JP2006526505A - コヒーレントな電磁放射を遮蔽する装置およびその装置を備えたレーザーブース - Google Patents

Abstract

本発明は、コヒーレントな電磁放射、特にレーザー放射を遮蔽する装置に関する。この装置は、少なくとも部分的に収束する少なくとも二つの面（６，７）を備えており、当該二つの面の間には二つの開口部（８，９）が形成されている。二つの開口部（８，９）の間の面（６，７）の間隔は、電磁放射が、一方の開口部（８）から他方の開口部（９）へと直に通過しない程度に変化している。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、コヒーレントな電磁放射を遮蔽する装置、及び、レーザー溶接ブースにおける本発明の装置の利用であって加工プロセスでコヒーレントな電磁放射を遮蔽するための本発明の装置の利用に関する。

産業界において、レーザー等のコヒーレントな電磁放射源が、溶接、はんだ付け及び切断、並びに表面処理のように、材料を機械加工するためにますます用いられるようになっている。放射に対する安全性の理由から、このプロセスは、閉ざされた、即ち密閉されたブース内で行われる。しかし、被加工物をブース内に導入するために、ロボット用の搬送開口部、又はターンテーブル等の搬送装置が必要とされる。このような搬送開口部が、回動又は上昇するゲートによって閉じられることによって、被加工物の機械加工中、加工チャンバーの完全な密閉がなされる。これは、加工チャンバーの外部のＭＰＲ（最大許容放射（maximum permissible radiation））値を超えることがないようにするために必要である。

図１に、従来技術のレーザーブースを示す。レーザーブース１は、実質的に、複数のレーザー保護壁２と、ターンテーブル３と、上昇ゲート５と、を備えている。上昇ゲート５は、矢印の方向に移動可能である。ここで示す典型的な形態においては、ターンテーブル３は、回転軸４によって回転可能であり、被加工物用のレセプタクルを有するターンテーブル３の半分がレーザーブース１の内部に位置し、第２のレセプタクルを有するターンテーブル４の他方の半分がレーザーブースの外部に位置するようになっている。被加工物がレーザーブース１の内部チャンバー１２においてレーザーによって機械加工される前に、上昇ゲートが下方に動かされることによって、レーザーブース１の内部１２は、周囲から完全に密閉される。この状態では、レーザー放射が、内部１２から周囲へ出ていくことはできない。

被加工物が内部チャンバー１２内で機械加工されている間に、次の機械加工工程において機械加工がなされる後続の被加工物をターンテーブル３の第２のレセプタクルに置くことができる。しかしながら、機械加工された被加工物をターンテーブル３によって回して内部チャンバー１２から出し、未だ機械加工されていない被加工物を内部チャンバー１２内へと回す前に、上昇ゲート５を再び上方に動かさなければならず、これによって、被加工物用の搬送開口部が形成される。ブースの上昇ゲート５を開く最中にも閉じる最中にも、被加工物の機械加工は不可能であり、従って製造におけるサイクルタイムが長くなる。

例えば、Dr. Ernst Sutter著，「光学的放射からの保護（Schutz vor optischer Strahlung）」，第２版，VDE-Verlag，２００２年，ｐ．８３から、レーザーエネルギーを測定するための所謂円錐受光器（conical receivers）が既に知られている。これにおいては、中空の円錐吸収面が、レーザービーム計測のための絶対受光器（absolute receivers）として用いられる。円錐の開き角（opning angle）は２０°未満であり、測定すべきレーザー放射は、円錐の軸に平行に円錐受光器に進入する。その更なる経路上では、レーザー放射は、円錐の先端に向けて反射される。円錐の軸に平行に進入する放射の場合、Ｚ＝１８０°／αの円錐の開き角αでは、ビームが円錐から再び放出する前にＺ回の反射が行われる。円錐の軸に平行に進入するコヒーレントな電磁放射は、円錐の先端には到達せず、生じる反射のために、円錐の開口部から再び放出していくことになる。仮に中空円錐の吸収面での反射率が非常に低くはなくても、反射回数が多いため、放射のうち無視できるほど小さな部分しか、円錐から再び放出しない。

これに基づいて、本発明の目的は、冒頭で定義された類の装置を改良し、コヒーレントな電磁放射の放射源がその内部で用いられるチャンバーを密閉する必要がないようにすることにある。

この目的は、請求項１の明示的特徴によって規定されるような、コヒーレントな電磁放射を遮蔽する装置によって達成される。

本発明の有利な特徴は、従属請求項によって規定される。

本発明によれば、二つの面が互いへ収束し合い、当該二つの面がそれらの間において正反対に向かい合う二つの開口部を形成しており、二つの開口部の間の上記面の間隔が、一方の入射開口部から他方の開口部へのコヒーレントな電磁放射の直接の通過を防止するように変化している。これによって、実質的に、加工チャンバーから外部への放射がなくなり、その上、加工チャンバーの完全な密閉を不要にすることができる。代わりに、コヒーレントな電磁放射は、収束する面から放射源へ反射されて戻される。

互いへ収束し合う二つの面にできるだけ高い反射率を得るために、これらの面が、それらの間に１０°〜３０°、好ましくは２０°以下の角度をなすことが望ましい。

二つの面は、実質的に平面、即ち平らになっていることが構造的に特に好ましい。

本発明の別の有利な特徴においては、上記二つの面が、それらの互いに対面する側で凹面及び／又は凸面になっている。これによっても、更なる遮蔽手段なしに、コヒーレントな電磁放射の直接の通過を防ぐことができる。

一方の面が、他方の面に対面する側で凹面になっており、他方の面が、凸面になっていることも、また当然に想定される。

別の変形形態では、上記二つの面が、それらの互いへ収束し合う側において、互いに凹状及び／又は凸状に延在する。

入射するコヒーレントな電磁放射の放射源の方向への反射は、また、上記二つの面が、それらの互いに向かい合う側で凹状及び／又は凸状に延在する部分を有している場合に、達成し得る。

本発明の別の有利な特徴においては、少なくとも一つのバフルが、少なくとも一方の面に設けられている。その結果、構造的に簡易な手段によって、冗長がもたらされ、これによって、あらゆる場合において、入口の開口部から他方の開口部へのコヒーレントな電磁放射の直接の通過が防止される。

コヒーレントな電磁放射の放射源の方向への逆放射をできる限り小さくするために、面及び／又は少なくとも一つのバフルは、電磁放射を吸収する材料製の表面または表面被覆を有する。これによって、上記表面の一つからのそれぞれの反射について、放射の強度が確実に減少する。仮に、二つの面の間でコヒーレントな電磁放射の不要な散乱が発生したとしても、本発明のこの対策が、周囲に放出するかもしれない放射を、有機組織に対して無害な程度の量まで減少させる。

面及び／又は少なくとも一つのバフルが、金属化表面または金属化表面被覆を有することも、また当然に想定される。この金属化表面又は金属化表面被覆は、コヒーレントな電磁放射の内、互いへ収束し合う面の間において放射源の方向へ入射するコヒーレントな電磁放射の反射率を同様に高める

本発明の別の特別の概念において、コヒーレントな電磁放射を遮蔽する本発明の装置は、完全な密閉が、不可能であるか、又は時間がかかりすぎる加工プロセスに用いられる。特に、本発明の装置を、レーザーブース内でレーザー放射を遮蔽するのに用いるものとする。

レーザーブースは、レーザー保護壁と、被加工物を固定するための少なくとも一つの、好ましくは二つの凹部を有するターンテーブルと、を備えうる。本発明によれば、ターンテーブルと共に回転することができるレーザー保護壁が、ターンテーブル上に設けられ、遮蔽装置が、その外縁領域に設けられる。

本発明の遮蔽装置は、ターンテーブル、又はターンテーブルと共に回転するレーザー保護壁と、レーザーブースの隣接壁との間に生じる全ての間隙に設けることができる。しかし、使用するレーザーの動作範囲によって、例えば、一つだけの側方遮蔽装置若しくは二つの側方遮蔽装置、及び／又は、一つだけの上方の若しくは一つだけの下方の遮蔽要素、或いは一つの上方遮蔽要素と一つの下方遮蔽要素とを設けることもまた可能であるということが分かる。ターンテーブルと共に回転するレーザー保護壁の少なくとも一方の側方外縁領域、及び／又は少なくとも一方の水平方向に延びる外縁領域に、隣接するレーザー保護壁自体と共に、又はそれらの壁に設けられた固定面と共に、収束する面を形成する面が存在する。概して言えば、その結果として、レーザーブースの内部チャンバー内へ電磁放射が反射される。

本発明のさらなる目的、有利点、特徴、および考えうる使用法は、図面と共に次の代表的な実施形態の説明から明らかとなろう。本発明が特許請求の範囲でどのように簡略に述べられているかにも、また請求項の従属関係にもよらず、図面に示し且つ／又は記載した全ての特徴が、単独で、または任意の適当な組み合わせで、本発明の対象を形成している。

図２は、反射されなければ出ていくレーザー放射を反射させてブース内部１２内へと戻す装置を有するレーザーブース１を示している。

被加工物を受けるためのターンテーブル３上には、レーザー保護壁２０が固定配置され、ターンテーブル３と共に回転軸４を中心として回転可能である。ターンテーブル３上に配置されたレーザー保護壁２０と、隣り合う外側レーザー保護壁２との間に生じる開口部、即ち間隙を介して如何なるレーザー放射も外部へ漏れ出すことができないようにするために、面６を有する壁が、レーザー保護壁２０に設けられている。この面６は、図３が示すように、第２の面７に向かって収束するものであり、第２の面７は、外側レーザー保護壁２に設けられている。二つの面６，７によって二つの開口部８および９が画成されており、符号８は、ブース内部１２から到来するレーザー放射を示している。

面６及び７の曲率は、回転軸４を中心としてターンテーブル３が回転するときに、面７又はそれに対応する壁部がターンテーブル３と衝突する半径範囲の外側に配置されるように、設定されている。

それらの互いに対面する側で、面６および面７の両方が凸状である実施形態であることから、コヒーレントな電磁放射が、レーザーブースの内部チャンバー１２から外部に漏れ出すことができないようにすることが実現される。代わりに、この放射は、内部チャンバー１２内への放射の戻り反射が発生するまで、面６または７で複数回反射される。相互に作用する面６および７の曲率半径は、これらの接線間で２０°以下の角度をなすように選択される。

レーザー放射遮蔽装置は、ターンテーブル３、又はターンテーブル３と共に回転するレーザー保護壁２０と、レーザーブース１の隣接壁２との間に生じる全ての間隙に設けるのが有利である。より明瞭にするために、図２においては、共に回転するレーザー保護壁２０に側方に設けられた面６と、これらに対応してレーザーブース１の垂直壁２に設けられたた面７とを示している。図２ａにおいては、共に回転するレーザー保護壁２０の、上側の水平に延びる外縁領域に面６が配置され、レーザーブース１の開口部の上側の境界に、対応の面７が配置され、且つ、ブースの壁２の開口部の下側の境界に面６が配置されているものを示しており、対応の面７は、ターンテーブル３自体の壁によって形成されている。

面６及び７は、電磁放射吸収性材料を含む表面または表面被覆を有している。これらの面が鏡面を有しているということも当然に想定される。面６および７の吸収度が高いことにより、複数回の反射後、放射は、あらゆる場合において、この放射の強度がもはや有機組織を害するのに十分ではなくなるほどに減衰させられる。

面６及び７の間での電磁放射の吸収度をさらに高め、それによってコヒーレントな電磁放射の強度を高めるために、図４に示すように、バフル１０を更に設けることが可能である。面６又は７の一方に当たる前のコヒーレントな電磁放射の入射角は、複数の反射及び結果としての戻り反射によって、開口部８を通って進入するコヒーレントな電磁放射が開口部９の近傍に到達することがもはや可能ではないほど、大きくなるように選ばれる。面６及び７の表面、更に任意ではあるがバフル１０の表面の吸収度が高いことにより、内部チャンバー内へと反射されて戻る放射の強度は、更に非常に小さいものである。

図５〜図８は、収束面６及び７の設計が異なる本発明のさらなる代表的な実施形態を示している。図５における面６、７は凸−凸状で収束するものであり、一方、図６においては、これらは、凹−凹状で集束するものである。それに対して、図７は、凹凸面の両方の要素を含む面６および７を示している。二つのバフル１０および１１のそれぞれが示されており、これらは、開口部８及び９を介するコヒーレントな電磁放射の直接の通過を防止する。

図８において、集束面６，７、又は対応する壁要素は、実質的に平らなものとして具体化されており、これは、他の実施形態に比べて大きな構造的な優位性を示すものである。

完全な密閉が、可能でないか、または経済的な理由で時間がかかりすぎるものであるあらゆる加工プロセスに、コヒーレントな電磁放射を遮蔽する本発明の装置を用いることもまた考えられる。例えば、前と同様、放射源を有する内部チャンバーからコヒーレントな電磁放射が放出することを防止しなければならない屋内で、本発明の装置を用いることもできる。

従来技術のレーザー溶接ブースを示している。 コヒーレントな電磁放射を遮蔽する、ターンテーブル上に側方に配置された、本発明による装置を有するレーザー溶接ブースを示している。 コヒーレントな電磁放射を遮蔽する装置が、水平に延びる間隙の位置に設けられた、図２のレーザーブースを示している。 図２の本発明の装置の拡大図を平面図で示している。 付加的なバフルを有する、図２、図２ａおよび図３の本発明による装置を示している。 本発明の装置のさらなる実施形態を示している。 本発明の装置のさらなる実施形態を示している。 本発明の装置のさらなる実施形態を示している。 本発明の装置のさらなる実施形態を示している。

符号の説明

１ レーザー保護ブース
２ レーザー保護壁
３ ターンテーブル
４ 回転軸
５ 上昇ゲート
６ 面
７ 面
８ 開口部
９ 開口部
１０ バフル
１１ バフル
１２ 内部チャンバー
１４ 放射
２０ レーザー保護壁

Claims (15)

1. コヒーレントな電磁放射、特にレーザー放射を遮蔽する装置であって、少なくとも一部において互いへ収束し合う少なくとも二つの面（６，７）を有しており、当該二つの面の間には正反対に向かい合う二つの開口部（８，９）が形成されており、前記二つの開口部（８，９）の間の前記面（６，７）の間隔が、一方の開口部（８）から他方の開口部（９）へと電磁放射が直に通過しないように変化している、装置。
2. 前記二つの面（６，７）が、これらの間で、１０°〜３０°、好ましくは２０°の角度をなすことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記二つの面（６，７）が、それらの互いに対面する側で凹面及び／又は凸面になっている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 一方の面（６または７）が、他方の面（７または６）に対して対面する側で凹面になっており、他方の面（７または６）が、凸面なっている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記二つの面（６，７）が、それらが互いに対面する側で、凹状及び／又は凸状に互いへ収束し合う、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記二つの面（６，７）が、それらが互いに対面する側で、凹状及び／又は凸状に延在する部分を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 少なくとも一つバフル（１０，１１）が、少なくとも一方の面（６，７）に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記二つの面（６，７）のそれぞれが、凹面要素および凸面要素を有する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 少なくとも一方の面（６，７）が、電磁放射吸収性材料からなる表面を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 少なくとも一つのバフル（１０，１１）が、電磁放射吸収性材料からなる表面を有することを特徴とする、請求項３〜７のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記面（６，７）及び／又は前記少なくとも一つのバフル（１０，１１）が、金属化表面または金属化表面被覆を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置を有するレーザーブース。
13. 外側レーザー保護壁（２）と、機械加工すべき被加工物のための凹部を有するターンテーブル（３）とを有し、前記ターンテーブルと共に回転するレーザー保護壁（２０）が、前記ターンテーブル（３）上に配置され、遮蔽装置が、その側方外縁領域に配置されている、ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザーブース。
14. 前記ターンテーブルと共に回転する前記レーザー保護壁（２０）の少なくとも一方の側方外縁領域及び／又は少なくとも一方の水平方向に延びる外縁領域に、前記隣接するレーザー保護壁（２）自体と共に、またはその壁に配置された固定面（７）と共に、互いへ収束し合う面を形成する面（６）が存在する、ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザーブース。
15. コヒーレントな電磁放射を遮蔽するための、請求項１３〜９のいずれか１項に記載の装置の使用。

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