されることで、不純物Ｓが長時間かけて徐々に成長していく。最終的には成長した不純物Ｓは、伝送ファイバー３と石英ブロック４の融着面に到達し、伝送ファイバー３と石英ブロック４との融着面を破壊する。
なお、析出する不純物Ｓは、入側流路６、出側流路７を構成する配管部材等に由来する金属成分を含んで構成されていることが多いが、これに限定されるものではない。
戻り光は、光路Ｌ２に沿って入り込み、石英ブロック４の内側端面４Ａの近傍で集光する。すると、冷却水が加熱され、冷却水中の不純物Ｓが石英ブロック４の内側端面４Ａで固化する。レーザー照射設備１が連続運転されることで、冷却水が連続して供給されてはいるが、冷却水の加熱と不純物Ｓの固化が繰り返されることで、不純物Ｓが長時間かけて徐々に成長していく。最終的には成長した不純物Ｓは、伝送ファイバー３と石英ブロック４の融着面に到達し、伝送ファイバー３と石英ブロック４との融着面を破壊する。
なお、析出する不純物Ｓは、入側流路６、出側流路７を構成する配管部材等に由来する金属成分を含んで構成されていることが多いが、これに限定されるものではない。
このような本実施形態によれば、以下のような作用および効果を奏する。
不純物Ｓが石英ブロック４の内側端面４Ａに生成すると、戻り光が不純物Ｓで反射し、石英ブロック４内に散乱光Ｌ３が発生する。析出した不純物Ｓは、不透明なので、散乱光Ｌ３は極めて強いものとなる。すると、戻り光検出センサ１１で検出される戻り光は、図３に示されるように、不純物Ｓがない場合の戻り光検出センサ１１による検出値Ｇ１に比較して、極めて大きな検出値Ｇ２となる。したがって、検出値Ｇ１から検出値Ｇ２に遷移する中間部分に閾値Ｇ３を設定しておけば、閾値Ｇ３を超えれば、警報器１５が発呼するので、不純物Ｓの成長を最低限で止めることができる。
警報器１５によって不純物Ｓの生成が確認されたら、筐体５を回転させることにより、不純物Ｓの生成位置が戻り光の焦点からずらすことができるため、不純物Ｓの成長を抑制することができる。
不純物Ｓが石英ブロック４の内側端面４Ａに生成すると、戻り光が不純物Ｓで反射し、石英ブロック４内に散乱光Ｌ３が発生する。析出した不純物Ｓは、不透明なので、散乱光Ｌ３は極めて強いものとなる。すると、戻り光検出センサ１１で検出される戻り光は、図３に示されるように、不純物Ｓがない場合の戻り光検出センサ１１による検出値Ｇ１に比較して、極めて大きな検出値Ｇ２となる。したがって、検出値Ｇ１から検出値Ｇ２に遷移する中間部分に閾値Ｇ３を設定しておけば、閾値Ｇ３を超えれば、警報器１５が発呼するので、不純物Ｓの成長を最低限で止めることができる。
警報器１５によって不純物Ｓの生成が確認されたら、筐体５を回転させることにより、不純物Ｓの生成位置が戻り光の焦点からずらすことができるため、不純物Ｓの成長を抑制することができる。
また、警報器１５をパーティクルカウンタ１２で計測されるパーティクル数が、所定の閾値を超えたときに、発呼するようにしておくことにより、不純物が凝集して、固化した不純物Ｓとなることを抑制できるので、不純物Ｓの成長を抑制することができる。
さらに、警報器１５を入側温度センサ１４および出側温度センサ１３の温度差が、所定の閾値を超えたときに、発呼するようにしておく。これにより、石英ブロック４の内側端面４Ａに不透明な不純物Ｓが生成して、不純物Ｓが戻り光によって加熱され、冷却水を突沸させることを検出できるので、不純物Ｓの成長を抑制することができる。
さらに、警報器１５を入側温度センサ１４および出側温度センサ１３の温度差が、所定の閾値を超えたときに、発呼するようにしておく。これにより、石英ブロック４の内側端面４Ａに不透明な不純物Ｓが生成して、不純物Ｓが戻り光によって加熱され、冷却水を突沸させることを検出できるので、不純物Ｓの成長を抑制することができる。
１…レーザー照射設備、２…レーザー発振器、３…伝送ファイバー、３Ａ…コア、３Ｂ…クラッド、４…石英ブロック、４Ａ…内側端面、４Ｂ…外側端面、５…筐体、６…入側流路、７…出側流路、１０…異常検出装置、１１…戻り光検出センサ、１１Ａ…ライトガイド、１２…パーティクルカウンタ、１３…出側温度センサ、１４…入側温度センサ、１５…警報器、２１…コリメートレンズ、２２…集光レンズ、２３…鋼板、２４…アパーチャー、Ｇ１…検出値、Ｇ２…検出値、Ｇ３…閾値、Ｌ１…光路、Ｌ２…光路、Ｌ３…散乱光、Ｓ…不純物。
Claims (3)
- レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、
前記石英ブロックの外周端面に設けられ、前記伝送ファイバーから出射されるレーザー光の戻り光を検出する戻り光検出センサと、
前記戻り光検出センサで検出される戻り光が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。 - レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、
前記冷却装置の冷却水中のパーティクルを計測するパーティクルカウンタと、
前記パーティクルカウンタで計測されたパーティクル数が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。 - レーザー発振器と、前記レーザー発振器から出力されたレーザー光を伝送する伝送ファイバーと、前記伝送ファイバーのレーザー光の出射側端面に融着される石英ブロックと、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する冷却装置とを備えたレーザー照射設備の異常を検出するレーザー照射設備の異常検出装置であって、
前記冷却装置は、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックに冷却水を供給する入側流路と、前記伝送ファイバーおよび前記石英ブロックの冷却後の冷却水を回収する出側流路とを備え、
前記入側流路の冷却水の温度を検出する入側温度センサと、前記出側流路の冷却水の温度を検出する出側温度センサと、
前記入側温度センサおよび前記出側温度センサで検出された冷却水の温度差が所定の閾値を超えたら、警報を発呼する警報器とを備えていることを特徴とするレーザー照射設備の異常検出装置。
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