(57)【要約】【課題】  レーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることのできる放射出力フィードバックセンサを提供する。【解決手段】  放射出力フィードバックセンサ１０は、光ファイバー束１２の出力を検出する。この光ファイバー束１２は、レーザーから発生する放射エネルギーを伝えるためにほぼ放射軸上に配置されている。隔板２２は光ファイバー束１２に囲まれるようにして、その内部に配置されている。隔板２２は放射エネルギーを通過させることができる。光検出器２４は隔板２２に隣接して配置され、隔板２２を通過する放射エネルギーの測定強度に対応した信号を出力することができる。さらに、光検出器２４の周囲に光ファイバー束１２が配置されていることによって、より多くの各光ファイバー線を光検出器２４にさらすことができ、これによって、レーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射エネルギーの移送軸に対してほぼ放射状に配置された光ファイバー束の出力を検出するためのセンサであって、
上記光ファイバー束の内部において、当該光ファイバー束によって取り囲まれるようにして配置され、放射エネルギーを通過させることが可能な隔板と、
上記隔板に隣接し、上記隔板を通過した放射エネルギーの測定強度に応じて信号を出力する光検出器とを備えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
上記隔板は、上記光ファイバー束の軸とほぼ同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
上記隔板は第１の端部および第２の端部を有し、上記第１の端部は隔板周囲に上記光ファイバー束を滑らかに配置することができるようにテーパー形状をしていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
上記第２の端部は受信用の穴を有し、上記受信用の穴は、内部に上記光検出器を収容可能な大きさに形成されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
上記受信用の穴は、光検出器とともにプレス嵌めされて大きさが決められていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
上記光検出器に操作可能に接続され、上記光検出器からの信号を受信する制御装置がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
上記光検出器は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電管の何れかを主として含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
上記隔板は、プラスチック、ガラス、ポリカーボネートの何れかを主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
軸に対してほぼ放射状に配置された複数の光ファイバーから構成され、放射エネルギーを通過させて移送することが可能な光ファイバー束と、
上記光ファイバー束の内部において、複数の各光ファイバーによって取り囲まれるようにして配置され、放射エネルギーを通過させることが可能な隔板と、
上記隔板に隣接し、上記隔板を通過した放射エネルギーの測定強度に応じて信号を出力する光検出器とから構成されるセンサ組み立て部品。
【請求項１０】
上記隔板は、上記光ファイバー束の軸とほぼ同軸上に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１１】
上記隔板は第１の端部および第２の端部を有し、上記第１の端部は複数の各光ファイバーを隔板周囲に滑らかに配置することができるようにテーパー形状をしていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１２】
上記第２の端部は受信用の穴を有し、上記受信用の穴は、内部に上記光検出器を収容可能な大きさに形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１３】
上記受信用の穴は、光検出器とともにプレス嵌めされて大きさが決められていることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１４】
上記光検出器に操作可能に接続され、上記光検出器からの信号を受信する制御装置がさらに設けられていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１５】
上記光検出器は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電管の何れかを主として含んで構成されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１６】
上記隔板は、プラスチック、ガラス、ポリカーボネートの何れかを主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ組み立て部品。
【請求項１７】
放射エネルギーを出力するレーザーと、
軸に対してほぼ放射状に配置された複数の光ファイバーから構成され、放射エネルギーを通過させて移送するために上記レーザーと接続された光ファイバー束と、
上記光ファイバー束の内部において、複数の各光ファイバーによって取り囲まれるようにして配置され、放射エネルギーを通過させることが可能な隔板と、
上記隔板に隣接して配置され、上記レーザーの出力レベルを決定するために、上記隔板を通過した放射エネルギーの測定強度に応じて信号を出力する光検出器と、
上記光検出器に操作可能に接続され、上記光検出器からの信号を受信する制御装置とを含んで構成されるレーザー組み立て部品。
【請求項１８】
上記隔板は、上記光ファイバー束の軸とほぼ同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザー組み立て部品。
【請求項１９】
上記隔板は第１の端部および第２の端部を有し、上記第１の端部は複数の各光ファイバーを隔板周囲に滑らかに配置することができるようにテーパー形状をしていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザー組み立て部品。
【請求項２０】
上記第２の端部は受信用の穴を有し、上記受信用の穴は、内部に上記光検出器を収容可能な大きさになっていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー組み立て部品。
【請求項２１】
上記光検出器は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電管の何れかを主として含んで構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザー組み立て部品。
【請求項２２】
上記隔板は、プラスチック、ガラス、ポリカーボネートの何れかを主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザー組み立て部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く言えば溶接に関するものであり、より具体的に言えば、レーザービームの出力を測定するための改良された装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザー溶接は、自動車の熱可塑性部などのようなプラスチックや樹脂の部分を溶接するため用いられる。米国特許第４，６３６，６０９号明細書には、レーザーをこの用途に使用した一例が記載されている。上記米国特許第４，６３６，６０９号明細書は、参照することによってここに組み込まれる。
【０００３】
よく知られているように、レーザーは、干渉性単色放射のような焦点の合わせられた特定の周波数の電磁放射光束（ビーム）である。レーザーには多種の有用なものが存在するが、溶接部の加熱に用いられる赤外線レーザーあるいは非干渉性のエネルギー源は、比較的安価な放射エネルギー源である。赤外線溶接の特別な例として、通過伝送赤外線溶接（ＴＴＩＲ：Through-Transmission Infrared Welding）が知られている。ＴＴＩＲ溶接は、光ファイバー、導波管、あるいは、光導波路によって第１のプラスチック部分から第２のプラスチック部分へと送られる赤外線放射を発生させることのできる赤外線レーザーを使用する。この第１のプラスチック部分は、一般にレーザー（レーザー光源）から出射されたレーザー光束を通過させることから、しばしば伝送片と呼ばれる。一方、上記第２のプラスチック部分は、一般にレーザービームの放射エネルギーを吸収して溶接箇所において熱を発生させることから、しばしば吸収片と呼ばれる。溶接箇所におけるこの発熱によって、上記伝送片と上記吸収片とは溶けて互いに溶接される。
【０００４】
溶接工程中、レーザーの出力を調節したり、あるいは少なくとも測定したりするために、レーザー強度に関連した正確なフィードバック情報を獲得することが重要となる場合が多い。操作者や作業者に充分な情報を与えるために、レーザービームの真の強度は、上記の情報によって正確に示されなければならない。しかしながら、ＴＴＩＲプランジ溶接では溶接箇所全体が同時に発光するため、従来のビームスプリッターを用いて光ファイバー束を出た後の溶接表面においてレーザー強度を測定することは不可能である。それに加え、レーザーダイオードと光ファイバー束との間においては予測不可能な結合損失が生じるため、光ファイバー光束に入る前のレーザーダイオードの出力光は、その強度を代表するものではなく、それを測定することは信頼性に欠ける。それゆえ、信頼性の高いレーザービームのサンプル採取は、レーザービームが光ファイバー光束を通過している間にのみ実施されなければならない。
【特許文献１】米国特許第４,６３６,６０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、残念ながらレーザーダイオードからのレーザー光の配分は均等ではない。それゆえ、束を構成する個々の光ファイバーにおけるレーザー光強度は、本質的に差がある。そのため、一本の光ファイバーにおける光強度は、光ファイバー束全体の光強度を代表するものではない。理想的には、あらゆるセンサによって得られるフィードバック情報は、各ファイバーの全てをまとめた束から得られることが望ましく、これによれば、個々のファイバー間に存在する差を排除することができるであろう。統計的には、サンプルとして抽出されるファイバーの数が多くなるほど、フィードバック情報（すなわち、測定出力）と真の出力との間の差は小さくなる。図４を参照すれば、サンプルの母集団と、その一様性に５０％の差があるレーザービーム入力に対する測定出力と真の出力との差との関係が示されている。
【０００６】
過去の試みでは、フォトダイオード母集団の少ないファイバーをフォトダイオードへフィードバックすることは、測定出力と真の出力との差があまりにも大きすぎるために不成功の場合があった。さらに、関連技術においては、レーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることができ、かつ、出力測定に使用されていなければ溶接に使用することができるであろうエネルギーの消費をなくした装置を提供する必要がある。そしてさらに、関連技術においては、従来技術の欠点を克服することのできる装置およびその使用方法を提供する必要がある。
【０００７】
すなわち、本発明では、レーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることができ、レーザー出力を正確に検出することのできるセンサ（検出装置）を提供する。さらに本発明では、本来溶接に使用されるべきエネルギーが出力測定によって消費されることを防ぐ検出装置や、従来技術の欠点を克服することのできるセンサおよびその使用方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる放射出力（radial power）フィードバックセンサは、光ファイバー束の出力を正確に検出するというものである。一般に上記光ファイバー束は、レーザーから発生する放射エネルギーを伝えるためにほぼ放射軸上に配置される。光ファイバー束の内部には隔板（スペーサー）が配置されており、通常光ファイバー束は上記隔板を取り囲んでいる。上記隔板は放射エネルギーを通過させることができる。光検出器は上記隔板に隣接して配置され、隔板を通過する放射エネルギーの測定強度に応じて信号を出力できるようになっている。このように、上記光検出器を取り囲むように光ファイバー束が配置されていることによって、より多くの光ファイバー線が光検出器にさらされ、これによってレーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることができる。
【０００９】
本発明のさらなる適用領域は、以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。以下の詳細な説明および実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、本発明の例示のみを目的とするものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１０】
本発明は、以下の実施形態、および、添付の図面からより完全に理解することができるであろう。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明のセンサによれば、レーザーの測定出力と真の出力との差を小さくすることができ、レーザー出力を正確に検出することができる。さらに、本発明のセンサは、レーザー出力測定によって溶接に使用されるべき放射エネルギーが消費されることを防止することができるという効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に説明する本発明の実施形態は、本発明の代表的な一例を示すものであって、本発明およびその適用範囲を何ら限定するものではない。
【００１３】
図面には、本発明にかかる放射出力フィードバックセンサ１０が示される。放射出力フィードバックセンサ１０は、赤外線レーザー１４のレーザー出力強度を測定するために、光ファイバー束１２の内部に配置されている。より具体的には、図１および図２に示すように、光ファイバー束１２は放射エネルギーを伝送するために赤外線レーザー１４に接続されている。なお、本発明の放射出力フィードバックセンサは、赤外線レーザーへの使用に限定されるべきではない。本発明の利点は、どのような従来のレーザー装置と使用しても得られるものである。
【００１４】
光ファイバー束１２は、通常複数のくぼみを有しており、各光ファイバー１６は軸Ａに対して放射方向に配置されている。従来の方法のように、複数の光ファイバー１６はそれぞれ、赤外線レーザー１４のレーザービーム出力の少なくとも一部を、第１の端部１８から第２の端部２０へ通過させることができる。上記各光ファイバー１６は柔軟性を有している。
【００１５】
図１〜３に示すように、放射出力フィードバックセンサ１０は、隔板２２および光検出器２４を備えていることが好ましい。隔板２２は、透明あるいは半透明の素材で構成され、光ファイバー束１２を構成する複数の各光ファイバー１６の中心部に配置可能なように円筒形状であることが好ましい。隔板２２は、光ファイバー束１２の軸Ａに対して均一に配された複数の光ファイバー１６の一つ一つを保持している。これにより、多数の光ファイバー１６が隔板２２の内部から等しく見えるような状態となっている。光検出器２４は、光ファイバー束１２の軸Ａに沿って隔板２２の一方の端部に配置されている。光検出器２４は、各光ファイバー１６の被覆から漏れ出した高角度の光の量を測定し、制御装置、コンピューター、読み出し表示装置などのような装置２６へ信号を出力する。多数の各光ファイバー１６からの光が、光検出器２４によって検知されるため、光検出器２４によって測定された出力と、光ファイバー束１２の第２の端部２０における真の出力との差は小さくなる。
【００１６】
図１〜３に示すように、隔板２２は第１の端部２８において先が次第に細くなるテーパー形状となっていることが好ましい。これによって、隔板２２および光検出器２４周囲の複数の各光ファイバー１６の撓みを滑らかにすることができる。それに加え、隔板２２は、光検出器２４に適合するように輪郭が形成された第２の端部３０をさらに有していることが好ましい。本実施の形態においては、光検出器２４は、隔板２２の第２の端部３０に形成された受信用の穴（a receiving bore）３２内に配置されている。この受信用の穴３２は、圧入連結（プレス嵌め連結）などによって、光検出器２４を内部に正確かつ確実に保持できるように、光検出器２４の形状にきっちりと合わせられている。しかしながら、第２の端部３０の形状は、光検出器２４の操作を容易にするために、光検出器２４を保持したり、あるいは、少なくとも光検出器２４と連結したりするのに役立つような形状であれば、どのような形状のものでも使用可能であることは認識すべき事項ある。例えば、第２の端部３０は、光検出器２４において光エネルギーを集中させるのに役立つような外形を有するものであってもよい。
【００１７】
隔板２２は、検出されるべき光を伝送する、ポリカーボネート、プラスチック、ガラスなどのような透明な素材で形成されていることが好ましい。有効性が広い点や、価格が安いという点から、透明プラスチックが好ましい。また、隔板２２は、透明であっても半透明であってもよいが、より高い比率で光の検出を行えるという点で、透明のものがより好ましい。隔板２２は、中身の詰まったものであっても、中空のものであってよいが、本実施の形態では、光検出器２４へ簡単に取り付けられるように、中身の詰まったものを用いている。
【００１８】
光検出器２４には、測定した光強度に応じて種々の信号を出力することのできる光検出器であれば、どのようなものでも用いることができる。光検出器２４としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電管などを用いることができる。しかしながら、全般の信号に対する応答性を有するという点で、フォトダイオードを用いることが最も好ましい。放射出力フィードバックセンサ１０は、隔板２２と光検出器２４とを種々に組み合わせて構成することができ、そして、同様の方法で、光ファイバー束１２を構成している多数の各光ファイバー線１６を、光検出器２４によって検出可能に配置することができる。
【００１９】
さらに、図１〜３に示すように、複数の各光ファイバー１６は、軸Ａに対してほぼ平行かつ放射状に配置されている。しかしながら、複数の各光ファイバー１６は、隔板２２および／または光検出器２４の関係で、それ以外の方向に配置されていてもよい。例えば、上記複数の各光ファイバー１６は、軸Ａに対して垂直に配置されており、複数の各光ファイバー１６の被覆から漏れ出した高角度の光の量の測定を容易にするようなものであってもよい。
【００２０】
複数の各光ファイバー１６が放射出力フィードバックセンサ１０に配置されている場合、この複数の各光ファイバー１６は、光検出器２４によって均等に検出されるために、隔板２２および光検出器２４の周囲に対して完全な円形の小さな一部分のみを占めることが必要とされる。しかしながら、あらゆる特定の幾何学的形状において検出領域を最大にするためには、各光ファイバー１６は、隔板２２の周囲全体を取り囲むように配置されていることが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、放射出力フィードバックセンサ１０は、光ファイバー束１２によって伝送される光の総量を、光量を損失させることなく測定することができる。光ファイバー束１２の内部における隔板２２および光検出器２４の構成によれば、光検出器２４によって検出することのできる各光ファイバー１６の数をより多くすることができる。本発明によれば、光検出器２４によって検出される各光ファイバー１６の数が多いため、レーザー１４の測定出力と真の出力との差を、従来の方法よりも大幅に縮めることができる。それに加え、出力の検出は光ファイバー束１２の内部において行われるため、光ファイバー束１２の端部においてフィードバック検出器用の領域を確保する必要がなくなる。これによって、ＴＴＩＲプランジ溶接システムにおいて、機械設備の融通性を高めることができる。本実施の形態にかかる放射出力フィードバックセンサ１０は、より優れた検知位置において検出を行えば、より正確な検出を行うことができる。８６００本の光ファイバーのうち１６００本の目に見える光ファイバーを有する（すなわち、１６００本の光ファイバが光検出器の周囲に検出可能に配置された）、１／２”（１／２インチ）の放射出力フィードバックセンサを用いた非限定の実施例においては、測定出力と真の出力との差を４．５％にすることが確認されている。
【００２２】
本発明に関する上述の説明は、本発明の本質を理解するための例示に過ぎず、本発明の範囲内で本発明の要旨から外れない種々の変形例が考えられる。このような変形例は、本発明の精神および本発明の範囲から逸脱するものと見なされるべきではない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明のセンサによれば、レーザー溶接中のレーザーの出力を正確に測定することができるため、溶接中のレーザー出力を容易かつ確実に調節することができるようになる。それゆえ、レーザー溶接の分野において有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の基本原理に基づく放射出力フィードバックセンサを示すものであって、光ファイバー束内部に配置されている放射出力フィードバックセンサを示す側面図である。
【図２】放射出力フィードバックセンサおよび光ファイバー束を明確に示すために、その一部分を取り除いた場合の透視図である。
【図３】図１に示す放射出力フィードバックセンサにおける３−３線矢視断面図である。
【図４】一様性に５０％の差がある入力に対するセンサーパワー信号と真の光ファイバー束出力との間の統計的な差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  放射出力フィードバックセンサ（センサ）
１２  光ファイバー束
１４  赤外線レーザー
１６  各光ファイバー
１８  第１の端部
２０  第２の端部
２２  隔板
２４  光検出器
２６  装置（制御装置）
３２  受信用の穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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