JP2017507497A - 高出力ファイバレーザ安全制御システム - Google Patents

Abstract

レーザ安全制御システムは、AC源に直接結合される電力源モジュールを用いて構成される。電力源モジュールは、出力キャパシタを有する直流的に絶縁されたDC/DCコンバータ、及び安全機構を含む。安全機構は、第1及び第2安全チャンネルを用いて構成され、それらは電力源モジュールの正常動作レジームを安全なレジームに切り替えるように互いに独立して動作する。正常動作レジームでは、そのDC出力は、高電圧を有し、一方安全なレジームでは、DC出力は、その高電圧よりも低い低電圧を有する。安全チャンネルはそれぞれ、停止回路及び放電回路を含む。停止回路は、DC/DCコンバータの電源を切るように動作する。放電回路は、所望のしきい値を下回る電圧まで出力キャパシタを放電する。DC/DCコンバータの電源を切ること及び出力キャパシタを放電することは、電力源モジュールの安全なレジームを規定する。

Description

本発明は、レーザ安全システムの分野に関し、特に、レーザの電力源に組み込まれる機能を用いて高出力ファイバレーザを安全な状態に電子的に至らせるための方法が、述べられる。

半導体ポンピングを用いる高出力レーザ、例えばファイバレーザは、様々な材料を処理するために広く使用される。強力なレーザ放射は、様々な人間の器官、特に目が、レーザ放射に直接さらされるとき、人間にとって危険である。したがって、システムインテグレータは、動作している高出力レーザの近くで働く要員を保護するための安全対策を提供しなければならない。これらの対策は一般に、レーザ処理すべきワークピースの周りに閉じた保護ブースを構築することに関係している。ブースは、レーザ放射がその境界を越えて侵入しないようにし、例えば、ワークピースを変えるためにまたは他の目的のためにアクセスされることもある。明らかに、ブースが、アクセスされるとき、レーザをレーザ放射が生成されない安全な状態/レジーム(regime)に至らせることが、必要である。

典型的には、レーザそれ自体は、保護ブースの外側に設置され、レーザ放射は、配送ファイバによってブース内に案内される。後者の構成では、いったん必要が生じると、レーザを安全なレジームに至らせるために、レーザそれ自体の完全性および配送ファイバの完全性を監視することが必要である。

安全対策は、レーザの開発者が、レーザ放射を生成することができない安全な状態にレーザを至らせる可能性(インターフェース)をシステムインテグレータに提供することを必要とする。ISO13849-1などの、現在の機械の安全規格は、単一または多重障害に応答する安全システムの故障確率に応じて安全システムカテゴリ(性能レベル)を定義する。強力なレーザの安全システムのための現在の最低限度は、ISO13849-1によるCat. 3 PL_Dであり、安全システムの単一障害が、安全機能の喪失につながってはならないことを必要とし、かなり実際的であるときはいつでも、単一障害は、安全機能への次の要求が受け取られるときまたはその前に検出されるものとする。

レーザだけでなく、他の電気機械もまた安全な状態に至らせるための現在の幅広い方法の1つは、直列に接続され、また作業プロセスにおいてそれらのステータスも監視する安全リレーの助けを借りて制御される2つの冗長接触器(contactor)の助けを借りてそれらを送電網から切り離す(電源を切る)ことを含む。このシステムの例は、図1に示される。接触器が、開いているとき、レーザは、エネルギー源から切り離される。もし危険な放射を生成するのに十分なエネルギーを蓄える能力があるキャパシタンスがシステムにあるならば、それらは、レーザを安全な状態に至らせるように放電されなければならない。放電は、接触器の補助的な、通常は閉じている接点を用いて強制されることもある。そのような解決法は、処理サイクルが数秒しか続かない、処理中の(on processing)搬送ラインなどの、レーザを速くかつ頻繁に安全なレジームに至らせることが必要である応用にとって欠点を有する。この場合、接触器の機械的寿命は、非常に速く使い果たされ、それは、それらの頻繁な交換につながる。さらに、接触器が、閉じた位置に切り替えられるたびに、レーザシステムは、システムに働く準備をさせるために比較的長い時間かかる「コールド」スタートをする。これは、搬送ラインの操作において費用のかかる遅延につながる。

必要とされる安全対策を提供する代替解決法は、レーザ放射の経路への特別なシャッタ(光安全シャッタ)の据え付けを含む。しかしながら、ファイバレーザまたは放射配送ファイバを有する別の種類のレーザの場合には、この配置は必然的に、放射が、ファイバから放出され、その後ファイバに逆入力されるということを要求し、それは、この放射の品質(輝度)を低下させ、システム全体の信頼性に悪影響を与える。さらに、そのような配置は、システムの価格をかなり上げる。

WO2014063151 WO2014063153

ISO13849-1 Cat. 3 PL_D

本発明の枠組み内で、安全システムが、開示され、それは、レーザシステムの電力源に組み込まれる特別な機能の助けを借りてレーザシステムが安全なレジームに切り替わることを電子的に可能にするように動作する。開示されるレーザシステムでは、安全機能は、電力源のDC-DCコンバータの2チャンネル(冗長)停止および所定の時間範囲内での安全なレベルまでのその出力キャパシタの2チャンネル(冗長)放電を用いてシステムのレーザ放射を止めることとして決定される。レーザシステムの安全なレジームを必要とする状況は、下記の事項、
外部安全インターフェースからの許可信号の除去、
放射配送ファイバの完全性の違反、
レーザ筐体の完全性の違反、および
レーザシステムの特定の実施に応じた、任意の他の安全システムセンサの作動を含む。

より具体的には、本発明の態様の1つは、AC源に直接結合される電力源モジュールを用いて構成される、発明となるレーザ安全制御システムに関する。電力源モジュールは、出力キャパシタを有する直流的に絶縁されたDC/DCコンバータ、および安全機構を含む。

安全機構は、出力キャパシタを放電し、電力源モジュールを正常なレジームと安全なレジームとの間で切り替えるように動作する。正常なレジームは、電力源の高電圧DC出力によって特徴付けられ、一方安全なレジームでは、DC出力は、正常なレジームのそれよりも低い。

この態様による発明となるレーザ安全システムはさらに、レーザモジュールを含む。レーザモジュールは、高出力ファイバレーザシステムおよびDC出力を受け取るレーザポンプシステムを用いて構成される。安全なレジームでのDC出力は、レーザポンプシステムの放出しきい値よりも低い。

別の態様によると、発明となるレーザ制御システムは、AC源に直接結合される電力源モジュールを用いて構成される。電力源モジュールは、出力キャパシタを有する直流的に絶縁されたDC/DCコンバータ、ならびに出力キャパシタを放電するように動作し、安全なレジームおよび正常なレジームにおいて制御可能に動作する安全機構を含む。正常なレジームは、電力源の高電圧DC出力によって特徴付けられ、一方安全なレジームでは、DC出力は、正常なレジームのそれよりも低い。低DC出力は、DC出力を受け取る高出力ファイバレーザのためのポンプの放出しきい値よりも低くなるように選択される。

安全機構は、第1および第2の安全チャンネルを用いて構成され、それらは、互いに独立して動作し、それぞれ、
電力源モジュールを正常動作レジームから安全なレジームに切り替えるための停止回路、および
出力キャパシタを安全なレジームでの所望のしきい値を下回る電圧まで放電するように動作する放電回路を用いて構成される。

別の態様では、上で開示された態様のどちらかの開示される安全システムはまた、それぞれの外部および内部の安全関連センサからの警報信号に応答して電力源の動作を制御するように構成される安全コントローラも有する。安全コントローラは、外部および内部センサのすべてが、それぞれの警報信号を出力しないとき、電力源が正常動作レジームにあることを可能にするように、安全機構に結合されるイネーブル信号を生成するように動作する。安全コントローラはまた、内部および外部センサの少なくとも1つの警報信号に応答してイネーブル信号を終わらせるようにも動作する。安全機構の安全チャンネルはそれぞれ、イネーブル信号がない場合は電力源モジュールの正常動作レジームを安全なレジームに切り替え、出力キャパシタを放電するように構成される。

本発明のなお別の態様は、1つまたは複数の追加の電力源モジュールもまた含む、上で論じられた態様のいずれかにおいて開示されるようなレーザ安全システムに関する。

本発明のなお別の態様によると、上で開示された態様のいずれかのレーザ安全システムは、それぞれの安全チャンネルの放電回路がそれぞれ、停止回路に続いてまたはそれと同時に動作する、安全機構を用いて構成される。

本発明のなお別の態様によると、上で言及された態様のいずれかにおいて論じられるような安全システムは、実行コンポーネントの完全性を監視する複数の多重センサを含む安全機構を用いて構成される。センサは、安全機構の安全チャンネルの各々に組み込まれる。

本発明のなお別の態様によると、上で開示された態様のいずれかのレーザ安全システムは、各々が複数の出力コンポーネントを含む、安全機構の安全チャンネルを含む。出力コンポーネントはそれぞれ、電力源モジュールが、安全なレジームにあり、実行コンポーネントが、適切に機能しているとき、それぞれの入力を安全コントローラに提供するように動作する。

さらなる態様によると、上で開示された態様のいずれかの安全システムは、出力キャパシタに結合される補助電力源を含む。補助電力源は、もし電源装置モジュールが、電源を切られるならば、安全なレジームを実現するように動作する。

このシステムの主要な利点は、摩耗を受ける電気機械的要素(接触器)がないこと、準備ができている状態に至らせるために必要とされる時間が比較的少ない(100ms未満)こと、比較的低い実装コスト、および経路での追加のエネルギー損失がないことである。

上で開示された特徴および利点は、図を伴う下記の具体的記述からより容易に明らかになるであろう。

既知の従来技術のレーザ安全システムの1つを示す図である。 線形ポンプ電流制御要素を有する、ファイバレーザのポンピングモジュールの簡略化した構造を示す図である。 ポンピング電流(バックステージ(buck stage))を制御するために高周波PWM(パルス幅変調)方法を用いるポンピングモジュールの簡略化した構造を示す図である。 発明となる安全システムの全体図を示す図である。 開示される電源装置モジュールのDC-DCコンバータの構造図を示す図である。 開示されるDC-DCコンバータの2チャンネル停止および電源装置モジュールの出力キャパシタンスの2チャンネル放電の原理を示す図である。

図2は、MOSFETである線形ポンプ電流制御要素22を有する、ファイバレーザのポンピングモジュールを例示する図である。

図3は、ポンピング電流(バックステージ)を制御するために高周波PWM(パルス幅変調)方法を用いるファイバレーザのポンピングモジュールの簡略化した構造を示す図である。図2と対照的に、図3での制御要素26は、高周波数(数百キロヘルツ)においてスイッチモードで動作する。

ポンピングダイオードは、もしこれらのダイオードに印可される電圧が、ダイオード生成しきい電流を規定するある値よりも低いならば、危険なレーザ放出レベルを生成するのに十分なエネルギーを照射することができない。ポンピングモジュールの正常動作は、75ボルト程度の供給電圧を必要とするが、この安全な電圧値を20ボルトと仮に指定しよう。値20Vは、1つの回路に直列に接続されるポンピングダイオード21の総数および1つのダイオードにかかる順方向電圧によって決定される。

図2および図3から、ダイオードにかかる電圧が、どちらの場合もポンピングモジュール供給電圧よりも高くなり得ないことは、明らかであり、それは、レーザの安全な状態を達成するためには、20V(安全な出力電圧またはSOV)よりも低い、ポンピングモジュール供給電圧値または電力源出力電圧降下(それは、同じことである)を確保することで十分であることを意味する。

図4は、提案される新規な概念の全体図を示す。その動作が以下で調べられることになる、電源装置ユニット11は、送電網(AC供給源)10に直接接続される。レーザシステムの必要とされる出力に応じて、電源装置ユニットならびにポンピングおよびファイバレーザモジュール12の数は、変えられてもよい。本システムは、安全コントローラ13を有し、それは、一方では、システムを安全な状態に至らせることを要求するコマンドを外部から、またレーザの緊急停止を要求するコマンドも内部センサから受け取る。他方では、安全コントローラ13は、電源装置ユニット11を制御し、その場合安全な停止および出力放電機構が、特別に構築される。またシステムに組み込まれもするCPU14は、安全システムの動作を妨げることなく、放出出力などの、レーザの動作を制御する。しかしながら、それは、安全コントローラ13から診断情報を受け取ることができる。

図2および図3での例に示されたように、レーザを安全な状態に至らせるためには、ポンピングモジュール12の入力での電源装置電圧が、SOVを超えないことを確実にすることで十分である。電源装置ユニットの配置の観点からすると、もし一次回路から二次回路へのエネルギー伝達が、止められ、電源装置ユニット11のすべての出力キャパシタンス(およびまたそれらに並列に接続されるポンピングモジュール12の入力キャパシタンスも)が、放電されるならば、この条件を満たすことが、可能である。

図5は、電源装置ユニット11のDC-DC部分の構造図を示す。図示される回路は、交互配置された(interleaved)2つのトランジスタのフォワードコンバータとして知られている二重フォワードコンバータの変形である。PWMコントローラ32からの駆動パルスは、スイッチ30によって必要なレベルに増幅され、ゲート駆動トランス31に入る。トランス31の出力巻線は、電力スイッチ33に接続され、それらは、電力トランス35における電流を切り替える。コントローラ32からの駆動パルスは、互いに対して180度だけ位相がずれており、各チャンネルでのパルスのデューティサイクルは、50%を超えないので、このコンバータを要素36上の共通整流器ならびに要素37および38上の平滑化フィルタに接続することは、合理的である。駆動パルスの周波数は、数十または数百キロヘルツでもあり、それは、電力源全体の相対的なコンパクト性を確保する。

開示されるシステムの顕著な特徴の1つは、一次回路から二次回路へのエネルギー伝達の安全性が、任意の直流的に絶縁されたコンバータ(トランス)に固有であるということに関係する。この特徴によると、要素30、31、33、34が動作するかしないかにかかわらず、コントローラ32からの駆動パルスなしにエネルギーを一次回路から二次回路に伝達することは不可能である。言い換えれば、要素30、31、33、34による任意の障害は、もしコントローラ32からの駆動パルスがないならば、自発的エネルギー伝達につながることはあり得ない。この重要な特性は、安全規格要件の観点から調べられるべきであり、その場合安全システムにおけるどんな単一故障も、危険状態につながってはならない。

それ故に、上で述べられた安全機能を実行するためには、コントローラ32からの駆動パルスがないことを確実にし、コンバータ出力を安全なSOVレベル(以下で調べられる)まで放電することで十分である。これは、要素30、31、33、34の完全性を監視しないことを可能にする。上で述べられることは、開示されるフォワードコンバータについてだけでなく、エネルギー伝達経路にハーフブリッジ、フルブリッジ、フライバック、プッシュ-プル、その他などのトランスの形で直流的絶縁を有する任意の他のコンバータについてもまた、正しいことに留意すべきである。

図6は、コンバータの2チャンネル停止および出力キャパシタンスの2チャンネル放電の原理を示す。安全要件に従うために、停止および放電構想(scheme)は、2チャンネルによって実行され、それは、Cat.3 ISO13849-1構造について典型的である。

両方のチャンネルは、互いに独立して働き、その構想において任意の単一障害の場合でさえレーザを安全な状態に至らせる能力がある。入力オプトカプラ40、41は、図4の安全コントローラ13からコマンドを受け取る。信号がないことは、コマンドが電源装置ユニットをオフにすることを意味する(電源を切る原理)。オプトカプラ40(チャンネル1)からの信号は、PWMコントローラ32の専用の停止入力になり、それによってそれを停止することができる。

デバイス44またはウォッチドッグは、コントローラ32の出力におけるパルスの存在/欠如を監視し、実際には、停止チャンネル1の動作の完全性を制御する。もし電源装置ユニットを停止するためのコマンドが、チャンネル1を通って届き、ウォッチドッグ44が、コントローラ32の出力にパルスがないことを確認するならば、その時、論理要素「AND」49は、チャンネル1の放電コマンドをさらに放電ユニットへ渡す。停止チャンネル2は、同様の原理によって働く。2つの追加のMOSFETドライバ43は、コントローラ32の出力に位置し、これらへの電力は、別のMOSFETドライバ42から供給され、それはひいては、オプトカプラ41からのオン/オフコマンドによって制御される。

比較器47の形のデバイスは、ドライバ43への電源装置電圧の存在/欠如を監視し、実際には、それは、停止チャンネル2の動作的完全性を制御する。もしコマンドが、電源装置ユニットを停止するためにチャンネル2を通って届き、同時に、比較器47が、ドライバ43における電源装置がないことを確認するならば、その時、論理要素「AND」48は、チャンネル2の放電コマンドをさらに放電ユニットへ渡すことになる。図6の中心部は、DC-DCコンバータ45を示し、それは、図5の構想に従って、またはトランスを有する任意の他のコンバータと同様に提供されてもよい。

出力キャパシタンス46の放電ユニットは、放電抵抗50、51および抵抗50、51を電源装置ユニット出力に接続するスイッチ52、53を使用する2チャンネル構想に従って提供される。2つの停止チャンネルのどちらかから少なくとも1つのコマンドがあるとき、両方の放電チャンネルは、連動する。放電チャンネルはそれぞれ、DCコンバータが、安全なレジームに切り替えられた後に、または別法として、それと同時に、出力キャパシタを放電してもよい。放電チャンネルの動作の完全性を監視するためのデバイス54、56は、
・出力電圧がSOVよりも下がるまで放電コマンド時に放電電流が存在すること、
・放電コマンドがないことと同時に放電電流がないこと、および
・出力電圧のレベルのようなパラメータを制御することができる。

監視ユニット44、47、54、56は、全システムの診断範囲(DC)およびそれ故に性能レベル(PL)(両方の項目は、ISO13849-1規格の意味で使用される)を全体として増加させることを目的として安全回路内の障害を検出するために他のパラメータを制御することができる。

通常、電源装置ユニットは、内部のニーズのための低電力の補助的なハウスキーピング電源装置を有する。この電力源の機能不全が、安全機能の喪失につながるということにならないことを確実にするために、内部のニーズのための1つまたは複数の予備電力源55がある。この電力源55は、電源装置ユニットの出力から給電され、電力源の出力電圧のレベルが、SOV値に低減するまで動作可能である。それ故に、安全機能は、どんな外部電源装置がない場合にさえ確保される。

出力オプトカプラ57、58は、もしその出力にかかる電圧が、SOV値を下回り、加えて障害が、監視ユニット44、47、54、56によって記録されていないならば、電源装置ユニットが、安全な状態にあるという事実(高レベル)を安全コントローラ13に伝える。

図4に示される安全コントローラ13は、独自の監視機能を有することができる。例えば、それは、オプトカプラ57、58の出力からの信号の相互比較をすることができる。また、それは、入力オプトカプラ40、41に到着する停止コマンド間の遅延値を測定し、出力オプトカプラ57、58からのそれらの到着によって安全な状態を確認することによって放電時間を制御することもできる。もし誤りが、1つの電源装置ユニット11の安全システムの動作において検出されるならば、それは、レーザシステムの残りの電源装置ユニット11を安全な状態に強制的に至らせることができる。上で列挙された対策は、安全システムの性能レベル(PL)をさらに増加させることを意図されている。

開示される安全システムは、かなりの実際的な利点を提供する。例えば、WO2014063151およびWO2014063153において開示され、本出願と共同所有されるレーザ溶接ガンは、レーザ源を用いて構成される。開示されるガンでは、レーザ安全性は、複雑でかつ高コストの電気光学スイッチを用いて実現される。典型的には、光スイッチは、レーザから下流の光路に沿って設置される。任意の機械的デバイスのように、それは、比較的長時間の応答を有し、それは、kW〜MWレーザ出力への暴露のリスクをかなり増加させる。さらに、これらのレーザ源は、その両方が望ましくない追加のファイバおよび安全空間構造を含むこともあるダンプ(dump)手段を必要とする。現在開示される安全システムの使用は、スイッチおよびダンプ手段の必要性を取り除く。別の例では、互いに異なるそれぞれの波長において逐次的方式で動作する多重レーザ源を有するマルチレーザシステムを想像されたい。通常、これらのレーザ源の選択的使用を提供する1つまたは多重ビームスイッチは、上で論じられたすべての不都合を有して実装される。ビームスイッチまたは複数スイッチを、本発明に従ってそれぞれ構成されるレーザ源と置き換えることは、マルチレーザシステムの安全性および有効性を明らかに向上させる。

本開示は、開示される例の観点から述べられたが、上で開示された実施形態への多くの変更および/または追加は、しかしながら次に来る請求項の範囲および趣旨から逸脱することなくレーザ技術の当業者には容易に明らかであることになる。

10 送電網、AC供給源
11 電源装置ユニット
12 ポンピングおよびファイバレーザモジュール
13 安全コントローラ
14 CPU
21 ポンピングダイオード
22 線形ポンプ電流制御要素
26 制御要素
30 スイッチ、要素
31 ゲート駆動トランス、要素
32 PWMコントローラ
33 電力スイッチ、要素
34 要素
35 電力トランス
36 要素、共通整流器
37 要素、平滑化フィルタ
38 要素、平滑化フィルタ
40 入力オプトカプラ
41 入力オプトカプラ
42 MOSFETドライバ
43 MOSFETドライバ
44 デバイス、ウォッチドッグ、監視ユニット
45 DC-DCコンバータ
46 出力キャパシタンス
47 比較器、監視ユニット
48 論理要素「AND」
49 論理要素「AND」
50 抵抗
51 抵抗
52 スイッチ
53 スイッチ
54 デバイス、監視ユニット
55 予備電力源
56 デバイス、監視ユニット
57 出力オプトカプラ
58 出力オプトカプラ

Claims (9)

1. AC源に直接結合される電力源モジュールであって、前記電力源モジュールは、出力キャパシタを有する直流的に絶縁されたDC/DCコンバータ、および安全機構を含み、それは、
   前記電力源のDC出力が高電圧を有する正常動作レジームと、前記DC出力が前記高電圧よりも低い低電圧を有する安全なレジームとの間で前記電力源モジュールを切り替え、かつ
   前記出力キャパシタを放電するように動作する、電力源モジュールと、
   高出力ファイバレーザシステム、および前記DC出力を受け取るレーザポンプシステムを含むレーザモジュールであって、前記低電圧は、前記レーザポンプシステムの放出しきい値よりも低い、レーザモジュールとを備える、レーザ安全制御システム。
2. 前記安全機構は、第1および第2の安全チャンネルを用いて構成され、それらは、互いに独立して動作し、それぞれ、
   前記電力源モジュールを前記正常動作レジームから前記安全なレジームに切り替えるための停止回路と、
   前記出力キャパシタを前記安全なレジームにおける所望のしきい値を下回る電圧まで放電するように動作する放電回路とを用いて構成される、請求項1に記載のレーザ安全制御システム。
3. それぞれの外部および内部安全関連センサからの警報信号に応答して前記電力源モジュールの動作を制御するように構成される安全コントローラをさらに備え、前記安全コントローラは、前記外部および内部センサのすべてが、それぞれの警報信号を出力しないとき、前記電力源が前記正常動作レジームにあることを可能にするように前記2つの安全チャンネルに結合されるイネーブル信号を生成し、前記安全コントローラは、前記内部および外部センサの少なくとも1つの前記警報信号に応答して前記イネーブル信号を除去し、前記2つの安全チャンネルのどちらかは、前記イネーブル信号がない場合に前記電力源モジュールの前記正常動作レジームを前記安全なレジームに切り替え、前記出力キャパシタを放電するように動作する、請求項2に記載のレーザ安全制御システム。
4. 1つまたは複数の追加の電力源モジュールをさらに備える、請求項1に記載のレーザ安全制御システム。
5. それぞれの安全チャンネルの前記放電回路はそれぞれ、前記停止回路に続いて動作する、請求項2に記載のレーザ安全制御システム。
6. 各安全チャンネルの前記停止回路および放電回路は、同時に動作する、請求項2に記載のレーザ安全制御システム。
7. 前記安全チャンネルはそれぞれ、実行コンポーネントの完全性を監視する複数の多重センサを含む、請求項2に記載のレーザ安全制御システム。
8. 前記安全チャンネルはそれぞれ、前記電力源モジュールが、前記安全なレジームにあり、前記実行コンポーネントが、適切に機能しているとき、それぞれの入力を安全コントローラに提供するように動作する複数の出力コンポーネントをさらに含む、請求項7に記載のレーザ安全制御システム。
9. 前記出力キャパシタに結合され、もし前記電源源モジュールが、電源を切られるならば、前記安全なレジームを実現するように動作する補助電力源をさらに備える、請求項1に記載のレーザ安全制御システム。

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