JP2000514363A - 作業領域あるいは活動領域を取り囲み、レーザー光源からのレーザビームに対する防護施設となる壁部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 作業領域あるいは活動領域を取り囲み、レーザー光源（３８）からのレーザビームに対する防護施設となる壁部材（１０）に関し、小部屋、壁あるいは遮蔽物であり、作業領域あるいは活動領域に隣接する内壁（１２）と、内壁（１２）に平行であって、作業領域あるいは活動領域から内壁（１２）よりさらに離隔した外壁（１４）とを有する。レーザー光源あるいは加工装置の動作を停止させる緊急遮断装置を有効にするため、内壁（１２）と外壁（１４）は、金属、例えば、鉄あるいはスチールの薄板製であり、内壁（１２）の少なくとも作業領域あるいは活動領域を向いた側面（１８）上に高吸収能を有するコーティング（１６）が設けられるとともに、内壁（１２）に向いた外壁（１４）の側面（２２）は、低吸収能にされている。

Description

【発明の詳細な説明】 作業領域あるいは活動領域を取り囲み、レーザー光源からのレーザビームに対す る防護施設となる壁部材 本発明は、作業領域あるいは活動領域を取り囲み、レーザー光源からのレーザ ビームに対する防護施設となる壁部材であって、小部屋、壁あるいは遮蔽物であ り、作業領域あるいは活動領域に隣接する内壁と、内壁に平行であって、作業領 域あるいは活動領域から内壁よりさらに離隔した外壁とを有する壁部材に関する 。 ドイツ特許89 08 806号公報には、既にレーザービーム加工機械に対するこの ような防護施設が開示されている。この防護施設の壁部材は、ガラスあるいはプ ラスチック製の外側のプレートと、外側のプレートの内面に蛇行して配列された 伝導体たる可融電線と、透明プラスチックあるいはレーザービーム吸収材料から なる内側のプレートとからなる。可融電線は、導線によって加工機械の緊急遮断 回路に接続されている。加工機械の異常な運転状態によりレーザービームが壁部 材のひとつに衝突すると、内側プレートは、その材料の比較的高い吸収能に基づ いてかなり広い領域が融解する。こうして発生した熱は、すぐ隣の導線を完全に 融解させるのに十分なほど高く、この結果、これらの導線を流れていた弱い電流 を遮断する。導線を流れていた電流が遮断されることで、緊急遮断回路、さらに は、レーザー光源並びに加工機械のスイッチも切られる。緊急遮断回路は、壁部 材の外側のガラス板が、衝突するレーザビームによって完全に融解する前に働く ように作られている。 さらに、光ファイバケーブルを介したレーザーシステムの監視あるいはレーザ ー光学系の制御が知られている。レーザー溶接中に発生するプラズマを光電管を 用いて監視することもまた可能である。さらには、レーザー光学系内部で残反射 を検出することにより、レーザー光源から発生したレーザービームが光学系を通 過しているか室内に散乱しているかを警戒する可能性もまたあり得る。 全ての既知の監視あるいは防護システムの目的は、緊急遮断回路を働かせて、 レーザー光源あるいは加工装置を停止させることにある。 しかしながら、実際の経験、つまり過去に発生した事故の示すところによれば 、 これらの既知の監視システムは防護施設からのレーザービームの流出に対して１ ００％の確実性をもたらすことはできない。というのは、全ての考え得る事故に 対して、防護施設の完全な融解後に起こる防護施設からのレーザービームの流出 を避けられるほど、緊急遮断回路を迅速に作動させることはできないからである 。 これらの従来知られた防護施設は、満足な結果をもたらすことはできないとい うことが専門家の間で行われた論議でも明らかである。なるほど、「レーザー作 ９５年１１月、には壁部材として使用される材料への要求が記載されているが、 解決方法は何ら示されていない。さらに20.ＩＥＣ8254「レーザー防護」草案で も世界的な討論がなされているが、目下再調整が行われているところである。こ の草案では、内部に加圧された水または空気が充填された受動壁部材が提案され ている。このような壁部材は、それ故に完全に漏れのない状態でなければならず 、高い製作コストがかかる。さらに、事故時には壁部材から水が作業場等へと流 出し、その結果、電気的な危険にさらされるという問題が引き起こされる危険性 もある。さらに壁部材としてのこのような圧力容器への注入に際しては、場合に よっては、圧力容器の安全規則に関係するその他の技術的な規則を守らなければ ならない。その上、前述の草案には、レーザービームに対する防護施設の能動の 壁部材もまた開示されている。この壁部材は、受動の壁部材の構成と同様だが、 内圧あるいは内側と外側の空間の温度差を測定するためのセンサーが配置されて いる。これらの方法による解決策は満足な結果をもたらすかもしれないが、この ような壁部材を組み立てたり建造したりする経費である製造コストは極めて高い 。 それに対して、本発明は、冒頭に述べた種類の壁部材において、極めて簡単な 設計構造を有するとともに、現行のレーザークラス１の防護施設の要件を満たす 壁部材を開発することを課題とする。そして、この壁部材には、１００秒の耐久 時間が要求される。つまり、レーザービームが、この時間は、壁部材を貫通して はならないということである。さらにＭＺＢ値もまた保たれなければならない。 本願の範囲においては、レーザービームあるいはレーザー光源は、そのエネルギ ーが材料を破壊するのに十分なレーザーを表すものとする。このようなレーザー 光源としては、出力30ｋＷまでのＣＯ₂レーザーや、エキシマ、ヘリウム、アル ゴン、ルビー、Ｎｄ-ＹＡＧレーザを用いることができる。 本発明によれば、この課題は、大筋においては、内壁と金属製、例えば、鉄あ るいはスチールの薄板製の外壁からなり、内壁の少なくとも作業あるいは活動領 域に面した側面には高い吸収能のコーティングを有し、外壁の内壁に向いた側面 は低い吸収能とすることにより解決される。 この壁部材には事故時に壁部材に発散レーザービームが入射すると、その側面 に塗布されたコーティングが衝突点領域で加熱により燃え始めるという利点があ る。衝突箇所からの輻射による熱伝達は十分なほど速くなく、ふさわしい塗料を 使用することにより、火元は限られた狭い円形領域に留まる。発生したガスによ ってビームにはその自己分散を越える拡大あるいは変形（Thermal Blooming）が 生じ、そのため、レーザービームの出力密度は著しく減少する。内壁のコーティ ングの燃焼中に発生したガスにより、散開したビームの縁領域の温度もまた低下 する。外壁の側面は、低い吸収能、すなわち、高い反射能を有しており、内壁の 外側側面から放射される熱エネルギーを元の方向へと反射する。その結果、１０ ０秒間の間に外壁の側面は少ししか加熱されないと期待される。全体として、本 発明の壁部材によれば、設計構造及びコストに関して極めて経済的であることが 明らかであり、壁部材のレーザービームの衝突箇所の領域で事故時に上述したよ うに引き起こされたガスあるいは蒸気の形成は、ガスあるいは蒸気中でのレーザ 光の強い散乱によってレーザービームの効果的な減衰を引き起こす。 本発明の第１の好適な実施形態では、コーティングは黒色塗料からなる。壁部 材の側面に追加のコーティングを施すことで、事故により壁部材の内壁が燃焼す る場合は、壁部材の内壁と外壁の間に多量のガスあるいは蒸気の形成を引き起こ し、更なる散乱の増加、すなわち、レーザービームの出力密度の減衰を引き起こ す。 このとき、内壁と外壁との間に少なくとも１枚の隔壁を設けておくことが好適 である。このような隔壁は、特に極めて高出力、例えば、数キロワットの出力を 有するＮｄ-ＹＡＧタイプのレーザー光源、のレーザービームを遮蔽する壁部材 として使用すろ場合に好適である。 その際に、少なくとも一つの隔壁は、金属、例えば、鉄あるいはスチールの薄 板及び／又はグラファイト、あるいは、グラファイトをコーティングした薄板製 としてもよい。グラファイト、あるいは、グラファイトをコーティングした薄板 の使用が、これらの材料の高い吸収能により特に好適である。壁部材内部の隔壁 の組み合わせることにより、例えば、事故時の壁部材の耐久時間を１００秒以上 の値に向上させることや、10ｋＷ以上のレーザー出力を有するレーザービームを 遮蔽することが可能になる。 本発明の別の好適な実施形態によれば、少なくとも一つの隔壁は、側面上にコ ーティング、特に黒い塗料コーティングを有していてもよい。事故の場合に、レ ーザービームによって内壁がほとんど完全に融解したとしても、このコーティン グされた隔壁は、塗布されたコーティングの燃焼により、ガスあるいは蒸気の発 生源として役立つ。その結果、レーザービームはさらに広がり、出力密度は減衰 する。 さらに好適には、外壁に隣接する隔壁に高吸収能の塗料コーティングを施すか 内壁に隣接する隔壁を低吸収能としてもよい。この特別な構成方法によっても壁 部材の耐久時間を向上させたり、高レーザー出力に対して要求される耐久性を達 成することができる。 様々な適用事例において、グラファイトあるいはグラファイトをコーティング した薄板からなる隔壁の使用が好適である。 壁部材の内壁と外壁の間の距離は、レーザー光源からの当初のビームの直径に ほぼ一致する。当初のビームとは、レーザー光源から放出後、レーザー光学系に 入射前のレーザービームを意味する。これを測定して、維持することで、レーザ ービームの効果的な散乱、つまり、出力密度の減衰が達成される。 隣接する壁の間隔、例えば、内壁と隔壁、あるいは隔壁と隔壁、若しくは隔壁 と外壁も同様におよそレーザー光源からの当初のビームの直径に一致させると好 適である。もちろん、壁部材の壁の間の間隔をより大きくすることも可能である が、壁部材の最大の厚さとその効果との妥協点をみつけなければならないことは 自明である。 実施研究の結果、隣接する壁の間隔は、60ｍｍ以上とすることが好適であるこ とがわかった。 本発明のさらに別の好適な実施形態では、壁部材とレーザー光源との距離は少 なくともレーザー光学系の焦点距離の４倍ないし５倍に設定している。原則とし て、壁部材は、レーザービームの出力密度が非常に高くなるレーザー光学系の焦 点範囲、すなわち、焦点距離範囲内には配置されない。さらに、壁部材の配置は 、対応する防護あるいは防災施設も考慮される。 本発明の別の実施形態では、多殻壁部材の前面は、好ましくは、全面的に密閉 されている。壁部材は、より大きなコンポーネントを組み立てるのが簡単で、良 好な操作性を有する。さらには、壁部材の内部で事故中に発生したガスあるいは 蒸気を閉じ込め、急には漏出しないようにすることもできる。 本発明の更なる実施形態では、壁部材は、垂直な上部部材、好ましくは、その 正面領域内に形成された穿孔を有する。この穿孔は、事故中に壁部材内部で発生 した煙の制御された放出に役立つ。 さらに信頼性を高める措置として、壁部材の内壁と外壁との間に、制御装置に 接続された煙あるいはガスセンサーを配置している。この制御装置は、事故中に 危険信号を発することができ、特に、操作者が常時は臨席していない全自動のレ ーザーシステムに好適である。しかしながら、制御装置を用いてレーザーシステ ムをふさわしいやり方、例えば電源遮断、出力減少等、で制御することもまた可 能である。 本発明の発展形態では、少なくとも２つのセンサーを壁部材の異なる位置に配 置することが好適である。レーザービームが事故中にかかるセンサーの一つに直 接入射した場合でも、このコンセプトでは第２のセンサーが機能する冗長なシス テムとして好適である。 本発明では、内壁と外壁、場合によっては、その間に配置された少なくとも一 つの隔壁を互いに並べたもので、ポリカーボネートあるいはガラス製の複数の順 次積層した層を有する薄板にすると特に好適である。それによって、壁部材を介 して外側から作業領域を光学的に監視することが可能となる。このような薄板配 列は、ＣＯ2レーザーやＮｄ-ＹＡＧレーザーの負荷に対しても100秒以上に渡っ て、耐えられることが確認された。これは、明らかにレーザービームは、最初の 薄板を通過することにより、エネルギーを著しく失い、そのモードが変わって、 その 結果、離れて配置された後続の薄板への負荷が遅延するからである。よりたくさ んの薄板を配列することによって、次の薄板へのこの時聞遅延を向上させること ができる。 少なくとも一つの壁部材を有するレーザービームに対する防護施設は、その構 造上、スチール製の桁で形成された枠と、その枠に固定された壁からなるラーメ ン構造の防護施設とすることが好適である。 本発明は、図面に示された実施形態に基づいて以下、詳細に説明される。 図１は、本発明に係る壁部材の内壁と外壁とを有する第１の実施形態を示して いる。 図２は、本発明に係る壁部材であって、図１に隔壁を追加した第２の実施形態 を示している。 図３は、本発明に係る壁部材であって、図１に２枚の隔壁を追加したさらなる 実施形態を示している。 図４は、本発明に係る壁部材であって、図１に、グラファイト製あるいはグラ ファイトをコーティングした２枚の隔壁を追加したさらなる実施形態を示してい る。 図５は、本発明に係る壁部材であって、図１の内部空間に煙センサーを配置し たさらなる実施形態を示している。 図中に記載されているレーザー光源３８からのレーザービームに対する防護施 設の壁部材１０は、少なくとも一枚の内壁１２と一枚のこれにおおよそ平行な外 壁とから構成されている。内壁１２と外壁１４は金属製、好ましくは鉄あるいは スチールの薄板製、であり、内壁１２は、少なくとも作業あるいは活動領域に面 した側面１８上に、好ましくは外側の側面２０上にも、コーティング１６を有し ている。コーティング１６は、好ましくは、高吸収能を有する、例えば、黒色塗 料等からなる塗料コーティングであってもよい。外壁１４の内壁１２を向いた側 面２２は、低吸収能である。この外壁１４の低吸収能、言い換えると、高反射能 の側面２２は、実際には、例えば、過度の処理を施していない鉄あるいはスチー ルの反射表面を有し、外壁１４として使用される薄板、によって得ることができ る。もちろん、外壁１４の内壁１２を向いた側面２２に、反射能を向上させるた めの特殊な処理あるいは加工を施すことを除外するものではない。さらに、内壁 １２の側面２０にもコーティングを施すことが好ましい。 図２の実施形態によれば、内壁１２と外壁１４との間の空間には、両面がコー ティングされておらず、その結果、低吸収能、すなわち、高反射能を有する隔壁 ２４が設けられている。隔壁２４は、１面だけあるいは２面とも高吸収能を有す る塗料コーティングでコーティングされていてもよいことは自明である。これは 、特殊な用途に向けられたものである。 図３の実施形態によれば、２枚の隔壁２４、２６が設けられている。そして、 特別な実施形態においては、隔壁２４は未コーティング、すなわち、反射面とさ れ、隔壁２６は、コーティング、すなわち、吸収面とされる。 図４の実施形態によれば、壁部材１０の内壁１２と外壁１４との間に同様に２ 枚の隔壁２４、２８が配置されており、隔壁２８は、この場合、グラファイトあ るいはグラファイトでコーティングされた薄板からなる。これに対して、隔壁２ ４は、未コーティングで、高反射能を有する。 その時々の適用ケースに適合させて図示された実施形態を任意の組み合わせで 変形あるいは修正して使用可能であることは自明である。本発明の基本的な考え は、事故が発生した場合に、壁部材１０のふさわしい形態により狙ったガス、蒸 気あるいは煙を発生させることである。このために、コーティング１６を有する 個々の壁が設けられている。例えば、隔壁２６の少なくとも内側の側面３２上、 あるいは、さらに外側の側面上にも塗料コーティングを有してもよい。それぞれ の壁１２、１４、２４、２６、２８の間の距離３４、３６は、レーザー光源３８ からの当初のビームの直径にほぼ一致する。実際には、隣接する壁１２、１４、 ２４、２６、２８の間の距離３４あるいは３６は、約60ｍｍ以上とすることが好 適である。レーザー光源３８からの壁部材１０の距離４０は、レーザー光学性の 焦点距離の約４倍ないし５倍とすることが好ましい。 多殻壁部材１０の前面４２、４４は、全面的に密閉されていることが好ましい 。しかしながら、垂直な上部部材、好ましくは、前面４２の領域の領域に、図４ に図式的かつ例示的に示されているように、穿孔５０を設けてもよい。壁部材１ ０ の構造は、例えばラーメン構造であり、スチール製の桁あるいはそれに類する断 面の桁からなる枠と、その枠に固定された壁１４、１６、２４、２６、２８から なる。 図５の実施形態によれば、壁部材１０の内壁１２と外壁１４との間の空間に、 制御装置に接続されている２つの煙あるいはガスセンサー４６、４８が配置され ている。 図の参照番号のリスト １０−壁部材 １２−内壁 １４−外壁 １６−コーティング １８−側面 ２０−側面 ２２−側面 ２４−隔壁（光沢） ２６−隔壁（黒） ２８−隔壁（グラファイト） ３０−塗料コーティング ３２−側面 ３４−距離 ３６−距離 ３８−レーザー光源 ４０−距離 ４２−前面 ４４−前面 ４６−センサー ４８−センサー ５０−穿孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 小部屋、壁あるいは遮蔽物であり、作業領域あるいは活動領域に隣接す る内壁（１２）と、内壁（１２）に平行であって、作業領域あるいは活動領域か ら内壁（１２）よりさらに離隔した外壁（１４）とを有し、作業領域あるいは活 動領域を取り囲み、レーザー光源（３８）からのレーザビームに対する防護施設 となる壁部材（１０）であって、 内壁（１２）と外壁（１４）は、金属、例えば、鉄あるいはスチールの薄板製 であり、内壁（１２）の少なくとも作業領域あるいは活動領域を向いた側面（１ ８）上に高吸収能を有するコーティング（１６）が設けられるとともに、内壁（ １２）に向いた外壁（１４）の側面（２２）は、低吸収能であることを特徴とす る壁部材（１０）。 ２． 前記コーティング（１６）は、黒色塗料であることを特徴とする請求項 １記載の壁部材。 ３． 前記内壁（１２）と前記外壁（１４）との間に少なくとも１枚の隔壁（ ２４、２６、２８）が配置されていることを特徴とする請求項１あるいは２のい ずれかに記載の壁部材。 ４． 少なくとも１枚の前記隔壁（２４、２８）は、金属、例えば、鉄あるい はスチールの薄板製、及び／又は、グラファイト若しくはグラファイトでコーテ ィングされた薄板製であることを特徴とする請求項３記載の壁部材。 ５． １枚の隔壁（２６）の少なくとも一つの側面（３２）上にコーティング （１８）、特に、黒色塗料コーティング（３０）が設けられていることを特徴と する請求項３あるいは４のいずれかに記載の壁部材。 ６． 外壁（１４）に隣接する隔壁（２６）に高吸収能の塗料コーティング（ ３０）が形成されるとともに、内壁（１２）に隣接する隔壁（２４）は低吸収能 であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の壁部材。 ７． １枚の隔壁（２８）は、グラファイトあるいはグラファイトでコーティ ングされた薄板からなることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の壁部 材。 ８． 内壁（１２）と外壁（１４）との間の距離（３４）は、レーザー光源 （３８）から発せられた当初のビームの直径とほぼ一致することを特徴とする請 求項１〜７のいずれかに記載の壁部材。 ９． 隣接する壁、例えば、内壁（１２）と隔壁（２４）、隔壁（２４）と隔 壁（２６、２８）、隔壁（２４、２６、２８）と外壁（１４）の間の距離（３６ ）は、レーザー光源（３８）から発せられた当初のビームの直径とほぼ一致する ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の壁部材。 １０． 隣接する壁（１２、１４、２４、２６、２８）の間の距離は少なくと も６０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の壁部材。 １１． 壁部材（１０）とレーザー光源（３８）との間の距離（４０）は少な くともレーザー光学系の焦点距離の少なくとも４倍ないし５倍であることを特徴 とする請求項１〜１０のいずれかに記載の壁部材。 １２． 多殻壁部材（１０）の前面（４２、４４）は、全面的に密閉されてい ることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の壁部材。 １３． 垂直上部部材、好ましくは前面（４２）の領域に、穿孔（５０）が設 けられていることを特徴とする請求項１２に記載の壁部材。 １４． 内壁（１２）と外壁（１４）との間に、制御装置に接続されている煙 あるいはガスセンサー（４６、４８）が配置されていることを特徴とする請求項 １〜１３のいずれかに記載の壁部材。 １５． 少なくとも２つのセンサー（４６、４８）が壁部材（１０）の異なる 位置に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の壁部材。 １６． 内壁と外壁（１２あるいは１４）と場合によっては、その間に配置さ れた少なくとも１枚の隔壁（２４、２６、２８）は、ポリカーボネートあるいは ガラス製の薄板を互いに並べた構成であることを特徴とする請求項１〜１５のい ずれかに記載の壁部材。 １７． 前記薄板は、少なくとも２層、好ましくはそれ以上の多層を積層して 構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の壁部材。 １８． 少なくとも一つの請求項１〜１７記載の壁部材を有するレーザービー ムに対する防護施設であって、ラーメン構造で構成され、スチール製の桁と前記 桁に固定された壁（１４、１６、２４、２６、２８）からなる防護施設。